KR20230142991A - 기어의 기어톱니를 감지하는 단일 마그네틱 홀 센서를 이용한 모터 회전 방향 판별장치 - Google Patents

기어의 기어톱니를 감지하는 단일 마그네틱 홀 센서를 이용한 모터 회전 방향 판별장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터 회전 시, 출력되는 2개 신호의 위상차를 항상 90°로 종래보다 일정하게 유지되게 하면서, 종래보다 높은 해상도를 가지도록 개선한 모터 회전 방향 판별장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 내부에 마그네트가 장착되고, 모터의 회전축에 장착된 기어의 원주 방향으로 마그네트에 순차적으로 제1,2,3홀센서가 배치되되, 제1,2,3홀센서의 사이사이는 기어의 기어톱니를 기어톱니의 원주 방향으로 이등분할 수 있는 일정한 간격으로 각각 형성되며, 모터의 회전 시, 제1,2,3홀센서가 마그네트의 자기장의 변화로 기어톱니를 감지하는 마그네틱 홀 센서; 모터의 회전 시, 제1,2홀센서 및 제2,3홀센서에서 각각 입력된 감지신호를 토대로 위상이 다른 제1,2신호를 각각 발생시켜 증폭하는 제1,2증폭부; 제1,2신호를 비교하여 위상이 빠른 신호를 선별하는 비교부; 비교부로부터 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호에 대한 정보와 정보에 해당하는 신호만 입력받고, 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호를 디스플레이로 출력하면서 신호보다 위상이 90°도 느린 신호를 디스플레이로 출력하는 신호 설정부; 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호를 체배하여 신호 설정부로 출력하는 주파수 체배기를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어의 기어톱니를 감지하는 단일 마그네틱 홀 센서를 이용한 모터 회전 방향 판별장치에 관한 것이다.

Description

기어의 기어톱니를 감지하는 단일 마그네틱 홀 센서를 이용한 모터 회전 방향 판별장치{Motor rotation direction determination device using a single magnetic hall sensor that detects gear tooth}
본 발명은 모터 회전 방향 판별장치에 관한 것으로써, 특히 모터의 회전 시, 단일 마그네틱 홀 센서로 기어의 기어톱니를 감지하여 모터의 회전 방향을 판별해주는 모터 회전 방향 판별장치에 관한 것이다.
일반적으로, 모터의 회전 방향 판별장치는 자동차에 적용되는 시트 제어장치 및 선루프 제어장치, 지게차에 적용되는 리프트 제어장치 등 모터를 사용하여 구동되고, 모터의 정, 역회전 방향을 제어하는 장치에 주로 많이 사용되었다.
즉, 제어장치에 모터의 회전 방향을 알려주면서 모터의 회전한 각도 및 속도 및 위치 등을 알 수 있도록 해주었다.
그래서, 종래에는 모터에 의해 회전하는 회전원판의 슬릿을 통해 발광소자의 빛을 수광소자에서 검출하는 광학식의 로터리 엔코더를 사용하여, 모터의 회전 방향, 속도 등을 측정하였다.
그 측정 방식에는 앱솔루트방식과 인크리멘탈 방식이 있는데, 앱솔루트 방식은 각도를 측정할 때 쓰이며, 인크리멘탈 방식은 속도나 회전수를 측정할 때 쓰인다.
즉, 로터리 엔코더는 정밀한 모터가 필요한 제어장치에 사용되었다.
하지만, 야외의 거친 환경에서 모터를 구동해야 하는 제어장치에 사용될 경우에는 슬릿에 먼지가 끼거나 부식이 발생되어서 빛의 통과를 방해하였다.
또한, 수광소자, 발광소자는 강도가 약하여, 비, 눈, 바람 등에 의한 환경변화에 대응하지 못하여 쉽게 파손되었다.
이로 인해, 해상도가 떨어졌고, 회전원판, 수광소자, 발광소자의 교환이 필요하였다.
또한, 로터리 엔코더는 단가가 비싸다는 문제가 있었다.
이에, 로터리 엔코더를 대신하여, 모터의 회전축에 기어를 장착해 기어의 기어톱니를 2개의 홀센서로 감지하는 방식을 이용했었다.
즉, 2개의 홀센서를 기어의 위상이 다른 곳에 각각 위치시켜서, 모터 회전 시, 위상이 90°다른 2개의 신호가 출력되도록 하였다.
하지만, 이 방식은 기어톱니의 간격 불균형과 2개의 홀센서의 조립 위치 불량으로 인해, 모터의 rpm이 약간만 높아져도 2개의 신호의 90°위상이 틀어지면서 신호를 정확히 출력하기가 어려웠었다.
