정밀한 자동 위치 제어를 위해서는 스테퍼 모터 기반 선형 액추에이터를 고려해 보세요.

선형 액추에이터는 기본적으로 직선 경로를 통해 힘과 운동을 발생시킵니다. 일반적인 기계 시스템에서 장치의 출력축은 회전 모터를 통해 기어, 벨트와 풀리, 또는 기타 기계 부품을 이용하여 직선 운동을 제공합니다. 하지만 이러한 부품들은 서로 연결되고 정렬되어야 한다는 문제가 있습니다. 더 심각한 문제는 이러한 구성 요소들이 시스템에 마찰과 백래시와 같은 마모 요소를 추가한다는 것입니다. 보다 정밀한 위치 제어가 필요한 경우, 스테퍼 모터 기반의 선형 액추에이터가 더욱 효과적이고 간편한 대안이 될 수 있습니다.

이러한 장치는 모터 내부에서 직접 회전-선형 변환을 제공하기 때문에 정밀한 선형 위치 지정이 필요한 기계 또는 메커니즘의 설계를 간소화합니다. 액추에이터는 전기 입력 펄스마다 정해진 회전 각도만큼 움직입니다. 이러한 소위 "스테핑" 기능과 정밀 리드스크류의 사용으로 정밀하고 반복 가능한 위치 지정이 가능합니다.

스테퍼 모터 기초
액추에이터의 작동 원리를 이해하려면 스테퍼 모터의 기본 원리를 아는 것이 도움이 됩니다. 스테퍼 모터에는 가변 저항(VR), 영구 자석(PM), 하이브리드 모터 등 다양한 종류가 있습니다. 이 글에서는 높은 토크와 정밀한 위치 제어(1.8° 또는 0.9° 스텝)를 제공하는 하이브리드 스테퍼 모터에 대해 중점적으로 다룹니다. 선형 액추에이터 시스템에서 하이브리드 모터는 다음과 같은 장치에 사용됩니다.XY테이블, 혈액 분석기, 냉난방 장비, 소형 갠트리 로봇, 밸브 제어 장치 및 자동 무대 조명 시스템.

하이브리드 스테퍼 모터 내부에는 영구 자석 로터와 코일 권선으로 감긴 강철 스테이터가 있습니다. 코일에 전원을 공급하면 북극과 남극을 가진 전자기장이 생성됩니다. 스테이터는 이 자기장을 전도하여 로터가 자기장에 맞춰 정렬되도록 합니다. 코일 권선을 순차적으로 가동 및 차단하면 자기장이 변화하기 때문에, 입력 펄스 또는 스텝마다 로터가 하이브리드 모델에 따라 0.9도 또는 1.8도씩 회전합니다. 스테퍼 모터 선형 액추에이터에서 로터에 내장된 정밀 나사 너트는 리드스크류(기존 샤프트를 대체함)와 맞물립니다.

리드스크류는 경사면이라는 간단한 기계적 원리를 이용하여 선형적인 힘을 제공합니다. 강철 샤프트에 경사면이 감겨 있다고 상상해 보세요. 기계적 이점 또는 힘 증폭은 경사면의 각도에 의해 결정되며, 이 각도는 스크류 직경, 리드(스크류 나사산이 한 바퀴 회전할 때 축 방향으로 이동하는 거리), 피치(인접한 나사산 사이의 축 방향 거리)의 함수입니다.

리드스크류 나사산은 나사산 경사도(나사산 리드)에 따라 작은 회전력을 큰 하중 지지력으로 변환합니다. 나사산 리드가 작으면 더 큰 힘을 얻을 수 있지만 선형 속도는 낮아집니다. 반대로 나사산 리드가 크면 동일한 회전력에서 더 작은 힘을 얻을 수 있지만 선형 속도는 높아집니다. 일부 설계에서는 로터에 내장된 파워 너트를 베어링 등급의 청동으로 제작하여 내부 나사산 가공에 적합하게 만듭니다. 그러나 청동은 윤활성과 물리적 안정성 사이의 절충안입니다. 너트와 나사산 접합면에서 마찰 계수가 훨씬 낮은 윤활 처리된 열가소성 수지가 더 나은 재료입니다.

스텝 시퀀스
스테퍼 모터를 구동하는 방식에는 "단상 온" 스텝핑과 "양상 온" 스텝핑이 있습니다.

단순화된 2상 모터의 "한 상 켜짐" 순서에서, 1단계는 고정자의 A상이 여자된 상태입니다. 서로 다른 극끼리 끌어당기므로 회전자는 자기적으로 고정됩니다. A상을 끄고 B상을 켜면 회전자가 시계 방향으로 90° 회전합니다(2단계). 3단계에서는 B상을 끄고 A상을 켜되, 1단계와 극성이 반전됩니다. 이로 인해 회전자가 다시 90° 회전합니다. 4단계에서는 A상을 끄고 B상을 켜되, 2단계와 극성이 반전됩니다. 이 순서를 반복하면 회전자가 시계 방향으로 90°씩 회전합니다.

"2상 온" 시퀀스에서는 모터의 두 상 모두 항상 여자되고, 한 상의 극성만 전환됩니다. 이로 인해 회전자는 "평균" 북극과 "평균" 남극 사이에 정렬됩니다. 두 상 모두 항상 여자되기 때문에 이 방식은 "단상 온" 스텝 방식보다 41.4% 더 높은 토크를 제공합니다.

