KR100891483B1 - Piezoelectric element for small size of high voltage power driving circuit - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전소자(Piezoelectric Element) 구동회로에 관한 것으로, 특히 소형이면서도 저전압 전원으로부터 고전압을 발생할 수 있는 압전소자를 위한 소형 고전압 전력 구동회로를 제공함에 그 특징적인 목적이 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric element driving circuit, and in particular, to provide a small high voltage power driving circuit for a piezoelectric element capable of generating a high voltage from a small and low voltage power source.
상기 목적 달성을 위한 본 발명은, 무선전파를 발생시키는 무선전파 제어기; 무선전파 제어기로부터 RF 무선 송수신기를 이용하여 무선전파신호를 수신하는 수신모듈부와, 전지를 이용하여 구동전압을 제공하는 전원모듈부와, 무선전파 신호를 이용하여 PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호를 생성하는 마이크로프로세서모듈부와, PWM 제어신호가 마이크로프로세서모듈부로부터 풀 브릿지 구동모듈부로 전송될 때 발생할 수 있는 전기적인 문제를 완충하는 버퍼모듈부와, 압전소자가 구동할 수 있도록 PWM 제어신호를 PWM 신호로 변환하는 풀 브릿지 구동모듈부와, PWM 신호 및 직류전압을 이용하여 고전압 PWM를 출력하는 고전압전환구동모듈부를 포함하는 피에조 구동부; 및 고전압 PWM에 의하여 변위를 발생시키는 압전소자 작동기(300);로 구성된다.The present invention for achieving the above object, a radio wave controller for generating radio waves; A receiving module unit for receiving a radio wave signal from the radio wave controller using an RF radio transceiver, a power module unit for providing a driving voltage using a battery, and a pulse width modulation (PWM) control signal using a radio wave signal. It generates a microprocessor module unit, a buffer module unit for buffering electrical problems that may occur when the PWM control signal is transmitted from the microprocessor module unit to the full bridge drive module unit, and the PWM control signal to drive the piezoelectric element A piezo driver including a full bridge driving module unit converting the PWM signal and a high voltage switching driving module unit outputting a high voltage PWM using a PWM signal and a DC voltage; And a piezoelectric element actuator 300 for generating displacement by the high voltage PWM.
압전소자, PWM 신호, 피에조 구동부, 고전압 구동 Piezoelectric element, PWM signal, Piezo driver, High voltage drive
Description
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자를 위한 소형 고전압 전력 구동회로를 나타내는 구성도,1 is a block diagram showing a small high voltage power driving circuit for a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전원모듈부를 나타내는 상세 구성도,2 is a detailed configuration diagram illustrating a power module unit according to an embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 RF 무선 송수신기를 통해 수신하는 신호 주기를 나타내는 도면,3 is a diagram illustrating a signal period received through an RF wireless transceiver according to an embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전압조절모듈부를 나타내는 상세 흐름도,4 is a detailed flowchart illustrating a voltage regulation module unit according to an embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 N 채널로만 구성된 형태의 풀 브릿지를 나타내는 상세 회로도.FIG. 5 is a detailed circuit diagram illustrating a full bridge configured only of N channels according to an embodiment of the present invention. FIG.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **** Description of symbols for the main parts of the drawing **
100 : 무선전파 제어기 200 : 피에조 구동부100: radio wave controller 200: piezo drive unit
210 : 수신모듈부 220 : 전원모듈부210: receiving module unit 220: power module unit
221 : 직류/직류 변환모듈부 222 : 전압조절모듈부221: DC / DC conversion module unit 222: voltage control module unit
223 : 고전압변환모듈부 230 : 마이크로프로세서모듈부223: high voltage conversion module unit 230: microprocessor module unit
240 : 버퍼모듈부 250 : 풀 브릿지 구동모듈부240: buffer module unit 250: full bridge drive module unit
260 : 고전압전환구동모듈부 300 : 압전소자 작동기260: high voltage switching drive module 300: piezoelectric element actuator
B : 전지B: battery
본 발명은 압전소자 구동회로에 관한 것으로, 특히 소형이면서도 저전압 전원으로부터 고전압을 발생할 수 있는 압전소자를 위한 소형 고전압 전력 구동회로에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
근래 가정용 전자기기뿐만 아니라 산업용 전자기기의 급격한 발달로 인하여 성능에 따른 품질이 최우선 되지만, 그에 따라 외형적으로 소형화를 요구하는 추세이다.Recently, due to the rapid development of not only home electronics, but also industrial electronics, quality according to performance is the top priority, but accordingly, it is a trend that requires miniaturization in appearance.
