[논문]VCM의 제어 및 제진 장치 응용에 관한 연구

김진만; 남택근

doi:10.5916/jkosme.2013.37.1.91

VCM의 제어 및 제진 장치 응용에 관한 연구
Study on the control of VCM and its application to the vibration isolator 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.37 no.1, 2013년, pp.91 - 98

김진만 (목포해양대학교 대학원) , 남택근 (목포해양대학교 기관시스템공학부)

초록
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엔진 및 회전기기의 진동은 선체의 피로도를 증가시켜 내구성을 저하시키는 원인이 된다. 이를 방지하기 위하여 엔진 및 회전기기와 선체사이에는 댐퍼를 부착하여 진동을 최소화 하고 있다. 일반적으로 선박에 부착하는 댐퍼는 수동형 댐퍼로 중 고주파의 특정 진동영역에 대하여 제진 특성을 갖도록 설계되어있지만 저주파영역에서는 그 효과를 기대하기 힘들다. 이에 본 연구에서는 보다 광대역의 진동신호에 대해 높은 제진특성을 얻기 위하여 VCM을 이용한 능동형 제진 장치를 개발하였다. 제진장치를 제어하기 위해 라우스휴리츠 안정조건과 한계감도법을 이용하여 PID제어기를 구성하였고, 제어기 출력은 2상한과 4상한 초퍼회로를 이용하여 VCM을 구동할 수 있도록 하였다. 시뮬레이션과 실제 실험을 통하여 제어알고리즘과 제어장치의 유용성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The degradation of durability and increase of fatigue on the ship are mainly caused by vibration of the engine and rotating machineries. The damper to minimize the influence from vibration is usually attached between the machineries and its base. General damper applied on the vessel is passive damper which is designed to attenuate specified frequency signals, i.e, high frequency vibration signals. But it is hard to anticipate its performance for low frequency signals. In this research, active vibration isolator using VCM is developed to suppress wide band vibration signals. Routh-Huritz's stable condition, ultimate sensitivity method and parameter tuning are applied to derive PID parameters and 2 and 4 phase choppers are also adapted to drive VCM. Simulation and experiments are executed to confirm the effectiveness of the proposed control schemes.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 하부로부터 발생한 진동이 기기가 설치되는 상부 측에 전달되는 것을 억제할 수 있는 제진장치를 설계하였고, 제어가 용이하고 응답특성이 뛰어난 VCM을 적용하여 제진시스템을 개발하였다.
본 연구는 2010년 국토해양부소관 연구개발사업 ‘소형선박을 위한 제진기술 개발’로 수행된 연구결과이며 김진만의 석사학위논문("VCM을 이용한 제진장치 개발에 관한 연구")결과를 개선한 것이다.
본 연구에서는 VCM을 적용하여 하부에서 발생되는 진동신호가 상부에 전달되는 것을 차단하는 능동형제진장치를 개발하였다. 개발한 제진장치의 제어를 위해 라우스휴리츠의 안정조건과 한계감도법 및 파라미터 튜닝을 통한 PID제어기를 설계하였고, 시뮬레이션을 통해 제어기의 성능을 확인하였다.
앞 절에서는 VCM의 모델링과 제어알고리즘을 도출하였고 다음으로는 이러한 VCM을 구동하기 위한 드라이버를 살펴보고자 한다. 본 연구에서는 VCM 구동 드라이버를 초퍼 회로를 이용하여 제작하였다.

