KR20190087210A - 복수의 센서를 포함하는 bldc 모터 장치 - Google Patents

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심재규
최희승
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명의 다양한 실시예들은, 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치로서, 적어도 한 쌍 이상의 마그넷이 내장되고, 말단부에 적어도 하나의 볼록부 및 적어도 하나의 오목부가 형성된 로터; 적어도 하나의 자기 센서와 광 센서가 배치되고, 상기 로터를 회전시키는 전자기력을 생성하기 위한 스테이터; 및 상기 로터 및 상기 스테이터와 전기적으로 연결된 프로세서를 포함하되, 상기 적어도 하나의 자기 센서를 이용하여 상기 마그넷의 위치를 센싱하고, 상기 광 센서를 이용하여 상기 적어도 하나의 볼록부 및 상기 적어도 하나의 오목부의 위치를 센싱하여, 상기 로터의 정확한 위치를 확인하도록 구성될 수 있다. 다른 다양한 실시예가 가능하다.

Description

복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치{Brushless direct current motor apparatus including a plurality of sensors}
본 발명의 다양한 실시예들은, 복수의 센서를 포함하는 BLDC(brushless direct current) 모터 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 모터는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환시켜서 회전력을 얻는 장치로서, 가정용 전자 제품 및 산업용 기기 등에 광범위하게 사용된다.
상기 모터는 AC(alternating current) 모터 및 DC(direct current) 모터를 포함한다.
상기 AC 모터는 전류의 방향 전환을 위해 3상 또는 4상 인버터를 사용한다. 상기 DC 모터는 스테이터(stator)에서 발생되는 전자기력에 의해 전류의 방향을 전환함으로써 로터(rotor)를 회전시킨다.
예를 들면, 상기 DC 모터의 일종인 아웃 로터(out rotor) 타입의 BLDC(brushless direct current) 모터는 감속기를 사용하지 않고 모터의 회전축을 바로 출력으로 사용한다. 상기 BLDC 모터는 카메라의 자동초점렌즈 또는 줌 렌즈, 드론, 짐벌 및 로봇 등에 사용된다.
상기 BLDC 모터는 회전 방향의 위치 제어를 위해, 엔코더(encoder)를 이용하여 로터의 위치 정보를 획득한다.
상기 엔코더가 BLDC 모터에 장착되는 경우, 엔코더의 회전자는 회전축 또는 로터에 장착되고, 엔코더의 센서는 스테이터에 고정되어야 하므로, BLDC 모터의 두께가 두꺼워질 수 있다.
또한, 상기 BLDC 모터가 엔코더를 구비하는 경우, BLDC 모터의 사이즈 및 무게가 증가하고, BLDC 모터를 포함하는 제품의 단가가 상승될 수 있다.
또한, 상기 엔코더의 출력 신호를 BLDC 모터의 프로세서에 연결하기 위한 와이어 및 인쇄회로기판(예: FPCB)이 별도로 필요하게 되므로, BLDC 모터의 구조가 복잡해지고 설계가 어려울 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는, 복수의 자기 센서를 이용하여 로터에 내장된 마그넷의 위치를 센싱하고, 하나의 광 센서를 이용하여 로터 하우징에 형성된 적어도 하나의 오목부(예: 단차)를 센싱하여, 로터의 위치를 정확히 확인하고 BLDC 모터의 속도를 제어할 수 있는 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터 장치는, 적어도 한 쌍 이상의 마그넷이 내장되고, 말단부에 적어도 하나의 볼록부 및 적어도 하나의 오목부가 형성된 로터; 적어도 하나의 자기 센서와 광 센서가 배치되고, 상기 로터를 회전시키는 전자기력을 생성하기 위한 스테이터; 및 상기 로터 및 상기 스테이터와 전기적으로 연결된 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는, 상기 적어도 하나의 자기 센서를 이용하여 상기 마그넷의 위치를 센싱하고, 상기 광 센서를 이용하여 상기 적어도 하나의 볼록부 및 상기 적어도 하나의 오목부의 위치를 센싱하여, 상기 로터의 위치를 확인하도록 설정될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터 장치는, 적어도 한 쌍 이상의 마그넷이 배치되고, 말단부에 적어도 하나의 볼록부 및 적어도 하나의 오목부가 형성된 로터; 적어도 하나의 자기 센서 및 적어도 하나의 광 센서가 배치되고, 상기 로터를 회전시키는 전자기력을 생성하기 위한 스테이터; 및 상기 로터 및 상기 스테이터와 전기적으로 연결된 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는, 상기 적어도 하나의 자기 센서를 이용하여 센싱된 상기 