KR100954957B1 - 서보 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서보 장치에 관한 것으로서, DC 모터 구동용 집적 회로(1)의 출력에 의해 3 상의 브러시리스 모터 구동용 집적 회로(3)의 출력을 제어하여 브러시리스 모터(7)를 구동하고, 도면부호 "8"은 브러시리스 모터(7)의 회전 속도 정보를 검출하는 선택 스위치부이며 브러시리스 모터(7)의 역기전압을 추출하여 DC 모터 구동용 집적 회로(1)에 피드백하고, 3 상의 브러시리스 모터 구동용 집적 회로(3)로부터 출력되는 구동 신호를 PWM 제어함으로써 용이하게 브러시리스 모터를 서보 장치에 적응할 수 있도록 하여 구동원을 브러시리스 모터에 의해 구성하는 서보 장치의 구성을 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

서보 장치{SERVO DEVICE}

도 1은 본 발명의 서보 장치에 따른 서보 회로의 전체적인 블럭도,

도 2는 브러시리스 모터의 3 상 구동 펄스 신호의 타이밍 파형을 도시한 도면,

도 3은 3 상 구동 펄스 신호를 인가할 때 모터 코일에 흐르는 전류를 도시한 도면,

도 4는 본 발명의 서보 장치에 따른 서보 회로의 구체적인 일 실시예를 도시한 회로도,

도 5a, 도 5b는 구동 신호와 브러시리스 모터의 유기(誘起)전압의 위상 관계를 도시한 파형도,

도 6a, 도 6b, 도 6c, 도 6d, 도 6e는 브러시리스 모터의 회전수가 증가할 때의 역기(逆起)전압을 도시한 파형도,

도 7은 래디콘(radio control) 장치의 설명도,

도 8은 복수 채널의 제어 신호의 펄스 열을 도시한 파형도,

도 9a, 도 9b는 복수 채널의 제어 신호를 분리하여 출력하는 디코더의 블럭도와 그 파형도,

도 10은 서보 장치의 구동을 제어하는 서보계의 DC 모터 구동용 집적 회로를 도시한 블럭도, 및

도 11은 도 10의 각 부의 파형도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : DC 모터 구동용 집적 회로(DCM·IC)

2 : 회전 방향 전환부

3 : 브러시리스 모터 구동용 집적 회로(BLM·IC)

4 : 펄스 폭 제어부

5 : PWM 신호 출력부

6 : 구동부

7 : 브러시리스 모터

8 : 선택 스위치 회로

9 : 신호 전환 회로

PM : 퍼텐쇼미터

본 발명은 입력된 제어 신호에 기초하여 피제어 대상물을 구동하기 위한 서보 장치에 관한 것으로서, 예를 들면 전파에 의해 송신되는 제어 신호에 기초하여 산업용 래디콘(radio control), 모형용 래디콘, 로봇 등을 원격적으로 제어할 때 적합한 서보 장치에 관한 것이다.

송신기에 의해 송출된 전파에 제어 정보를 담아 조작자로부터 떨어진 위치에서 이동하는 장치, 또는 피제어체를 조작하는 것으로서 라디오 컨트롤(이하, "래디콘"이라고 함) 장치가 보급되고 있으며, 그 피제어체로서 모형 자동차나 비행기, 배, 또는 로봇 등을 조작하는 것이 일반적으로 실시되고 있다.

이와 같은 래디콘 장치에는 피제어체의 제어 대상물을 구동하는 액추에이터(actuator)로서 서보 장치가 구비되고, 상기 서보 장치는 피제어체에 탑재됨과 동시에 송신기로부터 송신되고 수신기에서 수신되는 제어 신호에 기초하여 피제어체의 제어 대상물을 구동한다.

도 7은 이와 같은 래디콘 장치의 개요를 도시한 것으로서, 도면 부호 "10"은 피제어 대상물로 되어 있는 비행 물체(13)를 조작하기 위한 조종판으로 조이스틱이나 여러 가지 설정용 스위치류에 의해 구성되어 있다.

도면부호 "11"은 조종판(10)으로부터 출력되는 여러 가지 제어 신호를, 예를 들면 펄스폭 변조하고, 또 이들 복수의 제어 신호를 소정 프레임 주기로 완결되는 펄스열로 변환하여 출력하는 인코더를 도시한다.

소정의 주기로 완결되어 있는 1 프레임 단위의 펄스 열은 조종 중에는 상시 고주파부(12)(송신부)로 공급되고, 예를 들면 AM 변조, 또는 FM 변조된 전파가 비행 물체(13)에 대해 송신되도록 이루어져 있다.

또한, 상기 조종판(10), 인코더(11), 및 고주파부(12)는 송신기를 구성하고 있다.

