KR101600347B1 - 엑츄에이터 컨트롤 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터(M)의 정회전 또는 역회전 후의 회전기어(H)의 현재 위치값을 기준으로 드라이브 유닛(60)에 의해 모터(M)가 직전 회전방향의 반대방향으로 회전되는 펄스 량을 카운트 업하면서 회전기어(H)의 위치값이 변화되는 시점까지의 기어박스(G)의 백래쉬 값인 펄스 량을 마이콤(40)의 최종 동작신호에 합산시켜 드라이브 유닛(60)으로 하여금 모터(M)를 구동토록 하여 기어박스(G)에 발생된 백래쉬를 상쇄시킬 수 있도록 함으로써 밸브(V) 제어시 3000:1의 분해능, 즉 0.005㎃까지 정밀 제어를 가능케 할 수 있는 엑츄에이터 컨트롤 장치에 관한 발명이다.

Description

엑츄에이터 컨트롤 장치{ACTUATOR CONTROL APPARATUS}

본 발명은 엑츄에이터 컨트롤 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엑츄에이터를 보다 편리하고 안정되게 자동 조정할 수 있는 엑츄에이터 컨트롤 장치에 관한 것이다.

일반적으로 엑츄에이터는 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 엑츄에이터를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 엑츄에이터의 사용상태를 설명하기 위한 밸브를 포함한 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 엑츄에이터(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 엑츄에이터(1)와 연동하면서 제어되는 것으로 설계된다.

도 2는 본원 출원인이 출원하여 특허받은 제596534호(이하, "선행기술문헌 1"라 함)에 개시된 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템을 설명하기 위하여 밸브의 상측 캡을 개방하여 나타낸 평면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 엑츄에이터(10)는 디스크(D)의 정역회전에 의하여 밸브(V)가 완전개방[밸브(V); Full Open(100％)]되거나 완전폐쇄[밸브(V); Full Close(0％)]될 경우 모터(M)의 정역회전에 대한 한계점을 미리 정하여 동작하는 상한 리미트 스위치(Full Open Limit Switch; 11)와 하한 리미트 스위치(Full Close Limit Switch; 12)를 구비하고, 디스크(D)를 연동시키는 샤프트(S)의 회전각도에 대한 실제 궤도위치를 검출신호로서 검출[디스크(D)를 연동시키는 샤프트(S)의 물리적인 회전변화를 저항(Ω)으로 변환하여 검출]하는 포텐셔미터(Potentiometer; 13)를 포함하는 구조로 이루어진다.

도 3은 선행기술문헌 1에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템을 나타내는 블록도이다.

선행기술문헌 1에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100)은 도 3에 도시된 바와 같이 외부의 교류전원을 정류 및 평활하여 정전압의 직류전원으로 변환시키는 파워유닛(Power Unit; 21)과, 제어신호(4∼20㎃)를 제공하는 컨트롤 유닛(Control Unit; 30), 그리고 컨트롤 유닛(30)의 제어신호를 완충 및 필터링하는 버퍼 증폭부(Buffer Amp; 22)를 포함한다.

파워유닛(21)은 외부로부터 공급된 AC 110/220V를 예를 들면 DC 24V/100㎃의 사용전압으로 적합하게 다운시키면서 정류(Rectifier)시키는 트랜스포머(Transformer) 및 브릿지 다이오드(Bridge Diode)를 구비하고, 브릿지 다이오드를 통하여 정류된 DC전압 속에 포함된 AC전압 성분의 맥류를 콘덴서(Condenser)로서 평활시키면서 외부로부터 공급된 AC전압의 변동에 관계없이 항상 일정한 전압인 정전압을 제공할 수 있도록 설계된다.

컨트롤 유닛(30)은 컴퓨터, 국부 제어기(Local Controller), DDC(Direct Digital Control) 등으로 설계할 수 있으며, 컨트롤 유닛(30)은 4∼20㎃ 전류 제어신호 이외에 1∼5V, 0∼10V, 1∼10V, 2∼10V 전압 제어신호를 선택 제공할 수 있다.

버퍼 증폭부(22)는 입력부하저항(RL) 250Ω을 구비하여 컨트롤 유닛(30)의 제어신호가 4∼20㎃로서 제공될 경우 완충 및 필터링하면서 오옴의 법칙에 따라 DC 1∼5V로 변환하여 마이콤(40)의 제어 입력단에 제공하도록 구성된다.

도 4는 선행기술문헌 1에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템에 적용된 서보 컨트롤 팩(SCP)을 나타내는 사시도이다.

선행기술문헌 1에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100)은 도 4에 도시된 바와 같이 특수 몰딩 처리되어 방수 및 내진동에 대한 신뢰성이 높으며 컴팩트한 사이즈로 제작된 서보 컨트롤 팩(SCP; Servo Control Pack)으로 팩키지화할 수 있으며, 선행기술문헌 1은 도 3과 더불어 컨트롤 유닛(30)의 제어신호에 따라 동작되는 샤프트(S)의 실제 궤도위치값에 대한 포텐셔미터(13)의 검출신호를 정전류(4∼20㎃)로 증폭하고 컨트롤 유닛(30)의 제어신호와 정전류로 증폭된 포텐셔미터(13)의 검출신호에 대한 편차를 구동신호로 증폭한 후 동작기준값과 비교하여 최종 동작신호로 출력하도록 제어하는 마이콤(40)과, 3초 이상의 터치에 의해 마이콤(40)으로 하여금 엑츄에이터(10)의 0∼100％의 궤도를 자동으로 설정하도록 명령하는 오토세팅 스위치(70), 그리고 마이콤(40)의 최종 동작신호에 따라 모터(M)의 정역회전에 대한 방향과 동작범위를 각각 설정하는 모드셀렉터(50)와, 모드셀렉터(50)의 설정에 따라 마이콤(40) 내의 최종 동작신호로서 모터(M)의 동작을 제어하는 드라이브 유닛(60)을 포함하는 것으로 되어 있다.

도 5는 선행기술문헌 2(특허 제1385179호)에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치를 나타내는 사시도이고, 도 6은 선행기술문헌 2에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치를 나타내는 커버를 삭제한 사시도이며, 도 7은 선행기술문헌 2에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치를 나타내는 블록도이다.

선행기술문헌 2에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치는 전체적으로 모터(M)의 정역회전에 대한 한계점[밸브(V); Full Open(100％)∼Full Close(0％)]을 미리 정하여 동작하는 상한 리미트 스위치(11) 및 하한 리미트 스위치(12), 샤프트(S)의 회전각도에 대한 실제 궤도위치값을 검출신호로 변환하여 제공하는 포텐셔미터(13)를 구비한 엑츄에이터(10)를 자동 제어할 수 있도록 하고, 컨트롤 유닛(30)으로부터 4∼20㎃, 0∼20㎃ 전류 제어신호 또는 0∼10V, 2∼10V, 0∼5V, 1∼5V 전압 제어신호 중 어느 하나가 선택되어 제공될 경우 이에 맞추어 컨트롤 유닛(30)에서 선택된 전류 제어신호 및 전압 제어신호 중 어느 하나에 대응되도록 전류/전압 제어신호 모드 선택 스위치(31)를 조작하여 4∼20㎃, 0∼20㎃ 전류 제어신호 모드 또는 0∼10V, 2∼10V, 0∼5V, 1∼5V 전압 제어신호 모드 중 어느 하나를 선택하고, 버퍼 증폭부(22)를 통해 DC 1∼5V의 신호가 마이콤(40)의 제어 입력단에 제공되도록 함에 따라 샤프트(S)의 실제 궤도위치값에 대한 포텐셔미터(13)의 검출신호를 정전류로 증폭하고 컨트롤 유닛(30)의 제어신호와 정전류로 증폭된 포텐셔미터(13)의 검출신호에 대한 편차를 구동신호로 증폭한 후 동작기준값과 비교하여 마이콤(40)에서 최종 동작신호로 출력하고, 마이콤(40)의 최종 동작신호에 따라 모터(M)의 정역회전에 대한 방향과 동작범위를 모드셀렉터(50)에서 각각 설정하며, 모드셀렉터(50)의 설정에 따라 마이콤(40)에서 최종 동작신호로서 모터(M)의 동작을 드라이브 유닛(60)에서 제어할 수 있도록 하며, 이러한 동작상태를 표시창(91)으로서 신속 정확 간편 용이하게 파악할 수 있도록 제안된 것이다.

