[논문]비례제어밸브를 이용한 유압모터 부하계의 마찰토크 해석

유환신; 박형배

비례제어밸브를 이용한 유압모터 부하계의 마찰토크 해석
Friction Torque Analysis of a Hydraulic Motor-Load System using Proportional Control Valve 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.14 no.5 = no.44, 2010년, pp.760 - 766

유환신 (호원대학교 자동차기계조선공학부) , 박형배 (경기공업대학 자동차과)

초록
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본 논문에서는 유압 비례 제어 밸브로 구동되는 유압모터 부하계에 존재하는 정지마찰토크와 점성마찰토크를 해석하였다. 이에 기초 실험으로 유압시스템의 에너지인 압력과 유량에 대한 특성실험을 수행하였고, 공압브레이크 시스템을 이용하여 브레이크 압력의 변화를 인가하여 마찰토크의 변화를 실험하였다. 비선형마찰과 선형마찰에 대한 해석은 유압 시스템의 마찰특성에 대하여 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, The static friction torque and viscous friction torque including hydraulic motor-load system driven by hydraulic proportional control valve analysis. The basic experimental was performed toward characteristic in pressure and flow rate in hydraulic system energy. The variable of friction torque was experiment on brake pressure variable using pneumatic brake system. The analysis of nonlinear friction and linear friction was perform ed toward friction characteristic of hydraulic system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 기초실험으로 유압시스템의 에너지인 압력과 유량에 대한 특성을 분석하기 위해 시스템의 압력의 변화에 따른 토출유량 특성실험을 하여 유체에너지에 대한 파라미터 변화를 분석하였다.
본 연구에서는 유압 비례 제어 밸브로 구동되는 유압 모터·질량 부하․마찰 부하 시스템을 제어대상 플랜트로 설정하고, 이 시스템에 대한 수학적인 모델링을 한 후에 시뮬레이션과 실험으로 정특성과 동특성을 파악하고 시스템의 안정성에 대하여 검증하였다. 제어기로는 비례미분적분 제어기를 이용하였고, 유압 모터의 속도 제어에 대한 연구를 수행하고자 한다. 유압모터의 속도를 측정하기 위하여 유압 모터부하계의 축 끝단에 Tachometer Generator를 설치하였고 흡입구와 토출구의 압력을 측정하기 위하여 각각에 압력센서를 부착하였다.

