KR20080097288A - Active passive vibration isolator using voice coil motor - Google Patents
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Abstract
Description
도1은 능동제진기와 수동제진기를 병렬연결시킨 모습을 보여주는 개략도.Figure 1 is a schematic diagram showing a state in which the active damper and passive damper in parallel.
도2은 금속상판과 하판을 구비한 탄성체로 구성되어 있는 수동제진기의 사시도.2 is a perspective view of a passive vibration damper composed of an elastic body having a metal upper plate and a lower plate;
도 3은 외부응력(Fu(s))에 대한 출력(p(s))의 전달함수를 보여주는 그래프.3 is a graph showing the transfer function of the output p (s) against the external stress Fu (s).
도 4는 바닥진동(b(s))에 대한 출력의 전달률을 보여주는 그래프.Figure 4 is a graph showing the transfer rate of the output for the floor vibration (b (s)).
도 5는 본 발명에 따른 수동제진기와 능동제진기가 병렬로 연결한 모습을 보여주는 사시도. Figure 5 is a perspective view showing a state in which the passive vibration damper and active vibration damper according to the present invention in parallel.
도 6은 본 발명에 따른 수직적인 보이스코일모터의 구성을 보여주는 사시도.Figure 6 is a perspective view showing the configuration of a vertical voice coil motor according to the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 코일이 제거된 수직적인 보이스코일모터의 사시도.Figure 7 is a perspective view of a vertical voice coil motor with a coil removed in accordance with the present invention.
도 8은 본 발명에 따른 수직적인 보이스코일모터의 코일의 배치를 보여주는 사시도.Figure 8 is a perspective view showing the arrangement of the coil of the vertical voice coil motor according to the present invention.
도 9는 본 발명에 따른 수평적인 보이스코일모터의 구성을 보여주는 사시도.9 is a perspective view showing the configuration of a horizontal voice coil motor according to the present invention.
도 10은 본 발명에 따른 코일이 제거된 수평적인 보이스코일모터의 사시도.10 is a perspective view of a horizontal voice coil motor with a coil removed in accordance with the present invention.
도 11은 본 발명에 따른 수평적인 보이스코일모터의 코일의 배치를 보여주는 사시도.Figure 11 is a perspective view showing the arrangement of the coil of the horizontal voice coil motor according to the present invention.
도 12는 본 발명에 따른 보이스코일모터와 가속도센서의 상대적인 위치를 보여주는 구성도. 12 is a block diagram showing the relative position of the voice coil motor and the acceleration sensor according to the present invention.
도 13은 본 발명에 따른 3개의 수직 방향의 보이스코일모터가 z축방향으로 힘이 미치는 관계를 보여주는 개략도. Figure 13 is a schematic diagram showing the relationship between the force in the z-axis direction of the three vertical voice coil motor according to the present invention.
도 14은 본 발명에 다른 3개의 수평 방향의 보이스코일모터가 수평방향으로 힘이 미치는 관계를 보여주는 개략도. Figure 14 is a schematic diagram showing the relationship between the force in the horizontal direction of the voice coil motor of the three horizontal direction in accordance with the present invention.
도 15은 결합이 분리된 모드의 개방루프 전달률을 보여주는 그래프.FIG. 15 is a graph showing open loop transfer rate in a coupled bond mode. FIG.
도 16는 하중점의 속도를 피드백제어하는 것을 보여주는 블록도.16 is a block diagram showing feedback control of the speed of a load point.
