[논문]가변피치프로펠러의 제어회로 설계 개선에 관한 연구

김동영; 강구헌

doi:10.5762/kais.2019.20.7.52

가변피치프로펠러의 제어회로 설계 개선에 관한 연구
A Study on the Improvement of the Control Circuit Design of Controllable Pitch Propeller 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.7, 2019년, pp.52 - 60

김동영 (국방기술품질원 함정센터 함정1팀) , 강구헌 (국방기술품질원 함정센터 함정1팀)

초록
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차기${\bigcirc}{\bigcirc}$함(FFX) Batch-I 및 차기${\bigcirc}{\bigcirc}$함(LST-II)에 적용된 가변피치프로펠러(CPP) 제어회로는 타 계통에서 접지 현상 발생 시 후진피치 발생이 가능할 수 있으므로, 접지 현상 발생 시에도 피치를 유지할 수 있도록 CPP 제어회로를 개선하는 것이 본 연구의 목적이었다. CPP 제어회로는 전압차이입력으로 프로펠러 각도를 변화시키므로 입력전압이 순간적으로 변동이 생기는 경우 취약할 수 있는 설계구조를 가지고 있었다. 위의 문제를 해결하기 위해서 CPP 제어회로 설계 개선 방안으로 제어전선의 끝단에 종단저항을 적용하고, 제어전선 사이에 Signal Converter를 적용하였다. 그리고 CPP 제어회로 설계 개선에 문제가 없는지 검증하기 위해, 차기${\bigcirc}{\bigcirc}$함(LST-II)으로 실제 항해 시운전에서 CPP 피치 변화 제어를 테스트 하였다. Command 피치 값과 Feedback 피치 값 사이는 매우 유사한 값을 보여주고 있으므로, CPP 제어회로의 제어신호 전달에는 문제가 없기에 적합한 개선방안으로 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The control circuit of the CPP applied to FFX Batch-I and LST-II may be capable of generating a backward pitch even when the grounding phenomenon occurs in the other system. The purpose of this study was to improve the CPP control circuit to maintain the pitch even in the event of grounding. Since the CPP control circuit changes the propeller angle with the voltage difference input, it has a design structure that can be vulnerable if the input voltage fluctuates instantaneously. In order to solve the above problem, a terminating resistor is applied to the end of the control wire and a signal converter is applied between the control wires, as a way to improve the CPP control circuit design. In order to verify that there is no problem in improving the CPP control circuit design, the CPP pitch change control was tested in the actual sailing commissioning with LST-II. Since the command pitch value and the feedback pitch value are very similar to each other, it is confirmed that the CPP control circuit is suitable for the control signal transmission because there is no problem in transmitting the control signal.

주제어

표/그림 (26)

그림 Fig. 1. Propeller Pitch
그림 Fig. 2. Formula between propeller pitch and angle
그림 Fig. 3. Controllable pitch propeller
그림 Fig. 4. Blade cross section according to propeller pitch angle
그림 Fig. 5. Control system diagram for propulsion
그림 Fig. 6. System circuit diagram between IMCS and CPP LOP
그림 Fig. 7. Control description between IMCS and CPP LOP
그림 Fig. 8. Op-Amp circuit diagram inside MDSD
그림 Fig. 9. Analysis of Op-Amp circuit diagram inside MDSD
그림 Fig. 10. Ground loop caused by leakage current of electrical equipment
표 Table 1. Classification of results about the causes of CPP control circuit malfunction
그림 Fig. 11. Assuming input voltage cable is grounded
그림 Fig. 12. Circuit analysis if the input voltage cable is grounded
그림 Fig. 13. Assuming current flows from outside to the ground line
그림 Fig. 14. Circuit analysis if current flows from outside to the ground line
그림 Fig. 15. Installation of the terminating resistor at the end of the control wire
그림 Fig. 16. Concept of application of signal converter to CPP control circuit
그림 Fig. 17. Installation of the signal converter
표 Table 2. Cause and solution about problem
표 Table 3. Signal converter specification
그림 Fig. 18. Signal converter installed in the CPP LOP for LST-II
그림 Fig. 19. Propulsion sea trial test in LST-II
그림 Fig. 20. CPP control signal ID trend
표 Table 4. Signal ID list for CPP control signal trend identification
표 Table 5. Speed table according to lever
표 Table 6. Command and feedback pitch according to the speed lever

