KR102188740B1 - 가변 속도 제어 모멘트 자이로스코프 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시 에에 따른 자이로 장치는, 격벽으로 구획된 제1 내부공간 및 제2 내부공간을 포함하는 케이스; 상기 제1 내부공간 내부에서 제1 회전축으로 회전 가능하게 구비된 김발 뭉치; 상기 제1 내부공간에 배치되며, 상기 김발 뭉치에 회전력을 제공하는 김발 모터; 상기 제2 내부공간 내부에 구비되며, 상기 김발 모터의 회전력을 상기 김발 뭉치에 전달하기 위하여 상기 김발 모터의 회전축과 상기 김발 뭉치의 제1 회전축을 연동하는 적어도 2개의 기어들로 이뤄진 기어세트를 포함하는 자이로 장치를 제공할 수 있다.

Description

가변 속도 제어 모멘트 자이로스코프 장치{Variable Speed Control Moment Gyroscope device}

본 발명은 가변 속도 제어 모멘트 자이로스코프 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 위성에 사용되는 가변 속도 제어 모멘트 자이로스코프 장치에 관한 것이다.

소형 위성의 적용 범위는 전자 부품의 소형화, 성능과 기계설계 기술의 향상으로 확대되고 있다. 이와 동시에, 채택되는 과업의 수준도 높아지고 있다. 이런 이유로 자세 결정 및 제어 서브시스템(attitude determination and control subsystem(ADCS)의 역할과 주(major) 자세 구동기의 선택이 중요해져, 이들이 과업의 수행에 필수적 시스템이다.

수많은 액튜에이터들이 사용되는데, 그 중에서 반작용휠(reaction wheel)이 자세 제어에 일반적으로 사용된다. 이는 직접적이고 단순한 이점을 가진다. 그러나 단점은 각 반작용휠이 장착된 축에만 제어 토크를 생성한다는 점이며, 모터의 속도가 최대 속도에 도달하여 포화되면 더 이상 제어토크를 발생시킬 수 없게 된다.

이에 비해 CMG(Control Moment Gyroscope)는 '모멘텀 호환성(momentum exchangeability)'과 '토크 증폭 효과(torque amplification effect)'로 알려져 있는데, 이는 추가 모터를 통한 스핀휠(spin wheel)에 의해 모멘텀 축을 변경하고 반작용휠 보다 양호한 제어 토크를 생성할 수 있게 한다. 그럼에도 불구하고 종래의 CMG는 제어 법칙을 설계하기 어렵게 하거나 또는 최악의 경우 토크를 생성할 수 없는 특이점(singularity)이 존재하는 단점을 가진다.

본 발명의 일 실시예에서는, 소형 가변 속도 제어 모멘트 자이로스코프 (variable speed control moment gyroscopes; VSCMGs)의 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에서는, 항상 직교 제어 토크를 생성하는 휠 가속을 통한 추가적인 통제권한(control authority)의 구비(incorporating)는 네개의 VSCMG들이 잘 알려진 루프탑(roof-top) 구조로 구성(cluster)함으로써 고유한 특이점 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에서는, 저전력, 저중량 및 작은 크기의 특징을 가지기 때문에 소형 위성의 주 자세 구동기로 채택되기에 충분한 토크 출력을 고려하여 CubeCMG로 명명된 VSCMG를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에서는, 기계적 설계뿐 아니라 전자적 설계의 최적화를 통한 수리가 불가능한 우주 상황에서 효과적인 제어가 가능한 VSCMG를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에서는, CubeCMG의 성능을 검증 및 입증하기 위해 생성되는 토크를 측정하는 특수한 장치가 채택되고 시험 결과들을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에서는, 지상 성능 검증(ground performance verification)을 위한 회동 작동(pivoting operation)의 시뮬레이션 결과들을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자이로 장치는, 격벽으로 구획된 제1 내부공간 및 제2 내부공간을 포함하는 케이스; 상기 제1 내부공간 내부에서 제1 회전축으로 회전 가능하게 구비된 김발 뭉치; 상기 제1 내부공간에 배치되며, 상기 김발 뭉치에 회전력을 제공하는 김발 모터; 상기 제2 내부공간 내부에 구비되며, 상기 김발 모터의 회전력을 상기 김발 뭉치에 전달하기 위하여 상기 김발 모터의 회전축과 상기 김발 뭉치의 제1 회전축을 연동하는 적어도 2개의 기어들로 이뤄진 기어세트를 포함하는 자이로 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자이로 장치는, 상기 케이스의 외형은 정육면체 형상을 가지되, 외부 단자가 자이로 장치에 연결된 경우 상기 정육면체 형상의 외부로 돌출되지 않도록 하기 위하여 상기 정육면체 형상에서 소정의 체적을 가지는 형상만큼 제외된 체적을 가지는 것을 특징으로 하는 자이로 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자이로 장치는, 상기 제1 회전축의 양단은 상기 격벽과 상기 케이스의 일면에 의해서 지지되는 것을 특징으로 하는 자이로 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자이로 장치는, 상기 김발 모터를 제어하기 위하여 상기 제1 내부공간에 구비된 김발 모터 컨트롤러를 더 포함하는 자이로 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자이로 장치는, 상기 김발 뭉치, 상기 제1 회전축이 구비된 지지체; 상기 지지체에 상기 제1 회전축과 수직한 제2 회전축으로 회전 가능하게 구비된 스핀휠; 상기 스핀휠을 상기 제2 회전축으로 회전시키는 스핀 모터; 및 상기 스핀 모터를 제어하는 스핀 모터 컨트롤러를 포함하는 자이로 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자이로 장치는, 상기 스핀휠의 평균 회전 속도는 상기 김발 뭉치의 평균 회전 속도 보다 빠른 것을 특징으로 하는 자이로 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자이로 장치는, 상기 김발 모터는 상기 제1 회전축으로 회전하는 상기 김발 뭉치의 회전 반경에 영향을 주지 않도록 상기 제1 내부공간의 모서리 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 자이로 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는, 소형 가변 속도 제어 모멘트 자이로스코프 (variable speed control moment gyroscopes; VSCMGs)의 장치를 제공하는 효과를 가진다.

본 발명의 일 실시예에서는, 항상 직교 제어 토크를 생성하는 휠 가속을 통한 추가적인 통제권한(control authority)의 구비(incorporating)는 네 개의 VSCMG들이 잘 알려진 루프탑(roof-top) 구조로 구성(cluster)함으로써 고유한 특이점 문제를 해결하는 효과를 가진다.

본 발명의 일 실시 예에서는, 저전력, 저중량 및 작은 크기의 특징을 가지기 때문에 소형 위성의 주 자세 구동기로 채택되기에 충분한 토크 출력을 고려하여 CubeCMG로 명명된 VSCMG를 제공하는 효과를 가진다.

본 발명의 일 실시 예에서는, 기계적 설계뿐 아니라 전자적 설계의 최적화를 통한 수리가 불가능한 우주 상황에서 효과적인 제어가 가능한 VSCMG를 제공하는 효과를 가진다.

본 발명의 일 실시 예에서는, CubeCMG의 성능을 검증 및 입증하기 위해 생성되는 토크를 측정하는 특수한 장치가 채택되고 시험 결과들을 제공하는 효과를 가진다.

