KR101020109B1 - 진동모터 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진동모터가 설치 및 운용되는 다양한 환경의 변화에서도 공진점을 추정하여 항상 최대 공진점에서 운전하도록 진동모터의 역기전력 전압으로부터 위상정보를 파악하여 진동모터의 제어를 위한 입력지령을 보상함으로써 항상 최적의 상태로 운전이 가능하도록 한 진동모터 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 또한, 진동모터의 진동자의 인덕턴스 변화에 의한 전류량의 변화로부터 진동자의 위상을 검출하여 이에 따라 입력지령을 보상하도록 하는 진동모터 제어방법을 제공한다.

이로써 본 발명은 별도의 하드웨어 즉, 진동모터의 진동자의 위상을 검출하기 위한 센서가 필요하지 않아 비용의 절감 및 부피가 그만큼 줄어들어 소형화 추세에 걸맞게 되며, 또한 진동주파수 범위내에서 진동모터의 제어가 가능함으로써 정확한 공진 주파수에서 운전이 가능한 효과가 있다.

또한, 공진 주파수에서 일정 주파수의 옵셋을 갖게 함으로써 다양한 주파수와 운전점, 그리고 진폭을 가진 진동모터의 제어도 가능하도록 한 진동모터 제어장치를 제공한다.

Description

진동모터 제어장치 및 방법{Apparatus and method for controlling vibration}

본 발명은 진동모터 제어장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 진동모터가 어떠한 기계적 진동 주파수를 가지고 있더라도 항상 공진 주파수에서 운전할 수 있도록 하며, 공진모터를 취부한 장소나 장치 등의 외부 영향을 받지 않고 항상 공진점에서 운전이 가능하도록 한 진동모터 제어장치에 관한 것이다.

리니어 진동모터의 사용은 최근 휴대용 모바일 기기 및 게임기 등에서 진동 발생기로 사용이 되어지고 있으며, 생활가전에 냉장고, 면도기, 가상현실 기기등 많은 기기에서 사용 되어 지고 있다.

특히 휴대 전화기의 진동 발생장치로 사용 되어지고 있는 리니어 진동모터는 최근 새로운 표준이 되어 가고 있다.

일반 DC모터와 달리 리니어 진동 터는 전용 드라이브용 IC 혹은 장치를 필요로 하는데, 이는 진동모터의 특성에 기인한다.

진동모터는 진동자와 스프링 그리고 마그네트, 코일로 이루어져 있는데 진동자와 스프링의 기계적인 공진 주파수에 맞추어 정확히 전압을 인가하여야만 최대 진폭을 얻고, 최고 효율로 운전할 수 있다.

즉, 진동모터는 자체가 가지고 있는 고유 진동주파수로 전압을 인가하지 않으면 급격히 진동력이 감소하게 되고, 도 1에서와 같이 설계에 따라 1Hz 정도만 공진주파수에서 벗어나면 진동이 거의 사라질 수 있다.

따라서, 이러한 기계적인 공진주파수는 진동모터를 제조할 시 동일한 공진주파수를 갖도록 제작하여야 하지만 이렇게 제작 자체가 불가능하며, 또한 제작시에 여러가지의 요인들에 의하여 진동주파수가 변동하게 되어 진동주파수의 폭이 3 ~ 5%까지 변동하게 된다.

실제로 제작된 진동모터의 공진주파수의 분포를 보면 기준 주파수에서 -2% ~ 2%까지 또는 그 이상의 범위에서 분포한다. 이러한 분포는 공진에서의 Q값(Quality Factor)가 높은 모터에서는 진폭이 2배이상 차이가 나는 분포이므로, 제품으로서 품질 기준을 만족하지 못한다.

그러나, 진동모터의 적정한 공진폭을 얻기 위해서는 거의 1%미만 수준으로 관리되어져야 하지만, 이러한 관리로 인하여 생산수율이 급격히 저하되고, 이로인해 제품의 단가가 상승하는 문제점이 따른다.

