KR101550264B1 - 기본 및 고조파 주파수들에서 진동들을 최소화하도록 능동 진동 밸런서의 구동 - Google Patents

기본 및 고조파 주파수들에서 진동들을 최소화하도록 능동 진동 밸런서의 구동 Download PDF

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Abstract

주 머신의 진동들은 기본 및 선택된 고조파들에서의 밸런싱 신호들로 능동 밸런서의 구동 모터를 구동함으로써 기본 및 고조파 주파수들에서 감소된다. 진동들은 기계적 진동들을 나타내는 신호를 제공하도록 감지된다. 기본 및 각각의 선택된 고조파에 대한 밸런싱 신호 생성기는 각각의 주파수에 대한 밸런싱 신호를 생성하기 위해 각각의 주파수에 대한 적응형 필터들의 적응형 필터 알고리즘으로 감지된 진동 신호를 프로세싱한다. 각각의 주파수에 대한 기준 입력들은 생성기에 인가된 주파수에서 각각의 밸런싱 신호 생성기의 적응형 필터 알고리즘에 인가된다. 모든 주파수들에 대한 고조파 밸런싱 신호들은 합산되고 구동 모터를 구동하도록 인가된다. 고조파 밸런싱 신호들은 각각의 주파수에서의 진동들과 반대의 구동 전압 컴포넌트로 구동 모터를 구동한다.

Description

기본 및 고조파 주파수들에서 진동들을 최소화하도록 능동 진동 밸런서의 구동{DRIVING AN ACTIVE VIBRATION BALANCER TO MINIMIZE VIBRATIONS AT THE FUNDAMENTAL AND HARMONIC FREQUENCIES}
본 발명은 일반적으로 능동 밸런서(active balancer)가 주(principal) 머신에 의해 생성된 힘들에 반대하는 밸런싱 힘들을 생성하도록 주 머신들에 커플링되는 능동 밸런서를 구동하기 위한 방법에 의해 주 머신의 기계적 진동들의 감소 또는 제거에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 주 머신의 기본 동작 주파수뿐만 아니라 그 기본 주파수의 고조파들에서의 기계적 진동들의 감소 또는 제거에 관한 것이다.
다수의 머신들은 머신의 부분인 하나 또는 그 초과의 주기적으로 이동하는 매스(mass)의 반복적인 가속 및 감속의 결과로서 진동한다. 몇몇 환경들에서, 진동들은 불편하고, 집중을 방해하거나 짜증나게 할 수 있으며, 일부에서, 이들은 다른 장비의 동작을 간섭할 수 있고, 심지어 손상을 초래할 수 있다. 진동을 감소시키는 하나의 방식은, 진동의 에너지 중 일부를 흡수하는 디바이스 또는 물질일 수 있는 중간 진동 조절기를 통해 다른 매스로 진동 머신을 장착하는 것이다. 그러나 이 방식은 진동들을 부분적으로만 감소시킬 수 있고, 진동들의 진폭을 제거하거나 또는 적어도 최소화하는 보다 효과적인 방식은 진동 머신에 진동 밸런서를 단단히 장착하는 것이다. 진동 밸런서는 진동에 대항하는 힘들을 생성하고; 즉 그 힘은 진폭면에서 동일하거나 거의 동일하지만, 위상면에서 반대의 힘들을 생성하고, 그에 의해 진동에 의해 생성된 힘들을 소거 또는 거의 소거한다.
진동 밸런서들은 일반적으로 2개의 타입들, 즉 수동 진동 밸런서들 및 능동 진동 밸런서들로 이루어지며, 이들 중 일부는 또한 튜닝된 매스 조절기들, 능동 매스 조절기들 또는 진동 흡수기들로서 알려져 있다. 수동 진동 밸런서는 본질적으로 진동 머신의 동작 주파수로 튜닝되지만, 그의 가속 및 감속 매스로부터의 힘들을 진동으로부터 발생되는 힘들과 180°이위상인 위상에서 진동 머신으로 인가하도록 배열되는 공진 스프링 및 매스 시스템이다. 능동 진동 밸런서는 본질적으로 매스이며, 또한 스프링에 링크될 수 있지만, 매스의 움직임은 진동들을 감지하고 진동들과 반대하여 매스를 구동하는 제어 시스템에 의해 제어된다.
수동 밸런서가 덜 비싸기는 하지만, 수동 밸런서는 그것이 튜닝된 하나의 공진 주파수의 진동들에만 응답할 수 있다는 단점을 갖는다. 능동 밸런서는 진동들의 주파수의 작은 변동들에 응답할 수 있고, 진동을 더 잘 소거하는 진폭에서 보상력(compensating force)을 인가할 수 있지만, 능동 밸런서는 더 비싸고, 요구되는 진폭 및 위상에서 능동 밸런서를 구동하기 위해 제어기를 요구한다. 본 발명자가 아는 한, 수동 또는 능동 밸런서 어느 것도 진동 머신의 기본 동작 주파수의 고조파들에서의 진동들을 밸런싱하지 못한다.
