KR20140145506A - 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어시스템 및 그 방법 - Google Patents

아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, PLC(1; Programable Logic Control)와; CPU(2)와; PWM 발생부(3)와; 상검출부(4)와; 제어용 신호발생부(5)와; SCR(SCR1, SCR2)과; 부하(6)와; 아날로그/디지털변환기(7; ADC)와; 디지털표시장치(8)로 구성되어 목표값 제시단계(S1단계)와; 제어 값 생성단계(S2단계)와; 듀티생성단계(S3단계)와; 기준신호 생성단계(S4단계)와; SCR 제어용 신호생성단계(S5단계)와; SCR 제어단계(S6단계)와; 아날로그신호 피드백단계(S7단계) 및; 디지털신호 피드백단계(S8단계)로 이루어져 고조파의 발생을 억제하고, 분해능력이 높으면서 안정적인 온도제어를 할 수 있고, 아날로그 피드백의 장점인 실시간 보상을 실시하면서 디지털 피드백 보상으로 측정값과 제어값의 편차를 보상처리함으로써 제어량이 목표량에 접근할 수 있으며, 아날로그 피드백의 장점과 디지털 피드백의 장점을 결합함 형태로 구성하여 출력의 안정도 및 목표 값의 정밀도가 획기적으로 향상되는 각별한 장점이 있는 유용한 발명이다.

Description

아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어시스템 및 그 방법{Power control system linked analog and digital feedback compensation scheme and power control method thereof}
본 발명은 전력제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 아날로그 방식의 피드백 보상에 디지털 방식의 피드백 보상을 연계하여 2중 보상을 실시함으로써 출력전압의 안정도를 향상시키고 목표 값에 대한 정밀제어가 가능한 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 종래의 전력제어시스템은 SCR(Silicon Controlled Rectifier) 소자를 이용하여 입력교류 전압의 위상을 제어하는 방법으로 출력 전력의 안정화를 구현하는 방식을 많이 사용한다.
이러한 종래 전력제어시스템의 예로서 열처리장치에 이용되는 전력제어시스템은 도 1에 도시한 바와 같이 열처리장치가 석영으로 이루어지는 통형상의 반응관(11)을 포함하여 구성되고, 반응관(11) 하부를 통하여 다수의 반도체웨이퍼를 지지하는 웨이퍼 부트(도시않됨)가 반응관(11) 내로 수납되며, 3가지의 존히터(12a, 12b, 12c)로 이루어지는 히터(12)가 반응관(11)의 측면(둘레)을 둘러싼다. 상기 반응관(11)과 히터(12)에 의하여 가열로(13)를 형성하고 있으며, 각 존히터(12a, 12b, 12c)에 의하여 발생된 발열량은 각 존히터(12a, 12b, 12c)에 접속되는 전력제어시스템에 의해 조절된다.
상기 전력제어시스템은 고정전압의 전원트랜스(15) 및 그 전원트랜스(15)의 1차측에 설정된 전력공급원(14)으로 구성되고, 전력은 전력공급원(14)으로부터 전원트랜스(15)를 통해 각 존히터(12a, 12b, 12c)로 전력을 분배하는 구성으로 되어 있다. 즉, 각 존히터(12a, 12b, 12c)로 공급되는 전력량은 전원트랜스(15)의 2차측에 설정되는 스위칭 유니트(16) 내의 반도체 스위치를 턴온 또는 턴오프하는 타이밍을 제어함에 의해 제어되고, 전원트랜스(15)와 스위칭유니트(16) 사이에는 과전류보호장치(예를 들면, 퓨즈)(17a, 17b, 17c)가 개재되어 설치되어 있다.
여기서 스위칭 유니트(16) 내의 반도체 스위치용으로 위상제어 SCR(Silicon Controlled Rectifier)을 사용하는 방법과, 스위칭 유니트(16) 내의 반도체 스위치용으로 제로크로스제어 SCR을 사용하는 방법이 알려져 있다. 예컨대 전자의 방법은 가열로(13)가 예컨대 100℃/분 정도의 승온 속도를 갖는 고속 승온형의 화로인 경우에 사용된다. 또한 후자는 가열로(13)가 일반화로인 경우에 사용된다.
