KR101315930B1 - 전기 에너지를 작동기에 공급하기 위한 장치 및 방법, 그리고 작동기 시스템 - Google Patents

전기 에너지를 작동기에 공급하기 위한 장치 및 방법, 그리고 작동기 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 에너지를 작동기(200)에 공급하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은: i) 제1 전압(UBUS)을 갖는 전류를 데이터 버스(100,101,102)로부터 수신하는 단계; ⅱ) 상기 전류를, 상기 제1 전압(UBUS)을 초과하는 제2 전압(UC)을 갖는 전류로 변환하는 단계; ⅲ) 상기 제2 전류의 전기 에너지를 저장하는 단계; 및 ⅳ) 상기 저장된 전기 에너지를 작동기(200)로 방전시키는 단계를 포함한다. 또한, 독립항들은 전기 에너지를 작동기(200)로 공급하기 위한 장치(50) 및 작동기 시스템에 관한 것이다.

Description

전기 에너지를 작동기에 공급하기 위한 장치 및 방법, 그리고 작동기 시스템 {A DEVICE AND A METHOD FOR PROVIDING ELECTRICAL ENERGY TO AN ACTUATOR, AND AN ACTUATOR SYSTEM}
본 발명은 전기 에너지를 작동기에 공급하기 위한 장치들 및 방법들과, 추가로 작동기 시스템들에 관한 것이다.
자동화 엔지니어링을 위한 상이한 애플리케이션들에서는, 프로세스들의 모니터링 및 제어를 위해, 데이터 버스들을 통한 센서들 또는 작동기들의 사용이 매우 대중적이 되었다. 특히, 관련 비용상의 장점들이 현저할 수 있는데, 그 이유는 작동의 신뢰성을 향상시키면서 동시에 와이어링 및 케이블링의 복잡성이 감소할 수 있기 때문이다.
실제로, 케이블링 및 와이어링에 대한 필요를 감소시키는 장점들은 매우 중요한 것으로 간주되어서, 전기 전원을 요구하는 시스템 구성요소들을 사용하는 일부 애플리케이션에서는, 데이터 전달의 주기능에 부가하여, 데이터 버스를 통한 전기 전력을 공급하는 이차 기능도 구현되었다. 예컨대, AS-인터페이스 버스가 상기 경우에 해당한다.
상대적으로 고전력을 소모하는 밸브 세트들과 같은 작동기들을 위해, AS-인터페이스 버스의 "옐로 케이블" 다음에 있는 "블랙 전력 케이블"은 데이터 신호들로부터 완전히 격리되는 24V 플로팅 DC 공급을 제공한다. AS-인터페이스 버스 내 "블랙 전력 케이블"은, 케이블 자체가 더 많이 다룰 수 있을지라도, 통상적으로 8A까지 평가(rate)된다. 향상된 설계에 의해, 8A를 초과하는 전류가, 여전히 네트워크 내 전압 강하들의 양(amount)에 관한 AS-인터페이스 스펙에 부합하면서, 인출될 수 있다.
불행하게도, 케이블링 또는 와이어링에 대한 감소된 필요에 의해 얻어지는 장점들 중 일부는, 별도의 전력 케이블이 필요하다면, 손실된다.
본 발명의 목적은 전기 에너지를 작동기에 공급하여, 별도의 전력 케이블링이 잉여가 되도록 하는 장치들 및 방법들을 향상시키는 것이다.
상기 목적은 전기 에너지를 작동기에 공급하기 위한 청구항 1에 따른 장치, 청구항 7에 따른 시스템, 및 청구항 9에 따른 방법에 의해 달성될 수 있다.
종속항들은 본 발명의 유용한 측면들을 기술한다.
