KR20090057848A - 동적 강성 측정 장치 및 그의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 동적 강성 측정 장치 및 그의 제어 방법에 관한 것으로, 구동축과 토크센서를 일체화시킴으로써 컴팩트한 구동기를 갖는 동적 강성 측정 장치를 제안한다. 또한, 유압 토크 제어 서보 시스템과 유압 날개구동장치의 모델링을 바탕으로 토크제어 시스템이 갖는 근본적인 한계를 극복하고, 구현이 간단하면서도 강력한 토크 제어 기법을 제안한다.
동강성, 이중귀환, 벨로우즈, 푸시푸시

Description

동적 강성 측정 장치 및 그의 제어 방법{Apparatus for Measuring Dynamic Stiffness and Controlling Method thereof}
본 발명은 동적 강성 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구동기를 집적형으로 구성한 동적 강성 측정 장치 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 동적 강성 측정 장치는 유도무기나 항공기 등(이하, "유도무기 등"이라 한다)의 조종익을 구동하기 위한 구동기의 동적 강성을 측정하기 위한 장치로서, 기본적으로 구동기에 토크를 가하는 장치이다.
유도무기 등의 자세제어에 사용되는 날개 구동기는 날개의 관성 및 공력부하를 극복하고 원하는 각도로 날개의 회전각을 제어해야 하며 비행 중 안정성이 확보되어야 한다. 날개 구동기의 비행 안정성은 날개 구동기의 자체 성능만으로 파악될 수 없으며 조종날개에 의해 발생되는 공기력과 조종날개 구조 동특성 및 날개 구동기 동특성의 상호작용으로 발생하는 공력탄성학적 불안정성이 고려되어야 한다. 공력탄성학적 불안정성(예를 들어, 발산(Divergence), 플러터(Flutter) 등)을 해석하기 위해서는 조종날개, 공기력 및 날개 구동기의 통합 모델이 필요하며, 통합 모델에는 날개 구동기의 동특성을 모사하기 위해 날개 구동기의 동적 강성(Dynamic Stiffness) 모델이 사용된다. 이때 날개 구동기의 동적 강성은 외력 토크에 대한 날개 구동기의 응답 특성을 의미한다.
날개 구동기의 정확한 동적 강성 모델을 확보하기 위해서는 실험적으로 날개 구동기의 동적 강성을 측정할 수 있어야 하며, 이에 따라 날개 구동기에 토크를 가하는 토크 제어 서보 시스템(Torque-Control Servo System)이 활용된다. 토크 제어 서보 시스템으로는 전자기식, 유압식, 공압식 등의 다양한 시스템이 있으나, 높은 무게 대비 출력, 빠른 응답특성, 높은 강성 등의 장점을 갖는 유압 서보시스템(Hydraulic Servo-System)이 토크 제어용 서보 시스템으로 자주 사용된다.
그러나 유압 서보시스템은 유압서보밸브의 비선형성과 모델변수의 불확실성 때문에 제어기 설계에 많은 어려움이 따른다. 또한 토크 제어 서보 시스템은 토크가 가해지는 대상물의 강성에 따라 토크 제어 성능이 결정되는 근본적인 한계를 가지고 있다.
이러한 유압 서보 시스템을 이용한 토크 제어 시스템의 근본적 한계를 극복하기 위한 다양한 연구가 지속되어 왔으며 종래의 단순한 출력 토크 피드백으로는 넓은 주파수 및 운용조건에서 좋은 성능을 낼 수 없다는 것이 밝혀졌다. 이에 따라, 적응제어 및 비선형 제어기법을 활용한 유압 토크 제어 서보 시스템을 제안하기도 하였다. 이러한 방법은 유압시스템의 비선형성을 고려한 비선형 제어기를 설계하며 유압시스템 모델변수의 불확실성을 적응제어를 통해 극복한다. 이와 같은 연구들은 근본적으로 유압시스템의 토크 제어 시 토크가 가해지는 대상물의 강성이 낮은 영역에서 유압 실린더의 속도 피드포워드(Feedforward)를 통해 유량을 보상하 는 방법으로 구조물의 강성이 상대적으로 낮은 능동 서스펜션(Active Suspension), 지진 시험용 구조물(Seismic testing Structure) 등에 효과적이다.
그러나 유도 무기 등의 날개 구동장치와 같이 상대적으로 강성이 크고 응답이 빠른 시스템의 경우, 이상적인 속도 피드포워드를 구현하기 어려우며, 오히려 시스템의 이득값을 저하시켜 토크 추종성능을 저하시킨다.
