KR102444182B1 - 정현파 듀티 변조를 적용한 전자 바이브레이터 구동 알고리즘 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 전자 바이브레이터 구동 알고리즘에 있어서, 전자 바이브레이터에 인가되는 펄스의 파형이 정현파 함수를 순시값에 비례하여 변조시킨 것을 특징으로 하여, 과도한 부하 전류로 인한 전력 소자의 손상 및 전자 바이브레이터 장치의 고장을 예방하는 전자 바이브레이터 구동 알고리즘을 제공한다.

Description

정현파 듀티 변조를 적용한 전자 바이브레이터 구동 알고리즘 {ELECTRONIC HAMMER DRIVING ALGORITHM FOR SINUSOIDAL DUTY MODULATION METHOD}

본 발명은 이송설비에 적용되는 전자 바이브레이터 구동 알고리즘에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생산 공정 이송 설비에서 사용되는 분말 또는 입자상의 분체로 된 여러 가지의 용해 또는 연소물질을 저장, 공급하는 슈트, 호퍼, 이송라인 등의 이송설비 내부에 분체가 배출구 주변이나 이송라인의 관로 내부에 흡착되어 응고되는 통로가 좁아지거나 막히는 현상을 제거 및 방지하기 위한 방식으로 전자 바이브레이터를 구동할 때 정현파 듀티 변조를 적용하여 분체의 유동성을 안정적이며 지속적으로 유지시켜 분체의 배출과 공급을 원활하게 이루어 질 수 있게 할 수 있는 전자 바이브레이터 구동 알고리즘에 관한 것이다.

일반적으로 석유화학공장 이송 설비 등에서 사용되는 분말이나 입자 상의 분체로 된 물질을 저장, 공급하는 각종 슈트, 호퍼, 이송 배관 설비를 구성함에 있어서, 파우더 등의 물질은 이송 설비의 배출구와 이송 배관 등을 통하여 이송되는 형식을 취하고 있다.

그러나, 종래의 설비의 경우, 분체 형태의 여러 가지 물질을 지속적으로 다량 투입 및 저장하고, 이를 이송 설비를 통하여 공급할 때, 설비에 투입되는 분체가 습기 또는 정전기 등 자체 물성으로 인하여 서로 뭉쳐져 덩어리 형태가 되어 유동성이 저하된다. 또한, 설비 하부의 경사진 배출구 주위에는 덩어리 상태로 뭉쳐진 분체가 몰입되어 경사진 배출구가 좁아지거나 심한 경우 경사진 배출구 하부의 좁은 부위가 막히게 되는 경우가 발생하고, 이에 따라 분체의 배출이 원활하지 못하여 공급에 차질을 주는 문제점이 발생하였다.

아울러, 장시간 설비에 분체를 투입, 저장 시 배출구 하부 측에 위치하는 분체는 상당한 압력을 받게 되고, 분체 배출 시 중앙 및 측방 부위의 배출 유속 차이가 발생하여, 이로 말미암아 중앙 부위에서 측방 부위로 전단압력이 가해지게 되므로, 분체가 배출구 쪽으로 압력을 받는다. 이는 분체가 정체되고 배출구 쪽 벽면에 흡착되는 문제점이 있다.

또한, 이러한 현상이 장시간 계속 진행되면 분체 흡착층의 두께가 점진적으로 증가하여 배출구의 통로가 좁아지게 되고, 이러한 현상이 지속될 경우에는 배출구가 막히게 되는 현상도 발생한다. 배출구가 막히면 분체의 배출, 이송이 불가능해지는 현상도 발생하여 공장 가동에 막대한 지장과 피해를 주게 되는 요인으로 나타나고 있다.

따라서, 이를 방지하기 위해 많은 인력과 비용을 투입하여 수시로 점검하면서 분체의 흡착층을 제거하고, 배출구 쪽에 적체되어 있는 분체를 파쇄하여 주는 등의 작업이 필요하다. 하지만 지속적인 설비 내부 정비 및 청소작업은 경제적인 부담이 뒤따르는 문제점을 가지고 있다.

이를 해결하기 위하여, 이송설비에 에어 노커, 전자 바이브레이터 등을 부착하여, 분체를 파쇄, 분산시켜 줌으로써, 분체가 이송설비 내측에 흡착하거나 뭉치지 않도록 하는 기술이 개발되고 있다.

이 중, 전자 바이브레이터는 펄스 폭 제어방식을 통해 대상 설비에 맥동 형식의 타격량을 발생시키는 방법이 사용되고 있으며, 정밀한 전자 제어 방식을 적용하여 그 효율성과 안정성이 다른 방식에 비해 우수한 것으로 알려져 있다.

