WO2015147475A1

WO2015147475A1 - 로봇청소기의 무선충전 장치 및 그 제어 방법

Info

Publication number: WO2015147475A1
Application number: PCT/KR2015/002614
Authority: WO
Inventors: 정재윤
Original assignee: 주식회사 대만; 유한대학교 산학협력단
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2015-03-18
Publication date: 2015-10-01
Also published as: KR101470364B1

Abstract

본 발명은 로봇청소기의 무선충전 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 AD컨버터와, 진동전류를 생성하는 드라이버와, 자기장을 생성하는 제1코일과, 상기 제1코일의 전압과 전류를 측정하는 전력측정센서와, 상기 드라이버를 제어하는 제1제어기와, 유도전류가 발생되는 제2코일과, 충전배터리를 제어하는 배터리관리부가 구비되어 무선 전력을 전달의 효율을 개선한 로봇청소기의 무선충전 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

Description

로봇청소기의 무선충전 장치 및 그 제어 방법

본 발명은 로봇청소기의 무선충전 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 로봇청소기의 충전배터리에 무선으로 전력을 전달하기 위해 자기공진방식을 이용하는 무선충전 장치와 상기 무선충전 장치의 효율을 개선하기 위해 전력을 전달하는 코일에 더미스터를 직렬로 구비하고, 상기 충전배터리의 수명과 효율개선을 위해 배터리관리부를 구비한 로봇청소기의 무선충전 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 자기공진방식은 송신부 코일에서 공진주파수(전자회로의 고유 진동수)로 진동하는 자기장을 생성하여 동일한 공진주파수로 설계된 수신부 코일에 에너지가 집중적으로 전달되도록 에너지터널을 형성하여 전달하는 것이다. 자기유도방식과 비슷하다고 할 수는 있지만 자기유도방식과 달리 대략 1m의 거리에서는 90%, 2m에서도 40%의 효율을 갖는 것이 특징이다. 또한 수신부 코일에 흡수되지 않은 에너지가 공기에 방사되어 소멸되는 것이 아니라 송신부 코일에 다시 흡수되는 구조여서 인체에 흡수되지 않는 자기장만을 이용하여 에너지를 전달하기 때문에 인체에도 무해하다는 장점이 있다. 송신부와 수신부 사이에 벽, 물, 공기 등의 장애물이 있어도 문제없이 전송할 수 있어 밀폐구조 내에 전선 연결 없이 전력 전송도 가능하여 밀폐구조로 제작이 용이한 장점이 있다.

이러한, 자기공진방식은 지난 2007년 메사추세츠 공과대학(MIT)의 마린 솔랴시치 교수 연구팀에 의해 첫 구현된 방식이다. 당시 연구진은 2.4m이격된 60W 전구에 불을 밝히는 데 성공하였다. 이는 여러 다양한 소리굽쇠 중에 하나를 두드리면 동일 고유 진동수를 가진 소리굽쇠만 함께 진동하는 물리적 현상에 착안한 것으로송신부 코일에서 공진 주파수로 진동하는 자기장을 생성해 동일한 공진 주파수로 설계된 수신부 코일에만 에너지가 집중적으로 전달되도록 한 기술이다.

상기와 같이 무선충전에 관한 종래의 기술은 등록 특허 제10-1181818호(2012.09.05)에 개시되어 있다.

상기의 종래기술은 도 1에 도시된 바와 같이 전자파적합성을 개선하기 위한 무선충전 시스템에 관한것으로 상기 EMC를 개선하는 무선충전 시스템은, 어댑터(1)와 같은 전원 소스와, 상기 전원 소스의 전력을 일정 전압으로 출력하는 파워 회로와 잡음을 제거하기 위한 라인 필터(2)와 상기 라인 필터(2)의 출력을 구형파로 변환하는 주파수 발생기(3)와 상기 주파수 발생기(3)의 출력을 필터링하는 제1EMC 필터와 상기 제1EMC 필터의 출력을 수신하고 출력전압을 일정 전압으로 조정하는 드라이버(4)와 상기 드라이버(4)의 출력을 수신받고 AC 전압으로 변환하는 인버터(5)와 전력을 방사하는 제1차 측 코일(6)과 상기 1차 측 코일(6)에서 방사된 전력을 유도 받아 수신하는 2차 측 코일(7)과 상기 2차 측 코일(7)의 출력을 수신받아 DC로 변환하는 파워 컨버터(8)와 상기 파워 컨버터(8)의 출력을 수신하여 일정 전압 혹은 일정 전류로 조정하는 레귤레이터(9)로 구성된다.

