모터 – 하모닉 드라이브 시스템 기반 다이나모미터 및 토크 제어 알고리즘 개발 = Development of Dynamometer Composed of Motor – Harmonic Drive System and Torque Control Algorithm

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 다이나모미터 시스템을 대상으로 한 모델 기반 최적 토크 제어 기법을 제안하고, 모델 기반 제어기 설계와 실제 하드웨어 실험을 통해 그 유효성을 검증한다. 다이나모미터 구동기는 모터 – 하모닉 드라이브 시스템으로 구성되며, 감속기의 유연성과 비선형 마찰, 그리고 토크 센서의 잡음 특성으로 인해 정밀 토크 제어가 어려운 특성을 가진다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 시스템 모델링부터 제어기 설계, 센서 신호 보정 및 노이즈 저감 방법까지 통합적으로 접근하였다.
우선 모터 – 하모닉 드라이브 시스템의 구조를 분석하고, 감속기 강성 및 토크 전달 특성을 고려한 등가 모델을 도출하였다. 또한 토크 센서의 동특성을 반영한 모델을 구성하여 전체 시스템을 단일 블록 선도로 통합하였다. 다음으로 토크 제어를 위한 제어 알고리즘으로 적분 제어를 설계했고, 이때 시스템의 극점을 결정하는 이득 값을 LQR(linear quadratic regulator)을 기반으로 설계하였다. 적분 상태를 포함한 확장 상태공간 모델을 사용함으로써 정상상태 오차를 제거할 수 있음을 이론적으로 보였으며, LQR 가중치를 조정하여 제어 입력 사용량과 응답 특성 간의 균형을 최적화하였다.
모의 실험 장에서는 비선형 Stribeck 마찰 모델을 적용하여 실제 시스템에서 나타나는 비선형 마찰 stick-slip 현상을 반영하였다. 설계된 제어기의 성능을 비교, 검증하기 위해 PID 제어기를 추가로 설계했다. 그 결과, LQR 기반 제어기는 PID 제어기 대비 더 안정적인 추종 성능을 나타냈으며, 비선형 요소가 존재함에도 불구하고 비교적 강인한 응답을 보이는 것으로 나타났다.
실제 실험에서는 제작된 듀얼 서보 드라이버 기반의 다이나모미터 시스템을 이용하여 토크 제어 성능을 평가하였다. 토크 센서 신호는 PWM 구동과 회로 배선에서 발생하는 스파이크성 노이즈와 저주파 오프셋 노이즈의 영향을 받아 측정 품질이 저하되는 것이 확인되었다. 따라서 본 연구에서는 회로 구조 개선 및 ADC 샘플링 시점 제어와 같은 신호 보정 기법을 적용하여 노이즈를 효과적으로 저감하였다. 이후 실제 실험 결과, 제안한 LQR 기반 제어기는 실제 하드웨어 환경에서도 목표 토크에 대해 PID 제어기 대비 안정적인 추종 성능을 보였으며, 비선형 마찰과 센서 노이즈가 존재하는 조건에서도 안정적인 토크 제어가 가능함을 확인하였다.
본 연구는 다이나모미터와 같이 감속기가 포함된 구동기의 정밀 토크 제어 문제에서 모델 기반 제어기(LQR) 설계와 센서 신호 개선 기법을 실험적으로 검증하였다는 점에서 의의를 가지며, 향후 로봇 구동기 및 서보 시스템에서의 토크 제어 설계에 참고할 수 있는 기반을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper proposes a model-based optimal torque control approach for a dynamometer system and verifies its effectiveness through both controller design based on system modeling and experimental validation on real hardware. The dynamometer actuator consists of a motor–harmonic drive system, which poses challenges for precise torque control due to the compliance of the reduction gear, nonlinear friction, and noise characteristics of the torque sensor. To address these issues, this study adopts an integrated approach encompassing system modeling, controller design, and sensor signal conditioning with noise reduction techniques.
First, the structure of the motor–harmonic drive system is analyzed, and an equivalent model is derived by considering the stiffness of the reduction gear and torque transmission characteristics. In addition, a model incorporating the dynamic behavior of the torque sensor is developed, and the overall system is integrated into a single block diagram. An integral control scheme is then designed for torque control, where the feedback gains that determine the system poles are obtained based on a linear quadratic regulator (LQR) framework. By employing an augmented state-space model that includes integral states, it is theoretically shown that steady-state errors can be eliminated. Furthermore, the LQR weighting matrices are tuned to optimize the trade-off between control input usage and transient response characteristics.
In the simulation study, a nonlinear Stribeck friction model is incorporated to reflect the stick–slip behavior observed in the actual system. For performance comparison and validation, a PID controller is additionally designed. Simulation results demonstrate that the LQR-based controller achieves more stable tracking performance than the PID controller and exhibits relatively robust behavior despite the presence of nonlinear effects.
In the experimental study, torque control performance is evaluated using a fabricated dynamometer system based on a dual servo driver configuration. It is observed that the torque sensor signals are degraded by spike noise originating from PWM actuation and wiring, as well as low frequency offset noise. To mitigate these effects, signal conditioning techniques such as circuit structure improvements and control of ADC sampling timing are applied, resulting in effective noise reduction. Experimental results confirm that the proposed LQR-based controller provides more stable torque tracking than the PID controller in a real hardware environment and achieves reliable torque control even in the presence of nonlinear friction and sensor noise.
This study is significant in that it experimentally validates a model-based controller design approach using LQR together with sensor signal improvement techniques for precise torque control of actuators incorporating reduction gears, such as dynamometers. The results provide a useful foundation for torque control design in future robotic actuators and servo systems

목차 (Table of Contents)

• 그림 목차 iii
• 표 목차 v
• 국문 초록 vi
• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 다이나모미터 시스템 4
• 2.1 모터 – 하모닉 드라이브 시스템 5
• 2.1.1 모터 – 하모닉 드라이브 시스템의 구조 5
• 2.1.2 모터 – 하모닉 드라이브 시스템의 등가 모델 7
• 2.2 토크 센서 모델 11
• 제 3 장 토크 제어 알고리즘 13
• 3.1 PID 제어 14
• 3.2 적분 제어 15
• 3.2.1 LQR 최적 제어 17
• 제 4 장 시뮬레이션 19
• 4.1 비선형 마찰 모델 19
• 4.2 실험 결과 21
• 제 5 장 다이나모미터 구동 실험 26
• 5.1 서보 시스템 구조 27
• 5.2 토크 센서 보정 및 노이즈 저감 29
• 5.3 실험 결과 34
• 제 6 장 결론 42
• 참고문헌 44
• 부록 48
• Abstract 55