KR20200129119A - 히터 제어를 위한 제어 시스템 - Google Patents

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KR20200129119A
KR20200129119A KR1020207027892A KR20207027892A KR20200129119A KR 20200129119 A KR20200129119 A KR 20200129119A KR 1020207027892 A KR1020207027892 A KR 1020207027892A KR 20207027892 A KR20207027892 A KR 20207027892A KR 20200129119 A KR20200129119 A KR 20200129119A
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KR
South Korea
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power
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heater
auxiliary
zone
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Application number
KR1020207027892A
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Inventor
존 렘케
마틴 큐리
윌리엄 볼링거
스탠턴 에이치. 브라이틀로우
아담 키드니
커트 피터슨
제임스 헨지스
Original Assignee
와틀로 일렉트릭 매뉴팩츄어링 컴파니
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Abstract

본 개시서는 히터 시스템을 제어하기 위한 제어 시스템에 관한 것이다. 제어 시스템은 복수의 구역 제어 회로들, 적어도 두 개의 보조 제어기들 및 주 제어기를 포함한다. 상기 구역 제어 회로들은 히터 시스템의 복수의 히터 구역들에 전력을 제공하고 구역들의 성능 특성들을 감지하도록 작동 가능하다. 보조 제어기들은 복수의 구역 제어 회로에 연결되어, 복수의 구역들에 대한 전력을 제어하고 성능 특성들에 기초하여 히터 구역들의 작동을 모니터링한다. 주 제어기는 보조 제어기들에 연결되며 성능 특성들에 따라 각 히터 구역에 대한 작동 설정 값을 제공하도록 구성된다. 보조 제어기들은 구역 제어 회로들을 작동하여 작동 설정 값에 따라 히터 시스템에 전력을 공급한다.

Description

히터 제어를 위한 제어 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2018년 3월 8일자에 출원된 미국 가출원 제62/640,143호에 대한 우선권과 이익을 주장한다. 상기 출원의 내용은 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
발명의 기술분야
본 개시서는 전력 감지 제어를 구비한 히터를 갖는 열 시스템을 제어하기 위한 시스템 및/또는 방법에 관한 것이다.
이 섹션의 내용은 본 개시서와 관련된 배경 정보를 제공할 뿐이며 종래 기술을 구성하지 않을 수 있다.
저항 히터는 타겟 및/또는 환경에 열을 제공하기 위해 다양한 응용 분야에서 사용된다. 예를 들어, 이러한 저항성 히터는 카트리지 히터, 유체 라인 히터 또는 기타 적절한 히터를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 제어 시스템은 일반적으로 저항 히터에 대한 전력을 제어하여 히터에 의해 생성되는 열의 양을 조절한다.
일부 응용 분야에서, 제어 시스템은 저항 히터의 성능을 모니터링하는 개별 센서로부터 피드백 데이터를 수신하는 폐루프 시스템이다. 개별 센서들은 저항성 히터들의 미세 조정 제어를 위한 데이터를 제공하지만, 센서들은 공간을 차지하고 전체 열 시스템에 복잡성을 추가할 수 있다. 이러한 문제들과 기타 문제들은 본 개시서에 의해 해결된다.
이 섹션은 본 개시서의 일반적인 요약을 제공하며 전체 범위 또는 모든 특징에 대한 포괄적인 개시가 아니다.
일 형태에서, 본 개시서는 복수의 구역 제어 회로들, 적어도 2개의 보조 제어기들 및 주 제어기를 포함하는 제어 시스템에 관한 것이다. 복수의 구역 제어 회로들은 히터 시스템의 복수의 히터 구역들에 전력을 제공하고 구역들의 성능 특성들을 감지하도록 작동 가능하다. 보조 제어기들은 복수의 구역 제어 회로들에 연결된다. 보조 제어기들은 성능 특성들에 따라 복수의 구역들에 대한 전력을 제어하고 히터 구역들의 작동을 모니터링한다. 주 제어기들은 보조 제어기들에 연결되며 성능 특성들에 따라 각 히터 구역에 대한 작동 설정 값을 제공하도록 구성된다. 보조 제어기들은 구역 제어 회로들을 작동하여 작동 설정 값에 따라 히터 시스템에 전력을 공급한다.
다른 형태에서, 각각의 보조 제어기들은 전력 제어기 및 센서 제어기를 포함한다. 각각의 전력 제어기 및 각각의 센서 제어기는 주 제어기에 연결되고, 센서 제어기들은 서로 연결되고 복수의 구역 제어 회로들 각각에 연결된다. 일 변형에서, 각각의 전력 제어기는 다른 전력 제어기와 상이한 구역 제어 회로들의 세트에 연결된다.
또 다른 형태에서, 제어 시스템은 제어 시스템에 전력원을 연결 및 분리하도록 동작할 수 있는 전원 스위치를 더 포함한다. 한 변형에서, 주 제어기와 보조 제어기들은 전원 스위치에 연결된다. 주 제어기 및 각 보조 제어기는 적어도 하나의 진단을 수행하도록 구성되고, 주 제어기 및 각 보조 제어기는 적어도 하나의 진단에 기초하여 전원 스위치를 작동하도록 구성된다.
일 형태에서, 각각의 구역 제어 회로는 히터 구역에 전력을 제공하기 위한 전력 모듈 및 히터 구역의 전기적 특성들을 측정하기 위한 센서 모듈을 포함한다. 일 변형예에서, 각각의 센서 모듈은 보조 제어기들 모두에 연결되고, 전력 모듈들은 세트로 제공되어, 전력 모듈들의 각 세트는 다른 전력 모듈 세트와 상이한 보조 제어기에 연결된다.
