형상기억합금 응용 스마트 액추에이터-제어기 설계

김영식,장태수 한국디지털콘텐츠학회 2017 한국디지털콘텐츠학회논문지 Vol.18 No.7

In this research we discuss an integrated actuator-control system for advanced control of a smart Shape Memory Alloy (SMA) actuator. Toward this goal, we designed and fabricated an actuator-control module combining two SMA actuating units with a single-chip microprocessor, two different sensing elements, and an actuator driver. In our proposed system, sensing elements include a 6-axis single-chip motion sensor for orientation measurement and a circuit for resistance measurement of SMA wires. We experimentally verified our proposed actuator-control system using actuator driving, sensor data readings, and communication tests. 본 연구에서는 형상기억합금(SMA)을 응용한 스마트 액추에이터의 효율적 제어를 위한 통합 액추에이터-제어기 시스템 설계를 논의한다. 이를 위하여 두 개의 스마트 SMA 액추에이터 유닛과 함께 제어를 위한 싱글 칩 마이크로프로세서, 액추에이터 드라이버, 센서를 통합한 새로운 액추에이터-제어기 모듈을 설계하고 제작하였다. 제안된 시스템에서는 피드백 제어를 위해 모듈의 회전을 측정하는 6축 모션센서 칩과 SMA의 저항을 측정하는 회로를 포함한다. 실험을 통하여 액추에이터의 구동과 센서 신호와 통신을 확인하였고 이를 통하여 실제 액추에이터-제어기 시스템의 작동을 확인하였다.

평판에서 압전 세라믹 액추에이터에 의한 유동제어

김동하(Dong-Ha Kim),한종섭(Jong-Seob Han),장조원(Jo-Won Chang),김학봉(Hak-Bong Kim) 한국항공우주학회 2009 韓國航空宇宙學會誌 Vol.37 No.11

평판 유동에서 유동을 제어하기 위하여 압전 세라믹을 이용한 액추에이터가 설계되었다. 액추에이터가 15㎐의 낮은 가진 주파수로 구동할 때, 설계된 액추에이터에 의해 발생된 유동 교란을 알아보기 위해 경계층 측정이 수행되었다. 경계층에서의 평균 유동속도와 섭동량이 액추에이터 끝단에서 x/δ<SUP>*</SUP>=31.9 떨어진 하류위치에서 1축 열선프로브(55P14)로 측정되었다. 측정 결과, 속도가 느린 영역과 빠른 영역이 각각 액추에이터의 중심부근 및 바깥부분에서 관찰되었으며, 이것으로 서로 마주보며 회전하는 한 쌍의 유동방향 와류의 발생이 예측되었다. 섭동량은 액추에이터의 바깥부분에서 크게 나타났으며, 벽면근처에서 유동방향 속도의 스팬방향 변화에서 변곡점이 관찰되었다. 액추에이터가 낮은 주파수에서 구동하는 경우에는 경계층 불안정성이 액추에이터의 가진 주파수와 T-S 파동에 해당하는 주파수에서 함께 증폭된다. An actuator using piezoceramic material was designed in order to perform a flow control for flat plate flow. Boundary layer measurements were carried out to explore the flow disturbances by the designed actuator that was activated at low excitation frequency(15㎐). The mean velocity and fluctuation in the boundary layers were measured at x/δ<SUP>*</SUP>=31.9 downstream from the actuator tip by a one-dimensional hot-wire probe(55P14). Results reveal that low- and high-velocity regions were observed in the vicinity of the actuator center and in the outer area of the actuator respectively, and the formation of counter-rotating streamwise vortices was predicted. The fluctuations were persistently found in the outer part of the actuator and an inflection point in the spanwise gradient of the streamwise velocity was observed. Boundary layer instability was amplified at both the actuator excitation frequency and the T-S wave frequency when the actuator was excited at low frequency.

