압전소자 구동장치의 모델링 및 제어기 설계

국문 초록 (Abstract)

현재 일반적으로 항공우주 비행체 및 일반적인 운행체의 작동을 위하여 개발 된 대표적 작동기인 유/공압식 작동기나 모터 및 엔진들은 그 중량이 무겁거나 힘의 전달을 위해 추가적인 구조물을 요구하게 된다. 이러한 특징들은 그 구조물의 소형화 및 경량화를 막는 하나의 요인으로 작용하고 있다. 이러한 문제점을 해결 할 수 있는 경향화 및 소형화에 적합한 작동기들이 연구되고 있다. 이러한 목적의 작동기들중 하나로 지능소자의 일종인 압전소자가 주목을 받고 있다. 앞선 작동기 들에 비해 압전소자는 단순한 기계장치로 구성되어 있으며 높은 힘밀도와 에너지 효율을 가지고 있다. 그러므로 압전 소자는 기존의 작동기 들에 비해 작고 넓은 작동변위를 가지며 더 큰 작동력을 낼 수 있다. 또한 서보 모터 등을 사용하기 위해선 동력을 전달 또는 변형 할 수 있는 추가적인 구조물들을 필요로 하게된다. 하지만 압전소자는 소자 그 자체가 작동기의 역할을 하며 동시에 그러한 구조물의 역할을 겸할 수 있기에 여러 가지 면에서 유리하다. 특히 압전소자는 생체모사 인공근육과 같은 다양한 분야에 응용하는데 용이하다.
하지만 압전소자는 소자 자체가 가지고 있는 커패시턴스 특성으로 인해 발생하는 히스테리시스 오차와 느린 반응속도의 극복이 그 문제이다. 이러한 압전소자의 특징은 서보 모터와 같은 작동기를 그대로 대체하기 어렵게 한다. 본 논문에서는 이러한 압전소자를 서보 모터와 같은 작동기로 사용하기 위한 제어시스템 구축에 대해 다루고 있다. 압전 소자를 목표로 하는 움직임을 내게 함과 동시에 여러 가지 외란들을 극복할 수 있도록 하기 위해서는 제어시스템을 필요로 한다. 이러한 작동기의 개선과 이를 이용한 압전소자의 모델링 그리고 피드백 제어기 설계에 대하여 다루고 있다. 압전소자의 동적인 모델링을 하고 이를 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 실행한다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 실제 시스템에 제어기를 적용하고 그 결과를 비교 분석 하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A piezo device has higher power density and energy efficiency with simple mechanism. Hence, a piezo device can generate more large force than the existing actuators in broad bandwidth in a compact size. Thus a piezo device is suitable for applications to the biomimetic artificial muscle. In this paper described are the model identification and control of a piezo electric actuator and experimental results of feedback controller. The ARX model was used to characterize the dynamics of the piezo device. We tried modeling of the dynamics of the piezo device. We also designed a controller based on the obtained model to improve the characteristics of the piezo actuator using H-infinity method. The controller was implemented using a microprocessor and analog filters and power driving devices, which demonstrated the feasibility of the piezo device to be sued as a servo.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 = ⅲ
• 제1장 서론 = 1
• 제2장 압전소자의 성능 및 특징 = 3
• 제1절 압전소자 작동기 = 3
• 제2절 압전소자 응용분야 = 5
• 제3장 소형 압전소자 작동기의 설계 및 성능 = 7
• 제1절 압전소자 작동기의 회로 구성 = 7
• 제2절 압전소자 작동기의 성능 = 10
• 제4장 모델 식별 실험 = 11
• 제1절 모델 식별 장치 및 실험 과정 = 11
• 제2절 모델 식별 과정 = 15
• 제3절 제어기 시뮬레이션 = 22
• 제4절 제어기 설계 및 실험 = 27
• 제5장 실제 시스템에 제어기 적용 = 31
• 제1절 제어기 적용 = 31
• 제2절 결과 비교 = 33
• 제6장 결론 = 35
• 참고문헌 = 37
• ABSTRACT = 39