KR100854557B1 - 직류 모터 시뮬레이션 시스템 및 방법. - Google Patents

직류 모터 시뮬레이션 시스템 및 방법. Download PDF

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Abstract

본 발명의 직류 모터 시뮬레이션 시스템은 소정의 모터 제어 정보를 수신하는 제어 정보 수신부, 상기 모터 제어 정보를 기반으로 소정의 제어 알고리즘을 이용하여 소정의 시뮬레이션 정보를 생성하는 알고리즘 제어부, 상기 시뮬레이션 정보를 이용하여 소정의 펄스폭 변조 정보를 생성하는 제1 변조부, 상기 펄스폭 변조 정보를 이용하여 소정의 모터 구동 정보를 생성하는 모터 구동부, 상기 모터 구동 정보를 기반으로 구동하는 모터, 상기 모터의 속도를 기반으로 소정의 전류 정보를 생성하는 제2 변조부, 상기 모터 제어 정보를 이용하여 소정의 속도 정보를 생성하는 제3 변조부, 상기 전류 정보 및 상기 속도 정보를 이용하여 소정의 디스플레이 정보를 생성하는 디스플레이 정보 생성부 및 상기 디스플레이 정보를 수신하여 디스플레이 하는 디스플레이 수단을 포함한다.
모터, 시뮬레이션, 제어 알고리즘, 인코더

Description

직류 모터 시뮬레이션 시스템 및 방법.{SYSTEM AND METHOD FOR DC MOTER SIMULATION}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 직류 모터 시뮬레이션 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 PWM (Pulse width modulation)값 변조 그래프를 도시한 일례이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 알고리즘별 디스플레이 일례이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 직류 모터 시뮬레이션 방법을 도시한 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 직류 모터 시뮬레이션 시스템
110: 제어 정보 수신부
120: 알고리즘 제어부
130: 제1 변조부
140: 모터 구동부
150: 모터
160: 제2 변조부
170: 제3 변조부
180: 디스플레이 정보 생성부
190: 디스플레이 수단
본 발명은 모터 제어 시뮬레이션 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시뮬레이션 시스템에 이용하는 제어 알고리즘을 사용되는 제어값을 모터를 실제로 구동하여 측정되는 결과값을 직접 이용할 수 있는 모터 제어 시뮬레이션 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 기계적 시스템에는 각 구성 요소의 구동을 위하여 소형 또는 대형의 모터가 구비되어 있다. 이러한 모터는 직접 구동해 보기 전에는 그 실질적인 구동 정도를 측정하기 매우 어렵다.
이에 그 구동 정보를 미리 예측할 수 있는 시뮬레이션 시스템이 개발되었다. 상기 시뮬레이션 시스템은 다양한 알고리즘을 통하여 그 결과값을 예측할 수 있으며, 상기 알고리즘은 모터 제어 이론을 이용하여 다양한 제어기로 개발되었으며, 상기 제어기로는 비례제어(P제어기), 비례미분제어기(PD제어기) 및 비례적분미분제어기(PID제어기) 등이 있다.
이러한 다양한 알고리즘을 이용하여 모터를 이용한 시스템을 제작하기 전에 미리 그 결과값을 예상하여 시스템을 설계할 수 있어서 시스템 제작 실패로 인한 추가 제작 비용을 절감할 수 있다.