불행히도 플라스틱은 나사산에는 적합하지만 하이브리드 스테퍼 모터 설계에서 베어링 저널에는 안정성이 충분하지 않습니다. 지속적인 최대 부하 조건에서 플라스틱 저널은 황동 저널보다 최대 4배까지 팽창할 수 있기 때문입니다. 모터 설계상 고정자와 회전자 사이의 공극이 단 몇 천분의 1인치에 불과해야 하므로 이 정도의 팽창은 허용할 수 없습니다. 이 문제를 해결하는 방법은 영구 자석 회전자에 삽입될 황동 슬리브 내부에 플라스틱 나사산을 사출 성형하는 것입니다. 이 방식을 사용하면 모터 수명이 연장되고 마찰이 감소하며 베어링 저널의 안정성을 유지할 수 있습니다.

다양한 유형의 헤이든 액추에이터 중 "캡티브" 장치는 회전 방지 메커니즘이 내장되어 있습니다. 이 구성은 최대 2.5인치의 스트로크를 제공하며 정밀 유체 분배, 스로틀 제어 및 밸브 작동과 같은 응용 분야에 적합합니다. 다른 유형의 액추에이터도 있습니다.헤이든선형 액추에이터에는 "비고정형" 및 "외부 선형"이 있으며, 이는 소형 ​​갠트리 로봇을 이용한 혈액 튜브 이송과 같이 더 긴 스트로크가 필요한 응용 분야에 적합합니다.XY모션 시스템 및 이미징 시스템.

액추에이터 크기 조정
액추에이터의 크기를 결정하는 방법을 가장 잘 보여주는 것은 실제 적용 사례입니다. 다음 매개변수를 고려하십시오.

하중을 이동시키는 데 필요한 선형 힘 = 15파운드(67N)
이동해야 할 하중의 직선 거리(m) = 3인치(0.0762m)
시간,t짐을 옮기는 데 필요한 시간(초) = 6초
목표 사이클 수 = 1,000,000

스테퍼 모터 선형 액추에이터의 크기를 결정하는 네 가지 단계는 다음과 같습니다. 1) 요구되는 수명을 충족하기 위해 필요한 액추에이터의 초기 힘 정격을 결정합니다. 2) 속도를 밀리미터/초 단위로 결정합니다. 3) 적절한 액추에이터 프레임 크기를 선택합니다. 4) 필요한 힘에 따라 적절한 스크류 해상도를 결정합니다.

수명을 예측하는 가장 좋은 방법은 응용 테스트를 통하는 것이며, 이는 적극 권장됩니다. 이 기법은 다음과 같은 방법을 사용합니다.부하율 대 사이클 횟수이 곡선은 좋은 초기 근사치 역할을 합니다. 스테퍼 모터는 마모되는 브러시가 없고 정밀하고 수명이 긴 볼 베어링을 사용하므로 주요 마모 부품은 파워 너트입니다. 따라서 장치가 설계 사양을 충족하면서 견딜 수 있는 작동 횟수는 부하에 따라 달라집니다.

참조부하율 대 사이클 횟수차트를 사용하여 액추에이터가 100만 사이클을 견딜 수 있도록 적절한 크기 계수를 결정합니다. 그 결과 50%, 즉 0.5배의 계수가 나옵니다. 따라서 100만 사이클 후 하중을 견디는 데 필요한 초기 정격 힘(N)은 15lb/0.5 = 30lb 또는 133N입니다.

이제 필요한 선형 기계적 동력을 와트 단위로 구하십시오.

P_선의= (N × m)/t

예시에서 이는 (133 × 0.0762)/6 = 1.7W가 됩니다.

이 데이터를 사용하여 다음을 수행하십시오.액추에이터 프레임 크기아래 표를 참조하여 올바른 프레임 크기를 선택하십시오. 모든 스테퍼 모터 선형 액추에이터는 모터에 펄스를 전달하기 위한 드라이브가 필요합니다. 표에는 L/R 드라이브(정전압)와 초퍼 드라이브(정전류) 모두에 대한 전력 사양이 나와 있습니다. 휴대용 장치와 같이 배터리로 작동하는 애플리케이션이 아닌 경우, 제조업체는 최대 성능을 위해 초퍼 드라이브 사용을 강력히 권장합니다. 이 예에서 표의 초퍼 드라이브 전력 사양을 검토해 보면 Haydon 43000 시리즈(사이즈 17 하이브리드)가 1.7W 요구 사항을 가장 잘 충족함을 알 수 있습니다. 이 선택을 통해 시스템을 과도하게 설계하지 않고도 부하 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

다음으로, 선형 속도(ips)를 계산합니다. 이는 다음과 같습니다.미터/테그러면 3인치/6초 = 0.5ips가 됩니다. 최적화된 프레임 크기(크기 17 하이브리드)와 선형 속도(0.5ips)를 사용하여 적절한 설정을 적용하십시오.힘과 선속도의 관계곡선을 이용하여 액추에이터 리드스크류의 적절한 분해능을 결정합니다. 이 경우 필요한 리드스크류 분해능은 0.00048인치입니다.

리드스크류는 모터에 입력되는 스텝 수에 따라 전진한다는 점을 기억하십시오. 성능 곡선은 "ips"와 "steps/sec" 두 가지 단위로 표시됩니다. 선택 사항을 확인하려면 필요한 스텝 속도에서의 힘을 참조하십시오.힘과 맥박수곡선, 여기서 선택된 해상도 = 0.00048인치/스텝, 필요한 선형 속도 = 0.5ips, 필요한 스텝 속도 = (0.5ips)/(0.00048인치/스텝) = 1,041스텝.

X축 값(맥박수)을 1,041로 설정하고 이 점에서 곡선에 수직선을 그리면 Y축 값(힘)은 30이 됩니다. 따라서 선택이 올바릅니다.