KR20050103425A

KR20050103425A - 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템 및 그 자동제어 방법

Info

Publication number: KR20050103425A
Application number: KR1020040028710A
Authority: KR
Inventors: 이순학
Original assignee: 이순학
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2005-10-31
Anticipated expiration: 2024-04-26
Also published as: KR100596534B1

Abstract

본 발명은 엑츄에이터(10)를 보다 편리하고 안정하게 자동 조정할 수 있도록 하고, 엑츄에이터(10)의 궤도를 더욱 정밀하게 제어할 수 있도록 마이콤(40)에 의한 자동 제어방식으로 처리하여 동작특성을 매우 안정적이고 정확하게 구현할 수 있도록 하였으며 전원 잡음 또한 크게 줄일 수 있도록 하였고, 엑츄에이터(10)의 정지동작이 자동화된 전자 브레이킹 방식으로 동작되도록 하여 고분해능의 제어가 가능토록 하고, 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)와 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)의 오차범위를 극소화시킨 상태(4∼20㎃±1％)로 되도록함과 동시에 엑츄에이터(10)를 제어하기 위한 피드백드라이브 증폭부, 차동 증폭부 및 비교부 등의 기능을 하나의 마이콤(40)으로서 제어할 수 있도록 한 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템 및 그 자동제어 방법에 관한 발명이다.

Description

엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템 및 그 자동제어 방법{ACTUATOR SERVO CONTROL SYSTEM AND THEREOF AUTOMATIC CONTROL METHOD}

본 발명은 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템 및 그 자동제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엑츄에이터를 보다 편리하게 자동 조정할 수 있고 마이콤에 의한 자동 제어방식으로 설계하여 동작특성을 정확하게 구현할 수 있으며 고분해능의 제어가 가능한 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템 및 그 자동제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 엑츄에이터는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하여 사물을 쥔다든가 방향을 바꾼다든가 위치를 변동시키는 데 이용되는 산업용 로봇의 부속장치에서부터 모터의 정회전 또는 역회전을 조절하여 공기나 유체 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.

본 출원인은 이와 같이 다양한 산업분야에 이용되고 있는 엑츄에이터를 더욱 편리하고 효과적으로 자동 제어할 수 있는 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템 및 그 자동제어 방법을 개발하여 본 발명으로서 제안하고자 한다.

본 발명의 목적은 엑츄에이터를 보다 편리하고 안정하게 자동 조정할 수 있고 마이콤에 의한 자동 제어방식으로 설계하여 동작특성을 더욱 정확하게 구현할 수 있으며 고분해능의 제어를 가능토록 함과 동시에 엑츄에이터의 정지동작을 전자 브레이킹 방식으로 적용한 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템 및 그 자동제어 방법을 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 포텐셔미터를 구비한 엑츄에이터와, 외부의 전원을 정류 및 평활하여 상용전원의 정전압으로 변환시키는 파워유닛과, 제어신호(4∼20㎃)를 제공하는 컨트롤 유닛과, 상기 컨트롤 유닛의 제어신호를 완충 및 필터링하는 버퍼 증폭부와, 상기 컨트롤 유닛의 제어신호에 따라 동작되는 상기 샤프트의 실제 궤도위치값에 대한 상기 포텐셔미터의 검출신호를 정전류(4∼20㎃)로 증폭하고 상기 컨트롤 유닛의 제어신호와 정전류로 증폭된 상기 포텐셔미터의 검출신호에 대한 편차를 구동신호로 증폭한 후 동작기준값과 비교하여 최종 동작신호로 출력하도록 제어하는 마이콤과, 3∼10초의 터치에 의해 상기 마이콤으로 하여금 상기 엑츄에이터의 0∼100％의 궤도를 자동으로 설정하도록 명령하는 오토세팅 스위치와, 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 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.

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 포텐셔미터를 구비한 엑츄에이터를 제어하는 방법에 있어서, 컨트롤 유닛의 제어신호(4∼20㎃)에 따라 동작되는 상기 샤프트의 실제 궤도위치값에 대한 상기 포텐셔미터의 검출신호를 정전류(4∼20㎃)로 증폭하고 상기 컨트롤 유닛의 제어신호와 정전류로 증폭된 상기 포텐셔미터의 검출신호에 대한 편차를 구동신호로 증폭한 후 동작기준값과 비교하여 마이콤에서 최종 동작신호로 출력하는 단계와, 상기 마이콤의 최종 동작신호에 따라 상기 모터의 정역회전에 대한 방향과 동작범위를 모드셀렉터에서 각각 설정하는 단계와, 상기 모드셀렉터의 설정에 따라 상기 비교부의 최종 동작신호로서 상기 모터의 동작을 드라이브 유닛에서 제어하는 단계를 포함하는 것을 그 기술적 방법상의 기본 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템 및 그 자동제어 방법의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 하고, 본 발명의 실시예는 다수 개가 존재할 수 있으며, 이들 실시예를 통하여 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 더 잘 이해할 수 있게 된다.

도 2는 본 발명에 따른 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 검출신호(B)로서 검출[디스크(D)를 연동시키는 샤프트(S)의 물리적인 회전변화를 저항(Ω)으로 변환하여 검출]하는 포텐셔미터(Potentiometer; 13)를 포함하는 구조로 이루어진다.

본 발명에서 설명되는 엑츄에이터(10)의 실시예로서 유량을 제어하는 밸브(V)에 관련하여 설명하고 있지만, 본 발명은 모터(M)의 정역회전에 따른 샤프트(S)의 실제 궤도위치를 검출하여 제어하거나 유압 또는 공압에 의한 이동수단의 실제 궤도위치를 제어하는 것이라면 어느 분야를 막론하고 적용할 수 있다. 다만, 본 발명에서는 편의상 유량을 조절하는 밸브(V)의 개폐에 관련하는 디스크(D)에 연결된 샤프트(S)의 실제 궤도위치를 유효 적절하게 조절하는 것으로 설명하기로 하되 이에 크게 제한되지 않는 것으로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템을 나타내는 블록도이다.