도 8은 상기 프레임 단위로 완결된 펄스 열의 패턴을 도시한 것으로서, 비행 물체(13)의 방향 회전 제어(래더(rudder) 또는 에일러론(aileron), 상승 하강 제어(엘리베이터), 속도 컨트롤(엔진 스로틀), 그 외의 제어 신호는 채널(1, 2, 3, 4…)로서 펄스 신호(CH1, CH2, CH3, CH4…)로 변환되고, 1 프레임, 예를 들면 14mS~20mS로 반복되는 펄스 열로 되어 있다.

또한, 더 상세히 설명하면 각 펄스 신호(CH1, CH2, CH3, …)의 간격(Pw1, Pw2, Pw3…)은 복수의 제어 정보에 의해 변화되도록 배치되고, 예를 들면 변화의 중심값이 1520μS로 하여 ±600μS(비행 물체(13)에 탑재되고, 비행 물체(13)의 가동부를 제어하는 액추에이터로서의 서보 장치의 출력축의 회전각으로 약 120도) 정도 변화되고, 1 프레임이 종료되는 점을 나타내기 위해 마지막으로 5mS의 동기 신호(스페이스)가 생기도록 하고 있다.

이와 같은 형식의 제어 정보는 전파에 의해 비행 물체(13)에 상시 송신되고 있다.

수신측이 되는 비행 물체(13)는 이 수신 전파를, 예를 들면 W슈퍼헤테로다인(super heterodyne) 수신기로 수신하고, 수신 신호 처리를 디코더로 실시함으로써 송신측의 조종자로부터 송신되는 제어 신호를 복조하고, 각 채널의 제어 신호를 분리하여 액추에이터로서의 서보 장치에 공급한다.

도 9a는 복조된 일련의 펄스열 신호(PPM)로부터 각 채널의 제어 신호를 분리하여 출력하는 디코더의 개요를 도시한 것으로서, 도면 부호 "21"은 동기 신호에 대해 검출 출력을 발생하는 재설정 회로, "22, 23, 24, 25, …"는 D 플립플롭 회로(이하, "DFF"라고 함)이다.

복조된 펄스열 신호(PPM)는 시프트레지스터를 구성하는 각 DFF(22, 23, 24, 25, …)의 클럭 신호로서 입력되고, 또한 재설정 회로(21)에 공급되고 있다.

재설정 회로(21)는 펄스열 신호(PPM) 중에 5mS 정도의 L 레벨 구간을 검출하면 출력이 하이 레벨이 되는 재설정 신호를 발생하고, 그 신호가 초단의 시프트레지스터(DFF22)의 D 입력에 공급된다. 그리고, 이후에는 계속되는 펄스가 순차 시프트레지스터에 전송됨으로써, 도 9b의 파형도에 도시되어 있는 바와 같이 펄스 위치가 변조된 펄스열 신호(PPM)의 펄스 간격에 상당하는 제어 펄스 신호(CH1, CH2, CH3, CH4 …)가 시프트레지스터의 각 단으로부터 서보 장치로 출력된다.

여기서, 서보 장치의 기본 구성에 대해 설명한다.

서보 장치는 하우징체를 구비하고, 상기 하우징체에는 서보 장치의 구동원이 되는 모터와, 상기 모터의 회전을 감속하여 출력하는 감속 기어, 상기 감속 기어의 출력을 피제어체의 제어 대상물에 전달하는 출력축, 상기 출력축의 변위를 검출하는 가변 저항기(퍼텐쇼미터), 및 상기 수신기로부터 제어 신호가 입력되어 서보 장치의 구동을 제어하는 서보 회로가 설치되어 있다.

그리고, 서보 회로는 입력되는 제어 신호와 상기 가변 저항기가 검출하는 상기 출력축의 회전에 기초한 액추에이터의 변위에 기초하여 모터를 구동하는 구동 신호를 생성하고, 상기 모터를 출력함으로써 상기 모터를 구동 제어한다.

또한, 상기 서보 장치에 있어서, 그 구동원이 되는 모터는 브러시가 부착된 직류 모터(이하, "DC 모터"라고 함)이고, 상기 서보 회로는 서보계의 DC 모터 구동용 집적 회로로 되어 있다.

도 10은 이 서보계의 DC 모터 구동용 집적 회로(IC)의 주요부를 블럭도로 도시한 것으로서, 각 블럭의 신호 파형(A, B, C, D, E, F)을 도 11에 도시한다.

상기 도면에 도시된 바와 같이 추출된, 예를 들면 채널(i)의 제어 펄스 신호(A)는 1 프레임 주기마다 비교 회로(31)에 공급되고, 또 상기 제어 펄스 신호(A)는 제어 위치 신호 발생 회로(39)로 도입되고, 상기 제어 위치 신호 발생 회로(39)를 트리거하여 단발(單發)의 위치 펄스 신호(B)와 비교된다.

