새로운 개념의 인공위성 자세제어작동기에 대한 타당성 연구를 수행하였다. 구체구동기는 단일장치로써 위성의 3축 자세제어가 가능한 구동기이며, 구체 플라이휠과 자기부상 및 회전구동을 위한 전자석으로 구성된다. 구체구동기에 대한 수학적 모델링 및 설계를 통하여 시제품을 제작하였으며, 자기부상이 적용된 조건에서 1축에 대한 구동성능 시험을 수행하였다. 구동성능은 최대속도 7,200rpm 그리고 최대토크 0.7Nm로 측정되었으며, 속도-토크 특성곡선을 이용한 개루프 속도제어를 통하여 우수한 가속 및 감속 속도제어 결과를 확인하였다. 본 구체구동기는 속도 및 토크 제어를 위한 추가적인 연구를 통하여 성능이 개선될 예정이다.
새로운 개념의 인공위성 자세제어 작동기에 대한 타당성 연구를 수행하였다. 구체구동기는 단일장치로써 위성의 3축 자세제어가 가능한 구동기이며, 구체 플라이휠과 자기부상 및 회전구동을 위한 전자석으로 구성된다. 구체구동기에 대한 수학적 모델링 및 설계를 통하여 시제품을 제작하였으며, 자기부상이 적용된 조건에서 1축에 대한 구동성능 시험을 수행하였다. 구동성능은 최대속도 7,200rpm 그리고 최대토크 0.7Nm로 측정되었으며, 속도-토크 특성곡선을 이용한 개루프 속도제어를 통하여 우수한 가속 및 감속 속도제어 결과를 확인하였다. 본 구체구동기는 속도 및 토크 제어를 위한 추가적인 연구를 통하여 성능이 개선될 예정이다.
In the present study, a feasibility study on an innovative satellite attitude control actuator is performed. The actuator is specially designed to generate the reaction torque in an arbitrary axis, so that a satellite attitude can be controlled by using itself. It consists of a spherical flywheel an...
In the present study, a feasibility study on an innovative satellite attitude control actuator is performed. The actuator is specially designed to generate the reaction torque in an arbitrary axis, so that a satellite attitude can be controlled by using itself. It consists of a spherical flywheel and electromagnets for levitation and rotation control of the ball. As the earlier study, a rotating performance test on the spherical actuator is conducted in a single rotating axis and vertical levitation condition. From the test results, it can be confirmed that the maximum speed and torque of the innovative device are 7,200rpm and 0.7Nm, respectively. Using a velocity-voltage characteristic curve of the spherical motor, an open-loop control (V/f constant control) is performed, and the test results show excellent control performance in acceleration and deceleration phases.
In the present study, a feasibility study on an innovative satellite attitude control actuator is performed. The actuator is specially designed to generate the reaction torque in an arbitrary axis, so that a satellite attitude can be controlled by using itself. It consists of a spherical flywheel and electromagnets for levitation and rotation control of the ball. As the earlier study, a rotating performance test on the spherical actuator is conducted in a single rotating axis and vertical levitation condition. From the test results, it can be confirmed that the maximum speed and torque of the innovative device are 7,200rpm and 0.7Nm, respectively. Using a velocity-voltage characteristic curve of the spherical motor, an open-loop control (V/f constant control) is performed, and the test results show excellent control performance in acceleration and deceleration phases.
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문제 정의
또한 구동성능 결과로 부터 구체구동기 모터의 속도-토크 특성곡선을 도출하였으며, 이를 활용한 개 루프(open loop) 속도제어 시험을 완료하였다. 본 논문에서는 한국항공우주연구원에서 개발한 구체구동기에 대한 개발과 주요 시험결과에 대해서 기술하였다.
본 연구에서는 3축 방향으로 임의의 회전이 가능한 위성 자세제어용 구체구동기의 개발을 연구목표로 하고 있다. 현재까지 구체구동기 반작용휠에 대한 제작과 자기부상 조건을 적용한 1축 회전 시험평가를 수행하였다.
