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John J. Craig. Robotics-로보틱스 입문 matlab 연습문제 2B

? MATLAB 연습문제 2B- (a)- (b)- (c)- (d)- (e)?(a)a-1)? 사용코드alpha = input('alpha 값을 입력하시오: ');beta = input('beta 값을 입력하시오: ');gamma = input('gamma 값을 입력하시오: ');%각 변환alpha = alpha*(pi/180);beta = beta*(pi/180);gamma = gamma*(pi/180);% 회전행렬 구하기Rx = [1 0 0; 0 cos(gamma) -sin(gamma); 0 sin(gamma) cos(gamma)];Ry = [cos(beta) 0 sin(beta); 0 1 0; -sin(beta) 0 cos(beta)];Rz = [cos(alpha) -sin(alpha) 0; sin(alpha) cos(alpha) 0; 0 0 1];abR = Rz*Ry*Rx;aPb = input('aPb 값을 입력하시오: ');%균질 변환abR = abR';abR = [abR; aPb(1) aPb(2) aPb(3)];abR = abR';aTb = [abR; 0 0 0 1]? 실행 결과a-2)? 실행 결과?(b)? 사용코드clear,clcalpha = input('alpha 값을 입력하시오: ');beta = input('beta 값을 입력하시오: ');gamma = input('gamma 값을 입력하시오: ');%각 변환alpha = alpha*(pi/180);beta = beta*(pi/180);gamma = gamma*(pi/180);% 회전행렬 구하기Rx = [1 0 0; 0 cos(gamma) -sin(gamma); 0 sin(gamma) cos(gamma)];Ry = [cos(beta) 0 sin(beta); 0 1 0; -sin(beta) 0 cos(beta)];Rz = [cos(alpha) -sin(alpha) 0; sin(alpha) cos(alpha) 0; 0 0 1];abR = Rz*Ry*Rx;aPb = input('aPb 값을 입력하시오:P = input('bP 값을 입력하시오: ');aP = abR*bP+aPb? 실행 결과?(c)? 사용코드alpha = input('alpha 값을 입력하시오: ');beta = input('beta 값을 입력하시오: ');gamma = input('gamma 값을 입력하시오: ');%각 변환alpha = alpha*(pi/180);beta = beta*(pi/180);gamma = gamma*(pi/180);% 회전행렬 구하기Rx = [1 0 0; 0 cos(gamma) -sin(gamma); 0 sin(gamma) cos(gamma)];Ry = [cos(beta) 0 sin(beta); 0 1 0; -sin(beta) 0 cos(beta)];Rz = [cos(alpha) -sin(alpha) 0; sin(alpha) cos(alpha) 0; 0 0 1];abR = Rz*Ry*Rx;aPb = input('aPb 값을 입력하시오: ');%균질 변환abR = abR';abR = [abR; aPb(1) aPb(2) aPb(3)];abR = abR';aTb = [abR; 0 0 0 1];abR = aTb(1:3,1:3);baR = abR';bPa = -baR*aPb;bTa = [baR bPa; 0 0 0 1];disp('문자적 공식을 통한 결과는')bTa% INV함수로 역행렬 구하기disp('MATLAB의 수치함수를 통한 aTb의 역행렬은')inverse_aTb = inv(aTb)disp('그러므로 두결과가 같다는 것을 알 수 있다')% 문자적공식 결과 검증disp(aTb*bTa)disp(bTa*aTb)% inv함수를 통한 결과 검증disp(aTb*inverse_aTb)disp(inverse_aTb*aTb)disp('따라서 aTb*bTa=bTa*aTb=aTb*inverse_aTb=inverse_aTb*aTb=I 라는 것을 알 수 있다')? 실행 결과a-1)a-2)?(d)d-1)? 사용코드aTb = [0.9254 0.0180 0.3785 1.0000; 0.1632 0 -0.4410 2.0000; -0.3420 0.4698 0.8138 3.0000; 0 0 0 1.0000];bTc = [0.9397 0 0.3420 3.0000; 0 1.0000 0 0; -0.3420 0 0.9397 1.0000; 0 0 0 1.0000];aTc = aTb*bTctrplot(aTc, 'frame', 'T', 'color', 'b', 'text_opts', {'fontsize', 12, 'fontweight', 'bold'});grid on;? 실행 결과? 사용코드aTb = [0.9254 0.0180 0.3785 1.0000; 0.1632 0.8826 -0.4410 2.0000; -0.3420 0.4698 0.8138 3.0000; 0 0 0 1.0000];bTc = [0.9397 0 0.3420 3.0000; 0 1.0000 0 0; -0.3420 0 0.9397 1.0000; 0 0 0 1.0000];cTb = inv(bTc);bTa = inv(aTb);cTa = cTb*bTatrplot(cTa, 'frame', 'T', 'color', 'b', 'text_opts', {'fontsize', 12, 'fontweight', 'bold'});grid on;? 