KR20200094022A - 스텝모터 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스텝모터 제어에 필요한 포트 수를 줄일 수 있는 스텝모터 구동장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝모터 구동장치는 네 개의 상에 각각 대응하는 코일이 권선된 고정자와, 상기 고정자 내에 배치되어 상기 코일에서 발생하는 자기장에 의해 회전하는 회전자를 포함하는 스텝모터(step motor), 네 개의 입력단을 통해 제공되는 각 구동 펄스에 따라 동작하여 상기 고정자에 권선된 각 코일에 전류를 공급하는 구동회로 및 두 개의 출력단을 통해 하이 구간이 서로 다른 제1 및 제2 제어 펄스를 각각 출력하고, 상기 두 개의 출력단과 상기 구동회로의 어느 두 입력단을 선택적으로 연결하는 릴레이를 제어하여 상기 구동회로에 상기 각 구동 펄스를 제공하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

스텝모터 구동장치{APPARATUS FOR DRIVING STEP MOTOR}

본 발명은 스텝모터 제어에 필요한 포트 수를 줄일 수 있는 스텝모터 구동장치에 관한 것이다.

스텝모터는 회전자가 특정한 각도만큼 단계(step)적으로 회전하는 모터로서, 정확한 위치 제어가 가능하며 다른 모터에 비해 비용이 상대적으로 저렴한 장점이 있어 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.

스텝모터는 코일이 권선된 고정자(stator)와, 고정자 내에서 회전하는 회전자(rotor)로 구성되며, 고정자에 권선된 코일의 수(극의 수)에 따라 단상, 1상, 2상, 3상, 4상, … 등으로 구분된다.

예컨대, 가장 널리 사용되고 있는 4상 스텝모터는 네 개의 상에 각각 대응하는 코일이 권선된 고정자와, 고정자 내에서 코일에서 발생하는 자기장에 따라 회전하는 회전자를 포함한다.

이하에서는 도 1 및 도 2를 참조하여, 전술한 스텝모터의 구동을 위한 스텝모터 구동장치를 구체적으로 설명하도록 한다.

도 1을 참조하면, 종래 스텝모터 구동장치(10)는 MCU(Micro Controller Unit, 11), 구동회로(12), 스텝모터(13) 및 전원(14)을 포함한다.

구동회로(12)는 MCU(11)의 제어 신호(S1~S4)에 따라 전원(14)과, 스텝모터(13)에 구비된 네 개의 코일 각각을 선택적으로 연결함으로써 스텝모터(13)를 구동한다.

보다 구체적으로, 구동회로(12)는 MCU(11)로부터 제공되는 제1 제어 신호(S1)에 따라 전원(14)과 스텝모터(13)의 제1 코일을 연결하여 제1 코일에 전류(ia)가 흐르도록 제어하고, MCU(11)로부터 제공되는 제2 제어 신호(S2)에 따라 전원(14)과 스텝모터(13)의 제2 코일을 연결하여 제2 코일에 전류(ib)가 흐르도록 제어한다.

마찬가지로 구동회로(12)는 MCU(11)로부터 제공되는 제3 제어 신호(S3)에 따라 전원(14)과 스텝모터(13)의 제3 코일을 연결하여 제3 코일에 전류(ic)가 흐르도록 제어하고, MCU(11)로부터 제공되는 제4 제어 신호(S4)에 따라 전원(14)과 스텝모터(13)의 제4 코일을 연결하여 제4 코일에 전류(id)가 흐르도록 제어한다.

도 2를 참조하면, MCU(11)는 각각 순차적으로 연속되는 펄스 형태를 갖는 제1 내지 제4 제어 신호(S1~S4)를 출력하고, 구동회로(12)는 제1 내지 제4 제어 신호(S1~S4)에 따라 순차적으로 전술한 동작을 수행하여 스텝모터(13)의 각 코일에 전류(ia, ib, ic, id)를 공급한다.

제1 내지 제4 코일은 순차적으로 공급되는 전류(ia, ib, ic, id)에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 자계를 형성하고, 회전자는 자계에 따라 시계방향 또는 반시계 방향으로 회전한다.

전술한 스텝모터 구동장치(10)의 동작에 의하면, 제한된 숫자의 포트가 구비된 MCU(11)는 총 네 개의 포트(또는 핀)를 이용하여 스텝모터(13)를 구동해야 한다.

한편, MCU(11)는 전술한 스텝모터(13)의 구동 외에도 다양한 처리 및 제어 동작을 수행하는데, 스텝모터(13)의 구동을 위해 네 개의 포트가 이용되면 스텝모터(13) 구동 이외의 추가적인 동작을 위한 포트가 부족한 문제가 발생할 수 있고, 이를 방지하기 위해 포트 수가 증가된 MCU(11)를 적용하는 경우에는 스텝모터 구동장치(10)의 생산 비용이 증가하는 문제가 있다.

본 발명은 릴레이 제어를 통해 스텝모터 제어에 필요한 포트 수를 줄일 수 있는 스텝모터 구동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 두 개의 제어 신호를 통해 스텝모터를 1-2상 여자 방식으로 구동할 수 있는 스텝모터 구동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명의 스텝모터 구동장치는 두 개의 포트를 통해 제어 펄스를 출력하고, 한 개의 포트를 통해 릴레이를 제어하여 제어 펄스를 구동 회로에 선택적으로 제공하는 컨트롤러를 포함함으로써, 스텝모터 제어에 필요한 포트 수를 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 스텝모터 구동장치는 상대적으로 듀티비가 작은 제어 펄스가 제공되는 구동회로의 입력단에 제어 펄스의 전압 유지를 위한 커패시터를 구비함으로써, 두 개의 포트를 통해 스텝모터를 1-2상 여자 방식으로 구동할 수 있다.

