KR20150058639A - 인휠 모터 및 이의 게인 튜닝 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인휠 모터에 관한 것으로서, 더 상세하게는 모바일 로봇의 구동부를 구성하는 인휠 모터에서 저속 및/또는 정속 제어가 가능한 바퀴, 모터, 감속기 및 제어기를 일체화한 인휠 모터에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 위치 검출 센서를 내장한 위치 검출 PCB(Printed Circuit Board)를 고정축(샤프트) 내부에 배치함으로써 저속 정속 제어가 가능하다.

Description

인휠 모터 및 이의 게인 튜닝 방법{In-wheel motor and Method for gain-tunning the same}
본 발명은 인휠 모터에 관한 것으로서, 더 상세하게는 모바일 로봇의 구동부를 구성하는 인휠 모터에서 저속 및/또는 정속 제어가 가능한 바퀴, 모터, 감속기 및 제어기를 일체화한 인휠 모터에 대한 것이다.
또한, 본 발명은 이러한 인휠 모터를 적용하여 인휠 모터를 외부 상위 제어기로 제어하여 튜닝하는 게인 튜닝 방법에 대한 것이다.
일반적으로 모터 활용 모바일 로봇 구성시 모터, 감속기, 모터 드라이버, 동력 전달을 위한 벨트, 폴리 등의 부품들이 요구된다. 이 경우, 이러한 다양한 부품들이 구성되므로 인해 기구적으로 복잡하며 동력 전달 손실이 발생하는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해소하고자 인휠 모터를 활용하여 구동부를 구성함으로써 기구적으로 단순화시키면서, 동력 전달 효율을 제고할 수 있어 전기 자동차, 전동 자전거 등에 적용되었다.
그런데, 이러한 인휠 모터가 자동차에 적용되는 경우, 엔진-미션-구동축을 통한 동력전달에 의해 바퀴가 회전구동하는 방식과는 달리, 휠 림 내부에 모터를 내장시켜 이 모터에 의해 휠에 직접 동력이 전달되도록 하여 자동차를 달리게 하는 직접구동(Direct Dirve) 모터 방식이였다.
이러한 인휠 모터는 엔진, 변속기나 차동기어와 같은 구동 및 동력전달장치를 생략할 수 있기 때문에 차량의 무게를 감소시킬 수 있으며, 동력전달과정에서의 에너지 손실을 저감시킬 수 있어 전기자동차 및 하이브리드 자동차용 모터로 각광받고 있다.
또한, 상기 인휠 모터가 장착된 자동차는 차체 내부공간 확보로 작업과 조립이 쉽고 주행 중 유지보수 및 교환이 용이하며 비상 운전이 가능하다는 점 등 다양한 장점이 있다.
도 1은 일반적인 인휠 모터 차량의 구동력 제어 시스템을 도시한 개념도이다. 도 1을 참조하면, 인휠 모터(100)는 하우징(110)의 외측에 브레이크 디스크 및 바퀴(200)의 림 휠(210)이 결합고정되고, 바퀴(200)의 타이어(220)는 림 휠(210)의 외부 둘레를 따라 위치된다.
이러한 인휠 모터는 도시되지는 않았지만, 크게 스테이터(미도시), 코일(미도시), 및 로터(미도시) 등으로 구성된다. 여기서 스테이터와 로터는 회전축을 중심으로 차폭방향으로 소정간격 이격되어 배치된 원반형상을 이룬 스테이터 브래킷 및 로터 브래킷에 각각 고정되어 지지되는 것으로, 상기 스테이터 브래킷은 차체에 고정되어 회전이 불가능하고, 로터 브래킷은 림 휠, 디스크 브레이크의 각 회전중심이 회전축에 일치시키도록 하여 체결함으로써 동시에 회전 가능하게 결합하였다.
그러나 이러한 차량에 장착되는 인휠 모터는 모바일 로봇에서 필요한 저속 정속 제어 기능을 제공하지 못하는 문제점이 있었다.
