본 논문에서는 전기인두기(solderingiron)의 히터에 공급되는 전압을 제어하여 안정적인 전원을 공급하는 PID 제어기를 이용한 전기인두기의 온도 제어 시스템을 개발하였다. 제안 시스템은 사용자가 설정한 온도에 빠르게 수렴하고, 외부 요인에 의한 열 손실을 빠르게 회복하도록 PID 제어기를 설계하였다. Ziegler- Nichols의 튜닝방법에 의해 설계된 PID 제어기는 히터에 인가되는 AC 24V 전원의 위상을 제어하기 위해 설정온도와 인두기의 현재 온도를 이용하여 트라이악의 구동 타이밍을 결정한다. 또한 그래픽 LCD를 내장하여 현재 인두의 온도 및 설정온도, 작업 진행 시간 등을 표시하는 기능을 부여하였으며, 작업을 하지 않는 휴지시간에는 적정온도로 낮추어 소비전력 감소와 인두팁의 수명연장을 고려하였다. 제안 방법의 성능을 확인하기 위하여 $25^{\circ}C$의 실내에서 두 가지 실험을 실시하였다. 먼저 $200^{\circ}C$, $300^{\circ}C$, $400^{\circ}C$, $480^{\circ}C$에 도달하는 시간 실험에서는 각각 12초, 12초, 16초, 18초씩 소요되어 기존의 방법보다 설정온도에 도달하는 시간이 단축됨을 확인하였다. 다음으로 $300^{\circ}C$, $400^{\circ}C$, $480^{\circ}C$의 정상상태에서 부하 실험에서는 각각 $3.8^{\circ}C$, $4.1^{\circ}C$, $4.5^{\circ}C$의 온도가 감소되어 기존의 방법보다 온도 편차가 적음을 확인 하였다.
본 논문에서는 전기인두기(soldering iron)의 히터에 공급되는 전압을 제어하여 안정적인 전원을 공급하는 PID 제어기를 이용한 전기인두기의 온도 제어 시스템을 개발하였다. 제안 시스템은 사용자가 설정한 온도에 빠르게 수렴하고, 외부 요인에 의한 열 손실을 빠르게 회복하도록 PID 제어기를 설계하였다. Ziegler- Nichols의 튜닝방법에 의해 설계된 PID 제어기는 히터에 인가되는 AC 24V 전원의 위상을 제어하기 위해 설정온도와 인두기의 현재 온도를 이용하여 트라이악의 구동 타이밍을 결정한다. 또한 그래픽 LCD를 내장하여 현재 인두의 온도 및 설정온도, 작업 진행 시간 등을 표시하는 기능을 부여하였으며, 작업을 하지 않는 휴지시간에는 적정온도로 낮추어 소비전력 감소와 인두팁의 수명연장을 고려하였다. 제안 방법의 성능을 확인하기 위하여 $25^{\circ}C$의 실내에서 두 가지 실험을 실시하였다. 먼저 $200^{\circ}C$, $300^{\circ}C$, $400^{\circ}C$, $480^{\circ}C$에 도달하는 시간 실험에서는 각각 12초, 12초, 16초, 18초씩 소요되어 기존의 방법보다 설정온도에 도달하는 시간이 단축됨을 확인하였다. 다음으로 $300^{\circ}C$, $400^{\circ}C$, $480^{\circ}C$의 정상상태에서 부하 실험에서는 각각 $3.8^{\circ}C$, $4.1^{\circ}C$, $4.5^{\circ}C$의 온도가 감소되어 기존의 방법보다 온도 편차가 적음을 확인 하였다.
In this paper, we developed a digital soldering station based on PID controller, which supply stable power by controlling the current of heater of soldering iron. The proposed system designed PID controller to converge quickly to the set up temperature by user, and regain the lost of heat by externa...
In this paper, we developed a digital soldering station based on PID controller, which supply stable power by controlling the current of heater of soldering iron. The proposed system designed PID controller to converge quickly to the set up temperature by user, and regain the lost of heat by external factors quickly. PID controller, designed by Ziegler-Nichols' tuning method, decides triac's trigger timing using setting temperature and present temperature to control the phase of AC 24V power that supply to the heater. Also, we give the function that shows present temperature and setting temperature of iron, and working time by graphic LCD. And during the rest time, we decided the power saving and extension of iron tip by dropping to the optimal temperature. Two experiments had implemented in $25^{\circ}C$ laboratory to confirm the performance of proposed method. The first experiment took 12sec, 13sec, 16sec, 18sec, reaching to $200^{\circ}C$, $300^{\circ}C$, $400^{\circ}C$, $480^{\circ}C$ respectively which result showed shorten of rising time than previous method. In the loading experiment of $300^{\circ}C$, $400^{\circ}C$, $480^{\circ}C$ steady state showed temperature drop of $3.8^{\circ}C$, $4.1^{\circ}C$, $4.5^{\circ}C$ which result showed the low temperature deviation than previous method.
