KR101180430B1

KR101180430B1 - Ｄｃ 모터를 이용한 유량제어 밸브의 다단제어 방법

Info

Publication number: KR101180430B1
Application number: KR1020110084265A
Authority: KR
Inventors: 이중엽
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2011-08-24
Filing date: 2011-08-24
Publication date: 2012-09-07
Also published as: US20130175968A1; US9395703B2; WO2013028027A2; WO2013028027A3

Abstract

본 발명에 따르면, DC 모터의 회전에 따라 슬리브가 개폐되어 유량이 조절되는 DC 모터를 이용한 유량제어 밸브의 다단제어 방법에 있어서, 상기 DC 모터에 인가되는 구동전압에 따라 정해지는 DC 모터의 각속도값을 단계별로 스케줄링할 수 있도록 복수 개의 한계값(SP1, SP2, SP3, SP4...)을 기준으로 상기 DC 모터의 단계별 각속도 제한 영역을 구획하며, 하나의 각속도 제한 영역 내에서 해당하는 DC 모터의 각속도 지령(Sn)에 따라 DC 모터가 정해진 각속도값으로 회전하도록 제어하되, DC 모터의 각속도값이 해당 각속도 제한 영역의 한계값(SPn)을 벗어나게 되면, 다음 단계의 각속도 제한 영역 내에서 해당하는 DC 모터의 각속도 지령(Sn+1)에 따라 DC 모터가 해당 제한 영역의 한계값(SPn+1)을 벗어날 때까지 정해진 각속도값으로 회전하도록 제어하는 것을 특징으로 유량제어 밸브의 다단제어 방법이 제공된다.

Description

ＤＣ 모터를 이용한 유량제어 밸브의 다단제어 방법{Method For A Multi Stage Control Of A Flow Control Valve using DC Motor}

본 발명은 DC 모터를 이용한 유량제어 밸브의 다단제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 DC 모터의 각속도 제어시 인가되는 구동전압에 따른 DC 모터의 각속도 성분에 따라 적절한 한계값를 단계적으로 설정하고 해당 한계범위 내에서 DC 모터의 속도제어를 수행함으로써 오버슈트나 언더슈트가 발생하는 일이 없이 목표값에 신속하게 도달할 수 있으며 DC 모터를 원하는 각속도로 회전시킬 수 있어 정밀한 유량제어가 가능한 DC 모터를 이용한 유량제어 밸브의 다단제어 방법에 관한 것이다.

액체로켓 엔진의 안정된 출력제어는 로켓의 탑재물(Payload)을 목표 궤도에 정확하게 진입시키기 위해 로켓 선진국에서 주로 사용하는 방법 중에 하나이다. 특히 액체 추진체를 사용하는 발사체의 경우 설계된 임무 비행에 따른 추력을 유지하거나 안전한 단 분리를 위하여 추진기관 추력감소를 수행하며, 이를 위하여 추진체의 유량을 설정된 추력치에 맞게 일정하게 유지 및 조절되도록 고정 오리피스가 아닌 제어밸브를 통하여 능동제어를 실현한다.

이러한 능동제어를 위한 일반적인 산업용 제어밸브는 공압 액추에이터를 이용하고 액추에이터에 많은 힘이 필요로 한 구조로 되어있으며 제어 주변장치들에 의한 무게 증가로 비행용 액체로켓 엔진에 적용시 문제의 소지가 있다.

한편, 통신을 비롯한 각종 수요로 위성에 대한 수요가 급증하고 있는 가운데 미국, 러시아, 유럽 및 일본 등 우주기술 분야 선직국에서는 대형 위성을 원하는 궤도에 올릴 수 있는 액체로켓 기술을 확보하고 있다. 복잡한 추진 기관 시스템을 정밀하게 제어하는 즉, 액체로켓의 궤적에 따른 추진제 질량과 추력을 적절하게 제어하는 추력제어 기술의 확보는 액체로켓 개발을 위해 필수적이다.

