KR100355390B1 - 자기베어링시스템의논-콜로케이션보상방법및보상회로 - Google Patents

자기베어링시스템의논-콜로케이션보상방법및보상회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기베어링 시스템의 논-콜로케이션 보상회로에 관한 것으로서, 특히 수직방향변위감지용 센서의 출력을 이용하여 액츄에이터와 회전체 사이의 실제변위를 구하고, 이를 사용하여 자기베어링 시스템의 논-콜로케이션을 보상하는 회로에 관한 것이다.
본 발명의 장치는 회전체의 정지점으로부터 수직방향변위감지용 센서까지의 변위와, 회전체의 정지점으로부터 액츄에이터까지의 변위와, 액츄에이터와 회전체의 수직방향변위를 감지하는 센서의 출력을 이용하여 회전체의 안정도를 저해시키는 논-콜로케이션을 보상하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 자기베어링 시스템의 회전체와 액츄에이터의 실제변위를 제어입력으로 받음으로써, 자기베어링 시스템의 안정성이 향상되는 효과가 있다.

Description

자기베어링 시스템의 논 -콜로케이션 보상방법 및 보상회로
본 발명은 자기베어링 시스템의 논-콜로케이션 보상회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 1개의 회전체와 복수개의 변위센서 및 액츄에이터를 서로 다른 위치에 가진 자기베어링 시스템에서 상기 회전체가 회전할때 감지되는 수직방향변위감지용 센서의 출력을 이용하여 액츄에이터와 회전체 사이의 실제변위를 구하고,이를 사용하여 액츄에이터와 수직방향변위감지용 센서의 논-콜로케이션을 보상하는 자기베어링 시스템의 논-콜로케이션 보상회로에 관한 것이다.
본 발명에서 대상으로 자기베어링 시스템의 논-콜로케이션 보상회로는, 액츄에이터와 수직방향변위감지용 센서를 복수개 조합하여 회전체를 비접촉으로 지지하는 자기베어링장치, 또는 회전체의 진동을 억제하는 자기베어링 댐퍼, 또는 에어베어링 등 광범위한 용도로 사용이 가능하다.
일반적으로, 자기 베어링은 통상의 볼베어링과는 달리 회전체와의 직접적인 접촉없이 비접촉방식으로 축의 외주를 감싼 채 대칭구조 혹은 등각 배치구조로 여자극을 마련하여 이 여자극에 의해 형성되는 자기력에 의해 회전체를 허공에 부상시켜 회전체를 비접촉식으로 회전 또는 직선운동이 가능하도록 지지하는 기계요소의 하나이다.
즉, 각각의 자기 포울(pole)의 액츄에이터 코일에 전류를 흘려주면 그에 의한 자기장이 형성되고, 이에 의해 각 쌍의 포울에 균등한 흡인력(혹은 반발력)이 발생함에 따라 회전체가 부상하게 된다. 이와 같은 자기 베어링에는 수동 자기 베어링(passive magnetic bearing), 능동 자기 베어링(active magnetic bearing) 및 혼합형 자기 베어링(hybrid magnetic bearing) 등이 있다
첨부 도면중의 제1도에는 그와 같은 종래 자기베어링 시스템이 개략적으로 도시되어 있다.
이를 참조하면, 종래 자기베어링 시스템은 그 중심부에 회전운동을 하는 원기둥형의 회전체(1)이 마련되고, 회전체(1)의 소정 부위에는 그 몸체에 코일이 권선된 다수의 포울(pole)이 그 내주면으로부터 원의 중심점을 향해 상호 대칭 구조로 형성되어 있는 2개의 (환형) 액츄에이터(3.1, 3.2; 5.1, 5.2)가 회전체(1)과 비접촉 상태로 상호 소정 간격을 두고 회전체(1)에 끼워져 설치 되어 있다.
