KR100248018B1 - 초음파 모터의 속도 제어 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 모터의 속도 제어 회로에 관한 것이다.

본 발명은 제어전압에 의해 주파수를 발진시키며, 입력전압을 가변시켜 주파수를 변화시키기 위한 전압 제어 발진기와, 그 전압 제어발진기에서 발진된 주파수를 분주, 변환하기 위한 주파수 체배기와, 이 주파수 체배기에 의해 체배된 주파수를 실제 사용주파수가 되도록 다시 체배시키는 위상이동 회로부와, 모터에 인가되는 전류량을 조절하기 위한 턴 온 타임 조절 회로부와, 모터의 회전방향을 바꾸어 주기 위한 회전방향 절환회로부와, 압전체가 진동되는 해당주파수의 상태에 맞는 전압으로 변환시키기 위한 저역필터부와, 그 저역필터부를 통과한 주파수를 유지하여 상기 전압제어 발진기에 입력시키기 위한 주파수 유지회로부를 구비하고 있다.

이와 같은 구성의 본 발명은 위상가변방식을 취하고 있어 종래의 주파수에 대한 속도의 민감도를 낮추어야 하는 문제 및 공진주파수 근처에서의 이상동작을 나타낼 수 있다는 문제를 해결할 수 있다. 또한, 속도를 조금씩 변화시킬 수 있어 정밀제어가 가능하고, 회로의 구현이 용이한 장점이 있다.

Description

초음파 모터의 속도 제어 회로

제1도는 종래 초음파 모터의 주파수 가변 속도 제어 회로의 개략적인 회로 구성도.

제2도는 종래 초음파 모터의 주파수 가변 속도 제어 회로에 있어서의 주파수-속도 특성을 나타내 보인 그래프.

제3도는 본 발명에 따른 초음파 모터의 속도 제어 회로의 개략적인 회로 구성도.

제4도는 제3도의 속도 제어 회로에서 위상이동회로부의 개략적인 회로 구성도.

제5도는 제3도의 속도 제어 회로에서 턴 온 타임 조절회로부의 개략적인 회로 구성도.

제6도는 본 발명의 초음파 모터의 속도 제어 회로에 있어서, 2f 신호를 체배하여 가변 위상을 가지는 f신호로 만드는 과정을 나타내 보인 설명도.

제7도는 본 발명의 초음파 모터의 속도 제어 회로에 있어서, 멀티바이브레이터를 이용하여 듀티를 조절하는 과정을 나타내 보인 설명도.

제8도는 본 발명의 초음파 모터의 속도 제어 회로에 있어서, 듀티가 조절된 신호와 다른 신호들과의 차이점을 나타내 보인 설명도.

제9도는 종래 초음파 모터의 구동 원리를 나타내 보인 설명도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

11,31 : 전압 제어 발진기(VCO) 12 : 위상차회로

13,36 : 증폭기 14,37 : 변압기

15,38 : 압전체 16,39 : 저역필터(LPF)

17 : 속도비교 전압발생회로 32 : 주파수 체배기

33 : 위상이동회로부 33a : 타임 딜레이부

33b : 램프 웨이브 발생회로부 33c,33e : D플립-플롭

33d : 위상비교기 34 : 턴 온 타임 조절회로부

34a : 멀티바이브레이터 34b : AND게이트

35 : 회전방향절환회로부 40 : 주파수유지회로부

본 발명은 초음파 모터의 속도 제어 회로에 관한 것으로서, 특히 위상을 가변시켜 속도의 가감제어를 행함으로써 속도를 가변할 수 있는 변위 폭을 크게 하여 모터의 속도 제어를 좀 더 정밀하게 할 수 있고, 회로구성이 용이한 초음파 모터의 속도 제어 회로에 관한 것이다.

