Recently, actuators in various fields have brought attention to the issue of overheating due to high current application. Overheating in actuators leads to serious problems for drive systems, including decreased actuation transparency due to temperature-dependent changes, reduced lifespan, and unnecessary heat transfer to the surrounding system. This research proposes algorithms to address the overheating problem in various high-current applications: a torque constant compensator and an active temperature limiter. Firstly, the reduction in actuation transparency due to temperature changes is directly caused by magnet temperature variation. However, compensating the torque constant for magnet temperature was challenging due to the rapid rotation of the magnets. In this study, by identifying a heat transfer model and designing a robust temperature observer, the real-time temperature of the permanent magnets is estimated, and torque constant variations are compensated for. Also, overheating in actuators rapidly decreases their lifespan and is a leading cause of actuator failure but limitation existed in that the current cannot be indiscriminately reduced for cooling purposes. The active temperature limiter proposed in this study calculates the optimal current reduction between the complementary relationship of driving temperature and current reduction. This allows for maintaining the temperature while utilizing the maximum current. The torque
constant compensator and active temperature controller were validated for their effectiveness across various input currents, showing improved performance compared to existing algorithms. Additionally, the research defined and verified the range of safe current inputs and the limitations of weighting factors that can be used safely.
최근 구동기가 활용되는 다양한 분야에서 고전류 투입에 따른 구동기 과열 문제가 주목되고 있다. 구동기의 과열은 온도에 따른 구동기 변화로 인한 구동투명성의 감소, 구동기 수명의 감소, 다른 시스템으로의 불필요한 열전달, 등 구동시스템에 복합적이고 심각한 문제로 작용한다. 본 연구에서는, 고전류가 활용되는 다양한 구동기에서 과열 문제에 대처할 수 있는 알고리즘으로, 토크상수 보상기와 능동 온도 제어기를 제안한다. 먼저, 온도 변화에 따른 구동투명성의 감소는 구동기 영구자석의 온도 변화에 직접적으로 기인하지만, 영구자석이 빠르게 회전함에 따라 자석 온도에 대하여 토크상수의 변화를 보상할 수 없었다. 본 연구에서는, 열전달 모델을 규명하고 강건한 온도 관측기를 설계함으로써 실시간으로 영구자석의 온도를 추정하고, 해당 온도에 대하여 토크상수의 변화를 보상하였다. 또한, 구동기의 과열은 구동기의 수명을 빠르게 감소시키며, 구동기 고장의 대표적인 원인으로 작용하는데, 냉각을 위하여 투입 전류를 무조건적으로 감소시킬 수 없다는 한계가 있었다. 본 연구에서 제안된 능동 온도 제어기는 상보적인 관계에 있는 구동온도와 전류의 축소 사이에서 최적의 전류 축소 비율을 계산함으로써, 온도를 유지하면서도 최대의 전류를 활용할 수 있도록 하였다. 토크상수 보상기와 능동 온도 제어기는 다양한 입력 전류에 대하여 그 효용성을 검증하였으며, 기존의 알고리즘 대비 보완된 성능이 확인되었다. 또한, 안전하게 활용될 수 있는 전류 입력 범위 및 가중치 인자가 제한되고 검증되었다.
