KR101887919B1

KR101887919B1 - 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 계측 및 보상방법

Info

Publication number: KR101887919B1
Application number: KR1020170060620A
Authority: KR
Inventors: 김광태; 조규한; 조시훈; 곽영찬
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2018-08-13

Abstract

회전부 중력토크값을 갖는 회전부, 상기 회전부를 특정 회전축을 기준으로 회전시키는 구동부 및 상기 회전부의 일 영역에 배치되는 평형추를 포함하는 전기 구동식 회전 시스템에 있어서, 상기 회전부 중력토크값을 보상하기 위한 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 보상방법은, 상기 회전부의 상기 회전축이 중력방향과 수직이 되도록 고정시키는 단계; 상기 구동부에 의하여 상기 회전축을 기준으로 상기 회전부를 제1 방향 및 이와 반대되는 제2 방향으로 등속 회전시키는 단계; 상기 회전축이 상기 제1 및 제2 방향으로 각각 회전하는 동안, 상기 구동부에 제공된 인입전류값 및 각도 데이터를 포함하는 제1 및 제2 구동데이터를 추출하여 상기 회전부 중력토크값을 계측하는 단계; 상기 회전부 중력토크값에 근거하여 상기 회전부의 무게중심을 추정하는 단계; 및 상기 회전부 중력토크값이 상기 구동부의 소요토크를 최소화하는 값을 갖도록 상기 회전부의 무게중심에 근거하여 상기 평형추의 질량값을 산출하는 단계를 포함하는 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 보상방법에 관한 것이다.

Description

전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 계측 및 보상방법{GRAVITATIONAL TORQUE ESTIMATION AND COMPENSATION IN ELECTRICALLY DRIVEN ROTATING SYSTEM}

본 발명은 전기 구동식 시스템에 관한 것으로, 구동시스템의 소요토크를 감소시키기 위해 중력토크를 계측 및 보상하고, 이를 검증하는 방법에 관한 것이다.

모터와 제어장치로 구성되는 전기식 구동장치는 위성안테나, 로봇, 전차의 포탑 등의 다양한 시스템에서 사용된다. 이렇게 전기식 구동장치로 각 시스템의 회전축(joint)을 구동하는 시스템을 전기식 구동시스템이라 한다. 전기식 구동시스템의 구동장치에서 소요토크를 살펴보면 구동장치 출력토크는 회전부의 관성을 극복하는데 이용되고, 마찰력을 극복하는 하는데 이용되며, 중력토크를 극복하는데 또한 이용된다.

중력토크는 부하를 포함하는 회전부의 무게중심과 회전중심이 일치하지 않아 발생하는 힘으로 회전부의 무게중심에 중력이 작용하여 구동장치에 인가되는 힘이다. 이 중력토크는 비선형성을 띄기에 선형제어를 사용하는 시스템에서 시스템 안정도를 떨어뜨리며, 시스템이 운용 중 항상 작용하는 힘이기 때문에 구동장치의 출력토크 및 에너지 손실 또한 유발한다. 이러한 이유로 구동시스템에서는 무게중심과 회전중심을 일치시켜 중력토크를 보상하는 작업은 반드시 필요하다.

중력토크를 보상하기 위해서는 각 회전부의 중력토크 혹은 무게중심에 대한 정확한 파악이 선행되어야 한다. 무게중심을 파악하는 방법으로는 CAD툴을 이용해 계산하는 방법도 있지만 CAD툴에 전선류 및 체결류 등을 모두 반영하기란 불가능해, 이 방법으로 정확한 무게중심 정보를 얻기는 어렵다. 시험을 통해 계측한 무게중심 정보는 상대적으로 높은 정확도를 보이지만, 별도의 장비가 필요하거나 시험이 까다롭다는 특징이 있다. 그러므로 간단한 시험을 통해 무게중심을 계측할 방법이 필요하다.

정확하게 무게중심정보를 파악했을 경우 중력토크의 보상은 스프링을 이용한 방법과 평형추를 이용하는 방법이 있다. 이 중 스프링을 이용하는 방법은 큰 힘으로 보상이 가능하지만 구동장치의 구동범위를 제한하고 비선형적인 시스템 특성 만든다는 특징이 있고, 평형추를 이용하는 방법은 때로는 큰 중량이 필요 하지만 구동범위의 제한이 없으며 반영구적으로 사용 가능하다는 특징이 있다. 평형추를 이용해 중력토크를 보상할 경우 시스템 형상에 따라 평형추 부착 위치가 미리 정해지는 경우가 있으며, 평형추의 최대 허용중량도 제한이 생기는 경우도 있다. 이런 경우에 허용 가능한 중량으로 최적의 보상을 수행할 방법이 필요하며, 보상한 방법이 제대로 중력토크를 보상했는지 확인하는 검증 방법이 필요하다.

