WO2019143032A1 - 복수의 센서를 포함하는 bldc 모터 장치 - Google Patents

복수의 센서를 포함하는 bldc 모터 장치 Download PDF

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WO2019143032A1
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sensor
stator
magnetic sensor
concave portion
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심재규
최희승
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삼성전자 주식회사
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    • H02K2211/03—Machines characterised by circuit boards, e.g. pcb

Definitions

  • BLDC brushless direct current
  • a motor is a device that obtains rotational force by converting electric energy into mechanical energy, and is widely used in household electronic products and industrial devices.
  • the motor includes an alternating current (AC) motor and a direct current (DC) motor.
  • the AC motor uses a three-phase or four-phase inverter to change the direction of the current.
  • the DC motor rotates the rotor by switching the direction of the current by the electromagnetic force generated in the stator.
  • an out rotor type brushless direct current (BLDC) motor which is a type of the DC motor, uses the rotation axis of the motor as an output without using a speed reducer.
  • the BLDC motor is used for an auto focus lens or a zoom lens of a camera, a drones, a gimbal, a robot, and the like.
  • the BLDC motor acquires the position information of the rotor by using an encoder to control the position in the rotation direction.
  • the rotor of the encoder is mounted on the rotary shaft or rotor, and the sensor of the encoder is fixed to the stator, so that the thickness of the BLDC motor can be thickened.
  • the size and weight of the BLDC motor increase, and the unit price of the product including the BLDC motor can be increased.
  • a plurality of magnetic sensors are used to sense the position of a magnet embedded in the rotor, and at least one recess (e.g., a step) formed in the rotor housing is sensed using one optical sensor ,
  • a BLDC motor device including a plurality of sensors capable of accurately checking the position of the rotor and controlling the speed of the BLDC motor.
  • a BLDC motor device includes: a rotor having at least one pair of magnets embedded therein, at least one convex portion and at least one concave portion formed at a distal end; A stator for generating an electromagnetic force in which at least one magnetic sensor and an optical sensor are disposed and which rotates the rotor; And a processor electrically coupled to the rotor and the stator, wherein the processor senses a position of the magnet using the at least one magnetic sensor, and the at least one convex portion and the at least one convex portion, And may be configured to sense the position of at least one recess to identify the position of the rotor.
  • a BLDC motor device includes: a rotor having at least one pair of magnets arranged therein, at least one convex portion and at least one concave portion formed in the distal portion; A stator for generating an electromagnetic force in which at least one magnetic sensor and at least one optical sensor are disposed, for rotating the rotor; And a processor electrically coupled to the rotor and the stator, wherein the processor is configured to receive a position signal of the at least one pair of magnets sensed using the at least one magnetic sensor, And a controller for receiving a position signal of the at least one convex and the at least one recess sensed using the at least one optical sensor and based on the position signals received from the at least one magnetic sensor and the at least one optical sensor, And may be configured to transmit a predetermined direction and speed control signal, cause the stator to generate an electromagnetic force corresponding to the predetermined direction and speed control signal, and to rotate the rotor by stimulating the at least one pair of magnets.
  • a plurality of (e.g., two) magnetic sensors are used to sense the position of a magnet embedded in the rotor, and at least one recess formed in the rotor housing (Eg, step) to accurately locate the rotor and control the speed of the BLDC motor.
  • the magnetic sensor and the optical sensor are mounted on the printed circuit board already provided in the BLDC motor, it is possible to realize a BLDC motor device with little increase in thickness, size, have.
  • the magnetic sensor and the optical sensor are mounted on the printed circuit board already provided in the BLDC motor, no separate wire and printed circuit board are required, so that the structure of the BLDC motor device A simple and easy-to-design BLDC motor device can be realized.
  • FIG. 1 is a block diagram that schematically illustrates a BLDC motor device including a plurality of sensors in accordance with various embodiments of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of an embodiment of a rotor of a BLDC motor according to various embodiments of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing a configuration of an embodiment of a rotor housing of a BLDC motor according to various embodiments of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of an embodiment of a stator of a BLDC motor according to various embodiments of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing an ARCTAN calculation waveform for the output signals of the first magnetic sensor 151 and the second magnetic sensor 152 according to various embodiments of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing output waveforms when an optical sensor according to various embodiments of the present invention senses a plurality of recesses formed in a rotor.
  • FIG. 7 is a diagram showing a part of a configuration of a BLDC motor device including a plurality of sensors according to various embodiments of the present invention.
  • Figure 8 is a flow diagram illustrating the operation of a BLDC motor device including a plurality of sensors in accordance with various embodiments of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram that schematically illustrates a BLDC motor device including a plurality of sensors in accordance with various embodiments of the present invention.
  • a BLDC motor apparatus 100 including a plurality of sensors includes a processor 110, a motor driving unit 115, a BLDC motor 120, a magnetic sensor 150, And an optical sensor 160.
  • the processor 110 may supply a reference signal and an output signal corresponding to the operation of the BLDC motor 120 to the motor driving unit 115.
  • the processor 110 generates an output signal indicating whether the BLDC motor 120 is operated or not and the operation speed using the signal sensed by the magnetic sensor 150 and the optical sensor 160.
  • the motor driver 115 The motor driver 115, .
  • the motor driving unit 115 may drive the BLDC motor 120 by applying a driving current according to a signal supplied from the processor 110.
  • the BLDC motor 120 may be driven according to a driving current supplied from the motor driving unit 115.
  • the BLDC motor 120 may include a rotor 130 and a stator 140.
  • the stator 140 may generate an electromagnetic force corresponding to a driving current applied from the motor driving unit 115.
  • the rotor 130 may be rotated according to the electromagnetic force generated from the stator 140 and the induced current generated due to the magnetic pole of the built-in magnet 135.
  • the magnetic sensor 150 is mounted on a printed circuit board 145 provided in the stator 140 and senses a magnet 135 disposed on the rotor 130 to detect the position of the rotor 130 can do.
  • the magnetic sensor 150 may include a first magnetic sensor 151 and a second magnetic sensor 152.
  • the magnetic sensor 150 may include at least one of a hall effect sensor and a magnetro-resistive sensor.
  • the Hall effect sensor utilizes a phenomenon in which a current is applied to a conductor or a semiconductor and a vertical magnetic field is applied to generate a potential difference in a vertical direction between the current and the magnetic field. By measuring the voltage, it is possible to determine whether the magnetic field to be sensed is an N pole or an S pole.
  • the optical sensor 160 is mounted on a printed circuit board 145 of the stator 140 and senses at least one concave portion formed on a distal end of the rotor 130, It is possible to sense the exact position of the sensor 130.
  • the optical sensor 160 may include at least one of a photointerruptor sensor or a photo reflector sensor.
  • a BLDC motor device 100 including a plurality of sensors according to various embodiments of the present invention configured as described above may be operated as follows.
