2021 Fiscal Year Research-status Report

冷凍機の高調波振動発生メカニズムの解明とショートリングを用いた擾乱力低減研究

Research Project

Project/Area Number	20K04356
Research Institution	Japan Aerospace EXploration Agency
Principal Investigator	巳谷真司国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主幹研究開発員 (00747446)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	安田進国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主任研究開発員 (30450711) 篠崎慶亮国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主任研究開発員 (10435802) 茂渡修平国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 研究開発員 (60769537) [Withdrawn] 西下敦青国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主事補 (80904739)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	擾乱数学モデル / 低擾乱駆動機構
Outline of Annual Research Achievements	冷凍機の擾乱を発生する機械駆動部（VCM）の擾乱発生モデルを構築するため、初年度に引き続き、既成製品のVCMの電気・機械特性を計測および、磁気回路解析や構造解析を行って相互比較を行った。スケールファクタ（BL）に関して、実測と解析がほぼ一致するようになった。インダクタンスに関して、解析では変位依存性が見られるものの、実測では依存性が殆どない。 2021年度では、各種電気・機械特性値の実測値からモデルフィットした結果、上手くモデルフィットすることは確認されたが、ストローク可動範囲内においては、BL、インダクタンス、バネ定数ともに、顕著な非線形性は見られなかった。また、音響業界で用いられる、音波変位の歪みを除去する目的のKLIPPELのミラーフィルタ法（KLIPPEL CONTROL SOUND (KCS)法）を、VCMの実験装置に適用した。しかしながら、元々の変位次元の高周波成分が小さいため、加速度次元の高周波成分の除去に対する効果はほとんど見込めなかった。これまでのVCMを用いた計測事実から分かることは、VCMの電気・機械特性値の非線形性から変位次元で出現する歪は非常に小さいものの、加速度次元で見ると1Nオーダの高周波擾乱力となっている。この差はVCMの電気・機械特性のみでは説明がつかず、構造共振を含めた振動源からフォース計測点までの伝達特性を正確に把握する必要があると考えている。現実的な範囲で、加速度の共振倍率を説明し得る構造伝達関数を逆推定できないか、手法を検討している。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 4: Progress in research has been delayed. Reason これまでのVCMを用いた計測事実から分かることは、VCMの電気・機械特性値の非線形性から変位次元で出現する歪は非常に小さいものの、加速度次元で見ると1Nオーダの高周波擾乱力となっている。この差はVCMの電気・機械特性のみでは説明がつかず、構造共振を含めた振動源からフォース計測点までの伝達特性を正確に把握する必要があると考えている。すなわち、種々の非線形効果要因の複合の結果、現れる加速度の高周波成分を除去する信号入力を逆生成する。この手法は、繰り返し制御手法を基としたアクティブコントロールにより、2020年度に成功した。しかし、この方法は、当初計画の、個々の電気・機械特性値の非線形性を正確にモデル・予測するというアプローチとは正反対である。もう一つの手法は、個々の電気・機械特性値の非線形性から生じる僅かな加速度歪みが、1Nオーダの擾乱力を発生し得る構造機械共振を起こし得ることを構造解析により説明するアプローチである。しかしながら、スピーカ音響振動研究の文献で言及されていたVCMのロッキング現象との関連が疑われたが、解析上は、ロッキングモードのモード係数は小さく、支配的なモードとはなっていない。現実的な範囲で、加速度の共振倍率を説明し得る構造伝達関数を逆推定できないか、手法を検討している。
Strategy for Future Research Activity	発生擾乱に対するモデルパラメータ非線形依存性の直接的な影響だけでは擾乱力高周波歪みの大きさが説明がつかず、構造共振と複合しなければ説明が難しいそうだことが計測事実から分かってきた。したがって、当初計画の、ストロークパラメータの非線形依存性の少ないショートリング組み込みボイスコイルモータを設計するというアプローチでは、擾乱低減達成の見込みが少ないと考えられ方針転換が必要である。現象特定のキーとなる部分は、微小な非線形要素と、それを増幅しうる構造伝達共振要素との複合効果と考えられる。したがってアプローチとしては、2方針で再設定する。まず一つは、VCMの構造伝達関数の正確な測定と把握である。計測した伝達関数が、微小ながらも存在するVCMの電気・機械特性の非線形要素（FY2021年度計測結果）を、擾乱力次元で増幅し得るのかを評価することにより確認する。二つ目は、信号入力を工夫することにより、入力加速度の高調波成分をゼロにすることである。これは、FY2020年度のアクティブコントロールによりそのような信号入力が再生可能であることを実証している。これまでは、片方ピストンのみの信号入力を工夫することによって、対向させたピストン全体の擾乱力を低減していた。FY2021年度は、両方のピストンの信号入力を工夫することにより、両方のピストンの入力加速度の高調波成分をゼロにすることで低擾乱化を図る。さらなる低擾乱化が期待できるのと、片側ピストンのみのモデル化検証との親和性が高いと考えている。
Causes of Carryover	発生擾乱に対するモデルパラメータ非線形依存性の直接的な影響だけでは擾乱力高周波歪みの大きさが説明がつかず、構造共振と複合しなければ説明が難しいそうだことが計測事実から分かってきた。したがって、当初計画の、ストロークパラメータの非線形依存性の少ないショートリング組み込みボイスコイルモータを設計するというアプローチでは、擾乱低減達成の見込みが少ないと考えられ方針転換が必要となった。現象特定のキーとなる部分は、微小な非線形要素と、それを増幅しうる構造伝達共振要素との複合効果と考えられる。したがってアプローチとしては、2方針で再設定する。まず一つは、VCMの構造伝達関数の正確な測定と把握である。計測した伝達関数が、微小ながらも存在するVCMの電気・機械特性の非線形要素（FY2021年度計測結果）を、擾乱力次元で増幅し得るのかを評価することにより確認する。二つ目は、信号入力を工夫することにより、入力加速度の高調波成分をゼロにすることである。これは、FY2020年度のアクティブコントロールによりそのような信号入力が再生可能であることを実証している。これまでは、片方ピストンのみの信号入力を工夫することによって、対向させたピストン全体の擾乱力を低減していた。FY2021年度は、両方のピストンの信号入力を工夫することにより、両方のピストンの入力加速度の高調波成分をゼロにすることで低擾乱化を図る。