KR20150075879A - 스텝 모터, 및 이를 포함하는 스텝 모터 제어 시스템 - Google Patents

스텝 모터, 및 이를 포함하는 스텝 모터 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하우징과, 상기 하우징 내에 배치되는 스테이터부와, 상기 스테이터부와 회전 가능하게 배치되는 너트 스크류, 및 상기 너트 스크류의 외주면에 배치된 로터 마그넷을 포함하는 로터부, 상기 너트 스크류와 연동되어 직선 운동하는 리드 스크류; 및 상기 로터 마그넷의 회전을 감지하는 검출부를 포함하는 스텝 모터를 개시한다.

Description

스텝 모터, 및 이를 포함하는 스텝 모터 제어 시스템{STEP MOTOR AND STEP MOTOR CONTROL SYSTEM INCLUDING THE SAME}
본 발명은 로터 마그넷의 회전을 감지할 수 있는 스텝 모터에 관한 것이다.
스텝 모터(Step motor, 또는 Stepping motor)는 일정한 각도씩 회전 또는 직선 운동하는 디지털 엑추에이터(Actuator)라 할 수 있다. 일반적으로 회전운동을 하는 경우를 스텝 모터라 하고, 직선운동을 하는 경우에는 리니어 스텝 모터라고 한다.
리니어 스텝 모터는 입력펄스 수와 모터의 회전각도가 비례하므로 회전각도를 정확하게 제어할 수 있다는 장점이 있어 차량, 공작기계, 및 산업용 로봇 등에 다양하게 활용되고 있다.
그러나, 종래의 스텝 모터는 입력펄스 수에 따라 모터가 정확히 회전되었는지는 확인할 수 없다. 따라서, 모터의 회전 불량 또는 펄스 신호의 미입력에 의해 모터가 회전되지 않은 경우에도 불량을 확인할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 로터 마그넷의 회전을 감지할 수 있는 스텝 모터 및 스텝 모터 제어 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따른 스텝 모터는, 하우징; 상기 하우징 내에 배치되는 스테이터부; 상기 스테이터부와 회전 가능하게 배치되는 너트 스크류, 및 상기 너트 스크류의 외주면에 배치된 로터 마그넷을 포함하는 로터부; 상기 너트 스크류와 연동되어 직선 운동하는 리드 스크류; 및 상기 로터 마그넷의 회전을 감지하는 검출부를 포함한다.
본 발명의 일 특징에 따른 스텝 모터는, 상기 검출부는 상기 스테이터부와 상기 로터 마그넷 사이에 배치된 자기소자, 및 상기 자기소자와 전기적으로 연결되는 제1인쇄회로기판을 포함한다.
본 발명의 일 특징에 따른 스텝 모터는, 상기 로터부와 축방향으로 이격 배치되어 상기 제1인쇄회로기판과 연결된 제2인쇄회로기판을 포함한다.
본 발명의 일 특징에 따른 스텝 모터는, 상기 하우징의 일측면에 고정되는 플레이트 커버; 및 상기 플레이트 커버와 결합되는 마운팅 플레이트를 포함한다.
본 발명의 일 특징에 따른 스텝 모터는, 상기 검출부는 상기 로터부와 축방향으로 이격 배치된 제2인쇄회로기판, 및 상기 제2인쇄회로기판에 전기적으로 연결되는 자기 소자를 포함한다.
본 발명의 일 특징에 따른 스텝 모터는, 상기 검출부로부터 검출 신호를 수신하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 특징에 따른 스텝 모터는, 상기 제어부는 상기 검출 신호의 제로 포인트 개수를 이용하여 상기 로터 마그넷의 실제 회전수를 산출한다.
본 발명의 일 특징에 따른 스텝 모터는, 상기 제어부는 입력된 펄스 신호의 수와 상기 검출 신호의 제로 포인트 개수를 비교하여 스텝 로스를 검출한다.
