한국정밀공학회지 제 31 권 2 호 pp. 99-104

J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 31, No. 2, pp. 99-104

ISSN 1225-9071(Print), ISSN 2287-8769(Online)

February 2014 / 99

http://dx.doi.org/10.7736/KSPE.2014.31.2.99

◆ 특집 ◆ 직선·회전모터 구동 이송·회전체 연구 Ⅶ

자기베어링 예측 제어 기법의 실험적 연구

An Experimental Study on the Prediction Control Technique for a Magnetic Bearing

김재실1,�

, 정훈형2, 신민재

3

Chae Sil Kim1,�, Hoon Hyung Jung

2, and Min Jae Shin

3

1 창원대학교 기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, Changwon National Univ.)

2 창원대학교 대학원 기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Changwon National Univ.)

3 부산대학교 Rolls-Royce 대학기술센터 (Technology Center in Thermal Management, Rolls-Royce and Pusan National Univ.)

� Corresponding author: kimcs@changwon.ac.kr, Tel: +82-55-213-3604

Manuscript received: 2013.12.15 / Revised: 2014.1.8 / Accepted: 2014.1.21

Active vibration control methods are required in the high speed rotor systems supported by

magnetic bearings. A prediction control technique is one of the control methods. Gain and phase

angle are primarily chosen with analyzing the responses for a certain rotor speed. The feasibility

of this technique has been reported for only analytical simulations. Therefore this paper

constructs the test rig supported by ball bearings with a magnetic bearing type actuator and

develops a prediction control system by using LabVIEW and Compact RIO. Finally as rotating

speeds are modulated, the gains and phase angles for the speeds are determined with vibration

control of the test rig. This leads that the prediction control technique may be applied to the rotor

system with the magnetic bearing.

Key Words: Magnetic bearing (자기 베어링), Rotor (회전체), Prediction Control (예측 제어), Phase Control Method (위상

조절법)

1. 서론

자기베어링은 자기장에 의해 발생되는 자기력

으로 물리적 접촉 없이 회전체를 부양시켜 그 위

치를 제어하는 일종의 전자석이다. 이를 위해 일

반적으로 사용되는 유도식 자기베어링은 전자석이

회전체를 잡아당기는 자기력이 자기베어링 자극과

회전체 사이의 간극에 반비례하므로 회전체가 전

자석 쪽으로 근접할수록 더욱더 유도력이 강해져

서 결국 전자석에 붙어버리는 근원적으로 불안정

한 시스템이다. 따라서 과도한 변위가 발생할 경

우 고속에서 상당히 위험한 상황이 발생할 수 있

다. 그리고 실제 고속 회전체는 회전속도가 상승

할수록 인위적인 조작으로 순간적으로 변하는 회

전속도를 대응하기는 매우 어렵다. 이에 고속 회

전체의 설치 및 운영 시 시스템의 안정화하는 방

법은 매우 중요하다.

일반적으로 자기베어링을 엑츄에이터로 갖는

고속 회전체는 단일 운전속도에서 운영된다. 이러

한 고속 회전체를 단일 운전속도에서 운용하기 위

해서는 0 rpm부터 순차적으로 회전속도를 상승시

키는 과정이 시스템의 설치 시 필연적이다. 이 과

정에서 회전체의 진동 변위가 제어 가능 범위를

넘지 않도록 하는 기술이 요구된다.

기존에는 숙련자의 경험적 방법에 의해서 수동

적인 방법으로 설치가 진행되었다. 회전체의 진동

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변위량이 허용범위를 넘지 않도록 확인하고, 변위량

이 커지는 순간의 회전속도에서 새로운 게인 값을

적용하여 제어력이 유지될 수 있도록 설정한 후 다

시 회전속도를 상승시키는 과정을 반복하여 설계된

단일 운전속도에 이르면 설치를 완료한다. 이러한

일련의 경험적인 설치 과정을 자동적으로 대체하기

위하여 각 회전속도에 맞는 게인 값들을 데이터베

이스화한다. 그러면 회전속도가 상승함에 따라 데

이터베이스화된 각각의 회전속도에서 게인 값이

자동적으로 적용되어 제어력을 유지할 수 있다.

