제어모멘트자이로 김블의 토크 외란 모델링 검증 및 피드포워드 제어를 이용한 토크 리플 저감 = Verification of Torque Disturbance Modeling of CMG Gimbal and Its Torque Ripple Reduction using Feed-Forward Control

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, the generating of torque regarding the Control Moment Gyro (CMG) is proportional to the angular velocity of gimbal. This is the case because gimbal affects the attitude control of the satellite directly, and it is necessary to reduce the incidence of torque ripple of gimbal. In this paper, the cause of the torque ripple of gimbal is reviewed and mathematically modeled by assuming the friction imbalance of bearing, the magnetic field and the phase current imbalance of the motor. We are able to confidently estimate the modeling parameters of gimbal disturbance using a constant speed test, and then analyze the influence of applying feedforward control to our modeling. Additionally, the simulation results show that the torque ripple and angular velocity fluctuations are reduced when apply this modeling to the identified study parameters.
Finally, we present the disturbance reduction technique using our disturbance modeling.

국문 초록 (Abstract)

CMG의 발생 토크는 김블의 각속도에 비례하고 위성의 자세제어에 직접적인 영향을 미치기 때문에김블의 토크 리플 저감이 필요하다. 본 논문에서는 토크 리플의 발생 원인을 베어링에 의한 마찰 불균형, 모터의 자기장과 상전류 불균형으로 가정하여 이를 수학적으로 모델링한다. 김블의 정속 구동 데이터를 통해 모델링의 파라미터를 추정하고 이를 이용하여 피드포워드 제어로 적용할 경우 영향성을 분석한다. 시뮬레이션을 통해 토크 리플과 각속도 변동이 저감되는 것을 확인하여 외란 모델링을 이용한외란 저감 기법을 제시한다.

참고문헌 (Reference)

1 이선호, "제어 모멘트 자이로의 기술과 산업동향" 한국항공우주학회 40 (40): 86-92, 2012

2 김지철, "속도 오차 외란이 반작용 휠 제어에 미치는 영향에 관한 실험적 연구" 항공우주시스템공학회 10 (10): 95-102, 2016

3 김지철, "베어링 예압 및 오일양에 따른 반작용 휠 성능 분석" 항공우주시스템공학회 10 (10): 35-42, 2016

4 K. S. Lee, "Torque ripple reduction in Brushless DC Motor(BLDCM) using back-EMF observer" 952-953, 2010

5 J. Fang, "Torque Ripple Reduction in BLDC Torque Motor With Nonideal Back EMF" 27 : 4630-4637, 2012

6 J. S. Hsu, "Nature and measurements of torque ripple of permanent-magnet adjustable-speed motors" Oak Ridge National Lab. 1995

7 S. John, "Modeling of electromechanical and electromagnetic disturbances in DC motors" IEEE 1989

8 N. Lakshmipriya, "Modeling of SEPIC Fed PMBLDC motor for torque ripple minimization" 10 : 2015

9 B. Bialke, "Microvibration Disturbance Sources in Reaction Wheels and Momentum Wheels" 386 (386): 765-770, 1996

10 T. Mizuno, "Magnetic Circuit Analysis of a Linear Synchronous Motor with Permanent Magnets" 28 : 3027-3029, 1992

11 I. Boldea, "Linear Motion Electromagnetic Systems, 1st Ed" John Wiley and Sons 1985

12 J. Lee, "Gimbal Control Disturbance Modeling of Control Moment Gyro" Korea Aerospace University 2016

13 J. Lee, "Control Disturbance Reduction using Gimbal Modeling of CMG" 2017

14 D. Hanselman, "Brushless Motors:Magnetic Design, Performance, and Control" E-Man Press LLC 2012

15 장소현, "BLDC 모터의 토크리플을 줄이기 위한 외란 관측기 기반 제어기 설계에 관한 연구" 대한전기학회 64 (64): 1217-1223, 2015

16 Y. Mandel, "Adaptive internal model based suppression of torque ripple in brushless DC motor derives" 3 : 162-176, 2015

17 B. J. Paul, "A Systems Approach to the Torque Control of a Permanent Magnet Brushless Motor" Dept. of Mechanical Engineering 1985

18 G. H. Kang, "A Novel Design of an Air-Core Type Permanent Magnet Linear Brushless Motor by Space Harmonics Field Analysis" 37 : 3732-3736, 2001