- 결과 보고서 -실험 제목: DC Motor 구동 및 DAQ과목명 : 기계 공학 응용 실험제출일:실험일자:실 험 조 명 :책임 수행자 :공동 수행자 :형 식/ 2이 론/ 3장 치 및 방 법/ 5합 계/ 10비 고아주대학교 기계공학과- 목 차 -1. 실험 목적실험에서 사용하고자 하는 BLCD모터와 실험에 필요한 RTW나 Matlab 등 소프트웨어의 사용법을 익히고 시뮬레이션을 만들어서 모터 구동과 변화 값에 의한 실험데이터들의 관계를 분석하여 알아낼 수 있는 점을 알아본다.2. 실험 이론 및 실습 장치(1) BLDC motorDC모터와 비교하여 장단점을 간단히 기술하자면DC모터BLDC모터⊙플레밍의 왼손법칙을 이용⊙제어가 쉽고 가격이 저렴⊙급격한 가속성, 큰 토크, 선형적인 회전특성⊙브러쉬를 사용, 브러쉬에 마모에 따른 성능저하⊙PWM(Pulse Width Modulation)을 이용하여 제어⊙유도전류 이용(3상 유도전동기와 유사)⊙수명이 길고 소음 및 전자적 노이즈가 거의 없음⊙효율이 좋고 토크가 크며 고속회전 및 제어에 용이⊙대용량 모터제작의 한계, 비싼가격⊙3상 전류 제어형 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터 구동(2) 실시간 구동을 위한 소프트웨어실시간 시스템(Real Time System)이란 주어지는 실행 명령에 대해 이것이 어떤 정해진 시간 이내에 처리되는 것을 보장하는 시스템으로 명령에 대한 반응성이 빠르고, 중요한 명령이 덜 중요한 명령보다 먼저 수행되며, 실행 명령을 놓치는 일이 결코 일어나서는 안 되는 시스템이다. 실제 PC상에서의 프로그램이 실행, 종료되는 시점이 어플리케이션 하드웨어의 시간과 다르니 실시간으로 작동하는 어플리케이션을 시물레이션 하기 위해서는 PC상의 연산시간을 하드웨어의 실행 시간과 맞춰주어야 한다.SIMULINK에서 제공하는 RTW또한 Real-time으로 작동하는 커널은 제공하고 200여개의 다양한 어플리케이션에 대한 I/O driver를 제공한다.(3) RTW 설정＊ DAQ보드 : National Instruments 사의 PCI-6221외부에서 입력되는 디지털-아날로그 신호를 PC가 인식할 수 있는 신호로 바꾸어 주거나 PC에서 출력되는 신호를 외부로 전달한다.＊ Motor driverI/O 보드에서 나오는 전기적 신호를 모터에 사용되는 전압으로 바꾸어 준다,시뮬레이션 하기 원하는 시스템을 Simulink 창에 구성한다. 외부 어플리케이션과 연결하기 위한 새로운 Real-time Windows Target 명령을 만들어야 한다.Matlab의 model 창에서 Simulation ? Configuration Parameters 창을 띄우고 탐색 창에서 Solver 부분을 선택하고 Simulation time을 설정하고 Type은 Fixed ? step Solver는 Discrete 를 선택하고 Tasking Mode는 Auto를 선택한다. 탐색창의 Real-Time Workshop부분에서 RTW system target file을 rtwin.tlc 파일로 바꾼다. External mode는 Simulink toolbar에서 선택하거나 menu에서 바꿀 수 있다.3. 