KR20070108363A - 디지탈 고 분해능 제어기 - Google Patents

Abstract

전자식 위치 설정기 및 그와 관련된 액츄에이터의 동적 제어가 이전 에너지의 전달에 의해 형성되는 관찰된 움직임을 기초로 액츄에이터에 에너지를 전달하는 제어 알고리즘을 통해 달성된다. 알고리즘은 바람직한 또는 사용자에 의해 특정된 분해능을 기초로 제어를 달성한다. 에너지 전달 사이에 수행되는 전자식 브레이크는 바람직한 위치가 달성되는 속도를 개선시킨다. 액츄에이터로 전력이 전달되는 방법을 제어하기 위해 소모됨과 아울러 사용되는 에너지를 모니터링하는 것과 같은 방식으로 힘 생성 메카니즘의 온도가 결정된다.

전자식 위치 설정기, 액츄에이터, 관성 보상값, 실행 시퀀스, 펄스 시퀀스, 전자식 브레이크, 적응적 펄스 시퀀스, 온도 의존형 듀티 사이클,

Description

디지탈 고 분해능 제어기 {Digital High-Resolution Controller}

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 2004년 1월 21일자로 출원된 미국 가출원 번호 제60/538,106호와 2005년 1월 17일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제11/037,427호의 우선권을 주장한다. 상기 출원들의 기재사항은 전체 내용이 본 명세서 내에 참조된다.

본 발명은 전자식 위치 설정기에 관한 것이며, 특히 전자식 위치 설정기 및 그와 관련된 액츄에이터의 동적 제어에 관한 것이다.

다양한 자동화된 밸브 응용예에서 사용되는 액츄에이터를 제어하기 위해 전자식 마이크로프로세서 기반 유닛이 사용될 수 있다. 이러한 유닛은 일반적으로 전자식 위치 설정기 또는 간단하게 "위치 설정기"로서 또는 서보 카드 또는 간단하게 "서보"로서 지칭된다. AC 액츄에이터는 밸브에 기계적으로 결합될 수 있는 출력 샤프트를 회전시키고 그에 따라 액츄에이터가 밸브를 개방 및 폐쇄시키는 것을 허용하도록 AC 분할상(split phase) 모터 또는 심지어 삼상 모터와 같은 모터를 사용하는 전자기계식 소자이다. DC 액츄에이터는 DC 모터를 사용한다. 몇 가지 액츄에이터는 특정 유형의 응용예를 위해 선형 로드를 전후로 움직이기 위해 모터를 사용할 수 있다.

배관을 통해 유체 또는 가스의 유동을 제어하기 위해 사용되는 대부분의 밸브는 자연적으로 90도의 회전 또는 원주의 1/4의 회전을 갖는 경향이 있다. 그러므로, "1/4 턴 액츄에이터"라는 명칭이 널리 사용되고 인지되어 있다. 대부분의 응용예에서, 0도는 폐쇄 위치로 식별되는 반면, 90도는 완전 개방 위치로 식별된다. 제어 관점에서, 밸브는 % 개방이라는 표현으로 일반적으로 기술되며, 또한 개방 위치와 폐쇄 위치 사이의 각도 수치에 상관없이 0%는 폐쇄 위치에 해당하는 한편 100%는 완전 개방 위치에 해당한다. 1/4 턴 액츄에이터는 그 속도에 대해 대개 정격화되며, 정격은 0도로부터 90도까지 움직이기 위해 액츄에이터가 요구하는 초 수치를 정의한다. 대부분의 액추에이터는 2초 내지 90초의 범위 내에 있다.

도 1을 참조하면, 예시적인 AC 분할상 모터(10)가 도시되어 있다. 그것은 모터 권선(12, 14)를 포함한다. 모터 권선(12)은 모터(10)의 시계 방향 회전을 위해 제공되는 반면, 모터 권선(14)은 모터의 반시계 방향 회전을 위해 제공된다. 밸브(도시되지 않음)에 관하여, 모터 권선(12)은 밸브를 개방시키기 위한 모터 움직임을 제공하며, 모터 권선(14)은 밸브를 폐쇄하기 위한 움직임을 제공한다. 각각의 권선의 제1 단부는 제1 AC 전력 라인(16)에 연결된다. 도시된 바와 같이, 제1 AC 전력 라인(16)은 중립선이며 또한 "모터 중립" 또는 "모터 공통"이라고 지칭된다. 그후, 제어 스위치(18)는 제2 AC 전력 라인(20)을 적절한 권선에 연결시킴으로써 밸브를 작동시키기 위해 사용될 수 있다.

모터(10)에 대한 연속적인 스톨 조건(stall condition)을 회피하기 위해, 밸브가 그 진행 거리의 끝에 도달할 때 모터(10)에 대한 전력공급을 단절시키도록 대 개 한계 스위치(22, 24)가 사용된다. 연속적인 스톨 조건은 모터 권선(12, 14)이 모터(10)를 과열시키고 영구적으로 손상시키게 할 수 있다. 한계 스위치(22, 24)는 전형적으로 모터(10)의 출력 샤프트 상에 장착된 캠에 의해 작동된다. 캠은 바람직한 회전 위치에서 한계 스위치(22, 24)를 턴오프시키도록 위치 설정된다. 즉, 한계 스위치(22, 24)는 밸브가 완전 개방 또는 폐쇄될 때 턴오프된다.

AC 모터는 온도 스위치(26)를 구비할 수 있다. 온도 스위치(26)는 200˚F(93.3℃)와 같은 특정 모터 온도에 도달될 때 제1 AC 전력 라인(16)을 단절시키며, 그 후 모터(10)가 냉각될 때 제1 AC 전력 라인(16)을 재연결시킨다. 이러한 특질은 정상 작동 범위에서 모터 스톨과 같은 불리한 조건, 모터 고장 및/또는 액츄에이터의 과도 사이클링을 예방한다.

몇 가지 액츄에이터는 모터 스톨 상태를 검출하기 위해 토크 스위치를 구현한다. 온도 스위치(26)는 화재 위험을 회피하기 위한 안전 특질로서 주로 의도된다. 그러나, 온도 스위치(26)의 규칙적인 트리핑(tripping)은 상당히 감소된 모터 수명에 이르게 하면서 모터 부품을 손상시킬 수 있다. 반대로 토크 스위치는 과열이 발생하기 전에 모터(10)를 턴오프시킬 수 있다. 개방과 폐쇄, 각각의 방향에 대해 토크 스위치가 구현됨으로써, 토크 스위치 중 하나가 그와 관련된 방향으로 모터를 턴오프시키면, 다른 모터 권선이 작동될 수 있다. 모터(10)가 다른 방향으로 자유롭게 움직일 수 있으면, 토크 스위치가 리셋되며, 따라서 제1 방향으로의 작동을 허용한다. 전기적으로는 각각의 토크 스위치가 주어진 권선에 대한 한계 스위치와 직렬로 배선됨으로써, 한계 스위치(22, 24)는 한계 스위치와 토크 스위치 모두를 전기적으로 표시하며, 한계 위치 또는 토크 트립 기능은 모터 권선을 단절시킬 것이다.

다시 도 1을 참조하면, 모터 캐패시터(28)는 전력 인가된 권선과 전력 인가되지 않은 권선 사이에 위상 편이를 생성한다. 전력 인가되지 않은 권선에서 위상 편이는, 모터(10)를 특정 방향으로 회전시키는 전력 인가된 권선에서의 1차 자기장과 관련하여 작용하는 자기장을 생성한다. 다른 권선이 전력 인가될 때, 위상 편이는 권선들 사이의 자기 극성을 스위치시키며, 따라서 모터(10)를 반대 방향으로 회전시킨다. 캐패시터의 정전용량이 증가될 때, 위상 편이도 또한 증가하며, 따라서 권선 사이에 보다 큰 자기 미분량을 생성한다. 이는 모터(10)로부터의 보다 큰 토크 출력을 야기한다. 보다 큰 토크를 얻기 위해 보다 큰 정전용량이 일반적으로 사용되는 반면, 증가된 정전 용량도 또한 전력 인가되지 않은 권선을 통해 보다 큰 전류가 흐르게 한다. 이러한 증가된 전류는 모터(10)의 추가 가열을 야기하며, 결과적으로 모터 사양이 100% 듀티로부터 25% 듀티만큼 낮은 레벨로 대개 정격 감소(derate)된다.

전력이 인가된 권선에 초기에 인가될 때, AC 전압을 모터 권선 저항으로 나눈 값과 같은 유입 전류가 생성된다. 모터가 일단 회전하기 시작하면, 자기장을 통한 그러한 움직임은 전류 당김(current draw)을 급격히 감소시키는 역기전력(counter EMF)을 생성한다. 전력 인가되지 않은 권선도 또한 모터 캐패시터(28)를 통해 전류를 당김으로써 유입 전류에 추가하며, 따라서 토크를 증가시키기 위해 더 큰 정전용량이 사용될 때 유입 전류도 또한 증가한다. 유입 전류는 대개 정상 운전 전류의 2배 내지 3배 범위이고 대개 100 밀리초동안 지속한다. 유입 전류는 정상 운전 전류에 비해 급격한 가열 효과를 야기하며, 결과적으로 모터는 단위 시간당 최대 시작 횟수를 위해 일반적으로 정격화된다. 예를 들어, 100% 듀티 모터는 단위 시간당 최대 12000번의 시작을 위해 정격화될 수 있다.

모터(10)가 기계적으로 스톨하면, 모터(10)가 자기장을 통해 회전하지 않기 때문에 모터 전류는 유입 전류의 값으로 자연적으로 증가할 것이다. 토크 스위치가 대부분의 스톨 시나리오를 예방하지만, 밸브가 잔해물에 의해 제한될 때 전형적인 응용예에서 때때로 고장이 발생하며, 이는 액츄에이터가 작은 범위(예를 들어, 수 도(few degrees)) 내에서 움직이는 것을 허용한다. 이는 불규칙한 제어 신호가 스톨 상태들 사이에서 양 방향으로 일정하게 진동하는 것을 허용할 것이다. 스톨 전류와 유입 전류의 결과적인 조합은 결국 모터(10)를 과열시키며, 따라서 온도 스위치(26)를 트리핑시킨다.

전자식 위치 설정 기본 원리

도시된 AC 분할상 모터와 같은 모터를 전자식으로 제어하기 위해, 모터 스위치(18)는 전자식으로 제어되는 스위칭 소자로 대체된다. 하나의 접근법은 제어 스위치(18)를 전자식 회로에 의해 제어될 수 있는 릴레이로 대체하는 것이다. 그러나, 릴레이는 AC 사인파 동안에 무작위의 시간 위치에서 스위칭할 수 있다. 릴레이 접점이 사인파의 정점 근처에서 모터 권선에 전력을 인가할 때, 모터 권선에 대한 전압에서의 급격한 변화는 상당한 전기적 과도 현상을 생성하며, 이는 부근에 있는 다른 전기 장비는 물론 릴레이를 제어하는 회로와의 전기적 간섭을 야기할 수 있다. 또한, 릴레이의 기계적 성질은 스위칭 사이클의 횟수에 대한 제한을 설정한다. 대개, 스위칭 사이클의 횟수는 1,000,000보다 작다. 스위칭 동안에 발생된 과도 현상은 릴레이 접점 사이에 바람직하지 않은 전기적 아크 발생을 야기하며, 이는 접점 표면을 태우고 릴레이를 점점 열화시킨다. 이는 기계적 사이클의 대개 1/10인 전기적 사이클 제한을 야기한다.

모터를 제어하기 위한 더 양호한 해법은 제어 스위치(18) 또는 릴레이를 움직이는 기계적 부품을 갖지 않는 고체 상태의 소자로 대체함으로써 기계적 마모 및 바람직하지 않은 아크 발생을 제거하는 것이다. 다양한 고체 상태의 소자 및 회로가 사용될 수 있지만, 사용되고 있는 가장 일반적인 소자들은 도 2에 도시한 바와 같이 트라이액(30, 32)이다. 트라이액(30)은 1차 트라이액(Q1)과 2차 트라이액(Q1a)을 포함한다. 트라이액(32)은 1차 트라이액(Q2)과 2차 트라이액(Q2b)을 포함한다. 1차 트라이액(Q1, Q2)을 게이트시키기 위해 2차 트라이액(Q1a, Q2b)이 각각 사용됨으로써, 1차 트라이액(Q1, Q2)을 턴온 및 턴오프시킨다. 2차 트라이액(Q1a, Q2b)은 릴레이 코일이 그 접점으로부터 절연되는 것과 동일한 방식으로 모터 회로와 제어 회로 사이에 전기적 절연을 제공하는 광전자 소자이다. 또한, 제어 LED(LED1, LED2)는 마이크로프로세서와 같은 저 전압 저 전력 소자에 의해 제어될 수 있다. 1차 트라이액(Q1, Q2)의 게이트를 통한 전류를 제한하기 위해 2차 트라이액 회로에서 저항(34, 36)이 사용된다.

트라이액 회로를 더 개선하는 일반적인 방법은 AC 라인 전압이 0 전압 위치에 있지 않는 경우에 1차 트라이액(Q1, Q2)의 온 또는 오프 스위칭을 방지하는 부 호변환점(zero-crossing) 회로를 사용하는 것이다. 이는 전력이 모터(10)에 무작위(random) 시간으로 인가될 때 생성되는 전기적 과도 현상을 급격히 감소시킨다. 광 결합된 트라이액 소자는 소자 내에 집적된 이러한 부호변환점 회로와 함께 오랫동안 사용 가능해왔고, 위치 설정기 설계에서 일반적으로 구현되고 있다. 이는 1차 트라이액(Q1, Q2)의 무작위 스위칭을 야기하지 않으면서 제어 LED(LED1, LED2)의 무작위 스위칭을 허용한다.

부호변환점 제어된 트라이액이 무작위 스위칭 문제를 해결하지만, 한계 스위치(22, 24), 토크 스위치, 온도 스위치(26), 또는 AC 라인 전압의 임의의 다른 전력 중단은 모터(10)로의 전력의 "무작위 스위칭"을 야기할 수 있다. 이들 이벤트들은 트라이액 회로(30, 32)를 손상시킬 수 있는 과도 현상을 생성한다. 트라이액(30, 32)에 대한 손상을 방지하기 위해, 스너버(snubber) 회로(도시되지 않음)가 사용될 수 있다.

특정 퍼센트 개방 위치를 달성하도록 모터(10)를 턴온 및 턴오프시키기 위해 위치 설정기를 제어하기 위한 수단이 요구된다. 자동화 제어 시스템이 아날로그 또는 디지탈인 명령 신호를 제공할 수 있다. 사용되고 있는 일반적인 아날로그 신호는 0-10V, 0-5V, 1-5V 또는 4-20mA이며, 사용되고 있는 특정 신호는 0 내지 100% 개방을 표시한다. 디지탈 신호는 펄스폭 변조의 형태, 주파수 변조의 형태 또는 데이타 통신의 많은 유형 중의 하나를 채용할 수 있다.

어떤 유형의 신호가 사용되는 지에 상관없이, 신호는 퍼센트 개방 명령으로 해석된다. 명령 신호에 의해 지시된 바와 같이, 바람직한 위치에서 모터(10)를 턴 오프시키기 위해, 위치 설정기는 액츄에이터의 출력 샤프트의 위치를 모니터링한다. 출력 샤프트 위치를 모니터링하는 것은 출력 샤프트에 피드백 전위차계를 기계적으로 결합시킴으로써 달성될 수 있다. 출력 샤프트에 하나의 기어를 장착함으로써 피드백 전위차계를 결합시키기 위해 대부분의 액츄에이터는 기어 세트를 사용하며, 이는 결국 전위차계 샤프트에 장착된 제2 기어를 회전시킨다. 전위차계와 액츄에이터는 유한 회전 범위를 가지므로, 전위차계 회전은 출력 샤프트 회전과 정렬될 필요가 있다. 즉, 밸브 위치가 50% 개방에 있을 때, 전위차계 가동 접촉자(wiper)는 이상적으로는 50% 저항에 있다. 밸브가 50% 개방이고 전위차계가 50%에 설정될 때, 기어들을 각각의 샤프트에 조임으로써 정렬이 완료된다.