실행 결과d-2)? 사용코드aTc = [0.7402 0.0180 0.6722 4.1547; 0.3042 0.8826 -0.3586 2.0486; -0.5997 0.4698 0.6478 2.7878; 0 0 0 1];bTc = [0.9397 0 0.3420 3.0000; 0 1.0000 0 0; -0.3420 0 0.9397 1.0000; 0 0 0 1.0000];disp('aTb를 모른다고 가정했을 경우의 aTb')aTb = aTc*inv(bTc)disp('결과를 알고있는 aTb')aTb = [0.9254 0.0180 0.3785 1.0000; 0.1632 0.8826 -0.4410 2.0000; -0.3420 0.4698 0.8138 3.0000; 0 0 0 1.0000]disp('약가 있지만 거의 유사하다')? 실행결과d-3)? 사용코드aTc = [0.7402 0.0180 0.6722 4.1547; 0.3042 0.8826 -0.3586 2.0486; -0.5997 0.4698 0.6478 2.7878; 0 0 0 1];aTb = [0.9254 0.0180 0.3785 1.0000; 0.1632 0.8826 -0.4410 2.0000; -0.3420 0.4698 0.8138 3.0000; 0 0 0 1.0000];disp('bTc를 모른다고 가정했을 경우의 bTc')bTc = inv(aTb)*aTcdisp('결과를 알고있는 bTc')bTc = [0.9397 0 0.3420 3.0000; 0 1.0000 0 0; -0.3420 0 0.9397 1.0000; 0 0 0 1.0000]disp('정확히 일치한다')? 실행결과?(e)a-1) 검증? 사용코드aRb = rpy2tr(10,20,30,'deg');aPb=[1 2 3];aTb = transl(aPb)*aRbdisp('검증결과 일치')a-2) 검증? 사용코드aRb = rpy2tr(0,20,0,'deg');aPb=[3 0 1];aTb = transl(aPb)*aRbdisp('검증결과 일치')? 실행결과b) 검증? 사용코드aRb = rpy2tr(0,20,0,'deg');aPb=[3 0 1];aTb = transl(aPb)*aRb;bP=[1; 0; 1; 1];aP=aTb*bP;aP=aP(1:3,1)disp('검증결과 일치')? 실행결과c) 검증? 사용코드disp('a-1) 검증')aRb1 = rpy2tr(30,20,10,'deg');aPb1=[1 2 3];aTb1 = transl(aPb1)*aRb1bTa1 = inv(aTb1)disp('aTb1*bTa1')aTb1*bTa1disp('bTa1*aTb1')bTa1*aTb1disp('a-2) 검증')aRb2 = rpy2tr(0,20,0,'deg');aPb2=[3 0 1];aTb2 = transl(aPb2)*aRb2bTa2 = inv(aTb2)disp(*bTa2')aTb2*bTa2disp('bTa2*aTb2')bTa2*aTb2disp('검증결과 모두 일치')? 실행결과d-1) 검증? 사용코드clear,clcaRb1 = rpy2tr(30,20,10,'deg');aPb1=[1 2 3];aTb = transl(aPb1)*aRb1;aRb2 = rpy2tr(0,20,0,'deg');aPb2=[3 0 1];bTc = transl(aPb2)*aRb2;aTc = aTb*bTccTb = inv(bTc);bTa = inv(aTb);cTa = cTb*bTadisp('약간의 오차가 있지만 거의 유사')? 실행결과d-2) 검증? 사용코드clear,clcaRb1 = rpy2tr(30,20,10,'deg');aPb1=[1 2 3];aTb = transl(aPb1)*aRb1;aRb2 = rpy2tr(0,20,0,'deg');aPb2=[3 0 1];bTc = transl(aPb2)*aRb2;aTc = aTb*bTc;disp('aTb를 모른다고 가정했을 경우의 aTb')aTb = aTc*inv(bTc)disp('결과를 알고있는 aTb')aTb = [0.9254 0.0180 0.3785 1.0000; 0.1632 0.8826 -0.4410 2.0000; -0.3420 0.4698 0.8138 3.0000; 0 0 0 1.0000]disp('완벽하게 일치')? 실행결과d-3) 검증? 사용코드aRb1 = rpy2tr(30,20,10,'deg');aPb1=[1 2 3];aTb = transl(aPb1)*aRb1;aRb2 = rpy2tr(0,20,0,'deg');aPb2=[3 0 1];bTc = transl(aPb2)*aRb2;aTc = aTb*bTc;disp('bTc를 모른다고 가정했을 경우의 bTc')bTc = inv(aTb)*aTcdisp('결과를 알고있는 bTc')bTc = [0.9397 0 0.3420 3.0000; 0 1.0000 0 0; -0.3420 0 0.9397 1.0000; 0 0 0 1.0000]disp('정확히 일치한다')?

