KR100570578B1 - 액츄에이터코일상의역기전력전압을정확하게측정하기위한방법및장치 - Google Patents

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텍사스 인스트루먼츠 인코포레이티드
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Abstract

액츄에이터(12)는 가동 부재(20)를 갖고 상기 부재를 이동시키도록 제어될 수 있는 코일(26)을 갖는다. 특정 동작 모드시, 구동 회로(70)는 상기 코일로부터 주기적으로 결합 해제되어(uncoupled) 상기 코일을 통하는 전류가 0이 되도록 하며, 이후 상기 코일의 역기전력 전압이 커패시터(94)에 인가된다. 그 후, 상기 구동 회로는 코일과 재결합하며, 상기 커패시터에 의해 유지된 전압은 상기 코일에 대한 상기 구동 회로의 피드백 제어를 실행하는데 사용된다.

Description

액츄에이터 코일 상의 역기전력 전압을 정확하게 측정하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ACCURATELY MEASURING A BACK-EMF VOLTAGE ON AN ACTUATOR COIL}
본 발명은 일반적으로 액츄에이터의 제어에 관한 것으로, 특히 액츄에이터 코일 상의 역기전력(back-emf) 전압을 정확하게 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래의 액츄에이터는 이동 가능하게 지지된 부재, 및 코일을 갖는다. 전류가 코일을 통해 흐르는 경우, 부재는 강제로 이동된다. 제어 회로는 코일로 전류를 선택적으로 공급하기 위해 코일에 결합된다. 그러한 구성의 예로는 액츄에이터의 가동 부재가 대략 상대적인 방사 이동을 위해 회전 자기 디스크에 인접한 판독/기록 헤드를 지지하는 하드 디스크 드라이브이다. 이러한 부재를 그 최대 속도보다 작은 소정의 속도로 그 운행 경로의 한 단부로 이동시키는 것이 바람직한 경우가 있다. 그러한 경우의 예로는 전원 고장이다. 부재를 그 운행 경로의 한 단부로 이동시키는 것은 부재의 리트랙트(retract of the member)라고 통상 칭하며, 하드 디스크 드라이브 분야에서는 부재 상에 판독/기록 헤드를 파킹(parking)하는 것에 상응한다.
전류가 액츄에이터의 코일에 인가되는 경우, 부재는 전류의 크기에 의해 정의된 속도로 가속되게 되며, 그 방향은 전류의 극성에 의해 정의된다. 결과적으로, 원하는 속도 및 원하는 방향으로 이동할 때까지 부재를 가속 또는 감속하기 위해서는, 부재의 실제 방향 및 속도를 인지하는 것이 중요하다. 여기서, 액츄에이터의 코일 상의 역기전력 전압은 부재의 이동 속도 및 방향을 나타낸다. 역기전력 전압의 측정에 대한 공지된 기술이 그 의도된 목적에 적합할 지라도, 이들은 모든 점에 대해 만족되는 것은 아니다.
특히, 전류는 부재의 이동을 강요하기 위해 코일에 인가되기 때문에, 또한 액츄에이터가 내부 저항을 가지기 때문에, 전류 흐름 및 저항은 함께 역기전력 전압에 추가되는 전압을 발생시켜, 역기전력 전압의 정확한 측정을 어렵게 한다. 이는 액츄에이터의 내부 저항이 온도 변화 및 다른 요인에 의해 동적으로 변할 수 있다는 사실에 의해 복잡해진다. 한가지 공지된 방법으로는 액츄에이터에 인가된 전압 및 전류를 측정하고 아래와 같이 역기전력 전압 Vbe를 계산하는 것이며, 여기서 Rm은 액츄에이터의 내부 저항이다.
(여기서 Ldi/dt는 약 0 라고 가정함)
액츄에이터 저항(Rm)의 실제값이 동적으로 변하므로, 이러한 공지된 기술의 정확도는, 특정 계산 시에, Rm의 실제값이 계산시 Rm에 대해 사용되는 소정 상수값에 근사하거나 또는 상이한지 여부에 따라 예측 불가능하게 변동한다.
공지된 리트랙트 방법은 코일 양단에 인가된 전압의 크기를 제어하며, 이는 일반적으로 리트랙트 속도가 (인가 전압 - 부하 손실)에 비례하므로 액츄에이터의 가동 부재가 리트랙트하는 속도를 제어하기에 적합하다. 그러나, 일부 시스템에서 부하는 동적으로 변화하여 원하지 않는 속도 변화로 해석된다.
상기 계산의 다른 단점으로는 특히 단일 집적 회로내에 전체 시스템을 구현하고자 하는 경우에 상기 수학식 1을 풀기 위해 필요한 마이크로프로세서 또는 다른 회로가 불가피하게 복잡하고 고가인 점이다. 또한, 전원이 고장인 경우, 마이크로 프로세서에 충분한 전력을 유지하여 계속 동작시키는 것은 일반적으로 실용적이지 못하다. 또 다른 단점으로는, 가동 부재의 원하는 속도가 작은 경우, 대부분의 리트랙트 시나리오의 경우처럼, 액츄에이터 저항(Rm)에 대한 소량의 변화가 일반적인 기술을 이용하는 역기전력 전압의 측정시 큰 에러를 유발할 수 있다는 점이다. 극단적인 경우, 이는 물론 바람직하지 않은 제어 루프내의 포지티브 피드백을 유발할 수 있다.