도 8a는 선행기술문헌 2에 적용된 엑츄에이터 컨트롤 장치를 나타내는 사진이고, 도 8b 및 도 8c는 선행기술문헌 2에 적용된 엑츄에이터 컨트롤 장치에 적용된 모터(M), 기아박스(G), 샤프트(S), 포텐셔미터(13)를 비롯한 베이스하우징을 나타내는 사진이다.

선행기술문헌 2에 적용된 엑츄에이터 컨트롤 장치는 도 8a 내지 도 8c에 나타난 바와 같이 모터(M)의 회전력을 기어박스(G)를 통해 감속받아 샤프트(S)에 장착된 피동기어(P)에 전해주는 회전기어(H)와, 피동기어(P)에 맞물려 함께 회전되는 검출기어(K)를 통해 샤프트(S)의 회전각도에 대한 실제 궤도위치를 접촉에 의존되면서 물리적인 회전변화로 독출하고, 검출기어(K)의 물리적인 회전변화를 저항(Ω)으로 변환하여 검출신호로 검출[디스크(D)를 연동시키는 샤프트(S)의 물리적인 회전변화를 저항(Ω)으로 변환하여 검출]하는 포텐셔미터(Potentiometer; 13)를 포함하는 구조로 이루어진다.

이때, 포텐셔미터(13)는 샤프트(S)의 회전각도에 대한 실제 궤도위치를 접촉에 의존되면서 물리적인 회전변화로 독출하고 이를 저항으로 변환하는 설계로 이루어지므로 인하여 동작시간이 경과될수록 접촉면이 마모되어 정상적인 검출이 어려울 뿐만 아니라 사용시 불량이 발생되고, 수명이 극히 짧아지는 문제점을 발생하고 있다.

선행기술문헌 3(특허 제619010호)은 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 16은 선행기술문헌 3에 소개된 유니폴라 2상 여자 방식의 스텝 모터의 구동원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 16을 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.

도 17a는 선행기술문헌 4(특허 제11911234호; 금융자동화기기의 스텝모터 제어장치)에 소개된 스텝모터의 동작 모습을 도시한 도면이고, 도 17b는 선행기술문헌 4에 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 17a에 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.

도 17b와 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 17b에 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 3 및 4에 소개된 스텝모터를 활용하여 유체 등의 흐름을 조절하는 밸브 등과 같은 산업분야에 활용되고 있는 액츄에이터를 제어하기 위한 장치를 본 발명으로 제안하고자 한다.

선행기술문헌 1 : 특허 제596534호(엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템) 선행기술문헌 2 : 특허 제1385179호(엑츄에이터 컨트롤 장치) 선행기술문헌 3 : 특허 제619010호(스텝 모터 제어 장치 및 방법) 선행기술문헌 4 : 특허 제11911234호(금융자동화기기의 스텝모터 제어장치)

본 발명의 목적은 밸브의 정밀제어 구현이 가능한 엑츄에이터 컨트롤 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 목적은 모터의 정회전 또는 역회전 후의 회전기어의 현재 위치값을 기준으로 드라이브 유닛에 의해 모터가 직전 회전방향의 반대방향으로 회전되는 펄스 량을 카운트 업하면서 회전기어의 위치값이 변화되는 시점까지의 기어박스의 백래쉬 값인 펄스 량을 마이콤의 최종 동작신호에 합산시켜 드라이브 유닛으로 하여금 모터를 구동토록 하여 기어박스에 발생된 백래쉬를 상쇄시킬 수 있도록 함으로써 밸브 제어시 3000:1의 분해능, 즉 0.005㎃까지 정밀 제어를 가능케 할 수 있는 엑츄에이터 컨트롤 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 목적은 위치검출수단으로서 자계의 강도, 즉 자계의 변위를 감지하여 저항값으로 읽어들여 검출신호로 변환 제공하는 자계변위감지유닛을 적용하여 비접촉에 의한 반영구적 수명을 보장할 수 있고, 습도 및 먼지 등 극한환경의 영향을 받지 않으며 초정밀 제어를 가능케 할 수 있는 엑츄에이터 컨트롤 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 목적은 이방성자석으로 하여금 회전기어의 중심에 뚫려진 고정홈에 채워진 에폭시접착제를 사이에 두고 끼워져 자력에 의해 압착되면서 고착되도록 하여 견고하고 간단한 고정을 가능케 할 수 있는 엑츄에이터 컨트롤 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 목적은 이방성자석과 자계검출센서 상호간 수평상태 및 평행상태를 유지케 하면서 베이스하우징 속으로의 조립성까지 극대화시킬 수 있는 엑츄에이터 컨트롤 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

모터의 정역회전에 대한 한계점[밸브; Full Open(100％)∼Full Close(0％)]을 미리 정하여 동작하는 상한 리미트 스위치 및 하한 리미트 스위치, 샤프트의 회전각도에 대한 실제 궤도위치값을 검출신호로 변환하여 제공하는 위치검출수단을 구비한 엑츄에이터와, 외부의 교류전원을 정류 및 평활하여 정전압의 직류전원으로 변환시키는 파워유닛과, 전류 제어신호 또는 전압 제어신호를 제공하는 컨트롤 유닛과, 상기 컨트롤 유닛의 전류 제어신호 또는 전압 제어신호를 완충 및 필터링하는 버퍼 증폭부와, 상기 컨트롤 유닛에서 선택된 전류 제어신호 및 전압 제어신호 중 어느 하나에 대응되도록 상기 버퍼 증폭부를 통해 전류 제어신호 모드 또는 전압 제어신호 모드를 선택하는 전류/전압 제어신호 모드 선택 스위치와, 상기 컨트롤 유닛의 전류 제어신호 또는 전압 제어신호에 따라 동작되는 상기 샤프트의 실제 궤도위치값에 대한 상기 위치검출수단의 검출신호를 정전류로 증폭하고 상기 컨트롤 유닛의 전류 제어신호 또는 전압 제어신호와 정전류로 증폭된 상기 위치검출수단의 검출신호에 대한 편차를 구동신호로 증폭한 후 동작기준값과 비교하여 최종 동작신호로 출력하도록 제어하는 마이콤과, 상기 마이콤의 최종 동작신호에 따라 상기 모터의 정역회전에 대한 방향과 동작범위를 각각 설정하는 모드셀렉터와, 상기 모드셀렉터의 설정에 따라 상기 마이콤 내의 최종 동작신호로서 상기 모터의 동작을 제어하는 드라이브 유닛을 포함하는 엑츄에이터 컨트롤 장치에 있어서,

상기 모터는 스텝모터로서 기어박스를 통해 감속되어 상기 샤프트에 장착된 피동기어에 맞물리는 회전기어를 경유하여 회전력을 전달하고,

상기 마이콤은 상기 드라이브 유닛에 의해 상기 모터가 정회전(CW) 또는 역회전(CCW)된 후 직전 회전방향의 반대방향으로 회전될 때 상기 기어박스에 발생된 백래쉬(Backlash)를 상쇄시키도록 컨트롤하는 백래쉬 컨트롤 유닛을 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.

본 발명은 밸브의 정밀제어 구현이 가능한 효과가 있다.

