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문제 정의
- Yamazaki et al.(4)은 방진고무로 연결된 케이지와 프레임 사이에 AC 서보 모터와 볼 스크류를 장착하고 케이지에 부착된 가속도 센서 신호를 피드백 하여 횡진동을 저감하는 제어장치에 대하여 연구하였다. 이와 유사한 방법으로 Funai et al.
- 이 연구에서는 먼저 엘리베이터의 진동 제어를 위한 액추에이터 및 하드웨어 구성을 설명하고 간단한 능동진동제어 알고리즘을 실제 엘리베이터에 적용한 결과를 제시하였다. 능동 롤러 가이드는 엘리베이터의 하부 좌우에 횡방향과 전후방향 제어를 위해 설치되었으며 총 6개의 VCA가 사용되었다.
- 이 연구에서는 엘리베이터의 횡진동 및 전후 진동 제어에 대한 이론적인 연구 결과(9,10)를 토대로 실제 엘리베이터에 대한 능동진동제어 실험을 통해 능동진동제어의 타당성을 입증하고자 한다. 실험 결과는 저속 및 고속 엘리베이터의 진동을 능동적으로 감소시킬 수 있음을 보여준다.
- 초고층 건축물에서 사용되는 초고속 엘리베이터는 분당 300 m 이상의 속도로 운행되는 것을 목표로 하고 있다. 이와 같은 속도로 운행될 경우 엘리베이터의 진동은 당연히 크게 나타날 수 밖에 없으며, 과도한 진동은 승객들에게 불안감을 초래하게 된다.
- 능동진동제어 시스템의 설계이 연구에서 제어하고자 하는 엘리베이터의 진동은 가속도 크기 10 mg 이하의 주파수 대역 3~10 Hz 성분을 갖는 진동이다. 특히 승차감에 가장 영향을 주는 3~4 Hz 성분을 억제하는 것을 연구 목표로 설정하였다. 먼저 엘리베이터의 횡진동을 제어하기 위해서 Fig.
제안 방법
- (1) 실제 엘리베이터의 진동 크기는 약 10 mg 내외로 매우 작고 낮은 진동수를 갖기 때문에 능동진동제어를 위해서는 고감도의 저주파수(1~10 Hz)용 가속도계를 사용해야 하며 이 연구에서는 10 V/g의 감도를 가지는 서보 가속도계를 사용하였다.
- Teshima et al.(2,3)은 엘리베이터 프레임 바닥에 AC 서보 모터와 볼 스크류를 이용한 AMD(active mass damper) 시스템을 구현해 외란에 대하여 능동적으로 작동하는 진동 제어장치를 연구하였다. Yamazaki et al.
- (3) 능동진동제어 알고리즘으로 비례 제어를 고려하였는데 신호 처리를 위해 협대역 통과 필터를 사용하였다. 실험 결과는 간단한 비례 제어 알고리즘으로도 진동제어가 가능함을 보여주었다.
- 이와 유사한 방법으로 Funai et al.(5)은 하드웨어적으로 복잡한 AC 서보 모터 대신 전자석을 이용한 진동 저감 장치를 제안하였다. 프레임에는 요철을 설치하고 케이지에는 전자석을 고정시켜 진동을 저감하는 장치로 중력 방향을 Z축이라고 가정할때 전자석의 단순한 배열을 통해 X축과 Y축 진동을 제어할 수 있도록 만들었다.
- Utsunomiya et al.(6)은 자체적으로 개발한 VCA(voice coil actuator)를 롤러 가이드에 부착하여 가이드 레일에서 전달되는 진동을 효과적으로 억제하는 장치를 연구 개발하였다. Inaba et al.
- Inaba et al.(7)은 가이드 레일에 근접한 엘리베이터 프레임에 전자석을 부착하고 가이드 레일과 프레임 간의 거리를 측정하여 프레임의 진동을 억제하는 장치를 개발하였다. Noguchi et al.
- Noguchi et al.(8)은 VCA 대신 AC 서모 모터와 볼 스크류를 롤러 가이드에 장착하여 횡진동을 제어하는 능동진동제어 장치를 제안하였다. 이와 같이 국외에서는 엘리베이터 진동에 대한 모델링 방법 및 능동진동제어에 대한 연구가 활발하게 이루어졌지만 이에 비해 국내에서는 아직 엘리베이터의 능동진동제어에 대한 연구가 미미하다(9~12).
