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문제 정의
- 이 연구에서는 고무와 압전작동기로 구성되는 능동 하이브리드 마운트를 이용하여, 함정용 마운트 시스템의 진동제어 성능을 실험적으로 평가하였다. 이 연구에서 제안되어지는 능동 하이브리드 마운트의 구조는 크게 고무 요소, 압전작동기와 관성질량으로 이루어진다.
가설 설정
- 이 연구에서는 마운트로 지지되는 상부질량(upper mass)의 진동이 함정으로 전달되는 것을 차단하는 것이 목적이며, 상부질량은 무게중심점에서의 1개의 병진운동(z)과 2개의 회전운동(θ,φ)을 가지는 강체로 가정하였다.
제안 방법
- 능동 하이브리드 마운트 설계 및 제작한 후, 이를 바탕으로 4개의 마운트로 이루어지는 능동 하이브리드 마운트 시스템을 구축할 수 있었다. Feedforward 제어기와 FFT analyzer를 이용한 제어기를 설계하였으며, 제어기의 구현을 위해 one-chip board를 제작하였다. One-chip board를 이용하여 경제적이면서도 우수한 진동제어성능을 얻을 수 있었다.
- 4와 같이 feedforward 제어기와 FFT analyzer를 설계하였다. Fig. 4와 같이 쉐이커에서 발생하는 진동을 가속도계로 측정한 후, 제어입력의 주파수를 결정하기 위하여 FFT analyzing을 수행하여 진동원인 쉐이커의 주작동 주파수(p)를 계산하여 얻게 된다. 이렇게 구해진 해당 주파수의 사인파만을 압전작동기에 입력할 수 있도록 하였다.
- 또한 실제 함정에서 발생하는 고주파수의 진동과 유사한 진동을 하이브리드 마운트시스템에 부하하기 위하여, 상부질량에 쉐이커를 설치하여 넓은 주파수범위를 가지는 진동을 발생할 수 있었다. 그리고 마운트의 능동진동제어를 위하여 feedfoward 제어기와 FFT analyzer를 설계한 후, 실제 산업현장에서 활용이 용이하도록 원칩보드를 통해 설계된 제어기가 구현이 되도록 하였다. 제작된 원칩보드와 능동 하이브리드 마운트를 이용하여 함정용 마운트 시스템의 진동제어성능을 평가하였다.
- 또한 이 4개의 가속도 신호는 one-chip board로 입력되어 사용자가 실시간으로 제어결과를 알 수 있도록 하였다. 그리고 제어입력인 사인파의 크기와 위상차는 반복적인 실험을 통해서 최적의 게인을 도출하였다.
- 상부평판의 중심점인 쉐이커에 가속도계를 설치하여 측정된 가속도 신호가 one-chip board로 입력되어 제어입력이 계산될 수 있도록 하였다. 또한 상부평판에서 하부로의 진동차단을 평가하기 위하여 상부평판 4개의 모서리에 가속도계를 설치하여 제어 전과 후를 비교하였다. 또한 이 4개의 가속도 신호는 one-chip board로 입력되어 사용자가 실시간으로 제어결과를 알 수 있도록 하였다.
- 마스터보드는 입력되는 네 개의 가속도 성분을 FFT analyzing을 처리한 후 결과를 LCD모니터에 송출하여 사용자가 제어결과를 실시간으로 확인할 수 있도록 하였다. 또한 슬래이브 보드는 진동원에서 들어오는 가속도 신호를 FFT analyzing을 연산한 후 식 (2)의 순수한 사인파를 생성하여 각각의 압전작동기에 입력될 수 있도록 하였다.
- 또한 상부평판에서 하부로의 진동차단을 평가하기 위하여 상부평판 4개의 모서리에 가속도계를 설치하여 제어 전과 후를 비교하였다. 또한 이 4개의 가속도 신호는 one-chip board로 입력되어 사용자가 실시간으로 제어결과를 알 수 있도록 하였다. 그리고 제어입력인 사인파의 크기와 위상차는 반복적인 실험을 통해서 최적의 게인을 도출하였다.
