KR20230171530A - 전동공구 및 전동공구의 정밀 제어방법 - Google Patents

전동공구 및 전동공구의 정밀 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서에 개시된 내용은 전동공구 및 전동공구의 정밀 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전동공구에 내장된 전동모터 작동 시에 회전되는 회전자의 위치를 파악하여 고속은 물론 저속에서도 전동모터의 회전 속도를 정밀하게 제어하는 전동공구의 정밀 제어방법 및 전동공구에 관한 것이다.
회전축이 결합되어 회전하는 회전자와, 상기 회전자를 감싸는 고정자와, 상기 회전자의 축방향으로 이격되어 설치되며, 상기 회전자의 위치를 감지하는 홀센서와, 상기 회전축에 결합되어 상기 회전축과 함께 회동하는 엔코더 및 상기 엔코더에 의해 측정된 상기 회전자의 위치와 상기 홀센서에 측정된 상기 회전자의 위치를 결합하여, 상기 회전자의 위치를 연산하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동공구를 본 발명의 일 실시예로 제시한다.
또한, 고정자, 회전자 및 회전축을 포함하는 전동모터가 배치되고, 상기 회전자의 축방향으로 이격되어 설치된 홀센서와 상기 회전축에 결합되어 함께 회동하는 엔코더에 의해 제어되는 전동공구의 제어방법에 있어서, 상기 회전자의 위치를 상기 엔코더로 측정하여 제어 신호값으로 설정하고 상기 제어 신호값을 상기 회전자의 위치를 연산하는 위치계산식에 적용하여 제어값으로 변환하는 제어 신호값 변환단계와, 상기 제어값으로 상기 회전자를 제어하는 회전자 제어단계와, 상기 회전자의 위치를 상기 홀센서로 측정하여 기준 신호값으로 설정하는 기준 신호값 설정단계와, 상기 기준 신호값이 측정되는 측정구간 내에서 측정되는 상기 제어 신호값을 카운팅하여 개수가 최대가 되는 값을 최대 카운팅값으로 설정하고, 개수가 최소가 되는 값을 최소 카운팅값으로 설정하고 갱신하는 카운팅값 설정단계 및 상기 최대 카운팅값과 상기 최소 카운팅값을 비교하여 상기 엔코더의 이상 유무를 판단하는 엔코더 이상유무 판단단계를 포함하는 전동공구의 정밀 제어방법을 본 발명의 일 실시예로 제시한다.

Description

전동공구 및 전동공구의 정밀 제어방법{power tool and precise control method of power tool}
본 명세서에 개시된 내용은 전동공구 및 전동공구의 정밀 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전동공구에 내장된 전동모터 작동 시에 회전되는 회전자의 위치를 파악하여 고속은 물론 저속에서도 전동모터의 회전 속도를 정밀하게 제어하는 전동공구의 정밀 제어방법 및 전동공구에 관한 것이다.
본 명세서에 달리 표시되지 않는 한, 이 식별항목에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래기술이 아니며, 이 식별항목에 기재된다고 하여 종래기술이라고 인정되는 것은 아니다.
전동공구는 내장된 전동모터의 힘을 이용하여 나사의 풀림이나 조임 등 각종 작업에 사용되는 공구이다. 전동공구는 산업현장뿐만 아니라 일반 가정에서도 사용될 정도로 보편화된 공구이다.
전동공구는 일반적으로 본체에 내장된 전동모터, 모터의 회전력을 변속하여 전달하는 변속부, 변속부로부터 회전력을 전달받아 공구로 전달하는 척 등으로 구성된다. 전동모터는 일반적으로 고정자, 회전자, 회전축, 홀센서 등으로 구성된다.
전동공구는 작업 목적에 따라 회전자를 저속 또는 고속으로 회전시켜 작업 목적을 달성한다. 회전자의 제어는 회전자의 위치를 홀센서 등으로 파악하여 고정자의 코일에 전류를 공급함으로써 이루어진다.
홀센서는 회전자의 위치를 파악할 수 있다. 즉 홀센서는 회전자의 위치를 어떠한 기준이 되는 기준위치에 대한 상대적인 위치를 파악하는 것이 아니라, 기준위치 유무에 무관하게 절대적인 위치를 파악할 수 있다. 다만, 홀센서는 자기장을 감지하는 것으로, 회전자가 위치하는 일정 영역에서 동일한 신호값을 생성한다. 따라서, 홀센서는 회전자의 위치를 정확하게 파악함에 있어서, 분해능이 뛰어난 편은 아니다. 홀센서에 의해 동일한 신호값이 생성되는 시간은 회전자의 위치를 정확하게 파악할 수 없는 시간을 의미한다. 이러한 시간 동안 회전자의 위치는 정확하게 파악할 수 없고, 이에 따라 고정자의 코일에 전류를 공급하는 제어 및 회전자를 회전시키는 제어 역시 부정확해진다. 부정확한 제어는 토크와 속도 제어가 필요한 작업이나 두께가 얇고 강도가 약한 제품의 체결 작업을 곤란하게 하는 문제점을 발생시킨다.