In this paper, we developed a digital soldering station based on PID controller, which supply stable power by controlling the current of heater of soldering iron. The proposed system designed PID controller to converge quickly to the set up temperature by user, and regain the lost of heat by external factors quickly. PID controller, designed by Ziegler-Nichols' tuning method, decides triac's trigger timing using setting temperature and present temperature to control the phase of AC 24V power that supply to the heater. Also, we give the function that shows present temperature and setting temperature of iron, and working time by graphic LCD. And during the rest time, we decided the power saving and extension of iron tip by dropping to the optimal temperature. Two experiments had implemented in $25^{\circ}C$ laboratory to confirm the performance of proposed method. The first experiment took 12sec, 13sec, 16sec, 18sec, reaching to $200^{\circ}C$, $300^{\circ}C$, $400^{\circ}C$, $480^{\circ}C$ respectively which result showed shorten of rising time than previous method. In the loading experiment of $300^{\circ}C$, $400^{\circ}C$, $480^{\circ}C$ steady state showed temperature drop of $3.8^{\circ}C$, $4.1^{\circ}C$, $4.5^{\circ}C$ which result showed the low temperature deviation than previous method.
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문제 정의
이러한 요건을 충족시키기 위하여 PWM 방식의 온도제어[7]과 고주파 제어[8] 기법을 적용한 연구가 있다. 그러나 설정온도에 보다 빠른 수렴과 정상상태에서의 온도편차를 줄이기 위해 본 연구에서는 PID 제어기법[9]와 트라이액을 이용한 위상제어[10]을 고려하고자 한다.
산업현장에서 사용되는 8bit 마이크로프로세서는 수십 Kbyte 이상의 메모리를 내장하고, 입출력, 아날로그 디지털 변환 등 다양한 기능을 갖추고 있어 제어기 탑재가 수월하므로 본 논문에서는 ATmega329 프로세서를 기반으로 인두기에 안정적인 열량을 공급하는 전기인두기의 온도제어 시스템을 개발하였다. 제안 시스템은 인두기에 내장된 온도센서의 출력 전압을 마이크로프로세서의 A/D 변환기를 통해 온도로 변환하고, 사용자가 설정한 온도와 함께 PID제어기의 입력으로 사용한다.
PCB상의 부품 조립, 수리 등을 위한 납땜 작업시 사용되는 전기인두기는 팁의 온도가 빠르게 설정 온도로 수렴하고, 연속 땜 작업에도 온도 감소가 적으며 설정온도로의 복원이 빨라야 한다. 이러한 특성을 갖도록, 본 논문에서는 PID 제어기를 이용한 전기인두기의 온도 제어 시스템을 개발하였다. 제안 시스템은 8비트 마이크로프로세서에 PID 제어기를 구현하여 히터에 인가되는 AC 24V 전원의 위상을 제어하였으며, 액정 LCD 모듈을 제작하여 시스템 동작에 필요한 정보를 표시하는 기능을 구현하였다.
제안 방법
산업현장에서 사용되는 8bit 마이크로프로세서는 수십 Kbyte 이상의 메모리를 내장하고, 입출력, 아날로그 디지털 변환 등 다양한 기능을 갖추고 있어 제어기 탑재가 수월하므로 본 논문에서는 ATmega329 프로세서를 기반으로 인두기에 안정적인 열량을 공급하는 전기인두기의 온도제어 시스템을 개발하였다. 제안 시스템은 인두기에 내장된 온도센서의 출력 전압을 마이크로프로세서의 A/D 변환기를 통해 온도로 변환하고, 사용자가 설정한 온도와 함께 PID제어기의 입력으로 사용한다. Ziegler-Nichols의 튜닝 방법을 적용한 PID 제어기의 출력은 24V 60Hz 교류전원의 위상을 제어하여 인두기에 열량을 공급한다.
