[논문]입제 비료의 변량 살포를 위한 제어기 개발

유지훈; 김영주; 류관희

doi:10.5307/jbe.2006.31.2.108

문제 정의

따라서 본 연구는 포장의 이화학적 정보에 대응하여 입제 변량살포의 동작을 제어하기 위한 제어 시스템을 설계하고 실제 제어기를 구성하여 제어기의 제어 성능 및 입제 배출 특성을 분석함으로써 구성된 제어기가 정밀농업의 효과를 구현 하기 위한 요구 성능에 부합하는지를 분석하는 것을 목적으로 수행하였다.
본 연구에서는 설계된 입제 변량살포 제어기의 입제 배출 장치의 회전속도 특성 및 입제 변량 살포 제어기의 입제 배출 성능을 분석하고 그 특성을 구명하고자 하였으며, 최종적으 로 설계된 입제 변량살포 제어기의 응답 성능 분석에 초점을 맞추어 연구를 수행하였다. 주요 연구결과는 다음과 같다.
신호 처리부의 경우 작업기가 투입되는 포장내의 위치 변 위에 따른 토성정보를 포함하고 있는 시비처방지도와 GPS 시스템 및 속도센서를 통해 분석된 작업기의 위치정보를 실 시간으로 비교 분석하여 위치에 대응하는 적절한 작업 정보를 제어부에 전달해 주는 것을 그 목적으로 한다

제안 방법

공시비료의 성분비와 작업기의 작업속도에 따른 요구 회전 속도에 대한 분석을 바탕으로 구성된 PWM회로에 입력되는 제어 신호에 따른 배출장치의 회전속도 변화 예측식을 산출하기 위하여 구성된 회로에 0~5V범위의 제어 신호를 0.1V 씩 총 50단계로 나누어 입력하여 배출장치의 회전속도를 측정하였다.
구성된 입제 변량 살포 제어기의 성능 분석을 위해서 성분 별 기준 입제 살포량 및 작업기의 작업 속도에 따라 입제 배 출장치의 회전속도를 변화시키도록 실제 구성된 제어기에서 입제 배출장치에 제어 신호를 송출하였으며 배출장치에 입력 되는 입력신호에 따라 변화하는 배출장치의 회전속도의 균등 도 및 제어신호에 대한 입제 배출장치의 응답시간을 측정하였다. 또한 제어 신호의 단위 입력은 1.
따라서 본 실험에서는 PWM 회로를 이용하여 속도 제어 회로를 구성하였으며, 실제 구동회로에서 발생하는 제어신호 의 주파수는 식 (1)과 같다.
따라서 본 연구에서는 정확한 회전속도를 검출하기 위해 F/G(Frequency Generator)를 이용하여 회전속도의 안정성을 대폭적으로 향상시킨 F/G를 이용한 아날로그 비례 제어 방식의 속도 제어 시스템을 사용하였으며, 그림 3은 속도 제어시스템의 개략도이다.
