WO2013009014A1 - 양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 가능한 마그네틱 서보 액츄에이터 - Google Patents

양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 가능한 마그네틱 서보 액츄에이터 Download PDF

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WO2013009014A1
WO2013009014A1 PCT/KR2012/004936 KR2012004936W WO2013009014A1 WO 2013009014 A1 WO2013009014 A1 WO 2013009014A1 KR 2012004936 W KR2012004936 W KR 2012004936W WO 2013009014 A1 WO2013009014 A1 WO 2013009014A1
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gear
rotor
rotation
motor
magnetic
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PCT/KR2012/004936
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Inventor
양석우
박상빈
문성철
Original Assignee
(주)아모스텍
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
    • H02K29/08—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using magnetic effect devices, e.g. Hall-plates, magneto-resistors

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic servo actuator that can be widely applied in the fields of intelligent robot, RC, industrial equipment and medical equipment requiring bidirectional rotation and precise position control within 360 °.
  • servo actuators Conventional servo actuators (servo actuators) are mainly used for position control purposes, and in order to operate faithfully, fast and accurate movements are required.
  • positioning control Accurately stopping the target position is called “ positioning ", and this control is called “ positioning control ".
  • the positioning control is always equipped with a detector (encoder) for detecting the rotational state of the motor in order to accurately detect the rotational state of the motor.
  • the conventional servo actuator (Servo Actuator) has a problem that it is difficult to precise position control to be precisely positioned at a specific rotation angle during rotation of the motor because the position control value is fed back through a potentiometer.
  • the present invention can output the bi-directional rotation while increasing the output torque, and penetrates the power transmission shaft to install a ring-shaped magnetic at the bottom of the final output gear, which is generated when the final output gear rotates It can be used for feedback control by detecting the value of magnetic field through Hall sensor, so it can precisely control the position to be precisely positioned at a certain rotation angle when the motor rotates, and it can be manufactured slim by constructing each device inside the actuator body.
  • the result is a magnetic servo that reduces power consumption and enables bidirectional rotation and precise position control within 360 °, which can be widely used for intelligent robots, industrial devices, and RCs as well as medical devices.
  • the purpose is to provide an actuator.
  • both the upper and lower rotors are rotated at the same torque and the same torque, and the hall sensor detects a change in the magnetic field force of the magnetic during rotation to control the amplified value.
  • the AMOS type magnetic servo actuator 100 is controlled by feeding back and controlling it to be positioned according to the set rotation angle.
  • the AMOS type magnetic servo actuator 100 has a rectangular box-like structure, and a rotor is formed to protrude from the top and bottom surfaces thereof, and protects and protects each device from the impact of external pressure. ,
  • main driver gear 140 which rotates in engagement with the reducer, receives the rotational force and transmits the final output gear of the power transmission shaft
  • a power transmission shaft 150 which connects the rotor formed by protruding the upper and lower surfaces to a single shaft and rotates at the same torque and the same torque;
  • a final output gear 160 positioned on the power transmission shaft and connected to the main driver gear to receive rotational force from the main driver gear to rotate the power transmission shaft;
  • Ring-shaped magnetic 170 and penetrating the power transmission shaft is located at the bottom of the final output gear to transmit the deflection value of the magnetic field to the Hall sensor when rotating 1 ° ⁇ 360 °,
  • Hall sensor 180 which is located at the bottom of the ring-shaped magnetic, detects the movement of the magnetic field associated with the position of the rotor and converts the deflection value of the magnetic field received from the ring-shaped magnetic into a voltage to transmit to the actuator control module,
  • Actuator control module which is located at the lower end of the actuator body while penetrating the power transmission shaft, amplifies the value detected from the hall sensor to perform PID control, and then feeds back to control the operation of the DC motor to be positioned according to the set rotation angle. 190) characterized in that.
  • the present invention it is possible to output the bidirectional rotation while increasing the output torque, and to precisely control the position to be precisely positioned at a specific rotation angle when the motor rotates, thereby requiring the bidirectional rotation and the precise position control. It can be widely applied to robots, industrial devices and RC and medical devices, can be made slim, and can be used semi-permanently without physical friction in the feedback part.
  • FIG. 1 is an external perspective view showing the components of a magnetic servo actuator capable of bidirectional rotation and precise position control within 360 ° according to the present invention
  • FIG. 2 is an internal perspective view showing the components of a magnetic servo actuator capable of bidirectional rotation and precise position control within 360 ° according to the present invention
  • FIG. 3 is an internal cross-sectional view showing the components of the magnetic servo actuator capable of bidirectional rotation and precise position control within 360 ° according to the present invention
  • FIG. 4 is an internal circuit diagram of a hall sensor according to the present invention.
  • FIG. 5 is a structural diagram showing a structure of a hall sensor according to the present invention.
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing the components of the actuator control module 190 according to the present invention.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing the configuration of a motor driver 196 according to the present invention.
  • FIG 8 is an internal perspective view showing that the sub gear box 100a is coupled to the lower end of the actuator body according to the present invention
  • FIG. 9 is an exploded perspective view showing the components of the sub-gear box 100a detachably coupled to the lower end of the actuator body according to the present invention.
  • FIG. 10 is a view illustrating an operation in which upper and lower end rotors of a magnetic servo actuator capable of bidirectional rotation and precise position control within 360 ° according to the present invention are rotated in the same direction.
  • FIG. 11 is a sub-gear box 100a detachably formed at the lower end of the magnetic servo actuator capable of bidirectional rotation and precise position control within 360 ° according to the present invention, and the upper and lower end rotors rotate in opposite directions.
  • One embodiment also illustrates the operation.
  • AMOS type magnetic servo actuator described in the invention means a AMOS "AMOS” of the "Tech Co., Amos (AMO STEC)" of the present applicant.
  • the AMOS type magnetic servo actuator according to the present invention has a feature capable of bidirectional rotation and precise position control within 360 °.
  • the bidirectional rotation is a rotor formed on the top surface of the actuator body 110 and the rotor formed on the bottom surface is rotated in the same direction, or if the rotor formed on the top surface is rotated clockwise, the rotor formed on the bottom surface is half It is rotated clockwise to rotate in opposite directions.
  • FIG. 1 is an external perspective view showing the components of a magnetic servo actuator capable of bidirectional rotation and precise position control within 360 ° according to the present invention
  • FIG. The internal perspective view showing the components of the magnetic servo actuator capable of precise position control, which rotates both the upper and lower rotor shafts at the same torque and the same torque, and changes the magnetic field force of the magnetic when rotating.
  • the AMOS type magnetic servo actuator 100 is configured to control the sensor to be correctly positioned according to the set rotation angle by feeding back the amplified value to the controller.
  • the AMOS type magnetic servo actuator 100 includes an actuator body 110, a DC motor 120, a reducer 130, a main driver gear 140, a power transmission shaft 150, a final output gear 160, and a ring type magnetic. 170, the hall sensor 180, and the actuator control module 190.
  • the actuator body 110 has a rectangular box-like structure, the rotor is formed to protrude from the top and bottom surfaces, and serves to protect and support each device from the impact of external pressure.
  • It is made of plastic or aluminum, and is divided into an upper layer, an intermediate layer, and a bottom layer in an inner space.
  • the upper layer includes a reduction gear, a main driver gear, an upper end of a power transmission shaft, a final output gear, a ring magnetic and a hall sensor.
