KR20090070178A - 정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위측정 시스템 및 이의 고장 유무 판단 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위 측정 시스템 및 이의 고장 유무 판단 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이중 차폐 구조의 변위 측정 센서를 구축하여 기존의 시스템에 비하여 정밀도를 향상시킬 수 있고, 써지성 노이즈 등에 견고한 특성을 제공할 수 있으며, 또한 트랜스듀서의 기능을 개선하여 자기베어링의 고장유무 및 고장 위치를 판별할 수 있도록 한 정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위 측정 시스템 및 이의 고장 유무 판단 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 가상 접지를 제공하는 회전자와, 이 회전자의 둘레면과 공극을 사이에 두고 이격 배치되는 4개의 원통형 센서 전극면과; 상기 센서 전극면을 감싸며 그 바깥쪽에 배치되는 가드 전극과; 상기 가드 전극의 바깥쪽에 센싱 신호의 접지를 위해 배치되는 신호 접지면과; 전력접지 역할을 위하여 상기 신호 접지면의 외곽에 배치된 고정자 몸체와; 상기 각 센서 전극면과 센서 전극을 통해 연결되는 트랜스듀서와; 상기 트랜스듀서의 신호를 전송받아 자기베어링을 제어하는 자기베어링 제어기와; 자기베어링의 구동을 위한 자기베어링 드라이버 및 전동기 구동 인버터; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위 측정 시스템 및 이의 고장유무 판단 방법을 제공한다.
자기베어링, 원통형, 반경방향, 변위 측정, 시스템, 고장유무, 센서 전극면, 가드 전극, 신호 전지면, 트랜스듀서, 정전용량

Description

정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위 측정 시스템 및 이의 고장 유무 판단 방법{Capacitance Measuring Displacement Sensor Structure and It's Transducer for Radial Active Magnetic Bearing}
본 발명은 정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위 측정 시스템 및 이의 고장 유무 판단 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이중 차폐 구조의 변위 측정 센서를 구축하여 기존의 시스템에 비하여 정밀도를 향상시킬 수 있고, 써지성 노이즈 등에 견고한 특성을 제공할 수 있으며, 또한 트랜스듀서의 기능을 개선하여 자기베어링의 고장유무 및 고장 위치를 판별할 수 있도록 한 정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위 측정 시스템 및 이의 고장 유무 판단 방법에 관한 것이다.
자기베어링의 제어를 위한 궤환 센서로는 누설자속 센서, 인덕티브 센서, 정전용량 센서 등이 많이 사용되고 있으며, 특히 정전용량 센서는 자기장 노이즈 등에 강한 장점을 가지는 바, 그 중에서 원통형 정전 용량 센서는 회전자의 형상 오 차를 줄일 수 있는 장점이 있으므로, 자기 베어링과 같은 회전체에서는 더 적합하게 적용될 수 있다.
정전 용량을 이용하는 종래의 원통형 정전용량 변위 센서 구조는 첨부한 도 1에 도시된 바와 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 정전용량을 이용하는 기존의 원통형 자기베어링 변위 측정 센서는 4개의 원통형 센서 전극면(110,111,112,113)과, 이 센서 전극면들을 감싸는 가드전극(120)과, 가상 접지 역할을 하는 회전자(200) 및 센서 신호의 접지 역할을 하는 고정자 몸체(300)로 구성된다.
상기 각 센서 전극면(110,111,112,113) 및 가드 전극(120)은 몰딩수단(140: 예를 들어, 에폭시 수지 등)에 의하여 상기 고정자 몸체(300)의 내경에 일체로 고정된 상태가 되고, 동시에 상기 각 센서 전극면의 내표면은 상기 회전자(200)와 일정한 거리로 유지된 상태가 된다.
이때, 상기 각 센서 전극면(110,111,112,113)에는 센서 전극(160)이 연결되고, 각 센서 전극(160)은 트랜스듀서(500)에 신호 전달 가능하게 연결되어 있다.