유도전동기의 속도는 N=(1-s)N_S, N_S=120f/p라는 식으로 표시된다(여기서, N_S는 동기속도를 말한다). 그러므로, 속도를 제어하려면 세가지의 가변요소, 즉 슬립(s), 주파수(f) 및 극수(p)중 어느 하나 혹은 두가지 요소를 변화시켜야 한다. 이중에서 가장 효율적인 방법은 주파수를 변화시키는 방법이라고 할 수 있다. 그리고, 그와 같이 주파수를 변화시킬 때, 통상 적정 토오크(torque)와 높은 효율을 유지하기 위하여 주파수와 함께 전압도 비례적으로 가변시켜 주게 된다. 그것을 V/F(Voltage/Frequency)방식이라고 하며, 원하는 속도지령에 대응하는 주파수에 대해 직접적으로 비례하는 전압을 출력하는 방식이다. 오늘날, 유도 전동기의 속도 제어는 주로 이 방식을 채용하고 있다. 이 방식은 시스템 구현이 용이하고 사용자가 시스템을 운영함에 있어 별어려움이 없어 산업현장에 널리 보급되어 사용되고 있는 실정이다.

한편, 상기와 같은 일반적인 모터의 구동원리와 전혀 다른 구동 원리를 가지는 모터가 있다. 이른바 초음바 모터가 바로 그것이다.

초음파 모터는 압전 소자를 탄성체에 붙여 탄성체에 걸리는 종파와 횡파의 합성된 진행파로써 동체를 움직이는 방식의 모터이다. 이에 대해 첨부된 도면을 참조하면서 좀 더 상세히 설명해 보기로 한다.

제9도는 종래 초음파 모터의 구동 원리를 나타내 보인 설명도이다.

이를 참조하면, 탄성체(91)의 종파와 횡파가 합성된 진행파가 형성되어 W의 방향으로 음속으로 전파된다. 이 진행파는 파1의 상태에서 일정시간이 경과한 후 파2의 상태로 된다. 이때, 탄성체(91) 표면의 질점 A는 파의 진행방향과 역방향으로 횡진폭 w, 종진폭 u로서 반시계방향의 타원운동을 하고, 그 정점에서 진동 속도는 V=2πfu(f:진동주파수)로 나타낸다. 탄성체(91)의 표면상의 각 질점은 그 진행파의 파장과 같은 위상 상태, 예를 들어 A에 대하여 A', A"처럼 되어 있다. 이러한 타원 운동을 하는 탄성체(91) 표면에 동체(92)를 압축시키면, 동체(92)는 탄성체(91)의 A, A', A"...에서 접촉하고, 상호 마찰력에 의해 전술한 진동 속도 V로 진행파와 역방향으로 이동(회전)한다.

한편, 첨부 도면의 제1도에는 그와 같은 종래 초음파 모터의 주파수 가변 속도 제어 회로가 개략적으로 도시되어 있다.

이를 참조하면, 종래 초음파 모터의 주파수 가변 속도 제어 회로(10)는 소정의 타이머를 이용하여 주파수를 발진시키며, 기준 전압을 이용하여 주파수의 가변이 가능한 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator:11, 이하 VCO로 약칭함)가 마련되고, 플립-플롭(flip-flop)회로를 이용하여 상기 VCO(11)에서 발진된 2배주파수를 각각 나누어 90°씩 위상차를 가지도록 하여 원하는 주파수가 되도록 하는 위상차회로(12)가 설치되어 있다. 또한, 신호를 증폭한 후, 압전체(15)가 필요로 하는 고전압을 발생시키기 위한 증폭기(13) 및 변압기(14)가 마련되고, 압전체(15)의 주파수를 저역 통과시켜 압전체가 진동되는 해당주파수의 상태에 맞는 전압으로 변환시키는 저역(통과)필터(Low Pass Filter:16, 이하 LPF로 약칭함)와, 이 LPF(16)에 의해 변환된 전압과 속도 기준 전압을 비교하여 오차 전압을 발생, 이를 상기 VCO(11)로 보내어 주파수를 변화시키기 위한 속도 비교전압 발생회로(17)가 설치되어 있다.

이와 같은 구성의 종래 주파수 가변 속도 제어 회로(10)는 전술한 바와 같이 90°씩 고정된 위상차를 가지는 2개의 파를 초음파 모터의 압전체(15)에 인가하게 된다. 이때, 두 파의 주파수는 초음파 모터가 구동되는 주파수대를 가지게 되며, 공진주파수 f_r서부터 탄성체의 탄성 진동이 물리적인 모터 작용을 일으키지 못하는 주파수 f_o까지가 구동 주파수 대역이 된다. 결과적으로, 제2도의 주파수-속도 관계 그래프에서 볼 수 있는 것처럼, 공진주파수 f_r에 가까울수록 초음파 모터의 속도는 빨라지며, 공진주파수 f_r로부터 멀어질수록 속도는 느려진다.

