[논문]압전 하이브리드 마운트의 진동제어 성능에 대한 실험적 고찰

한영민

doi:10.15207/jkcs.2020.11.11.203

압전 하이브리드 마운트의 진동제어 성능에 대한 실험적 고찰
Experimental Investigation on Vibration Control Performances of the Piezoelectric Hybrid Mount 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.11 no.11, 2020년, pp.203 - 209

한영민 (아주자동차대학 자동차계열)

초록
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본 연구에서는 자동차 엔진에 적용되는 고무마운트의 성능을 극대화하여 시동초기 진동특성를 개선하기 위해 능동형 하이브리드 마운트를 제안하고 진동절연 성능을 실험적으로 고찰하고자 한다. 제안된 하이브리드 마운트는 수동형 고무요소와 능동형 압전작동기로 구성되었으며, 동적 특성과 제어력의 실험적 고찰을 통해 하이브리드 마운트가 제작되었다. 수직방향의 진동을 고려하여 관성질량을 갖는 압전-고무 하이브리드 마운트의 동적 지배방정식을 수학적으로 모델링하였으며 상태 공간 방정식으로 표현하였다. 본 연구에서는 진동을 절연하기 위해 강건한 슬라이딩 모드 제어기가 구성되어 진동제어 실험에 적용되었다. 마지막으로 넓은 주파수 영역에서 진동제어 성능을 실험적으로 고찰하였으며 주파수 영역에서의 전달율과 시간영역에서 진동절연 성능을 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A hybrid mount featuring rubber element and piezoelectric actuator is devised to reduce vibration when starting a vehicle engine. As a first step, a passive mount adopting rubber element is manufactured and its dynamic characteristics are experimentally evaluated. After evaluating dynamic characteristics of the manufactured inertial piezoelectric actuator, the proposed hybrid mount is then established by integrating the piezoelectric actuator with the rubber element for performance improvement at non-resonant high frequencies. A mathematical model of the established active vibration control system is formulated and expressed in the state space form. Subsequently, sliding mode controller (SMC) is designed to attenuate the vibration transmitted from the base excitation. Finally, control performances of the proposed hybrid mount are evaluated such as transmissibility in frequency domain and time responses.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Rubber element
그림 Fig. 2. Frequency response of the rubber element
그림 Fig. 3. Dynamic stiffness of the rubber element
그림 Fig. 4. Inertial type of piezostack actuator
그림 Fig. 5. Measured actuating force of the actuator
그림 Fig. 6. Schematic configurations of the hybrid mount
그림 Fig. 7. Mechanical model of the system
그림 Fig. 8. Block diagram of the control system
그림 Fig. 9. Experimental setup for the vibration control
그림 Fig. 10. Transmissibility activating the piezostack
그림 Fig. 11. Time responses at 100Hz

AI 본문요약
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문제 정의

가진 범위는 80∼300Hz이며, 이는 본 연구의 목적인 ISG (Idle Stop and Go) 시스템에서 아이들상태(약 600rpm)에 도달하기 이전의 초기 진동특성 개선을 평가하기 위해 설정되었다.
본 연구에서는 ISG (Idle Stop and Go) 시스템을 도입한 자동차의 시동초기 진동특성을 개선하기 위해 고무와 압전작동기를 결합한 능동형 하이브리드 마운트의 진동절연 성능을 실험적으로 고찰하고자 한다. 먼저 고무요소와 관성형 압전작동기의 동적특성을 실험적으로 고찰한 다음 이를 결합한 하이브리드 마운트가 제작되었다.
본 연구에서는 자동차 엔진에 적용되는 수동형 고무마운트의 성능을 극대화하여 아이들상태에 이르기 이전 시동 초기 진동특성을 개선하기 위해 고무와 압전작동기를 결합한 능동형 하이브리드 마운트의 진동절연 성능을 실험적으로 고찰하고자 한다. 제안된 하이브리드 마운트는 수동형 고무요소와 능동형 압전작동기로 구성되며 고무 요소와 관성형 압전작동기의 동적특성을 조사하고 실험을 통하여 검증한 다음 이 두 요소를 결합한 하이브리드 마운트가 제작되었다.
본 연구에서의 제어목적은 하부로부터 가진되는 진동이 하중질량으로 전달되지 않도록하는 것이며, 이를 위해 외란 및 불확실성에 강건한 슬라이딩모드 제어기가 도입되었다. 먼저 슬라이딩 평면 s( )t 가 다음과 같이 정의된다[14,15].

