[논문]속도 프로파일 기반의 가감속제어를 통한 DC 모터의 토크제어

이종연; 현창호

doi:10.5391/jkiis.2012.22.1.36

속도 프로파일 기반의 가감속제어를 통한 DC 모터의 토크제어
Torque Control of DC Motor Using Velocity Profile Based Acceleration/Deceleration Control 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.22 no.1, 2012년, pp.36 - 41

이종연 (국립공주대학교 공과대학 전기전자제어공학과 지능로봇시스템연구실) , 현창호 (국립공주대학교 공과대학 전기전자제어공학과 지능로봇시스템연구실)

초록
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본 논문에서는 자동물류운반시스템(AGV)에 사용되는 가감속 제어를 위한 속도 프로파일 기반의 가감속 위치제어를 DC 모터 실험을 통한 토크변화에 대해서 고찰한다. 속도 프로파일을 이용한 모터의 가감속 제어는 모터에 걸리는 부하를 줄임으로써 시스템의 무리한 구동을 방지하고 수명을 연장 시키는 장점을 가지고 있다. 체계적인 설계 구조를 갖는 상태 피드백 제어기를 이용하여 속도 프로파일을 이용한 가감속 제어 기반의 DC 모터의 위치제어와 단순 위치제어를 모의실험을 통하여 비교함으로써 토크 크기를 비교 관찰한다. 또한 CEM-IP-01의 카트 위치 제어 실험을 통하여 이를 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents torque control of DC motor using the velocity profile based acceleration/deceleration controller for automatic guided vehicles (AGVs). This technique has some advantage; to reduce the damage of motors and to extend the life time of motors. First, we generate velocity profiles for three cases and design the state feedback controller using the generated velocity profile as a reference. The state feedback controller has servo system for solving regulation problem. For the verification, we apply the proposed method to control a cart position and shows some simulation result.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

제안한 속도 프로파일은 최고 속도와 가속도, 전체 거리를 설정하여 구성하였으며. 목표 거리 변화에 따른 속도 프로파일 변화를 통하여 동작하는데 있어서 발생하는 DC모터의 부하를 줄이도록 하였다. 또한 서보시스템이 추가된 상태 궤한 제어기를 사용하여 생성된 속도 프로파일을 추종함으로써 위치제어를 하도록 하였다.
본 논문에서는 AGV 시스템의 가감속 위치제어를 위한 가감속 프로파일 기반의 위치제어에 대해서 DC 모터 실험을 수행하였다. 제안한 속도 프로파일은 최고 속도와 가속도, 전체 거리를 설정하여 구성하였으며.
본 논문에서는 효율적인 DC모터의 가감속 제어를 구현하기 위한 사다리꼴 모양의 속도 프로파일을 생성한다. 일정한 가속도로 속도를 증가하여 이동 하다가 목적지에 도착하기 전에 일정한 가속도로 속도를 감속하여 목적지에 도착한 순간 속도와 가속도가 0이 되도록 사다리꼴 모양의 속도 프로파일속을 생성하기 위해서 최고속도와 가속도 전체 이동거리를 설정하면, 가감속, 등속 구간별 속도와 가속도 및 시간이 설정되어 어떠한 변화에도 모터에 부하를 줄여주면서 목표 값에 도달이 가능하도록 할 수 있다.