학교| 2023.10.21| 26페이지| 2,000원| 조회(368)

MatLab, 연습문제, 로보틱스, 로봇공학, matlab 연습문제

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John J. Craig. Robotics-로보틱스 입문 chapter3 - matlab 연습문제 3

"John J. Craig. Robotics-로보틱스 입문 matlab 연습문제 3"에 대한 내용입니다. 직접 코딩한 후 검증도 마친 코드들 입니다. 코드를 보기 편하시도록 코드의 폰트를 일반글자보다 조금 키웠습니다.

학교| 2023.10.21| 28페이지| 2,000원| 조회(489)

MatLab, 연습문제, 로보틱스, 로봇공학, MATLAB 연습문제 3

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기계공학실험레포트(자유진동모드해석)

기계공학실험(자유진동모드해석)(1)1. 주파수 응답함수 한 개에 대해서 주파수를 x축으로 하여 그래프를 그리고 고유진동수 분석하시오.두께 5mm, 길이 50cm 강판을 실습조원 5명이 타격지점을 각각 다르게 하여 측정한 데이터로 x축(주파수), y축(진폭) 으로 하여 그래프를 그려보았다. 위와 같이 특정 주파수에서는 peak 라고 하여 진폭이 다른 지점에 비해 큰 형상을 보이는데 그 지점(빨간 원 표시)의 주파수를 고유진동수 라고 한다. peak 지점의 주파수 값들을 읽어 보니 99Hz, 271Hz 로 측정되었다. 위의 그래프를 자세히 살펴보면 5번의 타격지점이 다 다름에도 진폭의 차이만을 보일 뿐 peak 지점은 모두 같았다. 모든 지점에서의 고유진동수는 같다는 사실을 확인할 수 있었다.(2)2. 각 빔의 고유진동수 분석, 이론 내용과 비교하시오.(3)위와 같이 각 두께별(3mm,5mm,10mm)로 실험한 데이터를 그래프로 나타내 보았다.우선 3mm 의 경우 고유진동수가 57Hz,159Hz,311Hz 로 측정되었다.부록을 참조하여 이론값을 계산해보면f _{i} = {lambda _{i} ^{2}} over {2 pi L ^{2}} LEFT ( {EI} over {m} RIGHT ) ^{{1} over {2}} ,(` lambda _{1} =4.73004074, lambda _{2} =7.85320462, lambda _{3} =10.9956078`,E=193GPa,L=0.5m) 이고I= {1} over {12} bh ^{3} ,`(b=40mm,h=3mm) ,m= rho bh( rho =8030kg/m ^{3} ) 이므로 물성치들을 다 대입하여 계산하면f _{1} =60.473Hz,`f _{2} =166.7Hz,f _{3} =326.8Hz 이 이론값으로 도출된다.3mm의 경우 고유진동수 값이 커질 수 록 이론값과 측정값의 차이가 커진다는 사실을 확인할 수 있다.5mm의 경우 99Hz ,273Hz로 측정되었는데 위의 식에서 h값만 5mm로 바꾸어 계산해주면 이론값을 도출 할 수 있다. 이론값은f _{1} =100.79Hz,f _{2} =277.83Hz 로 계산되었는데 3mm 판에 비해 확실히 이론값과 측정값의 차이가 작은 것을 알 수 있다.마지막으로 10mm 판의 고유진동수는 206Hz 로 측정되었고 이론값은 h값을 10으로 바꾸어 계산해보니f _{1} =201.577Hz 으로 계산되었다. 지금까지의 데이터 분석결과로 알 수 있는 사실은 판의 두께가 커질수록 peak 지점의 횟수가 감소한다는 것이다.3. 모드형상 그리기( 1.2.3차 모드 각 모드의 주파수).? 