이제 도 3을 참조하면, 위치 설정기(40)는 피드백 전위차계(42)에 여기 전압 +V(대개 10V 이하)을 인가하며, 또한 출력 샤프트의 각 위치(angular position)에 비례하는 전위차계 가동 접촉자(44)에 대한 전압을 측정한다. 밸브를 바람직한 퍼센트 개방에 위치시키기 위해, 위치 설정기(40)는 피드백 전위차계(42)로부터의 피드백 신호(46)를 명령 신호(48)와 비교하고, 개방 모터 권선 또는 폐쇄 모터 권선을 턴온시킬 지 여부를 결정하며, 또한 그후 궁극적으로는 명령 신호(48)가 피드백 신호(46)와 정합할 때 모터(10)를 턴오프시킨다. 아날로그 위치 설정기는 조정 가능한 오프셋을 갖는 조정 가능한 증폭기(스케일링 증폭기)를 사용하여 명령 신호(48) 및/또는 피드백 신호(46)를 스케일링함으로써 이를 달성하며, 따라서 양 신호들은 0% 및 100% 개방에서 동일한 전압을 생성한다. 오프셋 조정은 대개 0% 값을 지시하며, 영점 설정(zero setting)으로 지칭된다. 증폭기의 이득은 100% 값을 지시하며, 스팬 설정(span setting)으로 지칭된다. 디지탈 위치 설정기는 아날로그 디지탈(A/D) 변환기 회로를 사용하여 명령 신호(48)와 피드백 신호(46)를 수치값들로 변환함으로써 동일한 임무를 수행한다. 일단 수치 형태에 있으면, 마이크로프로세서는 덧셈 연산을 사용하여 영점 설정하며, 곱셈 연산을 사용하여 스팬 설정하고, 그 후 스케일링된 수치값들을 논리적으로 비교한다. 디지탈 위치 설정기의 경우, 비교기(50, 52)는 실제 회로와 다른 논리 연산을 표시한다.

정확하게 기능하도록 하기 위해서, 모터(10)와 피드백 전위차계(42)는 특정 방식으로 위치 설정기(40)에 배선되어야 한다. 대부분의 응용예에서, 모터(10)가 개방 위치를 향해 밸브를 움직일 때, 피드백 전위차계(42)의 가동 접촉자(44)는 +V 단자를 향해 움직일 것이며, 이는 가동 접촉자(44) 상에 측정된 전압을 증가시킨다. 일반적으로 "포워드 작용(forward acting)"로 지칭되는 이러한 경우에, 피드백 신호(46)가 명령 신호(48)보다 작을 때마다 비교기(50)가 개방 모터 권선을 턴온시킬 것이다. 마찬가지로, 피드백 신호(46)가 명령 신호(48)보다 클 때마다 비교기(52)가 폐쇄 모터 권선을 턴온 시킬 것이다. 밸브 움직임과 피드백 신호(46) 사이의 결과적인 관련성은 피드백 전위차계(42)의 장착 배위, 피드백 전위차계(42)에 대한 결합 메카니즘, 액츄에이터와 밸브 사이의 기계적인 결합과 같은 다양한 조건에 의해 반전될 수 있다. 결과적으로, 몇 가지 응용예들은 "리버스 작용(reverse acting)"을 요구한다. 리버스 작용인 경우, 명령 신호(48)가 증가할 때, 액츄에이터는 그의 결정된 폐쇄 위치를 향하여 움직일 것이다. 마찬가지로, 명령 신호(48)가 감소할 때, 액츄에이터는 개방을 향하여 움직일 것이다. 기계적 결합과 장착이 쉽게 변경되지 않으므로, 바람직한 관련성을 획득하기 위해 모터(10)와 피드백 전위차계(42)를 재배선함으로써 리버스 작용이 더 양호하게 달성된다. 이러한 극성 민감성 관련성은 매우 단순하지만, 그 관련성을 반전시키는 복수의 방식이 존재하므로 일반적인 문제점의 원인이 된다.

위치 설정기(40)가 주어진 모터 권선을 턴오프시킬 때, 모터(10)에 형성된 관성은 모터(10)가 바람직한 위치를 지나 계속 움직이는 것을 허용한다. 이것이 발생할 때, 위치 설정기(40)는 액츄에이터를 재위치시키기 위해 대향 모터 권선을 즉시 턴온하려고 할 것이다. 이후에, 반대 방향으로의 관성이 액츄에이터를 바람직한 위치를 지나 다시 관성 진행(coast)시킨다. 최종 결과는 위치 설정기(40)가 결코 만족되지 않는다는 것이며, 액츄에이터는 앞뒤로 진동할 것이다. 이는 "난조(hunting)"로 지칭된다. 난조를 회피하기 위해, 통상적인 위치 설정기는 사역 조정(deadband adjustment)을 채용하며, 이는 양 모터 권선이 오프되는 제3 상태를 생성하도록 비교기(50, 52)에 오프셋을 효율적으로 더하는 것이다. 이는 모터(10)가 다시 턴온될 수 있기 전에 명령 신호(48)와 피드백 신호(46) 사이의 차이가 사역 설정보다 클 것을 요구하는 조건을 야기한다.

모터의 관성 진행(coasting) 효과는 액츄에이터 속도, 모터 크기, 사용된 밸브 유형, 밸브에 대한 부하 및 외부 조건에 따라 다양하게 변화될 수 있다. 일반적으로 사용 가능한 액츄에이터인 경우, 관성 진행 효과는 적어도 0.5도이며, 30도만큼 클 수 있다. 관성 진행을 최소화하기 위해, 많은 액츄에이터들은 기계식 브레이크를 채용한다. 매우 다양한 브레이크 설계가 구현되지만, 대부분은 일반적인 설계 원리를 이용한다. 브레이크는 모터 샤프트에 마찰력을 인가하는 몇 가지 유형의 기계식 소자와 모터 샤프트로부터 기계식 마찰력을 해제시키는 몇 가지 유형의 솔레노이드 소자로 이루어진다. 개방 및 폐쇄 모터 권선을 가로질러 솔레노이드 소자를 연결함으로써, 솔레노이드는 어느 하나의 모터 권선이 턴온될 때마다 브레이크를 해제할 것이다. 마찬가지로, 양 권선들이 (사역 범위에서) 턴오프될 때, 기계식 소자는 모터 샤프트에 브레이크 마찰력을 인가한다. 기계식 브레이크는 움직이기 위해 시간을 필요로 하는 움직임 부품을 포함하므로, 이들은 0.5도 미만으로 관성 진행을 감소시키는 것에 대해 효율적이지 않다. 그러나, 기계식 브레이크는 관성 진행을 2도 이하로 제한하는 것에 대해 효율적이다. 기계식 브레이크는 위치 설정기가 모터를 턴오프한 이후에 액츄에이터의 위치를 유지하는 제2 목적을 제공한다. 스퍼 기어 설계를 구현하는 액츄에이터는 기계식 브레이크를 밸브에 대한 부하에 의해 쉽게 백드라이브(backdrive)되며 결과적으로 기계식 브레이크를 거의 항상 채용한다.

기계식 브레이크는 마찰의 원리에 의해서 작동하므로, 브레이크 성능은 온도 및 마모에 따라 변경될 것이다. 또한, 브레이크에 사용된 재료는 모터가 과열되면 발생할 수 있는 더 높은 온도에 종종 저항할 수 없다. 브레이크에서 솔레노이드 소자도 또한 온도에 민감하며, 솔레노이드는 브레이크를 유리시킬 수 없고, 그에 따라 모터의 결과적인 과열을 야기하며, 브레이크에 영속적인 손상을 야기할 것이다. 기계식 브레이크를 제거하기 위해서, 몇몇 액츄에이터 설계는 부하로부터 백드라이브를 방지하는 (워엄 기어 구동과 같은) 기계식 방식을 이용한다. 그러나, 관성 에너지의 원인인 모터가 저지되지 않기 때문에, 이것은 위치 설정기의 성능에 영향을 미치는 관성 진행을 제거하기 위해서 아무 일도 하지 않는다.

분해능

액츄에이터와 관련하여, 분해능은 만들어질 수 있는 가장 작은 반복 가능한 움직임의 척도이다. 1/4 턴 액츄에이터인 경우, 분해능은 회전 각도로 측정된다. 전자식 위치 설정기를 사용하는 궁극적인 목적이 특정 퍼센트 개방 위치로 밸브를 제어하는 것이므로, 위치 설정기의 성능은 임의의 정해진 또는 명령된 위치를 일관되게 달성하는 능력에 따라 측정된다. 그러므로, 분해능은 성능의 가장 중요한 척도가 된다.

분해능에 의해 영향을 받는 자동 제어 시스템의 1차 인자는 주어진 제어 범위에 대해 액츄에이터가 수행할 수 있는 이산 움직임의 횟수이다. 이전에 언급된 바와 같이, 통상적인 위치 설정기는 불안정한 작동 또는 난조를 방지하기 위해 사역 설정을 채용한다. 명령 신호와 피드백 신호 사이의 차이가 사역 설정을 초과할 때까지 모터가 의도적으로 턴오프되므로, 사역 설정은 가능한 가장 작은 이산 움직임을 지시한다. 이전에 언급된 바와 같이, 액츄에이터의 기계적 특성은 0.5도보다 큰 사역 또는 90도에 대해 180개의 분해능 지점들이다. 특정 위치 설정기를 특정 액츄에이터와 조합하는 것이 분해능을 최적화할 수 있지만, 새로운 기술 또는 기법을 채용하지 않으면서 200개 이상의 분해능 지점들을 달성하는 것은 실질적이지 않다.

180개의 분해능 지점들이 상당하다고 여겨질 수 있지만, 일반적으로 사용되 는 버터플라이 밸브와 볼 밸브는 사용 가능한 분해능의 대략 1/3만을 오직 사용할 수 있다. 이는, 밸브가 33% 개방의 지점에 도달할 때까지에는 이들 유형의 밸브들이 필연적으로 그들 유동의 0% 내지 100%를 허용하며, 따라서 사용 가능한 분해능 지점들을 60개로 감소시킨다는 사실에 기인한다. 대부분의 자동화 시스템은 특정 유량을 제어하려 하므로, 프로세스 제어기는 대개 10도를 넘지 않는 훨씬 좁은 범위에서 대개 밸브를 작동시킨다. 이는 안정된 유동을 유지하기 위해 오직 20개의 분해능 지점들만을 야기한다.

밸브를 통한 특정 유량을 달성하기 위해, 프로세스 제어기는 중간에 "지점(point)"를 달성하도록 두 개의 분해능 지점들 사이에서 밸브를 움직일 수 있다. 큰 부피의 유체 또는 가스의 감쇄 효과 때문에, 충분히 빨리 두 개의 제어 지점 사이를 스위칭하는 것은 두 개의 분해능 지점 사이의 평균 지점인 제어된 유동을 야기한다. 종종, 프로세서 제어기가 두 개의 지점 사이에서 스위칭해야할 속도는 과열없이 액츄에이터 모터가 작동될 수 있는 것보다 빠르다. 보상하기 위해서는 보다 큰 듀티 사이클을 갖는 더 비싼 액츄에이터가 사용된다.

특정 응용예에서 분해능을 개선하기 위해 사용되는 하나의 기법은 V 볼 밸브로 알려진 정밀 가공된 볼 밸브를 사용하는 것이다. 이런 유형의 밸브는 "V"와 같이 형상화된 정밀 절삭 볼로 밸브를 통한 유동을 제한함으로써 밸브의 거의 전체 범위를 사용한다. 이는 전체 180개의 분해능 지점들이 0%로부터 100% 개방까지 사용되는 것을 허용한다. 최종 결과는 안정적인 유동을 유지하기 위해 프로세스 제어기가 더 폭넓은 움직임 또는 보다 많은 분해능 지점을 사용하는 것을 허용한다.

분해능을 개선하기 위해 사용되는 또 다른 기법은 액츄에이터의 범위를 90도로부터 180도로 확장하는 것이다. 액츄에이터 출력 샤프트를 밸브에 대해 90도 움직임으로 다시 기어 감속(gear back)시킴으로써, 밸브에서 결과적인 분해능은 이론적으로는 0.25도까지 반으로 감소된다. 그러나, 위치 설정기가 액츄에이터 출력 샤프트의 위치를 오직 모니터링만할 수 있으므로, 기어링의 각각의 단계는 보상될 수 없는 백래쉬(backlash)를 도입한다. 이는 0.3도 이상의 실제 분해능을 야기한다. 액츄에이터 범위를 팽창시키는 기법이 더 팽창될 수 있지만, 액츄에이터와 밸브 사이의 기어링에 의해 생성된 증가된 백래쉬는 0.3도의 분해능에 실질적인 제한을 가한다.

기계적인 기법을 사용하여 더 양호한 분해능을 달성하기 위해서, 부닥치게 되는 또 다른 실질적인 제한은 비용이다. 설계에 의해, 액츄에이터가 기계식 브레이크를 채용하고, 더 낮은 속도로 기어링되며, 또한 전술한 기법 중 하나를 이용할 때 더 양호한 분해능을 달성한다. 실제로 최종 결과는 보다 비싼 특정 밸브와 함께 사용되는 더 크고, 더 느리며 또한 더 부피가 큰 액츄에이터에 대해 보다 높은 분해능이 상당한 비용으로 획득된다는 것이다.

본 발명은 급격히 증가된 분해능을 제공하는 비용은 작지만 매우 효율적인 해법을 제공한다. 제어기는 사역 또는 백래쉬에 상관없이 모터를 바람직한 모터 위치로 움직일 수 있는 모터 제어 알고리즘을 채용한다. 측정된 위치를 기초로 모터 위치(샤프트 위치)을 조정하는 통상적인 제어 알고리즘과 달리, 본 알고리즘은 관찰된 모터 움직임을 기초로 모터 위치를 설정한다. 모터 샤프트의 현재의 정적 위치에 기초함은 물론 이전 공급된 에너지 크기에 의해 생성된 움직임을 기초로, 에너지가 이산된 크기로 공급된다. 따라서, 제어 알고리즘은 실제 동적 조건에 적응적일 수 있다. 모터가 예를 들어 비균질 점성 액체를 조절하는 밸브를 제어하면, 밸브를 개폐하는 모터의 능력은 액체의 현재 점성도에 따라 달라질 수 있다. 제어 알고리즘은 이들 조건을 감지하고 그에 따라 적응시킬 수 있다.

본 발명의 하나의 태양에 따라, 움직임을 생성하기 위해 제1 브레이크가 모터에 공급되는 모터 제어 방법이 제공된다. 이렇게 생성된 움직임이 관측되고, 관측된 움직임을 기초로 제2 브레이크가 모터에 공급됨으로써, 생성된 움직임은 바람직한 위치를 달성할 수 있다.

하나의 바람직한 실시예에서, 제1 및 제2 브레이크를 공급하는 단계 사이의 시간 간격이 제어된다. 현재의 모터 위치가 바람직한 위치로부터 멀리 떨어져 있을 때, 에너지 크기들은 제1 속도로 전달된다(제1 주기에 따라 이격된 간격으로 전달됨). 현재 모터 위치가 바람직한 위치에 더 인접하게 될 때, 에너지 크기들은 양호하게는 제1 속도보다 느린 제2 속도로 전달된다. 이런 방식으로, 모터 위치가 바람직한 위치로부터 멀어질 때, 에너지 크기들이 보다 빠르게(그렇지만 계산된 정밀도보다는 작게) 전달된다. 모터가 바람직한 위치에 더 인접하게 됨에 따라, 에너지 크기들은 보다 천천히 전달된다. 이는 다음 에너지 크기를 전달하기 전에 분수의 관성 움직임이 없어질 시간을 허용한다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 전자식 제동 메카니즘이 발동된다. 전자식 제동은 큰 관성 진행을 감소시키며, 이는 전체 전력이 모터에 공급된 이후에 긴 시간 주기를 또한 요구한다. 모든 응용예에 요구되지는 않지만 전자식 제동 메카니즘은 시기 적절하게 분해능 정확도를 도달하기 위한 수단을 제공한다.

따라서, 본 발명은 새로운 접근법을 사용해서 분해능을 다룬다. 이러한 새로운 접근법을 사용하여 개발된 전자식 위치 설정기는 높은 분해능을 달성할 것이며, 다양한 응용예에서 다양한 액츄에이터와 함께 사용될 수 있다. 필요하다면, 이러한 새로운 접근법은 심지어 추가적인 성능 개선을 위해 전술한 다른 기법 중 몇 가지를 사용하는 시스템에서 사용을 위해 적응될 수 있다.

