발명의 명칭:진동억제를위한충격형태의 대응신호생성장치 및 방법

기술분야

[1] 본발명은진동제어장치및방법에관한것으로,� �욱상세하게는진동을 억제할수있는충격형태의대응신호생성장치및 방법에관한것이다.

배경기술

[2] 일반적으로진동은도 1과같이충격이작용한후원심력같은지속적인� �력의 공급이없어시간이지나며소멸되는과도진동 (Transient response)과도 2와같이 회전체의원심력으로부터발생된진폭이일정하 게유지되는정상상태 진동 (Steady state response)이있다.과도진동의 예로는증간소음,순간적 가·감속에의한진동등이 있고코골이,배관진동과같은유체유발진동 (Flow induced vibration)도이에해당된다.

[3] 정상상태진동은모터,스핀들,헬기/풍력발전기 로터,선박프로펠러,모니터, 스크류등의회전체를갖는기계나장비의진동이 다..

[4] 진동을줄이는장치로는댐퍼가가장널리사용되 고있으며,댐퍼는수동

댐퍼 (Passive damper)와능동댐퍼 (Active damper)로분류된다.

[5] 먼저,수동댐퍼는,스프링이나진동흡수재를진� ��부위에추가하여진동하는 물체의내부응력,마찰에너지를소산시켜진동� �흡수하는장치이다.그런데, 수동댐퍼를설치할경우구조물의강성이낮아질 수있어진동의전체적인 크기가더커질수도있으므로,제품품질,내구성� ��신뢰도가저하될수있다.

[6] 능동댐퍼는센서에서진동을감지하고,신호발� �기로대응신호를생성하여 액추에이터로전달후액추에이터작동을통한대 응신호공급으로진동을 경감시키는장치이다.일반적으로능동댐퍼키� � (Kit)내에서 ,진동분석을 수행하는경우와진동분석을수행하지않는경우 ,진동분석을선행하여 대응신호를미리설정하고진동발생시대응신호 를즉시공급하는경우로 구분될수있다.

[7] 능동댐핑키트내에서진동분석을수행하는경우 에는주파수분석기를

이용하여진동신호를분석하는과정을거치므로 고가의주파수분석기가 (최소 W00만원이상)필수적으로필요하며，부피가큰� �어기와센서및

액추에이터간의신호송수신과정에여러부품 (안테나,배터리 ,케이블)이 필요하고,적당한신호를공급하기위한신호발� �기가추가되는단점이 있다.

[8] 주파수분석기는진동에대한정확한분석이가능 한효과적인장비이지만, 연산과정이복잡하여신호를분석하는과정 (시간영역신호를주파수영역 신호로전환하는시간)에만 2~4초의시간이소요되어진동발생후수십 주기 (주파수가 10Hz일경우 20~40주기)가지난후에반응 (대응신호의출력)이 2020/175899 1»（：1^1{2020/002717 가능해지므로실시간진동제어가불가능하여제 어효율이낮은문제가있다.

[9] 도 3을참고하면,미국특허제 2009- 114821호의경우,능동댐핑키트내에

주파수분석과정이포함된능동댐핑시스템의메 커니즘을간단히요약하면, 센서에의해측정된진동신호를주파수분석기가 분석하여유한개의주파수 성분들을얻고,빨간박스로표시된능동댐핑키� �내의주파수분석기,컨트롤 박스혹은기타측정장비를통해진동신호를분석 하여신호발생기로역위상의 진동파를액추에이터로전달한다.이에,측정된� ��동신호와액추에이터가 공급하는역신호가만나상쇄되어진동을완화시 키는것이다.

[1이 그러나,도 4의종래능동댐퍼의작동메커니즘을파형으로� �타낸설명도를 참고하면,이기술은진동신호（시를즉정한후� �동분석과정을거쳐

진동신호（서에정확히반대의위상을갖는대응 신호（피를공급하는것이 목적인데,

[11] 상기한바와같이,주파수분석과정이능동댐퍼� �에서수행되면,진동을

분석하여복수의주파수성분의파형을분석하고 대응신호를공급하는전체 과정에서긴시간（2~4초）이소요되어실시간제 어가불가능하고,능동댐퍼에 포함될주파수분석기의가격이고가이어서능동 댐퍼의가격이매우높아지는 문제가있다.또한,원래의진동신호와동일한주� ��수성분의진동이대응신호로 공급되므로필연적으로공진이발생하여진동이 커질가능성이매우높다.