또한, 상기 트랜스듀서(500)의 신호를 전송받아 자기베어링을 제어하는 자기베어링 제어기(600)가 트랜스듀서(500)의 출력측에 연결되어 있고, 상기 자기베어링 제어기(600)의 출력측에는 자기베어링의 구동을 위한 자기베어링 드라이버(700)가 신호 전송 가능하게 연결되어 있다.
한편, 도 1에서 미설명 부호 800은 전동기 구동 인버터를 지시한다.
이러한 종래의 원통형 정전용량 변위 센서 구조에 있어서, 상기 회전기 고정 자 몸체(300)가 각 센서 전극면(110,111,112,113) 및 센서 전극(160)에 의한 센싱 신호의 접지 역할을 하게 되면, 트랜스듀서(500)와 센서 전극(160) 사이의 누설이 적어서 센서 측정의 정밀도가 향상되는 장점이 있지만, 센싱 신호 접지와 전력 접지(310)가 동일하게 고정자 몸체(300)에서 이루어지므로, 자기베어링을 포함하는 회전기 시스템을 구성하고 있는 전동기 구동 인버터(700), 자기베어링 드라이버(800), 회전기(미도시됨), 전력용 변압기 및 필터(미도시됨), 정류기(미도시됨), 접지선(미도시됨) 등에 의한 노이즈에 취약한 단점이 있다.
상기한 종래의 원통형 정전용량 변위 센서의 센싱 동작을 간략히 살펴보면, 회전기 고정자 몸체(300)의 접지를 기준으로 각 센서 전극면(110,111,112,113)과 가드전극(120)에 수십 kHz ~ 수천 kHz의 펄스성 전압을 인가하여, 각 센서 전극(110,111,112,113)과 가상 접지를 이루는 회전자(200) 사이의 공극(150)에 충방전 전류를 발생시킴으로써, 이때 발생하는 방전 전류를 측정하여 정전 용량을 구한다.
이러한 고속의 스위칭 기법을 통하여 대역폭이 높은 변위 측정 결과를 얻을 수 있지만, 트랜스듀서(500)를 구성하는 스위치 소자 및 그 내부 구성품에 대해서는 큰 스트레스로 작용한다.
특히, 고정자 프레임 즉, 고정자 몸체(300)의 접지는 산업 현장에서 타 회전기나 전력변환 장치 등에 공통으로 연결되는 전력 접지에 연결되어 있으므로, 항상 써지성 노이즈에 노출되는 바, 이러한 써지성 노이즈에 의하여 상기 트랜스듀서(500)내의 각 구성품이 파괴되거나 오작동을 하여, 결국 정확한 변위 측정을 할 수 없게 되어 자기베어링 시스템을 불안정하게 만들 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 변위 측정 센서가 갖는 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 가상 접지를 제공하는 회전자와, 이 회전자의 둘레면과 이격되는 센서 전극면과, 이 센서 전극면을 감싸며 배치되는 가드 전극과, 이 가드 전극의 바깥쪽에 센싱 신호의 접지를 위해 배치되는 신호 접지면으로 구성하여, 센싱 신호가 노이즈가 통과하는 전력접지라인과 전기적으로 끊어지도록 함으로써, 전체 회전기 시스템에 수반되는 인버터, 회전기, 자기베어링 드라이버 등으로부터 전달되는 노이즈 영향을 격감시킬 수 있고, 또한 변위 측정을 위한 트랜스듀서의 기능 구조에 있어서, 4개의 센서에서 측정된 정전용량 값이 오프셋 조정기를 거쳐서 DC 성분이 제거된 후, 차분 증폭되어 비교됨으로써, 센서의 정밀도를 향상 시킬 수 있도록 한 정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위 측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 트랜스듀서의 기능을 개선하여, 45° 회전 변환 관계에 있는 두 좌표축에서 측정되는 변위 측정 결과를 비교하도록 함으로써, 자기베어링 센서의 고장 유무 및 고장 위치를 용이하게 파악할 수 있는 정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위 측정 시스템의 고장 유무 판단 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일구현예는:
가상 접지를 제공하는 회전자와; 상기 회전자의 둘레면과 공극을 사이에 두고 이격 배치되는 4개의 원통형 센서 전극면과; 상기 센서 전극면을 감싸며 그 바깥쪽에 배치되는 가드 전극과; 상기 가드 전극의 바깥쪽에 배치되어 센서 전극면과 가드전극면을 감싸서 측정 신호의 기준을 제시하는 신호 접지면과; 전력소자의 접지 역할을 하는 상기 신호 접지면의 외곽에 배치된 고정자 몸체와; 상기 각 센서들의 센서전극, 가드전극, 신호접지와 쉴드된 케이블로 연결되는 트랜스듀서와; 상기 트랜스듀서의 신호를 전송받아 자기베어링을 제어하는 자기베어링 제어기와; 자기베어링의 구동을 위한 자기베어링 드라이버 및 전동기 구동 인버터; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위 측정 시스템을 제공한다.