본 발명의 일 실시 예에서는, 지상 성능 검증(ground performance verification)을 위한 회동 작동(pivoting operation)의 시뮬레이션 결과들을 제공하는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수개의 CubeCMG들의 사시도를 도시한 것이다.
도 2는 지지 구조 상의 설계된 스핀휠을 도시한다.
도 3은 2610 모터의 속도-토크 곡선을 도시한 것이다.
도 4는 Faulhaber 0620 모터의 속도-토크 곡선을 도시한 것이다.
도 5(a)는 일 실시 예에 따른 감속 기어의 사시도를 도시한 것이고, 도 5(b)는 일 실시 예에 따른 감속 기어의 설계 예를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 CubeCMG 시스템 블록도를 도시한 것이다.
도 7는 BLDC 3상 정류 신호를 도시한 것이다.
도 8(a)는 채택된 센서의 성능과 검정을 위한 실험 환경에 관한 사진이며, 도 8(b)는 실험 환경의 상세 구조에 관한 사진이다.
도 9은 영점 시험의 결과를 도시한 것이다.
도 10은 다른 웨이트 쌍들(M1 급)을 사용한 실험 검정 및 곡선 맞춤의 결과를 도시한 것이다.
도 11(a)는 관성좌표에서 일 실시 예에 따른 CubeCMG의 회동 작동 개념를 도시한 것이고, 도 11(b)는 일 실시 예에 따른 CubeCMG의 회동 작동 예를 도시한 것이다.
도 12는 단일한 VSCMG에서의 좌표축을 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 CMG의 회동 작동의 결과(CMG 모드)에서, 도 13(a)는 롤 축의 각도에 관한 그래프이고, 도 13(b)는 김발 각도 및 속도에 관한 그래프이고, 도 13(c)는 토크 비교한 그래프이다.
회동 작동의 결과(VSCMG 모드)에서 도 14(a)은 김발 각도 및 속도에 관한 그래프이고, 도 14(b)는 토크 비교에 관한 그래프이고, 도 14(c)는 김발 각도 및 속도에 관한 그래프이고, 도 14(d) 스핀 휠 속도 및 스핀 휠 가속도에 관한 그래프이고, 도 14(e)는 행렬식 상태 및 차수 조건에 관한 그래프이다.
도 15(a) 및 도 15(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 속도 제어 모멘트 자이로스코프 장치의 전체 사시도를 도시한 것이다.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자이로 장치의 분해 사시도를 도시한 것이다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자이로 장치의 단면도를 도시한 것이다.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이스 본체의 사시도를 도시한 것이다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 격벽, 김발 뭉치, 케이스 본체의 측면을 도시한 것이다.
도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 김발 뭉치의 분해도를 도시한 것이다.
도 21는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기어세트를 도시한 것이다.
도 22는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 자이로 장치(1000)들이 포함된 전자 장치(2000)의 블록도를 도시한 것이다.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1구성 요소는 제2구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2구성 요소는 제1구성 요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈(module)" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예에 따른 방법을 수행하기 위한 하드웨어 또는 상기 하드웨어를 구동할 수 있는 소프트웨어의 기능적 또는 구조적 결합을 의미할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수개의 CubeCMG들의 사시도를 도시한 것이다. 이하에서 본 발명의 일 실시 예에 따른 CubeCMG의 시스템 설계(SYSTEM DESIGN of CubeCMG)를 설명한다.

**CUBECMG의 시스템 설계(SYSTEM DESIGN of CUBECMG)

*기계적 설계(Mechanical Design)

본 발명의 일 실시 에에 따른 CubeCMG는 크기 및 중량 뿐 아니라 소형 위성의 민첩한 기동에 필요한 토크 능력 역시 고려하여 소형 위성 응용을 목표로 하여 개발되었다. 이하에서는, 소형 위성의 토크 요구조건들의 분석을 기반으로 CubeCMG의 기계적 설계를 상세히 설명한다.

*설계 개념(Design Concept)

개념 설계 단계에서, CubeCMG의 사양은 높은 토크 능력을 가지지만 컴팩트한 형상 계수(form factor)와 낮은 전력 소모를 가지는 자세 구동기를 목표했다. 이 종류의 자세 구동기는 적재 능력과 전력에 엄격한 제한들을 가지는 나노(nano) 위성에 특히 적합하다.

여러 가지 나노 위성 중에서, 큐브위성(CubeSat)은 표준화된 크기와 중량을 가지는 미니어쳐 위성으로 알려져 있다. 특히, 1U cubesat은 100*100*100 mm³의 용적과 1.33 [kg]을 넘지 않는 중량을 가진다. 또한 위성의 3축 자세 제어를 위해, 추가적 CMG 유닛이 특이점 회피를 위해 사용되기 위해 적어도 네 개의 CMG 유닛들을 필요로 한다. 이에 따라 CubeCMG의 크기는 복수의 CubeCMG들이 큐브위성에 장착될 때 최소의 용적을 점유하면서 완전히 큐브위성 내부에 포함되도록 설계되었다.

Cubesat의 제한된 공간을 고려함으로써 각 CubeCMG의 외부 치수는 각각 48

48

48 mm³ 미만 또는 약 0.125U로 결정되었다. 이에 따라 네 개의 CubeCMG들을 나란히 배치하면 겨우 0.5 U 용적을 점유하는 도 1에 도시된 바와 같은 루프탑 방식 클러스터를 구성하는 것이 가능하다.

*설계 사양(Design Specificaion)

본 발명의 일 실시 예에 따른 CubeCMG는 소형 위성의 주 자세 구동기로 채택될 것이다. 전형적인 소형 위성의 중량을 약 125 [kg]으로 가정하면, 주 관성모멘트(principal moment of inertia)는 약 2.4

의 범위에 있다. 액튜에이터에 요구되는 토크를 결정하기 위해, 30도 대각회전(Large slew) 기동이 단일 CMG로 10초 이내에 수행되어야 한다고 가정할 수 있다. 이 기동 동안 일정한 각 가속도를 가정하면, 우주선의 각 가속도의 최대값은

으로 결정된다. 이어서 CMG로 생성될 최소 제어 토크는 관성모멘트와 각 가속도를 다음과 같이 곱함으로써 산출된다.

(1)

본 발명의 일 실시 예에 따른 CMG로부터의 토크 출력 벡터가 스핀휠의 각 모멘텀 벡터(

와 스핀휠을 포함하는 김발(gimbal) 구조의 방향 변경 속도

또는 각속도 벡터(

의 벡터곱(cross product)으로 얻어지므로, 토크 출력의 크기는 김발 속도

와 스핀휠의 각 모멘텀

의 크기에 직접 관련된다.

김발 속도가 높을수록 더 큰 제어 토크를 생성하지만, 감속 기어와 연계하여 김발 모터의 속도 범위를 고려하면 최대 김발 속도는 2 [rad

]로 제한된다. 감속 기어 열(train)의 설계는 이 발명의 후반에 설명되지만, 최대 김발 속도 역시 김발 모터 제어의 정확성을 고려하여 선택된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 CMG에 의해 원하는 토크 출력을 달성하기 위해, 스핀휠의 요구 각 모멘텀이 다음과 같이 결정된다.