그러므로, 본 발명의 목적 및 특징은 머신의 기본 동작 주파수 및 그 기본 동작 주파수의 고조파들 둘 다에서 머신의 진동들을 줄이거나 제거하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 주 진동 머신의 기본 동작 주파수 및 그 동작 주파수의 선택된 고조파들에서 주 진동 머신의 진동을 밸런싱하기 위한 방법이다. 주 진동 머신의 진동은 주 진동 머신의 감지된 기계적 진동을 나타내는 감지된 진동 신호를 제공하도록 감지된다. 밸런싱 신호는 적어도 기본 동작 주파수 및 그 동작 주파수의 선택된 고조파에 대해 생성되고, 바람직하게는, 고조파 밸런싱 신호는 몇 개의 선택된 고조파들 각각에 대해 생성된다. 밸런싱 신호들은 적응형 필터의 적응형 필터 알고리즘으로, 감지된 진동 신호를 프로세싱함으로써 각각 생성된다. 각각의 선택된 주파수에 대한 적응형 필터 알고리즘은 그의 할당된 선택된 주파수에서 정현파로(sinusoidally) 변동하는 직교하는 기준 입력들을 갖는다. 모든 선택된 주파수들에 대한 고조파 밸런싱 신호들은 합산되고 능동 밸런서의 구동 모터를 구동하도록 인가된다. 그에 의해, 각각의 선택된 주파수에서의 각각의 고조파 밸런싱 신호는 각각의 선택된 주파수에서의 진동에 반대하는 각각의 선택된 주파수에 대한 구동 전압 컴포넌트로 구동 모터를 구동한다.
도 1은 본 발명의 기초 동작을 예시하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 컴포넌트들인 적응형 밸런싱 신호 생성기들의 동작을 예시하는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예를 예시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 예시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예를 예시하는 도면이다.
도면들에서 예시되는 본 발명의 바람직한 실시예의 설명에 있어, 특정한 용어가 명료함을 위해 이용될 것이다. 그러나, 본 발명은 그렇게 선택된 특정한 용어로 제한되는 것으로 의도되지 않으며, 각각의 특정한 용어는 유사한 목적을 달성하기 위해 유사한 방식으로 동작하는 모든 기술적 등가물들을 포함한다는 것이 이해될 것이다.
미국 특허 제7,511,459호는 인용에 의해 본원에 포함된다. 이 종래 기술의 특허는 스털링 머신(Stirling machine)에 구동 가능하게 링크되고 본 발명의 실시예들과 함께 이용될 수 있는 선형 모터/얼터네이터(alternator)를 제어하기 위한 제어 시스템의 예를 보여준다. 보다 구체적으로, 이 특허는 그 동작 주파수에서 그 동작을 제어하기 위해 그의 모터/얼터네이터 전기자 권선에 주 전기 구동 전압 및 전류를 인가하기 위한 주 제어 시스템으로서 본 명세서에서 지칭되는 것의 예를 개시한다.
원래 본 발명에 대해 고려되는 출원은 선형 모터/얼터네이터에 구동 가능하게 링크되는 스털링 머신의 진동들을 밸런싱하기 위한 것이지만, 본 발명은 또한 다른 주 진동 머신들의 진동들의 감소에 응용 가능하다. 본 발명은 주 진동 머신의 제어 시스템에 독립적으로 동작할 수 있고, 그에 따라 반드시 그 제어 시스템에 의존하는 것은 아니다. 그러나 주 진동 머신의 제어 시스템과 본 발명 간의 상호작용들이 본 발명에 부가될 수 있고, 본 발명의 하나의 예시된 실시예(도 3)는 주 진동 머신의 제어 시스템으로부터의 신호를 이용하게 된다.
용어 및 종래 기술의 기본 원리들
스털링 머신들은 종종 선형 모터 또는 선형 얼터네이터에 구동 가능하게 링크된다. 스털링 엔진은 전기 전력을 생성하기 위해 선형 얼터네이터에 연결되는 원동기(prime mover)일 수 있다. 열 펌핑 모드에서 동작되는 스털링 머신은 선형 전기 모터에 연결되고 선형 전기 모터에 의해 구동될 수 있으며, 그의 열 교환기들 중 하나로부터 그의 열 교환기들 중 다른 하나로 열 에너지를 펌핑한다. 열을 펌핑하는 스털링 머신은 그의 목적이 매스(mass)를 냉각하기 위한 것일 때 때때로 냉각기로서 지칭되고, 그의 목적이 매스를 가열하기 위한 것일 때 때때로 열 펌프로서 지칭된다. 스털링 열 펌프 및 스털링 냉각기는 기본적으로, 상이한 용어가 적용되는 동일 머신이다. 둘 다는 하나의 매스로부터 다른 매스로 열 에너지를 전달한다. 결과적으로, 냉각기/열 펌프, 냉각기 및 열 펌프란 용어들은 기본적인 머신들에 적용될 때 동등하게 이용될 수 있다. 스털링 머신이 엔진(원동기) 또는 냉각기/열 펌프일 수 있기 때문에, 스털링 "머신" 이란 용어는 일반적으로 스털링 엔진들 및 스털링 냉각기들/열 펌프들 둘 다를 포함하도록 이용된다. 이들은 기본적으로 2개의 타입들(기계적 및 열적)의 전력 사이에서 어느 한 방향으로 전력을 변환할 수 있는 동일한 전력 변환기들이다.
유사하게, 전기 선형 모터 및 전기 선형 얼터네이터 둘 다는 동일한 기본 디바이스이다. 이들은, 보통 전기자 권선 및 하나 또는 그 초과의 자석들( 보통은 영구 자석들)을 포함하는 왕복 부재(reciprocating member)를 갖는 고정자를 갖는다. 선형 모터/얼터네이터는 전기 전력을 생성하기 위해 얼터네이터로서 동작하도록 원동기에 의해 왕복으로 기계적으로 구동될 수 있거나, 또는 기계적 왕복 출력을 제공하는 모터로서 동작하도록 교류 전기 전력의 소스에 의해 구동될 수 있다. 결과적으로 선형 모터/얼터네이터란 용어는 이 기본적인 전자-기계 디바이스를 지칭하는데 이용될 수 있다.
