KR101362472B1

KR101362472B1 - 고주파 인두기 제어장치 및 제어방법

Info

Publication number: KR101362472B1
Application number: KR1020130115559A
Authority: KR
Inventors: 진 선 김; 호 민 김
Original assignee: 주식회사 에코로직
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2014-02-14

Abstract

본 발명은 대기시 소모 전력이 적은 스위칭 전원공급기(SMPS)를 통해 전력을 공급하고, 공진 회로에서 피드백된 공진 전류(resonance current)가 최대화되는 공진 주파수(resonant frequency)를 자동으로 탐색하여 고주파 발진기를 제어하는 수단을 구비함으로써, 인두기 핸들의 변경이나 공진 회로 부품의 작동오차에 대한 영향 없이 최적 공진점에 자동으로 동조되는 고주파 인두 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 고주파 스위칭 방식의 직류 전원을 공급하는 스위칭 전원공급기, 공진 전류를 출력하는 공진 회로, 인두기에 마련되어 공진 회로의 공진 전류가 인가되는 유도가열코일, 상기 인두기에 마련되어 인두기 팁의 온도를 검출하는 열전온도센서 및 상기 공진 회로에 공진 고주파를 출력하는 고주파 발진기로 구성되고; 상기 열전온도센서가 60℃의 상온에서 인두기가 기동하는 것을 감지하면 매 기동시마다 공진 전류가 최대인 공진 주파수를 탐색하여 상기 고주파 발진기의 출력을 제어하는 공진주파수 탐색부가 구비된 특징이 있다.

Description

고주파 인두기 제어장치 및 제어방법{High frequency soldering iron control device and control method}

본 발명은 고주파 인두기 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 대기시 소모 전력이 적은 스위칭 전원공급기(SMPS)를 통해 전력을 공급하고, 공진 회로에서 피드백된 공진 전류(resonance current)가 최대화되는 공진 주파수(resonant frequency)를 자동으로 탐색하여 고주파 발진기를 제어하는 수단을 구비함으로써, 인두기 핸들의 변경이나 공진 회로 부품의 작동오차에 대한 영향 없이 최적 공진점에 자동으로 동조되는 고주파 인두 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 무연납 사용 증가로 인하여 고주파 인두기가 널리 보급되고 있으나 대부분 무부하 손실이 큰 상용 주파수의 전원 공급 트랜스를 사용하고 있어 대기시 전력 손실이 크고, 인두기로 출력되는 고주파 신호와 간섭을 회피하기 위한 목적으로 온도 검출부에 긴 시정수의 RLC 패시브 필터가 설치되어 인두기의 순간 온도 변화에 대한 반응이 느린 문제가 있었다.

또한 공진 회로에 사용되는 인덕터와 커패시터는 고전압 대전류용인 이유로 인해 부품의 오차가 통상 20% 정도여서, 종래의 고정 발진 주파수 방식의 경우 부품 오차 만큼 최적 공진점에서 벗어나서 동작하게 되므로 공진 주파수의 출력이 저하되었다. 공진 주파수(resonant frequency, 共振周波數)는 L과 C로 조합되는 회로에서 공진 회로의 고유 주파수와 공급되는 전원의 주파수가 일치하면 공진 현상을 일으켜 공진 전류 또는 공진 전압이 최대가 될 때의 주파수이다.

종래 특허 제978240호는 에너지 절약형으로 인두기를 제안한 것인데, 인두를 올려놓는 손잡이부에 압력을 감지하는 압력센서를 설치하여 인두기의 사용 또는 비사용시 가열부에 공급되는 전원이 제어되도록 한 것이다. 종래 특허 제504182호는 인두기에서 발생되는 열을 온도센서로 감지하여 설정 온도에 맞게 전류의 흐름을 제어하는 기술이 제안된 바 있다.

