KR101006199B1 - 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링 - Google Patents

셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링 Download PDF

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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

셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링{active magnetic bearings with self-sensing means}
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.
상기 변위추정기(2)에서 산출되는 간극의 변화(
Figure 112008079568557-pat00001
)는
Figure 112008079568557-pat00002
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.
도시한 바와 같이 대상물체인 부상체(10)는
Figure 112008079568557-pat00003
또는
Figure 112008079568557-pat00004
방향으로 이동한다.
도 1의 자기구동기(1a, 1b)는 기계적으로 모델링 되어서 도 2에 도시한 바와 같이 나타낼 수 있다.
도 2에 도시한 회로에서 코어손실(
Figure 112008079568557-pat00005
)과 권선의 커패시턴스(
Figure 112008079568557-pat00006
)를 무시할 수 있다면 자기 구동기의 전압(
Figure 112008079568557-pat00007
)과 전류(
Figure 112008079568557-pat00008
)는 다음의 관계를 갖게된다.
Figure 112008079568557-pat00009
(1)
전압신호들(
Figure 112008079568557-pat00010
,
Figure 112008079568557-pat00011
)뿐만 아니라 자기구동기(1a, 1b)의 전류를 제어하기 위해서, 셀프센싱 추정을 위한 고주파 정현파형(
Figure 112008079568557-pat00012
)이 자기구동기 (1)들에 인가된다.
상기 자기구동기(1a, 1b)의 동작을 동일하므로 이하에서는 어느 하나의 자기구동기(1a)만을 일예로 설명한다.
가해지는 주파수(
Figure 112008079568557-pat00013
)가 자기구동기(1a)의 전류를 컨트롤하기 위한 주파수 대역폭 보다 더 높으면 식(1)에 있는 구성요소(
Figure 112008079568557-pat00014
)는 단독으로 고려될 수 있고, 구성요소(
Figure 112008079568557-pat00015
)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.
Figure 112008079568557-pat00016
(2)
여기서
Figure 112008079568557-pat00017
이고,
인덕턴스(
Figure 112008079568557-pat00018
)은 자기구동기의 코일권선수(
Figure 112008079568557-pat00019
), 자속이 통과하는 단면적(A), 진공상태에서의 자기 투자율(
Figure 112008079568557-pat00020
) 그리고 자기구동기와 부상체(10) 사이의 간극(s) 의 함수로 나타낼 수 있으며 아래의 식(3)으로 표현될 수 있다.
Figure 112008079568557-pat00021
(3)
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.
Figure 112008079568557-pat00022
관계를 작동점 부근에서 선형화되는 것이 바람직하고, 선형화를 위해서 부상체(10)의 움직이는 거리가 작동점으로부터 매우 작아야 한다.
s, L,
Figure 112008079568557-pat00023
가 다음과 같이 나타내진다.
Figure 112008079568557-pat00024
(4)
Figure 112008079568557-pat00025
(5)
Figure 112008079568557-pat00026
(6)
상기의 수식(4), (5), (6)에서 아래첨자 0은 작동점을
Figure 112008079568557-pat00027
는 미소변화량을 나타낸다.
Figure 112008079568557-pat00028
를 선형화하기 위해서는,
Figure 112008079568557-pat00029
의 선형관계가 직접적으로 얻어질 수 없기 때문에
Figure 112008079568557-pat00030
와
Figure 112008079568557-pat00031
의 선형관계를 사용한다.
식(4)의 s를 식(3)의 s로 대신하고
Figure 112008079568557-pat00032
에서 테일러 급수전개를 사용하여 정리하면 인덕턴스 L의 결과값은 다음과 같이 수정된다.
Figure 112008079568557-pat00033
(7)
여기서
Figure 112008079568557-pat00034
이다.
식(5)와(7)을 비교하면,
Figure 112008079568557-pat00035
은 다음과 같이 표현된다.
Figure 112008079568557-pat00036
(8)
이에 의해
Figure 112008079568557-pat00037
과
Figure 112008079568557-pat00038
사이의 선형 관계가 식(8)과 같이 얻어진다.
이제
Figure 112008079568557-pat00039
의 선형 관계를 얻기 위해서, 식(6)의
Figure 112008079568557-pat00040
를 식(2)의
Figure 112008079568557-pat00041
로 대신하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
Figure 112008079568557-pat00042
(9)
여기서
Figure 112008079568557-pat00043
이다.
식(2)의
Figure 112008079568557-pat00044
는
Figure 112008079568557-pat00045
에서 테일러 급수 전개를 사용하여 정리하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008079568557-pat00046
(10)
(9)와(10)식을 비교하면
Figure 112008079568557-pat00047
관계는 다음과 같이 얻어질 수 있다.
Figure 112008079568557-pat00048
(11)
여기서
Figure 112008079568557-pat00049
이다.
따라서,
Figure 112008079568557-pat00050
의 선형 관계는 식(8)과 식(11)으로부터 아래의 식(12)와 같이 얻어진다.
Figure 112008079568557-pat00051
(12)
따라서 거리의 변화
Figure 112008079568557-pat00052
는 위상변화
Figure 112008079568557-pat00053
에 선형적으로 비례하고, 거리(s)는 코일 전류의 위상변화
Figure 112008079568557-pat00054
에 의해서 구해질 수 있다.
따라서, 거리s는 특정한 시스템에서의 상수
Figure 112008079568557-pat00055
를 거리의 변화
Figure 112008079568557-pat00056
에 곱하고, 작동점
Figure 112008079568557-pat00057
을 더하여 측정된다.
위와 같이 구성된 능동형 자기베어링에 있어서, 자기구동기(1a)의 제어는 거리차이 대신에 전류의 위상차(
Figure 112008079568557-pat00058
)를 이용하여 제어된다.
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
Figure 112008079568557-pat00059
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.
반면에
Figure 112008079568557-pat00060
의 위상차를 갖는 두 정현함수의 곱을 합으로 변환하면 두개의 사인함수의 합으로 나타내지므로 작은 위상차이에 있어서 위상차의 사인값은 위상차로 근사화시킬 수 있다.
식(2)에서
Figure 112008079568557-pat00061
를 만족한다면 두개의 자기구동기의 전류는 아래와 같다.
Figure 112008079568557-pat00062
(13)
Figure 112008079568557-pat00063
(14)
그리고 두개의 전류를 곱하면 다음과 같다.
Figure 112008079568557-pat00064
(15)
두 전류의 곱을 저역통과 필터에 통과시키면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.
Figure 112008079568557-pat00065
(16)
여기서
Figure 112008079568557-pat00066
이고,
Figure 112008079568557-pat00067
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.
Figure 112008079568557-pat00068
(17)
도 3은 신호처리의 블록 다이어그램으로 두개의 자기구동기의 전류는 각각 곱해지고 저역통과필터에 의해서 필터링되고 증폭되어 거리차이(
Figure 112008079568557-pat00069
)가 얻어진다.
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)

  1. 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.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어모듈(4)은
    상기 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.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 변위추정기(2)에서 산출되는 간극의 변화(
    Figure 112008079568557-pat00070
    )는
    Figure 112008079568557-pat00071
    임을 특징으로 하는 셀프 센싱 수단을 구비한 능동형 자기베어링.
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