  • the BLDC motor device 100 including the plurality of sensors may be configured such that the magnetic sensor 150 (e.g., the first magnetic sensor 151 and the second magnetic sensor 152) (For example, N-pole and S-pole) of the magnet 135 disposed at a predetermined position (for example, at the center of the magnet) and transmit the sensed signal to the processor 110.
  • the magnetic sensor 150 e.g., the first magnetic sensor 151 and the second magnetic sensor 152
  • N-pole and S-pole of the magnet 135 disposed at a predetermined position (for example, at the center of the magnet) and transmit the sensed signal to the processor 110.
  • the optical sensor 160 senses at least one concave portion (e.g., a step) formed at the distal end of the rotor 130, and transmits the sensed signal to the processor 110.
  • the processor 110 applies a current related to a predetermined direction and speed to the stator 140 using the motor driving unit 115 based on the sensing signal transmitted from the magnetic sensor 150 and the optical sensor 160 .
  • the stator 140 generates an electromagnetic force corresponding to a predetermined direction and speed so as to magnetize the magnet 135 built in the rotor 120 of the BLDC motor 120 in accordance with the current signal applied from the processor 110, So that the rotor 130 can be rotated.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of an embodiment of a rotor of a BLDC motor according to various embodiments of the present invention.
  • a rotor 130 of a BLDC motor 120 may include a shaft 210, a rotor housing 220, and a magnet 135.
  • the shaft 210 may be mounted at the center of the rotor 130 to form a rotation axis of the rotor 130.
  • the rotor housing 220 may be coupled to the shaft 210.
  • the rotor housing 220 is a rotor that rotates by an electromagnetic force generated when a current is applied to the stator 140.
  • the rotor housing 220 may have a cylindrical shape with one side opened.
  • the convex portion 222 and the concave portion 224 may be formed at the end of the rotor housing 220 where the rotor housing 220 is opened.
  • the convex portion 222 and the concave portion 224 may be formed at each end of the rotor housing 220 at one side thereof.
  • At least one pair (for example, N pole and S pole) or more (for example, four pairs) of the magnets 135 may be alternately arranged on the inner circumferential surface of the rotor housing 220.
  • the magnet 135 rotates the shaft 210 by the electromagnetic force generated by the stator 140 when a current is applied to the stator 140 through the processor 110 and the motor driving unit 115 shown in FIG. .
  • FIG 3 is a view showing a configuration of an embodiment of a rotor housing of a BLDC motor according to various embodiments of the present invention.
  • the rotor housing 220 which is a part of the rotor 130 of the BLDC motor 120 according to an embodiment of the present invention, has an electromagnetic force generated when current is applied to the stator 140 And can have a cylindrical shape in which one side is opened.
  • At least one convex portion 311, a second convex portion 313, a third convex portion 315 and a fourth convex portion 315 are formed in the distal end portion of the rotor housing 220 where the rotor housing 220 is opened. 317) and at least one concave portion (e.g., first concave portion 321, second concave portion 323, third concave portion 325, and fourth concave portion 327) may be formed.
  • the widths of the first convex portion 311, the second convex portion 313, the third convex portion 315 and the fourth convex portion 317 in one direction may be different from each other.
  • the first convex portion 311, the second convex portion 313, the third convex portion 315, and the fourth convex portion 317 may be formed on the distal end of the rotor housing 220, When two or more protrusions are disposed, the widths of the two or more protrusions in one direction may be different from each other.
  • the widths of the first recess 321, the second recess 323, the third recess 325 and the fourth recess 327 in one direction may be different from each other.
  • first concave portion 321, the second concave portion 323, the third concave portion 325 and the fourth concave portion 327 may be formed at the distal end of the rotor housing 220, When two or more recesses are arranged, the width in one direction of the two or more recesses may be formed different from each other.
  • At least one reflection region 301 is formed in each of the first recess 321, the second recess 323, the third recess 325 and the fourth recess 327, (Or shielding area) and at least one non-reflecting area 303 (or non-shielding area) may be alternately arranged.
  • the first recess 321, the second recess 323, the third recess 325, and the third recess 325 are formed in the distal end portion of the rotor housing 220 where the rotor housing 220 is opened.
  • the number of the at least one concave portion may be the same as the number of the at least one pair of magnets 135 built in the rotor housing 220. In this case,
  • At least one pair of magnets 135 such as N and S poles (for example, four pairs) may be alternately arranged on the inner circumferential surface of the rotor housing 220 at predetermined intervals.
  • the magnet 135 rotates the rotor 130 by an electromagnetic force generated by the stator 140 when a current is applied to the stator 140 through the processor 110 and the motor driving unit 115 shown in FIG. .
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of an embodiment of a stator of a BLDC motor according to various embodiments of the present invention.
  • the stator 140 of the BLDC motor 120 includes a shaft hole 410, a bearing 420, a circular plate 430, an electromagnetic force generating portion 440, And may include a circuit board 145.
  • the shaft hole 410 may be a hole into which the shaft 210 of the rotor 130 shown in FIG. 2 is inserted.
  • the bearing 420 may rotate the shaft 210 of the rotor 130 inserted into the shaft hole 410.
  • the bearing 420 may include a ball bearing.
  • the circular plate 430 is coupled to the outer circumferential surface of the bearing 420 and can mount the core 441 of the electromagnetic force generation unit 440.
  • the electromagnetic force generation unit 440 may include a core 441 and a coil 443.
  • the electromagnetic force generation unit 440 may be composed of a plurality (for example, six) of electromagnetic force generating units at predetermined intervals.
  • the plurality of electromagnetic force generators 440 may be radially formed around the circular plate 430.
  • the core 441 can be configured so that the coil 443 can be wound.
  • the electromagnetic force generating unit 440 may rotate the rotor 130 by generating an electromagnetic force as current is applied through the processor 110 and the motor driving unit 115 shown in FIG.
  • a predetermined current is applied to the coil 443 of the electromagnetic force generation unit 440
  • a predetermined electromagnetic force is generated by the Fleming's left-hand rule in the electromagnetic force generation unit 440
  • the rotor 130 can be rotated by the attracting force of the N pole and the S pole of the magnet 135 incorporated in the rotor 130.
  • the printed circuit board 145 may be disposed under the electromagnetic force generating unit 440.
  • the printed circuit board 145 may be mounted on the outer case 401 of the BLDC motor 120.
  • the printed circuit board 145 may supply a current to the coil 443 of the electromagnetic force generating unit 440.
  • the printed circuit board 145 may include an FPCB.
  • a plurality of magnets 135 built in the rotor 130 of FIG. 2 and FIG. 3 are sensed at predetermined positions of the printed circuit board 145 and the position of the rotor 130 is sensed
  • the first magnetic sensor 151 and the second magnetic sensor 152 may be disposed at a predetermined interval.
  • the first magnetic sensor 151 and the second magnetic sensor 152 may include a pair of magnets (for example, N pole and S pole) embedded in the rotor housing 220 of the rotor 130, (135) are set as one period, they may be arranged at intervals of 1/4 period or 3/4 period position.