실험 내용(1) 모터 구동을 위한 하드웨어 구성 및 설정실습을 위해 DAQ 보드 BLDC 모터, 로터리 엔코더, Simulink 소프트웨어 등이 필요 하다. simulink를 이용한 모터 동작 및 모터의 Simulink 모델을 구성한다. DAQA 보드는 각 번호마다 사용되는 부분이 다르므로 확인하기 위하여 ‘Measurement & Automation Explorer’ 실행. ‘내 시스템’-‘디바이스와 인터페이스’=‘NI-DAQmx Devices’-‘NI PCI/PXI-6221(68핀)’의 단축메뉴에서 ‘디바이스 핀 출력’을 선택한다. 핀의 번호에 따라 모터드라이버 및 엔코더를 DAQ보드와 전선으로 연결한다.(2) 모터 구동을 위한 소프트웨어 환경 구성먼저,엔코더 값의 출력을 위해서 먼저 Simulink를 구성한다. Simulink library 안에 Real-Time Windows Target에서 Encoder에서 신호를 받기 위해 Counter Input 블록을 선택하여 model 창에 drag & drop 한다.각 블록의 역할은 위와 같다.그리고 원하는 신호와 일치하는 Block을 선택하여 SIMULINK Model 안에 Drag & Drop 한다. 실험에서 사용하는 DAQ보드는 National Instruments 사의 PCI-6221이다. Block parameter 에서원하는 Sampling Time과 장치가 연결된 Input채널을 설정한 후 창을 닫는다. 추가로 endorder가 돌아가는 각도를 화면에 출력하는 프로그램을 구성하여야 한다. 신호값을 각도로 변경하기 위하여 엔코더의 분해능 값을 나눠야 한다. 또한 아래그림과 같이 모터의 출력부분에는 모터의 회전 수를 기어 비에 따라 낮춰주는 기어박스가 장착되어 있어, 엔코더 신호 값에 기어 비를 나누어야 한다.엔코더의 회전각을 출력하기 위해 필요한 블록들을 추가한다. 다음으로 모터를 구동하기 우해서 입력단을 simulink로 구성한다. 이 simulink model은 두 가지 output이 있으며 Analog Output은 ?5~5의 설정 값에 따라 모터의 회전 속도와 방향을 결정한다. 설정은 주기는 0.001 채널 1 범위 ?10~10으로 각각 설정한다. 1과0의 설정 값에 따라 모터의 회전 방향을 결정할 수 있다. Sine Wave의 설정값은 안전을 고려하여 설정하고 saturation의 upper limit을 4.5로 설정한다. 또 필요한 블록을 추가하여 Simulink model을 작성한다.
- 예비 보고서 -실험 제목: Signal filter 실험과목명 : 기계 공학 응용 실험제출일:실험일자:실 험 조 명 :책임 수행자 :공동 수행자 :형 식/ 2이 론/ 3장 치 및 방 법/ 5합 계/ 10비 고아주대학교 기계공학과- 목 차 -1. 실험 목적실험하고자 하는 측정 대상의 물리량을 전기적 형태 등의 신호로 바꾸어 주는 장치를 센서라 말하고 이 신호를 취득함으로서 측정이 완료된다. filter를 사용함으로써 다양한 실험 환경에서 외부 노이즈에 영향을 받을 수 있는 센서 출력, 즉 전기적 신호를 보호할 수 있다. 전기적 신호의 필터링은 저항과 커패시터를 기본 부품으로 활용하여 구현할 수 있으며 이를 RC필터라고 한다. RC필터의 동작 특성과 설계 요령을 익혀보자!2. 실험 이론(1) 필터 기초엔지니어는 센서를 이용한 측정이나 기기 사이의 통신 과정에서 다양한 형태의 노이즈를 접하게 된다. 원 신호를 왜곡하여 정밀한 측정이나 안정적인 통신을 방해하는 노이즈는 반드시 고려되어야 한다. 그림과 같은 상용 필터나 간단한 수동 소자, 즉 저항, 커패시터, 인덕터 등을 이용하여 직접 구성할 수 있다.