[논문]10,000 lbf-in급 힌지라인 이중화 전기식 구동장치 설계 및 성능평가

정승호; 설진운; 허석행; 이병호; 조영기

doi:10.5139/jksas.2019.47.2.153

문제 정의

±0.2° 이내의 제어정밀도와 5Hz 이상의 주파수응답 성능을 만족하는 구동장치를 개발하는 것이 본 연구의 목표이다.
본 연구는 항공기 내부의 각종 회전 기구를 힌지라인형태로 직접 구동하여 최소의 공간과 중량으로 동작시킬 수 있는 10,000 lbf-in급 힌지라인 이중화 전기식 구동장치(이하 ‘힌지라인 구동장치’)를 개발하고 무인전투기, 특수목적용 무인기 및 민수용 항공기 등에 적용 가능한 전기식 구동장치 기술을 확보하는 것이다. 본 논문에서는 힌지라인 이중화 전기식 구동 장치의 동작성능을 충족시키기 위한 개략적인 설계 내용과 시뮬레이션 및 시험 결과에 대해 서술하였다.
본 논문에서는 힌지라인 이중화 전기식 구동장치의 전반적인 설계 내용을 서술하였다. 제작된 시제의 성능시험 및 결과분석을 통해 구동장치의 목표성능 항목인 토크, 각속도, 제어정확도, 대역폭을 모두 만족하는 것을 확인하였으며, 설계 변수와 수학적 모델을 기반으로 수행한 시뮬레이션 결과와 실제 시험 결과가 유사하게 출력되는 것을 확인하였다.
본 연구는 항공기 내부의 각종 회전 기구를 힌지라인형태로 직접 구동하여 최소의 공간과 중량으로 동작시킬 수 있는 10,000 lbf-in급 힌지라인 이중화 전기식 구동장치(이하 ‘힌지라인 구동장치’)를 개발하고 무인전투기, 특수목적용 무인기 및 민수용 항공기 등에 적용 가능한 전기식 구동장치 기술을 확보하는 것이다.
본 연구에서는 각속도 성능을 고려하여 ±2° 범위의 정현파를 이용하는 것으로 목표를 수립하였다.
토크성능은 판스프링을 설치한 시험치구를 이용해 공력부하를 모의한 환경에서 50°/s 이상의 회전속도가 출력되는 것을 목표로 한다.

