[논문]디지털 병렬 통신을 이용한 부하분담 알고리즘

박성미; 김춘성; 이상혁; 이상훈; 박성준; 이배호

doi:10.6113/tkpe.2011.16.1.50

디지털 병렬 통신을 이용한 부하분담 알고리즘
Load-Sharing Algorithm using Digital Parallel Communication 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.16 no.1, 2011년, pp.50 - 57

박성미 (전남대 컴퓨터공학과) , 김춘성 (전남대 전기공학과) , 이상혁 (전남대 전기공학과) , 이상훈 (한국승강기대학 전기설계과) , 박성준 (전남대 전기공학과) , 이배호 (전남대 전자컴퓨터공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 마이컴(ATmega-2560) 기반의 디지털 통신 방식을 이용한 새로운 부하분담(Load-sharing) 알고리즘(Algorithm)을 제안한다. 기존의 아날로그 방식과 달리 고속 통신과 디지털 제어를 수행하고 실시간 제어를 위한 시분할 토큰버스 방식을 적용함으로서 효율적인 부하분담 및 리던던시(Redundancy)를 구현하였다. 또한 자동 ID 설정 알고리즘을 적용함으로서 시스템 비용을 낮추었으며, 제어기의 전압 및 전류 적분값을 공유하는 새로운 알고리즘으로 시스템의 속응성을 향상시켰다. 제작된 병렬 시스템은 각 모듈마다 독립된 제어기가 구성되어 있으며, 마스터(Master) 모듈의 지령치에 따라 슬레이브(Slave) 모듈이 부하분담을 수행한다. 본 논문에서는 PSIM을 통한 시뮬레이션과 시작품 제작을 통해 제안된 알고리즘의 타당성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we proposes a new load-sharing algorithm with a ATmega2560 based digital communication. Proposed algorithm is different from conventional analog method. The high speed communication digital control is performed. To apply the digital communication and real-time control for time-sharing token bus method, we implemented high efficient load-sharing and redundancy. Also this system make down the price by auto ID algorithm and system response is improved by controller's voltage and current integral value sharing. In parallel system prototype, each module have controller and performed load-sharing according to master module integral value. In this paper, we verify the validity of proposed algorithm using PSIM program and prototype.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 디지털 병렬 통신을 이용한 새로운 부하분담 알고리즘을 제안하였다. 제안된 방식은 RS -485 통신을 이용하여 병렬 운전제어를 구현하였으며 리던던시를 이용하여 모듈의 사고 시 효과적으로 부하 분담이 유지되는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 이러한 마스터 고장에 대한 문제를 완전히 해결하기 위해 전력 모듈 내에 타 모듈과 연계 운전이 가능한 독립된 제어모듈을 삽입하였다. 이로 인해 병렬 통신을 이용한 자동 ID 알고리즘을 사용하여 마스터 사고 시 예비 마스터가 마스터가 되어 시스템이 정지되는 문제를 해결 하셨으며, N+1 리던던시 기능을 확보하여 시스템의 운용효율을 높이고 별도의 전원모듈 추가 시 전원모듈간의 확장성을 보장하였다.

제안 방법

이때 신뢰성 보장을 위해서는 각 전원장치간의 통신 신뢰성이 매우 중요한 요소가 된다. 모듈형 전원장치의 통신방식은 토큰링과 토큰버스 방식 중 분석한 결과 토큰버스 방식이 우수한 것으로 판단하여 본 논문에서는 모듈형 전원장치의 통신 방식을 토큰버스 방식 기반인 새로운 방식의 통신시스템을 적용하여 실시간 및 고 신뢰성의 통신망을 구축하였다. 그림 5는 토큰링 방식을 나타내며 이 방식은 토큰이 링을 따라 순환하며 데이터를 전송하고자 하는 전원모듈에 데이터를 전송하게 된다.
본 논문에서는 자동 ID 알고리즘에 의한 병렬통신과 제안하는 제어기에 의한 부하분담이 이루어지는 것을 검증하기 위해 그림 9와 같이 회로도를 구성하여 PSIM을 통한 시뮬레이션을 수행하였다.
통신은 마이컴을 통한 RS-485통신을 하였으며 특징으로는 그림 11과 같이 모듈간에 병렬로 통신이 가능하다. 시작품에서는 모듈 3개를 통한 병렬통신을 수행 하였다.
이에 본 논문에서는 기존의 아날로그 제어가 아닌 마이컴을 사용하여 자동 ID 알고리즘에 의한 부하분담 및 리던던시를 수행하였으며 통신을 이용하여 제어기의 전압비례 및 전류비례 적분값을 공유함으로서 빠른 속응성을 갖는 제어기를 구현하였다. 이로 인해 시스템 비용을 낮출 수 있고 리던던시 알고리즘을 통해 부하 변동이나 전원모듈의 사고 시 안정된 부하분담을 이룰 수 있었다.
자동 ID 설정이 이루어지면 ID=1을 부여받은 모듈이 마스터가 되며, 시뮬레이션 회로도와 같이 ID=3번 모듈에 0.4초에 동작 장애를 위한 신호를 주고 이때 리던던시의 효과적인 투입여부를 측정하였다. 시뮬레이션에 사용된 파라미터는 표 1과 같다.
제안된 모듈형 전원장치는 통신을 하기 전에 모듈의 고유 ID를 자동 설정하는 알고리즘에 따라 고유 ID를 갖게 된다. 자동 ID 설정 알고리즘 및 흐름도는 그림 4와 같으며, 이 고유 ID는 토큰 버스 방식을 구현하기 위한 중요한 파라미터이다.
제안된 방식은 RS -485 통신을 이용하여 병렬 운전제어를 구현하였으며 리던던시를 이용하여 모듈의 사고 시 효과적으로 부하 분담이 유지되는 것을 확인하였다. 제안하는 구조의 타당성을 검증하기 위하여 PSIM을 통한 시뮬레이션을 수행하였으며 실제 500[W]급 모듈 3개를 병렬 연결한 구조의 시작품을 제작하여 실험을 통하여 검증하였다.
제안하는 디지털 병렬통신을 이용한 알고리즘에 의한 전원장치의 타당성을 시뮬레이션을 통해 검증하였고 500[W]급 시작품을 제작하여 실험을 수행하였다.

