KR102231956B1 - 레이저구동장치 - Google Patents

Abstract

고주파전원(106)은, 입력이 뱅크콘덴서(104)와 접속되고, 레이저광원(2)에 교번전압(V_DRV)을 간헐적으로 공급한다. 충전전원(102)은, 고주파전원(106)의 휴지기간 중에 뱅크콘덴서(104)를 목표전압(V_REF)으로 충전한다.

Description

레이저구동장치

본 발명은 레이저구동장치에 관한 것이다.

산업용 가공툴로서, 레이저가공장치가 널리 보급되어 있다. 도 1은 레이저가공장치(1r)의 블록도이다. 레이저가공장치(1r)는, CO₂레이저 등의 레이저광원(2)과, 레이저광원(2)에 교류전력을 공급하여, 여진시키는 레이저구동장치(4r)를 구비한다. 레이저구동장치(4r)는, 직류전원(6) 및 고주파전원(8)을 구비한다. 직류전원(6)은, PID(Proportional-Integral-Differential)제어나 PI제어 등을 이용한 피드백제어에 의하여 그 출력인 직류전압(V_DC)을 목푯값으로 안정화시킨다. 고주파전원(8)은, 직류전압(V_DC)을 받아, 그것을 교번전압으로 변환하여, 부하인 레이저광원(2)에 공급한다.

드릴용 레이저가공장치(1r)에 있어서, 레이저광원(2)는 불연속운전한다. 즉, 비교적 짧은 수마이크로~10마이크로초 정도의 발광기간과, 그것과 동일한 정도, 혹은 짧거나, 혹은 긴 휴지(休止)기간이 교대로 반복된다. 레이저광원(2)의 출력에너지를 안정화시키기 위해서는, 직류전압(V_DC)이 소정의 허용변동범위에 들어가야 한다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2015-100029호

도 2는 도 1의 레이저가공장치(1r)의 동작파형도(動作波形圖)이다. 본 명세서에 있어서 참조하는 파형도나 타임차트의 세로축 및 가로축은, 이해를 용이하게 하기 위하여 적절히 확대, 축소한 것이며, 또 나타나는 각 파형도, 이해의 용이를 위하여 간략화되거나, 혹은 과장 혹은 강조되어 있다.

레이저광원(2)의 점등, 소등에 따라, 고주파전원(8)은 동작기간과 휴지기간을 반복한다. 고주파전원(8)이 휴지기간으로부터 동작기간으로 이행할 때에, 직류전원(6)에 있어서 피드백의 응답지연이 발생하여, 직류전압(V_DC)이 저하되고, 허용변동범위로부터 벗어날 우려가 있다. 고주파전원(8)의 동작기간으로부터 휴지기간으로 이행했을 때에, 피드백지연에 의하여 직류전압(V_DC)이 상승하여, 허용변동범위로부터 벗어날 우려가 있다.

또 다른 가공으로 전환할 때에, 직류전압(V_DC)의 목푯값을 전환하는 경우가 있다. 여기에서도 직류전원(6)의 응답속도가 느리면, 직류전압(V_DC)이 다음의 목푯값에 도달할 때까지의 전이시간이 길어진다. 전이시간 동안에는, 레이저광원(2)을 발광시킬 수 없기 때문에, 가동률의 저하의 요인이 된다.

본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 일 양태의 예시적인 목적의 하나는, 출력에너지를 안정화 가능한 레이저구동장치의 제공에 있다.

본 발명이 일 양태는 레이저구동장치에 관한 것이다. 레이저구동장치는, 뱅크콘덴서와, 입력이 뱅크콘덴서와 접속되고, 레이저광원에 교번전압을 간헐적으로 공급하는 고주파전원과, 고주파전원의 휴지기간에 뱅크콘덴서를 목표전압으로 충전하는 충전회로를 구비한다.

