산업혁명을 거치면서 탄생한 기계장치는 인간이 할 수 없는 힘든 일들을 대신하여 인류의 편리한 생활을 가능하게 했고 최근 공학 응용 분야에서 인간의 손과 발을 대신하는 많은 작동기들이 개발되어왔다. 최근 소형화와 복합화의 동향에 따라 압전소자를 이용한 작동기 연구가 주목받고 있다. 압전소자는 큰 힘밀도와 간단한 구조를 가지고 있어서 같은 크기의 기존 작동기 보다 좀더 큰 힘을 만들어 낼 수 있으며 응답시간이 매우 짧아서 빠른 시스템 어플리케이션에 적용될 수 있다. 하지만 압전소자 작동기는 작게 구현되는데, 이를 구동하기 위한 전용 ...
산업혁명을 거치면서 탄생한 기계장치는 인간이 할 수 없는 힘든 일들을 대신하여 인류의 편리한 생활을 가능하게 했고 최근 공학 응용 분야에서 인간의 손과 발을 대신하는 많은 작동기들이 개발되어왔다. 최근 소형화와 복합화의 동향에 따라 압전소자를 이용한 작동기 연구가 주목받고 있다. 압전소자는 큰 힘밀도와 간단한 구조를 가지고 있어서 같은 크기의 기존 작동기 보다 좀더 큰 힘을 만들어 낼 수 있으며 응답시간이 매우 짧아서 빠른 시스템 어플리케이션에 적용될 수 있다. 하지만 압전소자 작동기는 작게 구현되는데, 이를 구동하기 위한 전용 구동 장치는 아직 소형으로 개발된 것이 없다. 일반적인 제어 시스템을 이용한 기존의 압전소자 작동기 제어 시스템은 크게 전력구동회로, 마이크로 컨트롤러로 구성되어있고 다음과 같은 문제점이 있다. 기존 마이크로컨트롤러 내부에는 아날로그 신호처리회로가 내장되어있지 않아서 추가적인 아날로그 신호처리 회로가 필요하다. 이는 작은 크기의 작동기에 비해 시스템의 크기를 불필요하게 증가시킨다. 그리고 전력 증폭기와 같은 기존 구동기기들은 부피가 크고 무거운 단점이 있다. 따라서 소형이면서 고압 구동을 할 수 있는 압전 소자 작동기 전용 고전압 스위칭 전원장치 및 제어시스템이 필요하다. 이를 위해 본 논문에서는 호서대 서보기기 및 제어연구실에서 개발한 소형의 고전압 발생 및 스위칭 회로와 혼합 신호 FPGA를 이용한 제어시스템 개발에 관한 내용을 다루고 있다. 아날로그와 디지털이 함께 신호의 흐름상에 존재하는 것을 혼합 신호 시스템이라 하는데 고성능 마이크로프로세서와 아날로그 인터페이스, FPGA가 하나의 칩안에 구현된 혼합신호 FPGA는 기존의 고정된 기능의 마이크로 컨트롤러에 비해 필요한 기능을 새로 구현 할 수 있는 유연한 장점이 있으며 추가적인 아날로그 회로가 필요 없으므로 작은 부피의 제어시스템 구현이 가능하다. 본 연구에 적용된 혼합 신호 FPGA내부에는 압전소자 작동기 구동에 필요한 고전압 발생 및 스위칭 회로의 출력 제어기와 압전소자 작동기 및 전체 플랜트의 변위를 제어하고 상위제어기와의 통신을 포함하는 전체 시스템 제어기가 구현 되어 있다. 고전압 발생 및 스위칭 회로는 PI제어를 이용하여 80kHz의 매우 빠른 주파수로 구동하고 마이크로프로세서의 부담을 덜기 위해 부동소수점 곱셈 연산과 PWM파형 발생을 FPGA를 이용하여 수행하였다. 0~3V사이의 기준전압을 가했을 때 혼합 신호 FPGA가 고전압 발생 및 스위칭 회로를 제어하여 0∼150V 사이의 고전압이 출력됨을 확인하였으나 전체 시스템 제어기는 아직 플랜트가 없어서 임의의 강인제어기를 35번의 곱셈연산이 필요한 5차로 구현하여 연산 속도를 측정하고 이를 이용한 향후 압전소자 작동기의 제어 가능성을 확인 해 보았다. 현재까지 진행된 연구는 혼합 신호 FPGA의 임베디드 마이크로컨트롤러와 FPGA를 번갈아 사용해 가면서 제어하는 구조로 되어있는데 향후 FPGA만으로 제어연산을 수행하는 연구가 진행되면 매우 빠른 제어 시스템 구현이 가능할 것으로 기대된다.