본 발명은 모터의 정회전 또는 역회전 후의 회전기어의 현재 위치값을 기준으로 드라이브 유닛에 의해 모터가 직전 회전방향의 반대방향으로 회전되는 펄스 량을 카운트 업하면서 회전기어의 위치값이 변화되는 시점까지의 기어박스의 백래쉬 값인 펄스 량을 마이콤의 최종 동작신호에 합산시켜 드라이브 유닛으로 하여금 모터를 구동토록 하여 기어박스에 발생된 백래쉬를 상쇄시킬 수 있도록 함으로써 밸브 제어시 3000:1의 분해능, 즉 0.005㎃까지 정밀 제어를 가능케 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 위치검출수단으로서 자계의 강도, 즉 자계의 변위를 감지하여 저항값으로 읽어들여 검출신호로 변환 제공하는 자계변위감지유닛을 적용하여 비접촉에 의한 반영구적 수명을 보장할 수 있고, 습도 및 먼지 등 극한환경의 영향을 받지 않으며 초정밀 제어를 가능케 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 회전기어의 중심에 삽입된 이방성자석의 N극 S극의 자계의 변위를 자계검출센서에서 저항값으로 센싱하면서 검출신호로 변환 제공하여 0도∼360° 범위에 걸쳐 샤프트의 회전각도에 대한 실제 궤도위치값을 읽어낼 수 있도록 하여 비접촉에 의한 반영구적 수명을 보장할 수 있고, 습도 및 먼지 등 극한환경의 영향을 받지 않으며 초정밀 제어를 가능케 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 이방성자석으로 하여금 회전기어의 중심에 뚫려진 고정홈에 채워진 에폭시접착제를 사이에 두고 끼워져 자력에 의해 압착되면서 고착되도록 하여 견고하고 간단한 고정을 가능케 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 이방성자석과 자계검출센서 상호간 수평상태 및 평행상태를 유지케 하면서 베이스하우징 속으로의 조립성까지 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 엑츄에이터의 사용상태를 설명하기 위한 밸브를 포함한 사시도.
도 2는 선행기술문헌 1에 개시된 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템을 설명하기 위하여 밸브의 상측 캡을 개방하여 나타낸 평면도.
도 3은 선행기술문헌 1에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템을 나타내는 블록도.
도 4는 선행기술문헌 1에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템에 적용된 서보 컨트롤 팩(SCP)을 나타내는 사시도.
도 5는 선행기술문헌 2에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치를 나타내는 사시도.
도 6은 선행기술문헌 2에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치를 나타내는 커버를 삭제한 사시도.
도 7은 선행기술문헌 2에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치를 나타내는 블록도.
도 8a는 선행기술문헌 2에 적용된 엑츄에이터 컨트롤 장치를 나타내는 사진.
도 8b 및 8c는 선행기술문헌 2에 적용된 엑츄에이터 컨트롤 장치에 적용된 모터, 기아박스, 샤프트, 포텐셔미터를 비롯한 베이스하우징을 나타내는 사진.
도 9는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치를 나타내는 블록도.
도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따라 AC 220V용 엑츄에이터 컨트롤 장치를 각각 나타내는 사시방향 사진 및 평면방향 사진.
도 11a 및 도 11b는 본 발명에 따른 DC 24V용 엑츄에이터 컨트롤 장치를 나타내는 사시방향 사진 및 평면방향 사진.
도 12a는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치의 내부구조를 촬영한 사진.
도 12b는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치의 모터, 기어박스 및 샤프트를 촬영한 사진.
도 12c는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치의 리미트기판 및 센서기판을 촬영한 사진.
도 12d는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치의 베이스하우징을 촬영한 사진.
도 12e는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치의 베이스하우징에 리미트기판 및 센서기판을 조립한 상태를 촬영한 사진.
도 12f는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치의 베이스하우징에 리미트기판 및 센서기판을 조립한 후 샤프트를 끼운 상태를 촬영한 사진.
도 12g는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치의 베이스하우징에 리미트기판 및 센서기판을 조립하고 샤프트를 끼운 후 기어박스를 조립한 상태를 촬영한 사진.
도 13a는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치의 기어박스의 저면을 촬영한 사진.
도 13b는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치의 기어박스에 샤프트가 조립된 상태의 저면을 촬영한 사진.
도 14a는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치에 적용된 자계변위감지유닛의 원리를 설명하기 위한 개념도.
도 14b는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치에 적용된 자계변위감지유닛의 원리를 설명하기 위한 모형도.
도 14c는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치에 적용된 자계변위감지유닛을 설명하기 위한 이방성자석 및 센서기판 부분을 촬영한 사진.
도 15는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치에 적용된 마이콤이 드라이브 유닛을 통해 모터를 가감속 제어하는 형태를 나타내는 그래프.
도 16a는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치에 적용된 기어박스[기어박스 내에서 맞물린 기어들을 총체적으로 일컬음] 내의 백래쉬(Backlash)를 설명하기 위한 모식도.
도 16b는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치에 적용된 기어박스 내의 백래쉬를 설명하기 위한 개념도.
도 16c는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치에 적용된 기어박스 내의 백래쉬를 상쇄시키기 위한 원리를 설명하기 위한 개념도.
도 17은 선행기술문헌 3에 소개된 유니폴라 2상 여자 방식의 스텝 모터의 구동원리를 설명하기 위한 도면.
도 18a는 선행기술문헌 4에 소개된 스텝모터의 동작 모습을 도시한 도면.
도 18b는 선행기술문헌 4에 소개된 스텝모터의 구동신호를 도시한 그래프.

본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 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 9는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치를 나타내는 블록도이고, 도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따라 AC 220V용 엑츄에이터 컨트롤 장치를 각각 나타내는 사시방향 사진 및 평면방향 사진이고, 도 11a 및 도 11b는 본 발명에 따른 DC 24V용 엑츄에이터 컨트롤 장치를 나타내는 사시방향 사진 및 평면방향 사진이다.

본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치는 도 9 내지 도 11b에 도시된 바와 같이 모터(M)의 정역회전에 대한 한계점[밸브(V); Full Open(100％)∼Full Close(0％)]을 미리 정하여 동작하는 상한 리미트 스위치(11) 및 하한 리미트 스위치(12), 샤프트(S)의 회전각도에 대한 실제 궤도위치값을 검출신호로 변환하여 제공하는 위치검출수단(13)을 구비한 엑츄에이터(10)와, 외부의 교류전원을 정류 및 평활하여 정전압의 직류전원으로 변환시키는 파워유닛(21)과, 전류 제어신호 또는 전압 제어신호를 제공하는 컨트롤 유닛(30)과, 컨트롤 유닛(30)의 전류 제어신호 또는 전압 제어신호를 완충 및 필터링하는 버퍼 증폭부(22)와, 컨트롤 유닛(30)에서 선택된 전류 제어신호 및 전압 제어신호 중 어느 하나에 대응되도록 상기 버퍼 증폭부(22)를 통해 전류 제어신호 모드 또는 전압 제어신호 모드를 선택하는 전류/전압 제어신호 모드 선택 스위치(31)와, 컨트롤 유닛(30)의 전류 제어신호 또는 전압 제어신호에 따라 동작되는 샤프트(S)의 실제 궤도위치값에 대한 상기 위치검출수단(13)의 검출신호를 정전류로 증폭하고 컨트롤 유닛(30)의 전류 제어신호 또는 전압 제어신호와 정전류로 증폭된 상기 위치검출수단(13)의 검출신호에 대한 편차를 구동신호로 증폭한 후 동작기준값과 비교하여 최종 동작신호로 출력하도록 제어하는 마이콤(40)과, 터치에 의해 상기 마이콤(40)으로 하여금 엑츄에이터(10)의 0∼100％의 궤도를 자동으로 설정하도록 명령하는 오토세팅 스위치(70)와, 마이콤(40)의 최종 동작신호에 따라 모터(M)의 정역회전에 대한 방향과 동작범위를 각각 설정하는 모드셀렉터(50)와, 모드셀렉터(50)의 설정에 따라 상기 마이콤(40) 내의 최종 동작신호로서 모터(M)의 동작을 제어하는 드라이브 유닛(60)과, 상기 마이콤(40)의 제어에 따라 엑츄에이터(10)의 상태를 표시하는 표시창(91)을 포함한다.

마이콤(40)은 컨트롤 유닛(30)의 전류 제어신호 또는 전압 제어신호에 따라 동작되는 샤프트(S)의 실제 궤도위치에 대한 위치검출수단(13)의 검출신호를 정전류로 증폭 출력하고, 컨트롤 유닛(30)의 제어신호와 정전류로 증폭된 위치검출수단(13)의 검출신호에 대한 편차를 구동신호로 증폭한 후 다시 구동신호를 동작기준값과 비교하여 최종 동작신호로 출력한다.

