[보고서]고기동 중형위성용 CMG 개발

이승우

고기동 중형위성용 CMG 개발
CMG Development ror Hieh Agile Medium Class satellite 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	한국항공우주연구원 Korea Aerospace Research Institute
연구책임자	이승우
참여연구자	김유광 , 서현호 , 신근웅 , 이창호 , 천용식 , 양지모 , 이주훈 , 이우준 , 양형모 , 그외 다수
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2015-12
과제시작연도	2015
주관부처	미래창조과학부 KA
사업 관리 기관	한국항공우주연구원 Korea Aerospace Research Institute
등록번호	TRKO201600000324
과제고유번호	1711027991
DB 구축일자	2016-04-09

초록 ▼

IV. 연구개발결과
본 연구개발 결과는 휠/김벌 모터 정밀 제어 구동장치 제작 및 성능시험 수행, 고기동 위성 자세제어를 위한 H_∞ 강건 제어기 설계 기술 확보 등이다.
〇 휠/김벌 모터 제어 구동 장치 제작 및 성능시험
- 제어 구동 장치 제작 결과물
- 지상시험용 소형 CMG 제작 결과물
- 구동 제어장치 성능 시험 구성도 및 시험 장치
- 구동 제어장치 성능 시험 결과(From N +LabView 가시화 장치)
- CMG 최대 토크 : 7.5Nm > 요구조건 5Nm 이상 만족
〇 고기동 위성을 위한 丑CO 강건 제어기 설계 및 시물레이션 검토
- H_∞ 강건 제어기 연구 필요성 :
• 고기동 위성의 경우, POI 영향이 무시되기 어려워서 기존의 단일입출력(SISO) 시스템 제어기 설계 방식 사용에 문제점 발생
• 다입출력(MIMO) 시스템 제어기 설계 방식의 필요성에서 이론적으로 잘 정립된 H_∞ 강건 제어기 설계 이론 연구 목표 설정
• H_∞ 강건 제어기 설계를 위해 배경이론에 대한 이해 부족으로 실무현장에서 丑제어기 활용의 어려움 경험
- 폐회로 형상 설계 방법에서 2개 Algebraic Riccati Equation Solving Method, µ-Synthesis Method(D-K iteration method), LMI Method 등 3가지 설계 방법 검토
- LM Method을 이용한 H_∞ 제어기 설계 방법이 현장에서 위성제어 설계에 가장 적 절한 방법이라는 결론 도출

Abstract ▼

IV. R&D Results
The scope of this study results includes the manufacture of precision wheel/gimbal motor control electronics and the performing its functional test H_∞ robust controller design and robustness analysis for satellite attitude control
〇 CMG design requirement and its conceptual design
〇 Manufacture of Precision Wheel/Gimbal Motor Control Electronics and The Functional Test
- Precision Wheel/Gimbal Motor Control Electronics
- Small CMG for Ground Test of Wheel/Gimbal Motor Control Electronics
- Diagram for the Ground Test of Control Electronice
- Performance Test Result(From N +LabView)
- Max Torque Level of CMG ：7 5Nm > Max Torque Requirement of CMG 5Nm => Satisfy Torque Requirement
〇 H_∞ Robust Controller Design and Robustness Analysis for Satellite Attitude Control
- Why H_∞ Robust Controller Need to Study :
• The effect of satellite PO can not be neglected for agile satellite and classical controller such as PID type that is used for typical attitude controller design can not be directly applied for it
• Another controller design method is required for MIMO system and it is wel known that H_∞ robust controller design theory is wel established for MIMO system
• However H_∞ robust controller design theory is so much complicate that typical control engineers in the industry field do not understand it enough to apply the design methodology to their work
• Thus a simple guide line needs for the control engineers in the industry field to make them easier to accommodate H_∞ robust controller design theory
- Three kinds of H_∞ robust controller design methods: Two Algebraic Riccati
Equation Method, µ- Synthesis Method(D-K iteration method LM Method), LMI Method are extensively studied
- LM Method for H_∞ robust controller design is proposed as the most convenience method to control engineers in the industry field

