KR20120056951A - Method for MICRO-STEPPING CONROL OF PERMANENT MAGNET STEP MOTOR - Google Patents

Method for MICRO-STEPPING CONROL OF PERMANENT MAGNET STEP MOTOR Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A micro stepping control method of a permanent magnet step motor is provided to enhance energy consumption efficiency of a step motor by executing position control and current control at the same time. CONSTITUTION: The desired position of a rotor in regard to a stator is inputted(1100). The position error of current position of the rotator and the desired position of the rotor is obtained(1200). Desire torque is obtained in a position controller by using the position error, desire position, desire speed, and desire speed differentiation. A desire voltage and a desire current for driving a step motor are obtained by using the desire torque and the current position. An actual input voltage is obtained by inputting voltage or current error to a current controller in order to maintain the desire voltage and the desire current(1500).

Description

영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 제어 방법 {Method for MICRO-STEPPING CONROL OF PERMANENT MAGNET STEP MOTOR}Micro stepping control method of permanent magnet step motor {Method for MICRO-STEPPING CONROL OF PERMANENT MAGNET STEP MOTOR}

본 발명은 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상게하게는 영구자석 스텝 모터의 원하는 토크 내지 원하는 출력을 조절하거나 변경할 수 있고 기계적 외란에 강인하며 위치 추종 성능이 우수한 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a microstepping control method of a permanent magnet stepper motor, and more particularly, it is possible to adjust or change a desired torque or a desired output of a permanent magnet stepper motor, which is robust to mechanical disturbance, and has excellent position tracking performance. It relates to a micro stepping control method of.

일반적으로 스텝 모터(또는 스테핑 모터 또는 스테퍼 모터)는 로보틱 포지셔닝 시스템(robotic positioning systems) 등과 같이 정밀한 위치 제어가 필요한 분야에서 널리 이용되고 있다. 스텝 모터는 현재 일반적인 위치 제어에 가장 많이 사용되고 있는 모터로서 위치의 정지 정밀도를 요구하는 곳에 적합한 모터라고 할 수 있다. 스텝 모터의 경우에는 위치 제어구조가 개루프제어(Open Loop Control)구조를 가지고 있으며 스텝 모터의 기계적인 스텝각을 기준으로 회전을 하기 때문에 스텝 모터에 입력되어지는 스텝각을 기준으로 보면 현재의 회전위치를 판별할 수 있도록 되어 제어하기 쉽기 때문에 적용비용이 저렴하고 스텝 모터가 이송되어 정위치에 이르게 되면 더 이상의 위치 이동을 위한 제어가 이루어지지 않기 때문에 정지시 진동이 발생하지 않아 정확한 이송 및 정지를 요구하는 반도체장비 등에서 많이 사용되고 있다.In general, step motors (or stepping motors or stepper motors) are widely used in applications requiring precise position control, such as robotic positioning systems. Step motors are the motors most commonly used for general position control at present, and can be said to be suitable motors where position stop accuracy is required. In case of stepper motor, the position control structure has open loop control and rotates based on the mechanical step angle of the stepper motor, so the current rotation is based on the step angle input to the stepper motor. It is easy to control because the position can be determined, so the application cost is low. When the step motor is transferred to the correct position, no further control for position movement is made. It is widely used in demanding semiconductor equipment.

스텝 모터는 전기적으로 크게 2상 스텝 모터와 5상 스텝 모터로 분류된다. 이것은 스텝 모터에 공급되는 전력의 위상(phase) 수를 말하는데 전기적으로 단상 유도 전동기 혹은 다상(3상) 유도 전동기로 유도 전동기를 분류하는 것과 같다. 따라서, 2상 스텝 모터의 경우 입력 펄스 1펄스에 대하여 1.8도씩 회전하도록 구성되어 1회전당 200스텝의 회전각을 가지고 있으며, 5상 스텝 모터의 경우 0.72도의 스텝각을 가지고 있어 500스텝의 회전각을 가지고 있다.Step motors are electrically classified into two phase step motors and five phase step motors. This refers to the number of phases of the power supplied to the stepper motor, which is equivalent to categorizing the induction motor into an electrically single phase induction motor or a polyphase (three phase) induction motor. Therefore, the two-phase step motor is configured to rotate by 1.8 degrees with respect to one pulse of the input pulse, and has a rotation angle of 200 steps per revolution, and the five-phase step motor has a step angle of 0.72 degrees. Have

적당한 제어기(controller)를 사용하여 대부분의 스텝 모터는 하프-스텝(half-steps)으로 구동될 수 있고, 어떤 제어기들은 더 작은 스텝 또는 마이크로 스텝(micro steps)으로 스텝 모터를 구동시킬 수 있다.Using a suitable controller, most step motors can be driven in half-steps, and some controllers can drive step motors in smaller steps or micro steps.

한편, 스텝 모터는 개루프제어(open loop control) 시스템에 의해 구동될 수 있고, 위치 센서 없이 정수의 스텝 내에서 정밀한 위치 제어를 제공하기 때문에 어떠한 스텝 위치에서도 안정을 유지할 수 있다. 즉, 제어를 위해서 피드백(feedback)이 필요하지 않다.On the other hand, the stepper motor can be driven by an open loop control system and can maintain stability at any step position because it provides precise position control within an integer step without a position sensor. In other words, no feedback is required for control.

그러나, 개루프제어는 과도한 오버슈트(overshoot), 진동 응답(oscillatory response) 및 긴 정착시간(settle time) 때문에 성능이 좋지 않은 문제가 있다. 그리고, 이러한 문제로 인해 스텝 모터는 피드백 센서 없이 사용될 수 없고, 정확한 위치가 요구되는 높은 성능의 폐루프제어(closed loop control)이 사용될 수 없다.However, the open loop control has a problem of poor performance due to excessive overshoot, oscillatory response and long settling time. And, due to this problem, the stepper motor cannot be used without a feedback sensor, and high performance closed loop control that requires accurate positioning cannot be used.

이러한 스텝 모터의 제어를 위해 전류 PI(proportional integral) 제어기를 사용하는데, 전류 PI 제어기만을 사용하는 경우에는 원하는 토크가 항상 일정하기 때문에 에너지 소비 효율이 좋지 않은 문제가 있다. A current PI (proportional integral) controller is used to control the stepper motor. However, when only the current PI controller is used, the energy consumption efficiency is not good because the desired torque is always constant.

또한, 기존의 스텝 모터 제어 방법의 경우에는 기계적 외란에 강인하지 않으며 위치 추종 성능이 좋지 않은 문제도 있다. 뿐만 아니라 역기전력 및 위상 지연으로 인해 상 전류가 감소하는 문제도 있다. 스텝 모터의 속도가 증가함에 따라 스텝 모터의 역기전력(back-EMF) 및 위상 지연(phase lag) 때문에 전류가 감소하게 된다. 전류가 감소하면 토크 손실 및 스텝 모터의 동적 정확성(dynamic accuracy)가 감소하는 문제가 있다.In addition, the conventional step motor control method is not robust to mechanical disturbances and there is a problem that the position tracking performance is not good. In addition, there is a problem that the phase current decreases due to back EMF and phase delay. As the speed of the step motor increases, the current decreases due to the back-EMF and phase lag of the step motor. Reducing the current has the problem that the torque loss and the dynamic accuracy of the stepper motor are reduced.