도 17은 본 발명에 따른 능동제진기와 수동제진기가 결합되어 있는 상태에서의 전달률을 보여주는 그래프. Figure 17 is a graph showing the transfer rate in the state in which the active and passive vibration damper according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명><Description of Signs of Major Parts of Drawings>
11:강성스프링, 11: rigid spring,
12:댐퍼,12: damper,
14:하중점,14: load point,
15:수동제진기, 15: manual vibration damper,
22:탄성체,22: elastic body,
51:수직적인 보이스코일모터,51: Vertical voice coil motor,
51a:수직적인 보이스코일모터의 자석,51a: Magnet of vertical voice coil motor,
51b:수직적인 보이스코일모터의 요크,51b: York of vertical voice coil motor,
51c:수직적인 보이스코일모터의 코일,51c: coil of vertical voice coil motor,
51d:수직적인 보이스코일모터의 코일지그,51d: coil jig of vertical voice coil motor,
51e:수직적인 보이스코일모터의 코일지지대,51e: coil support of vertical voice coil motor,
52:수평적인 보이스코일모터,52: horizontal voice coil motor,
52a:수평적인 보이스코일모터의 자석,52a: Magnet of horizontal voice coil motor,
52b:수평적인 보이스코일모터의 요크,52b: York of horizontal voice coil motor,
52c:수평적인 보이스코일모터의 코일, 52c: coil of horizontal voice coil motor,
52d:수평적인 보이스코일모터의 코일커버,52d: coil cover of horizontal voice coil motor,
52e:수평적인 보이스코일모터의 코일지지대,52e: coil support of horizontal voice coil motor,
53a:수직방향의 가속도센서,53a: vertical acceleration sensor,
53b:수평방향의 가속도센서, 53b: horizontal acceleration sensor,
54:능동수동제진기의 상판,54: The top plate of the active passive vibration damper,
55:능동수동제진기의 하판,55: the bottom of the active passive vibration damper,
91;보상기,91;
92:적분기.92: integrator.
본 발명은 보이스코일모터를 사용하는 능동수동제진기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기기의 하중을 지지하고, 고주파수의 대역을 감쇄시켜주는 수동제진기와 이에 병렬로 연결되어 공진주파수를 줄일 뿐만아니라, 공진점에서의 진폭을 줄 여줌으로써 제진 성능을 좋게 만들어 주는 능동제진기에 관한 것이다. The present invention relates to an active passive vibration suppressor using a voice coil motor, and more particularly, a passive vibration suppressor that supports the load of the device and attenuates a high frequency band and is connected in parallel to the resonance damper to reduce the resonance frequency. The present invention relates to an active vibration damper which reduces vibration amplitude and improves vibration damping performance.
정밀가공 및 검사공정에서 진동의 발생은 바로 불량품으로 연결되기 때문에 장치 및 공정별로 미세 진동규제치를 적용하고 있으며 공정시스템을 구축할 때에는 반드시 건축단계에서부터 방진시스템을 함께 설계한다. 지금까지의 대부분의 정밀공정에는 마운트나 댐퍼등과 같이 강성이 유연한 장치를 이용하여 진동을 상쇄시키는 중고주파의 방진인 수동형 제진방식을 적용하였다. 그러나 공정이 정밀해짐에 따라 필요한 제진 성능도 높아지게 되었고, 향상된 제진성능을 얻기 위한 수동형 제진 시스템은 경제적 기술적으로 한계에 이르게 되었다. 따라서 저주파 성분의 진동제어에 탁월한 성능을 보이는 능동제어시스템을 기존의 중고주파 중심의 수동형 시스템에 추가하여 혼성 형태로 적용하고 있다.In the precision processing and inspection process, the generation of vibration is directly connected to the defective product, so we apply the fine vibration regulation value for each device and process. When constructing the process system, the vibration control system must be designed together from the construction stage. Most of the precision processes used up to now have passive vibration damping method, which is a high frequency vibration damping method that cancels vibration by using a rigid device such as a mount or a damper. However, as the process becomes more precise, the required damping performance also increases, and the passive damping system for achieving improved damping performance is economically and technically limited. Therefore, the active control system showing excellent performance in the vibration control of low frequency components has been applied in the hybrid form in addition to the existing high frequency oriented passive system.
능동진동제어시스템은 적용하는 액튜에이터에 따라 적용대상이 구분되는데,공압, 유압 등은 큰 변위와 힘을 필요로 하는 구조물의 방진에 채택되며 정밀공정 장비와 같이 미세진동제어에는 전자기, 피에조 모터 등의 액튜에이터를 사용한다.Active vibration control system is divided into actuators according to the applied actuators. Pneumatic and hydraulic are adopted for the vibration of structures requiring large displacements and forces, and micro vibration control such as precision process equipment is applied to electromagnetic and piezo motors. Use an actuator.