적어도 한 쌍 이상의 마그넷의 위치 신호를 수신하고, 상기 적어도 하나의 광 센서를 이용하여 센싱된 상기 적어도 하나의 볼록부 및 상기 적어도 하나의 오목부의 위치 신호를 수신하고, 상기 적어도 하나의 자기 센서 및 상기 적어도 하나의 광 센서로부터 수신된 상기 위치 신호들을 기초로 하여, 상기 스테이터에 소정의 방향 및 속도 제어 신호를 전달하고, 상기 스테이터가 상기 소정의 방향 및 속도 제어 신호에 대응하는 전자기력을 발생시키게 하고 상기 적어도 한 쌍 이상의 마그넷을 자극하여 상기 로터를 회전시키도록 설정될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 복수(예: 2개)의 자기 센서를 이용하여 로터에 내장된 마그넷의 위치를 센싱하고, 하나의 광 센서를 이용하여 로터 하우징에 형성된 적어도 하나의 오목부(예: 단차)를 센싱하여, 로터의 위치를 정확히 확인하고 BLDC 모터의 속도를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 자기 센서 및 광 센서가 BLDC 모터에 이미 구비된 인쇄회로 기판 상에 장착되므로, 두께, 사이즈, 단가 및 무게의 증가가 거의 없는 BLDC 모터 장치를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 자기 센서 및 광 센서가 BLDC 모터에 이미 구비된 인쇄회로 기판 상에 장착되므로, 별도의 와이어 및 인쇄회로기판이 필요하지 않으므로, BLDC 모터 장치의 구조가 단순하고 설계가 간편한 BLDC 모터 장치를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터의 로터에 대한 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터의 로터 하우징에 대한 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터의 스테이터에 대한 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)의 출력 신호에 대한 ARCTAN 연산 파형을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 광 센서가 로터에 형성된 복수의 오목부를 센싱 했을 때의 출력 파형을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치의 일부 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치의 동작을 나타내는 흐름도이다.
본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 개시된 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치가 첨부 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치(100)는, 프로세서(110), 모터 구동부(115), BLDC 모터(120), 자기 센서(150) 및 광 센서(160)를 포함할 수 있다.
상기 프로세서(110)는 BLDC 모터(120)의 동작에 대응하는 기준 신호 및 출력 신호를 모터 구동부(115)에 공급할 수 있다. 상기 프로세서(110)는 자기 센서(150) 및 광 센서(160)를 통해 센싱되는 신호를 이용하여, BLDC 모터(120)의 동작 여부와 동작 속도를 나타내는 출력 신호를 생성하고, 모터 구동부(115)에 공급할 수 있다.
상기 모터 구동부(115)는 상기 프로세서(110)로부터 공급되는 신호에 따라 구동 전류를 인가하여 BLDC 모터(120)를 구동시킬 수 있다.
상기 BLDC 모터(120)는 상기 모터 구동부(115)로부터 인가되는 구동 전류에 따라 구동될 수 있다. 상기 BLDC 모터(120)는 로터(130) 및 스테이터(140)를 포함할 수 있다. 상기 스테이터(140)는 상기 모터 구동부(115)로부터 인가되는 구동 전류에 대응하는 전자기력을 발생시킬 수 있다. 상기 로터(130)는 상기 스테이터(140)로부터 발생된 전자기력과 내장된 마그넷(135)의 자극으로 인해 발생된 유도 전류에 따라 회전될 수 있다.
상기 자기 센서(150)는 상기 스테이터(140)에 구비된 인쇄회로기판(145)에 장착되고, 상기 로터(130)에 배치된 마그넷(135)을 센싱하여, 상기 로터(130)의 위치를 센싱할 수 있다. 상기 자기 센서(150)는 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 자기 센서(150)는 홀(hall effect) 센서 또는 자기 저항(magnetro-resistive) 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예를 들면, 상기 홀(hall effect) 센서는 도체나 반도체에 전류를 인가하고 수직방향의 자계를 주면, 전류와 자계의 수직방향에 전위차가 생성되는 현상을 이용한 것으로서, 상기 현상을 이용하여 홀 전압을 측정하면, 센싱되는 자계가 N극인지 S극인지의 여부를 판별할 수 있다.