상술한 바로부터, 내부 액츄에이터 저항과 무관한 방식으로 측정함으로써 액츄에이터 코일 상의 역기전력 전압을 정확하게 측정하기 위한 방법 및 장치에 대한 필요성이 제기된 것을 이해할 것이다. 본 발명에 따르면, 이러한 필요성을 해결하기 위해 제공되는 방법 및 장치는 액츄에이터 코일과 액츄에이터 구동 회로의 출력 사이의 전기적 결합을 주기적으로 실행 및 차단하는 단계, 구동 회로의 출력과 코일 사이의 전기적 결합이 차단되는 경우의 시간 간격 동안, 코일의 역기전력을 나타내는 전압을 전압 유지 회로로 인가하는 단계 - 코일의 역기전력은 액츄에이터의 가동 부재의 실제 속도를 나타냄 - , 그후로 구동 회로의 출력과 코일 사이의 전기적 결합이 실행되는 동안 전압 유지 회로가 전압을 유지하도록 하는 단계; 및 전압 유지 회로로부터의 전압으로 표시되는 부재의 실제 속도와 부재의 원하는 속도 사이의 차의 함수인 피드백 신호 - 상기 피드백 신호는 구동 회로가 부재를 원하는 속도로 이동시키도록 함 - 를 구동 회로의 입력으로 공급하는 단계를 포함한다.
첨부 도면을 참조한 이하의 상세한 설명으로부터 본 발명이 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명을 구현하는 시스템의 개략적인 도면으로서 일반적으로 참조 부호(10)로 표시된다. 시스템(10)은 액츄에이터(12), 및 액츄에이터(12)를 제어하기 위한 제어 회로(14)를 포함한다. 도 1의 시스템(10)은 회전 자기 디스크에 대하여 판독/기록 헤드의 이동을 실행하기 위해 하드 디스크 드라이브에서 사용된다. 그러나, 본 발명은 다른 유형의 응용에서도 액츄에이터들을 제어하기 위하여 사용될 수 있다.
액츄에이터(12)는 통상적으로 음성 코일 모터로 칭해지고, 때때로 모터로서만 칭해지는 유형이다. 워드 액츄에이터는 도 1에 도시된 것과 같이 액츄에이터의 음성 코일 모터 유형만을 나타낼 뿐만 아니라 본 발명과 함께 사용될 수 있는 다른 유형의 액츄에이터도 나타내도록 명세서에서 사용된다.
액츄에이터(12)는 차축 또는 스핀들(22)상의 한 단부 주변에 피봇하게(pivotally) 지지되는 연장된 암(arm) 또는 부재(20)를 포함한다. 영구 자석(24)은 부재(20)의 피봇하게 지지된 단부 근처에 고정적으로 장착되고, 코일(26)은 부재(20)의 다른 단부상에 장착된다. 코일(26)은 제어 회로(14)에 결합된 단부들을 갖는다. 전류가 코일(26)을 통과할 때, 코일 전류의 극성에 대응하는 방향으로 부재(20)가 피봇하게 움직이도록 하기 위하여 자석(24)과 상호 작용하는 자계가 발생한다. 개시된 실시예에서, 코일(26)은 부재(20) 상에 제공되고 자석(24)은 고정된다. 그러나, 대안적으로, 코일은 부재상에 고정적으로 장착될 수 있고 자석은 부재상에 장착될 수 있다.
진행 경로의 한 단부에서, 부재(20)는 한 방향으로 부재의 움직임을 제한하는 정지 스톱(stationary stop ; 28)과 결합될 수 있고, 진행 경로의 다른 단부에서, 부재(20)는 반대 방향으로 부재(20)의 움직임을 제한하는 다른 정지 스톱(30)과 결합된다. 판독/기록 헤드(32)는 코일(26)로부터 떨어진 부재(20)의 한 단부 상에 제공된다. 부재(20)가 그 제한 위치들 사이에서 피봇(pivot)할 때, 기록/판독 헤드(32)는 하드 디스크 드라이브의 종래의 도시되지 않은 회전 자기 디스크를 가로질러 대략 방사상으로 움직인다.
액츄에이터(12)의 확실한 특성을 이해함으로써 본 발명의 이해가 용이해질 것이고 또한, 액츄에이터(12)의 이상적인 모델의 설명을 통해 더욱 잘 이해될 것이다. 도 2는 이상적인 모델 액츄에이터(38)를 나타낸다. 도 1의 액츄에이터(12)가 도 2의 이상적인 모델(38)을 구현하는 회로로 대체되는 경우, 2개의 단자를 가진 블랙 박스로서 액츄에이터를 보면, 도 1의 제어 회로(14)는 실제 액츄에이터(12)와 모델 액츄에이터(38) 사이의 중요한 차이점을 알 수 없을 것이다.
액츄에이터 모델(38)은 이상적 전류 센서(40), 인덕턴스(42), 레지스턴스(44) 및 이상적 전압 제어용 전압 소스(46)를 포함하고, 모두 액츄에이터 모델(38)의 2개의 단자 사이에 직렬로 결합된다. 이상적 전류 센서(40)의 출력(47)은 액츄에이터를 통해 흐르는 전류를 나타내는 신호이다. 신호(47)는 이동가능한 부재(20)의 토크(torque) 정수를 나타내는 이득 Kt를 갖는 증폭기(48)의 입력에 결합된다(도 1). 증폭기(48)의 출력은 부하 토크를 나타내는 신호를 사용하여 증폭기 출력을 조정하는 접속부(49)의 입력에 결합된다. 접속부의 출력(49)은 부재(20)의 관성을 나타내는 조정을 행하는 회로(50)의 입력에 결합된다.
회로(50)의 출력(52)은 부재(20)의 가속을 나타내는 신호이다. 신호(52)는 부재(20)의 속도를 나타내는 신호(56)를 얻기 위해 54에서 적분된다. 신호(56)는 액츄에이터의 역기전력(emf)을 나타내는 이득 Ke을 갖는 증폭기(58)의 입력에 인가된다. 증폭기(58)의 출력(60)은 액츄에이터의 역기전력을 나타내는 전압 Vbe이다. 이러한 전압은 출력 단자들을 지나 이러한 동일한 전압 Vbe를 재생하는 이상적 전압 제어용 전압 소스(46)의 입력에 인가된다. 전압 소스(46)가 이상적이기 때문에, 전압 소스(46)를 통해 흐르는 전류가 있는 지의 여부에 관계없이 출력 전압을 생성할 것이다.