본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100)은 도 3에 도시된 바와 같이 외부의 전원을 정류 및 평활하여 상용전원의 정전압으로 변환시키는 파워유닛(Power Unit; 21)과, 제어신호(4∼20㎃; A)를 제공하는 컨트롤 유닛(Control Unit; 30), 그리고 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)를 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 AC 전압의 변동에 관계없이 항상 일정한 전압인 정전압을 제공할 수 있도록 설계된다.

본 발명에서 파워유닛(21)의 제어신호(A)를 4㎃∼20㎃로 정의하였으나 4㎃∼20㎃이외에 1∼5V, 0∼10V, 1∼10V, 2∼10V의 DC 등으로 자유롭게 설정할 수 있음은 물론이다.

컨트롤 유닛(30)은 컴퓨터, 국부 제어기(Local Controller), DDC(Direct Digital Control) 등으로 설계할 수 있으며, 본 발명의 바람직한 실시예로서 컨트롤 유닛(30)은 예를 들면 제어신호(4∼20㎃ 또는 DC 1∼5V; A)를 제공할 수 있도록 구성된다.

버퍼 증폭부(22)는 입력부하저항(RL) 250Ω을 구비하여 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)가 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

결국, 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)에는 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.

도 4는 본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템에 적용된 서보 컨트롤 팩(SCP)을 나타내는 사시도이다.

본 발명에 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, 본 발명은 도 3과 더불어 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)에 따라 동작되는 샤프트(S)의 실제 궤도위치값에 대한 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)를 정전류(4∼20㎃)로 증폭하고 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)와 정전류로 증폭된 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)에 대한 편차를 구동신호(C)로 증폭한 후 동작기준값(RV)과 비교하여 최종 동작신호(DL)로 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 동작신호(DL)에 따라 모터(M)의 정역회전에 대한 방향과 동작범위를 각각 설정하는 모드셀렉터(50)와, 모드셀렉터(50)의 설정에 따라 마이콤(40) 내의 최종 동작신호(DL)로서 모터(M)의 동작을 제어하는 드라이브 유닛(60)을 포함한다.

더욱 구체적으로, 마이콤(40)은 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)에 따라 동작되는 샤프트(S)의 실제 궤도위치에 대한 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)를 정전류로 증폭 출력하고, 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)와 정전류로 증폭된 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)에 대한 편차를 구동신호(C)로 증폭한 후 다시 구동신호(C)를 동작기준값(RV)과 비교하여 최종 동작신호(DL)로 출력한다.

이때, 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)를 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.

모드셀렉터(50)는 마이콤(40) 내의 최종 동작신호(DL)에 따라 모터(M)의 정역회전에 대한 방향과 동작범위를 각각 설정하는데 액션모드(Action Mode)와 페일모드(Fail Mode)로 대별할 수 있다.

액션모드는 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)가 4∼20㎃로 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)와, 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)가 4∼20㎃로 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)로 나뉘어진다.

더욱 구체적으로, 액션모드의 리버스모드는 제어신호(A)가 검출신호(B)보다 작으면 모터(M)의 회전방향을 정회전시켜 그 편차만큼 밸브(V)가 열릴 수 있도록 마이콤(40)의 최종 동작신호(DL)를 정의하며 그 반대일 경우에는 모터(M)의 회전방향을 역회전시켜 그 편차만큼 밸브(V)가 닫힐 수 있도록 마이콤(40)의 최종 동작신호(DL)를 정의하고, 액션모드의 다이렉트모드는 제어신호(A)가 검출신호(B)보다 작으면 모터(M)의 회전방향을 역회전시켜 그 편차만큼 밸브(V)가 닫힐 수 있도록 마이콤(40)의 최종 동작신호(DL)를 정의하며 그 반대일 경우에는 모터(M)의 회전방향을 정회전시켜 그 편차만큼 밸브(V)가 열릴 수 있도록 마이콤(40)의 최종 동작신호(DL)를 정의한다.

페일모드는 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)가 차단될 경우 엑츄에이터(10)의 모터(M)를 최대 정회전(Full Open; 100％)시키는 오픈모드(Open Mode)와, 엑츄에이터(10)의 모터(M)의 동작 직전상태로 유지시키는 스톱모드(Stop Mode), 그리고 엑츄에이터(10)의 모터(M)를 최대 역회전(Full Close; 0％)시키는 클로즈모드(Close Mode)로 나뉘어진다.

더욱 구체적으로 도 4를 참조하면, 액션모드 및 페일모드를 설정하기 위한 스위치들이 도시되어 있다.

액션모드 중 리버스모드를 설정하고자 스위치1-ON으로 하면, 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)가 4㎃일 경우 엑츄에이터(10)의 모터(M)가 최대 역회전하여 밸브(V)가 Full Close(0％) 상태로 전환되도록 마이콤(40)의 최종 동작신호(DL)를 정의하고, 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)가 20㎃일 경우 엑츄에이터(10)의 모터(M)가 최대 정회전하여 밸브(V)가 Full Open(100％) 상태로 전환되도록 마이콤(40)의 최종 동작신호(DL)를 정의하게 된다.

반면, 액션모드 중 다이렉트모드를 설정하고자 스위치1-OFF로 하면, 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)가 4㎃일 경우 엑츄에이터(10)의 모터(M)가 최대 정회전하여 밸브(V)가 Full Open(100％) 상태로 전환되도록 마이콤(40)의 최종 동작신호(DL)를 정의하고, 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)가 20㎃일 경우 엑츄에이터(10)의 모터(M)가 최대 역회전하여 밸브(V)가 Full Close(0％) 상태로 전환되도록 마이콤(40)의 최종 동작신호(DL)를 정의하게 된다.