일반적으로 필터는 원하는 주파수만을 통과시키는 기능을 수행하며 Low pass filter란 저주파 신호를 통과시키고 High pass filter란 고주파 신호를 통과 시키는 필터를 말한다.(2) 필터의 종류와 특성필터는 Low pass filter, High pass filter, Band pass filter,Notch filer 등이 잇고 각각 통과시키는 주파수와 차단하는 주파수가 상이하다. 신호와 노이즈의 주파수 특성을 파악하고 용도에 적합한 필터를 선택하여 사용함으로서 노이즈가 제거된 신호를 얻을 수 있다.low pass filter하지만 위의 low pass filter 그림처럼 이상적인 필터는 설정 주파수를 전후로 통과와 차단을 완벽히 구분하지만 실제 필터는 완전 통과도 완전 차단도 아닌 과도 구간이 존재한다. 설계하거나 사용할 때 이를 고려해야한다.(3) 필터의 차단주파수(Cutoff frequency)과도 구간 내에서 입력 대비 출력 전압의 비가 ?3dB, 즉 1/sqrt {2} 이 되는 지점을 차단주파수 라고 하며 필터 주파수 특성의 기준으로 삼는다. 차단주파수는 R과 C의 값으로부터 계산이 가능하다.f _{c} = {1} over {2 pi RC} 예를 들면 100nF 의 커패시터와 10k OMEGA 의 저항을 이용하여 필터를 구성하게 되면 차단주파수, fc= 159.2Hz 가 되는 것이다. 적절한 저항과 커패시터 값을 선정함으로서 원하는 주파수 특성을 갖는 필터를 설계할 수 잇게 된다.(4) 필터의 위상차(Phase lag)또한 필터를 사용하게 되면 출력 전압뿐만 아니라 출력의 위상도 영향을 받게 되어 위상 지연이 발생하게 된다. 차단 주파수에서도 45도 만큼의 위상지연이 발생하고 주파수가 증가할수록 지연 값도 커지게 된다. 따라서 필터를 사용할 때 원 신호의 왜곡이 존재한다는 것을 고려하고 계산해야 한다.3. 실험 장치 및 방법(1) low pass filter주어진 저항과 커패시터를 이용하여 브레드보드 상에 2쌍의 로패스 필터회로를 구성한다.이때f _{c} = {1} over {2 pi RC} 를 이용하여 대략적인 차단주파수를 각각 계산한다. 각각의 로패스 필터에 대해 아래의 실험을 수행한다. 그리고 함수발생기를 이용하여±5V의 사인파를 필터 회로에 입력한다. 이 때 입력주파수는 차단 주파수의 1/10~10 배가 되도록 한다. 그리고 주파수를 변경하면서 ‘입력전압과 출력전압의 비’ 와 위상차를 측정한다. 이를 오실로스코프를 활용한다. 즉 입력전압과 출력전압을 오실로스코프로 측정하면서 위상차와 전압비를 확인한다.
- 결과 보고서 -실험 제목: 기계공학응용실험과목명 : 기계 공학 응용 실험제출일: 년 월 일실험일자: 년 월 일실 험 조 명 :책임 수행자 :공동 수행자 :형 식/ 10이 론/ 10장 치 및 방 법/ 5결 과 및 토 의/ 25결 론/ 10합 계/ 60비 고아주대학교 기계공학부- 목 차 -1. 실험 목적탄산음료를 담은 알루미늄캔 내의 압력은 이산화탄소 주입으로 인해 대기압보다 높다. 왜냐하면 높은 압력에서 더 많은 양의 이산화탄소가 용해될 수 있기 때문이다. 본 실험에서는 스트레인 게이지를 이용하여 캔압력을 측정한다. 또한, 변형률(스트레인) 측정 방법, 스트레인게이지의 작동 원리 및 스트레인게이지 구동 회로 등을 익힌다.2. 실험 이론(1) 스트레인 게이지 기초스트레스가 작용하여 변형이 발생하는 물체의 표면에 스트레인게이지를 부착하면 스트레인게이지에는 이 물체와 동일한 양의 스트레인이 발생한다. 한편, 모든 금속은 길이에 따라 전기저항이 변한다. 