매입 자석형 동기전동기의 고성능 운전

이진기 昌原大學校 産業·情報大學院 2003 국내석사

In this paper, efficiency optimized controller of interior permanent magnet synchronous motor is proposed. The high performance of driver system is settled according to how to control motor. It is very difficult problem but recent interest in the interior permanent magnet synchronous motor has increased in the context of possible application in the field oriented ac drive. In this paper, a method of max-torque per min-current control in the interior permanent magnet synchronous motor is proposed to improve the motor control application. In the application of continuous long tine operation such as electric vehicles, elevator driver, servo system and compressor drive, the efficiency of the motor is one of the most important factors. And this paper presents a position sensor-less control scheme of optimized interior permanent magnet synchronous motor combining voltage injection synchronized with PWM carrier in the all control region. The rotor position angle is calculated using the d, q stator current. The high performance drive characteristics and the feasibility of the proposed method under full operating conditions are verified by using 10.2kW interior permanent magnet synchronous motor.

마그넷 스폿 가이던스 방법을 이용한 유도형 이동로봇의 자율주행

이석용 한양대학교 대학원 2012 국내박사

요 약 본 논문에서는 유도형 이동로봇인 AGV(Automatic Guided Vehicle) 시스템에 사용하고 있는 연속적인 가이드 시스템인 유도성 와이어 시스템을 대신하는 새로운 가이드 방법으로서 불연속 가이드 시스템인 마그넷 스폿 가이드를 이용한 AGV의 자율 주행 시스템을 제안 하였다. 마그넷 스폿이 없는 경우 AGV는 엔코더, 카운터를 이용한 데드레코닝(Dead-reckoning)과 위치제어기법을 사용하여 계획된 경로 또는 유도 경로를 따라서 주행한다. AGV의 모델로는 차륜 구동형을 사용하였으며, 주행용 가이던스에는 마그넷 스폿과 홀효과 센서를 적용하였다. 홀효과 센서를 사용한 마그넷 스폿 가이드 방법은 높은 감도와 신뢰성, 안정성 및 경제적 효과와 유연 생산시스템에 신속하게 대처할 수 있는 장점을 가지고 있다. 홀효과 센서가 마그넷 스폿으로부터 자속밀도의 분포도를 감지하게 되는데 최대 자속밀도(Gauss)가 AGV의 주행에 필요한 가이드로 사용된다. AGV의 주행 중 위치 및 속도가 기준 값에서 벗어나게 되면 조향각 오차와 횡축거리 오차가 발생되는데, 이 오차들을 실시간으로 보정하여 AGV가 안정하게 주행하도록 하였다. 기존 가이드 방식에서 오차를 보정할 때는 엔코더를 사용한 데드레코닝(Dead-reckoning)과 자이로(Gyro) 센서가 이용되지만, 본 논문에서는 조향각 오차를 보정하는 경우에는 홀효과 센서로부터 계측되는 마그넷 스폿의 자속밀도 분포도의 최대값을 사용한다. 구동바퀴의 미끄러짐, 바닥면의 평활도, 외란 등으로 인해 발생되는 조향각 오차와 횡축 거리 오차에 대해서는 퍼지제어 기법을 사용하여 실시간으로 보정하였다. 마그넷 스폿 가이드 주행 환경에서 주행 중 돌발 장애물이 나타나는 경우에도 퍼지제어 기법을 이용하여 AGV는 감속 주행하거나 정지하며 주행경로를 재설정한 후 계속 주행함으로써 장애물을 회피하고 주행 중 발생되는 교착상태(Dead-lock)를 최소로 하여 주행 효율을 극대화 하게 된다. 거리제어기(距離制御器)를 사용한 충돌 방지 시스템을 구성하여, 여러 대의 AGV가 동시에 주행하더라도 AGV 상호간 서로 적절한 거리를 유지하게 하고, 가속도 또는 감속도 제어를 하여 AGV들 간의 충돌을 방지하였다. 고장허용 제어(Fault Tolerance Control)를 구현하여 한 AGV가 주행 중 고장(fault)이 나면 다른 AGV가 대신 그 작업을 수행하도록 하고 AGV 상호간 협동운전이 이루어지게 함으로써 AGV 시스템의 신뢰도를 향상시키고 주행 조건을 최적화하였다. 본 논문에서 제시한 마그넷 스폿 가이드 방법을 사용하여 AGV를 세라믹 플랜트와 철근제조 공장에서 주행한 결과 제시된 자율 주행 시스템의 안정성과 유효성을 확인하였다. AGV는 경로 추종, 장애물 회피, AGV 상호간 충돌 회피 및 교착 상태 최소화 성능에서 만족스러운 결과를 보여주었다.

