본 논문에서는 CAN(Controller Area Network) 통신을 이용한 균등한 전류 분배를 위한 새로운 부하분담(Load-sharing) 알고리즘(Algorithm)을 제안한다. 기존 아날로그 방식과는 달리 디지털 통신을 이용한 강인한 부하분담특성을 가지며, 모듈마다 독립된 제어기(전압제어기, 전류제어기)가 구성되어 있으며, 마스터(Master)의 지령치 모듈의 지령치에 따라 슬레이브(slave)모듈이 부하분담을 수행한다. 또한 각 모듈 상태를 파악하기 위해 별도의 제어선을 사용하여 모듈의 고장 상태 및 고장난 모듈의 위치를 정확히 파악함으로써, 효율적이고 고속의 부하분담을 구현하였다. 제작된 병렬 시스템은 각 모듈마다 독립된 제어기가 구성되어 있으며, 본 논문에서는 PSIM을 통한 시뮬레이션과 시작품 제작을 통해 제안된 알고리즘의 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 CAN(Controller Area Network) 통신을 이용한 균등한 전류 분배를 위한 새로운 부하분담(Load-sharing) 알고리즘(Algorithm)을 제안한다. 기존 아날로그 방식과는 달리 디지털 통신을 이용한 강인한 부하분담특성을 가지며, 모듈마다 독립된 제어기(전압제어기, 전류제어기)가 구성되어 있으며, 마스터(Master)의 지령치 모듈의 지령치에 따라 슬레이브(slave)모듈이 부하분담을 수행한다. 또한 각 모듈 상태를 파악하기 위해 별도의 제어선을 사용하여 모듈의 고장 상태 및 고장난 모듈의 위치를 정확히 파악함으로써, 효율적이고 고속의 부하분담을 구현하였다. 제작된 병렬 시스템은 각 모듈마다 독립된 제어기가 구성되어 있으며, 본 논문에서는 PSIM을 통한 시뮬레이션과 시작품 제작을 통해 제안된 알고리즘의 타당성을 검증하였다.
In this paper, we proposes new load-sharing algorism for equal current division using CAN communication. Proposed algorithm is different from conventional analog method, it performed strong Load-sharing using bi-direction high speed communication. Each modules constitution on independence controller...
In this paper, we proposes new load-sharing algorism for equal current division using CAN communication. Proposed algorithm is different from conventional analog method, it performed strong Load-sharing using bi-direction high speed communication. Each modules constitution on independence controller (voltage controller, electric current controller). In parallel system prototype, each module have controller and performed load-sharing according to master module integral value. Also additional controller use for getting each module situations that fault situation of module and fault locate of module. we implemented high efficient load-sharing and redundancy. In this paper, we verify the validity of proposed algorithm using PSIM program and prototype.
In this paper, we proposes new load-sharing algorism for equal current division using CAN communication. Proposed algorithm is different from conventional analog method, it performed strong Load-sharing using bi-direction high speed communication. Each modules constitution on independence controller (voltage controller, electric current controller). In parallel system prototype, each module have controller and performed load-sharing according to master module integral value. Also additional controller use for getting each module situations that fault situation of module and fault locate of module. we implemented high efficient load-sharing and redundancy. In this paper, we verify the validity of proposed algorithm using PSIM program and prototype.
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문제 정의
본 논문에서는 기존 아날로그 방식과 달리 디지털 CAN 통신을 이용하여 보다 효율적이고 강력한 부하분담 기능을 갖는 병렬 제어기를 제안한다. 제안된 구조는 모듈의 고유 ID에 따라 마스터-슬레이브로 동작하여 독립 병렬형 형태로, 제어선을 이용하여 각 모듈의 상태를 확인할 수 있다.
제안 방법
그림 3은 RS-485통신에 데이터 충돌보호 회로를 추가한 회로 구성도이다. CAN통신은 자체적으로 데이터 충돌방지 회로를 구성하고 있어 본 논문에서는 CAN 통신을 적용하였다.
그림 7은 부하분담과 리던던시를 위해 본 논문에서 제안한 방식으로 기존구조와 차이점은 모든 모듈에서 전압 제어기 수행은 행하며 각 전압제어기의 편차는 마스터의 상태변수인 적분값을 공유함으로써 제거하였다. 이 경우 마스터의 고장으로 예비마스터가 마스터가 되는 경우 현재 마스터 전압제어기의 상태변수 값에 대한 정보와 같이 마스터 권한을 이양받기 때문에 리던던시 시 출전전압 변동을 최소화 할 수 있는 구조가 된다.