본 발명의 일 특징에 따른 스텝 모터 제어 시스템은, 스텝 모터; 상기 스텝 모터와 결합된 오브젝트; 및 상기 스텝 모터를 구동하기 위해 펄스 신호를 출력하는 상위 제어단을 포함하고, 상기 상위 제어단은 상기 검출부에서 측정한 검출 신호의 제로 포인트 개수를 이용하여 상기 스텝 모터의 스텝 로스를 검출한다.
본 발명의 일 특징에 따른 스텝 모터 제어 시스템은, 상기 상위 제어단은 입력된 펄스의 개수와 상기 검출 신호의 제로 포인트 개수를 비교하여 상기 제로 포인트의 개수가 작은 경우 그 차이만큼의 펄스 신호를 상기 스텝 모터에 더 출력한다.
본 발명의 일 특징에 따른 스텝 모터 제어 시스템은, 상기 상위 제어단은 입력된 펄스의 개수와 상기 검출 신호를 비교하여 상기 검출신호의 제로 포인트 개수가 일치하지 않는 경우 디스플레이부에 경고 신호를 출력한다.
본 발명의 일 특징에 따른 스텝 모터 제어 시스템은, 상기 오브젝트는 차량의 헤드 램프를 포함한다.
본 발명에 따르면, 로터 마그넷의 회전을 정확히 감지하여 스텝 로스(Step Loss)를 검출할 수 있다.
또한, 스텝 로스 발생시 이를 보정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 램프 조립체의 개념도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 모터의 단면도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로터 마그넷과 검출부의 배치를 보여주는 개념도이고,
도 4는 도 2의 변형예이고
도 5는 로터 마그넷의 회전에 따른 자기소자의 검출 신호를 보여주는 그래프이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 모터 제어 시스템의 블록도이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 모터 제어 방법의 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드 램프 조립체의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 모터의 단면도이다.
도 1을 참고하면, 헤드 램프 조립체는 헤드 램프(2)와 스텝 모터(1)를 포함한다. 헤드 램프(2)는 차량에 장착되는 헤드 램프 일 수 있으며, 광원과 다양한 조명 기구물을 포함한다. 스텝 모터(1)는 헤드 램프(2)의 일측에 결합되어 램프를 구동한다.
스텝 모터(1)와 헤드 램프(2)의 결합 구조에 따라, 스텝 모터(1)는 헤드 램프(2)를 전후로 직선운동 시키거나 또는 상하좌우로 회전 운동시킬 수 있다. 본 명세서에서는 차량의 헤드 램프(2)를 일 예로 설명하나, 헤드 램프(2) 이외에도 스텝 모터(1)와 결합되어 구동될 수 있는 다양한 오브젝트가 모두 적용될 수 있다.
도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 스텝 모터는 하우징(100)과, 하우징(100) 내에 배치되는 스테이터부(300)와, 스테이터부(300)와 회전 가능하게 배치되는 로터부(200)와, 로터부(200)의 회전에 의해 직선 운동하는 리드 스크류(400), 및 로터부(200)의 회전을 감지하는 검출부(500)를 포함한다.
하우징(100)은 스테이터부(300)와 로터부(200)를 수용하는 공간이 마련된다. 하우징(100)의 형상은 스텝 모터의 구조에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
스테이터부(300)는 한 쌍의 투스요크(310)와, 투스요크(310)의 외부에 나란하게 안착되는 제1코일보빈(320), 및 2코일보빈(330)을 포함한다.
로터부(200)는 투스요크(310)의 내부에 소정 간극을 두고 회전 가능하게 설치되는 너트 스크류(220)와, 너트 스크류(220)의 외주면에 부착된 로터 마그넷(210)을 포함한다. 너트 스크류(220)는 베어링(620)에 의해 회전 가능하게 지지되며, 너트 스크류(220)의 내주면에는 제1나사산(221)이 형성된다.
리드 스크류(400)는 외주면에 제1나사산(221)과 치합되는 제2나사산(410)이 형성된다. 따라서, 너트 스크류(220)의 회전에 의해 직선운동(진퇴운동)이 가능하게 된다.
