1.1. 연구 배경 및 필요성
우주 발사체가 비행 중 자세 및 궤도를 제어하는 방법에는 여러 가지가 있으나 가장 많이 사용되는 방법은 추력의 방향을 제어하는 추력벡터제어(TVC, Thrust Vector Control)시스템이 주로 사용된다. 추력벡터제어시스템이란 발사체 엔진 노즐의 방향 축인 요 및 피치 축 방향을 제어하는 것이다. 엔진 노즐의 방향 축이 제어되기 위해서는 노즐이 회전될 수 있는 구조여야 된다. 고체연료 엔진의 경우는 플렉서블 시일 형상의 조인트로 인해 노즐의 회전운동이 가능하고, 액체연료 엔진의 경우는 짐벌 구조로 인해 회전운동이 가능하다.
발사체의 추력벡터제어 구동장치시스템은 전기유압식 시스템이 주로 사용되어 왔다. 전기유압식 구동장치시스템은 동특성에 있어서 대역폭이 크고 고출력을 요구하는 시스템에서는 중량 대비 출력 효율이 높기 때문이다. 그리고 전기유압식 구동장치시스템은 제어기 설계가 쉽고 시스템이 상대적으로 안정적이다. 그러나 일반적으로 유압식 구동장치는 기계 시스템이 복잡하고, 시스템을 구성하는 정밀 부품이 많아서 상대적으로 제작비용이 고액이다. 그리고 오염에 취약하며 정비와 운용이 어렵다. 전기유압식 구동기의 작동유는 체적 탄성계수 및 점성 등의 물리적 특성이 온도변화에 민감하고 누설을 방지하기 위한 별도의 대책이 필요하다는 단점도 있다.
따라서 전기유압식 구동장치시스템을 대체하기 위한 새로운 제어시스템에 대해 많은 연구가 수행되어왔다. 그 중 가장 대표적인 시스템이 전기기계식 구동장치시스템이며 항공기 비행제어 및 발사체 추력벡터제어시스템에 있어서 전기유압식을 대체하기 위해 수년 동안 많은 발전이 있어왔다. 이유는 전기유압식 대비 더 가볍고, 더 저렴하며 운용하기 더 편리할 뿐 아니라 에너지 효율이 더 좋기 때문이다[1,2,3,4]. 희토류 자석을 사용한 BLDC (Brushless Direct Current) 모터 제작기술 발달 및 에너지 효율 개선으로 전기기계식 구동장치시스템은 효율성과 성능에 있어서 많은 개선이 이루어지고 있다. 또한 BLDC 모터 제어기술에 대한 많은 연구로 인해 제어 안정성 에 있어서도 큰 발전을 이루었다[5].
일반적으로 전기기계식 구동기(EMA, Electromechanical Actuator)는 구동모터 및 감속기, 선형스크루, 피스톤 등으로 구성되어있다. 전기기계식 구동기는 전기모터의 회전력을 감속기를 통해 증폭시킨 후 선형 스크루를 이용해서 회전운동을 직선운동으로 변환하여 피스톤의 왕복운동을 발생시킨다. 그러나 이 경우 구동기 작동시 감속기 기어치차의 백래쉬가 반드시 수반되며 효율이 떨어지고 고장 확률이 높아질 수 있다. 이런 단점을 보완할 수 있는 구동기가 감속기 없이 전기모터의 회전자와 롤러 스크루를 직결하여 구동하는 모터 직구동 방식의 전기기계식 구동기 형상이다. 직구동 전기기계식 구동기의 경우 감속기가 없으므로 강성 측면에서 매우 성능이 우수하고 피스톤의 선형 변위를 측정하기 위한 센서인 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)를 피스톤 내부에 삽입하기 유리하다. 이로 인해 LVDT를 외부 충격으로부터 보호할 수 있고, 감속기에 의해 유발될 수 있는 고장요소를 줄일 수 있어서 신뢰성이 더 우수하다 할 수 있다[3].
