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문제 정의
- 이를 바탕으로 제 Ⅳ장에서는 하드웨어 제어에 대한 소프트웨어 프로그램 구성과 온도제어 알고리즘 구현에 대한 실험 및 결과에 대해서 기술한다. 마지막으로 제 Ⅴ장에서는 본 논문의 결론을 제시하고자 한다.
- 이러한 비선형성을 보완하기 위해서는 하드웨어적 방법으로 선형화 회로를 추가하는 방법과 소프트웨어 프로그램 방법으로 아날로그/디지털 변환 후 전압 값에 대한 온도테이블을 만들어 사용하는 방법이 있다. 본 논문에서는 비용절약 및 하드웨어의 회로를 간략화하기 위해 전압 값에 대한 온도 데이터 테이블을 만들어 프로그램에서 처리하여 구현하였다.
- 본 논문에서는 온도 제어보드 개발과 온도센서를 통한 온도 데이터 획득 알고리즘과 이를 통한 발열체 구동 드라이버 회로의 PWM 제어 등 온열제어 시스템 전반에 걸쳐서 연구하고 구현하였으며 하드웨어 회로 설계와 제어 프로그램을 개발하였다.
- 본 논문에서는 온도센서 인터페이스는 비선형적인 변화와 측정오차를 고려하여 그림 2의 회로를 보완하여 서미스터와 병렬로 저항을 삽입하여 비직선 일그러짐을 개선할 수 있도록 하는 하드웨어적인 선형화 회로를 추가하여 최대한 비선형화 오차를 줄이도록 하였다. [4-5]
- 본 논문에서는 온열요법에 의한 건강관리에 있어 개인용 온열치료기의 온도제어를 위해 PWM제어 알고리즘을 통해 제어 시스템을 설계하였다.
- 본 논문은 온열치료기의 새로운 온도 제어 시스템 구현에 관한 논문이며 하드웨어 회로설계, 프로그램 개발 및 온도제어 알고리즘 구현방법에 대한 내용을 포함하고 있다
제안 방법
- PWM 펄스폭 제어량 산출 방법은 현재온도와 설정 온도를 비교하여서 현재온도가 설정온도보다 큰 지, 작은지, 같은지를 판단한 후 현재온도와 설정온도를 감산 연산 후 그 결과값을 가지고 PWM 제어 스텝을결정하였다.
- 구동 드라이버 회로는 12[V]/10[W] 램프를 PWM 신호에 따라 스위칭하며 설정온도와 현재온도를 CPU 프로그램에 의해서 비교연산 한다. PWM 타이머 값을 변경함으로서 출력 펄스폭에 따라 On/Off 타임을 조절하여 치료기의 온열온도가 설정온도를 유지시켜주는 최종 출력 회로가 메인 주도자 및 보조도자에 공통으로 사용하는 회로이다.
- 그림 9 의 제어계 아날로그 등가회로에서 볼 수 있듯이 본 논문에서도 온도신호를 매개체로 하여 구동드라이버 회로의 램프 부하를 제어하는 순환구조의 피드백제어 형태의 closed-loop 방식으로 제어 알고리즘을 전개하였다. 그 역할을 OP-AMP가 아닌 마이크 로프로세서에서 담당하였다.
- 이에 본 논문에서는 개인용 건강증진 및 관리기로 시중에 널리 사용되는 식약청 의료기기 허가 품목인 개인용 조합 자극기를 사용하여 온열치료기의 온열제어 알고리즘 구현및 제어보드 구성과 하드웨어 및 소프트웨어 개발까지 폭넓게 연구하여 온도제어 허용오차 ±1℃ 범위까지 구현하였다. 기존 제어 방법이나 알고리즘에서 탈피하여 하드웨어 회로를 간략화 하여 최소한의 회로로 구현했으며 온도센서 신호를 마이크로프로세서에 의한 아날로그/디지털 변환 후 전압 데이터를 온도 테이블을 거쳐 온도 데이터로 변환하여 현재온도와 설정온도를 비교 연산하여 단위시간당 램프의 동작 시간을 조절함으로서 현재온도가 설정온도를 유지할수 있도록 하는 PWM제어 방식의 피드백 제어를 행하였고 소프트웨어 알고리즘을 구현하였다. 이를 통해 의료기기인 온열치료기에 온열요법에 의한 온열 마사지 및 지압기능, 온열에 의한 온열 뜸 기능, 구간 마사지기능, 특정 포인트의 온열 마사지 및 지압 뜸기능을 적용하였다.
