확률적 설계 방법을 이용한 동적 시스템의 강건 설계

류장희(Jang-Hee Ryu),최인상(In-Sang Choi),김주성(Joo-Sung Kim),손영갑(Young Kap Son) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.10

본 논문은 동적 시스템인 구동기의 강건설계를 수행한 결과를 제시한다. 구동기를 구성하는 부품들의 변량은 구동기의 성능에 변량을 유발한다. 따라서 부품들의 변량에 둔감한 구동기의 성능을 확보하기 위해 구동기에 대해서 강건설계를 수행하였다. 구동기를 구성하는 부품들을 전달함수로 표현하여 시뮬링크 모델로 구축하였으며, 시뮬링크 모델을 이용하여 설계 변수 조합에 따른 구동기의 응답을 얻었다. 또한 반응표면법을 적용하여 구동기의 응답을 설계 변수들의 2차 함수로 근사화하였다. 구동기 응답을 출력으로 하는 근사화된 모델에 확률적 설계방법을 적용하여 강건한 구동기의 성능을 위한 최적 설계변수를 결정하고 기존 설계와 비교한 결과를 제시하였다. This paper shows the robust design results of an actuator, a kind of dynamic system. Variations in the components comprising the actuator cause uncertainties in the system's dynamic performance. Therefore, a probabilistic design method is applied to ensure robust actuator performance to component variation. A Simulink model for the actuator was built using transfer functions for the components. The dynamic responses of the actuator were evaluated using the Simulink model. Performance indexes were approximated as quadratic functions of the design parameters through the application of the response surface methodology (RSM) with the Simulink model. Then, a probabilistic design method was applied to the approximated performance indexes to obtain optimal design parameters that would provide robust actuator performance. The optimal design was compared to the present design in terms of the performance indexes and dynamic response characteristics over time.

Interacting Multiple Model 필터를 이용한 반작용 휠 고장 검출 시뮬레이터

임준규,박찬국 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.11

A satellite operates in the space, if the satellite has a fault, it could not repair immediately. Expecially, actuator faults could be influenced satellite mission. Thus, the actuator fault detection is very important. In this paper, we are developed the satellite simulator by Matlab/Simulink and actuator fault detection block. The actuator fault detection block was used the IMM(interactng multiple model) filter for detecting reaction wheel fault. To increase fault detection performance, we used scalar penalty method in the actuator FDI block. The satellite simulator was constructed the satellite dynamic, sensor signal generation, control, actuator FDI and visualization block. We performed several simulations. The result was showed in the paper. 인공위성은 우주에서 운용되는 만큼 고장이 발생하면 수리가 불가능하다. 특히, 구동기의 고장은 인공위성의 임무수행의 매우 중요한 역할을 하기 때문에 구동기의 고장검출이 매우 중요하다. 본 논문에서는 인공위성 시뮬레이터를 구성하고 시뮬레이터에 구동기 고장검출을 위한 고장검출 블록을 구성하였다. 구동기 고장검출 블록에는 구동기의 고장검출을 위해 많이 사용하는 방법인 IMM(interacting multiple model) 필터를 적용한다. IMM 필터의 고장검출 성능을 높이기 위해 벌점을 이용하여 고장검출 성능 및 시간을 단축시켰다. 개발된 인공위성 시뮬레이터는 인공위성 동역학 블록, 센서 신호 생성 블록, 제어 블록, 구동기 고장검출 블록 및 가상화 블록으로 구성하였다. 구동기 고장검출 성능을 검증하기 위해 시뮬레이션을 수행하였으며 그 결과 구동기 고장검출 성능을 확인할 수 있었다.

직구동 전기기계식 구동기의 강성요구규격에 기반한 설계용 해석모델

오상관(Sanggwan Oh),이희중(Hee Joong Lee),박현종(Hyun Jong Park),오동호(Dongho Oh) 한국항공우주학회 2019 韓國航空宇宙學會誌 Vol.47 No.10

