1.서 론

하나의 줄에 일정한 간격으로 낚시와 미끼를 단 주낙 또 는 연승의 경우 이곳 전남 인근해역에서 많이 사용하는 어 로 방법 중 하나로 이를 활용하여 홍어, 돔, 낙지, 쭈꾸미를 주로 잡고 있다. 과거에는 이들 어종을 잡기위해 2인 1조로 하여 1인은 선박 조종을 하고 나머지 1인이 물속에 길게 늘 어뜨린 무거운 연승줄을 인력으로 잡아 올렸으나, 현재는 연승기에 전동기를 달아 자동화함으로써 어민의 피로도를 획기적으로 줄일 수 있었을 뿐만 아니라, 신속한 작업으로 생산성이 향상되어 어민 소득에도 큰 기여를 하고 있다. 해 양수산부 통계시스템의 2013년 자료에 의하면, 전남지역의 연승 어로작업에 주로 사용하는 1톤 미만의 어선은 8879척 으로 같은 규모 어선 전체적으로는 약 48 %를 차지할 정도 로 연승기의 수요는 많다고 할 수 있다. 수요는 많지만 어로 작업이라는 한정되고 특수한 분야와 상업용이라는 이유로 그 실험적 연구결과는 많지 않은 실정이다. 하지만 대부분 의 이들 제어기에는 배터리 잔량표시기, 배터리 과방전 방 지 장치 및 배터리 결선 오류 방지기능 등의 보호기능 등이 빠져 있어, 본 논문에서는 이들의 부가하여 사용자 편의를 높인 제어기를 개발하였다.

연승기의 작업은 연승줄을 끌어 올릴 때 많은 부하가 필 요하므로 연승기의 전동기도 단방향으로만 속도 조절하여 제어기의 동작안정성을 높이도록 하였다.

본 논문에서는 이들 연승기에 주로 사용되는 400 W 용량 의 직류전동기를 대상으로 제어 회로를 구성하였으며, 연승 기의 어로 특성을 고려한 안정적인 동작이 되도록 여러 부 가기능을 추가하여 설계 및 제작하였다.

직류전동기를 제어하기 위한 제어기는 크게 연승기가 설 치되어 있는 현장에서 전동기를 제어하기 위한 리모트 컨트 롤러와 제어기 본체 2부분으로 구성되어 있다. 제어기 본체 는 PWM(Dijk et al., 1995) 제어회로, FET 드라이버, 전원회로 가 결합되어 있고 안전한 실내에 보관을 하며, 리모트 컨트 롤러에는 전동기 on/off 스위치, 속도조절핸들 및 상태지시램 프가 설치되어 있어 전동기의 속도제어는 리모트 컨트롤러 를 통해 하고 있다.

2.직류전동기 제어회로

2.1.PWM 제어회로

전동기 구동을 위해 사용되는 PWM 신호는 PIC, AVR, 기 타 다양한 마이크로컨트롤러(Yadav et al., 2012; Shrivastava et al., 2012; Yu et al., 2010) 등에 내장되어 수많은 방법으로 발 생되어 진다. 다양한 쓰임새로 인해 독립적으로 PWM 컨트 롤러 IC가 시판되고 있으며, 간단하고 안정적인 PWM(Patel and Pankey, 2013; Dewangan et al., 2012) 파형을 만들기 위해 본 논문에서는 PWM IC 전용칩인 SG3524를 사용하여 Fig. 1 과 같이 구성하였다.

SG3524의 12와 13번 핀으로 출력되는 PWM 신호는 리모트 컨트롤러의 속도 조절용 노브에 의해 조정되며, 이 가변저항인 노브는 VR+, VR-FB, VR-의 3개의 핀과 연결된다. 고정된 PWM 의 출력 주파수는 식(1)과 같이 one timing resister(R9 : R_HZ )와 one timing capacitor(C2 : C_T )에 의해서 변경할 수 있다.

여기서 R_HZ와 R8의 단위는 kΩ, C_T는 μF , 그리고 주파 수 f는 kHz이다.

