



109회 DC Motor Transfer Function
1. 문제의 DC Motor 블록선도
입력전압 V(s)에서 모터 위치 θ(s)까지의 전달함수를 구한다.
Tm(s) - TL(s)
│ ↓
│ + -
▼ ( Σ )
┌────┐ │
V(s) ──► (+) Σ ─────────►│ Km │──────────┘
(-) ▲ └─┬──┘
│ │
│ Ra + La s
│ │
│ ▼
│ ┌───────────┐
│ │ 1 │
│ │ --------- │────► ω(s) ─────► [1/s] ─────► θ(s)
│ │ Js + b │
│ └───────────┘
│ │
│ │
└──────[ Kb ]◄─┘
Back EMF
2. DC Motor 물리 모델
Electrical Mechanical
Ra La
Vi ────/\/\/────( L )─────┐
│
[ Motor ]
│
│ Tm
▼
┌─────┐
│ J │──── θm(t)
└─────┘
│
b
Back EMF : Vb
Load Torque : TL
3. Armature 전기방정식
필기에서 Armature 회로에 Kirchhoff 전압법칙을 적용한다.
Laplace Transform하면
4. Motor Torque
Motor Torque는 Armature Current에 비례한다.
Laplace 영역에서도
5. Back EMF
Back EMF는 Motor의 각속도에 비례한다.
따라서 Laplace Transform하면
또는
6. 기계방정식
필기에서는 관성과 점성마찰을 다음과 같이 나타낸다.
Motor 측에서 부하토크를 제외한 기본 관계는
또는 각속도 ω(s)를 사용하면
7. Armature Current
전기방정식에서
이므로
8. Motor Torque 식에 대입
따라서
기계방정식과 결합하면
9. 입력전압과 위치 관계
양변에 \(R_a+sL_a\)를 곱하면
따라서
10. DC Motor 위치 전달함수
따라서 이미지의 유도식에서 위치 전달함수는
또는 분모를 전개하지 않은 형태로
11. 이미지의 근사식
필기에서는 전기적 Inductance 효과가 작다고 보고 근사한다.
그러면
분모를 정리하면
12. 표준 2차 형태
\(JR_a\)로 나누면
즉 필기에서는 다음과 같은 형태로 정리한다.
13. 이미지의 등가 블록선도
Tm(s) TL(s)
│ ↓
▼ + -
Vi(s) ─► (+)Σ ─► [ 1/(Ra+La s) ] ─► [ Km ] ─► (Σ) ─► [1/(Js+b)] ─► ω(s) ─► [1/s] ─► θ(s)
(-)▲ │
│ │
└──────────────────────[ Kb ]◄─────────────────┘
Back EMF
14. 행렬식에 의한 유도
마지막 이미지에서는 전기식과 기계식을 행렬 형태로 정리한다.
-Kt Jms²+bs ] [ Ia(s)
θm(s) ] = [ Va(s)
0 ]
15. 행렬식 det(A)
행렬 A를
-Kt Jms²+bs ]
로 두면
따라서
16. 전류 전달함수
마지막 이미지에서 Armature Current는
즉
17. 위치 전달함수 — 행렬식 결과
Motor 위치에 대해서는
따라서
18. 이미지 핵심 수식
| 항목 | 이미지 내용 |
|---|---|
| 전기방정식 | Va = RaIa + LadIa/dt + Vb |
| Motor Torque | Tm = KmIa |
| Back EMF | Vb = Kbω |
| Mechanical | Tm = (Js+b)ω |
| 위치와 속도 | ω(s)=sθ(s) |
| Position TF | Km / {s[(Ra+sLa)(Js+b)+KmKb]} |
| La 무시 근사 | P/[s(s+a)] |