[논문]능동 엔진 마운트 제어용 Active Linear Actuator를 이용한 외팔보 능동진동제어 실험

양동호; 곽문규; 김정훈; 박운환; 심호석

doi:10.5050/ksnve.2010.20.12.1176

능동 엔진 마운트 제어용 Active Linear Actuator를 이용한 외팔보 능동진동제어 실험
Active Vibration Control Experiment of Cantilever Using Active Linear Actuator for Active Engine Mount 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.20 no.12 = no.165, 2010년, pp.1176 - 1182

양동호 (동국대학교 기계공학과) , 곽문규 (동국대학교 기계로봇에너지공학과) , 김정훈 (현대자동차) , 박운환 ((주)파브코) , 심호석 ((주)파브코)

Abstract ▼ AI-Helper

Vibrations caused by automobile engine are absorbed mostly by a passive-type engine mount. However, user specifications for automobile vibrations require more stringent conditions and higher standard. Hence, active-type engine mount have been developed to cope with such specifications. The active-type engine mount consists of sensor, actuator and controller where a control algorithm is implemented. The performance of the active engine mount depends on the control algorithm if the sensor and actuator satisfies the specification. The control algorithm should be able to suppress persistent vibrations caused by the engine which are related to engine revolution. In this study, three control algorithms are considered for suppressing persistent vibrations, which are the positive position feedback control algorithm, the strain-rate feedback control algorithm, and the modified higher harmonic control algorithm. Experimental results show that all the control algorithms considered in this study are effective in suppressing resonant vibrations but the modified higher harmonic controller is the most effective controller for non-resonant vibrations.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

만일 기진력의 진동수와 HHC의 진동수가 약간 벗어나면 맥놀이 형태의 제어 응답이 발생한다. 따라서, 이 연구에서는 제어력은 약간 상실할 수 있지만 외부 기진력의 진동수 변화에 대응할 수 있는 수정 HHC 알고리즘의 사용을 제안하였다. 이 연구에서 제안하는 수정 HHC 알고리즘의 형태는 다음 식과 같다.
이 연구에서는 능동형 엔진마운트에 적합한 제어 알고리즘의 선택을 위해 먼저 외팔 보 구조물에 ALA와 센서를 부착하고 이를 함수 발생기로 가진하여 강제 진동의 경우에 대한 각 제어 알고리즘의 성능을 조사하였다. 이 연구에서 고려한 능동진동제어 알고리즘은 PPFC, SRFC, 수정 HHC 알고리즘인데 이들 제어 알고리즘은 능동진동제어기법으로 성능이 확인된 제어 알고리즘이다.
이 연구에서는 자동차의 서브 프레임에 부착이 가능한 일종의 동조질량 감쇠기인 active linear actuator(ALA)로 불리는 전동식 액추에이터를 고려하여 자동차의 능동진동제어에 적용하기 전에 자동차의 능동진동제어에 가장 적합한 제어 알고리즘이 무엇인지에 대한 연구를 수행하였다.

