Fig. 14 In-process wire spool diameter measurement
모터축 관성부하의 변동에 따라 제어게인을 조절하는 적응제어기법을 사용하 기로 하였으므로, 섬유 장력 제어 중에 와이어 스풀의 크기를 측정하는 방법이 필요하다.
이를 위해서는 Fig. 14에서 모터의 1회전당 실제 와이어의 이동거리를 측정하 여 스풀의 원주거리를 측정하고 이를 통해서 스풀 지름을 구하는 방법을 사용 한다. 와이어가 공급되는 경로상에 센싱롤러를 설치하고 롤러의 회전량을 로터 리엔코더로 측정하기로 한다. 이 센싱롤러의 회전량은 실제 와이어가 지나간 양에 비례한다. 한편 동시에 모터축의 회전량도 모터에 장착되어있는 회전엔코 더를 통해 측정하는 것이 가능하다.
본 연구에서는 모터의 1회전량을 검출하고, 동시에 모터 1회전 동안의 센싱
다. 센싱롤러의 엔코더 분해능과 직경을 미리 알고 있으므로 스풀의 직경은 간 단히 측정 가능하다.
와이어 엔코더의 1회전당 펄스수를 , 모터 1회전 하는동안 검출된 와이어 엔코더의 펄수 수를 , 와이어 센싱롤러의 직경을 라고 하면 스풀 직경,
는 식 (3)과 같이 계산할 수 있다.
× (3)
이와 같은 적응제어기능을 가진 장력 장치를 이용함으로써 종전의 시스템에서 불안한 제어요소를 제거함과 동시에 섬유의 장력 제어를 보다 안정적으로 제어 할 수가 있는 실험을 진행하고자 한다.
제 3 장 실험 방법
3.1 장력 제어 시스템 실험장치
본 연구의 실험장치는 Fig. 15와 같이 서보모터 및 드라이브, 엔코더, 컨트롤 러, 조작판넬로 구성되어 있으며, 로드셀 검출 방식은 센싱바 롤러을 이용하였 다. 장치구성을 살펴보면 서보 모터축에 스풀을 고정 하기위한 에어척이 있으 며, 섬유의 급격한 변화를 완화시키는 완충장치를 만들어 주기 위하여 실린더 및 스프링을 이용한 뎀퍼 장치와 섬유가 지나는 경로에 롤러를 이용하고 롤러 의 재질은 아세탈, 테프론 및 AL6061을 사용하였다. Fig. 15는 Wire의 속도를 측정하는 엔코더가 장착된 모습이다. 롤러는 Wire가 지나갈 때 보풀(Fuzzy)이 적게 생기도록 테프론으로 제작하여 사용하였다. Fig. 16은 Spool에서 나온 Wire의 경로 및 완충장치을 나타낸 모습인데 Spool을 고정하는 방법은 에어척 에 에어를 주입하여 부풀려 Spool 내경을 잡을 수 있도록 되어 있으며, Wire의 사용으로 빈 지관만 남을 때는 에어척 앞쪽 버튼을 눌러 에어를 빼면 지관을 교체할 수 있는 구조로 제작·설치되었다.
Fig. 15 Experimental setup
Fig. 16 Detailed view of Encoder block & tension mechanism
실험장치 제작에 사용된 부품 사양은 Table 1과 같다.
Table 1 Specification of parts
N0. Part name Specification Maker 1 Servo Motor FE06M 600W/1000RPM LS Mechapion 2 Load Cell BCL-20 20kgf/2.0mV/V CAS loadcell 3 Encoder E40SB-100-6 100Pluse Autonics 4 Controller ServoCon 50MIPS, 12bit AD Hybrid Precision 5 Control Panel PTC-24, R19 100MIPS, 8bit PICO Industry
섬유의 재료는 직경 ∅200의 탄소섬유 및 ∅85 케블라섬유가 적용되었고, 섬 유를 감는 장치는 4축 제어 와인더가 적용되었다. 와인더의 콘트롤러는 Pmac 社의 4축 Real Time Controller로 가·감속 Motion을 만들어 실험하였다. 또한, 실험데이터를 확보하기 위하여, RIGOL 社의 DS1052E 오실로스코프를 활용하 며, PC에 저장을 위하여 12bit A/D 변환기를 같이 사용하였으며 모터 드라이브 에 공급하는 전원은 단상 220V를 공급하였다.
Adaptive PID Servo Control 역할을 하는 SercoCon의 블록도는 Fig. 17과 같 다.
