KR20020055465A - A control apparatus for ultrasonic motor driving - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초음파 모터 구동 제어장치에 관한 것으로, 특히 초음파 모터의 내부 임피던스 위상각을 제어 파라메터로 하여 초음파 모터의 구동을 제어하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic motor drive control apparatus, and more particularly, to an apparatus for controlling the driving of an ultrasonic motor using the internal impedance phase angle of an ultrasonic motor as a control parameter.
초음파 모터는 기존의 전자기식 모터와는 달리 자기회로 즉, 철심과 코일이 없는 새로운 형태의 소형모터로 압전 세라믹소자(piezo-ceramics)의 진동에 의해 발생되는 초음파 영역의 기계적 진동을 이용하여 고정자와 회전자 사이의 마찰에 의해 회전을 한다. 이에 따라 기존의 모터와 비교할 때 저속-고 토크, 구조의 단순성, 형태의 다양성, 자기장의 영향에 무관함 등과 초음파 영역의 진동을 이용하기 때문에 소음이 적은 장점을 갖는다. 특히 모터가 동작하지 않는 경우에도 매우 큰 정지토크(holding torque)를 갖고 있으며 기동시나 정지시에 빠른 응답특성을 가지고 있으므로 액츄에이터 등에 적용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.Ultrasonic motors, unlike conventional electromagnetic motors, are new types of small motors without magnetic circuits, i.e., iron cores and coils.The ultrasonic motors utilize mechanical vibrations in the ultrasonic region generated by vibrations of piezo-ceramics. Rotation is caused by friction between the rotors. Accordingly, compared to the conventional motor, low noise and high noise are used because of the low speed and high torque, the simplicity of the structure, the variety of forms, the influence of the magnetic field, and the vibration of the ultrasonic region. In particular, even when the motor does not operate has a very large holding torque (fast holding torque) and has a quick response characteristics when starting or stopping, so the research to apply to the actuator, etc. are actively being conducted.
초음파 모터의 제어를 위해서는 동작주파수, 상간의 위상차 및 제어전압이 주요 파라메터로 사용된다. 그렇지만 각 파라메터들은 상호 제한적이어서 한 개의 파라메터로만 모터를 제어하는 경우 제어가 원활히 이루어지지 않는다. 예를 들어 동작주파수에 의한 모터의 제어방식은 제어주파수 범위가 한정적이며 기동시 낮은 주파수영역에서는 모터가 회전하지 않는 특성이 있다.For the control of the ultrasonic motor, operating frequency, phase difference between phase and control voltage are used as main parameters. However, each parameter is mutually limited, so if the motor is controlled by only one parameter, the control is not smooth. For example, the control method of the motor by the operating frequency has a characteristic that the control frequency range is limited and the motor does not rotate in the low frequency region at the start.
한편 위상차제어의 경우 최대 위상차인 π/2로 운전을 해도 동작 주파수가높으면 회전속도가 낮을 뿐 아니라 위상차 0 부근에서 급격히 소모전류가 증가하며 기계적 소음이 발생한다. 또한 인가전압제어의 경우는 비교적 제어의 직선성이 좋은 편이지만 부하의 증가나 전압의 감소시 갑자기 모터가 정지되는 구간이 존재하는 등 제어에 어려움이 따르고 있다. 이에 따라 동작주파수를 적절한 곳에 위치시킨후 위상차 제어에 의하여 모터를 제어하는 방식이 일반적으로 사용되어 왔으나 모터 내부의 임피던스가 고려되지 못하여 모터의 효율적인 운전이 이루어지지 못할 뿐만 아니라 제어의 성능 역시 크게 개선되지 못하고 있다.On the other hand, in the case of phase difference control, even when operating at π / 2, the maximum phase difference, when the operating frequency is high, the rotation speed is low, and the current consumption rapidly increases in the vicinity of phase difference 0 and mechanical noise is generated. In the case of the applied voltage control, the linearity of the control is relatively good, but there is a difficulty in controlling such that there is a section in which the motor stops suddenly when the load is increased or the voltage is decreased. Accordingly, the method of controlling the motor by the phase difference control has been generally used after placing the operating frequency in a proper place. I can't.
따라서 본 발명의 목적은 초음파 모터의 내부 임피던스 위상각을 제어 파라메터로 사용하여 초음파 모터의 구동을 안정적이고도 효율적으로 제어할 수 있는 초음파 모터 구동 제어장치를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an ultrasonic motor drive control apparatus which can stably and efficiently control the driving of an ultrasonic motor by using the internal impedance phase angle of the ultrasonic motor as a control parameter.
본 발명의 또 다른 목적은 초음파 모터의 구동 제어 성능을 향상시킬 수 있는 초음파 모터 구동 제어장치를 제공함에 있다.Still another object of the present invention is to provide an ultrasonic motor driving control apparatus capable of improving driving control performance of an ultrasonic motor.
