[논문]휠인 모터 구동을 위한 제어 및 계측 시스템 설계

최중경

doi:10.5391/jkiis.2015.25.4.405

휠인 모터 구동을 위한 제어 및 계측 시스템 설계
The Design of a Control & Measurement System for the Driving of Wheel-in Motor 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.25 no.4, 2015년, pp.405 - 411

초록
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본 논문은 회전 동력을 직접 바퀴에 전달하는 휠-인 직구동 모터를 제어 대상으로 하여 속도 계측 및 제어시스템을 설계하는 방법에 대한 논문이다. 지능 제어기로서 16비트급 모션제어 전용의 dsPIC30F2010 마이크로프로세서를 사용한다. 프로세서의 여러 기능 중 내부의 최소 기능인 시스템 클럭, PWM, I/O, Timer 및 통신만을 사용하였고, 홀 신호 계측 및 제어 소프트웨어 기능에 대한 동작 특성을 시험하였다. 또한 이러한 기능을 이용하여 PDFF 속도제어 프로그램을 구현하고, 그 실험 결과를 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper sugg ests speed measurement and control system desig n methods to drive the Wheel-in Motor that is transfer rotational force to the hub of the wheel and drives it directly. The dsPIC30F2010 16 bit microprocessor specified to motion controller is used as a intelligent controller. The minimum functions of dsPIC30F2010, system clock, PWM output, I/O, timer, communication, applicable to motor control are used and operating characteristics of hall signal measurement and control software functions are tested. Also the algorithm including PDFF speed control program was implemented using this software functions and show the experimental results..

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

마지막으로 속도제어에 활용한 PI 제어 방법에 대해 소개한다. 사용한 방법은 전통적인 PI 제어 방식과 다르게 기준명령 신호와 출력 궤환 신호 각자에 다른 비례 이득을 적용하는 PDFF 전류제어 방법이다.
본 연구는 이러한 마이크로칩을 이용하여 휠인 모터를 구동하기 위한 속도제어 및 홀 신호 계측 알고리즘을 소프트웨어로 구현하였다. 속도제어루틴 안에서 모터를 바로 구동하기 위한 PWM 계산이 이루어지며, 속도데이터와 회전자 절대 위치데이터를 속도제어 주기와 다른 가변 주기로 검출하여 계측의 효율성을 높였다.

제안 방법

PI 제어 기법은 기존의 성능이 확인된 PDFF 제어 기법을 사용하였지만 속도 제어 출력을 가지고 전류제어를 수행하는 대신에 속도제어 출력에서 바로 전압 지령(PWM듀티)을 만드는 방법을 제안하였다. 이 방법은 정밀 서보에서보다는 동력 구동용의 저가 서보에 제어기의 연산 부담을 줄이면서 쉽게 적용되어질 수 있는 방법이다.
특히 홀센서를 이용하는 절대위치 계측 및 속도 검출법은 기존의 방법[3]과 차별화되는 것으로 속도제어 주기와 비동기로 발생하는 홀 신호의 특성을 잘 활용하는 방법이라 하겠다. 그리고 전류제어 루틴의 수행 없이 속도 오차에 근거한 PWM 듀티 조절(일종의 전압지령) 방법을 사용하여 제어 알고리즘의 간결성을 얻었다.
둘째, 다극 휠인 모터의 절대위치를 개선된 가변주기 측정 방법으로 추정 계측 하여 제어의 정확성을 높였다.
dsPIC30F2010을 이용하는 제어시스템 설계를 위해 사용되는 기능을 정리하면 아래 그림1과 같다. 모션 제어기의 구성은 내부 PLL을 이용하는 20MHz의 클럭과 직구동 모터를 구동하기 위한 PWM, 외부에서 입력되는 아날로그 신호(모터의 전류, 속도지령)를 읽기 위해 A/D를 설정하였으며, 회전자 절대위치 신호인 Hall 신호 3개, 모터 정지를 위한 brake 신호, 모터 구동을 위한 Throttle 신호 및 외부 신호를 인식하기 위해 I/O를 설정하였다. 프로그램 개발의 편리성을 위해 프로그램 다운로드 및 오류 검출을 위해 ICD(In-circuit Debugger)기능을 설정하였으며 외부와 통신을 통해 실시간데이터 모니터링 및 제어 파라미터 보정을 위해 SCI 기능을 설정하여 외부와 시리얼로 통신이 가능하도록 설정하였다[4].
그림17, 18은 설계된 제어기 및 인버터를 사용하여 속도제어를 수행한 결과들을 보여준다. 모터의 정격 속도는 200RPM이며, 6스텝 2상여자의 방법으로 구동되었으며, PDFFI 속도 제어기를 구성하여 PWM 전압제어를 수행하였다. 속도 오차를 근거로 PI 제어기를 설계하고 제어기의 출력이 바로 PWM 듀티가 되도록 소프트웨어 프로그램을 작성하여 제어기를 구동하였다.
14도 회전마다 홀 신호 엣지에 의한 인터럽트 발생으로 속도가 미리 계산되어질 수 있다. 본 연구에서는 신호의 안정성을 위해 홀 신호한 상 만을 이용하여 속도를 계측 한다. 즉 전기각 360도 주기마다 속도가 계산되는 셈이다.
비쥬얼 C 프로그래밍을 이용하여 판넬 프로그램이 작성되었다. 그림5, 6을 통해서 보면, RS232 통신포트 설정 및 통신데이터 모니터링 창을 통해 PC와 통신 포트 간의 대화 및 설정이 가능하도록 되어있으며, 각종 제어 변수(모터속도, PI 게인 등)를 실시간으로 세팅 할 수 있도록 프로그램이 작성되었다.
모터의 정격 속도는 200RPM이며, 6스텝 2상여자의 방법으로 구동되었으며, PDFFI 속도 제어기를 구성하여 PWM 전압제어를 수행하였다. 속도 오차를 근거로 PI 제어기를 설계하고 제어기의 출력이 바로 PWM 듀티가 되도록 소프트웨어 프로그램을 작성하여 제어기를 구동하였다.
첫째, 모션제어전용의 지능형 프로세서인 dsPIC30F2010을 이용하여 고가의 외부 하드웨어를 배제하면서 제어 및 홀 계측 시스템을 간략화 하였다.
모션 제어기의 구성은 내부 PLL을 이용하는 20MHz의 클럭과 직구동 모터를 구동하기 위한 PWM, 외부에서 입력되는 아날로그 신호(모터의 전류, 속도지령)를 읽기 위해 A/D를 설정하였으며, 회전자 절대위치 신호인 Hall 신호 3개, 모터 정지를 위한 brake 신호, 모터 구동을 위한 Throttle 신호 및 외부 신호를 인식하기 위해 I/O를 설정하였다. 프로그램 개발의 편리성을 위해 프로그램 다운로드 및 오류 검출을 위해 ICD(In-circuit Debugger)기능을 설정하였으며 외부와 통신을 통해 실시간데이터 모니터링 및 제어 파라미터 보정을 위해 SCI 기능을 설정하여 외부와 시리얼로 통신이 가능하도록 설정하였다[4].