신호(56)가 부재(20)의 실제 속도를 나타내고, 전압원(46)을 지나 참조부호(60)에 존재하는 역기전력 전압(Vbe)이 신호(56)의 크기에 비례하기 때문에, 전압 소스(46)를 지나는 역기전력 전압(Vbe)의 크기가 부재(20)의 실제 속도를 정확하게 나타낸다고 인식될 것이다. 그러나, 전류가 액츄에이터 모델(38)을 통해 흐를 때, 저항(44)은 전압원(46)을 지나 전압(Vbe)에 더해진 전압을 생성할 것이다. 결과적으로, 전류가 액츄에이터 모델(38)을 통해 흐르는 한, 가동성 부재의 실제 속도를 정확하게 결정하기 위하여 전압(Vbe) 자체만을 정확하게 측정하는 것은 불가능하다.
따라서, 역기전력 전압(Vbe)을 독립적으로 측정하고 이에 의해 부재(20)의 실제 속도를 결정하기 위하여, 본 발명의 한가지 특징은 레지스턴스(44)에 걸리는 전압(44)이 거의 0이 되고, 그 후에 역기전력 전압(Vbe)이 액츄에이터 모델(38)의 2개의 단자들을 지나 측정될 수 있도록 전류의 흐름을 종료하는 것이다. 액츄에이터 특성은 액츄에이터 모델(38)을 통해 흐르는 전류가 0으로 줄어들기 때문에 역기전력 전압(Vbe)이 거의 변하지 않을 것이라는 것이다.
도 2의 모델 액츄에이터(38)를 참조하여, 액츄에이터 전류의 종료에 의해 액츄에이터의 역기전력 전압이 정확하게 측정될 수 있다는 것을 설명했다. 도 1에 도시된 실제 액츄에이터(12)와 동일하게 적용된다.
도 1에서 보다 상세히 설명하면, 제어 회로(14)는 2개의 출력 단자들(72 및 74)을 포함하는 상이한 출력을 갖는 구동 회로(70)를 포함한다. 전자 스위치(76)는 액츄에이터 코일(26)의 한 단부에 출력 단자(72)를 결합하고, 액츄에이터(26)의 다른 단부는 감지 저항기(77)의 한 단부에 결합된다. 추가의 전자 스위치(78)는 코일(26)로부터 이격된 감지 저항기(77)의 한 단부에 구동 회로(70)의 출력 단자(74)를 결합한다. 전자 스위치들(76 및 78)은 함께 전자 스위칭 회로를 구성하고, 스위칭 제어 회로(80)로부터 공통 신호(S2)의 제어하에서 동시에 개폐된다. 시간 내에 주어진 임의의 점에서, 전자 스위치들(76 및 78)은 모두 개방되거나 모두 폐쇄된다. 스위칭 제어 회로(80)의 동작은 보다 상세히 후술된다.
개시된 실시예에서, 전자 스위치들(76 및 78)은 구동 회로(70)의 특정 회로에 있어서 실제적으로 필수적이다. 그러나, 본 발명의 설명을 간결히 하기 위해, 전자 스위치들은 도 1의 개략적인 도면으로 각각 도시된다.
감지 증폭기(86)는 감지 저항기(77)의 각 단부에 결합된 2개의 입력들을 갖고, 차동 가산 접속부(88)의 하나의 입력에 결합된 출력을 가지며, 가산 접속부(88)의 다른 입력은 전류가 Icmd인 89에서의 신호를 수신한다. 가산 접속부(88)의 출력은 이득 Kc2를 갖는 증폭기(90)의 입력에 결합된다. 증폭기(90)의 출력은 구동 회로(70)의 입력에 결합된다.
제어 회로(14)가 액츄에이터(12)에 전류를 인가할 때, 액츄에이터(12)는 부재(22)를 한방향 또는 다른 방향으로 가속시킨다. 89에서의 전류(Icmd)는 부재(20)에 대하여 원하는 가속도를 지정하는 크기 및 원하는 가속의 방향을 지정하는 극성을 갖는다. 부재(20)가 이미 움직인다면, 이미 움직이는 방향에 의존하여 가속 또는 감속될 것이다. 감지 저항기(77) 및 감지 증폭기(86)는 액츄에이터(12)의 코일(26)을 통해 흐르는 실제 전류를 나타내는 피드백을 접속부(88)에 제공하기 때문에, 접속부(88)는 피드백을 효과적으로 제어하기 위해 원하는 가속과 실제적인 가속 사이의 차이점을 결정한다.
제어 회로(14)는 전압 유지 회로로서 작용하는 커패시터(94)를 포함한다. 2개의 전자 스위치들(96 및 98)은 각각 접속부를 갖고, 상기 스위치들(96 및 98)의 접속부들은 커패시터(94)의 각 단부에 결합되어 있다. 스위치(96)는 스위치(78)와 감지 저항기(77) 사이의 노드에 결합된 단자(100)를 갖고, 스위치(98)는 스위치(76)와 코일(26) 사이의 노드에 결합된 단자(102)를 갖는다. 또한, 스위치(96)는 높은 입력 임피던스를 갖는 버퍼(106)의 한 입력에 결합된 단자(104)를 갖고, 스위치(98)는 버퍼(106)로 공급되는 기준 전압(Vr)에 결합된 단자(108)를 갖는다. 버퍼(106)는 도시되지 않은 방법으로 시스템 접지에 결합되고, 기준 전압(Vr)은 버퍼 입력들이 참조되는 가상 접지로서 작용하기 때문에, 버퍼의 2개의 입력들 사이에 전압차가 없다면 버퍼(106)는 전압(Vr)을 출력한다. 버퍼(106)의 출력은 110에서 버퍼의 제2 입력과 결합된다. 시간내에 주어진 임의의 점에서, 스위치들의 접속부들이 단자들(100 및 102)에 커패시터(94)의 단부들을 결합하거나, 또는 단자들(104 및 108)에 커패시터의 단부들을 결합하도록 스위치들(96 및 98)은 동시에 동작한다. 스위치들(96 및 98)들의 동시 제어는 스위칭 제어 회로(80)로부터의 신호(S3)에 의해 이루어진다. 함께 취해지는 경우, 전자 스위치들(96 및 98)은 전자 스위칭 회로를 구성한다.