바람직한 일 구현예로서, 상기 트랜스듀서는: 상기 각 센서 전극면과 회전자 사이의 정전용량을 측정한 검출신호를 전송받아 실제 정전용량을 측정하는 정전용량측정회로와; 측정된 정전용량의 DC 성분을 제거하는 오프셋 조정기와; DC 성분이 제거된 각 정전용량의 4방향 변위 정보를 차분 증폭시키는 차분 증폭기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직한 일 구현예로서, 상기 트랜스듀서의 신호 접지 라인과, 상기 고정자 몸체와 연결되는 전력 접지 라인간에는 저역통과필터 및 노치필터가 연결된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 4개의 원통형 센서 전극면과 회전자 사이의 정전용량을 검출하는 단계와; 검출된 정전용량 측정신호를 기반으로 실제 정전용량을 정전용량측정회로에서 산출하는 단계와; 산출된 정전용량의 DC 성분을 오프셋 조정기에서 제거하는 단계와; DC 성분이 제거된 정전용량의 4방향 변위 정보를 차분 증폭기에서 차분 증폭시키는 단계와; 상기 차분 증폭기에서 차분 증폭되어 구해진 4방향의 변위 정보(X 1, Y 1, X 2, Y 2)로부터 원하는 방향으로의 변위 정보를 추출하여, 45°회전 변환관계에 있는 두 좌표축에서 측정되는 변위값 [X 1, Y 1] T 및 [X 2, Y 2] T 를 비교하는 단계; 를 통하여 자기베어링 센서의 고장 유무 및 고장 위치를 판별할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위 측정 시스템의 고장 유무 판단 방법을 제공한다.
바람직한 다른 구현예로서, 45°회전 변환관계에 있는 두 좌표축에서 측정되는 상기 변위값 [X 1, Y 1] T 및 [X 1, Y 1] T 은 아래의 수식1 및 수식2로부터 구해지는 것을 특징으로 한다.
- 수식1 -
Figure 112007093531305-PAT00001
- 수식2 -
Figure 112007093531305-PAT00002
위의 수식1에서 C 1, C 2, C 3, C 4는 각각의 센서에서 측정된 정전용량을 나타내고, 상기 X 1, Y 1은 X 1-Y 1 좌표계에서 본 회전자(200)의 변위이며, 상기 X 2, Y 2는 X 2-Y 2 각 축 방향으로의 회전자 변위를 나타낸다.
위의 수식2는 상기 변위 [X 1, Y 1] T 를 X 2-Y 2 좌표계에서 본 값 [X' 1, Y' 1] T 를 나타낸다.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 수식1 및 수식2에 의거, [X' 1, Y' 1] T 의 값과 [X 2, Y 2] T 의 값이 아주 작은 오차를 가지면서 일치하면 센서를 정상 상태로 판별하고, 큰 오차를 가지면서 불일치한 경우에는 특정 센서가 고장난 것으로 판별하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
기존의 정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위 측정 시스템에 비하여, 측정 정밀도를 향상시키고, 노이즈 등에 견고하며, 고장에 대한 신뢰성을 제공할 수 있다.