3mm(파란 점선 : 1차 모드형상, 빨간 점선 : 2차 모드 형상, 검은 점선 : 3차 모드형상)(4)? 5mm(파란 점선 : 1차 모드형상, 빨간 점선 : 2차 모드 형상, 검은 점선 : 3차 모드형상)(5)? 10mm(파란 점선 : 1차 모드형상, 빨간 점선 : 2차 모드 형상, 검은 점선 : 3차 모드형상)4. 가속도계의 영향, 고유진동수, 모드형상에 대해서 논하라? 가속도계의 영향가속도계는 빔에 부착하여 응답을 측정하기 위한 센서이다. 측정부위에 가속도계가 견고하게 부착될수록 좀 더 정확한 값을 측정할 수 있다. 또한 미세하게나마 가속도계의 질량이 측정값에 영향을 줄 수가 있는데 이번 실험에서 빔의 한 쪽에 왁스를 이용하여 가속도계를 부착하였다. 사실 이번에 실험한 것은 빔에 가속도계의 질량이 더해진 물체의 고유진동수를 측정한 셈이다. 부록에 있는 자유진동 식에서도 알 수 있듯이 질량(m)에 가속도계의 질량도 영향을 줄 수 있어 이론값과 같은 고유진동수를 측정하기는 쉽지 않았을 것이다.(6)? 고유진동수물체가 어떠한 특정 주파수에서는 큰 진폭을 갖고 진동하는데 이때의 주파수를 고유진동수라고 한다. 사물은 각각 자신의 고유진동수를 가지고 있다. 다만 고유진동수는 하나가 아니고 사물의 자유도 개수만큼 존재한다. 고유진동수는 감쇠의 반영 유무에 따라 감쇠, 비감쇠로 나뉘는데 흔히 고유진동수는 비감쇠고유진동수를 말한다. 공식은f _{n} = {1} over {2 pi } sqrt {{k} over {m}}로 구할 수 있고 공식에서 알 수 있듯, 고유진동수는 질량과 강성에 영향을 받는다. 고유 진동수는 1차, 2차, 3차 등으로 구분되며, 특히 1차 고유 진동수를 기본 고유 진동수라 한다. 고차로 갈수록 물체가 변형하기 어려운 모양으로 진동하게 되는 진동수를 나타낸다.? 모드형상모드형상은 각 고유진동수에서 구조물의 진동하는 형상을 의미한다. 모드형상은 자유도의 개수와 관련이 있는데, 물체의 자유도에 따라 모드형상의 개수가 정해진다. 모드형상을 분석함으로써 고유진동수에 따른 설계에 미칠 영향을 파악할 수 있다. 구조물이 가장 쉽게 변형할 수 있는 형상부터 저차모드를 가지는데 고차모드로 갈수록 큰 변형에너지를 갖게 되어 변형이 어려워진다. 따라서 고차모드로 갈수록 구조물에서 해당 모드형상이 발생할 가능성은 낮다고 할 수 있다.5. 경계조건의 영향에 대해서 논하라, 고유진동수, 모드형상.앞서 언급했듯, 모드형상은 물체의 자유도에 따라 개수가 정해진다. 모드형상 해석에 있어 구속조건이 존재한다면 반드시 반영을 해서 해석을 해줘야 하는데 예를 들어 물체가 외팔보가 되거나, 양 끝단이 고정이 된다면 모드형상이 변하게 된다. 실제로 위의 2번 항목에서 두께가 3mm인 빔의 그래프를 보면 오른쪽 끝에 490Hz 쯤, 진폭이 우뚝 솟은 peak 지점을 하나 더 확인 할 수 있는데 이 부분은 실제로 고유진동수를 갖는 부분이 아니라 빔이 연장되었을 때 갖는 고유진동수 부분이다. 이 때문에 3mm 에서는 고유진동수가 4개인 것처럼 보인 것이다. 이처럼 경계조건은 고유진동수와 모드형상에 상당한 영향을 미친다.6. 빔의 재질의 영향에 대해서 논하라.실험에서 사용한 재료는 ‘302/304L steel(E=193GPa,` rho =8030kg/m ^{3})’ 이다. 빔의 재질에 따라 고유진동수가 다른 것을 식을 통해서 알 수 있다. 고유진동수의 식은

공학/기술| 2023.10.22| 8페이지| 1,500원| 조회(222)

고유진동수, 모드형상, 기공실, 주파수 응답함수, 자유진동모드해석, 경계조건의 영..