능동미세진동 제어기술은 차세대 반도체, 디스플레이와 같은 대표적인 고부가가치의 정밀산업의 생산 및 검사설비에서 요구하는 초정밀급의 정밀도를 달성하기 위한 핵심기술이다. 특히 선폭 0.1~0.23㎛이하의 가공정밀도를 요하는 기가급 반도체 공정과 차세대 PDP/LCD 공정에서는 지반으로부터의 미세진동도 문제가 되고 있으며, 이를 제어하기 위해서는 고성능의 방진시스템이 필수적이다. Active micro-vibration control technology is a key technology to achieve the ultra-precision precision required by production and inspection facilities of representative high value-added precision industries such as next-generation semiconductors and displays. Particularly, in the Giga-class semiconductor process and next-generation PDP / LCD process requiring processing accuracy of line width 0.1 ~ 0.23㎛, micro vibration from the ground becomes a problem, and high-performance dustproof system is essential to control this.
종래의 발명에서는 이러한 능동제진을 수행하기 위해 피에조 모터를 사용하였고, 이러한 피에조 모터의 사용은 많은 비용을 발생시킬 뿐만아니라, 변위가 작 고, 제어할 수 있는 힘이 약해서 더 큰 외부진동에 대한 제진효과를 거두는 것이 어려운 단점을 갖는다.In the conventional invention, a piezo motor is used to perform such active vibration suppression, and the use of such a piezo motor not only generates a lot of costs, but also has a small displacement and a weak controllable force, thus preventing vibration against a larger external vibration. It is difficult to achieve the disadvantage.
또한 피에조 모터를 탄성마운트와 직렬로 연결한 경우 이 시스템에서는 병렬에 비해 추가적으로 바닥진동까지 측정해야 하므로 센서가 추가적으로 필요해 비용이 비용이 많이 든다. 또한 센서를 추가적으로 설치하지 않는다면, 2자유도를 갖기 때문에 제어가 어렵게 된다. 또한 부가되는 하중에 따라 탄성마운트의 공진 주파수가 변하기 때문에 교정을 필요로 한다. In addition, when piezo motors are connected in series with elastic mounts, this system requires additional floor vibrations compared to parallel, requiring additional sensors, which is expensive. In addition, if the sensor is not additionally installed, it has two degrees of freedom, making it difficult to control. In addition, calibration is necessary because the resonant frequency of the elastic mount changes according to the added load.
본 발명은 이러한 문제를 해결하고자 안출한 것으로써, 보이스코일모터를 사용하여 변위를 크게 만들고, 힘에 대한 제어를 통해 큰 외부진동에 대해서도 제진 효과를 얻으려는 목적을 갖는다. The present invention has been made to solve this problem, and has the object of making the displacement large by using a voice coil motor, and achieving a vibration damping effect against large external vibrations by controlling the force.
또한 병렬구조를 통해 추가적인 센서의 설치없이도 가속도 센서를 피드백제어에만 이용하므로써 간단한 제어성능을 얻게 하는 것이 본 발명의 또 하나의 목적이다. In addition, it is another object of the present invention to obtain a simple control performance by using the acceleration sensor only for feedback control without installing an additional sensor through a parallel structure.
본 발명에 따른 보이스코일모터를 사용한 능동수동제진기는 금속으로 구성되어 있는 상,하판과, 상,하판의 중간부에 밀착 개재되어 있어서 고주파 대역의 주파수를 제진하는 탄성체,를 포함하여 구성된 복수 개의 수동제진기와; 복수개의 수동제진기와 병렬로 연결되어 있어서 저주파대역의 주파수를 제진하는 보이스 코일모터와, 상기 보이스 코일모터에 상기 능동수동제진기의 상하판의 가속도를 피드백 신호로 전달해주는 가속도 센서를 포함하여 구성된 능동 제진기;로 구성된 것을 특징으로 한다.The active passive vibration suppressor using the voice coil motor according to the present invention includes a plurality of passive components including an upper body and a lower plate composed of metal, and an elastic body interposed in close contact with an intermediate part of the upper and lower plates to damp the high frequency band. A vibration damper; An active vibration damper including a voice coil motor connected to a plurality of passive vibration suppressors in parallel to reduce the frequency of a low frequency band, and an acceleration sensor for transmitting the acceleration of the upper and lower plates of the active passive vibration suppressor to the voice coil motor as a feedback signal. It characterized by consisting of.
