KR100394070B1 - A magnet brake no contact device - Google Patents
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Abstract
전산업에 사용되고 있는 교류 및 직류 전동기의 DC 마그네트 브레이크를 제어할 때 이용되는 강여자와 약여자용 마그네트 콘택터(CONTACTOR) 접점 대신 IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor)를 이용한 직류 마그네트 무접점 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 마그네트 브레이크 무접점 장치는 모터의 운전을 제어하는 브레이크 스위치와, 상기 브레이크 스위치의 동작에 따라 전원전압을 공급하는 제 1 RC 회로와, 상기 제 1 RC 회로로부터 출력된 제 1 출력신호를 반전시켜 출력하는 인버터 회로와, 상기 인버터 회로로부터 출력된 제 2 출력신호의 크기를 지수함수격으로 변화시키는 제 2 RC 회로로 이루어지고, 상기 모터의 운전시 상기 브레이크 스위치의 동작에 따라 상기 제 2 출력신호는 상기 제 2 RC 회로의 시정수에 의해 지수함수적으로 증가되도록 하는 강여자 인가시간 조절회로; 주기적으로 펄스를 생성하는 약여자 인가전압 조절회로; 상기 제 1 출력신호, 제 2 출력신호 및 상기 펄스를 입력받고, 상기 모터의 운전시 상기 제 1 출력신호의 역상과 상기 제 2 출력신호의 역상의 논리곱에 해당하는 강여자 신호를 출력하거나, 상기 제 2 출력신호와 상기 펄스의 논리곱에 해당하는 약여자 신호를 출력하는 게이트 어레이 로직; 및 상기 강여자 신호와 상기 약여자 신호를 입력받고, 상기 강여자 신호가 활성화되는 동안 IGBT 소자의 마그네트 코일이 강여자 상태로 유지되도록 제어하고, 상기 악여자 신호가 활성화되는 동안 상기 마그네트 코일이 약여자 상태로 유지되도록 제어하는 IGBT 구동회로를 포함한다.Disclosed is a direct current magnet contactless device using an isolated gate bipolar transistor (IGBT) instead of a magnetic contactor (CONTACTOR) contact for use in controlling DC magnet brakes of AC and DC motors used in all industries. The magnet brake solid-state device according to the present invention includes a brake switch for controlling operation of a motor, a first RC circuit for supplying a power voltage according to the operation of the brake switch, and a first output signal output from the first RC circuit. And a second RC circuit for changing the magnitude of the second output signal output from the inverter circuit at an exponential function, and outputting the inverter circuit by inverting and outputting the second output signal according to the operation of the brake switch during operation of the motor. A power supply applying time adjusting circuit for causing the second output signal to increase exponentially by the time constant of the second RC circuit; A weak excitation voltage regulating circuit for generating a pulse periodically; Receiving the first output signal, the second output signal, and the pulse, and outputting a booster signal corresponding to a logical product of an inverse phase of the first output signal and an inverse phase of the second output signal during operation of the motor; A gate array logic configured to output a weak excitation signal corresponding to the logical product of the second output signal and the pulse; And receiving the booster signal and the weakly excited signal, and controlling the magnet coil of the IGBT element to remain in the excited state while the exciting signal is activated, and the magnetic coil is weak while the bad signal is activated. And an IGBT drive circuit for controlling to remain in an excited state.
Description
본 발명은 전산업에 사용되고 있는 교류 및 직류 전동기의 DC 마그네트 브레이크를 제어할 때 이용되는 강여자와 약여자용 마그네트 콘택터(CONTACTOR) 접점 대신 IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor)를 이용한 직류 마그네트 무접점 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a DC magnet contactless device using IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) instead of a magnetic contactor (CONTACTOR) contact used for controlling DC magnet brakes of AC and DC motors used in all industries. It is about.