이러한 문제점을 해결하고자 전동공구에 토크센서(torque sensor)를 구비하여 토크를 측정면서 제어부에 의해 회전자를 정밀하게 하는 종래기술(대한민국 등록특허 제 10-2291032호)이 개시된 바 있으나, 토크센서는 홀센서에 비해 고가이며 복잡한 구조로 이루어져 있다. 전동공구가 사용되는 작업환경은 먼지, 모래, 물 등 미세 이물질의 농도가 높은 경우가 대부분이다. 이러한 작업환경에서 전동공구 내부로 침투된 이물질은 전동공구 내부에 구비된 토크센서의 고장 및 오작동을 일으킬 수 있다. 고장 및 오작동을 일으킨 토크센서는 수리하거나 교체하여야 하는데, 토크센서는 고가의 제품으로 수리 및 교체에도 상당한 비용이 소요된다.
따라서, 저비용의 구성으로 회전자의 고속회전은 물론 저속회전 시에도 회전자를 정밀하게 제어하고, 미세 이물질의 농도가 높은 열악한 작업환경에서도 정밀하게 회전자를 제어할 수 있는 전동공구 및 전동공구의 정밀 제어방법이 절실하게 요구되는 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-2291032호(2021.08.20. 공개) 대한민국 공개특허 제10-2021-0134818호(2021. 11.10. 공개) 대한민국 공개특허 제10-2019-0128696호(2019.11.18. 공개)
본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,
전동공구의 회전자를 저비용의 구성으로 정밀하게 제어하고, 미세 이물질의 농도가 높은 열악한 작업환경에서도 정밀하게 제어할 수 있는 전동공구 및 전동공구의 정밀 제어방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 다음과 같은 전동공구 및 전동공구의 정밀 제어방법을 제시한다.
회전축이 결합되어 회전하는 회전자와, 상기 회전자를 감싸는 고정자와, 상기 회전자의 축방향으로 이격되어 설치되며, 상기 회전자의 위치를 감지하는 홀센서와, 상기 회전축에 결합되어 상기 회전축과 함께 회동하는 엔코더 및 상기 엔코더에 의해 측정된 상기 회전자의 위치와 상기 홀센서에 측정된 상기 회전자의 위치를 결합하여, 상기 회전자의 위치를 연산하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동공구를 본 발명의 일 실시예로 제시한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 회전자의 위치를 상기 엔코더로 측정하여 제어 신호값으로 설정하고 상기 제어 신호값을 상기 회전자의 위치를 연산하는 위치계산식에 적용하여 제어값으로 변환하는 제어 신호값 변환제어기와, 상기 제어값으로 상기 회전자를 제어하는 회전자 제어기와, 상기 회전자의 위치를 상기 홀센서로 측정하여 기준 신호값으로 설정하는 기준 신호값 설정제어기와, 상기 기준 신호값이 측정되는 측정구간 내에서 측정되는 상기 제어 신호값을 카운팅하여 개수가 최대가 되는 값을 최대 카운팅값으로 설정하며 개수가 최소가 되는 값을 최소 카운팅값으로 설정하고 갱신하는 카운팅값 설정제어기 및 상기 최대 카운팅값과 상기 최소 카운팅값을 비교하여 상기 엔코더의 이상 유무를 판단하는 엔코더 이상유무 판단제어기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 카운팅값 설정제어기는, 상기 측정구간은 상기 기준 신호값이 측정되고 다른 기준 신호값으로 측정되기까지의 구간일 수 있다.
또한, 상기 엔코더 이상유무 판단제어기는, 상기 최대 카운팅값에서 상기 최소 카운팅값을 뺀 오차값이 미리 설정된 허용범위를 초과하면 상기 엔코더가 이상 상태라고 판단할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 엔코더가 이상이 있는 것으로 판단되면, 상기 측정구간은 상기 기준 신호값이 측정되고 다른 기준 신호값으로 변하다가 다시 동일한 상기 기준 신호값으로 측정되는 구간을 보정 측정구간으로 설정하고, 상기 보정 측정구간에서 카운팅된 제어 신호값으로 상기 제어값을 보정하는 제어값 보정제어기를 포함할 수 있다.
또한, 고정자, 회전자 및 회전축을 포함하는 전동모터가 배치되고, 상기 회전자의 축방향으로 이격되어 설치된 홀센서와 상기 회전축에 결합되어 함께 회동하는 엔코더에 의해 제어되는 전동공구의 제어방법에 있어서, 상기 회전자의 위치를 상기 엔코더로 측정하여 제어 신호값으로 설정하고 상기 제어 신호값을 상기 회전자의 위치를 연산하는 위치계산식에 적용하여 제어값으로 변환하는 제어 신호값 변환단계와, 상기 제어값으로 상기 회전자를 제어하는 회전자 제어단계와, 상기 회전자의 위치를 상기 홀센서로 측정하여 기준 신호값으로 설정하는 기준 신호값 설정단계와, 상기 기준 신호값이 측정되는 측정구간 내에서 측정되는 상기 제어 신호값을 카운팅하여 개수가 최대가 되는 값을 최대 카운팅값으로 설정하고, 개수가 최소가 되는 값을 최소 카운팅값으로 설정하고 갱신하는 카운팅값 설정단계 및 상기 최대 카운팅값과 상기 최소 카운팅값을 비교하여 상기 엔코더의 이상 유무를 판단하는 엔코더 이상유무 판단단계를 포함하는 전동공구의 정밀 제어방법을 본 발명의 일 실시예로 제시한다.
또한, 상기 엔코더가 이상이 있는 것으로 판단되면, 상기 측정구간은 상기 기준 신호값이 측정되고 다른 기준 신호값으로 변하다가 다시 동일한 상기 기준 신호값으로 측정되기까지의 구간을 보정 측정구간으로 설정하고, 상기 보정 측정구간에서 카운팅된 상기 제어 신호값으로 상기 제어값을 보정하는 제어값 보정단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 카운팅값 설정단계에서, 상기 측정구간은 상기 기준 신호값이 측정되고 다른 기준 신호값으로 측정되기까지의 구간일 수 있다.
