DC Motor Control - [기계계측 실험보고서]

소개글

DC Motor Control - [기계계측 실험보고서]에 대한 보고서 자료입니다.

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

더는 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.
3.1.3 RS232 통신을 통한 데이터 송수신에서의 오차
위에서 찾아낸 최적 rpm 값을 가지고 제어주기마다 데이터를 송수신하는 방식과 어레이를 이용해 값을 저장하고 모터의 동작완료 후 송수신하는 방식 간의 rpm 값을 비교하였을 때, 전자는 목표 rpm보다 느린 rpm 값을 가지고 회전하는 것을 스트로브 스코프를 통해서 측정하였을 때 다음과 같은 결과가 나타났다.
EPPR
입력 rpm
측정 rpm
12020
300
299.9
12020
300
281.4
결과분석
- Real Type Operating System이 아닌 Window System에서는 제어주기마다 데이터를 송수신하는데 영향이 있어서 정확한 제어가 불가능함을 알 수 있다.
- 그 영향으로 인해 실제보다 느린 제어를 하게되고 따라서 목표치보다 부족한 rpm을 가지고 회전하는 것으로 생각된다.
3.1.4 모터 작동시 예상 외의 진동
- 모터를 돌렸을 때 진동이 많이 낀 것을 볼 수 있었다. 이러한 진동이 어디에서 영향을 받 은 것인지 확인해보기 위해서 찾아본 결과 모터와 모터에 연결된 축과 봉 등에 전반적인 구조상에 떨림 때문이었다.
- 이러한 진동에 대한 대책으로 모터를 감싸고 있는 구조물 위에 무거운 추를 올려놓았다.
- 무거운 추를 올려 놓았을 때 다음과 같이 진동을 덜하게 됨을 확인할 수 있었다.
평상시의 모터를 돌렸을 경우
모터 위에 무거운 추를 올렸을 때
3.2 게인에 따른 속도제어 결과 비교: 과도응답특성, 정상상태오차, 안정성 등
3.2.1 P Gain의 영향
Kp 증가 - Error 감소
※ 어느정도 이상으로 증가시 제어가 되지 않음
3.2.1.1 P Gain만을 통한 속도제어
Parameter
Data
Parameter
Data
RPM
300
CP
20
I Gain
0.01
D Gain
0
(1) P Gain 0.0005
(2) P Gain 0.001
(3) P Gain 0.002
(4) P Gain 0.05
[ Result Graph ]
- I 값을 주지 않고 P만을 가지고 P제어를 할 경우에는 (1),(2),(3)과 같이 정상상태 오 차가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
- P게인을 높여줄었을 때 정상상태 오차의 값이 점점 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
- P게인의 값이 일정 이상이 되었을 경우에는 (4)와 같이 시스템 응답이 진동하는 것을 확인할 수 있다.
- 이러한 P 게인과 error의 관계를 origin을 통해 아래의 그래프로 표현하였다.
[ Error - Kp Graph ]
※ Kp에 따라서 error의 값이 변화한다. Kp이 높아질수록 error값이 줄어든다.
3.2.1.1 I Gain 고정시 P Gain을 통한 속도제어
P Gain을 제외한 모든 parameter들의 값을 고정시킨 이후에 P Gain만을 조절함으로써 모터의 RPM제어에 대한 P Gain의 영향에 대해 관찰할 수 있었다.
Parameter
Data
Parameter
Data
RPM
300
I Gain
0.01
CP
10
D Gain
0
(1) P Gain 0.005
(2) P Gain 0.0005
(3) P Gain 0.00005
[ Result Graph ]
- 일정한 I게인을 가지고 P의 값을 0.005->0.0005->0.00005로 계속계속 증가시켰을 때의 그래프이다.
- 위의 결과를 통해서는 P의 시스템제어에 미치는 영향에 대해서 확인할 수 있다.
- P 게인을 줄여주면 (2)번과 (3)번 그래프처럼 진동이 사라지고 목표치에 overshoot없이 접근하는 것을 확인할 수 있다.
3.2.2 I Gain의 영향
Ki 증가 - Overshoot발생, Response time 감소
I Gain을 제외한 모든 parameter들의 값을 고정시킨 이후에 I Gain만을 조절함으로써 모터의 RPM제어에 대한 I Gain의 영향에 대해 관찰할 수 있었다.
Parameter
Data
Parameter
Data
RPM
300
P Gain
0.0005
CP
10
D Gain
0
(1) I Gain 0
(2) I Gain 0.005
(3) I Gain 0.01
(4) I Gain 0.05
[ Result Graph ]
- 위의 그래프는 일정한 파라미터를 가지고 I의 값을 0->0.005->0.01->0.05로 계속 증가
- 위의 결과를 통해서는 I의 시스템제어에 미치는 영향에 대해서 확인할 수 있다.
- I게인을 주지 않을 때는 (1)번과 같은 정상상태에 도달하지 못함을 확인할 수 있다.
- I 게인을 적용시켰을 때는 (2)번, (3)번, (4)번 그림과 같이 목표 rpm 값에 해당하는 값까지 모터가 작동하는 것을 (1) 그래프와 비교하여 확인할 수 있다.
- I 게인이 클수록 정상상태 오차를 빠른 시간에 줄여나감을 확인할 수 있다.
- I 게인이 너무 크게 되면 (4) 그래프를 통해 Overshot현상이 일어남을 확인할 수 있다.
3.2.3 D Gain의 영향
Kd 증가 - Damping 작용(Overshoot감소), Response time 증가
D Gain을 제외한 모든 parameter들의 값을 고정시킨 이후에 D Gain만을 조절함으로써 모터의 RPM제어에 대한 D Gain의 영향에 대해 관찰할 수 있었다.
Parameter
Data
Parameter
Data
RPM
300
P Gain
0.0005
CP
20
I Gain
0.1
(1) D Gain 0
(2) D Gain 0.000045
(3) D Gain 0.00003
(4) D Gain 0.000005
[ Result Graph ]
- (1)과 같이 시스템에 OverShoot현상이 일어나게 될

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