이 양태에서는, 뱅크콘덴서가 고주파전원에 전력을 공급하는 전원으로서 작동한다. 충전전원에 의한 뱅크콘덴서의 충전기간 중, 고주파전원은 정지되어 있고, 따라서 충전전원은 실질적으로 무부하의 상태가 된다. 따라서 부하변동 중에 전압을 안정화시킬 필요가 있는 종래의 직류전원에 비하여, 단시간에 안정적으로, 뱅크콘덴서의 전압을 목표전압으로 충전할 수 있어, 출력에너지를 안정화시킬 수 있다.

충전전원은, 제1 승압컨버터를 포함해도 된다.

제1 승압컨버터는, 불연속모드로 동작해도 된다. 이 경우, 1회의 스위칭에 의하여 뱅크콘덴서에 공급되는 전하량을, 온(ON)시간과 리액터의 인덕턴스, 컨버터의 입력전압에 따라 정확하게 제어하는 것이 가능해져, 뱅크콘덴서의 전압을 정확하게 제어 가능해진다.

충전전원은, 리액터의 인덕턴스가 제1 승압컨버터보다 작은 제2 승압컨버터를 더 포함해도 된다. 이로써, 제1 승압컨버터에 의하여, 뱅크콘덴서를 낮은 정밀도로 급속히 충전하고, 제2 승압컨버터에 의하여 뱅크콘덴서를 높은 정밀도로 정확하게 충전할 수 있어, 뱅크콘덴서의 전압을 한층, 목표전압으로 접근시키는 것이 가능해진다.

제1 승압컨버터에 의한 뱅크콘덴서의 충전동작 후에, 제2 승압컨버터에 의한 뱅크콘덴서의 충전동작으로 이행해도 된다.

제1 승압컨버터는 다이오드정류형이며, 제2 승압컨버터는 동기정류형이어도 된다. 제2 승압컨버터는, 충전 및 방전이 가능해져, 뱅크콘덴서의 전압의 보다 정밀한 조절이 가능해진다.

충전전원은, 제1 승압컨버터의 온시간을, 수치연산에 의하여 구해도 된다. 충전개시 전의 뱅크콘덴서의 전압과, 그 목표전압의 차분으로부터, 뱅크콘덴서에 공급해야 할 전하량을 계산할 수 있고, 나아가서는 온시간을 계산할 수 있다. 이로써 PI제어나 PID제어가 불필요해져, 응답지연이 작아진다.

다만, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나 본 발명의 구성요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템 등 간에서 서로 치환한 것도 또한, 본 발명의 양태로서 유효하다.

본 발명이 일 양태에 의하면, 출력에너지를 안정화시킬 수 있다.

도 1은 레이저가공장치의 블록도이다.
도 2는 도 1의 레이저가공장치의 동작파형도이다.
도 3은 실시형태에 관한 레이저가공장치의 블록도이다.
도 4는 도 3의 레이저가공장치의 동작파형도이다.
도 5는 도 2의 충전전원의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 6은 제1 승압컨버터의 동작파형도이다.
도 7은 도 5의 충전전원의 동작파형도이다.

이하, 본 발명을 적합한 실시형태를 바탕으로 도면을 참조하면서 설명한다. 각 도면에 나타나는 동일 또는 동등한 구성요소, 부재, 처리에는, 동일한 부호를 붙이는 것으로 하고, 적절히 중복된 설명은 생략한다. 또, 실시형태는, 발명을 한정하는 것이 아니라 예시로서, 실시형태에 기술되는 모든 특징이나 그 조합은, 반드시 발명의 본질적인 것이라고는 할 수 없다.

도 3은 실시형태에 관한 레이저가공장치(1)의 블록도이다. 레이저가공장치(1)는, 레이저광원(2) 및 레이저구동장치(100)를 구비한다. 레이저광원(2)은, 예를 들면 CO₂레이저이다. 레이저구동장치(100)는, 레이저광원(2)에 교류전력을 공급하여, 여진시킨다.

