KR101880369B1

KR101880369B1 - 공진주파수 추종방법

Info

Publication number: KR101880369B1
Application number: KR1020160153896A
Authority: KR
Inventors: 권혁민; 이종무
Original assignee: 권혁민; 이종무
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2018-07-19
Also published as: KR20180056100A

Abstract

본 발명은 저가의 마이크로 컨트롤러를 이용하여 공진주파수를 추종하여 고효율 운전이 가능하도록 한 공진주파수 추종방법에 관한 것으로서, 임의의 주파수에서 션트(Shunt) 저항에 흐르는 전압 극성은 상단 PWM이 액티브 하이(Active High) 시 비교기 출력은 용량성 부하에서는 전류가 앞서게(Leading) 되므로 하이(High) 인 1이 되고, 유도성 부하에서는 유도성 부하에 의해 전류가 뒤처지게(Lagging) 되므로 로우(Low)인 0이 되며; 상기 마이크로 컨트롤러는 상단 출력 PWM이 Active high 가 되는 순간 인터럽트 루틴을 이용하여 용량성 부하에서는 PWM 카운트 최대치를 감소시켜 출력 주파수를 끌어올리고, 유도성 부하에서는 PWM 카운트 최대치를 높여 출력 주파수를 낮추게 되면, 공진 주파수 영역에서 주파수 증감이 멈추도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

공진주파수 추종방법{the method of following resonance frequency}

본 발명은 공진주파수 추종방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 유도가열 시스템의 경우, 가열 대상의 위치 변동이나 온도에 따른 재질의 변화로 인하여 공진 주파수가 변동하게 되는데 본 발명은 저가의 마이크로 컨트롤러를 이용하여 공진주파수를 추종하여 고효율 운전이 가능하도록 한 공진주파수 추종방법에 관한 것이다.

등록번호 10-1308411호(고속 공진점 추종방법 및 그 방법을 이용한 유도가열시스템)에 따르면, "유도가열시스템에서의 피가열체를 가열함에 있어서 공진조건을 찾아가는 속응성의 문제점을 보완하고 고효율화를 실현할 수 있는 고속 공진점 추종방법 및 그 방법을 이용한 유도가열 시스템에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 특징은 소정 시간 동안 임의의 주파수에 따라 인버터부를 동작시켜 전력을 부하단에 공급하는 단계, 센싱부에서 부하단의 전압파형 또는 전류파형을 검출하여 검출신호를 제어부로 전송하는 단계, 제어부에서 전송받은 전압파형 또는 전류파형과 그라운드(GND)의 비교에 따른 구형파 펄스신호를 발생하는 단계, 상기 구형파 펄스신호에 따른 스위칭 신호를 인버터부에 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다."라고 개시된 바가 있다.

등록번호 10-1308411호(고속 공진점 추종방법 및 그 방법을 이용한 유도가열시스템)

그러나, 종래에 사용되고 있는 방법은 지정된 유도 가열 조리기의 사용과 유도 가열 조리기의 위치를 고정된 상태에서 실험적으로 확인된 운전 프로파일에 의해 공진 주파수를 찾아가는 방식이다. 하지만, 이는 조리기의 다양한 형상, 높이 및 재질 사용에 제한을 주게 되고, 온도에 따른 재질 특성 변화를 반영하기가 난해하여 최대 출력을 유지하는데 한계가 있게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 종래 사용되는 공진 추종 방식을 적용할 수 있으나, 이는 빠른 공진 주파수로 인하여 전류의 영점 검출이 어렵고 좀 더 고성능의 마이크로 컨트롤러나 FPGA와 같은 로직소자가 필요하다. 또한, 영점 검출시 글리치(Glitch) 현상으로 인하여 시스템의 안정성 문제도 유발시키고 있다.