  • the interval between the first magnetic sensor 151 and the second magnetic sensor 152 must satisfy the following condition in order to obtain two sinusoidal waveforms having a phase difference of 90 degrees .
  • the processor 110 shown in FIG. 1 performs ARCTAN operation on the output signals from the first magnetic sensor 151 and the second magnetic sensor 152 to generate a linear function form for one period of the magnet 135 Can be obtained.
  • FIG. 5 is a diagram showing an ARCTAN calculation waveform for the output signals of the first magnetic sensor 151 and the second magnetic sensor 152 according to various embodiments of the present invention.
  • the first waveform 501 may be a signal (e.g., a sinusoidal waveform) output from the first magnetic sensor 151.
  • the second waveform 502 may be a signal (e.g., a cosine waveform) output from the second magnetic sensor 152.
  • the third waveform 505 may be a waveform obtained by ARCTAN calculation of output signals (e.g., sin waveform and cosine waveform) from the first magnetic sensor 151 and the second magnetic sensor 152.
  • the absolute position of the magnet 135 for one cycle can be confirmed through the output value after the ARCTAN operation shown in FIG.
  • the accurate position of the rotor 130 may not be sensed.
  • a predetermined reference point for the rotor 130 is required and the reference point includes a plurality of pairs of magnets 135 in the rotor 430 so that the first magnetic sensor 151 and the second magnetic sensor 152 Can be difficult to detect using. Therefore, a light sensor 160 described below may be used to sense the reference point.
  • the optical sensor 160 may be disposed at a predetermined position of the PCB 145.
  • the optical sensor 160 includes at least one convex portion (e.g., a first convex portion 311, a second convex portion 313, and a third convex portion) formed at the end of the rotor 130 shown in FIGS.
  • one reflection region 301 or shielding region
  • at least one non-reflection region 303 or non-shielding region
  • the optical sensor 160 includes at least one convex portion (e.g., a first convex portion 311, a second convex portion 313, and a third convex portion) formed at the end of the rotor 130 (E.g., first concave portion 315 and fourth convex portion 317) and at least one concave portion (e.g., first concave portion 321, second concave portion 323, third concave portion 325, (High) or low (low) of the optical output signal by sensing the shape of the optical output signal.
  • a convex portion e.g., a first convex portion 311, a second convex portion 313, and a third convex portion
  • first concave portion 321, second concave portion 323, third concave portion 325 formed at the end of the rotor 130
  • at least one concave portion e.g., first concave portion 321, second concave portion 323, third concave portion 325, (High) or low (low)
  • the optical sensor 160 also includes at least one optical sensor 160 disposed alternately in each of the first recess 321, the second recess 323, the third recess 325, and the fourth recess 327,
  • the light output signal can be determined to be high or low by sensing the reflection region 301 (or the light shielding region) and the at least one non-reflection region 303 (or the non-shielding region).
  • the optical sensor 160 when the optical sensor 160 includes a photo interrupter sensor, at least one convex portion (for example, a first convex portion 311, a second convex portion 311, (The first convex portion 313, the third convex portion 315, and the fourth convex portion 317).
  • the output signal may be determined depending on the presence or absence of at least one reflective region 301 (or a light shielding region) for reflecting light .
  • 160 can determine the output signal at the 0 ° position and the 180 ° position of the rotor 130.
  • the first magnetic sensor 151 and the second magnetic sensor 152 which are disposed at a predetermined interval from the 0 ° position and the 180 ° position of the rotor 130, The sensing position of the rotor 130 can be accurately sensed.
  • the output signal of the optical sensor 160 may be generated at the distal end of the rotor housing 220 as shown in FIG. 3 so that the output signal of the optical sensor 160 may be generated at different positions in each cycle of the plurality of pairs of magnets 135.
  • first convex portion 311, second convex portion 313, third convex portion 315 and fourth convex portion 317) and a plurality of concave portions The second concave portion 323, the third concave portion 325, and the fourth concave portion 327).
  • the sensing position of the optical sensor 160 for each period of the plurality of pairs of the magnets 135 built in the rotor 130 is determined as the convex portion and / It is possible to sense the initial reference point of the rotor 130 even if the rotor 130 rotates only a predetermined position (for example, half) with respect to one period of the magnet 135.
  • a plurality of convex portions e.g., a first convex portion 311, a second convex portion 313, a third convex portion 313, and a third convex portion 313) are provided at the distal end of the rotor housing 220 315 and the fourth convex portion 317) and a plurality of concave portions (e.g., the first concave portion 321, the second concave portion 323, the third concave portion 325, and the fourth concave portion 327) 6, the optical sensor 160 can detect the position of the concave portion 321, the second concave portion 323, and the concave portion 323 even when the rotor 130 rotates by a maximum of 45 degrees.
  • the third concave portion 325, and the fourth concave portion 327 may ARCTAN the position sensing value of the optical sensor 160 to determine the actual position of the rotor 130.
  • FIG. 6 is a diagram showing output waveforms when an optical sensor according to various embodiments of the present invention senses a plurality of recesses formed in a rotor.
  • the first waveform 601 may be a signal output from the optical sensor 160.
  • the second waveform 605 may be a waveform that ARCTAN computes the output signal from the optical sensor 160.
  • the ARCTAN operation value when the output signal from the optical sensor 160 is lowered is 0, it can be confirmed that the position of the rotor 130 is P1 (for example, 45 degrees). Also, if the ARCTAN calculated value when the output signal from the optical sensor 160 is raised is -135 degrees, it can be confirmed that the position of the rotor 130 is P2 (101.25 degrees, for example).
  • the maximum rotation amount in the initial driving of the BLDC motor device 100 according to various embodiments of the present invention may be 45 degrees.
  • the maximum rotation amount in the initial drive of the BLDC motor device 100 according to various embodiments of the present invention may be 36 degrees.
  • the high section of the optical sensor 160 is 360 ° / N, and the difference between the sections is 360 ° / (N * 4) ° .
  • the maximum rotation amount in the initial driving of the BLDC motor apparatus 100 may be 360 ° / N.
  • FIG. 7 is a diagram showing a part of the configuration of a BLDC motor device 100 including a plurality of sensors according to various embodiments of the present invention.
  • the rotor 130 may include a shaft 210 and a rotor housing 220.
  • the rotor 130 is inserted into the stator 140 via the shaft 210 and can be rotatably mounted.
  • the BLDC motor device 100 includes a first magnetic sensor 151 and a second magnetic sensor 151 disposed on the printed circuit board 145 of the stator 140 at a predetermined interval, The position of the magnet 135 built in the rotor housing 220 can be sensed by using the magnet 152.
  • the BLDC motor apparatus 100 may further include at least one convex portion formed at a distal end of the rotor housing 220 by using an optical sensor 160 disposed at a predetermined position of the printed circuit board 145 of the stator 140.
