[논문]VCA(Voice Coil Actuator) 구동 평형저울에서 VCA 자기 감쇠 특성이 측정 속도에 미치는 영향

안지윤; 안중환

doi:10.5369/jsst.2019.28.4.246

VCA(Voice Coil Actuator) 구동 평형저울에서 VCA 자기 감쇠 특성이 측정 속도에 미치는 영향
Effect of Magnetic Damping on Measurement Speed in a VCA-driven Balancing Scale 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.28 no.4, 2019년, pp.246 - 250

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, in conjunction with a SIMULINK program based on system modeling of a voice-coil-actuator (VCA)-driven balancing scale, a proportional-integral-derivative control algorithm is implemented, and weighing characteristics are investigated through experiments and simulations. The extent to which the back electromotive force induced in the VCA-driven circuit and the magnetic damping induced by the coil wound bobbin of VCA affect the weighing speed is also investigated.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of a VCA-driven balancing scale
그림 Fig. 2. Free body diagram of lever motion in balancing scale: (a) Rotational motion model about a pivot ; (b) Rectilinear motion model
그림 Fig. 3. Structure of VCA
그림 Fig. 4. Equivalent circuit of VCA
그림 Fig. 5. Simulink model of a VCA driven balancing scale
그림 Fig. 6. Experimental setup 1. PC with LabVIEW 2. Power supply 3. VCA driver 4. DAQ board 5. Laser displacement sensor 6. Weighing pan 7. Resistor sensor 8.Voice coil actuator 9. Hinge & Lever
그림 Fig. 7. Effect of BEMF on step response of coil current and lever displacement : (a) k_b=0, (b) k_b=28.5.
그림 Fig. 8. Effect of magnetic damping coefficient(c) on responses of coil current and lever displacement : (a) c=16.5, (b) c=26.5, (c) c=36.5.
그림 Fig. 9. Behavior of displacement and current during balancing control
그림 Fig. 10. Effect of magnetic damping coefficient on behavior of displacement and current during simulated balancing control : (a) c=26.5, (b) c=16.5, (c) c=0.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 VCA 제어 평형 저울의 시스템 모델링을 바탕으로 VCA의 역기전력이 측정 속도에 어떤 영향을 미치는지, 또 자기감쇠계수가 측정 속도에 어떤 영향을 미치는지 실험데이터와 시뮬레이션 데이터를 비교 분석하고, 자기감쇠계수의 최적 값을 제시하여 차후 VCA의 보빈과 자석 설계에 도움을 주고자 한다.

데이터처리

코일 전류는 Fig. 1에서 코일에 직렬로 연결된 저항(resistor) 센서(r=10 ohm)에 의해 측정되는데, 전류 측정값의 잡음을 줄이기 위해 5점 이동 평균(moving average)을 취하였다. 선행실험에서처럼 c=26.
VCA 구동 평형 저울의 제어시스템 모델을 Simulink 프로그램으로 작성하여 측정 성능을 분석하였으며 이를 통해 얻은 결과는 다음과 같다.

이론/모형

3.5절에서 언급한 PID 알고리즘의 이득을 구하기 위해 Ziegler-Nichols 법을 이용해서 실험적으로 조정한(tuning) 최적 PID 이득은 k_p =0.5, k_i =30, k_d =0.003 이다. 레이저 센서로 측정된 변위신호는 차단 주파수 f_c가 100 Hz 인 LPF(Low Pass Filter) 처리로 고주파 오차를 줄인다.
앞의 PID 알고리즘으로 평형저울의 동작을 실험하였다. Fig.

성능/효과

1) VCA의 보빈 운동에 의한 역기전력은 코일 전류 흐름을 늦추고 로렌츠 힘의 생성 속도도 늦추어 평형 저울의 평형 복귀속도를 떨어뜨린다. 정밀한 해석을 위해서 그 영향을 고려하여야 한다.
2) 평형 점에 도달하는 변위의 거동보다 평형 제어에 사용되는 전류의 거동이 빨라 전류 변화를 감시하면 측정 속도를 높일 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보이스코일구동기는 어떻게 구성되어 있는가?	1은 보이스코일구동기(VCA, Voice Coil Actuator) 보정 평형저울의 대략적인 구조를 나타낸다. 이 시스템은 물체를 오른쪽 저울대에 올렸을 때 변형하는 힌지와 이 변형량을 증폭하는 지렛대로 구성된 기계 모듈과 변형을 보정하여 평형상태로 되돌리려는 구동기 모듈로 구성된다.
	무게 측정 기술 중 평형(balancing) – 방식의 특징은 무엇인가?	무게 측정 기술은 자동화 및 표준화 기술의 진보에 따라 정밀도와 속도가 계속 향상되어 왔다. 원리 측면에서 일반적으로 두가지 - 처짐(deflection)과 평형(balancing) – 방식이 있는데 이중 평형식은 속도는 늦지만 정밀도가 우수하다고 알려져 있다. 최근 식품, 제약, 전자 등의 산업에서 부품과 무게가 작아지면서 측정 분해능이 작은 평형식 측정이 요구되고 있다.
	VCA는 어떤 곳에 사용이 되는가?	VCA(Voice Coil Actuator) 제어 평형식 저울은 측정물의 무게와 같은 크기의 전자기력 – 로렌츠힘 - 을 발생시켜 평형이 됐을 때의 전자기력을 무게로 추정하는 방식이다. VCA는 고속으로 직선 구동이 가능하여 빠른 응답이 필요한 곳에 주로 사용되고 있다[1-5]. 전자기력이 전류에 비례하기 때문에 VCA 에 흐르는 전류를 제어함으로써 전자기력을 조절할 수 있어 평형 제어를 빠르게 할 수 있는 장점이 있다.

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