KR101218104B1 - 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PLC(30)로부터 INPUT CABLE(40)을 경유하여 공급되는 전위가 0 전위일 경우 통상의 0 전위 라인(GND Line) 대신 바이패스용 다이오드(52)로서 0 전위를 바이패스시킬 수 있도록 함으로써 결과적으로 INPUT CABLE(40)의 수를 하나 더 줄일 수 있게 되어 원가절감은 물론이거니와 Noise 감소, 선간방해 감소 및 제품의 경량화 등을 실현할 수 있는 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 관한 것이다.

Description

파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치{POWER BYPASS STEP CONTROL ACTUATOR}
본 발명은 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액츄에이터를 정밀 제어할 수 있는 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 관한 것이다.
일반적으로 액츄에이터는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하여 사물을 쥔다든가 방향을 바꾼다든가 위치를 변동시키는데 이용되는 산업용 로봇의 부속장치에서부터 모터의 정회전 또는 역회전을 조절하여 공기나 유체(특히, 반도체 웨이퍼 세척분야) 등의 흐름을 조절하는 밸브 등에 이르기까지 다양한 분야에 활용되고 있다.
하나의 예로서, 모터의 정역회전을 조절하여 공기나 유체 등의 흐름을 조절하는 밸브의 제어에 이용되는 액츄에이터를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 액츄에이터의 사용상태를 설명하기 위한 밸브를 포함한 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 액츄에이터(1)는 온수 또는 냉수의 유량을 투웨이(Two Way)로 된 밸브(V)를 통하여 공급하고자 할 때 모터(M)의 샤프트(S)에 연결된 디스크(D)의 회전각도를 적절하게 조절하여 유량을 제한하는데 활용된다.
이때, 유량을 제한하는 디스크(D)의 회전각도는 모터(M)의 샤프트(S)에 의하여 조절되고, 이러한 모터(M)의 동작은 액츄에이터(1)와 연동하면서 제어되는 것으로 설계된다.
선행기술문헌 1(10-2003-0089080; 스텝 모터 제어 장치 및 방법) 선행기술문헌 1은 스텝모터 제어 장치 및 방법을 소개하고 있다. 스텝모터(step motor)는 외부로부터 주어지는 펄스신호에 대해 정해진 각도(step angle)로 회전되는 모터이다. 이러한 스텝모터는 최근 들어 FA(Factory Automation) 또는 OA(Office Automation) 기기 등의 핵심 구동원으로 널리 사용되고 있고 그 수요가 날로 증가되고 있다. 특히, 고속과 저속의 광범위한 속도 대역에서 높은 정밀도의 위치제어 및 저소음 특성이 요구되는 잉크젯 프린터, 스캐너, 팩시밀리, 레이저 프린터 등의 구동원으로써 스텝모터가 널리 사용되고 있다. 한편, 스텝모터를 구동하는 방식은 여자 방식과 구동 방식의 조합으로 분류된다. 즉 한 번에 몇 개의 상에 동시에 전류를 흘리느냐에 따라 1상 여자 방식, 2상 여자 방식, 3상 여자 방식 및 4상 여자 방식 등으로 여자 방식이 분류되고, 한 상에 흐르는 전류 방향이 고정되느냐(유니폴라), 방향이 바뀌느냐(바이폴라)에 따라 구동 방식이 분류된다. 도 2는 선행기술문헌 1에 소개된 유니폴라 2상 여자 방식의 스텝 모터의 구동원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 스텝모터는 원리적으로 고정자를 자화시키면, 자석이 부착된 회전자가 자화된 고정자를 따라 회전하는 형태로 되어 있다(101, 102, 103, 104). 즉, 정방향(CW; ClockWise)으로 구동하고자 하는 경우에는 고정자를 (A1, B1)(101) -> (B1, A2)(102) -> (A2, B2)(103) -> (B2, A1)(104)의 순으로 여자시키고, 역방향(CCW; Counter ClockWise)으로 구동하고자 하는 경우에는 고정자를 (A1, B1)(101) -> (A1, B2)(103) -> (B2, A2)(104) -> (A1, B1)(101)의 순으로 여자시키면 된다. 선행기술문헌 2(10-2006-0022048; 금융자동화기기의 스텝모터 제어장치) 도 3a는 선행기술문헌 2에 소개된 스텝모터의 동작 모습을 도시한 도면이고, 도 3b는 선행기술문헌 2에 소개된 스텝모터의 구동신호를 도시한 그래프이다. 지폐의 입방출 시에 스텝모터의 단계적 움직임에 의하여 지폐의 입방출이 이루어지는데, 스텝모터(stepping motor)는 회전자와 다수개의 고정자로 구현되어 서로 다른 4개의 상으로서 동작된다. 즉, 도 3a에 도시한 바와 같이 제1고정자(11)에 코일을 감아 전류를 흘려주면 제1고정자(11)의 아래 부분이 N극으로 여자되고, 회전자(15)의 S극이 자극에 끌려 시계방향 90도 만큼 회전하고 정지한다. 이와 같은 방법으로 제2고정자(12), 제3고정자(13), 제4고정자(14)를 여자시키면 90도 각도만큼 움직이면서 회전하게 된다. 따라서, 스텝모터가 지폐입출금장치에서 지폐를 입방출하는 경우, 회전자(15)의 S극이 제1고정자(11)에서 제2고정자(12) 및 제3고정자(13)를 거쳐 제4고정자(14)에 도달함으로써 1매의 지폐가 입방출된다. 상기와 같은 스텝모터의 구동을 위한 여자 방식으로는 1상 여자 방식, 2상 여자 방식이 있는데, 이중에서 2상 여자 방식의 구동펄스 예시를 도 3b에 도시하였다.