상기 광 센서(160)는 상기 스테이터(140)에 구비된 인쇄회로기판(145)에 장착되고, 상기 로터(130)의 말단부에 형성된 적어도 하나의 오목부(예: 단차)를 센싱하여, 상기 로터(130)의 정확한 위치를 센싱할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 광 센서(160)는 포토인터럽터(photo interruptor) 센서 또는 포토리플렉터(photo reflector) 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기와 같이 구성된 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치(100)는 다음과 같이 동작될 수 있다.
상기 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치(100)는, 상기 자기 센서(150)(예: 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152))가 로터(130)에 내장(예: 배치)된 적어도 한 쌍(예: N극 및 S극) 이상의 마그넷(135)의 자극 위치를 센싱하고, 센싱된 신호를 프로세서(110)에 전달할 수 있다.
또한, 상기 광 센서(160)가 로터(130)의 말단부에 형성된 적어도 하나의 오목부(예: 단차)를 센싱하고, 센싱된 신호를 프로세서(110)에 전달할 수 있다.
상기 프로세서(110)는 자기 센서(150) 및 광 센서(160)로부터 전달된 센싱 신호를 기초로, 모터 구동부(115)를 이용하여 스테이터(140)에 소정의 방향 및 속도와 관련된 전류를 인가할 수 있다.
상기 프로세서(110)로부터 인가된 전류 신호에 따라, 스테이터(140)는 소정의 방향 및 속도에 대응하는 전자기력을 발생시킴으로써, BLDC 모터(120)의 로터(120)에 내장된 마그넷(135)을 자극하여 로터(130)를 회전시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터의 로터에 대한 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터(120)의 로터(130)는, 샤프트(210), 로터 하우징(220) 및 마그넷(135)을 포함할 수 있다.
상기 샤프트(210)는 로터(130)의 중앙에 장착되어 상기 로터(130)의 회전축을 형성할 수 있다.
상기 로터 하우징(220)은 상기 샤프트(210)와 결합될 수 있다. 상기 로터 하우징(220)은 스테이터(140)에 전류가 인가될 경우에 발생하는 전자기력에 의해 회전하는 회전자로서, 일측이 개방된 원통 형상을 가질 수 있다. 상기 로터 하우징(220)의 일측이 개방된 말단부에는 볼록부(222) 및 오목부(224)가 형성될 수 있다. 상기 볼록부(222) 및 오목부(224)는 상기 로터 하우징(220)의 일측이 개방된 말단부에 1/2씩 구성될 수 있다.
상기 마그넷(135)은 상기 로터 하우징(220)의 내주면에 적어도 한 쌍(예: N극 및 S극) 이상(예: 4쌍)이 교대로 배치될 수 있다. 상기 마그넷(135)은 도 1에 도시된 프로세서(110) 및 모터 구동부(115)를 통해 스테이터(140)에 전류가 인가되면, 상기 스테이터(140)에서 발생되는 전자기력에 의해 샤프트(210)를 회전시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터의 로터 하우징에 대한 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터(120)의 로터(130)의 일부 구성인 로터 하우징(220)은, 상기 스테이터(140)에 전류가 인가될 경우에 발생하는 전자기력에 의해 회전하는 회전자로서, 일측이 개방된 원통 형상을 가질 수 있다. 상기 로터 하우징(220)의 일측이 개방된 말단부에는 적어도 하나의 볼록부(예: 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317)) 및 적어도 하나의 오목부(예: 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327))가 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317)의 일방향으로의 폭은 서로 다를 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317)가 상기 로터 하우징(220)의 일측이 개방된 말단부에 2개 이상 배치된 경우, 상기 2개 이상의 볼록부의 일방향으로의 폭은 서로 다르게 형성될 수 있다. 또한, 상기 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327)의 일방향으로의 폭은 서로 다를 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327)가 상기 로터 하우징(220)의 일측이 개방된 말단부에 2개 이상 배치된 경우, 상기 2개 이상의 오목부의 일방향으로의 폭은 서로 다르게 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327)의 각각에는, 적어도 하나의 반사 영역(301)(또는 차광 영역)과 적어도 하나의 비반사 영역(303)(또는 비차광 영역)이 교대로 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 로터 하우징(220)의 일측이 개방된 말단부에 적어도 하나의 오목부(예: 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327))가 형성되는 경우, 상기 적어도 하나의 오목부의 개수는 상기 로터 하우징(220)에 내장된 적어도 한 쌍의 마그넷(135)의 개수와 동일할 수 있다.
