[논문]포/포탑 구동 시스템의 절대 각 오차 제어 모드에 대한 모션 프로파일 생성 기법

엄명환; 송신우; 박일우

doi:10.9766/kimst.2019.22.5.674

포/포탑 구동 시스템의 절대 각 오차 제어 모드에 대한 모션 프로파일 생성 기법
Motion Profile Generation Method for Absolute Angular Error Control Mode of Gun/Turret Driving System 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.22 no.5, 2019년, pp.674 - 686

엄명환 ((주)두산 모트롤 BG 방산연구개발 3팀) , 송신우 (한화디펜스(주) 화력체계 1팀) , 박일우 ((주)두산 모트롤 BG 방산연구개발 3팀)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we will discuss the absolute angular error control mode for the Gun/Turret driving system. The Gun/Turret driving controller receives absolute angular error calculated from the fire control system (FCS). Thus, the Gun/Turret driving controller is subjected to step command to cause residual vibration and system unstable. In order to reduce residual vibration and to ensure the system stability, we propose an error motion profile method with two types of trapezoidal and S-Curve. The validity of the proposed error motion profile method is confirmed via simulation by observing that the resulting position error, driving power, and power density satisfied the control performance.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Structure of a Gun/Turret driving system
그림 Fig. 2. Absolute angular control mode
그림 Fig. 3. Trapezoidal error motion profile
그림 Fig. 4. Comparison of trapezoidal and S-curve profile
그림 Fig. 5. Time interval of the S-curve profile
그림 Fig. 6. Velocity-position curve
그림 Fig. 7. S-curve error motion profile
표 Table 1. Specification of an electrical Gun/Turret driving system
표 Table 2. Scenario of simulation
그림 Fig. 8. Simulation result of case I
그림 Fig. 9. Simulation result of case II
그림 Fig. 10. Simulation result of case III
그림 Fig. 11. Image sequences(in seconds) of the gun/turret driving in case III
그림 Fig. 12. The volume change of the converter
표 Table 3. Comparison of DC-link voltage reduction width in the case of maximum driving power
표 Table 4. Comparison of the energy storage capacity of the DC-link voltage reduction tolerance

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 에너지저장기 용량을 감소시킴으로써 전력 공급 장치의 체적감소 및 전력밀도 최적화를 위해서는 S-Curve 오차 모션 프로파일의 적용은 필수적이라 할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 사격통제시스템으로부터 인가되는 오차 명령에 대해 포/포탑 구동 시스템이 안정적으로 구동할 수 있도록 사다리꼴 오차 모션 프로파일과 S-Curve 오차 모션 프로파일 생성 방법을 제안한다.
본 논문에서는 포/포탑 구동 시스템에서 절대 각 오차 제어 모드 시 진동이나 시스템 불안정성을 야기하는 오차 명령에 대해 Trapezoidal 오차 모션 프로파일과 S-Curve 오차 모션 프로파일 설계 방법을 제시하였다. 기존에 일반적으로 적용되어왔던 모션 프로파일을 변형하여 오차 정보에 종속되어 오차가 0으로 수렴할 수 있도록 속도 프로파일의 감속 구간을 설계함으로써 절대 각 오차 제어 모드 시 포/포탑 구동 시스템이 제어 및 전력 측면에서 효율적으로 구동함을 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
본 절에서는 관성항법센서없이 좌표변환을 통한 포/포탑의 자세 각 정보를 계산하는 방법에 대해 설명한다. Fig.

가설 설정

전력변환장치는 입력 전압을 270 VDC 구동 전원으로 승압 동작을 하고, 부하 변동에도 일정 출력 전압으로 유지하는 제어를 수행한다. 모의실험은 Table 2와 같이 3가지 Case로 설정하였으며 차체(HULL) 자세는 고정으로 시간에 따라 변하지 않는다고 가정한다. Case I, Case II는 제안한 오차 프로파일인 Trapezoidal과 S-Curve 프로파일의 성능 비교이며, Case III의 경우 차체 자세가 경사지(롤 10 deg, 피치 –8 deg)에서 기울어진 환경을 모사하였다.

