KR20110075964A - 자기유변유체 댐퍼 제어방법 - Google Patents

자기유변유체 댐퍼 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기유변유체 댐퍼 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 자기유변유체 댐퍼 제어방법은 인가되는 자기장의 세기에 따라 점성이 변화하는 자기유변유체(Magnetorheological fluid)를 이용한 것으로서, 외부 충격이 감지되면 상기 자기장을 생성하기 위한 전자석에 대한 전원 공급을 차단하여 초기 상태에서 형성되어 있는 자기장을 소멸시킴으로써 상기 자기유변유체의 점성을 증가시켜 상기 외부 충격을 흡수하는 셧다운(Shutdown) 단계 및 상기 셧다운 단계 이후 상기 전자석에 비례적분미분 제어 방식으로 전원을 공급하여 상기 자기유변유체 댐퍼의 출력을 안정화시키는 비례적분미분 제어단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 외부 충격을 빠르고 안정적으로 흡수할 수 있는 효과가 있다.
자기유변유체(Magnetorheological fluid), 댐퍼(damper), 셧다운(Shutdown), 비례적분미분(PID) 제어, 폴링 타임(Falling Time)

Description

자기유변유체 댐퍼 제어방법{MAGNETORHEOLOGICAL FLUID DAMPER CONTROL METHOD}
본 발명은 자기유변유체 댐퍼 제어방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 외부 충격을 빠르고 안정적으로 흡수할 수 있는 자기유변유체 댐퍼 제어방법에 관한 것이다.
MR(Magnetorheological) 유체는 자기장 부하 시 유체 흐름의 저항이 증가하는 MR 효과를 가진 유체로 Jacob Rabinow가 최초로 발견, 개발하였으며, Winslow의 ER 효과와 유사한 현상을 보인다.
이러한 MR 유체는 낮은 투자율(permeability)의 용매에 상자성(paramagnetic)입자를 분산시킨 유체로, 자기장 무부하 시에는 입자가 자유롭게 운동하는 뉴토니안(Newtonian) 유체와 같은 거동을 보이지만 자기장 부하 시에는 입자가 대전되어 체인 구조를 형성하여 항복응력을 갖는 빙햄(Bingham)유체의 거동을 보인다.
MR 유체의 자기장에 따른 항복응력의 연속적 변화는 댐퍼, 밸브, 마운트, 클 러치, 브레이크 등 폭 넓은 응용장치에 적용될 수 있으며, 이러한 응용장치는 MR 유체 자체의 성능에 크게 영향을 받는다. 따라서 MR 유체의 거동을 규명하는 것이 매우 중요하다.
MR 유체의 유동 특성은 자극과 유체의 상대운동에 따라 세 가지 형태로 분류할 수 있다. 첫 번째 형태는 전단모드(shear mode) 혹은 회전 전단모드(rotational shear mode)로, 평행한 두 개의 평판 중 한쪽의 자극은 고정되어 있고 다른 한쪽이 회전이나 이동을 하는 형태이다. 클러치 및 브레이크 시스템이 이러한 형태의 거동을 하게 된다. 두 번째 형태는 고정된 자극 사이로 유체가 이동하는 유동모드(flow mode)이다. 이 형태는 댐퍼, 밸브, 마운트 등 유체가 흐르는 관내에 유체의 압력 변화와 유량 변화가 동시에 일어나는 형태이다. 마지막 세 번째 형태는 유체의 유동과 전극의 움직임이 수직 방향으로 일어나는 압착모드(squeeze mode)이다. 이 형태는 전극과 유체의 유동은 매우 적게 일어나지만 엔진마운트, 스마트 구조물 등에 응용하기 위한 연구가 수행되고 있다.
이러한 MR 유체가 적용된 자기유변유체 댐퍼를 제어하기 위한 종래의 방식이 도 1과 도 2에 개시되어 있다.
도 1은 비례적분미분 제어를 이용한 종래의 방식에 따른 자기유변유체 댐퍼 의 출력파형을 개념적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 그 구체적인 실험 예를 나타낸 도면이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 종래의 경우 일반적으로 자기유변유체 댐퍼의 제어 시 단순히 비례적분미분(PID) 제어 방식만을 사용하였다. PID 제어방식인 경우 외부 충격이 흡수되어 안정화 상태에 이르기까지의 동작인 폴링(Falling) 동작 시 자기유변유체의 특성 때문에 긴 시간(△t1)이 소요되어 빠른 동작을 원하는 시스템에서 사용이 어렵다는 문제점이 있다.
차량에 사용되는 자기유변유체 댐퍼의 경우 매우 빠른 동작을 요구하는데 이런 경우 적절한 제어가 되지 않는다는 문제점이 있다. 따라서 빠른 동작과 정밀한 제어가 가능한 폴링(Falling) 기법이 요구된다.
본 발명은 외부 충격을 빠르고 안정적으로 흡수할 수 있는 자기유변유체 댐퍼 제어방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 외부 충격이 흡수되어 안정화 상태에 이르기까지 걸리는 시간인 폴링 타임(Falling Time)을 획기적으로 줄일 수 있는 자기유변유체 댐퍼 제어방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 자기유변유체 댐퍼 제어방법은 인가되는 자기장의 세기에 따라 점성이 변화하는 자기유변유체(Magnetorheological fluid)를 이용한 것으로서, 외부 충격이 감지되면 상기 자기장을 생성하기 위한 전자석에 대한 전원 공급을 차단하여 초기 상태에서 형성되어 있는 자기장을 소멸시킴으로써 상기 자기유변유체의 점성을 증가시켜 상기 외부 충격을 흡수하는 셧다운(Shutdown) 단계 및 상기 셧다운 단계 이후 상기 전자석에 비례적분미분 제어 방식으로 전원을 공급하여 상기 자기유변유체 댐퍼의 출력을 안정화시키는 비례적분미분 제어단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 셧다운 단계에서, 외부 충격의 세기에 대응하는 셧다운 지속시간이 기 저장되어 있는 룩업(Lookup) 테이블을 참조하여 상기 외부 충격의 세기에 대응하는 셧다운 지속시간동안 상기 셧다운 단계를 지속시키는 것을 특징으로 한다.
