KR101006199B1 - 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자기구동기의 인덕턴스의 변화에 따른 구동기 전류의 위상 변화로부터 구동기와 부상체 사이의 간극을 감지할 수 있게 함으로서 부상체와 구동기 사이에 센서 등의 구조물을 설치하지 않고 장치를 구성할 수 있어 장치의 구조를 단순화됨으로서 구성을 용이하게 할 수 있는 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링은 부상체를 사이에 두고 양측에 설치되어 부상체를 부상시키는 한쌍의 자기구동기와 ; 상기 자기구동기를 구성하는 코일의 인덕턴스를 검출하고 이 인덕턴스 변화에 따른 자기구동기 전류 위상 변화로부터 자기구동기와 부상체 사이의 간극의 변화를 감지하는 변위추정기와 ; 상기 자기구동기들의 코일에 고주파 신호 성분 증폭하여 인가하는 한 쌍의 증폭기와 ; 상기 변위추정기에서 감지된 자기구동기와 부상체 사이의 간극의 변화에 따라 상기 자기구동기에 공급되는 전류를 제어하는 제어모듈을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
셀프 센싱, 전류 위상 변화, 인덕턴스, 변위추정기
Description
본 발명은 능동형 자기베어링에 관한 것으로써, 상세하게는 고주파 전압 인가방법에 기초한 위상변조 알고리즘을 사용하여 듀티비를 포함한 어떤 보상도 필요로 하지 않으며, 노이즈에 강한 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링에 관한 것이다.
특히, 자기구동기의 인덕턴스의 변화에 따른 구동기 전류의 위상 변화로부터 구동기와 부상체 사이의 간극을 감지할 수 있게 함으로서 부상체와 구동기 사이에 센서 등의 구조물을 설치하지 않고 장치를 구성할 수 있어 장치의 구조를 단순화됨으로서 구성을 용이하게 할 수 있는 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링에 관한 것이다.
능동형 자기베어링(AMB ; active magnetic bearings)은 비접촉적 특성, 구동기의 용이한 제어성 및 무윤활 특성 등의 독특한 장점 때문에 많은 산업용 기계에서 널리 이용되고 있다.
이러한 능동형 자기베어링은 이러한 장점 때문에 터보 분자 펌프, 고속 머시 닝 센터 등을 포함한 고속 회전 기기에서 필수적인 기계요소로 사용되고 있으며, 최근에는 휴대용 하드디스크 드라이브, 심장 혈관 펌프 그리고 오디오 스피커 등 소형 장치분야까지 사용이 되고 있다.
이러한 일반적인 능동형 자기베어링은 도 4에 도시한 바와 같이, 전자석 코일로 구성된 구동기(100), 변위센서(200), 파워앰프(300) 그리고 피드백 컨트롤러(400)로 구성되어 구조적으로 복잡하여 공간 제약이라는 문제점이 있을 뿐만 아니라 구동기(100)와 변위센서(200)의 정렬이 어려움에 따라 위치제어가 어려운 문제가 있었다.
이러한 단점을 해결하기 위해 전자석 코일 구동기와 변위센서의 역할을 동시에 수행할 수 있는 셀프센싱 메커니즘이 사용되고 있다.
이러한 셀프센싱 메커니즘은 전자석 코일에 흐르는 전류를 통하여 부상 물체의 위치를 간접적으로 측정하는 것으로 전자석과 부상된 물체 사이의 간극을 변화시키면 그 결과로서 인덕턴스의 변화가 생기고, 그로서 간극은 인덕터로 모델링 될 수 있으며, 인덕턴스가 전류에 의해서 추정 될 수 있다면 대상물체의 위치정보도 전류에 의해서 얻어질 수 있는 점을 감안하여 개발된 것이다,
이러한 셀프센싱 기술에는 크게 두 가지가 있으며, 그 하나로는 상태 모델을 이용하는 것으로 이는 상태 관측기를 설계하고 자기의 권선전류를 측정함으로서 물체의 위치를 추정하는 것이나 이는 고주파에서의 좋지 않은 응답과 환경의 변화에 따른 세밀한 모델링을 해야하므로 구성에 어려움이 있었다.
또 다른 셀프센싱 기술로는 PWM(펄스폭변조) 파워앰프를 사용하여 고주파 신 호성분을 자기 코일에 인가하는 방식으로써, 이는 PWM신호 성분에 의해 생성된 전류 리플은 인덕턴스의 변동과 관련이 있기 때문에 대상물체의 위치는 고주파의 전류 리플을 측정함으로서 추정되나, 전류 리플이 PWM 신호 성분에 부합하기 때문에 듀티비(duty ratio)에 따라 달라질 수 있기 때문에 컨트롤러를 설계함에 있어서 전압 리플을 측정하거나 또는 비선형적인 관측기를 사용하여 듀티비를 고려해야 할 뿐만 아니라 위치의 정확도를 향상시키기 위해서 자성 물체의 투자율은 대략적인 정적 투자율 선도를 이용하여 보상해야 하는 문제가 있었다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 개발된 것으로써, 고주파 전압 인가방법에 기초한 위상변조 알고리즘을 사용하여 듀티비를 포함한 어떤 보상도 필요로 하지 않으며, 노이즈에 강한 능동형 자기베어링을 제공함을 목적으로 한다.