도 1은 직렬 인덕터를 포함한 진행파형 초음파 모터의 한 상에 대한 전기적인 등가회로도.1 is an electrical equivalent circuit diagram of one phase of a traveling wave ultrasonic motor including a series inductor.
도 2는 공진인덕터를 포함한 간략화된 초음파 모터의 등가회로도.2 is an equivalent circuit diagram of a simplified ultrasonic motor including a resonant inductor.
도 3은 공진 인덕터를 포함한 초음파 모터 한 상의 벡터도.3 is a vector diagram of an ultrasonic motor single phase including a resonant inductor.
도 4는 임피던스 위상각 보정후의 벡터도.4 is a vector diagram after impedance phase angle correction.
도 5는 부하 변화에 따른 모터의 내부 임피던스 위상각 변화 예시도.5 is an exemplary diagram illustrating a change in internal impedance phase angle of a motor according to a load change.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 모터 구동 제어장치 블록구성도.Figure 6 is a block diagram of the ultrasonic motor drive control apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 7은 도 6에서 고속 인버터 구성 예시도.7 is an exemplary high speed inverter configuration in FIG.
도 8은 도 6에서 전류-전압 위상차 검출부 구성 예시도.FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of a current-voltage phase difference detector in FIG. 6. FIG.
도 9는 초음파 모터의 전압-전류 특성 예시도.9 is an exemplary diagram illustrating voltage-current characteristics of an ultrasonic motor.
도 10은 일정주파수 제어시의 부하-무부하 속도 특성 예시도.10 is an exemplary diagram of load-no-load speed characteristics in constant frequency control.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 임피던스 위상각 제어시의 부하-무부하 속도 특성 예시도.11 is an exemplary diagram of load-no-load speed characteristics in impedance phase angle control according to an embodiment of the present invention.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 초음파 모터 구동 제어장치에 있어서,In the present invention for achieving the above object, in the ultrasonic motor drive control apparatus,
주파수 정보(f(k))와 소정 크기의 위상차 정보()를 입력하여 두 상에 대한 구형파 신호()를 발생하여 출력하는 주파수/위상 제어기와, 입력되는 상기 구형파 신호()를 두 상에 대한 교류전압()으로 변환하여 초음파모터로 출력하는 고속 인버터와, 초음파모터에 걸리는 주파수 크기와 위상차에 대한 정보를 억세스하고 이를 인코딩하여 출력하는 펄스 인코더와, 상기 초음파모터에 공급되는 전압()과 전류()의 위상차를 검출하여 임피던스 위상각 형태로 출력하는 전류-전압 위상차 검출부와, 상기 전류-전압 위상차 검출부로부터 출력되는 임피던스 위상각을 입력받아 초음파모터의 공진주파수를 추종토록 하기 위한 주파수 정보(f(k))와 소정 크기의 위상차 정보()를 출력하는 제어기로 구성함을 특징으로 한다.Frequency information f (k) and phase difference information having a predetermined magnitude ( ) To input a square wave signal ( And a frequency / phase controller for generating and outputting the square wave signal ( ) For the two phases ), A high speed inverter converting and outputting to the ultrasonic motor, a pulse encoder accessing and encoding information about the frequency magnitude and phase difference applied to the ultrasonic motor, and a voltage supplied to the ultrasonic motor ( ) And current ( Current-voltage phase difference detection unit for detecting the phase difference and outputting it in the form of impedance phase angle, and frequency information (f () for inputting the impedance phase angle output from the current-voltage phase difference detection unit to follow the resonance frequency of the ultrasonic motor. k)) and phase difference information of a predetermined size ( It is characterized by consisting of a controller that outputs a).
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and detailed descriptions of well-known functions and configurations that may unnecessarily obscure the gist of the present invention will be omitted.
우선 본 발명에서는 내부 임피던스 위상각을 제어 파라메터로 사용하는 새로운 초음파 모터의 구동 제어방식을 제공하기 위해서, 공진을 위한 외부 인덕턴스를 등가회로에 포함시켜 초음파 모터의 임피던스 특성을 해석하였으며, 얻어진 해석결과를 바탕으로 초음파 모터의 부하특성에 대한 시뮬레이션을 수행하여 최적의 제어성능을 얻기 위한 내부 임퍼던스 위상각의 크기를 도출하였다. 이와 함께 외부에서 가해지는 전압 및 전류로부터 정확한 위상 정보를 얻기 위하여 고속 위상차 검출장치를 설계하여 안정적이고도 효율적인 초음파 모터의 구동이 이루어지도록 하였다.First, in the present invention, in order to provide a drive control method of a new ultrasonic motor using an internal impedance phase angle as a control parameter, an impedance characteristic of an ultrasonic motor is analyzed by including an external inductance for resonance in an equivalent circuit. Based on the simulation of the load characteristics of the ultrasonic motor, the magnitude of the internal impedance phase angle to obtain the optimum control performance was derived. In addition, in order to obtain accurate phase information from externally applied voltage and current, a high speed phase difference detector was designed to drive a stable and efficient ultrasonic motor.
