문제 정의

• 본 논문에서는 전자석-스프링 구동장치의 개발을 위하여 수행한 수학적 모델과 작동기 구성품 설계를 위한 해석 및 실험에 대하여 기술하였다. 시뮬레이션을 이용하여 EMSA 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

  제안 방법

  • 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.
  • 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.
  • 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 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)최대 회전각에">최대회전각에 도달하지 못하게 된다. 따라서 스프링복원력과 전자력의 비율이 EMSA 구동장치 응답성능에 영향을 미치므로 실험을 통하여 스프링 상수를 선정하였다. 회전판의 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 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 소형 유도무기에서 요구되는 소형, 저가의 구동장치를 개발하기 위하여 전자석과 스프링을 이용한 전기식 구동장치를 개발하였다. 전동기를 이용한 기존의 전기식 구동장치의 경우 연속 및 후)스프링D를">스프링 D를 적용하여 제작한 구동장치를 상온조건에서 성능시험을 수행하였다. 계측을 위하여 구동장치 외부에 위치감지기를 설치하였으며 구동명령은 Bang-Bang 방식으로 +, 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)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. 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.
  • 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)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.
  • 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.

  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

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

      성능/효과

      • 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 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

        후속연구

        • 본 연구를 통하여 확보한 EMSA 기본설계 기술은 향후 소형 유도무기 구동장치 개발에 유용하게 사용될 것으로 기대된다.
        • 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.
        • 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.