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문제 정의
- 이 연구에서는 지능구조물에 저비용으로 적용할 수 있는 고전압 파워 앰프와 제어 알고리즘 구현 시스템을 개발하였다. 이 연구를 통해 다음과 같은 결론이 도출되었다.
- 이로 인해 지능구조물에 대한 연구와 상용화가 어려워지고 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 이 연구에서는 압전 작동기 구동을 위한 저가의 고전압 파워 앰프와 제어 알고리즘의 구현을 위한 저가의 소형 제어 알고리즘 구현 시스템을 개발하였다. 또한 제작된 제어알고리즘 구현 시스템과 고전압 파워 앰프의 성능 및 안정성 검증을 위하여 압전 감지기와 작동기가 부착된 외팔보에 대한 능동진동제어 실험을 수행하였다.
제안 방법
- Wang, et al.(5)은 압전 스택 액추에이터를 구동하기 위한 고전압 파워앰프의 제작에 관하여 연구하였는데 전압 파워 OP앰프와 TR과 FET를 사용한 스위칭 모드의 power booster unit을 설계 제작하였다. Yan, et al.
- Yan, et al.(6)은 압전 작동기 구동을 위해 APEX사의 PA142칩을 사용한 고전압 파워 앰프의 회로를 제안했으며 단일 고전압 OP앰프와 FET를 사용한 SA11 브릿지 회로를 제안하였다. Robinson, et al.
- Main, et al.(9)은 PWM 전압 제어를 사용하여 압전 시스템의 전력 손실을 줄이는 방법을 제안하였다. Dalay, et al.
- 75 Hz 이어서 PPF 제어 알고리즘을 이 진동수에 맞추어 설계하고 디지털 형태로 변환해 제어기에 설치하였다. 디지털 형태로 설치된 PPF 제어 알고리즘의 구동 여부를 확인하기 위해 제어 알고리즘 구현 시스템의 A/D 입력단에 28.75 Hz의 사인파를 연결하고 PPF 제어 알고리즘을 통해 계산된 D/A 출력 신호를 계측하였다. Fig.
- 또한 PWM 구동으로 인한 전기적인 잡음이 압전 세라믹 작동기에 소음을 유발하는 것이 관찰되었다. 따라서 이 연구에서는 아날로그 증폭 회로를 고려하였다. 이 연구에서 개발한 아날로그 고전압 파워 앰프 회로는 앰프 구동을 위한 전원장치와 증폭 회로부로 구성되어 있다.
- 그러나 전원 장치의 스위칭 주파수로 인한 전기 잡음으로 인하여 고전압 파워 앰프의 전원 장치로는 부적절함이 발견되었다. 따라서 이 연구에서는 전기적 잡음이 비교적 작은 변압기를 고전압 전원으로 고려하였다. 이와 같은 아날로그 전원장치의 장점은 간단한 회로를 이용하여 원하는 전압을 만들 수 있고 비교적 전기잡음이 작다는 것이다.
- 전원부에서 발생하는 전기 잡음을 제거하기 위해 전원부와 파워앰프 PCB의 중간에 철판을 넣어 분리시켰으며 이를 그라운드로 사용하였다. 또한 실드선을 사용하여 선에서 선으로 또는 선에서 회로로 전기잡음이 전달되지 않도록 하였다. 이와 같이 제작된 고전압 파워 앰프의 출력 특성을 조사하기 위해 이득이 약 80인 경우에 대해 입력 신호와 증폭된 출력 신호간의 주파수 전달함수를 HP Signal Analyzer, HP 35620A를 이용해 계측하였다.
- 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 이 연구에서는 압전 작동기 구동을 위한 저가의 고전압 파워 앰프와 제어 알고리즘의 구현을 위한 저가의 소형 제어 알고리즘 구현 시스템을 개발하였다. 또한 제작된 제어알고리즘 구현 시스템과 고전압 파워 앰프의 성능 및 안정성 검증을 위하여 압전 감지기와 작동기가 부착된 외팔보에 대한 능동진동제어 실험을 수행하였다. 실험 결과는 개발된 제어알고리즘 구현 시스템과 고전압 파워 앰프가 지능구조물의 능동진동제어에 적합함을 보여주었다.
- PPF 제어기의 필터 주파수를 제어하고자 하는 진동 모드의 고유진동수에 맞추면 그 고유모드의 감쇠를 증가시킬 수 있다. 실험을 통해 구한 복합재 외팔보의 기본진동수가 28.75 Hz 이어서 PPF 제어 알고리즘을 이 진동수에 맞추어 설계하고 디지털 형태로 변환해 제어기에 설치하였다. 디지털 형태로 설치된 PPF 제어 알고리즘의 구동 여부를 확인하기 위해 제어 알고리즘 구현 시스템의 A/D 입력단에 28.
- 이 연구에서 개발한 제어 알고리즘 구현시스템과 고전압 파워 앰프의 효용성을 검증하기 위해 Fig. 14와 같이 압전 감지기와 압전 작동기가 부착된 복합재 외팔보를 제어기와 고전압 파워 앰프에 연결하였다.
- 변압기를 선택할 때는 전력 여유분을 충분히 고려해야 한다. 이 연구에서 고려한 변압기는 먼저 220 VAC 입력 전압을 두 개의 110 VAC전압으로 변환한다.
- 그러나 이 DSP 모듈만으로 A/D, D/A를 이용한 디지털 제어알고리즘 구현 시스템을 구성할 수 없기 때문에 추가적인 전자 회로가 필요하다. 이 연구에서는 Fig. 7과 같이 DSP 모듈에 A/D입력단, D/A 출력단, 그리고 LCD, 7-Segment, LED, Key를 추가해 제어 알고리즘 구현 시스템을 구성하였다.
- 그러나 이 장비가 고가이기 때문에 실용성을 위한 저가의 제어기 개발이 반드시 필요하다. 이를 위해 이 연구에서는 RealSYS사(20)의 DSP2812EZ모듈을 이용해 저가의 제어알고리즘 구현 시스템을 개발하였다. DSP2812EZ모듈은 TI사의 고속 DSP TMS320F2812을 사용하며 150MIPS의 처리 속도를 가진다.
- 또한 실드선을 사용하여 선에서 선으로 또는 선에서 회로로 전기잡음이 전달되지 않도록 하였다. 이와 같이 제작된 고전압 파워 앰프의 출력 특성을 조사하기 위해 이득이 약 80인 경우에 대해 입력 신호와 증폭된 출력 신호간의 주파수 전달함수를 HP Signal Analyzer, HP 35620A를 이용해 계측하였다. Fig.
- 실제 회로에는 이론에서 예상할 수 없는 전기잡음이 발생하는데 이 역시 양단 출력 회로로 인하여 잡음이 상쇄될 수 있을 것으로 예상되었다. 전기잡음을 확실하게 줄이기 위하여 전자 회로를 Fig. 5와 같이 PCB에 구현하고 PCB의 전면에는 접지를 만들어 주었다. 파워 앰프의 이득 조절을 위해 가변 저항을 사용하였는데 가변 저항의 경우에도 PCB기판에 같이 배치해주는 것이 좋으나 전기 부품의 배치와 배선이 복잡해져서 선으로 연결하기 편한 터미널박스로 대체하였다.
- 5와 같이 PCB에 구현하고 PCB의 전면에는 접지를 만들어 주었다. 파워 앰프의 이득 조절을 위해 가변 저항을 사용하였는데 가변 저항의 경우에도 PCB기판에 같이 배치해주는 것이 좋으나 전기 부품의 배치와 배선이 복잡해져서 선으로 연결하기 편한 터미널박스로 대체하였다.
대상 데이터
- DSP2812EZ모듈은 TI사의 고속 DSP TMS320F2812을 사용하며 150MIPS의 처리 속도를 가진다. 그리고 256K*16의 고속 SRAM(K6R4016V1D)을 사용한다. 또한 16채널의 A/D변환기와 JTAG, RS232, CAN 통신 등의 기능이 기본적으로 포함되어 있고 RealDSP-UT 기능이 있어 쉽게 프로그램을 다운로드 할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
- 따라서 이 연구에서는 아날로그 증폭 회로를 고려하였다. 이 연구에서 개발한 아날로그 고전압 파워 앰프 회로는 앰프 구동을 위한 전원장치와 증폭 회로부로 구성되어 있다.
- 이 연구에서 개발한 증폭 회로는 신호가 증폭기를 통과하면서 발생하는 옵셋전압과 전기잡음에 약한 PA241 칩의 특성을 보안하기 위하여 Fig. 4와 같은 2개의 고전압 증폭 앰프를 사용한 브릿지 회로로 구성되어 있다. 이와 같은 브리지 회로를 사용하는 경우 최고 ±300 V, 즉 최대 600 Vpp까지 신호를 증폭할 수 있다.
- 이 연구에서 사용한 압전 감지기는 시중에서 쉽게 구할 수 있는 원판 형태의 압전 세라믹 판을 사용하였으며 압전 작동기로는 PI사(21)에서 개발한 압전 작동기인 DuraAct P-876을 사용하였다.