또한, 버퍼(106)의 출력은 차동 가산 접속부(114)의 한 입력에 결합되고, 차동 가산 접속부(114)의 다른 입력은 원하는 속도를 나타내는 신호(116)이다. 신호(116)는 개시된 실시예에서 소정의 기준 전압이지만 대안적으로 가변 전압일 수 있다. 접속부(114)의 출력은 이득 Kc1을 가진 증폭기(120)의 입력에 결합된다. 증폭기(120)의 출력은 스위치(124)의 한 단자(122)에 결합되고, 상기 스위치(124)는 추가의 단자(126)를 가지며 접속부(88)의 입력(89)에 결합된 컨택트를 갖는다. 디지탈 신호 프로세서(130)는 스위치 단자(126)에 결합된 출력을 갖는 디지탈-아날로그 컨버터(DAC : 132)에 결합된 출력을 갖는다. 전자 스위치(124)는 전자 스위칭 회로로서 작동하고, 스위칭 제어 회로(80)로부터 신호(S1)에 의해 제어된다.
정상 동작시, 스위칭 제어 회로(80)는 전자 스위치(124)의 컨택트를 단자(126)와 결합시키기 때문에, 프로세서(130)는 DAC(132)를 통해 접속부(88)에 대한 입력(89)을 제어한다. 이에 따라, 프로세서(130)는 89에서 액츄에이터(12)의 부재(20)에 대해 원하는 가속도와 방향을 표시하는 크기 및 극성을 갖는 신호들을 발생한다. 정상 동작시, 스위칭 제어 회로(80)는 스위치들(76 및 78)을 계속적으로 폐쇄하도록 신호(S2)를 사용하고, 스위치들(96 및 98)의 컨택트가 단자들(104 및 108)과 결합되도록 신호(S3)를 사용한다. 소자들(88, 90, 70, 77 및 86)을 포함하는 피드백 루프는 프로세서(130)에 의해 89에 제공된 입력 신호에 따라 액츄에이터(12)의 부재(20)를 가속 및 감속시킨다.
임의의 상황하에서, 전자 스위치(124)는 접속부(88)에 대한 입력(89)의 효과적인 제어로부터 프로세서(130)를 분리하는데 사용된다. 한 예는 제어된 리트랙트가 발생하는 것은 프로세서(130)가 지정하는 것이다. 다른 예는 다음 설명에 대한 기초로 사용될 것으로, 전체 시스템에 대한 전원이 고장나는 것이다. 전원 고장이 발생하면, 이는 하드디스크 드라이브의 기록/판독 헤드(32)를 "파킹(parking)"시키는 스톱들(28 및 30) 중의 하나에 결합되도록 부재(20)를 진행 경로의 한 단부로 이동시키는 것이 중요하며, 이는 때때로 부재(20)의 리트랙트라고 불린다. 전원이 고장난 후에, 부재(20)는 도시되지 않은 소형 자석에 의해 종래의 방법으로 리트랙트된 위치로 유지될 수 있다. 스톱들(28 및 30) 중의 하나에 결합되어 이동을 멈출 때까지, 소정의 속도와 특정 방향으로 부재(20)를 이동시키는 제어 방법으로서 리트랙트가 사용될 수 있다. 최고 가능 속도에서 부재(20)가 스톱들(28 및 30) 중의 하나와 충돌하지 않는다는 것은 중요하며, 이러한 이유는 부재(20) 또는 스톱들(28 또는 30)과 같은 액츄에이터(12)의 구조에 물리적인 손상이 초래되기 때문이다. 따라서, 부재(20)가 전원 고장시 요구되는 속도는 최고 가능 속도보다 실제적으로 다소 낮은 것이어야 한다.
이상적으로, 프로세서(130)는 이러한 방법으로 부재(120)의 리트랙트를 효과적으로 제어하는데 사용될 수 있다. 프로세서(130)는 회전 자기 디스크 상의 트랙들로부터 기록/판독 헤드(32)에 의해 판독된 서보(servo) 신호들로부터 종래의 도시되지 않은 방법으로 부재(20)의 위치 및 속도에 관한 정보를 수신한다. 따라서, 프로세서는 리트랙트를 효과적으로 제어할 수 있는 위치 및 속도 정보를 갖는다. 그러나, 전원 고장의 경우에는 프로세서(130)를 신뢰성있게 상당한 기간동안 계속 동작시키기에 전원이 충분하지 못하다.
반면에, 부재(20)의 리트랙트(retract)를 제어하기에 충분히 짧은 기간동안 덜 복잡한 회로를 동작시키기에는 전원이 충분하다. 그러므로, 전원 고장시 스위칭 제어 회로(80)는 전자 스위치(124)의 컨택트를 단자(126)에서 단자(122)로 결합시키도록 이동시켜, 증폭기(120)의 출력이 접속부(88)로의 입력을 제어하게 한다. 스위칭 제어 회로(80)는 전원이 거의 완전히 고장날 때까지 스위치(124)의 컨택트를 단자(122)에 결합시킨다. 접속부(114)로의 입력(116)은 전원 고장 동안 부재(20)에 대해 원하는 이동 속도와 방향을 지정하는 크기와 극성을 갖는다. 접속부(114)의 출력은 소자(120, 124, 88 및 90)를 통하여 구동 회로(70)의 입력으로 공급되기 때문에, 구동 회로(70)는 부재(20)를 원하는 이동 속도와 방향으로 가져가도록 의도되는 전류를 액츄에이터(12)에 인가한다.