수치해석을 이용한 전극 위치에 따른 스파크제트 액츄에이터의 성능 연구

신진영(Jin Young Shin),김형진(Hyung-Jin Kim),김규홍(Kyu Hong Kim) 한국항공우주학회 2019 韓國航空宇宙學會誌 Vol.47 No.11

스파크제트 액츄에이터(Sparkjet Actuator), 혹은 플라즈마 합성 제트 액츄에이터(Plasma Synthetic Jet Actuator)는 능동 유동 제어 장치의 일종으로 신쎄틱 제트와 같은 기존의 능동 유동 제어 장치에 비해 더 강한 제트를 분출할 수 있기 때문에 초음속 유동 제어에 대한 가능성이 높다고 여겨지고 있다. 스파크제트 액츄에이터는 아크 플라즈마를 이용하여 캐비티(Cavity) 내부에 고온, 고압 유동을 발생시키고 이를 오리피스(Orifice) 혹은 노즐 목을 통해 분출시킴으로써 제트를 만들어낸다. 본 연구는 캐비티 내부에 위치한 전극의 위치를 변화시킴으로서 스파크제트 액츄에이터의 추력 및 유동 특성에 생기는 변화를 수치적으로 확인하였다. 전극 위치가 캐비티의 바닥에 가까워질수록 충격량이 증가하였고 캐비티 내부 평균 압력이 높게 유지되었다. 전극 위치가 캐비티 전체 높이의 25% 위치에 있을 때 2.515 μN · s의 충격량이 발생하였고 75% 위치에 있을 때 2.057 μN · s의 충격량이 발생하였다. 전극 위치가 캐비티 전체 높이의 50%에 있을 때보다 충격량이 각각 대략 9.92%와 –10.09% 정도 변화하였다. Sparkjet actuator, also known as plasma synthetic jet actuator, which is a kind of active flow control actuator is considered as being high possibility for the supersonic flow control due to ejecting stronger jet compared to the other active flow control actuators. Sparkjet actuator generates high temperature and high pressure flow inside the cavity by using arc plasma and leads momentum by ejecting such flow through orifice or nozzle. In this research, numerical calculation of sparkjet actuator with respect to the location of electrodes which exists inside the cavity is conducted and the change of the performance of sparkjet actuator is suggested. As the location of electrodes goes closer to the bottom of the cavity, impulse is increased and the average pressure inside the cavity maintains higher. When the location of electrode is 25% and 75% of the entire cavity height, impulse is 2.515 μN · s and 2.057 μN · s, respectively. Each impulse is changed by about 9.92% and -10.09% compared to when the location of electrodes is 50% of the entire cavity height.

유압밸브 구동용 서보 액추에이터의 신뢰성 향상을 위한 설계 파라미터 도출

성백주(Baek Ju Sung),김도식(Do Sik Kim) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.5

유압밸브 구동용 서보 액추에이터는 항공기, 자동차의 유압시스템 그리고 산업용 유압시스템의 정밀한 작동에 중요한 장치이다. 서보 액추에이터의 신뢰성 있는 동작은 전체 유압시스템의 정밀한 제어에 큰 영향을 미친다. 서보 액추에이터의 주파수 응답특성, 스텝 응답특성과 같은 응답특성은 액추에이터의 성능을 판단하는 중요한 기준이 된다. 본 논문에서는 신뢰성해석을 통해 신뢰성 있는 동작과 응답특성을 만족시키기 위한 구성 부품에 대한 분석을 실시하였다. 또한 신뢰성 있는 동작과 빠른 응답성을 구현하기 위해 현장의 경험적 지식과 문헌 및 전문가의 전자기 이론을 통해 유압밸브 구동용 서보액추에이터의 설계 파라미터를 도출하였다. 보빈, 요크, 플런저의 설계값, 그리고 코일의 감긴 수와 같은 서보 액추에이터의 설계값들을 결정하는 설계 파라미터를 제안하고, 설계방정식을 통해 산출한 설계값을 유한요소해석을 통해 타당성을 검증하였다. 또한 서보 액추에이터가 장착된 유압밸브의 성능시험을 통해 제안한 설계 방안의 타당성을 검증하였다. The precision hydraulic valve is widely used in various industrial field like aircraft, automobile, and general machinery. Servo actuator is the most important device for driving the precise hydraulic valve. The reliable operation of servo actuator effects on the overall hydraulic system. The performance of servo actuator relies on frequency response and step response according to arbitrary input signal. In this paper, we performed the analysis for the components of servo actuator to satisfy the reliable operation and response characteristics through the reliability analysis, and also induced the design parameters to realize the reliable operation and fast response characteristics of servo actuator for hydraulic valve operation through the empirical knowledge of experts and electromagnetic theories. We suggested the design equations to determine the values of design parameters of servo actuator as like bobbin size, length of yoke and plunger and turn number of coil, and verified the achieved design values through FEM analysis and performance tests using some prototypes of servo actuators adapted in hydraulic valve.