목차 Contents

표지 ... 1
제출문 ... 2
요약문 ... 3
SUMMARY ... 9
CONTENTS ... 15
목차 ... 16
제1장 서론 ... 17
제1절 연구개발의 목적 ... 17
제2절 연구개발의 필요성 ... 19
제3절 연구개발의 범위 ... 20
제2장 국내외 기술개발 현황 ... 28
제1절 CMG 기술동향 ... 28
제2절 국외 위성용 CMG 개발 현황 ... 29
제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 38
제1절 제어 장치 하드웨어 상세설계 ... 38
제2절 제어 장치 FPGA 소프트웨어 설계 ... 56
제3절 제어 장치 하드웨어 제작도면 ... 60
제4절 동작 실험 ... 130
제5절 실험 결과 ... 138
제6절 고기동 위성을 위한 H∞강건 제어기 설계 및 시물레이션 ... 163
제4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 ... 180
제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 182
제6장 참고문헌 ... 183
끝페이지 ... 185

표/그림 (99)

표 그림 1.1 제어모멘트자이로 구조
표 Figure b-1: Schematic blocK diagram of the flywneei electronic
표 Figure 6-1： Schematic block diagram of the gimbal power board electronic
표 Fig. 2.1 제어모멘트자이로의 토크발생 원리
표 Fig. 2.2 반작용월(Rff ； Reaction Wheel)과 제어모멘트자이로(CMG) 성능비교
표 Fig. 2.3 Surrey CMG Mk-Il and B LSAT CMG
표 Fig. 2.4. CMG 15-45S
표 Fig.2.5 Honeywell사(CMG-M50) 및 L-3Com사 CMG
표 Fig.2.6 소형 CMG(0.6Nm SGCMG K04M-06 Model manufactured by KARI
표 Fig. 2.7 실험실 시험용 CNG Cluster nanufactured by HAU&KAIST
표 그림 2.8 CMG 사용 역사 및 소형화
표 그림 2.10 호주 ShipDynamics사의 선박용 CMG
표 그림 2.9 미국 SeaKeeper사의 선박용 CMG
표 그림 2.11 일본 Misubish사 선박용 CMG
표 그림 2.12 미국 코넬대학의 CMG를 기반으로 개발한 로붓팔(예시)
표 그림 2.13 일본 동경대학의 CMG를 기반으로 개발한 수중로봇(예시)
표 그림 2.14 중국 서북공업대학의 MEMS CMG(예시)
표 그림 41 CMG Control Board Diagram
표 그림 42 Gimbal Electronic Board Configuration Diagram
표 그림 43 Gimbal Electronic -Power Board Block Diagram
표 그림 44 Gimbal Electronic - input Filter Circuit
표 그림 45 Gimbal Electronics： DC-DC Stage Circuit
표 그림 46 Motor End Stage - High Side Voltage generator & Half Bridge Circuit
표 그림 47 Motor End Stage - Motor Total Current Acquisition Circuit
표 그림 48 Motor End Stage - Phase-A Current Acquisition Circuit
표 그림 49 Temperature Sensor Circuit
표 그림 50 Interface Connector 구성
표 그림 5 Gimbal Electronic - FPGA Board Block Diagram
표 그림 52 Gimbal Electronic - FPGA Board DC-DC Stage Circuit
표 그림 53 Encoder Interpolator Circuit
표 그림 54 Gimbal Electronic - FPGA Board Data Acquisition Circuit
표 그림 55 Opto-Coupler nterface Circuit
표 그림 56 Gimbal Electronic - FPGA Board FPGA Module
표 그림 57 Gimbal ELctronic - FPGA Board 인터페이스 커텍터 구성
표 그림 58 Flywheel Electronic Board Configuration Diagram
표 그림 59 Flymbeel Electronic - FPGA Board DC-DC Stage Circuit
표 그림 60 Motor End Stage - High Side Voltage generator & Half Bridge Circuit
표 그림 61 Motor End Stage -Motor Total Current Acquisition Circuit
표 그림 62 Dpto-Coupler Interface Circuit
표 그림 63 Temperature Sensor Circuit
표 그림 64 Temperature Sensor Circuit
표 그림 65 Flymheel Electronic - Bread Board Data Acquisition Circuit
표 그림 66 Flywheel Electronic -FPGA Board FPGA Module
표 그림 67 Flywheel Electronic - Bread Board 인터페이스 커텍터 구성
표 그림 68 Gimbal Electronic - FPGA 프로그램 로직 구성도
표 그림 69 Flywheel Electronic - FPGA 프로그램 로직 구성도
표 그림 1. Gimbal Motor 실험 장치 구성도
표 그림 2. Flywheel Motor 실험 장치 구성도