위에서 설명된 동작 이원성으로 인해, 엔진으로서 동작하는 스털링 머신은 선형 얼터네이터를 구동하는데 이용될 수 있고, 선형 모터는 열 펌핑 모드에서 동작하는 스털링 머신을 구동하는데 이용될 수 있다. 양자의 경우들에서, 스털링 머신의 전력 피스톤(power piston)은 보통 선형 모터 또는 얼터네이터의 왕복 부재에 직접 연결되어서, 이들은 하나의 유닛으로서 왕복하게 된다. 부가적으로, 선형 전기 모터들 및 스털링 엔진들은 예를 들어, 냉장고에서 가스를 압축하거나, 유체를 펌핑하기 위한 컴프레서의 피스톤과 같은 다른 로드들을 구동하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 설명은 능동 밸런서(active balancer)를 위한 구동 모터를 참조한다. 구동 모터에 의해 구동되는 능동 밸런서들은 종래 기술에서 잘 알려져 있다. 선형 모터는 특히 본 발명과 함께 이용되는 능동 밸런서들과 함께 이용하기에 매우 적합하지만, 본 발명은 능동 밸런서들을 구동하는 다른 모터들에 적응될 수 있다.
본 발명의 실시예들과 함께 이용되는 종래 기술
본 발명의 모든 실시예들은, 본 발명이 진동을 최소화하는 주 진동 머신과 함께 이용된다. 주 진동 머신은 통상적으로 주 진동 머신의 움직임을 제어하는 제어 시스템을 갖는다. 본 발명의 실시예들은 주 진동 머신을 위한 주 제어 시스템과 관련하여 설명되고 예시된다. 그러나 본 발명은 예시된 진동 머신들 또는 그의 제어 시스템들로 제한되지 않는다. 본 발명과 주 진동 머신 및 그의 제어 시스템 간의 유일한 필수적인 연결들은, 능동 밸런서가 주 진동 머신에 상쇄 힘(counterbalancing force)을 인가하기 위해 주 진동 머신에 기계적으로 연결되어야 한다는 것이며, 본 발명은 그 진동들을 감지하기 위해 주 진동 머신에 기계적으로 또한 연결되는 진동 센서를 이용한다. 능동 밸런서가 주 진동 머신에 기계적으로 연결되기 때문에, 센서는 진동을 감지하기 위해 능동 밸런서에 연결될 수 있다.
도 1, 3, 4 및 5는 모두 종래 기술의 주 제어 시스템을 포함한다. 도 1은 본 발명의 기본 원리들을 예시한다. 현대의 종래 기술의 제어 시스템들은 마이크로프로세서, 마이크로제어기 또는 디지털 신호 프로세서(DSP)와 같은 디지털 프로세서를 활용한다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 디지털 제어 회로 동작은 디지털 프로세서에 의해 실행되는 제어 알고리즘들에 의해 신호들 상에서 수행되는 수학적 동작들의 견지에서 공통적으로 설명된다. "신호"는 디지털 데이터 포맷의 아날로그 신호의 표현을 포함한다. 동작들은 종종 이러한 동작들을 수행하는 역사적으로 이전의(predecessor) 아날로그 디바이스들, 예컨대, 필터들 및 신호 생성기들의 견지에서 설명되지만, 현대 회로들에서 이러한 동작들은 알고리즘들을 실행하도록 프로그래밍된 디지털 프로세서들에 의해 대신 수행된다.
도 1을 참조하면, 종래 기술의 주 제어 시스템은 디지털 프로세서(10) 상단에 걸친 경로를 따라 예시된다. 종래 기술에서와 같이, 주 제어 신호는 왕복의 동작 주파수에서 주 제어 시스템에 의해 생성되고, 교류 주 전기 구동 전압을 스털링 엔진에 커플링되는 얼터네이터 또는 모터 또는 원동기의 전기자 권선에 인가함으로써 주 진동 머신을 제어하는 전력 스테이지에 인가된다. 대부분의 제어 시스템들에 공통적인 바와 같이, 제어 알고리즘에 인가되는 커맨드 입력(12)이 있다. 커맨드 입력(12)[Acmd]은 기본 구동 주파수에서 주 진동 머신의 동작의 파라미터에 대한 원하는 값을 나타낸다. 커맨드 입력(Acmd)은 종종 스트로크 거리(stroke distance)(예를 들어, 밀리미터들 단위로)와 같은 진폭 또는 모터/얼터네이터를 구동하기 위한 전기자 코일 전압을 나타낸다. 주 제어 시스템으로부터의 출력은 그의 기본 동작 주파수에서 커플링된 쌍과 같은 주 진동 머신의 왕복을 제어한다.
도 1에서, 종래 기술의 제어 알고리즘은 제어 알고리즘(13)으로서 예시된다. 제어 알고리즘(13)의 동작의 결과는 주 진동 머신(20)을 구동하는데 요구되는 높은 전력으로 제어 신호를 변환하는 전력 스테이지(18)로, 디지털-아날로그 컨버터(16)를 통해 인가된다. 전력 스테이지는 부가적인 제어 회로를 포함할 수 있다.
예로서, 전력 스테이지(18)의 출력은 주 머신에서 모터/얼터네이터의 전기자 권선에 인가될 수 있다. 모터/얼터네이터는 커플링된 쌍을 형성하도록 기계적 링크에 의해 스털링 머신에 구동 가능하게 연결되며, 이 커플링된 쌍의 2개의 컴포넌트들은 공통 기계적 지지부에 장착된다. 실제로, 얼터네이터를 위한 케이싱 및 스털링 머신을 위한 케이싱은 통합적으로 형성되거나, 서로 직접 연결된다.