인덕션 서보모터 드라이브 시스템의 적응 고차 신경망 제어기 설계

정진혁 漢陽大學校 大學院 2003 국내석사

본 논문에서는 인덕션 서보모터 드라이브 시스템을 고려하였으며, 제어 알고리즘은 피드백 선형화 기법을 사용하였다. 제안된 제어기는 적응 고차 신경망 제어기와 보상 제어기로 구성된다. 여기서 적응 고차 신경망 제어기는 피드백 선형화 제어기를 추정하기 위하여 이용되었으며, 보상 제어기는 이상적인 피드백 선형화 제어기와 고차 신경망 제어기 사이의 추정오차를 보상하기 위하여 설계되었다. 리아프노프 안정도 해석방법을 이용하여 시스템의 상태변수와 추적오차가 유계됨을 증명하였다. 그리고, 모의 실험을 통해 제안된 제어기의 효용성을 증명하였다.

싱글-엔디드 공진형 인버터의 고효율 및 고신뢰성 동작을 위한 특성제어

오용승 한양대학교 대학원 2018 국내박사

This thesis reports a study of the characteristics and control methods for highly efficient and reliable single-ended resonant inverters for induction cookers. A novel optimal switching modulation scheme is proposed to improve the drop in efficiency at the light load caused by hard switching operations. In addition, a load detection method for light as well as heavy load conditions is proposed. Furthermore, a new resonant voltage control method to prevent the damage of switching devices due to abrupt increases in the resonance voltage is presented. The algorithm of the proposed load detection method is divided into two modes. The first is the starting mode that measures the RMS(Root Mean Square) value of the line voltage under a continuous pulse train and compares it to the magnitude of the switching voltage to detect the load. The second mode is the normal operation mode that measures the input power and compares it to the reference value to detect the load in normal mode. Normally, inverters shut down automatically in the cases of abnormal increases in the resonant voltage. This is detrimental to the heating performance. In order to overcome this drawback, a novel resonant voltage control method is proposed that limits the maximum value of the working coil current. This method requires a simple hardware structure that enables sensor-less control using only a MCU(Micro Controller Unit). To verify the feasibility of the proposed methods, a prototype 1.35[kW] single-ended resonant inverter was developed and tested using a domestic rice cooker. The experiments proved the effectiveness of the proposed optimal switching modulation scheme, the load detection methods for starting and normal operation, and the resonant control methods. 본 논문은 싱글-엔디드 공진형 인버터의 고효율 및 고신뢰성 동작을 위한 특성제어에 관한 연구로서, 경부하 시 하드 스위칭 동작에 의한 효율저하 문제를 개선할 수 있는 최적 스위칭 변조방법을 제안하였으며 무부하, 비정상부하, 전원전압의 변동 및 왜란 시 야기되는 공진전압 상승에 의한 스위칭 소자의 소손을 방지할 수 있는 새로운 부하검출 및 공진전압 제어 방법을 제안하였다. 제안하는 스위칭 변조방법은 하드 스위칭 시 스위치 양단전압이 최소가 되는 시점을 예측하여 스위칭 소자를 턴 온 시킴으로써 스위칭 손실을 최소화 시킬 수 있는 고효율 스위칭 방법이다. 또한 이는 공진전압의 주기 및 진폭의 변화에도 적응적이며 중부하 시에는 소프트 스위칭 동작이 가능한 최적 스위칭 변조방법이다. 제안하는 부하검출 방법은 기동 시의 경우에는 종래의 단 펄스 방식과 달리 연속펄스로 구동하여 검출되는 입력 전원전류의 실효치와 스위치 양단전압의 최대치를 통해 부하의 유무를 판정하는 알고리즘을 적용하고, 동작 중의 경우에는 소비전력의 오차를 이용하여 부하의 유무를 판정하는 알고리즘을 적용함으로써 전원전압의 변동 및 왜란에도 부하검출의 신뢰성을 높일 수 있다. 공진전압이 비정상적으로 상승하게 되는 경우 스위칭 소자 보호를 위해 인버터 동작을 셧-다운시키는 방식은 가열특성이 저하되므로 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 워킹코일에 흐르는 전류의 최대치를 제한함으로써 공진전압의 크기를 제어할 수 있는 방법을 제안하였다. 제안하는 공진전압 제어 방법은 간단한 하드웨어로도 구현이 가능하며 MCU를 이용하는 경우에는 센서리스 제어도 가능하다. 본 논문에서 제안한 제반 방법들의 유용성을 검증하기 위해 1.35[kW] 싱글-엔디드 공진형 인버터를 제작하였고, 이를 가정용 유도가열 전기밥솥에 적용한 실험을 수행하였다. 실험결과를 통해 제안하는 최적 스위칭 변조방법, 초기 기동 및 동작 중 부하검출 방법, 그리고 공진전압 제어 방법의 유용성을 확인하였다.

