KR20060091771A - 자기센서를 응용한 비례제어가 가능한 마그네틱 엑츄에이터 - Google Patents

Abstract

비례제어가 가능한 소형 마그네틱 엑추에이터 제어에 관한 내용으로 가까이홀소자나 자기저항소자 등의 자기센서를 위치시켜 자석의 자속 뿐만 아니라 구동코일이 야기하는 자속까지 검출을 하되 이 검출된 신호를 특정한 방식으로 처리하여 구동코일에 의한 자속의 외란정보는 최소화하고 구동 자석이 야기하는 순 자속 정보에 근접한 신호를 찾아내어 구동부의 정확한 위치 및 상태를 확인할 수 있을 뿐만 아니라 검출된 신호를 처리한 뒤 부궤환 정보로 이용하여 자석의 위치를 정밀하게 비례제어 할 수 있는 방법에 관한 것으로 단순한 비례제어가 가능한 마그네틱 엑추에이터는 물론 일정각도 회전운동을 하거나 상하 좌우 2차원으로 구동할수 있는 기구장치에 응용 레이저 반사거울이나 정밀 2차원 로봇 팔, 로봇이나 완구 인형등의 눈동자제어 등 다양한 용도로 적용이 가능한 제어방법과 구동모듈에 관한 것이다.

마그네틱, 엑츄에이터, 홀소자, 자기저항소자, PWM, 부궤환

Description

자기센서를 응용한 비례제어가 가능한 마그네틱 엑츄에이터{ Proportionally Controlling Magnetic Actuator }

제어기술, 센서기술, 구동기술, 오류보상기술, 제어회로기술 등

종래 마그네틱 엑츄에이터는 주로 솔레노이드 형태의 단순 2가지 위치제어의

용도로 많이 쓰였고 비례제어의 응용예는 많지 않았는데 비례제어를 위해서

구동부의 위치를 정확히 검출할 필요가 있고 다양한 위치에 대한 검출방법을

적용하여 위치정보와 원하는 제어입력과의 부궤환에 의한 제어방법을 주로

사용하는데 홀소자 등이 위치검출용 소자로 사용한 예는 있지만 구동코일과

이격된 상태에서의 정확한 위치검출방법이 구체화 되어있지 않은 내용으로

소형화 하는데 문제가 있는 구조이다.

최근 구동부의 위치검출에 구동부와 고정부 사이의 거리에 따른 정전용량의

변화 값으로 거리를 검출하는 방법이 사용되고 있으나 공기매질의 유전율

변화에 따른 오차발생이나 기구적인 구조 등 다양한 문제가 있다.

작은 비례제어 마그네틱 엑츄에이터를 구현하기 위한 필수과제인

구동부의 위치를 간단한 구조로 정확하게 검출하기 위하여 자기저항소자를

적용하여 전기신호로 구동부의 위치를 검출을 하는데 있어서

마그네틱 엑츄에이터의 구동을 위해 구동코일에 흐르는 전류또는

유도성 부하이므로 흐르는 잔류지속전류에 의해 발생하는 자속은

구동부의 자석에 의한 위치검출을 하는데 외란으로 작용하여 정확한 위치를

검출하기가 불가능한데 특히 저 전력으로 구동을 하기 위한 PWM제어의

경우 지속적인 주기적인 전류가 구동코일에 인입되는 관계로 자기센서에

많은 외란에 의한 오차신호가 입력이 되는데 이 문제에 대한 해결방안이

주된 내용이고 결과물의 다양한 응용방법에 따른 모듈화방법에 관한 것이다

.

기구적인 변위출력을 응용하기위한 자석류의 재료와 전기코일을 이용한

마그네틱 엑츄에이터 모듈을 구현함에 있어 비례제어가 가능한 구조로

제어하기 위하여 구동부의 위치에 대한 정보를 정확히 검출하여 원하는

제어입력과의 부궤환을 걸어 제어할 필요가 있는데

이 경우 간단한 구조로 위치를 검출하기 위한 홀소자나 자기저항소자류의

자기센서를 자석성분의 구동부 가까이 위치시키고 거리에 따른 자속량을

읽어 위치정보를 검출하고자 할때

구동코일의 제어전류와 유도성 부하에 따른 잔류지속 전류에 의하여

발생하는 자속에 의하여 주변의 자장이 영향을 받으므로 자기센서에 의하여

자석성분의 구동부 위치를 검출할 수가 없게 되는데

구동코일에 흐르는 전류가 최저인 시간을 검출하거나 계산하여 Sampling을

하는 방법또는 구동코일에 흐르는 전류량에 의해 발생하는 자속량을

검출하여 자기센서 출력값에 보상을 하는 구조로

정확한 위치를 검출하여 구동부의 부궤환신호로 사용하는 구조의

비례제어 가능 마그네틱 엑츄에이터 장치를 구현할 수 있다.

