KR20190094932A - 액추에이터모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 진폭변조방식의 서보모터는 그 모터의 회전 범위가 270도 범위 이내로 사용되고 있다. 그러나, 회전각도에 제한이 있어, 회전각도 270도 이상의 범위에서는 사용할 수 없는 단점이 있다. 본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 서보모터의 출력축을 절대엔코더와 결합된 기어축에서 절대 엔코더와 결합된 기어의 1/5의 기어비를 가지는 동력전달 기어를 출력축으로 사용하는 것을 특징으로 하는 서보모터를 제공 한다. 이러한 구성에 의하여 서보모터의 회전 각도 범위를 늘리고, 실제 제어에 사용할 제어범위를 설정할 수 있는 수단을 제공함으로써, 기존의 서보모터를 대체하면서도 더 넓은 회전각도를 제어할 수 있는 수단을 제공한다.

Description

액추에이터모듈{Actuator Module}

본 발명은 진폭변조(PWM, Pulse Width Modulation)제어 방식으로 제어하는 서보모터의 구조와 그 제어방법에 관한 것이다.

본 발명의 출원 이전에 있던 선행기술로는 PWM 제어에 의한 모터의 구동속도 제어시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 펄스폭 변조신호의 주파수를 조절함으로써 차량에 설치된 모터의 구동속도를 정확하게 조절할 수 있는 동시에 차량이 아이들(idle) 상태가 될 경우에, 모터의 구동속도를 정확히 낮춤으로써 소음을 억제하는 제어시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다. 차량의 주행속도에 따라 회동되는 속도케이블, 상기 속도케이블에 접속된 스피도 미터 및 감지된 차량의 주행속도에 의해 구동속도가 제어되는 모터를 포함하되, 상기 스피도 미터에 근접되게 설치되어 상기 속도케이블의 회동시에 펄스신호가 발생하는 스위칭부;상기 스위칭부에 의한 펄스신호를 받아 동작개시신호 및 속도명령신호를 출력하는 신호입력수단; 상기 신호입력수단으로부터 출력되는 속도명령신호의 아날로그 데이터를 받아 디지털 데이터로 변환하는 A/D변환기; 상기 A/D변환기에서 변환된 속도명령신호의 디지털 데이터를 받아 모터 속도의 전체적인 동작을 제어함과 동시에, 펄스폭 변조신호의 주파수를 조절하기 위한 제어신호를 출력하는 마이크로컴퓨터;상기 마이크로컴퓨터로부터 출력되는 제어신호를 받아 모터의 속도를 조절하기 위한 펄스폭을 변조하는 펄스폭 변조수단; 상기 펄스폭 변조수단으로부터 출력되는 펄스폭 변조신호를 받아 직류전원을 원하는 주파수의 교류전원으로 변환시켜 상기 모터를 구동하는 인버터; 및 모터의 속도를 조절하도록 상기 모터의 구동속도를 검출하여 상기 A/D변환기에 출력하는 엔코더;를 포함하여 차량이 아이들(idle) 상태가 되면 상기 모터에 입력되는 전압이 일정한 전압으로 강하되는 것을 특징으로 하는 PWM 제어에 의한 모터의 구동속도 제어시스템을 제시한 선행기술이 있다.

공개특허공보 10-2008-0042566

본 발명은 기존의 진폭변조방식의 서보모터는 그 모터의 회전 범위가 270도 범위 이내로 사용되고 있다. 이러한 제어방식의 서버모터는 무선조정자동차 등에 사용되는 RC-서버모터라고도 한다. 원격 무선제어의 경우 원거리에서는 신호의 크기가 작아질 수 있어, 신호의 크기로 제어하는 경우 오동작의 원인이 될 수 있어, 펄스의 진폭을 측정함으로써 신호의 크기에 관계없이 정확한 위치를 제어할 수 있는 장점이 있는 방식으로 무선제어에 많이 사용되었다.

최근에는 2족 보행로봇 등과 같은 로봇의 관절제어에 많이 사용되고 있다. 그러나, 회전각도에 제한이 있어, 회전각도 270도 이상의 범위에서는 사용할 수 없는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 서보모터의 출력축을 절대엔코더와 결합된 기어축에서 절대 엔코더와 결합된 기어의 1/5의 기어비를 가지는 동력전달 기어를 출력축으로 사용하는 것을 특징으로 하는 서보모터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 상기 서보모터의 위치제어를 위한 제어기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 서보모터를 제공하고자 한다.