즉, 가상 접지를 제공하는 회전자와, 센서 전극면, 가드 전극면, 센싱 신호의 접지를 위한 신호 접지면으로 구성되는 센서 구조를 통하여, 노이즈가 통과하는 전력접지와 전기적으로 끊어지도록 함으로써, 시스템을 구성하고 있는 인버터, 회전기 등으로부터 전달되는 노이즈에 강건하게 견딜 수 있는 장점을 제공한다.
또한, 각 센서 전극면과 연결된 트랜스듀서의 기능 구조에 있어서, 4개의 센서에서 측정된 정전용량 값이 오프셋 조정기를 그쳐서 DC 성분이 제거된 후, 차분 증폭되어 비교됨으로써, 센서의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 45°회전 변환 관계에 있는 두 좌표축에서 측정되는 변위 측정 결과를 비교함으로써, 자기베어링 센서의 고장 유무 및 고장 위치를 용이하게 파악할 수 있다.
결국, 본 발명의 정전용량을 이용하는 원통형 반경방향 변위 센서 시스템은 변위 센서 시스템의 정밀도를 향상시키고, 써지 등의 노이즈에 견고하며, 센서 고장에 대한 신뢰도를 증가시킴으로써, 궁극적으로는 자기베어링 시스템의 확대 보급에 이바지할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
주지된 바와 같이, 정전용량을 이용하는 원통형 반경방향 변위 측정 센서 및 이와 연결된 트랜스듀서는 자기베어링의 제어기에 회전자의 변위 정보를 궤환시켜 자기베어링 시스템을 안정화시키는 중요한 역할을 한다.
자기베어링 시스템의 신뢰성 및 성능을 위하여, 변위 측정 센서 및 트랜스듀서는 높은 변위 정밀도, 고장에 대한 높은 신뢰성 및 노이즈에 견딜 수 있는 강인한 특성을 요구하고, 또한 높은 변위 정밀도를 가지면서 노이즈에 강건한 센서 구조 및, 센서의 고장 유무 및 고장 위치를 용이하게 파악할 수 있는 점이 요구된다.
이에, 본 발명의 첫번째 관점은 가드 전극의 바깥쪽에 센싱 신호의 접지를 위해 배치되는 신호 접지면으로 구성하여, 센싱 신호가 노이즈가 통과하는 전력접지라인과 전기적으로 끊어지도록 함으로써, 전체 회전기 시스템에 수반되는 인버터, 회전기, 자기베어링 드라이버 등으로부터 전달되는 노이즈 영향을 격감시킬 수 있도록 한 점에 있다.
본 발명의 두번째 관점은 4개의 센서 전극면을 가지는 2차원 변위 센서에서는 단 1개의 센서에 고장이 발생하더라고, 자기베어링의 궤환에 영향을 미쳐서 시스템을 불안정하게 하고, 고장에 대한 신뢰성을 향상시키기 위해 부가적인 센서를 추가하는 것은 센서 시스템 가격을 상승시키는 요인이 되는 점을 감안하여, 센서의 부가적인 추가 없이 스스로 고장 진단을 하는 센서 시스템을 제공하고자, 트랜스듀 서의 기능 로직을 개선하여 4개의 센서 전극면을 가지는 2차원 변위 센서에 의하여 검출된 정보 즉, 4개의 센서판(센서 전극면)과 회전축(회전자)사이의 정전용량 정보로부터, 45°간격으로 벌어진 두 직교좌표계에서 변위를 구하고, 각 좌표축에서 얻은 측정값을 비교함으로써, 자기베어링 센서의 고장 유무 및 고장위치를 판단할 수 있도록 한 점에 있다.
