[논문]정유압구동기(EHA)의 모델링과 제어기 설계

허준영; 김현호; 이일영

doi:10.7839/ksfc.2015.12.2.001

정유압구동기(EHA)의 모델링과 제어기 설계
Modeling and Controller Design of an Electro-Hydrostatic Actuator 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.12 no.2, 2015년, pp.1 - 6

허준영 (School of Mechatronics Engineering, Korea University of Technology and Education) , 김현호 (Department of Mechatronics Engineering, Graduate School, Pukyung National University) , 이일영 (Department of Mechanical & Automotive Engineering, Pukyung National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the Electro-Hydrostatic Actuator(EHA) has been developed as a result of research on energy saving. EHA is usually composed of a direct driven pump from an electric motor and is available to control cylinder displacement or velocity with high efficiency. In addition, it has the advantage of compactness, minimum leakage and availability of decentralized control. In this study, an EHA system was designed to decrease the path tracking error and manufactured for test. The linearization method provided in AMESim software was used to derive the model of EHA system. The derived model was applied to design the PI-D controller to effectively overcome the disturbance. The effectiveness of this controller was verified by further testing.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그러나 주파수응답을 실험을 통하여 구하는 일은 준비와 측정, 결과정리에 상당한 시간이 요구되는 작업이다. 본 연구에서는 EHA 시스템을 AMESim으로 모델링하고 AMESim소프트웨어에서 제공하는 선형화기법을 사용하여 구하고자 한다. EHA 시스템을 AMESim으로 모델링하기 위하여 우선 사용된 장치와 기기의 물리량 변환값을 구한다.
국내의 연구로 EHA시스템을 구성하고 그 성능을 결정짓는 요인을 정의하고 각각의 요인들이 제어성능에 미치는 영향을 실험 및 시뮬레이션을 통하여 조사한 연구⁶⁾와 EHA 편로드 유압액추에이터의 기동 및 정지특성에 관한 연구⁷⁾, 일반 산업용 EHA 개발에 관한 연구⁸⁾, EHA를 사용한 사출성형 실린더 제어에 관한 연구⁹⁾ 등이 있으나 실험에서는 실린더의 정지 마찰력과 펌프와 모터에서 토크의 포화 등으로 인하여 실린더의 위치추종 오차는 5∼10mm까지 발생하는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 비교적 추종오차를 줄일 수 있도록 EHA 시스템을 설계하여 제작 시험하였다. EHA 시스템을 모델링하기 위하여 AMESim 소프트웨어에서 제공되고 있는 선형화 기법을 사용하였고, 이를 통해 얻어진 시스템의 전달함수를 사용하여 EHA에 작용하는 외란을 효과적으로 극복할 수 있도록 PI-D 제어계를 설계하여 적용하였으며, 제어기 설계의 효용성을 실험을 통하여 검증하였다.

가설 설정

8에 시뮬레이션 결과로 스텝 외란입력에 대한 실린더 변위의 응답 y(t)를 나타낸다. 실린더가 목표 변위인 2mm에 머물러 있을 때 갑자기 스텝 외란입력으로는 몸무게 60kg의 사람이 스노우보드에 탑승하는 경우를 상정하였고, EHA 시스템에는 약간의 누유가 있다고 가정하였다. 비례게인이 30인 비례제어에서는 정상상태 오차가 0.