표 그림 3. Gimbal Motor 실험(2차) 장치 구성도
표 그림 4. Gimbal Motor 실험(3차) 장치 구성도
표 그림 1. Gimbal Motor 데이터 설정 및 확인 창 - 1
표 그림 2. Gimbal Motor 데이터 설정 및 확인 창 - 2
표 그림 3. Gimbal Motor 데이터 설정 및 확인 창 - 3
표 그림 4 PWM 제어를 통한 Gimbal Motor 실험 구성
표 그림 5 PWM 제어를 위한 UI 구성
표 그림 6 Back-EMF 회로 구성도
표 그림 7. 여기 천이 구성도
표 그림 8 Flywheel Motor 데이터 설정 및 확인 창 - I
표 그림 9. Flywheel Motor 데이터 설정 및 확인 창 - 2
표 그림 10. Flywheel Motor 데이터 설정 및 확인 창 - 3
표 그림 11. Flywheel Motor 데이터 설정 및 확인 창 - 4
표 그림 3B-1. 휠/김벌 모터 제어 구동 장치
표 그림 3B-2. 지상시험용 소형 CMG 사진
표 그림 3B-3 성능시헐 구성도
표 그림 3B-4 성능시험 장치 사진
표 그림 3B-5 2.5Nm CMG 토크 시험 결과
표 그림 3B-6 5Nm CMG 토크 시험 결과
표 그림 3B-7 7 5Nm CMG 토크 시험 결과
표 Fig. 1. Block Diagram of Generalized Plant with Weighting Functions
표 Fig. 2. Block Diagram of Closed-loop System with Uncertainty
표 Fig. 3. Block Diagram of Closed-loop System
표 Fig. 4. Block Diagram of Closed- with Uncertainty Block
표 Fig. 5. Coprime-factorized System with Controller for Loop Shaping Design
표 Fig. 6. Augmented Plant with Controller for Loop Shapina Design
표 Fig. 7. Augmented Controller after Loop Shaping Design
표 Fig. 8. Controller Singular Plot (2-ARE Method)
표 Fig. 9. Singular Plot of Weighted Closed-loop(2-ARE Method)
표 Fig. 10. Sensitivity Weighting Function and Designed Sensitivity PI〇t(2-ARE Mehtod)
표 Fig. 11. Complementary Sensitivity Weighting Function and Designed Complementary Sensitivity Plot (2-ARE Method)
표 Fig. 12. mu-Analysis of Robust Stability with Uncertainty (2-ARE Method)
표 Fig. 13. mu-Ana lysis of Robust Performance with Uncertainty (2-ARE Method)
표 Fig. 14. Step Response with Uncertainty (2-ARE Method)
표 Fig. 15. Control Torque Plot (2-ARE Method)
표 Fig. 16. Controller Singular Plot(mu Method)
표 Fig. 17. Singular Plot of Weighted Closed-loop (mu Method)
표 Fig. 18. Sensitivity Weighting Function and Designed Sensitivity Plot(mu Method)
표 Fig. 19. Complementary Sensitivity Weighting Function and Designed Complementary Sensitivity Plot(mu Method)
표 Fig. 20. mu-Analysis of Robust Stability with Uncertaintyunu Method)
표 Fig. 21. mu-Analysis of Robust Performance with Uncertainty (mu Method)
표 Fig. 22. Step Response with Uncertainty (mu Method)
표 Fig. 23. Control Torque Plot(mu Method)
표 Fig. 24. Controller Singular Plot(LMI Method)
표 Fig. 25. Singular Plot of Weighted Closed-loop (LMI Method)
표 Fig. 26. Sensitivity Weighting Function and Designed Sensitivity Plot (LMI Mehtod)
표 Fig. 27. Complementary Sensitivity Weighting Function and Designed Complementary Sensitivity PIot(LMI Method)
표 Fig. 28. mu-Analysis of Robust Stability with Uncertainty(LMI Method)
표 Fig. 29. mu-Analysis of Robust Performance with Uncertainty (LMI Method)
표 Fig. 30. Step Response(LMI Method)
표 Fig. 31. Control Torque Plot(LMI Method)

과제명(ProjectTitle) :	-
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과제기간(DetailSeriesProject) :	-
총연구비 (DetailSeriesProject) :	-
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