- Fig. 2에 보이는 능동롤러 시스템을 하나 더 제작한 후 Fig. 1에 보이는 바와 같이 엘리베이터 하부에 설치된 수동 롤러 가이드를 능동 롤러 가이드로 교체하여 횡진동 제어를 시도하였다. 실험 결과는 미소 변위의 제어를 위해 힌지 부분의 정밀도를 높여야 하며 VCA의 파워 사양을 낮추어도 됨을 보여주었다.
- C언어로 작성된 제어 프로그램의 실행파일은 DSP로 다운로드되어 사용되었다. 그리고 실험에서 비례 제어기의 게인값을 증가시켜 가면서 진동제어 성능을 관찰하였다. 이를 통해 제어기가 불안정해지기 전의 최적값을 비례제어 게인으로 선정하였다.
- 또한 엘리베이터 운행 중에 발생할 수 있는 위기 상황에서 승객과 능동 롤러 가이드 시스템을 보호하기 위해서 다양한 보호장치를 설계하여 적용하였다. 그리고 에너지 효율을 높이기 위해 엘리베이터의 운행 신호와 동기시켜 작동하도록 제어기를 설계하였다.
- 즉, 횡방향과 전후 방향에 대해 SISO(single-input and single-output) 제어 시스템이 구현되어 횡방향에 대해서는 횡방향 가속도계 신호를 바탕으로 2개의 VCA가 동시에 한 방향으로 구동하고, 전후 방향에 대해서는 전후방향 가속도계 신호를 바탕으로 4개의 VCA가 동시에 한방향으로 구동되도록 프로그래밍 되었다. 능동 롤러 시스템이 부착된 위치는 엘리베이터의 무게 중심에 위치해 기본 모드인 순수 병진 모드를 제어할 수있도록 설계되었다.
- DSP는 주기적(10 Hz)으로 watchdog system에 동작 신호를 인가하는데 이 신호가 DSP 의 오류에 의해 차단될 경우, watchdog system은 제어기를 보호하기 위해 DSP에 reset 신호를 보냄과 동시에 액추에이터에 공급되는 전원을 차단한다. 또한 DSP는 액추에이터에 인가되는 전류를 감시함으로써 과전류가 흐를 경우 발생할 수 있는 액추에이터의 손상을 방지하기 위해 보호 프로그램을 실행한다. 그리고 과도한 진동이 일정 시간동안 발생할 경우에도 프로그램이 정지하도록 설계되어 있다.
- 각 능동 롤러 가이드는 구조적으로 최적의 진동 제어 효과를 얻기 위해 엘리베이터의 무게중심과 근접한 위치에 설치하였다. 또한 엘리베이터 운행 중에 발생할 수 있는 위기 상황에서 승객과 능동 롤러 가이드 시스템을 보호하기 위해서 다양한 보호장치를 설계하여 적용하였다. 그리고 에너지 효율을 높이기 위해 엘리베이터의 운행 신호와 동기시켜 작동하도록 제어기를 설계하였다.
- 특히 승차감에 가장 영향을 주는 3~4 Hz 성분을 억제하는 것을 연구 목표로 설정하였다. 먼저 엘리베이터의 횡진동을 제어하기 위해서 Fig. 2와 같은 능동 롤러 원형 시스템을 설계하고 제작하였다. Fig.
- 물론 보다 복잡한 제어알고리즘(13)도 고려할 수 있다. 실제 진동제어에 있어 계측된 가속도 신호가 잡음을 포함하고 있기 때문에 이 연구에서는 협대역 통과 필터(BPF, band pass filter)를 고려하였다. 이를 위해 HPF(high-pass filter)와 LPF(low-pass filter)를 결합하였으며 전달 함수는 다음과 같다.
- 8에 보이는바와 같이 CAN(controller area network)통신을 통해 엘리베이터의 up-down운행 신호를 주기적으로 수신한다. 이 신호를 이용해 능동 롤러 시스템을 작동함으로써 전력 소모를 최소화 하였다. 또한 제어 시스템은 승객과 시스템을 보호하기 위해 다양한 감시 기능을 갖추고 있다.
