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문제 정의
- 본고에서는 개발대상 대용량 비례유량제어밸브의 작동원리와 솔레노이드 코일의 전기적 특성을 고찰하고 이를 바탕으로 플런저 변위를 제어하는 기능의 디지털방식 제어기 설계와 이를 이용한 성능시험결과에 대하여 기술하였다. 개발된 제어기는 밸브변위에 대한 위치제어기능뿐만 아니라 시험신호발생과 작동상태를 실시간으로 모니터링하여 컴퓨터에 저장하는 기능이 내장되어 있으므로 성능시험기로도 활용될 수 있도록 개발되었다.
- 본고에서는 현재 전량 수입되고 있는 대용량 비례 유량제어밸브의 국산화 개발을 위하여 비례제어밸브와 디지털 컨트롤러 시제품을 개발하였다. 설계된 디지털 컨트롤러는 마이크로 컨트롤러를 기반으로 플런저 변위 측정 및 솔레노이드 코일전류 구동기능의 전기적인 인터페이스 보드와 제어 및 운용 알고리즘을 소프트웨어로 구현한 시스템 프로그램으로 구성된다.
제안 방법
- 개발된 대용량 비례유량제어밸브 디지털 컨트롤러의 기능 및 제어성능을 검증하기 위하여 성능시험을 실시하였다. 작동조건은 솔레노이드 구동전압이 DC 125V이고 PWM 반송주파수는 1kHz이며 메인 디스크를 통하여 흐르는 유량이 없는 상태에서 플런저 변위만을 제어하였다.
- 그림 19는 플런저 변위에 대한 제어성능을 평가하기 위하여 플런저 변위제어모드에서 1.75V에서 3V까지 변화되는 0.2Hz의 스텝 및 사인함수를 기준입력신호로 인가한 성능시험결과이며 플런저 변위제어 기는 비례-적분제어기로 설계하였다. 스텝응답에서는 오버슈트가 발생하지 않았지만 약간의 정상상태오차가 발생하며 기준입력신호가 사인함수인 경우에는 플런저의 운동방향이 변화되는 시점에서 지연현상이 나타남을 확인하였다.
- 대용량 비례유량제어밸브의 작동원리와 솔레노이드를 이용하여 구동되는 플런저의 운동특성분석을 바탕으로 파일럿 디스크 변위를 폐루프 방식으로 제어하는 기능의 컨트롤러를 디지털방식으로 설계하였다. 개발된 비례유량제어밸브 컨트롤러는 그림 2의 전자식 위치제어기(electronic positioner)의 기능을 수행하도록 설계되었다.
- 마이크로 컨트롤러에서 출력되는 PWM 신호는 게이트 드라이버(gate driver)회로에서 증폭된 후 IRF640 FET를 스위칭함으로써 코일전류를 조절할수 있도록 설계하였다.
- 선형변위계 차동전압신호의 스케일과 옵셋조정을 위하여 연산증폭기로 설계하였다.
- 본고에서는 현재 전량 수입되고 있는 대용량 비례 유량제어밸브의 국산화 개발을 위하여 비례제어밸브와 디지털 컨트롤러 시제품을 개발하였다. 설계된 디지털 컨트롤러는 마이크로 컨트롤러를 기반으로 플런저 변위 측정 및 솔레노이드 코일전류 구동기능의 전기적인 인터페이스 보드와 제어 및 운용 알고리즘을 소프트웨어로 구현한 시스템 프로그램으로 구성된다. 이러한 디지털방식의 설계는 다수의 트리머를 이용하여 번거로운 조정작업이 요구되는 기존의 아날로그방식 컨트롤러에 비하여 다양한 작동변수와 파라메터를 사용자 인터페이스용으로 설계된 모니터링 프로그램을 통하여 간편하게 설정할 수 있을 뿐만 아니라 시험데이터에 대한 실시간 모니터링과 저장이 가능하다는 장점이 있다.
- LEM(local energy meter)은 전류에 비례하는 전압 신호를 출력하는 기능의 전류측정소자이다. 솔레노이드 코일에 흐르는 전류측정에는 LEM을 이용하였으며 LEM 출력전압은 신호조정회로를 통하여 마이크로 컨트롤러의 A/D 변환 전압범위로 조정되도록 설계하였다.