DC 마그네트 브레이크 동작을 설명하면 다음과 같다. 모터가 정지하고 있는상태에서는 브레이크 판이 모터의 축을 양쪽에서 접촉하여 회전을 방해한다. 모터를 운전하기 위해서는 마그네트 브레이크 코일(COIL)에 전류를 인가하여 브레이크 판을 모터로부터 개방시킨다. 전류 인가시, 초기에는 강한 전류를 흘려 판을 분리시켜야 되고 일단 판이 분리되고 난 뒤에는 그 상태를 홀딩할 수 있는 정도의 약한 전류를 흘려주면 된다. 이를 각각 강여자 운전과 약여자 운전이라 한다. 종래의 DC 마그네트 브레이크의 동작 방식을 도 1을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.DC magnet brake operation is explained as follows. When the motor is stopped, the brake plate contacts the shaft of the motor on both sides to prevent rotation. To operate the motor, a current is applied to the magnet brake coil COIL to open the brake plate from the motor. When the current is applied, initially, a strong current must be applied to separate the plate, and once the plate is separated, a weak current enough to hold the state can be applied. These are called strong excitation driving and weak excitation driving respectively. The operation method of the conventional DC magnet brake will be described in detail with reference to FIG. 1 as follows.
모터의 정역운전 스위치(FWD 또는 REV)를 온하게 되면 우선 콘택터 코일(CONTACTOR COIL:BR, BRF)이 동시에 여자되어 BR 및 BRF 접점이 온 된다. 따라서 DC 마그네트 코일에는 예를 들어 DC 220[V]가 인가된다. 이 때를 강여자 상태라하며 브레이크 판은 모터에서부터 떨어진다. 약 0.5~1.2초 후 타이머(TIMER)가 오프되어 BRF 코일의 전원이 차단되면 BRF 접점이 오프되고 BR1 저항을 통하여 DC 마그네트 코일에는 DC 24~50[V]가 인가된다. 이 때를 약여자상태라 한다. 모터를 정지시키면 BR 접점이 오프되면서 DC 마그네트 코일에 인가되는 전압은 영(ZERO)이 되고 코일에 축적되었던 에너지는 저항(BR2)을 통하여 열로 소비된다.When the forward and reverse operation switch (FWD or REV) of the motor is turned on, the contactor coils (CONTACTOR COIL: BR, BRF) are excited at the same time, and the BR and BRF contacts are turned on. Therefore, for example, DC 220 [V] is applied to the DC magnet coil. This time is called the energized state and the brake plate falls from the motor. After about 0.5 ~ 1.2 seconds, when the timer is off and the power of BRF coil is cut off, BRF contact is turned off and DC 24 ~ 50 [V] is applied to DC magnet coil through BR1 resistor. This time is called weak girl state. When the motor is stopped, the BR contact is turned off, and the voltage applied to the DC magnet coil becomes ZERO, and energy stored in the coil is consumed as heat through the resistor BR2.
이상과 같이 DC 마그네트 브레이크의 동작은 강여자와 약여자로 구분되어 있으며, 이 동작은 일반 마그네트 접접을 사용하고 있어서 장시간 사용시 마그네트 접점의 마모 및 융착에 의해서 교환이 필수적이다.As mentioned above, the operation of DC magnet brake is divided into strong and weak excitation. This operation uses general magnet contact, so it is necessary to replace the magnet by wear and fusion of magnet contact for a long time.
따라서, 본 발명은 모터의 브레이크 장치에 사용되는 강여자와 약여자 브레이크 방식을 로직회로와 반도체 스위칭 소자를 이용하여 무접점화시키는 데 그 목적이 있다.Therefore, an object of the present invention is to make contactless and weak excitation brake systems used in a brake device of a motor non-contact by using a logic circuit and a semiconductor switching element.
본 발명의 다른 목적은 종래의 타이머와 접점스위치로 구현되어 있는 강여자, 약여자 인가장치를 전자식회로와 그 제어로직으로 구현하는데 있다.Another object of the present invention is to implement an electronic circuit and the control logic of the power and weak excitation applying device implemented by a conventional timer and contact switch.
본 발명에 의하면 종래의 DC 마그네트 브레이크의 문제점인 접점의 마모 및 융착에 의한 교환이 필요없는 반영구적인 무접점 마그네트 브레이크 장치가 구현될 수 있다.According to the present invention, a semi-permanent contactless magnet brake device which does not require replacement due to wear and fusion of contacts, which is a problem of the conventional DC magnet brake, may be implemented.
도 1은 종래의 일반 마그네트 접점을 이용한 모터 브레이크 장치의 회로도.1 is a circuit diagram of a motor brake device using a conventional general magnet contact.
도 2는 본 발명에 따른 무접점 브레이크 장치의 상세회로도.2 is a detailed circuit diagram of a contactless brake device according to the present invention.
도 3은 도 2를 설명하기 위한 타임챠트.3 is a time chart for explaining FIG.