또한, 상기 서보모터의 감속비를 유지하기 위하여 서보모터의 회전력을 생산하 는 모터와 감속기어 사이에 감속기어 하나는 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서보모터를 제공하고자한다.

또한, 본 발명은 상기 서보모터의 회전각도 설정을 위한 설정 방법을 모터의 위치제어신호 입력부를 통하여 설정하는 것을 특징으로 하는 서보모터를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 서보모터의 회전각도 설정을 위해 제어를 위한 제어부에 스위치를 추가하는 것을 특징으로 하는 서보모터를 제공한다.

본 발명의 상기와 같은 구성에 의하여 서보모터의 회전 각도 범위를 늘리고, 실제 제어에 사용할 제어범위를 설정할 수 있는 수단을 제공함으로써, 기존의 서보모터를 대체하면서도 더 넓은 회전각도를 제어할 수 있는 수단을 제공한다.

도 1은 기존의 서보모터의 구성도 이다.
도 2은 서보모터의 케이스에 모터와 절대엔코더가 결합된 사진이다.
도 3은 본 발명의 서보모터의 구성도 이다.
도 4는 서보모터의 제어신호이다.
도 5는 본 발명의 각도 설정을 위한 서보모터의 제어 신호이다.

본 발명은 기존의 진폭변조방식으로 제어되는 서버모터의 단점인 회전각도의 제한이 있는 점을 해결하여 기존의 회로와 동력전달 구조를 변경하지 않으면서도 회전각의 범위를 조절할 수 있는 수단을 제공하고자 한다.

본 발명에서는 이러한 문제를 리니어 엔코더를 조합한 형태의 서보모터를 제어함으로써 기존의 서보모터의 회전각도의 문제점을 해결하고자 하였다.

또한, 회전각을 크게하여도 기존의 제어방법과 동일한 방법으로 회전을 제어하도록하는 특징이 있다.

즉, 서보모터의 회전각을 어떻게 설정하든, 서보모터의 0도를 회전하는 회전펄스신호와 서보모터의 최대 회전각을 회전하는 회전펄스의 신호는 동일하게 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 구체적인 작용효과를 살펴보기 위하여 도면을 이용하여 설명하면 아래와 같다.

도 1은 기존의 일반적인 서보모터의 구성이다.

왼쪽하단에 위치한 모터(10), 모터의 회전축으로부터 동력을 전달받아 출력축(25)으로 동력을 전달하는 감속기어, 서보모터의 출력축하단에 결합되는 절대위치 엔코더 및 그 아래에 위치하는 제어기로 구성된 기존의 서보모터 이다.

여기서 알 수 있는 것처럼, 서보모터의 출력축과 절대위치 엔코더가 연결되어 있어, 서보모터의 출력축의 회전위치를 절대위치 엔코더로부터 읽어들여 모터의 위치를 피드백제어하게된다. 이런 형태의 저가형 서보모터에 사용되는 절대위치 엔코더는 1회전이 완전히 되지않고, 약0도에서 210~270도 정도 회전하는 것이 보통이다. 따라서, 서보모터를 1회전 하는 것이 불가능한 구조이다.

도 2는 서보모터의 모터와 절대엔코더가 케이스에 조립된 모습니다.

상기와 같은 출력축과 절대엔코더의 결합구조에 의하여 서보모터의 회전이 제한되는 점을 해결하고, 또한 같은 서보모터제어 인터페이스를 유지하기위하여 도 3과 같은 구조의 서보모터를 본 발명은 제공하다.

도 3을 참고하여 보면 상기 도1의 모터와 감소기어1 사이에 감속기어를 하나 더 추가하고, 출력축을 상기 절대엔코더와 결합된 기어에서 바로 앞부분의 기어로 이동한 것을 알 수 있다.

절대 엔코더와 결합된 기어와 출력축의 기어비를 5:1로 하면 절대엔코더 축의 회전이 270도 일 때 출력축의 회전은 1350도가 되어 3과 3/4 바퀴 회전을 동일한 절대엔코더를 사용하여 회전 위치를 측정하고, 서보모터의 회전각도를 증가시킬 수 있다.