한편, 기존의 동적 강성 측정 장치는 대부분 동적 강성 측정 장치의 핵심 구성품인 토크센서를 별도의 상용품으로 구매하여 구동축에 설치하는 방식을 선택하였으므로, 토크센서 뭉치와 축연결부위에 의하여 회전 관성량이 증가하는 반면, 회전 강성이 감소하여 구동축의 회전강성 및 관성의 최적설계가 용이하지 못하고, 시험 대상물과의 축간 연결에 있어서 사용자의 필요나 설계상의 요구조건을 만족시키는 맞춤형 인터페이스를 설계하기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명은 구동축과 토크센서를 일체화시킴으로써 컴팩트한 구동기를 갖는 동적 강성 측정 장치를 제안하는데 그 일 목적이 있다.
또한, 본 발명은 유압 토크 제어 서보 시스템과 유압 날개구동장치의 모델링을 바탕으로 토크제어 시스템이 갖는 근본적인 한계를 극복하고, 구현이 간단하면서도 강력한 토크 제어 기법을 제안하고자 한다.
상기와 같은 점을 해결하기 위해 본 발명은 시험 대상물에 토크를 가하는 동강성 구동기; 동강성 구동기에서 가진되는 토크를 측정하는 토크센서; 및 축간 정렬 오차를 보상할 수 있도록 가요성 형태로 형성되며, 동강성 구동기와 시험 대상물 사이를 연결하여 동강성 구동기의 구동력을 시험 대상물에 전달시키는 플렉시블 커플링을 포함하는 동적 강성 측정 장치를 개시한다.
동강성 구동기는 구동축; 구동축의 중심으로부터 일정 거리만큼 반대 위치에 각각 배치되며 그 단부가 구동축에 토크를 가할 수 있게 핀(pin) 연결되고, 타단부는 피스톤에 연결된 한 쌍의 커넥팅 로드; 및 각 피스톤에 서로 다른 유로를 통하여 유압유를 공급하여 커넥팅 로드에 차등적인 힘을 가하는 서보밸브(servo valve)를 포함할 수 있다. 이와 같이 두 개의 커넥팅 로드가 구동축을 미는 방법(push-push)으로 토크를 가하므로 기계적 백래쉬(backlash)가 없어 신뢰성이 우수한 동강 성 구동기를 얻을 수 있다.
동강성 구동기를 구성하는 구동축은 내부에 커넥팅 로드를 수용하는 수용공간이 형성된 하부하우징에 설치되고, 서보밸브는 상기 피스톤이 이동되는 실린더 및 유로들이 형성된 상부하우징에 설치되는 것이 가능하다. 따라서, 구동축과 구동축을 지지하는 부분이 실린더와 서보밸브가 장착된 부분이 별도로 되므로, 제작과 조립 및 분해가 용이하게 된다. 또한, 이와 같은 구성은 동적 강성의 측정뿐만 아니라 스프링부하 시험 같은 다른 목적으로의 구조전환을 매우 용이하게 한다. 일례로, 본 발명과 같은 동적 강성 측정 장치는 공력 스프링부하 모사 시험장치를 겸하고 있으며, 이때 구동기는 구동축과 더불어 부하지지 및 토크센서 역할을 한다. 이를 위하여 구동축의 일측 외주에는 상부 하우징 및 서보밸브가 제거된 상태에서 다른 구동수단에 연결되어 있는 모멘트 암이 구속되는 세레이션(serration)이 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 특징으로서 토크센서는 동강성 구동기의 구동축에 일체로 형성되는 것이 가능하다. 이에 따라, 기존의 동적 강성 측정 장치가 동적 강성 측정 장치의 핵심 구성품인 토크센서를 별도의 상용품으로 구매하여 구동축에 설치하는 방식을 선택함에 따라 토크센서 뭉치와 축연결부위에 의하여 관성량이 증가하는 반면 강성이 감소하여 구동축의 회전강성 및 관성의 최적설계가 용이하지 못하고, 시험대상물과의 축간 연결에 있어서 사용자의 필요나 설계상의 요구조건을 만족시키는 맞춤형 인터페이스를 설계하기 어려운 단점을 해결할 수 있게 된다.
토크센서의 일체화를 위하여 구동축의 중심에는 종방향의 관통홀이 형성되 고, 관통홀에 상기 토크센서의 배선이 통과되도록 배치될 수 있다. 아울러, 구동축의 토크센서가 부착되는 센서장착면과 관통홀 사이에는 센서장착면과 관통홀 사이를 연통시키는 연결홀이 형성되고, 토크센서의 배선이 연결홀을 통과하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 시험중에 배선이 불필요하게 튀어나오거나 흔들리는 것을 방지할 수 있게 된다.
