KR102115195B1 - 인버터를 구비하는 소나 시스템 - Google Patents

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    • H02M2001/0064—

Abstract

본 발명에 따른 인버터를 구비하는 소나(sonar) 시스템이 개시된다. 상기 소나 시스템은 상호 간에 병렬 연결된 복수의 제1 스위치 모듈로 구성되는 제1 인버터 모듈 및 상호 간에 병렬 연결된 복수의 제2 스위치 모듈로 구성되는 제2 인버터 모듈을 포함한다. 또한, 상기 소나 시스템은 상기 제1 인버터 모듈과 연결되고, 상기 제1 인버터 모듈로부터 제1 전압 (Va)이 인가되도록 구성된 제1 소나 센서 및 상기 제2 인버터 모듈과 연결되고, 상기 제2 인버터 모듈로부터 제2 전압 (Vb)이 인가되도록 구성된 제2 소나 센서를 포함하여, 수중운동체에 탑재되는 인버터의 개수 대비 수중운동체에서 최대한 많은 소나 센서를 사용하여 음파 기반 탐지가 가능하다.

Description

인버터를 구비하는 소나 시스템{SONAR SYSTEM COMPRISING INVERTER}
본 발명은 인버터를 구비하는 소나 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 수중운동체의 체적 감소를 위하여 변형된 구성의 인버터를 구비한 소나 시스템 및 이를 이용한 음파 방향 제어 방법에 관한 것이다.
소형 수중운동체(underwater vehicle)는 전방에 위치한 소나(SONAR, sound navigation and ranging) 시스템으로 음향 신호(acoustic signal)를 송수신하여 표적(target)을 탐지(detection)한다.
소나 시스템은 트랜스듀서 배열(transducer array) 또는 프로젝터 배열(projector array)를 이용하여 음향 신호를 송신하는 송신부와 트랜스듀서 배열 또는 수중청음기 배열(hydrophone array)을 이용하여 음향 신호를 수신하는 수신부로 구성된다. 한편, 도 1은 본 발명과 관련한 소나 시스템의 구성을 나타낸다.
한편, 송신부의 전력증폭기는 도 1과 같이 전원을 공급하는 소스(source), 공급된 전원을 증폭시키는 인버터(inverter), 사용하고자 하는 주파수의 전원만 통과시키는 LC필터(LC filter)와 전원을 음향신호로 바꿔 송신하는 센서(sensor)로 구성되어있다.
송신부에는 소나의 성능을 높이기 위해 다수의 송신 센서가 사용되는데, 이는 송신 센서의 개수가 많을수록 SL(source level)을 높일 수 있어 탐지 거리가 증가하기 때문이다. 또한 원하는 방향으로 음향 신호를 송신하기 위해 각각의 센서마다 전력증폭기를 따로 두어 각각의 센서를 독립적으로 제어한다.
그러나 한정적인 소형 수중운동체의 공간내에 다수의 센서와 전력증폭기를 탑재하는데 한계가 있다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 수중운동체에 탑재되는 인버터의 개수 대비 수중운동체에서 최대한 많은 소나 센서를 사용하여 음파 기반 탐지를 수행하기 위해 안출된 것이다.
따라서, 기존에 1개의 인버터가 1개의 센서를 제어했던 것과 다르게, 본 발명은 1개의 인버터가 2개의 소나 센서를 제어할 수 있는 방법과 인버터의 구성을 제안하기 위한 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 인버터를 구비하는 소나(sonar) 시스템이 개시된다. 상기 소나 시스템은 상호 간에 병렬 연결된 복수의 제1 스위치 모듈로 구성되는 제1 인버터 모듈 및 상호 간에 병렬 연결된 복수의 제2 스위치 모듈로 구성되는 제2 인버터 모듈을 포함한다. 또한, 상기 소나 시스템은 상기 제1 인버터 모듈과 연결되고, 상기 제1 인버터 모듈로부터 제1 전압 (Va)이 인가되도록 구성된 제1 소나 센서 및 상기 제2 인버터 모듈과 연결되고, 상기 제2 인버터 모듈로부터 제2 전압 (Vb)이 인가되도록 구성된 제2 소나 센서를 포함하여, 수중운동체에 탑재되는 인버터의 개수 대비 수중운동체에서 최대한 많은 소나 센서를 사용하여 음파 기반 탐지가 가능하다.