대상 데이터

회로 구성은 전원장치 4개로 구성하였으며, 리던던시를 위한 전원장치 1개를 포함한다. 자동 ID설정 알고리즘은 하드웨어적인 부분의 영향을 받기 때문에 시뮬레이션에서는 ID를 모듈에 직접 입력하였다.

성능/효과

이로 인해 병렬 통신을 이용한 자동 ID 알고리즘을 사용하여 마스터 사고 시 예비 마스터가 마스터가 되어 시스템이 정지되는 문제를 해결 하셨으며, N+1 리던던시 기능을 확보하여 시스템의 운용효율을 높이고 별도의 전원모듈 추가 시 전원모듈간의 확장성을 보장하였다. 또한 마스터 제어기의 전압비례 적분값과 전류비례 적분값을 공유함으로서 기존 시스템에 비해 속응성을 높이는 결과를 얻었다.
부하분담은 여러 개의 전원모듈을 병렬로 접속함으로서 전력을 분담하는 기능으로 시스템의 확장이 용이하며 유지 보수가 편리하다는 장점이 있다. 모듈형 부하분담을 위한 핵심요소는 통신과 부하분담 알고리즘으로 자동 ID 설정 방식을 이용하여 마스터와 슬레이브를 지정하고 통신을 통한 제어기로 시스템의 속응성을 크게 향상시킬 수 있었다. 병렬운전으로 전원모듈을 동작시킬 때 주요한 관점은 병렬 연결된 모듈 사이에서의 부하분담과 리던던시 기능이다.
본 논문에서는 이러한 마스터 고장에 대한 문제를 완전히 해결하기 위해 전력 모듈 내에 타 모듈과 연계 운전이 가능한 독립된 제어모듈을 삽입하였다. 이로 인해 병렬 통신을 이용한 자동 ID 알고리즘을 사용하여 마스터 사고 시 예비 마스터가 마스터가 되어 시스템이 정지되는 문제를 해결 하셨으며, N+1 리던던시 기능을 확보하여 시스템의 운용효율을 높이고 별도의 전원모듈 추가 시 전원모듈간의 확장성을 보장하였다. 또한 마스터 제어기의 전압비례 적분값과 전류비례 적분값을 공유함으로서 기존 시스템에 비해 속응성을 높이는 결과를 얻었다.
이에 본 논문에서는 기존의 아날로그 제어가 아닌 마이컴을 사용하여 자동 ID 알고리즘에 의한 부하분담 및 리던던시를 수행하였으며 통신을 이용하여 제어기의 전압비례 및 전류비례 적분값을 공유함으로서 빠른 속응성을 갖는 제어기를 구현하였다. 이로 인해 시스템 비용을 낮출 수 있고 리던던시 알고리즘을 통해 부하 변동이나 전원모듈의 사고 시 안정된 부하분담을 이룰 수 있었다.
본 논문에서는 디지털 병렬 통신을 이용한 새로운 부하분담 알고리즘을 제안하였다. 제안된 방식은 RS -485 통신을 이용하여 병렬 운전제어를 구현하였으며 리던던시를 이용하여 모듈의 사고 시 효과적으로 부하 분담이 유지되는 것을 확인하였다. 제안하는 구조의 타당성을 검증하기 위하여 PSIM을 통한 시뮬레이션을 수행하였으며 실제 500[W]급 모듈 3개를 병렬 연결한 구조의 시작품을 제작하여 실험을 통하여 검증하였다.
제안된 제어 알고리즘에 의한 타당성을 검증하기 위해 PSIM을 이용한 시뮬레이션을 수행하였고, 실제 500[W]급 모듈형 전원장치 3개를 제작하여 효율적인 부하분담과 리던던시가 이루어지는 것을 검증하였다.
Ch3은 사고로 모듈의 전류가 감소하는 형이고 Ch4는 출력전압으로 출력전류와 같이 모듈의 사고로 순간 감소하지만 리던던시 모듈이 투입되면서 정상적으로 복구되는 것을 볼 수 있다. 제안된 제어기의 적분값을 수수하여 동작함으로서 시스템이 정지되지 않기 때문에 속응성이 향상된 것을 알 수 있다.
마스터 모듈에 사고(Fault)가 발생 하였을 시 대기하고 있던 ID=4는 리던던시 기능으로 사고와 동시에 투입되는데, 제어기의 적용 시와 미적용 시 시뮬레이션 파형은 그림 10과 같다. 제어기 미적용 시 과도기가 제어기 적용시보다 오래 지속되는 것을 확인할 수 있고 정상상태까지 도달하는데 걸리는 시간은 제어기 적용 시의 약 2배가량 소요됨을 알 수 있다.

