[논문]노치 필터 제어기법을 이용한 반작용 휠 미소진동 절연장치의 절연성능 평가

박지용; 서종은; 이대은; 한재흥

doi:10.5050/ksnve.2016.26.4.391

노치 필터 제어기법을 이용한 반작용 휠 미소진동 절연장치의 절연성능 평가
Performance Evaluation of RWA Vibration Isolator Using Notch Filter Control 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.26 no.4, 2016년, pp.391 - 397

박지용 (Korea Aerospace Industry) , 서종은 (Dept. of Aerospace Engineering, KAIST) , 이대은 (Agency for Defense Development) , 한재흥 (Dept. of Aerospace Engineering, KAIST)

Abstract ▼ AI-Helper

Vibration disturbances induced by the reaction wheels can severely degrade the performance of high precision payloads on board satellites with high pointing stability requirements. The unwanted disturbances produced by the reaction wheels are composed of fundamental harmonic disturbances due to the flywheel imbalance and sub/higher harmonic disturbances due to bearing irregularities, motor imperfections and so on. Because the wheel speed is constantly changed during the operation of a reaction wheel, the vibration disturbance induced by the reaction wheels can magnify the satellite vibration when the rotating frequency of wheel meets the natural frequency of satellite structure. In order to provide an effective isolation of the reaction wheel disturbances, isolation performance of a hybrid vibration isolator is investigated. In this paper, hybrid vibration isolator that combines passive and active components is developed and its hybrid isolation performance using notch filter control is evaluated in single-axis. The hybrid isolation performance using notch filter control show additional performance improvement compared to the results using only passive components.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이 연구에서는 Fig. 2와 같이 진동원인 반작용 휠과 인공위성 본체 사이에 절연장치를 장착하므로서 탑재체까지 전달되는 진동을 진동 경로에서 효과적으로 절연시키고자 한다.
해결책으로는 수동요소에 능동요소를 추가 하여 하이브리드 진동 절연장치를 설계함으로써 요구조건을 만족시킬 수 있다. 이 연구에서는 반작용 휠의 교란으로부터 고정밀 임무 장비들의 성능을 보호하기 위해 수동 요소와 능동 요소를 결합한 하이브리드 진동 절연장치를 개발하였으며 반작용 휠의 교란 특성을 고려한 노치 필터 제어기법을 적용하여 특정 주파수에서의 추가적인 진동 절연 성능을 평가하였다.

가설 설정

13은 감쇠변수 비( ξ1 / ξ2 = 10)가 일정할 때 ξ2, ξ2의 변화에 따른 전달함수의 모습을 보여주고 있으며 전달함수의 피크점의 크기와 주파수 대역이 ξ1, ξ2의 값에 따라 제어될 수 있음을 확인할 수 있다. 이 연구에서는 위성체 구조의 공진 주파수가 30 Hz라고 가정하고 30 Hz에서의 추가 절연을 위해 감쇠변수를 변화시키면서 하이브리드 절연장치의 전달률을 살펴보았다. Fig.

제안 방법

15~16은 절연장치의 성능을 평가하기 위한 시험장치의 도식과 실제 시험장치의 모습을 보여주고 있다. 단축 절연장치의 성능은 가진기로부터 발생되는 가진력이 절연장치를 통해 전달되는 전달력을 측정함으로써 평가되었다. 가진력과 전달력을 측정하기 위해 2개의 단축 힘센서(PCB, Model 208C01)가 사용되었으며 교란력 발생을 위해 가진기(MB Dynamics, Model PM50A with SS250 power amplifier)가 사용되었다.
이 연구에서는 반작용 휠 교란 절연을 위해 벨로즈와 점성유체를 이용한 수동요소와 전자석을 이용한 능동 요소를 결합한 하이브리드 형태의 진동 장치를 설계 및 개발하였다. 반작용 휠의 진동 특성상 휠의 구동 주파수가 위성의 고유 진동수를 지날때 매우 큰 진동을 유발하기 때문에 특정 주파수의 진동 크기를 크게 절연시킬 수 있는 노치 필터 제어기법을 개발된 하이브리드 절연장치에 적용하였다. 노치 필터 제어기법이 적용된 하이브리드 절연장치의 절연 성능을 평가한 결과 수동 절연에 비해 진동 절연 성능(약 20 dB)을 추가로 향상 시킬 수 있는 것을 확인하였다.
실제 가진기로부터 발생하는 힘과 절연장치를 통해 전달되는 전달력을 측정함으로써 능동 제어와 절연 성능을 평가하였다. Fig.
이 연구에서는 반작용 휠 교란 절연을 위해 벨로즈와 점성유체를 이용한 수동요소와 전자석을 이용한 능동 요소를 결합한 하이브리드 형태의 진동 장치를 설계 및 개발하였다. 반작용 휠의 진동 특성상 휠의 구동 주파수가 위성의 고유 진동수를 지날때 매우 큰 진동을 유발하기 때문에 특정 주파수의 진동 크기를 크게 절연시킬 수 있는 노치 필터 제어기법을 개발된 하이브리드 절연장치에 적용하였다.