[12] 능동댐퍼키트 뇨）내에서진동분석을수행하지않는경우는진 동측정후 진동분석과정없이그대로위상을반전시켜대응 신호로생성한후

액추에이터로전달해대응신호를공급한다.

[13] 도 5를참고하면,일본공개특허제 2009- 114821호의경우,능동댐퍼의

메커니즘을요약하면,센서（1）로부터측정된� ��호가위상반전기（31, 32）를 통과하여정반대위상의신호（빨간박스로표시 된부분）로액추에이터（2）를 구동시켜진동체（4）에대응신호를공급한다.

[14] 그런데,이기술은측정된진동신호를그대로반� �시켜신호전체（+，-방향 모두）에대해액추에이터가진동체와정확히반 대로움직여야하므로, 액추에이터（2）를진동체（4）에부착해야만� ��다.

[15] 즉,이방식은대응신호의작동진동수와진동체� �고유진동수와일치하게되어 액추에이터와진동체간공진이필연적으로발생 하게된다.

[16] 또한,일반적으로신호처리는입력된신호에대� �연산인데,도 4의경우와 같은주파수분석과정만큼의시간은아니지만신 호가복잡할수록신호처리에 소요되는시간이증가한다.복잡한신호의진동� �정확히반대위상의신호를 발생시키는과정에서노이즈,에러 ,딜레이타임발생가능성이매우크다.

따라서진동신호가복잡한경우에는도 6과같이딜레이（0 _£ 타임이길어져 위상차가발생하고최악의경우（위상차 180ᄋ）진폭이 2배로증가할수있다.

[17] 진동체의진동분석을선행하여대응신호를미리 설정한후진동발생시

대응신호를즉시공급하여진동을제어하는기술 이나타나있다.도 7을 2020/175899 1»（：1^1{2020/002717 참고하면등록번호제 ^-1903982호의경우,진동제어장치의작동메커니� �을 아래의 3단계로요약할수있다.

[18] - 1단계 :진동체에대한진동분석을선행하여,무한개의� ��파수성분진동중 가장큰진폭을갖는유한 (1~3)개의주파수성분을파악한다.그리고,분석� �과를 바탕으로대응신호를미리설정한다.

[19] - 2단계 :진동발생시센서에서감지하여제어부에전달� �다.

[2이 - 3단계 :진동신호가제어부로전달되면,미리설정된대� ��신호를

[21] 출력하여액추에이터를구동한다.

[22] 상기의진동분석을선행하는것으로장치내주파 수분석기가불필요하고

유한 (1~3)개의주파수성분만대응하므로신호처리과� ��이단순해위두 기술보다딜레이타임이단축될수있다.

[23] 이기술에는대응신호를도 8과같이진동신호전체에반대위상으로대응하� � 방법과도 9와같이주기의일부 (1/4주기)동안만대응신호를공급하는방법을 제시하고있다.

[24] 상기의대응신호공급과정에서발생할수있는공 진가능성을차단하기위해 진동체와액추에이터사이를분리시킨다고언급 되있으나,도 8과같은경우는 진동과대응신호가정확히반대위상을가지며 (+), (-)방향에모두

대응해야하므로액추에이터를진동체에필수적 으로부착해야하며,두신호가 같은주파수성분의진동이므로공진이발생하게 된다.도 9와같은경우에는 주기의일부 (1/4주기)동안만대응신호를공급하는형태로가� ��단순하지만, 주기의일부가일부가일치하여공진할가능성이 있고,가장큰문제점으로는 대응신호의형태가연속적이므로순간적으로짧 은대응신호가

무한번 (지속적으로)공급되는것과동일하다.