1. 한국공개특허번호 제10-2012-0024170호 2. 한국등록특허번호 제10-1127736호 3. 한국공개특허번호 제10-2010-0085647호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 초속 1cm/s 내지 200cm/s 범위내에서 저속 정속 제어가 가능한 바퀴, 모터, 감속기 및 제어기가 일체화된 인휠 모터 및 이의 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 내장 제어기 내부에 정속, 정전류, PWM(Pulse Width Modulation) 모드 지원과 각종 파라미터 설정 및 자동 게인 튜닝이 가능한 스마트 기능을 탑재한 인휠 모터 및 이의 게인 튜닝 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 외부 상위 제어기와 CAN(Controller Area Network) 통신을 통한 버스 형태의 시스템 구성이 가능하며 RS232를 추가적으로 지원하여 하드웨어 호환성을 높이는 인휠 모터 및 이의 게인 튜닝 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 통신 라인을 통해 내부의 상태 정보(속도, 전류, 전압, 온도)를 전송하는 것을 가능하게 하는 인휠 모터 및 이의 게인 튜닝 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 기구적으로 복잡하지 않으면서도 공간을 컴팩트하게 구성하는 인휠 모터 및 이의 게인 튜닝 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 초속 1cm/s 내지 200cm/s 범위내에서 저속 정속 제어가 가능한 바퀴, 모터, 감속기 및 제어기가 일체화된 인휠 모터를 제공한다.
상기 인휠 모터는, 바퀴와, 상기 바퀴의 내측에 설치되는 모터와, 상기 모터와 조립되는 기어 박스와, 상기 기어 박스의 상단에 조립되는 샤프트를 갖는 인휠 모터에 있어서,
상기 모터의 출력 회전축에 부착되는 위치 검출 센서; 및
상기 기어 박스의 상단 일측에 설치되어 상기 위치 검출 센서를 지지하는 홀더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인휠 모터이다.
이때, 상기 샤프트의 내측에 배치되어 상기 위치 검출 센서의 위치에 따른 상기 모터의 회전량을 검출하는 위치 검출 회로 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 위치 검출 센서는 광센서 방식 또는 마그네틱 방식인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 샤프트에 배치되어 상기 위치 검출 회로 기판과 전기적으로 연결되는 제어기 회로 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제어기 회로 기판은 CAN 통신을 이용하여 외부 상위 제어기와 통신하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제어기 회로 기판은 정속 제어 모드, 정전류 제어 모드, 및 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 모드 중 어느 하나를 실행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제어기 회로 기판은 부하조건에 따라 게인의 초기값을 자동으로 탐색할 수 있는 오토 게인 튜닝(Auto Gain Tunning)을 실행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제어기 회로 기판은 추가적으로 RS232 통신을 이용하여 외부 상위 제어기와 통신하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 인휠모터가 특정 대상물에 설치됨에 따라 상위 제어기가 부하조건을 확인하는 단계; 부하조건이 확인됨에 따라 상기 상위 제어기가 게인 튜닝 시작 명령을 상기 인휠 모터에 송신하는 단계; 상기 인휠 모터가 미리 설정된 시간 동안 초기 게인값을 탐색하는 오토 게인 튜닝을 수행하는 단계; 상기 인휠 모터가 게인 튜닝이 완료됨에 따라 게인 튜닝 완료 시그널을 상기 상위 제어기에 송신하는 단계; 및 상기 인휠 모터가 탐색된 초기 게인값을 설정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인휠 모터의 게인 튜닝 방법을 제공한다.
이때, 상기 상위 제어기는 정속 제어 모드, 정전류 제어 모드, 및 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 모드 중 어느 하나로 상기 인휠 모터를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 위치 검출 센서를 내장한 위치 검출 PCB(Printed Circuit Board)를 고정축(샤프트) 내부에 배치함으로써 저속 정속 제어가 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 외부 상위 제어기와 CAN(Controller Area Network) 통신 및 RS232 통신이 가능하므로 하드웨어 호환성을 높일 수 있으며 내부의 상태정보를 전송할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 내장 제어기를 인휠 모터에 구성함으로써 정속, 정전류, PWM 모드 지원, 각종 파라미터 설정 및 자동 게인 튜닝이 가능하는 스마트 기능이 구현될 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 바퀴, 모터, 감속기 및 제어기가 일체화되므로 인휠 모터가 적용되는 장치를 기구적으로 복잡하지 않으면서도 공간을 컴팩트하게 구성하는 것이 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 인휠 모터 차량의 구동력 제어 시스템을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인휠 모터(200)의 분해 사시도이다.