도 4는 도 2의 IGBT 소자의 상세구성을 나타내는 도면.4 is a view showing a detailed configuration of the IGBT element of FIG.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
10 : 강여자 인가시간 조절회로 20 : 게이트 어레이 로직10: power supply time control circuit 20: gate array logic
30 : 약여자 인가전압 조절회로 40 : IGBT 구동회로30: weak excitation voltage control circuit 40: IGBT driving circuit
50 : OP 앰프 60 : IGBT 소자50: OP amplifier 60: IGBT element
본 발명은 우선 강여자에서 약여자로 전환시킬 때 0.5~1.2[sec]의 시간지연을 시키기 위하여 기존의 타이머를 사용하였던 것을 오픈 콜렉터형 인버터와 RC회로를 이용하여 구현하였다. 또한, 강여자에서 약여자로의 전압전환은 기존의 저항에 의한 전압분배방식이 아닌 OP AMP 발진기에 의한 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation;PWM) 방식을 사용함으로써 전압 크기를 자유자재로 조절할 수 있도록 하였다. 마지막으로 상기된 내용에서 구현된 디지털 정보를 규합하여 스위칭소자의 온-오프 타임을 제어하는 로직을 개발하였으며 GAL(Gate Array Logic)을 이용하여 실제 구현하였다.The present invention implements the use of an open collector type inverter and an RC circuit that uses a conventional timer to make a time delay of 0.5 to 1.2 [sec] when switching from a strong to a weak. In addition, the voltage transition from the strong to the weak is not limited to the voltage distribution by the resistance, but using the pulse width modulation (PWM) method of the OP AMP oscillator to control the voltage level freely It was. Finally, the logic for controlling the on-off time of the switching device was developed by combining the digital information implemented in the above description, and was actually implemented by using a GAL (Gate Array Logic).
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 사용된 방식을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the method used in the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 직류 마그네트 무접점 장치의 상세회로도로서 기존의 타이머를 대체하기 위한 무접점 브레이크 장치의 강여자 인가시간 조절회로(10), GAL(20), 무접점 장치의 약여자 인가전압 조절회로(30), IGBT 구동회로(40) 및IGBT 소자(60)로 구성된다. 강여자 인가시간 조절회로(10)는 오픈 콜렉터(OPEN COLLECTOR)형 로직 인버터(I1, I2 및 I3)와 RC 회로에 의한 시간지연회로로 구성되는데, 이 회로의 동작은 다음과 같다. 우선 스위치(S/W)가 OFF(MOTOR 정지)된 상태에서는 저항(R10, R11)과 캐패시터(C10)에 의해서 로직인버터(I1, I2 및 I3)의 입력이 5[V]이고, 따라서 출력은 0[V]이다. 스위치(S/W)가 ON(MOTOR 운전)된 상태가 되면, 로직 인버터의 입력은 0[V]가 되고 출력단에 달린 저항(R12)과 캐패시터(C9)의 충전에 의해서 출력은 0[V]에서 5[V]를 향하여 지수함수형태로 증가한다. TTL 로직이 로직 [1]로 인식하는 전압이 2.8[V]이상이므로 출력전압이 0[V]에서 2.8[V]까지 증가하는 시간이 지연시간에 해당된다. 이 지연시간은 시정수 RC에 비례한다. 여기서 저항을 100[OHM], 캐패시터를 33[uF]를 사용하면 0.8[sec]의 시간지연을 얻을 수 있고 그 값을 조절하면 다른 시간지연도 얻을 수 있으므로 타이머를 대체할 수 있다.FIG. 2 is a detailed circuit diagram of a DC magnet contactless device according to the present invention, which provides the exciter application time regulating circuit 10, GAL 20, and a weakly excited device of a contactless brake device to replace an existing timer. And a voltage regulating circuit 30, an IGBT driving circuit 40, and an IGBT element 60. The energizer applying time adjusting circuit 10 is composed of an open collector (OPEN COLLECTOR) type logic inverter (I1, I2 and I3) and a time delay circuit by the RC circuit, the operation of the circuit is as follows. First, when the switch S / W is OFF (MOTOR is stopped), the inputs of the logic inverters I1, I2 and I3 are 5 [V] by the resistors R10 and R11 and the capacitor C10. 0 [V]. When the switch S / W is turned ON (MOTOR operation), the input of the logic inverter becomes 0 [V] and the output is 0 [V] by charging the resistor R12 and the capacitor C9 at the output terminal. Increases exponentially toward 5 [V]. Since the voltage that TTL logic recognizes as logic [1] is more than 2.8 [V], the time that output voltage increases from 0 [V] to 2.8 [V] is the delay time. This delay is proportional to the time constant RC. In this case, if the resistance is 100 [OHM] and the capacitor is 33 [uF], the time delay of 0.8 [sec] can be obtained. If the value is adjusted, other time delay can be obtained, so the timer can be replaced.