위상제어 SCR에 있어서는 스위치가 1싸이클 360도의 중의 임의의 타이밍으로 전력공급의 온, 오프를 전환한다. 따라서, 높은 분해능력을 얻을 수 있다. 한편, 제로크로스제어 SCR은 1싸이클마다의 제로 볼트전압의 상태가 되는 타이밍으로 스위치의 온, 오프를 전환하는 장치이다. 전력주파수가 예컨대 50Hz이면 전력공급량은 1싸이클마다 50급에 따라서 전력공급원의 매 사이클마다 스위치를 턴온 또는 턴오프 제어를 한다. 예컨대 만약 스위치가 1싸이클번째에 턴온 하면, 2번째 사이클에서 턴오프 하고, 나머지의 싸이클을 모두 오프로 하는 것으로 공급전력량은 최대출력의 2%(100%×1/50)가 된다. 만약 스위치가 턴온 되고, 이후 온의 싸이클을 늘림으로써 2% 마다(2, 4, 6···100%) 전력공급량도 증가될 수 있다.
일반적으로, 고속 승온형에 사용되는 히터는 온도에 대한 저항치의 변화가 크다. 따라서, 히터의 안정된 온도제어를 하기 위해서는 높은 분해능을 갖는 위상제어 SCR이 적합하다. 그러나, 이 위상제어 SCR은 무시할 수 없는 수준의 큰 고조파가 출력된다는 문제가 있다. 따라서, 위상제어 SCR을 사용한 종래의 장치에서는 대규모의 액티브 필터 등을 병용하여 상기 고조파를 제거하게 됨으로써 값비싼 고조파 제거장치로 인하여 비용적인 문제도 발생하였다.
한편, 제로크로스제어 SCR을 사용한 경우에는 상술한 위상제어 SCR을 사용한 경우에 비하여 발생하는 고조파는 작다. 그러나, 전원공급용 스위치가 1싸이클마다 턴온, 턴오프의 제어를 하여 전력공급량을 조정하기 때문에, 이 전력공급량의 분해능력은 전력주파수에 의존하게 되고, 미세한 전력제어를 할 수 없다. 이 때문에 제로크로스제어 SCR은 상술한 고속 승온형의 가열로에 채용하기 어렵다.
이와 같이 위상제어 SCR이 사용되고 있지만, 아날로그 제어소자들의 출력형태가 시작점을 기점으로 온듀티 오프듀티를 결정하고, 이를 제어출력으로 사용하게 되면, SCR의 특성상 역전압을 크게 게이트에 걸어주거나 입력 교류전압의 레벨이 역전될 때까지 SCR을 비동작 상태로 제어할 수 없게 된다. 이에 따라 아날로그 피드백을 이용한 하드웨어적 제어가 사실상 불가능하여 마이콤 소자 등을 이용한 위상제어 방식을 구현하게 되는데 이때 실시간 변동에 따른 보상이 되지 않으므로 실시간 제어량과 측정량, 실측량의 편찰 인해 시스템 안정화가 곤란해진다.