이러한 액체로켓은 단 분리와 탑재물 보호를 위해 추력을 감소시키는데, 추력 감소시 액체로켓으로의 문제가 없도록 일정하게 추력조절을 한다. 액체로켓의 경우 추력조절을 위해 소비 액체 유량을 조절함으로써 목적을 달성할 수 있다. 따라서, 발사체 선진국에서는 자력으로 개발 한 알고리즘을 이용하여 액체로켓의 유량제어 밸브에 대해 제어를 수행하고 있으며, 현재까지 국내에 그 기술들이 알려진 바는 없다.

따라서, 본 발명에서는 DC 모터를 원하는 각속도로 회전시킬 수 있어 정밀한 유량제어가 가능한 DC 모터를 이용한 유량제어 밸브의 다단제어 방법을 개시하고자 한다.

한국공개특허공보 제10-2010-0092651호(2010.08.23), 로켓 추진체 유량 조절 장치

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 DC 모터의 각속도 제어시 인가되는 구동전압에 따른 DC 모터의 각속도 성분에 따라 적절한 한계값를 단계적으로 설정하고 해당 한계범위 내에서 DC 모터의 속도제어를 수행함으로써 오버슈트나 언더슈트가 발생하는 일이 없이 목표값에 신속하게 도달할 수 있으며 DC 모터를 원하는 각속도로 회전시킬 수 있어 정밀한 유량제어가 가능한 DC 모터를 이용한 유량제어 밸브의 다단제어 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 DC 모터를 이용한 유량제어 밸브의 다단제어 방법은, 상기 DC 모터에 인가되는 구동전압에 따라 정해지는 DC 모터의 각속도값을 단계별로 스케줄링할 수 있도록 복수 개의 한계값(SP1, SP2, SP3, SP4...)을 기준으로 상기 DC 모터의 단계별 각속도 제한 영역을 구획하며, 하나의 각속도 제한 영역 내에서 해당하는 DC 모터의 각속도 지령(Sn)에 따라 DC 모터가 정해진 각속도값으로 회전하도록 제어하되, DC 모터의 각속도값이 해당 각속도 제한 영역의 한계값(SPn)을 벗어나게 되면, 다음 단계의 각속도 제한 영역 내에서 해당하는 DC 모터의 각속도 지령(Sn+1)에 따라 DC 모터가 해당 제한 영역의 한계값(SPn+1)을 벗어날 때까지 정해진 각속도값으로 회전하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 복수 개의 한계값(SP1, SP2, SP3, SP4...)은, 상기 DC 모터의 회전특성에 따라 오버슈트(Over Shoot) 및 언더슈트(Under Shoot)가 발생되지 않는 범위 내에서 한계값의 크기가 설정될 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면,

첫째, 속도제어 기법을 이용한 DC 모터의 각속도 제어시 인가되는 구동전압에 따른 DC 모터의 각속도 성분에 따라 적절한 한계값를 단계적으로 설정하고 해당 한계범위 내에서 DC 모터의 속도제어를 수행함으로써 오버슈트나 언더슈트가 발생하는 일이 없이 목표값에 신속하게 도달할 수 있으며, DC 모터가 갖는 각속도의 한계값에 따라 일방적으로 지령하므로 조절 결과가 선형성을 보이는 효과가 있다.

둘째, 최대 및 최소 각속도에 대한 설정이 자유롭기 때문에 액체로켓과 같이 일정추력을 유지하다가 저추력으로 변경하여야 하는 장치의 유량제어를 원활하게 수행할 수 있다.

셋째, DC 모터에 인가되는 구동전압에 따라 정해지기 때문에 이미 알고 있는 DC 모터의 각속도값을 여러 단계의 한계값으로 구분하고 스케줄링하여 DC 모터를 속도제어하므로 속도제어를 위한 별도의 튜닝이 불필요한 장점이 있다.

넷째, 속도제어 기법을 이용한 DC 모터의 속도제어는 목표값에 대응하여 다양한 속도 성분(한계값)을 적용할수 있다. 즉, 이미 알고 있는 DC 모터의 각속도 정보와 기어의 감속비 계산을 통해 적절한 목표치를 설정할 수 있다.