하지만, 이러한 알고리즘을 이용하더라도 실제로 모터를 구동한 결과 값이 아니라 단지 이론에 의한 시뮬레이션 값을 이용하는 것이기 때문에 정확한 결과값을 기대하기 어렵다는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 직접 모터를 구동하여 그 결과값을 제어 알고리즘에 반영할 수 있는 시뮬레이션 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 디스플레이 수단을 이용하여 직관적 특성 변화를 확인할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 결과값을 PC로 전송하여 결과값을 직접 이용할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전원을 분리하여 신호 잡음을 최소화할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하고, 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 직류 모터 시뮬레이션 시스템은, 소정의 모터 제어 정보를 수신하는 제어 정보 수신부, 상기 모터 제어 정보를 기반으로 소정의 제어 알고리즘을 이용하여 소정의 시뮬레이션 정보를 생성하는 알고리즘 제어부, 상기 시뮬레이션 정보를 이용하여 소정의 펄스폭 변조 정보를 생성하는 제1 변조부, 상기 펄스 폭 변조 정보를 이용하여 소정의 모터 구동 정보를 생성하는 모터 구동부, 상기 모터 구동 정보를 기반으로 구동하는 모터, 상기 모터의 속도를 기반으로 소정의 전류 정보를 생성하는 제2 변조부, 상기 모터 제어 정보를 이용하여 소정의 속도 정보를 생성하는 제3 변조부, 상기 전류 정보 및 상기 속도 정보를 이용하여 소정의 디스플레이 정보를 생성하는 디스플레이 정보 생성부 및 상기 디스플레이 정보를 수신하여 디스플레이 하는 디스플레이 수단을 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 직류 모터 시뮬레이션 방법은, 소정의 모터 제어 정보를 수신하는 단계, 상기 모터 제어 정보를 기반으로 소정의 제어 알고리즘을 이용하여 소정의 시뮬레이션 정보를 생성하는 단계, 상기 시뮬레이션 정보를 이용하여 소정의 펄스폭 변조 정보를 생성하는 단계, 상기 펄스폭 변조 정보를 이용하여 소정의 모터 구동 정보를 생성하는 단계, 상기 모터 구동 정보를 기반으로 구동하는 단계, 상기 모터의 속도를 기반으로 소정의 전류 정보를 생성하는 단계, 상기 모터 제어 정보를 이용하여 소정의 속도 정보를 생성하는 단계, 상기 전류 정보 및 상기 속도 정보를 이용하여 소정의 디스플레이 정보를 생성하는 단계 및 상기 디스플레이 정보를 수신하여 디스플레이 하는 단계를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다양한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 직류 모터 시뮬레이션 시스템을 도시한 블록도이다.
본 발명의 직류 모터 시뮬레이션 시스템(100)은 도1에 도시된 바와 같이, 하 드웨어적 구성요소에 모터를 구비하여 직접 그 구동 결과값을 시스템에 적용함으로써, 보다 정밀한 결과값을 추출할 수 있는 것으로 각 구성 요소에 대한 상호 작용에 근거하여 설명하기로 한다.
먼저, 제어 정보 수신부(110)는 소정의 모터 제어 정보를 수신한다.
이때, 상기 모터 제어 정보는 목표 속도, 전류 및 측정 속도 등이며, 이는 직류 모터 시뮬레이션 시스템(100)을 이용하는 사용자가 측정하고자 하는 소정의 측정값을 의미한다.
본 발명에서는, 직류 모터 시뮬레이션 시스템(100)에 구성된 별도의 키패드 수단을 이용하여 상기 모터 제어 정보를 입력할 수도 있지만, 별도의 링크 수단으로 연결된 PC의 입력 장치를 이용하여 입력할 수도 있다.
다음으로, 알고리즘 제어부(120)은 상기 모터 제어 정보를 기반으로 소정의 제어 알고리즘을 이용하여 소정의 시뮬레이션 정보를 생성한다.
이때, 상기 제어 알고리즘은 P 알고리즘(비례제어 알고리즘), PD 알고리즘(비례미분제어 알고리즘), PID 알고리즘(비례미분적분 알고리즘) 및 DOB(Disturbance Observer) 알고리즘 등의 다양한 알고리즘을 이용하여 상기 시뮬레이션 정보를 생성한다.
상기 제어 알고리즘은 일반적인 모터 제어 이론으로 그 설명을 생략하기로 한다.
다음으로, 제1 변조부(130)에서 상기 시뮬레이션 정보를 이용하여 소정의 펄스폭 변조 정보를 생성한다.