본 발명
본 발명의 방법은 주 진동 머신의 기본 동작 주파수에서 그리고 동작 주파수의 선택된 고조파들에서 그 머신의 진동을 최소화하는 것이다. 기본 개념은 진동들의 진폭 및 위상을 감지하고 이들 주파수들에서 현재 감지된 진폭 및 위상을 피드백하는 것이다. 임의의 진동이 제거되거나 또는 적어도 최소화되어야 할 에러이기 때문에 진동들의 감지는 본질적으로, 에러 검출이다. 정현파로 변동되는 신호는 기본 동작 주파수에서 그리고 각각의 선택된 고조파 주파수에서 생성된다. 각각의 생성되는 정현파로 변동되는 신호의 진폭 및 위상은 각각의 주파수에 대한 밸런싱 신호를 생성 및 유지하기 위해 주기적으로 변동되고 업데이트되고 적응된다. 각각의 주파수에 대한 밸런싱 신호들은 합산되고 능동 밸런서를 구동하는 구동 모터를 구동하도록 함께 연속적으로 공급된다. 주기적인 업데이트에 의해 각각의 주파수에 대한 각각의 밸런싱 신호의 변동은 현재 감지된 진동들로 밸런싱 신호들을 적응시켜서, 각각의 주파수에 대한 정현파 밸런싱 신호는 각각의 주파수에서 감지된 진동들이 최소가 되게 하는 적절한 위상, 진폭 및 주파수에서 보상 힘(compensating force)을 생성하기 위해 구동 모터에 연속적으로 인가된다. 이는 출력을 구동하기 위해 에러를 요구하는 표준 폐루프의 음의 피드백 제어 시스템과 다소 상이하다. 여기서 에러(진동)는 0이 되게 되지만, 일단 에러(진동)가 0으로 되면, 적응형 알고리즘은, 그가 증가되거나 감소된 진동을 감지할 때를 제외하고 동일한 보상 출력을 유지하며, 이 증가되거나 감소된 진동을 감지하는 경우, 적응형 알고리즘은 진동(에러)이 재차 0 또는 최소 값이 되게 하도록 보상 출력을 수정한다.
도 1을 재차 참조하면, 진동 센서(30)는 예를 들어, 커플링된 쌍이 장착되는 케이싱 또는 지지부에 장착됨으로써 커플링된 주 진동 머신(20)과 능동 밸런서(22)에 기계적 연결되게 장착된다. 진동 센서(30)는 가속도계일 수 있고, 감지된 진동을 나타내는 감지된 진동 신호를 제공하도록 커플링된 쌍의 진동을 감지한다.
진동 센서(30)로부터의 감지된 진동 신호는 디지털 프로세서(10)에 의한 프로세싱을 위해 아날로그-디지털 컨버터(32)를 통해 인가된다. 디지털 포맷의 감지된 진동 신호는, 각각이 상이한 주파수에 대한 밸런싱 신호를 생성하는 알고리즘인, 34, 36 및 38로서 예시되는 복수의 적응형 밸런싱 신호 생성기들 각각에 인가된다. 따라서, 기본 주파수에 대해 그리고 각각의 선택된 고조파에 대해 적응형 밸런싱 신호 생성기가 있다. 각각의 적응형 밸런싱 신호 생성기는 하나의 주파수에 할당되고 응답한다. 본 발명이 단일 주파수, 또는 기본 및 단일 고조파에서의 진동들을 밸런싱하기 위해 실시될 수 있지만, 바람직하게는, 복수의 상이한 고조파들을 밸런싱하기 위해 복수의 이러한 밸런싱 신호 생성기들이 있다. 3개의 밸런싱 신호 생성기들이 기본 주파수 ω 및 2개의 고조파들 2ω 및 hω(여기서 ω는 기본 동작 주파수이고, h는 h차 고조파임)에 대해 예시되지만, 설계자에 의해 어느 고조파들이 선택되었든 그 고조파에 대해 그리고 다수의 고조파들에 대해 그 만큼 많은 밸런싱 신호 생성기들이 있을 수 있다.
아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 각각의 선택된 주파수에 대한 고조파 밸런싱 신호는 감지된 진동 신호를 적응형 필터의 적응형 필터 알고리즘으로 프로세싱함으로써 생성된다. 각각의 선택된 주파수에서의 기준 입력들은 적응형 필터 알고리즘에 인가된다. 결과적으로, 밸런싱 신호 생성기들(34, 36 및 38) 각각은 그의 할당된 주파수에서 진동들을 밸런싱하기 위한 밸런싱 신호인 출력(34B, 36B 및 38B)을 갖는다.
출력들(34B, 36B 및 38B)에서 모든 밸런싱 신호들이 합산되고 합은 구동 모터(24)를 제어하는데 이용된다. 합은 동작 기본 주파수에서 그리고 선택된 고조파 주파수들에서 푸리에 컴포넌트들을 갖는 결과이다. 결과적으로, 결과적인 합은 구동 모터의 움직임이 이러한 푸리에 컴포넌트들을 갖도록 구동 모터(24)를 구동한다. 각각의 주파수에서 각각의 컴포넌트는 컴포넌트의 주파수에서 주 진동 머신(20)의 진동에 의해 생성되는 힘들에 반대하는 진폭 및 위상을 갖는다. 도 1에서, 각각의 선택된 주파수에 대한 밸런싱 신호는 합산 접합부(summing junction)(40)에서 합산되는 것으로 도시되고, 그 합은 디지털-아날로그 컨버터(26)를 통해 전력 스테이지(28)로 그리고 이어서 능동 밸런서 구동 모터(24)로 인가된다. 그러므로, 밸런싱 신호들의 합은 각각의 선택된 주파수의 진동과 반대하는 각각의 선택된 주파수에 대한 구동 전압 컴포넌트로 모터(24)를 구동하도록 구동 모터(24)에 대한 전기 구동 전압을 제어하는 피드 포워드 신호(fed forward signal)이다. 따라서, 각각의 밸런싱 신호 생성기는, 실용적인 정도로 그의 할당된 주파수에서의 진동들을 소거하는 주파수, 진폭 및 위상에서 구동 모터(24)를 구동하는, 주파수, 진폭 및 위상의 출력 신호를 합산 접합부(40)에 제공한다.
