한밭대 김석균 교수 연구팀, Scientific Reports 논문 게재
하이브리드 타입 스테핑 모터에 관한 제어기술 개발
홍대인 | 기사입력 2022-09-30 11:09:38
[대전타임뉴스=홍대인 기자] 국립 한밭대학교(총장 직무대리 오영식) 창의융합학과 김석균 교수 연구팀은 하이브리드 타입 스테핑 모터에 대한 제어기술을 개발해 세계적 과학 저널 네이처(Nature)가 출간하는 학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 논문을 게재했다고 30일 밝혔다.

해당 기술의 주요 특징은 새로운 상태추정과 제어기술 개발을 통한 전류 센서 미의존형 폐루프 성능 향상이다.

전류 센서는 다른 센서에 비해 가격이 매우 비싸고, 전류 센서를 사용하기 위한 전류 신호의 Analog-to-digital conversion(ADC)와 센서 정보의 Calibration 과정에 많은 시간과 인적 자원이 소요된다는 단점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 기존 루엔버거(Luenberger)형 상태 추정기술이 적용되었으나, 이는 모터의 실시간 전기적/기계적 파라미터 참값을 요구하므로 추정 정확도가 떨어지며, 마이크로프로세서에 상당한 연산량 증가를 요구한다.

연구팀은 이를 보완하고자 모터 모델 독립형 상태 추정기술을 개발하여 가속도를 정확히 추정하고, 추정 정확성을 이론적으로 증명하고 실험을 통해 검증했다.

이렇게 얻은 추정치는 전류 측정을 대체하여 ADC 과정을 제거해 ADC 과정에 필요한 인력과 재료비용 소요의 단점을 해소했다.

또한 해당 연구는 새로운 제어기술 개발로 폐루프 성능 향상을 가져와 기존 산업계에서 주로 사용되었던 비례-적분(Proportional-Integral, PI) 제어와 간단한 보상기 결합형 PI 제어의 성능 하락 문제를 해결할 수 있음을 확인했다.

연구과정은 전통적인 영-극점 상쇄 기술에서 아이디어를 얻어 능동 댐핑 주입을 통해 가상 영점을 생성하여 극점을 상쇄함으로써 높은 상태 추정기와 폐루프 시스템 차수를 1로 줄이고 튜닝 과정을 간소화했다.

그리고 반복적인 비교 및 최적화 연산이 불필요하며 간단한 형태의 제어 루프 지능화 기술 개발로 출력신호의 입력신호에 대한 증폭 비율을 나타내는 이득이 가변되고 정상상태에서는 낮은 이득으로 상대 안정도 향상 가능성을 살폈다.

저용량 하이브리드 타입 스테핑 모터와 상용 드라이버 및 32비트 제어보드를 통해 각도 추종 및 안정화 성능 개선을 보였고, 대용량 시스템에서는 더욱 큰 성능 향상이 기대된다.

한편 연구팀은 이번에 개발한 신기술을 더욱 발전시켜 3상 모터 적용을 계획하고 있으며 특허 출원을 통해 기술이전도 추진할 예정이다. 그리고 이 과정에 참여한 대학원생은 우수한 R&D 인재로 우수 기업 취업도 기대하고 있다.

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