상기한 종래기술은 EMC를 개선하기 위한 무선충전 시스템은 송신부와 수신부에 다수의 EMC 필터를 사용하여 일정 주파수 대역을 필터링하고 라인 필터를 사용하여 전원 소스에 포함된 잡음을 제거하여 전자파 발생을 줄이고 또한 타 전자기기 매체로부터 유도되는 전자파 역시 필터링하여 수신함으로써 전자파에 의한 유도 장애를 줄이는 것이 특징이다.

그러나, 종래의 무선충전 시스템은 자기 유도를 통해 전력을 송신함에 따라 충전을 요하는 사용자 기기(User Equipment: UE)가 송신부에서 1Cm 이상 이격되거나 중심이 맞지 않으면 충전되지 않는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 무선충전 시스템은 외부의 무선 잡음에 대해서만 관리함에 따라 사용자기기(UE)의 충전용 배터리의 수명에 관한 보호 수단이 구비되지 않아 충전용 배터리의 수명이 완전 방전으로 단축되는 문제점이 있었다.

그리고, 종래의 무선충전 시스템은 무선으로 전력을 송수신하는 안테나 코일이 부하 변화(증가) 등에 의해 열이 발생하면 저항이 증가하고 저항 증가는 손실증가로 이어져 급격히 효율이 저하되는 것에 대한 수단이 구비되지 않아 충전효율을 개선하지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로 본 발명의 목적은 무선으로 전력을 전달하기 위해 자기공진방식을 이용하여 자기유도방식보다 충전시 충전거리에서 수 십cm ~ 수m까지 자유롭고, 송수신부의 코일이 온도가 상승하게 되어 급격히 효율이 감소되는 것에 대비하여 송, 수신 안테나코일에 부특성 소자(더미스터 등)를 직열로 연결하여 코일의 저항증가분 만큼 이 부저항소자(더미스터)는 저항이 감소되어 총합저항은 변화하지 않도록 구성하여 전력 송수신 효율을 최고상태로 항상 유지시킬 수 있도록 개선하며, 충전효율과 충전배터리의 수명이 보장되도록 한다. 또, 배터리 관리시스템을 두어 배터리 각 셀의 전압밸런스를 0.01V이하로 맞쳐주고, 배터리의 과 온도, 과전류, 과 충전, 과 방전 등 배터리 안전을 확보할 수 있도록 하여 충전배터리의 수명과 효율을 개선한 로봇청소기의 무선충전 장치 및 그 제어 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 로봇청소기의 무선충전 장치는 코일간 자기공진 방식을 이용하여 전력을 무선으로 전달하는 로봇청소기에 구비된 무선충전 장치로서, 상기 전력을 공급받아 직류전류를 발생시키는 AD컨버터와, 상기 AD컨버터에서 출력되는 상기 직류전류를 이용하여 공진주파수를 갖는 진동전류를 생성하는 드라이버와, 상기 드라이버에서 생성된 상기 진동전류가 인가되어 자기장을 생성하는 제1코일과, 상기 제1코일에 인가된 전압과 전류를 측정하고 통신신호를 검출하는 전력측정센서와, 상기 전력측정센서에서 검출된 통신신호에 따라 상기 드라이버를 제어하는 제1제어기가 구비된 송신모듈과; 상기 제1코일과 동일한 공진주파수로 공진되어 유도전류가 발생되는 제2코일과, 상기 제2코일에서 발생되는 유도전류를 정류하여 직류전류로 변환하는 정류기와, 상기 정류기에서 변환된 상기 직류전류를 정해진 충전전압을 갖도록 변환하는 전압변환회로와, 상기 전압변환회로의 구동을 제어하며 충전상태를 상기 송신모듈에 송신하는 제2제어기가 구비된 수신모듈과; 상기 전압변환회로에서 인가된 전원을 공급하되 충전배터리의 과충전, 과방전, 온도상승, 과전류, 단락전류을 감시하고 차단하여 상기 충전배터리 수명을 연장하는 배터리관리부와; 상기 배터리관리부에서 인가된 전원을 공급받아 상기 충전배터리를 충전시키는 충전회로;가 구비되되, 상기 송신모듈에는 상기 수신모듈과 이격된 거리를 측정하는 초음파센서가 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 제1코일과 상기 제2코일에는 전력의 송수신에 따라 발생되는 열에 의해 송수신 효율이 저하되는 것을 방지토록 직렬 연결된 제1더미스터와 제2더미스터가 구비되고, 상기 제1코일과 상기 제2코일은 서로 공진결합 되도록 동일한 도넛형 구조로 구비되되, 상기 제1코일 및 상기 제2코일의 지름은 상기 충전배터리가 충전이 시작되는 이격거리와 동일하고, 상기 이격거리는 상기 제1코일과 상기 제2코일의 중심 간의 거리인 것을 특징으로 한다.