또한, 상기 엔코더 이상유무 판단단계에서, 상기 최대 카운팅값에서 상기 최소 카운팅값을 뺀 오차값이 미리 설정된 허용범위를 초과하면 상기 엔코더가 이상 상태라고 판단할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전동공구 및 전동공구의 정밀 제어방법은 저비용의 엔코더를 사용하여 회전자의 위치를 정확하게 파악함으로써, 회전자를 정밀하게 제어할 수 있고, 미세 이물질의 농도가 높은 열악한 작업환경에서도 회전자를 정밀하게 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동공구 및 전동공구의 정밀 제어방법은 홀센서에 의해 파악되는 회전자의 위치와 엔코더에 의해 파악되는 회전자의 위치를 비교하여 엔코더의 이상 상태를 파악할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동공구 및 전동공구의 정밀 제어방법은 엔코더에 이상이 발생하더라도 엔코더에 의해 측정된 제어신호값으로 제어값을 보정함으로써, 회전자를 정밀하게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동공구의 각 구성을 나타내는 개념도.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동공구의 분해사시도.
도 3은 도 1의 제어부를 구성하는 제어기를 나타내는 개념도.
도 4는 도 3의 기준 신호값 설정제어기에서 홀센서에 의해 측정되는 회전자의 위치를 나타내는 개념도.
도 5는 도 3의 카운팅값 설정제어기가 측정구간에서 측정하는 기준 신호값 및 제어 신호값을 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동공구의 정밀 제어방법을 나타내는 순서도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동공구의 각 구성을 나타내는 개념도, 도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동공구의 분해사시도, 도 3은 도 1의 제어부를 구성하는 제어기를 나타내는 개념도, 도 4는 도 3의 기준 신호값 설정제어기에서 홀센서에 의해 측정되는 회전자의 위치를 나타내는 개념도, 도 5는 도 3의 카운팅값 설정제어기가 측정구간에서 측정하는 기준 신호값 및 제어 신호값을 나타내는 그래프이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 전동공구(1)의 정밀 제어방법의 제어대상이 되는 전동공구(1)는 본체 하우징(100), 본체 하우징(100)에 구비되는 기어부(200), 고정자(320)와 회전자(310)가 구비되는 전동모터(300), 홀센서(hall sensor, 400), 엔코더(encoder, 500), 제어부(700), 스위치(600), 배터리 셀(800) 등으로 구성된다.
전동공구(1) 및 전동공구(1)를 구성하는 구성요소는 일반적으로 알려진 공지기술이므로 자세한 설명은 생략하기로 하고, 전동모터(300), 홀센서(400) 및 엔코더(500)에 대하여만 간략하게 설명하기로 한다.
본 발명의 제어대상이 되는 전동모터(300)는 브러시가 아닌 전자적으로 제어되는 브러시리스 모터(brushess motor)이다. 브러시리스 모터는 고정자(320), 회전자(310), 회전축(312), 홀센서(400)를 포함하고, 본 발명의 전동모터(300)는 엔코더(500)를 포함한다.
브러시리스 모터는 회전자(310)가 회전함에 따라 회전자(310)의 위치를 감지하는 센서가 필수적이다. 이러한 센서로는 홀센서(400)가 일반적으로 사용되는데, 홀센서(400)는 고정자(320)에 설치되고 홀효과(hall effect)를 이용하여 회전자(310)에 구비된 영구자석의 자기장을 측정하는 센서이다. 홀센서(400)는 고정자(320)에 고정장착되는 것으로, 회전자(310)의 절대적인 위치를 파악할 수 있다. 즉 홀센서(400)는 회전자(310)의 위치를 어떤 기준이 되는 기준위치에 대한 상대적인 위치를 파악하는 것이 아니라, 기준위치 유무에 무관하게 절대적인 위치를 파악할 수 있다.
엔코더(500)는 회전각 변위에 해당하는 위치 또는 직선변위에 해당하는 직선위치를 측정하는 디지털식 위치센서이다. 전동공구에 사용되는 엔코더는 회전각 변위에 해당하는 위치를 측정하는 회전형 엔코더이다. 일반적으로 회전형 엔코더는 발광소자, 수광소자, 그 사이에 격자형상의 슬릿이 형성된 회전체로 구성되고, 격자형상의 슬릿의 개수에 의해 분해능이 결정된다. 즉 발광소자에서 나온 빛이 회전체의 슬릿을 통과하여 수광소자에 도달하고 AD변환기를 통해 디지털 신호를 생성한다. 엔코더는 절대형 엔코더와 증분형 엔코더로 구분된다. 절대형 엔코더는 회전체에 광학적으로 이진부호화된 위치코드를 스캐닝함으로써 전원 상태와 무관하게 절대값을 유지한다. 증분형 엔코더는 일정간격으로 배열된 복수의 슬릿을 광학적으로 카운트하여 회전한 위치를 산출한다. 일반적으로 엔코더는 홀센서보다 분해능이 작으므로, 회전자의 위치를 더 정밀하게 파악할 수 있다.
본 발명에서는 증분형 엔코더 또는 절대형 엔코더가 사용될 수 있으나, 이하의 발명의 내용은 증분형 엔코더를 예를 들어 설명하며, 엔코더(500)에 의해 카운팅된 슬릿(515a)의 개수를 이용하여 회전체(515)의 위치를 연산하여 파악할 수 있다.