- 또한 국내시험기관인 “전기전자시험연구원” 의료기기 심사 및 성능 실험팀을 통한 온도 측정 및 Test실험을 하여 제 3자 테스트를 통해 유효성 확인 및 성능, 안전성 검증을 하였다.
- 본 논문 에서는 이 부분을 마이크로프로세서에 내장된 멀티플렉서를 통한 아날로그/디지털 컨버터로 대체하였다.또한 온도설정부의 가변저항(VR) 입력을 키 입력으로 설정할 수 있도록 했고, 센서용 신호는 전류 제한 저항 대신에 온도 센서를 센서 신호로 이용하였으며, 오차증폭기 대신 마이크로프로세서를 사용하여 제어 하였다. 그림 10 에 온도제어 신호 계통도를, 그림 11에 제어신호 전달함수 블록선도를 나타낸다.
- 그림 9는 OP-AMP를 사용한 전형적인 피드백 제어 방식의 정전류 구동 회로로서 비교제어기로 오차증폭기를 사용하였다. 또한공통 노이즈 제거를 위해 차등 증폭기의 감산 회로를 사용하여 동산신호(CMRR; Common Mode Rejection Ratio)노이즈를 제거하는 회로를 구성하였다. 본 논문 에서는 이 부분을 마이크로프로세서에 내장된 멀티플렉서를 통한 아날로그/디지털 컨버터로 대체하였다.
- 또한공통 노이즈 제거를 위해 차등 증폭기의 감산 회로를 사용하여 동산신호(CMRR; Common Mode Rejection Ratio)노이즈를 제거하는 회로를 구성하였다. 본 논문 에서는 이 부분을 마이크로프로세서에 내장된 멀티플렉서를 통한 아날로그/디지털 컨버터로 대체하였다.또한 온도설정부의 가변저항(VR) 입력을 키 입력으로 설정할 수 있도록 했고, 센서용 신호는 전류 제한 저항 대신에 온도 센서를 센서 신호로 이용하였으며, 오차증폭기 대신 마이크로프로세서를 사용하여 제어 하였다.
- 본 논문에 사용된 온열치료기는 동양의학에 기초를 두고 있으며 이를 현대 감각에 맞게 재구성하여 제어 공학 기술을 적용하여 구현하였다. 이는 전신마사지 기능과 지압기능, 온열작용에 의한 “뜸”기능 구현, 경락과 경혈점 위치제어 및 마사지 지압기능, 구간마사지 기능, 수동마사지 및 지압기능, 상․하체부 연결연속 동작기능, 하체부 마사지 및 지압기능, 6종류의 자동프로그램 모드와 수동 프로그램 모드 내장, 복부마사지 기능, 지압 및 마사지 전용 프로그램 모드와상․하체부 온도 조절 및 표시기능, 자동 이동속도가변기능, 타이머 제어 기능 등을 내장하고 있다.
- 본 논문에서 사용한 온도센서는 산업용 및 제어용 기기로서 일반적으로 많이 사용하고 있는 NTC 타입의 서미스터 RT50K[Ω] (@25℃)을 사용하여 온열치료기의 온도제어 시스템을 구현하였다.
