KR20180087584A - 화상형성장치, 모터 제어 장치 및 고장 진단 방법 - Google Patents

화상형성장치, 모터 제어 장치 및 고장 진단 방법 Download PDF

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Abstract

화상형성장치가 개시된다. 본 화상형성장치는 화상 형성을 수행하는 화상 형성부, 화상 형성부를 기동시키는 BLDC 모터, 및 BLDC 모터로부터 복수의 구동 정보를 수신하고, 수신된 복수의 구동 정보 중 적어도 하나에 기초하여 BLDC 모터에 대한 피드백 제어를 수행하는 모터 제어 장치를 포함하고, 모터 제어 장치는, 수신된 복수의 구동 정보에 기초하여 BLDC 모터에 대한 복수의 에러 항목을 확인한다.

Description

화상형성장치, 모터 제어 장치 및 고장 진단 방법{IMAGE FORMING APPARATUS, MOTOR CONTROLLING APPARATUS AND METHOD FOR DEFECTS DETECTION THEREOF}
본 개시는 화상형성장치, 모터 제어 장치 및 고장 진단 방법에 관한 것으로, BLDC 모터에서 제공되는 신호를 이용하여 결함 여부 및 그 결함의 종류를 파악할 수 있는 화상형성장치, 모터 제어 장치 및 고장 진단 방법에 관한 것이다.
화상형성장치는 화상데이터의 생성, 인쇄, 수신, 전송 등을 수행하는 장치로서, 대표적인 예로서 프린터, 스캐너, 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.
최근에는 화상형성장치의 구동시에 발생하는 소음을 방지하고자 BLDC(Brushless DC) 모터가 많이 이용되는 추세이다. BLDC 모터는 DC 모터에서 브러시 구조를 없애고 정류를 전자적으로 수행하는 모터로, 브러시와 정류자 간의 기계적인 마찰부가 없어지므로 고속화가 가능하고 수명이 길며 소음이 적다.
이와 같은 BLDC 모터는 상술한 바와 같이 브러시 구조가 존재하지 않기 때문에 회전자의 위치 정보를 홀 센서 등을 이용하여 확인하고, BLDC 모터의 각 상에 전원을 순차적으로 인가하여 제어하여야 한다는 점에서, 구동 회로가 이용되었다.
그러나 종래의 구동 회로는 BLDC 모터가 목표 속도에 따라 동작하는지만을 확인하였을 뿐, 정상 구동이 되지 않는 경우에 그 구체적인 원인을 확인하지는 못하였다.
본 개시는 BLDC 모터에서 제공되는 신호를 이용하여 결함 여부 및 그 결함의 종류를 파악할 수 있는 화상형성장치, 모터 제어 장치 및 고장 진단 방법을 제공하는 데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시 예에 따른 화상형성장치는 화상 형성을 수행하는 화상 형성부, 상기 화상 형성부를 기동시키는 BLDC 모터, 및 상기 BLDC 모터로부터 복수의 구동 정보를 수신하고, 상기 수신된 복수의 구동 정보 중 적어도 하나에 기초하여 상기 BLDC 모터에 대한 피드백 제어를 수행하는 모터 제어 장치를 포함하고, 상기 모터 제어 장치는 상기 수신된 복수의 구동 정보에 기초하여 상기 BLDC 모터에 대한 복수의 에러 항목을 확인한다.
이 경우, 상기 에러 항목은 과전류 에러, 과부하 에러, 전류 센싱 에러, 홀 센서 에러, FG 에러 중 적어도 하나일 수 있다.
한편, 상기 모터 제어 장치는 상기 BLDC 모터에서 출력되는 3상 전류 값을 센싱하고, 상기 센싱된 3상 전류 값을 이용하여 과전류 에러를 확인할 수 있다.
한편, 상기 모터 제어 장치는 상기 BLDC 모터에서 출력되는 3상 전류 값을 센싱하고, 상기 센싱된 3상 전류 값을 이용하여 상기 BLDC 모터의 토크 값을 산출하고, 산출된 토크 값를 이용하여 과부하 에러를 확인할 수 있다.
이 경우, 상기 모터 제어 장치는 홀 센서 에러 및 FG 에러를 확인하고, 상기 홀 센서 에러 및 상기 FG 에러가 이상 없으면 상기 과부하 에러를 확인할 수 있다.
한편, 상기 모터 제어 장치는 상기 BLDC 모터에서 출력되는 3상 전류 값을 센싱하고, 상기 센싱된 3상 전류 값에서 전류 오프셋 값을 산출하고, 상기 산출된 오프셋 값을 이용하여 전류 센싱 에러를 확인할 수 있다.
한편, 상기 모터 제어 장치는 상기 BLDC 모터의 홀 센서 신호 값을 센싱하고, 상기 센싱된 신호 값이 비정상 조합 값을 가지는지 여부로 홀 센서 에러를 확인할 수 있다.
한편, 상기 모터 제어 장치는 상기 BLDC 모터의 홀 센서 신호 값을 센싱하고, 상기 BLDC 모터의 FG 센서 값을 센싱하고, 상기 센싱된 홀 센서 신호 값과 상기 센싱된 FG 센서 값을 이용하여 FG 센서 에러를 확인할 수 있다.
한편, 상기 모터 제어 장치는 상기 복수의 에러 항목 중 적어도 하나의 항목에 에러가 확인되면, 상기 BLDC 모터의 동작을 중지할 수 있다.
한편, 상기 모터 제어 장치는 동일한 에러 항목에 대해서 기설정된 횟수 이상 에러가 반복 확인되면, 상기 BLDC 모터의 동작을 중지할 수 있다.
한편, 본 화상형성장치는 상기 복수의 에러 항목 중 적어도 하나의 항목에 에러가 확인되면, 에러 항목을 표시하는 디스플레이를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 모터 제어 장치는 상기 BLDC 모터에 3상 전압을 제공하는 인버터, 상기 BLDC 모터로부터 복수의 구동 정보를 수신하는 센서, 및 상기 수신된 복수의 구동 정보 중 적어도 하나에 기초하여 상기 BLDC 모터에 대한 피드백 제어를 수행하고, 상기 수신된 복수의 구동 정보에 기초하여 상기 BLDC 모터에 대한 복수의 에러 항목을 확인하는 프로세서를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 센서는 상기 BLDC 모터 각각에 부착된 홀 센서로부터 회전자 위치 정보를 수신하는 회전자 위치 감지부, 상기 BLDC 모터 각각의 회전 속도 정보를 수신하는 속도 감지부, 상기 BLDC 모터의 상 전류를 센싱하는 전류 감지부를 포함할 수 있다.
한편, 본 화상형성장치는 스텝 모터, 및 DC 모터를 더 포함하고, 상기 모터 제어 장치는, 상기 BLDC 모터를 제어하면서, 상기 스텝 모터 및 상기 DC 모터 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.
한편, 본 개시의 일 실시 예에 따른 BLDC(Brushless DC) 모터를 구동하는 모터 제어 장치는 상기 BLDC 모터에 3상 전압을 제공하는 인버터, 상기 BLDC 모터로부터 복수의 구동 정보를 수신하는 센서, 및 상기 수신된 복수의 구동 정보 중 적어도 하나에 기초하여 상기 BLDC 모터에 대한 피드백 제어를 수행하고, 상기 수신된 복수의 구동 정보에 기초하여 상기 BLDC 모터에 대한 복수의 에러 항목을 확인하는 프로세서를 포함한다.
한편, 본 개시의 일 실시 예에 따른 BLDC(Brushless DC) 모터의 모터 제어 방법은 상기 BLDC 모터에 상 전압을 제공하여 상기 BLDC 모터를 구동시키는 단계, 상기 BLDC 모터로부터 복수의 구동 정보를 수신하는 단계, 및 상기 수신된 복수의 구동 정보에 기초하여 상기 BLDC 모터에 대한 복수의 에러 항목을 확인하는 단계를 포함한다.
이 경우, 상기 에러 항목은 과전류 에러, 과부하 에러, 전류 센싱 에러, 홀 센서 에러, FG 에러 중 적어도 하나일 수 있다.
한편, 상기 확인하는 단계는 상기 BLDC 모터에서 출력되는 3상 전류 값을 센싱하고, 상기 센싱된 3상 전류 값을 이용하여 상기 BLDC 모터의 토크 값을 산출하고, 산출된 토크 값를 이용하여 과부하 에러를 확인할 수 있다.
이 경우, 상기 확인하는 단계는 홀 센서 에러 및 FG 에러를 선행적으로 확인하고, 상기 홀 센서 에러 및 상기 FG 에러가 이상 없으면 상기 과부하 에러를 확인할 수 있다.
