제어기 소프트웨어 성능시험

• 성능시험 = 설계·구현한 제어기가 요구 성능을 실제로 만족하는지 확인
• 이 노트가 다루는 것: 무엇을(시험 항목), 어떤 입력으로(표준 시험 신호), 어떤 환경에서(MIL/SIL/PIL/HIL, 다이나모미터) 시험하는가
  • 측정 데이터의 해석은 제어기 시험평가 결과 성능 분석에서 이어짐
• 출제 포인트: MIL·SIL·PIL·HIL의 구분이 가장 중요, 그 외 스텝·정현파 등 시험 입력의 용도, 지터·CPU 부하율 같은 실시간 성능 항목

시험의 위치와 절차

성능시험은 개발 마지막의 요식이 아니라, 요구사항 단계에서 정한 수치 사양(정착시간 몇 ms, 오차 몇 펄스 이내 등)과 짝을 이루는 검증 활동이다 (V-모델: 설계 단계마다 대응하는 시험 단계가 있다 — 일반론은 로봇 시스템 평가절차, 로봇 시스템 시험평가).

절차: ① 시험 계획(항목·합격 기준·환경·절차 정의) → ② 시험 수행(조건 기록 + 데이터 로깅) → ③ 결과 분석·판정(다음 노트) → ④ 미달 시 원인 분석·개선 후 재시험.

개발 단계별 검증 환경 — MIL, SIL, PIL, HIL (최중요)

• 실물 로봇에 미완성 제어기를 바로 붙이면 위험하고 비쌈
• 그래서 시뮬레이션에서 실물로 단계적으로 접근 → X-in-the-Loop 시리즈로 부름

표준 시험 입력 신호 — 무엇을 보려고 넣는가

제어 성능 시험 항목

• 지령 추종 성능: 스텝·프로파일 지령에 대한 응답 지표(다음 노트에서 정의)와 추종 오차
• 외란 응답(Disturbance Rejection): 운전 중 부하 토크를 급변시켰을 때 속도·위치가 얼마나 떨어졌다가 얼마나 빨리 회복하는가 — 지령 추종과는 별개의 능력이므로 별도 시험
• 주파수 응답: 정현파·처프 입력으로 대역폭(어느 주파수까지 따라가는가) 측정
• 정밀도·반복성: 같은 목표를 반복 위치결정했을 때의 산포, 정지 시 미세 진동(헌팅) 여부
• 부하 조건 변화: 무부하~정격~과부하, 관성 변화에 대한 강인성

시험 장비와 환경

• 다이나모미터(Dynamometer): 시험 대상 모터 축에 부하 토크를 걸어 주는 장치(부하 모터·브레이크). 정격 부하·부하 급변 시험의 핵심 장비
• 기준 계측기: 토크 센서, 고분해능 기준 엔코더, 전류 프로브, 오실로스코프 — 제어기 내부 값이 아닌 독립된 기준으로 측정해야 공정하다
• 데이터 로깅: 지령·실측 위치/속도/전류를 제어 주기 해상도로 기록. 로깅 주기가 너무 느리면 빠른 현상(오버슈트 피크)을 놓친다

소프트웨어 실시간 성능 시험

제어 성능과 별도로, 펌웨어가 실시간 요구를 지키는지도 시험 대상이다.

• 제어 주기 정확도·지터: 주기가 설계값을 유지하는가, 흔들림(지터)은 허용 이내인가 — GPIO 토글을 오실로스코프로 관측하는 방법이 고전적
• ISR 실행 시간(WCET): 최악 조건(통신 폭주 + 보호 연산)에서도 주기 안에 끝나는가
• CPU 부하율: 최악 조건에서 여유가 남는가 (통상 70% 이하 유지)
• 장시간 연속 운전: 메모리 누수·카운터 오버플로·온도 상승으로 인한 이상이 없는가

X-in-the-Loop 단계적 검증

flowchart LR
    MIL["MIL
모델 + 모델"] --> SIL["SIL
실코드(PC) + 모델"]
    SIL --> PIL["PIL
실코드(실MCU) + 모델"]
    PIL --> HIL["HIL
실제어기 + 실시간
시뮬레이터"]
    HIL --> REAL["실물 시험
실제어기 + 실모터·부하"]
    style HIL fill:#ffe0b2,stroke:#e65100

(오른쪽으로 갈수록 현실성↑·비용/위험↑ — 문제를 왼쪽 단계에서 최대한 걸러낸다)

HIL 시험 구성

flowchart LR
    subgraph CTRL["실제 제어기 (시험 대상)"]
        FW["펌웨어 + 제어 루프"]
    end
    subgraph SIM["실시간 시뮬레이터"]
        PM["모터·부하 동역학 모델
(실시간 연산)"]
    end
    FW -- "PWM·제어 신호" --> PM
    PM -- "가상 엔코더 펄스
가상 전류 신호" --> FW
    HOST2["호스트 PC
시나리오 주입(고장·과부하)
+ 데이터 로깅"] --- SIM

1. 실제 제어기 하드웨어를 실시간 시뮬레이터로 구현된 가상의 모터·부하에 연결하여 시험하는 방식은?

① MIL (Model-in-the-Loop) ② SIL (Software-in-the-Loop) ③ HIL (Hardware-in-the-Loop) ④ 실부하 시험

2. MIL → SIL → PIL → HIL 순서로 검증을 진행하는 이유로 가장 적절한 것은?

① 시험 비용이 단계마다 저렴해지므로 ② 시뮬레이션에서 실물로 현실성을 단계적으로 높여, 문제를 값싸고 안전한 단계에서 조기에 걸러내기 위해 ③ 각 단계의 시험 항목이 완전히 동일하기 때문에 ④ 국제 표준이 순서를 강제하기 때문에

3. 제어기의 과도 응답(상승시간, 오버슈트, 정착시간)을 평가하기에 가장 적합한 시험 입력은?

① 스텝 입력 ② 정현파 입력 ③ 백색 잡음 ④ 일정 속도 램프 입력

4. 외란 응답(disturbance rejection) 시험의 방법으로 옳은 것은?

① 목표 위치를 계단형으로 변경한다 ② 일정 속도로 운전 중인 모터에 다이나모미터로 부하 토크를 급변시켜 회복 특성을 본다 ③ 전원 전압을 서서히 올린다 ④ 엔코더 분해능을 바꿔 가며 시험한다

5. 제어기 소프트웨어의 실시간 성능 시험 항목으로 거리가 먼 것은?

① 제어 주기의 지터(jitter) ② ISR의 최악 실행 시간(WCET) ③ CPU 부하율 ④ 모터 권선의 절연 저항

• 제어기 시험평가 결과 성능 분석 — 측정 데이터의 지표 계산·판정
• 제어기 게인 설정 — 시험 결과가 되먹임되는 튜닝
• 액추에이터 동역학 모델링 — HIL·SIL의 플랜트 모델
• 로봇 시스템 시험평가 — 시스템 수준 시험평가 일반론
• _MOC 모션소프트웨어