AI 본문요약
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문제 정의

그럼 다음은 제어전선 사이에 Signal Converter를 적용하는 방안을 알아보자. 제어신호 케이블 아이솔레이션(Isolation)을 위해서는 아이솔레이터(Isolator) 적용이 필요한데, 일반적으로 아이솔레이터라는 이름의 부품으로 존재하기 보다는 Converter라는 이름의 부품으로 존재하는 경우가 많다.
그럼 먼저 제어전선의 끝단에 종단저항을 적용하는 방안을 알아보자. 종단저항을 적용하는 이유는 첫째, 통신 선로의 끝이 Open 되어 있으면 신호가 사라지지 않고 마치 메아리처럼 되돌아오는 반사현상이 일어나는데, 종단저항은 선로에 가해진 임펄스 에너지를 흡수하여 반사 현상을 예방해주는 역할을 한다.
첫 번째는 제어전선이 접지되는 경우이며, 두 번째는 외부로부터 접지라인으로 전류가 흘러들어오는 경우이다. 그럼 먼저 제어전선이 접지되는 경우를 알아보자.
차기OO함(FFX) Batch-I 으로부터 송부된 사용자불만 문제는 항해 중에 갑자기 후진피치(피치 신호가 +30 에서 -60으로)가 발생되는 가변피치프로펠러(CPP) 계통 오작동 현상이 발생한 문제인데, 추정되는 원인으로는 조리실 스커틀 스위치 접점 불량에 의한 접지 현상으로 발생한 과전류가 CPP 제어카드에 이상신호(후진피치)를 전달한다고 추정하였으나, 타 계통(감속기어, 가스터빈 등) 접지 현상 발생 시에도 후진피치 발생이 가능할 수 있으므로, 위의 문제는 중대한 문제라고 생각하였으며, 근본적인 문제해결이 필요하였다. 그리하여 접지 현상 발생 시에도 피치를 유지할 수 있도록 CPP 제어회로를 개선하는 것이 본 연구의 목적이었다.

가설 설정

CPP 제어회로에서 오작동 원인 추정으로 첫 번째는 제어전선이 접지되는 경우이며, 두 번째는 외부로부터 접지라인으로 전류가 흘러들어오는 경우를 가정하였다. 조리실 스커틀 스위치 접점 불량에 따른 접지 현상이 생겼다고 언급하므로, CPP 제어회로에서 오작동 원인으로서 제어전선이 접지된 것으로 추정하기에는 적합하지 않으므로, 외부로부터 접지라인으로 전류가 흘러들어오는 경우로 추정하였으며, 그리고 위의 문제 상황은 각각의 장비가 접지되어 있는 상황에서 노이즈 파형이 흘러 들어가는 것이므로, 공통 임피던스 보다는 그라운드 루프에 의하여 발생하는 상황이라고 추정할 수 있었다.