본 발명은 릴레이 제어를 통해 스텝모터 제어에 필요한 포트 수를 줄임으로써, 종래 기술 대비 하나 이상의 포트를 절약할 수 있고 이에 따라 스텝모터 구동장치의 PCB(Printed Circuit Board) 설계에 있어서 비용절감 및 추가적인 기능의 탑재가 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명은 두 개의 제어 신호를 통해 스텝모터를 1-2상 여자 방식으로 구동함으로써, 포트를 절약하면서도 스텝모터의 효율적인 구동이 가능한 장점이 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 종래의 스텝모터 구동 방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 MCU에서 출력되는 제어 펄스를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝모터 구동장치를 도시한 도면.
도 4는 도 3에 도시된 스텝모터의 일 예를 도시한 도면.
도 5는 도 3에 도시된 구동회로의 일 예를 도시한 도면.
도 6 및 도 7은 구동회로에 제공되는 구동 펄스의 각 예를 도시한 도면.
도 8은 도 3에 도시된 릴레이에 제공되는 스위칭 펄스의 일 예를 도시한 도면.
도 9a 및 도 9b는 도 8에 도시된 스위칭 펄스에 따른 릴레이의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 10은 하이 구간이 중첩되지 않는 두 제어 펄스 및 스위칭 펄스와, 이에 기초하여 생성되는 구동 펄스를 도시한 파형도.
도 11은 하이 구간이 일부 중첩되는 두 제어 펄스를 도시한 파형도.
도 12는 어느 한 제어 펄스가 제공되는 구동회로의 입력단에 커패시터가 구비된 모습을 도시한 도면.
도 13은 하이 구간이 일부 중첩되는 두 제어 펄스 및 스위칭 펄스와, 이에 기초하여 생성되는 구동 펄스를 도시한 파형도.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

이하에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 발명은 스텝모터 제어에 필요한 포트 수를 줄일 수 있는 스텝모터 구동장치에 관한 것이다. 이하, 도 3 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝모터 구동장치를 구체적으로 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝모터 구동장치를 도시한 도면이다. 도 4는 도 3에 도시된 스텝모터의 일 예를 도시한 도면이고, 도 5는 도 3에 도시된 구동회로의 일 예를 도시한 도면이다.

도 6 및 도 7은 구동회로에 제공되는 구동 펄스의 각 예를 도시한 도면이다. 도 8은 도 3에 도시된 릴레이에 제공되는 스위칭 펄스의 일 예를 도시한 도면이고, 도 9a 및 도 9b는 도 8에 도시된 스위칭 펄스에 따른 릴레이의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 10은 하이 구간이 중첩되지 않는 두 제어 펄스 및 스위칭 펄스와, 이에 기초하여 생성되는 구동 펄스를 도시한 파형도이다.

도 11은 하이 구간이 일부 중첩되는 두 제어 펄스를 도시한 파형도이다.

도 12는 어느 한 제어 펄스가 제공되는 구동회로의 입력단에 커패시터가 구비된 모습을 도시한 도면이다. 또한, 도 13은 하이 구간이 일부 중첩되는 두 제어 펄스 및 스위칭 펄스와, 이에 기초하여 생성되는 구동 펄스를 도시한 파형도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝모터 구동장치(100)는 컨트롤러(110), 구동회로(120), 스텝모터(130) 및 구동전원(140)을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 스텝모터 구동장치(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 3에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.

스텝모터(130)는 회전자(132)가 특정한 각도만큼 단계(step)적으로 회전하는 모터로서, 정확한 위치 제어가 가능하며 다른 모터에 비해 비용이 상대적으로 저렴한 장점이 있어 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.

스텝모터(130)는 코일이 권선된 고정자(stator, 131)와, 고정자(131) 내에서 회전하는 회전자(rotor, 132)로 구성될 수 있다. 이러한 스텝모터(130)는 고정자(131)에 권선된 코일의 수(극의 수)에 따라 단상, 1상, 2상, 3상, 4상, … 등으로 구분되며, 코일의 수(극의 수)에 따라 단일 스텝에서 회전자(132)의 회전 각도(이하, 스텝각)가 달라질 수 있다.

후술하는 본 발명의 스텝모터(130)는 4상 스텝모터(130)로서, 네 개의 상에 각각 대응하는 코일이 권선된 고정자(131)와, 고정자(131) 내에 배치되어 각 코일에서 발생하는 자기장에 의해 회전하는 회전자(132)를 포함할 수 있다.

스텝모터(130)는 코일의 권선 방법 및 코일에 어떤 방법으로 전류를 공급하는지에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 본 발명의 스텝모터(130)가 4상 영구 자석 타입(permanent type; PM)의 스텝모터(130)인 것으로 가정하여 설명하도록 한다.

도 4를 참조하면, 스텝모터(130)는 네 개의 이빨(131a~131d)을 갖는 고정자(131)를 포함할 수 있다. 서로 대향 배치되는 두 이빨에는 두 상에 대응하는 코일이 권선될 수 있다. 예를 들어, 도 4에서 y축 방향으로 대향 배치된 두 이빨에는 A상 및 C상에 대응하는 코일(A-A', C-C')이 권선될 수 있고, x축 방향으로 대향 배치된 두 이빨에는 B상 및 D상에 대응하는 코일(B-B', D-D')이 권선될 수 있다.