Self-validating Pneumatic Actuator Fault Diagnosis Based on Relevance Vector Machine

Zhigang Feng,Ru Wang 보안공학연구지원센터 2014 International Journal of Control and Automation Vol.7 No.11

In order to solve the fault diagnosis problem of self-validating (SEVA) pneumatic actuator, an actuator fault diagnosis approach based on relevance vector machine (RVM) regression modeling and relevance vector machine (RVM) multi-classifier is proposed. The RVM regression is used to establish the normal models of the SEVA pneumatic actuator. The residuals generated by comparing the output of the models and the actual SEVA actuator are used as the nonlinear features. Then, the structure of the RVM for multi-classification is designed using k-meaning clustering methods, which is used as fault classifier to identify the condition and fault pattern of the SEVA actuator. The proposed approach is verified using fault data generated by DABLib model and actuator data from Lublin Sugar Factory and compared with support vector machine (SVM) fault diagnosis approach. The results indicate that the proposed approach overcomes the drawbacks of SVM and resolves the small sample and nonlinear problem in SEVA pneumatic actuator fault diagnosis.

Design of a Moving-magnet Electromagnetic Actuator for Fast Steering Mirror through Finite Element Simulation Method

Yongjun Long,Jinqiu Mo,Xiaohui Wei,Chunlei Wang,Shigang Wang 한국자기학회 2014 Journal of Magnetics Vol.19 No.3

This paper develops a moving-magnet electromagnetic actuator for fast steering mirror (FSM). The actuator achieves a reasonable compromise between voice coil actuator and piezoelectric actuator. The stroke of the actuator is between the strokes of a piezoelectric actuator and a voice coil actuator, and its force output is a linear function of air gap and excitation current within our FSM travel range. Additionally, the actuator is more reliable than voice coil actuator as the electrical connection in the actuator is static. Analytically modeling the actuator is difficult and time-consuming. Alternatively, numerous finite element simulations are carried out for the actuator analysis and design. According to the design results, a real prototype of the actuator is fabricated. An experimental test system is then built. Using the test system, the force output of the fabricated actuator is evaluated. The test results validate the actuator analysis and design.

가변 통기성 의복을 위한 스마트 개폐장치 개발: 양방향 작동 액추에이터 제작을 위한 일방향 형상기억합금 와이어의 최적 직경 및 전압인가 단위시간의 도출

