R&D연구결과보고서

(1)

주관기관 (주)마이크로프랜드 참여기관 마이크로오토메이션

씨엘전자

한국전자기계융합기술원 재)서울테크노파크

스마트 홈 및 빌딩 구현을 위한 개방형 IoT 서비스 플랫폼 기반의 자율적 상황판단 액추에이터(Actuator) 개발

Development of Active and Self-Control Electrical Actuator base on Open type IoT Service Platform for Smart Home and Building

(2)

연차보고서

사업명 방송통신산업기술개발사업 과제번호

B0101-15-0262

과제명

(국문)

스마트 홈 및 빌딩 구현을 위한 개방형 IoT 서비스 플랫폼 기반의 자율 적 상황판단 액추에이터(Actuator) 개발

(영문)

Development of Active and Self-Control Electrical Actuator base on Open type IoT Service Platform for Smart Home and Building.

주관기관

(주)마이크로프랜드

총괄책임자

조용호

참여기관

(책임자) 마이크로오토메이션(홍윤식), 씨엘전자(박훈종), 한국전자기계융합기술원(반창우), 재)서울테크노파크(홍석기)

총수행기간 2014 . 04 . 01 . ~ 2017 . 02 . 28 . ( 3 년) 협약기간 2014 . 04 . 01 . ~ 2017 . 02 . 28 . ( 3 년) 해당년도

수행기간 2015 . 03 . 01 . ~ 2016 . 02 . 29 . ( 12 개월) 협약기간

총사업비(천원)

정 부

출연금 2,100 민 간 부담금

현금 23.3

계 2,800 현물 676.7

해당연도 사업비(천원)

정 부

출연금 700 민 간 부담금

현금 0

계 933

현물 233

키워드

(6 ~ 10개) 액추에이터, 아이오티, 밸브, 패키징, 무선센싱, 인공지능, 모니터링 정보통신․방송 연구개발 관리규정 제33조에 의거하여 연차보고서를 제출합니다.

2015 년 01 월 27 일

총괄책임자: 조 용 호 (인)

주관기관장: 조 병 호 (인)

미래창조과학부 장관 귀하

[보고 서식 제2호]

(3)

Ⅰ. 해당 연도 추진 현황

Ⅰ-1 기술개발 추진 일정

(계획 : 실적 : )

개발내용 추진실적 결과물 진도 추진 실적(월)

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 1.액추에이터/감속기/모

터 성능개선 및 개발 (마이크로프랜드)

- 1HP BLDC모터 개발 - 1200:1 감속기 개발 - 개선형 액추에이터 개발 - 킨텍스 화학장치 전시회 참가 - 베스코 마림위크 전시회 참가

설계서 정상

2.액추에이터연동형 무선 센서 통합모듈개발 (서울테크노파크)

-센서 포함 무선 PCB 제작 -센서기능 및 통신기능 설정/테스트

설계서, 보고서 정상

3.무선 액추에이터 컨트롤러 설계 및 개발 (마이크로프랜드+마이크 로오토메이션)

- BLDC모터 컨트롤러 및 드라이버 PCB 시제품 제작

- 1차년도 액추에이터 모듈로 동작실험 - 액추에이터 컨트롤러 및 드라이버 보완 및 수정 개발

- 액추에이터 각도 측정용 기구물 시제품 제작

- 액추에이터 각도 측정용 기구물 보완 및 수정 개발

설계서 정상

4.액추에이터 미들웨어/

펌웨어 개발 (마이크로오토메이션)

- MCU 기반 BLDC모터 구동용 펌웨어 예정

- 액추에이터 각도 Feedback 제어 펌웨어 예정

- Wifi module 과 통신을 위한 통신 프로토콜 예정

- Wifi module 연결 후 통합 동작 실험 예정

- 정상

5.무선/제어기능 패키징 적용성 검토 및 핵심 기술 도출

(마이크로프랜드)

- 컨트롤러+통신보드+센서보드 통합 패키징

- 하우징 설계 및 제작 보고서 정상

6.자율적 상황판단형 액추에이터 알고리즘 도출 (서울테크노파크)

- 환경별 온습도 데이터 수집 분석 - 환경에 따른 온습도 평균유지 시나리오 구현

- 관리도 기법에 의한 시나리오 구현

보고서 정상

7.IoT 기반 플랫폼 개선 및 업데이트 (씨엘전자)

- WiFi 기반 IoT 무선통신 소프트웨어 구현 - IoT 기반 액추에이터 연동 소프트웨어 구현 - IoT 게이트웨이 연동 소프트웨어 구현

설계서 정상

8.IoT기반 무선 인터 페이스 개발 (서울테크노파크)

- IoT 기반 무선 프로토콜 개발

- WiFi 기반 IoT 무선통신 하드웨어 모듈 개발 - MOBIUS 서버 및 MQTT 연동 기술 개발

보고서 정상

9.통합화 및 IoT기반 액추에이터 (밸브/뎀퍼) 파일롯 타입 개발 (마이크로프랜드)

- 설계된 하우징에 개발된 무선 액추에이터

컨트롤러 장착 예정 - 정상

(4)

11.네트워크 무선화 및 성능 시뮬레이션 (한국전자기계융합기술 원)

- AP간의 설치 거리에 따른 전송 속도

최적화 보고서 정상

12. 고신뢰 저지연 네트워크 구성 및 핵심 기술 개발

(한국전자기계융합기술 원)

- 이벤트 룰 처리가 가능한 게이트웨이 보고서 정상

13.표준웹/IP기반 응용프로그램 API 개발 (한국전자기계융합기술 원+씨엘전자+서울테크노 파크)

- 표준웹 기반의 웹 어드민 페이지 보고서 정상

14.무선기반 클라이언트 서비스 시스템 구축

(한국전자기계융합기술 원)

- 클라이언트 서비스 서버 구축 보고서 정상

15.무선 센서 연동 인터페이스 개발 (서울테크노파크)

- Wifi 모듈 선정 및 펌웨어 개발 - 무선 센서연동 UI 구현

보고서, 소스코드 정상 16.실시간 모니터링

UI개발 (스마트폰 기반) (한국전자기계융합기술 원+서울테크노파크)

- 모바일 모니터링 UI 요구 분석 보고서 정상

17.자율적 상황판단형 액추에이터 기능통합화 (전체)

- USECASE를 통한 전체 프로세스

정의 및 시나리오 도출 보고서 정상

18.전체 시스템 통합화 (전체)

- 모듈별 단위 테스트 중

- 시뮬레이터 활용 테스트 중 - 정상 19.반복테스트 및 성

능평가 (전체) - 시험평가 준비중 - 정상

(5)

구분

특허 논문 표준화

기술 이전

상용화 (백만원)

기술료 (백만원)

성과 홍보

시제 품

S/W 등록

기술 문서

국제 국내

SCI (E) 비SCI

국제 국내

출원 등록 출원 등록 기고서

제출 기고서

채택 표준안

채택 기고서

제출 기고서

채택 표준안

채택

계획(건) 2 2 2 2 2

실적(건) 1 2 2 2 2

Ⅰ-2 해당 연도 추진 실적

※ 사업계획서의 연차별 개발 목표 및 내용 대비 성과를 상세히 기술 ※ 개발 목표 달성 정도를 구체적으로 제시

Ⅰ-2-1 정량적 실적

※ 학술대회(논문)

- 한국생산제조시스템학회, “통합센서 모듈 개발을 위한 인터페이스 시뮬레이터 개발”옥상 훈, 장동영, 반창우

- 한국생산제조시스템학회, “스마트밸브 시스템 구현을 위한 무선센서연동 및 모니터링 기술 개발”홍석기, 양시은, 최종하, 김대호

※ 특허 국내

- IoT기반의 환경 적응형 액추에이터 컨트롤 시스템, 출원인 : (주)마이크로프랜드, 발명자 : 조용호, 박건영

국제

- 액추에이터 및 그를 이용한 운동기구, 출원인 : 주식회사 마이크로오토메이션, 발명자 : 홍 윤식, 오성남, 주한종, 박현수, 유규제, 오용삼

(6)