또한, 이 방식은 로터리 엔코더에 비해, 기어톱니의 숫자 제한에 의해 해상도가 아주 낮다는 근본적인 문제가 있었다.
즉, 높은 해상도를 기대하기 어려워 적당한 수준의 모터의 낮은 rpm 영역에서만 사용할 수밖에 없었다.
이와 관련하여, 2개의 홀센서로 기어톱니를 감지하는 특허문헌1도 상기와 같은 문제가 발생될 우려가 있었다.
특허문헌1 : 등록특허 제10-1483826호(2015.01.12. 등록)
이에 본 발명은, 로터리 엔코더보다 단가가 싸고 환경변화에 대응할 정도로 강도가 강한 3개의 홀센서를 하나로 통합하여, 모터 회전 시, 출력되는 2개 신호의 위상차를 항상 90°로 일정하게 유지되게 함으로써, 기어톱니의 간격 불균형과 홀센서의 조립 위치 불량에 따른 2개의 신호의 위상 변동을 종래보다 개선하는데 목적이 있다.
또한, 홀센서에서 출력되는 신호를 고주파수로 출력되도록 변조하여 해상도를 높힘으로써, 기어톱니의 숫자 제한에 의해 낮은 해상도를 가지는 종래의 홀센서의 단점을 개선하는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 내부에 마그네트가 장착되고, 모터의 회전축에 장착된 기어의 원주 방향으로 마그네트에 순차적으로 제1,2,3홀센서가 배치되되, 제1,2,3홀센서의 사이사이는 기어의 기어톱니를 기어톱니의 원주 방향으로 이등분할 수 있는 일정한 간격으로 각각 형성되며, 모터의 회전 시, 제1,2,3홀센서가 마그네트의 자기장의 변화로 기어톱니를 감지하는 마그네틱 홀 센서; 모터의 회전 시, 제1,2홀센서 및 제2,3홀센서에서 각각 입력된 감지신호를 토대로 위상이 다른 제1,2신호를 각각 발생시켜 증폭하는 제1,2증폭부; 제1,2신호를 비교하여 위상이 빠른 신호를 선별하는 비교부; 비교부로부터 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호에 대한 정보와 정보에 해당하는 신호만 입력받고, 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호를 디스플레이로 출력하면서 신호보다 위상이 90°도 느린 신호를 디스플레이로 출력하는 신호 설정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어의 기어톱니를 감지하는 단일 마그네틱 홀 센서를 이용한 모터 회전 방향 판별장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호를 체배하여 신호 설정부로 출력하는 주파수 체배기를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어의 기어톱니를 감지하는 단일 마그네틱 홀 센서를 이용한 모터 회전 방향 판별장치를 제공한다.
본 발명은 모터 회전 시, 마그네틱 홀 센서에서 출력되는 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호와, 상기 신호보다 90°느린 신호가 신호 설정부에서 출력되기 때문에, 출력되는 2개 신호의 위상차가 항상 90°로 일정하게 유지되는 효과가 있다.
또한, 마그네틱 홀 센서에 3개의 홀센서가 통합되기 때문에, 동일한 시점의 동일한 위치에서 위상이 90°다른 제1,2신호가 출력되는 효과가 있다.
즉, 종래의 기어톱니의 간격 불균형과 홀센서의 조립 위치 불량에 따른 2개의 신호의 위상 변동을 막아주는 효과가 있다.
또한, 신호 설정부에서 출력되는 2개 신호의 위상차가 항상 90°로 일정하게 유지되기 때문에, 모터의 속도와 상관없이, 모터의 회전 방향을 정확하게 알려주는 효과가 있다.
이로 인해, 모터의 회전한 각도 및 속도 및 위치 등을 알 수 있어서, 자동차, 지게차 등에 사용되는 제어장치를 정밀하게 제어할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 종래의 로터리 엔코더보다 강도가 강한 마그네틱 홀 센서를 사용하기 때문에, 비, 눈, 바람 등에 의한 환경변화에 대응하지 못하여 쉽게 파손되는 것을 종래보다 막아주는 효과가 있다.
또한, 로터리 엔코더보다 단가가 싸기 때문에, 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호를 주파수 체배기로 체배하기 때문에, 신호 설정부에서 출력되는 2개의 신호가 고주파수로 변조되어 해상도가 높아지는 효과가 있다.
즉, 기어톱니의 숫자 제한에 의해 낮은 해상도를 가지는 종래의 홀센서의 단점을 개선한 효과가 있다.