그리고 단일 운전속도에서 미소한 전압의 변화

나 외란이 가해졌을 때 일정한 운전속도를 유지하

기 어렵고 운전속도의 작은 변화에 의해서 제어력

이 유지되지 못하고 진동 변위량이 증가할 수 있

다. 이 때의 회전속도에 맞는 게인 값이 적용된다

면 다시 제어력을 유지하는 것이 가능할 것이다.

따라서 운전속도의 작은 변화에 대처하기 위하여

일정 범위 내의 회전속도에 대한 게인 값을 사전

에 데이터베이스화하는 것이 중요하다. 이러한 일

련의 설치과정 및 운영 중에 발생 가능한 문제점

에 대처하기 위한 방법이 요구되었다.

Lee 등은 고속 회전체의 응답 변위를 분석하여

주기성분을 갖는 가진력을 감소시키기 위하여 제

어기의 이득값과 위상을 조절하는 위상조절법을

제안하고 상태공간 모델을 이용하여 이론적 검증

을 수행하였다.1 그리고 Na 등은 위상조절법의 효

율적인 제어 알고리즘 적용을 위하여 다물체 동역

학 기법으로 유연회전체를 모델링하고 이를 제어

플랜트 모델에 적용한 시뮬레이션으로 제어효과를

확인하였다.2 그러나 실제 시스템에 위상조절법을

적용하여 그 결과를 검증한 연구가 없다. 이러한

이론적 방법의 신뢰성 있는 결과를 얻기 위해서는

반드시 실험적 검증이 요구된다.

따라서 본 논문에서는 자기베어링을 엑츄에이

터로 응용하고 Compact RIO에 의해 실시간 통신이

가능한 실험장치를 구성한다. 그리고 고속 회전체

의 능동 진동 제어가 가능하도록 게인과 위상을

조절하는 기법으로 제어 전후에 대한 진동 변위를

비교하는 실험적 검증을 수행함으로써 예측 제어

의 가능성을 확인한다.

2. 예측 제어 기법

위상조절법은 고속 회전체의 진동 변위 제어

기능에 초점을 맞추고 있다. 일정한 속도에서 주기

적인 가진력을 받는 회전체의 동적 응답은 일반적

으로 주기적인 응답으로 표현된다. 이러한 응답에

반대 방향의 반주기 제어력을 더하면 진동 변위량

이 줄어들 수 있다. Fig. 1과 같이 주기적인 응답이

예측되는 상황에서 응답의 반주기 성분의 제어력

을 입력시킨다면 진동 방생 원인에 지대한 영향을

미치는 주기 성분의 대부분을 제거 할 수 있다.3

본 연구는 고속 회전체의 진동 감소를 위해 위

상조절법을 적용한 예측 제어 알고리즘을 고안하

고 이를 적용한 예측 제어 기법을 제안한다. 예측

제어 알고리즘은 회전속도가 변화할 때 회전체의

진동 변위를 감소시키기 위하여 사전에 P게인과

위상을 예측하여 자동적으로 제어력이 유지될 수

있도록 한다. 이러한 예측 제어 알고리즘을 적용

하여 진동 변위가 크게 발생되는 각각의 회전속도

에 대해서 데이터베이스를 구축하여 자동적인 P게

인과 위상 적용이 가능한 것이 예측 제어 기법이

다. 이 기법을 이용하여 자기 베어링을 엑츄에이

터로 응용하는 고속 회전체의 설치 시 또는 단일

고속 운전속도에서 외란에 의한 미소한 회전속도

변화 시 능동적인 대처가 가능한 제어 시스템 구

축이 가능하다.