이를 위한 본 발명의 시스템으로서, 정전 용량을 이용하는 원통형 반경 방향 변위 측정 센서 및 트랜스듀서를 포함하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위 측정 시스템 구성은 첨부한 도 2에 도시된 바와 같다.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 원통형 자기베어링 변위 측정 센서는 가상 접지를 제공하는 회전자(200)와, 이 회전자의 둘레면과 공극(150)을 사이에 두고 이격 배치되는 4개의 원통형 센서 전극면(110,111,112,113)과, 이 센서 전극면(110,111,112,113)을 감싸며 그 바깥쪽에 배치되는 가드 전극(120)과, 이 가드 전극의 바깥쪽에 센싱 신호의 접지를 위해 배치되는 신호 접지면(130)과, 전력접지 역할을 위하여 상기 신호 접지면(130)의 외곽에 배치된 고정자 몸체(300)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 각 센서 전극면(110,111,112,113) 및 가드 전극(120), 그리고 신호 접지면(130)은 몰딩수단(140: 예를 들어, 에폭시 수지 등)에 의하여 상기 고정자 몸체(300)의 내경에 일체로 고정된 상태가 되고, 동시에 상기 각 센서 전극면의 내표면은 공극(150)을 사이에 두고 상기 회전자(200)와 일정한 거리로 유지된 상태가 된다.
또한, 상기 각 센서 전극면(110,111,112,113)에는 센서 전극(160)이 연결되고, 각 센서 전극(160)은 트랜스듀서(500)와 신호 전달 가능하게 연결된다.
또한, 상기 트랜스듀서(500)의 신호를 전송받아 자기베어링을 제어하는 자기베어링 제어기(600)가 트랜스듀서(500)의 출력측에 연결되고, 상기 자기베어링 제어기(600)의 출력측에는 자기베어링의 구동을 위한 자기베어링 드라이버(800)가 신호 전송 가능하게 연결되며, 도 2에서 미설명 부호 700은 전동기 구동 인버터를 지시한다.
이러한 본 발명의 변위 측정 시스템 구성에 있어서, 전력 전원과 신호 전원이 서로 분리되므로 완전한 의미의 비접촉을 이룰 수가 있어서, 서지 형태의 외부 노이즈 등의 외란에 안정적이고 견고한 장점을 제공할 수 있다.
즉, 기존에 전력 전원 및 신호 전원의 접지가 동일하게 고정자 몸체(300)에서 이루어지던 것과 달리, 상기 각 센서 전극면(110,111,112,113)의 접지가 신호 접지면(130)에서 이루어짐에 따라, 전력 전원과 신호 전원이 서로 분리되므로 완전한 의미의 비접촉을 이루게 되어, 결국 전체 회전기 시스템 구성에 포함된 인버터, 회전기, 자기베어링 드라이버 등으로부터 전력접지 라인으로 전달되는 노이즈 영향으로부터 벗어날 수 있게 된다.
또한, 상기 트랜스듀서(500)의 신호 접지와, 회전기의 고정자 몸체(300)와 연결되는 전력 접지를 필터(311: 저역통과 및 노치필터)를 통해 서로 연결시킴으로써, 트랜스듀서의 측정 동작을 용이하게 하면서, 써지 등의 노이즈가 트랜서듀서(500)로 전달되는 것을 차단시킬 수 있다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 정전 용량을 이용하는 원통형 반경 방향 변위 측정 센서와 연결된 트랜스듀서의 기능 블록도로서, 상기 트랜스듀서(500)는 4개의 원통형 센서 전극면(110,111,112,113)과 회전자(200) 사이의 정전용량을 측정한 정전용량 변위센서(100)의 검출신호 즉, 센서 전극면(110,111,112,113) 및 센서전극(160)로부터 전송된 정전용량 측정신호를 기반으로 실제 정전용량을 측정하는 정전용량측정회로(510)와; 정전용량의 DC 성분을 제거하는 역할을 수행하도록 한 오프셋 조정기(520)와; 4방향 변위 정보를 차분 증폭시키는 차분 증폭기(530)를 포함하여 구성되어 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위 측정 시스템은 센서 전극면(110,111,112,113) 및 가드 전극면(120), 그리고 신호 전극면 즉, 신호 접지면(130)을 포함하여 구성되는 바, 보통 센서 전극면(110,111,112,113)과 회전자(200) 사이의 정전용량이 수 pF ~ 수 백 pF이 되도록 설계한다.