제안 방법

앞에서 소개한 수정 HHC를 적용하기 위해서는 특정 진동수에서의 센서와 액추에이터 간의 전달함수 값이 필요하다. 따라서 이 연구에서는 Fig. 2와 같이 HP Dynamic Signal Analyzer 35670A⁽⁸⁾를 이용해 전달함수를 계측하였다.
먼저 Fig. 4에 보이는 바와 같이 15 Hz 또는 22 Hz 사인파를 Agilent 33220A Function Generator(8)를 이용하여 발생시키고 B&K Power Amplifier Type 2706(3)를 이용해 증폭해 B&K 4810 Type Mini Shaker(3)를 구동 시켜 외팔보를가진시켰다.
실험은 미니 쉐이커를 이용해 외팔보를 공진진동수 또는 비공진 진동수로 가진하면서 중간에 제어기를 구동하여 제어 효과를 검증하는 순서로 진행되었다. 특히 관심을 가진 부분은 구조물에 조화 가진이 지속적으로 주어지는 경우에 효과적으로 대응할 수 있는 제어 알고리즘이 검증이었다.
공진의 경우 진폭이 커져 대상 고유진동 모드에 대한 감쇠 증가를 통해 진동 저감을 획득할 수 있지만 비공진의 경우 진폭이 아주 작아지게 되기 때문에 이런 경우에 대한 제어 실험은 사실상 어려움을 겪게 된다. 이 연구에서는 공진 및 비공진에 대한 능동진동제어에 초점을 맞추어 실험을 진행하였다.
따라서 제어 알고리즘은 주기적이며 지속적이고 특정 진동수를 가지는 기진력에 효과적으로 대처할 수 있어야 한다. 이 연구에서는 다양한 피드백 제어 알고리즘 중 양변위되먹 임제어기(positive position feedback control, PPFC), 변형율 제어기(strain rate feedback, SRF), 고차조화 제어기(higher harmonic control, HHC)를 능동마운트 제어 알고리즘으로 고려하였다. PPFC는 특정고유진동모드의 감쇠를 능동적으로 증가시킬수 있는 제어 알고리즘인데, 강제 진동을 일으키는 기진력의 주성분에 PPFC의 필터 주파수를 맞추면 어느 정도 제어 효과를 가져올 수 있음이 알려져 있다.
이 연구에서 고려한 능동진동제어 알고리즘은 PPFC, SRFC, 수정 HHC 알고리즘인데 이들 제어 알고리즘은 능동진동제어기법으로 성능이 확인된 제어 알고리즘이다. 이 연구에서는 이들 제어 알고리즘의 특성을 간략히 소개하고 이 제어 알고리즘들을 Simulink 블록으로 구현하는 방법과 dSpace를 이용한 능동진동제어 실험 결과를 제시하였다.
HHC는 헬리콥터 로터블레이드의 진동제어를 위해 개발된 제어기법으로서 외부 조화교란에 효과적으로 대응할 수 있는 것으로 알려져 있다. 이 연구에서는 좀 더 넓은 주파수대역의 기진력에 대응하기 위해 HHC에 감쇠계수를 도입한 modified HHC를 개발하여 능동진동제어 알고리즘으로 적용하였다. 실험은 공진과 비공진 강제 진동에 대해 수행되었는데, 공진 강제 진동에 대한 실험 결과는 이 연구에서 고려한 모든 제어 알고리즘이 효과적임을 보여주며, 비공진 강제 진동에 대해서는 수정 HHC 제어 알고리즘이 가장 효과적임을 보여주었다.
제어 알고리즘 비교 실험을 하기 위하여 두 번째 고유진동수인 15 Hz와 비공진 진동수인 22 Hz를 고려하였다. 먼저 Fig.
제어 알고리즘을 통해 생성된 제어 신호는 DS 1104 보드의 DAC 단자를 통해 MB Dynamics사⁽¹⁰⁾의 SL500VCF Analog Amplifier의 입력단에 되었다. 증폭된 analog amplifier의 출력 단은 ALA에 연결되어 능동적으로 진동을 제어하는 실험이 수행되었다. Matlab⁽¹¹⁾의 Simulink 블록을 이용해 controller를 Fig.

대상 데이터

그리고 B&K사(3)의 4810 Type 미니 쉐이커를 Fig. 1과 같이 외팔 보에 부착시켜 기진력을 발생시키는 장치로 사용하였다.
4에 보이는 바와 같이 15 Hz 또는 22 Hz 사인파를 Agilent 33220A Function Generator⁽⁸⁾를 이용하여 발생시키고 B&K Power Amplifier Type 2706⁽³⁾를 이용해 증폭해 B&K 4810 Type Mini Shaker⁽³⁾를 구동 시켜 외팔보를가진시켰다. 능동진동제어를 위해서는 ENDEVCO MODEL 7751-500 가속도계⁽²⁾를 센서로 활용하고 ALA를 액추에이터로 사용하였다. 이들 센서와 액추에이터는 dSpace사⁽⁹⁾의 DS1104보드의 ADC 입력단에 연결되었다.
이들 센서와 액추에이터는 dSpace사⁽⁹⁾의 DS1104보드의 ADC 입력단에 연결되었다. 제어 알고리즘을 통해 생성된 제어 신호는 DS 1104 보드의 DAC 단자를 통해 MB Dynamics사⁽¹⁰⁾의 SL500VCF Analog Amplifier의 입력단에 되었다. 증폭된 analog amplifier의 출력 단은 ALA에 연결되어 능동적으로 진동을 제어하는 실험이 수행되었다.
차량의 서브 프레임에 ALA를 부착하고 실차 실험을 수행하기 전에 제어 알고리즘의 효능을 검증하기 위해 Fig. 1과 같은 외팔 보에 ALA와 ENDEVCO사⁽²⁾의 MODEL 7751-500 가속도계를 부착하였다. 그리고 B&K사⁽³⁾의 4810 Type 미니 쉐이커를 Fig.