한편, 본 모터 제어 방법은 상기 복수의 에러 항목 중 적어도 하나의 항목에 에러가 확인되면, 에러 항목을 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 화상형성장치의 구성을 나타내는 블록도,
도 2는 도 1의 화상 형성부의 일 실시 예에 따른 구성도,
도 3은 도 1의 모터 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 도면,
도 4는 도 1의 모터 제어 장치의 구체적인 구성을 나타내는 도면,
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 복수의 구동 정보를 이용한 고장 진단 알고리즘을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 전류 센싱 에러의 확인 방법을 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 과전류 에러의 확인 방법을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 과부하 에러의 확인 방법을 설명하기 위한 도면,
도 9는 홀 센서의 구조를 설명하기 위한 도면,
도 10은 홀 센서의 상태 값을 나타내는 도면,
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 홀 센서 에러의 확인 방법을 설명하기 위한 도면,
도 12는 모터의 속도 측정 상태도를 나타낸 도면,
도 13은 본 개시의 일 실시 예에 따른 FG 센서 에러의 확인 방법을 설명하기 위한 도면, 그리고,
도 14는 본 개시의 일 실시 예에 따른 고장 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 다양한 실시 예들을 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시 예들은 여러 가지 상이한 형태로 변형되어 실시될 수도 있다. 실시 예들의 특징을 보다 명확히 설명하기 위하여 이하의 실시 예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있는 사항들에 관해서 자세한 설명은 생략한다.
한편, 본 명세서에서 어떤 구성이 다른 구성과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’되어 있는 경우뿐 아니라, ‘그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결’되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성이 다른 구성을 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 구성을 제외하는 것이 아니라 다른 구성들 더 포함할 수도 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 “화상 형성 작업(image forming job)”이란 화상의 형성 또는 화상 파일의 생성/저장/전송 등과 같이 화상과 관련된 다양한 작업들(e.g. 인쇄, 스캔 또는 팩스)을 의미할 수 있으며, “작업(job)”이란 화상 형성 작업을 의미할 뿐 아니라, 화상 형성 작업의 수행을 위해서 필요한 일련의 프로세스들을 모두 포함하는 의미일 수 있다.
또한, “화상형성장치”란 컴퓨터와 같은 단말장치에서 생성된 인쇄 데이터를 기록 용지에 인쇄하는 장치를 말한다. 이러한 화상형성장치의 예로는 복사기, 프린터, 팩시밀리 또는 이들의 기능을 하나의 장치를 통해 복합적으로 구현하는 복합기(multi-function printer, MFP)등을 들 수 있다. 프린터(printer), 스캐너(scanner), 팩스기(fax machine), 복합기(multi-function printer, MFP) 또는 디스플레이 장치 등과 같이 화상 형성 작업을 수행할 수 있는 모든 장치들을 의미할 수 있다.
또한, “하드 카피(hard copy)”란 종이 등과 같은 인쇄 매체에 화상을 출력하는 동작을 의미하며, “소프트 카피(soft copy)”란 TV 또는 모니터 등과 같은 디스플레이 장치에 화상을 출력하는 동작을 의미할 수 있다.
또한, “컨텐츠”란 사진, 이미지 또는 문서 파일 등과 같이 화상 형성 작업의 대상이 되는 모든 종류의 데이터를 의미할 수 있다.
또한, “인쇄 데이터”란 프린터에서 인쇄 가능한 포맷으로 변환된 데이터를 의미할 수 있다. 한편, 프린터가 다이렉트 프린팅을 지원한다면, 파일 그 자체가 인쇄 데이터가 될 수 있다.
또한, “사용자”란 화상형성장치를 이용하여, 또는 화상형성장치와 유무선으로 연결된 디바이스를 이용하여 화상 형성 작업과 관련된 조작을 수행하는 사람을 의미할 수 있다. 또한, “관리자”란 화상형성장치의 모든 기능 및 시스템에 접근할 수 있는 권한을 갖는 사람을 의미할 수 있다. “관리자”와 “사용자”는 동일한 사람일 수도 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 화상형성장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 화상형성장치(100)는 화상 형성부(110), 통신 인터페이스부(120), 디스플레이(130), 조작 입력부(140), 저장부(150), BLDC 모터(160), 프로세서(170), 모터 제어 장치(200)로 구성된다.
화상 형성부(110)는 인쇄 데이터를 인쇄한다. 구체적으로, 화상 형성부(110)는 프로세서(170)에서 렌더링한 인쇄 데이터를 인쇄할 수 있다. 화상 형성부(110)의 구체적인 구성에 대해서는 도 2를 참조하여 후술한다.
통신 인터페이스부(120)는 인쇄 제어 단말장치(미도시)와 연결되며, 인쇄 제어 단말장치로부터 인쇄 데이터를 수신한다. 구체적으로 통신 인터페이스부(120)는 화상형성장치(100)를 외부 장치와 연결하기 위해 형성되고, 근거리 통신망(LAN: Local Area Network) 및 인터넷망을 통해 단말장치에 접속되는 형태뿐만 아니라, USB(Universal Serial Bus) 포트 또는 무선 통신(예를 들어, WiFi 802.11a/b/g/n, NFC, Bluetooth) 포트를 통하여 접속되는 형태도 가능하다.
통신 인터페이스부(120)는 외부 서버에 화상형성장치(100)의 고장 사실을 통지할 수 있다. 이때, 통신 인터페이스부(120)는 구체적인 고장 부위를 함께 통지할 수 있다. 예를 들어, 화상형성장치(100)에서 BLDC 모터의 홀 센서 이상을 확인한 경우, 통신 인터페이스부(120)는 프린터의 관리 서버(미 도시) 등에 홀 센서 이상을 통지할 수 있다. 이에 따라 프린터의 관리 서버는 화상형성장치(100)의 구체적인 에러 사실을 통지받을 수 있고 그에 따라 필요한 소모품(예를 들어, BLDC 모터)을 주문하거나, AS 기사를 호출하는 등의 추가 조치를 수행할 수 있다.
디스플레이(130)는 화상형성장치(100)에서 제공하는 각종 정보를 표시한다. 구체적으로, 디스플레이(130)는 화상형성장치(100)가 제공하는 각종 기능을 선택받기 위한 사용자 인터페이스 창을 표시할 수 있다. 이러한 디스플레이(130)는 LCD, CRT, OLED 등과 같은 모니터일 수 있으며, 후술할 조작 입력부(140)의 기능을 동시에 수행할 수 있는 터치 스크린으로 구현될 수도 있다.
그리고 디스플레이(130)는 화상형성장치(100)의 기능 수행을 위한 제어 메뉴를 표시할 수 있다.
그리고 디스플레이(130)는 BLDC 모터 또는 모터 제어 장치에서 에러 또는 고장이 발생하며, 고장의 발생 사실 및 구체적인 고장 사유를 표시할 수 있다. 예를 들어, ADF의 동작에 사용되는 BLDC 모터의 홀 센서가 고장 나서 동작하지 않는 경우, 디스플레이(130)는 스캐너의 고장 사실을 통지할 뿐만 아니라, 스캐너 내의 BLDC 모터의 홀 센서가 고장났음을 표시할 수 있다.
조작 입력부(140)는 사용자로부터 기능 선택 및 해당 기능에 대한 제어 명령을 입력받을 수 있다. 여기서 기능은 인쇄 기능, 복사 기능, 스캔 기능, 팩스 전송 기능 등을 포함할 수 있다. 이와 같은 기능 제어 명령은 디스플레이(130)에 표시되는 제어 메뉴를 통하여 입력받을 수 있다.
이러한 조작 입력부(140)는 복수의 버튼, 키보드, 마우스 등으로 구현될 수 있으며, 상술한 디스플레이(130)의 기능을 동시에 수행할 수 있는 터치 스크린으로도 구현될 수도 있다.
저장부(150)는 통신 인터페이스부(120)를 통하여 수신된 인쇄 데이터를 저장할 수 있다. 이러한, 저장부(150)는 화상형성장치(100) 내의 저장매체 및 외부 저장매체, 예를 들어 USB 메모리를 포함한 Removable Disk, 호스트(Host)에 연결된 저장매체, 네트워크를 통한 웹서버(Web server) 등으로 구현될 수 있다.
저장부(150)는 BLDC 모터(160)의 구동과 관련된 각종 로그 정보를 저장할 수 있다. 여기서 로그 정보는 BLDC 모터에서 발생한 각종 이벤트(예를 들어, 구동 시작 정보, 에러 발생 여부 등)일 수 있다.
