직류 모터 속도 제어 시스템 실험

본 내용은 " [단국대]모터제어 실험 레포트 A+ " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.11.07

문서 내 토픽

• 1. 폐루프 궤환 제어시스템

  폐루프 궤환 제어시스템은 출력을 측정하여 입력과 비교하는 피드백 메커니즘을 통해 구성된다. 시스템의 전달함수는 G = KG/(1+KGH)로 표현되며, H=1인 경우 Unity Feedback이라 한다. 이득 K를 증가시키면 출력과 입력이 더욱 일치하게 되어 시스템의 정확도가 향상된다. 이러한 제어시스템은 식기세척기, 냉장고, 오븐 등 일상생활의 다양한 기기에 적용된다.

• 2. 직류 모터 속도 제어

  직류 모터의 속도 제어는 타코미터로부터의 피드백 신호와 신호발생기의 속도 지령을 비교하여 이루어진다. 폐루프 제어시스템에서 비례이득을 갖는 컨트롤러를 사용하여 속도 오차를 최소화한다. 실험에서 이득 K값이 증가함에 따라 출력속도(C/R)가 1에 근사하고 오차(E/R)는 0에 근사하는 특성을 확인할 수 있다.

• 3. 제어시스템 성능 분석

  제어시스템의 성능은 이득 K와 플랜트 이득 Kp에 의해 결정된다. 실험 결과 K값이 1, 5, 20일 때 이론값과 실험값의 차이가 작으며, K가 5 이상에서 진동이 시작된다. Kp값을 증가시키면 출력이 1로 근사되는 속도가 빨라진다. 더 많은 이득값 측정을 통해 이론값과 실험값의 편차를 더욱 명확히 파악할 수 있다.

• 4. 실험장치 및 측정 방법

  실험장치는 아날로그 또는 디지털 컨트롤러를 사용하여 다양한 제어 실험을 수행할 수 있도록 설계되었다. 모터 구동은 아날로그 증폭기 입력 전압 또는 PWM 파형으로 달성되며, 피드백은 타코 제네레이터와 연속 회전 전위차계를 통해 제공된다. 실험에서 속도지령을 2.5V로 설정하고 이득 증가에 따른 출력속도 오차를 측정한다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 폐루프 궤환 제어시스템

  폐루프 궤환 제어시스템은 현대 제어공학의 핵심 개념으로, 시스템의 출력을 지속적으로 측정하여 목표값과 비교하고 오차를 바탕으로 입력을 조정하는 방식입니다. 이러한 시스템은 외부 환경 변화나 시스템 파라미터 변동에 대해 강건한 성능을 제공하며, 정확도와 안정성을 크게 향상시킵니다. 산업 현장에서 온도, 압력, 속도 등 다양한 물리량 제어에 광범위하게 적용되고 있으며, 적절한 제어기 설계를 통해 응답 속도, 정상상태 오차, 안정성 등을 최적화할 수 있습니다. 다만 센서 오차, 통신 지연, 계산 시간 등의 실제 제약 조건을 고려한 설계가 중요합니다.

• 2. 직류 모터 속도 제어

  직류 모터 속도 제어는 산업용 드라이브 시스템에서 가장 기본적이면서도 중요한 응용 분야입니다. PWM(펄스폭변조) 기술을 활용한 전압 제어나 전류 제어 방식을 통해 효율적인 속도 조절이 가능하며, 폐루프 피드백을 결합하면 부하 변동에 대한 우수한 추종 성능을 얻을 수 있습니다. PID 제어기는 직류 모터 속도 제어에 가장 널리 사용되는 알고리즘으로, 게인 조정을 통해 응답 특성을 최적화할 수 있습니다. 실제 구현 시 모터의 비선형 특성, 마찰, 관성 등을 고려해야 하며, 이러한 요소들이 제어 성능에 미치는 영향을 정확히 파악하는 것이 중요합니다.

• 3. 제어시스템 성능 분석

  제어시스템의 성능 분석은 설계된 제어기가 요구사항을 만족하는지 검증하는 필수적인 과정입니다. 과도응답 특성(상승시간, 오버슈트, 정착시간), 정상상태 오차, 안정성 여유(위상여유, 이득여유) 등 다양한 지표를 통해 시스템을 평가합니다. 주파수 응답 분석(보드 선도, 나이퀴스트 선도)은 시스템의 안정성과 강건성을 직관적으로 파악하는 데 유용합니다. 시뮬레이션과 실험을 통한 검증이 모두 필요하며, 이론적 분석과 실제 성능 간의 차이를 파악하고 개선하는 반복적 과정이 중요합니다.

• 4. 실험장치 및 측정 방법

  제어시스템 실험의 성공은 정확한 측정과 신뢰할 수 있는 실험장치에 달려 있습니다. 센서 선택, 신호 조건화, 데이터 수집 장치의 샘플링 속도 등이 측정 정확도에 직접적인 영향을 미칩니다. 노이즈 제거, 캘리브레이션, 신호 필터링 등의 전처리 과정이 필수적이며, 실험 환경의 온도, 습도 등 외부 요인도 고려해야 합니다. 실시간 제어 시스템 구현 시 계산 지연과 샘플링 주기의 영향을 정확히 파악하고, 반복 가능한 실험 조건을 유지하는 것이 신뢰성 있는 결과 도출의 핵심입니다.