KR20220078846A - 자석 교반기의 모터 제어장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터의 무부하 동작상태를 추론하여 모터 구동을 제어하는 자석 교반기의 모터 제어장치 및 그 방법에 관한 것으로, 모터 RPM 제어용 구동신호 인가에 따라 회전하는 모터와; 상기 모터의 회전수를 나타내는 모터 RPM 펄스에 따라 스위칭 동작하여 모터 RPM 피드백 펄스를 발생시키는 피드백 펄스 생성부와; 교반 혹은 세척을 위해 상기 모터를 정속 회전시키기 위한 모터 RPM 제어용 구동신호를 출력하고, 그 출력에 반응하여 피드백되는 상기 모터 RPM 피드백 펄스를 카운트하여 무부하 동작상태로 판단시 상기 모터의 구동을 일시 정지시키는 제어부;를 포함함을 특징으로 한다.

Description

자석 교반기의 모터 제어장치 및 그 방법{Motor control device and method of magnetic stirrer}

본 발명은 자석 교반기에 관한 것으로, 특히 모터의 무부하 동작상태를 추론하여 모터 구동을 제어하는 자석 교반기의 모터 제어장치 및 그 방법에 관한 것이다.

교반기란 고체, 액체, 기체 등을 서로 섞거나 휘젓기 위해 쓰이는 기구이다. 교반기는 실험실에서 주로 사용되는 소형 교반기에서부터 공학이나 상업용, 산업 현장에서 사용되는 대형 교반기까지 다양하다.

교반기의 한 종류로서 자석 교반기가 있다. 이러한 자석 교반기는 도 1에 도시한 바와 같이 받침대(10) 내부에 모터에 의해 회전하는 자석(20)이 있어 전원 공급시 모터 회전에 따라 자석(20) 역시 회전한다. 이에 받침대(10) 위에 놓이는 용기(30) 내에 마그네틱 바(마그네틱 스틱, stirring bar라고도 함)(40)를 넣으면, 그 마그네틱 바(40)는 모터에 의해 회전하는 자석(20)에 의해 역시 회전하게 되어 용기(30) 내의 고체, 액체 등을 서로 섞어 준다. 마그네틱 바의 회전력을 이용할 수 있기 때문에 자석 교반기는 교반기로 혹은 세척기로도 사용 가능하다.

자석 교반기는 3D 프린터의 재료 교반과 출력물을 세척하는 용도로 사용할 수 있는데, 보통 3D 프린터의 재료 온도가 낮을 경우 그 재료의 점도가 높아진다. 또한 세척 수조에 이물질이 많을 경우에는 일종의 저항체가 생긴다. 이러한 경우 회전하는 마그네틱 바에는 저항력이 인가되기 때문에 마그네틱 바의 슬립현상이 쉽게 일어난다. 이러한 슬립현상이 누적되면 마그네틱 바가 회전하는 정상 궤도에서 이탈하는 현상이 발생한다. 이때 회전중인 마그네틱 바를 정지시키지 않으면 자석의 특성상 감자(減磁)현상이 일어나고 마그네틱 바는 힘을 잃게 되어 교반 혹은 세척 성능이 저하된다.

대한민국 등록실용신안공보 제20-0223134호

이에 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 발명으로써, 본 발명의 주요 목적은 교반 혹은 세척 중에 마그네틱 바의 슬립현상에 의해 교반 혹은 세척 성능이 저하되는 것을 방지하기 위한 자석 교반기의 모터 제어장치 및 그 방법을 제공함에 있으며,

더 나아가 본 발명의 또 다른 목적은 교반 혹은 세척 중에 모터의 무부하 동작상태를 추론하여 마그네틱 바를 신속하게 재회전시켜 교반 혹은 세척 성능의 신뢰성을 보장할 수 있는 자석 교반기의 모터 제어장치 및 그 방법을 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 자석 교반기의 모터 제어장치는,

모터 RPM 제어용 구동신호 인가에 따라 회전하는 모터와;

상기 모터의 회전수를 나타내는 모터 RPM 펄스에 따라 스위칭 동작하여 모터 RPM 피드백 펄스를 발생시키는 피드백 펄스 생성부와;

교반 혹은 세척을 위해 상기 모터를 정속 회전시키기 위한 모터 RPM 제어용 구동신호를 출력하고, 그 출력에 반응하여 피드백되는 상기 모터 RPM 피드백 펄스를 카운트하여 무부하 동작상태로 판단시 상기 모터의 구동을 일시 정지시키는 제어부;를 포함함을 특징으로 한다.

