[논문]초음파 용접기 인버터의 공진 추종 방법에 관한 연구

문정훈; 박성준; 임상길; 김동옥

doi:10.21289/ksic.2021.24.4.481

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In the ultrasonic welding machine, when the load fluctuates, the L and C of the piezo element in the oscillation part change. As a result, the resonant frequency is changed, so it is necessary to match the operating frequency of the ultrasonic welding machine to the new resonant frequency. That is, ...

In the ultrasonic welding machine, when the load fluctuates, the L and C of the piezo element in the oscillation part change. As a result, the resonant frequency is changed, so it is necessary to match the operating frequency of the ultrasonic welding machine to the new resonant frequency. That is, in order to maximize the output of the oscillation unit of the ultrasonic welding machine, it is inevitable to follow the resonance frequency. Accordingly, many methods for following the resonant frequency are being actively studied. In addition, in order to check the effect of external inductance on the operation of the ultrasonic welding machine, The equivalent circuit of the piezo element was analyzed by including the external inductance for resonance in the equivalent circuit of the piezo element, and the method of selecting an appropriate inductance was described. In this paper, we propose a new system that allows the switching frequency of the inverter to tracking the resonance frequency even if the resonance frequency is changed due to the load of the ultrasonic welding machine.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1 Electrical equivalent circuit of a piezo ceramic
그림 Fig. 2 Frequency characteristics of piezo ceramic
그림 Fig. 3 Mechanical displacement characteristics and structure of ultrasonic welding machine
그림 Fig. 4 Equivalent circuit model
그림 Fig. 5 Simplified equivalent circuit model
그림 Fig. 6 Vector plot for equivalent circuit
그림 Fig. 7 Block diagram of the conventional resonance tracking method
그림 Fig. 8 Phase difference with time of the existing resonance tracking method
그림 Fig. 9 Block diagram of the proposed resonance tracking method
그림 Fig. 10 PSIM Simulation of conventional resonance tracking method
그림 Fig. 11 PSIM Simulation of the proposed resonance tracking method
그림 Fig. 12 External inductance variation PSIM schematic
그림 Fig. 13 External inductance variation PSIM simulation
그림 Fig. 14 Experimental environment of ultrasonic welding machine
그림 Fig. 15 Oscilloscope waveform of the proposed resonance tracking method
표 Table 1. Specifications for experimental equipment

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이러한 외부 인덕턴스가 초음파 용접기의 운용에 미치는 영향을 확인하기 위하여 피에조 소자의 등가회로에 공진을 위한 외부 인덕턴스를 포함시켜 피에조소자 측의 등가회로를 해석하였으며 이를 통하여 적정 인덕턴스의 선정 방법에 관하여 기술하였다. 또한 초음파 용접기의 부하가 변동하여 공진 주파수에 변화가 생겨도 인 버터의 스위칭 주파수가 공진 주파수를 추종하도록 하는 새로운 시스템을 제안하고 있다. 초음파 인버터의 공진 추종을 검증하기 위해 전기회로 시뮬레이션 프로그램인 PSIM 을 이용하여 타당성을 검토 하였으며, 초음파 발진 드라이브 스위칭 및 전류 센서 제어를 위해 TI社 의 TMS320F28335 DSP 마이크로 프로세서를 이용하여 제어하였다.
본 논문에서는 외부 인덕턴스가 초음파 용접기의 인버터에 미치는 영향을 확인하기 위하여 피에 조소자의 등가 회로에 공진을 위한 외부 인덕턴스를 포함시켜 피에조소자 측의 등가회로를 해석하였으며 이를 통하여 적정 인덕턴스의 선정 방법에 관하여 기술하였다. 또한 공진 주파수에서 동작하는 초음파 용접기의 피에조 소자 발진부에서 부하 변동에 의한 공진 주파수 변화에도 불구하고, 인버터의 스위칭 소자의 구동 주파수를 항상 공진 주파수로 유지하기 위한 새로운 방법을 제안하였다.
본 논문에서는 이러한 외부 인덕턴스가 초음파 용접기의 운용에 미치는 영향을 확인하기 위하여 피에조 소자의 등가회로에 공진을 위한 외부 인덕턴스를 포함시켜 피에조소자 측의 등가회로를 해석하였으며 이를 통하여 적정 인덕턴스의 선정 방법에 관하여 기술하였다. 또한 초음파 용접기의 부하가 변동하여 공진 주파수에 변화가 생겨도 인 버터의 스위칭 주파수가 공진 주파수를 추종하도록 하는 새로운 시스템을 제안하고 있다.