Ⅰ-2-2 실적 세부내용(기관별 세부 엑티비티)

계획 추진실적

1.액추에이터/감속기/모터 성능개선 및 개발 (마이크로프랜드)

- 2차년도 IoT 액추에이터 하우징 제작 및 1200:1기어박스 제작 - 1HP BLDC모터 제작

- 개선형 액추에이터 제작

- 일산 킨텍스 화학장치 전시회 참가 - 부산 벡스코 마린위크 전시회 참가

2.액추에이터연동형 무선 센서

통합모듈개발 (서울테크노파크)

- TVOC 센서 포함 무선 Wifi PCB 제작 - 센서모듈, 프로세서 분석/선정 - 센서기능 및 통신기능 설정/테스트 - 테스트 SW 구현

3.무선 액추에이터 컨트롤러 설계 및 개발(마이크로프랜드/마이크로오토메이 션)

- BLDC모터 컨트롤러 및 드라이버 PCB 시제품 제작 - 시제품 모듈 동작실험

- 액추에이터 각도 측정용 기구물 시제품 제작

4.액추에이터 미들웨어/ 펌웨어 개발

(마이크로오토메이션)

- MCU 기반 BLDC모터 구동용 펌웨어 개발 - 액추에이터 각도 Feedback 제어 펌웨어 개발

5.무선/제어기능 패키징 적용성 검토

및 핵심기술 도출(마이크로프랜드)

- 컨트롤러+통신보드+센서보드 통합 패키징 - 하우징 설계 및 제작

6.자율적 상황판단형 액추에이터 알고리즘 도출 (서울테크노파크)

- 환경별 온습도 데이터 수집 분석

- 환경에 따른 온습도 평균유지 알고리즘 도출 - 자율상황이상원인감지 알고리즘 도출

7.IoT 기반 플랫폼 개선 및 업데이트

(씨엘전자)

- WiFi 기반 IoT 무선통신 소프트웨어 구현 - IoT 기반 액추에이터 연동 소프트웨어 구현ㄴ - IoT 게이트웨이 연동 소프트웨어 구현

8.IoT기반 무선 인터 페이스 개발

(서울테크노파크, 씨엘전자)

- 액추에이터 제어 및 환경센서 통신 프로토콜 정의 - IoT 기반 무선 프로토콜 개발

- WiFi 기반 IoT 무선통신 하드웨어 모듈 개발 - MOBIUS 서버 및 MQTT 연동 기술 개발

9.통합화 및 IoT기반 액추에이터

(밸브/뎀퍼) 파일롯 타입 개발 (마이크로프랜드)

- 전시용 사업화 액추에이터(기어박스, 보드, 모터) 제작

10.자율적 상황판단형 액추에이터

엔진개발 (서울테크노파크)

- 센서 데이터에 따른 자율적 상황판단형 로직 구현

11.네트워크 무선화 및 성능

시뮬레이션 (한국전자기계융합기술원)

- 네트워크 무선 성능 실험계획 수립

- 무선AP거리에 따른 전송속도 측정 및 AP거리 최적화

12. 고신뢰 저지연 네트워크 구성

및 핵심 기술 개발 (한국전자기계융합기술원)

- 게이트웨이를 이용한 서버 부하 개선

13.표준웹/IP기반 응용프로그램 API 개발 (한국전자기계융합기술원)

- 표준웹 기반의 디바이스 등록/관리, 펌웨어 관리, 이력 관리 등 Admin 시스템 구 축

- 표준웹 기반의 통합 모니터링 및 디바이스 모니터링 및 통계 시스템 구축

14.무선기반 클라이언트 서비스

시스템 구축

(한국전자기계융합기술원)

- 센서-프로파일 관리, 액추에이터 동작 최적화 설계 - 액추에이터-서버 연동 시스템 최적화

- 클라이언트 서비스를 위한 서버 시스템 구축

15.무선 센서 연동 인터페이스 개발

(서울테크노파크)

- Wifi 모듈 선정 및 펌웨어 개발 - 무선 센서연동 웹기반 UI 구현

16.실시간 모니터링 UI개발

(스마트폰 기반)

(한국전자기계융합기술원/서울테크노 파크)

- 스마트 단말 기반 모니터링 시스템 설계 및 개발환경 포팅 - 스마트 단말 기반 모니터링 클라이언트 설계

- 안드로이드 앱 기능 개발

17.자율적 상황판단형 액추에이터

기능통합화 (전체)

- USECASE 활용 통합프로세스 정의 및 시나리오 도출

18.전체 시스템 통합화

(전체)

- 모듈별 단위 테스트 예정 - 시뮬레이터 활용 테스트 예정

19.반복테스트 및 성능평가 (전체)

- 센서통합보드 시험성적서 발급(고온고습,고온,저온,전품연) 예정 - TEST용 SW를 통한 (시간, 빈도 등)반복 테스트 진행

(7)

최종목표 시스템 1차년도 산출물

당해연도 (2차년도) 목표 시스템 2차년도 목표 산출물

■ 기술개발의 개요

(8)

Ⅰ-3 마이크로프랜드 실적 세부내용

Ⅰ-3-1 개선형 액추에이터 개발

- 1차년도 IoT 액추에이터(Actuator) 개발은 액추에이터의 종단 토크에 요구 설계치 (25Nm)를 고정시키고 그에 따른 BLDC 모터의 회전수 및 기어비에 의한 감속비를 조절 하여 수행. 그러나 이러한 설계방식은 높은 토크를 얻기 위해서는 매우 유리하나, 액추 에이터에 의한 구동부의 응답속도가 느려지는 단점이 있음. 따라서 2차 년도에서는 구 동부의 응답속도에 그 초점을 맞추어 IoT 액추에이터를 개선 및 보완함으로 좀 더 시 장에서 요구하는 경쟁력 있는 제품 상용화 개발에 그 초점을 맞춤.

- 기존의 전기식(Electrical) 액추에이터들은 BLDC 모터를 사용하지 않으므로 동일 사 이즈의 액추에이터에서 밸브를 구동할 경우 일반적으로 밸브 개폐 속도가 10초 이상.

본 과제 1차 년도에 개발된 “BLDC 모터를 사용하는 IoT 액추에이터”는 밸브 개폐시 간이 5초로 전기식 액추에이터의 한계를 최소화.

- 따라서 앞서 기술한대로 2차년도 액추에이터 시제의 경우 밸브개폐시간을 최소화 하 는 방향으로 개발하되, 모든 참여기업이 공동연구의 결과를 산출하는 기초연구용 시제 개발 그리고 당사가 고객요구에 맞추어 개발하는 상용화 시제 개발로 카테고리를 나누 어 본 과제를 수행. 실제 시장에서 경쟁력있는 제품을 상용화 하기위해서는 밸브 개폐 속도가 2초 이내에 접근해야 하는 상황이므로 액추에이터 종단토크 손실을 감수하고 BLDC모터의 사양 및 기어비를 변경하여 밸브개폐시간을 2초 이내에 제작.

그림 1. 1차년도 IoT Actuator & 시뮬레이터

(9)

- 작동시간의 단축을 위한 방법은 크게 두 가지가 있다. 첫 번째는 BLDC모터에 공급 되는 전력을 높여주는 방법이고, 두 번째는 기어비를 변경하여 속도를 높이는 방법이 있음. 기초연구개발 시제의 경우 전력을 높여 밸브 개폐 속도를 높이는 방법으로 개발 을 진행하였으며, 상용화 개발 시제의 경우는 기어비를 변경하여 밸브 작동시간을 단 축하고자 함.