종래에 사용되고 있는 펄스 제어 방식은 기계 가동부의 특성상 동작 주파수가 낮으면 기동 시 과도한 전류가 흐르게 된다. 이러한 이유는 전자 바이브레이터가 초기에는 정지상태이기 때문에 이를 움직이기 위한 기동 전류가 크게 발생하기 때문이다. 이에 따라 구동 전력 소자에 과도한 순간 피크 전류 발생 등 심각한 영향을 주게 되고, 기계 가동부에 발열이 축적되어 동작성능이 열화되는 문제점이 발생한다. 따라서 이러한 전자 바이브레이터의 기동 전류 특성을 고려하여 안전하게 동작할 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다.

앞서 상술한 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 일 실시 예로써, 구동부; 상기 구동부에 펄스를 인가하는 펄스 발생부; 및 상기 펄스 발생부의 펄스를 제어하는 펄스 제어부;를 포함하며, 상기 펄스 제어부는 상기 펄스의 듀티사이클을 정현파 함수 v(θ) =

sinθ ( 0 < θ < 180˚)의 순시값에 따라 가변시키는 구동 알고리즘을 포함하는 전자 바이브레이터를 제공한다.

본 발명의 다른 일 실시 예로써, 상기 전자 바이브레이터는 EI 결합코어 구조를 더 포함하는 전자 바이브레이터를 제공한다.

본 발명의 다른 일 실시 예로써, 상기 구동부는 아이지비티(IGBT) H-브리지 회로를 포함하는 전자 바이브레이터를 제공한다.

본 발명의 다른 일 실시 예로써, 상기 구동부에 인가되는 펄스는 상기 아이지비티(IGBT) H-브리지 회로의 게이트에 바이폴라 방식으로 펄스가 인가되는 전자 바이브레이터를 제공한다.

본 발명의 다른 일 실시 예로써, 상기 정현파 함수에 의해 가변된 듀티사이클에서 초기 듀티사이클은 최대 듀티사이클의 5~15%인 전자 바이브레이터를 제공한다.

본 발명의 다른 일 실시 예로써, 상기 전자 바이브레이터의 동작주파수는 30 내지 55 Hz인 전자 바이브레이터를 제공한다.

본 발명의 다른 일 실시 예로써, 상기 전자 바이브레이터 구동 시 전류 동작 구간은 전류 가변 구간 및 전류 유지 구간을 포함하는 전자 바이브레이터를 제공한다.

본 발명의 다른 일 실시 예로써, 상기 전류 가변구간 대비 전류 유지구간의 동작시간 비는 1:1 ~ 1:2인 전자 바이브레이터를 제공한다.

본 발명의 다른 일 실시 예로써, 상기 전류 가변 구간에서의 전기량은 상기 전류 유지 구간의 전기량 대비 70~90%인 전자 바이브레이터를 제공한다.

본 발명에 따르면, 이송설비 내측에 분체의 흡착이나 뭉침 현상이 방지되어 경사진 배출구가 좁아지거나 막히는 현상이 전혀 발생하지 않을 수 있고, 설비의 유동성을 향상, 유지시켜 분체를 설비에서 이송라인으로 원활하게 이송하고 공급할 수 있다.

또한, 전자 바이브레이터 사용 시 듀티 변조된 정현파를 이용함으로써 전자 바이브레이터의 고장률을 낮추는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 전자 바이브레이터 구동 알고리즘의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 자속을 발생시키는 EI 결합코어 구조를 나타낸 것이다.
도 3은 EI 결합코어 구조가 결합된 전자 바이브레이터를 나타낸 것이다.
도 4는 아이지비티(IGBT) 브리지 회로를 나타낸 것이다.
도 5은 본 발명의 전자 바이브레이터 구동 알고리즘 중 임베디드 콘트롤러의 구성을 나타낸 것이다.
도 6은 펄스발생부의 구성을 나타낸 것이다.
도 7은 펄스제어부의 구성을 나타낸 것이다.
도 8는 전자 바이브레이터에 인가되는 펄스를 나타낸 것이다.
도 9은 종래의 정현파 폭 변조(PWM)를 나타낸 것이다.
도 10은 정현파 함수의 순시값에 비례하여 가변시키는 정현파 폭 변조를 나타낸 것이다.
도 11는 함수발생부에서 발생시킨 정현파 신호의 개략도이다.
도 12은 전자 바이브레이터에 인가되었을 때 전류량의 파형을 오실로스코프로 측정한 것을 나타낸 개략도이다.
도 13는 마이크로 콘트롤러에서 본 발명의 정현파 폭 변조(sinusoidal pulse width modulation, sPWM) 방식으로 제어했을 때의 펄스를 오실로스코프로 실제 측정한 것이다.
도 14는 마이크로 콘트롤러에서 종래의 펄스 폭 변조(pulse width modulation, PWM) 방식으로 제어했을 때의 펄스를 오실로스코프로 실제 측정한 것이다.

