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고속 능동진동제어기 및 PILS 시스템의 실험적 연구

Title
고속 능동진동제어기 및 PILS 시스템의 실험적 연구
Alternative Title
Experimental Study of High Speed Active Vibration Controller and PILS System
Author(s)
서해용
Issued Date
2011
Publisher
한국해양대학교 대학원
URI
http://kmou.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000002174581
http://repository.kmou.ac.kr/handle/2014.oak/8634
Abstract
구조물에 대한 진동은 운송수단이나 전자제품 같은 경량 유연 구조물에 있어서 지속적인 문제점으로 부각되어 왔다. 이런 진동을 제어하기 위하여 여러 가지 연구가 진행되어 왔는데 구조물에 감쇠를 증가시키거나, 질량을 증가시키는 기존의 수동적인 진동제어 방법은 제어 할 수 있는 진동의 범위나 제어 효율에서 단점을 가지게 된다. 이런 이유로 과거에는 개념 단계에 있던 Smart skin 형태의 압전 소자를 이용한 능동 제어 시스템의 설계 및 개발에 대한 관심이 증가 하고 있다. 능동제어 시스템은 구조물에 다수의 센서 및 액츄에이터, 제어기를 삽입해서 진동을 제어하는 복합적인 진동제어 시스템으로 압전 소자의 성능이 향상되고, 다수의 액츄에이터를 동시에 제어할 수 있을 정도로 제어기의 속도가 향상 되어 이에 대한 연구가 시작되고 있다.

이러한 제어 시스템은 다수의 센서, 액츄에이터 및 제어기를 필요로 하기 때문에 Multi-input Multi-output(MIMO) 제어 시스템으로 구성하는 Hardware 설계기술이 중요하다. 현재까지 Smart skin용 MIMO 제어 시스템에 대한 연구 결과는 보고된 바가 없고, 이의 기초가 될 수 있는 두 개 이하의 입출력(BIBO)을 갖는 시스템을 구성하여 외팔보나 박판보의 능동제어를 수행한 연구 결과는 다수 존재한다.

국외에서는 센서, 액츄에이터 및 제어기를 구성한 대표적인 연구들로 센서 및 구동기로 압전 액츄에이터/센서를 적용하고 실시간 제어를 위해 VMEbus 제어기를 사용하여 박판의 능동제어를 성공적으로 구현한 연구가 있다[1]. 또한, ADSP21062 EZKIT인 DSP 프로세서와 EZ_ANC II의 프로세서를 적용한 실시간 제어를 수행하여 사각 강판의 능동진동 제어를 수행한 실험적 연구가 있었다[2]. 그리고 미국의 Reinhorn은 DSP TMS320C40 DSP 보드를 이용한 실시간 능동제어 시뮬레이터를 구현하였다[3]. 한편, 원통 Shell의 능동 제어를 위해 PZT 구동기를 다양한 형태로 설치하고 TMS320C30 DSP 제어기에 PPF, Filter-x LMS제어기를 적용한 연구가 있었다[4].

국내에서도 능동 진동 제어 연구로 340x300x0.5[mm] 강철판의 진동 제어를 위하여 DSP320C30 DSP 프로세서를 사용하여 다중 적응 Feedforward 제어 입력을 갖는 Feedback 제어 알고리즘을 구성하여 제어한 연구가 있다[5].

또한, 270x180x0.6[mm]의 유연한 평판을 TMS320C30 DSP 프로세서를 이용한 제어시스템에 Filtered-X LMS 제어 알고리즘을 구성하여 제어하고[6], 선박 상부구조의 종 진동을 저감하기 위해서 DSP320C32-60을 이용하여 위상 제어기를 구성하여 능동 제어한 결과가 있었다[7].