Ⅰ-3-2 기어비 변경

내용 수치

모터출력 9.6 W

모터속도 14484 rpm

기어비 3800:1

모터토크 0.006 Nm 종단부 속도 3.82 rpm

종단부 토크 25 Nm

표 1. 1차년도 IoT Actuator Spec

- 1/2“볼밸브를 개폐시키기 위한 최소한의 토크 값은 3Nm. 이 토크 이상을 가지면서 기어비를 낮춰 밸브 개폐 속도를 올려야 함. 1차년도 IoT Actuator의 기어비는 3800:1 로 굉장히 높음. 기어비가 높으므로(기어수가 많으므로) 소음문제가 발생될 수 있음을 확인. 토크는 25Nm로 충분히 높기 때문에 토크의 여유를 주어 기어비를 낮추고(기어수 를 줄이고) 밸브 개폐 속도를 높였으며, 이에 따라 기어의 수에 따른 소음의 문제도 해 결이 가능.

- Actuator 작동 속도의 목표를 2초이 내로 하고 액추에이터 개선작업을 진행 - 토크계산 : T [Nm] = 9545 * P [kW] / N [rpm]

최대 설계치를

1초 90°를 밸브 개폐 작동 시간으로 본다. 기준 4초 360°= 15rpm

- 계산결과 종단부의 속도가 15rpm이 나와야 1초 90°를 밸브 개폐 작동시간이 1초가 된다. 이를 토크 계산식에 적용하여 계산하면 다음과 같은 종단 토크를 얻음

- 9545 * 0.0096 [kW] / 15 [rpm] = 6.1088 Nm

- 1/2“볼밸브를 돌리기 위한 최소한의 토크 값은 3Nm이상의 값은 나왔지만 1차년도

(10)

내용 수치

모터출력 9.6 W

모터속도 14484 rpm

기어비 879:1

모터토크 0.006 Nm

종단부 속도 15 rpm

종단부 토크 6 Nm

표 2. 1초 밸브개폐 액추에이터 기준 스팩

- 1초 밸브개폐 기준 스팩으로 보면 1/2“밸브까지는 가능하나 그이상의 치수는 더 큰 토크를 필요로 하기 때문에 범용성을 위해서 속도를 줄이고 토크를 얻기로 함.

내용 수치

모터출력 9.6 W

모터속도 14484 rpm

기어비 1200:1

모터토크 0.006 Nm 종단부 속도 11 rpm 종단부 토크 8.3 Nm 표 3. 기어비 1200:1 기준 스팩

- 기어비 1200:1 기준으로 종단부의 속도가 11rpm이 나온다. 계산상으로 90°동작 시 1.4초가 나옴. 기어 효율과 여러 가지 외부 요인을 고려하여 부하가 더 걸릴 것을 예상 하고, 밸브 동작 시간이 2초 이내가 되도록 제작하기 위해서 1200:1로 제작을 결정.

- 기어박스의 모양은 1차년도의 하우징 일체형과는 다르게 기어박스 모듈을 만들기로

함. 하우징과 일체형의 경우 축간 정열이 어긋나기 쉬워 소음이 심하고 기어 수명 또

한 감소. 기어박스로 제작할 경우 하우징에 따라 다양하게 이용이 가능하며 축간 정열

과 기어간 접촉이 세밀해져 저소음과 높은 효율을 동시에 얻을 수 있음.

(11)

번호 항 1-pinion 1-gear 2-pinion 2-gear 3-pinion 3-gear 4-pinion 4-gear 5-pinion 5-gear

1 공구 모두 0.50 0.50 0.60 0.60 0.60

2 공구 압력 20 20 20 20 20

3 전위계수 0.20 -0.30 0.30 -0.40 0.30 -0.30 0.30 -0.40 0.25 -0.40

4 치 잇수 12 34 12 46 12 47 12 58 12 72

5 중심거리 11.58 14.58 17.83 21.07 25.24

6 기준 피치 6.0 17.0 6.0 23.0 7.2 28.2 7.2 34.8 7.2 43.2

7 외경 7.20 17.70 7.30 23.60 8.76 29.04 8.76 35.52 8.70 43.92

8 백래쉬 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09

9 감속비 2.833 3.833 3.917 4.833 6.000

10 총감속비 2.833 10.861 42.539 205.607 1233.641

표 4. 1200:1 기어박스 스팩

그림 2. 1200:1 기어박스

그림 3. 1200:1 기어박스 3D 모델링 및 제작품

(12)

Ⅰ-3-3 액추에이터 하우징

그림 4. 기어박스 + 모터 + 컨트롤러보드 + 통신보드

- 2차년도 IoT 액추에이터 기초연구시제의 경우 1차년도의 기어박스를 그대로 사용하 고 보드와 모터에 공급되는 전압을 올려주어 속도를 높임. 1차년도와 달리 모터 컨트 롤러부분의 공간만큼을 보드에서 제외하고 보드를 내려주어 높이에서 3cm정도의 여유 를 가짐.

그림 5. IoT 액추에이터 하우징 도면

- 가벼운 무게를 위해 알루미늄으로 제작하고 표면을 아노다이징 처리를 하였으며, 직

경은 원형으로 최소화함으로 액추에이터 설치 시 공간차지를 최소화. 옆면엔 안테나를

위한 홀과 상부에는 센서모듈과 연결될 홀을 가공. 현재 센서 모듈 전원은 외부에서

따로 공급해 주게 되어있음. 액추에이터 하우징의 상부 공간에 트랜지스터를 설치하여

센서모듈을 위한 9V전원이 보드에서 나올 예정. 센서모듈과 하우징가 이어지는 부분은

센서 모듈에 하우징에 돌출부를 만들어 두고 조립 후 나사로 고정. 방수 문제는 고무

러버를 사용하여 해결.

(13)

그림 6. IoT 액추에이터 하우징 제작품 그림 7. IoT 액추에이터 내부 공간

- 기어박스위에 모터, 모터 컨트롤러 보드, 통신보드를 제외하고도 상부에 3cm의 여유 공간 확보. 차후에 220V컨버터를 장착하거나 추가 옵션을 설치할 수 있는 공간으로 활 용 가능.

그림 8. IoT 액추에이터 센서모듈 하우징 상,하

- 액추에이터 위에 추가로 올라가는 센서모듈의 하우징. 센서모듈의 경우 외부환경의 영향을 받아야 하기 때문에 옆면이 뚫려 있도록 설계. 추가로 하우징의 뚜껑은 조립의 편의성을 위해 나사산을 가공. 몸통이 원통형이기에 뚜껑이 경우 양 옆에 일자형 홈을 주어 여닫기 편하게 설계함.

그림 9. IoT 액추에이터 센서모듈 하우징 조립

(14)

<Type A> <Type B> <Type C>

표 6. 2차 모델링

Ⅰ-3-4 IoT 액추에이터 상용화 시제(1) 개발

1) IoT 액추에이터 상용화 시제(1) 하우징 설계 및 제작

- 1차 모델링의 경우 기존의 기어박스인 1차년도 IoT 액추에이터 기준으로 하우징을 제작. 2차 모델링부터는 1200:1로 제작한 기어박스를 기준으로 제작.

<Type A> <Type B> <Type C> <Type D>

표 5. 1차 모델링

(15)

2) IoT액추에이터 상용화 시제(1) 컨트롤러 개발

- 2차 모델링들 중 한 가지 모델을 선택하였고 하우징의 여유 공간에 맞추어 설계변경 을 실시. 액추에이터의 사이즈는 점차적으로 컴팩트하고 소형화되고 있으므로 시장의 추세에 일치시키고자 함. 기어박스와 모터의 높이, 위치 등을 먼저 고려하고 그 위에 올라가는 PCB와 각 PCB부속품들의 높이, 상단 부 케이스의 스크린의 높이뿐만 아니라 배선 또한 전부 고려 대상.