상기의 방법을 응용하여 전체 부품들을 하나의 모듈화 하거나 제어할

외부의 물리량에 따른 복합적인 모듈 또는 2차원이상의 방향제어를 하거나

그의 응용에 따라 생각할 수 있는 다양한 모듈에 관한 것이다.

<제1도>에서 본 발명의 구성도를 나타내었는데 고정된 구동코일과

직진운동을 하는 구동자석 그리고 구동부, 자기센서, 전류센서,

PWM 제어부, Sample & Hold,보상회로, 입력단의 부궤환 연산증폭회로로

구성되어 있고

<제2도>에서 구동코일에 흐르는 구동전압과 유도성 부하인 구동코일에

흐르는 전류 그리고 자기센서의 최적 Sampling시간을 표현하였다.

<제3도>에서 고정축이나 휜지를 이용한 일정각도 회전운동을 하는

마그네틱 엑츄에이터 구성을 나타내었는데 PWM제어와 홀소자의 자속입력을

Microcontroller에서 받아서 처리하는 구성을 나타내었고

<제4도>에서 2차원제어가 가능하도록 2개의 구동코일과 2개의 홀소자를

적용하고 내, 외부로 극이 나누어지는 자석을 일정공간안에서 움직이도록

이동제한용 투명 기구물 내부에 위치시킨 인형이나 완구의 눈알 형태의

구성을 한 도식도이며 하나의 Microcontroller에 의해 구동되는 형태이다.

본 발명을 적용하여 저 비용 간단한 구조의 비례제어 가능한 마그네틱

엑츄에이터를 구성할 수 있고 이를 응용한 다양한 용도의 정밀하게

제어할 구동용 서보장치로 활용할수 있다.

Claims (10)

1. 비례제어가 가능한 마그네틱 엑츄에이터를 구성함에 있어 구동자석과

   가까이 자기저항소자나 홀소자를 위치시키고 PWM으로 구동코일에 전류를

   흘리며 구동코일에 흐르는 잔류 전류가 최소화 되는 시간인 PWM구동신호가

   출력되기 직전에 자기센서의 값을 읽어 부궤환신호로 사용하는 것을 특징으로

   하는 비례제어가능 마그네틱 엑츄에이터 장치
2. 비례제어가 가능한 마그네틱 엑츄에이터를 구성함에 있어 구동자석과

   가까이 자기저항소자나 홀소자를 위치시키고 구동코일 뒷단에 전류센서를

   위치시켜 PWM구동전류와 전류센서에 의한 유도성 부하의 잔류전류가 최소인

   시간을 검출하고 앞 뒤로 일정시간의 여유를 두어 자기센서의 값을 읽어

   부궤환신호로 사용하는 방법으로 위치오차를 줄이는 것을 특징으로 하는

   비례제어 가능 마그네틱 엑츄에이터 장치
3. 비례제어가 가능한 마그네틱 엑츄에이터를 구성함에 있어 구동자석과

   가까이 자기저항소자나 홀소자를 위치시키고 구동코일 뒷단에 전류센서를

   위치시켜 구동코일에 흐르는 전류값을 읽고 이 전류에 의해 발생되는 자속의

   오류값을 계산하고 자기센서의 값에 보상을 하는 보상회로가 있고 보상된

   위치검출신호를 부궤환신호로 사용하는 것을 특징으로 하는 비례제어가능

   마그네틱 엑츄에이터 장치
4. 상기1,2,3항에 있어 자기센서와 PWM 구동부, 구동코일, 구동자석,

   전류센서, 보상회로, 구동회로, 케이스를 하나의 부품으로 모듈화 한 장치
5. 상기 1,2,3항에 있어 구동부가 직진운동을 하지 않고 일정각도의

   회전운동을 하는 마그네틱 엑츄에이터 장치
6. 상기 5항에 있어 회전구동부에 유체의 흐름을 제어할 수 있도록

   제어날개또는 밸브가 부착된 형태의 마그네틱 엑츄에이터 장치
7. 상기1,2,3항에 있어 2개 이상의 방향으로 제어가 되도록 복수개의

   마그네틱 엑츄에이터를 구성하여 2, 3차원 비례 제어가 가능한 마그네틱

   엑츄에이터 장치
8. 상기 7항에 있어 구동부가 한정된 2차원 공간에서만 움직이도록

   고안되고 내 외부로 극성이 나뉘는 눈알과 같은 모양의 자석을 적용하고

   한정된 공간에서만 움직일 수 있도록 한 마그네틱 엑츄에이터 장치
9. 상기 7항에 있어 구동부에 반사거울이 부착되어 특정 빛을 2차원으로

   굴절시킬 수 있는 구조의 마그네틱 엑츄에이터 장치
10. 상기 1,2,3항에 있어 구동코일과 구동자석, 자기센서와 기구관련

    요소를 제외한 나머지 부분을 범용의 고출력 PWM 출력 Port가 있고

    A/D Convert가 있는 MicroController를 적용한 마그네틱 엑츄에이터 장치