본 발명은 위치 제어와 전류 제어를 동시에 사용하여 스텝 모터의 에너지 소비 효율을 높일 수 있는 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 제어 방법을 제공한다.The present invention provides a microstepping control method for a permanent magnet stepper motor which can increase the energy consumption efficiency of the stepper motor by simultaneously using the position control and the current control.

본 발명은 기계적 외란에 대한 영향을 덜 받고 역기전력 및 위상 지연에 의해 전류가 감소하는 것을 보상할 수 있는 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 제어 방법을 제공한다.The present invention provides a microstepping control method of a permanent magnet step motor that is less affected by mechanical disturbance and can compensate for the decrease in current by back EMF and phase delay.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 고정자 및 회전자를 구비한 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 제어 방법에 있어서, 상기 고정자에 대한 상기 회전자의 원하는 위치를 입력하는 단계; 상기 고정자에 대한 상기 회전자의 현재 위치와 상기 원하는 위치 사이의 위치오차를 구하는 단계; 상기 위치오차와 원하는 위치, 원하는 속도, 원하는 속도 미분을 이용하여 위치 제어기에서 원하는 토크를 얻는 토크 모듈레이션 단계; 상기 원하는 토크와 상기 현재 위치를 이용하여 토크 모듈레이션이 적용된 마이크로 스테핑 기법에 의해 상기 스텝모터를 구동하기 위한 원하는 전압 또는 원하는 전류를 얻는 마이크로 스테핑 단계; 및 상기 원하는 전압에 따르는 전류 또는 상기 원하는 전류를 유지하기 위해 전압 또는 전류 오차를 전류 제어기에 입력하여 실제 입력 전압을 얻거나, 원하는 전압 또는 원하는 전류와 전압 미분 또는 전류 미분을 이용하여 전류 제어기에서 실제 입력 전압을 얻는 단계;를 포함할 수 있다.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a microstepping control method of a permanent magnet step motor having a stator and a rotor, the method including: inputting a desired position of the rotor with respect to the stator; Obtaining a positional error between the current position of the rotor with respect to the stator and the desired position; A torque modulation step of obtaining a desired torque from a position controller using the position error, a desired position, a desired speed, and a desired speed derivative; A microstepping step of obtaining a desired voltage or a desired current for driving the step motor by a microstepping technique to which torque modulation is applied using the desired torque and the current position; And inputting a voltage or a current error to a current controller to maintain a current according to the desired voltage or the desired current to obtain an actual input voltage, or using a desired voltage or desired current and voltage derivative or current derivative Obtaining an input voltage; may include.

상기 실제 입력 전압을 얻는 단계에서, 상기 전압 오차는 상기 원하는 전압과 상기 영구자석 스텝모터의 입력 전류와 상기 고정자에 권선된 코일의 저항의 곱의 차이에서 얻어지고, 상기 전류 오차는 상기 원하는 전류와 상기 영구자석 스텝모터의 입력 전류의 차이에서 얻어질 수 있다.In the step of obtaining the actual input voltage, the voltage error is obtained from the difference of the product of the desired voltage and the input current of the permanent magnet step motor and the resistance of the coil wound on the stator, and the current error is It can be obtained from the difference of the input current of the permanent magnet step motor.

상기 원하는 전압 또는 상기 원하는 전류는 상기 원하는 토크의 정현파 함수로 표현될 수 있다.The desired voltage or the desired current may be expressed as a sinusoidal function of the desired torque.

상기 토크 모듈레이션 단계에서는, 상기 위치 제어기는 P, PI, PD 또는 PID 제어기 중 어느 하나의 출력과 상기 원하는 위치와 상기 원하는 속도 및 상기 원하는 속도 미분의 피드포워드의 출력의 합을 이용하여 원하는 토크를 출력할 수 있다.In the torque modulation step, the position controller outputs a desired torque by using a sum of an output of any one of a P, PI, PD, or PID controller and the output of the feedforward of the desired position, the desired speed, and the desired speed derivative. can do.

상기 전류 제어기는 P, PI, PD 또는 PID 제어기 중 어느 하나의 출력과 상기 원하는 전압과 원하는 전압 미분의 피드포워드의 출력의 합을 이용하여 원하는 토크를 출력할 수 있다.The current controller may output a desired torque by using a sum of an output of any one of a P, PI, PD, or PID controller and an output of the feed voltage of the desired voltage and the desired voltage differential.

기계적 제어에 사용되는 피드포워드는 위치 추종 지연에 의한 오차를 보상하고, 전기적 제어에 사용되는 피드포워드는 위상 지연(phase lag)에 의한 오차를 보상할 수 있다.The feedforward used for the mechanical control compensates for the error due to the position following delay, and the feedforward used for the electrical control can compensate for the error due to the phase lag.

상기 위치 제어기는 기계적 제어를 수행하고, 상기 전류 제어기는 전기적 제어를 수행할 수 있다.The position controller may perform mechanical control, and the current controller may perform electrical control.

상기 스텝모터의 권선 저항값은 상기 스텝모터 자료에서 제공되는 값과 같은 값으로 사용되거나, 측정 또는 적응 제어(adaptive control)를 통하여 추정될 수 있다.The winding resistance value of the step motor may be used as the value provided in the step motor data, or may be estimated through measurement or adaptive control.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 본 발명은 고정자 및 회전자를 구비한 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 제어 방법에 있어서, 상기 고정자에 대한 상기 회전자의 원하는 위치를 입력하는 단계; 상기 고정자에 대한 상기 회전자의 현재 위치와 상기 원하는 위치 사이의 위치오차를 구하는 단계; 상기 위치오차와 원하는 위치, 원하는 속도, 원하는 속도 미분을 이용하여 위치 제어기에서 원하는 토크를 얻는 토크 모듈레이션 단계; 및 상기 원하는 토크와 상기 현재 위치를 이용하여 토크 모듈레이션이 적용된 마이크로 스테핑 기법에 의해 상기 스텝모터를 구동하기 위한 원하는 전압 또는 원하는 전류를 얻는 마이크로 스테핑 단계;를 포함하는, 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 제어 방법을 제공할 수 있다.On the other hand, according to another embodiment of the present invention, the present invention provides a microstepping control method of a permanent magnet step motor having a stator and a rotor, comprising: inputting a desired position of the rotor with respect to the stator; Obtaining a positional error between the current position of the rotor with respect to the stator and the desired position; A torque modulation step of obtaining a desired torque from a position controller using the position error, a desired position, a desired speed, and a desired speed derivative; And a micro stepping step of obtaining a desired voltage or a desired current for driving the step motor by a micro stepping technique to which torque modulation is applied using the desired torque and the current position. It may provide a method.

상기 위치 제어기에서 사용되는 스텝 모터의 부하는 미리 측정되거나 알고 있는 값 또는 적응 제어를 통하여 추정된 값을 사용할 수 있다.The load of the stepper motor used in the position controller may use a value measured or known in advance or estimated through adaptive control.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 제어 방법은 스텝 모터의 원하는 토크 또는 출력이 일정하지 않도록 제어할 수 있기 때문에 스텝 모터의 에너지 소비 효율을 높일 수 있다.As described above, the microstepping control method of the permanent magnet stepper motor according to the present invention can control the desired torque or output of the stepper motor to be not constant, thereby increasing the energy consumption efficiency of the stepper motor.