그런데, 이와 같은 종래 주파수 가변 속도 제어 회로에 있어서는 주파수를 조금만 변화시켜도 속도의 변화가 급격히 나타난다. 즉, 속도가 주파수에 대단히 민감하게 나타나므로 주파수의 변위폭을 대단히 작게하여야 하는 문제점이 대두된다. 그리고, 그렇게 주파수 변위를 대단히 미세하게 조절함에 있어서 종래의 아날로그 방식으로는 회로를 구현하는데 많은 어려움이 따르고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 위상을 가변시켜 속도의 가감제어를 행함으로써 속도를 가변할 수 있는 변위폭을 크게 하여 모터의 속도 제어를 좀 더 정밀하게 할 수 있고, 회로구성이 용이한 초음파 모터의 속도 제어 회로를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초음파 모터의 속도 제어 회로는, 소정의 제어전압에 의해 주파수를 발진시키며, 입력전압을 가변시켜 주파수를 변화시키기 위한 전압 제어 발진기와, 상기 전압 제어 발진기에서 발진된 주파수를 분주하여 소정 주파수로 변환하기 위한 주파수 체배기와, 상기 주파수 체배기에 의해 체배된 주파수를 실제 사용주파수가 되도록 다시 체배시키는 위상이동 회로부와, 모터에 인가되는 전류량을 조절하기 위한 턴 온 타임(turn on time)조절 회로부와, 압전체에 인가되는 신호를 바꾸어 줌으로써 모터의 회전방향을 바꾸어 주기 위한 회전방향 절환회로부와, 압전체의 주파수를 저역 통과시켜 압전체가 진동되는 해당주파수의 상태에 맞는 전압으로 변환시키기 위한 저역필터부와, 상기 저역필터부를 통과한 주파수를 유지하여 상기 전압제어 발진기에 입력시키기 위한 주파수 유지회로부를 구비하여 된 점에 그 특징이 있다.

이와 같은 구성의 본 발명은 위상가변방식을 취하고 있어 모터의 속도제어에 있어 종래의 주파수 제어방식에서의 주파수에 대한 속도의 민감도를 낮추어야 하는 문제 및 공진주파수 근처에서의 이상동작을 나타낼 수 있다는 문제를 해결할 수 있다. 또한, 속도 변화가 위상변화에 급격히 변화하지 않으므로 속도를 조금씩 변화시킬 수 있음에 따른 정밀제어가 가능하고, 회로의 구현이 용이한 장점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

제3도는 본 발명에 따른 초음파 모터의 속도 제어 회로의 개략적인 회로구성도이다.

이를 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 모터의 속도 제어 회로(30)는 제어전압에 의해 소정 주파수(예컨대, 4f)를 발진시키는 한편, 입력 전압을 가변시켜 주파수를 변화시키는 전압 제어 발진기(31:VCO)가 마련되고, 그 전압 제어 발진기(31)에서 발진된 주파수를 분주하여 소정 주파수(예컨대, 2f)로 변환하기 위한 주파수 체배기(32)가 설치된다. 여기서, 상기 전압 제어 발진기(31)는 타이머 등을 이용하게 되며, 사용하고자 하는 주파수의 4배주파수(4f)를 발생시키도록 세팅하게 된다. 이에 대해 좀 더 보충설명을 해보면, 전압 제어 발진기에서 발생되는 주파수의 듀티(duty:통상 duty cycle 혹은 duty factor로 지칭되는 것으로서, 주기에 대한 ON과 OFF의 시간의 비를 말함) 등이 정확히 50%씩 유지된다는 보장이 없으므로, 사용하여야 할 2f 주파수를 바로 전압 제어 발진기에서 발생시키게 되면 회로가 불안정하게 되는 문제점이 발생된다. 따라서, 전압 제어 발진기(31)에서는 4f 주파수를 발진시키고, 주파수 체배기(32)에서 2f의 주파수로 duty를 안정화(50%씩)시켜주며, 신호의 정형성 등을 고려하여 플립-플롭 등을 사용하여 위상이동 회로부(33)에서 한번 더 주파수를 체배시켜 주게 된다.