이 파워-다운(power-down) 동작 모드시에, 스위칭 제어 회로(80)는 액츄에이터(12)와 회로(70)의 구동 커플링을 차단하기 위하여 신호(S2)를 주기적으로 사용하여 스위치(76 및 78)를 짧게 개방한다. 그 결과, 코일(26)과 감지 저항기(77)를 통하는 전류는 0이 되고, 이는 차례로 감지 저항기(77)와 액츄에이터(12)의 내부 저항에 걸리는 전압을 0이 되게 한다. 코일에 저장된 에너지를 소비하는데 유한한 시간이 필요하고(Ldi/dt) 이 에너지가 소비될 때까지 전류가 흐르기 때문에, 코일을 통하는 전류가 0이 되도록 하는데에는 짧지만 유한한 양의 시간이 필요하다. 따라서, 상술한 바와 같이 액츄에이터(12)의 단자에 존재하는 유일한 전압은 역기전력 전압 Vbe일 것이다. 스위치(76 및 78)를 개방한 후, 스위칭 제어 회로(80)는 코일(26)을 통하는 전류가 0으로 되도록 하기에 충분한 짧은 시간 간격을 기다리고 나서, 신호 S3을 사용하여 스위치(96 및 98)의 컨택트를 이동시켜 단자(100 및 102)에 접촉시킨다. 감지 저항기(77)를 통해 흐르는 전류가 없어 어떤 전압도 생성되지 않기 때문에, 액츄에이터(12)의 코일(26)로부터의 역기전력 전압 Vbe는 직접 커패시터(94)에 인가될 것이다. 상술한 바와 같이, 이 전압은 부재(20)의 실제 속도에 직접 비례한다.
이후, 스위칭 제어 회로(80)는 커패시터(94)상의 전압이 코일(26)로부터의 역기전력 전압 Vbe와 같아지도록 조정되기에 충분히 짧은 시간 간격을 기다린다. 그리고나서 스위칭 제어 회로(80)는 스위치(96 및 98)의 컨택트를 이동시켜 다시 단자(104 및 108)에 접촉시키고, 그 후 커패시터(94)는 역기전력 전압 Vbe를 유지하고 이를 버퍼(106)의 입력에 인가한다. 짧은 시간 간격을 더 기다린 후, 스위칭 제어 회로(80)는 다시 구동 회로(70)를 액츄에이터(12)에 구동(drivingly) 결합시키기 위해 신호 S2를 사용하여 스위치(76 및 78)를 모두 다시 닫는다. 버퍼(106)는 액츄에이터 구동 회로(70)를 제어하기 위한 증폭기(120)에 적절한 출력을 생성하기 위해, 원하는 속도(116)와 Vbe에 의해 표시되는 실제 속도와의 차이를 결정하는 커패시터(94)로부터의 역기전력 전압 Vbe를 접속부(114)로 효율적으로 전송한다. 이러한 속도의 피드백 제어를 통하여, 부재(20)는 원하는 이동 속도와 방향으로 보다 정확하고 빠르게 가속 또는 감속될 수 있다.
스위치(124)의 컨택트를 단자(122)에 접촉시키는 동안, 스위칭 제어 회로(80)는 스위치(76 및 78)를 개방하고, 스위치(96 및 98)의 컨택트를 단자(104 및 108)로부터 단자(100 및 102)로 이동시킨 후 다시 단자(104 및 108)로 이동시키며, 그 후 스위치(76 및 78)를 닫는 동작을 주기적으로 행한다. 따라서, 코일(26)상의 역기전력 전압 Vbe에 대한 주기적인 샘플링이 있어, 커패시터(94)상의 전압은 샘플링동안 Vbe에 합치하도록 주기적으로 조정되고 다음 샘플링 동작까지 샘플링된 Vbe전압을 유지한다.
도 3은 스위칭 제어 회로(80)의 동작을 도시한 타이밍도이다. 타이밍도의 왼쪽 끝에 도시된 정상 동작을 하는 동안에는, 스위칭 제어 회로(80)는 스위치(124)의 컨택트를 단자(126)에 접촉시키기 위하여 신호 S1를 로우(low)로 유지하고, 스위치(76 및 78)를 닫힌 상태로 유지하기 위해서 신호 S2를 하이(high)로 유지하며, 스위치(96 및 98)의 컨택트를 단자(104 및 108)에 접촉시키기 위하여 신호 S3을 로우(low)로 유지한다.
전원이 고장나기 시작할 때, 스위칭 제어 회로(80)는 스위치(124)의 컨택트를 단자(126)에서 단자(122)로 이동시키기 위해서, 신호 S1을 지점(138)에서 로우에서 하이로 변화시키고, 그 이후 전원 고장의 전기간에 걸쳐 이 상태로 신호 S1을 유지한다. 천이(138) 이후에, 시간 간격(140)동안 신호 S2가 스위치(76 및 78)를 닫힌 상태로 유지하는 데 사용되어, 구동 회로(70)가 액츄에이터(12)를 구동한다. 이후, 제어 회로(80)는 스위치(76 및 78)을 열기 위해 신호 S2를 변화시키고, 액츄에이터 코일(26)을 통한 전류가 0이 되도록 하기에 충분한 소정 시간 간격(142)을 기다린다. 그리고 나서, 제어 회로(80)는 코일(26)로부터의 역기전력 전압 Vbe가 커패시터(94)로 인가되도록 하기 위하여, 신호 S3를 사용하여 시간 간격(144)동안 스위치(96 및 98)의 컨택트를 단자(100 및 102)로 전환시킨다. 시간 간격(144)의 끝에서, 신호 S3은 스위치(96 및 98)의 컨택트를 다시 단자(104 및 108)로 이동시키는데 사용된다. 제어 회로(80)는 이후 다른 소정 시간 간격(146)동안 지연되고, 구동 회로(70)로부터 액츄에이터(12)로의 구동 결합(driving coupling)을 회복하기 위하여 신호 S2를 사용하여 스위치(76 및 78)를 닫는다. 시간 간격(140, 142, 144, 및 146)을 포함하는 시퀀스는 전원이 고장날 때까지 반복 순환되고, 다음의 이러한 사이클은 148에 도시되어 있다. 적절한 샘플링율은 500-1500 Hz일 수 있다.