상기 로터 하우징(220)의 내주면에는 적어도 한 쌍(예: N극 및 S극) 이상(예: 4쌍)의 마그넷(135)이 소정 간격을 두고 교대로 배치될 수 있다. 상기 마그넷(135)은 도 1에 도시된 프로세서(110) 및 모터 구동부(115)를 통해 스테이터(140)에 전류가 인가되면, 상기 스테이터(140)에서 생성되는 전자기력에 의해 로터(130)를 회전시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터의 스테이터에 대한 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터(120)의 스테이터(140)는 샤프트 홀(410), 베어링(420), 원형 플레이트(430), 전자기력 생성부(440) 및 인쇄회로기판(145)을 포함할 수 있다.
상기 샤프트 홀(410)은 도 2에 도시된 로터(130)의 샤프트(210)가 삽입되어 장착되는 홀일 수 있다.
상기 베어링(420)은 상기 샤프트 홀(410)에 삽입 및 장착된 로터(130)의 샤프트(210)를 회전시킬 수 있다. 상기 베어링(420)은 볼 베어링을 포함할 수 있다.
상기 원형 플레이트(430)는 상기 베어링(420)의 외주면에 결합되고, 상기 전자기력 생성부(440)의 코어(441)를 장착할 수 있다.
상기 전자기력 생성부(440)는 코어(441) 및 코일(443)을 포함할 수 있다. 상기 전자기력 생성부(440)는 소정의 간격을 두고 복수개(예: 6개)로 구성될 수 있다. 상기 복수의 전자기력 생성부(440)는 상기 원형 플레이트(430)를 중심으로 방사상으로 형성될 수 있다. 상기 코어(441)는 코일(443)이 권선될 수 있도록 구성될 수 있다. 상기 전자기력 생성부(440)는 도 1에 도시된 프로세서(110) 및 모터 구동부(115)를 통해 전류가 인가됨에 따라 전자기력을 생성함으로써, 로터(130)를 회전시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 전자기력 생성부(440)의 코일(443)에 소정의 전류가 인가되면, 전자기력 생성부(440)에는 플레밍의 왼손 법칙에 의해 소정의 전자기력이 발생되고, 이 발생된 전자기력과 로터(130)에 내장된 마그넷(135)의 N극과 S극의 인력에 의해 로터(130)가 회전될 수 있다.
상기 인쇄회로기판(145)은 전자기력 생성부(440)의 하부에 배치될 수 있다. 예를 들면, 상기 인쇄회로기판(145)은 BLDC 모터(120)의 외부 케이스(401) 상에 실장될 수 있다. 상기 인쇄회로기판(145)은 전자기력 생성부(440)의 코일(443)에 전류를 공급할 수 있다. 상기 인쇄회로기판(145)은 FPCB를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 인쇄회로기판(145)의 소정 위치에는 상기 도 2 및 도 3의 로터(130)에 내장된 복수의 마그넷(135)을 센싱하여, 상기 로터(130)의 위치를 센싱하는 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)가 소정의 간격을 두고 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)는 상기 로터(130)의 로터 하우징(220)에 내장된 한 쌍(예: N극 및 S극)의 마그넷(135)을 1주기로 하였을 때, 1/4 주기 또는 3/4 주기 위치만큼의 간격을 두고 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)의 간격은 90°의 위상 차이가 있는 2개의 사인(sin) 파형을 획득하기 위해 다음의 조건을 만족해야 할 수 있다.
제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)의 간격 = 마그넷(135)의 한 쌍(예: N극 및 S극)에 대한 1극의 각도/2 + 1극의 각도*n(n=1, 2, 3, ..., n)
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)가 소정의 간격을 두고 배치되면, 로터(130)의 회전 시, 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)의 출력은, 도 5에 도시된 사인(sin) 및 코사인(cos) 파형과 같이 90°의 위상차이가 발생할 수 있다. 이 경우, 도 1에 도시된 프로세서(110)는 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)로부터의 출력 신호를 ARCTAN 연산하여, 마그넷(135)의 1주기에 대한 1차 함수 형태의 위치 출력값을 획득할 수 있다.