여기서, 이 2개의 (환형) 액츄에이터(3.1, 3.2; 5.1, 5.2)는 회전체(1)에 대해 수직방향의 힘을 작용시켜 힘의 상호 균형에 의해 회전체(1)을 허공에 부상시킨 상태로 고정시키는 역할을 한다. 그리고, 일측의 (환형) 액츄에이터(3)의 후방으로는 축방향으로의 작용력을 발생시켜 회전체(1)이 축방향으로 요동하는 것을 방지함과 동시에 회전체을 고정시키는 축방향작용 액츄에이터(미도시)가 설치되어 있다.
또한, 축방향에 대해 축의 수직 방향으로의 변위를 감지하기 위한 수직방향변위감지용 센서(2, 3)가 회전체(1)의 외주로부터 소정 거리 이격되어 설치되어 있고, 회전체(1)의 일측 단부에서 소정 거리 이격된 지점에는 축방향으로의 변위를 감지하기 위한 축방향변위감지용 센서(미도시)가 설치되어 있다.
그리고, 그 센서들(2, 3)과 상기 (환형) 액츄에이터의 포울에 감긴 코일은 제어부화 전기적으로 연결되어 하나의 회로를 구성하고 있다.(미도시)
이하, 액츄에이터(3.1, 3.2)와 수직방향변위감지용 센서(2)를 포함한 부분을 B채널(6)로 명명하고, 액츄에이터(5.1, 5.2)와 수직방향 변위감지용 센서(4)를 포함한 부분을 A채널(7)로 명명하여 설명하기로 한다.
제2도는 종래 능동 자기 베어링용 액츄에이터의 전류 제어 시스템의 개략적인 시스템 구성도로서, 논-콜로케이션(Noncollcation) 보상부(26)는 수직방향변위감지용 센서(24)로 회전체(22)의 수직방향 변위를 검출하여 이에 상응하는 소정의 신호를 액츄에이터 제어부(28)로 출력하며, 액츄에이터 제어부(28)로부터 출력되는 제어신호에 따라서 액츄에이터(20)가 제어된다.
제1도에 도시된 회전체(1)의 회전수가 증가하면 이에따라서 복수개의 공진점을 갖게되고, 제3A도와 제3B도와 같은 형태로 회전체가(1) 운동하게 된다.
제3A도는 종래의 자기베어링 시스템에 있어서 회전체의 1차 공진모드에서의 개략도이며, 제3B도는 본 발명에 의한 논-콜로케이션 보상회로를 갖는 자기베어링 시스템에 있어서 회전체의 2차모드에서의 개략도를 나타낸 도면이다.
제3A도와 같이 회전체가 1차 공진운동을 할 경우에는 B채널의 액츄에이터 (AC2)로부터 회전체(1) 사이의변위(K3)와, B채널의 수직방향변위감지용 센서(S2)로부터 회전체(1) 사이의 변위(K2)가 동일하므로, 액츄에이터와 수직방향변위감지용 센서가 서로 다른 위치에 존재할 때 발생하는 문제(이하, 논-콜로케이션이라 칭함)가 발생하지 않는다.
그러나, 회전체가 제3B도와 같이 2차 공진운동을 할 경우에는 B채널의 액츄에이터(AC2)로부터 회전체(1) 사이의변위(K3)와 B채널의 수직방향변위감지용 센서(S2)로부터 회전체(1) 사이의변위(K2)가 다르게 된다.
이에 따라서 제2도에 도시된 액츄에이터 제어부(28)에서는 B채널의 수직방향변위감지용 센서(S2)로부터 회전체(1) 사이의변위(K2)를 입력으로 받아 제어신호를 액츄에이터(6)로 출력하게 된다.
따라서, 종래에는 자기베어링 시스템의 수직방향변위감지용 센서로부터 회전체 사이의 변위가 다르므로 액츄에이터 보상기가 과다신호 또는 과소신호 출력을 유도하여 자기베어링 시스템의 제어성능을 저하시킨다.
