Lesson 2 - CNUdal.cnu.ac.kr/dal/lecture/creo/2017/lesson2_SBDexample.pdf · 2017-03-21 · Simulink MATLAB/ Simulink Limitation Impose IMASAT ship motion Reducer modeling -> coupler

Chungnam National University 1

컴퓨터 시뮬레이션 기반메카트로닉스 시스템 설계

시뮬레이션 기반의 설계동향

3축 로봇 개념을 이용한 해상용위성안테나의 시뮬레이션 기반 설계예

Lesson 2


SystemSpec

PreliminaryDesign

DetailDesign

PrototypingSystemTesting

FinalDesign

SystemNeeds

Objectives

Conventional 설계과정

SystemSpec

PreliminaryDesign

DetailDesign


FinalDesign

SystemNeeds

Objectives

VirtualPrototyping

Virtual Prototyping 설계과정




SystemSpec

PreliminaryDesign

DetailDesign


FinalDesign

SystemNeeds

Objectives

VirtualPrototyping

HILS

HILS를 포함한 메카트로닉스 시스템의 설계과정

조향 HILS 시스템 예


해상용 위성안테나의 시뮬레이션 기반 설계예

해상용위성안테나

Yaw

Level

Cross-level Sensor

Cage

Sub

Reflector

Reflectorserge

he

ave

swayRoll

Pitch

Yaw

경사계, 각속도 센서, GPS 센서와 송수신 장치, 구동 모터, 모션

제어 장치로 구성된 3축 로봇 시스템

선박 대 선박의 충돌 예방, 항로 네비게이션, 정보 수신, 양방향

통신을 목적으로 사용


가상시제품 시뮬레이션 기반 설계의 필요성

문제점 : 많은 시간과 비용 소요, 해상 실험의 위험성 내재

해결 방안 : 비용의 절감과 설계 품질 향상을 위해 가상 시제품

(Virtual Prototyping)을 적용한 시뮬레이션 기반 설계 방안 도입

3D CAD 형상 모델링

동역학 및 기구학 해석

동역학 및 제어 시뮬레이션

시제품 제작을 통한 안테나 성능 테스트

해상용 위성안테나의 가상 시제품 설계의 필요사항


시뮬레이션 기반 위성 안테나 설계 과정Design

requirements

CAD geometric

modeling

Interference Checking

and refinement

of geometry part

Mass

balancing

Motor selection with moment

of inertia calculation

Model conversion

From Pro-E to ADAMS

Inverse dynamic analysis

for verification

of motor selection

ADAMS & MATLAB/Simulink

dynamics & control

Co-simulation

No flexible body

No suspension effect

ProE

ProE

ProE/

Mechanism

Mech/pro

ADAMS

MATLAB/

Simulink

MATLAB/

Simulink

Limitation

Impose IMASAT

ship motion

Reducer modeling -> coupler

Motor modeling -> rotor

Sensor modeling -> marker

Stopper modeling -> contact

Antenna

Mechanism

Design

Antenna

Dynamics

&

Control

Simulation

ADAMS model refinement

for dynamic simulation

MATLAB/Simulink modeling

for control simulation

Controller design

Sensor modeling

Motor modeling

ADAMS

ProE/

Mechanism

Impose 6 D.O.F

Ship motion(IMU data)

Design procedure of antenna


Marine satellite antenna specifications

설계 요구 조건

Subsystem Parameter items Required spec

Mechanism

Dish diameters 1 ~ 1.2 ｍ

Weight Less than 100Ｋg

Materials Al2024

Yaw, Roll, Pitchgear ratio

10:1

Controller

accuracy Pointing Accuracy 0.2° Max

Ship Motion

Roll ±25° / 6~12 sec periods

Pitch ±15° / 6~12 sec periods

Yaw ±8° / 15~20 sec periods

MotionRange

AZ ±360 deg

EL -10 to 100 deg

XL ±30 deg

Max angular vel.

Yaw, Pitch, Roll 18 deg/sec

Maxangular accel.

