동적시스템 및 제어공학 - 모터제어의 기본 이론과 실험

1. Motor의 작동원리 및 분류

1) 모터의 작동원리 - 모터에는 전원의 종류에 따라 크게 직류(DC)모터와 교류(AC)모터로 나눌 수 있는데 기본이 되는 원리는 서로 같다. 그러므로 가장 기본적인 모터인 직류 모터를 이용하여 그 작동원리를 알아보면 다음과 같다.

DC 모터의 기본원리
영구자석 N, S에 의해 자계가 형성되고, 브러시와 정류자를 통한 전류가 도체 내를 흐르면 플레밍의 왼손 법칙에 따라 토크가 발생한다. 회전자가 회전하여 약 90도 회전하면 정류자에 의해 전류방향이 뒤바뀌어 회전을 계속할 수 있다. 위 그림의 상태에서 통전하여 회전을 시작하면 토크는 점점 감소하고 90도의 위치에서 0이 된다. 하지만 회전자의 관성 때문에 정지하지 않고 조금 더 회전하여 90도를 넘게 되고, 90도가 넘으면 정류자에 의해 전류의 방향이 바뀌게 되어 토크는 다시 증가하여 계속해서 회전을 하게 되는 것이다.
교류모터의 원리도 마찬가지로 플레밍의 왼손 법칙을 적용하지만, 교류 전원을 사용하므로 전류의 방향이 정류자가 없이도 바뀌게 되어 주파수에 맞는 속도로 계속 회전하게 된다.
AC 모터의 기본원리

2) 모터의 분류 - 직류모터와 교류모터로 분류하며 그 종류는 다음과 같다.

2. PID제어 - 자동제어 방식 가운데서 가장 흔히 이용되는 제어방식으로 각각의 요소인

P…(생략)

1) 비례 제어(P) -단순한 On/Off 제어의 경우에는 제어 조작량은 0%와 100% 사이를 왕래하므로 조작량의 변화가 너무 크고, 실제 목표값에 대해 지나치게 반복하기 때문에, 목표값의 부근에서 凸凹를 반복하는 제어로 되고 만다. 이 모양을 그림으로 나타내면 아래 그림과 같다.

2) PI 제어 -비례 제어로 잘 제어할 수 있을 것으로 생각하겠지만, 실제로는 제어 량이 목표 값에 접근하면 문제가 발생한다. 그것은 조작 량이 너무 작아지고, 그 이상 미세하게 제어할 수 없는 상태가 발생한다. 결과는 목표 값에 아주 가까운 제어 량의 상태에서 안정한 상태로 되고 만다. 이렇게 되면 목표 값에 가까워지지만, 아무리 시간이 지나도 제어 량과 완전히 일치하지 않는 상태로 되고 만다. 이 미소한 오차를 잔류편차라고 한다. 이 잔류편차를 없애기 위해 사용되는 것이 적분 제어이다. 즉, 미소한 잔류편차를 시간적으로 누적하여, 어떤 크기로 된 곳에서 조작 량을 증가하여 편차를 없애는 식으로 동작시킨다. 이와 같이, 비례 동작에 적분 동작을 추가한 제어를 PI 제어라 부르며 출력 결과는 아래와 같다.

3) 미분(D) 제어와 PID 제어 - PI 제어로 실제 목표 값에 가깝게 하는 제어는 완벽하게 할 수 있다. 그러나 또 하나 개선의 여지가 있다. 그것은 제어 응답의 속도이다. PI 제어에서는 확실히 목표 값으로 제어할 수 있지만, 일정한 시간(시정수)이 필요하다. 이때 정수가 크면 외란이 있을 때의 응답 성능이 나빠진다. 따라서 외란에 대하여 신속하게 반응할 수 없고, 즉시 원래의 목표 값으로는 돌아갈 수 없다는 것이다. 그래서 필요하게 된 것이 미분 동작이다. 이것은 급격히 일어나는 외란에 대해 편차를 보고, 전회 편차와의 차가 큰 경우에는 조작 량을 많이 하여 기민하게 반응하도록 한다. 이 전회와의 편차에 대한 변화차를 보는 것이 미분에 상당한다. 이 미분동작을 추가한 PID 제어의 경우, 출력 결과는 아래 그림과 같다.