상기 펄스폭 변조 정보는 상기 시뮬레이션 정보를 기반으로 PWM (Pulse width modulation)값으로 변조한 것으로서, 펄스폭 주기 중의 100%의 시간 중 ON시간과 OFF시간을 조절하여 직류 모터 시뮬레이션 시스템(100)에 구비된 모터(150)의 속도를 조절할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 PWM (Pulse width modulation)값 변조 그래프를 도시한 일례이다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 입력된 모터 제어 정보에 따라 펄스폭 변조 정보를 조절할 수 있으며, 10%의 시간만 모터를 ON하면 천천히 구동하고 90%의 시간 동안 모터를 ON하면 모터는 빠르게 구동한다.
다음으로, 모터 구동부(140)에서 상기 펄스폭 변조 정보를 이용하여 소정의 모터 구동 정보를 생성한다.
이때, 상기 모터 구동 정보는 앞서 설명한 바와 같이 펄스폭 주기에 따라 그 값이 달라지며, 이는 모터를 직접 구동할 수 있는 신호로 변환된 신호를 의미한다.
다음으로, 모터(150)는 상기 모터 구동 정보를 기반으로 구동한다.
모터(150)는 본 발명의 가장 특징적인 구성 요소로서, 각 하드웨어 구성 요소에 실제 구동된 결과값을 제공함으로써, 시뮬레이션 결과값의 신뢰도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명에서는 모터(150)에 공급하는 전력을 별도로 구비하여 모터(150)를 제외한 다른 구성 요소와의 간섭을 최소화한다. 그로 인해 상기 정보 송수신에 따른 신호 잡음을 최소화할 수 있다.
다음으로, 제2 변조부(160)에서 상기 모터의 속도를 기반으로 소정의 전류 정보를 생성한다.
제2 변조부(160)는 상기 모터의 속도를 아날로그 신호로 입력 받아 디지털 신로인 상기 전류 정보로 변환하는 역할을 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면 제2 변조부(160)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있는 에이디-컨버터(AD Converter)를 사용하나, 이는 일실시예일 뿐 한정된 것은 아니다.
다음으로, 제3 변조부(170)에서 상기 모터 제어 정보를 이용하여 소정의 속도 정보를 생성한다.
본 발명에서는 제3 변조부(170)으로 인코더(Encoder)를 이용하며, 상기 속도 정보(RPM)는 하기와 같은 수학식을 이용하여 생성된다.
Figure 112007011944268-pat00001
여기서, m1은 제3변조부의 펄스 개수이고, m2는 제3 변조부의 사이펄스 개수이며,
Figure 112007011944268-pat00002
는 oscillator 주파수를, Pn은 인코더 분해능을 의미한다.
상기 속도 정보는 알고리즘 제어부(120)으로 전송되어 상기 시뮬레이션 정보를 생성하는데 사용된다.
다음으로, 디스플레이 정보 생성부(180)에서 상기 전류 정보, 상기 속도 정보 및 상기 모터 제어 정보를 이용하여 소정의 디스플레이 정보를 생성한다.
디스플레이 정보 생성부(180) 는 상기 전류 정보, 상기 속도 정보 및 상기 모터 제어 정보를 기반으로 그 결과값을 디스플레이 할 수 있는 디스플레이 정보로 가공한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 알고리즘별 디스플레이 일례이다.
도시된 바와 같이, 상기 디스플레이 정보는 알고리즘 제어부(120)의 각 알고리즘에 따라 각각의 결과값으로 가공된다. 즉, 상기 모터 제어 정보의 한 번의 입력으로 다양한 알고리즘에 대한 결과값을 다양하게 출력할 수 있다.
다음으로, 디스플레이 수단(190)에서 상기 디스플레이 정보를 수신하여 디스플레이한다.
본 발명에서는 직류 모터 시뮬레이션 시스템(100)에 구비된 엘씨디(LCD) 모니터를 이용하여 디스플레이할 수도 있지만, 상기 디스플레이 정보를 PC로 전송하는 디스플레이 정보 송신부를 부가적으로 구비하여 상기 디스플레이 정보를 PC를 통하여 직접 볼 수 있으며, 이를 바로 다른 소프트웨어에 적용할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 직류 모터 시뮬레이션 방법을 도시한 흐름도이다.
