[2024/1/31] GIST-영남대학교 지능형 모터 부트 캠프!
작성자: 김래헌
저희 HUR Group은 이번에 2024년 1월 31일부터 2월 2일까지 영남대에서 모터 부트 캠프에 참석하였습니다. 영남대학교 로봇공학과의 이찬 교수님이 2박 3일 동안 아래의 주제들로 열띤 강의를 펼쳐주셨습니다.
메카트로닉스
메카트로닉스랑 전기 시스템과 기계 시스템을 결합한 시스템을 말합니다. 근데, 앞에서 우리가 확인할 수 있던것 처럼, 전기적인 에너지를 기계적인 힘으로 바꾸어주는 수단이기 때문에 모터 또한 전기와 기계의 결합이라고 할 수 있습니다. 결국 이 분야는 어떻게 보면 모터를 적절하게 잘 제어하는 것으로도 볼 수 있는 것이죠. 우리는 더 큰 용량의 모터를 더 좋은 효율로 제어하고 싶지만, 현실에서는 여러 한계가 있기 때문에, 모터의 시스템에서 조건들을 고려하여 모터를 선정하는 방법을 배울 수 있었습니다.
DC 모터의 원리
DC 모터의 기본 원리는 전기가 흐를때 주변에 자기장이 발생하게 되는 전자기 유도 현상을 이용해서 자석 사이에 도선을 넣고 전류를 흘리게 되면 전자력으로 인해 권선이 회전하는 운동을 만들어 내게 되는 것입니다. 그리고 이러한 모터의 원리의 이해를 바탕으로 모터의 데이터와 관련된 변수들을 알아볼 수도 있었습니다.
PWM
모터의 속도를 조절하는 방법 중에서 우리는 전력의 손실을 최소화하기 위해서 PWM이라는 기법을 사용할 수 있습니다. PWM이란 우리가 정확한 특정 전압의 값을 줄 수 없을 때, 전력의 ON과 OFF를 빠르게 바꾸어 주는 스위칭을 빠르게 반복하여, 평균적인 전압의 값을 우리가 원하는 정도만큼 만들어주는 기법입니다. 이를 통해서 우리는 실제로는 일정한 값의 전압을 줄 수 없지만, 평균적으로 그 값의 전압의 출력을 내서 우리가 원하는 속도로 모터를 제어해줄 수 있습니다. 이러한 내용의 이론강의가 끝난 뒤에는 실제로 전기적인 신호를 빛 에너지로 바꾸어주는 LED를 사용해서 PWM의 전압 조절을 우리는 실습으로 확인해볼 수 있었습니다.
동역학 및 라플라스 변환
먼저 모터의 동역학과 라플라스 변환을 적용해보기 전에, 우리는 모터의 모델링을 먼저 해봐야했습니다. 모터에 전력을 공급해주는 LR회로와, 모터의 기계적인 관성 모먼트와 damping을 고려해야했고, 마지막으로 모터가 돌아가는 속도와 비례해서 모터의 회전을 방해하는 역기전력까지 고려하여 우리는 이상적인 모터의 모델링을 해 볼 수 있었습니다. 또한, 이러한 모터의 모델링에도 예측을 할 수 없는 외력이나 노이즈 같은 것은 외란으로 고려하여 모터에 들어오게 된다 해석할 수 있었습니다. 또한, 이러한 모터 모델링에서 관성 모멘트와 댐핑 값은 모터에 따라 다른데, 이를 실습 시간에 직접 찾아봄으로서 각 모터 별 모델링을 실제로 해 볼 수 있었습니다.
피드백 제어
우리는 자동제어에서 배운 블록 다이어그램과 피드백 제어를 이용해서 전체적인 모터 제어를 이해할 수 있었습니다. 우리가 원하는 입력을 주었음에도 실제로는 다른 결과가 출력으로 나올때, 우리는 원하는 값과 실제 값의 차이 만큼을 피드백으로 다시 시스템에 넣어 제어를 할 수 있습니다. 이를 바탕으로 모터 모델링을 통해서 알고 있는 시스템을 통해 이론적으로 우리가 원하는 출력을 만들어 낼 수 있게 되었습니다.
DOB
마지막 주제는 DOB (Disturbance Observer)였습니다! 이번 모터 부트 캠프에서 배운 것을 총집합하는 가장 중요한 주제였던 거 같습니다. Disturbance observer란 우리가 모델을 알 때 결과를 통해서 입력을 유추할 수 있는 기법입니다. 이때 Disturbance observer에서 유추한 입력과 실제의 입력의 차이만큼이 우리가 의도하지 않았던 외란일테고, 더 정확한 제어를 위해서 우리가 제거해줘야하는 입력이라 할 수 있었습니다. 이를 제어선도에 그려보고 어떻게 작동하는 것인지 분석해보고, z-transform을 이용해서 이산시간에 어떻게 신호의 값을 주어야하는지를 이론시간에 배울 수 있었습니다. 마지막으로는 실습 시간에 Disturbance observer를 Labview 코드로 구현하여 입력하였고 우리가 모터에 힘을 주어 움직임을 방해하는 외란을 주었는데도, 의도한 것과 같은 움직임을 보여주는 모터의 동작을 생성해낼 수 있었습니다.
마지막에는 부트 캠프에 참가했던 저희 HUR Group 학생과 영남대 이찬 교수님 연구실의 학생들의 단체사진입니다!
참가자 명단 : 허필원, 이강우, 김래헌, 문선웅, 임문영, 박혜원, 성지윤, 김가빈, 조권승, 차명주, 안해원
이번 GIST- 영남대학교 지능형 모터 부트 캠프는 GIST-삼성 모터 트랙에서 지원하였고, GIST 학생들과 영남대 학생들이 함께 참여하였습니다.