Momentum wheels are rotational machinery used as actuators for the attitude control of satellite. They are usually implemented using rolling element like a ball bearing, so inevitably suffer from vibration and lubrication problems due to friction between rotor and rolling elements. Such problems can be avoided by using active magnetic bearing because they control rotor by electromagnetic force without contact. In this thesis a robust controller of active magnetic bearing for momentum wheel is designed. Design objectives of controller are set on two aspects: the one is to achieve low power consumption and the other is to achieve low housing vibration. For the first aspect, low power consumption, simple input transformation is taken to avoid using bias current on electromagnets, and sliding mode controller is additionally introduced to compensate non-ideality of electromagnetic force. For the second aspect, low vibration of housing, an adaptive pseudo-feedforward compensator, which is originally proposed by K.Nonami and Z.Liu, is introduced to compensate the effect of rotor mass unbalance. This compensator is very sensitive to estimation error of target signal frequency, thus a frequency tracking method based on derived error index signal is proposed. Finally, numerical simulation is performed for combined system. Simulation results show that current consumption is drastically reduced and excitation of undesirable control force due to mass unbalance is avoided. The results imply that vibration of housing is well-suppressed and, therefore, design objectives are achieved.
모멘텀 휠은 인공위성자세제어 구동기로 이용되는 회전기계로 대개 볼,롤러 베어링을 이용하여 구현된다. 이와 같이 구름베어링을 로터와 베어링 사이의 마찰에 의한 진동과 베어링의 윤활 문제를 해결해야 하는 난해함이 있다. 이에 비해 능동 자기베어링은 전자기력으로 로터를 비접촉 지지하므로 이같은 문제를 근본적으로 회피할 수 있는 장점이 있다. 본 논문에서는 모멘텀 휠을 위한 능동자기베어링의 강인제어기를 설계하였다. 설계된 제어기는 크게 저전력 소모와 저진동 특성을 목표로 하여 설계되었다. 전력 소모량을 낮추기 위해서 간단한 입력 변환을 이용하여 바이어스 전류를 사용하지 않고 로터의 위치를 제어하는 방식을 선택하였다. 이 때 전자력의 비이상성에 따라 도입되는 매개변수 불확실성의 영향을 보상하기 위해 슬라이딩 모드 제어기가 추가적으로 도입되었다. 한편 저진동 특성을 얻기 위해 K.Nonami와 Z.Liu가 제안한 적응 의사 피드포워드 보상기를 연구의 목적에 맞게 변형, 도입하였다. 이 방식의 보상기는 대상 신호의 주파수 추정 오차에 매우 민감하므로 추정오차를 반영하는 유도신호에 근거한 주파수 추적 기법을 제안하였다. 최종적으로 설계한 로터의 안정화를 위한 입력변환-슬라이딩 모드 제어기와 질량불균형을 보상하기 위한 적응 의사 피드포워드 보상기를 모두 포함하는 가상의 자기베어링 시스템을 컴퓨터로 구성하고 이에 대한 수치 모의 실험을 수행하였다. 모의 실험의 결과를 통해 질량불균형 보상기의 적용시 전류 소모량이 급격히 감소함을 확인할 수 있었으며 로터의 질량불균형에 의해 불필요하게 생성되는 제어력 또한 점진적으로 감소하므로 이에 따라 하우징의 진동 또한 감소함을 기대할 수 있다.