기존의 전기 모터는 성능이 우수하기는 하지만 무게가 무겁고, 소형화하기도 어렵고, 소형화 할수록 효율이 떨어지는 단점이 있다. 그러나 압전소자는 소자 자체가 작동기 역할을 하기 때문에 크기를 매우 작게 할 수 있고, 작동기 자체를 구조물에 직접 포함시킬 수 있으며, 무게가 가볍다는 장점을 가지고 있다. 하지만, 압전소자를 구동시키기 위해서 높은 전압이 필요하기 때문에 전력구동회로의 부피가 커짐으로써, 자동적으로 그를 포함하는 전체 압전소자 구동시스템의 부피가 커지게 된다. 부피의 증가에 따라 비용도 증가하는 추세이다.Conventional electric motors have excellent performance, but they have heavy weights, are difficult to miniaturize, and become smaller and less efficient. However, the piezoelectric element has an advantage that the device itself can act as an actuator, so the size can be made very small, the actuator can be directly included in the structure, and the weight is light. However, since a high voltage is required to drive the piezoelectric element, the volume of the power driving circuit increases, thereby automatically increasing the volume of the entire piezoelectric element driving system including the piezoelectric element. Cost increases with volume.
반면, 소형화 추세에 맞추어 전자기기의 부피를 감소하는데 중점을 두게 되면 전자기기를 원활하게 구동시키지 못해 소비자가 원하는 효과를 얻지 못하게 된다.On the other hand, if the focus is placed on reducing the volume of electronic devices in accordance with the miniaturization trend, the electronic devices cannot be driven smoothly, and thus consumers do not achieve the desired effect.
즉, 전력소모를 통해서 전자기기가 구동되는 바, 이러한 전력 소모는 그 전기기기의 에너지 효율과 직접적으로 관련되며, 에너지 효율은 전기 기기의 품질의 우수성을 나타내는 한 요인이다.That is, the electronic device is driven through the power consumption, and this power consumption is directly related to the energy efficiency of the electric device, and the energy efficiency is one factor indicating the quality of the electric device.
따라서, 전자기기를 원활히 구동할 수 있도록 전력공급이 가능하면서 최근 추세에 따른 소형화를 지향할 수 있는 문제점이 대두되었다.Accordingly, while the power supply is possible to smoothly drive the electronic devices, there is a problem that can be miniaturized according to the recent trend.
피에조 소자라고도 불리는 압전 소자는 작고 경량이면서 동시에 효과적으로 큰 힘을 낼 수 있다는 그 장점으로 가지고 있는데, 구동 회로의 크기와 가격 때문에 소자의 다양한 응용 범위를 제약하고 있다.Piezoelectric elements, also called piezoelectric elements, have the advantage of being small, lightweight, and able to produce large forces effectively, limiting the range of application of the device due to the size and cost of the driving circuit.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 소형이면서도 저전압 전원으로부터 고전압을 발생할 수 있는 압전소자를 위한 소형 고전압 전력 구동회로를 제공함에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a small high voltage power driving circuit for a piezoelectric element capable of generating a high voltage from a small and low voltage power source.
또한 본 발명의 다른 목적은 전지를 이용하여 전원을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a power source using a battery.