본 구성도는 CAN통신과 디지털 입출력포트를 결합한 새로운 통신 시스템으로 마스터에서 발생하는 부하분담을 위한 각종 지령치는 CAN통신을 통하여 슬레이브에각 모듈을 전달하고, 슬레이브의 고장여부는 Wire-OR로 연결된 디지털 입출력비트로 마스터에 전달하는 구조로 되어 있다. 또한 슬레이브 고장 시 디지털 선의 점유를 방지하기 위해 고장난 모듈을 통신선과 물리적으로 분리 하기 위한 릴레이로 구성되어 있다.
본 논문에서는 병렬통신과 제안하는 제어기에 의한 부하분담이 이루어지는 것을 검증하기 위해 PSIM을 통한 시뮬레이션을 수행하였다. 자동 ID설정 알고리즘은 하드웨어적인 부분의 영향을 받기 때문에 시뮬레이션에서는 ID를 모듈에 직접 입력하였다.
본 연구에서는 n+1개의 모듈이 존재할 때 eCAN 통신을 이용하여 각 모듈의 상태를 판단하고 효과적으로 부하분담이 이루어질 수 있도록 하는 리던던시 알고리즘을 채택하였다.
실험은 타당성을 검증하기 위하여 PSIM을 이용한 시뮬레이션을 수행하였고, 실제 7kw급 모듈형 전원장치를 제작하여 효율적인 부하분담과 리던던시가 이루어지는 것을 검증하였다.
마스터 모듈을 포함해 모든 모듈의 상태를 리던던시 모듈이 판단하고 있으면서 일정 모듈이 고장 났을 경우 바로 투입될 수 있게 Standby 하고 있는 것을 나타낸다. 이렇게 Standby 모듈을 구성하고 각 모듈의 고장 상태를 판단함으로써 효과적인 리던던시를 이루는 방식을 채택 하였다.
본 논문에서는 기존 아날로그 방식과 달리 디지털 CAN 통신을 이용하여 보다 효율적이고 강력한 부하분담 기능을 갖는 병렬 제어기를 제안한다. 제안된 구조는 모듈의 고유 ID에 따라 마스터-슬레이브로 동작하여 독립 병렬형 형태로, 제어선을 이용하여 각 모듈의 상태를 확인할 수 있다.
제안하는 디지털 병렬통신을 이용한 부하분담 알고리즘에 의한 전원장치의 타당성을 시뮬레이션을 통해 검증 하였고, TI사의 TMS320F28335 와 Transceiver (SN65HVD231)를 사용하여 구현하였다.
(c) 파형은 마스터 모듈 Fault시, 리던던시 기능으로 600us 후에 통신이 이루어짐을 확인할 수 있다. 제안한 병렬 시스템은 각 모듈마다 독립된 제어기가 구성되어 있으며, 마스터 모듈의 지령치에 따라 슬레이브 모듈이 부하분담을 수행한다. 제어선을 사용하여 모듈의 고장 상태 및 고장난 모듈의 위치를 정확히 파악함으로써, 효율적이고 고속의 부하분담이 가능하다.
제어선 [I]는 Emitter Follow로 구성되어 OR 통신을 이루게 된다. 즉, 각 모듈의 출력 파형을 Sum 하여 마스터에서 Fault 모듈의 ID를 확인한다. 제어선[D]는 Open collector로 구성되어 NOR 통신을 이루게 된다.
제어선[D]는 Open collector로 구성되어 NOR 통신을 이루게 된다. 즉, 모듈 중에 Fault 발생시, 제어선 파형이 Low가 되어 마스터에서 Fault 모듈의 여부를 확인한다.
성능/효과
그림 11은 통신 출력 파형으로 (a) 동기신호에 의한 인터럽트 (b) 파형은 통신 인터럽트에 의한 펄스 파형과 Emitter Follow로 구성된 OR 통신 파형이다. (c) 파형은 마스터 모듈 Fault시, 리던던시 기능으로 600us 후에 통신이 이루어짐을 확인할 수 있다. 제안한 병렬 시스템은 각 모듈마다 독립된 제어기가 구성되어 있으며, 마스터 모듈의 지령치에 따라 슬레이브 모듈이 부하분담을 수행한다.
기존의 아날로그 방식과 달리 고속 통신과 디지털 제어를 수행하고 실시간 제어를 위한 시분할 토큰버스 방식을 적용함으로서 효율적인 부하분담 및 리던던시를 구현하는데 RS - 485 통신을 이용한 병렬 운전제어 구현과 리던던시를 이용하여 모듈의 사고 시 효과적으로 부하분담이 유지된다. 다만 데이터 충돌 방지를 위한 대책이 필요하다[3].
마스터 모듈에 사고(Fault)가 발생 하였을 시 대기하고 있던 ID=4는 리던던시 기능으로 사고와 동시에 투입되는데, 그림 10에서와 같이 제어기 미적용 시 과도기가 제어기 적용시보다 오래 지속되는 것을 확인 할 수 있다.