한편, 페일모드 중의 오픈모드를 설정하고자 스위치2-ON, 스위치3-OFF로 하면 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)가 차단될 경우 엑츄에이터(10)의 모터(M)를 최대 정회전시켜 밸브(V)가 Full Open(100％) 되도록 마이콤(40)의 최종 동작신호(DL)를 정의하고, 페일모드 중의 스톱모드를 설정하고자 스위치2-OFF, 스위치3-OFF로 하면 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)가 차단될 경우 엑츄에이터(10)의 모터(M) 동작 직전상태에서 멈추도록 마이콤(40)의 최종 동작신호(DL)를 정의하고, 페일모드 중의 클로즈모드를 설정하고자 스위치2-OFF, 스위치3-ON으로 하면 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)가 차단될 경우 엑츄에이터(10)의 모터(M)를 최대 역회전시켜 밸브(V)가 Full Close(0％) 되도록 마이콤(40)의 최종 동작신호(DL)를 정의한다.

보다 이해하기 쉽도록 액션모드와 페일모드를 각각 설정하고자 할 때 스위치1, 2, 3, 4에 대한 ON/OFF 상태를 표 1로서 표기하면 다음과 같다.

ON/OFF	스위치1	스위치2	스위치3	스위치4
ON/OFF	Action Mode	Fail Mode		Dead Band
ON	Reverse Mode	Open Mode	Close Mode	Wide
OFF	Direct Mode	Stop Mode		Narrow

다음으로, 드라이브 유닛(60)은 모드셀렉터(50)의 설정에 따라 마이콤(40)의 최종 동작신호(DL)를 활용하여 모터(M)의 동작을 직접 제어하는 것으로 SSR드라이브 유닛(Solid State Relay Drive Unit; 61)으로 제작하는 것이 바람직하다.

SSR드라이브 유닛(61)은 마이콤(40)의 최종 동작신호(DL)를 받아 모터(M)의 동작을 제어하는 반도체 스위치 소자로서 일반적인 릴레이(Relay)로 구현할 수도 있으나, 통상의 릴레이는 동작 응답시간이 늦어 정밀제어에 한계가 있고 기구적 접점으로 이루어져 있어 수명이 짧아지므로 본 발명에서는 드라이브 유닛(60)을 SSR드라이브 유닛(61)으로서 채용하기로 한다.

드라이브 유닛(60)을 SSR드라이브 유닛(61)으로서 채용할 경우 접점수명이 반영구적이며 동작응답속도가 빨라 정밀제어가 가능하고 소비전류가 적어 효율이 높으며 소형 및 경량화가 가능하다.

한편, 엑츄에이터(10)의 모터(M)가 동작 중일 경우, 즉 회전 중일 경우에는 마이콤(40)에서 최종 동작신호(DL)를 정지신호로서 보내오더라도 모터(M)의 회전력 때문에 즉각 멈추질 못하고 밀림현상이 일어날 수밖에 없다.

이러한 밀림현상은 엑츄에이터(10)의 정밀제어를 방해할 뿐만 아니라 엑츄에이터(10)를 헌팅시키는 주요원인이 될 수 있으므로 심각하게 고려하여야 한다.

따라서, 본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100)에 설계된 마이콤(40)은 최종 동작신호(DL)가 정지신호일 경우 모터(M)의 회전방향에 반대방향으로 브레이크 타임(Brake Time; 300∼500msec)동안 역회전신호를 제공하여 샤프트(S)의 밀림현상을 상쇄시키는 전자 브레이킹 제어를 포함하고, 아울러 최종 동작신호(DL)가 정지신호일 경우 데드타임(Dead Time; 5∼15msec)을 두고서 모터(M)의 회전방향에 대한 반대방향인 역회전신호를 제공하는 기능을 추가로 포함한다.

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 정전류 조절볼륨(80)을 더 포함하는 구성으로 이루어진다.

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

한편, 본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100)은 마이콤(40)에 의한 엑츄에이터(10)의 동작분해능을 256:1의 디테일(Detail)한 상태와 100:1의 루즈(Loose)한 상태 중 어느 하나의 상태로 이루어지도록 제어하는 분해능 선택스위치(Resolution Selector 52)를 더 포함할 수 있다.

분해능 선택스위치(52)는 엑츄에이터(10)의 사용환경에 따라 고정밀을 요하거나 저정밀을 요할 경우에 따라서 디테일한 상태 또는 루즈한 상태를 자유롭게 선택할 수 있도록 하여 사용자의 편의를 위하여 제공된 것이다.

다음으로, 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)의 변화량에 따라 제어되는 모터(M)의 동작이 너무 민감하게 반응할 경우 시스템 전체에 무리한 과부하가 걸려 수명을 단축시킬 수 있으므로, 본 발명에서는 모터(M)의 반응 민감도를 동작폭(불감대; Narrow 또는 Wide)으로서 설정하는 데드밴드 스위치(Dead Band Switch; 51)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

데드밴드 스위치(51)는 포텐셔미터(13)의 구동신호(C)에 비교되는 마이콤(40) 내의 동작기준값(RV)을 엑츄에이터(10)의 모터(M)의 반응 민감도로 활용되도록 동작폭(불감대)으로서 조절하여 미리 설정하는 것으로 도 4에 도시된 바와 같이 데드밴드 스위치(51; 스위치4)를 OFF시킬 경우에는 협소한(Narrow) 동작폭(불감대)을 갖게 되어 구동신호(C)의 크기가 조금만 크더라도 데드밴드 스위치(51)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(51; 스위치4)를 ON시킬 경우에는 넓은(Wide) 동작폭(불감대)을 갖게 되어 구동신호(C)의 크기가 비교적 크더라도 데드밴드 스위치(51)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 동작기준값(RV)으로 설정되는 데드밴드 스위치(51)의 조절에 의한 동작폭(불감대)은 사용환경에 따라 사용자가 임의로 미리 설정할 수 있도록 함으로써 제품의 효율성과 수명을 극대화시킬 수 있게 되고, 이는 표 1의 스위치4로서 다시 한번 확인할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100)의 결선상태를 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100)에 적용된 서보 컨트롤 팩(SCP)을 나타내는 정면도로서 각 단자들의 구체적인 명칭을 표기하여 정면에서 보여주고 있다.