상술한 구성을 포함하는 자석 교반기의 모터 제어장치에 있어서, 상기 제어부는,

상기 모터의 구동을 일시 정지시킨 후 동작시간을 추가 연장하여 상기 모터를 재구동시킴을 특징으로 하며,

상기 피드백 펄스 생성부는,

한쪽 단에 전원이 연결되고, 또 다른 한쪽 단으로 상기 모터 RPM 제어용 구동신호가 인가되는 스위칭 소자와;

상기 스위칭 소자의 나머지 한쪽 단과 접지단 사이에 연결되어 일정 듀티비를 갖는 상기 모터 RPM 제어용 구동신호를 상기 모터로 인가되는 전압으로 변환하는 커패시터와;

상기 커패시터에 인가되는 전압의 크기를 조절하기 위한 신호 조절용 저항;을 포함함을 특징으로 한다.

한편 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자석 교반기의 모터 제어방법은,

교반 혹은 세척을 위해 상기 모터를 정속 회전시키기 위한 모터 RPM 제어용 구동신호를 출력하는 단계와;

상기 모터 RPM 제어용 구동신호 출력에 반응하여 피드백되는 모터 RPM 피드백 펄스를 카운트하는 단계와;

카운트되는 모터 RPM 피드백 펄스에 기초하여 모터의 무부하 동작 상태를 판단하는 단계와;

모터의 무부하 동작 상태로 판단시 상기 모터의 구동을 일시 정지시킨 후 재 구동시키는 단계;를 포함함을 특징으로 한다.

상술한 기술적 과제 해결 수단에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 자석 교반기의 모터 제어장치 및 그 방법은 교반 혹은 세척 중에 모터의 무부하 동작상태를 추론하여 마그네틱 바를 신속하게 재회전시키므로 교반 혹은 세척 성능의 신뢰성을 보장할 수 있는 이점이 있으며,

더 나아가 본 발명은 교반 혹은 세척 중에 마그네틱 바의 슬립현상에 의해 교반 혹은 세척 동작이 정지될 수 있는 종전의 자석 교반기에 비해 우수한 교반 혹은 세척 성능을 제공할 수 있으며, 작업자의 개입 없이 설정된 동작시간까지 세척 혹은 교반이 이루어질 수 있는 장점이 있다.

도 1은 자석 교반기의 일반적인 동작원리를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자석 교반기의 모터 제어장치의 구성 예시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자석 교반기의 모터 제어 흐름 예시도.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명의 목적들, 기술적 해법들 및 장점들을 분명하게 하기 위하여 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시한 것으로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 통상의 기술자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다.

또한 본 발명의 상세한 설명 및 청구항들에 걸쳐, '포함하다'라는 단어 및 그 변형은 다른 기술적 특징들, 부가물들, 구성요소들 또는 단계들을 제외하는 것으로 의도된 것이 아니다. 통상의 기술자에게 본 발명의 다른 목적들, 장점들 및 특성들이 일부는 본 설명서로부터, 그리고 일부는 본 발명의 실시로부터 드러날 것이다. 아래의 예시 및 도면은 실례로서 제공되며, 본 발명을 한정하는 것으로 의도된 것이 아니다. 더욱이 본 발명은 본 명세서에 표시된 실시예들의 모든 가능한 조합들을 망라한다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.

본 명세서에서 달리 표시되거나 분명히 문맥에 모순되지 않는 한, 단수로 지칭된 항목은, 그 문맥에서 달리 요구되지 않는 한, 복수의 것을 아우른다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 공지 구성 또는 기능, 예를 들면 자석 교반기에 사용되는 모터의 종류와 제어방식에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단될 경우 그에 대한 상세 설명은 생략하기로 한다.

우선 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자석 교반기의 모터 제어장치의 구성도를 예시한 것이다.

도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 자석 교반기의 모터 제어장치는,

모터 RPM 제어용 구동신호(VSP(RPM) CTRL) 인가에 따라 회전하는 모터(100)와,

상기 모터(100)의 회전수를 나타내는 모터 RPM 펄스(RPM)에 따라 스위칭 동작하여 모터 RPM 피드백 펄스(RPM FeedBack)를 발생시키는 피드백 펄스 생성부(110)와,

교반 혹은 세척을 위해 상기 모터(100)를 정속 회전시키기 위한 모터 RPM 제어용 구동신호(VSP(RPM) CTRL)를 출력하고, 그 출력에 반응하여 피드백되는 상기 모터 RPM 피드백 펄스를 카운트하여 무부하 동작상태로 판단시 상기 모터(100)의 구동을 일시 정지시키는 제어부(120)를 포함한다.

상술한 구성을 포함하는 자석 교반기의 모터 제어장치에 있어서, 모터(100)는 모터의 RPM을 검출하기 위한 홀 센서를 내장하는 BLDC 모터로서 1회전당 12개의 펄스를 출력할 수 있다. 이는 하나의 예시로 모터의 종류에 따라 출력 펄스는 가변될 수 있다.