그림 10. 액추에이터 내부 설계 영역 검토 작업 - 기어박스, 모터

- 기어박스 크기를 토대로 외곽 사이즈가 결정이 되었고, 기어박스에 부착된 모터의 위치로 액추에이터 하우징의 최고 높이가 결정. 위 그림의 파란색 영역이 PCB 보드가 사용할 공간이 됨. 영역 내에 초기 설정 기능을 넣기 위해 PCB를 구성.

그림 11. 액추에이터 내부 설계 영역 검토 작업 - PCB

(16)

그림 13. 3차 모델링

- 2차 모델링 후 제작과정을 거치면서 내부공간을 최대한 활용하고, 3차 모델링을 끝 으로 최종 외관 디자인을 마무리하고 도면 작업 후 설계 및 제작.

그림 14. 전시용 IoT 액추에이터 상/하단부 하우징

그림 15. 전시용 IoT 액추에이터 완성품

- 제품의 무게를 가볍게 하기위해 하우징 소재는 PVC재질을 사용. 상부와 하단부의 이

음에는 방수를 위해 통상 사용되는 고무 러버 대신 실리콘 러버를 사용. 기어박스 최

하단층은 기어박스와 일체형이 아닌 하단 부 하우징과 결합. 이유는 역시 방수를 위한

것으로 설계.

(17)

Ⅰ-3-5 IoT 액추에이터 상용화 시제(2) 개발

1) 밸브 선택

- 밸브란 배관 또는 압력 용기에 설치되어 배관의 통로를 개폐할 수 있는 기계적 장 치를 말함. 게이트 밸브, 플러그 밸브, 버터플라이 밸브, 볼밸브 등 다양한 밸브가 각종 산업시설에서 중요하게 사용되고 있음. 특히 플랜트의 고도화에 따라 전자제어 장비의 발전으로 여러 공정을 조절하는 제어밸브의 중요성이 커지고 있음. 기존엔 글로브 밸 브가 많이 사용되었으나 구조가 복잡하고 무겁기 때문에 많은 힘이 필요, 이러한 단점 을 극복하고자 최근엔 볼밸브의 수요가 늘어남.

- 밸브의 조절범위(Rangeability)란 최소 유량 대비 완전히 디스크를 개방하였을 때의 유량 비를 의미함. 일반 글로브밸브의 조절범위가 20:1에서 50:1인 반면 볼밸브의 경우 200:1에서 최대 800:1까지 넓은 범위를 가짐.

그림 16. V-port 볼밸브의 각도별 모양 및 고유 유량 특성

- 그림 16에서 볼 수 있듯이 V-port의 각이 작을 수 록 유량곡선이 선형을 이루고 이 는 정밀한 제어가 가능함을 의미함. 본 과제의 액추에이터는 정밀한 제어를 위해 30°

와 45°각도의 밸브 1/2“, 3/4” 총 네 가지 타입의 V-port밸브를 구입함.

(18)

그림 17. Torque Calibrator & V-port Valves

- Torque Calibrator를 이용해 V-port 밸브들의 시작 토크와 90°도 회전 시 필요한 토크를 측정하여 밸브를 돌리기 위한 최소한의 토크를 구함.

V-port 각 1/2" 단위[Nm] 3/4" 단위[Nm]

No. 시작토크 0~90° No. 시작토크 0~90°

30°

1 1.5 1.5 1.0 6.0 5.0

2 2.0 1.5 2.0 3.0 2.5

3 4.0 2.0 3.0 3.0 2.5

4 3.0 2.0 4.0 3.5 3.0

　　　 5.0 6.0 3.5

Average 2.6 1.8 Average 4.3 3.3

Min 1.5 1.5 Min 3.0 2.5

Max 4.0 2.0 Max 6.0 5.0

45°

1 6.0 4.5 6.0 7.0 3.0

2 6.0 5.0 7.0 7.5 3.0

3 5.0 4.0 8.0 7.5 3.0

4 6.0 4.0 9.0 3.0 2.5

　　　 10.0 7.0 4.0

Average 5.8 4.4 Average 6.4 3.1

Min 5.0 4.0 Min 3.0 2.5

Max 6.0 5.0 Max 7.5 4.0

표 7. V-port 밸브 토크 측정 데이터

- 각 밸브들의 토크 값 중 가장 큰 값을 7.5Nm로 이 값을 기준으로 액추에이터 종단

부 토크를 산정. 이 값은 유체가 흐르지 않는 밸브의 무부하 값으로 실제 설계 시 유

체에 의한 압력까지 고려해야 함.

(19)

2) 모터 개선

개선 전 IoT액추에이터 소형 모터 홀센서 파형

개선 후(코일 턴수 두배) IoT액추에이터 소형 모터 홀센서 파형 그림 18. 오실로스코르 홀센서 파형 측정

- 모터의 개선 전후 RPM비교를 위해 오실로스코프를 이용, 홀센서의 파형을 측정함.

모터 controller의 concept은 1차년도 액추에이터와 동일함. 전원은 DC파워 서플라이로 24V인가. PWM control은 Max값으로 설정 후 테스트 실시.

구분 공식 RPM

개선전 363Hz = 363 rps = 21780 rpm 10890 개선후 765Hz = 765 rps = 45900 rpm 22950 표 8. 개선 전후 모터 RPM 비교

- 현재 모터는 4극이기 때문에 한 바퀴 회전 시 홀소자의 출력파형은 2Hz가 되고 오

실로스코프로 측정한 값의 절반이 모터의 RPM값임. 코일을 두 배 더 감은 개선 후 모

터의 속도는 약 2.1배 늘어남을 확인.

(20)

3) 액추에이터 개선

- 벡스코에 전시했던 액추에이터 상용화시제(1)을 기반으로 세미콘코리아에 전시할 액 추에이터 상용화시제(2)를 표 9.와 같이 개선하고자 함.

구 분 1차 2차 비고

기계적 사양

무게(Kg) 2Kg 미만 1.5Kg 미만 -

토크(Nm) 8.5 15 -

작동시간(Sec) 2 1 Quarter Turn

회전각도(Deg) 330±5° 330±5° 최대 회전각

밸브부착표준 ISO 5211 ISO 5211 F03, F04, F05

CASE 재질 Plastic Plastic -

회전방향 선택 Yes Yes -

전기적 사양

작동전원 24 VDC 220 VAC -

차폐등급 IP65 IP67 -

전력소요량 1A 미만 1A 미만 -

LED 표시 No Yes Fail, Operating

제어사양

Display 7 Segment LCD

Analog FB Yes Yes 4∼20mA

블루투스 No Yes 2.0 이상

무선인터넷 Yes Yes -

RS-485 No Yes Field Bus

자동 정렬 No Yes Calibration

Sensor 연결 Yes Yes Proportion

단독운전 No Yes -

Report 기능 No Yes LCD 표시

기타

사용자지정 동작 No Yes User Access

기계적 소음 65 dB(A) 65 dB(A) @ 1Meter

내부보온 No Yes -

표 9. 액추에이터 스팩 전후 비교표

4) 상용화 액추에이터 시제(2) 컨트롤러 개발

- 현재 개발 진행중

(21)

Ⅰ-3-6 액추에이터 시뮬레이터

1) 2차년 IoT액추에이터 시뮬레이터 제작

그림 19. 전시용 IoT 액추에이터 개념도

- 1차 년도에서 이미 거시적인 시뮬레이터를 제작하여 개발의 방향과 설계요소를 파악 한 바 2차년 도에서는 미시적인 시뮬레이터를 제작하여 개발 시 작동테스트 및 설계요 소의 문제점들을 파악할 수 있도록 소형 시뮬레이터를 제작. 네 개의 액추에이터가 장 착되며 배관 끝에 LED를 설치하여 액추에이터가 밸브를 개폐시킬 때 빛을 여닫는 모 습을 시연하고자 함.