새로운 접근법의 많은 장점 중에서, 과도한 사이클링 및 스톨 조건에 기인하는 모터 과열이 감소된다. 빠르거나 틀린 신호 변화 또는 전기 잡음 또는 환경 조건에 기인하는 부정확하거나 불안정한 작동도 또한 제거된다. 새로운 접근법은 배선에 기인하는 부정확한 작동을 제거하기 위한 자동 극성 검출, 눈금 교정(calibration) 단계 및 과정의 제거, 설정을 위해 사용되는 계기 작업(instrumentation)의 제거, 및 모든 설정 매개 변수를 구성하는 편리한 3 버튼 디지탈 제어를 가능하게 하므로, 설정기의 설치 및 설정도 또한 매우 간단해진다.

또한, 본 발명의 또 다른 적용 영역은 후술되는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 상세한 설명과 구체적인 예시는 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내지만 오직 도시의 목적으로만 의도될 뿐 본 발명의 범위를 제한하기 위해 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.

본 발명은 상세한 설명과 첨부된 도면으로부터 보다 충분하게 이해될 것이며,

도 1은 종래의 AC 분할상 모터의 개략적인 다이어그램이고,

도 2는 종래의 트라이액 제어 회로의 개략적인 다이어그램이며,

도 3은 종래의 위치 설정기의 개략적인 블록 다이어그램이고,

도 4는 종래의 전자식 브레이크 회로의 개략적인 블록 다이어그램이며,

도 5는 개선된 전자식 브레이크 회로의 개략적인 블록 다이어그램이고,

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예의 브레이크 시퀀스를 도시하는 파형 다이어그램이며,

도 7은 제어 알고리즘에 포함된 동적 개념을 나타내는 타이밍 다이어그램이고,

도 8은 펄스 시퀀스 파형 다이어그램이며,

도 9는 유입 전류 파형 다이어그램이고,

도 10은 제어 알고리즘의 몇 가지 기본 원리를 도시하는 기능적 블록 다이어그램이며,

도 10A는 도 10에 도시된 제어 알고리즘의 작동을 이해하기 위해 유용한 에너지 대 움직임의 다이어그램이고,

도 10B는 도10A에 또한 도시된 펄스 프롭 대역 간격(pulse prop band interval)에 집중된 에너지 대 움직임 다이어그램이며,

도 10C는 도 10A 및 도 10B에 또한 도시된 펄스 프롭 대역 간격에 집중된 전 력 대 시간 다이어그램이고,

도 10D는 도 10에 도시된 제어 알고리즘의 작동을 이해하기 위해 유용한 흐름도이며,

도 11은 제어기의 본 발명의 바람직한 구현에 대한 상세한 개략적인 다이어그램이며, 또한

도 12는 도 11의 구현에 대한 전력 공급의 상세한 개략적인 다이어그램이다.

바람직한 실시예에 대한 다음의 기재는 본질적으로 단지 예시적이며, 또한 결코 본 발명, 그 응용예 또는 용도를 제한하도록 의도된 것은 아니다.

전자식 위치 설정기의 동적 제어

디지탈 고 분해능 제어기는 전자식 위치 설정기 및 그와 관련된 액츄에이터의 동적 제어를 달성한다. 높은 정확도는 액츄에이터의 실제 관측된 움직임 및 액츄에이터에 결합된 기계식 시스템을 측정하고 그에 적응하는 동적 제어 알고리즘을 통해 달성된다. 새로운 동적 제어 시스템의 상세한 토의가 지금 제시될 것이다.

제어 알고리즘 개관

도 10을 참조하면, 제어 알고리즘의 개관이 먼저 제시될 것이다. 도 10은 상호 연결된 기능 프로세스들의 집합으로서 제어 알고리즘을 도시한다. 이들 프로세스들은 적절하게 프로그래밍된 마이크로프로세서(후술된 도 11의 회로 다이어그램에서 도시됨)에 의해 수행될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 마이크로프로세서와 같은 계산 소자는 에너지 크기를 제1 방향 출력 또는 제2 방향 출 력에 대한 제어된 패킷으로 모터에 전달하기 위해 프로그래밍된다. 출력은 이후에 모터에 전력 인가하도록 적절한 전기 신호로 변환되는 논리 상태(온 또는 오프)의 형태이다. 바람직한 실시예에서, AC 분할상 모터를 구동하도록 트라이액 출력(모터1, 모터2)을 제어하기 위해 도 12의 출력(Q1, Q0)이 사용된다. 다른 응용예에서, 가역적인 DC 모터, 공기 피스톤을 제어하기 위한 솔레노니드 밸브, 3상 모터를 제어하기 위한 릴레이, 또는 움직임을 제공하도록 전기식으로 제어될 수 있는 임의의 다른 소자를 제어하기 위해 이들 출력이 사용될 수 있다. 제어 알고리즘에 대한 입력은 바람직한 위치 정보를 제공하는 명령 신호와 현재 위치 정보를 제공하는 피드백 전위차계 신호로 이루어진다. 도 10의 각각의 블록은 그 입력 데이타에 대한 연산을 수행하고 입력 데이타에 따른 출력 데이타를 다른 블록에 제공하는 마이크로프로세서 지령 시퀀스를 표시한다. 도시되지 않은 마이크로프로세서는 데이타 유동 및 모든 작동의 타이밍을 제어한다.

제어 모드

먼저 마이크로프로세서는 두 개의 모터 제어 모드 중 어느 모드, 즉 실행 모드 또는 펄스 모드,가 사용될 것인지를 결정한다. 이제 도 10A를 참조하면, 에너지 패킷(130)이 실행 모드 또는 펄스 모드에서의 출력 중 하나로(예를 들어, 제1 방향) 전달된다. 실행 모드는 현재 위치가 펄스 프롭 대역의 외측일 때마다 인에이블(enable)되는 반면, 펄스 모드는 현재 위치가 펄스 프롭 대역의 내측일 때마다 인에이블된다. 다른 출력인 경우, 다이어그램이 미러화되며, 이는 도시된 바와 같이 왼쪽으로부터 오른쪽으로 대신에 오른쪽으로부터 왼쪽으로 움직임이 일어나는 것을 의미한다. 도 10D에 도시된 바와 같이, 펄스 모드는 펄스 프롭 대역 내부일 때 인에이블된다.

모드 사이에 규칙적으로 스위칭을 제공하기 위해, 실행 모드가 실행 시퀀스를 완료할 때까지는 펄스 모드가 인에이블될 수 없다. 일단 펄스 모드가 인에이블되면, 펄스 모드가 펄스 시퀀스를 종결할 때까지는 실행 모드가 인에이블될 수 없다. 도 10A는 실행 시퀀스의 완료가 펄스 프롭 대역 내로 현재 위치를 움직이며, 그 시간에 펄스 모드가 인에이블되는 것을 도시한다. 일단 펄스 모드가 인에이블되면, 그 이후에 실행 모드와 펄스 모드 사이의 경계가 펄스 프롭 대역의 전체 폭으로 편이할 것이라는 것에 주목하여야 한다.

일단 제어 알고리즘이 바람직한 분해능과 정합된 위치를 달성하면, 바람직한 위치에서의 변화가 각각의 모드를 다시 트리거링(triggering)할 때까지 양 모드들이 디스에이블(disable)된다. 바람직한 분해능은 오직 두 인자 중 한 인자에 의해서만, 즉 주어진 액츄에이터 메카니즘으로 가능할 수 있는 최소 움직임 또는 현재 위치 정보의 최소 분해능 중 더 큰 값에 의해서만 제한된다.

실행 시퀀스 프로세서

도 10의 실행 시퀀스 프로세서 블록은 실행 모드에 대한 에너지 패킷을 결정한다. 그 후, 방향 제어 블록에 의해 제공된 방향 정보를 기초로 출력을 위한 제1 방향 또는 제2 방향이 선택된다. 이하에서 더 충분하게 기술되는 바와 같이 이후에 관성 보상값(inertial compensation value: ICV)를 계산하기 위해 사용되는 후속하는 관성 진행(131)을 측정하기 위해 움직임 프로세서 블록에 의해 제공된 움직 임 정보가 사용된다.

완전한 실행 시퀀스는 100% 에너지 패킷(132)을 펄스 프롭 대역의 외측 위치에서의 선택된 출력에 인가하는 것, ICV를 뺀 바람직한 위치와 같은 위치에서 브레이크 시퀀스(133)를 인가하는 것, 후속하는 관성 진행(131)을 측정하는 것, 및 다음으로 134에서 ICV에 대한 새로운 값을 계산하는 것으로 이루어진다.

도 10A를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 실행 모드는 일정한 전체 전력을 모터에 인가하는 한편 ICV를 뺀 바람직한 위치와 같은 위치가 검출될 때 종료하는 오직 하나의 단일 실행 시퀀스로 이루어진다. 이런 방식에서, 실행 모드는 통상적인 위치 설정기와 유사하다. 그러나, 통상적인 위치 설정기는 단지 난조를 방지하기 위해 의도된 고정값인 사역 설정 값을 뺀 바람직한 위치를 기초로 이러한 실행 모드를 종결한다. 이와 반대로, 바람직한 실시예에 의해 사용된 ICV 값은 액츄에이터, 그 부하 및 환경의 조건에 의해 지시된 실제 움직임의 척도이다. 이런 방식으로, 본 발명은 사역을 제거하거나 또는 보상한다.

열 계산기로부터의 출력은 모터에서 열 조건에 따라 실행 시퀀스 프로세서에 의해 사용되는 퍼센트 듀티 정보를 제공한다(이하, 열 계산기 섹션 참조). 이것이 발생할 때, 도 10A에 도시된 실행 시퀀스는 일련의 온-오프 주기가 된다. 이는 단일 실행 시퀀스로 여전히 간주되며, 전술한 바와 같이 동일한 방식으로 종료한다. 브레이크 시퀀스가 본질적으로 모터 내에 상당한 열을 발생시키므로, 추가 가열을 감소시키기 위해 듀티 사이클 동안에 브레이크 시퀀스(133)가 선택적으로 제거될 수 있다. 이는 바람직한 실시예에서 수행된다.

브레이크 시퀀스 프로세서

브레이크 시퀀스(133)은 실제로 실행 시퀀스의 일부이며, 출력이 단지 턴오프되는 경우에 선택적으로 제거될 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 이것의 결과는 후속하는 관성 진행(131)이 보다 크며 더 많은 시간을 요구할 것이라는 것이다. 결국, ICV는 펄스 프롭 대역을 더 크게 하면서 더 커질 것이다. 최종 결과는 제어기가 그리고 그에 따라 액츄에이터가 바람직한 위치를 달성하기 위해 더 많은 시간을 요구할 것이라는 것이다.

브레이크 시퀀스가 바람직한 위치와 ICV 사이의 차이에 의해 트리거링되는 고유한 작동이므로, 브레이크 시퀀스 프로세서는 후술된 브레이크 작동을 수행하기 위해 다른 입력 정보를 요구하지 않는다. 열 계산 블록으로부터의 입력은 모터 내의 열 조건에 따라 브레이크 시퀀스를 인에이블 또는 디스에이블시킨다.

열 계산기

열 계산기 블록은 출력이 턴온되는 때와 방법을 모니터링하며 모터에 대한 출력의 열 효과를 계산한다. 열 효과를 계산하기 위한 보다 상세한 사항은 아래에 제시되어 있다. 열 계산을 기초로, 열 계산기는 실행 시퀀스 프로세서에 대한 작동의 퍼센트 듀티를 제공하며, 또한 브레이크 시퀀스 프로세서를 인에이블 또는 디스에이블시킨다.

이와 달리, 모터의 열 조건을 모니터링하기 위해 실제 온도 감지기가 사용될 수 있다. 이후에, 퍼센트 듀티 정보를 계산하기 위해, 계산된 온도보다는 감지기 정보가 사용될 것이다. 이러한 접근법은 추가 부품 및 회로를 요구하는 반면 열 계산기 코드를 단순화시키고, 주위 온도 효과를 포함하는 모터의 실제 열 조건을 제공하는 장점을 갖는다.

펄스 시퀀스 프로세서

펄스 시퀀스 프로세서 블록은 펄스 모드에서 주어진 펄스 시퀀스에 대한 에너지 패킷을 결정한다. 그 후 방향 제어 블록에 의해 제공된 방향 정보를 기초로 출력을 위한 제1 방향 또는 제2 방향이 선택된다. 그 이후에 다음 펄스 시퀀스에 대한 매개 변수를 계산하기 위해 사용되는 후속 움직임(135)을 측정하기 위해 움직임 프로세서 블록에 의해 제공된 움직임 정보가 사용된다.

완전한 펄스 시퀀스는 펄스 프롭 대역 내측 위치에서 선택된 출력에 부분 에너지 패킷(136)을 인가하는 것, 펄스 시퀀스의 단부에서 후속 움직임(135)을 측정하는 것, 및 그 후 다음 펄스 시퀀스에 대한 새로운 매개 변수를 계산하는 것으로 이루어진다. 펄스 시퀀스의 매개 변수는 펄스 시퀀스 시간 길이, 에너지 패킷(136)의 에너지 준위, 하나의 펄스 시퀀스로부터 다음 펄스 시퀀스로 에너지 준위가 변화하는 속도로 이루어진다.

실행 모드와 달리, 펄스 모드는 도 10A에 도시된 바와 같이 하나 이상의 펄스 시퀀스로 이루어질 것이다. 펄스 시퀀스 시간 길이가 주요 매개 변수이므로, 완전한 펄스 시퀀스가 단일 실체이고, 따라서 펄스 시퀀스가 종료될 때까지 다른 작용은 허용되지 않을 것이다. 또한, 펄스 시퀀스에 대한 매개 변수를 계산하기 위해 바람직한 위치와 현재 위치 사이의 차이가 사용된다. 이 결과로서, 바람직한 위치 정보가 134에서 펄스 시퀀스의 시작에서 저장된다. 안정된 펄스 작동을 유지 하기 위해, 펄스 시퀀스가 완료될 때까지 바람직한 위치에서의 변화는 무시된다.

먼저 언급된 바와 같이, 일단 펄스 모드가 인에이블되면, 도 10B에 도시된 바와 같이 펄스 모드는 펄스 프롭 대역의 전체 폭에 대해 인에이블로 유지된다. 현재 위치가 바람직한 위치에 더 가깝게 움직임에 따라 각각의 에너지 패킷(130)은 에너지 준위에서 비례적으로 감소한다. 한 세트의 조건이 주어지면, 에너지 패킷에 의해 생성된 움직임은 패킷의 에너지 준위에 비례한다. 따라서, 다음 수학식은 패킷의 에너지 준위 Ep가 결정될 수 있는 방법을 기술한다.

여기서, pC는 에너지 패킷이 전달되는 시간에서 현재 위치를 정의하며,

pD는 바람직한 위치를 정의하고,

pB는 ICV의 두 배인 펄스 프롭 대역을 정의하며,

Ef는 펄스 시퀀스의 최대 부분 에너지 준위를 정의한다.

최대 부분 에너지 준위(Ef)는 바람직한 분해능과 주어진 펄스 시퀀스에 의해 생성된 실제 움직임 사이의 차이에 반비례하며, 즉 생성된 움직임이 바람직한 분해능을 초과할 때, Ef는 감소된다. 이론적으로는, 생성된 움직임에 따라 Ef를 비례적으로 조정함으로써 각각의 펄스 시퀀스 이후에 Ef가 조정될 수 있으며, Ep에 대한 계산은 다음과 같이 수정될 수 있다.

여기서, r은 바람직한 분해능을 정의하며, mP는 이전 펄스 시퀀스로부터의 측정된 움직임을 표시한다.