특이점에서의 작업 수행을 위한 로봇 매니퓰레이터의 위치/힘 제어

이안용 한양대학교 대학원 2018 국내박사

본 학위 논문에서는 구동기의 물리적인 스팩을 기준으로 최대한의 성능으로 원하는 위치로 이동할수 있는 궤적 생성 방법과, 작업 영역에서의 특이점 구간에서도 동작 할수있는 SJT를 기반으로 한 위치 제어 방법을 제안 하였다. 또한, 외부의 환경과 접촉하는 작업을 하기 위해서는 지정된 위치와 힘을 안정적으로 유지하면서, 효율적으로 모션 제어가 가능한 SJT 기반으로한 hybrid 위치/힘 제어 방법에 대해서 다루고 있다. 첫 번째에서는, 로봇을 다양한 환경 조건에서 작동시키기 위해서는 로봇의 액추에이터 사양에 따라 목표 지점에 대한 부드러운 동작 궤적이 필요하다. 대칭 곡선 (S-곡선) 궤도 계획을위한 고전적인 3 차 다항식 방법은 부드러운 저크 함수에서 유도 된 부드러운 (infinitely differentiable and continuous) 대칭 및 비대칭 곡선 (AS- 곡선) 궤적 계획으로 확다된다. 따라서 제안 된 방법은 저크 한계, 가속 한계 및 속도 한계와 같은 몇 가지 물리적 한계를 만족시킬뿐만 아니라 S/AS 곡선 형태의 궤적을 생성 할 수 있다. 제안 된 방법의 효과는 기존의 방법을 이용한 비교 연구를 통해 입증된다. 두 번째로, 로봇 매니퓰레이터에 대한 scaled Jacobian transpose 기반 제어 방법은 기존 Jacobian transpose 기반 방법의 변형이다. 제안 된 방법은 종래의 방법보다 더 빠른 수렴과 더 나은 트래킹 성능을 보여 주며, 게다가, 기존의 방법과 유사한 특이점 문제가 없다는 장점을 가지고 있다. scaled Jacobian transpose 은 자코비안 행렬의 열 벡터의 각 의사 역을 수집하여 얻어진다. 제안된 방법은 태스크 에러를 최소화하면서 특이점 구간안에서 주어진 태스크를 잘 수행한다. 이를 위해 시뮬레이션을 통한 제안 된 방법의 유효성을 보여주기 위해 기존의 방법을 이용한 몇 가지 비교 연구가 제공 된다. 마지막으로, 위치/힘 제어는 일반적인 하이브리드 제어 이다. scaled Jacobian transpose 은 제어 개념을 기반으로 위치/힘 제어에 적용될 수 있다. 제안 된 방법에서는 SJT (Scaled Jacobian Transformation) 기반의 작업 공간에서의 하이브리드 제어가 불확실한 환경에서도 스위칭 인자로 인해보다 우수한 성능의 모션 및 힘 제어를 얻을 수 있다. 또한, 로봇 매니퓰레이터의 말단 장치를 원하는 위치 및 힘 추적을 유지할 수 있으며, 힘 제어 부분은 상호 작용 환경에서 감쇠 계수 (velocity dependent)에 의해 반력을 감소시키는 데 효과적일 수 있다. 제안 된 제어기의 성능은 실험 및 시뮬레이션을 통해 상호 작용 환경에서 원하는 위치/힘을 유지하는 것으로 나타낸다.