그러나 이들 종래의 특허들은 무부하 손실이 큰 상용 주파수의 전원 공급 트랜스를 사용하고 있어 대기시 전력 손실이 큰 단점이 있으며, 공진 회로를 최적의 공진 주파수로 제어하는 기술이 없으며, 공진 회로의 부품 오차로 인하여 효율이 떨어지는 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 종래의 문제점을 감안하여 개발한 것으로서, 본 발명의 목적은 대기 전력을 최소화하고, 최적 공진점에서 공진 주파수가 발생되도록 하였으며, 신속 정확한 온도의 감지 및 자동 절전 기능으로 에너지 절감과 인두기 팁의 수명이 연장되도록 하기 위하여, 스위칭 파워 설계 기법으로 대기전력이 적은 스위칭 전원 공급기를 제공하고, 마이크로 프로세서와 소프트웨어 개발로 공진 회로에서의 전류 피드백 방식의 최적 공진점 탐색 기능을 구현하였으며, 동기 정류 기술을 응용하여 출력 정지 신호와 정확히 동기되는 온도 센싱 방법을 구현한 고주파 인두기 제어장치 및 제어방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 공진 회로의 출력 정지 시간에 샘플링하여 동기되는 AD 변환 온도 검출 기능을 부가하여 입력 필터에 의한 지연 없이 신속한 온도 변화 감지로 인두기 제어시 순간 온도 회복 기능을 개선한 고주파 인두 제어장치 및 제어방법을 제공함에 있다.

이를 위하여 본 발명은 전원 공급기에 고주파 스위칭 방식의 직류 전원 공급기를 사용하여 전원 트랜스의 무게와 크기를 줄이고 대기 전력을 절반 이하로 낮추었으며, 순간 가열 출력은 크게 증대하였다. 스위칭 전원공급기(SMPS : Switch Mode Power Supply)는 교류를 직류로 바꾸고 직류를 수십khz의 고주파 교류로 변환시킨 뒤, 이것을 페라이트 트랜스와 같은 고주파 트랜스를 이용해 전압을 강압시킨 뒤 정류 및 평활 시키는 것으로서, 이렇게 하면 트랜스나 콘덴서 용량이 작아진다.

또한 상온에서 인두기가 기동하는 것을 감지하여 매 기동시마다 수초 이내에 인두기의 공진 전류가 최대인 공진 주파수를 자동 탐색하는 기능을 채택하여 부품의 경련 변화와 오차를 자동 보상하여 항상 최적 효율로 고주파 발생이 되도록 하였다. 이를 위하여 본 발명 한 실시예는 고주파 발진기를 이전 주파수로 출력시키고, 상한값(650Khz 이상)이 될 때까지 10Khz씩 높여서 공진 전류를 탐색하며, 이후 이전 주파수 보다 10Khz 낮춰 고주파 발진기를 출력시키고, 하한값(250Khz 이하)이 될 때까지 10Khz씩 낮춰서 공진 전류를 탐색한 뒤, 최적의 공진점을 찾아 고주파 발진기를 공진 주파수로 제어하는 기술이 사용된다.

또한 인두기 온도 입력부의 아날로그 필터를 최소화하고 고주파 출력 정지 신호와 동기화하여 온도 센싱값을 샘플링하는 동기 변환 방법과 디지털 방식의 필터링 알고리즘에 의해 정확하고 신속한 온도 제어를 구현하였다. 빠른 온도 회복력과 온도 제어의 정확도를 유지하기 위해 디지털 차분 증감식 오일러 PID 알고리즘을 추가 적용하여 인두기의 성능을 개선하였다.

그리고 마이크로프로세서에 의한 고정도 시간에 따른 평균 온도 포락선 변화 검출 알고리즘이 추가되어 지능적인 자동 절전 동작(온도 세이브, 슬립동작) 및 복귀 기능을 가지고 있으며, 온도 설정 및 표시부에 컬러 TFT 액정 표시기를 채택하여 관리자 잠금 기능과 산업 표준의 Modbus RTU 프로토콜이 내장되어 원격 제어 및 관리의 편리성을 개선하였다.