전기 에너지를 작동기에 공급하기 위한 장치가 i) 제1 전압을 갖는 제1 전류를 데이터 버스로부터 수신하기 위한 접속 수단, ⅱ) 상기 제1 전류를, 상기 제1 전압을 초과하는 제2 전압을 갖는 제2 전류로 변환하기 위한 변압기 수단, ⅲ) 상기 제2 전류의 전기 에너지를 저장하도록 적응된 저장 수단; 및 ⅳ) 상기 저장 수단에 저장된 전기 에너지를 작동기로 방전시키도록 적응된 방전 수단을 포함하는 경우, 데이터 버스를 통해 이용될 수 있는 전압을 초과하는 작동 전압을 요구하는 작동기를 작동시키기 위하여, 지금까지 요구된 별도의 전력 케이블링이 더 이상 필요하지 않다.
전기 에너지를 작동기에 공급하기 위한 상기 장치가 추가로 상기 방전 수단을 방전시키도록 적응된 제어 수단을 포함하는 경우, 작동기가 사용되는 순간이 더 잘 선택될 수 있다. 이러한 방식으로, 또한 데이터 버스가 순간적으로 공급할 수 있는 것보다 더 많은 순시 전력을 요구하는 작동기들도 사용될 수 있는데, 그 이유는 데이터 버스로부터 취해질 수 있으면서 지속적으로 이용될 수 있는 더 작은 전력이 저장될 수 있기 때문이다.
전기 에너지를 저장하기 위한 특히 효율적인 방식은, 전기 에너지를 용량성 저장 수단에 저장하는 것이다.
접속 유닛이 AS-인터페이스 접속기를 포함하는 경우, 전기 에너지를 작동기에 공급하기 위한 상기 장치는, AS-인터페이스로부터 에너지를 수신하도록 적응될 수 있고, 또한 작동기의 방전이 AS-인터페이스를 통한 명령에 응답하여 수행될 수 있다.
하기에서는, 본 발명의 바람직한 실시예가 동반된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 기술된다.
도 1은 전기 에너지를 작동기(200)에 공급하기 위한 장치(50)의 도면.
상기 장치는 접속 유닛(51), 변압기 유닛(52), 저장 유닛(53) 그리고 방전 유닛(54)을 포함한다. 상기 장치(50)가 작동기(200)를 포함하는 것이 가능하더라도, 그럼에도 불구하고 필수적인 것은 아니다. 장치(50)가 바람직하게는 작동기 접속기를 통해 작동기(200)에 접속될 수 있는 것으로 충분하다.
작동기(200)는 어떠한 종류의 작동기일 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 그럼에도 불구하고, 상기 작동기는 스텝 모터, 자석 밸브, 인터락킹 또는 인터락킹-해제 전자석, 또는 압전형 힘 변환기를 포함한다.
접속 유닛(51)은 데이터 버스(100)로부터 제1 전류를 수신하도록 적응되고, 상기 제1 전류는 따라서 데이터 버스 전압 이하일 수 있는 제1 전압(uBUS)을 갖는다. 접속 유닛(51)은 케이블에 접속되는 접속기를 이용하여, 또는 별도 와이어링에 의해 수행될 수 있다. 상기 접속 유닛은 제1 전류를 변압기 유닛(52)에 공급하고, 마찬가지로 다른 유닛들에 대하여 접지 전위(GND)를 제공한다.
본 발명을 수행하기 위해 적절한 데이터 버스(100)의 비-제한적인 예시는 AS-인터페이스(ASI)이며, 이 경우 접속 유닛(51)은 AS-인터페이스 접속기를 포함한다. AS-인터페이스의 데이터 버스는 두 개의 와이어들(101,102)를 포함하고, 상기 두 개의 와이어들 중 하나는 접지 라인(102)이고, 다른 하나는 데이터 라인(101)이며, 그 사이의 전압은 UBUS = 30볼트이다.
변압기 유닛(52)은 제1 전류를 제2 전류로 변환하도록 적응되고, 상기 제2 전류는 제1 전압(uBUS)을 초과하는 제2 전압(UC)을 갖는다.
