서지주요정보
Dynamic analysis and robust motion control of frictionless positioning device suspended by cone-shaped active magnetic bearings = 원추형 자기 베어링 지지 무마찰 구동장치의 동적해석 및 강인 위치제어
서명 / 저자 Dynamic analysis and robust motion control of frictionless positioning device suspended by cone-shaped active magnetic bearings = 원추형 자기 베어링 지지 무마찰 구동장치의 동적해석 및 강인 위치제어 / Ho-Seop Jeong.
저자명 Jeong, Ho-Seop ; 정호섭
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 1997].
Online Access 원문보기 원문인쇄

소장정보

등록번호

8007171

소장위치/청구기호

학술문화관(문화관) 보존서고

DME 97024

SMS전송

도서상태

이용가능

대출가능

반납예정일

초록정보

Active magnetic bearings(AMBs) have nowadays been widely adopted in machines and robots, which are operated under the clean room and vacuum chamber environment. Particularly in semiconductor industry, the environment must be ultra-clean to prevent samples from contamination during handling and processing. AMBs can apply a force without mechanical contact and simultaneously do not introduce any mechanical constrains on the controlled object. In addition, they have advantages such as active position control of the suspended part, control of force and stiffness of the handling point, and load sensing capability. The cone-shaped AMBs are very useful as a positioning device because it has a simple structure compared with the conventional AMB and it can achieve the five d.o.f. motion control of a moving part using only four cone-shaped magnet pairs. Separation of the controllers for stabilizing and tracking is very effective for an inherently unstable system like AMBs. The stabilizing controller is to ensure the stability of the closed loop system and the incorporated tracking controller enables the exact tracking of the command input despite of the uncertainties. An outer tracking loop is used to track the command input so that the system performance is not seriously affected. The stabilizing and tracking controllers of AMBs usually use the optimal controller with integral action. However, since such an AMB system often has unknown, nonlinear, or time-varying parameters during operation, a good tracking performance is not likely to be achieved when we rely on a simple linear controller. In order to attain a desired performance for the system with some uncertainty, a linear controller normally requires re-tuning of the controller gains, otherwise a robust control law should be adopted. In this work, a frictionless positioning device suspended by cone-shaped AMBs is developed in the laboratory, which is driven by a brushless DC motor equipped with a resolver. The device is capable of controlling three translational and two rotational motions by using four pairs of cone-shaped electromagnets, when the azimuth motion is controlled by a brushless DC motor. The linearized dynamic model with the voltage to current relationship in the cone-shaped AMB for active control is developed and the azimuth motion of the brushless DC motor is modeled as the second order system. The control algorithm for the cone-shaped AMBs is proposed such that the axial displacement is controlled by axial control currents to the upper and lower bearings whereas the radial displacement is controlled by radial control currents to the pairs of facing radial bearings. The control law for frictionless positioning device is proposed to exactly track the command input. Firstly, an optimal controller with integral action is designed to stabilize the system and investigate the dynamic characteristics of the tested system. However, a conventional optimal controller does not guarantee a good tracking performance during operation. A time delay controller with state feedback is proposed for the frictionless positioning device which is subject to the variations of inertia and the presence of measurement noise. The time delay controller, which is combined with a low-pass filter to attenuate the effect of measurement noise, ensures the asymptotic stability of the closed-loop system. It is found that the low pass filter tends to increase the robustness in the design of time delay controller as well as the gain and phase margins of the closed loop system. Finally, simulations and experiments are performed to show the dynamic characteristics and robust tracking performance of the designed system.