일 실시 예에서, 상기 제1 전압의 위상과 상기 제2 전압의 위상이 동위상(in-phase)이면, 상기 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 의해 방사되는 음파는 정면 음파이다.
또한, 상기 제1 전압의 위상과 상기 제2 전압의 위상 간에 위상 차가 발생하면, 상기 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 의해 방사되는 음파는 측면 음파이다.
일 실시 예에서, 상기 제1 인버터 모듈은 상호 간에 병렬 연결된 제1 스위치 내지 제3 스위치(S1 내지 S3)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 인버터 모듈은 상호 간에 병렬 연결된 제4 스위치 내지 제6 스위치(S4 내지 S6)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1 스위치 내지 제3 스위치(S1 내지 S3)의 제1 단자는 상호 연결되어 공통 전압이 인가되고, 상기 4 스위치 내지 제6 스위치(S4 내지 S6)의 제2 단자는 상호 연결되어 공통 전압이 인가될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 소나 센서와 연결된 제1 변압기; 상기 제2 소나 센서와 연결된 제2 변압기; 상기 제1 변압기와 연결되고, 인덕터와 커패시터로 이루어진 제1 LC 필터; 및 상기 제2 변압기와 연결되고, 인덕터와 커패시터로 이루어진 제2 LC 필터;를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1 LC 필터의 제1 단자의 상기 제1 스위치(S1)의 제2 단자에 연결되고, 상기 제1 LC 필터의 제2 단자는 제2 스위치(S2)의 제2 단자에 연결될 수 있다. 또한, 상기 제2 LC 필터의 제1 단자의 상기 제2 스위치(S2)의 제2 단자에 연결되고, 상기 제2 LC 필터의 제2 단자는 상기 제6 스위치(S6)의 제1 단자에 연결될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 스위치 내지 제3 스위치(S1 내지 S3) 또는 상기 제4 스위치 내지 제6 스위치(S4 내지 S6)에 해당하는 3leg와 상기 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 인가되는 위상 값에 해당하는 2phase에 의해, 상기 소나 시스템은 3leg 2phase로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 제2 스위치(S2)와 제5 스위치(S5)에 의한 중간 leg를 공통 leg로 이용하여 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서를 구동할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 스위치 내지 제3 스위치(S1 내지 S3) 및 상기 제4 스위치 내지 제6 스위치(S4 내지 S6)의 온/오프 상태의 조합을 상이하게 하여, 상기 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 인가되는 위상 값을 상이하게 할 수 있다.
한편, 상기 상이한 위상 값에 따라, 상기 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 연결될 수 있는 위상 천이기(phase shifter) 없이도 상기 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 의해 방사되는 음파가 측면 음파 형태로 변경될 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 기존의 소형 수중운동체의 소나 시스템에서 1개의 센서를 제어하기 위해 스위치 4개를 이용한 1개의 인버터를 이용했던 방식 때문에 송신 센서의 개수를 충분히 늘리지 못했던 문제를 해결할 수 있다.
따라서, 본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 2개의 센서를 스위치 6개를 이용한 1개의 인버터로 제어하여 송신 센서 개수를 충분히 늘릴 수 있다는 장점이 있다.
따라서, 본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 소형 수중운동체의 송신 센서 개수를 늘릴 수 있고 소스 레벨(SL)을 높이고 따라서 탐지거리가 향상되는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명과 관련한 소나 시스템의 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명과 관련하여 H-bridge Inverter의 1상 구동 형태를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 3Leg Inverter의 2상 구동 형태를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 3Leg 2phsae 구성이 적용한 소나센서와 H-Bridge를 적용한 소나센서를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 복수의 스위치와 부하를 구비하는 3Leg 2phsae 구성의 소나 시스템에 DC 전원이 인가된 회로도를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 2phase 모터의 3leg2phase 제어 방식을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 3phase 모터의 3leg3phase 제어 방식을 나타내다.
도 8은 본 발명에 따른 2상 모터 구동을 위한 벡터 합과 2개의 소나 센서 구동을 위한 스칼라 합의 벡터 합성도를 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 소나 센서의 정면 음파 방사 및 측면 음파 방사 형태를 나타낸다.
