초록 ▼

회전체 설계기술의 고도화를 위하여 능동자기베어링 시스템을 적용 고속화 및 진능화를 구현하는데 목적을 두고 있으며 본 연구 개발의 주요 최종목표는 다음과 같 다.○ 능동 자기베어링을 이용한 지능형 초고속 회전축계의 설계기술 개발. - DmN値 최소180만 이상 초고속·고정밀 자기베어링 주축시스템 설계/제작 : 180만 DmN 급의 초고속 ·고정밀 회전축계의 설계기술 확립. - 원추형 자기베어링을 이용한 초고속 회전축 시스템 설계/제작 : 하드웨어 및

회전체 설계기술의 고도화를 위하여 능동자기베어링 시스템을 적용 고속화 및 진능화를 구현하는데 목적을 두고 있으며 본 연구 개발의 주요 최종목표는 다음과 같 다.○ 능동 자기베어링을 이용한 지능형 초고속 회전축계의 설계기술 개발. - DmN値 최소180만 이상 초고속·고정밀 자기베어링 주축시스템 설계/제작 : 180만 DmN 급의 초고속 ·고정밀 회전축계의 설계기술 확립. - 원추형 자기베어링을 이용한 초고속 회전축 시스템 설계/제작 : 하드웨어 및 제어 시스템 설계, 요소 구성 - 주축계의 정, 동적 특성 해석 - 회전 불균형 응답 1.0 ㎛ 이내의 고정밀 디지탈 제어기술 개발.○초고속 회전축계의 능동제어(진동 및 Unbalance/회전정도 등)시스템의 설계 기술 확립. - 강건 제어, 불균형 제어 등 지능제어 알고리즘 설계기술 개발

Abstract ▼

○Development of design technologies for intelligent high speed rotor system using active magnetic bearing. - Establishment of design technology for ultra High speed & accuracy magnetic bearing-spindle system ▶ over Min. 1.8 million DMN value - Development of desing technology for High speed spindl

○Development of design technologies for intelligent high speed rotor system using active magnetic bearing. - Establishment of design technology for ultra High speed & accuracy magnetic bearing-spindle system ▶ over Min. 1.8 million DMN value - Development of desing technology for High speed spindle system with Cone-Shaped magnetic bearing system ▶ Design & Manufacturing technologies about H/W, control and system integration - Development of control technology for High Accuracy digital controller ▶ Intelligent control methods including Robust controller, Runout controller, Fuzzy algorithm etc. ▶ At least 1 ㎛ rotating unbalance response ▶ Establishment of design technology for active control system in high speed rotor

