[DC Motor Control - [기계계측 실험보고서]] DC Motor Control - [기계계측 실험보고서]
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- 하고 싶은 말
-
정말 열심히 정리했습니다.
좋은 성적은 당연하죠..^^
- 목차
-
1. 서 론
2. 실험 방법
2.1 카운터 타이머를 이용한 RPM 측정 및 계산법
2.2 사용된 모터-앤코더 스펙 및 해상도
2.3 나눠 준 회로도의 구조와 특성
2.3.1 DC 모터 드라이버
2.3.2 그 외 회로부
2.4 http://supercon.snu.ac.kr/~parksh/lecture/comp_physics/dcmotor/dcmotor5.htm디지털 PID제어 방법
2.4.1 단순 on/off 제어
2.4.2 비례(Proportional) 제어
2.4.3 PI제어
2.4.4 미분 제어와 PID 제어
2.5 PID 게인값 구하기
2.6 RPM 정확도를 조사하고 높이기 위한 실험 방법
2.6.1 위치 제어를 통한 offset 값 조절
2.6.2 실제 RPM 측정을 통한 정확도 조사
2.6.3 RS232 통신을 통한 데이터 송수신에서의 오차
2.7 데이타를 저장하고 통신으로 랩뷰에 보내는 코딩
2.8 기타 프로그램 설명
2.8.1 hisnet.handong.edu/cis: 강의 노트프로그램 전체 흐름
2.8.2 PWM Setting
2.8.3 방향제어
3. 실험 결과
3.1 RPM 정확도를 조사하고 높이기 위해 수행한 실험의 결과
3.1.1 위치 제어를 통한 offset 값 조절
3.1.2 실제 RPM 측정을 통한 정확도 조사
3.1.3 RS232 통신을 통한 데이터 송수신에서의 오차
3.1.4 모터 작동시 예상 외의 진동
3.2 게인에 따른 속도제어 결과 비교: 과도응답특성, 정상상태오차, 안정성 등
3.2.1 P Gain의 영향
3.2.2 I Gain의 영향
3.2.3 D Gain의 영향
3.3 시간 주기에 따른 제어 특성 변화(디지털제어 효과)
3.4 로드를 가했을 때 제어특성의 변화
3.5 Timer3 Interrupt
3.5.1 실험 결과
3.5.2 결과 해석
3.6 위치제어
3.6.1 PD제어를 통한 위치제어
3.6.2 위치차이를 통한 위치제어
3.7 Deadzone
4. 토 론
4.1 게인 변화에 따른 제어 특성
4.1.1 P제어 시의 정상상태 오차
4.1.2 PI제어 시의 P게인과 I게인의 영향
4.1.3 D제어 시의 시스템 안정화
4.2 제어주기에 따른 제어 특성
4.3 실제와 비교한 RPM 제어 정확도
4.4 발견된 최적 게인에 대하여
4.5 로드를 가했을 때의 변화와 제어 특성
4.6 Timer3 Interrupt
4.7 Deadzone
5. 결 론
6. 참 조
7. 부 록
7.1 회로도
7.2 프로그램 (속도 제어)
7.3 프로그램 (위치 제어_PID제어)
7.4 프로그램 (위치 제어_위치차이 제어)
- 본문내용
-
1. 서 론
이번 실험에서는 DC모터 제어를 통하여 DC모터 특성을 알아본다. 실험은 속도제어와 위치제어를 하며 이때 제어방식으로는 기본적으로 PID 제어를 한다. 만일 이 방식으로 정확한 제어가 되지 않는 경우 다른 제어방식을 찾아본다.
또한 이번 실험에서는 직접 PCB 기판을 갖고 모터드라이버회로를 제작한다. 이 과정을 통해 모터드라이버의 구동 원리를 알고 TLP250 및 LMD12800 칩의 특성을 확힌하고 사용이유를 알아본다. 또한 4체배를 위한 7084칩을 사용하는데 4체배가 필요한 이유를 알아본다.
그리고 이번 실험에서는 AVR Processor을 사용한다. 이를 통해 AVR Processor의 기본적인 사용법을 알아본다.
<중략>
2. 실험 방법
2.1 카운터 타이머를 이용한 RPM 측정 및 계산법
우리가 사용한 엔코더의 분해능은 3000pulse/rev이다.(엔코더 스펙 참조) 또한 우리 모터는 감속비가 3:1인 것이었지만, 우리는 고려해주지 않았다. 왜냐하면 엔코더의 위치가 기어박스를 지난 후의 회전수를 체크하기 때문이다. 따라서 감속비는 고려하지 않았으며 4체배를 해주었기 때문에 이 부분만 고려하였다. 그 결과 이론상 EPPR의 값은 3000*4 = 12000이다.