(2)

그러면 CMG 설계의 나머지는 스핀휠의 크기와 원하는 각 모멘텀을 달성하기 위한 휠의 작동 회전 속도를 결정하는 것이다. 일반적으로 스핀휠은 마찰을 감소시키기 위해 베어링과 함께 김발 구조 내부에서 회전한다. 그러나 회전 속도가 증가하면 베어링의 동적 마찰이 제곱으로(quadratically) 증가하므로, 스핀휠의 속도의 증가는 마찰 토크를 이기고 스핀휠을 일정한 속도로 유지하기 위해 모터 토크의 증가를 의미한다. 이는 모터 코일에 더 많은 전력이 전달되어야 하는 결과가 된다. 이에 따라 전력 소모를 저감시키기 위해, 스핀휠의 속도(

가 6000[RPM]을 초과하지 않도록 신중히 선택되었다. 이에 따라, 주어진 6000 [RPM]의 회전 속도에서 휠의 관성모멘트 (

)의 값에 의해 원하는 각 모멘텀이 다음과 같이 달성된다.

(3)

전술한 바와 같이, CubeCMG의 외부 치수는 48

48

48 mm³로 선택된다. 김발 구조가 CubeCMG 내에서 어떤 장애 없이 회전할 수 있으면서 스핀휠이 CMG의 김발 구조 내에 맞아야 하므로, 스핀휠의 크기가 신중히 선택되어야 한다. 스핀휠을 보수적 방식으로 설계하는 대신, 김발 구조 내의 스핀휠의 설계가, 3D CAD 소프트웨어를 통해 김발 구조 내의 스핀휠의 설계가 다른 부분들과 충돌하는지 검사하는 방법으로 스핀휠이 가능한 한 크게 설계된다. 도 2는 지지 구조 상의 설계된 스핀휠을 도시한다.

도 2를 참조하면, 스핀휠의 형상은 31.8 mm의 반경과 11.7 mm의 높이를 가지는 원통형 형상이다. 크기 제한 때문에 식 (3)에서 산출된 MOI 값을 가지도록 스핀휠이 고밀도 금속으로 제조되어야 함에 주목하기 바란다.

*모터 선택(Motor Selection)

스핀휠과 김발 구조를 구동할 적절한 모터를 선택하기 위해, 모터들의 정확한 작동점(operational point)을 알아내고, 이에 따라 상업적 규격품 모터들 중에서 주어진 사양을 충족하는 적절한 모터를 선택하기 위해 엄밀한 분석이 수행되었다. 먼저 모터는 제어 로직들로부터의 명령에 따라 스핀휠과 김발 구조를 회전시키는 데 사용된다는 점에 주목을 바란다. 이 경우, 모터에 의해 생성된 토크는 차축(axel)에 존재하는 마찰 토크를 이기면서 휠을 가속시키는 데 사용된다고 가정될 수 있다. 이를 위해 스핀 모터는 Faulhaber's 2610 시리즈 무정류자직류 (BLDC) 모터로 선택되었다. Faulhaber 2610 모터는 3.1 [mNm]의 최대 토크를 전달할 수 있으면서 소형(low-profile) 모터이므로, 스핀휠 가속에 가장 적합하다.

도 3은 2610 모터의 속도-토크 곡선을 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 2610 모터의 속도-토크 곡선을 도시한다. 2610 모터의 무부하(no-load) 속도는 12 [V]의 공급 전압으로 6400 [RPM] 정격이다. 그래프에서, 마찰에 의한 외란(disturbance) 토크는 작동점에서의 회전 속도를 감소시킬 수 있음을 볼 수 있다. 그럼에도 불구하고, 적절히 윤활된 베어링이 적용될 때 마찰 토크가 모터가 생성할 수 있는 최대 토크보다 훨씬 더 작다고 가정하면, 속도 감소 효과가 작아 스핀휠의 규정된 회전 속도가 달성될 수 있다. 사실, 이 발명의 최종판에서 다루어질 마찰 분석은 마찰 토크가 약 0.2 [mNm]이고, 이에 따라 모터가 0.2 [Watt]의 전력으로 스핀휠을 6000 [RPM]의 속도로 회전시킬 수 있음을 보인다.

도 4는 Faulhaber 0620 모터의 속도-토크 곡선을 도시한 것이다.

감속 기어를 가지는 김발 모터는 CMG의 최대 김발 속도 요건을 충족하고 저속에서 정확한 속도 제어를 수행하도록 선택되었다. 채택된 모터는 Faulhaber's 0620 시리즈 BLDC 모터이다. 그 구동 성능은 도 4에 도시된 바와 같이 표시되었다.

김발 모터는 스핀 모터보다 더 정밀한 제어를 요구한다. 이런 이유로, 감속 기어 열은 최대 김발 속도와 최저 속도에서의 김발 속도의 정밀한 제어 양자 모두를 고려하여 설계된다.

도 5(a)는 일 실시 예에 따른 감속 기어의 사시도를 도시한 것이고, 도 5(b)는 일 실시 예에 따른 감속 기어의 설계 예를 도시한 것이다.

도 5(a) 및 도 5(b)를 참조하면, 설계된 기어비는 도 5에 도시된 바와 같이 576:1이고, 김발 모터가 약 11,000 [

]에서 구동될 때 2 [

]의 요건이 충족됨을 볼 수 있다.

특히 모터의 3상(3-phase) 홀 신호(hall signal)들을 제공하여 모터 축의 회전각에 따른 각 상의 전류 제어 명령신호를 BLDC 모터 컨트롤러에서 계산하도록 한다. 홀 신호는 모터 축의 회전각에 대한 정보를 담고 있으므로, 김발 모터의 속도는 모터 축 회전으로부터 생성된 홀 신호들의 펄스폭에 의해 측정될 수 있다.

일반적으로 BLDC 모터의 속도 제어의 정확도는 속도 측정을 위해 사용하는 센서의 정밀도에 따라 결정되며, 홀 신호를 통해 달성할 수 있는 최저 속도는 약 50

]이고, 이는 구성된 감속 기어를 통해 0.087

]를 생성할 수 있으므로, 정확한 속도 제어가 가능하다.

**전자회로 설계(Electronics Design)

*시스템 구성(System Configuration)

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 CubeCMG 시스템 블록도를 도시한 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 CubeCMG의 전체 시스템은 도 6에 도시된 바와 같은 김발 및 스핀 모터 제어 시스템으로 구성된다. 김발 및 스핀 모터 제어 시스템의 주 기능은 각 모터의 회전각을 측정하여 각속도(angular rate)를 제어하는 것이다. 김발 및 스핀 모터 제어 시스템은 설계된 CMG의 좁은 공간에 장착하기 위해 물리적으로 분리된 2개의 소형 인쇄회로기판 (PCB)위에 구현된다. 각 시스템은 LIN (Local Interconnect Network) 통신을 통해 연결되고, CMG의 전체 시스템은 RS-232 직렬통신을 통해 위성의 자세결정 및 제어시스템 (Attitude Determination and Control Subsystem) 와 인터페이스 한다.. 전체 시스템은 최대 1.5 [

] 및 정상 모드에서 1.2 [

]로 설계되었다.

김발 및 스핀 모터는 모터의 기계적 브러시가 없어 연속된 작동에서 고효율을 가지는 무정류자직류(BLDC) 모터들이다. 그러나 BLDC 모터를 구동하려면, 3상 홀 신호가 나타내는 로터의 각도에 따라 모터 코일을 구동하기 위해 정류자(electrical commutator)가 필요하다. CubeCMG에 채택된 각 모터를 구동하기 위해, 특수한 모터 컨트롤러 장치, STMicroelectronics사의 L6235Q, 가 3상 BLDC 모터 제어 신호를 생성하도록 채택되었다. 이 장치는 기준 지령 신호(reference command signal)에 대한 아날로그 입력을 제공하면서 권선 전류(winding current) 피드백 제어 루프, 제동(braking), 과전류 보호, 과열 보호를 포함한다.