목차 Contents

• 제 1 장 서론...23
• 제 1 절 연구개발의 목적 및 필요성...23
• 제 2 절 연구개발의 범위...25
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...27
• 제 1 절 국내 기술 현황...27
• 제 2 절 국외 관련기술 현황...28
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과...30
• 제 1 절 개 요...30
• 제 2 절 5축 능동제어형 자기베어링 회전축계 설계기술 연구...32
• 1. 자기베어링 주축계 설계...32
• 가. 자기베어링 액추에이터 설계...33
• (1) 고속축계의 베어링 지지하중...33
• (2) 자기베어링 전자석 설계...33
• (3) 축방향 자기베어링 전자석...35
• 나. 전력 증폭기 제원 결정...36
• 다. 5축 능동제어형 연삭기 주축계...37
• 2. 5축 능동제어형 자기베어링 주축계의 제어시스템 설계...39
• 가. 시스템 운동방정식...39
• 나. 직접 궤환제어 PID 제어 시스템...39
• 다. 안정성 개선을 위한 Lead Filter...42
• 3. 자기베어링 주축계의 성능 해석...43
• 가. 자기베어링 액추에이터의 자기장 해석...43
• 나. 고속 주축계의 정 ·동특성 해석...45
• (1) 주축계의 정적 처짐 특성 해석...46
• (2) 주축계의 고유진동 모우드 특성...46
• (3) 스핀들 유한요소 해석...47
• 다. 강체축계의 제어특성 해석...48
• (1) 단위계단 응답...49
• (2) 질량분균형에 대한 응답...49
• (3) 전력 증폭기 영향 및 보상...50
• 라. 고속 주축의 동력 손실...52
• (1) 코일의 열발생에 의한 손실...52
• (2) 회전체에서의 손실...53
• (3) 공기마찰에 의한 손실...55
• (4) 전자석 철심 손실...56
• 제 3 절 원추형 능동자기베어링 고속 회전축계 설계기술 연구...58
• 1. 원추형 마그네틱 베어링 연삭기 주축계 설계...58
• 2. 자기베어링 액추에이터의 최적 설계 연구...62
• 가. 목적함수 선정...64
• 나. 원추형 자기베어링의 설계 구속 조건...65
• 다. 설계변수 및 범위...65
• 라. 최적 설계...66
• 마. 유전자 알고리듬에 의한 최적화 결과...68
• 바. 자기장 해석...71
• 사. 기하학적 형상의 변화에 따른 결과값...72
• 3. 원추형 자기베어링 제어시스템 설계...74
• 가. 원추형 능동 자기베어링 모델링...74
• (1) 자기베어링의 자기적 성질...74
• (2) 자기력의 선형화...76
• (3) 전자기력...78
• 나. 운동방정식...80
• 다. 원추형 전자기 베어링계의 제어알고리즘...83
• 라. 디지털 PID 제어기...86
• 마. 제어 알고리즘 설게 및 모의실험...88
• (1) 비연성 제어기...88
• (2) 안정 영역...89
• (3) 모의 실험(simulation)...90
• 제 4 절 능동 자기베어링의 지능형 제어기술 연구...93
• 1. H-inf 강건 제어기 설계 연구...93
• 가. 강건 제어...93
• (1) 강건 제어...93
• (2) PID 강건제어...93
• 나. H∞ 강건제어...94
• (1) H∞ norm의 의미...94
• (2) H∞제어의 개요...94
• (3) 민감도 함수...96
• (4) 보조 민감도 함수...96
• (5) 가중치 함수...97
• (가) 가중치 함수...97
• (나) 가중치 함수의 의미...97
• 다. H∞ 제어기의 설계...100
• 라. Multivariable Feedback System...104
• (1) Principal gains (Singular values)...104
• (가) Principal gain의 개념...104
• (나) Principal gain의 이용...105
• (2) Youla parameterization...108
• (가) Youla parameterization...108
• (나) Fractional representations...109
• (3) H∞optimal control...110
• (가) Model-matching Problem...110
• (나) The Hankel approximations Problem...112
• (다) The Glover-Doyle algorithm...115
• 마. 5축 능동제어형 자기베어링시스템 적용 연구...121
• (1) 모델링...121
• (2) 시스템 규명...122
• (3) 모의실험...124
• (4) 실험 결과...126
• 2. 퍼지를 이용한 지능형 제어시스템 설계 연구...128
• 가. Fuzzy 제어기 구성...128
• 나. Fuzzy 이론...128
• (1) 퍼지화...129
• (2) 퍼지 룰 베이스...130
• (3) 퍼지 추론기관...130
• (4) 비퍼지화...131
• 다. 비선형 보상 자료 획득과정...132
• 라. Fuzzy 제어기 설계...135
• 마. Fuzzy 제어 출력...138
• 바. 결과 요약...138
• 3. 회전응답 제어를 위한 적응 피이드포워드 제어시스템...140
• 가. 개요...140
• 나. 런아웃 제어를 위한 제어시스템...140
• (1) 자기베어링을 이용한 연삭기 주축...140
• (2) 실험 주축의 제어시스템 구성...141
• (3) 런아웃 제거 문제...142
• (4) LMS 알고리즘의 적용 Feedforward 제어 알고리즘...143
• 다. 적응 Feedforward 제어 모의 실험...144
• (1) 수렴 시뮬레이션...145
• (2) LMS 알고리즘의 실제 적용 문제...146
• 라. 런아웃 제어예...146
• (1) 런아웃 측정 및 영향 예측...146
• (2) 적응 Feedforward 제어 특성 해석...148
• (3) 런아웃 제어 실험...149
• 마. 결론...152
• 4. 고장 허용 자기베어링 시스템 제어 기술 연구...153
• 제 5 절 능동 자기베어링 회전축계의 실험적 연구...157
• 1. 5축 능동제어형 자기베어링 회전축계의 성능평가...157
• 가. 주축계 제작...157
• 나. 마그네틱 베어링 연삭기 주축계의 성능평가...160
• (1) 제어시스템 안정성 평가...160
• (2) 고유진동 공진 제거를 위한 노치필터...161
• (3) 마그네틱 베어링 주축계의 부상응답 실험...163
• (4) 외란에 대한 주파수 응답...164
• (5) 회전응답 특성...166
• (6) 런아웃 제거시의 고속응답...169
• 다. 결과 및 고찰...170
• 2. 원추형 능동 자기베어링 회전축계의 성능평가...171
• 가. 주축 시스템 제작...171
• 나. 마그네틱 베어링 연삭기 주축계의 성능 평가...175
• (1) 제작된 주축의 진동 모우드 해석...175
• (2) PD 제어게인에 따른 안정성 분석...177
• (3) 마그네틱 베어링 주축계의 부상응답 실험...179
• (4) 외란에 대한 주파수 응답...180
• (5) 회전응답 특성...182
• 다. 결과 및 고찰...183
• 제 6 절 결과 요약...184
• 제 4 장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도...186
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획...192
• 제 6 장 참고문헌...193
• 제 7 장 부록 Texas A&M 연구 결과요약...199