그림 20. 전시용 IoT 액추에이터 완성품

(22)

2) IoT액추에이터 상용화 전시 시뮬레이터 제작

- 1차 시뮬레이터 도면

- P&ID와 개념도. 배관에 압력센서와 유량센서를 구성하여 셀프캘리브레이션이 될 수 있도록 구성.

그림 21. 전시용 IoT 액추에이터 시뮬레이터 배관 P&ID

그림 22. 전시용 IoT 액추에이터 시뮬레이터 1차도면

(23)

그림 23. 2차 시뮬레이션 컨셉

- 2차 시뮬레이터 컨셉은 디자인적인 부분을 많이 고려하여 배관을 아래 부분에 전부 숨기고 외관을 깔끔하게 디자인하여 제품인 액추에이터에 더욱 집중할 수 있게 디자 인. 후면엔 스크린을 설치하여 회사 및 제품 홍보에 사용.

- 3차 시뮬레이터

그림 24. 전시용 IoT 액추에이터 시뮬레이터 3차 3D 모델링

그림 25. 전시용 IoT 액추에이터 시뮬레이터

- 최종 결과물은 전시 일정에 맞춰 하나의 라인으로 구성 하였고 유량센서의 값을 받

(24)

3) IoT액추에이터 상용화 전시 시뮬레이터 개조

- 16.01.27~29 세미콘코리아 대비

- 벡스코 전시 시현장치의 문제점 w 기계적인 부문

a) Pump Inlet Tube의 직경이 Outlet과 동일한 1/2"로 설치 되어 ump(PB-S250MA)의 정량토출이 불가함

b) Electric Actuator를 1개밖에 장착할 수 없어 비교측정이 불가함은 물론, 흐름의 확인이 불가능함.

w 제어적인 부문

a) Control 신호 및 Feedback 신호가 Indicator의 Output 회로 기반으로 되어 Noise가 심하여 실시간 제어 불가

b) 압력계의 경우, Point를 잘못 선정하여 Feedback이 불가.

c) Control Panel이 설치위치 및 설치방법이 잘못되어 제어를 위한 접근 및 확인이 어려움.

- 시현장치 개선 목표 w 기계적 개선

a) Pump Inlet Tube의 직경을 3/4"로 변경하여 Pump의 정량 토출이 가능하도록 변경

b) 2개의 Electric Actuator를 장착함은 물론, 유체흐름의 시현 을 구현하기 위하여 투명 아크릴 재질의 Manifold를 설치.

c) Return Line에 설치한 Flow Meter의 설치환경 개선을 통한 측정수치의 현실화 (곡면구간의 완만한 처리)

w 전기/제어적인 개선

a) Control Panel을 Touch Screen으로 변경하고 GUI 처리 b) Control Box의 매립, 혹은 최소화 처리 실시

w Visual 효과의 최대화

a) Touch Screen을 통한 시현효과의 극대화

b) Display Board와의 연계를 통한 시현효과 극대화

(25)

그림 26. 개조 시뮬레이터 컨셉

(26)

Ⅰ-3-7 1HP BLDC모터 개발

- 초기 설계 목표

설계사양

정격 출량 [W] 750

정격 속도 [rpm] 2000

고정자 외경/내경 [mm] -

회전자 외경/내경 [mm] -

영구자석 사용량 [mm

^

] -

적층 길이 [mm] -

부피 [mm

^

] -

공극 길이 [mm] -

영구자석 Br[T] -

Torque [Nm] / Power [W] 7 / 750

효율 [%] 80

점적률 [%] -

Lead angle [°] -

표 9. 초기 1HP BLDC모터 스팩

- 2차년도 정략적 목표인 출력 750W BLDC모터 제작을 위해, 모터 제작 시 초기 목 표 값인 속도와 효율을 정해 주었다. 토크는 공식에 따라 다음과 같이 구해짐.



 



_{ }















_{×  × }

 × 

  





◎ 연구 내용 - Rotor Volume

결정 회전자 외경 및 축 방향 길이 산정 시 기존의 경험적인 치수 산정에 대한 문제 점을 해결하기 위하여 수학적인 방법 제시. 전자 체적이 일정할 때 회전자 외경과 축 방향 길이에 따른 토크 특성이 달라지므로 최대 토크 확보를 위한 회전자 Sizing의 최 적화 필요.

그림 28. Pole-pair 변화를 고려한 최대 토크를 만족 시키는 회전자 직경 변화

(27)

그림 29. 회전자 외경과 축 방향 길이 산정을 위한 최적설계 Process

- Motor 초기 설계 시 동일한 회전자 체적에서 최대 토크를 낼 수 있는 회전자 외경과 축 방향 길이 비율 산정하여야 함.

그림 30. Yoke 설계 및 제작

◎ 코어 및 코일 설계

그림 31. Core 설계 및 제작

(28)

그림 32. 코어 및 코일 설계도, 실물 - Coil

(1) Wire : 1Class,AI-EIW (2) Conductor Dim : ∅0.75

(3) Coil turn수: 32(Turn/Group)×12(Group/Phase) (4) R값: 4.1±5%(Ω/L-L)

L값: ±5%(mH/L-L), at 1[kHz] (at 25+5[℃], 65+20[%]RH) (5) Weight : about 1650g

- Lead wire : Cable(Black) 1.0 SQMM×3C (Lengh : 1000[mm]) U-Phase : Blue / V-Phase : Green / W-Phase : Brown

◎ 최종 설계 사양

항목 설계사양

정격 출량 [W] 750

정격 속도 [rpm] 2000

고정자 외경/내경 [mm] 140

회전자 외경/내경 [mm] 83.83

영구자석 사용량 [mm

^

] 70085

적층 길이 [mm] 49

부피 [mm

^

] 315428

공극 길이 [mm] 0.96

영구자석 Br[T] -

Torque [Nm] / Power [W] 7 / 750

효율 [%] 80

점적률 [%] -

Lead angle [°] -

표 10. 최종 1HP BLDC모터 스팩

(29)

◎ 테스트

그림 33. 테스트 결과

◎

상용화 추진

- 국내 문서 세단기 보급 1위 업체인 대진코스탈사로부터 당사의 BLDC모터를 세절기의 동력용으로 사용하고자 하는 개발의뢰서를 접수하게 되었다. 밸브대신 문서 세절 날을 동작시키는 액추에이터로 응용.

1) 모터 제작

- 기존의 모터를 이용 세단기와 결합을 위해 샤프트와 탑커버를 세단기에 맞게 가공.

(30)

2) 컨트롤러 제작

- 기존 AC-Motor 를 BLDC-Motor로의 대체 구성 문서 세단기, 저소음, 고출력, 다기능 문서 세단기

- 목표 : 중 출력(450W~500W) BLDC Motor Control, 기존 기능(정회전, 역회전, 과부하 경고) 및 부가기능 적용,　상용화 가능한 구조, 안정성

그림. 35 컨트롤러 구성도 및 블록 다이어그램

동작 환경 -10℃ ~ 60℃ (습도 70% 이내에서 동결 현상이 없는 곳) 입력 전압 AC100-230V, DC18-30V

대기 전류 < 100mA@24V 최대 입력 전류 < 35A@24V 최대 출력 전류 <30A

속도 제어 범위 80RPM ~ 5,000RPM 속도 변동률 1% 이내

Control Method Intelligent On-off Protection Overload Protection

표 11. 컨트롤러 스팩 표

그림. 36 컨트롤러 테스트 및 실물

(31)

Ⅰ-4 마이크오토메이션 실적 세부내용

Ⅰ-4-1 무선 액추에이터 컨트롤러 설계 및 개발 ◎ 액추에이터 컨트롤러 구성

1) 액추에이터 컨트롤러 스펙 도출

그림 37. 액추에이터 컨트롤러 구성도

- Sensored Type BLDC Motor 구동을 위한 Control System 구성.

