[논문]TMS320F2812를 이용한 DC모터의 제어

이진표; 양오

TMS320F2812를 이용한 DC모터의 제어
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이진표 (청주대학교) , 양오 (청주대학교)

과거 하나의 시스템을 구축하기 위해서는 여러 개의 주변소자를 접목시켜서 구현해 왔다. 하지만 근래에 들어서 소형화, 간략화를 통해 계속해서 원 칩 마이크로프로세서의 사용이 늘고 있는 실정이다. 본 논문에서는 원 칩 마이크로프로세서인 TMS320F2812의 PWM기능을 이용하고, QEP의 기능을 이용해서 모터에서 출력되는 엔코더 값으로부터 속도를 계측하여 PID 제어이론을 바탕으로 DC 모터의 속도를 제어하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 QEP기능을 이용하여 모터의 엔코더에서 출력되는 값을 계측하여 모터의 회전속도를 계산하고, 목표 속도와 비교한 값으로 PID 제어기 통해 PWN₁ 의 Du률 조절하여 DC모터의 속도를 제어하고자 한다.

제안 방법

두 번째 실험에서는 그림 7과 같이 목표 값을 300RPM씩 증가시키며 응답 특성을 측정하였다.
PWM의 듀티를 조절함으로서 모터 속도 증가, 감소됨을 확인하였다. 두 번째로 엔코더 값을 QEP에 의해 읽어오고, 이 값으로부터 모터의 회전 속도(RPM)를 계산하였다. 마지막으로 세 번째는 앞에서 실험한 PWM 제어와 계측한 속도 값을 가지고 PID 제어기에 의해 목표값을 정해주면 모터의 속도가 목표 값을 추종하여 목표값에 접근, 유지하는지를 확인하였다.
둘째로 연산을 담당하는 TMS320F2812 는 엔코더 신호로부터 속도를 계측하여 PC로부터 받은 기준 값으로 모터의 속도를 제어하는 PWM신호를 만든다. 또한 GPIO를 이용하여 모터에 대한 부하 신호를 ON/OFF 하도록 하였다. 세 번째로 모터 구동부이다.
마지막으로 세 번째는 앞에서 실험한 PWM 제어와 계측한 속도 값을 가지고 PID 제어기에 의해 목표값을 정해주면 모터의 속도가 목표 값을 추종하여 목표값에 접근, 유지하는지를 확인하였다. 또한 부하를 인가함으로써 과도상태에서 모터의 속도가 얼마나 빠르고 안정 척으로 목표 값을 추종하는지를 확인하였다.
두 번째로 엔코더 값을 QEP에 의해 읽어오고, 이 값으로부터 모터의 회전 속도(RPM)를 계산하였다. 마지막으로 세 번째는 앞에서 실험한 PWM 제어와 계측한 속도 값을 가지고 PID 제어기에 의해 목표값을 정해주면 모터의 속도가 목표 값을 추종하여 목표값에 접근, 유지하는지를 확인하였다. 또한 부하를 인가함으로써 과도상태에서 모터의 속도가 얼마나 빠르고 안정 척으로 목표 값을 추종하는지를 확인하였다.
목표 값을 0상태로, 즉 정지 상태로 유지하다가 목표 값을 1500RPM으로 설정함으로서 응답되는 시간과 오버슈트 값 및 언더슈트 값을 측정하여, 오차 범위를 측정하였다.
본 논문에서는 RPS 를 기준단위로 사용하였으며, RPS는 1초 동안에 모터가 회전한 숫자를 의미한다. 즉, 1초 동안에 1728개의 펄스가 발생하면 1RPS가 된다.
즉, 1초 동안에 1728개의 펄스가 발생하면 1RPS가 된다. 본 논문에서는 엔코더 측정 주기를 10ms로 설정하였으며 10ms동안 1회전 했을 때의 펄스의 수는 다음식(1)과 같이 구할 수 있다.
세 번째 실험에서는 첫 번째 실험과 같이 순간 증가를 시킨 후에 동작하는 모터와 커플링으로 연결된 모터에 부하(50Q)를 연결한 후, 부하 신호를 보냄으로서 외란 값에 의한 응답 특성을 측정하였다.
첫 실험에서는 단순 속도응답에 대한 특성을 실험하였다. 목표 값을 0상태로, 즉 정지 상태로 유지하다가 목표 값을 1500RPM으로 설정함으로서 응답되는 시간과 오버슈트 값 및 언더슈트 값을 측정하여, 오차 범위를 측정하였다.

이론/모형

위하여 사용하는 방법이다. 본 논문에서는 PID 이론을 사용하여, DC모터의 속도를 제어하였다.

성능/효과

첫 번째는 모터를 오픈루프 상에서 속도를 증가, 감속을 하였다. PWM의 듀티를 조절함으로서 모터 속도 증가, 감소됨을 확인하였다. 두 번째로 엔코더 값을 QEP에 의해 읽어오고, 이 값으로부터 모터의 회전 속도(RPM)를 계산하였다.
5초가 소요될 정도로 정확한 응답 특성을 가진다. 또한 안정 상태에서 RPM오차가 ±7정도로, 심한 떨림이 생기지 않으며, 부하의 입력에도 210ms만에 안정 상태에 접근하는 등의 매우 안정적인 특성을 검출되었다.
정지 상태에서 1500RPM으로 순간 증가에도 최고 오차 RPM이 2%이하의 과도상태응답 특성을 보이고, 목표값에 접근하여 안정되는데 0.5초가 소요될 정도로 정확한 응답 특성을 가진다. 또한 안정 상태에서 RPM오차가 ±7정도로, 심한 떨림이 생기지 않으며, 부하의 입력에도 210ms만에 안정 상태에 접근하는 등의 매우 안정적인 특성을 검출되었다.
실험에 대한 순서는 크게 세 단계로 진행하였다. 첫 번째는 모터를 오픈루프 상에서 속도를 증가, 감속을 하였다. PWM의 듀티를 조절함으로서 모터 속도 증가, 감소됨을 확인하였다.

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