자동변속기의 토오크 컨버터 클러치 제어 및 안정도 해석에 관한 연구

서정도 亞洲大學校 産業大學院 1998 국내석사

자동변속기 장착 차량의 연료 소비를 줄이기 위해, 모든 자동차 회사에서는 광범위하게 전자제어를 이용한 4속 자동변속기를 개발하였다. 또한 토오크컨버터의 슬립(Slip) 손실을 최대한 감소시킨 전자제어식 댐퍼 클러치 시스템을 개발하여 생산하고 있다. 직접 구동을 위한 댐퍼 클러치는 토오크 컨버터의 입력측과 출력축 사이에 위치하며, 클러치에 인가되는 오일 압력은 목표값에 최대한 근접된 클러치의 슬립을 항상 일정하게 유지하기 위해서 피드백 (Feedback)으로 제어되어 진다. 소량의 슬립을 클러치에 허용함으로써, 엔진 토오크 변동의 전달이 방지되고, 클러치는 엔진의 저속 영역에서도 동작할 수 있게 된다. 결과적으로 미소 슬립 형태의 토오크 컨버터를 장착한 차량은 종래의 자동변속기를 장착한 차량보다 10% 정도 연료 소비를 줄일 수 있게 되었다. 댐퍼 클러치 제어 시스템의 주목적은 댐퍼 클러치의 슬립율(Slip Ratio)이 목표값에 일정하게 유지되도록 하기 위한 것이다. 토오크 컨버터 클러치의 슬립이 최소량으로 허용된다면, 엔진 토오크는 토오크 변동의 문제가 없이 변속기에 전달될 수 있다. 뿐만 아니라 엔진의 저속 영역에서도 클러치를 동작시켜 연비 향상을 실현시킬 수 있다. 클러치에 인가되는 유압은 전자적인 피드백 제어에 의하여 클러치의 슬립을 최소량으로 유지하게끔 제어된다. 그러나 이 피드백 시스템은 시스템의 여러 가지 요소의 변경으로 인하여 불안정하게 되는 경우가 있다. 따라서 전달 함수의 모든 인자는 시스템의 안정도에 영향을 미친다. 이 논문은 피드백 시스템의 안정성 해석에 관한 것이며, 특히 어떤 피드백 시스템에 의한 제어 방법이 클러치 표면 재질의 마찰계수 - 슬립 회전수 특성(μ-v 특성)이 변화되어도 안정성을 확보할 수 있느냐에 관한 것이다. 토오크 컨버터와 엔진 특성, 제어기의 동작 속도, 물리적인 상태 등에 관계된 어떤 상수는 고유한 한계값을 가지는 것도 있다. 그러나 외부에서 변화시킬 수 있는 변수는 필요한 만큼 변화시켜 좋지않은 μ-v 특성하에서도 안정된 시스템으로 구현되도록 해야 한다. 그러기 위해서는 μ-v 특성이 좋은 클러치 표면 재질을 개발하는 것과, 슬립율이 목표값에 빠르고 안정되게 응답하는 제어 시스템을 개발하는 것이다. 특히 클러치 표면 재질의 μ-v 특성은 시스템의 안정도에 중요한 영향을 준다. 오일의 성능 저하나 다른 오일과의 혼합으로 인해 변화된 μ-v 특성으로 말미암아, 초기 단계에서 안정되게 동작되더라도 시간이 지남에 따라 불안정한 현상이 발생되는데, 이것은 제어 방법을 개선함에 따라 안정된 동작으로 되돌려질 수 있으며, 또한, 클러치의 결합 초기 단계에서 발생하는 쇼크(Shock)도 크게 감소시킬 수 있다. 이 시스템의 안정성을 확인하기 위해, 피드백 시스템의 여러 요소에 의해 영향을 받는 안정도 측면에서의 효과를 이해하기 위해서 자동제어 이론에 의한 분석 방법을 도입하였다. 각종 실험 자료를 분석하여 댐퍼 클러치를 포함한 각 부분의 특성을 고찰하고, 댐퍼 클러치의 제어 알고리즘을 분석하였으며, 필요한 제어 변수값의 범위와 시스템의 안정도를 저해하는 요인들을 해석하였다. 그리고 엔진 - 댐퍼 클러치 - 부하를 포함한 구동계의 동적 모델링과 전달 특성을 해석하고 시스템의 전달 함수를 구하였다. 또한 시스템의 전달 함수를 이용하여 이론적인 제어 게인값을 결정하고, 댐퍼 클러치 제어를 위한 피드백 시스템의 상대 안정도를 Nyquist 판별법을 이용하여 해석함으로써 댐퍼 클러치 표면 재질의 μ-v 특성이 변화되어도 시스템은 안정한 영역에서 동작됨을 입증할 수 있었다. Big gain in automobile fuel economy has already been achieved by using electronically controlled damper clutch in automatic transmission. If a torque converter clutch is allowed to slip to a minimal amount, engine torque can be transmitted through a transmission without torque variation problem, and the clutch can be put in operation at low engine revolution resulting in a low fuel consumption. Oil pressure applied to the clutch is electronically controlled in a feedback mode to keep the clutch slip to a minimal amount. This feedback system may, however, become unstable by impairment of various factors in the system. This paper presents a stability analysis methodology for a feedback damper clutch system by modeling detailed system components and identifying parameters which affect the system performance. The control system is designed to ensure sufficient stability margins for variations of the system parameters. An overall block diagram of the coupled engine-damper clutch-torque converter system is defined and the dynamic equations for each component are derived to be used in mathematical analysis of the damper clutch control system. It is shown that the μ-v characteristics of the surface material of the damper clutch gives an important effect on the stability of the system. When the μ-v characteristics is significantly impaired by deterioration of the surface material of the damper clutch and ATF, the feedback system tends to become unstable and the slip tends to hunt. The effect of the variation of the μ-v characteristics on the system stability is analyzed by using a modified Nyquist relative stability analysis method. It is demonstrated via simulation that a damper clutch control system can be designed to remain stable for such a variation.