  • the intermediate layer is composed of a power transmission shaft stop, a DC motor.
  • the bottom layer includes a power transmission shaft lower end and an actuator control module.
  • the upper, middle, and bottom layers of the actuator body according to the present invention include a DC motor 120, a reducer 130, a main driver gear 140, a power transmission shaft 150, a final output gear 160, and a ring type magnetic 170. Since the housing frame is pre-formed to accommodate the hall sensor 180 and the actuator control module 190 in a 1: 1 ratio, the assembling can be easily made slim.
  • Rotors are formed to protrude from the top and bottom surfaces of the actuator body according to the present invention.
  • the rotor is made of a disk shape, combined with the intelligent robot and RC, accessories of industrial equipment or medical equipment to rotate 1 ° ⁇ 360 °, and serves as a medium for positioning on a specific rotation angle of the rotation angle in accordance with the control signal .
  • the DC motor 120 is built into the inner side of the actuator body serves to generate a rotation force (RPM).
  • the rotational force is generated by the repulsion and the suction force of the magnetic force by changing the direction of the current flowing through the armature.
  • the DC driver of the actuator control module is connected to one side, and the reducer is connected to the other side.
  • the DC motor has a large starting torque, linearly proportional to the rotational voltage with respect to the applied voltage, linearly proportional to the output current with respect to the input current, and high output efficiency.
  • the current is controlled by the microcomputer of the actuator control module is configured to control the rotation speed and torque.
  • the reducer 130 is positioned on the upper end of the rotation shaft of the DC motor, and serves to reduce the torque and increase the torque.
  • the pinion shaft is configured at a position connected to the DC motor, and the first drive gear and the second drive gear are configured at the tip of the pinion shaft.
  • the second drive gear is connected while the first auxiliary driver gear of the main driver gear is engaged.
  • the main driver gear 140 rotates in engagement with the reduction gear, and receives the rotational force to transmit the final output gear of the power transmission shaft.
  • the first auxiliary driver gear 141 is configured to be engaged with the second drive gear of the reducer to receive the rotational force, and is engaged with the final output gear of the power transmission shaft at the lower end of the first auxiliary driver gear, thereby transmitting the rotational force to the final output gear.
  • the second auxiliary driver gear 142 is configured.
  • the power transmission shaft 150 connects the rotor formed by protruding on the upper and lower surfaces to a single shaft, and serves to rotate at the same torque and the same torque.
  • the second auxiliary driver gear of the main driver gear is connected to the final output gear, the rotational force is transmitted to rotate the rotor of the upper surface and the rotor of the lower surface at the same rotational speed and the same torque.
  • the final output gear 160 is located on the power transmission shaft and connected to the main driver gear, and receives the rotational force from the main driver gear to rotate the power transmission shaft.
  • the ring-shaped magnetic 170 is located in the lower end of the final output gear while penetrating the power transmission shaft, and serves to transmit the deflection value of the magnetic field to the Hall sensor when rotating 1 ° ⁇ 360 °.
  • the final output gear is configured at the top
  • the hall sensor is configured at the bottom.
  • the Hall sensor 180 is located at the bottom of the ring-shaped magnetic, and detects the movement of the magnetic field associated with the position of the rotor to convert the deflection value of the magnetic field received from the ring-shaped magnetic into a voltage to transfer to the actuator control module.
  • the sensor using the Hall Effect includes a Hall effect IC, an amplifier, and a switching device.
  • the Hall sensor according to the present invention uses a method in which the output voltage is linearly output with respect to the magnetic flux density.
  • the position is controlled by reading a voltage value that varies linearly with the strength of the magnetic field.
  • the actuator control module 190 is located at the bottom of the actuator body while penetrating the power transmission shaft, amplifies the value detected from the hall sensor, feeds back the feedback value, and rotates the feedback value and the input (command value) by PID control. It controls the operation of the DC motor so that it is correctly positioned at an angle.
  • a power supply unit 191 a DC-DC converter unit 192, a signal data interface (Signal Data Interface) 193, a microcomputer unit 194, an amplifier 195, a motor driver 196.
  • a power supply unit 191 a DC-DC converter unit 192, a signal data interface (Signal Data Interface) 193, a microcomputer unit 194, an amplifier 195, a motor driver 196.
  • the power supply unit 191 is supplied with commercial power serves to supply power to each device.
  • the DC-DC converter 192 serves to apply power to the microcomputer by stepping down the power supplied from the power supply to the DC-DC step.
  • the signal data interface 193 interconnects an external controller and a data interface through PWM communication and PCM communication.
  • the signal data interface 193 includes a PWM communication module and a PCM communication module.
  • the PWM (Pulse Wide Modulation) communication module has a one-way communication, the input refresh frequency is 50Hz (20mS), the pulse wide range is 0.9 ⁇ 2.1mS, the center (Center) has the characteristics of 1.5mS.
  • PCM pulse code modulation
  • the microcomputer 194 is connected to a DC-DC converter, a signal data interface, an amplifier, a motor driver, and a hall sensor to control the overall operation of each device, amplify a value detected from the hall sensor, and feed back. After PID control of feedback value and input (command value), it controls DC motor's operation to be set according to the set rotation angle.
  • the stabilized power supply (3.3V) is applied from the DC-DC converter through pins 4 and 6 of U1 connected to the power supply terminal (Vcc), and a signal data interface is connected to the transmission terminal (TXD) to connect an external controller and data.
  • Communicates, and crystal oscillation element (X1) is connected to oscillator (OSC1, OSC2) terminal and oscillates at 8Mhz, and input voltage is checked through resistors R1 and R7 connected to pin 28 (PC5 / ADC5) of U1 Check the voltage and over voltage, and connect the motor driver's forward and reverse mode through the resistors R10 and R12 to the output terminals PD7 / A1N1, and output the PWM drive signal to the motor driver. It rotates by 0.2 ⁇ 0.5 ° forward and backward to control the position so that it can be positioned at a specific rotation angle.
  • the amplifier is connected to the input terminal PC0 / ADC0 and receives the amplified Hall sensor measurement value.
  • the microcomputer receives command data from pins 30 and 12 of the input terminal U1, and outputs the result value to the motor driver through the feedback value of the Hall sensor and the PID (Propotional-Integral-Derivative Proportional Integral Differential) control process. Let's do it.
  • PID Propotional-Integral-Derivative Proportional Integral Differential
  • the PID controller has a form of a feedback controller, and calculates an error by measuring an output value of an object to be controlled and comparing it with a desired reference value or a setpoint.
  • the error value is used to calculate a control value necessary for control.
  • PID controller is configured to calculate a control value (MV) by adding three terms (proportional term, integral term, derivative term), as shown in equation (1).
  • Proportional-Integral-Derivative because they are proportional to the error value, the integral of the error value, and the derivative of the error value.
  • the proportional term acts in proportion to the magnitude of the error value in the current state.
  • the integral term serves to eliminate the steady state error.
  • the derivative term brakes abrupt changes in the output value to reduce overshoot and improve stability.
  • the microcomputer unit calculates an error by measuring an output value of an object to be controlled through a PID controller and comparing it with a desired reference value or a setpoint.
  • the error value it is possible to calculate the exact control value to be rotated by 0.2 ⁇ 0.5 ° angle among the 1 ⁇ 360 ° rotation angles so as to be exactly positioned at a specific rotation angle.
