KR100762294B1 - 모터 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터 제어 장치에 관한 것으로, 복수개의 PWM포트 및 복수개의 I/O포트를 구비하며 복수의 PWM신호 및 펄스신호를 발생시키는 제어부와 상기 제어부의 I/O포트에서 출력되는 하나 이상의 펄스신호로 각각 구동되는 하나 이상의 RC서보모터와 상기 제어부의 복수개의 PWM포트에서 출력되는 복수의 PWM신호를 입력받아 그에 상응하게 스위칭 동작하여 복수의 모터구동전류를 발생하는 복수개의 모터드라이버와 상기 각 모터드라이버로부터 모터 구동전류를 인가받아 동작하는 복수개의 DC모터와 상기 각 DC모터에 부착되며 상기 각 DC모터의 동작정보신호를 검출하여 제1전압에 실어 출력하는 복수개의 엔코더 및 상기 각 엔코더에서 출력된 상기 동작정보신호를 실은 제1전압을 상기 제어부의 구동전압에 상응하는 전압인 상기 동작정보신호를 실은 제2전압으로 변환하여 상기 제어부에 전달하며 상기 각 엔코더와 상기 제어부 사이를 전기적으로 절연시키는 다수개의 포토커플러를 포함한다.

DC모터, RC서보모터, 포토커플러

Description

모터 제어 장치{Apparatus for motor control}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어 장치의 구체적인 구성 및 동작을 설명하기 위한 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 제어부 11: PWM포트

12: I/O포트 20: 모터드라이버

30: DC모터 40: 엔코더

50: RC서보모터 60: 포토커플러

본 발명은 모터 제어장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수개의 모터를 제어하기 위한 장치에 관한 것이다.

모터는 전기에너지를 운동에너지로 바꾸는 대표적인 기기이다. 모터의 일반적인 구성은 모터의 외관을 이루는 하우징(Housing), 상기 하우징 안측에 위치하여 전원을 공급받아 자력을 형성하는 고정자(Stator), 상기 고정자에서 받은 전기 에너지를 운동 에너지로 변환시키며, 축(Shaft)를 구비한 회전자(Rotor) 및 회전자를 회전자유롭게 지지하는 베어링(Bearing)을 포함한다.

종래의 모터 제어 장치의 구성은 모터를 제어하는 제어부, 상기 제어부의 신호에 따라 구동되는 모터 및 상기 모터의 회전속도, 회전방향 및 회전각 등의 동작정보신호를 검출하여 상기 제어부에 전달하는 검출부로 이루어짐이 일반적이다. 그리고, 모터의 제어는 상기 제어부가 모터를 구동시키고, 상기 검출부가 검출한 모터의 상태정보를 제어부가 가공하여 모터의 동작을 보상함으로써 이루어지는 것이 일반적이다.

상기한 모터의 일반적인 구성에 모터의 종류에 따라 부가 요소들이 가감될 수 있으며, 모터 제어 장치의 구성이 달라진다. 그러므로, 제어부의 신호의 종류가 달라진다.

이하, DC모터, 스텝모터 및 RC서보모터를 비교하여 설명하기로 한다.

DC모터는 앞서 설명한 검출부가 회전자와 연결되어 있으며, 통상적으로, 엔코더 또는 타코제너레이터를 많이 사용한다. 그리고, DC모터의 구동 방식은 트랜지스터에 의한 PWM(Pulse Width Modulation)방식이 바람직하다. 상기 PWM방식은 사용 주파수 전원을 정류하여 얻어진 직류 전원이 모터에 인가되는 시간폭을 주파수의 반송파에 의해 변화시킨 전압을 이용하여 모터를 제어한다. 또한, 상기 PWM방식은 응답성이 좋고 부하 마찰 토크(Torque)가 국부적으로 변화하므로 다관절 로봇과 같이 자세에 의한 모터축 환산부하 관성이 크게 변하는 계에서도 충분히 안정된 제어 가 용이하다. 그러나, DC모터는 제어부의 전압레벨에 의해 대전력회로인 DC모터의 출력전압이 저전력회로인 제어부를 손상시킬 수 있다.