이 때, A상에 대응하는 코일(A-A')과 C상에 대응하는 코일(C-C')은 서로 반대 방향으로 권선될 수 있고, B상에 대응하는 코일(B-B')과 D상에 대응하는 코일(D-D') 또한 서로 반대 방향으로 권선될 수 있다.

각 상에 대응하는 코일에 전류가 흐르면 해당 코일이 권선된 고정자(131)의 이빨에서는 자기장이 발생할 수 있다. 자성을 띄는 회전자(132)는 고정자(131) 내에 배치되어 고정자(131)의 이빨에서 발생하는 자기장에 의해 회전할 수 있다.

고정자(131)에 자기장을 발생시키기 위해 구동회로(120)는 각 상에 대응하는 코일에 전류를 공급할 수 있다. 보다 구체적으로, 구동회로(120)는 네 개의 입력단을 통해 제공되는 각 구동 펄스(D1~D4)에 따라 동작하여 고정자(131)에 권선된 각 코일에 전류를 공급할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 구동회로(120)는 네 개의 입력단(#1'~#4')을 구비할 수 있고, 각 코일에 대한 구동 펄스(D1~D4)를 네 개의 입력단(#1'~#4')을 통해 각각 제공받을 수 있다. 구동회로(120)는 각 구동 펄스(D1~D4)에 따라 동작하여 구동전원(140)에서 출력되는 전류를 각 코일에 공급할 수 있다.

이를 위해, 구동회로(120)는 구동 펄스(D1~D4)에 따라 스위칭하여 구동전원(140)에서 공급되는 전류를 각 코일에 공급하는 구동 트랜지스터를 포함할 수 있다.

도 5를 참조하면, 구동회로(120)는 유니폴러(unipolar) 방식의 회로로서, A, B, C 및 D상에 각각 대응하는 코일(A-A', B-B', C-C', D-D')과, 코일에 흐르는 전류의 방향을 제한하는 다이오드 및 구동전원(140)과 코일을 선택적으로 연결하는 구동 트랜지스터를 포함할 수 있다.

구동 트랜지스터는 A, B, C 및 D상에 각각 대응하는 제1 내지 제4 구동 트랜지스터(Tr1~Tr4)로 이루어질 수 있다. 이 때, 제1 내지 제4 구동 트랜지스터(Tr1~Tr4)는 각각 A, B, C 및 D상에 대한 구동 펄스(D1~D4)에 따라 동작할 수 있다.

보다 구체적으로, 구동회로(120)에 제공되는 구동 펄스(D1~D4)는 구동 트랜지스터의(Tr1~Tr4) 게이트 단자에 인가되고, 구동 트랜지스터는 구동 펄스(D1~D4)의 하이 구간(HR)에서 구동전원(140)과 코일을 연결할 수 있다.

구동 펄스(D1~D4)는, 구동 트랜지스터의 문턱 전압을 초과하는 하이값(high value)을 갖거나, 구동 트랜지스터의 문턱 전압 미만인 로우값(low value)을 가질 수 있다. 이 때, 구동 펄스(D1~D4)에서 하이값이 지속되는 구간을 하이 구간(HR)으로 정의할 수 있다.

하이 구간(HR)에서는 하이값이 구동 트랜지스터의 게이트 단자에 인가되므로, 구동 트랜지스터는 턴 온되어 구동전원(140)과 코일을 연결시킬 수 있다. 반면에, 하이 구간(HR) 이외의 구간에서는 로우값이 구동 트랜지스터의 게이트 단자에 인가되므로, 구동 트랜지스터는 턴 오프되어 구동전원(140)과 코일의 연결을 차단시킬 수 있다.

구동전원(140)과 코일이 연결된 경우에 한해 코일에는 구동전원(140)에서 출력된 전류가 흐를 수 있다. 코일에 전류가 흐르면 코일이 권선된 고정자(131)의 이빨에는 자기장이 발생할 수 있고, 자기장의 발생 위치에 따라 회전자(132)는 고정자(131) 내에서 회전할 수 있다.

회전자(132)를 일정 방향 및 토크로 회전시키기 위해 구동회로(120)는, 동일한 간격의 하이 구간(HR)을 순차적으로 갖는 각 구동 펄스(D1~D4)에 따라 동작하여 각 코일에 전류를 공급할 수 있다.

이하에서는, A상에 대응하는 구동 펄스를 제1 구동 펄스(D1)로, B상에 대응하는 구동 펄스를 제2 구동 펄스(D2)로, C상에 대응하는 구동 펄스를 제3 구동 펄스(D3)로, D상에 대응하는 구동 펄스를 제4 구동 펄스(D4)로 설명하도록 한다.

