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[기고] 지능적인 알고리즘을 사용한 스텝퍼 모터 성능 향상 (2)

  • 등록 2019.03.22 18:00:11
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[첨단 헬로티]


특정한 전류 레벨을 발생시키는 것은 주로 펄스 폭 변조(PWM) 쵸핑 기법을 사용해서 한다. 2개 전력 트랜지스터 쌍으로 이루어진 H 브리지가 모터 코일로 쵸핑 전류를 제공한다. 쵸핑 전류가 해당 마이크로스텝으로 임계값에 도달하면 구동 전류가 중단된다. 이 지점에 도달한 후에는 전류가 감쇠되기 시작한다. 이러한 감쇠 형태는 H 브리지의 동작에 의해서 결정된다.


그림 2a: 빠른 감쇠일 때 H 브리지 전류 흐름 (출처 : 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments))



그림 2b: 느린 감쇠일 때 H 브리지 전류 흐름 (출처 : 텍사스 인스트루먼트)


느린 감쇠일 때는 양쪽 하측 전력 트랜지스터를 통해서 전류가 재순환된다. 느린 감쇠일 때 문제점은, 모터를 구동하기 위해서 필요한 전류 양을 제한할 수 있다는 것이다. 빠른 감쇠는 H 브리지를 통해서 코일 권선 전압이 거꾸로 흐르게 해서 전류를 빠르게 떨어트린다. 하지만 대신에 높은 리플 전류를 일으킴으로써 효율을 떨어트릴 수 있으며 해당 모터로 높은 전류 레벨을 필요로 하는 경우에는 적합하지 않을 수 있다.


그림 3: 빠른 감쇠, 느린 감쇠, 혼합적 감쇠일 때 전류 감쇠 양상 (출처 : 텍사스 인스트루먼트)


혼합적 감쇠는 빠른 감쇠와 느린 감쇠를 결합한 것이다. 먼저 빠른 감쇠로 시작했다가 일정 지점에서 느린 감쇠로 전환한다. 이 방법은 대부분의 마이크로스텝핑 상황에 사용할 수 있는데, 사용하고자 하는 해당 모터에 따라서 제어 알고리즘을 최적화해야 한다. 이러한 튜닝은 부하 전류 크기, 전원 전압, 스텝핑 비율에 따라서 할 수 있다. 부하 전류가 낮으면 부하 전류가 높을 때와 비교해서 빠른 감쇠와 느린 감쇠를 다르게 조합해야 한다.


가장 좋은 방법은, 특정한 마이크로스텝핑 시퀀스로 고정적인 감쇠 비율로 사이클링을 하고 오실로스코프로 전류 프로파일을 관찰해서 선택하는 것이다. 고정적 감쇠의 단점은, 변화되는 조건에 따라서 적응식으로 작동할 수 없다는 것이다. 보통의 동작은 역 EMF(electromotive force)와 마이크로스텝핑 비율 같은 파라미터들이 변화하는 것에 따라서 전류와 전압이 역동적으로 변화한다.


높은 스텝 비율을 달성하는 것은 느린 감쇠에 대해서 빠른 감쇠의 비율을 높게 함으로써 달성할 수 있는데, 높은 스텝 비율로 최적화를 하면 모터가 스텝을 유지하거나 스텝들 간에 느리게 움직일 때 전류로 과도한 리플을 발생시킬 수 있다. 배터리로 작동되는 시스템의 경우에는 배터리 충전이 고갈되어 감에 따라서 배터리로부터 공급되는 전압이 약해질 것이다. 이것을 적절히 레귤레이트 하지 않으면 모터로 인가되는 전압이 떨어질 것이다. 또한 모터가 노후화됨에 따라서 초기의 감쇠 프로파일이 점차 부적합해질 수 있다.


이에 대한 해결책이 모터로 변화되는 조건에 따라서 적응식으로 작동할 수 있는 알고리즘을 사용하는 것이다. 스텝 단위로 스텝핑 명령과 PWM 동작에 따라서 감쇠 전환 지점을 어디로 할지 판단할 수 있다. 매 PWM 사이클에 컨트롤러가 특정 지점에서 H 브리지를 전환한다. 적응식 튜닝은 이 전환 지점을 기억하고 이를 토대로 다음 스텝의 빠른 감쇠-느린 감쇠 비율을 계산한다.


스텝 명령을 모니터링해서 모터의 요구에 따라서 빠른 감쇠의 비율을 늘리거나 줄일 수 있다. 모터가 속도가 느려지는 것에 따라서 빠른 감쇠의 양을 줄일 수 있다.


이러한 알고리즘을 마이크로컨트롤러 펌웨어로 구현하거나, 또 아니면 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)의 DRV8846 같이 이미 내부적으로 포함하고 있는 스텝퍼 모터 컨트롤러 제품을 사용할 수도 있다. DRV8846에 사용된 적응식 감쇠 기법은 전원 전압, 부하 인덕턴스, 부하 저항, 역 EMF, 전류 크기에 따라서 자동으로 보정한다.


DRV8846은 적응식 감쇠 기법을 사용함으로써 감쇠 비율을 설정하기 위해서 필요한 제어 핀이 더 이상 필요하지 않다. 그러므로 패키지 비용을 낮출 수 있다. 또한 이 알고리즘은 느린 감쇠를 되도록 많이 사용하도록 설계됨으로써 좀더 전력 효율적인 디자인을 달성할 수 있다. 이것은 전류가 하측 전력 트랜지스터를 통해서만 흐르기 때문이다. 이렇게 하는 것이 H 브리지를 거꾸로 스위칭하는 것보다 더 효율적이다.


적응식 감쇠 제어를 적용한 또 다른 제품으로서 ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics)의 L6472에 사용된 방법은 상승 및 하강 스텝으로 PWM 전환 신호를 모니터링해서 각각의 마이크로스텝으로 이 전환이 정해진 최소 지점 전에 일어나는지 후에 일어나는지를 판단하는 것이다. 만약에 이 최소 지점 전에 전류 임계값에 도달하면 지정된 최대 빠른 감쇠 지점에 도달할 때까지 정상적인 느린 감쇠가 아니라 빠른 감쇠를 사용한다. 일련의 상승 스텝에 걸쳐서 두 개의 빠른 감쇠가 만나면, 모터가 정지하거나 사인파 영점을 교차할 때까지 빠른 감쇠를 계속한다.


하강 스텝일 때는 먼저 빠른 감쇠를 사용해서 되도록 빨리 목표 레벨에 도달한다. 하지만 강한 리플 전류가 형성되는 것을 막기 위해서 시간이 경과함에 따라서 빠른 감쇠 임계값을 높여서 점차 느린 감쇠로 전환한다. 전류 요구량이 변화해서 빠른 감쇠가 필요하게 될 때까지 그렇게 한다. 이런 식으로 빠른 감쇠와 느린 감쇠를 계속적으로 조절한다.


스텝퍼 모터 코일로 전류 감쇠를 지능적으로 제어함으로써 마이크로스텝핑의 매끄러운 모션 프로파일을 활용할 수 있으며 전압 같은 동작 조건이 변화되는 것뿐만 아니라 노후화에 따라서도 적응식으로 작동할 수 있다.



글 / 마크 패트릭(Mark Patrick) 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)










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