스텝 모터 구동기 설계 및 제어 실습

본 내용은 " 아날로그및디지털설계실습 예비보고서 3주차 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.07.26

문서 내 토픽

• 1. 스텝 모터의 동작 원리 및 제어

  스텝 모터는 모터 축이 각 스텝에 따라 회전되는 모터로, 단극성과 양극성으로 구분된다. 회전각과 회전 속도는 인가 펄스와 컨트롤러를 통해 조절 가능하다. 예를 들어 1회전에 200스텝이 필요한 경우 각 스텝당 1.8도씩 회전한다. 스텝 모터 구동기는 증폭기를 추가하여 컨트롤러의 낮은 출력 전류를 증폭시킨다. 펄스 인가 순서는 스텝 모터의 여자 방식에 따라 결정되며, 1상, 2상, 1-2상 여자 방식이 있다.

• 2. 범용 이동 레지스터 74HC194의 기능

  74HC194는 4비트 범용 이동 레지스터로 다양한 동작 모드를 지원한다. CLR이 Low일 때 모든 Q 출력이 초기화되고, S0, S1 입력이 모두 Low일 때는 hold 상태로 출력 변화가 없다. S0, S1을 다르게 조절하면 LEFT/RIGHT SHIFT 동작이 가능하며, 두 입력이 모두 HIGH일 때는 병렬 데이터 입력이 출력에 그대로 전송된다.

• 3. Darlington 쌍 증폭 회로

  ULN2003AN IC는 2개의 BJT와 3개의 저항으로 이루어진 Darlington 쌍 회로를 포함한다. 이 회로는 입력 Base 전류를 증폭하여 출력 Collector 전류로 보내는 역할을 한다. 두 개의 BJT를 거치면서 높은 current gain과 input impedance를 가지는 장점이 있다. 74HC194의 낮은 출력 전류를 증폭시켜 스텝 모터를 동작시킨다.

• 4. 여자 방식에 따른 스텝 모터 제어

  1상 여자 방식은 한 상의 권선만 여자시켜 소비전력이 낮고 정밀도가 높다. 2상 여자 방식은 두 상을 여자시켜 감쇠진동이 작고 주파수 특성이 양호하지만 2배의 전류가 필요하다. 1-2상 여자 방식은 두 방식을 조합하여 스텝각을 반으로 줄일 수 있으며, 200스텝 모터를 400펄스로 구동하는 효과를 낸다.

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• 1. 스텝 모터의 동작 원리 및 제어

  스텝 모터는 디지털 제어에 매우 적합한 액추에이터로, 펄스 신호에 따라 정확한 각도로 회전하는 특성이 있습니다. 동작 원리는 고정자의 자기장과 회전자의 영구자석 간의 상호작용으로 이루어지며, 코일에 순차적으로 전류를 공급하여 회전을 제어합니다. 제어 측면에서는 펄스의 주파수로 속도를, 펄스의 수로 위치를 조절할 수 있어 매우 효율적입니다. 다만 고속 회전 시 토크 감소와 공진 현상이 발생할 수 있으므로, 마이크로스테핑 기술 등을 통한 개선이 필요합니다. 산업용 로봇, 3D 프린터, CNC 기계 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 앞으로도 정밀 제어가 필요한 응용 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.

• 2. 범용 이동 레지스터 74HC194의 기능

  74HC194는 4비트 양방향 이동 레지스터로, 직렬 입력과 병렬 입력을 모두 지원하여 매우 유연한 데이터 처리가 가능합니다. 좌측 이동, 우측 이동, 병렬 로드, 홀드 등 다양한 동작 모드를 제어 신호로 선택할 수 있어 디지털 회로 설계에서 핵심 소자입니다. CMOS 기술로 제작되어 저전력 소비와 높은 노이즈 면역성을 제공합니다. 직렬-병렬 변환, 데이터 지연, 신호 분배 등 다양한 응용이 가능하며, 특히 마이크로컨트롤러와의 인터페이싱에 유용합니다. 다만 최신 FPGA나 고속 디지털 회로에서는 점차 대체되고 있지만, 교육용 및 간단한 디지털 시스템에서는 여전히 중요한 역할을 하고 있습니다.

• 3. Darlington 쌍 증폭 회로

  Darlington 쌍은 두 개의 트랜지스터를 직렬로 연결하여 매우 높은 전류 증폭률을 얻는 회로 구성으로, 베이스 전류가 매우 작을 때도 큰 컬렉터 전류를 제어할 수 있습니다. 이론적 증폭률은 두 트랜지스터의 증폭률의 곱이 되어 수천 배에 달하므로, 약한 신호로 강한 부하를 구동할 수 있습니다. 실제 응용에서는 릴레이, 모터, LED 배열 등 고전류 부하 제어에 매우 효과적입니다. 다만 베이스-이미터 간 포화 전압이 약 1.4V로 일반 트랜지스터보다 크고, 스위칭 속도가 느린 단점이 있습니다. 현대에는 MOSFET이나 IGBT 같은 전력 반도체가 많이 사용되지만, 저비용 및 간단한 회로 구성이 필요한 경우에는 여전히 유용한 선택입니다.

• 4. 여자 방식에 따른 스텝 모터 제어

  스텝 모터의 여자 방식은 원 스텝, 투 스텝, 하프 스텝 등으로 분류되며, 각 방식은 토크, 해상도, 진동 특성에 영향을 미칩니다. 원 스텝 방식은 한 번에 한 코일만 여자하여 전력 소비가 적지만 토크가 낮고, 투 스텝 방식은 두 코일을 동시에 여자하여 토크가 증가하지만 전력 소비가 늘어납니다. 하프 스텝 방식은 원 스텝과 투 스텝을 번갈아 사용하여 해상도를 두 배로 높일 수 있습니다. 마이크로스테핑 기술은 PWM을 이용해 코일 전류를 세밀하게 제어하여 더욱 부드러운 회전과 높은 해상도를 제공합니다. 응용 분야의 요구사항에 따라 적절한 여자 방식을 선택하는 것이 효율적인 스텝 모터 제어의 핵심입니다.