김상구,김민성,유신정 한국감성과학회 2018 감성과학 Vol.21 No.2

본 연구에서는 가변 통기성 스마트 의류의 제작을 위해 필요한 형상기억합금 액추에이터의 작동 조건을 파악하였다. 의복의 개방, 폐쇄와 같은 양방향 작동 시 형태 변형 시에만 전력을 소모하는 저전력 소모 액추에이터 개발을 위해 복수 채널의 일방향 형상기억합금을 이용하여 스위치로 작동되는 액추에이터를 설계하였으며 가장 효율적으로 작동할수 있는 와이어의 직경과 전압인가 단위시간을 도출하였다. 선행연구 결과 도출된 양방향 작동이 가능한 일방향 형상기억합금의 직경 범위 내에서 Arduino 스위치를 제작하여 3.7V 전압인가 시 변화량을 분석한 결과 0.4Φ의 액추에이터가가장 적합한 것으로 나타났다. 0.4Φ 형상기억합금와이어를 사용한 양방향작동 액추에이터의 개방, 폐쇄에 필요한최적전압인가 시간을 도출하기 위해 액추에이터의 최대개방, 최소폐쇄 도달 전압인가 시간으로부터 50ms씩 감소, 증가 시키며 냉각 후 액추에이터의 내경을 비교하는 방식으로 측정한 결과 개방 동작에 필요한 최적 전압인가 단위시간은 4,100ms로 나타났다. 각 채널간의 발열에 의한 간섭을 최소화하기 위한 양방향간 작동 시 필요 딜레이 분석을위해 상온에서 형상기억합금에 최적 전압입가 시간인 4.1초 동안 전원을 공급하고 가열 후 냉각까지의 과정을 열화상카메라로 촬영하여 형상기억합금 와이의 온도가 냉각시의 상변태온 이하로 하강하는 시점을 파악한 결과, 액추에이터의양방향간 작동 딜레이는 1.8초 이상이 확보되어야 함을 파악할 수 있었다. The study figured out the operational conditions of a two-way movement actuator made of one-way shape memory alloy (OWSMA) for versatile ventilation intelligent garments. To develop a low-power actuator that consumes energy only when a garment changes its form such as opening and closing, multiple channels of OWSMA were used, and optimum diameter of the wires was examined. For the switch device, optimum voltage application unit time was determined. Optimum diameter of OWSMA wire was determined by applying 3.7V to the pre-determined candidate diameters, which demonstrated two-way operation in previous studies. In order to evaluate the optimum voltage application time, the internal diameter of the actuator was measured while increasing and decreasing by 50 ms from the unit time of voltage application. Delay time under two-way operation of the actuator was measured to minimize interference caused by heat between channels. Power of 3.7V was applied to OWSMA for assessment of optimal time, and the whole process from heating to cooling was video-recorded with a thermal image camera to determine the point of time at which the temperature of OWSMA wire dropped below the phase transformation temperature. The results showed that 0.4Φ was the most suitable diameter, and the optimum unit time of voltage applied to open and close the actuator was 4100ms. It was also shown that the delay time should be more than 1.8 seconds between two-way operations of the actuator.

소형 무인 비행체 조종면 작동용 압전 복합재료 작동기 연구

윤범수 ( Bum Soo Yoon ),박기훈 ( Ki Hoon Park ),윤광준 ( Kwang Joon Yoon ) 한국복합재료학회 2014 Composites research Vol.27 No.2

본 논문은 기존의 유/공압 및 전기식 모터를 대체할 수 있는 경량, 고성능 지능소자 구동기를 설계/제작하고 이를 소형 무인비행체의 조종익 시스템에 적용 가능성을 연구한 것이다. 또한 압전 복합재료 작동기에 대한 성능평가를 수행하였으며, 유니모프 및 바이모프 형태의 작동기를 제작하여 각각의 작동 특성을 확인하였다. 이와 같은 성능시험 평과 결과를 통해 바이모프 형태의 작동기가 하중 유무와 무관하게 선형적인 받음각 변화를 가짐을 알 수 있었다. 이러한 지능소자 구동 시스템은 소형 로봇, 유도무기 및 MAV, UAV의 조종익 제어 시스템으로 사용될 수 있는 가능성을 확인하였다. The purpose of the present study is to develop lightweight and simple smart actuators in order to replace conventional hydraulic/pneumatic actuators, and to apply the developed actuators to the actuation systems of a small unmanned air vehicle. This research describes the procedures of design, manufacturing of the piezo-composite actuator, and the performance evaluation. From the test results of the developed devices, we found the possibility of piezo-composite actuator could be used as a control surface of a small UAV system. We have designed and manufactured two kinds of piezo-composite actuators, unimorph actuator and bimorph actuator. The manufactured actuators were evaluated through the performance testes. It was found that the bimorph type actuator showed more linear angle change for the same excitation voltage variation than unimorph type. It is expected that piezo-composite actuator has a possibility to be used not only as a control surface of small unmanned flying vehicle but also as a control surface actuator of a guided missile fin through the miniaturization of power supply and control system.

