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새로운 3-자유도 구형 모터의 연구
Reports NRF is supported by Research Projects( 새로운 3-자유도 구형 모터의 연구 | 2008 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 권병일(한양대학교(ERICA캠퍼스)) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number D00041
Year(selected) 2008 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2009년 02월 27일
Year type 결과보고
Year(final report) 2009년
Research Summary
  • Korean
  • 본 연구에서는 우선, 단일 유닛으로 3-자유도의 구동이 가능한 구형 모터의 설계 및 특성 해석에 관하여 연구하였다. 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 연구에서는 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-axis system을 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.
    하지만, 이러한 3자유도구형모터를 제작 및 실험하기에는 국내의 제작기술로는 어려움이 있다. 이에 다음과 같은 2자유도 모터의 연구도 함께 수행하여, 이의 연구내용을 3자유도 모터의 제작 및 실험연구에 활용하고자 의도하였다.

    2자유도의 구동이 가능한 모터의 연구에서도 3자유도에서와 동일하게 우선, 설계 및 특성 해석에 관해 연구하였다. 새로운 다자유도 구동장치의 개발을 위하여 새로운 구조의 2중여자 2자유도 모터 기본 구조를 제안하고, 작동원리 및 제어회로에 대하여 3차원 유한요소법(3D Finite Element Method, 3D FEM)을 통하여 제안된 이론과 해석결과가 일치함을 검증하고 제작하였다.
  • English
  • This research proposes a novel structured 3-DOF(Degree-of-Freedom) spherical motor. The proposed 3-DOF spherical motor has some attractive features by combining roll, pitch, and yaw motion in single joint. Also it has a pole which having an electromagnet for stator and rotor. For these features we show a novel structured rotor to avoid mechanical overlapping of each coil in rotor. The validity of the analysis is confirmed by 3D finite element method.
    However, it is difficult and expensive to make the 3-DOF spherical motor, so we researched the 2-DOF spherical motor like next.
    A newly structured double excited two-degree-of-freedom (DOF) motor with tilt/pan motion is proposed. For applications in active vision, a tilt/pan mechanism should be accurate, fast, small, inexpensive, and have low power requirements. We have designed a new type of motor meeting these requirements, which incorporates both tilt and pan into a single, two-degree-of-freedom device. The focus of the research is to design the improved 2-DOF motor which can eliminate the drawbacks as manufacturing, complicated control, and difficulty in lamination in conventional model. Additionally, to effectively improve the torque characteristic, the main pole pitch and the auxiliary pole shape are determined by the pan motion and the tilt motion, respectively. The validity of proposed structure will be shown in the computer simulation of the newly structured double excited 2-DOF motor for security cameras.
Research result report
  • Abstract
  • 본 연구에서는 우선, 단일 유닛으로 3-자유도의 구동이 가능한 구형 모터의 설계 및 특성 해석에 관하여 연구하였다. 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. 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-axis system을 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.
    하지만, 이러한 3자유도구형모터를 제작 및 실험하기에는 국내의 제작기술로는 어려움이 있다. 이에 다음과 같은 2자유도 모터의 연구도 함께 수행하여, 이의 연구내용을 3자유도 모터의 제작 및 실험연구에 활용하고자 의도하였다.

    2자유도의 구동이 가능한 모터의 연구에서도 3자유도에서와 동일하게 우선, 설계 및 특성 해석에 관해 연구하였다. 새로운 다자유도 구동장치의 개발을 위하여 새로운 구조의 2중여자 2자유도 모터 기본 구조를 제안하고, 작동원리 및 제어회로에 대하여 3차원 유한요소법(3D Finite Element Method, 3D FEM)을 통하여 제안된 이론과 해석결과가 일치함을 검증하고 제작하였다.
  • Research result and Utilization method
  • 3자유도 구형모터의 설계, 특성해석 및 제어에 대한 연구를 우선 수행하였다. 이러한 연구결과에도 불구하고, 실험연구에 이르지는 못하였다. 실험연구를 위해서는 3자유도 구형모터의 제작이 필요하나, 실제적으로 정밀도를 유지하며, 제작하는 것은 국내의 기술로는 어려운 것으로 검토되었다.
    이러한 문제점을 보완하기 위해, 새로운 구조의 2 자유도 구형모터를 제안하고, 설계, 해석 및 제작하였다. 이의 실험연구 결과를 국내의 전기학회에 논문으로 투고하고자 한다. 또한, 이러한 실험연구의 결과를 활용하면, 2자유도가 필요한 보안 카메라의 구동 액츄에이터에의 적용을 검토할 수 있을 것으로 생각한다.

    2자유도 구형모터의 제작 및 실험 연구결과는 3자유도 구형모터의 연구를 위한 기초가 될 것이다.
  • Index terms
  • .3자유도 . 설계 .특성해석 . 제어 . 2자유도 .구형모터
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