한국형발사체 3단에 사용되는 7톤 짐벌엔진의 추력벡터제어에는 전기유압식 구동장치시스템 대신 중량, 비용 및 시험평가 등의 측면에서 더 효율적인 전기기계식 구동장치시스템을 사용한다. 전기기계식 구동기는 위치제어 서보 구동기로 고진공에서도 운용 가능한 BLDC 모터를 사용한다. 짐벌엔진을 갖는 발사체의 경우 구동기 자체 진동모드와 구동기를 지지하는 기체구조체의 벤딩모드, 짐벌엔진의 관성부하 등이 조합되어 합성공진 현상이 발생할 수 있다. 합성공진이 발생할 경우 발사체 자세제어는 불안정해진다. 이러한 관계로 짐벌엔진 및 기체구조체 지지부, 구동장치시스템의 고유 특성을 고려하여 강성에 대한 요구규격이 적용되어 왔다. 한국형발사체 3단 7톤 짐벌엔진의 경우 구동장치시스템의 강성요구규격은 3.94×107 N/m 수준이며 이를 만족시키기 위한 직구동 방식전기기계식 구동기를 설계하였다. 본 논문에서는 강성요구규격을 기반으로 설계된 직구동 전기기계식 구동기의 등가강성 해석모델을 제안하고, 이를 실험결과로 검증하였다. Instead of hydraulic actuation systems, an electromechanical actuation system is more efficient in terms of weight, cost, and test evaluation in the thrust vector control of the 7-ton gimbal engine used in the Korea Space Launch Vehicle-II(KSLV-II) 3rd stage. The electromechanical actuator is a kind of servo actuator with position feedback and uses a BLDC motor that can operate at high vacuum. In the case of the gimballed rocket engine, a synthetic resonance phenomenon may occur due to a combination of a vibration mode of the actuator itself, a bending mode of the launcher structure, and an inertial load of the gimbals engine. When the synthetic resonance occurs, the control of the rocket attitude becomes unstable. Therefore, the requirements for the stiffness have been applied in consideration of the gimbal engine characteristics, the support structure, and the actuating system. For the 7-ton gimbal engine of the KSLV-II 3rd stage, the stiffness requirement of the actuation system is 3.94×107 N/m, and the direct drive type electromechanical actuator is designed to satisfy this requirement. In this paper, an equivalent stiffness analysis model of a direct drive electromechanical actuator designed based on the stiffness requirements is proposed and verified by experimental results.

바코드 리더용 스캐닝 미러를 위한 무빙 코일 타입 VCM 설계

신부현(Bu Hyun Shin),이정우(Jeong Woo Lee),심현호(Hyun Ho Shim),박상구(Sang Goo Park),이승엽(Seung-Yop Lee) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集A Vol.40 No.1

바코드 리더를 위한 전자기력을 이용한 소형 회전 무빙 코일 타입 보이스 코일 구동기를 개발하였다. 본 구동기는 1 개의 자석과 1 개의 코일 그리고 1 개의 복원핀으로 이루어진 간단한 구조이다. 구동기는 DC 모터의 선형으로 근사화한 이론적인 모델링으로 해석하고, 유한 요소 해석 프로그램으로 모터 상수와 복원력 상수를 계산하여 동적 성능을 예측하였다. 공진 주파수는 64 ㎐ 이며 바코드 리더를 위한 50 ㎐ 의 주파수에서 60 deg 의 반사각을 가짐으로 예측되었다. 시작품을 제작하여 실험을 통하여 3 V 의 입력 전압에서 50 ㎐ 의 주파수에서 61.8 deg 의 반사각을 가짐을 확인하였다. 제안된 구동기는 Op-amp 를 이용하여 간단한 개루프 제어 회로 구성이 가능하다. A voice coil actuator with moving coil type for scanning mirror system of barcode reader has been developed. The actuator has a simple structure including a magnet, a coil and a pin. The performance of the actuator is analyzed by a linearized theoretical model. And the dynamic performance of the proposed actuator is predicted through motor constant and restoring constant obtained by finite element simulations. The theoretical model was verified by the prototype which has 64 ㎐ resonance frequency and 60 deg reflecting angle. We also discovered that that 3 V input can make the actuator rotate over 61.8 deg reflecting angle at 50 ㎐ resonance frequency. The proposed actuator can simplify its driving configuration because of its implementation of open-loop control.