이하, 본 발명을 통상의 기술자가 실시할 수 있도록 도면을 활용하여 상세히 설명하도록 한다. 단, 하기 설명한 내용은 본 발명의 일 실시예로써 이에 국한되는 것은 아니며, 상황에 따라 변경, 조합 등이 가능하다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 전자 바이브레이터(100); 상기 전자 바이브레이터(100)를 구동시키는 구동부(200); 임베디드 컨트롤러(300) 및 전원공급부(400)를 포함할 수 있다.

상기 전자 바이브레이터(100)를 구동하기 위해서, 사용자가 원하는 형태의 펄스가 입력되면, 임베디드 컨트롤러(300)에서는 발생한 펄스를 제어함으로써 사용자가 원하는 형태의 펄스가 구동부(200)로 인가될 수 있도록 하고, 구동부(200)는 임베디드 컨트롤러(300)에서 인가된 펄스의 형태에 따라서 전자 바이브레이터(100)를 구동시킨다. 전원 공급부(400)는 일반적인 단상 교류 전원을 정류하여 직류 전원을 발생시키는 역할을 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전자 바이브레이터(100)는 E형 코어(101) 및 I형 코어(102)를 포함하는 EI 결합코어를 포함할 수 있다.

상기 적층된 얇은 강판의 모양이 'E'모양인 것을 E형 코어(101), 'I'모양인 것을 I형 코어(102)라고 하며, 상기 E형 및 I형 코어로 이루어진 구조를 EI 결합코어 구조라고 한다.

상기 E형 코어(101)와 I형 코어(102)의 사이에는 일정한 간격이 존재하고 E형 코어(101)에 전선이 감긴 형태인 권선(103)에 전류를 교번하여 흐르게 하면 자속이 발생하게 된다. 이 때 발생한 자속에 의해 E형 코어(101)는 I형 코어(102)를 흡인 또는 분리하게 되며, 전류를 교번하여 주면 E형 코어(101)는 I형 코어(102)의 흡인과 분리를 반복하게 된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 흡인과 분리를 반복하는 전자기력 현상을 기계적 에너지로 변환시키기 위해, 상기 E형 코어(101)와 I형 코어(102)는 제1 스프링(104)으로 연결되어 있고, 전자 바이브레이터가 장비에 부착되는 부분인 장비부착판(107)과 E형 코어(101)도 제2 스프링(105)으로 연결되어 있다. 또한, 하우징(106)은 I형 코어(102)를 수용함으로써, I형 코어(102)를 고정시키는 역할을 한다.

이에 따라, E형 및 I형 코어(101, 102)에 흡인 및 분리의 전자기력 현상이 일어나면, 상기 제1 스프링(104) 및 제2 스프링(105)이 압축되거나 이완된다. 따라서, 상기 전자 바이브레이터(100)에 전류를 교번시키면 전자 바이브레이터(100)는 진동할 수 있다.

또한, 전자 바이브레이터(100)의 물리적인 충격량은 E형 코어(101)의 권선(103)에 주기적으로 전기에너지를 공급함으로써 얻을 수 있다. 그러나, 적절한 구동 알고리즘을 적용하지 않으면 EI 결합코어 구조에 전류가 과도하게 흐르는 문제가 발생할 수 있어 효율적인 운동에너지를 얻기 어렵다.

상기 구동부(200)에는 브리지 회로부가 포함될 수 있다. 도 4는 상기 브리지 회로부의 일 실시 형태인 아이지비티(IGBT) H-브리지 방식을 도시한 것이다. 상기 아이지비티(IGBT) H-브리지 방식은 4개의 게이트(G1, G2, G3, G4)에 펄스를 인가하는 방법으로 출력 특성 면에서 바이폴라 트랜지스터 이상의 전류능력을 지니고 있고 입력 특성면에서도 게이트 구동 특성을 갖기 때문에 고속의 스위칭이 가능하다.

도 5에 도시된 바와 같이, 임베디드 컨트롤러(300)는 펄스 발생부(310), 펄스 제어부(320), 설정출력 입력부(330) 및 마이크로콘트롤러(340)의 기능을 포함할 수 있다.

여기에서 펄스 발생부(310)는 펌웨어로 구현되며, 가변저항을 사용하여 주파수를 가변시킬 수 있으며, 10~150Hz의 가변 주파수를 가진 펄스를 발생시킬 수 있다.