본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 제어 방법은 기계적 외란의 영향을 덜 받으며, 역기전력 및 위상 지연에 전류가 감소하는 것을 보상할 수 있고, 스텝 모터의 위치 추종 성능을 향상시킬 수 있다.The microstepping control method of the permanent magnet step motor according to the present invention is less affected by mechanical disturbance, can compensate for the decrease in current in back EMF and phase delay, and can improve the position tracking performance of the step motor.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 모터를 도시한 일부 절개 사시도이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 따른 영구자석 스텝 모터를 제어하기 위한 블록 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 스텝 모터를 마이크로 스테핑 제어하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터의 제어 방법에 따른 스텝 모터의 성능을 나타내는 실험 데이터 그래프이다.1 is a partially cutaway perspective view showing a step motor according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 are block diagrams for controlling the permanent magnet step motor according to FIG. 1.
4 is a flowchart illustrating a method of microstepping control of a permanent magnet step motor according to an exemplary embodiment of the present invention.
5 to 7 are experimental data graphs showing the performance of the step motor according to the control method of the permanent magnet step motor according to the present invention.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited or limited by the embodiments. Like reference numerals in the drawings denote like elements.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 모터를 도시한 일부 절개 사시도, 도 2 및 도 3은 도 1에 따른 영구자석 스텝 모터를 제어하기 위한 블록 다이어그램을 도시한 도면, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 스텝 모터를 마이크로 스테핑 제어하는 방법을 도시한 순서도, 도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터의 제어 방법에 따른 스텝 모터의 성능을 나타내는 실험 데이터 그래프이다.1 is a partial cutaway perspective view showing a step motor according to an embodiment of the present invention, Figures 2 and 3 are block diagrams for controlling the permanent magnet step motor according to Figure 1, Figure 4 is a present invention 5 to 8 are flowcharts illustrating a method of controlling a permanent magnet step motor according to an embodiment of the present invention. FIGS. 5 to 8 are experimental data graphs illustrating the performance of the step motor according to the control method of the permanent magnet step motor according to the present invention. .

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 모터(100)는 케이스(110) 내부에 설치된 회전자(140)를 영구 자석(Permanent Magnet)으로 구성하여 고정자(130)의 권선(coil)에서 인가되는 전류에 의하여 발생하는 자속과 반응하도록 구성된다. 고정자(130)는 슬롯 스테이터(slotted stator)이며, 고정자(130)의 권선이 2개 위치하고 있어 2상을 가진다. 영구자석으로 된 회전자(140)는 회전축(120)에 설치되어 회전축(120)과 함께 회전하며, N극 및 S극을 가진다. 이와 같이, 내부의 회전자(140)가 영구 자석으로 구성된 것을 영구자석 스텝 모터(PMSM: Permanent Magnet Stepper Motor)라고 한다.As shown in FIG. 1, the step motor 100 according to the exemplary embodiment of the present invention comprises a rotor 140 installed inside the case 110 as a permanent magnet to wound the stator 130. It is configured to react with the magnetic flux generated by the current applied in the coil. The stator 130 is a slotted stator, and two windings of the stator 130 are positioned to have two phases. Rotor 140 made of a permanent magnet is installed on the rotating shaft 120 to rotate with the rotating shaft 120, and has an N pole and an S pole. In this way, the internal rotor 140 is composed of a permanent magnet is called a permanent magnet stepper motor (PMSM).

도 2 및 도 3에는 상기한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 스텝 모터(100)를 마이크로 스테핑 제어하기 위한 블록 다이어그램이 도시되어 있다.2 and 3 are block diagrams for microstepping the permanent magnet step motor 100 according to an embodiment of the present invention as described above.

이하에서는 도면을 참조하여 상기한 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 스텝 모터(100)를 마이크로 스테핑하는 경우의 제어 방법에 대해서 설명한다.Hereinafter, a control method in the case of microstepping the permanent magnet step motor 100 according to the exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

영구자석 스텝 모터(100)의 마이크로 스테핑 제어를 위해서 우선 영구자석 스텝 모터(100)의 운동을 모델링하는 과정에 대해서 살펴 본다. 영구자석 스텝 모터(100)를 위한 기계적(또는 동역학적) 모델을 위한 전기적 방정식과 기계적 방정식은 다음과 같다.For the micro stepping control of the permanent magnet step motor 100, first, a process of modeling the motion of the permanent magnet step motor 100 will be described. The electrical and mechanical equations for the mechanical (or dynamic) model for the permanent magnet step motor 100 are as follows.

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 (1)식에서 ua, ub, ia, ib는 각각 위상 A 및 B에서의 전압(단위:V) 및 전류(단위:A)를 나타낸다. θ는 회전자(140)의 각도 내지 위치(단위:rad)를 나타내고, ω는 회전자(140)의 각속도(단위:rad/s)를 나타내고, B는 점성마찰계수(viscous friction coefficient)(단위:Nms/rad)를 나타내며, J는 스텝 모터(100)의 관성(intertia)(단위:Kgm2)를 나타내며, Km은 스텝모터의 토크 상수(단위:Nm/A)이고, R은 고정자(130) 권선의 저항(단위:Ω)이고, L은 권선의 인덕턴스(단위:H)이며, Nr은 회전자(140)의 티스(teeth) 개수를 나타낸다.In formula (1), u a , u b , i a , i b represent the voltage (unit: V) and the current (unit: A) in phases A and B, respectively. θ represents the angle to position of the rotor 140 (unit: rad), ω represents the angular velocity (unit: rad / s) of the rotor 140, B is the viscous friction coefficient (unit) : Nms / rad), J represents the inertia (unit: Kgm 2 ) of the stepper motor 100, Km is the torque constant (unit: Nm / A) of the stepper motor, and R is the stator 130 ) Is the resistance of the winding (unit: Ω), L is the inductance (unit: H) of the winding, and Nr represents the number of teeth of the rotor 140.

스텝 모터(100)의 동역학적 모델로부터 토크가 입력 신호(input signal)이라고 가정하면, 기계적 동특성(mechanical dynamics)은 다음과 같이 주어진다.Assuming that the torque is an input signal from the dynamic model of the step motor 100, the mechanical dynamics are given as follows.

Figure pat00002
Figure pat00002

또한, 스텝 모터(100)의 동역학적 모델로부터 스텝 모터를 위한 전달 함수(transfer function)은 다음과 같이 표현된다.In addition, the transfer function for the stepper motor from the dynamic model of the stepper motor 100 is expressed as follows.

Figure pat00003
Figure pat00003

스텝 모터가 원하는 위치 궤적(desired position trajectory)를 따르기 위한 토크 모듈레이션을 통하여 원하는 토크를 생성시키는 위치 제어기는 다음과 같은 PID 제어기(position proportional integral derivative controller)를 사용할 수 있으며, 다음 식(4)와 같이 주어진다.A position controller that generates the desired torque through torque modulation to follow the desired position trajectory by the stepper motor can use a position proportional integral derivative controller as shown in the following equation (4). Is given.

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 식(4)에서 Kp, Ki 및 Kd는 각각 비례이득(proportional gain), 적분이득(integral gain), 미분이득(derivative gain)을 나타낸다. In Equation (4), K p , K i, and K d represent proportional gain, integral gain, and derivative gain, respectively.

위치 추종의 위상 지연(phase lag)을 보상하기 위해서는 위치 제어기에 관한 식(4)에 원하는 위치(θd), 원하는 속도(ωd) 및 원하는 속도 미분의 피드포워드 (feedforward)가 다음 식(4-1)과 같이 추가될 수 있다. 여기서, 속도(ωd)는 스텝 모터 회전자의 각속도이다.To compensate for the phase lag of position tracking, the feedforward of the desired position (θ d ), the desired velocity (ω d ) and the desired velocity derivative are given in equation (4) with respect to the position controller. -1) can be added. Here, the speed ω d is the angular speed of the step motor rotor.

