KR20120111468A - 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피제진대상물의 진동을 감쇠하기 위하여 전동기를 이용한 가진과 VCM을 이용한 제진을 할 수 있는 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치는, 베이스와, 상기 베이스에 연직으로 세워진 가이드와, 상기 베이스의 상부에서 상기 가이드를 따라 상하로 이동이 가능하게 설치되는 하부 제진판과, 상기 하부 제진판의 상부에서 상기 가이드를 따라 상하로 이동이 가능하게 설치되는 상부 제진판과, 전동기의 회전력을 크랭크 기구로 직선 운동으로 전환시켜 상기 하부 제진판에 추력을 가하도록 상기 베이스와 하부 제진판 사이에 설치되어 상기 하부 제진판에 추력을 가하는 제1액츄에이터와, 상기 상부 제진판에 추력을 가하도록 상기 하부 제진판과 하부 제진판 사이에 설치되어 상기 상부 제진판에 추력을 가하는 적어도 하나 이상의 VCM으로 구성된 제2액츄에이터와, 상기 상부 및 하부 제진판의 진동을 감지하는 진동감지기와, 상기 진동감지기로부터 감지된 신호에 따라 상기 제2액츄에이터의 구동을 제어하는 제어장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치{2-DOF ACTIVE VIBRATION CONTROL APPARATUS USING VCM}

본 발명은 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피제진대상물의 진동을 감쇠하기 위하여 전동기를 이용한 가진과 VCM을 이용한 제진을 할 수 있는 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치에 관한 것이다.

통상적으로 진동을 수반하는 진동 구조물 또는 지진이 잦은 지역에 설치된 기계 장치 또는 스스로의 작동에 의해 진동이 발생하는 정밀 기계 장치 등은 진동으로부터 장치를 보호하기 위한 수단으로 제진 장치의 상부에 설치되어 있다.

이러한 제진 장치는 다수의 완충 수단을 설치하고 그 상부에 장치를 설치하여 구성되나 스프링이나 댐퍼 등과 같이 단순하게 수동적인 완충 수단을 설치할 경우 진동의 폭을 감소시킬 수는 있으나 진동에 적극적으로 대응하지 못하므로 충분한 완충을 이룰 수 없는 문제가 있다.

이러한 문제를 해소하기 위해 추력을 피제진대상물에 직접 가하여 능동적으로 진동을 제거하는 능동형 제진장치가 사용된다. 도 1은 이러한 능동형 제진장치를 개념적으로 도시한 것으로, 이러한 능동형 제진 장치는 스프링(k)과 댐퍼(c)로 지지된 피제진대상물인 제진판(m)을 액츄에이터(Actuator)에 연결하고, 피제진대상물(m)의 진동을 감지하는 진동감지수단(Sensor)을 이용하여 진동을 감지하고 감지된 진동에 따른 각 액츄에이터의 구동을 제어기(Controller)제어함으로서 진동을 감쇄시키고 있다. 일반적인 능동형 제진장치는 상하 수직방향의 추력을 발생하기 위한 액츄에이터로 VCM(voice coil motor) 혹은 리니어모터를 이용한다.

그런데, 도 1에 도시된 능동형 제진 장치는 1자유도의 제어를 위한 시스템으로서, 2자유도의 제진 제어를 위한 시스템과는 그 제어 작동이 다르다.

본 발명은 상술한 점을 인식하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 피제진대상물의 진동을 감쇠하기 위하여 전동기를 이용한 가진과 VCM을 이용한 제진을 할 수 있는 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치를 제공하기 위한 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치는, 베이스와, 상기 베이스에 연직으로 세워진 가이드와, 상기 베이스의 상부에서 상기 가이드를 따라 상하로 이동이 가능하게 설치되는 하부 제진판과, 상기 하부 제진판의 상부에서 상기 가이드를 따라 상하로 이동이 가능하게 설치되는 상부 제진판과, 전동기의 회전력을 크랭크 기구로 직선 운동으로 전환시켜 상기 하부 제진판에 추력을 가하도록 상기 베이스와 하부 제진판 사이에 설치되어 상기 하부 제진판에 추력을 가하는 제1액츄에이터와, 상기 상부 제진판에 추력을 가하도록 상기 하부 제진판과 하부 제진판 사이에 설치되어 상기 상부 제진판에 추력을 가하는 적어도 하나 이상의 VCM으로 구성된 제2액츄에이터와, 상기 상부 및 하부 제진판의 진동을 감지하는 진동감지기와, 상기 진동감지기로부터 감지된 신호에 따라 상기 제2액츄에이터의 구동을 제어하는 제어장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치는 피제진대상물의 진동을 감쇠하기 위하여 전동기를 이용한 가진과 VCM을 이용한 제진을 할 수 있는 장점을 갖는다.