도 3에서, 시간 간격(146)의 길이는 선택적으로 0으로 설정될 수 있다. 또한, 천이(138) 직후의 제1 시간 간격(140)은 선택적으로 0일 수 있기 때문에, 천이(138) 직후에 시간 간격(142)이 바로 올 수도 있다.
도 4는 참조 번호(170)로 표시되며 도 1에 도시된 시스템의 다른 실시예에 해당하는 시스템의 개략도이다. 도 1에 도시된 것과 동일한 소자들은 동일한 참조 번호로 표시되었고, 다시 상세히 설명하지는 않는다. 이후의 설명은 도 4와 도 1사이의 차이점에 초점을 맞추어 하도록 한다.
특히, 도 1의 전자 스위치(96 및 98)는 도 4에서 전자 스위치(176), 차동 증폭기(178), 및 4개의 저항기(180-183)로 대체된다. 커패시터(94)의 한쪽 단부는 버퍼(106)의 제1 입력에 연결되어 있고, 나머지 한쪽 단부는 기준 전압 Vr에 연결되어 있다. 저항기(180)의 한쪽 단부는 기준 전압 Vr에 연결되어 있고, 나머지 한쪽 단은 차동 증폭기(178)의 제1 입력에 연결되어 있다. 저항기(181)의 한쪽 단부는 스위치(78)와 저항기(77) 사이의 노드에 연결되어 있고, 나머지 한쪽 단은 증폭기(178)의 제1 입력에 연결되어 있다. 저항기(182)의 한쪽 단은 스위치(76)와 코일(26) 사이의 노드에 연결되어 있고, 나머지 한쪽 단은 증폭기(178)의 제2 입력에 연결되어 있다. 저항기(183)의 한쪽 단은 증폭기(178)의 제2 입력에 연결되어 있고, 나머지 한쪽 단은 증폭기(178)의 출력에 연결되어 있다. 스위치(176)가 증폭기(178)의 출력과 버퍼(106)의 제1 입력 사이에 연결된다. 스위치(106)는, 신호 S3가 디액츄에이팅될(deactuated) 경우에는 시스템(170)의 정상 동작 동안 개방되고, 신호 S3가 액츄에이팅되어 샘플링에 영향을 미치는 경우에는 폐쇄된다.
도 1의 제어 회로(14)와 도 4의 제어 회로(172)는 각각 단일 집적 회로로 구현될 수 있다. 도 1의 실시예에 있어서, 커패시터(94)는 약 1,000pF의 값을 가질 수 있으나, 반면 도 4의 실시예는 20 pF등의 훨씬 더 작은 값을 갖는 커패시터를 사용할 수 있게 한다. 작은 커패시터는 일반적으로 더 큰 커패시터보다 집적 회로내에서 더 작은 면적과 전력을 사용하기 때문에, 도 4의 실시예는 저비용과 저전력 소모로 집적 회로에 구현될 수도 있다.
본 발명은 많은 기술적인 이점을 제공한다. 그런 기술적 이점중의 한 가지 예는 액츄에이터 코일의 역기전력 전압이 액츄에이터를 통해 흐르는 전류가 0일 때 액츄에이터로부터 직접 측정되어, 공지된 기술보다 보다 정확하게 역기전력 전압을 측정할 수 있다는 것이다. 특히, 본 발명에 따른 접근법에서 코일을 통하는 전류는 0이기 때문에, 상기 측정은 액츄에이터의 내부 저항과는 무관하지만, 역기전력 전압을 간접적으로 결정하는 공지 기술들은, 전류가 액츄에이터를 통해 흐르는 동안 행해진 측정에 기초하므로, 동적으로 변할 수 있는 액츄에이터의 저항에 의해 야기되는 확정할 수 없는 부가 전압 때문에 부정확성을 갖는다. 다른 이점은 피드백 제어를 위해 정확하게 측정된 역기전력 전압을 사용함으로써 가변 부하 손실로 인한 액츄에이터의 가동 부재의 원하지 않는 속도 변화를 감소시키거나 피할 수 있다는 것이다. 또 다른 기술적 이점은, 본 발명은 공지된 액츄에이터 제어 회로에 일반적으로 존재하는 다른 회로와 결합하여 작은 양의 전용 회로를 사용함으로써, 필요한 부가 회로의 양을 최소화할 수 있고, 부가 비용, 복잡도, 전력 소비를 차례로 최소화할 수 있다는 것이다.
두 가지의 실시예가 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 다양한 변화, 치환, 변경이 행해질 수 있다. 예를 들어, 비록 개시된 실시예는 음성 코일 모터로 알려진 형태의 액츄에이터를 포함하고 있지만, 본 발명은 다른 형태의 액츄에이터의 사용을 포함한다. 또한, 비록 개시된 실시예는 전자 스위치를 사용하여 다양한 장치 사이의 전기적 결합을 행하고 차단하지만, 함께 연결되고 선택적으로 디스에이블(disable)되거나 3상일 수 있는 출력을 갖는 장치 또는 드라이버의 사용과 같은 동일한 결과를 얻기 위해 다른 접근 방법이 사용될 수 있다. 다른 예는, 개시된 실시예가 전압 유지 장치로서 커패시터를 사용하고 있지만, 인덕터와 같은 다른 장치도 주어진 신호 상태를 유지하기 위해 사용될 수 있다. 또 다른 예로, 개시된 실시예들은 모두 정상 동작시에 액츄에이터 제어를 개시하기 위해 디지탈 프로세서를 사용하고 있으나, 본 발명으로부터 벗어나지 않고 다른 다양한 아날로그 또는 디지탈 회로가 제어 신호를 개시하는 데 사용될 수 있다.