  • the amplifying unit 195 amplifies the value measured by the hall sensor and transmits the amplified unit to the microcomputer unit.
  • the motor driver 196 serves to PWM drive the DC motor clockwise and counterclockwise under the control of the microcomputer unit.
  • H-bridge circuit composed of FETs Q1, Q2, Q3, and Q4, and freely drives the DC motor clockwise (CW) and counterclockwise (CCW). Is done by PWM method.
  • the PWM method refers to a method of driving a motor drive power supply by turning on / off a pulse at a predetermined cycle and modulating the duty ratio (ratio of on time and off time) of the pulse.
  • a forward rotation mode in which a current flows from the FET Q1 to Q4 and the DC motor rotates forward, and when only the FETs Q2 and Q3 are turned on, the current flows from the FET Q2 to Q3.
  • It consists of a reverse rotation mode in which current flows to reverse the DC motor, and a brake mode in which only the FETs Q3 and Q4 are turned on at the same time and current flows from the FET Q3 to Q4 to stop the DC motor.
  • the DC motor can be driven freely clockwise and counterclockwise through the forward rotation mode, reverse rotation mode, and brake mode, and rotate by 0.2 to 0.5 ° angle among 1 to 360 ° rotation angles.
  • the position can be controlled as much as possible.
  • the AMOS type magnetic servo actuator 100 includes a sub gear box 100a as shown in FIGS. 8 and 9.
  • the sub gear box 100a is detachably connected to the power transmission shaft 150 connected to the rotor of the lower surface, thereby rotating the rotor rotation direction of the lower surface in a direction opposite to the rotor rotation direction of the upper surface. Play a role.
  • the first gear is formed in the body of the rectangular box is connected to the power transmission shaft 150 is connected to the rotor of the lower surface, the first gear is formed by engaging the layered second gear (100a-2), the layered second
  • the third gear 100a-3 is formed on the upper end side of the gear 100a-2, and the writing gear 100a-4 is formed on the one side of the third gear 100a-3 to form a single module.
  • the first gear 100a-1 is connected to the power transmission shaft 150 connected to the rotor of the lower surface, and is rotated in the same direction as the rotational direction transmitted from the rotor of the upper surface, so that the rotational force is a layered second gear. It serves to deliver.
  • the layered second gear (100a-2) is formed of a layer structure of the upper and lower, the upper end is formed in engagement with the third gear, the lower end is formed in engagement with the first gear, while rotating in the direction opposite to the rotation direction of the first gear
  • the third gear serves to transmit the rotational force of the first gear in the opposite direction.
  • the third gear 100a-3 is formed while one side is engaged with the layered second gear and the other side is formed while being engaged with the forcing gear, and serves to transfer the opposite rotational force of the first gear received from the layered second gear to the forcing gear. do.
  • the forcing gear (100a-4) is formed on one side is engaged with the third gear, the rotor of the lower surface is inserted into the upper central axis, receiving the rotational force of the first gear received from the third gear to receive the rotation of the lower surface It serves to rotate the former in the direction opposite to the rotor rotation direction of the top surface.
  • the forward rotation mode output signal is sent to the motor driver under the control of the microcomputer unit, the forward rotation mode is driven by the motor driver to drive the DC motor.
  • RPM Motor RPM * It is defined as reduction gear ratio.
  • the main driver gear 140 receives the rotational force from the second gear and transmits the final output gear of the power transmission shaft.
  • the hall sensor 180 senses the movement of the magnetic field associated with the position of the rotor, and converts the deflection value of the magnetic field received from the ring-shaped magnetic into a voltage to transfer it to the microcomputer unit.
  • the microcomputer measures the output value of the Hall sensor through the PID controller, calculates an error by comparing it with a desired reference value or a setpoint, and uses the error value. After calculating the exact control value so that it is precisely positioned at the specific rotation angle by rotating it by 0.2 ⁇ 0.5 ° angle among 1 ⁇ 360 ° rotation angle, it sends PWM drive signal to the motor driver.
  • the DC motor is driven, and the rotors formed on the upper and lower surfaces of the actuator body are rotated by 0.2 to 0.5 degrees of 1 to 360 degrees of rotation, and are positioned at specific rotation angles.
  • the speed reducer (CCW) of the DC motor is transmitted from the reducer to reduce the rotational force (RPM) and raise the torque to transmit the first auxiliary driver gear 141 of the main driver gear 140.
  • the main driver gear 140 receives the counterclockwise (CCW) rotation decelerated through the speed reducer and the torque is increased, and is transmitted to the final output gear through the second auxiliary driver gear.
  • CCW counterclockwise
  • the final output gear 160 receives the counterclockwise rotation (CCW) from the main driver gear to rotate the power transmission shaft in the counterclockwise direction (CCW).
  • the rotor formed on the upper and lower surfaces is rotated at the same torque and the same torque as the counterclockwise (CCW) rotation output from the final output gear on the power transmission shaft 150.
  • the gearhead receives the clockwise rotation of the DC motor in the reducer, thereby reducing the rotational force RPM and raising the torque to transmit the first auxiliary driver gear 141 of the main driver gear 140.
  • the main driver gear 140 receives the clockwise CW rotation decelerated through the speed reducer and the torque is increased, and is transferred to the final output gear through the second auxiliary driver gear.
  • the final output gear 160 receives the clockwise CW rotation from the main driver gear to rotate the power transmission shaft clockwise.
  • the rotor formed on the upper surface is rotated in the clockwise direction CW in accordance with the clockwise rotation of the CW output from the final output gear on the power transmission shaft 150.
  • the first gear 100a-1 of the sub gear box connected to the power transmission shaft 150 connected to the rotor of the lower surface is also rotated in the clockwise direction CW.
  • the second gear 100a rotates in the counterclockwise direction CCW, which is the direction opposite to the rotation direction of the first gear, and transmits the counterclockwise rotation of the third gear.
  • the AMOS type magnetic servo actuator 100 can rotate the rotor on the upper surface in the counterclockwise direction (CCW) and the rotor on the lower surface in the clockwise direction (CW).
  • the rotor of the upper and lower cross-section is rotated in the opposite direction can be used as an actuator that acts as a walk of the intelligent robot, it is possible to implement the shoulder (Shoulder) of the human robot to implement a small robot It is possible.
  • the gear structure is manufactured in a small and micro type, it is possible to implement a micro robot for medical devices.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

본 발명은 양방향 회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 필요한 지능형로봇, RC, 산업기기와 의료기기 분야에 폭넓게 응용시킬 수 있는 것으로, 최종출력기어의 회전시 발생되는 자기장 값을 홀센서를 통해 검출해서 피드백 제어용으로 사용할 수 있어, 모터의 회전시 특정회전각도에서 정위치되도록 정밀하게 위치제어시킬 수 있으며, 액츄에이터본체 내부에 각 기기를 내장시켜 구성함으로서, 슬림하게 제작할 수 있고, 이로 인해, 전력소비를 줄일 수 있고, 지능형로봇, 산업기기 및 RC(Radio Control) 뿐만 아니라 의료기기에까지 널리 광범위하게 사용할 수 있는 양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 가능한 마그네틱 서보 액츄에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 가능한 마그네틱 서보 액츄에이터
본 발명은 양방향 회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 필요한 지능형로봇, RC, 산업기기와 의료기기 분야에 폭넓게 응용시킬 수 있는 마그네틱 서보 액츄에이터에 관한 것이다.