상기 배터리관리부는 상기 충전배터리의 충전상태가 기준치 이하로 떨어지면 충전이 필요하다는 신호를 발생시키는 충전신호단자와, 상기 충전배터리의 충전상태가 완전 충전시 완충을 알리는 신호를 발생시키는 충전완료단자가 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 정류기와 상기 전압변환회로와 상기 제2제어기와 상기 배터리관리부와 상기 충전회로는 일체형으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 로봇청소기의 무선충전 장치의 제어방법은 송신모듈에서 수신모듈의 요청에 따라 전력을 PID제어와 PWM듀티 싸이클에 따라 제어하여 상기 전력을 공진주파수로 송신하는 송신단계와, 상기 송신단계에서 송신된 전력을 상기 수신모듈에서 에너지 커플링을 통해 수신하여 충전하는 수신단계로 이루어지되,

상기 송신단계는 상기 송신모듈과 상기 수신모듈간의 입출력IO인터페이스를 구축하여 통신과 전력 송신을 위해 초기셋업하는 송신모듈셋업단계와, 상기 송신모듈과 상기 수신모듈간의 PWM파라미터를 설정하여 통신을 연결하고 상기 수신모듈과 연결된 배터리의 충전 상태를 파악하여 충전전류를 설정하는 연결모드단계와, 상기 연결모드단계에서 전송된 PWM파라미터에 따른 인터럽트신호, 청소로봇 전원상태, 충전유효거리, 과전압, 과전류 및 과온도를 판별하는 송신판별단계와, 상기 송신판별단계에 따라 주전원 스위치를 온하여 상기 수신모듈에 전력을 전송하는 전력전송단계 및 상기 송신판별단계와 상기 전력전송단계에서 실행된 판별이나 전력전송을 종료하는 종료단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 수신단계는 상기 로봇청소기의 전원을 온하는 청소로봇전원온단계와, 상기 송신모듈과 상기 수신모듈간의 통신과 전력제어를 위해 초기셋업하는 수신모듈셋업단계와, 상기 송신모듈과 상기 수신모듈간의 PWM파라미터를 설정하여 통신 연결하고 상기 수신모듈과 연결된 배터리의 충전 상태를 파악하여 충전전류를설정하는 연결모드단계와, 상기 연결모드단계에서 파악된 배터리의 충전 전압에 따라 전력 송신을 요청하는 인터럽트를 발생시키는 인트럽트생성단계와, 상기 송신모듈과 상기 수신모듈의 사이에 이물질이 있는지를 파악하는 이물질판단단계와, 상기 이물질판단단계이 없을 경우 상기 송신모듈에서 전송된 전력을 충전하는 충전단계 및 상기 이물질판단단계에서 파악된 이물질이 있을 경우 부저를 울려 경보하고 종료하는 종료단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 연결모드단계는 상기 송신모듈과 상기 수신모듈간의 PWM파라미터를 셋업하는 PWM셋업단계와, 상기 수신모듈에 연결된 배터리의 충전 조건을 셋업하는 조건셋업단계와, 상기 배터리의 충전 전압을 체크하는 전압체크단계와, 상기 충전 전압을 체크하는 단계의 상기 충전 전압을 판별하여 초기 배터리설정전류를 0.1A로 설정하거나나 0.1A이상 1.8A미만의 정전류로 설정하여 충전전류를 셋업하는 충전전류셋업단계로 이루어진다.

상기 인트럽트생성단계는 상기 수신모듈에서 수신된 전력을 PWM카운트에 따라 전력 전송을 제어하되, 상기 PWM카운트가 1 내지 20 미만 일 경우에는 현재 설정된 인터럽트 신호를 리턴하는 현재설정리턴단계, 완전 충전 시에는 PWM카운트를 0으로 설정하여 인터럽트 신호를 디스에이블로 설정하여 리턴하는 디스에이블리턴단계, 완전 충전 후 로봇 청소기의 전력 사용에 따라 충전이 필요할 경우에는 리셋 펄스를 발생시켜 인터럽트 신호를 인에이블로 설정하여 리턴하는 인에이블리턴단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명에 의한 로봇청소기의 무선충전 장치 및 그 제어 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 무선으로 전력 전달 방법 중 자기유도방식보다 충전시 거리에서 자유로운 자기공진방식을 이용하여 충전 거리가 수십 Cm에서 수 m정도 이격이 가능하여 로봇청소기에 전원을 공급하기가 용이하며,

둘째, 무선충전 장치의 송신부와 수신부의 코일이 전력이 송수신 시에 온도가 상승함에 따라 저하되는 효율을 개선토록 더미스터를 구비하여 제어하게 되어 전력 송수신 효율을 개선할 수 있으며,

셋째, 충전배터리의 예상 수명을 예측하여 관리함에 따라 완전 방전을 막을 수 있으며 충전시에도 완전 충전을 위해 3단계로 구분된 충전모드를 활용하여 충전배터리의 수명이 개선되는 효과가 있다.