그리고 본 발명의 또 다른 목적을 저항을 직렬로 연결 구성하여 압전소자로 순간적인 큰 전류가 전송되어 회로가 불안정하게 되는 것을 방지할 수 있도록 함에도 있다.In addition, another object of the present invention is to connect a resistor in series to prevent the instantaneous large current is transmitted to the piezoelectric element to prevent the circuit from becoming unstable.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전소자를 위한 소형 고전압 전력 구동회로에 있어서, 무선전파를 발생시키는 무선전파 제어기(100); 상기 무선전파 제어기로부터 RF 무선 송수신기를 이용하여 무선전파신호를 수신하는 수신모듈부(210)와, 별도로 구비된 전지(B)를 이용하여 구동전압을 제공하는 전원모듈부(220)와, 상기 무선전파 신호를 이용하여 PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호를 생성하는 마이크로프로세서모듈부(230)와, 상기 PWM 제어신호가 상기 마이크로프로세서모듈부로부터 상기 풀 브릿지 구동모듈부로 전송될 때 발생할 수 있는 전기적인 문제를 완충하는 버퍼모듈부(240)와, 압전소자를 구동할 수 있도록 상기 PWM 제어신호를 PWM 신호로 변환하는 풀 브릿지 구동모듈부(250)와, PWM 신호 및 직류전압을 이용하여 고전압 PWM를 출력하는 고전압전환구동모듈부(260)를 포함하는 피에조 구동부(200); 및 고전압 PWM에 의하여 변위를 발생시키는 압전소자 작동기(300);를 포함한다.A small high voltage power drive circuit for a piezoelectric element of the present invention for achieving the above object, comprising: a radio wave controller (100) for generating radio waves; A reception module unit 210 for receiving a radio wave signal from the radio wave controller using an RF radio transceiver, a power module unit 220 for providing a driving voltage using a battery B provided separately, and the radio unit Microprocessor module unit 230 for generating a PWM (Pulse Width Modulation) control signal using a radio wave signal, and electrical that may occur when the PWM control signal is transmitted from the microprocessor module unit to the full bridge driving module unit The buffer module 240 buffers the problem, the full bridge driving module 250 converting the PWM control signal into a PWM signal to drive the piezoelectric element, and the high voltage PWM using the PWM signal and the DC voltage.
바람직하게 상기 전원모듈부(220)는, 상기 전지로부터 직류전압을 입력받아 다른 직류전압 또는 다른 극성의 전력으로 변환하는 직류/직류 변환모듈부(221); 상기 직류전압을 입력받아 그에 따른 전압을 조절하는 전압조절모듈부(222); 및 상기 직류전압을 입력받아 고전압으로 변환하는 고전압 변환모듈부(223); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the power module unit 220 includes: a DC / DC
또한 바람직하게 상기 버퍼모듈부(240)는, 외부 노이즈를 감쇄시키거나, 임피던스 매칭을 수행하거나, 용량성 부하를 구동하는 경우 중 어느 하나에 대하여 상기 피에조 구동부가 영향을 받지 않도록 전기적인 문제를 완충하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the buffer module 240 buffers an electric problem so that the piezoelectric drive unit is not affected by any one of attenuating external noise, performing impedance matching, or driving a capacitive load. Characterized in that.
그리고 바람직하게 상기 피에조 구동부(200)는, 저항을 직렬로 연결 구성하여 압전소자로 순간적인 큰 전류가 전송되어 회로가 불안정하게 되는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.The features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings. In the meantime, when it is determined that the detailed description of the known functions and configurations related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, it should be noted that the detailed description is omitted.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