제1 전류의 방향의 바뀌면, 즉 제1 전류가 A.C.전류이고 D.C.전류가 아니면, 변압기 유닛(52)은 주 코일(321) 및 보조 코일(323) 그리고 바람직하게 또한 페라이트 코어(322)를 포함하는 변압기(52B)와, 저장 유닛(53)의 종류에 따라, 즉 저장 유닛(53)이 A.C.전류의 전기 에너지를 저장하도록 적응되는지 또는 D.C.전류의 전기 에너지를 저장하도록 적응되는지의 여부에 따라, 선택적으로 또한 A.C.-D.C.(A.C. to D.C.) 컨버터(52C)를 포함한다. A.C.-D.C.컨버터(52C)는, 바람직하게 네 개의 다이오드들(331,332,333,334)을 이용하여, A.C.전류를 D.C.전류로 변환하고, 저장 유닛(53)으로부터 릴리스될 전기 에너지가 변압기 유닛(50)의 다른 부품들 및 데이터 버스(100)로 리드(lead)되지 않을 것을 보장한다.
제1 전류의 방향이 바뀌지 않으면, 즉 제1 전류가 D.C.전류이고 A.C.전류가 아니면, 변압기 유닛(52)은 추가로 D.C.-A.C.(D.C. to A.C.) 컨버터(52A)를 접속 유닛(51) 및 변압기(52B) 사이에서 더 포함한다. D.C.-A.C. 컨버터(52A)를 위한 가능한 회로는 ― 바람직하게는, 타이밍 구성요소들(301,302,303,311,312,313)의 도움으로 ― 미리 결정된 방식으로 스위칭 될 수 있는 두 개의 스위치들 ― 트랜지스터들(304,314)과 같은 ― 을 포함하며, 그럼으로써 예컨대 변압기(52C)의 주 코일(321)의 상이한 단부들에 D.C.전압을 피드함으로써 A.C.전류를 형성한다.
적절한 D.C.-A.C. 컨버터들이 본 특허출원시 상용화된 상태이기 때문에, 당업자가 본 발명을 수행할 수 있게 하는 방식은 D.C.-A.C. 컨버터의 동작원리에 관한 깊이 있는 지식을 요구하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
AS-인터페이스에서, 라인들(101,102) 사이의 전압은 D.C.전압이고, 그에 따라 제1 전류는 D.C.전류이다.
저장 유닛(53)은 제2 전류의 저장 에너지를 저장하도록 적응된다. 저장 유닛(53)은 바람직하게도 D.C.에 포함된 전기 에너지를 저장하기에 매우 적절한 용량성 저장 유닛이다. 용량성 저장 유닛은 직렬 또는 병렬로 접속되는 하나 이상의 커패시터들(53)로 구성될 수 있다.
또한, 전기 에너지를 저장하기 위한 다른 종류의 시스템들도, A.C. 또는 D.C.전류에 포함된 전기 에너지의 저장이 원해지는지의 여부에 따라, 저장 유닛(53)에서 사용될 수 있다. 특정한 예시로서, 에너지가 화학적으로 저장되는 적어도 하나의 재충전 가능한 배터리가 저장 유닛(53)으로서 사용될 수 있다.
방전 유닛(54)은 저장 유닛(53)에 저장된 전기 에너지를 작동기(200)로 방전시키도록 적응된다. 방전 유닛(54)은 트랜지스터 또는 사이리스터와 같은 스위치(343), 레지스터(341) 및 다이오드(340)를 포함할 수 있다. 예컨대 제어 전압(TRG) 형태의 방전 명령을 수신하자마자, 스위치가 활성화되고, 저장 유닛(53)에 저장된 전기 에너지가 작동기(200)로 릴리스된다.