도 1은 일반적인 1자유도 능동형 제진장치를 개념적으로 도시한 도면
도 2a는 본 발명에 따른 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치의 구성을 도시한 사진
도 2b는 본 발명에 따른 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치의 해석을 위한 모델을 개념적으로 도시한 도면
도 3a 내지 도 3d는 각각 본 발명에 따른 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치의 해석을 위한 모델에서 상태변수 x₁,x₂,x₃,x₄의 변화를 도시한 그래프
도 4a 내지 4d는 옵저버를 이용하여 상태변수값을 추정하고 추정된 상태변수값을 바탕으로 LQR제어를 행한 결과를 나타낸 그래프
도 5는 본 발명에 따른 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치의 해석을 위한 모델에서 제어입력을 도시한 그래프

이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 2a는 본 발명에 따른 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치의 구성을 도시한 사진이고, 도 2b는 본 발명에 따른 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치의 해석을 위한 모델을 개념적으로 도시한 도면이며, 도 3a 내지 도 3d는 각각 본 발명에 따른 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치의 해석을 위한 모델에서 상태변수 x₁,x₂,x₃,x₄의 변화를 도시한 그래프이고, 도 4a 내지 4d는 옵저버를 이용하여 상태변수값을 추정하고 추정된 상태변수값을 바탕으로 LQR제어를 행한 결과를 나타낸 그래프이며, 도 5는 본 발명에 따른 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치의 해석을 위한 모델에서 제어입력을 도시한 그래프이다.

도 2a는 본 발명에 따른 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치를 보여주는 사진으로, 도 2를 참조하면 본 발명에 따른 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치는 베이스(10)와, 상기 베이스(10)에 연직으로 세워진 가이드(20)와, 상기 베이스(10)의 상부에서 상기 가이드(20)를 따라 상하로 이동이 가능하게 설치되는 하부 제진판(30)과, 상기 하부 제진판(30)의 상부에서 상기 가이드(20)를 따라 상하로 이동이 가능하게 설치되는 상부 제진판(40)과, 전동기(51)의 회전력을 크랭크 기구(52)로 직선 운동으로 전환시켜 상기 하부 제진판(30)에 추력을 가하도록 상기 베이스(10)와 하부 제진판(30) 사이에 설치되어 상기 하부 제진판(30)에 추력을 가하는 제1액츄에이터(51,52)와, 상기 상부 제진판(40)에 추력을 가하도록 상기 하부 제진판(40)과 하부 제진판(30) 사이에 설치되어 상기 상부 제진판(40)에 추력을 가하는 적어도 하나 이상의 VCM으로 구성된 제2액츄에이터(60)와, 상기 상부 및 하부 제진판(30,40)의 진동을 감지하는 진동감지기(71,72)와, 상기 진동감지기(71,72)로부터 감지된 신호에 따라 상기 제2액츄에이터(60)의 구동을 제어하는 제어장치(도면에 미도시)를 포함하여 구성된다.

도 2b는 본 발명에 따른 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치의 해석을 위한 모델을 개념적으로 도시한 도면으로, 도 2b의 2자유도 능동형 제진장치에서 m₁, m₂는 제진대의 질량, c₁, c₂는 댐핑계수, k₁, k₂는 스프링상수, R,L은 저항과 인덕턴스 성분을 나타낸다.

도 2b의 모델에서 운동에너지

, 위치에너지

, 마찰에너지

를 고려하여 라그랑제의 운동방정식을 이용하면 수학식 1과 같은 운동방정식을 얻는다.

수학식 1에 대해 상태변수

를 취하면 수학식 2와 같은 상태방정식을 얻는다. 단,

는 상태출력 벡터이다.