도 3은 도 3에 도시된 인휠 모터(200)의 구성중 위치 검출 마그넷(250), 위치 검출 PCB(256), 샤프트(231) 및 메인 제어기(260) 부분을 확대하여 보여주는 부분 확대 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 인휠 모터(200)가 조립된 상태의 외관 사시도이다.
도 5는 도 4에서 인휠 모터(200)를 X-X'축으로 절개한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 오토 게인 튜닝(Auto Gain Tunning)의 개념을 보여주는 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 상위 제어기(610)에 따른 제어 모드를 나타내는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 인휠 모터(200)의 오토 게인 튜닝 과정을 보여주는 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 인휠 모터 및 이의 제어 장치를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인휠 모터(200)의 분해 사시도이다. 도 2를 참조하면, 상기 인휠 모터(200)는, 대분류로 보면, 바퀴(210), 상기 바퀴(210)의 내측에 설치되는 모터(240), 상기 모터(240)와 조립되는 기어 박스(230), 상기 기어 박스(230)의 상단에 조립되는 샤프트(231) 등을 포함하여 구성된다.
바퀴(210)측에는 바퀴(210)의 바깥쪽을 덮는 바깥 바퀴 커버(211)와, 바퀴(210)의 안쪽을 덮는 안쪽 바퀴 커버(213), 바퀴(210)의 바깥쪽에 설치되는 제 1 베어링(220), 바퀴(210)의 안쪽에 설치되는 제 2 베어링(270), 이러한 제 2 베어링(270)을 덮는 베어링 커버(271) 등이 구성된다.
모터(240)는 기어 박스(230)와 직접 연결되어 모터(240)의 구동에 따라 기어박스(230)가 구동하여 바퀴(210)를 회전시키게 된다. 일반적으로 모터(240)는 DC(Direct Current) 모터가 주로 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니며, 교류 유도형 모터, 교류 동기형 모터 등도 가능하다.
물론, 기어 박스(230)는 모터(240)의 출력 회전축(230-1)에 결합되며, 이 출력 회전축(230-1)에 위치 검출 마그넷(250)이 부착되며, 이러한 위치 검출 마그넷(250)이 출력 회전축(230-1)에 고정 지지되도록 홀더(251)가 구성된다. 이 홀더(251)는 기어 박스(230)의 상단면 중앙에 설치된다.
도 2에서는 위치 검출 마그넷(250)이 사용되는 것으로 도시하였으나, 이러한 마그네틱 방식에 한정되는 것은 아니며, 광센서 방식 등도 가능하다.
이러한 위치 검출 마그넷(250)의 위치를 검출하기 위해 위치 검출 회로 기판(253)이 구성된다. 이 위치 검출 회로 기판(253)은 샤프트(231)의 하단면 내측 일측에 배치되므로 별도의 공간을 추가하지 않고도 모터 위치 검출 시스템을 구성하는 것도 가능하다.
위치 검출 회로 기판(253)에는 위치 검출 센서(미도시)가 탑재되며, 위치 검출 마그넷(250)이 회전함에 따라 모터(240)의 회전량을 검출하는 기능을 수행한다.
위치 검출 회로 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이러한 샤프트(231)는 기어 박스(230)와 체결 조립된다. 또한, 이 샤프트(231)에는 제어기 회로 기판(260)이 조립 체결된다.
제어기 회로 기판(260)에는 정속, 정전류, PWM(Pulse Width Modulation) 제어 모드 지원, 각종 파라미터 설정 및/또는 자동 게인 튜닝 등의 스마트 기능이 탑재될 수 있다.