이때, 위치검출수단(13)의 검출신호를 정전류로 증폭 출력한다는 의미는 부하변동에 관계없이 항상 일정한 전류를 유지토록 하여, 예를 들면 출력전류를 4㎃로 흐르게 한 상태에서 모니터링을 위한 출력단을 단락(Short)시키거나 모니터링을 위한 출력저항을 25Ω또는 250Ω으로 변경하더라도 항상 4㎃의 전류를 유지토록 하여 사용환경에 따라 출력부하저항을 자유롭게 선택하여 사용할 수 있도록 하는 뜻으로 정의된다.

본 발명에 따라 컨트롤 유닛(30)은 전류 제어신호 및 전압 제어신호 중 어느 하나를 선택하여 버퍼 증폭부(22)에 제공하고, 이렇게 컨트롤 유닛(30)에서 선택된 전류 제어신호 및 전압 제어신호 중 어느 하나에 대응되도록 전류 제어신호 모드 또는 전압 제어신호 모드를 선택하는 전류/전압 제어신호 모드 선택 스위치(31)를 포함한다.

더욱 구체적으로, 컨트롤 유닛(30)은 4∼20㎃, 0∼20㎃ 전류 제어신호 또는 0∼10V, 2∼10V, 0∼5V, 1∼5V 전압 제어신호를 선택하여 버퍼 증폭부(22)에 제공할 수 있고, 전류/전압 제어신호 모드 선택 스위치(31)에서는 컨트롤 유닛(30)에서 선택 제공된 제어신호가 전류 제어신호이든 전압 제어신호이든 모두 호환하여 적용할 수 있도록 4∼20㎃, 0∼20㎃ 전류 제어신호 모드 또는 0∼10V, 2∼10V, 0∼5V, 1∼5V 전압 제어신호 모드를 선택할 수 있도록 하는 것이다.

이에 따라, 컨트롤 유닛(30)에서 선택된 전류 제어신호 또는 전압 제어신호의 종류에 관계없이 단일의 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)만으로도 각 환경에 맞추어 나아가 사용자의 선택에 맞추어 호환성 있게 사용할 수 있게 되어 다양성과 생산성의 보장을 기할 수 있게 된다.

바람직하게, 컨트롤 유닛(30)의 4∼20㎃, 0∼20㎃ 전류 제어신호 또는 0∼10V, 2∼10V, 0∼5V, 1∼5V 전압 제어신호의 선택에 따라 전류/전압 제어신호 모드 선택 스위치(31)는 4∼20㎃, 0∼20㎃ 전류 제어신호 모드, 0∼10V, 2∼10V, 0∼5V, 1∼5V 전압 제어신호 모드를 선택할 수 있다.

즉, 전류/전압 제어신호 모드 선택 스위치(31)는 컨트롤 유닛(30)의 4∼20㎃ 전류 제어신호의 선택 제공에 따라 4∼20㎃ 전류 제어신호 모드를 선택하고, 컨트롤 유닛(30)의 0∼20㎃ 전류 제어신호의 선택 제공에 따라 0∼20㎃ 전류 제어신호 모드를 선택하고, 컨트롤 유닛(30)의 0∼10V 전압 제어신호의 선택 제공에 따라 0∼10V의 전압 제어신호 모드를 선택하고, 컨트롤 유닛(30)의 2∼10V 전압 제어신호의 선택 제공에 따라 2∼10V의 전압 제어신호 모드를 선택하고, 컨트롤 유닛(30)의 0∼5V 전압 제어신호의 선택 제공에 따라 0∼5V의 전압 제어신호 모드를 선택하고, 컨트롤 유닛(30)의 1∼5V 전압 제어신호의 선택 제공에 따라 1∼5V 전압 제어신호 모드를 선택한다.

보다 구체적으로, 스위치1(S1), 스위치2(S2) 및 스위치3(S3)으로서 전류 제어신호 모드 전압 제어신호 모드를 선택할 수 있으며, 이들 스위치1(S1), 스위치2(S2) 및 스위치3(S3)의 ON/OFF 조합에 따라 아래의 표 1(아래의 표 1은 스위치의 조합으로 전류 제어신호 모드 전압 제어신호 모드를 선택할 수 있다는 의미이고 다른 조합으로도 가능함은 동일 범주에 속한다 할 것이며, 이하 다른 표 역시 같은 의미로 해석되는 것으로 한다)과 같은 제어신호 모드가 선택된다.

[표 1]

이와 같이, 스위치1(S1) 내지 스위치3(S3)의 ON/OFF 조합으로서 제어신호 모드를 4∼20㎃, 0∼20㎃ 전류 제어신호 모드, 0∼10V, 2∼10V, 0∼5V, 1∼5V 전압 제어신호 모드로서 선택 활용할 수 있게 되어 단일의 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)로서 보다 다양한 환경에 능동적으로 맞추어 응용할 수 있게 되는 것이다.

그리고, 버퍼 증폭부(22)는 입력부하저항(RL) 250Ω을 구비하여 컨트롤 유닛(30)의 제어신호가 4∼20㎃로서 제공될 경우 완충 및 필터링하면서 오옴의 법칙에 따라 DC 1∼5V로 변환하여 마이콤(40)의 제어 입력단에 제공하도록 구성된다.

* 오옴의 법칙

전압 V = I * R, 전류 I = V / R, 저항 R = V / I

바람직하게, 컨트롤 유닛(30)의 제어신호가 0∼5V 또는 0∼10V 전압 제어신호일 경우 마이콤(40)은 제어신호 속에 0.2V 이하의 잡음신호가 포함되면 스킵(Skip; 무시)하도록 한다.

컨트롤 유닛(30)의 제어신호에는 장거리 전송에 따른 각종 노이즈(Noise) 및 왜란이 포함되어 있어 엑츄에이터(10)의 오동작의 원인이 될 수 있으므로 이를 완충 및 필터링하기 위하여 버퍼 증폭부(22)를 제공하는 것으로 이해될 수 있다.

컨트롤 유닛(30)에 의한 제어신호가 0∼5V 또는 0∼10V 전압 제어신호일 경우 외부로부터의 잡음신호가 민감하게 유입될 수 있으므로 마이콤(40)으로 하여금 그 제어신호 속에 0.2V 이하의 잡음신호가 포함되면 스킵(Skip; 무시)토록 함으로써 잡음신호에 의한 오동작을 미연에 방지할 수 있도록 하는 것이다.

한편, 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)는 전류/전압 제어신호 모드 선택 스위치(31)로서 4∼20㎃ 또는 0∼20㎃ 전류 제어신호가 선택되거나 0∼10V, 2∼10V, 0∼5V, 1∼5V 중 어느 하나의 전압 제어신호가 선택되어 엑츄에이터(10)가 구동되더라도 4∼20㎃의 피드백신호를 출력하여 모니터링할 수 있도록 하는 피드백드라이브 증폭부(41)를 포함할 수 있다.

엑츄에이터 컨트롤 장치(100)에 있어서 제어신호는 흔히 4∼20㎃ 전류 제어신호를 적용하고 있고, 사용자 역시 대부분 4∼20㎃ 전류 제어신호를 쉽게 인식하고 이해하고 있어, 본 발명에서는 전류/전압 제어신호 모드 선택 스위치(31)로서 4∼20㎃, 0∼20㎃ 전류 제어신호 모드 또는 0∼10V, 2∼10V, 0∼5V, 1∼5V 전압 제어신호 모드와 같은 어떠한 제어신호를 선택하여 입력하더라도 그 피드백신호만큼은 4∼20㎃로서 출력할 수 있도록 피드백드라이브 증폭부(41)를 구비하여 사용상의 편리성을 극대화시킬 수 있도록 하는 것이다.

이어서, 본 발명의 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)는 모터(M)의 회전력(Torque) 이상, 상한 리미트 스위치(11) 및 하한 리미트 스위치(12)의 불량, 위치검출수단(13)의 오류를 각각 센싱하여 마이콤(40)에 페일신호(Fail Signal)로 보내는 페일 디텍터(Fail Detector; 92)를 포함한다.