도 10은 본 발명에 따른 2상 모터의 합성자계 및 구동 원리를 나타낸다.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 모듈, 블록 및 부는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
이하에서는, 인버터를 구비하는 소나 시스템, 보다 상세하게는, 수중운동체의 체적 감소를 위하여 변형된 구성의 인버터를 구비한 소나 시스템 및 이를 이용한 음파 방향 제어 방법에 대해 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명과 관련하여 H-bridge Inverter의 1상 구동 형태를 나타낸다. H-bridge Inverter는 복수의 스위치들, 즉 제1 내지 제4 스위치와 하나의 부하를 포함한다.
한편, 본 발명에서는 도 2의 4개의 스위치를 이용하여 하나의 센서를 제어하는 H Bridge 시스템을 도 3과 같이 6개의 스위치를 이용하는 인버터로 변경하여 2개의 센서를 제어하는 방안을 제시한다. 따라서, 도 3은 본 발명에 따른 3Leg Inverter의 2상 구동 형태를 나타낸다.
도 3에서와 같이 1개의 leg를 공용으로 사용하여 2개의 상(phase)을 제어할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명에 따른 3Leg 2phsae 구성이 적용한 소나센서와 H-Bridge를 적용한 소나센서를 나타낸다.
도 4의 (b)의 H-Bridge 소나센서 시스템을 도 4의 (a)와 같이 변경하여 인버터의 부피를 대폭 감소시킬 수 있다.
한편, 도 4의 (a)를 참조하면, 소나 시스템은 제1 인버터 모듈(110), 제2 인버터 모듈(120)과 제1 소나 센서(210) 및 제2 소나 센서(220)를 포함한다.
제1 인버터 모듈(110)은 상호 간에 병렬 연결된 복수의 제1 스위치 모듈로 구성된다. 또한, 제2 인버터 모듈(120)은 상호 간에 병렬 연결된 복수의 제2 스위치 모듈로 구성된다. 여기서, “병렬 연결”의 의미는 양 단자가 공통 연결되는 것에 한정되는 것은 아니고, 즉, “병렬 연결”의 의미는 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 복수의 스위치의 일 단자만이 상호 연결된 경우를 포함한다. 따라서, 제1 스위치 내지 제3 스위치(S1 내지 S3) 또는 제4 스위치 내지 제6 스위치(S4 내지 S6)의 일 단자만이 상호 연결된 형태를 의미한다. 따라서, 제1 스위치 내지 제3 스위치(S1 내지 S3) 또는 제4 스위치 내지 제6 스위치(S4 내지 S6)의 다른 단자는 상호 다른 방식으로 연결됨에 따라 3leg 2phase 인버터의 구현이 가능하다.
한편, 제1 소나 센서(210)는 제1 인버터 모듈(110)과 연결되고, 제1 인버터 모듈(110)로부터 제1 전압 (Va)이 인가되도록 구성된다. 또한, 제2 소나 센서(220)는 제2 인버터 모듈과 연결되고, 제2 인버터 모듈로부터 제2 전압 (Vb)이 인가되도록 구성된다.
이와 관련하여, 도 8 을 참조하면, 제1 인버터 모듈(110)에는 제1 전압 (Va)이 인가되고, 제2 인버터 모듈(120)에는 제2 전압 (Vb)가 인가되는 것으로 표현 가능하다.
한편, 상기 제 1전압의 위상과 상기 제2 전압의 위상이 동위상(in-phase)이면, 상기 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 의해 방사되는 음파는 도 9 (a)에 도시되는 바와 같이 정면 음파이다.
반면에, 상기 제1 전압의 위상과 상기 제2 전압의 위상 간에 위상 차가 발생하면, 상기 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 의해 방사되는 음파는 도 9 (b)에 도시되는 바와 같이 측면 음파이다.
한편, 상기 제1 인버터 모듈은 상호 간에 병렬 연결된 제1 스위치 내지 제3 스위치(S1 내지 S3)을 포함한다. 또한, 상기 제2 인버터 모듈은 상호 간에 병렬 연결된 제4 스위치 내지 제6 스위치(S4 내지 S6)을 포함한다.
이때, 상기 제1 스위치 내지 제3 스위치(S1 내지 S3)의 제1 단자는 상호 연결되어 공통 전압이 인가되고, 상기 제4 스위치 내지 제6 스위치(S4 내지 S6)의 제2 단자는 상호 연결되어 공통 전압이 인가될 수 있다.
