KR102011371B1 - 화상형성장치, 모터 제어 장치 및 그 모터 제어 방법 - Google Patents

Abstract

화상형성장치가 개시된다. 본 화상형성장치는, 화상 형성 잡 수행에 사용되는 엔진부, 엔진부를 기동시키는 스텝 모터, 스텝 모터의 코일에 흐르는 전류를 측정하기 위한 저항을 포함하며, 스텝 모터에 기설정된 정전류를 제공하는 구동부, 및, 저항의 전압값에 기초하여 스텝 모터의 부하 크기를 측정하고, 측정된 부하 크기에 대응되는 정전류가 제공되도록 구동부를 제어하는 구동 제어부를 포함한다.

Description

화상형성장치, 모터 제어 장치 및 그 모터 제어 방법{IMAGE FORMING APPARATUS, MOTOR CONTROLLING APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING OF MOTOR}

본 발명은 화상형성장치, 모터 제어 장치 및 그 모터 제어 방법에 관한 것으로, 스텝 모터의 부하를 감지하고, 감지된 부하에 따라 스텝 모터에 공급되는 정전류를 가변할 수 있는 화상형성장치, 모터 제어 장치 및 그 모터 제어 방법에 관한 것이다.

화상형성장치는 화상데이터의 생성, 인쇄, 수신, 전송 등을 수행하는 장치로서, 대표적인 예로서 프린터, 복사기, 팩스, 및 이들의 기능을 통합 구현한 복합기 등을 들 수 있다.

이와 같은 화상형성장치에서는 인쇄 용지를 이동시키거나, 인쇄 용지를 공급하는 등과 같이 다양한 기능을 수행하기 위한 모터들이 사용된다. 최근에는 화상형성장치에 ADF(Auto Document Feeder) 유닛, 피니셔(Finisher) 유닛, HCF(High Capacity Feeder) 유닛, DCF(Double Capacity Feeder) 유닛과 같은 다양한 기능을 수행하는 옵션 유닛을 화상형성장치에 부착할 수 있게 됨에 따라, 화상형성장치에서 사용될 수 있는 모터의 개수는 점점 더 증가하고 있다.

최근의 화상형성장치에서는 인쇄 용지의 이동 등을 정밀하게 제어하기 위하여 스텝 모터(또는, 펄스 모터, 스테핑 모터)를 이용한다. 여기서, 스텝 모터는 입력 펄스 수에 대응하여 일정 각도씩 움직이는 모터로, 입력 펄스 수와 모터의 회전각도가 완전히 비례하므로 회전 각도를 정확하게 제어할 수 있다.

이와 같은 스텝 모터는 여러 가지 구동방식으로 구동될 수 있으나, 정전류 구동 방식이 널리 이용되고 있다. 여기서, 정전류 구동 방식은 스텝 모터에 걸리는 부하에 상관없이 항상 일정한 정전류가 스텝 모터의 코일에 흐르도록 하는 방식이다.

한편, 시스템의 부하가 증가하여 고정된 유입 전류량보다 필요 전류량이 더 크게 되는 경우, 스텝 모터는 탈조(step out)될 수 있다는 점에서, 기존의 정전류 구동 방식에서는 정상 조건의 필요 전류량보다 높은 전류량을 스텝 모터에 공급하였다.

그러나 필요 전류량보다 높은 전류량을 공급하면, 정상 조건에서 코일에 유입되는 전류량 중에 모터 구동에 소모되는 전류 외에 나머지 전류량은 모터의 진동, 소음, 발열을 유발하게 된다. 또한, 과잉 공급된 모터 유입 전류에 의하여 불필요한 소비 전력이 발생되는 문제점이 있었다.

또한, 실사용 조건에서 필요한 정격 용량의 모터보다 큰 용량의 모터가 사용되어야 한다는 점에서 모터 부품의 재료비가 증가하는 문제점이 있었다. 더욱이 높은 전류량이 스텝 모터에 공급되더라도, 출력 이상으로 인하여 부하가 증가할 경우에는 탈조가 발생할 여지가 여전히 존재한다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 스텝 모터의 부하를 감지하고, 감지된 부하에 따라 스텝 모터에 공급되는 정전류를 가변할 수 있는 화상형성장치, 모터 제어 장치 및 그 모터 제어 방법을 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 일실시 예에 따른 화상형성장치는, 화상 형성 잡 수행에 사용되는 엔진부, 상기 엔진부를 기동시키는 스텝 모터, 상기 스텝 모터의 코일에 흐르는 전류를 측정하기 위한 저항을 포함하며, 상기 스텝 모터에 기설정된 정전류를 제공하는 구동부, 및, 상기 저항의 전압값에 기초하여 상기 스텝 모터의 부하 크기를 측정하고, 측정된 부하 크기에 대응되는 정전류가 제공되도록 상기 구동부를 제어하는 구동 제어부를 포함한다.

이 경우, 상기 구동 제어부는, 상기 저항의 전압값을 감지하는 감지부, 상기 감지된 전압값을 기초로 상기 스텝 모터의 부하 크기를 산출하는 산출부, 상기 계산된 부하 크기에 기초하여 상기 스텝 모터에 공급될 정전류의 크기를 결정하는 결정부, 및, 상기 결정된 정전류의 크기에 대응되는 제어 값을 상기 구동부로 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 감지부는, 상기 저항의 전압값을 평활하여 감지할 수 있다.

이 경우, 상기 감지부는, 상기 구동부의 상기 저항의 일 단과 연결되는 로우 패스 필터를 포함하고, 상기 로우 패스 필터의 출력 전압을 상기 저항의 전압값으로 감지할 수 있다.

한편, 상기 산출부는, 상기 감지된 전압값 및 상기 구동부에 인가되는 제어 값을 기초로 상기 스텝 모터의 부하 크기를 산출할 수 있다.

한편, 상기 산출부는, 아래의 수학식을 기초로 상기 스텝 모터의 부하 크기를 산출할 수 있다.

Vload = Vsens* Gsens - (Vref x Gref)

여기서 Vload는 산출된 부하 크기에 대응되는 전압값, Vsens는 저항의 전압값, Vref는 상기 구동부에 입력되는 정전류 제어값, Gsens 및 Gref는 게인값이다.

한편, 상기 결정부는, 복수의 부하 크기에 대응되는 정전류 크기를 갖는 룩업 테이블을 이용하여 상기 산출된 부하 크기에 대응되는 정전류를 결정할 수 있다.

이 경우, 상기 결정된 정전류는, 상기 산출된 부하 크기의 필요 정전류에 기설정된 마진 전류가 더해진 것일 수 있다.

한편, 상기 구동 제어부는, 상기 측정된 부하 크기와 기저장된 정상 구동시의 부하 크기 정보를 비교하여 상기 스텝 모터의 정상 동작 여부를 판단할 수 있다.

한편, 상기 스텝 모터 및 구동부는 복수개 구비되며, 상기 구동 제어부는, 상기 복수개의 스텝 모터 각각의 부하 크기를 측정하고, 측정된 부하 크기에 대응되는 정전류가 제공되도록 상기 복수개의 구동부 각각을 제어할 수 있다.

한편, 본 실시 예에 따른 모터 제어 장치는, 스텝 모터, 상기 스텝 모터의 코일에 흐르는 전류를 측정하기 위한 저항을 포함하며, 상기 스텝 모터에 기설정된 정전류를 제공하는 구동부, 상기 저항의 전압값에 기초하여 상기 스텝 모터의 부하 크기를 측정하고, 측정된 부하 크기에 대응되는 정전류가 제공되도록 상기 구동부를 제어하는 구동 제어부를 포함한다.

이 경우, 상기 구동 제어부는, 상기 저항의 전압값을 감지하는 감지부, 상기 감지된 전압값을 기초로 상기 스텝 모터의 부하 크기를 산출하는 산출부, 상기 계산된 부하 크기에 기초하여 상기 스텝 모터에 공급될 정전류의 크기를 결정하는 결정부, 상기 결정된 정전류의 크기에 대응되는 제어값을 상기 구동부로 출력하는 출력부를 포함한다.

이 경우, 상기 감지부는, 상기 저항의 전압값을 평활하여 감지할 수 있다.

이 경우, 상기 감지부는, 상기 구동부의 상기 저항의 일 단과 연결되는 로우 패스 필터를 포함하고, 상기 로우 패스 필터의 출력 전압을 상기 저항의 전압값으로 감지할 수 있다.

한편, 상기 산출부는, 상기 감지된 전압값 및 상기 구동부에 인가되는 제어값을 기초로 상기 스텝 모터의 부하 크기를 산출할 수 있다.

한편, 상기 산출부는, 아래의 수학식을 기초로 상기 스텝 모터의 부하 크기를 산출할 수 있다.

Vload = Vsens* Gsens - (Vref x Gref)

여기서 Vload는 산출된 부하 크기에 대응되는 전압값, Vsens는 저항의 전압값, Vref는 상기 구동부에 입력되는 정전류 제어값, Gsens 및 Gref는 게인값이다.

