스텝 모터는 고정자 와인딩에 흐르는 전류의 방향을 전환하는 방식으로 동작하기 때문에 모터의 회전력과 모터 속도를 제어하기 위해 코일에 흐르는 전류를 제어해야 한다. 이 글은 풀 스텝 모드, 하프 스텝 모드, 마이크로 스텝 모드로 구동되는 스텝 모터와 관련하여 디지털 모터 컨트롤과 같은 새로운 기술 발전에 대해서 기술한다.
스텝 모터 드라이버 설계에서 가장 중요한 요건은 매끄러운 동작과 고효율성이다. 스텝 모터를 단순하게 표현하면 다음과 같다. 회전자(rotor)에 영구 자석을, 그리고 고정자(stator)에 두 개의 코일을 가지고 있는 스텝 모터는 고정자 와인딩에 흐르는 전류의 방향을 전환(switching)하는 방식으로 동작한다.
전류의 방향 전환은 고정자의 자계를 변화시키고 회전자는 고정자와 정렬하기 위해 움직이게 된다. 전류가 전환할 때마다 모터는 한 단계씩 이동한다.
따라서 스텝 모터는 모터의 회전력(토크)과 모터 속도를 제어하기 위해 코일에 흐르는 전류를 제어해야 한다. 이 글은 풀 스텝 모드, 하프 스텝 모드, 마이크로 스텝(micro-stepping) 모드로 구동되는 스텝 모터와 관련하여 디지털 모터 컨트롤과 같은 새로운 기술 발전에 대해서 기술한다.
기존 방식인 전류 모드 제어(Current Mode Control)는 원하는 전류를 얻기 위해 모터에 흐르는 전류를 감지하고 컨트롤러 칩에 피드백을 제공하여 코일의 전류를 증가시킬 것인지 또는 감소시킬 것인지를 결정하는 것이다.
이를 통해 다양한 속도와 전력 공급 전압 변동에서도 원하는 토크를 유지할 수 있으며, 풀 스텝 및 하프 스텝 구동에 적합하고 구현 또한 쉽다.
폐루프(closed-loop)에 의해 코일에 전류가 흐르지만 역기전력(BEMF, Back Electromotive Force)때문에 지연도 발생한다. BEMF는 코일을 통과하는 전압을 감소시키기 때문에 코일에서 일정 전류에 도달하는 시간은 더욱 길어진다.
이렇게 BEMF는 모터 속도를 제한 할 수 있다. 그래서 시스템이 반드시 BEMF 값을 알아야 할 필요는 없지만, 이에 대해 모르거나 보충하지 않으면 시스템 실행을 지연시킬 수 있다.
최근까지 엔지니어들은 전원전압의 편차로 발생하는 피크 전류의 변동이 심한 문제로 인해 전압모드를 꺼려해 왔다. 또한 모터속도가 빨라지면 증가하는 모터의 BEMF도 피하고자 했다.
이러한 이유에서 BEMF를 보상하기 위한 스마트 시스템인 전압 모드 제어(Voltage Mode Control)가 필요해 보인다. 이 구동 방식은 더욱 매끄러운 작동과 개선된 마이크로스테핑 레졸루션을 달성할 수 있어 정밀한 위치결정과 낮은 기계 소음이 필수인 애플리케이션에 이상적이다.
이는 개루프 제어(open-loop control) 방식으로, 정현파 전압이 모터 위상에 부과되면 전기기계식 시스템이 정현파 전류로 반응한다.
BEMF와 피크 전류 편차 모두 디지털 방식으로 보상될 수 있다. 모터의 정확한 특성(모터 인덕턴스 vs 속도, BEMF vs 속도, 모터 저항)을 염두하여 정확한 전류에 이르도록 전압을 계산 및 인가한다.
전압 모드 제어에서는 모터에 정전류를 부과하는 대신에 전압을 가한다. 가해진 전압 값은 BEMF의 영향을 보상하고 완전히 제거한다. 모터에 가하는 전압은 BEMF가 모터 속도에 따라 상승하는 만큼 동일한 비율로 상승하며 속도 곡선 대비 일정한 전류 진폭을 제공한다.
원하는 전류를 알면, 그 전류를 달성하는 데 필요한 전압의 정확한 값을 결정할 수 있다. 따라서 전류는 전압에 의해 간접적으로 제어된다 (그림 1).