전술한 수학식은 mP의 값을 r과 같게 함으로써 본래의 수학식을 남기려고 노력하는 방식으로 Ep를 변화시키는 효과를 갖는다는 점을 주목하여야 한다. 그러나, 실질적으로는 현재 위치가 프롭 대역 경계 근처에 있을 때 mP를 r의 값으로 강제하는 것은 바람직하지 않다. 또한, 펄스 시퀀스에 의해 생성된 작은 움직임은 반드시 반복 가능하지는 않으며, 따라서 유한 증가분으로 Ef를 조정하는 것은 보다 안정된 작동을 제공한다. 유한 증가분으로 Ef를 조정하는 것이 r/mP 항을 평균하는 효과를 갖는다. 유한 증가분의 크기는 바람직한의 작동 안정도 대 Ef에 대한 완전한 조정을 하기 위해 요구된 시간의 크기 사이의 절충안이 된다. 이런 방식으로, 본 발명은 에너지 준위가 하나의 펄스 시퀀스로부터 다음 펄스 시퀀스로 변화하는 속도를 제어한다.

에너지는 전력과 시간의 함수이므로(즉, E = P x t), 에너지 대 움직임을 도시하는 도 10B는 도 10C에 도시된 바와 같이 전력 대 시간에 의하여 관측될 수 있다. 전력 펄스(137)와 그의 후속하는 오프 시간(138)의 조합은 도 10B에 도시된 관련된 에너지 패킷(130)을 구성한다. 주어진 패킷의 에너지 준위는 시간에 대한 전력 펄스와 전체 펄스 시퀀스 시간의 비와 같으므로, 펄스 시퀀스가 일단 시작되면 중단될 수 없는 단일 실체인 이유를 설명하자.

펄스 시퀀스 시간(tC)은 현재 위치(pC)가 바람직한 위치로 접근함에 따라 증가하는 반면, 시간에 대한 전력 펄스는 일정하게 유지된다는 것을 주목하여야 한 다. 일정한 펄스 시퀀스 시간으로 시간에 대한 전력 펄스를 변화시키는 것은 유사한 효과를 갖지만, 현재 위치가 펄스 프롭 대역의 경계 근처에 있을 때 이러한 것은 알고리즘을 불필요하게 둔감하게 할 것이다. 이는 펄스 시퀀스 시간이 바람직한 위치에 가장 근접한 가장 긴 펄스 시퀀스(139)에 의해 지시될 것이기 때문이다.

도 10C를 참조하면, 전력 펄스(137) 및 그 오프 시간(138)은 도 10B에서 Ef의 값을 결정한다. 그에 따라, 각각의 후속 펄스 시퀀스의 에너지 준위는 펄스 시퀀스 시간(tC)를 제어함으로써 효율적으로 설정된다. 이러한 기법으로, 표 2에 기술된 바와 같이("적응적 펄스 시퀀스"라고 명명된 후술하는 섹션을 참조), 시간에 대한 전력 펄스의 추가 조정은 전술한 바와 같이 Ef의 값을 효율적으로 조정한다.

Ep에 대한 이전 공식은 이제 tC에 의해 기술될 수 있다.

여기서, pC는 에너지 패킷이 전달되는 시간에서 현재 위치를 정의하고,

pD는 바람직한 위치를 정의하며,

PB는 ICV의 2배인 펄스 프롭 대역을 정의하고,

tD는 최대 펄스 시퀀스 시간을 정의하며,

tB는 최대 펄스 시퀀스 시간을 정의한다.

최대 펄스 시퀀스 시간(tD)은 알고리즘과 함께 사용되는 액츄에이터의 범위에 따라 달라지며, tD는 펄스 시퀀스(139)에 의해 표시된 최소 에너지 패킷을 인가한 이후에 움직임이 정지되기 위해 요구된 최장 시간 주기이다. 시간에 대한 전력 펄스는 바람직한 분해능과 일치하는 움직임을 생성하기 위해 요구된 시간 크기에 의해 지시된다. 주어진 액츄에이터의 경우 시간에 대한 최소 펄스는 움직임을 생성하기 위해 요구된 최소 시간으로서 정의된다. 시간에 대한 최소 펄스가 바람직한 분해능보다 큰 움직임을 생성하면, 알고리즘은 펄스 시퀀스(139) 이후에 이를 감지하고 그에 따라 분해능 매개 변수를 조정할 것이다. 이런 방식으로, 알고리즘은 주어진 액츄에이터가 바람직한 분해능을 달성할 수 없는 지를 결정하며, 그 이후에 최적 성능을 보상한다.

시간에 대한 최대 전력 펄스가 최소 펄스 시퀀스 시간(tB)보다 작다면, ICV를 뺀 바람직한 위치와 동일한 위치에서 발생하는 tB가 성능을 위해 주로 선택된다. 이는 펄스 시퀀스 에너지 패킷이 100%보다 작은 것을 보장한다. 바람직한 실시예에서, 그것은 모터 가열을 최소화하도록 펄스 모드에서 낮은 듀티 사이클을 유지하기 위해 의도되며, 따라서 14개의 절반 사이클의 시간에 대한 최대 펄스로 46 개의 절반 사이클의 최소값(tB)을 사용하며, 그에 따라 30%인 최대 듀티 사이클 또는 Ef를 산출한다. 다른 응용예는 더 빠른 응답 시간을 선호할 수 있으며, 따라서 더 높은 Ef를 야기하면서 더 높은 듀티 사이클을 사용할 수 있다.

펄스 가속 모드

도 10B를 참조하면, 각각의 에너지 패킷은 비례적인 움직임 크기를 생성한다. 그러나, 액츄에이터에 대한 부하의 갑작스러운 증가는 움직임이 거의 없게 하거나 움직이지 않게 한다. 알고리즘이 이러한 조건에 보다 빠르게 응답하는 것을 허용하기 위해, 펄스 가속 모드가 발동되며, 이는 최소 크기의 바람직한 움직임이 달성될 때까지 시간에 대한 전력 펄스를 증가시킴으로써 유효 Ef 값을 각각의 후속 펄스 시퀀스를 사용하여 일시적으로 증가시킨다. 일단 이러한 움직임이 달성되면, 원래의 Ef값이 회복된다.

백래쉬 보상

액츄에이터 메카니즘에서 백래쉬의 크기는 펄스 가속 모드가 시간에 대한 전력 펄스를 하나의 펄스 시퀀스로부터 다음 펄스 시퀀스로 얼마나 빨리 증가시키는 지를 결정한다. 시간에 대한 전력 펄스의 조정의 속도가 후술된다.

시작 위치

요구된 움직임을 측정하기 위해, 알고리즘은 작동의 시작으로부터 작동의 종료까지 위치에서의 변화를 비교할 수 있어야 한다. 도 10을 참조하면, 시작 위치 블록은 기본적으로 저장된 정보를 표시한다. 마이크로프로세서는 주어진 작동이 시작되는 때를 결정하고 시작 위치를 저장한다. 실행 시퀀스가 시작되면, 현재 위치 정보가 바로 저장된다. 펄스 시퀀스가 시작되면, 리셋 가능한 적분기로부터의 필터링된 위치 정보가 저장된다.

움직임 프로세서

움직임 프로세서는 필터링된 위치 정보는 물론 현재 위치 정보도 또한 모니터링한다. 작동의 종료에서 마이크로프로세서는 이전에 저장된 시작 위치에 비교되도록 적절한 위치 정보입력을 선택한다. 그 후, 두 정보 사이의 차이는 작동의 측정된 움직임을 표시하며, 그 정보는 이후에 실행 시퀀스 프로세서와 펄스 시퀀스 프로세서로 보내진다.

극성 검출

마이크로프로세서는 주어진 작동 동안에 어떤 출력이 인에이블인지를 알 것이므로, 움직임 프로세서는 주어진 출력과 관련된 움직임의 극성을 결정할 수 있다. 움직임은 단지 현재 위치와 시작 위치 사이의 차이에 불과하므로, 계산의 극성은 주어진 출력과 관련된 극성을 표시한다. 제1 방향이 인에이블이고 움직임 프로세서가 양성 움직임(현재 위치가 시작 위치보다 큼)을 계산하면, 간단하게 제1 방향 출력의 극성이 양성이라고 가정된다고 하자. 정의에 의해 제2 방향은 반대 방향으로의 움직임을 야기하므로, 움직임 프로세서는 제2 방향에 대한 음성 극성을 계산할 것이다.

펄스 시퀀스가 100% 에너지 패킷을 생성하지 않으므로, 부하로부터 백드라이브(backdrive) 움직임의 영향을 받기 쉬울 것이다. 이러한 백드라이브 움직임은 움직임 프로세서가 부정확한 극성을 계산하게 할 것이다. 이런 이유로, 극성 측정은 펄스 모드 동안에 디스에이블된다. 방향 제어 블록으로 보내진 극성 출력은 움직임 프로세서에 의해 계산된 마지막 공지된 극성을 항상 표시할 것이다.

스톨 검출

움직임 극성을 계산하는 프로세스에서, 알고리즘은 스톨 조건도 또한 검출할 수 있다. 출력 위치와 시작 위치 사이의 차이가 주어진 시간 주기 이후에 특정 움직임 크기를 야기하지 않을 때, 액츄에이터는 스톨되었다고 간주된다. 요구된 움직임 크기는 제어되도록 의도된 가장 느린 액츄에이터에 따라 달라지는 반면, 할당된 시간 크기는 액츄에이터의 의도된 범위에 의해 허용될 수 있는 최대 스톨 주기 에 따라 달라진다. 극성 계산의 완전무결성을 보장하기 위해, 요구된 움직임이 검출되지 않으면 극성 출력은 갱신되지 않는다.

일단 스톨이 검출되면, 마이크로프로세서는 관련된 출력에 대한 추가적인 작동을 디스에이블시키고 시작 프로세서 블록에서 스톨이 발행한 위치를 저장할 것이다. 움직임 프로세서가 요구된 움직임을 검출할 때 스톨된 출력이 다시 인에이블될 것이다. 다른 방향을 작동하거나 또는 기계 또는 전기 수단으로 액츄에이터를 수동 작동함으로써 요구된 움직임이 시도될 수 있다. 기계식 수동 오버라이드(override) 수단은 많은 액츄에이터에 대한 일반적인 특질인 반면, 전기식 수동 작동은 바람직한 실시예로 설계된 또 다른 특질이다.

방향 제어

방향 제어 블록은 정확한 방향으로 움직임을 생성하기 위해 어느 출력이 인에이블될 필요가 있는 지를 결정하는 정적 계산부이다. 바람직한 위치, (직접적이거나 또는 필터링된) 현재 위치, 움직임 프로세서로부터의 극성 정보, 구성된 개방 및 폐쇄 위치, Fo 및 Fc를 모니터링함으로써, 정확한 출력이 결정될 수 있다.

정의에 의해 명령 신호는 상대값이며, 0% 신호는 폐쇄 위치를 표시하고, 100% 신호는 개방 위치를 표시하므로, 명령 신호 그것만으로는 현재 위치 정보에 비교될 수 있는 절대적 바람직한 위치를 제공하지 않는다. 방향 제어 블록은 먼저 다음 수학식을 사용하여 명령 신호값을 적절한 바람직한 위치(pD)로 변환시켜야 한다.

여기서, c는 퍼센트 단위의 명령 신호값(수치 0 내지 1)이며,

Fo는 구성된 개방 위치를 정의하고,

Fc는 구성된 폐쇄 위치를 정의한다.

Fo는 Fc보다 크거나 또는 작을 수 있으며, 정확한 절대 위치(pD)를 여전히 산출한다는 것을 주목하여야 한다. 이런 방식으로, 본 발명은 재배선에 대한 필요없이 포워드 또는 리버스 작용을 위해 제공한다.

움직임 프로세스로부터의 극성 정보는 반드시 단일 비트이며, 다음과 같이 수학적으로 기술될 있다.

여기서, pC는 제1 방향으로부터의 움직임에 의해 야기된 현재 위치를 정의하며,

pS는 움직임 측정의 시작 위치를 정의한다.

수학식은 +1 또는 -1의 결과만을 산출할 수 있으며, +1은 제1 방향이 pC를 증가시킬 것이라는 것을 나타낸다는 것을 주목하여야 한다. 반대로, -1 결과는 제1 방향이 pC를 감소시킬 것이라는 것을 나타내며, 이는 제2 방향이 pC를 증가시킬 것이라는 것을 의미한다.

일단 pD가 계산되면, 명령 신호에 의해 지시된 바람직한 극성은 다음과 같이 계산될 수 있다.

여기서, pD는 명령 신호 c에 따른 절대적 바람직한 위치를 정의하고,

pC는 현재 위치를 정의한다.

이러한 수학식도 또한 +1 또는 -1의 결과를 산출하며, +1은 바람직한 위치(pD)에 도달하기 위해 pC가 증가해야 한다는 것을 나타낸다. 반대로, -1은 pC가 감소해야 한다는 것을 나타낸다.

이후에 역시 단일 비트인 방향 제어 블록의 방향 출력은 두 개의 이전 수학식의 곱이 된다.

여기서, +1 결과는 제1 방향이 인에이블되어야 하는 것을 나타내고,

-1 결과는 제1 방향이 인에이블되어야 하는 것을 나타낸다.

이런 방식으로, 본 발명은 자동적인 극성을 제공하며, 이는 제1 및 제2 방향 출력에 대한 연결이 개방 및 폐쇄 위치를 재구성할 필요없이 반전될 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 피드백 전위차계에 대한 연결도 또한 반전될 수 있으며, 수학식들은 출력과 피드백 전위차계 사이의 적절한 관련성을 결정할 것이며, 이는 통상적인 위치 설정기를 비기능적이 되게 하는 두 가지 배선 가능성을 제거한다. 그러나, 모든 절대 위치값이 피드백 전위차계에 상관하므로 개방 및 폐쇄 위치가 재구성될 필요가 있을 것이다.

잡음 제거기(noise rejector)

잡음 제거기 블록은 후술하는 바와 같이 명령 및 피드백 전위차계 신호에 대한 무작위 신호 변화를 제거한다.

리셋 가능 적분기

후술하는 바와 같이 펄스 모드와 함께 사용되는 내삽된 고 분해능 값을 제공하기 위해 리셋 가능 적분기 블록은 그와 관련된 신호를 필터링한다. 적분기에 의해 수행된 가중치된 평균 계산은 다음 수학식과 같다.

여기서, a는 실행 평균을 표시하고,

s는 잡음 제거기로부터의 최신 샘플을 표시하며,

f는 필터율 또는 평균에서 사용된 샘플의 개수를 나타낸다.

f의 값은 펄스 시퀀스 프로세서를 위해 결정된 최대 펄스 시퀀스 시간(tD)에 따라 선택된다. s의 값이 하나의 값으로부터 또 다른 값으로 변화할 때, 가중치된 평균(a)은 최대 펄스 시퀀스 시간 내의 s의 값과 같아야 한다. s의 새로운 값이 취득된 주파수를 기초로 f에 대한 값이 결정될 수 있다.

위치 출력 프로세서

알고리즘이 절대 위치값을 처리하므로, 방향 제어 블록은 명령 신호를 절대적인 바람직한 위치값으로 변화시킬 필요가 있다. 이와 반대로, 사용자는 위치 신호(Op)가 명령 신호와 유사한 상대값 0 내지 100%일 것을 요구한다. 후술하는 바 와 같이, 위치 출력 프로세서는 절대 위치값(Fp)을 Op를 위한 적절한 값으로 변환시킨다.

위치 출력 프로세서는 사용자가 임의의 바람직한 신호 범위에 대한, 즉, 포워드 작용 또는 리버스 작용에 대한, 출력(Op)을 눈금 교정하는 것을 허용한다. 본 발명의 고유한 특질은 눈금 교정이 제어 알고리즘의 구성에 영향을 받지 않거나 또는 무관하다는 것이다. 즉, 구성된 개방 위치, 폐쇄 위치, 포워드 작용 출력, 또는 리버스 작용 출력은 모두 위치 출력의 사용자 눈금 교정에 영향을 미치지 않으면서 변화될 수 있다.

본 발명의 바람직한 동적 제어 기법을 이제 기술하면서, 디지탈 고 분해능 제어기의 다른 태양들이 이제 제시될 것이다.