이론/모형

Matlab⁽¹¹⁾의 Simulink 블록을 이용해 PPFC 제어 알고리즘을 다음과 같이 구현 하였다. PPFC 블록은 식 (1)에 보이는 전달함수를 그대로 구현한다.
Matlab⁽¹¹⁾의 Simulink 블록을 이용해 SRFC 제어 알고리즘을 Fig. 8과 같이 구현 하였다.
SRF 제어 알고리즘은 지능구조물의 능동진동제어를 위해 사용된 제어 알고리즘으로서 PPF 제어 알고리즘에 비해 넓은 대역의 고유진동모드를 제어할 수 있는 장점이 있다. 실제로는 SRF 제어 알고리즘이 band pass filter의 형태를 갖추고 있어 이 연구에서는 이를 협대역의 조화 기진력을 상쇄시키는 제어 알고리즘으로 사용하였다. SFR 제어 알고리즘을 적용하기 위해서는 PPF 제어 알고리즘의 경우와 같이 제어 대상 진동수, ω에 대한 정보가 필요하다.
이 연구에서는 능동형 엔진마운트에 적합한 제어 알고리즘의 선택을 위해 먼저 외팔 보 구조물에 ALA와 센서를 부착하고 이를 함수 발생기로 가진하여 강제 진동의 경우에 대한 각 제어 알고리즘의 성능을 조사하였다. 이 연구에서 고려한 능동진동제어 알고리즘은 PPFC, SRFC, 수정 HHC 알고리즘인데 이들 제어 알고리즘은 능동진동제어기법으로 성능이 확인된 제어 알고리즘이다. 이 연구에서는 이들 제어 알고리즘의 특성을 간략히 소개하고 이 제어 알고리즘들을 Simulink 블록으로 구현하는 방법과 dSpace를 이용한 능동진동제어 실험 결과를 제시하였다.

성능/효과

Figs. 7, 9에 보이는 바와 같이 외팔 보의 두 번째 고유진동수 15 Hz에 대해 PPF 제어 알고리즘과 SRF 제어 알고리즘 모두 진동 저감에 효과적임을 알 수 있다. 고유진동 모드에 대한 가진을 억제하는 경우 이기 때문에 SRF 제어 알고리즘보다 PPF 제어 알고리즘의 성능이 약간 더 우수하게 나타난다.
11(b)는 비 공진주 파수 22 Hz로 가진하고 HHC를 작동시켰을 경우 진폭이 80 % 감소함을 알 수 있다. 따라서 비 공진진동수에 대한 제어 효과는 수정 HHC 제어 알고리즘이 가장 높음을 확인할 수 있었다.
보 구조물의 2차 고유진동수를 가진한 실험 결과는 이 연구에서 고려한 세 알고리즘이 모두 효과적임을 보여주는데, 그 중 HHC 제어기가 가장 효과적이며, 비공진 대역인 22 Hz를 가진한 경우에서도 HHC 제어기가 훨씬 효과적임을 보여준다.
이 연구에서는 좀 더 넓은 주파수대역의 기진력에 대응하기 위해 HHC에 감쇠계수를 도입한 modified HHC를 개발하여 능동진동제어 알고리즘으로 적용하였다. 실험은 공진과 비공진 강제 진동에 대해 수행되었는데, 공진 강제 진동에 대한 실험 결과는 이 연구에서 고려한 모든 제어 알고리즘이 효과적임을 보여주며, 비공진 강제 진동에 대해서는 수정 HHC 제어 알고리즘이 가장 효과적임을 보여주었다.
여기서 ζ는 앞의 PPFC나 SRFC에서의 역할과 동일한 효과를 제어 알고리즘에 유발시키는 제어 감쇠계수이다. 이 제어 감쇠계수는 결국 수정 HHC의 제어 효과 도를 결정짓게 되는데 이 연구에서는 실험을 통해 0.09의 값이 가장 효과적임을 발견하였다. 이 연구에서 제안한 수정 HHC 알고리즘은 협대역의 조화 교란에 대응할 수 있는 band rejection filter의 일종으로 생각될 수 있다.
실험은 미니 쉐이커를 이용해 외팔보를 공진진동수 또는 비공진 진동수로 가진하면서 중간에 제어기를 구동하여 제어 효과를 검증하는 순서로 진행되었다. 특히 관심을 가진 부분은 구조물에 조화 가진이 지속적으로 주어지는 경우에 효과적으로 대응할 수 있는 제어 알고리즘이 검증이었다. 공진의 경우 진폭이 커져 대상 고유진동 모드에 대한 감쇠 증가를 통해 진동 저감을 획득할 수 있지만 비공진의 경우 진폭이 아주 작아지게 되기 때문에 이런 경우에 대한 제어 실험은 사실상 어려움을 겪게 된다.