레이저구동장치(100)는, 충전전원(102), 뱅크콘덴서(104), 고주파전원(106)을 구비한다. 고주파전원(106)은, 그 입력(108)이 뱅크콘덴서(104)와 접속되고, 그 출력이 레이저광원(2)에 접속되어 있다. 고주파전원(106)은, 뱅크콘덴서(104)에 발생하는 직류전압(V_DC)을 받아, 레이저광원(2)에 교번전압(구동전압)(V_DRV)을 간헐적으로 공급한다. 즉, 레이저광원(2)의 발광기간에 있어서 고주파전원(106)은 스위칭동작하여, 레이저광원(2)의 소등기간일 때에 고주파전원(106)의 스위칭은 정지한다. 고주파전원(106)이 스위칭하는 기간을 동작기간, 스위칭이 정지하는 기간을 휴지기간이라고 한다. 고주파전원(106)의 구성은 특별히 한정되지 않고, 공지 기술을 이용하면 된다.

뱅크콘덴서(104)는, 그 단일체로 고주파전원(106)에 전력을 공급하는 축전디바이스와 같은 직류전원이라고 파악할 수 있다. 충전전원(102)은, 고주파전원(106)의 휴지기간 중에 뱅크콘덴서(104)를 목표전압(V_REF)으로 충전한다. 고주파전원(106)의 동작기간 중에는, 뱅크콘덴서(104)로의 충전이 정지되기 때문에, 뱅크콘덴서(104)의 전압(V_DC)은, 고주파전원(106)에 의한 방전에 의하여 저하된다. 따라서 뱅크콘덴서(104)의 용량은, 고주파전원(106)에 의한 방전의 과정에 있어서도, 직류전압(V_DC)이 허용범위를 하회하지 않도록 설계된다.

이상이 레이저가공장치(1)의 구성이다. 계속해서 그 동작을 설명한다. 도 4는 도 3의 레이저가공장치(1)의 동작파형도이다. 고주파전원(106)은, 5kHz 정도의 반복주파수, 듀티비 5% 정도로 간헐동작한다. 고주파전원(106)의 동작기간 중에 있어서, 뱅크콘덴서(104)가 고주파전원(106)에 전력을 공급하는 전원으로서 작동한다. 이 동안, 충전전원(102)은 정지되어 있고, 방전에 의하여 뱅크콘덴서(104)의 직류전압(V_DC)은 저하된다. 단, 뱅크콘덴서(104)의 용량은 충분히 크기 때문에, 직류전압(V_DC)은 허용전압범위를 하회하지 않는다.

고주파전원(106)의 동작이 정지되고, 휴지기간에 들어가면, 충전전원(102)에 의한 뱅크콘덴서(104)의 충전이 개시되어, 뱅크콘덴서(104)가 목표전압(V_REF)으로 충전된다. 레이저가공장치(1)는 이 동작을 반복한다.

이상이 레이저가공장치(1)의 동작이다. 계속해서 그 이점을 설명한다.

도 1의 레이저가공장치(1r)에서는, 직류전원(6)은 상시동작되고 있고, 따라서 그 부하는 동작 중에 크게 변동되고 있으며, 이것이 출력전압(V_DC)의 변동의 요인이 되고 있었다. 이에 반하여 도 3의 레이저가공장치(1)에서는, 충전전원(102)에 의한 뱅크콘덴서(104)의 충전기간 중, 고주파전원(106)은 정지되어 있어, 충전전원(102)은 실질적으로 무부하의 상태가 된다. 즉 부하변동이 발생하지 않는 정적인 상태에서, 뱅크콘덴서(104)를 충전하게 된다. 따라서 부하변동 중에 전압을 안정화시킬 필요가 있는 도 1의 직류전원(6)에 비하여, 단시간에 안정적으로, 뱅크콘덴서(104)의 전압(V_DC)을 목표전압(V_REF)으로 충전할 수 있고, 나아가서는 출력에너지를 안정화시킬 수 있다.

본 발명은, 도 3의 블록도나 회로도로서 파악되거나, 혹은 상술한 설명으로부터 유도되는 다양한 장치, 회로에 이르는 것이며, 특정한 구성에 한정되는 것은 아니다. 이하, 본 발명의 범위를 좁히기 위해서가 아닌, 발명의 본질이나 회로동작의 이해를 돕고, 또 그것을 명확화하기 위하여, 보다 구체적인 구성예나 실시예를 설명한다.