따라서, 이러한 문제를 해결하기 위하여 회로의 복잡도가 증가하고 제품 가격이 상승하게 된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 기 유도 가열 조리기에서 발생하는 온도에 따른 재질 특성 변경, 다양한 조리사용 및 조리기의 위치 변동에 효과적으로 공진 주파수를 추종해가는 방법으로서, 기 사용되고 있는 유도 가열 조리기의 큰 구조적 변화없이 저가형 마이크로 컨트롤러를 사용하여 공진 주파수를 추종하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 코일과 콘덴서를 직렬로 연결한 직렬 공진 회로에서 직류접지(DC ground) 방향으로 션트(Shunt) 저항(R_shunt)을 직렬로 연결한 다음 전류에 의해 저항 양단에 걸린 전압을 비교기(Comp)를 통하여 양의 전류면 하이(High)인 1과 음의 전류이면 로우(Low)인 0으로 출력하도록 구성하고, 이렇게 생성된 신호는 마이크로 컨트롤러의 I/O 핀(V_comp)으로 입력되도록 설계하며, 마이크로 컨트롤러(DLL)에서는 단상 하프 브리지를 위한 PWM(Pulse Width Modulation)을 암 단락 방지를 위해 데드 타임(Deadtime)을 주고 임의의 값을 가진 주파수를 발생시키도록 한 공진주파수 추종방법에 있어서; 임의의 주파수에서 Shunt 저항에 흐르는 전압 극성은 상단 PWM이 Active High 시 비교기 출력은 용량성 부하에서는 전류가 앞서게(Leading) 되므로 하이(High) 인 1이 되고, 유도성 부하에서는 유도성 부하에 의해 전류가 뒤처지게(Lagging) 되므로 로우(Low)인 0이 되며; 상기 마이크로 컨트롤러는 상단 출력 PWM이 Active high 가 되는 순간 인터럽트 루틴을 이용하여 용량성 부하에서는 PWM 카운트 최대치를 감소시켜 출력 주파수를 끌어 올리고, 유도성 부하에서는 PWM 카운트 최대치를 높여 출력 주파수를 낮추게 되면, 공진 주파수 영역에서 주파수 증감이 멈추도록 한 것을 특징으로 한다.

실시예에서, 상기 션트(Shunt) 저항은 과전류 검출회로와 전류극성 검출회로로 병행 사용하도록 한 것이다.

실시예에서, 상기 션트(Shunt) 저항 사용시 션트 저항에 의한 손실을 반으로 줄이면서 전류를 검출하기 위하여, 직렬공진 시 동일 캐패시턴스 용량으로 하프-브릿지로 설계하여 공진 전류의 반만 하단 션트 저항 쪽으로 흘러서 션트 저항을 키우고 손실 전력을 줄이는 것이다.

본 발명의 바람직한 효과에 따르면, 유도 가열 조리기에 적용할 경우, 유도가열조리기의 부대 비용 증가 없이 출력 효율을 최대로 끌어올리는 것이 가능하므로 경제적으로 품질을 극대화시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 저가형 마이크로 컨트롤러를 사용하더라도 연산 부담이 크지 않아 기존 보조 기능 예컨대, 외부 입출력(I/O) 처리, 출력 디스플레이(display) 기능 및 별도의 통신을 위한 동작에 영향을 주지 않으면서 공진 주파수 추종을 가능하므로, 제품설계 편의성을 제공하는 장점이 있다.

그리고, 마이크로 컨트롤러가 출력 주파수를 알 수 있으므로, 알루미늄 재질이나 조리기가 없는 개방상태를 빠르게 감지하여 시스템 보호가 가능하므로, 종래에 비해서 더욱더 제품안정성을 극대화시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 공진주파수 추종방법을 설명하기 위한 회로도.
도 2는 본 발명에 따른 공진주파수 추종방법에서 주파수 대 임피던스를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 공진주파수 추종방법에서 비교기 출력을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 공진주파수 추종방법을 나타낸 순서도.
도 5는 본 발명에 따른 공진주파수 추종방법에서 션트(shunt) 저항에 의한 손실을 반으로 줄이면서 전류를 검출하는 방법을 설명하기 위한 회로도.
도 6은 본 발명에 따른 공진주파수 추종방법을 실험하기 위하여 PowerSim 9.0을 이용하여 시뮬레션을 진행한 결과를 나타낸 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

본 발명은 유도가열시스템과 비접촉 전원공급장치를 비롯한 다양한 분야에서 공진주파수 추종방법을 적용할 수 있지만, 명확한 설명을 위해서 유도가열시스템에 적용된 경우를 예시하고자 한다.

예시된 본 발명은 유도가열시스템에서 공진회로에 전류의 극성(Polarity) 검출을 위한 Shunt 저항과 비교기와 제어를 위한 마이크로 컨트롤러를 구비하고, 션트저항과 비교기를 통하여 전류의 극성을 받은 마이크로 컨트롤러가 출력 공진 주파수의 가감을 수행함으로써 공진 주파수를 추종하는 방식이다.

