한밭대학교 창의융합학과 김석균 교수.

국립 한밭대학교(총장 오용준)는 창의융합학과 김석균 교수 연구팀이 지능형 서보모터 속도 동기화 제어기술을 개발하여 미국 전기기술연합회(IEEE)가 출간하는 학술지 ‘IEEE Transactions on Industrial Electronics’에 논문을 게재했다고 밝혔다.

이번 연구의 주요 특징은 전류 센서를 가속도 추정 알고리즘으로 대체하고, 피드백 루프 지능화 기술을 탑재한 능동형 영-극점 상쇄 속도 동기화 제어기술 개발이다.

서보모터를 구동시키는데 필요한 전류 센서는 외란에 민감하고 가격이 비싸며 소프트웨어 설정 과정에 인력과 시간이 많이 소모된다는 단점이 있고, 저렴한 센서로 대체 시 측정 정밀도 하락으로 제어 성능이 나빠진다.

센서에는 서보모터 운동 방정식을 활용한 전류 추정 기술(Luenberger Observer)이 존재하며 산업계에서도 도입되고 있으나 이상적인 성능 보장을 위해 이득 데이터베이스와 검색 과정이 필요하며, 이는 많은 인력과 시간 그리고 프로세서에 많은 연산량을 요구한다.

김 교수 연구팀은 가속도가 전류량을 대체가능 하다는 사실에 기반하여 가상 입력에 대한 영-극점 상쇄형 가속도 추정 기술을 고안해 냈으며, 이 기술은 운동 방정식 의존성을 제거하고 이득 데이터베이스 없이 균일한 추정 성능을 보장하는 점을 실험을 통해 검증했다.

또한, 고성능 속도 동기화 성능 보장을 위해 높은 폐쇄루프 이득이 필요하지만 상대 안정도를 떨어뜨리는 단점을 해결하기 위해 연구팀은 단순한 1차 미분 방정식을 풀어 폐쇄루프 이득을 가변하는 지능형 기술을 개발했으며, 이는 고성능 보장과 상대 안정도 유지를 모두 가능하게 했다.

그리고, 능동 댐핑 기술을 도입하고 내부 가속도 폐쇄루프 이득 구조를 비선형화하여 영-극점 상쇄를 유발해 불필요한 오버/언더슈트 현상을 제거하는 동시에 원하는 고성능을 보장하면서 성능 튜닝과정 복잡도를 낮췄다.

김 교수 연구팀은 이번 연구를 위해 NI社 myRIO1900 프로세서와 Quenser社 Qube-servo2 모터 3세트를 활용하여 속도 동기화 실험을 위한 하드웨어를 구축했고, LabVIEW와 MATLAB을 사용하여 개발한 제어 및 추정 기술을 구현한 실험을 통해 기존 기술들과의 비교 성능 우위를 검증했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 개인기초연구사업과 교육부 중점연구소사업의 지원을 받았고, 고려대학교 연구그룹과의 협업을 통해 이룬 결과로 향후 이를 확장하여 한밭대학교 창의융합학과의 우수한 학석사 R&D 인력 배출에도 기여할 것으로 기대된다.
 

국제학술지 게재 논문.