Yaw, Pitch, Roll 18 deg/sec^2

Chungnam National University 8Design procedure of antenna

시뮬레이션 기반 위성 안테나 설계 과정Design

requirements

CAD geometric

modeling


and refinement

of geometry part

Mass

balancing



Model conversion

From Pro-E to ADAMS


for verification

of motor selection


dynamics & control

Co-simulation

No flexible body


ProE

ProE

ProE/

Mechanism

Mech/pro

ADAMS

MATLAB/

Simulink

MATLAB/

Simulink

Limitation

Impose IMASAT

ship motion





Antenna

Mechanism

Design

Antenna

Dynamics

&

Control

Simulation





Controller design

Sensor modeling

Motor modeling

ADAMS

ProE/

Mechanism

Impose 6 D.O.F




3D CAD 형상 모델링

Cross-level Module Dish Module

Level Module Base, Yaw-roll Module

Yaw Module

Roll Module

안테나를 구동하는 3축이 한 점에서 만나도록 설계

설계 및 제작상의 수정과 유지 보수를 위한 모듈화 설계

안테나의 운동에 영향을 주지 않도록 하기 위한 기구 안에 선처리


시뮬레이션 기반 위성 안테나 설계 과정

Design

requirements

CAD geometric

modeling


and refinement

of geometry part

Mass

balancing



Model conversion

From Pro-E to ADAMS


for verification

of motor selection


dynamics & control

Co-simulation

No flexible body


ProE

ProE

ProE/

Mechanism

Mech/pro

ADAMS

MATLAB/

Simulink

MATLAB/

Simulink

Limitation

Impose IMASAT

ship motion





Antenna

Mechanism

Design

Antenna

Dynamics

&

Control

Simulation





Controller design

Sensor modeling

Motor modeling

ADAMS

ProE/

Mechanism

Impose 6 D.O.F




2( 0.314rad/s )Max Max MaxI

1 101.529 0.382

10 4Max N m

모터 선정

Yaw_I( ) Yaw_Torque( )

0 deg 4.87 1.529

90 deg 4.28 1.344

Pitch_I( ) Pitch_Torque( )

0/90 deg 2.64 0.828

Roll_I( ) Roll_Torque( )

0 deg 3.12 1.008

90 deg 4.38 1.969

2Kg m

2Kg m

2Kg m

N m

N m

N m

Moment of inertia computation using CAD

Measured moment of inertia and torque

maximum motor torque

타이밍벨트감속비

안전율

0 deg

0 deg

90 deg

90 deg



Design

requirements

CAD geometric

modeling


and refinement

of geometry part

Mass

balancing



Model conversion

From Pro-E to ADAMS


for verification

of motor selection


dynamics & control

Co-simulation

No flexible body


ProE

ProE

ProE/

Mechanism

Mech/pro

ADAMS

MATLAB/

Simulink

MATLAB/

Simulink

Limitation

Impose IMASAT

ship motion





Antenna

Mechanism

Design

Antenna

Dynamics

&

Control

Simulation





Controller design

Sensor modeling

Motor modeling

ADAMS

ProE/

Mechanism

Impose 6 D.O.F




Recommended ship motion by INMASAT

Axis Angle (rad)Angular vel.

(rad/s)

Yaw

Roll

Pitch

20.14 sin( )

15

t

20.44 sin( )

6

t

20.26 sin( )

6

t

20.059 cos( )

15

t

20.46 cos( )

6

t

20.27 cos( )