페일 디텍터(92)에 의해 모터(M)의 회전력(Torque) 이상, 상한 리미트 스위치(11) 및 하한 리미트 스위치(12)의 불량, 위치검출수단(13)의 오류를 센싱하면서 마이콤(40)으로 보내 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)로 하여금 실시간으로 인식토록 하는 것이다.

이때, 마이콤(40)은 페일 디텍터(92)의 페일신호를 수신할 경우 밸브(V)를 Full Open(100％), Full Close(0％) 또는 Stop(현재상태 유지)시키도록 하는 최종 동작신호를 발생할 수 있도록 하여 안전사고[엑츄에이터(10)의 지속적인 동작으로 파손되는 현상]를 미연에 방지한다.

바람직하게, 마이콤(40)은 페일 디텍터(92)로부터 최초 페일신호를 수신할 경우 밸브(V)를 제어하기 위한 Full Open(100％), Full Close(0％) 또는 Stop(현재상태 유지)시키기 전 엑츄에이터(10)를 직전 구동상태로 재 구동시키고, 엑츄에이터(10)의 재 구동에도 불구하고 페일 디텍터(92)로부터 두 번째 페일신호를 수신할 경우 밸브(V)를 Full Open(100％), Full Close(0％) 또는 Stop(현재상태 유지)시키는 최종 동작신호를 발생토록 한다.

이때, 최초 페일신호 발생시 재 구동 주기는 3sec로 하고, 그 재 구동시간은 3sec로 하며, 나아가 재 구동 반복횟수는 1회로 하여, 주변 환경에 따라 제어신호 속에 잡음신호가 갑자기 들어올 경우 적어도 1회에 한하여 그 불량유무를 재 신임토록 하여 엑츄에이터(10)의 동작 정지를 신중하게 결정할 수 있도록 한다.

한편, 모드셀렉터(50)는 컨트롤 유닛(30)의 제어신호가 작은 값(4㎃, 0㎃, 0V, 2V, 0V, 1V; 차례대로 표기함)에서 큰 값(20㎃, 20㎃, 10V, 10V, 5V, 5V; 차례대로 기재함)으로 변화될 경우 엑츄에이터(10)의 모터(M)를 최대 역회전[밸브(V); Full Close(0％)]으로부터 최대 정회전[밸브(V); Full Open(100％)]에 이르기까지 동작시키는 리버스모드(Reverse Mode), 컨트롤 유닛(30)의 제어신호가 작은 값(4㎃, 0㎃, 0V, 2V, 0V, 1V; 차례대로 표기함)에서 큰 값(20㎃, 20㎃, 10V, 10V, 5V, 5V; 차례대로 기재함)으로 변화될 경우 엑츄에이터(10)의 모터(M)를 최대 정회전[밸브(V); Full Open(100％)]으로부터 최대 역회전[밸브(V); Full Close(0％)]에 이르기까지 동작시키는 다이렉트모드(Direct Mode)를 각각 설정하는 액션모드(Action Mode)를 포함하고, 나아가 페일 디텍터(92)로부터 두 번째 페일신호가 수신될 경우 엑츄에이터(10)의 모터(M)를 최대 정회전[밸브(V); Full Open(100％)]시키는 오픈모드(Open Mode), 엑츄에이터(10)의 모터(M)를 최대 역회전[밸브(V); Full Close(0％)]시키는 클로즈모드(Close Mode), 엑츄에이터(10)의 모터(M)의 동작 직전상태로 유지시키는 스톱모드(Stop Mode)를 각각 설정하는 페일모드(Fail Mode)를 포함한다.

그리고, 마이콤(40) 내에서 구동신호에 비교되는 동작기준값을 엑츄에이터(10)의 모터(M)의 반응 민감도로 활용되도록 동작폭(불감대; Narrow/Wide)을 조절하여 설정하는 데드밴드모드(Dead Band Mode)를 포함할 수 있다.

액션모드(Action Mode)는 스위치4(S4)에 의해 이루어지고, 페일모드(Fail Mode)는 스위치5(S5) 및 스위치6(S6)에 의해 이루어지고, 데드밴드모드는 스위치7(S7)에 의해 이루어지며, 스위치4(S4), 스위치5(S5), 스위치6(S6) 및 스위치7(S7)의 ON/OFF 조합에 따라 아래의 표 2와 같은 모드가 선택될 수 있도록 설계된다.

[표 2]

더욱 구체적으로, 액션모드의 리버스모드는 제어신호가 검출신호보다 작으면 모터(M)의 회전방향을 정회전시켜 그 편차만큼 밸브(V)가 열릴 수 있도록 마이콤(40)의 최종 동작신호를 정의하며 그 반대일 경우에는 모터(M)의 회전방향을 역회전시켜 그 편차만큼 밸브(V)가 닫힐 수 있도록 마이콤(40)의 최종 동작신호를 정의하고, 액션모드의 다이렉트모드는 제어신호가 검출신호보다 작으면 모터(M)의 회전방향을 역회전시켜 그 편차만큼 밸브(V)가 닫힐 수 있도록 마이콤(40)의 최종 동작신호를 정의하며 그 반대일 경우에는 모터(M)의 회전방향을 정회전시켜 그 편차만큼 밸브(V)가 열릴 수 있도록 마이콤(40)의 최종 동작신호를 정의한다.

액션모드 중 리버스모드를 설정하고자 스위치4(S4)를 ON으로 하면, 컨트롤 유닛(30)의 제어신호가 예를 들어 4㎃일 경우 엑츄에이터(10)의 모터(M)가 최대 역회전하여 밸브(V)가 Full Close(0％) 상태로 전환되도록 마이콤(40)의 최종 동작신호를 정의하고, 컨트롤 유닛(30)의 제어신호가 예를 들어 20㎃일 경우 엑츄에이터(10)의 모터(M)가 최대 정회전하여 밸브(V)가 Full Open(100％) 상태로 전환되도록 마이콤(40)의 최종 동작신호를 정의하게 된다.

반면, 액션모드 중 다이렉트모드를 설정하고자 스위치4(S4)를 OFF로 하면, 컨트롤 유닛(30)의 제어신호가 예를 들어 4㎃일 경우 엑츄에이터(10)의 모터(M)가 최대 정회전하여 밸브(V)가 Full Open(100％) 상태로 전환되도록 마이콤(40)의 최종 동작신호를 정의하고, 컨트롤 유닛(30)의 제어신호가 예를 들어 20㎃일 경우 엑츄에이터(10)의 모터(M)가 최대 역회전하여 밸브(V)가 Full Close(0％) 상태로 전환되도록 마이콤(40)의 최종 동작신호를 정의하게 된다.

한편, 페일모드 중의 오픈모드를 설정하고자 스위치5(S5)를 ON으로 하고, 스위치6(S6)을 OFF로 하면 컨트롤 유닛(30)의 제어신호가 차단될 경우 엑츄에이터(10)의 모터(M)를 최대 정회전시켜 밸브(V)가 Full Open(100％) 되도록 마이콤(40)의 최종 동작신호를 정의하고, 페일모드 중의 스톱모드를 설정하고자 스위치5(S5)를 OFF로 하고 스위치6(S6)을 OFF로 하면 컨트롤 유닛(30)의 제어신호가 차단될 경우 엑츄에이터(10)의 모터(M) 동작 직전상태에서 멈추도록 마이콤(40)의 최종 동작신호를 정의하고, 페일모드 중의 클로즈모드를 설정하고자 스위치5(S5)를 OFF로 하고 스위치6(S6)을 ON으로 하면 컨트롤 유닛(30)의 제어신호가 차단될 경우 엑츄에이터(10)의 모터(M)를 최대 역회전시켜 밸브(V)가 Full Close(0％) 되도록 마이콤(40)의 최종 동작신호를 정의한다.