기존의 서보 액츄에이터(Servo Actuator)는 주로 위치 제어를 목적으로 사용하며 충실하게 동작하기 위해서는, 빠르고 정밀도가 좋은 움직임이 요구된다.
목표 위치에 정밀도 있게 정지시키는 것을 "위치 결정" 이라고 하며,이러한 제어를 "위치 결정 제어"라고 부른다.
위치 결정 제어에는 항상 모터의 회전 상태를 정확하게 감지하기 위하여 모터의 회전 상태를 검출하는 검출기(인코더)가 장착되고 있다.
기존 서보 액츄에이터(Servo Actuator)에는 포텐션미터(Potentiometer)를 통해 위치 제어값을 피드백 받기 때문에 모터의 회전시 특정회전각도에서 정위치되도록 하기 위한 정밀한 위치제어가 어려운 문제점이 있었다.
또한, 포텐션미터의 기구학적인 마찰로 인하여 장기간 사용시 카본막이 손상되고 이로 인하여 정밀한 제어가 되지 않으며 수명 또한 한계가 있는 문제점이 있다.기존 포텐션미터의 기구적인 문제는 단방향으로 회전되기 때문에 양방향 회전시, 또 하나의 서보 액츄에이터가 별도로 구비되어야 하므로, 부피가 커지고, 전력소비가 많이 소비되는 문제점이 있었다.
상기의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 출력토오크를 높이면서 양방향 회전을 출력시킬 수 있고, 동력전달 축에 관통되면서 최종출력기어의 하단에 링형 마그네틱을 설치함으로서, 최종출력기어의 회전시 발생되는 자기장 값을 홀센서를 통해 검출해서 피드백 제어용으로 사용할 수 있어, 모터의 회전시 특정회전각도에서 정위치되도록 정밀하게 위치제어시킬 수 있으며, 액츄에이터본체 내부에 각 기기를 내장시켜 구성함으로서, 슬림하게 제작할 수 있고, 이로 인해, 전력소비를 줄일 수 있고, 지능형로봇, 산업기기 및 RC(Radio Control) 뿐만 아니라 의료기기에까지 널리 광범위하게 사용할 수 있는 양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 가능한 마그네틱 서보 액츄에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 상단과 하단의 회전자 양축을 동일한 회전속도와 동일한 토오크(Torque)로 회전시키고, 회전시 마그네틱의 자기장 힘의 변화를 홀 센서가 검출하여 증폭된 값을 제어부로 피드백시켜서 설정된 회전각도에 맞게 정위치되도록 제어하는 AMOS형 마그네틱 서보 액츄에이터(100)가 구성됨으로서 달성된다.
상기 AMOS형 마그네틱 서보 액츄에이터(100)는 사각박스형상의 구조로 이루어지고, 상단면과 하단면에 회전자가 돌출되어 형성되며, 각 기기를 외압의 충격으로부터 보호하고, 지지하는 액츄에이터 본체(110)와,
액츄에이터 본체의 내부 일측에 내장되어 회전력(RPM)을 생성시키는 DC 모터(120)와,
DC 모터의 회전 축 상단에 위치되어, 회전력(RPM)을 감속시키고 토오크를 올리는 감속기(130)와,
감속기와 맞물리며 회전되면서, 회전력을 전달받아 동력전달 축의 최종출력기어로 전달시키는 메인 드라이버 기어(140)와,
상단면과 하단면에 돌출되어 형성된 회전자를 하나의 축으로 연결시켜, 동일한 회전속도와 동일한 토오크(Torque)로 회전시키는 동력전달 축(150)과,
동력전달 축 상에 위치되어 메인 드라이버 기어와 연결되면서, 메인 드라이버 기어로부터 회전력을 전달받아 동력전달 축을 회전시키는 최종출력기어(160)와,
동력전달 축에 관통되면서 최종출력기어의 하단에 위치되어, 1°~360°회전시 자기장의 편향값을 홀 센서로 전달시키는 링형 마그네틱(170)과,
링형 마그네틱 하단에 위치되어, 회전자의 위치와 연관된 자계의 이동을 감지하여 링형 마그네틱으로부터 전달받은 자기장의 편향값을 전압으로 바꿔 액츄에이터제어모듈로 전달시키는 홀 센서(180)와,
동력전달 축에 관통되면서 액츄에이터 본체의 하단에 위치되어, 홀센서로부터 검출된 값을 증폭시켜 PID제어를 한 후, 피드백시켜 설정된 회전각도에 맞게 정위치되도록 DC 모터의 동작을 제어시키는 액츄에이터제어모듈(190)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 출력토오크를 높이면서 양방향 회전을 출력시킬 수 있고, 모터의 회전시 특정회전각도에서 정위치되도록 정밀하게 위치제어시킬 수 있어, 양방향 회전과 정밀위치제어가 필요한 지능형로봇, 산업기기 및 RC와 의료기기에까지 폭넓게 응용시킬 수 있고, 슬림하게 제작할 수 있고, 피드백 받는 부분에 물리적인 마찰이 없이 반영구적으로 사용할 수 있는 좋은 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 가능한 마그네틱 서보 액츄에이터의 구성요소를 도시한 외부사시도,
도 2는 본 발명에 따른 양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 가능한 마그네틱 서보 액츄에이터의 구성요소를 도시한 내부사시도,
도 3은 본 발명에 따른 양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 가능한 마그네틱 서보 액츄에이터의 구성요소를 도시한 내부단면도,
도 4는 본 발명에 따른 홀센서의 내부회로도,
도 5는 본 발명에 따른 홀센서의 구조를 도시한 구조도,
도 6은 본 발명에 따른 액츄에이터제어모듈(190)의 구성요소를 도시한 회로도,
도 7은 본 발명에 따른 모터드라이버(196)의 구성을 도시한 회로도,
도 8은 본 발명에 따른 액츄에이터 본체의 하단에 서브 기어 박스(100a)가 결합되어 구성된 것을 도시한 내부사시도,
도 9는 본 발명에 따른 액츄에이터 본체의 하단에 탈부착식으로 결합되는 서브 기어 박스(100a)의 구성요소를 도시한 분해사시도,
도 10은 본 발명에 따른 양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 가능한 마그네틱 서보 액츄에이터의 상·하단면 회전자가 서로 동일방향으로 회전되는 동작을 도시한 일실시예도,
도 11은 본 발명에 따른 양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 가능한 마그네틱 서보 액츄에이터의 하단에 서브 기어 박스(100a)가 탈부착식으로 구성되어, 상·하단면 회전자가 서로 반대방향으로 회전되는 동작을 도시한 일실시예도.
먼저, 본 발명에서 설명되는 AMOS 형 마그네틱 서보 액츄에이터에서 AMOS 는 본 출원인인 "주식회사 아모스텍( AMO STEC)"의 " AMOS "를 의미한다.
본 발명에 따른 AMOS 형 마그네틱 서보 액츄에이터는 양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어를 할 수 있는 특징이 있다.
