LQ servo 기법을 이용한 하이브리드 자기부상시스템의 무전력 제어

Abstract

1804년 R. Trevithic이 증기기관차를 개발한 이래로 전기기관차, 디젤 기관차 등 바퀴식 열차가 육상 운송 수단의 대부분을 차지하여 왔다. 이러한 종래의 차바퀴에 의한 방식으로는 최고속도, 선로의 보수의 한계와 진동·소음 형태의 공해 문제가 발생하게 된다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 방안 중 현재 가장 각광을 받고 있는 분야가 자기부상분야이다. 자기 부상의 여러 종류 중 최근 화석 연료 사용으로 인한 대기 오염과 화석 연료 고갈이 심각한 사회적 문제로 대두되면서 무전력 제어가 가능한 하이브리드 자기부상방식이 새로이 각광을 받고 있다. 본 논문에서는 하이브리드 자기부상시스템에 LQ servo 기법을 이용한 상태궤한 제어를 통한 무전력 제어를 제안하였다. 이를 위해 우선 하이브리드 자기부상시스템의 모델로써 기본 요구사항을 먼저 선정하고, 자기회로법을 이용하여 자기부상기의 기본 설계를 수행한 후, 유한요소법에 의한 전자장 해석을 수행하여 설계 보완과 상세 설계를 수행하였다. 또한 자기부상제어를 위해 설계된 모델을 기반으로 상태방정식을 통한 제어모델을 구성하였다. 기존 자기부상제어인 극 배치법과 본 논문에서 제안한 LQ servo 기법에 대한 기본 이론에 대해서 다루고 이를 이용하여 구한 상태궤한 게인을 가지고 1축에 대한 시뮬레이션과 제작한 시험기를 통한 시험을 통해 타당성을 검증하였다. 또한 4축 제어로 확장하여 4축 제어시의 문제점을 분석하고 이를 해결하기 위해 전류 오차를 이용한 기준 공극 보상 알고리즘을 적용하여 시험을 하여 제어의 타당성을 검증하였다. 마지막으로 추진을 위한 선형 전동기 설계 및 제작에 대해 다루었다. 본 논문에서 적용된 제어기법 연구와 4축 제어를 위해 적용된 새로운 알고리즘 연구가 향후 자기부상의 연구 개발 및 상용화 뿐 만 아니라 자기 베어링, 크린룸 이송장치 등 사회 전반에 도움이 될 것이다.