장치(50)의 회로는 바람직하게 데이터 라인(101) 및 접지 라인(102) 모두에 접속된다. 데이터 라인(101)은, 바람직하게 제어 전압(TRG)을 설정함으로써 방전 유닛(54)을 방전시키도록 적응된 제어 유닛(110)에 바람직하게 접속된다. 제어 유닛(110)은 데이터 버스(100)를 통해 수신되는 명령(DATA)에 응답하여, 또는 에너지 저장 유닛(53)의 충전 상태가 작동기(200)를 작동시키기에 충분함을 지시하는 변압기 유닛(52)으로의 충분한 전류의 통과와 같은, 미리 정의된 기준을 충족시키자마자, 방전 유닛(54)을 방전시키도록 적응될 수 있다.
이를 위해, 제어 유닛(110)은 AS-인터페이스를 통해 통신하도록 적응된 프로토콜 스택을 포함할 수 있다, 즉 4비트 사용자 데이터를 송수신하거나 또는 "결합된 트랜잭션 타입 1"에서와 같이 16비트 아날로그 값들을 송수신하도록 적응된 프로토콜 스택을 포함할 수 있다.
본 발명이 비-제한적인 실시예를 이용하여 기술되었더라도, 본 발명의 진정한 범위는 첨부된 청구항들의 범위로부터 알 수 있다.

Claims (10)

  1. 전기 에너지를 작동기(200)에 공급하기 위한 장치(50)로서,
    i) 제1 전압(UBUS)을 갖는 제1 전류를 데이터 버스(100)로부터 수신하기 위한 접속 수단(51);
    ⅱ) 상기 제1 전류를, 상기 제1 전압(UBUS)을 초과하는 제2 전압(UC)을 갖는 제2 전류로 변환하기 위한 변압기 수단(52);
    ⅲ) 상기 제2 전류의 전기 에너지를 저장하도록 적응된 저장 수단(53); 및
    ⅳ) 상기 저장 수단(53)에 저장된 전기 에너지를 작동기(200)로 방전시키도록 적응된 방전 수단(54)
    을 포함하는,
    전기 에너지를 작동기에 공급하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전 수단(54)을 방전시키도록(TRG) 적응된 제어 수단(110)
    을 더 포함하는,
    전기 에너지를 작동기에 공급하기 위한 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 수단(110)은 상기 데이터 버스(100)로부터 수신된 명령(DATA)에 응답하는,
    전기 에너지를 작동기에 공급하기 위한 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어 수단(110)은 AS-인터페이스를 통해 통신하도록 적응된 프로토콜 스택을 포함하는,
    전기 에너지를 작동기에 공급하기 위한 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장 수단(53)은 용량성 저장 수단인,
    전기 에너지를 작동기에 공급하기 위한 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접속 수단(51)은 AS-인터페이스 접속기를 포함하는,
    전기 에너지를 작동기에 공급하기 위한 장치.
  7. 작동기 시스템으로서,
    작동기(200); 및
    전기 에너지를 상기 작동기(200)에 공급하기 위한 장치(50)
    를 포함하고,
    상기 전기 에너지를 공급하기 위한 장치(50)는, 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 장치인,
    작동기 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 작동기(200)는 스텝 모터, 자석 밸브, 인터락킹 또는 인터락킹-해제 전자석, 또는 압전형 힘 변환기를 포함하는,
    작동기 시스템.
  9. 전기 에너지를 작동기(200)에 공급하기 위한 방법으로서,
    i) 제1 전압(UBUS)을 갖는 전류를 데이터 버스(100,101,102)로부터 수신하는 단계;
    ⅱ) 상기 전류를, 상기 제1 전압(UBUS)을 초과하는 제2 전압(UC)을 갖는 제2 전류로 변환하는 단계;
    ⅲ) 상기 제2 전류의 전기 에너지를 저장하는 단계; 및
    ⅳ) 상기 저장된 전기 에너지를 작동기(200)로 방전시키는 단계
    를 포함하는,
    전기 에너지를 작동기에 공급하기 위한 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기 에너지를 저장하는 단계는 용량성 저장 수단을 이용하여 수행되는,
    전기 에너지를 작동기에 공급하기 위한 방법.
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