제안 방법

3.1절에서는 하부방향으로부터 진동신호가 없는 상태에 대한 실험결과이지만 본 절에서는 Figure 9의 실험 장치에서 하부에 위치한 전동기를 이용하여 상하방향의 진동신호를 발생시켰을 때의 제진특성을 살펴보았다. 즉, 전동기를 이용하여 진폭이 1.
본 연구에서는 VCM을 적용하여 하부에서 발생되는 진동신호가 상부에 전달되는 것을 차단하는 능동형제진장치를 개발하였다. 개발한 제진장치의 제어를 위해 라우스휴리츠의 안정조건과 한계감도법 및 파라미터 튜닝을 통한 PID제어기를 설계하였고, 시뮬레이션을 통해 제어기의 성능을 확인하였다. 아울러 VCM의 드라이버로써 2상한 초퍼와 4상한 초퍼를 적용하여 제진특성을 비교하였고, 하부로부터 가진 신호가 있는 경우와 없는 경우에 대해 제어알고리즘을 적용하여 제진장치의 제진성능을 살펴보았다.
레이저변위센서로 제진판의 변위를 계측하고, 리얼타임(real time)과 FPGA기능을 갖춘 컨트롤러를 통해 목적위치로까지 이동하기 위한 제어신호를 발생할 수 있도록 하였다. 제어알고리즘에는 라우스휴리츠의 안정조건과 한계감도법을 적용한 PID파라미터에 오버슈트 조건을 부여한 튜닝기법을 적용하였다.
본 연구를 통해 개발된 제진장치의 성능을 확인하기 위하여 제진실험을 행하였다. 실험은 크게 하부판에서 진동이 발생할 때와 없을 때의 두 가지 경우이고 각각의 경우에서 2상한 초퍼와 4상한 초퍼를 적용하여 실험을 수행하였다.
앞 절에서는 VCM의 모델링과 제어알고리즘을 도출하였고 다음으로는 이러한 VCM을 구동하기 위한 드라이버를 살펴보고자 한다. 본 연구에서는 VCM 구동 드라이버를 초퍼 회로를 이용하여 제작하였다.
제진장치는 크게 상부와 하부구조로 되어있으며 상부에는 하부로부터 발생하는 진동신호를 억제하기 위한 2개의 VCM이 위치하고 있고 하부에는 진동신호를 발생할 수 있는 전동기를 장착하였다. 상부판과 하부판의 변위를 계측하기 위해 2개의 레이저변위센서를 사용하였으며, 변위 신호의 획득과 드라이버로의 제어신호는 NI의 cRIO를 이용하였다. 아울러 PC와 cRIO를 연동하여 PC에 제어 상황(변위 및 제어 신호)을 출력하고 값을 저장할 수 있는 UI를 구축하였다[5][8].
본 연구를 통해 개발된 제진장치의 성능을 확인하기 위하여 제진실험을 행하였다. 실험은 크게 하부판에서 진동이 발생할 때와 없을 때의 두 가지 경우이고 각각의 경우에서 2상한 초퍼와 4상한 초퍼를 적용하여 실험을 수행하였다. 초퍼를 구동하는 PWM신호 주파수는 시행착오를 거쳐 응답특성이 좋은 25 kHz로 설정하였다.
상부판과 하부판의 변위를 계측하기 위해 2개의 레이저변위센서를 사용하였으며, 변위 신호의 획득과 드라이버로의 제어신호는 NI의 cRIO를 이용하였다. 아울러 PC와 cRIO를 연동하여 PC에 제어 상황(변위 및 제어 신호)을 출력하고 값을 저장할 수 있는 UI를 구축하였다[5][8].
개발한 제진장치의 제어를 위해 라우스휴리츠의 안정조건과 한계감도법 및 파라미터 튜닝을 통한 PID제어기를 설계하였고, 시뮬레이션을 통해 제어기의 성능을 확인하였다. 아울러 VCM의 드라이버로써 2상한 초퍼와 4상한 초퍼를 적용하여 제진특성을 비교하였고, 하부로부터 가진 신호가 있는 경우와 없는 경우에 대해 제어알고리즘을 적용하여 제진장치의 제진성능을 살펴보았다.
제안한 제어 기법을 제진장치에 적용하여 실험을 행하였고 다음과 같은 결과를 확인할 수 있었다. 실험결과 VCM이 반응하는 최대 속도는 5cm/s로 진폭 1.
3.1 진동이 없을 때의 제어

제진장치의 하부로부터 진동신호가 없을 경우 즉, 하부의 유도전동기를 고정시킨 상태에서 VCM을 이용하여 상부판을 목표위치에 이동시키는 실험을 행하였다.
실험은 크게 하부판에서 진동이 발생할 때와 없을 때의 두 가지 경우이고 각각의 경우에서 2상한 초퍼와 4상한 초퍼를 적용하여 실험을 수행하였다. 초퍼를 구동하는 PWM신호 주파수는 시행착오를 거쳐 응답특성이 좋은 25 kHz로 설정하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 Figure 1과 같이 상부제진판, 하부판, 변위측정용 센서, 제진판 사이에 액추에이터를 장착한 제진장치를 구상하였다[5].
능동형 제진장치의 성능은 액추에이터에 의해 좌우된다. 본 연구에서는 선형모터로써 고주파수대의 진동영역에서도 응답특성이 뛰어나고 모델링이 간단한 VCM을 액추에이터로 적용하였다.

이론/모형

식 (4)로 표현되는 VCM을 제어하기 위해 지글러 니콜스의 한계감도법(ultimate sensitivity method)을 적용하여 PID제어기를 설계하였으며, 게인을 구하기 위한 임계점과 임계주기의 도출에는 라우스휴리츠(Routh-Hurwitz)의 안정화 조건을 이용하였다.
레이저변위센서로 제진판의 변위를 계측하고, 리얼타임(real time)과 FPGA기능을 갖춘 컨트롤러를 통해 목적위치로까지 이동하기 위한 제어신호를 발생할 수 있도록 하였다. 제어알고리즘에는 라우스휴리츠의 안정조건과 한계감도법을 적용한 PID파라미터에 오버슈트 조건을 부여한 튜닝기법을 적용하였다.