후속연구
제어선을 사용하여 모듈의 고장 상태 및 고장난 모듈의 위치를 정확히 파악함으로써, 효율적이고 고속의 부하분담이 가능하다. 모듈 전원 제어 기술 개발을 통하여 고성능의 단일 용량 DC 모듈과 가격 경쟁력 확보로 산업용 DC 전원시장을 확대 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
모듈간의 임피던스가 다름에 따라 발생하는 문제는?
하지만 실질적으로 시스템을 구성하는 소자들의 특성이 이상적이지 못하고 이에 포함된 기생 성분들이 같지 않기 때문에 모듈간의 임피던스가 서로 다르게 된다. 이로 인해 동기가 일치해도 라인 임피던스 및 특성차이로 순환전류가 발생하며 부하가 증가하면 할수록 병렬 시스템 상호간 심각한 불평형 전류가 흐르게 되어 각 단일 모듈의 고장 원인이 된다. 뿐만 아니라 이로 인한 시스템의 신뢰성이 현저히 저하되는 심각한 문제점을 가지게 된다. 따라서 이를 제거하기 위한 부하분담과 리던던시 알고리즘이 필수적이라 할 수 있다[3,6].
기존의 병렬운전의 방식은 어떻게 구분되는가?
기존의 병렬운전의 방식으로는 제어 구조에 따라 병렬 연결된 모듈의 출력전류 정보를 통해 기준 전류를 검출 하여 부하분담을 수행하는 능동전류 분담방식(Active current sharing method)과 출력전압의 강하특성을 이용한 전압강하방식(Voltage droop method)으로 구분된다. 병렬 운전 시 주요 사항으로는 병렬 연결된 모듈의 부하 전류 분배로, 병렬운전 방식 중에 대표적인 제어법으로는 다음과 같다.
병렬 DC/DC 컨버터 시스템의 장점은?
최근 전자 장비 시스템의 첨단화 및 기능의 다양화로 인하여 시스템의 소비 전력이 증가됨에 따라 높은 정격의 전력용 스위칭 소자를 이용한 단일 대용량 DC/DC 컨버터 대신 복수대의 DC/DC 컨버터를 병렬 운전하여 대전류를 부하에 공급하는 병렬 DC/DC 컨버터의 필요성이 크게 대두되고 있다. 이러한 병렬 DC/DC 컨버터는 부하 증가 시 용량 증가가 용이해야 하며 시스템의 소형 및 경량뿐만 아니라 신뢰성 또한 크게 요구되어, 병렬 DC/DC 컨버터 시스템은 단일 DC/DC 컨버터 시스템에 비하여 용량의 대형화는 물론이고 출력의 다양화, 전원의 분산화, 설계 표준화 및 방열의 용이성 등의 장점을 갖는다. 또한 유지, 보수의 편리함과 확장 가능성에 대한 여유 및 신뢰도 증진을 위한 여분의 전원에 대한 유연성으로 각 모듈은 설계 시 최적의 용량으로 설계됨으로써 비용면에서 가장 효과적인 설계가 가능하게 된다.
참고문헌 (7)
Jung Won Kim, Hang Seok Choi, Cho, B.H., "A Novel Droop Method for Converter Parallel Operation" APEC 2001, pp.959-964, 2001.
Hong-Ju Ju, Sang-Hyuk Lee, Seung-Ryong Kim, Kang-Soon Ahn, Sung-Jun Park, "A Novel Parallel Communication Algorithm and Load Sharing Electronic Load", The transactions of the korean institute of power electronics, Vol. 2010 No.7
Seong Mi Park, Chun-Sung Kim, Sang - Hyeok Lee, Sang Hun Lee, Sung-Jun Park, Bae Ho Lee, "Load-Sharing Algorithm Using Digital Parallel Communication", The transactions of the korean institute of power electronics, Vol. 16, No.1, pp. 50-57.
Keon Young Yi, "An Implementation of The Position Controller for Multiple Motors Using CAN", The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol.51 No.2, 2002.
손호섭, "Study of parallel operation of DC power supplies for equal load sharing",Master's thesis, Pusan university electric engineering, 2003
Shiguo Luo, Zhihong Ye, Ray-Lee Lin and F. C. Lee, "A classification and evaluation of paralleling methods for power supply modules", IEEE Power Electronics Spec. Conf, pp.901-908, 1999.
Wu, R-H, Kohama, T., kodera, Y., Ninomiya, T., Ihara, F., "Load-current-sharing control parallel operation of DC-to-DC converters", PSEC '93 pp.101-107.1993.
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