이 중 미 설명된 RUN Lamp는 전원 및 엑츄에이터(10)의 상태를 표시하는 램프로서, 상시점등은 Power ON 및 동작대기 상태이고, 간헐소등은 엑츄에이터(10)가 Full Open 상태, 간헐점등은 엑츄에이터(10)가 Full Close 상태, 점멸은 엑츄에이터(10)에 이상이 있는 상태(FAULT 발생)를 각각 뜻하고, RUN Lamp의 점멸상태로서는 상한 리미트 스위치(11) 및 하한 리미트 스위치(12)에 이상이 있거나 포텐셔미터(13)에 이상이 있을 경우, 그리고 모터(M)에 이상 있을 때 또는 기타의 결함으로 엑츄에이터(10)의 가동이 불가능할 때로써 모든 기능이 정지되므로 조치를 취한 후 재가동하여야 한다.

또한, 미 설명된 OPEN Lamp는 엑츄에이터(10)가 Open 동작 중일 때 점등하고, Close Lamp는 엑츄에이터(10)가 Close 동작 중일 때 점등한다.

도 6은 본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100)을 나타내는 결선도로서 엑츄에이터(10)를 제어하기 위한 서보 컨트롤 팩(SCP)을 기준으로 하여 컨트롤 유닛(30) 및 엑츄에이터(10) 등을 간략하게 보여주고 있다.

서보 컨트롤 팩(SCP)의 Input +, -는 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(4∼20㎃ 또는 1∼5V; A)를 입력받기 위한 단자이고, Power H, N은 AC 220V를 제공받기 위한 단자이며, Output +, -는 피드백드라이브 증폭부(41)로부터 증폭된 포텐셔미터(13)의 검출신호(4∼20㎃; B)를 정전류로서 출력하여 사용자에게 육안으로 확인시켜 주기 위한 모니터링용으로 제공하기 위한 단자이다.

그리고, 엑츄에이터(10)의 모터(M)는 서보 컨트롤 팩(SCP)의 Motor Common 단자①, Motor Open 단자②, Motor Close 단자③을 통하여 드라이브 유닛(60)에 연결되고, 상한 리미트 스위치(11) 및 하한 리미트 스위치(12)는 Power Limit 스위치를 사용할 것인가 Digital Limit 스위치를 사용할 것인가에 따라 도 6에 도시된 바와 같이 결선될 수 있다.

Power Limit 스위치일 경우에는 모터(M)에 인가되는 전원을 직접 온오프하는 방식으로 회로구성과 결선이 비교적 단순하다는 장점이 있으나 모터(M)로 출력되는 AC 전압을 온오프할 때 유기전압(써지)이 발생되어 제품에 무리를 줄 수 있고, 이러한 현상은 부하가 코일로 구성된 유도성 부하이기 때문에 나타나는 현상이어서 가능한 Power Limit 스위치 양단에 유기전압 흡수용 부품(미 도시됨)을 반드시 부착하여 무리를 최소화하는 것이 바람직하다.

Digital Limit 스위치일 경우에는 모터(M)에 인가되는 전원을 직접 온오프하지 않고 서보 컨트롤 팩(SCP) 내부에서 디지털식으로 제어하는 방식으로 디지털 레벨로서 읽어내는 용도로 사용되기 때문에 온오프 동작 시 전혀 노이즈가 발생되지 않아 안정성과 내구성이 뛰어난 장점이 있는 한편 출력회로가 훼손될 경우 달리 전압을 오프할 방법이 없다 할 수 있으나 이러한 불량은 발생할 확률이 매우 희박하여 본 발명에서는 하한 리미트 스위치(12) 및 상한 리미트 스위치(11)로서 Digital Limit를 채용하는 것이 바람직하다 할 수 있다.

서보 컨트롤 팩(SCP)의 F.G 단자④는 메인 접지단자이고, Potentiometer 단자⑤, ⑥, ⑦은 포텐셔미터(13)가 연결되는 단자이다.

상기한 바와 같은 구성과 결선으로 이루어진 본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100)의 핵심동작을 도 7 및 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 7은 본 발명에 따른 엑츄에이터 자동 제어방법을 설명하기 위한 플로우챠트로서 그 진행단계를 세부적으로 나타내고 있다.

본 발명에 따른 엑츄에이터 자동 제어방법은 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 검출신호(B)로 변환하여 제공하는 포텐셔미터(13)를 구비한 엑츄에이터(10)를 자동 제어하는 방법으로서, 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(4∼20㎃; A)에 따라 동작되는 샤프트(S)의 실제 궤도위치값에 대한 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)를 정전류(4∼20㎃)로 증폭하고 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)와 정전류로 증폭된 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)에 대한 편차를 구동신호(C)로 증폭한 후 동작기준값(RV)과 비교하여 마이콤(40)에서 최종 동작신호(DL)로 출력하고, 마이콤(40)의 최종 동작신호(DL)에 따라 모터(M)의 정역회전에 대한 방향과 동작범위를 모드셀렉터(50)에서 각각 설정하며, 모드셀렉터(50)의 설정에 따라 비교부(43)의 최종 동작신호(DL)로서 모터(M)의 동작을 드라이브 유닛(60)에서 제어하는 단계로 이루어진다.

이와 같은 본 발명에 따른 엑츄에이터 자동 제어방법을 도 7을 참조하여 더욱 구체적이고 세부적으로 설명하면 다음과 같다.

스텝 A : 본 발명에 다른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100)을 리셋시키거나 마이콤(40) 내의 메인 프로그램을 초기 스타트한다.

스텝 B : 마이콤(40) 내의 디폴트(Default) 값과 사용자가 설정한 조건들을 읽어들여 마이콤(40) 내의 프로그램을 동작시키기 위한 환경을 구성한다.

