[논문]PID 제어기를 이용한 기계식 볼 밸런서

박태진; 이상아; 김영식

문제 정의

본 논문에서는 ATmega128 MCU와 적외선 센서 및 서보모터를 이용하여 수평바 상의 탁구공을 원하는 높이에서 중앙에 위치하도록 자동으로 제어하는 시스템의 구현방법에 대해 소개하였다. 본 작품에서는 기구에서 발생하는 진동과 시스템의 비선형성 등으로 인해 PID 제어 알고리즘만으로 완벽하게 제어하기는 어려웠으나 오랜 시행착오와 튜닝을 통해 결국 원하는 높이에서 탁구공이 중앙에 위치하도록 자동으로 제어하는데 성공하였다.
본 작품에서는 자동제어 시스템의 효용성을 직접적으로 보여주기 위해 자동제어 모드와 수동제어 모드를 선택할 수 있도록 하였다. 수동제어 모드에서는 포텐쇼미터(가변저항)의 입력값(0∼100%)을 그대로 DC 서보모터의 출력값(0∼100%)으로 내보냄으로써 조작자가 직접 수동으로 조작할 수 있도록 하였다.

제안 방법

DC서보모터의 속도를 제어하기 위해 [4],[5]에서 제시한 10bit Fast PWM mode를 사용하였으며 PWM 출력의 Duty Cycle은 피드백 제어 시스템의 제어주기인 5msec보다 작아야 하므로 본 작품에서는 1msec로 구현하였다. <그림 2>의 작품 개념도에서 보이는 바와 같이 서보모터와 수평바가 링크 구조로 연결되기 때문에 서보모터는 전체 출력 구간 320도 중에서 0∼180도 구간을 0∼100% 구간으로 설정하여 수평바의 높이와 좌우측 각도를 조절할 수 있도록 구현하였다.
[2]의 MCU모듈은 기본적으로 16MHz 시스템 클록 신호로 동작하며 별도의 ISP 다운로더 없이 컴퓨터의 USB포트를 통해 프로그램을 다운로드 할 수 있다. MCU모듈에 장착된 ATmega128 MCU에는 기본적으로 128KB 내부플래시 메모리와 4KB의 내부 SRAM 메모리를 내장하고 있으며 본 작품에서 구현되는 소프트웨어의 용량이 크지 않기 때문에 별도의 외부 RAM 없이 4KB의 내부 SRAM만을 이용해 구현하였다. ATmega128에는 각각 8채널의 10bit ADC와 8채널의 10bit DAC기능을 내장하고 있다.
그러나 [3]의 데이터시트에 제시된 바와 같이 거리에 따른 신호출력이 과 같이 비선형적으로 변하기 때문에 본 작품에서는 이를 총 11개의 구간으로 나누어 선형화 하였다.
따라서 본 작품에서는 과 같이 설정값(R)에 센서에러(E) 값을 PID 제어 알고리즘으로 보정하여 탁구공이 중앙에 위치하도록 구현하였다.
따라서 본 작품에서는 과 같이 전체 7∼60Cm 신호구간을 0∼100% 입력 범위로 정하고 약 5Cm 단위의 11개 구간으로 나누고 각각의 구간을 1차 함수로 선형화하여 처리하였다.
본 논문에서는 ATmega128 MCU와 적외선 센서 및 서보모터를 이용하여 수평바 상의 탁구공을 원하는 높이에서 중앙에 위치하도록 자동으로 제어하는 시스템의 구현방법에 대해 소개하였다. 본 작품에서는 기구에서 발생하는 진동과 시스템의 비선형성 등으로 인해 PID 제어 알고리즘만으로 완벽하게 제어하기는 어려웠으나 오랜 시행착오와 튜닝을 통해 결국 원하는 높이에서 탁구공이 중앙에 위치하도록 자동으로 제어하는데 성공하였다. 추후 기구적 안정성을 개선하고 제어시스템의 성능을 개선한다면 보다 정교하고 안정적인 제어가 가능할 것으로 기대한다.
[1]은 아두이노와 함께 PC의 Simulink상에서 PID 제어 알고리즘을 사용하여 구현하였다. 본 작품은 [1]의 Ball and Beam 응용작품을 참조하여 양단의 DC서보모터를 장착하였으며 이를 통해 원하는 높이에서 탁구공이 중앙에 위치하도록 자동으로 제어하는 장치를 구현하였다.
본 작품은 에 보이는 바와 같이 2개의 길이 60cm, 폭 3cm의 수평바 위에 탁구공을 올려놓고 양단의 DC서보모터의 각도를 조절하여 탁구공이 원하는 높이에서 중앙에 위치하도록 제어한다.
본 작품의 펌웨어는 5msec 주기의 피드백 제어시스템을 구현하기 위해 500usec의 하드웨어 타이머 인터럽트를 이용해 소프트웨어 타이머를 구현하였으며 PID 제어 알고리즘은 Main 모듈에 5msec 주기로 실행되도록 구현하였다. 제어기의 펌웨어는 표준 ANSI-C 코드로 구현하였고 컴파일러는 CodeVision AVR 컴파일러를 사용하였다.
수동제어 모드에서는 포텐쇼미터(가변저항)의 입력값(0∼100%)을 그대로 DC 서보모터의 출력값(0∼100%)으로 내보냄으로써 조작자가 직접 수동으로 조작할 수 있도록 하였다.
의 작품 개념도에서 보이는 바와 같이 서보모터와 수평바가 링크 구조로 연결되기 때문에 서보모터는 전체 출력 구간 320도 중에서 0∼180도 구간을 0∼100% 구간으로 설정하여 수평바의 높이와 좌우측 각도를 조절할 수 있도록 구현하였다.
이때 의 자동제어 모드에서 보이는 바와 같이 원하는 높이(R)와 적외선 센서에서 측정된 좌우측 거리 센서값의 차이(E)를 PID 제어 알고리즘을 이용하여 보정함으로써 탁구공이 원하는 높이에서 중앙에 위치하도록 제어한다.