: 본 과제에서 사용되는 액추에이터는 Hall Sensor가 내장되어 있는 BLDC 모터.

(32)

앞에 그림과 본 과제의 BLDC 모터는 3개의 극성(U,V,W(A,B,C))터미널이 있고, 모터 회전체인 자석의 위치를 측정하기 위한 홀 센서가 장착. 이 홀센서는 모터의 회전속도 및 회전각 등을 측정. 본 과제에 사용된 모터의 홀센서는 120°간격으로 배치. BLDC 모터의 구동을 위해서는 홀센서의 출력에 따라 각각의 극성 터미널에 전류를 흘려주어 야 하므로 반드시 구동용 드라이버(FET 계열)가 필요.

그림 39. BLDC모터 구동 방법 및 구동 드라이버 구성도

본 과제에서는 기본 구동 드라이버 회로에 3-State Buffer 및 Level converter 겸용 소자를 이용하여 프로세서 Ports 보호 회로를 구현하였고, 100V/2A 급 3상 Smart Power Module을 이용하여 BLDC 모터 드라이버 부를 설계.

그림 40. BLDC 모터 드라이버 및 Ports 보호회로

(33)

: 본 과제에서 사용된 Smart Power Module 는 100W 미만의 소형 전력 모터를 위한 경 부하 효율성, 탄탄한 온모듈 보호 및 우수한 열효율을 보장하는 모듈.

이는 소형 모터 컨트롤 시스템에 단순하고, 컴팩트하며 성능이 뛰어난 시스템 설계를 가능하게 함. PQFN 패키지로 보드 공간을 적게 차지하는 효과도 있음.

<Smart Power Module 제원>

- 모터 구동 시 발생되는 노이즈에 의한 오동작 방지.

: BLDC 모터는 일반 DC 모터와 다르게 브러시와 정류자 간 기계적인 마찰이 없으므

로 고속 회전이 가능하고, 소음과 전자 노이즈가 감소. 하지만 BLDC 모터의 회전속도

변화 시 역기전력에 의한 노이즈가 발생되므로 본 과제에서는 기본 BLDC 구동 드라이

버 회로에 3-state Buffer 및 Level converter 겸용 소자를 이용하여 MCU Ports를 보호

하였고, 대용량 BY-pass CAP을 추가하여 역기전력의 발생을 억제. GND 간 간섭을 최

소화하기 위하여 패턴을 변경.

(34)

: MCU 프로세서 Ports를 보호하기 위해 3-State Buffer 및 Level converter 겸용 소자 를 이용하였다. MCU의 I/O포트는 노이즈나 서지 등에 매우 취약. 따라서 노이즈 및 서 지가 MCU에 유입되지 않게 차단해 주어야 함. 버퍼를 통하거나, TVS 다이오드 또는 바리스터를 연결하여 I/O 포트를 보호하여야 함. 옵토커플러를 이용하여 I/O 포트와 모 터 드라이버단을 아이솔레이션 하는 것이 제일 좋은 방법임. 하지만 본 과제에서는 PCB 공간이 부족하여 3-State Buffer 및 Level converter 겸용 소자를 적용하여 MCU I/O 포트를 보호. 또한 모터 드라이버단과 GND 라인을 분리하여 노이즈 및 서지에 의 한 취약점을 보완함. 3-State Buffer 및 Level converter 겸용 소자인 SN74LVC4245A를 사용함.

<SN74LVC4245A 제원>

- 출력축 Main Shaft 각도를 측정하여 밸브 및 댐퍼 각도제어.

: 밸브 및 댐퍼의 각도 제어를 위해 출력 측 Main Shaft에 각도 측정을 위한 가변 저 항 형 센서와 기구물을 제작함. 출력축 Main Shaft 각도 측정을 위한 1차 Prototype에 서는 Panel mount형 가변저항을 사용하여 제작.

Panel mount형 가변저항은 기구물에 장착이 용이하여 기구물 제작이 간편한 장점이

있고, 각도 측정값이 저항 값으로 표시되므로 회로 구성이 간편하여 1차 Prototype에

적용하였으나, 가변저항의 크기가 크고, 가변저항 장착을 위한 기구물이 별도로 필요하

여, 액추에이터 공간 활용에 제약이 있음. 따라서 로봇 및 다기능 액추에이터에서 사용

하는 Rotary Position Sensor(part number : SV03A103AEA01)를 적용하여 2차 Prototype

을 제작함. Rotary Position Sensor는 크기가 소형이어서 PCB에 바로 실장이 가능하여

추가적인 기구물을 필요로 하지 않아 공간 활용에 효과적임. 또한 Panel mounter형 가

변저항과 마찬가지로 각도 값이 저항 값으로 표시되므로 회로구성이 간단함.

(35)

그림 42. 출력축 Main Shaft 각도측정 방법

그림 43. 2차 Prototype PCB Layout

: 2차 Prototype에는 Rotary Position Sensor를 PCB에 실장 하여 고정하였다. 이때 출 력 측 Main Shaft는 모터의 회전에 의해 회전하는 기구물임. 따라서 회전 시 진동 또는 움직임에 따라 회전 반경이 달라짐. Main Shaft의 회전 반경이 달라지면 PCB 에 고정 된 Rotary Position Sensor연결부에 무리한 힘이 가해져, 손상되거나 파손될 수 있는 문 제가 있음. 이를 해결하기 위해 Aluminum coupler를 연결부분에 사용. 하지만 Aluminum coupler가 Rotary Position Sensors 연결부에 가해지는 무리한 힘을 모두 잡 아주지 못하는 문제가 아직 남아있어 남은 과제 수행 기간 중에 수정/보완이 필요.

- 최소/최대 이동각도를 제한하여 CLOSE/OPEN 구현.

(36)

Switch를 적용.

앞에 설명한 “출력축 Main Shaft 각도를 측정하여 밸브 및 댐퍼 각도제어”방법을 이용하여 CLOSE/OPEN을 구현하여도 가능하나, Rotary Position Sensor의 손상 혹 은 파손에 의해 각도제어가 되지 않을 경우를 대비하여 추가로 Limit Sensor를 사용 하여 CLOSE/OPEN을 구현함. “출력축 Main Shaft 각도를 측정하여 밸브 및 댐퍼 각도 제어”방법과 마찬가지로 출력축 Main Shaft에 Limit Sensor를 눌러주는 기구물을 장착 하여 CLOSE/OPEN를 판단함.

그림 44. Limit Sensor와 Main Shaft 기구물

- 성능향상을 위해 Coretex M3 CPU 사용.

: 1차년도 산출물에서는 모터 구동을 위해 Brushless DC Motor Controller(MC33033)와

Close Loop Brushless Motor Adapter(MC33039)를 적용하여 구현함. 그리고 Atmega8-16AU MCU를 사용하여 제어를 함. 이는 회로 구성이 간단하고, 모터구동을

위한 펌웨어 소스가 간단한 장점이 있으나, 회로에 사용되는 부품의 크기가 크고, 모터 속도조절에 한계가 있고, 출력 측 Main Shaft 각도 제어에도 한계가 있음. 2차 년도에 서는 이 문제를 해결하기 위해 MCU로 드라이버 스위칭 소자를 직접제어 하고, MCU를 Atmega8-16AU(8-bit)에서 Coretex-M3 계열의 MCU인 stm32f103c8t6

(32bit)로 변경.