다른 형태로, 각각의 보조 제어기들은 성능 특성을 기반으로 진단을 수행하여 각 구역이 정의된 작동 파라미터 내에서 작동하는지 여부를 판단하도록 구성되고, 그리고 보조 제어기들은 진단 결과를 교환하여 진단 검증 확인을 수행한다.
또 다른 형태에서, 보조 제어기들은 구역 제어 회로들로부터 전기적 특성을 수신하고, 전기적 특성들에 기초하여 성능 특성들을 계산하거나, 진단을 수행하거나, 또는 성능 특성을 계산하고 진단을 수행한다.
일 형태에서, 열 시스템은 여기에 설명된 제어 시스템 및 복수의 구역들을 정의하는 복수의 저항 가열 요소들을 포함하는 히터 시스템을 포함한다. 복수의 저항 가열 요소들 각각은 제어 시스템에 연결되고 전력 감지 능력을 가지며, 이로써 제어 시스템은 전력을 제공하고 저항 가열 요소의 성능 특성을 측정한다.
일 형태에서, 본 개시서는 복수의 구역 제어 회로들, 적어도 2개의 보조 제어기들, 주 제어기 및 전원 스위치를 포함하는 제어 시스템에 관한 것이다. 복수의 구역 제어 회로들은 히터 시스템의 복수의 구역들에 전력을 제공하고 구역들의 전기적 특성들을 감지하도록 작동 가능하다. 보조 제어기들은 히터 시스템의 구역들에 대한 전력을 제어하기 위해 복수의 구역 제어 회로들에 연결된다. 보조 제어기들은 전기적 특성들을 기반으로 히터 시스템의 성능 특성을 측정하고 전기적 특성들을 기반으로 적어도 하나의 진단을 수행한다. 주 제어기는 보조 제어기들에 연결되며 히터 시스템의 성능 특성들에 따라 히터의 구역들 각각에 대한 작동 설정 값을 제공한다. 전원 스위치는 주 제어기 및 각각의 보조 제어기에 연결되며, 전원 스위치는 제어 시스템에 전력원을 연결 및 분리하도록 작동 가능하다.
다른 형태로, 주 제어기는 비정상 성능을 감지하기 위해 하나 이상의 진단을 실행하고, 비정상 성능을 감지하는 것에 응답하여 전원 스위치를 작동하여 제어 시스템에서 전력원을 분리한다.
또 다른 형태에서, 보조 제어기들은 서로 연결되고, 각각의 보조 제어기들은 진단 검증 검사를 수행하기 위해 다른 보조 제어기들과 결과들을 교환한다.
일 형태에서, 각각의 구역 제어 회로는 구역에 대한 전력을 제어하기 위한 전력 모듈 및 구역의 전기적 특성들을 측정하기 위한 센서 모듈을 포함한다. 일 변형예에서, 각각의 센서 모듈은 보조 제어기들 모두에 연결되고, 전력 모듈들은 세트로 제공되어, 전력 모듈들의 각 세트는 다른 전력 모듈 세트와 상이한 보조 제어기에 연결된다. 다른 변형에서, 각각의 전력 모듈은 히터 시스템의 구역에 전력을 제공하기 위해 적어도 2개의 보조 제어기들 중에서 보조 제어기에 의해 작동 가능한 전력 변환기를 포함한다. 또 다른 변형에서, 각 센서 모듈은 구역의 전기적 특성들로서 전압, 전류 또는 이들의 조합을 측정하도록 구성된다. 또 다른 변형에서, 각각의 보조 제어 회로들은 센서 모듈의 전기적 특성들에 기초하여 구역의 온도를 계산하도록 구성된다.
추가 적용 영역은 본 명세서에 제공된 설명으로부터 명백해질 것이다. 설명 및 특정 예들은 단지 예시의 목적으로 의도된 것이며 본 개시서의 범위를 제한하려는 것이 아님을 이해해야 한다.
본 개시서가 잘 이해될 수 있도록, 이제 첨부된 도면을 참조하여 예로서 주어진 다양한 형태가 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 제어 시스템을 갖는 열 시스템의 블록도이다.
도 2는 온도 감지 전력 핀들을 갖는 카트리지 히터의 예이다.
도 3은 6개의 가열 구역들을 갖는 히터 시스템을 제어하기 위한 제어 시스템의 블록도이다.
도 4는 제어 시스템의 구역 제어 회로의 블록도이다.
본 명세서에 설명된 도면은 단지 예시를 위한 것이며 어떠한 방식으로든 본 개시서의 범위를 제한하려는 것이 아니다.
다음 설명은 본질적으로 예시일 뿐이며, 본 개시서, 적용 또는 사용을 제한하려는 의도가 아니다. 도면 전체에 걸쳐, 대응하는 참조 번호는 유사하거나 대응하는 부분들 및 특징들을 나타낸다는 것을 이해해야 한다.
열 시스템은 다중 저항 가열 요소들을 갖는 히터 시스템 및 조정 가능한 전력을 저항 가열 요소에 공급하는 것부터 시스템 진단 수행에 이르기까지 히터 시스템의 작동을 제어하는 제어 시스템을 포함한다. 폐쇄 루프 제어의 일부로, 개별 온도 센서들은 온도, 전압, 전류, 저항 등과 같은 다양한 성능 특성들을 측정하기 위해 열 시스템 주위에 배치된다. 각 센서에는 제어 시스템에 대한 전용 입력/출력 인터페이스(예를 들어, 포트, 핀 등)가 필요하기 때문에, 이러한 개별 센서들은 제어 시스템의 크기, 비용 및 복잡성을 증가시킬 수 있다.