스텝모터는 상기 제어부가 생성하는 펄스에 따라 회전각 및 회전 속도를 제어할 수 있다. 또한, 스텝모터는 펄스 신호수에 비례하여 회전하므로 위치의 피드백이 불필요하고, 자기지지 토크가 형성되기 때문에 브레이크 기구가 없이 자체의 위치결정 능력을 가지고 있다. 그러므로, DC 모터와는 달리 검출부가 불요하며, 산업용 로봇의 관절 기구에 주로 채택된다.

RC 서보모터는 제어부에서 만들어내는 펄스의 폭에 의해 각도를 조절하는 모터이며, 내부에 포텐션미터를 구비하므로 따로 검출부가 필요 없다. 그리고, RC 서보 모터는 작동방법이 간단하고 360도 회전하지 않고 대략 180도 정도 회전이 필요한 곳에 사용한다. 그러므로, RC 서보 모터는 RC 자동차의 앞바퀴의 조향이나 RC 헬리곱터의 회전자 및 뒤 날개 등을 제어할 때 사용한다.

하지만, 상기한 바와 같은 종래의 모터 제어 장치는 하나의 제어부에 한정된 수의 제어 신호를 송출하는 포트가 있고, 이종의 제어신호를 만들기에 적합지않으므로, 이종의 모터 또는 다수개의 모터를 필요로 하는 로봇 등을 제어하기에 어려움이 있다. 또한, 상기한 DC모터의 제어에 있어, DC모터의 출력전압이 저전압으로 구동되는 제어부를 손상시킬 수 있는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 제어 포트 수에 제한이 있는 하나의 장치로 다수개의 모터 및 이종 의 모터를 제어함과 동시에 전압레벨이 다른 장치를 효율적으로 제어함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 제어 장치는, 복수개의 PWM포트 및 복수개의 I/O포트를 구비하며 복수의 PWM신호 및 펄스신호를 발생시키는 제어부; 상기 제어부의 I/O포트에서 출력되는 하나 이상의 펄스신호로 각각 구동되는 하나 이상의 RC서보모터; 상기 제어부의 복수개의 PWM포트에서 출력되는 복수의 PWM신호를 입력받아 그에 상응하게 스위칭 동작하여 복수의 모터구동전류를 발생하는 복수개의 모터드라이버; 상기 각 모터드라이버로부터 모터 구동전류를 인가받아 동작하는 복수개의 DC모터; 상기 각 DC모터에 부착되며 상기 각 DC모터의 동작정보신호를 검출하여 제1전압에 실어 출력하는 복수개의 엔코더; 및 상기 각 엔코더에서 출력된 상기 동작정보신호를 실은 제1전압을 상기 제어부의 구동전압에 상응하는 전압인 상기 동작정보신호를 실은 제2전압으로 변환하여 상기 제어부에 전달하며 상기 각 엔코더와 상기 제어부 사이를 전기적으로 절연시키는 다수개의 포토커플러를 포함한다.

그리고, 상기 제어부의 적어도 하나의 I/O포트와 연결되고 상기 I/O포트에서 출력된 PWM신호를 입력받아 그에 상응하게 스위칭 동작하여 모터 구동전류를 발생하는 제2모터드라이버; 상기 제2모터드라이버로부터 모터 구동전류를 인가받아 동작하는 제2DC모터; 상기 제2DC모터에 부착되며, 상기 제2DC모터의 동작정보신호를 검출하여 제1전압에 실어 출력하는 제2엔코더; 및 상기 제2엔코더에서 출력된 상기 동작정보신호를 실은 제1전압을 상기 제어부의 구동전압에 상응하는 전압인 상기 동작정보신호를 실은 제2전압으로 변환하여 상기 제어부에 전달하며 상기 제2엔코더와 상기 제어부 사이를 전기적으로 절연시키는 제2포토커플러를 더 포함한다.