도 1은 종래의 무선충전 장치를 나타낸 구성도이며,

도 2는 본 발명에 따른 무선충전 장치의 블록도이고,

도 3은 본 발명에 따른 코일과 캐패시터와 더미스터의 공진관계를 나타낸 회로도이며,

도 4는 종래의 로봇청소기와 본 발명에 따른 로봇청소기의 충전 상태을 예시한 사시도이고,

도 5는 본 발명에 따른 무선충전 장치의 송신모듈의 신호 처리과정을 나타낸 나타낸 흐름도이며,

도 6은 본 발명에 따른 무선충전 장치의 수신모듈의 신호 처리과정을 나타낸 나타낸 흐름도이고,

도 7은 본 발명에 따른 무선충전 장치의 연결모드단계를 나타낸 흐름도이며,

도 8은 본 발명에 따른 무선충전 장치의 인터럽트발생단계를 나타낸 흐름도이고,

도 9는 본 발명에 따른 무선충전 장치의 종료단계와, 충전 단계를 나타낸 흐름도이다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 로봇청소기의 무선충전 장치 및 그 제어방법에 대한 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 로봇청소기의 무선충전 장치는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 코일간 자기공진 방식을 이용하여 전력(P)을 무선으로 전달하는 로봇청소기에 구비된 무선충전 장치로서, 상기 전력(P)을 공급받아 직류전류를 발생시키는 AD컨버터(11)와, 상기 AD컨버터(11)에서 출력되는 상기 직류전류를 이용하여 공진주파수를 갖는 진동전류를 생성하는 드라이버(12)와, 상기 드라이버(12)에서 생성된 상기 진동전류가 인가되어 자기장을 생성하는 제1코일(13)과, 상기 제1코일(13)에 인가된 전압과 전류를 측정하고 통신신호를 검출하는 전력측정센서(15)와, 상기 전력측정센서(15)에서 검출된 통신신호에 따라 상기 드라이버(12)를 제어하는 제1제어기(16)가 구비된 송신모듈(10)과; 상기 제1코일(13)과 동일한 공진주파수로 공진되어 유도전류가 발생되는 제2코일(21)과, 상기 제2코일(21)에서 발생되는 유도전류를 정류하여 직류전류로 변환하는 정류기(23)와, 상기 정류기(23)에서 변환된 상기 직류전류를 정해진 충전전압을 갖도록 변환하는 전압변환회로(24)와, 상기 전압변환회로(24)의 구동을 제어하며 충전상태를 상기 송신모듈(10)에 송신하는 제2제어기(25)가 구비된 수신모듈(20)과; 상기 전압변환회로(24)에서 인가된 전원을 공급하되 충전배터리(B)의 과충전, 과방전, 온도상승, 과전류, 단락전류을 감시하고 차단하여 상기 충전배터리(B) 수명을 연장하는 배터리관리부(30)와; 상기 배터리관리부(30)에서 인가된 전원을 공급받아 상기 충전배터리(B)를 충전시키는 충전회로(40);로 이루어지되, 상기 송신모듈(10)에는 상기 수신모듈(20)과 이격된 거리를 측정하는 초음파센서(17)가 구비된다.

한편, 상기 전력측정센서(15)는 PWM 인터럽트 신호를 감지하고, 상기 수신모듈(20)에서 생성된 배터리의 상태정보, 즉 전압과 전류과 PWM 파라미터 등의 상태정보를 전압의 변화를 감지하여 상기 통신신호로 활용하게 된다.

그리고, 상기 전압변환회로(24)는 상기 충전배터리(B)에 전력을 일정하게 공급하는 상기 충전전압을 약 5V 내외로 공급하게된다.

상기 제1코일(13)과 상기 제2코일(21)에는 전력의 송수신에 따라 발생되는 열에 의해 송수신 효율이 저하되는 것을 방지토록 직렬 연결된 제1더미스터(14)와 제2더미스터(22)가 구비되고, 상기 제1코일(13)과 상기 제2코일(21)은 서로 공진결합(Resonance Coupling) 되도록 동일한 도넛형 구조로 구비되되, 상기 제1코일(13) 및 상기 제2코일(21)의 지름은 상기 충전배터리(B)가 충전이 시작되는 이격거리(D)와 동일하고, 상기 이격거리(D)는 상기 제1코일(13)과 상기 제2코일(21)의 중심 간의 거리로 이루어진다.

여기서, 상기 제1코일(13)과 상기 제2코일(21)은 일반적으로 전력(P)이 송수신됨에 따라 코일내에 잔존하는 R성분으로 인하여 온도가 상승되고 온도가 상승됨에 따라 Q팩터(품질계수)가 변동되게 된다. 아래는 Q팩터에 영향이 미치는 것을 수식으로 나타낸 것이다.