도 2를 참조하면, 전동공구(1)는 회전축(312)이 결합되어 회전하는 회전자(310)와, 회전자(310)를 감싸는 고정자(320)와, 회전자(310)의 축방향으로 이격되어 설치되며, 회전자(310)의 위치를 감지하는 홀센서(400)와, 회전축(312)에 결합되어 회전축(312)과 함께 회동하는 엔코더(500) 및 엔코더(500)에 의해 측정된 회전자(310)의 위치와 홀센서(400)에 측정된 회전자(310)의 위치를 결합하여, 회전자(310)의 위치를 연산하는 제어부(700)를 포함한다.
회전자(310)는 회전축(312)이 결합되어 회전된다. 회전자(310)는 고정자(320)에 의해 감싸지는 구조이다. 회전자(310)에 영구자석이 구비되고, 고정자(320)에 권취된 코일에 전류가 공급된다. 고정자(320)의 코일에 전류가 공급되면 자기장이 발생되고, 이에 따라 회전자(310)의 영구자석이 회전되도록 유도된다.
홀센서(400)는 회전자(310)의 위치를 감지한다. 회전자(310)의 위치를 감지하는 것은 회전자(310)에 구비된 영구자석의 자기장을 감지하는 것이다. 회전자(310)가 회전하면, 회전자(310)에 구비된 영구자석이 홀센서(400)에 근접하거나 멀어지면서 홀센서(400)는 영구자석이 형성하는 자기장을 감지하게 된다.
엔코더(500)는 회전축(312)과 함께 회동하면서 회전자(310)의 위치를 측정한다. 회전자(310)가 회전하면서 회전축(312)과 엔코더(500)는 함께 회동하게 된다. 따라서 엔코더(500)는 회전자(310)의 위치를 측정할 수 있다. 전술한 바와 같이, 엔코더(500)는 홀센서(400)보다 분해능이 더 작으므로, 회전자(310)의 위치를 더 정확하게 파악할 수 있다.
도 3을 참조하면, 제어부(700)는 회전자(310)의 위치를 연산하여 회전자(310)를 제어하는 것으로, 회전자(310)의 위치를 엔코더(500)로 측정하여 제어 신호값으로 설정하고 제어 신호값을 회전자(310)의 위치를 연산하는 위치계산식에 적용하여 제어값으로 변환하는 제어 신호값 변환제어기(710)와, 제어값으로 회전자(310)를 제어하는 회전자 제어기(720)와, 회전자(310)의 위치를 홀센서(400)로 측정하여 기준 신호값으로 설정하는 기준 신호값 설정제어기(730)와, 신호값이 측정되는 측정구간 내에서 측정되는 제어 신호값을 카운팅하여 개수가 최대가 되는 값을 최대 카운팅값으로 설정하며 개수가 최소가 되는 값을 최소 카운팅값으로 설정하고 갱신하는 카운팅값 설정제어기(740) 및 최대 카운팅값과 최소 카운팅값을 비교하여 엔코더(500)의 이상 유무를 판단하는 엔코더 이상유무 판단제어기(750)를 포함한다. 또한 제어부(700)는 엔코더(500)가 이상이 있는 것으로 판단되면, 측정구간은 기준 신호값이 측정되고 다른 기준 신호값으로 변하다가 다시 동일한 기준 신호값으로 측정되는 구간을 보정 측정구간(L1)으로 설정하고, 보정 측정구간(L1)에서 카운팅된 제어 신호값으로 제어값을 보정하는 제어값 보정 제어기(760)를 더 포함할 수 있다.
제어 신호값 변환제어기(710)는 회전자(310)의 위치를 엔코더(500)로 측정하여 제어 신호값으로 회전자(310)를 제어하는 제어값으로 변환한다.
제어 신호값은 상술한 바와 같이, 발광소자(도면 미도시)에서 나온 빛이 슬릿(515a)을 통과함으로써 수광소자(도면 미도시)에서 생성되는 신호이다. 즉 제어 신호값은 발광소자에서 나온 빛이 통과할 수 있는, 이물질 등에 의해 막힘이 없는 정상적인 슬릿(515a)의 개수(이하 '정상 슬릿'이라 함)를 의미한다. 이러한 제어 신호값은 위치계산식에 입력값으로 산입되고, 위치계산식에 의해 연산된 값은 회전자(310)의 위치를 제어하는 제어값이 된다. 위치계산식은 엔코더(500)에 의해 생성된 제어 신호값을 이용해서 정상 슬릿의 개수를 파악하고 회전자(310)의 회전위치를 연산한다.
가령, 회전체(515)에 형성된 슬릿(515a)이 N개라고 하면, 이웃한 슬릿(515a) 간의 각도 간격은 회전체(515)를 중심으로 360/Nw이 된다. 전동공구(1)의 작동 시부터 일정 시간 동안 측정된 정상 슬릿의 개수가 C 개이면, 회전체(515)는 360/N x Cw만큼 회전한 것이 된다. 즉 위치계산식은 360/N x Cw이 된다. 이러한 위치계산식으로 회전자(310)의 위치를 파악할 수 있다.