2개의 이동체를 갖는 소형 선형 전자기 구동기의 설계

임영우,신현상,김기중,슈아비무함마드,김영식,신부현 대한기계학회 2024 大韓機械學會論文集A Vol.48 No.4

소형 광학기기, 로봇 등에 적용하기 위해 양방향 움직임을 만들 수 있는 2개의 이동체를 갖는 선형 VCM 구동기에 관한 연구이다. 구동기는 몸체, 코일, 요크, 이동 자석, 고정 자석, 이동체로 구성된 간단한 구조로 설계한다. 제안된 선형 VCM 구동기는 코일이 고정되고 자석이 이동하는 방식으로 코일에 전류를 인가할 때 발생하는 로렌츠 힘으로 이동하고, 전류를 인가하지 않을 때 이동 자석과 고정 자석 사이의 자기력으로 초기위치인 가운데로 복귀하기 때문에 기존 VCM과 달리 오픈 루프 제어가 가능하다. 제안된 구동기 성능을 확인하기 위해 모터 상수와 복원력 상수를 유한 요소 해석으로 계산하여 선형 동역학 모델링을 통하여 동적 특성을 예측한 뒤 시제품을 제작하여 실험을 통해 검증하였다. 제작된 리니어 전자기 구동기는 10 V 입력에서 ± 0.2 mm 이동 변위와 순간 0.1 N의 수평 방향 힘과 80 Hz에서 공진 주파수를 갖는다. We design a linear electromagnetic actuator with two movers that can create bidirectional movement for application to small optical devices, robots, etc. The proposed actuator has a simple structure consisting of a main body with fixed magnet, coil, yoke and mover with moving magnet. Unlike conventional VCM, open-loop control can be applied for the proposed actuator, because movers return to the center of the initial position with the magnetic force between the moving magnet and the fixed magnet when no current is applied. To calculate motor constant and restoring constant and confirm the performance of the proposed actuator, linear dynamic calculations and finite element analysis were performed and a prototype was produced. As a result of the experiment, it shows ± 0.2 mm stroke, a horizontal force of 0.1 N in 10 V and a resonance of 80 Hz.

항공기 플랩 제어를 위한 선형 구동기의 구조 안전성 평가

김동협,김상우 항공우주시스템공학회 2019 항공우주시스템공학회지 Vol.13 No.4

The objective of this study was to evaluate the structural safety of the basic design for the linear actuator for the flap control of aircrafts. The kinetic behavior of the linear actuator was determined using the multi-body dynamics (MBD) analysis, and the contact force was calculated to be used as input data for the structural analysis based on the finite element analysis. In the structural analysis, the thermal and static behaviors of the linear actuator satisfying the designed velocity were examined, and the structural safety of the linear actuator evaluated. Moreover, the dynamic behaviors of the key components of the linear actuator were investigated by the modal analysis. The actuation rod linearly moved with about 5 mm/s when the motor operated at 225 rpm and the maximum contact force of 32.83 N occurred between two driving gears. Meanwhile, the structural analysis revealed that the maximum thermal and static stresses were 1.57% and 78% of the yield strength of steel, respectively, and they were in a safe range of the structure. In addition, the linear actuator for the basic design is stable to the resonance by avoiding the natural frequencies of the components. 본 연구에서는 항공기 플랩 제어를 위한 선형 구동기의 기본 설계에 대한 구조 안전성을 평가하였다. 다물체 동역학 분석을 통해 선형 구동기의 기계적 운동을 이해하였고, 접촉 하중을 산출하여 유한요소해석 기반의 구조 분석에 적용하였다. 구조 분석에서는 선형 구동기의 설계 속도 조건에 대한 열, 정적 거동을 검토하였고, 구조적 안전성을 평가하였다. 또한 모드 해석을 수행하여 동적 거동을 분석하였다. 분석 결과, 모터가 225 rpm으로 작동 시 구동 로드는 약 5 mm/s로 병진 운동하였고, 기어 간 최대 32.83 N의 접촉 하중이 발생하였다. 한편, 최대 열 응력과 정 응력은 철의 항복강도의 약 1.57%, 78%로 발생하였고, 각 부품은 서로의 공진 주파수를 회피하였다. 따라서 제안된 선형 구동기의 기본설계는 구조적으로 안전하며, 공진에 대해 안정적임을 밝혔다.

고배속 CD-ROM용 비대칭형 광픽업 미세구동기의 구동특성

고상선,류제하,박기환,정호섭 한국소음진동공학회 1998 소음 진동 Vol.8 No.2

This paper presents actuating characteristics of an asymmetric high-speed optical pick-up fine actuator that can be installed in a small area such as a notebook personal computer. In the asymmetric actuator four points (mass center, actuation center, supporting point of wire suspension on a bobbin, and optical axis) are not coincident so that the proposed actuator suspension reveals undesirable suspension resonance in the pitch and yaw direction. Lumped parameter dynamic model in each direction is used to investigate the driving characteristics with respect to relative location of the four points. Some of desired design directions toward reducing resonance peaks are suggested by using sensitivity information. In order to avoid undesirable resonance, at least supporting point on the obbin must be located in the middle of the mass and actuation center of the asymmetric pick-up actuator.