수학식 1

따라서, 상기 제1더미스터(14)와 제2더미스터(25)는 상기 제1코일(13)과 상기 제2코일(21)의 온도가 상승하더라도 부특성의 저항체로 저항이 감소하게 되어 전체적인 무선충전 장치의 저항은 바뀌지 않도록 하여 R값이 안정적으로 유지되도록 삽입되는 것이다.

또한, 상기 제1코일(13)과 제2코일(21)의 물리적 구조는 공진시에 중요한 요소로 작용되며, 상기 제1코일(13)과 제2코일(21)의 동일한 구조는 공진이 용이하게 일어나게 하도록 하는 것으로, 인가되는 공진주파수에 따라 변경이 쉽지않아 캐패시터를 가변하여 사용하는 것이 바람직하다.

상기 배터리관리부(30)는 상기 충전배터리(B)의 충전상태가 기준치 이하로 떨어지면 충전이 필요하다는 신호를 발생시키는 충전신호단자(31)와, 상기 충전배터리(B)의 충전상태가 완전 충전시 완충을 알리는 신호를 발생시키는 충전완료단자(32)가 구비된다.

한편, 상기 충전신호단자(31)와 충전완료단자(32)에서 발생되는 신호는 상기 제2제어기(25)나 로봇청소기의 시스템제어부(미도시)에 전송되어 로봇청소기(RO)의 이동을 최적화하게 된다.

여기서, 상기 기준치는 상기 충전배터리(B)의 충전상태가 약 20%이하로 떨어질때 상기 충전신호단자(31)에서 신호를 발생시키게 된다.

도 2에 도시된 바와같이 상기 정류기(23)와 전압변환회로(24)와 제2제어기(25)와 상기 배터리관리부(30)와 상기 충전회로(40)는 일체형으로 이루어져서 로봇청소기(RO)에 탑재시에 부피에 따른 문제점을 해소토록 한 것이다.

다음은 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 무선충전 장치의 제어방법을 도 5 내지 도 9를 참조하여 살펴보면 아래와 같다.

본 발명의 무선충전 장치의 제어방법은 도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이 송신모듈(10)에서 수신모듈(20)의 요청에 따라 전력을 PID제어와 PWM듀티 싸이클에 따라 제어하여 상기 전력을 공진주파수로 송신하는 송신단계(S100)와, 상기 송신단계(S100)에서 송신된 전력을 상기 수신모듈(20)에서 에너지 커플링을 통해 수신하여 충전하는 수신단계(S200)로 이루어지되, 상기 송신단계(S100)는 상기 송신모듈(10)과 상기 수신모듈(20)간의 입출력IO인터페이스를 구축하여 통신과 전력 송신을 위해 초기셋업하는 송신모듈셋업단계(S10)와, 상기 송신모듈(10)과 상기 수신모듈(20)간의 PWM파라미터를 설정하여 통신을 연결하고 상기 수신모듈(20)과 연결된 배터리의 충전 상태를 파악하여 충전전류를 설정하는 연결모드단계(S20)와, 상기 연결모드단계(S20)에서 전송된 PWM파라미터에 따른 인터럽트신호, 청소로봇 전원상태, 충전유효거리, 과전압, 과전류 및 과온도를 판별하는 송신판별단계(S30)와, 상기 송신판별단계(S30)에 따라 주전원 스위치를 온하여 상기 수신모듈(20)에 전력을 전송하는 전력전송단계(S40) 및 상기 송신판별단계(S30)와 상기 전력전송단계(S40)에서 실행된 판별이나 전력전송을 종료하는 종료단계(S50)로 이루어진다.

한편, 상기 전력전송단계(S40)는 충전이 완료되면 상기 종료단계(S50)로 넘어가 연결모드로 들어가게 되는 데, 이는 제1제어기(16)가 충전 완료신호를 수신하여 이루어진다.

또한, 상기 수신단계(S200)는 상기 로봇청소기의 전원을 온하는 청소로봇전원온단계(S1)와, 상기 송신모듈(10)과 상기 수신모듈(20)간의 통신과 전력제어를 위해 초기셋업하는 수신모듈셋업단계(S60)와, 상기 송신모듈(10)과 상기 수신모듈(20)간의 PWM파라미터를 설정하여 통신 연결하고 상기 수신모듈(20)과 연결된 배터리의 충전 상태를 파악하여 충전전류를설정하는 연결모드단계(S20)와, 상기 연결모드단계(S20)에서 파악된 배터리의 충전 전압에 따라 전력 송신을 요청하는 인터럽트를 발생시키는 인트럽트생성단계(S70)와, 상기 송신모듈(10)과 상기 수신모듈(20)의 사이에 이물질이 있는지를 파악하는 이물질판단단계(S80)와, 상기 이물질판단단계(S80)이 없을 경우 상기 송신모듈(10)에서 전송된 전력을 충전하는 충전단계(S90) 및 상기 이물질판단단계(S80)에서 파악된 이물질이 있을 경우 부저를 울려 경보(SS)하고 종료하는 종료단계(S50)로 이루어진다.

