[논문]소형 MR 댐퍼의 모델링 및 진동제어

이종우; 성민상; 우제관; 최승복

문제 정의

본 연구에서는 극소량의 MR 유체를 사용한 소형 MR 댐퍼를 제안하고 실험을 통해 댐핑력 특성 및 응답 성능을 평가하였다. 실험에 앞서 Binghamplastic 모델 기반의 MR 댐퍼의 모델을 구축하고, 최적의 설계변수를 도출하여 MR 댐퍼를 제작하였다.
본 연구에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 극소량의 유체를 사용한 소형 MR 댐퍼를 제안하고, 최적설계변수를 도출하여 MR 댐퍼를 설계, 제작한다. 제작된 MR 댐퍼는 실험을 통하여 입력전류에 따른 댐핑력 거동을 확인하고, 스텝전류입력을 통하여 제어응답성능을 평가한다.

가설 설정

7과 같은 1자유도 질량-스프링-댐퍼 모델을 구축하여 진동제어를 수행하였다. 이 모델은 강체질량 M과 코일스프링으로 가정한 k, 그리고 본 연구에서 제안하는 MR 댐퍼로 구성하였으며, 과도 응답 진동을 위해 질량체 상단에 임펄스 힘이 인가되는 시스템으로 가정하였다. 이와 같은 모델은 다음과 같은 상태 공간 방정식으로 나타낼 수 있다⁽¹¹⁾.
이 연구에서는 미국 LORD사의 MRF-132DG의 MR유체를 적용하였다. 이 유체의 점성은 약 0.092 Pa-s로 항복 전, 후의 유체점성은 같다고 가정하였다. 또한, 자계강도에 따른 항복응력은 다음과 같은 모델로 표현할 수 있다.

제안 방법

제작된 MR 댐퍼는 실험을 통하여 입력전류에 따른 댐핑력 거동을 확인하고, 스텝전류입력을 통하여 제어응답성능을 평가한다. 또한 이를 기반으로 1자유도 질량-스프링-댐퍼 시스템을 수립하여 진동제어 성능을 시뮬레이션을 통해 평가한다.
또한 F_ext 는 외부로부터 오는 외란이며, z는 1자유도 모델의 수직방향 변위이다. 본 연구에서는 구조가 간단하고 제어성능이 우수한 PID 제어기를 적용하였다. PID 제어기는 제어이득 조정이 비교적 쉽기 때문에 산업현장에서 약 80% 이상을 차지할 정도로 많이 사용되고 있다.
본 연구에서는 극소량의 MR 유체를 사용한 소형 MR 댐퍼를 제안하고 실험을 통해 댐핑력 특성 및 응답 성능을 평가하였다. 실험에 앞서 Binghamplastic 모델 기반의 MR 댐퍼의 모델을 구축하고, 최적의 설계변수를 도출하여 MR 댐퍼를 제작하였다. 제작된 MR 댐퍼의 댐핑력 특성 및 응답성능을 평가하기 위하여 실험장치를 구성하였으며, 실험결과 입력전류에 따른 댐핑력의 거동과 전류의 인가 및 제거시, 빠른 응답시간을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
이와 같은 MR 댐퍼의 모델로부터 최적의 설계변수를 도출하여 Fig. 3와 같이 MR 댐퍼를 설계하였다. 피스톤과 자기회로 사이의 간극에 채워지는 MR 유체의 요구량은 약 5cc 정도로 매우 적으며, MR댐퍼의 주요 설계변수는 최대 작동 변위 ±30mm, 총길이 242mm, 직경 42mm이며, 간극은 1mm로 설계하였다.
제안된 MR 댐퍼의 작동 변위는 ±30mm이므로, 안전계수를 고려하여 ±15mm의 가진 변위를 결정하였다.
제안된 MR 댐퍼의 제어성능을 평가하기 위하여 아래의 Fig. 7과 같은 1자유도 질량-스프링-댐퍼 모델을 구축하여 진동제어를 수행하였다. 이 모델은 강체질량 M과 코일스프링으로 가정한 k, 그리고 본 연구에서 제안하는 MR 댐퍼로 구성하였으며, 과도 응답 진동을 위해 질량체 상단에 임펄스 힘이 인가되는 시스템으로 가정하였다.
본 연구에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 극소량의 유체를 사용한 소형 MR 댐퍼를 제안하고, 최적설계변수를 도출하여 MR 댐퍼를 설계, 제작한다. 제작된 MR 댐퍼는 실험을 통하여 입력전류에 따른 댐핑력 거동을 확인하고, 스텝전류입력을 통하여 제어응답성능을 평가한다. 또한 이를 기반으로 1자유도 질량-스프링-댐퍼 시스템을 수립하여 진동제어 성능을 시뮬레이션을 통해 평가한다.