본 연구에서는 새로운 형태의 자세제어용 구동장치인 구체구동기에 대한 설계 및 성능평가를 수행하였다. 자기부상 및 1축 회전이 가능한 구체구동기에 대한 설계 및 시제품 제작을 수행하였으며, 1축 회전에 대한 구동성능 시험과 속도제어를 수행하였다.
가설 설정
구체구동기 성능시험의 속도 데이터 특성은 그림 4와 같이 연속적인 2개의 함수(f1과 f2)와 상수(constant)로 구성된다고 가정되었다. 여기서 함수 f1과 f2는 다음과 같이 각각 m차와 n차의 다항식으로 표현될 수 있다.
제안 방법
구체구동기의 성능 측정 시험은 자기부상 전자석을 이용하여 구체 플라이휠을 수직방향으로 부상시킨 상태에서 수평방향의 회전구동 전자석을 이용하여 회전시키며, 측면 방향에 설치된 타코미터를 이용하여 속도를 측정하는 방식으로 수행되었다.
현재까지 구체구동기 반작용휠에 대한 제작과 자기부상 조건을 적용한 1축 회전 시험평가를 수행하였다. 또한 구동성능 결과로 부터 구체구동기 모터의 속도-토크 특성곡선을 도출하였으며, 이를 활용한 개 루프(open loop) 속도제어 시험을 완료하였다. 본 논문에서는 한국항공우주연구원에서 개발한 구체구동기에 대한 개발과 주요 시험결과에 대해서 기술하였다.
구체구동기 성능시험의 각 시험조건에서 적용된 입력변수 값들은 표 2에 정리하였다. 모든 구동시험은 플라이휠이 정지된 상태에서 고정된 PWM의 크기(A)와 주파수(f)를 인가하여 최대 속도에 이르기까지 가속시키면서 속도를 측정하였다. 이러한 성능시험은 아래와 같이 총 41개의 시험조건에 대해서 수행되었다.
본 연구에서 개발된 구체구동기는 무부하 조건에서 구동되며, 최대 토크가 정격토크의 약 175%가 되도록 가정하여 50Hz의 정격주파수와 0.4Nm의 정격 토크를 구동조건으로 결정하였다.
본 연구에서 수행된 개루프 구동제어는 10 ~ 40Hz에 해당하는 다중 스텝 명령에 대해 수행되었다. 이 중 20Hz와 30Hz의 다중 스텝 명령에 대한 개루프 제어 응답은 그림 10에 나타나 있다.
특히, 이러한 속도 오차들은 속도 데이터의 미분을 통해 계산되는 회전 가속도에 매우 큰 오차를 발생시키는 원인이 된다. 본 연구에서는 구체구동기의 성능분석을 위하여, 연속적인 속도 함수를 이용하여 속도 데이터를 추정하였으며, 추정된 속도 함수의 미분을 통하여 회전 토크를 계산하였다.
유도전동기의 속도 제어법에는 크게 평균토크를 제어하는 스칼라제어와 순시토크를 제어하는 벡터제어로 구분할 수 있다[7]. 본 연구에서는 위치센서가 필요하지 않고 제어가 단순하여 적용하기 쉬운 스칼라제어를 적용하였으며, 특히 속도제어범위가 넓고 효율이 높아서 가장 광범위하게 사용되고 있는 V/f일정제어를 사용하였다.
성능해석을 통해 결정된 설계변수들을 기반으로 그림 2와 같이 수직방향으로 자기부상 제어가 가능한 1차원 회전용 구체구동기 시제품을 제작하였다. 회전구동은 총 4개의 전자석에 의해 구현되며, 플라이휠은 100mm 직경의 중공타입으로서, 철 층과 구리층의 2중 구조를 가지며, 질량 및 관성 모멘트는 각각 m = 3.