발사체 추력벡터제어를 위한 1 kW급의 대용량 직구동 전기기계식 구동기의 연구 및 개발이 국내에서는 최초로 수행되고 있다. 발사체 자세제어시스템 설계 및 비행제어 소프트웨어 설계를 위해서는 구동장치시스템의 동특성을 해석할 수 있는 시뮬레이션 해석모델이 필요하다. 직구동 전기기계식 구동기의 경우 고토크 및 저회전 특성의 BLDC 모터가 적용되며, 모터 회전자의 회전관성이 감속기 적용 구동기에 사용되는 저토크 및 고회전 특성의 BLDC 모터 보다 상대적으로 더 크다. 이런 특성으로 인해 직구동 전기기계식 구동기가 감속기 적용 구동기보다 제어특성에 있어서 비선형성이 더 크게 나타난다. 따라서 구동기 해석모델은 이런 비선형 제어특성을 반영할 수 있어야 한다. 그리고 직구동 전기기계식 구동기의 경우는 구동모터의 제어특성이 구동기의 구동특성과 직결된다. 1차 전달함수 형태로 표현되는 단순화된 DC(Direct Current) 모터 해석모델로는 직구동 전기기계식 구동장치시스템의 비선형 특성 구현이 힘든 요소가 많다. 따라서 발사체 추력벡터제어를 위한 직구동 전기기계식 구동장치시스템의 정확도를 향상시키기 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 방식의 3상 인버터를 포함하는 해석모델 연구가 필요하다.
본 논문에서는 직구동 전기기계식 구동장치시스템의 동특성에 대한 정확도를 향상시킬 수 있는 해석모델을 연구한 결과에 대해 논하고, 해석모델을 구동기 시제품의 시험결과와 비교하여 신뢰성을 검증한다. 그리고 이 해석모델을 활용하여 발사체의 추력벡터제어 구동장치시스템에 있어서 짐벌엔진 및 기체구조체, 구동장치시스템의 합성공진이 발생할 경우 합석공진을 감쇠할 수 있는 제어기법에 대해 연구하고자 한다. 추력벡터제어 구동장치시스템의 공진을 감쇠시켜서 동특성을 개선한다면 발사체 자세제어에 있어서 안정성을 확보할 수 있다. 본 논문의 연구결과를 현재 개발 중인 한국형발사체 추력벡터제어 구동장치시스템 개발에 적용하고 나아가 차세대 한국형발사체 추력벡터제어 구동장치시스템의 선행연구에 활용하고자 한다.

1.2. 연구 동향
전기기계식 구동장치시스템 및 추력벡터제어구동시스템의 동특성 개선을 연구한 사례들로 다음과 같은 것들이 있다. Guan Qiao 등[5]은 항공우주분야에 있어서 전기유압식 구동장치시스템을 대체하기 위해 연구 및 개발되고 있는 전기기계식 구동장치시스템에 대한 고찰내용을 기술하였다. 전기기계 구동장치시스템의 구성 및 장점, 한계 등을 분석하고 성능을 분석하기 위한 시험평가 방법에 대해 기술하였다. 그리고 전기기계 구동장치시스템의 미래기술 및 미래 적용분야에 대해 논하였다.
Carnevale 등[6]은 유럽의 소형위성 발사를 위한 총 4단으로 구성된 VEGA 발사체의 각 단 추력벡터제어를 위한 전기기계식 구동장치시스템의 연구 및 개발에 대해 기술하였다. 추력벡터제어 전기기계식 구동장치시스템의 설계 및 제작, 시험평가를 수행한 이력에 대해 소개하고 개발현황에 대해 기술하였다. 이를 통해 개발된 전기기계식 구동장치시스템이 발사체 추력벡터제어시스템 적용에 있어서 검증이 완료됨을 증명하였다.
Albright 등[7]은 X-38 환경시험용 비행선의 비행제어용 전기기계식 구동기의 개발과 시험평가에 대해 논하였다. 전기기계식 구동기 및 제어기의 구성과 형상을 기술하고 성능시험 결과 및 동특성 시험 결과에 대해 분석 후 성공적임을 증명하였다.
Vladimirov 등[8]은 발사체의 추력벡터제어 구동장치시스템 형상에 대하여 각 형상에 따른 동력 대비 중량 및 단위 중량 효율에 있어서 비교 우위 연구를 수행하였다. 3 kW 미만의 동력규모 구동장치시스템에서는 단위 중량 대비 동력 효율에 있어서 전기유압식 구동기보다 전기기계식 구동기 형상이 더 우수함을 확인할 수 있었다.