- 증폭한 차가 온도 값이며 결국 온도 값은 휘스톤 브리지의 저항 차이 값이다. 본 논문에서는 그림 3 의 연산증폭기 대신에 마이크로프로세서와 아날로그/디지털 컨버터를 사용하여 하드웨어와 소프트웨어 프로그램 조합으로 이를 구현하여 조금 더 유연하고 효율적이며 정확한 온도제어 시스템을 설계하였다.
- 본 논문에서는 타이머2 8비트 1채널과 타이머1 0CIA, 0CIB PWM 출력의 10비트 2채널을 사용했고 타이머0 PWM 출력의 OC0 8비트 PWM 채널은 사용하지 않았다. 이는 타이머 0은 시스템 내부 타이머로 사용되어 온도 표시 장치의 스캔 펄스 출력 신호나 내부 시계용 타이머로 사용되기 때문이다.
- 본 논문에서는 현재 온도가 설정온도 보다 +1℃ 이상 초과할 때 발열체 구동 드라이버 회로의 동작을 OFF 함으로서 구현하였고 이는 PWM 제어를 OFF 하는 것과 같다. 현재온도가 설정온도와 같으면 최소 PWM 출력으로 펄스폭을 최소로 하고 현재온도가 설정온도보다 낮으면 PWM 출력을 감산 연산 결과에 따라 PWM 펄스폭의 동작시간을 제어 하였다.
- 본 논문에서는 현재온도가 설정온도보다 작을시 감산 연산 후 그 결과가 4℃ 이하면 1℃ 단위로 4단계 스텝으로 PWM 제어를 수행 하였으며 결과치가 4℃ 이상이면 PWM 제어를 하지 않고 PWM 펄스폭을 최대폭으로 출력하여 발열체 구동 드라이버 회로를 제어하였다.
- 아날로그 방식에는 수동소자를 사용한 방식과 능동 소자(Op-Amp)를 사용한 방식으로 나눌 수 있으며, 디지털 방식은 아날로그/디지털 컨버터와 마이크로프로세서의 조합에 의해서 프로그램에서 연산에 의해 보정하는 것으로 본 논문에서는 후자를 사용하여 구현하였다. [4-8]
- 온도 데이터 테이블은 신뢰성 및 정확도를 높이기위해 공인 검교정기관의 검교정용 표준장비를 이용하여 같은 조건하에서 온도 데이터를 비교 측정하여 온도 데이터 테이블을 추출하였으며 이를 마이크로 프로세서 제어 프로그램에서 비교 연산를 통해 온도 데이터를 획득하였다.
- 온도 데이터 획득은 온도 출력신호를 8비트 마이크로 프로세서인 ATmega16을 사용하여 아날로그/디지털 변환돤 전압 데이터를 얻은 다음 이를 온도 테이블을 거쳐 보정 후 정확한 온도 데이터를 얻을 수 있도록 구현하였다.
- 온도신호는 2초 트리거 신호와 동기하여 트리거 주기대로 온도 데이터를 읽어 아날로그/디지털 변환하였다. 온도가 흔들리는 것과 노이즈를 제거하기 위해서 16번을 읽어서 평균을 냈고 온도의 정확도를 높이기 위해 각 도자의 탑재된 센서의 수에 따라 평균을 또 내어 온도 데이터를 전압으로 취하였다.
- 온도신호는 2초 트리거 신호와 동기하여 트리거 주기대로 온도 데이터를 읽어 아날로그/디지털 변환하였다. 온도가 흔들리는 것과 노이즈를 제거하기 위해서 16번을 읽어서 평균을 냈고 온도의 정확도를 높이기 위해 각 도자의 탑재된 센서의 수에 따라 평균을 또 내어 온도 데이터를 전압으로 취하였다.
- 아날로그 부는 센서, 입력저항 분압회로, 발열체, 램프 구동회로로 구성되어 있고, 디지털부는 아날로그/디지털 콘버터가 내장된 CPU와 온도표 시부, 키 입력 회로로 구성되어 있다. 이들을 이용하여 온도센서 신호를 아날로그/디지털 변환 후 소프트웨어 프로그램으로 처리하였다.