여기서, 양방향회전은 액츄에이터 본체(110)의 상단면에 형성된 회전자와 하단면에 형성된 회전자가 동일방향으로 회전되거나, 또는 상단면에 형성된 회전자가 시계방향으로 회전되면, 하단면에 형성된 회전자가 반시계방향으로 회전되어 서로 반대방향으로 회전되는 것을 말한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 가능한 마그네틱 서보 액츄에이터의 구성요소를 도시한 외부사시도에 관한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 가능한 마그네틱 서보 액츄에이터의 구성요소를 도시한 내부사시도에 관한 것으로, 이는 상단과 하단의 회전자 양축을 동일한 회전속도와 동일한 토오크(Torque)로 회전시키고, 회전시 마그네틱의 자기장 힘의 변화를 홀 센서가 검출하여 증폭된 값을 제어부로 피드백시켜서 설정된 회전각도에 맞게 정위치되도록 제어하는 AMOS형 마그네틱 서보 액츄에이터(100)가 구성된다.
상기 AMOS형 마그네틱 서보 액츄에이터(100)는 액츄에이터 본체(110), DC 모터(120), 감속기(130), 메인 드라이버 기어(140), 동력전달 축(150), 최종출력기어(160), 링형 마그네틱(170), 홀 센서(180), 액츄에이터제어모듈(190)로 구성된다.
먼저, 본 발명에 따른 액츄에이터 본체(110)에 관해 설명한다.
상기 액츄에이터 본체(110)는 사각박스형상의 구조로 이루어지고, 상단면과 하단면에 회전자가 돌출되어 형성되며, 각 기기를 외압의 충격으로부터 보호하고, 지지하는 역할을 한다.
이는 플라스틱 재질 또는 알루미늄 재질로 이루어지고, 내부공간에 상층과 중간층, 그리고, 바닥층으로 나뉘어 구성된다.
상기 상층에는 감속기, 메인드라이버기어, 동력전달 축 상단부, 최종출력기어, 링형 마그네틱, 홀 센서가 구성된다.
상기 중간층에는 동력전달 축 중단부, DC 모터가 구성된다.
상기 바닥층에는 동력전달 축 하단부, 액츄에이터제어모듈이 구성된다.
본 발명에 따른 액츄에이터 본체의 상층, 중간층, 바닥층에는 DC 모터(120), 감속기(130), 메인 드라이버 기어(140), 동력전달 축(150), 최종출력기어(160), 링형 마그네틱(170), 홀 센서(180), 액츄에이터제어모듈(190)를 1:1로 수납해서 조립할 수 있도록 수납틀이 미리 형성됨으로서, 조립이 간단하게 슬림하게 제작할 수가 있다.
본 발명에 따른 액츄에이터본체의 상단면과 하단면에는 회전자가 돌출되어 형성된다.
여기서, 회전자는 원판형상으로 이루어져, 지능형로봇 및 RC, 산업기기나 의료기기의 부속품과 결합되어 1°~360°회전시키고, 제어신호에 따라 회전각도 중 특정회전각도 상에서 정위치시키는 매개체 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 DC 모터(120)에 관해 설명한다.
상기 DC 모터(120)는 액츄에이터 본체의 내부 일측에 내장되어 회전력(RPM)을 생성시키는 역할을 한다.
이는 고정자로 영구자석을 사용하고, 전기자로 코일을 사용하여 구성된다.
즉, 전기자에 흐르는 전류의 방향을 전환함으로써, 자력의 반발, 흡입력으로 회전력을 생성시킨다.
본 발명에 따른 DC 모터는 일측에 액츄에이터제어모듈의 DC 드라이버가 연결되고, 타측에 감속기가 연결된다.
상기 DC 모터는 기동 토크가 크고, 인가전압에 대하여 회전특성이 직선적으로 비례하고, 입력전류에 대하여 출력 토크가 직선적으로 비례하며, 출력 효율이 높은 특성을 가진다.
즉, 흘린 전류에 대해 토크는 선형 비례하고, 토크에 대해 회전수는 선형 반비례하므로, 큰 힘이 필요할 때는 전류를 많이 흘려보내면 된다.
본 발명에서는 회전 수나 토크를 일정하게 제어를 하기 위해, 전류를 액츄에이터 제어모듈의 마이컴부에서 제어하여 회전수와 토크를 제어하도록 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 감속기(130)에 관해 설명한다.
상기 감속기(130)는 DC 모터의 회전 축 상단에 위치되어, 회전력(RPM)을 감속시키고 토오크를 올리는 역할을 한다.
이는 DC 모터와 연결되는 위치에 피니언 샤프트가 구성되고, 피니언 샤프트 선단에 제1 구동기어와 제2 구동기어가 구성된다.
여기서, 제2 구동기어는 메인 드라이버 기어의 제1 보조드라이버 기어가 맞물리면서 연결된다.
다음으로, 본 발명에 따른 메인 드라이버 기어(140)에 관해 설명한다.
상기 메인 드라이버 기어(140)는 감속기와 맞물리며 회전되면서, 회전력을 전달받아 동력전달 축의 최종출력기어로 전달시키는 역할을 한다.
이는 감속기의 제2 구동기어와 맞물리면서 회전력을 전달받는 제1 보조드라이버 기어(141)가 구성되고, 제1 보조드라이버 기어의 하단에 동력전달 축의 최종출력기어와 맞물리면서, 최종출력기어로 회전력을 전달시키는 제2 보조드라이버 기어(142)가 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 동력전달 축(150)에 관해 설명한다.
상기 동력전달 축(150)은 상단면과 하단면에 돌출되어 형성된 회전자를 하나의 축으로 연결시켜, 동일한 회전속도와 동일한 토오크(Torque)로 회전시키는 역할을 한다.
이는 상단면의 회전자와 하단면의 회전자 사이를 하나의 축으로 연결시키되, 최종출력기어와 링형 마그네틱을 축 관통시켜 연결시킨다.
이로 인해, 최종출력기어에 메인드라이버기어의 제2 보조드라이버 기어가 연결되어, 회전력이 전달되어 상단면의 회전자와 하단면의 회전자를 동일한 회전속도 및 동일한 토오크로 회전시키게 된다.
다음으로, 본 발명에 따른 최종출력기어(160)에 관해 설명한다.
상기 최종출력기어(160)는 동력전달 축 상에 위치되어 메인 드라이버 기어와 연결되면서, 메인 드라이버 기어로부터 회전력을 전달받아 동력전달 축을 회전시키는 역할을 한다.
이는 동력전달 축 상에 관통되어 위치되고, 메인드라이버기어의 제2 보조드라이버 기어와 연결되어 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 링형 마그네틱(170)에 관해 설명한다.
상기 링형 마그네틱(170)는 동력전달 축에 관통되면서 최종출력기어의 하단에 위치되어, 1°~360°회전시 자기장의 편향값을 홀 센서로 전달시키는 역할을 한다.
이는 링형상으로 형성되어, 상단에 최종출력기어가 구성되고, 하단에 홀센서가 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 홀 센서(180)에 관해 설명한다.
상기 홀 센서(180)는 링형 마그네틱 하단에 위치되어, 회전자의 위치와 연관된 자계의 이동을 감지하여 링형 마그네틱으로부터 전달받은 자기장의 편향값을 전압으로 바꿔 액츄에이터제어모듈로 전달시키는 역할을 한다.
이는 도 4에서 도시한 바와 같이, 홀효과(Hall Effect)를 이용한 센서로 홀 이펙트 IC, 증폭기, 스위칭소자가 내장되어 구성된다.
여기서, 홀 이펙트 IC에 전류가 흐르는 상태에서 자계를 인가하면 전압이 변하는 원리로 작동하며, 홀 전압의 크기는 공급전류 및 영구자석의 세기에 따라 달라진다.
