예비보고서 DC모터 제어

목차

1. 실험 제목 : DC모터 제어
2. 실험 목적
3. 모터의 작동원리 및 종류
4. PID Control
5. AD/DA Converter
6. Sensor
6. 실험 결과
7. 결과 분석
8. 고찰

본문내용

Pulse가 아날로그 신호 상태로 발생되는데 이것을 다시 내부의 파형 정형회로에 의해 디지털 신호로 변환시켜 출력함으로써 자동제어계의 위치, 속도, 각도 등을 검출하는 역할을 한다.
(7) Load Cell
로드셀은 힘을 직접 전기량으로 변환하는 것이며 스트레인 게이지를 응용한 트랜스듀서로서는 제일 먼저 개발되어 가장 많이 사용되고 있다. 로드셀의 종류는 하중감지부에 따라 링크형, 빔형, 링형, 전단웹(shear web)형등이 있다. 로드셀이 무게를 받으면 압축되거나 늘어나는 등 변형이 되는데, 이 변형량을 변형측정장치가 전기신호로 검출한 뒤 컴퓨터 장치에 의해 디지털신호로 바꾸면 무게가 숫자로 나타난다.
6. 실험 결과
(1) 시간 응답
A. Gain = 출력 범위/입력 범위
B. Time Constant
1. 63%에 해당하는 전압 = 출력전압의 최소값 + 0.63*출력범위
2. time constant : 63%에 해당하는 전압에 해당하는 시간
무 부하에서의 이득 = 0.917
무 부하에서의 시정수 = 0.16 ms
부하 하에서의 이득 = 0.617
부하 하에서의 시정수 = 0.097 ms
A
volts
B
volts
T1
secs
T2
secs
Slope
volts/sec
Vvel
volts
Ki
+4.000
-4.000
0.025
0.325
26.67
1.75
15.24
C. 적분 이득(Ki)
Frequency
Output
(volts P-P)
Phase Lag
(degrees)
Amplitude Ratio
A
Amplitude Ratio
20logA(dB)
10 mHz
5.6
-1
0.93
-0.63
20 mHz
5.6
-2
0.93
-0.63
50 mHz
5.6
-3
0.93
-0.63
100 mHz
5.5
-5
0.92
-0.72
200 mHz
5.5
-14
0.92
-0.72
500 mHz
5
-28
0.83
-1.62
1 Hz
3.9
-45
0.65
-3.74
2 Hz
2.5
-66
0.42
-7.54
5 Hz
1.2
-71
0.2
-13.98
10 Hz
0.5
-96
0.083
-21.62
(2) 주파수 응답
From slope
From -3dB point
From -45°
Average
1Hz
0.77 Hz
1 Hz
0.923Hz
Gain Kc
Overshoot
ζ
Tp secs
ωd rad/sec
ωn rad/sec
1.5
44%
0.253
0.27
11.64
12.03
(3) 2차 시스템
7. 결과 분석
1) 시간응답
A. Gain
무 부하에서의 0.917은 퍼센트로 나타내면 91.7%로서 입력으로 100을 줬을 때 출력으로 91.7이 나온다는 것이고, 부하 하에서의 0.617은 퍼센트로 나타내면 61.7%로서 입력으로 100을 줬을 때 출력으로 61.7이 나온다는 의미이다. 따라서 부하 하에서의 출력이 무 부하에서의 출력보다 작음을 알 수 있다. 그 이유는 자석에 의한 외란의 영향으로 에너지 손실이 발생했기 때문이다.
B. 시정수
무 부하에서의 시정수는 0.16 ms 이고, 부하 하에서의 시정수는 0.097 ms 이다. 부하 하에서의 시정수가 더 작다. 그 의미는 63%의 출력에 더 빨리 도달한다는 것이다. 시정수 τ=1/(ζωn) 이다. ζωn=b/(2M) 으로서 b는 damping 계수이고 M은 질량이다. 부하 하에서의 시정수가 무 부하에서의 시정수 보다 작은 이유는 M은 일정한 상태이고 damping 계수 b가 커져서 ζωn 값이 커지게 됨으로서 시정수 τ 값이 작아지게 된다.
C. 적분이득(Ki)
-4 volt 일 때 시간 T1은 0.025 sec 이고 4 volt 일 때 시간 T2는 0.325 sec 이 측정되었고 회전 속도계 전압, Vvel 은 1.75volt 가 측정되었다. 이 데이터로 slope를 구하는 식, (A-B)/(T2-T1) 에 대입하면 26.67 volt/sec 이 나오고 이 값을 적분이득 Ki를 구하는 식, slope/Vvel에 대입하면 15.24 가 나온다.
2) 주파수 응답
주파수가 커질수록 지연 위상이 커지고, 진폭 비(output/input)는 작아졌다. 주파수가 크다는 것은 주기가 짧다는 의미이고 이 것은 한번 왕복하는데 걸리는 시간이 짧다는 것이다. 그래서 주파수가 커질수록 입력 속도가 빨라짐을 알 수 있다. 입력과 출력사이에 지연 위상이 커진다는 것은 시간차가 커진다는 것이고, 진폭 비가 작아진 것은 오차가 커진다는 것을 알 수 있다. 결과 그래프를 보면 5 Hz에서 그래프 모양이 부드럽지 못한 것은 이 주파수에서의 실험에 문제가 있었던 것 같다.
3) 2차 시스템
overshoot이 44%가 나왔고 percent overshoot으로부터 damping ratio ζ를 구할 수 있는데 그 값이 0.253 이다. 그리고 피크까지 걸린 시간 Tp를 그래프 상에서 측정하니 0.27 sec이었고 이 것으로부터 감쇠 주파수 ωd를 구하면 11.64 rad/sec 이다. 여기서 고유 주파수 ωn을 계산하니 12.03 rad/sec 가 나왔다. 감쇠 주파수가 작은 것은 시스템 자체가 damping의 영향으로 자유롭게 진동할 수 없기 때문이다. 그래서 주파수가 작아지고, 주기는 길어진다.
8. 고찰
실험은 두 가지 영역에서 하였는데, 처음에는 시간 영역에서 실험을 했고 다음에는 주파수 영역에서 실험을 했다. 시간 영역에서의 실험은 시간이 연속적으로 흘러감에 따라 시스템의 반응을 관찰했고, 주파수 영역에서의 실험은 주파수를 불연속적으로 입력함에 따라 시스템의 반응을 관찰했다. 시스템 해석에는 시간 영역과 주파수 영역에서 해석이 가능하고, 시간 영역의 신호를 푸리에 변환을 하면 여러 개 주파수 신호의 합으로 표현이 가능하다. 시스템 제어에는 open-loop 과 closed-loop 이 있는데 open-loop은 입력과 출력 사이에 오차를 수정을 할 수 없고, closed-loop 은 오차를 수정할 수 있어서 정확한 제어가 가능하다. closed-loop 시스템에 정상상태 오차를 줄이기 위해 적분기를 달아서 정확도를 높이고, 오버슛을 줄이기 위해 미분기를 달아서 안정성을 높이면 좀 더 정확한 제어가 가능하게 된다.

키워드

예비보고서,   전기,   전자,   기계,   실험