본 발명의 일실시예에 따른 압전소자를 위한 소형 고전압 전력 구동회로에 관하여 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.A small high voltage power driving circuit for a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자를 위한 소형 고전압 전력 구동회로를 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전원모듈부를 나타내는 상세 구성도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 RF 무선 송수신기를 통해 수신한 신호 주기를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전압조절모듈부를 나타내는 상세 흐름도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 N 채널로만 구성된 형태의 풀 브릿지를 나타내는 상세 회로도이다.1 is a block diagram showing a small high voltage power driving circuit for a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a detailed block diagram showing a power module unit according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is 4 is a view illustrating a signal cycle received through an RF wireless transceiver according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a detailed flowchart illustrating a voltage regulation module unit according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is an embodiment of the present invention. The detailed circuit diagram which shows the full bridge of the form which consists only of N channels according to this.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이 압전소자를 위한 소형 고전압 전력 구동회로는 무선전파를 발생시키는 무선전파 제어기(100)와, 소형 압전소자를 구동시키기 위한 전력을 제공하는 피에조 구동부(200)와, 압전소자 작동기(300)를 포함하는 구성이다.First, as shown in FIG. 1, a small high voltage power driving circuit for a piezoelectric element includes a radio wave controller 100 for generating radio waves, a
구체적으로 피에조 구동부(200)를 도 2를 참조하여 살펴보면, 수신모듈부(210), 전원모듈부(220), 마이크로프로세서모듈부(230), 버퍼모듈부(240), 풀 브릿지 구동모듈부(250) 및 고전압전환구동모듈부(260)를 포함한다.Specifically, referring to the
먼저, 수신모듈부(210)는 상기 무선전파 제어기(100)로부터 무선전파신호를 수신하는데, 도 3에 도시된 바와 같이 RF 무선 송수신기를 통해 최소 온(ON) 시간이 1.1 ms, 최대 온(ON) 시간이 1.9 ms 인 무선전파 신호를 수신한다.First, the reception module unit 210 receives a radio wave signal from the radio wave controller 100. As shown in FIG. 3, the minimum ON time is 1.1 ms and the maximum ON state is shown through the RF radio transceiver. Receive a radio wave signal with a time of 1.9 ms.
본 실시예에 있어서 72MHz의 무선전파 신호를 수신하는 것으로 설정하였지만 본 발명이 이에 한정되지 않는다.In this embodiment, although the radio wave signal of 72 MHz is set to be received, the present invention is not limited thereto.
한편, 전원모듈부(220)는 별도로 구비된 전지(B)를 이용하여 구동전압을 제공하는 기능을 수행하는 바, 직류/직류 변환모듈부(221), 전압조절모듈부(222) 및 고전압변환모듈부(223)를 포함한다.On the other hand, the power module unit 220 performs a function of providing a driving voltage using a battery (B) provided separately, DC / DC
직류/직류 변환모듈부(221)는 별도로 구비된 전지(B)로부터 직류전압을 입력받아 다른 직류전압으로 변환하는 기능을 수행한다. 구체적으로 입력받은 7.4V의 직류전압을 12V의 다른 전압이나 극성의 전력으로 변환하는 제1 직류/직류 변환모듈(2211)과, 입력받은 7.4V의 직류전압을 3.3V의 다른 전압이나 극성의 전력으로 변환하는 제2 직류/직류 변환모듈(2212)을 포함한다.The DC / DC
여기서, 변환된 12V의 직류전압은 후술되는 전압조절모듈부(222) 및 풀 브릿지 구동모듈부(250)로 전송되어진다.Here, the converted DC voltage of 12V is transmitted to the voltage regulation module unit 222 and the full bridge driving module unit 250 to be described later.
본 실시예에 있어서, 상기 전지(B)는 7.4V / 1200mA인 스카이홀릭의 리튬 폴리머 전지(Sky-Holic Li-Poly Battery)로써, RC전용 Ni-CD 또는 Ni-MH에 비해 중량 대비 에너지 용량이 3~5배나 되며 기존의 리튬 폴리머 전지와는 달리 10C(>92%)이상 방전이 가능한 고성능 전지인 것으로 설정하였지만, 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다.In the present embodiment, the battery (B) is 7.4V / 1200mA of Skyholic's Sky-Holic Li-Poly Battery, which has an energy capacity by weight compared to Ni-CD or Ni-MH for RC. Although it is set to be 3 to 5 times higher than a conventional lithium polymer battery capable of discharging 10C (> 92%) or more, the present invention is not limited thereto.
전압조절모듈부(222)는 상기 제1 직류/직류 변환모듈(2211)로부터 직류전압을 입력받아 그에 따른 전압을 조절하는 기능을 수행한다. 즉, 12V의 직류전압을 5V의 직류전압으로 조절한다.The voltage adjusting module unit 222 receives a DC voltage from the first DC / DC conversion module 2211 and performs a function of adjusting the voltage accordingly. That is, the DC voltage of 12V is adjusted to the DC voltage of 5V.