즉, 셀프 센싱수단으로 변위추정기를 구비하여 자기구동기와 부상체 사이의 간극 변화에 따른 인덕턴스 변화에 따른 전류의 위상 변화를 감지하고 이 감지된 위상 변화로부터 구동기와 부상체 사이의 간극을 감지할 수 있게 하였으며, 이 위상변화에 따라 자기구동기를 제어할 수 있게 한 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링은 부상체를 사이에 두고 양측에 설치되어 부상체를 부상시키는 한쌍의 자기구동기와 ; 상기 자기구동기를 구성하는 코일의 인덕턴스를 검출하고 이 인덕턴스 변화에 따른 자기구동기 전류 위상 변화로부터 자기구동기와 부상체 사이의 간극의 변화를 감지하는 변위추정기와 ; 상기 자기구동기들의 코일에 고주파 신호 성분 증폭하여 인가하는 한 쌍의 증폭기와 ; 상기 변위추정기에서 감지된 자기구동기와 부상체 사이의 간극의 변화에 따라 상기 자기구동기에 공급되는 전류를 제어하는 제어모듈을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명은 부상체와의 간극 변화에 따라 변화되는 자기구동기의 인덕턴스를 감지하여 구동기와 부상체 사이의 간극을 감지할 수 있게 함으로서 부상체와 구동기 사이에 센서 등의 구조물을 설치하지 않고 장치를 구성할 수 있어 장치의 구조를 단순화됨으로서 구성을 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 능동형 자기베어링을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링의 구성도이고, 도 2는 자기구동기의 등가회로이고, 도 3은 자기구동기에서 신호처리의 블록다이어그램이다.
도시한 바와 같이 본 발명에 따른 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링은 변위추정기(2)를 포함하여 구성된다.
즉, 본 발명에 따른 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링은 부상체(10)를 사이에 두고 양측에 설치되어 부상체를 부상시키는 한쌍의 자기구동기(1a, 1b)와 ; 상기 자기구동기(1a, 1b)를 구성하는 코일의 인덕턴스를 검출하고 이 인덕턴스 변화에 따른 자기구동기 전류 위상 변화로부터 자기구동기와 부상체 사이의 간극의 변화를 감지하는 변위추정기(2)와 ; 상기 자기구동기(1a, 1b)의 코일에 고주파 신호 성분 증폭하여 인가하는 한 쌍의 증폭기(3a, 3b)와 ; 상기 변위추정기(2)에서 감지된 자기구동기와 부상체 사이의 간극의 변화에 따라 상기 자기구동기에 공급되는 전류 위상을 제어하는 제어모듈(4)을 포함하여 구성된다.
상기 변위추정기(2)는 셀프 센싱 수단로서 상기 자기구동기(1a, 1b)와 부상체 사이의 거리를 감지하는 역할을 한다.
상기 변위추정기(2)는 상기 자기구동기(1a, 1b)에 인가되는 전류의 위상 변화를 감지함에 위해 자가구동기(2)와 부상체 사이의 간극의 변화를 감지하게 되고, 전류 위상 변화는 자기구동기(1a, 1b)와 부상체(10) 사이의 간극 변화에 따른 자기구동기(1a, 1b)의 인덕턴스 변화로부터 유발된다.
이러한 본 발명의 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링은 위에 기술한 바와 같이 상기 자기구동기(1a, 1b)를 제어함에 간극의 거리에 따라 제어되는 것이 아니라 전류 위상차를 이용하여 제어된다.
상기 제어모듈(4)은 변위추정기(2)로부터 감지된 간극 변화에 따른 자기구동 기의 전류 위상 변화를 근거로 자기구동기(1a, 1b)에 공급되는 전류를 제어하여 능동형 자기베어링을 제어하는 수단으로써, 상기 자기구동기(1a, 1b)에 공급되는 전류를 제어하는 전류제어기(41)와 ; 상기 변위추정기(2)에 의해 감지된 간극의 변화에 따라 전류제어기(41)에 제어신호를 전송하여 공급되는 전류를 제어하는 변위제어기(42)를 포함하여 구성된다.
이러한, 제어모듈(4)은 기존의 제어모듈과 동일 유사하게 구성된 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 다만, 본 발명에서는 기존의 능동형 자기베어링과 달리 변위추정기(2)를 이용하여 자기구동기(1a, 1b)의 전류 변위로부터 간극을 감지하고 이 전류 변위의 형태로 감지된 신호에 따라 자기구동기(1a, 1b)를 구성하는 두 코일에 흐르는 전류의 위상을 제어하여 자기구동기를 제어한다.
에 이해 구해질 수 있다.
