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문제 정의
- 본 논문에서는 흡인식 부상방식으로 부상제어를 하고, 직선추력을 발생시키는 선형 유도전동기를 적용한 자기부상이송시스템의 설계 방법을 제안하고, 실제 제작하여 검증하였다. 실제 실험을 통하여 PID제어기를 이용한 4개의 전자석을 3mm로 자기부상 제어를 수행하였고, 공간벡터 펄스폭 변조방식을 적용한 선형 유도전동기의 추진 제어를 하였다.
- 그림 13은 각각의 전자석에 대한 부상실험 결과이다. 실험은 PID제어기를 이용하여 초기 공극 0mm에서 공극 3mm로 부상하며, 오버슈트 15%이내, 정착시간은 0.5초를 목표로 하였다. 공간벡터 변조방식을 적용한 선형 유도전동기의 추진 실험의 결과는 그림 14와 같다.
제안 방법
- 5초를 설계 사양으로 선정하고 극배치 기법을 이용하여 구할 수 있다. PD 제어기에서 요구된 극점들을 선정하고 미분 이득을 적절히 변경하여 설계사양을 만족하는 PID 제어기 파라미터를 결정하였다.
- 자기부상 이송시스템의 전자석 설계를 위하여 초기 사양을 선정하고, 자기회로법을 통해 계산된 설계 값을 다음의 표 1에 나타내었다. 다음으로 부상력과 권선수, 정격전류, 권선의 직경을 초기 값으로 선정하여 전자석 설계를 하였다.
- 쵸퍼는 부상 시에 급격하게 변화하는 전류의 흐름으로 생기는 불안정한 과전류 보호를 위해 10A이상일 때 고장 신호(fault)단자를 구성하였다. 또한 쵸퍼 파손을 막기 위해서 전자석 당 전류 제한을 20A로 설정하였다. PWM 스위칭을 위해서 600V, 40A급 H-브릿지 타입의 IGBT를 4개 사용하였다.
- 본 논문에서는 DSP를 이용한 추진 제어기를 그림 10과 같이 설계하였다. 공간벡터 전압변조 방식으로 선형 유도전동기의 3상의 신호를 제어하기 위해서는 총 6개의 PWM 신호가 필요하다.
- 본 논문에서는 PID 제어기를 적용한 흡인식 부상제어시스템과 직선 추진력을 발생시키는 선형 유도전동기를 사용한 자기부상 이송시스템을 설계하였으며, 제안된 시스템의 성능을 평가하기 위하여 초기 공극 0mm에서 정격 공극 3mm로 부상한 후 목표 위치까지 반복 운전하는 실험을 수행하였다. 실제 실험을 통해서 제안된 시스템의 성능이 만족할만한 성능을 보임을 확인하였다.
- 흡인식 자기부상시스템에서 부상제어기의 목적은 외부의 하중 외란과 레일외란에 대하여 안정한 부상력을 발생시켜 공극이 일정히 유지되도록 전자석에 가해지는 전압을 제어하는 것이다. 본 논문에서는 그림 7과 같이 공극 센서로부터 DSP로 아날로그 입력을 받아 디지털 값으로 변환한 후에 PID제어 알고리즘을 수행한다. PID 연산된 값으로 PWM 펄스폭 비율을 조정하고 쵸퍼로 신호를 입력한다.
- 자기부상 물류이송시스템의 구성은 그림 1과 같이 선형 유도전동기, 4개의 공극 센서, 4개의 전자석, 레일로 구성하였다. 선형 유도전동기는 자속의 흐름이 이동자의 진행 방향과 같은 방향으로 형성되는 종자속형 선형 유도전동기로 선정하였고, 도전성 금속 목표물의 유기된 와전류에 의한 임피던스 변화를 이용하는 와전류 형태의 공극 센서를 사용하였다. 전자석의 부상력은 500N으로 초기 공극 0mm에서 정격 공극 3mm로 자기부상이 가능하게 설계하였다.
- DSP에서 출력되는 PWM 신호를 IGBT 구동회로에 의해 0～5V에서 –15V～+15V로 변환되어 인버터에 인가되며, 출력되는 신호에 의해 선형 유도전동기가 구동된다. 선형 유도전동기를 구동하기 위해 에너지를 공급하는 전력회로는 단상 브리지 다이오드와 평활용 직류 콘덴서로 이루어진 정류회로와 빠르고 안정적인 스위칭 특성을 얻기 위하여 IGBT로 인버터 회로를 구성하였다. 또한 DSP 추진 제어기와 메인 PC는 시리얼 통신을 하여 조이스틱으로 선형 유도전동기의 추진을 제어할 수 있고 상태를 실시간 모니터링 할 수 있다.