또한, 상기 제어부의 적어도 하나의 I/O포트에서 출력되는 PWM신호는 프로그램상으로 듀티비가 조절된 신호인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다수개의 모터 제어 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도로서, 모터 구동을 지시하는 지령신호와 각 모터별 동작정보신호를 입력받아 복수의 PWM신호를 발생시키는 제어부(10)와 상기 제어부(10)로부터 출력되는 복수의 PWM신호를 입력받아 모터 구동 전류를 발생하는 모터드라이버(20), 상기 모터드라이버(20)로부터 모터 구동전류를 인가받아 동작하며, 각각 엔코더(40)를 구비한 복수의 DC모터(30), 상기 제어부와 직접 결선된 RC서보모터(50) 및 상기 엔코더(40)가 검출한 DC모터(30)의 동작정보를 상기 제어부(10)로 입력하는 포토커플러(60)를 포함한다.

상기 제어부(10)는 구동 전압이 3.3볼트인 32비트 DSP(Digital signal processor)를 이용하며, 상기 DSP의 기본 동작은 필터링, 프리어 변환, 상관 함수의 산출, 부호화, 변복조, 미분, 적분, 적응 신호 처리 등이며, 음성 및 통신 시스템에서 채용되고 있고, 화상 처리나 서보 모터 제어 등의 고속 디지털 제어 분야에 주로 이용된다.

여기서, 상기 제어부(10)는 복수개의 PWM포트(미도시) 및 복수개의 I/O포트(미도시)를 구비하며, 모터의 구동을 지시하는 지령신호 및 상기 검출부(50)에서 입 력 받은 DC모터(30)의 동작정보신호를 가공하여 다수개의 PWM포트 및 적어도 하나의 I/O포트를 통하여 PWM신호를 발생시키며, RC서보모터(50)를 구동시키기 위한 펄스신호를 I/O포트를 통해 출력한다.

상기 모터드라이버(20)는 상기 PWM신호를 입력받아 DC모터(30)를 구동시킬 수 있도록 PWM신호를 증폭시키며, 모터의 동작을 제어한다. 여기서, 상기 모터드라이버(20)는 전원, 증폭기 및 비교기를 포함할 수 있다.

상기 RC서보모터(50)는 내부에 포텐션미터, 제어회로 및 기어박스를 구비하고, 제어부의 출력전압(3.3V)으로 구동될 수 있어 제어부와 직접결선 된다. 또한, 제어부의 I/O포트(미도시)에서 생성한 펄스신호로 구동되며, 상기 펄스신호의 펄스 폭에 의해 각도가 조절된다.

상기 DC모터(30)는 상기 PWM신호를 입력받아 구동되며, 상기 엔코더(40)를 구비한다.

상기 엔코더(40)는 상기 DC모터(30)의 아날로그 신호로 주어진 모터의 회전속도, 회전방향 및 회전각 등의 동작정보를 디지털신호로 변환하는 센서이다.

상기 포토커플러(60)는 일측에 발광소자, 타측에 수광소자가 전기적으로 절연되도록 이격되어 위치하며, 상기 발광소자에서 발광된 빛을 상기 수광소자가 수광 할 수 있도록 투명실리콘 또는 광섬유로 사이를 채우고 테두리를 플라스틱으로 몰딩한 구조이다. 또한, 상기 포토커플러(60)의 입력전압은 상기 엔코더(40)의 출력전압에, 상기 포토커플러(60)의 출력전압은 상기 제어부(10)의 구동전압에 일치시킨다. 따라서, 상기 포토커플러(60)의 전기적으로 절연된 구조를 통해 상기 제어 부(10)와 상기 엔코더(40)간을 절연시킨다.

