마찰대전 나노발전기(TENG) 접촉 대전 맥스웰 변위 전류 & 1,000Hz 0-Alloc C# 자가발전 하베스팅 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Energy.Teng
{
    /// 

    /// TENG 발전 계측 센서 텔레메트리 (0-Alloc Stack Only)
    /// 
    public readonly ref struct TengTelemetry
    {
        public readonly float TengVoltageVolts;    // [V] TENG 출력 단자 전압 (예: 0~400 V)
        public readonly float TengCurrentMicroAmps;// [uA] 순시 방전 전류 (예: 0~100 uA)
        public readonly float VibrationFreqHz;     // [Hz] 외력 기계 진동수 (예: 2~30 Hz)
        public readonly float StorageCapVoltageV;  // [V] 에너지 저장 커패시터 전압
        public readonly float AmbientHumidityPct;  // [%] 주변 상대 습도 (전하 누설 인자)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public TengTelemetry(
            float tengVoltageVolts,
            float tengCurrentMicroAmps,
            float vibrationFreqHz,
            float storageCapVoltageV,
            float ambientHumidityPct)
        {
            TengVoltageVolts = tengVoltageVolts;
            TengCurrentMicroAmps = tengCurrentMicroAmps;
            VibrationFreqHz = vibrationFreqHz;
            StorageCapVoltageV = storageCapVoltageV;
            AmbientHumidityPct = ambientHumidityPct;
        }
    }

    /// 

    /// TENG 전력 제어 연산 결과 구조체
    /// 
    public readonly ref struct TengControlResult
    {
        public readonly float CommandedSwitchPwm;      // [0.0~1.0] 벅 변환 스위치 PWM 듀티
        public readonly float InstantaneousPowerMw;    // [mW] 순시 수확 전력
        public readonly float DynamicImpedanceMegaOhm; // [MOhm] 동적 소스 임피던스
        public readonly float SurfaceChargeDensityUcm2;// [uC/m^2] 추정 마찰 전하 밀도
        public readonly bool IsHarvestingActive;       // 전력 전달 스위치 활성화 플래그
        public readonly bool IsHumidityDegraded;       // 습도에 의한 전하 누설 경보

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public TengControlResult(
            float commandedSwitchPwm,
            float instantaneousPowerMw,
            float dynamicImpedanceMegaOhm,
            float surfaceChargeDensityUcm2,
            bool isHarvestingActive,
            bool isHumidityDegraded)
        {
            CommandedSwitchPwm = commandedSwitchPwm;
            InstantaneousPowerMw = instantaneousPowerMw;
            DynamicImpedanceMegaOhm = dynamicImpedanceMegaOhm;
            SurfaceChargeDensityUcm2 = surfaceChargeDensityUcm2;
            IsHarvestingActive = isHarvestingActive;
            IsHumidityDegraded = isHumidityDegraded;
        }
    }

    /// 

    /// 1,000Hz 실시간 TENG 자가발전 하베스팅 서보 제어 엔진
    /// 
    public ref struct TengEnergyHarvestingEngine
    {
        private const float ContactAreaM2 = 0.0025f; // [m^2] 5cm x 5cm 유효 면적
        private const float EpsilonZero = 8.854e-12f; // [F/m]
        private const float DielectricD0M = 50e-6f;   // [m] 유효 두께

        /// 

        /// 1ms 주기 임피던스 정합 및 벅 컨버터 PWM 스위칭 루프
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public TengControlResult Update(in TengTelemetry telemetry)
        {
            // 1. 순시 전력 계산 P = V * I (단위: mW)
            float powerMw = (telemetry.TengVoltageVolts * telemetry.TengCurrentMicroAmps) * 1e-3f;

            // 2. 동적 내부 임피던스 역산 Z = V / I (단위: MOhm)
            float safeCurrentUa = MathF.Max(0.1f, telemetry.TengCurrentMicroAmps);
            float impedanceMOhm = (telemetry.TengVoltageVolts / safeCurrentUa);
            impedanceMOhm = Math.Clamp(impedanceMOhm, 0.1f, 500.0f);

            // 3. 마찰 표면 전하 밀도 sigma 추정
            // V_oc ~= sigma * x_max / epsilon_0  ==>  sigma ~= V * epsilon_0 / x_eff
            float estimatedSigma = (telemetry.TengVoltageVolts * EpsilonZero / DielectricD0M) * 1e6f; // [uC/m^2]

            // 4. 고압 펄스 에너지 벅 컨버터 PWM 듀티 산출
            // 전압이 임계값(예: 80V) 이상일 때 인덕터 충전 스위치를 닫아 초고효율 전하 덤프
            float switchPwm = 0.0f;
            bool isHarvesting = false;

            if (telemetry.TengVoltageVolts >= 60.0f)
            {
                // 부하 전압 대비 강압 듀티: D = sqrt(R_load / R_teng)
                switchPwm = Math.Clamp(MathF.Sqrt(0.1f / impedanceMOhm) * 2.0f, 0.05f, 0.85f);
                isHarvesting = true;
            }

            // 습도 70% 초과 시 공기 중 수분 흡착으로 표면 전하 누설 급증
            bool isDegraded = telemetry.AmbientHumidityPct > 70.0f;

            return new TengControlResult(
                commandedSwitchPwm: switchPwm,
                instantaneousPowerMw: powerMw,
                dynamicImpedanceMegaOhm: impedanceMOhm,
                surfaceChargeDensityUcm2: estimatedSigma,
                isHarvestingActive: isHarvesting,
                isHumidityDegraded: isDegraded
            );
        }
    }
}