대상 데이터

설계된 구동제어기는 dsPIC30F2010 16비트급 마이크로 제어기와 24V 밧데리 입력을 12V/5V로 출력하는 컨버터 전원부, 6개의 독립된 MOSFET 인버터와 개별 게이트 구동회로, 외부 제어 신호(속도지령, 브레이크신호 등), 홀 신호 인터페이스 회로부 등을 갖추고 있다.

이론/모형

최근에는 DSP(Digital Signal Processor)라는 32비트 이상급의 고성능 부동소수점 연산전용의 모션제어기가 각광을 받고 있고, 서보 모터 구동제어에 많이 사용되고 있다[1]. 본 연구에서는 이러한 다양한 마이크로프로세서 칩 중에서 휠-인(wheel-in) 직구동 모터를 제어하기 위해 가격 및 부피, 기능 면에서 최적화된 지능 제어기인 dsPIC30F2010을 선택하였다. 이 지능 프로세서는 마이크로칩(MICROCHIP)사의 제품으로 DSP(Digital Signal Processor)와 16비트급 마이크로컨트롤러의 강점을 단일 코어로 통합한 디바이스이다.
마지막으로 속도제어에 활용한 PI 제어 방법에 대해 소개한다. 사용한 방법은 전통적인 PI 제어 방식과 다르게 기준명령 신호와 출력 궤환 신호 각자에 다른 비례 이득을 적용하는 PDFF 전류제어 방법이다. 이 제어 방법은 오버슈트 제거에 효과적이다[6].

성능/효과

셋째, 전류제어 루틴 없이 속도제어기에서 바로 PWM 듀티 신호를 내보내는 간략한 PDFF 제어기법을 채택하여 제어기의 연산 부담을 줄였다.
본 연구는 이러한 마이크로칩을 이용하여 휠인 모터를 구동하기 위한 속도제어 및 홀 신호 계측 알고리즘을 소프트웨어로 구현하였다. 속도제어루틴 안에서 모터를 바로 구동하기 위한 PWM 계산이 이루어지며, 속도데이터와 회전자 절대 위치데이터를 속도제어 주기와 다른 가변 주기로 검출하여 계측의 효율성을 높였다. 특히 홀센서를 이용하는 절대위치 계측 및 속도 검출법은 기존의 방법[3]과 차별화되는 것으로 속도제어 주기와 비동기로 발생하는 홀 신호의 특성을 잘 활용하는 방법이라 하겠다.