이하 임피던스 위상각 제어를 적용하여 초음파 모터의 구동을 제어하기 위한 장치에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, an apparatus for controlling driving of an ultrasonic motor by applying impedance phase angle control will be described in detail.
우선 등가회로 모델에 의한 초음파 모터의 특성을 해석하기 위하여 외부 인덕터를 포함한 초음파 모터의 등가회로에 대하여 설명하면,First, in order to analyze the characteristics of the ultrasonic motor by the equivalent circuit model, the equivalent circuit of the ultrasonic motor including an external inductor will be described.
진행파형 초음파 모터는 압전세라믹 소자에 가해지는 2상의 정현파 전압에 의해 발생하는 진동을 여기원으로 하여 회전자가 회전한다. 도 1은 직렬 인덕터를 포함한 진행파형 초음파 모터의 한 상에 대한 전기적인 등가회로를 도시한 것이다. 도 1에서 모터의 각 파라메터에 대한 설명은 하기 표 1과 같다. 여기서 모터의 기계적 상수인은 하기 수학식 1 및 2와 같이 나타낼 수 있다.The traveling wave ultrasonic motor rotates the rotor by using the vibration generated by the sinusoidal voltage of two phases applied to the piezoelectric ceramic element as an excitation source. 1 shows an electrical equivalent circuit for one phase of a traveling wave ultrasonic motor including a series inductor. Description of each parameter of the motor in Figure 1 is shown in Table 1 below. Where the mechanical constant of the motor Can be expressed as in Equations 1 and 2 below.
초음파 모터는 상기 수학식 1과 2의 기계적 요소에 의하여 공진을 하게 되며 공진주파수는 수학식 3과 같이 표현된다.The ultrasonic motor is resonated by the mechanical elements of Equations 1 and 2, and the resonance frequency is expressed by Equation 3.
한편 초음파 모터의 구동장치로는 인버터를 사용하는 것이 일반적이다. 이를 위해 외부 인덕터를 인버터와 모터 사이에 삽입하여 내부 압전세라믹의 블록킹 커패시턴스와 공진을 일으킴으로서 모터 입력단 전압이 정현파가 되도록 하고 있다. 이때에 인버터에서 공급되는 제어주파수는 하기 수학식 4로 나타낼 수 있으며,는 모터의 제어에 필요한 가변 주파수를 의미한다.On the other hand, it is common to use an inverter as a driving device of the ultrasonic motor. To do this, an external inductor Is inserted between the inverter and the motor, blocking capacitance of the internal piezoceramic By causing resonance with the motor, the voltage at the motor input stage becomes a sine wave. In this case, the control frequency supplied from the inverter may be represented by Equation 4 below. Denotes a variable frequency required for controlling the motor.
한편 부하특성을 고려한 임피던스 위상각에 대하여 설명하면,On the other hand, the impedance phase angle in consideration of the load characteristics,
우선 도 2는 공진인덕터를 포함한 간략화된 초음파 모터의 등가회로도를 도시한 것이다. 도 2에서는 인버터에서 발생되는 출력전압,는 모터측으로 흐르는 입력전류,는 모터의 기생 커패시턴스와 공진을 일으키기 위해 삽입된 외부 인덕터를 나타낸다. 한편 회전자와 고정자 사이의 기계적 손실과 마찰손 및 부하의 변화는 합성 임피던스로 표현할 수 있으며 이는 하기 수학식 5로 표현된다.2 shows an equivalent circuit diagram of a simplified ultrasonic motor including a resonant inductor. In Figure 2 Is the output voltage from the inverter, Is the input current flowing to the motor, Parasitic capacitance of the motor It represents an external inductor inserted to cause resonance with. On the other hand, mechanical losses, frictional losses, and load changes between the rotor and stator are combined with the impedance It can be expressed by the following equation (5).
한편 모터의 입력측에 발생되는 전압는 삽입된 외부 인덕터와 기생 커패시턴스의 공진에 의하여 정현파 형태로 나타난다.와는 각각와 모터의 회전력 발생 및 부하에 흐르는 전류이다. 따라서 도 2의 등가회로로부터 다음의 수학식이 성립한다.On the other hand, the voltage generated on the input side of the motor Is represented by sinusoidal wave form by resonance of the inserted external inductor and parasitic capacitance. Wow Are each And the torque generated by the motor and the current flowing through the load. Therefore, the following equation is established from the equivalent circuit of FIG.
만약 직렬 인덕터를 제외한 모터의 등가 임피던스를라 하면 하기 수학식 11과 같이 표현된다.If series inductor Equivalent impedance of the motor except If it is expressed as Equation 11 below.
상기 수학식 11에서은 모터의 기계적 상수에 대한 등가 임피던스이므로 수학식 12와 같이 표현된다.In Equation 11 Since is the equivalent impedance of the mechanical constant of the motor is expressed as in Equation 12.