따라서, 상기 제어 펄스 신호(A)와 제어 위치 신호 발생 회로(39)로부터 출력되는 위치 펄스 신호(B)가 인베이터(IN1, IN2), 노어(NOR) 회로(NR1, NR2) 및 오어(OR) 회로(OR1)로 이루어진 배타적 논리합 회로(비교 회로(31)로 도입되어, 상기 제어 펄스 신호(A)가 위치 펄스 신호(B) 보다도 펄스 폭이 넓어지면, 상기 노어 회로(NR1)의 출력 단자에 도 10 및 도 11의 C에 도시한 바와 같이, 양 펄스 신호(A, B)의 펄스 폭의 차에 따른 폭의 펄스(이하, "에러 펄스 신호"라고도 함)(C1)가 발생한다. 또한, 위치 펄스 신호(B)가 제어 펄스 신호(A)보다도 펄스 폭이 넓은 경우는 상기 노어 회로(NR2)의 출력 단자에 도 11에 도시한 바와 같이, 양 펄스 신호(A, B)의 펄스 폭의 차에 따른 폭의 에러 펄스 신호(C2)가 발생한다. 상기 에러 펄스 신호(C1, C2)는 각각 플립플롭(36)의 설정 단자(S) 및 재설정 단자(R)에 도입되어, Q 출력 단자 또는 -Q 출력 단중 어느 하나를 "1"로 한다.

또한, 에러 펄스 신호(C1, C2)는 오어 회로(OR1)를 통해 다음의 데드 펄스 신호 발생 회로(DGB 회로)(32)를 트리거하여 데드 펄스 신호(D)를 발생하고, 또한 만약 데드 펄스 신호(D) 보다 작은 에러 신호(C)이면, 비교 회로(33) 및 스트레쳐 회로(34)로부터 신호를 출력하지 않도록 하고, DC 모터(M)의 구동 단자의 전압을 홀드(차전압 제로)하고 있다.

이는 서보 장치용 DC 모터(M)에 인가되는 외력이나 노이즈 등에 의해 서보 장치가 오동작하는 것을 방지하고, 또한 제어계에 불감대를 설치하여 서보를 안정적으로 하는 효과가 있다.

비교 회로(33)로부터 출력된 에러 신호(E)는 다음의 스트레쳐 회로(34)에 있서 펄스 폭이 소정의 비율로 확장되고, 상기 스트레쳐 회로(34)의 출력 펄스가 앤드 회로 (AD1) 또는 (AD2) 중어느 한쪽을 통과하여 모터 구동 회로(37)로 도입되고, DC 모터(M)를 소정의 방향으로 회전시킨다.

이와 같이 스트레쳐 회로(34)에 의해 제어용 PWM 신호폭을 정함으로써 서보 회로의 게인 특성을 설정할 수 있다.

회전 방향 전환 회로(35)는 제어 펄스 신호(A)가 현재의 모터의 제어 위치에 대해 큰지 여부에 따라서 모터의 회전 방향을 변경하는 것으로서, 예를 들면 제어 위치 신호 발생 회로(39)로부터 얻어지는 현재의 위치 펄스 신호(B)와, 제어 펄스 신호(A)의 대소의 비교에 의해 DC 모터(M)의 회전 방향(정회전, 역회전)을 정할 수 있도록 되어 있다.

서보 장치에서는 DC 모터(M)의 회전이 도시되지 않은 감속 기어를 통해 출력축에 전달됨으로써 출력축이 회전 구동한다.

또한, 이 출력축의 움직임에 연동하는 퍼텐쇼미터(PM)에 의해, 상기 퍼텐쇼미터(PM)로부터 출력축의 회전 변위(회전 위치)를 나타내는 전압이 출력 신호로서 출력된다.

그리고, 상기 회전 변위를 나타내는 퍼텐쇼미터(PM)의 출력 신호를 제어 위치 신호 발생 회로(39)에서 펄스폭 변조하여 위치 펄스 신호(B)를 형성하고, 또한 퍼텐쇼미터(PM)의 저항값의 변화를 상기 위치 펄스 신호(B)가 제어 펄스 신호(A)의 펄스 폭에 일치하는 방향으로 설정해둠으로써, 수신기에서 수신되는 제어 신호의 복수 주기에 걸쳐 퍼텐쇼미터(PM)의 저항값이 제어되고, 제어 펄스 신호(A)와 위치 펄스 신호(B)의 출력 펄스와의 펄스 폭이 합치되면 오어 회로(OR1)로부터의 출력이 없어지고, DC 모터(M)의 회전이 정지되며, 목표 위치에 액추에이터가 구동되므로 제어 펄스 신호(A)에 기초한 폐쇄 루프의 서보 회로가 구축되게 된다.

또한, DC 모터(M)에 인가되어 있는 전압(역기전압)이 저항(R1)을 통해 상기 제어 위치 신호 발생 회로(39)로 귀환되어, DC 모터(M)의 속도 제어를 실시할 수 있도록 이루어져 있다.

상기 서보계의 DC 모터 구동용 집적 회로는 목표값을 펄스 폭으로 나타내는 제어 펄스 신호(A)에 대해 제어 위치 신호 발생 회로(39)로부터 출력되는 위치 펄스 신호(B)는 목표 위치에 도달하기까지의 단계에서는 제어 펄스 신호(A)의 펄스 폭보다 좁아지고, 실제의 퍼텐쇼미터(PM)만에 의한 출력 펄스에 대해 DC 모터에 유기되어 있는 전압이 저항(R1)을 통해 귀환되어 회전 속도 조정이 실시되도록 되어 있다.