도 4를 참조하면, 일반적으로 홀센서(400)는 고정자(320)에 120w간격으로 3개가 설치되어 회전자(310)의 위치를 60w간격으로 신호가 변화하면서 회전자(310)의 위치를 감지한다. 즉 홀센서(400)는 회전자(310)의 60w각도 범위 내에서 동일한 제어 신호값을 생성하고 총 6개의 다른 기준 신호값을 생성한다. 도 5를 참조하면, 회전자(310)가 회전하는 360 w 회전 범위가 60 w간격으로 R1 내지 R6 영역으로 나누어진다면, 각 영역에서는 동일한 기준 신호값이 유지된다. R1 영역에서는 A1 기준 신호값, R2 영역에서는 A2 기준 신호값, R3 영역에서는 A3 라는 기준 신호값이 생성되고 유지된다. 이는 나머지 영역에서도 마찬가지이다.
이에 반해, 엔코더(500)는 회전체(515)에 수십개 또는 수백개가 되는 N개의 슬릿(515a)이 형성되고, 360/Nw간격으로 신호가 변화하면서 회전자(310)의 위치를 감지한다. 즉 엔코더(500)의 분해능이 홀센서(400)에 비해 더 작으므로, 엔코더(500)를 사용하는 경우 회전자(310)의 위치를 홀센서(400)에 의한 경우보다 회전자(310)의 위치를 더 정확하게 파악할 수 있다.
엔코더(500)를 이용해서 회전자(310)를 제어하는 것은, 특히 회전자(310)의 저속회전에서 이점을 가진다. 회전자(310)가 고속회전하는 경우에는 회전속도가 빠르므로, 홀센서(400)에 의해 측정되는 제어 신호값이 변화되는 시간간격이 저속회전에 비해서 짧다. 즉 전동모터(300)의 고속회전 시에는 회전자(310)의 위치가 정확하게 파악되지 않는 시간이 저속회전 시에 비해 짧으므로, 홀센서(400)에 의하더라도 회전자(310)의 고속회전을 비교적 정확하게 제어할 수 있다. 그러나, 회전자(310)의 저속회전 시에는 상황이 다르다. 회전자(310)의 저속회전 시에는 고속회전 시보다 회전자(310)가 회전하는 속도가 느린만큼, 회전자(310)는 홀센서(400)에 의해 동일한 제어 신호값을 생성하는 일정범위의 위치에 머무르는 시간이 길어진다. 이 시간 동안 회전자(310)의 위치를 정확하게 파악할 수 없으므로 홀센서(400)에 의해 측정되는 제어 신호값만으로는 회전자(310)의 위치를 정확하게 파악할 수 없다. 따라서, 분해능이 홀센서(400)보다 수십배 내지 수백배 뛰어난 엔코더(500)를 이용하면, 회전자(310)의 저속회전 시에도 회전자(310)를 위치를 정확하게 파악하여 회전자(310)를 정밀하게 제어할 수 있다.
회전자 제어기(720)는 제어 신호값 변환제어기(710)에서 변환한 제어값으로 회전자(310)를 제어한다.
회전자 제어기(720)는 제어 신호값 변환제어기(710)에서 연산된 제어값으로 고정자(320)의 코일(도면 미도시)에 전류를 공급하는 단계이다. 즉 회전자 제어기(720)는 고정자(320)에 권취된 코일에 전류를 공급하여 회전자(310)를 회전시키면서 회전자(310)를 제어하게 된다. 회전자(310)의 위치를 더 정확하게 파악할수록 회전자(310)를 더 정밀하게 제어할 수 있다. 회전자(310)의 정밀한 제어는 회전자(310)의 회전속도와 토크를 정밀하게 제어가능하게 하고 결국, 전동공구(1)의 제어성능을 향상시킨다.
기준 신호값 설정제어기(730)는 홀센서(400)로 측정한 회전자(310)의 위치를 기준 신호값으로 설정한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전동공구(1)는 홀센서(400)에 의해 측정된 기준 신호값은 회전자(310)의 위치 제어에 직접적으로 이용하지는 않으나, 홀센서(400)에 의해 측정된 회전자(310)의 위치를 홀센서(400)의 슬릿(515a)의 이상 유무를 판단하는데 이용한다. 엔코더(500)의 슬릿(515a)은 격자형상으로 된 미세한 크기의 구멍에 해당하는 것으로, 전동공구(1)가 사용되는 환경이 먼지, 모래, 물 등 이물질의 밀도가 높은 작업환경인 경우에 전동공구(1) 내부로 이물질이 침투할 수 있다. 전동공구(1) 내부로 침투한 이물질은 회전체(515)의 슬릿(515a)에 끼이거나 안착되어 슬릿(515a)을 막을 수 있다. 이러한 슬릿(515a)은 발광소자에서 나온 빛이 통과되지 않아, 제어값 신호를 생성할 수 없는 슬릿(515a)(이하, '이상 슬릿'이라 함)이다. 이러한 경우 엔코더(500)에 의해 파악된 회전자(310)의 위치는 이상 슬릿의 개수가 반영되지 않은 위치계산식에 의해 연산된 것으로, 실제 회전자(310)의 위치와 비교하여 오차가 발생하게 된다. 즉 이상 슬릿의 개수에 비례하여 오차는 커지게 된다. 홀센서(400)에 의해 측정되는 기준 신호값은 후술할 카운팅값 설정제어기(740)에서 엔코더(500)에 의해 카운팅되는 제어 신호값을 설정하는 기준이 된다. 도 5를 참조하면, 이상 슬릿은 A2와 A3 사이의 구간, A4와 A5 사이의 구간에서 발생됨을 알 수 있다.