본 발명은 상기 전술한 종래 문제점 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 목적은, 회전부의 무게중심과 회전중심을 일치시키도록 중력토크를 계측 및 보상하여 구동부의 소요토크를 줄이고자 하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 방위각에서의 무게중심과 회전중심을 일치시키도록 중력토크를 보상하여 방위각 구동부의 소요토크를 줄이고자 하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 전술한 중력토크 보상이 소요토크를 최소화하는지 검증하는데 그 목적이 있다.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따른 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 보상방법은, 회전부 중력토크값을 갖는 회전부, 상기 회전부를 특정 회전축을 기준으로 회전시키는 구동부 및 상기 회전부의 일 영역에 배치되는 평형추를 포함하는 전기 구동식 회전 시스템에 있어서, 상기 회전부 중력토크값을 보상하기 위한 전기 구동식 회전 시스템이 상기 회전부의 상기 회전축이 중력방향과 수직이 되도록 고정시키는 단계, 상기 구동부에 의하여 상기 회전축을 기준으로 상기 회전부를 제1 방향 및 이와 반대되는 제2 방향으로 등속 회전시키는 단계, 상기 회전축이 상기 제1 및 제2 방향으로 각각 회전하는 동안, 상기 구동부에 제공된 인입전류값 및 각도 데이터를 포함하는 제1 및 제2 구동데이터를 추출하여 상기 회전부 중력토크값을 계측하는 단계, 상기 회전부 중력토크값에 근거하여 상기 회전부의 무게중심을 추정하는 단계; 및 상기 회전부 중력토크값이 상기 구동부의 소요토크를 최소화하는 값을 갖도록 상기 회전부의 무게중심에 근거하여 상기 평형추의 질량값을 산출하는 단계를 포함한다.

일 실시 예에서, 상기 회전부의 일단에 장착되며, 상기 구동부에 의하여 위성을 지향하여 무선신호를 송수신하는 위성안테나 시스템을 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 회전부의 무게중심을 추정하는 단계는, 상기 회전부 중력토크값에 근거하여 최소자승법(Least Square Method)을 통해 추정될 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 회전부 중력토크값이 구동부의 소요토크를 최소화하는 값을 갖도록 상기 회전부의 무게중심에 근거하여 상기 평형추의 질량값을 산출하는 단계는, 상기 회전부의 무게중심과 상기 회전부의 질량에 근거하여 회전부의 목적함수(Cost Function) 값을 계산하는 단계 및 상기 목적함수(Cost Function)값을 최소화하는 상기 평형추의 질량값을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 전기 구동식 회전 시스템은, 상기 회전부를 지지하는 지지부 및 중력방향과 수평인 방위각 회전축을 기준으로 회전시키는 방위각 구동부를 더 포함하고, 상기 회전부 및 지지부는 방위각 중력토크를 지니며, 상기 지지부가 중력방향에 대하여 수직이 되도록 위치시키는 단계, 상기 방위각 구동부에 의하여 상기 방위각 회전축을 기준으로 상기 회전부를 상기 제1 방향 및 이와 반대되는 상기 제2 방향으로 등속 회전시키는 단계, 상기 방위각 회전축이 상기 제1 및 제2 방향으로 각각 회전하는 동안, 상기 구동부에 제공된 인입전류값 및 각도 데이터를 포함하는 제1 및 제2 방위각 구동데이터를 추출하여 상기 방위각 중력토크값을 계측하는 단계, 상기 방위각 중력토크에 근거하여 상기 회정부 및 지지부의 무게중심을 추정하는 단계 및 상기 방위각 중력토크값이 구동부의 소요토크를 최소화하는 값을 갖도록 상기 회정부 및 지지부의 무게중심에 근거하여 상기 평형추의 질량값을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 평형추는, 상기 회전부 상에서 상기 회전부의 회전축 방향으로 이동 가능한 가변형 평형부재일 수 있다.