김상화 등[9]은 전기기계식 구동기의 동적 강성에 대한 모델링 및 시험에 관한 연구를 수행하여 외력의 크기에 따른 동적 강성 변화에 대해 연구하였다.
Yunhua Li 등[10]은 전기기계식 구동장치시스템의 추력벡터제어 기반 비행제어에 관한 연구를 했다. 모터 회전자의 큰 관성 및 상대적으로 약한 강성 등의 특성이 있는 전기기계식 구동기의 수학적 해석모델을 생성하였다. 해석모델을 활용하여 단점을 극복하고 추력벡터제어 구동장치시스템으로 활용하기 위한 제어기법을 연구하였다.
Renault [11]는 발사체의 추력벡터제어 전기기계식 구동장치시스템에 있어서 하중 되먹임 제어기법의 주요 장점에 대해 논하였다. 추력벡터제어 전기기계식 구동장치시스템에 있어서 하중 되먹임이 없는 시스템과 있는 시스템의 각각에 대한 수학적 모델을 기술하였다. 이를 통해 외란에 강건한 시스템의 특성을 갖도록 하는 구동장치 제어시스템의 설계에 관한 연구를 수행하였다.
이희중 등[12]은 발사체 추력벡터제어 구동장치시스템에 있어서 짐벌엔진 및 기체구조체, 구동기 등의 합성 공진을 감쇠하기 위해 동적 하중 되먹임 제어를 사용한 전기기계식 구동장치시스템을 연구하였다. 이를 통해 추력벡터제어 구동장치시스템의 동특성이 개선됨을 보였다.
Suchitra P 등[13]등은 전기기계식 추력벡터제어 구동장치시스템의 서보제어에 기반한 3단 액체연로 엔진의 최적제어기법에 대해 연구하였다. 전기기계식 구동기의 위치서보제어 있어서 필터 및 보상기를 활용한 기법을 통해 구동장치시스템의 동특성이 개선될 수 있음을 시뮬레이션 해석을 통해 입증하였다.

1.3. 연구 내용 및 방법
한국형발사체 3단의 추력벡터제어 구동장치시스템으로 전기기계식 구동장치시스템을 적용하였다. 중량효율 및 개발비용, 시험운용의 편의성 등을 감안하여 나로호 2단 추력벡터제어 구동장치시스템으로 적용했던 전기유압식을 대체하는 시스템이다. 국내 최초로 우주발사체에 있어서 전기기계식 추력벡터제어 구동장치시스템이 도입된 사례가 되었다[2]. 현재 개발 중인 한국형발사체 3단 전기기계식 구동장치시스템은 나로호 2단 전기유압식 구동장치시스템과 구동기 동력에 있어서 1 kW급으로 유사하지만 약 28 % 정도 중량 절감효과가 있다. 그러나 강성에 있어서 전기유압식 구동기 대비 전기기계식 구동기가 더 취약할 수 있으므로 이를 보완하기 위해 감속기를 적용하지 않고 구동모터와 선형스크루를 직결하는 직구동 방식의 전기기계식 구동기를 구동장치시스템에 적용하였다[3].
직구동 전기기계식 구동장치시스템의 경우 감속기 제거로 인해 기계적 고장요소 감소 및 강성 개선, 신뢰성 및 효율성 향상 등의 장점이 있다. 그러나 구동모터의 고토크 및 저회전 특성, 모터 회전관성 증가 등의 특성으로 인해 구동장치시스템의 제어적 측면에서 비선형성이 증가할 수 있다. 따라서 직구동 전기기계식 구동장치시스템의 동특성 해석모델은 마찰특성, 외란, PWM 제어회로 등의 비선형 특성을 반영할 수 있어야 한다. 특히 구동기 정격명령의 1.0 % 수준에 해당하는 미소변위 구동명령에 대한 구동장치시스템의 응답특성을 현실적으로 반영할 수 있는 해석모델 연구가 필요하다. 따라서 구동모터의 제어특성을 반영할 수 있도록 PWM 방식의 3상 인버터를 포함하고, 마찰특성, 코깅토크 등을 반영할 수 있는 직구동 전기기계식 구동장치시스템의 동특성 정확도 향상 해석모델을 생성하였다. 해석모델을 활용한 해석결과를 바탕으로 구동장치시스템의 최적화 설계 후 시제품을 개발하였다. 시제품을 이용하여 시험을 수행했고 시험결과와 해석결과를 비교하여 해석모델의 신뢰성을 검증하였다.