여기서, 상기 송신모듈셋업단계(S10)와 상기 수신모듈셋업단계(S60)에서는 비동기화 송수신을 위한 UART와 전력전송 제어를 위한 PWM 및 전류 PID제어 등을 구축하게 된다.

또한, 상기 연결모드단계(S20)는 상기 송신모듈(10)과 상기 수신모듈(20)간의 PWM파라미터를 셋업하는 PWM셋업단계(S21)와, 상기 수신모듈(20)에 연결된 배터리의 충전 조건을 셋업하는 조건셋업단계(S22)와, 상기 배터리의 충전 전압을 체크하는 전압체크단계(S23)와, 상기 충전 전압을 체크하는 단계(S23)의 상기 충전 전압을 판별하여(S24) 초기 배터리설정전류를 0.1A로 설정하거나(S24a)나 0.1A이상 1.8A미만의 정전류로 설정하여(S24b) 충전전류를 셋업하는 충전전류셋업단계(S25)로 이루어진다.

여기서, 상기 조건셋업단계(S22)는 완충 전압과 충전전류와 PID설정, 전류와전압 및 온도의 제한치 등을 설정하게 된다.

상기 인트럽트생성단계(S70)는 상기 수신모듈(20)에서 수신된 전력을 PWM카운트에 따라 전력 전송을 제어하되, 상기 PWM카운트가 1 내지 20 미만 일 경우에는 현재 설정된 인터럽트 신호를 리턴하는 현재설정리턴단계(S71), 완전 충전 시에는 PWM카운트를 0으로 설정하여 인터럽트 신호를 디스에이블로 설정하여 리턴하는 디스에이블리턴단계(S72), 완전 충전 후 로봇 청소기의 전력 사용에 따라 충전이 필요할 경우에는 리셋 펄스를 발생시켜(S73) 인터럽트 신호를 인에이블로 설정하여 리턴하는 인에이블리턴단계(S75)로 이루어진다.

상기와 같은 구성과 방법으로 이루어진 본 발명에 따른 로봇청소기의 무선충전 장치의 작용을 살펴보면 아래와 같다.

앞서 살펴본 바와 같이 메사추세츠 공과대학(MIT)의 마린 솔랴시치 교수 연구팀이 구현한 자기공진방식의 무선충전장치는 대략 파장(λ):거리(D):코일루프반경(r) = 100:10:1의 비율로 구현된 장치로 암페어 유도법칙에 따라 구현되었다.

여기서, 파장(λ)은 공진주파수(f₀)에 반비례하고 전파속도(v)에 의해 결정된다.

본 발명의 무선충전 장치는 도 4에 도시된 바와 같이 일반적인 로봇청소기(RO)가 접점 방식의 충전방식을 이용함에 따라 로봇청소기의 오작동에 따라 충전되지 못하는 경우가 왕왕 발생되는데 반해 거리(D)이내에 진입하면 자동으로 충전여부를 판단하여 충전되도록 하는 방식으로 상기 송신모듈(10)의 위치가 비교적 자유롭고 위치 이탈에 따른 로봇청소기(RO)의 오작동을 최소화 한 것이다.

또한, 본 발명에 적용된 상기 제1코일(13)과 상기 제2코일(21)간 전압 전달함수(M_v)는 도 3에 도시된 도면에 따라 살펴보면 아래 수식과 같다.

수학식 2

여기서 Q는 수학식 1을 참조하고,

,

,

,

,

이다.

여기서 ₀는 공진주파수이며 _n 은 정규화 동작주파수이고, 아랫첨자p는 상기 송신모듈(10)측 값이고, 아랫첨자s는 상기 수신모듈(20)측의 소자 값이다.

또한, 상기 송신모듈(10)의 상기 제1코일(13)이나 출력 저항(r_p)을 변경하면 Q 값에 영향을 미친다. 무선충전 장치에서는 공진주파수로 동작이 이루어지며 이는 상기 송신모듈(10)의 공진주파수와 수신모듈(20)의 공진주파수가 항상 동일하게 된다. 그러므로 중요한 것은 공진주파수(_n=1)일 때의 전압 전달함수 값이다.

