1.1 연구의 배경

물체 탐지를 위한 수단으로 항공과 육상은 전자파를 이용한 레이더를 이용하나, 공기보다 밀도가 높은 물에서는 전자파의 큰 감쇠가 발생하여 레이더 사용이 어렵다. 따라서 수중에서는 전자파에 비해 전달 거리가 긴 음파를 이용한 음향탐지 시스템을 이용하며, 이를 소나(Sound navigation and ranging, SONAR)라고 한다^[1].

소나 센서는 압전 소자 재질로 제작되어 전기적 신호를 음향신호로 전환한다. 따라서 원하는 음향 신호에 맞게 전기적 신호를 발생하기 위해 Fig. 1과 같이 전기 에너지 공급을 위한 배터리, 음향신호 생성을 위한 전력변환장치 및 필터 그리고 임피던스 매칭 및 승압을 위한 변압기로 구성된다.

Fig. 1과 같은 소나 시스템은 Table 1과 Fig. 2와 같이 구성 항목 중 인버터의 체적 비중이 전체의 약 72\%로 가장 큰 부분을 차지한다^[2].

소나의 수중 음향탐지 성능 향상을 위해 음향 탐지 거리 증가^[3]와 탐지 각도 확대^[4]에 대한 연구가 진행되었다. 연구 결과에 따라, Fig. 3과 같이 기존 1개의 소나 센서를 이용하는 방식에서 다중 센서를 이용하는 방식으로 변화되었으며, 여러 개의 소나 센서가 묶여 하나의 전기적 신호로 동작하는 것을 스테이브(Stave)라고 한다.

Fig. 3과 같이, 여러 개의 소나 센서를 이용하여 음향탐지를 진행함에 따라, 음향 전원 장치의 용량 및 체적이 증가하는 문제가 발생한다. 이런 문제는 수중 운동체의 작전 수행 능력과 적 음향탐지에 발각 확률을 증가시키는 요인이 되며, 이를 위해 수중 운동체 구성품을 소형화하여 설계하는 방안이 요구된다.

음향 송신 시스템 체적 저감을 위해 기존에는 소나 전력변환기 체적 저감을 위해 1개의 H –bridge 인버터로 1개의 스테이브를 구동하는 대신, 3레그 2상 인버터 1개로 2개의 스테이브를 구동하는 방안에 대한 연구가 진행되었다^[5]. 하지만 음향신호 발생 시, 빔 조향을 위해 2개의 스테이브가 아닌 7개, 9개 등 다수 스테이브를 이용하기 때문에 다수 스테이브 구동을 위한 알고리즘 연구가 요구된다.

따라서 본 논문에서는 다중 스테이브 구동을 위해 전력변환기 체적 소형화를 적용한 3레그 2상 인버터를 2개와 4개의 스테이브 부하를 이용하여 다중 스테이브를 동시 구동하기 위한 알고리즘을 제안한다. 또한 이를 검증하기 위해 하드웨어 제작 후 실험을 통하여 전력변환기 체적 소형화 구성의 조향 각 조절 알고리즘의 성능을 검증한다.

Fig. 1. Sonar system construction

Fig. 2. Baseline side looking sonar system volume ratio for each component system

Fig. 3. Variation of detectable angle according to the number of sensors (a) Single sensor case (b) Multi sensor case

2.1 소나 음향 송신 조향각 제어

음향 송신 조향각 제어를 위해 음향탐지 방향 변화가 요구된다. 이러한 음향 송신 조향각은 전기적 위상차, 소나 센서 간 거리, 전기적 구동 주파수 그리고 수중에서의 음파 속도에 대한 관계로 표현이 가능하다. 각 변수를 순서대로 $\theta ,\: \delta ,\: d,\: f,\: c$로 하여 Fig. 4와 식 (1)과 같고 이를 통해 음향탐지 방향 변화를 위해 각 스테이브에 인가되는 전압의 위상 조절이 요구됨을 알 수 있다.

Fig. 4. Sound phase change according to electrical phase difference of sonar stave input voltage

2.2 3레그 2상 인버터 구동 방안

3레그 2상 인버터와 연결된 2개의 소나 스테이브 전압을 각각 합성하기 위해 3개 레그 중 1개 레그를 공용으로 사용하여 전압을 합성하며, 합성 전압 생성을 위해 각 레그의 지령 전압 도출이 필요하다. 여기서 $V_{dc}$는 DC 링크의 전압, $V_{a N},\: V_{s N},\: V_{b N}$은 각 인버터 극전압, $V_{as},\: V_{bs}$를 소나에 인가되는 전압/선간 전압으로 표기할 때 3레그 2상 인버터 구조는 Fig. 5와 같다.

