An actuator to drive a machine must be installed for an achievement of a goal, which causes vibrations in a source-receiver structure. For reduction or prediction of vibrations in the receiver, a vibration response of it must be predicted based on dynamic modeling source and receiver. Although the receiver can be characterized easily by the experiment, finite element modeling and driven equation of motion, it is hard work to understand the vibration source. For the purpose of characterization of a vibration source, two approaches were introduced based on whether a parameter is used or not in the expression of source characteristics.
This study is to present parametric and non-parametric characterization of a reaction wheel assembly (RWA) as a vibration source for quantitative prediction of operational vibrations of a receiver on which the RWA is to be installed. Those two approaches are compared and strengths and weakness are analyzed. In the case of parametric approach, the improved parametric source characterization has been proposed in this paper which is based on measurements of blocked forces and torques at all frequencies in a band rather than only at harmonic frequencies for each operation speed. It includes identification of structural dynamics of the RWA itself as well as source force characteristics from measurements of the blocked forces and torques. Validation of the parametric modeling of the RWA is done based on the closeness or coherence between the measurements of the power spectral density functions of the blocked forces and torques and their predictions by modeling. Next, the non-parametric approach was introduced and applied to the same source. The problem in the non-parametric approach was emphasized, which is an amplification of error at anti-resonance frequency of the mechanical mobility of the source. The way to reduce the error was proposed by smoothing process.
In this study, those two approaches are compared by two steps, the blocked force and response of the RWA-cantilever beam structure. Using the parametric and non-parametric characteristics of source, those are predicted and evaluated with the measurements during actual operations of the RWA. From these comparisons, both source characterizations are discussed with advantages, disadvantages, problems, and solutions.
기계구조물은 주어진 목표 달성을 위하여 하나 또는 다수의 구동기가 탑재되는데 이는 기계류 가진원으로써 의도하지 않은 진동문제를 수진부에 유발한다. 본 논문에서 예시 사례로 선정한 인공위성 자세제어 구동기 반작용휠은 운전 중 인공위성 본체에 미소의 각진동을 일으키는데, 탑재된 영상장비의 출력영상의 품질을 악화시킨다. 이와 같이 가진원-경로-수진부 계에서 수진부에 발생한 진동문제를 근본적으로 해결하기 위해서는 정량적으로 파악된 가진원의 가진특성과 경로-수진부 계의 모형화을 바탕으로 수진부 진동량의 정확한 예측이 필수적이다. 따라서 본 논문에서는 수진부 진동응답을 예측하기 위한 가진원특성화에 초점을 두고, 가진특성 표현에 있어서 매개변수의 이용유무에 따른 두 방법, 가진원특성화 매개변수법과 비매개변수법의 비교에 관한 연구를 수행하였다. 매개변수법의 경우 가진원의 구동 중 측정한 차단가진력으로부터 가진력 매개변수와 가진원 구조 매개변수를 추정하는 것을 말한다. 고조파 가진력 위주 기존 매개변수법의 수진부 진동응답 예측한계를 지적하고, 주파수 대역에서의 가진특성을 표현할 수 있는 매개변수 추가와 가진력 표현식을 제안함으로써 수진부 응답 예측에 적합한 개선방법을 제시하였다. 비선형 곡선맞춤과정에서 다수의 매개변수를 올바르게 추정하기 위한 각 매개변수 초기값의 설정방법을 제안하였으며, 구조매개변수 감쇠의 올바른 추정을 위한 방법을 제안하였다. 추정된 가진원 내부 가진력과 시험수진부인 외팔보의 수학적 모형을 이용하여 반작용휠-외팔보 계의 진동응답을 예측 평가하였다. 매개변수법과의 비교를 위하여, 동일한 가진원에 대하여 매개변수 없이 운전 중 가진원으로부터 측정한 신호를 이용한 방법인 비매개변수 가진원특성화를 적용하였다. 비매개변수법의 가진특성은 측정한 가진원의 차단가진력과 기계적임피던스 두 가지로 구성되며, 가진원으로부터 수진부로 전달되는 힘을 두 특성으로부터 예측하였다. 예측한 전달력과 비매개변수적으로 파악된 외팔보의 주파수응답함수인 액셀러런스를 이용하여, 반작용휠-외팔보 계의 진동응답을 예측하고 이를 매개변수법의 결과와 비교 평가하였다. 두 가진원특성화를 적용하는 과정에서 각각에서 부딪칠 수 있는 문제들에 대하여 논하였고, 이 과정에서의 해결책을 제시하였다. 최종적으로는 가진원의 차단가진력과 가진원-수진부 계의 수진부 진동응답을 이용하여 매개변수법과 비매개변수법의 장점과 단점을 분석하였다.
