[논문]소형 MR 댐퍼의 모델링 및 진동제어

이종우; 성민상; 우제관; 최승복

doi:10.5050/ksnve.2012.22.11.1121

소형 MR 댐퍼의 모델링 및 진동제어
Modeling and Vibration Control of Small-sized Magneto-rheological Damper 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.22 no.11, 2012년, pp.1121 - 1127

이종우 (Mechanical Engineering, Inha University) , 성민상 (Mechanical Engineering, Inha University) , 우제관 (Mechanical Engineering, Inha University) , 최승복 (Mechanical Engineering, Inha University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a new small-sized damper featuring magneto-rheological(MR) fluid which can be applied to vibration control system. The proposed MR damper consists of cylinder, piston, a couple of bearings, oil-seals and magnetic circuit which has two coils. In this damper, approximately 5cc of MR fluid is used. The damping force of the MR damper is designed to be followed by linear shear-mode Bingham-plastic model. In order to verify the performance of the MR damper, an experimental apparatus is established. In the experimental test, the damping force of the MR damper is measured with respect to time, displacement and velocity. In addition, the time response of MR damper is measured when 1A of step current is applied. Finally, the proposed small MR damper is applied to vibration control. In this process, a simple 1-DOF system is modeled and controlled using PID controller.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 극소량의 MR 유체를 사용한 소형 MR 댐퍼를 제안하고 실험을 통해 댐핑력 특성 및 응답 성능을 평가하였다. 실험에 앞서 Binghamplastic 모델 기반의 MR 댐퍼의 모델을 구축하고, 최적의 설계변수를 도출하여 MR 댐퍼를 제작하였다.
이 연구에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 극소량의 유체를 사용한 소형 MR 댐퍼를 제안하고, 최적설계변수를 도출하여 MR 댐퍼를 설계, 제작한다. 제작된 MR 댐퍼는 실험을 통하여 입력전류에 따른 댐핑력 거동을 확인하고, 스텝전류입력을 통하여 제어응답성능을 평가한다.

가설 설정

9와 같은 1자유도 질량-스프링-댐퍼 모델을 구축하여 진동제어를 수행하였다. 이 모델은 강체질량 M과 코일스프링으로 가정한 k, 그리고 이 연구에서 제안하는 MR 댐퍼로 구성하였으며, 과도 응답 진동을 위해 질량체 상단에 임펄스 힘이 인가 되는 시스템으로 가정하였다. 이 와 같은 모델은 다음과 같은 상태 공간 방정식으로 나타낼 수 있다⁽¹¹⁾.
이 유체의 점성은 약 0.112 Pa·s 로 항복 전·후의 유체점성은 같다고 가정하였다.
한편, MR 댐퍼는 반능동형 시스템을 고려하여 아래와 같이 제어입력이 0보다 큰 조건에서만 동작을 한다고 가정하였다.

