[기계공학실험]PMW를 이용한 스텝모터제어

실험 목적

스테핑 모터란 Step에 의해 구동되는 모터이다. 4개의 모터상이 있어서 한 스텝 한 스텝 진행하면서 모터가 회전하는 것이다. 한 스텝 당 보통 1.8°씩 회전한다. 스테핑 모터는 AC servo, DC servo 모터에 비하여 값이 싸고 정확한 각도 제어에 유리하여 우리 주위에서 쉽게 정확한 각도 제어에 유리하여 우리 주위에서 쉽게 접할 수 있다.

스테핑 모터는 pulse에 의해 digital적으로 제어하는 것이 가능하므로 마이크로 컨트롤러에서 사용하기에 적합한 모터이다. 스테핑 모터는 다른 모터와 달리 모터의 위치를 검출하기 위한 feedback없이, 정해진 각도를 회전하고, 상당히 높은 정확도로 정지할 수 있다. 그리고 system에 적용된 뒤에도 초기 성능이 만족되어있으면, 갱년 변화가 적고, 보수가 용이하며, 매우 신뢰성이 높은 system을 구성할 수 있다. 또 다른 모터에 비해 정지 시 매우 큰 유지 토크(정지 토크)가 있기 때문에 전자 브레이크 등의 유지 기구를 필요로 하지 않는다. 회전 속도에 있어서도 스테핑 모터에 부여하는 pulse rate에 비례하므로 임으로 제어할 수 있다.

 

본 실험에서는 PWM을 이용해서 스텝모터를 구동해 보고, 주파수의 변화에 따른 모터의 동작특성을 관찰하며 이론적 특성과 실험적 결과를 비교 검증해보고자 한다. 그리고 포토센서를 이용하여 대략적인 모터의 속도를 측정해 본다.

 

실험 이론 및 원리

1. 실험 요약

1) 큐블록을 이용하여 PWM 신호 발생을 확인한다.

2) 생성된 PWM 신호를 모터드라이브에 입력해서 동작시킨다.

3) PWM 신호의 변화에 따라 모터의 동작 특성을 파악한다.

4) 포토센서를 이용하여 모터의 속도를 측정한다.

 

2. 실험 배경

PWM (Pulse Width Modulation)은 펄스 폭 변조라고 한다. 펄스 폭을 전송하고자 하는 신호에 따라 변화시키는 변조 방식을 PWM방식이라 하며, 모터제어나 전압제어에 많이 사용된다. 여기서 펄스란 짧은 시간동안 생기는 진동 현상과 같은 것으로, 평상시 0이란 값으로 있다가 짧은 시간 1의 값을 가지는 경우를 생각하면 되겠다. 다음에 펄스와 펄스 폭을 그림으로 설명한다.

펄스폭 변조(PWM)은 다음의 그림과 같이, PWM주기 안에서의 펄스 폭으로 신호의 값을 나타내는 것이다. 이때, 그림의 수치는 전체 PWM 주기와 펄스 폭의 비율을 퍼센트로 표시한 것이다.

 

본 실험에서는 스테핑 모터와 모터드라이브를 이용하여 모터 구동을 해보고 주파수 변화에 따른 모터구동 특성을 알아본다.

 

3. 스테핑 모터의 적용 예

입력 펄스 수에 대응하여 일정 각도씩 움직이는 모터로, 펄스 모터 혹은 스텝모터라고도 한다. 입력 펄스 수와 회전각도가 완전히 비례하므로 회전 각도를 정확하게 제어할 수 있다. 이런 특징 때문에 NC공작기계나 산업용 로봇, 프린터나 복사기 등의 OA기기에 사용된다. 메카트로닉스 기계에서 중요한 전기 모터의 한가지이다. 특히 선형운동을 하는 모터를 리니어 스테핑모터라 한다.

‘춤추는 로봇’ 이라는 Robot Builder KIT 이 있다. 컴퓨터의 프로그램을 통하여 펄스 신호를 주어서 작동하게 되는 모터로써 무한정 단방향으로 움직이기만 하는 모터가 아니고 Input의 신호에 따라서 어느 각도만큼, 어느 시간동안 회전하느냐를 정할 수 있다. 그렇기에 그 모터를 사람의 관절이라 생각하며 로봇의 마디별로 장착을 하여 신호를 통해 여러 개의 모터를 동시에 조작하게 되면 특정한 움직임을 보이는 로봇이 된다. 

그렇기에 관절에 들어가는 스텝모터의 개수별로 로봇의 자유도가 늘어나고 그만큼 더욱더 유연한 움직임을 가질 수 있다. 이 모터가 개발이 됨으로써 걸어 다니는 로봇역시 생산될 수 있고, 가장 가까이 볼 수 있는 예로는 주차장 출입차단기 이다. 센서를 통해 신호를 받으면 몇 도의 각도로 얼마만큼의 움직임을 제어하게 되는 것이다.

이렇듯 모터를 이용하여 자동화 기계에 프로그램을 통해서 자동제어를 할 수 있다. 그렇기에 미래 산업에 있어서 반드시 필요한 연구이다. 더욱더 세부적이고 정확한 제어를 통하여 의료기계의 섬세한 움직임까지도 제어할 수 있는 시대가 열릴 것으로 예상한다.

 

실험 결과

1. 결과 data

주기	주기를 이용하여 계산한 주파수	포토센서를 이용하여 측정한 모터속도
7500	≒ 370 Hz	60 rpm
2900	≒ 790 Hz	120 rpm
2100	≒ 1100 Hz	180 rpm
1300	≒ 1720 Hz	240 rpm
1100	≒ 2150 Hz	300 rpm

토의 사항

1. 실험 고찰

컴퓨터를 이용한 프로그래밍으로 가장 기본적인 모터의 회전을 통하여 변화하는 주기에 따른 측정되는 주파수를 기록하는 실험이었다. 주기가 7500에서 2900까지 순식간에 감소하는 동안 주파수와 회전수는 어느 정도 일정한 기울기로 증가하였다. 그것으로 보면 위 실험그래프는 2차함수의 그래프와 비슷한 형상을 그리고 있다. 그리고 모터의 한스텝당 1.8′ 회전하기에 같은 차원으로 변화하여 그래프를 통하여 비교해보면은 얼추 비슷한 형태를 그리고 있다. 

그러나 프로그램을 통해서 모터의 주기에 따라 회전속도(rpm) 이 조금 더 자세히 나오면 실험값과 이론값의 오차를 더욱더 줄일 수 있을 것이다. 그리고 PWM의 주기가 짧아지면 펄스폭 역시 작아 질 것이고, 주기가 길어지면 펄스폭 역시 커질 것이다. 모터의 스텝을 더욱더 작게 하면 펄스를 통해 디지털적인 회전으로 제어하는 마이크로 컨트롤러의 움직임을 더욱 세밀하게 조정할 수 있을 것이다.