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기계공학실험레포트(DC motor)

기계공학실험(DC motor)(1)- 실험 목적........(3)- 실험 이론........(3)- 실험 장치........(7)- 실험 방법........(8)- 실험 결과........(10)- 실험 고찰........(16)- 결론.............(17)(2)1. 실험 목적DC motor를 포함한 여러 가지 모터에 대해 특징 및 구동원리를 학습하고, 각종 실험 장치와 MATLAB을 통해 토크 상수(K _{t}) 와 점성마찰계수(B _{m}) 에 따른 각도, 각속도 plot 에서의 experiment값과 simulation 값을 비교 및 조정한다.2. 실험 이론본 실험에서 메인이라 할 수 있는 개념은 직류 모터이다. 이름 그대로 직류를 전원으로 하는 모터를 말하며 고정자 자계 속에서 코일을 가진 회전자를 시켜 작동하고 일반적으로 정류자, 브러시를 가진다. 직류 모터는 가장 대중적인 모델인 DC 모터부터 BLDC 모터, 스테핑 모터까지 다양한 종류에 모터가 있지만 DC 모터와 BLDC 모터를 중점으로 소개하려한다.- DC motor일반적으로 직류 전동기는 직류전원, 자계, 브러쉬, 정류자로 구성이 되어있다. 작동원리는 다음과 같다. 외부에서 공급되는 직류 전류가 브러쉬와 정류자를 통해 코일(회전자)에 흐르면 자석과 코일 사이에 자기력에 의한 돌림힘이 코일을 회전시킨다. 코일이 회전하면 코일 면이 자기장에 수직이 되는 순간 정류자에 의해 코일에 흐르는 전류의 방향이 바뀌는데 이때 자기력이 다시 처음과 같은 방향으로 작용하여 코일이 계속 한쪽방향으로 회전하게 되는 것이다.간단히 요약해서 설명하면 플레밍의 왼손 법칙에 의해 코일이 회전을 하면 교류가 만들어지는데, 정류자와 브러쉬가 회전에도 불구, 전류의 방향을 일정하게 유지하게 하는 역할을 해주는 것이다.(3)- BLDC motor(Brushless DC motor)Brushless, 이름 그대로 브러쉬와 정류자를 제거한 DC 모터라는 뜻이다. PM형 직류모터로 볼 수 있는데 PM은 permanent magnatic, 영구자석이라는 뜻이다. 일반 DC모터와는 달리 이 영구자석이 회전자의 기능을 하고 전기자가 고정자가 된다. BLDC motor는 브러쉬를 제거하였기에 마모가 없고 전기, 기계 노이즈를 감소 시킬 수 있다. 또한 수명이 길고 고속회전이 가능하다는 여러 가지 장점들을 지니고 있지만, 온도와 환경에 민감하고, 일반 DC 회로에 비해 제어가 복잡할뿐더러 가격 또한 비싸다는 단점들이 존재한다.(4)BLDC motor에서 회전자의 위치를 파악하기 위해서는 “홀 소자”가 필요하다. 홀 소자는 자기장을 감지하는 센서라 할 수 있다. 고정자와 같이 120˚ 간격으로 배치되는 반도체 소자이며 N, S극을 검출하며 구동회로에 의해 스위칭 할 위치가 되면 자동으로 스위칭 한다. 조금 상세히 설명 하자면 모터가 1 회전하면 홀 소자는 3배에 해당하는 펄스를 보내는데 이 디지털 신호로 각도 및 속도를 알 수 있다. 홀 소자의 출력에 따라 각각의 코일에 다른 전류 세기를 가해야 한다. 3상 이너로터형 브러쉬모터에 삼상 교류전원을 연결하면 BLDC 모터와 유사한 동기모터가 된다.