새로운 3-자유도 구형 모터의 설계 및 특성 해석

Abstract

본 논문은 단일 유닛으로 3-자유도의 구동이 가능한 구형 모터의 설계 및 특성 해석에 관한 연구이다. 다자유도의 구동을 위해서는 단일 자유도의 회전을 가지는 다수의 전동기와 이를 하나의 조인트로 연결하기위한 다수의 기어와 링크 등의 부수적인 동력전달 장치를 요구하게 된다. 그러나 3-자유도 구형 모터의 경우 하나의 모터로써 기어와 링크와 같은 부수적인 동력 전달 장치의 사용이 필요없이 롤(Roll), 피치(Pitch), 요(Yaw)의 3-자유도 구동을 가능하다. 때문에 시스템의 부피와 구조적인 복잡도가 감소되고, 소음과 진동이 감소되며, 제어의 정밀도가 상승한다. 본 논문에서는 새로운 다자유도 구동장치의 개발을 위하여 새로운 구조의 3-자유도 구형 모터의 기본 구조를 제안하고, 회전자의 위치 제어를 위한 수식을 도출하였다. 먼저 각 상에 인가되는 전류비와 회전자 위치 결정에 대한 연관관계를 수식으로 도출하고 회전운동의 직관적 표현을 위한 Equivalent angle-axis를 통한 회전자 위치 표현에 관한 수식을 도출하였다. 또한 도출된 전류비에 대한 수식을 통하여 각 상의 전류 여자주기를 결정하였다. 제안된 이론의 검증을 위하여 회전자 위치에 따라 계산된 전류비를 구하고, 계산된 전류를 인가하였을 때의 발생 토크량을 유한요소법(Finite Element Method, FEM)을 통해 확인하여 제안된 이론과 해석결과가 일치함을 검증하였다.; This paper describes the design and characteristic analysis of a novel 3-DOF(Degree of Freedom) spherical motor. For multi DOF actuating, several numbers of motors have been used. But the using of normal motors they connected each other in single joint, have necessary to a several type of complex power transmission devices. The 3-DOF spherical motor can drive roll, pitch, and yaw motion in only one unit and it is not necessary to use additional gears and links parts. Therefore by the using of 3-DOF spherical motor can eliminate; combined effects of inertia, backlash, non-linear friction, and elastic deformation of gears. In this paper, we propose the novel structured 3-DOF spherical motor and derive its principles of operation. First, we designed concept model of novel structured 3-DOF spherical motor. Next, we derive the theory of the control method by calculating the ratio of currents. Also, to have intuitive driving control, we express the rotor position in equivalent angle-axis system and determine the exciting period of currents from the calculation result of the current ratio. To verify the theory of the control method, we calculate the current ratio by the position of rotor. and then we analyzed the characteristics by 3D Finite Element Method when the calculated current ratio is excited.