제안 방법

CPP 제어회로에서 오작동 원인으로 추정되는 접지현상을 일으키는 경우를 생각하였다. CPP 제어 오작동 현상이 매우 순간적으로 발생했다가 사라지는 문제라서, 문제 상황 재현이 힘들며 전압을 실측하기가 곤란하므로, 원인의 경우에 따라 도출되는 수식결과로 원인을 분석하 였다. Table 1에서 문제에 대한 원인들을 가정하고 그 수식 결과들을 정리하였다.
CPP 제어회로에서 오작동 원인으로 추정되는 접지현상을 일으키는 경우를 생각하였다. CPP 제어 오작동 현상이 매우 순간적으로 발생했다가 사라지는 문제라서, 문제 상황 재현이 힘들며 전압을 실측하기가 곤란하므로, 원인의 경우에 따라 도출되는 수식결과로 원인을 분석하 였다.
둘째, 선로 전체에 일정한 전류를 순환하게 하여 노이즈에 잘 견딜 수 있도록 개선하는 역할을 한다. Fig. 15처럼 CPP 제어전선 끝단에 50 kΩ 종단저항을 적용하여 제어회로 설계를 개선하였다[5-7].
Lever에 따라서 Command 피치와 Feedback 피치가 어느 정도 변화하는지 확인이 필요하므로, Table 4처럼 CPP 제어신호 확인에 필요한 Signal ID를 선정하여, Fig. 20처럼 Trend 창에 Signal ID를 입력하고 Trend 를 걸어서 경과된 시간에 따른 피치 변화를 확인하였다. Table 5는 Speed lever에 따른 피치 설정값이 기재된 설계 자료로서, Speed table 자료를 보면 Lever 2에서 피치는 67 % 값을 가진다.
가변피치프로펠러 제어회로 오작동에 대한 문제 분석과 개선 관련으로 기존 연구 자료는 찾을 수 없어서 일본의 저자가 집필한 서적의 내용에서 회로 노이즈 대책방안을 참고하여 아이디어를 생각하고 설계 개선 방안을 찾아서 적용하였다. 첫 번째는 제어전선의 끝단에 종단저항(Terminating Resistor)을 적용하는 방안이며, 두 번째는 제어전선 사이에 Signal Converter를 적용하는 방안이다.
그리고 종단저항 및 Signal Converter 부품 설치 후 CPP 제어회로 설계 개선에 문제가 없는지 검증하기 위해, 차기OO함(LST-II)으로 실제 항해 시운전에서 CPP 피치 제어를 테스트 하였다. 테스트 결과, Command 피치 값과 Feedback 피치 값 사이는 서로 매우 유사한 값을 보여주고 있어서, CPP 제어회로의 제어신호 전달에는 문제가 없으므로 적합한 개선방안으로 확인되었다.
위와 같은 추진제어체계를 적용한 함정이 있다면 동일한 문제가 있을 수 있기에 건조 중인 함정들을 조사해보니, 위의 함정과 동일한 CPP 제어회로 설계 방식을 적용한 함정은 차기OO함(LST-II)이 해당되었으며, 차기OOOO함(MLS-II), 차기OOOO함(AOE-II), OO함(ATX)은 CPP 제어회로 설계를 다른 방식으로 적용하고 있어서 문제가 생길 가능성이 낮았다. 그리하여 차기OO함(FFX) Batch-I 및 차기OO함(LST-II)에 적용된 추진계통 CPP 제어회로 관련으로 조사 및 분석 그리고 개선방안을 찾기 시작하였다.
종단저항을 적용하여 선로에 가해진 임펄스 에너지를 흡수하여 반사현상을 예방하였으며, 선로 전체에 일정한 전류를 순환하게 하여 노이즈에 잘 견딜수 있도록 개선하였다. 마지막으로 제어전선 사이에 Signal Converter를 적용하여 제어신호 케이블을 아이 솔레이션 시켜서 그라운드 루프를 방지하였다.
위의 함정들은 모두 통합감시제어체계(Integrated Monitoring & Control System, IMCS)가 함 전체의 센서 및 장비와 연결되어 있어서 함의 추진계통을 포함하여 함 전반의 감시와 제어가 가능하도록 설계되었다.