은 각각,및,의 리액턴스로 각각 다음 식으로 주어진다. 이때는 전원의 각주파수이다. Are each , And , The reactance of is given by At this time Is the angular frequency of the power supply.
라 하고 상기 수학식 12를 수학식 11에 대입하여 정리하면 하기 수학식 16을 얻을 수 있다. By substituting Equation 12 into Equation 11, Equation 16 can be obtained.
따라서 직렬 인덕터를 포함한 전원측에서 본 등가 임피던스는 하기수학식 17이 되고, 이때에 나타나는 임피던스 위상각는 하기 수학식 18이 된다.Therefore series inductor Equivalent impedance seen from the power supply side including Equation 17 is represented by the impedance phase angle Is expressed by Equation 18 below.
모터의 각 정수들이 일정한 상태에서 인버터에서 공급되는 전압의 주파수가 상기 수학식 3으로 표시되는 모터의 기계적 공진주파수에 추종하고 있다고 가정하면과의 합성 임피던스는 매우 작게 된다. 이 경우 모터의 기계적 상수에 대한 등가 임피던스은 저항성 부하인성분이 대부분 나타나게 되므로 블록킹 커패시턴스에 의한 임피던스에 비하여 상대적으로 매우 큰 값을 갖게 된다. 따라서 상기 수학식 9와 10은 하기 수학식 19 내지 20과 같이 표현할 수 있다.Frequency of voltage supplied from inverter with constants of motor Is the mechanical resonance frequency of the motor represented by Equation 3 Suppose you are following and The composite impedance of becomes very small. In this case, the equivalent impedance to the mechanical constant of the motor Is a resistive load Impedance due to blocking capacitance since most of the components appear Compared to this, it has a relatively large value. Therefore, Equations 9 and 10 may be expressed as Equations 19 to 20.
상술한 과정을 도 3에 벡터도로 도시하였다. 도 3에서 입력전압는 외부 인덕터에 인가되는 전압와 내부 기생 커패시턴스에 인가되는 전압의 합과 같다. 공급전압의 주파수가 모터의 동작 주파수 영역내에 있고 순시적으로 모터의 임피던스 위상각을 알 수 있다고 가정한다면 부하의 변화시 또는 기생 커패시턴스 변동에 의한 공진주파수의 변화시에 입력전압의 공급 각주파수를 제어함으로서 입력전류의 위상이 임피던스 위상각을 추종토록 하여 부하에 효율적인 전력의 전달이 가능하다. 이를 벡터도에서 설명하면 다음과 같다.The above-described process is shown in a vector diagram in FIG. 3 input voltage Is the voltage applied to the external inductor Applied to the internal parasitic capacitance Is equal to the sum of. Frequency of supply voltage Is in the operating frequency range of the motor and the impedance phase angle of the motor can be known instantaneously when the load changes or the resonance frequency changes due to parasitic capacitance changes By controlling the phase of the input current to follow the impedance phase angle, it is possible to efficiently transmit power to the load. This is explained in the vector diagram as follows.
우선 모터의 입력에의 각주파수로 전압이 공급되고 있고 입력전류가 임피던스 위상각을 추종하고 있을 때의 외부 인덕터와 기생 커패시턴스에 인가되는 전압 벡터를 각각 라 하면 입력전압의 기본파 성분은 두 벡터의 합인로 나타낼 수 있으며 역률 1에 근접한다. 이때에 부하의 변화나 온도 상승으로 인한 내부 파라메터의 변화가 발생하여 임피던스 위상각이으로 변경되면는로,는로 각각 변경된다. 또한 입력전압의 기본파 성분인역시로 변동하므로 역률이 급격히 나빠지게 되어 모터의 회전속도가 저하되거나 심한 경우 정지하게 된다.To the motor inputVoltage is supplied at each frequency of input currentImpedance Phase AngleThe voltage vector applied to the external inductor and parasitic capacitance when following If the fundamental wave component of the input voltage isIt can be expressed as and is close to power factor 1. At this time, the impedance phase angle is changed due to the change of internal parameter due to load change or temperature rise.When changed toIsin,IsEach change to. Also, the fundamental wave component of the input voltageAlsoBecause the power factor drops sharply, the rotational speed of the motor decreases or stops in severe cases.
따라서 이러한 경우 도 4에 도시된 벡터도에서처럼 를 변경하여 임피던스 위상각에 의한 부하 역률을 개선시켜 주면 부하변동 등으로 인한 모터의 효율 저하를 방지할 수 있다.Therefore, in this case, as in the vector diagram shown in FIG. By improving the load power factor due to the impedance phase angle, it is possible to prevent the motor efficiency from being lowered due to the load variation.