그리고 저장부(150)는 BLDC 모터의 고장 판단에 필요한 각종 설정 값(예를 들어, 기준 오프셋 값, 기준 전류값, 기준 토크값, 기준 속도값을 저장할 수 있다.
BLDC 모터(160)는 화상 형성부(110)를 기동한다. 이러한 BLDC 모터는 모터 제어 장치(200)에서 제공하는 3상 전압에 따라 등속 또는 가속 구동을 수행할 수 있다. 여기서 BLDC 모터(160)는 감광 매체를 구동하거나, 정착기를 구동하거나, 용지를 이송하는 등의 화상형성장치의 다양한 기능을 수행하기 위한 모터일 수 있다. 또한, 본 실시 예에서는 BLDC 모터(160)가 화상을 인쇄하는 화상 형성부에만 적용되는 것으로 설명하였지만, BLDC 모터(160)는 원고를 스캔하는 스캔부의 모터일 수도 있다. 또한, 본 실시 예에서는 하나의 BLDC 모터(160)만을 도시하였지만, 구현시에 화상형성장치에서는 복수의 BLDC 모터가 구비될 수도 있다.
모터 제어 장치(200)는 제어 명령에 따라 BLDC 모터에 구동 전압(구체적으로, 3상 전압)을 BLDC 모터(160)에 제공한다. 구체적으로, 모터 제어 장치(200)는 프로세서(170)로부터 BLDC 모터에 대한 회전 개시/정지, 가속/감속, 속도 지령 값 등의 제어 명령을 수신하고, 수신된 제어 명령에 대응되는 상 전압을 생성하여 BLDC 모터(160)에 제공할 수 있다.
그리고 모터 제어 장치(200)는 BLDC 모터로부터 구동 정보를 제공받고, 제공받은 복수의 구동 정보(또는 피드백 신호) 중 적어도 하나에 기초하여 BLDC 모터에 대한 피드백 제어를 수행할 수 있다. 여기서 피드백 제어는 고정밀 순시 토크 제어를 위한 벡터 제어 또는 자속기준제어(FOC, Field Oriented Control)일 수 있다. 여기서 구동 정보는 BLDC 모터의 피드백 제어 시에 사용하는 정보로, 상 전류, 홀 센싱 신호, FG 신호 등일 수 있다.
그리고 모터 제어 장치(200)는 BLDC 모터로부터 제공받은 복수의 구동 정보에 기초하여 BLDC 모터의 복수의 고장 항목에 대한 고장 여부를 확인할 수 있다. 여기서 고장 항목은 아래의 표 1과 같은 5가지 항목일 수 있다.
No. 고장명 내용 원인
1 Current Sensing Fault 전류 센싱 불가 전류센싱 회로 불량
2 Over Max Current 최대 전류 초과 모터에 과전류 인가
3 Over Max Torque 최대 토크 초과 피구동측 과부하
4 Hall Error Hall 신호 이상 Hall 소자 및 센싱회로 불량
5 FG Error FG 신호 이상 FG 패턴 및 센싱회로 불량
복수의 구동 정보를 이용하여 상술한 고장 여부를 파악하는 구체적인 동작에 대해서는 도 5를 참고하여 후술하도록 한다. 그리고 모터 제어 장치(200)의 구체적인 구성 및 동작에 대해서는 도 3 및 4를 참고하여 후술한다.
프로세서(170)는 화상형성장치(100) 내의 각 구성에 대해서 제어를 수행한다. 이러한 프로세서(170)는 CPU, 롬(ROM), 램(RAM) 등으로 구성될 수 있다.
프로세서(170)는 인쇄 제어 단말장치로부터 인쇄 데이터를 수신하면, 수신된 인쇄 데이터가 인쇄되도록 화상 형성부(110)의 동작을 제어하며, 화상 형성부(110)를 기동시키는 BLDC 모터(160)에 대한 제어 명령을 모터 제어 장치(200)에 송신한다. 예를 들어, 프로세서(170)는 BLDC 모터에 대한 회전 개시/정지, 가속/감속, 속도 지령값 등의 제어 명령을 모터 제어 장치(200)에 전송할 수 있다. 한편, 본 실시 예에서는 프로세서(170)가 BLDC 모터에 대한 제어 명령을 전송하는 것으로 설명하였지만, 구현시에는 화상 형성부(110)가 모터 제어 장치(200)에 제어 명령을 전송할 수도 있다.
프로세서(170)는 모터 제어 장치(200)로부터 고장 정보를 수신하고, 고장 정보가 수신되면 그에 따른 조치를 수행할 수 있다. 예를 들어, BLDC 모터(160)가 과전류로 동작하는 것으로 판단되면, 일시적으로 상 전압이 제공되지 않도록 모터 제어 장치(200)를 제공할 수 있다. 또는 BLDC 모터(160)가 과부하로 동작하는 것으로 판단되면, BLDC 모터(160)가 동작하지 않도록 조치하고 용지 걸림 등의 확인을 요청하는 메시지가 표시되도록 디스플레이(130)를 제어할 수 있다. 또는 BLDC 모터(160)의 홀 센서 또는 FG 센서의 고장 또는 전류 센싱 회로의 고장이 확인되면, 수리가 필요함이 표시되도록 디스플레이(130)를 제어할 수 있다.
한편, 이상에서는 모터 제어 장치(200)가 에러 또는 고장인지를 파악하고, 파악된 에러 또는 고장을 프로세서(170)에 제공하는 것으로 설명하였지만, 구현시에는 모터 제어 장치(200)는 에러 또는 고장의 파악에 필요한 구동 정보를 프로세서(170)에 전달하고, 프로세서(170)가 에러 또는 고장 여부를 직접 파악하여 조치하는 형태로도 구현 가능하다.
이상과 같이 본 실시 예에 따른 화상형성장치(100)는 피드백 제어시에 이용되는 피드백 제어 인자들을 이용하여 BLDC 모터의 구동과 관련된 각종 에러 및 고장 여부를 확인할 수 있는바, 더욱 적절한 시스템 보호가 가능하다. 따라서 모터 시스템의 고장 여부를 확인할 수 있을 뿐만 아니라 피구동측의 불량으로 인한 과부하와 같이 어떠한 원인에 의해서 모터 시스템의 동작이 불가능한지도 판단 가능하고 세부적인 고장 원인을 진단 가능하여 이상 현상 발생 시 빠른 대처가 가능하다는 장점이 있다.
한편, 이상에서는 화상형성장치를 구성하는 간단한 구성에 대해서만 도시하고 설명하였지만, 구현시에는 다양한 구성이 추가로 구비될 수 있다.
도 2는 도 1의 화상 형성부의 일 실시 예에 따른 구성도이다.
도 2를 참조하면, 화상 형성부(110)는 감광 드럼(111), 대전기(112), 노광기(113), 현상기(114), 전사기(115), 및 정착기(118)를 구비할 수 있다.
화상 형성부(110)는 기록매체(P)를 공급하는 급지 수단(미도시)을 더 구비할 수 있다. 감광 드럼(111)에는 정전잠상이 형성된다. 감광 드럼(111)은 그 형태에 따라서 감광 드럼, 감광 벨트 등으로 지칭될 수 있다. 이러한 감광 드럼(111)은 상술한 BLDC 모터에 의하여 기동될 수 있다.
이하에서는 설명을 용이하게 하기 위하여, 하나의 색상에 대응되는 화상 형성부(110)의 구성만을 예를 들어 설명하나, 구현시에 화상 형성부(110)는 복수의 색상에 대응되는 복수의 감광 드럼(111), 복수의 대전기(112), 복수의 노광기(113) 및 복수의 현상기(114)를 포함할 수 있다.
대전기(112)는 감광 드럼(111)의 표면을 균일한 전위로 대전시킨다. 대전기(112)는 코로나 대전기, 대전 롤러, 대전 브러쉬 등의 형태로 구현될 수 있다.
노광기(113)는 인쇄할 화상 정보에 따라 감광 드럼(111)의 표면 전위를 변화시킴으로써 감광 드럼(111)의 표면에 정전 잠상을 형성시킨다. 일 예로서, 노광기(113)는 인쇄할 화상 정보에 따라 변조된 광을 감광 드럼(111)에 조사함으로써 정전 잠상을 형성할 수 있다. 이러한 형태의 노광기(113)는 광주사기 등으로 지칭될 수 있으며, LED가 광원으로 이용될 수 있다.
현상기(114)는 그 내부에 현상제를 수용하며, 정전잠상에 현상제를 공급하여 정전 잠상을 가시적인 화상으로 현상시킨다. 현상기(114)는 현상제를 정전 잠상으로 공급하는 현상 롤러(117)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 현상제는 현상 롤러(117)와 감광 드럼(111) 사이에 형성되는 현상 전계에 의하여 현상 롤러(117)로부터 감광 드럼(111)에 형성된 정전 잠상으로 공급될 수 있다.