그리고, 이 위치 펄스 신호(B)의 펄스 폭과 목표 위치를 나타내는 제어 펄스 신호(A)의 차가 0이 되도록 DC 모터(M)가 회전하고, 그 점에서 정확히 DC 모터(M) 가 정지하도록 조절된다.

이와 같이 DC 모터의 회전 위치를 나타내는 신호와 동시에 DC 모터의 속도 정보를 도시한 역기전압 성분을 귀환하여 위치 서보 제어가 실시되도록 하면, 목표 위치의 전후에 모터를 감속하면서 정지하는 제어를 실시할 수 있으므로, 모터의 관성에 의해 목표로 하는 정지 위치를 너무 지나가 헌팅(hunting) 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

[특허 문헌 1] 일본 공개특허공보 평10-285971호

종래의 서보 장치에 사용되는 서보계의 DC 모터 구동용 집적 회로는 상기 제어를 실시하는 전용 집적 회로가 이미 상품화되어 있고, 이와 같은 DC 모터 구동용 집적 회로를 사용하면 비교적 용이하게 설계할 수 있다.

그러나, DC 모터를 예를 들면 부하가 걸린 상태에서 연속적으로 동작시키는 경우나 DC 모터 자체가 고온이 된 경우, 회전 코일에 전류를 공급하는 정류용 브러시의 마모에 의해 수명이 현저히 저하되는 문제가 있었다.

따라서, 서보 장치에 DC 모터를 사용할 때는 신뢰성을 높이기 위해 항상 DC 모터의 관리가 필요해지는 문제가 있었다.

따라서, 비교적 신뢰성이 높고, 노이즈 신호에 대해 보다 안정적인 상태를 나타내는 브러시리스 모터를 서보 장치의 구동 모터로서 사용하는 것을 생각할 수 있지만, 이와 같은 모터는 통상 3 상 이상의 구동 펄스에 의해 회전 구동되도록 구성되어 있으므로, 브러시리스 모터 전용 구동용 집적 회로를 사용해도 특히 역기전압의 검출을 정확히 실시하는 것이 곤란하므로, 상기와 같은 모터 컨트롤을 실현하 는 서보 장치의 구동 모터로서 간단히 교환하여 이용할 수 없는 문제가 있었다.

본 발명의 서보 장치는 상기 문제점을 해소하기 위해,

제어 정보와 위치 정보, 및 회전 속도 정보에 기초하여 생성되는 구동 신호에 의해 모터를 구동(회전 구동)시키고, 상기 모터의 구동 출력이 감속 기구를 통해 출력축에 전달되는 서보 장치에 있어서,

상기 모터는 M상의 구동 신호에 의해 구동되는 M상의 브러시리스 모터를 사용하도록 했다.

또한, 상기 M상의 브러시리스 모터는 M상의 구동 신호를 생성하는 브러시리스 모터 구동 신호 발생 수단의 출력에 의해 구동(회전 구동)되고, 상기 M상의 구동 신호는 M상의 브러시리스 모터의 회전 속도 정보와, 입력된 제어 정보, 및 감속 기구를 통해 전송되는 출력축의 변위 등을 검출한 위치 정보에 기초하여 상기 브러시리스 모터 구동 신호 발생 수단으로 생성되는 M상의 구동 신호를 PWM 제어(펄스폭 변조)하도록 했다.

본 발명은 상기한 바와 같이 브러시리스 모터에 대해 회전 속도 정보를 검출함으로써 종래로부터 사용되고 있는 서보계의 DC 모터 구동용 집적 회로(IC)와, 브러시리스 모터 구동용 집적 회로(IC)를 그대로 적응하여 속도 제어를 실시하도록 하고 있으므로, 예를 들면 모형용 라디오 컨트롤의 서보 장치에 있어서 구동 모터를 브러시리스 타입의 모터로 변경하는 것을 용이하게 할 수 있게 되었다.

이 때문에 종래부터 사용되고 있는 브러시가 부착되는 DC 모터용을 사용한 서보 장치에 대해 브러시리스 모터를 적용하여, 서보 장치의 신뢰성을 향상시키는 것이 용이해진다.

또한, 내부측에서 회전하는 로터 부분이 마그네트에 대해, 모터 외부 하우징체에 스테이터 코일을 구비하는 브러시리스 모터(이너 로터(inner-rotor)형)를 사용함으로써 방열성을 향상시킬 수 있고, 또한 소형의 이너 마그네트 타입의 브러시리스 모터에 의해 구성하면 액추에이터의 기계적인 시정수가 작아지고, 원격 제어 기기의 서보 특성(응답 특성)을 향상시킬 수 있게 된다.

(발명을 실시하기 위한 가장 좋은 형태)

도 1은 본 발명의 서보 장치에 따른 서보 회로의 전체적인 블럭도를 도시한 것이다.