[25] 실제로,발생된진동에연속적대응신호를무한� �공급하면진동이더커지는 역효과가발생한다.상기의역효과를쉽게이해� �기위하여,연속적대응신호를 단순화하여그중일부만을공급해보면분명히확 인할수있다.도 10은도 9의 1/4주기동안공급되는연속적대응신호를 5회의단속적대응신호로단순화한 것을나타낸다.

[26] 도 11은발생된과도진동에대응신호를공급하는시� �� 에서진동을

상쇄시킬수있는정확한충격대응신호가단 1회만공급되어도진동이 소멸되는그림이다.대응신호의형태가매우짧� �시간동안공급되는충격이기 때문에주파수성분이없어공진과위상차로인한 문제가없고,충격시점의 대응신호크기만결정하면되므로위상차로인한 문제도없으며,단 1회만 공급되기때문에진동이더커지는부작용도없다 .이결과는도 21, 22의 실험사진/동영상으로도확인할수있다.

[27] 도 12는도 10에서도시된단순화한 5회의단속적대응신호를모두진동신호에 공급한결과를나타낸다.시간 에서 1차대응신호공급으로진동이상쇄되어 2020/175899 1»（：1^1{2020/002717 진동이줄어들지만,시간 _/2 에서 2차대응신호때문에 진동은다시 생겨난다. 시간 _/2 와 _/3 사이의추가대응신호가없어 진동크기가감소하지만,다시 _/3 , _/4 ， _/5 에서의추가대응신호공급으로인해진동크 기가더커지게된다.

[28] 즉, 1회충격 대응신호로진동이감소한후,추가 2~5회 (연속공급시실제로는 무한번)의 계속되는충격 대응신호에 의해진동이 더커지는현상이발생한다.

[29] 연속적 대응신호공급은도 12과같이 단순화된 5회의 대응신호가공급되는것 보다더진동이 커지는부작용이 발생한다.

[3이 상기내용은연속적 형태의 대응신호를사용하는종래기술모두에해당되며 , 이러한대응신호는공진유발 (진동매우커짐 ),딜레이타임에 의한대응시점 부정확 (위상차)으로제어 효율이낮은문제점,충격 형태가아닌연속적 대응신호는진동을더욱크게하는문제점이 있다.

[31] 반면에,충격형태의신호는주파수성분이 없어 공진가능성이 전혀 없으며, 딜레이타임을미리고려하여 대응신호공급시점이 결정되므로딜레이타임에 따른위상차문제가없고,진동이제어된후계속� �는신호공급이 없어진동을 크게할가능성도전혀 없다.따라서 진동신호를억제하기위해 대응신호를 공급할때는,지속적으로공급하지 않고충격 형태의신호로공급하여 진동을 제어하는것이바람직하다.

발명의상세한설명

기술적과제

[32] 상기와같은문제점을해결하기 위한본발명의목적은,충격 형태의

대응신호를공급하여공진,위상차,진동이 더커지는부작용없이 진동을 억제시키는충격신호생성장치 및방법을제공하는데 있다.

과제해결수단

[33] 상기목적을달성하기위한본발명은도 13을참고하면,진동체 (10)로부터 진동을감지하는센서 (100);감지된진동을상쇄할충격 대응신호를생성하여 전달하는제어부 (200);및전달된대응신호로구동되는액추에이터 (300)로 구성된다.

[34] 센서 (100)는진동발생및크기를감지하여 제어부 (200)로전달한다.

[35] 제어부 (200)는미리설정된데이터를바탕으로충격 대응신호를생성하고, 액추에이터 (300)로전달한다.

[36] 액추에이터 (300)는전달된신호로구동되어충격 대응신호를공급하여 진동을 억제한다.

[37] 상기제어부는출력후잔여진동이큰경우추가로 제어부 (200)를실행할수 있는반복실행부 ( 0)를포함한다.

[38] 상기의충격 대응신호를공급하기위해도 14와같이진동측정을통해진동 신호를구성하는다양한주파수성분들중가장큰 진동을갖는주파수성분을 2020/175899 1»（：1^1{2020/002717 파악한후그특성 (주파수,주기 )과대응신호공급시점을제어부 (200)에미리 프로그래밍한다.가장큰진동을갖는주파수성� �은진동체의진동특성에 해당하므로,진동측정시진동체의고유진동수� �는작동주파수처럼일관되게 나타난다.