감광 드럼(111)에 형성된 가시적인 화상은 전사기(115) 또는 중간 전사 벨트(미도시)에 의하여 기록매체(P)로 전사된다. 전사기(115)는 예를 들어 정전 전사 방식에 의하여 가시적인 화상을 기록매체로 전사시킬 수 있다. 가시적인 화상은 기록 매체(P)에 정전 인력에 의하여 부착된다.
정착기(118)는 기록 매체(P) 상의 가시적인 화상에 열 및/또는 압력을 가하여 가시적인 화상을 기록매체(P)에 정착시킨다. 이와 같은 일련의 과정에 의하여 인쇄작업이 완료된다.
상술한 현상제는 화상형성작업이 진행될 때마다 사용되어, 소정 시간 이상 사용되면 고갈된다. 이 경우, 현상제를 저장하는 유닛(예를 들어, 상술한 현상기(114) 자체를 새로이 교체하여 주어야 한다. 이와 같이 화상형성장치의 사용과정에서 교체할 수 있는 부품 또는 구성요소들을 소모품 유닛 또는 교체 가능 유닛이라 한다. 그리고 이러한 소모품 유닛에는 해당 소모품 유닛의 적절한 관리를 위하여 메모리(또는 CRUM 칩)이 부착될 수 있다.
도 3은 도 1의 모터 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 모터 제어 장치(200)는 BLDC 모터(160)에 상 전압(Va, Vb, Vc)을 제공하고, 피드백 정보(Phase-Current, Hall, FG)를 수신한다. 그리고 모터 제어 장치(200)는 수신된 피드백 정보에 기초하여 BLDC 모터(160)에 대한 피드백 제어를 수행할 수 있다.
구체적으로, 전동기 또는 모터를 제어함에 있어 일반적으로 속도제어/위치제어가 사용되는데, 정밀한 제어와 순시 토크 제어를 위해 벡터제어 또는 자속기준제어; FOC(field oriented control)라고 불리는 제어 기법을 이용하기도 한다.
한편, 모터 시스템에서 3상 BLDC 모터는 높은 신뢰성, 제어의 용이성 등 여러 가지 이유로 인해 널리 사용되고 있다. BLDC 모터는 일반적으로 영구자석으로 이루어진 회전자와 코일로 이루어진 고정자를 갖는 구조이며 PMSM(permanent magnet synchronous motor)과 비슷한 구조로 인해 PMSM으로 불리기도 한다.
한편, 종래에는 BLDC 모터에 대한 구동 시에 피드백 제어를 위하여, BLDC 모터로부터 다양한 피드백 신호를 수신하였다. 그러나 종래에는 다양한 피드백 신호를 이용하여 모터의 속도를 측정하여 모터의 정상 구동 동작 여부만을 판단하였을 뿐이다. 따라서, 모터 시스템에서 결함이 발생하였으면 명확한 이유를 파악하기 어려웠으며, 결함을 복구하는데 많은 시간이 소요되었다.
예를 들어 벡터제어를 수행할 때 모터의 3상 전류 값을 센싱하는데 실제 전류 값과는 다른 비정상적인 값이 센싱된다면 모터는 진동하며 회로에 과전류가 유입되어 회로 소자에 충격을 줄 수도 있다. 또한, 모터의 홀 신호가 정상적이지 못하면 마찬가지로 모터가 진동 가능하며, 과전류의 유입 가능성이 있고 정상적인 토크를 출력하지 못한다. 이렇게 모터시스템에 결함 발생시 복합적인 이상 현상을 발생시키는데 세부적인 원인을 찾기 위해서는 많은 시간과 비용이 소비된다.
그리고 BLDC 모터 시스템에서 모터 또는 제어 회로의 하드웨어 결함은 모터의 정지, 떨림, 발산 현상과 같은 이상행동을 초래하기도 하며 심한 경우 과전류 유입으로 인한 회로 소자의 연소를 일으키기도 한다. 이러한 모터 시스템의 고장은 프린팅 시스템과 같은 상위 시스템의 동작 불능으로 이어지게 된다. 따라서 모터 시스템의 고장 진단기능은 제어 회로의 보호와 상위 시스템의 보호를 위해 필수적인 요소이다.
이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 개시에서는 기존의 피드백 제어시에 이용되던 복수의 피드백 신호를 이용하여, 세부적인 결함 발생 부위를 판단하고 빠른 대처를 통해 상위 시스템을 보호한다. 이를 위해 본 개시에서는 기존의 모터 제어 인자로써 사용되는 모터의 피드백 신호 들인 3상 전류, FG 신호, 홀 신호를 이용하여 세부적인 고장 부위를 검출한다.
또한, 본 실시 예에 따른 모터 제어 장치(200)는 BLDC 모터(150)뿐만 아니라, 추가적인 구동 IC를 이용하여 DC 모터나 스텝 모터 등의 추가적인 모터의 제어도 가능하다.
BLDC 모터(160)는 화상형성장치 내부에 구비되는 BLDC 모터로, 순차적으로 입력되는 3상 전원을 입력받으며, 입력되는 3상 전원에 따라 등속 또는 가속 구동을 수행할 수 있다. 또한, 제1 모터(700)는 입력되는 3상 전원의 상 순서에 따라 정방향 구동 또는 역방향 구동을 수행할 수 있다.
그리고 BLDC 모터(160)는 모터 내부의 회전자 위치를 센싱하는 홀 센서 및 회전 속도를 센싱하는 속도 감지 센서를 포함할 수 있다. 구체적으로, 홀 센서는 BLDC 모터에 부착되어 DC 모터 내부의 회전자 위치를 센싱하는 센서이고, 속도 감지 센서는 BLDC 모터의 구동 속도 정보를 주파수 형태로 출력하는 센서이다. 홀 센서 및 속도 감지 센서에서 센싱된 회전자 위치 정보 및 구동 속도 정보는 모터 제어 장치(200) 내의 센서(230)에 제공될 수 있다.
도 3을 설명함에 있어서, 2 채널(channel)을 제어할 수 있는 모터 제어 장치(200)를 설명하였지만, 3채널 이상을 지원하는 형태로 구현할 수 있으며, BLDC 만을 복수개 제어하는 형태로도 구현될 수 있다.
도 4는 도 1의 모터 제어 장치의 구체적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 모터 제어 장치(200)는 인버터(220), 센서(230), 프로세서(240)로 구성될 수 있다.
인버터(220)는 프로세서(240)로부터 제공되는 구동 신호(PWM 신호)에 따라 3상 전압을 생성하여 BLDC 모터(160)에 제공한다. 구체적으로, 인버터(220)는 BLDC 모터의 상 개수에 대응하는 스위칭 소자를 포함하며, 프로세서(240)에서 제공되는 PWM 신호에 따라 순차적으로 온/오프 동작을 수행한다. 각각의 스위치 소자가 순차적으로 온/오프 동작함에 따라, 제1 BLDC 모터(160)는 순차적으로 온/오프 되는 3상 전원을 입력받게 된다.
센서(230)는 BLDC 모터(160)의 구동 정보를 센싱할 수 있다. 구체적으로, 센서부(230)는 회전자 위치 감지부, 속도 감지부 및 전류 검출부를 포함할 수 있다.
회전자 위치 감지부는 BLDC 모터에 부착되는 홀 센서로부터 회전자 위치 정보를 수신하며, 이에 대한 정보를 프로세서(240)에 제공할 수 있다.
속도 감지부는 BLDC 모터에 부착되는 속도 감지 센서(예를 들어, FG 센서)로부터 BLDC 모터의 회전 속도 정보를 주파수 형태로 수신하며, 수신된 주파수 형태의 회전 속도 정보를 프로세서(240)에 전달할 수 있다. 본 실시 예에서는 BLDC 모터에 부착되는 속도 감지 센서를 이용하여 회전 속도 정보를 센싱하는 것에 대해서 설명하였지만, 구현시에는 상술한 회전자 위치 감지부에서 센싱되는 회전자 위치에 따라 속도를 센싱할 수도 있다.
그리고 전류 검출부는 BLDC 모터(160)의 출력 전류의 크기를 센싱할 수 있다. 구체적으로, 전류 검출부는 저항을 이용하여 BLDC 모터의 상 전류의 크기를 센싱할 수 있다.