Fig. 17 Block Diagram of Servo Controller
서보 콘트롤러 보드의 중앙처리장치(MCU)는 Intel 8051의 구조를 가진 Silabs 社의 C8051F410을 이용하였다. MCU의 최대 처리 속도는 약 50 정 도이다.
장력을 측정하는 로드셀은 측정범위안에서 변화가 매우 미약하기 때문에 이 를 효과적으로 측정하기 위해 전용의 스트레인 앰프를 이용하였다. 스트레인 앰프의 출력은 장력 값에 따라 0~10V가 되도록 조정하였다. 스트레인 앰프의 출력 전압은 서보 콘트롤러 보드의 아날로그 입력단자로 보내지고, 12bit A/D 변환기를 거쳐 디지털 값으로 변환된다.
와이어의 이송량을 측정하는 센싱롤러에 부착된 로터리엔코더와 서보모터의
로터리엔코더에서 출력되는 전기신호는 각각 90도의 전기적 위상각을 갖는 A/B 상의 두 개의 디지털 펄스신호인데, 각각의 신호는 다시 두가닥의 전선을 이용 하여 차등신호의 형태로 출력된다. 이러한 신호를 MCU에 보내기 위해 Line Receiver 회로를 사용하여 단일신호로 만들고 이들을 MCU의 인터럽트 신호선 에 입력하여 고속 카운팅이 가능하도록 한다.
MCU는 상위 콘트롤러와 통신을 하기 위해 내장되어있는 비동기통신기능 (UART)의 통신선을 RS485 전기신호로 변환시켜 양방향 통신이 가능하게 한다.
RS485 통신을 채택한 이유는 하나의 상위콘트롤러를 이용하여 다수의 서보 콘 트롤러와 통신이 가능하도록 작은 네트워크를 구성하기 위해서이다. 상위 콘트 롤러로부터의 명령 값과 아날로그 입력, 그리고 엔코더 입력으로부터 서보 제 어기의 출력 값이 계산되면 그 결과는 MCU에 내장되어 있는 D/A 변환기를 이 용하여 아날로그 전압으로 출력한다. MCU로부터 출력되는 아날로그 전압은 0~1V 사이이며, 이를 -10V ~ +10V의 출력값으로 변환하기 위해 다시 아날로그 증폭기를 이용한다. 이러한 아날로그 출력전압은 서보 드라이버를 제어하기 위 한 다른 신호들과 함께 서보드라이버의 입출력단자로 보내진다.
3.2 실험조건 및 방법
본연구의 실험 조건은 Table 2와 같다.
첫 번째는 Spool의 크기를 최소 85 와 최대 200을 기준으로 한다.
두 번째는 와이어 속도를 1 , 2 , 3 3가지 기준을 둔다.
세 번째는 와이어의 가속시간을 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 5가지 기준을 둔다.
네 번째는 와이어의 장력값은 2 , 과 4 2가지로 실험한다.
Table 2 Experimental parameters and conditions
No. Parameters conditions Remarks
1 Spool size = 200 : Max. spool diameter
: Min. spool diameter
= 85
2 Wire Speed
1
2
3
3 Wire Acceleration time
0.5 0.4 0.2 0.1 4 Tension
2 4
본 실험에서 나타내는 변수의 기호는 다음과 같다.
: 비례계인
: 적분게인
: 미분게인
: 스풀 직경
: 서보제어기 출력전압
: Motor
: 서보모터 회전축에 부착된 섬유 스풀의 회전관성모멘트
: 적분요소
: 섬유 스풀(모터 회전축)의 각가속도
: 섬유 스풀(모터 회전축)의 각속도,
본 장에서 기술한 실험장치 및 실험 조건에 따라 다음과 같은 관점에서 장력 기 제어 실험 결과를 고찰하고자 한다.