Figure pat00005
Figure pat00005

상기 식(4-1)에서 Kff1, Kff2, Kff3는 피드포워드 이득이며, τL은 스텝 모터의 부하에 해당하는 힘이다. 상기 식(4-1)에서 사용되는 τL은 미리 측정되거나 알고 있는 값을 사용할 수도 있고 적응 제어(adaptive control)을 통해 추정된 값을 사용할 수도 있다.In Formula (4-1), K ff1 , K ff2 , and K ff3 are feedforward gains, and τ L is a force corresponding to the load of the stepper motor. Τ L used in Equation (4-1) may use a value measured or known in advance, or may use a value estimated through adaptive control.

상기 식(2)의 기계적 동역학 방정식으로부터 원하는 토크(desired torque, τd)는 다음 식(5)로부터 구할 수 있다.Desired torque (τ d ) from the mechanical dynamics equation of Equation (2) can be obtained from Equation (5).

Figure pat00006
Figure pat00006

상기 원하는 토크(τd)를 얻기 위해 원하는 전류(desired currents, id)를 출력하는 마이크로 스테핑 기법은 다음 식(6)으로부터 구할 수 있다.The microstepping technique for outputting desired currents i d to obtain the desired torque τ d can be obtained from the following equation (6).

Figure pat00007
Figure pat00007

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 제어 방법은 상기 위치 제어기와 함께 전류 제어기로서 2개의 PI 제어기(current proportional integral controller)를 사용하는데 전류 PI 제어기의 설계에 대해서 설명한다.On the other hand, the microstepping control method of the permanent magnet step motor according to an embodiment of the present invention uses two PI controllers (current proportional integral controller) as the current controller with the position controller will be described for the design of the current PI controller .

앞서 설명한 바와 같이, 스텝 모터의 속도가 증가하면 스텝 모터의 역기전력(back-emf) 및 위상 지연(phase lag) 때문에 전류가 감소하게 된다. 전류의 감소는 토크 손실 및 동역학적 정확성 감소를 초래한다. 이러한 역기전력 및 위상 지연으로 인한 오차를 보상하기 위해 본 발명에서는 스텝 모터의 원하는 전류 및 원하는 전압(desired voltage)을 얻기 위해 PI 알고리즘이 사용되는데, PI 알고리즘은 다음 식(7)로부터 얻을 수 있다.As described above, as the speed of the stepper motor increases, the current decreases due to the back-emf and the phase lag of the stepper motor. The reduction in current results in a loss of torque and a decrease in dynamic accuracy. In order to compensate for such errors due to back EMF and phase delay, in the present invention, a PI algorithm is used to obtain a desired current and desired voltage of the stepper motor. The PI algorithm can be obtained from the following equation (7).

Figure pat00008
Figure pat00008

반면 일반적인 PI 제어기는 다음 식(8)로부터 얻어질 수 있다.On the other hand, a general PI controller can be obtained from the following equation (8).

Figure pat00009
Figure pat00009

상기 식(8)에서 K1, K2는 각각 비례이득(proportional gain), 적분이득(integral gain)이고, Ra, Rb는 각각 A상 및 B상의 권선 저항이다. 알고리즘에서 사용되는 저항값 Ra 및 Rb는 모터 자료(즉, 모터 제조사에서 제공하는 모터의 성능 또는 스펙 등에 관한 자료)에서 제공되는 값으로 사용될 수 있으며, 실제 측정 또는 적응 제어(adaptive control)를 통하여 추정하여 사용할 수 있다.In Equation (8), K 1 and K 2 are proportional gain and integral gain, and R a and R b are winding resistances of A and B phases, respectively. The resistance values R a and R b used in the algorithm can be used as values provided in the motor data (ie data on the motor's performance or specifications provided by the motor manufacturer), and the actual measurement or adaptive control can be used. It can be estimated by using.

PI 제어기는 역기전력을 효과적으로 보상할 수 있으나, 위상 지연에 대한 보상 능력이 떨어지기 때문에 위상 지연 보상을 위하여 원하는 전압과 원하는 전압 미분의 피드포워드를 다음 식(8-1)과 같이 전류 제어기에 추가할 수 있다.The PI controller can compensate for back EMF effectively, but since the compensation for phase delay is inferior, the feed forward of the desired voltage and the desired voltage derivative can be added to the current controller as shown in the following equation (8-1) to compensate for the phase delay. Can be.

Figure pat00010
Figure pat00010

상기 식(8-1)에서 Kff4, Kff5는 각각 피드포워드 이득이다.In Equation (8-1), K ff4 and K ff5 are feedforward gains, respectively.

도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 스텝 모터(100)의 마이크로 스테핑 제어를 위한 시스템의 블록 다이어그램에 대한 일 예가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 제어 시스템(200)은 위치 제어기(210), 전류 제어기(230)를 포함하며 구성될 수 있다. 2 shows an example of a block diagram of a system for micro stepping control of a permanent magnet step motor 100 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the microstepping control system 200 of the permanent magnet step motor may include a position controller 210 and a current controller 230.

도 2를 참조하여 영구자석 스텝 모터(100)를 마이크로 스테핑 제어하는 방법에 대해서 설명한다. 우선, 고정자(130)에 대한 회전자(140)의 원하는 위치(desired position, θd)와 스텝모터(100)에서 고정자(130)에 대한 회전자(140)의 실제 위치(θ)를 입력으로 넣어주면 고정자(130)에 대한 회전자(140)의 위치 오차(θd- θ)가 발생하게 된다. 이와 같이 발생된 위치 오차(θd- θ)는 위치 PID 제어기(210)에 입력된다. 이 때, 원하는 위치(θd)는 위치 PID 제어기(210)를 통과하지 않고 곧바로 위치 PID 제어기(210)의 출력 쪽으로 공급되는데, 이 과정에서 피드포워드(feedforward, 220)가 사용될 수 있다. 따라서, 위치 오차(θd- θ)의 위치 PID 제어기(210) 출력값과 원하는 위치(θd)의 피드포워드 합에 의해서 원하는 토크(desired torque, τd) 또는 원하는 힘을 얻게 된다.A method of micro-stepping control of the permanent magnet step motor 100 will be described with reference to FIG. 2. First, in the position (desired position, θ d) and the step motor 100 is desired for the rotor 140 to the stator 130 as an input the actual position (θ) of the rotor 140 to the stator 130 If you insert the position error (θ d -θ) of the rotor 140 with respect to the stator 130 is generated. The position error θ d -θ generated in this way is input to the position PID controller 210. At this time, the desired position θ d is supplied directly to the output of the position PID controller 210 without passing through the position PID controller 210. In this process, a feedforward 220 may be used. Therefore, the desired torque (τ d ) or the desired force is obtained by the feedforward sum of the position PID controller 210 output value of the position error θ d -θ and the desired position θ d .

이와 같이 얻어진 원하는 토크(τd)를 발생시키기 위한 원하는 전압(Va d, Vb d)또는 전류(ia d, ib d)를 출력하기 위하여 다음 식(9)와 같은 마이크로 스테핑(240)을 이용할 수 있다.In order to output the desired voltage Va a d , V b d or the current i a d , i b d for generating the desired torque τ d obtained as described above, a microstepping 240 such as ) Can be used.