구체적으로 펄스 발생부(310)에서는 (+) 성분과 (-) 성분이 있는 펄스가 마이크로 컨트롤러(340)의 제어의 의해서 발생하고, 하기에서 설명할 펄스 제어부(320)를 통해 제어된 공급파형이 발생된다. 상기의 공급파형은 구동부(200)로 이동하여 전자 바이브레이터를 동작시킬 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이 상기 펄스 발생부(310)는 공급파형 발생부(311)와 함수 발생부(312)를 포함할 수 있다.

공급파형 발생부(311)에서는 마이크로 컨트롤러(340)의 제어의 의해 (+) 성분과 (-) 성분이 있는 펄스가 발생하며, 함수 발생부(312)에서는 상기 발생한 펄스를 순시값에 따라 가변시킬 수 있는 정현파 신호를 발생시킨다.

도 7에 도시된 바와 같이, 상기 펄스 제어부(320)는 PWM 주파수 제어부(321), PWM 듀티사이클 제어부(322), sPWM 주파수 제어부(323) 및 sPWM 듀티사이클 제어부(324)로 구성될 수 있다.

PWM 주파수 제어부(321)와 PWM 듀티사이클 제어부(322)는 공급파형 발생부(311)에서 발생하는 펄스의 주파수와 듀티사이클을 제어하는 것으로, 마이크로 컨트롤러(340)의 제어신호에 의해 구동된다.

sPWM 주파수 제어부(321)에서는 함수 발생부(312)에서 발생한 정현파 신호의 주파수를 제어한다.

sPWM 듀티사이클 제어부(324)에서는 공급파형 발생부(311)에서 발생한 펄스의 듀티사이클을 함수 발생부(312)에서 발생한 정현파 신호의 순시값에 따라 가변시킬 수 있으며, 구체적으로는 상기 펄스의 듀티사이클 중 온 듀티사이클의 크기를 정현파 신호의 순시값에 따라 가변시킬 수 있다.

도 8은 PWM 주파수 제어부(321)와 PWM 듀티사이클 제어부(322)에 의해 제어된 펄스의 파형을 도시한 것으로, (a)는 제어된 펄스의 파형을, (b)는 (a)를 거시적으로 도시한 것이다. 여기에서 PF는 PWM 주파수 제어부(321)에 의해서 제어되는 주파수를 나타내며, PD는 PWM 듀티사이클 제어부(322)에 의해 제어되는 듀티사이클을 나타낸다.

도 8을 구체적으로 설명하면, (+) 성분 펄스의 사이에 (-) 성분의 펄스가 발생하여 (+) 성분 펄스와 (-) 성분 펄스가 서로 교번된다. 또한, (+) 성분의 펄스와 (-) 성분의 펄스 사이에는 주파수 신호가 없는 지연시간(delay time)이 존재하는데, 상기 지연시간을 통해 (+) 성분 펄스와 (-) 성분 펄스를 교번하며 공급하는 바이폴라 방식의 동작을 유도하는 구동부(200)에 포함된 브리지 회로부의 단락에 의한 파손 및 과열을 방지할 수 있다.

본 발명에서는, 전자 바이브레이터에 전류를 교번하며 공급하는 바이폴라 방식의 동작을 위해 상기 4개의 게이트에 펄스를 공급할 수 있다. 본 발명에서 상기 게이트에 공급되는 펄스의 파형은 도 10에 도시하였다.

도 9는 종래에 사용되던 펄스의 파형이고, 도 10은 본 발명에서 실시하고 있는 파형이다.

도 9 및 도 10의 (a)는 상기 게이트 1(G1) 및 상기 게이트 4(G4)에 공급되는 파형이고, (b)는 상기 게이트 2(G2) 및 상기 게이트 3(G3)에 공급되는 파형이며, (c)는 상기 (a) 및 (b)가 상기 게이트에 펄스를 공급하여 유도된 바이폴라 방식의 동작이다. 또한, 상기와 같이 펄스가 공급되면, 상기 공급된 펄스를 적분한 값이 부하 전류가 되며, 이는 도 9 및 도 10의 (d)를 통해 알 수 있다.

상기 부하 전류는, 상기 전자 바이브레이터가 초기에 움직이기 위한 기동 전류를 의미하며, 상기 기동 전류가 커지게 되면 구동 전력 소자에 순간적으로 과도한 피크 전류가 흐르게 되어, 기계 가동부에 발열이 축적되어 동작 성능이 열화되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명은, 도 10에 도시된 파형으로 펄스를 인가시킬 수 있다. 상기 도 10과 같은 파형으로 인가할 경우, 도 9의 경우와 비교해 보면, 구동 전력 소자에 걸리게 되는 부하 전류가 훨씬 낮아지는 것을 확인할 수 있다.