한편, 상기 결정부는, 복수의 부하 크기에 대응되는 정전류 크기를 갖는 룩업 테이블을 이용하여 상기 산출된 부하 크기에 대응되는 정전류를 결정할 수 있다.

이 경우, 상기 결정된 정전류는, 상기 산출된 부하 크기의 필요 정전류에 기설정된 마진 전류가 더해진 것일 수 있다.

한편, 상기 결정부는, 기설정된 정전류값, 기설정된 제1 부하 크기값 및 기설정된 제2 부하 크기값을 저장하고 있으며, 상기 계산된 부하 크기가 상기 기설정된 제1 부하 크기값보다 크면, 상기 기설정된 정전류값, 상기 기설정된 제1 부하 크기값 및 상기 기설정된 제2 부하 크기값을 증가하고, 상기 증가된 정전류값을 상기 산출된 부하 크기에 대응되는 정전류로 결정하며, 상기 계산된 부하 크기가 상기 기설정된 제2 부하 크기값보다 작으면, 상기 기설정된 정전류값, 상기 기설정된 제1 부하 크기값 및 상기 기설정된 제2 부하 크기값을 감소하고, 상기 감소된 정전류값을 상기 산출된 부하 크기에 대응되는 정전류로 결정할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 스텝 모터의 모터 제어 방법은, 상기 스텝 모터에 대한 제어 명령을 수신하는 단계, 및, 상기 제어 명령에 따라 상기 스텝 모터에 기설정된 정전류를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 정전류를 제공하는 단계는, 상기 스텝 모터의 코일에 흐르는 전류 크기에 기초하여 상기 스텝 모터의 부하 크기를 측정하고, 측정된 부하 크기에 대응되는 정전류를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 화상형성장치의 구성을 나타내는 도면,
도 2는 도 1의 모터 제어 장치의 구성을 구체적으로 나타내는 도면,
도 3은 도 2의 구동 제어부의 구체적인 구성을 나타내는 도면,
도 4는 도 2의 구동부의 구체적인 구성을 나타내는 도면,
도 5는 센싱 전압값의 전압과 부하와의 관계를 설명하기 위한 도면,
도 6은 보정된 센싱 전압값과 부하와의 관계를 설명하기 위한 도면,
도 7은 스텝 모터가 정상 구동 중인 경우의 상 전류 및 상 전압의 파형도,
도 8은 스텝 모터가 탈조 직전인 경우의 상 전류 및 상 전압의 파형도,
도 9는 스텝 모터가 탈조된 경우의 상 전류 및 상 전압의 파형도,
도 10은 낮은 부하인 경우의 전류 파형도,
도 11은 높은 부하인 경우의 전류 파형도,
도 12는 제1 실시 예에 따른 구동 제어부의 구성을 도시하는 도면,
도 13은 제2 실시 예에 따른 구동 제어부의 구성을 도시하는 도면,
도 14는 제2 실시 예에 따른 구동 제어부의 회로도,
도 15는 본 실시 예에 따른 부하 전압값과 부하와의 관계를 도시한 도면,
도 16은 본 실시 예에 따른 룩업 테이블의 일 예,
도 17은 본 실시 예에 따른 효과를 설명하기 위한 도면,
도 18은 제3 실시 예에 따른 구동 제어부의 구성을 도시하는 도면,
도 19는 제3 실시 예에 따른 구동 제어부의 회로도,
도 20은 도 18의 결정 회로(334)의 회로도,
도 21은 제3 실시 예에 따른 구동 제어부의 동작을 설명하기 위한 도면,
도 22는 모터 회전 상태에 따른 부하 전압값을 도시한 파형도,
도 23은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 화상형성장치를 나타내는 도면, 그리고,
도 24는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 화상형성장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참고하면, 화상형성장치(100)는 통신 인터페이스부(110), 사용자 인터페이스부(120), 저장부(130), 엔진부(140), 스텝 모터(150), 제어부(160) 및 모터 제어 장치(200)로 구성된다.

여기서, 화상형성장치(100)는 화상 데이터의 생성, 인쇄, 수신, 전송 등을 수행하는 장치로서, 프린터, 복사기, 팩스, 및 이들의 기능을 통합 구현한 복합기 등을 들 수 있다. 본 실시 예에서는 화상을 형성하는 화상형성장치에만 적용되는 것으로 기술하였으나, 스캐너와 같은 화상독취장치에도 적용될 수도 있다.

통신 인터페이스부(110)는 PC, 노트북 PC, PDA, 디지털 카메라 등의 인쇄 제어 단말장치(미도시)와 연결된다. 구체적으로, 통신 인터페이스부(110)는 화상형성장치(100)를 외부장치와 연결하기 위해 형성되고, 근거리 통신망(LAN: Local Area Network) 및 인터넷망을 통해 인쇄 제어 단말장치에 접속되는 형태뿐만 아니라, USB(Universal Serial Bus) 포트를 통하여 접속되는 형태도 가능하다. 또한, 유선 방식뿐만 아니라 무선 방식으로 인쇄 제어 단말장치에 접속되는 형태로도 구현될 수 있다.

그리고 통신 인터페이스부(110)는 인쇄 제어 단말장치로부터 인쇄 데이터를 수신한다. 또한, 화상형성장치(100)가 스캐너 기능을 갖는 경우, 통신 인터페이스부(110)는 생성된 스캔 데이터를 인쇄 제어 단말장치 또는 외부 서버(미도시)에 전송할 수 있다.

사용자 인터페이스부(120)는 화상형성장치(100)에서 지원하는 각종 기능을 사용자가 설정 또는 선택할 수 있는 다수의 기능키들을 구비하며, 화상형성장치(100)에서 제공되는 각종 정보 표시한다. 사용자 인터페이스부(120)는 터치 스크린 등과 같이 입력과 출력이 동시에 구현되는 장치로 구현될 수도 있고, 마우스(또는 키보드, 복수의 버튼) 및 모니터의 결합을 통한 장치로도 구현 가능하다. 사용자는 사용자 인터페이스부(120)를 통해 제공되는 사용자 인터페이스 창을 이용하여, 화상형성장치(100)의 인쇄 동작을 제어할 수 있다.

그리고 사용자 인터페이스부(120)는 화상형성장치(100)의 동작 상태를 표시한다. 구체적으로, 사용자 인터페이스부(120)는 후술할 스텝 모터의 정상 동작 여부를 표시할 수 있다. 예를 들어, 사용자 인터페이스부(120)는 스텝 모터에 과부하가 걸리거나, 스텝 모터가 탈조된 경우 등의 정보를 사용자에게 표시할 수 있다.

저장부(130)는 인쇄 데이터를 저장한다. 구체적으로, 저장부(130)는 통신 인터페이스부(110)를 통하여 수신된 인쇄 데이터를 저장한다. 그리고 저장부(130)는 스텝 모터(150) 제어를 위한 룩업 데이터를 저장할 수 있다. 여기서 룩업 테이블은 스텝 모터의 구동 속도별 펄스 주기 정보를 갖는 가속 테이블일 수 있으며, 복수의 부하 전압(Vload)에 대응되는 토크 값에 대한 룩업 테이블, 복수의 부하 전압(Vload)에 대응되는 정전류 제어값(Vref 값, 또는 제어 전압값)에 대한 룩업 테이블일 수 있다.

한편, 본 실시 예에서는 저장부(130)가 룩업 테이블을 저장하는 것으로 설명하였지만, 구현시에 룩업 테이블은 후술할 모터 제어 장치(200)가 저장할 수 있다.

저장부(130)는 스텝 모터(150)의 부하 정보를 저장할 수 있다. 구체적으로, 저장부(130)는 모터 제어 장치(200)로부터 전달되는 부하 정보를 저장할 수 있다.

한편, 저장부(130)는 화상형성장치(100) 내의 저장매체 및 외부 저장 매체, 예를 들어, USB 메모리를 포함한 Removable Disk, 네트워크를 통한 웹서버(Web server) 등으로 구현될 수 있다.

엔진부(140)는 화상 형성 잡을 수행한다. 구체적으로, 엔진부(140)는 제어부(160)의 제어 및 스텝 모터(150)의 기동에 따라 화상 형성 잡을 수행할 수 있다. 본 실시 예에서는 엔진부(140)가 화상 형성 잡만을 수행하는 것으로 설명하였으나, 화상형성장치(100)가 스캔 작업을 수행할 수 있는 스캐너 또는 복합기인 경우, 엔진부(140)는 화상 독취 잡을 수행하는 구성일 수 있다.

스텝 모터(150)는 화상형성장치(100) 내부에 구비되는 스텝 모터로, 펄스 입력 및 전원을 입력받으며, 입력되는 펄스 입력에 따라 등속 또는 가속 구동을 수행할 수 있다. 그리고 스텝 모터(150)는 입력되는 펄스 입력의 상 순서에 따라 정방향 구동 또는 역방향 구동을 수행할 수 있다. 여기서 스텝 모터(150)는 OPC를 구동하거나, 정착기를 구동하거나, 용지를 이송하는 등의 화상형성장치의 다양한 기능을 수행하기 위한 모터일 수 있다.