이를 첨부도면을 참조하여 구체적으로 살펴본다. 도 1은 본 발명에 적용되는 것으로 1차원에서 본 능동수동 제진기를 도시한 것이다. 도 1에서 스프링으로 표현되어지는 스프링(11)은 K로, 댐핑(12)은 C로, 보이스 코일 모터(13)는 진동하는 바닥F와 병렬로 연결되어 있다. 위 모델은 효과적으로 바닥진동 B(s)가 하중점 M(14)에 전달되는 것을 효과적으로 차단하는 것을 보여준다. 도 1에서 도시된 바와 같이 수동 제진기(15)는 하중점에 걸리는 부하를 지탱하는 역할을 수행하며, 그것의 공진주파수와 공진에서의 댐핑의 범위 안에서 충분한 감쇄률을 제공한다. This will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 shows an active passive vibration suppressor seen in one dimension as applied to the present invention. The
도 2는 수동제진기(15)의 구조를 보여준다. 하판의 금속지지대(21)는 탄성체(22)를 하판에 고정시키고 볼트 체결기구(24)는 상판의 금속지지대(23)와 하판의 금속지지대(21)사이의 탄성체(22)가 밀착 개재되어 있다. 탄성체(22)는 강성과 댐핑을 능동수동 제진기에 제공하는 역할을 수행한다.2 shows the structure of the
이에 대하여 상세히 설명하면, 바닥진동신호 입력(b(s))과 제어신호 입력(Fu(s))을 가지고 있는 시스템 모델이 출력 변수 p(s)에 미치는 영향은 다음과 같다. In detail, the effect of the system model having the floor vibration signal input b (s) and the control signal input Fu (s) on the output variable p (s) is as follows.
이 때 4개의 마운트에 대한 수학식을 표현하면 다음과 같다. In this case, the equations for the four mounts are as follows.
+(KyPz 2)(θxp-θxb)+ (K y P z 2 ) (θ xp -θ xb )
+(CxPz 2)(θyp-θyb) + (C x P z 2 ) (θ yp -θ yb )
여기서 MP는 하중점에서의 질량을 나타내고, Cx는 주요축에 대한 댐핑을 나타내고, Kx는 주요축에 대한 강성을 나타낸다. 또한 Px,Py ,Pz는 마운팅된 장비의 질량중심으로부터의 상대적인 거리를 나타낸다. 다음의 수학식을 행렬의 형태로 표현하 면, 다음과 같이 된다.Where M P represents the mass at the load point, C x represents damping about the major axis and K x represents rigidity about the major axis. P x , P y and P z also represent relative distances from the center of mass of the mounted equipment. If the following equation is expressed in matrix form, it is as follows.
행렬에서 명백한 바와 같이 [수학식 3]과 [수학식 4]는 결합되어 있지 않은 상태이고, 다른 수학식들은 결합되어 있는 상태이다. 이때 제어신호 입력Fu(s)과 바닥진동 입력b(s)이 출력변수P(s)에 미치는 영향을 다음의 수학식과 같이 표현할 수 있다. As is apparent from the matrix,
⇒p(s) = ⇒p (s) =
⇒p(s) = Gc(s) Fu(s) + GT(s) b(s)P (s) = Gc (s) Fu (s) + G T (s) b (s)
M,C,K는 질량, 댐핑, 강성행렬이고, Gc(s)는 제어신호Fu(s)의 입력에 대한 전달함수이고, GT(s)는 바닥진동b(s)의 전달률을 각각 나타낸다. M, C, K are mass, damping and stiffness matrix, Gc (s) is the transfer function for the input of the control signal Fu (s), and G T (s) represents the transfer rate of the floor vibration b (s), respectively. .