히터 시스템은 제어 시스템이 전력을 제공하고 개별 센서를 사용하지 않고도 히터 시스템의 성능 특성을 측정할 수 있도록 전력 감지 기능을 가질 수 있다. 이로 인해 개별 센서들의 수가 줄어들 수 있지만, 개별 센서들은 히터 시스템에서 가져온 측정을 확인하는 데 여전히 사용된다.
본 개시서는 히터 시스템의 측정을 검증하고 비정상적인 성능이 감지되는 경우 보호 조치를 수행하기 위한 센서 진단 기능을 갖는 제어 시스템에 관한 것이다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 제어 시스템은 각 저항 가열 요소에 대한 전력 레벨을 정의하기 위한 주 제어기 및 저항 가열 요소들에 전력을 제공하고 히터 시스템의 성능 특성을 측정하는 적어도 두 개의 보조 제어기들을 포함한다. 각 보조 제어기는 측정 확인, 즉 인증 확인의 일부로 다른 보조 제어기와 데이터를 공유한다. 측정치들 간의 불일치가 발생하는 경우, 보조 제어기(들)는 주 제어기에 알리고 히터 시스템에 대한 전원 공급 중단과 같은 보호 조치를 수행한다. 또한 각 보조 제어기는 히터 시스템의 성능을 확인하기 위해 하나 이상의 진단을 수행한다. 비정상적인 성능이 발생하는 경우, 보조 제어기들은 열 시스템을 보호하기 위해 보호 조치를 수행할 수 있다.
또한, 보조 제어기들은 주 제어기에 성능 특성을 제공하여, 계산을 추가로 확인하고, 비정상 성능을 감지하기 위해 하나 이상의 진단을 수행한다. 따라서, 제어 시스템은 히터 시스템의 성능과 제어 시스템 자체의 성능을 모니터링하기 위해 최소한 두 개의 보호 계층을 갖는다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 다중 가열 구역을 정의하는 하나 이상의 저항 가열 요소들(1041 내지 104N)(총괄적으로, "가열 요소들(104)"; "N"은 정수)을 갖는 히터 시스템(102)을 위한 제어 시스템(100)에 관한 것이다. 함께, 제어 시스템(100) 및 히터 시스템(102)은 열 시스템을 형성한다.
제어 시스템(100)은 저항 가열 요소들(104)에 전기적으로 연결되고 전원 (106)으로부터 입력된 전압을 전압 입력보다 작거나 같을 수 있는 원하는 전압 출력으로 변환함으로써 가열 요소들(104)에 조정 가능한 전력을 제공한다.
히터 시스템(102)은 제어 시스템(102)이 전력을 제공하고 히터 시스템의 성능 특성을 측정할 수 있도록 전력 감지 기능을 가질 수 있다. 예를 들어, 일 형태에서, 히터 시스템(102)은 가열 요소들(104)의 저항 변화가 온도와 같은 성능 특성을 결정하기 위해 제어 시스템(100)에 의해 사용될 수 있도록 "2 선" 히터일 수 있다. 이러한 2 선 시스템은 미국 특허 제7,196,295호에 개시되어 있으며, 이 미국 특허는 본 출원과 함께 공동으로 소유되고 그 내용은 전체가 본원에 참조로 포함된다. 2 선식 시스템에서, 시스템은 전력, 저항, 전압 및 전류를 제한하면서 다른 것들을 제어하는 맞춤형 피드백 제어 시스템에서 하나 이상의 이러한 파라미터들(예를 들어, 전력, 저항, 전압, 전류)을 통합하는 제어와 히터 설계를 병합하는 적응형 열 시스템이다. 제어 시스템은 안정된 연속 전류 및 전압 판독 값을 획득하기 위해 일정 기간 동안 히터 시스템에 전달되는 전류, 전압 및 전력 중 적어도 하나를 모니터링하도록 구성된다. 그런 다음, 이러한 판독 값들을 사용하여, 히터 시스템의 가열 요소들의 저항, 그리고 이에 따라 온도를 결정할 수 있다.
다른 예에서, 히터 시스템(102)의 가열 요소(104)는 제어 시스템(100)에 연결하기 위한 온도 감지 전력 핀들을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 도 2를 참조하여, 히터 시스템(102)은 2개의 단부 부분들(204 및 206)을 갖는 저항 가열 요소(202)를 포함하는 카트리지 히터(200)와 같은 다수의 카트리지 히터들을 포함할 수 있다. 하나의 형태에서, 저항 가열 요소(202)는 예로서 니크롬 재료와 같은 금속 와이어의 형태이고, 비-전도성 부분(또는 피복(209)으로 둘러싸인 코어(208)) 주위에 감기거나 배치된다. 코어(208)는 근위 단부(210) 및 원위 단부(212)를 획정하고, 그리고 적어도 근위 단부(210)를 통해 연장되는 제1 애퍼처(214) 및 제2 애퍼처(216)을 추가로 획정한다.
히터(200)는 제1 전도성 재료로 제조된 제1 전력 핀(218) 및 제1 전력 핀(218)의 제1 전도성 재료와 유사하지 않은 제2 전도성 재료로 제조된 제2 전력 핀(220)을 더 포함한다. 또한, 저항 가열 요소(202)는 제1 전력 핀(218) 및 제2 전력 핀(220)의 제1 전도성 재료 및 제2 전도성 재료와 상이한 재료로 제조되고 그리고 제1 전력 핀(218)이 있는 단부(204)에서 제1 접합부(222)를 형성하고, 제2 전력 핀(220)이 있는 다른 단부(206)에서 제2 접합부(224)를 형성한다. 저항 가열 요소(202)는 접합부(222)에서 제1 전력 핀(218)과 상이한 재료이고 접합부(224)에서 제2 전력 핀(220)과 상이한 재료이기 때문에, 열전대 접합부가 효과적으로 형성된다. 따라서, 제1 접합부(222) 및 제2 접합부(224)에서의 전압 변화는 개별/이산 온도 센서를 사용하지 않고 히터(202)의 평균 온도를 결정하기 위해 검출된다.