구동축의 센서장착면에는 토크센서를 덮을 수 있게 센서덮개가 더 장착됨으로써 토크센서 주변을 컴팩트하게 구성할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 특징으로서, 플렉시블 커플링은 양단에 주름이 각각 형성된 벨로우즈를 포함할 수 있다. 따라서, 기존의 동적 강성 측정 장치 혹은 부하 모사 장치가 관성의 증가와 강성의 감소 그리고 축연결부의 미끄러짐으로 인한 동특성 저하 등의 우려 때문에 일반적인 형태의 플렉시블 커플링을 사용할 수 없는 문제가 해결된다. 또한, 이와 같은 양극 주름형 벨로우즈 커플링은 고성능 고토크 제어성능과 사용상의 편리함을 동시에 구현할 수 있다. 본 발명에 적용된 양극 주름형 벨로우즈 커플링은 일반적인 벨로우즈 커플링의 장점인 관성량의 최소화를 유지하면서, 회전강성을 최대화 할 수 있도록 벨로우즈를 양 끝단에 최소한으로 사용한 것이다.
벨로우즈의 양단에는 상기 구동축 및 시험대상물에 각각 체결되기 제1플랜지부 및 제2플랜지부가 더 구비될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 특징으로서, 토크센서는 동강성 구동기의 구동축에 부착되는 제1토크센서 및 플렉시블 커플링과 시험 대상물 사이를 연결하는 연결축에 부착되는 제2토크센서를 포함할 수 있다. 이와 같이 2 개의 토크센서에 의하여 이중 동적 피드백을 이용할 수 있게 된다.
즉, 본 발명은 시험 대상물에 토크를 가하는 동강성 구동기와, 동강성 구동기에서 가진되는 토크를 측정하는 토크센서 및 동강성 구동기의 구동력을 시험 대상물에 전달시키는 커플링을 포함하는 동적 강성 측정 장치의 제어방법으로서, 토크센서는 동강성 구동기의 구동축에 부착되는 제1토크센서 및 커플링과 시험 대상물 사이를 연결하는 연결축에 부착되는 제2토크센서를 포함하여, 제1토크센서와 제2토크센서에서 계측된 각각의 신호를 피드백(feedback)하여 동강성 구동기의 동적 강성과 커플링을 포함하는 축계 연결부의 동적 강성 및 시험대상물의 동적 강성의 상호작용에 의한 복합 공진(Hydro-Mechanical Resonance)을 제거시키는 동적 강성 측정 장치의 제어 방법을 개시한다.
이 경우, 제1토크센서와 제2토크센서에서 측정된 각각의 신호의 차를 고역필터 (high-pass) 및 위상보상을 위한 전대역통과(all-pass) 필터로 구성되는 DDTFC(Dual Dynamic Torque Feedback) 필터를 통해 피드백시킬 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로, DDTFC 필터는 다음의 식으로 형성될 수 있다.
Figure 112007087066839-PAT00001
DDTFC 필터는 토크 제어 개루프 전달함수의 폴(pole) 중 시스템의 안정도를 저하시키는 폴의 고유진동수를 컷오프(cutoff) 주파수로 갖는 고역필터 및 전대역통과(all-pass) 필터로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명은 동적 강성 측정 장치의 토크 입력과 출력의 크기의 비가 목표하는 값에 근접하도록 토크 명령의 크기를 조절시키는 적응형 명령 형성 과정(Adaptive Feedfoward Command Shaping)을 포함하는 동적 강성 측정 장치의 제어방법을 개시한다.
상기와 같이 제안된 동적 강성 측정 장치는 조종익 구동장치의 동적 강성 측정 시험뿐만 아니라 각종 군사용, 산업용 가진 시스템에 쉽게 응용될 수 있다.
본 발명의 일 특징에 의하면, 구동축과 토크센서를 일체화하였으므로, 관성량을 줄이고 맞춤형 인터페이스 설계를 용이하게 한다.
그리고 본 발명의 다른 일 특징에 의하면, 구동축 및 구동축을 지지하는 부분과 실린더 부를 분리하였으므로 제작/조립/분해가 용이하다.
그리고 플랜지형 양극 주름 금속 벨로우즈 커플링에 의하여, 장점인 관성량의 최소화를 유지하면서 회전강성을 최대화할 수 있다.
본 발명에서 제안된 동적 강성 측정 장치의 제어 방법은 두 개의 토크센서 신호를 이용하여 동적 강성 측정 장치의 안정성을 향상시킬 수 있다.
이러한 제어 알고리즘은 각종 힘 혹은 토크제어 시스템에 매우 효과적으로 적용될 수 있으며 다른 각종 구동장치 설계에 다양하게 응용될 수 있을 것이다.