도 6을 참조하면, 제1 내지 제4 구동 펄스(D1~D4)는 순차적으로 연속되는 동일 간격의 하이 구간(HR)을 가질 수 있다. 다시 말해, 제1 구동 펄스(D1)의 하강 엣지(falling edge)와 제2 구동 펄스(D2)의 상승 엣지(rising edge)는 동일 시점에 발생할 수 있고, 제2 구동 펄스(D2)의 하강 엣지와 제3 구동 펄스(D3)의 상승 엣지는 동일 시점에 발생할 수 있다. 마찬가지로 제3 구동 펄스(D3)의 하강 엣지와 제4 구동 펄스(D4)의 상승 엣지도 동일 시점에 발생할 수 있다. 또한, 본 발명의 스텝모터(130)가 4상 스텝모터(130)이므로, 제4 구동 펄스(D4)의 하강 엣지와 제1 구동 펄스(D1)의 상승 엣지는 동일 시점에 발생할 수 있다.

이 경우, 구동회로(120)는 하나의 상에 대응하는 코일에만 전류를 흐르게 하는 1상 여자 방식으로 스텝모터(130)를 구동할 수 있다.

이하에서는 도 4 내지 도 6을 함께 참조하여, 1상 여자 방식에 따라 구동되는 스텝모터(130)의 동작 과정을 시계열적으로 설명하도록 한다. 한편, 아래에서는 고정자(131)의 이빨을 그 위치에 따라 제1 내지 제4 이빨(131a~131d)로 구분하여 설명하도록 한다.

첫 번째 스텝에서, 제1 구동 펄스(D1)에 따라 제1 구동 트랜지스터(Tr1)는 턴 온되고 A상에 대응하는 코일(A-A')에는 A상 전류(ia)가 흐를 수 있다. 이에 따라, 제1 이빨(131a) 및 제3 이빨(131c)은 각각 S극 및 N극의 자성을 띌 수 있고, 회전자(132)의 N극 및 S극은 각각 제1 이빨(131a) 및 제3 이빨(131c)에 인접하도록 회전할 수 있다.

두 번째 스텝에서, 제2 구동 펄스(D2)에 따라 제2 구동 트랜지스터(Tr2)는 턴 온되고 B상에 대응하는 코일(B-B')에는 B상 전류(ib)가 흐를 수 있다. 이에 따라, 제2 이빨(131b) 및 제4 이빨(131d)은 각각 S극 및 N극의 자성을 띌 수 있고, 회전자(132)의 N극 및 S극은 각각 제2 이빨(131b) 및 제4 이빨(131d)에 인접하도록 회전할 수 있다.

세 번째 스텝에서, 제3 구동 펄스(D3)에 따라 제3 구동 트랜지스터(Tr3)는 턴 온되고 C상에 대응하는 코일(C-C')에는 C상 전류(ic)가 흐를 수 있다. 이에 따라, 제1 이빨(131a) 및 제3 이빨(131c)은 각각 N극 및 S극의 자성을 띌 수 있고, 회전자(132)의 N극 및 S극은 각각 제3 이빨(131c) 및 제1 이빨(131a)에 인접하도록 회전할 수 있다.

마지막 스텝에서, 제4 구동 펄스(D4)에 따라 제4 구동 트랜지스터(Tr4)는 턴 온되고 D상에 대응하는 코일(D-D')에는 D상 전류(id)가 흐를 수 있다. 이에 따라, 제2 이빨(131b) 및 제4 이빨(131d)은 각각 N극 및 S극의 자성을 띌 수 있고, 회전자(132)의 N극 및 S극은 각각 제4 이빨(131d) 및 제2 이빨(131b)에 인접하도록 회전할 수 있다.

전술한 각 스텝에 따라 회전자(132)는 고정자(131) 내부에서 90도 간격으로 회전할 수 있고, 전술한 네 스텝이 반복됨으로써 회전자(132)는 지속적으로 회전할 수 있다.

한편, 도 7을 참조하면, 제1 내지 제4 구동 펄스(D1~D4)는 순차적으로 중첩되는 동일 간격의 하이 구간(HR)을 가질 수 있다. 다시 말해, 제1 내지 제4 구동 펄스(D1~D4)는 순차적으로 하이 구간(HR)을 갖되, 제1 구동 펄스(D1)의 하이 구간(HR)에서 제2 구동 펄스(D2)의 상승 엣지가 발생할 수 있고, 제2 구동 펄스(D2)의 하이 구간(HR)에서 제3 구동 펄스(D3)의 상승 엣지가 발생할 수 있다. 마찬가지로 제3 구동 펄스(D3)의 하이 구간(HR)에서 제4 구동 펄스(D4)의 상승 엣지가 발생할 수 있다. 또한, 본 발명의 스텝모터(130)가 4상 스텝모터(130)이므로, 제4 구동 펄스(D4)의 하이 구간(HR)에서 제1 구동 펄스(D1)의 상승 엣지가 발생할 수 있다.

이 경우, 구동회로(120)는 특정 상에 대응하는 코일과, 특정 상 및 특정 상에 인접하는 상에 각각 대응하는 두 코일에 순차적으로 전류를 흐르게 하는 1-2상 여자 방식으로 스텝모터(130)를 구동할 수 있다.

이하에서는, 도 4, 도 5 및 도 7을 함께 참조하여, 1-2상 여자 방식에 따라 구동되는 스텝모터(130)의 동작 과정을 시계열적으로 설명하도록 한다.

첫 번째 스텝에서, 제1 구동 펄스(D1)에 따라 제1 구동 트랜지스터(Tr1)는 턴 온되고 A상에 대응하는 코일(A-A')에는 A상 전류(ia)가 흐를 수 있다. 이에 따라, 제1 이빨(131a) 및 제3 이빨(131c)은 각각 S극 및 N극의 자성을 띌 수 있고, 회전자(132)의 N극 및 S극은 각각 제1 이빨(131a) 및 제3 이빨(131c)에 인접하도록 회전할 수 있다.