CPP 제어회로에서 오작동 원인 추정으로 첫 번째는 제어전선이 접지되는 경우이며, 두 번째는 외부로부터 접지라인으로 전류가 흘러들어오는 경우를 가정하였다. 조리실 스커틀 스위치 접점 불량에 따른 접지 현상이 생겼다고 언급하므로, CPP 제어회로에서 오작동 원인으로서 제어전선이 접지된 것으로 추정하기에는 적합하지 않으므로, 외부로부터 접지라인으로 전류가 흘러들어오는 경우로 추정하였으며, 그리고 위의 문제 상황은 각각의 장비가 접지되어 있는 상황에서 노이즈 파형이 흘러 들어가는 것이므로, 공통 임피던스 보다는 그라운드 루프에 의하여 발생하는 상황이라고 추정할 수 있었다.
종단저항 및 Signal Converter 부품 설치 후 CPP 제어회로 설계 개선에 문제가 없는지 검증이 필요하여, Fig. 19처럼 차기OO함(LST-II)으로 실제 항해 시운전에서 CPP 피치 제어를 테스트 하였다.
첫 번째는 제어전 선의 끝단에 종단저항(Terminating Resistor)을 적용하는 방안과 두 번째는 제어전선 사이에 Signal Converter를 적용하는 방안이었다. 종단저항을 적용하여 선로에 가해진 임펄스 에너지를 흡수하여 반사현상을 예방하였으며, 선로 전체에 일정한 전류를 순환하게 하여 노이즈에 잘 견딜수 있도록 개선하였다. 마지막으로 제어전선 사이에 Signal Converter를 적용하여 제어신호 케이블을 아이 솔레이션 시켜서 그라운드 루프를 방지하였다.
차기OO함(FFX) Batch-I 으로부터 사용자불만 문서를 접수하였다. 문서 내용에는 항해 중에 갑자기 후진피치(피치 신호가 +30에서 -60으로)가 발생되는 가변피치 프로펠러(Controllable Pitch Propeller, CPP) 계통 오작동 현상이 있다고 기재되어 있으며, 추정되는 원인으로는 조리실 스커틀 스위치 접점 불량에 의한 접지 현상으로 발생한 과전류가 CPP 제어카드에 이상신호(후진피 치)를 전달한다고 추정하였으며, 본 함정 및 타 함정의 사례를 고려해보면 타 계통(감속기어, 가스터빈 등) 접지 현상 발생 시에도 후진피치 발생이 가능할 수 있다고 기재되어 있었다.
차기OO함(FFX) Batch-I 으로부터 송부된 사용자불만 문제는 항해 중에 갑자기 후진피치(피치 신호가 +30 에서 -60으로)가 발생되는 가변피치프로펠러(CPP) 계통 오작동 현상이 발생한 문제인데, 추정되는 원인으로는 조리실 스커틀 스위치 접점 불량에 의한 접지 현상으로 발생한 과전류가 CPP 제어카드에 이상신호(후진피치)를 전달한다고 추정하였으나, 타 계통(감속기어, 가스터빈 등) 접지 현상 발생 시에도 후진피치 발생이 가능할 수 있으므로, 위의 문제는 중대한 문제라고 생각하였으며, 근본적인 문제해결이 필요하였다. 그리하여 접지 현상 발생 시에도 피치를 유지할 수 있도록 CPP 제어회로를 개선하는 것이 본 연구의 목적이었다.
그리하여 위의 문제를 해결하기 위해서 CPP 제어회로 설계 개선방안을 찾기 시작하였다. 첫 번째는 제어전 선의 끝단에 종단저항(Terminating Resistor)을 적용하는 방안과 두 번째는 제어전선 사이에 Signal Converter를 적용하는 방안이었다. 종단저항을 적용하여 선로에 가해진 임펄스 에너지를 흡수하여 반사현상을 예방하였으며, 선로 전체에 일정한 전류를 순환하게 하여 노이즈에 잘 견딜수 있도록 개선하였다.
가변피치프로펠러 제어회로 오작동에 대한 문제 분석과 개선 관련으로 기존 연구 자료는 찾을 수 없어서 일본의 저자가 집필한 서적의 내용에서 회로 노이즈 대책방안을 참고하여 아이디어를 생각하고 설계 개선 방안을 찾아서 적용하였다. 첫 번째는 제어전선의 끝단에 종단저항(Terminating Resistor)을 적용하는 방안이며, 두 번째는 제어전선 사이에 Signal Converter를 적용하는 방안이다. Table 2에서 문제에 대한 원인과 개선방안들을 정리하였다.