도 3과 도 4 는 각각 제어신호의 입력에 대한 전달함수와 바닥진동의 입력에 대한 전달률을 보여준다. 이로부터 Fu(s)에 대한 출력p(s)와 바닥진동 b(s)에 대한 출력p(s)이 결합되어 있다는 것을 알 수 있다. 3 and 4 show the transfer function for the input of the control signal and the transfer rate for the input of the floor vibration, respectively. From this, it can be seen that the output p (s) for Fu (s) and the output p (s) for floor vibration b (s) are combined.
저주파 대역의 진동 절연을 위해서 능동제진기가 사용되는데, 이는 3개의 수직방향으로의 보이스코일모터(51), 3개의 수평방향으로의 보이스코일모터(52)와, 보이스 코일모터(51,52)에 능동수동제진기의 가속도를 피드백 신호로 전달해주는 가속도센서(53a,53b)를 포함하고 있다. 보이스 코일모터(51,52)는 일종의 액튜에이터라고 할 수 있는데, 액튜에이터는 플레밍의 왼손법칙에 의해 구동된다. 즉, 코일을 통해서 이동하는 전류와 영구자기장의 상호작용에 의하여 발생하는 힘을 능동수동제진기의 상판(54)에 전달하는데, 이 능동수동제진기의 상판(54)에 전달된 힘에 의해 전류가 흐르는 코일이 움직이도록 되어있다.An active vibration suppressor is used for the vibration isolation of the low frequency band, which is applied to the
도 5는 4개의 수동제진기와 6개의 보이스코일모터(51)와 수직 방향과 수직방향의 가속도 센서(53a,53b)를 결합시킨 본 발명에 따른 능동수동 제진기의 배치를 보여주는 사시도이다. 4개의 수동제진기와 6개의 보이스코일모터(51), 6개의 가속도센서(53a,53b)가 상판(54)의 아래에 위치하고 있다. 상판(54)의 아래에 4개의 수동제진기(15)는 상술한 바와 같이 금속으로 구성된 상하면(23,21)을 가지고 있고, 상하면(21,230의 사이에 밀착개재되어 있는 탄성체(22)로 구성되어 있다. 이와 병렬로 연결된 능동제진기는 6개의 보이스코일모터(51,52)와 3개의 수평방향의 가속도 센서(53b)와 3개의 수직방향의 가속도 센서(53a)를 포함한다. 6개의 보이스코일모터(51,52)중 3개의 수직방향의 보이스코일모터(51)는 서로 정삼각형의 각 꼭지점 위치에 배치되어 수직적인 힘의 균형을 맞추는 역할을 한다. 또한 3개의 수평방향의 보이스코일모터(52)는 서로 정삼각형의 꼭지점의 위치에 배치하여, x축과 y축 방향의 힘의 균형을 맞추는 역할을 한다. 가속도 센서(53a,53b)는 수직방향의 가속도 센서(53a)와 수평방향의 가속도센서(53b)로 구성되어 있어서 하중점M(14)이 움직이는 방향의 가속도의 절대값을 제공하는 역할을 수행한다. 5 is a perspective view showing the arrangement of an active passive vibration suppressor according to the present invention in which four passive vibration dampers and six
수직적인 보이스코일모터(51)와 수평적인 보이스 코일모터(52)는 이러한 원리에 의해서 설계되어져 있는 상태이다.The vertical
이의 작용방법에 대하여 도 6에서 도 11을 참고하면서 상세히 설명하도록 한다.The operation thereof will be described in detail with reference to FIGS. 6 to 11.