두 번째 스텝에서, 제1 구동 트랜지스터(Tr1)가 턴 온 상태일 때, 제2 구동 펄스(D2)에 따라 제2 구동 트랜지스터(Tr2)는 턴 온되고 B상에 대응하는 코일(B-B')에는 B상 전류(ib)가 흐를 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 이빨(131a, 131b)은 S극의 자성을 띌 수 있고, 제3 및 제4 이빨(131c, 131d)은 N극의 자성을 띌 수 있다. 회전자(132)의 N극 및 S극은 첫 번째 스텝에 대해 시계 방향으로 45도 회전할 수 있다.

세 번째 스텝에서, 제2 구동 트랜지스터(Tr2)가 턴 온 상태일 때, 제1 구동 트랜지스터(Tr1)가 턴 오프되어 B상에 대응하는 코일(B-B')에만 전류가 흐를 수 있다. 이에 따라, 제2 이빨(131b) 및 제4 이빨(131d)은 각각 S극 및 N극의 자성을 띌 수 있고, 회전자(132)의 N극 및 S극은 각각 제2 이빨(131b) 및 제4 이빨(131d)에 인접하도록 회전할 수 있다.

네 번째 스텝에서, 제2 구동 트랜지스터(Tr2)가 턴 온 상태일 때, 제3 구동 펄스(D3)에 따라 제3 구동 트랜지스터(Tr3)는 턴 온되고 C상에 대응하는 코일(C-C')에는 C상 전류(ic)가 흐를 수 있다. 이에 따라, 제2 및 제3 이빨(131b, 131c)은 S극의 자성을 띌 수 있고, 제1 및 제4 이빨(131a, 131d)은 N극의 자성을 띌 수 있다. 회전자(132)의 N극 및 S극은 세 번째 스텝에 대해 시계 방향으로 45도 회전할 수 있다.

즉, 1-2상 여자 방식에서 S극을 띄는 고정자(131)의 이빨은 제1 이빨(131a), 제1 및 제2 이빨(131a, 131b), 제2 이빨(131b), 제2 및 제3 이빨(131b, 131c), 제3 이빨(131c), 제3 및 제4 이빨(131c, 131d), 제4 이빨(131d), 제4 및 제1 이빨(131d, 131a)로 여덟 번의 스텝에 따라 순차적으로 전환됨으로써, 회전자(132)는 각 스텝에서 시계 방향으로 45도씩 회전할 수 있고, 이와 같은 여덟 번의 스텝이 반복됨으로써 회전자(132)는 지속적으로 회전할 수 있다.

이러한 1-2상 여자 방식은 회전자(132)의 스텝각이 전술한 1상 여자 방식에 비해 작으므로, 회전자(132)의 정지 시 오버 슈트(over shoot) 및 언더 슈트(under shoot)가 상대적으로 작고, 과도 특성(transient characteristic)이 향상된다.

한편, 컨트롤러(110)는 두 개의 출력단(#1, #2)을 통해 하이 구간(HR)이 서로 다른 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)를 각각 출력하고, 두 개의 출력단(#1, #2)과 구동회로(120)의 어느 두 입력단을 선택적으로 연결하는 릴레이(150)를 제어하여 구동회로(120)에 각 구동 펄스(D1~D4)를 제공할 수 있다.

컨트롤러(110)는 복수의 출력단(예컨대, 포트(port), 핀(pin) 등)을 통해 신호를 출력하는 MCU(Micro Controller Unit)일 수 있다. 본 발명의 컨트롤러(110)는 적어도 세 개의 출력단(#1~#3)을 구비할 수 있고, 두 개의 출력단(#1, #2)을 통해 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)를 출력하고, 하나의 출력단(#3)을 통해 릴레이(150)를 제어할 수 있다.

릴레이(150)는 컨트롤러(110)의 제어에 따라 전술한 구동회로(120)의 네 개의 입력단(#1'~#4') 중 어느 두 입력단과 컨트롤러(110)의 두 개의 출력단(#1, #2)을 선택적으로 연결할 수 있다. 예컨대, 릴레이(150)는 그 동작 상태에 따라 컨트롤러(110)의 두 개의 출력단(#1, #2)을 구동회로(120)의 네 개의 입력단(#1'~#4') 중 어느 두 입력단과 연결하거나 다른 두 입력단과 연결할 수 있다.

보다 구체적으로, 컨트롤러(110)는 릴레이(150)에 하이값(H) 또는 로우값(L)을 갖는 스위칭 펄스(Sp)를 제공하고, 릴레이(150)는 스위칭 펄스(Sp)가 하이값(H)을 가질 때 컨트롤러(110)의 두 개의 출력단(#1, #2)과 구동회로(120)의 어느 두 입력단을 연결하고, 스위칭 펄스(Sp)가 로우값(L)을 가질 때 컨트롤러(110)의 두 개의 출력단(#1, #2)과 구동회로(120)의 다른 두 입력단(#1'~#4')을 연결할 수 있다.

도 8을 참조하면, 컨트롤러(110)에서 출력되는 스위칭 펄스(Sp)는 그 값이 하이값(H) 또는 로우값(L)인 구형파일 수 있다. 릴레이(150)는 인가되는 전압의 크기에 따라 상태가 전환됨으로써, 컨트롤러(110)의 출력단(#1, #2)과 구동회로(120)의 입력단을 연결할 수 있다.