(5)- DC motor & BLDC motor 요약비교DC motorBLDC motor플레밍의 왼손법칙을 이용유도전류를 이용제어가 쉽고 가격이 저럼함수명이 길고 소음 및 전자적 노이즈가 거의 없음급격한 가속성, 큰 토크, 선형적인 회전효율이 좋고 토크가 크며 고속회전 및 제어에 용이브러쉬를 사용, 브러쉬 마모에 따른 성능저하대용량 모터 제작에 한계, 비싼 가격Plus Width Modulation을 이용하여 제어3상 전류제어형 PWM인버터 구동(6)3. 실험 장치? Power : 전원을 공급해준다.? Hardware : 모터를 고정하는 지지대의 역할을 해준다.? Motor Driver : I/O 보드에서 나오는 전기적 신호를 모터에 사용되는 전압으로 바꾸어 준다.? 엔코더(Encoder) : 모터의 회전속도, 방향 등을 감지하는 융합 센서. 엔코더의 성능이 좋지 않 으면 에러 발생하여 모터가 작동하지 않을 수 있다.? DAQ 보드 : 외부에서 입력되는 디지털, 아날로그 신호를 PC 가 인식할 수 있는 신호로 변환해 주거나 PC에서 출력되는 신호를 외부로 전달해준다.? Simulink : 모델링, 시뮬레이션, 멀티도메인 시스템 분석을 위한 graphical programmingenvironment. 본 실험에선 MATLAB을 이용한다.(7)4. 실험 방법먼저 전원을 미리 켜서 24V로 맞춰준다.이후 모터 드라이버의 전원선을 각각 (+), (-)에 연결해주고 전원을 공급한다.위와 같이 푸른 불빛이 들어오면 준비가 완료된 것이다.(8)입력된 실험코드를 열고 입력값을 STEP으로 변경한다. 이후 빌드버튼을 눌러 빌드가 완료되면 DAQ 연결버튼을 누르고 바로 옆 재생버튼을 누르면 코드가 실행된다.(9)빌드버튼을 누르면 위와 같이 모터가 회전하고 충분히 실험을 한 후 정지버튼을 누르면 실험 완료이다.plot을 확인하기 위해 MATLAB을 실행하는데 먼저 workspace 변수들을 선택하여 전부 저장하고 이를 시뮬레이션 코드와 같은 폴더에 넣고 시뮬레이션 m 파일을 실행한다. 실행 시 시뮬레이션 m 파일이 자동으로 실행되어 결과 plot을 띄워준다. 이후 토크 상수(K _{t}) 와 점성마찰계수(B _{m})의 값을 변화시키며 결과를 확인한다. 전압이 3V 일때, -3V 일 때 각각 실행한다.5. 실험 결과? 3V먼저 3V 데이터들을 실행해보았다.K _{t}값과B _{m}값을 수정하지 않으니 실험값과 시뮬레이션값의 차이가 큰 plot이 생성되었다.(10)이후B _{m}값을 변화시켜 실험값과 시뮬레이션값이 일치하는 형상의 plot을 얻었다.(11) 값을 조절하다가 알게 된 사실인데K _{t}값은 고정시키고B _{m}값만 변화시키니B _{m}값과 시뮬레이션 그래프의 기울기가 반비례한다는 사실을 알 수 있었다.(12)이번엔B _{m}값을 고정시키고K _{t}값을 변화시켜 보았다. 값을 조절하다보니 역시 위와 같이 실험값과 시뮬레이션값이 일치하는 형상의 plot을 얻을 수 있었다.(13) B _{m}을 고정시키고K _{t}를 변화시키니K _{t}값과 시뮬레이션 그래프의 기울기는 비례한다는 사실을 알게 되었다.(14)? -3V같은 방식으로 ?3V 데이터도B _{m}값을 적절히 조정하여 위와 같이 실험값과 시뮬레이션값이 일치하는 형상의 plot을 얻었다.(15)6. 실험 고찰.실험결과에서 얻은 결론은K _{t}값은 시뮬레이션 그래프의 기울기와 비례하고B _{m}값은 시뮬레이션 그래프의 기울기와 반비례한다는 사실이다. 왜 이런 관계가 만들어지는 이유가 무엇일지 고찰해보았다.강의 내용 중 위와 같은 관계식을 정리한 슬라이드를 보고 생각해보았다. 위 식을 토대로 분석해본다면 역기전력이 각속도에 비례하므로

공학/기술| 2023.10.22| 17페이지| 1,500원| 조회(382)

