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제어는 시스템의 상태를 원하는 목표로 도달시키는 과정인데, 널리 사용되는 제어 방법 중 하나가 피드백 제어 방식으로 동작하는 PID 제어이다. 피드백 제어란 입력에 대해 특정 과정을 거친 출력이 다시 입력에 영향을 미치면서 다시 과정으로 들어가 출력을 내는 반복적인 제어 방식이다. 스위블 시트에서 PID 제어는 시트의 각도값을 측정하고 측정된 현재값을 목표값과 비교하여 오차를 계산하며 오차를 이용해서 제어에 필요한 제어값을 다시 계산한 후, 계산된 제어값이 제어 대상의 입력으로 사용되는 피드백 제어 방식이다. 스위블 시트의 각도 제어를 위해서는 아래의 식 (1)을 적용하게 되고, 이는 그림 2에 보이는 PID 제어기를 통해 구현된다. U(t)는우선 목표 각도를 설정한 후, 매 동작 주기마다(10 ms) 설정한 각도와 현재 값을 비교하여 제어값을 반복적으로 계산하는 과정을 통해 PID 제어기는 동작된다[4],[5].

Fig. 2. 
PID controller structure for swivel seat

PID 제어의 주요 특징은 다음과 같다. 비례(Proportional) 제어인 P-게인은(K_p) 목표치에 가는 정도를 결정하는 상수이다. P-게인이 높으면 시스템은 점점 더 빨리 목표점에 도달하게 되지만, 시스템이 불안정한 상태가 되고 설정점 근처에서 계속 진동하게 된다. 반면에 P-게인이 낮으면 시스템은 목표점에 더 느리게 도달하게 되지만 몇 번의 진동 후에는 시스템이 설정점 아래에서 일정한 오차를 가지며 안정한 상태가 된다. 적분(Integral) 제어인 I-게인은(KI) 목표치에 대한 정확도를 결정하는 상수이다. I-게인이 너무 낮으면 목표치에 근접하기 어렵게 되고, 반대로 I-게인이 너무 높으면 시간이 오래 걸리면서 외부 변화에 잘 대응하지 못하게 된다. 미소한 오차라고 하는 잔류편차를 없애기 위해 시간적으로 누적하여 어떤 크기로 된 곳에서는 조작량을 증가하여 편차를 없애는 방식으로 동작한다. 미분(Differential) 제어인 D-게인은(K_d) P-게인으로 부족한 제어량을 보충해주는 역할을 한다. 즉, 순간 제어량을 높이면서 빠르게 목표값에 이르게 하는 역할을 담당한다. D-게인이 너무 낮으면 목표점에 도달하는 시간이 오래 걸리고, 반대로 D-게인이 너무 크면 진동이 발생하게 되므로 적절한 D-게인을 찾아 진동을 최소화시켜야 한다. 미분 제어는 모터 출력을 빠르게 올려 기울기 변화에 따른 응답속도를 높일 수 있는데, D-게인이 클수록 오차는 감소하고 오차를 빨리 교정해 상승 시간과 정착 시간이 감소한다[6],[7].

PID 제어에서 각 모듈의 역할을 정리하면 다음과 같다. P 제어는 목표값 도달 시간을 감소시킨다. 측정값이 목표값과 차이가 클수록 많이 조작하고, 차이가 적을수록 적게 조작한다. I 제어는 정상 상태 오차를 감소시킨다. 목표값에 최대한 가깝게 주행하기 위해 조정하여 편차를 줄일 수 있다. D 제어는 제어값 변화를 억제시킨다. 그러므로 P-게인, I-게인, D-게인 각각을 적절하게 조절해야 원하는 상태로의 제어가 가능하다. 본 논문에서는 진동이 작으면서도 빠른 시간에 안정 상태에 도달하는 스위블 시트 제어를 위해 P-게인, I-게인, D-게인의 주요 특성을 반영하는 제어 방식을 제안하고자 한다.

PID 제어는 로봇 및 산업분야에서 제어를 하기 위해 많이 사용된다. PID 제어는 드론 호보링에도 사용된다. 3축 자세 및 방위각 센서로부터 얻은 데이터는 필터를 거침으로써 기울어진 정도를 파악하고, 이 기울어짐을 PID 제어를 통해 보정함으로써 안정적으로 수평 자세를 제어하는 드론을 구현할 수 있다[8]. 이동 로봇의 군집제어를 위해서는 퍼지 보상된 PID 제어기가 제안되었다[9]. 이때의 제어 시스템은 선도 추종 로봇 접근법에 기반한 기구학 제어기와 이동 로봇의 동역학적인 효과를 다루기 위한 동역한 제어기로 구성되었다. 동역학 제어기는 PID 제어기와 비선형 환경에서 제어 성능을 개선시키기 위해 부착된 퍼지 보상기로 이루어져 있다. 또한, 수중 글라이더의 깊이와 자세를 제어하기 위해 PID 제어기가 사용되었고 다양한 시뮬레이션을 통해 해당 PID 제어기의 성능이 확인되었다[10]. 이렇게 PID 제어기는 많은 분야에 적용되고, 스위블 시트의 위치 제어를 하기 위해 적용하였다.