밀폐된 공간의 유해가스 검출을 위한 원격 계측 시스템에 관한 연구

한상배 부경대학교 2021 국내석사

최근 산업현장의 안전관리 및 사고 예방에 관심이 높아지고 있으며 밀폐공간에서의 사고 특성상 급성중독을 일으키는 유해가스가 주요 원인이 되고 있다. 특히 건설현장에서의 일산화탄소 중독, 하수처리장에서의 황화수소 중독이 전체 사고의 50% 이상을 차지하고 있으며 인명사고를 줄이기 위한 해결책이 연구되고 있다. 2020년 현재 우리나라의 밀폐공간 작업장은 공공하수처리시설 5,042개소, 하수관로 등 지방자치단체별 발주 공사현장 1,946개소, 양돈농장 3,288개소, 건설공사 양생 현장 8,326개소로 파악되고 있으며, 고용노동부와 안전보건공단에서는 밀폐공간 작업 시 작업 전 산소 및 유해가스 농도를 계측하고 충분한 환기를 할 것을 권유하고 있다. 하지만 밀폐공간에서의 질식사고는 매년 발생하고 있으며 매우 위험하고 치사율이 높음에도 불구하고 발생빈도가 줄어들지 않고 있다. 특히, 하수관로 및 밀폐공간에서 작업 중인 근로자에게 사고가 발생하면 외부에서 확인하기 어려워 인명사고 이어지기가 쉽다. 따라서 작업자가 및 밀폐공간 내부의 유해가스 농도를 사전에 확인하여 질식사고를 예방할 수 있는 원격 계측 시스템이 요구되고 있다. 최근 사물 인터넷(IoT)을 활용한 안전 및 재해, 재난에 관한 연구는 공학의 발전으로 우리가 과거보다 쉽게 기술을 사용할 수 있게 되었다. IoT, 클라우드, 빅데이터뿐 아니라 공학적으로도 센서, 통신이 발전하게 되어 다양한 방법을 시도해볼 수 있는 환경이 만들어졌다. 첨단기술을 이용한 밀폐공간 안전기술은 빠르게 발전하고 있으나, 이를 적절한 곳에서 사용할 수 있도록 응용하는 하드웨어, 소프트웨어 및 제도적 장치들의 지원이 부족한 실정이다. 최근 IoT 기술을 융합한 스마트헬멧과 밀폐공간의 작업환경을 작업자에게 알려 주는 작업환경 알리미 등의 안전관리 시스템이 현장에 적용되고 있으나, 그 수준은 보여주기식에 불과하며 비용부담과 착용불편 등의 이유로 이미 적용한 현장에서조차 효과적으로 활용하지 못하고 있다. 밀폐공간 질식 재해 예방은 지속해서 필요하며 기술적, 제도적 보완을 융합하여 예방 방법을 마련해야 한다. 따라서 이처럼 밀폐공간의 특성을 반영한 첨단기술 활용하여 비용이 저렴하며, 현장 적용이 쉬운 유해가스 계측장치의 개발이 필요하다. 급성중독을 예방하기 위해서는 사람이 들어가지 않고도 계측이 가능할 수 있도록 기본적으로 무선 시스템을 활용하여 계측할 수 있도록 해야 한다. 본 논문에서 제시하는“밀폐된 공간의 유해가스 검출을 위한 원격 계측 시스템에 관한 연구”는 일반적으로 접근하기 어려운 밀폐공간의 특성을 반영하기 위해 무선통신 시스템을 활용하여 유해가스 농도를 계측하였다. 그리고 실효성 있는 유해가스를 계측하기 위해 기존시스템에서 계측하는 산소농도, 일산화탄소, 황화수소 가스뿐만 아니라 밀폐공간의 온·습도 상황과 이산화탄소 가스 센서를 추가하여 시스템을 구축하였다. 제안한 원격 계측 시스템의 성능을 검증하기 위해 Lab chamber 실험을 진행하였으며 구축된 시스템을 평가하였다.