하지만 이는 실제의 분해능과 차이를 보였다. 따라서 우리는 캘리브레이션을 통해 실제 모터의 분해능을 찾아보았다. 그 방법으로는 스트로브스코프를 이용하였다. 그 결과 EPPR의 값을 12020으로 했을 때 정확한 제어가 됨을 확인할 수 있었다. (2.6에서 자세히 설명)
<중략>
2.5 PID게인값 구하기
PID 제어 방식에 있어서의 과제는 각 항에 붙는 정수, Kp, Ki, Kd를 정하는 방법이다. 이것의 최적값을 구하는 방법은 몇 가지 있지만, 어느 것이나 난해하며, 소형의 마이크로컴퓨터로 실현하기 위해서는 번거로운 것이다(tuning이라 부른다). 그래서, 이 파라미터는 cut and try로 실제 제어한 결과에서 최적한 값을 구하고, 그 값을 설정하도록 한다. 참고로 튜닝의 방법을 소개하면 스텝 응답법과 한계 감도법이 유명한 방법이다. 또, 프로세스 제어 분야에서는 이 튜닝을 자동적으로 실행하는 Auto tuning 기능을 갖는 자동제어 유닛도 있다. 이것에는 제어 결과를 학습하고, 그 결과로부터 항상 최적한 파라미터값을 구하여 다음 제어 사이클에 반영하는 기능도 내장되어 있다. 여기서 스텝 응답법에 있어서 파라미터를 구하는 방법을 소개한다. 우선,
<중략>
3. 실험 결과
3.1 RPM 정확도를 조사하고 높이기 위해 수행한 실험의 결과
3.1.1 위치 제어를 통한 offset 값 조절
위치 제어를 통해서 offset 값을 조절했을 때는 EPPR값 12020에서 회전수 오차가 가장 적게 나타났다.
3.1.2 실제 RPM 측정을 통한 정확도 조사
스트로브 스코프를 이용해서 모터의 실제 rpm과 측정 rpm을 비교해 보았을 때 다음과 같은 결과가 나왔다.
결과분석
- 처음 입력 rpm 값 300에 측정 rpm값이 859.8로 매우 높게 나타났다. 이는 모 터가 한 바퀴 돌 때의 pulse 수 계산에서의 실수라 확인하였다. 첫 계산시에 모터&기 어와 엔코더가 함께 있는 것으로 보아 스펙에 따라 EPPR = 3000(엔코더) * 3000(모 터) * 4(4체배) = 36000으로 계산했다. 하지만 실제 엔코더는 모터&기어와 따로 떨어 져 달려있었고, 따라서 EPPR 값 계산에 있어서 12000pulse라는 값이 나왔다. 그 결과 300rpm을 입력으로 주었을 때 약 3배 가량 빠른 rpm 값이 측정되었음을 확인할 수 있었다.
- 따라서 입력rpm과 측정 rpm 간의 비례식과, 실제 스트로브 스코프로 측정되는 값들을 이용하여서 보다 정확한 rpm을 출력하는 EPPR을 찾아 갔다.
- 최적화된 EPPR 값으로 12020을 찾았다.
<중략>
3.6 위치제어
위치제어는 두가지 방식으로 하였다. 1번은 PD제어를 통해서 구현하였으며 2번은 현재 위치와 설정위치와의 차이를 통해서 제어를 하였다.
3.6.1 PD제어를 통한 위치제어
PD제어의 기본적인 프로그램 설정은 속도제어와 같다. 차이점은 ERROR값을 계산하는 과정이다. 그 코딩 부분은 다음과 같다.
// 현재 회전수 계산
count = templ + temph * (unsigned int)256;
count_sum += (float)dir*count/EPPR; //모터가 회전한 회전수를 저장한다.
// PID 제어
dt=cp*0.001;
ERROR=SETPOSITION-count_sum;
ERROR_SUM += ERROR;
D_ERROR=ERROR-D_ERROR;
PWM=Kp*ERROR + Ki*ERROR_SUM*dt + Kd*D_ERROR/dt;
D_ERROR = ERROR;
<중략>
5. 결 론
이번 실험을 통해서 우리는 AVR Processor를 통해 DC모터를 제어하였다. 제어를 위하여 일단 회로부를 만들었다. 우리는 전과는 달리 PCB기판에 납땜을 하여 모터 드라이버를 만들었다. 여기서는 전원 분리가 가장 중요하였다. 그리고 빵판에서는 잡음을 제거해주는 Line Receiver와 주파수를 4체배 해주는 LS7084칩을 사용하였다. 그리고 이를 AVR Processor에 연결하였다.
우리는 그리고 AVR Processor에 대해 공부할 수 있었다. 처음 해보는 거여서 많이 힘들었지만 알고 나서는...
<중략>
7.2 프로그램 (속도 제어)
#include <mega128.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <delay.h>
#define PI 3.141593
#define EPPR 12020 // encoder pulses per revolution: X1:6528, X4: 26112 = 128*51*4
unsigned int templ=0, temph=0, count=0, e_dir=0;
int flag=0, i=0, b=0;
float cp=10.0, PWM=0.0, rpm=0.0, SETRPM=10.0;
float ERROR=0.0, ERROR_SUM=0.0, D_ERROR=0.0;
float Kp=0.009, Ki=0.1, Kd=0.0, dt=0.01;
float data[600]={0};
unsigned char String_START[30], String_CH[6];
void init_port(void);
void init_serial(void);
void init_encodr_count(void);
.
.
.
- 참고문헌
-
[1] www.kumilmotor.co.kr: 모터 스펙
[2] hisnet.handong.edu/cis: 강의 노트
[3] www.alldatasheet.co.kr: MC3486
[4] www.alldatasheet.co.kr: LS7084
[5] www.alldatasheet.co.kr: LMD18200
[6] www.alldatasheet.co.kr: TLP250
[7] http://www.metronix.co.kr: 로타리 엔코더
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