나아가, 데드밴드 스위치(S7)는 위치검출수단(13)의 구동신호에 비교되는 마이콤(40) 내의 동작기준값을 엑츄에이터(10)의 모터(M)의 반응 민감도로 활용되도록 동작폭(불감대)으로서 조절하여 미리 설정하는 것으로 데드밴드 스위치(S7)를 OFF시킬 경우에는 협소한(Narrow) 동작폭(불감대)을 갖게 되어 구동신호의 크기가 조금만 크더라도 데드밴드 스위치(S7)에 의한 협소한 동작폭보다 더 큰 결과치를 얻을 수 있게 되어 엑츄에이터(10)의 모터(M)의 반응이 매우 민감하게 동작될 수밖에 없고, 역으로 데드밴드 스위치(S7)를 ON시킬 경우에는 넓은(Wide) 동작폭(불감대)을 갖게 되어 구동신호의 크기가 비교적 크더라도 데드밴드 스위치(S7)에 의한 넓은 동작폭보다 더 작은 결과치를 얻을 수밖에 없게 되어 엑츄에이터(10)의 모터(M)의 반응이 매우 둔감하게 동작될 수 있게 된다.

이와 같이 마이콤(40)의 동작기준값으로 설정되는 데드밴드 스위치(S7)의 조절에 의한 동작폭(불감대)은 사용환경에 따라 사용자가 임의로 미리 설정할 수 있도록 함으로써 제품의 효율성과 수명을 극대화시킬 수 있게 되는 것이다.

한편, 본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100)은 밸브(V)의 Full Close 상태 및 Full Open 상태를 사용환경에 따라 그 범위를 각각 다르게 설정할 수 있으며, 이러한 사용환경에 맞추어 밸브(V)의 Full Close 및 Full Open 상태를 모터(M)의 정역회전에 대한 동작범위(0∼100％)로서 하한 리미트 스위치(12)와 상한 리미트 스위치(11)가 각각 인식함으로써 어떠한 환경 하에서도 모터(M)의 동작범위를 더욱 자유롭게 설정할 수 있도록 피드백 조절볼륨(80)을 더 포함할 수 있다.

즉, 피드백 조절볼륨(80)은 컨트롤 유닛(30)의 제어신호의 종류에 관계없이 마이콤(40) 내에서 4∼20㎃의 정전류(피드백 출력)를 균일하게 제공할 수 있도록 조절하게 된다.

도 12a는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)의 내부구조를 촬영한 사진이고, 도 12b는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)의 모터(M), 기어박스(G) 및 샤프트(S)를 촬영한 사진이고, 도 12c는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)의 리미트기판(L) 및 센서기판(13d)을 촬영한 사진이고, 도 12d는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)의 베이스하우징(B)을 촬영한 사진이고, 도 12e는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)의 베이스하우징(B)에 리미트기판(L) 및 센서기판(13d)을 조립한 상태를 촬영한 사진이고, 도 12f는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)의 베이스하우징(B)에 리미트기판(L) 및 센서기판(13d)을 조립한 후 샤프트(S)를 끼운 상태를 촬영한 사진이고, 도 12g는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)의 베이스하우징(B)에 리미트기판(L) 및 센서기판(13d)을 조립하고 샤프트(S)를 끼운 후 기어박스(G)를 조립한 상태를 촬영한 사진이고, 도 13a는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)의 기어박스(G)의 저면을 촬영한 사진이고, 도 13b는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)의 기어박스(G)에 샤프트(S)가 조립된 상태의 저면을 촬영한 사진이다.

도면 중 미 설명부호 B3는 리미트기판(L)을 끼움 받아들이기 위한 수직홈이고, 미 설명부호 C는 상한 리미트 스위치(11) 및 하한 리미트 스위치(11)를 푸싱하기 위한 캠이다.

본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)의 핵심 구성으로서 위치검출수단(13)은 도 9 내지 도 13b에 도시된 바와 같이 샤프트(S)의 회전각도에 대한 실제 궤도위치값을 자계의 강도에 따른 저항값으로 센싱하면서 검출신호로 변환 제공하는 자계변위감지유닛(13a)인 것을 특징으로 한다.

선행기술문헌 2에 적용된 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)는 도 8a 및 도 8b에 나타난 바와 같이 포텐셔미터를 적용하여 샤프트(S)의 회전각도에 대한 실제 궤도위치를 접촉에 의존되면서 물리적인 회전변화로 독출하고 이를 저항으로 변환하는 설계로 이루어지므로 인하여 동작시간이 경과될수록 접촉면이 마모되어 정상적인 검출이 어려울 뿐만 아니라 사용시 불량이 발생되고, 수명이 극히 짧아지는 문제점을 발생하고 있지만, 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)에 적용된 위치검출수단(13)은 선행기술문헌 2의 포텐셔미터와 같은 물리적인 접촉이 아닌 자계의 강도에 따른 저항값을 센싱하는 즉, 물리적인 접촉 없이 자계의 강도, 더욱 구체적으로는 자계의 변위를 감지하여 저항값으로 읽어들여 검출신호로 변환 제공하는 자계변위감지유닛(13a)을 적용함으로써 비접촉에 의한 반영구적 수명을 보장할 수 있고, 습도 및 먼지 등 극한환경의 영향을 받지 않으며 초정밀 제어를 가능케 할 수 있다.

도 14a는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)에 적용된 자계변위감지유닛(13a)의 원리를 설명하기 위한 개념도이고, 도 14b는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)에 적용된 자계변위감지유닛(13a)의 원리를 설명하기 위한 모형도이며, 도 14c는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)에 적용된 자계변위감지유닛(13a)을 설명하기 위한 이방성자석(13b) 및 센서기판(13d) 부분을 촬영한 사진이다.

본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)에 적용된 위치검출수단(13)으로서 자계변위감지유닛(13a)은 도 9 내지 도 14c에 도시된 바와 같이 모터(M)의 회전력을 기어박스(G)를 통해 감속받아 샤프트(S)에 장착된 피동기어(P)에 전해주는 회전기어(H)와, 회전기어(H)의 중심에 삽입된 이방성자석(13b)과, 이방성자석(13b)에 이격 대향되어 샤프트(S)의 피동기어(P)를 회전시키는 회전기어(H)의 회전에 따라 변화하는 이방성자석(13b)의 자계의 강도를 저항값으로 검출하는 자계검출센서(13c)를 포함한다.

회전기어(H)의 중심에 삽입된 이방성자석(13b)의 N극 S극의 자계의 변위를 자계검출센서(13c)에서 저항값으로 센싱하면서 검출신호로 변환 제공하여 0도∼360° 범위에 걸쳐 샤프트(S)의 회전각도에 대한 실제 궤도위치값을 읽어낼 수 있도록 하여 비접촉에 의한 반영구적 수명을 보장할 수 있고, 습도 및 먼지 등 극한환경의 영향을 받지 않으며 초정밀 제어를 가능케 할 수 있도록 하는 것이다.

이때, 이방성자석(13b)은 도 14a 및 도 14b에서 확인할 수 있는 바와 같이 강자성 금속에서 전류와 자화(磁化: magnetization)의 방향이 서로 평행일 때 저항이 최대로 되고 서로 수직이 될 때 최소로 되며 자화벡터의 방향이 전류흐름과 평행일 때도 저항이 최대로 되고, 서로 수직일 때는 최소로 되는 자기저항 효과(AMR: anisotropic magneto resistive)를 통해 샤프트(S)의 회전각도에 대한 실제 궤도위치값을 읽어낼 수 있도록 하는 원리를 이용하여 본 발명에 적용케 한 것이다.

바람직하게, 이방성자석(13b) 및 자계검출센서(13c)는 0.3∼3.5㎜의 간격으로 이격되도록 할 수 있다.

예를 들어, 이방성자석(13b) 및 자계검출센서(13c)의 간격이 0.3㎜이하일 경우 조립시 이방성자석(13b)과 자계검출센서(13c) 상호간의 부딪힘이 잦게 되어 불량을 초래할 수 있고, 3.5㎜이상일 경우 전체 크기가 커지는 문제점과 더불어 강자성의 이방성자석(13b)의 요구로 가격이 비싸지는 문제가 있어 바람직하지 않게 된다.