적응형 필터들
출력들(34B, 36B 및 38B)에서 고조파 밸런싱 신호들은 적응형 필터들의 이용에 의해 부분적으로 생성된다. 적응형 필터 기법들은 수십 년 동안 종래 기술에서 알려져 왔다. 본 발명과 함께 이용하는데 선호되는 적응형 필터 알고리즘은 반세기 전 발명된 LMS(Least Mean Squares) 필터 알고리즘이다. 당 기술은 다양한 수정된 LMS 알고리즘들은 물론, 본 발명과 함께 이용될 수 있는 다른 적응형 필터 알고리즘들을 개발하였다. 이들 알고리즘들은 SLMS(slight modification of the LMS) 알고리즘, NMLS(normalized least mean squares filter) 및 RLS(recursive least squares) 알고리즘을 포함한다. LMS 알고리즘은 본 발명과 함께 이용하는데 있어 그의 상대적 단순성 및 적합성으로 인해 선호된다. LMS 알고리즘은 에러 신호의 최소 제곱 평균들을 생성하는 것에 관련되는 필터 계수들을 발견함으로써 원하는 필터를 모방한다. 에러 신호는 원하는 신호와 실제 신호 간의 차이이다. 본 발명에서, 원하는 신호는 어떠한 진동도 없기 때문에, 에러 신호는 감지된 진동이다.
적응형 필터는 기본적으로 감지된 에러에 응답하여 그의 적응형 알고리즘에 의해 변동되는 가변 필터이다. 적응형 필터는 현재 감지된 에러에 기초하여 적응된다. 에러 신호는 가변 필터를 추후에 수정 또는 업데이트하는 알고리즘에 의해 프로세싱된다. 본 발명에서, 가변 필터는 단순 이득 필터, 즉 승산기(증폭기)이며, 그 값은 감지된 에러에 응답하여 알고리즘에 의해 제어 가능하게 변동된다. 가변 필터의 값은 설계자에 의해 선택되고 알고리즘에 의해 제어되는 양만큼, 그리고 설계자에 의해 선택되고 알고리즘에 의해 제어되는 주기적인 레이트로 증가 또는 감소됨으로써 감지된 에러에 응답하여 수정된다. 이 방식으로, 알고리즘은, 에러를 실제 거의 0이 되게 하는 방식으로 가변 필터를 증가 및 감소시키고, 에러를 실제 거의 0으로 유지하기 위해 후속 에러 신호들을 고려하여 필요해 질 때 가변 필터를 계속해서 증가 및 감소시킨다. LMS 알고리즘과 같은 적응형 필터 알고리즘들은 에러 신호가 0이 되게 동작하는, 문헌에서 설명되는 표준 알고리즘들이다.
본 발명의 적응형 밸런싱 신호 생성기들
밸런싱되어야 하는 각각의 주파수에 대해, 그 특정한 주파수에 할당된 적응형의 밸런싱 신호 생성기가 있다. 각각의 적응형 밸런싱 신호 생성기의 목적은 감지된 진동 입력으로부터, 그의 할당된 주파수에서의 진동을 반대하거나 이를 소거하는, 능동 밸런서의 구동 모터에서의 힘들을 생성하는 신호를 유도 및 유지하는 것이다. 도 2는 도 1의 블록들로서 도시된 적응형 밸런싱 신호 생성기들(34, 36 또는 38)을 예시한다. 이들 적응형 밸런싱 신호 생성기들은, 각각이 거기에 할당된 상이한 주파수에서 동작하도록 적응된다는 것을 제외하면 동일하다. 각각의 적응형의 밸런싱 신호 생성기(50)(도 2)는 직교의 정현파로 변동하는 기준 신호 생성기들(52 및 54)을 포함한다. 기준 생성기(52)는 cos(hωt)를 생성하며, 여기서 h는 1(기본적)이거나 밸런싱 신호 생성기에 할당되는 h차 고조파이고, ω는 커플링된 쌍의 기본 동작 주파수이다. 기준 생성기(54)는 sin(hωt)를 생성한다. 직교하는 cos 및 sin 함수들을 나타내는 페이서들(phasors)들로부터 가시화될 수 있는 바와 같이, 직교 정현파 신호들은 결과로 합산될 수 있는 컴포넌트들이다. 결과는 단지 이들 2개의 직교 컴포넌트들의 진폭을 변동시킴으로써 임의의 위상 및 임의의 진폭에 있을 수 있다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 기준 생성기들의 진폭은 Acmd의 함수로서 그의 진폭들을 제어함으로써 제어될 수 있어서, 그들의 진폭들은 Acmd에 비례하게 된다. 대안적으로, 도 4 및 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 기준 생성기들은 일정한 유닛 진폭을 가질 수 있다. 정현파 기준 신호 생성기들(52 및 54)의 목적은 그의 할당된 주파수에서, 직교의 정현파로 변동하는 cos 및 sin 기준 신호들의 쌍을 생성하는 것이다.
적응형의 밸런싱 신호 생성기(50)는 또한 2개의 적응형 필터들(56 및 58)을 갖는다. 적응형 필터(56)는 그의 적응형 LMS 알고리즘(LMS0)에 의해 변동 가능하게 제어되는 가변 필터(W0)를 갖는다. 적응형 필터(58)는 그의 적응형 LMS 알고리즘(LMS1)에 의해 제어 가능하게 변동되는 가변 필터(W1)를 갖는다.