구성된 입제 변량 살포 제어기의 성능 분석을 위해서 성분 별 기준 입제 살포량 및 작업기의 작업 속도에 따라 입제 배 출장치의 회전속도를 변화시키도록 실제 구성된 제어기에서 입제 배출장치에 제어 신호를 송출하였으며 배출장치에 입력 되는 입력신호에 따라 변화하는 배출장치의 회전속도의 균등 도 및 제어신호에 대한 입제 배출장치의 응답시간을 측정하였다. 또한 제어 신호의 단위 입력은 1.14V~3.3V 범위에서 6단계로 세분하였으며 6단계의 단위 입력에 대한 정정시간을 측정하였다.
이를 위하여 본 연구에서는 그림 6과 같은 충전율 측정 장 치를 설계하였다 그림 6에서 설계된 충전율 측정 장치는 측 정용 호퍼(700(H)x310(W)><200(D)mm) 및 배출장치 그리고 배출장치의 구동부(DC12V, 40W motor)로 구성되어 있으며 구동회로는 설계된 PWM회로를 사용하였고 제작된 테스트 프로그램을 이용하여 배출장치의 회전속도를 산출 하였다. 또한 호퍼 내의 퇴적고를 3단계(20 cm, 30 cm, 40 cm)로 구 동 모터의 회전속도는 12-120 rpm 범위에서 10단계로 세분 하여 4회 반복실험을 실시하였다.
또한 호퍼 내의 퇴적고를 3단계(20 cm, 30 cm, 40 cm)로 구동 모터의 회전속도는 12 rpm~120 rpm 범위에서 10단계 로 세분하여 0.1 m/s의 속도로 이동하는 컨베이어 벨트 위에 입제 수집통(150(H)x300(W)xi00(D)mm)을 20개 배치하여 초당 배출량을 4회 반복 측정하였다. 그림 7은 본 실험을 위하여 제작된 입제 수집통의 모습 및 실험방법을 나타낸 것이다.
산출된 입제 배출장치의 회전속도에 따른 예측식을 기준으로 하여 배출장치의 구동부에 제어 신호를 송출한 후 입제가 투입되지 않은 무부하시와 입제가 투입된 부하시의 입제 배 출장치의 회전속도의 차이를 측정하였다. 그림 13은 퇴적고 에 따른 배출장치의 회전속도 오차를 나타낸 그래프로서 퇴 적고에 관계없이 배출장치의 회전속도의 오차는 일정한 경향을 나타내고 있음을 알 수 있다.
설계된 입제 배출 장치의 경우 홈롤러 방식을 채택하여 입 제 배출장치를 구성하였고 롤러의 직경이 배출장치의 내경보다 약간 크게 설계 되어 있어 배출장치의 회전 시 롤러 날의 쓸림 현상으로 인하여 입제의 배출량이 맥동성을 가지고 변 화하게 된다.
이를 위하여 본 연구에서는 그림 6과 같은 충전율 측정 장 치를 설계하였다 그림 6에서 설계된 충전율 측정 장치는 측 정용 호퍼(700(H)x310(W)><200(D)mm) 및 배출장치 그리고 배출장치의 구동부(DC12V, 40W motor)로 구성되어 있으며 구동회로는 설계된 PWM회로를 사용하였고 제작된 테스트 프로그램을 이용하여 배출장치의 회전속도를 산출 하였다. 또한 호퍼 내의 퇴적고를 3단계(20 cm, 30 cm, 40 cm)로 구 동 모터의 회전속도는 12-120 rpm 범위에서 10단계로 세분 하여 4회 반복실험을 실시하였다.