플레이트 커버(610)는 하우징(100)의 일 측에 고정되어 스테이터부(300)와 로터부(200)를 밀폐한다. 플레이트 커버(610)에는 너트 스크류(220)의 일단을 회전 가능한 상태로 지지하는 베어링(620)이 삽입된다. 플레이트 커버(610)에는 사출물인 마운팅 플레이트(600)가 결합된다.
검출부(500)는 스테이터부(300)와 로터부(200) 사이의 공간에 배치되는 제1인쇄회로기판(510)과, 자기소자(520)를 포함한다. 따라서, 자기소자(520)는 로터 마그넷(210)과 대향 배치되어 로터 마그넷(210)의 회전을 감지한다. 구체적으로 제1인쇄회로기판(510)은 투스요크(310)와 로터 마그넷(210) 사이에 배치되고, 마운팅 플레이트(600)의 일측면에 고정된 원판 형상의 제2인쇄회로기판(530)과 연결되어 지지될 수 있다.
제어부(800)는 하우징(100)의 외측에 배치되어 외부에서 입력된 펄스 신호에 따라 로터부(200)를 회전시킨다. 또한, 제어부(800)는 자기소자(520)의 검출 신호를 수신할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로터 마그넷과 검출부의 배치를 보여주는 개념도이고, 도 4는 도 2의 변형예이고, 도 5는 로터 마그넷의 회전에 따른 자기소자의 검출 신호를 보여주는 그래프이다.
도 3을 참고하면, 제1인쇄회로기판(510)은 바 형상으로 형성되고 일면이 로터 마그넷(210)과 마주보게 배치된다. 제1인쇄회로기판(510)의 끝단은 제2인쇄회로기판(530)과 연결될 수 있다.
자기소자(520)는 로터 마그넷(210)의 회전을 센싱하여 검출신호를 출력한다. 자기소자(520)는 로터 마그넷(210)의 길이방향으로 중앙에 위치할 수 있으며, 자기소자(520)와 로터 마그넷(210)의 간격은 약 1mm~5mm인 것이 정확한 측정에 유리하다. 자기소자(520)는 자기저항소자(AMR IC) 및 홀 소자(Hall IC) 중 어느 하나일 수 있다.
제1인쇄회로기판(510)의 타면에는 지지부재(511)가 형성될 수 있다. 지지부재(511)는 곡률이 형성되어 스테이터부의 내주면에 안정적으로 지지될 수 있다. 따라서, 제1인쇄회로기판(510)의 안정적인 배치가 가능해진다.
도 4를 참고하면, 자기소자(520)는 제2인쇄회로기판(530)에 배치되어 로터 마그넷(210)의 회전을 검출할 수도 있다. 즉, 자기소자(520)는 로터 마그넷(210)의 상부면과 마주보게 된다. 이러한 구성에 의하면 제1인쇄회로기판(510)의 구성이 생략될 수 있는 장점이 있다. 그러나, 검출부(500)의 배치는 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 자기소자(520)가 로터 마그넷(210)의 회전을 용이하게 검출할 수 있는 구성이라면 제한 없이 적용될 수 있다.
도 5를 참고하면, 자기소자(520)에서 출력된 검출신호는 로터 마그넷(210)이 N극일 때 최대 레벨을 갖고 S극일 때 최소 레벨이 출력될 수 있다. 또한, N극에서 S극으로 변환되거나 S극에서 N극으로 변환될 때 0의 값(제로 포인트, Z)을 갖는다. 따라서, 검출신호의 제로 포인트(Z) 횟수를 카운팅하면 로터 마그넷(210)의 회전수를 알 수 있다. 로터 마그넷(210)의 극수에 따라서 소정 시간(t1) 동안 복수 개의 제로 포인트(Z)를 합산하면 로터 마그넷(210)의 1회전수를 산출할 수 있다.