온도 감지 전력 핀들에 대한 추가 세부 정보는 출원인의 공동 계류중 출원들인, "RESISTIVE HEATER WITH TEMPERATURE SENSING POWER PINS"란 제목으로 2015년 5월 29일자로 출원된 미국 제14/725,537호 및 "RESISTIVE HEATER WITH TEMPERATURE SENSING POWER PINS AND AUXILIARY SENSING JUNCTION"란 제목으로 2018년 4월 11일자로 출원된 미국 제15/950,358호에서 제공된다. 이 출원들은 그 전체가 참조로 본원에 포함되며, 저항 가열 요소의 온도를 측정하기 위해 열전대 감지 핀들로 기능하는 전력 핀들에 연결된 하나 이상의 저항 가열 요소를 갖는 히터를 개시한다. 출원에 따르면, 제어기는 전력 핀들과 통신하며, 히터 저항 요소와 전력 핀들에 의해 형성된 접합부들에서 전압 변화(mV)를 측정하고 저항 히터 요소의 평균 온도를 계산하도록 구성된다. 온도 감지 전력 핀들은 유체 라인 히터(들), 유체 침지 히터(들) 또는 기타 적절한 히터들과 같은 다른 히터들과 함께 사용될 수 있으며, 카트리지 히터들로 제한되지 않아야 한다.
도 3을 참조하면, 하나의 형태에서, 제어 시스템(100)은 다수의 저항성 가열 요소들(총괄적으로, "히터 구역들(304)")에 의해 정의된 6개의 히터 구역들(3041 내지 3046)을 갖는 히터 시스템(302)의 작동을 제어하는 제어 시스템(300)으로서 제공될 수 있다. 히터 시스템(102)과 같이, 히터 시스템(302)은 전력 감지 기능을 가지며 각각의 히터 구역(304)은 제어 시스템(300)에 전기적으로 연결된다. 일 형태에서, 제어 시스템(300)은 접촉기(305)를 통해 전력원(106)에 연결된다.
제어 시스템(300)은 복수의 구역 제어 회로들(3201 내지 3206)(총괄적으로, "구역 제어 회로들(320)"), 적어도 2개의 보조(AUX) 제어기들(3221 및 3222)(총괄적으로, "보조 제어기들(322")), 주 제어기(324) 및 전원 스위치(326)를 포함한다. 본 개시서의 제어 시스템은 임의의 수의 히터 구역들/가열 요소들(예를 들어, 2개 이상)을 제어하도록 구성될 수 있으며, 따라서 6 개로 제한되지 않아야 함이 쉽게 이해되어야 한다.
일 형태에서, 구역 제어 회로들(320)는 각 구역(304)의 독립적인 제어를 제공하기 위해 히터 구역들(304)에 연결된다. 각 구역 제어 회로(320)는 특정 구역(304)에 대한 전력을 제어하기 위한 전력 모듈(PM)(330)(도면에서 3301 내지 3306) 및 히터 구역(304)의 가열 요소들에서의 전압 및/또는 전류와 같은 전기적 특성을 측정하기 위한 센서 모듈(SM)(332)(도면에서 3321 내지 3326)을 포함한다. 각각의 센서 모듈(332)은 보조 제어기들(322) 모두에 연결된다. 전력 모듈들(330)은 전력 모듈들(330)의 각 세트가 다른 세트의 전력 모듈들(330)과 상이한 보조 제어기(322)에 연결되도록 세트로 제공된다. 예를 들어, 전력 모듈들(3301 내지 3303)은 보조 제어기(3221)에 연결된 하나의 세트를 형성하고, 전력 모듈(3304 내지 3306)은 보조 제어기(3222)에 연결된 제2 세트를 형성한다.
일 형태에서, 전력 모듈들(330)은 구역(304)에 조정 가능한 전력을 제공하기 위해 벅 컨버터와 같은 전력 변환기를 포함하고, 센서 모듈들(332)은 전기적 특성들을 측정하기 위한 전압 및/또는 전류 검출기를 포함한다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 예시적인 구역 제어 회로(400)는 전술한 바와 같이 온도를 측정하기 위해 열전대 접합부를 이용하는 온도 감지 전력 핀들을 갖는 히터 시스템에 연결하도록 구성된다. 도 4에서, 실선들은 전력을 나타내고, 점선들은 데이터 신호들을 나타낸다.
하나의 형태에서, 각각의 구역 제어 회로(400)는 히터 시스템의 구역에 조정 가능한 전력을 제공하기 위한 전력 모듈(402) 및 열전대 접합부에서의 전압 변화와 같은 전기적 특성들을 측정하기 위한 센서 모듈(404)을 포함한다. 일 형태에서, 전력 모듈(402)은 전력원(106)으로부터의 입력 전압(VIN)을, 히터 구역의 가열 요소들에 인가되는 출력 전압(VOUT)으로 조정하도록 보조 제어기(322)에 의해 작동 가능한 벅 변환기와 같은 전력 변환기(410)를 포함한다. 예를 들어, 전력 변환기(410)는 제어 스위치(미도시) 및 제어 스위치에 연결된 구동 회로(미도시)를 포함한다. 구동 회로는 보조 제어기들(322) 중 하나로부터 전력 제어 신호를 수신하고, 전력 제어 신호에 기초하여 제어 스위치를 작동시켜 전력 소스(106)로부터의 전력을 조정한다. 이러한 전력 변환기의 한 예는 공동 계류중이고 "POWER CONVERTER FOR A THERMAL SYSTEM"란 제목으로 2017년 6월 15일자에 출원된 미국 출원 제15/624,060호에 더 기술되어 있으며, 이 출원은 본 출원과 함께 공동으로 소유되며, 그 내용은 전체가 본원에 참조로 포함된다.
