Lead Angle 제어에 의한 폐루프 운전 영구자석형 스테핑 전동기의 토오크 특성 향상

국문 초록 (Abstract)

스테핑 전동기는 속도 및 위치 제어의 용이함 때문에 광범위한 분야에서 사용되고 있으나 낮은 전력 효율, 스텝 응답에 따른 토오크 리플, 진동 등의 이유로 그 사용 영역이 제한되고 있다. 본 연구에서는 폐루프 운전 영구자석형 스테핑 전동기의 인덕턴스를 고려한 최대 평균 토오크식과 순시 토오크식을 제시하고, 그 식을 컴퓨터 시뮬레이션하였다. 또한 제시된 토오크식에 근거하여 lead angle을 전동기의 속도에 따라 적정 제어함으로써 토오크 영역이 확대되고 동시에 토오크 리플이 저감되도록 제어 시스템을 설계하여 스테핑 전동기의 여자 모드별로 토오크/속도 및 토오크 리플 특성을 측정하였다.
적정 lead angle이 전동기 토오크 영역에 미치는 영향을 평가하기 위하여 적정 lead angle의 함수로 주어지는 평균 토오크 식을 유도하였으며, 또한 적정 lead angle이 전동기의 토오크 리플에 미치는 영향을 평가하기 위하여 적정 lead angle의 함수로 주어지는 순시 토오크 식을 유도하였다. 유도한 50PPS에서 130PPS로 대폭 확대되고, 1상 여자시 50PPS의 전동기 속도에서 토오크 리플이 77.88%에서 45.28%로 크게 저감됨을 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 확인하였다.
적정 lead angle을 적용하는 제어 시스템은 마이크로컨트롤러를 사용하고 소프트웨어 인터페이스에 의해 제어함으로써 소형화, 간소화가 실현되었고, 인터럽트에 의해 제어함으로써 고속 범위에서도 동작하였다. 또한 전동기의 종류나 파라메터의 변경시 시스템의 유연성을 높이기 위하여 ROM을 사용하여 적정 lead angle값을 변환 테이블화하였다.
시뮬레이션에 의한 토오크/속도 곡선과 순시 토오크 곡선에서 적정 lead angle을 적용함에 따라 발생 토오크가 크게 증대되며, 토오크 영역이 2배 이상 확대되고 토오크 리플이 1/2 이하로 감소되는 바와 같이, 특성 실험 결과에서도 적정 lead angle의 실현에 따라 여자 모드에 관계없이 발생 토오크가 증대되며, 1상 여자시 토오크 영역이 40PPS에서 90PPS로 확대되고, 1상 여자시 50PPS에서 토오크 리플이 78.25%에서 46.82%로 크게 저감됨을 확인할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The stepping motors are used in the broad field of the industry application due to their easy controllability of speed and position. However, the available field of stepping motor is limited hecause of its inefficiency, torque ripple which is resulted by step response, vibration and etc. In this thesis, the maximum average torque and the instantaneous torque equations are represented by considering the inductance of the closed-loop-driven permanent magnet stepping motor. They were simulated by computer. We designed the control system which was based on the proposed torque equations and the maximum torque with reduced torque ripple by controlling the properly optimal lead angle in keeping with the speed of motor so that the torque/speed and torque ripple characteristic experiments in each excitation mode of the motor were performed.
We propose the average torque equation by considering the properly optimal lead angle for estimating the influence of the lead angle on the torque region of the motor, and then we propose the instantaneous torque equation by considering the properly optimal lead angle for estimating the influence of the lead angle on the torque ripple of the motor. The computersimulated results based on the proposed equations show that the torque region is steeply enlarged from 50PPS to 130PPS in the case of the single-phase excitation mode and the torque ripple is sharply reduced from 77.88% to 45.28% in the case of the singlephase excitation mode and the velocity of the motor, 50PPS.
The implementation of the control system was realized in the small and compact size by using a microcontroller and a software interface. Also for the motor operation in high speed range, the interrupt transfer mode was used and the transformed values of the properly optimal lead angle were stored in ROM as a look- up-table in order to strengthen adjustability of the system in the case of changing the parameter of the motor or the kind of motor.
By the result of the torque/speed and the instantaneous torque simulation based on the theoretical formula, the generated torque is increased, the operating region is enlarged more than a hwice, and the torque ripple is decreased less than a half by using the properly optimal lead angle. Also in the experimental result, regardless of excitation mode, we could get the result that the produced torque is increased, the operating range is enlarged from 40PPS to 90PPS in the case of the singlephase excitation mode, and the torque ripple is reduced from 78.25% to 46.82% in the case of the single-phase excitation mode and the velocity of the motor, 50PPS by considering the properly optimal lead angle.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 국문요약 = i
• 감사의 글 = iii
• 목차 = iv
• 그림목차 = v
• 기호설명 = viii
• I. 서론 = 1
• II. 스테핑 전동기의 원리 = 5
• 1. 스테핑 전동기의 회전 원리 = 5
• 2. 스테핑 전동기의 운전 방법 = 10
• 3. 스테핑 전동기의 수식적 표현 = 15
• III. 스테핑 전동기의 토오크 특성 향상 = 27
• 1. 페루프 제어의 lead angle 개념 = 27
• 2. Lead angle 제어에 의한 토오크 영역 확대 = 33
• 3. Lead angle 제어에 의한 토오크 리플 저감 = 41
• IV. 적정 lead angle의 실현 = 58
• V. 실험 및 고찰 = 64
• VI. 결론 = 79
• 참고 문헌 = 82
• 부록 = 91
• 1. 적정 Lead angle 실현 프로그램 = 91
• 2. 순시 토오크 시뮬레이션 프로그램 = 96
• 영문 초록 = 99