영구자석 동기전동기로 구동되는 조향장치시스템의 H∞ 제어기 설계

이관형 한양대학교 대학원 2011 국내석사

영구자석 동기전동기는 역기전력이 정현파 형태를 갖기 때문에 전동기의 전류를 정현파 형태로 인가해 주어야 하는 제어상의 어려움이 있지만, 일단 정현파 형태로 인가해 주면 맥동 토크가 없는 이상적인 토크를 발생한다는 장점이 있다. 그리고 이러한 영구자석 동기전동기뿐만 아니라 대부분의 교류 전동기의 경우, 전동기의 고정자 인덕턴스가 전동기 속도에 관한 함수로 나타난다. 이 때문에 교류 전동기의 전압방정식은 전동기가 정지하고 있는 경우를 제외하고는 시변 미분방정식으로 나타난다. 따라서 이러한 3상 교류 전동기의 A, B, C 상의 변수들을 여자 자속 성분을 포함한 d축과, 토크 성분을 포함한 q축으로 변환하여, 복잡한 시변 미분 방정식을 자속과 토크 성분으로 나누어 독립적으로 해석할 수 있다. 최근에는, 영구자석 동기전동기가 점차적으로 유압식 또는 직류 전동기를 대신하고 있다. 기존의 유압식 동력조향(Hydraulic Power Steering) 시스템은 엔진에서 동력을 전달받아 구동하므로 엔진의 효율을 감소시키며, 펌프, 호스, 드라이브 벨트 등으로 인하여 구조적으로 복잡하다. 이에 반해, 전기식 모터 동력조향(Electric Power Steering, EPS) 시스템은 독립적으로 모터를 사용하기 때문에 엔진에 부담을 주지 않으며, 기구부가 단순해지는 등의 장점이 있다. 그러나 이와 같은 장점에도 불구하고, EPS 시스템은 기존 유압식 동력조향 시스템과 달리, 진동과 소음 문제가 존재하며, 문제의 원인은 전동기에 의해 발생되는 토크 리플에 있다. 이와 같은 어플리케이션은 좋은 조향감을 제공하기 위해서, 매우 낮은 토크 리플을 요구한다. 그러나 공간적인 제약 때문에, EPS(Electric Power Steering) 시스템에 사용되는 SPMSM(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)의 철심 코어가 포화되는 것을 막을 수 없다. 예를 들어, 높은 토크 영역의 자기포화는 불가피하다. 고정자 치의 부분적인 쇄교자속 포화는 인덕턴스 변화 및 토크 리플을 야기한다.[16] 따라서 공칭 모델에 의존한 제어기는 불확실성에 대해 좋은 성능을 기대하기 힘들기 때문에, 외란 또는 파라미터 변동에 의한 토크 리플에 강건한 제어기가 필수적이다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서, 전동기의 포화 상태 때문에 발생할 수 있는 인덕턴스의 파라미터 변동과 부하 토크에 유입될 수 있는 외란에 강건한 제어기를 설계하였다. Electrical power-assisted steering(EPS) system have been used to replace traditional hydraulic power steering systems in vehicle. In an EPS system, the assisting steering torque is from an electric motor. In principle, the control of an EPS system involves two aspects:1) motor torque control to satisfy the torque requirement and 2) steering motion control to yield a satisfied feeling of the driver during the steering process in a disturbed environment. In this thesis, a robust current controller is designed for a SPMSM(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor). Generally, there exist uncertainties such as perturbation of parameters, non-linearity of a plant, modeling errors and sensor noises in the controlled system. The robust control theory has been re-estabilished and developed to design controller satisfying the required specification in spite of model uncertainties. In this thesis, the controller is designed by using the state space model of the SPMSM(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor) with inductance uncertainty among robust control theory.