PWM 신호(Wang and Xu, 2010)의 주파수가 적은 경우 직 류전압은 공급된 직류전압보다 더 많은 열을 전동기에 발생 시켜 전동기의 인덕턴스가 off 기간 동안 전류를 적절히 유 지할 수 없게 한다. 또한 전동기의 구동에 사용되는 MOSFET는 너무 높은 주파수로 절환되어서는 안되며 주로 100kHz 이내의 주파수를 사용한다. 최적의 주파수를 선택하 는 것은 어렵지만 대략 5~30 kHz 정도의 주파수를 사용한다. Fig. 1의 회로에서는 R_HZ 트리머를 조정함으로써 쉽게 고정 된 주파수를 변경할 수 있다. % 트리머(R6)는 PWM(100%까 지)의 최대 듀티 사이클(D = T_on/ T × 100%)의 범위를 변경 하는데 사용된다. 또한 소수점 이하의 정확한 듀티 사이클 을 필요로 할 때 %SMALL(R5) 트리머를 조절한다. 또한 저 항 R4와 R7을 조정하여 SGN과 연결된 전원을 분압 함으로 써 PWM 출력전압의 크기를 변경할 수 있다. 만일 전동기로 부터 과부하 신호가 Stop1과 Stop2로 입력되면, PWM 출력신 호는 차단되고, 따라서 전동기도 정지된다.

2.2.MOSFET 구동 회로

Fig. 2의 (a)는 MOSFET의 게이트신호를 제어하기 위한 Half-bridge 드라이버 회로를 나타낸다. 여러 종류의 드라이 버 중 600 V의 고전압 및 고속의 power MOSFET를 구동하기 위한 IR2111를 사용하였으며, Fig. 2의 (b)와 같이 SG3524에서 출력된 PWM 신호를 받아 HO와 LO의 신호를 출력하여 N-channel의 MOSFET의 게이트에 가하게 된다.

2.3.전동기 구동 회로

본 논문에서 사용된 전동기는 단 방향으로만 회전하므로 H-bridge 대신에 2개의 MOSFET를 사용하여 Fig. 3과 같이 구 성하였다. 만일 하나의 FET를 사용하여 IR2111의 게이트 신 호 중 HO나 LO 신호 어느 하나만으로 제어할 경우 전동기 정지속도가 느려지게 된다. 따라서 전동기의 신속한 정지를 위해서 2개의 FET를 사용하고 IR2111의 HO와 LO신호 모두 를 사용하였다.

전동기 구동 회로에 사용한 Main Capacitor C1은 중요한 역할을 하게 된다(Bennasr and Kebir, 2010). 순간적으로 FET 가 OFF되었을 때, 갑작스런 전동기의 정지로 말미암아 회로 내에는 고전압이 발생하게 되고 부품의 파괴로 이어지게 된 다. 반복된 FET의 ON-OFF 실험에서 FET의 과열로 인한 파 괴를 경험하였으며 이러한 문제점은 C1의 용량을 적절하게 선택하여 없앨 수 있었다. 또한 전동기의 초기 기동시 필요 한 전류를 배터리뿐만 아니라 충전된 C1이 함께 공급함으로 신속한 전동기의 기동을 도와주게 된다. 필요한 C1 커패시 터 용량은 다음과 같이 계산된다.

여기서. I_{mot_avg} = (I_max + I_min) / 2 는 Fig. 4에서 나타내 는 바와 같이 전동기에 흐르는 전류의 최대와 최소치의 평 균을 나타내고 있으며, V_{bat_ripple} 은 전동기 Off-time 동안 충전으로 인한 전압 변화를 나타낸다.

3.안전을 위한 부가회로

3.1.배터리 저전압 경고 및 전동기 정지회로

소형 어선에서 사용되는 전원은 12 V 배터리 전용으로 사 용중인 선박이 대부분이며, 과사용하여 배터리의 전압이 낮 아지면 배터리 자체의 수명에도 영향을 끼치게 된다. 아울 러 전동기 구동을 위한 FET 동작에 오류가 생겨 전동기에 충분한 토크를 가지지 못하게 된다. 따라서 배터리전압을 계속해서 검출하여 특정 전압이하일 경우에는 동작을 멈추 고, 충전을 하도록 사용자에게 알리 필요가 있으며 이를 위 해 11.5 V 이하일 경우 저전압 배터리 신호를 외부에 알리도 록 하고 있다. Fig. 5는 저전압 배터리 램프를 점등시키고, PWM 칩에 공급된 전원을 차단하여 전동기의 운전을 정지 토록 하는 회로를 나타낸다.

배터리 전압이 11.5 V 이하로 저하되면 TR1이 동작하여 BAT-LOW led가 점등이 되고, RELAY가 구동되어 PWM 칩 SG3524의 전원으로 사용되는 신호인 SGN이 Low가 되어 SG3524는 동작을 멈추게 되므로, 전동기도 구동을 멈추게 된다. 또한 콘트롤러 본체뿐만 아니라 리모트 콘트롤러에도 동일한 신호가 BAT-LOW로 출력하게 되어 조작자는 쉽게 이를 인지할 수 있게 된다.