스텝 C : 오토세팅 스위치(70)가 3초 이상 터치되었는지를 체크한다. 오토세팅 스위치(70)가 OFF일 경우에는 마이콤(40) 내의 디폴트 모드로 진행되고 3초 이상 ON될 경우에는 오토세팅 모드로 전환된다.

스텝 D : 평상시 제어인 디폴트 모드로 진입하여 비례제어 동작을 스타트한다.

스텝 E1 : 페일모드를 감지하는 부분으로 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)가 1V 이상일 경우 정상동작으로, 1V 미만일 경우에는 페일모드로 전환한다.

스텝 E2 : 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)와 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)가 동일한 값인지 검사하여 결과를 출력한다.

스텝 F : 액션모드 설정을 확인한다.

스텝 G : 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)가 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)보다 클 경우에는 Open신호를, 적을 경우에는 Close신호를 출력한다(리버스 모드).

스텝 H : 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)가 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)보다 클 경우에는 Close신호를, 적을 경우에는 Open신호를 출력한다(다이렉트 모드).

스텝 I : Open신호를 ON시 Hi로, OFF시 Low로 출력한다.

스텝 J : Open Limit신호가 입력되었는지 검사한다.

스텝 K : Close신호를 ON시 Hi로, OFF시 Low로 출력한다.

스텝 L : Close Limit신호가 입력되었는지 검사한다.

스텝 M : 각 Limit신호가 1분 이내 입력되는지 검사한다.

스텝 N : 출력 중인 Open신호 또는 Close신호를 OFF한다.

스텝 O : 페일모드로 동작을 전환한다.

스텝 P : 페일모드가 Close Mode로 설정되었을 경우 Close신호를 출력한다.

스텝 Q : 페일모드가 Open Mode로 설정되었을 경우 Open신호를 출력한다.

스텝 R : Auto Setting Mode로 동작을 전환한다.

스텝 S : Close신호를 출력한다.

스텝 T : Close Limit신호가 입력되었는지 검사한다.

스텝 U : Close Limit신호가 입력된 지점의 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)를 마이콤(40) 내의 메모리에 기억한다.

스텝 V : Open신호를 출력한다.

스텝 W : Open Limit신호가 입력되었는지 검사한다.

스텝 X1, X2 : 각 Limit신호가 1분 이내 입력되는지 검사한다.

스텝 Y : Open Limit신호가 입력된 지점의 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)를 마이콤(40) 내의 메모리에 기억한다.

스텝 Z : 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100)을 정지시킨다.

스텝 BK : 전자 브레이크 기능을 수행하는 부분으로 세부동작은 후술하는 바와 같이 도 8a 및 도 8b를 참조하여 설명하기로 한다.

상기 스텝들을 종합하여 다시 설명하면, 본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100)의 자동제어 방법은 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)와 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)를 서로 비교하여 어느 값이 큰가, 작은가 또는 같은가를 판단하여 A와 B의 값이 항상 오차범위(±0.39∼1％) 내에서 동일하게 되도록 제어신호(A) 또는 검출신호(B)의 값을 증감하는 방식을 취한다.

컨트롤 유닛(30)으로부터 제어신호(A)가 입력되고 포텐셔미터(13)로부터 검출신호(B)가 입력될 경우, 제어신호(A)와 검출신호(B)의 편차, 즉 구동신호(C)에 따른 엑츄에이터(10)의 모터(M) 동작에 대한 경우의 수를 설명하면 다음과 같다.

㉠ 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)와 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)의 편차인 정전류화된 구동신호(C)가 A ＞ B일 경우

제어신호(A)가 검출신호(B)보다 큰 경우로서 검출신호(B)가 증가되는 방향으로 제어신호(A)와 검출신호(B)가 일치될 때까지 엑츄에이터(10)의 모터(M)를 회전시킨다.

㉡ 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)와 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)의 편차인 정전류화된 구동신호(C)가 A ＜ B일 경우

제어신호(A)가 검출신호(B)보다 작은 경우로서 검출신호(B)가 감소되는 방향으로 제어신호(A)와 검출신호(B)가 일치될 때까지 엑츄에이터(10)의 모터(M)를 회전시킨다.

㉢ 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)와 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)의 편차인 정전류화된 구동신호(C)가 A = B일 경우

제어신호(A)와 검출신호(B)의 편차가 없는 평형(만족)조건으로 이때에는 휴지상태로 있게 된다.

컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)와 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)에 대한 편차를 마이콤(40) 내의 프로그램을 통해 정전류화시킨 구동신호(C)는 데드밴드 스위치(51)에 의하여 동작폭(불감대)으로 설정된 동작기준값(RV)과 비교되어 구동신호(C)의 값이 동작기준값(RV)보다 작을 경우에는 최종 동작신호(DL)는 엑츄에이터(10)의 모터(M)에 정지(휴지)신호로서 출력되고 구동신호(C)의 값이 동작기준값(RV)보다 클 경우에는 최종 동작신호(DL)는 엑츄에이터(10)의 모터(M)에 실질적인 동작신호로서 출력된다.

더욱 구체적으로, 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)는 전류를 전압으로 변경하기 위한 버퍼 증폭부(22)의 입력부하저항(RL) 250Ω에 의하여 4∼20㎃가 1∼5V의 전압으로 변환된다.

이와 같이 변환된 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)는 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)의 편차로서 마이콤(40) 내에서 구동신호(C)로 정전류화된다.

이렇게 마이콤(40)에서 정전류화된 구동신호(C)는 데드밴드 스위치(51)의 동작기준값(RV)과 비교되어 밸브(V)의 Close 또는 Open 중 보충이 필요한 방향으로 드라이브 유닛[60; SSR드라이브 유닛(61)]을 Turn On시켜 구동신호(C)의 값이 Zero(0)가 되는 점, 즉 A=B의 지점에서 엑츄에이터(10)의 모터(M)를 정지(휴지)시키게 된다.