Figure 112012083166999-pat00001
Figure 112012083166999-pat00002
도 3b와 같이 각 고정자에 인가되는 구동펄스에 의해 각 구간마다 두 가지 상이 동시에 여자됨으로써 스텝모터 회전 구동이 이루어짐을 알 수 있다. 한 매의 지폐를 방출하기 위하여 스텝모터는 4개의 스텝을 거쳐 회전이 이루어지는데, 도 3b에 도시한 바와 같이 구동신호가 반복적으로 인가되는데, 한 매의 지폐 방출이 스텝1(21), 스텝2(22), 스텝3(23)을 거쳐 스텝4(24)의 구동신호에 의해 이루어지는 것이다. 본원 출원인은 선행기술문헌 1 및 2에 소개된 스텝모터를 활용하여 사물을 쥔다든가 방향을 바꾼다든가 위치를 변동시키는데 이용되는 산업용 로봇의 부속장치에서부터 모터의 정회전 또는 역회전을 조절하여 공기나 유체(특히, 반도체 웨이퍼 세척분야) 등의 흐름을 조절하는 밸브 등에 이르기까지 다양한 분야에 활용되고 있는 액츄에이터를 제어하기 위한 장치를 본 발명으로 제안하고자 한다.
본 발명의 목적은 PLC로부터 INPUT CABLE을 경유하여 공급되는 전위가 0 전위일 경우 통상의 0 전위 라인 대신 바이패스용 다이오드로서 0 전위를 바이패스시킬 수 있도록 함으로써 INPUT CABLE의 수를 하나 더 줄일 수 있도록 하여 원가절감은 물론이거니와 Noise 감소, 선간방해 감소 및 제품의 경량화 등을 실현할 수 있는 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치를 제공함에 있다.
본 발명은 A 바이패스용 다이오드 내지 D 바이패스용 다이오드에 의해 내부 또는 외부에서 유입될 수 있는 왜란(역기전력, Noise 등)을 흡수 및 제거하는 기능도 겸할 수 있는 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
0～100％의 동작범위를 갖는 액츄에이터를 구동시키기 위한 기어박스에 맞물린 스텝모터와, DC 24V의 Pulse 및 DC 24V의 입력전원을 공급하는 PLC와, 상기 PLC로부터 INPUT CABLE을 통해 전송된 DC 24V의 Pulse를 DC 5V의 펄스로 파형 정형시키는 레벨 컨버터와, 상기 레벨 컨버터의 펄스를 분석 및 연산하면서 상기 스텝모터의 동작방향 및 동작량을 판단 및 체배시켜 CW 또는 CCW 구동펄스를 발생시키는 CPU와, 상기 CPU의 구동펄스로서 상기 스텝모터를 구동시키는 모터 드라이버와, 상기 PLC로부터 상기 INPUT CABLE을 통해 DC 24V의 입력전원을 받아 DC 5V의 동작전원을 출력함과 동시에 상기 스텝모터에 DC 24V의 구동전원을 공급하는 전원 공급부를 포함하는 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 있어서,
상기 레벨 컨버터는 INPUT CABLE을 경유하여 상기 PLC로부터 공급된 DC 24V Pulse를 DC 5V의 펄스로 파형 정형시키는 포토 커플러를 구비하고 O 전위일 경우 바이패스시키는 바이패스용 다이오드를 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.
본 발명은 PLC로부터 INPUT CABLE을 경유하여 공급되는 전위가 0 전위일 경우 통상의 0 전위 라인 대신 바이패스용 다이오드로서 0 전위를 바이패스시킬 수 있도록 함으로써 INPUT CABLE의 수를 하나 더 줄일 수 있게 되어 원가절감은 물론이거니와 Noise 감소, 선간방해 감소 및 제품의 경량화 등을 실현할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 A 바이패스용 다이오드 내지 D 바이패스용 다이오드에 의해 내부 또는 외부에서 유입될 수 있는 왜란(역기전력, Noise 등)을 흡수 및 제거하는 기능도 겸할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 DC 24V의 1-2 Phase Drive Pulse와 동기되어 0～100％의 동작범위를 500 Step 또는 1500 Step으로 분해하여 CPU로 하여금 스텝모터를 제어할 수 있도록 Pull Step Setting Switch를 구비함으로써 하나의 제품으로 500 Step 또는 1500 Step의 분해능을 선택할 수 있도록 하여 더욱 편리하게 호환 사용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 스텝모터의 구동시 액츄에이터가 Over Torque를 표출할 경우 경보음 및 경보빛을 발생시키는 Over Load Detector를 포함하여 부하로 인한 스텝모터의 파손을 미연에 방지토록 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 액츄에이터의 사용상태를 설명하기 위한 밸브를 포함한 사시도.
도 2는 선행기술문헌 1에 소개된 유니폴라 2상 여자 방식의 스텝 모터의 구동원리를 설명하기 위한 도면.
도 3a는 선행기술문헌 2에 소개된 스텝모터의 동작 모습을 도시한 도면.
도 3b는 선행기술문헌 2에 소개된 스텝모터의 구동신호를 도시한 파형도.
도 4는 본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치를 나타내는 블록도.
도 5는 본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 하나의 실시예로 적용되는 볼밸브를 나타내는 요부 절개 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 적용되는 스텝모터의 1-2 Phase Drive 동작을 설명하기 위한 개요도.