전력 모듈(402)은 전력 변환기(410)에 공급되는 전압(즉, 입력 전압)의 양을 검출하기 위한 입력(i/P) 전압 검출기(412), 히터 시스템에 공급되는 전압(즉, 전압 출력)의 양을 검출하기 위한 출력(O/P) 전압 검출기(414) 및 히터 시스템에 대한 전류(즉, 전류 출력)의 양을 검출하기 위한 출력(O/P) 전류 검출기(416)를 더 포함한다. 검출기들(412, 414 및 416)은 전압 및/또는 전류를 측정하기 위한 연속 근사 레지스터(successive approximation register; SAR)를 포함할 수 있다. 입력 전압, 출력 전압 및 출력 전류는 추가 처리를 위해 보조 제어기들(322)에 전달된다.
다른 전자 부품들에 추가하여, 일 형태에서, 센서 모듈(404)은 측정 작업시 열전대 접합부에서의 전압 변화를 측정하는 열전대(TC) 센서(418) 및 측정 작업 동안 누설 전류를 전환하는(diverting) 션트(420)를 포함한다. 일 형태에서, TC 센서(418)는 일반적으로 mV 단위의 측정된 전압을 디지털 값으로 변환하는 아날로그-디지털 변환기 및 전압 스파이크를 차단하기 위한 고전압 FET를 포함한다. 센서 모듈(404)은 온도 감지 전력 핀들이 연결된 커넥터의 온도 및/또는 전자 부품들이 배치되는 회로 기판의 온도와 같은 제어 시스템의 성능과 관련된 다른 전기적 특성들을 측정하기 위한 추가 전자 부품들을 포함할 수 있다. 센서 모듈(404)에 의해 취해진 측정들은 추가 처리를 위해 보조 제어기들(332)에 제공된다.
센서 모듈(404)이 온도 감지 전력 핀들에 의해 정의된 열전대 접합부에서 전압을 측정하도록 구성되어 있지만, 센서 모듈(404)은 히터 구역의 가열 요소들의 전압 및/또는 전류 중 적어도 하나를 측정함으로써 가열 요소들의 저항이 결정되는 2선식 히터 시스템으로 구성될 수 있다. 그러한 구성에서, 센서 모듈은 가열 요소에서 전압 및/또는 전류(예를 들어, 전기적 특성)를 측정하기 위한 전력 계량 칩을 포함할 수 있다. 이 데이터는 이후 가열 요소의 저항 및/또는 평균 온도를 결정하기 위해 보조 제어기들(332)에 의해 사용된다.
다시 도 3을 참조하면, 보조 제어기들(322)은 구역 제어 회로들(320)로부터의 전기적 특성에 기초하여 전력을 제어하고 히터 구역들(304)의 성능을 모니터링하도록 구성된다. 각각의 보조 제어기들(332)은 하나 이상의 마이크로 프로세서들, 마이크로 프로세서에 의해 실행되는 컴퓨터 판독 가능 명령들(즉, 소프트웨어 프로그램들)을 저장하는 메모리(예를 들어, RAM, ROM 등) 및 기타 적절한 구성 요소들과 같은 전자 장치들을 포함한다. 일 형태에서, 보조 제어 장치들(322)의 수는 히터 시스템들의 구역 수에 기초하여 선택되므로 두 개로 제한되지 않아야 한다.
일 형태에서, 각각의 보조 제어기(322)는 전력 제어기(3401 및 3402)(총괄적으로, "전력 제어기들(340")) 및 센서 제어기(3421 및 3422)(총괄적으로, "센서 제어기들(342"))를 포함한다. 도 3에서, 전력 제어기들로부터의 통신(실선)과 센서 제어기들로부터의 통신(1점 쇄선)을 구별하기 위해 서로 다른 유형의 라인이 사용된다. 각각의 전력 제어기(340) 및 각각의 센서 제어기(342)는 데이터 교환을 위해 주 제어기(324)에 연결된다. 각각의 전력 제어기(340)는 다른 전력 제어기(340)와 상이한 구역 제어 회로들(320)의 세트에 연결된다. 예를 들어, 도 3에서, 전력 제어기(3401)는 구역 제어 회로들(3201 내지 3203), 특히 전력 모듈들(3301 내지 3303)에 연결된다. 전력 제어기(3402)는 구역 제어 회로들(3204 내지 3205), 특히 전력 모듈들(3304 내지 3306)에 연결된다. 센서 제어기들(342)은 서로 그리고 각각의 구역 제어 회로들(320)에, 특히 구역 제어 회로들(320)의 센서 모듈들(332)에 연결된다. 센서 제어기들(342)은 또한 센서 제어기들(342)에 의해 검출된 비정상적인 성능의 경우 스위치(326)를 작동시키기 위해 전원 스위치(326)에 연결된다.
일 형태에서, 전력 제어기들(340)은 주 제어기(324)로부터 각 히터 구역(304)에 대한 작동 설정점을 수신하고, 작동 설정점에 기초하여, 전력 제어기들(340)은 히터 구역들(340)에 대한 전력을 조정하기 위해 각각의 전력 모듈들(330)에 대한 전력 제어 신호를 출력한다. 일 형태에서, 전력 제어 신호는 전력 변환기의 제어 스위치를 작동시키기 위한 듀티 사이클을 나타내는 펄스 신호이다. 전력 제어 외에도, 전력 제어기들(340)은 전력 모듈들(330)의 입력 전압 검출기, 출력 전압 검출기 및/또는 출력 전류 검출기로부터 신호들을 수신하고, 입력 전압, 출력 전압 및/또는 출력 전류를 결정한다. 이러한 피드백 정보는 추가 처리를 위해 주 제어기(324)로 전송된다.