도 5는 부하 변화에 따른 모터의 내부 임피던스 위상각의 특성 변화를 시뮬레이션으로 나타낸 것이다. 도 5에서 보면 각각의 부하 변동곡선이 특정 주파수에서 동일한 임피던스로 되어짐을 알 수 있다. 이것은 모터의 기계측 고유 공진 주파수에서,의 임피던스가 서로 상쇄되므로 순수한 저항성분만 남게 되었음을 의미하며 이때에 부하측으로 가장 효율적인 전력의 전달이 이루어진다.Figure 5 shows the simulation of the characteristic change of the internal impedance phase angle of the motor according to the load change. 5, it can be seen that each load variation curve has the same impedance at a specific frequency. This is due to the natural resonant frequency of the motor , Since the impedances of the cancellers cancel each other, it means that only pure resistance remains. At this time, the most efficient power is delivered to the load side.
이하 임피던스 위상각 제어를 적용한 초음파 모터 구동제어장치의 구성 및 동작을 설명하기로 한다.Hereinafter, the configuration and operation of the ultrasonic motor drive control apparatus to which the impedance phase angle control is applied will be described.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 모터 구동제어장치의 블록구성도를 도시한 것이며, 도 7은 도 6에서 고속 인버터(200)의 일예인 부하 공진형 2상 하프-브리지 인버터 구성 예시도이며, 도 8은 도 6에서 전류-전압 위상차 검출부(500)의 상세 구성도를 도시한 것이다.6 is a block diagram of an ultrasonic motor driving control apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a load resonant two-phase half-bridge inverter as an example of the high speed inverter 200 in FIG. 6. FIG. 8 is a detailed block diagram of the current-voltage phase difference detector 500 in FIG. 6.
우선 도 6을 참조하면, 주파수/위상 제어기(100)는 마이크로 콘트롤러(600)로부터 출력되는 주파수 정보(f(k))와 소정 크기의 위상차 정보()를 입력하여 두 상에 대한 구형파 신호()를 발생하여 출력한다. 이때 구형파 신호들()은 상기 위상차 정보에 따라 위상차가 발생되며, 이러한 주파수/위상 제어기(100)는 본원 출원인에 의해 대한민국 특허청에 선출원된 특허 97-30691호에 상세히 기재되어 있다.First, referring to FIG. 6, the frequency / phase controller 100 may output frequency information f (k) output from the microcontroller 600 and phase difference information having a predetermined magnitude ( ) To input a square wave signal ( To generate the output. Square wave signals The phase difference is generated according to the phase difference information, and the frequency / phase controller 100 is described in detail in Patent No. 97-30691 filed to the Korean Intellectual Property Office by the applicant of the present application.
고속 인버터(200)는 도 7에 도시한 바와 같이 일반적인 부하 공진형 2상 하프-브리지(half-bridge) 형태의 MOSFET 인버터로서, 상기 주파수/위상 제어기(100)로부터 입력되는 구형파 신호()를 두 상에 대한 교류전압()으로 변환하여 출력한다. 이와 같이 변환된 교류전압()은 초음파 모터(USM:300)에 인가된다.The high-speed inverter 200 is a MOSFET inverter of a general load resonant type two-phase half-bridge type, as shown in FIG. 7, and has a square wave signal input from the frequency / phase controller 100. ) For the two phases To be printed). AC voltage converted in this way ( ) Is applied to the ultrasonic motor USM 300.
펄스 인코더(400)는 상기 초음파모터(300)에 걸리는 주파수 크기와 위상차에 대한 정보를 억세스하고 이를 인코딩하여 출력()한다.The pulse encoder 400 accesses information on the frequency magnitude and the phase difference applied to the ultrasonic motor 300, encodes the information, and outputs the encoded information. )do.