도 7a는 일반적인 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 적용된 PLC, INPUT CABLE 및 레벨 컨버터를 비롯한 시스템을 보여주는 블록도.
도 7b는 본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 적용된 PLC, INPUT CABLE 및 레벨 컨버터를 비롯한 시스템을 보여주는 블록도.
도 7c는 본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 적용된 레벨 컨버터에 의해 PLC의 0 전위시 바이패스시키는 동작원리를 설명하기 위한 개념도.
도 7d는 본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 적용되는 PLC로부터 공급된 DC 24V의 1-2 Phase Drive Pulse에 대한 파형도.
도 8a는 종래 기술에 따른 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 따른 액츄에이터 동작 그래프.
도 8b는 본 발명에 따른 선형 보정 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 따른 액츄에이터 동작 그래프.
본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치의 바람직한 실시예를 도면을 참조하면서 설명하기로 하고, 그 실시예로는 다수 개가 존재할 수 있으며, 이러한 실시예를 통하여 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 더욱 잘 이해할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치를 나타내는 블록도이다.
본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치는 도 4에 도시된 바와 같이 0～100％의 동작범위를 갖는 액츄에이터(10)를 구동시키기 위한 기어박스(21)에 맞물린 스텝모터(20)와, DC 24V의 Pulse 및 DC 24V의 입력전원을 공급하는 PLC(Programmable Logic Controller; 30)와, PLC(30)로부터 INPUT CABLE(40)을 통해 전송된 DC 24V의 Pulse를 DC 5V의 펄스로 파형 정형시키는 레벨 컨버터(Level Converter; 50)와, 레벨 컨버터(50)의 펄스를 분석 및 연산하면서 스텝모터(20)의 동작방향 및 동작량을 판단 및 체배시켜 CW(ClockWise) 또는 CCW(CounterClockWise) 구동펄스를 발생시키는 CPU(60)와, CPU(60)의 구동펄스로서 스텝모터(20)를 구동시키는 모터 드라이버(71)와, PLC(30)로부터 INPUT CABLE(40)을 통해 DC 24V의 입력전원을 받아 DC 5V의 동작전원을 출력함과 동시에 스텝모터(20)에 DC 24V의 구동전원을 공급하는 전원 공급부(75)를 포함한다.
도 5는 본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 하나의 실시예로 적용되는 볼밸브(11)를 나타내는 요부 절개 사시도이다.
액츄에이터(10) 중의 하나인 볼밸브(11)는 예를 들어 반도체 분야에서 유량의 흐름을 단속하는 기구인데, 그 닫히고 열리는 전체 구간을 0～100％의 동작범위로 정하고 있다.
스텝모터(통상적으로 Stepping Motor라고 함; 20)는 입력펄스 수에 대응하여 일정 각도씩 움직이는 모터로서 펄스모터라고도 하며, 입력펄스 수와 모터의 회전각도가 비례하여 회전각도를 정확하게 제어할 수 있고, 이러한 특징 때문에 NC 공작기계나 산업용 로봇, 프린터나 복사기 등의 OA 기기 그리고 반도체 분야에서 유체를 단속시키는 볼밸브(11)와 같은 액츄에이터(10)를 정밀 제어하는데 사용되고 있다.
예를 들어, 반도체 분야에 쓰이는 볼밸브(11)의 개폐를 위한 동작범위를 제어하는 스텝모터(20)는 그 회전각도 대비 볼밸브(11)의 개폐동작을 가능케 하기 위하여 기어 비[하나의 예로서, 스텝모터(20)의 10 Step 회전시 기어박스(21) 1 Step 회전)를 갖는 기어박스(21)를 통해 회전력을 전달하게 된다.
PLC(30)는 프로그래밍된 DC 24V의 Pulse 및 DC 24V의 입력전원을 공급하고, 레벨 컨버터(50)는 PLC(30)로부터 INPUT CABLE(40)을 통해 전송된 DC 24V의 Pulse를 DC 5V의 펄스로 파형 정형시키면서 잡음 및 왜곡을 필터링하게 된다.
그리고, CPU(60)는 레벨 컨버터(50)의 펄스를 분석 및 연산하면서 스텝모터(20)의 동작방향 및 동작량을 판단 및 체배시켜 CW(ClockWise) 또는 CCW(CounterClockWise) 구동펄스를 발생시키고, 모터 드라이버(71)는 CPU(60)의 구동펄스로서 스텝모터(20)를 구동시키게 된다.
이때, 전원 공급부(75)에서는 PLC(30)로부터 INPUT CABLE(40)을 통해 DC 24V의 입력전원을 받아 DC 5V의 동작전원, 즉 CPU(60)를 비롯한 시스템을 동작시키기 위한 동작전원을 출력함과 동시에 스텝모터(20)에 DC 24V의 구동전원을 공급하여 기동될 수 있도록 한다.
본 발명의 특징으로서 레벨 컨버터(50)는 INPUT CABLE(40)을 경유하여 PLC(30)로부터 공급된 DC 24V Pulse를 DC 5V의 펄스로 파형 정형시키는 포토 커플러(51)를 구비하고 그 중 0 전위일 경우 바이패스시키는 바이패스용 다이오드(52)를 포함하는 것을 가장 큰 핵심 구성으로 한다.