카운팅값 설정제어기(740)는 제어 신호값의 최대값을 최대 카운팅값으로 설정하고, 최소값을 최소 카운팅값으로 설정하고 계속적으로 갱신한다.
최대 카운팅값과 최소 카운팅값은 기준 신호값이 측정되는 구간, 즉 측정구간에서 카운팅되는 값이다. 최대 카운팅값은 이상 슬릿이 없는 상태에서 정상 슬릿의 개수를 의미하고, 최소 카운팅값은 이상 슬릿이 발생한 상태에서 정상 슬릿의 개수를 의미한다. 최대카운팅값은 한 번의 설정으로 고정되는 값이고, 최소 카운팅값은 계속적으로 갱신되는 값이다.
측정구간은 기준 신호값이 측정되는 구간이며, 이러한 측정구간에서 제어 신호값이 카운팅되도록 홀센서(400)와 엔코더(500)는 동기화 된다. 도 5를 참조하면, 측정구간은 기준 신호값이 측정되고 다시 동일한 기준 신호값이 측정되는 구간(L1)으로 설정될 수 있다. 즉 측정구간은 회전자(310)가 360w회전되는 구간이다. 이 경우 최대 카운팅값은 모든 정상 슬릿이 카운팅되고, 최소 카운팅값은 이상 슬릿을 제외한 모든 정상 슬릿이 카운팅된다.
또한, 측정구간은 기준 신호값이 측정되고 다른 기준 신호값으로 측정되기까지의 구간이 될 수 있다. 즉 측정구간은 회전자(310)가 360w보다 작은 각도범위 내에서 회전되기까지 측정된다. 상술한 바와 같이, 일반적인 홀센서(400)는 60w간격으로 기준 신호값이 변화하므로, 측정구간은 회전자(310)가 60w 회전되기까지 구간(L2)이 될 수 있다. 이 경우 최소 카운팅 값이 갱신되는 주기가 짧아지므로, 후술할 엔코더 이상유무 판단제어기(750)는 엔코더(500)의 이상 유무를 거의 실시간으로 파악할 수 있다.
엔코더 이상유무 판단제어기(750)는 카운팅값 설정제어기(740)에 의해 설정된 최대 카운팅값과 최소 카운팅값을 비교하여 엔코더(500)의 이상 유무를 판단한다. 또한, 엔코더 이상유무 판단제어기(750)는 최대 카운팅값과 최소 카운팅값을 뺀 오차값이 미리 설정된 허용범위를 초과 여부에 따라 엔코더(500)의 이상 유무 판단을 할 수 있다.
최대 카운팅값과 최소 카운팅값이 동일한 경우에는 엔코더(500)에 이상 슬릿이 존재하지 않는다는 것이고, 동일하지 않는 경우에는 이상 슬릿이 발생한 것이다. 최대 카운팅값과 최소 카운팅값을 단순비교하는 것만으로 엔코더(500)의 이상 유무를 쉽게 판단할 수 있다. 엔코더(500)가 이상 상태라고 판단되면 전동공구(1)에서 엔코더(500)를 교체하거나 후술할 보정하는 단계(S60)에서 제어값을 보정할 수 있다.
또한, 최대 카운팅값에서 최소 카운팅값을 뺀 오차값이 미리 설정된 허용범위를 초과하면 엔코더(500)가 이상 상태라고 판단할 수 있다. 오차값이 1 이라고 하더라고 이상 슬릿이 발생한 경우이므로 엔코더(500)가 이상 상태라고 판단할 수 있으나, 어느 정도의 오차값이 발생하더라도 회전자(310)를 비교적 정확하게 제어가능한 허용범위를 설정하고, 이러한 허용범위를 초과하는 경우에만 엔코더(500)가 이상 상태라고 판단할 수 있다.
제어값 보정제어기(760)는 엔코더 이상유무 판단제어기(750)가 엔코더(500)에 이상이 있는 것으로 판단하면, 카운팅된 제어 신호값으로 제어값을 보정하는 것으로, 측정구간은 기준 신호값이 측정되고 다른 기준 신호값으로 변하다가 다시 동일한 기준 신호값으로 측정되기까지의 구간을 보정 측정구간(L1)으로 설정하고, 보정 측정구간(L1)에서 카운팅된 제어 신호값으로 제어값을 보정한다.
이상 슬릿이 발생한 상태에서 측정되는 제어 신호값은 회전체(515)에 형성된 슬릿(515a) 모두를 포함하는 것이 아니므로, 이러한 제어 신호값으로 파악된 회전자(310)의 위치는 실제 회전자(310)의 위치와 상이하다. 따라서, 부정확한 회전자(310)의 위치로는 회전자(310)를 정밀하게 제어할 수 없으므로, 회전자(310)의 정밀한 제어를 위해서 제어값의 보정이 필요하게 된다.