한편, Q 값이 낮을수록 공진 주파수 지점에서 전압 전달함수가 민감하게 변하며, 반면에 Q 값이 높아지면 공진 주파수에서 덜 민감해지되 전달되는 전력은 낮아지게 된다. 또한, 상기 수학식에서 알수 있는 결합계수 k 또한 무선충전장치에 매우 영향을 많이 끼치는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 적용된 상기 제1더미스터(14)와 상기 제2더미스터(22)는 R, r_s, r_p값을 안정적으로 유지하게 하여 무선충전기의 효율을 증대시키게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

*부호의 설명

10 : 송신모듈 11 : AD컨버터

12 : 드라이버 13 : 제1코일

14 : 제1더미스터 15 : 전력측정센서

16 : 제1제어기 17 : 초음파센서

20 : 수신모듈 21 : 제2코일

22 : 제2더미스터 23 : 정류기

24 : 전압변환회로 25 : 제2제어기

30 : 배터리관리부 31 : 충전신호단자

32 : 충전완료단자 40 : 충전회로

A : 종래의 충전거치대 B : 충전배터리

C_P : 송신모듈정전용량 C_{S :}수신모듈정전용량

M : 상호인덕턴스 R : 로드부하

S100 : 송신단계 S200 : 수신단계

S1 : 청소로봇전원온단계 S10 : 송신모듈셋업단계

S20 : 연결모드단계 S30 : 송신판별단계

S40 : 전력전송단계 S50 : 종료단계

S60 : 수신모듈셋업단계 SS : 경보

S70 : 인터럽트생성단계 S71 : 현재설정리턴단계

S72 : 디스에이블리턴단계 S75 : 인에이블리턴단계

S76 : 인터럽트리턴단계

S80 : 이물질판단단계

S90 : 충전단계

Claims

코일간 자기공진 방식을 이용하여 전력(P)을 무선으로 전달하는 로봇청소기에 구비된 무선충전 장치에 있어서,

상기 전력(P)을 공급받아 직류전류를 발생시키는 AD컨버터(11)와, 상기 AD컨버터(11)에서 출력되는 상기 직류전류를 이용하여 공진주파수를 갖는 진동전류를 생성하는 드라이버(12)와, 상기 드라이버(12)에서 생성된 상기 진동전류가 인가되어 자기장을 생성하는 제1코일(13)과, 상기 제1코일(13)에 인가된 전압과 전류를 측정하고 통신신호를 검출하는 전력측정센서(15)와, 상기 전력측정센서(15)에서 검출된 통신신호에 따라 상기 드라이버(12)를 제어하는 제1제어기(16)가 구비된 송신모듈(10)과;

상기 제1코일(13)과 동일한 공진주파수로 공진되어 유도전류가 발생되는 제2코일(21)과, 상기 제2코일(21)에서 발생되는 유도전류를 정류하여 직류전류로 변환하는 정류기(23)와, 상기 정류기(23)에서 변환된 상기 직류전류를 정해진 충전전압을 갖도록 변환하는 전압변환회로(24)와, 상기 전압변환회로(24)의 구동을 제어하며 충전상태를 상기 송신모듈(10)에 송신하는 제2제어기(25)가 구비된 수신모듈(20)과;

상기 전압변환회로(24)에서 인가된 전원을 공급하되 충전배터리(B)의 과충전, 과방전, 온도상승, 과전류, 단락전류을 감시하고 차단하여 상기 충전배터리(B) 수명을 연장하는 배터리관리부(30)와;

상기 배터리관리부(30)에서 인가된 전원을 공급받아 상기 충전배터리(B)를 충전시키는 충전회로(40);가 구비되되,

상기 송신모듈(10)에는 상기 수신모듈(20)과 이격된 거리를 측정하는 초음파센서(17)가 구비된 것을 특징으로 하는 로봇청소기의 무선충전 장치.
제 1항에 있어서,

상기 제1코일(13)과 상기 제2코일(21)에는 전력의 송수신에 따라 발생되는 열에 의해 송수신 효율이 저하되는 것을 방지토록 직렬 연결된 제1더미스터(14)와 제2더미스터(22)가 구비되고,

상기 제1코일(13)과 상기 제2코일(21)은 서로 공진결합(Resonance Coupling) 되도록 동일한 도넛형 구조로 구비되되,

상기 제1코일(13) 및 상기 제2코일(21)의 지름은 상기 충전배터리(B)가 충전이 시작되는 이격거리(D)와 동일하고, 상기 이격거리(D)는 상기 제1코일(13)과 상기 제2코일(21)의 중심 간의 거리인 것을 특징으로 하는 로봇청소기의 무선충전 장치.
제 1항에 있어서,

상기 배터리관리부(30)는 상기 충전배터리(B)의 충전상태가 기준치 이하로 떨어지면 충전이 필요하다는 신호를 발생시키는 충전신호단자(31)와, 상기 충전배터리(B)의 충전상태가 완전 충전시 완충을 알리는 신호를 발생시키는 충전완료단자(32)가 구비된 것을 특징으로 하는 로봇청소기의 무선충전 장치.
제 1항에 있어서,