이 저항 변화를 측정함으로서 스트레인게이지가 부착된 위치에서의 변형을 측정할 수 있다.GF(Gage Factor) :{( TRIANGLE R/R)} over {( TRIANGLE L/L)} 스트레인지의 감도(2) 인장응력을 받는 알루미늄캔의 변형률sigma _{H} `를 원주 방향의 응력,sigma _{L}을 높이 방향의 응력epsilon _{H},epsilon _{L}을 각각의 변형률이라 하고 P를 단면에서의 압력, T를 인장력이라고 하면 Hooke’s 법칙에 의해epsilon _{H} = {1} over {E} ( sigma _{H} - nu sigma _{L} ), epsilon _{L} = {1} over {E} ( sigma _{L} - nu sigma _{H} )` 라는 관계식을 구할 수 있다. GF를 결합하면P= {4Et epsilon _{H}} over {D(2- nu )} = {4Et[( TRIANGLE R/R)/GF]} over {D(2- nu )}P= {4Et epsilon _{L}} over {D(1-2 nu )} = {4Et[( TRIANGLE R/R)/GF]} over {D(1-2 nu )}라는 식으로 표현된다.(3) 브리지 회로의 원리스트레인게이지의 저항 변화율은 매우 작기 때문에 별도의 측정회로가 필요하다. 이때 활용되는 회로를 휘스톤 브리지라고 한다. 저항 변화율이 작으므로 전압변화도 매우 작다. 따라서 증폭기를 활용하여 먼저 전압을 증폭한 후에 측정을 수행한다. 그리고 출력전압을 0으로 맞추는 밸런싱(Balancing) 작업이 필요하다.3. 실험 장치(1) SC-2345스트레인게이지는 저항 변화가 너무 작기 때문에 측정에 증폭기가 필요하다. 또한 노이즈 문제 때문에 노이즈 필터링이 필요하다. 이러한 증폭, 필터링 등의 작업을 Signal Conditioning 이라 한다. 이 시스템은 오토 밸런싱 기능이 내장되어 있으므로 브릿지의 저항 값을 정밀하게 조절할 필요가 없다.(2) 스트레인 게이지와 기타 준비물본 실험에서 사용할 스트레인게이지는 저항120Ω, GF 2.1이며 하나의 스트레인게이지와 3개의 저항(120Ω)을 이용한다. 브릿지의 구성을 위해 브레드보드(Bread board)를 활용한다. 스트레인게이지와 캔과의 접착은 전용 접착제를 사용한다.4. 실험 방법(step 1)스트레인게이지를 캔 표면에 부착하기 위해 먼저 캔 표면을 사포로 깨끗이 문지른다. 접착제를 발라 축방향이 아닌 둘레방향으로 스트레인지게이지를 붙일 준비를 한다. 스트레인게이지를 접착 면에 위치시키고 손으로 눌러준다. 이 때 접착제가 마를 때까지 1분정도 쭉 눌러준다.(step2)스트레인 게이지와 저항 3개(각120Ω)를 이용하여 표 1의 첫 번째 그림과 같은 브릿지를 브레드보드 상에 구성한다. 스트레인게이지를 브레드보드에 연결하기 위해 전선을 각각 스트레인게이지의 양단에 납땜하여 사용한다.(step3)SC-SG04와 브릿지의 네점을 연결한다. 브레드보드에서 SG04 모듈까지의 연결도 전선을 이용한다. 브리지회로의 전원부는 SG04 모듈의 1,2번 터미널과 연결하고 전압 측정부는 SG04 모듈의 5,6번 터미널과 연결하여 준다.(step4)MAX(Measurement and Automation Explorer)를 통해 Virtual Channel을 생성하고 LabView 프로그래밍을 통해 변형률 데이터를 수집하도록 한다.(step5)프로그래밍이 완료되면 실행시켜 데이터 표시창이 뜨는 것을 확인한다. 