본 발명은 종래에 사용되고 있는 유도 가열 조리기에서 전류 검출을 위한 저가의 Shunt 저항을 통하여 공진 전류의 극성이 양의 전류인지 음의 전류인지를 비교기를 통하여 디지털 신호로 변환하여 저가형 마이크로 컨트롤러의 출력 주파수를 가감하는 방법으로 유도 가열 조리기의 공진 주파수를 빠르게 추종하는 방식이다.

간단한 추가회로와 연산 부담을 늘리지 않으면서 빠르게 공진 주파수를 추종이 가능하며, 전류 검출을 위해 션트(Shunt) 저항을 구비하며, 이 션트저항은 과전류 보호동작을 위한 회로도 추가 사용이 가능하므로 부수적인 비용증가 없이 공진 추종이 가능하게 된다.

먼저, 도 1과 같이 코일과 콘덴서를 직렬로 연결한 직렬 공진 회로에서 직류접지(DC ground) 방향으로 션트(Shunt) 저항(R_shunt)을 직렬로 연결한 다음 전류에 의해 저항 양단에 걸린 전압을 비교기(Comp)를 통하여 양의 전류면 하이(High)인 1과 음의 전류이면 로우(Low)인 0으로 출력하도록 만든다. 이렇게 생성된 신호는 마이크로 컨트롤러의 I/O 핀(V_comp)으로 입력되도록 설계한다.

마이크로 컨트롤러(DLL)에서는 단상 하프 브리지를 위한 PWM(Pulse Width Modulation)을 암 단락 방지를 위해 데드 타임(Deadtime)을 주고 임의의 값을 가진 주파수를 발생시킨다. 그리고, 이때 출력 duty는 50%를 유지하도록 한다.

직렬공진 회로의 공진 특성은 도 2와 같이 나타낼 수 있다.

공진 주파수보다 낮은 주파수 영역에서는 캐패시터(Capacitor)에 의한 용량성 부하 (Capacitance Load) 특성이 보이고, 공진 주파수보다 높은 영역에서는 인덕턴스(Inductor)에 의한 유도성 부하(Inductive load) 특성을 보이게 된다.

따라서, 임의의 주파수에서 션트 저항에 흐르는 전압 극성은 도 3에서 보는 바와 같이 상단 PWM이 액티브 하이(Active High) 시 비교기 출력은 용량성 부하에서는 전류가 앞서게(Leading) 되므로 High 인 1의 값을 갖게 되고, 유도성 부하에서는 유도성 부하에 의해 전류가 뒤처지게(Lagging) 되므로 로우(Low)인 0의 값을 갖게 된다.

마이크로 컨트롤러는 상단 출력 PWM이 액티브 하이가 되는 순간 인터럽트 루틴을 이용하여 용량성 부하에서는 PWM 카운트 최대치를 감소시켜 출력 주파수를 끌어 올리고, 유도성 부하에서는 PWM 카운트 최대치를 높여 출력 주파수를 낮추게 되면, 공진 주파수 영역에서 주파수 증감이 멈추게 된다.

이러한 방법으로 빠르고 간단하게 공진 주파수 추종이 가능하게 된다.

또한, PWM 카운트 최대치를 마이크로 컨트롤러가 알고 있으므로, 출력 주파수를 인지하여 특수 재질(예를 들어, 알루미늄과 같은 재질)을 이용하여 시스템 보호가 가능하다.

그리고, 극성 검출로 사용된 션트 저항은 과전류 검출 회로로 사용이 가능하므로 회로의 재사용이 가능하여 효율적인 설계가 가능해진다.

도 4는 상술한 바와 같은 시스템구성요소를 이용하여 공진주파수 추종방법을 정리한 흐름도이다.

제 1 단계(S11)로서, 마이크로컨트롤러는 상단스위치(IGBT_H)의 PWM 상승시, 인터럽트 서비스 루틴(interrupt service routine)을 시작한다.

제 2 단계(S12)로서, 션트(shunt)저항(R_shunt) 출력에 대한 비교기(Comp) 값을 입력한다.

제 3 단계(S13)로서, 마이크로컨트롤러는 전류가 0보다 큰지 여부를 판단하고, 가부에 따른 단계로 분기한다.

제 4 단계(S14)로서, 마이크로컨트롤러는 전류가 0보다 크면 상단스위치(IGBT_H)의 PWM 최대 카운트값을 감소시킨다.

제 5 단계(S15)로서, 마이크로컨트롤러는 전류가 0보다 크지 않으면 상기 상단스위치(IGBT_H)의 PWM 최대 카운트값을 증가시킨다.