또한, 제어기 회로 기판(260)에는 통신 회로(미도시)가 구성되어, 외부 상위 제어기와 CAN(Controller Area Network) 통신을 통한 버스 형태의 시스템 구성이 가능하다. 또한, RS232 통신을 추가적으로 지원하여 하드웨어 호환성을 높인다. 부연하면, 일반적인 CAN 통신 기반의 모터 드라이버의 경우 정속, 정전류는 대부분 지원 하지만 PWM 모드를 지원하지 못한다. 따라서, RS232를 사용함으로써 PWM 모드를 지원하여 상위 제어기에서 정속 또는 정전류 제어가 가능하게 된다.
물론, 이러한 통신 라인을 통하여 제어기 회로 기판(260)은 내부의 상태 정보(속도, 전류, 전압, 온도 등을 들 수 있음)를 상위 제어기(미도시)에 전송하고, 상위 제어기로부터 제어 신호 및 데이터 등을 송신받을 수 있다. 또한, 모터(240)의 구동을 제어한다.
또한, 제어기 회로 기판(260)은 공장값 초기화를 위한 리셋 기능을 갖는다. 공장값 초기화를 위한 리셋은 제어기 회로 기판(260)에서 소프트웨어적으로 실행될 수 있고, 특정 버튼 또는 스위치를 구성하여 구현하는 것도 가능하다.
또한, 상기 제어기 회로 기판(260)은 부하조건에 따라 게인의 초기값을 자동으로 탐색할 수 있는 오토 게인 튜닝(Auto Gain tunning)을 실행한다.
물론, 이를 위해 제어기 회로 기판(260)에는 마이크로프로세서, 메모리 등이 구성되어 오토 게인 튜닝을 실행하는 알고리즘을 위한 프로그램, 데이터 등이 저장된다.
기어 박스(230) 측에는 기어(233)가 구성되며, 이 기어(233)는 샤프트(231)를 외삽하여 기억 박스(230)와 체결 조립된다.
도 3은 도 3에 도시된 인휠 모터(200)의 구성중 위치 검출 마그넷(250), 위치 검출 PCB(256), 샤프트(231) 및 메인 제어기(260) 부분을 확대하여 보여주는 부분 확대 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 인휠 모터(200)가 조립된 상태의 외관 사시도이다.
도 5는 도 4에서 인휠 모터(200)를 X-X'축으로 절개한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 오토 게인 튜닝(Auto Gain Tunning)의 개념을 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 로봇(600)의 제 1 바퀴 구동부(601)에 인휠 모터(200)가 설치된 상태에서, 변경된 제 2 바퀴 구동부(602)에 인휠 모터(200)가 설치된 상태를 보여준다. 물론, 인휠 모터(200)와 상위 제어기(610)는 통신 라인(620)으로 연결된다.
도 6에서는 로봇(600)을 예로 들었으나, 이에 한정되는 것은 아니며 전기 자동차, 전기 자전거, 청소기, 전동 휠체어 등에도 인훨 모터(200)가 적용될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 부하 조건이 다른 설치 대상에 인휠 모터(200)를 설치하는 경우 부하 조건에 따라 적절하게 정속 및/또는 정전류를 위한 게인(gain)을 튜닝해야 한다.
부연하면, 인휠 모터(200)가 부착되는 시스템의 하중이나 적용 환경에 따른 부하조건에 따라 적절한 게인의 초기값을 자동으로 탐색할 수 있는 Auto gain tunning 기능이 내장된다. 이러한 오토 게인 튜닝 기능은 PC 프로그램 없이 단독으로도 작동이 가능하다.
도 7은 도 6에 도시된 상위 제어기(610)에 따른 제어 모드를 나타내는 개념도이다. 도 7을 참조하면, 상위 제어기(610)는 외부 상위 제어기로서, 3가지 제어 모드(710,720,730)를 제공한다. 3가지 제어 모드는 다음과 같다.