도 5는 도 2의 충전전원(102)의 구성예를 나타내는 블록도이다. 충전전원(102)은, 정류평활화회로(110), 제1 승압컨버터(112), 제2 승압컨버터(114)를 구비한다. 정류평활화회로(110)는, 상용교류전압(V_AC)을 받아, 그것을 정류, 평활화하여, 직류전압(V_IN)을 생성한다. 예를 들면 상용교류전압(V_AC)은, 3상(相) 220V이며, 직류전압(V_IN)은 300V이다.

뱅크콘덴서(104)의 전압(V_DC)의 목표전압(V_REF)은, 예를 들면 500V이다. 제1 승압컨버터(112)는, 직류전압(V_IN)을 받아, 뱅크콘덴서(104)에 충전전류(I_CHG1)를 공급한다. 제1 승압컨버터(112)는, 뱅크콘덴서(104)를 급속히 충전한다. 제1 승압컨버터(112)는, 리액터(L1), 스위칭트랜지스터(M1), 정류다이오드(D1)를 구비하는 다이오드정류형이다. 이 제1 승압컨버터(112)가 생성하는 충전전류(I_CHG1)는, 뱅크콘덴서(104)를 충전하는 방향으로만 흐른다.

제2 승압컨버터(114)는, 뱅크콘덴서(104)를, 제1 승압컨버터(112)보다 높은 정밀도로 정확하게 충전하기 위하여 마련된다. 제2 승압컨버터(114)는, 리액터(L2), 스위칭트랜지스터(M2), 동기정류트랜지스터(M3)를 구비하는 동기정류형이다. 이 제2 승압컨버터(114)가 생성하는 충전전류(I_CHG2)는, 뱅크콘덴서(104)를 충전하는 방향뿐만 아니라, 그것을 방전하는 방향으로도 흐르는 것이 가능하다. 전압(V_DC)이 목푯전압(V_REF)을 초과한 경우에는, 제2 승압컨버터(114)에 의하여, 전압(V_DC)을 낮추는 방향으로 미세조절 가능해진다.

제1 승압컨버터(112)와 제2 승압컨버터(114)의 병용에 의하여, 제1 승압컨버터(112)에 의하여 뱅크콘덴서(104)의 전압(V_DC)을 단시간에 목표전압(V_REF)로 접근시키고, 제2 승압컨버터(114)에 의하여 높은 정밀도로, 전압(V_DC)을 목표전압(V_REF)으로 더 접근시켜 안정화시킬 수 있다.

여기에서 제1 승압컨버터(112)는, 뱅크콘덴서(104)를 급속충전할 필요가 있고, 1회의 스위칭동작으로, 가능한 한 많은 전류(I_CHG1)를 뱅크콘덴서(104)에 공급할 것이 요구된다. 따라서 리액터(L1)의 인덕턴스는, 큰 값이 선택된다.

충전전하량은, 충전전류의 시간적분량이다. 따라서 일정한 전하량을 충전하는 경우, 전류피크값이 높을수록, 충전펄스 시간폭은 짧아진다. 바꾸어 말하면, 인덕턴스가 작을수록, 충전속도가 빠르다. 제2 승압컨버터(114)는 수회의 스위칭동작으로, 뱅크콘덴서(104)의 전하를 재빠르게 미세조절할 것이 요구된다. 따라서 리액터(L2)의 인덕턴스는, 리액터(L1)의 그것보다 작은 값이 바람직하다.

도 6은 제1 승압컨버터(112)의 동작파형도이다. 바람직하게는 제1 승압컨버터(112)는, 불연속모드(Discontinuous Mode)로 동작하도록 제어된다. 스위칭트랜지스터(M1)의 온시간(T_ON1)일 때에, 리액터전류(I_L1)는, 식 (1)에 따라, 기울기 V_IN/L1에서 시간 t와 함께 증가한다.

I_L1=V_IN/L1×t …(1)

스위칭트랜지스터(M1)의 온시간을 T_ON1로 할 때, 리액터전류(I_L1)의 피크값(I_PEAK)는, 식 (2)가 된다.