참고적으로 도 4를 살펴보면, 전압조절모듈부(222)는 입력핀(1), 접지핀(5), 출력핀(3)을 구비하는데, 입력핀(1)을 통해서 12V의 직류전압을 입력받은 후, 출력핀(3)을 통해서 5V의 직류전압을 출력한다. 이때, 공급전원이 불안정한 경우에 내부 발진(發振, OSCILLATION)을 방지하기 위해 바이패스 커패시터(C35)를 구비하고, 안정된 출력전압의 과도응답을 개선하기 위해 출력핀(3)에 연결된 출력 바이패스 커패시터(C36)를 구비한다.For reference, referring to FIG. 4, the voltage regulation module unit 222 includes an
고전압 변환모듈부(223)는 상기 제2 직류/직류 변환모듈(2212)로부터 직류전압을 입력받아 고전압으로 변환하는 기능을 수행한다.The high voltage conversion module unit 223 receives a DC voltage from the second DC / DC conversion module 2212 and converts the DC voltage into a high voltage.
다시 말하면, 입력전압에 의해 출력전압이 변동되므로, 3.3V의 직류전압이 입력되면, 200V의 직류전압을 출력할 수 있다.In other words, since the output voltage varies depending on the input voltage, when a DC voltage of 3.3V is input, a DC voltage of 200V can be output.
참고적으로, 압전소자를 구동하는데 있어서, 약 +200V의 직류전압이 필요하다.For reference, in driving a piezoelectric element, a DC voltage of about + 200V is required.
지능소자는 순간적으로 큰 운동을 할 때는 큰 전류가 필요하지만, 일단 정상 상태에 이르면 전류가 거의 필요로 하지 않는다는 장점을 가지고 있다. 따라서 전하 축적 장치와 커패시터를 이용하면 지능 소자 구동에 필요한 전압원을 구성할 수 있다.Intelligent devices have the advantage of requiring large currents for momentary large movements, but requiring very little current once they reach a steady state. Therefore, charge accumulators and capacitors can be used to construct the voltage source needed to drive intelligent devices.
한편, 마이크로프로세서모듈부(230)는 상기 수신모듈부(210)를 통해서 수신한 무선전파 신호를 이용하여 PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호를 생성한다.Meanwhile, the microprocessor module unit 230 generates a pulse width modulation (PWM) control signal using a radio wave signal received through the receiving module unit 210.
본 실시예에서 듀얼 8BIT PWM 채널의 ATMEL사의 ATMEGA 128로서 상기 무선전파 신호를 이용하여 PWM 제어신호를 생성하는 기능을 수행하는 것으로 설정하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.In the present exemplary embodiment, the ATMEGA 128 of the dual 8BIT PWM channel is set to perform a function of generating a PWM control signal using the radio wave signal, but the present invention is not limited thereto.
상기 PWM 제어신호를 생성하기 위해 마이크로프로세서모듈부(230)에 구성된 타이머 3을 이용한다. 구체적으로 타이머 3의 기준 클럭은 CPU 클럭을 분주하여, 2 MHz 클럭을 사용하는 것으로 설정하였으며, 타이머 3이 계속 업 카운팅을 하면서, 입력 신호가 낮은 레벨(low)에서 높은 레벨(high)로 올라갈 때 시간을 측정하고, 다시 입력 신호가 높은 레벨에서 낮은 레벨로 움직일 때 시간을 측정하여 그 차를 구함으로써 펄스의 높은 레벨 시간을 획득한다.
예를 들면, 최소(min) 값의 1.1ms에 따른 펄스 클럭은 pulse clocks = (2E6)× (1.1E-3) = (2.2E3)이고, 최대(max) 값의 1.9ms에 따른 펄스 클럭은 pulse clocks = (2E6) × (1.9E-3) = (3.8E3)이다.For example, a pulse clock according to 1.1 ms of minimum value is pulse clocks = (2E6) x (1.1E-3) = (2.2E3), and a pulse clock according to 1.9 ms of maximum value is pulse clocks = (2E6) × (1.9E-3) = (3.8E3).
