문제 정의

• 본 논문은 소형/저가격의 유도무기 개발을 위한 선행핵심과제의 한 부분으로 수행한 전자석-스프링 구동장치(Electromagnetic-Spring Actuator, EMSA) 개발에 관한 연구를 기술하였다. 이러한 지연응답을 방지하기 위하여 본 연구에서는 turn off 시 역방향 전류를 이용하여 보자력을 인가하였다. 보자력을 인가하면 본 논문에서는 전자석-스프링 구동장치의 개발을 위하여 수행한 수학적 모델과 작동기 구성품 설계를 위한 해석 및 실험에 대하여 기술하였다. 시뮬레이션을 이용하여 EMSA

  제안 방법

  • 본 논문의 2장에서는 EMSA를 적용한 조종제어 연구를 위한 M&S에 적용하고 구동장치 요구조건을 도출하기 위한 EMSA의 수학적 모델링과 이를 이용한 Simulink 모델을 기술하였다.
  • 후)선행기술조사를">선행 기술조사를 통하여 유도탄에서 요구되는 크기 및 가격을 기존의 전기식 구동장치 방식으로는 개발하기 어렵다고 판단되어 EMSA를 제안하였다. 제안한 후)위치피드백">위치 피드백 제어를 위한 조종날개 위치 감지기가 필요 없으므로 저비용 제작에 유리하다. EMSA 개발 타당성 검토과정에서 비용에 대한 검토도 이루어졌으나 비슷한 크기의 전기식 구동장치가 개발된 실적이 없기에 객관성이 부족할 수 있다 판단되어 본 논문에서는 기술적인 내용만 기술하였다.
  • 후)전자석-스프링구동장치는">전자석-스프링 구동장치는 프레임, 스프링 조립체, 전자석 조립체 및 회전축 조립체로 구성되며 구동장치의 허용공간을 고려하여 2축 독립구동 구조로 설계하였다. EMSA의 구조 및 작동원리를 Fig.
  • 회전판의 형상은 관성을 줄이기 위하여 요철 형태로 설계되었으므로 자속이 증가함에 따라 일부분에서 상대적으로 자속밀도가 증가함을 알 수 있다. 따라서 전자력에 회전 시 자기 포화가 일어나지 않도록 코일의 직경선정과 전자석 철심, 회전자 형상을 설계하였다. 자속밀도 해석을 통하여 Table 1의 코일 직경 및 후)최대 회전각에">최대회전각에 도달하지 못하게 된다. 따라서 스프링복원력과 전자력의 비율이 EMSA 구동장치 응답성능에 영향을 미치므로 실험을 통하여 스프링 상수를 선정하였다. 회전판의 후)응답 성능에">응답성능에 영향을 미치므로 실험을 통하여 스프링 상수를 선정하였다. 회전판의 회전각도에 따른 전자력과 스프링복원력을 측정하기 위해 0~17 도까지 회전이 가능한 시제품을 만들고 회전변위에 따른 전자력과 스프링상수에 따른 스프링력을 push-pull 게이지를 이용하여 측정하였다. Fig.
  • 후)스프링 상수를">스프링상수를 선정할 수 있다. 하지만 EMSA의 최대 각속도, 지연시간, 주파수 응답특성 등은 스프링반력과 전자력의 비율에 의해 영향을 받으므로 스프링 상수에 따른 주파수 대역폭 시험 등을 통하여 스프링을 선정하였다.
  • EMSA의 기자력을 제어하기 위하여 전자석 구동회로를 H 브리지로 구성하여 Fig. 8과 같이 on 할 때는 +의 전압(전류)을 인가하고, off 할 때는 -의 전압(전류)을 인가하였다. H 후)때는-의">때는 -의 전압(전류)을 인가하였다. H 브리지 구동회로 특성상 공급되는 전류의 크기는 제어하지 못하므로 역전압이 인가되는 시간을 제어하여 보자력을 제어하였다. Fig.
  • 후)응답 특성을">응답특성을 분석한다. 주파수 시험을 통하여 구동장치의 진폭 및 위상차 주파수 대역 뿐만 아니라 공진 등에 의한 주파수 응답특성을 분석하기 위하여 FFT 분석 후 Bode 선도로 나타내고 필요시 주파수 응답특성을 제어하게 된다.
  • 후)응답 특성이">응답특성이 떨어지므로 FFT를 이용한 분석과 구형파를 이용한 분석과 큰 차이가 없다. 따라서 본 연구에서는 구형파의 입력 주파수를 5~10의 배수로 증가시키면서 FFT 분석없이 입력에 대한 출력의 진폭비와 위상차를 계산하였다. BOB 후)분석 없이">분석없이 입력에 대한 출력의 진폭비와 위상차를 계산하였다. BOB 운전특성을 고려하여 주파수대역폭의 진폭기준은 일반적인 70 %(-3 dB) 대신 90 %, 위상기준은 -90도로 설정하여 평가하였다.
  • 스프링 상수에 따른 주파수 응답특성을 시험하기 위하여 Fig. 6의 C, D, E 스프링을 이용하여 주파수 응답특성 시험을 수행하였다. 가장 좋은 성능을 갖는 EMSA를 기준으로 정규화한 후)스프링D를">스프링 D를 적용하여 제작한 구동장치를 상온조건에서 성능시험을 수행하였다. 계측을 위하여 구동장치 외부에 위치감지기를 설치하였으며 구동명령은 Bang-Bang 방식으로 +, 소형 유도무기에서 요구되는 소형, 저가의 구동장치를 개발하기 위하여 전자석과 스프링을 이용한 전기식 구동장치를 개발하였다. 전동기를 이용한 기존의 전기식 구동장치의 경우 연속 및 후)전자석-스프링구동장치의">전자석-스프링 구동장치의 개발을 위하여 수행한 수학적 모델과 작동기 구성품 설계를 위한 해석 및 실험에 대하여 기술하였다. 시뮬레이션을 이용하여 EMSA 개념설계를 수행하고, 자속포화없이 최대 전자력이 발생하도록 전자석을 설계하였으며 전자력과 스프링 복원력 측정시험을 통하여 스프링을 선정하였다.