모터 제어 장치(200)는 제어 명령에 따라 스텝 모터(150)에 대한 구동 신호를 생성한다. 모터 제어 장치(200)의 구체적인 구성 및 동작에 대해서는 도 2를 참고하여 후술한다.

그리고 모터 제어 장치(200)는 스텝 모터(150)의 부하 크기를 측정하고, 측정된 부하 크기를 부하 정보로 제어부(160)에 제공할 수 있다. 이러한 모터 제어 장치(200)의 부하 크기에 대한 측정 방법에 대해서는 도 2를 참조하여 후술한다.

제어부(160)는 화상형성장치(100) 내의 각 구성에 대해서 제어를 수행한다. 구체적으로, 제어부(160)는 인쇄 제어 단말장치로부터 인쇄 데이터를 수신하면, 수신된 인쇄 데이터가 인쇄되도록 엔진부(140)의 동작을 제어하며, 엔진부(140)를 기동시키는 스텝 모터에 대한 제어 명령을 모터 제어 장치(200)에 송신한다. 예를 들어, 제어부(160)는 스텝 모터에 대한 회전 개시/정지, 가속/감속, 속도 지령값 등의 제어 명령을 모터 제어 장치(200)에 전송할 수 있다.

제어부(160)는 모터 제어 장치(200)로부터 스텝 모터(150)의 부하 정보를 수신하고, 수신된 부하 정보를 기초로 스텝 모터(150)의 정상 동작 여부를 판단한다. 그리고 스텝 모터(150)가 비정상 동작하는 것으로 판단되면, 제어부(160)는 경고 메시지가 표시되도록 사용자 인터페이스부(120)를 제어할 수 있다. 한편, 이상에서는 제어부(160)가 스텝 모터(150)의 정상 동작 여부를 판단하는 것으로 설명하였지만, 구현시에는 모터 제어 장치(200)가 스텝 모터의 정상 여부를 판단하고, 스텝 모터가 비정상으로 동작시에 그에 대한 메시지를 제어부(160)에 전달하는 형태로도 구현될 수 있다.

이상과 같이 본 실시 예에 따른 화상형성장치(100)는 스텝 모터의 부하 정보를 제공받을 수 있으며, 이에 따라 스텝 모터의 부하량을 정량적으로 산출할 수 있다. 또한, 화상형성장치(100)는 제공되는 스텝 모터의 부하 정보를 기초로 스텝 모터의 정상/비정상 동작 여부를 판단하고, 그에 따른 정보를 사용자 및 관리자에게 제공할 수 있다.

한편, 도 1을 설명함에 있어서, 스텝 모터(150)와 모터 제어 장치(200)가 개별적인 구성인 것으로 도시하였지만, 구현시에 스텝 모터(150)는 모터 제어 장치(200) 내의 구성으로 구현될 수도 있다. 이하에서는 모터 제어 장치(200)의 구체적인 구성을 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 도 1의 모터 제어 장치의 구성을 구체적으로 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 실시 예에 따른 모터 제어 장치(200)는 구동부(210) 및 구동 제어부(300)로 구성된다. 도시된 예에서는 모터 제어 장치(200)가 스텝 모터(150)를 구비하지 않는 것으로 도시하였지만, 구현시에 모터 제어 장치(200)는 스텝 모터를 구성으로 포함하는 형태로도 구현될 수 있다.

구동부(210)는 스텝 모터의 코일에 흐르는 전류를 측정하기 위한 저항을 포함하며, 스텝 모터에 기설정된 정전류를 제공한다. 구체적으로, 구동부(210)는 구동 제어부(300)로부터 전달되는 구동 신호 및 전류 레퍼런스 값(Vref)(이하에서는 정전류 제어값이라고 지칭한다)에 기초하여 스텝 모터에 기설정된 정전류를 제공한다. 구동부(210)의 구체적인 구성 및 동작에 대해서는 도 4를 참조하여 후술한다.

구동 제어부(300)는 제어부(160)로부터 제어 명령을 수신하고, 수신된 제어 명령에 기초하여 구동부(210)를 제어하여 스텝 모터의 구동 상태를 제어한다. 구체적으로, 구동 제어부(300)는 제어부(160)로부터 스텝 모터에 대한 제어 명령을 수신할 수 있다. 여기서 제어 명령은 스텝 모터에 대한 회전 개시/정지, 가속/감속, 속도 지령값 등의 제어 명령 등을 포함할 수 있다.

한편, 이와 같은 제어 명령은 두 개의 장치 간의 직렬 통신으로 데이터를 교환할 수 있게 해주는 인터페이스인 SPI(Serial Peripheral Interface) 및 양방향 직렬 버스인 I²C 등의 시리얼 통신 인터페이스를 통해 제어부(160)로부터 전달받을 수 있다.

그리고 구동 제어부(300)는 수신된 제어 명령에 따라 스텝 모터(150)에 대한 구동 신호를 생성한다. 구체적으로, 구동 제어부(300)는 가속 테이블 내의 제어 명령에 대응되는 속도 변화 구간의 펄스 주기 정보를 이용하여 구동 신호를 생성할 수 있다. 여기서 가속 테이블은 스텝 모터의 구동 속도별 펄스 주기 정보를 갖는 테이블로, 가속 테이블은 구동 제어부(300) 자체적으로 저장할 수 있으며, 상술한 저장부(130)에 저장되어 있고, 필요시에 구동 제어부(300)가 독취하여 이용하는 형태로도 구현될 수 있다.

구동 신호를 생성할 때, 구동 제어부(300)는 스텝 모터(150)의 부하 크기를 측정하고, 측정된 부하 크기에 대응되는 정전류가 스텝 모터에 제공되도록 구동부(210)를 제어할 수 있다. 이러한 동작에 대해서는 도 3을 참조하여 후술한다.

그리고 구동 제어부(300)는 측정된 부하 크기를 제어부(160)에 제공할 수 있다. 그리고 구동 제어부(300)는 측정된 부하 크기와 기저장된 정상 구동시의 부하 크기 정보를 비교하여 스텝 모터의 정상 동작 여부를 판단할 수 있다. 이러한 구동 제어부(300)의 동작에 대해서는 도 22와 관련하여 후술한다.

이상과 같이 본 실시 예에 따른 모터 제어 장치(200)는 스텝 모터의 부하 크기를 감지할 수 있는바, 감지된 부하에 따라 최적화된 정전류를 스텝 모터에 제공할 수 있게 된다. 그리고 모터의 부하 변화를 세트 동작 상태에서 실시간으로 감시할 수 있으며, 부하량을 정량적으로 산출할 수 있다. 그리고 시스템 부하 상태의 정상/비정상 판단이 가능하며, 비정상적인 부하 상태가 감지될 경우에는 비정상 상태를 알림 하거나 피드백 제어하는 것이 가능하다.

도 2를 설명함에 있어서, 하나의 모터 제어 장치(200)가 하나의 스텝 모터를 제어하는 형태에 대해서만 설명하였으나, 도 23에 도시된 바와 같이 하나의 모터 제어 장치가 두 개 이상의 스텝 모터를 제어하는 형태로 구현할 수 있으며, 하나의 모터 제어 장치(200)가 스텝 모터를 제어하면서, BLDC 모터 및 DC 모터 등을 함께 제어하는 형태로도 구현할 수 있다.

또한, 도 2를 설명함에 있어서, 구동부(210)와 구동 제어부(300)를 별도의 구성으로 도시하고 설명하였지만, 구형시에는 구동부(210)와 구동 제어부(300)를 하나의 구성으로 구현할 수도 있다.

도 3은 도 2의 구동 제어부의 구체적인 구성을 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 구동 제어부(300)는 감지부(310), 산출부(320), 결정부(330) 및 출력부(340)로 구성된다.

감지부(310)는 센싱 저항의 전압값을 감지한다. 구체적으로, 감지부(310)는 구동부(210)의 센싱 저항의 전압값을 감지한다. 이때, 감지부(310)는 감지된 센싱 저항의 전압값의 체적을 측정된 값으로 출력할 수 있다. 구체적으로, 센싱 저항의 전압의 체적은 스텝 모터의 부하 크기에 비례하여 가변되는 인자인바, 감지부(310)는 센싱 저항의 일 단과 연결되는 로우 패스 필터를 포함하고, 로우 패스 필터의 출력 전압을 센싱 전압값(Vsens)으로 출력할 수 있다. 본 실시 예에서는 로우 패스 필터를 이용하여 센싱 전항의 전압의 체적을 감지하는 것으로 설명하였지만, 구현시에는 전압의 체적을 출력할 수 있는 소자라면, 적분기, 전하 펌프 등을 이용하여 구현할 수도 있다.

산출부(320)는 감지된 전압값(Vsens)(엄밀하게는 센싱 저항의 전압의 체적 전압값, 이하에서는 설명을 용이하게 하기 위하여 센싱 전압값이라고 칭한다)을 기초로 스텝 모터의 부하 크기를 산출한다. 구체적으로, 산출부(320)는 감지부(310)에서 출력된 센싱 전압값에 기설정된 게인값을 곱하여 스텝 모터의 부하 크기로 산출할 수 있다.