바람직하게는, 상기 회전자(200)의 움직임에 따라 변화하는 정전용량의 변화량이 수백 fF ~ 수 십 pF 이하가 되도록 설계하는 것이 보통이다.
한편, 본 발명의 변위 측정 시스템에서 차분 증폭 회로를 이용하는 차분 증폭기(530)를 사용하기 때문에, 최종 측정되는 변위는 정전용량 자체가 아니라 정전용량의 변화량에 비례한다.
따라서, 정밀한 변위 정보를 얻기 위해서는 측정된 전하량에서 상대적으로 큰 값을 가지는 DC 성분을 제거하고, 회전자 변위에 비례하는 교류 성분만을 추출 할 필요가 있다.
이러한 교류 성분만을 추출하기 위하여, 상기 오프셋 조정기(520)는 정전용량의 DC 성분을 제거하는 역할을 수행한다.
상기 차분 증폭기(530)에서 차분 증폭되어 구해진 4방향의 변위 정보(X 1, Y 1, X 2, Y 2)로부터 원하는 방향으로의 변위 정보를 추출하고, 이 변위 정보는 고장 진단 기능을 하는 센서 출력단(540)으로 출력되어, 45°회전 변환관계에 있는 두 좌표축에서 측정되는 변위값 [X 1, Y 1] T 및 [X 2, Y 2] T 를 비교함으로써, 자기베어링 센서의 고장 유무 및 고장 위치를 판별할 수 있다.
여기서, 자기 베어링 센서의 고장 유무 및 고장 위치를 판별하는 로직에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 4는 자기베어링 센서의 고장 유무 및 고장 위치를 판별할 수 있는 센서 출력단 로직의 개념도이다.
45°회전 변환관계에 있는 두 좌표축에서 측정되는 상기 변위값 [X 1, Y 1] T 및 [X 1, Y 1] T 은 아래의 수식으로부터 구해진다.
Figure 112007093531305-PAT00003
단, 위의 수식에서 C 1, C 2, C 3, C 4는 각각의 센서에서 측정된 정전용량을 나타낸다.
상기 X 1, Y 1은 X 1-Y 1 좌표계에서 본 회전자(200)의 변위이고, 상기 X 2, Y 2 는 X 2-Y 2 각 축 방향으로의 회전자 변위를 나타낸다.
이때, 변위 [X 1, Y 1] T 를 X 2-Y 2 좌표계에서 본 값 [X' 1, Y' 1] T 는
Figure 112007093531305-PAT00004
이 된다.
위의 수식에 의거, 센서가 정상 상태일 경우에는 [X' 1, Y' 1] T 의 값과 [X 2, Y 2] T 의 값이 아주 작은 오차를 가지면서 일치하지만, 특정 센서가 고장났을 경우에는 그 값이 상당한 오차를 가지면서 틀리게 되어, 각 센서의 고장 위치 및 고장 유무를 판변할 수 있게 된다.
여기서, 상기한 4개의 원통형 센서 전극면(110,111,112,113)과 회전자(200) 사이의 정전용량을 측정하는 정전용량 측정회로(510)의 동작원리를 첨부한 도 5를 참조로 살펴보면 다음과 같다.
도 5는 각 센서 전극면(110,111,112,113)과 가드 전극면(120)에 인가되는 전압 패턴 및 그 때 발생하는 충/방전 전류의 패턴을 나타내며, 샘플 주기 T 는 정전용량의 크기에 비례한다.