본 발명에 따르면 인두기가 상온에서 기동하면 이를 감지하여 매 기동시마다 수초 이내에 공진 전류가 최대인 공진 주파수를 자동 탐색하여 고주파 발진기의 출력전류가 최적 공진점에서 공진 회로에 인가되도록 함으로써, 효율이 향상되고, 대기시 전력 소비가 줄게 되어 친환경적이다. 또한 열회복 특성이 뛰어나고 온도 변동이 적어 납땜시 부품의 열손상이 적으며, 공진 주파수 자동 탐색 및 자동 동조 기능으로 인하여 호환되는 인두기 핸들을 사용자가 선택할 수 있다.

또한 정확한 자체 온도 표시 기능이 있어 별도의 온도 체크가 불필요 하고, 최초 온도 상승이 빨라 신속한 작업이 가능하며, 소형 경량으로 충전용 배터리를 내장한 휴대형으로 제작 가능하고, 스위칭 전원공급기의 파워의 특성에 의해 순간 고출력 성능이 우수한 등의 이점이 있다.

도 1은 본 발명 한 실시예의 인두기 제어장치의 블록도
도 2는 본 발명 한 실시예의 인두기 제어방법의 흐름도
도 3은 본 발명 한 실시예의 인두기 제어장치의 온도선도

도 1은 본 발명 한 실시예의 인두기 제어장치의 블록도로써, 고주파 스위칭 방식의 직류 전원을 공급하는 스위칭 전원공급기(30), 공진 전류를 출력하는 공진 회로(20), 인두기(10)에 마련되어 공진 회로(20)의 공진 전류가 인가되는 유도가열코일(11), 인두기(10)에 마련되어 유도가열코일(11) 및 인두기 팁의 온도를 검출하는 열전온도센서(12), 공진 회로(20)에 공진 고주파를 출력하는 고주파 발진기(40)로 구성된다.

60℃의 상온에서 인두기(10)가 기동하는 것을 감지하여 매 기동시마다 수초(약 2초) 이내에 공진 전류가 최대인 공진 주파수를 자동 탐색하는 공진주파수 탐색부(61)가 구비된다. 공진주파수 탐색부(61)는 60℃의 상온에서 인두기가 기동하면 유도가열코일(11)에서 피드백된 전류값이 필터부(51)를 통하여 입력되는데, 이때 고주파 발진기(40)를 이전 주파수로 출력시키고, 상한값(650Khz 이상)이 될 때까지 10Khz씩 높여서 계속 공진 전류를 탐색하며, 이후 이전 주파수보다 10Khz 낮춰 고주파 발진기를 출력시키고, 하한값(250Khz 이하)이 될 때까지 10Khz씩 낮춰서 계속 공진 전류를 탐색한 뒤, 최적의 공진점을 찾는다. 그리고 최적의 공진점으로 고주파 발진기(40)가 공진 주파수를 출력하도록 제어부(60)를 통하여 고주파 발진기(40)를 제어한다.

또한 열전온도센서(12)의 온도변화는 공진 회로(20)의 출력 정지 신호와 정확히 동기되는 동기식 AD변환기(50)를 거쳐 자동절전부(62)로 입력된다. 동기식 AD변환기(50)는 동기 정류 기술을 응용한 것으로서, 공진 회로(20)의 출력 정지 신호와 정확히 동기된다. 자동절전부(62)에서 인두기의 온도 샘플링 요청이 있을 때 제어부(60)는 공진 회로(20)의 출력을 순간 정지시키고, 이때 동기식 AD변환기(50)에서 열전온도센서(12)의 미약한 온도신호가 노이즈 없이 동기방식으로 변환되도록 한다. 따라서 종래 노이즈 방지용 필터를 사용할 필요가 없으며, 변환된 온도신호는 필터부(51)를 거쳐 자동절전부(62)로 입력되므로 정확하고 신속한 온도 제어가 가능하며, 또한 빠른 온도 회복력과 온도 제어의 정확도를 유지하기 위해 디지털 차분 증감식 PID 콘트롤부(63)가 사용된다.