Figure pat00011
Figure pat00011

따라서, 상기 원하는 마이크로 스테핑 전압(Va d, Vb d)은 원하는 토크(τd)의 값에 따라 변동하기 때문에 최대 전압에 대한 정현파 함수(sinusoidal functions)로 표현되는 종래의 경우에 비하여 에너지 소비 효율을 개선할 수 있다. 예를 들면, 스텝 모터가 작동하기 시작하는 시점에서는 많은 전압 또는 전류가 필요하지 않음에도 불구하고 종래의 경우에는 최대전압 또는 최대전류를 진폭으로 하는 정현파 함수로 표현되는 전압 또는 전류를 이용하여 스텝모터의 작동 초기부터 거의 최대전압 또는 최대전류와 동일한 값을 가지는 전압 또는 전류를 공급하므로 에너지 소비 효율이 좋지 못한 문제가 있다. Therefore, since the desired micro stepping voltages V a d and V b d vary according to the value of the desired torque τ d , energy consumption is compared with the conventional case represented by sinusoidal functions with respect to the maximum voltage. The efficiency can be improved. For example, even though a large amount of voltage or current is not required at the time when the step motor starts to operate, in the conventional case, the step motor is operated by using a voltage or current represented by a sinusoidal function whose maximum voltage or maximum current is an amplitude. Since the supply of a voltage or a current having a value substantially equal to the maximum voltage or the maximum current from the beginning of operation of the energy consumption efficiency is not good.

하지만, 본 발명의 경우는 스텝 모터의 토크 모듈레이션(torque modulation) 기법에서는 위치 추종에 필요한 만큼의 원하는 토크(τd)를 발생시켜 제어한 후, 원하는 토크를 발생시키는 마이크로 스테핑(240) 기법을 사용하기 때문에 에너지 소비 효율을 높일 수 있다. 즉, 종래의 제어 방법의 경우에는 스텝 모터의 작동 상태에 관계 없이 항상 일정한 힘을 내거나 일정한 전압 또는 전류를 필요로 하지만, 본 발명의 제어 방법은 스텝 모터의 작동 상태에 따라 원하는 토크를 달리하거나 원하는 전압 또는 원하는 전류를 다르게 할 수 있기 때문에 스텝 모터의 작동 상태에 따라 적절한 에너지를 소비할 수 있다.However, in the case of the present invention, in the torque modulation technique of the stepper motor, a micro stepping 240 technique is used to generate and control a desired torque τ d as necessary for position tracking, and then generate a desired torque. Therefore, energy consumption efficiency can be improved. That is, in the case of the conventional control method, regardless of the operating state of the step motor always requires a constant force or requires a constant voltage or current, the control method of the present invention is to vary the desired torque according to the operating state of the step motor Different voltages or desired currents can be used to consume the appropriate energy depending on the operating state of the stepper motor.

상기와 같이 얻어진 원하는 마이크로 스테핑 전압(Va d, Vb d)에 따르는 전류를 유지하기 위하여 전압 오차(Va d-Raia, Vb d-Rbib)를 전류 PI 제어기(230)에 넣는다. 여기서 전압 오차(Va d-Raia, Vb d-Rbib)는 마이크로 스테핑(240)에서 출력되는 전압(Va d, Vb d)에서 스텝 모터(100)에 인가되는 실제 입력 전류(ia,ib)와 스텝 모터 권선의 저항(R)의 곱의 차이로부터 얻어질 수 있다. In order to maintain the current according to the desired microstepping voltages (V a d , V b d ) obtained as described above, the voltage error (V a d -R a i a , V b d -R b i b ) is obtained by applying a current PI controller ( 230). Here, the voltage error (V a d -R a i a , V b d -R b i b ) is applied to the step motor 100 at the voltages (V a d , V b d ) output from the micro stepping 240. It can be obtained from the difference of the product of the actual input current i a , i b and the resistance R of the step motor winding.

본 발명에 따른 전류 제어 방법은 전류 제어기(230)를 사용한다. 이 때, 전류 제어기(230)는 2개의 PI 제어기를 사용할 수 있으며, 전류 제어기(230)에 입력되는 값은 전압 오차 뿐만 아니라 전류 오차가 될 수도 있다. 전류 제어기(230)에 인가되는 전류 오차(ia d-ia, ib d-ib)는 원하는 마이크로 스테핑 전류(ia d, ib d)와 스텝 모터(100)의 실제 입력 전류(ia,ib)의 차이로부터 얻을 수 있다. 여기서, 원하는 마이크로 스테핑 전류(ia d, ib d)는 다음 식(10)과 같이 표현될 수 있다.The current control method according to the present invention uses the current controller 230. In this case, the current controller 230 may use two PI controllers, and the value input to the current controller 230 may be a current error as well as a voltage error. Current error to be applied to the current controller (230) (a i d -i a, b i d -i b), the actual input current of the desired micro-stepping current (i d a, i b d) to the step motor 100 ( i a , i b ) Here, the desired micro stepping current i a d , i b d may be expressed as in Equation 10 below.

Figure pat00012
Figure pat00012

식(10)과 식(9)를 비교하면 원하는 마이크로 스테핑 전압(Va d, Vb d)에는 저항(Ra,Rb)이 관여하지만 원하는 마이크로 스테핑 전류(ia d, ib d)에는 저항(Ra,Rb)이 관여하지 않음을 알 수 있다. Comparing Eq. (10) with Eq. (9), the desired microstepping voltages (V a d , V b d ) involve resistors (R a , R b ) but the desired micro stepping currents (i a d , i b d ) It can be seen that resistance (R a , R b ) is not involved.

전압 오차(Va d-Raia, Vb d-Rbib)가 전류 PI 제어기(230)를 통과하면 스텝 모터(100)에 실제로 인가되는 실제 입력 전압(Va, Vb)을 얻게 된다. 이와 같이 얻어진 실제 입력 전압(Va, Vb)은 PWM(Pulse Width Modulation) 드라이버 등을 사용하여 스텝 모터(100)에 인가된다.When the voltage error (V a d -R a i a , V b d -R b i b ) passes through the current PI controller 230, the actual input voltage (V a , V b ) actually applied to the step motor 100. You get The actual input voltage (V a, V b) obtained in this manner is, by using the PWM (Pulse Width Modulation) driver is applied to the step motor 100.