상기 목적을 이루기 위한 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 검증방법은, 평형추가 결합되어 보상된 중력토크값을 갖는 회전부 및 상기 회전부를 특정 회전축을 기준으로 회전시키는 구동부를 포함하고, 상기 회전부의 상기 회전축이 중력방향과 수직이 되도록 고정시키는 단계, 상기 구동부에 의하여 상기 회전축을 기준으로 상기 회전부를 제1 방향 및 이와 반대되는 제2 방향으로 등속 회전시키는 단계, 상기 회전축이 상기 제1 및 제2 방향으로 회전하는 동안, 상기 구동부에 제공된 인입전류값 및 각도 데이터를 포함하는 제1 및 제2 구동데이터를 추출하여 상기 보상된 중력토크값을 추정하는 단계, 상기 보상된 중력토크값에 근거하여 상기 회전부의 무게중심을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시 예에서, 중력토크 검증방법에 있어서 상기 회전부의 무게중심은, 상기 보상된 중력토크값에 근거하여 최소자승법(Least Square Method)을 통해 추정될 수 있다.

본 발명에 따르면, 구동장치의 중력토크를 보상해 구동시 소모되는 에너지를 줄일 수 있다.

본 발명에 따르면, 구동장치가 필요로 하는 최대 토크를 낮춰 구동장치의 물리적인 크기를 줄이고, 설계비용을 낮출 수 있다.

본 발명에 따르면, 또한 최적화 문제의 결과인 최적 평형추 질량 및 위치 정보를 획득하여 효율적인 추의 배치 및 신뢰성 높은 최적의 보상 또한 가능하다.

본 발명에 따르면, 무게중심을 계측할 경우 단 한번의 실험으로 간단하게 신뢰성 높은 무게중심 계측이 가능하다.

본 발명에 따르면, 중력토크 보상이 적절히 되었는지 신뢰성 높은 검증할 수 있으며, 간단하게 추가적인 중력토크 보상이 가능하다.

도 1a는 본 발명과 관련된 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1b 및 도 1c는 본 발명과 관련된 전기 구동식 회전 시스템의 일 예를 나타낸 개념도들이다.
도 2는 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 보상방법의 일 예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3는 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 보상방법의 일 예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 보상방법의 일 예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 보상방법의 일 예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6는 보상된 중력토크에 대한 검증방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7a는 도 1a의 전기 구동식 회전 시스템의 일 예의 평형추 부분 확대도 및 분해도이며, 도 7b는 도 7a의 평형추의 분해도이다.
도 8은 중력토크에 대한 보상 전·후 소요토크를 비교하기 위한 그래프이다.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명에 관련된 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 계측 및 보상방법에 대해, 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 도 1a는 본 발명과 관련된 시스템을 설명하기 위한 블록도이고, 도 1b 및 도 1c는 본 발명과 관련된 전기 구동식 회전 시스템의 일 예를 나타낸 개념도들이다.

항공기, 선박, 차량 등의 수송기기에 탑재된 위성안테나는 안정적인 통신링크를 유지하기 위하여 수송기기의 이동, 가감속, 진동, 충격 등이 안테나에 외란으로 작용하는 상황에서도 안테나가 정밀하게 위성을 지향해야 한다. 이와 같이 단일 방향을 지향하는 시스템을 ISP(Inertially Stabilized Platform)라 부른다. 위성안테나 시스템은 운용환경에 따라 단축 혹은 2축 이상의 다축으로 구동되며, 수송기기에 탑재되는 안테나시스템은 복잡한 형상을 갖는 통신장치들을 부품으로 갖고 수송기기가 허용하는 중량 및 크기에 제약을 받는다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예인 2축으로 구동되는 전기 구동식 회전 시스템의 구동제어부에 대한 블록도이다. 본 발명에 따른 전기 구동식 회전 시스템은 구동제어부(100)에 의하여 구동되며, 회전부 구동모듈(111) 및 지지부 구동모듈(112)을 포함하는 구동부(110), 메모리(120), 사용자 입력부(130), 회전부 센서(141) 및 지지부 센서(142)를 포함하는 센싱부(140), 각도 피드백(151), 인입전류 데이터(152) 및 시간 데이터(153)를 출력하는 출력부(150), 디스플레이부(230), 사용자 입력부(130)를 포함한다. 도1a에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 구동제어부(100)가 구현될 수도 있다.

