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문제 정의
- 그러나 본 연구에서는 저렴하면서도 근래 사용이증가되고 있는 Atmel사 AVR 시리즈 마이크로컨트롤러 중 ATmega 128을 이용한 원보드 컨트롤러를 설계하고 시작품을 제작하여, 자기부상계의 저] 어용 컨트롤러로서의 유효성 검증을 목표로 하였다. 이를 위하여 제어대상으로서 자기부상계를 제작하였고, 회로구성이 비교적 단순한 APEX사의 파워 연산증폭기인 PA12소자를 이용하여 전류 앰프를 제작하였다.
제안 방법
- 1개 사용토록 초기화하였다. AD 입력 채널을 지정하고, 매 1 mSec의 간격으로 인터럽트를 발생하도록 지정한 후 무한루프를 만들었다.
- 외부메모리 중 2000H ~ 2300H 번지에 텍스트 LCD, 그래픽 LCD 등을 배치하고, 8000H ~ FFFFH 번지에 외부 데이터 메모리 62256을 배치하였다. 또한 1100H ~ 7FFFH의 하위 섹터 (lower sector)에 배치된 LCD 등의 소자는 액세스(access) 시간이 늦으므로 1 지연 사이클(wait cycle)을 주었고, 상위 섹터(upper sector)인 8000H ~ FFFFH에는 0 지연 사이클(wait cycle)로 설정하였다.
- 또한 제어입력, 자기부상 위치 등을 실시간 메모리에 저장한 후, 개인용컴퓨터로 출력하기 위하여 32k 바이트의 외부메모리 및 RS232C의 직렬통신 기능을 포함시켰다. 또한 부수적으로 실험의 편리성을 도모하기 위하여 1W2의 텍스트 LCD 및 128*64의 그래픽 LCD를 포함하고, 외부 인터럽트를 이용할 수 있도록 컨트롤러를 구성하였다.
- 채널을 구성하였다. 또한 제어입력, 자기부상 위치 등을 실시간 메모리에 저장한 후, 개인용컴퓨터로 출력하기 위하여 32k 바이트의 외부메모리 및 RS232C의 직렬통신 기능을 포함시켰다. 또한 부수적으로 실험의 편리성을 도모하기 위하여 1W2의 텍스트 LCD 및 128*64의 그래픽 LCD를 포함하고, 외부 인터럽트를 이용할 수 있도록 컨트롤러를 구성하였다.
- 매 1 mSec 마다 인터럽트가 발생하면 인터럽트 서비스 루틴에서 레이저 변위계를 사용하여 자 기부 상체의 위치를 측정하는데, 측정오차를 줄이기 위하여 2회 연속 측정 후 평균값을 취하고, 기준 값과의 오차를 계산한 후 제어칙에 의한 제어출력 값을 연산하여 PORTB를 거쳐 파워 OP 앰프로 줄력하여제어하고, 이때의 재어출력 값과 자기부상체의 위치 값을 외부메모리에 저장한 후, 메인함수로 돌아가도록 구성하였다. 2회의 AD 변환에 214 uSec, 제어칙연산에 688 pSec 가 소요되고, 전체 인터럽트 서비스 루틴의 수행에 903 μSec 가 소요된다.
- 메인함수에서 마이크로 콘트롤러 유닛을 초기화하고 직렬통신 (USART 0)의 통신속도, 인터럽트 사용, 데이터길이 8비트, 패리티 사용 안함과 스톱비트 1개 사용토록 초기화하였다. AD 입력 채널을 지정하고, 매 1 mSec의 간격으로 인터럽트를 발생하도록 지정한 후 무한루프를 만들었다.
- 미분(PID)제어기, 진지상보상기, 퍼지제어기 등 많은 제어기가 적용될 수 있지만, 산업 현장에서 많이 사용되고 비교적 쉽게 구성할 수 있는 비례적분 . 미분제어기를 이용하여 자 기부 상계제어용 원-보드 컨트롤러의 유효성 확인에 중점을 두었다.
- 설계 제작한 원보드 컨트롤러의 유효성을 검증하기 위하여 비례 - 적분 - 미분 제어기를 사용하였고, 비례게인, 미분게인 및 적분게인은 Ziegler-Nichols 조정방법9)에 의하여 각각 Kn = 0.27, Kd = 0.003, Ki = 1.000 로 선정하였고, 샘플링 타임은 유도성 부하에서 제어입력 신호전압에 따른 전류출력의 시간 지연을 고려하여 O.OOlsec를 선정하였다. 이러한게인을 이용하여 Fig.
- 신호 입력채널을 Fig. 4와 같이 구성하여 차동입력 및 10배의 중폭기능을 이용할 수 있도록 하였으며, 자기부상계의 상측 및 하측코일을 제어하기 위하여 PORTB, PORTD 및 DAC0800으로 2채널의 출력을 구성하였다.