제안 방법

1,130 N·m (10,000 lbf-in) 이상의 출력을 내기위해 291.5 : 1의 감속비(η)를 적용하였다.
Torque fighting 영향을 확인하기 위해 이중화 모터 A, B의 전류 소모량을 비교하였다. Fig.
시뮬레이션과 동일한 방식으로 최대각속도와 주파수응답 시험을 수행하여 구동장치 시제의 성능을 확인했다. 계단파 시험을 수행하여 제어정확도 성능과 torque fighting의 영향도 확인했다.
점검 장비는 115VAC, 400Hz의 전원을 구동장치에 공급하고, 3중화 CAN통신을 통해 100Hz로 명령과 상태정보를 주고받으며 비행제어컴퓨터를 모의한다. 구동장치의 성능을 측정하기 위해 구동명령 프로파일을 전송하고 수신한 데이터를 분석하여 성능을 확인한다.
마더보드, EMI 필터, 전원보드(Power Board), 제어보드(Control Board), 구동보드(Drive Board), 커넥터보드로 구성된다. 기 개발된 유사 장비들은 제어 기능을 하는 회로카드 정도만 이중화 하는 수준으로 설계 되었다. 본 연구에서는 신호전달 역할만 하는 마더보드와 커넥터보드는 제외하고 제어보드, 구동보드, 전원보드를 모두 이중화하여 완전이중화 제어기를 구현하였다.
두 모터는 전원 인가 후에 제어신호에 따라 클러치를 통해 물리적으로 연결되기 때문에 회전각을 항상 일치하도록 맞추는 것은 쉽지 않다. 따라서 본 제어기는 Fig. 4와 같이 한 개의 위치제어기에서 생성한 속도 명령을 따라 모터 A, B의 회전 속도를 동일하게 제어하도록 구성하였다.
영구자석 동기전동기와 리졸버를 장착한 구동모터조립체를 양쪽에 위치시켜 이중화 하였다. 모터의 출력은 클러치를 통해 감속기에 전달되는데 모터 고착(Jam) 시 고착을 극복기능(Jam-Tolerant) 구현을 위해 클러치를 적용하였다. 두 개의 모터로 구동하다가 한쪽에 고장이 발생할 경우 클러치를 이용해 동력을 차단한다.
출력은 줄어들지만 나머지 한 개의 모터로 복귀나 비상착륙 등의 임무 수행이 가능하다. 복합유성감속 구조(단순유성+복합유성)를 설계하여 조종날개의 힌지라인에 장착 가능한 감속기를 구성하였다. 조종면 회전각 측정을 위해 감속기에 2개의 리졸버를 장착하여 이중화 하였다.
기 개발된 유사 장비들은 제어 기능을 하는 회로카드 정도만 이중화 하는 수준으로 설계 되었다. 본 연구에서는 신호전달 역할만 하는 마더보드와 커넥터보드는 제외하고 제어보드, 구동보드, 전원보드를 모두 이중화하여 완전이중화 제어기를 구현하였다.
시간에 따라 주파수를 0.1Hz에서 10Hz로 변화시킨 ±2° 범위의 정현파를 명령으로 인가하고, 시뮬레이션 결과를 확인하였다.
시뮬레이션과 동일한 방식으로 최대각속도와 주파수응답 시험을 수행하여 구동장치 시제의 성능을 확인했다. 계단파 시험을 수행하여 제어정확도 성능과 torque fighting의 영향도 확인했다.
양쪽의 모터의 동적 특성은 이론적으로 동일하기 때문에 한쪽 모터만 모델링 하여 시뮬레이션을 수행했다. Torque fighting과 백래시 등 비선형적인 특성은 모델에서 배제하였다.
2와 같다. 영구자석 동기전동기와 리졸버를 장착한 구동모터조립체를 양쪽에 위치시켜 이중화 하였다. 모터의 출력은 클러치를 통해 감속기에 전달되는데 모터 고착(Jam) 시 고착을 극복기능(Jam-Tolerant) 구현을 위해 클러치를 적용하였다.
두 모터는 서로 마주본 상태로 연결되기 때문에 구동장치 작동 시 각 모터의 회전 방향은 반대가 된다. 위치 제어기는 PD 제어기로 구성하였으며, 구동기의 회전각은 모터에 부착된 2개의 리졸버와 감속기 출력 측에 부착된 리졸버 2개의 평균값을 계산하여 사용한다.
5 : 1의 감속비(η)를 적용하였다. 유성감속기의 특성을 고려하여 감속기 효율(e)은 60%로 설계 하였고 제어 정확도 목표성능을 만족하기 위해 최대부하에서의 백래시는 0.1 deg를 목표로 설계하였다. 모터 정격출력, 감속비, 효율을 대입하여 식 (1), (2)를 계산하면 2개의 모터에서 출력되는 구동장치의 토크(T_Act)와 속도(V_Act)를 각각 1252.
구동제어기는 비행조종컴퓨터와 CAN 통신을 통하여 데이터, 명령값 및 상태정보를 주고받는다. 이중화 구동기와 전기적인 연결을 통하여 이중화 구 동기의 영구자석 동기전동기를 구동한다. 이중화 구동기에 장착되어 있는 전동기의 제어는 모터 주변에 장착되어 있는 리졸버를 이용하며, 이 정보를 비행조종컴퓨터로 전기적인 연결을 통하여 전달한다.
구동보드는 제어보드에서 받은 명령에 따라 모터와 클러치, 릴레이를 동작시키고 전류 값 등 상태정보를 회신한다. 전원보드, 제어보드, 구동보드는 각각 1조만으로도 완전한 기능을 수행할 수 있고, 고장 발생 시 기능 전환이 가능하도록 설계 했다. 제어보드와 구동보드는 A보드가 우선권을 가지고 동작하며, 고장 발생 시 B보드로 전환된다.
복합유성감속 구조(단순유성+복합유성)를 설계하여 조종날개의 힌지라인에 장착 가능한 감속기를 구성하였다. 조종면 회전각 측정을 위해 감속기에 2개의 리졸버를 장착하여 이중화 하였다.
전기식 구동장치로 고출력의 시스템을 구현하려면 그에 상응하는 높은 전력이 요구된다. 충분한 전력공급을 위해 항공기의 발전기에서 생성되는 115VAC 전원을 입력받아 280VDC로 정류하여 모터를 구동하도록 설계하였다.
항공기 탑재 목적 장치이기 때문에 이중화 시스템으로 개발하였으며 비행제어컴퓨터와의 통신은 3중화 CAN통신을 적용해 안정적인 시스템을 구현하였다.