다섯째, 유압 또는 공압 액추에이터를 이용한 유량제어 방식의 경우 유압 및 공압 시스템이 별도로 필요하기 때문에 시스템이 복잡해지며 설계변경이 필요할 경우 유공압 시스템도 함께 변경해야 하는 문제점이 있으나, 상술한 바와 같이 DC 모터와 같은 전기모터 액추에이터를 이용할 경우 구동방식이 간단하고 전압 조절 등의 전기적 조절을 통해 설계변경이 용이하게 구현될 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 DC 모터를 이용한 유량제어 밸브의 다단제어 방법의 동작원리를 나타낸 개념도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 DC 모터를 이용한 유량제어 밸브의 다단제어 방법을 통해 2개의 각속도 성분으로 구분하여 유량제어 성능을 측정한 그래프이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 DC 모터를 이용한 유량제어 밸브의 다단제어 방법은, DC 모터의 속도제어 기법을 이용하여 유량제어 밸브의 토출유량을 단계적으로 제어하는 유량제어 밸브의 다단제어 방법으로서, 속도제어 기법은 직접적으로 DC 모터의 각속도를 설정하여 제어하는 방식이며, 결국 DC 모터의 각속도는 유량제어 밸브의 슬리브의 속도를 조절함으로써 유량조절이 이루어진다. 즉, DC 모터의 각속도값은 상기 유량제어 밸브의 슬리브가 열리는 속도를 나타낸다고 할 수 있다.

여기서, 상기 속도제어 기법은 이득 스케줄링 방식을 이용하며, 목표치에 대응하여 다양한 이득 성분을 나누어 적용할 수 있다. 결과만을 비교시 PID 제어기(Proportional Integral Derivative Controler) 중 비례제어기와 유사한 특징을 보이나, 이미 계산을 통해 알고 있는 실제 DC 모터의 각속도값을 다양한 이득 성분으로 단계적으로 분리한 후 입력하는 방식에 있어서 상기 비례제어기와 구별되는 차이점이 있다.

즉, 비례제어기를 이용할 경우에는 목표시간에 조절되도록 시행착오적 튜닝 절차를 먼저 거쳐야 하나, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 속도제어 기법은 이득 스케줄에 입력할 단계별 각속도값을 간단히 설정할 수 있고 별도의 튜닝과정 없이 시스템을 바로 운용할 수 있는 장점이 있다.

여기서, 상기 비례제어기의 튜닝과정과 관련하여, 비례제어기의 경우 각각의 이득성분을 소프트웨어적인 시뮬레이션 모델링을 통해 우선 도출하며, 이득성분을 도출하기 위해 시행착오적으로 오버슈트(Overshoot)나 언더슈트(Undershoot)가 발생하지 않으면서도 신속한 목표점에 도달하도록 튜닝절차를 거친다. 이때, 상기 튜닝이라 함은, 적절한 비례제어기의 이득성분을 얻기 위한 시행착오적 접근방식을 의미한다.

보다 구체적으로 설명하면, 도출된 비례제어 이득성분을 이용하여 제어밸브인 단품을 최초로 시험장치에 장착하여 실험을 수행한다. 그러나 시뮬레이션에서 도출된 이득성분을 이용하면 실제 환경에서 원하는 제어가 되지 않으므로 다시 한번 시험장에서 fine 튜닝을 거친다. 즉, 시험장에서 결정된 이득성분을 가지는 제어밸브를 발사체의 실제 시스템에 장착했을 경우 재튜닝 절차를 거쳐야 하는 것이다.

그러나, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 DC 모터를 이용한 유량제어 밸브의 다단제어 방법에서는, 모델링을 통한 시뮬레이션에서 한 번만 속도 셋팅을 하면 더 이상의 튜닝 절차를 거치지 않아도 된다. 즉, PID 제어기에서 비례, 미분 및 적분의 함수를 이용하여 셋팅하는 것이 아니라 이미 알고 있는 DC 모터의 고유한 속도성분을 바로 셋팅하기 때문이다. 그러므로, (오버슈트 및 언더슈트에 대한 제어문제를 고려하지 않더라도) 제어밸브의 스트록 동특성 결과를 보더라도 PID는 비선형이기 때문에 적절한 결과를 얻기 위해 풀어야 할 변수들이 존재하나 DC 모터의 속도제어 기법은 변수가 없다.