도 9a 및 도 9b를 참조하여 설명하면, 릴레이(150)는 스위칭 펄스(Sp)가 로우값(L)일 때 제1 및 제2 구동 펄스(D1, D2)가 입력되는 구동회로(120)의 제1 및 제2 입력단(#1', #2')에 연결될 수 있다. 반대로, 릴레이(150)는 스위칭 펄스(Sp)가 하이값(H)일 때 제3 및 제4 구동 펄스(D3, D4)가 입력되는 구동 회로의 제3 및 제4 입력단(#3', #4')에 연결될 수 있다.

보다 구체적으로, 릴레이(150)는 제1 제어 펄스(S1)가 출력되는 제1 출력단(#1)에 구비된 제1 릴레이(151)와, 제2 제어 펄스(S2)가 출력되는 제2 출력단(#2)에 구비된 제2 릴레이(152)로 구성될 수 있다.

이 때, 제1 릴레이(151)는 스위칭 펄스(Sp)가 로우값(L)일 때는 제1 출력단(#1)과 제2 입력단(#2')을 연결할 수 있고, 스위칭 펄스(Sp)가 하이값(H)일 때는 제1 출력단(#1)과 제3 입력단(#3')을 연결할 수 있다. 또한, 제2 릴레이(152)는 스위칭 펄스(Sp)가 로우값(L)일 때는 제2 출력단(#2)과 제2 입력단(#2')을 연결할 수 있고, 스위칭 펄스(Sp)가 하이값(H)일 때는 제2 출력단(#2)과 제4 입력단(#4')을 연결할 수 있다.

한편, 이와 같은 릴레이(150)의 동작 상태에 따라 컨트롤러(110)의 두 출력단(#1, #2)은 구동회로(120)의 어느 두 입력단과 연결될 수 있다.

제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)는 서로 다른 하이 구간(HR)을 갖도록 생성되어 각 출력단(#1, #2)을 통해 출력될 수 있다. 여기서, 하이 구간(HR)이 서로 다르다는 것의 의미는 하이 구간(HR)의 너비가 다르다는 것이 아닌 하이 구간(HR)이 형성되는 시점이 서로 다르다는 것을 의미할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)는 한 주기 내에서 하이 구간(HR)이 서로 어긋나도록 생성되어 각 출력단(#1, #2)을 통해 출력될 수 있다.

도 10을 참조하면, 일 예에서 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)는 동일한 펄스 주기(T) 및 듀티비를 가질 수 있고, 제2 제어 펄스(S2)는 제1 제어 펄스(S1)의 하강 엣지에서 상승 엣지를 가질 수 있다. 즉, 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)는 동일한 펄스 주기(T)에서 50%의 듀티비를 가지면서, 하이 구간(HR)이 서로 어긋나도록 생성될 수 있다.

이 때, 컨트롤러(110)는 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)의 펄스 주기(T)와 동일한 주기로 릴레이(150)를 제어하여 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)를 네 개의 입력단(#1'~#4')을 통해 구동회로(120)에 제공할 수 있다. 이를 위해, 스위칭 펄스(Sp)의 주기는 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)의 펄스 주기(T)와 동일할 수 있다.

이에 따라, 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)의 한 펄스 주기(T)가 도과할 때마다 릴레이(150)의 동작 상태가 전환될 수 있고, 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)는 구동회로(120)의 어느 두 입력단 및 나머지 입력단에 교번적으로 제공될 수 있다.

보다 구체적으로, 릴레이(150)의 동작 상태는 제1 제어 펄스(S1)의 상승 에지와 제2 제어 펄스(S2)의 하강 엣지가 일치하는 시점(t1, t2, t3)에 전환될 수 있다. 즉, 스위칭 펄스(Sp)의 값이 변화하는 시점은 제1 제어 펄스(S1)의 상승 에지와 제2 제어 펄스(S2)의 하강 엣지가 일치하는 시점(t1, t2, t3)일 수 있다.

도 9a, 도 9b 및 도 10을 함께 참조하면, 스위칭 펄스(Sp)가 로우값(L)일 때 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)는 구동회로(120)의 제1 및 제2 입력단(#1', #2')으로 출력될 수 있다. 이에 따라, 첫 번째 펄스 주기(T)에서 제1 및 제2 구동 펄스(D1, D2)는 각각 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)와 동일할 수 있다. 이 때, 개방 상태인 제3 및 제4 입력단(#3', #4')에는 제어 펄스가 제공되지 않을 수 있다.

이어서, 스위칭 펄스(Sp)가 하이값(H)으로 전환되면 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)는 구동회로(120)의 제3 및 제4 입력단(#3', #4')으로 출력될 수 있다. 이에 따라, 두 번째 펄스 주기(T)에서 제3 및 제4 구동 펄스(D3, D4)는 각각 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)와 동일할 수 있다. 이 때, 개방 상태인 제1 및 제2 입력단(#1', #2')에는 제어 펄스가 제공되지 않을 수 있다.

이어서, 스위칭 펄스(Sp)가 다시 로우값(L)으로 전환되면 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)는 다시 구동회로(120)의 제1 및 제2 입력단(#1', #2')으로 출력될 수 있다. 이에 따라, 세 번째 펄스 주기(T)에서 제1 및 제2 구동 펄스(D1, D2)는 각각 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)와 동일할 수 있다. 전술한 것과 마찬가지로, 개방 상태인 제3 및 제4 입력단(#3', #4')에는 제어 펄스가 제공되지 않을 수 있다.