본 발명은 상기한 실정을 고려하여 종래 통상적인 전력제어시스템에서 야기되는 여러 가지 결점 및 문제점 들을 해결하고자 발명한 것으로서, 그 목적은 고조파의 발생을 억제하고, 분해능력이 높으면서 안정적인 온도제어를 할 수 있는 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어시스템 및 그 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 아날로그 피드백의 장점인 실시간 보상을 실시하면서 디지털 피드백 보상으로 측정값과 제어 값과의 편차를 보상처리함으로써 제어량이 목표량에 접근할 수 있는 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어시스템 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 아날로그 피드백의 장점과 디지털 피드백의 장점을 결합함 형태로 구성하여 출력의 안정도 및 목표 값의 정밀도를 획기적으로 향상시킨 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어시스템 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어시스템은 목표값을 제시하는 PLC(1; Programable Logic Control)와; 상기 PLC(1)의 출력인 목표값과 디지털 피드백 값을 제어 값으로 연산하는 CPU(2)와; 상기 CPU(2)의 출력인 제어 값과 아날로그 피드백값으로 듀티를 생성하여 출력하는 PWM 발생부(3)와; 입력 교류전압의 위상을 비교소자를 이용 검출하여 기준신호로 출력하는 상검출부(4)와; 상기 PWM 발생부(3)의 듀티인 보상신호와 보상신호의 역신호 및 상기 상검출부(4)의 출력인 기준신호를 입력하여 SCR 제어용 신호를 생성하여 출력하는 제어용 신호발생부(5)와; 상기 제어용 신호발생부(5)의 출력단에 연결된 SCR(SCR1, SCR2)과; 상기 SCR(SCR1, SCR2)에 트랜스(T)를 통해 연결되는 부하(6)와; 상기 트랜스(T)에 연결되는 아날로그 피드백신호를 제공하는 아날로그/디지털변환기(7; ADC) 및; 상기 부하(6)에 연결되어 디지털 피드백신호를 제공하는 디지털표시장치(8)로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 고조파의 발생을 억제하고, 분해능력이 높으면서 안정적인 온도제어를 할 수 있고, 아날로그 피드백의 장점인 실시간 보상을 실시하면서 디지털 피드백 보상으로 측정값과 제어값의 편차를 보상처리함으로써 제어량이 목표량에 접근할 수 있으며, 아날로그 피드백의 장점과 디지털 피드백의 장점을 결합함 형태로 구성하여 출력의 안정도 및 목표 값의 정밀도가 획기적으로 향상되는 각별한 장점이 있다.
도 1은 종래 전력제어시스템의 개략설명도,
도 2는 본 발명 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어시스템의 블록 구성도,
도 3은 본 발명 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어방법의 실행 순서도,
도 4는 본 발명에 따른 디지털표시장치를 이용한 보상처리 순서도 이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어시스템 및 그 방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어시스템의 블록 구성도, 도 3은 본 발명 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어방법의 실행 순서도, 도 4는 본 발명에 따른 디지털표시장치를 이용한 보상처리 순서도로서, 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어시스템은 목표값을 제시하는 PLC(1; Programable Logic Control)와; 상기 PLC(1)의 출력인 목표값과 디지털 피드백 값을 제어 값으로 연산하는 CPU(2)와; 상기 CPU(2)의 출력인 제어 값과 아날로그 피드백값으로 듀티를 생성하여 출력하는 PWM 발생부(3)와; 입력 교류전압의 위상을 비교소자를 이용 검출하여 기준신호로 출력하는 상검출부(4)와; 상기 PWM 발생부(3)의 듀티인 보상신호와 보상신호의 역신호 및 상기 상검출부(4)의 출력인 기준신호를 입력하여 SCR 제어용 신호를 생성하여 출력하는 제어용 신호발생부(5)와; 상기 제어용 신호발생부(5)의 출력단에 연결된 SCR(SCR1, SCR2)과; 상기 SCR(SCR1, SCR2)에 트랜스(T)를 통해 연결되는 부하(6)와; 상기 트랜스(T)에 연결되는 아날로그 피드백신호를 제공하는 아날로그/디지털변환기(7; ADC) 및; 상기 부하(6)에 연결되어 디지털 피드백신호를 제공하는 디지털표시장치(8)로 구성되어 있다.
상기 아날로그/디지털변환기(7; ADC)의 출력인 아날로그 피드백신호는 SYNC 신호이고, 상기 PWM 발생부(3) 내의 연산 증폭기(OP AMP)에서는 상기 CPU(2)로부터 입력되는 제어 값과 아날로그 피드백신호의 차를 기준으로 제어폭(온 듀티)이 변환된 신호(이하, "보상신호"라 함)와 한주기 반이되는 위치에서 듀티폭을 갖고 위상만 180도 다른 신호를 생성한다.
상기 제어용 신호발생부(5)는 반전논리합(NOR GATE)으로 상기 PWM 발생부(3)의 출력신호를 변형하고, 기준신호와 보상신호의 역신호를 논리곱으로 변형한다.