도 11은 함수발생부(312)에서 발생하는 정현파 신호와 이에 따라 가변되는 듀티사이클을 거시적으로 나타낸 것이다.

상기 정현파 신호의 함수는 정현파 신호 v(θ)로 하기와 같이 표현될 수 있다.

v(θ) =

sinθ ( 0 < θ < 180˚)

상기 식에서

은 인가 듀티의 최대값, θ는 위상을 나타낸다.

상기 도 10에 도시된 펄스는 도 11에 도시한 정현파 신호를 기준으로 하여 도 9에 도시된 펄스의 듀티사이클을 위상 값에 비례하게 가변시켜 얻을 수 있다.

구체적으로, 상기 공급파형에서 발생한 펄스는 임베디드 콘트롤러와 연관되어 있는 펌웨어 또는 소프트웨어에 의해 제공된 값에 따라 정현파 신호를 함수발생부에서 발생시킨다.

상기 임베디드 콘트롤러는 통상적으로 사용되는 산술 논리 장치(ALU, arithmetic logic unit)를 포함할 수 있는데, 상기 산술 논리 장치에서 논리 연산을 통해 상기 정현파 신호를 기준으로 공급파형에서 발생한 펄스의 듀티사이클을 가변시킬 수 있다.

도 11에서 ID는 초기 듀티사이클을 나타내며, MD는 순시값이 최대에 있을 때의 듀티사이클인 중간 듀티사이클이다.

상기 도 11에 도시된 알고리즘에 의해 정현파 신호의 함수에 따라 변조된 ID는 MD 대비 5~15%, 바람직하게는 5~10%로 변조될 수 있다. ID가 MD 대비 5% 이하일 경우에는 바이브레이터를 구동시키는 데 있어서 충분한 전류량을 확보하기 어려울 수 있으며, MD 대비 15% 이상일 경우에는 부하전류 및 초기 구동 전류량 감소의 효과가 적어질 수 있다. ID가 MD의 5~15%의 범위에서 변조되었을 때 바이브레이터에 공급되는 전류량이 줄어들어 전력 소자를 보호할 수 있으면서도, 전자 바이브레이터를 충분히 초기 구동시킬 수 있다.

상기 도 11에 도시된 알고리즘에 의해 정현파 신호의 함수에 따라 변조된 MD는 최대값에 도달할 수 있어 소기의 바이브레이터 동작 목표를 달성할 수 있다.

아울러, 본 발명의 전자 바이브레이터 구동 알고리즘에는 과전류시 구동부를 정지시키는 구동 제어부가 추가로 구성될 수 있다.

상기 구동 제어부는 상기 구동부(200)와 연결되어 구동을 제어할 수 있으며, 더 구체적으로는 상기 구동부의 구동 회로와 연결되어서 회로에 흐르는 전류를 실시간으로 측정하며, 사용자가 설정해 놓은 전류값 이상의 전류가 흐르게 될 경우 자동으로 구동을 중단시킬 수 있다. 이는 구동 장치에 과전류가 흐름으로써 전력 소자 등이 손상되는 현상을 예방할 수 있는 효과가 있다.

설정출력 입력부(330)는 적절한 진동폭을 가지도록 초기값을 설정 입력하는 것으로, 입력되는 값은 펄스 발생부(310)의 공급파형에 관한 요소, 정현파 신호에 관한 요소 등이 될 수 있다.

또한, 설정출력 입력부(330)에는 명령어를 입력하여 구동 시작, 정지 및 펄스 제어를 할 수 있고, 주파수, 전류, 진행 시간 및 온도 등의 정보를 제공받을 수 있다. 상기 설정출력 입력부(330)는 디스플레이일 수 있으며, 상기 펄스 발생부(310)와 연결되어, 사용자가 전류 제어값을 설정할 수 있도록 한다. 상기 전류 제어값이 설정되면 상기 구동 제어부가 회로에 흐르는 전류가 상기 전류 제어값 이상이 됐을 때, 전자 바이브레이터의 구동을 정지시킬 수 있다.

도 12에는 상기 도 10 및 도 11의 파형을 각각 전자 바이브레이터에 4~10초의 시간동안 인가하여 동작시켰을 때 오실로스코프를 통해 측정한 전류값 파형의 개형을 도시하였다.

