모터제어 기법
모터는
전세계적으로 하루 500만개 이상 만들어 세계의 베스트 셀러 제품이다.
영국의 페러데이가 1800년 전자기유도를 발견하고 미국의 조셉헨리가 전자기모터의 원형을 만들면서 부터 시작되었다.
모터는 DC와 AC모터로 나눌수 있는데
대부분 구동을 위한 요구전류가 100mA가 넘기 때문에 마이컴핀(대부분 20mA)에 직접연결하여 제어하기는 무리가 있어
TR이나 FET를 거쳐서 제어하며 모터는 코일이므로 전원을 차단하면 높은 서지전압이 발생되어 TR의 콜렉터를 파괴하기에 다이오드를 단다.
RE-140모델은 일반 완구에서 가장 많이 사용되는 모델로 1.5~3V전원에 550mA가 소비되므로 TR을 거쳐서 제어해야 한다.
모터옆의 다이오드는 플라이휠 다이오드로서
권선단속에 따른 큰 유도전류인 스파이크전압을 모터로 되돌려주는 역할을 하여 서지를 보호한다.
아래 그림을 보자.
일반적인 모터로서
회전자가 전자석이고
고정자가 영구자석인 일반 DC,AC모터는 해당전압만 걸면 잘 돌아간다.
부하가 걸리면 속도가 떨어지는데 정속을 유지하거나 가감속을 해야할 경우가 생긴다.
이런 모터는 속도제어를 할려면 제공전압을 바꾸면 속도가 바뀐다.
이런 모터의 장점은 쉽게제어 가능하지만 반면 브러쉬가 있어 수명이 짧다.
AC모터경우에도
상용전원의 주파수(50Hz,60Hz)에 동기되어 속도가 결정되므로(내부 권선수와 함께)
속도제어를 위해서는 인버터회로를 만들어 처리한다.
반대로
회전자가 영구자석이고 고정자가 전자석인 BLDC나 stepmotor 같은 경우는
모터를 제어하기위한 모터제어회로가 필요하다.
정밀제어가 가능하고 수명이 긴 반면에 제어가 어렵고 소음이 높다.
컨트롤단자에 마이컴의 포트를 붙이고 하이를 출력하면 동작하며 로우를 출력하면 정지한다.
모터의 방향을 바꾸려면 아래의 회로가 필요하게 된다.
이것은 잘 알려진 H브리지회로라하며 대부분의 모터제어칩에는 이 부분이 내장되어 있다.
모터를 제어하려 할때
일반적으로 돌리고, 멈추고, 회전방향을 바꾸고, 속도를 조절하고 토크를 제어하고, 마지막으로 탈조같은 것을 방지하려 한다.
1) 돌리고, 멈추고
2) 회전방향을 바꾸고 ( H 브리지 사용 )
3) 속도를 조절하고 (일반적으로 PWM제어를 많이 하나...)
4) 토크를 제어
5) 탈조방지 ( 일반적으로 엔코더 사용)
1) 돌리고,멈추고는 생략..
2) H브리지를 사용한 회전방향제어 기법
아래 그림처름 4개의 TR이나 FET를 제어하면 모터를 정방향/역방향 CW/CCW의 제어가 가능하다.
트랜지스터가 On 으로 되어 모터가 회전하고 있는 동안에는 모터의 코일에 에너지가 축적되어 있다.
그리고 트랜지스터가 Off로 되면 그 에너지를 방출하려고 하기 때문에 모터 코일의 양단에는 플러스, 마이너스가 역방향의 기전력이 발생한다.
이 전압은 매우 크기 때문에 그대로는 트랜지스터가 파괴되어 버리는 경우도 있다.
그래서 이 대책으로 코일을 쇼트시켜 남아 있는 에너지를 순간적으로 전류로서
흘려 버리는 식으로 해서 역기전력을 억제하도록 한다.
이 긴으을 하는 것이 아래 그림의 다이오드이며 역방향의 기전력만 쇼트 시키고, 통상적인 전압에 대해서는 고저항으로 되어
전류가 흐르지 않도록 하는 것이다.
기본동작은 Q1과 Q4의 트랜지스터만 동시에 On으로 하면 청색선과 같이 전류가 흐르고 모터는 정회전한다.