- 195초로 측정되었다. 전류제어는 플런저 변위를 제어하는 폐루프 시스템의 내부 루프에 적용되므로 빠른 동특성이 중요하고 스텝응답에 대하여 발생되는 약간의 오버슈트는 허용되도록 제어이득을 선정하였다.
- 플런저 변위를 실시간으로 제어하는 기능의 디지털 컨트롤러는 마이크로 컨트롤러를 기반으로 설계되었으며 센서와 액추에이터 입출력신호를 처리하는 기능의 인터페이스 회로와 마이크로 컨트롤러에서 수행되는 운용 프로그램으로 구성된다. 전기적인 신호처리를 담당하는 회로와 제어 및 운용 알고리즘에 대한 설계특징은 다음과 같다.
대상 데이터
- 개발대상 대용량 비례유량제어밸브는 플런저와 직결된 파일럿 디스크 변위를 조절하여 큰 유량이 통과하는 메인 디스크 변위를 압력 차로 제어하는 2단 밸브의 구조를 갖는다. 일반적으로 솔레노이드에서 발생되는 전자기력은 공극이 증가할수록 급격하게 감소되므로 밸브 이동변위가 제한되고 이에 따라 게이트(gate)나 나비(butterfly)밸브에 비하여 정격유량을 크게 설계할 수 없는 단점이 있으나 최근에는 파일럿 디스크 변위를 추종하도록 설계되는 메인 디스크의 자력제어시스템을 대신하여 고속응답이 가능한 비례제어 솔레노이드를 이용하여 메인 디스크의 압력을 직접적으로 제어하는 ‘fly-by-wire' 방식의 설계도 시도되고 있다.
성능/효과
- PWM 듀티율이 서서히 증가, 감소되면 코일전류는 듀티율 파형과 거의 같은 형태로 나타나지만 플런저 변위는 상승과 하강 시에 다른 형태로 변화됨을 알 수 있다. 그림 17(b)는 그림 17(a)의 시험결과를 코일전류에 대한 플런저 변위로 나타낸 그림이며 이로부터 코일전류가 동일하여도 증가, 감소되는 작동상태에 따라 플런저 변위가 다르게 나타나는 히스테리시스 특성이 있음을 확인하였다. 개루프 전압구동 시험으로부터 플런저 변위가 변화되는 유효 PWM 듀티율은 37%에서 60%이고 유효 전류영역은 155mA에서 260mA로 파악되었다.
- 1Hz의 램프파형으로 변화시키는 경우에 대한 응답을 나타낸다. PWM 듀티율이 서서히 증가, 감소되면 코일전류는 듀티율 파형과 거의 같은 형태로 나타나지만 플런저 변위는 상승과 하강 시에 다른 형태로 변화됨을 알 수 있다. 그림 17(b)는 그림 17(a)의 시험결과를 코일전류에 대한 플런저 변위로 나타낸 그림이며 이로부터 코일전류가 동일하여도 증가, 감소되는 작동상태에 따라 플런저 변위가 다르게 나타나는 히스테리시스 특성이 있음을 확인하였다.
- 그림 17(b)는 그림 17(a)의 시험결과를 코일전류에 대한 플런저 변위로 나타낸 그림이며 이로부터 코일전류가 동일하여도 증가, 감소되는 작동상태에 따라 플런저 변위가 다르게 나타나는 히스테리시스 특성이 있음을 확인하였다. 개루프 전압구동 시험으로부터 플런저 변위가 변화되는 유효 PWM 듀티율은 37%에서 60%이고 유효 전류영역은 155mA에서 260mA로 파악되었다. 히스테리시스는 동일한 PWM 듀티율에 대하여 최대 1.
- 본고에서는 개발대상 대용량 비례유량제어밸브의 작동원리와 솔레노이드 코일의 전기적 특성을 고찰하고 이를 바탕으로 플런저 변위를 제어하는 기능의 디지털방식 제어기 설계와 이를 이용한 성능시험결과에 대하여 기술하였다. 개발된 제어기는 밸브변위에 대한 위치제어기능뿐만 아니라 시험신호발생과 작동상태를 실시간으로 모니터링하여 컴퓨터에 저장하는 기능이 내장되어 있으므로 성능시험기로도 활용될 수 있도록 개발되었다.