후속연구

09의 값이 가장 효과적임을 발견하였다. 이 연구에서 제안한 수정 HHC 알고리즘은 협대역의 조화 교란에 대응할 수 있는 band rejection filter의 일종으로 생각될 수 있다. 수정 HHC 제어 알고리즘 역시 원래의 HHC와 마찬가지로 제어 대상 진동수, ω에 대한 정보뿐만 아니라 이 진동수에서의 전달함수의 실수부와 허수부 값이 필요하다.
따라서 수정 HHC의 실제 적용은 약간 제한적일 수 있다. 차후 실제 차량에 적용하여 능동 진동제어 실험을 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고무로 제작된 엔진 마운트의 한계점은 무엇인가?	기존의 엔진 마운트 설계방식은 엔진의 진동을 자동차 메인 프레임으로 부터 격리하는 방식으로 설계되었으며 이를 위해 고무 또는 하이드로 마운트가 사용되고 있다. 고무로 제작된 엔진 마운트는 고주파수 대역의 진동을 억제하는데 효과적이지만 엔진에 의하여 발생되는 낮은 주파수 대역의 진동을 억제하는 데는 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 새로운 능동형 엔진 마운트에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
	기존의 엔진 마운트 설계방식은 무엇인가?	특히 기존의 수동형 엔진 마운트로는 더 이상의 진동 억제 효과를 기대하기 어렵게 됨에 따라 새로운 개념의 능동 엔진 마운트가 도입되게 되었다. 기존의 엔진 마운트 설계방식은 엔진의 진동을 자동차 메인 프레임으로 부터 격리하는 방식으로 설계되었으며 이를 위해 고무 또는 하이드로 마운트가 사용되고 있다. 고무로 제작된 엔진 마운트는 고주파수 대역의 진동을 억제하는데 효과적이지만 엔진에 의하여 발생되는 낮은 주파수 대역의 진동을 억제하는 데는 한계가 있다.
	피드백 제어 이론을 사용하는 경우의 효과는 무엇인가?	피드백 제어 이론으로는 proportional-integral-derivative(PID), lead-lag compensation, linear quadratic gaussian(LQG), H2, H∞ 등을 예로 들 수 있다. 이들 이론을 사용 하는 경우 구조물의 감쇠가 증가하는 효과를 가져오게 된다. 따라서 공진시의 진폭을 감소할 수 있는 효과가 있다. 피드포워드 제어는 제어 대상 외부 교란에 대한 정확한 정보를 담고 있는 참조신호를 필요로 한다.

참고문헌 (11)

Kowalczyk, K., Karkosch, H. J., Marienfeld P. M. and Svaricek, F., 2006 “Rapid Control Prototyping of Active Vibration Control System in Automotive Application,” Proc. of the IEEE, pp. 2677-2682.
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Heo, S., Lee, S. B., Kwak, M. K. and Baek, K. H., 2004, “Real-time Active Vibration Control of Smart Structure Using Adaptive PPF Controller,” Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 14 No. 4, pp. 267-275.

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Kwak, M. K., Ra, W. K. and Yoon, K. J., 1997, “Vibration Suppression of Smart Structures Using a Combined PPF-SRF Control Technique,” Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol.7, No.5, pp. 811-817.
http://www.bksv.kr
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상세보기
http://agilent.com
http://www.mdstec.com
http://www.mbdynamics.com
http://www.mathworks.com

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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