한편 전류-전압 위상차 검출부(500)는 초음파모터(300)에 입력되는 한 주기 내의 전압()과 전류()의 위상차를 검출하여 임피던스 위상각을 출력한다. 이러한 전류-전압 위상차 검출부(500)는 도 8에 도시한 바와 같이 반전 전압()과 전류()를 2입력으로 하는 제1앤드게이트 소자(A1)와, 상기 제1앤드게이트 소자(A1)의 출력과 클럭주파수를 2입력으로 하는 제2앤드게이트 소자(A2)와, 상기 전류()값을 반전시키기 위한 인버터(INV) 및 상기 인버터(INV)로부터 출력되는 신호의 논리레벨에 따라 카운팅된 클럭주파수가 클리어되는 카운터(510) 및 상기 카운터(510)의 출력값을 래치 출력하는 래치(520)로 구성된다. 이러한 전류-전압 위상차 검출부(500)에서 상기 래치(520)는 마이크로 콘트롤러(600)로부터 출력되는 로드신호(/LOAD) 입력시 데이터버스를 통해 래치된 임피던스 위상각()을 마이크로 콘트롤러(600)로 출력한다. 참고적으로 초음파 모터의 공진주파수 범위가 38KHz에서 43KHz 정도로 매우 빠르고 전압과 전류의 위상차는이내에서 얻어지게 되므로 위상의 정밀도를 증가시키기 위해서는 고속의 디지털 카운터 사용이 필수적이다. 본 발명의 실시예에서는 33MHz의 클럭주파수로 디지털 카운터를 계수하였고, 이때 40KHz에서 위상차 분해능은 0.436°로 매우 정밀한 위상 계측이 가능하게 된다. 또한 상기 로드신호는 마이크로 콘트롤러(600)가 모터의 전압-전류 위상정보를 얻고자 하는 시점에서 출력되는 것으로 본 발명의 실시예에서는 프로그램의 1수행시간(2ms)에 한번씩만 출력되면 된다.On the other hand, the current-voltage phase difference detection unit 500 is a voltage (a period) input to the ultrasonic motor 300 ( ) And current ( ) Detects the phase difference and outputs an impedance phase angle. The current-voltage phase difference detector 500 may have an inverted voltage as shown in FIG. 8. ) And current ( ) Is a first and gate element A1 having two inputs, a second and gate element A2 having two outputs and a clock frequency of the first and gate element A1, and the current ( A latch for outputting the counter 510 and the output value of the counter 510 in which the clock frequency counted is cleared according to the logic level of the signal output from the inverter INV and the inverter INV. 520). In the current-voltage phase difference detection unit 500, the latch 520 is an impedance phase angle latched through the data bus when a load signal / LOAD is input from the microcontroller 600. ) Is output to the microcontroller 600. For reference, the resonant frequency range of the ultrasonic motor is very fast, ranging from 38KHz to 43KHz, and the phase difference between voltage and current is Because it is obtained within the time, it is essential to use a high speed digital counter to increase the precision of the phase. In the exemplary embodiment of the present invention, the digital counter is counted at a clock frequency of 33 MHz, and at 40 KHz, the phase difference resolution is 0.436 °, which enables highly accurate phase measurement. In addition, the load signal is output when the microcontroller 600 tries to obtain the voltage-current phase information of the motor. In this embodiment of the present invention, the load signal needs to be output only once per one execution time (2ms) of the program.
한편 마이크로 콘트롤러(600)는 상기 전류-전압 위상차 검출부(500)로부터 출력되는 임피던스 위상각()을 입력받아 초음파모터(300)의 공진주파수를 추종토록 하기 위한 주파수 정보(f(k))와 소정 크기의 위상차 정보()를 출력함으로서 입력전류()의 위상이 임피던스 위상각을 추종토록 하여 부하에 효율적인 전력의 전달이 가능하게 한다.On the other hand, the microcontroller 600 is an impedance phase angle (output from the current-voltage phase difference detection unit 500 ( ) And frequency information f (k) for tracking the resonant frequency of the ultrasonic motor 300 and phase difference information of a predetermined size ( By outputting the input current ( Phase can follow the impedance phase angle, enabling efficient power delivery to the load.
즉, 본 발명은 도 3 및 도 4의 벡터도에서 설명한 바와 같이 공급전압()의 주파수가 모터의 동작 주파수 영역내에 있고 순시적으로 모터의 임피던스 위상각을 알 수 있다고 가정한다면 부하의 변화시 또는 기생 커패시턴스 변동에 의한 공진주파수의 변화시에 공급전압()의 공급 각주파수를 제어함으로서 입력전류의 위상이 임피던스 위상각을 추종토록 하여 부하에 효율적인 전력의 전달이 가능함으로, 임피던스 위상각을 이용하여 초음파 모터를 안정적으로 구동 제어할 수 있게 되는 것이다.That is, the present invention, as described in the vector diagram of Figs. Frequency of Is in the operating frequency range of the motor and instantaneously the motor's impedance phase angle can be known and the supply voltage (when the load changes or the resonance frequency changes due to parasitic capacitance changes) Supply angular frequency By controlling the phase of the input current to follow the impedance phase angle, it is possible to transfer the power efficiently to the load, it is possible to drive the ultrasonic motor stably using the impedance phase angle.
이하 임피던스 위상각 제어에 의한 모터의 운전특성 예를 설명하기로 한다.Hereinafter, an example of operating characteristics of the motor by controlling the impedance phase angle will be described.
도 9는 초음파모터의 전압-전류 특성도를 예시한 것이며, 도 10은 본 발명의실시예에 따른 초음파모터의 일정 주파수 제어시 전압, 전류 및 속도 특성도를, 도 11은 임피던스 위상각 제어를 적용한 경우의 부하-무부하 속도특성 및 전압, 전류의 위상각 및 크기를 나타낸 것이다.9 is a view illustrating a voltage-current characteristic diagram of an ultrasonic motor, FIG. 10 is a diagram illustrating voltage, current, and speed characteristics during constant frequency control of an ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention, and FIG. It shows the load-no-load speed characteristic and phase angle and magnitude of voltage and current in the case of application.