도 6은 수직적인 보이스 코일모터(51)에 대해서 보여주는 상세도이다. 이러한 수직적인 보이스 코일 모터(51)를 상세히 설명하기 위해서 도 7과 도 8과 같이 나누어 설명하기로 한다. 도 7은 코일(51c)이 제거된 상태에서의 수직적인 보이스 코일 모터(51)를 보여준다. 보이스코일모터(51)의 측면의 요오크(51b)에 자석(51a)이 붙어 있어서 전류의 방향에 대하여 수직이 되어 로렌츠의 힘에 의해서 수직적인 방향으로의 구동력을 전달해준다. 도 8은 도 7의 코일(51b)이 없는 수직적인 보이스코일 모터(51)에 같이 결합되는 코일(51c)의 집합체를 보여주는 사시도이다. 6 is a detailed view showing the vertical
도 8에서 보여지는 바와 같이 코일(51c)는 코일의 지그(51d) 아래에 위치하고 있으면서 전류가 흐르게 된다. As shown in FIG. 8, the
이러한 힘에 대한 수학식을 찾기 위해서 z축 방향으로 작용하는 힘에 대해서 1개의 자유도를 갖는 모델을 사용하기로 한다. 여기서 To find the equation for this force, we will use a model with one degree of freedom for the force acting in the z-axis direction. here
Kz = 4*Kdyn = 8.6*105N/m 와 Cz = 4*Cdyn = 1.42*103Ns/mK z = 4 * K dyn = 8.6 * 10 5 N / m and C z = 4 * C dyn = 1.42 * 10 3 Ns / m
인 모델을 사용하기로 한다. 이 때, 수직적인 보이스코일모터(51)에 대해서 요구되는 힘은 [수학식 9]와 같이 된다.Let's use the model. At this time, the force required for the vertical
⇒ Ms2T(s)B(s) +CsB(s)(T(s) -1) +KB(s)(T(s)-1)= 3FVCM ⇒ Ms 2 T (s) B (s) + CsB (s) (T (s) -1) + KB (s) (T (s) -1) = 3F VCM
여기서 T(s)는 수동제진기의 전달률을 나타내고, Kt는 힘의 상수, n은 코일의 회전수, Bg는 공기층사이의 자속밀도, l은 코일의 유효길이를 나타낸다. Where T (s) is the transmission rate of the passive vibration suppressor, Kt is the constant of the force, n is the number of revolutions of the coil, Bg is the magnetic flux density between the air layers, and l is the effective length of the coil.
대역폭인 0.1~100Hz에서 필요로 하는 최대의 힘을 찾기 위해서 수동제진기에서 최대 가속도와 속도가 상판에 전달되는 100Hz를 고려하기로 하자. 이 때 전달률을 계산하면 T(s) = 0.0143 =-36.9dB이 된다. 수동제진기의 전달률이 주파수에 따라 달라진다는 것은 도 4에 보인 바와 같다.In order to find the maximum force required for the bandwidth of 0.1 to 100 Hz, consider 100 Hz, where the maximum acceleration and speed are transmitted to the top plate in the passive vibration damper. If we calculate the transfer rate, T (s) = 0.0143 = -36.9 dB. It is shown in FIG. 4 that the transmission rate of the passive damper varies with frequency.
이 때, 얻어야 하는 최대의 힘은 아래의 [수학식 10]과 같다At this time, the maximum force to be obtained is shown in
(단 이 때 수동제진기의 K=8.6*105(N/m)이고, C=1420(Ns/m)라고 가정한다.)(At this time, assume that K = 8.6 * 10 5 (N / m) and C = 1420 (Ns / m) of the manual vibration damper.)
