능동 자기베어링은 전기적으로 제어되는 전자기력을 이용하여 기계적 접촉이 없이 회전체를 지지하는 전기기계 장치이다. 이에 따라 회전시 마찰이나 마모가 없고, 윤활이 불필요하며, 기존의 베어링 보다 매우 높은 속도로 회전이 가능하고, 유지 보수가 거의 필요없으며, 극한 환경에서도 사용이 가능하다. 한편 전기적으로 능동 제어를 함으로써 초정밀 회전 및 미소 변위제어가 가능하고, 베어링의 강성 및 감쇠를 임으로 조절 가능하며, 회전체 계의 운전 상황을 지능적으로 감시할 수 있다. 이는 회전체의 공진점을 안정되게 지나거나 불균형력등에 의한 진동을 효과적으로 제어할 수 있도록 한다.
능동 자기베어링은 주로 자체로써 회전체를 지지하고 진동을 제어하는 기능을 하지만 경우에 따라서는 기존의 베어링과 함께 사용되어 회전체 계의 진동을 제어하는 역할을 하기도 한다. 자기베어링의 성능을 최대한 활용하기 위해서는 응용되는 계에 적합하도록 베어링이 설계되어야 하며, 회전체 계에 적합한 제어기가 선정되어야 하고, 제작 후에는 계의 동특성을 규명하여 시스템의 특성이 설계 상태와 일치하는지 확인 하는 것이 필요하다.
본 연구에서는 비등방 자기베어링 계에 대한 새로운 개념의 제어 방법으로 복소 상태공간에서의 등방 최적제어 방법을 제안하였으며 이를 능동 자기베어링의 제어에 적용하였다. 전체 자기베어링 계의 동특성을 정확히 예측하고 효과적인 제어기를 설계 하기 위하여 해석 및 실험을 통한 모형화를 수행하였다. 정밀 자기베어링을 구현하기 위한 필수적인 과정으로 피 측정체의 진원도 불량에 의한 주기적인 오차신호를 운전 상황에서 규명하고 보상하는 방법을 제시하였다.
자기베어링 계의 해석 및 제어를 위한 기본적인 단계로 자기베어링-회전체 계의 운동 방정식을 해석적인 모형으로부터 도출하였다. 1축 자기베어링의 전달함수에서 기본적인 안정영역 및 제어이득에 따른 주파수 응답특성 변화와 베어링의 등가 강성 및 감쇠 계수의 변화를 고찰하였다. 또한 4축 능동 자기베어링-회전체 계에 대한 운동 방정식에 복소 표기법을 도입하여 재 구성하고 베어링의 등방성에 대한 조건을 고찰을 하였다.
자기베어링의 제어기 설계에 정확한 모형을 제공하기 위하여 전자기 작동기의 전압과 전자기력 사이의 동특성을 실험적으로 추정하는 방법을 제안하였다. 이는 자기베어링의 개방 제어 방법에 의한 불균형력 보상기법을 이용한 것으로, 불균형 력과 그 보상 전압 사이의 관계로부터 전자기 작동기의 동특성을 추정한다. 실험을 통해 추정한 작동기의 동특성을 이용해 자기베어링의 등가 강성 및 감쇠 계수를 구하였다. 또한 계산된 베어링 상수를 이용하여 자기베어링 계의 고유진동수를 계산하고 이를 실험적 모드해석으로부터 구한 것과 비교한 결과 제안된 방법이 전자기 작동기의 동특성을 잘 추정함을 알 수 있었다.
정밀 자기베어링을 구현하기 위하여 확장된 영향 계수법을 이용한 피 측정체의 기계적, 전자기적 진원도 불량을 운전 상황에서 규명, 제거하는 방법을 제안 하였다. 이 방법은 피 측정체의 진원도 불량을 측정하기 위하여 다른 장치를 이용해야하는 번거로움이 없으며 실제 운전상황에서 진원도 불량신호가 규명, 제거 됨으로써 자기베어링의 회전 정밀도를 센서의 분해능까지 높일 수 있다. 디지탈 제어기를 갖는 자기 베어링에 이 방법을 적용한 결과 진원도 불량을 효과적으로 제거할 수 있었으며 회전 정밀도를 측정 센서의 분해능(0.5㎛) 까지 구현할 수 있었다.
새로운 개념의 회전체 제어방법으로 등방 회전체의 고유치구조를 비등방 회전체 계의 제어에 활용한 등방 최적제어 방법을 제안하였다. 본 방법은 제어된 회전체 계가 항상 등방성을 갖도록 함으로써 불균형력에 의해 응답이 전방 회전 특성만을 보이며 후방 회전 특성이 전혀 나타나지 않게 된다. 따라서 최대 응답 반경이 기존의 제어 방법에 비해 줄어들게 된다. 본 제어 방법은 회전체 계를 복소 표기법을 이용하여 등방성 및 비 등방성으로 분리한 다음, 먼저 비 등방성에 대한 상쇄제어를 하고, 다음으로 등방성을 가진 계에 대해 복소상태 공간에서 최적 제어를 한다. 최종적인 제어 이득은 등방 최적제어 이득에 비등방성 상쇄 이득을 합한 것이 된다. 이 방법은 제어된 시스템이 최적제어에 의해 항상 안정성이 유지될 뿐 아니라 항상 등방성을 갖게 된다. 모의 실험 및 실제 자기베어링의 제어에 적용한 결과 응답의 최대 회전반경이 기존의 최적제어 방법보다 줄어듬을 보였으며 경우에 따라서는 적은 제어력이 요구됨을 알 수 있었다. 이는 등방 제어기법이 회전체의 제어에 효과적임을 나타낸다.