기계공학실험, dc motor, 기공실

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기계공학실험레포트(LED)

기계공학실험(LED)(1)- 실습 이론(LED)...(3)- 실습 목표........(5)- 실습 과정........(5)- 참고 문헌........(17)(2)1. 실습 이론(LED)“LED(Light-Emitting Diode)”란 발광 다이오드라고도 불리는데 LED의 원리를 이해하려면 먼저 다이오드의 개념을 알아야 한다. 다이오드는 한 방향으로만 전류가 흐를 수 있게 정류작용을 해주는 반도체 소자인데 주로 게르마늄이나 규소와 같은 14족 원소를 이용하여 만든다. 반도체 소자인 만큼 조건에 따라 전류를 흐르게도, 흐르지 않게도 할 수 있으며 본 실습에서 중요한 기능인 발광의 특성도 가지고 있다. 다이오드는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합시켜 만든다. 14족 원소만으로 반도체를 만들면 순수 반도체라고 하는 전자가 움직일 수 없어 전압이 걸려도 전류가 흐르지 않는 상태가 되는데 여기에 불순물(최외각 전자 수가 14족 보다 하나 많거나 적은)을 첨가하면 전류가 흐르게 할 수 있다. 예를 들어 14족 원소(규소)로 이루어진 반도체에 13족 원소인 붕소를 섞어주면 원자들이 공유결합을 다 하고 전자가 하나 비어있는 공간이 생기는데 이를 정공이라고 한다. 정공은 상대적으로 (+)전하를 띄기에 자유전자가 들어올 수 있어 전류가 흐르는게 가능하고 이와 같은 정공을 만들어준 반도체를 p형 반도체라 한다. n형 반도체의 원리도 비슷하다. 이번엔 반대로 순수 반도체에 비소와 같은 15족 원소를 섞어주면 원자들이 공유결합을 다하고도 전자가 하나 남는 상황이 발생하는데 이런 전자를 잉여전자라 한다. 이 잉여전자는 자유전자가 되어 자유롭게 돌아다닐 수 있어 전류를 흐르게 할 수 있다. p형, n형 반도체의 구조를 간단하게 그림으로 살펴보면 다음과 같다. 이제 p형과 n형을 접합시켜 다이오드를 만들면 우리가 원하는 기능을 만들어낼 수 있는 다이오드가 된다.(3)이렇게 접합 다이오드를 만들면 공핍층 이라는 장벽이 생기게 된다. 전압을 걸어주지 않은 상태에서는 공핍층 때문에 전류가 흐를 수 없지만 공핍층을 넘어갈 수 있는 만큼의 전압(전위장벽 이상의 전압)을 걸어주면 자유전자가 정공을 채우게 되고 전류가 흐른다. 자유전자와 정공이 만나게 하기 위해서는 각각에 척력이 작용해야 하는데 p형에 (+), n형에(-)를 걸어주어야 한다. 이를 순방향 전압이라고 한다. 만약 p형에 (-), n형에 (+)를 걸어주게 되면 척력이 작용하지 않아 정공과 자유전자가 만날 일이 없어 전류가 흐르지 않는데 이를 역방향 전압이라고 한다. 하지만 역방향 전압에서도 항복전압이라고 하는 전기 저항을 파괴할 만큼의 전압을 걸어주게 되면 전류가 흐르게 할 수 있다.순방향 전압과 역방향 전압을 간단하게 그림으로 살펴보면 위와 같다.(4)이러한 다이오드의 원리를 이용하여 흔히 광다이오드와 발광다이오드가 많이 사용되는데 광다이오드는 어떤 금속에서 문턱 진동수 이상의 진동수가 가해졌을 때 전자를 방출시키는 광전효과를 이용한다. 즉 p-n 접합부에 빛을 비추면 광전효과에 의해 전류가 흐르는 원리를 이용하여 리모컨, 태양전지 등을 만들 수 있다. 반대로 이름에서부터 알 수 있듯이 “발광” 즉 전자의 이동을 이용하여 빛을 내는 발광 다이오드는 문턱 전압 이상의 순방향 전압을 p-n 접합 다이오드에 걸어주면 발광하는 원리를 이용해 기존의 백열등에 비해 고효율, 저전력, 긴수명을 가진 소자를 만들 수 있다. 이것이 바로 오늘 실습의 주제인 LED 이다.2. 