이하, 본 발명과 관련된 동적 강성 측정 장치 및 그 제어방법을 첨부된 도면을 중심으로 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명과 관련된 일 예로서, 동적 강성 측정 장치를 이용하여 조종익 구동장치의 동적 강성을 측정하기 위한 구성도이다. 도 1에 의하면, 동적 강성 측정 장치(1)는 동강성 구동기(20), 플렉시블 커플링(30) 및 시험 대상물(10)이 시험대(test bed; 2)상에 정렬된 상태로 구성되어 있다.
시험 대상물(10)은 유도무기 등에 장착되는 조종익을 구동하기 위한 구동기가 될 수 있으며, 유압에 의하여 동작될 수 있도록 서보밸브(servo valve; 11)를 포함할 수 있다. 이러한 시험 대상물(10)은 주로 회전력에 의하여 조종익 등을 제어한다는 점에서 직접적인 직선운동에 의하여 제어하는 다른 대상물과는 차이가 있다. 시험 대상물(10)의 위치 제어기(70)는 시험 대상물(10)의 신호와 외부로부터 자세 명령(Position CMD)을 받아 서보밸브(11)에 제어신호를 인가한다.
동강성 구동기(20)는 시험 대상물(10)에 부하 즉, 토크를 가할 수 있도록 서보밸브(21)를 포함하고 있다. 동강성 구동기(20)의 구성은 도 2 이하에서 상세히 설명한다.
동강성 구동기(20)와 시험 대상물(10) 사이에는 플렉시블 커플링(30)에 의하여 연결되고 있다. 플렉시블 커플링(30)은 축간 정렬 오차를 보상할 수 있도록 가요성 형태로 형성되며, 동강성 구동기(20)의 구동력을 시험 대상물(10)에 전달시킨다. 플렉시블 커플링(30)의 형상과 구성은 도 6에서 상세히 설명한다.
도 1에 의하면, 동강성 구동기(20)의 구동축(22)에는 제1토크센서(51)가 구비되어 있으며, 플렉시블 커플링(30)과 시험 대상물(10) 사이를 연결하는 연결축(40)에 제2토크센서가 부착되어 있다. 즉, 토크제어 및 동적 강성 측정을 위하여 1개의 토크센서를 사용하는 기존의 동적 강성 측정 장치와 달리, 2개의 토크센서를 사용하는 이중 동적 토크 피드백 제어 방법(Dual Dynamic Torque Feedback Control)이 적용된다.
제1토크센서(51)에 의하여 계측된 값(TL)과 제2토크센서(52)에 의하여 계측된 값(TA)은 토크제어기(60)에 의해 제어되어 서보밸브(21)에 제어신호를 인가한다.
이와 같이, 동적 강성의 측정을 위한 구동 시스템은 시험 대상물(10), 시험 대상물(10)에 토크를 가하는 동강성 구동기(20), 축의 정렬을 보정하는 플렉시블 커플링(30) 및 플렉시블 커플링(30)과 시험 대상물(10)의 구동축을 연결하는 연결축(40)으로 구성되어 있다. 동강성시험시 시험 대상물(10)은 통상적으로 위치 제어기(70)에 의해 일정각도로 제어되며, 토크 제어용 서보 시스템인 동강성 구동기(20)를 통해 토크가 가해지게 된다. 가진된 토크는 연결축(40)과 동강성 구동기(20)의 구동축(22)에 부착된 토크센서(51,52)에 의해 측정되며 제2토크센서(52)에 의하여 계측된 값(TA)과 측정된 토크와 시험 대상물(10)의 회전각을 통해 시험 대상물(10)의 동적 강성이 측정된다.
도 2는 본 발명과 관련된 동강성 구동기의 부분 단면도이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선에 따른 단면도이다.
이들 도면에 의하면, 동강성 구동기(20)는, 구동축(22)이 지지되어 있는 하부 하우징(201)과, 구동축(22)에 회전력을 가할 수 있는 수단을 갖춘 상부 하우징(202)을 포함하고 있다.
구동축(22)은 플렉시블 커플링(30)에 연결될 수 있도록 그 일단부에 플랜지(221)가 형성되어 있으며, 하부 하우징(201)의 양측에 형성된 축받이(281, 282)에 각각 회전가능하게 지지되어 있다.
구동축(22)은 한 쌍의 커넥팅 로드(270A, 270B)에 의하여 구속되어 있다. 이들 커넥팅 로드(270A, 270B)는 구동축(22)의 중심으로부터 반경 방향으로 일정 거리를 두고 서로 반대쪽에 배치되어 있다. 커넥팅 로드(270A, 270B)의 하단부는 구동축(22)에 핀(273A, 273B)에 의하여 연결됨으로써 하방으로 이동하면서 구동축(22)에 회전력을 가할 수 있게 되어 있다. 커넥팅 로드(270A, 270B)의 이동 공간을 제공하기 위하여 구동축(22)에는 홈(228)이 형성되어 있다.