병렬형 마이크로 로봇의 설계 및 제어

나흥열 한양대학교 대학원 2000 국내석사

미소위치제어 메커니즘은 Scanning Electron Microscopy (SEM), x-ray lithography, mask alignment, 그리고 micro-machining 등의 많은 분야에서 중요하고 필수적인 기술이다. 최근에 산업 현장에서 요구되는 위치 제어 정밀도는 수마이크로미터(㎛) 이상에 이르고 있다. 본 논문에서는 두 가지 형태의 미소위치제어 메커니즘을 소개한다. 첫 번째는 flexure hinge를 관절로 사용한 3 자유도 병렬형 메커니즘이다. 기존의 연구에서는 flexure hinge를 단지 회전관절만을 가진 1 자유도 또는 3자유도의 구형 관절로 모델링하였다. 그러나, flexure hinge는 작은 크기이지만 축 방향의 미끄럼 운동을 가지고 있는 것으로 알려지고 있으며 최근의 수행하지 않음으로 적절한 대처를 취하지 못하였다. 몇몇 연구에서는 flexure hinge의 추가 자유도를 고려하였으나, 모델링 과정에서 모빌리티 해석을 하지 않았다. 본 연구에서는 flexure hinge의 2 자유도 특성을 고려하여 정확한 모빌리티 해석을 수행하였으며, 이로 인해 flexure hinge의 2 자유도 특성을 고려한 모빌리티 6 시스템이 단지 1 자유도로만 고려한 모빌리티 3 시스템보다 정밀함을 해석적인 방법 유한요소해석(FEM)법과의 비교를 통해 증명하며, 구현 가능성을 보이고자 한다. 두 번째는 물체를 잡은 후 미소한 위치와 힘을 제어할 수 있는 병렬형 그리퍼에 대한 연구이다. 기존의 그리퍼의 기능을 향상시키고 로봇 손의 역할을 일부 지니는 4자유도 병렬형 그리퍼에 대한 연구를 수행한다. 이 장치는 물체를 유연하게 파지 할 수 있는 평형 사변형 플랫폼을 가지고 있으므로 불규칙한 형상이나 부피가 큰 물체를 잡을 수 있고 물체를 잡은 후에도 미소 위치 제어가 가능하다. 그리퍼의 최적설계를 위하여 작업공간에서의 등방성 지수, 파지힘(grasping force)을 고려하며, 이러한 다양한 성능지수를 통합적으로 고려하는 복합 설계지수를 사용하여 최적설계를 수행한다. 병렬형 그리퍼의 단일한 정방향 위치해를 구하고 또한, 시스템 calibration을 위하여 두 개의 센서를 추가로 실장하는 설계로 병렬형 그리퍼를 제작하였다. 구동을 위해 공압 구동기(rotator)를 사용하였고 피드백(feedback) 제어를 위해 4/3 비례 압력 밸브(4/3 way proportional pressure value)를 사용하였다. 압력 밸브는 파지 되는 물체와 그리퍼의 플랫폼(platform) 사이의 접촉으로 발생하는 압력차를 이용하여 간접적인 힘 제어를 할 수 있다. 실험을 통해 위치제어, 물체를 파지 이후의 미소위치제어, 그리고 힘 제어에 대한 만족스러운 결과를 얻었다.