한편, 도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 DC 모터를 이용한 유량제어 밸브의 다단제어 방법의 동작원리를 나타낸 개념도가 도시되어 있으며, 도 1의 횡축들은 DC 모터의 회전특성에 따라 오버슈트 및 언더슈트가 발생되지 않는 범위 내에서 적절하게 설정된 한계값(SP1, SP2, SP3, SP4...)의 기준선을 나타내고, 각 기준선에 의해 단계별 각속도 제한 영역으로 구획된다.

또한, 그래프 곡선은 인가되는 구동전압에 의해 측정된 DC 모터의 실제 각속도값을 나타내고, S1, S2, S3 및, S4는 각 각속도 제한 영역별로 DC 모터에 인가되는 각속도 지령을 나타내며, α, β, γ, δ 및, ε는 각 각속도 제한 영역별 상기 각속도 지령에 의해 DC 모터에 인가되는 각속도값의 기울기의 크기를 나타낸다. 여기서, 상기 각속도 지령은 DC 모터가 해당 각속도값으로 회전할 수 있는 구동전압이 인가되도록 하는 DC 모터의 회전제어 신호를 의미한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 DC 모터를 이용한 유량제어 밸브의 다단제어 방법은, 상기 DC 모터에 인가되는 구동전압에 따라 정해지는 DC 모터의 각속도값을 단계별로 스케줄링할 수 있도록 복수 개의 한계값(SP1, SP2, SP3, SP4...)을 기준으로 상기 DC 모터의 단계별 각속도 제한 영역을 구획하며, 하나의 각속도 제한 영역 내에서 해당하는 DC 모터의 각속도 지령(Sn)에 따라 DC 모터가 정해진 각속도값으로 회전하도록 제어하되, DC 모터의 각속도값이 해당 각속도 제한 영역의 한계값(SPn)을 벗어나게 되면, 다음 단계의 각속도 제한 영역 내에서 해당하는 DC 모터의 각속도 지령(Sn+1)에 따라 DC 모터가 해당 제한 영역의 한계값(SPn+1)을 벗어날 때까지 정해진 각속도값으로 회전하도록 제어한다.

보다 구체적으로 설명하면, DC 모터의 구동초기에 첫 번째 각속도 지령(S1)에 의해 일정 기울기의 크기(α)를 갖는 각속도값으로 회전하도록 DC 모터에 대응되는 구동전압이 인가되며, DC 모터의 각속도값이 증가하여 첫번째 한계값(SP1)을 벗어나게 되면, 두 번째 각속도 제한 영역 내에서 해당하는 두 번째 각속도 지령(S2)에 의해 일정 기울기의 크기(β)를 갖는 각속도값으로 회전하도록 DC 모터에 대응되는 구동전압이 인가되며, 이후, DC 모터의 각속도값이 두 번째 한계값(SP2)을 벗어나게 되면 세 번째 각속도 제한 영역 내에서 해당하는 세 번째 각속도 지령(S3)에 의해 일정 기울기의 크기(γ)를 갖는 각속도값으로 회전하도록 DC 모터에 대응되는 구동전압이 인가되는 방식으로 DC 모터의 각속도값이 단계별로 제어된다