약여자 인가전압 조절회로(30)의 동작은 다음과 같다.The operation of the weak excitation voltage regulating circuit 30 is as follows.
우선 OP 앰프(AMP; 50)의 출력전압이 HIGH인 경우, 다이오드(D6)은 오프되고 저항(R15와 R17)의 전압분배에 의하여 OP 앰프(50)의 비반전 입력단(+)의 전압은 3.3[V]이다. 반전 입력단(-)의 전압은 저항(R16과 R18)을 통하여 캐패시터(C11)에 충전되는 지수함수 형태로 증가한다. 이 때의 시정수는 (R16 + R18) ×C11이다. 이 전압이 3.3[V]를 넘는 순간 출력전압은 LOW가 된다.First, when the output voltage of the OP amplifier AMP 50 is HIGH, the diode D6 is turned off and the voltage of the non-inverting input terminal (+) of the OP amplifier 50 is 3.3 due to the voltage distribution of the resistors R15 and R17. [V]. The voltage at the inverting input terminal (-) increases in the form of an exponential function that is charged to the capacitor C11 through the resistors R16 and R18. The time constant at this time is (R16 + R18) x C11. As soon as this voltage exceeds 3.3V, the output voltage goes LOW.
다음으로 OP 앰프(50)의 출력전압이 LOW인 경우, 다이오드(D6)는 온되고 이때 OP 앰프(50)의 비반전 입력단(+)의 전압은 다이오드 통전전압과 OP 앰프(50)의출력단의 Vce(on)전압을 더한 9.0[V]이다. 이때 반전 입력단(-)의 전압은 초기값 3.3[V]에서 저항(R16)을 통하여 지수함수적으로 감소하는 파형이 된다. 이 때 시정수는 R16 ×C11이다. 이 전압이 0.9[V]보다 낮아지는 순간 출력전압은 HIGH가 된다.Next, when the output voltage of the OP amplifier 50 is LOW, the diode D6 is turned on and at this time, the voltage of the non-inverting input terminal (+) of the OP amplifier 50 is equal to the diode conduction voltage and the output terminal of the OP amplifier 50. 9.0 [V] plus Vce (on) voltage. At this time, the voltage of the inverting input terminal (-) becomes a waveform which decreases exponentially through the resistor R16 at an initial value of 3.3 [V]. At this time, the time constant is R16 × C11. As soon as this voltage is lower than 0.9 [V], the output voltage becomes HIGH.
이상과 같이 상기 회로는 일정주기로 펄스를 발생시키며, 이 펄스폭은 저항(R16)과 캐패시터(C11)의 값을 조절함으로써 변환가능하다.As described above, the circuit generates a pulse at a constant cycle, and the pulse width can be converted by adjusting the values of the resistor R16 and the capacitor C11.
본 발명에 다른 무접점 브레이크 장치의 온-오프 시간을 제어하는 로직을 구현한 GAL(20)을 도 3을 참조하여 설명하기로 한다. 먼저 로직을 구현하기 위한 입력을 정리하면 E단자는 운전상태이간 정지상태인가를 나타내는 입력단자로서 스위치(S/W)를 ON하면 HIGH에서 LOW로 간다. F단자는 E단자의 역상을 나타내는 입력단자로서 0.8[sec]의 시간지연후 LOW에서 HIGH로 간다. G단자는 주기적인 펄스입력단자이다. 로직을 간단히 설명하자면 다음과 같다.A GAL 20 implementing logic for controlling the on-off time of another contactless brake device according to the present invention will be described with reference to FIG. 3. First, if the input to implement logic is arranged, the E terminal is an input terminal that indicates whether the operation state is in the stop state and goes from HIGH to LOW when the switch (S / W) is turned on. The F terminal is an input terminal representing the inverse phase of the E terminal, and goes from LOW to HIGH after a time delay of 0.8 [sec]. The G terminal is a periodic pulse input terminal. The logic is briefly described as follows.