    대상 데이터

    • 후)정규화하여">정규화 하여 나타내었다. 코일의 직경 및 턴 수에 따른 전자력과 발열을 고려하여 코일의 직경을 0.26 mm로 선정하였다.

  데이터처리

  • 후)시험 제작한">시험제작한 구동장치를 이용하여 주파수 성능시험을 수행하여 시제한 구동장치의 성능을 분석하고 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 본 연구에서 개발한 모델 및 설계기법이 EMSA 개발에 유효함을 확인하였으며, 향후 최적화 설계 및 시스템

    이론/모형

    • 코일의 전류 및 회전판의 위치에 따른 자속과 회전판에 작용하는 전자력을 계산하기 위하여 유한요소법을 사용하였다. 일반적인 전동기의 경우 전동기의 후)상온 조건에서">상온조건에서 성능시험을 수행하였다. 계측을 위하여 구동장치 외부에 위치감지기를 설치하였으며 구동명령은 Bang-Bang 방식으로 +, - 최대값을 인가하였다.

      성능/효과

      • 후)선행기술조사를">선행 기술조사를 통하여 유도탄에서 요구되는 크기 및 가격을 기존의 전기식 구동장치 방식으로는 개발하기 어렵다고 판단되어 EMSA를 제안하였다. 제안한 전자석-스프링 구동장치는 동력전달 기구가 없으므로 상대적으로 단순한 구조를 가지며, 연속응답을 갖는 구동장치와 달리 on-off 이산동작을 하므로 위치 피드백 제어를 위한 조종날개 위치 감지기가 필요 없으므로 저비용 제작에 유리하다. EMSA 개발 타당성 전자력이 모두 off 된 상태에서는 양쪽 스프링의 에너지 수수가 발생하는데, 이때 시스템 댐핑이 부족하게 되면 진동이 발생하게 된다. 2.2절에서 개발한 Simulink 모델을 이용한 시뮬레이션을 통하여 영(零)도 명령 시의 진동 발생을 예측할 수 있었으며 지연 시간 및 상승 시간 또한 유사함을 나타내었다. 향후 진동을 방지하기 위한 댐핑의 크기와 댐핑이

        후속연구

        • 본 연구를 통하여 확보한 EMSA 기본설계 기술은 향후 소형 유도무기 구동장치 개발에 유용하게 사용될 것으로 기대된다.
        • 후)상승시간">상승 시간 또한 유사함을 나타내었다. 향후 진동을 방지하기 위한 댐핑의 크기와 댐핑이 성능이 미치는 영향성 분석 등 EMSA 기본설계와 유도탄 성능분석에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다. 후)시험 제작한">시험제작한 구동장치를 이용하여 주파수 성능시험을 수행하여 시제한 구동장치의 성능을 분석하고 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 본 연구에서 개발한 모델 및 설계기법이 EMSA 개발에 유효함을 확인하였으며, 향후 최적화 설계 및 시스템 제어기법 개발에 도움이 될 것으로 판단된다.