- 이 연구에서는 제어 알고리즘으로 가장 간단하다고 생각할 수 있는 비례제어를 고려하였다. 즉, 각각의 능동 롤러 가이드는 각 방향의 가속도에 비례한 값을 되먹임(feedback)하게 되는 것을 의미한다.
- 실제 진동제어에 있어 계측된 가속도 신호가 잡음을 포함하고 있기 때문에 이 연구에서는 협대역 통과 필터(BPF, band pass filter)를 고려하였다. 이를 위해 HPF(high-pass filter)와 LPF(low-pass filter)를 결합하였으며 전달 함수는 다음과 같다.
- 횡방향과 전후 방향 능동롤러는 독립적으로 운용되었다. 즉, 횡방향과 전후 방향에 대해 SISO(single-input and single-output) 제어 시스템이 구현되어 횡방향에 대해서는 횡방향 가속도계 신호를 바탕으로 2개의 VCA가 동시에 한 방향으로 구동하고, 전후 방향에 대해서는 전후방향 가속도계 신호를 바탕으로 4개의 VCA가 동시에 한방향으로 구동되도록 프로그래밍 되었다. 능동 롤러 시스템이 부착된 위치는 엘리베이터의 무게 중심에 위치해 기본 모드인 순수 병진 모드를 제어할 수있도록 설계되었다.
- (5)은 하드웨어적으로 복잡한 AC 서보 모터 대신 전자석을 이용한 진동 저감 장치를 제안하였다. 프레임에는 요철을 설치하고 케이지에는 전자석을 고정시켜 진동을 저감하는 장치로 중력 방향을 Z축이라고 가정할때 전자석의 단순한 배열을 통해 X축과 Y축 진동을 제어할 수 있도록 만들었다. Utsunomiya et al.
대상 데이터
- 이 연구에서는 먼저 엘리베이터의 진동 제어를 위한 액추에이터 및 하드웨어 구성을 설명하고 간단한 능동진동제어 알고리즘을 실제 엘리베이터에 적용한 결과를 제시하였다. 능동 롤러 가이드는 엘리베이터의 하부 좌우에 횡방향과 전후방향 제어를 위해 설치되었으며 총 6개의 VCA가 사용되었다. 각 능동 롤러 가이드는 구조적으로 최적의 진동 제어 효과를 얻기 위해 엘리베이터의 무게중심과 근접한 위치에 설치하였다.
- 능동 롤러 가이드를 이용한 능동진동제어 실험은 (주)현대엘리베이터에 새로 건축된 아산타워 3, 4호기에서 수행되었다. 각 타워의 엘리베이터 운행 속도는 600 m/min이다.
- 4에 보이는 시스템은 가속도계, DSP(digital signal processing) 보드, 그리고 VCA구동 앰프로 구성되어있다. 센서로는 500 mV/g의 감도를 갖는 Endveco사의 가속도계를 사용하였고 제어 알고리즘을 구현할 제어기로는 TMS320 F2812를 사용하였다.
- 6과 같이 케이지의 하부 좌우에 각각 부착되었다. 이렇게 해서 총 6개의 VCA가 사용되었으며, 횡방향 능동진동제어를 위해서는 2개의 VCA, 전후방향 능동 진동제어를 위해서는 4개의 VCA가 사용되었다. 또한, 횡방향과 전후 방향에 대해 2개의 가속도계가 각각 사용되었다.
- 제어 알고리즘을 구현할 제어기로는 TMS 320F2812 DSP를 사용하였다. 이 DSP 내부의 ADC는 12비트의 분해능을 가지고 있으며 제어기는 내부 타이머를 사용하여 1 kHz 샘플링 속도로 제어 알고리즘을 실행할 수 있다.
이론/모형
- 10 mg 이하의 저주파 진동을 측정하기 위해서는 고감도의 저주파 가속도계가 필요하다. 이 연구에서는 10 V/g 감도를 갖는 Jewell사의 서보 가속도계를 사용하였다. 구동부의 출력단은 VCA와 연결되어 있다.