프로세서(240)는 프로세서(170)로부터 디지털 제어 명령을 수신하고, 수신된 디지털 제어 명령에 따라 BLDC 모터(160)가 동작하도록 인버터(220), 센서(230)를 제어한다. 이러한 프로세서(240)는 ADC를 포함하는 MCU, ASIC 등의 회로로 구현될 수 있다.
구체적으로, 프로세서(240)는 BLDC 모터의 동작을 제어하기 위해 사용되는 디지털 제어 명령을 프로세서(170) 또는 화상 형성부(110) 등으로부터 전달받는다. 여기서 디지털 제어 명령은 BLDC 모터에 대한 회전 개시/정지, 가속/감속, 회전 방향, 회전 속도, 브레이크 작동 등과 같은 정보를 포함한다. 이와 같은 디지털 제어 명령은 범용 비동기화 송수신 방식인 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), 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 프로세서(170) 또는 화상 형성부(110)로부터 전달받을 수 있다.
프로세서(240)는 수신된 디지털 제어 명령에서 제어 신호를 독출하고, 독출된 제어 신호에 따라 BLDC 모터(160)가 동작하도록 인버터(220), 센서(230)를 제어할 수 있다. 구체적으로, 모터 제어 장치(200)가 복수의 BLDC 모터 또는 타 모터 등 복수의 모터를 제어하는 경우, 프로세서(240)는 SCLK, SDATA, SLE 단자를 통해 수신된 디지털 제어 명령에서 채널 정보 및 해당 채널에 전달될 모터에 대한 각종 구동 명령(예를 들어, 회전 개시/정지, 가속/감속, 회전방향, 회전 속도, 브레이크 작동)을 독출하고, 해당 채널에 대응되는 구동 제어부에 추출된 제어 신호를 전달할 수 있다.
프로세서(240)는 전달받은 제어 신호 및 센서(230)에서 센싱된 피드백 신호에 따라, BLDC 모터(160)를 제어할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(240)는 제어 신호에 및 회전자 위치 정보에 따라 BLDC 모터(160)에 대한 3항 구동 신호(PWM 신호)를 생성할 수 있다.
프로세서(240)는 수신된 복수의 피드백 신호에 따라 BLDC 모터에 대한 복수의 에러 항목을 확인한다. 그리고 프로세서(240)는 에러가 확인되면, 확인된 에러 항목을 저장부(150)에 저장하거나, 표시되도록 디스플레이(130)를 제어할 수 있다. 한편, 이러한 동작은 프로세서(240)가 직접 수행할 수도 있으나, 상위의 프로세서(170)를 통하여 수행될 수도 있다. 한편, 본 실시 예에서는 화상형성장치(100)의 내의 프로세서와 모터 제어 장치(200) 내의 프로세서가 서로 다른 것으로 설명하였지만, 구현시에는 하나의 프로세서로 구현될 수도 있다.
이하에서는 모터 제어 장치(200)의 구체적인 구성을 이용하여 모터 제어 장치(200)에서의 속도 제어 방법 및 고장 진단 방법에 대해서 설명한다.
먼저, 제어 명령(예를 들어, 모터 기동)에 따라 프로세서(240)는 3상 구동 신호를 생성하면, 인버터(220)는 수신된 3상 구동 신호에 대응되는 상 전압을 생성하여 BLDC 모터(160)에 제공한다. 이에 따라 BLDC 모터(160)는 상 전압을 입력받고 그에 따른 전류를 생성시켜 회전된다. 그리고 BLDC 모터(160)의 기동에 따라 홀 신호, FG 신호, 상 전류가 센서(230)를 통하여 프로세서(240)에 제공된다.
한편, BLDC 모터(160)에서 출력되는 3상 전류는 좌표 변환을 통해 토크에 기여하는 iq 전류와 자속에 기여하는 id 전류로 구분될 수 있으면, iq 전류는 다음과 같은 수학식 1과 같이 토크과 비례 관계를 갖는다.
Figure pat00001
여기서 Te는 BLDC 모터의 토크이고, iq는 토크에 기여하는 전류이고, Kt는 토크 상수이다.
따라서, 프로세서(240)는 센싱한 상 전류를 통해 BLDC 모터의 순시 토크 값을 알 수 있으며, 이를 이용하여 프로세서(240)는 순시 토크 제어도 수행할 수 있다.
그리고 모터 회전자의 위치를 정확히 알고 있고 정확한 전류를 센싱 한다면 iq 전류는 온전히 토크에 기여하게 되므로 iq 전류를 통해 BLDC 모터의 출력 상태를 알 수 있다.
한편, 프로세서(240)는 센싱 회로로부터 FG 펄스 신호를 입력받아 펄스의 주파수를 측정하여 속도로 변환하여 제어기 인자로써 활용할 수 있다.
그리고 프로세서(240)는 3상 홀 소자로부터 펄스로 변환된 신호를 모터와 관련 회로부로부터 피드백 받아 모터의 절대 위치를 계산하여 그에 맞는 적절한 위상의 전압 지령을 인버터로 출력할 수 있다. 또한, 프로세서(240)는 FG 펄스가 발생하지 못하는 낮은 속도 대역에서는 홀 소자로부터 제공되는 펄스를 이용해 FG의 속도 변환과 같은 방법으로 모터의 속도를 계산할 수도 있다.
한편, 본 개시에는 상술한 피드백 신호를 BLDC 모터의 피드백 제어를 수행하는데 이용하는 것뿐만 아니라, BLDC 모터 또는 그의 제어 장치에 대한 고장을 확인하는데 이용한다. 복수의 피드백 신호를 이용한 고장 진단 방법에 대해서는 도 5를 참조하여 이하에서 설명한다.
이상과 같이 본 실시 예에 따른 모터 제어 장치(200)는 피드백 제어시에 이용되는 피드백 제어 인자들을 이용하여 BLDC 모터의 구동과 관련된 각종 에러 및 고장 여부를 확인할 수 있는바, 더욱 적절한 시스템 보호가 가능하다. 따라서 모터 시스템의 고장 여부를 확인할 수 있을 뿐만 아니라 피구동측의 불량으로 인한 과부하와 같이 어떠한 원인에 의해서 모터 시스템의 동작이 불가능한지도 판단 가능하고 세부적인 고장 원인을 진단 가능하여 이상 현상 발생 시 빠른 대처가 가능하다는 장점이 있다.
한편, 도 1 내지 도 4를 설명함에 있어서, 모터 제어 장치(200)가 화상형성장치(100) 내의 구성인 것으로 도시하고 설명하였지만, 모터 제어 장치(200)가 화상형성장치(100)와 구분된 별도의 장치로 구현될 수 있으며, 화상형성장치(100) 이외에 BLDC 모터가 구비되는 장치라면 적용될 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 복수의 구동 정보를 이용한 고장 진단 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 프로세서(240)는 모터 제어를 수행할 때 이용하는 복수의 피드백 신호를 이용하여 구체적인 고장 여부를 진단할 수 있다.
초기 상태에서 별도의 고장이 없는 바, 고장을 나타내는 인덱스는 '0' 값을 설정한다(S501). 그리고, 3상 전류로부터 상 전류 값을 확인할 수 있다(502).
만약, 현재 BLDC 모터의 동작 상태가 초기 상태이면(505), 전류 센싱 회로의 에러 여부를 확인할 수 있다(507). 구체적으로, BLDC 모터가 초기 상태이면 상 전류가 없어야 하나 기설정된 전류 값이 없어야 한다. 따라서, 확인된 상 전류 값과 기설정된 오프셋 값을 비교하여 전류 센싱 회로의 에러 여부를 확인할 수 있다(508, 512). 이에 대한 구체적인 동작은 도 6을 참조하여 후술한다.
그리고 BLDC 모터의 동작 상태가 초기 상태가 아니며, 센싱된 전류 값을 이용하여 과전류 상태인지, 과토크 상태인지를 판단할 수 있다(510, 512). 판단 결과 과 전류 또는 과토크 상태이면, 에러 상태 값을 기록할 수 있다(513, 514). 한편, 과전류 상태인지, 과 토크 상태인지의 판단 동작은 도 7 및 도 8을 참조하여 후술한다. 이러한 과전류, 과토크 여부는 홀 센서, FG 센서 등의 에러가 없는 경우에 판단될 수 있다.
그리고 FG 신호가 수신되면, 수신된 FG 신호에 따라 FG 센서 또는 FG 센서의 측정 회로의 에러 여부를 판단할 수 있다(509). 판단 결과 FG 신호가 에러 상태이면, 그 에러 상태를 기록 할 수 있다(515). 이러한 FG 센서의 에러 여부는 홀 센서의 에러가 확인되지 않은 경우에 수행될 수 있다. 이러한 FG 센서의 에러 여부의 판단 동작은 도 12 및 도 13을 참조하여 후술한다.