커넥팅 로드(270A, 270B)의 상단부에는 각 커넥팅 로드(270A, 270B)에 유압력을 가할 수 있게 피스톤(271A, 271B)이 각각 연결되어 있으며, 피스톤(271A, 271B)은 상부 하우징(202)에 형성된 실린더(206A, 206B)를 따라 상하로 왕복운동될 수 있게 설치되어 있다. 각 피스톤(271A,271B)은 상부 하우징(202)에 형성되어 있는 서로 다른 유로(205A, 205B)로 각각 연결되어 있으며, 이들 각 유로(205A, 205B)에의 유압유 제어는 서보밸브(21)가 담당하게 되어 있다.
서보밸브(21)는 각 유로(205A, 205B)에 공급되는 유압유를 차등적으로 공급하는데, 각 커넥팅 로드에 걸리는 유압의 차이에 의해 구동축(22)에는 토크가 발생하게 된다. 이와 같이 한 쌍의 커넥팅 로드(270A, 270B)의 차등적인 압력에 의해 구동축(22)에 토크를 전달하게 되므로(이른바, 푸시푸시(push-push) 방식) 기계적인 백래쉬(backlash)는 원천적으로 발생하지 않게 된다.
도 2와 도 3과 같이, 상부 하우징(202)은 하부 하우징(201)에 대하여 나사(208)에 의하여 체결되어 분리 가능하게 되어 있으며, 상부 하우징(202)이 하부 하우징(201)으로부터 분리된 후 커넥팅 로드(270A, 270B)를 구동축(22)으로부터 분리하면 구동축(22)은 하부 하우징(201)에 대하여 부하없이 회전이 가능하게 된다. 이 경우, 구동축(22)에는 다른 형태의 부하장치가 연결될 수 있다. 즉, 도 2에서 구동축(22)의 다른쪽 단부에는 다른 형태의 부하장치에 의해 구동축(22)에 토크를 가할 수 있도록 모멘트암(290)이 고정된다. 예를 들어, 동강성 구동기(20)는 상부 하우징(202)과 커넥팅 로드(270A, 270B)가 제거된 상태로 공력 스프링부하 모사 시험장치를 겸할 수 있다.
이와 같이, 서보밸브(21)를 탑재한 상부 하우징(202)과 구동축(22)을 지지하고 있는 하부 하우징(201)의 조립과 분해가 용이하므로, 유지와 보수의 용이함을 기대할 수 있다.
도 4는 도 2의 동강성 구동기의 구동축의 정면도이고, 도 5는 도 4의 동강성 구동기의 구동축의 단면도이다.
이들 도면에 도시된 것과 같이, 구동축(22)의 일측의 외주에는 모멘트암(290)이 결합되기 위한 세레이션(serration; 223)이 형성되어 있으며, 하부 하우징(201)에 지지되는 부분과 플랜지(221)의 사이에는 제1토크센서(51)가 일체로 장착된다. 제1토크센서(51)는 배선 등이 외부에서 보이지 않도록 센서덮개(222)에 의하여 가려지고 있다.
도 5에 의하면, 구동축(22)의 중심에는 종방향으로 형성되는 관통홀(225)이 형성되어 있으며, 관통홀(225)과 센서장착면(227)은 연결홀(226)에 의하여 연통되고 있다. 관통홀(225)과 연결홀(226)에는 센서 장착면(227)에 장착된 제1토크센서(51)의 배선(513)이 통과된다. 관통홀(225)의 끝단에는 외부로부터 제1토크센서(51)의 배선(513)과 연결되도록 커넥터(도 1의 511번 참조)가 연결될 수 있다. 이와 같이 함으로써, 제1토크센서(51)의 배선이 시험 중에 불필요하게 튀어나오거나 흔들리는 것을 방지할 수 있으며, 구동축(22)과 플렉시블 커플링(30)과의 조립시에 방해물이 제거되어 작업을 용이하게 하는 효과를 얻을 수 있다.