본 발명에 따른 홀센서의 구조적 원리는 도 5에서 도시한 바와 같이, 시편에 전류가 흐를 때, 전자나 양공(hole)이 외부 자기장에 의하여 로렌츠 힘(F=ev ×B)을 받게 되어 시편 양단에 전압(홀전압)이 발생하게 된다.
본 발명에 따른 홀센서는 자속밀도에 대하여 출력전압이 선형관계를 가지면서 선형 출력되는 방식을 이용한다.
즉, 자기장의 세기에 따라 선형 변화되는 전압값을 읽어서 위치를 제어한다.
다음으로, 본 발명에 따른 액츄에이터제어모듈(190)에 관해 설명한다.
상기 액츄에이터제어모듈(190)은 동력전달 축에 관통되면서 액츄에이터 본체의 하단에 위치되어, 홀센서로부터 검출된 값을 증폭시켜 피드백 시킨 후, 피드백 값과 입력(명령값)을 PID제어를 하여 설정된 회전각도에 맞게 정위치되도록 DC 모터의 동작을 제어시키는 역할을 한다.
이는 전원부(191), DC-DC 컨버터부(192), 시그널 데이터 인터페이스(Signal Data Interface)(193), 마이컴부(194), 증폭부(195), 모터 드라이버(196)로 구성된다.
상기 전원부(191)는 상용전원을 인가받아 각 기기에 전원을 공급시키는 역할을 한다.
이는 3.6~7.8V 등 그 이상의 DC의 전압범위를 갖는다.
상기 DC-DC 컨버터부(192)는 전원부로부터 공급받은 전원을 DC-DC 스텝 다운시켜 마이컴부로 전원을 인가시키는 역할을 한다.
이는 DC/DC 스텝 다운 컨버터로서 마이컴부에 안정화된 전원을 공급하며, DC 모터의 구동 토오크로 인한 전원 흔들림이 발생하여도 마이컴부에 안정화된 전원을 공급한다.
상기 시그널 데이터 인터페이스(Signal Data Interface)(193)는 PWM 통신과 PCM 통신을 통해 외부 컨트롤러와 데이터 인터페이스로 상호 연결시키는 것으로, 이는 PWM 통신모듈과 PCM 통신모듈로 구성된다.
상기 PWM(Pulse Wide Modulation) 통신모듈은 단방향 통신을 하며, 입력 리플레시 주파수는 50Hz(20mS)이고, 펄스 와이드 범위는 0.9~2.1mS, 센터(Center)는 1.5mS인 특성을 갖는다.
상기 PCM(Pulse code Modulation)은 양방향 통신이 가능하며, 16비트 시리얼 방식의 특성을 갖는다.
상기 마이컴부(194)는 DC-DC 컨버터부, 시그널 데이터 인터페이스, 증폭부, 모터드라이버, 홀센서가 연결되어, 각 기기의 전반적인 동작을 제어하고, 홀센서로부터 검출된 값을 증폭시켜, 피드백시킨 후 피드백 값과 입력(명령값)을 PID 제어하여 설정된 회전각도에 맞게 정위치 되도록 DC 모터의 동작을 제어시키는 역할을 한다.
이는 ATmega8로 구성된다.
즉, 전원단자(Vcc)에 연결된 U1의 4번과 6번핀을 통해 DC-DC 컨버터로부터 안정화된 전원(3.3V)을 인가받고, 송신단자(TXD)에 시그널 데이터 인터페이스가 연결되어 외부 컨트롤러와 데이터 통신을 하고, 오실레이터(OSC1, OSC2) 단자에 크리스탈 발진소자(X1)가 연결되어 8Mhz로 발진되며, U1의 28번 핀(PC5/ADC5)에 연결된 저항 R1과 R7을 통해 입력 전압을 체크하여 로우전압과 오버전압을 확인하고 , 출력단자(PD7/A1N1)에 저항 R10 ,R12를 통해 모터드라이버의 정회전모드와 역회전모드가 연결되어, 모터드라이버쪽으로 PWM구동신호를 출력시켜 1~360°중 0.2~0.5°각도씩 정(역)회전시켜 특정회전각도에 정위치 되도록 위치제어하고, 입력단자(PC0/ADC0)에 증폭부가 연결되어, 증폭된 홀센서 측정값을 입력받도록 구성된다.
본 발명에 따른 마이컴부는 입력단자 U1의 30번, 12번 핀으로부터 명령데이터를 받고, 홀 센서의 피드백 값과 PID(Propotional-Integral-Derivative 비례적분미분) 제어과정을 거쳐 결과값을 모터 드라이버로 출력시킨다.
상기 PID제어기는 피드백제어기의 형태를 가지고 있으며, 제어하고자 하는 대상의 출력값(output)을 측정하여 이를 원하고자 하는 참조값(reference value) 혹은 설정값(setpoint)과 비교하여 오차(error)를 계산하고, 그 오차값을 이용하여 제어에 필요한 제어값을 계산하는 구조를 갖는다.
본 발명에 따른 PID제어기는 수학식 1과 같이, 세개의 항(비례항, 적분항, 미분항)을 더하여 제어값(MV:Manipulated Variable)을 계산하도록 구성된다.
수학식 1
Figure PCTKR2012004936-appb-M000001
이 항들은 각각 오차값, 오차값의 적분, 오차값의 미분에 비례하기 때문에 비례-적분-미분 제어기(Propotional-Integral-Derivative)라는 명칭을 가진다.
상기 비례항은 현재상태에서의 오차값의 크기에 비례한 제어작용을 한다.
상기 적분항은 정상상태 오차를 없애는 작용을 한다.
상기 미분항은 출력값의 급격한 변화에 제동을 걸어 오버슛을 줄이고 안정성을 향상시킨다.
이처럼 본 발명에 따른 마이컴부에서는 PID제어기를 통해 제어하고자 하는 대상의 출력값(output)을 측정하여 이를 원하고자 하는 참조값(reference value) 혹은 설정값(setpoint)과 비교하여 오차(error)를 계산하고, 그 오차값을 이용하여 1~360°회전각도 중 0.2~0.5°각도씩 회전시켜 특정회전각도에 정위치되도록 정확한 제어값을 계산할 수가 있다.
상기 증폭부(195)는 홀센서에서 측정된 값을 증폭시켜 마이컴부로 전달시키는 역할을 한다.
이는 OP앰프로 구성된다.
상기 모터드라이버(196)는 마이컴부의 제어하에 DC모터를 시계방향과 반시계방향으로 PWM 구동시키는 역할을 한다.
이는 FET Q1,Q2,Q3,Q4로 이루어진 에이치브릿지회로(H-Bridge)로 구성되어, DC 모터를 시계방향(CW:ClockWise)과 반시계방향(CCW:Counter Clockwise)를 자유롭게 구동시키며, 구동방식은 PWM 방식으로 이루어진다.
상기 PWM 방식은 모터구동전원을 일정 주기로 온/오프하는 펄스형상으로 하고, 그 펄스의 듀티비(온 시간과 오프시간의 비)를 변조시킴으로서 구동시키는 방식을 말한다.
본 발명에 따른 모터드라이버는 FET Q1, Q4를 동시에 온시키면, FET Q1에서 Q4로 전류가 흘러 DC 모터를 정회전시키는 정회전모드와, FET Q2, Q3만 온시키면, 전류가 FET Q2에서 Q3로전류가 흘러 DC 모터를 역회전시키는 역회전모드와, FET Q3, Q4만을 동시에 온시키면 FET Q3에서 Q4로 전류가 흘러 DC 모터를 정지시키는 브레이크모드로 구성된다.