참고로, 도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)의 출력 신호에 대한 ARCTAN 연산 파형을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 제 1 파형(501)은 제 1 자기 센서(151)로부터 출력되는 신호(예: 사인(sin) 파형)일 수 있다. 제 2 파형(502)은 제 2 자기 센서(152)로부터 출력되는 신호(예: 코사인(cos) 파형)일 수 있다. 제 3 파형(505)은 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)로부터의 출력 신호(예: 사인(sin) 파형 및 코사인(cos) 파형)를 ARCTAN 연산한 파형일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 도 5에 도시된 ARCTAN 연산 후의 출력값을 통해 마그넷(135)의 1주기에 대한 절대적인 위치는 확인할 수 있다. 그러나, 로터(130)의 로터 하우징(220)에는 복수 쌍(예: 4쌍)의 마그넷(135)이 존재하므로, 로터(130)의 정확한 위치는 센싱하지 못할 수 있다. 즉, 로터(130)에 대한 소정의 기준점이 필요하며, 상기 기준점은 로터(430) 내에 복수 쌍의 마그넷(135)이 존재하므로, 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)를 이용하여 감지하기 어려울 수 있다. 따라서, 상기 기준점을 센싱하기 위해 후술하는 광 센서(160)가 이용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 인쇄회로기판(145)의 소정 위치에는 광 센서(160)가 배치될 수 있다. 상기 광 센서(160)는 상기 도 2 및 도 3에 도시된 로터(130)의 말단에 형성된 적어도 하나의 볼록부(예: 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317))와, 적어도 하나의 오목부(예: 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327))를 센싱하거나, 상기 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327)의 각각에 교대로 배치된 적어도 하나의 반사 영역(301)(또는 차광 영역)과 적어도 하나의 비반사 영역(303)(또는 비차광 영역)을 센싱하여, 상기 로터(130)에 대한 정확한 위치를 센싱할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광 센서(160)는 상기 로터(130)의 말단에 형성된 적어도 하나의 볼록부(예: 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317))와, 적어도 하나의 오목부(예: 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327))의 형태를 센싱함에 따라 광 출력 신호의 하이(high) 또는 로(low)를 결정할 수 있다. 또한, 광 센서(160)는 상기 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327)의 각각에 교대로 배치된 적어도 하나의 반사 영역(301)(또는 차광 영역)과 적어도 하나의 비반사 영역(303)(또는 비차광 영역)을 센싱함에 따라 광 출력 신호의 하이(high) 또는 로(low)를 결정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광 센서(160)가 포토인터럽터(photo interruptor) 센서를 포함하는 경우에는 광을 차단하기 위한 적어도 하나의 볼록부(예: 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317))의 유무에 따라 출력 신호가 결정될 수 있다. 상기 광 센서(160)가 포토리플렉터(photo reflector) 센서를 포함하는 경우에는 광을 반사하기 위한 적어도 하나의 적어도 하나의 반사 영역(301)(또는 차광 영역)의 유무에 따라 출력 신호가 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 볼록부(222) 및 오목부(224)가 로터 하우징(220)의 일측이 개방된 말단부에 1/2씩 구성되면, 상기 광 센서(160)는 로터(130)의 0°위치와 180°위치에서 출력 신호를 결정할 수 있다. 또한, 상기 로터(130)의 0°위치와 180°위치를 기준으로 하여, 소정의 간격을 두고 배치된 상기 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)가 복수 쌍의 마그넷(135)의 센싱 위치를 카운트함에 따라 로터(130)의 정확한 위치를 센싱할 수 있다. 이 경우, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터 장치(100)의 초기화 시, BLDC 모터(120)의 로터(130)를 회전하여 기준점을 찾는 과정이 필요하며, 예를 들면, 로터(130)를 180°회전시킨 후에 초기화가 가능할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광 센서(160)의 출력 신호가 복수 쌍의 마그넷(135)의 각각의 주기마다 다른 위치에서 발생할 수 있도록, 도 3에 도시된 바와 같이 로터 하우징(220)의 말단부에 복수의 볼록부(예: 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317)) 및 복수의 오목부(예: 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327))를 형성할 수 있다. 즉, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터 장치(100)는 로터(130)에 내장된 복수 쌍의 마그넷(135)의 한 주기 별로 광 센서(160)의 센싱 위치를 상기 복수의 볼록부 및 복수의 오목부를 통해 형성하면, 상기 마그넷(135)의 한 주기에 대하여 로터(130)가 소정 위치(예: 절반)만 회전하더라도, 로터(130)의 초기 기준점을 센싱할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 로터 하우징(220)의 말단부에 복수의 볼록부(예: 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317)) 및 복수의 오목부(예: 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327))가 형성되면, 도 6에 도시된 바와 같이 로터(130)가 최대 45°회전하더라도, 광 센서(160)는 상기 오목부(예: 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327))의 위치를 센싱할 수 있다. 이 경우, 도 1에 도시된 프로세서(110)는 상기 광 센서(160)의 위치 센싱 값을 ARCTAN 연산하여, 로터(130)의 실제 위치를 확인할 수 있다.