상기 도 12의 (나)에서 (A)는 전류 유지 구간, (B) 및 (C)는 전류 가변 구간이며 도 12의 (나)에서 전류 유지 구간과 전류 가변 구간의 동작시간의 비는 1:1 ~ 1:2 일 수 있다. 전류 유지 구간에서의 동작시간에 비하여 전류 가변 구간에서의 동작시간이 작다면 공급되는 전류량이 줄어들어 전자 바이브레이터를 충분히 구동시키는 것에 영향이 있을 수 있고, (A)에서의 동작시간에 비하여 (B)에서의 동작시간이 2배 이상이 되면 부하전류 및 전기량 감소의 효과가 미비해 질 수 있다.

상기 (A)에서 최대 전류량 값은 6~10A 일 수 있고, 바람직하게는 8~9A 일 수 있다. 상기 (A)에서의 최대 전류량이 6A 이하일 경우 공급되는 전류량이 줄어들어 전자 바이브레이터를 충분히 구동시키는 것에 영향이 있을 수 있고, 10A 이상일 경우에는 부하전류 및 초기 구동 전기량 감소의 효과가 미비해 질 수 있다.

상기 (B)에서의 전류량의 값은 1~10A의 범위에서 가변 될 수 있고, 바람직하게는 2~8A의 범위에서 가변 될 수 있다. 상기 (B)에서의 초기 전류값은 1A 일 수 있으며, 최종 전류값은 10A일 수 있다. 상기 (B)에서의 초기 전류값이 1A 이하일 경우 공급되는 전류량이 줄어들어 전자 바이브레이터를 충분히 구동시키는 것에 영향이 있을 수 있고, 최종 전류값이 10A 이상일 경우에는 부하전류 및 전기량 감소의 효과가 미비해 질 수 있다.

상기 (C)에서의 전류량의 값은 1~10A의 범위에서 가변 될 수 있고, 바람직하게는 2A에서 8A의 범위에서 가변 될 수 있다. 상기 (C)에서의 초기 전류값은 10A일 수 있으며, 마지막 전류값은 1A일 수 있다. 상기 (C)에서의 초기 전류값이 10A 이상일 경우에는 부하전류 및 전기량 감소의 효과가 미비해 질 수 있고, 최종 전류값이 1A 이하일 경우 공급되는 전류량이 줄어들어 전자 바이브레이터를 충분히 구동시키는 것에 영향이 있을 수 있다. 상기 (B)와 (C)의 파형은 대칭을 이루는 것이 바람직하다.

도 10에 도시된 펄스를 인가한 경우 도 9에 도시된 펄스를 인가한 경우와 대비하여 전기량을 20~40% 감소시킬 수 있으며, 도 13의 (나)에서의 (B) 및 (C)에서의 전기량은 (A) 전기량 대비 70~90% 일 수 있다.

상기 정현파의 펄스 폭 변조는 동작 파형의 듀티를 정현파 함수의 순시값에 비례하여 가변시키는 방법으로 진행되며, 이는 기존의 정현파 펄스 폭 변조 방식과 음의 반주기의 구동 방식에서 차이가 있다.

더욱 상세하게는 전자 바이브레이터의 출력을 증가시키기 위해 풀 브릿지(full bridge) 바이폴라 방식의 구동방식을 적용하되, 성능의 저하가 없도록 전력소자의 동작 듀티를 정현파 변조 방식으로 가변되도록 하여 전자 바이브레이터의 열화 방지 및 전력소자를 보호하는 것이 그 특징이다.

이와 같이, 정현파 듀티 변조를 활용하여 펄스를 인가했을 경우 구동 초기 및 종료 상태에서 부하 전류가 억제되는 효과가 있음을 알 수 있다.

종래 고정형 듀티 방식의 전자바이브레이터의 동작주파수는 35~55Hz의 범위에 있지만, 본 발명의 전자바이브레이터의 동작주파수는 30~55Hz의 범위로 확대될 수 있다. 동작주파수 범위의 확대는 본 발명의 정현파 듀티 변조 방식이 바이브레이터에 흐르게 되는 과전류 및 액튜에이터의 내구 수명단축의 문제를 보완했기에 가능한 것이다.

상기 전자 바이브레이터의 동작주파수는 30 내지 55 Hz인 것이 바람직하다. 만약, 동작주파수가 30Hz 보다 낮을 경우 과전류, 해머 액튜에이터의 내구 수명 단축 등의 문제점이 있을 수 있고, 55Hz 보다 높을 경우 공진 주파수 이탈 등으로 인한 출력 미달의 문제점이 있을 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 활용하여 설명하도록 한다.