한편, 본 발명 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어방법은 PLC(1; Programable Logic Control)로 목표값을 제시하는 목표값 제시단계(S1단계)와; CPU(2)로 상기 PLC(1)의 출력인 목표값과 디지털 피드백 값을 제어 값으로 연산하는 제어 값 생성단계(S2단계)와; PWM 발생부(3)로 상기 CPU(2)의 출력인 제어 값과 아날로그 피드백값으로 듀티를 생성하는 듀티생성단계(S3단계)와; 상검출부(4)로 입력 교류전압의 위상을 비교소자를 이용 검출하여 기준신호로 출력하는 기준신호 생성단계(S4단계)와; 제어용 신호발생부(5)로 상기 PWM 발생부(3)의 듀티인 보상신호와 보상신호의 역신호 및 상기 상검출부(4)의 출력인 기준신호를 입력하여 SCR 제어용 신호를 생성하는 SCR 제어용 신호생성단계(S5단계)와; 상기 제어용 신호발생부(5)의 출력으로 SCR을 제어하는 SCR 제어단계(S6단계)와; 아날로그/디지털변환기(7)로 아날로그신호를 피드백하는 아날로그신호 피드백단계(S7단계) 및; 디지털표시장치(8)로 디지털신호를 피드백하는 디지털신호 피드백단계(S8단계)로 이루어진다.
실시예
도 3 및 도 4에 도시한 본 발명 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어방법으로 부하에 공급되는 전력을 제어하였다.
먼저 목표값 제시단계(S1단계)에서 PLC(1)로 목표값을 제시하고, 제어 값 생성단계(S2단계)에서 CPU(2)로 상기 PLC(1)의 출력인 목표값과 디지털 피드백 값을 제어 값으로 연산하여 제어 값을 생성하였다.
이어서, 듀티생성단계(S3단계)에서 PWM 발생부(3) 내의 연산 증폭기(OP AMP)에서 상기 CPU(2)의 출력인 제어 값과 아날로그 피드백값(SYNC; Synchronization)으로 듀티를 생성하고, 기준신호 생성단계(S4단계)에서 상검출부(4)로 입력 교류전압의 위상을 비교소자를 이용 검출하여 기준신호로 출력하였다.
계속하여 SCR 제어용 신호생성단계(S5단계)에서 제어용 신호발생부(5)의 반전논리합(NOR GATE)로 상기 PWM 발생부(3)의 듀티인 보상신호와 보상신호의 역신호 및 상기 상검출부(4)의 출력인 기준신호를 입력하여 SCR 제어용 신호를 생성하고, 제어용 신호발생부(5)의 출력인 SCR 제어용 신호로 제로오프싯점에서부터 PWM 발생부(3)로부터 전달된 시간 폭-일명 CPU(2)의 출력인 제어 값만큼 SCR을 턴온할 수 있게되어 부하전압의 변동에 따른 제어듀티가 실시간으로 연동되어 조절되게 된다. 이후에 부하(6)에서 넘어오는 아나로그 피드백신호(교류전압)를 ADC(Analog to digital)소자를 이용하여 PWM 발생부(3)의 피드백 신호로 활용하여 피드백량이 제어값보다 크면 제어값을 축소하여 설정하고 피드백량이 제어값보다 작으면 제어값을 가산적용하여 제어값을 재설정하게 된다.
이렇게 아나로그 피드백으로 제어를 하면 목표값과 디지털표시장치(8)와의 편차가 발생하게 되고 회로 시정수를 최적화 하더라도 주변 환경에 따라 실시간 반응은 잘 하더라도 목표값에 도달하기는 어렵다. 그리하여 CPU(2)의 목표값과의 편차는 시스템 부하(6)에 연결되어 있는 디지털표시장치(8)로부터 표시 데이터를 넘겨받아 CPU(2)의 프로그램 연산으로 편차보정값을 최적화 하여 CPU(2)의 출력 즉, 제어값으로 PWM 발생부(3)에 넘겨 주는데 이때 편차량에 따른 차등 데이터 적용을 실시함으로써 편차폭이 크면 짧은 시간에 큰 데이터 변화를 주어 빠르게 추적할 수 있게 하고 편차폭이 작게 되면 제어시간과 폭을 축소적용함으로써 과도현상이나 목표값에 도달하지 못하게 되는것을 방지하며 또한 아나로그 피드백의 과도한 변화를 방지할 수 있는 기능구현이 가능하여 급변현상을 방지할 수 있다(도 4 참조).