반대로 Q2와 Q3만 On으로 하면 적색선과 같이 전류가 흐르고 모터는 역회전하게 된다.
그리고 Q3과 Q4만 동시에 On으로 하면 모터에 브레이크를 거는 동작으로 된다.
3) 속도를 조절하고
속도조절의 방법은 다양한데
정속회전수을 유지해야하는 제품에는 부하에 따른 속도저하를 제공접압으로 보상시키고
사용자의 제어나 적절한 상태에 따른 속도변경이 요구되는 경우가 있다.
정속회전수을 유지해야하는 제품에서 유용한 벙법이 PLL(Phase Locked Loop)기법이 있다.
PLL(Phase Locked Loop)기법
모터옆에 FG(주파수 발전기)를 붙여 피이드백을 받게하고
기준주파수를 수정발진자 같은 것으로 발진시키서 위상비교하면 수정발진자만큼의 정밀도로 회전수를 안정시킬수 있다.
결국 최종으로 모터에 가해지는 전압은 PWM형식이지만 안정된 회전수(플로피디스크나 VCR같은 곳)가 만들어 진다.
~~작성중
By 수수깡
PID 제어란
자동제어방식 가운데서 가장 흔히 이용되는 제어방식으로 PID제어라는 방식이 있다.
이 PID란,
P : Proportinal(비례)
I : Integral(적분)
D : Differential(미분)
의 3가지 조합으로 제어하는 것으로 유연한 제어가 가능해진다.
단순 On/Off제어
단순한 On/Off 제어의 경우에는 제어 조작량은 0%와 100% 사이를 왕래하므로 조작량의 변화가 너무 크고, 실제 목표값에 대해 지나치게 반복하기 때문에 목푝값의 부근에서 凸凹를 반복하는 제어로 되고 만다.
이 모양을
그림으로 나타내면 아래 그림과 같이 된다.
이에 대해 조작량을 목표값과 현재 위치와의 차에 비례한 크기가 되도록 하며, 서서히 조절하는 제어 방법이 비례 제어라고 하는 방식이다.
이렇게 하면 목표값에 접근하면 미묘한 제어를 가할 수 있기 때문에 미세하게 목표값에 가까이 할 수 있다.
이 모양은 아래 그림과 같이 나타낼 수 있다.
PI 제어
비례 제어로 잘 제어할 수 있을 것으로 생각하겠지만, 실제로는 제어량이 목표값에 접근하면 문제가 발생한다.
그것은 조작량이 너무 작아지고 그 이상 미세하게 제어할 수 없는 상태가 발생한다. 결과는 목표값에 아주 가까운 제어량의 상태에서 안정한 상태로 되고 만다.
이렇게 되면 목표값에 가까워지지만, 아무리 시간이 지나도 제어량과 완전히 일치하지 않는 상태로 되고 만다.
이 미소한 오차를 『잔류편차』라고 한다. 이 잔류편차를 없애기 위해 사용되는 것이 적분 제어이다. 즉 미소한 잔류편차를 시간적으로 누적하여 어떤 크기로 된 곳에서 조작량을 증가하여 편차를 없애는 식으로 동작시킨다.
이와 같이 비례 동작에 적분 동작을 추가한 제어를 『PI제어』라 부른다.
이것을 그림으로 나타내면 아래 그림과 같이 된다.
미분 제어와 PID 제어
PI 제어로 실제 목표값에 가깝게 하는 제어는 완벽하게 할 수 있다. 그러나 또 하나 개선의 여지가 있다. 그것은 제어 응답의 속도이다. PI 제어에서는 확실히 목표값으로 제어할 수 있지만, 일정한 시간(시정수)이 필요하다.
이때 정수가 크면 외란이 있을 때의 응답 성능이 나빠진다.
즉 외란에 대하여 신속하게 반응할 수 없고 즉시 원래의 목표값으로는 돌아갈 수 없다는 것이다.
그래서 필요하게 된 것이 미분 동작이다.
이것은 급격히 일어나는 외란에 대해 편차를 보고 전회 편차와의 차가 큰 경우에는 조작량을 많이 하여 기민하게 반응하도록 한다.