- 2Hz 스텝신호에 대한 폐루프 전류제어 성능 시험결과이다. 비례-적분제어기가 적용되므로 전류제어에 대한 정상상태 오차는 발생하지 않았으며 기준전류의 90%에 도달하는 상승시간은 0.195초로 측정되었다. 전류제어는 플런저 변위를 제어하는 폐루프 시스템의 내부 루프에 적용되므로 빠른 동특성이 중요하고 스텝응답에 대하여 발생되는 약간의 오버슈트는 허용되도록 제어이득을 선정하였다.
- 2Hz의 스텝 및 사인함수를 기준입력신호로 인가한 성능시험결과이며 플런저 변위제어 기는 비례-적분제어기로 설계하였다. 스텝응답에서는 오버슈트가 발생하지 않았지만 약간의 정상상태오차가 발생하며 기준입력신호가 사인함수인 경우에는 플런저의 운동방향이 변화되는 시점에서 지연현상이 나타남을 확인하였다. 정상상태 오차와 동적지연의 원인은 모두 전압구동 성능시험에서 확인된 히스테리시스이며 히스테리시스 특성은 폐루프 제어를 통하여 나타나는 영향을 감소시킬 수는 있지만 완전히 제거하는 것은 어려울 것으로 판단되므로 우수한 제어성능의 비례제어밸브 설계를 위해서는 솔레노이드 코일의 성능개선이 선행되어야 할 것으로 예상된다.
후속연구
- 동일한 코일전류에 대하여 코일전류 변화율의 부호에 따라 플런저 변위가 다르게 나타나는 히스테리시스의 원인은 플런저에 작용하는 쿨롱 마찰력보다 전자기력의 히스테리시스 특성이 주된 원인으로 분석되고 기존에 상용화된 제품에 대한 성능시험을 통해서 시험결과를 비교분석한 후 개발 시제품의 특성 개선방안을 모색할 예정이다.
- 비례제어밸브를 구동하는 위치제어기의 설계방식에는 전기적인 입출력신호를 아날로그 회로만을 이용하여 하드웨어적으로 처리하는 아날로그방식과 마이크로 컨트롤러를 기반으로 입출력신호를 인터페이스하는 하드웨어와 제어알고리즘을 운용 프로그램으로 구현하는 디지털방식으로 구분된다. 비례제어밸브가 개발되는 초기단계에서는 대부분이 아날로그방식 제어기였지만 디지털 프로세서의 급속한 기술발전은 각종 센서와 액추에이터에 대하여 다양한 인터페이스를 제공하고, 빠른 연산속도는 복잡한 알고리즘에 대한 실시간 처리를 가능케 하여 최근에 개발되는 제어기는 대부분 디지털방식으로 설계되고 있으며 향후 이러한 개발추세는 더욱 확대될 것으로 예상된다. 아날로그방식에 비하여 디지털방식 설계의 장점은 제어기 이득을 비롯한 제반 작동변수의 간편한 설정 및 조정, 다양한 제어알고리즘 및 로직설계, 프로그램 변경에 의한 설계의 유연성 외에 디지털 통신을 이용하여 작동상태에 대한 원격 모니터링과 자체적으로 이상유무를 감지하는 ODB(on-board diagnosis)와 안전작동(fail safe) 기능에 대한 구현이 가능하므로 지능형 밸브(smart valve)로 개발할 수 있다는 점이다.
- 스텝응답에서는 오버슈트가 발생하지 않았지만 약간의 정상상태오차가 발생하며 기준입력신호가 사인함수인 경우에는 플런저의 운동방향이 변화되는 시점에서 지연현상이 나타남을 확인하였다. 정상상태 오차와 동적지연의 원인은 모두 전압구동 성능시험에서 확인된 히스테리시스이며 히스테리시스 특성은 폐루프 제어를 통하여 나타나는 영향을 감소시킬 수는 있지만 완전히 제거하는 것은 어려울 것으로 판단되므로 우수한 제어성능의 비례제어밸브 설계를 위해서는 솔레노이드 코일의 성능개선이 선행되어야 할 것으로 예상된다.
- 향후에는 다양한 시험을 통해서 비례솔레노이드의 동특성을 분석하고 최적의 구동조건과 제어기 이득을 선정하는 연구를 수행할 예정이며 이와 더불어 작동오류을 검출하여 오류종류에 따라 적절한 안전 작동모드로 전환하는 기능의 진단알고리즘을 추가하여 지능형 밸브로 개발할 예정이다.
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