성능/효과
- (2) 능동진동제어를 위한 액추에이터로는 VCA를 사용하였는데 5 ton 정도의 엘리베이터에 대해 200 N 이하의 사양으로도 충분히 진동제어가 가능함을 확인하였다.
- (4) 능동 롤러 가이드를 이용해 다양한 엘리베이터의 능동진동제어가 가능함을 확인하였다.
- 이 연구에서 채택한 DSP는 내부에 다수의 12 bit PWM(pulse width modulation) 포트를 내장하고 있어 부가적인 장치가 필요 없었다. PWM의 구동 특성상 펄스로 인한 잡음이 발생할 수 있는데 이 연구에서 채택한 DSP는 20 kHz의 구형파를 생성하도록 프로그래밍 되어 있어 VCA 구동시 잡음이 발생 하지 않았다. PWM 신호는 전류 증폭기를 통해 VCA에 전달된다.
- 실제 엘리베이터에 장착하고 수행한 실험 결과는 승차감에 가장 영향 크게 미치는 3~4 Hz 성분이 성공적으로 저감되는 것을 보여준다. 따라서 이 연구를 통해 엘리베이터의 능동진동제어가 가능함을 입증하였다. 능동진동제어 실험을 통해 다음과 같은 결론이 도출되었다.
- 실제 엘리베이터에 장착하고 수행한 실험 결과는 승차감에 가장 영향 크게 미치는 3~4 Hz 성분이 성공적으로 저감되는 것을 보여준다. 따라서 이 연구를 통해 엘리베이터의 능동진동제어가 가능함을 입증하였다.
- 위에서 언급한 바와 같이 10 Hz 이하의 진동 성분을 제어하려고 하기 때문에 1 kHz 의 샘플링 속도로 충분히 디지털 제어 알고리즘을 구현할 수 있을 것으로 판단되었다. 실제 제어를 시도하였을 때 부딪친 가장 큰 문제는 VCA 반응 속도인데 실험을 통해 15 Hz까지 위상차 변화 없이 구동이 가능함을 확인하였다. 능동 롤러 가이드에는 6개의 VCA 장착되어 있어 이를 독립적으로 제어 하기 위해서는 다수의 PWM 신호가 필요하였다.
- (3) 능동진동제어 알고리즘으로 비례 제어를 고려하였는데 신호 처리를 위해 협대역 통과 필터를 사용하였다. 실험 결과는 간단한 비례 제어 알고리즘으로도 진동제어가 가능함을 보여주었다.
- 1에 보이는 바와 같이 엘리베이터 하부에 설치된 수동 롤러 가이드를 능동 롤러 가이드로 교체하여 횡진동 제어를 시도하였다. 실험 결과는 미소 변위의 제어를 위해 힌지 부분의 정밀도를 높여야 하며 VCA의 파워 사양을 낮추어도 됨을 보여주었다. 실험 결과를 바탕으로 Fig.
- 이 연구에서는 엘리베이터의 횡진동 및 전후 진동 제어에 대한 이론적인 연구 결과(9,10)를 토대로 실제 엘리베이터에 대한 능동진동제어 실험을 통해 능동진동제어의 타당성을 입증하고자 한다. 실험 결과는 저속 및 고속 엘리베이터의 진동을 능동적으로 감소시킬 수 있음을 보여준다. 2.
- 이 DSP 내부의 ADC는 12비트의 분해능을 가지고 있으며 제어기는 내부 타이머를 사용하여 1 kHz 샘플링 속도로 제어 알고리즘을 실행할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이 10 Hz 이하의 진동 성분을 제어하려고 하기 때문에 1 kHz 의 샘플링 속도로 충분히 디지털 제어 알고리즘을 구현할 수 있을 것으로 판단되었다. 실제 제어를 시도하였을 때 부딪친 가장 큰 문제는 VCA 반응 속도인데 실험을 통해 15 Hz까지 위상차 변화 없이 구동이 가능함을 확인하였다.
후속연구
- 차후 보다 효과적인 능동진동제어를 위해 이전 연구에서 고려하였던 PID 및 PPF 제어 알고리즘을 시도해볼 예정이다.
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