실습 목표이론시간에 배운 다이오드의 특성(문턱 전압, 순방향, 역방향 등)을 확인하고 LED 및 NI ELVIS mx Digital Writer를 이용하여 신호등을 세팅하고 최종적으로 LabVIEW 로 교차로 상황을 코딩하여 재현한다.3. 실습 과정- 순방향, 역방향 전압 확인(5)Digital Multimeter를 이용하여 전압을 측정할 수 있다. 위와 같이 빨간색 선이 (+) 검은색 선이 (-) 이다.LED의 긴 다리를 빨간색에 짧은 다리를 검은색에 연결해주면 척력이 발생하여 다이오드 이론을 공부한대로 순방향 전압이 걸린다.(6)하지만 반대로 긴 다리를 검은색에, 짧은 다리를 빨간색에 연결해 주면 위와 같이 역방향 전압이 걸려 전류가 흐르지 않는 것을 확인 할 수 있다.마찬가지로 노란 색 LED에도 순방향 전압을 걸어 테스트 해보았다.(7)초록색 LED또한 위와 같이 측정해보았다.- 문턱 전압 확인(8)문턱 전압을 확인해보기 위해 위와 같이 Two Wire Current-Voltage Analyzer를 이용한다. DUT+ 에 LED의 긴 다리를, DUT- 에 LED의 짧은 다리를 꽂으면 세팅이 완료된다.위와 같이 시작 값 및 증감폭등을 설정해 주고 빨간색 LED부터 측정해 보았다.(9)위와 같이 시간이 좀 지나고 LED의 불이 켜진 것을 확인할 수 있다.커서를 켜서 확인해보면 약 1.6V 정도가 문턱 전압임을 확인 할 수 있다.(10)같은 방식으로 노란색 LED도 테스트를 해보았다.노란색 LED는 약 1.7V 부근에서 불이 켜지는 것을 확인 할 수 있다.(11)초록색 LED의 경우도 약 1.7V 가량 전압에서 불이 들어왔다.(12)- Elvis 연결 모습 및 설명위와 같은 세팅을 Elvis에 재현 하려 한다.(13)세로줄의 빨,노,초 LED는 순서대로 DIO 0, DIO 1, DIO 2 에 긴 다리를 연결해주고가로줄의 빨,노,초 LED는 순서대로 DIO 3, DIO 4, DIO 5 에 긴 다리를 연결해준다.그리고 각 LED의 짧은 다리는 그라운드에 연결해주면 세팅이 완료된다.세팅 완료 후 Digital Writer를 열면 앞서 지정해준 번호를 눌러 원하는 LED를 ON/OFF 할 수 있는 상태가 된다.(14)- LabVIEW 코딩교차로를 재현하기 위해 위와 같이 4가지 case를 코딩해주어야 한다. 먼저 While 루프 안에 플랫 시퀀스 구조를 만들어준다. 시퀀스 구조란 어떠한 작업이 순차적으로 실행되게 해주는 틀 정도로 설명할 수 있다. 또한 case가 4가지이므로 프레임을 3개 더 추가해준다. 이후 Digital Writer 노드도 세팅해준다.(15)위에 빨간색 case 박스를 보면 각 LED를 8비트 숫자로 나타내어 case 조합을 구성한 것을 볼 수 있는데 각 케이스별 시퀀스 안에 조합 숫자를 할당해주면 처음 구상했던 교차로 상황과 같이 불빛이 들어오게 할 수 있다. 예를 들어 case1 은 DIO 0 번에 할당한 빨간색 LED와 DIO 5 번에 할당한 초록색 LED에 불이 켜져야 한다. 8비트로 변환 한다면 0번과 5번은 각각2 ^{0} ,2 ^{5} 이고 이 둘의 합산을 하면 33이라는 숫자가 나온다. 33을 case1의 상수값으로 할당해주면 이 두 개의 LED에만 처음에 불이 켜진다. 상수값도 모두 할당을 해주었다면 이제 타임 노드를 활용하여 시간을 설정 해 주어야한다. case1(8초), case2(2초), case3(8초), case4(2초) 로 할당하여 적절한 시간조절을 해준다. 타임노드는 ms 단위 이므로 상수값은 8이나 2 가아닌 8000,2000을 넣어주어야 한다.

공학/기술| 2023.10.22| 17페이지| 1,500원| 조회(448)

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