대상 데이터

3파라미터 수동 절연장치를 Fig. 5와 같이 벨로즈(bellows)와 점성유체(viscous fluid)를 사용하여 설계하였다. 점성 유체의 경우 벨로즈 안쪽에 채워지며 오리피스(orifice)를 통해 두 개의 벨로즈 사이를 이동하게 된다.
Fig. 6은 실제 제작된 3 파라미터 수동 절연장치이며 이 연구에서는 제작된 3 파라미터 수동 절연장치에 전자석 작동기, 힘 센서, 노치 필터 알고리듬을 추가하여 능동 요소를 구현하였다. 전자석 작동기는 Moticont사의 HVCM051-032-01 모델로 영구자석의 외경과 높이는 각각 50 mm와 25.
단축 절연장치의 성능은 가진기로부터 발생되는 가진력이 절연장치를 통해 전달되는 전달력을 측정함으로써 평가되었다. 가진력과 전달력을 측정하기 위해 2개의 단축 힘센서(PCB, Model 208C01)가 사용되었으며 교란력 발생을 위해 가진기(MB Dynamics, Model PM50A with SS250 power amplifier)가 사용되었다. 가진력은 관심 주파수 영역인 1 Hz에서 200 Hz를 일정하게 정현 스위프(sine sweep)하였으며 약 1.
2 ± 2 mm이며 두 벨로즈의 내부와 외부 외경은 각각 17 mm와 30 mm이다. 벨로즈는 AM350 강으로 제작되었으며 그 외의 부분은 SUS304이다. 예기치 못한 진동으로부터 벨로즈의 영구 변형과 손상을 보호하기 위해 기계적 스토퍼(stopper)를 추가하였다.
힘 피드백을 위해 사용된 센서는 PCB사의 208C01이다. 연결봉과 센서를 포함한 절연장치의 총 길이는 192 mm이며 총 무게는 약 0.9 kg이다.
6은 실제 제작된 3 파라미터 수동 절연장치이며 이 연구에서는 제작된 3 파라미터 수동 절연장치에 전자석 작동기, 힘 센서, 노치 필터 알고리듬을 추가하여 능동 요소를 구현하였다. 전자석 작동기는 Moticont사의 HVCM051-032-01 모델로 영구자석의 외경과 높이는 각각 50 mm와 25.4 mm이며 코일의 헤드부는 외경 50.8 mm 높이 12.7 mm, 코일은 외경 43.7 mm와 길이 24.0 mm이다. 힘 피드백을 위해 사용된 센서는 PCB사의 208C01이다.
이와 같이 벨로즈를 사용할 경우 점성유체의 실링이 용이하며 벨로즈의 강성을 조절하여 설계할 수 있기 때문에 스프링 요소로 사용될 수 있다. 절연장치에 사용된 벨로즈 1과 2의 자유 길이는 각각 12.6 ± 2 mm와 8.2 ± 2 mm이며 두 벨로즈의 내부와 외부 외경은 각각 17 mm와 30 mm이다. 벨로즈는 AM350 강으로 제작되었으며 그 외의 부분은 SUS304이다.
하이브리드 진동 절연장치는 수동 요소로 기본적인 절연 성능을 확보하고 능동 요소로 미소진동의 특성을 반영해 절연 성능을 조절할 수 있는 장점을 가진다. 하이브리드 절연장치 개발을 위해 먼저 수동 절연장치를 구성하였다. 스프링과 감쇠 요소로 구성된 일반적인 2파라미터 절연장치의 경우 감쇠 값이 클수록 공진에서 전달되는 진동이 작아지는 반면 고주파수 대역에서의 절연 성능이 저하된다(Fig.
예기치 못한 진동으로부터 벨로즈의 영구 변형과 손상을 보호하기 위해 기계적 스토퍼(stopper)를 추가하였다. 해석결과에 따라 선정된 최적의 스프링 상수 값은 k1 = 5000과 k2 = 25 000 N/m이며 최적의 감쇠 값을 위해 350 N/(m/s)의 점성계수를 가지는 실리콘 오일이 선정되었다. Fig.
0 mm이다. 힘 피드백을 위해 사용된 센서는 PCB사의 208C01이다. 연결봉과 센서를 포함한 절연장치의 총 길이는 192 mm이며 총 무게는 약 0.

이론/모형

개발한 하이브리드 진동 절연장치에 노치 필터 제어기법을 적용하여 단축 절연 성능 평가를 수행하였다. Figs.
반작용 휠의 경우 비교적 넓은 구동속도 범위(0 r/min ~ 20 000 r/min)를 갖고 있어 위성체 구조의 공진 주파수와 만나 매우 큰 진동을 유발할 수 있다. 따라서 반작용 휠과 위성체 구조 공진 주파수에서의 추가적인 절연성능을 확보하기 위해 이 연구에서는 노치 필터 제어기법이 사용되었다. 이 연구에서 사용된 노치 필터의 전달함수는 식 (8)와 같이 나타낼 수 있으며 여기서 Ka는 필터게인, ωo 는 노치 주파수, ξ1, ξ2 는 노치 필터의 대역폭과 크기를 결정하는 감쇠변수이다.

성능/효과

반작용 휠의 진동 특성상 휠의 구동 주파수가 위성의 고유 진동수를 지날때 매우 큰 진동을 유발하기 때문에 특정 주파수의 진동 크기를 크게 절연시킬 수 있는 노치 필터 제어기법을 개발된 하이브리드 절연장치에 적용하였다. 노치 필터 제어기법이 적용된 하이브리드 절연장치의 절연 성능을 평가한 결과 수동 절연에 비해 진동 절연 성능(약 20 dB)을 추가로 향상 시킬 수 있는 것을 확인하였다.
17은 하이브리드 절연장치에 노치 필터(30 Hz)를 적용하여 성능평가 시험을 수행한 결과이다. 시험 결과에서 확인 할 수 있듯이 기존의 수동 절연장치의 특성을 그대로 유지한 채 30 Hz에서 약 20 dB의 추가적인 절연 성능을 확보할 수 있었다.

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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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