도 7는 BLDC 3상 정류 신호를 도시한 것이다.

BLDC 모터가 3상 구형파(square wave) 인버터를 사용하여 구동될 때, 홀 신호의 위상에 의해 3상 모터 코일을 제어하는 데 도 7에 도시된 바와 같은 정류 과정이 필요하다. 이때 홀 신호의 펄스들의 수는 모터 축의 회전각에 의해 결정되는데, 회전 속도를 산출하는 두 전형적인 방법들이 사용된다. 첫 번째 방법은 고정된 샘플링 시간 동안에 생성된 펄스들의 수를 얻는 것이고, 두 번째 방법은 펄스폭을 측정하여 이를 속도로 변환하는 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 CubeCMG는 스핀휠의 속도를 일정하게 유지하면서 김발을 회전시킴으로써 제어 토크를 생성한다. 김발 및 스핀 모터의 속도 명령은 조향 로직(steering logic)에 의한 결과에 기반한 자세 제어 알고리즘을 통해 변환된다. 이런 이유로, 스핀 모터와 김발 모터는 내부적으로 속도-서보 루프를 구성한다. 스핀 및 김발 모터의 속도 제어는 소프트웨어 알고리즘 내의 비례적분 제어기(Proportional Integral Control) 를 통해 구현되었다.

*스핀 모터 컨트롤러(Spin motor controller)

스핀 모터 컨트롤러의 주 프로세서는 Texas Instruments사의 TMS320F28035 DSP (디지털 신호 프로세서: Digital Signal Processor)이다. 컨트롤러의 주 역할은 스핀 모터의 홀 신호를 통해 속도를 측정하고 김발 제어 시스템에서 수신된 제어 명령을 통해 스핀 모터의 속도를 제어하는 것이다.

스핀 모터의 규정된 속도는 6000 [

]인데, 위성의 고도 제어 동안 저속으로 제어된다면 가속/감속 이외에는 (제어가) 없다. 이런 이유로, 스핀 모터 제어 시스템은 첫 번째 방법을 통해 스핀 모터의 각속도를 측정하였다. 이는 고정된 샘플링 시간 동안 생성된 펄스들의 수를 얻어 이를 각속도로 변환한다. 스핀 모터 컨트롤러 보드는 회전하는 김발 뭉치 내부에 포함되어 회전에 따른 충돌이 없도록 30mm x 30mm 크기의 인쇄회로기판에 제작되었다.

*김발 모터 컨트롤러(Gimbal motor controller)

김발 모터의 주 프로세서 역시 Texas Instruments사의 TMS320F28035 DSP이다. 스핀 컨트롤러의 DSP에 비해, 김발 컨트롤러는 더 많은 통신 인터페이스들과 GPIO들을 제공하므로 TMS320F28035의 대형 패키지를 채택하였다. 김발 모터 제어 보드는 RS-232 직렬통신을 통해 자세결정 및 제어시스템(ADCS)에 인터페이스 되어, 자세결정 및 제어시스템에서 계산된 구동 명령을 수신한다. 계산된 구동명령에 따라 필요시 스핀 휠 속도를 제어하기 위해서 김발 모터 제어보드는 스핀 모터 제어보드와 LIN 통신을 통해 인터페이스 되어 스핀 휠 제어 명령을 전송한다. 김발 모터 제어 보드는 CubeCMG 내부에 포함될 수 있도록 소형 인쇄회로기판으로 제작되었으며, 크기는 40mm x 33mm이다.

김발 모터 제어보드는 스핀 모터 제어 시스템과 동일한 방법으로 김발 모터의 각속도를 측정할 수 있으며, 이외에도 김발 축의 회전각을 비접촉 로터리 엔코더를 통해 직접적으로 측정한다.

표 1은 RM08S (비 접촉 로터리 인코더)와 자석의 사양을 설명한다.

[표 1]

**CubeCMG의 성능 시험(Performance Test of CubeCMG)

*시험 설정(Test Set-up)

도 8(a)는 채택된 센서의 성능과 검정을 위한 실험 환경에 관한 사진이며, 도 8(b)는 실험 환경의 상세 구조에 관한 사진이다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 설계 및 제작된 VSCMG의 성능을 검증하기 위해, 토크를 직접 측정하는 방법이 채택되었다. FUTEK사의 TFF400 및 IDA100들이 반응 토크 센서(reaction torque sensor)와 데이터 취득 시스템(data acquisition system)으로 채택되었다. 채택된 센서의 성능과 보정(calibration)을 실험하기 위해 도 8(a)에 도시한 바와 같은 실험 환경이 구축되었다.

표 2는 TFF400 (반응 토크 센서) 사양 및 값에 관한 것이다.

[표 2]

토크 센서의 영점조절과 보정을 위한 실험 요소들이 도 11에 도시된 바와 같이 구축되었다. 토크 센서를 보정하기 위해, 여러 웨이트들로 생성된 토크를 측정하는 방법이 사용되었다. 또한, 센서의 측정 구조를 감안하여 실험의 신뢰성을 향상시키기 위해, 다양한 무게추 의 조합을 시험에 사용하였다. 실험 환경은 측정 오류의 감소를 위해 무지지(supportless) 광학정반(optical surface plate) 상에 구성되었고, 기포 수준기(spirit level checker)가 토크 센서의 표면 측정의 수준을 잡는 데 사용되었다.

*영점 및 보정의 결과(Result of Taring & Callibration)

도 9은 영점 시험의 결과를 도시한 것이다.

센서의 편이(offset)를 감소시키기 위해 검정 전에 영점 조정과정이 요구된다. 이는 무부하 상태에서 약 1시간 동안 수행되었다. 실험 결과는 도 12에 도시되었다. 1시간 동안 시험이 수행되었을 때 바이어스(bias)는 약 1.5

이다. 식 (3)을 통해 토크로 변환하면 측정된 바이어스는 약 30 [

]으로, 영점 과정에서 얻어진 작동시(in-run) 바이어스는 설계된 VSCMG의 토크의 생성된 최소값에 비해 매우 작으므로 이는 성능 시험과 검정에 현저한 영향을 미치치 않는다.

도 10은 다른 웨이트 쌍들(M1 급)을 사용한 실험 검정 및 곡선 맞춤의 결과를 도시한 것이다.

센서의 측정된 값과 일정한 힘의 토크 사이의 관계를 분석하여 검정이 수행되었다. 일정한 힘의 토크를 인가하는 데 다양한 기준 웨이트(reference weight)들이 사용되었다. 도 10은 다른 웨이트 쌍들(M1 급)을 사용한 실험 결과를 보이는데, 토크 센서의 측정은 질량과 함께 선형으로 증가하는 경향이 있다.

결과를 통해, 센서의 측정과 토크 간의 선형 관계가 척도계수(scale factor)을 통한 곡선 맞춤(curve fitting)에 의해 약 0.3%의 오류로 식 (3-1)과 같이 규정된다. 식 (3-1)의 척도계수(

)는 약 0.0194이고 단위는

이다.

(3-1)

실험의 결과는 채택된 토크 센서가 설계된 VSCMG의 성능 시험에 적합하다는 것을 보여준다.이하에서는, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 CubeCMG의 성능 검증의 완전한 실험 결과가 상세히 논의될 것이다.