후속연구

향후 연구 방향으로는 개발된 모터 구동제어기를 채택하는 2륜 또는 3륜 구동 전기 차량 시스템을 설계하며, 특히 2륜 구동의 경우 자율 균형의 안정화 구동 알고리즘을 모터제어기에 탑재시켜 시스템의 완성도를 높이고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	dsPIC30F2010은 무엇인가?	최근에는 DSP(Digital Signal Processor)라는 32비트 이상급의 고성능 부동소수점 연산전용의 모션제어기가 각광을 받고 있고, 서보 모터 구동제어에 많이 사용되고 있다[1]. 본 연구에서는 이러한 다양한 마이크로프로세서 칩 중에서 휠-인(wheel-in) 직구동 모터를 제어하기 위해 가격 및 부피, 기능 면에서 최적화된 지능 제어기인 dsPIC30F2010을 선택하였다. 이 지능 프로세서는 마이크로칩(MICROCHIP)사의 제품으로 DSP(Digital Signal Processor)와 16비트급 마이크로컨트롤러의 강점을 단일 코어로 통합한 디바이스이다.
	홀센서를 이용하는 절대위치 계측 및 속도 검출법은 어떤 특성을 활용하는 방법인가?	속도제어루틴 안에서 모터를 바로 구동하기 위한 PWM 계산이 이루어지며, 속도데이터와 회전자 절대 위치데이터를 속도제어 주기와 다른 가변 주기로 검출하여 계측의 효율성을 높였다. 특히 홀센서를 이용하는 절대위치 계측 및 속도 검출법은 기존의 방법[3]과 차별화되는 것으로 속도제어 주기와 비동기로 발생하는 홀 신호의 특성을 잘 활용하는 방법이라 하겠다. 그리고 전류제어 루틴의 수행 없이 속도 오차에 근거한 PWM 듀티 조절(일종의 전압지령) 방법을 사용하여 제어 알고리즘의 간결성을 얻었다.
	본 연구에서 제안한 휠인 모터 구동을 위한 내장형 제어계측시스템의 특성은 무엇인가?	첫째, 모션제어전용의 지능형 프로세서인 dsPIC30F2010을 이용하여 고가의 외부 하드웨어를 배제하면서 제어 및 홀 계측 시스템을 간략화 하였다. 둘째, 다극 휠인 모터의 절대위치를 개선된 가변주기 측정 방법으로 추정 계측 하여 제어의 정확성을 높였다. 셋째, 전류제어 루틴 없이 속도제어기에서 바로 PWM 듀티 신호를 내보내는 간략한 PDFF 제어기법을 채택하여 제어기의 연산 부담을 줄였다.

참고문헌 (10)

Texas Instruments, "TMS320F28335 Peripherals Reference Guide", June 2013
Microchip, "dsPIC30F2010 Data Sheet, High-Perforance, 16-bit Digital Signal Controllers", Microchip Technology Inc. , 2011.
Ph.K. Sattler and K. Starker, "Estimation of Speed and Pole Position of an Inverter Fed Permanent Excited Synchronous Machine," EPE Conf. Rec., pp. 1207-1212.1989.
Microchip, "dsPIC30F Programmer's Reference Manual", Microchip Technology Inc. , 2003
Tae Jong Kang, " The Design of a Motion Controller Using the 16-bit Micro-controller dsPIC30F2010 specified to motor control", Changwon National Univ. Graduate School, 2011.
D.Y.Ohm, "A PDFF Controller for Tracking and Regulation in Motion Control," Proceeding of 18th PCIMConference, Oct.21-26, 1990.
Jung-Shik Kong, Seung-Yub Baek, "Design of the Power Assist Controller for the In-Wheel Type Smart Wheelchair", Journal of The Korean Institute of Intelligent Systems Vol. 21, No. 1, pp. 80-85, 2011.02

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Dong Won Kim, Yugay Igor, Eun Seok Kang, Seul Jung, "Design and Control of an Omni-directional Cleaning Robot Based on Landmarks", Journal of The Korean Institute of Intelligent Systems Vol. 23, No. 2, pp. 100-106, 2013.04

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Se-Han Lee, Sang-Yong Rhee, "A Controller Based on Velocity Estimator for a Wheeled Inverted Pendulum Running on the Inclined Road", Journal of The Korean Institute of Intelligent Systems Vol. 21, No. 3, pp. 283-289, 2011.06

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Dong-Hyuk Jeong, Bo-Hoon Lee, Yong-Tae Kim, "Obstacle Avoidance Algorithm of Hybrid Wheeled and Legged Mobile Robot Based on Low-Power Walking", Journal of The Korean Institute of Intelligent Systems Vol. 22, No. 4, pp. 448-453, 2012.08

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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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