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문제 정의
- 앞에서 일부 설명하였는데 이 연구에서 고려한 능동 동흡진기의 목적은 차량의 엔진에서 발생한 진동을 상쇄하는 것이다. 엔진에 의해 발생하는 기진력은 조화형태의 교란이다.
- 이 연구에서는 단순한 외팔 구조물에 대해 그 성능이 입증되었던 MHHC를 실제 차량에 적용하여 아이들 및 주행 중 엔진에 의해 발생하는 진동을 제어하는 실험을 수행하였다. 실험 결과는 MHHC가 실제 차량에 대해서도 효과적으로 사용될 수 있음을 보여준다.
제안 방법
- (3)은 능동 마운트의 효과적인 진동절연을 위해 MR 유체와 압전작동기를 이용한 능동 하이브리드 마운트를 제안하고, 시스템의 불확실성을 고려한 강건 슬라이드모드 제어기(sliding mode control)을 설계한 제어기를 이용한 시뮬레이션을 통해 시스템의 가속도, 전달력 등을 평가하는 연구를 수행하였다. Kim et al.
- Kim et al.(4)은 탄성고무재료와 압전재료를 적층한 압전작동기로 구성된 하이브리드 마운트를 제안하고, 실험적 구현을 통하여 빔 구조물의 진동제어 성능과 힘 전달률 등을 평가하는 연구를 수행하였다. Oh et al.
- Oh et al.(5)은 정확한 진동 절연시험을 위하여 무인항공기 엔진에서 발생하는 진동을 지상에서 측정하고, 그에 알맞은 압전작동기를 선정하여, 관성형 마운트의 작동기로 이용한 연구를 수행하였다. Vien et al.
- 3에 보이는 바와 같이 기존 수동형 마운트를 그대로 사용하면서 엔진 서브프레임의 좌우에 ALA를 장착하였다. ALA 부착위치를 결정하기 위해서 transfer pass analysis(TPA)가 수행되었다. 그 결과 엔진의 기진력 기여도가 가장 큰 곳이 좌우 수동 마운트 아래인 것으로 밝혀졌다.
- MHHC알고리즘은 simulink 블록 선도를 이용해 구현하였다.
- 먼저 차량의 아이들 상태에서 능동진동제어를 시도하였다. 가속도 신호를 분석한 결과 단일 주파수 성분(3차 성분)이 가장 크게 나타남이 확인되었다.
- 제어 알고리즘을 구현을 위해서는 dSpace사(17)의 autobox가 사용되었다. 알고리즘은 simulink를 이용해 구현되어 autobox로 다운로드 되었다. Autobox의 A/D입력 단에는 가속도계 신호가, 디지털 입력 단에는 타코미터 펄스 신호가 연결되었다.
- MHHC알고리즘은 simulink 블록 선도를 이용해 구현하였다. 엔진 RPM과 관련 되어 나타나는 여러 개의 진동수 성분을 동시에 억제하기 위해 각 진동수 성분에 대응할 수 있는 MHHC를 병렬로 연결하여 차량에 적용하였다. 실제 차량 실험 결과 아이들 상태의 경우에는 서브 프레임의 가속도 수준이 약 1/3 가량으로 감소되었고, 주행 중일 경우에는 서브 프레임의 가속도 수준이 약 1/2 가량 감소됨을 확인하였다.
- 타코미터 펄스 신호를 이용해 엔진 RPM을 계산하고, 이와 관련된 엔진 교란의 주 진동수를 산정하였다. 엔진 교란에 대한 주 진동수 정보를 이용해 MHHC 알고리즘은 변하는 조화 교란의 진동수에 대응하도록 설계되었다. MHHC 알고리즘에 의해 계산된 제어신호는 파워 드라이버를 거쳐 ALA에 전달되었다.
- 이 연구에서는 능동 동흡진기 형태의 active linear actuator를 실제 차량에 적용하고 실험을 수행하였다. 엔진에 의해 발생하는 기진력은 엔진 RPM과 관련된 조화 기진력의 형태로 나타나게 된다.
- 또한 엔진 RPM이 바뀜에 따라 조화 기진력의 진동수 성분도 바뀌게 된다. 이 연구에서는 먼저 조화 교란에 대응할 수 있는 수정고차조화제어기(MHHC)를 고려하고 이를 엔진 RPM과 연동될 수 있도록 제어 알고리즘을 수정하였다. MHHC알고리즘은 simulink 블록 선도를 이용해 구현하였다.
- 따라서 아이들 경우와 달리 여러 개의 진동수를 동시에 제어할 수 있는 제어 알고리즘이 필요하다. 이 연구에서는 아이들 경우에 사용한 MHHC를 병렬로 연결하여 여러 개의 진동수를 제어할 수 있도록 Fig. 9와 같은 블록선도를 구성하였다. 가속도계 신호 계측 결과로부터 주행 중 차량의 진동은 엔진 RPM의 1.
- 가속도 신호를 분석한 결과 단일 주파수 성분(3차 성분)이 가장 크게 나타남이 확인되었다. 이를 바탕으로 단일 진동수를 제어하는 MHHC를 왼쪽 서브프레임과 오른쪽 서브프레임 제어기에 각각 적용하였다. Matlab(19)의 Simulink 블록을 이용해 구현된 단일진동수 MHHC는 Fig.