스위블 시트의 효율적인 회전을 위한 스위블 시스템은 그림 3에 보이는 바와 같이 회전을 처리하는 모터와 모터 제어를 위한 모터 드라이버 및 제어기로 구성된다. 제어기는 모터 드라이버와 통신이 가능해야 하고 스위블 시트 각도를 측정하기 위한 절대 엔코더(Absolute Encoder)값을 SSI 통신을 통해 받을 수 있어야 하므로, 이러한 기능들을 만족하는 MCU(Mi- cro Controller Unit)는 ST사의 STM32F407을 사용하여 제어기를 제작한다. 제어기 STM32F407의 주요 특성은 표 1에서 보이는 바와 같이 ARM 32bit Cortex M4 CPU(Cen- tral Processing Unit) with FPU(Floating Point Unit) 코어가 사용되며 CAN(Controller Area Network) 통신 및 SSI(Synchronous Serial Interface) 통신이 가능하다. 제어기를 위한 프로그램 컴파일러는 Keil 프로그램을 사용한다.

Fig. 3. 
Swivel system diagram

스위블 시트 구동을 위한 전장 구성 부품은 표 2에 보이는 바와 같다. 모터 및 모터 드라이버는 MAXON MOTOR사의 제품을 사용한다. 모터는 MAXON사의 393023 모델로 DC 48 V에 3.69 A를 소비하는 모터로 최대속도 9,840 rpm, 최대 토크 2,760 mNm이다. 기어박스는 MAXON사의 156:1의 기어비로 393023모터와 조합할 시 최대속도 63 rpm, 최대 토크 414.9 Nm이다. 엔코더는 14 bit Resolution을 가지는 RLS사의 절대 엔코더를 사용하고, 절대 엔코더 데이터는 SSI 통신을 통해 제어기로 보내진다. 절대 엔코더데이터를 10 ms 간격으로 받으면서 식 (1)의 PID 제어를 통해 설정한 각도와 현재 각도를 비교하면서 스위블 시트 제어가 동작한다.

구현된 스위블 시트 제어기는 그림 4에 보이는 바와 같이 전원부와 MCU, CAN 통신, SSI 통신부로 구성된다. 전원부는 공급전원 24 V 입력을 받아 5 V, 3.3 V로 전압을 하강하는 역할을 한다. MCU는 STM32F407을 사용하고, CAN 통신은 모터 드라이버와 통신하는 역할을 담당하며, SSI 통신은 ABS 엔코더 값을 수신하는 부분으로 설계된다. 제어기에서 SSI 통신을 통해 현재 각도값을 확인하고, 목표값과 계속 비교하면서 CAN 통신을 통해 모터 드라이버에 모터 구동을 위한 명령을 전달한다. 모터 드라이버가 제어기에서 받은 Target Torque 값을 통해 모터를 구동시켜 스위블 시트가 목표값에 수렴하게 된다.

Fig. 4. 
Manufactured controller for swivel seat

제작된 스위블 시트 시스템은 그림 5에서 보이는 바와 같다. 그림 5의 왼쪽 그림은 모터 및 모터 드라이버이고, 오른쪽 그림은 절대 엔코더를 나타낸다. 모터가 구동되면 시트가 회전되면서 절대 엔코더에서 각도를 측정한다. 제어기와 모터 드라이버는 CAN 통신을 통하여 데이터를 주고받고, 절대 엔코더는 SSI 통신을 통해 각도 값을 수신한다. 이를 통해 제작된 스위블 시트 시스템은 목표 위치로 회전이 가능하게 개발하였다.

Fig. 5. 
Developed swivel seat system

스위블 시트의 위치를 제어하기 위한 과정은 그림 6과 같다. 시스템에서는 먼저 전원을 인가하고 모터를 구동시킨 후, 현재 각도를 초기화시키는 작업을 수행한다. 초기화가 완료된 후 이동하고자 하는 각도가 입력되면 스위블 시트를 이동하기 위한 Flag를 On 한다. 이후, 스위블 시트는 PID 제어를 통하여 목표 위치로 이동하고, 이동이 완료되면 모터는 정지된다.

Fig. 6. 
Swivel seat control flow

PID 게인을 변경하면서 최대한 오버슛이 낮으면서도 안정적인 스위블 시트 위치 제어를 위한 구현 코드는 그림 7에 보이는 바와 같다. 우선 PID 게인을 설정하고 ABS 엔코더 값을 초기화한다. 이후에는 PID 제어기 플래그를 1로 변경하여 목표 각도값과 현재 각도값을 비교하여 오차를 줄이면서 제어기가 10 ms 주기로 작동한다. 계산된 PID 수식은 모터의 토크값으로 입력이 되는 피드백 과정을 통해 오차를 줄여가면서 안정적으로 수렴하게 된다.

Fig. 7. 
Code implementation for swivel seat control