그리고 산출부(320)는 감지된 센싱 전압값(Vsens) 및 정전류 제어값(Vref)을 이용하여 스텝 모터의 부하 크기를 산출할 수 있다. 이 경우, 산출부(320)는 후술할 수학식 1을 기초로 스텝 모터의 부하 크기를 산출할 수 있다. 이때, 산출부(320)는 산출된 부하 크기를 전압값(Vload)으로 출력할 수 있다. 여기에서 출력되는 전압값(Vload)을 이하에서는 부하 전압값이라고 지칭한다.

결정부(330)는 계산된 부하 크기에 기초하여 스텝 모터에 공급될 정전류의 크기를 결정한다. 구체적으로, 결정부(330)는 계산된 부하 크기에 대응되는 정전류의 크기를 계산 방식을 통하여 결정하거나, 기저장된 룩업 테이블을 이용하여 결정할 수 있다. 이러한 방식에 의하여 결정된 정전류의 크기는 산출된 부하 크기의 필요 정전류에 기설정된 마진 전류가 더해진 것이 바람직하다. 이러한 결정부(330)의 구체적인 동작에 대해서는 도 15 및 16을 참조하여 후술한다.

그리고 결정부(330)는 계산된 부하 크기에 대해서 high/low Limit 제어를 수행할 수 있다. 구체적으로, 결정부(330)는 기설정된 정전류값, 기설정된 제1 부하 크기값 및 기설정된 제2 부하 크기값을 저장하고 있으며, 계산된 부하 크기가 기설정된 제1 부하 크기값보다 크면, 기설정된 정전류값, 기설정된 제1 부하 크기값 및 기설정된 제2 부하 크기값을 증가하고, 증가된 정전류값을 산출된 부하 크기에 대응되는 정전류로 결정하고, 계산된 부하 크기가 기설정된 제2 부하 크기값보다 작으면, 기설정된 정전류값, 기설정된 제1 부하 크기값 및 기설정된 제2 부하 크기값을 감소하고, 감소된 정전류값을 산출된 부하 크기에 대응되는 정전류로 결정할 수 있다. 이러한 결정부(330)의 구체적인 동작 및 구성에 대해서는 도 18 내지 도 21과 관련하여 후술한다.

출력부(340)는 결정된 정전류의 크기에 대응되는 제어값(Vref)을 구동부(210)로 출력한다. 한편, 본 실시 예에서는 결정부(330) 및 출력부(340)가 별도의 구성인 것으로 도시하였지만, 구현시에 결정부(330)와 출력부(340)의 구성으로 구현될 수 있다.

이상과 같이 본 실시 예에 따른 구동 제어부(300)는 스텝 모터의 부하 정도를 감지할 수 있다. 이러한 점에서, 구현시에는 감지부(310) 및 산출부(320)의 구성만을 이용하여 스텝 모터의 부하 감지 장치로 활용할 수 있다. 또한, 구동 제어부(300)는 센싱 저항의 전압값을 이용하여 부하 정도를 감지하는바, 스텝 모터의 여자 방식에 상관없이 부하 정도를 감지할 수 있으며, Full/Half/Quarter 등 모든 부하 상태에서 부하 크기를 감지할 수 있다.

또한, 종래에는 스텝 모터의 부하 정보를 감지할 수 없었다는 점에서, 필요 전류보다 높은 전류를 스텝 모터에 공급하였지만, 본 실시 예에서는 스텝 모터의 부하 정보를 감지할 수 있는바, 감지된 부하 정보에 대응되게 정전류를 가변할 수 있게 된다.

한편, 도 3을 설명함에 있어서, 구동 제어부(300)가 복수의 구성으로 구현되는 것으로 도시하였지만, 구현시에는 적어도 두 개의 구성을 하나의 구성으로 구현할 수 있다. 예를 들어, 상술한 바와 같이 감지부(310) 및 산출부(320)를 부하 감지 장치로 구현할 수 있으며, 결정부(330) 및 출력부(340)를 하나의 구성으로 구현할 수 있다. 또한, 산출부(320), 결정부(330) 및 출력부(340)를 하나의 ASIC 칩으로 구현할 수 있다. 즉, 감지부(310)만을 하드웨어 구성으로 구현하고, 나머지 구성은 하나의 구성 내에서 소프트웨어적으로 동작하도록 구현할 수도 있다.

또한, 구현시에는 상술한 감지부(310), 산출부(320), 결정부(330) 및 출력부(340)를 ADC를 구비하는 ASIC 칩으로 구현할 수도 있다.

도 4는 도 2의 구동부의 구체적인 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 구동부(210)는 구동 회로(211), 제1 스위치(212), 코일 선택부(213), 센싱 저항(214) 및 비교기(215)로 구성된다.

구동 회로(211)는 구동 신호 및 정전류 제어값(Vref, 또는 정전류 제어값)을 수신하고, 수신된 구동 신호 및 정전류 제어값(Vref)에 기초하여 제1 스위치(212) 및 코일 선택부(213)를 제어한다. 이러한 구동 회로(211)는 스텝 모터에 대한 정전류를 제어하는 일반적인 상용 IC일 수 있다.

제1 스위치(212)는 구동 회로(211)의 제어 따라 온/오프 동작한다. 구체적으로, 구동 신호가 온 구간에서 제1 스위치(211)는 스텝 모터(150)에 기설정된 정전류 크기가 될 때까지 온된다. 그리고 스텝 모터(150)에 기설정된 정전류가 공급되면, 구동 회로(211)의 제어에 따라 온/오프 동작을 반복적으로 수행하여, 정전류가 스텝 모터(150)에 공급되도록 할 수 있다.

코일 선택부(213)는 구동 회로(211)의 제어 따라 두 스위치(213-1, 213-2) 중 하나가 동작하며, 스텝 모터의 복수의 코일에 선택적으로 전류를 공급할 수 있다. 한편, 본 실시 예에서는 두 개의 스위치를 이용하는 것으로 도시하였지만, 스텝 모터의 여자 방식에 따라 코일 선택부(213)의 구성은 변경될 수 있다.

센싱 저항(214)은 스텝 모터의 코일에 흐르는 전류를 측정하기 위한 저항으로, 일 단은 코일 선택부(213)의 일 단과 연결되고, 타 단은 접지된다.

비교기(215)는 센싱 저항(214)의 전압값과 기설정된 전압값을 비교하고, 그 비교 결과를 구동 회로(211)에 출력한다. 구체적으로, 비교기(215)는 OP-Amp로 구현될 수 있으며, 이 경우 음의 단자는 센싱 저항(214)의 일 단과 연결될 수 있으며, 양의 단자는 기설정된 전압값을 입력받고, 그 비교 결과를 구동 회로(211)에 출력할 수 있다.

여기서 센싱 저항의 전압값은 스텝 모터의 코일에 흐르는 전류의 변화를 대변하는 값으로, 비교기(215)는 스텝 모터의 코일에 흐르는 전류가 기설정된 피크 전류를 갖는지를 비교하며, 구동 회로(211)는 스텝 모터의 코일에 흐르는 전류가 피크 전류인지 여부에 따라 제1 스위치(212)의 온/오프 동작을 제어한다. 이에 따라 도 4의 (a)에 영역에 도시된 바와 같이 스텝 모터에 흐르는 전류의 변화를 대변하는 센싱 전항의 전압값은 상승과 초핑(chopping) 동작을 반복한다.

이와 같이 구동부(210)가 동작 중인 경우에, 감지부(310)는 센싱 저항(214)의 전압값을 감지한다.

한편, 센싱 저항의 전압값을 나타내는 그래프(도 4의 (a))에서 센싱 저항의 전압값의 면적(또는 체적)은 스텝 모터의 부하 크기에 대응되는 인자이다. 이와 같이 부하 크기에 대응되는 값을 출력하기 위하여, 즉, 센싱 저항의 전압값에 대한 적분 값(센싱 전압값)을 출력하기 위하여, 감지부(310)는 로우 패스 필터를 이용한다.

한편, 본 실시 예에서는 저항 및 커패시터를 이용하여 로우 패스 필터를 구성하였지만, 구현시에는 인덕터 및 커패시터를 이용하여 로우 패스 필터를 구성할 수도 있으며, 2차 이상의 N차로도 구현할 수 있다. 또한, OP-amp를 이용하여 액티브 필터(즉, 적분기)로 구현할 수도 있다.

이하에서는 센싱 전압값을 부하 정보로 이용할 수 있는 이유에 대해서 도 5 내지 도 11을 참조하여 설명한다.

도 5는 센싱 전압값과 부하와의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 동일한 모터, 속도, 전류 조건에서 모터 단의 부하가 증가한 경우의 센싱 전압값과 부하와의 관계를 나타낸 그래프이다. 그래프의 가로축은 부하의 크기이고, 세로 축은 센싱 전압값(Vsens)이다. 여기서 센싱 전압값은 도 4에 도시된 바와 같은 로우 패스 필터의 출력값, 즉, 센싱 저항의 전압을 적분한 값이다.