예를 들면, 로터 마그넷(210)에 N극과 S극이 3개씩 배치된 경우 제로 포인트(Z)가 6번 카운팅되면 로터 마그넷(210)이 1회전 한 것으로 판단할 수 있다. 로터 마그넷(210)의 1회전시 너트 마그넷 역시 1회전하므로 이와 치합된 리드 스크류(400)는 정해진 거리만큼 직선 운동하게 된다. 따라서, 로터 마그넷(210)의 회전수를 정확하게 제어함으로써 리드 스크류(400)의 이동 거리를 정확하게 제어할 수 있다.
제어부(800)는 제로 포인트(Z)의 횟수를 카운팅하여 로터 마그넷(210)의 실제 회전수를 검출하고, 제로 포인트(Z)의 횟수와 입력 펄스의 개수와 비교함으로써 스텝 로스(Step Loss)를 측정할 수 있다. 여기서 입력 펄스란 모터를 회전시키기 위해 모터에 입력되는 펄스 신호를 말한다.
예를 들면, 입력 펄스의 개수가 6개인데 제로 포인트(Z)가 5번 카운팅된 경우 리드 스크류의 직선 운동 변위가 작아져 스텝 로스가 발생한 것으로 판단한다. 이러한 불일치는 기구물의 회전 불량 또는 펄스 신호의 미입력 등에 의해 유발될 수 있다.
제어부(800)는 스텝 로스가 발생한 경우 이를 상위 제어단(예: 차량의 ECU)에 송신할 수 있다. 이와 다르게, 제어부(800)는 입력된 펄스의 개수와 검출 신호의 제로 포인트 개수를 비교하여 제로 포인트의 개수가 작은 경우 그 차이만큼의 펄스 신호를 모터에 더 출력할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 모터 제어 시스템의 블록도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 모터 제어 방법의 흐름도이다.
도 6과 도 7을 참고하면, 본 발명의 스텝 모터 제어 시스템은, 스텝 모터(1)와, 스텝 모터(1)에 의해 운동하는 오브젝트, 및 스텝 모터(1)의 검출부(500)와 통신하는 상위 제어단(20)을 포함한다.
스텝 모터(1)의 하우징(100), 스테이터부(300), 로터부(200), 및 검출부(500)의 구성은 도 2에서 설명한 바와 동일하므로 더 이상의 자세한 설명은 생략하고 특징적인 부분을 구체적으로 설명한다.
상위 제어단(20)은 오브젝트(예: 헤드 램프)를 원하는 위치로 이동시키기 위해 적정한 펄스 신호를 스텝 모터(1)에 출력한다. 상위 제어단(20)은 차량의 전자제어장치(ECU, electronic control unit)일 수 있다.
메모리(30)는 입력 펄스에 따른 로터 마그넷의 회전 정보, 및 리드 스크류의 이동 거리 정보가 룩업 테이블 형태로 저장될 수 있다. 따라서, 상위 제어단(20)은 오브젝트의 이동거리가 결정되면, 메모리(30)에 저장된 정보를 이용하여 적정한 개수의 펄스 신호를 스텝 모터(1)로 출력한다(S10).
이후, 상위 제어단(20)은 검출부(500)로부터 검출 신호를 수신하고(S20), 검출 신호에서 제로 포인트 개수를 카운팅하여 이를 입력 펄스의 개수와 비교함으로써 스텝 로스(Step Loss)를 측정한다(S30).
입력된 펄스의 개수와 검출 신호의 제로 포인트 개수를 비교하여 제로 포인트의 개수가 작은 경우 그 차이만큼의 펄스 신호를 상기 스텝 모터(1)에 더 출력한다. 예를 들면, 입력 펄스의 개수가 6개인 경우 제로 포인트가 5번 카운팅되었다면 스텝 로스가 발생한 것으로 판단하고, 1번의 펄스 신호를 스텝 모터(1)에 다시 출력할 수 있다. 따라서, 정확한 위치로 오브젝트를 위치시킬 수 있다.