우선 스위치(S/W)가 OFF된 상태에서는 아무 동작도 일어나지 않는다. 즉, E단자가 로직 '1'이면 도 3에 도시한 바와 같이 Y2의 출력이 LOW이므로 IGBT소자(후술함)는 오프이다. 스위치(S/W)가 ON된 직후, 0.8초 동안 강여자를 인가하기 위하여 0.8초 동안 계속 IGBT 소자(60)는 온이 되어야 한다. 스위치(S/W)가 ON된 상태는 E단자가 로직 '0'인 상태이다. 그러므로 강여자 인가로직은 다음과 같다.First, no action occurs when the switch S / W is turned off. That is, if the E terminal is logic '1', the output of Y2 is LOW as shown in Fig. 3, and the IGBT element (described later) is off. Immediately after the switch S / W is turned on, the IGBT element 60 should be turned on for 0.8 seconds to apply the inductor for 0.8 seconds. The switch (S / W) is in the ON state is the E terminal logic '0'. Therefore, the grantor logic is as follows.
강여자 = E'F'Strong = E'F '
강여자 인가시간(0.8초)이 지난 후에는 약여자 인가로직으로 들어간다. 이때, IGBT 소자(60)는 펄스형태로 온-오프를 반복한다. 이 상태는 F단자가 로직 '1'인 상태에서 G단자를 그대로 IGBT 소자(60)의 구동입력으로 사용하면 되므로 약여자 인가로직은 다음과 같다.After the grantor approval time (0.8 seconds) has elapsed, enter the weak grantor logic. At this time, the IGBT element 60 repeats the on-off in the form of a pulse. In this state, since the F terminal is a logic '1', the G terminal may be used as a driving input of the IGBT element 60 as it is, and thus the weak excitation logic is as follows.
약여자(PWM) = FGWeak girl (PWM) = FG
그러므로 강여자와 약여자를 순차적으로 인가하는 종합적인 인가로직은 다음과 같다.Therefore, the overall accreditation logic to sequentially approve the strong and weak is as follows.
Y2 = 강여자 + 약여자(PWM) = E'F' + FGY2 = strong + weak (PWM) = E'F '+ FG
도 4는 IGBT 소자(60)의 상세구성을 나타내며 그 동작은 다음과 같다.4 shows the detailed configuration of the IGBT element 60 and its operation is as follows.
브레이크 작동시 트랜지스터(Q4)는 제어회로(70)에 의해 온 상태를 유지한다. 이 상태에서 Y2가 HIGH이면, IGBT 구동회로(40)의 출력에 의해 트랜지스터(Q1)가 턴온되어 마그네트코일(M)은 0.8[sec] 동안 강여자 상태가 되며, 0.8[sec] 이후에는 PWM에 의해 약여자로 전환된다. 반면에 브레이크를 오프시키려면 트랜지스터(Q4)를 오프시키고, Q4가 오프된 상태에서, Y2를 계속 온시키며, 마그네트 코일(m)의 축적된 에너지 저항(R)을 통해 열로 소모된다. 이러한 동작의 반복에 의해 마그네트 코일(m)은 운전된다.The transistor Q4 is kept on by the control circuit 70 during the brake operation. In this state, if Y2 is HIGH, the transistor Q1 is turned on by the output of the IGBT driving circuit 40, and the magnet coil M becomes the energized state for 0.8 [sec], and after 0.8 [sec], the PWM is applied. Is converted into a weak girl. On the other hand, to turn off the brake, transistor Q4 is turned off, while Q4 is turned off, Y2 is kept on and consumed as heat through the accumulated energy resistance R of the magnet coil m. By repeating this operation, the magnet coil m is operated.
종래의 일반 마그네트 접접을 이용한 브레이크 장치에 있어 장시간 사용시 접점의 마모 및 융착에 의하여 교환이 필요하다. 그러나, 본 발명에 따른 IGBT 소자를 이용한 무접점화 브레이크 장치를 사용하면 정비 및 관리가 용이하게 할 수 있다.In a conventional brake device using a normal magnet contact, replacement is necessary due to wear and fusion of the contact when used for a long time. However, the use of a contactless brake device using the IGBT element according to the present invention can facilitate maintenance and management.
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LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |