[논문]위상각 제어에 의한 DALI 프로토콜 기반의 LED조명 제어방법

최영민; 박준석; 박종연

doi:10.5207/jieie.2012.26.6.073

위상각 제어에 의한 DALI 프로토콜 기반의 LED조명 제어방법
The LED Lighting Control Method Base on DALI Protocol by the Phase Angle Control 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.26 no.6, 2012년, pp.73 - 80

최영민 (강원대학교 대학원 전기공학과) , 박준석 (강원대학교 대학원 전기공학과) , 박종연 (강원대학교 전기전자전공)

Abstract ▼ AI-Helper

Generally, the phase control dimmer has been widely used due to simple interface and easy handling. However, the electrical characteristics are not good for the method in which the phase control dimmer cuts the input voltage. This paper has researched about DALI(Digital Addressable Lighting Interface) controller, that is the digital lighting control method, and implemented DALI protocol satisfied with the IEC-62386 standard. In addition, the existing phase control dimmer was used as the controller of DALI and not only individual control but also group control was possible. And the performance was proved to be good by applying our theory to 30[W] LED lighting control system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 Atmega8을 이용하여 IEC-62386 표준에 만족하는 DALI 프로토콜을 구현하였고 DALI를 제어하기 위한 컨트롤러로 기존의 위상각 디머와 스위치를 이용하여 조명들을 개별 및 그룹제어는 물론 동시에 디밍도 가능하도록 하였다. 또한 디밍시 기존의 위상각 디머가 갖는 전기적 특성을 개선하기 위해 위상각 디머를 전력공급을 제어하기 위한 용도가 아닌 디밍제어 신호를 발생하기 위한 용도로 사용하여 위상 제어 신호에 따라 driver ic의 스위칭 주파수가 가변되도록 하였다.
본 논문에서는 DALI 프로토콜을 이용하여 어드레스 설정에 따라 그룹/개별 제어는 물론 기존 위상각 디머를 사용하여 전기적 특성이 개선된 형태의 디밍 시스템을 제안했다.
본 논문에서는 DALI표준에 대해 검토하고 Atmega8을 이용하여 IEC-62386에 만족하는 DALI 프로토콜을 구현하였다. 또한 이를 제어하기 위한 컨트롤러로 기존에 사용하고 있는 위상각 디머를 이용하여 LED 조명을 개별/그룹제어 하였으며, 위상각 디머가 갖는 전기적 특성을 개선하기 위해 위상각 신호를 제어 신호용으로만 사용하여 30[W] LED조명에 적용하여 성능을 입증하였다.

제안 방법

그림 18, 19는 제안된 시스템을 제작한 시제품을나타내었다. DALI master에 부착된 스위치들은 주소 / 명령 값 할당이 가능하며, 세그먼트는 주소 / 명령 값을 각각 16진수의 값으로 확인하기 위해서 구성하였다.
그림 17은 30[W]급 LED 조명과 백열등의 디밍시 전기적 특성을 나타내었다. LED 조명의 경우 위에서 제시한 주파수 가변 방법과 위상각 디머를 이용한 방법으로 백열등과 동일하게 디밍을 하였다. 그 결과 정출력을 할 때에는 완전한 저항으로 등가 되는 백열등이 THD(Total Harmonic Distortion)나 PF(Power Factor)측면에서 제안된 방법보다 우수한 특성을 갖는 것을 확인하였지만 디밍을 할 경우 약 85[%] 이하의 출력에서 제안된 방법이 입력전압을 자르는 위상각 디머의 디밍 방법보다 전기적으로 특성이 더 우수하다는 것을 확인했다.
이로 인해 전기적 특성이 낮아지는 단점이 있었다. 그러나 제안된 시스템은 위상각 디머를 전력공급 조절용이 아닌 제어 신호 발생용으로 사용하여 이 신호에 따라 driver ic의 스위칭 주파수를 가변함으로써 디밍을 가능하도록 하였다. 그 결과 디밍시 전기적 특성이기존 방식에 비해 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
그림 9는 디밍 신호인 MCU의 PWM 신호를 DC 레벨의 신호로 변환 해주는 회로를 나타내었으며 이 회로의 Vref 전압이 출력전류의 제한 값을 나타내므로 이득이 1인 감산기를 이용하여 디밍 제어 신호(=V_Dim)가 제한 전류 범위 내에서 출력 되도록 설계하였다.
디밍 원리는 V_Dim의 전압을 가변하여 driver ic의 스위칭 주파수를 제어하도록 하였으며 스위칭 주파수가 가변되면 트랜스포머의 임피던스가 조절되어 부하 측에 흐르는 전류가 제한되는 원리를 이용하였다.
그 결과 디밍시 전기적 특성이기존 방식에 비해 우수한 결과를 얻을 수 있었다. 또한 DALI 프로토콜을 적용함으로써 기존의 개별 제어뿐만 아니라 어드레스 설정에 따라 그룹제어도 가능 하도록 하였다. 이를 이용하면 DALI 프로토콜이 적용된 타회사의 DALI 제품과 같이 사용할 수 있으며 DALI master를 BMS에 연동시켜 조명 제어 서버에서원격으로도 조절이 가능한 장점이 있다.
본 논문에서는 Atmega8을 이용하여 IEC-62386 표준에 만족하는 DALI 프로토콜을 구현하였고 DALI를 제어하기 위한 컨트롤러로 기존의 위상각 디머와 스위치를 이용하여 조명들을 개별 및 그룹제어는 물론 동시에 디밍도 가능하도록 하였다. 또한 디밍시 기존의 위상각 디머가 갖는 전기적 특성을 개선하기 위해 위상각 디머를 전력공급을 제어하기 위한 용도가 아닌 디밍제어 신호를 발생하기 위한 용도로 사용하여 위상 제어 신호에 따라 driver ic의 스위칭 주파수가 가변되도록 하였다. 그 결과 85[%] 이하로 디밍할 경우 기존의 위상각 디머의 디밍 방법보다 전기적으로 우수하다는 것을 확인하였으며 비교대상이 완전한 저항으로 등가되는 백열등이라는 점을 고려해 볼 때 제안된 시스템이 합당하다는 것을 입증하였다.
본 논문에서는 DALI표준에 대해 검토하고 Atmega8을 이용하여 IEC-62386에 만족하는 DALI 프로토콜을 구현하였다. 또한 이를 제어하기 위한 컨트롤러로 기존에 사용하고 있는 위상각 디머를 이용하여 LED 조명을 개별/그룹제어 하였으며, 위상각 디머가 갖는 전기적 특성을 개선하기 위해 위상각 신호를 제어 신호용으로만 사용하여 30[W] LED조명에 적용하여 성능을 입증하였다.
그림 16은 그림 15의 확대 파형으로 DALI-bus의 데이터 프레임을 보였다. 측정된 데이터 프레임의 구성은 표 1을 참고하여 broadcast address와 direct arc commend를 나타내는 0xFE로 선택함으로써 모든 slave를 그룹제어 하였다. 또한 커맨드는 위상각 센싱값에 의해 0xE8로 할당되었으며 그림 5를 참고하여 logarithmic dimming curve에 적용했을 때 약 50[%] 로 디밍을 하도록 명령하고 있다.

대상 데이터

본 논문은 DALI 프로토콜을 구현하기 위해 8비트의 MCU Atmega8을 사용하였다. 보통 DMX512와 같은 조명 제어 프로토콜의 경우 MCU에서 제공하는 UART 기능을 사용하면 간단하게 구현이 가능하다.

성능/효과

또한 디밍시 기존의 위상각 디머가 갖는 전기적 특성을 개선하기 위해 위상각 디머를 전력공급을 제어하기 위한 용도가 아닌 디밍제어 신호를 발생하기 위한 용도로 사용하여 위상 제어 신호에 따라 driver ic의 스위칭 주파수가 가변되도록 하였다. 그 결과 85[%] 이하로 디밍할 경우 기존의 위상각 디머의 디밍 방법보다 전기적으로 우수하다는 것을 확인하였으며 비교대상이 완전한 저항으로 등가되는 백열등이라는 점을 고려해 볼 때 제안된 시스템이 합당하다는 것을 입증하였다.
그러나 제안된 시스템은 위상각 디머를 전력공급 조절용이 아닌 제어 신호 발생용으로 사용하여 이 신호에 따라 driver ic의 스위칭 주파수를 가변함으로써 디밍을 가능하도록 하였다. 그 결과 디밍시 전기적 특성이기존 방식에 비해 우수한 결과를 얻을 수 있었다. 또한 DALI 프로토콜을 적용함으로써 기존의 개별 제어뿐만 아니라 어드레스 설정에 따라 그룹제어도 가능 하도록 하였다.
LED 조명의 경우 위에서 제시한 주파수 가변 방법과 위상각 디머를 이용한 방법으로 백열등과 동일하게 디밍을 하였다. 그 결과 정출력을 할 때에는 완전한 저항으로 등가 되는 백열등이 THD(Total Harmonic Distortion)나 PF(Power Factor)측면에서 제안된 방법보다 우수한 특성을 갖는 것을 확인하였지만 디밍을 할 경우 약 85[%] 이하의 출력에서 제안된 방법이 입력전압을 자르는 위상각 디머의 디밍 방법보다 전기적으로 특성이 더 우수하다는 것을 확인했다.
이 신호는 MCU(Micro Controller Unit)에 의해 위상각을 판별하고 수치에 따라 MCU에 입력된 logarithmic dimming curve를 적용하여 DALI-bus로 디밍 신호를 송신하도록 되어 있다. 따라서 fade효과를 갖는 디밍이 가능하고 외부의 어드레스 스위치를 이용하여 개별/그룹제어가 가능할 뿐만 아니라 THD나 PF측면에서도 기존 방식에 비해 우수하다.
그림 13은 MCU의 timer/counter와 input capture 기능을 이용하여 DALI프로토콜을 구현하고 forward frame에 임의의 값을 넣어 측정한 파형을 나타내었다. 측정된 파형의 time division은 2[ms]이며, 그림 2와 그림 3에 제시된 규약의 내용대로 forward frame의데이터 전송시간인 15.83[m sec](= 38 TE * 416u)와 데이터의 레벨이 규약에 만족하는 것을 확인 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DALI란?	따라서 IEC(International Electro-technical Commission)에서는 이러한 요구사항을 충족시키기 위해 DALI(Digital Addressable Lighting Interface)라는 명칭으로 표준을 만들었다. DALI는 두 라인의 통신 선로에 디지털 제어 신호를 전송하여 조명을 제어할 수 있는 조명제어 프로토콜이다. 현재 표준으로는 “IEC-62386”로 고시되어 있으며 유럽에서는 BMS(Building Management Systems)에 DALI 프로토콜을 연동하여 사용하고 있다[2-3].
	DALI 규약에서 stop bit를 제외한 데이터의 start bit와 information bit를 맨체스터 코딩을 하도록 명시하고 있는데 여기서 맨체스터 코딩이란?	DALI 규약에서 stop bit를 제외한 데이터의 start bit와 information bit를 맨체스터 코딩을 하도록 명시하고 있다. 맨체스터 코딩은 ‘1’이라는 데이터를 ‘01’로 ‘0’이라는 데이터를 ‘10’으로 비트를 늘리는 변조방식을 말한다. 따라서 원 신호는 1,200[bit/s]이지만 맨체스터 앤코딩을 하면 2,400[bit/s]로 통신을 해야 한다.
	위상각 디머로 LED 컨버터와 같은 비선형 소자가 들어간 부하를 구동할 경우 낮은 도통 각에서 LED가 깜빡이는 현상이 발생하는 이유는?	그러나 실내조명에서는 아직까지 백열등이 많은 비중을 차지하고 있으며, 이를 제어하기 위해 위상각 디머가 사용되고 있다. 따라서 LED 조명을 위상각 디머에 부착하여 디밍하는 기술 또한 요청되고 있지만 위상각 디머는 백열전구와 같은 저항성 부하에 대해서만 선형적인 조광제어가 가능하기 때문에 LED 컨버터와 같은 비선형 소자가 들어간 부하를 구동할 경우 낮은 도통 각에서 LED 가 깜빡이는 현상이 발생된다. 따라서 damper와 bleeder회로를 추가하여 보상을 해주어야 한다.

참고문헌 (8)

Yuejun Zhang, Ping Zhou and Mingguang Wu, "Research on DALI and Development of Master-Slave module," Networking, Sensing and Control, 2006. ICNSC '06. Proceedings of the 2006 IEEE International Conference, pp. 1106- 1110, 23-25 April 2006.
DALI Manual, DALI AG of ZVEI, Division Luminaires, 2001.
Dali-ag, "DALI user organization", http:// www.dali-ag.org/
Hein, P.F, "DALI-a digital addressable lighting interface for lighting electronics," 2001 Thirty-Sixth IAS Annual Meeting, Conference Record of the 2001 IEEE. vol. 2, pp. 901-905, 30 September-4 October 2001.
C. Contenti, "Digitally addressable DALI dimming ballast," Seventeenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, Vol. 2, 10-14 March 2002, pp. 936-942.
Huadong Li, Mingguang Wu, Yufang Zhong, "Development and Research of Lighting System Based on DALI," IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, ICIEA 2008, pp. 1302-1307, June 2008.
Wei Wu, Mingguang Wu and Yanpeng Liu, "A Design of Embedded DALI Controller," Industrial Informatics, 2006 IEEE International Conference, pp. 1237 -1240, August 2006.
MC68HC908KX8, MC68HC908KX2 HCMOS Microcontroller Unit Technical Data, Motorola order number MC68HC908KX8/D.

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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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