보정 측정구간(L1)은 회전자(310)가 360w회전되기까지의 측정되는 구간이다. 보정 측정구간(L1)에서 카운팅된 제어 신호값은 이상 슬릿을 제외한 정상 슬릿에 의해 생성된 제어 신호값이다. 가령, 회전체(515)에 형성된 슬릿(515a)의 수가 N이고, 보정 측정구간(L1)에서 카운팅된 제어 신호값이 B, 변환하는 단계(S10)에서 측정되는 제어 신호값을 C라고 하면, 위치계산식은 360/B x Cw이 될 수 있다. 즉 엔코더(500)에 이상 슬릿이 발생한 경우 회전자(310)가 360w회전한 후 측정된 제어 신호값으로 위치계산식을 보정하고, 보정된 위치계산식에 의해 연산된 회전자(310)의 위치를 이용하여 회전자(310)를 제어하는 것이다. 즉 이전에 360w 회전한 회전자(310)의 정상 슬릿의 개수를 이용하여 위치계산식을 보정하고, 현재의 회전자(310)를 제어하는 것이다. 전술한 위치계산식 360/B x Cw은 예시적인 것이고, 전동모터(300)의 성능 사양, 엔코더(500)의 슬롯(515a) 등을 고려한 다양한 형태의 식이 될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동공구의 정밀 제어방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동공구의 정밀 제어방법을 나타내는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 전동공구의 정밀 제어방법은, 고정자(320), 회전자(310) 및 회전축(312)을 포함하는 전동모터(300)가 배치되고, 회전자(310)의 축방향으로 이격되어 설치된 홀센서(400)와 회전축(312)이 결합되어 함께 회동하는 엔코더(500)에 의해 제어되는 전동공구(1)의 제어방법에 있어서, 회전자(310)의 위치를 엔코더(500)로 측정하여 제어 신호값으로 설정하고 제어 신호값을 회전자(310)의 위치를 연산하는 위치계산식에 적용하여 제어값으로 변환하는 제어 신호값 변환단계(S10)와, 제어값으로 회전자(310)를 제어하는 회전자 제어단계(S20)와, 회전자(310)의 위치를 홀센서(400)로 측정하여 기준 신호값으로 설정하는 기준 신호값 설정단계(S30)와, 기준 신호값이 측정되는 측정구간 내에서 측정되는 제어 신호값을 카운팅하여 개수가 최대가 되는 값을 최대 카운팅값으로 설정하고, 개수가 최소가 되는 값을 최소 카운팅값으로 설정하고 갱신하는 카운팅값 설정단계(S40)와, 최대 카운팅값과 상기 최소 카운팅값을 비교하여 엔코더(500)의 이상 유무를 판단하는 엔코더 이상유무 판단단계(S50)를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동공구(1)의 정밀 제어방법은 엔코더(500)가 이상이 있는 것으로 판단되면, 측정구간은 기준신호값이 측정되고 다른 기준 신호값으로 변하다가 다시 동일한 기준 신호값으로 측정되기까지의 구간을 보정 측정구간(L1)으로 설정하고, 보정 측정구간(L1)에서 카운팅된 제어 신호값으로 제어값을 보정하는 제어값 보정단계(S60)를 더 포함할 수 있다.
제어 신호값 변환단계(S10)는 전술한 제어 신호값 변환제어기(710)의 역할을 수행하는 단계인 것으로, 이에 과한 상세한 설명은 전술한 제어 신호값 변환제어기(710)에서와 동일하다.
회전자 제어단계(S20)는 전술한 회전자 제어기(720)의 역할을 수행하는 단계인 것으로, 이에 관한 상세한 설명은 회전자 제어기(720)에서와 동일하다.
기준 신호값 설정단계(S30)는 전술한 기준 신호값 설정제어기(730)의 역할을 수행하는 단계인 것으로, 이에 관한 상세한 설명은 기준 신호값 설정제어기(730)에서와 동일하다.
카운팅값 설정단계(S40)는 전술한 카운팅값 설정제어기(740)의 역할을 수행하는 단계인 것으로, 이에 관한 상세한 설명은 카운팅값 설정제어기(740)에서와 동일하다.
엔코더 이상유무 판단단계(S50)는 전술한 엔코더 이상유무 판단제어기(750)의 역할을 수행하는 단계인 것으로, 이에 관한 상세한 설명은 엔코더 이상유무 판단제어기(750)에서와 동일하다.
제어값 보정단계(S60)는 전술한 제어값 보정제어기(760)의 역할을 수행하는 단계인 것으로, 이에 관한 상세한 설명은 제어값 보정제어기(760)에서와 동일하다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동공구 및 전동공구의 정밀 제어방법은 저비용의 엔코더를 사용하여 회전자의 위치를 정확하게 파악함으로써, 회전자를 정밀하게 제어할 수 있고, 미세 이물질의 농도가 높은 열악한 작업환경에서도 회전자를 정밀하게 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동공구 및 전동공구의 정밀 제어방법은 홀센서에 의해 파악되는 회전자의 위치와 엔코더에 의해 파악되는 회전자의 위치를 비교하여 엔코더의 이상 상태를 파악할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동공구 및 전동공구의 정밀 제어방법은 엔코더에 이상이 발생하더라도 엔코더에 의해 측정된 제어신호값으로 제어값을 보정함으로써, 회전자를 정밀하게 제어할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 전동공구
100: 본체 하우징
200: 기어부
300: 전동모터
310: 회전자
312: 회전축
320: 고정자
400: 홀센서
500: 엔코더
515: 회전체
515a: 슬릿
600: 스위치
700: 제어부
710: 기준 신호값 변환제어기
720: 회전자 제어기
730: 기준 신호값 설정제어기
740: 카운팅값 설정제어기
750: 엔코더 이상유무 판단제어기
760: 제어값 보정제어기
800: 배터리 셀
S10: 제어 신호값 변환단계
S20: 회전자 제어단계
S30: 기준 신호값 설정단계
S40: 카운팅값 설정단계
S50: 엔코더 이상유무 판단단계
S60: 제어값 보정단계

Claims (9)

  1. 회전축(312)이 결합되어 회전하는 회전자(310);
    상기 회전자(310)를 감싸는 고정자(320);
    상기 회전자(310)의 축방향으로 이격되어 설치되며, 상기 회전자(310)의 위치를 감지하는 홀센서(400);
    상기 회전축(312)에 결합되어 상기 회전축(312)과 함께 회동하는 엔코더(500); 및
    상기 엔코더(500)에 의해 측정된 상기 회전자(310)의 위치와 상기 홀센서(400)에 측정된 상기 회전자(310)의 위치를 결합하여, 상기 회전자(310)의 위치를 연산하는 제어부(700);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동공구(1).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부(700)는,
    상기 회전자(310)의 위치를 상기 엔코더(500)로 측정하여 제어 신호값으로 설정하고 상기 제어 신호값을 상기 회전자(310)의 위치를 연산하는 위치계산식에 적용하여 제어값으로 변환하는 제어 신호값 변환제어기(710);
    상기 제어값으로 상기 회전자(310)를 제어하는 회전자 제어기(720);
    상기 회전자(310)의 위치를 상기 홀센서(400)로 측정하여 기준 신호값으로 설정하는 기준 신호값 설정제어기(730);
    상기 기준 신호값이 측정되는 측정구간 내에서 측정되는 상기 제어 신호값을 카운팅하여 개수가 최대가 되는 값을 최대 카운팅값으로 설정하며 개수가 최소가 되는 값을 최소 카운팅값으로 설정하고 갱신하는 카운팅값 설정제어기(740); 및
    상기 최대 카운팅값과 상기 최소 카운팅값을 비교하여 상기 엔코더(500)의 이상 유무를 판단하는 엔코더 이상유무 판단제어기(750);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동공구(1).