<실시예>

1. 구동부에 펄스를 공급해 주기 위해 임베디드 콘트롤러와 구동부를 기본 배선으로 연결하였다. 이 때 임베디드 콘트롤러에 포함된 펄스발생기에서 정현파를 발생시키고, 동작 파형의 듀티를 정현파 함수의 순시값에 비례하여 가변시키는 마이크로 콘트롤러의 제어신호에 따라 펄스제어부에서 파형을 제어하도록 설정했다.

2. 전자 바이브레이터 구동을 위해 구동부에 기본 배선을 결선하여 전자 바이브레이터와 상기의 아이지비티(IGBT) H-브리지 회로를 포함하는 구동부를 연결했다. 여기에서 전자 바이브레이터는 IE 결합코어 구조를 가졌으며, 상기 전자 바이브레이터에 사용된 스프링의 스프링상수는 25kgf/mm이며, 전자 바이브레이터의 질량은 25kg였다.

3. 전자 바이브레이터가 동작할 때 전류량을 측정하기 위해 오실로스코프를 켜고, 오실로스코프를 전류 프로브와 연결하여 측정을 준비했다.

4. 구동부에서 전자 바이브레이터 방향으로 파형을 출력해주는 전선에 전류 프로브를 연결하여 측정을 준비했다.

5. 구동부 및 전자 바이브레이터에 메인 전원 220V를 투입했다.

6. 상기와 같은 조건으로, 동작주파수 35Hz에서 총 동작시간을 4초로 하여 실행하였고, 총 동작시간 구간을 각각 3개로 나누어 동작시간 0~1.2초인 전류 가변 구간, 동작시간 1.3~2.8초인 전류 유지 구간, 동작시간 2.9~4초인 전류 가변 구간의 파형 및 전류값의 변화를 측정하였다. 상기의 측정시에는 전류 스코프를 사용해서 측정기기와 1:1 비율로 설정하여, 1V를 1A로 측정될 수 있게 설정했다.

상기의 실시예에 따라 측정한 결과, 도 13(a) 내지 13(c)에 도시된 바와 같이 상기 동작시간 0~1.2초인 전류 가변 구간에서는 전류량이 2A로부터 8A까지 1.2초간 상승, 상기 동작시간 1.3~2.8초인 전류 유지 구간에서는 전류량이 8 ~ 9A로 1.6초간 유지, 상기 동작시간 2.9~4초인 전류 가변 구간에서는 전류량이 8A로부터 2A까지 1.2초간 감소하는 것을 파형 변화를 통해 확인했다.

<비교예>

1. 구동부에 펄스를 공급해 주기 위해 임베디드 콘트롤러와 구동부를 기본 배선으로 연결하였다. 이 때 임베디드 콘트롤러에 포함된 펄스발생기에서 정현파를 발생시키고, 동작 파형의 듀티에 정현파 함수의 신호의 순시값에 따라 가변시키지 않았다.

2. 전자 바이브레이터 구동을 위해 구동부에 기본 배선을 결선하여 전자 바이브레이터와 상기의 아이지비티(IGBT) H-브리지 회로를 포함하는 구동부를 연결했다. 여기에서 전자 바이브레이터는 IE 결합코어 구조를 가졌으며, 상기 전자 바이브레이터에 사용된 스프링의 스프링상수는 25kgf/mm이며, 전자 바이브레이터의 질량은 25kg였다.

3. 전자 바이브레이터가 동작할 때 전류량을 측정하기 위해 오실로스코프를 켜고, 오실로스코프를 전류 프로브와 연결하여 측정을 준비했다.

4. 구동부에서 전자 바이브레이터 방향으로 파형을 출력해주는 전선에 전류 프로브를 연결하여 측정을 준비했다.

5. 구동부 및 전자 바이브레이터에 메인 전원 220V를 투입했다.

6. 상기와 같은 조건으로, 동작주파수 35Hz에서 총 동작시간을 4초로 하여 실행하였고, 총 동작시간 구간을 각각 3개로 나누어 동작시간 0~1.2초인 구간, 동작시간 1.3~2.8초인 구간, 동작시간 2.9~4초인 구간의 파형 및 전류값의 변화를 측정하였다. 상기의 측정시에는 전류 스코프를 사용해서 측정기기와 1:1 비율로 설정하여, 1V를 1A로 측정될 수 있게 설정했다.

상기의 비교예에 따라 측정한 결과, 도 14(a) 내지 도 14(c)에 도시된 바와 모든구간에서 전류량이 8 ~ 9A로 유지되는 것을 파형 변화를 통해 확인했다.

하기의 표 1은 실시예 및 비교예의 실험데이터를 정리한 것이다.