또한 종래의 자기베어링 시스템의 보상부는 수평방향변위감지용 센서와 액츄에이터 사이의 전달함수를 모델링하여 설계하였는데, 이는 계산이 복잡하고 어렵다.
또한, 회전체의 회전주파수에 따라서 전달함수가 변하며 이에따라서, 자기베어링 시스템의 전달함수가 변하므로 불안정한 시스템이 될 수 있다.
본 발명은 상기의 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 회전체의 정지점으로부터 수직방향변위감지용 센서까지의 변위와, 회전체의 정지점으로부터 액츄에이터까지의 변위와, 액츄에이터와 회전체의 수직방향변위를 감지하는 센서의 출력을 이용하여 회전체의 논-콜로케이션을 보상하는 자기베어링 시스템의 논-콜로케이션 보상회로를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 자기베어링 시스템의 논-콜로케이션 보상회로는, 회전체의 정지점으로부터 수직방향변위감지용 센서까지의 변위와, 회전체의 정지점으로부터 액츄에이터까지와 변위와, 액츄에이터와 회전체의 수직방향변위를 감지하는 센서의 출력을 이용하여 회전체의 안정도를 저해시키는 논-콜로케이션을 보상하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 자기베어링 시스템의 논-콜로케이션 보상회로는, 회전체의 축을 따라서 일정한 거리를 유지하도록 소정의 제어신호에 의해 각각 제어가 가능한 복수개의 액츄에이터;
회전체의 외주로부터 소정 거리 이격되어 회전체의 수직방향으로의 변위를 감지하는 복수개의 수직방향변위감지용 센서로 구성된 감지부;
상기 감지부로부터 출력되는 검출신호를 입력하여 상기 액츄에이터와 회전체의 실제변위를 출력하는 논-콜로케이견 보상부; 및
상기 논-콜로케이션 보상부로부터 출력되는 상기 액츄에이터와 회전체의 실제변위를 입력하여 상기 액츄에이터를 제어하는 액츄에이터 제어부를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 감지부의 수직방향변위감지용 센서의 출력은 회전체로부터 수직방향변위감지용 센서까지의 실제변위와 동일한 값을 검출하는 것이 바람직하며, 수직방향변위감지용 센서 각각의 출력을 입력하여 소정의 이득으로 증폭하는 증폭기와 상기 증폭기의 출력을 가산하여 회전체로부터 액츄에이터까지의 실제변위를 출력하는 가산기를 포함한다.
이때 상기 각각의 증폭기 이득은 의 수식에 의해 구하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면 제3A도 내지 제7도를 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 핵심인 논-콜로케이션 보상부(26)는 제2도에 도시한 바와 같이 감지부(24; 제1도에 도시된 수직방향변위감지용 센서)의 출력을 입력하여 액츄에이터 (20)를 제어하기 위한 소정의 보상신호를 생성하고, 이 신호를 액츄에이터 제어부 (28)로 출력한다.
회전체을 따라 회전하는 회전체(1)는 제3A도와 같은 1차 공진 또는 제3B도와 같은 2차공진을 갖는다.
이때, B채널에서 회전체(1)와 액츄에이터(AC2) 사이의 거리를 구하기 위해서 A채널과 B채널의 수직방향변위감지용 센서(Sl, S2)를 모두 이용하는 방정식을 다음과 같이 가정한다. 이때 a, b는 상수이다.
이기서, 수직방향변위감지용 센서(Sl, S2)는 실제의 수직방향변위와 동일한 값을 검출한다고 가정한다
제3A도에서 K3 = K2 = K1 이므로,
제3B도에서
식(2)와 식(3)의 연립 방정식을 풀면
이 된다.
상기에서 보는 바와 같이 상수 a와 b는 정지점(Nodal Point; 0)에서 액츄에이터(AC1, AC2) 및 수직방향변위감지용 센서(S1, S2)의 거리(x1, x2, x3)로 구할 수 있다.