- 기존 제어 방법이나 알고리즘에서 탈피하여 하드웨어 회로를 간략화 하여 최소한의 회로로 구현했으며 온도센서 신호를 마이크로프로세서에 의한 아날로그/디지털 변환 후 전압 데이터를 온도 테이블을 거쳐 온도 데이터로 변환하여 현재온도와 설정온도를 비교 연산하여 단위시간당 램프의 동작 시간을 조절함으로서 현재온도가 설정온도를 유지할수 있도록 하는 PWM제어 방식의 피드백 제어를 행하였고 소프트웨어 알고리즘을 구현하였다. 이를 통해 의료기기인 온열치료기에 온열요법에 의한 온열 마사지 및 지압기능, 온열에 의한 온열 뜸 기능, 구간 마사지기능, 특정 포인트의 온열 마사지 및 지압 뜸기능을 적용하였다.
- 이에 본 논문에서는 개인용 건강증진 및 관리기로 시중에 널리 사용되는 식약청 의료기기 허가 품목인 개인용 조합 자극기를 사용하여 온열치료기의 온열제어 알고리즘 구현및 제어보드 구성과 하드웨어 및 소프트웨어 개발까지 폭넓게 연구하여 온도제어 허용오차 ±1℃ 범위까지 구현하였다.
- 제어 알고리즘은 PWM 모드로 설정하고 온도센서로부터 얻은 온도 데이터를 가지고 현재온도와 비교하는 방식을 취하여 제어하였다. 즉 현재온도와 설정 온도를 비교하여 현재온도가 설정온도 보다 낮으면 PWM 펄스폭을 크게 하여 동작 시간을 길게 하였으며, 현재온도가 설정온도에 가까워질수록 PWM 출력 파형의 동작 시간을 줄여가면서 PWM 제어를 하였다.
- 비례제어(P 제어)는 제어편차를 0으로 하기 위한 가장 기본적인 귀한 제어계에 이용된다. 즉 제어 편차에 비례 이득을 곱하여 조작량을 결정하는 것으로 본논문에서는 현재온도가 설정온도보다 같거나 낮을 경우에 적용했으며 PWM 펄스폭을 조절하여 발열체 구동회로의 동작 시간을 조절하여 구현했다.
- 제어 알고리즘은 PWM 모드로 설정하고 온도센서로부터 얻은 온도 데이터를 가지고 현재온도와 비교하는 방식을 취하여 제어하였다. 즉 현재온도와 설정 온도를 비교하여 현재온도가 설정온도 보다 낮으면 PWM 펄스폭을 크게 하여 동작 시간을 길게 하였으며, 현재온도가 설정온도에 가까워질수록 PWM 출력 파형의 동작 시간을 줄여가면서 PWM 제어를 하였다. 현재온도와 설정온도가 같으면 PWM 펄스폭을 최소로 하여 현재온도를 유지할 수 있도록 하였고 현재온도가 설정온도보다 높으면 PWM 출력을 정지 시켜서 발열체를 냉각시켰다.
- PWM 타이머 값을 변경함으로서 출력 펄스폭에 따라 On/Off 타임을 조절하여 치료기의 온열온도가 설정온도를 유지시켜주는 최종 출력 회로가 메인 주도자 및 보조도자에 공통으로 사용하는 회로이다. 커넥터 신호 또한 모든도자에 공통으로 사용하여 각 도자 간 호환성을 유지할 수 있도록 설계하였다. 그림 12에 센서 인터페이스 회로의 출력 중 온도-저항 곡선을, 그림 13에 전압-온도 곡선을, 그림 14 에 전압-저항 곡선을, 그림 15에 발열체 구동 드라이브 회로를 나타낸다.