대상 데이터

4와 같은 실험장치를 구축하였다. 실험장치는 크게 동력을 전달하는 DC모터, 모터의 동력을 받아 왕복운동을 발생시키는 구동부, MR 댐퍼를 구동부와 일직선상이 되도록 고정시키는 고정부로 구성되어 있으며, 전압에 따라 다른 회전수를 가지는 모터에 의해 구동부가 작동하여 MR 댐퍼를 가진시킨다. 작동 회전수는 최대 400RPM까지 회전할 수 있으며, 작동 변위는 각각 ±5mm, ±10mm, ±15mm, ±20mm으로 설정할 수 있다.
1은 본 연구에서 제안하는 소형 MR 댐퍼를 나타낸 개념도이다. 이 MR 댐퍼는 실린더와 피스톤, 실린더 안에 위치하는 자기회로, 자기회로 상, 하부에 피스톤을 지지하기 위한 베어링과 MR 유체의 누설을 방지하기 위한 오일씰, 그리고 피스톤과 자기회로 사이에 충진되는 MR 유체로 구성되어 있다. 일반적으로 지금까지 연구되어 온 대부분의 MR 댐퍼는 유동모드(flow mode), 또는 유동모드와 전단모드(shear mode)가 혼합된 형태의 댐퍼였다.
는 각각 피스톤의 반지름과 자기회로의 유효길이를 나타내며, η 는 MR 유체의 점성계수, d 는 피스톤과 자기회로 사이의 간극이다. 이 연구에서는 미국 LORD사의 MRF-132DG의 MR유체를 적용하였다. 이 유체의 점성은 약 0.
피스톤과 자기회로 사이의 간극에 채워지는 MR 유체의 요구량은 약 5cc 정도로 매우 적으며, MR댐퍼의 주요 설계변수는 최대 작동 변위 ±30mm, 총길이 242mm, 직경 42mm이며, 간극은 1mm로 설계하였다.

데이터처리

각각의 비례 이득값은 Trial & error 기법으로 최적의 이득값을 찾아 결정되었다.

성능/효과

Fig. 8(a)에 도시된 바와 같이 MR 댐퍼에 제어입력을 인가하였을 때, 제어입력을 인가하지 않았을 때보다 진동이 감쇠되고 정상상태로 빠르게 수렴하는 것을 확인 할 수 있다. 또한 이때의 입력 전류값을 Fig.
제작된 MR 댐퍼의 댐핑력 특성 및 응답성능을 평가하기 위하여 실험장치를 구성하였으며, 실험결과 입력전류에 따른 댐핑력의 거동과 전류의 인가 및 제거시, 빠른 응답시간을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 또한 PID 제어기를 이용한 진동제어 시뮬레이션을 통하여 제안된 MR 댐퍼의 제어성능을 입증하고, 시뮬레이션 결과를 통하여 MR 댐퍼의 허용 댐핑력 내에서 빠른시간 내에 정상상태로 수렴하고 제어입력에 따른 전류입력을 확인할 수 있었다. 향후 MR 유체의 이력현상을 해결하기 위해 Hysteresis 모델을 적용하여 MR 댐퍼의 불규칙적인 댐핑력 특성을 개선하고 보다 정교한 MR 댐퍼 모델을 구축할 예정이다.
또한, 제품을 생산하는 데에 있어 상대적으로 고가인 MR 유체의 요구량이 많아 제품을 상용화 및 현실화 하는데에 어려움이 많았다. 본 연구의 MR 댐퍼는 자기회로 내의 MR 유체가 오일씰에 의해 밀봉되어 있는 전단모드 형태의 MR 댐퍼로 부피보상문제가 발생하지 않으며, 극소량의 MR유체만으로도 제어가 가능한 댐핑력을 발생시킬 수 있다. 전단모드는 Fig.
4와 같이 댐핑력 특성을 고찰하였다. 시뮬레이션 상에서 가진 주파수는 3Hz, 가진 변위는 15mm로 설정하였으며, 최대 1.5A의 전류 인가 시, 최대 댐핑력은 31.1N, 최소 댐핑력은 -31.1N으로 나타났다. Fig.
8(b)에 나타내었다. 위의 결과를 바탕으로 제안된 MR 댐퍼는 허용 댐핑력 범위 내에서의 가진이 발생하는 시스템에서 진동을 제어하기에 충분한 성능을 낼 수 있는 것을 확인 할 수 있다.
실험에 앞서 Binghamplastic 모델 기반의 MR 댐퍼의 모델을 구축하고, 최적의 설계변수를 도출하여 MR 댐퍼를 제작하였다. 제작된 MR 댐퍼의 댐핑력 특성 및 응답성능을 평가하기 위하여 실험장치를 구성하였으며, 실험결과 입력전류에 따른 댐핑력의 거동과 전류의 인가 및 제거시, 빠른 응답시간을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 또한 PID 제어기를 이용한 진동제어 시뮬레이션을 통하여 제안된 MR 댐퍼의 제어성능을 입증하고, 시뮬레이션 결과를 통하여 MR 댐퍼의 허용 댐핑력 내에서 빠른시간 내에 정상상태로 수렴하고 제어입력에 따른 전류입력을 확인할 수 있었다.
5(a)에서와 같이 인가전류가 증가함에 따라 댐핑력이 증가되는 것을 확인 할 수 있다. 최대 1.5A의 자기장 인가 시 최대 댐핑력은 39.2 N, 최소 댐핑력은 -25.1 N으로 댐핑력 범위는 최대 최소 댐핑력 범위는 64.3 N으로 나타났다. Fig.