전자식 브레이크

통상적인 시스템에서, 분해능은 위치 설정기의 사역(deadband) 설정에 의해 주로 결정된다. 사역을 제어하기 위해 통상적인 시스템에서 브레이크 시스템이 종종 사용된다. 그러나, 전술한 바와 같이, 바람직한 제어 알고리즘은 측정된 관성 인자에 따라 통상적인 사역에 대한 필요성이 없다. 그럼에도 불구하고, 몇 가지 응용예에서, 모터의 관성 진행을 최소화하도록 브레이크를 구현하고 그에 따라 보다 일관된 동적 작동을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 도시된 바람직한 실시예 중 몇 가지 실시예에서, 0.5도 이하의 분해능을 달성하기 위해 전자식 브레이크 시스템이 사용되어 왔다. 본 발명의 바람직한 실시예는 여러 가지 상이한 브레이크 기법을 사용할 수 있다. 두 개의 전자식 브레이크 기법이 도 4 및 도 5에 도시된다.

이제 도 4를 참조하면, 위치 설정기에 대한 전자식 브레이크 회로(60)는 브레이크 트라이액(62)을 포함한다. 개방 트라이액(64)과 폐쇄 트라이액(66)이 모터를 정지시키기 위해 턴오프될 때, 브레이크 트라이액(62)은 단기간동안 턴온된다. 예를 들어, 브레이크 트라이액(62)은 100 내지 400 밀리초 동안 턴온될 수 있다. 브레이크 트라이액(62)은 AC 라인 전압(68)을 모터 권선(70, 72)에 인가하며, 이는 대향하는 모터 권선(70, 72) 양단에 동일한 전위를 인가하여 모터 회전을 빠르게 정지시키는 대향하는 자기장을 생성하는 효과를 갖는다. 모터의 영속적인 단락을 방지하기 위해, 다이오드(D1, D2)가 사용되지만, 이는 AC 라인(68)의 오직 하나 걸러서 반 사이클만 브레이크를 위해 인가되는 것을 허용한다. 이러한 것이 브레이크 효과를 감소시키지만, 최종 결과는 여전히 기계식 브레이크를 능가할 것이다. 양 권선(70, 72)에 동일한 전위를 인가하는 것은 모터 캐패시터(74) 양단에 0 전위 또는 단락을 위치시키는 역효과를 가지며, 이는 캐패시터(74)를 급격하게 방전시키게 한다. 높은 방전 전류 통상적인 트라이액 소자를 손상시킬 수 있으며, 따라서 브레이크 트라이액(62)을 통한 서지 전류(surge current)를 제한하기 위해 전력 저항(R1)이 구현된다.

도 5에 도시된 바와 같이 개선된 전자식 브레이크 회로(60)에서, 1차 트라이액(64, 66)은 브레이크 트라이액(62)의 필요성을 제거하면서 브레이크 기능을 수행한다. 1차 트라이액(64, 66) 모두를 턴온하면 브레이크 트라이액(62)과 동일한 기능이 수행된다. 이러한 것이 브레이크를 위한 AC 라인(68)의 전체 사이클을 인가 하는 추가적인 장점을 갖는 반면, 캐패시터(74)로부터의 방전 전류는 트라이액(64, 66) 중 하나 또는 두 개 모두를 손상시킬 것이다. 방전 서지 전류를 제한하기 위해, 전력 저항(82, 84)이 각각의 트라이액(64, 66)에 직렬로 추가된다. 그러나, 이러한 것은 정상 작동 동안에 모터의 토크 출력을 감소시키는 역효과를 갖는다.

바람직한 실시예는 대향하는 자기장을 발생시키기보다는 오히려 기존의 1차 트라이액 회로를 사용하여 대향력을 발생시킴으로써 그 임무에 접근한다. 정상 작동 동안에, 모터 캐패시터의 충전 및 방전 서지 전류는 전력 인가되지 않은 권선의 저항에 의해 자연적으로 제한됨으로써 추가적인 서지 제한 전력 저항의 필요성을 제거한다. 본 발명은 도 6에 도시된 파형을 생성하는 알고리즘을 구현함으로써 이러한 사실을 이용한다. 파형은 개방 권선(94), 폐쇄 권선(96) 및 브레이크 시퀀스(98)에 대한 개방 실행 시퀀스(92)를 포함한다. 개방 실행 시퀀스(92)와 같은 정상 작동 시퀀스의 종료에서, 알고리즘은 라인의 다음 반 사이클(100)을 대향하는 모터 권선에 인가하고, 두 권선의 후속하는 반 사이클을 변화시키는 것을 계속한다. 모터 회전을 빠르게 교차시키기 위해 알고리즘은 각각의 반 사이클을 사용하며, 모터는 결국 두 개의 회전 위치 사이의 어딘가에서 정지하게 된다. 관성 진행이 한 방향으로의 큰 관성력에 의해 야기되므로, 이러한 기법은 1차 트라이액이 턴오프될 때 모터를 정지시키기 위해 양 방향으로 관성력을 균형잡히게 한다.

모터를 정지시키기 위해 요구된 브레이크 반 사이클의 개수는 유입 주기동안에 모터를 움직이기 위해 요구된 반 사이클의 개수와 동일하다. 추가적인 반 사이클은 단지 결과적인 관성 진행에서의 개선이나 열화없이 교차 움직임을 계속한다. 의도된 응용예에서 사용되는 액츄에이터 모터가 100 밀리초의 유입 주기를 대개 가지므로, 바람직한 실시예의 전자식 브레이크 회로는 60Hz에서 117 밀리초이며 50Hz에서 140 밀리초와 같아지는 14개의 반사이클로 이루어지는 고정 브레이크 시간 주기를 인가한다.

전자식 브레이크 시퀀스는 또한 백드라이브를 방지하기 위해 기계식 브레이크를 사용하는 액츄에이터와 함께 작용하기도 한다. 브레이크 솔레노이드는 극성에 민감하지 않아서 도 6에 도시된 바와 같이 브레이크 시퀀스 파형(98)은 브레이크 솔레노이트에 전력을 유지하며, 이는 기계식 브레이크를 접속 해제시킨다. 브레이크 시퀀스가 모터의 실질적인 브레이크를 제공하므로, 기계식 브레이크에 대한 마찰 마모는 급격하게 감소된다. 기계식 브레이크는 단지 백드라이브력을 제지하기 위해서만 사용되며, 이는 브레이크 재료에 대해 회전하는 모터 샤프트에 의해 야기된 마찰 마모를 생성하지 않는다.

적응적 제어

브레이크는 더 작은 관성 진행을 제공함으로써 더 큰 분해능을 달성하기 위한 핵심적인 개선을 제공하며, 이는 제어 알고리즘이 시기 적절하게 바람직한 위치를 달성하는 허용한다. 브레이크 없이, 알고리즘은 훨씬 긴 시간 주기 동안 부분 전력을 사용하는 것을 요구할 것이지만, 이러한 것은 몇 가지 응용예에서는 실질적이지 않을 수 있다. 전자식 브레이크는 더 작고 더 일관된 관성 진행을 제공한다. 이와 반대로, 기계식 브레이크는 온도 및 마모에 따라 그 브레이크 특성을 변화시킬 것이다. 또한, 기계식 브레이크는 모터의 관성력에 무관한 제동력을 제공함으 로써, 모터의 관성력을 변화시키는 AC 라인 전압 변화가 기계식 브레이크의 성능에 영향을 미칠 것이다. 도 6에 도시된 전자식 브레이크 시퀀스는 제동력을 생성하기 위해 모터를 작동시키는 동일한 AC 전력원을 사용한다. 그러므로, 전자식 제동력은 모터에서의 조건에 따라 변화하며, 따라서 일관된 성능을 제공한다.

실제로, 두 개의 모터 권선에서의 차이는 동일한 힘을 생성하지 않을 것이며, 두 개의 트라이액이 턴오프된 후에 모터는 작은 크기만큼 관성 진행하는 경향이 있을 것이다. 또한, 폭 넓은 범위의 모터 설계 및 액츄에이터 설계가 전자식 브레이크의 성능을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 출력 샤프트에 대한 낮은 기어비를 갖는 두 개의 제2 액츄에이터는 임의의 브레이크 없이 일반적으로 30도 이상 관성 진행한다. 기계식 브레이크는 이러한 관성 진행을 5도로 줄일 수 있는 반면, 전자식 브레이크 시퀀스는 이러한 관성 진행을 2도 이하로 줄일 수 있다. 반대로, 출력 샤프트에 대한 높은 기어비를 갖는 90도 제2 액츄에이터는 기계식 브레이크를 사용하여 0.5도로 관성 진행을 줄일 수 있는 반면, 전자식 브레이크 시퀀스는 관성 진행을 0.2도로 줄일 수 있다.

이러한 폭넓은 범위의 성능에서, 상이한 유형의 액츄에이터의 범위에 대한 일관된 성능을 제공하기 위해 다른 보상이 필요하다. 본 발명은 특정 액츄에이터에 대한 특정 보상으로 구성될 수 있지만, 이러한 실행은 교환 가능하지 않은 한편 부하 변화 또는 액츄에이터 마모에 의해 야기된 액츄에이터 특성의 변화에 적응 가능하지 않는 복수의 "주문 생산된" 위치 설정기를 초래할 것이다. 위치 설정기는 스위치 또는 트림(trim) 전위차계와 같은 설정 어레이로 설계될 수 있으며, 이는 일반적인 위치 설정기가 특정 액츄에이터 유형을 위해 구성될 것을 허용한다. 이러한 접근법은 복잡한 설정을 야기하며, 위치 설정기가 교환 가능성을 제공하는 반면 상이한 액츄에이터 내에 위치될 때마다 구성될 필요가 있다. 또한, 이러한 접근법은 부하 또는 마도에 기인하는 변화를 여전히 해결하지 않는다.

도시된 바와 같이, 바람직한 실시예는 액츄에이터의 주요 특성 및 그 부하를 측정하는 적응적 기법을 제공하며, 그 후 이러한 특성을 보상하기 위해 사용된 설정을 자동적으로 그리고 계속하여 조정한다. 알고리즘은 단지 감지기로서 기존의 피드백 전위차계를 사용하여 액츄에이터의 주요 특성을 측정하거나 내삽한다.

바람직한 실시예에서, 일반적으로 입수 가능한 액츄에이터의 응용 필요성 및 성능을 기초로 0.2도의 분해능이 요구된다. 이는 위치 설정기가 0.1도 내에서 또는 다시 말해서 0.1도의 최대 편차로 강요된 위치를 달성해야 하는 것을 의미한다. 본 명세서에 기재된 기법은 (공기 및 DC 모터 액츄에이터와 같은) 상이한 종류의 액츄에이터와 상이한 분해능을 요구하는 상이한 범위의 응용을 수용하도록 수정될 수 있다.

궁극적으로, 액츄에이터의 분해능은 모터에 의해 수행될 수 있는 최소 각 회전으로 제한될 것이다. 액츄에이터는 액츄에이터가 이러한 움직임에 대해 조정하도록 움직일 수 있는 속도를 초과하는 빠르게 진동하는 백드라이브력을 경험할 수 있다. 이는 위치 설정기가 난조이며 바람직한 분해능을 달성할 수 없는 양상을 가질 것이다. 본 발명은 액츄에이터가 0.1도의 최대 편차를 유지할 수 없고 최적 성능을 위해 최대 편차 매개 변수를 자동적으로 조정할 때를 검출한다.

전기적으로, 위치 설정기가 AC 분할상 모터에 제공할 수 있는 최소 제어크기는 본 명세서에서 Hc로 지칭되는 AC 라인의 절반 사이클이다. 액츄에이터의 의도된 범위에 대해, 하나의 Hc를 갖는 출력 샤프트의 회전 움직임은 0.1도보다 작으며, 따라서 제어 알고리즘이 선택된 최대 편차를 달성하는 것을 허용한다.선택된 개수의 Hc를 갖는 모터의 "펄스 발생(pulsing)" 작동은 본 명세서에서 펄스 모드로 지칭되며, 브레이크 시퀀스를 따르는 잔류 편차를 정정하기 위한 작은 미세한 움직임을 생성하기 위해 사용된다. 상이한 종류의 액츄에이터에 대해, 펄스 모드는 상이한 방식을 달성될 수 있다. 예를 들어, DC 모터는 전압 제어 또는 펄스 폭 변조를 사용하여 작은 제어 가능한 움직임을 달성할 수 있다. 주어진 액츄에이터로 작은 움직임을 만들기 위해 위치 설정기가 사용하는 방법에 상관 없이, 본 명세서에서 기술된 알고리즘이 사용될 수 있다.

정의에 의해 작은 움직임을 만들기 위해 펄스 모드가 적절한 반면, 다음 "펄스"가 인가되기 전에 선택된 개수의 Hc 동안 모터가 오프될 것이므로, 펄스 모드는 주어진 각도 수치만큼 액츄에이터를 움직이기 위한 더 많은 시간을 요구한다. 전압 제어 또는 펄스 폭 변조는 DC 모터와 함께 동일한 감속 효과를 갖는다. 액츄에이터의 정상 작동을 최적화하기 위해, 본 발명은 두 개의 모터 제어 모드를 사용하며, 그 중 하나는 실행 시퀀스로 지칭되고, 다른 하나는 펄스 시퀀스로 지칭된다. 실행 시퀀스는 더 크고 더 빠른 움직임을 수행하는 바람직한 모터 권선에 단지 전력을 인가한다.

관성 보상

이제 도 7을 참조하면, 실행 시퀀스의 종료에서, 위치 설정기는 모터를 (아마도 바람직한 위치에서) 턴오프시킨다. 설사 있다 해도 어떤 유형의 (기계식 또는 전자식) 브레이크가 사용되었는 지에 상관 없이, 모터는 계속 움직이며, 이는 그 후 사역을 정의한다. 위치 설정기는 관성 진행을 측정하고, 사역 설정을 자동적으로 설정하기 위해 측정을 사용하며, 이는 모터가 다시 턴온될 수 있는 때를 지시한다. 이러한 특질은 기본적으로 대개 수동으로 설정된 사역 설정에 대한 필요성을 대체하지만, 기존의 사역을 감소시키거나 제거하기 위해서는 아무것도 하지 않는다. 이와 대조적으로, 본 발명은 모터의 관성 진행을 측정하며, 사역을 제거하도록 모터의 제어를 조정하기 위해 측정치를 사용한다. 이는 관성 보상이라고 지칭된다.

모터 관성 진행을 측정함으로써, 본 발명은 바람직한 위치에 도달되기 전의 지점에서 모터를 턴오프시키고, 움직임을 완료시키기 위해 모터 관성 진행을 사용한다. 그러나, 하나의 실행 시퀀스로부터 또 다른 실행 시퀀스로의 특정 크기의 관성 진행은 움직임의 방향, 액츄에이터 메카니즘의 변화, 부하에서의 변화에 따라 달라질 수 있다. 관성 작용을 회피하기 위해, 공칭 또는 전형적인 관성 진행값이 결정되며, 각각의 잔류 오차는 펄스 시퀀스를 사용하여 정정된다. 각각의 방향에 대한 관성 진행값이 별개로 측정되고 설명되지만, 전형적인 차이는 무시 가능하다. 양 방향에서 관성 움직임에 대한 보상의 부담을 줄이기 위해, 본 발명의 액츄에이터 제어기는 두 개의 평균값을 표시하고 관성 보상값으로 지칭되는 관성 진행값을 결정한다.

도 7은 실행 시퀀스의 주요 이벤트를 도시한다. 알고리즘은 브레이크 시퀀스(110)를 인가함으로써 실행 시퀀스를 종료한다. 이는 관성 보상값(116)을 뺀 바람직한 위치(114)와 같은 지점(112)에서 수행된다. 그 후, 알고리즘은 관성 보상값(116)을 조정하기 위해 이후에 사용되는 결과적인 모터 관성 진행(118)을 측정한다. 실제로, 모터 관성 진행값(118)으로 관성 보상(116)을 단지 조정하는 것은 현명하지 않지만, 몇 개의 움직임의 평균값을 계산하는 것은 하나의 실행 시퀀스로부터 또 다른 실행 시퀀스로의 불규칙한 작동을 회피할 것이다. 평균값은 샘플링된 움직임의 개수가 증가함에 따라 더 느리게 변화하므로, 특정 범위의 응용예에 대해 사용된 샘플의 개수가 선택된다.