도 5를 참조하면, 부하 크기가 증가함에 따라서, 센싱 전압값은 선형적으로 증가함을 알 수 있다. 이와 같이 센싱 전압값은 부하 크기에 비례하여 변화하는바, 스텝 모터의 부하를 대변하는 값으로 이용할 수 있다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이 입력 전류가 증가한 경우에도 센싱 전압값은 입력 전류의 증가량에 따라 변화되는 것을 알 수 있다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같은 입력 전류 값의 영향 없이 부하의 변화에 의해서만 선형적으로 변화하는 값을 얻기 위하여, 센싱 전압을 입력 전류를 대변하는 정전류 제어값(Vref)을 이용하여 보정할 수 있다. 이에 대해서는 도 6을 참조하여 이하에서 설명한다.

도 6은 보정된 센싱 전압값과 부하와의 관계를 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 입력 전류의 변화와 상관없이 보정된 센싱 전압은 부하 크기에 따라 변화함을 확인할 수 있다. 이렇게 부하에 의해서만 변화하는 것을 부하 전압(Vload)이라 지칭한다. 이러한 부하 전압은 아래의 수학식 1과 같다.

[수학식 1]

Vload = Vsens* Gsens - (Vref x Gref)

여기서 Vload는 산출된 부하 크기에 대응되는 전압(즉, 부하 전압), Vsens는 센싱 전압값, Vref는 구동부에 입력되는 정전류 제어값, Gsens 및 Gref는 게인값이다.

센싱 전압값(Vsens), 정전류 제어값(Vref)은 감지를 통하여 알 수 있는 값인바, 이하에서는 게인 값(Gref)을 결정하는 방법에 대해서 설명한다.

우선적으로 동일한 부하를 갖는 스텝 모터를 기동하여 초기 Ramp up 시점까지는 일정한 정전류 제어값(Vref)을 인가한다. 여기서 일정한 정전류 제어값은 부하 마진이 충분한 큰 값이다(예를 들어, Vref PWM duty =100%). 그리고, Ramp up 이후에 steady 구간에서 아래의 수학식 2를 이용하여 Gref를 계산한다.

[수학식 2]

Vload 1 = Vload 2 (동일한 부하조건)

Vsens 1* Gsens - Vref1*Gref = Vsens2*Gsens - Vref2*Gref

-> Gref = Gens*(Vsens1-Vsens2)/(Vref1-Vref2)

여기서, 게인(Gsens)은 센싱 전압값(Vsens)의 제어 분해능을 크게 하기 위하여, 센싱 전압값(Vsens)에 곱해지는 게인으로서, 'Vsens x Gsens' 값이 제어 로직 전원 레벨 이하에서 가능한 넓은 범위의 값을 갖도록 할 수 있다. 또한, 증폭기 출력의 최대값이 증폭기 출력의 상한 제한 값보다 작도록 설정될 수 있으며, 1의 값을 가질 수 있다.

상술한 수학식 2는 서로 다른 입력 전류라도 동일한 부하 조건에서는 부하 전압(Vload)은 같아야 한다는 것을 전제로 한다. 따라서, 동일한 세트의 부하 조건에서 서로 다른 2개의 정전류 제어값(Vref1, Vref2)을 입력하고, 각각의 정전류 제어값에 의한 센싱 전압값(Vsens1, Vsesn2)을 감지하여 Gref값을 도출한다.

예를 들어, Steady 구간에서 Vref PWM duty 100%를 인가한 상태에서 센싱 전압값(100%)을 감지하여 기억하고, 일정 시간 이후에 Vref PWM duty 80%를 인가한 상태에서 센싱 전압값(80%) 값을 감지하여 기억한다. 그리고 앞서 정의된 Gsens Gain 값을 적용하면, 상술한 수식에 의하여 최종 Gref 값을 도출할 수 있다.

이러한 게임(Gref)의 계산은 공장 출하 과정에서 제조사에서 미리 측정되어 기록될 수도 있으며, 화상형성장치(100) 자체적으로 계산될 수도 있다. 예를 들어, 모터 부품이나 구동 조건이 변경되는 경우에도 동일하게 부하 전압(Vload)을 감지하기 위하여, 조건 변경이 감지되면, 상술한 Gref 산출 과정을 수행할 수 있다. 또한, 동일한 시스템에서 다른 저항값을 갖는 모터를 공용으로 사용하는 경우나 모터 간에 저항값 차이가 큰 경우에는 각 모터별로 상술한 계산 동작을 수행할 수 있다.

이하에서는 센싱 전압값에 의한 부하 변화 감지 원리를 도 7 내지 도 11을 참조하여 후술한다.

도 7은 스텝 모터가 정상 구동 중인 경우의 상 전류 및 상 전압의 파형도, 도 8은 스텝 모터가 탈조 직전인 경우의 상 전류 및 상 전압의 파형도, 그리고, 도 9는 스텝 모터가 탈조된 경우의 상 전류 및 상 전압의 파형도이다.

스텝 모터는 모터에 걸리는 부하 정도에 따라 입력 펄스와 역기전력 간에 위상 차가 발생한다.

이에 따라서, 도 7과 같이 부하가 작은 경우에는 역기전력(Vemf)의 위상이 인가 전류의 위상보다 앞서게 된다. 이와 같이 부하가 작은 경우, 일정한 전류 온(on) 구간 내에서 처음 전류가 상승하는 구간은 역기전력의 영향을 많이 받게 되어 시간 간격이 길어지고, 전류 초핑(chopping) 구간은 상대적으로 짧아진다.

그리고 전류 초핑 구간 내에서는 전류 상승 구간과 반대로 역기전력의 영향을 적게 받기 때문에 PWM on time은 도 10과 같이 짧아지게 된다.

한편, 도 8과 같이 스텝 모터에 부하가 많이 걸리는 경우에는, 역기전력과 인가 전류의 위상차가 작아지면서 전류 상승 구간은 역기전력의 영향을 작게 받아서 짧아지며, 전류 초핑 구간은 상대적으로 길어진다.

그리고 전류 초핑 구간 내에서는 전류 상승 구간과 반대로 역기전력의 영향을 많이 받기 때문에 PWM on Time은 도 11과 같이 길어지게 된다.

결과적으로 부하가 많이 걸릴수록 전류 상승구간은 짧아지고, 초핑 구간이 길어지며, 전류 초핑 구간 내에서 PWM on Time도 길이 짐에 따라 반복적인 스위칭 동작하는 일정한 전류 온 구간 내에서의 전류 센싱 전압값의 체적은 넓어지게 된다. 따라서, 본 실시 예에서는 센싱 저하의 전압의 체적을 이용하여 스텝 모터의 부하 정도를 감지한다.

한편, 도 9를 참조하면, 스텝 모터에서 탈조가 발생하면, 역기전력은 '0'이 된다. 전류 온(on) 구간 내에서 전류 상승 구간의 시간 간격은 짧아지지만, 전류 초핑 구간에서의 PWM on 타임은 최소로 작아지면서, 결과적으로 센싱 저항의 전압값의 체적은 모터 회전 구간과 비교하여 최소가 된다.

도 12는 제1 실시 예에 따른 구동 제어부의 구성을 도시하는 도면이다. 구체적으로, 제1 실시 예에 따른 구동 제어부는 센싱 전압값만을 이용하여 부하 전압값을 출력하는 경우의 실시 예이다.

도 12를 참조하면, 구동 제어부(300)는 감지부(310), 산출부(320) 및 결정부(330)로 구성된다.

감지부(310)는 센싱 저항(214)의 전압값을 감지하고, 감지된 센싱 저항(214)의 전압값에 대한 체적을 센싱 전압값(Vsens)으로 출력한다. 구체적으로, 감지부(310)는 저항 및 커패시터로 구성되는 2차 로우 패스 필터로 구성된다. 한편, 본 실시 예에서는 2차 로우 패스 필터로 감지부(310)를 구현하였으나, 1차 로우 패스 필터, 3차 이상의 로우 패스 필터로 구현될 수도 있다. 또한, 로우 패스 필터 이외의 적분기 등으로 구현될 수도 있다.

산출부(320)는 감지부(310)에서 출력된 센싱 전압값을 기초로 부하 전압을 산출할 수 있다. 구체적으로, 산출부(320)는 증폭기로 구현될 수 있으며, 감지부(310)에서 출력된 센싱 전압값에 게인(Gsens)을 곱하여 출력할 수 있다. 여기서 게인(Gsens)은 센싱 전압값의 제어 분해능을 크게 하기 위하여 센싱 전압값에 곱해지는 게인이다. 구현시에는 게인(Gsens)은 'Vsens x Gsens'가 로직 전원의 레벨 이하에서 가능한 넓은 범위를 갖도록 결정되고, 증폭기 출력의 최대값이 증폭기의 출력 상한 제한값보다 작도록 결정될 수 있다.