MCV 오리피스 면적 구배 보상 기법을 활용한 비대칭형 유압식 구동기 성능 개선 설계

박차렴(Charyeom Park),김상석(Sangseok Kim),김대현(Daehyun Kim),김상범(Sangbeom Kim),박상준(Sangjoon Park) 한국항공우주학회 2016 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2016 No.4

본 논문에서는 직구동 제어밸브(DDV)를 적용하는 비대칭형 유압식 구동기에 대해 MCV(주제어밸브) 오리피스 면적 구배 보상 방법을 활용하여 성능 및 동특성을 개선하는 설계 기법을 연구하였다. 일반적으로 유압식 서보 구동기는 Spool/Sleeve 구조 내부에 오리피스 면적이 균일한 서보제어밸브가 채택되고 있으며, 항공기 장착시 인터페이스 및 중량을 고려하여 비대칭형 실린더를 갖는 구동기가 주로 적용되고 있다. 이러한 비대칭형 실린더를 적용하는 구동기는 실린더 챔버 내 압력 불균형(Pressure Jump) 및 동일한 용량의 서보제어밸브를 갖는 대칭형 구동기 대비한 속도 성능 저하를 유발한다. 이러한 문제를 개선할 수 있는 비대칭형 유압식 구동기의 설계 기법을 찾기 위해, 관련된 수학적 모델식을 세우고 밸브 및 피스톤의 변위에 대한 폐루프 제어를 구현하여 성능해석을 수행하였다. 또한, 비대칭형 구동기의 MCV 오리피스 면적 구배 보상 여부에 따른 성능해석 결과를 비교 분석하여 제안된 설계 기법의 적합성을 검토하였다. In this paper, a design technique that improves performances and dynamic characteristics of the asymmetric hydraulic actuator with direct drive valve(DDV) by use of compensation method of orifice area gradient is addressed. Generally, servo control valves with uniform orifice area in spool/sleeve are applied to hydraulic servo actuator and asymmetric cylinder is mainly used considering interface and weight when assembled in aircraft. But, those cause pressure jump in cylinder chamber and degradation of velocity when compared with symmetric actuators. To find a design technique of asymmetric hydraulic actuator which solves and improves those problems, the performance analysis is conducted including a mathematical model and a closed-loop control of the displacement of valve and actuator piston. Also, those results are reviewed to prove appropriateness of a proposed design technique.

순응도 기반의 구동기 동적 성능 최적화

손영갑(Young Kap Son) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.11

본 논문은 4차 동적 시스템인 구동기를 구성하는 부품들의 변량 및 공기외란의 변량으로 인해 구동기 성능에 변량이 존재할 때, 구동기의 성능을 순응도 기반으로 최적화한 설계 결과를 제시하였다. 구동기는 BLDC 모터와 평기어 및 웜기어 조립체, 카나드로 구성된다. 구동기의 성능은 시간에 따라 변화하는 카나드 각도 정보를 이용하여 평가하였다. 고차 시스템의 성능은 해석적 접근을 통해 시스템 변수들의 함수로 표현하기 어렵기 때문에 반응표면모델을 기반으로, F-검정을 수행하여 유효한 시스템 변수들을 선정한 후 성능을 유효한 시스템 변수들의 함수로 근사화하였다. 본 연구에서 변량을 가지는 구동기 성능의 규격에 대한 순응도를 확률값으로 정의하였다. 순응도를 최적화하여 구한 설계변수는 부품 및 공기외란에 변량이 존재하더라도 고려한 규격을 모두 만족시킬 수 구동기를 제공할 수 있다. This study shows the conformance-based design results of a fourth-order dynamic actuator showing a performance variation caused by variation in the components as well as aero-induced disturbances. The actuator comprises a BLDC motor, spur gear and worm gear assembly, and canard. The actuator performance was evaluated by using time-variant angle information of the canard. Based on the response surface models, critical system variables were screened using F-tests, and then, the performance was approximated as a function of the variables because it is difficult to determine the performance of a high-order dynamic system as a function of system variables through analytical approaches. In this study, the conformance of uncertain performance to the specification was defined as a probability measure. The design variables obtained by optimizing the measure can provide actuator performance conforming to the specifications considered, even though there is a variation in both the components and the aero-induced disturbances.

항공용 가스터빈의 가변정익 구동기 기술동향

정도훈(Dohoon Jung),강종화(Jonghwa Kang),박지훈(Jihoon Park),김선제(Sun Je Kim),김용하(Yongha Kim) 한국추진공학회 2020 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2020 No.11

가스터빈 압축기의 가변정익은 다수의 정익을 동시에 회전시킬 수 있도록 하는 가변정익 링크메커니즘과 이를 동작시키는 가변정익 구동기로 구성된다. 본 논문에서는 항공용 가스터빈을 위한 가변정익 구동기를 개발하고자 가변정익 구동기 실례를 분석하고, 그 개발에 소요되는 기술의 현황을 기술하였다. Variable guide vanes(VGVs) that consist of link mechanisms and an actuator system are required for an aircraft gas turbine engine to adjust the incidence angle of stator vanes. In this study, an example of a variable stator actuator was analyzed to develop a variable stator actuator for an aviation gas turbine, and the current state of technology required for the development was described.