제안 방법

Case I, Case II는 제안한 오차 프로파일인 Trapezoidal과 S-Curve 프로파일의 성능 비교이며, Case III의 경우 차체 자세가 경사지(롤 10 deg, 피치 –8 deg)에서 기울어진 환경을 모사하였다.
또한, 포/포탑 구동 시스템은 현재 개발하고 있는 포/포탑의 3D모델링을 Matlab의 Simmechanics를 통해 물리적인 관성, 불평형 모멘트, 마찰력 등 실제 부하와 유사하게 모사하였다. 관성항법센서의 모사를 위해 INS Calculation Logic 블록은 포/포탑의 절대 좌표 및 오차 계산으로 구성되며, 실제 사용되고 있는 관성항법센서의 sampling 주파수 50 Hz로 동작하게 하였다. 모의실험을 위한 전기식 구동 시스템의 사양 및 주요 파라미터는 Table 1과 같다.
본 논문에서는 포/포탑 구동 시스템에서 절대 각 오차 제어 모드 시 진동이나 시스템 불안정성을 야기하는 오차 명령에 대해 Trapezoidal 오차 모션 프로파일과 S-Curve 오차 모션 프로파일 설계 방법을 제시하였다. 기존에 일반적으로 적용되어왔던 모션 프로파일을 변형하여 오차 정보에 종속되어 오차가 0으로 수렴할 수 있도록 속도 프로파일의 감속 구간을 설계함으로써 절대 각 오차 제어 모드 시 포/포탑 구동 시스템이 제어 및 전력 측면에서 효율적으로 구동함을 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 또한, Trapezoidal 오차 프로파일에 비해 S-Curve 오차 모션 프로파일을 적용하면 구동장치에 요구되는 최대 전력이 크게 감소되어 일반적으로 적용되는 에너지저장기의 용량을 감소 시킬 수 있어서 전력변환장치의 전력밀도를 크게 증가시킬 수 있다.
5와 같이 감속 구간은 3구간으로 이루어져야 하므로 오차 명령에 대한 모션 프로파일 생성은 해석적으로 구하기 힘들다. 따라서, 본 논문에서 감속구간의 프로파일은 속도와 위치 그래프을 이용하여 Curve Fitting을 적용한다.
절대 각 오차 명령에 대한 사다리꼴 오차 모션 프로파일과 S-Curve 오차 모션 프로파일 설계 방법을 제안하였고, 두 기법에 따른 모터드라이브의 구동 전력 비교 분석을 통해 전력 공급 장치의 전력밀도를 분석하여 제안한 S-Curve 오차 모션 프로파일 설계에 대한 성능을 검증하였다. 또한, 관성항법센서 없이 절대 각 오차 제어 모드를 모사하기 위해 좌표변환을 통한 포/포탑의 자세 각도를 산출하여 오차 모션 프로파일 적용을 위한 모의 환경을 구성하였다.
본 논문에서 개발되고 있는 포/포탑 구동 시스템의 요구 사항은 목표 위치로 주포를 이동시키기 위해 선회와 고저 방향으로 최대 각속도 10 deg/s와 최대 각가속도 10 deg/s²로 구동되는 것과 포/포탑 구동의 최대 부하 전력을 공급하기 위한 전력 공급부의 요구 체적인 50 kcm³을 만족해야 한다. 요구되는 구동 각속도 및 각가속도로 부하를 구동할 때 부하의 토크와 최대 소요 전력은
단, 정지 판단 조건 설정 시 가속도(감속도) 값이 최대가속도가 넘지 않도록 위치 오차 및 속도 변화량을 고려하여야 한다. 본 논문에서 제안한 Trapezoidal 오차 명령에 대한 프로파일 설계는 가속구간과 등속구간은 기존 속도 프로파일 생성 기법과 동일하며, 감속구간의 경우는 속도와 위치의 상관관계를 구하여 적용한다. 남은 위치에 대한 속도 값을 계산하여 프로파일을 생성하며 생성 함수는
동시에 2개의 부하를 구동하기 위해서 전력변환장치와 에너지저장기는 DC-Link 전압이 정격의 5%의 허용치 이내로 제어되도록 최대 전력을 공급하고 있다. 에너지저장기의 용량은 Trapezoidal 프로파일을 적용하고 2개 부하가 동시에 가동되는 조건으로 산정되었다. Fig.
본 논문의 주된 기여도는 다음과 같다. 절대 각 오차 명령에 대한 사다리꼴 오차 모션 프로파일과 S-Curve 오차 모션 프로파일 설계 방법을 제안하였고, 두 기법에 따른 모터드라이브의 구동 전력 비교 분석을 통해 전력 공급 장치의 전력밀도를 분석하여 제안한 S-Curve 오차 모션 프로파일 설계에 대한 성능을 검증하였다. 또한, 관성항법센서 없이 절대 각 오차 제어 모드를 모사하기 위해 좌표변환을 통한 포/포탑의 자세 각도를 산출하여 오차 모션 프로파일 적용을 위한 모의 환경을 구성하였다.
제안된 기법의 유효성을 검증하기 위해 Matlab를 통해 시뮬레이션을 수행하였으며, INS Calculation Logic 블록과 선회/고저 제어 블록, 모터 드라이버 블록 및 포/포탑 구동 시스템으로 구성된다. 또한, 포/포탑 구동 시스템은 현재 개발하고 있는 포/포탑의 3D모델링을 Matlab의 Simmechanics를 통해 물리적인 관성, 불평형 모멘트, 마찰력 등 실제 부하와 유사하게 모사하였다.