감지된 진동 신호는 가변 필터들의 쌍 각각을 제어하는 적응형 필터 알고리즘에 입력으로서 인가된다. 보다 구체적으로, 감지된 진동 신호 e(n)는 적응형 필터 알고리즘들(LMS0 및 LMS1)에 인가된다. 기준 생성기들(52 및 54)의 출력들은 또한 적응형 필터 알고리즘에 의해 제어되는 적응형 필터들의 쌍의 가변 필터들의 쌍 각각에 인가된다. 보다 구체적으로, cos(hωt)를 생성하는 기준 생성기(52)로부터의 신호는 가변 필터(W0)에 인가되고 sin(hωt)를 생성하는 기준 생성기(54)로부터의 신호는 가변 필터(W1)에 인가된다. 그러므로 가변 필터들(W0 및 W1)로부터의 출력 신호들은 각각이 가변 필터들(W0 및 W1)의 각각의 이득들에 의해 결정된 진폭을 갖는 직교 정현파 신호들이다. 가변 필터들(W0 및 W1)에 대한 각각의 이득들은 그들 각각의 적응형 알고리즘들(LMS0 및 LMS1)에 의해 결정되고, 주기적으로 업데이트된다. W0 및 W1로부터의 직교 정현파 신호들은 LMS0 및 LMS1 적응형 필터 알고리즘들에 의해 결정되는 위상 및 진폭을 갖고 밸런싱 신호 생성기(50)에 할당되는 고조파 주파수에 있는, 합산 접합부(60)로부터의 결과적인 출력을 제공하도록 합산 접합부(60)에서 합산(벡터/페이서 합들)될 수 있는 페이서 컴포넌트들이다. 이들 적응형 필터 알고리즘들은 할당된 주파수에 대한 밸런싱 신호를 생성한다. 그 밸런싱 신호는 능동 밸런서의 구동 모터의 전기자 권선에 피드 포워드될 때, 적응형의 밸런싱 신호 생성기(50)의 할당된 주파수에서의 진동들을 반대하고 본질적으로는 이를 소거하는 모터 힘들을 생성하게 하는 진폭 및 위상을 갖는다.
적응형 필터들에 대한 설계 파라미터들은 상대적으로 단순하다. 알고리즘 그 자체는 종래 기술에서 쉽게 이용 가능하다. 각각의 가변 필터를 제어하는 알고리즘은 증가 단계들에서 가변 필터를 업데이트한다. 설계자에 의해 선택된 2개의 파라미터들은m (1) 업데이트 레이트(그것이 얼마나 자주 업데이트하는지) (2) 업데이트의 양(가변 필터의 이득에서의 변화가 각각의 업데이트에서 얼마나 많이 이루어지는지)이다. LMS 알고리즘이 얼마나 자주 프로세싱되는지가 업데이트 레이트 이다. 업데이트 레이트는, 밸런싱 신호 생성기에 할당되는 주파수의 임의의 배수로서 선택된다. 통상적으로, 업데이트는 할당된 주파수의 기간 동안 5 내지 10회 발생해야 한다. 각각의 증가 업데이트에 대한 가변 필터들의 이득에서의 변화의 양은 반복적인 시행착오 방법에 의해 실험적으로 가장 잘 결정된다. 범위에 걸친 몇 개의 업데이트 양에 대해 개별적으로 시험되고, 안정성, 진동들을 감소시키는데 있어 효율성 및 응답의 속도가 이어서 관찰된다. 각각의 업데이트에서 선택된 변화의 양은 보통은 더 작은 에러에 대해 더 작은 변화를 갖는 피드백 에러의 함수이며, 통상적으로 에러 진폭에 비례한다. LMS 또는 다른 제어 알고리즘은 에러의 부호에 기초하여 변화의 방향을 결정한다.
각각의 정현파로 변동하는 cos 및 sin 기준 생성기(52 및 54)로부터의 신호는 또한 전달 함수
Figure 112015016293157-pct00001
에 의해 승산되고, 그 곱은 적응형 필터들(56 및 58)의 적응형 필터 알고리즘들(LMS0 및 LMS1)에 입력으로서, 인가된다. 전달 함수
Figure 112015016293157-pct00002
는 밸런싱 신호 생성기(50)의 출력(50B)으로부터 감지된 진동 입력(62)으로의 전달 함수이다. 전달 함수는 밸런싱 신호 생성기(50) 외부의 전체 시스템에 대한 복잡한 수학적 표현이다. 잘 알려진 바와 같이, 전달 함수는, 출력을 입력으로 나눈것의 비이고, 이 경우에는, 입력(62)에서의 감지된 진동 신호 입력을 밸런싱 신호 생성기(50)의 출력(50B)에서의 출력으로 나눈 것이다.
전달 함수는 적응형 필터 알고리즘들(LMS0 및 LMS1)에 의한 이용을 위한 추정 또는 예측된 응답을 제공한다. 전달 함수는, 시스템을 나타내는 전달 함수를 제공한다는 의미에서 모델을 생성한다. 전달 함수는 외부 시스템의 응답이 밸런서 컴포넌트를 포함한다는 사실을 참작한다. 그것은 기본 동작 주파수에서의 진동들을 반대하는 카운터 힘(counter force)을 또한 생성하는 밸런서를 갖는 시스템의 행동(behavior)을 추정한다. 전달 함수는 특정한 진동 소거 신호가 밸런싱 신호 생성기(50)에 의해 인가된 경우 생성되었을 진동의 추정을 제공한다. 물론, 시스템은 동작 동안 크게 변할 것이라고 예상된다. 그러나 LMS 알고리즘들은, 진동을 가변 필터들(W0 및 W1)의 이득을 변동시키기 위한 방향(증가 또는 감소)을 결정하기 위해 그 전달 함수 신호를 이용하여 0으로 감소시키도록 시도한다.