도 9는 수평적인 보이스코일모터(52)의 구조를 보여주는 상세도이다. 수평적 인 보이스코일모터(52)를 코일(52c)를 제거한 상태와 코일(52c)를 배치한 상태의 모양을 보여주는 것이 도 10과 도 11이다. 도 10은 코일을 제거한 상태의 보이스코일모터(52)를 보여주는데, 수직적인 보이스코일모터(51)와 다르게 자석(52a)가 요크(52b)의 하면에 붙어 있어서 도 11에 보여진 코일(52c)과 수직인 상태가 되어 x,y축 방향으로의 하중점(14)의 움직임을 제어한다. 이러한 힘 역시 플레밍의 왼손법칙에 의해서 구동되어 로렌츠의 힘을 낸다는 것은 상술한 바와 같다. 9 is a detailed view showing the structure of the horizontal
이의 요구조건에 맞추어 보이스코일모터(51,52)와 가속도센서(53a,53b)를 설계하면 도 12와 같은 배치를 이루게 되는데, 모든 보이스코일모터(51,52)는 상판(54)과 연결되어 있고, 이러한 보이스코일모터(51,52)는 상술한 바와 같이 정삼각형(equilateral triangle)의 꼭지점 위치에 배치되는 구조를 이룬다. If the
이로부터 3개의 수직적인 보이스코일모터(51)에 의해 만들어지는 힘에 대한 수학식은 [수학식 11]내지 [수학식 13]과 같다. (여기서 Lv는 정삼각형의 높이를 나타내고, LH는 정삼각형의 한 변의 길이를 나타낸다. 또한 Fz는 z방향으로의 힘이고, Mθx와 Mθy는 모멘트를 나타낸다.) The equations for the forces generated by the three vertical
이와 마찬가지로 3개의 수평적인 보이스코일모터(52)에 의해 만들어지는 힘에 대한 수학식은 다음과 같다. (여기서 Fx,Fy는 x, y방향으로의 힘을 나타내고, MθZ 는 모멘트를 나타낸다. )Similarly, the equation for the force generated by the three horizontal
도 13과 도 14는 각각 수직적인 힘과 수평적인 힘에 대한 관계를 도시한다.13 and 14 show the relationship between the vertical force and the horizontal force, respectively.
보이스코일모터(51,52)에 센서(53)가 실장되어서 수동제진기를 통해서 전달되는 교란을 확인하여 이를 보이스코일모터(51,52)에 피드백신호를 제공한다. The sensor 53 is mounted on the
가속도센서(53a,53b)로부터 병진요소 Xm, Ym, Zm과 회전요소 θzm,θxm, θym의 여섯 개의 모드에 대한 측정이 가능한데, 그에 대한 수학식은 다음과 같다. From the
W와 Ls는 상대적인 치수를 나타낸다.W and Ls represent relative dimensions.
여기서 6개의 수평방향과 수직방향의 가속도 센서(53a,53b)가 사용되는데, 매우 낮은 진폭의 진동을 검출하는데 적합하다. Here, six horizontal and
이상에서 상술한 것은 3개의 수직적인 보이스코일모터(51)와 수평적인 보이스코일모터(52)에 대하여 서술한 것이지만 6축 방향의 힘을 조절하기 위하여 복수 개의 수직적인 보이스코일모터(51)와 복수 개의 수평적인 보이스코일모터(52)에 대하여도 수학식의 유추로 적용가능함은 당업자의 입장에서 용이한 바 생략해도 무방하다. The above is described with respect to the three vertical
이로써 4개의 마운트를 가지고 있는 수동제진기(15)와 보이스코일모 터(51,52), 가속도 센서(53a,53b)를 사용하여 공진주파수를 최소화하고, 감쇄률을 줄이는 것없이 공진에서의 진폭을 줄일 수 있는 제진기에 대한 설계가 가능하다.This minimizes the resonant frequency and reduces the amplitude at resonance by using the
도 16은 보상기(91)과 적분기(92)를 결합시켜서 하중점 M(14)의 속도(sP(s))에 대한 신호를 제어된 응력(Fu(s))으로 산출하여 하중점 M(14)의 가속도에 대한 신호를 피드백 신호로 전달해 주는 과정을 보여주는 블록도이다.16 combines the
보상기(91)는 비례미분적분(Proportional-Integral-Derivative)제어를 위해서 사용된다. 이러한 보상기(91)의 설계에서 가장 먼저 고려하여야 할 것은 바닥진동(b(s))의 교란에 대한 진동절연과 폐쇄 회로의 안정성이다.The
또한 모달 분해기법을 사용해서 6개의 강성바디모드 진동을 분리하고, 제어하려고 하는 개별적인 모드에 대한 피드백 보상기(91)를 사용하는 방법에 적합한 SISO(Single Input Single Output) 모델이 설계되었다. In addition, a single input single output (SISO) model has been designed that uses modal decomposition to isolate six rigid body-mode vibrations and to use a
도 15는 분리된 모드의 개방 모드 전달률을 보여준다. 도 15에 도시된 바와 같이 바닥진동이 결합되어 있지않으므로 개별적인 제어가 가능하게 된다. 15 shows open mode transfer rates in isolated mode. As shown in FIG. 15, since the bottom vibration is not coupled, individual control is possible.