또한, 현재의 모바일 기기 및 게임기등에 사용되어지고 있는 리니어 진동모터의 제어 및 구동회로는 고정주파수를 출력하는 방식으로서, 기준에 맞는 리니어 진동모터를 제작하는데 있어 높은 원가 상승이 있을 수 밖에 없고, 진동모터가 취 부된 기기의 형태나 무게, 그리고 설치된 장소에 따라서도 고유 진동주파수가 바뀌기 때문에 진동의 정도가 여러가지 상황에 따라 다르게 나타날 수 밖에 없어서 최적의 상태로 진동모터를 제어한다는 것이 매우 어려운 실정이다.

그리고, 진동모터의 진동자의 위상을 검출하여 진동모터의 입력 전압의 위상과 일치시킴으로써 공진 주파수의 범위내에서 운전을 제어하고자 하는 경우 진동자의 위상을 검출하기 위한 별도의 하드웨어적인 장치가 요구되기 때문에 비용이 상승하고 또한 부피의 증가가 뒤따르기 때문에 현실적으로 적용하기란 매우 힘이 들게 된다.

따라서 본 발명은 종래의 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 진동모터가 설치 및 운용되는 다양한 환경의 변화에서도 공진점을 추정하여 항상 최대 공진점에서 운전하도록 진동모터의 역기전력 전압으로부터 위상정보를 파악하여 진동모터의 제어를 위한 입력지령을 보상함으로써 항상 최적의 상태로 운전이 가능하도록 한 진동모터 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 진동모터의 진동자의 인덕턴스 변화에 의한 전류량의 변화로부터 진동자의 위상을 검출하여 이에 따라 입력지령을 보상하도록 하는 진동모터 제어방법을 제공한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 진동모터 제어장치는,

진동모터의 입력단의 전압 및 전류, 그리고 전원 전압의 신호를 입력받아 진동모터의 운전을 위한 입력지령에 따르는 운전 주파수의 크기를 결정하는 지령 주파수 발생기;

상기 진동모터의 입력단의 전압을 입력받아 주파수 발생기에서 출력되는 운전 주파수의 위상을 동기시켜 펄스 주기를 계산하는 PLL;

상기 PLL에 의해 계산된 펄스 주기에 따라 지령 주파수 발생기의 운전 주파수의 전력에 맞는 펄스폭을 디지털 펄스화하여 출력하는 PWM;

상기 PWM의 출력을 입력받아 전압으로 변경하여 출력하는 게이트 드라이버;

상기 게이트 드라이버의 출력에 의해 스위칭하여 전원 전압을 진동모터에 인가하는 파워 스위치;

상기 진동모터 입력단의 전류를 검출하여 상기 지령주파수 발생기로 제공하는 전류 검출기;

상기 진동모터 입력단의 전압을 검출하여 상기 지령주파수 발생기 및 PLL로 제공하는 전압 검출기;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 PLL은 진동모터 입력단의 역기전력 전압으로부터 위상을 검출하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 진동모터의 제어를 위한 방법으로서,

진동모터의 입력단으로부터 진동모터 진동자의 코일 인덕턴스 변화에 따른 전류의 변화량을 검출하는 제 1 과정;

코일 인덕턴스 변화에 따라 전류의 변화가 제로가 되는 위치에서의 진동자의 위상을 검출하는 제 2 과정;

진동모터의 운전을 위한 입력지령에 따르는 운전 주파수를 검출된 위상에 동기시켜 출력하는 제 3 과정;

위상 동기된 운전 주파수를 펄스폭 변조하여 출력하는 제 4 과정;

펄스폭 변조에 의하여 생성된 펄스에 의하여 파워 스위치를 스위칭하여 그에 따른 전원전압을 진동모터에 공급하는 제 5 과정;으로 수행되도록 본 발명이 구성된다.