전달 함수
Figure 112015016293157-pct00003
는, 그것이 나타내는, 입력으로부터 출력까지의 경로를 따라 각각의 컴포넌트에 대한 전달 함수를 결정하고 입력으로부터 출력까지의 결과적인 총 전달 함수를 획득하기 위해 이들을 함께 승산함으로써, 종래의 방식으로 결정될 수 있다. 대안적으로, 그러나, 그것은 복잡하고 어려운 수학적 과정(mathematical exercise)이기 때문에, 해당 방식으로 전달 함수의 수학적 표현을 전개(develop)하는 대신, 검사실 측정에 의해 이를 획득하는 것이 가능하고 선호된다. 각각의 주파수에 대한 각각의
Figure 112015016293157-pct00004
에 대해, (각각의 적응형 밸런싱 신호 생성기의) 각각의 출력(50B) 및 입력(62)이 회로로부터 단절되고, 시스템이 동작하지 않는 경우, 입력 유닛 정현파가 합산 접합부(40)에 인가된다. 진동 센서(30)(도 1)에 의해 출력되는 리턴된 에러 신호가 관찰되고, 그의 진폭 및 위상이 측정된다. 측정되는 리턴된 출력 신호를 측정되는 주입된 입력 신호로 나눈 것이 전달 함수이다. 입력 및 출력 둘 다는 단순히 각각의 할당된 주파수에 대한 진폭(A), 위상(θ) 및 주파수이다. 결과적으로, 기능 블록의 출력은 그의 할당된 주파수에서 밸런싱 신호 생성기 외부의 시스템으로부터의 예상된 출력이고, 예상된 에러 e(n)를 나타낸다. 전달 함수는, 할당된 주파수에 대한 고조파 밸런싱 신호를 선택된 주파수에서의 진동에 대응하는 감지된 진동 신호로 나눈 것을 나타낸다.
위에서 언급된 바와 같이, 밸런싱 신호 생성기에 할당된 선택된 주파수에 대한 고조파 밸런싱 신호는 가변 필터들(W0 및 W1)의 직교 출력을 합산(페이서/벡터 합)함으로써 획득된다. 그 합산 동작은 합산 접합부(60)에 의해 나타내어진다. 도 1을 다시 참조하면, 모든 주파수들에 대한 합성 밸런싱 신호는 모든 주파수들에 대한 밸런싱 신호들을 합산하고 그 합을 구동 모터(24)에 인가함으로써 생성된다. 이는, 출력들(34B, 36B 및 38B)을 합산 접합부(40)에 인가하고 그 합을 디지털-아날로그 컨버터(26)에 인가함으로써 (도 1에서) 예시된다.
도 3은 본 발명의 실시예를 예시한다. 적응형 밸런싱 신호 생성기들(334 및 336)은 도 1 및 도 2에서 도시된 것들과 동일하다. 그러나 도 3의 실시예에서, 커맨드 입력(Acmd)은 cos 기준 생성기(352) 및 sin 기준 생성기(354)와 같은 모든 기준 생성기들에 인가된다. 이는, 기준 신호들의 진폭이 Acmd에 비례하여 변동되게 한다. Acmd의 함수로서 기준 생성기들의 진폭들의 변동은 진폭 피드 포워드 제어의 부가적인 이점을 제공한다.
도 3은 물론 도 4 및 도 5는 또한 진동 센서(330)를 더 상세히 예시한다. 진동들은 바람직하게는, 그의 출력을 증폭기(372)에 인가하는 가속도계(370)에 의해 감지된다. 증폭된 출력은 저역 통과 필터(374)에 의해 필터링된다. 저역 통과 필터(374)에 대한 컷오프 주파수는, 설계자가 본 발명의 기법들을 이용하여 진동들을 최소화하고자 하는 최고 선택된 고조파의 주파수를 초과한다. 그의 목적은 최고 선택된 주파수 초과의 주파수에서의 노이즈를 필터링하는 것이다.
그의 아날로그-디지털 컨버터(332)를 통해, 저역 통과 필터(374)로부터 디지털 프로세서(310)로 인가되는 감지된 진동 신호 e(n)는, 기본 동작 주파수와 필터 컷오프 주파수 미만의 모든 그의 고조파들에서의 진동들의 합인 합성 아날로그 신호이다. 그 합성 신호는, 적응형 밸런싱 신호 생성기들 각각에, 디지털 포맷으로 인가되고, 그에 따라 합성 진동 신호의 모든 푸리에 컴포넌트를 포함한다. 그러나 이는 그의 기준 생성기들(52 및 54)(도 2)의 주파수에 있는 푸리에 컴포넌트에만 응답하는 적응형 필터 알고리즘의 고유한 특성이다. 밸런싱 신호 생성기들 각각은 그의 할당된 주파수에서 기준 생성기들을 갖고, 그에 따라 각각의 밸런싱 신호 생성기는 그의 할당된 주파수에 있는 e(n)의 컴포넌트에만 응답한다. 결과적으로 각각의 할당된 주파수에 대한 푸리에 컴포넌트를 추출하기 위해 합성 진동 신호 e(n)의 어떠한 추가의 필터링도 필요없다. 주 진동 머신(380)을 제어하는데 이용될 수 있고 본 발명에 대한 종래 기술인 제어 시스템이 나의 특허 7,511,459에서 도시되고 설명된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 예시하며, 그의 적응형 밸런싱 신호 생성기들(434 및 436)은 도 1 및 도 2에서 예시된 것들과 또한 동일하다. 도 4의 실시예는, 도 4의 실시예에서, 커맨드 입력(Acmd)(412)이 cos 기준 생성기(452) 및 sin 기준 생성기(454)와 같은 기준 신호 생성기들 어디에도 인가되지 않는다는 것을 제외하면, 도 3의 실시예와 유사하다. 결과적으로, 그의 생성된 기준 신호들의 진폭은 항상 유닛 값을 가져서, Acmd에 비례하는 진폭 피드 포워드가 없게 된다. 도 4는 또한 선형 모터에 의해 구동될 수 있는 사이로쿨러(cryocooler)인 주 진동 머신을 갖는 것으로 도시된다.