제안 방법

그리고 k_p는 압전작동기의 강성이며 60MN/m이다. 관성질량의 무게는 마우트 시스템에서 요구되는 최대 150N의 제어력을 고려하여 관성질량을 1.2kg로 결정하였다. Fig.
먼저 고무요소와 관성형 압전작동기의 동적특성을 실험적으로 고찰한 다음 이를 결합한 하이브리드 마운트가 제작되었다. 그리고 동적 지배방정식의 모델링을 통해 상태 공간 방정식으로 표현하였다. 제안된 하이브리드 마운트의 진동을 절연하기 위해 슬라이딩 모드 제어기가 구성되어 진동제어 실험에 적용되었으며, 우수한 진동제어 성능을 확인하였다.
에 기반하여 제어입력을 결정한다. 나아가 제어입력의 채터링 문제에 의해 슬라이딩 평면상에서 반복적으로 나타나는 짧은 주기의 스위칭 현상을 막기 위해 포화함수를 적용하였다. 마지막으로 압전작동기에 인가되는 제어입력은 다음과 같이 결정된다.
본 연구에서는 진동을 절연하기 위해 슬라이딩 모드 제어기가 구성되어 진동제어 실험에 적용되었다. 마지막으로 넓은 영역의 주파수 범위에서 진동제어 성능을 실험적으로 고찰하였으며 주파수 영역과 시간 영역에서 진동절연 성능을 평가하였다.
본 연구에서는 ISG (Idle Stop and Go) 시스템을 도입한 자동차의 시동초기 진동특성을 개선하기 위해 고무와 압전작동기를 결합한 능동형 하이브리드 마운트의 진동절연 성능을 실험적으로 고찰하고자 한다. 먼저 고무요소와 관성형 압전작동기의 동적특성을 실험적으로 고찰한 다음 이를 결합한 하이브리드 마운트가 제작되었다. 그리고 동적 지배방정식의 모델링을 통해 상태 공간 방정식으로 표현하였다.
본 연구에서는 고무요소와 스택형 압전작동기로 구성된 하이브리드 마운트의 진동제어를 위해 강건 제어알고리즘이 도입되었다. 먼저 제어대상이 되는 시스템의 상태 모델로 도출되었으며 진동을 줄이기 위해 슬라이딩모드 제어기가 설계되었다. 따라서 식 (4)와 (5)의 제안된 하이 브리드 마운트의 동적 모델은 다음과 같이 상태공간 방정식으로 표현할 수 있다.
베이스로부터 마운트를 통해 상부의 하중질량으로 전달되는 진동을 저감하기 위해 슬라이딩모드 제어기가 적용되어 dSPACE DSP 보드 DS1104를 통해 구현되었다. 이 때 샘플링 주파수는 10kHz이며, 슬라이딩모드 제어기를 구성하는 슬라이딩 평면 기울기 g 는[54 0 1 0] 이고, 관측기 게인 행렬 L 은 [-37.
1은 하이브리드 마운트를 위해 실제 상용 마운트의 크기를 고려하여 제작된 고무 요소를 보여주며, 높이와 직경은 각각 45mm, 110mm이다. 본 연구에서 도입된 고무요소의 기계적 특성은 실험을 통해 측정되었으며, 먼저 Fig. 2와 같이 고무요소의 주파수 응답특성이 실험적으로 도출되었으며, 가진 변위와 전달력으로부터 계산된 고무요소의 동적강성은 Fig. 3과 같다. 이 때 동적 강성은 대표적인 점탄성모델인 Voigt 모델로 표현할 수 있으며, 다음과 같이 수학적으로 표현된다.
본 연구에서는 Fig. 4와 같이 관성질량과 스택형 압전 작동기로 구성되는 관성형 압전작동기를 적용하였다. 따라서 전기장 인가에 따른 압전효과에 의해 발생한 힘은 관성질량에 작용하고 작동기의 반대 방향으로 관성력에 의한 반작용이 전달된다.
피스톤의 상하진동에 의해 주요하게 발생하는 수직방향의 진동을 고려하여 관성질량을 갖는 압전작동기와 고무요소로 구성된 하이브리드 마운트의 동적 지배방정식을 모델링하였으며 상태 공간 방정식으로 표현하였다. 본 연구에서는 진동을 절연하기 위해 슬라이딩 모드 제어기가 구성되어 진동제어 실험에 적용되었다. 마지막으로 넓은 영역의 주파수 범위에서 진동제어 성능을 실험적으로 고찰하였으며 주파수 영역과 시간 영역에서 진동절연 성능을 평가하였다.
본 연구에서는 충분한 작동력과 변위를 확보하기 적합한 적층형 압전작동기와 수동형 고무요소를 이용하여 하이브리드 마운트를 구성하였다. 하이브리드 마운트에서 고무요소는 정적하중을 지지하고 고주파수에서 진동전달을 억제하는 역할을 한다.
본 연구에서는 자동차 엔진에 적용되는 수동형 고무마운트의 성능을 극대화하여 아이들상태에 이르기 이전 시동 초기 진동특성을 개선하기 위해 고무와 압전작동기를 결합한 능동형 하이브리드 마운트의 진동절연 성능을 실험적으로 고찰하고자 한다. 제안된 하이브리드 마운트는 수동형 고무요소와 능동형 압전작동기로 구성되며 고무 요소와 관성형 압전작동기의 동적특성을 조사하고 실험을 통하여 검증한 다음 이 두 요소를 결합한 하이브리드 마운트가 제작되었다. 피스톤의 상하진동에 의해 주요하게 발생하는 수직방향의 진동을 고려하여 관성질량을 갖는 압전작동기와 고무요소로 구성된 하이브리드 마운트의 동적 지배방정식을 모델링하였으며 상태 공간 방정식으로 표현하였다.
제안된 하이브리드 마운트는 수동형 고무요소와 능동형 압전작동기로 구성되며 고무 요소와 관성형 압전작동기의 동적특성을 조사하고 실험을 통하여 검증한 다음 이 두 요소를 결합한 하이브리드 마운트가 제작되었다. 피스톤의 상하진동에 의해 주요하게 발생하는 수직방향의 진동을 고려하여 관성질량을 갖는 압전작동기와 고무요소로 구성된 하이브리드 마운트의 동적 지배방정식을 모델링하였으며 상태 공간 방정식으로 표현하였다. 본 연구에서는 진동을 절연하기 위해 슬라이딩 모드 제어기가 구성되어 진동제어 실험에 적용되었다.