이후, 제어신호(A)와 검출신호(B)의 값이 동일하거나 편차가 데드밴드 스위치(51)의 동작기준값(RV)의 범위 이내일 경우에는 최종 동작신호(DL)는 정지(휴지)신호를 출력하여 엑츄에이터(10)의 모터(M)를 휴지상태로 있게 한다.

여기서, 휴지상태란 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A) 값과 포텐셔미터(13)의 검출신호(B) 값이 동일할 때의 조건으로 포텐셔미터(13)의 전체 검출신호(B) 값의 범위가 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)와 동일하게 1∼5V라는 것으로 이해될 수 있다.

예를 들어, 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)가 4㎃(1V)라고 가정할 때 마이콤(40)에서는 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)의 값이 1V가 되는 지점까지 엑츄에이터(10)를 Open이나 Close로 동작시켜 1V가 되는 지점에서 정지(휴지상태)하도록 하기 때문이다.

결국, 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)의 값은 항상 제어신호(A)와 연동하여 동일한 전압으로 출력되어 엑츄에이터(10)의 실제 작동위치로서 확인할 수 있게 된다.

한편, 모드셀렉터(50)에서 선택되는 페일모드는 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)가 차단될 경우 작동하는 것으로 제어신호(A) 입력 측의 버퍼 증폭부(22)에 입력부하저항(RL) 250Ω이 연결되어 있어 최소전압이 4㎃일 때 1V임을 전제로 할 때, 예를 들어 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A) 값이 1V이하 또는 0V일 경우 이는 컨트롤 유닛(30)의 라인(Line)에 이상이 있음을 인식하게 되고, 1V이하의 전압이 검출될 경우 페일모드로 인식하여 오픈모드, 스톱모드 또는 클로즈모드 중 어느 하나로서 동작하게 한다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 엑츄에이터 자동 제어방법에 적용된 전자 브레이킹 제어를 설명하기 위한 것으로 도 8a는 플로우챠트이고 도 8b는 전자 브레이킹 제어에 대한 동작 파형도이다.

본 발명에 따른 엑츄에이터 자동 제어방법은 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이 마이콤(40) 내의 최종 동작신호(DL)가 정지신호일 경우 모터(M)의 회전방향에 반대방향으로 브레이크 타임(Brake Time; 300∼500msec)동안 역회전신호를 제공하여 샤프트(S)의 밀림현상을 상쇄시키는 단계와, 마이콤(40) 내의 최종 동작신호(DL)가 정지신호일 경우 데드타임(Dead Time; 5∼15msec)을 두고서 모터(M)의 회전방향에 대한 반대방향인 역회전신호를 제공하는 단계를 더 포함한다.

본 발명에 따른 엑츄에이터 자동 제어방법 중의 전자 브레이킹 제어는 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100)의 브레이크 기능이 활성화되었을 때만 동작하며, 여기에서는 Open 동작이 종료되었을 때를 가정하여 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.

스텝 B : 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100)에서 기본 프로그램을 동작한다.

스텝 C : Open 동작이 종료되었는지를 검사하여 Open 동작이 종료되었을 때에는 브레이킹 제어로, 동작 중일 때에는 메인 프로그램으로 Return한다.

스텝 D : 메인 프로그램에 디폴트(Default)로 설정된 데드타임과 브레이크 타임을 읽어 들인다.

스텝 E : 설정된 데드타임동안 Open과 Close 출력을 OFF시킨다(도 8b의 "바" 참조).

스텝 F : 설정된 브레이크 타임동안 Close 출력을 ON시킨다(도 8b의 "사" 참조).

상기 스텝들을 종합하여 다시 설명하면, 본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100)의 자동제어 방법 중 전자 브레이킹 제어는 최종 동작신호(DL)가 정지신호일 경우 모터(M)의 회전방향에 반대방향으로 브레이크 타임(Brake Time; 300∼500msec)동안 역회전신호를 제공하여 샤프트(S)의 밀림현상을 상쇄시켜 엑츄에이터(10)의 정밀도를 극대화하고자 설계된 것이고, 특히 마이콤(40)의 최종 동작신호(DL)가 정지신호일 경우 데드타임(Dead Time; 5∼15msec)을 두고서 모터(M)의 회전방향에 대한 반대방향인 역회전신호를 제공하여 제품의 안정성과 수명을 보장하기 위하여 제안된 것이다.

더욱 구체적으로, 엑츄에이터(10)의 동작 정지점에서 나타나는 밀림현상을 제거하기 위한 전자 브레이크(70)는 밸브(V)의 Open 방향 또는 Close 방향의 동작종료 직후에 Close 방향 또는 Open 방향으로 순간적인 역회전신호를 제공하여 엑츄에이터(10)의 모터(M)의 회전에 의하여 발생된 밀림현상을 상쇄시키도록 설계된 것이다.

그리고, 역회전신호의 출력시에는 반드시 데드타임의 인터벌(Interval)을 두어 Over Load가 발생되지 않도록 하여야 한다.

예를 들어, 밸브(V)의 Open 동작이 종료되었을 때 데드타임 없이 곧바로 역회전신호를 제공할 경우 순간적으로 Open과 Close가 동시에 맞물리게 됨으로써 Over Load가 발생할 수밖에 없다.

이러한 현상은 단기간 내에서는 별다른 문제를 보이지 않으나 장시간 지속될 경우에는 모터(M)와 서보 컨트롤 팩(SCP)의 드라이브 유닛(60)에 각각 무리를 주어 제품특성을 열화시키게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 전자 브레이킹 제어의 역회전신호는 가능한 한 기본동작의 종료와 동시에 5∼15msec 정도의 데드타임 후에 출력되는 것이 바람직하고, 또한 출력되는 브레이크 타임은 엑츄에이터(10)의 규격(용량)에 따라 밀림의 정도가 다르기 때문에 각각의 제품에 대한 특성을 파악하여 적정한 시간을 산출하여 적용하여야 한다.

