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문제 정의
- 이러한 이유로 한국형발사체 3단 엔진의 추력 벡터제어에 사용할 구동장치는 고진공에서 운용 가능한 무정류자 방식의 직류모터를 사용하는 전기기계식 서보 구동기 형상으로 채택하였다[1]. 본 논문에서는 한국형발사체 3단의 추력벡터 제어 구동장치시스템 개발규격 및 엔진부의 형상, 구동기 장착 공간 등을 고려하여 타 발사체에서 보편적으로 사용되는 감속치차열과 선형스크루 조합의 구동기 형상이 아닌 전기모터로 선형스크루를 직구동하는 구동기 형상을 개발한 내용을 기술한다.
- 본 연구에서는 한국형발사체 3단의 추력벡터 제어 구동장치시스템을 개발하기 위해 직구동 방식의 전기기계식 구동기의 개발을 수행하였다. 일반적으로 많이 적용하는 감속치차열과 선형스크루 조합의 구동기와 달리 전기모터가 선형스크루를 직구동하는 방식의 구동기는 전기모터에 작용하는 관성부하가 크기 때문에 제어가 어렵고 고토크의 전기모터 개발을 필요로 한다.
- 21의 시험기에 구동기를 장착한 상태에서 시험을 수행하였다. 주어진 환경조건에서 모터의 구동과 모터에 인가되는 부하에 의한 열 발생에도 모터가 정상 작동을 하는지를 확인하기 위함이다.
제안 방법
- Table 3에 기술된 전기모터의 개발규격은 구동기의 최대 작동력, 최대 짐벌각, 무부하 최대속도, 정격부하에서의 최대 짐벌각속도, 효율 등을 고려하여 설계하였다.
- 기계적 환경을 모사하는 진동, 충격시험과 기후적 환경을 모사하는 온도 시험, 진공 시험을 수행하였다. 각각의 환경시험을 수행하기 전후와 시험을 진행하는 동안에 구동기에 전원을 인가하고 제어명령에 따라 구동을 하면서 구동기의 정상 작동여부를 확인하였다. 온도시험과 진공시험의 경우는 스프링 부하 시험기에 구동기를 장착한 후 챔버에서 부하를 인가한 상태로 구동시험을 수행하였다.
- 구동기의 동특성은 진폭이 ±0.75 V이고 주파수를 0.01 Hz부터 10Hz까지 단조 증가하는 정현파를 제어명령으로 인가하여 구동기의 위치변위를 측정하고 측정값에 FFT(Fast Fourier Transform)을 수행하여 산출한 Bode 선도로 동특성을 확인하였으며 그 결과는 Fig. 19 ~ 20에 해석 결과와 같이 표시하였다.
- Figure 4는 전기기계식 구동기의 설계 형상으로 크게 4부분으로 나뉜다. 구동기의 양 끝단에 발사체와 연결되는 부분은 구면베어링을 사용하여 피치 및 요 구동기가 기계적인 간섭 없이 동시에 구동이 가능하도록 하였다.
- 일반적으로 많이 적용하는 감속치차열과 선형스크루 조합의 구동기와 달리 전기모터가 선형스크루를 직구동하는 방식의 구동기는 전기모터에 작용하는 관성부하가 크기 때문에 제어가 어렵고 고토크의 전기모터 개발을 필요로 한다. 그러나, 기어 사용에 의한 백래시가 없어 선형성이 좋아지고 구동기의 강성이 증가하기 때문에 한국형발사체 3단의 추력벡터제어를 위한 구동기는 직구동 방식의 전기기계식 구동기로 선정하였다.
- 이를 확인하기 위해 환경 시험을 수행하게 된다. 기계적 환경을 모사하는 진동, 충격시험과 기후적 환경을 모사하는 온도 시험, 진공 시험을 수행하였다. 각각의 환경시험을 수행하기 전후와 시험을 진행하는 동안에 구동기에 전원을 인가하고 제어명령에 따라 구동을 하면서 구동기의 정상 작동여부를 확인하였다.
- 따라서 롤러 스크루를 지지하기 위한 베어링이 불필요하고 구동기의 구조가 단순하며 감속치차열을 사용하지 않고 모터와 스크루가 직결된 형태이어서 기어를 사용한 형상에 비해 백래시가 작으며 강성이 높다. 베어링의 회전을 안내하기 위한 베어링 내경 고정지그는 전기기계식 구동기의 위치를 측정하기 위한 변위 센서인 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)를 내장하고 고정할 수 있도록 설계 하였다.