포토 커플러(51)는 발광소자 및 수광소자로서 PLC(30)로부터 INPUT CABLE(40)을 경유하여 공급된 DC 24V Pulse를 DC 5V의 펄스로 파형 정형시켜 CPU(60)에 공급토록 하고, 특히 바이패스용 다이오드(52)에 의해 PLC(30)로부터 공급된 전위가 0 전위일 경우 바이패스시킬 수 있도록 한다.
통상적으로 PLC(30)와 연결되는 종래 장치는 0 전위 라인(GND Line)을 별도로 연결하여야만 시스템 동작이 가능하게 되는데, 본 발명은 PLC(30)와 연결함에 있어서 GND Line이 존재치 않도록 하는 것을 핵심 특징으로 한다.
구체적으로, PLC(30)로부터 INPUT CABLE(40)을 경유하여 공급되는 전위가 0 전위일 경우 통상의 0 전위 라인(GND Line) 대신 바이패스용 다이오드(52)로서 0 전위를 바이패스시킬 수 있도록 함으로써 결과적으로 INPUT CABLE(40)의 수를 하나 더 줄일 수 있게 되어 원가절감은 물론이거니와 Noise 감소, 선간방해 감소 및 제품의 경량화 등을 실현할 수 있게 되는 것이다.
더욱 구체적으로, INPUT CABLE(40)은 A상 케이블(40a), B상 케이블(40b), C상 케이블(40c), D상 케이블(40d) 및 DC 24V 케이블(40e)로 이루어지고, PLC(30)의 DC 24V 펄스는 INPUT CABLE(40)의 A상 케이블(40a), B상 케이블(40b), C상 케이블(40c), D상 케이블(40d)을 각각 경유하는 DC 24V의 1-2 Phase Drive(64) Pulse가 된다.
그리고, 포토 커플러(51)는 A 포토 커플러(51a), B 포토 커플러(51b), C 포토 커플러(51c) 및 D 포토 커플러(51d)를 구비하고, 바이패스용 다이오드(52)는 A 바이패스용 다이오드(52a), B 바이패스용 다이오드(52b), C 바이패스용 다이오드(52c) 및 D 바이패스용 다이오드(52d)를 구비한다.
이때, 레벨 컨버터(50)는 A상 케이블(40a), B상 케이블(40b), C상 케이블(40c), D상 케이블(40d)을 경유하여 PLC(30)로부터 각각 공급된 DC 24V의 1-2 Phase Drive(64) Pulse를 DC 5V의 펄스로 파형 정형시키는 A 포토 커플러(51a), B 포토 커플러(51b), C 포토 커플러(51c) 및 D 포토 커플러(51d)를 포함하고, O 전위일 경우 각각 바이패스시키는 A 바이패스용 다이오드(52a), B 바이패스용 다이오드(52b), C 바이패스용 다이오드(52c) 및 D 바이패스용 다이오드(52d)를 포함한다.
도 6은 본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 적용되는 스텝모터(20)의 1-2 Phase Drive(64) 동작을 설명하기 위한 개요도이다.
본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 적용되는 스텝모터(20)의 동작을 보면, 도 6에 도시된 바와 같이 고정자(Stator)의 A상을 여자하면 회전자(Rotor)는 A상에 위치하고, 다음으로 고정자의 A상 및 B상을 동시에 여자하면 회전자는 A상과 B상의 중간에 위치하며, 이후 고정자의 B상 -> B상 및 C상 -> C상 -> C상 및 D상 -> …의 순서로 여자함으로써 회전자를 CW 회전시킬 수 있게 된다.
반면, CCW 회전을 위해서는 고정자의 B상 및 A상 -> A상 -> A상 및 D상 -> D상 -> C상 및 D상 -> …의 순서로 여자함으로써 가능하게 된다.
이때, 정지동작은 마지막으로 고장자를 여자한 상을 일정 시간 계속 여자함으로써 회전자의 회전을 정지시킬 수 있게 된다.
도 7a는 일반적인 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 적용된 PLC(30), INPUT CABLE(40) 및 레벨 컨버터(50)를 비롯한 시스템을 보여주는 블록도이고, 도 7b는 본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 적용된 PLC(30), INPUT CABLE(40) 및 레벨 컨버터(50)를 비롯한 시스템을 보여주는 블록도이다.
일반적인 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에서 PLC(30)와 연결되는 종래 발명은 도 7a에 도시된 바와 같이 0 전위 라인(GND Line)을 별도로 연결하여야만 동작이 가능하게 된다.
즉, 일반적인 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치는 도 7a에 도시된 바와 같이 PLC(30)로부터 DC 24V 케이블(40e)을 통해 DC 24V의 입력전원을 공급하고 DC 24V의 1-2 Phase Drive(64) Pulse를 각각 공급하기 위한 A상 케이블(40a), B상 케이블(40b), C상 케이블(40c) 및 D상 케이블(40d) 이외에 0 전위 라인(GND Line)이 절대적으로 필요하여 총 6가닥의 케이블이 요구되는 반면, 본 발명에서는 도 7b에 도시된 바와 같이 PLC(30)로부터 INPUT CABLE(40)을 경유하여 공급되는 전위가 0 전위일 경우 통상의 0 전위 라인(GND Line) 대신 바이패스용 다이오드(52)로서 0 전위를 바이패스시킬 수 있도록 함으로써 도 7b에 도시된 바와 같이 총 5가닥의 케이블만으로도 충분토록 하여 제품의 원가절감은 물론 Noise 감소, 선간방해 감소 및 제품의 경량화 등을 실현할 수 있게 되는 것이다.
