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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 정찬수
- 발행연도
- 2013
- 저작권
- 숭실대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수7
이 논문의 연구 히스토리 (4)
2013
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최근 복지 분야에 다양한 투자로 장애인들의 사회참여가 확대 되고 있다. 장애인들의 사회참여를 위해 꼭 필요한 이동용 기기인 수동 휠체어는 매우 가볍고, 비교적 가격이 저렴하여 대중화되었지만, 운전자의 상태 따라 사용이 제한된다. 간단한 조작으로 손쉬운 이동이 가능한 전동 휠체어는 대부분의 제품이 크고, 매우 무겁기 때문에 장거리 이동 또는 사고발생 시 사후처리가 어렵다. 이러한 단점을 극복하기 위해 수동휠체어와 전동휠체어의 장점을 결합한 수전동 휠체어가 개발되고 있다.
수전동 휠체어의 바퀴 구조는 탈부착이 가능하고, 중앙에 허브 전동기와 감속기 브레이크, 드라이버가 일체형으로 구성된다. 바퀴에 장착되는 휠 허브 전동기는 크기가 작고, 구조가 복잡하다. 이러한 수전동 휠체어 바퀴는 아직 국산화가 되지 않았고, 고가의 외국 제품들이 대부분으로 범용화가 되지 못하고 있다.
현재 수전동 휠체어의 주행로는 대부분 차도를 이용하고 있기 때문에 둔턱이나 과속방지턱과 같은 장애물과 충돌하게 된다. 이러한 장애물과 충돌하게 되면 급격한 토크변화로 전동기의 속도가 급변하게 되고 운전자가 중심을 잃고 전복위험까지 초래하게 된다. 이러한 현상은 매우 짧은 시간에 발생하며, 이때 안정된 상태를 유지하기 위한 적절한 제어동작으로 안정성을 확보해야 한다. 따라서 저속 및 고속에서 토크제어를 위한 단시간의 정밀한 각속도 측정이 필요하다.
휠허브 전동기의 속도측정용 펄스형 홀IC는 회로의 구조가 간단하고, 유연한 구조로 설치가 용의하고, 고속운전 시 속도 계산이 가능하다. 그러나 낮은 분해능으로 저속이나 짧은 시간 속도측정이 어렵다.
대표적인 아날로그 엔코더인 레졸버는 회전자의 절대 위치를 알 수 있지만, 고정된 구조와 크기는 휠 내부의 복잡한 구조에 적용이 어렵다. 또한 레졸버의 가격은 전동기 전체 가격에 비해 고가의 제품이다.
본 논문에서는 단시간 속도계산이 가능하고 속도계산 오차가 이하인 새로운 정현파 엔코더를 제안한다. 제안된 방법은 전처리 과정의 안정된 신호를 연산에 직접 사용하여 단시간 속도측정이 가능하고, 연속신호를 사용하여 사용자가 조건에 맞는 분해능 선정이 가능하다.
제안된 방법은 성능은 모의실험 통하여 의 속도로 회전하고 있은 때 이내의 안정된 속도오차를 보였다. 또한 에서 속도 연산 가능함을 보였다.
토크제어의 안정성을 확인하기 위하여 표준화된 과속방지턱과 충돌시험에 적용하였다. 과속방지턱에 급격한 충돌로 정현파의 주기가 변화하였고, 전류 파형의 기울기가 발생하여 정현파 엔코더가 급격한 외력이 발생하여도 안정된 토크가 제어되는 성능을 보였다. 이를 통해 수전동 휠체어를 위한 정밀하고, 단시간 속도측정이 가능하고, 범용화를 위한 저가의 새로운 정현파 엔코터의 성능을 보였다.
수전동 휠체어의 바퀴 구조는 탈부착이 가능하고, 중앙에 허브 전동기와 감속기 브레이크, 드라이버가 일체형으로 구성된다. 바퀴에 장착되는 휠 허브 전동기는 크기가 작고, 구조가 복잡하다. 이러한 수전동 휠체어 바퀴는 아직 국산화가 되지 않았고, 고가의 외국 제품들이 대부분으로 범용화가 되지 못하고 있다.