또한 본 명세서에 개시된 직접 연결 방법은, 여전히 본 발명을 실현하면서 두 개시된 구성 요소 또는 소자들이 직접 연결되지 않고 매개 장치(들)을 통하여 서로 결합될 수 있도록 변경될 수 있음을 이해해야 한다. 또한 다음 청구 범위로 정의된 본 발명의 사상과 범주로부터 벗어나지 않고 다른 변화, 치환, 변경들도 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예로서 액츄에이터 및 액츄에이터 제어 회로를 포함하는 시스템의 도면.
도 2는 도 1의 실시예에서의 액츄에이터의 이상적인 모델의 도면.
도 3은 도 1의 실시예에서의 액츄에이터 제어 회로의 구성 요소인 스위칭 제어 회로에 의해 생성된 일정한 제어 신호의 내부관계를 도시하는 타이밍도.
도 4는 본 발명의 실시예로서 도 1에 도시된 시스템의 다른 실시예인 시스템의 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 시스템
70 : 구동 회로
80 : 스위칭 제어 회로
86 : 감지 증폭기
88 : 가산 접속부
106 : 버퍼
114 : 차동 가산 접속부
130 : 디지털 신호 프로세서
132 : 디지털 아날로그 변환기

Claims (11)

  1. 가동 부재(moveable member)를 갖고, 상기 가동 부재의 이동에 영향을 미치는 코일을 갖는 액츄에이터를 제어하기 위한 장치로서,
    입력과 출력을 갖는 액츄에이터 구동 회로;
    상기 구동 회로의 상기 출력과 상기 코일 사이의 전기적 결합을 각각 실행 및 차단하는 제1 및 제2 상태를 갖는 제1 전자 스위칭 회로;
    전압 유지 회로;
    상기 코일과 상기 전압 유지 회로 사이의 전기적 결합을 각각 실행 및 차단하는 제1 및 제2 상태를 갖는 제2 전자 스위칭 회로 - 상기 제2 전자 스위칭 회로가 상기 제2 상태에 있는 경우에는 상기 가동 부재의 실제 속도를 나타내는 상기 코일의 역기전력(back-emf)을 나타내는 전압이 상기 전압 유지 회로에 인가되고, 그 후에 상기 제2 전자 스위칭 회로가 상기 제1 상태에 있는 동안에는 상기 전압 유지 회로가 상기 전압을 유지시킴 -;
    상기 전압 유지 회로에 의해서 유지되는 전압과 상기 가동 부재의 원하는 속도를 나타내는 입력에 응답하여, 상기 전압 유지 회로로부터의 전압으로 나타낸 바와 같은 상기 가동 부재의 실제 속도와 상기 가동 부재의 원하는 속도 사이의 차의 함수로서 상기 구동 회로를 제어함으로써 상기 가동 부재가 원하는 속도로 이동되도록 동작하는 피드백 회로; 및
    상기 제1 전자 스위칭 회로를 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제2 상태로부터 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제1 상태로 주기적으로 변경하고, 그 다음에 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제1 상태로부터 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제2 상태로 주기적으로 변경시키도록 동작하고, 상기 제1 전자 스위칭 회로의 상기 제1 상태 동안에는 상기 제2 전자 스위칭 회로를 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제1 상태로부터 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제2 상태로 변경시키고, 그 다음에 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제2 상태로부터 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제1 상태로 변경시키도록 동작하는 스위칭 제어 회로
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어 회로는 상기 제1 전자 스위칭 회로가 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제1 상태로부터 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제2 상태로 변경된 후에, 상기 코일을 통해 흐르는 전류가 0으로 감소될 수 있을 정도로 충분한 소정의 시간 간격 동안 상기 제2 전자 스위칭 회로를 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제1 상태로부터 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제2 상태로 변경시키도록 동작하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어 회로는 상기 제1 전자 스위칭 회로가 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제2 상태로부터 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제1 상태로 변경된 후에, 상기 코일을 통해 흐르는 전류가 0으로 감소될 수 있을 정도로 충분한 제1 소정 시간 간격 기간 동안 상기 제2 전자 스위칭 회로를 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제1 상태로부터 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제2 상태로 변경시키고, 상기 제1 전자 스위칭 회로가 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제1 상태로부터 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제2 상태로 다시 변경되기 전에 제2 소정 시간 간격 동안 상기 제2 전자 스위칭 회로를 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제2 상태로부터 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제1 상태로 변경시키도록 동작하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    프로세서; 및
    상기 프로세서와 상기 피드백 회로 중 선택된 어느 하나를 상기 구동 회로의 상기 입력에 결합시키기 위한 제3 전자 스위칭 회로
    를 포함하며,
    상기 스위칭 제어 회로는 상기 제3 전자 스위칭 회로에 결합되어 상기 프로세서와 상기 피드백 회로 중 어느 것이 상기 제3 전자 스위칭 회로에 의해 상기 구동 회로의 상기 입력에 결합될지를 지정하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전압 유지 회로는 커패시터를 포함하고,
    상기 제2 전자 스위칭 회로가 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제2 상태에 있는 경우에 상기 제2 전자 스위칭 회로가 상기 코일에 걸리는 전압을 상기 커패시터에 인가하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전압 유지 회로는 커패시터를 포함하고,
    상기 구동 회로의 상기 출력은 2개의 단자를 포함하고,
    상기 제1 전자 스위칭 회로는 제1 및 제2 스위치를 포함하며, 상기 제1 및 제2 스위치 각각은 상기 단자의 각 단자와 상기 코일의 각 단부 사이에 결합되고, 상기 제1 및 제2 스위치 각각은 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제1 상태에서는 개방되고 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제2 상태에서는 폐쇄되고,
    상기 제2 전자 스위칭 회로는 제3 및 제4 스위치를 포함하며, 상기 제3 및 제4 스위치 각각은 상기 커패시터의 각 단부와 상기 코일의 각 단부 사이에 결합되고, 상기 제3 및 제4 스위치 각각은 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제2 상태에서는 상기 커패시터의 각 단부와 상기 코일의 각 단부 사이의 전기적 결합을 행하고, 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제1 상태에서는 상기 커패시터의 각 단부와 상기 코일의 각 단부 사이의 전기적 결합을 차단하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    출력을 갖고, 상기 코일의 각 단부에 각각 결합되는 제1 및 제2 입력을 갖는 차동 증폭기를 포함하며,
    상기 전압 유지 회로는 커패시터를 포함하고,
    상기 구동 회로의 상기 출력은 2개의 단자를 포함하고,
    상기 제1 전자 스위칭 회로는 제1 및 제2 스위치를 포함하고, 상기 제1 및 제2 스위치 각각은 상기 단자들의 각 단자와 상기 코일의 각 단부 사이에 결합되고, 상기 제1 및 제2 스위치 각각은 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제1 상태에서는 개방되고 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제2 상태에서는 폐쇄되고,
    상기 제2 전자 스위칭 회로는 상기 차동 증폭기의 상기 출력과 상기 커패시터의 한 단부 사이에 결합된 제3 스위치를 포함하며, 상기 제3 스위치는 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제1 상태에서는 개방되고, 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제2 상태에서는 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 제어 장치.