그리고 홀 신호가 수신되면, 수신된 홀 신호에 따라 홀 센서 또는 홀 센서 측정 회로의 에러 여부를 판단한다(506). 판단 결과 홀 센서가 에러 상태이면, 그 에러 상태를 기록한다(516) 이러한 홀 신호의 에러 여부는 도 9 내지 도 11을 참조하여 후술한다.
그리고 상술한 에러가 판단되면, 각 에러에 대응되는 조치를 바로 수행할 수 있다. 그리고 이러한 조치는 각 에러별로 서로 다를 수 있다. 또한, 구현시에는 한 번의 에러 감지시에 상술한 조치를 바로 할 수도 있지만, 동일한 에러가 반복적으로 발생한 경우에만 조치를 수행할 수도 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 전류 센싱 에러의 확인 방법을 설명하기 위한 도면이다.
모터 구동 제어 중 전류 제어를 수행함에 있어 정확한 상 전류 센싱은 제어 성능과 직결된다. 만약 상 전류를 센싱할 수 없다면 과전류가 발생하거나 원활한 속도/토크 제어가 불가능하게 된다. 이러한 상 전류는 센싱 회로와 프로세서(MCU)의 ADC 채널을 통해 측정되는데, 센싱 회로에 문제가 발생한다면 정확한 전류를 읽을 수 없다. 따라서 프로세서(MCU) 부팅 초기에 전류 센싱 정상 동작 여부를 판단하는 과정이 필요하다.
이와 같은 동작에 대해서 도 6을 참조하여 이하에서 설명한다.
도 6을 참조하면, 전원이 켜진 후 프로세서(240)는 전류 센싱을 통해 초기 ADC 센싱 오프셋(offset)을 측정할 수 있다(S610). 이러한 전류 센싱 정상 동작 여부는 초기 프로세서(240)의 전원이 켜진 직후 또는 제어시스템 초기화 이후 수행될 수 있다. 구체적으로, 프로세서(240)에서 출력이 발생하지 않기 때문에 초기 전류는 ‘0’ 근처의 오프셋이 측정되어야 하는데, 센싱 회로가 정상적이지 않다면 오프셋은 ‘0’이 아닌 다른 값으로 측정이 된다.
따라서, 센싱된 전류 값이 허여 가능한 범위인 기준 오프셋 전류(Ioffset_max)보다 크다면, 센싱 회로의 이상으로 판단하고(S620-Y), 모터 제어를 시작하지 않는다(S640).
반면에 센싱된 전류 값이 허여 가능한 범위인 기준 오프셋 전류(Ioffset_max)보다 작다면(S620-N), 정상으로 판단하여 모터 제어를 시작할 수 있다(S630).
여기서 상 전류 오프셋 측정 방법은 시스템 초기화 후 프로세서(240)가 모터제어를 시작하기 전에, 즉 모터로 인가되는 전압이 ‘0’일 때 이루어질 수 있다. 그리고 제어주기로 센싱되는 3상 상 전류 값을 프로세서(240)의 내부 메모리에 다수 누적하고 그 누적된 값을 누적 횟수로 나눈 평균값을 사용할 수 있다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 과전류 에러의 확인 방법을 설명하기 위한 도면이다.
모터가 정지상태에서 구동 시작하는 시점이나 갑자기 정지하는 시점 등과 같이 급격한 속도 변화가 발생하는 구간에서는 순간적으로 높은 토크를 내기 위해 전류도 급격하게 증가하게 된다. 이때 증가하는 전류는 제어에 의한 정상적인 동작이지만 과도하게 높은 전류는 회로 부품에 충격을 줄 수 있으므로 적정량 이상의 전류는 제한시켜줌으로써 시스템을 보호할 필요가 있다.
이와 같은 동작에 대해서 도 7을 참조하여 이하에서 설명한다.
도 7을 참조하면, 프로세서(240)는 전류제어주기로 3상 상 전류를 센싱하여 실시간으로 모터의 과전류를 확인할 수 있다(S710). 여기서 전류제어주기는 10~20kHz일 수 있으며, PWM 주기와 같을 수 있다.
그리고 센싱된 전류 값이 기설정된 기준 전류 값(i_max)과 비교할 수 있다(S720).
비교 결과, 센싱된 전류 값이 기설정된 기준 값보다 작으면(S720-N), 정상 동작을 지속할 수 있다(S730).
반대로, 센싱된 전류 값이 기설정된 기준 값보다 크면(S720-Y), 프로세서(240)는 인버터로의 출력 지령인 PWM 신호를 오프 시켜 인버터의 출력을 원천적으로 막아주어 BLDC 모터에 공급되는 전압/전류를 차단할 수 있다(S740). 그리고 다시 전류제어주기로 센싱하여 센싱된 전류 값이 기준 전류 값보다 작아지면, PWM 신호를 온(on)하여 모터에 전류를 공급하여 출력을 발생시킬 수 있다.
해당 기능은 모터를 정지 시키지 않고 과전류만 제한 시키며 원활한 제어를 가능하게끔 하기 때문에 사용자에게는 투명하게 동작한다. 필요에 따라 디스플레이를 통해 사용자에게 알릴 수 있다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 과부하 에러의 확인 방법을 설명하기 위한 도면이다.
모터시스템에서 모터 회전축에 비정상적으로 과부하가 발생하는 경우, 모터는 부하를 이기고 회전하기 위해 더 높은 출력을 발생시킨다. 이때 너무 많은 전류를 오랫동안 발생시키면 모터 코일 손상과 영구자석의 손상을 가져올 수 있다. 따라서 모터의 출력을 실시간으로 센싱하여 설계상 부하보다 높은 부하가 긴 시간 동안 발생한다면 모터를 정지시켜 시스템을 보호할 필요가 있다.
이와 같은 동작에 대해서 도 8을 참조하여 이하에서 설명한다.
도 8을 참조하면, 프로세서(240)는 전류제어주기로 상 전류를 확인할 수 있다(S810). 여기서 전류제어주기는 10~20kHz일 수 있다.
그리고 센싱된 3상 상 전류를 좌표 변환을 통해 토크 값을 산출할 수 있다(S820). 구체적으로, 아래의 수학식 2 및 3과 같이 센싱된 상 전류를 토크 값으로 계산할 수 있다.
아래의 식에서 ia, ib, ic는 3상 상 전류를 의미하며 좌표 변환을 통해 iq(=iqse)로 변환하여 이를 다시 토크 상수 KT와의 곱을 통해 토크 값으로 변환하여 사용할 수 있다. .
Figure pat00002
여기서, ia, ib, ic 는 센싱된 각 상(a, b, c)의 상 전류이고, idss, iqss는 매개변수이다.
Figure pat00003
여기서, idse는 자속에 기여하는 전류 성분, iqse는 토크에 기여하는 전류 성분이다.
토크 값이 산출되면, 산출된 토크 값(KTIq)과 기준 토크 값(Te _max)을 비교할 수 있다(S830).
비교 결과 산출된 토크 값(KTIq)이 기준 토크 값(Te _max)보다 작으면(S830-N), 정상 상태인바, 카운터 값을 0으로 설정할 수 있다(S840).
반대로, 산출된 토크 값(KTIq)이 기준 토크 값(Te _max)보다 크면(S830-Y), 과부하 상태인바 카운터 값을 증가할 수 있다(S850).
그리고 카운터 값과 기설정된 카운터 값(countmax)을 비교할 수 있다(S860). 여기서 기설정된 카운터 값(countmax)은 최대 과부하 유지시간을 전류제어주기로 나눈 값이 될 수 있다.
비교 결과 카운터 값이 기설정된 카운터 값보다 크면(S860-Y). 지속적으로 과부하 상태가 유지되는 상태인바, 모터 동작을 중단시킬 수 있다(S870). 그리고 프로세서(240)는 상술한 과정을 통하여 과부하를 확인하면, 디스플레이를 통해 피구동측에 과부하가 발생하였다는 것을 표시할 수 있다.
도 9는 홀 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 홀 센서의 상태 값을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, BLDC 모터는 도시된 바와 같이 3개의 홀 신호를 사용하며, 3개의 홀 신호는 120도 위상 차를 갖고 하이(high)/로우(low)의 펄스 출력을 갖는다.
만약 홀 신호가 비정상이라면 모터 회전자의 전기적인 절대 위치를 알 수 없기 때문에 위상이 틀린 전압이 모터로 인가된다. 이럴 경우 모터가 진동하게 되고 출력과 효율이 급격하게 감소한다.
