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본 연구에서는 필라멘트 권선의 정전압을 위한 전압 제어 시스템을 개발하였다. 키워드: 섬유 강화 복합 재료 섬유 강화 복합 재료; 압력 용기 압력 용기; 필라멘트 권선 필라멘트 권선; 전압 제어 전압 제어;.

연구 배경

수소연료전지자동차의 연료탱크는 섬유강화복합재료의 대표적인 설계방법 중 하나인 필라멘트 와인딩 공법을 이용하여 제작됩니다. 연료탱크 제조 공정에서는 필라멘트 와인딩 공정 중 온도, 습도, 레진 관리, 섬유 장력 등이 중요한 요소입니다.

필라멘트 와인딩 공법

필라멘트 와인딩 성형방법 및 장치

도 1은 필라멘트 권취기의 구성도이다. 연료탱크를 감싸기 위해서는 기본적으로 4축 구조로 와인딩이 이루어집니다. 4축이란 동시 보간 기능으로 각 축이 프로그래밍된 패턴에 따라 이동 및 회전한다는 의미입니다.

Fig. 1 Filament Winding Machine System

와인딩의 종류 및 장력 장치의 방식

인터널 로빙은 로빙 내부에서 섬유를 뽑아낸 형태로, 대부분이 유리섬유이다. 요즘에는 내부 로빙 섬유가 생산 시설로 직접 감겨져 감기는 동안 보풀이 덜 형성됩니다.

Fig. 3 Internal and external roving type

External Roving 장력 제어기의 장력 검출부 구조

응력제어의 문제를 해결하기 위해 응력, 변형율, 자동제어방법 및 상호작용 메커니즘에 대한 연구가 진행되고 있다. 이후 PID 제어기를 설계하고 이 프로그램을 통해 테이프의 일정한 신축률을 도출하였으며, 래핑 공정의 자동화 정도도 향상되었음을 확인하였습니다. Nikat 등(2008)은 필라멘트 와인딩 중 PID 제어를 사용하여 장력 조절 시스템을 설계했습니다.

이러한 실시간 피드백 제어 방법을 사용하여 원하는 변수와 실제 값 사이의 오류를 모니터링하고 이에 따라 제어를 조정했습니다.

연구 목표

그림에서. 그림 8에서 보빈의 실은 텐션 암의 롤러와 텐션 게이지 롤러를 통과합니다. 길이감지롤러를 통과하면서 와이어 공급량이 컨트롤러로 전달됩니다. 센싱롤이 설치된 센싱암이 로드셀을 눌렀을 때 와이어 장력을 직접 측정합니다.

컨트롤러는 입력 전압값과 설정 전압값을 비교하여 에러를 제거할 수 있도록 서보 드라이버에 적절한 명령을 보내 Full Closed Feedback PID 제어를 수행합니다.

Fig. 8 Structure of tension system with adaptive control capability

Full Closed PID 서보 제어기의 구성

로드셀을 이용하여 전압변동을 측정하여 전압변동을 방지하도록 시스템을 구성하였다.

Adaptive PID Servo Control

따라서 관성부하의 변화에 ​​따라 제어계의 게인을 적절히 조정하지 않으면 제어기의 안정성을 확보할 수 없게 된다. 본 연구에서는 와이어 릴의 관성 부하 변화에 따라 PID 서보 제어기의 게인을 적절하게 조정하기 위한 적응형 제어 방법을 도입하였다. 그림 12는 본 연구에서 사용할 적응형 제어기의 제어장치 구조를 보여준다.

적응형 제어 기술에는 시스템 상태에 따라 달라져야 하는 여러 가지 제어 요소 선택이 있을 수 있습니다.

Fig. 12 Adaptive PID control scheme

Adaptive PID 서보 제어를 위한 Spool 직경 측정방법

그러나 와이어가 작동하는 동안 와이어가 고주파로 진동하는 것을 볼 수 있습니다. 그러나 와이어가 일정한 속도로 흐르기 때문에 제어 장치의 고전압 측 전압 값이 비교적 안정적임을 알 수 있습니다. 외부 회전선을 이용한 전압 제어 장치에서는 시간이 지남에 따라 코일의 직경이 점차 감소하므로 제어 장치에 걸리는 관성 부하도 점차 감소한다.

이러한 편차가 발생하는 이유는 실이 보빈에 감겨지는 방식 때문이라고 생각됩니다.

Fig. 15 Experimental setup

실험 방법

와이어 주행 속도의 차이로 인한 이러한 전압 변동 특성은 일반적으로 주로 코일의 편차로 인해 발생합니다. 그러나 이전 실험 결과에서 알 수 있듯이 정속 선회 중에는 코일 결함으로 인한 전압 변동이 관찰됩니다. 가감속 시간과 와이어의 이동 속도가 동일하므로 가감속 시간은 상대적으로 유사한 제어 특성을 가지고 있음을 알 수 있다.

와이어가 작동하는 동안 서보 컨트롤러의 출력 전압 명령 값도 변경되어 일정한 전압 값을 생성하며 편차는 코일 크기에 따라 크게 달라질 수 있습니다.

Fig. 18 Experimental result of wire speed 1 

실험 결과

가속도의 변화에 따른 제어 특성의 변화

가속하는 동안 전압 값의 상대적으로 작은 오버슈트가 관찰됩니다. 이러한 오버슈트를 제거하기 위해 컨트롤러의 출력 전압도 상대적으로 큰 변화를 보이는 것을 볼 수 있습니다. 와이어의 장력이 높을수록 장력의 변동이 작아집니다. 장력이 상대적으로 크면 기계 부품에 가해지는 힘이 증가하므로 각 기계 부품의 베어링에 가해지는 마찰력이 증가하여 시스템이 상대적으로 안정적이게 되며, 와이어와 가이드 롤러 사이의 마찰력도 증가합니다. 이는 아마도 시스템의 전체 감쇠 계수가 증가했기 때문일 것입니다.

Fig. 20 Experimental result of wire acceleration time   =0.4  (  =85  ,   =100,  =2m/s,  =2   )

제어 게인에 따른 제어 특성의 변화

Spool Size에 따른 모터 제어 신호의 변화

Spool Size에 따른 제어 특성

Spool Size에 따른 최적 게인의 변화

본 실험을 통해 코일 크기에 따른 비례제어 이득 값을 측정하여 표 3에 나타내었다.

Table 3 Experimental parameters and conditions

실시간 Spool 크기 측정 실험

본 연구에서는 로드셀 센싱로드형 전압제어장치를 제작하고, 광섬유 코일의 크기를 실시간으로 측정하여 제어이득을 자동으로 조정하여 성능을 최적화하는 적응형 제어전압 제어장치를 개발하였다. 코일 직경에 따른 최적의 비례제어 이득값은 코일 직경이 작을수록 감소하는 경향을 보인다. 이는 작은 코일의 경우 관성부하가 작아 제어가 용이함을 의미한다.

필라멘트 권취기용 장력 제어 시스템 및 퍼지-PID 장력 제어 알고리즘 개발.

Fig. 31 Experimental result of spool diameter measurement

결론