또한, 체배 설정부를 통해 해상도를 조절할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 신호 설정부에서 출력되는 위상이 90°다른 2개의 신호가 버퍼를 통해 안정적으로 디스플레이로 출력되는 효과가 있다.
즉, 위상이 90°다른 2개의 신호가 버퍼에 의해 끊김없이 디스플레이에 표시되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예를 따른 모터 회전 방향 판별장치의 구성도,
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예를 따른 모터 회전 방향 판별장치의 상세도,
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예를 따른 본 발명의 실시예를 따른 모터 회전 방향 판별장치의 사용상태도이다.
이에, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예를 따른 모터 회전 방향 판별장치(1000)는 모터(1)의 회전축(1a)에 장착된 기어(2)의 주변에 설치되며, 자동차, 지게차 등에 사용되는 제어장치의 디스플레이(3)와 연결된다.
그리고, 상기 모터 회전 방향 판별장치(1000)는 내부에 마그네트(110)가 장착되고, 모터(1)의 회전축(1a)에 장착된 기어(2)의 원주 방향으로 상기 마그네트(110)에 순차적으로 제1,2,3홀센서(120)(130)(140)가 배치되되, 상기 제1,2,3홀센서(120)(130)(140)의 사이사이는 기어(2)의 기어톱니(2a)를 상기 기어톱니(2a)의 원주 방향으로 이등분할 수 있는 일정한 간격으로 각각 형성되며, 상기 모터(1)의 회전 시, 제1,2,3홀센서(120)(130)(140)가 마그네트(110)의 자기장의 변화로 기어톱니(2a)를 감지하는 마그네틱 홀 센서(100)가 포함된다.
여기서, 상기 제1,2,3홀센서(120)(130)(140)는 모터(1)의 회전 시, 기어톱니(2a)가 마그네트(110)에 접근하여 자기장의 세기가 강해질 때 감지하게 되면서 High 신호를 출력하게 되며, 상기 기어톱니(2a)의 사이에 형성된 홈이 마그네트(110)에 접근하여 자기장의 세기가 약해질 때 감지하지 못하게 되면서 Low 신호를 출력하게 된다.
또한, 상기 마그네트(110)는 영구 자석으로 이루어진다.
그리고, 상기 모터 회전 방향 판별장치(1000)는 모터(1)의 회전 시, 제1,2홀센서(120)(130) 및 제2,3홀센서(130)(140)에서 각각 입력된 감지신호를 토대로 위상이 다른 제1,2신호를 각각 발생시켜 증폭하는 제1,2증폭부(200)(210); 상기 제1,2신호를 비교하여 위상이 빠른 신호를 선별하는 비교부(300)가 포함된다.
여기서, 상기 제1증폭부(200)는 제1,2홀센서(120)(130)에서 입력되는 감지신호를 비교하여, 증폭된 High, low 신호를 연속적으로 출력하게 된다.
즉, 상기 제1증폭부(200)는 펄스 형태의 증폭된 제1신호를 출력하게 된다.
또한, 상기 제2증폭부(210)는 제2,3홀센서(130)(140)에서 입력되는 감지신호를 비교하여, 증폭된 High, low 신호를 연속적으로 출력하게 된다.
즉, 상기 제2증폭부(210)는 제1신호와 위상이 다른 펄스 형태의 증폭된 제2신호를 출력하게 된다.
또한, 상기 비교부(300)는 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호에 대한 정보와, 상기 정보에 해당하는 신호만 신호 설정부(400)에 제공하게 된다.
그리고, 상기 모터 회전 방향 판별장치(1000)는 비교부(300)로부터 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호에 대한 정보와 상기 정보에 해당하는 신호만 입력받고, 상기 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호를 디스플레이(3)로 출력하면서 상기 신호보다 위상이 90°도 느린 신호를 디스플레이(3)로 출력하는 신호 설정부(400)가 포함된다.
여기서, 상기 신호 설정부(400)는 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호를 기준으로 상기 신호보다 위상이 90°도 느린 신호를 생성하여 출력하게 된다.
그리고, 상기 모터 회전 방향 판별장치(1000)는 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호를 체배하여 신호 설정부(400)로 출력하는 주파수 체배기(500)가 포함된다.
여기서, 상기 주파수 체배기(500)는 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호를 정수배로 체배하게 되면서 상기 신호를 고주파수로 변조시키며, 체배된 상기 신호를 신호 설정부(400)로 출력하게 된다.