이론/모형

그 이유는 Op-Amp 내부의 회로 구성을 모르는 상태에서 Op-Amp를 포함한 메시를 정하는 것이 어렵기 때문이다. 그러므로 노드해석법을 적용하여 Fig. 9처럼 Differential Amplifier 회로를 분석하였다[3-4].
제어신호 케이블 아이솔레이션(Isolation)을 위해서는 아이솔레이터(Isolator) 적용이 필요한데, 일반적으로 아이솔레이터라는 이름의 부품으로 존재하기 보다는 Converter라는 이름의 부품으로 존재하는 경우가 많다. 이번 제어회로 설계 개선에서는 ABB사 제품의 Signal Converter를 적용하였다. Table 3은 Signal Converter 부품의 세부사양에 관한 자료이다.
차기OO함(FFX) Batch-I은 충무공이순신급 구축함으로부터 이어진 스텔스 설계를 채용했으며, 현대적인 대공 및 대잠 능력이 사실상 전무하였던 울산급 호위함 및포항급 초계함과 달리, 기본적인 대함, 대공, 대잠 능력을 확충한 것이 특징이며, 추진체계는 CODOG(Combined Operation Diesel Or Gas turbine) 방식을 적용하였다. 차기OO함(LST-II)은 부족한 해병대 상륙능력을 증강시키면서 현대 상륙개념인 초수평선 상륙을 적용하기 위한 것이 특징이며, 추진체계는 CODOD(Combined Operation Diesel Or Diesel) 방식을 적용하였다.
차기OO함(FFX) Batch-I은 충무공이순신급 구축함으로부터 이어진 스텔스 설계를 채용했으며, 현대적인 대공 및 대잠 능력이 사실상 전무하였던 울산급 호위함 및포항급 초계함과 달리, 기본적인 대함, 대공, 대잠 능력을 확충한 것이 특징이며, 추진체계는 CODOG(Combined Operation Diesel Or Gas turbine) 방식을 적용하였다. 차기OO함(LST-II)은 부족한 해병대 상륙능력을 증강시키면서 현대 상륙개념인 초수평선 상륙을 적용하기 위한 것이 특징이며, 추진체계는 CODOD(Combined Operation Diesel Or Diesel) 방식을 적용하였다. 위의 함정들은 모두 통합감시제어체계(Integrated Monitoring & Control System, IMCS)가 함 전체의 센서 및 장비와 연결되어 있어서 함의 추진계통을 포함하여 함 전반의 감시와 제어가 가능하도록 설계되었다.