  • first concave portion 311, second convex portion 313, third convex portion 315 and fourth convex portion 317) and at least one concave portion The second concave portion 323, the third concave portion 323, the third concave portion 323, the third concave portion 323, the third concave portion 323, the third concave portion 323, the third concave portion 323, At least one reflective region 301 (or shielding region) and at least one non-reflecting region 303 (or non-shielding region) alternately arranged in the concave portion 325 and the fourth concave portion 327 And sense an accurate position of the rotor 130.
  • Figure 8 is a flow diagram illustrating the operation of a BLDC motor device 100 including a plurality of sensors in accordance with various embodiments of the present invention.
  • Fig. 8 The operations described with reference to Fig. 8 may be performed, for example, by the components described in the BLDC motor apparatus 100 of Figs. 1-4.
  • the processor 110 determines at least one pair (e.g., an N pole and an S pole) sensed using a magnetic sensor 150 (e.g., a first magnetic sensor 151 and a second magnetic sensor 152)
  • the position signal of the magnet 135 can be received.
  • the processor 110 determines the position signals received using the magnetic sensor 150 (e.g., the first magnetic sensor 151 and the second magnetic sensor 152) and the optical sensor 160 It is possible to transmit a predetermined direction and speed control signal to the stator 140 as a basis.
  • the magnetic sensor 150 e.g., the first magnetic sensor 151 and the second magnetic sensor 152
  • the optical sensor 160 It is possible to transmit a predetermined direction and speed control signal to the stator 140 as a basis.
  • the processor 110 causes the stator 140 to generate an electromagnetic force corresponding to the predetermined direction and speed control signal, and at least one or more pairs of magnets 135 built in the rotor 120 are excited So that the rotor 130 can be rotated.

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예들은, 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치로서, 적어도 한 쌍 이상의 마그넷이 내장되고, 말단부에 적어도 하나의 볼록부 및 적어도 하나의 오목부가 형성된 로터; 적어도 하나의 자기 센서와 광 센서가 배치되고, 상기 로터를 회전시키는 전자기력을 생성하기 위한 스테이터; 및 상기 로터 및 상기 스테이터와 전기적으로 연결된 프로세서를 포함하되, 상기 적어도 하나의 자기 센서를 이용하여 상기 마그넷의 위치를 센싱하고, 상기 광 센서를 이용하여 상기 적어도 하나의 볼록부 및 상기 적어도 하나의 오목부의 위치를 센싱하여, 상기 로터의 정확한 위치를 확인하도록 구성될 수 있다. 다른 다양한 실시예가 가능하다.

Description

복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치
본 발명의 다양한 실시예들은, 복수의 센서를 포함하는 BLDC(brushless direct current) 모터 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 모터는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환시켜서 회전력을 얻는 장치로서, 가정용 전자 제품 및 산업용 기기 등에 광범위하게 사용된다.
상기 모터는 AC(alternating current) 모터 및 DC(direct current) 모터를 포함한다.
상기 AC 모터는 전류의 방향 전환을 위해 3상 또는 4상 인버터를 사용한다. 상기 DC 모터는 스테이터(stator)에서 발생되는 전자기력에 의해 전류의 방향을 전환함으로써 로터(rotor)를 회전시킨다.
예를 들면, 상기 DC 모터의 일종인 아웃 로터(out rotor) 타입의 BLDC(brushless direct current) 모터는 감속기를 사용하지 않고 모터의 회전축을 바로 출력으로 사용한다. 상기 BLDC 모터는 카메라의 자동초점렌즈 또는 줌 렌즈, 드론, 짐벌 및 로봇 등에 사용된다.
상기 BLDC 모터는 회전 방향의 위치 제어를 위해, 엔코더(encoder)를 이용하여 로터의 위치 정보를 획득한다.
상기 엔코더가 BLDC 모터에 장착되는 경우, 엔코더의 회전자는 회전축 또는 로터에 장착되고, 엔코더의 센서는 스테이터에 고정되어야 하므로, BLDC 모터의 두께가 두꺼워질 수 있다.
또한, 상기 BLDC 모터가 엔코더를 구비하는 경우, BLDC 모터의 사이즈 및 무게가 증가하고, BLDC 모터를 포함하는 제품의 단가가 상승될 수 있다.
또한, 상기 엔코더의 출력 신호를 BLDC 모터의 프로세서에 연결하기 위한 와이어 및 인쇄회로기판(예: FPCB)이 별도로 필요하게 되므로, BLDC 모터의 구조가 복잡해지고 설계가 어려울 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는, 복수의 자기 센서를 이용하여 로터에 내장된 마그넷의 위치를 센싱하고, 하나의 광 센서를 이용하여 로터 하우징에 형성된 적어도 하나의 오목부(예: 단차)를 센싱하여, 로터의 위치를 정확히 확인하고 BLDC 모터의 속도를 제어할 수 있는 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터 장치는, 적어도 한 쌍 이상의 마그넷이 내장되고, 말단부에 적어도 하나의 볼록부 및 적어도 하나의 오목부가 형성된 로터; 적어도 하나의 자기 센서와 광 센서가 배치되고, 상기 로터를 회전시키는 전자기력을 생성하기 위한 스테이터; 및 상기 로터 및 상기 스테이터와 전기적으로 연결된 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는, 상기 적어도 하나의 자기 센서를 이용하여 상기 마그넷의 위치를 센싱하고, 상기 광 센서를 이용하여 상기 적어도 하나의 볼록부 및 상기 적어도 하나의 오목부의 위치를 센싱하여, 상기 로터의 위치를 확인하도록 설정될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터 장치는, 적어도 한 쌍 이상의 마그넷이 배치되고, 말단부에 적어도 하나의 볼록부 및 적어도 하나의 오목부가 형성된 로터; 적어도 하나의 자기 센서 및 적어도 하나의 광 센서가 배치되고, 상기 로터를 회전시키는 전자기력을 생성하기 위한 스테이터; 및 상기 로터 및 상기 스테이터와 전기적으로 연결된 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는, 상기 적어도 하나의 자기 센서를 이용하여 센싱된 상기 적어도 한 쌍 이상의 마그넷의 위치 신호를 수신하고, 상기 적어도 하나의 광 센서를 이용하여 센싱된 상기 적어도 하나의 볼록부 및 상기 적어도 하나의 오목부의 위치 신호를 수신하고, 상기 적어도 하나의 자기 센서 및 상기 적어도 하나의 광 센서로부터 수신된 상기 위치 신호들을 기초로 하여, 상기 스테이터에 소정의 방향 및 속도 제어 신호를 전달하고, 상기 스테이터가 상기 소정의 방향 및 속도 제어 신호에 대응하는 전자기력을 발생시키게 하고 상기 적어도 한 쌍 이상의 마그넷을 자극하여 상기 로터를 회전시키도록 설정될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 복수(예: 2개)의 자기 센서를 이용하여 로터에 내장된 마그넷의 위치를 센싱하고, 하나의 광 센서를 이용하여 로터 하우징에 형성된 적어도 하나의 오목부(예: 단차)를 센싱하여, 로터의 위치를 정확히 확인하고 BLDC 모터의 속도를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 자기 센서 및 광 센서가 BLDC 모터에 이미 구비된 인쇄회로 기판 상에 장착되므로, 두께, 사이즈, 단가 및 무게의 증가가 거의 없는 BLDC 모터 장치를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 자기 센서 및 광 센서가 BLDC 모터에 이미 구비된 인쇄회로 기판 상에 장착되므로, 별도의 와이어 및 인쇄회로기판이 필요하지 않으므로, BLDC 모터 장치의 구조가 단순하고 설계가 간편한 BLDC 모터 장치를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터의 로터에 대한 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터의 로터 하우징에 대한 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터의 스테이터에 대한 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)의 출력 신호에 대한 ARCTAN 연산 파형을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 광 센서가 로터에 형성된 복수의 오목부를 센싱 했을 때의 출력 파형을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치의 일부 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치의 동작을 나타내는 흐름도이다.