이하, 상기한 본 발명에 따른 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링을 보다 상세하게 부연 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링은 한쌍의 자기구동기(electromagnetic actuators)(1)와, 변위추정기(2)와, 증폭기(3) 및 제어모듈(4)로 구성되고, 상기 제어모듈(4)은 전류제어기(41)와 변위제어기(42)를 포함하여 구성되어 있어 자기구동기(1a, 1b)와 부상체(10) 사이에 변위센서를 비롯한 아무런 구성요소가 설치되지 않아 복잡성과 설치상의 문제점이 없다.
도 1의 자기구동기(1a, 1b)는 기계적으로 모델링 되어서 도 2에 도시한 바와 같이 나타낼 수 있다.
상기 자기구동기(1a, 1b)의 동작을 동일하므로 이하에서는 어느 하나의 자기구동기(1a)만을 일예로 설명한다.
가해지는 주파수()가 자기구동기(1a)의 전류를 컨트롤하기 위한 주파수 대역폭 보다 더 높으면 식(1)에 있는 구성요소()는 단독으로 고려될 수 있고, 구성요소()에 상응하는 자기구동기(1a)의 전류의 크기와 위상은 아래의 식(2)로 얻어지며, 정리하면 사인파가 들어가는 자기구동기(1a)는 도 2와 같이 표현할 수 있다.
인덕턴스()은 자기구동기의 코일권선수(), 자속이 통과하는 단면적(A), 진공상태에서의 자기 투자율() 그리고 자기구동기와 부상체(10) 사이의 간극(s) 의 함수로 나타낼 수 있으며 아래의 식(3)으로 표현될 수 있다.
위의 식(2)와 (3)으로부터 간극(s)의 변화는 인덕턴스(L)의 변화를 일으키고 이 인덕턴스의 변화는 자기구동기(1a)의 전류의 크기와 위상을 변화시킨다.
상기 자기구동기(1a)의 전류 위상 변화는 간극의 변화를 추정함에 사용된다.
자기구동기(1a, 1b)를 구성하는 두 코일에 흐르는 전류의 위상 차를 구하기 위해서 삼각함수의 곱을 합으로 변환하는 삼각함수 공식을 이용히고, 이때 두 코일에 인가하는 전압 신호의 위상차이를 가 되도록 한다. 이것은 두 코일에 주입하는 신호가 대략적으로 정현파의 함수를 이용함으로서 얻어지기 때문이다.
예를 들면, 같은 위상의 두 정현함수의 곱이 삼각함수 공식에 의하여 덧셈으로 바꿔지면, 이는 두개의 코사인 함수로 나타내지고, 만약 두개의 인가되는 신호의 위상 차가 매우 작다면 그 위상차의 코사인 값은 거의 0에 근사하고, 위상차는 없다 할 수 있다.
그리고 두개의 전류를 곱하면 다음과 같다.
두 전류의 곱을 저역통과 필터에 통과시키면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.
따라서 작동점에서 거리차이는 식(16)의 위상차를 식(12)로 대체함으로서 추정될 수 있고, 그 결과 인가된 전류의 위상차이와 2개의 자기구동기의 거리차이 사이의 관계식은 아래의 식(17)과 같다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링은 위치추정기를 이용하여 구성됨으로써 전체 구성이 단순화되어 구성이 용이하고, 위치추정기의 특성상 어떠한 듀티비 변화에 관련한 보상이 없이 원활하게 작동될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링의 구성도이고,
도 2는 자기구동기의 등가회로이고,
도 3은 자기구동기에서 신호처리의 블록다이어그램이고,
도 4는 종래의 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링의 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
1a, 1b : 자기구동기
2 : 변위추정기
3a, 3b : 증폭기
4 : 제어모듈
41a, 41b : 전류제어기
42 : 변위제어기
10 : 부상체
Claims (3)
- 비접촉 특성을 가지도록 부상체를 부상시켜 구동되는 능동형 자기베어링에 있어서,부상체(10)를 사이에 두고 양측에 설치되어 부상체를 부상시키는 한쌍의 자기구동기(1a, 1b)와 ;상기 자기구동기(1a, 1b)를 구성하는 코일의 인덕턴스를 검출하고 이 인덕턴스 변화에 따른 자기구동기 전류 위상 변화로부터 자기구동기와 부상체 사이의 간극의 변화를 감지하는 변위추정기(2)와 ;상기 자기구동기(1a, 1b)의 코일에 고주파 신호 성분을 증폭하여 인가하는 한 쌍의 증폭기(3a, 3b)와 ;상기 변위추정기(2)에서 감지된 자기구동기와 부상체 사이의 간극의 변화에 따라 상기 자기구동기(1a, 1b)의 각 코일에 공급되는 전류 위상을 제어하는 제어모듈(4)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링.
- 제 1 항에 있어서,상기 제어모듈(4)은상기 자기구동기(1a, 1b)의 코일에 공급되는 전류를 제어하는 한쌍의 전류제어기(41a, 41b)와 ;상기 변위추정기(2)에 의해 감지된 간극의 변화에 따라 전류제어기(41)에 제어신호를 전송하여 공급되는 전류를 제어하는 변위제어기(42)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링.
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