한편 상기 피드백 펄스 생성부(110)는 모터(100)와 제어부(120) 사이에 위치하여 모터를 구동시키는 모터 구동부이거나 모터 구동부의 일부분일 수 있다. 상기 피드백 펄스 생성부(110)는 모터 RPM 펄스(RPM)의 인가에 따라 스위칭 동작하여 모터 RPM 피드백 펄스(RPM FeedBack)를 발생시키는 스위칭 소자 S1과 저항 R2로 구성될 수 있다.

더 나아가 상기 피드백 펄스 생성부(110)는, 한쪽 단(예를 들면 컬렉터 단)에 전원(12V)이 연결되고, 또 다른 한쪽 단(예를 들면 베이스 단)으로 모터 RPM 제어용 구동신호(VSP(RPM) CTRL)가 인가되어 스위칭 동작하는 스위칭 소자 S2와,

상기 스위칭 소자 S2의 나머지 한쪽 단(예를 들면 에미터 단)과 접지단 사이에 연결되어 일정 듀티비를 갖는 상기 모터 RPM 제어용 구동신호(VSP(RPM) CTRL)를 상기 모터(100)로 인가되는 전압으로 변환하는 커패시터(C)와,

상기 커패시터(C)에 인가되는 전압의 크기를 조절하기 위한 신호 조절용 저항(R1)을 포함할 수 있다.

자석 교반기의 동작을 전반적으로 제어하는 제어부(120)는 상기 모터(100)가 교반 혹은 세척 중에 무부하 상태로 동작하는지를 추론한다. 만약 무부하 상태로 동작중이라면 모터(100)의 구동을 일시 정지시킨 후 동작시간을 추가 연장하여 모터(100)를 재구동시킬 수 있다. 이러한 제어부(120)는 내부 메모리를 포함하며, 그 내부 메모리에는 모터 회전수를 조절하기 위한 단수(1단, 2단,..)에 각각 모터 회전수(모터 구동전압)와 그에 따라 피드백되어야 하는 RPM 피드백 펄스 수가 매칭되어 있는 테이블이 저장될 수 있다.

이하 상술한 구성들을 포함하는 자석 교반기의 모터 제어장치의 동작을 부연 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자석 교반기의 모터 제어 흐름도를 예시한 것이다.

도 3을 참조하면, 우선 자석 교반기 본체의 받침대에 용기를 올려놓고 그 용기 내에 마그네틱 바와 교반하려는 시료를 넣어 교반한다고 가정하면, 작업자는 교반을 위해 모터 회전수를 조절하기 위한 단수를 입력하여 교반 개시한다.

이러한 경우 제어부(120)는 작업자가 입력한 단수에 맞춰 교반을 위한 모터 RPM 제어용 구동신호(VSP(RPM) CTRL)를 스위칭 소자 S2의 베이스단으로 출력(S10단계)한다.

상기 스위칭 소자 S2의 스위칭 동작에 따라 인가 전원은 피드백 펄스 생성부(110)를 구성하는 커패시터(C)에 충전되기 시작하며, 소정 시간 경과 후에 상기 일정 듀티비를 갖는 모터 RPM 제어용 구동신호에 대응하는 모터 인가 전압이 모터(100)에 인가되어, 결과적으로 모터(100)는 정해진 회전수로 정속 회전하여 교반 동작이 이루어진다.

교반 동작 중에 모터(100)의 회전수를 나타내는 모터 RPM 펄스(RPM)는 피드백 펄스 생성부(110)를 구성하는 스위칭 소자 S1의 베이스 단에 인가됨으로써, 제어부(120)는 모터 RPM 피드백 펄스(RPM FeedBack)를 전달받아 카운트(S20단계)한다.

만약 교반으로 인해 용기 내의 시료 점도가 높아지면 용기 내의 마그네틱 바에 저항력이 인가되고, 이러한 저항력은 모터에 의해 회전하는 본체 내부 자석의 저항력으로 작용하게 되어 모터 RPM 피드백 펄스가 감소한다. 이에 제어부(120)는 듀티비를 높여 모터(100) 인가 전압을 높이는 방식으로 제어하여 모터(100)를 정속 회전 제어한다.

이러한 모터 정속 회전 제어중에 마그네틱 바의 슬립현상이 누적되어 마그네틱 바가 회전축을 이탈하게 된다면 피드백되는 모터 RPM 펄스 수는 허용범위 내를 벗어나 증가한다. 이는 곧 마그네틱 바가 회전축을 이탈한 것이므로 제어부(120)는 이를 무부하 동작상태로 인식할 수 있다.