- 본 논문에서는 흡인식 부상방식으로 부상제어를 하고, 직선추력을 발생시키는 선형 유도전동기를 적용한 자기부상이송시스템의 설계 방법을 제안하고, 실제 제작하여 검증하였다. 실제 실험을 통하여 PID제어기를 이용한 4개의 전자석을 3mm로 자기부상 제어를 수행하였고, 공간벡터 펄스폭 변조방식을 적용한 선형 유도전동기의 추진 제어를 하였다. 실제 실험을 통하여 제안한 자기부상 이송시스템의 부상과 추진이 안정적으로 동작하는 것을 확인할 수 있었다.
- 자기부상 이송시스템에 적용된 공극 센서의 측정 범위는 0mm부터 6mm까지이며, 출력은 –5V에서 +5V이며 측정된 전압을 이용하여 실제 공극으로 환산하였다.
- 자기부상 이송시스템의 성능 평가를 위하여 PID 제어를 적용한 자기부상 실험을 진행하였다. 그림 13은 각각의 전자석에 대한 부상실험 결과이다.
- 자기부상 이송장치의 추진시스템은 회전기와 달리 기계적 동력 변환 장치 없이 직선 추진력을 직접 얻을 수 있도록 그림 9과 같은 구조를 갖는 선형 유도전동기를 사용하였다. 선형 유도전동기의 구조는 1차측 이동자와 2차측 고정자로 구성되어 있다.
- 선형 유도전동기는 자속의 흐름이 이동자의 진행 방향과 같은 방향으로 형성되는 종자속형 선형 유도전동기로 선정하였고, 도전성 금속 목표물의 유기된 와전류에 의한 임피던스 변화를 이용하는 와전류 형태의 공극 센서를 사용하였다. 전자석의 부상력은 500N으로 초기 공극 0mm에서 정격 공극 3mm로 자기부상이 가능하게 설계하였다.
- 자기부상시스템의 전자석 설계 단계는 일반적으로 초기 시스템 사양 결정, 설계 변수 계산, 전자석 형상 결정, 검증으로 나눌 수 있다. 초기 사양결정에서는 차량의 중량, 전자석의 길이 및 수량, 초기 공극 및 정격 공극 등을 설정하고, 설계 변수 계산에서는 초기 사양 값들을 이용하여 기자력, 자속밀도 및 코일의 전류밀도 등을 계산한다. 형상 결정에서는 앞에서 계산된 변수의 값들을 이용하여 코어 및 전자석의 형상을 결정하게 되고 최종적으로 전자장 해석 도구나 실험 등을 통하여 초기 사양 값에 대한 성능 만족을 검증하게 된다[7-9].
- PID제어기의 제어 변수들을 선정하기 위하여 비선형 모델을 작동점에서 선형화한 모델을 이용한다[7]. 쵸퍼는 부상 시에 급격하게 변화하는 전류의 흐름으로 생기는 불안정한 과전류 보호를 위해 10A이상일 때 고장 신호(fault)단자를 구성하였다. 또한 쵸퍼 파손을 막기 위해서 전자석 당 전류 제한을 20A로 설정하였다.
대상 데이터
- 또한 쵸퍼 파손을 막기 위해서 전자석 당 전류 제한을 20A로 설정하였다. PWM 스위칭을 위해서 600V, 40A급 H-브릿지 타입의 IGBT를 4개 사용하였다. PWM에 의한 전압이 인가되면 부상 전자석 단방향에 전류가 흐르게 되어 스위칭이 된다.
- 선정된 코어(SM20C)의 자기포화 특성을 고려한 최대자 속밀도 1[Tesla]와 정격전류를 3.6A로 결정하고 권선수를 선정하였다. 전자석의 단면적을 구하기 위하여 식 4와 식 6을 이용하면 식 7과 같이 나타낼 수 있다.
- 자기부상 물류이송시스템의 구성은 그림 1과 같이 선형 유도전동기, 4개의 공극 센서, 4개의 전자석, 레일로 구성하였다. 선형 유도전동기는 자속의 흐름이 이동자의 진행 방향과 같은 방향으로 형성되는 종자속형 선형 유도전동기로 선정하였고, 도전성 금속 목표물의 유기된 와전류에 의한 임피던스 변화를 이용하는 와전류 형태의 공극 센서를 사용하였다.