제안 방법

제작된 MR 댐퍼는 실험을 통하여 입력전류에 따른 댐핑력 거동을 확인하고, 스텝전류입력을 통하여 제어응답성능을 평가한다. 또한 이를 기반으로 1자유도 질량-스프링-댐퍼 시스템을 수립하여 진동제어 성능을 시뮬레이션을 통해 평가한다.
이 연구에서는 극소량의 MR 유체를 사용한 소형 MR 댐퍼를 제안하고 실험을 통해 댐핑력 특성 및 응답 성능을 평가하였다. 실험에 앞서 Binghamplastic 모델 기반의 MR 댐퍼의 모델을 구축하고, 최적의 설계변수를 도출하여 MR 댐퍼를 제작하였다. 제작된 MR 댐퍼의 댐핑력 특성 및 응답성능을 평가하기 위하여 실험장치를 구성하였으며, 실험결 과 입력전류에 따른 댐핑력의 거동과 전류의 인가 및 제거시, 빠른 응답시간을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
또한 F_ext 는 외부로부터 오는 외란이며, z 는 1자유도 모델의 수직방향 변위이다. 이 연구에서는 구조가 간단하고 제어성능이 우수한 PID 제어기를 적용하였다. PID 제어기는 제어이득 조정이 비교적 쉽기 때문에 산업현장에서 약 80 % 이상을 차지할 정도로 많이 사용되고 있다.
이와 같은 MR 댐퍼의 모델로부터 최적의 설계변 수를 도출하여 Fig. 3과 같이 MR 댐퍼를 설계하였 다. 피스톤과 자기회로 사이의 간극에 채워지는 MR 유체의 요구량은 약 5cc 정도로 매우 적으며, MR 댐퍼의 주요 설계변수는 최대 작동 변위 ±30 mm, 총길이 242 mm, 직경 42 mm이며, 간극은 1 mm로 설계하였다.
제안된 MR 댐퍼의 제어성능을 평가하기 위하 여 아래의 Fig. 9와 같은 1자유도 질량-스프링-댐퍼 모델을 구축하여 진동제어를 수행하였다. 이 모델은 강체질량 M과 코일스프링으로 가정한 k, 그리고 이 연구에서 제안하는 MR 댐퍼로 구성하였으며, 과도 응답 진동을 위해 질량체 상단에 임펄스 힘이 인가 되는 시스템으로 가정하였다.
제안된 MR 댐퍼의 작동 변위는 ±30 mm이므로, 안전계수 를 고려하여 ±15 mm의 가진 변위를 결정하였다.
이 연구에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 극소량의 유체를 사용한 소형 MR 댐퍼를 제안하고, 최적설계변수를 도출하여 MR 댐퍼를 설계, 제작한다. 제작된 MR 댐퍼는 실험을 통하여 입력전류에 따른 댐핑력 거동을 확인하고, 스텝전류입력을 통하여 제어응답성능을 평가한다. 또한 이를 기반으로 1자유도 질량-스프링-댐퍼 시스템을 수립하여 진동제어 성능을 시뮬레이션을 통해 평가한다.
피스톤과 자기회로 사이의 간극에 채워지는 MR 유체의 요구량은 약 5cc 정도로 매우 적으며, MR 댐퍼의 주요 설계변수는 최대 작동 변위 ±30 mm, 총길이 242 mm, 직경 42 mm이며, 간극은 1 mm로 설계하였다.

대상 데이터

6과 같은 실험장치를 구축하였다. 실험장치는 크게 동력을 전달하는 DC모터, 모터의 동력을 받아 왕복운동을 발생시키는 구동부, MR 댐퍼를 구동부와 일직선상이 되도록 고정시키는 고정 부로 구성되어 있으며, 전압에 따라 다른 회전수를 가지는 모터에 의해 구동부가 작동하여 MR 댐퍼를 가진시킨다. 작동 회전수는 최대 400 RPM까지 회전 할 수 있으며, 작동 변위는 각각 ±5 mm, ±10 mm, ±15 mm, ±20 mm으로 설정할 수 있다.
1은 이 연구에서 제안하는 소형 MR 댐퍼를 나타낸 개념도이다. 이 MR 댐퍼는 실린더와 피스톤, 실린더 안에 위치하는 자기회로, 자기회로 상, 하부에 피스톤을 지지하기 위한 베어링과 MR 유체의 누설을 방지하기 위한 오일씰, 그리고 피스톤과 자기회로 사이에 충진되는 MR 유체로 구성되어 있다. 일반적으로 지금까지 연구되어온 대부분의 MR 댐퍼는 유동모드(flow mode), 또는 유동모드와 전단 모드(shear mode)가 혼합된 형태의 댐퍼였다.
는 각각 피스톤의 반지름과 자기회로의 유효길이를 나타내며, η 는 MR 유체의 점성 계수, d 는 피스톤과 자기회로 사이의 간극이다. 이 연구에서는 미국 LORD사의 MRF-132DG의 MR 유체를 적용하였다. 이 유체의 점성은 약 0.
또한, 제품을 생산하는 데에 있어 상대적으로 고가 인 MR 유체의 요구량이 많아 제품을 상용화 및 현실화하는 데에 어려움이 많았다. 이 연구의 MR 댐퍼는 가스챔버를 사용하지 않고 자기회로 내의 MR 유체가 오일씰에 의해 밀봉되어 있는 양로드 형태의 전단모드형 MR 댐퍼로 부피보상문제가 발생하지 않으며, 극소량의 MR 유체만으로도 제어가 가능한 댐핑력을 발생시킬 수 있다. 전단모드는 Fig.