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 카운팅값 설정제어기(740)는,
    상기 측정구간은 상기 기준 신호값이 측정되고 다른 기준 신호값으로 측정되기까지의 구간인 것을 특징으로 하는 전동공구(1).
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 엔코더 이상유무 판단제어기(750)는,
    상기 최대 카운팅값에서 상기 최소 카운팅값을 뺀 오차값이 미리 설정된 허용범위를 초과하면 상기 엔코더(500)가 이상 상태라고 판단하는 것을 특징으로 하는 전동공구(1).
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부(700)는,
    상기 엔코더(500)가 이상이 있는 것으로 판단되면, 상기 측정구간은 상기 기준 신호값이 측정되고 다른 기준 신호값으로 변하다가 다시 동일한 상기 기준 신호값으로 측정되는 구간을 보정 측정구간(L1)으로 설정하고, 상기 보정 측정구간(L1)에서 카운팅된 제어 신호값으로 상기 제어값을 보정하는 제어값 보정제어기(760);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동공구(1).
  6. 고정자(320), 회전자(310) 및 회전축(312)을 포함하는 전동모터(300)가 배치되고, 상기 회전자(310)의 축방향으로 이격되어 설치된 홀센서(400)와 상기 회전축에 결합되어 함께 회동하는 엔코더(500)에 의해 제어되는 전동공구(1)의 제어방법에 있어서,
    상기 회전자(310)의 위치를 상기 엔코더(500)로 측정하여 제어 신호값으로 설정하고 상기 제어 신호값을 상기 회전자(310)의 위치를 연산하는 위치계산식에 적용하여 제어값으로 변환하는 제어 신호값 변환단계(S10);
    상기 제어값으로 상기 회전자(310)를 제어하는 회전자 제어단계(S20);
    상기 회전자(310)의 위치를 상기 홀센서(400)로 측정하여 기준 신호값으로 설정하는 기준 신호값 설정단계(S30);
    상기 기준 신호값이 측정되는 측정구간 내에서 측정되는 상기 제어 신호값을 카운팅하여 개수가 최대가 되는 값을 최대 카운팅값으로 설정하고, 개수가 최소가 되는 값을 최소 카운팅값으로 설정하고 갱신하는 카운팅값 설정단계(S40); 및
    상기 최대 카운팅값과 상기 최소 카운팅값을 비교하여 상기 엔코더(500)의 이상 유무를 판단하는 엔코더 이상유무 판단단계(S50);
    를 포함하는 전동공구의 정밀 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 엔코더(500)가 이상이 있는 것으로 판단되면,
    상기 측정구간은 상기 기준 신호값이 측정되고 다른 기준 신호값으로 변하다가 다시 동일한 상기 기준 신호값으로 측정되기까지의 구간을 보정 측정구간(L1)으로 설정하고, 상기 보정 측정구간(L1)에서 카운팅된 상기 제어 신호값으로 상기 제어값을 보정하는 제어값 보정단계(S60);
    를 더 포함하는 전동공구의 정밀 제어방법.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 카운팅값 설정단계(S40)에서,
    상기 측정구간은 상기 기준 신호값이 측정되고 다른 기준 신호값으로 측정되기까지의 구간인 것으로 하는 전동공구의 정밀 제어방법.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 엔코더 이상유무 판단단계(S50)에서,
    상기 최대 카운팅값에서 상기 최소 카운팅값을 뺀 오차값이 미리 설정된 허용범위를 초과하면 상기 엔코더(500)가 이상 상태라고 판단하는 전동공구의 정밀 제어방법.

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KR102291032B1 (ko) 2019-02-21 2021-08-20 계양전기 주식회사 전동 공구 및 이의 제어 방법
KR20210134818A (ko) 2019-04-15 2021-11-10 밀워키 일렉트릭 툴 코포레이션 전동 공구용 센서리스 모터 제어

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