성능/효과

12에서 보여주는 수식처럼 입력 전압 L-(Vb)는 0 V가 되는 수식으로 정리할수 있다. 결론적으로 Op-Amp 출력 값에 변동이 생기고 의도하지 않은 CPP 제어신호를 발생시켜서 CPP 제어 오작동을 일으킨다. 앞의 사용자불만 문서에서 조리실 스커틀 스위치 접점 불량에 따른 접지 현상이 생겼다고 언급하므로, CPP 제어회로에서 오작동 원인으로 제어전선이 접지된 것으로 추정하기에는 적합하지 않으므로 다른 경우를 생각해봐야 한다.
차기OO함(FFX) Batch-I 으로부터 사용자불만 문서를 접수하였다. 문서 내용에는 항해 중에 갑자기 후진피치(피치 신호가 +30에서 -60으로)가 발생되는 가변피치 프로펠러(Controllable Pitch Propeller, CPP) 계통 오작동 현상이 있다고 기재되어 있으며, 추정되는 원인으로는 조리실 스커틀 스위치 접점 불량에 의한 접지 현상으로 발생한 과전류가 CPP 제어카드에 이상신호(후진피 치)를 전달한다고 추정하였으며, 본 함정 및 타 함정의 사례를 고려해보면 타 계통(감속기어, 가스터빈 등) 접지 현상 발생 시에도 후진피치 발생이 가능할 수 있다고 기재되어 있었다. 그리고 요구사항으로는 접지 현상 발생 시에도 피치를 유지할 수 있도록 CPP 제어회로 개선을 요구하였다.
Table 5는 Speed lever에 따른 피치 설정값이 기재된 설계 자료로서, Speed table 자료를 보면 Lever 2에서 피치는 67 % 값을 가진다. 실제 항해 시운전에서 CPP 피치를 검증해보니, Command 피치는 62 % 이며, Feedback 피치는 62.1 %로 실측되었다. Table 6에서 실측된 피치 값들을 정리하였다.
설계 값과 실측 값에 차이가 있는 이유는 피치 셋팅 작업이 아직 미흡하여 생긴 이유이며, 시운전 기간중에 피치 값 조정 셋팅 작업이 필요함을 의미하였다. 이번 연구에서 검증이 필요한 해당 사항으로서, Command 피치 값과 Feedback 피치 값 사이는 서로 매우 유사한 값을 보여주고 있어서, CPP 제어회로의 제어신호 전달에 문제가 없으므로 적합한 개선방안으로 확인되었다.
그리고 종단저항 및 Signal Converter 부품 설치 후 CPP 제어회로 설계 개선에 문제가 없는지 검증하기 위해, 차기OO함(LST-II)으로 실제 항해 시운전에서 CPP 피치 제어를 테스트 하였다. 테스트 결과, Command 피치 값과 Feedback 피치 값 사이는 서로 매우 유사한 값을 보여주고 있어서, CPP 제어회로의 제어신호 전달에는 문제가 없으므로 적합한 개선방안으로 확인되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가변피치프로펠러(CPP)의 특징은?	이러한 가변피치프로펠러(CPP)는 엔진의 회전 방향을 변경하지 않고도 선박을 전진 및 후진 방향으로 운행할수 있으며, 이것은 Fig. 4에서와같이 블레이드 피치 각을 변경하여 수행할 수 있다. 프로펠러의 피치가 프로펠러의 의해 생성된 추진력을 결정하기 때문에, 피치 각의 변화는 선박의 속력을 변화시킬 수 있다.
	차기OO함(FFX) Batch-I이란?	차기OO함(FFX) Batch-I은 충무공이순신급 구축함으로부터 이어진 스텔스 설계를 채용했으며, 현대적인 대공 및 대잠 능력이 사실상 전무하였던 울산급 호위함 및포항급 초계함과 달리, 기본적인 대함, 대공, 대잠 능력을 확충한 것이 특징이며, 추진체계는 CODOG(Combined Operation Diesel Or Gas turbine) 방식을 적용하였다. 차기OO함(LST-II)은 부족한 해병대 상륙능력을 증강시키면서 현대 상륙개념인 초수평선 상륙을 적용하기 위한 것이 특징이며, 추진체계는 CODOD(Combined Operation Diesel Or Diesel) 방식을 적용하였다.
	가변피치프로펠러가 엔진의 rpm을 변경하지 않고 선박의 속력을 변경할 수 있는 이유는?	4에서와같이 블레이드 피치 각을 변경하여 수행할 수 있다. 프로펠러의 피치가 프로펠러의 의해 생성된 추진력을 결정하기 때문에, 피치 각의 변화는 선박의 속력을 변화시킬 수 있다. 따라서 가변피치프로펠러(CPP)는 주 엔진의 rpm을 변경하지 않고 선박의 속력을 변경하는데 유용하다[2].

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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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