대상 데이터

하이브리드 마운트에서 고무요소는 정적하중을 지지하고 고주파수에서 진동전달을 억제하는 역할을 한다. Fig. 1은 하이브리드 마운트를 위해 실제 상용 마운트의 크기를 고려하여 제작된 고무 요소를 보여주며, 높이와 직경은 각각 45mm, 110mm이다. 본 연구에서 도입된 고무요소의 기계적 특성은 실험을 통해 측정되었으며, 먼저 Fig.

이론/모형

(t)만 하중질량(M)의 가속도를 측정하여 적분을 통해 얻을 수 있다. 따라서 시스템의 상태를 알기 위해 관측기가 요구되며 본 연구에서는 추정 상태 벡터 #를 결정하기 위해 다음과 같은 루엔버거 관측기(Luenberger observer)를 도입하였다.
본 연구에서는 고무요소와 스택형 압전작동기로 구성된 하이브리드 마운트의 진동제어를 위해 강건 제어알고리즘이 도입되었다. 먼저 제어대상이 되는 시스템의 상태 모델로 도출되었으며 진동을 줄이기 위해 슬라이딩모드 제어기가 설계되었다.

성능/효과

결과에서 나타난 바와 같이 압전작동기에 제어입력이 인가되면서 구체적으로 80∼300Hz 영역에서 약 1.7∼10dB이 감소하여, 고주파수 영역에서 최대 10dB의 진동이 줄어들고 있다.
제안된 하이브리드 마운트의 진동을 절연하기 위해 슬라이딩 모드 제어기가 구성되어 진동제어 실험에 적용되었으며, 우수한 진동제어 성능을 확인하였다. 그리고 제안된 하이브리드 마운트를 통해 자동차 ISG 시스템에 의한 시동초기 엔진 진동 특성을 개선할 수 있음을 입증하였다. 다만 본 연구에서 도입된 관성형 압전작동기의 특성상 저주파의 공진 영역에서는 제어 효과가 미미하였으며, 이를 보완하기 위해 향후 감쇠효과를 고려한 후속연구가 필요할 것으로 판단된다.
고무 요소를 기본으로 진동 및 충격을 흡수하고 능동 작동기를 이용하여 진동 및 소음원에 적절한 제어력을 부가하여 진동 및 소음을 저감하는 능동 하이브리드 마운트는 능동 작동기와 수동 요소인 고무의 연결 방식에 따라 관성형태(Inertial type), 병렬형태(Parallel type), 직렬형태(Series type)로 분류할 수 있다[13]. 본 연구에서 적용된 직렬로 연결된 형태(Series type)는 능동 작동기가 가진원과 매개질량 사이에 위치하므로 고주파수 영역에서 작동기의 힘이 구조물로 효과적으로 전달될 수 있는 장점이 있다. 관성력을 발휘하는 매개질량을 크게 한다면 보다 효과적인 작동력의 전달할 수 있다.
10과 같다. 비공진 영역에서 진동제어 성능이 매우 향상되었음을 알 수 있으며 고주파 영역으로 갈수록 그 효과가 극명하게 나타나고 있음을 알 수 있다. Fig.
그리고 동적 지배방정식의 모델링을 통해 상태 공간 방정식으로 표현하였다. 제안된 하이브리드 마운트의 진동을 절연하기 위해 슬라이딩 모드 제어기가 구성되어 진동제어 실험에 적용되었으며, 우수한 진동제어 성능을 확인하였다. 그리고 제안된 하이브리드 마운트를 통해 자동차 ISG 시스템에 의한 시동초기 엔진 진동 특성을 개선할 수 있음을 입증하였다.

후속연구

그리고 제안된 하이브리드 마운트를 통해 자동차 ISG 시스템에 의한 시동초기 엔진 진동 특성을 개선할 수 있음을 입증하였다. 다만 본 연구에서 도입된 관성형 압전작동기의 특성상 저주파의 공진 영역에서는 제어 효과가 미미하였으며, 이를 보완하기 위해 향후 감쇠효과를 고려한 후속연구가 필요할 것으로 판단된다.

참고문헌 (15)

W. Fedor, J. Kazour, J. Haller, K. Dauer & D. Kabasin. (2016). GDi cold start emission reduction with heated fuel. SAE Technical Paper, 2016-01-0825.
M. Bernuchon. (1984). A new generation of engine nounts, SAE, 840259, 230-236.
G. Kim & R. Singh. (1995). A study of passive and adaptive hydraulic engine mount systems with emphasis on non-linear characteristics. Journal of Sound and Vibration, 179(3), 427-453.

상세보기
