직류모터 속도제어 시스템의 폐루프 궤환 제어 실험

본 내용은 " 모터제어_보고서 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.12.24

문서 내 토픽

• 1. 폐루프 궤환 제어시스템

  폐루프 궤환 제어시스템은 출력을 측정하여 입력과 비교하는 피드백을 통해 구성된다. 이 시스템에서 전달함수는 G=(Output)/(Input)로 표현되며, 폐루프 전달함수는 C/R = (KG)/(1+KGH)로 정리된다. Unity feedback인 경우 K가 클수록 출력과 입력이 같아지지만 진동이 발생할 수 있다. 모터 제어에서 성능 향상을 위해 활용된다.

• 2. 직류모터 속도제어

  속도 제어 시스템에서 직류모터를 사용하여 원하는 응답을 제공하는 시스템을 구성한다. 타코미터를 사용한 실험에서 controller gain K와 tacho gain Kp를 이용하여 폐루프 전달함수를 구현한다. 입력전압 2.5V에서 이득값이 증가할수록 정상상태 오차는 감소하는 특성을 보인다.

• 3. 정상상태 오차 및 이득값

  비례 이득을 갖는 정상상태의 오차는 E/R = 1/(1+K·Kp)로 표현된다. 실험 결과 Gain 값이 증가할수록 Error 값은 감소함을 확인했다. C/R 이론값과 실험값의 오차율 평균은 14.8%이며, E/R의 오차율 평균은 71.5%로 나타났다. 이론값과 실험값의 차이는 측정 오차, 환경 조건, 소음 등으로 인해 발생한다.

• 4. 제어시스템 설계 및 분석

  제어시스템은 원하는 응답을 제공하기 위해 시스템의 구성 요소를 연결하여 설계된다. 전달함수를 통해 입력과 출력 사이의 관계를 설명하며, Gain K 값의 변화에 따른 C/R과 E/R의 경향성을 분석한다. K 값이 증가함에 따라 C/R은 1에 근사하고 E/R은 0에 수렴하는 특성을 보인다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 폐루프 궤환 제어시스템

  폐루프 궤환 제어시스템은 현대 제어공학의 핵심 개념으로, 시스템의 출력을 측정하여 입력에 피드백함으로써 오차를 지속적으로 보정합니다. 이러한 방식은 외부 교란이나 시스템 파라미터 변화에 대한 강건성을 제공하며, 개루프 제어보다 훨씬 정확한 성능을 달성할 수 있습니다. 다만 피드백 경로의 지연이나 센서 오차는 시스템 안정성에 영향을 미칠 수 있으므로 신중한 설계가 필요합니다. 산업 현장에서 온도, 압력, 속도 등 다양한 물리량 제어에 광범위하게 적용되고 있으며, 제어 성능과 안정성의 균형을 맞추는 것이 중요합니다.

• 2. 직류모터 속도제어

  직류모터 속도제어는 전기기계 시스템에서 가장 실용적이고 중요한 응용 분야입니다. 인가 전압을 조절하거나 자기장을 변화시켜 모터 속도를 제어할 수 있으며, PWM 기법을 통해 효율적인 제어가 가능합니다. 피드백 제어를 통해 부하 변화에 관계없이 일정한 속도 유지가 가능하며, 이는 로봇, 자동화 기계, 전동 차량 등에서 필수적입니다. 다만 모터의 관성, 마찰, 비선형 특성 등을 고려한 정교한 제어기 설계가 필요하며, 실시간 성능 모니터링도 중요합니다.

• 3. 정상상태 오차 및 이득값

  정상상태 오차는 제어시스템의 추종 성능을 평가하는 중요한 지표로, 시간이 충분히 경과했을 때 목표값과 실제값의 차이를 나타냅니다. 이는 시스템의 타입(Type)과 제어기의 이득값에 의해 결정되며, 비례 이득을 증가시키면 정상상태 오차를 감소시킬 수 있습니다. 그러나 과도한 이득값은 시스템을 불안정하게 만들거나 과도한 진동을 유발할 수 있으므로, 안정성과 정확성 사이의 최적 균형을 찾아야 합니다. 적분 제어기의 추가는 정상상태 오차를 완전히 제거할 수 있는 효과적인 방법입니다.

• 4. 제어시스템 설계 및 분석

  제어시스템 설계 및 분석은 요구되는 성능 사양을 만족하는 제어기를 개발하는 체계적인 과정입니다. 근궤적, 보드 선도, 나이퀴스트 선도 등의 고전 제어 기법과 상태공간 방법, 최적 제어 등 현대 제어 기법을 활용하여 분석합니다. 시뮬레이션을 통해 설계 전에 성능을 검증할 수 있으며, 실제 구현 시 계산 지연, 양자화 오차, 센서 노이즈 등 실무적 요소들을 고려해야 합니다. 견고한 설계는 파라미터 불확실성과 외부 교란에 대한 내성을 갖추어야 하며, 지속적인 성능 모니터링과 튜닝이 필요합니다.