도 7c는 본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 적용된 레벨 컨버터(50)에 의해 PLC(30)의 0 전위시 바이패스시키는 동작원리를 설명하기 위한 개념도이고, 도 7d는 본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 적용되는 PLC(30)로부터 공급된 DC 24V의 1-2 Phase Drive(64) Pulse에 대한 파형도이다.
본 발명에 따라 PLC(30)로부터 공급된 DC 24V의 1-2 Phase Drive(64) Pulse 신호가 A상, B상, C상 및 D상에서 High(DC 24V) 및 Low(0V)로 동작될 때 PLC(30)와 GND를 바이패스용 다이오드(52)로 연결시켜 동작에 필요한 전원을 아래와 같이 공급받을 수 있도록 한다.
먼저, 본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치는 1-2 Phase Drive(64) 방식으로 스텝모터(20)를 제어한다. DC 24V의 1-2 Phase Drive(64) Pulse는 도 7d에 도시된 바와 같이 A상～D상까지 주기적으로 동일한 Pulse가 반복 출력되어 스텝모터(20)를 회전시킨다.
그리고, 본 발명의 스텝모터(20) 컨트롤용 주 Clock은 380㎐로 A상～D상까지를 반복할 경우 각 상별로 주파수는 380÷4= 95㎐가 된다. 이는 1초에 95번을 High(24V)와 Low(0V)를 반복한다는 의미이다.
나아가, 그 동작파형을 보면 High와 High 사이에는 0V구역이 존재하는데 본 발명은 0V구역을 이용한 것으로 0V일 때 레벨 컨버터(50)의 바이패스용 다이오드(52)에 의해 PLC(30)와 GND가 연결되도록 하는 것이다.
즉, 도 7c에서 PLC(30)의 "P1"의 Drive Pulse가 ON되어 Low전위가 될 때 A상 케이블(40a)과 연결된 A 바이패스용 다이오드(52a)와 순방향 조건이 되어 본 발명의 GND를 PLC(30)의 GND에 연결되는 것과 같이 실현시켜 0V 전원을 공급할 수 있도록 하는 것이다.
이때, 1초에 95회 반복하여 리플(흔들림)이 발생될 것으로 보이나 DC 24V의 1-2 Phase Drive(64) Pulse 파형을 보면 알 수 있듯이 A상이 Low에서 High가 되기 전에 이미 B상이 Low를 유지하고 있는 상태이기 때문에 A상이 High로 전위가 변경되어도 A 바이패스용 다이오드(52a) 및 B 바이패스용 다이오드(52b)가 GND가 공통으로 묶여있기 때문에 Low 값이 계속 유지하게 되어 그 리플 등을 미연에 방지할 수 있게 되는 것이다.
이러한 동작을 PLC(30)의 P1, P2, P3 및 P4까지를 반복하여 동작함으로서 별도의 GND Line이 없어도 GND Line이 연결되어 있는 것과 동일한 효과를 본 발명의 바이패스용 다이오드(52)로서 실현할 수 있게 되는 것이다.
그리고, 본 발명으로 얻을 수 있는 또 하나의 부수적인 기능은 본 발명에 연결된 A 바이패스용 다이오드내지 D 바이패스용 다이오드(52a～52d)에 의해 내부 또는 외부에서 유입될 수 있는 왜란(역기전력, Noise 등)을 흡수 및 제거하는 기능도 겸할 수 있어 특히 바람직하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치는 PLC(30)로부터 공급되는 DC 24V의 1-2 Phase Drive(64) Pulse와 동기되어 액츄에이터(10)의 0～100％의 동작범위를 500 Step 또는 1500 Step으로 분해하여 CPU(60)로 하여금 스텝모터(20)를 제어할 수 있도록 세팅시키는 Pull Step Setting Switch(81)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 볼밸브(11)인 액츄에이터(10)는 유체를 단속함에 있어서 Close 시점과 Open 시점까지의 동작범위를 0～100％로 정할 수 있는데, 본 발명에서는 DC 24V의 1-2 Phase Drive(64) Pulse와 동기되어 0～100％의 동작범위를 500 Step 또는 1500 Step으로 분해하여 CPU(60)로 하여금 스텝모터(20)를 제어할 수 있도록 Pull Step Setting Switch(81)를 구비함으로써 하나의 제품으로 500 Step 또는 1500 Step의 분해능을 선택할 수 있어 더욱 편리하게 호환하여 사용할 수 있게 된다[사용자의 요구에 따라 그 분해능을 각각 다르게 설정할 수 있음은 물론이다].
바람직하게, 본 발명에 따라 CPU(60)는 레벨 컨버터(50)에 의해 파형 정형된 DC 5V의 펄스를 판독하여 스텝모터(20)의 동작방향(CW or CCW) 및 동작량(Step 수)을 검출하는 Phase Detector(61)와, Phase Detector(61)에 검출된 동작량(Step 수)을 카운트하여 Pull Step Setting Switch(81)에서 500 Step으로 세팅된 경우 +20 Step, 1500 Step으로 세팅된 경우 +60 Step을 초과하거나 비정상적인 펄스가 입력될 경우 경보음 또는 경보빛을 표출한 후 초과된 값을 스킵(Skip)하고 유효값만 처리하는 Over Step Detector(62)와, Over Step Detector(62)에서 처리된 유효값을 취합 연산 및 체배시켜 체배값을 출력하는 Phase Data Arithmetic(63)과, Phase Data Arithmetic(63)의 체배값으로 스텝모터(20)를 구동시키기 위한 CW 또는 CCW DC 5V의 A상 내지 D상 1-2 Phase 구동펄스를 발생시키는 1-2 Phase Drive(64)를 포함한다.
표 1은 레벨 컨버터(50)에 의해 파형 정형된 DC 5V의 펄스에 대한 스텝모터(20)의 동작방향 및 동작량을 판단하기 위한 표이다.