따라서, 자기베어링 시스템의 회전체가 1차공진 또는 2차공진을 할 경우, A채널(7)과 B채널(6) 각각의 수직방향변위감지용 센서(S1, S2)로부터 회전체(1) 까지의 변위(K1, K2)를 입력하여, 액츄에이터(AC2)로부터 회진체(1)가 움직인 실제변위(K3)를 알 수 있다.
제4도는 본 발명에 의한 논-콜로케이션 보상회로의 논-콜로케이션 보상부 (26)의 일실시예로서, 회전체(1)와 A채널 수직방향변위감지용 센서(S1)사이의 거리(K1)를 입력하여 a의 이득으로 증폭시켜 출력하는 증폭기(42)와, 회전체(I)와 B채널 수직방향변위감지용 센서(S2) 사이의 거리(K2)를 입력하여 b의 이득으로 증폭시켜 출력하는 증폭기(44)와, 중폭기(42)(44)의 출력을 가산하는 가산기(46)로 구성된다,
이때, 증폭기(42)의 이득은이고, 증폭기(44)의 이득은이며, 가상기(46)의 출력은
상술한 바와같이 회전체(1)로부터 수직방향변위감지용 센서(Sl, S2) 및 액츄에이터(ACI, AC2)의 변위(K1, K2, K3)와, 정지점(0)에서 수직방향변위감지용 센서(S1, S2) 및 액츄에이터(AC1, AC2)의 거리(x1, x2, x3)의 수학적 관계를 이용하여, 간단하게 논-콜로케이션 보상기를 설계할 수 있다.
제5도 내지 제7도는 본 발명에 따른 논-콜로케이션 보상기의 다른 실시예의 블럭도로서, 수직방향변위감지용 센서(S1, S2)가 회전체(1)로부터 수직방향변위감지용 센서(S1, S2)까지의 실제변위와 다른 값을 검출하는 경우이다.
제5도는 제4도에 도시된 논-콜로케이션 보상기를 직렬로 연결하여 보다 정밀한 자기베어링 시스템의 보상이 이루어지도록 설계할 수 있다.
제6도는 회전체(1)와 A채널 수직방향변위감지용 센서(S1) 사이의 거리(K1)를 입력하여 스위치(SW1)의 절환에 따라 복수개의 이득(a1, a2, ...an)으로 증폭하는 제1증폭수단(62)과, 회전체(1)와 B채널 수직방향변위감지용 센서(S2) 사이의 거리(K2)를 입력하여 스위치(SW2)의 절환에 따라 복수개의 이득(bl, b2, ...bn)으로 증폭하는 제2증폭수단(64)과, 복수개의 가산기를 구비하며 제1증폭수단(62) 및 제2증폭수단(64)의 출력을 가산하는 가산수단(66)으로 구성된다.
제7도는 제4도의 구성과 동일한 복수개의 논-콜로케이션 보상기(72, 74, 76)와, 이 복수개의 논-콜로케이션 보상기(72, 74, 76)의 출력을 가산하는 가산기(78)로 구성된다.
상술한 바와같이 본 발명에 의한 자기베어링 시스템의 논-콜로케이선 보상회로는, 회전체의 정지 점으로부터 수직방향변위감지용 센서와 회전체의 정지점으로부터 액츄에이터의 위치 및 수직방향변위감지용 센서로부터 검출되는 신호를 이용하여 회전체와 액츄에이터의 실제변위를 제어입력으로 받음으로써 자기베어링 시스템의 안정성이 향상된다.
제l도는 종래 자기베어링 시스템의 개략적인 장치를 보인 단면구성도.
제2도는 자기 베어링용 액츄에이터의 전류 제어 시스템의 개략적인 시스템 구성도.
제3A도는 종래의 자기베어링 시스템에 있어서 회전체의 1차 공진모드의 개략도.
제3B도는 종래의 자기베어링 시스템에 있어서 회전체의 2차 공진모드의 개략도.