**CubeCMG의 수치 시뮬레이션(Numerical Simulation of CubeCMG)

본 발명의 일 실시 예에 따라 설계된 VSCMG는 시스템 통합 후 성능 검증(performance verification)을 위한 지상 시뮬레이션(ground simulation)으로 회동 작동(pivot operation)을 채택하였다.

도 11(a)는 관성좌표에서 일 실시 예에 따른 CubeCMG의 회동 작동 개념를 도시한 것이고, 도 11(b)는 일 실시 예에 따른 CubeCMG의 회동 작동 예를 도시한 것이다. 도 12는 단일한 VSCMG에서의 좌표축을 도시한 것이다.

수치 시뮬레이션이 시스템 통합 전에 수행되었는데, 회동 작동의 개념도는 도 11(a) 및 도 11(b)에 도시되어 있다. 회동 작동을 수행하기 위해, VSCMG 몸체는 김발 모터 컨트롤러 보드 상에 장착된 관성센서 MPU6050를 사용하여 관성좌표계에 대해 45도를 유지한다. 회동 작동을 위해, 김발 각속도와 스핀휠 가속이 VSCMG 조향 로직 및 비례-미분-적분 (PID) 제어를 통해 수행된다. 시뮬레이션은 CMG 및 VSCMG로 각각 수행되었다.

VSCMG의 몸체에 의한 중력가속도에 기인하는 토크가 식 (4)와 같이 산출되었다. 기준 측이 질량중심을 통과한다고 가정할 때,

는 관성좌표계의 z축에 의해 결정되는 각도이다.

(4)

VSCMG 의 운동방정식들은 다음과 같다[1].

(5)

(6)

여기서,

및

들은 도 15에 도시된 바와 같이 규정되고 식 (5)와 같이 표현된다. 마지막으로, 김발 가속도가 0이라고 가정하면, 식 (7) 및 (8)들이 CMG 및 VSCMG의 조향 로직을 다음과 같이 표현할 수 있다.

(7)

(8)

여기서, C 및 D는 다음으로 주어진다.

(9)

(10)

가장 단순하고, 아마도 가장 흔한, 방법은 김발 조향 방정식의 의사역행렬 기법이다(pseudo-inverse solution)이다[2]. CMG의 경우, 김발 속도는 식 (11)과 같이 결정되고, VSCMG의 김발 속도와 스핀휠 가속도는 식 (12)와 같이 결정된다.

(11)

(12)

본 발명의 일 실시 예에 따른 CubeCMG의 물리적 데이터와 회동 작동에 대한 시뮬레이션 파라미터들이 표 3 및 4에 보인다. 중력의 토크를 적용하기 위한 초기 롤 각(initial roll angle)은, CMG로 생성될 수 있는 토크의 양보다 작음을 감안하여 30도로 설정되었다.

표 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 CubeCMG에 대한 물리적 데이터이다. 표 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 CubeCMG에 시뮬레이션 파라미터 데이터이다.

[표 3]

[표 4]

*CMG 모드의 결과(Result of CMG Mode)

본 발명의 일 실시 예에 따른 CMG의 회동 작동의 결과(CMG 모드)에서, 도 13(a)는 롤 축의 각도에 관한 그래프이고, 도 13(b)는 김발 각도 및 속도에 관한 그래프이고, 도 13(c)는 토크 비교한 그래프이다.

시뮬레이션 결과들은 도 13(a) 내지 도 13(c)에 도시되어 있는데, 회동에 약 1초가 걸린다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 설계된 성능 내에서 외부 토크에 기인한 역 토크(counter-torque)가 발생되고 김발 모터 조건의 제한된 각속도 역시 충족됨을 볼 수 있다.

*VSCMG 모드의 결과(Result of VSCMG Mode)

회동 작동의 결과(VSCMG 모드)에서 도 14(a)은 김발 각도 및 속도에 관한 그래프이고, 도 14(b)는 토크 비교에 관한 그래프이고, 도 14(c)는 김발 각도 및 속도에 관한 그래프이고, 도 14(d) 스핀 휠 속도 및 스핀 휠 가속도에 관한 그래프이고, 도 14(e)는 행열식 상태 및 차수 조건에 관한 그래프이다.

VSCMG 모드의 시뮬레이션 결과들이 도 14(a) 내지 도 21(e)에 도시된 바와 같이, 회동에 약 0.5초가 걸림을 확인할 수 있다. CMG 모드에 비해 신속한 안정화 시간(settling time)은 PID 이득(gain)의 미세한 조정과 VSCMG의 휠 가속에 의한 토크에 기인한다. 마찬가지로, 외부 토크에 의한 역 토크가 설계 성능 내에서 생성되고 김발 모터 조건의 제한된 각속도가 충족됨을 볼 수 있다.

CMG 모드와 달리, VSCMG모드에서는 조향 로직에서 최소자승법의 해를 얻는 데 행렬식(determinant)이 0이 되는 특이점(singularity) 조건이 발생됨을 확인하기 위해 도 14(e)에 행렬의 차수(rank)는 도시하였고, 일정하게 유지되는 것을 통해 특이점 조건이 발생하지 않음을 알 수 있다.

**결론(Conclusion)

이 항목에서는 소형 위성을 위한 초소형 가변속 제어모멘트자이로 설계 및 제작에 대한 내용을 다룬다. 이를 위해 기계부 및 전자부를 설계하였고, 각각의 부품 요소 설계 및 선택에 대한 기법을 요약한다. 단일한 CubeCMG는 지속 모드(continuous mode)에서 작동할 때 약 1.2 [W]를 소모하고 공칭 모드(nominal mode)에서 약 1.5 [W]를 소모하여, 설계 요건을 충족시킴을 확인해준다. 설계 결과에 의한 성능표는 표 5에 보인다.

채택된 반응 토크 센서는 다양한 무게 추의 조합으로 검증되었는데, 이는 CubeCMG의 생성된 토크의 측정 및 시험에 적합하다. 또한 회동 작동이 지상 성능 시험으로 검증되었는데, 최소자승법 접근법 및 PID 제어가 적용되었다. 단시간에서의 VSCMG 모드는 효율적이 아니지만, 이는 CMG 모드와 유사한 결과를 보인다.

표 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 CubeCMG 사양이다.

[표 5]

이하에서 상술한 설명 및 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 속도 제어 모멘트 자이로스코프 장치 및 그 제어방법을 설명한다. 상술한 설명은 이하 설명될 자이로 장치에 그대로 적용될 수 있다.

도 15(a) 및 도 15(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 속도 제어 모멘트 자이로스코프 장치의 전체 사시도를 도시한 것이다. 도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자이로 장치의 분해 사시도를 도시한 것이다. 도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자이로 장치의 단면도를 도시한 것이다. 도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이스 본체의 사시도를 도시한 것이다.

이하에서 설명의 편의를 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 '가변 속도 제어 모멘트 자이로스코프 장치'를 '자이로 장치'로 축약하여 지칭하여 설명을 한다. 도 15(a) 내지 도 18을 참조하여 일 실시 예에 따른 자이로 장치(1000)를 설명한다.

일 실시 예에 따른 자이로 장치(1000)는 내부에 격벽(130)으로 구획된 제1 내부공간(110a) 및 제2 내부공간(110b)을 포함하는 케이스(100)를 포함할 수 있다.