성능/효과

(a)에 도시된 바와 같이 MR 댐퍼에 제어입력을 인가하였을 때, 제어입력을 인가하지 않았을 때보다 진동이 감쇠되고 정상상태로 빠르게 수렴하는 것을 확인 할 수 있다.
각각의 비례 이득값은 Kp = 50, Ki=0.5, Kd=1이며 trial & error 기법으로 최적의 이득값을 찾아 결정되었다.
1초 간격의 1A 스텝전류를 인가하였을 때 MR 유체의 응답시간 특성을 나타낸 그래프 이다. 그래프에 도시된 바와 같이 전류를 인가하면 댐핑력이 증가하고 전류를 제거하면 댐핑력이 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 각각 응답시간은 rising시 11 ms, falling시, 45 ms로 전류를 제거하였을 때 응답시간이 더 긴 것을 확인 할 수 있으며, 수십 ms내의 응답특성을 보여 진동제어에 우수한 성능을 발휘할 수 있을 것이라 기대된다. 따라서 이 연구에서는 시상수 τ를 적용하기 위해 식 (2)의 f_MR 을 다음과 같이 수정하였다.
10(b)에 나타내었다. 따라서 제안된 MR 댐퍼는 허용 댐핑력 범위 내에서의 가진이 발생하는 시스템에서 진동을 제어하기에 충분한 성능을 낼 수 있는 것을 확인 할 수 있다.
제작된 MR 댐퍼의 댐핑력 특성 및 응답성능을 평가하기 위하여 실험장치를 구성하였으며, 실험결 과 입력전류에 따른 댐핑력의 거동과 전류의 인가 및 제거시, 빠른 응답시간을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 또한 PID 제어기를 이용한 진동제어 시뮬레이션을 통하여 제안된 MR 댐퍼의 제어성능을 입증하고, 시뮬레이션 결과를 통하여 MR 댐퍼의 허용 댐핑력 내에서 빠른시간 내에 정상상태로 수렴하고 제어입력에 따른 전류입력을 확인할 수 있었다. 향후 MR 유체의 이력현상을 해결하기 위해 hysteresis 모델을 적용하여 MR 댐퍼의 불규칙적인 댐핑력 특성을 개선하고 보다 정교한 MR 댐퍼 모델을 구축 할 예정이다.
시뮬레이션 상에서 가진 주파수는 3 Hz, 가진 변위는 ±15 mm로 설정하였으며, 최대 1.5A의 전류 인가 시, 최대 댐핑력은 31.1 N, 최소 댐핑력은 -31.1 N으로 나타났다.
실험에 앞서 Binghamplastic 모델 기반의 MR 댐퍼의 모델을 구축하고, 최적의 설계변수를 도출하여 MR 댐퍼를 제작하였다. 제작된 MR 댐퍼의 댐핑력 특성 및 응답성능을 평가하기 위하여 실험장치를 구성하였으며, 실험결 과 입력전류에 따른 댐핑력의 거동과 전류의 인가 및 제거시, 빠른 응답시간을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 또한 PID 제어기를 이용한 진동제어 시뮬레이션을 통하여 제안된 MR 댐퍼의 제어성능을 입증하고, 시뮬레이션 결과를 통하여 MR 댐퍼의 허용 댐핑력 내에서 빠른시간 내에 정상상태로 수렴하고 제어입력에 따른 전류입력을 확인할 수 있었다.
7(a)에서와 같이 인가전류가 증가함에 따라 댐핑력이 증가되는 것을 확인 할 수 있다. 최대 1.5A의 자기장 인가 시 최대 댐핑력은 39.2 N, 최소 댐핑력은 -25.1 N으로 댐핑력 범위는 최대 최소 댐핑력 범위는 64.3 N으로 나타났다. Fig.