이론/모형

제안된 기법의 유효성을 검증하기 위해 Matlab를 통해 시뮬레이션을 수행하였으며, INS Calculation Logic 블록과 선회/고저 제어 블록, 모터 드라이버 블록 및 포/포탑 구동 시스템으로 구성된다. 또한, 포/포탑 구동 시스템은 현재 개발하고 있는 포/포탑의 3D모델링을 Matlab의 Simmechanics를 통해 물리적인 관성, 불평형 모멘트, 마찰력 등 실제 부하와 유사하게 모사하였다. 관성항법센서의 모사를 위해 INS Calculation Logic 블록은 포/포탑의 절대 좌표 및 오차 계산으로 구성되며, 실제 사용되고 있는 관성항법센서의 sampling 주파수 50 Hz로 동작하게 하였다.

성능/효과

2.2절에서 설명한 절대각 오차 제어 모드의 경우, 포/포탑 구동 제어기는 사격통제시스템으로부터 오차 명령을 받는다. 이때, 오차 명령은 포/포탑 구동 제어기 측면에서 보면 step 신호로 인가되므로 포/포탑 구동 시스템에 기구적 충격을 줄 뿐만 아니라 시스템 발산의 가능성이 높다.
2.3절의 Trapezoidal 오차 프로파일 생성 방법은 모션의 시작과 등속 구간의 진입, 감속 구간의 시작, 구동의 마침 부분에서 큰 가속도의 변화가 일어나므로, 이 부분에서 시스템의 진동을 많이 발생시키며 2.4절에서 설명한 바와 같이 구동 전력이 크게 소모된다. 따라서, 부드러운 모션 프로파일인 S-Curve 오차 프로파일에 대한 설계가 필요하다.
기존에 일반적으로 적용되어왔던 모션 프로파일을 변형하여 오차 정보에 종속되어 오차가 0으로 수렴할 수 있도록 속도 프로파일의 감속 구간을 설계함으로써 절대 각 오차 제어 모드 시 포/포탑 구동 시스템이 제어 및 전력 측면에서 효율적으로 구동함을 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 또한, Trapezoidal 오차 프로파일에 비해 S-Curve 오차 모션 프로파일을 적용하면 구동장치에 요구되는 최대 전력이 크게 감소되어 일반적으로 적용되는 에너지저장기의 용량을 감소 시킬 수 있어서 전력변환장치의 전력밀도를 크게 증가시킬 수 있다. 또한, 에너지저장기 내 커패시터를 줄임으로써 포/포탑 구동시스템의 추가적인 공간을 확보할 수 있고, 일반적으로 낮은 수명을 가지는 대용량 커패시터를 적용하지 않음으로써 전기식 포/포탑 구동 시스템의 신뢰성을 높일 수 있다.
전력변환장치 내에 대용량 커패시터 및 버스바 류, 차단기 등이 제거됨에 따라 약 32 %의 체적이 감소되었음을 확인할 수 있다. 또한, 전력공급을 위해 산정된 요구 체적인 50 kcm3 보다 13 % 감소한 수치로 요구 기준을 만족한다.
전력변환장치의 출력전압 제어성능 확보와 구동 장치로부터 회생되는 에너지의 저장하기 위한 용량의 에너지저장기만 적용이 가능함을 확인할 수 있다. 본 모의실험에서는 Case I에 적용된 에너지저장기 용량의약 5 %만을 적용하여 모사하여 전압 변동성능이 만족됨을 확인하였다.
Table 4에서는 Table 3의 DC-Link 전압 감소 값 기준으로 에너지저장기 용량을 재설계하였을 때 적용 가능한 커패시터 개수와 전력변환장치의 전력밀도를 산정한 결과이다. 전력밀도는 기존의 Trapezoidal 프로 파일 적용 시 보다 S-Curve 오차 프로파일로 구동 시 Case II와 Case III에서 32 %의 체적이 감소 되었고, 전력 밀도는 약 10 % 개선됨을 알 수 있다.
12는 에너지저장기의 용량이 감소됨으로써 전력변환장치의 체적 변화를 보여준다. 전력변환장치 내에 대용량 커패시터 및 버스바 류, 차단기 등이 제거됨에 따라 약 32 %의 체적이 감소되었음을 확인할 수 있다. 또한, 전력공급을 위해 산정된 요구 체적인 50 kcm3 보다 13 % 감소한 수치로 요구 기준을 만족한다.
9 (h)는 선회 및 고저장치의 구동 전력으로 전체 소요되는 첨두전력이 감소하여 전력변환장치만으로 DC-Link 전압이 허용치 이내로 제어됨을 알 수 있다. 전력변환장치의 출력전압 제어성능 확보와 구동 장치로부터 회생되는 에너지의 저장하기 위한 용량의 에너지저장기만 적용이 가능함을 확인할 수 있다. 본 모의실험에서는 Case I에 적용된 에너지저장기 용량의약 5 %만을 적용하여 모사하여 전압 변동성능이 만족됨을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모션 프로파일 개발의 핵심은 무엇인가?	제어 시스템에서 모션 프로파일(Motion Profile) 기법은 목표 정확도 및 진동 억제를 요하는 다양한 제어 시스템에 적용 및 연구되어왔다[1-5]. 모션 프로파일 개발의 핵심은 안정성을 확보하며 고속으로 구동하는 것과 구동 후 잔존하는 잔류진동(residual vibration)을 억제하는 것이다. 특히, 제어 시스템에서 기구적 강성이 많이 떨어져서 진동에 취약할 경우 모션 프로파일 제어 기술은 필수적이다.
	비대칭(Asymmetric) 모션 프로파일 설계가 요구되는 배경는 무엇인가?	여기서, 절대 각 오차 제어 모드는 일반적인 목표 명령(Target Command)에 대한 모션 프로파일을 적용할 수 없다. 절대 각도로 계산된 실시간 각도 오차 정보가 step 형태로 포/포탑 구동 제어기에 전달되기 때문에 초기 목표 각과 포/포탑의 위치의 차가 클수록 시스템의 불안정성을 야기한다. 따라서, 오차 정보에 종속적인 속도 프로파일을 설계가 필수적이며 오차가 0으로 수렴하도록 비대칭(Asymmetric) 모션 프로파일 설계가 요구 된다.
	포/포탑 구동 시스템은 어떻게 분류되는가?	포/포탑 구동 시스템은 사격통제시스템(Fire Control System)으로부터 상대 각도 명령을 받아서 포/포탑의 위치 센서를 통해 구동되는 상대 각 제어 모드와 사격통제시스템이 관성항법센서(INS)로부터 측정된 포/포탑 자세 정보를 기반으로 계산된 절대 각도 오차를 명령으로 받아 포/포탑 구동 제어기가 절대 각도 오차를 0으로 수렴하게 하는 절대 각 오차 제어 모드로 나뉜다. 여기서, 절대 각 오차 제어 모드는 일반적인 목표 명령(Target Command)에 대한 모션 프로파일을 적용할 수 없다.