- 이 연구에서는 고전압 파워 앰프로 Cirrus사(19)의 PA241CE 칩을 사용하였다. 이 고전압 OP 앰프 칩은 압전 작동기의 구동을 위해 사용되는 칩 중의 하나이다.
- 고전압 파워 앰프의 경우 당연히 전원으로 고전압 전원이 필요하다. 이 연구의 초기에는 비교적 크기가 작고 무게가 가벼운 SPMS(switched-mode power supply)를 전원장치로 사용하였다(18). 그러나 전원 장치의 스위칭 주파수로 인한 전기 잡음으로 인하여 고전압 파워 앰프의 전원 장치로는 부적절함이 발견되었다.
이론/모형
- 이와 같은 복합재 보의 능동진동제어를 위해 PPF (positive position feedback) 제어 알고리즘(17)을 고려하였다. PPF 제어 알고리즘은 식 (1)과 같은 전달 함수로 표현된다(17).
성능/효과
- (1) 압전 작동기의 구동을 위해 이 연구에서 개발한 저가의 고전압 파워 앰프가 적합하다. 다만, 전원 잡음을 더 줄일 수 있는 방안이 차후 모색되어야 한다.
- (2) 압전 감지기와 압전 작동기를 부착한 지능구조물에 적용할 제어 알고리즘의 실제 구현을 위해 저가의 제어 알고리즘 구현 시스템이 유효함을 실험을 통해 입증하였다.
- (3) 이 연구에서 설계 제작한 고전압 파워 앰프와 제어 알고리즘 구현 시스템이 지능구조물의 능동진동제어에 적용 가능함을 입증하였다.
- 75 Hz)에서 입력신호와 출력신호간 90˚의 위상차가 발생함을 보여준다. 따라서, 이 연구에서 개발한 제어 알고리즘 구현 시스템이 올바르게 작동하고 있는 것을 확인할 수 있다.
- 그러나 PWM 방식의 증폭이 스위치 On-Off 방식이어서 고전압을 필요로 하는 압전 세라믹 구동과 높은 진동수의 모드에 대해서는 적합하지 않음이 실험을 통해 관찰되었다. 또한 PWM 구동으로 인한 전기적인 잡음이 압전 세라믹 작동기에 소음을 유발하는 것이 관찰되었다. 따라서 이 연구에서는 아날로그 증폭 회로를 고려하였다.
- 또한 제작된 제어알고리즘 구현 시스템과 고전압 파워 앰프의 성능 및 안정성 검증을 위하여 압전 감지기와 작동기가 부착된 외팔보에 대한 능동진동제어 실험을 수행하였다. 실험 결과는 개발된 제어알고리즘 구현 시스템과 고전압 파워 앰프가 지능구조물의 능동진동제어에 적합함을 보여주었다. 이 연구에서 제안한 시스템을 이용하면 압전 재료를 이용한 지능구조물에 대한 연구를 저비용으로 수행할 수 있을 것으로 예상된다.
- 여기서 파워 앰프의 이득은 20으로 설정하였다. 실험결과는 이 연구에서 개발한 제어 알고리즘 구현 시스템과 고전압 파워 앰프가 유효함을 보여준다.
- 최종적으로 제작된 제어 알고리즘 구현 시스템은 약 100만원 정도의 가격으로 개발되었다. 이는 시중에서 판매되고 있는 상용제품인 dSpace사(15)의 제품과 비교했을 경우 1/10정도 가격이다.
후속연구
- (1) 압전 작동기의 구동을 위해 이 연구에서 개발한 저가의 고전압 파워 앰프가 적합하다. 다만, 전원 잡음을 더 줄일 수 있는 방안이 차후 모색되어야 한다.
- 이는 시중에서 판매되고 있는 상용제품인 dSpace사(15)의 제품과 비교했을 경우 1/10정도 가격이다. 따라서 이 연구에서 개발한 제어 알고리즘 구현 시스템과 고전압 파워 앰프를 이용하면 압전 재료를 사용한 능동진동제어 연구를 보다 저 비용으로 수행할 수 있을 것으로 예상된다.
- 실험 결과는 개발된 제어알고리즘 구현 시스템과 고전압 파워 앰프가 지능구조물의 능동진동제어에 적합함을 보여주었다. 이 연구에서 제안한 시스템을 이용하면 압전 재료를 이용한 지능구조물에 대한 연구를 저비용으로 수행할 수 있을 것으로 예상된다.
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