[논문]펠티어 소자의 PWM 전류제어를 이용한 알루미늄 판의 온도제어

방두열; 권대규; 이성철

펠티어 소자의 PWM 전류제어를 이용한 알루미늄 판의 온도제어
Temperature Control of Aluminum Plate by PWM Current Control of Peltier Module 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.23 no.10 = no.187, 2006년, pp.60 - 67

방두열 (전북대학교 대학원 기계공학과) , 권대규 (전북대학교 생체정보공학부) , 이성철 (전북대학교 기계공학부)

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This paper presents the temperature control in aluminum plate with Peltier module. From the experimental work, Peltier module is used to control the temperature of small aluminum plate for both heating and cooling with the control of current and fan ON/OFF. And current control of Peltier module was accomplished by PWM method. As a result of experiments, it is proper that operate cooling fan only while cooling duration and there exist a proper cooling current to drop temperature rapidly. It takes about 125sec to control temperature of aluminium plate between $30^{\circ}C$ and $70^{\circ}C$ and about 70sec between $40^{\circ}C$ and $60^{\circ}C$, in ambient temperature $28^{\circ}C{\sim}29^{\circ}C$ while cooling fan is operated only cooling duration. With the cooling current, temperature control of aluminum plate was accomplished more rapidly in comparison without cooling current. Future aim is to realize more rapid temperature control and develop SMHA(special metal hydride actuator) by using Peltier module as a heating and cooling source.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 알루미늄판의 온도를 펠티어소자를이용하여 가열과 냉각을 반복적 작동되도록 제어하기 위하여 펠티어소자에 PWM 전류제어 방법을 채택하고 알루미늄 판을 하한 30P에서 상한 70"C 범위의 반복적인 온도제어가 가능함을 실험적으로 보여주고 있다.
본 연구는 펠티어소자의 가열 및 냉각작용을 이용하여 알루미늄 판의 온도를 제어하고자 하였으며, 상하한 목표 온도를 설정하고 가열 및 냉각과정을 통하여 얼마나 빠른 주기로 상하한 온도 범위를 반복할 수 있는가를 실험함으로서 반복 주기, 가열전류와 적절한 냉각전류, 냉각팬 작동효과를 비교관찰함으로서 온도제어에 있어서 적정조건을 실험적으로 구하고자 하였다. 가열 시는 펠티어소자에양(+)의 전류를, 냉각 시는 음(-)의 전류를 인가하였고, 보다 효과적인 냉각을 위해서 냉각팬을 부착하였다.
이러한 제어 동작 결과는 펠티어소자를 열원으로 하여 구동하는 SMHA (Special Metal Hydride Actuator)에 적용하여 실버 의지보조기구에 응용하고자 한다.

제안 방법

PI 제어 알고리즘은 먼저, 알루미늄판의 상한온도 Thigh, 하한온도 Tgw, 펠티어소자의 가열전류 1心物 및 냉각전류 服의 값을 설정하고, 전류제어에 사용될 비례 게인 &詠과 적분 게인 L血의 값을 설정한다. 다음에 알루미늄 판의 온도를 측정하여 가열할 것인지 냉각할 것인지를 결정하여, 가열 시에는 목표 전류를 Itargkkeating으로, 냉각팬은 OFF로 설정하고, 또 냉각 시에는 목표전류를 Iurg"=Ico血g으로, 냉각 팬은 ON 으로 설정하여 전류를 제어하였다.
Fig. 10에서는 냉각 팬의 작동조건에 따른 온도제어 결과를 비교하기 위하여 (1) 냉각 시에만 팬 구동하는 경우, (2) 가열 및 냉각 시 모두 팬을 구동하는 경우, (3) 가열 및 냉각 시 모두 팬을 구동하지 않는 3 가지 경우에 있어서 온도제어 결과를 비교하기 위하여 온도제어 주기를 관찰하였다. 실험조건으로는 알루미늄 판의 온도제어 범위는 4013-6013 이었고 가열전류는 +2.
발생시켰다. PIC₁₆F874의 시스템 클럭 16 MHz를 내부 분주하여 31.25 kHz의 PWM 펄스가 발생하도록 하였으며, PWM 펄스의 듀티비는 0~ 100%를 512단계로 분할하여 조정하도록 하였으며, 제어 전류에 비례하는 값이 듀티비에 대응하도록 하였다. PWM 펄스는 H-bridge IC L6203에서 전류가 증폭되고 LC-filter를 거쳐 펠티어소자에 공급된다.
0 A를 인가하여 알루미늄 판을 5013 까지 가열하였다. 동일 조건, 온도 50℃에서 냉각전류를 -0.0A, -0.6A, -1.0A 및 -1.2A의 4가지 경우로 알루미늄 판을 냉각하여, 냉각전류의 크기에 따른 온도변화를 고찰함으로서 냉각효과를 비교하였다. 이때, 냉각 팬은 냉각하는 동안에만 작동시켰다.
8은 가장 효과적인 냉각전류의 값을 구하기 위하여 냉각전류의 크기를 바꾸어 가면서 온도변화를 관측하였다. 먼저, 동일 조건을 실현하기 위하여펠티어소자에 +2.0 A를 인가하여 알루미늄 판을 5013 까지 가열하였다. 동일 조건, 온도 50℃에서 냉각전류를 -0.
본 연구에서는 PIC₁₆F874 마이크로 콘트롤러에내장된 TIMER1 을 PWM 기능으로 설정하여 PWM 펄스를 발생시켰다. PIC₁₆F874의 시스템 클럭 16 MHz를 내부 분주하여 31.
0.1。의 저항 Rsense가 펠티어소자에 직렬로 연결되어있고」Rsense 사이의 전압은 LF356 OP- Amp IC로 10배 증폭하여 PIC₁₆F874의 A/D 변환기로 측정함으로 펠티어소자에 흐르는 전류를 모니터링 하였다. 알루미늄판의 온도는 LM35DZ IC 온도 센서로 측정되고 이 값은 LF356 OP-Amp로 5배 증폭되어 PIC₁₆F874의 A/D 변환기에 입력되고 있다.
실현하고 있다. 이와 같은 과정을 반복하면서 알루미늄 판의 온도가 상한 온도 Thigh 이상이면 냉각 모드로 전환하고, 하한온도 Tlow 이하이면 다시 가열 모드로 전환하여 상한 온도와 하한온도 사이를 반복하도록 제어하면서 알루미늄판의 온도 및 펠티어소자의 전류를 모니터링하였다.
1〃의 저항 (Rsense)을 이용하여 전류 값을 즉정하였다. 펠티어소자의 전류는 측정값과 기준 입력값을 비교함으로서 비려]-미분(PI) 제어를 수행하였다.