제안 방법

본 연구에서는 비교적 추종오차를 줄일 수 있도록 EHA 시스템을 설계하여 제작 시험하였다. EHA 시스템을 모델링하기 위하여 AMESim 소프트웨어에서 제공되고 있는 선형화 기법을 사용하였고, 이를 통해 얻어진 시스템의 전달함수를 사용하여 EHA에 작용하는 외란을 효과적으로 극복할 수 있도록 PI-D 제어계를 설계하여 적용하였으며, 제어기 설계의 효용성을 실험을 통하여 검증하였다.
종래의 EHA 시스템에서 자주 발견되는 액추에이터가 가지는 마찰 특성으로 인해 불감대가 생기는 문제점을 극복할 수 있도록 저마찰 실린더를 사용한 EHA 시스템을 설계하여 제작하고 시험하였다. EHA 시스템을 모델링하기 위하여 AMESim 소프트웨어에서 제공되고 있는 선형화 기법을 사용하였고, 이를 통해 얻어진 시스템의 전달함수를 사용하여 EHA에 작용하는 외란을 효과적으로 극복할 수 있도록 PI-D 제어계를 설계하여 적용한 결과 아래의 결론을 얻었다.
11은 주파수응답을 비교한 것으로 ▲은 진폭비를 실험적으로 구한 값이고, ■은 위상차를 실험적으로 구한 값이다. 그리고 ▲와 ■에 겹치는 각각의 실선은 본 연구에서 제안한 방식으로 AMESim 선형화기법을 사용하여 구한 진폭비와 위상차의 결과이다. 실험결과와 AMESim 선형화기법을 사용한 결과는 잘 일치함을 볼 수 있다.
이런 형태의 EHA 시스템은 액추에이터에서의 마찰에 따라 발생하는 불감대의 영향을 받기 쉽다. 본 연구에서 제작한 시제품에서는 특별히 정지마찰력이 작은 실린더를 사용함으로써 불감대가 경감되도록 하였다. Table 1에 제작사양을 나타내었다.
이 시스템은 세 개의 폐루프 전달함수 중에서 두 개의 폐루프 전달함수가 독립적이므로 2자유도 시스템이고, 시스템의 응답 성능을 향상시키기 위하여 폐루프 특성과 되먹임 특성을 독립적으로 조절할 수 있다. 여기서는 단위계단 기준입력에 대한 응답에서 최대 오버슈트가 2%보다 크고 19%보다 작도록, 그리고 정착시간이 1초보다 작도록 제어기 G_c1(s)와 G_c2(s)를 설계하고자 한다. 램프기준입력과 가속도 기준입력에 대하여 정상상태 오차는 0이어야 한다.
종래의 EHA 시스템에서 자주 발견되는 액추에이터가 가지는 마찰 특성으로 인해 불감대가 생기는 문제점을 극복할 수 있도록 저마찰 실린더를 사용한 EHA 시스템을 설계하여 제작하고 시험하였다. EHA 시스템을 모델링하기 위하여 AMESim 소프트웨어에서 제공되고 있는 선형화 기법을 사용하였고, 이를 통해 얻어진 시스템의 전달함수를 사용하여 EHA에 작용하는 외란을 효과적으로 극복할 수 있도록 PI-D 제어계를 설계하여 적용한 결과 아래의 결론을 얻었다.
이 때 스노우보드 좌우방향은 별도의 서보모터와 볼스크류를 사용하여 제어한다. 최대부하 3000N을 최대속도 60mm/s로 동작시키는 것을 목표사양으로 하였고, 이를 위해 전기적으로 구동되는 서보 드라이버와 모터는 Higen사의 FDA 7000과 FMA CN08-A를 사용하였고, 유압펌프로는 정역회전 양방향으로 토출이 가능해야 하므로 Casappa사의 PL20-4를 사용하였다. 실린더는 복동 양로드 실린더로 SMC사의 CA2W40을 사용하였다.

대상 데이터

실린더는 복동 양로드 실린더로 SMC사의 CA2W40을 사용하였다. 고압용 실린더는 립형(lip type)을 사용하나 본 연구에 사용된 실린더는 저압용으로 NBR 고무의 O링실을 사용하여 정지마찰력은 0.5bar 이하이고, 보증 내압력은 15bar이다. 실린더 변위를 측정하기 위하여 Trans-Tek사의 LVDT를 사용하였고, 압력변환기로는 Valcom사의 VPRQ-5MPa를 사용하였다.
본 연구에서 사용된 EHA 시스템은 스노우보딩 시뮬레이터에 사용하기 위한 것으로 스노우보드 위에서 있는 사람이 부하로 작용한다. 스노우보드를 설치한 기저판의 한쪽 끝은 힌지되어 있고 다른 한쪽이 EHA 실린더에 연결되어 45kg의 하중이 수직으로 EHA 실린더에 작용하고 있다.
본 연구에서 사용된 EHA 시스템은 스노우보딩 시뮬레이터에 사용하기 위한 것으로 주된 입력파형이 사인파이다. Fig.
5bar 이하이고, 보증 내압력은 15bar이다. 실린더 변위를 측정하기 위하여 Trans-Tek사의 LVDT를 사용하였고, 압력변환기로는 Valcom사의 VPRQ-5MPa를 사용하였다. 그 외에 체크밸브와 축압기를 사용한 보충회로로 구성되어 있다.
최대부하 3000N을 최대속도 60mm/s로 동작시키는 것을 목표사양으로 하였고, 이를 위해 전기적으로 구동되는 서보 드라이버와 모터는 Higen사의 FDA 7000과 FMA CN08-A를 사용하였고, 유압펌프로는 정역회전 양방향으로 토출이 가능해야 하므로 Casappa사의 PL20-4를 사용하였다. 실린더는 복동 양로드 실린더로 SMC사의 CA2W40을 사용하였다. 고압용 실린더는 립형(lip type)을 사용하나 본 연구에 사용된 실린더는 저압용으로 NBR 고무의 O링실을 사용하여 정지마찰력은 0.