본 논문에서 제안한 PID 제어기를 이용한 전기인두기의 온도 제어 시스템은 그림 1에 나타내었듯이 마이크로프로세서를 중심으로 입력부분과 출력부분으로 나누어진다. 입력부분은 시스템의 기능을 설정하는데 사용하는 키, 교류 전원의 위상을 검출하는 회로와 인두기에 내장된 K형 열전대 센서의 증폭 회로로 구성된다.
먼저 전원 공급을 위한 트랜스포머는 1차 입력이 220V 60Hz이고 2차 출력이 24V, 6V, 접지로 구성되는 80W급을 사용하였다. 다음으로 시스템의 기능 설정을 위한 3개의 버튼인 Up, Down, Enter 키는 MCU의 PORTE에 연결하였으며, 프로그램 다운로드를 위해 VCC, GND, RST, SCK, MISO, MOSI로 구성된 커넥터를 준비하였다. 그 외 마이크로프로세서의 선정, 액정 LCD display 회로, 온도 센서의 증폭회로, 위상 검출 회로와 트라이액 구동 회로에 대한 구체적인 설계는 다음과 같다.
그리고 연산증폭기의 이득을 약 100으로 설정하여 최대 50mV의 전압에 해당하는 1000°C까지 반영할 수 있도록 하였으며, 센서의 특성을 고려하여 ±10% 정도 가감할 수 있도록 설계하였다.
액정 LCD Display 모듈은 그림 2와 같이 현재온도, 설정온도, 화씨 및 섭씨, 채널 표시, 각종 모드 표시 등의 정보를 나타낼 수 있도록 설계하였으며, 총 14핀으로 구성하였다.
14개의 핀 중 10개의 핀은 각종 정보를 나타내는데 사용하고 4개의 핀은 공통단자의 선택 핀으로 사용한다. 표 2에 보이는바와 같이 3개의 7-세그먼트에 대한 21개 의 숫자 표시 요소와 S0에서 S16까지 17개의 정보 표시 요소를 하나의 핀에 최대 4개씩 할당하여 1번 핀에서부터 10번 핀까지 사용하고, 각 핀에 할당된 4개의 요소는 공통 단자인 COM1에서 COM4까지 연결을 위해 11번 핀에서 14번 핀까지 4개의 핀을 할당 하였다. 이렇게 구성된 LCD는 ATmega329의 4X25 세그먼트 LCD 드라이버의 4개의 공통단자와 10개의 세그먼트 단자에 연결하여 각종 정보를 표시 하였다.
0mV/°C의 정도를 가지며 선형적이다. 따라서 두 가지 온도 센서는 mV 단위의 전압을 출력하므로, 기준전압이 5V이고 10비트의 분해능을 가지는 마이크로프로세서 A/D변환기 입력으로 사용할 수 있도록 그림 3과 같이 증폭회로를 설계하였다. 상온 센서의 출력은 차동입력 연산 증폭기의 비반전 입력에 연결하고, 인두기 센서의 출력은 반전 입력에 연결한다.
인두기에 공급되는 AC 24V의 전원은 60Hz이며, 반주기마다 위상제어를 통하여 히터에 흐르는 전류를 제어할 수 있도록 설계하였다. 위상제어를 위해 전원 공급원은 TRIAC을 통하도록 설계하였으며, 트라이악의 게이트 트리거 신호 발생은 MCU 내부에서 계산되어져 교류 전원이 0V 전위가 되는 시점으로부터 다음 0V 전위가 되기 전에 인가되도록 한다.
인두기에 공급되는 AC 24V의 전원은 60Hz이며, 반주기마다 위상제어를 통하여 히터에 흐르는 전류를 제어할 수 있도록 설계하였다. 위상제어를 위해 전원 공급원은 TRIAC을 통하도록 설계하였으며, 트라이악의 게이트 트리거 신호 발생은 MCU 내부에서 계산되어져 교류 전원이 0V 전위가 되는 시점으로부터 다음 0V 전위가 되기 전에 인가되도록 한다. 0V 전위의 동기를 맞추기 위해 그림 4와 같이 6V의 전원을 사용하여 위상을 검출하는 회로를 설계 하였다.
여기에 인두기 연결 커넥터 PCB를 추가하여 108.5(W)×132(H)×126.5(D) 크기의 목업으로 포장한 그림 7과 같은 시작품을 제작하였다.