본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 개시된 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치가 첨부 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치(100)는, 프로세서(110), 모터 구동부(115), BLDC 모터(120), 자기 센서(150) 및 광 센서(160)를 포함할 수 있다.
상기 프로세서(110)는 BLDC 모터(120)의 동작에 대응하는 기준 신호 및 출력 신호를 모터 구동부(115)에 공급할 수 있다. 상기 프로세서(110)는 자기 센서(150) 및 광 센서(160)를 통해 센싱되는 신호를 이용하여, BLDC 모터(120)의 동작 여부와 동작 속도를 나타내는 출력 신호를 생성하고, 모터 구동부(115)에 공급할 수 있다.
상기 모터 구동부(115)는 상기 프로세서(110)로부터 공급되는 신호에 따라 구동 전류를 인가하여 BLDC 모터(120)를 구동시킬 수 있다.
상기 BLDC 모터(120)는 상기 모터 구동부(115)로부터 인가되는 구동 전류에 따라 구동될 수 있다. 상기 BLDC 모터(120)는 로터(130) 및 스테이터(140)를 포함할 수 있다. 상기 스테이터(140)는 상기 모터 구동부(115)로부터 인가되는 구동 전류에 대응하는 전자기력을 발생시킬 수 있다. 상기 로터(130)는 상기 스테이터(140)로부터 발생된 전자기력과 내장된 마그넷(135)의 자극으로 인해 발생된 유도 전류에 따라 회전될 수 있다.
상기 자기 센서(150)는 상기 스테이터(140)에 구비된 인쇄회로기판(145)에 장착되고, 상기 로터(130)에 배치된 마그넷(135)을 센싱하여, 상기 로터(130)의 위치를 센싱할 수 있다. 상기 자기 센서(150)는 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 자기 센서(150)는 홀(hall effect) 센서 또는 자기 저항(magnetro-resistive) 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예를 들면, 상기 홀(hall effect) 센서는 도체나 반도체에 전류를 인가하고 수직방향의 자계를 주면, 전류와 자계의 수직방향에 전위차가 생성되는 현상을 이용한 것으로서, 상기 현상을 이용하여 홀 전압을 측정하면, 센싱되는 자계가 N극인지 S극인지의 여부를 판별할 수 있다.
상기 광 센서(160)는 상기 스테이터(140)에 구비된 인쇄회로기판(145)에 장착되고, 상기 로터(130)의 말단부에 형성된 적어도 하나의 오목부(예: 단차)를 센싱하여, 상기 로터(130)의 정확한 위치를 센싱할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 광 센서(160)는 포토인터럽터(photo interruptor) 센서 또는 포토리플렉터(photo reflector) 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기와 같이 구성된 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치(100)는 다음과 같이 동작될 수 있다.
상기 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치(100)는, 상기 자기 센서(150)(예: 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152))가 로터(130)에 내장(예: 배치)된 적어도 한 쌍(예: N극 및 S극) 이상의 마그넷(135)의 자극 위치를 센싱하고, 센싱된 신호를 프로세서(110)에 전달할 수 있다.
또한, 상기 광 센서(160)가 로터(130)의 말단부에 형성된 적어도 하나의 오목부(예: 단차)를 센싱하고, 센싱된 신호를 프로세서(110)에 전달할 수 있다.
상기 프로세서(110)는 자기 센서(150) 및 광 센서(160)로부터 전달된 센싱 신호를 기초로, 모터 구동부(115)를 이용하여 스테이터(140)에 소정의 방향 및 속도와 관련된 전류를 인가할 수 있다.
상기 프로세서(110)로부터 인가된 전류 신호에 따라, 스테이터(140)는 소정의 방향 및 속도에 대응하는 전자기력을 발생시킴으로써, BLDC 모터(120)의 로터(120)에 내장된 마그넷(135)을 자극하여 로터(130)를 회전시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터의 로터에 대한 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터(120)의 로터(130)는, 샤프트(210), 로터 하우징(220) 및 마그넷(135)을 포함할 수 있다.
상기 샤프트(210)는 로터(130)의 중앙에 장착되어 상기 로터(130)의 회전축을 형성할 수 있다.
상기 로터 하우징(220)은 상기 샤프트(210)와 결합될 수 있다. 상기 로터 하우징(220)은 스테이터(140)에 전류가 인가될 경우에 발생하는 전자기력에 의해 회전하는 회전자로서, 일측이 개방된 원통 형상을 가질 수 있다. 상기 로터 하우징(220)의 일측이 개방된 말단부에는 볼록부(222) 및 오목부(224)가 형성될 수 있다. 상기 볼록부(222) 및 오목부(224)는 상기 로터 하우징(220)의 일측이 개방된 말단부에 1/2씩 구성될 수 있다.
상기 마그넷(135)은 상기 로터 하우징(220)의 내주면에 적어도 한 쌍(예: N극 및 S극) 이상(예: 4쌍)이 교대로 배치될 수 있다. 상기 마그넷(135)은 도 1에 도시된 프로세서(110) 및 모터 구동부(115)를 통해 스테이터(140)에 전류가 인가되면, 상기 스테이터(140)에서 발생되는 전자기력에 의해 샤프트(210)를 회전시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터의 로터 하우징에 대한 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터(120)의 로터(130)의 일부 구성인 로터 하우징(220)은, 상기 스테이터(140)에 전류가 인가될 경우에 발생하는 전자기력에 의해 회전하는 회전자로서, 일측이 개방된 원통 형상을 가질 수 있다. 상기 로터 하우징(220)의 일측이 개방된 말단부에는 적어도 하나의 볼록부(예: 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317)) 및 적어도 하나의 오목부(예: 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327))가 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317)의 일방향으로의 폭은 서로 다를 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317)가 상기 로터 하우징(220)의 일측이 개방된 말단부에 2개 이상 배치된 경우, 상기 2개 이상의 볼록부의 일방향으로의 폭은 서로 다르게 형성될 수 있다. 또한, 상기 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327)의 일방향으로의 폭은 서로 다를 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327)가 상기 로터 하우징(220)의 일측이 개방된 말단부에 2개 이상 배치된 경우, 상기 2개 이상의 오목부의 일방향으로의 폭은 서로 다르게 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327)의 각각에는, 적어도 하나의 반사 영역(301)(또는 차광 영역)과 적어도 하나의 비반사 영역(303)(또는 비차광 영역)이 교대로 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 로터 하우징(220)의 일측이 개방된 말단부에 적어도 하나의 오목부(예: 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327))가 형성되는 경우, 상기 적어도 하나의 오목부의 개수는 상기 로터 하우징(220)에 내장된 적어도 한 쌍의 마그넷(135)의 개수와 동일할 수 있다.
