보고서 정보
주관연구기관 |
연세대학교 Yonsei University |
연구책임자 |
백윤수
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참여연구자 |
고태국
,
최용제
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2003-10 |
과제시작연도 |
2002 |
주관부처 |
과학기술부 |
과제관리전문기관 |
한국과학재단 Korea Science and Engineering Foundtion |
등록번호 |
TRKO200800068726 |
과제고유번호 |
1350016997 |
사업명 |
목적기초연구사업 |
DB 구축일자 |
2015-01-08
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키워드 |
평면구동기.직접구동.단일 서보.위치결정기구.정밀공학.자기부상.비접촉 방식.Surface actuator.Direct drive.Single servo.Precision stage.Precision engineering.Magnetic levitation.Contact-free.
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초록
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본 과제는 성공적인 목표달성을 위하여, 세부과제로 나누어서 진행되었으며, 각 과제별 연구내용은 다음과 같다. 제 1과제에서는 전자기학적 설계 및 해석에 관한 연 구로서 부상력과 추력 메커니즘을 고안하며, 타 과제와 연계하여, 서피스 액츄에이터 개발에 있어서 최적설계기술을 확보하였다. 제 2 과제는 자기부상시스템의 동역학적 모델링 및 진동 제어에 관한 연구로서, 1과제에서의 결과를 바탕으로 부상체의 지배 방정식을 유도하였으며, 지기부상시스템은 반드시 궤환제어가 필요한 불안정한 시스템이기 때문에 안정도 판별식을 정의하였고, 또한 실험을
본 과제는 성공적인 목표달성을 위하여, 세부과제로 나누어서 진행되었으며, 각 과제별 연구내용은 다음과 같다. 제 1과제에서는 전자기학적 설계 및 해석에 관한 연 구로서 부상력과 추력 메커니즘을 고안하며, 타 과제와 연계하여, 서피스 액츄에이터 개발에 있어서 최적설계기술을 확보하였다. 제 2 과제는 자기부상시스템의 동역학적 모델링 및 진동 제어에 관한 연구로서, 1과제에서의 결과를 바탕으로 부상체의 지배 방정식을 유도하였으며, 지기부상시스템은 반드시 궤환제어가 필요한 불안정한 시스템이기 때문에 안정도 판별식을 정의하였고, 또한 실험을 통해서 시스템의 동특성을 파악함과 동시에 주파수 영역에서의 진동특성을 파악하여 강건한 제어이론의 기반을 확립하였다. 제 3과제에서는 액츄에이터가 복잡한 궤적을 높은 정밀도를 가지고 이동하기 위한 고품위 위치 추적제어기에 관한 연구와 외란이나 센서의 노이즈에 대해서 강건한 제어기에 관한 연구를 수행하였으며, 비접촉 변위측정을 위한 센서에 관한 연구도 수행하였다.
본 연구에서는 동일한 평면상에서 부상력과 추진력을 동시에 발생시키는 자기력 구동 방식의 비접촉식 평면 액츄에이터를 개발하여 직접 구동방식의 전달 효율 장점과 구조의 단순화 그리고 비접촉을 통한 기계적인 마찰의 배제로 구동기의 고분해능과 동시에 넓은 동적 범위가 실현 가능한 구동시스템의 기반기술의 확립을 목표로 연구를 진행하였다.