참고로, 도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 광 센서가 로터에 형성된 복수의 오목부를 센싱 했을 때의 출력 파형을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 제 1 파형(601)은 광 센서(160)로부터 출력되는 신호일 수 있다. 제 2 파형(605)은 광 센서(160)로부터의 출력 신호를 ARCTAN 연산한 파형일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광 센서(160)로부터의 출력 신호가 하강되었을 때의 ARCTAN 연산값이 0이면, 로터(130)의 위치는 P1(예: 45°) 지점임을 확인할 수 있다. 또한, 광 센서(160)로부터의 출력 신호가 상승되었을 때의 ARCTAN 연산값이 -135°이면, 로터(130)의 위치는 P2(예: 101.25°) 지점임을 확인할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 로터(130)에 내장된 마그넷(135)이 4쌍인 8극 BLDC 모터(120)인 경우, 광 센서(160)의 하이(high) 구간은 360°/8 = 45°이고, 구간별 차이는 45°/4 = 11.25°씩 발생될 수 있다. 이 경우, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터 장치(100)의 초기 구동에서 최대 회전량은 45°가 될 수 있다. 또한, 로터(130)에 내장된 마그넷(135)이 5쌍인 10극 BLDC 모터(120)인 경우, 광 센서(160)의 하이(high) 구간은 360°/10 = 36°이고, 구간별 차이는 36°/4 = 9°씩 발생될 수 있다. 이 경우, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터 장치(100)의 초기 구동에서 최대 회전량은 36°가 될 수 있다.
일 실시예에 따르면, BLDC 모터(120)가 N극인 경우, 광 센서(160)의 하이(high) 구간은 360°/N가 되고, 구간별 차이는 360°/(N*4)°씩 발생될 수 있다. 이 경우, 상기 BLDC 모터 장치(100)의 초기 구동에서 최대 회전량은 360°/N이 될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치(100)의 일부 구성을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 로터(130)는 샤프트(210) 및 로터 하우징(220)을 포함할 수 있다. 로터(130)는 샤프트(210)를 통해 스테이터(140)에 삽입되고 회전 가능하게 장착될 수 있다.
따라서, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 BLDC 모터 장치(100)는, 스테이터(140)의 인쇄회로기판(145)에 소정의 간격을 두고 배치된 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)를 이용하여, 로터 하우징(220)에 내장된 마그넷(135)의 위치를 센싱할 수 있다. 또한, 상기 BLDC 모터 장치(100)는 스테이터(140)의 인쇄회로기판(145)의 소정의 위치에 배치된 광 센서(160)를 이용하여 로터 하우징(220)의 말단부에 형성된 적어도 하나의 볼록부(예: 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317))와, 적어도 하나의 오목부(예: 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327))를 센싱하거나, 상기 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327)의 각각에 교대로 배치된 적어도 하나의 반사 영역(301)(또는 차광 영역)과 적어도 하나의 비반사 영역(303)(또는 비차광 영역)을 센싱하여, 상기 로터(130)에 대한 정확한 위치를 센싱할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치(100)의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 8을 참조하여 설명되는 동작들은, 예를 들어, 도 1 내지 도 4의 BLDC 모터 장치(100)에서 설명된 구성요소들에 의해 실행될 수 있다.
