유연 구조물의 입력성형제어를 위한 변태 온도가 다른 직렬 형상기억합금을 이용한 작동기 설계 :Design of Actuator Using Series Shape Memory Alloy Wires with Different Phase Transformation Temperatures for Input Shaping Control of Flexible Structures

정광용

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자료유형: 학위논문

저자정보: 정광용 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 김기우

발행연도: 2019

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이용수11

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2019

유연 구조물의 입력성형제어를 위한 변태 온도가 다른 직렬 형상기억합금을 이용한 작동기 설계

정광용 기계공학과 2019.01 학위논문

2018

변태온도가 다른 형상기억합금 기반 2단 작동기를 이용한 입력 성형제어

정광용 , 김기우 대한기계학회 춘추학술대회 2018.05 학술대회자료

변태온도가 다른 형상기억합금을 이용한 2단 작동기 설계

정광용 , 김기우 한국소음진동공학회 학술대회논문집 2018.04 학술대회자료

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본 연구는 유연구조물의 잔류진동 절감을 위해 변태온도가 다른 두 형상기억합금 (SMA, shape memory alloy)을 직렬 연결한 액추에이터를 제안한다. 잔류진동은 유연구조물의 위치제어 시 발생하는 의도되지 않은 진동으로 저감쇠 시스템의 잔류진동은 에너지 소산이 쉽게 되지 않아 긴 시간 지속되어 시스템의 불안정을 초래할 수 있다. 형상기억합금은 스마트 소재 중 하나로 오스테나이트 상인 고온에서의 형상을 기억한다. 주울 (Joule) 가열을 통해 임계 온도에 도달하면 마르텐사이트 상에서 오스테나이트 상으로 상변화하여 본래의 형상으로 복구된다. 본 연구에서 제안하는 액추에이터는 변태 온도가 다른 두 형상기억합금이 직렬로 연결되어 있어 스텝 전류 입력을 통해 2단 작동력을 발생할 수 있다. 이를 통하여 입력성형제어기법을 구현하고 유연구조물의 잔류진동을 효과적으로 억제한다. 입력성형제어기법은 기준 입력신호를 입력성형기와 컨볼루션 적분을 통해 두 개 혹은 그 이상의 신호 시퀀스로 나뉜다. 각 신호에 의해 발생된 진동은 서로 반대의 위상을 가지게 되는데, 그 결과 두 진동은 상쇄되어 잔류진동이 억제된다. 이 제어 방법은 개루프 제어 시스템으로 센서를 사용할 필요가 없으며, 입력성형기의 설계 변수로 시스템의 고유 진동수와 감쇠비 두 변수만을 필요로 하기 때문에 구현이 쉽다는 장점이 있다. 형상기억합금 액추에이터의 입력성형기의 시간과 진폭은 형상기억합금의 변태온도 조합에 따라 결정되는데, 시뮬레이션 및 유전 알고리즘을 적용하여 최적 변태온도 조합을 도출하였다. 또한 실험을 통해 종래의 액추에이터인 모터의 성능과 비교한다.

This study presents a series shape memory alloy (SMA) wire actuators featuring different martensitic-austenitic phase transformation temperatures in order to suppress the residual vibration of the flexible structure. Residual vibration is undesirable vibration that is induced by position control of flexible structure. The residual vibration of light-damping system lasts for a long time because of low energy dissipation and it cause instability of system. SMA is one of the smart materials that remember shape at high temperature, which is the austenite phase. When it reaches the critical temperature through Joule heating, the phase changes from martensite to austenite and is restored to its original shape. The actuator proposed in this study, in which two shape memory alloys with different transformation temperatures are connected in series, can generate two-step force through the step current input. The force can implement the input shaping control technique and effectively suppress the residual vibration of the flexible structure. One of suppress residual vibration of light-damping structures by cancelling the vibrations generated each impulses or step signal is an input shaping method. The reference signal divide into two or more signal sequence using convolution with input shaper. Since this method do not require measuring sensors and there are only two design parameters, natural frequency and damping ratio, it is easy to implementation. The time location and amplitude of the input shaper of the shape memory alloy actuator are determined by the combination of transformation temperatures of the shape memory alloys. A genetic algorithm (GA) is used to derive the optimum transformation temperatures combination of series SMA wires. A practical input shaping control of flexible structures (e. g., beam manipulator) actuated by a series SMA wire actuator with different martensitic-austenitic phase transformation temperatures was proposed, and its ability to suppress residual vibration was successfully validated through simulation and laboratory experiments.

#shape memory alloy #phase transformation temperature #series SMA wire actuator #input shaping control #residual vibration #flexible structures

Contents
요약문 i
Abstract ii
Nomenclature iv
List of Tables and Figures ix
Chapter 1 Introduction 1
1.1 Research background 1
1.2 Research contents 5
Chapter 2 Design of a Series SMA Wire Actuator 7
Chapter 3 Modeling of Series SMA Wire Actuator and Flexible Beam Manipulator 18
3.1 Heat transfer model of the SMA wire 18
3.2 Phase transformation model of the SMA wire 19
3.3 SMA wire actuator model 20
3.4 Flexible beam manipulator model 22
Chapter 4 Application to Input Shaping Control 25
4.1 Overview of input shaping control 25
4.2 Optimum phase transformation temperatures 30
Chapter 5 Experimental Validation 42
5.1 Experimental setup 42
5.2 Results and discussion 44
Chapter 6 Conclusion and Future Works 55
6.1 Conclusion 55
6.2 Future works 56
Chapter 7 Appendix 1: MATLAB/Simulink Code 61
Chapter 8 Appendix 2: ZVD shaper 72
References 75

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