3. 자기베어링 실험 장치의 구성

Fig. 2는 예측 제어 기법을 검증하기 위하여 자

기베어링을 엑츄에이터로 갖는 실험용 고속 회전

체의 구상도이다. 회전체의 축 양끝 단에 볼 베어

링을 이용하여 회전체를 지지하고 회전체 구동을

위한 모터와 회전체는 유연 커플링을 이용하여 결

Fig. 1 Phase control method

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합된다. 모터 회전 시 원심력과 불평형 질량에 의

해 진동이 발생된다. 이때 회전체의 디스크 위치

에 자기베어링을 설치하여 진동 변위를 자기력으

로 제어를 하도록 구성하였다. 진동 변위량을 측

정하기 위하여 자기베어링 옆에 선형성이 보장이

되는 변위센서를 설치하도록 구상하였다. 회전체

의 축 방향을 X방향으로 했을 때 반경방향의 Y, Z

방향으로 2개의 변위센서가 설치된다.

Fig. 3는 실제 제작된 실험용 고속 회전체의 모

습을 나타낸다. 앞서 구상된 형태와 일치하며 외

부의 비정상적인 외력을 방지하기 위하여 리그를

제작하고 테스트 베드 위에 설치하였다.

Fig. 4는 실험용 고속 회전체의 구성 요소를 나

타내고 있다. 우선 LabVIEW를 이용해 구성한 제

어기를 갖는 컴퓨터, 회전체의 진동 변위를 측정

하는 2개의 변위센서, 실시간 통신이 가능한

Compact RIO, 제어 신호를 연결하는 터미널 블록

그리고 신호 증폭을 위한 앰프 등으로 구성된다.

여기서 사용되는 Compact RIO는 LabVIEW로

구상한 알고리즘을 각종 모듈을 통해 실제 제어가

가능한 실험을 수행할 수 있다. Compact RIO는 컨

트롤러, 섀시, I/O C모듈로 구성된다. 컨트롤러는

컴퓨터와 실시간 통신을 담당하는 부분, 섀시는

FPGA(Field Programmable Gate Array) 칩을 포함하고

있으며 사용자에 의해 칩의 기능을 재정의 할 수

있다. C모듈은 다양한 입출력 모듈을 갖고 있으며

본 실험에는 입력으로 C-NI9263, 출력으로 C-

NI9222모델을 사용하였다.

4. 제어 시스템의 구성

4.1 제어 과정

예측 제어 기법을 이용하여 고속 회전체의 실

험을 수행하기 위한 과정은 Fig. 5와 같다. 먼저 원

격 컴퓨터 내의 LabVIEW를 이용한 제어 프로그램

을 실행한 후 실험 장치를 작동하게 되면 변위 센

서에서 회전체의 진동 변위를 측정하여 Compact

RIO로 신호를 보내게 된다. 이후 Compact RIO와

제어 프로그램 간의 실시간 통신으로 입력 데이터

를 그래프로 확인한다. 그리고 회전체의 진동 변

위를 제어하기 위하여 일정 전압을 Compact RIO로

다시 보내어 각각의 앰프에서 전류를 발생시켜 자

기베어링의 전자기력으로 회전체의 진동 변위를

제어하는 방식이다.

Fig. 2 Schematic of the test rotor

Fig. 3 Test rotor of magnetic bearing

Fig. 4 Components of the experiment device

Fig. 5 Flowchart of control system

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4.2 제어기 구성

우선 제어기를 구성하기 위하여 Fig. 6과 같이

FPGA의 블록선도를 작성하였고 LabVIEW의 메인

프로그램과 연동할 수 있도록 구성하였다. 아래와

같이 크게 두 파트로 나뉜다. 고속 회전체를 작동

시 변위센서에서 받은 Y축, Z축 방향의 변위 값을

출력하는 파트와 “Main Front Panel”의 제어기에서

입력된 아날로그 값을 통해 자동으로 사인파를 발

생시키는 파트로써 이는 4개의 자기베어링 전자석

에 연결된다. 그리고 프로그램이 완성되면 Compact

RIO의 FPGA칩에 구성한 프로그램을 컴파일 한다.

컴파일과정이 끝나면 C-IN9222, C-NI9263에 프로그

래밍 했던 입력 2개와 출력 4개를 갖는 “FPGA

Target”이 만들어진다. 이는 Fig. 7의 블록선도에 적

용된다.