PLC Input Step Code

ABCD Code

Direction
Step No
10진수
A

B
C
D




CW
▼
▼









▲
▲
CCW
1

1
1
0
0
0

2

3
1
1
0
0

3

2
0
1
0
0

4

6
0
1
1
0

5

4
0
0
1
0

6

12
0
0
1
1

7

8
0
0
0
1

8

9
1
0
0
1
본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치는 PLC(30)로부터 공급된 DC 24V의 1-2 Phase Drive(64) Pulse를 레벨 컨버터(50)에서 파형 정형시켜 DC 5V로 변환시켜 CPU(60)로 입력시키면, Phase Detector(61)에서 표 1과 같이 DC 5V의 펄스를 판독하여 스텝모터(20)의 동작방향(CW or CCW) 및 동작량(Step 수)을 검출하게 된다.
예를 들어, Pull Step Setting Switch(81)에서 500 Step 또는 1500 Step으로 선택함에 따라 총 Step 수는 500 Step±20 Step 또는 1500 Step±60 Step으로 0% 기준점으로부터 입력되는 Pulse량만큼 위치동작을 가능케 하기 위해 스텝모터(20) 구동펄스를 출력하는 것이다.
이때, PLC(30)로부터 입력된 Pulse 수만큼을 스텝모터(20) 구동펄스를 1:1로 출력하여서는 안된다. 그것은 액츄에이터(10)의 구조상, 필요한 Torque를 얻기 위하여 기어박스(21)를 사용하고 있기 때문이다.
따라서, 사용되고 있는 기어박스(21)가 0～100％의 동작범위로 동작할 때까지 필요한 총 Pulse를 입력 Pulse로 나눠 계산된 비율로 스텝모터(20) 구동펄스를 출력하는 것이다.
하나의 예로서, 본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 사용된 기어박스(21)의 100％ 동작까지 필요한 Pulse가 기어 비(1:10)를 고려해 5000 Step이 되므로 500 Step의 경우 5000÷500=10 Step, 1500 Step의 경우 5000÷1500= 3.3Step이 된다.
결국, 500 Step의 경우 1 Step 입력시 10 Step을 출력하고 1500 Step의 경우 약 3.3 Step을 출력하여야 정확한 비율로 위치제어가 가능하게 되는 것이다.
이를 표 2 및 표 3으로 나타내면 다음과 같다.
500 Step