(a) 와이어 속도에 따른 장력 제어 특성의 변화 (b) 가속도의 변화에 따른 제어 특성의 변화 (c) 설정 장력에 따른 제어 응답의 변화 (d) 제어 게인에 따른 제어 특성의 변화 (e) Spool Size에 따른 모터 제어 신호의 변화 (f) Spool Size에 따른 제어 특성
(g) Spool Size에 따른 최적 게인의 변화 (h) 실시간 Spool크기 측정 실험
제 4 장 실험 결과
4.1 와이어 속도에 따른 장력 제어 특성의 변화
Fig. 18과 Fig. 19는 각각 스풀 직경 85, 제어게인 =100, 와이어 가·감 속 시간 0.5 설정 장력 2 의 제어 실험 결과를 나타낸다. 각각의 그림 중 상단은 와이어의 속도 그래프, 중간은 와이어의 장력 값을 나타내며, 하단은 서 보 제어기가 출력한 제어 전압의 값을 나타낸다. Fig. 18은 와이어 속도 1
의 제어 실험 그래프이다. 그림에서 와이어의 장력은 가속이 끝난 1.5 ~ 2.5 사이에서 약간의 흔들림을 나타내고 있으나 시간이 지나 와이어 장력의 흔들림 이 줄어드는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상은 와이어 진행이 멈추는 4.5 ~ 5.5
사이에서도 나타남을 볼 수 있다. 즉 제어 시스템의 입력에 변화가 발생하여 도 시간이 흐름에 따라 진동이 감쇠함을 알 수 있다. Fig. 19는 동일한 시스템 에 와이어 속도 3 의 제어를 수행한 결과이다. 동일한 가속시간에 더 높은 속도로 와이어를 이동시킴에 따라 와이어 가속구간 및 감속 구간에 약간의 오 버슈트(over shoot)와 언더슈트(under shoot)가 발생함을 볼 수 있다. 그러나 와 이어가 주행 중에 장력이 높은 주파수의 흔들림이 나타나는 것을 알 수 있다.
이러한 와이어 주행 속도의 차이에 따른 장력의 흔들림의 특성은 주로 스풀 의 편차에 기인하는 경향이 있다. 즉 와이어가 스풀에서 풀릴 때 스풀의 편차 에 따른 와이어 풀림 속도의 차이가 장력의 편차로 나타나며, 특히 스풀의 회 전속도가 빠를수록 장력의 편차가 고주파의 특성을 가지면서 더욱 큰 값으로 나타나게 된다.
Fig. 18 Experimental result of wire speed 1
(=85, =100, =0.5, =2 )
Fig. 19 Experimental result of wire speed 3
4.2 가속도의 변화에 따른 제어 특성의 변화
Fig. 20과 Fig. 21는 각각 스풀 직경 85 , 제어게인 =100, 와이어 주행 속도 2 , 설정 장력 2 의 제어 실험 결과를 나타낸다.
Fig. 20은 와이어의 가속시간을 0.4로 하여 와이어를 주행시켰을때의 제어 실험 결과를 나타낸다. 가속시간 중에 장력값에는 비교적 작은 값의 오버슈트 가 관측된다. 와이어의 가속도가 약 5 정도가 되며, 이는 비교적 낮은 가 속도로 사료된다. 그러나 와이어 정속 주행 중에는 앞의 실험 결과와 같이 스 풀 불균일에 기인한 장력의 흔들림이 관측된다.
Fig. 21는 동일 조건에서 가속시간 0.1로 와이어를 주행시켰을 때의 제어 실 험 결과이다. 와이어의 가속도는 약 20 에 해당하며, 가속 및 감속 시간 중에 장력 값에 비교적 큰 오버슈트가 관측되고 있다. 컨트롤러의 출력 전압도 이러한 오버슈트를 제거하기 위해 비교적 큰 변화를 보이고 있음을 알 수 있 다.
Fig. 20 Experimental result of wire acceleration time =0.4 (=85, =100, =2m/s, =2 )
Fig. 21 Experimental result of wire acceleration time =0.1
4.3 설정 장력에 따른 제어 응답의 변화
Fig. 22와 Fig. 23은 각각 스풀 직경 200 , 제어게인 =600, 와이어 주행 속도 2 , 가속시간 0.4 의 제어 실험 결과를 나타낸다.
Fig. 22는 제어 장력을 2 로 하였을 때의 제어 실험 결과이며, Fig. 23은 제어 장력을 4 로 하였을 때의 제어 실험 결과이다. 동일한 와이어 가·감 속 시간 및 주행속도이므로 가속 및 감속시간에 비교적 유사한 제어 특성을 가 지는 것을 볼 수 있다. 그러나 와이어의 정속 주행중에는 제어 장력이 큰 쪽의 장력 값이 상대적으로 안정되어 있음을 볼 수 있다.
와이어 장력이 높을수록 장력의 흔들림이 적은 것은 상대적으로 큰 장력이 기구부에 미치는 힘이 커지므로 각 기구부의 베어링 등에 미치는 마찰력이 증 가하여 시스템이 상대적으로 안정되고, 와이어와 가이드 롤러 사이에도 마찰력 이 증가하여 전체적인 시스템 감쇠계수가 증가한 때문으로 사료된다.