초음파 모터는 고유특성상 최초 전압 인가시에는 약 42KHz 정도의 높은 주파수에서만 기동이 가능하며 공진주파수 부근의 낮은 주파수에서는 기동이 되지 않는다. 일단 높은 주파수에서 모터가 회전하기 시작하면 점차적으로 낮은 주파수로 이동하는 것이 가능하며, 이때에 모터의 입력전압과 전류가 증가함을 볼 수 있고 속도도 증가한다. 도 9의 (a)는 모터에 전압이 인가되었으나 기동주파수가 모터의 동작주파수 보다 낮아서 모터가 회전하지 않는 경우의 전압-전류 파형을 도시한 것이다. 도 9의 (a)를 참조해 보면 전압과 전류의 위상은 거의가 되어 있으며, 이것은 상기 수학식 20에서 표현한 부하측 전류가 거의 0임을 의미한다. 따라서 모터에 흐르는 전류는 모터의 회전에 기여하지 못하는 무효분 전류만 나타나며, 유효분 전류를 공급하기 위해서는 모터의 임피던스각을 변경하여야만 된다. 도 9의 (b)는 모터가 회전하고 있을 때의 전압과 전류 파형이다. 정지시에 비하여 전압의 위상각이 앞선 것을 볼 수 있으며 전압, 전류의 크기가 증가함을 알 수 있다.Ultrasonic motors can be started only at high frequencies of about 42KHz when the initial voltage is applied. Once the motor starts to rotate at a high frequency, it is possible to gradually move to a lower frequency, at which time the input voltage and current of the motor increase, and the speed increases. 9A illustrates a voltage-current waveform when a voltage is applied to the motor but the motor does not rotate because the starting frequency is lower than the operating frequency of the motor. Referring to FIG. 9A, the phases of voltage and current are almost Load current represented by Equation 20 Means nearly zero. Therefore, the current flowing through the motor shows only the reactive current which does not contribute to the rotation of the motor, and in order to supply the effective current, the impedance angle of the motor must be changed. 9B is a waveform of voltage and current when the motor is rotating. It can be seen that the phase angle of the voltage is higher than the stop state, and the magnitude of the voltage and current increases.
한편 본 발명의 실시예에 따른 임피던스 위상각 제어방식의 성능을 조사하기 위하여 초음파모터의 부하-무부하시의 속도 특성 및 전압, 전류의 위상각과 크기를 관측하였다. 부하로는 직류모터를 사용하여 초음파 모터에 역토크가 가해지도록 하였으며 부하시에는 직류모터에 15W의 전력이 공급되도록 하였고 약 10초 간격으로부하와 무부하가 스텝 형태로 반복되도록 하였다. 또한 모터 입력상간의 위상차는 최대속도를 얻기 위하여로 고정하였다.On the other hand, in order to investigate the performance of the impedance phase angle control method according to an embodiment of the present invention, the speed characteristics and the phase angles and magnitudes of voltage and current were observed under no load. As a load, reverse torque was applied to the ultrasonic motor by using a DC motor, and when the load was supplied, 15W of power was supplied to the DC motor, and the load and no load were repeated in steps of about 10 seconds. In addition, the phase difference between the motor input phase is to obtain the maximum speed Fixed with.
모터에 적용시킬 임피던스 위상각은 상기 수학식 18을 사용하여 계산하였으며 공진주파수에서 부하의 변동을 고려하였을 때 82°에서 85°정도로 계산되었다. 그렇지만 실험에서는 모터의 공진주파수가 변동되는 것을 감안해야 하므로 임피던스 위상각을 75°에서 90°까지 다양하게 적용하였으며, 그 결과 78°에서 80°를 적용하였을 때에 가장 좋은 특성을 얻을 수 있었다.The impedance phase angle to be applied to the motor was calculated using Equation 18, and was calculated from 82 ° to 85 ° considering the load variation at the resonance frequency. However, in the experiment, the resonant frequency of the motor should be taken into consideration, so the impedance phase angle was varied from 75 ° to 90 °. As a result, the best characteristics were obtained when 78 ° to 80 ° were applied.
한편 도 10의 (a)를 참조하면, 모터에 41KHz의 일정주파수를 공급하였을 때의 파형으로 약 82[rpm]에서 기동을 시작하였으며 매번 부하가 인가되는 순간마다 약 15[rpm] 이상의 급격한 속도 저하가 관측되었다. 또한 동작시간 경과에 따라 모터의 속도는 점차 감소되었으며 1분이 경과한 후에는 평균 25[rpm]의 속도저하를 보였다.On the other hand, referring to Figure 10 (a), as a waveform when a constant frequency of 41KHz is supplied to the motor, the start was started at about 82 [rpm], and sudden speed drops of about 15 [rpm] every time the load is applied Was observed. In addition, the speed of the motor gradually decreased with the operation time, and after 1 minute, the speed decreased by 25 [rpm].