제안 방법

본 논문의 실험을 위하여 (주)CEMWARE의 실험장비인 CEM-IP-01을 사용하였다. CEM-IP-01에서 총 카트가 이동할 수 있는 거리는 75cm가 되며 이를 이동할 수 있는 최대 거리 x_max로 놓고 눈으로 잘 확인할 수 있도록 늦지도 빠르지도 않은 적당한 속도인 5cm/sec²을 가속도 a로 정하였으며 최고속도를 15cm/sec로 고정하고 목표거리를 조정하여 Case 1일 때의 사다리꼴 모양의 속도 프로파일을 입력으로 하여 실험을 하고 그 후에 Case 2와 Case 3와 같이 삼각형 모양의 속도 프로파일을 입력으로 하는 시험의 순서로 만들어진 속도 프로파일을 잘 추종하도록 실험하였다. 또한 일반적인 상태 되먹임제어의 출력을 확인하여 1형 서보시스템과의 성능을 비교한다.
또한, 생성된 속도 프로파일을 이용하여 AGV의 위치제어를 보여주기 위하여 DC모터의 위치제어 실험 결과를 보인다. 또한 생성된 사다리꼴 속도 프로파일을 오차없이 추종하게 하여 원하는 위치까지 원하는 속도로 도달하는 것이 목적이므로 위치제어를 위한 제어기로써 상태 피드백 제어기를 사용하며 또한 생성된 사다리꼴 속도 프로파일을 추종하기 위해서 속도프로파일을 입력으로 하고 이를 출력과 비교하여 앞먹임경로에 적분기를 추가하게 되는 1형 서보시스템을 사용하였다. 제안한 속도프로파일과 제어기의 성능 검증을 위하여 먼저 Matlab을 통하여 모의실험을 하였으며 실제 시스템에 대한 적용성을 확인하기 위하여 CEM-IP-01에 적용하여 그 성능을 검증하였다.
목표 거리 변화에 따른 속도 프로파일 변화를 통하여 동작하는데 있어서 발생하는 DC모터의 부하를 줄이도록 하였다. 또한 서보시스템이 추가된 상태 궤한 제어기를 사용하여 생성된 속도 프로파일을 추종함으로써 위치제어를 하도록 하였다. 제안된 방법은 Matlab 모의실험을 통하여 검증하였고 이를 Case 1, Case 2, Case 3와 같이 속도 프로파일의 형태에 따라 그를 입력으로 (주)CEMWARE의 CEM-IP-01에 적용한 결과 각각의 속도 프로파일에 대하여 사다리꼴 모양의 속도프로파일 혹은 삼각형 모양의 속도프로파일을 잘 추종하여 원하는 위치에 원하는 속도로 도달 하는 것을 확인하므로 제어기의 성능을 검증 할 수 있었다.
CEM-IP-01에서 총 카트가 이동할 수 있는 거리는 75cm가 되며 이를 이동할 수 있는 최대 거리 x_max로 놓고 눈으로 잘 확인할 수 있도록 늦지도 빠르지도 않은 적당한 속도인 5cm/sec²을 가속도 a로 정하였으며 최고속도를 15cm/sec로 고정하고 목표거리를 조정하여 Case 1일 때의 사다리꼴 모양의 속도 프로파일을 입력으로 하여 실험을 하고 그 후에 Case 2와 Case 3와 같이 삼각형 모양의 속도 프로파일을 입력으로 하는 시험의 순서로 만들어진 속도 프로파일을 잘 추종하도록 실험하였다. 또한 일반적인 상태 되먹임제어의 출력을 확인하여 1형 서보시스템과의 성능을 비교한다.
본 논문에서는 모의실험을 위하여 matlab을 사용하였다. 모의실험은 목표 이동 거리의 변화를 주어가면서 그 결과를 측정하였으며 목표 이동 거리는 10cm, 30cm, 50cm, 70cm, 90cm, 100cm, 120cm, 150cm 이다. 그리고 본 실험에서는 위치의 변화에 따른 결과를 확인하기 위해서 다음과 같이 가속도(a)를 2cm/sec²최고속도를 v_max = 10cm/sec로 설정하였다.
본 논문에서는 속도 프로파일을 생성하기 위해서 전체이동거리와 가감속구간의 거리에 전체이동거리가 가감속구간보다 클 때, 전체이동거리가 가감속구간보다 작을 때, 마지막으로 전체이동거리와 가감속구간이 같을 때 이렇게 세가지 Case로 분류하여 각각 삼각형 모양의 속도 프로파일과 사다리꼴 모양의 속도프로파일을 생성하였다.[6][9]
본 논문에서는 최고속도 v_max와 가속도 a를 임의의 값으로 정한 후 목표거리만을 입력으로 받아 속도프로파일을 생성하도록 하였다.
본 논문에서는 AGV 시스템의 가감속 위치제어를 위한 가감속 프로파일 기반의 위치제어에 대해서 DC 모터 실험을 수행하였다. 제안한 속도 프로파일은 최고 속도와 가속도, 전체 거리를 설정하여 구성하였으며. 목표 거리 변화에 따른 속도 프로파일 변화를 통하여 동작하는데 있어서 발생하는 DC모터의 부하를 줄이도록 하였다.

대상 데이터

본 논문의 실험을 위하여 (주)CEMWARE의 실험장비인 CEM-IP-01을 사용하였다. CEM-IP-01에서 총 카트가 이동할 수 있는 거리는 75cm가 되며 이를 이동할 수 있는 최대 거리 x_max로 놓고 눈으로 잘 확인할 수 있도록 늦지도 빠르지도 않은 적당한 속도인 5cm/sec²을 가속도 a로 정하였으며 최고속도를 15cm/sec로 고정하고 목표거리를 조정하여 Case 1일 때의 사다리꼴 모양의 속도 프로파일을 입력으로 하여 실험을 하고 그 후에 Case 2와 Case 3와 같이 삼각형 모양의 속도 프로파일을 입력으로 하는 시험의 순서로 만들어진 속도 프로파일을 잘 추종하도록 실험하였다.

데이터처리

또한 생성된 사다리꼴 속도 프로파일을 오차없이 추종하게 하여 원하는 위치까지 원하는 속도로 도달하는 것이 목적이므로 위치제어를 위한 제어기로써 상태 피드백 제어기를 사용하며 또한 생성된 사다리꼴 속도 프로파일을 추종하기 위해서 속도프로파일을 입력으로 하고 이를 출력과 비교하여 앞먹임경로에 적분기를 추가하게 되는 1형 서보시스템을 사용하였다. 제안한 속도프로파일과 제어기의 성능 검증을 위하여 먼저 Matlab을 통하여 모의실험을 하였으며 실제 시스템에 대한 적용성을 확인하기 위하여 CEM-IP-01에 적용하여 그 성능을 검증하였다.