이러한 본 발명은, 진동모터 입력단의 역기전력 전압 또는 진동자의 인덕턴스 변화에 따른 전류의 변화로부터의 위상을 검출하여 입력 지령에 따르는 운전 주파수와 동기시켜 진동모터를 제어함으로써 별도의 하드웨어 즉, 진동모터의 진동자의 위상을 검출하기 위한 센서가 필요하지 않아 비용의 절감 및 부피가 그만큼 줄어들어 소형화 추세에 걸맞게 되며, 또한 진동주파수 범위내에서 진동모터의 제어가 가능함으로써 정확한 공진 주파수에서 운전이 가능한 효과가 있다.

또한, 공진 주파수에서 일정 주파수의 옵셋을 갖게 함으로써 다양한 주파수와 운전점, 그리고 진폭을 가진 진동모터의 제어도 가능하도록 한 진동모터 제어장 치를 제공한다.

이와 같이 구성된 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 구성을 보인 도로서, 입력지령(IN)은 진동모터(900)의 제어 목표치로서, 이러한 입력지령(IN)은 진동모터(900)의 상태에 영향을 줄 수 있는 입력값이며, 진동모터(900)의 진폭의 크기, 파워, 주파수의 정보를 가지고 있다.

지령 주파수 발생기(100)는 전류 검출기(700), 전압 검출기(800), 그리고 전원전압(V)의 입력을 이용하여 진동모터(900)에 인가될 운전 주파수를 결정하게 되는데, 이때 지령 주파수 발생기(100)의 내부에는 카운터가 구비되어 전류 검출기(700), 전압 검출기(800), 그리고 전원전압(V)의 입력에 따라 도 3(a)와 같은 톱니파 형태의 주기적인 파형을 생성하며, 이러한 파형의 주기를 조절함으로써 지령 주파수 발생기(100)에서 출력되는 운전 주파수를 결정하게 된다.

PLL(200)은 전압 검출기(800)로부터 출력되는 진동모터(900)의 입력단의 전압 정보를 인가받아 진동모터(900)의 위상을 계산하고, 그 계산된 위상과 지령 주파수 발생기(100)로부터 출력되는 운전 주파수의 위상을 동기시켜 펄스 주기를 계산하게 된다.

이때, 도 3(d)와 같이 진동모터(900)의 입력단의 전압 정보로부터 위상을 검출할 수 있으며, 이를 도 3(a)와 같은 지령 주파수 발생기(100)로부터 출력되는 운전 주파수와 동기시키는 것이다.

따라서, 이러한 동기된 결과는 PWM(300)으로 입력되어 도 3(b)와 같은 운전 주파수에 의해 결정되어진 주기와 펄스 폭의 비율로 조정된 펄스 형태의 출력이 발생하게 되며, 이러한 펄스가 게이트 드라이버(400)로 입력된다.

상기 게이트 드라이버(400)는 실질적으로 진동모터(900)에 구동 전원을 인가하기 위한 파워 스위치(500)를 제어하기 위한 것으로, PWM(300)으로부터 발생된 펄스 출력에 따라 파워 스위치(500)의 게이트를 제어함으로써 전원전압(V)이 스위칭됨으로써 도 3(c)에 도시한 바와 같은 진동모터의 입력 전압이 발생하게 되는데, 이는 진동모터의 입력에 비추어지는 전압의 형태로 파워 스위치(500)의 출력 전압과 진동모터(900)의 권선 전압의 합성형태로 나타난다.

이때, 전류 검출기(700)와 전압 검출기(800)가 진동모터(900)의 입력단에 설치되어 전류와 전압을 검출하게 되는데, 전류 검출기(700)는 진동모터(900)의 입력라인상에 설치된 전류검출센서(600)로부터 전류를 검출하여 지령 주파수 발생기(100)에 제공하며, 전압 검출기(800)는 진동모터(900)의 입력단으로부터 역기전력 전압을 인가받게 된다.