수학식 2로 표현되는 시스템에 대하여 출력벡터로부터 x₁을 제외한 상태변수를 도출할 수 없으므로 이러한 상태변수들에 대해서는 옵저버(observer)를 통해 상태변수를 추정한다. 측정출력 y = cx에 대해 옵저버를 구성하기 위해서는 (c, A)는 가관측의 조건을 만족해야 하고 이러한 조건을 만족한다는 가정아래 동일차원 옵저버는 수학식 3으로 구성할 수 있다.

상태변수 x와 추정치

와의 오차 벡터를

라고 하면 수학식 4가 주어진다.

수학식 4에 대한 해는 수학식 5이므로 A - Kc가 안정행렬이 되도록 게인 K를 선택하면 된다.

도 3a 내지 도 3d는 제어입력을 가하지 않은 상태에서 상태변수 x₁ ~ x₄에 대한 옵저버의 추정치

를 나타내고 있고, 도 3a 내지 도 3b으로부터 상태변수에 대한 추정을 하고 있는 것을 알 수 있다. 단, 실제변수 값과 추정치의 초기치는 각각

로 하였다. 도 3a 내지 도 3b의 수치 시뮬레이션에 있어서 m₁ = 5.5[Kg], m₂ = 3.5[Kg], k₁ = 2 × 10²[N/m], k₂ = 1 × 10²[N/m]로 하였고, 제어시간은 5초로 설정하였다.

상기 결과로부터 동일차원 옵저버를 통해 상태값이 정상적으로 출력되는 것을 확인하였고, 얻어진 상태변수를 이용하여 제어기를 설계하고자 하며 본 연구에서는 수학식 6에 따른 평가함수를 최소화 할 수 있는 LQR제어기를 적용한다. 단, R(1×1), Q(4×4)는 가중치 행렬을 나타낸다.

수학식 6을 최소화하는 최적제어입력은 수학식 7로 주어지고, P(4×4)는 리카치방정식

를 만족시키는 해이다.

도 4a 내지 4d는 옵저버를 이용하여 상태변수값을 추정하고 추정된 상태변수x₁ ~ x₄ 값을 바탕으로 LQR제어를 행한 결과를 나타낸 그래프이다. 단, 0＜t＜2의 시간영역에서는 제어를 행하지 않고 옵저버만을 이용한 상태값을 추정하고, 구간에서는 LQR제어기의 제어입력을 이용하여 제어를 행한 결과이다. 도 4a 내지 4d의 결과로부터 각 상태변수의 추정이 제대로 이루어지고 있고, LQR제어기를 이용한 제어기를 통해 모든 상태변수 값이 0에 수렴하고 있음을 알 수 있다. 도 5는 제어입력을 도시한 그래프이다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치는 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.

10 베이스
20 가이드
30 하부 제진판
40 상부 제진판
51,52 제1액츄에이터(전동기, 크랭크기구)
60 제2액츄에이터(VCM)
71,72 진동감지기

Claims (1)

1. 베이스와,
   상기 베이스에 연직으로 세워진 가이드와,
   상기 베이스의 상부에서 상기 가이드를 따라 상하로 이동이 가능하게 설치되는 하부 제진판과,
   상기 하부 제진판의 상부에서 상기 가이드를 따라 상하로 이동이 가능하게 설치되는 상부 제진판과,
   전동기의 회전력을 크랭크 기구로 직선 운동으로 전환시켜 상기 하부 제진판에 추력을 가하도록 상기 베이스와 하부 제진판 사이에 설치되어 상기 하부 제진판에 추력을 가하는 제1액츄에이터와,
   상기 상부 제진판에 추력을 가하도록 상기 하부 제진판과 하부 제진판 사이에 설치되어 상기 상부 제진판에 추력을 가하는 적어도 하나 이상의 VCM으로 구성된 제2액츄에이터와,
   상기 상부 및 하부 제진판의 진동을 감지하는 진동감지기와,
   상기 진동감지기로부터 감지된 신호에 따라 상기 제2액츄에이터의 구동을 제어하는 제어장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 브이씨엠을 이용한 2자유도 능동형 제진 장치.

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