그리하여, 두 가지 기본 자기원리에 기초한 여러 형태의 비접촉 구동시스템을 구축하였다. 첫 번째로는 로렌쯔의 힘을 기본 원리로 채택하여, 6자유도 공간상에서의 미소변위 결정 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 반발구조형태로서 강성을 높일 수 있는 장점이 있다. 이 시스템의 개발 기술을 기반으로, 자기 반발력에 의한 평면 위치 결정 시스템을 구축하였다. 앞서의 모델은 미소변위 결정장치로서 작업영역이 한정되어 있으나, 이 시스템은 넓은 작업영역의 확보가 가능하다. 실제 제작된 시스템의 경우, 평면상에서 60mm의 이송거리가 확보되었다. 또한 자기흡인력에 의한 부상과 로렌쯔의 힘을 추진력으로 조합한 흡인 부상형 평면시스템도 구축하였다. 이 경우도 작업 영역이 평면상에서 60mm의 이송거리가 확보되었으며, 원리상 평면위치에서 일정한 부상력의 확보가 반발형보다 용이하기 때문에 부상방향으로의 안정성면에서 높은 성능을 보였다. 두 번째로 VR 원리에 기초한 구동시스템으로 부상력과 추진력이 결합된 형태의 자기 부상형 직선 구동기를 개발하였다. VR원리자체가 강자 성체를 포함하기 때문에 높은 힘의 발생이 가능하였으며, 확장면에 있어서도 저가로 구현할 수 있는 장점이 있었다. 또한 자기베어링을 이용한 부상시스템과 SR모터의 추진원리에 의한 비접촉식 선형구동기도 개발되었다. SR모터에서 문제가 되는 force ripple을 줄이기 위한 연구결과로서 Sigmoid형태의 힘분포함수를 응용한 스위칭알고 리즘이 개발되었다. 이 연구결과를 바탕으로 평면으로 확장된 시스템도 성공적으로 구축되었다. 이와 같이 다양한 시스템의 개발을 통해서, 비접촉 방식의 구동시스템에 관한 이론적, 기술적 노하우가 쌓였으며, 이를 국내외 학술지의 투고를 통해서, 연구성과를 발표하였다.
Abstract
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In order to achieve successful results, this project was proceeded in three sub-topics.
The first sub-tobic is about that electromagnetical design and analysis of noncontact surface actuator. The mechanism for levitating force and propulsion force was proposed and as a result of this sub-topic, t
In order to achieve successful results, this project was proceeded in three sub-topics.
The first sub-tobic is about that electromagnetical design and analysis of noncontact surface actuator. The mechanism for levitating force and propulsion force was proposed and as a result of this sub-topic, the optimal design technique for elecrtomagnetic system especially noncontact surface actuator was developed. The second sub-topic is about that dynamic modeling and vibration analysis of magnetic levitation system. The levitating non-contact surface actuator can adjust the stiffness and damping of system by electrical control but it is inherently unstable, so the stabilizing device would be needed. In this sub-topic, the stability criterion and the control strategy were proposed. The third sub-topic is about that research on having the capacity of compensating nonlinear characteristics and the robust controller about disturbance and noise were performed.
Also, the research on non-contact displacement sensors for the proposed system were undertaken.
In this study, the contact free surface actuators which can generate the levitation force and thrust force simultaneously in a single plane have developed. The objective of this research is to establish the basic technology of the driving systems which enables to be high precision and wide dynamic range due to the high ratio of the transmission using the direct drive type, simple structure, and elimination of the mechanical friction through the contact free mechanism.
Hench, various contact free driving mechanisms were constructed based on two electromagnetic principles. First, Lorentz's force was used to develop the six-d.o.f micro positioner. This system is the repulsive type and antagonistic structure and as a result, it has a high stiffness. Spacial micro positioner was developed through this rudimentary technology. The former systems have shown to have the limits for small dynamic range but planar positioner can expand its dynamic range. Our developed system is capable of 60 mm for transmission range. Attractive type planar system was also constructed, which is driven by the combination of magnetic attraction force for levitation and Lorentz's force for propulsion. This system has also 60 mm transmission range and higher stability.
Second, magnetically levitated linear actuator was developed which has the coupled driving mechanisms for levitation and propulsion. This system can be constructed at a low cost and it has a relative high force since it includes ferromagnetic materials similar to VR type actuators. Another contact-free linear actuator was constructed using SR motor and magnetic bearing principles. To reduce the force ripple, that is the disadvantage of the SR motor, sigmoid force distribution function was applied to develop advanced switching algorithm. Expanded version of this system was also developed successfully using the advanced switching algorithm.
As a result of the development for various systems, know-how of the construction of the contact free driving mechanisms has been achieved theoretically and technically.
Our successful results was presented through the various domestic and international papers.
목차 Contents
- Ⅰ. 연구계획 요약문 ... 3
- 1. 국문요약문 ... 3
- Ⅱ. 연구결과 요약문 ... 4
- 1. 국문요약문 ... 4
- 2. 영문요약문 ... 5
- Ⅲ. 연구내용 ... 6
- 1. 서론 ... 6
- 2. 연구방법 및 이론, Part I ... 8
- 3. 연구방법 및 이론, Part II ... 57
- 4. 결론 ... 80
- 5. 인용문헌 ... 81
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