일 형태에서, 센서 제어기들(342)은 각각의 센서 모듈들(332)로부터 전기적 특성을 얻기 위해 측정 동작 동안 구역 제어 회로들(320)을 동작시킨다. 예를 들어, 측정 작업 중에, 센서 제어기들(342)은 센서 모듈(332)의 션트를 작동하여 누설 전류를 우회시키고, 예를 들어 열전대 접합부를 통해 가열 요소의 전기적 특성을 측정한다. 다른 예에서, 2선 히터 시스템의 경우, 센서 제어기들(342)은 가열 요소의 전압 및/또는 전류를 측정한다. 일 형태에서, 각각의 센서 제어기(322)는 열전대 접합부에서의 온도 또는 가열 요소의 저항 및/또는 온도와 같은 히터 구역들(304)의 성능 특성들을 결정하기 위해 전기적 특성을 처리한다. 예를 들어, 룩업 테이블 및/또는 미리 정의된 알고리즘을 사용하여, 센서 제어기들(342)은 열전쌍 변환(mV에서 온도로), 냉-접합부 보상(cold-junction compensation), 저항 측정 및/또는 저항-온도 측정을 수행할 수 있다. 센서 제어기들(342)은 회로 기판 및/또는 션트의 온도를 나타내는 센서 모듈들(320)로부터 신호들을 획득하도록 구성될 수도 있다.
센서 제어기들(322)은 또한 비정상 성능을 검출하기 위해 히터 구역 진단 및/또는 시스템 진단과 같은 하나 이상의 진단을 수행한다. 예를 들어, 히터 구역 진단은 가열 요소들이 주 제어기에 의해 정의된 각각의 온도 설정값 및/또는 각각의 저항 설정값에서 작동하는지를 판단하는 센서 제어기들(322)을 포함할 수 있다. 주어진 가열 요소가 각각의 설정값을 초과하면, 센서 제어기(322)는 가열 요소의 비정상적인 성능을 판단하고 보호 조치를 수행할 수 있다. 시스템 진단은 히터 시스템(302)의 인접한 히터 구역들 사이의 온도 차이가 모니터링되고 상기 차이가 온도 편차 임계값을 초과하는 경우 센서 제어기들(322)이 열 시스템의 비정상적인 성능을 판단하고 보호 조치를 취할 수 있는 구역 간 진단을 수행하는 센서 제어기들(322)을 포함할 수 있다. 시스템 진단의 또 다른 예에는 션트, 커넥터 및/또는 회로 기판과 같은 다양한 구성요소들의 온도를 모니터링하여 온도가 각 임계 값을 초과하는지 여부를 결정하는 것을 포함한다. 만약 그렇다면, 센서 제어기(322)는 부품의 비정상적인 성능을 판단하고 보호 조치를 수행한다. 수행되는 보호 조치는 비정상적인 성능을 주 제어기(324)에 통지하는 것, 전력 제어 스위치(326)를 작동시키는 것, 기술자에게 통지하기위한 경고(청각적 및/또는 시각적)를 발행하는 것 및/또는 다른 적절한 조치를 포함할 수 있다.
일 형태에서, 각각의 센서 제어기들(342)은 측정된 전기적 특성들, 성능 특성들 및/또는 다른 센서 제어기(342)에 의해 수행된 진단에 대한 진단 검증 검사를 수행한다. 예를 들어, 센서 제어기들(342)은 두 제어기들(342)에 제공된 측정된 전기적 특성들을 비교함으로써 센서 모듈들(332)이 정확한 결과를 제공하는지 여부를 결정한다. 또한, 센서 제어기들(342)은 계산된 성능 특성들 및/또는 진단들이 실질적으로 동일한지 여부를 판단하여 다른 센서 제어기(342)의 성능을 검증한다. 즉, 센서 제어기(3421)가 센서 제어기(3422)와 상이한 온도를 계산하면, 두 센서 제어기들(342)은 불일치를 검출하도록 구성되며, 이는 주 제어기(324)로 전달될 수 있다. 따라서, 센서 제어기들(342)은 히터 시스템(302)과 서로의 성능을 모니터링하기 위한 중복 진단 검사로서 작동한다. 특정 진단 예들이 여기에 제공되지만, 센서 제어기들(342)은 다른 적절한 진단 및/또는 시스템 검사로 구성될 수 있으며 여기에 설명된 것으로 제한되지 않아야 한다.
주 제어기(324)는 하나 이상의 마이크로 프로세서들, 마이크로 프로세서에 의해 실행되는 컴퓨터 판독 가능 명령들(즉, 소프트웨어 프로그램들)을 저장하는 메모리(예를 들어, RAM, ROM 등) 및 기타 적절한 구성 요소들과 같은 전자 장치들을 포함한다. 일 형태에서, 주 제어기(324)는 사용자로부터의 입력, 피드백 데이터 및/또는 미리 저장된 제어 프로그램에 기초하여 히터 시스템(302)의 작동을 제어한다.
일 형태에서, 주 제어기(324)는 제어 시스템(100)에 통신 가능하게 연결된 컴퓨팅 장치(도시되지 않음)를 통해 사용자로부터 입력을 수신한다. 사용자는 온도 또는 전력의 변화율, 히터 시스템 또는 제어 시스템에 대한 온도 한계, 가열 요소들의 저항 한계, 제어 시스템의 전력 출력 제한 및/또는 기타 적절한 설정들과 같은 하나 이상의 작동 설정들을 정의할 수 있다.