도1b 및 도1c는 본 발명의 일 실시예인 2축으로 구동되는 위성안테나 시스템이 포함된 전기 구동식 회전 시스템(200)의 개념도이며, 위성안테나(270) 및 이를 포함하는 위성안테나 시스템을 구비하는 회전부(210), 회전부 구동모듈(111)이 포함된 회전 지지부(221)와 지지부 구동모듈(111)이 포함된 고정지지부(222)로 구성된 지지부(220), 구동제어기(240), 및 평형추(280)를 포함한다.

이하, 상기 구성요소들에 대해 차례로 더 자세하게 살펴본다.

상기 구동부(110)는 상기 회전부 구동모듈(111)과 상기 지지부 구동모듈(112)을 포함하며, 상기 회전부 구동모듈(111)은 상기 회전부(210)를 중력방향과 수직하게 위치한 회전부의 회전축(260)을 기준으로 제1 방향(260a) 및 이와 반대되는 제2 방향(260b)로 기 설정된 각도 내에서 회전할 수 있다. 또한, 상기 지지부 구동모듈(112)은 상기 고정지지부(222)에 포함되어 상기 회전부(210) 및 상기 회전부 구동모듈(111)이 포함된 상기 회전 지지부(221)를 방위각 회전축(250)을 기준으로 제3 방향(250a) 및 제4 방향(제250b)로 기 설정된 각도 내에서 회전할 수 있다. 상기 구동부는 하나 혹은 그 이상의 모터로 구성될 수 있으며, 사용자 조작으로 인한 사용자 입력부(130)의 입력에 따라 구동제어부(100)의 제어를 받아 구동된다.

메모리(120)는 구동부의 동작을 위한 프로그램을 저장할 수 있고, 사용자 입력부(130)를 통해 입력되는 데이터 및 출력부(150)에 의해 출력되는 데이터들을 임시 저장할 수도 있다. 그리고, 중력토크 보상방법 및 보상된 중력토크를 검증하는 방법에서 사용되는 각종 수식 및 변수들이 저장될 수 있다. 상기 변수들은 전기 구동식 회전 시스템(200)의 제조자에 의하여 기저장되거나, 운용자에 의하여 추가적으로 저장되거나, 삭제/변경될 수 있다.

또한, 메모리(120)에는 서로 다른 시간에 실험된 등속 회전운동의 출력 데이터들이 순차적으로 저장할 수 있다.

출력부(150)는 구동부에 의한 등속회전하는 경우 생성된 각도 피드백(151), 인입전류 데이터(152) 및 시간 데이터(153)를 출력하며, 추가적으로 디스플레이(미도시) 또는 프린터(미도시)를 통해 출력될 수 있다.

한편, 전원 공급부(170)는 구동제어부의 제어에 의해 외부의 전원, 내부의 전원을 인가받아 각 구성요소들의 동작에 필요한 전원을 공급한다.

여기에 설명되는 다양한 실시예는 예를 들어, 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록매

체 내에서 구현될 수 있다.

하드웨어적인 구현에 의하면, 여기에 설명되는 실시예는 ASICs (applicationspecific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays, 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.

일부의 경우에 그러한 실시예들이 구동제어부(100)에 의해 구현될 수 있다. 소프트웨어적인 구현에 의하면, 절차나 기능과 같은 실시예들은 적어도 하나의 기능 또는 작동을 수행하게 하는 별개의 소프트웨어 모듈과 함께 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션에 의해 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리(120)에 저장되고, 구동제어부(100)에 의해 실행될 수 있다.

도 2는 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 보상방법의 일 예를 설명하기 위한 흐름도이다.

먼저, 상기 회전부의 회전축(260)이 중력방향과 수직이 되도록 고정시키는 단계(S100)가 수행된다. 중력방향과 수직이 되지 않으면, 다른 축 방향의 중력토크 성분이 포함될 수 있어 정확한 중력토크에 대한 보상이 되지 않는다. 또한, 단단히 고정되지 않으면, 등속 회전 중 오차가 생길 수 있다.