상기 제어부(10)는 상기 포토커플러(50)를 통해 상기 제어부(10)에 전달된 동작정보신호를 상기 DC모터(30)의 동작을 보상하기 위해 사용한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어 장치의 구체적인 구성 및 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 모터 제어 장치는 복수개의 PWM포트(11) 및 복수개의 I/O포트(12)를 구비한 제어부(10), 상기 복수개의 PWM포트(11) 및 적어도 하나의 I/O포트(12)와 연결된 복수개의 모터드라이버(20), 상기 제어부의 I/O포트(12)와 직접 결선된 복수개의 RC서보모터(50), 상기 각 모터드라이버(20)와 연결되는 복수개의 DC모터(30), 상기 각 DC모터(30)에 부착된 복수개의 엔코더(40) 및 상기 각 엔코더(40)와 상기 제어부(10)를 연결하는 복수개의 포토커플러(60)를 포함한다.

상기 제어부(10)는 상기 DC모터(30) 제어를 위한 PWM신호 및 상기 RC서보모터(50) 제어를 위한 펄스신호를 생성한다.

상기 PWM신호는 DC모터를 제어하도록 사용 주파수 전원을 정류하여 얻어진 직류 전원이 모터에 인가되는 시간폭을 주파수의 반송파에 의해 변화시킨 전압을 이용한다. 또한, 상기 PWM신호는 모터 구동을 지시하는 지령신호 및 상기 포토커플러(50)를 통해 궤환된 DC모터(30)의 동작정보신호를 가공하여 생성한다. 그리고, 상기 PWM신호는 상기 제어부(10)의 PWM포트(11) 및 적어도 하나의 I/O포트(12)를 통해 출력한다.

상기 PWM신호를 출력하는 I/O포트는 제어할 DC모터의 수가 PWM포트 수보다 많을 때 선택적으로 이용할 수 있다. 여기서, 상기 I/O포트(12)에서 나오는 PWM신호는 상기 제어부(10)에서 프로그램상으로 소정의 듀티비(duty rate)에 따라 온/오프(on/off)를 수행함으로써 펄스폭을 변조하여 출력하는 것이다. 그러므로, 상기 PWM포트(11)의 수가 제어할 DC모터의 수보다 부족하더라도 상기 I/O포트(12)를 통해 DC모터를 제어할 수 있다.

상기 펄스신호는 상기 제어부의 I/O포트(12)로 출력되며 프로그램상으로 펄스의 폭을 조절할 수 있다. 또한, 상기 펄스신호의 펄스 폭에 따라 소정 각도만큼 상기 RC서보모터(50)의 회전자의 회전각이 조절된다. 예를 들면, 상기 펄스신호의 펄스 폭을 대략 0.7msec에서 2.5msec 사이의 값으로 했을때, 이에 상응하는 각도 0에서 180도로 회전자의 각도가 조절되는데, 1.5msec일때 약90도를 나타낸다. 그러므로, 400Hz 이하의 주파수를 사용함이 바람직하다.

상기 모터드라이버(20)는 상기 PWM신호를 입력받아 이를 증폭시켜 상기 DC모터(30)를 구동시킨다. 상기 모터드라이버(20)를 구동시킬 수 있는 전원장치, 증폭기 및 비교기는 도시하지 않았다.

상기 엔코더(40)는 상기 각각의 DC모터(30)의 회전축에 연결되어 상기 DC모터(30)의 회전과 동기 되어 회전하는 원판에 전자적으로 인식 가능한 눈금과 표식을 하여 모터의 회전속도, 회전방향 및 회전각 등의 동작정보신호를 아날로그신호로 검출하여 디지털신호인 펄스파형으로 변환시킨다. 그리고, 상기 검출된 펄스파형인 동작정보신호를 제1전압(5V)에 실어 상기 포토커플러(60)에 전송한다.

상기 포토커플러(60)는 상기 엔코더(50)의 출력단자에서 발생하는 제1전압이 상기 포토커플러(60)의 일측의 발광다이오드에 인가되어 상기 발광다이오드에 전류가 흘러 발광하면 상기 포토커플러(60)의 타측의 수광트랜지스터가 이를 수광하여 출력되는 전압이 상기 제어부(10)의 구동전압에 상응하는 제2전압(3.3V)이 되도록 감압시킨다. 이때, 상기 제1전압에 실린 동작정보신호는 펄스파이므로 변형되지 않고 제2전압에 실린다.