이러한, 정회전모드, 역회전모드, 브레이크모드를 통해 DC 모터를 시계방향, 시계반시계방향으로 자유로이 구동시키며, 1~360°회전각도 중 0.2~0.5°각도씩 회전시켜 특정회전각도에 정위치되도록 위치제어할 수가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 AMOS형 마그네틱 서보 액츄에이터(100)는 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 서브 기어 박스(100a)가 포함되어 구성된다.
상기 서브 기어 박스(100a)는 하단면의 회전자와 연결되는 동력전달 축(150)에 탈부착식으로 연결되어, 하단면의 회전자 회전방향을 상단면의 회전자 회전방향과 반대방향으로 회전시키는 역할을 한다.
이는 사각박스의 본체에 하단면의 회전자와 연결되는 동력전달 축(150)에 연결되는 퍼스트 기어가 형성되고, 퍼스트 기어 일측에 층상형 세컨드 기어(100a-2)가 맞물리며 형성되며, 층상형 세컨드 기어(100a-2)의 상단 일측에 써드기어(100a-3)가 맞물리며 형성되고, 써드기어(100a-3) 일측에 포쓰기어(100a-4)가 맞물리며 형성되어 하나의 모듈로 구성된다.
상기 퍼스트 기어(100a-1)는 하단면의 회전자와 연결되는 동력전달 축(150)에 연결되어, 상단면의 회전자로부터 전달된 회전방향과 동일방향으로 회전되면서, 층상형 세컨드 기어로 회전력을 전달시키는 역할을 한다.
상기 층상형 세컨드 기어(100a-2)는 상단과 하단의 층상 구조로 이루어지고, 상단부가 써드기어와 맞물리며 형성되고, 하단부가 퍼스트기어와 맞물리며 형성되어, 퍼스트 기어의 회전방향과 반대방향으로 회전되면서, 써드기어로 퍼스트기어의 반대방향 회전력을 전달시키는 역할을 한다.
상기 써드기어(100a-3)는 일측이 층상형 세컨드 기어와 맞물리면서 형성되고, 타측이 포쓰기어와 맞물리면서 형성되어, 층상형 세컨드 기어로부터 전달받은 퍼스트기어의 반대방향 회전력을 포쓰기어로 전달시키는 역할을 한다.
상기 포쓰기어(100a-4)는 일측이 써드기어와 맞물리면서 형성되고, 상단 중심축에 하단면의 회전자가 삽입 형성되어, 써드기어로부터 전달받은 퍼스트기어의 반대방향 회전력을 전달받아 하단면의 회전자를 상단면의 회전자 회전방향과 반대방향으로 회전시키는 역할을 한다.
이하, 본 발명에 따른 양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 가능한 마그네틱 서보 액츄에이터의 구체적인 동작과정에 관해 설명한다.
먼저, 입력버튼부에서 마이컴부로 명령데이터 신호가 입력되면, 마이컴부가 구동된다.
이어서, 마이컴부의 제어하에 모터드라이버로 정회전모드 출력신호를 보내면, 모터드라이버에서 정회전모드가 구동되어 DC 모터를 구동시킨다.
이어서, DC모터가 회전되면, 회전력이 감속기에 전달되고, 회전수는 감소한다. 설계된 감속비에 의하여 토오크가 상승하게 된다.
토오크(Torque) = Stall Torque * 감속기어비
회전수(RPM) = 모터 RPM * 감속기어비 로 정의된다.
이어서, 메인 드라이버 기어(140)가 세컨드 기어로부터 회전력을 전달받아 동력전달 축의 최종출력기어로 전달시킨다.
이어서, 동력전달 축(150)의 최종출력기어에 회전력이 전달되면, 액츄에이터 본체의 상단면과 하단면에 형성된 회전자(111, 112)를 동일한 회전속도와 동일한 토오크(Torque)로 회전시킨다.
이어서, 링형 마그네틱(170)에서 최종출력기어가 1~360°회전시 자기장의 편향값을 홀 센서로 전달시킨다.
이어서, 홀 센서(180)에서 회전자의 위치와 연관된 자계의 이동을 감지하고, 링형 마그네틱으로부터 전달받은 자기장의 편향값을 전압으로 바꿔 마이컴부로 전달시킨다.
이어서, 마이컴부에서 PID제어기를 통해 홀센서의 출력값(output)을 측정하여 이를 원하고자 하는 참조값(reference value) 혹은 설정값(setpoint)과 비교하여 오차(error)를 계산하고, 그 오차값을 이용하여 1~360°회전각도 중 0.2~0.5°각도씩 회전시켜 특정회전각도에 정위치되도록 정확한 제어값을 계산한 후, 모터 드라이버로 PWM 구동신호를 보낸다.
이어서, DC 모터가 구동되고, 액츄에이터 본체의 상단면과 하단면에 형성된 회전자가 1~360°회전각도 중 0.2~0.5°각도씩 회전되어 특정회전각도에 정위치된다.
[상·하단면의 회전자 : 서로 동일방향 회전동작]
먼저, 도 10에 도시한 바와 같이, 액츄에이터 본체의 내부에 위치한 DC 모터(120)가 반시계방향(CCW)으로 회전되면, 감속기쪽으로 반시계방향(CCW)의 회전이 전달된다.
이어서, 감속기에서 DC 모터의 반시계방향(CCW) 회전을 전달받아, 회전력(RPM)을 감속시키고 토오크를 올려서, 메인 드라이버 기어(140)의 제1 보조드라이버 기어(141)로 전달시킨다.
이어서, 메인 드라이버 기어(140)에서 감속기를 통해 감속되고 토오크가 올라간 반시계방향(CCW) 회전을 전달받아, 제2 보조드라이버 기어를 통해 최종출력기어로 전달시킨다.
이어서, 최종출력기어(160)에서 메인 드라이버 기어로부터 반시계방향(CCW) 회전을 전달받아 동력전달 축을 반시계방향(CCW)으로 회전시킨다.
이어서, 동력전달 축(150)에서 최종출력기어로부터 출력되는 반시계방향(CCW) 회전에 따라 상단면과 하단면에 형성된 회전자를 동일한 회전속도와 동일한 토오크(Torque)로 회전시킨다.
[상·하단면의 회전자 : 서로 반대방향 회전동작]
이는 액츄에이터 몸체 하단면의 회전자와 연결되는 동력전달 축(150)에 서브 기어 박스(100a)가 부착되어 구성된다.
먼저, 액츄에이터 본체의 내부에 위치한 DC 모터(120)가 시계방향(CW)으로 회전되면, 감속기쪽으로 시계방향(CW)의 회전이 전달된다.
이어서, 감속기에서 DC 모터의 시계방향(CW) 회전을 전달받아, 회전력(RPM)을 감속시키고 토오크를 올려서, 메인 드라이버 기어(140)의 제1 보조드라이버 기어(141)로 전달시킨다.
이어서, 메인 드라이버 기어(140)에서 감속기를 통해 감속되고 토오크가 올라간 시계방향(CW) 회전을 전달받아, 제2 보조드라이버 기어를 통해 최종출력기어로 전달시킨다.
이어서, 최종출력기어(160)에서 메인 드라이버 기어로부터 시계방향(CW) 회전을 전달받아 동력전달 축을 시계방향(CW)으로 회전시킨다.