I_PEAK=V_IN/L1×T_ON1 …(2)

스위칭트랜지스터(M1)가 오프(OFF)하면, 리액터전류(I_L1)는, 식 (3)에 따라, 기울기 (V_DC+Vf-V_IN)/L1에서 시간 t와 함께 감소한다. Vf는 정류다이오드(D1)의 순방향전압이다. 통상의 DC/DC컨버터이면, V_DC는 일정하다고 간주할 수 있지만, 도 5의 충전전원(102)에서는, 스위칭트랜지스터(M1)의 오프시간의 사이에, 전압(V_DC)이 증가해 가기 때문에, 기울기는 일정하지 않다. 단 여기에서는 설명의 용이화를 위하여, 전압(V_DC)은 일정한 것으로 가정한다.

I_L1=I_PEAK-(V_DC+Vf-V_IN)/L1×t …(3)

Vf를 무시하면, 식 (4)를 얻는다.

I_L1=I_PEAK-(V_DC-V_IN)/L1×t …(4)

도 6의 리액터전류(I_L1) 중, 해칭으로 표시한 부분이, 정류다이오드(D1)에 흐르고, 충전전류(I_CHG1)로서 뱅크콘덴서(104)에 공급된다. 전류불연속모드로 동작시킴으로써, 1회의 스위칭에 의하여 뱅크콘덴서(104)에 공급되는 전하량을, 온시간(T_ON)과 리액터(L1)의 인덕턴스, 컨버터의 입력전압(V_IN)에 따라 정확하게 제어하는 것이 가능해져, 뱅크콘덴서(104)의 전압(V_DC)을 정확하게 제어 가능해진다.

계속해서 컨버터의 제어방법에 대하여 설명한다.

충전전원(102)의 제1 승압컨버터(112)를, 종래와 동일하게 PID제어기나 PI제어기를 이용하여 제어하면, 연산비용이 많아지고, 또 지연의 요인이 된다. 따라서 본 실시형태에서는, 제1 승압컨버터(112)의 온시간(T_ON1)을, PID제어기 등에 의하지 않는 수치연산에 의하여 구하는 것으로 하고 있다. 또 제1 승압컨버터(112)는 1회만 스위칭하는 것으로 한다.

뱅크콘덴서(104)에 공급해야 할 전하량(ΔQ)은, 충전개시 전의 뱅크콘덴서(104)의 전압(V_INIT)와, 그 목표전압(V_REF)의 차분으로부터, 식 (5)에 따라 계산할 수 있다. C_BANK는, 뱅크콘덴서(104)의 용량이다.

ΔQ=C_BANK×(V_REF-V_INIT) …(5)

따라서, 도 6의 충전전류(I_CHG1)의 적분값이 ΔQ와 동일해지도록, 스위칭트랜지스터(M1)의 온시간(T_ON1)을 계산하면 된다.

ΔQ=∫I_CHG1dt=I_PEAK×T_D1/2=C_BANK×(V_REF-V_INIT) …(6)

구체적으로는, 이하와 같이 온시간(T_ON1)을 계산해도 된다. 정류다이오드(D1)에 전류(I_D1)(즉 충전전류(I_CHG1))가 흐르는 시간(T_D1)은, 식 (4)로부터 계산할 수 있고, 식 (7)로 나타난다.

T_D1=I_PEAK×L1/(V_DC-V_IN) …(7)

식 (7)을 식 (6)에 대입하면, 식 (8)을 얻는다.

I_PEAK×I_PEAK×L1/(V_DC-V_IN)/2=C_BANK×(V_REF-V_INIT) …(8)

식 (8)에 식 (2)를 대입하여, T_ON1에 대하여 풀면, 식 (9)를 얻는다.

T_ON1=√{2×L1×C_BANK×(V_REF-V_INIT)×(V_DC-V_IN)/V_IN ²} …(9)

이로써 PI제어나 PID제어가 불필요해져, 응답지연이 작아진다. 다만, 구체적인 연산식은 이에 한정되지 않는다.