후속연구

이와 같이 모듈 전원 제어 기술 개발을 통하여 향후 최적화 및 핫 스왑(Hot-swap) 기능을 추가함으로서, 고성능의 단일 용량 DC 모듈과 가격 경쟁력 확보로 산업용 DC 전원시장을 확대 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	평균 전류 방식은 무엇인가?	평균 전류 방식은 각 파워 모듈의 전류 모니터가 저항을 통하여 공동 분배 버스를 구동토록 하는 방식으로 조절 증폭기는 저항 양단에 전류차의 유무를 감지하고 부하 전류 불균형을 조율하며 그에 따라 지령치를 조절한다. 이러한 구성은 정확한 전류 분배를 실행 하는 반면, 분배 버스가 단락되거나 전원장치가 동작 하지 않는 경우도 존재한다는 단점이 있다.
	리던던시 기능은 어떤 것인가?	병렬운전으로 전원모듈을 동작시킬 때 주요한 관점은 병렬 연결된 모듈 사이에서의 부하분담과 리던던시 기능이다. 리던던시 기능은 N+1 여분 전원시스템으로 N개의 전원 모듈이 요구되는 곳에 1개의 전원 모듈을 여유분으로 추가 설치하는 것을 말한다. 어떤 전원 모듈이 고장 나더라도 여유 전원 모듈을 사용함으로서 무 정전으로 전력을 공급해주는 방식으로, 시스템의 유효성을 상당히 증가시킨다.
	전압강하 방식의 단점은 무엇인가?	전압강하 방식은 출력전압의 강하특성에 의존하여 부하분담을 제어하며 분담하는 부하 전류에 비례하여 출력 전압을 강하시키는 방식으로 병렬 연결된 전원장치 사이에 전류 정보 교환선을 사용하지 않고 각 모듈이 독립적으로 부하 분담을 제어하게 된다. 이 방식은 낮은 전류 분배에서 좋지 않은 전류 분배를 보이며 부하 레귤레이션의 저하, 다른 전력 등급을 가진 병렬 모듈 사이에서의 전류 분해를 하는데 있어 어려움이 있다.[5][6]

참고문헌 (6)

Y. Panov, J. Rajagopalan, and F. C. Lee, "Analysis and Design of N Parallel DC-DC Converters with Master-Slave Current-Sharing Control", APEC'97, pp436-.
Jung Won Kim, Hang Seok Choi, Cho, B. H., "A Novel Droop Method for Converter Parallel Operation" APEC 2001, pp. 959-964, 2001.
Perreault D. J. Sato, K, Kassakian, J. G., "Switching-ripple-based current sharing for paralleled power converters," Power Conversion Conference-Nagaoka 1997, pp. 473-478, 1997.
손수국, 이태건, "분산전원의 통신운영 기술 동향 및 전망" 전력전자학회지, 제14권 제 6호, 2009. 12, pp. 21-25

원문보기 상세보기
David Ki-Wai Cheng, "A current-sharing interface circuit with new current-sharing technique", IEEE, Vol. 20, No. 1, January, 2005.
Wu, R-H., Kohoma, T., Kodera, Y., Ninomiya, T., Ihara, F., "Load-current-sharing control for parallel operation of DC-to-DC converters," PESC '93, pp. 101-107, 1993.

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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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