만약, 브레이크 타임을 과도하게 출력할 경우에는 엑츄에이터(10)가 심하게 진동하게 되어 기계적인 무리를 받게 됨은 물론 헌팅을 유발할 수도 있기 때문이고, 본 발명에서는 브레이크 타임의 적용범위를 300∼500msec으로 기술하고 있으나 이에 크게 제한되지 않는 것으로 한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템 및 그 자동제어 방법에 대한 자세한 설명 중 부족한 부분을 다음의 추가 설명으로 보충하기로 한다.

먼저, 마이콤(40)의 Auto Setting(교정)에 대한 설명으로서, 핵심 포인트는 엑츄에이터(10)의 동작환경을 설정하는 과정, 엑츄에이터(10)의 동작범위를 설정하거나 데드밴드 스위치(51)를 통한 Dead Band 설정, 그리고 정전류 조절 스위치를 통한 검출신호(B)의 출력을 교정하는 과정 등을 들 수 있다.

교정 순서로서, 먼저 서보 컨트롤 팩(SCP)의 각 단자, 즉 Power H, N 단자에 파워유닛(21)을 접속하고, Input +, -에 컨트롤 유닛(30)을, Output +, -에 미 도시된 모니터를 결선 한 후 전원을 공급한다. 이때 만약 Run Lamp가 점등되지 않을 경우에는 Power Line을 점검한다.

그리고, 오토세팅 스위치(70)를 3초 이상 누른다.

잠시 후 Run Lamp가 깜빡이며 모드셀렉터(50)에 의하여 액션모드가 리버스모드로 설정될 경우 밸브(V)를 Close 방향으로, 다이렉트모드일 경우에는 밸브(V)를 Open 방향으로 진행하게 된다. 이때 엑츄에이터(10)가 무리없이 동작되는지 관찰한다.

마이콤(40) 내의 프로그램에 의한 교정작업은 2회를 실행하는 것이 바람직하며 교정 중에는 포텐셔미터(13), 모터(M), 상한 리미트 스위치(11) 및 하한 리미트 스위치(12) 부분에 이상이 있는지의 유무를 함께 진단하도록 설계한다.

이 진단과정에서 이상이 발견될 경우 Run Lamp를 빠르게 점멸함과 동시에 엑츄에이터(10)의 동작을 완전히 차단(휴지)시킨다. 이때에는 모든 기능이 정지되므로 문제점을 제거한 후 다시 교정작업을 다시 하도록 한다(전원이 오프에서 온으로 될 경우 재 가동되는 것으로 프로그램화시키는 것이 바람직함).

2 회의 교정작업이 정상적으로 완료될 경우 자동 전환되어 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)에 따라 마이콤(40)에서 위치제어를 하게 된다.

설정을 완료한 후에는 표 2와 같이 엑츄에이터(10)의 궤도율이 만족되는지를 모니텅링할 수 있도록 한다.

입력신호	0％	25％	50％	75％	100％
4∼20㎃	4㎃	8㎃	12㎃	16㎃	20㎃
1∼5V	1V	2V	3V	4V	5V

궤도율 : 0∼100％

한편, 정전류 조절볼륨(80)은 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)의 종류에 관계없이 4∼20㎃의 정전류를 균일하게 출력할 수 있도록 조절하는 것으로, 즉 포텐셔미터(13)의 위치출력값, 즉 검출신호(B)가 오차범위를 초과할 경우 이를 보정하는 작업으로 도 4에 도시된 정전류 조절볼륨(80) 단자 1(20㎃)로서 엑츄에이터(10)의 100％에 대한 궤도율을 조정하고 정전류 조절볼륨(80) 단자 2(4㎃)로서 엑츄에이터(10)의 0％에 대한 궤도율을 조정할 수 있도록 한다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템 및 그 자동제어방법은 엑츄에이터를 보다 편리하고 안정하게 하나의 마이콤으로서 자동 조정할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

특히, 엑츄에이터의 궤도를 정밀하게 제어할 수 있도록 모드설정 등을 마이콤의 자동 제어방식으로 처리하여 동작특성이 매우 안정적이고 정확하게 구현될 수 있으며 전원 잡음 또한 크게 줄일 수 있는 이점이 있다.

또한, 엑츄에이터의 정지동작이 자동화된 전자 브레이킹 방식으로 동작됨에 따라 고분해능의 제어가 가능하다.

그리고, 컨트롤 유닛의 제어신호와 포텐셔미터의 검출신호의 오차범위가 극소화된 상태(4∼20㎃±1％)로 설계된다는 이점이 있다.

아울러, 엑츄에이터를 제어하기 위한 피드백드라이브 증폭부, 차동 증폭부 및 비교부 등의 기능을 하나의 마이콤으로서 프로그램화시켜 제어할 수 있도록 설계함으로써 제품이 더욱 간소화되면서 보다 정확하고 정밀한 제어가 가능한 장점이 있다.

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

도 2는 본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템을 설명하기 위하여 밸브의 상측 캡을 개방하여 나타낸 평면도.

도 3은 본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템을 나타내는 블록도.

도 4는 본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템에 적용된 서보 컨트롤 팩을 나타내는 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템에 적용된 서보 컨트롤 팩을 나타내는 정면도.

도 6은 본 발명에 따른 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템을 나타내는 결선도.

도 7은 본 발명에 따른 엑츄에이터 자동 제어방법을 설명하기 위한 플로우챠트.