도 5는, 예를 들어, 얼터네이터를 구동하는 스털링 엔진인 상이한 종래 기술의 주 진동 머신과 함께 통합된 본 발명을 도시하고, 합산 접합부(581)에서 주 제어 신호와 합산되는 피드 포워드 제어 신호를 제공하는 피드백 레그(580)를 갖는다는 것을 제외하면 도 4의 실시예와 유사한 본 발명의 실시예이다.
도면들과 함께 이 상세한 설명은 주로 본 발명의 현재 선호되는 실시예들의 설명으로서 의도되며, 본 발명이 구성되거나 활용될 수 있는 유일한 형태만을 나타내도록 의도되진 않는다. 설명은 예시된 실시예들과 함께 본 발명을 구현하는 설계들, 기능들, 수단들, 및 방법들을 기술한다. 그러나 동일하거나 등가의 기능들 및 피처들이 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함되도록 또한 의도되는 상이한 실시예들에 의해 달성될 수 있고, 다양한 수정들이 다음의 청구항들의 범위 또는 본 발명으로부터 벗어남 없이 채택될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (7)

  1. 기본 동작 주파수(fundamental operating frequency)에서 동작하는 주 진동 머신(principal vibrating machine)(20)의 진동을 밸런싱(balancing)하기 위한 방법으로서, 상기 주 진동 머신(20)은 구동 모터(24)에 의해 구동되는 능동 진동 밸런서(active vibration balancer)(22)에 기계적으로 커플링되고, 상기 방법은 상기 기본 동작 주파수 및 상기 기본 동작 주파수의 임의의 고조파에서의 커플링된 주 머신(20) 및 밸런서(22)의 진동을 최소화하고, 상기 방법은,
    (a) 감지된 진동을 나타내는 감지된 진동 신호를 제공하도록 상기 커플링된 주 머신(20) 및 밸런서(22)의 진동을 감지하는 단계;
    (b) 상기 기본 동작 주파수에 대해 그리고 각각의 선택된 고조파 주파수에 대해 상기 감지된 진동 신호를 적응형 필터(56, 58)의 적응형 필터 알고리즘(LMS0, LMS1)으로 프로세싱함으로써 상기 기본 동작 주파수에 대한 그리고 상기 기본 동작 주파수의 적어도 선택된 고조파에 대한 밸런싱 신호를 생성하는 단계 - 상기 적응형 필터 알고리즘(LMS0, LMS1)은 상기 기본 동작 주파수에서 그리고 각각의 선택된 고조파 주파수에서 기준 입력을 가짐 - ; 및
    (c) 생성된 밸런싱 신호들을 합산하고, 합산된 신호를 능동 진동 밸런서 구동 모터(24)에 인가하고, 그에 의해 상기 기본 동작 주파수 및 각각의 선택된 고조파 주파수에서의 진동에 반대하는, 상기 기본 동작 주파수에 대한 그리고 각각의 선택된 고조파 주파수에 대한 구동 전압 컴포넌트로 상기 구동 모터(24)를 구동하는 단계를 포함하며,
    상기 고조파 밸런싱 신호를 생성하는 단계는, 상기 기본 동작 주파수에 대해 그리고 각각의 선택된 고조파 주파수에 대해:
    (i) 상기 기본 동작 주파수에서 그리고 각각의 선택된 고조파 주파수에서, 정현파로 변동되는, 직교하는 cos 및 sin 기준 신호들의 쌍을 생성하고, 적응형 필터 알고리즘(LMS0, LMS1)에 의해 제어되는 적응형 필터들(56, 58)의 쌍의 가변 필터들(WO, W1)의 쌍 각각에 상기 신호들을 인가하는 단계;
    (ii) 상기 가변 필터들(WO, W1)의 쌍 각각을 제어하는 적응형 필터 알고리즘(LMS0, LMS1)에 상기 감지된 진동 신호를 입력하는 단계;
    (iii) 각각의 선택된 주파수에 대한 밸런싱 신호를 상기 선택된 주파수에서의 진동에 대응하는 상기 감지된 진동 신호로 나눈 것을 나타내는 전달 함수에 의해 각각의 정현파로 변동되는 cos 및 sin 기준 신호를 승산(multiplying)하고, 승산된 기준 신호들을 각각의 적응형 필터(56, 58)에 대한 적응형 필터 알고리즘(LMS0, LMS1)에 입력하는 단계; 및
    (iv) 상기 선택된 주파수에 대한 밸런싱 신호를 제공하기 위해 상기 가변 필터들(WO, W1)의 출력들을 합산하는 단계를 포함하는,
    주 진동 머신의 진동을 밸런싱하기 위한 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은 복수의 선택된 고조파들에 대해 수행되는,
    주 진동 머신의 진동을 밸런싱하기 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    정현파로 변동되는, 직교하는 cos 및 sin 기준 신호들의 각각의 쌍의 진폭은 상기 주 진동 머신(20)에 대한 제어에 따라 커맨드 입력에 비례하여 제어 가능하게 변동되는,
    주 진동 머신의 진동을 밸런싱하기 위한 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    각각의 가변 필터(WO, W1)는 자신의 적응형 필터 알고리즘(LMS0, LMS1)에 의해 제어되는 이득을 갖는 진폭 승산기(amplitude multiplier)인,
    주 진동 머신의 진동을 밸런싱하기 위한 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 적응형 필터 알고리즘(LMS0, LMS1)은 최소 제곱 평균(Least Mean Squares) 알고리즘인,
    주 진동 머신의 진동을 밸런싱하기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    각각의 적응형 필터 알고리즘(LMS0, LMS1)은,
    자신이 밸런싱 신호를 생성하고 있는 주파수의 5 내지 10배 범위에서 자신의 가변 필터(WO, W1)를 가변시키는 주기적 업데이트 레이트를 갖는,
    주 진동 머신의 진동을 밸런싱하기 위한 방법.
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