① 정속도 제어 모드: 최저 1cm/sec ~ 최대 200cm/sec로 제어 가능
② 정전류 제어 모드: 최대 10A까지 오차 0.1A 이내 전류 제어 가능
③ PWM 제어 모드 : 내부 제어 기능을 사용하지 않고 외부 제어기를 사용하는 경우 제어기 회로 기판(도 2의 260)을 모터 드라이버처럼 활용할 수 있음.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 인휠 모터(200)의 오토 게인 튜닝 과정을 보여주는 순서도이다. 도 8을 참조하면, 인휠 모터(200)가 특정 대상물에 설치됨에 따라 상위 제어기(610)가 부하조건을 확인한다(단계 S810).
부하조건이 변동된 것으로 확인됨에 따라 상기 상위 제어기(610)가 게인 튜닝 시작 명령을 상기 인휠 모터(200)에 송신한다(단계 S820).
게인 튜닝 시작 명령을 수신함에 따라 상기 인휠 모터(200)가 미리 설정된 시간 동안 초기 게인값을 탐색하는 오토 게인 튜닝을 수행한다(단계 S830).
상기 인휠 모터(200)가 게인 튜닝이 완료됨에 따라 게인 튜닝 완료 시그널을 상기 상위 제어기(610)에 송신하고, 상기 인휠 모터(200)가 탐색된 초기 게인값을 설정한다(단계 S840,S850).
200: 인휠 모터 210: 바퀴
211: 바깥 바퀴 커버 213: 안쪽 바퀴 커버
220: 제 1 베어링 230: 기어 박스
231: 샤프트 240: 모터
250: 위치 검출 마그넷 251: 홀더
253: 위치 검출 회로 기판 260: 제어기 회로 기판
270: 제 2 베어링
601: 제 1 바퀴 구동부 602: 제 2 바퀴 구동부
620: 통신 라인

Claims (10)

  1. 바퀴와, 상기 바퀴의 내측에 설치되는 모터와, 상기 모터와 조립되는 기어 박스와, 상기 기어 박스의 상단에 조립되는 샤프트를 갖는 인휠 모터에 있어서,
    상기 모터의 출력 회전축에 부착되는 위치 검출 센서; 및
    상기 기어 박스의 상단 일측에 설치되어 상기 위치 검출 센서를 지지하는 홀더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인휠 모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤프트의 내측에 배치되어 상기 위치 검출 센서의 위치에 따른 상기 모터의 회전량을 검출하는 위치 검출 회로 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인휠 모터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 위치 검출 센서는 광센서 방식 또는 마그네틱 방식인 것을 특징으로 하는 인휠 모터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤프트에 배치되어 상기 위치 검출 회로 기판과 전기적으로 연결되는 제어기 회로 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인휠 모터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어기 회로 기판은 CAN 통신을 이용하여 외부 상위 제어기와 통신하는 것을 특징으로 하는 인휠 모터.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어기 회로 기판은 정속 제어 모드, 정전류 제어 모드, 및 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 모드 중 어느 하나를 실행하는 것을 특징으로 하는 인휠 모터.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어기 회로 기판은 부하조건에 따라 게인의 초기값을 자동으로 탐색할 수 있는 오토 게인 튜닝(Auto Gain tunning)을 실행하는 것을 특징으로 하는 인휠 모터.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어기 회로 기판은 추가적으로 RS232 통신을 이용하여 외부 상위 제어기와 통신하는 것을 특징으로 하는 인휠 모터.
  9. 인휠모터가 특정 대상물에 설치됨에 따라 상위 제어기가 부하조건을 확인하는 단계;
    부하조건이 확인됨에 따라 상기 상위 제어기가 게인 튜닝 시작 명령을 상기 인휠 모터에 송신하는 단계;
    상기 인휠 모터가 미리 설정된 시간 동안 초기 게인값을 탐색하는 오토 게인 튜닝을 수행하는 단계;
    상기 인휠 모터가 게인 튜닝이 완료됨에 따라 게인 튜닝 완료 시그널을 상기 상위 제어기에 송신하는 단계; 및
    상기 인휠 모터가 탐색된 초기 게인값을 설정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 인휠 모터의 게인 튜닝 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 상위 제어기는 정속 제어 모드, 정전류 제어 모드, 및 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 모드 중 어느 하나로 상기 인휠 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 인휠 모터의 게인 튜닝 방법.
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