도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 엑츄에이터 자동 제어방법에 적용된 전자 브레이킹 제어를 설명하기 위한 것으로 도 8a는 플로우챠트이고 도 8b는 전자 브레이크에 대한 동작 파형도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

D : 디스크 M : 모터

S : 샤프트 SCP : 서보 컨트롤 팩

V : 밸브 10 : 엑츄에이터

11 : 상한 리미트 스위치 12 : 하한 리미트 스위치

13 : 포텐셔미터 21 : 파워유닛

22 : 버퍼 증폭부 30 : 컨트롤 유닛

40 : 마이콤 50 : 모드셀렉터

51 : 데드밴드 스위치 52 : 분해능 선택스위치

60 : 드라이브 유닛 61 : SSR드라이브 유닛

70 : 오토세팅 스위치 80 : 정전류 조절볼륨

100 : 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템

Claims

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 검출신호(B)로 변환하여 제공하는 포텐셔미터(13)를 구비한 엑츄에이터(10)와,

외부의 전원을 정류 및 평활하여 상용전원의 정전압으로 변환시키는 파워유닛(21)과,

제어신호(4∼20㎃; A)를 제공하는 컨트롤 유닛(30)과,

상기 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)를 완충 및 필터링하는 버퍼 증폭부(22)와,

상기 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)에 따라 동작되는 상기 샤프트(S)의 실제 궤도위치값에 대한 상기 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)를 정전류(4∼20㎃)로 증폭하고 상기 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)와 정전류로 증폭된 상기 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)에 대한 편차를 구동신호(C)로 증폭한 후 동작기준값(RV)과 비교하여 최종 동작신호(DL)로 출력하도록 제어하는 마이콤(40)과,

3∼10초의 터치에 의해 상기 마이콤(40)으로 하여금 상기 엑츄에이터(10)의 0∼100％의 궤도를 자동으로 설정하도록 명령하는 오토세팅 스위치(70)와,

상기 마이콤(40)의 최종 동작신호(DL)에 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 동작신호(DL)로서 상기 모터(M)의 동작을 제어하는 드라이브 유닛(60)을 포함하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100).
제 1 항에 있어서,

상기 마이콤(40)은 최종 동작신호(DL)가 정지신호일 경우 상기 모터(M)의 회전방향에 반대방향으로 브레이크 타임(Brake Time; 300∼500msec)동안 역회전신호를 제공하여 상기 샤프트(S)의 밀림현상을 상쇄시키는 전자 브레이킹 제어를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100).
제 2 항에 있어서,

상기 마이콤(40)의 전자 브레이킹 제어는 최종 동작신호(DL)가 정지신호일 경우 데드타임(Dead Time; 5∼15msec)을 두고서 상기 모터(M)의 회전방향에 대한 반대방향인 역회전신호를 제공하는 것을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100).
제 1 항에 있어서,

상기 모드셀렉터(50)는

상기 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)가 4∼20㎃로 변화될 경우 상기 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), 상기 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)가 4∼20㎃로 변화될 경우 상기 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 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100).
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

상기 모드셀렉터(50)는

상기 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)가 차단될 경우,

상기 엑츄에이터(10)의 모터(M)를 최대 정회전[밸브(V); Full Open(100％)]시키는 오픈모드(Open Mode), 상기 엑츄에이터(10)의 모터(M)의 동작 직전상태로 유지시키는 스톱모드(Stop Mode), 상기 엑츄에이터(10)의 모터(M)를 최대 역회전[밸브(V); Full Close(0％)]시키는 클로즈모드(Close Mode)를 각각 설정하는 페일모드(Fail Mode)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100).
제 1 항에 있어서,

상기 드라이브 유닛(60)은 SSR드라이브 유닛(Solid State Relay Drive Unit; 61)인 것을 특징으로 하는 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100).
제 1 항에 있어서,

상기 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)의 종류에 관계없이 4∼20㎃의 정전류를 균일하게 출력할 수 있도록 조절하는 정전류 조절볼륨(80)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100).
제 1 항에 있어서,

상기 마이콤(40) 내에서 상기 구동신호(C)에 비교되는 동작기준값(RV)을 상기 엑츄에이터(10)의 모터(M)의 반응 민감도로 활용되도록 동작폭(불감대; Narrow/Wide)으로 조절하여 설정하는 데드밴드 스위치(51)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100).
제 1 항에 있어서,

상기 마이콤(40)에 의한 상기 엑츄에이터(10)의 동작분해능을 256:1의 디테일(Detail)한 상태와 100:1의 루즈(Loose)한 상태 중 어느 하나의 상태로 이루어지도록 제어하는 분해능 선택스위치(Resolution Selector; 52)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터 서보 컨트롤 시스템(100).
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 검출신호(B)로 변환하여 제공하는 포텐셔미터(13)를 구비한 엑츄에이터(10)를 제어하는 방법에 있어서,

컨트롤 유닛(30)의 제어신호(4∼20㎃; A)에 따라 동작되는 상기 샤프트(S)의 실제 궤도위치값에 대한 상기 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)를 정전류(4∼20㎃)로 증폭하고 상기 컨트롤 유닛(30)의 제어신호(A)와 정전류로 증폭된 상기 포텐셔미터(13)의 검출신호(B)에 대한 편차를 구동신호(C)로 증폭한 후 동작기준값(RV)과 비교하여 마이콤(40)에서 최종 동작신호(DL)로 출력하는 단계와,

상기 마이콤(40)의 최종 동작신호(DL)에 따라 상기 모터(M)의 정역회전에 대한 방향과 동작범위를 모드셀렉터(50)에서 각각 설정하는 단계와,

상기 모드셀렉터(50)의 설정에 따라 상기 비교부(43)의 최종 동작신호(DL)로서 상기 모터(M)의 동작을 드라이브 유닛(60)에서 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터 자동 제어방법.
제 10 항에 있어서,

상기 마이콤(40) 내의 최종 동작신호(DL)가 정지신호일 경우 상기 모터(M)의 회전방향에 반대방향으로 브레이크 타임(Brake Time; 300∼500msec)동안 역회전신호를 제공하여 상기 샤프트(S)의 밀림현상을 상쇄시키는 단계와,

상기 마이콤(40) 내의 최종 동작신호(DL)가 정지신호일 경우 데드타임(Dead Time; 5∼15msec)을 두고서 상기 모터(M)의 회전방향에 대한 반대방향인 역회전신호를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터 자동 제어방법.