후속연구

1초 간격의 1A 스텝전류를 인가하였을 때 MR 유체의 응답시간 특성을 나타낸 그래프이다. 그래프에 도시된 바와 같이 전류를 인가하면 댐핑력이 증가하고 전류를 제거하면 댐핑력이 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 각각 응답시간은 Rising시 11ms, Falling시, 45ms로 전류를 제거하였을 때 응답시간이 더 긴 것을 확인 할 수 있으며, 수십 ms내의 응답특성을 보여 진동제어에 우수한 성능을 발휘할 수 있을 것이라 기대된다.
향후 MR 유체의 이력현상을 해결하기 위해 Hysteresis 모델을 적용하여 MR 댐퍼의 불규칙적인 댐핑력 특성을 개선하고 보다 정교한 MR 댐퍼 모델을 구축할 예정이다. 또한 강건제어알고리즘을 설계하여 MR 댐퍼의 진동제어 성능실험을 통해 평가할 예정이다. 이러한 자료를 기반으로 궁극적으로 실제 존재하는 기계시스템에 MR 댐퍼를 적용한 제어시스템을 구축할 예정이다.
또한 강건제어알고리즘을 설계하여 MR 댐퍼의 진동제어 성능실험을 통해 평가할 예정이다. 이러한 자료를 기반으로 궁극적으로 실제 존재하는 기계시스템에 MR 댐퍼를 적용한 제어시스템을 구축할 예정이다.
또한 PID 제어기를 이용한 진동제어 시뮬레이션을 통하여 제안된 MR 댐퍼의 제어성능을 입증하고, 시뮬레이션 결과를 통하여 MR 댐퍼의 허용 댐핑력 내에서 빠른시간 내에 정상상태로 수렴하고 제어입력에 따른 전류입력을 확인할 수 있었다. 향후 MR 유체의 이력현상을 해결하기 위해 Hysteresis 모델을 적용하여 MR 댐퍼의 불규칙적인 댐핑력 특성을 개선하고 보다 정교한 MR 댐퍼 모델을 구축할 예정이다. 또한 강건제어알고리즘을 설계하여 MR 댐퍼의 진동제어 성능실험을 통해 평가할 예정이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	댐퍼의 역할은?	이에 따라 소비자들이 사용하는 기계 및 전자제품의 진동, 소음이 중요한 문제로 부각되고 있으며, 제조업체들은 초기 단계부터 진동과 소음을 줄이기 위한 많은 노력과 투자를 기울이고 있다. 대표적인 진동흡수 구조체인 댐퍼의 경우 차량이나 철도 등의 현가장치로 사용되고 있으며, 세탁기 등의 가전제품이나 건물 등에 적용되어 외부로부터 들어오는 진동을 감쇠시켜 주는 역할을 한다. 그러나 이러한 댐퍼들은 대부분 마찰 스펀지나 오일유압식의 패시브형태의 댐퍼로서, 진동량에 관계 없이 일정한 댐핑력을 가져 진동량에 따른 댐핑력 제어가 불가능한 단점을 가지고 있다.
	댐퍼의 단점을 보완하기 위해 어떤 연구가 진행되고 있나?	그러나 이러한 댐퍼들은 대부분 마찰 스펀지나 오일유압식의 패시브형태의 댐퍼로서, 진동량에 관계 없이 일정한 댐핑력을 가져 진동량에 따른 댐핑력 제어가 불가능한 단점을 가지고 있다. 최근 이러한 단점을 보완하기 위하여 가변유체, 즉, ER 유체 및 MR 유체를 이용한 반능동형 진동흡수 구조장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. MR 유체는 자기장에 의하여 상변화가 일어나는 지능재료로서 전기장에 의하여 상변화가 일어나는 ER 유체에 비하여 비교적 큰 항복응력을 발생시켜 보다 큰 힘을 요구하는 각종 응용장치에 적용되고 있다.
	댐퍼의 단점은?	대표적인 진동흡수 구조체인 댐퍼의 경우 차량이나 철도 등의 현가장치로 사용되고 있으며, 세탁기 등의 가전제품이나 건물 등에 적용되어 외부로부터 들어오는 진동을 감쇠시켜 주는 역할을 한다. 그러나 이러한 댐퍼들은 대부분 마찰 스펀지나 오일유압식의 패시브형태의 댐퍼로서, 진동량에 관계 없이 일정한 댐핑력을 가져 진동량에 따른 댐핑력 제어가 불가능한 단점을 가지고 있다. 최근 이러한 단점을 보완하기 위하여 가변유체, 즉, ER 유체 및 MR 유체를 이용한 반능동형 진동흡수 구조장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

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