상기 로터 하우징(220)의 내주면에는 적어도 한 쌍(예: N극 및 S극) 이상(예: 4쌍)의 마그넷(135)이 소정 간격을 두고 교대로 배치될 수 있다. 상기 마그넷(135)은 도 1에 도시된 프로세서(110) 및 모터 구동부(115)를 통해 스테이터(140)에 전류가 인가되면, 상기 스테이터(140)에서 생성되는 전자기력에 의해 로터(130)를 회전시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터의 스테이터에 대한 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터(120)의 스테이터(140)는 샤프트 홀(410), 베어링(420), 원형 플레이트(430), 전자기력 생성부(440) 및 인쇄회로기판(145)을 포함할 수 있다.
상기 샤프트 홀(410)은 도 2에 도시된 로터(130)의 샤프트(210)가 삽입되어 장착되는 홀일 수 있다.
상기 베어링(420)은 상기 샤프트 홀(410)에 삽입 및 장착된 로터(130)의 샤프트(210)를 회전시킬 수 있다. 상기 베어링(420)은 볼 베어링을 포함할 수 있다.
상기 원형 플레이트(430)는 상기 베어링(420)의 외주면에 결합되고, 상기 전자기력 생성부(440)의 코어(441)를 장착할 수 있다.
상기 전자기력 생성부(440)는 코어(441) 및 코일(443)을 포함할 수 있다. 상기 전자기력 생성부(440)는 소정의 간격을 두고 복수개(예: 6개)로 구성될 수 있다. 상기 복수의 전자기력 생성부(440)는 상기 원형 플레이트(430)를 중심으로 방사상으로 형성될 수 있다. 상기 코어(441)는 코일(443)이 권선될 수 있도록 구성될 수 있다. 상기 전자기력 생성부(440)는 도 1에 도시된 프로세서(110) 및 모터 구동부(115)를 통해 전류가 인가됨에 따라 전자기력을 생성함으로써, 로터(130)를 회전시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 전자기력 생성부(440)의 코일(443)에 소정의 전류가 인가되면, 전자기력 생성부(440)에는 플레밍의 왼손 법칙에 의해 소정의 전자기력이 발생되고, 이 발생된 전자기력과 로터(130)에 내장된 마그넷(135)의 N극과 S극의 인력에 의해 로터(130)가 회전될 수 있다.
상기 인쇄회로기판(145)은 전자기력 생성부(440)의 하부에 배치될 수 있다. 예를 들면, 상기 인쇄회로기판(145)은 BLDC 모터(120)의 외부 케이스(401) 상에 실장될 수 있다. 상기 인쇄회로기판(145)은 전자기력 생성부(440)의 코일(443)에 전류를 공급할 수 있다. 상기 인쇄회로기판(145)은 FPCB를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 인쇄회로기판(145)의 소정 위치에는 상기 도 2 및 도 3의 로터(130)에 내장된 복수의 마그넷(135)을 센싱하여, 상기 로터(130)의 위치를 센싱하는 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)가 소정의 간격을 두고 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)는 상기 로터(130)의 로터 하우징(220)에 내장된 한 쌍(예: N극 및 S극)의 마그넷(135)을 1주기로 하였을 때, 1/4 주기 또는 3/4 주기 위치만큼의 간격을 두고 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)의 간격은 90°의 위상 차이가 있는 2개의 사인(sin) 파형을 획득하기 위해 다음의 조건을 만족해야 할 수 있다.
제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)의 간격 = 마그넷(135)의 한 쌍(예: N극 및 S극)에 대한 1극의 각도/2 + 1극의 각도*n(n=1, 2, 3, ..., n)
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)가 소정의 간격을 두고 배치되면, 로터(130)의 회전 시, 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)의 출력은, 도 5에 도시된 사인(sin) 및 코사인(cos) 파형과 같이 90°의 위상차이가 발생할 수 있다. 이 경우, 도 1에 도시된 프로세서(110)는 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)로부터의 출력 신호를 ARCTAN 연산하여, 마그넷(135)의 1주기에 대한 1차 함수 형태의 위치 출력값을 획득할 수 있다.
참고로, 도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)의 출력 신호에 대한 ARCTAN 연산 파형을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 제 1 파형(501)은 제 1 자기 센서(151)로부터 출력되는 신호(예: 사인(sin) 파형)일 수 있다. 제 2 파형(502)은 제 2 자기 센서(152)로부터 출력되는 신호(예: 코사인(cos) 파형)일 수 있다. 제 3 파형(505)은 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)로부터의 출력 신호(예: 사인(sin) 파형 및 코사인(cos) 파형)를 ARCTAN 연산한 파형일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 도 5에 도시된 ARCTAN 연산 후의 출력값을 통해 마그넷(135)의 1주기에 대한 절대적인 위치는 확인할 수 있다. 그러나, 로터(130)의 로터 하우징(220)에는 복수 쌍(예: 4쌍)의 마그넷(135)이 존재하므로, 로터(130)의 정확한 위치는 센싱하지 못할 수 있다. 즉, 로터(130)에 대한 소정의 기준점이 필요하며, 상기 기준점은 로터(430) 내에 복수 쌍의 마그넷(135)이 존재하므로, 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)를 이용하여 감지하기 어려울 수 있다. 따라서, 상기 기준점을 센싱하기 위해 후술하는 광 센서(160)가 이용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 인쇄회로기판(145)의 소정 위치에는 광 센서(160)가 배치될 수 있다. 상기 광 센서(160)는 상기 도 2 및 도 3에 도시된 로터(130)의 말단에 형성된 적어도 하나의 볼록부(예: 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317))와, 적어도 하나의 오목부(예: 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327))를 센싱하거나, 상기 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327)의 각각에 교대로 배치된 적어도 하나의 반사 영역(301)(또는 차광 영역)과 적어도 하나의 비반사 영역(303)(또는 비차광 영역)을 센싱하여, 상기 로터(130)에 대한 정확한 위치를 센싱할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광 센서(160)는 상기 로터(130)의 말단에 형성된 적어도 하나의 볼록부(예: 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317))와, 적어도 하나의 오목부(예: 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327))의 형태를 센싱함에 따라 광 출력 신호의 하이(high) 또는 로(low)를 결정할 수 있다. 또한, 광 센서(160)는 상기 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327)의 각각에 교대로 배치된 적어도 하나의 반사 영역(301)(또는 차광 영역)과 적어도 하나의 비반사 영역(303)(또는 비차광 영역)을 센싱함에 따라 광 출력 신호의 하이(high) 또는 로(low)를 결정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광 센서(160)가 포토인터럽터(photo interruptor) 센서를 포함하는 경우에는 광을 차단하기 위한 적어도 하나의 볼록부(예: 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317))의 유무에 따라 출력 신호가 결정될 수 있다. 