각 홀 소자는 ‘1’ 또는 ‘0’의 값으로 나타나고 모터의 회전에 따라 그 값이 변한다. 홀 소자를 이용해 나타낼 수 있는 모터의 위치는 23인 8개이지만 실제 모든 홀 소자가 꺼지거나(000) 켜지는 경우(111)는 있을 수 없으므로 도 10에 도시된 바와 같이 6개의 섹션으로 나타낼 수 있다.
도 10의 섹션을 참고하면, 홀 신호가 '000' , '111'값을 갖는다는 것은 홀 센서가 이상이 있거나, 홀 센서의 출력을 감지하는 센싱 회로가 고장난 것을 의미한다. 다만, BLDC 모터가 고속으로 회전하는 경우에는 감지되는 홀 신호는 일시적으로 '000', '111' 의 값을 센싱할 수는 있는바, 후술하는 바와 같이 상술한 값을 지속적으로 감지하는 경우에 홀 센서 에러가 발생한 것으로 확인할 수 있다. 이에 대해서는 도 11을 참조하여 이하에서 설명한다.
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 홀 센서 에러의 확인 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 먼저 EdgeCnt와 ErrCnt를 초기화 할 수 있다(S1110). 여기서 EdgeCnt는 Hall 신호의 변화가 센싱되어 섹션의 변화가 발생했을 때의 카운터 값이고, ErrCnt는 Hall 신호의 조합이 ‘000’이나 ‘111’이 나올 경우의 카운터 값이다.
초기화 이후 홀 신호의 변화가 확인되면(S1120), EdgeCnt 값을 증가할 수 있다(S1130). 그리고 센싱된 홀 신호가 발생할 수 없는 '000' 또는 '111' 값을 갖는지를 확인할 수 있다(S1140).
확인 결과 이상이 없으면(S1140-N), EdgeCnt 값의 카운터가 6 이상인지를 판단할 수 있다(S1150). EdgeCnt 값이 6 이상이면(S1150-Y), 상술한 초기화 동작을 다시 하고(S110), 6 미만이면(S1150-N), 홀 신호 변화의 확인 단계로 이동할 수 있다(S1120).
한편, 센싱된 홀 신호가 발생할 수 없는 '000' 또는 '111' 값을 가지면(S1140-Y), ErrCnt 값을 증가하고, EdgeCnt 값을 초기화할 수 있다(S1160). 그리고 이러한 ErrCnt가 3 이상인지를 판단할 수 있다(S1170).
판단 결과 ErrCnt가 3 이상이면(S1170-Y), 홀 센서가 이상인 것으로 판단할 수 있다. 반대로, ErrCnt가 3 미만이면(S1170-N), EdgeCnt 값의 카운터가 6 이상인지를 확인하는 단계로 이동할 수 있다(S1150).
이상과 같은 동작을 통하여 3번 이상의 에러가 발생한 경우를 홀 센서 에러인 것으로 확인할 수 있다. 여기서 상술한 상수 3은 임의의 값으로, 구현시에는 변경되어 채용될 수 있으며, 상수 6은 홀 신호가 6개의 섹션을 1주기 회전하는 횟수를 의미한다.
도 12는 모터의 속도 측정 상태도를 나타낸 도면이다.
BLDC 모터의 회전 속도를 측정하기 위한 도구로 FG를 가정한다. FG는 모터가 기계적으로 1회전 할 때마다 동일한 개수의 펄스를 발생시키고, 펄스와 펄스 간의 간격을 시간으로 측정하여 속도로 환산한다.
FG를 이용하면 저렴한 비용으로 모터 속도 측정할 수 있지만 특성상 저속에서는 펄스가 발생하지 않기 때문에 일정 속도 이상에서만 FG를 사용할 수 있다는 단점이 있다. 따라서 본 개시에서는 일정 속도 Vth 이상에서만 FG를 사용하고 그 이하에서는 Hall을 이용해 속도를 측정하는 것으로 가정한다.
도 12를 참조하면, 속도 측정 상태는 홀 상태와 FG 상태가 있다.
첫 구동을 시작할 때 속도는 ‘0’ 이기 때문에 홀 상태에서 시작하지만, 속도가 증가하면서 기준 속도 이상이면 FG 상태로 전환된다. FG 상태가 되면, 속도 측정은 Vfg를 이용한다. 그리고 FG 상태에서 모터의 속도가 기준 속도 미만이 되면, 다시 홀 상태로 전이되고, 홀 신호에 따른 홀 속도가 이용된다. 여기서 만약 FG가 동작 불능하다면 모터는 진동하며 비정상적인 동작을 하게 됨으로써 상위 시스템에 데미지를 줄 수 있다.
도 13은 본 개시의 일 실시 예에 따른 FG 센서 에러의 확인 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13을 참조하면, IsFgError를 false로 초기 설정하고, ErrCnt를 0으로 설정할 수 있다(S1305). ErrCnt는 Fg가 비정상이라고 판단될 경우의 카운터 값이다.
그리고 초기 구동시에 홀 상태인바, 홀 신호를 이용하여 속도를 측정할 수 있다(S1310).
그리고 IsFgError가 True 인지를 확인할 수 있다(S1315). 초기에는 False가 설정되어 있는바(S1315-N), 다음 단계인 홀 신호의 속도가 기준 속도 이상인지를 판단할 수 있다(S1325).
판단 결과, 홀 신호의 속도가 기준 속도 미만이면(S1325-N), 홀 신호가 기준 속도 이상이 될 때까지 상술한 단계들을 반복할 수 있다.
그리고 속도가 점점 증가하다가 홀 신호의 속도가 FG 유효 구간인 기준 속도(VTh)를 넘어서면(S1335), FG state로 변경해야 하는데, 그 전에 FG 센서의 속도(VFG)가 VTh/2 보다 큰지 확인할 수 있다(S1335).
만약, FG 센서의 속도가 VTh/2 보다 크면(S1335-Y), FG state로 변경해서 FG 신호를 이용하여 속도를 측정할 수 있다(S1350).
반대로, FG 센서의 속도가 VTh/2 보다 작으면(S1335-N), FG가 비정상이라고 판단하여 IsFgError를 True로 변경할 수 있다(S1340).
한편, FG state로 한번 천이가 되면 FG 펄스가 정상 동작한 것이기 때문에 IsFgError를 'false'로 초기화하고, ErrCnt 를 ‘0’으로 초기화해줌으로써 잘못된 에러 판단을 방지할 수 있다(S1355).
한편, IsFgError가 True로 변경되면(S1315-Y), ErrCnt를 증가시키고(S1320), ErrCnt가 MaxCnt 이상인지를 판단할 수 있다(S1330). 여기서 MaxCnt는 기설정된 기준 카운터 값으로, 사용자가 설정한 에러 유지시간을 전류제어주기로 나눈 값이 될 수 있다.
판단 결과 ErrCnt가 MaxCnt 보다 크면(S1330-Y), FG가 고장으로 판별하여 모터제어를 정지시킬 수있다. 그리고, FG 가 고장났음을 표시할 수 있다.
도 14는 본 개시의 일 실시 예에 따른 고장 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 14를 참조하면, 제어 명령에 따라 BLDC 모터에 3항 전압을 제공하여 BLDC 모터를 구동시킨다. BLDC 모터의 구동에 따라 BLDC 모터로부터 복수의 구동 정보를 수신한다(S1410). 여기서 복수의 구동 정보는 BLDC 모터에서 제공되는 피드백 정보로 상 전류, 홀 센서 신호, FG 신호일 수 있다.
그리고 수신된 복수의 구동 정보에 기초하여 BLDC 모터에 대한 복수의 에러 항목을 확인한다(S1420). 구체적으로, 수신된 복수의 구동 정보에 대해서 상술한 고장 진단 알고리즘을 이용하여 복수의 에러 항목 각각에 대한 에러 또는 고장 여부를 확인할 수 있다. 여기서 에러 항목은 과전류 에러, 과부하 에러, 전류 센싱 에러, 홀 센서 에러, FG 에러 일 수 있다.
예를 들어, BLDC 모터에서 출력되는 3상 전류 값을 센싱하고, 센싱된 3상 전류 값을 이용하여 과전류 에러를 확인할 수 있다. 그리고 센싱된 3상 전압을 이용하여 BLDC 모터의 토크 값을 산출하고, 산출된 토크 값을 이용하여 과부하 에러를 확인할 수도 있다. 이때, 과부하 에러 여부는 홀 센서 에러 및 FG 에러를 선행적으로 확인한 이후에 수행될 수 있다. 또한, 센싱된 3상 전류 값에서 전류 오프셋 값을 산출하고, 산출된 오프셋 값을 이용하여 전류 센싱 에러를 확인할 수 있다.