한편, 도 5를 참조하면, 상기 제1 스위치 내지 제3 스위치(S1 내지 S3)의 제1 단자에는 공통 전압인 VaN이 인가된다. 반면, 상기 상기 제 4 스위치 내지 제6 스위치(S4 내지 S6)의 제2 단자에는 공통 전압인 VbN이 인가된다.
한편, 본 발명에 따른 소나 시스템은 제1 변압기(310), 제2 변압기(320), 제1 LC 필터(410) 및 제2 LC 필터(420)을 더 포함할 수 있다.
이때, 제1 변압기(310)와 제2 변압기(320)는 각각 제1 소나 센서(210) 및 제2 소나 센서(220)와 연결된다. 한편, 제1 LC 필터(410)는 제1 변압기(310)와 연결되고, 인덕터와 커패시터로 이루어질 수 있다. 또한, 제2 LC 필터(420)는 제1 변압기(320)와 연결되고, 인덕터와 커패시터로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 제1 LC 필터의 제1 단자의 상기 제1 스위치(S1)의 제2 단자에 연결되고, 상기 제1 LC 필터의 제2 단자는 제2 스위치(S2)의 제2 단자에 연결될 수 있다.
또한, 상기 제2 LC 필터의 제1 단자의 상기 제2 스위치(S2)의 제2 단자에 연결되고, 상기 제2 LC 필터의 제2 단자는 상기 제6 스위치(S6)의 제1 단자에 연결될 수 있다.
이에 따라, 상기 제2 스위치(S2)와 제5 스위치(S5)에 의한 중간 leg를 공통 leg로 이용하여 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서를 구동할 수 있다. 이에 대해서는 아래에서 보다 상세히 설명한다.
따라서, 상기 소나 시스템은 3leg 2phase로 이루어질 수 있다. 여기서, 3leg는 상기 제1 스위치 내지 제3 스위치(S1 내지 S3) 또는 상기 제4 스위치 내지 제6 스위치(S4 내지 S6)에 해당한다. 또한, 2phase는 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 인가되는 위상 값에 해당한다.
도 5는 본 발명에 따른 복수의 스위치와 부하를 구비하는 3Leg 2phsae 구성의 소나 시스템에 DC 전원이 인가된 회로도를 나타낸다. 한편, 이러한 3leg-2phase 기법을 통해 합성할 수 있는 전압을 아래와 같이 표 1로 나타내었다.
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1 1 0
Figure 112018105268892-pat00034
Figure 112018105268892-pat00035
Figure 112018105268892-pat00036
 0
Figure 112018105268892-pat00037
1 1 1
Figure 112018105268892-pat00038
Figure 112018105268892-pat00039
Figure 112018105268892-pat00040
 0 0
이때
Figure 112018105268892-pat00041
,
Figure 112018105268892-pat00042
,
Figure 112018105268892-pat00043
은 각각 2개의 스위치로 구성된 하나의 leg를 나타내며 0과 1은 대상 leg의 위쪽 상 스위치의 상태로 ON 이면 1을 OFF 이면 0을 나타낸다. 이때 아래쪽 상의 스위치는 위쪽 상과 반대 되는 상태를 가지게 된다. 예를 들면 만약
Figure 112018105268892-pat00044
의 상태가 0이면 위쪽 스위치는 OFF되어 도통되지 않고 아래쪽 스위치는 ON되어 도통되게 된다. 이와 같은 인버터에서 하나의 레그의 위쪽과 아래쪽 스위치가 서로 반대의 상태를 가지도록 하는 것을 상보동작이라고 하는데 이는 만일 두 개의 스위치가 동시에 도통하게 되면 부하를 통하지 않고 두 개의 스위치를 통과함으로써 큰 전류가 흐르게 되어 스위치가 파손되기 때문에 이와 같은 구동을 통해 사고를 방지한다.
다음으로
Figure 112018105268892-pat00045
은 극전압을 나타낸다. 극전압은 대상이 되는 leg에서 출력되는 전압으로 부하와 관계없이 대상 leg의 위쪽과 아래쪽 스위치의 상태에 의해서 결정된다. 예를 들어
Figure 112018105268892-pat00046
은
Figure 112018105268892-pat00047
leg의 위쪽과 아래쪽 leg 상태에 따라
Figure 112018105268892-pat00048
또는
Figure 112018105268892-pat00049
가 결정된다.