그 동작원리를 설명하면, 각 센서 전극면(110,111,112,113)과 가드 전극면(120)에 동시에 DC 전압을 인가시켜서, 센서 전극면(110,111,112,113)과 가상 접지로 작용하는 회전자(200) 사이의 공극(150)에 균일한 밀도의 정전계가 형성되도록 한다.
이에, 정전계가 완전히 형성된 일정한 시간 후, 상기 가드 전극면(120)을 신호 접지면(130)과 단락시켜서, 가드 전극면에 쌓인 전하량을 0으로 만든다.
그런 후에, 센서 전극면(110,111,112,113)과 신호 접지면(130)를 단락시키는 바, 이때 센서 전극면(110,111,112,113)에 쌓인 전하량을 검출하여 정정용량을 구하게 되며, 이 전하량의 검출은 방전되는 전류를 적분하여 구할 수 있다.
첨부한 도 6은 본 발명에 따른 정전 용량을 이용하는 반경 방향 변위 측정 시스템 구성중 트랜스듀서의 내부 블록도에 대한 일 실시예로서, 회로도를 나타낸다.
상기 트랜스듀서(500)는 4개의 원통형 센서 전극면(110,111,112,113)과 회전자(200) 사이의 정전용량을 측정한 정전용량 변위센서(100)의 정전용량 측정신호를 기반으로 정전용량을 측정하는 정전용량 측정회로(510)와; 정전용량의 DC 성분을 제거하는 역할을 수행하도록 한 오프셋 조정기(520)와; 4방향 변위 정보를 차분 증폭시키는 차분 증폭기(530)를 포함하여 구성되며, 정전용량 측정회로(510)중 방전 전류를 적분하는 회로는 OP-Amp를 이용하는 적분기를 이용하고, 상기 오프셋 조정기(520)는 OP-Amp의 반전증폭회로를 이용하며, 또한 차분 증폭기(530)도 OP-Amp를 이용하여 구성한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 정전용량을 이용하는 원통형 반경방향 변위 센서 시스템은 센싱 신호의 접지를 별도로 분리하여 센싱 신호의 정밀도를 향상시키고, 써지 등의 노이즈에 견고하게 견딜 수 있으며, 또한 트랜스듀서의 기능을 새롭게 개선하여 자기베어링 센서의 고장유무를 용이하게 판별 가능하여 고장에 대한 신뢰도를 증가시킬 수 있다.
도 1은 정전용량을 이용하는 기존의 원통형 자기베어링의 변위 측정 시스템을 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 정전 용량을 이용하는 원통형 반경 방향 변위 측정 시스템을 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 정전 용량을 이용하는 원통형 반경 방향 변위 측정 시스템 구성중 트랜스듀서의 기능 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 정전 용량을 이용하는 원통형 반경 방향 변위 측정 시스템 구성중 자기베어링 센서의 고장 유무 및 고장 위치를 판별할 수 있는 로직을 설명하는 개념도,
도 5는 본 발명에 따른 정전 용량을 이용하는 원통형 반경 방향 변위 측정 시스템 구성중 트랜스듀서의 정전용량 측정회로 동작원리로서, 각 센서 전극면과 가드 전극면에 인가되는 전압 패턴 및 충/방전 전류 패턴을 나타내는 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 정전 용량을 이용하는 원통형 반경 방향 변위 측정 시스템 구성중 트랜스듀서에 대한 구성예를 나타내는 회로도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110,111,112,113 : 센서 전극면 120 : 가드 전극
130 : 신호 접지면 140 : 몰딩수단
150 : 공극 160 : 센서 전극
200 : 회전자 300 : 고정자 몸체
311 : 필터(저역통과필터 및 노치필터)
500 : 트랜스듀서 510 : 정전용량 측정회로
520 : 오프셋 조정기 530 : 차분 증폭기
540 : 센서 출력단 600 : 자기베어링 제어기
700 : 전동기 구동 인버터 800 : 자기베어링 드라이버

Claims (6)

  1. 가상 접지를 제공하는 회전자와;
    상기 회전자의 둘레면과 공극을 사이에 두고 이격 배치되는 4개의 원통형 센서 전극면과;
    상기 센서 전극면을 감싸며 그 바깥쪽에 배치되는 가드 전극과;