한편, 진동의 주파수가 상대적으로 느린 외팔보의 경우에는 제어 시스템을 구성하는데 있어서, One-chip 마이크로프로세서를 이용한 소형저가의 설계방법을 이용하여 연구를 수행한 결과들이 있었다. One-chip 마이크로프로세서의 일종인 PIC87f시리즈로 구성된 컨트롤러를 이용해 외팔보의 능동진동제어기를 구현한 연구[8]와 80c196 One-chip 마이크로프로세서로 구성된 컨트롤러를 이용한 외팔보의 능동진동제어기를 구현한 연구가 있었다[9]. 그리고 비교적 낮은 주파수를 갖는 외팔보의 매우 단순한 형태의 능동 제어를 위해 A/D 및 D/A 변환기를 PC의 CPU와 Interface하여 단순한 되먹임 제어 시스템을 구성하여 제어한 결과가 있고[10], 고정된 평판에 충격을 MFC 작동기와 PPF 알고리즘을 이용하여 고유진동주파수위 성분을 감소시킨 연구와[11], 실린더 쉘(shell)에 MFC 작동기를 부착하고, PPF 알고리즘을 이용한 능동진동제어 실험을 성공하였다.[12]

능동진동제어 연구의 발전으로 구조물에 하나의 진동 성분을 제어하는 것을 넘어 다수의 진동 성분을 제어하는 연구 단계이다. 구조물에 다수의 PZT 와 그것을 제어하기 위한 여러 가지 부가 장치들이 필요하다. 그러나 다수의 PZT를 제어하기 위해서는 많은 수의 프로세서가 필요하였고, 이것으로 인해 실험장비가 복잡해지고 비효율적이며 고비용이 큰 걸림돌이 되어 왔다. 이것을 해결하기 위해서는 뛰어난 성능을 가진 하나의 메인 컨트롤러를 사용하여 중앙 집중적인 방식으로 다수의 PZT를 동시에 제어하는 MIMO 시스템을 구축하는 것이 필요하다.

본 논문에서는 하나의 메인 컨트롤러를 사용하여 다수의 센서, 액츄에이터와 외부 장치를 제어하는 MIMO 형태의 능동제어 시스템을 개발하였다. 다수의 입출력을 제어하기 위해서는 고성능 DSP 프로세서인 TMS320C6416TDSK를 메인 컨트롤러로 사용하였고, 센서로부터 신호를 받고, 액츄에이터를 제어하는 고속 A/D 및 D/A Interface회로, PZT 구동을 위한 고전압 Amp를 하나의 Control cell부분으로 만들어 Main Controller와 상호 정보 교환(Interface)할 수 있도록 하였다.

입력에 따른 출력 신호는 공급되는 전압 및 소자에 따라 다른 특성을 보이게 된다. 그래서 여러 특성의 액츄에이터에 따라 다양하고 유동적인 시스템의 설계가 필요하다. 본 논문에서는 이러한 상황을 고려하여 적용할 수 있도록 가변 Transformer(Slidac), Gain adjuster, DC-DC Converter의 세 개 전원을 선택적으로 사용할 수 있게 설계하였다. 물론 DC-DC Converter의 경우는 DC 입력에 따라 출력이 일정한 특성을 가지고 있다.

기존의 평판과 쉘(Shell)를 이용한 실험에서는 고 전압 Amp인 PA 97의 경우에 외부 노이즈와 전류의 영향으로 인하여 심한 발열 현상과 함께 심한 경우 Amp가 파손되는 경우가 다수 발생하였으나[13], 전류의 제한이 가능하며, 부 노이즈에 비교적 강한 PA 95 Amp를 적용하여 실험 함으로서 시스템의 안정성 여부를 검증하였다. 또한 전원부에서 발생하는 근본적인 노이즈를 줄이기 위하여 디지털과 아날로그를 분리하여 시스템을 제작하였고, 원 칩을 비롯한 A/D, D/A의 경우는 Transformer나 DC-DC Converter 보다는 비교적 저 전압에 속하므로 이 전원 또한 분리하여 각각의 입출력 상태를 확인하였다.

능동제어 대상 시스템의 고유진동수의 주파수가 빠르기 때문에 제어 시스템의 Algorithm은 시스템의 성능에 직접적으로 영향을 미치게 된다. 진동 발생시 Algorithm에 따른 능동제어의 성능을 검증하기 위하여 Hull구조물에서 공진 모드 제어로 시스템의 실시간 제어 성능을 검증하였다.
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기계공학과 > Thesis
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