도 10의 (b)는 전압과 전류의 위상차를 나타낸 것으로 기동시의 위상차는 약 78°정도이었으나 부하시에는 약 4°정도가 더 저하됨을 볼 수 있었으며, 회전속도와 마찬가지로 시간이 경과함에 따라 조금씩 저하되었고 1분이 경과한 후에는 약 72.5°정도로 관측되었다. 모터에 가해진 전압과 전류는 도 10의 (c)에 도시한 것과 같이 부하가 인가되는 기간동안 동시에 상승하며 전압의 경우 무부하시에는 평균 67V이고 부하시에는 평균 92V로 관측되었으며, 전류는 각각 19mA, 23mA로 관측되었다.Figure 10 (b) shows the phase difference between the voltage and the current, the phase difference at the start was about 78 °, it was found that about 4 ° is further lowered under load, as in the rotation speed little by little as time passes After 1 minute, it was about 72.5 °. As shown in (c) of FIG. 10, the voltages and currents applied to the motors simultaneously increase during the period in which the load is applied, and the average voltage is 67V at no load and 92V at load, and the current is 19mA, respectively. 23 mA was observed.
도 11을 참조하면, 우선 제어에 적용된 임피던스 위상각은 78°이며 부하의 조건은 앞서의 일정 주파수 제어시와 동일하다. 도 11의 (a)에서 보면 초기의 기동 주파수는 제어기의 옵센 주파수인 41KHz에서 시작하였으나 위상각이 제어됨에 따라 약간 하강하였다. 기동속도는 약 80[rpm]으로 일정 주파수 제어시와 비슷하였으며, 부하가 가해지는 순간 제어기의 출력주파수가 순시적으로 변경되어 일정 주파수 제어방식과는 달리 속도의 저하가 발생하지 않았다. 부하시에는 제어기의 출력주파수가 무부하시보다 약 200∼300Hz 정도가 낮아지며 전압과 전류의 위상차는 기준값을 잘 추종하고 있음을 볼 수 있다. 전압과 전류의 파형은 일정주파수 제어시와 마찬가지로 부하가 인가되는 동안 동시에 상승되며 각각의 크기는 일정주파수 제어시보다 약간 상승하였다. 한편 동작시간 경과에 따른 모터의 회전속도 저하는 일정주파수 제어시와 유사하게 나타나는데 이것은 모터의 고정자와 회전자간의 점성 마찰 계수의 변화와 온도 상승으로 인한 커패시턴스의 변화 때문이다.Referring to FIG. 11, first, the impedance phase angle applied to the control is 78 ° and the load condition is the same as in the case of the predetermined frequency control. In FIG. 11 (a), the initial starting frequency starts at 41 KHz, which is the opsen frequency of the controller, but decreases slightly as the phase angle is controlled. The starting speed was about 80 [rpm], which is similar to that of constant frequency control. As the output frequency of the controller was changed instantaneously when the load was applied, the speed did not decrease unlike the constant frequency control method. Under load, the output frequency of the controller is about 200 ~ 300Hz lower than no load, and the phase difference between voltage and current follows well the reference value. As with constant frequency control, the voltage and current waveforms are simultaneously raised while the load is applied, and the magnitude of each is slightly higher than during constant frequency control. On the other hand, the reduction of the rotational speed of the motor over the operation time is similar to that of the constant frequency control. Because of the change.
상술한 바와 같은 실험의 수행결과 일정주파수 제어방식에서는 부하 인가시에 속도의 변화가 심하게 발생한 것에 비하여, 본 발명에서는 내부 임피던스 위상각을 자동으로 추적함으로써 속도의 변화가 거의 없었다. 평균 회전속도는 약 20[rpm] 정도 더 높게 동작하였으며, 특히 모터의 기동에 있어서도 일정 주파수 제어방식에서는 모터의 상태에 따라 낮은 주파수에서는 즉시 기동이 되지 않는 경우가 발생하였으나, 본 발명에서는 위상각 추종과정에서 기동주파수를 모터의 동작주파수로 자동 추적함으로서 기동에 실패하는 경우가 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.As a result of performing the experiment as described above, in the constant frequency control method, the speed was greatly changed when the load was applied, whereas in the present invention, the speed of the internal impedance phase angle was automatically tracked. The average rotational speed was about 20 [rpm] higher. Especially, even when starting the motor, the constant frequency control method does not immediately start at low frequency depending on the state of the motor. In the process, the starting frequency was automatically tracked to the operating frequency of the motor, and it was confirmed that the start failure did not occur.
상술한 바와 같이 본 발명은 모터 내부의 임피던스 위상각을 입력전압과 전류로부터 검출하여 모터의 공진주파수를 자동 추종토록 제어함으로서, 부하변동 또는 기생 커패시턴스 변동에 의한 모터의 효율 저하를 방지할 수 있으며, 부하에 효율적인 전력의 전달이 가능한 이점이 있다.As described above, the present invention detects the impedance phase angle inside the motor from the input voltage and the current to automatically follow the resonant frequency of the motor, thereby preventing the motor from being lowered due to load variation or parasitic capacitance variation. The advantage is the efficient delivery of power to the load.
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