케이스(100)는 자이로 장치(1000)의 외형을 형성할 수 있다. 케이스(100)의 외형은 정육면체 형상을 가지되, 외부단자(410a)가 연결되더라도 정육면체 형상의 외부단자(410a)가 돌출되지 않도록 정육면체 형상에서 소정의 체적을 가지는 형상 만큼 제외된 체적을 가질 수 있다.

케이스(100)는 전체적으로 정육면체 형상을 가지는 이유는 소형 위성과 같이 한정된 공간에 복수개의 자이로 장치(1000)들이 설치되기 위하여 정육면체 형상으로 케이스(100)를 형성함으로써, 소형 위성 내부에서 자이로 장치(1000)의 체적을 용이하게 계산할 수 있기 때문이다.

예를 들어, 케이스(100)는 전체적으로 정육면체 형상의 체적(V_T) 에서 소정의 체적(V₂)이 제외된 체적(V₁)을 가지는 형상을 가질 수 있다. 소정 형상의 체적(V₂)은 자이로 장치(1000)에 연결된 외부단자(410a)가 거치되는 외부공간(111)으로 제공할 수 있다. 다시 말해, 외부단자(410a)가 외부공간(111) 내에 배치됨으로써, 외부단자(410a)가 정육면체 형상의 체적(V_T)을 벗어나지 않도록 하여, 자이로 장치(1000)가 위성 내부에 설치될 때 자이로 장치(1000)에 연결되는 외부단자(410a)를 위한 별도 공간이 더 필요한 것을 방지할 수 있다.

소정 형상의 체적(V₂)으로 이뤄진 외부공간(111)은 직육면체 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정될 것은 아니고 정육면체 형상, 구형, 다각면체 등의 다양한 형상을 가지되, 외부단자(410a)가 외부공간(111) 내에 배치될 수 있는 어떠한 형상이라도 무방하다.

다른 방식으로 표현하면, 케이스(100)는 외부에 단턱부를 포함할 수 있으며, 단턱부는 소정 형상의 체적(V2)으로 이뤄진 외부공간(111)을 의미할 수 있다.

도 15(a)에 도시된 직교 좌표계를 기준으로 x축 방향을 우측, y축 방향을 전측, z 축 방향을 상측으로 정의하여 설명을 이어한다.

케이스(100)의 외형은 전면(101a), 후면(101b), 좌면(101c), 우면(101d), 상면(101e), 하면(101f)으로 형성될 수 있다. 나아가 케이스(100)의 외형은 단턱부의 상면(111a) 및 측면(111b)을 더 포함할 수 있다.

전면(101a) 및 하면(101f)는 각각 후면(101b) 및 상면(101e) 보다 작은 면적을 가질 수 있으며, 좌면(101c) 및 우면(101d)는 단턱부가 형성된 부분을 제외한 'ㄱ' 형상을 가질 수 있다.

케이스(100)는 내측에 자이로 장치(1000)를 구동하는 구성요소들이 배치되는 내부공간을 포함할 수 있다. 내부공간은 격벽(130)에 의해서 구획되는 제1 내부공간(110a) 및 제2 내부공간(110b)을 포함할 수 있다(도 17 참조).

제1 내부공간(110a)은 제2 내부공간(110b) 보다 넓은 체적을 가질 수 있다. 제1 내부공간(110a)은 후술할 김발 모터(200), 김발 뭉치(300), 김발 모터 컨트롤러(400)가 배치되는 공간을 제공할 수 있다. 제2 내부공간(110b)는 기어세트(210)가 배치되는 공간을 제공할 수 있다. 제1 내부공간(110a) 및 제2 내부공간(110b)는 직육면체의 형상을 가질 수 있다.

케이스(100)는 일측이 개구된 케이스 본체(120)와 개구된 케이스 본체(120)를 덮는 케이스 덮개(150)를 포함할 수 있다.

케이스 본체(120)는 케이스(100)의 상면, 하면, 좌면, 우면, 후면을 형성할 수 있다. 케이스 덮개(150)는 케이스(100)의 전면 및 단턱부의 상면(111a)을 형성할 수 있다.

격벽(130)은 케이스 본체(120) 및 케이스 덮개(150)에 의해서 형성된 내부공간을 구획한다. 조립 순서로 설명하면, 격벽(130)은 케이스 본체(120)의 개구된 제1 개구부(120a)를 개폐함으로써 제1 내부공간(110a)를 형성하고, 케이스 덮개(150)는 케이스 본체(120)의 제2 개구부(120b)를 개폐함으로써 제2 내부공간(110b)을 형성할 수 있다(도 18 참조).

제2 내부공간(110b) 내부에는 지지판(140) 및 홀센서(141)이 배치될 수 있다.

지지판(140)은 격벽(130)에서 나란하게 소정 거리 이격되어 배치되며, 격벽(130)에서 돌출된 2개의 고정리브들(133a, 133b)에 고정될 수 있다.

지지판(140)은 후술할 감속기어들(210c)의 회전축을 지지할 수 있으며, 후술할 제3 베어링(360e)이 고정될 수 있다.

홀센서(141)는 지지판(140)에 설치되며, 제3 베어링(360e)을 통해서 돌출된 김발 뭉치(300)의 제1 회전축(C1)의 단부의 회전수를 센싱하고, 후술할 김발 모터 프로세서(400)에 센싱 값을 전달할 수 있다. 이로써 김발 모터 프로세서(400)는 센싱된 제1 회전축(C1)의 회전수에 기초하여 김발 뭉치(300)이 회전 속도 및 회전 각속도를 조절할 수 있다.

일 실시 예에 따른 자이로 장치(1000)는 김발 모터(200)를 포함할 수 있다. 김발 모터(200)는 제1 내부공간(110a)에 배치되며, 후술할 김발 뭉치(300)에 회전력을 제공할 수 있다.

김발 모터(200)는 김발 뭉치(300)의 회전 방경에 영향을 주지 않도록 제1 내부공간(110a)의 모서리 영역(120c)에 배치될 수 있다. 김발 모터(200)는 그 회전축 방향으로 길이가 긴 형상을 가질 수 있다. 김발 모터(200)는 제1 내부공간(110a) 내부에서 회전하는 김발 뭉치(300)의 제1 회전축(C1)과 나란한 방향으로 김발 모터(200)의 길이가 긴 형상을 가질 수 있다. 김발 모터(200)의 회전축과 김발 뭉치(200)의 제1 회전축은 나란한 방향으로 형성될 수 있다.

김발 모터(200)의 단부는 케이스 본체(120)의 내부에 형성된 거치부(120d)에 의해서 지지될 수 있다. 거치부(120d)는 케이스 본체(120)의 후면(101b)에서 전방으로 돌출된 형상을 가질 수 있다. 거치부(120d)는 김발 모터(200)의 길이 및 케이스 본체(120)의 너비 길이에 따라서 일정한 두께를 가질 수 있다. 거치부(120d)에 김발 모터(200)의 단부가 지지됨으로써 케이스 본체(120) 내부에서 김발 모터(200)가 유격 없이 설치될 수 있다.

김발 모터(200)의 회전축(220)의 단부는 격벽(130)을 관통하여 제2 내부공간(110b)에 노출된다. 회전축(220)의 단부에 설치된 김발 모터 기어(210a)는 후술할 기어 세트(210)에 포함되어 김발 모터(200)의 회전력을 김발 뭉치(300)에 전달할 수 있다. 김발 모터(200)는 BLDC 모터일 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 자이로 장치(1000)는 김발 모터 컨트롤러(400)을 포함할 수 있다.