  8. 가동 부재를 갖고 상기 가동 부재의 이동에 영향을 미치는 코일을 갖는 액츄에이터를 제어하기 위한 장치로서,
    입력을 갖고 2개의 출력 단자를 갖는 액츄에이터 구동 회로;
    제1 및 제2 상태를 갖고 제1 및 제2 스위치를 갖되, 상기 제1 및 제2 스위치 모두는 제1 전자 스위칭 회로의 제1 상태에서는 개방되고 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제2 상태에서는 폐쇄되며, 상기 제1 및 제2 스위치 각각은 상기 액츄에이터 구동 회로의 각 출력 단자와 상기 코일의 각 단부 사이에 결합되는 제1 전자 스위칭 회로;
    커패시터를 포함하는 전압 유지 회로;
    상기 코일과 상기 커패시터 사이의 전기적 결합을 각각 실행 및 차단하는 제1 및 제2 상태를 갖는 제2 전자 스위칭 회로 - 상기 제2 전자 스위칭 회로가 상기 제2 상태에 있는 경우에는 상기 가동 부재의 실제 속도를 나타내는 상기 코일의 역기전력을 나타내는 전압이 상기 커패시터에 인가되고, 그 후에 상기 제2 전자 스위칭 회로가 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제1 상태에 있는 동안에는 상기 커패시터가 상기 전압을 유지시킴 - ;
    상기 전압 유지 회로에 의해서 유지된 전압과 상기 가동 부재의 원하는 속도를 나타내는 입력에 응답하여, 상기 커패시터로부터의 전압으로 나타낸 바와 같은 상기 가동 부재의 실제 속도와 상기 가동 부재의 원하는 속도 사이의 차이의 함수인 피드백 신호를 출력하도록 동작하는 피드백 회로;
    프로세서를 포함하여 제어 신호를 출력하도록 동작하는 제어 회로;
    상기 피드백 신호 및 상기 제어 신호 중 선택된 어느 한 신호를 상기 액츄에이터 구동 회로의 상기 입력에 공급하도록 동작하는 제3 전자 스위칭 회로 - 상기 제3 전자 스위칭 회로가 상기 액츄에이터 구동 회로의 상기 입력에 상기 피드백 신호를 공급하는 경우, 상기 피드백 신호는 상기 가동 부재가 원하는 속도로 이동하도록 상기 구동 회로를 제어함 - ; 및
    상기 제3 전자 스위칭 회로가 상기 구동 회로에 상기 피드백 신호를 공급하는 경우, 상기 제1 전자 스위칭 회로를 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제2 상태로부터 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제1 상태로 주기적으로 변경하고, 그 다음에 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제1 상태로부터 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제2 상태로 주기적으로 변경시키도록 동작하고, 상기 제1 전자 스위칭 회로의 상기 제1 상태 동안에는 상기 제2 전자 스위칭 회로를 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제1 상태로부터 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제2 상태로 변경하고 , 그 다음에 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제2 상태로부터 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제1 상태로 변경시키도록 동작하는 스위칭 제어 회로 - 상기 제1 전자 스위칭 회로가 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제1 상태로부터 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제2 상태로 변경된 후에 상기 코일을 통해 흐르는 전류가 0으로 감소될 수 있을 정도로 충분한 소정 시간 간격 동안 상기 제2 전자 스위칭 회로를 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제1 상태로부터 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제2 상태로 변경시킴 -
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 제어 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 스위칭 제어 회로는, 상기 제1 전자 스위칭 회로가 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제1 상태로부터 다시 상기 제1 전자 스위칭 회로의 제2 상태로 변경되기 전에 소정 시간 간격 동안 상기 제2 전자 스위칭 회로를 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제2 상태로부터 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제1 상태로 변경시키도록 동작하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 제어 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 전자 스위칭 회로는 제3 및 제4 스위치를 포함하며, 상기 제3 및 제4 스위치 각각은 상기 커패시터의 각 단부와 상기 코일의 각 단부 사이에 결합되고, 상기 제3 및 제4 스위치 각각은 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제2 상태에서는 상기 커패시터의 각 단부와 상기 코일의 각 단부 사이의 전기적 결합을 행하고, 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제1 상태에서는 상기 커패시터의 각 단부와 상기 코일의 각 단부 사이의 전기적 결합을 차단하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 제어 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    출력을 갖고 상기 코일의 각 단부에 각각 결합된 제1 및 제2 입력을 갖는 차동 증폭기를 포함하며,
    상기 제2 전자 스위칭 회로는 상기 차동 증폭기의 상기 출력과 상기 커패시터의 한 단부 사이에 결합된 제3 스위치를 포함하고, 상기 제3 스위치는 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제1 상태에서는 개방되고, 상기 제2 전자 스위칭 회로의 제2 상태에서는 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 제어 장치.
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