- 앞절에서와 같이 전체 회로를 오아캐드 캡쳐 (OrCAD CAPTURE)로 작성한 후, 오아캐드 래이아웃 (OrCAD LAYOUT)'을 이용하여 Fig. 7과 같이 프린트 기판을 설계하여 기판을 주문제작하였다°;
- 하였다. 이를 위하여 제어대상으로서 자기부상계를 제작하였고, 회로구성이 비교적 단순한 APEX사의 파워 연산증폭기인 PA12소자를 이용하여 전류 앰프를 제작하였다. 자기부상계를 제어하기 위한 제어기는 비례 .
- 자기부상계를 구동하기 위하여 Fig. 9’®와 같이 비교적 회로구성이 단순한 APEX사의 파워 OP 앰프인 PA121 이용하여, Photo 2와 같이 전류 앰프를 제작하였다6)
- 자기부상계의 제어를 위하여 최소 2개 이상의 차동 아날로그 디지털 변환(Differential ADC) 채널을 확보하고, 제어대상의 상측 코일 및 하측 코일에 제어 신호를 보내기위하여 2개의 디지털 아날로그 변환(DAC) 채널을 구성하였다. 또한 제어입력, 자기부상 위치 등을 실시간 메모리에 저장한 후, 개인용컴퓨터로 출력하기 위하여 32k 바이트의 외부메모리 및 RS232C의 직렬통신 기능을 포함시켰다.
- 제어 프로그램은 C 언어로 작성하였으며, 주요 부분은 메인함수와 타이머 인터럽트 서비스루틴 및 외부 인터럽트 서비스루틴으로 구성하였다.
- 제어가 끝난후 외부 인터럽트를 발생시키면 32k 바이트의 622% SRAM에 저장된 데이터를 직렬통신 (USART 0)을 이용하여 개인용 컴퓨터로 송출하고, 이 데이터를 엑셀파일(Excell File)로 변환하여 원보드 컨트롤러의 제어성능을 확인하였다.
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4. 자기부상계 및 전류 AMP 제작
제어대상으로서의 자기부상계는 시중에서 쉽게구입할 수 있는 전자접촉기 (Magnetic Contactor) 2 개를 이용하여 Fig. 8 및 Photo 2와 같이 상하의 자기부상 계를 구성하였고' 가동철심 중앙의 아크릴판에 반사판을 부착 후, 레이저 변위센서를 이용하여 자기부상 위치를 계측하였다.
대상 데이터
- AVR128은 64핀의 TQFP 표면실장형으로 납땜의 편의를 위하여 Fig. 3과 같은 시판의 확장보드를 사용하였다.
- 데이터 메모리는 32개의 범용레지스터, 입출력 레지스터, 내부 정적메모리(SRAM), 외부 정적메모리 (SRAM) 등이 Fig. 1과 같이 매핑되어 있다. 외부메모리 중 2000H ~ 2300H 번지에 텍스트 LCD, 그래픽 LCD 등을 배치하고, 8000H ~ FFFFH 번지에 외부 데이터 메모리 62256을 배치하였다.
- 1과 같이 매핑되어 있다. 외부메모리 중 2000H ~ 2300H 번지에 텍스트 LCD, 그래픽 LCD 등을 배치하고, 8000H ~ FFFFH 번지에 외부 데이터 메모리 62256을 배치하였다. 또한 1100H ~ 7FFFH의 하위 섹터 (lower sector)에 배치된 LCD 등의 소자는 액세스(access) 시간이 늦으므로 1 지연 사이클(wait cycle)을 주었고, 상위 섹터(upper sector)인 8000H ~ FFFFH에는 0 지연 사이클(wait cycle)로 설정하였다.
이론/모형
- 또한 AVR.은 플래시 메모리 기술을 접목하여 칩 내에 프로그램 코드용 플래시 메모리를 내장하고 여기에 사용자 프로그램을 다운로드할 수 있는 ISP (In_Systeni Programming) 방식을 적용하였다. 또한 ATmega 128 소자는 가격 면에서 저렴할 뿐 아니라 Atmel사에서 통합개발환경 (IDE) 소프트웨어인 AVR 스튜디오와 매크로어셈블러를 무료로 제공하고 있고, C 컴파일러로는 GCC 계열의 WinAVR을 무료 사용할 수 있다는 이점이 있다.
성능/효과
- 자기부상계 제어용 원-보드 컨트롤러를 ATmega 128을 사용하여 설계 제작한 후 제어성능의 유효성을 검토한 결과, 스텝응답에 대한 시간역 성능은 자 기부 상계의 원-보드 컨트롤러로서 충분한 성능을 갖고 있다. 한편 정상상태의 변동폭이 약간 크게 나타나지만 시스템동정을 하지 않았고, 비례 .
후속연구
- 이 결과를 검토할 때 간단한 실험에 의한 Ziegler- Nichols 조정방법을 사용하여 설계파라미터를 선정하였지만, 충분한 성능을 확인할 수 있었으며, 좀 더 조직적으로 제어기를 설계한다면 보다 향상된 성능을 확보할 수 있을 것으로 생각된다.
- 적분 - 미분 제어기 역시 간단한 실험에 의한 Ziegler- Nichols 조정방법을 사용하였기 때문이라 생각된다. 차후 정확한 시스템 동정을 하고 조직적으로 제어기를 설계한다면 보다 향상된 제어성능을 발휘할 것으로 판단된다.
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