Fig. 7와 같이 생성된 블록다이어그램은 두 부

분으로 나타낼 수 있다. 먼저 진동변위를 나타내

는 부분으로 FPGA의 Y, Z방향 변위센서의 두 출

Fig. 6 Block diagram using FPGA

Fig. 7 Block diagram of Y-direction and Z-direction input signal

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력 값을 그래프로 나타내어 고속 회전체의 진동

변위량을 실시간으로 확인 할 수 있다. 또한 출력

값을 하나의 Orbit선으로 표현하게 하였다. 그리고

FPGA의 입력부분으로써 앞서 설정한 사인파를 발

생시키기 위한 입력 값을 조절하는 부분이다.

Fig. 8은 원격 컴퓨터 내의 LabVIEW를 이용하여

블록다이어그램을 작성한 후 생성된 제어 프로그램

의 “Main Front Panel”을 나타내고 있다. 이는 블록

다이어그램에서 프로그래밍한 것을 그래픽 아이콘

으로 나타낸 것이다. 회전체를 작동시키면 Y축 및

Z축 방향의 변위를 Orbit 그래프로 나타낸다. 아래

에는 출력 값을 조절할 수 있도록 구성하였다.

5. 제어 실험 및 결과

자기베어링을 엑츄에이터로 응용하는 실험용

고속 회전체는 양끝단이 볼베어링으로 지지되어

항상 일정량의 유격이 발생한다. 이에 따라 원천

Fig. 8 Main front panel using LabVIEW

(a) Result of control before and after at 3,000RPM (b) Result of control before and after at 4,000RPM

(c) Result of control before and after at 5,000RPM (d) Result of control before and after at 6,000RPM

Fig. 9 Results graph of control before and after

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적인 진동 변위량을 갖는 시스템으로 일정범위 이

내의 제어효과 확인이 가능하다. 그리고 Table 1은

경험적 방법에 의해 도출된 각 회전속도에 따른 P

게인과 위상값을 나타낸다.

Fig. 9는 각 회전속도에서 실험용 고속 회전체

를 작동하여 발생한 제어 전, 제어 후의 결과 그

래프이다. 각 회전속도에 맞는 P게인과 위상을 적

용하였을 때 고속 회전체는 제어 전보다 제어 후

의 변위가 줄어드는 것을 확인할 수 있다.

Table 2는 회전속도에 따른 제어 전과 제어 후

의 변위량을 정리하였다. 실험 결과에서 5000RPM

의 경우 Y 방향으로 18.7%, Z 방향으로는 25.7%의

제어 효과가 나타나는 것을 알 수 있다.

6. 결론

본 연구에서는 고속 회전체의 진동 변위를 제어

하기 위한 예측 제어 기법을 실험적으로 검증한다.

이를 위하여 자기베어링을 엑츄에이터로 하는 실험

용 고속 회전체를 구성하였다. 그리고 LabVIEW를

이용하여 제어 알고리즘을 구성하고 Compact RIO

와 실시간 통신을 통해 게인과 위상을 조절하여

각각의 회전속도에서 제어효과를 확인하였다. 따

라서 고속 회전체를 제어하기 위한 예측 제어 기

법의 가능성을 확인하였다.

후 기

본 과제(결과물)는 교육부의 재원으로 지원을

받아 수행된 산학협력 선도대학(LINC) 육성사업의

연구결과입니다.

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Table 1 P Gain and phase values

RPM 3,000 4,000 5,000 6,000

P Gain 1.9 3.38 5.29 7.6

Phase(∅) 2 1 2 1

Delay (sec) 0.005 0.00375 0.003 0.0025

Table 2 Result of control before and after

RPM before after

y(mm) z(mm) y(mm) z(mm)

3,000 0.95 0.93 0.81 0.75

4,000 0.9 1.54 1 0.95

5,000 1.23 1.01 1 0.75

6,000 1.42 0.78 1.33 0.56