이어서, 동력전달 축(150)에서 최종출력기어로부터 출력되는 시계방향(CW) 회전에 따라 상단면에 형성된 회전자를 시계방향(CW)으로 회전시킨다.
이어서, 하단면의 회전자와 연결되는 동력전달 축(150)에 연결된 서브 기어 박스의 퍼스트 기어(100a-1) 또한, 시계방향(CW)으로 회전시킨다.
이어서, 서브기어박스의 층상형 세컨드 기어(100a-2)에서 퍼스트 기어의 회전방향과 반대방향인 반시계방향(CCW)으로 회전되면서, 써드기어로 반시계방향(CCW)의 회전을 전달시킨다.
이어서, 써드기어(100a-3)에서 층상형 세컨드 기어로부터 전달받은 반시계방향(CCW)을 포쓰기어로 전달시킨다.
끝으로, 포쓰기어(100a-4)에서 써드기어로부터 전달받은 반시계방향(CCW)을 전달받아 하단면의 회전자를 시계방향(CW)으로 회전시킨다.
이로 인해, 본 발명에 따른 AMOS형 마그네틱 서보 액츄에이터(100)는 상단면의 회전자를 반시계방향(CCW)으로 회전시키고, 하단면의 회전자를 시계방향(CW)으로 회전시킬 수가 있다.
본 발명에서는 상·하단면의 회전자가 서로 반대방향 회전되는 동작을 통해 지능형 로봇의 보행 역할을 하는 액츄에이터로 사용이 가능하며, 휴먼 로봇의 숄더(Shoulder) 부분의 구현이 가능하게 되어 소형 로봇 구현이 가능하다. 그리고, 기어구조를 소형 및 마이크로 타입형태로 제작하여, 의료기기용 초소형 로봇구현이 가능하다.

Claims (5)

  1. 상단과 하단의 회전자 양축을 동일한 회전속도와 동일한 토오크(Torque)로 회전시키고, 회전시 마그네틱의 자기장 힘의 변화를 홀 센서가 검출하여 증폭된 값을 제어부로 피드백시켜서 설정된 회전각도에 맞게 정위치되도록 제어하는 AMOS형 마그네틱 서보 액츄에이터(100)가 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 가능한 마그네틱 서보 액츄에이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 AMOS형 마그네틱 서보 액츄에이터(100)는
    사각박스형상의 구조로 이루어지고, 상단면과 하단면에 회전자가 돌출되어 형성되며, 각 기기를 외압의 충격으로부터 보호하고, 지지하는 액츄에이터 본체(110)와,
    액츄에이터 본체의 내부 일측에 내장되어 회전력(RPM)을 생성시키는 DC 모터(120)와,
    DC 모터의 회전 축 상단에 위치되어, 회전력(RPM)을 감속시키고 토오크를 올리는 감속기(130)와,
    감속기와 맞물리며 회전되면서, 회전력을 전달받아 동력전달 축의 최종출력기어로 전달시키는 메인 드라이버 기어(140)와,
    상단면과 하단면에 돌출되어 형성된 회전자를 하나의 축으로 연결시켜, 동일한 회전속도와 동일한 토오크(Torque)로 회전시키는 동력전달 축(150)과,
    동력전달 축 상에 위치되어 메인 드라이버 기어와 연결되면서, 메인 드라이버 기어로부터 회전력을 전달받아 동력전달 축을 회전시키는 최종출력기어(160)와,
    동력전달 축에 관통되면서 최종출력기어의 하단에 위치되어, 1°~360°회전시 자기장의 편향값을 홀 센서로 전달시키는 링형 마그네틱(170)과,
    링형 마그네틱 하단에 위치되어, 회전자의 위치와 연관된 자계의 이동을 감지하여 링형 마그네틱으로부터 전달받은 자기장의 편향값을 전압으로 바꿔 액츄에이터제어모듈로 전달시키는 홀 센서(180)와,
    동력전달 축에 관통되면서 액츄에이터 본체의 하단에 위치되어, 홀센서로부터 검출된 값을 증폭시켜 PID제어를 한 후, 피드백시켜 설정된 회전각도에 맞게 정위치되도록 DC 모터의 동작을 제어시키는 액츄에이터제어모듈(190)로 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 가능한 마그네틱 서보 액츄에이터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 액츄에이터제어모듈(190)은
    상용전원을 인가받아 각 기기에 전원을 공급시키는 전원부(191)와,
    전원부로부터 공급받은 전원을 DC-DC 스텝 다운시켜 마이컴부로 전원을 인가시키는 DC-DC 컨버터부(192)와,
    PWM 통신과 PCM 통신을 통해 외부 컨트롤러와 데이터 인터페이스로 상호 연결시키는 시그널 데이터 인터페이스(Signal Data Interface)(193)와,
    DC-DC 컨버터부, 시그널 데이터 인터페이스, 증폭부, 모터드라이버, 홀센서가 연결되어, 각 기기의 전반적인 동작을 제어하고, 홀센서로부터 검출된 값을 증폭시켜 피드백시킨 후 PID 제어를 하고, 설정된 회전각도에 맞게 정위치되도록 DC 모터의 동작을 제어시키는 마이컴부(194)와,
    홀센서에서 측정된 값을 증폭시켜 마이컴부로 전달시키는 증폭부(195)와,
    마이컴부의 제어하에 DC모터를 시계방향과 반시계방향으로 PWM 구동시키는 모터 드라이버(196)로 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 가능한 마그네틱 서보 액츄에이터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 AMOS형 마그네틱 서보 액츄에이터(100)는
    하단면의 회전자와 연결되는 동력전달 축(150)에 탈부착식으로 연결되어, 하단면의 회전자 회전방향을 상단면의 회전자 회전방향과 반대방향으로 회전시키는 서브 기어 박스(100a)가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 가능한 마그네틱 서보 액츄에이터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 서브 기어 박스(100a)는
    하단면의 회전자와 연결되는 동력전달 축(150)에 연결되어, 상단면의 회전자로부터 전달된 회전방향과 동일방향으로 회전되면서, 층상형 세컨드 기어로 회전력을 전달시키는 퍼스트 기어(100a-1)와,
    상단과 하단의 층상 구조로 이루어지고, 상단부가 써드기어와 맞물리며 형성되고, 하단부가 퍼스트기어와 맞물리며 형성되어, 퍼스트 기어의 회전방향과 반대방향으로 회전되면서, 써드기어로 퍼스트기어의 반대방향 회전력을 전달시키는 층상형 세컨드 기어(100a-2)와,
    일측이 층상형 세컨드 기어와 맞물리면서 형성되고, 타측이 포쓰기어와 맞물리면서 형성되어, 층상형 세컨드 기어로부터 전달받은 퍼스트기어의 반대방향 회전력을 포쓰기어로 전달시키는 써드기어(100a-3)와,
    일측이 써드기어와 맞물리면서 형성되고, 상단 중심축에 하단면의 회전자가 삽입 형성되어, 써드기어로부터 전달받은 퍼스트기어의 반대방향 회전력을 전달받아 하단면의 회전자를 상단면의 회전자 회전방향과 반대방향으로 회전시키는 포쓰기어(100a-4)로 이루어져 하나의 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향회전과 360°내에서의 정밀위치제어가 가능한 마그네틱 서보 액츄에이터.
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