상기 도면에서 도면 부호 "1"은 상기에서 도 8의 채널 펄스(CH1)로서 설명한 바와 같이, 서보 장치에 입력된 특정의 제어 펄스 신호(Sig)가 핀「17」으로부터 공급되고, 액추에이터의 회전 각도를 검출하는 퍼텐쇼미터(PM)의 신호가 위치 정보로서 입력 핀「23」에, 이후에 설명되는 브러시리스 모터의 역기전압에 대응하는 회전 속도 정보가 핀「18, 19」에 입력되어 있는 종래의 DC 모터 구동용 집적 회로(이하, "DCM·IC"라고 함)이다.

상기 DCM·IC(1)의 출력 핀「5, 6」은 상기에서 설명한 서보 장치와 같이 펄스폭 변조(PWM)된 펄스 출력이고, M상용(이하, M=3의 실시예에 대해 설명함)의 브러시리스 모터(7)를 구동하기 위한 집적 회로(이하, "BLM·IC"라고 함)(3)에 대해 회전 방향을 지정하기 위한 신호를 출력하는 회전 방향 전환부(2)를 통해 공급되어 있다.

즉, 회전 방향 전환부(2)의 출력이 BLM·IC3의 핀「9」에 입력되고, 그 논리값에 의해 브러시리스 모터(7)의 회전 방향을 설정하도록 되어 있다.

BLM·IC(3)의 핀「1. 2. 3. 4. 5. 6」으로부터는 도 2의 타이밍 파형을 도시한 바와 같이, 정회전시 및 역회전시에 소정의 순서로 이상(移相)된 3 상의 타이밍 펄스 신호(U=±La, V=±Lb, W=±Lc)가 출력되고, 이 각 타이밍 펄스 신호(-La, +La, -Lb, +Lb, -Lc, +Lc)를 펄스폭 제어부(4)에서 펄스폭 변조함으로써 브러시리스 모터의 회전 제어를 실시하는 구동 펄스 신호를 형성하고, 이 구동 펄스 신호를 모터 구동용 스위치 회로로 이루어진 구동부(6)에 공급하고 있다.

이와 같은 3 상의 브러시리스 모터(7)에 대한 타이밍 펄스 신호(U, V, W)의 위상 제어는 잘 알려진 바와 같이, 통상은 브러시리스 모터(7)에 내접되어 있는 3개의 홀 소자(H)를 BLM·IC(3)의 핀「14~19」에 접속하고, 이 각 홀 소자(H)로 검출된 신호(Ha, Hb, Hc)에 기초하여 형성된다.

그리고, 본 실시예에서는 도 2의 타이밍 펄스 신호(U=±La, V=±Lb, W=±Lc)는, 예를 들면 +La, +Lb, +Lc의 타이밍 구간에는 브러시리스 모터(7)의 스테이터 코일 단자에 음 전위, 또는 그라운드 전위(GND)가 인가될 수 있는 구간을 나타내고, -La, -Lb, -Lc의 타이밍 구간에는 브러시리스 모터(7)의 스테이터 코일의 단자에 구동 전압(Vcc)이 인가될 수 있는 구간을 나타낸다.

따라서, 이들 타이밍 펄스 신호(U, V, W)가 공급되지 않는 구간은 각 스테이 터 코일의 단자는 노커넥션(NC)이 되도록 구동된다.

도면부호 "4"는 BLM·IC3으로부터 출력된 3 상의 타이밍 펄스 신호(U=±La, V=±Lb, W=±Lc)의 펄스 폭을, PWM 신호 출력부(5)로부터 출력되어 있는 신호에 기초하여 조절하기 위한 펄스폭 제어부로서, 통상은 각 상의 타이밍 펄스 신호(U=±La, V=±Lb, W=±Lc)를 소정 구간 도통하는 복수개의 게이트 회로(G)로 구성되고, PWM 신호 출력부(5)의 신호에 의해 신호가 통과하는 게이트 시간이, 예를 들면 MOS 트랜지스터에 의해 제어되도록 한다.

그리고, 펄스폭 제어부(4)에 의해 펄스폭 제어된 신호가 구동 펄스 신호로서 스위칭 회로 등에 의해 구성되어 있는 구동부(6)에 공급되고, 상기 구동부(6)를 구성하는 스위칭을 계속해서 3 상(U, V, W)의 스테이터 코일(La, Lb, Lc)을 구비하는 브러시리스 모터(7)에 구동 전압을 공급한다.

브러시리스 모터(7)는 잘 알려진 바와 같이 자화되어 있는 로터 부분을 M상의 회전 자계에 의해 회전 구동하는 것이며, 통상 3 상의 경우는 상호 120도의 위상차를 가진 U상(±La), V상(±Lb), W상(±Lc)의 교번(交番) 펄스 신호에 의해 회전 자계가 형성되고, 소정의 방향으로 회전하도록 구동되어 있다.

