KR100383360B1 - 피아이디 귀환 전류제어방식을 이용한 온도 정밀제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정밀한 온도제어를 필요로 하는 장비, 혹은 장치에 PID (Proportional, Integral, Differential) 귀환 전류제어방식을 적용하여 정밀 온도제어가 가능하도록 한 PID 귀환 전류제어방식을 이용한 온도 정밀제어 장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 정밀한 온도제어를 필요로 하는 장비 혹은 장치에 있어서, PID 제어루프를 구현한 소프트웨어가 탑재된 컨트롤 컴퓨터와, 상기 컨트롤 컴퓨터의 제어명령을 배분하고 측정값을 획득하는 제어 및 측정 모듈로 구성되는 마스터 랙과, 상기 마스터 랙의 제어명령에 의해 전력을 공급하는 파워서플라이 랙과, 상기 파워서플라이 랙의 과도전력을 피제어부로부터 격리시키는 퓨즈/스위치 모듈과, 상기 파워서플라이 랙의 전력을 받아 온도를 제어하는 온도제어부와, 상기 파워서플라이 랙과 온도제어부 사이에 설치되고 전류의 정밀 측정을 위한 션트박스 모듈을 구비시킴으로써 이루어진다.

Description

피아이디 귀환 전류제어방식을 이용한 온도 정밀제어 장치{Precise Temperature Control Apparatus by the PID-Feedback Current Control Method}

본 발명은 정밀한 온도제어를 필요로 하는 장비, 혹은 장치에PID(Proportional, Integral, Differential) 귀환 전류제어방식을 적용하여 정밀 온도제어가 가능하도록 한 PID 귀환 전류제어방식을 이용한 온도 정밀제어 장치에 관한 것이다.

온도제어를 필요로 하는 장비는 많이 있으나 그 중, 위성체의 환경시험, 생화학 장비, 인공위성의 광학장비 등은 매우 정밀한 온도제어를 필요로 하는 분야이다.

인공위성의 궤도 열환경시험은 위성이 궤도에서 운용될 때 위성의 모든 장비가 우주궤도의 열환경 상태에서 정상적인 작동을 하는지를 확인하기 위한 지상시험으로서 주어진 환경온도를 정확하게 구현하여야 하는 것으로, 이러한 열환경 시험은 진공챔버내에서 수십개에 달하는 히터를 위성체에 부착하여 각 부위별로 예상되는 극한 온도를 유지하여야 하며, 이때 온도제어를 잘못하여 제한 온도범위를 벗어날 경우 위성의 전자장비가 손상될 우려가 있으므로 매우 안전하고 정확하게 온도제어가 필요한 분야이다.

또한 위성의 광학장비 또한 광학부의 열변형을 최소화하기 위하여 정밀 온도제어가 필요하며, 세균배양이나 화학반응기 등에 쓰이는 생화학 장비 중에도 정밀한 온도제어를 필요로 하는 장비는 많이 존재한다.

기존의 온도제어는 대부분이 전압제어 방식에 의해 전력을 히터에 공급하고 온도센서로 온도를 측정하여 전압제어부에 귀환하는 방법을 사용하고 있으나 이와 같은 전압제어 방식을 사용할 경우, 전력공급선에서 발생할 수 있는 전압손실과 그 미소 전압차로 유발되는 온도변화를 온도제어 논리프로그램에 반영하기가 어려워제어온도의 정밀도를 감소시킬 뿐만 아니라 탈 설계(Off-design) 온도에 민감한 피제어부를 손상시킬 수 있는 것이다.

본 발명은 목표온도를 얻기 위하여 제어하여야 하는 전력공급 관련변수 중에서, 실시간으로 계측된 온도 및 전류를 PID(Proportional, Differential, Integral) 귀환제어(Feedback Control)에 채택함으로써, 최종적으로 부하가 걸리는 히터 전력제어의 정밀도를 높여 이에 반응하는 온도를 보다 정확히 구현할 수 있도록 하였으며, 또한 퓨즈모듈을 전력공급로 상에 설치하고 비상시에 컴퓨터에 의한 자동제어를 차단하여 수동모드로 전환시킬 수 있는 토클 스위치를 하드웨어적인 안전장치로 추가함으로써 온도제어의 안전성을 최대한 확보하였다.

본 발명을 구성하는 장치는 상용부품만으로도 시스템을 간략히 구성할 수 있어, 기능 및 효율성 대비 제작단가도 낮아 기존의 장치보다 경제적인 면에서도 매우 유리하다.