제4도는 본 발명에 의한 자기베어링 시스템의 논-콜로케이션 보상회로에 있어서 논-콜로케이션 보상기의 일실시예.
제5도는 본 발명에 따른 자기베어링 시스템의 논-콜로케이션 보상회로의 다른 실시예의 블럭도.
제6도는 본 발명에 따른 자기베어링 시스템의 논-콜로케이션 보상회로의 또다른 실시예의 블럭도.
제7도는 본 발명에 따른 자기베어링 시스템의 논-콜로케이션 보상회로의 또다른 실시예의 블럭도.
* 도면의 주요 참조번호에 대한 설명.
1, 22...회전
2, 4, S1, S2...수직방향변위감지용 센서
3.1, 3.2, 5.1, 5.2, 20, AC1, AC2 ...액츄에이터
24...감지부 26... 논-콜로케이션 보상부
28...액츄에이터 제어부
K1...회전체와 A채널 수직방향변위감지용 센서(S1)의 변위
K2...회전체와 B채널 수직방향변위감지용 센서(S2)의 변위
K3...회전체와 B채널 액츄에이터(AC2)의 변위
0...정지점 (Nodal Point )
xl...정지점과 A채널 수직방향변위감지용 센서(S1) 사이의 거리
x2...정지점과 B채널 수직방향변위감지용 센서(S2) 사이의 거리
x3...정지점과 B채널 액츄에이터(AC2) 사이의 거리
a, b...논-콜로케이션 보상회로의 증폭기 이득

Claims (5)

  1. 자기 베어링 시스템의 논-콜로케이션을 보상하는 방법에 있어서, 회전체의 외주로부터 소정 거리 이격된 수직방향 변위 감지용 센서로부터 회전체의 수직방향 변위를 감지하는 단계;
    상기 수직 방향 변위를 입력하고, 상기 회전체의 정지점으로부터 상기 각 센서까지 변위를 측정하여 엑츄에이터와 상기 회전체간의 실제 변위를 출력하는 단계; 및
    상기 실제 변위를 수신하여 상기 엑츄에이터를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 논-콜로케이션 보상 방범.
  2. 회전체의 축을 따라서 일정한 거리를 유지하도록 소정의 제어신호에 의해 각각 제어가 가능한 복수개의 액츄에이터;
    회전체의 외주로부터 소정 거리 이격되어 회전체의 수직방향으로의 변위를 감지하는 복수개의 수직방향변위감지용 센서로 구성된 감지부;
    상기 감지부로부터 출력되는 검출신호를 입력하여 상기 액츄에이터와 회전체의 실제변위를 출력하는 논-콜로케이션 보상부: 및
    상기 논-콜로케이션 보상부로부터 출력되는 상기 액츄에이터와 회전체의 실제변위를 입력하여 상기 액츄에이터를 제어하는 액츄에이터 제어부를 포함하는 자기베어링 시스템의 논-콜로케이션 보상회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 감지부의 수직방향변위감지용 센서의 출력은 회전체로부터 수직방향변위감지용 센서까지의 실제변위와 동일한 값을 검출하는 것을 특징으로 하는 자기베어링 시스템의 논-콜로케이션 보상회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 논-콜로케이션 보상부는 수직방향변위감지용 센서 각각의 출력을 입력하여 소정의 이득으로 중폭하는 증폭기와 상기 증폭기의 출력을 가산하여 회전체로부터 액츄에이터까지의 실제변위(K3)를 출력하는 가산기를 포함하는 자기베어링 시스템의 논-콜로케이션 보상회로.
  5. 제4항에 있어서, 상기 각각의 증폭기 이득은
    x1; 정지점(0)과 A채널 수직방향변위감지용 센서(S1) 사이의 거리
    x2; 정지점(0)과 B채널 수직방향변위감지용 센서(S2) 사이의 거리
    x3; 정지점(0)과 B채널 액츄에이터(AC2) 사이의 거리
    의 수식에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 자기베어링 시스템의 논-콜로케이션 보상회로.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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