동작 810에서, 프로세서(110)는 자기 센서(150)(예: 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152))를 이용하여 센싱된 적어도 한 쌍(예: N극 및 S극) 이상의 마그넷(135)의 위치 신호를 수신할 수 있다.
동작 820에서, 프로세서(110)는 광 센서(160)를 이용하여 센싱된 적어도 하나의 볼록부(예: 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317)) 및 적어도 하나의 오목부(예: 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327))의 위치 신호를 수신할 수 있다.
동작 830에서, 프로세서(110)는 상기 자기 센서(150)(예: 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)) 및 상기 광 센서(160)를 이용하여 수신된 상기 위치 신호들을 기초로 하여, 상기 스테이터(140)에 소정의 방향 및 속도 제어 신호를 전달할 수 있다.
동작 840에서, 프로세서(110)는 상기 스테이터(140)가 상기 소정의 방향 및 속도 제어 신호에 대응하는 전자기력을 발생시키게 하고, 상기 로터(120)에 내장된 적어도 한 쌍 이상의 마그넷(135)을 자극하여 상기 로터(130)를 회전시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 다양한 실시예에 따라 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 변형한 것도 본 발명에 속함은 당연하다.
110: 프로세서 115: 모터 구동부
120: BLDC 모터 130: 로터
135: 마그넷 140: 스테이터
145: 인쇄회로기판 151: 제 1 자기 센서
152: 제 2 자기 센서 160: 광 센서

Claims (20)

  1. BLDC 모터 장치에 있어서,
    적어도 한 쌍 이상의 마그넷이 내장되고, 말단부에 적어도 하나의 볼록부 및 적어도 하나의 오목부가 형성된 로터;
    적어도 하나의 자기 센서와 광 센서가 배치되고, 상기 로터를 회전시키는 전자기력을 생성하기 위한 스테이터; 및
    상기 로터 및 상기 스테이터와 전기적으로 연결된 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서는, 상기 적어도 하나의 자기 센서를 이용하여 상기 마그넷의 위치를 센싱하고, 상기 광 센서를 이용하여 상기 적어도 하나의 볼록부 및 상기 적어도 하나의 오목부의 위치를 센싱하여, 상기 로터의 위치를 확인하도록 설정된 BLDC 모터 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 자기 센서는 홀 센서 또는 자기 저항 센서 중 적어도 하나를 포함하는 BLDC 모터 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광 센서는 포토인터럽터 센서 또는 포토리플렉터 센서 중 적어도 하나를 포함하는 BLDC 모터 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 로터는,
    상기 로터의 중앙에 장착되어 상기 로터의 회전축을 형성하는 샤프트; 및
    상기 적어도 한 쌍 이상의 마그넷을 내장하는 로터 하우징을 포함하는 BLDC 모터 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 로터 하우징은 일측이 개방된 원통 형상을 갖되,
    상기 일측이 개방된 말단부에 상기 적어도 하나의 볼록부 및 상기 적어도 하나의 오목부가 형성된 BLDC 모터 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 오목부에는, 적어도 하나의 반사 영역 및 적어도 하나의 비반사 영역이 교대로 배치된 BLDC 모터 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 오목부에는, 적어도 하나의 차광 영역 및 적어도 하나의 비차광 영역이 교대로 배치된 BLDC 모터 장치.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 일측이 개방된 말단부에 적어도 하나의 오목부가 형성되는 경우, 상기 적어도 하나의 오목부의 개수는 상기 로터 하우징에 내장된 상기 적어도 한 쌍의 마그넷의 개수와 동일한 BLDC 모터 장치.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 광 센서가 상기 포토인터럽터 센서를 포함할 경우, 광을 차단하기 위한 적어도 하나의 볼록부의 유무에 기반하여, 상기 광 센서의 출력 신호가 결정되는 BLDC 모터 장치.
  10. 제 3항에 있어서,
    상기 광 센서가 상기 포토리플렉터 센서를 포함할 경우, 광을 반사하기 위한 적어도 하나의 반사 영역의 유무에 기반하여, 상기 광 센서의 출력 신호가 결정되는 BLDC 모터 장치.