<MCU 비교>

Atmega8 STM32F103RCT6

부품사진

Core Atmel® AVR® ARM 32-bit Cortex™-M3 System Clock 16MHz

8-bit RISC

72MHz 32-bit RISC 동작온도 -40℃ to +85℃ -40℃ to +85℃

I/O ports

Two 8-bit PWMX6,

16-bit PWM Channels, 10-bit ADCX8 , USARTsX2

Up to 112 fast I/O ports, Up to 11 timers,

Up to 13 communication interfaces

(37)

- AC/DC Converter(110/220V->24VDC)를 구현하여 컨트롤보드 전원공급.

: 액추에이터 컨트롤러 보드의 동작 전원은 DC24V 전압을 기본으로 동작.

현장 적용성을 고려하면, 액추에이터 컨트롤러의 입력전원은 AC110/220V 이어야 함.

따라서 AC/DC Converter를 구현하여 액추에이터 컨트롤러 보드의 동작전원으로 사용.

그림 45. AC/DC Converter 회로도와 Layout

: AC-DC Quasi-Resonant Current Mode PWM Controller(LM5023) 적용하여 개발.

50W급 입력AC110/220V, 출력DC24V 2A AC/DC Converter 로 TI Designator를 사용하여 개발. 노이즈 및 Transformer 크기로 인해 Control Board와 분리하여 제작하였고, Control Board와 복층 PCB로 구성.

- DC Power Management 레귤레이터 회로 구성

: 모터 드라이버 부는 DC24V로 동작하나, MCU 및 부가회로는 DC5V,3.3V로 동작함.

그리고 Motor Driver Bootstrap은 DC15V로 동작함.

: 액추에이터 컨트롤러 보드는 DC5V Output가 있어야 한다. 이는 액추에이터 컨트롤

(38)

될 수 있는 노이즈가 IoT 통신보드로 유입되지 않게 하기 위해 Bead를 이용하여 GND 단을 분리.

그림 46. DC Power Management 레귤레이터 회로

2) Serial 통신을 이용하여, IoT 무선 통신모듈과 제어통신.

: 액추에이터 컨트롤러는 IoT 무선 통신 모듈을 통해 메인 서버로부터 지령을 받아 동작함.

그림 47. 통신 개념도

(39)

: 액추에이터 컨트롤러와 IoT 무선 통신 모듈 간 통신프로토콜은 다음과 같음.

1. 인터페이스 : RS-232

A. 9600 bps, No parity bit, 8 data bit, 1 stop bit

B. 5V Level

C. 양방향 통신(full duplex)

D. Instruction Packet 전송시 Status Packet를 전송한다.

2. Instruction Packet

: IoT통신모듈이 IoT액추에이터에 보내는 명령데이터

: Instruction Packet의 구조

(40)

3. Status Packet

: IoT액추에이터가 IoT통신모듈에 보내는 명령데이터(Return 데이터)

: Status Packet의 구조

(41)

3) PCB 3D 모델링

: 실제크기의 PCB와 PCB에 조립되는 실제 부품을 모델링하여 액추에이터 컨트롤러 PCB와 하우징간의 간섭을 확인하기 위해 PCB 형상을 3D 모델링하여 조립성을 확인.

그림 48. 액추에이터 컨트롤러 3D 모델

그림 49. 액추에이터 하우징과 조립성 확인

(42)

4) 액추에이터 컨트롤러 산출물

그림 50. 액추에이터 컨트롤러 회로도

그림 51. 액추에이터 컨트롤러 3D Model 및 시제품

(43)

Ⅰ-4-2 무선 액추에이터 컨트롤러 펌웨어 개발 ◎ 액추에이터 컨트롤러 펌웨어 구성

그림 52. 액추에이터 컨트롤러 펌웨어 개념도

1) BLDC 구동 펌웨어 개발

- Sensored Type BLDC Motor 구동용 펌웨어 구성.

: BLDC 모터의 구동을 위해서는 홀센서의 출력에 따라 각각의 극성 터미널에 전류를 흘려주어야 한다.

: BLDC 내부의 Hall Sensor로부터 출력되는 Commutation 신호는 모터 전동기의 위치 를 알려주는 역할을 한다. 본 과제에서 개발된 BLDC 모터는 전동기에 120°간격으로 Hall Sensor가 부착되어 있다. 세 개의 Hall Sensor로 측정된 모터 전동기 위치에 따라 정해진 스위칭 신호를 Smart Power Module에 전달하면, Smart Power Module 내부의 FET 스위칭 소자가 스위칭하면서 전동기 코일에 토크를 발생시킬 수 있는 전류가 흘 러 자석인 회전자와의 상호 작용으로 플레밍의 왼손법칙에 의해 전동기가 회전하게 된 다.

: 다음은 Hall Sensor 입력에 따른 PWM파형을 나타내는 표와 그래프 이다.

(44)

그림 53. Hall Sensor값과 스위칭 출력 타이밍 차트

: 그림 53과 같이 U,V,W 상의 출력은 Sin파 형태를 가지며, 120°위상차를 가지게 된 다. 이는 BLDC 모터 회전 속도가 100%인 경우이다.

Input U- phase V- phase W- phase HU HV HW Top Bottom Top Bottom Top Bottom

H L H OFF ON ON OFF OFF OFF

H L L OFF ON OFF OFF ON OFF

H H L OFF OFF OFF ON ON OFF

L H L ON OFF OFF ON OFF OFF

L H H ON OFF OFF OFF OFF ON

L L H OFF OFF ON OFF OFF ON

L L L OFF OFF OFF OFF OFF OFF

H H H OFF OFF OFF OFF OFF OFF

표 12. Hall Sensor값과 스위칭 출력의 관계

(45)

void CW(void) {

//delay(5000);

if(TIM_GetFlagStatus(TIM3, TIM_FLAG_Trigger)==SET || START==RESET) { TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_COM);

TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Trigger);

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_1, TIM_CCx_Disable);

GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15);

START=SET;

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_6)!=SET && GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_7)==SET && GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0)==SET)

{

TIM_SelectOCxM(TIM1, TIM_Channel_1, TIM_OCMode_PWM1);

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_1, TIM_CCx_Enable);

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_15);

}

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_6)!=SET && GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_7)!=SET && GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0)==SET)

{

}

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_6)==SET && GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_7)!=SET && GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0)==SET)

{

}

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_6)==SET && GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_7)!=SET && GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0)!=SET)

{

}

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_6)==SET && GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_7)==SET && GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0)!=SET)

{

}

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_6)!=SET && GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_7)==SET && GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0)!=SET)

{

표 13. BLDC 모터 구동 펌웨어 소스

(46)

void Control(void) {

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);

current_val=ADC_GetConversionValue(ADC1)*200/4095;

if(current_val>zero_point+(0x5A-(0.45*0x5A)) && Destination>=current_val) stop_cnt=SET;

else stop_cnt=RESET;

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1)==RESET && zero_cnt==SET) Destination=current_val,zero_point=current_val;

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1)==RESET && stop_cnt==SET) Destination=current_val;

err = Destination-current_val;

if(err==0 && complete_cnt==SET) complete();

Kp_term = Kp * err; // p항 = Kp*오차 I_err += err * idt; // 오차적분 += 오차*dt Ki_term = Ki * I_err; // i항 = Ki*오차적분

D_err = (err-prev_err)/ddt; // 오차미분 = (현재오차-이전오차)/dt Kd_term = Kd * D_err; // d항 = Kd*오차미분

prev_err = err; // 현재오차를 이전오차로 control = Kp_term;// + Ki_term + Kd_term;

if(control>0) CWCount=1;

else if(control<0) CWCount=0,control*=(-1);

if(control>80) control=80;

else if(control<0) control=0;

if(err==0) {

TIM1->CCR1=0,TIM1->CCR2=0,TIM1->CCR3=0,complete_cnt=RESET;

}

else TIM1->CCR1=control,TIM1->CCR2=control,TIM1->CCR3=control;

}

- 밸브 및 댐퍼 각도 제어 펌웨어 구성.