- 부하 구동기는 힘제어를 수행하며 9,000 N까지 계단형태로 일정한 간격으로 힘을 증가시키며 전기기계식 구동기에 외력을 가하고 각 지점에서의 전기기계식 구동기의 변형량을 측정한다. 변형량 측정은 다이얼 게이지를 이용하여 구동기 고정핀 측에서 변형량을 측정하고 레이저 센서를 이용하여 구동기의 구면베어링 측에서 변형량을 측정한다. 시험은 전기기계식 구동기에 압축력이 작용하는 경우와 인장력이 작용하는 경우 각각에 대하여 시험을 수행하였다.
- 본 연구의 설계 결과를 바탕으로 전기기계식 구동기의 시제품을 제작하여 성능시험과 환경시험을 수행하였다. 무부하 최대속도 항목만 규격을 만족하지 못했지만 다른 평가항목들은 개발요구규격을 만족함을 확인하였고 환경시험에서도 구동기가 정상 작동하는 것을 확인하였다.
- 변형량 측정은 다이얼 게이지를 이용하여 구동기 고정핀 측에서 변형량을 측정하고 레이저 센서를 이용하여 구동기의 구면베어링 측에서 변형량을 측정한다. 시험은 전기기계식 구동기에 압축력이 작용하는 경우와 인장력이 작용하는 경우 각각에 대하여 시험을 수행하였다.
- 앞에서 기술한 내용들을 바탕으로 구동기 형상을 설계하였다. 구동기 설계에 있어서 가장 중요한 것은 전기모터로 선형스크루를 구동하는 방식을 결정하는 것이었다.
- 앞에서 기술한 설계 내용을 바탕으로 Fig. 11과 같은 전기모터 시제품을 제작하여 성능시험을 수행하였다. 전기모터의 성능을 측정하기 위해 Fig.
- 각각의 환경시험을 수행하기 전후와 시험을 진행하는 동안에 구동기에 전원을 인가하고 제어명령에 따라 구동을 하면서 구동기의 정상 작동여부를 확인하였다. 온도시험과 진공시험의 경우는 스프링 부하 시험기에 구동기를 장착한 후 챔버에서 부하를 인가한 상태로 구동시험을 수행하였다. Fig.
- 한국형발사체 3단의 추력벡터제어를 위해 연소 중인 엔진의 짐벌각을 제어하는 구동기의 용량을 설계하기 위하여 짐벌엔진의 동특성 및 관성부하, 모멘트 암 길이, 추력 비정렬 오차, 엔진 추력 등을 고려하여야 한다. 이러한 변수들을 고려하여 수립된 구동기의 개발 요구조건을 바탕으로 개발규격을 설계하였다. 전기기계식 위치서보 구동기의 개발 규격 및 환경시험 규격은 Table 1, 2와 같다.
- 전기기계식 구동기를 제작한 후 제어장치와 연결하여 구동기의 응답특성과 추종성능을 확인하면서 구동기의 위치제어를 위한 PID 제어기의 이득을 설정하였다. 구동기의 성능시험시에 안정적인 운용을 위해 제어장치에 다음과 같은 제한 조건을 마련하였다.
- 11과 같은 전기모터 시제품을 제작하여 성능시험을 수행하였다. 전기모터의 성능을 측정하기 위해 Fig. 12와 같이 모터의 회전축을 다이나모미터와 연결한 후 모터에 부하로 인가하는 토크의 양을 변화시키면서 모터의 회전속도와 소모 전류를 측정하였다. 모터 토크의 변동에 따른 회전속도와 소모 전류, 효율의 상관관계는 Fig.
- 한국형발사체 3단 추력벡터제어 구동장치시스템의 제어장치는 구동명령에 따라 전기기계식 구동기를 제어하는 것을 주된 기능으로 한다. 추력 벡터 제어장치는 모터제어에 많이 사용되는 DSP(Digital Signal Processor) 소자를 이용한 디지털 제어기로 제어 알고리즘 구현을 소프트웨어 방식으로 처리하여 설계와 수정을 용이하도록 하였다.
- 인버터는 대전력을 스위칭하기 때문에 시스템의 안정적인 운용을 위해 여러 가지 보호 기능을 필요로 한다. 현재 설계된 인버터에도 과전류와 과전압으로부터 보호하는 장치를 추가하였다. 과전류 보호장치는 모터 구동회로의 출력이나 모터 측에서의 상간의 단락 또는 모터 구동 중부하의 변동으로 인해 전류가 급격히 증가하여 전력소자의 허용 한도를 초과하는 전류값이 검출되었을 때 전력소자의 작동을 중단시켜 회로를 보호한다.