상기 브러시리스 모터(7)의 회전 출력이 감속 기구로서의 감속 기어 등을 통해 도시되지 않은 제어장치의 액추에이터를 목표 위치까지 움직이게 한다. 그리고, 이 움직임을 검출하기 위해 위치 검출 수단, 예를 들면 퍼텐션미터(PM)가 배치되어 있다.

도면부호 "8"은 후술하는 바와 같이 브러시리스 모터(7)의 3 상 단자 전압을 타이밍 펄스 신호(U=±La), V상(±Lb), W상(±Lc)의 타이밍에 동기하여 선택적으로 취출하고, 회전 시에 발생하는 브러시리스 모터(7)의 역기전압 성분을 취입하기 위한 선택 스위치 회로이며, 상기 선택 스위치 회로(8)의 출력 전압은 추가로 모터의 회전 방향에 따라서 극성을 전환하는 신호 전환 회로(9)를 통해 DC 모터 구동용 집적 회로인 DCM·IC1의 핀「18. 19」에 접속되어 있다.

DCM·IC1은 입력된 핀「17」으로부터 제어 펄스(Sig) 신호와, 퍼텐쇼미터(PM)의 출력 전압이 입력되어 있는 핀「23」의 위치 신호, 및 신호 전환 회로(9)로부터 입력된 핀「18. 19」의 브러시리스 모터(7)의 회전 속도 정보(역기전압 신호 성분)에 기초하여 DC 모터 구동용 PWM 구동 신호가 핀「5, 6」으로부터 출력되도록 한다.

그리고, 이 핀「5, 6」의 신호가 PWM 신호 출력부(5)에도 공급되어 있다.

도 3은 3 상의 구동 펄스 신호에 의해 각 3 상의 스테이터 코일(La, Lb, Lc)에 흐르는 전류의 방향을 도시하고, 3 상의 코일의 단자(1), (2), (3)에는 듀티 100%의 신호 파형의 경우, 1 상의 코일 단자, 예를 들면 (1)은 전기각 60도의 구간은 노커넥션 「NC」의 상태가 되고, 이 타이밍으로 다른 2 상의 코일 단자(2), (3) 사이에는 Vcc-GND(G) 또는 GND-Vcc가 되는 전압이 인가된다.

그리고, 이와 같은 패턴으로 3 상의 구동 펄스 신호가 공급됨으로써, 도 3에 도시한 바와 같이 시간 경과와 함께 각 코일에 전류(i)가 흘러 모터에 회전 자계가 형성되도록 되어 있다.

또한 도 3에 도시한 바와 같이 정회전 시와 역회전 시에는 이 전류(i)의 전 환 순서가 역회전하므로 브러시리스 모터(7)를 역회전시키는 회전 자계가 발생한다.

도 4는 상기 도 1의 블럭도에서 구동부(6)에 공급되는 신호 경로와, 브러시리스 모터(7)로부터 역기전압을 검출하기 위한 선택 스위치 회로(8), 및 신호 전환 회로(9)의 신호 경로의 실시예를 구체화한 것이며, 도 1와 동일 기능 부분은 동일 부호로 하고 있다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 구동부(6)로서 스위치(S1, S2)가 설치되고, 브러시리스 모터(7)의 각 단자(1), (2), (3)에는 예를 들면 P-MOS 트랜지스터 등에 의해 형성되어 있는 스위치(S1.), 또는 N-MOS 트랜지스터 등으로 구성되어 있는 스위치(2) 중 어느 하나를 통해 전압(Vcc), 또 GND 전위가 되는 전압이 인가된다.

즉, 이 각 스위치(S1, S2)는 펄스폭 제어부(4)를 구성하는 게이트(G)를 통해 펄스폭 제어된 3 상의 구동 펄스 신호로 온, 오프 제어되어 있다.

그리고, 이 실시예에서는 이 양자의 스위치(S1, S2) 양쪽이 오프되어 있는 구간(NC)의 각 단자에는 저항(r)으로 분압된 전압(1/2Vcc)만이 공급되고, 구동 전류 단자로서는 사용되지 않는다.

선택 스위치 회로(8)의 입력 단자(1), (2), (3)는 각각 상기에서 나타낸 브러시리스 모터(7)의 3 상의 스테이터 코일의 단자(1), (2), (3)와 접속되고, 도 2에 도시한 3 상의 타이밍 펄스 신호(U=±La, V=±Lb, W=±Lc)의 타이밍으로 아날로그 스위치군(Sx, Sy)을 개폐하는 신호가 공급되어 있다.

단, -L(a, b, c)로 되어 있는 타이밍 펄스 신호에 대해서는 인버터(IN)가 삽 입되어 있다.

아날로그 스위치(Sy)는 타이밍 펄스 신호(-La, -Lb, -Lc)의 출력 구간에는 인버터(IN)를 통해 온이 되어, 구동 전압(Vcc)이 인가되는 타이밍이 될 수 있는 구간의 단자를 선택하고 있다.