대상 데이터

본 실험을 위하여 선정된 공시비료 2종은 화성비료인 신세 대(N:P:K=22:12:12)와 슈퍼 21(N:P:K=21:17:17)로서 신세대 의 경우 산물밀도는 0.781 g/ciT, 진밀도는 1.405 g/cn?이며 슈퍼21의 경우 산물밀도는 0.901 g/cm3, 진밀도는 1.

성능/효과

(1) 입제 변량살포기 배출장치의 퇴척고에 따른 충전율을 분 석한 결과 입제 배출장치의 충전율은 슈퍼 21과 신세대 의 경우 각각 72.58~93.23%와 63.14~93.42%의 범위 내에서 회전속도의 증가에 따라 감소하는 경향을 보였다.
(2) 입제 배출장치의 회전속도 및 배출시간에 따른 입제 배출 량의 균등도를 분석한 결과 각 회전속도별 입제 배출 균 등도는 슈퍼21과 신세대의 경우 각각 CV값 기준으로 11.23 ~2.94%와 10.80~2.82%의 범위 내에서 변화하였으며, 입제 배출량의 균등도는 4% 내외로 안정되는 경향을 보였다.
(3) 제어 신호에 따른 입제 배출장치의 회전속도 예측식을 산 출한 결과 예측식은 55.984*79.174(X: input vitage, V, Y: Discharger speeed, RPM)이고 R 12 34 값은 0.99로 산 출되었다.
(4) 입제 변량살포 제어기의 응답특성을 분석한 결과 배출장 치의 회전속도 설정값에 해당하는 6단계의 각 단계별 단 위 입력값에 대한 정정시간은 0.8~ 1.4 sec의 범위 내로 나타났으며, 2단계 입력터는 회전속도가 증가함에 따라 감소함을 알 수 있다.
그러나 측정결과 입제 변량살포 제어기의 배출장치의 회전 속도의 변화에 따른 충전율의 변화는 확인할 수 있었으나. 호 퍼 내의 입제 퇴적고의 변화에 따른 충전율의 변화는 나타나 지 않았다.
그림 10은 입제 배출장치의 회전속도 변화에 따른 CV값의 변화를 나타내고 있다. 그림에서 나타난 것과 같이 배출장치 의 회전속도가 12 rpm일 때를 제외한 나머지의 경우 입제 배 출량의 균등도는 4% 내외로 안정되는 경향을 보였고 입제 퇴 적고가 40 cm일 경우 CV값이 가장 안정적이며 낮은 것으로 분석되었으며 회전속도가 증가함에 따라서 CV값은 감소함을 알 수 있다.
이들 시스템에서 안정성이 더 이상 향상 되지 않는 이유는 구동회로의 제어 신호에 의한 문제보다는 회전속도의 검출 방법에 문제가 있기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 이보다 좀더 안정된 회전속도를 얻기 위하여 F/G 서보 시스템을 구성하였으며, F/G서보시스템을 이용할 경우 속도 안정성은 1%미만이 된다.
마지막으로 입제 변량살포 제어기의 응답특성을 분석하기 위하여 입제 배출장치가 회전하기 시작하는 1.14V부터 속도 변화가 나타나지 않는 3.3V까지의 범위를 6단계로 세분한 계 단 입력 값에 대하여 단위계단 입력값에 대한 출력값의 95~ 105% 지점에 도달하는 정정시간을 측정한 결과 정정시간의 경우 0.8~ 1.4 sec의 범위 내로 나타났으며, 단위 입력에 대하여 배출장치의 회전속도가 안정되는 정정시간 이후에 대한 입제 배출장치의 회전속도 균등도를 분석한 결과는 표 2와 같았다. 입제 배출장치의 회전속도는 CV값 기준 0.
설계된 입제 변량 살포기의 호퍼 내 입제의 퇴적고에 따라 배출장치에 충전되는 입제의 충전율을 측정한 결과 공시비료 인 슈퍼 21의 경우 입제 배출장치의 평균배출량은 153.67-197.39 g의 범위 내에서 신세대의 경우 152.3~222.8 g의 범 위 내에서 배출장치의 회전속도의 증가에 따라 점차 감소하는 경향을 보였으며, 마찬가지로 입제 배출장치의 충전율은 슈퍼 21의 경우 72.58~93.23%의 범위 내에서 신세대의 경우 63.14~93.42%의 범위 내에서 회전속도의 증가에 따라 감소하는 경향을 보였다.
입제 변량살포기 배출장치의 회전속도에 따른 배출량 분석을 통해서 얻은 배출되는 입제량의 자세한 배출 균등도는 표 1에 명시한 것과 같다. 입제 배출장치가 저속으로 회전할 경우 배출량의 균등도를 나타내는 CV값이 높아지는 것을 확인할 수 있으나, 입제 배출장치의 회전속도 및 배출시간에 따른 입제 배출량의 균등도를 분석한 결과 각 회전속도 별 입제 배 출량의 균등도는 CV값을 기준으로 하여 공시 비료인 슈퍼21의 경우는 CV값은 11.23~2.94%의 범위 내에서, 신세대의 경우 CV값은 10.80~2.82%의 범위 내에서 변화하였다.
4 sec의 범위 내로 나타났으며, 단위 입력에 대하여 배출장치의 회전속도가 안정되는 정정시간 이후에 대한 입제 배출장치의 회전속도 균등도를 분석한 결과는 표 2와 같았다. 입제 배출장치의 회전속도는 CV값 기준 0.51 ~ 3.06%의 범위 내에서 안정되었다, 또한 단위 입력신호가 1단 계에서 6단계까지 첨차 높아짐에 따라 회전속도의 균등도가 더욱 향상되었다.

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