이와 같이 릴레이(150)를 통해 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)를 구동회로(120)의 어느 두 입력단에 교번적으로 제공함으로써, 제1 내지 제4 구동 펄스(D1~D4)는 도 6에 도시된 바와 같이 순차적으로 연속되는 동일 간격의 하이 구간(HR)을 가질 수 있고, 이에 따라 스텝모터(130)는 전술한 1상 여자 방식으로 구동될 수 있다.

도 11을 참조하면, 다른 예에서 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)는 동일한 펄스 주기(T)를 갖되, 서로 다른 듀티비를 가질 수 있고, 제1 제어 펄스(S1)의 하이 구간(HR1)과 제2 제어 펄스(S2)의 하이 구간(HR2)은 일부 중첩될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)는 동일한 펄스 주기(T)에서 서로 다른 듀티비를 가지면서, 각각의 하이 구간(HR1, HR2)이 일부 어긋나도록 생성될 수 있다.

제1 제어 펄스(S1)와 제2 제어 펄스(S2)의 듀티비는 스텝모터(130)의 제어 방법에 따라 다르게 사용자에 의해 임의로 설정될 수 있다. 다만, 이하에서는 제1 제어 펄스(S1)의 듀티비가 제2 제어 펄스(S2)의 듀티비보다 큰 것으로 가정하여 설명하도록 한다.

한편, 전술한 예와 마찬가지로 릴레이(150)는 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)의 펄스 주기(T)와 동일한 주기로 제어되며, 릴레이(150)의 동작 상태는 제1 제어 펄스(S1)의 상승 에지와 제2 제어 펄스(S2)의 하강 엣지가 일치하는 시점(t1, t2, t3)에 전환될 수 있다.

이에 따라, 제2 제어 펄스(S2)의 듀티비가 제1 제어 펄스(S1)의 듀티비보다 작은 경우, 제2 제어 펄스(S2)에 의해 생성되는 제2 및 제4 구동 펄스(D2, D4)는 제1 및 제3 구동 펄스(D1, D3)보다 듀티비가 작을 수 있다. 이와 같은 구동 펄스의 듀티비 불균형에 의해 각 상에 대응하는 코일에 흐르는 전류에도 불균형이 발생하고, 이 경우 스텝모터(130)의 토크가 일정하게 유지될 수 없다.

이를 방지하기 위해, 본 발명의 구동회로(120)의 입력단 중에서 제2 제어 펄스(S2)가 제공되는 어느 두 입력단에는 제2 제어 펄스(S2)의 전압 유지를 위한 커패시터가 더 구비될 수 있다.

도 12를 참조하면, 컨트롤러(110)의 제2 출력단(#2)을 통해 출력되는 제2 제어 펄스(S2)는 릴레이(150)의 동작 상태에 따라 구동회로(120)의 제2 입력단(#2') 또는 제4 입력단(#4')에 제공될 수 있다. 이 때, 제2 입력단(#2') 및 제4 입력단(#4')에는 제2 제어 펄스(S2)의 전압을 유지시키기 위한 커패시터(C1, C2)가 각각 구비될 수 있다.

도 12 및 도 13을 함께 참조하면, 스위칭 펄스(Sp)가 로우값(L)일 때 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)는 구동회로(120)의 제1 및 제2 입력단(#1', #2')으로 출력될 수 있다. 이에 따라, 첫 번째 펄스 주기(T)에서 제1 및 제2 구동 펄스(D1, D2)는 각각 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)와 동일할 수 있다. 이 때, 제2 입력단(#2')에 구비된 제1 커패시터(C1)는 제2 제어 펄스(S2)의 전압을 저장할 수 있다. 한편, 개방 상태인 제3 및 제4 입력단(#3', #4')에는 제어 펄스가 제공되지 않을 수 있다.

이어서, 스위칭 펄스(Sp)가 하이값(H)으로 전환되면 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)는 구동회로(120)의 제3 및 제4 입력단(#3', #4')으로 출력될 수 있다. 이에 따라, 두 번째 펄스 주기(T)에서 제3 및 제4 구동 펄스(D3, D4)는 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)와 동일할 수 있다. 이 때, 제4 입력단(#4')에 구비된 제2 커패시터(C2)는 제2 제어 펄스(S2)의 전압을 저장할 수 있다.

한편, 두 번째 펄스 주기(T)에서 개방 상태인 제1 및 제2 입력단(#1', #2')에는 제어 펄스가 제공되지는 않으나, 제2 입력단(#2')에 구비된 제1 커패시터(C1)는 스위칭 펄스(Sp)가 하이값(H)으로 전환된 이후에도 일정 방전 시간(tc) 동안 제2 제어 펄스(S2)의 전압을 구동회로(120)에 출력할 수 있다. 이에 따라, 두 번째 펄스 주기(T)에서 제2 구동 펄스(D2)는 제1 커패시터(C1)의 방전 시간(tc) 동안 일정 전압값을 가질 수 있다.

이어서, 스위칭 펄스(Sp)가 다시 로우값(L)으로 전환되면 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)는 다시 구동회로(120)의 제1 및 제2 입력단(#1', #2')으로 출력될 수 있다. 이에 따라, 세 번째 펄스 주기(T)에서 제1 및 제2 구동 펄스(D1, D2)는 각각 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)와 동일할 수 있다.