상기 비례적분미분 제어단계는 상기 자기유변유체 댐퍼의 출력이 기 설정된 안정치에 도달할 때까지 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 외부 충격을 빠르고 안정적으로 흡수할 수 있는 자기유변유체 댐퍼 제어방법이 제공되는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 외부 충격이 흡수되어 안정화 상태에 이르기까지 걸리는 시간인 폴링 타임(Falling Time)을 획기적으로 줄일 수 있는 자기유변유체 댐퍼 제어방법이 제공되는 효과가 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기유변유체 댐퍼 제어방법을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 있어서의 자기유변유체 댐퍼를 회로적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 셧다운 방식과 비례적분미분 제어를 이용한 경우의 자기유변유체 댐퍼의 출력파형을 개념적으로 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 셧다운 방식과 비례적분미분 제어를 이용한 경우의 자기유변유체 댐퍼의 출력파형에 대한 실험 예를 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예는 인가되는 자기장의 세기에 따라 점성이 변화하는 자기유변유체(Magnetorheological fluid)를 이용한 자기유변유체 댐퍼 제어방법으로서, 외부 충격을 감지하는 단계(S10), 외부 충격의 세기를 감지하는 단계(S20), 셧다운(Shutdown) 단계(S30), 비례적분미분 제어단계(S40) 및 안정화 여부를 감지하는 단계(S50)를 포함하여 구성된다.
<외부 충격을 감지하는 단계(S10)>
외부 충격을 감지하는 단계(S10)에서는, 외부로부터 자기유변유체 댐퍼에 가해지는 충격이 있는지 여부를 감지한다. 이 단계에서의 감지 결과 외부 충격이 감지되면 가해지는 외부 충격의 세기를 감지하는 단계로 전환된다. 외부 충격이 감지되지 않으면 초기 상태로 전환되어 외부 충격이 있는지 여부를 확인한다. 여기서, 초기 상태는 자기유변유체 댐퍼에 외부 충격이 가해지지 않은 상태를 의미한다.
<외부 충격의 세기를 감지하는 단계(S20)>
외부 충격의 세기를 감지하는 단계(S20)에서는, 외부로부터 자기유변유체 댐퍼에 가해지는 외부 충격의 세기를 감지한다. 예를 들어, 외부 충격의 세기는 자기유변유체 댐퍼에 설치된 충격 센서를 이용하여 감지할 수 있다. 후술하겠지만, 이 외부 충격의 세기는 셧다운 단계(S30)의 지속시간을 결정하는 데이터로 이용될 수 있다.
<셧다운 단계(S30)>
셧다운 단계(S30)에서는, 외부 충격이 감지되면 자기장을 생성하기 위한 전자석에 대한 전원 공급을 차단하여 초기 상태에서 형성되어 있는 자기장을 소멸시킴으로써 자기유변유체의 점성을 증가시켜 외부 충격을 단시간에 1차적으로 흡수한다.
예를 들어, 이 셧다운 단계(S30)의 지속시간(△ts)은 기 설정된 데이터가 저장되어 있는 룩업(Lookup) 테이블(Lookup)을 참조하여 결정되도록 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 이 룩업 테이블에는 외부 충격의 세기에 대응하는 셧다운 지속시간(△ts)이 미리 저장되어 있다. 이 셧다운 지속시간(△ts)은 여러 가지 세기를 갖는 외부 충격을 짧은 시간 내에 안정적으로 흡수하기 위한 것이며 정밀한 실험을 반복하여 획득된 값이다. 셧다운 단계(S30)에서는 이 룩업 테이블을 참조하여 외부 충격의 세기에 대응하는 셧다운 지속시간(△ts) 동안 셧다운 단계(S30)를 지속시킨다. 이 셧다운 단계(S30)와 후술하는 비례적분미분 단계(S40)의 실행에 따라, 외부 충격은 짧은 시간 내에 안정적으로 흡수되는 것이다.
<비례적분미분 제어단계(S40)>
비례적분미분 제어단계(S40)에서는, 셧다운 단계(S30) 이후 전자석에 비례적분미분 제어 방식으로 전원을 공급하여 자기유변유체 댐퍼의 출력을 안정화시킨다. 이러한 비례적분미분 제어는 일반적으로 알려져 있는 기법이므로 그 상세한 설명은 생략한다.
<안정화 여부를 감지하는 단계(S50)>
안정화 여부를 감지하는 단계(S50)는 비례적분미분 제어가 실행되는 시간을 결정하기 위한 단계이다.
이 단계에서 기 설정된 안정치를 감지하는 경우에는 자기유변유체 댐퍼에 대한 제어 동작이 종료되고, 안정치를 감지하지 못한 경우에는 비례적분미분 제어단계가 계속적으로 실행된다.
이하에서는 자기유변유체 댐퍼에 동일한 크기의 외부 충격이 가해진 경우의 예를 들어, 본 실시 예에 따른 효과를 종래의 경우와 대비하여 설명한다.
먼저 도 1에 개시된 바와 같이 비례적분미분 제어만을 이용한 종래의 방식에 따르면, 도 2에 개시된 바와 같이 외부 충격이 흡수되어 안정화 상태에 이르기까지 걸리는 시간인 폴링 타임(Falling Time)은 △t1이 된다.
반면, 도 5와 같이 셧다운과 비례적분미분 제어를 병행하는 본 실시 예에 따르면, 도 6에 개시된 바와 같이 폴링 타임이 △t2로 줄어든다. △t2는 대략적으로 △t1의 52% 수준이다. 즉 본 실시 예에 따르면 종래의 경우보다 폴링 타임이 획기적으로 단축되는 효과가 있는 것이다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아 니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 비례적분미분 제어를 이용한 종래의 방식에 따른 자기유변유체 댐퍼 의 출력파형을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 비례적분미분 제어를 이용한 종래의 방식에 따른 자기유변유체 댐퍼의 출력파형에 대한 실험 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기유변유체 댐퍼 제어방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 있어서의 자기유변유체 댐퍼를 회로적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 셧다운 방식과 비례적분미분 제어를 이용한 경우의 자기유변유체 댐퍼의 출력파형을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 셧다운 방식과 비례적분미분 제어를 이용한 경우의 자기유변유체 댐퍼의 출력파형에 대한 실험 예를 나타낸 도면이다.
***** 도면의 주요 부분의 부호에 대한 설명 *****
S10:외부 충격을 감지하는 단계
S20: 외부 충격의 세기를 감지하는 단계
S30: 셧다운(Shutdown) 단계
S40: 비례적분미분 제어단계
S50: 안정화 여부를 감지하는 단계