또한, 상기 주파수 체배기(32)에 의해 체배된 주파수를 전술한 바와 같이 실제 사용주파수가 되도록 다시 체배시켜주기 위한 위상이동 회로부(33)가 마련되고, 모터에 인가되는 전류량을 조절하기 위한 턴 온 타임, 즉 듀티 조절 회로부(34)와, 압전체에 인가되는 신호를 바꾸어줌으로써 모터의 회전방향을 바꾸어 주기 위한 회전방향 절환회로부(35)와, 압전체의 주파수를 저역 통과시켜 압전체가 진동되는 해당 주파수의 상태에 맞는 전압으로 변환시키기 위한 저역필터부(LPF:39) 및 그 저역필터부(39)를 통과한 주파수를 유지하여 상기 전압 제어 발진기(31)에 입력시키기 위한 주파수 유지회로부(40)가 설치된다. 부호 36은 증폭기, 37은 변압기, 38은 압전체이다.

한편, 상기 위상이동회로부(33)는 제4도에 도시된 것과 같이 크게는 모터 인가 주파수(f)의 2배 주파수(2f)를 시간 지연시켜 모터 인가 주파수를 만드는 회로에 입력시켜주는 타임 딜레이부(33a)와, 상기 2배 주파수를 변조하여 위상을 이동시켜주는 램프 웨이브(ramp wave) 발생회로부(33b)로 구성된다. 부호 33c는 타임 딜레이부(33a)로부터의 주파수를 실제로 사용되는 모터 인가 주파수로 만들어주는 회로부로서, D플립-플롭이 사용된다. 그리고, 33d는 램프 웨이브 발생회로부(33b)로부터의 주파수의 위상과 기준 위상을 비교하여 소정의 위상차를 가질 수 있도록 하는 위상비교기이고, 33e는 위상비교기를 거친 주파수를 받아 소정 위상차를 가지는 모터 인가 주파수를 만들어주는 회로부로서, 역시 D플립-플롭이 사용된다.

또한, 상기 듀티 조절 회로부(34)는 제5도에 도시된 것과 같이 가변저항(VR)과, 콘덴서(C)와, 펄스 폭을 가변시켜주기 위한 멀티바이브레이터(multivibrator:34a)의 직렬 연결 회로로 구성된다. 이 듀티 조절 회로부(34)는 전술한 바와 같이 턴 온 타임(turn on time)을 조절하여 초음파 모터에 인가되는 전류량을 조절하게 된다.

그러면, 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명의 초음파 모터의 속도 제어 회로의 작동에 대해 제3도, 제4도 및 제5도를 참조하면서 설명해 보기로 한다.

제3도에서, 전압 제어 발진기(31)에 소정의 전압이 인가되면 설정된 세팅치(본 발명에서는 4f 주파수가 발생되도록 세팅함)에 따라 전압 제어 발진기(31)로부터 4f 주파수가 발생된다. 그런 후, 이 주파수(4f)는 주파수체배기(32)로 입력되며, 여기서 1번 분주되어 2f 주파수로 변환된다. 이 변환된 2f 주파수는 위상이동회로부(33)로 입력되고, 여기서, 다시 한편 체배되어 f의 신호가 된다. 즉, 위상이동회로부(33)로 입력된 2f 신호는 제4도에서와 같이 타임 딜레이 회로부(33a)와 램프 웨이브 발생회로부(33b)로 각각 분기, 입력된다. 그런 후, 일측은 고정되어 D플립-플롭을 거쳐 실제의 사용주파수 f로 발생되고, 타측은 위상비교기(33d) 및 D플립-플롭(33e)을 거쳐 소정의 위상차()를 가지는 f+신호로 발생된다. 여기서, 이 가변 위상을 가지는 f신호(f+신호)를 만드는 과정에 대해 좀 더 상세히 설명해 보기로 한다.