측정 데이터 (동작주파수 35Hz)		실시예	비교예
0~1.2초	초기 전류 값	2A	8A
	마지막 전류값	8A	8A
1.3~2.8초	초기 전류값	8~9A	8~9A
	마지막 전류 값	8~9A	8~9A
2.9~4초	초기 전류값	8A	8A
	마지막 전류값	2A	8A

실시예를 통해 0~1.2초에서의 전류 가변 구간, 1.3~2.8초에서의 전류 유지 구간, 2.9~4초에서의 전류 가변 구간의 전기량을 계산할 수 있다.

0~1.2초 구간 및 2.9~4초에서의 전류 가변 구간에서는 전류값이 2A에서 8A까지 램프함수의 형태로 비례하여 증가한다고 할 때, 각각 6C으로 계산된다.

1.3~2.8초에서의 전류 유지 구간에서의 평균 전류값을 8.5A라 할 때, 전기량은 13.6C으로 계산된다.

비교예를 통해 0~1.2초 구간, 1.3~2.8초 구간, 2.9~4초 구간에서의 전기량이 계산할 수 있다.

0~1.2초 구간 및 2.9~4초 구간에서의 전기량은 각각 9.6C으로 계산된다.

1.3~2.8초 구간에서는 평균 전류값을 8.5A라 할 때, 전기량은 13.6C으로 계산된다.

결과적으로 실시예의 전류 가변 구간에서의 전기량은 12C, 전류 유지 구간에서의 전기량은 13.6C으로 전류 가변 구간에서의 전기량은 전류 유지 구간과 대비 88%로 볼 수 있다.

또한, 실시예에서의 4초간의 전체 전기량은 25.6C, 비교에서의 4초간의 전체 전기량은 32.8C으로 계산된다. 따라서, 실시예의 전체 전기량은 비교예의 전기량 대비 22% 감소한 것으로 나타났다.

결과적으로 본 발명에서 전기량을 감소시킴으로써 전력 소자의 손상을 방지하고, 구동 회로에 발열이 축적되는 문제점이 해결될 수 있음을 확인되었다.

100: 전자 바이브레이터
101: E형 코어
102: I형 코어
103: 권선
104: 제1 스프링
105: 제2 스프링
106: 하우징
107: 장비부착판
200: 구동부
210: 전원공급부
220: 브리지 회로부
300 : 임베디드 컨트롤러
310: 펄스 발생부
311: 펄스 발생부
312: 함수연산부
320: 펄스 제어부
321: PWM 주파수 제어부
322: PWM 듀티사이클 제어부
323: sPWM 주파수 제어부
324: sPWM 듀티사이클 제어부
330: 설정출력 입력부
340: 마이크로 콘트롤러
400: 전원공급부
G1, G2, G3, G4: 게이트
PD: PWM 듀티사이클 제어부(322)에 의해 제어되는 듀티사이클
PF: PWM 주파수 제어부(321)에 의해서 제어되는 주파수
ID: 초기 듀티사이클
MD: 중간 듀티사이클
(A): 전류 유지 구간
(B): 전류 가변 구간

Claims (9)

1. 구동부;
   상기 구동부에 펄스를 인가하는 펄스 발생부; 및
   상기 펄스 발생부의 펄스를 제어하는 펄스 제어부;를 포함하며, 상기 펄스 제어부는 상기 펄스의 듀티사이클을 정현파 함수 v(θ) = sinθ ( 0 < θ <180˚)의 순시값에 따라 가변시키는 구동 알고리즘을 포함하고,
   전자 바이브레이터 구동 시 전류 동작 구간은 전류 가변 구간 및 전류유지 구간을 포함하고, 상기 정현파 함수에 의해서 가변된 듀티사이클에서 초기 듀티사이클은 최대 듀티사이클의 5~15%인 전자 바이브레이터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전자 바이브레이터는 EI 결합코어 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 바이브레이터
3. 제1항에 있어서,
   상기 구동부는 아이지비티(IGBT) H-브리지 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 바이브레이터
4. 제3항에 있어서,
   상기 구동부에 인가되는 펄스는 상기 아이지비티(IGBT) H-브리지 회로의 게이트에 바이폴라 방식으로 인가되는 것을 특징으로 하는 전자 바이브레이터
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 전자 바이브레이터의 동작주파수는 30 내지 55 Hz인 것을 특징으로 하는 전자 바이브레이터
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 전류 가변구간 대비 전류 유지구간의 동작시간 비는 1:1 ~ 1:2인 것을 특징으로 하는 전자 바이브레이터
9. 제1항에 있어서,
   상기 전류 가변 구간에서의 전기량은 상기 전류 유지 구간의 전기량 대비 70~90%인 것을 특징으로 하는 전자 바이브레이터
   

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