도시된 바와 같이, 상기 방법은 앞서 언급한 직류 모터 시뮬레이션 시스템(100)을 이용하여 실행할 수 있으며, 이를 순차적으로 설명하기로 한다. 또한, 앞서 언급한 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 제어 정보 수신부(110)로 상기 모터 제어 정보를 수신한다(410).
본 단계(410)는 직류 모터 시뮬레이션 시스템(100)을 사용하는 사용자가 별 도의 입력 수단을 이용하여 측정하고 싶은 정보를 입력하는 단계이다.
다음으로, 알고리즘 제어부(120)로 상기 모터 제어 정보를 기반으로 소정의 제어 알고리즘을 이용하여 소정의 시뮬레이션 정보를 생성한다(420).
본 단계(420)는 P 알고리즘(비례제어 알고리즘), PD 알고리즘(비례미분제어 알고리즘), PID 알고리즘(비례미분적분 알고리즘) 및 DOB(Disturbance Observer) 알고리즘 등의 다양한 알고리즘을 이용하여 상기 시뮬레이션 정보를 생성하는 단계이다.
다음으로, 제1 변조부(130)로 상기 시뮬레이션 정보를 이용하여 상기 펄스폭 변조 정보를 생성한다(430).
본 단계(430)에서 상기 펄스폭 변조 정보는 상기 시뮬레이션 정보를 기반으로 PWM (Pulse width modulation)값으로 변조한 신호 값이다.
다음으로, 모터 구동부(140)로 상기 펄스폭 변조 정보를 이용하여 상기 모터 구동 정보를 생성한다(440).
다음으로, 모터(150)로 상기 모터 구동 정보를 기반으로 구동한다(450).
본 단계(450)는 펄스폭을 조절함으로써 변화하는 상기 펄스폭 변조 정보에 의해 상기 모터 구동 정보가 정해지며, 상기 모터 구동 정보에 따라 그 속도가 변화하게 된다.
다음으로, 제2 변조부(160)로 상기 모터의 속도를 기반으로 소정의 전류 정보를 생성한다(460).
다음으로, 제3 변조부(170)로 상기 모터 제어 정보를 이용하여 소정의 속도 정보를 생성한다(470).
본 단계(470)는 M/T 알고리즘을 이용하여 상기 속도 정보를 생성하는 단계로, 상기 속도 정보는 다음과 같은 수학식에 의하여 계산된다.
Figure 112007011944268-pat00003
여기서, m1은 제3변조부의 펄스 개수이고, m2는 제3 변조부의 사이펄스 개수이며,
Figure 112007011944268-pat00004
는 oscillator 주파수를, Pn은 인코더 분해능을 의미한다.
다음으로, 디스플레이 정보 생성부(180)로 상기 전류 정보 및 상기 속도 정보를 이용하여 소정의 디스플레이 정보를 생성한다(480).
마지막으로, 디스플레이 수단(190)으로 상기 디스플레이 정보를 수신하여 디스플레이한다(490).
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
본 발명에 따르면, 직접 모터를 구동하여 그 결과값을 제어 알고리즘에 반영할 수 있는 시뮬레이션 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 디스플레이 수단을 이용하여 직관적 특성 변화를 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 결과값을 PC로 전송하여 결과값을 직접 이용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전원을 분리하여 신호 잡음을 최소화할 수 있다.