다음으로, 상기 회전부의 구동모듈(111)에 의하여 상기 회전부의 회전축(260)을 기준으로 상기 회전부(210)를 제1 방향(260a) 및 이와 반대되는 제2 방향(260b)으로 등속 회전시키는 단계(S110)가 수행되며, 그 다음으로, 상기 회전부의 회전축(260)이 상기 제1 방향(260a) 및 제2 방향(260b)으로 각각 회전하는 동안, 상기 각도 피드백(151), 인입전류 데이터(152) 및 상기 시간 데이터(153)를 포함하는 제1 및 제2 구동데이터를 추출하여 상기 회전부 중력토크값을 계측하는 단계(S120)가 수행된다.

인입전류를 이용하여 상기 소요되는 토크를 계산하기 위하여, 상기의 [수학식1]을 이용할 수 있다.

는 구동장치의 토크상수, i는 상기 전원 공급부(170)에서 상기 회전부 구동모듈(111)에 제공된 인입전류를 각각 의미하며, 상기 [수학식 1]과 같은 전류-토크 관계를 갖는다.

상기 기재된 [수학식 3] 내지 [수학식 6]은 상기 [수학식 1]에서 계측된 소요토크를 통해 중력토크를 계측하기 위한 수학식이다.

기계적인 백래시(Backlash)를 없애기 위해 기어가 없는 직구동 (Direct-Driven) 방식을 이용하는 경우 각 회전축의 구동시스템은, 상기 [수학식 2]와 같이 표현할 수 있다. 상기 [수학식 2]에서,

는 회전각,

회전체의 관성모멘트,

는 마찰력을 의미한다. 마찰력의 경우 다양한 모델이 존재하며, 다양한 모델 중 하나를 선택적으로 사용할 수 있다. 그러나, 운동방향의 반대방향으로 작용하는 마찰력의 일반적인 성질만 이용하여, 어느 모델을 선택하든 마찰력은 중력토크 추정에 영향을 미치지는 않는다.

발명의 일 실시예로 점성마찰(Viscous Friction과 쿨롱마찰 (Coulomb Friction)로 구성된 모델로 고려할 수 있다. b는 점성마찰계수, c는 쿨롱마찰계수를 의미한다.

도 1c에서와 같이 상기 회전부(210)의 상기 무게중심(290)과 상기 회전부(210)의 회전축(260)이 일치되지 않으면, [수학식 2]는 [수학식 4]와 같이 중력토크 성분

을 포함하게 된다.

상기 중력토크 성분

는 [수학식 5]와 같이 표현될 수 있으며, m은 회전부의 질량, g는 중력가속도, l은 회전중심과 상기 무게중심(290) 사이의 거리,

는 도1b와 같이 상기 회전부(210)의 전면과 상기 무게중심(290) 사이의 각도에서 90도를 뺀 각도를 의미한다.

상기 회전부(210)가 상기 회전부의 회전축(260)을 기준으로 제1 방향(260a) 및 제2 방향(260b)에 대하여 각각 등속으로 구동하는 실험을 수행하면, 상기 [수학식 1]에 근거하여 토크 정보

를 획득할 수 있다. 획득된 상기 토크 정보에서 상기 [수학식 4]의

성분은 등속운동하는 경우에는 영향을 미치지 않기 때문에 생략 가능하다. 따라서, 상기 토크 정보

는 상기 [수학식 6]의 (a) 및 (b)로 둘 수 있으며, [수학식 6]의 (C)와 같이 상기 토크 정보

를 더한 후 절반으로 나누는 것으로써, 중력토크 성분

을 계측할 수 있다.

다음으로, 상기 회전부 중력토크값에 근거하여 상기 회전부의 무게중심(290)을 추정하는 단계(S130)가 수행된다. 도 3은 본 발명의 일 실시 예이며, 상기 회전부의 무게중심(290)을 추정하는 단계(S130)는, 상기 회전부 중력토크값에 근거하여 최소자승법(Least Square Method)을 이용하여 무게중심 정보를 추정하는 단계(S131)일 수 있다.

상기 [수학식 7] 내지 [수학식 10]은 상기 중력토크 성분

을 통해 상기 회전부(210)의 무게중심 정보를 추정하기 위한 일련의 수학식이다.

상기 중력토크 성분

는 정현파 형상을 가질 수 있으며, [수학식 7]과 같이정현파에 적합이 가능하다. 상기 [수학식 7]에서

과

는 적합 계수가 되며, 상기 [수학식 8]에 적합시켜

과

를 찾을 수 있다.