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 DC 모터를 이용한 유량제어 밸브의 다단제어 방법에서의 물리량 제어는 관내 유동의 유량제어이고, 유량을 참고로 하여 오버슈트 및 언더슈트가 발생하지 않는 범위 내에서 설정된 유량의 한계값에 따라 단계별로 각기 다른 속도(각속도값)로 DC 모터를 구속하게 된다. DC 모터가 원하는 각속도로 회전하여 유량제어 밸브의 개도를 개폐하고 조절한 후 결국 원하는 유량을 만족하도록 한다. 즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 DC 모터를 이용한 유량제어 밸브의 다단제어 방법은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, S1의 기울기로 SP1에 신속하게 수렴하고, SP1 한계값을 벗어나는 단계에서 S2의 기울기로 SP2에 신속하게 수렴하는 방식으로 미리 설정된 단계만큼 반복함으로써 최종 목표값인 SP∞에 추종하는 특징을 보이게 되는 것이다. 특히, 도 2를 참조하면 2개의 각속도 성분에 따라 원하는 한계값을 두고 해당한계 범위 내에서 속도제어를 수행함으로써 DC 모터 및 기어 등의 기계적인 관성에 의한 오버슈트나 언더슈트를 배제한 상태로 목표값에 신속히 도달하는 것을 확인할 수 있다. 만약 한계값을 다수 개로 나눠 설정할 경우 더욱 적절한 수렴결과를 얻을 수 있을 것이다.

상술한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 DC 모터를 이용한 유량제어 밸브의 다단제어 방법에 의하면, 속도제어 기법을 이용한 DC 모터의 각속도 제어시 인가되는 구동전압에 따른 DC 모터의 각속도 성분에 따라 적절한 한계값을 단계적으로 설정하고 해당 한계범위 내에서 DC 모터의 속도제어를 수행함으로써 오버슈트나 언더슈트가 발생하는 일이 없이 목표값에 신속하게 도달할 수 있어 DC 모터를 원하는 각속도로 회전시킬 수 있어 정밀한 유량제어가 가능한 효과를 구현할 수 있음은 물론, DC 모터가 갖는 각속도의 한계값에 따라 일방적으로 지령하므로 조절 결과가 선형성을 보이는 장점이 있다.

특히, 최대 및 최소 각속도에 대한 설정이 자유롭기 때문에 액체로켓과 같이 일정추력을 유지하다가 저추력으로 변경하여야 하는 장치의 유량제어를 원활하게 수행할 수 있다. 또한, 하나의 속도 성분(한계값)만 적용할 경우 최대 RPM으로 구동하다가 급격하게 속도를 줄이면 결국 오버슈트 및 언더슈트가 발생할 수 있으나, 상술한 바와 같이 단계별로 여러 개의 속도 성분(한계값)을 적용하면 목표값에 부드럽게 도달할 수 있다. 즉, 최대 및 최소 각속도에 대한 설정이 자유롭기 때문에 일정추력을 유지하다가 저추력으로 변경하여야 하는 액체로켓의 요구조건에 부합되어 적용될 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims

DC 모터의 회전에 따라 개폐되어 유량이 조절되는 유량제어 밸브의 다단제어 방법에 있어서,
상기 DC 모터에 인가되는 구동전압에 따라 정해지는 DC 모터의 각속도값을 단계별로 스케줄링할 수 있도록 복수 개의 한계값(SP1, SP2, SP3, SP4...)을 기준으로 상기 DC 모터의 단계별 각속도 제한 영역을 구획하며,
하나의 각속도 제한 영역 내에서 해당하는 DC 모터의 각속도 지령(Sn)에 따라 DC 모터가 정해진 각속도값으로 회전하도록 제어하되, DC 모터의 각속도값이 해당 각속도 제한 영역의 한계값(SPn)을 벗어나게 되면, 다음 단계의 각속도 제한 영역 내에서 해당하는 DC 모터의 각속도 지령(Sn+1)에 따라 DC 모터가 해당 제한 영역의 한계값(SPn+1)을 벗어날 때까지 정해진 각속도값으로 회전하도록 제어하되, 상기 한계값(SPn)과 다음 한계값(SPn+1)의 차가 점차 작아지도록 하는 것을 특징으로 하는 DC 모터의 속도제어기법을 이용한 유량제어 밸브의 다단 제어 방법.
제 1항에 있어서,
상기 복수 개의 한계값(SP1, SP2, SP3, SP4...)은,
상기 DC 모터의 회전특성에 따라 오버슈트(Over Shoot) 및 언더슈트(Under Shoot)가 발생되지 않는 범위 내에서 한계값의 크기가 설정되는 것을 특징으로 하는 DC 모터의 속도제어기법을 이용한 유량제어 밸브의 다단 제어 방법.