자동절전부(62)는 일정시간(1분 ∼ 10분)동안 설정 목표온도의 오차범위(±5℃) 내에서 안정적으로 온도가 유지되거나 또는 일정시간(1분 ∼ 10분)동안 목표 출력전류가 40% 이하에서 안정적으로 유지되는 경우, 대기상태로 판단해 일시적으로 설정 목표온도를 낮추어(-50℃) 절전모드가 유지되도록 제어부(60)로 제어신호를 보낸다. 그리고 절전중에 온도의 급격한 변화(-5℃) 또는 전류의 급격한 변화가 감지되면 인두기(10)를 사용하는 것이므로 즉시 정상 설정치 제어로 자동 복귀하도록 제어부(60)로 제어신호를 보낸다. 따라서 온도변화만 감지하지 않으므로 종래와 같이 반복 작업중에 절전모드로 바뀔 우려가 없다. 미설명부호 64는 컬러 TFT 액정 표시기, 65는 산업 표준의 Modbus RTU 프로토콜이다.

본 발명 한 실시예에 따른 시제품과 종래의 고주파 인두기의비교

항목	본 발명 시제품	종래의 시중제품	비고
대기시 소비전력	2W 이하	5W	설정온도 도달직후
최초 목표도달시간	25초	60초	상온스타트후 300
단속 납땜시 온도변동	+10 -15	-50	3초에 1회 납땜시
무부하시 온도리플
전원 변동시험	85V~250V	저전압 동작 불가
제품 무게	350g	1.2Kg
상태표시	현재온도, 설정온도 공진주파수, 출력량 출력 전류
부가기능	Modbus RTU통신 정전 보상 슬립 기능 고전압, 저전압보호 과열, 과전류 보호

이러한 본 발명 한 실시예의 인두기 제어장치는 다음과 같이 제어된다.

도 2는 본 발명 한 실시예의 최적 공진점 자동 동조 흐름도로써, 인두기(10)가 기동되면 공진 주파수의 상한값(650Khz)을 탐색하고 이후 하한값(250Khz)을 자동으로 탐색하여 최적의 공진 주파수를 찾은 뒤 고주파 발진기(40)에서 출력되도록 공진 주파수 탐색부(61)가 작동된다.

먼저 공진 주파수의 상한값을 탐색하는 과정은 다음과 같다. 스위칭 전원공급기(30)를 통하여 일반 상용전원이 공진 회로(20)에 인가되어 유도가열코일(11)에 전류가 공급되면 인두기(10)의 팁이 가열된다. 이때 열전온도센서(12)에서 측정된 인두기(10) 팁의 온도가 동기식 AD변환기(50) 및 필터부(51)를 거쳐 제어부(60)로 입력되고, 제어부(60)에 내장된 마이크로프로세서의 설정된 프로그램에 따라 자동절전부(62)에서 온도가 60℃ 이하인가를 판단하는 단계를 거친다. 만약 인두기(10)를 처음 기동시키는 것이 아니고 반복 사용중이어서 온도가 60℃ 이상일 경우에는 PID 콘트롤부(63)에 저장된 이전 주파수(f0)로 동작시키는 단계를 거치고, 온도가 60℃ 이하일 경우 자동 동조 초기화 단계를 거친다.