동일한 직류 전원을 이용할 때, 3레그 2상 인버터와 2개의 풀 브릿지 인버터 간 같은 전압 이용을 위해 공간벡터 변조법을 이용한다. Fig. 5의 인버터에서 두 부하에 인가되는 시간에 따른 전압값을 주파수 $\omega$, 위상차 $\delta$, 전압의 크기를 동일하게 $A$로 하였을 때 식 (2), (3)과 같이 표현이 가능하다. 이 수식들이 적용 될 때 각 조건별 공용 레그 극전압 지령은 식(4)와 같다^[6].

3레그 2상 인버터의 a, b 노드의 극전압은 식 (5), (6)과 같이 표현할 수 있고, 극전압의 크기는 DC 링크 전압 크기($V_{dc}$)를 초과할 수 없어 두 소나 스테이브에 인가되는 전압의 전기적 위상차에 따른 전압 이용률이 변화한다.

따라서 식 (4)～(6)와 같이 극전압을 결정할 경우 두 부하 전압의 차 역시 식 (7)과 같이 극전압의 크기 제한으로 인해 DC 링크 전압 크기 이하로 제한된다. 위상각에 따른 최대 출력 가능 전압을 도출하기 위해 식 (2), (3)을 (7)에 대입하면 식 (8)과 같다. 이를 조건별로 정리하면 식 (9) 및 Fig. 6과 같이 $60^{\circ}$의 전기적 위상각 이후 전압 이용률이 감소하여 $180^{\circ}$일 때, 2개의 풀 브릿지 이용률의 절반인 $V_{dc}/2$까지 감소한다.

본 연구에서는 3레그 2상 인버터 2개를 이용하여 4개의 스테이브 구동 알고리즘을 구성한 뒤, 최대 전압 이용률 영역 내 임의의 전기 위상차를 선정하여 이를 실험을 통해 지령 위상차 대비 실제 출력되는 전압의 위상차를 검증하였다.

Fig. 5. 3leg 2phase inverter topology

Fig. 6. Maximum composition voltage angle range using common voltage

2.3 실험 및 결과

제안 알고리즘 실증 시험 구성 시 소나 부하는 수중 음압, 온도 및 설치 장소 등에 따라 특성이 변화하기 때문에 본 연구에서는 Fig. 7과 같은 회로를 갖는 등가 모델을 이용하여 단일 소나 센서를 구현하였다. 뿐만아니라, 해당 센서를 이용하여 스테이브 위상차 구동을 위해 2개의 3레그 2상 인버터를 1개의 제어기로 구동해야 하며, 400kHz 제어 주기 내 전압 지령 연산이 종료되어야 한다. 따라서 MCU 내 GPIO(General Port Input Output) 수, 내부 clock 주파수, 연산 방식 등을 고려하여 Ti사의 28346을 이용하여 제어기를 구성하였다.

이를 이용하여 제안하는 구동 알고리즘 검증을 위해 Fig. 8 같이 2개의 3레그 2상 인버터와 4개의 스테이브를 5개, 4개, 3개, 2개로 서로 다른 개수의 소나 센서를 연결하여 구성하였다.

알고리즘 검증 방안은 Table. 2의 조건에서 0～60$^{\circ}$ 사이의 전기적 위상차 범위 내 임의의 각도 차를 지령으로 입력하고, 각각 스테이브 내 센서에 인가되는 선간 전압을 계측하기 위해 절연 전압 측정기인 HVD3106을 통해 직접 측정한 뒤, Lecroy 오실로스코프 내부 전기 위상 각 계산 기능을 이용하여 지령 각도와 실제 위상 각도 차이를 비교 검증하였다.

Fig. 9(a)～(d)의 ch1～4는 각각 스테이브 1～4 내 소나 센서에 인가되는 전압 파형을 위상 지령별로 측정 한 결과이다. 제안한 알고리즘의 정상 동작 확인을 위해 각 시험 조건 별 위상차 지령과 스테이브에 인가되는 전압의 위상각 차이, 주파수, 크기 중 먼저 위상각 차이 검증 시 Fig. 9(a)에서는 각 스테이브에 인가되는 전압의 위상차 없이 인가되다가 지령 위상각의 변화에 따라 60$^{\circ}$까지 변화하는 것을 확인하였다. 추가적으로 스테이브 전압 크기 역시 스테이브를 구성하는 센서의 개수에 따라 각 전압 전달함수가 상이한 것을 고려하였을 때, 각 스테이브 입력 전압별 크기가 상이한 것 역시 확인하였다.

Table 3은 Fig. 9(a)～(d)까지 실험 결과를 바탕으로 서로 인접한 2개의 스테이브 간 지령 위상 각도 간 오차 각도를 정리한 결과이다. 이 결과를 통해 제안하는 알고리즘을 이용하여 다수의 3레그 2상 인버터를 이용하여 다중 스테이브가 지령에 맞게 구동할 수 있음을 확인하였다.

Fig. 7. Single sonar sensor equivalent circuit

Fig. 8. Experimental setup (a) Experimental diagram (b) Experiment hardware

Fig. 9. Experimental results by electrical phase difference (a) 0 degree (b) 20 degree (c) 40 degree (d) 60 degree