상위 제어단(20)은 입력 펄스와 제로 포인트의 개수가 일치하지 않는 경우 경고 신호를 디스플레이부(40)에 출력할 수 있다. 따라서, 차량 운행자 또는 정비자는 스텝 모터에 이상이 있음을 직관적으로 알 수 있다. 또한, 상위 제어단(20)은 입력 펄스와 제로 포인트의 개수가 일치하지 않는 경우에는 오차 정보를 메모리(30)에 저장하여 보정할 수도 있다.
1: 스텝 모터
20: 상위 제어단
30: 메모리
40: 디스플레이부
100: 하우징
200: 로터부
300: 스테이터부
500: 검출부
510: 제1인쇄회로기판
520: 자기소자
800: 제어부

Claims (14)

  1. 하우징;
    상기 하우징 내에 배치되는 스테이터부;
    상기 스테이터부와 회전 가능하게 배치되는 너트 스크류, 및 상기 너트 스크류의 외주면에 배치된 로터 마그넷을 포함하는 로터부;
    상기 너트 스크류와 연동되어 직선 운동하는 리드 스크류; 및
    상기 로터 마그넷의 회전을 감지하는 검출부를 포함하는 스텝 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 검출부는 상기 스테이터부와 상기 로터 마그넷 사이에 배치된 자기소자, 및 상기 자기소자와 전기적으로 연결되는 제1인쇄회로기판을 포함하는 스텝 모터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 로터부와 축방향으로 이격 배치되어 상기 제1인쇄회로기판과 연결된 제2인쇄회로기판을 포함하는 스텝 모터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 일측면에 고정되는 플레이트 커버; 및
    상기 플레이트 커버와 결합되는 마운팅 플레이트를 포함하는 스텝 모터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 검출부는 상기 로터부와 축방향으로 이격 배치된 제2인쇄회로기판, 및 상기 제2인쇄회로기판에 전기적으로 연결되는 자기 소자를 포함하는 스텝 모터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 검출부로부터 검출 신호를 수신하는 제어부를 포함하는 스텝 모터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 검출 신호의 제로 포인트 개수를 이용하여 상기 로터 마그넷의 실제 회전수를 산출하는 스텝 모터.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 입력된 펄스 신호의 수와 상기 검출 신호의 제로 포인트 개수를 비교하여 스텝 로스를 검출하는 스텝 모터.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제1인쇄회로기판의 타면에는 배치되는 지지부재를 더 포함하고, 상기 지지부재는 상기 스테이터부의 내부면에 대응하는 곡률을 갖는 스텝 모터.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 자기소자와 상기 로터 마그넷 사이의 간격은 1mm~5mm인 스텝 모터.
  11. 제1항에 따른 스텝 모터;
    상기 스텝 모터와 결합된 오브젝트; 및
    상기 스텝 모터를 구동하기 위해 펄스 신호를 출력하는 상위 제어단을 포함하고,
    상기 상위 제어단은 상기 검출부에서 측정한 검출 신호의 제로 포인트 개수를 이용하여 상기 스텝 모터의 스텝 로스를 검출하는 스텝 모터 제어 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 상위 제어단은 입력된 펄스의 개수와 상기 검출 신호의 제로 포인트 개수를 비교하여 상기 제로 포인트의 개수가 작은 경우 그 차이만큼의 펄스 신호를 상기 스텝 모터에 더 출력하는 스텝 모터 제어 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 상위 제어단은 입력된 펄스의 개수와 상기 검출 신호를 비교하여 상기 검출 신호의 제로 포인트 개수가 일치하지 않는 경우 디스플레이부에 경고 신호를 출력하는 스텝 모터 제어 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 오브젝트는 차량의 헤드 램프를 포함하는 스텝 모터 제어 시스템.
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KR1020130164264A KR102212162B1 (ko) 2013-12-26 2013-12-26 스텝 모터, 및 이를 포함하는 스텝 모터 제어 시스템

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