자동 동조 초기화 단계는 고주파 발진기(40)에서 출력되는 현재 주파수(f)를 이전 주파수(f0)와 같게 변경시키고, 공진 주파수(f1) 및 이전 전류(i0)를 "0"으로 변경시킨다. 이후 이전 주파수(f0)로 동조된 현재 주파수(f)가 고주파 발진기(40)에서 출력되도록 하는 단계를 거친다. 여기서 약 10ms 대기한다. 고주파 발진기(40)를 출력시킨 뒤 유도가열코일(11)에서 필터부(51)를 거쳐 공진주파수 탐색부(61)로 피드백 된 전류를 측정하여 피드백 전류(i)로 저장하는 단계를 거친다.

이후 이전 전류(i0)와 피드백 전류(i)를 비교하는 단계에서 피드백 전류(i)값이 큰 경우, 공진 주파수(f1)를 현재 주파수(f)와 같게 변경시키고 이전 전류(i0)를 피드백 전류(i)와 같게 변경 저장하는 단계를 거친다. 이후 공진 주파수(f1)로 동조된 현재 주파수(f)에 10Khz를 더하여 높이는 단계를 거친 뒤, 현재 주파수(f)와 상한값(650Khz)을 비교하는 단계를 거친다.

상한값 비교단계에서 현재 주파수(f)가 상한값 보다 작은 경우 상기 상한값 탐색과정들을 반복한다. 만약 현재 주파수(f)가 상한값 보다 큰 경우 하한값 탐색과정으로 넘어간다.

공진 주파수의 하한값 탐색과정은 다음과 같다. 먼저 현재 주파수(f)를 이전 주파수(f0)보다 10Khz 낮게 설정하여 낮은쪽 공진점을 탐색하는 단계를 거치고, 이전 주파수(f0)보다 낮게 동조된 현재 주파수(f)가 고주파 발진기(40)에서 출력되도록 하는 단계를 거친다. 여기서 약 10ms 대기한 뒤 공진주파수 탐색부(61)로 피드백 된 전류를 측정하여 피드백 전류(i)로 저장하는 단계를 거친다.

이후 이전 전류(i)와 피드백 전류(i0)를 비교하는 단계에서 피드백 전류(i)값이 큰 경우, 공진 주파수(f1)를 현재 주파수(f)와 같게 변경시키고 이전 전류(i0)를 피드백 전류(i)와 같게 변경 저장하는 단계를 거친다. 이후 공진 주파수(f1)로 동조된 현재 주파수(f)에 10Khz를 차감하여 낮추는 단계를 거친 뒤, 현재 주파수(f)와 하한값(250Khz)을 비교하는 단계를 거친다. 여기서 공진 주파수(f1)가 "0"이 아니면 공진 주파수(f1)로 주파수를 변경하는 단계를 거쳐 정상운전으로 복귀하고, 공진 주파수(f1)가 하한값보다 큰 경우 상기 하한값 탐색과정들을 반복한다.

10 :인두기 11 : 유도가열코일
12 : 열전온도센서 20 : 공진 회로
30 : 스위칭 전원공급기 40 : 고주파 발진기
50 : 동기식 AD변환기 51 : 필터부
60 : 제어부 61 : 공진주파수 탐색부
62 :자동절전부 63 : PID 콘트롤부