제 6 단계(S16)로서, 마이크로컨트롤러는 출력 듀티(duty)를 50%로 재조정한다.

제 7 단계(S17)로서, 마이크로컨트롤러는 인터럽트 서비스 루틴(interrupt service routine)을 종료한다.

도 5는 션트 저항 사용시 션트 저항에 의한 손실을 반으로 줄이면서 전류를 검출하는 방법이다. 직렬공진 시 도 5 와 같이 동일 캐패시턴스 용량으로 하프-브릿지로 설계하게 되면 공진 전류의 반만 하단 션트 저항 쪽으로 흐르게 되어 션트 저항을 키우고 손실 전력을 줄이는 것 또한 가능하다.

위에서 살펴본 바와 같은 시스템구성과 이를 토대로 한 공진주파수 추종방법을 실험하였다.

실험조건을 살펴보면, 상술한 내용을 기반으로 전자회로 동작상태를 시뮬레이션할 수 있는 소프트웨어인 PowerSim 9.0을 이용하여 시뮬레이션을 진행하였다.

마이크로 컨트롤러 역할 부분은 DLL 파일을 이용하여 마이크로 컨트롤러와 동일하게 구성하였으며, C code를 이용하여 알고리즘을 구현하였다.

시뮬레이션 회로도는 도 1과 같이 구성하였고, 도 6은 시뮬레이션 결과이다.

시뮬레이션 결과인 도 6을 참조하면, 초기 임의 주파수에서 공진 주파수를 추종하다가 Tstep 후 추가적인 인덕턴스를 병렬로 연결하여 인덕턴스 변동을 주었을 때 다시 변경된 공진 주파수를 빠르게 추종하는 모습을 볼 수 있으므로, 상술한 공진주파수 추종방법이 위와 같은 해결하고자 하는 과제를 성취하였다는 점을 알 수 있다.

IGBT_H ; 상단스위치 IGBT_L ; 하단스위치
R_shunt; 션트저항 V_shunt; 션트전압
V_comp ; 비교기전압 comp ; 비교기

Claims

코일과 콘덴서를 직렬로 연결한 직렬 공진 회로에서 직류접지(DC ground) 방향으로 션트(Shunt) 저항(R_shunt)을 직렬로 연결한 다음 전류에 의해 저항 양단에 걸린 전압을 비교기(Comp)를 통하여 양의 전류면 하이(High)인 1과 음의 전류이면 로우(Low)인 0으로 출력하도록 구성하고, 이렇게 생성된 신호는 마이크로 컨트롤러의 I/O 핀(V_comp)으로 입력되도록 설계하며, 마이크로 컨트롤러(DLL)에서는 단상 하프 브리지를 위한 PWM(Pulse Width Modulation)을 암 단락 방지를 위해 데드 타임(Deadtime)을 주고 임의의 값을 가진 주파수를 발생시키도록 한 공진주파수 추종방법에 있어서,
임의의 주파수에서 션트 저항에 흐르는 전압 극성은 상단 PWM이 액티브 하이(Active High) 시 비교기 출력은 용량성 부하에서는 전류가 앞서게(Leading) 되므로 하이(High)인 1이 되고, 유도성 부하에서는 유도성 부하에 의해 전류가 뒤처지게(Lagging) 되므로 로우(Low)인 0이 되며;
상기 마이크로 컨트롤러는 상단 출력 PWM이 액티브 하이 가 되는 순간 인터럽트 루틴을 이용하여 용량성 부하에서는 PWM 카운트 최대치를 감소시켜 출력 주파수를 끌어 올리고, 유도성 부하에서는 PWM 카운트 최대치를 높여 출력 주파수를 낮추게 되면, 공진 주파수 영역에서 주파수 증감이 멈추도록 하되,
상기 션트(Shunt) 저항은 과전류 검출회로와 전류극성 검출회로로 병행 사용하도록 하고,
상기 마이크로 컨트롤러는 PWM 카운트 최대치를 이용하여 출력 주파수를 인지하고, 출력 주파수를 통해 개방 상태의 감지가 가능한 공진주파수 추종방법.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 션트(Shunt) 저항 사용시 션트 저항에 의한 손실을 반으로 줄이면서 전류를 검출하기 위하여, 직렬공진 시 동일 캐패시턴스 용량으로 하프-브릿지로 설계하여 공진 전류의 반만 하단 션트 저항 쪽으로 흘러서 션트 저항을 키우고 손실 전력을 줄이는 것을 특징으로 하는 공진주파수 추종방법.