Figure 112018105268892-pat00050
는 상 전압을 나타낸다. 상 전압은 대상 부하의 양단 두 극전압의 차에 의해서 그 값이 결정된다. 예를 들면 수학식 1과 같이
Figure 112018105268892-pat00051
는 대상이 되는 부하의 양단의 극전압인
Figure 112018105268892-pat00052
의 전압 차에 의해 그 값이 결정된다. 이렇게 결정된 상 전압이 실제 소나 센서에 인가되는 전압이 된다.
Figure 112018105268892-pat00053
본 발명에서 제안하고 있는 3leg2phase 방식은 중간 leg를 공용으로 이용함으로써 하나의 인버터를 이용 두 개의 센서를 제어할 수 있는 방식으로
Figure 112018105268892-pat00054
전압을 평균 0으로 제어한다. 즉 공통으로 사용되는 leg의 전압을 평균 0으로 제어해 줌으로써 중간 leg의 전압이 기준이 되어 나머지 두 leg의 제어만을 통해 두 개의 센서를 제어할 수 있게 된다. 이를 통해 전압의 계산은 용이하게 만들 수 있으나, 센서에 인가되는 전압은 두 leg에 걸리는 전압의 차이로 발생하기 때문에 공통 leg가 0으로 고정된다면, 수학식 2와 같이 최대 평균 출력이
Figure 112018105268892-pat00055
를 넘을 수 없게 된다.
Figure 112018105268892-pat00056
또한 본 발명과 유사하게 현재 2상 모터 시스템에서 3leg2phase 제어가 존재하는데, 본 발명에서 제안하는 3leg2phase와 2상 모터 시스템의 3leg2phase는 그 구성에 있어서는 동일하나 제어에 있어 차이가 존재한다.
한편, 도 6은 본 발명에 따른 2phase 모터의 3leg2phase 제어 방식을 나타낸다. 반면에, 도 7은 본 발명에 따른 3phase 모터의 3leg3phase 제어 방식을 나타내다.
도 6과 같이 2상 모터는 소나 센서 시스템과 달리 공간상 90°의 위상차를 가지고 있다. 이는 모터의 회전을 위하여 모터 제작 시 선정되는 고정적 공간상 위상차로 2상 모터의 3leg 2phase 방식은 이러한 공간상 90°위상차를 이용 벡터적 합성을 통한 합력을 발생 시키고 이를 통해 모터를 회전 시키는 방식을 취하고 있다.
이와 관련하여, 도 8은 본 발명에 따른 2상 모터 구동을 위한 벡터 합과 2개의 소나 센서 구동을 위한 스칼라 합의 벡터 합성도를 나타낸다. 한편, 도 9는 본 발명에 따른 소나 센서의 정면 음파 방사 및 측면 음파 방사 형태를 나타낸다.
도 8의 (a)는 이러한 2상 모터의 공간상 벡터적 합성을 보이고 있다. a축에서 발생하는 전압
Figure 112018105268892-pat00057
와 b축에서 발생하는 전압
Figure 112018105268892-pat00058
의 합성에 의해서 합성 전압
Figure 112018105268892-pat00059
가 발생한다.
이를 다시 설명하면 도 10으로 설명할 수 있다. 즉, 도 10은 본 발명에 따른 2상 모터의 합성자계 및 구동 원리를 나타낸다.
도 10에서 자석은 모터의 회전자를 나타내며 외부의 a와 b는 고정자에 존재하는 90도 위상차를 가지는 a상과 b상의 권선을 나타내고 있다. 고정자의 권선에 전류를 흘려주면 도 10의 붉은색 원과 같은 자속이 발생하게 되는데 이 두 자속의 크기가 합성 벡터로 표현되면 도 10의 푸른색 화살표의 방향으로 합성 자계가 형성되게 되며 마치 고정자 측에도 자석이 존재하는 것과 같은 효과를 통해 회전자 자속을 끌어당겨 회전시키게 되는 것이다.