[39] 상기의프로그래밍은도 16을참고하면,그림 14에서진동측정을통해파악된 가장큰진동을갖는주파수성분의주기를알고있 으므로,진동발생 (①)후 1/4주기가지나는시점 (③) ,한주기가지나는시점 (④)에해당하는진동양상을 미리파악할수있다.

[4이 대응신호공급시점 (②)은센서감지에서액추에이터반응까지소요� ��는

시간 (수 정도)이다.구체적으로는센서 (100)에서진동감지후제어부로 신호를송신하는시간,제어부 (200)에서대응신호를생성및액추에이터 (300)로 전달하는시간,그리고액추에이터 (300)가반응하는시간에해당한다.

[41] 상기의충격대응신호공급방법은발명을실시하 기위한구체적인내용에 상세히설명하였다.

[42] 본발명을통해진동발생부터진동이제어되는과 정은아래의단계로요약할 수있다.

[43] 첫째,진동측정으로가장큰진동을갖는주파수� �분의특성 (주파수,주기)을 파악하는단계

[44] 둘째 ,상기주파수성분의특성과대응신호공급시점� �제어부 (200)에

프로그래밍하는단계

[45] 셋째,진동발생시센서 (100)가크기를감지후제어부 (200)로전달하는단계

[46] 넷째 ,제어부 (200)에서첫째단계에서미리파악된주파수성분� ��진동크기에 대응하는충격신호를생성및액추에이터 (300)로전달하는단계

[47] 다섯째 ,액추에이터 (300)가충격대응신호를공급하는단계

[48] 여섯째,대응신호공급후잔여진동이큰경우반� �실행부 ( 0)로해당진동에 대해추가로충격대응신호를공급하는단계

[49] 도 15는상기의진동신호,충격대응신호,그리고결� �를보인예시도이다. 왼쪽의진동신호는도 14와동일 (진동측정을통해파악된가장큰진동을갖는 주파수성분의신호)하며,자세한확인을위해파� ��동그라미부분을확대도시한 것이다.가운데대응신호는미리파악된진동특� �을바탕으로②에서의진동을 소멸시킬수있는충격신호를제어부 (200)에서생성하여액추에이터 (300)로 전달한것이고,액추에이터 (300)가구동되어대응신호를공급한다.오른쪽의 결과신호를보면충격신호가공급된②에서진동 이소멸되는것을확인할수 있다.

발명의효과

[5이 본발명에따라진동을억제할수있는충격형태의 대응신호생성장치및 방법을이용할경우에는도 17과같이매우짧은시간 (0.001 ~0.02 ₈ )동안의충격 2020/175899 1»（：1/10公020/002717 대응신호로진동을억제할수있어,다음과같은� �래기술에서의부작용이 발생하지 않는다.

상기충격 형태의 대응신호는매우짧은시간동안대응신호가공급 되므로, 반복성이 없어진동체의고유진동수와의공진가능성이 없다.

52] 또한,진동측정을통해파악된진동크기가큰소� �개의주파수성분에만

대응하고,충격 대응신호의 형태가도 17과같이짧은순간에만발생하는매우 단순한형태의신호이므로신호처리과정이짧고 오류발생가능성이낮아 효율적 진동제어가가능하며,대응신호크기를결정하� � 대응신호

공급시점에만정확히공급하면되므로,딜레이� �임발생에 따른위상차 문제점이 없다.

상기의가장큰진동을갖는주파수성분은진동측 정을통해미리 파악하므로, 장치 내분석기가필요없어소형 및저가의장치구성이가능하다.

요약하면,본발명에 따라진동감지후가장큰진동을갖는주파수를소 멸시킬 수있는충격 형태의 대응신호를공급하여진동을억제하면진동이 커지는 부작용없고,딜레이타임으로인한문제가없어 제어정확도/효율이높으며, 공진의우려가전혀엾는,저가의충격 형태 대응신호생성장치를구성할수 있다.