현재 수전동 휠체어의 주행로는 대부분 차도를 이용하고 있기 때문에 둔턱이나 과속방지턱과 같은 장애물과 충돌하게 된다. 이러한 장애물과 충돌하게 되면 급격한 토크변화로 전동기의 속도가 급변하게 되고 운전자가 중심을 잃고 전복위험까지 초래하게 된다. 이러한 현상은 매우 짧은 시간에 발생하며, 이때 안정된 상태를 유지하기 위한 적절한 제어동작으로 안정성을 확보해야 한다. 따라서 저속 및 고속에서 토크제어를 위한 단시간의 정밀한 각속도 측정이 필요하다.
휠허브 전동기의 속도측정용 펄스형 홀IC는 회로의 구조가 간단하고, 유연한 구조로 설치가 용의하고, 고속운전 시 속도 계산이 가능하다. 그러나 낮은 분해능으로 저속이나 짧은 시간 속도측정이 어렵다.
대표적인 아날로그 엔코더인 레졸버는 회전자의 절대 위치를 알 수 있지만, 고정된 구조와 크기는 휠 내부의 복잡한 구조에 적용이 어렵다. 또한 레졸버의 가격은 전동기 전체 가격에 비해 고가의 제품이다.
본 논문에서는 단시간 속도계산이 가능하고 속도계산 오차가 이하인 새로운 정현파 엔코더를 제안한다. 제안된 방법은 전처리 과정의 안정된 신호를 연산에 직접 사용하여 단시간 속도측정이 가능하고, 연속신호를 사용하여 사용자가 조건에 맞는 분해능 선정이 가능하다.
제안된 방법은 성능은 모의실험 통하여 의 속도로 회전하고 있은 때 이내의 안정된 속도오차를 보였다. 또한 에서 속도 연산 가능함을 보였다.
토크제어의 안정성을 확인하기 위하여 표준화된 과속방지턱과 충돌시험에 적용하였다. 과속방지턱에 급격한 충돌로 정현파의 주기가 변화하였고, 전류 파형의 기울기가 발생하여 정현파 엔코더가 급격한 외력이 발생하여도 안정된 토크가 제어되는 성능을 보였다. 이를 통해 수전동 휠체어를 위한 정밀하고, 단시간 속도측정이 가능하고, 범용화를 위한 저가의 새로운 정현파 엔코터의 성능을 보였다.
목차
국문초록 ⅷ영문초록 ⅹ제 1 장 서 론 1제 2 장 휠체어의 토크 제어 62.1 휠체어에 작용하는 토크 62.1.1 평면에서 진행할 때 62.1.2 경사로를 오를 때 132.1.3 둔턱을 지날 때 142.2 토크 제어를 위한 각속도 측정기법 232.2.1 광학식 엔코더 232.2.2 회전 속도계(타코제너레이터) 242.2.3 레졸버 252.2.4 영구자석과 마그네틱 센서를 이용한 펄스형 엔코더 262.2.4.1 영구자석 262.2.4.2 마그네틱 센서 272.3 수전동 휠체어와 각속도 측정 32제 3 장 새로운 정현파 엔코더 343.1 새로운 정현파 엔코더의 제안 343.2 정밀도 향상의 필요성 363.2.1 영구자석과 선형 홀IC 363.2.2 선형 홀 IC를 이용한 정현파 엔코더 신호처리 383.3 전처리 과정 413.3.1 입력된 정현파 신호의 잡음제거 413.3.2 정현파 엔코더의 옵셋제거 및 자동보정 443.3.2.1 선형 홀IC의 문제점 443.3.2.2 옵셋제거 및 크기보정 453.4 후처리 과정-정현파 엔코터의 회전속도 연산방법 48제 4 장 모의실험 524.1 전처리 과정 534.1.1 고주파 잡음제거와 회전속도 측정 534.1.2 옵셋제거와 크기보정 734.2 펄스형 홀IC 764.3 제안하는 정현파 엔코더 80제 5 장 둔턱넘기 실험과 결과 875.1 둔턱과 수전동 휠체어 안전성과 편안함 875.2 표준 과속 방지턱 모형 895.3 실험 조건 915.3.1 수전동 휠체어 시스템 구성 915.3.2 휠허브 전동기의 전력변환 시스템 구성 925.3.3 휠허브 전동기 제어 순서 945.3.4 수전동 휠체어의 과속 충돌 시 조건 975.4 실험 결과 985.4.1 모의실험 985.4.2 둔턱 충돌실험 1005.5 실험 결과의 검토 102제 6 장 결 론 103참고문헌 106부 록 116
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