- 본 논문에서는 현재 온도가 설정온도 보다 +1℃ 이상 초과할 때 발열체 구동 드라이버 회로의 동작을 OFF 함으로서 구현하였고 이는 PWM 제어를 OFF 하는 것과 같다. 현재온도가 설정온도와 같으면 최소 PWM 출력으로 펄스폭을 최소로 하고 현재온도가 설정온도보다 낮으면 PWM 출력을 감산 연산 결과에 따라 PWM 펄스폭의 동작시간을 제어 하였다.
- 즉 현재온도와 설정 온도를 비교하여 현재온도가 설정온도 보다 낮으면 PWM 펄스폭을 크게 하여 동작 시간을 길게 하였으며, 현재온도가 설정온도에 가까워질수록 PWM 출력 파형의 동작 시간을 줄여가면서 PWM 제어를 하였다. 현재온도와 설정온도가 같으면 PWM 펄스폭을 최소로 하여 현재온도를 유지할 수 있도록 하였고 현재온도가 설정온도보다 높으면 PWM 출력을 정지 시켜서 발열체를 냉각시켰다.
대상 데이터
- 본 논문에 필요한 온도제어 부분은 40-70℃이며 아날로그 전압을 변환 후에 소프트웨어적으로 온도 데이터 테이블을 거쳐 온도 데이터를 획득하게 된다.
- 본 논문의 온도제어에 사용한 마이크로프로세서는 ATmel사의 AVR시리즈인 ATmega16을 사용했다.AVR 시리즈는 ISP(In-System Programmable)기능이 내장되어 있어 별도의 개발 장비가 없어도 프로그램 개발이 가능한 8비트 RISC CPU 이다.
- 치료기의 온열 제어 대상에는 보조도자인 15구 및 7구, 2구도자와 상, 하부 주도자인 10구도자가 있다.
이론/모형
- 즉 설정온도와 입력온도를ㄴ 비교 연산하여 온도제어 신호를 PWM 출력으로 듀티비를 변경하면서 발열체 램프의 구동회로를 제어함으로서 안정된 온도제어를 구현할 수 있었다. 온도센서의 신호(피드백 신호)에 의해 제어하는 크루즈루프(Closed-loop) 방식을 채택했으며 피드백 제어 알고리즘은 소프트웨어 프로그램으로 구현하였다.
성능/효과
- 본 논문에서는 설정온도를 항상 유지할 수 있도록 실시간 제어와 4단계 PWM 제어 스텝으로 프로그 램하여 설정온도를 유지할 수 있도록 하였으며 ±1% 의 온도제어 오차율을 보였다.
- 온도센서의 입력 데이터와 설정온도와의 비교 및 제어에 의해서 PWM 펄스폭의 동작 시간을 조절함으로서 원하는 설정온도를 유지하고 제어하는 시스템을 구현할 수 있었다.
- 즉 설정온도와 입력온도를ㄴ 비교 연산하여 온도제어 신호를 PWM 출력으로 듀티비를 변경하면서 발열체 램프의 구동회로를 제어함으로서 안정된 온도제어를 구현할 수 있었다. 온도센서의 신호(피드백 신호)에 의해 제어하는 크루즈루프(Closed-loop) 방식을 채택했으며 피드백 제어 알고리즘은 소프트웨어 프로그램으로 구현하였다.
후속연구
- 본 논문를 통한 알고리즘은 PWM에 의한 피드백 제어로서 개인용 온열치료기에 적용하였고, 향후 정확한 온열제어가 가능하도록 지속적으로 새로운 제어 알고리즘을 연구하고, 디지털/아날로그 컨버터를 활용한 아날로그 전압의 선형적인 PID 제어 방식도 연구할 계획이며, 또한 의료신호 및 의료기기 제어 데이터를 인체를 통해 전송하는 의료기기용 인체통신 분야로도 연구 할 계획이다.
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