과

를 찾을 방법으로 최소자승법(least square method)을 사용할 수 있다. [수학식 8]에서 Z는 최소자승법 중간에 사용되는 행렬이 되며, 상기 [수학식 6]에 의해 계측된 중력토크 성분

로부터 상기

과

는 적합 계수를 구할 수 있다.

[수학식 5]에 의해

,

으로 둘 수 있으며, 상기 [수학식 9]을 통해

과

를 구할 수 있으며, 상기 [수학식 10]을 통해 상기 회전부(210)의 무게중심 정보가 도출될 수 있으며, 상기 [수학식 10]에서

와

는 도 1c에서 상기 회전부의 회전축(260)을 원점으로 하여 상기 회전부(210)의 전면이 향하는 방향을 x축, 이와 수직인 방향을 y축으로 하는 경우 무게중심 위치가 된다.

다음으로, 상기 회전부 중력토크값이 상기 구동부의 소요토크를 최소화하는 값을 갖도록 상기 회전부의 무게중심에 근거하여 상기 평형추의 질량값을 산출하는 단계(S140)를 수행한다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예이며, 상기 회전부 중력토크값이 구동부의 소요토크를 최소화하는 값을 갖도록 상기 회전부의 무게중심에 근거하여 상기 평형추의 질량값을 산출하는 단계(S140)는, 상기 회전부의 무게중심과 상기 회전부의 질량에 근거하여 회전부의 목적함수(Cost Function) 값을 계산하는 단계(S141) 및 상기 목적함수(Cost Function)값을 최소화하는 상기 평형추의 질량값을 산출하는 단계(S142)를 포함할 수 있다.

상기 [수학식 11] 내지 [수학식 13]은 추정된 무게중심 정보 및 회전부의 질량에 근거하여 최적의 평형추(280)의 질량값을 산출하기 위한 일련의 수학식이다.

도 1c의 평형추(280)의 부착위치는 고정된 값으로써

와

로 놓을 수 있으며,

는 추의 질량,

은 상기 회전부의 질량을 의미하고,

와

은 상기 [수학식 11]에 의해 결정되는 새로운 무게중심의 위치이다.

는 보상해야 할 평형추의 질량이 되며 이를 제외한 모든 값은 상수가 된다.

상기 [수학식 12]에서

은 상기 회전부(210)의 회전축(260)에서 새로운 무게중심까지의 거리를 의미하며,

은 중력토크에 주된 영향을 미치기 때문에 상기

과 평형추의 질량

로 구성된 가격함수(cost fuction)를 통해 최적의 값을 구할 수 있다. 이때,

는 최대 허용 상기 회전부(210)의 회전축(260)에서 새로운 무게중심까지의 거리이며 수송기기의 허용중량 및 가속도 환경분석을 통해 얻을 수 있다. 또한,

는 최대 허용중량이 되며,

과

는 사용자 선정 가중치가 되어 기본으로 1로 선정된다. 상기 [수학식 13]을 풀어 나오는 결과로 상기 [수학식 13]의 조건에 부합하는 최적의 추 중량

를 구할 수 있다. 이 평형추의 질량값은 중력토크에 주된 영향을 미치는 상기 회전부(210)의 회전축(260)에서 새로운 무게중심까지의 거리

를 최소화시키고 시스템 중량을 최소화 시키는 최적화 문제를 해결한 것이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 중력토크에 대한 보상 전·후 소요토크를 비교하기 위한 그래프이다. 평형추(1.23kg)를 부착하여 중력토크를 보상한 경우 요구되는 토크값 및 중력토크를 보상하지 않은 경우 요구되는 토크값을 비교하면, 평형추(1.23 kg)를 부착하여 중력토크를 보상한 경우 소요되는 토크값이 더 낮은 것을 확인할 수 있다.

다음으로, 산출된 상기 평형추의 질량값을 기반으로 사용자가 복잡한 형상을 갖는 전기 구동식 회전 시스템의 회전부의 적절한 위치에 최대 허용 중량의 평형추를 부착하여 중력토크를 보상할 수 있다.

다음으로, 상기 방위각 회전축(250)을 기준으로 제3 방향(250a) 및 제4 방향(제250b)으로 회전하는 상기 회전부(210) 및 상기 회전 지지부(221)에 대한 중력토를 보상하기 위하여, 상기 방위각 회전축(250)이 중력방향에 대하여 수직이 되도록 상기 지지부(220)를 90도로 회전시켜 위치시키는 단계를 수행할 수 있다.

