[스마트팜] 3핀 팬 PID 제어에서 팬 회전 속도(RPM)를 활용하는 방법

7월 16, 2025

3핀 팬 PID 제어에서 팬 회전 속도(RPM)를 활용하는 방법

스마트팜이나 자동 환기 시스템에서 3핀 팬은 습도 제어 및 공기 순환에 핵심적인 역할을 합니다. 팬 속도를 정밀하게 조절하기 위해 PID 제어 알고리즘을 사용하는데, 이때 팬의 회전 속도(RPM) 값은 매우 중요한 피드백 신호로 활용됩니다. 이번 글에서는 팬 RPM이 PID 제어에서 어떤 역할을 하며, 실제 시스템에 어떻게 적용하는지 상세히 다뤄보겠습니다.

1. PID 제어와 피드백 신호 개념

PID 제어는 목표값(setpoint)과 현재값(process variable) 간 차이(오차)를 계산해 제어 입력을 조절하는 알고리즘입니다. 이때 현재값을 정확하게 측정하는 것이 매우 중요합니다.

습도 제어 예:
- 목표 습도 60%
- 현재 습도 65%
- 오차 = 65% - 60% = +5%
- PID는 이 오차를 줄이기 위해 팬 속도를 조절합니다.

하지만 팬이 실제로 얼마나 잘 돌아가는지를 모르고서는 제어가 완전하지 않을 수 있습니다. 이때 팬 회전 속도(RPM)가 중요한 피드백 역할을 합니다.

2. 팬 RPM이 PID 제어에서 갖는 역할

2.1 팬 정상 동작 확인

팬이 명령대로 속도를 올리고 있는지 확인하는 것이 중요합니다.

문제 상황: 팬에 전압을 주었는데 팬이 돌지 않는 경우
해결: 팬 노란선에서 나오는 펄스 신호를 측정해 실제 RPM을 확인하면
- 팬 고장, 배선 문제, 전압 공급 문제 등 이상 조기 감지 가능
- 신뢰성 높은 제어 시스템 구축 가능

2.2 환기량(공기 흐름)의 간접 지표

팬의 회전 속도는 팬이 만들어내는 공기 흐름량과 거의 비례합니다.

환기량을 직접 측정하기 어렵다면 팬 RPM으로 대략적인 환기 정도를 추정 가능
이를 통해 습도 조절 효과를 간접적으로 검증할 수 있습니다.

2.3 PID 제어 보조 입력으로 활용

팬 RPM을 단순 모니터링에서 더 나아가 PID 알고리즘에 보조 입력으로 활용할 수 있습니다.

팬 RPM이 목표 속도에 못 미칠 때는 팬 전압을 추가로 보상하는 로직을 추가할 수 있습니다.
이런 방식은 팬의 물리적 특성이나 부하 변화에 따른 비효율 문제를 보완하는 데 효과적입니다.

3. 실제 구현 예시

3.1 시스템 구성 흐름

습도 센서가 실시간으로 현재 습도를 MCU에 전달
MCU는 목표 습도와 비교해 PID 알고리즘으로 팬 제어 신호 생성
팬에 공급되는 전압을 조절해 속도 변경
팬 노란선의 펄스를 인터럽트로 카운트해 실제 RPM 산출
RPM이 기대값과 차이 나는 경우 경고 또는 보상 로직 실행

3.2 Arduino 기반 RPM 측정 예제 코드

volatile int pulseCount = 0;

void pulseISR() {
  pulseCount++;
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(2, INPUT_PULLUP);  // 팬 노란선 연결
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), pulseISR, FALLING);
}

void loop() {
  pulseCount = 0;
  interrupts();
  delay(1000);  // 1초 동안 펄스 측정
  noInterrupts();

  int rpm = (pulseCount / 2) * 60;  // 2펄스 = 1회전 기준
  Serial.print("Fan RPM: ");
  Serial.println(rpm);

  // RPM과 목표 RPM 비교 후 보상 로직 적용 가능
}

4. PID 제어와 RPM 데이터를 결합하는 방법

PID는 습도 오차에 따라 팬 전압 명령을 산출합니다.
팬 RPM 센싱으로 실제 팬 상태를 감시하며, 목표 RPM과 실제 RPM 간 차이를 분석합니다.
필요 시 팬 전압 조절 신호를 조정하여 팬이 목표 RPM에 근접하도록 보정합니다.

5. 장점 및 효과

정확한 제어: 팬이 명령대로 작동하는지 확인 가능해 PID 제어 안정성 향상
장비 이상 조기 발견: 팬 고장, 막힘, 전원 문제 등을 빠르게 감지
효율적 에너지 사용: 불필요한 팬 과속 방지, 적절한 속도 유지로 전력 절감
스마트팜 환경 최적화: 환기량과 습도 조절의 정밀도 향상으로 작물 생장 환경 개선

6. 결론

3핀 팬의 회전 속도(RPM)를 PID 제어 시스템의 피드백 신호로 활용하면, 단순 습도 오차 기반 제어보다 훨씬 더 신뢰성 높고 정밀한 제어가 가능합니다. 팬의 정상 작동 여부를 실시간 확인하고, 환기 효율을 직접 모니터링하며, PID 제어 성능을 보완하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

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