대상 데이터

실험 데이터는 PIC₁₆F874의 A/D 변환 기로부터 획득되어, RS232C 통신으로 PC에 전송되고, PC에서는 이 데이터들을 HDD에 저장하도록 하였다. 실험에 사용된 sampling timee 0.
10에서는 냉각 팬의 작동조건에 따른 온도제어 결과를 비교하기 위하여 (1) 냉각 시에만 팬 구동하는 경우, (2) 가열 및 냉각 시 모두 팬을 구동하는 경우, (3) 가열 및 냉각 시 모두 팬을 구동하지 않는 3 가지 경우에 있어서 온도제어 결과를 비교하기 위하여 온도제어 주기를 관찰하였다. 실험조건으로는 알루미늄 판의 온도제어 범위는 4013-6013 이었고 가열전류는 +2.0A, 냉각전류는 -0.6A를 사용하였다.
12는 알루미늄판을 상한온도와 하한 온도 사이에서 제어한 경우의 결과이다. 알루미늄 판의 온도제어에서 냉각전류로 가장 효과적인 -0.6A를 사용하였고, 냉각 팬은 냉각하는 동안에만 작동시켰다. 가열전류는 +2.

이론/모형

펠티어소자의 전류제어는 Fig. 7의 신호 흐름도에서와 같이 PI 제어 알고리즘을 사용하였다. PI 제어 알고리즘은 먼저, 알루미늄판의 상한온도 Thigh, 하한온도 Tgw, 펠티어소자의 가열전류 1心物 및 냉각전류 服의 값을 설정하고, 전류제어에 사용될 비례 게인 &詠과 적분 게인 L血의 값을 설정한다.
가열 시는 펠티어소자에양(+)의 전류를, 냉각 시는 음(-)의 전류를 인가하였고, 보다 효과적인 냉각을 위해서 냉각팬을 부착하였다. 펠티어소자의 전류제어는 측정값과 기준 입력을 비교함으로서 PI 제어에 의한 PWM 방식을 사용하였다. 전류의 PWM 제어는 제어장치의 발열량과 크기를 줄일 수 있는 이점이 있다.

성능/효과

위의 두 가지 경우에 있어서 냉각 팬은 냉각하는 동안에 만 작동 시 켰다. Fig. 9에서 보는 바와 같이 실선으로 표시된 -0.6A의 냉각전류를 사용했을 때의 상하한 온도 사이의 반복 주기가 -0.0A의 냉각전류를 사용한 경우에 비하여 보다 빠르게 나타나고 있어, 적절한 냉각전류의 도입이 온도제어에 있어서 효과적임을 알 수 있었다. 이와 같이 적절한 냉각전류 도입으로 인한 온도제어 결과의 차이는 다소 크다고 볼 수 있다.
25 kHz의 약 1/10 정도이다. LC-filter의 시뮬레이션 및 실측 결과, PWM 펄스가 효과적으로 직류화되어 펠티어소자를 구동하고 있음을 알 수 있었다. H-bridge IC L6203을 중심으로 한 펠티어소자의구동부와 증폭회로는 Fig.
선정해야 할 필요가 있었다. 본 연구에서 사용한 물리적 크기에서는 -0.6A의 냉각전류가 적절한 것으로 나타났으며, 또한 냉각 팬을 냉각 시에만 작동시킴으로 더 좋은 냉각 효과가 나타났다.
본 연구에서 사용한 실험 장치의 경우에서 40 笆~60笆 범위의 알루미늄판 온도제어의 반복 주기는 대략 70초, 그리고 30℃~70P 범위에서는 대략 125초로 나타났다.
6A의 냉각전류를 사용했을 때 최종 온도가 20℃ 부근으로 가장 낮은 값을 보이고 있어 가장 효과적인 냉각전류 값으로 판명되었다. 이는 펠티어소자에 냉각전류를 인가하면, 냉각작용과 함께 냉각전류로 인한 Joule 열이함께 발생함으로서 이 두 가지를 절충할 수 있는 적정값이 존재하는 것으로 사료되며, 본 연구의 실험조건에서는 Fig. 8에서와같이 -0.6A의 냉각전류가 가장 적절한 값으로 판명되었다.
전류의 PWM 제어는 제어장치의 발열량과 크기를 줄일 수 있는 이점이 있다. 적절한 냉각전류의 채택과 냉각팬의 도입으로 알루미늄 판의 온도제어를 보다 빠르게 할 수 있었으며, 4010-6 0℃의 온도제어에 있어서의 반복 주기는 약 70초 이었고, aoP-R'c의 온도제어에 있어서의 반복 주기는 약 125초 정도이었다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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