도면의간단한설명

[55 도 1은과도진동의 예시이다.

[56 도 2는정상상태진동의 예시이다

[57 도 3은능동댐퍼내에서 진동분석이 이루어지는기술의 예시이다.

[58 도 4는도 3능동댐퍼의 메커니즘으로진동신호 (A)에 정반대위상의

대응신호 (피를나타낸설명도이다.

[5 ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] 도 5는능동댐퍼내에서 진동분석이 이루어지지는않는기술의 예시이다.

42479 o 33568

55566666666 도 6은딜레이 (Delay)타임이길어져 위상차가발생하고최악의경우 (위상차 180ᄋ)진폭이 2배로증가하는예시도이다.

[6 도 7은진동분석을선행하는능동댐퍼의 메커니즘개념도이다.

도 8은도 7의 능동댐퍼기술에소개된진동신호와전체진동신 호에 대한 대응신호공급방법을보인예시도이다.

도 9는도 7의 능동댐퍼기술에소개된진동신호와 1/4주기동안공급하는 대응신호를보인예시도이다.

도 W은연속적 대응신호를 5회충격으로단순화한예시도이다.

도 11은진동신호에 1회충격 대응신호가공급된예시도이다.

도 12는진동신호에 5회충격 대응신호가공급되고진동이 커진것을보인 예시도이다.

도 13은대응신호생성장치를보인 예시도이다.

도 14는진동신호를구성하는주파수성분중가장큰� ��동을갖는주파수 2020/175899 1»（：1^1{2020/002717 성분을보인여 I시도이다.

[69] 도 15는진동신호와 1회의충격대응신호가공급된예시도이다.

[70] 도 16은시점볕진동신호의특성을보인예시도이다.

[71] 도 17온도 15의충격대응신호를학대하여도시한그림이다.

[72] 도 18은정상상태의진동의경우,구성하고있는주파 수성분들과가장큰

주파수성분의진동을보인여 |시도이다.

[73] 도 19는과도진동제어·위한충격대융신호·공급한 예시도이다.

[74] 도 20온정상상태진동제어를위한충격대응신호룰� ��급한에시도이다.

[75] 도 21은실험개념도와영상이다，

[76] 도 22는실험결과를보인것이다.

발명의실시를위한형태

[77] 명세서에서사용된용어는그단어가본래가지는 의미가확대해석될수

있으며서로다른의미룰가지는단어와단어가하 나의단어로조합됨으로써 광의의새로운의미룰가지는합성어형태룰취한 다.에룰들어대화라는단어와 채널이라는단어가합성되어대화채널을이 ¾으로써대화가행해지는통신 채널을의미하게된다.또한,명세서에서제시하� ��실시예는실시에바람직한 실시예이며,경우에따라다른구성이부가되거� �본래있던구성이생략됨이 가능하다.실시예에서구성을포함하다또는가� �다로실시될수있다.

[78] 이하,본발명에따른바람직한실시예·첨부된도 면을참조하여상세하게 설명한다.

[79] 도 13은대응신호생성장치룰보인여 I시도이다.

[80] 본발명의실시예로,충격대응신호생성장치는� �서（100》에서진동감지후 제어부（200）에서감지된진동을소멸시킬수있 는충격대응신호를생성및 전달하고,전달된대응신호로액추에이터（300� �가구동된다.

[81] 상기의충격대응신호는진동측정을미리실시하 여가장큰진동을갖는

주파수성분의특성과대응신호공급시점을파악 하여제어부（200）에

프로그래밍된된다.

[82] 상기의가장큰진동을갖는주파수성분의의미는 도 23을참고하면,진동

신호룰필터링하여대역폭이 1아社일 대역볕로가장큰진동을갖는주파수 성분의신호는（0~10 의경우 1 3 2!, 10~2아 의경우 1 1.3 , 30~7아社의경우 크기가큰주파수성분이존재하지않고, 100시 101 의경우 101.^2,

1 10~31아 의경우크기가큰주파수성분이존재하지않고， 310~32아½의경우 317.3卜1å， 32아社이후의주파수에서는미미한크기의주파� ��성분만존재》후그 중에가장큰주파수성분신호（1.36Hz의주파수성 분）룰파악한다.