한편, 이방성자석(13b)은 회전기어(H)의 중심에 뚫려진 고정홈(H1)에 채워진 에폭시접착제를 사이에 두고 끼워져 자력에 의해 압착되면서 고착되도록 하여 견고하고 간단한 고정을 가능케 한다.

이때, 샤프트(S)는 베이스하우징(B)의 중심에 끼워져 밸브(V)에 연결되고, 자계검출센서(13c)는 센서기판(13d)에 탑재되고, 센서기판(13d)은 이방성자석(13b)으로부터 자계검출센서(13c)가 이격 대향되도록 베이스하우징(B) 속에 수평으로 장착되도록 하여, 이방성자석(13b)과 자계검출센서(13c) 상호간 수평상태 및 평행상태를 유지케 하면서 베이스하우징(B) 속으로의 조립성까지 극대화시킬 수 있도록 한다.

센서기판(13d)은 베이스하우징(B) 속에 동일한 높이로 각각 솟아오른 서포터(B1)에 형성된 나사홈(B2)과 일치되는 통공(13e)을 통해 나사(N) 고정되도록 하여 이방성자석(13b)과 자계검출센서(13c) 상호간의 수평상 유지와 더불어 평행상태를 견고하게 실현할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

도 15는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)에 적용된 마이콤(40)이 드라이브 유닛(60)을 통해 모터(M)를 가감속 제어하는 형태를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 핵심 특징에 따라 마이콤(40)은 도 15에 도시된 바와 같이 모터(M)가 최종 동작신호로 동작될 때 기동점에서 최대속도로 가속(Accelerating)되도록 한 후 정지점에 가까워질수록 최소속도로 감속(Decelerating)되도록 드라이브 유닛(60)을 제어하는 가감속 커트롤 유닛(42)을 포함한다.

모터(M)의 속도(rpm)를 고속으로 일정하게 위치제어를 할 경우 가속도에 의해 샤프트(S)의 회전각도에 대한 실제 궤도위치값이 Over되어 검출되거나 정지점에 정지하지 않고 밀려 정지하게 되어 헌팅(Hunting)현상이 발생되는 등 정밀제어에 장애가 발생하게 된다.

이를 방지하고 정밀제어 구현이 가능하도록 하기 위해 모터(M)가 정지된 상태에서 정지점으로 이동하기 위해 기동할 때, 즉 기동점에서 Accelerator 기능이 동작되어 최대속도로 가속되도록 하고 정지점에 근접하였을 때에는 현 위치점과 정지점까지의 거리를 계산하여 SPEED를 비례적으로 감속시키는 Decelerator 기능을 동작시켜 정지점에 정확히 정지하도록 하는 것이다.

더욱 바람직하게, 본 발명에 따라 모터(M)는 스텝모터로서 기어박스(G)를 통해 감속되어 샤프트(S)에 회전력을 전달하고, 가감속 커트롤 유닛(42)은 모터(M)가 최종 동작신호로 동작되어 정지점에 근접할 경우 최소속도로 감속시키면서 샤프트(S)의 1스텝 이동시마다 위치검출수단(13)을 통해 실제 궤도위치값을 검출신호로 검출하여 정지점으로의 도달 여부를 판단하여 부족할 경우 다시 1스텝 더 이동케 하는 Step By Step으로 드라이브 유닛(60)을 제어하여 모터(M)로 하여금 정밀 회전되도록 함으로써, 전류제어의 경우 0.005㎃의 미세단위까지 밸브(V)를 제어할 수 있으며, 가속(Accelerating)에 의한 고속동작을 보장하면서도 감속(Decelerating)에 의한 정밀제어까지 실현케 할 수 있다.

도 16a는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)에 적용된 기어박스(G)[기어박스(G) 내에서 맞물린 기어들을 총체적으로 일컬음] 내의 백래쉬(Backlash)를 설명하기 위한 모식도이고, 도 16b는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)에 적용된 기어박스(G) 내의 백래쉬를 설명하기 위한 개념도이고, 도 16c는 본 발명에 따른 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)에 적용된 기어박스(G) 내의 백래쉬를 상쇄시키기 위한 원리를 설명하기 위한 개념도이다.

본 발명의 특징에 따라 모터(M)는 스텝모터로서 기어박스(G)를 통해 감속되어 샤프트(S)에 장착된 피동기어(P)에 맞물리는 회전기어(H)를 경유하여 회전력을 전달하고, 마이콤(40)은 도 16a 내지 도 16c에 도시된 바와 같이 드라이브 유닛(60)에 의해 모터(M)가 정회전(CW; ClockWise) 또는 역회전(CCW; CounterClockWise)된 후 직전 회전방향의 반대방향으로 회전될 때 기어박스(G)에 발생된 백래쉬(Backlash)를 상쇄시키도록 컨트롤하는 백래쉬 커트롤 유닛(43)을 포함한다.

백래쉬는 서로 맞물리는 기어 간의 미세한 유격을 말하는 것으로 백래쉬가 없을 경우 기어가 기동하거나 정지할 때 출력측에서 발생하는 충격이 기어몸체에 그대로 전달되어 기어손상의 원인이 될 수 있다. 이러한 진동이 기어자체에 전달되는 것을 방지하기 위해 기어간 약간의 유격을 주는 것을 Backlash라 한다.

그런데, 기어의 내구성이나 안정성 면에서는 백래쉬가 필요하지만 정밀제어에 있어서는 백래쉬가 장애요소로 작용한다. 그 이유는 기어가 정지된 상태에서 직전 방향의 반대방향으로 기동할 때에는 동력측 기어는 회전하나 전달받는 기어측은 동력측 기어가 백래쉬 공간만큼 공회전하여야 비로소 기어가 맞물려 회전하게 되는 이른바 제어불능구역(Dead Zone-무감구역)이 발생되어 정밀제어시 장애로 작용하는 것이다.

구체적으로, 도 12b에 도시된 바와 같이 기어박스(G) 내에는 다수의 기어들이 존재하는데, 이러한 기어들은 모터(M)의 회전력을 감속시켜 회전기어(H) 및 피동기어(P)를 통해 샤프트(S)에 전달하게 된다.

이때, 기어박스(G) 내의 다수의 기어들은 기어 상호간의 충격이나 손상을 방지하기 위하여 백래쉬가 있을 수밖에 없는데, 이러한 백래쉬는 기어박스(G) 내의 기어들의 개수의 합만큼 발생하게 되고, 이러한 기어박스(G)의 백래쉬를 이해를 돕기 위하여 도 16a에 하나의 큰 기어, 즉 기어박스(G)로 넘버링을 부여하여 표기하고 이어서 회전기어(H)가 맞물리는 것으로 표현하면, 결국 백래쉬에 의한 제어불능구역이 발생할 수밖에 없고, 이러한 제어불능구역은 정밀제어시 장애로 작용하게 되는 것이다.

더욱 구체적으로, 기어박스(G)가 CCW 방향으로 동작하고 정지하였다고 가정하고, 제어신호를 CW 동작조건으로 미세하게 변화시켰을 때, 기어박스(G)는 CW 방향으로 미세하게 회전할 것이다.

이때, 동력측 기어, 즉 기어박스(G)는 미세하게 CW 방향으로 회전하였지만 실지로는 Backlash에 의해 전달받는 기어측인 회전기어(H)까지는 회전이 전달되지 않아 밸브(V)의 궤도에는 아무런 변화도 주지 않는 현상이 발생된다. 즉, 실지 기어박스(G)는 회전하였지만 밸브(V)의 제어에는 아무런 영향도 주지 않는 무의미한 동작만 하는 것이다.

이러한 제어불능구역은 직전에 방향에서 반대방향으로 동작할 때에는 항상 Backlash만큼 낮은 위치에서 정지하게 됨으로 인해 결과적으로 제어범위 0∼100％ 전 구역에서 목표 값보다 낮은 비율로 제어되는 현상이 발생하게 된다.