Claims

고주파 스위칭 방식의 직류 전원을 공급하는 스위칭 전원공급기, 공진 전류를 출력하는 공진 회로, 인두기에 마련되어 공진 회로의 공진 전류가 인가되는 유도가열코일, 상기 인두기에 마련되어 인두기 팁의 온도를 검출하는 열전온도센서 및 상기 공진 회로에 고주파를 출력하는 고주파 발진기로 구성되고;
상온에서 인두기의 기동을 상기 열전온도센서로 감지하면 매 기동시마다 공진 전류가 최대인 공진 주파수를 탐색하여 상기 고주파 발진기의 출력을 공진 주파수로 제어하는 공진주파수 탐색부가 구비된 것을 특징으로 하는 고주파 인두기 제어장치.
제 1 항에 있어서,
상기 공진주파수 탐색부는 60℃의 상온에서 인두기가 기동하면 유도가열코일에서 피드백된 전류값이 필터부를 통하여 입력되고, 이때 고주파 발진기를 이전 주파수로 출력시키고, 상한값이 될 때까지 10Khz씩 높여서 계속 공진 전류를 탐색하며;
상한값의 탐색 이후에는 이전 주파수보다 10Khz 낮춰 고주파 발진기를 출력시키고, 하한값이 될 때까지 10Khz씩 낮춰서 계속 공진 전류를 탐색한 뒤 공진 주파수를 찾는 것을 특징으로 하는 고주파 인두기 제어장치.
제 1 항에 있어서,
절전모드에서 상기 공진 회로의 출력 정지 신호와 정확히 동기되는 동기식 AD변환기를 거쳐서 인두기를 제어하는 자동절전부가 구비되는데,
상기 자동절전부는 인두기의 온도 샘플링 요청이 있을 때 상기 공진 회로의 출력을 순간 정지시키고, 상기 동기식 AD변환기에서 상기 열전온도센서의 미약한 온도신호가 노이즈 없이 동기방식으로 변환되도록 함을 특징으로 하는 고주파 인두기 제어장치.
제 3 항에 있어서,
상기 자동절전부는 일정시간동안 설정 목표온도의 오차범위 내에서 안정적으로 온도가 유지되거나 또는 일정시간동안 목표 출력전류가 40% 이하에서 안정적으로 유지되는 경우, 대기상태로 판단해 일시적으로 설정 목표온도를 낮추어 절전모드가 유지되도록 하고;
그리고 절전모드 중에 온도의 급격한 변화 또는 전류의 급격한 변화가 감지되면 즉시 정상제어로 자동 복귀되도록 함을 특징으로 하는 고주파 인두기 제어장치.
고주파 발진 방식의 인두기를 제어하는 방법에 있어서,
인두기가 상온에서 기동되면 공진 주파수의 상한값을 탐색하고 이후 하한값을 자동으로 탐색하여 공진 주파수를 찾은 뒤 고주파 발진기에서 출력되도록 하되;
상한값 탐색은 온도가 60℃ 이하인가를 판단하는 단계; 고주파 발진기에서 출력되는 현재 주파수를 이전 주파수와 같게 변경시키는 자동 동조 초기화 단계; 이전 주파수로 동조된 현재 주파수가 고주파 발진기에서 출력되도록 하고, 공진 전류를 측정하여 피드백 전류로 저장하는 단계; 이전 전류와 피드백 전류를 비교하여 피드백 전류값이 큰 경우, 공진 주파수를 현재 주파수와 같게 변경시키고 이전 전류를 피드백 전류와 같게 변경 저장하는 단계; 공진 주파수로 동조된 현재 주파수에 10Khz를 더하여 높이는 단계; 그리고 현재 주파수가 상한값보다 클 때까지 위의 단계들을 반복하는 과정을 거치고,
하한값 탐색은 상한값 탐색에서 현재 주파수가 상한값보다 크면 이를 이전 주파수보다 10Khz 낮게 설정하는 단계; 이전 주파수보다 낮게 동조된 현재 주파수가 고주파 발진기에서 출력되도록 하고, 공진 전류를 측정하여 피드백 전류로 저장하는 단계; 이전 전류와 피드백 전류를 비교하여 피드백 전류값이 큰 경우, 공진 주파수를 현재 주파수와 같게 변경시키고 이전 전류를 피드백 전류와 같게 변경 저장하는 단계; 공진 주파수로 동조된 현재 주파수에 10Khz를 차감하여 낮추는 단계; 그리고 현재 주파수가 하한값보다 작을 때까지 위의 단계들을 반복하여 "0"이 아니면 현재 주파수를 공진 주파수로 변경하고 정상운전으로 복귀하는 단계들로 이루어진 것을 특징으로 하는 고주파 인두기 제어방법.