또한, 아날로그 스위치(Sx)는 타이밍 펄스 신호(+La, +Lb, +Lc)의 출력 구간에 온이 되어, GND가 될 수 있는 타이밍 구간의 단자를 선택하고 있다.

아날로그 스위치(Sx, Sy)가 상기 도면에 도시한 신호 경로로 구동되면, 결과적으로 브러시리스 모터(7)의 단자(1), (2), (3) 중에서 GND가 될 수 있는 타이밍 구간의 단자의 출력이 라인(X)에 접속되고, 이 때 단자(1), (2), (3) 중에서 Vcc가 인가될 수 있는 타이밍 구간의 단자의 전압이 라인(Y)에 출력된다.

따라서, 본 예에서는 아날로그 스위치(Sx, Sy)로 추출된 신호에는 펄스폭 변조되어 있는 각 상의 구동 전압 성분과, 브러시리스 모터의 역기전압 성분의 합성파가 검출되고, 이 검출 전압이 브러시리스 모터의 회전 방향에 의해 극성이 반전되도록 제어되는 신호 전환 회로(9)를 구성하는 아날로그 스위치(Sf, Sr)를 통해 DCM·IC(1)에 회전 속도 정보로서 입력된다.

브러시리스 모터(7)의 스테이터 코일(La, Lb, Lc)의 단자 전압은 로터의 회전시에 유기되는 역기전압의 영향을 받아 변화되므로, 이 단자 전압을 회전 속도 신호(회전 속도 정보)로서 상기에 나타낸 DC 모터용 구동용 집적 회로(DCM·IC1)에 입력하면, 이 집적 회로부터 출력되는 PWM 제어 신호는 속도 제어된 신호가 되고, 이 PWM 제어 신호에 기초하여 BLM·IC3으로부터 출력되는 3 상의 타이밍 펄스 신 호(U, V, W)의 펄스 폭을 제어, 즉 타이밍 펄스 신호를 펄스 폭 변조하는 펄스 폭 제어부(4)에 입력하여 펄스 폭 변조된 구동 펄스 신호를 형성하면, 이 구동 펄스 신호에 의해 구동부(6)를 구동함으로써 브러시리스 모터(7)의 회전 속도를 제어할 수 있다.

도 5a는 BLM·IC3의 핀「5」으로부터 출력되는 타이밍 펄스 신호(+Lc)의 신호 파형과, 브러시리스 모터(7)의 회전에 의해 발생하는 스테이터 코일의 단자(2)의 유기전압(e)의 교류 파형을 도시한 것이다.

또한, 도 5b에도 BLM·IC3의 핀「2」으로부터 출력되는 타이밍 펄스 신호(-La)의 신호 파형과, 브러시리스 모터(7)의 스테이터 코일의 단자(3)의 유기전압(e)의 교류 파형을 예시하고 있다.

그리고, 브러시리스 모터(7)의 역기전압에 대응하는 유기전압(e)은 타이밍 펄스 신호의 T로 나타내는 타이밍 구간에 취입되도록 선택 스위치 회로(8)를 제어하고 있다.

도 6a~도 6e는 브러시리스 모터가 정지 시부터 회전 수가 증가할 때의 역기전압의 신호 파형을 도시한 것이다.

도 6a는 브러시리스 모터의 회전이 정지된 상태에서 그라운드 전압(GND)에 대해 라인(X) 및 라인(Y)의 출력 레벨을 2 채널의 관측 신호파형으로 도시하고, 도 4의 실시예에서는 스테이터 코일의 단자 전압이 어스 전압(GND)에 대해 거의 1/2 Vcc의 직류 전압이 되는 것을 도시하고 있다.

브러시리스 모터를 회전시키도록 3 상의 구동 펄스 신호를 더하고, 이 구동 펄스 신호의 펄스 폭이 순차 넓어지도록 제어하면, 모터의 회전 수가 증가하고, 또한 도 6b~도 6e에 도시한 바와 같이 펄스상의 구동 전압 성분과 유기전압을 합성한 신호 파형이 회전 속도 정보(신호)로서 라인(X) 및 라인(Y)에 발생한다.

그리고, 이 회전 속도 신호는 모터의 회전 속도가 상승하면 라인(Y) 및 라인(X)의 전압이 각각 화살표로 나타내는 레벨로 변화되고, 또한 이 신호 파형의 주파수도 당연히 높아진다.

이와 같이 검출한 신호 파형의 진폭이 상기에서 설명한 바와 같이 선택 스위치 회로(8)에서 선택적으로 출력하고, 또한 이 검출된 신호파형의 극성을 회전 방향 전환부(2)의 출력에 대응하여 신호 전환 회로(9)로 전환한다.

상기 신호 전환 회로(9)는 예를 들면 아날로그 스위치(Sf, Sr)를 모터의 정역회전 신호에 대응하여 개폐 제어하고, 핀「18, 19」에 공급되는 회전 속도 정보(신호)의 극성을 반전하도록 되어 있고, 종래부터 사용되는 DCM·IC1의 제어 입력 단자에 피드백을 실시하도록 하면 3 상의 브러시리스 모터를 사용한 경우에도 종래의 DC 모터의 경우와 마찬가지로 위치 서보 제어로의 속도 제어를 실시할 수 있다.