대상 데이터

각 전원보드는 ORing 회로를 통해 서로 영향 없이 동작이 가능하다. 비행제어컴퓨터와는 3채널의 CAN Bus를 이용한 3중화 통신을 구현해 명령과 상태정보 등을 주고받도록 구성하였다. 3채널의 통신 라인은 2개의 제어보드로 연결되어 각 보드와 통신이 가능하다.

이론/모형

SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)방식을 이용해, 정현파에 3차 고조파를 합성한 파형을 사용하였다. 이 파형을 사용하면 동적 특성을 향상시킬 수 있다[2].
구동장치의 빠른 응답특성을 얻기 위해 영구자석 동기전동기 제어에 많이 사용하는 제어 방식인 자속 기준제어(FOC: Field Oriented Control)를 사용하였다. 자속기준제어는 모터 상태를 d-q 좌표계로 변환하여 출력 토크에 영향을 미치는 i_q 성분을 제어하고 다시 abc 좌표계로 변환하여 모터에 출력을 내보내는 방식이다.
구동장치의 주파수응답 시험은 정현파 신호의 주파수를 증가시키는 chirp 신호를 이용하여 수행한다. Fig.
전기식 구동장치의 수학적 모델은 모터 모델을 기초로 한다. 좌표변환을 통한 영구자석 동기전동기의 수학적 모델은 식 (3)-(7)과 같다[1].

성능/효과

계단파 시험을 통해 각 구간에서 목표성능인 제어 정확도 ±0.2°를 만족하는 것을 확인하였다.
구동 시 10~90% 구간의 평균 각속도는 51~53°/s로 부하시험을 통해 목표성능을 만족하는 결과를 확인 하였다.
구형파 명령에 대한 응답과 각 속도 시뮬레이션을 수행하여 약 55°/s로 목표성능 50°/s를 만족하는 결과를 확인하였다.
두 모터는 서로 반대 방향으로 움직이기 때문에 출력되는 전류의 흐름도 반대로 나타난다. 데이터를 보면 급격하게 움직이는 순간에 한쪽 모터에서 소모되는 전류가 다른 쪽에 비해 커지는 불균형이 존재하는 것을 볼 수 있다. 두 모터는 동일하게 설계된 것으로 동적인 특성은 같기 때문에, 불균형 발생원인은 제조상의 편차와 위치, 속도, 전류 등의 상태정보 계측 오차 문제로 판단할 수 있다.
이득여유가 –3dB인 지점과 위상여유가 –90°인 지점이 약 6.2Hz에 형성되어 목표성능 5Hz의 대역폭을 상회하는 시뮬레이션 결과를 확인하였다.
본 논문에서는 힌지라인 이중화 전기식 구동장치의 전반적인 설계 내용을 서술하였다. 제작된 시제의 성능시험 및 결과분석을 통해 구동장치의 목표성능 항목인 토크, 각속도, 제어정확도, 대역폭을 모두 만족하는 것을 확인하였으며, 설계 변수와 수학적 모델을 기반으로 수행한 시뮬레이션 결과와 실제 시험 결과가 유사하게 출력되는 것을 확인하였다.