도 7은 도 5의 충전전원(102)의 동작파형도이다. 고주파전원(106)의 휴지기간에 들어가면, 처음에 제1 승압컨버터(112)에 의한 뱅크콘덴서(104)의 급속충전동작이 행해진다. 계속해서, 제2 승압컨버터(114)의 트랜지스터(M2, M3)의 스위칭이 개시되어, 뱅크콘덴서(104)의 전압(V_DC)이 목표전압(V_REF)으로 더 접근할 수 있다.

제2 승압컨버터(114)에 대해서도, 제1 승압컨버터(112)와 동일하게, PID제어기 등에 의하지 않는 연산처리에 의하여, 스위칭트랜지스터(M2) 및 동기정류트랜지스터(M3)의 온시간을 결정해도 된다.

이상, 본 발명에 대하여, 몇 가지의 실시형태를 바탕으로 설명했다. 이들 실시형태는 예시이며, 이들의 각 구성요소나 각 처리프로세스의 조합에 다양한 변형예가 가능한 것, 또 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은 당업자에게 이해되는 바이다. 이하, 이러한 변형예에 대하여 설명한다.

도 5의 제1 승압컨버터(112)에 의한 충전에 의하여, 전압(V_DC)을 목푯값에 충분히 접근시키는 것이 가능한 경우, 제2 승압컨버터(114)를 생략해도 된다. 또 위의 설명에서는, 제1 승압컨버터(112)를 1회만 스위칭시키는 것으로 했지만, 2회 혹은 3회 정도, 스위칭시켜도 된다. 스위칭횟수는, 뱅크콘덴서(104)의 용량값과, 리액터(L1)의 인덕턴스에 따라 규정하면 된다.

또 충전전원(102)의 제1 승압컨버터(112)나 제2 승압컨버터(114)를, PID제어기에 의하여 제어해도 된다. 제1 승압컨버터(112)나 제2 승압컨버터(114)의 설계 시에는, 부하변동을 고려할 필요가 없기 때문에, 피드백루프를 무부하의 상태일 때에 안정되도록 설계하면 된다. 따라서, 도 1의 직류전원(6)보다 응답성을 높일 수 있다.

실시형태에 근거하여, 구체적인 어구를 이용하여 본 발명을 설명했지만, 실시형태는, 본 발명의 원리, 응용의 한 측면을 나타내고 있는 것에 지나지 않고, 실시형태에는, 청구범위에 규정된 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위에 있어서, 많은 변형예나 배치의 변경이 인정된다.

100…레이저구동장치
102…충전전원
104…뱅크콘덴서
106…고주파전원
110…정류평활화회로
112…제1 승압컨버터
114…제2 승압컨버터
L1, L2…리액터
M1…스위칭트랜지스터
산업상 이용가능성
본 발명은 레이저에 이용할 수 있다.

Claims (7)

1. 뱅크콘덴서와,
   입력이 상기 뱅크콘덴서와 접속되고, 레이저광원에 교번전압을 간헐적으로 공급하는 고주파전원과,
   상기 고주파전원의 휴지기간에 상기 뱅크콘덴서를 목표전압으로 충전하는 충전전원을 구비하고,
   상기 충전전원은 제1 승압컨버터와, 리액터의 인덕턴스가 상기 제1 승압컨버터보다 작은 제2 승압컨버터를 포함하며,
   상기 제1 승압컨버터는, 다이오드정류형이며, 상기 제2 승압컨버터는, 동기정류형인 것을 특징으로 하는 레이저구동장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 승압컨버터는, 불연속모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 레이저구동장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 승압컨버터에 의한 상기 뱅크콘덴서의 충전동작 후에, 상기 제2 승압컨버터에 의한 상기 뱅크콘덴서의 충전동작으로 이행하는 것을 특징으로 하는 레이저구동장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 충전전원은, 상기 제1 승압컨버터의 온시간을, PID(Proportional-Integral-Differential) 혹은 PI(Proportional-Integral) 제어에 의하지 않는 수치연산에 의하여 구하는 것을 특징으로 하는 레이저구동장치.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제

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