반도체 및 재료 공정 산업의 발전으로 고청정실과 진공실의 필요성이 점점 증가하고 있다. 청정실 및 진공실에서 운용되는 기계나 로보트는 공정중에 샘플의 손상을 방지하기 의해서는 고청정도를 유지해야만 한다. 그러나 기존의 볼 및 저널 베어링을 이용하는 위치 제어기구는 윤활을 필요로 하며 고청정실 및 진공 챔버에서 사용하기 위해서는 반드시 밀봉장치를 수반해야 한다. 또한 기계적 접촉에 의한 마찰 때문에 사용자가 원하는 정밀도로 제어하기가 상당히 어렵다. 이러한 마찰, 밀봉, 윤활의 문제로부터 벗어나기 위해 최근에는 능동 자기 베어링이 위치 제어기구에 사용되어지고 있다. 능동 자기 베어링은 부상체에 기계적 접촉이 없이 힘을 전달할 수 있고 어떠한 기계적인 제한도 주지 않는다. 또한 센서 해상도까지 위치 정밀도를 구현할 수 있다는 장점을 가진다. 원추형 자기 베어링은 기존의 능동 자기 베어링에 비해 구조가 간단하고 4조의 원추형 전자석만으로 5자유도 운동를 구현할 수 있기 때문에 소형 위치 제어기구로 적절하다. 능동 자기 베어링계의 안정화 및 추적 제어기로는 적분요소를 가지는 최적 제어기가 흔히 사용되어 왔다. 그러나 능동 자기 베어링 시스템이 운용중에 불확실한 매개변수나 비선형성이 나타나면 간단한 선형 제어기만으로는 원하는 추적 성능을 얻을 수 없다. 따라서 시스템이 불확실성을 가지더라도 원하는 성능을 얻기 위해서는 선형 제어기의 이득을 재조정하거나 강인 제어기를 설계하여야만 한다. 그리고 능동 자기 베어링 시스템과 같이 불안정한 시스템은 안정화 및 추적 제어기를 분리하는 것이 효과적이다. 안정화 제어기는 폐루프 시스템의 안정성을 보장하고 추적 제어기는 시스템의 불확실성과 관계없이 주어진 명령을 정확히 추적할 수 있도록 한다. 외곽 추적 루프는 시스템의 성능에 크게 영향을 주지 않고 명령을 추적하는데 사용된다. 본 논문에서는 원추형 능동 자기 베어링으로 지지되고 레졸버와 브러시 없는 모터가 일체로 된 무마찰 구동장치를 개발하였다. 이 장치는 브러시 없는 모터가 방위각을 제어할때 4조의 원추형 전자석만을 이용하여 세방향의 병진운동과 두방향의 회전운동을 동시에 제어할 수 있다. 원추형 자기 베어링의 제어하기 위해서 선형화된 동적모형과 원추형 전자석에서의 전압-전류 관계식을 유도하였다. 원추형 자기 베어링 시스템의 제어기는 축방향 운동에 대해서는 위쪽, 아래쪽 베어링 각각에 서로 다른 부호의 축방향 제어전류를 조절하여 제어하며, 반경방향 운동에 대해서는 마주보는 두 전자석의 균형을 이룬 전류에 서로 다른 부호의 반경방향 제어전류를 가함으로써 제어하도록 하였다. 또한 브뤄쉬 없는 모터의 방위각 운동은 이론과 실험을 통해 2차로 모형화 하였다. 무마찰 구동 장치가 시스템 불확실성에 관계없이 구동 명령을 정확히 추종하게 하기 위해서 강인 제어기가 제안되었다. 강인 추적 제어기는 상태 궤환 제어기와 시간 지연 제어기로 구성되고 상태 궤환 제어기는 폐루프 시스템의 안정화 시키고 시간 지연 제어기는 명령을 정확히 추종하도록 설계되었다. 또한 시간 지연 제어기가 가지는 잡음 문제를 해결하기 위해서 저주파 통과 여과를 첨가하여 잡음문제를 해결하였다. 제안한 제어기의 안정성은 이산시간 공간에서 나이퀴스트 안정성 해석을 통해 해석하였으며, 시뮬레이션과 실험을 통해 제안한 시스템과 제어기를 이용하여 센서의 해상도까지 6자유도의 정밀 위치제어를 구현할 수 있음을 보였으며, 원추형 자기 베어링계에 대한 선형 운동 방정식이 타당함을 보였고 제안한 제어기가 운용중에 매개변수의 변화와 잡음을 가진 상태변수 추정에도 강인함을 보였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 97024
형태사항 xiii, 141 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 Appendix : A, Relations of magnetic properties. - B, Effect of cogging torque in the brushless DC motor. - C, Comparison of centralized and decentralized controller in the cone-shaped AMBs
저자명의 한글표기 : 정호섭
지도교수의 영문표기 : Chong-Won Lee
지도교수의 한글표기 : 이종원
수록잡지명 : "Dynamic Modeling and Optimal Control of Cone-Shaped Active Magnetic Bearing systems". Control Engineering Practice. Elsevier Science Ltd, vol. 4, no. 10, pp. 1393-1403
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학과,
서지주기 Reference : p. 117-126
주제 Cone-shaped AMBs
Positioning system
Motion control
Time delay control
Optimal control
원추형 자기 베어링
위치제어기구
위치제어
시간지연제어
최적제어
QR CODE qr code