Claims (3)

  1. 인가되는 자기장의 세기에 따라 점성이 변화하는 자기유변유체(Magnetorheological fluid)를 이용한 자기유변유체 댐퍼 제어방법에 있어서,
    외부 충격이 감지되면 상기 자기장을 생성하기 위한 전자석에 대한 전원 공급을 차단하여 초기 상태에서 형성되어 있는 자기장을 소멸시킴으로써 상기 자기유변유체의 점성을 증가시켜 상기 외부 충격을 흡수하는 셧다운(Shutdown) 단계; 및
    상기 셧다운 단계 이후 상기 전자석에 비례적분미분 제어 방식으로 전원을 공급하여 상기 자기유변유체 댐퍼의 출력을 안정화시키는 비례적분미분 제어단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기유변유체 댐퍼 제어방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 셧다운 단계에서,
    외부 충격의 세기에 대응하는 셧다운 지속시간이 기 저장되어 있는 룩업(Lookup) 테이블을 참조하여 상기 외부 충격의 세기에 대응하는 셧다운 지속시간동안 상기 셧다운 단계를 지속시키는 것을 특징으로 하는, 자기유변유체 댐퍼 제어방법.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 비례적분미분 제어단계는 상기 자기유변유체 댐퍼의 출력이 기 설정된 안정치에 도달할 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는, 자기유변유체 댐퍼 제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106051028A (zh) * 2016-06-14 2016-10-26 西南交通大学 浮置板轨道磁流变阻尼控制方法及装置

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