자기장해석을 통한 카메라폰의 자동초점조절용 액츄에이터 개발

정명진(Chung Myung-Jin) 대한기계학회 2005 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2005 No.5

Auto-focus actuator, which is used to move a lens module in the mobile phone having a camera module, is developed. Camera module containing auto-focus actuator requires to minimize total size because of application area such as mobile phone, digital camera, and personal digital assistant. There are stepping motor, voice coil motor, and piezoelectric motor as auto-focus actuator. In this paper, voice coil motor having new electromagnetic configuration is proposed. And actuator using proposed voice coil motor is developed by magnetic field analysis and optimal design method. The size of developed actuator is reduced to 67.3% compared with actuator using previous electromagnetic configuration. From the performance test, developed actuator has moving stroke of 0.4㎜, full stroke current of 100㎃, and unit step motion of 10㎛.

플라즈마에 의한 평형 유동을 고려한 스파크제트 액츄에이터 유동 해석 프로그램 개발과 추력 특성 연구

김형진(Hyung-Jin Kim),신진영(Jin Young Shin),채정헌(Jeongheon Chae),안상준(Sangjun Ahn),김규홍(Kyu Hong Kim) 한국항공우주학회 2019 韓國航空宇宙學會誌 Vol.47 No.2

스파크제트 액츄에이터는 플라즈마 합성 제트 액츄에이터(plasma synthetic jet actuator, PSJA)라고도 불리는 능동 유동 제어 장치로, 초음속 유동의 제어 가능성이 있어 많은 연구가 진행 중이다. 이 액츄에이터는 아크 플라즈마를 이용해 캐비티(cavity) 내부에 에너지를 주입하여 온도와 압력을 상승시킨다. 온도와 압력이 상승한 캐비티에서 오리피스(orifice)를 통해 압력파와 제트가 분출되어 외부 유동에 교란을 준다. 플라즈마의 영향으로 캐비티 유동은 고온, 고압의 평형 유동이 되기 때문에 스파크제트 액츄에이터의 유동 해석을 위해선 공기의 평형 상태를 고려해야 한다. 본 연구에서는 평형 유동의 특성을 고려하여 스파크제트 액츄에이터 유동 해석을 위한 수치해석 프로그램을 개발했다. 개발된 프로그램의 검증으로 문헌에서 얻을 수 있는 실험 결과와 시간에 따른 제트의 위치를 비교했다. 또한 상온, 상압의 무풍에서 액츄에이터의 추력 특성을 분석했다. Sparkjet actuator, also known as plasma synthetic jet actuator (PSJA), is an active flow control device that has possibility of controling supersonic flow. This actuator utilizes arc plasma to deposit energy onto the gas inside the cavity to raise temperature and pressure. A change in the state of the fluid inside the cavity generates pressure waves and momentum jet, and they are exhausted through out the orifice exit and disturb external flow field. Since the cavity flow is affected by arc plasma, which is an equilibrium plasma and have generated equilibrium flow, the equilibrium state of air should be considered in order to analyze the flow of sparkjet actuator. In this study, numerical program for equilibrium flow was developed for the use of sparkjet actuator analysis. The developed program was validated by comparing the time – accurate jet front positions with the reference result. Then, impulse characteristics of the actuator in the atmospheric quiescent air were explained.