한편, 세 번째 펄스 주기(T)에서 개방 상태인 제3 및 제4 입력단(#3', #4')에는 제어 펄스가 제공되지는 않으나, 제4 입력단(#4')에 구비된 제2 커패시터(C2)는 스위칭 펄스(Sp)가 로우값(L)으로 전환된 이후에도 일정 방전 시간(tc) 동안 제2 제어 펄스(S2)의 전압을 구동회로(120)에 출력할 수 있다. 이에 따라, 세 번째 펄스 주기(T)에서 제4 구동 펄스(D4)는 제2 커패시터(C2)의 방전 시간(tc) 동안 일정 전압값을 가질 수 있다.

이와 같이, 릴레이(150)를 통해 제1 및 제2 제어 펄스(S1, S2)를 구동회로(120)의 어느 두 입력단에 교번적으로 제공함과 동시에, 상대적으로 듀티비가 작은 제어 펄스가 입력되는 단자에 커패시터를 구비하여 제어 펄스의 차단 이후에도 구동 펄스를 생성함으로써, 제1 내지 제4 구동 펄스(D1~D4)는 도 7에 도시된 바와 같이 순차적으로 중첩되는 동일 간격의 하이 구간(HR)을 가질 수 있고, 이에 따라 스텝모터(130)는 전술한 1-2상 여자 방식으로 구동될 수 있다.

결국, 본 발명은 릴레이(150) 제어를 통해 스텝모터(130) 제어에 필요한 포트 수를 줄임으로써, 종래 기술 대비 하나 이상의 포트를 절약할 수 있고 이에 따라 스텝모터 구동장치(100)의 PCB(Printed Circuit Board) 설계에 있어서 비용절감 및 추가적인 기능의 탑재가 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명은 두 개의 제어 신호를 통해 스텝모터(130)를 1-2상 여자 방식으로 구동함으로써, 포트를 절약하면서도 스텝모터(130)의 효율적인 구동이 가능한 장점이 있다.

전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (10)

1. 네 개의 상에 각각 대응하는 코일이 권선된 고정자와, 상기 고정자 내에 배치되어 상기 코일에서 발생하는 자기장에 의해 회전하는 회전자를 포함하는 스텝모터(step motor);
   네 개의 입력단을 통해 제공되는 각 구동 펄스에 따라 동작하여 상기 고정자에 권선된 각 코일에 전류를 공급하는 구동회로; 및
   두 개의 출력단을 통해 하이 구간이 서로 다른 제1 및 제2 제어 펄스를 각각 출력하고, 상기 두 개의 출력단과 상기 구동회로의 어느 두 입력단을 선택적으로 연결하는 릴레이를 제어하여 상기 구동회로에 상기 각 구동 펄스를 제공하는 컨트롤러를 포함하는
   스텝모터 구동장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 구동회로는, 상기 구동 펄스에 따라 스위칭하여 상기 구동전원에서 공급되는 전류를 상기 코일에 공급하는 구동 트랜지스터를 포함하는 스텝모터 구동장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 구동 펄스는 상기 구동 트랜지스터의 게이트 단자에 인가되고,
   상기 구동 트랜지스터는 상기 구동 펄스의 하이 구간에서 상기 구동전원과 상기 코일을 연결하는 스텝모터 구동장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 구동회로는 동일한 간격의 하이 구간을 순차적으로 갖는 각 상에 대한 구동 펄스에 따라 동작하여 상기 각 코일에 전류를 공급하는 스텝모터 구동장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 컨트롤러는 상기 릴레이에 하이값 또는 로우값을 갖는 스위칭 펄스를 제공하고,
   상기 릴레이는 상기 스위칭 펄스가 하이값을 가질 때 상기 컨트롤러의 두 개의 출력단과 상기 구동회로의 어느 두 입력단을 연결하고, 상기 스위칭 펄스가 로우값을 가질 때 상기 컨트롤러의 두 개의 출력단과 상기 구동회로의 다른 두 입력단을 연결하는 스텝모터 구동장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 릴레이의 동작 상태는 상기 제1 제어 펄스의 상승 에지(rising edge)와 상기 제2 제어 펄스의 하강 엣지(falling edge)가 일치하는 시점에 전환되는 스텝모터 구동장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 컨트롤러는 상기 제1 및 제2 제어 펄스의 펄스 주기와 동일한 주기로 상기 릴레이를 제어하여 상기 제1 및 제2 제어 펄스를 네 개의 입력단을 통해 상기 구동회로에 제공하는 스텝모터 구동장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 제어 펄스는 동일한 펄스 주기 및 듀티비를 갖고,
   상기 제2 제어 펄스는 상기 제1 제어 펄스의 하강 엣지에서 상승 엣지를 갖는 스텝모터 구동장치.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 제어 펄스는 동일한 펄스 주기와 서로 다른 듀티비를 갖고,
   상기 제1 및 제2 제어 펄스 각각의 하이 구간은 일부 중첩되는 스텝모터 구동장치.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 제어 펄스의 듀티비는 상기 제2 제어 펄스의 듀티비보다 크고,
    상기 구동회로의 입력단 중에서 상기 제2 제어 펄스가 제공되는 어느 두 입력단에는 상기 제2 제어 펄스의 전압 유지를 위한 커패시터가 더 구비되는 스텝모터 구동장치.

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