이렇게 역기전력 전압으로부터 위상을 검출하기 위하여 파워 스위치(500)의 출력이 오프되어야만 진동모터(900)의 입력단으로부터 역기전력이 발생하게 되어 위상정보를 얻을 수 있게 되는데, 진동모터(900)에 인가되는 전압은 파워 스위치(500)의 전압이 출력될 경우에만 유효하므로, 도 4에서 도시한 바와 같이 구간(1) 및 구간(3)에서 PWM(300)의 출력에 의하여 파워 스위치(500)를 온시킴으로써 진동모터(900)의 입력단에 전압을 인가하고, 구간(2) 및 구간(4)에서는 파워 스위 치(500)를 오프시킴으로써 출력을 하이 임피던스 상태로 만들어 진동모터(900)의 역기전력을 측정하여 위상정보를 얻는 것이다.

한편, 본 발명은 전류에 의해서도 위상정보를 얻을 수 있는데, 진동모터(900)의 진동자에 취부된 마그네트의 움직임은 코일의 인덕턴스의 변화를 가져오고 인덕턴스의 변화는 전류의 변화량을 다르게 한다.

따라서 전류의 변화량이 변화하는 정보에서 진동자의 기계적인 위상을 계산하여 얻을 수 있다. 즉 진동자의 왕복운동에서 운동 방향이 전환되는 위치에서 인덕턴스 변화가 제로가 되는데 이때 전류의 변화량 또한 제로가 된다.

이러한 전류의 변화량에 대한 정보를 전류검출기(700)를 통해 검출하고,지령 주파수 발생기(100)에서 이를 인가받아 입력지령(IN)에 따라 카운터로부터 발생한 주파수와 동기시켜 출력하게 되며, 이러한 출력에 의하여 PWM(300)에서 발생된 펄스에 의해 파워 스위치(500)를 구동시키게 된다.

그러므로, 전류의 정보에서 기계적 위상을 계산하여 파워 스위치(500)의 ON/OFF 주파수 주기 및 펄스폭을 결정하여 제어하면, 진동모터(900)의 주파수를 항상 공진점에서 운전할 수 있는 것이다.

도 1 은 진동모터의 공진 진폭과 공진 주파수의 관계를 보인 그래프.

도 2 는 본 발명의 진동모터 제어장치의 회로 블록도.

도 3 은 본 발명에 의하여 진동모터의 구동시에 나타나는 파형을 보인 도.

도 4 는 역기전력에 의한 진동모터의 입력전압 생성상태를 보인 파형도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 지령 주파수 발생기 200 : PLL

300 : PWM 400 : 게이트 드라이버

500 : 파워 스위치 600 : 전류검출센서

700 : 전류 검출기 800 : 전압 검출기

Claims (3)

1. 진동모터의 제어를 위한 장치에 있어서,

   진동모터의 입력단의 역기전력 전압 및 전류, 그리고 전원 전압의 신호를 입력받아 진동모터의 운전을 위한 입력지령에 따르는 톱니파 형태의 주기적인 파형을 내장된 카운터에 의해 생성하여 운전 주파수의 크기를 결정하는 지령 주파수 발생기;

   상기 진동모터의 입력단의 역기전력 전압을 인가받아 진동모터의 위상을 계산하고, 계산된 위상과 주파수 발생기에서 출력되는 운전 주파수의 위상을 동기시켜 펄스 주기를 계산하는 PLL;

   상기 PLL에 의해 계산된 펄스 주기에 따라 지령 주파수 발생기의 운전 주파수에 의해 결정되어진 주기와 펄스 폭의 비율로 조정된 펄스 형태를 출력하는 PWM;

   상기 PWM의 출력을 입력받아 파워 스위치의 게이트를 제어하기 위한 전압으로 변경하여 출력하는 게이트 드라이버;

   상기 게이트 드라이버의 출력에 의해 스위칭하여 전원 전압을 진동모터에 인가하는 파워 스위치;

   상기 진동모터 입력단의 전류를 검출하여 상기 지령주파수 발생기로 제공하는 전류 검출기;

   상기 파워 스위치가 오프될 때 진동모터 입력단으로부터 역기전력 전압을 검출하여 상기 지령주파수 발생기 및 PLL로 제공하는 전압 검출기;로 구성되는 것을 특징으로 하는 진동모터 제어장치.
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