지금까지 본 발명을 바람직한 실시예로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.
1 : PLC(Programable Logic Control) 2 : CPU(Central Processing Unit)
3 : PWM(Pulse Width Modulation) 발생부
4 : 상검출부 5 : 제어용 신호발생부
6 : 부하 7 : 아날로그/디지털변환기(ADC)
8 : 디지털표시장치
SCR1, SCR2 : SCR(Silicon Controlled Rectifier)
T : 트랜스

Claims (4)

  1. 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어시스템은 목표값을 제시하는 PLC(1; Programable Logic Control)와; 상기 PLC(1)의 출력인 목표값과 디지털 피드백 값을 제어 값으로 연산하는 CPU(2)와; 상기 CPU(2)의 출력인 제어 값과 아날로그 피드백값으로 듀티를 생성하여 출력하는 PWM 발생부(3)와; 입력 교류전압의 위상을 비교소자를 이용 검출하여 기준신호로 출력하는 상검출부(4)와; 상기 PWM 발생부(3)의 듀티인 보상신호와 보상신호의 역신호 및 상기 상검출부(4)의 출력인 기준신호를 입력하여 SCR 제어용 신호를 생성하여 출력하는 제어용 신호발생부(5)와; 상기 제어용 신호발생부(5)의 출력단에 연결된 SCR(SCR1, SCR2)과; 상기 SCR(SCR1, SCR2)에 트랜스(T)를 통해 연결되는 부하(6)와; 상기 트랜스(T)에 연결되는 아날로그 피드백신호를 제공하는 아날로그/디지털변환기(7; ADC) 및; 상기 부하(6)에 연결되어 디지털 피드백신호를 제공하는 디지털표시장치(8)로 구성된 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 PWM 발생부(3) 내의 연산 증폭기(OP AMP)에서는 상기 CPU(2)로부터 입력되는 제어 값과 아날로그 피드백신호의 차를 기준으로 제어폭(온 듀티)이 변환된 신호와 한주기 반이되는 위치에서 듀티폭을 갖고 위상만 180도 다른 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제어용 신호발생부(5)는 반전논리합(NOR GATE)으로 상기 PWM 발생부(3)의 출력신호를 변형하고, 기준신호와 보상신호의 역신호를 논리곱으로 변형하는 것을 특징으로 하는 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어시스템.
  4. PLC(1; Programable Logic Control)로 목표값을 제시하는 목표값 제시단계(S1단계)와; CPU(2)로 상기 PLC(1)의 출력인 목표값과 디지털 피드백 값을 제어 값으로 연산하는 제어 값 생성단계(S2단계)와; PWM 발생부(3)로 상기 CPU(2)의 출력인 제어 값과 아날로그 피드백값으로 듀티를 생성하는 듀티생성단계(S3단계)와; 상검출부(4)로 입력 교류전압의 위상을 비교소자를 이용 검출하여 기준신호로 출력하는 기준신호 생성단계(S4단계)와; 제어용 신호발생부(5)로 상기 PWM 발생부(3)의 듀티인 보상신호와 보상신호의 역신호 및 상기 상검출부(4)의 출력인 기준신호를 입력하여 SCR 제어용 신호를 생성하는 SCR 제어용 신호생성단계(S5단계)와; 상기 제어용 신호발생부(5)의 출력으로 SCR을 제어하는 SCR 제어단계(S6단계)와; 아날로그/디지털변환기(7)로 아날로그신호를 피드백하는 아날로그신호 피드백단계(S7단계) 및; 디지털표시장치(8)로 디지털신호를 피드백하는 디지털신호 피드백단계(S8단계)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 아날로그와 디지털 피드백 보상방식을 연계한 전력제어방법.
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