보조 제어기들(322)로부터 주 제어기(324)로 제공되는 피드백 데이터에는 입력 전압, 출력 전압, 출력 전류, 각 가열 요소의 전기적 특성, 히터 시스템의 성능 특성 및/또는 진단 결과가 포함된다.
제어 프로그램은 설정된 조건 내에서 히터 시스템(302)을 제어하기 위한 컴퓨터 실행 가능 프로그램들이고, 각 프로그램은 사용자에 의해 정의되거나 제어 프로그램에서 미리 결정된 하나 이상의 작동 설정에 의해 정의된다. 예를 들어, 제어 프로그램은 다음을 포함할 수 있다 : 전압 출력/전류 출력이 미리 정의된 한계에 도달할 때까지 히터 시스템에 전력이 점진적으로 공급되는 파워-업 제어; 히터 시스템의 온도가 특정 설정값으로 제어되는 정상 상태 제어; 및 히터 시스템의 온도가 설정된 램프 속도로 증가되는 설정 속도 제어. 주 제어기(324)는 제어하는 히터 시스템에 기초한 다른 제어 프로그램들을 포함할 수 있으며, 여기에 제공된 예들에 제한되지 않아야 한다.
수행되는 제어 프로그램에 따라, 주 제어기(324)는 온도 설정값, 전력 설정값, 설정 속도 제어 및/또는 기간과 같은 히터 시스템(302)에 대한 작동 설정값을 결정한다. 예를 들어, 주 제어기(324)는 히터 시스템(302)의 각 구역 및/또는 히터 시스템(302)의 전체 평균 온도에 대한 온도 설정값을 정의한다. 다른 예에서, 주 제어기(324)는 히터 시스템(302)의 각 구역(304)에 대한 전력 설정값들(예를 들어, 전압 및/또는 전류의 전력 레벨 양)을 결정한다. 주 제어기(324)는 다른 동작 설정값을 정의할 수 있으며, 여기에 제공된 예들에 제한되지 않아야 한다는 것을 쉽게 이해해야 한다.
일 형태에서, 주 제어기(324)는 가열 작동 중에 작동 설정값을 보조 제어기들(322)에 전송하고 측정 작동 중에 보조 제어기(322)로부터 피드백 데이터를 획득한다. 예를 들어, 가열 작동 동안, 전력 제어기들(340)은 작동 설정값들을 수신하고, 전력 제어 신호를 전력 모듈들(330)의 전력 변환기들에 적용하여 원하는 전력을 히터 구역들(304)에 출력한다. 전력 제어기들(324)은 또한 제어 시스템의 전력량(즉, 입력 전압, 출력 전압 및/또는 출력 전류)을 측정하고, 이 정보를 주 제어기(324)에 제공한다. 측정 동작을 위해, 주 제어기(324)는 가열 요소들의 전기적 특성들을 측정하기 위해 측정 명령을 센서 제어기(342)에 전송한다. 일 형태에서, 이 명령을 수신하면, 센서 제어기(342)는 구역 제어 회로들(320)의 션트를 작동시키고 가열 요소들의 전기적 특성들을 측정한다. 센서 제어기(342)는 전술한 바와 같이 성능 특성을 더 계산하고 하나 이상의 진단을 수행할 수 있다. 보조 제어기들(322)에 의해 획득된 데이터는 주 제어기(324)로 전송된다.
주 제어기(324)는 또한 열 시스템의 가능한 비정상 성능을 검출하기 위해 하나 이상의 진단을 수행하도록 구성된다. 주 제어기(324)는 보조 제어기들에 의해 수행되는 것과 유사한 진단을 수행할 수 있으며, 히터 시스템의 온도가 사용자 정의 온도 한계를 초과하는지 여부를 결정하기 위한 사용자 온도 한계 제어 및 센서 제어기들(342)의 결과들을 검증하기 위한 보조 제어 검사와 같은 일부 추가 진단들을 수행할 수 있다. 예를 들어, 가열 요소들의 전기적 특성을 이용하여, 주 제어기(324)는 예를 들어 열전쌍 변환(mV에서 온도로), 냉-접합부 보상(cold-junction compensation) 및/또는 2-선식 시스템을 위한 저항-온도 변환을 사용하여 성능 특성을 계산할 수 있다. 주 제어기(324)는 자신의 계산된 값들을 보조 제어기(322)의 값들과 비교하여 값들이 실질적으로 동일한지를 판단한다. 그렇지 않은 경우, 주 제어기(324)는 전원 스위치(326)를 작동함으로써 사용자에게 비정상적인 성능을 통지하고 그리고/또는 제어 시스템(300)으로의 전력 공급을 중단하는 것과 같은 보호 조치를 수행한다.
본 개시서의 제어 시스템은 전력을 제공하고 히터 시스템의 성능 특성을 감지하기 위한 와이어의 수를 감소시키는 전력 감지 능력을 갖는 히터 시스템을 위해 구성된다. 제어 시스템에는 센서 진단 검사를 수행하여 서로에 의해 결정된 측정/계산 값들을 인증하도록 구성된 여러 센서 제어기들이 포함되어 있다. 또한, 주 제어기는 보조 제어기들로부터의 측정 값들의 다른 인증 계층을 제공하기 위해 유사한 진단 검사를 수행하도록 구성된다. 따라서 히터 시스템의 성능 특성을 확인하기 위한 개별 센서가 필요하지 않아 시스템의 복잡성을 줄일 수 있다.