대상 데이터
- 전기기계식 구동기를 설계한 내용을 정리하면 다음과 같다. 우선, 전기모터 형상은 선형스크루를 직구동하는 고토크, 저회전수의 BLDC 모터를 선정하였고 회전자의 위치는 홀센서로 측정하며 모터의 회전운동을 직선운동으로 변환하기 위한 선형스크루는 롤러 스크루를 선정하였다.
- 전기기계식 구동기에 사용할 전기모터는 고고도 환경에서 운용 가능한 브러시리스 직류모터(Brushless DC motor, 이하 BLDC 모터)를 사용하며 전기모터에 직결된 선형스크루를 통해 피스톤을 직접 구동하는 형상을 채택하였다.
- 한국형발사체 3단의 추력벡터제어에 적용할 구동장치시스템 형상은 추진기관 형상과 구동장치시스템의 중량 효율을 고려하여 선정하였다. 한국형발사체 3단과 같이 7톤 정도의 추력을 갖는 터보펌프 방식의 액체추진기관의 경우 추력벡터제어를 위하여 적용 가능한 형상으로는 KSR(Korea Sounding Roeckt)-III와 나로호 상단에 적용했던 전기-유압식 구동장치시스템 형상과 해외 발사체에 적용되고 있거나 적용하기 위해 개발 중인 전기기계식 형상이 있다[1,2,3,4,5].
이론/모형
- 5와 같은 3상 전압형 인버터로 설계하였다. 인버터의 전압제어는 펄스폭을 변화시켜 구동전압을 제어하는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방식을 사용하며 모터의 각 상에 전류를 공급하기 위한 전력용 반도체는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용한다.
성능/효과
- 모터의 회전 속도는 모터에 인가되는 전압에 비례하기 때문에 구동기의 속도도 이러한 영향을 받게 된다. 따라서 PWM 듀티비를 조정하고 구동기와 제어장치 간의 케이블 길이가 짧아지면 구동기의 무부하 최대속도 항목은 규격을 만족을 할 수 있을 것으로 예상된다.
- 따라서, 전기-유압식이 전기기계식에 비하여 에너지 변환 단계를 한 단계 더 거치게 되므로 동력효율이 떨어진다. 또한, 발사체 추력벡터제어에 적용 가능한 여러 구동장치시스템 형상에 대하여 동력 대비 중량 효율에 대한 비교 우위 연구를 수행한 결과를 보면 3 kW 미만의 동력규모에서는 전기기계식 구동기 형상이 타 형상에 비해 비교 우위에 있음을 알 수 있다[8].
- 구동기의 성능시험시에 안정적인 운용을 위해 제어장치에 다음과 같은 제한 조건을 마련하였다. 모터 구동시에 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위해 전류 제한값을 설정하였고 인버터의 전력소자를 스위칭하는 PWM 신호의 듀티비를 최대 90 %로 제한하여 IGBT의 ON/OFF 지연으로 인해 전원이 단락되는 경우를 방지하였다.
- 본 연구의 설계 결과를 바탕으로 전기기계식 구동기의 시제품을 제작하여 성능시험과 환경시험을 수행하였다. 무부하 최대속도 항목만 규격을 만족하지 못했지만 다른 평가항목들은 개발요구규격을 만족함을 확인하였고 환경시험에서도 구동기가 정상 작동하는 것을 확인하였다. 규격을 만족하지 못한 부분은 제어장치의 개선을 통해 해결 가능할 것으로 판단된다.
- 기어를 사용하여 선형스크루를 구동하는 방식은 기어의 백래시에 의해 강성 요구 규격을 만족하기가 쉽지 않지만 중립길이의 영향은 덜 받는 편이다. 이러한 내용을 고려하여 구동기를 설계한 결과 현재 요구되는 중립길이 내에서 전기모터로 선형스크루를 직구동하는 형상이 가능함을 확인하여 강성 측면에서 유리한 직구동 방식을 채택하였다.
- 정격입력 7.5 %에 대한 해석 결과와 비교시 진폭비 –3 dB의 이득은 6 ~ 7 Hz 사이에 위치하며 -90° 위상지연도 6 ~ 7 Hz 사이에 위치하여 해석모델의 적합성을 확인하였다.
후속연구
- 현재 개발한 직구동 방식의 전기기계식 구동기가 성능시험과 환경시험을 통해 개발규격을 대부분 충족함을 확인하였으며 추후 예정되어 있는 7톤 엔진 연소 중 추력벡터제어 구동시험을 통해 한국형발사체 3단의 추력벡터제어를 위한 구동기 형상으로 적용 가능함을 검증할 계획이다.
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