0∼ 30Hz까지는 저속 구동 구간으로서 초기 기동을 가속화시키기 위한 Boost 전압제어가 적용되며, 30∼ 75Hz 까지는 속도명령에 비례하여 전압명령이 생성되는 V/f일정제어가 적용되며, 75Hz 이상에서는 구체구동기의 최대 구동전압(150V)에 해당하는 제한영역으로서 주파수제어가 적용된다. 이러한 속도-전압 이득 곡선을 적용하여 구체구동기 1축에 대한 개루프(open-loop) 속도 제어를 수행하였다.
본 연구에서는 새로운 형태의 자세제어용 구동장치인 구체구동기에 대한 설계 및 성능평가를 수행하였다. 자기부상 및 1축 회전이 가능한 구체구동기에 대한 설계 및 시제품 제작을 수행하였으며, 1축 회전에 대한 구동성능 시험과 속도제어를 수행하였다. 특히, 측정된 타코 데이터에 대한 속도 함수화를 적용하여 회전토크 계산과 구동성능 특성을 도출하였다.
자기부상 및 1축 회전이 가능한 구체구동기에 대한 설계 및 시제품 제작을 수행하였으며, 1축 회전에 대한 구동성능 시험과 속도제어를 수행하였다. 특히, 측정된 타코 데이터에 대한 속도 함수화를 적용하여 회전토크 계산과 구동성능 특성을 도출하였다. 현재까지 구체구동기의 최대속도는 7,200rpm이며, 최대토크는 0.
본 연구에서는 3축 방향으로 임의의 회전이 가능한 위성 자세제어용 구체구동기의 개발을 연구목표로 하고 있다. 현재까지 구체구동기 반작용휠에 대한 제작과 자기부상 조건을 적용한 1축 회전 시험평가를 수행하였다. 또한 구동성능 결과로 부터 구체구동기 모터의 속도-토크 특성곡선을 도출하였으며, 이를 활용한 개 루프(open loop) 속도제어 시험을 완료하였다.
이론/모형
구체구동기의 성능시험을 통해서 측정된 타코신호를 이용한 속도 검출방법에는 대표적으로 펄스카운트 방식(M-method)과 샘플링 방식(T-method)이 사용된다. 본 시험에서는 샘플링 방식을 적용하여 속도를 측정하였다.
구체구동기의 성능시험을 통해서 측정된 타코신호를 이용한 속도 검출방법에는 대표적으로 펄스카운트 방식(M-method)과 샘플링 방식(T-method)이 사용된다. 본 시험에서는 샘플링 방식을 적용하여 속도를 측정하였다. 샘플링 방식은 속도 데이터의 샘플링이 일정하지 않고, 데이터에 잡음이 발생하며, 또한 저속 영역에서 데이터가 충분하지 않다는 문제점이 있다.
이러한 미지수들은 속도함수와 측정된 속도 데이터를 이용한 곡선 접합 방식으로 결정될 수 있으며, 이를 위하여 Maltab의 최적화 툴인 “fminsearch”함수를 사용하였다.
성능/효과
이 중 20Hz와 30Hz의 다중 스텝 명령에 대한 개루프 제어 응답은 그림 10에 나타나 있다. 각 스텝에 대해서 작은 슬립에 의한 오차가 존재하며, 모든 가진 주파수 영역에 대해서 속도명령과 잘 일치함을 확인하였다. 또한 최대속도는 120Hz(7,200rpm)까지 측정되었다.
7Nm로 측정되었다. 또한 속도-토크 성능특성 그래프로부터 속도-전압 이득을 결정하여 개루프 속도제어를 수행하였으며, 명령 속도에 대해서 가속 및 감속을 통한 속도제어가 성공적으로 이뤄졌음을 확인하였다. 이러한 성능결과는 상용 반작용휠의 성능에 근접하는 결과이며, 구체구동기와 관련된 국외연구 사례에 비해 우수한 결과라고 판단된다.
본 연구에서 확인된 구체구동기의 최대 토크(0.7Nm) 및 최대속도(7,200rpm)는 기존 상용위성들에서 사용되고 있는 반작용휠의 최대 토크영역(0.01 ~ 2Nm)과 최대 속도영역(600 ~ 6,000rpm)에 부합되는 결과이며, 해외에서 수행된 유사한 연구[2]의 최대속도 보다 6배 이상의 최대 회전속도를 갖는 결과이다.