    상기 가드 전극의 바깥쪽에 배치되어 센서 전극면과 가드전극면을 감싸서 측정 신호의 기준을 제시하는 신호 접지면과
    전력소자의 접지 역할을 하는 상기 신호 접지면의 외곽에 배치된 고정자 몸체와;
    상기 각 센서들의 센서전극, 가드전극, 신호접지와 쉴드된 케이블로 연결되는 트랜스듀서와;
    상기 트랜스듀서의 신호를 전송받아 자기베어링을 제어하는 자기베어링 제어기와;
    자기베어링의 구동을 위한 자기베어링 드라이버 및 전동기 구동 인버터;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위 측정 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 트랜스듀서는:
    상기 각 센서 전극면과 회전자 사이의 정전용량을 측정한 검출신호를 전송받아 실제 정전용량을 측정하는 정전용량측정회로와;
    측정된 정전용량의 DC 성분을 제거하는 오프셋 조정기와;
    DC 성분이 제거된 각 정전용량의 4방향 변위 정보를 차분 증폭시키는 차분 증폭기;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위 측정 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 트랜스듀서의 신호 접지 라인과, 상기 고정자 몸체와 연결되는 전력 접지 라인간에는 저역통과필터 및 노치필터가 연결된 것을 특징으로 하는 정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위 측정 시스템.
  4. 4개의 원통형 센서 전극면과 회전자 사이의 정전용량을 검출하는 단계와;
    검출된 정전용량 측정신호를 기반으로 실제 정전용량을 정전용량측정회로에서 산출하는 단계와;
    산출된 정전용량의 DC 성분을 오프셋 조정기에서 제거하는 단계와;
    DC 성분이 제거된 정전용량의 4방향 변위 정보를 차분 증폭기에서 차분 증폭 시키는 단계와;
    상기 차분 증폭기에서 차분 증폭되어 구해진 4방향의 변위 정보(X 1, Y 1, X 2, Y 2)로부터 원하는 방향으로의 변위 정보를 추출하여, 45°회전 변환관계에 있는 두 좌표축에서 측정되는 변위값 [X 1, Y 1] T 및 [X 2, Y 2] T 를 비교하는 단계;
    를 통하여 자기베어링 센서의 고장 유무 및 고장 위치를 판별할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위 측정 시스템의 고장 유무 판단 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    45°회전 변환관계에 있는 두 좌표축에서 측정되는 상기 변위값 [X 1, Y 1] T 및 [X 1, Y 1] T 은 아래의 수식1 및 수식2로부터 구해지는 것을 특징으로 하는 정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위 측정 시스템의 고장 유무 판단 방법.
    - 수식1 -
    Figure 112007093531305-PAT00005
    - 수식2 -
    Figure 112007093531305-PAT00006
    위의 수식1에서 C 1, C 2, C 3, C 4는 각각의 센서에서 측정된 정전용량을 나타내고, 상기 X 1, Y 1은 X 1-Y 1 좌표계에서 본 회전자(200)의 변위이며, 상기 X 2, Y 2는 X 2-Y 2 각 축 방향으로의 회전자 변위를 나타낸다.
    위의 수식2는 상기 변위 [X 1, Y 1] T 를 X 2-Y 2 좌표계에서 본 값 [X' 1, Y' 1] T 를 나타낸다.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 수식1 및 수식2에 의거, [X' 1, Y' 1] T 의 값과 [X 2, Y 2] T 의 값이 아주 작은 오차를 가지면서 일치하면 센서를 정상 상태로 판별하고, 큰 오차를 가지면서 불일치한 경우에는 특정 센서가 고장난 것으로 판별하는 것을 특징으로 하는 정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위 측정 시스템의 고장 유무 판단 방법.
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