- 압전작동기는 능동 하이브리드 마운트에 제어기에서 결정된 능동적인 제어력을 제공할 수 있으며, 고무요소는 상부질량의 지지 기능역할과 전 주파수 영역에서의 진동절연 기능을 제공한다. 또한, 예상치 못한 큰 충격이 들어오는 경우에 압전작동기를 보호할 수 있으며, 전자기적인 오작동으로 압전작동기가 작동하지 못 하는 경우에도 마운트가 일반 고무 마운트의 진동 절연 특성을 가질 수 있도록 압전작동기를 관성질량과 연결하는 관성형 작동기를 능동 하이브리드 마운트에 적용하였다(9). 상부질량은 마운트의 상부 플레이트를 통해 지지되며, 마운트는 하부 플레이트를 통해 지면과 연결된다.
- 각각의 보드는 중앙연산장치인 dsPIC30F6014(Microchip, Inc) 마이크로 컨트롤러를 가지며, 12C 프로토콜에 의해 서로 통신하게 된다. 마스터보드는 입력되는 네 개의 가속도 성분을 FFT analyzing을 처리한 후 결과를 LCD모니터에 송출하여 사용자가 제어결과를 실시간으로 확인할 수 있도록 하였다. 또한 슬래이브 보드는 진동원에서 들어오는 가속도 신호를 FFT analyzing을 연산한 후 식 (2)의 순수한 사인파를 생성하여 각각의 압전작동기에 입력될 수 있도록 하였다.
- 상부평판은 4개의 능동 하이브리드 마운트로 지지되며 상부평판에는 쉐이커가 부착되어 있어 마운트 시스템에 진동을 부하할 수 있도록 하였다. 상부평판의 중심점인 쉐이커에 가속도계를 설치하여 측정된 가속도 신호가 one-chip board로 입력되어 제어입력이 계산될 수 있도록 하였다. 또한 상부평판에서 하부로의 진동차단을 평가하기 위하여 상부평판 4개의 모서리에 가속도계를 설치하여 제어 전과 후를 비교하였다.
- 이 연구에서는 고무와 압전작동기로 구성되는 능동 하이브리드 마운트를 이용하여, 함정용 마운트 시스템의 진동제어 성능을 실험적으로 평가하였다. 이 연구에서 제안되어지는 능동 하이브리드 마운트의 구조는 크게 고무 요소, 압전작동기와 관성질량으로 이루어진다. 하이브리드 마운트의 고무 요소는 상부 하중 지지 기능과 전주파수 대역에서 수동적인 진동절연을 위함이고, 압전작동기는 마운트에 능동적인 제어력을 부하하기 위함이다.
- 5와 같이 one-chip board를 제작하여 제어실험에 적용하였다. 이 연구에서 제안된 one-chip board는 1개의 마스터 보드와 2개의 슬래이브보드로 구성된다. 각각의 보드는 중앙연산장치인 dsPIC30F6014(Microchip, Inc) 마이크로 컨트롤러를 가지며, 12C 프로토콜에 의해 서로 통신하게 된다.
- 이렇게 커진 전류는 전력사용량의 증대로 이어지게 되어 고전압증폭기의 높은 사양을 요구하게 된다. 이 연구에서 제안된 능동 하이브리드 마운트 시스템은 진동원을 제외한 다른 요소에서 들어오는 진동이 매우 작지만, 이러한 진동들 중 특히 고주파수의 노이즈는 압전작동기에서 큰 전압의 변화를 초래하게 된다. 이에 이 연구에서는 FFT analyzer를 이용하여 진동원의 진동만을 고려함으로써, 고전압증폭기의 고사양을 지양할 수 있었다.
- 이 연구에서 제안하는 능동 하이브리드 마운트는 Fig. 1과 같이 고무요소, 압전작동기와 관성질량으로 구성된다. 압전작동기는 능동 하이브리드 마운트에 제어기에서 결정된 능동적인 제어력을 제공할 수 있으며, 고무요소는 상부질량의 지지 기능역할과 전 주파수 영역에서의 진동절연 기능을 제공한다.
- 이 연구에서는 관성형 작동기를 특징으로 하는 능동 하이브리드 마운트를 이용하여 함정용 마운트 시스템의 진동제어 실험을 수행하였다. 능동 하이브리드 마운트 설계 및 제작한 후, 이를 바탕으로 4개의 마운트로 이루어지는 능동 하이브리드 마운트 시스템을 구축할 수 있었다.