참고문헌 (9)

Meckl, P. H. and Seering, W. P., “Minimizing Residual Vibration for Point-to-Point Motion,” Journal of Vibration, Acoustics, Stress and Reliability in Design, Vol. 107, No. 4, pp. 378-382, 1985.

상세보기
Macfarlane, S. and Croft, E. A., “Jerk-Bounded Manipulator Trajectory Planning : Design for Real-Time Applications,” IEEE Trans. Robotics and Automation, Vol. 19, No. 1, pp. 42-52, 2003.

상세보기
Rubio, F, Valero, F., Sunyer, J., and Cuadrado, J., “Optimal Time Trajectories for Industrial Robots with Torque, Power, Jerk, and Energy Consumed Constraints,” Journal of Industrial Robot, Vol. 39, No. 1, pp. 92-100, 2012.

상세보기
Li, H. A., “A Jerk-Constrained Asymmetric Motion Profile for High-Speed Motioni Stages to Reduce Residual Vibration,” Journal of Computer Application in Technology, Vol. 53, No. 2, pp. 149-156, 2016.
Rew, K. -H. and Kim, K. -S., "Using Asymmetric S-Curve Profile for Fast and Vibrationless Motion," In Proceedings of the Conference on Control Automation and Systems. Seoul, Korea, pp. 500-504, Oct. 2007.
Dyvik, Jahn, et al., "Recent Activities in Electrothermal Chemical Launcher Technologies at BAE systems," IEEE Transactions on Magnetics 43.1, pp. 303-307, 2006.
Herbig, J., and R. Appleton, "A Compact Pulsed Power Supply for ETI Applications," 2005 IEEE Pulsed Power Conference. IEEE, 2005.
Sahoo, Satya Ranjan, et al., "Physics of Failure based Analysis of Aluminium Electrolytic Capacitor," SRESA's International Journal of Life Cycle Reliability and Safety Engineering 5.2, pp. 15-19, 2016.
Renwick, Jason, Chetan S. Kulkarni, and Jose R. Celaya, "Analysis of Electrolytic Capacitor Degradation under Electrical Overstress for Prognostic Studies," Proceedings of the Annual Conference of the Prognostics and Health Management Society, 2015.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증