상기 정류기(23)와 상기 전압변환회로(24)와 상기 제2제어기(25)와 상기 배터리관리부(30)와 상기 충전회로(40)는 일체형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 로봇청소기의 무선충전 장치.
제 1항 내지 제 4항 중 적어도 어느 한 항으로 이루어진 로봇청소기의 무선충전 장치의 제어방법에 있어서,

송신모듈(10)에서 수신모듈(20)의 요청에 따라 전력을 PID제어와 PWM듀티 싸이클에 따라 제어하여 상기 전력을 공진주파수로 송신하는 송신단계(S100)와, 상기 송신단계(S100)에서 송신된 전력을 상기 수신모듈(20)에서 에너지 커플링을 통해 수신하여 충전하는 수신단계(S200)로 이루어지되,

상기 송신단계(S100)는

상기 송신모듈(10)과 상기 수신모듈(20)간의 입출력IO인터페이스를 구축하여 통신과 전력 송신을 위해 초기셋업하는 송신모듈셋업단계(S10)와,

상기 송신모듈(10)과 상기 수신모듈(20)간의 PWM파라미터를 설정하여 통신을 연결하고 상기 수신모듈(20)과 연결된 배터리의 충전 상태를 파악하여 충전전류를 설정하는 연결모드단계(S20)와,

상기 연결모드단계(S20)에서 전송된 PWM파라미터에 따른 인터럽트신호, 청소로봇 전원상태, 충전유효거리, 과전압, 과전류 및 과온도를 판별하는 송신판별단계(S30)와,

상기 송신판별단계(S30)에 따라 주전원 스위치를 온하여 상기 수신모듈(20)에 전력을 전송하는 전력전송단계(S40) 및

상기 송신판별단계(S30)와 상기 전력전송단계(S40)에서 실행된 판별이나 전력전송을 종료하는 종료단계(S50)로 이루어진 것을 특징으로 하는 로봇청소기의 무선충전 장치의 제어방법.
제 5항에 있어서,

상기 수신단계(S200)는

상기 로봇청소기의 전원을 온하는 청소로봇전원온단계(S1)와,

상기 송신모듈(10)과 상기 수신모듈(20)간의 통신과 전력제어를 위해 초기셋업하는 수신모듈셋업단계(S60)와,

상기 송신모듈(10)과 상기 수신모듈(20)간의 PWM파라미터를 설정하여 통신 연결하고 상기 수신모듈(20)과 연결된 배터리의 충전 상태를 파악하여 충전전류를설정하는 연결모드단계(S20)와,

상기 연결모드단계(S20)에서 파악된 배터리의 충전 전압에 따라 전력 송신을 요청하는 인터럽트를 발생시키는 인트럽트생성단계(S70)와,

상기 송신모듈(10)과 상기 수신모듈(20)의 사이에 이물질이 있는지를 파악하는 이물질판단단계(S80)와,

상기 이물질판단단계(S80)이 없을 경우 상기 송신모듈(10)에서 전송된 전력을 충전하는 충전단계(S90) 및

상기 이물질판단단계(S80)에서 파악된 이물질이 있을 경우 부저를 울려 경보(SS)하고 종료하는 종료단계(S50)로 이루어진 것을 특징으로 하는 로봇청소기의 무선충전 장치의 제어방법.
제 5항 또는 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 연결모드단계(S20)는

상기 송신모듈(10)과 상기 수신모듈(20)간의 PWM파라미터를 셋업하는 PWM셋업단계(S21)와,

상기 수신모듈(20)에 연결된 배터리의 충전 조건을 셋업하는 조건셋업단계(S22)와,

상기 배터리의 충전 전압을 체크하는 전압체크단계(S23)와,

상기 충전 전압을 체크하는 단계(S23)의 상기 충전 전압을 판별하여(S24) 초기 배터리설정전류를 0.1A로 설정하거나(S24a)나 0.1A이상 1.8A미만의 정전류로 설정하여(S24b) 충전전류를 셋업하는 충전전류셋업단계(S25)로

이루어진 것을 특징으로 하는 로봇청소기의 무선충전 장치의 제어방법.
제 6항에 있어서,

상기 인트럽트생성단계(S70)는

상기 수신모듈(20)에서 수신된 전력을 PWM카운트에 따라 전력 전송을 제어하되, 상기 PWM카운트가 1 내지 20 미만 일 경우에는 현재 설정된 인터럽트 신호를 리턴하는 현재설정리턴단계(S71),

완전 충전 시에는 PWM카운트를 0으로 설정하여 인터럽트 신호를 디스에이블로 설정하여 리턴하는 디스에이블리턴단계(S72),

완전 충전 후 로봇 청소기의 전력 사용에 따라 충전이 필요할 경우에는 리셋 펄스를 발생시켜(S73) 인터럽트 신호를 인에이블로 설정하여 리턴하는 인에이블리턴단계(S75)로

이루어진 것을 특징으로 하는 로봇청소기의 무선충전 장치의 제어방법.