즉, 제어부(120)는 교반을 위해 모터를 정속 회전시키기 위한 모터 RPM 제어용 구동신호(VSP(RPM)CTRL)를 출력하고, 그 출력에 반응하여 피드백되는 상기 모터 RPM 피드백 펄스를 카운트하여 허용치 이상의 펄스 수가 입력되면 무부하 동작상태로 판단(S30단계)하여 모터 구동을 정지(S40단계)시킨다. 모터 RPM 피드백 펄스 카운트 값이 허용치 이내의 펄스 수를 가진다면 부하 동작상태인 것으로 판단해 S60단계로 진행한다.

S30단계에서 무부하 동작상태로 판단하여 모터 구동을 정지한 제어부(120)는 이어 모터 구동 정지시간을 보상하기 위해 동작시간을 추가연장(S50단계)한 후 다시 모터를 정속 회전시키기 위한 모터 RPM 제어용 구동신호(VSP(RPM)CTRL)를 출력(S10단계)한 후, 상술한 S20단계 내지 S60단계를 사전 프로그래밍된 수까지 반복한다.

이상에서와 같이 무부하 상태로 판단하여 모터(100)의 구동을 정지시킨 후 재구동시키면, 회전축을 이탈한 마그네틱 바는 다시 모터(100)를 따라 회전하게 되는 받침대 내부의 자석에 의해 상기 회전축으로 회귀하여 회전하기 시작함으로써, 설정된 동작시간까지 정상 회전한다.

따라서 본 발명은 교반 혹은 세척 중에 마그네틱 바의 슬립현상에 의해 교반 혹은 세척 동작이 정지될 수 있는 종전의 자석 교반기에 비해 우수한 교반 혹은 세척 성능을 제공할 수 있으며, 작업자의 개입 없이 설정된 동작시간까지 세척 혹은 교반이 이루어질 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 자석 교반기는 교반 혹은 세척 중에 모터의 무부하 동작상태를 추론하여 마그네틱 바를 신속하게 재회전시키므로 교반 혹은 세척 성능의 신뢰성을 보장할 수 있다.

이상 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예를 들면 본 발명의 실시예에서는 모터 RPM 피드백 펄스를 카운트하여 모터의 부하 혹은 무부하 동작상태를 판단하였으나, 모터 RPM 제어용 구동신호(VSP(RPM)CTRL)의 듀티비에 근거하여 모터 구동(제어) 전압값을 계산하고, 이를 이용해 현재의 소비전력을 계산하여 사전 테스트를 통해 얻어진 데이터와 대조하여 모터가 부하 혹은 무부하 상태로 동작하는지를 판단할 수도 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 자석 교반기의 모터 제어장치에 있어서,
   모터 RPM 제어용 구동신호 인가에 따라 회전하는 모터와;
   상기 모터의 회전수를 나타내는 모터 RPM 펄스에 따라 스위칭 동작하여 모터 RPM 피드백 펄스를 발생시키는 피드백 펄스 생성부와;
   교반 혹은 세척을 위해 상기 모터를 정속 회전시키기 위한 모터 RPM 제어용 구동신호를 출력하고, 그 출력에 반응하여 피드백되는 상기 모터 RPM 피드백 펄스를 카운트하여 무부하 동작상태로 판단시 상기 모터의 구동을 일시 정지시키는 제어부;를 포함함을 특징으로 하는 자석 교반기의 모터 제어장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 모터의 구동을 일시 정지시킨 후 동작시간을 추가 연장하여 상기 모터를 재구동시킴을 특징으로 하는 자석 교반기의 모터 제어장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 피드백 펄스 생성부는,
   한쪽 단에 전원이 연결되고, 또 다른 한쪽 단으로 상기 모터 RPM 제어용 구동신호가 인가되는 스위칭 소자와;
   상기 스위칭 소자의 나머지 한쪽 단과 접지단 사이에 연결되어 일정 듀티비를 갖는 상기 모터 RPM 제어용 구동신호를 상기 모터로 인가되는 전압으로 변환하는 커패시터와;
   상기 커패시터에 인가되는 전압의 크기를 조절하기 위한 신호 조절용 저항;을 포함함을 특징으로 하는 자석 교반기의 모터 제어장치.
4. 자석 교반기의 모터 제어방법에 있어서,
   교반 혹은 세척을 위해 상기 모터를 정속 회전시키기 위한 모터 RPM 제어용 구동신호를 출력하는 단계와;
   상기 모터 RPM 제어용 구동신호 출력에 반응하여 피드백되는 모터 RPM 피드백 펄스를 카운트하는 단계와;
   카운트되는 모터 RPM 피드백 펄스에 기초하여 모터의 무부하 동작 상태를 판단하는 단계와;
   모터의 무부하 동작 상태로 판단시 상기 모터의 구동을 일시 정지시킨 후 재 구동시키는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 자석 교반기의 모터 제어방법.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 모터의 재구동시 동작시간을 추가하여 재구동시킴을 특징으로 하는 자석 교반기의 모터 제어방법.

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