성능/효과

1. AMESim 선형화 기법을 사용한 주파수응답의 결과는 200rad/s 이하에서 실험 결과와 잘 일치하였다.
2. EHA 시스템의 응답을 표준 2차계로 모델링하여 외란에 대한 영향을 최소화시키기 위해 설계한 PI-D 제어기는 시뮬레이션 결과에 따르면 효과적으로 정상 상태 오차를 0으로 가져갔다.
3. 저마찰 실린더를 사용한 EHA 시스템은 원활하게 작동하나 1Hz 사인파 입력에 대하여 0.18mm의 오차가 발생하였다. 향후 추종성 향상을 위한 연구가 요망된다.
실린더가 목표 변위인 2mm에 머물러 있을 때 갑자기 스텝 외란입력으로는 몸무게 60kg의 사람이 스노우보드에 탑승하는 경우를 상정하였고, EHA 시스템에는 약간의 누유가 있다고 가정하였다. 비례게인이 30인 비례제어에서는 정상상태 오차가 0.08mm 발생하였으나 본 연구에서 제안한 외란에 대한 정상상태 오차가 0으로 수렴하도록 설계한 PI-D제어기를 사용하면 최대 0.07mm 발생하였으나 0.1s 만에 0으로 수렴하는 것을 볼 수 있다.
실험결과에서 오버슈트는 전달함수 모델보다 조금 높게, 그리고 조금 빠르게 상승하는 것으로 나타났으나, 응답의 형상과 정정시간은 거의 일치하였다. 실험결과는 AMESim의 비선형 모델링 결과와 상승시간 등에서 더 일치한 결과를 보였다.
목표변위는 2mm로 하였고, ▲을 포함한 실선은 실험결과를, ○을 포함한 실선은 AMESim으로 시스템을 비선형 모델링한 경우의 시뮬레이션 결과를, △을 포함한 실선은 EHA 시스템을 본 연구에서 제안한 방식을 사용하여 선형화 모델링하여 식 (4)의 전달함수로 나타낸 경우의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 실험결과에서 오버슈트는 전달함수 모델보다 조금 높게, 그리고 조금 빠르게 상승하는 것으로 나타났으나, 응답의 형상과 정정시간은 거의 일치하였다. 실험결과는 AMESim의 비선형 모델링 결과와 상승시간 등에서 더 일치한 결과를 보였다.
그리고 ▲와 ■에 겹치는 각각의 실선은 본 연구에서 제안한 방식으로 AMESim 선형화기법을 사용하여 구한 진폭비와 위상차의 결과이다. 실험결과와 AMESim 선형화기법을 사용한 결과는 잘 일치함을 볼 수 있다. 200 rad/s (31.

후속연구

18mm의 오차가 발생하였다. 향후 추종성 향상을 위한 연구가 요망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	EHA 시스템은 어떤 분야에서 응용되고 있는가?	EHA는 전기모터와 양방향 유압펌프, 실린더, 배관이 하나의 모듈로 구성되어 전기모터와 직결되어 구동하는 유압펌프를 이용하여 유압 피스톤의 변위나 속도를 제어할 수 있도록 모듈화된 유압기기로서 소형화와 누유의 최소화, 에너지 전달 효율 개선, 동력의 분산제어 가능 등의 장점이 있다1). 이로 인해 가격보다는 성능 위주의 개발이 추진되는 군수산업에서부터 적용이 시작되어 최근에는 일반 산업현장의 프레스와 사출성형기 등 제조기기까지 산업 분야 전반으로 응용이 확대되고 있다. 이러한 EHA 시스템은 세계 여러 대학이나 연구 단체들, 기업 연구소에서 연구 및 개발되어 왔다2-5).
	EHA는 무엇인가?	이와 같은 기술개발 동향의 한 흐름으로 유압시스템에서는 전동기 일체형 액추에이터(EHA, Electro Hydrostatic Actuator)의 개발이 추진되고 있다. EHA는 전기모터와 양방향 유압펌프, 실린더, 배관이 하나의 모듈로 구성되어 전기모터와 직결되어 구동하는 유압펌프를 이용하여 유압 피스톤의 변위나 속도를 제어할 수 있도록 모듈화된 유압기기로서 소형화와 누유의 최소화, 에너지 전달 효율 개선, 동력의 분산제어 가능 등의 장점이 있다1). 이로 인해 가격보다는 성능 위주의 개발이 추진되는 군수산업에서부터 적용이 시작되어 최근에는 일반 산업현장의 프레스와 사출성형기 등 제조기기까지 산업 분야 전반으로 응용이 확대되고 있다.
	EHA의 장점은 무엇인가?	이와 같은 기술개발 동향의 한 흐름으로 유압시스템에서는 전동기 일체형 액추에이터(EHA, Electro Hydrostatic Actuator)의 개발이 추진되고 있다. EHA는 전기모터와 양방향 유압펌프, 실린더, 배관이 하나의 모듈로 구성되어 전기모터와 직결되어 구동하는 유압펌프를 이용하여 유압 피스톤의 변위나 속도를 제어할 수 있도록 모듈화된 유압기기로서 소형화와 누유의 최소화, 에너지 전달 효율 개선, 동력의 분산제어 가능 등의 장점이 있다1). 이로 인해 가격보다는 성능 위주의 개발이 추진되는 군수산업에서부터 적용이 시작되어 최근에는 일반 산업현장의 프레스와 사출성형기 등 제조기기까지 산업 분야 전반으로 응용이 확대되고 있다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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K. Ogata, "Modern Control Engineering", Prentice Hall, Fourth Edition, pp. 705-746.

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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