후속연구

향후 MR 유체의 이력현상을 해결하기 위해 hysteresis 모델을 적용하여 MR 댐퍼의 불규칙적인 댐핑력 특성을 개선하고 보다 정교한 MR 댐퍼 모델을 구축 할 예정이다. 또한 강건제어알고리즘을 설계하여 MR 댐퍼의 진동제어 성능실험을 통해 평가할 예정이다. 이러한 자료를 기반으로 궁극적으로 실제 존재하는 기계시스템에 MR 댐퍼를 적용한 제어시스템을 구축할 예정이다.
또한 강건제어알고리즘을 설계하여 MR 댐퍼의 진동제어 성능실험을 통해 평가할 예정이다. 이러한 자료를 기반으로 궁극적으로 실제 존재하는 기계시스템에 MR 댐퍼를 적용한 제어시스템을 구축할 예정이다.
또한 PID 제어기를 이용한 진동제어 시뮬레이션을 통하여 제안된 MR 댐퍼의 제어성능을 입증하고, 시뮬레이션 결과를 통하여 MR 댐퍼의 허용 댐핑력 내에서 빠른시간 내에 정상상태로 수렴하고 제어입력에 따른 전류입력을 확인할 수 있었다. 향후 MR 유체의 이력현상을 해결하기 위해 hysteresis 모델을 적용하여 MR 댐퍼의 불규칙적인 댐핑력 특성을 개선하고 보다 정교한 MR 댐퍼 모델을 구축 할 예정이다. 또한 강건제어알고리즘을 설계하여 MR 댐퍼의 진동제어 성능실험을 통해 평가할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	댐퍼의 단점은 무엇인가?	대 표적인 진동흡수 구조체인 댐퍼의 경우 차량이나 철도 등의 현가장치로 사용되고 있으며, 세탁기 등의 가전제품이나 건물 등에 적용되어 외부로부터 들어오는 진동을 감쇠시켜 주는 역할을 한다. 그러나 이 러한 댐퍼들은 대부분 마찰 스펀지나 오일유압식의 패시브형태의 댐퍼로서, 진동량에 관계없이 일정한 댐핑력을 가져 진동량에 따른 댐핑력 제어가 불가능한 단점을 가지고 있다. 최근 이러한 단점을 보완하기 위하여 가변유체, 즉, ER 유체 및 MR 유체를 이용한 반능동형 진동흡수 구조장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
	MR 유체의 특징은 무엇인가?	최근 이러한 단점을 보완하기 위하여 가변유체, 즉, ER 유체 및 MR 유체를 이용한 반능동형 진동흡수 구조장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. MR 유체는 자기장에 의하여 상변화가 일어나는 지능재료로서 전기장에 의하여 상변화가 일어나는 ER 유체에 비하여 비교적 큰 항복응력을 발생시켜 보다 큰 힘을 요구하는 각종 응 용장치에 적용되고 있다.
	댐퍼의 단점을 보완하기 위해 어떤 연구를 진행하고 있는가?	그러나 이 러한 댐퍼들은 대부분 마찰 스펀지나 오일유압식의 패시브형태의 댐퍼로서, 진동량에 관계없이 일정한 댐핑력을 가져 진동량에 따른 댐핑력 제어가 불가능한 단점을 가지고 있다. 최근 이러한 단점을 보완하기 위하여 가변유체, 즉, ER 유체 및 MR 유체를 이용한 반능동형 진동흡수 구조장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. MR 유체는 자기장에 의하여 상변화가 일어나는 지능재료로서 전기장에 의하여 상변화가 일어나는 ER 유체에 비하여 비교적 큰 항복응력을 발생시켜 보다 큰 힘을 요구하는 각종 응 용장치에 적용되고 있다.

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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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