김발 모터 컨트롤러(400)는 김발 모터(200), 후술할 스핀 모터(330) 및 스핀 모터 컨트롤러(340)을 제어할 수 있다.

김발 모터 컨트롤러(400)는 케이스 본체(120)의 일면인 하면(101f)과 나란하게 케이스 본체(120)의 제1 내부공간(110a)에 배치될 수 있다. 김발 모터 컨트롤러(400)는 김발 뭉치(300)의 회전에 방해가 되지 않도록 김발 뭉치(300)의 회전 반경이 아닌 제1 내부공간(110a)에 배치될 수 있다.

김발 모터 컨트롤러(400)는 외부단자(410a)와 전기적으로 연결하기 위하여 컨트롤러 소켓(410)에 연결될 수 있다. 컨트롤러 소켓(410)은 김발 모터 컨트롤러(400)가 구비된 보드(420) 상에 형성될 수 있으며, 격벽(130)에 형성된 외부단자홀(131)을 통해서 삽입된 외부단자(410a)와 결합될 수 있다.

도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 격벽, 김발 뭉치, 케이스 본체의 측면을 도시한 것이다. 도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 김발 뭉치의 분해도를 도시한 것이다. 도 21는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기어세트를 도시한 것이다.

도 19를 참조하면, 일 실시 예에 따른 자이로 장치(1000)는 김발 뭉치(300)를 포함할 수 있다. 김발 뭉치(300)는 제1 내부공간(110a) 내부에서 제1 회전축(C1)으로 회전 가능하게 구비될 수 있다.

김발 뭉치(300)의 제1 회전축(C1)은 격벽(130)에 수직하게 배치될 수 있다. 김발 뭉치(300)의 제1 회전축(C1)은 격벽(130) 및 케이스 본체(120)의 후면(101b)에 회전 가능하게 지지될 수 있다. 제1 회전축(360)의 일 단부(360a)는 격벽(130)에 설치되는 제1 베어링(360c)에 회전 가능하게 설치되며, 타 단부(360b)는 후면(101b)에 설치되는 제2 베어링(360d)에 회전 가능하게 설치될 수 있다.

김발 뭉치(300)의 제1 회전축(360)의 단부(360a)는 격벽(130)을 관통하여 제2 내부공간(110b)에 노출될 수 있으며, 제1 회전축(360)의 단부(360a)에 설치된 김발 기어(210b)는 후술할 기어 세트(210)에 포함되어 김발 모터(200)의 회전력을 김발 뭉치(300)에 전달할 수 있다.

김발 뭉치(300)의 제1 회전축(360)의 단부(360a)는 지지판(141)에 설치되는 제3 베어링(360e)에 회전 가능하게 설치될 수 있다. 이로써, 김발 기어(210b)는 제1 베어링(360c) 및 제3 베어링(360e) 사이의 제1 회전축(360)에 설치됨으로서, 김발 기어(210b)로 전달되는 회전력에 의해서 제1 회전축(360)의 축이 이격되는 것을 방지한다.

김발 모터(200)의 회전축(220)의 단부는 격벽(130)을 관통하여 제2 내부공간(110b)에 노출된다. 회전축(220)의 단부에 설치된 김발 모터 기어(210a)는 후술할 기어 세트(210)에 포함되어 김발 모터(200)의 회전력을 김발 뭉치(300)에 전달할 수 있다.

도 20을 참조하면, 김발 뭉치(300)는 지지체(310), 스핀휠(320), 스핀 모터(330), 스핀 모터 컨트롤러(340) 및 슬립링(350)을 포함할 수 있다.

지지체(310)는 상부몸체(310a), 하부몸체(310b), 지지체 회전축(310d)을 포함할 수 있다.

하부몸체(310b)의 양단에 각각의 제1 회전축(C1)의 양 단부(360a, 360b)가 형성될 수 있다. 하부몸체(310b)는 스핀 모터 컨트롤러(340)이 거치될 수 있도록 상측으로 개구되며 내측으로 오목하게 형성된 하부몸체 홈(310bb)을 포함할 수 있다.

상부몸체(310a)는 하부몸체(310b)의 상부에 이격되어 구비되며, 하부몸체(310b) 보다 상측 뷰를 기준으로 적은 면적을 가진다.

지지체 회전축(310d)은 상부몸체(310a) 및 하부몸체(310b) 사이에 연결되며, 상부몸체(310a) 및 하부몸체(310b) 사이를 소정 거리로 이격시킨다. 지지체 회전축(310d)는 각각의 상부몸체(310a) 및 하부몸체(310b)에 회전 가능하게 연결될 수 있다.

스핀휠(320)은 지지체 회전축(310d)에 의해서 관통되어 지지체 회전축(310d)에 고정되어 지지체 회전축(310d)과 함께 회전할 수 있다. 또는 스핀휠(320)은 지지체 회전축(310d)에 의해서 관통되되, 스핀휠(320)만 지지체 회전축(310d)과 별개로 회전 가능하게 형성될 수 있다.

지지체 회전축(310d)를 축으로 회전하는 스핀휠(320)은 제2 회전축(C2)으로 회전할 수 있다. 제2 회전축(C2)은 제1 회전축(C1)에 수직하게 형성된다.

지지체(310)는 회전하는 스핀휠(320)을 보호하고, 하부몸체(310b)로부터 상부몸체(310a)를 소정 거리 이격시켜서 고정하기 위하여 복수의 기둥들(310c)을 포함할 수 있다. 복수의 기둥들(310c)은 상부몸체(310a)와 일체로 형성되어 하부몸체(310b)에 착탈 가능하게 형성될 수 있다.

복수의 기둥들(310c)은 하부몸체(310b)로부터 상부몸체(310a)로 갈수록 제2 회전축(C2)쪽으로 경사진 경사부(310cc)를 포함할 수 있다. 경사부(310cc)는 기둥들(310c)의 상부 단부에 구비될 수 있으며, 이를 통해서 제1 회전축으로 회전하는 김발 뭉치(300)의 회전 체적을 최소화할 수 있다.

하부몸체(310b)의 내측에 거치된 스핀 모터 컨트롤러(340)는 스핀 모터(330)의 회전을 제어한다. 스핀 모터 컨트롤러(340)는 전력을 공급받기 위하여 슬립링(350)과 겹합된다.

슬립링(350)은 회전하는 물체에 전력을 공급하기 위하여 전력선을 연결하는 경우 전력선이 꼬이는 것을 방지하기 위한 장치를 말한다. 슬립링(350)은 하부몸체(310b)에 형성된 제1 회전축(C1)의 단부(360b)의 내측에 형성될 수 있다.

스핀 모터(330)는 지지체(310)의 하부에 결합되며, 스핀휠(320)을 제2 회전축(C2)으로 회전시키는 회전력을 제공할 수 있다. 스핀 모터(330))는 스핀 모터 컨트롤러(340)에 의해서 제어되며, 슬립링(350)을 통해서 공급된 전력으로 회전력을 발생시킨다.

스핀 모터(330)은 하부몸체(310b)의 하부에 결합된다. 스핀 모터(330)의 스핀 코터 회전축(330a)는 하부몸체(310b) 및 스핀 모터 컨트롤러(340)을 관통하여 지지체 회전축(310d)에 연결되고 스핀 모터(330)의 회전력을 지지체 회전축(310d)에 전달할 수 있다. 이 경우 지지체 회전축(310d)과 스핀휠(320)은 일체로 결합되어 있어, 스핀휠(320)은 회전할 수 있다.