산업혁명을 거치면서 탄생한 기계장치는 인간이 할 수 없는 힘든 일들을 대신하여 인류의 편리한 생활을 가능하게 했고 최근 공학 응용 분야에서 인간의 손과 발을 대신하는 많은 작동기들이 개발되어왔다. 최근 소형화와 복합화의 동향에 따라 압전소자를 이용한 작동기 연구가 주목받고 있다. 압전소자는 큰 힘밀도와 간단한 구조를 가지고 있어서 같은 크기의 기존 작동기 보다 좀더 큰 힘을 만들어 낼 수 있으며 응답시간이 매우 짧아서 빠른 시스템 어플리케이션에 적용될 수 있다. 하지만 압전소자 작동기는 작게 구현되는데, 이를 구동하기 위한 전용 구동 장치는 아직 소형으로 개발된 것이 없다. 일반적인 제어 시스템을 이용한 기존의 압전소자 작동기 제어 시스템은 크게 전력구동회로, 마이크로 컨트롤러로 구성되어있고 다음과 같은 문제점이 있다. 기존 마이크로컨트롤러 내부에는 아날로그 신호처리회로가 내장되어있지 않아서 추가적인 아날로그 신호처리 회로가 필요하다. 이는 작은 크기의 작동기에 비해 시스템의 크기를 불필요하게 증가시킨다. 그리고 전력 증폭기와 같은 기존 구동기기들은 부피가 크고 무거운 단점이 있다. 따라서 소형이면서 고압 구동을 할 수 있는 압전 소자 작동기 전용 고전압 스위칭 전원장치 및 제어시스템이 필요하다. 이를 위해 본 논문에서는 호서대 서보기기 및 제어연구실에서 개발한 소형의 고전압 발생 및 스위칭 회로와 혼합 신호 FPGA를 이용한 제어시스템 개발에 관한 내용을 다루고 있다. 아날로그와 디지털이 함께 신호의 흐름상에 존재하는 것을 혼합 신호 시스템이라 하는데 고성능 마이크로프로세서와 아날로그 인터페이스, FPGA가 하나의 칩안에 구현된 혼합신호 FPGA는 기존의 고정된 기능의 마이크로 컨트롤러에 비해 필요한 기능을 새로 구현 할 수 있는 유연한 장점이 있으며 추가적인 아날로그 회로가 필요 없으므로 작은 부피의 제어시스템 구현이 가능하다. 본 연구에 적용된 혼합 신호 FPGA내부에는 압전소자 작동기 구동에 필요한 고전압 발생 및 스위칭 회로의 출력 제어기와 압전소자 작동기 및 전체 플랜트의 변위를 제어하고 상위제어기와의 통신을 포함하는 전체 시스템 제어기가 구현 되어 있다. 고전압 발생 및 스위칭 회로는 PI제어를 이용하여 80kHz의 매우 빠른 주파수로 구동하고 마이크로프로세서의 부담을 덜기 위해 부동소수점 곱셈 연산과 PWM파형 발생을 FPGA를 이용하여 수행하였다. 0~3V사이의 기준전압을 가했을 때 혼합 신호 FPGA가 고전압 발생 및 스위칭 회로를 제어하여 0∼150V 사이의 고전압이 출력됨을 확인하였으나 전체 시스템 제어기는 아직 플랜트가 없어서 임의의 강인제어기를 35번의 곱셈연산이 필요한 5차로 구현하여 연산 속도를 측정하고 이를 이용한 향후 압전소자 작동기의 제어 가능성을 확인 해 보았다. 현재까지 진행된 연구는 혼합 신호 FPGA의 임베디드 마이크로컨트롤러와 FPGA를 번갈아 사용해 가면서 제어하는 구조로 되어있는데 향후 FPGA만으로 제어연산을 수행하는 연구가 진행되면 매우 빠른 제어 시스템 구현이 가능할 것으로 기대된다.
The piezoelectric material is being used widely for actuators due to its large power density with simple structure. It can generate larger force than the conventional actuators with same size. Furthermore, the response time of a piezo actuator is very short, and thus, it can be used for very fast sy...
The piezoelectric material is being used widely for actuators due to its large power density with simple structure. It can generate larger force than the conventional actuators with same size. Furthermore, the response time of a piezo actuator is very short, and thus, it can be used for very fast system applications with compact size. To control the piezoelectric actuator, we need analog signal conditioning circuits as well as digital microcontrollers. Conventional microcontrollers are not equipped with analog parts and thus the control system becomes bulky compared with the small size of the piezoelectric devices. To overcome these weaknesses, we are developing one-chip micro controller that can handle analog and digital signals simultaneously using mixed signal FPGA technology. We used the SmartFusion™ FPGA device that integrates ARM®Cortex-M3, analog interface and FPGA fabric in a single chip and offering full customization. It gives more flexibility than traditional fixed-function microcontrollers with the excessive cost of soft processor cores on traditional FPGAs. In this paper we introduce the design of single chip controller using mixed signal FPGA, SmartFusion™ device. To check its performance, we implemented a PI controller for power driving circuit and a 5thorder H-infinity controller for the system with piezoelectric actuator in the FPGA fabric. Through experiment, it was demonstrted that the both comtrollers designed for the voltage driving part and the outter loop for the feedback control works well in realistic environments.
The piezoelectric material is being used widely for actuators due to its large power density with simple structure. It can generate larger force than the conventional actuators with same size. Furthermore, the response time of a piezo actuator is very short, and thus, it can be used for very fast system applications with compact size. To control the piezoelectric actuator, we need analog signal conditioning circuits as well as digital microcontrollers. Conventional microcontrollers are not equipped with analog parts and thus the control system becomes bulky compared with the small size of the piezoelectric devices. To overcome these weaknesses, we are developing one-chip micro controller that can handle analog and digital signals simultaneously using mixed signal FPGA technology. We used the SmartFusion™ FPGA device that integrates ARM®Cortex-M3, analog interface and FPGA fabric in a single chip and offering full customization. It gives more flexibility than traditional fixed-function microcontrollers with the excessive cost of soft processor cores on traditional FPGAs. In this paper we introduce the design of single chip controller using mixed signal FPGA, SmartFusion™ device. To check its performance, we implemented a PI controller for power driving circuit and a 5thorder H-infinity controller for the system with piezoelectric actuator in the FPGA fabric. Through experiment, it was demonstrted that the both comtrollers designed for the voltage driving part and the outter loop for the feedback control works well in realistic environments.
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