그리고 BLDC 모터의 홀 센서 신호 값을 센싱하고, 센싱된 신호 값이 비정상 조합 값을 가지는지 여부로 홀 센서 에러를 확인할 수 있다. 그리고 BLDC 모터의 홀 센서 신호 값을 센싱하고, BLDC 모터의 FG 센서 값을 센싱하고, 센싱된 홀 센서 신호 값과 FG 센서 값을 이용하여 FG 센서 에러를 확인할 수 있다.
그리고 복수의 에러 항목 중 적어도 하나의 에러가 확인되면, 에러 항목에 따른 조치를 수행할 수 있다(S1430). 그리고 복수의 에러 항목 중 적어도 하나의 항목에 에러가 확인되면, 에러 항목을 표시할 수도 있다.
따라서, 본 실시 예에 따른 고장 진단 방법은, 피드백 제어시에 이용되는 피드백 제어 인자들을 이용하여 BLDC 모터의 구동과 관련된 각종 에러 및 고장 여부를 확인할 수 있는바, 더욱 적절한 시스템 보호가 가능하다. 따라서 모터 시스템의 고장 여부를 확인할 수 있을 뿐만 아니라 피구동측의 불량으로 인한 과부하와 같이 어떠한 원인에 의해서 모터 시스템의 동작이 불가능한지도 판단 가능하고 세부적인 고장 원인을 진단 가능하여 이상 현상 발생 시 빠른 대처가 가능하다는 장점이 있다. 도 14와 같은 고장 진단 방법은, 도 1의 구성을 가지는 화상형성장치 상에서 실행될 수 있으며, 도 4의 구성을 가지는 모터 제어 장치 상에서 실행될 수 있으며, 그 밖의 다른 구성을 가지는 화상형성장치 또는 모터 제어 장치 상에서도 실행될 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 고장 진단 방법은, 상술한 바와 같은 고장 진단 방법을 실행하기 위한 적어도 하나의 실행 프로그램으로 구현될 수 있으며, 이러한 실행 프로그램은 컴퓨터 판독 기록매체에 저장될 수 있다.
비 일시적 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 개시의 바람직한 실시 예에 대해서 도시하고, 설명하였으나, 본 개시는 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 개시의 요지를 벗어남이 없이 당해 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
100: 화상형성장치 110: 화상 형성부
120: 통신 인터페이스부 130: 디스플레이부
140: 조작 입력부 150: 저장부
160: BLDC 모터 170: 프로세서
200: 모터 제어 장치

Claims (20)

  1. 화상형성장치에 있어서,
    화상 형성을 수행하는 화상 형성부;
    상기 화상 형성부를 기동시키는 BLDC 모터; 및
    상기 BLDC 모터로부터 복수의 구동 정보를 수신하고, 상기 수신된 복수의 구동 정보 중 적어도 하나에 기초하여 상기 BLDC 모터에 대한 피드백 제어를 수행하는 모터 제어 장치;를 포함하고,
    상기 모터 제어 장치는,
    상기 수신된 복수의 구동 정보에 기초하여 상기 BLDC 모터에 대한 복수의 에러 항목을 확인하는 화상형성장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에러 항목은,
    과전류 에러, 과부하 에러, 전류 센싱 에러, 홀 센서 에러, FG 에러 중 적어도 하나인 화상형성장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모터 제어 장치는,
    상기 BLDC 모터에서 출력되는 3상 전류 값을 센싱하고, 상기 센싱된 3상 전류 값을 이용하여 과전류 에러를 확인하는 화상형성장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 모터 제어 장치는,
    상기 BLDC 모터에서 출력되는 3상 전류 값을 센싱하고, 상기 센싱된 3상 전류 값을 이용하여 상기 BLDC 모터의 토크 값을 산출하고, 산출된 토크 값을 이용하여 과부하 에러를 확인하는 화상형성장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 모터 제어 장치는,
    홀 센서 에러 및 FG 에러를 확인하고, 상기 홀 센서 에러 및 상기 FG 에러가 이상 없으면 상기 과부하 에러를 확인하는 화상형성장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 모터 제어 장치는,
    상기 BLDC 모터에서 출력되는 3상 전류 값을 센싱하고, 상기 센싱된 3상 전류 값에서 전류 오프셋 값을 산출하고, 상기 산출된 오프셋 값을 이용하여 전류 센싱 에러를 확인하는 화상형성장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 모터 제어 장치는,
    상기 BLDC 모터의 홀 센서 신호 값을 센싱하고, 상기 센싱된 신호 값이 비정상 조합 값을 가지는지 여부로 홀 센서 에러를 확인하는 화상형성장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 모터 제어 장치는,
    상기 BLDC 모터의 홀 센서 신호 값을 센싱하고, 상기 BLDC 모터의 FG 센서 값을 센싱하고, 상기 센싱된 홀 센서 신호 값과 상기 FG 센서 값을 이용하여 FG 센서 에러를 확인하는 화상형성장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 모터 제어 장치는,
    상기 복수의 에러 항목 중 적어도 하나의 항목에 에러가 확인되면, 상기 BLDC 모터의 동작을 중지하는 화상형성장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 모터 제어 장치는,
    동일한 에러 항목에 대해서 기설정된 횟수 이상 에러가 반복 확인되면, 상기 BLDC 모터의 동작을 중지하는 화상형성장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 에러 항목 중 적어도 하나의 항목에 에러가 확인되면, 에러 항목을 표시하는 디스플레이;를 더 포함하는 화상형성장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 모터 제어 장치는,
    상기 BLDC 모터에 3상 전압을 제공하는 인버터;
    상기 BLDC 모터로부터 복수의 구동 정보를 수신하는 센서; 및
    상기 수신된 복수의 구동 정보 중 적어도 하나에 기초하여 상기 BLDC 모터에 대한 피드백 제어를 수행하고, 상기 수신된 복수의 구동 정보에 기초하여 상기 BLDC 모터에 대한 복수의 에러 항목을 확인하는 프로세서;를 포함하는 화상형성장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 센서는,
    상기 BLDC 모터 각각에 부착된 홀 센서로부터 회전자 위치 정보를 수신하는 회전자 위치 감지부;
    상기 BLDC 모터 각각의 회전 속도 정보를 수신하는 속도 감지부; 및
    상기 BLDC 모터의 상 전류를 센싱하는 전류 감지부;를 포함하는 화상형성장치.
  14. 제1항에 있어서,
    스텝 모터; 및
    DC 모터;를 더 포함하고,
    상기 모터 제어 장치는, 상기 BLDC 모터를 제어하면서, 상기 스텝 모터 및 상기 DC 모터 중 적어도 하나를 제어하는 화상형성장치.
  15. BLDC(Brushless DC) 모터를 구동하는 모터 제어 장치에 있어서,
    상기 BLDC 모터에 3상 전압을 제공하는 인버터;
    상기 BLDC 모터로부터 복수의 구동 정보를 수신하는 센서; 및
    상기 수신된 복수의 구동 정보 중 적어도 하나에 기초하여 상기 BLDC 모터에 대한 피드백 제어를 수행하고, 상기 수신된 복수의 구동 정보에 기초하여 상기 BLDC 모터에 대한 복수의 에러 항목을 확인하는 프로세서;를 포함하는 모터 제어 장치.
  16. BLDC(Brushless DC) 모터의 모터 제어 방법에 있어서,
    상기 BLDC 모터에 상 전압을 제공하여 상기 BLDC 모터를 구동시키는 단계;
    상기 BLDC 모터로부터 복수의 구동 정보를 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 복수의 구동 정보에 기초하여 상기 BLDC 모터에 대한 복수의 에러 항목을 확인하는 단계;를 포함하는 모터 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 에러 항목은,
    과전류 에러, 과부하 에러, 전류 센싱 에러, 홀 센서 에러, FG 에러 중 적어도 하나인 모터 제어 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 확인하는 단계는,
    상기 BLDC 모터에서 출력되는 3상 전류 값을 센싱하고, 상기 센싱된 3상 전류 값을 이용하여 상기 BLDC 모터의 토크 값을 산출하고, 산출된 토크 값을 이용하여 과부하 에러를 확인하는 모터 제어 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 확인하는 단계는,
    홀 센서 에러 및 FG 에러를 선행적으로 확인하고, 상기 홀 센서 에러 및 상기 FG 에러가 이상 없으면 상기 과부하 에러를 확인하는 모터 제어 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 복수의 에러 항목 중 적어도 하나의 항목에 에러가 확인되면, 에러 항목을 표시하는 단계;를 더 포함하는 모터 제어 방법.
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