이 경우, 회전 속도 정보를 검출한 라인(X) 및 라인(Y)에 대해 노이즈 성분을 제거하기 위한 필터를 삽입하는 것이 바람직하다.

또한, 이 회전 속도 정보를 브러시리스 모터의 회전 제어에 사용할 때, 서보게인(gain)을 조정하는 댐핑(damping) 저항(R)을 적절히 조정함으로써, 예를 들면 모터에 접속되어 있는 액추에이터를 목표 위치에서 정지시키는 경우에, 가장 응답 특성이 양호(너무 지나 가거나 응답 지연이 없음)해지도록 회전 제어를 할 수 있게 된다.

또한, 도 4에 도시한 각 아날로그 스위치는 1 칩으로 되어 있는 집적 회로에 의해 구성할 수도 있다.

또한, 상기 실시예에서는 브러시리스 모터(7)의 회전 속도 정보로서 타이밍 펄스 신호가 인가되는 구간의 스테이터 코일의 단자 전압을 선택 스위치 회로(8)로 추출하도록 구성했지만, 회전 속도 정보로서 브러시리스 모터(7)의 스테이터 코일 중에서 3 상의 타이밍 펄스 신호(U, V, W)가 인가되지 않은 타이밍 구간(예를 들면, 도 2의 노커넥션(NC)이 되는 구간)의 단자를 선택하고, 또한 그라운드 전위로 되어 있는 타이밍 구간의 단자를 선택 스위치 회로(8)에서 선택하여, 라인(X) 및 라인(Y)에 출력하고, 모터 회전에 기인하는 유기전압만을 회전 속도 정보로서 취출하도록 해도 좋다.

본 발명의 서보 장치는 브러시리스 모터에 의해 구동되도록 하고, 또한 이 브러시리스 모터로부터 발생하는 역기전압을 회전 속도 정보로서 종래의 서보계의 DC 모터 구동용 집적 회로에 피드백하도록 되어 있으므로, 서보 장치의 신뢰성을 향상시키는 것을 용이하게 할 수 있고, 또한 기계적인 시정수를 짧게 설정할 수 있으므로 서보의 응답성의 향상이 기대된다.

특히, 서보 장치는 스테이터측에 코일, 로터측이 마그네트인 브러시리스 모터를 사용함으로써 방열성이 종래의 브러시가 부착된 DC 모터보다도 크게 개선되고, 내열성의 향상이 기대되므로 로터측에 코일을 구비하는 DC 모터로부터 신뢰성 을 향상시킬 수 있다. 또한, 동형(同型) 형상의 모터를 사용하는 경우 보다 모터의 출력의 증가를 기대할 수 있다.

또한, 표준화된 대부분의 서보 모터를 사용하여 다른 부하에 대응하는 여러 가지 원격 제어를 실시하는 장치에 적응할 때, 그 조종성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (8)

1. M상의 구동 신호에 의해 구동되는 M상의 브러시리스 모터,

   상기 M상의 브러시리스 모터를 구동하기 위한 M상의 구동 신호를 생성하는 브러시리스 모터 구동 신호 발생수단,

   상기 M상의 브러시리스 모터의 구동 출력이 감속 기구를 통해 전달되는 출력축의 위치를 검출하기 위한 위치 검출 수단,

   상기 M상의 브러시리스 모터의 회전 속도를 검출하기 위한 회전 속도 검출 수단, 및

   입력된 제어 정보와, 상기 감속 기구의 위치 검출 수단으로 검출된 위치 정보 및 상기 회전 속도 검출 수단으로 검출된 회전 속도 정보에 기초하여 상기 브러시리스 모터 구동 신호 발생수단으로 생성되는 M상의 구동 신호를 제어하기 위한 PWM 제어 신호를 발생하는 서보계의 DC 모터 구동용 집적 회로를 구비하고,

   상기 회전 속도 정보는, 상기 브러시리스 모터 구동 신호 발생 수단으로부터 출력되는 M상의 구동 신호에 기초하여 제어되는 선택 스위치 회로에 의해 상기 브러시리스 모터의 스테이터 코일의 단자를 선택하여 상기 스테이터 코일의 단자 전압에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 서보 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 선택 스위치 회로는 M상의 구동 신호가 인가되는 타이밍 구간의 스테이터 코일 단자 전압을 선택하는 것을 특징으로 하는 서보 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 선택 스위치 회로는 M상의 구동 신호가 인가되지 않는 타이밍 구간의 스테이터 코일 단자 전압을 선택하는 것을 특징으로 하는 서보 장치.
4. 삭제
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 서보 장치는 무선에 의해 원격 제어되는 모형체의 피제어 부위의 구동에 이용되는 것을 특징으로 하는 서보 장치.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

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