다음으로, 상기 방위각 구동부에 의하여 상기 방위각 회전축을 기준으로 상기 회전부를 상기 제1 방향 및 이와 반대되는 상기 제2 방향으로 등속 회전시키는 단계, 상기 방위각 회전축이 상기 제1 및 제2 방향으로 각각 회전하는 동안, 상기 구동부에 제공된 인입전류값 및 각도 데이터를 포함하는 제1 및 제2 방위각 구동데이터를 추출하여 상기 방위각 중력토크값을 계측하는 단계, 상기 방위각 중력토크에 근거하여 상기 회정부 및 지지부의 무게중심을 추정하는 단계 및 상기 방위각 중력토크값이 구동부의 소요토크를 최소화하는 값을 갖도록 상기 회정부 및 지지부의 무게중심에 근거하여 상기 평형추의 질량값을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

도 7a는 본 발명의 일 실시 예인 도 1b의 평형추 부분을 확대한 도면이며, 도 7b는 도 7a의 분해도이다. 일반 사각 판 등의 사각 평형추를 이용하여 중력토크를 보상을 하면 평형추 질량에 따라 [수학식 11]의

,

가 변해 계산이 복잡해질 수 있으며, 선정한 질량을 부착할 경우 시스템 형상에 따라 간섭이 발생할 수도 있다. 따라서, 평형추(280)는 보상한 무게중심을 변형시키지 않도록 상기 평형추(280)는 가변형 평형부재(281), 축(282) 및 축지지대(283)를 포함할 수 있으며, 가변형 평형부재(281)는 방위각 중력토크를 보상하기 위해 상기 회전부(210) 상에서 상기 회전부의 회전축(260) 좌우방향으로 이동 가능하며, 무두볼트(284)에 의해 고정될 수 있다.

상기 가변형 평형부재(281)는 1자유도을 가지고 이동하거나 고정이 가능하므로 이를 이용해 다른 축의 보상도 동시에 수행할 수 있다. 즉, 도 1b의 일 실시예에서 전기 구동식 회전 시스템은 앙각 중력토크를 보상한 다음 방위각에서도 이 1자유도를 이용해 동시에 보상을 할 수 있다. 또한, 상기 추가적으로 중력토크에 대한 보상이 필요한 경우 작은 중량의 평형부재를 이용하여 추가적으로 미세하게 보상을 보정할 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예인 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 검증방법을 나타내는 흐름도이다. 상기 평형추(280)가 결합되어 보상된 중력토크값을 갖는 회전부(210)가 제대로 보상이 되었는지 확인하기 위하여, 상기 회전부의 상기 회전축(260)이 중력방향과 수직이 되도록 고정시키는 단계(S300), 상기 구동부에 의하여 상기 회전축을 기준으로 상기 회전부를 제1 방향 및 이와 반대되는 제2 방향으로 등속 회전시키는 단계(S310), 상기 회전축이 상기 제1 및 제2 방향으로 회전하는 동안, 상기 구동부에 제공된 인입전류값 및 각도 데이터를 포함하는 제1 및 제2 구동데이터를 추출하여 상기 보상된 중력토크값을 추정하는 단계(S320), 상기 보상된 중력토크값에 근거하여 최소자승법(Least Square Method)를 이용하여 상기 회전부의 무게중심을 추정하는 단계(S331)를 포함할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 따른 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 계측 및 보상방법을 실시하기 위한 실시예들에 불과한 것으로서, 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.

100: 구동제어부
210: 회전부
220: 지지부
221: 회전 지지부
222: 고정 지지부
240: 구동 제어기
250: 방위각 회전축
260: 회전축
280: 평형추
290: 무게중심

