서보모터(Servo Motor) 제어 알고리즘

2023년 01월 11일2025년 01월 12일 acusys

**서보모터(Servo Motor)**는 위치, 속도, 그리고 가속도를 정밀하게 제어하는 데 사용되는 모터로, 피드백 제어 시스템을 활용해 목표 위치에 정확히 도달할 수 있습니다. 서보모터 제어 알고리즘은 주로 **폐루프 제어(Closed-Loop Control)**를 기반으로 설계되며, 제어 방식은 응용 분야에 따라 다양합니다.

1. 서보모터의 작동 원리

서보모터는 다음의 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다:

모터: 일반적으로 DC 또는 BLDC 모터가 사용됨.
드라이버 회로: 모터에 전력을 공급하고 제어 신호를 전달.
피드백 센서: 엔코더 또는 포텐셔미터를 사용하여 위치 및 속도를 측정.
제어기(Controller): 목표값과 피드백 값을 비교하여 오차를 최소화하는 제어 신호를 생성.

2. 서보모터 제어의 주요 변수

위치(Position):
- 목표 위치(각도 또는 선형 거리)를 제어.
속도(Speed):
- 목표 위치로 이동하는 속도를 제어.
토크(Torque):
- 부하에 따른 힘을 제어.

3. 서보모터 제어 알고리즘

(1) Open-Loop Control (개루프 제어)

피드백 없이 입력 신호에 따라 모터를 제어.
PWM 신호로 모터를 구동하지만, 부하나 외부 간섭이 있는 경우 정확도 낮음.
단순한 애플리케이션(예: RC 서보모터)에 사용.

단점:

부하 변화에 민감하여 위치 오차가 발생.

(2) Closed-Loop Control (폐루프 제어)

피드백 센서를 사용해 목표값과 현재값 간의 오차를 보정.
정밀한 위치 및 속도 제어가 가능.

주요 알고리즘:

1. 비례 제어 (P Control)

오차에 비례하여 제어 신호를 생성: $u(t) = K_p \cdot e(t)$
- $K_p$ : 비례 게인.
- $e(t) = \text{목표값} – \text{현재값}$ .

장점:

간단한 구현.
응답 속도 빠름.

단점:

위치 오차가 남을 수 있음(정상 상태 오차).

2. PI 제어 (Proportional-Integral Control)

비례 제어에 적분 동작을 추가하여 오차를 제거: $u(t) = K_p \cdot e(t) + K_i \cdot \int e(t) dt$
- $K_i$ : 적분 게인.

장점:

정상 상태 오차 제거.
안정적 제어.

단점:

응답 속도가 느려질 수 있음.

3. PID 제어 (Proportional-Integral-Derivative Control)

비례, 적분, 미분 제어를 결합하여 정밀한 제어: $u(t) = K_p \cdot e(t) + K_i \cdot \int e(t) dt + K_d \cdot \frac{d e(t)}{dt}$
- $K_d$ : 미분 게인.

장점:

빠른 응답과 안정적인 제어.
오버슈트(OverShoot) 방지.

단점:

매개변수 조정이 복잡.

4. 모델 예측 제어 (Model Predictive Control, MPC)

시스템 모델을 기반으로 미래의 동작을 예측하여 제어.
고정밀 제어가 필요한 경우 사용.

장점:

복잡한 동작을 정밀하게 제어 가능.

단점:

높은 계산량.

(3) 속도 제어 알고리즘

목표 속도를 설정하고 현재 속도와의 차이를 보정하여 동작.
PWM 듀티 사이클을 조정하여 속도를 제어.

(4) 위치 제어 알고리즘

목표 위치로 정확히 이동시키기 위해 폐루프 제어를 사용.
PID 제어를 활용하여 목표 위치에 도달.

4. 서보모터 제어 신호 생성

1. PWM 신호

대부분의 서보모터는 PWM 신호로 제어:
- 일반적인 PWM 주파수: 50Hz (20ms 주기).
- 펄스 폭(High 상태):
  - 1ms: 최소 위치.
  - 1.5ms: 중간 위치.
  - 2ms: 최대 위치.

5. 서보모터 제어 코드 예제

(1) PWM을 활용한 서보 제어 (C 언어)

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

void PWM_Init() {
    // 타이머1 초기화 (Fast PWM 모드, 분주율 64)
    TCCR1A = (1 << WGM11) | (1 << COM1A1);
    TCCR1B = (1 << WGM13) | (1 << WGM12) | (1 << CS11) | (1 << CS10);
    ICR1 = 19999; // 50Hz (20ms 주기)
    DDRB |= (1 << PB1); // PB1 출력 설정
}

void Servo_SetAngle(int angle) {
    int pulse_width = (int)(1000 + (angle * 1000 / 180)); // 각도를 1~2ms로 변환
    OCR1A = pulse_width; // PWM 듀티 사이클 설정
}

int main() {
    PWM_Init();
    while (1) {
        Servo_SetAngle(0);    // 0도
        _delay_ms(1000);
        Servo_SetAngle(90);   // 90도
        _delay_ms(1000);
        Servo_SetAngle(180);  // 180도
        _delay_ms(1000);
    }
}

(2) PID 제어 기반 서보 제어 (Python)

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# GPIO 핀 설정
SERVO_PIN = 18
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(SERVO_PIN, GPIO.OUT)

# PWM 생성
pwm = GPIO.PWM(SERVO_PIN, 50)  # 50Hz
pwm.start(0)

# PID 제어 변수
Kp = 1.0
Ki = 0.1
Kd = 0.05
error_sum = 0
prev_error = 0

def pid_control(target, current):
    global error_sum, prev_error
    error = target - current
    error_sum += error
    d_error = error - prev_error
    control = Kp * error + Ki * error_sum + Kd * d_error
    prev_error = error
    return control

def set_angle(angle):
    duty = 2 + (angle / 18)  # 0도 = 2%, 180도 = 12%
    pwm.ChangeDutyCycle(duty)

try:
    current_angle = 0
    target_angle = 90

    while True:
        control = pid_control(target_angle, current_angle)
        current_angle += control
        set_angle(current_angle)
        time.sleep(0.1)

except KeyboardInterrupt:
    pwm.stop()
    GPIO.cleanup()

6. 서보모터 제어 알고리즘 선택 기준

요소	Open-Loop Control	PID Control	MPC
정밀도	낮음	높음	매우 높음
응답 속도	빠름	중간	느림 (복잡한 계산)
구현 난이도	낮음	중간	높음
응용 사례	간단한 서보 제어	일반적인 서보 제어	고급 로봇 및 산업 장비

7. 요약

서보모터 제어 알고리즘은 오픈 루프 제어와 폐루프 제어로 나뉘며, 폐루프 제어에서는 PID 제어가 가장 널리 사용됩니다. PWM 신호를 활용하여 간단한 위치 제어를 수행할 수 있으며, 고급 애플리케이션에서는 모델 기반 제어나 센서리스 방식이 활용됩니다.

애플리케이션의 정밀도, 응답 속도, 구현 난이도에 따라 적합한 알고리즘을 선택하면 됩니다.

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