엔진텍 - AC 다이나모미터 Control and DAQ System

Author(s):
이길용 팀장 - 엔진텍

Industry:
Automotive

Products:
Compact FieldPoint, LabVIEW, Real-Time

The Challenge:
AC 다이나모미터의 특징은 엔진의 동력을 흡수할 수도 있고, 또 동력을 전달할 수 있다는점이다. 따라서 여기에 맞는 하드웨어의 개발도 필요하고, 이를 제어할 수 있는 장치와 소프트웨어를 갖추어야 한다. 당사에서 가장 어렵게 생각했던 부분이 프로그램의 개발과 시간의 문제였다. 그러나 LabVIEW의 장점인 빠른 개발 시간과 안정성, 그리고 뛰어난 이식성 및 소스 재사용을 잘 알고 있기 때문에 LabVIEW를 이용한 대규모 프로그램 개발을 결정하였다.

The Solution:
현재 한국의 엔진 실험실은 고가의 외산 AC 다이나모나 EC, DC 다이나모가 주류를 이루고 있고, 국산의 제품으로는 EC 타입이 소수를 차지하고 있다. 또한 갈수록 실험 기법이 고급화되고, 고정밀도를 요하면서, 엔진 개발기술이 선진화되어 있는 실정에서, 기존의 EC 타입으로는 실험자가 원하는 데이터를 생산해내기에는 한계가 있으므로 AC 타입을 선호하는 추세이다. 하지만 외산의 AC 타입으로 엔진 실험실을 구성했을 때의 비용이 막대하므로 구축하고자 해도 비용 때문에 쉽지 않다. 이러한 현실로 인해서 국내 최초로 AC 다이나모미터 를 NI 제품을 사용하여 개발하였고, 비용을 획기적으로 절감할 수가 있었다. 또한 NI DAQ 시스템과 LabVIEW의 강력한 제공 함수를 이용하여 단기간에 안정적인 제품 개발에 성공할 수 있었다.

하드웨어
그림 1과 같이 HMI를 이용하여 단독으로도 다이나모를 제어할 수 있고, 원격 PC에서도 제어가 가능하도록 구성하였다. 원격 PC에서는 FieldPoint와 통신을 하여 데이터를 수집하고 많은 수의 주변 장치와 485 Modbus 통신으로 장비 네트워크를 구성하였다. 또한 사용자가 임의의 변수를 지정만 하면 원하는 아날로그 출력값을 출력하여 또 다른 장비와 연결 할 수 있도록 하였다. 모든 데이터의 수집은 사용자가 신호의 종류나 변수명, 물리적 단위 모두를 설정 가능하도록 하였다.
DAQ 장비는 Boom Post가 엔진 바로 위에 위치하기 때문에 뛰어난 내구성과 정확성 요구된다. 이러한 환경에서 NI의 FieldPoint는 충분히 Stand-Alone으로 잘 작동하여 주었다. 기존에는 많은 센서의 신호선을 Test Cell에서 Control Room까지 연결했는데, 본 장비는 랜선 하나만 연결하면 되므로 유지 보수 및 정확도가 향상되었고 노이즈 문제의 대안으로도 제시할 수 있다.

그림 1. 시스템 다이어그램

소프트웨어
그림 2와 같이 다이나모 컨트롤러는 최소 3가지의 모드(Speed-Position, Speed-Torque, Torque-Position) 운전이 가능해야 한다. LabVIEW의 PID Control Toolkit은 개발자의 코드 개발을 최소한으로 유지시켜주었기 때문에 제어 기법과 편리성 개발에 중점을 둘 수 있었다.

그림 2. HMI

주요 특징으로는 외부 PC 없이도 본 HMI만으로 엔진 제어가 가능하다는 것과 엔진 운전 중에 어떠한 모드 전환을 하더라도 엔진은 전혀 쇼크나 변화가 없는 것을 들 수 있다. 따라서 운전 중에 안전한 모드 전환이 가능하고, 이것은 자동 운전에서도 그 효과가 입증되었다.
그림 3, 4는 PC 원격 제어 프로그램이다. 그림1에서와 같이 외부의 추가 장비를 자동으로 제어할 수 있고, 각종 사용자 함수와 1차원, 2차원 Matrix를 제작하여 사용할 수 있도록 하였다. 또한 그림 4에서와 같이 사용자의 프로그램에 의해서 자동 엔진 운전이 가능하다.

그림 3. PC 컨트롤 창(상), 사용자 변수 관리창(하)

그림 4. 사용자 지정 테이블 입력 창(상), 자동 운전 프로그램 창(하)

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 :
AC 다이나모미터 개발의 핵심은 노이즈 처리에 있다. AC 모터의 특성상 노이즈가 많이 발생하고 설비 또한 뒷받침이 되어야겠지만, 하드웨어는 노이즈 문제에 강한 제품을 사용해야만 한다. 따라서, 이러한 조건에서도 안정적인 신호처리가 되는 정확한 하드웨어가 필요했는데 NI의 FieldPoint와 Signal Conditioner는 잘 동작하여 정확한 값을 읽는 것을 확인하였다. 본 장비의 개발로 인하여 국산 AC 다이나모미터가 탄생하였고, 본 장비의 저변 확대로 현장 연구자 분들은 보다 더 우수한 엔진을 개발하는데 보탬이 되어서 매우 감사하게 생각한다.
실질적으로 개발하면서 많은 어려움이 있었는데, NI의 많은 엔지니어 분들과 본 장비를 사용하고 계시는 분들의 도움으로 성공적인 개발이 이뤄져서 다시 한번 감사의 마음을 표현한다.

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이길용 팀장
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