액츄에이터 제어기는 평균 관성 보상값(inertial compension value: ICV)(116)을 결정하기 위해 간단한 논리 연산을 사용하며, 표 1에 도시된 진리표를 따른다. 액츄에이터 제어기는 관성 진행(118)이 바람직한 위치(114)를 오버슈트(overshoot)하고 ICV 값(116)을 자동적으로 증가시킬 때를 검출한다. 이는 오버슈트를 방지하는 ICV 값(116)에 바이어스를 더한다. "평균"을 결정하기 위해 사용된 샘플의 유효 개수는 ICV 값(116)에 가산되거나 감산되는 크기에 의해 제어된다.

관성 보상값 진리표
측정된 관성 진행 > ICV	ICV에 0.1도를 가산
측정된 관성 진행 < ICV	ICV로부터 0.1도를 감산
오버슈트	ICV에 0.1도를 가산

도 7을 참조하면, 이론적으로는 새로운 위치가 요구되자마자 새로운 실행 시퀀스가 시작될 수 있다. 얼핏 보기에, 새로 요구된 위치가 오직 0.1도 더 멀어지면 다음의 결과적인 모터 관성 진행은 임의의 오버슈트를 야기할 것이므로 이것이 가능하지 않다고 보여질 수 있다. 알고리즘은 실행 시퀀스를 시작하기 위해 모터를 턴온시킬 것이지만, 관성 보상은 하나의 Hc 이후에 브레이크 시퀀스를 시작할 것이다. 오직 하나의 Hc의 관성 움직임은 설사 있다하더라도 거의 없는 모터 관성 진행을 야기할 것이다. 이는 브레이크 시퀀스가 시작될 때 오직 두 모터 권선 사이에 불균형에 의해서만 임의의 관성 진행이 달라진다는 것을 의미한다.

전자식 브레이크 시퀀스는 단독으로 모터 관성 진행을 의도된 응용 범위에 대하여 0.2도 내지 2도 범위로 감소시킬 수 있다. 전자식 브레이크 시퀀스에 관성 보상을 더함으로써, 액츄에이터 제어기는 결과적인 편차를 0.1도 내지 0.4도 범위로 감소시킬 수 있다.

적응적 펄스 시퀀스

위치 설정기의 분해능을 개선하기 위해 펄스 모드가 사용될 수 있다. 예를 들어, 제어기는 바람직한 위치에 도달하기 전에 한 위치에서 펄스 모드로 스위칭할 수 있다. 펄스 모드는 특정 속도로 모터를 턴온 및 턴오프하며, 이는 모터의 관성력을 감소시키고 그에 따라 관성 진행을 감소시킨다. 이와 달리, 제어기는 편차가 반으로 감소될 때까지 특정 개수의 Hc로 모터를 펄스화할 수 있다. 양 방법은 관성 진행을 감소시키기 위해 모터를 느리게 한 이후에 다음 모터 작동이 시작될 때를 결정하기 위해 결과적인 사역을 사용하는 기능을 수행한다.

다음 모터 작동을 결정하기 위해 사역을 사용하는 대신에, 본 발명은 특정 편차 또는 분해능을 달성하기 위해 모터를 작동시키는 적응적 펄스 시퀀스를 사용한다. 이러한 기법은 위치 설정기가 액츄에이터 유형 또는 그 응용에 상관없이 특정 분해능을 제공하는 것을 허용한다. 주어진 액츄에이터 또는 응용에 대한 분해능을 특정하는 대신에, 적응적 펄스 시퀀스를 사용하는 위치 설정기는 바람직한 분해능을 얻기 위해 사용될 수 있는 액츄에이터 범위를 특정할 것이다. 불안정한 작동을 방지하기 위해, 액츄에이터 제어기는 액츄에이터가 특정 범위 외측에 있을 때 그리고 그에 따라 분해능 매개 변수를 조정할 때 검출하는 추가 특질을 갖는다.

실행 시퀀스와 적응적 펄스 시퀀스 사이의 간섭을 방지하기 위해, 적응적 펄스 시퀀스가 인에이블될 때마다 실행 시퀀스가 디스에이블된다. 현재 위치와 바람직한 위치 사이의 차이가 ICV 값의 두 배일 때, 액츄에이터 제어기는 두 모드 사이에서 스위칭한다. 이러한 방법은 스위칭 시점이 주어진 액츄에이터에 대해 변화하는 것을 허용하면서 실행 시퀀스의 안정된 작동을 보장한다. 예를 들어, 4도의 ICV값을 갖는 액츄에이터는 바람직한 지점로부터 8도인 위치에서 펄스 시퀀스로 스위칭할 것이다.

주어진 액츄에이터를 적응시키기 위해, 본 발명은 바람직한 분해능과 일치하는 충분히 작은 움직임을 얻기 위해 펄스 시퀀스의 3 개의 주요 매개 변수를 연속적으로 조정한다. 주어진 펄스는 특정 개수의 Hc 온과 그에 후속하는 특정 개수의 Hc 오프로 이루어진다. 도 8을 참조하면, 펄스에 의해 생성된 움직임 크기는 Hc 온의 개수가 증가하고 Hc 오프의 개수가 감소함에 따라 증가한다. 적응적 펄스 시퀀스는 Hc 온의 개수, Hc 오프의 개수 및 펄스가 더 작은 움직임 또는 더 큰 움직임을 위해 조정되는 속도를 조정한다. 펄스를 보상하는 Hc 시리즈가 단일 실체를 생성하므로, 알고리즘은 임의의 다른 모터 작동(예를 들어, 실행 시퀀스)이 Hc의 전체 시리즈를 의도적으로 방해하지 못하게 한다. 또 다른 펄스 시퀀스이건 또는 또 다른 실행 시퀀스이건 새로운 모터 작동이 마지막 Hc 오프 이후에 시작될 수 있다.

Hc 온의 개수는 궁극적으로 모터가 생성할 특정 움직임 크기를 결정한다. Hc 오프의 개수는 기본적으로 복수의 펄스의 조합된 움직임이 바람직한 위치에 얼마나 빨리 접근하는 지를 결정한다. 바람직한 위치가 멀면, 펄스가 더 자주 인가될 수 있다. 바람직한 위치에 접근함에 따라 안정적인 제어를 유지하기 위해, 펄스의 주파수가 감소된다. 적응적 펄스 시퀀스의 작동 범위가 ICV 값의 두 배이므로, 알고리즘은 2 x ICV 위치에서의 최대 주파수로부터 바람직한 위치에서의 최소값으로 펄스의 주파수를 비례적으로 변화시킨다. 그러므로, 2 x ICV 범위는 펄스 프롭 대역으로 지칭되며, Hc 오프의 개수를 효율적으로 조정하기 위해 펄스 프롭 대역이 사용된다.

(최후 Hc 오프 이후에) 각각의 펄스 주기의 종료에서, 알고리즘은 생성된 실제 움직임을 측정한다. 그 후, 주어진 펄스에 의해 생성된 움직임의 크기를 기초로, 다음 펄스에 대한 움직임 크기를 증가시키거나 감소시키기 위해 Hc 온의 개수가 조정된다. 목표는 바람직한 분해능과 일치하는 특정 유한 움직임을 생성하기 위해 주어진 액츄에이터 및 그 부하에 의해 요구된 Hc 온의 개수를 결정하는 것이다. 주어진 펄스에 의해 생성된 특정 움직임이 하나의 펄스로부터 다음 펄스로 변화할 수 있으므로, Hc 온 매개 변수값이 복수의 펄스의 평균 움직임에 기초하면 보다 안정된 동작이 달성된다. 액츄에이터 제어기는 표 2에 도시된 진리표를 사용한다. 액츄에이터 제어기의 타겟 편차가 0.1도이므로, 평균 펄스 움직임이 0.05도로부터 0.1도 범위에 있는 한, Hc 온의 개수는 변화되지 않는다.

Hc 온 매개 변수 진리표
평균 펄스 움직임 < 0.05도	1만큼 Hc 온을 증가
평균 펄스 움직임 > 0.1도	1만큼 Hc 온을 감소

액츄에이터가 갑자기 증가된 부하와 직면할 때, 주어진 펄스에 의해 생성된 움직임은 급격히 감소할 것이다. 전술한 알고리즘이 이러한 새로운 조건에 결국 적응하는 반면, 평균화에 의한 느린 응답은 극히 적은 움직임의 긴 주기를 야기할 것이다. 이러한 조건에 대한 응답을 개선하기 위해, 알고리즘은 펄스 가속 모드를 구현한다. 펄스에 의해 생성된 (평균 움직임 대신에) 특정 움직임이 다소간의 최소값(바람직한 실시예에서 0.05도)보다 작을 때, 펄스 가속 모드가 시작되며, Hc 온 매개 변수가 하나의 Hc만큼 증가된다. 가속 모드가 계속되어 측정된 특정 움직임이 최소값을 초과할 때까지 모든 펄스 이후에 하나의 Hc를 더한다. 일단 최소 움직임이 달성되면, 알고리즘은 가속 모드를 종료하고 최초 Hc 온 값을 저장한다. 가속 모드에서, 측정된 움직임이 최초 Hc 온 값의 결과가 아니므로, 알고리즘은 평균 움직임의 계산을 중지한다.

모터 샤프트를 출력 샤프트에 결합시키기 위해 사용된 기어는 본래 백래쉬를 갖는다. 비록 움직임이 모터 샤프트에서 생성되더라도, 백래쉬는 출력 샤프트에서 움직임을 생성하지 않는 조건을 생성하며, 따라서 펄스 가속 모드를 트리거링할 것이다. 움직임의 이러한 결여는 실제 부하 조건에 의하지 않으므로, 펄스 가속 모드는 Hc 온 값을 상당히 크게 증가시켜, 기어가 최종적으로 맞물릴 때, 생성된 움직임이 요구된 것보다 훨씬 클 수 있다. 이러한 조건에 적응하기 위해, 알고리즘은 백래쉬 보상을 채용한다.

백래쉬 보상은 감지된 최종 움직임을 기초로 가속 모드 동안에 Hc 온 값이 증가되는 속도를 조정한다. 매 펄스 이후에 Hc 온을 임의로 증가시키는 대신에, 요구된 백래쉬 보상의 크기에 따라 하나 걸러 펄스마다 Hc 온 값이 증가될 수 있다. 이와 달리, Hc 온 값은 매 30 펄스마다 한 번과 같이, 임의의 미리 정해진 개수의 펄스마다 증가될 수 있다. 액츄에이터 제어기는 표 3에 따라 백래쉬 보상값(가속 단계당 펄스의 수를 표현함)을 조정함으로써 본 발명을 구현한다. 가속 모드가 검출된 움직임에 따라 종료할 때, 백래쉬 보상값이 조정되는 방법을 결정하기 위해 검출된 움직임 크기가 사용된다.

백래쉬 보상값 진리표
펄스 움직임 < 0.1도	1만큼 백래쉬를 감소
펄스 움직임 > 0.15도	1만큼 백래쉬를 증가

요약하면, 펄스 프롭 대역 내에 적절하게 있는 위치에 도달하면서 최대 가능 속도로 바람직한 위치에 접근하기 위해 (관성 보상으로 전자식 브레이크 시퀀스를 사용하는) 실행 모드가 사용되며, 그 때 펄스 모드가 인에이블된다. 명령 신호가 바람직한 위치를 변화시킴에 따라, 바람직한 위치가 펄스 프롭 대역 외측에 있을 때까지 펄스 모드가 인에이블로 유지되며, 그 때 실행 모드는 다시 인에이블되고 프로세스가 반복된다.

일단 위치 설정기가 전술한 특질을 구현하면, 액츄에이터의 고 분해능 제어가 가능하게 된다. 그러나, 피드백 전위차계 신호 측정의 분해능이 이러한 가능성과 정합하지 않으면 고 분해능 제어는 거의 가치없게 된다. 디지탈 신호가 정확한 명령값을 제공할 수 있는 반면, 아날로그 명령 신호도 또한 고 분해능으로 측정될 필요가 있다. 예를 들어, 바람직한 실시예의 액츄에이터 제어기는 0.2도의 바람직한 분해능에 대한 제어 알고리즘을 수행하기 위해 0.05도보다 작게 측정을 한다. 1/4 회전(90도) 액츄에이터의 범위에 대해, 0.05도는 오직 1/1800 또는 1800 디지탈 계수를 표시하며, 이는 11 비트 아날로그 디지탈 변환기(ADC)를 요구한다. 피드백 전위차계 범위의 일부(대개 1/2 내지 1/3)만이 사용된다는 사실에 의해 문제는 더 복잡해진다. 이는 12비트 ADC 이상이 요구된다는 것을 의미한다.

대부분의 디지탈 위치 설정기는 많은 마이크로콘트롤러에 사용 가능한 내장형 ADC 시스템을 사용한다. 그러나, 이들 ADC 시스템은 대개 8비트(256 계수) 분해능만을 제공하지만, 몇 개는 이제 10비트(1024 계수) 분해능으로 사용 가능하다. 이러한 위치 설정기는 여전히 본 발명의 제어 알고리즘을 구현할 수 있지만, 도달 가능한 분해능은 전통적인 사역 의존성 제어를 사용하여 오히려 쉽게 달성될 수 있다. 별개의 12 비트 ADC 집적된 회로가 사용 가능하다. 그러나, 이들 소자들은 매우 비싸고 상당한 지원 회로를 요구하며, 이는 측정에 오차를 더해진다. 오차를 오프셋하기 위해, ADC는 12비트 이상의 분해능을 필요로 한다. 12 비트 이상의 분해능을 제공하는 소자는 훨씬 더 비싸며, 제어 알고리즘에 충분히 빠른 측정을 제공하지 않을 긴 변환 시간을 갖는다.

그러므로, 고 분해능 제어 알고리즘을 구현하기 위한 고유한 ADC 필터 알고리즘이 요구된다. 조악한 위치 설정을 위해 주로 사용되는 실행 시퀀스는 그 빠른 속도 때문에 더 빠른 피드백 측정을 요구한다. 이와 반대로, 펄스 시퀀스는 고 분해능 측정을 요구하지만, 느린 속도 때문에 더 빠른 측정을 요구하지는 않는다. 이러한 전제에 따라, 본 발명은 2 스테이지 ADC를 구현한다. 제1 스테이지는 빠르지만 저 분해능을 제공하며, 이는 이후에 더 느린 속도로 내삽된 고 분해능을 제공하는 제2 스테이지를 제공한다.

별개의 ADC 소자는 2 스테이지 알고리즘과 함께 사용될 수 있는 반면, 바람직한 실시예는 이중 연산 증폭기로 이루어진 단일 기울기 변환기, 복수의 신호를 선택하기 위한 아날로그 멀티플렉싱 소자 및 신호를 스케일링하기 위한 간단한 저항기 네트워크를 사용하여 이산 회로를 구현한다. 마이크로프로세서 내의 내장형 타이머를 사용함으로써, 액츄에이터 제어기는 AC 라인의 한 사이클보다 작은 매 12 밀리초당 각각의 신호(피드백 전위차계, 명령, 기준 전압, 및 신호 접지)에 대한 13과 1/2 비트 측정을 제공한다. 이러한 접근법은 더 작은 공간을 사용하고, 더 작은 전력을 소모하며, 증폭기 오차를 제거하고, 2 배의 분해능을 제공하며, 또한 전형적인 ADC 소자의 비용의 1/4보다 적은 비용을 사용한다.

그 후 순간 판독으로 지칭되는 것을 제공하기 위해 기준 전압 및 신호 접지 측정에 따라 각각의 측정이 스케일링된다. 순간 판독은 충분한 분해능으로 빠른 판독을 제공하므로 실행 모드에 의해 사용된다. 일관되고 안정된 고 분해능 위치 설정을 제공하기 위해, 펄스 모드는 안정된 고 분해능 ADC 판독을 요구한다. 이를 완성하기 위해, 하나는 거의 16 비트값으로 판독을 안정화시키는 것이고 다른 하나는 다른 소스로부터 유도된 전기 잡음은 물론 위치 설정기 내의 전기적 잡음을 제거하는 것인, 두 개의 필터 알고리즘에 의해 순간 판독이 처리된다.

제1 필터 알고리즘은 운전 평균 기법(running average technique)을 채용하며, 이는 몇 개의 판독의 평균을 계산하고 필터 캐패시터와 유사한 방식으로 거동한다. 수학적 계산은 필터 캐패시터에 대한 필요성을 제거할 뿐만 아니라 실제 필터 캐패시터로 구현하기에 실질적이지 않는 매우 큰 정전용량 값을 모방한다. 또한, 수학적 접근법은 필터 캐패시터에 흔히 있듯이 온도에서의 변화 및 시간에 걸친 열화에 민감하지 않다.