Claims (12)

  1. 직류 모터 시뮬레이션 시스템에 있어서,
    모터 제어 정보를 수신하는 제어 정보 수신부;
    상기 모터 제어 정보를 기반으로 제어 알고리즘을 이용하여 시뮬레이션 정보를 생성하는 알고리즘 제어부;
    상기 시뮬레이션 정보를 이용하여 펄스폭 변조 정보를 생성하는 제1 변조부;
    상기 펄스폭 변조 정보를 이용하여 모터 구동 정보를 생성하는 모터 구동부;
    상기 모터 구동 정보를 기반으로 구동하는 모터;
    상기 모터의 속도를 기반으로 전류 정보를 생성하는 제2 변조부;
    상기 모터 제어 정보를 이용하여 속도 정보를 생성하는 제3 변조부;
    상기 전류 정보, 상기 속도 정보 및 상기 모터 제어 정보를 이용하여 디스플레이 정보를 생성하는 디스플레이 정보 생성부; 및
    상기 디스플레이 정보를 수신하여 디스플레이 하는 디스플레이 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 모터 시뮬레이션 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모터는 별도의 전력 공급 수단을 이용하여 전력을 공급하는 것을 특징 으로 하는 직류 모터 시뮬레이션 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모터 제어 정보는 목표 속도, 전류 및 측정 속도 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 직류 모터 시뮬레이션 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이 정보를 PC로 전송하는 디스플레이 정보 송신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 모터 시뮬레이션 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 알고리즘은 P 알고리즘, PD 알고리즘, PID 알고리즘 및 DOB 알고리즘 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 직류 모터 시뮬레이션 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 속도 정보(RPM)는 하기와 같은 수학식 3을 이용하여 생성하는 것을 특징으로 하는 직류 모터 시뮬레이션 시스템.
    Figure 112007011944268-pat00005
    여기서, m1은 제3변조부의 펄스 개수이고, m2는 제3 변조부의 사이펄스 개수이며,
    Figure 112007011944268-pat00006
    는 oscillator 주파수를, Pn은 엔코더 분해능을 의미함.
  7. 직류 모터 시뮬레이션 방법에 있어서,
    모터 제어 정보를 수신하는 단계;
    상기 모터 제어 정보를 기반으로 제어 알고리즘을 이용하여 시뮬레이션 정보를 생성하는 단계;
    상기 시뮬레이션 정보를 이용하여 펄스폭 변조 정보를 생성하는 단계;
    상기 펄스폭 변조 정보를 이용하여 모터 구동 정보를 생성하는 단계;
    상기 모터 구동 정보를 기반으로 구동하는 단계;
    상기 모터의 속도를 기반으로 전류 정보를 생성하는 단계;
    상기 모터 제어 정보를 이용하여 속도 정보를 생성하는 단계;
    상기 전류 정보, 상기 속도 정보 및 상기 모터 제어 정보를 이용하여 디스플레이 정보를 생성하는 단계; 및
    상기 디스플레이 정보를 수신하여 디스플레이 하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 모터 시뮬레이션 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 모터는 별도의 전력 공급 수단을 이용하여 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 직류 모터 시뮬레이션 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 모터 제어 정보는 목표 속도, 전류 및 측정 속도 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 직류 모터 시뮬레이션 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 디스플레이 정보를 PC로 전송하는 디스플레이 정보 송신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 모터 시뮬레이션 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제어 알고리즘은 P 알고리즘, PD 알고리즘, PID 알고리즘 및 DOB 알고리즘 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 직류 모터 시뮬레이션 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 속도 정보(RPM)는 하기와 같은 수학식 4를 이용하여 생성하는 것을 특징으로 하는 직류 모터 시뮬레이션 방법.
    [수학식 4]
    Figure 112007011944268-pat00007
    여기서, m1은 제3변조부의 펄스 개수이고, m2는 제3 변조부의 사이펄스 개수이며,
    Figure 112007011944268-pat00008
    는 oscillator 주파수를, Pn은 엔코더 분해능을 의미함.
KR1020070013356A 2007-02-08 2007-02-08 직류 모터 시뮬레이션 시스템 및 방법. KR100854557B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH06209596A (ja) * 1993-01-08 1994-07-26 Nec Corp ステッピングモータ制御シミュレータ
KR20020053384A (ko) * 2000-12-27 2002-07-05 이계안 서보 드라이브/모터 시뮬레이터
US20040124870A1 (en) 2002-12-31 2004-07-01 Kurt Raichle Method and apparatus for testing a motor

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