Claims

회전부 중력토크값을 갖는 회전부, 상기 회전부를 특정 회전축을 기준으로 회전시키는 구동부 및 상기 회전부의 일 영역에 배치되는 평형추를 포함하는 전기 구동식 회전 시스템에 있어서, 상기 회전부 중력토크값을 보상하기 위한 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 보상방법은,
상기 회전부의 상기 회전축이 중력방향과 수직이 되도록 고정시키는 단계;
상기 구동부에 의하여 상기 회전축을 기준으로 상기 회전부를 제1 방향 및 이와 반대되는 제2 방향으로 등속 회전시키는 단계;
상기 회전축이 상기 제1 및 제2 방향으로 각각 회전하는 동안, 상기 구동부에 제공된 인입전류값 및 각도 데이터를 포함하는 제1 및 제2 구동데이터를 추출하여 상기 회전부 중력토크값을 계측하는 단계;
상기 회전부 중력토크값에 근거하여 상기 회전부의 무게중심을 추정하는 단계; 및
상기 회전부 중력토크값이 상기 구동부의 소요토크를 최소화하는 값을 갖도록 상기 회전부의 무게중심에 근거하여 상기 평형추의 질량값을 산출하는 단계를 포함하며,
상기 회전부 중력토크값이 구동부의 소요토크를 최소화하는 값을 갖도록 상기 회전부의 무게중심에 근거하여 상기 평형추의 질량값을 산출하는 단계는,
상기 회전부의 무게중심과 상기 회전부의 질량에 근거하여 회전부의 목적함수(Cost Function)값을 계산하는 단계; 및
상기 목적함수(Cost Function)값을 최소화하는 상기 평형추의 질량값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 보상방법.
제1항에 있어서,
상기 회전부의 일단에 장착되며, 상기 구동부에 의하여 위성을 지향하여 무선신호를 송수신하는 위성안테나 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 보상방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 회전부의 무게중심을 추정하는 단계는,
상기 회전부 중력토크값에 근거하여 최소자승법(Least Square Method)을 통해 추정되는 것을 특징으로 하는 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 보상방법.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 전기 구동식 회전 시스템은,
상기 회전부를 지지하는 지지부 및 중력방향과 수평인 방위각 회전축을 기준으로 회전시키는 방위각 구동부를 더 포함하고, 상기 회전부 및 지지부는 방위각 중력토크값을 지니며,
상기 지지부가 중력방향에 대하여 수직이 되도록 위치시키는 단계;
상기 방위각 구동부에 의하여 상기 방위각 회전축을 기준으로 상기 회전부를 상기 제1 방향 및 이와 반대되는 상기 제2 방향으로 등속 회전시키는 단계;
상기 방위각 회전축이 상기 제1 및 제2 방향으로 각각 회전하는 동안, 상기 구동부에 제공된 인입전류값 및 각도 데이터를 포함하는 제1 및 제2 방위각 구동데이터를 추출하여 상기 방위각 중력토크값을 계측하는 단계;
상기 방위각 중력토크값에 근거하여 상기 회전부 및 지지부의 무게중심을 추정하는 단계; 및
상기 방위각 중력토크값이 구동부의 소요토크를 최소화하는 값을 갖도록 상기 회전부 및 지지부의 무게중심에 근거하여 상기 평형추의 질량값을 산출하는 단계를 더 포함하는 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 보상방법.
제5항에 있어서,
상기 평형추는,
상기 회전부 상에서 상기 회전부의 회전축 방향으로 이동 가능한 가변형 평형부재인 것을 특징으로 하는 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 보상방법.
제1항에 따라 산출된 질량값을 갖는 평형추가 결합되어 보상된 중력토크값을 갖는 회전부 및 상기 회전부를 특정 회전축을 기준으로 회전시키는 구동부를 포함하는 전기구동 회전 시스템에 있어서, 상기 보상된 중력토크값을 검증하기 위한 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 검증방법은,
상기 회전부의 상기 회전축이 중력방향과 수직이 되도록 고정시키는 단계;
상기 구동부에 의하여 상기 회전축을 기준으로 상기 회전부를 제1 방향 및 이와 반대되는 제2 방향으로 등속 회전시키는 단계;
상기 회전축이 상기 제1 및 제2 방향으로 회전하는 동안, 상기 구동부에 제공된 인입전류값 및 각도 데이터를 포함하는 제1 및 제2 구동데이터를 추출하여 상기 보상된 중력토크값을 추정하는 단계;
상기 보상된 중력토크값에 근거하여 상기 회전부의 무게중심을 추정하는 단계를 포함하는 전기 구동식 회전 시스템의 보상된 중력토크 검증방법
제7항에 있어서,
상기 회전부의 무게중심은,
상기 보상된 중력토크값에 근거하여 최소자승법(Least Square Method)을 통해 추정되는 것을 특징으로 하는 보상된 전기 구동식 회전 시스템의 중력토크 검증방법.