운전 평균은 필터 캡을 사용하여 더 양호한 해법을 제공하는 반면, 양자는 모두 응용예에 대한 일반적인 문제점을 나타낸다. 펄스 모드에 대한 안정된 판독을 제공하기 위해 더 큰 필터값(즉, 평균을 계산하기 위해 사용된 샘플의 개수)을 선택하는 것은 필터로부터의 보다 느린 응답 시간을 야기한다. 위치 설정기가 펄스 모드로부터 실행 모드로 스위칭할 때, 캐패시터 충전 또는 방전이 지체됨에 따라 운전 평균값이 지체될 것이다. 일단 실행 모드가 새로운 위치에서 완료되면, 펄스 모드는 진정한 평균값이 복수의 초동안 정확하게 기능하도록 하지 않을 것이다. 특정 이벤트를 기초로 수리값(mathematical value)이 임의의 값으로 리셋될 수 있다는 것을 인식하면서, 발명자는 리셋 가능 운전 평균 필터 알고리즘을 개발했다. 두 개의 연속적인 순간 판독이 특정 크기 이상 달라질 때, 알고리즘은 운전 평균값을 최후의 순간 판독으로 설정하며, 따라서 신호에서의 큰 변화에 대한 오랜 지체 시간을 제거한다. 응용예의 성질에 의해, 액츄에이터가 새로운 위치에 실제로 도달할 수 있을 때까지에 리셋 운전 평균이 안정화할 것이다.

필터의 의도하지 않은 리셋을 회피하기 위해, 순간 판독에서의 미분은 고정값이고 비교적 크다. 그러나, 펄스 프롭 대역은 상이한 액츄에이터 및 조건에 따라 변화할 것이다. 실행 모드가 프롭 대역 외측에서 인에이블되므로, 실행 모드가 맞물릴 때마다 운전 평균도 리셋된다. 이러한 2차 리셋 이벤트가 피드백 신호에 대해 증요한 반면, 위치 설정기가 작동을 시작할 때 명령 신호를 판독하는 데 있어서의 작은 크기의 지체 시간만이 지연된다. 어떤 경우에는, 이러한 지연이 위치 설정기로의 급속한 명령을 방지하는 것을 허용하는 것이 심지어 바람직할 수 있다. 이러한 이유때문에, 액츄에이터 제어기는 아날로그 명령 신호에 대한 2차 리셋을 구현하지 않는다.

(위치 설정기 내에서 또는 외측 소스로부터) 전기적 잡음은 지속 시간이 매우 짧으며 (대개 ADC로부터의 한 번의 판독) 또한 무작위 시간에서 발생하는 신호에 대한 급격한 변화를 야기한다. 미분 기준을 초과하지 않는 잡음 레벨은 낮은 주파수에서 운전 평균 측정을 변화시키기 쉽다. 예를 들어, 저 주파수는 펄스 모드가 이러한 변화를 따라갈 수 있을 만큼 충분히 낮은 주파수를 의미한다. 미분 기준을 초과하는 잡음 레벨(대개 과도 현상)은 운전 평균에서의 순간적인 리셋을 야기할 것이며, 이는 위치 설정기로부터의 순간 응답을 트리거링할 것이다. 전기적 잡음을 제거하기 위해, 판독과 평균 사이의 차이가 특정 크기를 초과하면, 본 발명은 평균 계산으로부터 샘플 판독을 제거하는 2차 필터 알고리즘을 구현한다. 운전 평균이 신호에서의 작은 실제 변화를 따라갈 수 있다는 것을 보장하기 위해, 특정 개수의 연속적인 판독이 동일한 극성에서의 미분을 지속하면 평균에서 새로운 판독이 사용된다.

온도 의존성 듀티 사이클

본 발명의 또 다른 태양에서, 전기식 액츄에이터 응용예에서의 과도 사이클링이 주어진 응용에 대해 적절하지 않은 액츄에이터를 사용하여 야기될 수 있지만, 액츄에이터를 불필요하게 실행시키는 부적절하게 튜닝된 PID 제어기의 결과가 아주 흔하다. 과도 사이클링은 그 속도에 상관없이 결국 모터를 과열시키며, 내장 온도 스위치가 모터를 보호하기 위해 트리핑한다. 액츄에이터가 오랫동안 스톨되거나 주어진 시간 주기 동안에 자주 스톨되면 유사한 과열이 발생할 수 있다. 온도 스위치가 모터를 보호하는 반면, 전형적인 온도 스위치에 의해 허용된 고온에서 액츄에이터 내의 다른 구성 부품이 손상되거나 오작동될 수 있다. 빈번한 온도 스위치 트리핑에 의해 모터 자체도 또한 열화하고 결국 작동하지 않는다.

온도 스위치가 트리핑할 때, 액츄에이터를 사용하는 응용예에 대한 가장 중요한 결과는 제어될 프로세스의 정지이다. 모터에 대한 전력 공급을 회복하기 위해 온도 스위치가 냉각되어야 하며, 이는 수 십분 이상이 걸릴 수 있다. 휘발성 또는 독성 재료를 제어하는 응용예는 수 십분의 정지에 대한 여유가 없을 수 있다. 그러므로, 큰 공장 시스템에 대한 효과는 폭넓은 관련성을 가질 수 있다.

이러한 문제점을 해결하는 하나의 방법은 모터에 장착하는 선택적인 온도 감지기에 대한 입력을 제공하는 것이다. 그 후 감지기로부터의 온도 판독이 사용자에 의해 설정된 한계와 비교된다. 아마도 이러한 한계는 온도 스위치 트리핑 위치보다 더 낮은 안전한 온도이다. 설정 한계가 초과되면, 모터는 다시 냉각될 때까지 디스에이블된다. 이러한 특질은 온도 스위치와 유사하게 기능함으로써 파괴적인 고온을 방지하며, 수십분 동안의 실행 중지를 야기한다.

이러한 문제에 대한 또 다른 해법은 사이클 타이머 기능으로 모터를 제어하는 것이다. 수격(waterhammer) 효과를 방지하도록 액츄에이터가 밸브를 폐쇄하는 속도를 줄이기 위해, 내장 사이클 타이머 기능을 갖는 사이클 타이머 유닛 또는 위치 설정기가 쉽게 사용 가능하고 대개 사용된다. 사이클 타이머 기능은 기본적으로 시간 주기(대개 0.5초 내지 수초)동안 모터를 턴온시킨 후에 시간 주기(대개 수초)동안 모터를 턴오프시킨다. 이러한 작동은 액츄에이터를 움직이기 위해 요구된 시간을 느리게 하지만 오프 시간 주기동안 모터가 냉각되는 것을 허용하는 유리한 효과를 갖는다. 주어진 모터의 듀티 사이클율을 정합시키기 위해 사이클 타이머 기능 설정을 사용하여, 모터가 과열되는 것이 방지될 수 있으며, 그에 따라 정지(shutdown)를 방지한다.

사이클 타이머 기능의 주요 단점은 그것이 모터를 임의로 턴온 및 턴오프한다는 것이다. 위치 설정기가 짧은 지속 시간의 작은 움직임을 만들려고 할 때, 프로세스 제어 세트포인트(setpoint)에서 기대되는 바와 같이, 임의의 주어진 움직임에 대해 모터가 온 또는 오프일 수 있으므로, 제어가 불규칙하게 된다. 로그율(log rate) 위치 설정기가 이러한 조건을 개선하기 위해 사용될 수 있다. 로그율 함수는 액츄에이터가 필터링된 명령 신호보다 물리적으로 빠르게 움직이는 것을 허용하는 큰 필터 캐패시터를 사용하여 명령 신호를 지연시킨다. 그 효과는 액츄에이터가 캐패시터의 로그 충전 곡선을 따라 로그 사이클링율(logarithic cycling rate)로 움직이는 것이다. 즉, 바람직한 위치가 멀어질 때, 로그율 위치 설정기는 더 긴 온 시간을 허용한다. 반대로, 더 짧은 움직임에 대해 온 시간이 짧아진다. 지연이 명령 신호에 의해 통제되므로, 작은 명령 변화에 대한 반응이 예측 가능하며, 따라서 PID 설정으로 간주될 수 있다.

그 기능이 오직 시간의 작은 퍼센트로 필요될 때, 로그율 위치 설정기는 여전히 액츄에이터를 연속적으로 느리게 하는 바람직하지 않은 효과를 갖는다. 이러한 바람직하지 않은 효과를 제거하고 동시에 정지를 방지하기 위해, 본 발명은 시간 의존성 듀티 사이클 알고리즘을 사용할 수 있다. 온도 감지기로 모터의 온도를 모니터링함으로써, 알고리즘은 모터의 온도에 반비례하는 비율로 듀티 사이클 제어의 퍼센트를 변화시킨다. 알고리즘은 기본적으로 고온 한계(아마도 온도 스위치 트립 위치 이하)에서 0% 듀티로 그리고 저온 한계에서 100% 듀티로 모터를 작동시키며, 그 한계 사이에서의 온도에서 퍼센트 듀티 사이클을 비례적으로 변화시킨다. 0% 듀티(모터가 오프임을 의미함) 출력은 주위 환경이 고온 한계 이상의 온도를 이미 생성한 경우에만 발생해야 한다. 실제로 모터는 특정 모터 온도와 같아질 퍼센트 듀티에서 제어될 것이다. 프로세서 세트포인트에서 불규칙한 제어를 최소화하기 위해, 알고리즘은 2초의 사이클 시간을 사용한다. 그러나, 듀티 제어 기능은 불리하거나 혹사 조건에서만 관계하므로, 이러한 문제는 정상 작동에서는 직면되지 않는다.

간접 온도 측정

온도 감지기는 주위 온도 및 부하 효과를 포함하면서 모터의 절대 온도를 감지하는 뚜렷한 장점을 제공한다. 액츄에이터는 최대 부하와 최대 주위 온도에서 특정 듀티 사이클에 대해 정격화(rated)된다. 부하 및 온도 사양은 시스템 설계자가 제어하기에 비교적 쉽다. 그러나, PID 제어의 다이나믹성은 너무 많은 변수를 생성해서, 시스템 설계자가 액츄에이터의 듀티 사이클율이 고수되게 될 것을 확실하게 아는 것이 거의 불가능하다. 온도 및 부하 사양이 고수되는 것을 가정하면서, 듀티 사이클은 액츄에이터를 과열시키고 손상시키는 주요 원인으로 남는다. 이러한 전제를 명심하면서, 본 발명자는 액츄에이터 모터의 사이클링에 의해 야기된 온도 상승을 간접적으로 측정하는 알고리즘을 개발했다. 본 발명의 액츄에이터 제어기는 온도 의존성 듀티 사이클과 관련하여 추가적인 감지기 대신에 이러한 알고리즘을 사용한다. 의도된 응용예에 대해, 액츄에이터 제어기는 25% 듀티로부터 100% 듀티까지 정격화된 액츄에이터의 범위에 대하 알고리즘을 구현한다.

모터의 가열은 모터 권선을 통해 흐르는 전류에 의해 구체적으로 야기된다. 위치 설정기는 모터에 인가된 모든 Hc를 제어하므로, 위치 설정기는 모터를 사이클링함으로써 야기된 모든 가열을 고려할 수 있다. 간단하게, 모든 Hc 온 주기는 열을 발생하는 반면 모든 Hc 오프 주기는 Hc 온 주기로부터의 열을 오프셋하기 위한 동일한 냉각 주기를 제공한다고 가정하자. 상승/하강 계수기를 사용하여, 알고리즘은 모든 Hc 온 주기에 대한 계수기를 증가시키며, 마찬가지로 모든 Hc 오프 주기에 대한 계수기를 감소시킨다. 임의의 주어진 시간에서 계수기의 값은 온 사이클 및 오프 사이클에 의해 야기된 열의 누적 효과를 표시할 것이며, 즉 이 값은 "HCUM"으로 지칭되고 간접적인 온도 측정을 표시한다. 그러므로, HCUM은 온도 의존성 듀티 제어 알고리즘에 의해 감지기로부터의 실제 온도 판독 대신에 사용될 수 있다. 실제 온도 한계를 선택하는 대신에, HCUM 값은 0% 및 100% 듀티 사이클 위치에 대해 선택된다.

모든 Hc 오프 주기가 일정한 냉각 효과를 제공하는 반면, 동일한 것이 모든 Hc 온 주기에 대해서는 사실이 아니다. 모터가 초기에 턴온될 때, 모터는 짧은 시간 주기동안 유입 전류를 끌어당긴다. 이러한 더 큰 전류는 정상 Hc 온 주기보다 더 많은 열을 발생시킨다. 모터가 기계적으로 스톨되면, 더 큰 전류(최대 유입 전류 이하)가 끌어당겨지고, 정상보다 더 많은 열을 다시 발생시킨다. 본 발명에 의해 구현된 전자식 브레이크 시퀀스는 보다 큰 전류를 끌어내기 위한 새로운 소스를 생성한다. 전자식 브레이크 시퀀스가 본래 모터를 스톨시키므로, 이들 Hc 온 주기도 또한 더 큰 전류(최대 유입 전류 이하)를 끌어당길 것이다. 위치 설정기도 또한 이들 외부 조건들을 제어하거나 검출하므로, 그들 역시 고려될 수 있다.

Hc 온 주기들이 상이한 가열 효과를 가질 수 있으므로, 알고리즘은 주어진 Hc 온 주기와 관련된 이벤트(즉, 정상, 유입, 브레이크 또는 스톨)를 기초로 각각의 Hc 온 주기에 h로 지칭된 열값을 할당한다. 그러므로, HCUM은 오직 1 대신에 임의의 주어진 Hc 온 주기에 대한 h의 값만큼 증가된다. 상이한 모터가 가지각색의 특성을 가질 것이므로, h에 할당된 값은 특정 범위의 응용예를 고려한 필요가 있다. 다음 토의는 의도된 응용예에 대한 h값이 할당되는 방법을 설명한다. 그러나, 만들어진 가정은 상이한 응용예 또는 응용예 범위에 어울리게 변화될 수 있다. 알고리즘에 의해 만들어진 가정은 응용예의 범위에 대한 최대 기대열에 대해 h값을 바이어스한다. 이러한 것은 HCUM 값이 모터에서 항상 실제 온도 증가 이상이라는 것을 보장한다. 정상 Hc 온 주기의 가열 효과가 단일 Hc 오프 주기에 의해 오프셋되므로, 정상 Hc 온 주기에 대한 h값이 값 1로 할당된다. 그 이후에, h에 대한 다른 값들은 정상 운전 전류의 배수를 표시한다.

도 9를 참조하면, 유입 전류(130)는 단지 모터 권선 저항에 의해 나누어진 AC 라인 전압의 함수이며, 모터 권선을 통해 발현될 수 있는 최대 전류를 정의한다. 의도된 응용예에 대해, 유입 전류(130)는 정상 운전 전류의 3배 이상이 아닐 것이다. 그러므로, 유입 전류(130)는 3h의 값으로 지정된다. 일단 모터가 회전하기 시작하면, 모터에 의해 생성된 계수기 EMF는 겨우 10Hc의 주기로 모터 전류를 정상 운전 전류로 로그적으로 감소시킨다. 계산을 간단하게 하기 위해, 점선(134, 136)에 의해 형성된 삼각형(132)은 10 Hc 온 주기의 각각에 대한 평균 h값을 표시한다. 이러한 평균값은 정상 h값에 부가되며, 따라서 각각의 유입 Hc에 대한 전체 평균 h값은 2이다. 실행 시퀀스가 시작될 때마다, 알고리즘은 제1 10 Hc 주기에 2h값을 할당한다. 펄스 모드는 매우 낮은 듀티 사이클로 작동하므로, 알고리즘은 펄스 시퀀스 동안에 Hc 온 주기에 추가값을 더하지 않는다.