  11. BLDC 모터 장치에 있어서,
    적어도 한 쌍 이상의 마그넷이 배치되고, 말단부에 적어도 하나의 볼록부 및 적어도 하나의 오목부가 형성된 로터;
    적어도 하나의 자기 센서 및 적어도 하나의 광 센서가 배치되고, 상기 로터를 회전시키는 전자기력을 생성하기 위한 스테이터; 및
    상기 로터 및 상기 스테이터와 전기적으로 연결된 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서는,
    상기 적어도 하나의 자기 센서를 이용하여 센싱된 상기 적어도 한 쌍 이상의 마그넷의 위치 신호를 수신하고,
    상기 적어도 하나의 광 센서를 이용하여 센싱된 상기 적어도 하나의 볼록부 및 상기 적어도 하나의 오목부의 위치 신호를 수신하고,
    상기 적어도 하나의 자기 센서 및 상기 적어도 하나의 광 센서로부터 수신된 상기 위치 신호들을 기초로 하여, 상기 스테이터에 소정의 방향 및 속도 제어 신호를 전달하고,
    상기 스테이터가 상기 소정의 방향 및 속도 제어 신호에 대응하는 전자기력을 발생시키게 하고 상기 적어도 한 쌍 이상의 마그넷을 자극하여 상기 로터를 회전시키도록 설정된 BLDC 모터 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 로터는,
    상기 적어도 한 쌍 이상의 마그넷을 내장하고, 일측이 개방된 원통 형상을 갖되,
    상기 일측이 개방된 말단부에 상기 적어도 하나의 볼록부 및 상기 적어도 하나의 오목부가 형성된 BLDC 모터 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 볼록부가 상기 말단부에 2개 이상 배치된 경우, 상기 2개 이상의 볼록부의 일방향으로의 폭은 서로 다르게 형성된 BLDC 모터 장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 오목부가 상기 말단부에 2개 이상 배치된 경우, 상기 2개 이상의 오목부의 일방향으로의 폭은 서로 다르게 형성된 BLDC 모터 장치.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 스테이터는,
    상기 전자기력을 생성하도록 코어에 코일이 권선된 복수의 전자기력 생성부; 및
    상기 적어도 하나의 자기 센서 및 상기 광 센서가 장착되는 인쇄회로기판을 포함하는 BLDC 모터 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기 센서는, 제 1 자기 센서 및 제 2 자기 센서를 포함하고,
    상기 제 1 자기 센서 및 상기 제 2 자기 센서는 상기 인쇄회로기판 상에 소정의 간격을 두고 배치된 BLDC 모터 장치.
  17. 제 11항에 있어서,
    상기 프로세서로부터 공급되는 신호에 따라 상기 스테이터에 구동 전류를 인가하기 위한 모터 구동부를 더 포함하는 BLDC 모터 장치.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 스테이터는 상기 모터 구동부로부터 인가되는 구동 전류에 대응하는 전자기력을 생성하고, 상기 로터는 상기 스테이터로부터 발생된 전자기력과 상기 마그넷의 자극으로 인해 발생된 유도 전류에 따라 회전되는 BLDC 모터 장치.
  19. 제 15항에 있어서,
    상기 스테이터는,
    상기 로터의 샤프트가 삽입되어 장착되는 샤프트 홀;
    상기 샤프트 홀에 삽입 및 장착된 상기 로터의 샤프트를 회전시키는 베어링; 및
    상기 베어링의 외주면에 결합되고, 상기 전자기력 생성부의 상기 코어를 장착하기 위한 원형 플레이트를 더 포함하는 BLDC 모터 장치.
  20. 제 11항에 있어서,
    상기 광 센서는 포토인터럽터 센서 또는 포토리플렉터 센서 중 적어도 하나를 포함하되,
    상기 광 센서가 상기 포토인터럽터 센서를 포함할 경우, 광을 차단하기 위한 적어도 하나의 볼록부의 유무에 기반하여 출력 신호가 결정되고,
    상기 광 센서가 상기 포토리플렉터 센서를 포함할 경우, 광을 반사하기 위한 적어도 하나의 반사 영역의 유무에 기반하여 출력 신호가 결정되는 BLDC 모터 장치.
KR1020180005710A 2018-01-16 2018-01-16 복수의 센서를 포함하는 bldc 모터 장치 KR20190087210A (ko)

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