3.2.배터리 결선 오류 방지회로

어선의 배터리 방전시 충전을 위해서는 이미 충전이 된 배터리를 1:1로 교체하거나, 새로이 충전을 하여 콘트롤러에 연결을 하게 된다. 이 반복되는 과정 중에 배터리 전원의 잘 못된 결선으로 인한 실수가 빈번하게 발생하게 된다. 이로 인해 손상을 줄이기 위해 Fig. 6과 같은 회로를 추가하여 배 터리 결신이 반대로 되었을 때, WCL 램프가 점등하여 결선 이 잘못 되었음을 알리고, 릴레이가 동작하여 컨트롤러로 가는 전원 IN+와 IN-사이를 차단하게 된다.

4.실험결과

Fig. 7은 모든 회로를 결합한 실제 전동기 컨트롤 보드를 나타낸다.

Fig. 8은 리모트 컨트롤러와 전동기 제어를 위한 본체를 포함한 전체 시스템을 나타내고 있다. 콘트롤러 박스 외부 에는 배터리 전압게이지와 배터리 저전압 램프가 설치되어 있고, 리모트 컨트롤러에는 운전 및 정지 스위치, 전원램프, 배터리 저전압 램프 및 전동기 속도조절 노브를 설치하였 다. 본체와 컨트롤러는 7 m의 유선으로 연결하여 어로 작업 시에 작업자가 어선의 선측에서 전동기의 운전 및 속도조절 을 용이하도록 하였다.

Fig. 9는 전동기의 동작실험 결과를 나타내고 있다. 전동 기는 어선에서 대중적으로 사용하고 있는 400 W 용량의 전 동기를 선정하여 실험을 실시하였다.

각 그래프의 상단에 있는 1번과 2번 파형은 IR2111로부터 MOSFET의 gate에 ON-OFF 입력을 가하기 위한 신호를 나타 내고, 3번 그래프는 배터리 전압을 나타낸다. 그리고 4번 그 래프의 파형은 전동기에 공급된 출력전압을 나타내고 있다.

그림 (a)는 PWM 펄스폭이 최소인 결과이고, (b)는 리모트 컨트롤러를 돌려서 30 % 정도로 전동기를 제어한 결과이며, (c)는 70 % 정도로 제어한 결과를 나타낸다. 속도 조절 컨트 롤러 노브를 시계방향으로 회전시킴에 따라 전동기의 속도 가 증가함을 파형으로부터 알 수 있다. 또한 고부하 상태에 서 최대에서 최소로 갑작스런 속도조절을 할 경우에는 노이 즈가 증가하고 출력전압도 42 V정도까지 상승함을 확인할 수 있었다. 하지만 빈번한 속도변화에도 컨트롤러는 잘 추 종함을 실험적으로 확인하였다.

Fig. 10은 연승기 실험을 위해 실제 어선에 장착한 연승기 제어기를 장착한 사진을 나타낸다. (a) 사진의 리모트 컨트 롤 박스는 어선내 현측의 작업개소에 직접 들고 다니며 조 작할 수 있으며, (b) 사진의 컨트롤러는 해수 침입에 의한 고 장위험을 줄이기 위해 선내에 보관하여 사용하고 있다. 실 제 연승작업 결과 양호하게 동작함을 확인하였고, 현재 1년 여 동안 이상없이 사용 중에 있다.

5.결 론

전남 인근 서남해안의 소형 어선에서 사용하는 400 W 직 류전동기를 사용하여 제작된 연승기의 단방향 속도제어를 위한 컨트롤러를 제작하였다. 노이즈에 강한 PWM 전용칩을 사용하여 구조가 간단한 컨트롤러를 제작하였으며 전동기 의 단방향을 제어한 결과 400 W 연승기 직류전동기가 잘 작 동함을 확인할 수 있었다. 또한 배터리만으로 운전되는 연 승기의 특성상 배터리 전압을 측정하여 11.5 V 이하가 되면 전동기가 자동으로 동작하지 못하도록 하여 배터리의 과방 전을 막을 수 있도록 하였다. 아울러 어선의 작업자가 빈번 하게 저지르는 배터리 전원의 결선 실수를 방지하기 위한 회로도 부가하여 컨트롤러의 안전한 사용이 가능토록 하였 다. 또한 육상 및 해상에서의 시험운전을 통하여 매우 양호 하게 동작함을 확인하였다. 향후 연구 과제로는 장시간의 해상 운전결과 리모트 컨트롤러가 유선으로 연결되어 어로 작업과 컨트롤러의 동시 조작시 간섭이 발생하고 있어, 이 를 보완할 수 있는 리모트 컨트롤러의 무선화에 관한 연구 가 필요할 것으로 사료된다.