360 Hc의 주기 동안에 움직임이 검출되지 않으면, 액츄에이터 제어기는 스톨 조건을 검출한다. 이 주기 동안, 모터 전류는 정상 전류의 3배인 최대값에 있다고 가정되며, 3h의 값으로 할당된다. 액츄에이터 제어기가 스톨을 감지하면, 알고리즘은 HCUM에 추가적인 720 계수를 더하는 반면, 정상 360 계수가 발생한 그대로 기록된다. 브레이크 시퀀스 동안에, 전류는 정상 운전 전류의 3배인 최대값에 있다고 또한 가정된다. 그러므로, 알고리즘은 브레이크 시퀀스 Hc 주기 각각에 3h의 값을 할당한다.

듀티 제어가 초기에 인에이블될 때 액츄에이터 제어기 내에 구현되는 추가적인 특질이 수정된다. 정상 모드에서 더 많은 운전 시간을 허용하기 위해, HCUM이 25% 듀티 사이클(의도된 응용예의 하부 단부)에 대응하는 값에 도달될 때까지 액츄에이터 제어기는 100% 듀티 사이클을 제공한다. 이 시간에, HCUM이 하한값보다 큰 값을 갖는 한 비례적인 듀티 사이클 제어는 온으로 유지된다. 일단 HCUM이 하한값 이하로 떨어지면, 25% 듀티 사이클 위치에 도달될 때까지 100% 듀티 제어가 다시 시작되어 허용된다. 이러한 기법은 단지 온도 의존성 듀티 제어 알고리즘의 변형예이며, 또한 온도 감지기로도 사용될 수 있다.

독립 위치 출력

간단한 설치를 제공하기 위해, 액츄에이터 제어기는 사용자가 계측 또는 눈금 조정을 필요로 하지 않으면서 특정 액츄에이터 및 밸브에 대한 제어기를 구성하도록 허용하는 3 버튼식 제어 패널과 같은 사용자 친화형 인터페이스를 포함할 수 있다. 특정 기능을 선택하기 위해 하나의 제어 버튼(모드)이 사용되는 반면, 선택된 기능을 조정하기 위해 나머지 두 버튼(상승 조정 및 하강 조정)이 사용된다.

사용 가능한 기능의 두 가지인 개방 및 폐쇄는, 상승 조정 및 하강 조정 버튼으로 액츄에이터를 단지 작동시킴으로써, 사용자가 최대 명령 신호와 관련된 개방 위치와 최소 명령 신호와 관련된 폐쇄 위치를 설정하도록 허용한다. 양 위치는 액츄에이터의 범위 내에서 임의의 바람직한 위치로 설정될 수 있으며, 따라서 액츄에이터를 재배선할 필요없이 임의의 바람직한 범위에서 직접 또는 반대 작용 기능을 제공한다. 이는 또한 이들 위치를 설정하기 위한 명령 신호를 제공하기 위해 대개 요구된 계측에 대한 필요성도 제거한다.

액츄에이터 제어기는 또한 피드백 전위차계 회전과 모터 회전 사이에 관련성을 자동적으로 결정하는 극성 검출 시스템도 갖는다. 이는 명령 신호에 응답하여 바람직한 움직임을 얻기 위해 모터 및/또는 피드백 전위차계 재배선할 필요성을 제거한다.

자동화 시스템은 일반적으로 액츄에이터로부터 회귀 위치 신호를 요구한다. 고정 눈금 조정된 범위를 갖는 디스플레이 미터를 구동하기 위해 종종 이러한 신호가 사용된다. 이 신호는 두 방식, 즉 위치 설정기 내의 분리형 송신기 모듈 또는 내장형 송신기 중 하나의 방식으로 제공된다. 분리형 모듈은 피드백 전위차계에 배선되어야 하며(어떤 경우에 그 자체의 전위차계를 사용하며), 그 후 개방 및 폐쇄를 위한 바람직한의 디스플레이 판독을 위해 눈금 조정된다. 내장형 송신기 기능은 분리형 모듈을 배선할 필요성을 제거한다. 그러나, 양 방법은 출력 신호를 눈금 조정하기 위해 액츄에이터를 개방 및 폐쇄 위치로 움직일 것을 요구한다.

몇 가지 내장형 송신기 기능은 개방 위치에 대한 최대 출력 신호와 폐쇄 위치에 대한 최소 출력 신호와 자동적으로 관련된다. 이것이 눈금 조정 단계를 제거하는 반면, 출력 신호는 고정된 스케일을 갖고, 따라서 바람직한 디스플레이 판독을 얻기 위해 사용자에게 모든 스케일링 기능을 제공할 것을 요구한다. 내장형 송신기도 또한 고정된 극성에 속박되며, 즉 최대 신호가 폐쇄 위치와 관련될 수 없다. 분리형 모듈이 반전된 극성을 제공할 수 있지만, 그렇게 하기 위해서는 재배선되어야 한다.

양호한 실시예는 액츄에이터를 움직일 것을 요구하지 않는 독립 위치 출력 신호를 제공하며, 특정 극성에 대한 재배선을 제거하고, 출력 신호 내의 임의의 바람직한 판독에 대한 출력을 자동적으로 스케일링하는 알고리즘을 사용한다. 알고리즘은 위치 설정기의 정상 작동을 중지시키거나 방해하지 않으면서 언제든지 결합될 수 있다. 그러나, 추가적인 제어 버튼에 대한 필요성 및 부주의한 신호를 회피하기 위해, 액츄에이터 제어기는 정상 구성 프로세스의 일부분으로서 모드 버튼에 의해 선택된 두 가지 추가 기능으로서 알고리즘을 구현한다.

디지탈 위치 설정기는 비휘발성 정보를 저장하는 능력을 가지며, 이는 본 발명에서 흔한 일이다. 액츄에이터 제어기는 사용자가 전술한 개방 및 폐쇄 기능으로 액츄에이터를 구성할 때 개방 및 폐쇄 위치에 대한 정확한 피드백 전위차계 신호값을 저장한다. 액츄에이터 제어기에 대한 개방 위치 출력 기능을 선택함으로써, 알고리즘은 개방 상태에서 피드백 전위차계값과 관련되어야 하는 그 범위 내의 임의의 바람직한값으로 위치 출력 신호를 조정한 후에 저장하도록 인에이블된다. 마찬가지로, 폐쇄 위치 출력 기능을 선택함으로써, 알고리즘은 폐쇄 상태에서 피드백 전위차계값과 관련되어야 하는 그 범위 내의 임의의 바람직한값으로 위치 출력 신호를 조정한 후에 저장하도록 인에이블된다.

네 가지 바람직한 값을 알면서, 디지탈 위치 설정기는 명령 신호에 대해 확정된 오프셋, 이득 또는 극성에 상관없이 출력 신호에 대한 임의의 오프셋, 이득 또는 극성을 제공하기 위해 기본적인 덧셈 및 곱셈 연산을 수행할 수 있다. 개방 및 출력 위치를 변화시키는 것은 각각에 관련된 출력 신호를 변화시키지 않는다. 마찬가지로, 개방 및 폐쇄 위치 출력 신호를 변화시키는 것은 개방 및 폐쇄 위치를 변화시키지 않는다. 이는 임의의 주어진 극성을 얻기 위해 재배선할 필요성을 제거하며, 또한 작동의 극성이 출력 신호의 극성에 무관한 것을 허용한다. 출력 신호를 계산하기 위한 네 가지 요구된 변수가 메모리에 저장되므로, 위치 설정기가 수행하는 임의의 다른 기능에 상관없이 이들 두 가지 특정값을 얻기 위해 액츄에이터를 개방 또는 폐쇄하도록 움직일 필요는 없다.

알고리즘은 마이크로프로세서 코드로 쉽게 변환될 수 있는 수학적 항으로 기술될 수 있다. 알고리즘이 임의의 바람직한 극성을 제공하므로, 음수가 허용된다. 즉, 완전한 알고리즘을 실행하기 위해 마이크로프로세서 코드는 부호가 있는 수학 함수를 사용할 필요가 있다. 다음 수학 함수

가 알고리즘을 정의하며, 여기서, F_P는 개방과 폐쇄 사이의 임의의 주어진 위치에서 피드백 전위차계값이고, F_O는 바람직한 개방 위치에서 피드백 전위차계값이며, F_C는 바람직한 폐쇄 위치에서 피드백 전위차계값이고, O_P는 개방과 폐쇄 사이의 임의의 주어진 위치와 관련된 출력 신호이고, O_O는 개방 위치와 관련된 바람직한의 출력 신호이며, 또한 O_C는 폐쇄 위치와 관련된 바람직한의 출력 신호이다.

F항은 (퍼센트 개방을 표시하는) 비율로 항상 감소하므로, O_P는 순수하게 O_O 및 O_C의 함수이고, 따라서 O_P가 F항에 의해 기술된 작동 매개 변수와 독립이라는 것을 나타낸다. 이러한 것은 F_P가 개방 위치에서 F_O와 같게 되고 O_P가 O_O로 될 때 명백하게 나타나게 된다. 마찬가지로, F_P가 폐쇄 위치에서 F_C와 같게 될 때 O_P는 O_C로 된다.

예시적인 회로 상세

디지탈 고 분해능 제어기가 가지각색의 상이한 기법을 사용하여 구현될 수 있지만, 하나의 예시적인 구현이 도 11 및 도 12에 도시된다. 도 11은 마이크로프로세서 기반 제어기 회로를 도시하며, 또한 도 12는 도 11의 제어기에 대한 적절한 전력 공급원을 도시한다. 도 11을 참조하면, 마이크로프로세서(200)는 단일 기울기 아날로그 디지탈 변환기(202)로부터 데이타 입력을 수신하며, 이는 멀티플렉서(204)에 의해 공급된다. 아날로그 디지탈 변환기로의 입력이 (206)에서 공급된다. 피드백 전위차계는 접속 단자(208)에 결합된다. 마이크로프로세서는 그 출력을 멀티플렉서 소자(210)에 제공하며, 이는 단자(212)에서 모터에 제어 지령을 공급하고 디스플레이를 구동하기 위해 출력 단자(214)를 제공한다. 도 12를 참조하면, 출력 단자(212)가 광결합기 LED(216)를 통해 신호를 공급하며 그 출력이 모터에 결합된다는 것을 주목하여야 한다.

본 발명의 설명은 본질적으로 오직 예시적이며, 따라서 본 발명의 핵심을 벗어나지 않는 변형들이 본 발명의 범위 내에 있도록 의도된다. 이러한 변형들은 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않는 것으로 간주되어야 한다.

Claims (25)

1. 액츄에이터용 전자식 위치 설정 시스템에 있어서,

   적어도 제1 방향으로 액츄에이터 내에서 움직임을 생성하도록 구성된 액츄에이터 오퍼레이터,

   액츄에이터의 위치를 확인하는 감지기, 및

   상기 적어도 제1 방향으로 생성되는 움직임을 야기하도록 상기 액츄에이터 오퍼레이터에 전력을 가변 가능하게 인가하되, 이 경우에 상기 가변 가능한 전력의 인가는 적어도 하나의 이전 전력 인가로부터 감지된 움직임에 의해 결정되도록 되어 있는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터용 전자식 위치 설정 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 전력 인가 이전에 상기 액츄에이터의 움직임을 방해하는 브레이크 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터용 전자식 위치 설정 시스템.
3. 제1항에 있어서, 제1 방향 및 제2 방향 중 적어도 하나의 방향으로 교류 전력을 인가하는 전자식 브레이크 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터용 전자식 위치 설정 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 액츄에이터의 관성 진행(coast)을 따라 관성 보상값을 결정하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터용 전자식 위치 설정 시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 제어기는 적어도 부분적으로 관성 보상값을 기초로 브레이크 시퀀스를 유발시키는 것을 특징으로 하는 액츄에이터용 전자식 위치 설정 시스템.
6. 제4항에 있어서, 상기 제어기는 적어도 부분적으로 액츄에이터의 요구된 위치와 관성 보상값을 기초로 브레이크 시퀀스를 유발시키는 것을 특징으로 하는 액츄에이터용 전자식 위치 설정 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 적어도 하나의 이전 전력 인가로부터 감지된 움직임에 따라 결정된 듀티 사이클로 전력 펄스를 인가하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터용 전자식 위치 설정 시스템.
8. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 적어도 하나의 이전 전력 인가로부터 감지된 움직임에 따라 결정된 듀티 사이클 및 주파수에 따라 전력 펄스를 인가하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터용 전자식 위치 설정 시스템.
9. 제8항에 있어서, 제어기는 적어도 하나의 이전 전력 인가로부터 감지된 움직 임에 따라 인가 펄스의 주파수에서의 변화율을 결정하는 인가하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터용 전자식 위치 설정 시스템.
10. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 유도된 움직임을 생성하는 힘 생성 소자의 온도에 반비례하는 비율로 전력을 인가하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터용 전자식 위치 설정 시스템.
11. 제9항에 있어서, 상기 제어기는 주어진 시간 주기 동안에 인가된 전기 에너지 크기에 따라 온도를 결정하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터용 전자식 위치 설정 시스템.
12. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 사전 결정된 크기 이상의 움직임에 대한 제1 고속 및 저 분해능 변환 및 사전 결정된 크기 이하의 움직임에 대한 제2 저속 및 고 분해능 변환을 제공하는 아날로그 디지탈 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터용 전자식 위치 설정 시스템.
13. 제11항에 있어서, 상기 제어기는 이전 변환값의 평균값으로부터의 주어진 미분값을 갖는 연속 변환의 개수에 따라 상기 제2 분해능 변환에서의 전기 잡음을 제거하도록 구성된 것을 특징으로 하는 액츄에이터용 전자식 위치 설정 시스템.
14. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 주어진 시간 주기 동안 움직임의 결여에 따라 액츄에이터에 대한 전력 인가를 금지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 액츄에이터용 전자식 위치 설정 시스템.
15. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 바람직한 방향과 주어진 방향으로 인가된 전력 사이의 관련성을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 액츄에이터용 전자식 위치 설정 시스템.
16. 제1항에 있어서, 액츄에이터 오퍼레이터는 제1 및 제2 방향으로 움직임을 생성하도록 구성되며, 또한 제어기는 바람직한 방향을 따라 적절한 방향으로 전력을 인가하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터용 전자식 위치 설정 시스템.
17. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 임의의 두 개의 선택된 위치의 차이에 비례하는 바람직한 출력 신호를 자동적으로 생성하도록 구성되며, 이 경우에 이러한 비례는 선택된 위치 사이의 차이에 상관없이 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터용 전자식 위치 설정 시스템.
18. 모터의 제어 방법에 있어서,

    움직임을 생성하도록 상기 모터에 제1 크기의 에너지를 공급하는 단계,

    그에 따라 생성된 움직임을 관찰하는 단계, 및

    제2 크기의 에너지를 상기 모터에 공급하는 단계를 포함하며, 또한

    상기 제 2 크기는 관찰된 움직임을 기초로 결정되는 것을 특징으로 하는 모터의 제어 방법.
19. 제17항에 있어서, 상기 제1 및 제2 크기의 에너지를 공급하는 단계 사이에 시간 간격을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 제어 방법.
20. 제17항에 있어서, 상기 바람직한 모터 위치로부터의 평가 거리를 기초로 상기 제1 및 제2 크기의 에너지를 공급하는 단계 사이의 시간 간격을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 제어 방법.
21. 제19항에 있어서, 평가 거리가 제1 근접 범위에 있을 때 상기 시간 간격이 제1 값이며 또한 평가 거리가 제2 근접 범위에 있을 때 상기 시간 간격이 제2 값이되도록 시간 간격을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 제어 방법.
22. 제20항에 있어서, 상기 제2 근접 범위는 상기 제1 근접 범위보다 상기 바람직한 모터 위치에 더 가까우며, 또한 상기 제2 값은 상기 제1 값보다 큰 것을 특징으로 하는 모터의 제어 방법.
23. 제17항에 있어서, 상기 제2 크기의 에너지를 공급하기 이전에 움직임을 금지시키기 위해 상기 제1 크기의 에너지를 공급하는 단계 이후에 브레이크 시스템을 결합시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 제어 방법.
24. 제17항에 있어서, 측정된 크기의 에너지로서 상기 제1 크기의 에너지와 상기 제2 크기의 에너지 중 적어도 하나가 공급되는 것을 특징으로 하는 모터의 제어 방법.
25. 제17항에 있어서, 측정된 크기의 에너지 펄스로서 상기 제1 크기의 에너지와 상기 제2 크기의 에너지 중 적어도 하나가 공급되는 것을 특징으로 하는 모터의 제어 방법.

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