A new design of observer is suggested for estimating air gap change of direct drive motor (DDM), which operates the object system directly. Since DDM has no reduction gear, high system stiffness, little en-ergy loss from friction and lack of backlash due to gears are expected. From these reasons, precise position controls can also be done. However, DDM has a significant disadvantage, that it is more sensitive to the ex-ternal force than the motor with reduction gears. In other words, if force is applied, air gap of the motor can be perturbed. This causes not only difficulty in motor control but also even more serious problem, such as the breakdown of motor. Therefore, detection of air gap change is an important issue. Through measuring air gap variation, control of motor position and robust design to disturbance force can be achieved. While sensors can be used to measure the air gap variation, it is hard to find proper space for sensor installment in normal motor design. Therefore, air gap needs to be estimated from current and voltage measurements, which can be easily measured by readily installed equipment.
DDM should be modeled mathematically to estimate the air gap change. The type of DDM which is researched in this paper is permanent magnet synchronous motor (PMSM). Earlier studies on PMSM only considered rotational motion and electromagnetic dynamics of the motor. However, if air gap is occurred by translational motion of rotor, magnetic field of air gap will be changed and this change will induce motor cur-rent. Thus, in this research, translational motion of rotor is considered and modeled to estimate the air gap.
Relation between translational motion of rotor and current can be analyzed from mathematical model of DDM. Using analyzed relation, dynamic observer, which can estimates translational motion of rotor, is suggested. Using dynamic observer, however, static value of translational motion of rotor occurred by static force, such as gravity of motor, cannot be estimated. Therefore, equilibrium estimator is suggested for estimating static change of air gap.
직구동 모터의 공극을 추정하기 위한 새로운 관측기를 제안하였다. 직구동 모터는 구동하고자 하는 대상과 모터를 직접 연결하여 사용하는 모터로써 기어와 같은 장치를 사용하지 않기 때문에, 높은 강성과 함께 에너지 효율이 증가하고 백래쉬 문제를 해결하는 등의 장점을 가진다. 하지만 이러한 직구동 모터의 가장 큰 단점은 외란에 민감하다는 점이다. 직구동 모터에 외란이 입력될 경우 공극의 크기가 변하게 된다. 이러한 공극의 크기 변화는 토크 리플 발생에 따른 모터 제어의 어려움에서부터 모터의 파손이라는 심각한 문제점까지 야기시킨다. 따라서 공극의 크기를 측정하여 이러한 문제점들을 해결하고자 한다.
공극의 크기를 추정하기 위해서 먼저 직구동 모터에 대한 수학적인 모델을 수립하였다. 연구 대상인 직구동 모터는 영구 자석형 동기 모터이다. 영구 자석형 동기 모터의 모델에 대한 기존 연구는 모두 회전자의 회전 운동과 전자기적 시스템의 특성만을 모델링하였다. 하지만 공극의 크기 변화는 회전자의 병진 운동에 의해서 발생하므로 회전자의 병진 운동의 특성이 포함된 수학적 모델을 수립하였다.
이렇게 수립된 수학적 모델을 기반으로 전류와 회전자의 변위 사이의 상관 관계를 분석하여 2가지 관측기를 설계하였다. 먼저 dynamic observer의 경우 외부로부터 외란이 입력되어 회전자의 변위가 발생했을 때 이를 추정할 수 있는 관측기이다. 다음으로 equilibrium estimator의 경우 일정한 크기의 힘에 의해서 발생한 일정한 크기의 회전자의 변위를 추정할 수 있는 관측기이다. 두 관측기를 각각의 목적과 조건에 맞게 사용하여 회전자의 변위를 추정할 수 있도록 하였다.