또한, 상기 주파수 체배기(500)는 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호의 주파수와 Vco에서 출력되어 Frequency divider를 통과한 신호의 주파수를 비교하는 Phase detector와, 상기 Phase detector에서 입력되는 신호의 주파수를 Vco에 입력되는 전압으로 변환시키면서 노이즈를 제거해주는 Low pass filter와, 상기 Low pass filter에서 입력된 전압에 의해 발생되는 신호의 주파수를 신호 설정부(400)로 출력하는 Vco와, 상기 Vco에서 출력되는 신호의 주파수를 정수 n으로 나눠서 Phase detector에 제공하여 상기 Vco에서 출력되는 신호의 주파수를 가변시키는 Frequency divider 등이 포함된다.
즉, 상기 주파수 체배기(500)는 PLL 방식으로 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호를 체배하게 된다.
그리고, 상기 모터 회전 방향 판별장치(1000)는 주파수 체배기(500)의 체배를 설정하는 체배 설정부(510)가 포함된다.
여기서, 상기 체배 설정부(510)는 주파수 체배기(500)의 Frequency divider와 연결되어 정수 n을 설정함으로써, 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호를 정수배 즉, 2배, 3배 등 몇 배로 체배할 지를 결정하게 되며, 모터 회전 방향 판별장치(1000)의 외부에 설치된다.
그리고, 상기 모터 회전 방향 판별장치(1000)는 신호 설정부(400)에서 출력되는 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호와 90°도 느린 신호를 각각 입력받아 디스플레이(3)로 출력해주는 한 쌍의 버퍼(600)가 포함된다.
여기서, 상기 버퍼(600)는 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호와, 90°도 느린 신호를 저장했다가, 디스플레이(3)로 한번에 출력해주는 효과가 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예를 따른 상기 모터 회전 방향 판별장치(1000)의 작동을 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 모터(1)를 시계 방향 즉, 정방향으로 회전시키면, 마그네틱 홀 센서(100)의 제1,2,3홀센서(120)(130)(140)는 마그네트(110)의 자기장의 변화로 기어톱니(2a)를 감지하게 되면서, 감지신호를 제1,2증폭부(200)(210)에 각각 출력하게 된다.
그러면, 상기 제1증폭부(200)는 제1,2홀센서(120)(130)에서 각각 입력되는 감지신호를 토대로 펄스 형태의 제1신호를 발생시켜 증폭하게 되며, 제2증폭부(210)는 제2,3홀센서(130)(140)에서 입력되는 감지신호를 토대로 제1신호보다 위상이 90°도 느린 펄스 형태의 제2신호를 발생시켜 증폭하게 된다.
그리고, 상기 비교부(300)는 제1,2증폭부(200)(210)에서 입력되는 제1,2신호를 비교하여 위상이 빠른 신호 즉, 제2신호보다 위상이 90°도 빠른 제1신호를 선별하게 된다.
여기서, 상기 비교부(300)는 제2신호보다 위상이 빠른 제1신호에 대한 정보를 신호 설정부(400)로 출력하게 된다.
그리고, 상기 제2신호보다 위상이 빠른 제1신호는 주파수 체배기(500)에 의해 체배되어 신호 설정부(400)로 입력된다.
여기서, 상기 제1신호는 체배 설정부(510)에 설정된 정수배로 체배된다.
그러면, 상기 신호 설정부(400)는 제2신호보다 위상이 빠른 제1신호에 대한 정보와, 체배된 제1신호만 입력받게 된다.
그리고, 상기 신호 설정부(400)는 체배된 제1신호를 정방향 신호로 버퍼(600)를 통해 디스플레이(3)로 출력하게 되면서, 상기 제1신호보다 위상이 90°도 느린 역방향 신호를 생성하여 버퍼(600)를 통해 디스플레이(3)로 출력하게 된다.
즉, 상기 디스플레이(3)에는 고해상도로 정방향 신호와, 상기 정방향 신호보다 위상이 90°도 느린 역방향 신호가 표시되면서, 모터(1)가 정방향으로 회전한 것이 표시된다.
또한, 상기 디스플레이(3)에는 모터(1)의 회전한 각도 및 속도 및 위치 등이 표시된다.
한편, 도 1 내지 도 3, 도 6, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 모터(1)를 반시계 방향 즉, 역방향으로 회전시키면, 마그네틱 홀 센서(100)의 제1,2,3홀센서(120)(130)(140)는 마그네트(110)의 자기장의 변화로 기어톱니(2a)를 감지하게 되면서, 감지신호를 제1,2증폭부(200)(210)에 각각 출력하게 된다.
그러면, 상기 제1증폭부(200)는 제1,2홀센서(120)(130)에서 각각 입력되는 감지신호를 토대로 펄스 형태의 제1신호를 발생시켜 증폭하게 되며, 제2증폭부(210)는 제2,3홀센서(130)(140)에서 입력되는 감지신호를 토대로 제1신호보다 위상이 90°도 빠른 펄스 형태의 제2신호를 발생시켜 증폭하게 된다.