제1토크센서(51)는 구동축(22)의 센서장착면(227)에 부착되는 측정게이지(Strain Gauge)와 기판을 포함하고 있다. 이들은 구동축(22)에 일체화되어 있으므로, 전체적으로 관성량이 줄어들고 시험대상물과의 축간 연결용 인터페이스 부분을 구동력 전달특성을 고려하여 맞춤형으로 설계할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명과 관련된 플렉시블 커플링의 반단면도이다. 플렉시블 커플링(30)은 동강성 구동기(20)와 시험대상물(10)을 연결하는데 있어서 축간 정렬오차를 보상하기 위하여 사용된다. 도 6에 의하면, 플렉시블 커플링(30)은 양단에 벨로우즈(32A,32B)가 구비되어 있으며, 양 벨로우즈(32A,32B) 사이는 연결파이프(31)에 의하여 연결된다. 벨로우즈(32A,32B)는 축간 정렬오차를 위하여 적어도 두 개의 주름이 필요하나, 관성량을 최소화시키기 위하여 두 개 이상의 주름이 필요하나, 회전강성을 극대화시키기 위하여 두 개가 사용된 것을 제시하고 있으며, 이들은 축간정렬 오차 보정시 벨로우즈(32A,32B)의 지나친 변형을 막기 위하여 양단의 구동축(22) 및 연결축(40)에 치우치게 각각 배치되어 있다.
이와 같은 양극 주름형의 벨로우즈 커플링(30)은 고성능 고토크 제어성능과 사용상의 편리함을 동시에 구현할 수 있다.
벨로우즈(31)의 양단에는 구동축(22)의 플랜지(221) 및 연결축(40)의 플랜지에 각각 체결되는 제1플랜지부(33A) 및 제2플랜지부(33B)가 결합되어 있다. 이에 따라, 동강성 구동기(20)는 벨로우즈형의 커플링 및 연결축(40)으로 형성된 축계 연결부를 통해 시험대상물(10)과 플랜지형 연결방식으로 결합되어 있다.
도 7은 본 발명과 관련된 동적 강성 측정 장치 제어시스템을 보인 블록 구성도이며, 도 8은 일반적인 부하 구동기의 서보밸브 입력 전압 UL과 토크 TL, TA 사이의 주파수 응답을 보인 도표이다.
날개구동기의 동적 강성 측정용 토크제어 서보 시스템은 동강성 구동기(20)와 축계 연결부 및 시험대상물(10)의 관성 및 강성에 의해 발생하는 유압 기계 복합공진(Hydro-Mechanical Resonance)에 큰 영향을 받는다(도 8 참조). 복합 공진은 토크제어 개루프 전달함수의 제로(zero) 및 폴(pole)을 형성시켜 토크제어 성능에 큰 영향을 미치며, 시스템의 안정도를 크게 저하시킨다.
구동시스템의 관성 및 강성에 의해 발생하는 시스템의 불안정성을 해결하고 토크제어 성능을 향상시키기 위해 이중 동적 토크 피드백 제어(Dual Dynamic Torque Feedback Control, DDTFC)기법이 사용된다. 제안된 DDTFC는 제어 신호를 고역필터를 통과시키거나 혹은 미분값을 취하여 피드백함으로써 시스템의 안정도를 저하시키는 폴의 감쇄비를 증가시켜 시스템의 안정도를 높이는 데 착안점을 둔다. 또한 개루프 전달함수(도 8 참조)에서 관찰되는 것처럼 제어 토크 TL과 TA는 저주파수(도 8의 경우 100Hz 미만)에서 위상과 크기가 같고 고주파수에서는 제로(zero)의 영향으로 위상차(도 8의 경우 180도 @>240Hz) 및 크기의 차(도 8의 경우 @>100Hz)가 존재한다. 이러한 시스템의 특성을 이용하여 제어 토크 TL과 TA의 차를 미분하여 피드백하면 저 주파수에서의 시스템 특성을 손상시키지 않고 선택적으로 시스템의 안정도를 저하시키는 폴의 감쇄비를 키울 수 있다.
그러나 시스템의 안정도를 저하시키는 폴(pole)의 고유주파수가 높은 경우 노이즈 및 샘플링 주파수의 한계로 인해 이상적인 미분기를 설계하기 어려울 수 있으므로, DDTFC 필터는 1차의 고역필터를 사용하여 동적 토크를 피드백(Dynamic Torque Feedback)하고 전대역통과(All-Pass) 필터를 이용하여 이상적 미분기와 고역필터사이에 존재하는 위상차를 보상한다.
도 7의 GDT(s)는 다음의 수학식과 같이 시스템의 안정도를 저하시키는 개루프 전달함수 폴의 고유진동수의 컷오프(cutoff) 주파수를 갖는 고역필터와 위상보상을 위한 전대역통과 필터로 구성된다. 여기서 고유주파수는 340 Hz이다.