상기 위상 이동 회로부(33)로 입력되는 2f 신호를 제6도에서와 같이 램프 웨이브가 되도록 만든 후, 이를 기준 전압과 비교하면 전압의 크기 비교에 따라 펄스 폭(P1,P2)이 달라진다. 따라서, 기준 전압을 변화시킴으로써 원하는 위상차를 가지도록 가변이 가능해진다. 이때, 동일 위상을 가지는 신호 f의 2f 클락은 가변위상을 가지는 신호 f의 변화된 2f 클락이 입력되는 것과 맞추기 위해 시간 지연을 주도록 해서 상기 동일 위상 신호와 가변 위상 신호의 클락이 동시에 입력되는 것과 같은 상황이 되게 한다. 그러면, 동일 위상 신호는 고정된 2f를 클락으로 하므로 고정된 f신호를 가지게 되며, 가변 위상 신호는 위상 기준 전압에 따라 변화된 펄스의 2f를 클락으로 가지게 되어 위상이 이동되는 f신호가 된다.

이렇게 발생된 신호들은 듀티 조절 회로부(34)로 입력되며, 제5도에 도시된 바와 같이 멀티바이브레이터(34a)에 의해 듀티가 조절된다. 즉, 멀티바이브레이터(34a)의 가변저항(VR)을 움직이면 멀티바이브레이터(34a)의 펄스 폭이 변화된다. 그리고, 멀티바이브레이터(34a)는 제7도에 도시된 것과 같이 클락(clock)의 상승 선단부(rising edge:RE)에 동기되는 것으로써 클락의 상승 선단부(RE)마다 트리거링(triggering)된다.

한편, 멀티바이브레이터(34a)의 펄스 폭은(high를 유지하는 상태)외부에 연결된 R(저항) 및 C(커패시터) 값에 의해 결정되는데, R을 가변저항(VR)으로 사용함으로써 그 펄스 폭을 임의로 조절할 수 있는 것이다. 이때, 멀티바이브레이터는 리트리거링(retriggering) 될 수 있는 것을 사용하게 되므로 펄스 폭이 실제 입력되는 클락의 주기보다 커져도 high 상태를 계속 유지할 수 있게 된다. 그 결과, 제8도에서와 같이 최종적으로 듀티가 조절된 펄스가 초음파 모터의 구동 증폭 입력이 된다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 초음파 모터의 속도 제어회로는 위상가변방식을 취하고 있어 모터의 속도제어에 있어 종래의 주파수 제어방식에서의 주파수에 대한 속도의 민감도를 낮추어야 하는 문제 및 공진주파수 근처에서의 이상동작을 나타낼 수 있다는 문제를 해결할 수 있다. 또한, 속도 변화가 위상변화에 급격히 변화하지 않으므로 속도를 조금씩 변화시킬 수 있음에 따른 정밀제어가 가능하고, 회로의 구현이 용이한 장점이 있다.

Claims (3)

1. 소정의 제어전압에 의해 주파수를 발진시키며, 입력전압을 가변시켜 주파수를 변화시키기 위한 전압 제어 발진기와, 상기 전압 제어 발진기에서 발진된 주파수를 분주하여 소정 주파수로 변환하기 위한 주파수 체배기와, 상기 주파수 체배기에 의해 체배된 주파수를 실제 사용주파수가 되도록 다시 체배시키는 위상이동 회로부와, 모터에 인가되는 전류량을 조절하기 위한 턴 온 타임(turn on time)조절 회로부와, 압전체에 인가되는 신호를 바꾸어 줌으로써 모터의 회전방향을 바꾸어 주기 위한 회전방향 절환회로부와, 압전체의 주파수를 저역 통과시켜 압전체가 진동되는 해당주파수의 상태에 맞는 전압으로 변환시키기 위한 저역필터부와, 상기 저열필터부를 통과한 주파수를 유지하여 상기 전압제어 발진기에 입력시키기 위한 주파수 유지회로부를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 초음파 모터의 속도 제어 회로.
2. 제1항에 있어서, 상기 위상이동회로부는 모터 인가 주파수(f)의 2배 주파수(2f)를 시간 지연시켜 모터 인가 주파수를 만드는 회로에 입력시켜주는 타임 딜레이부와, 상기 2배 주파수를 변조하여 위상을 이동시켜주는 램프 웨이브(ramp wave) 발생회로부를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 초음파 모터의 속도 제어 회로.
3. 제1항에 있어서, 상기 턴 온 타임 조절회로부는 가변저항(VR)과 콘덴서(C)와 펄스폭을 가변시켜주기 위한 멀티바이브레이터의 직렬 연결 회로로 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 모터의 속도 제어 회로.