제안 방법

마찰토크 분석을 위한 기초실험으로 시스템 압력의 변화에 따른 비례제어밸브의 유량변화를 측정하였다. Fig.3과 같이 압력의 상승에 따른 토출유량의 변화를 알 수 있었고, 실제 유압서보 시스템의 에너지를 형성하는 압력과 유량에 대한 변화를 해석하였다.
본 논문은 공압 브레이크 시스템을 이용하여 공압의 변화에 따라 브레이크력을 변화하였다. 그리고 비례제어밸브를 이용한 유압모터 시스템에서 마찰토크실험을 수행하였고, 실제적으로 브레이크력의 변화에 따른 마찰토크에 대한 실험을 통하여 해석하였다.
마찰토크에 대한 정확한 궤적을 해석하기 위해서 유압모터에 장착된 공압 브레이크 시스템을 이용하여 브레이크 압력의 변화를 인가하여 실험한 결과로마찰토크의 변화를 알 수 있었다. 그리고 입력전압과 브레이크 압력의 변화에 따른 마찰토크도 분석하였다.
마찰토크 분석을 위한 기초실험으로 시스템 압력의 변화에 따른 비례제어밸브의 유량변화를 측정하였다. Fig.
1과 같다. 마찰토크 해석을 위하여 유압모터에 공압식 브레이크를 설치하여 공압의변화에 의한 브레이크력의 변화를 주어 마찰토크 변화에 대하여 실험하였다.
본 논문에서는 기어모터를 사용하였다. 뉴턴의 제2 법칙을 적용하면 다음과 같이 표현할 수 있다.
유압펌프는 유압시스템 구성에서 주요소로서기계적인 에너지를 유체의 압력에너지로 변환하는장치이다. 본 논문에서는 기어펌프를 사용하였고, 유압펌프에서 발생하는 압력은 릴리프 밸브에 세팅된압력으로 일정하다고 생각하고 모델링하였다.
본 논문은 공압 브레이크 시스템을 이용하여 공압의 변화에 따라 브레이크력을 변화하였다. 그리고 비례제어밸브를 이용한 유압모터 시스템에서 마찰토크실험을 수행하였고, 실제적으로 브레이크력의 변화에 따른 마찰토크에 대한 실험을 통하여 해석하였다.
1과 같이 구성되어 있으며, 에너지 전달체계는 원동기를 통한 기계적인 에너지가 유압시스템을 통하여 다시 기계적인 에너지로 만들어진다. 본 논문의 시뮬레이션 모델은 각각의 요소들에 대한 기본적인 방정식들을 기초로 하여 구성하였고, 유압모터 변위 제어시스템의 구성요소들을 단일 시스템 요소(lumped system components)로 나누어 설계하였다.
본 연구에서는 유압 비례 제어 밸브로 구동되는 유압 모터·질량 부하․마찰 부하 시스템을 제어대상 플랜트로 설정하고, 이 시스템에 대한 수학적인 모델링을 한 후에 시뮬레이션과 실험으로 정특성과 동특성을 파악하고 시스템의 안정성에 대하여 검증하였다.
실험으로 구한 마찰토크 특성실험을 이용하여 유압시스템 입력파형을 사인파를 인가하여 실험한 결과 브레이크 압력의 변화에 따라 응답특성이 떨어짐을 알 수 있었고, Fig.2에서 고찰한 이론적인 마찰특성 곡선과 동일하게 실험을 통한 마찰특성 곡성도Fig.6과 같이 마찰토크 특성의 궤적을 구하였다.
유압 모터의 마찰토크 실험결과를 브레이크 압력과 입력전압, 그리고 마찰토크 분석한 결과 Fig.5와 같이 마찰토크는 브레이크력과 입력전압의 변화에 따라 마찰특성을 실험하였다.
제어기로는 비례미분적분 제어기를 이용하였고, 유압 모터의 속도 제어에 대한 연구를 수행하고자 한다. 유압모터의 속도를 측정하기 위하여 유압 모터부하계의 축 끝단에 Tachometer Generator를 설치하였고 흡입구와 토출구의 압력을 측정하기 위하여 각각에 압력센서를 부착하였다. 제어기인 컴퓨터와 플랜트인 유압서보 시스템과의 인터페이스는 데이터 획득 보드를 이용하였다.

대상 데이터

유압모터의 속도를 측정하기 위하여 유압 모터부하계의 축 끝단에 Tachometer Generator를 설치하였고 흡입구와 토출구의 압력을 측정하기 위하여 각각에 압력센서를 부착하였다. 제어기인 컴퓨터와 플랜트인 유압서보 시스템과의 인터페이스는 데이터 획득 보드를 이용하였다.