Figure 112007087066839-PAT00002
DDTFC 필터의 안정도 향상 효과는 DDTFC 필터 적용 전후의 개루프 전달함수 TL(s)/UL(s) (DDTFC 적용 전), TL(s)/UD(s)(DDTFC 적용 후)를 비교함으로써 확인할 수 있다. 도 9는 DDTFC 필터 적용 전후의 토크제어 개루프 전달함수의 변화를 보인 시뮬레이션 도표이다. 도 9에서 보는 바와 같이, DDTFC 필터는 다른 주파수 영역의 변화 없이 시스템의 안정도를 저하시키는 폴(pole)의 고유주파수(도 9의 경우 340Hz) 부근의 크기를 감소시켜 이득여유(Gain Margin)를 늘리고 위상을 보상하여 위상여유(Phase Margin)를 증가시키는 것을 볼 수 있다.
도 7에서 보는 것과 같이, 본 발명의 동적 강성 측정 장치에는 적응형 명령 형성 기법(Adaptive Feedforward Command Shaping)이 도입되었다. 적응형 명령 형성 기법은 실시간으로 토크 제어시스템의 주파수응답의 크기를 추정하여 시스템에 가해지는 토크명령을 재형성한다.
먼저 실시간 전달함수 추정기(Real time transfer functione estimator)에서 실시간으로 명령 Tcmd와 제어 토크 TA 사이의 주파수응답을 실시간으로 시스템 식별(System Identification) 알고리즘을 이용하여 구한다. 여기서, 시스템 식별(System Identification) 알고리즘은 Projection 알고리즘과 같은 통상의 방법을 사용할 수 있다. 구해진 이산 시간 시스템의 전달함수
Figure 112007087066839-PAT00003
(h0, h1, .... hn은 상수이며, 시스템 식별 알고리즘을 통해 얻어짐)에 주파수 검출기(Frequency Detector)를 이용하여 명령 토크 Tcmd의 주파수를 추정하고 이 주파수 값을 대입한다. 따라서, 실시간으로 명령 Tcmd와 제어 토크 TA 사이의 주파수응답의 크기를 추정할 수 있다. 이렇게 추정 된 값과 이상적인 주파수 응답의 크기인 1과의 오차를 구하여 적분기 1/s를 통하여 오차를 누적한다. 구해진 값을 명령 Tcmd에 곱하면 결국 도 7의 아래 부분에 있는 DDTFC로 제어되는 동적 강성 측정장치의 토크 명령 Tcmd와 제어 토크 TA 비가 적응형 명령 형성 기법을 사용하지 않는 경우에 비하여 이상적인 주파수 응답의 크기인 1에 근접하게 된다.
상기와 같이 제안된 이중 동적 토크 피드백 제어(DDTFC) 기법의 효과를 실험을 통하여 확인한 결과를 도 10과 도 11에 도시하였다. 도 10은 이중 동적 피드백 제어방법 적용전의 계단파 응답을 보인 실험 도표이고, 도 11은 본 발명과 관련된 이중 동적 피드백 제어방법 적용 후의 계단파 응답을 보인 실험 도표이다. 여기서 GT는 0.021이고, GT는 DDTFC가 적용되었을 경우 사각파 명령에 대한 토크 응답의 오버슈트(Overshoot)가 5% 이내가 되는 값으로 결정되었다. DDTFC에 의해 토크 제어 시스템이 안정화되었음을 알 수 있다.
이상과 같이 설명된 동적 강성 측정 장치 및 그의 제어 방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용되지 않는다. 개시된 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
도 1은 본 발명과 관련된 일 예로서, 동적 강성 측정 장치를 이용하여 조종익 구동장치의 동적 강성을 측정하기 위한 구성도
도 2는 본 발명과 관련된 동강성 구동기의 부분 단면도
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선에 따른 단면도
도 4는 도 2의 동강성 구동기의 구동축의 정면도
도 5는 도 4의 동강성 구동기의 구동축의 단면도
도 6은 본 발명과 관련된 플렉시블 커플리의 반단면도
도 7은 본 발명과 관련된 동적 강성 측정 장치 제어시스템을 보인 블록 구성도
도 8은 일반적인 부하 구동기의 서보밸브 입력 전압 UL과 토크 TL, TA 사이의 주파수 응답을 보인 도표
도 9는 DDTFC 필터 적용 전후의 토크제어 개루프 전달함수의 변화를 보인 시뮬레이션 도표
도 10은 이중 동적 피드백 제어방법 적용 전의 계단파 응답을 보인 실험 도표
도 11은 본 발명과 관련된 이중 동적 피드백 제어방법 적용 후의 계단파 응답을 보인 도표

Claims (16)

  1. 시험 대상물에 토크를 가하는 동강성 구동기;
    상기 동강성 구동기에서 가진되는 토크를 측정하는 토크센서; 및
    축간 정렬 오차를 보상할 수 있도록 가요성 형태로 형성되며, 상기 동강성 구동기와 시험 대상물 사이를 연결하여 상기 동강성 구동기의 구동력을 상기 시험 대상물에 전달시키는 플렉시블 커플링을 포함하는 동적 강성 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 동강성 구동기는,
    구동축;
    상기 구동축의 중심으로부터 일정 거리만큼 반대 위치에 각각 배치되며 그 단부가 상기 구동축에 토크를 가할 수 있게 핀(pin) 연결되고, 타단부는 피스톤에 연결된 한 쌍의 커넥팅 로드; 및