도 1 은 본 발명 온도 정밀제어 장치의 개념도

도 2 는 본 발명 온도 정밀제어 장치의 실 구현도

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1 : 컨트롤 컴퓨터 2 : 마스터 랙

3 : 명령제어 유닛 6 : 퓨즈/스위치 모듈

7 : 퓨즈 8 : 토글 스위치

9 : 파워서플라이 랙 10 : 파워서플라이

11 : 션트 박스 모듈 12 : 온도 제어부

15 : 명령/계측 신호선 16 : 전력제어 명령 전달선

17 : 전류 측정선 18 : 전압측정선

20 : 온도측정선

본 발명의 온도 정밀제어 장치는 도 1 에서 도시하는 바와 같이 PID제어 루프를 구현한 소프트웨어가 탑재된 컨트롤 컴퓨터(1)와, 컨트롤 컴퓨터(1)의 제어명령을 배분하고 측정값을 획득하는 제어 및 측정모듈로 구성되는 마스터 랙(2)과, 피제어부를 과도전력으로부터 보호하는 하드웨어적 안전장치인 퓨즈/스위치 모듈(6)과, 온도 제어명령에 의해 온도제어부(12)로 전력을 공급하는 파워서플라이 랙(9)과, 파워서플라이 랙(9)과 온도제어부(12)사이에 설치되고 전류의 정밀 측정을 위한 션트 박스 모듈(11)과, 파워서플라이 랙(9)의 전력을 받아 열을 발생하고 온도를 검출하는 온도 제어부(12) 등으로 크게 구성된다.

컨트롤 컴퓨터(1)는 PID 제어루프를 구현한 소프트웨어를 탑재하고 있으며 획득하는 모든 데이터를 처리하고 저장하는 것으로 상용의 PC나 웍크 스테이션을사용할 수 있으며, 마스터 랙(2)의 명령제어 유닛(3)과 통신하기 위한 GP-IB 카드를 내장하게 된다.

마스터 랙(2)은 상기된 컨트롤 컴퓨터(1)로부터 오는 명령을 하위 모듈에 배분하고 계측된 자료를 컨트롤 컴퓨터(1)에 공급하는 명령제어 유닛(3:Command Control Unit)과, 온도, 전압, 전류 등을 측정하기 위한 데이터 획득 모듈(4:Data Acquisition Modul)과, 파워서플라이(10)에 직접 명령값을 프로그램 하여 할당하는 접속 유닛(5:Interface Unit)등으로 구성된다.

퓨즈/스위치 모듈(6)은 온도제어과정에서 하드웨어나 소프트웨어의 비정상적 작동으로 유발될 수 있는 과도한 전력으로부터 피제어부를 격리시키는 역할을 하기 위하여 각각의 전력공급선(19)에 설치되는 퓨즈(7)와, 자동제어 모드와 수동제어 모드를 임의로 선택할 수 있도록 각각의 전력제어선(16)에 설치되어 있는 토글 스위치(8)로 구성된다.

파워서플라이 랙(9)은 피제어부에 설치되는 히터(13) 수에 해당하는 만큼의 파워서플라이(10)를 포함하고 있으며 발열에 대비하여 도면에 도시되지는 않았지만 방열팬 및 환풍 시스템이 갖추어져 있다.

션트 박스 모듈(11)은 션트 레지스터를 내장하여 온도제어부(12)를 흐르는 전류의 정밀측정에 필요한 전류측정선(17)을 인출하는 한편 전압측정을 위한 전압측정선(18)의 인출도 이루어진다.

온도제어부(12)에는 가열을 위한 히터(13)와 온도 검출을 위한 써모커플(14) 온도센서 등이 부착되게 된다.

그 외에 시스템 구성에는 각각의 부품 모듈, 혹은 유닛을 연결할 신호 케이블과 전력 케이블이 필요하며 도 1 에 도시하는 바와 같이 명령/계측 신호선(15),전력제어 명령 전달선(16), 전력공급선(19), 전류측정선(17), 전압측정선(18), 온도측정선(20) 등이 구성된다.

본 발명의 온도 정밀제어 장치 구성은 획득이 용이한 상용의 부품을 이용하여 저가로 구현하는 것이 가능하다. 도 2 는 도 1 의 설계 개념을 실 장비로 구현한 것을 도시하고 있다.