도 16은 속도 피드백제어시스템에 대한 블록도를 보여준다. 16 shows a block diagram for a speed feedback control system.
여기서 Mm,Cm, Km은 모달질량, 댐핑 행렬, 강성 행렬을 나타낸다. 피드백 속도신호(sP(s))가 입력되면, 피드백 응력(Fu(s))은Where Mm, Cm and Km represent modal mass, damping matrix and stiffness matrix. When the feedback velocity signal sP (s) is input, the feedback stress Fu (s) is
Fu(s) = K1P(s)+KpsP(s)+KD s2 P(s)이 된다. 여기서 KI은 적분신호게인, Kp는 비례신호게인, KD는 미분 신호게인이 된다.Fu (s) = K 1 P (s) + K p sP (s) + K D s 2 P (s) is obtained. Where K I is the integrated signal gain, K p is the proportional signal gain, and K D is the differential signal gain.
하중점(14)으로부터 바닥진동에 대한 폐루프 전달함수는 The closed loop transfer function for the floor vibration from the
이 되는데, 페루프시스템의 목적은 낮은 공진주파수(fCL = 0.1Hz)와 높은 댐핑비(ξCL>=1.0)를 달성하기 위한 것이다. 비례미분적분을 이용하여 튜닝한 후에 결합된 개방 루프 전달률과 폐루프 전달률은 도 17과 같다. 도 17로부터 알 수 있는 바와 같이 폐루프 비례미분적분 보상(PID)이 충분한 능동 댐핑을 제공할 뿐만아니라, 0.1Hz 까지의 낮은 차단 주파수의 진동 절연 효과를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. The purpose of the system is to achieve a low resonance frequency (f CL = 0.1 Hz) and a high damping ratio (ξ CL > = 1.0). The combined open loop transfer rate and closed loop transfer rate after tuning using proportional derivatives are shown in FIG. 17. As can be seen from FIG. 17, it can be seen that closed loop proportional integral compensation (PID) not only provides sufficient active damping, but also achieves a vibration isolation effect with a low cutoff frequency of up to 0.1 Hz.
이러한 수동제진기와 능동제진기를 병렬연결하는 방식으로 100Hz이하의 저주파 진동 제진을 가능하게 할 뿐만아니라, 공진 점에서의 진폭을 낮출 수 있는 효과를 얻는 것이 가능하다. 또한 직렬연결의 경우가 더 높은 진동의 감쇄율을 얻을 수 있지만 직렬의 경우에는 2자유도가 되어 제어가 어렵다. 하지만 병렬연결의 경우에는 1자유도가 되어 제어가 용이해지는 효과를 얻을 수 있다.By connecting the passive vibration damper and the active vibration damper in parallel, it is possible not only to enable vibration suppression of low frequency below 100 Hz, but also to obtain the effect of lowering the amplitude at the resonance point. In addition, in case of series connection, attenuation rate of higher vibration can be obtained. However, in the case of parallel connection, it becomes 1 degree of freedom, which makes it easy to control.
본 발명에 따른 보이스코일 모터(51)를 사용한 능동제진기를 사용하는 경우 기존의 피에조 모터와 탄성마운트를 사용한 능동제진기에 비해 변위가 크고, 힘이 세서 더 큰 외부 진동에 대해서도 제진 효과를 얻을 수 있다. 또한 능동제진기와 수동제진기의 결합을 통해 저주파 진동제진을 가능하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 공진점에서의 진폭을 낮추는 것이 가능하게 된다.In the case of using an active vibration damper using the
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