후속연구
특히 하나의 구동장치만으로 3차원방향의 제어토크 또는 모멘텀을 발생시킬 수 있으므로 단일장치로써 위성의 3축 자세제어가 가능하다는 장점이 있다. 따라서 이러한 새로운 개념의 구체구동기를 사용하게 되면 3개 이상의 조합을 사용하는 기존의 구동시스템과 비교하여 무게와 부피의 감소가 가능해지므로 위성의 소형화 및 경량화가 가능해 진다.
이러한 성능결과는 상용 반작용휠의 성능에 근접하는 결과이며, 구체구동기와 관련된 국외연구 사례에 비해 우수한 결과라고 판단된다. 본 구체구동기는 패루프(closed-loop) 속도 제어 및 3차원 회전구동 등의 후속연구를 통하여 추가적인 성능 개선이 이뤄질 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
구체구동기는 무엇인가?
새로운 개념의 인공위성 자세제어 작동기에 대한 타당성 연구를 수행하였다. 구체구동기는 단일장치로써 위성의 3축 자세제어가 가능한 구동기이며, 구체 플라이휠과 자기부상 및 회전구동을 위한 전자석으로 구성된다. 구체구동기에 대한 수학적 모델링 및 설계를 통하여 시제품을 제작하였으며, 자기부상이 적용된 조건에서 1축에 대한 구동성능 시험을 수행하였다.
구체구동기는 어떻게 구성되어 있는가?
새로운 개념의 인공위성 자세제어 작동기에 대한 타당성 연구를 수행하였다. 구체구동기는 단일장치로써 위성의 3축 자세제어가 가능한 구동기이며, 구체 플라이휠과 자기부상 및 회전구동을 위한 전자석으로 구성된다. 구체구동기에 대한 수학적 모델링 및 설계를 통하여 시제품을 제작하였으며, 자기부상이 적용된 조건에서 1축에 대한 구동성능 시험을 수행하였다.
구체구동기의 장점은?
본 연구의 개발 대상인 구체구동기(Spherical actuator)는 새로운 개념의 자세제어 작동기로서, 하나의 구체 플라이휠(spherical flywheel)을 이용하여 임의의 방향으로 회전이 가능한 구동장치이다. 특히 하나의 구동장치만으로 3차원방향의 제어토크 또는 모멘텀을 발생시킬 수 있으므로 단일장치로써 위성의 3축 자세제어가 가능하다는 장점이 있다. 따라서 이러한 새로운 개념의 구체구동기를 사용하게 되면 3개 이상의 조합을 사용하는 기존의 구동시스템과 비교하여 무게와 부피의 감소가 가능해지므로 위성의 소형화 및 경량화가 가능해 진다.
참고문헌 (7)
김대관, 오시환, 이선호, 용기력, "반작용휠의 미소 진동 측정법에 관한 실험적 연구," 한국소음진동 공학회논문집, 제 21권, 제 9호, pp. 828-833, 2011.
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Boletis, A., Sache, L., Menot, S. and Bleuler, H., "Magnetic Levitation and Rotation of Sub-millimetric Spherical Rotors," International Conference on Magnetically Levitated Systems and Linear Drives (MAGLEV2002), Lausanne, Switzerland.2002.
Wildmann, C., Nussbaumer, T. and Kolar, J. W., "10 Mrpm Spinning Ball Motor - Preparing the next generation of ultra-high speed drive systems," International Power Electronics Conference, 2010.
Dehez, B., Galary, G., Grenier, D. and Raucent, B., "Development of a Spherical Induction Motor With Two Degrees of Freedom," IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL.42, NO.8, pp.2077-2089, 2006.
Park, G., Yoon, H., Kim, D. K., Yong, K. L. and Sergei, E., "Feasibility Study and System Conceptual Design for the Spherical Actuator," 11th International Conference on Control, Automation and Systems, Oct. 26-29, KINTEX, Korea, pp. 1875-1879, 2011.
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