S. R. Hong & S. B. Choi. (2005). Vibration control of a structural system using magneto-rheological fluid mount. Journal of Intelligent Material System and Structures, 16(11-12), 931-936.

상세보기
E. W. Williams, S. G. Rigby, J. L. Sproston & R. Stanway. (1993). Electrorheological fluids applied to an automotive engine mount. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 47, 221-238.

상세보기
J. Y. Andrew & H. H. Colin. (1996). Control of flexural vibration in stiffened structures using multiple piezoceramic actuators. Applied Acoustics, 49(1), 17-48.

상세보기
K. Kowalczyk, F. Svaricek, C. Bohn & H. J. Karkosch. (2004). Active control of engine induced vibrations. International Conference on New Actuators, 275-278.
C. Niezrecki, D. Brei, S. Balakrishnan & A. Moskalik. (2001). Piezoelectric actuation: state of the art. The Shock and Vibration Digest, 33(4), 269-280.

상세보기
S. S.Muhlen. (1990). Design of an optimized high-oower ultrasonic transducer, IEEE Ultrasonics Symposium, Honolulu, USA, 1631-1634.
F. X. Li, R. K. N. D. Rajapakse, D. Mumford & M. Gadala. (2008). Quasi-static Thermo-electro-mechanical Behaviour of Piezoelectric Stack Actuators. Smart Materials and Structures, 17(1), 1-10.
S. B. Choi & Y. M. Han. (2010). Piezoelectric Actuators: Control Applications of Smart Materials. CRC Press.
H. Jung, Y. An & J. Park. (2018). Development of an Idle-Stop-and-Go System Controller for City Buses, Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, 27(6), 546-551.

상세보기
C. Howard. (1999). Active isolation of machinery vibration from flexible structures, Ph. D. Dissertation, Department of Mechanical Engineering, University of Adelaide, South Australia, Australia.
S. B. Choi, Y. T. Choi & D. W. Park. (2000). A sliding mode control of a full-car electrorheological suspension system via hardware in-the-loop simulation. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 122, 114-121.

상세보기
C. Edwards & S. K. Spurgeon. (1998) Sliding mode control: theory and application, Taylor & Francis Ltd

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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