참고적으로, 마이크로프로세서모듈부(230)는 8비트의 분해능에 따라 0~255를 가짐으로써, 0일 때 최소 듀티비 출력을 하고, 255일 때 최대 듀티비의 출력이 가능하다.For reference, the microprocessor module unit 230 has 0 to 255 according to the resolution of 8 bits, thereby outputting the minimum duty ratio when 0, and outputting the maximum duty ratio when 255.
즉, 카운터의 펄스 클럭이 2.2E3인 경우 최소 듀티비인 0을 출력하고, 3.8E3인 경우 최대 듀티비인 255를 출력하게 된다.That is, when the counter's pulse clock is 2.2E3, the minimum duty ratio 0 is output, and when the counter clock pulse is 3.8E3, the maximum duty ratio 255 is output.
따라서, 선형 PWM = pulse_clocks/6.3 - 349로 하면 펄스 클럭이 2.2E3에서 3.8E3사이를 움직일 때 PWM 값은 0에서 255 사이를 나타낸다. 이때 0%의 듀티비에서 0.2를 입력하면 0으로 움직이고, 100% 듀티비에서 254.17을 입력하면 254로 움직인다.Thus, if linear PWM = pulse_clocks / 6.3-349, the PWM value represents 0 to 255 when the pulse clock moves between 2.2E3 to 3.8E3. If you enter 0.2 at 0% duty ratio, it moves to 0. If you enter 254.17 at 100% duty ratio, it moves to 254.
요약하면 신호의 상승 시 시간을 읽고 인터럽트를 걸면, 인터럽트에서는 읽혀진 시간을 읽는다. 동시에 신호의 하강 에지에 다시 시간을 측정하여 인터럽트를 걸도록 해 놓는다. 그러면 다시 신호의 하강 에지에 인터럽트가 걸리는데, 이때 측정한 시간 값에서 전에 측정한 시간 값을 빼면 펄스폭이 차지한 시간이 된다. 카운터는 계속 업카운트를 하므로 오버플로우가 발생하는 경우가 있는데, 이때는 카운터가 가질 수 있는 최대 값에서 상승에지 시간을 빼고 여기에 상승에지에 측정한 시간을 더하여 주면 된다. 오버플로우의 체크는 하강에지 시간이 상승에지 시간보다 작은 경우이다.In summary, when the signal rises, the time is read and the interrupt is read, and the interrupt is read. At the same time, it is timed again to interrupt the falling edge of the signal. Then, the falling edge of the signal is interrupted again. Subtracting the previously measured time value from the measured time value becomes the time occupied by the pulse width. Since the counter keeps counting up, overflow may occur. In this case, subtract the rising edge time from the maximum value the counter can have and add the measured time to the rising edge. The check for overflow is when the falling edge time is less than the rising edge time.
버퍼모듈부(240)는 마이크로프로세서모듈부(230)로부터 수신한 PWM 제어신호를 풀 브릿지 구동모듈부(250)로 전송할 때, 발생할 수 있는 전기적인 문제를 완충 하는 기능을 수행한다.The buffer module 240 buffers an electrical problem that may occur when the PWM control signal received from the microprocessor module 230 is transmitted to the full bridge driving module 250.
즉, 버퍼모듈부(240)는 외부 노이즈를 감쇄시키거나, 임피던스 매칭을 수행하거나, 용량성 부하를 구동하는 경우, 상기 피에조 구동부(200)가 영향을 받지 않도록 전기적인 문제를 완충한다.That is, the buffer module unit 240 buffers electrical problems so that the
이때, 버퍼모듈부(240)는 제1 직류/직류 변환모듈(2211)로부터 5V의 직류전압을 수신해 구동전력으로 이용한다.At this time, the buffer module 240 receives a DC voltage of 5V from the first DC / DC conversion module 2211 and uses it as driving power.
다음으로, 풀 브릿지 구동모듈부(250)는 수신한 PWM 제어신호를 압전소자를 구동할 수 있도록 PWM 신호로 변환하는 기능을 수행한다.Next, the full bridge driving module 250 converts the received PWM control signal into a PWM signal so as to drive the piezoelectric element.