성능/효과

제안한 제어 기법을 제진장치에 적용하여 실험을 행하였고 다음과 같은 결과를 확인할 수 있었다. 실험결과 VCM이 반응하는 최대 속도는 5cm/s로 진폭 1.5cm, 진동주파수 1Hz의 진동을 흡수할 수 있음을 알 수 있었다. 이는 일반적인 모터가 회전할 때 발생하는 진동특성 영역보다 높은 제진 주기의 진동을 흡수할 수 있어 선박 내의 대표적인 소형 회전 장치라고 할 있는 대부분의 모터로부터 발생되는 진동을 억제할 수 있을 것이다.
위에서 살펴본 바와 같이 본 논문에서는 능동형 제진장치의 설계, 제작을 수행하였고, 제안한 제어 기법의 유용성을 실제 실험을 통해 확인할 수 있었다.
2상한과 4상한 초퍼 회로는 VCM의 목표 위치 도달 후에는 회생제동이 되어 본 논문의 실험결과와 같이 안정적인 응답을 기대할 수 있다. 전력효율 측면에서는 4상한 초퍼회로보다는 2상한 초퍼회로를 사용하는 것이 효율적일 것으로 판단된다.

후속연구

2상한과 4상한 초퍼 회로는 VCM의 목표 위치 도달 후에는 회생제동이 되어 본 논문의 실험결과와 같이 안정적인 응답을 기대할 수 있다. 전력효율 측면에서는 4상한 초퍼회로보다는 2상한 초퍼회로를 사용하는 것이 효율적일 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수동형 제진장치의 단점은?	즉, 강성계수와 댐핑계수를 가지는 고무로 표현할 수 있고, 중·고주파의 진동 성분에는 적절한 강성계수와 댐핑계수를 설정하여 진동을 차단할 수 있다. 이러한 수동형 제진장치는 특정 주파수 영역의 진동성분에 대해서는 제진효과를 기대할 수 있으나 그 이외의 영역에서는 제진성능을 기대하기 어려운 단점을 가지고 있다.
	라우스휴리츠의 안정조건과 한계감도법을 적용한 PID파라미터에 오버슈트 조건을 부여한 튜닝기법으로 가져올 기대효과는?	5cm, 진동주파수 1Hz의 진동을 흡수할 수 있음을 알 수 있었다. 이는 일반적인 모터가 회전할 때 발생하는 진동특성 영역보다 높은 제진 주기의 진동을 흡수할 수 있어 선박 내의 대표적인 소형 회전 장치라고 할 있는 대부분의 모터로부터 발생되는 진동을 억제할 수 있을 것이다.
	능동형 제진장치의 성능은 무엇에 의해 좌우되는가?	능동형 제진장치의 성능은 액추에이터에 의해 좌우된다. 본 연구에서는 선형모터로써 고주파수대의 진동영역에서도 응답특성이 뛰어나고 모델링이 간단한 VCM을 액추에이터로 적용하였다.

참고문헌 (8)

Y. B. Bang and T. Higuchi, "Drill breakage detection and measurement of distance to the drilling surface on the micro drilling machine using voice coil motors", International Journal of the Japan Society for Precision Engineering, vol. 33, no. 1, pp. 15-20, 1999.
Y. Fujii, K. Maru, and T. Jin, " Method for evaluating the electrical and mechanical characteristics of a voice coil motor", Precision Engineering, vol. 34, no. 4, pp. 802-806, 2010.

상세보기
H. G. Gil and K. S. Kim, "Development of a 6-DOF active vibration isolation system using voice coil motor", Journal of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, vol. 20, no. 7, pp. 637-643, 2010 (in Korean).

원문보기 상세보기
S. K. Kim, S. Rajendra, and J. K. Seok, "State feedback-based position controller of VCM for precise automated manufacturing process", Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, vol. 24, no. 9, pp. 129-135, 2010 (in Korean).

원문보기 상세보기
J. M. Kim, "A Study on the development of vibration isolator using VCM", Master Thesis, Department of Marine Engineering, Mokpo Maritime University, Korea, 2011 (in Korean).
Norman S. Nise, Control System Engineering, Wiley, 2004.
Katsuhiko Ogata, MATLAB for Control Engineers, Prentice - Hall international, 2007.
Gary W. Johnson, LaView Graphical Programming 4/E, Mc Graw Hill, 2006.

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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