결정부(330)는 산출부(320)에서 출력된 부하 전압을 기초로 구동부(310)에 제공될 정전류 제어값(Vref)을 결정한다. 이러한 결정부(330)의 구체적인 동작에 대해서는 도 15 및 도 16을 참조하여 후술한다. 여기서 결정된 정전류 제어값(Vref)는 구동부(210)에 제공된다.

한편, 구현시에 상술한 감지부(310) 및 산출부(320)의 구성만을 이용하여 스텝 모터의 부하 크기를 출력하는 부하 감지 장치를 구현할 수도 있다.

도 13은 제2 실시 예에 따른 구동 제어부의 구성을 도시하는 도면, 도 14는 제2 실시 예에 따른 구동 제어부의 회로도이다. 구체적으로, 제2 실시 예에 따른 구동 제어부는 센싱 전압값 및 정전류 제어값을 이용하여 부하 크기를 산정하는 경우의 실시 예이다.

도 13 및 도 14를 참조하면, 구동 제어부(300')는 감지부(310), 제2 감지부(320), 산출부(320') 및 결정부(330)로 구성된다.

감지부(310)는 센싱 저항(214)의 전압값을 감지하고, 감지된 센싱 저항(214)의 전압값에 대한 체적을 센싱 전압값(Vsens)으로 출력한다. 구체적으로, 감지부(310)는 저항 및 커패시터로 구성되는 2차 로우 패스 필터로 구성된다. 한편, 본 실시 예에서는 2차 로우 패스 필터로 감지부(310)를 구현하였으나, 1차 로우 패스 필터, 3차 이상의 로우 패스 필터로 구현될 수도 있다. 또한, 로우 패스 필터 이외의 적분기 등으로 구현될 수도 있다.

제2 감지부(315)는 구동부(310)에 제공되는 정전류 제어값(Vref)을 감지한다. 구체적으로, 제2 감지부(315)는 제2 감지부(315)는 저항 및 커패시터로 구성되는 2차 로우 패스 필터로 구성된다. 한편, 본 실시 예에서는 2차 로우 패스 필터로 제2 감지부(315)를 구현하였으나, 1차 로우 패스 필터, 3차 이상의 로우 패스 필터로 구현될 수도 있다. 또한, 로우 패스 필터 이외의 적분기 등으로 구현될 수도 있다. 한편, 정전류 제어값(Vref)는 센싱 전압값과 달리 비교적 일정한 값을 갖는다는 점에서, 구현시에는 로우 패스 필터 처리 없이 직접적으로 산출부(320')로 출력될 수 있다.

산출부(320')는 감지부(310)에서 출력된 센싱 전압값 및 제2 감지부(315)에서 출력되는 정전류 제어값을 기초로 스텝 모터의 부하 크기를 산출할 수 있다. 구체적으로, 산출부(320')는 제1 증폭부(321), 제2 증폭부(322), 비교기(323)로 구성될 수 있다.

제1 증폭부(321)는 감지부(310)에서 출력된 센싱 전압값(Vsens)에 증폭 게인(Gsens)을 곱하여 출력한다. 여기서 게인(Gsens)은 센싱 전압값의 제어 분해능을 크게 하기 위하여 센싱 전압값에 곱해지는 게인이다. 구현시에는 게인(Gsens)은 'Vsens x Gsens'가 로직 전원의 레벨 이하에서 가능한 넓은 범위를 갖도록 결정되고, 증폭기 출력의 최대값이 증폭기의 출력 상한 제한값보다 작도록 결정될 수 있다.

제2 증폭부(322)는 제2 감지부(310)에서 출력되는 정전류 제어값(Vref)에 증폭 게인(Gref)을 곱하여 출력한다. 여기서 게인(Gref)은 상술한 수학식 2를 통하여 결정될 수 있다.

비교기(323)는 제1 증폭부(321)의 출력값과 제2 증폭부(322)의 출력값의 차이를 출력한다. 구체적으로, 비교기(323)는 제1 증폭부(321)의 출력값과 제2 증폭부(322)의 출력값의 차이를 부하 전압값으로 출력할 수 있다.

결정부(330)는 산출부(320')에서 출력된 부하 전압값을 기초로 구동부(310)에 제공될 정전류 제어값(Vref)를 결정한다. 이러한 결정부(330)의 구체적인 동작에 대해서는 도 15 및 도 16을 참조하여 후술한다. 여기서 결정된 정전류 제어값(Vref)는 구동부(210)에 제공된다.

제2 실시 예에 따른 구동 제어부(310)의 경우, 스텝 모터에 유입되는 정전류 크기를 고려하여 부하 크기를 출력하는바, 제1 실시 예보다 보다 정밀한 스텝 모터의 부하 크기를 출력할 수 있다.

이상에서는 센싱 전압값을 이용하여 스텝 모터의 부하 크기를 측정하는 방법에 대해서 설명하였다. 이하에서는 측정된 부하 크기를 기초로 정전류를 가변하는 방식에 대해서 도 15 내지 17을 참조하여 설명한다.

도 15는 본 실시 예에 따른 부하 전압값과 부하와의 관계를 도시한 도면이다.

도 15를 참조하면, 부하의 변화에 대하여, 부하 전압값은 선형적으로 변화한다.

따라서, 화상형성장치(100)는 사용될 모터 부품과 속도 조건에서 부하 토크 변화에 따른 부하 전압값을 측정할 수 있다. 그리고 부하와 부하 전압값 관계를 커프 피딩(curve fitting)하여 아래와 같은 수학식 3을 도출할 수 있다.

[수학식 3]

Load Torque[gfgm]=VloadGain x Vload[V] + LoadOffset

여기서 Load Torque는 스텝 모터에서 요구 토크, VloadGain은 Load Torque와 Vload의 기울기 상수, Vload는 부하 전압값, LoadOffset은 최소 토크 상수이다.

그리고 화상형성장치(100)는 최대 토크 요구량에 따른 입력 전류값을 측정할 수 있다. 이러한 값은 실험을 통하여 측정될 수 있으며, 아래와 같은 수학식 4를 통하여 계산될 수도 있다. 예를 들어, 실험을 통하여 측정된 값은 도 16과 같다.

[수학식 4]

입력전류(A)=정격 입력전류 x (Max Torque(A)/정격 torque)

여기서 입력 전류는 스텝 모터가 입력될 전류값이고, 정격 입력전류는 정해진 조건에서 스텝 모터에 입력될 전류 값이고, Max Torque(A)는 스텝 모터에서 요구되는 토크, 정격 Torque는 정해진 조건에서의 토크이다.

따라서, 결정부(330)는 산출부(320)를 통하여 부하 크기에 대한 정보를 수신하면, 수신된 부하 크기에 대응되는 요구되는 토크를 산출할 수 있으며, 요구되는 토크에 대응되는 필요 정전류 크기를 상술한 수학식 4를 통하여 산출하거나, 지정된 룩업 테이블을 이용하여 결정할 수 있다.

한편, 이상에서는 부하 크기에 대응되는 토크를 산출하고, 산출된 토크에 대응되는 정전류를 결정하는 것으로 설명하였지만, 즉 2단계로 정전류를 결정하는 것으로 설명하였지만, 복수의 부하 크기에 대응되는 정전류값을 갖는 룩업 테이블을 이용하여 감지된 부하 크기에 대응되는 정전류를 결정하는 형태로도 구현될 수 있다.

한편, 이상에서는 스텝 모터에 요구되는 토크에 대응되는 정전류를 결정하는 것으로 설명하였지만, 화상형성장치의 실사용 조건에서는 요구되는 토크에 마진 토크를 더하여 정전류를 결정할 수 있다. 즉, 구동기(210)에 제공되는 정전류 전압값은 부하 크기에 필요 정전류에 기설정된 마진 전류가 더해진 값이 제공될 수 있다.

이와 같은 정전류 산출동작은 실시간으로 수행될 수 있으며, 일정한 주기로 수행될 수도 있다.

도 17은 토크 마진의 제어 효과를 도시한 도면이다.

도 17에 도시된 바와 같이, 본 실시 예와 같이 부하 크기에 따라 정전류의 크기를 가변하게 되면, 최소한의 마진만으로 스텝 모터를 구동시킬 수 있다. 이에 따라, 높은 효율로 스텝 모터를 기동할 수 있을 뿐만 아니라, 소음, 진동, 발열을 줄일 수 있다.

이상에서는 토크 마진 방식으로 스텝 모터를 제어하는 방식에 대해서 설명하였으나, 구현시에는 High/Low Limit 방식으로 스텝 모터를 제어할 수도 있다. 이에 대해서는 도 18 내지 21을 참조하여 설명한다.

도 18은 제3 실시 예에 따른 구동 제어부의 구성을 도시하는 도면이며, 도 19는 제3 실시 예에 따른 구동 제어부의 회로도이다.

도 18 및 도 19를 참조하면, 구동 제어부(300")는 감지부(310), 제2 감지부(320), 산출부(320') 및 결정부(330')로 구성된다.

감지부(310), 제2 감지부(320) 및 산출부(320')의 구성 및 동작은 도 13 및 도 14와 관련하여 설명한 제2 실시 예에 따른 구동 제어부의 구성과 동일한바, 중복 설명은 생략한다.