상기에서 설명한 바를 도 4를 참조하여 다시 한 번 설명한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 스텝 모터(100)의 마이크로 스테핑 제어 방법은, 고정자(130)에 대한 회전자(140)의 원하는 위치(θd)를 입력하는 단계(1100), 고정자(130)에 대한 회전자(140)의 현재 위치(θ)와 원하는 위치(θd) 사이의 위치오차(θd-θ)를 구하는 단계(1200), 위치오차(θd-θ)와 원하는 위치(θd), 원하는 속도(ωd), 원하는 속도 미분을 이용하여 위치 제어기에서 원하는 토크(τd)를 얻는 토크 모듈레이션 단계(1300), 원하는 토크(τd)와 현재 위치(θ)를 이용하여 스텝모터(100)를 구동하기 위한 원하는 전압(Va d, Vb d) 또는 원하는 전류(ia d, ib d)를 얻는 마이크로 스테핑 단계(1400) 및 원하는 전압(Va d, Vb d)에 따르는 전류 또는 원하는 전류(ia d, ib d)를 유지하기 위해 전압 오차(Va d-Raia, Vb d-Rbib) 또는 전류 오차(ia d-ia, ib d-ib)를 전류 제어기 또는 전류 PI 제어기(230)에 입력하여 실제 입력 전압(Va, Vb)을 얻거나, 원하는 전압 또는 원하는 전류와 전압 미분 또는 전류 미분을 이용하여 전류 제어기에서 실제 입력 전압을 얻는 단계(1500)를 포함할 수 있다.The above description will be described once again with reference to FIG. 4. As shown in FIG. 4, the microstepping control method of the permanent magnet step motor 100 according to an exemplary embodiment of the present invention inputs a desired position θ d of the rotor 140 with respect to the stator 130. Step 1100, step 1200 of obtaining a position error θ d -θ between the current position θ and the desired position θ d of the rotor 140 with respect to the stator 130, the position error ( desired position and θ d -θ) (θ d) , the desired speed (ω d), the torque modulation step 1300, a desired torque (τ d) with the desired speed differential for obtaining a torque (τ d) in the desired position the controller And a microstepping step (1400) of obtaining a desired voltage (V a d , V b d ) or a desired current (i a d , i b d ) for driving the step motor 100 using the current position θ and Voltage error (V a d -R a i a , V b d -R b i b to maintain the current according to the desired voltage (V a d , V b d ) or the desired current (i a d , i b d ) ) or Current error (i d -i a a, b i d -i b) a current regulator or a current input to the PI controller 230 to obtain the actual input voltage (V a, V b), or desired voltage or current and the desired Obtaining the actual input voltage at the current controller using voltage differential or current derivative may comprise 1500.

여기서, 일반적인 PWM(Pulse Width Modulation) 드라이버를 이용하여 실제 입력 전류를 얻을 수도 있는데, 이 경우에는 상기의 단계 1500을 생략할 수도 있다.Here, the actual input current may be obtained by using a general pulse width modulation (PWM) driver. In this case, step 1500 may be omitted.

상기 실제 입력 전압(Va, Vb)을 얻는 단계(1500)에서 상기 전압 오차(Va d-Raia, Vb d-Rbib)는 상기 원하는 전압(Va d, Vb d)과 상기 영구자석 스텝모터(100)의 입력 전류(ia, ib)와 상기 고정자(130)에 권선된 코일의 저항(R)의 곱의 차이에서 얻을 수 있고, 상기 전류 오차(ia d-ia, ib d-ib)는 상기 원하는 전류(ia d, ib d)와 상기 영구자석 스텝모터(100)의 입력 전류(ia, ib)의 차이에서 얻을 수 있다. The actual input voltage (V a, V b), the error voltage (V a d i a -R a, V b d -R b i b) in step 1500, is to get the desired voltage (V d a, V b d ) and the difference between the product of the input current (i a , i b ) of the permanent magnet step motor 100 and the resistance (R) of the coil wound on the stator 130, the current error ( i a d- i a , i b d- i b ) is obtained from the difference between the desired current i a d , i b d and the input current i a , i b of the permanent magnet step motor 100. Can be.

상기 원하는 전압(Va d, Vb d) 또는 상기 원하는 전류(ia d, ib d)는 식(9) 및 식(10)에 상기 각각 표현된 것처럼 원하는 토크(τd)의 정현파 함수로 표현될 수 있다.The desired voltage (V a d , V b d ) or the desired current (i a d , i b d ) is a sinusoidal function of the desired torque τ d as expressed in equations (9) and (10), respectively. It can be expressed as.

한편, 상기에서는 위치 제어기(210)로서 위치 PID 제어기를 사용하였으나, 이에 한정되지 않고 P(비례, proportional), PI(비례 적분, proportional integral) 또는 PD(비례 미분, proportional derivative) 제어기 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 위치 추종의 위상 지연 보상을 위해서는 위치 제어기의 식(4)에 원하는 위치(θd), 원하는 속도(ωd), 그리고 원하는 속도 미분의 피드포워드(feedforward)가 추가될 수 있다. Meanwhile, although the position PID controller is used as the position controller 210, any one of P (proportional, proportional), PI (proportional integral, and PD) proportional derivative (PD) controllers is not limited thereto. In order to compensate for the phase delay of position tracking, a feedforward of a desired position θ d , a desired velocity ω d , and a desired velocity derivative may be added to equation (4) of the position controller.

또한, 전류 제어기(230)도 전류 PI 제어기에 한정되지 않고 P, PD 또는 PID 제어기가 사용될 수도 있으며, 위상 지연을 보상하기 위하여 원하는 전압과 원하는 전압 미분의 피드포워드를 추가할 수 있다. 다만, 본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터(100)의 마이크로 스테핑 제어 방법은 위치 제어기와 전류 제어기를 동시에 모두 사용한다.In addition, the current controller 230 is not limited to the current PI controller, and a P, PD, or PID controller may be used, and a feedforward of a desired voltage and a desired voltage derivative may be added to compensate for the phase delay. However, the micro stepping control method of the permanent magnet step motor 100 according to the present invention uses both the position controller and the current controller at the same time.

위치 제어기(210)는 기계적 제어파트, 전류 제어기(230)는 전기적 제어파트라고 할 수 있으며, 기계적 제어파트와 전기적 제어파트에 추종시 발생되는 위상 지연을 보상하기 위하여 피드포워드(220)를 배치할 수 있다.The position controller 210 may be referred to as a mechanical control part, and the current controller 230 may be referred to as an electrical control part, and the feedforward 220 may be disposed to compensate for the phase delay generated when following the mechanical control part and the electrical control part. Can be.

여기서, 다시 도 2를 참조하면, 본 발명의 제어 방법을 구현하기 위한 제어 시스템(200)의 블록 다이어그램은 크게 2개의 부분으로 구분할 수 있다. 즉, 위치 제어기(210)를 중심으로 하는 기계적 제어파트와, 마이크로 스테핑(240), 그리고 전류 제어기(230)를 중심으로 하는 전기적 제어파트(EC)로 구분할 수 있다. 기계적 제어파트는 위치 제어기(210)를 이용하여 기계적 관점에서 스텝 모터(100)의 구동을 제어하여 원하는 토크를 출력하고 원하는 토크를 출력하기 위한 원하는 전압을 마이크로 스테핑(240)을 통하여 출력하며, 전기적 제어파트는 전류 제어기(230)를 이용하여 전기적 관점에서 스텝모터(100)의 구동을 제어한다고 할 수 있다. 위치 제어기(210)는 스텝모터(100)의 회전자(140) 위치를 제어하는 것으로 볼 수 있기 때문에 기계적 관점의 제어를 한다고 할 수 있으며, 전류 제어기(230)는 스텝모터(100)에 실제로 입력되는 전압 또는 전류를 제어하는 것으로 볼 수 있기 때문에 전기적 관점의 제어를 한다고 할 수 있다.2, the block diagram of the control system 200 for implementing the control method of the present invention can be largely divided into two parts. That is, it may be divided into a mechanical control part centered on the position controller 210, a micro stepping 240, and an electric control part EC centered on the current controller 230. The mechanical control part outputs a desired torque by controlling the driving of the stepper motor 100 from a mechanical point of view using the position controller 210, and outputs a desired voltage through the micro stepping 240 to output the desired torque. The control part may be said to control the driving of the step motor 100 from an electrical point of view using the current controller 230. Since the position controller 210 can be regarded as controlling the position of the rotor 140 of the step motor 100, it can be said to control the mechanical point of view, and the current controller 230 is actually input to the step motor 100. It can be said to control the electrical perspective because it can be seen to control the voltage or current.