제어 시스템에 대한 특정 예시 다이어그램들이 제공되지만 시스템에는 다이어그램에 자세히 설명되지 않은 추가 구성 요소들이 포함될 수 있음을 쉽게 이해해야 한다. 예를 들어, 제어 시스템은 예를 들어 구역 제어 회로들의 전력 변환기들보다 낮은 전압에서 작동하는 주 제어기 및 보조 제어기들과 같은 구성 요소들을 포함한다. 따라서 제어 시스템에는 저전압 구성 요소들에 전력을 공급하기 위한 저전력 전압 공급 장치(예를 들어, 3-5V)가 포함된다. 또한 저전압 구성 요소를 고전압으로부터 보호하기 위해, 제어 시스템에는 고전압 구성 요소들로부터 저전압 구성 요소들을 분리하고 구성 요소들이 신호를 교환할 수 있도록 하는 전자 구성 요소들이 포함되어 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, A, B 및 C 중 적어도 하나는 비-배타적 논리 OR을 사용하는 논리(A OR B OR C)를 의미하는 것으로 해석되어야하며, "적어도 하나의 A, 적어도 하나의 B, 그리고 적어도 하나의 C"를 의미하는 것으로 해석되어서는 안된다.
본 개시서의 설명은 본질적으로 예시일 뿐이며, 따라서 본 개시서의 내용에서 벗어나지 않는 변형은 본 개시서의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 이러한 변형은 본 개시서의 정신 및 범위에서 벗어나는 것으로 간주되어서는 안된다.

Claims (15)

  1. 제어 시스템으로서,
    히터 시스템의 복수의 히터 구역들에 전력을 제공하고 상기 구역들의 성능 특성들을 감지하도록 작동 가능한 복수의 구역 제어 회로들;
    상기 복수의 구역 제어 회로들에 연결된 적어도 2개의 보조 제어기들로서, 상기 보조 제어기들은 상기 성능 특성들에 기초하여 상기 복수의 구역들에 대한 전력을 제어하고 상기 히터 구역들의 동작을 모니터링하는, 적어도 2 개의 보조 제어기들; 및
    상기 보조 제어기들에 연결된 주 제어기를 포함하며,
    상기 주 제어기는 상기 성능 특성들에 기초하여 각 히터 구역에 대한 작동 설정값을 제공하도록 구성되고, 상기 보조 제어기들은 상기 구역 제어 회로들을 작동하여 상기 작동 설정값에 기초하여 상기 히터 시스템에 전력을 공급하는, 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    각각의 보조 제어기는 전력 제어기와 센서 제어기를 포함하고,
    각각의 전력 제어기 및 각각의 센서 제어기는 상기 주 제어기에 연결되며, 그리고
    상기 센서 제어기들은 서로 그리고 상기 복수의 구역 제어 회로들 각각에 연결되는, 제어 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    각각의 전력 제어기는 다른 전력 제어기와 상이한 구역 제어 회로들의 세트에 연결되는, 제어 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 시스템에 전력원을 연결 및 분리하도록 동작할 수 있는 전원 스위치를 더 포함하는, 제어 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 주 제어기와 상기 보조 제어기는 상기 전원 스위치에 연결되고,
    상기 주 제어기와 각각의 보조 제어기는 적어도 하나의 진단을 수행하도록 구성되며, 그리고
    상기 주 제어기와 각각의 보조 제어기는 상기 적어도 하나의 진단에 따라 상기 전원 스위치를 작동하도록 구성되는, 제어 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 주 제어기는 비정상 성능을 감지하기 위해 하나 이상의 진단을 실행하고, 비정상 성능 감지에 응답하여 상기 제어 시스템으로부터 전력원을 분리하도록 상기 전원 스위치를 작동시키는, 제어 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    각각의 구역 제어 회로는 상기 히터 구역에 전력을 제공하기 위한 전력 모듈 및 상기 히터 구역의 전기적 특성을 측정하기 위한 센서 모듈을 포함하는, 제어 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    각각의 센서 모듈은 상기 보조 제어기들 모두에 연결되고, 상기 전력 모듈들은 세트로 제공되어, 각각의 전력 모듈 세트가 다른 전력 모듈 세트와 상이한 보조 제어기에 연결되는, 제어 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    각각의 전력 모듈은 상기 히터 시스템의 구역에 전력을 제공하기 위해 상기 적어도 2개의 보조 제어기들 중에서 하나의 보조 제어기에 의해 작동 가능한 전력 변환기를 포함하는, 제어 시스템.
  10. 청구항 7에 있어서,
    각 센서 모듈은 상기 구역의 전기적 특성들로서 전압, 전류 또는 이들의 조합을 측정하도록 구성되는, 제어 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    각각의 보조 제어 회로는 상기 센서 모듈로부터의 전기적 특성들에 기초하여 상기 구역의 온도를 계산하도록 구성되는, 제어 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조 제어기는 서로 연결되고, 각각의 보조 제어기는 진단 검증 검사를 수행하기 위해 다른 보조 제어기와 결과를 교환하는, 제어 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서,
    각각의 보조 제어기는 상기 성능 특성들을 기반으로 진단을 수행하여, 각 구역이 정의된 작동 파라미터 내에서 작동하는지 여부를 확인하도록 구성되고,
    상기 보조 제어기들은 진단 검증 확인을 수행하기 위해 진단 결과를 교환하는, 제어 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조 제어기들은 상기 구역 제어 회로들로부터 전기적 특성들을 수신하고, 상기 전기적 특성들에 기초하여 성능 특성들을 계산하거나, 진단을 수행하거나, 또는 성능 특성들을 계산하고 진단을 수행하는, 제어 시스템.
  15. 열 시스템으로서,
    청구항 1의 제어 시스템; 및
    복수의 구역들을 정의하는 복수의 저항 가열 요소들을 포함하는 히터 시스템을 포함하고,
    상기 복수의 저항 가열 요소들 각각은 상기 제어 시스템에 연결되고 전력 감지 기능을 가지며, 상기 제어 시스템은 전력을 제공하고 상기 저항 가열 요소의 성능 특성을 측정하는, 열 시스템.
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