    상기 각 피스톤에 서로 다른 유로를 통하여 유압유를 공급하여 상기 커넥팅 로드에 차등적인 힘을 가하는 서보밸브(servo valve)를 포함하는 동적 강성 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 구동축은 내부에 상기 커넥팅 로드를 수용하는 수용공간이 형성된 하부하우징에 설치되고,
    상기 서보밸브는 상기 피스톤이 이동되는 실린더 및 상기 유로들이 형성된 상부하우징에 설치되는 것을 특징으로 하는 동적 강성 측정 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 토크센서는 상기 동강성 구동기의 구동축에 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 동적 강성 측정 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 구동축의 중심에는 종방향의 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀에 상기 토크센서의 배선이 통과되도록 배치된 것을 특징으로 하는 동적 강성 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 구동축의 상기 토크센서가 부착되는 센서장착면과 상기 관통홀 사이에는 상기 센서장착면과 관통홀 사이를 연통시키는 연결홀이 형성되고, 상기 토크센서의 배선이 상기 연결홀을 통과하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 동적 강성 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 구동축의 센서장착면에는 상기 토크센서를 덮을 수 있게 센서덮개가 더 장착되는 것을 특징으로 하는 동적 강성 측정 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 구동축의 일측 외주에는 상기 상부 하우징 및 서보밸브가 제거된 상태에서 다른 구동수단에 연결되어 있는 모멘트 암이 구속되는 세레이션(serration)이 형성되는 것을 특징으로 하는 동적 강성 측정 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 플렉시블 커플링은 양단에 주름이 각각 형성된 벨로우즈를 포함하는 동적 강성 측정 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 벨로우즈의 양단에는 상기 구동축 및 시험대상물에 각각 체결되기 제1플랜지부 및 제2플랜지부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 동적 강성 측정 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 토크센서는,
    상기 동강성 구동기의 구동축에 부착되는 제1토크센서; 및
    상기 플렉시블 커플링과 시험 대상물 사이를 연결하는 연결축에 부착되는 제2토크센서를 포함하는 동적 강성 측정 장치.
  12. 시험 대상물에 토크를 가하는 동강성 구동기와, 상기 동강성 구동기에서 가 진되는 토크를 측정하는 토크센서 및 상기 동강성 구동기의 구동력을 상기 시험 대상물에 전달시키는 커플링을 포함하는 동적 강성 측정 장치의 제어방법으로서,
    상기 토크센서는 상기 동강성 구동기의 구동축에 부착되는 제1토크센서 및 상기 커플링과 시험 대상물 사이를 연결하는 연결축에 부착되는 제2토크센서를 포함하여,
    상기 제1토크센서와 제2토크센서에서 계측된 각각의 신호를 피드백(feedback)하여 상기 동강성 구동기의 동적 강성과 상기 커플링을 포함하는 축계 연결부의 동적 강성의 상호작용에 의한 복합 공진을 제거시키는 것을 특징으로 하는 동적 강성 측정 장치의 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1토크센서와 제2토크센서에서 측정된 각각의 신호의 차를 고역필터(high-pass) 및 위상보상을 위한 전대역(all-pass) 필터로 구성되는 DDTFC(Dual Dynamic Torque Feedback) 필터를 통해 피드백시키는 것을 특징으로 하는 동적 강성 측정 장치의 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 DDTFC 필터는 다음의 식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 동적 강성 측정 장치의 제어 방법.
    Figure 112007087066839-PAT00004
  15. 제14항에 있어서,
    상기 DDTFC필터는 토크 제어 개루프 전달함수의 폴(pole) 중 시스템의 안정도를 저하시키는 폴의 고유진동수를 컷오프(cutoff) 주파수로 갖는 고역필터 및 전대역통과(all-pass) 필터로 구성되는 것을 특징으로 하는 동적 강성 측정 장치의 제어 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 동적 강성 측정 장치의 토크 입력과 출력의 비가 목표하는 값에 근접하도록 토크 명령의 크기를 조절시키는 적응형 명령 형성 과정(Adaptive Feedfoward Command Shaping)을 더 포함하는 동적 강성 측정 장치의 제어 방법.
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