이 전회와의 편차에 대한 편화차를 보는 것이 미분에 상당한다.
이 미분동작을 추가한 PID제어의 경우 제어 특성은 아래 그림과 같이 된다.
이것으로 알 수 있듯이 처음에는 상당히 over drive 하는 듯이 제어하여 신속히 목표값이 되돌록 적극적으로 제어해 간다.
컴퓨터에 의한 PID 제어 알고리즘
원래 PID제어는 연속한 아날로그량을 제어하는 것이 기본으로 되어 있다. 그러나 컴퓨터의 프로그램으로 PID 제어를 실현하려고 하는 경우에는 연속적인 양을 취급할 수 없다. 왜냐하면 컴퓨터 데이터의 입출력은 일정시간 간격으로 밖에 할 수 없기 때문이다.
게다가 미적분 연산을 착실히 하고 있는 것에서는 연산에 요하는 능력으로 인해 고성능의 컴퓨터가 필요하게 되고 만다.
그래서 생각된 것이 샘플링 방식(이산값)에 적합한 PID연상 방식이다.
우선 샘플링 방식의 PID제어의 기본식은 다음과 같이 표현된다.
조작량=Kp×편차+Ki×편차의 누적값+Kd×전회 편차와의 차(비례항) (적분항) (미분항)
기호로 나타내면
MVn=MVn-1+△MVn
△MVn=Kp(en-en-1)+Ki en + Kd((en-en-1)-(en-1-en-2))
MVn, MVn-1 : 금회, 전회 조작량
△MVn : 금회 조작량 미분
en, en-1 en-2 : 금회, 전회, 전전회의 편차
이것을 프로그램으로 실현하기 위해서는 이번과 전회의 편차값만 측정할 수 있으면 조작량을 구할 수 있다.
파라미터를 구하는 방법PID 제어 방식에 있어서의 과제는 각 항에 붙는 정수, Kp, Ki, Kd를 정하는 방법이다.
이것의 최적값을 구하는 방법은 몇 가지 있지만, 어느 것이나 난해하며 소형의 마이크로 컴퓨터로 실현하기 위해서는 번거로운 것이다.(tuning이라 부른다)
그래서 이 파람미터는 cut and try 로 실제 제어한 결과에서 최적한 값을 구하고 그 값을 설정하도록 한다.
참고로 튜닝의 수법을 소개하면 스텝 응답법과 한계 감도법이 유명한 수법이다.
또 프로세스 제어 분야에서는 이 튜닝을 자동적으로 실행화는 Auto tuning 기능을 갖는 자동제어 유닛도 있다. 이것에는 제어 결과를 학습하고 그 결과로부터 항상 최적한 파라미터값을 구하여 다음 제어 사이클에 반영하는 기능도 실장되어 있다.
여기서 스템 응답법에 있어서 파라미터를 구하는 방법을 소개한다.
우선 제어계의 입력에 스텝 신호를 가하고 그 출력 결과가 아래 그림이라고 하자(파라미터는 적당히 설정해 둔다).
위의 그림과 같이 상승의 곡선에 접선을 긋고 그것과 축과의 교점 정상값의 63%에 해당하는 값으로 된 곳의 2점에서
L : 낭비시간 T : 시정수 K : 정상값의 3가지 값을 구한다.
이 값으로부터, 각 피라미터는 아래 표와 같이 구할 수 있다.
| 제어 동작 종별 | Kp의 값 | Ki의 값 | Kd의 값 |
| 비례 제어 | 0.3~0.7T/KL | 0 | 0 |
| PI 제어 | 0.35~0.6T/KL | 0.3~0.6/KL | 0 |
| PID 제어 | 0.6~0.95T/KL | 0.6~0.7/KL | 0.3~0.45T/K |
이 파라미터에 범위가 있지만 이 크기에 의한 차이는 특성의 차이로 나타나며 아래 그림과 같이 파라미터가 많은 경우에는 미분, 적분 효과가 빨리 효력이 나타나므로 아래 그림의 적색선의 특성과 같이 overshoot이 크게 눈에 띈다. 파라미터가 작은 쪽의 경우는 하측 황색선의 특징과 같다.