본 발명의 특징에 따라 백래쉬 커트롤 유닛(43)은 모터(M)의 정회전 또는 역회전 후의 회전기어(H)의 현재 위치값을 기준으로 드라이브 유닛(60)에 의해 모터(M)가 직전 회전방향의 반대방향으로 회전되는 펄스 량을 카운트 업하면서 회전기어(H)의 위치값이 변화되는 시점까지의 기어박스(G)의 백래쉬 값인 펄스 량을 마이콤(40)의 최종 동작신호에 합산시켜 드라이브 유닛(60)으로 하여금 모터(M)를 구동토록 하여 기어박스(G)에 발생된 백래쉬를 상쇄시킬 수 있도록 함으로써 밸브(V) 제어시 3000:1의 분해능, 즉 0.005㎃까지 정밀 제어를 가능케 할 수 있게 된다.

본 발명은 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하여 사물을 쥔다든가 방향을 바꾼다든가 위치를 변동시키는데 이용되는 산업용 로봇의 부속장치에서부터 모터(M)의 정회전 또는 역회전을 조절하여 공기나 유체(반도체 세척분야) 등의 흐름을 조절하는 밸브(V) 등에 이르기까지 다양한 분야에 활용될 수 있다.

M : 모터 S : 샤프트
V : 밸브 10 : 엑츄에이터
11 : 상한 리미트 스위치 12 : 하한 리미트 스위치
L : 리미트기판 13 : 위치검출수단
13a : 자계변위감지유닛 G : 기어박스
P : 피동기어 H : 회전기어
H1 : 고정홈 13b : 이방성자석
13c : 자계검출센서 13d : 센서기판
13e : 통공 B : 베이스하우징
B1 : 서포터 B2 : 나사홈
N : 나사 21 : 파워유닛
22 : 버퍼 증폭부 30 : 컨트롤 유닛
31 : 전류/전압 제어신호 모드 선택 스위치 S1 : 스위치1
S2 : 스위치2 S3 : 스위치3
40 : 마이콤 41 : 피드백드라이브 증폭부
42 : 가감속 컨트롤 유닛 43 : 백래쉬 컨트롤 유닛
50 : 모드셀렉터 S4 : 스위치4
S5 : 스위치5 S6 : 스위치6
S7 : 스위치7 60 : 드라이브 유닛
70 : 오토세팅 스위치 80 : 피드백 조절볼륨
91 : 표시창 92 : 페일 디텍터
100 : 엑츄에이터 컨트롤 장치

Claims (8)

1. 모터(M)의 정역회전에 대한 한계점[밸브(V); Full Open(100％)∼Full Close(0％)]을 미리 정하여 동작하는 상한 리미트 스위치(11) 및 하한 리미트 스위치(12), 샤프트(S)의 회전각도에 대한 실제 궤도위치값을 검출신호로 변환하여 제공하는 위치검출수단(13)을 구비한 엑츄에이터(10)와, 외부의 교류전원을 정류 및 평활하여 정전압의 직류전원으로 변환시키는 파워유닛(21)과, 전류 제어신호 또는 전압 제어신호를 제공하는 컨트롤 유닛(30)과, 상기 컨트롤 유닛(30)의 전류 제어신호 또는 전압 제어신호를 완충 및 필터링하는 버퍼 증폭부(22)와, 상기 컨트롤 유닛(30)에서 선택된 전류 제어신호 및 전압 제어신호 중 어느 하나에 대응되도록 상기 버퍼 증폭부(22)를 통해 전류 제어신호 모드 또는 전압 제어신호 모드를 선택하는 전류/전압 제어신호 모드 선택 스위치(31)와, 상기 컨트롤 유닛(30)의 전류 제어신호 또는 전압 제어신호에 따라 동작되는 상기 샤프트(S)의 실제 궤도위치값에 대한 상기 위치검출수단(13)의 검출신호를 정전류로 증폭하고 상기 컨트롤 유닛(30)의 전류 제어신호 또는 전압 제어신호와 정전류로 증폭된 상기 위치검출수단(13)의 검출신호에 대한 편차를 구동신호로 증폭한 후 동작기준값과 비교하여 최종 동작신호로 출력하도록 제어하는 마이콤(40)과, 상기 마이콤(40)의 최종 동작신호에 따라 상기 모터(M)의 정역회전에 대한 방향과 동작범위를 각각 설정하는 모드셀렉터(50)와, 상기 모드셀렉터(50)의 설정에 따라 상기 마이콤(40) 내의 최종 동작신호로서 상기 모터(M)의 동작을 제어하는 드라이브 유닛(60)을 포함하는 엑츄에이터 컨트롤 장치(100)에 있어서,
   상기 모터(M)는 스텝모터로서 기어박스(G)를 통해 감속되어 상기 샤프트(S)에 장착된 피동기어(P)에 맞물리는 회전기어(H)를 경유하여 회전력을 전달하고,
   상기 마이콤(40)은 상기 드라이브 유닛(60)에 의해 상기 모터(M)가 정회전(CW) 또는 역회전(CCW)된 후 직전 회전방향의 반대방향으로 회전될 때 상기 기어박스(G)에 발생된 백래쉬(Backlash)를 상쇄시키도록 컨트롤하는 백래쉬 커트롤 유닛(43)을 포함하고,
   상기 백래쉬 커트롤 유닛(43)은 상기 모터(M)의 정회전 또는 역회전 후의 상기 회전기어(H)의 현재 위치값을 기준으로 상기 드라이브 유닛(60)에 의해 상기 모터(M)가 직전 회전방향의 반대방향으로 회전되는 펄스 량을 카운트 업하면서 상기 회전기어(H)의 위치값이 변화되는 시점까지의 상기 기어박스(G)의 백래쉬 값인 펄스 량을 상기 마이콤(40)의 최종 동작신호에 합산시켜 상기 드라이브 유닛(60)으로 하여금 상기 모터(M)를 구동토록 하여 상기 기어박스(G)에 발생된 백래쉬를 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터 컨트롤 장치(100).
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 위치검출수단(13)은 상기 샤프트(S)의 회전각도에 대한 실제 궤도위치값을 자계의 강도에 따른 저항값으로 센싱하면서 검출신호로 변환 제공하는 자계변위감지유닛(13a)인 것을 특징으로 하는 엑츄에이터 컨트롤 장치(100).
4. 제3항에 있어서,
   상기 자계변위감지유닛(13a)은
   상기 모터(M)의 회전력을 기어박스(G)를 통해 감속받아 상기 샤프트(S)에 장착된 피동기어(P)에 전해주는 상기 회전기어(H)와,
   상기 회전기어(H)의 중심에 삽입된 이방성자석(13b)과,
   상기 이방성자석(13b)에 이격 대향되어 상기 샤프트(S)의 피동기어(P)를 회전시키는 상기 회전기어(H)의 회전에 따라 변화하는 상기 이방성자석(13b)의 자계의 강도를 저항값으로 검출하는 자계검출센서(13c)를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터 컨트롤 장치(100).
5. 제4항에 있어서,
   상기 이방성자석(13b) 및 자계검출센서(13c)는 0.5∼3.5㎜의 간격으로 이격되는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터 컨트롤 장치(100).
6. 제4항에 있어서,
   상기 이방성자석(13b)은 상기 회전기어(H)의 중심에 뚫려진 고정홈(H1)에 채워진 에폭시접착제를 사이에 두고 끼워져 자력에 의해 압착되면서 고착되는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터 컨트롤 장치(100).
7. 제4항에 있어서,
   상기 샤프트(S)는 베이스하우징(B)의 중심에 끼워져 상기 밸브(V)에 연결되고,
   상기 자계검출센서(13c)는 센서기판(13d)에 탑재되고,
   상기 센서기판(13d)은 상기 이방성자석(13b)으로부터 상기 자계검출센서(13c)가 이격 대향되도록 상기 베이스하우징(B) 속에 수평으로 장착되는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터 컨트롤 장치(100).
8. 제7항에 있어서,
   상기 센서기판(13d)은 상기 베이스하우징(B) 속에 동일한 높이로 각각 솟아오른 서포터(B1)에 형성된 나사홈(B2)과 일치되는 통공(13e)을 통해 나사(N) 고정되는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터 컨트롤 장치(100).
   

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