데이터처리
- 표 2는 각각의 전자석에 대한 시간응답 성능 지표들의 결과들을 나타낸다. 오버슈트를 계산하기 위하여 정상상태 도달 후 측정된 데이터의 평균값을 이용하여 계산하였다. 표 2에서 볼 수 있듯이 각각의 전자석들 중 오버슈트는 최소값 10.
이론/모형
- 그림 8은 PID제어기를 포함하는 선형화된 자기부상시스템의 블록도이다. PID제어기의 제어 변수들을 선정하기 위하여 비선형 모델을 작동점에서 선형화한 모델을 이용한다[7]. 쵸퍼는 부상 시에 급격하게 변화하는 전류의 흐름으로 생기는 불안정한 과전류 보호를 위해 10A이상일 때 고장 신호(fault)단자를 구성하였다.
- 부상 전자석의 수학적 해석을 위하여 그림 6에서 나타낸 자기 등가회로법을 적용하였다. 그림 6에서 누설자속이 없고, 자로(magnetic flux path)는 철심의 중심을 통과한다고 가정하면 부상 전자석의 힘은 다음의 식 1과 같이 나타낼 수 있다.
- 선형 유도전동기의 동작 원리는 1차측의 입력 전류에 의하여 발생하는 이동자계와 발생된 자계에 의하여 2차측 도체에 유도되는 와전류와의 상호작용으로 추력을 발생한다[10]. 선형 유도전동기의 추진 제어는 공간벡터(space vector) 전압변조방식을 적용하였다. 공간벡터 전압변조방식은 3상 지령 전압을 복소수 공간에서 하나의 공간 벡터로 표현하여 이를 변조하는 기법으로 주어진 직류 전압 하에서 가장 큰 교류 전압을 얻을 수 있는 고효율 방식이다.
성능/효과
- 각각의 전자석에 대한 상승시간은 평균 0.0592초로 빠른 응답을 보였으며 정상상태 도달 후 오차의 최대값은 평균 0.362mm, 최소값은 –0.24mm의 성능을 보였다.
- 공간벡터 변조방식을 적용한 선형 유도전동기의 추진 실험의 결과는 그림 14와 같다. 공간벡터 전압변조 방식으로 출력된 인버터의 선간전압과 한 상에 흐르는 전류의 파형을 나타내고 있으며 정상적인 출력 특성을 보임을 확인할 수 있다.
- 5초 이내에서 정상상태를 유지하는 것을 볼 수 있다. 따라서 설계된 자기부상시스템의 동작 성능은 정격공극 3mm에서 전체적으로 만족할 만한 성능을 보임을 확인하였다.
- 실제 실험을 통하여 PID제어기를 이용한 4개의 전자석을 3mm로 자기부상 제어를 수행하였고, 공간벡터 펄스폭 변조방식을 적용한 선형 유도전동기의 추진 제어를 하였다. 실제 실험을 통하여 제안한 자기부상 이송시스템의 부상과 추진이 안정적으로 동작하는 것을 확인할 수 있었다. 향후 자기부상 이송시스템의 위치 제어 및 속도 제어 연구를 통하여 실제 산업현장에 충분히 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 논문에서는 PID 제어기를 적용한 흡인식 부상제어시스템과 직선 추진력을 발생시키는 선형 유도전동기를 사용한 자기부상 이송시스템을 설계하였으며, 제안된 시스템의 성능을 평가하기 위하여 초기 공극 0mm에서 정격 공극 3mm로 부상한 후 목표 위치까지 반복 운전하는 실험을 수행하였다. 실제 실험을 통해서 제안된 시스템의 성능이 만족할만한 성능을 보임을 확인하였다.
- 그러나 센서의 분해능과 측정오차 등을 고려하면 실제 취득데이터로는 정확히 계산하기는 어려운 점이 있다. 제안된 부상시스템은 설계 목표였던 오버슈트 15%를 만족하며 정착시간은 취득데이터를 이용한 계산은 어려우나, 그림 13에서 볼 수 있듯이 거의 0.5초 이내에서 정상상태를 유지하는 것을 볼 수 있다. 따라서 설계된 자기부상시스템의 동작 성능은 정격공극 3mm에서 전체적으로 만족할 만한 성능을 보임을 확인하였다.
후속연구
- 실제 실험을 통하여 제안한 자기부상 이송시스템의 부상과 추진이 안정적으로 동작하는 것을 확인할 수 있었다. 향후 자기부상 이송시스템의 위치 제어 및 속도 제어 연구를 통하여 실제 산업현장에 충분히 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
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