후속연구

출력에 불균형이 있기는 하지만 과부하나 서로의 움직임을 방해하는 등의 성능저하가 두드러지게 나타나지는 않았다. Torque fighting에 대한 정확한 영향은 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
향후 연구는 항공기 탑재 환경 요구 규격에 따라 환경시험과 EMC 시험, 평균고장간격(MTBF)과 이중화 제어 알고리즘 등에 대한 연구가 진행될 예정이다. Torque fighting의 영향에 대한 추가적인 연구도 필요할 것으로 보인다. 본 연구를 통해 아직 국내 연구가 미미한 힌지라인 형태의 전기식 구동장치 개발에 상당한 성과를 거두었고, 향후 항공기용 전기식 구동장치 개발에 필요한 국내 기술 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
Torque fighting의 영향에 대한 추가적인 연구도 필요할 것으로 보인다. 본 연구를 통해 아직 국내 연구가 미미한 힌지라인 형태의 전기식 구동장치 개발에 상당한 성과를 거두었고, 향후 항공기용 전기식 구동장치 개발에 필요한 국내 기술 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
본 연구를 통해 영구자석 동기전동기 모델 기반의 힌지라인 이중화 전기식 구동장치의 수학적 모델을 획득하였으며, 연구내용과 확보한 모델을 활용하여 향후 계획되어 있는 유사 시스템 성능 예측과 용량 산정 등 설계과정에 상당한 기여를 할 수 있을 것으로 판단한다.
16의 4번째 그래프를 보면 속도가 하락하는 구간에서 모터 공급 전원인 280VDC의 전압이 떨어지는 것을 볼 수 있다. 속도 감소의 원인이 공급전력의 부족으로 발생하는 것인지 효율이나 torque fighting 등의 영향에 의한 것인지는 추가적인 연구를 통해 확인하여 보완이 필요할 것으로 판단된다.
향후 연구는 항공기 탑재 환경 요구 규격에 따라 환경시험과 EMC 시험, 평균고장간격(MTBF)과 이중화 제어 알고리즘 등에 대한 연구가 진행될 예정이다. Torque fighting의 영향에 대한 추가적인 연구도 필요할 것으로 보인다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스텔스 기능은 무엇입니까?	현재 군용 항공기의 경우 은밀하게 목표물에 접근하고 전투력 향상을 위해 점차, RCS(Radar Cross Section) 관련 스텔스 기능이 요구되고 있으며, 스텔스 기능을 충족하기 위하여 Fig. 1과 같이 비행 조종 날개에서 구동장치가 외부로 돌출되지 않도록 힌지라인 형태로 설계되고 있다.
	전기식 제어 방식으로 교체가 되고 있는 이유는?	또한, 비행 조종기와 조종면 구동장치 사이에 기계적인 전달 시스템을 제거하고, 전기식 제어 방식으로 교체가 되고 있는 추세이다. 전기기기 기술 발전에 따라 유압식 방식 대신에 전기식 구동장치 시스템으로 대체가 가능해졌으며, 소형화/경량화에 유리한 장점을 가지고 있다.
	최근 및 미래의 항공기에서 중요시되는것은 무엇입니까?	최근 및 미래의 항공기는 점차 경제성, 에너지 효율 증가, 소음 감소, 신뢰성 증가, 무게 감소, 유지 보수 측면에서의 비용 감소 등이 아주 중요하게 대두되고 있다. 세계적으로 정비성 및 생존성 등이 취약하고, 무거운 중앙 유압 시스템을 EMA (ElectroMechanical Actuator)와 EHA (Electro-Hydrostatic Actuator)로 대치하고 있다.

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