스트레인게이지의 출력이 0 근처 값으로 표시됨을 확인하라. 이때 캔의 뚜껑 부위를 반복적으로 누르면 출력이 변화하게 된다. 변화되는 출력을 저장하고 데이터를 확인하라.(step6)캔을 따서 변형 상태로 만들고 이때의 스트레인게이지 변형량을 측정한다. 모든 준비가 끝났다면 먼저 데이터 저장을 시작한 다음 캔을 오픈하여 출력 변화를 취득하라!5. 실험 결과(1) 캔 오픈 전 후의 출력변화를 도시하라. 이 때 x축은 y축은 스트레인 게이지의출력으로 한다.캔을 오픈하기 전 손으로 가압 5번 캔을 오픈한 후그래프의 x축은 시간(s) y축은 전압을 나타낸다.(2) 캔 개방 전후의 스트레인게이지 출력 변화로부터 캔에 가해진 스트레스, 스트레인과 압력을 구하라. 이 때 캔 재질은 알루미늄으로 하고 캔의 두께와 외경은 버니어캘리퍼스를 이용하여 측정한다.캔을 오픈한 후 변형률은 대략epsilon _{H} =3.860169 TIMES 10 ^{-6}정도가 된다.그리고 콜라용량=250m 캔의 외경(D)=52.5mm, 높이(h)=133mm , 두께(t)=0.1mm,탄성계수(E)=73Gpa, 푸아송비(v)=0.33 스트레인게이지의 GF=2.1 으로 보고원주방향 장착 시P= {4Et epsilon _{H}} over {D(2- nu )} 즉,TRIANGLE P=1.285kPa이 된다.즉P+ TRIANGLE P=103kPa 이다.그러면 원주방향의 응력은sigma _{H} = {PD} over {4t} =1.3518 TIMES 10 ^{4} ,sigma _{L} = {PD} over {2t} =0.6759 TIMES 10 ^{4}변형률은epsilon _{H} = {1} over {E} ( sigma _{H} - nu sigma _{L} )`=1.5462 TIMES 10 ^{-7}(3) 캔 압력과 높이 방향의 스트레스가 식 (1)과 같이 표현됨을 증명하고 하나의 스트레인게이지를 이용하여 찹력을 측정할 때 원주방향으로의 부착이 더 유리한 이유를 제시하라.응력은 정의에 의해sigma _{H} = {P} over {A} = {T} over {t}가 되고 위의 그림에서 알 수 있듯이PD=2T`를 적용하면sigma _{H} = {PD} over {2t}가 된다 길이 방향도 마찬가지로 구할 수 있다.sigma _{L} = {PD} over {4t}즉 원주방향의 변형이 더 높기 때문에 길이방향보다 원주방향으로 스트레인게이지를 측정해야 더 큰 변형 값을 구할 수 있다.(4) 위의 그름의 브릿지 출력이{K _{epsilon }} over {4+2K _{epsilon }}이 되는 이유를 증명하라.회로의 키르히호프 법칙에 따라{V _{0}} over {V _{S}} = LEFT ( {R _{2}} over {R _{1} +R _{2}} + {R _{3}} over {R _{3} +R _{4}} RIGHT ) = {{TRIANGLE R} over {R}} over {4} TIMES ( {1} over {1+ {TRIANGLE R} over {2R}} )={K _{epsilon }} over {4+2K _{epsilon }} (K _{epsilon } = {TRIANGLE R} over {R})6. 실험 고찰이번 학기 첫 실험은 스트레인게이지를 이용하여 캔 압력을 측정하는 실험이었다.스트레인게이지란 스트레스가 작용하여 변형이 발생하는 물체의 표면에 붙여서 사용한다.변형 즉, 길이의 변화가 일어나면 곧 저항의 변화가 일어나고 전압이 생기는 것을 측정하여
DC Motor 구동 및 DAQ