발사체 추력벡터제어에 의한 자세제어가 안정적으로 되기 위해서는 구동장치시스템 및 기체구조체, 짐벌엔진 관성 등의 합성공진이 발생되지 않아야 한다. 추력벡터제어 구동장치시스템에서 합성공진이 발생할 경우 발사체 궤도진입에 실패할 수도 있다. 근본적으로 합성공진 발생을 방지하기 위해서는 구동장치시스템, 기체구조체, 짐벌엔진의 강성을 모두 충분히 크게 제작하면 된다. 그러나 강성과 중량은 비례하는 특성이 있어서 강성을 크게 제작할 경우 중량도 함께 증가한다. 또한 발사체의 경우 각 서브시스템은 허용 중량 요구 규격 내에서 제작되어야 함과 동시에 강성 요구 규격을 만족해야 한다[3]. 따라서 합성공진 개선 및 감쇠를 위한 추력벡터제어 구동장치시스템의 제어기법 적용이 필요하다. 그동안 발사체 추력벡터제어 구동장치시스템의 합성공진현상 감쇠를 위한 다양한 제어기법이 연구되어왔다. 앞서 연구되었던 제어기법에는 대표적으로 동적 하중 되먹임 제어기법과 2차 노치 필터와 뒤짐 보상기를 활용한 서보필터 적용 제어기법이 있다.
발사체 자세제어시 구동장치시스템의 고주파 운용 대역에서 기체구조체 및 엔진 브래킷의 공진현상이 발생할 경우 구동기의 작동력은 증가한다. 이때 구동기의 작용력을 로드셀을 이용해서 측정하고 측정된 신호를 제어기에 되먹임해서 구동기의 위치오차 신호에 중첩시킨다. 이 기법이 동적 하중 되먹임 제어기법이며 하중제어 속도가 위치제어 속도보다 빠른 응답특성을 갖기 때문에 공진형상을 감쇠할 수 있다[4,11,12,14]. 그러나 동적 하중 되먹임 제어기법은 로드셀이 장착되어야 하므로 중량이 증가하고 구동기 축방향 하중 경로에 로드셀이 있음으로 인해 구동기 강성이 저하될 수밖에 없다.
구동장치시스템의 위치제어 루프에 2차 노치 필터와 뒤짐 보상기를 조합한 서보필터를 적용할 경우 공진 주파수 대역에서 발생되는 공진 이득값을 감쇠할 수 있다. 구동기의 위치오차신호가 PID 제어기에 입력되기 전에 서보필터를 거치게 하여 공진주파수 대역에서의 이득감쇠 효과를 크게 하는 기법이다. 2차 노치 필터만 적용할 경우 필터 특성주파수가 작을수록 저주파수 대역에서의 이득 증가 현상으로 구동장치시스템 안정성 여유가 감소되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 적절한 뒤짐 보상기 추가를 통해 이런 문제점을 보완한다[15,16]. 그러나 뒤짐 보상기는 저주파 대역에서의 이득값 감쇠를 발생할 수 있고 구동기 정격명령의 1.0 % 수준에 해당하는 미소변위 구동명령에 대한 동특성을 저하시킬 수 있는 단점이 있다.
2차 노치 필터와 뒤짐 보상기를 조합한 서보필터의 단점을 극복하기 위해 뒤짐 보상기를 제거한다. 대신 위치신호에 1차 고주파 통과 필터 형태의 보상기를 거치게 한 후 출력된 신호를 2차 노치 필터를 통과한 구동기 위치오차신호에 중첩시킨다. 이 경우 저주파 대역에서의 안정성 여유를 확보함은 물론 위상지연현상이 적고, 미소변위 구동명령에 대한 동특성을 저하시키지 않는다. 본 논문에서는 발사체 추력벡터제어 구동장치시스템의 동특성 개선을 위해 필터 및 보상기를 활용하는 위의 2가지 제어기법에 대한 연구와 이와 관련된 시험결과를 기술한다.