이와는 달리 도 8의 (b)와 같이 소나 센서 시스템은 공간상 위상차가 0°도를 가지거나 부착 방식에 따라 그 위상차가 달라진다. 도 9에는 예를 위하여 2개의 소나 센서를 나타내었다. 2개의 소나 센서는 위상차가 0°도 이며 방사하는 음향신호는 구조적으로 동일 위상에 존재하기 때문에 음향 방사 전압의 위상차를 이용하여 방사 방향을 조절하게 된다. 다시 설명하자면 도 9의 (a)와 같이 두 센서는 구조적으로 동상을 가지기 때문에 두 센서로부터 발생되는 음파가 동일한 위상을 가지면 정면을 향해 방사된다. 반면 두 센서에서 출력되는 음파에 위상차를 주면 음파가 정면이 아닌 측면으로 방사되게 된다.
모터와 소나센서의 3leg2phase 제어는 또 하나의 차이점을 가지게 되는데 이는 다상 제어를 할 경우 이다. 모터의 경우 3leg3phase 제어를 실시할 경우 도 7과 같이 3개의 leg로 3개의 phase제어를 시행하지만 앞서 설명한 바와 같이 소나 센서는 인접한 센서들이 방사하는 음파의 중첩 상쇄에 의해 방사 방향이 결정되며 방사 음압을 결정하는 인버터 출력은 각각의 센서에 대해 독립적 제어를 실시해야 하기 때문에 n+1개의 leg를 통해 n개의 phase를 제어한다.
따라서 본 발명의 3leg2phase 제어방식은 2상 모터에서 사용되는 제어 방식과 상이함을 알 수 있다.
한편, 도 4, 도 5 및 도 9를 참조하면, 상기 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 인가되는 위상 값을 상이하여 기 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 의해 방사되는 음파가 측면 음파 형태로 변경될 수 있다. 이와 관련하여, 상기 제1 스위치 내지 제3 스위치(S1 내지 S3) 및 상기 제4 스위치 내지 제6 스위치(S4 내지 S6)의 온/오프 상태의 조합을 상이하게 할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 인가되는 위상 값이 상이하게 된다.
한편, 상기 상이한 위상 값에 따라, 상기 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 연결될 수 있는 위상 천이기(phase shifter) 없이도 상기 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 의해 방사되는 음파가 측면 음파 형태로 변경될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 3leg2phase 제어방식과 이를 수행하는 인버터와 소나 센서는 위상 천이기와 결합하여 더 넓은 각도로 음파 탐지가 가능하다는 장점이 있다. 이와 관련하여, 소나 센서 간의 거리를 증가시키는 경우에는 음파 탐지 각도가 감소할 수 있다. 하지만, 서브 어레이 기법을 이용하여 이러한 문제점을 해결할 수 있다. 즉, 소나 센서의 개수가 2개 이상 (예: 4개, 8개인 경우), 서브 어레이 형태로 2 그룹으로 나누어, 각 그룹 별로 2상 인버터의 위상차를 임의로 조절하고, 서브 어레이 내의 위상차는 위상 천이기에 의해 조절할 수 있다.
또한, 음파 탐지 각도가 작거나 대략적(coarse) 탐지 시에는 각 그룹 별로 2상 인버터의 위상차를 조절하고, 위상 천이기는 사용하지 않을 수 있다. 즉, 대략적(coarse) 스캔 시에는 각 그룹 별로 2상 인버터에 인가되는 전압의 위상차를 통해서만 위상을 조절하고, 위상 천이기의 위상은 동일하게 할 수 있다.
한편, 음파 탐지 각도가 크거나 정밀(fine) 탐지 시에는 2상 인버터의 위상차를 조절하고, 위상 천이기를 통해서도 위상 차를 조절할 수 있다. 즉, 정밀(fine) 탐지 시에는 각 그룹 별로 2상 인버터에 인가되는 전압의 위상차를 통해서 위상을 조절하고, 각 그룹 내에서는 위상 천이기를 통해서 위상을 세부적으로 조절할 수 있다.
이상에서는 본 발명에 따른 인버터를 구비하는 소나 시스템, 보다 상세하게는, 수중운동체의 체적 감소를 위하여 변형된 구성의 인버터를 구비한 소나 시스템 및 이를 이용한 음파 방향 제어 방법에 대해 살펴보았다. 본 발명에 따른 효과에 대해 살펴보면 다음과 같다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 기존의 소형 수중운동체의 소나 시스템에서 1개의 센서를 제어하기 위해 스위치 4개를 이용한 1개의 인버터를 이용했던 방식 때문에 송신 센서의 개수를 충분히 늘리지 못했던 문제를 해결할 수 있다.
