[4기 대구 유승범] 모터의 제어 방법 및 특징

안녕하십니까. 대구멤버십 22-1기 유승범입니다.

 모터 제어의 종류에는 여러가지가 있는데 그 중 PID제어에 대해 간단하게 알아 보는 시간을 갖도록 하겠습니다.

1. Encoder

-엔코더는 회전 속도, 회전 방향 등의 정보를 얻어 위치, 속도 제어, 방향을 제어하기 위해 사용합니다.

1.1 구조 및 특성

- 모터의 축에 기계적으로 부착하여 사용하고, 특정 시간마다 카운트 된 값을 사용합니다.

1.2 Encoder Count

- 마이크로프로세서의 외부 인터럽트를 활용하고, EPLD를 이용해 설계하고 컨트롤러에서 카운트된 데이터를 받아 사용합니다. Encoder Counter IC를 사용(추천)

1.3 Potentiometer

- 모터의 축이나 다른 기계적인 부분에 부착하여 사용합니다. 정밀한 가변저항 이고, 출력되는 Analog 신호를 특정 시간 마다 ADC하여 현재 위치를 파악할 수 있습니다. 현재 위치 값을 제어 알고리즘에 적용하여 사용하기도 합니다.

2. PWM(Pulse Width Modulation)

2.1 정의

2.2 전압 계산 방법

2.3 주파수에 따른 토크 & 반응 속도

- 주파수가 너무 작으면 토크는 높으나 반응속도가 느려질 수 있습니다.

- 주파수가 너무 크면 모터에 충분한 전류가 전달되지 않아 토크가 부족해 질 수 있습니다.

- 모터 및 필요 토크에 따라 적절한 주파수를 조절하여야 합니다.(10~20khz)

3. 모터 제어

3.1 정의

 

 

- 먼저 모터를 PWM 신호를 통해 구동 후 모터에 부착된 Encoder, Potentiometer에서 값을 읽어 옵니다. 제어기에 값을 넣고 모터를 제어할 값을 계산하고, 제어기에서 계산 된 값을 PWM 제너레이터를 통해 PWM 신호를 만듭니다. 모터가 구동되면 원하는 속도가 될 때까지 위의 순서를 반복합니다.

3.2 제어기의 종류

- On/Off 제어(가장 간편한 제어)

- PID 제어(P, PI, PID 제어로 나누서 사용 가능)

- 인공지능 알고리즘을 결합한 제어 방식(퍼지, 퍼지 PID, 신경망, 신경망 PID 등)

3.3 On/Off 제어

 

 

- 현재 값이 원하는 값보다 크면 조작량을 Off 시키고 작으면 On 시키는 방식

- 0%과 100%를 왕래 하므로 목표값에 수렴하지 않고 계속 진동하게 됩니다.

3.4 PID 제어 

3.4.1 비례(P) 제어

- 조작량을 목표 값과 현재 위치와의 차에 비례한 크기가 되도록 하며, 서서히 조절하는 제어 방법입니다. 목표 값에 접근하면 미묘한 제어를 가할 수 있기 때문에 미세하게 목표 값에 가까이 할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. Kp(비례 상수)를 너무 높게 설정하면 시스템은 불안정하게 되므로 조심해야 합니다.

- U = Kpe(비례제어로 목표 값 수렴에 한계가 있음)

3.4.2 비례-적분(PI) 제어

- 조작량이 너무 작아지고, 그 이상 미세하게 제어할 수 없는 상태가 발생하게 됩니다. 잔류편차를 없애기 위해 사용하고, 미소한 잔류편차를 시간적으로 누적, 어떤 크기로 된 곳에서 조작량을 증가하여 편차를 없애는 방식으로 동작합니다. 

3.4.3 비례-적분-미분(PID) 제어

- 응답 속도를 높이기 위해 일정한 시간(시정수)이 필요하고, 이 때 시정수가 크면 외란이 있을 때의 응답 성능이 나빠집니다. 전회와의 편차에 대한 변화차를 보는 것이 "미분"에 해당합니다. 출력주파수의 미분보상은 편차의 변화율에 비례하여 수행되므로, D 제어는 편차에 급격한 변화가 있을 때 빠르게 출력주파수를 수정합니다.

 

PID 제어 뿐만 아니라 ON/OFF제어 와의 차이점 및 PID제어에 필요한 것들을 알아 보았습니다.