도 3을 참고하여 본 발명의 구성을 부연설명하면, 왼쪽하단에 위치하는 모터(100), 모터의 회전축을 입력으로, 모터의 회전축으로부터 동력을 전달받아 출력축(260)으로 동력을 전달하는 감속기어 배열(210, 220, 230, 240)과 모터의 출력축과 결합되어 절대엔코더를 모터의 회전에 따라 회전하는 절대엔코더 기어(250)로 구성된다.

도 4는 기존의 서보모터를 제어하는 제어신호에 관한 것이다. 본 발명의 서보모터의 제어도 동일한 신호를 사용한다. 기존의 서보모터와 본 발명의 서보모터는 모두 3개의 전선을 사용한다. 한 개의 선은 (-)전원, 한 개의 선은 (+) 전원, 한 개의 선은 상기 도 4의 신호를 제어기위 전달하는 신호선으로 사용된다.

도 4을 보면 신호의 폭이 1.5ms에서 서보모터가 중앙에 있고, 반시계방향의 제어는 신호의 폭이 증가하고, 시계방향의 제어는 신호의 폭이 감소한다.

그러나, 본 발명의 경우 서보모터의 회전 각도가 더 늘어났기 때문에 중심을 기준으로 왼쪽과 오른쪽으로 약 2회전하는 점에 차이가 있다.

본 발명에서는 왼쪽으로 회전하는 각도와 오른 쪽으로 회전하는 각도를 제어할 수 있는 수단을 하나 더 제공한다. 상기 제어신호에서 정상적인 회전신호는 0.7ms 이하의 신호를 사용하지 않는 점을 이용하여 외부에서 0.3ms의 신호를 3번 보내어 상기 제어기에 서보모터의 반시계방행 회전 한계를 설정하는 것을 알려준 후 1.7~2.0ms의 신호를 보내어 반시계방향의 회전 한계를 설정한다. 시계방향의 회전 한계를 설정하기 위해서는 0.3 ms 신호 1회와 0.5ms 신호를 2회 보내어 회전한계 신호를 보낸다는 것을 제어기에 알리고 0.7~1.0ms 사이의 신호를 보내더 시계방향의 회전 한계를 소프트웨어 적으로 설정한다. 상기 설정된 신호를 상기 제어기의 내부 메모리에 저장하여 모터의 전원이 꺼진후에도 설정이 저장되도록 한다.

상기 설정을 제어하기 위해서는 0.5ms의 신호를 3회 보냄으로써 회전각 설정을 삭제할 수 있다.

또한, 상기와 같은 설정을 수동으로하기 위한 수단으로 상기 서보모터의 기어 반대쪽에 스위치를 구비한다. 스위치를 3초 이상 길게누르면 회전각 설정이 삭제되고, 설정각으로 회전하고, 1회 누르면 반시계방향 회전한계 설정이 저장되고, 설정 각으로 회전하고 2회 누르면 시계방향의 회전한계 설정이 저장된다.

상기의 방법으로 서보모터의 회전각도 설정이 완료된 후에는 도 4에 제시된 회전 각 제어 신호에 의하여 상기 설정된 전체 회전 범위에 대하여 제어가 가능하도록하는 제어기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

10 모터
20 기어부
21 감속 기어 1
22 감속 기어 2
23 감속 기어 3
24 감속 기어 4
25 서보모터 출력축
40 절대위치 엔코터
50 제어기
100 모터
200 기어부
210 감속 기어 1
220 감속 기어 2
230 감속 기어 3
240 감속 기어 4
250 절대 엔코더 기어
260 서버모터 출력축
400 절대위치 엔코터
500 제어기
510 제어기 설정스위치

Claims (5)

1. 서보모터의 출력축을 절대엔코더와 결합된 기어축에서 절대 엔코더와 결합된 기어의 1/5의 기어비를 가지는 동력전달 기어를 출력축으로 사용하는 것을 특징으로 하는 서보모터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 서보모터의 위치제어를 위한 제어기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 서보모터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 서보모터의 감속비를 유지하기 위하여 서보모터의 회전력을 생산하는 모터와 감속기어 사이에 감속기어 하나는 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서보모터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 서보모터의 회전각도 설정을 위한 설정 방법을 모터의 위치제어신호 입력부를 통하여 설정하는 것을 특징으로 하는 서보모터.
5. 제2항에 있어서,
   상기 서보모터의 회전각도 설정을 위해 제어를 위한 제어부에 스위치를 추가하는 것을 특징으로 하는 서보모터.

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