- 이 연구에서는 능동 하이브리드 마운트 시스템의 진동제어를 위하여 Fig. 4와 같이 feedforward 제어기와 FFT analyzer를 설계하였다. Fig.
- 이 연구에서는 실제 함정에서 발생한다고 알려진 고주파수의 넓은 주파수 대역의 진동을 쉐이커를 통하여 모사하였다. Fig.
- 이 연구에서 제안된 능동 하이브리드 마운트 시스템은 진동원을 제외한 다른 요소에서 들어오는 진동이 매우 작지만, 이러한 진동들 중 특히 고주파수의 노이즈는 압전작동기에서 큰 전압의 변화를 초래하게 된다. 이에 이 연구에서는 FFT analyzer를 이용하여 진동원의 진동만을 고려함으로써, 고전압증폭기의 고사양을 지양할 수 있었다.
- 이와 같이 제어기를 구성한 이유는 마운트 시스템에서 발생되는 진동은 장비에서 발생하기에, 정확하게 사전에 측정이 가능하며 다른 요소에서 들어오는 진동은 매우 작기 때문에 feedforward 제어기를 적용하였다. 또한, 압전작동기는 일반적으로 다음 식과 같이 캐패시터로 가정된다.
- 그리고 마운트의 능동진동제어를 위하여 feedfoward 제어기와 FFT analyzer를 설계한 후, 실제 산업현장에서 활용이 용이하도록 원칩보드를 통해 설계된 제어기가 구현이 되도록 하였다. 제작된 원칩보드와 능동 하이브리드 마운트를 이용하여 함정용 마운트 시스템의 진동제어성능을 평가하였다.
- 이러한 마운트 구성은 갑작스런 충격에도 압전작동기를 보호할 수 있다. 진동제어성능 평가를 위하여 상부질량이 4개의 능동 하이브리드 마운트로 지지되는 전체 마운트 시스템을 구축하였다. 또한 실제 함정에서 발생하는 고주파수의 진동과 유사한 진동을 하이브리드 마운트시스템에 부하하기 위하여, 상부질량에 쉐이커를 설치하여 넓은 주파수범위를 가지는 진동을 발생할 수 있었다.
대상 데이터
- 이와 같은 능동 하이브리드 마운트 시스템의 중요 변수들은 Table 1에 나타내었다. 실제 함정에서 발생한다고 알려진 100 Hz 이상의 넓은 주파수대역의 진동을 모사하기 위해서 쉐이커를 이용하였다. Fig.
- 와 f는 압전작동기의 스프링 상수와 압전작동기의 힘을 뜻한다. 이 연구에서 사용된 압전작동기는 Piezomechanik사의 Pst 350bp/16/15/VS25 압전작동기를 사용하였다.
성능/효과
- 8에는 상부평판 각각의 모서리에서의 제어결과를 주파수영역에 나타내었다. Fig. 8의 결과를 통해 넓은 주파수대역에서 쉐이커에서 발생한 진동이 feedforward 제어기를 통해 효과적으로 저감된 것을 확인할 수 있었다. 예를 들면 370 Hz에서 진동이 94.
- Feedforward 제어기와 FFT analyzer를 이용한 제어기를 설계하였으며, 제어기의 구현을 위해 one-chip board를 제작하였다. One-chip board를 이용하여 경제적이면서도 우수한 진동제어성능을 얻을 수 있었다.
- 진동제어성능 평가를 위하여 상부질량이 4개의 능동 하이브리드 마운트로 지지되는 전체 마운트 시스템을 구축하였다. 또한 실제 함정에서 발생하는 고주파수의 진동과 유사한 진동을 하이브리드 마운트시스템에 부하하기 위하여, 상부질량에 쉐이커를 설치하여 넓은 주파수범위를 가지는 진동을 발생할 수 있었다. 그리고 마운트의 능동진동제어를 위하여 feedfoward 제어기와 FFT analyzer를 설계한 후, 실제 산업현장에서 활용이 용이하도록 원칩보드를 통해 설계된 제어기가 구현이 되도록 하였다.
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