이 회로는 교류전원의 양(+)의 반주기 동안 논리 LOW 신호를 출력하고 음(-)의 반주기 동안은 HIGH 신호를 출력한다. 이렇게 검출된 위상 신호는 ATmega329의 외부 인터럽트 INT0핀과 연결하여 논리적 변화에 따라 내부적으로 해당 인터럽트 벡터를 수행할 수 있도록 하였다.
이렇게 설계된 회로는 그림 6과 같이 메인보드와 전원 제어부로 나누어 PCB를 제작하고 부품을 조립하였다. 여기에 인두기 연결 커넥터 PCB를 추가하여 108.
앞서 설명한 교류전원 전압의 위상 검출 신호는 MCU에서 외부 인터럽트로 입력받아 처리하기 위해 상태 레지스터의 I비트와 INT0 인터럽트 마스크를 SET 시키고, 외부 인터럽트 제어 레지스터(EICRA)의 ISC01 비트와 ISC00 비트를 0과 1로 설정하여 INT0 핀에 입력되는 신호가 논리적으로 변함에 따라 인터럽트를 발생시키도록 하였다.
시스템의 클록주파수가 16MHz이므로, 64분 주의 프리스케일러를 적용한 다음 72μsec에 1번씩 인터럽트가 발생되도록 TCNT0에 238을 대입하여 전원의 반주기 동안 트라이악의 게이트 구동 타이밍이 100회가 되도록 하였다.
본 연구에서는 트라이액 게이트의 트리거 시점 결정을 위해 그림 7과 같은 PID 제어기[10,11]를 설계하였으며, Ziegler-Nichols의 튜닝방법[12]을 사용하여 식(1)의 비례 계수 KP, 적분계수 KI와 미분계수 KD를 각각 0.62, 0.47, 0.13으로 결정하였다.
제안 시스템의 성능을 알아보기 위하여 상온 25℃의 실험실 환경에서 무부하시 설정 온도에 도달하는 시간 및 이후 정상상태에서의 온도 편차 실험과 납땜 부하시 순간 온도 변화에 대한 실험을 실시하였다. 무연납은 약 350℃ 이상에서 잘 용해되고 일반 실납은 250℃ 이상에서 용해된다.
무연납은 약 350℃ 이상에서 잘 용해되고 일반 실납은 250℃ 이상에서 용해된다. 본 연구에서는 기존 연구와의 성능 비교를 위해 납성분이 들어있는 일반 실납을 사용하여 실험하였다.
먼저 온도를 200℃, 300℃, 400℃, 480℃로 설정하고, 설정 온도에 도달하는 시간을 측정한 결과를 그림 7에 나타내었으며, 각각 12초, 13초, 16초, 18초를 기록하였다. 히터의 가열 시작부터 50초까지의 구간에서 최대 온도는 각각 200.
이러한 특성을 갖도록, 본 논문에서는 PID 제어기를 이용한 전기인두기의 온도 제어 시스템을 개발하였다. 제안 시스템은 8비트 마이크로프로세서에 PID 제어기를 구현하여 히터에 인가되는 AC 24V 전원의 위상을 제어하였으며, 액정 LCD 모듈을 제작하여 시스템 동작에 필요한 정보를 표시하는 기능을 구현하였다.
대상 데이터
또한 다운로드 통신 사양이 공개되어 있고 어셈블러와 C 컴파일러가 무료로 제공되어 개발자들에게 각광을 받고 있다. 보통 가격과 메모리 용량 등을 고려하여 ATmega128 프로세서를 사용하지만, 본 연구에서는 표 1에 나타낸 바와 같이 메모리 용량을 고려하면서 4개의 공통단자와 25개의 세그먼트 단자를 할당한 ATmega329 프로세서를 선정하였으며 클록은 16MHz의 크리스털 발진기를 채택하였다.
그림 6에 나타낸바와 같이 트라이악의 도통 특성과 효율적인 제어를 위하여 위상 검출지점으로부터 624μsec 구간과 동일 위상이 끝나기 직전 509μ sec 구간을 제외시킨 나머지 7.2msec 구간을 제어 대상으로 하였다.
성능/효과
Ziegler-Nichols의 튜닝 방법을 적용한 PID 제어기의 출력은 24V 60Hz 교류전원의 위상을 제어하여 인두기에 열량을 공급한다. 무부하의 조건으로 정상상태에 도달하는 시간 측정 실험과 정상상태에서 부하 실험 결과 기존의 방법에 비해 정상 상태 도달 시간과 온도편차가 우수함을 확인하였다.