다른 예로, 스핀 모터 회전축(310d)이 하부몸체(310b) 및 스핀 모터 컨트롤러(340)을 관통하여 스핀휠(320)에 연결되어 스핀휠(320)을 회전시킬 수 있다.

스핀 모터(330)는 BLDC 모터일 수 있다.

스핀 모터(330)에 의해서 회전하는 스핀휠(320)의 회전 속도는 김발 모터(200)에 의해서 회전하는 김발 뭉치(300)의 회전 속도 보다 빠르게 제어된다.

도 21을 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 자이로 장치(1000)는 기어세트(210)을 포함할 수 있다. 기어세트(210)은 김발 모터(200)의 회전력을 김발 뭉치(300)에 전달하기 위한 복수개의 기어들로 이뤄진다. 기어세트(210)는 김발 모터(200)의 회전 속도를 감속시켜서 김발 뭉치(300)에 전달하기 위한 감속 기어 역할을 가진다.

기어세트(210)은 김발 모터(200)의 회전축(220)에 연결된 김발 모터 기어(210a)와, 김발 뭉치(300)의 제1 회전축(360)의 단부(360a)에 연결된 김발 기어(210b)와, 김발 모터 기어(210a)와 김발 기어(210b) 사이를 연동시키는 적어도 2개의 기어들로 이뤄진 감속 기어들(210c)을 포함할 수 있다.

김발 모터 기어(210a)는 피니언 기어로 구성될 수 있으며, 김발 기어(210b)는 피니언 기어로 구성될 수 있다. 감속 기어들(210c)의 각각 직경이 서로 다른 2개의 피니언 기어들이 동일한 회전축으로 일체로 형성될 수 있다.

기어세트(210)는 제2 내부공간(110b) 내부에 배치될 수 있다. 감속 기어들(210c)은 격벽(130)의 일면과 지지판(140)의 일면에 의해서 각각의 회전축의 양단이 지지되되 회전 가능하게 연결될 수 있다. 감속 기어들(210c)의 각각의 회전축은 격벽(130)에 형성된 축지지 홀들(미도시) 및 지지판(140)의 축지지 홀들(142)에 의해서 삽입되어 고정될 수 있다.

도 22는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 자이로 장치(1000)들이 포함된 전자 장치(2000)의 블록도를 도시한 것이다.

전자 장치(2000)는 소형 위성과 같이 자이로 장치(1000)를 이용하는 장치 이 있다. 전자 장치(2000)에 3축 고도 제어 및 특이점 방지를 위해 적어도 4개의 자이로 장치들이 포함될 수 있다.

도 1 및 도 22을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 적어도 4개의 자이로 장치(1000)들을 포함하는 전자 장치(2000)는, 스핀 모터 컨트롤러(340) 및 김발 모터 컨트롤러(400)에 전기적으로 연결되어 제어하는 메인 컨트롤러(2100)를 포함할 수 있다. 전자 장치(2000)는 외부와 신호를 주고 받을 수 있는 통신부(2200)을 더 포함할 수 있다.

통신부(2200)는 메인 컨트롤러(2100)의 제어를 받으며, 전자장치(2000)의 외부로 신호를 송신하거나 외부로부터 신호를 수신할 수 있다. 통신부(2200)는 수신된 신호를 메인 컨트롤러(2100)에게 전달할 수 있다.

메인 컨트롤러(2100)는 복수의 자이로 장치(1000)들을 제어할 수 있다. 구체적으로 메인 컨트롤러(2100)는 각 자이로 장치(1000)의 김발 모터 컨트롤러(400) 및 스핀 모터 컨트롤러(340)을 제어하여 김발 모터(200) 및 스핀 모터(330)을 제어할 수 있다. 또는 메인 컨트롤러(2100)는 각 자이로 장치(1000)의 김발 모터(200) 및 스핀 모터(330)를 직접적으로 제어할 수 있다.

다만, 메인 컨트롤러(2100)가 고장난 경우 각각의 자이로 장치(1000)는 메인 컨트롤러(2100)의 제어신호가 없더라도 각 자이로 장치(1000)의 김발 모터 컨트롤러(400) 및 스핀 모터 컨트롤러(340)는 김발 모터(200) 및 스핀 모터(330)을 제어할 수 있다.

각 자이로 장치(1000)는 내부에 설치된 관성 센서(inertial sensor)를 이용하여 자이로 장치(1000)의 기울어진 정도를 측정할 수 있으며, 측정된 기울어진 값에 기초하여 김발 모터(200) 및 스핀 모터(330)를 제어할 수 있다.

또한, 메인 컨트롤러(2100)가 고장난 경우라도, 각각의 자이로 장치(1000)는 서로 제어 신호를 주고 받을 수 있다. 각 자이로 장치(1000)는 각 자이로 장치(1000)의 관성 센서에 의해서 센싱된 값을 서로 주고 받음으로써, 각 자이로 장치(1000)들의 역할을 정할 수 있다. 예를 들어, 각 자이로 장치(1000)들은 순번이 매겨져 있으며, 첫 번째 순번의 자이로 장치(1000)의 김발 모터 컨트롤러(400)는 메인 컨트롤러(2100)의 역할을 수행함으로써, 다른 자이로 장치들의 김발 모터 컨트롤러(400) 및 스핀 모터 컨트롤러(340)을 제어할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

1. 격벽으로 구획된 제1 내부공간 및 제2 내부공간을 포함하는 케이스;
   상기 제1 내부공간 내부에서 제1 회전축으로 회전 가능하게 구비된 김발 뭉치;
   상기 제1 내부공간에 배치되며, 상기 김발 뭉치에 회전력을 제공하는 김발 모터;
   상기 제2 내부공간 내부에 구비되며, 상기 김발 모터의 회전력을 상기 김발 뭉치에 전달하기 위하여 상기 김발 모터의 회전축과 상기 김발 뭉치의 제1 회전축을 연동하는 적어도 2개의 기어들로 이뤄진 기어세트를 포함하는 자이로 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 케이스의 외형은 정육면체 형상을 가지되, 외부 단자가 자이로 장치에 연결된 경우 상기 정육면체 형상의 외부로 돌출되지 않도록 하기 위하여 상기 정육면체 형상에서 소정의 체적을 가지는 형상 만큼 제외된 체적을 가지는 것을 특징으로 하는 자이로 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 회전축의 양단은 상기 격벽과 상기 케이스의 일면에 의해서 지지되는 것을 특징으로 하는 자이로 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 김발 모터를 제어하기 위하여 상기 제1 내부공간에 구비된 김발 모터 컨트롤러를 더 포함하는 자이로 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 김발 뭉치는,
   상기 제1 회전축이 구비된 지지체;
   상기 지지체에 상기 제1 회전축과 수직한 제2 회전축으로 회전 가능하게 구비된 스핀휠;
   상기 스핀휠을 상기 제2 회전축으로 회전시키는 스핀 모터; 및
   상기 스핀 모터를 제어하는 스핀 모터 컨트롤러를 포함하는 자이로 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 스핀휠의 평균 회전 속도는 상기 김발 뭉치의 평균 회전 속도 보다 빠른 것을 특징으로 하는 자이로 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 김발 모터는 상기 제1 회전축으로 회전하는 상기 김발 뭉치의 회전 반경에 영향을 주지 않도록 상기 제1 내부공간의 모서리 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 자이로 장치.

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