제안 방법

초음파 인버터의 공진 추종을 검증하기 위해 전기회로 시뮬레이션 프로그램인 PSIM 을 이용하여 타당성을 검토 하였으며, 초음파 발진 드라이브 스위칭 및 전류 센서 제어를 위해 TI社 의 TMS320F28335 DSP 마이크로 프로세서를 이용하여 제어하였다. 그 결과를 가지고 50 W 급의 공진 주파수 특성을 가진 초음파 용접기 프로토 타입을 개발 하였다.
본 논문에서는 외부 인덕턴스가 초음파 용접기의 인버터에 미치는 영향을 확인하기 위하여 피에 조소자의 등가 회로에 공진을 위한 외부 인덕턴스를 포함시켜 피에조소자 측의 등가회로를 해석하였으며 이를 통하여 적정 인덕턴스의 선정 방법에 관하여 기술하였다. 또한 공진 주파수에서 동작하는 초음파 용접기의 피에조 소자 발진부에서 부하 변동에 의한 공진 주파수 변화에도 불구하고, 인버터의 스위칭 소자의 구동 주파수를 항상 공진 주파수로 유지하기 위한 새로운 방법을 제안하였다. 그 결과를 가지고 50 W 급의 공진 주파 수 특성을 가진 초음파 용접기 프로토 타입을 개발하였으며 실험을 통해 그 타당성을 검증하였다.
또한 초음파 용접기의 부하가 변동하여 공진 주파수에 변화가 생겨도 인 버터의 스위칭 주파수가 공진 주파수를 추종하도록 하는 새로운 시스템을 제안하고 있다. 초음파 인버터의 공진 추종을 검증하기 위해 전기회로 시뮬레이션 프로그램인 PSIM 을 이용하여 타당성을 검토 하였으며, 초음파 발진 드라이브 스위칭 및 전류 센서 제어를 위해 TI社 의 TMS320F28335 DSP 마이크로 프로세서를 이용하여 제어하였다. 그 결과를 가지고 50 W 급의 공진 주파수 특성을 가진 초음파 용접기 프로토 타입을 개발 하였다.

대상 데이터

그림 14 는 실험 환경을 나타낸다. 초음파 용접기, 함수발생기, 증폭기, 오실로스코프, 파워서플라이로 구성되어 있으며, 표 1 은 실험 장치에 관련된 주요 사양을 나타내었다.

성능/효과

또한 공진 주파수에서 동작하는 초음파 용접기의 피에조 소자 발진부에서 부하 변동에 의한 공진 주파수 변화에도 불구하고, 인버터의 스위칭 소자의 구동 주파수를 항상 공진 주파수로 유지하기 위한 새로운 방법을 제안하였다. 그 결과를 가지고 50 W 급의 공진 주파 수 특성을 가진 초음파 용접기 프로토 타입을 개발하였으며 실험을 통해 그 타당성을 검증하였다.
Ch1 은 전류, Ch2 는 출력전압, Ch3 은 스위치 Low 드레인-소스단 암전압, Ch4 는 PWM 신호를 나타낸다. 부하 변동에 의한 주파수를 80 kHz 에서 30 kHz 로 변경했을 때 ZCS 소프트 스위칭 및 공진 주파수 추종이 되는 것을 확인하였으며, 공진 추종 속도 또한 매우 빠른 것을 확인할 수 있다.
trig 에 따라 외부 인덕턴스가 3 mH 에 서 7 mH 로 변동하게 된다. 외부 인덕턴스가 변 동 하여도 그 즉시 ZCS 소프트 스위칭 및 공진 주파수 추종을 하는 것을 확인하였다. 외부 인덕 턴스 3 mH 에서는 전류 안정화까지 2 ms 가 소요 되었으며, 외부 인덕턴스가 7 mH 로 변동하는 시점에서는 전류 안정화까지 10 ms 가 소요되는 것을 확인 하였다.

참고문헌 (7)

D. H. Lee, S. J. Park, Y. T, D. O. Kim, C. H. Yun, "Transducer design for ultrasonic metal welder," Journal of The Korean Institute of Power Electronics, pp. 337, (2007.07).
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E. J. Lee, Y. S. Kim, "A selection Method of Resonant Inductance for the Traveling Wave Type Ultrasonic Motor Drive System using Series Resonant Inverter," Journal of The Korean Institute of Power Electronics, vol. 5, no. 2, pp. 106-108, (2000.04).
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S. K Lim, C. H. Lee, I. Hwang, H. W. Kang, S. J. Park, "Study on casting for High frequency Resonant Converter," Journal of The Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, pp. 260-261, (2011.04).
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