그리고, 상기 비교부(300)는 제1,2증폭부(200)(210)에서 입력되는 제1,2신호를 비교하여 위상이 빠른 신호 즉, 제1신호보다 위상이 90°도 빠른 제2신호를 선별하게 된다.
여기서, 상기 비교부(300)는 제1신호보다 위상이 빠른 제2신호에 대한 정보를 신호 설정부(400)로 출력하게 된다.
그리고, 상기 제1신호보다 위상이 빠른 제2신호는 주파수 체배기(500)에 의해 체배되어 신호 설정부(400)로 입력된다.
여기서, 상기 제2신호는 체배 설정부(510)에 설정된 정수배로 체배된다.
그러면, 상기 신호 설정부(400)는 제1신호보다 위상이 빠른 제2신호에 대한 정보와, 체배된 제2신호만 입력받게 된다.
그리고, 상기 신호 설정부(400)는 체배된 제2신호를 역방향 신호로 버퍼(600)를 통해 디스플레이(3)로 출력하게 되면서, 상기 제2신호보다 위상이 90°도 느린 정방향 신호를 생성하여 버퍼(600)를 통해 디스플레이(3)로 출력하게 된다.
즉, 상기 디스플레이(3)에는 고해상도로 역방향 신호와, 상기 역방향 신호보다 위상이 90°도 느린 정방향 신호가 표시되면서, 모터(1)가 역방향으로 회전한 것이 표시된다.
또한, 상기 디스플레이(3)에는 모터(1)의 회전한 각도 및 속도 및 위치 등이 표시된다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100 : 마그네틱 홀 센서 110 : 마그네트
120 : 제1홀센서 130 : 제2홀센서
140 : 제3홀센서 200 : 제1증폭부
210 : 제2증폭부 300 : 비교부
400 : 신호 설정부 500 : 주파수 체배기
510 : 체배 설정부 600 : 버퍼
1000 : 모터 회전 방향 판별장치

Claims (4)

  1. 내부에 마그네트(110)가 장착되고, 모터(1)의 회전축(1a)에 장착된 기어(2)의 원주 방향으로 상기 마그네트(110)에 순차적으로 제1,2,3홀센서(120)(130)(140)가 배치되되, 상기 제1,2,3홀센서(120)(130)(140)의 사이사이는 기어(2)의 기어톱니(2a)를 상기 기어톱니(2a)의 원주 방향으로 이등분할 수 있는 일정한 간격으로 각각 형성되며, 상기 모터(1)의 회전 시, 제1,2,3홀센서(120)(130)(140)가 마그네트(110)의 자기장의 변화로 기어톱니(2a)를 감지하는 마그네틱 홀 센서(100);
    상기 모터(1)의 회전 시, 제1,2홀센서(120)(130) 및 제2,3홀센서(130)(140)에서 각각 입력된 감지신호를 토대로 위상이 다른 제1,2신호를 각각 발생시켜 증폭하는 제1,2증폭부(200)(210);
    상기 제1,2신호를 비교하여 위상이 빠른 신호를 선별하는 비교부(300);
    상기 비교부(300)로부터 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호에 대한 정보와 상기 정보에 해당하는 신호만 입력받고, 상기 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호를 디스플레이(3)로 출력하면서 상기 신호보다 위상이 90°도 느린 신호를 디스플레이(3)로 출력하는 신호 설정부(400)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어의 기어톱니를 감지하는 단일 마그네틱 홀 센서를 이용한 모터 회전 방향 판별장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호를 체배하여 신호 설정부(400)로 출력하는 주파수 체배기(500)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어의 기어톱니를 감지하는 단일 마그네틱 홀 센서를 이용한 모터 회전 방향 판별장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 주파수 체배기(500)의 체배를 설정하는 체배 설정부(510)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어의 기어톱니를 감지하는 단일 마그네틱 홀 센서를 이용한 모터 회전 방향 판별장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 신호 설정부(400)에서 출력되는 제1,2신호 중 위상이 빠른 신호와 90°도 느린 신호를 입력받아 디스플레이(3)로 출력해주는 버퍼(600)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어의 기어톱니를 감지하는 단일 마그네틱 홀 센서를 이용한 모터 회전 방향 판별장치.
KR1020220041731A 2022-04-04 2022-04-04 기어의 기어톱니를 감지하는 단일 마그네틱 홀 센서를 이용한 모터 회전 방향 판별장치 KR102628771B1 (ko)

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