성능/효과

마찰토크에 대한 정확한 궤적을 해석하기 위해서 유압모터에 장착된 공압 브레이크 시스템을 이용하여 브레이크 압력의 변화를 인가하여 실험한 결과로마찰토크의 변화를 알 수 있었다. 그리고 입력전압과 브레이크 압력의 변화에 따른 마찰토크도 분석하였다.
마찰토크의 특성을 분석한 결과는 속도가 제로부분에서 비선형마찰인 정지마찰과 쿨롱마찰을 알 수있었고, 선형마찰특성인 점성마찰토크를 속도의 변화에 따라 점차적으로 상승함을 증명하였다.
브레이크 압력의 변화와 입력전압의 증가에 따라마찰토크를 측정한 결과는 점차적으로 증가함을 알수 있었고, 속도가 제로상태에서 정지마찰이 가속초입에서는 쿨롱마찰이 속도가 증가하는 경우에는 점성마찰이 발생함을 알 수 있었다.
실제적으로 마찰특성을 분석한 결과는 입력전압의 변화에 따라 점차적으로 마찰토크가 상승하였고, 공압 브레이크를 이용하여 유압시스템에 브레이크압력을 인가하면 점진적으로 마찰토크가 상승함을 실험을 통하여 증명되었다.
앞의 실험을 통하여 얻은 결과를 이용하여 사인파를 입력으로 마찰토크를 분석한 결과는 실험에서 구한 비선형마찰과 선형마찰의 궤적이 잘 분석됨을 알 수 있었다.
4와 같이 유압비례제어 시스템의 마찰토크를 해석하기 위하여 브레이크 압력의 변화에 따른 구동토크와 마찰토크를 실험하였다. 유압모터의 장착된 브레이크 장치의 브레이크력의 변화에 따른 마찰토크의 실험결과는 브레이크력의 증가에 따라 마찰토크의 상승함을 검증하였다.

후속연구

이 마찰특성을 제어기 설계 시에 적용하여 구성한다면 비선형 마찰특성 보상에 매우 중요한 파라미터로 적용될 것이다.
향후에는 유압시스템의 비선형특성에 대한 보상방법에 대한 연구를 지속적으로 추진하려고 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유압모터-부하계의 장점은?	유압모터-부하계는 큰 출력토크와 외력에 대한 강인성을 가지고, 실시간 응답특성이 빠른 장점이 있다. 이러한 유압모터-부하계 시스템을 이용한 제어에는 각변위 제어, 각속도 제어, 각가속도 제어, 그리고토크 제어로 나눌 수 있다.
	유압모터-부하계 시스템을 이용한 제어는 어떻게 나눌 수 있는가?	유압모터-부하계는 큰 출력토크와 외력에 대한 강인성을 가지고, 실시간 응답특성이 빠른 장점이 있다. 이러한 유압모터-부하계 시스템을 이용한 제어에는 각변위 제어, 각속도 제어, 각가속도 제어, 그리고토크 제어로 나눌 수 있다. 응용분야로는 안테나, 레이더, 포신의 추적 제어, 공작 기계의 이송 제어, 그리고 연속 경로 제어용 로봇 등 광범위한 분야에서응용되고 있다.
	유압모터-부하계 시스템의 응용분야는?	이러한 유압모터-부하계 시스템을 이용한 제어에는 각변위 제어, 각속도 제어, 각가속도 제어, 그리고토크 제어로 나눌 수 있다. 응용분야로는 안테나, 레이더, 포신의 추적 제어, 공작 기계의 이송 제어, 그리고 연속 경로 제어용 로봇 등 광범위한 분야에서응용되고 있다.

참고문헌 (7)

相良.大川, 日本機械學會論文集, 59卷 565？, 1993 pp.2707-2711.
Canudas de Wit. C., K. J. Astrom and K. Braun. Adaptive Friction Compensation in DC-Motor Drives, IEEE J. Robotics and Automation, Vol. RA-3, No.6, 1987 pp.681-685.
Min-Chio Kung & Baxter F. Womack, Discrete Time Adaptive Control of Linear Systems with Preload Nonlinearity, Automatica, 1984 pp.477-479.
Landau, I. D. and Lozano, R., 1981, Unification and Evaluation of Discrete Time Explicit Model Reference Adaptive Design, Automatica, Vol. 17, No. 4, pp.593-611.

상세보기
Goodwin, G. C. and K. S. Sin, Adaptive Filtering Prediction and Control, Prentice-Hall, 1984.
John Watton, Fluid Power Systems, Prentice Hall, 1989.
Herbert E. Merritt, Hydraulic Control Systems, John Willy & Sons, INC., 1967.

저자의 다른 논문 :

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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