비율

0％
10％
20％
30％
40％
50％
60％
70％
80％
90％
100％

입력 Step
0～500 Step

0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500

출력 Step
0～5000 Step

0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
1500 Step

비율

0％
10％
20％
30％
40％
50％
60％
70％
80％
90％
100％

입력 Step
0～1500 Step

0
150
200
450
600
750
900
1050
1200
1350
1500

출력 Step
0～5000 Step

0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
예를 들어 현재 최종 연산 Step 수가 50 Step(10％ 위치 값)인 상태에서 신규로 CCW(Close) 방향으로 10 Step이 입력되었다면 50-10=40 Step(8％ 위치 값)으로 스텝모터(20)를 10％ 위치에서 8％ 위치로 이동시키게 되는 것이다.
그 연산수식은 다음과 같이 간단히 정의할 수 있다.
CCW 입력시: 현재 최종 Step 수-새로 입력된 CCW Step 수=CCW로 이동할 위치 값
CW 입력시: 현재 최종 Step 수+새로 입력된 CW Step 수=CW로 이동할 위치 값
이와 같이, 본 발명에 따라 Phase Detector(61)는 레벨 컨버터(50)에 의해 파형 정형된 DC 5V의 펄스를 판독하여 스텝모터(20)의 동작방향(CW or CCW) 및 동작량(Step 수)을 검출하는 한편, Over Step Detector(62)는 Phase Detector(61)에 검출된 동작량(Step 수)을 카운트하여 Pull Step Setting Switch(81)에서 500 Step으로 세팅된 경우 +20 Step, 1500 Step으로 세팅된 경우 +60 Step을 초과하거나 비정상적인 펄스가 입력될 경우 경보음 또는 경보빛을 표출한 후 초과된 값을 스킵(Skip)하고 유효값만 처리하고, 이후 Phase Data Arithmetic(63)은 Over Step Detector(62)에서 처리된 유효값을 취합 연산 및 체배시켜[기어박스(21)의 기어 비를 고려하여 체배시켜] 체배값을 출력하고, 1-2 Phase Drive(64)는 Phase Data Arithmetic(63)의 체배값으로 스텝모터(20)를 구동시키기 위한 CW 또는 CCW DC 5V의 A상 내지 D상 1-2 Phase 구동펄스를 발생시켜 스텝모터(20)의 동작을 정밀하게 제어할 수 있도록 하는 것이다.
이때, 모터 드라이버(71)는 CPU(60)의 1-2 Phase Drive(64)의 CW 또는 CCW DC 5V의 A상 내지 D상 1-2 Phase 구동펄스를 CW 또는 CCW DC 24V의 A상 내지 D상 1-2 Phase 드라이브펄스로 변환하여 스텝모터(20)를 구동시킬 수 있도록 한다.
더욱 구체적으로, 모터 드라이버(71)는 CPU(60)의 1-2 Phase Drive(64)에서 출력된 CW 또는 CCW DC 5V의 A상 내지 D상 1-2 Phase 구동펄스를 CW 또는 CCW DC 24V의 A상 내지 D상 1-2 Phase 드라이브펄스로 각각 변환하는 제1 내지 제4 TR(71a～71d)을 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치는 스텝모터(20)의 구동시 액츄에이터(10)가 Over Torque를 표출할 경우 경보음 및 경보빛을 발생시키는 Over Load Detector(85)를 포함하여 부하로 인한 스텝모터(20)의 파손을 미연에 방지토록 할 수 있음은 물론이다.
다른 한편으로, 본 발명의 특징으로서 PLC(30)로부터 DC 24V Pulse 및 DC 24V의 입력전원이 최초 공급될 경우 CPU(60)로 하여금 CCW 구동펄스를 발생시켜 스텝모터(20)가 CCW 회전되면서 액츄에이터(10)의 볼밸브(11)가 Full Close되어 누수(Leak) 직전의 위치일 때 0％ 기준점으로 보정한 후 액츄에이터(10)의 위치를 그 0％의 기준점에서부터 선형으로 제어토록 하는 리미트 스위치(90)를 포함할 수 있다.
이와 같은 리미트 스위치(90)에 따라 밸브의 선형 보정기능(OFF-SET 기능)을 가능케 할 수 있다.
즉, 본 발명에 따라 최초 Power ON시 PLC(30) 입력값에 관계없이 리미트 스위치(90)가 동작될 때까지 스텝모터(20)를 CCW 회전시켜 0％ 기준점을 잡은 후부터 위치동작을 개시토록 하여 그 0％의 기준점에서부터 선형으로 제어토록 하는 것이다.
도 8a는 종래 기술에 따른 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 따른 액츄에이터 동작 그래프이고, 도 8b는 본 발명에 따른 선형 보정 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 따른 액츄에이터 동작 그래프이다.
본 발명에서 0％ 기준점이란 볼밸브(11)의 구조특성상 Full Close시 서로 중첩되는 부분[볼밸브(11)의 볼이 회전되면서 통로를 개폐시키는 과정에서 Full Close시 겹쳐지는 부분]이 있을 수밖에 없고, 이 중첩되는 부분이 도 8a에 도시된 바와 같이 Full Scale의 약 10～20％ 차지함에 따라 이 범위에서 특성 왜곡(Dead Zone)이 일어날 수밖에 없다.
본 발명에 따른 선형 보정 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치는 종래 기술에 의한 Dead Zone을 최소화하기 위해 0점을 Leak가 발생되지 않는 범위 내(Leak 직전)에서 최대한 상향조정하여 왜곡의 최소화와 함께 유효동작 범위를 넓게 하여 동작 선형을 보정(1.5～100％)토록 함으로써 PLC(30)의 입력값에 대한 정밀도를 더욱 극대화시킬 수 있도록 하는 것이다.
본 발명은 액츄에이터를 정밀 제어할 수 있는 산업분야에 이용될 수 있다.
10 : 액츄에이터 11 : 볼밸브
20 : 스텝모터 21 : 기어박스
30 : PLC 40 : INPUT CABLE
40a : A상 케이블 40b : B상 케이블
40c : C상 케이블 40d : D상 케이블
40e : DC 24V 케이블 50 : 레벨 컨버터
51 : 포토 커플러 51a : A 포토 커플러
51b : B 포토 커플러 51c : C 포토 커플러
51d : D 포토 커플러 52 : 바이패스용 다이오드
52a : A 바이패스용 다이오드 52b : B 바이패스용 다이오드
52c : C 바이패스용 다이오드 52d : D 바이패스용 다이오드
60 : CPU 61 : Phase Detector
62 : Over Step Detector 63 : Phase Data Arithmetic
64 : 1-2 Phase Drive 71 : 모터 드라이버
71a : 제1 TR 71b : 제2 TR
71c : 제3 TR 71d : 제4 TR
75 : 전원 공급부 81 : Pull Step Setting Switch
85 : Over Load Detector 90 : 리미트 스위치

Claims (6)