대상 데이터

본 작품에서는 ATmega128 AVR MCU를 장착한 모듈형 제어기인 JMOD-128-1 MCU모듈을 활용하여 구성하였다. [2]의 MCU모듈은 기본적으로 16MHz 시스템 클록 신호로 동작하며 별도의 ISP 다운로더 없이 컴퓨터의 USB포트를 통해 프로그램을 다운로드 할 수 있다.
전체 시스템을 구성하고 PID 게인 튜닝을 통해 수평바의 높이 및 탁구공의 위치를 제어하기 위해 시연을 준비하는 동안 기구에서 발생하는 진동과 시스템의 비선형성 등 예상하지 못한 다양한 문제들에 부딪쳤으나 오랜 시행착오 끝에 결국 원하는 높이에서 탁구공이 중앙에 위치하도록 제어하는데 성공하였다. 본 작품의 실제 시연모습은 http://cafe.naver.com/dduauto/1941에서 동영상을 통해 확인할 수 있다.

이론/모형

[1]의 Ball and Beam 응용작품은 <그림 1>에 보이는 바와 같이 좌측의 적외선 거리센서를 이용해 Beam 위에서 직선으로 운동하는 탁구공의 수평위치를 측정하고 이 측정거리에 따라 중앙의 DC모터를 움직여 Beam의 각도를 조절함으로써 탁구공이 중앙에 위치하도록 제어하는 원리이다. [1]은 아두이노와 함께 PC의 Simulink상에서 PID 제어 알고리즘을 사용하여 구현하였다. 본 작품은 [1]의 Ball and Beam 응용작품을 참조하여 양단의 DC서보모터를 장착하였으며 이를 통해 원하는 높이에서 탁구공이 중앙에 위치하도록 자동으로 제어하는 장치를 구현하였다.

성능/효과

본 작품에서 사용한 적외선 센서는 7∼80Cm의 거리를 감지할 수 있다.
수평바 양단에 거리센서가 장착되어 있으며 이 수평바는 링크구조를 통해 연결된 양단에 서보모터에 높이와 각도가 조절된다. 전체 시스템을 구성하고 PID 게인 튜닝을 통해 수평바의 높이 및 탁구공의 위치를 제어하기 위해 시연을 준비하는 동안 기구에서 발생하는 진동과 시스템의 비선형성 등 예상하지 못한 다양한 문제들에 부딪쳤으나 오랜 시행착오 끝에 결국 원하는 높이에서 탁구공이 중앙에 위치하도록 제어하는데 성공하였다. 본 작품의 실제 시연모습은 http://cafe.

후속연구

본 작품에서는 기구에서 발생하는 진동과 시스템의 비선형성 등으로 인해 PID 제어 알고리즘만으로 완벽하게 제어하기는 어려웠으나 오랜 시행착오와 튜닝을 통해 결국 원하는 높이에서 탁구공이 중앙에 위치하도록 자동으로 제어하는데 성공하였다. 추후 기구적 안정성을 개선하고 제어시스템의 성능을 개선한다면 보다 정교하고 안정적인 제어가 가능할 것으로 기대한다.

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