제안 시스템의 기본 기능은 바 형태의 히터 출력 표시, 설정온도와 현재 사용온도 표시, UP/DOWN 방식으로 최저 100℃에서 최고 500℃까지 온도를 설정할 수 있다. 그 외 3개 버튼인 Up, Down, Enter 키를 사용하여 설정할 수 있는 기능을 표 3에 요약하여 나타내었다.
설정온도가 200℃일 경우 제안방법은 고주파의 방법보다 7초, PWM 방법보다 38초 빨리 설정온도에 도달하였으며, 480℃일 경우 제안방법은 각각 19초, 50초 빨리 설정온도에 도달함을 확인하였으며, 정상상태의 최대 온도 편차가 PWM 방법에 비해 제안방법이 ±0.8℃ 적게 나타났다.
그리고 설정 온도까지의 상승시간 측정 실험 결과 제안 방법이 최소 7초에서 최대 50초 이상 빨리 상승하였으며, 정상상태 온도 편차 실험 결과에서는 ±0.8℃ 적게 나타났다.
이상의 결과로부터 제안방법이 기존의 방법보다 설정 온도에 도달하는 시간이 빠르고, 정상상태의 최대 온도편차와 납땜시 최대 순간온도 편차가 적음을 확인하였다. 이는 전기인두기의 특성인 빠른 온도상승과 설정온도로의 복원 능력이 기존의 방법보다 우수함을 나타낸다고 사료된다.
후속연구
국내 시판되고 있는 전기인두기의 온도제어 시스템은 대부분 수입품에 의존하고 있으므로 본 연구의 결과는 수입 대체 효과 뿐만 아니라 수출도 가능하리라 사료되며, 향후 선진 우수 제품과의 성능 비교에서 앞서기 위하여 인두기 팁의 물성과 구조개선 등에 관한 연구를 계속할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스테이션 분리형 인두기의 기본 요건은 무엇인가?
최근 이러한 문제를 해결하기 위하여 전기인두기에 전원을 공급하는 장치인 스테이션과 온도센서를 내장한 인두기를 분리하는 추세이다. 스테이션 분리형 인두기의 기본 요건은 설정온도로 수렴이 빨라야하며, 충분한 축적 열량으로 연속 부하 작업이나 주위 환경에 따른 온도 변화가 적어야 한다. 이러한 요건을 충족시키기 위하여 PWM 방식의 온도제어[7]과 고주파 제어[8] 기법을 적용한 연구가 있다.
스테이션 분리형 인두기의 기본 요건을 충족시키기 위하여 어떠한 연구가 있었나?
스테이션 분리형 인두기의 기본 요건은 설정온도로 수렴이 빨라야하며, 충분한 축적 열량으로 연속 부하 작업이나 주위 환경에 따른 온도 변화가 적어야 한다. 이러한 요건을 충족시키기 위하여 PWM 방식의 온도제어[7]과 고주파 제어[8] 기법을 적용한 연구가 있다. 그러나 설정온도에 보다 빠른 수렴과 정상상태에서의 온도편차를 줄이기 위해 본 연구에서는 PID 제어기법[9]와 트라이액을 이용한 위상제어[10]을 고려하고자 한다.
전기인두기의 팁의 온도 변화가 심할 경우 어떠한 문제가 생기는가?
전기인두기는 팁의 온도 변화가 심할 경우 땜 불량으로 인한 생산성 감소 문제와 반도체 소자의 성능에 영향을 미치는 문제가 발생한다. 최근 이러한 문제를 해결하기 위하여 전기인두기에 전원을 공급하는 장치인 스테이션과 온도센서를 내장한 인두기를 분리하는 추세이다.
참고문헌 (12)
J. H. Huang, Y. Y. Qian, Y. H. Jiang, Q. L. Wang, "A dislocation model of shear fatigue damage and life prediction of SMT solder joints under thermal cycles", Microelectronics and Reliability, Vol. 33, Issue 4, pp. 535-542, 1993.
M. Gronalt, M. Grunow, H. O. Gunther, R. Zeller, "A heuristic for component switching on SMT placement machines", International Journal of Production Economics, Vol. 53, Issue 2, pp.181-190, 1997.
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