  1. 0～100％의 동작범위를 갖는 액츄에이터(10)를 구동시키기 위한 기어박스(21)에 맞물린 스텝모터(20)와, DC 24V의 Pulse 및 DC 24V의 입력전원을 공급하는 PLC(30)와, 상기 PLC(30)로부터 INPUT CABLE(40)을 통해 전송된 DC 24V의 Pulse를 DC 5V의 펄스로 파형 정형시키는 레벨 컨버터(50)와, 상기 레벨 컨버터(50)의 펄스를 분석 및 연산하면서 상기 스텝모터(20)의 동작방향 및 동작량을 판단 및 체배시켜 CW 또는 CCW 구동펄스를 발생시키는 CPU(60)와, 상기 CPU(60)의 구동펄스로서 상기 스텝모터(20)를 구동시키는 모터 드라이버(71)와, 상기 PLC(30)로부터 상기 INPUT CABLE(40)을 통해 DC 24V의 입력전원을 받아 DC 5V의 동작전원을 출력함과 동시에 상기 스텝모터(20)에 DC 24V의 구동전원을 공급하는 전원 공급부(75)를 포함하는 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치에 있어서,
    상기 레벨 컨버터(50)는 INPUT CABLE(40)을 경유하여 상기 PLC(30)로부터 공급된 DC 24V Pulse를 DC 5V의 펄스로 파형 정형시키는 포토 커플러(51)를 구비하고 O 전위일 경우 바이패스시키는 바이패스용 다이오드(52)를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 INPUT CABLE(40)은 A상 케이블(40a), B상 케이블(40b), C상 케이블(40c), D상 케이블(40d) 및 DC 24V 케이블(40e)로 이루어지고,
    상기 PLC(30)의 DC 24V 펄스는 상기 A상 케이블(40a), B상 케이블(40b), C상 케이블(40c), D상 케이블(40d)을 각각 경유하는 DC 24V의 1-2 Phase Drive(64) Pulse이고,
    상기 포토 커플러(51)는 A 포토 커플러(51a), B 포토 커플러(51b), C 포토 커플러(51c) 및 D 포토 커플러(51d)를 구비하고,
    상기 바이패스용 다이오드(52)는 A 바이패스용 다이오드(52a), B 바이패스용 다이오드(52b), C 바이패스용 다이오드(52c) 및 D 바이패스용 다이오드(52d)를 구비하고,
    상기 레벨 컨버터(50)는 상기 A상 케이블(40a), B상 케이블(40b), C상 케이블(40c), D상 케이블(40d)을 경유하여 상기 PLC(30)로부터 각각 공급된 DC 24V의 1-2 Phase Drive(64) Pulse를 DC 5V의 펄스로 파형 정형시키는 상기 A 포토 커플러(51a), B 포토 커플러(51b), C 포토 커플러(51c) 및 D 포토 커플러(51d)를 포함하고 O 전위일 경우 각각 바이패스시키는 상기 A 바이패스용 다이오드(52a), B 바이패스용 다이오드(52b), C 바이패스용 다이오드(52c) 및 D 바이패스용 다이오드(52d)를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상시 PLC(30)로부터 공급되는 DC 24V의 1-2 Phase Drive(64) Pulse와 동기되어 상기 액츄에이터(10)의 0～100％의 동작범위를 500 Step 또는 1500 Step으로 분해하여 상기 CPU(60)로 하여금 상기 스텝모터(20)를 제어할 수 있도록 세팅시키는 Pull Step Setting Switch(81)를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 CPU(60)는
    상기 레벨 컨버터(50)에 의해 파형 정형된 DC 5V의 펄스를 판독하여 상기 스텝모터(20)의 동작방향(CW or CCW) 및 동작량(Step 수)을 검출하는 Phase Detector(61)와,
    상기 Phase Detector(61)에 검출된 동작량(Step 수)을 카운트하여 상기 Pull Step Setting Switch(81)에서 500 Step으로 세팅된 경우 +20 Step, 1500 Step으로 세팅된 경우 +60 Step을 초과하거나 비정상적인 펄스가 입력될 경우 경보음 또는 경보빛을 표출한 후 초과된 값을 스킵(Skip)하고 유효값만 처리하는 Over Step Detector(62)와,
    상기 Over Step Detector(62)에서 처리된 유효값을 취합 연산 및 체배시켜 체배값을 출력하는 Phase Data Arithmetic(63)과,
    상기 Phase Data Arithmetic(63)의 체배값으로 상기 스텝모터(20)를 구동시키기 위한 CW 또는 CCW DC 5V의 A상 내지 D상 1-2 Phase 구동펄스를 발생시키는 1-2 Phase Drive(64)를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 모터 드라이버(71)는 상기 CPU(60)의 1-2 Phase Drive(64)에서 출력된 CW 또는 CCW DC 5V의 A상 내지 D상 1-2 Phase 구동펄스를 CW 또는 CCW DC 24V의 A상 내지 D상 1-2 Phase 드라이브펄스로 각각 변환하여 상기 스텝모터(20)를 구동시키는 제1 내지 제4 TR(71a～71d)을 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스텝모터(20)의 구동시 상기 액츄에이터(10)가 Over Torque를 표출할 경우 경보음 및 경보빛을 발생시키는 Over Load Detector(85)를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 바이패스 스텝 컨트롤 액츄에이터 장치.
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