도 1 의 마스터 랙(2)을 구성하고 있는 명령제어 유닛(3)은 도 2 의 GP-IP명령 모듈(3, GP-IP Command Module)에 해당하고, 도 1 의 명령/계측 신호선(15)은 도 2 의 GP-IB 케이블(15)에 해당되며, 도 1 의 데이터 획득 모듈(4)은 도 2에서 디지털 멀티메타(4-1)와, 써모커플 먹스(4-2)와, 독립된 모듈로는 두 개의 데이터 획득 유닛(4-3, 4-4)등으로 구현되고, 또한 접속 유닛(5)은 도 2 에서 두 개의 디지털/아날로그 컨버터(5-1, 5-2)로 이루어지는 것으로, 컨트롤 컴퓨터(1)의 제어명령을 배분하고 온도제어부(12)의 온도와 전류 및 전압 측정값을 획득하여 컨트롤 컴퓨터(1)에서 처리되게 한다.도 2 의 전류제어 모드 케이블(16-1)과 전압제어 모드케이블(16-2)은 도 1 의 전력제어 명령 전달 케이블(16)을 구현한 것으로, 파워서플라이의 정전류 제어(Constant Current Control) 및 정전압 제어 (Constant Voltage Control) 특성에 맞추어 전력을 제어하기 위함이다.온도제어부(12)는 진공챔버에서 위성체에 장착된 히터(13)를 가열하여 우주환경과 같이 극한 환경을 만들고, 상기 온도는 써모커플(14)로 감지하여 조절할 수 있도록 하되 온도조절은 PID제어루프를 구현한 소프트웨어가 탑재된 컨트롤 컴퓨터(1)에서 이루어지도록 하며, 안정되고 정밀한 온도제어가 가능하다.

본 발명은, 정밀한 온도제어를 필요로 하는 장비, 혹은 장치에 PID (Proportional, Integral, Differential) 귀환 전류제어방식을 적용하여 구현할 수 있는 온도 정밀제어 장치의 구성에 관한 것으로, 위성체의 환경시험, 생화학 장비, 인공위성의 광학장비 등 정밀한 온도제어를 필요로 하는 분야에서 기존의 복잡한장치에 비하여 상용의 부품으로 저가에 간결하게 구축할 수 있는 장치의 설계와 실 구현도를 제시하고 있다.

Claims (3)

1. 정밀한 온도제어를 필요로 하는 장비 혹은 장치에 있어서,

   PID 제어루프를 구현한 소프트웨어가 탑재된 컨트롤 컴퓨터(1)와,

   상기 컨트롤 컴퓨터(1)의 온도 제어에 필요한 제어명령을 배분하여 히터(13)의 온도를 제어하고 발열온도를 감지한 측정값을 획득하여 컨트롤 컴퓨터(1)로 전달하는 제어 및 측정 모듈로 구성되는 마스터 랙(2)과,

   상기 마스터 랙(2)에서 배분된 온도 제어명령에 의해 히터(13)에 전력을 공급하여 발열시키는 파워 서플라이 랙(9)과,

   상기 파워서플라이 랙(9)에서 발생될 수 있는 과도전력으로부터 피제어부를 격리시켜 보호하는 퓨즈/스위치 모듈(6)과,

   상기 파워 서플라이 랙(9)에서 공급되는 전력으로 히터(13)를 작동시켜 온도를 제어하고 히터(13)온도를 써모커플(14)로 감지하는 온도제어부(12)와,

   상기 파워서플라이 랙(9)과 온도제어부(12) 사이에 설치되고 히터(13)로 흐르는 전류의 정밀 측정을 위한 션트박스 모듈(11)을 구비하여 구성된 피아이디 귀환 전류제어방식의 온도정밀제어 장치.
2. 제 1 항에서, 퓨즈/스위치 모듈(6)은 파워서플라이 랙(9)에서 히터(13)로 공급되는 전력공급선(19)에 설치되는 퓨즈(F)와, 파워서플라이 랙(9)과 접속유닛(5)을 연결하는 전력제어선(16)에 설치되는 토글 스위치(8)로 구성된 것을 특징으로 하는 피아이디 귀환 전류제어방식의 온도정밀제어 장치.
3. 제 1 항에서, 온도제어부(12)는 파워서플라이 랙(9)에서 공급되는 전력에 의하여 열을 발생시키고 진공챔버 내에서 위성체에 부착되는 히터(13)와, 상기 히터(13)에서 발생된 열을 감지하는 써모커플(14)로 구성된 것을 특징으로 하는 피아이디 귀환 전류제어방식의 온도정밀제어 장치.