구체적으로, 풀 브릿지 구동모듈부(250)는 MOSFET를 구동시키고, 상기 풀 브릿지 구동모듈부(250)를 구동하기 위해 저전압 레벨 시프트로 내부적으로 조절할 수 있는 오실레이터(미도시)와 외부 작동 기능을 억제할 수 있다.Specifically, the full bridge driving module unit 250 drives a MOSFET and suppresses an oscillator (not shown) and an external operation function that can be internally adjusted with a low voltage level shift to drive the full bridge driving module unit 250. can do.
참고적으로 도 5에 도시된 바와 같이, 4개의 스위칭 모드 파워 서플라이 금속산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(Switching Mode Power Supply Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor: S.M.P.S MOSFET)를 서로 대각으로 그룹화되어 같은 그룹끼리 동일하게 온/오프 동작을 실행하는데, 온/오프가 균등하게 이루어지면 출력은 평균 영(±0) 전압으로 유지된다.For reference, as shown in FIG. 5, four switching mode power supply metal oxide semiconductor field effect transistors (SMPS MOSFETs) are grouped diagonally with each other to be on the same group. When the on / off operation is performed evenly, the output is maintained at an average zero voltage.
다시 말하면 온이 다수 이루어지는 경우에 + 전압이, 오프 동작이 다수 이루어지는 경우에 음의 전압이 평균적으로 공급된다.In other words, when a large number of on operations are performed, a positive voltage is supplied, and when a large number of off operations are performed, a negative voltage is supplied on average.
즉, PWM 구동 회로는 단일 전원을 이용하여 방향을 바꿀 수 있기 때문에 두 개의 양/음 전원을 사용하는 것과 같은 효과를 가져 온다.In other words, the PWM driving circuit can change direction using a single power supply, which has the same effect as using two positive / negative power supplies.
한편, 저항을 직렬로 연결 구성하여 압전소자로 순간적인 큰 전류가 전송되어 회로가 불안정하게 되는 것을 방지할 수 있다.On the other hand, by connecting the resistor in series to prevent the momentary large current is transmitted to the piezoelectric element to prevent the circuit from becoming unstable.
이때, MOSFET는 스위칭 출력회로로써, 전부 4개의 N채널만으로 구성된다.At this time, the MOSFET is a switching output circuit, consisting of only four N-channel.
구체적으로 살펴보면, 풀 브리지 회로는 하프 브리지 회로의 출력단자 사이에 부하를 접속한 것으로써, Tr2와 Tr3가 ON, Tr4와 Tr1이 OFF가 되면 부하에는 IL+ 방향으로 전류가 흐른다.Specifically, in the full bridge circuit, the load is connected between the output terminals of the half bridge circuit. When Tr2 and Tr3 are turned on, and Tr4 and Tr1 are turned off, current flows in the load in the IL + direction.
반대로, Tr4와 Tr1이 ON, Tr2와 Tr3 가 OFF가 되면 부하에는 IL- 방향으로 전류가 흐른다.Conversely, when Tr4 and Tr1 are on and Tr2 and Tr3 are off, current flows in the IL- direction to the load.
이처럼, 한 쌍의 스위치(Tr2, Tr3 또는 Tr4, Tr1)가 교대로 도통, 차단을 반복하면서 동작한다.In this way, the pair of switches Tr2, Tr3 or Tr4, Tr1 alternately conducts and operates repeatedly.
따라서, 하프 브리지 회로에서 부하를 구동했을 경우에 비해 부하의 양단에 인가되는 전압이 2배이므로 부하에 공급되는 최대전력은 하프 브리지 회로의 4배가 된다. 즉, 풀 브리지 회로를 통해서 전원전압을 유효하게 이용할 수 있다.Therefore, since the voltage applied to both ends of the load is twice as large as the case where the load is driven in the half bridge circuit, the maximum power supplied to the load is four times that of the half bridge circuit. That is, the power supply voltage can be effectively used through the full bridge circuit.