: 본 과제의 액추에이터는 밸브 및 댐퍼의 각도를 제어하기 위한 액추에이터 시스템 이다. 따라서 밸브, 댐퍼 각도를 제어가 가능한 알고리즘을 구성하였다.

: IoT 무선 통신 모듈에서 전달된 제어 명령에 따라 액추에이터를 제어한다.

이때 위치제어와 속도 제어를 동시에 수행함으로써 액추에이터 동작이 안정되게 한 다.

그림 54. 액추에이터 제어 알고리즘

표 14. 액추에이터 제어 알고리즘 펌웨어

(47)

Ⅰ-4-3 액추에이터 컨트롤러 성능시험

◎ 자체 액추에이터 컨트롤러 성능 시험기 제작

1) 액추에이터 성능 시험장기 구성

- 본 과제에서 개발된 액추에이터 컨트롤러의 성능 시험을 자체적으로 실시하여, 동작 성능 검증 및 성능개선을 위해 사용하였다.

: 본 성능 시험기의 주요 구성요소는 24V/10A 의 DC 파워서플라이, 액추에이터에 부하 를 주기위해 다이나모 시스템, 제어를 하기 위한 엑추에이터 제어기 이다. 여기서 엑추 에이터 제어기는 본 과제에서 개발된 액추에이터 컨트롤러이다.

: 다이나모 시스템은 토크센서, 커플링, 부하전동기 및 부하 전도기 제어시스템으로 구 성된다.

: 액추에이터 컨트롤러에 제어명령을 내리기 위해 노트북과 통신 모듈이 사용되었다.

(48)

2) 시험결과

- U,V,W 상전압 측정

: Hall Sensor 입력값에 따라 U,V,W 스위칭 상전압이 출력됨을 확인할 수 있다.

: 그림 49의 타이밍 차트와 같이 120°위상차를 가진 Sine파 형태의 U,V,W 상전압 파 형을 확인할 수 있다.

: 액추에이터 컨트롤러가 정상 동작됨을 확인할 수 있다.

그림 56. 측정된 U,V,W 상전압과 선간전압 파형 (선간전압 : 삼상회로에서 3개의 전선간의 전압)

그림 57. U상에 흐르는 전류 파형 - 구동 속도별 토크 측정

: 토크 측정은 미리 본 과제에서 개발된 액추에이터 컨트롤러에 시뮬레이션과 동일하

게 최대 토크를 낼 수 있는 속도별 스위칭 위상각을 테이블화 하고 속도를 측정하여

그 속도에 맞게 스위칭 출력 하는 방식으로 측정.

(49)

그림 58. 토크 측정 및 시뮬레이션 파형

: 위 그림은 속도별 토크를 시뮬레이션과 실제 측정값을 비교하여 나타내었다.

기저속도에서는 시뮬레이션과 비슷한 토크 출력결과를 보이나 속도가 올라가면서 속도 에 의한 인덕턴스 증가로 전류의 지연이 생기고 철손분의 증가로 인해 토크가 시뮬레 이션 값보다 작음을 알 수 있다.

향후 철손분의 부분에 대한 보상을 위해 히스테리손과 와전류손 측정을 통해 보상하는 방법에 대한 연구가 필요하다.

- 효율 측정

: 액추에이터 컨트롤러의 효율을 측정하기 위해 컨트롤러의 입력전압을 측정하고, 컨트

롤러 3상 출력전력을 전력 분석계를 이용하여 계측하였다. 또한 다이나모메터에서 출

력되는 속도 및 토크센서로 측정되는 토크를 이용하여 액추에이터의 출력을 계산하였

다. 기저 속도에서 실험 최고 속도까지 전체적으로 80% 이상의 효율을 나타내고 있다.

(50)

Ⅰ-5 씨엘전자 실적 세부내용

- 본 장에서는 씨엘전자(주)가 담당하는 IoT 기반 플랫폼 개선 및 업데이트와 IoT기반 무선 인터페이스 개발에 대하여 기술함.

그림 60. WiFi 기반 IoT 무선통신 구조도

- 그림 1.은 WiFi 기반의 IoT 무선통신 구조도를 나타낸 것임.

- IoT 기반 플랫폼 개선 및 업데이트에서는 WiFi 기반 IoT 무선통신 소프트웨어 구현, IoT 기반 액추에이터 연동 소프트웨어 구현, IoT 게이트웨이 연동 소프트웨어 구현에 대하여 기술함.

- IoT 기반 무선 인터페이스 개발에서는 IoT 게이트웨이와 연동 소프트웨어를 구현한 IoT 기반 무선 프로토콜 개발, WiFi 기반 IoT 무선통신 하드웨어 모듈 개발 및 개방형 IoT 플랫폼을 연동한 MOBIUS 서버 및 MQTT 연동 기술 개발에 대하여 기술함.

Ⅰ-5-1 IoT 기반 플랫폼 개선 및 업데이트

- IoT 기반 플랫폼 개선 및 업데이트에서는 WiFi 기반 IoT 무선통신 소프트웨어 구현, IoT 기반 액추에이터 연동 소프트웨어 구현, IoT 게이트웨이 연동 소프트웨어 구현에 대하여 기술함.

1) WiFi 기반 IoT 무선통신 소프트웨어 구현

- 본 장에서는 WiFi 기반 무선통신 모듈에 구현된 전체적인 소프트웨어들을 기술한다.

그 내용은 아래와 같음.

· 액추에이터 컨트롤러와의 통신 인터페이스 설계 및 구현 · IoT Gateway와 통신 인터페이스 설계 및 구현

· 개방형 IoT 플랫폼 서버와의 S/W 연동 설계 및 구현 · WIFI 기반의 IoT 무선통신 S/W 안정화 및 통합화

· IoT 디바이스 미들웨어 패키지 생성(액추에이터 A형 패키지 / 뎀프용 B형 패키지)

(51)

static int GetScanResult(Sl_WlanNetworkEntry_t* netEntries ) {

// GetScanResult

// G/W & AP의 리스트를 받아온다 unsignedcharpolicyOpt;

unsignedlongIntervalVal= 60;

intlRetVal;

policyOpt = SL_CONNECTION_POLICY(0,0,0,0,0);

lRetVal = sl_WlanPolicySet(SL_POLICY_CONNECTION , policyOpt, NULL, 0);

ASSERT_ON_ERROR(lRetVal);

// enable scan

policyOpt = SL_SCAN_POLICY(1);

// set scan policy - this starts the scan

lRetVal = sl_WlanPolicySet(SL_POLICY_SCAN , policyOpt, (unsignedchar*)(IntervalVal), sizeof(IntervalVal));

// delay 1 second to verify scan is started osi_Sleep(1000);

// lRetVal indicates the valid number of entries // The scan results are occupied in netEntries[]

lRetVal = sl_WlanGetNetworkList(0,SCAN_TABLE_SIZE,netEntries);

// Disable scan

policyOpt = SL_SCAN_POLICY(0);

// set scan policy - this stops the scan sl_WlanPolicySet(SL_POLICY_SCAN , policyOpt, (unsignedchar*)(IntervalVal), sizeof(IntervalVal));

returnlRetVal;

}

// 검색된 G/W & AP의 개수 리턴한다.

//*****************************************************************************

//! Network_IF_ConnectAP Connect to an Access Point using the specified SSID //! \param[in] pcSsid is a string of the AP's SSID

//! \param[in] SecurityParams is Security parameter for AP

//! \return On success, zero is returned. On error, -ve value is returned

//*****************************************************************************

long

Network_IF_ConnectAP(char *pcSsid, SlSecParams_t SecurityParams) {

#ifndef NOTERM

unsigned short usConnTimeout;

#endif

long lRetVal;

unsigned long ulIP = 0;

unsigned long ulSubMask = 0;

unsigned long ulDefGateway = 0;

unsigned long ulDns = 0;