결정부(330')는 기설정된 정전류값, 기설정된 제1 부하 크기값, 기설정된 제2 부하 값을 저장하며, 계산된 부하 크기가 제1 부하 크기값과 제2 부하 크기값보다 크거나 작은 경우, 정전류값, 제1 부하 크기값 및 제2 부하 크기값을 조정한다. 여기서 제1 부하 크기는 부하의 상한 Limit로, 정전류 제어값(Vref)에 비례하여 조정된다. 그리고 제2 부하 크기는 부하의 하한 Limit로, 정전류 제어값(Vref)에 비례하여 조정된다. 따라서, 결정부(330')는 부하 크기(Vload)가 제1 부하 크기값보다 크면, 정전류 제어값(Vref)을 크게하여 전류 공급을 늘린다. 반대로, 부하 크기(Vload)가 제2 부하 크기값보다 작으면, 결정부(330')는 정전류 제어값(Vref)을 작게하여 전류 공급을 줄일 수 있다.

구체적으로, 결정부(330')는 제3 증폭부(331), 제4 증폭부(332), 비교기(333) 및 결정 회로(334)로 구성될 수 있다.

제3 증폭부(331)는 정전류값에 대해서 기설정된 상한 게인을 곱하여 출력한다.

제4 증폭부(332)는 정전류값에 대해서 기설정된 하한 게인을 곱하여 출력한다.

비교기(333)는 부하 크기 전압값이 제3 증폭부(311)의 값보다 크거나, 제4 증폭부의 값보다 작은지를 비교한다. 구체적으로, 비교기(333)는 부하 크기 전압값이 제3 증폭부(311)의 값보다 크면, 정전류의 크기가 커져야 함을 알리는 제어 정보(Vcom)를 결정 회로에 출력할 수 있다. 반대로, 부하 크기 전압값이 제4 증폭부(312)의 값보다 작으면, 비교기(333)는 정전류의 크기가 작아져야 함을 알리는 제어 정보를 결정 회로에 출력할 수 있다.

결정 회로(334)는 비교기(333)에서 제공되는 제어 정보(Vcom)를 기초로 기설정된 정전류의 크기를 증가 또는 감소하여 출력한다. 구체적으로, 결정 회로(334)는 소프트웨어적으로, 제공되는 제어 정보를 기초로 PWM Duty를 조정하여 스텝 모터에 공급되는 정전류를 가변할 수 있다. 또한, 결정 회로(334)는 하드웨어적으로, 제공되는 제어 정보를 기초로 기설정된 정전류의 크기를 증가 또는 감소할 수 있다. 하드웨어로 결정 회로(334)가 구현되는 경우에 대해서는 도 20을 참조하여 이하에서 설명한다.

도 20은 도 18의 결정 회로(334)의 회로도이다. 구체적으로, 도 20은 하드웨어적으로 결정회로가 구현되는 경우의 회로도이다.

도 20을 참조하면, 결정 회로(334)는 가산기(345) 및 적분 회로(346, 347)로 구성될 수 있다.

가산기(345, adder)는 비교기(333)에서 제공되는 제어 정보(Vcom)를 두 개의 입력 신호로 입력받는다. 그리고 가산기(345)는 두 개의 입력 신호(Va, Vb)를 합산하여 출력할 수 있다.

적분 회로(346, 347)는 가산기(345)에서 출력된 출력 신호를 펄스 폭만큼 적분하여 특정한 전압 레벨로 변환하여 출력한다. 이러한 적분 회로는 Charge Pump(346) 또는 액티브 필터(347)로 구현될 수 있다.

도 21은 제3 실시 예에 따른 구동 제어부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 21을 참조하면, 기존의 제어 방식은 일정한 전류를 공급하지만, high/low limit 제어에서는 정해진 범위 내에서는 공급 전류를 유지하고, High Limit 이상으로 부하가 상승하는 경우에는 입력 전류를 올려주고, low limit 이하로 부하가 절감될 경우에는 입력 전류를 내림으로써 전류 가변 제어가 가능하다. 이와 같은 high/low limit 제어는 제1 실시 예 및 제2 실시 예에 다른 구동 제어부와 결합되여 이용될 수 있으며, 특히 제1 실시 예에 다른 구동 제어부의 경우에는 high/Low Limit 제어를 이용하는 것이 바람직하다.

도 22는 모터 회전 상태에 따른 부하 전압값을 도시한 파형도이다.

도 22를 참조하면, 센싱 저항의 전압값은 탈조된 경우에는 정상 구동인 경우에 비하여 낮은 전압값을 출력하게 된다. 그 이유에 대해서는 도 9에서 설명하였는바, 중복 설명은 생략한다.

따라서, 모터 구동 중에 부하 전압값(Vload)을 일정한 간격으로 읽으면, 스텝 모터의 상태를 항시 감시하는 것이 가능하다. 즉, 감지된 부하 전압값(Vload)이 화상형성장치의 최대 로드 토크에 해당하는 부하 전압값(Vload) 이상으로 상승하면, 부하 상태가 이상이 있음을 감지할 수 있으며, 회전 상태의 부하 전압값(Vload)이 최소값 이하로 하락하면, 스텝 모터가 탈조 상태인 것을 알림할 수 있다.

또한, 이러한 부하 전압값(Vload)을 이용하여, 화상형성장치(100)에 불량 모터가 장착되었는지를 검사할 수 있으며, 저항값 차이로 모터의 종류 차이를 구분하는 것이 가능하다. 따라서, 생산 공정에서 세트가 완조립된 상태에서도 불량 모터와 오조립 여부를 검출하는데 상술한 부하 전압값을 이용할 수 있다.

도 23은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 화상형성장치를 나타내는 도면이다. 구체적으로, 도 1의 모터 제어 장치(200) 및 스텝 모터(150) 이외의 모든 구성은 도 1의 구성과 동일하다는 점에서, 설명의 편의를 위하여 중복되는 구성은 생략하여 도시하였다.

도 23을 참고하면, 화상형성장치(100')는 복수의 스텝 모터(150-1, 150-2, 150-3, 150-4) 및 모터 제어 장치(200')를 포함한다.

모터 제어 장치(200')는 복수의 스텝 모터(150-1, 150-2, 150-3, 150-4)를 제어한다. 구체적으로, 모터 제어 장치(200')는 복수의 구동부 및 하나의 구동 제어부를 포함할 수 있다.

모터 제어 장치(200')는 복수의 스텝 모터 각각에 대한 제어 명령을 입력받으며, 모터 제어 장치(200')는 복수개의 스텝 모터 각각의 부하 크기를 측정하고, 측정된 부하 크기에 대응되는 정전류가 제공되도록 복수의 구동부를 제어할 수 있다.

본 실시 예에서는 모터 제어부(200')가 동일한 4개의 스텝 모터를 제어하는 형태에 대해서만 도시하였지만, 구현시에는 모터 제어부(200')가 스텝 모터에 대한 구동 신호를 생성하면서, BLDC 모터 및 DC 모터 등에 대한 제어를 수행하는 형태로도 구현할 수 있다.

도 24는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 24를 참조하면, 스텝 모터에 대한 제어 명령을 수신한다(S2410). 여기서 제어 명령은 스텝 모터에 대한 회전 개시/정지, 가속/감속, 속도 지령값 등의 제어 명령 등을 포함할 수 있다. 그리고 이러한 제어 명령은 복수의 스텝 모터에 대한 제어 명령일 수 있다.

그리고 제어 명령에 따라 스텝 모터에 기설정된 정전류를 제공한다(S2420). 구체적으로, 제어 명령이 회전 개시 명령인 경우, 기설정된 초기 정전류를 스텝 모터에 제공할 수 있다.

그리고 스텝 모터의 코일에 흐르는 전류를 측정하기 위한 저항의 전압값을 이용하여 스텝 모터의 부하 크기를 감지한다(S2430). 스텝 모터의 부하 크기를 감지하는 방식에 대해서는 도 4 내지 도 6과 관련하여 설명하였는바, 중복 설명은 생략한다.

그리고 감지된 부하 크기에 대응되는 정전류가 공급되도록 피드백 제어한다(S2440). 감지된 부하 크기에 따라 정전류를 가변하는 방식에 대해서는 도 15 내지 도 21과 관련하여 설명하였는바, 중복 설명은 생략한다.

이상과 같이 본 실시 예에 따른 모터 제어 방법은, 스텝 모터의 부하 크기를 측정하고, 측정된 부하 크기에 대응되는 정전류를 제공하는바, 높은 효율로 모터를 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 소음, 진동, 발열 등도 줄일 수 있게 된다. 도 24와 같은 모터 제어 방법은 도 1의 구성을 가지는 화상형성장치(100) 또는 제2의 구성을 가지는 모터 제어 장치상에서 실행될 수 있으며, 그 밖의 다른 구성을 가지는 화상형성장치 또는 모터 제어 장치상에서도 실행될 수 있다.