고전압전환구동모듈부(260)는 풀 브릿지 구동모듈부(250)로부터 압전소자를 구동할 수 있는 PWM 신호를 수신한 후, 제2 직류/직류 변환모듈(2212)로부터 수신한 직류전압을 이용하여 고전압 PWM를 출력하는 기능을 수행한다.The high voltage conversion driving module unit 260 receives the PWM signal capable of driving the piezoelectric element from the full bridge driving module unit 250 and then uses the DC voltage received from the second DC / DC conversion module 2212. It outputs high voltage PWM.
이때, 고전압전환구동모듈부(260)는 3.3V의 직류전압을 이용하여 최대 +250V의 직류전압을 출력할 수 있다.At this time, the high voltage conversion driving module unit 260 may output a DC voltage of up to + 250V using a DC voltage of 3.3V.
참고적으로 일반적인 연산증폭기와 마찬가지로 사용하여 아날로그 입력신호를 고압으로 증폭하여 준다. 이 연산증폭기는 이득이 10 이상이어야 안정화되며, 10 pF이상의 보상 커패시터를 연결해 주어야 한다. 출력전압이 너무 클 경우에는 오히려 피에조 소자에 손상을 가져 올 수도 있으므로 순간적인 과전압을 막기 위해서 제너 다이오드를 연결하였으며, 프리 휠링 다이오드도 연결하여 인덕티브 부하에 의한 소자의 파괴를 방지할 수 있게 하였다.For reference, the analog input signal is amplified to high voltage by using like general operational amplifier. This op amp must be gained at least 10 to stabilize, and a compensation capacitor of at least 10 pF must be connected. If the output voltage is too high, it may cause damage to the piezo device, so a zener diode is connected to prevent instantaneous overvoltage, and the free wheeling diode is also connected to prevent the device from being destroyed by an inductive load.
마지막으로 압전소자 작동기(300)는 고전압 PWM에 의하여 변위를 발생시키는 기능을 수행한다.Finally, the piezoelectric element actuator 300 performs a function of generating displacement by the high voltage PWM.
본 실시예에서 약 고전압 PWM ±200V의 직류전압을 이용하여 구동 가능한 것으로 설정하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.In this embodiment, the driving voltage is set to be driven using a DC voltage of approximately high voltage PWM ± 200V, but the present invention is not limited thereto.
상술한 본 발명에 따르면, 소형이면서도 저전력으로 고전압을 발생할 수 있는 압전소자를 위한 소형 고전압 전력 구동회로를 통해 소형화와 경량화를 가지는 형태로 제작 가능하다. 예를 들면, 30g의 무게에5*10cm 정도의 크기로 매우 작고 가벼운 형태로서 제작 가능하여 다양한 분야에 응용할 수가 있다.According to the present invention described above, it can be manufactured in a form having a miniaturization and light weight through a small high voltage power drive circuit for a piezoelectric element capable of generating a high voltage with a small size and low power. For example, it can be manufactured in a very small and light form with a weight of 30g and a size of 5 * 10cm, and can be applied to various fields.
따라서, PWM 형태의 디지털 입력이나, 무선 RC조종기 입력, 또는 아날로그 입력을 직접 받을 수 있게 하여 사용자가 마이크로프로세서나 RC조종기, 그리고 아날로그 신호발생기나 명령을 이용하여 필요한 고전압 발생 명령을 줄 수 있도록 하여 사용하기가 용이하다.Therefore, PWM type digital input, wireless RC controller input or analog input can be directly received so that the user can give the necessary high voltage generation command by using microprocessor or RC controller and analog signal generator or command. Easy to do
그리고, 전원은 외부 배터리 등 소형 저전압의 외부 전원 사용이 가능함으로써, 쉽게 고전압을 쓰는 시스템에 포함시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, since the power source can use a small low voltage external power source such as an external battery, the power source can be easily included in a high voltage system.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다. As described above and described with reference to a preferred embodiment for illustrating the technical idea of the present invention, the present invention is not limited to the configuration and operation as shown and described as described above, it is a deviation from the scope of the technical idea It will be understood by those skilled in the art that many modifications and variations can be made to the invention without departing from the scope of the invention. Accordingly, all such suitable changes and modifications and equivalents should be considered to be within the scope of the present invention.
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