이론/모형

본 논문에서는 모의실험을 위하여 matlab을 사용하였다. 모의실험은 목표 이동 거리의 변화를 주어가면서 그 결과를 측정하였으며 목표 이동 거리는 10cm, 30cm, 50cm, 70cm, 90cm, 100cm, 120cm, 150cm 이다.

성능/효과

이와 같이 본 논문에서는 전체이동거리가 가감속구간보다 길거나 같거나 혹은 짧아도 속도 프로파일이 삼각형이나 사다리꼴 모양으로 잘 생성되고 이를 설계된 1형 서보시스템에 의해 추종하는 것을 검증 그리고 상태되먹임제어와 1형 서보시스템의 차이도 확인하였다.
또한 서보시스템이 추가된 상태 궤한 제어기를 사용하여 생성된 속도 프로파일을 추종함으로써 위치제어를 하도록 하였다. 제안된 방법은 Matlab 모의실험을 통하여 검증하였고 이를 Case 1, Case 2, Case 3와 같이 속도 프로파일의 형태에 따라 그를 입력으로 (주)CEMWARE의 CEM-IP-01에 적용한 결과 각각의 속도 프로파일에 대하여 사다리꼴 모양의 속도프로파일 혹은 삼각형 모양의 속도프로파일을 잘 추종하여 원하는 위치에 원하는 속도로 도달 하는 것을 확인하므로 제어기의 성능을 검증 할 수 있었다.
그림 9은 제어 이득에 변화를 주어 모의실험을 하였다. 제어기의 이득이 클수록 더 빠르게 속도 프로파일을 추종하는 그래프로 성능이 뛰어남을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	AGV의 위치 제어가 하드웨어 방식에서 소프트웨어 방식으로 변화하는 가장 큰 이유는 무엇인가?	그 중에서 AGV의 위치 제어는 하드웨어 방식에서 소프트웨어 방식으로 변화 하고 있다. 가장 큰 이유로는, 하드웨어방식은 부하변동에 신속하게 대응하지 못하며, 모터 구동 시 가속과 등속 사이 또는 등속과 감속 사이에서 속도의 변곡이 발생하여 부하변동에 의한 진동과 소음이 발생하기 때문이다. 그렇기 때문에 소프트웨어 방식에서는 AGV의 구동요소인 DC모터의 가감속제어를 이용한 위치제어 기법이 널리 사용되고 있다.
	자동물류운반시스템인 이동로봇형태의 AGV가 많이 사용하게된 배경은 무엇인가?	산업현장에서 공장 자동화, 기계화가 가속됨에 따라 자동물류운반시스템인 이동로봇형태의 AGV가 많이 사용되고 있다. 자동물류운반시스템은 다수의 AGV가 모여서 작업을 수행하기 때문에 기본적인 AGV의 위치 및 속도제어 뿐만 아니라, 경로생성 및 운영알고리즘 등 다양한 제어 기술을 필요로 한다.
	AVG 위치제어의 소프트웨어 방식에선 어떠한 기법이 많이 사용되는가?	가장 큰 이유로는, 하드웨어방식은 부하변동에 신속하게 대응하지 못하며, 모터 구동 시 가속과 등속 사이 또는 등속과 감속 사이에서 속도의 변곡이 발생하여 부하변동에 의한 진동과 소음이 발생하기 때문이다. 그렇기 때문에 소프트웨어 방식에서는 AGV의 구동요소인 DC모터의 가감속제어를 이용한 위치제어 기법이 널리 사용되고 있다. 이러한 DC 모터의 가감속 제어는 모터의 가속, 감속 시 급 변하는 속도를 줄이고 최대 토크를 설정하여 모터에 부하를 줄임으로써 모터에 무리가가지 않도록 하면서 원하는 위치와 시간에 도달할 수 있도록 하는 제어 방법이다.

참고문헌 (10)

아경산업 자동화연구소, "서보모터 제어이론과 실습", 성안당 2002.
Chi-Tsong Chen's, "Linear System Theory and Design 3rd ed", Oxford University Press, 1999
김종식 외 3명 공저, "제어시스템설계", 청문각, 2006.
Katsuhiko Ogata, "현대제어공학", 사이텍미디어, 2002.
N. S. Nise, "Control Systems Engineering", Wiley, 2008.
이춘우 외 3명 공저, "공대생을 위한 일반 물리학", 성안당, 2008.
정헌술 저자, "MATLAB 제어시스템 해석 및 설계", 아진, 2008.
한태환 한수희 공저, "CEMTool활용 제어시스템 해석 및 설계", 기전연구사, 2006.
문승빈 외 5명 공저, "지능형 로봇공학", 사이텍미디어, 2010.
신춘식. 외 2명 공저, "MATLAB과 함께한 제어시스템 해석 및 설계", 동일, 1999.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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