따라서, 본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 2개의 센서를 스위치 6개를 이용한 1개의 인버터로 제어하여 송신 센서 개수를 충분히 늘릴 수 있다는 장점이 있다.
따라서, 본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 소형 수중운동체의 송신 센서 개수를 늘릴 수 있고 소스 레벨(SL)을 높이고 따라서 탐지거리가 향상되는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능뿐만 아니라 각각의 구성 요소들에 대한 설계 및 파라미터 최적화는 별도의 소프트웨어 모듈로도 구현될 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되고, 제어부(controller) 또는 프로세서(processor)에 의해 실행될 수 있다.

Claims (6)

  1. 인버터를 구비하는 소나(sonar) 시스템에 있어서,
    상호 간에 병렬 연결된 복수의 제1 스위치 모듈로 구성되는 제1 인버터 모듈;
    상호 간에 병렬 연결된 복수의 제2 스위치 모듈로 구성되는 제2 인버터 모듈;
    상기 제1 인버터 모듈과 연결되고, 상기 제1 인버터 모듈로부터 제1 전압 (Va)이 인가되도록 구성된 제1 소나 센서; 및
    상기 제2 인버터 모듈과 연결되고, 상기 제2 인버터 모듈로부터 제2 전압 (Vb)이 인가되도록 구성된 제2 소나 센서를 포함하고,
    상기 제1 전압의 위상과 상기 제2 전압의 위상이 동위상(in-phase)이면, 상기 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 의해 방사되는 음파는 정면 음파이고,
    상기 제1 전압의 위상과 상기 제2 전압의 위상 간에 위상 차가 발생하면, 상기 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 의해 방사되는 음파는 측면 음파인 것을 특징으로 하는, 소나 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 인버터 모듈은 상호 간에 병렬 연결된 제1 스위치 내지 제3 스위치(S1 내지 S3)을 포함하고,
    상기 제2 인버터 모듈은 상호 간에 병렬 연결된 제4 스위치 내지 제6 스위치(S4 내지 S6)을 포함하고,
    상기 제1 스위치 내지 제3 스위치(S1 내지 S3)의 제1 단자는 상호 연결되어 공통 전압이 인가되고, 상기 제4 스위치 내지 제6 스위치(S4 내지 S6)의 제2 단자는 상호 연결되어 공통 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는, 소나 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 소나 센서와 연결된 제1 변압기;
    상기 제2 소나 센서와 연결된 제2 변압기;
    상기 제1 변압기와 연결되고, 인덕터와 커패시터로 이루어진 제1 LC 필터; 및
    상기 제2 변압기와 연결되고, 인덕터와 커패시터로 이루어진 제2 LC 필터;를 더 포함하고,
    상기 제1 LC 필터의 제1 단자의 상기 제1 스위치(S1)의 제2 단자에 연결되고, 상기 제1 LC 필터의 제2 단자는 제2 스위치(S2)의 제2 단자에 연결되고,
    상기 제2 LC 필터의 제1 단자의 상기 제2 스위치(S2)의 제2 단자에 연결되고, 상기 제2 LC 필터의 제2 단자는 상기 제6 스위치(S6)의 제1 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는, 소나 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 스위치 내지 제3 스위치(S1 내지 S3) 또는 상기 제4 스위치 내지 제6 스위치(S4 내지 S6)에 해당하는 3leg와 상기 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 인가되는 위상 값에 해당하는 2phase에 의해, 상기 소나 시스템은 3leg 2phase로 이루어지고,
    상기 제2 스위치(S2)와 제5 스위치(S5)에 의한 중간 leg를 공통 leg로 이용하여 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서를 구동하는 것을 특징으로 하는, 소나 시스템.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 스위치 내지 제3 스위치(S1 내지 S3) 및 상기 제4 스위치 내지 제6 스위치(S4 내지 S6)의 온/오프 상태의 조합을 상이하게 하여, 상기 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 인가되는 위상 값을 상이하게 하고,
    상기 상이한 위상 값에 따라, 상기 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 연결될 수 있는 위상 천이기(phase shifter) 없이도 상기 제1 소나 센서 및 상기 제2 소나 센서에 의해 방사되는 음파가 측면 음파 형태로 변경되는 것을 특징으로 하는, 소나 시스템.
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