1. 스테핑 모터의 정전류 구동 방식
모터 드라이버 내부에 있는 정전류 구동 회로는 다음과 같이 동작한다. [그림 1], [그림 2] 참조.
스테핑 모터의 권선도 코일이므로 정격 전류 드라이브는 이러한 특성을 활용합니다.
(1) 스위칭 소자(FET 등)를 ON으로 하여 전원에서 코일에 전압을 인가하여 코일 전류를 높입니다. ※1
(2) 전류가 설정값에 도달하면 스위칭 소자를 OFF하여 전원에서 전압 공급을 차단합니다.
(3) 코일에 저장된 에너지는 통과할 수 있는 경로를 통해 전류를 정류하여 소모됩니다. 이때 코일에 흐르는 전류는 에너지가 소모되기 때문에 감쇠한다.
(4) 위의 (1), (2), (3) 단계를 일정한 간격으로 반복하여 전류 흐름 상수를 제어합니다.
전류가 (2)에서 설정한 값에 도달했는지 여부를 판별하려면 전류 센서가 필요합니다. 그러나 많은 드라이브 IC에서 전류 센서(센싱 저항)로 저렴한 저항이 사용됩니다.
옴의 법칙(V = I × R)에 따르면 저항에 전류를 인가하면 저항 양단에 전압이 발생한다. 따라서 코일에 흐르는 전류의 값은 이 전압을 측정하여 결정됩니다.
모터 코일과 직렬로 저항을 삽입하면 코일에 흐르는 전류도 저항을 통해 흐릅니다. 저항 양단의 전압을 측정하여 전류값을 알 수 있습니다.
※1 모터의 코일에는 전류의 변화를 방지하는 인덕턴스가 있습니다.
이 인덕턴스(유도 기전력)의 특성은 모터의 전류를 제어할 때 활용됩니다.
・코일에 전류가 흐르지 않는 상태에서 전압을 인가하면 시간이 지남에 따라 전류가 서서히 증가합니다.
・코일에 전류가 흐르는 상태에서 전압 인가를 멈추면 코일에 축적된 에너지로 인해 회로 내부에 존재하는 경로로 전류가 흐릅니다. 전류가 통과할 수 있는 경로가 없으면 코일 끝에 고전압이 발생하여 회로가 손상될 수 있습니다.
2. 기준 전압 설정 및 센싱 저항 선택
센싱 저항의 값이 크면 큰 와트 저항이 필요하므로 주의하시기 바랍니다. 따라서 구동 IC에 센싱 전압을 증폭하는 회로를 내장하여 작은 와트의 저항을 사용할 수 있습니다. [그림 3] ※2
예를 들어 다음 조건에서 기준 전압과 감지 저항을 선택합니다.
・드라이브 IC의 REF 전압 입력 범위: 0.8~2V
・드라이브 IC 센싱 전압 증폭: 5배
・모터 코일에 인가되는 전류: 0.5A
선택 절차:
(1) REF 전압 = 0.5A × 센싱 저항 R × 5배이므로 REF 전압을 2V로 가정하여 가정한 센싱 저항 R'를 결정한다. 그 결과 R' = 0.8Ω이 됩니다.
(2) REF 전압이 2V를 초과하지 않도록 E24 계열과 같이 사용 가능한 저항값 중에서 0.8Ω보다 작은 저항값을 선택합니다. 이 예에서는 R = 0.75Ω이 선택됩니다.
(3) I2 × R에 따라 0.1875와트 이상의 저항을 선택합니다. 이 예에서는 0.5와트를 선택합니다.
(4) R = 0.75Ω에 따라 REF 전압 = 1.875V입니다.
결과적으로 1.875V의 기준 전압과 0.75Ω(0.5W)의 감지 저항이 선택됩니다. ※삼
기준 전압은 안정된 전압을 저항으로 나누거나 마이크로컴퓨터의 DA 출력 전압을 이용하여 결정할 수 있다.
저항 분압기에 가변 저항을 설정하여 전류 값을 조정할 수 있습니다. 그러나 전압은 드라이브 IC의 REF 전압 입력 범위를 초과해서는 안 됩니다. ※4
※2 드라이브 IC에는 마이크로 스텝이나 전류비 조정용 레벨 변환 회로가 있는 것도 있고, 센싱 저항이 내장되어 있는 것도 있고, 전원측에 센싱 저항이 실장되어 있는 것도 있습니다.
※3 정전류 구동 설정은 기준전압과 센싱저항이 모두 핵심입니다. 드라이버 보드를 설계할 때 기준 전압을 안정화하고 감지 저항을 드라이브 IC 근처에 낮은 임피던스에 배치 및 연결해야 합니다.
※4 센싱 저항, 증폭기 회로, 코일 사양의 변동으로 코일에 흐르는 전류값에 오차가 발생할 수 있습니다.