정정용지（규칙 제 91조） 13 [¾ 2020/175899 1»（：1^1{2020/002717

[84] 도 23과같이,진동죽정을통해파악된진동신호를구 성하는다양한

주파수성분들의진동을분리하여도시한것이다 .대응신호는가장큰진동의 주파수성분 1~2개에정학히대응하면진동의대부분이소멸될 수있음을학인할 수있다. [[ᅡ라서충격대응신호는가장진동이큰주파수� ��분을제거하도록 생성한다.

[85] 도 16에대융신호생성과정을상세히설명하였다.도 23의가장큰진동을갖는 주파수성분신호의앞부분을확대한그림이다,� �은진동발생시점이고,②는 딜己· II이타임（진동감지되고액추에이터반융까지� ��중격대융신호생성/공급）의 시간）을고려한대응신호공급시점이고，③은 진동발생후초 I대진폭 도달시점（1/4주기》이고,④는한주기가지난� �점이다.

[86] 제어부（200）에서상기의정보룰프로그램화하 면，진동발생（①》시③에서

진폭이최대가되는것을알수있으므로,진동감� �후신호의기울기를통해 ②에서의진폭을미리예측할수있다.따라서센� �（100）에서①에서의진동 크기룰제어부（200）로전달하면,기울기룰통� � ©에서의진동을소멸시킬수 있는충격대응신호크기를결정하여생성및전달 할수있다 전달된 대응신호로액추에이터（300）가구동되고충격 대웅신호·진동체（10》에 공급하여진동을억제한다.

정정용지（규칙 제 91조） 13 [¾ 2020/175899 1»（：1^1{2020/002717

[87] 반복실행부（210）는충격대응신호공급후에도 큰잔여진동이남아있는경우 제어부（200》에서수행한과정을반복하여,액� �에이터（300》가해당진동크기에 대해추가로충격대융신호룰공급할수있다.

[88] 이러한결과로부터진동의양상이과도진동,정� �상태의진동인경우에도가장 큰주파수성분을찾아내어충격대응신호룰공급 하여진동을억제할수있다.

[89] 일반적으로진동은여러개의주파수성분으로구 성되어있는데，과도진동의 경우에는도 23이가장큰주파수성분을찾아낸예 이 ^[ 되,정상상태의진동의 경우에는도 18을참고하면, 4개의주파수성분으로구성된정상상태진동에� � 가장큰진동의주파수성분을확인할수있다.

[90] 충격대웅신호공급은과도진동의경우도 19룰참고하면,진동발생이후

추가적인외력공급이없으므로시간이갈수록마 찰과공기저항으로인해 진동크기가점점줄어드는형태이다.진동발생� �진동을억제할수있는 충격형태의대응신호를 1회공급시진동이바·로소멸되는것을탁인할수 있다.

[91 ] 진동의양상이정상상태의진동인경우에는도 20을참고하면，왼쪽그림처럼 진동이발생할 _마다충격대응신호룰공급하면，오른쪽그림� �같이대응신호 공급시점□[다진동이소멸하는것을학인할수� �다.

[92] 도 21온본발명의원리로제작된 168!미0 1성의실험구성도와실험영상을

캡쳐한것이고,실험방법으로는평판구조물에� �격을유발하여진동을 발생시킨후충격형태의대응신호룰공급한경우 와공급하지않은경우를 비교하는것이다.

[93] 도 22는도 21의실범결과를보인것이며，그림에서는가시� ��효과를위해

진동발생후한주기이후에대응신호룰공급하여 진동을제어했으나,실제의 경우진동발생직후대응신호·공급할수있다.

[94] 상기에서는본발명의바람직힌·실시예룰참조� ��여설명하였지만,해당기술 분야의숙련된당업자는하기의특허청구의범위 에기재된본발명의사상및 영역으로부터벗어나지않는범위내에서본발명 을다양하게수정및변경시킬 수있음을이해할수있을것이다.

정정용지（규칙 제 91조） 13 [¾