상기 광 센서(160)가 포토리플렉터(photo reflector) 센서를 포함하는 경우에는 광을 반사하기 위한 적어도 하나의 적어도 하나의 반사 영역(301)(또는 차광 영역)의 유무에 따라 출력 신호가 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 볼록부(222) 및 오목부(224)가 로터 하우징(220)의 일측이 개방된 말단부에 1/2씩 구성되면, 상기 광 센서(160)는 로터(130)의 0°위치와 180°위치에서 출력 신호를 결정할 수 있다. 또한, 상기 로터(130)의 0°위치와 180°위치를 기준으로 하여, 소정의 간격을 두고 배치된 상기 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)가 복수 쌍의 마그넷(135)의 센싱 위치를 카운트함에 따라 로터(130)의 정확한 위치를 센싱할 수 있다. 이 경우, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터 장치(100)의 초기화 시, BLDC 모터(120)의 로터(130)를 회전하여 기준점을 찾는 과정이 필요하며, 예를 들면, 로터(130)를 180°회전시킨 후에 초기화가 가능할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광 센서(160)의 출력 신호가 복수 쌍의 마그넷(135)의 각각의 주기마다 다른 위치에서 발생할 수 있도록, 도 3에 도시된 바와 같이 로터 하우징(220)의 말단부에 복수의 볼록부(예: 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317)) 및 복수의 오목부(예: 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327))를 형성할 수 있다. 즉, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터 장치(100)는 로터(130)에 내장된 복수 쌍의 마그넷(135)의 한 주기 별로 광 센서(160)의 센싱 위치를 상기 복수의 볼록부 및 복수의 오목부를 통해 형성하면, 상기 마그넷(135)의 한 주기에 대하여 로터(130)가 소정 위치(예: 절반)만 회전하더라도, 로터(130)의 초기 기준점을 센싱할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 로터 하우징(220)의 말단부에 복수의 볼록부(예: 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317)) 및 복수의 오목부(예: 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327))가 형성되면, 도 6에 도시된 바와 같이 로터(130)가 최대 45°회전하더라도, 광 센서(160)는 상기 오목부(예: 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327))의 위치를 센싱할 수 있다. 이 경우, 도 1에 도시된 프로세서(110)는 상기 광 센서(160)의 위치 센싱 값을 ARCTAN 연산하여, 로터(130)의 실제 위치를 확인할 수 있다.
참고로, 도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 광 센서가 로터에 형성된 복수의 오목부를 센싱 했을 때의 출력 파형을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 제 1 파형(601)은 광 센서(160)로부터 출력되는 신호일 수 있다. 제 2 파형(605)은 광 센서(160)로부터의 출력 신호를 ARCTAN 연산한 파형일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광 센서(160)로부터의 출력 신호가 하강되었을 때의 ARCTAN 연산값이 0이면, 로터(130)의 위치는 P1(예: 45°) 지점임을 확인할 수 있다. 또한, 광 센서(160)로부터의 출력 신호가 상승되었을 때의 ARCTAN 연산값이 -135°이면, 로터(130)의 위치는 P2(예: 101.25°) 지점임을 확인할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 로터(130)에 내장된 마그넷(135)이 4쌍인 8극 BLDC 모터(120)인 경우, 광 센서(160)의 하이(high) 구간은 360°/8 = 45°이고, 구간별 차이는 45°/4 = 11.25°씩 발생될 수 있다. 이 경우, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터 장치(100)의 초기 구동에서 최대 회전량은 45°가 될 수 있다. 또한, 로터(130)에 내장된 마그넷(135)이 5쌍인 10극 BLDC 모터(120)인 경우, 광 센서(160)의 하이(high) 구간은 360°/10 = 36°이고, 구간별 차이는 36°/4 = 9°씩 발생될 수 있다. 이 경우, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 BLDC 모터 장치(100)의 초기 구동에서 최대 회전량은 36°가 될 수 있다.
일 실시예에 따르면, BLDC 모터(120)가 N극인 경우, 광 센서(160)의 하이(high) 구간은 360°/N가 되고, 구간별 차이는 360°/(N*4)°씩 발생될 수 있다. 이 경우, 상기 BLDC 모터 장치(100)의 초기 구동에서 최대 회전량은 360°/N이 될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치(100)의 일부 구성을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 로터(130)는 샤프트(210) 및 로터 하우징(220)을 포함할 수 있다. 로터(130)는 샤프트(210)를 통해 스테이터(140)에 삽입되고 회전 가능하게 장착될 수 있다.
따라서, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 BLDC 모터 장치(100)는, 스테이터(140)의 인쇄회로기판(145)에 소정의 간격을 두고 배치된 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)를 이용하여, 로터 하우징(220)에 내장된 마그넷(135)의 위치를 센싱할 수 있다. 또한, 상기 BLDC 모터 장치(100)는 스테이터(140)의 인쇄회로기판(145)의 소정의 위치에 배치된 광 센서(160)를 이용하여 로터 하우징(220)의 말단부에 형성된 적어도 하나의 볼록부(예: 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317))와, 적어도 하나의 오목부(예: 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327))를 센싱하거나, 상기 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327)의 각각에 교대로 배치된 적어도 하나의 반사 영역(301)(또는 차광 영역)과 적어도 하나의 비반사 영역(303)(또는 비차광 영역)을 센싱하여, 상기 로터(130)에 대한 정확한 위치를 센싱할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 복수의 센서를 포함하는 BLDC 모터 장치(100)의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 8을 참조하여 설명되는 동작들은, 예를 들어, 도 1 내지 도 4의 BLDC 모터 장치(100)에서 설명된 구성요소들에 의해 실행될 수 있다.
동작 810에서, 프로세서(110)는 자기 센서(150)(예: 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152))를 이용하여 센싱된 적어도 한 쌍(예: N극 및 S극) 이상의 마그넷(135)의 위치 신호를 수신할 수 있다.
동작 820에서, 프로세서(110)는 광 센서(160)를 이용하여 센싱된 적어도 하나의 볼록부(예: 제 1 볼록부(311), 제 2 볼록부(313), 제 3 볼록부(315) 및 제 4 볼록부(317)) 및 적어도 하나의 오목부(예: 제 1 오목부(321), 제 2 오목부(323), 제 3 오목부(325) 및 제 4 오목부(327))의 위치 신호를 수신할 수 있다.
동작 830에서, 프로세서(110)는 상기 자기 센서(150)(예: 제 1 자기 센서(151) 및 제 2 자기 센서(152)) 및 상기 광 센서(160)를 이용하여 수신된 상기 위치 신호들을 기초로 하여, 상기 스테이터(140)에 소정의 방향 및 속도 제어 신호를 전달할 수 있다.