본 논문의 구성은 총 5장으로 구성된다. 1장은 서론으로 연구 배경 및 필요성, 연구 동향, 연구 내용 및 방법 등에 대하여 기술하며, 2장은 발사체 추력벡터제어 구동장치시스템의 개요 및 직구동 전기기계식 구동기의 구성요소와 설계, 해석모델에 대하여 기술한다. 그리고 해석모델을 활용한 직구동 전기기계식 구동기의 해석결과에 대해 기술한다. 3장에서는 추력벡터제어 구동장치시스템의 동특성 해석모델을 생성하고 짐벌엔진 및 기체구조체, 구동기의 합성공진 발생시 공진이득을 감쇠할 수 있는 제어기법에 대해 논한다. 4장에서는 구동기 시제품의 성능시험 및 강성시험 결과에 대해 기술한다. 그리고 추력벡터제어 구동장치시스템의 동특성 개선을 위한 제어기법이 적용된 시스템의 시험결과를 기술하고 이에 대해 고찰한다. 5장은 종합적인 결론에 대해 기술한다.

Thrust vector control(TVC) is the ability of rockets to manipulate the angle of thrust away from the vehicles longitudinal axis for controlling attitude of the vehicle. Thrust vectoring for liquid engines is achieved
by gimbaling the whole engine, this includes the entire combustion chamber and nozzle. Hydraulic actuators have typically been used to adjust the nozzle angle of rocket engines but new actuation technologies are being researched to take the place of electrohydraulic thrust vector control actuation systems. Many studies of electromechanical actuators have been conducted for thrust vector control in place of hydraulic gimbaling systems. The rationale is that electromechanical actuating systems have benefits such as lighter weight, lower consumption, reduced costs of maintenance and test.
Before electromechanical actuator are accepted for thrust vector control actuating system, extensive studies using a simulation model need to be performed. The direct drive electromechanical actuator without a gearbox reduces backlash and mechanical hysteresis, besides it is more robust and has better stiffness because of fewer components. BLDC motor for the direct drive electromechanical actuator has high torque and low speed characteristics. Due to this, the direct drive electromechanical actuator has greater nonlinearity control characteristics than a gear drive actuator. Therefore it is necessary to study the actuator simulation model including pulse width modulated(PWM) voltage source inverter of BLDC motor and friction parameters. This simulation model helps optimize control of the actuator and provides a detailed analysis about the dynamic response of the direct drive electromechanical thrust vector control actuating system.
In the case of the gimbaled rocket engine, a synthetic resonance phenomenon may occur due to a combination of a vibration mode of the actuator itself, a bending mode of the launcher structure, and an inertial load of the gimbal engine. When the synthetic resonance occurs, the control of the rocket attitude becomes unstable. So the undesirable resonance effects should be reduced to make the rocket attitude stable.
Many studies have been conducted to improve the dynamic characteristics of electromechanical TVC actuation system. Dynamic force feedback(DFF) control method is one of them and it uses the measured force of the actuator at resonance frequency. But because DFF needs an external load sensor, the system can become more complex and heavy. In order to reduce the peak gain of resonance of TVC actuation system without external sensor, the servo filter can be used to control the actuator in a position servo system. The servo filter consists of a low pass filter and a compensator.
This study contains the description of the direct drive electromechanical actuator dynamic mathematical model and the model was simulated by the MATLAB Simulink software. The major focus of the simulation model
is scalability and nonlinearity of the actuation system as well as response characteristics in the region of low input control signals.
This study also presents the simulation models for three ways to improve the dynamic response of direct drive electromechanical TVC actuation system. DFF control method and two kinds of methods using servo filter are described in this study. And the servo filter design is described in this study. The analysis results from the simulation models showed that the control method using 2nd order notch filter and position feedback compensator is very effective to reduce peak gain of resonance of TVC actuation system and the most efficient way to improve the dynamic response for low input control signals.
The objective of this study is the modeling and experimental analysis of direct drive electromechanical TVC actuation system and its enhanced dynamic characteristics. So, the verification of the simulation model was conducted by comparing simulations with the experimental results.