그러므로, 상기 제어부(10)가 전기적으로 연결되었을 경우, 상기 DC모터(30)에서 발생하는 큰 유도 전류 또는 전압이 상기 엔코더(40)를 통해 작은 전력회로인 상기 제어부(10)를 손상하거나, 비교적 빠른 주파수를 취급하는 제어 회로의 신호의 일부처럼 들어가 상기 제어부(10)의 회로를 오동작시키는 것을 방지할 수 있고, 상기 엔코더(40)의 출력전압을 제어부(10)의 구동전압과 맞추는 동시에 DC모터의 동작정보신호를 변형 없이 상기 제어부(10)에 전달할 수 있다.

상기 제어부(10)는 상기 제2전압에 실린 동작정보신호를 상기 DC모터(30)의 동작을 보상하기 위해 사용한다.

이상 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 PWM신호포트 및 I/O포트를 통해 복수개의 DC모터를 PWM신호를 생성할 수 있고, I/O포트를 통해 RC서보모터를 제어할 수 있는 펄스신호를 생성하게 함으로써, 복수개의 모터 및 이종의 모터를 제어할 수 있다.

그리고, 하나의 장치로 복수개의 모터 및 이종의 모터를 제어함으로써 비용 절감 및 번거로움을 피할 수 있다.

또한, 포토커플러를 통해 모터와 전압레벨이 다른 제어부를 보호하여 안정적인 시스템을 구현할 수 있다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (3)

1. 복수개의 PWM포트 및 복수개의 I/O포트를 구비하며 복수의 PWM신호 및 펄스신호를 발생시키는 제어부;

   상기 제어부의 I/O포트에서 출력되는 하나 이상의 펄스신호로 각각 구동되는 하나 이상의 RC서보모터;

   상기 제어부의 복수개의 PWM포트에서 출력되는 복수의 PWM신호를 입력받아 그에 상응하게 스위칭 동작하여 복수의 모터구동전류를 발생하는 복수개의 모터드라이버;

   상기 각 모터드라이버로부터 모터 구동전류를 인가받아 동작하는 복수개의 DC모터;

   상기 각 DC모터에 부착되며 상기 각 DC모터의 동작정보신호를 검출하여 제1전압에 실어 출력하는 복수개의 엔코더; 및

   상기 각 엔코더에서 출력된 상기 동작정보신호를 실은 제1전압을, 상기 제어부의 구동전압에 상응하는 전압인 상기 동작정보신호를 실은 제2전압으로 변환하여 상기 제어부에 전달하며, 상기 각 엔코더와 상기 제어부 사이를 전기적으로 절연시키는 다수개의 포토커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부의 적어도 하나의 I/O포트와 연결되고 상기 I/O포트에서 출력된 PWM신호를 입력받아 그에 상응하게 스위칭 동작하여 모터 구동 전류를 발생하는 제2모터드라이버;

   상기 제2모터드라이버로부터 모터 구동전류를 인가받아 동작하는 제2DC모터;

   상기 제2DC모터에 부착되며, 상기 제2DC모터의 동작정보신호를 검출하여 제1전압에 실어 출력하는 제2엔코더; 및

   상기 제2엔코더에서 출력된 상기 동작정보신호를 실은 제1전압을, 상기 제어부의 구동전압에 상응하는 전압인 상기 동작정보신호를 실은 제2전압으로 변환하여 상기 제어부에 전달하며, 상기 제2엔코더와 상기 제어부 사이를 전기적으로 절연시키는 제2포토커플러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제어부의 적어도 하나의 I/O포트에서 출력되는 PWM신호는 프로그램상으로 듀티비가 조절된 신호인 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.

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