한편, 도 3을 참조하면 도 2와 다소 상이한 제어 시스템(201)의 블록 다이어그램이 도시되어 있다. 도 3에 도시된 제어 시스템(201)은 위치 제어기(211), 마이크로 스테핑(241) 및 전류 제어기(231)를 포함하여 구성되는데, 도 2의 경우와는 달리 전류 제어기(241)에도 피드포워드(221)가 사용될 수 있다. 한편, 기계적 제어파트에서는 피드포워드(221)를 사용하지 않을 수도 있다. 전류 제어기(231)의 피드포워드(221)는 원하는 전압 또는 원하는 전류와 전압 미분 또는 전류 미분의 합을 피드포워드 할 수 있다.3, a block diagram of a control system 201 that is somewhat different from FIG. 2 is shown. The control system 201 shown in FIG. 3 includes a position controller 211, a micro stepping 241, and a current controller 231. Unlike the case of FIG. 2, the control system 201 also includes a feedforward ( 221 may be used. On the other hand, the feed forward 221 may not be used in the mechanical control part. The feedforward 221 of the current controller 231 may feedforward the desired voltage or the sum of the desired current and the voltage derivative or current derivative.

또한, 본 발명에서는 전류 제어기(231)에 2개의 PI 제어기를 사용함으로써 역기전력(back-EMF)으로 인해 전류가 감소하는 문제 또는 오차를 보상할 수 있다. 전류 루프에서의 피드포워드(220)는 위상 지연(phase lag)에 의한 오차를 보상하는 작용을 할 수 있다.In addition, in the present invention, two PI controllers are used in the current controller 231 to compensate for a problem or error in which the current decreases due to back-EMF. The feedforward 220 in the current loop may serve to compensate for errors due to phase lag.

본 발명에 의한 제어 방법은 영구자석 스텝모터(100)를 마이크로 스테핑 제어하기 위해 전압오차 또는 전류오차를 이용할 수 있으며, 이 때 원하는 전압 또는 원하는 전류를 사용할 수도 있다. 또한, 스텝모터(100)를 제어함에 있어 원하는 속도, 원하는 위치, 그리고 원하는 속도 미분의 합을 피드포워드(220)로 입력할 수 있다.The control method according to the present invention may use a voltage error or a current error in order to microstep the permanent magnet step motor 100, and at this time, a desired voltage or a desired current may be used. In addition, in controlling the step motor 100, a sum of a desired speed, a desired position, and a desired speed derivative may be input to the feedforward 220.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 제어 방법을 사용한 경우와 종래의 제어 방법을 사용한 경우를 비교 설명한다.Hereinafter, a case of using the control method according to the present invention and a case of using the conventional control method will be described with reference to the drawings.

도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터의 제어 방법에 따른 스텝 모터의 성능을 나타내는 실험 데이터 그래프이다.5 to 7 are experimental data graphs showing the performance of the step motor according to the control method of the permanent magnet step motor according to the present invention.

우선 도 5에는 본 발명에 의한 제어 방법을 사용한 경우에 스텝모터(100)의 위치 추종(position tracking) 및 위치 추종 오차(position tracking error)에 대한 그래프가 도시되어 있다. 도 5의 (a)를 참조하면 원하는 궤적(desired trajectory)과 실제 출력(actual output) 프로파일이 매우 근사함을 알 수 있다. 또한, 도 5의 (b)를 참조하면 위치 오차가 원하는 위치(즉, θ=2π rad)에서 0(zero)으로 수렴함을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 의한 제어 방법에 의하면 스텝모터(100)가 개선된 위치 추종 성능을 가지게 되며 역기전력 또는 위상 지연으로 인한 오차를 보상할 수 있다.First, FIG. 5 shows a graph of position tracking and position tracking error of the step motor 100 when the control method according to the present invention is used. Referring to (a) of FIG. 5, it can be seen that the desired trajectory and the actual output profile are very close. In addition, referring to FIG. 5B, it can be seen that the position error converges to 0 (zero) at a desired position (that is, θ = 2π rad). As described above, according to the control method of the present invention, the step motor 100 may have improved position tracking performance and compensate for errors due to back EMF or phase delay.

한편, 도 6의 (a)에는 종래 방법에서의 원하는 전류가 도시되어 있으며 (b)에는 본 발명에 따른 방법에서의 원하는 전류가 도시되어 있다. 우선 (a)의 경우에는 스텝모터(100)가 구동한 직후라고 할 수 있는 0.5초까지의 시간 동안에도 약 0.3암페어의 원하는 전류가 필요하지만, (b)의 경우에는 스텝모터(100)가 구동하기 시작한 직후에는 원하는 전류가 0암페어임을 알 수 있다. 즉, 종래 방법의 경우는 스텝모터가 구동하기 시작한 직후에 많은 전류가 필요하지 않음에도 많은 전류를 공급하여 에너지 소비 효율이 좋지 않다고 할 수 있으나, 본 발명의 경우에는 스텝모터가 구동하기 시작한 직후에는 작은 크기의 전류를 공급함으로써 에너지 소비효율을 높일 수 있다. 또한, 도 6의 (a)를 보면 모든 시간 구간에서 전류의 진폭이 거의 동일한 반면에 (b)의 경우에는 시간 구간에 따라 전류의 진폭이 변함을 알 수 있다. 이로부터 본 발명에 의한 제어방법을 사용하면 원하는 출력 또는 원하는 토크를 가변할 수 있는 장점이 있다고 할 수 있다.On the other hand, Fig. 6 (a) shows the desired current in the conventional method and (b) shows the desired current in the method according to the present invention. First, in the case of (a), a desired current of about 0.3 amp is required even for a time up to 0.5 seconds, which can be called immediately after the step motor 100 is driven. In the case of (b), the step motor 100 is driven. Immediately after starting, the desired current is 0 amps. That is, in the conventional method, the energy consumption efficiency is not good by supplying a large amount of current even though a large amount of current is not required immediately after the step motor starts to be driven, but in the case of the present invention, immediately after the step motor starts to be driven. Supplying a small current can increase energy consumption. In addition, it can be seen from FIG. 6A that the amplitudes of the currents are almost the same in all time sections, while in the case of (b), the amplitudes of the currents change over time sections. From this, it can be said that using the control method according to the present invention can vary the desired output or the desired torque.

도 7에는 종래의 방법과 본 발명의 방법을 사용하는 경우에 있어서 소비전력을 비교한 그래프가 도시되어 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 종래 방법의 경우에는 전체 시간에 걸쳐 소비전력이 점진적으로 증가하는 반면에, 본 발명의 경우에는 초기에는 소비되는 전력이 거의 없고 일정 시간 경과 후 소비 전력이 증가하다가 후반에서는 소비전력이 일정하게 유지됨을 알 수 있다. 도 7을 참조하면 종래 방법 보다 본 발명의 방법을 사용하는 경우에 소비전력이 적음을 명확히 알 수 있다.7 shows a graph comparing power consumption in the case of using the conventional method and the method of the present invention. As shown in FIG. 7, in the conventional method, power consumption gradually increases over the entire time, whereas in the present invention, there is almost no power initially consumed and power consumption increases after a certain period of time. It can be seen that the power consumption is kept constant. Referring to Figure 7, it can be clearly seen that the power consumption is less when using the method of the present invention than the conventional method.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다. As described above, in one embodiment of the present invention has been described by the specific embodiments, such as specific components and limited embodiments and drawings, but this is provided to help a more general understanding of the present invention, the present invention in the above embodiment The present invention is not limited thereto, and various modifications and variations can be made by those skilled in the art to which the present invention pertains. Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .

100: 영구자석 스텝모터 110: 케이스
120: 회전축 130: 고정자
140: 회전자 200,201: 제어 시스템
210,211: 위치 제어기 220,221: 피드포워드
230,231: 전류 제어기100: permanent magnet step motor 110: case
120: axis of rotation 130: stator
140: rotor 200,201: control system
210,211: position controller 220,221: feedforward
230,231: current controller

Claims (10)

고정자 및 회전자를 구비한 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 제어 방법에 있어서,
상기 고정자에 대한 상기 회전자의 원하는 위치를 입력하는 단계;
상기 고정자에 대한 상기 회전자의 현재 위치와 상기 원하는 위치 사이의 위치오차를 구하는 단계;
상기 위치오차와 원하는 위치, 원하는 속도, 원하는 속도 미분을 이용하여 위치 제어기에서 원하는 토크를 얻는 토크 모듈레이션 단계;
상기 원하는 토크와 상기 현재 위치를 이용하여 토크 모듈레이션이 적용된 마이크로 스테핑 기법에 의해 상기 스텝모터를 구동하기 위한 원하는 전압 또는 원하는 전류를 얻는 마이크로 스테핑 단계; 및
상기 원하는 전압에 따르는 전류 또는 상기 원하는 전류를 유지하기 위해 전압 또는 전류 오차를 전류 제어기에 입력하여 실제 입력 전압을 얻거나, 원하는 전압 또는 원하는 전류와 전압 미분 또는 전류 미분을 이용하여 전류 제어기에서 실제 입력 전압을 얻는 단계;를 포함하는, 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 제어 방법.
In the microstepping control method of a permanent magnet step motor having a stator and a rotor,
Inputting a desired position of the rotor relative to the stator;
Obtaining a positional error between the current position of the rotor with respect to the stator and the desired position;
A torque modulation step of obtaining a desired torque from a position controller using the position error, a desired position, a desired speed, and a desired speed derivative;
A microstepping step of obtaining a desired voltage or a desired current for driving the step motor by a microstepping technique to which torque modulation is applied using the desired torque and the current position; And
The current according to the desired voltage or the voltage or current error is input to the current controller to maintain the desired current to obtain the actual input voltage or the actual input at the current controller using the desired voltage or desired current and voltage derivative or current derivative. Obtaining a voltage; microstepping control method for a permanent magnet step motor comprising a.
제1항에 있어서,
상기 실제 입력 전압을 얻는 단계에서,
상기 전압 오차는 상기 원하는 전압과 상기 영구자석 스텝모터의 입력 전류와 상기 고정자에 권선된 코일의 저항의 곱의 차이에서 얻어지고,
상기 전류 오차는 상기 원하는 전류와 상기 영구자석 스텝모터의 입력 전류의 차이에서 얻어지는, 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 제어 방법.
The method of claim 1,
In obtaining the actual input voltage,
The voltage error is obtained from the difference of the product of the desired voltage and the input current of the permanent magnet step motor and the resistance of the coil wound on the stator,
And the current error is obtained from the difference between the desired current and the input current of the permanent magnet step motor.
제2항에 있어서,
상기 원하는 전압 또는 상기 원하는 전류는 상기 원하는 토크의 정현파 함수로 표현되는, 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 제어 방법.
The method of claim 2,
And said desired voltage or said desired current is expressed as a sinusoidal function of said desired torque.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 토크 모듈레이션 단계에서는,
상기 위치 제어기는 P, PI, PD 또는 PID 제어기 중 어느 하나의 출력과 상기 원하는 위치와 상기 원하는 속도 및 상기 원하는 속도 미분의 피드포워드의 출력의 합을 이용하여 원하는 토크를 출력하는, 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 제어 방법.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
In the torque modulation step,
The position controller outputs a desired torque by using a sum of an output of any one of a P, PI, PD, or PID controller and the output of the desired position, the desired speed, and the feed forward of the desired speed differential. Micro stepping control method.
제4항에 있어서,
상기 전류 제어기는 P, PI, PD 또는 PID 제어기 중 어느 하나의 출력과 상기 원하는 전압과 원하는 전압 미분의 피드포워드의 출력의 합을 이용하여 원하는 토크를 출력하는, 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 제어 방법.
The method of claim 4, wherein
The current controller outputs the desired torque by using the sum of the output of any one of the P, PI, PD or PID controller and the output of the feed voltage of the desired voltage and the desired voltage differential, microstepping control method of the permanent magnet step motor .
제5항에 있어서,
기계적 제어에 사용되는 피드포워드는 위치 추종 지연에 의한 오차를 보상하고,
전기적 제어에 사용되는 피드포워드는 위상 지연에 의한 오차를 보상하는, 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 제어 방법.
The method of claim 5,
The feedforward used for mechanical control compensates for errors due to position tracking delay,
The feedforward used for electrical control compensates for errors due to phase delay.
제5항에 있어서,
상기 위치 제어기는 기계적 제어를 수행하고, 상기 전류 제어기는 전기적 제어를 수행하는, 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 제어 방법.
The method of claim 5,
Wherein said position controller performs mechanical control and said current controller performs electrical control.
제1항에 있어서,
상기 스텝모터의 권선 저항값은 상기 스텝모터 자료에서 제공되는 값과 같은 값으로 사용되거나, 측정 또는 적응 제어를 통하여 추정되는 것을 특징으로 하는 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 제어 방법.
The method of claim 1,
The winding resistance value of the step motor is used as the value provided in the step motor data, or microstepping control method of the permanent magnet step motor, characterized in that estimated through measurement or adaptive control.
고정자 및 회전자를 구비한 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 제어 방법에 있어서,
상기 고정자에 대한 상기 회전자의 원하는 위치를 입력하는 단계;
상기 고정자에 대한 상기 회전자의 현재 위치와 상기 원하는 위치 사이의 위치오차를 구하는 단계;
상기 위치오차와 원하는 위치, 원하는 속도, 원하는 속도 미분을 이용하여 위치 제어기에서 원하는 토크를 얻는 토크 모듈레이션 단계; 및
상기 원하는 토크와 상기 현재 위치를 이용하여 토크 모듈레이션이 적용된 마이크로 스테핑 기법에 의해 상기 스텝모터를 구동하기 위한 원하는 전압 또는 원하는 전류를 얻는 마이크로 스테핑 단계;를 포함하는, 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 제어 방법.
In the microstepping control method of a permanent magnet step motor having a stator and a rotor,
Inputting a desired position of the rotor relative to the stator;
Obtaining a positional error between the current position of the rotor with respect to the stator and the desired position;
A torque modulation step of obtaining a desired torque from a position controller using the position error, a desired position, a desired speed, and a desired speed derivative; And
And a microstepping step of obtaining a desired voltage or a desired current for driving the stepper motor by a microstepping technique to which torque modulation is applied by using the desired torque and the current position. .
제1항 또는 제9항에 있어서,
상기 위치 제어기에서 사용되는 스텝 모터의 부하는 미리 측정되거나 알고 있는 값 또는 적응 제어를 통하여 추정된 값을 사용하는, 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 제어 방법.10. The method of claim 1 or 9,
The load of the step motor used in the position controller uses a pre-measured or known value or an estimated value through adaptive control.
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