동작 840에서, 프로세서(110)는 상기 스테이터(140)가 상기 소정의 방향 및 속도 제어 신호에 대응하는 전자기력을 발생시키게 하고, 상기 로터(120)에 내장된 적어도 한 쌍 이상의 마그넷(135)을 자극하여 상기 로터(130)를 회전시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 다양한 실시예에 따라 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 변형한 것도 본 발명에 속함은 당연하다.

Claims (15)

  1. BLDC 모터 장치에 있어서,
    적어도 한 쌍 이상의 마그넷이 내장되고, 말단부에 적어도 하나의 볼록부 및 적어도 하나의 오목부가 형성된 로터;
    적어도 하나의 자기 센서와 광 센서가 배치되고, 상기 로터를 회전시키는 전자기력을 생성하기 위한 스테이터; 및
    상기 로터 및 상기 스테이터와 전기적으로 연결된 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서는, 상기 적어도 하나의 자기 센서를 이용하여 상기 마그넷의 위치를 센싱하고, 상기 광 센서를 이용하여 상기 적어도 하나의 볼록부 및 상기 적어도 하나의 오목부의 위치를 센싱하여, 상기 로터의 위치를 확인하도록 설정된 BLDC 모터 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 자기 센서는 홀 센서 또는 자기 저항 센서 중 적어도 하나를 포함하는 BLDC 모터 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광 센서는 포토인터럽터 센서 또는 포토리플렉터 센서 중 적어도 하나를 포함하되,
    상기 광 센서가 상기 포토인터럽터 센서를 포함할 경우, 광을 차단하기 위한 적어도 하나의 볼록부의 유무에 기반하여, 상기 광 센서의 출력 신호가 결정되고,
    상기 광 센서가 상기 포토리플렉터 센서를 포함할 경우, 광을 반사하기 위한 적어도 하나의 반사 영역의 유무에 기반하여, 상기 광 센서의 출력 신호가 결정되는 BLDC 모터 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 로터는,
    상기 로터의 중앙에 장착되어 상기 로터의 회전축을 형성하는 샤프트; 및
    상기 적어도 한 쌍 이상의 마그넷을 내장하는 로터 하우징을 포함하는 BLDC 모터 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 로터 하우징은 일측이 개방된 원통 형상을 갖되,
    상기 일측이 개방된 말단부에 상기 적어도 하나의 볼록부 및 상기 적어도 하나의 오목부가 형성되고,
    상기 일측이 개방된 말단부에 적어도 하나의 오목부가 형성되는 경우, 상기 적어도 하나의 오목부의 개수는 상기 로터 하우징에 내장된 상기 적어도 한 쌍의 마그넷의 개수와 동일하게 구성된 BLDC 모터 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 오목부에는, 적어도 하나의 반사 영역 및 적어도 하나의 비반사 영역이 교대로 배치된 BLDC 모터 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 오목부에는, 적어도 하나의 차광 영역 및 적어도 하나의 비차광 영역이 교대로 배치된 BLDC 모터 장치.
  8. BLDC 모터 장치에 있어서,
    적어도 한 쌍 이상의 마그넷이 배치되고, 말단부에 적어도 하나의 볼록부 및 적어도 하나의 오목부가 형성된 로터;
    적어도 하나의 자기 센서 및 적어도 하나의 광 센서가 배치되고, 상기 로터를 회전시키는 전자기력을 생성하기 위한 스테이터; 및
    상기 로터 및 상기 스테이터와 전기적으로 연결된 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서는,
    상기 적어도 하나의 자기 센서를 이용하여 센싱된 상기 적어도 한 쌍 이상의 마그넷의 위치 신호를 수신하고,
    상기 적어도 하나의 광 센서를 이용하여 센싱된 상기 적어도 하나의 볼록부 및 상기 적어도 하나의 오목부의 위치 신호를 수신하고,
    상기 적어도 하나의 자기 센서 및 상기 적어도 하나의 광 센서로부터 수신된 상기 위치 신호들을 기초로 하여, 상기 스테이터에 소정의 방향 및 속도 제어 신호를 전달하고,
    상기 스테이터가 상기 소정의 방향 및 속도 제어 신호에 대응하는 전자기력을 발생시키게 하고 상기 적어도 한 쌍 이상의 마그넷을 자극하여 상기 로터를 회전시키도록 설정된 BLDC 모터 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 로터는,
    상기 적어도 한 쌍 이상의 마그넷을 내장하고, 일측이 개방된 원통 형상을 갖되,
    상기 일측이 개방된 말단부에 상기 적어도 하나의 볼록부 및 상기 적어도 하나의 오목부가 형성된 BLDC 모터 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 볼록부가 상기 말단부에 2개 이상 배치된 경우, 상기 2개 이상의 볼록부의 일방향으로의 폭은 서로 다르게 형성된 BLDC 모터 장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 오목부가 상기 말단부에 2개 이상 배치된 경우, 상기 2개 이상의 오목부의 일방향으로의 폭은 서로 다르게 형성된 BLDC 모터 장치.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 스테이터는,
    상기 전자기력을 생성하도록 코어에 코일이 권선된 복수의 전자기력 생성부; 및
    상기 적어도 하나의 자기 센서 및 상기 광 센서가 장착되는 인쇄회로기판을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 자기 센서는, 제 1 자기 센서 및 제 2 자기 센서를 포함하고,
    상기 제 1 자기 센서 및 상기 제 2 자기 센서는 상기 인쇄회로기판 상에 소정의 간격을 두고 배치된 BLDC 모터 장치.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 프로세서로부터 공급되는 신호에 따라 상기 스테이터에 구동 전류를 인가하기 위한 모터 구동부를 더 포함하되,
    상기 스테이터는 상기 모터 구동부로부터 인가되는 구동 전류에 대응하는 전자기력을 생성하고, 상기 로터는 상기 스테이터로부터 발생된 전자기력과 상기 마그넷의 자극으로 인해 발생된 유도 전류에 따라 회전되는 BLDC 모터 장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 스테이터는,
    상기 로터의 샤프트가 삽입되어 장착되는 샤프트 홀;
    상기 샤프트 홀에 삽입 및 장착된 상기 로터의 샤프트를 회전시키는 베어링; 및
    상기 베어링의 외주면에 결합되고, 상기 전자기력 생성부의 상기 코어를 장착하기 위한 원형 플레이트를 더 포함하는 BLDC 모터 장치.
  15. 제 8항에 있어서,
    상기 광 센서는 포토인터럽터 센서 또는 포토리플렉터 센서 중 적어도 하나를 포함하되,
    상기 광 센서가 상기 포토인터럽터 센서를 포함할 경우, 광을 차단하기 위한 적어도 하나의 볼록부의 유무에 기반하여 출력 신호가 결정되고,
    상기 광 센서가 상기 포토리플렉터 센서를 포함할 경우, 광을 반사하기 위한 적어도 하나의 반사 영역의 유무에 기반하여 출력 신호가 결정되는 BLDC 모터 장치.
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