6

t

Case2의최대토크가 case1에비해 5배

높게측정

최대토크의범위가정적으로선정한모

터만족Yaw

motion

Roll

motion

Pitch

motion

Case 1 Case 2

Fix

Fix

Yaw

motion

역동역학 해석



Design

requirements

CAD geometric

modeling


and refinement

of geometry part

Mass

balancing



Model conversion

From Pro-E to ADAMS


for verification

of motor selection


dynamics & control

Co-simulation

No flexible body


ProE

ProE

ProE/

Mechanism

Mech/pro

ADAMS

MATLAB/

Simulink

MATLAB/

Simulink

Limitation

Impose IMASAT

ship motion





Antenna

Mechanism

Design

Antenna

Dynamics

&

Control

Simulation





Controller design

Sensor modeling

Motor modeling

ADAMS

ProE/

Mechanism

Impose 6 D.O.F




동역학 시뮬레이션을 위한 ADAMS 모델 생성

Actual sensor Sensing Object

Two Tilt Level and Cross-level Tilt Angle

Three GyroLevel, Cross-level Tilt Velocity

and Yaw angular velocity

Compass Yaw Angle

Motor Rotor Body에 추가

Timing belt 기구적 구속

Sensor Markers

외란 6자유도 모션 인가


Design

requirements

CAD geometric

modeling


and refinement

of geometry part

Mass

balancing



Model conversion

From Pro-E to ADAMS


for verification

of motor selection


dynamics & control

Co-simulation

No flexible body


ProE

ProE

ProE/

Mechanism

Mech/pro

ADAMS

MATLAB/

Simulink

MATLAB/

Simulink

Limitation

Impose IMASAT

ship motion





Antenna

Mechanism

Design

Antenna

Dynamics

&

Control

Simulation





Controller design

Sensor modeling

Motor modeling

ADAMS

ProE/

Mechanism

Impose 6 D.O.F





모터 및 센서 모델링

센서의 주파수 특성을 실험을 통하여 분석하여 수학적으로 모델링

경사계의횡 가속도영향

( )

( ) ( )( )

m

a a b m

KW s

V s R L s Js b K K

Motor modeling

Sensor modeling


센서 신호처리 알고리즘

Tilt SensorPhase-lead

Compensator

Gyro Sensor

+

+

+

+

Low pass filter

High pass filter

Phase-lead

Compensator

Angle

Angular

Velocity

Angular

Acceleration

Sensor fusion algorithm block diagram

경사계의 횡 가속도 영향, 각속도 센서의 드리프트 현상, 센서의 제한

된 응답성을 해결하기 위한 신호처리 알고리즘 적용

경사계의 저주파 성분과 각속도 센서의 고주파 성분을 융합하여 적용


PIDA 제어 알고리즘

2

2

( ) ( )( ) ( ) ( )PIDA P I D A

de t d e tU t K e t K e d K K

dt dt

PID 제어기에 가속도 성분을 추가하여 제어 시스템의 안정성 향상

0.2° 제어 정밀도, 센서 신호 처리 문제, 자세 안정화 제어 및 위성 지향

제어가 3축이 동시에 이루어지는 제어 방해 요인을 감안하여 안테나 시

스템에 안정성 높은 PIDA제어기 적용

안테나시스템

경사계, 각속도 센서

센서 신호처리알고리즘

PIDA제어기+

-

지령 r(t)

)()()( tytrte

)()()(...

tytrte

)()()(......

tytrte

출력 y(t)

PIDAU

PIDA controller block diagram


Design

requirements

CAD geometric

modeling


and refinement

of geometry part

Mass

balancing



Model conversion

From Pro-E to ADAMS


for verification

of motor selection


dynamics & control

Co-simulation

No flexible body


ProE

ProE

ProE/

Mechanism

Mech/pro

ADAMS

MATLAB/

Simulink

MATLAB/

Simulink

Limitation

Impose IMASAT

ship motion





Antenna

Mechanism

Design

Antenna

Dynamics

&

Control

Simulation





Controller design

Sensor modeling

Motor modeling

ADAMS

ProE/

Mechanism

Impose 6 D.O.F


Design procedure of antennaDesign procedure of antenna



IMU(Inertial Measurement Unit) 데이터 취득

IMU 관성 측정 장치

IMU(Inertial measurement unit) :각속도와 가속도

계를 이용하여 선박이나 항공기의 6축 모션을 측

정하는 장비

안테나 제어에 사용 된 외란요소, 실선의 6자유도

모션은 실선에 장착한 IMU를 이용하여 얻어진 데

이터를 활용

Heave

Roll

Pitch

Yaw


안테나 동역학 및 제어 시뮬레이션

안테나 3축 제어 알고리즘(Matlab/Simulink)


안테나 동역학 및 제어 시뮬레이션

3 axes control simulation result Yaw Pitch Roll


해상용 위성안테나의 시뮬레이션 기반설계 과정 정립 및 추후 과제

해상용 위성 안테나의 시뮬레이션 기반 설계 프로세스 정립

추후 과제

위성 안테나에 대한 정교한 3차원 CAD 모델링 및 기구, 동역학 해석

을 수행하여, 설계의 타당성을 1차적으로 검증

ADAMS & MATLAB/Simulink co-simulation 기술을 통해 실선 6자

유도 모션에 대한 위성 안테나 3축 제어 시뮬레이션을 수행

위성 안테나 3축 제어 시뮬레이션에 적용한 PIDA 제어기의 우수성

을 확인하여 실제 안테나 시스템에 적용이 가능한 기반 확립

실제 실험과 시뮬레이션의 비교 검증

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