또한, 상술한 바와 같은 모터 제어 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 실행가능한 알고리즘을 포함하는 프로그램(또는 애플리케이션)으로 구현될 수 있고, 상기 프로그램은 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)에 저장되어 제공될 수 있다.

비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 애플리케이션 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 누구든지 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범주 내에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 다양하게 변경할 수 있음은 물론이다. 따라서 본 발명은 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는다면 다양한 변형 실시가 가능할 것이며, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.

100: 화상형성장치 110: 통신 인터페이스부
120: 사용자 인터페이스부 130: 저장부
140: 엔진부 150: 스텝 모터
160: 제어부 200: 모터 제어 장치
210: 구동부 300: 구동 제어부
310: 감지부 320: 산출부
330: 결정부 340: 출력부

Claims (20)

1. 화상형성장치에 있어서,
   화상 형성 잡 수행에 사용되는 엔진부;
   상기 엔진부를 기동시키는 스텝 모터;
   상기 스텝 모터의 코일에 흐르는 전류를 측정하기 위한 저항을 포함하며, 상기 스텝 모터에 기설정된 정전류를 제공하는 구동부; 및
   상기 저항의 전압값에 기초하여 상기 스텝 모터의 부하 크기를 측정하고, 측정된 부하 크기에 대응되는 정전류가 제공되도록 상기 구동부를 제어하는 구동 제어부;를 포함하고,
   상기 구동 제어부는,
   상기 저항의 전압값을 감지하는 감지부;
   상기 감지된 전압값을 기초로 상기 스텝 모터의 부하 크기를 산출하는 산출부;
   상기 산출된 부하 크기에 기초하여 상기 스텝 모터에 공급될 정전류의 크기를 결정하는 결정부;
   상기 결정된 정전류의 크기에 대응되는 제어 값을 상기 구동부로 출력하는 출력부;를 포함하고,
   상기 결정부는,
   기설정된 정전류값, 기설정된 제1 부하 크기값 및 기설정된 제2 부하 크기값을 저장하고 있으며, 상기 산출된 부하 크기가 상기 기설정된 제1 부하 크기값보다 크면, 상기 기설정된 정전류값, 상기 기설정된 제1 부하 크기값 및 상기 기설정된 제2 부하 크기값을 증가하고, 상기 증가된 정전류값을 상기 산출된 부하 크기에 대응되는 정전류로 결정하며,
   상기 산출된 부하 크기가 상기 기설정된 제2 부하 크기값보다 작으면, 상기 기설정된 정전류값, 상기 기설정된 제1 부하 크기값 및 상기 기설정된 제2 부하 크기값을 감소하고, 상기 감소된 정전류값을 상기 산출된 부하 크기에 대응되는 정전류로 결정하는 화상형성장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 감지부는,
   상기 저항의 전압값을 평활하여 감지하는 것을 특징으로 하는 화상형성장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 감지부는,
   상기 구동부의 상기 저항의 일 단과 연결되는 로우 패스 필터를 포함하고, 상기 로우 패스 필터의 출력 전압을 상기 저항의 전압값으로 감지하는 것을 특징으로 하는 화상형성장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 산출부는,
   상기 감지된 전압값 및 상기 구동부에 인가되는 제어 값을 기초로 상기 스텝 모터의 부하 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는 화상형성장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 산출부는,
   아래의 수학식을 기초로 상기 스텝 모터의 부하 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는 화상형성장치;
   Vload = Vsens* Gsens - (Vref x Gref)
   여기서 Vload는 산출된 부하 크기에 대응되는 전압값, Vsens는 저항의 전압값, Vref는 상기 구동부에 입력되는 정전류 제어값, Gsens 및 Gref는 게인값이다.
7. 제1항에 있어서,
   상기 결정부는,
   복수의 부하 크기에 대응되는 정전류 크기를 갖는 룩업 테이블을 이용하여 상기 산출된 부하 크기에 대응되는 정전류를 결정하는 것을 특징으로 하는 화상형성장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 결정된 정전류는,
   상기 산출된 부하 크기의 필요 정전류에 기설정된 마진 전류가 더해진 것을 특징으로 하는 화상형성장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 구동 제어부는,
   상기 측정된 부하 크기와 기저장된 정상 구동시의 부하 크기 정보를 비교하여 상기 스텝 모터의 정상 동작 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 화상형성장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 스텝 모터 및 구동부는 복수개 구비되며,
    상기 구동 제어부는,
    상기 복수개의 스텝 모터 각각의 부하 크기를 측정하고, 측정된 부하 크기에 대응되는 정전류가 제공되도록 상기 복수개의 구동부 각각을 제어하는 것을 특징으로 하는 화상형성장치.
11. 모터 제어 장치에 있어서,
    스텝 모터;
    상기 스텝 모터의 코일에 흐르는 전류를 측정하기 위한 저항을 포함하며, 상기 스텝 모터에 기설정된 정전류를 제공하는 구동부;
    상기 저항의 전압값에 기초하여 상기 스텝 모터의 부하 크기를 측정하고, 측정된 부하 크기에 대응되는 정전류가 제공되도록 상기 구동부를 제어하는 구동 제어부;를 포함하고,
    상기 구동 제어부는,
    상기 저항의 전압값을 감지하는 감지부;
    상기 감지된 전압값을 기초로 상기 스텝 모터의 부하 크기를 산출하는 산출부;
    상기 산출된 부하 크기에 기초하여 상기 스텝 모터에 공급될 정전류의 크기를 결정하는 결정부;
    상기 결정된 정전류의 크기에 대응되는 제어 값을 상기 구동부로 출력하는 출력부;를 포함하고,
    상기 결정부는,
    기설정된 정전류값, 기설정된 제1 부하 크기값 및 기설정된 제2 부하 크기값을 저장하고 있으며, 상기 산출된 부하 크기가 상기 기설정된 제1 부하 크기값보다 크면, 상기 기설정된 정전류값, 상기 기설정된 제1 부하 크기값 및 상기 기설정된 제2 부하 크기값을 증가하고, 상기 증가된 정전류값을 상기 산출된 부하 크기에 대응되는 정전류로 결정하며,
    상기 산출된 부하 크기가 상기 기설정된 제2 부하 크기값보다 작으면, 상기 기설정된 정전류값, 상기 기설정된 제1 부하 크기값 및 상기 기설정된 제2 부하 크기값을 감소하고, 상기 감소된 정전류값을 상기 산출된 부하 크기에 대응되는 정전류로 결정하는 모터 제어 장치.
12. 삭제
13. 제11항에 있어서,
    상기 감지부는,
    상기 저항의 전압값을 평활하여 감지하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 감지부는,
    상기 구동부의 상기 저항의 일 단과 연결되는 로우 패스 필터를 포함하고, 상기 로우 패스 필터의 출력 전압을 상기 저항의 전압값으로 감지하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
15. 제11항에 있어서,
    상기 산출부는,
    상기 감지된 전압값 및 상기 구동부에 인가되는 제어 값을 기초로 상기 스텝 모터의 부하 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
16. 제11항에 있어서,
    상기 산출부는,
    아래의 수학식을 기초로 상기 스텝 모터의 부하 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치:
    Vload = Vsens* Gsens - (Vref x Gref)
    여기서 Vload는 산출된 부하 크기에 대응되는 전압값, Vsens는 저항의 전압값, Vref는 상기 구동부에 입력되는 정전류 제어값, Gsens 및 Gref는 게인값이다.
17. 제11항에 있어서,
    상기 결정부는,
    복수의 부하 크기에 대응되는 정전류 크기를 갖는 룩업 테이블을 이용하여 상기 산출된 부하 크기에 대응되는 정전류를 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
18. 제17항에 있어서,
    상기 결정된 정전류는,
    상기 산출된 부하 크기의 필요 정전류에 기설정된 마진 전류가 더해진 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
19. 삭제
20. 스텝 모터의 모터 제어 방법에 있어서,
    상기 스텝 모터에 대한 제어 명령을 수신하는 단계;
    저항의 전압값을 감지하는 단계;
    상기 감지된 전압값을 기초로 상기 스텝 모터의 부하 크기를 산출하는 단계;
    상기 산출된 부하 크기에 기초하여 상기 스텝 모터에 공급될 정전류의 크기를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 정전류의 크기에 대응되는 정전류를 상기 스텝 모터에 제공하는 단계;를 포함하고,
    상기 결정하는 단계는,
    상기 산출된 부하 크기가 기설정된 제1 부하 크기값보다 크면, 기설정된 정전류값, 상기 기설정된 제1 부하 크기값 및 기설정된 제2 부하 크기값을 증가하고, 증가된 정전류값을 상기 산출된 부하 크기에 대응되는 정전류로 결정하며,
    상기 산출된 부하 크기가 기설정된 제2 부하 크기값보다 작으면, 상기 기설정된 정전류값, 상기 기설정된 제1 부하 크기값 및 상기 기설정된 제2 부하 크기값을 감소하고, 감소된 정전류값을 상기 산출된 부하 크기에 대응되는 정전류로 결정하는 모터 제어 방법.
    

Images