- Autobox의 A/D입력 단에는 가속도계 신호가, 디지털 입력 단에는 타코미터 펄스 신호가 연결되었다. 타코미터 펄스 신호를 이용해 엔진 RPM을 계산하고, 이와 관련된 엔진 교란의 주 진동수를 산정하였다. 엔진 교란에 대한 주 진동수 정보를 이용해 MHHC 알고리즘은 변하는 조화 교란의 진동수에 대응하도록 설계되었다.
대상 데이터
- 2에 보이는 현대 자동차의 제네시스 차종이다. 그림에서 보이듯이 새시 다이나모에 제네시스 차량을 설치하고 능동진동 제어 실험을 수행하였다. 그리고 Fig.
- 이 연구에서 사용한 차량은 Fig. 2에 보이는 현대 자동차의 제네시스 차종이다. 그림에서 보이듯이 새시 다이나모에 제네시스 차량을 설치하고 능동진동 제어 실험을 수행하였다.
이론/모형
- 4와 같다. 제어 알고리즘을 구현을 위해서는 dSpace사(17)의 autobox가 사용되었다. 알고리즘은 simulink를 이용해 구현되어 autobox로 다운로드 되었다.
성능/효과
- 시트레일의 경우에는 고차 성분의 영향이 미미하게 나타난다. 1.5차 성분이 가장 크게 나타나는데 서브프레임의 제어기 구동을 통해 시트레일 진동 1.5차 성분이 약 50 % 정도 감소된 것을 알 수 있다. Fig.
- ALA가 부착된 위치가 바로 그 위치이다. ALA를 더 추가하면 진동억제 효과는 커지지만 실제 차량의 공간적인 제약으로 인해 두 개의 ALA를 부착하는 것으로 결정되었다.
- 8의 시간영역 신호를 주파수영역에서 분석한 그림이다. Fig. 9에서 알 수 있듯이 제어되지 않았을 경우에 33 Hz 성분이 가장 크게 나타남을 알 수 있으며 이 진동수 성분을 제어하도록 MHHC를 구동하였을 경우 왼쪽과 오른쪽의 가속도계 신호 값이 약 1/3로 감소함을 확인할 수 있다. 시트레일의 가속도 신호는 제어하지 않았을 경우 서브 프레임의 약 1/3 수준이다.
- 먼저 차량의 아이들 상태에서 능동진동제어를 시도하였다. 가속도 신호를 분석한 결과 단일 주파수 성분(3차 성분)이 가장 크게 나타남이 확인되었다. 이를 바탕으로 단일 진동수를 제어하는 MHHC를 왼쪽 서브프레임과 오른쪽 서브프레임 제어기에 각각 적용하였다.
- 9와 같은 블록선도를 구성하였다. 가속도계 신호 계측 결과로부터 주행 중 차량의 진동은 엔진 RPM의 1.5차, 3차, 4.5차, 6차 순서대로 진동수 성분을 가지게 됨을 알 수 있다. 따라서 계측된 RPM으로부터 각각의 진동수 성분에 대응할 수 있는 MHHC를 Fig.
- 실제 차량 실험 결과 아이들 상태의 경우에는 서브 프레임의 가속도 수준이 약 1/3 가량으로 감소되었고, 주행 중일 경우에는 서브 프레임의 가속도 수준이 약 1/2 가량 감소됨을 확인하였다. 따라서, 실제 차량의 경우 이 연구에서 고려한 동흡진기와 MHHC 알고리즘이 엔진 RPM에 의해 발생하는 진동을 억제하는 데 효과적임을 입증하였다.
- 엔진 RPM과 관련 되어 나타나는 여러 개의 진동수 성분을 동시에 억제하기 위해 각 진동수 성분에 대응할 수 있는 MHHC를 병렬로 연결하여 차량에 적용하였다. 실제 차량 실험 결과 아이들 상태의 경우에는 서브 프레임의 가속도 수준이 약 1/3 가량으로 감소되었고, 주행 중일 경우에는 서브 프레임의 가속도 수준이 약 1/2 가량 감소됨을 확인하였다. 따라서, 실제 차량의 경우 이 연구에서 고려한 동흡진기와 MHHC 알고리즘이 엔진 RPM에 의해 발생하는 진동을 억제하는 데 효과적임을 입증하였다.
- 이 연구에서는 단순한 외팔 구조물에 대해 그 성능이 입증되었던 MHHC를 실제 차량에 적용하여 아이들 및 주행 중 엔진에 의해 발생하는 진동을 제어하는 실험을 수행하였다. 실험 결과는 MHHC가 실제 차량에 대해서도 효과적으로 사용될 수 있음을 보여준다.
- (16)은 한 발 더 나아가서 좀 더 넓은 주파수 대역의 조화 교란에 대응할 수 있도록 기존의 HHC에 감쇠계수를 도입한 수정 고차 조화제어기(modified HHC, MHHC)를 개발하여 외팔보의 능동진동제어에 적용하고 다른 제어 알고리즘과 비교하였다. 외팔보에 대한 실험 결과는 MHHC가 공진 및 비공진가진에 대해 모두 효과적임을 보여주었다.
- 여기서 ζ 는 정확한 외부 기진력의 진동수와의 불일치에 대응할 수 있도록 도입된 제어 감쇠계수이다. 이 제어 감쇠계수는 결국 MHHC의 제어 효과도를 결정짓게 되는데 이 연구에서는 실험을 통해 0.09의 값이 가장 효과적임을 발견하였다. 식 (2)로 주어진 MHHC 알고리즘은 대역 소거 필터의 일종으로 볼 수 있다.
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