그림 1. 역기전력(BEMF) 보상 기능에 따른 전류 변동
전압 모드 제어에서는 션트 저항이 필요 없다. 토크 리플이 현저히 낮아지고 높은 수준의 마이크로스텝으로 인해 현저히 감소한 토크 리플과 높은 마이크로스텝 레졸루션이 가능하다.
실제로 ST마이크로일렉트로닉스가 제공하는 디바이스 L6470로 최대 128 마이크로스텝을 구현할 수 있다.
새로운 디지털 모터 드라이버의 핵심은 디지털 모션 엔진(DME, Digital Motion Engine)인데, 이로 인해 MCU 소모를 줄일 수 있다.
DME는 절대 좌표 요청과 같은 거동 명령(behavioral commands)을 통해 제어되며 사용자가 정의한 속도 프로파일 기준에 맞추어 움직임을 수행하도록 모터를 구동한다. 명령은 상대/절대 좌표(목표 위치 도달), 속도 추적(목표 속도 도달 및 유지), 모터 정지 시퀀스로 구성된다. 기계식 위치 센서를 관리하는 특정 명령도 사용할 수 있다. 그림 2는 이러한 명령의 예를 볼 수 있다.
그림 2. 다양한 명령들
이 디바이스들은 데이지 체인 기능을 탑재한 고속 SPI 인터페이스를 통해 호스트 MCU와 통신할 수 있다. 또한 그림 3에 나타낸 바와 같이, MCU 한 개가 다수의 디바이스를 관리할 수 있기 때문에 단일 시리얼 인터페이스를 사용하여 스텝 모터 여러 개를 관리할 수 있다. 보상을 위한 다른 요소들에는 위상 전류(phase current), 위상 저항(phase resistance), 모터 공급 전압 등이 있다.
그림 3. SPI 인터페이스를 통해 데이지 체인으로 디바이스 연결
모터가 가열되면 위상 저항에 변화가 생겨 직접적으로 위상 전류에 영향을 미칠 수 있는데, KTHERM 설정은 이러한 바람직하지 않은 동작을 보상하기 위해 사용된다. MCU의 소프트웨어가 모터 온도 상승을 모니터하고 KTHERM 값을 계산할 수 있다.
그림 4는 이 개념을 설명한다.
그림 4. 위상 저항 변동의 보상
비정류 전원공급장치(unregulated power supply)에서는 모터 드라이버 회로에 공급되는 전압에 상당 양의 리플이 있을 수 있다. 공급 전압이 바뀜에 따라 모터 전류도 바뀐다. 공급 전압에 리플이 상당한 경우, 모터 전류가 매우 낮게 떨어지면 모터가 멈출(stall) 위험이 있다.
따라서 그림 4에 나타난 바와 같이 전력 공급 변동에 대한 보상이 필요하다. L6470을 일례로 들었다. 내부 ADC가 전원전압을 측정하고 나서, 디지털 코어에 구현된 알고리즘이 공급 전압 변동에 대해 일정한 출력 전압을 유지하도록 PWM 듀티 사이클에 적용될 적정 보상 계수를 계산한다.
그림 5는 이 개념을 그림으로 보여준다.
그림 5. 공급 전압 보상
그림 6. L6470 블록 다이어그램
그림 7. L6482 블록 다이어그램
ST마이크로일렉트로닉스도 동일한 디지털 모션 엔진(DME) 접근법을 전류 제어 드라이버에 적용하여 설계 엔지니어들에게 디지털 모션 제어의 완벽한 포트폴리오를 제공하고 있다.
이러한 혁신 기술을 적용한 모터 드라이버가 L6470과 L6472이다. L6470은 전압 모드 디바이스인 반면, L6472는 전류 제어 디바이스이다.
L6470은 최대 128 마이크로스텝의 정밀도를 제공한다. L6480과 L6482는 독립 실행형(stand-alone) 컨트롤러로 통합 전력단(power stage)이 없는 디바이스이며, 각각 전압 모드와 전류 모드에서 동작한다.
두 디바이스는 외부 MOSFET이나 IGBT를 사용하여 더 크고 높은 전류 모터를 구동할 수 있다. 또한 이 접근 방식은 소비 전력 효율성이 우수한 것이 특징이다.
현재 샘플 공급 중인 최신 PowerSTEP01 계열의 드라이버는 시스템 인 패키지(System-in-Package)로 제공되며 디지털 모션 컨트롤러(DME)와 8개의 파워 디스크리트 MOSFET를 내장했다.
아이반 가체프 _ ST마이크로일렉트로닉스