지속성 과전류에 의한 모터의 전기적 특성 및 열화 분석

김지현 한양대학교 대학원 2012 국내박사

본 논문은 전원이 인가되어 동작하는 모터 시스템에 있어 전기적인 비정상 과도상태나 지속적인 과전류 상태에서 흔히 발생하는 모터의 열화특성을 분석하고자 한 지속성 과전류에 의한 모터의 전기적 특성 및 열화분석에 관한 연구이다. 모터라 함은 자속을 발생하는 영구자석과 전류의 흐름을 유도해 회전을 발생시키는 정류자로 크게 구성되고, 정류자에는 절연된 인덕터가 함침되어 있다. 산업현장 및 전기전자 기기에 다양하게 사용되고 있는 모터는 회전력을 이용하여 부하를 구동시키게 되는데, 장시간 또는 비정상적인 사용 환경에 의해 정상적인 출력이 나타나지 않을 때 흔히, 모터가 열화 되었다는 말을 많이 한다. 모터의 열화란 구체적으로 어떤 상황을 말하는 것이며, 열화가 발생했을 때 모터의 전기적 특성은 어떻게 변화하는지 실험을 통해 분석하고자 했다. 열화 발생은 장시간 사용에 의한 노후 또는 과도상태에 의한 전기적 쇼크가 주요 원인이 될 수 있는데 본 연구에서는 이러한 실험을 실제로 사용되고 있는 모터 시스템에 적용하였고, 열화방지가 가능한 제어기를 제안하여 지속적이고 반복적인 과부하를 동시에 인가함으로써 직접적인 비교를 시도하였다. 대상 시스템은 자동차의 폴딩제어 시스템으로서 폴딩 제어기술은 모터의 동작을 정․역으로 반복 제어함으로써 부하의 구동을 제어하는 다양한 장치 및 시스템에 많이 응용되고 있으며, 대표적인 적용 사례로서 자동차의 사이드 미러 접이 콘트롤러, 와이퍼 콘트롤러, 안테나 콘트롤러, 파워윈도우 콘트롤러 등을 들 수 있다. 이러한 제어 메커니즘은 일반적으로 구동의 주체인 모터와 과전류 감지 소자, 전류 제어용 스위칭 소자, 전원 제어용 릴레이 등으로 구성되어 있으며, 부하의 변동에 따라 변화하는 모터의 전류 포화 정도가 한계점에 이르렀을 때 전기적 용단 특성을 가진 열전소자가 회로를 트립시킴으로서 모터의 동작을 차단하는 전원제어 방식을 채용하고 있다. 하지만 이러한 제어방식은 동작중인 모터를 특정 위치에서 더 이상 회전하지 못하도록 강제 구속하는 구조로서 전기적 차단이 이루어지기까지 모터에는 과부하가 유지되고, 과부하로 인해 모터의 내부저항이 감소함으로써 정격이상의 과전류가 유도되게 된다. 이러한 과전류는 지속적으로 모터의 열화를 일으키는 요인으로 작용하며, 심할 경우 모터 내부의 온도상승으로 인덕터 표층의 절연 피막이 손상되어 전기적 쇼트 현상이 발생하게 된다. 따라서 시스템의 안정된 동작과 제어를 위해서는 모터에 과부하가 발생하지 않도록 하여야 하며, 그 정도 또한 최소화 되도록 하는 것이 중요하다. 하지만 현재의 시스템은 과전류를 흘려 회로를 차단시키는 폴리 스위치 방식을 적용하고 있어 모터에 유도되는 과부하를 방지하기 어려운 근본적인 문제를 안고 있다. 폴리스위치는 특정 온도 이상에서 구동 회로를 트립시켜 전기적으로 고저항을 유지함으로써 회로를 보호하는 역할을 하지만 주변의 온도에 따라 트립시점이 일정하지 않기 때문에 정밀한 제어는 물론 시스템의 신뢰성을 확보하기 어렵다는 단점이 있다. 본 논문에서는 이러한 기존 제어방식의 한계에 의해 발생하는 모터의 전기적 특성 저하를 방지할 수 있는 새로운 제어기를 설계 하였다. 제어기는 모터 실시간 감시 및 전류센서 회로, 신호변환 및 증폭회로, 신호 필터링을 위한 정형화 회로, 제어 시차를 조절하는 타이밍 발생기 및 모터 오프 제어회로로 구성하였고, 전력전자 소프트웨어인 CASPOC으로 직류 모터의 모델링과 시뮬레이션 통해 제어기의 동작 상태를 분석 하였다. 또한, 시뮬레이션 결과를 실제 상태와 비교하기 위해 제어기를 제작하여 동일한 조건에서 100,000회의 열화 실험을 반복한 결과, 기존 제어기의 전기적 특성이 현격히 저감한 반면, 개선된 제어기의 특성은 대체로 양호하여 기존 제어기에 비해 모터 코일의 내부저항 39%, 인덕턴스 26%, 절연저항 10배의 결과를 얻었다. 즉, 실험결과를 통해 모터의 전기적 특성 및 열화상태를 비교 분석할 수 있었으며, 모터의 주된 열화 요인으로 지속적인 과전류 및 열적인 과부하가 모터의 주된 열화요인으로 작용하는 것을 확인할 수 있었다.