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문제 정의
- 본- 연구는 고속 승용 이앙기의 묘탑재대를 수평으로 유지하는 데 필요한 적진한 수평 제어 장치를 개발하기 위하여 수행되었으며. 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 경사를 검출하고. 이 경사도를 이용하여 식부장치가 항상 수평을 유지할 수 있는 유압 수평 제어 장치를 개발하기 위하여 시도되었으며. 본 연구의 구체적인 목적은 다음과 같다.
가설 설정
- 7) PWM 제어에서 평균 유량이 6.1 7/min 일 때. 최대 작동 시간을 0.
- 36° 가 된다. 따라서 보통 논에서 묘탑재대의 최대 경사각을 5º로 가정하고, 경사각 센서는 최대 측정 범위가 12°인 것을 선정하였다.
제안 방법
- 1) 경반의 깊이와 포장의 균평도에 관계없이 항상 식부장치를 수평으로 유지할 수 있는 이앙기의 수평 제어 장치를 개발한다.
- 2) 컴퓨터 시뮬레이션 및 실내 실험을 이용하여 개발한 수평 제어 장치의 성능을 평가하여 실용화가능성을 평가한다.
- 수평 제어시스템이 작동하면 설정된 기준 전압과 불감대의 크기를 검출하고. 경사각 센서를 이용하여 묘탑재대의 경사각을 검출한다. 경사각 센서로부터 전압형태로 입력된 경사각 신호는 마이크로 콘트롤러에 내장된 A/D 컨버터에 의하여 디지털로 변환된다.
- 수평 제어장치의 제어부로 입력시켜 수평 제어 시스템을 작동시켰다. 그 후 제어부에 입력된 신호와 묘탑재대에 부착된 경사각 센서의 신호와 비교하여 수평 제어 시스템의 동적 응답특성을 구명하였다.
- 기준 경사각과 불감대를 일정 수준으로 설정한 후 묘탑재대를 일정 수준의 경사도까지 기울이고 ON/OFF를 수행하여 시스템의 안정성을 평가하였다.
- 수준으로 설정하여야 안정된 응답 특성을 얻을 수 있다. 따라서 대기 시간과 최대 작동 시간의 수준을 변화시키며, 시스템의 안정성을 평가하였다.
- ON/OFF 제어 방식에서는 실린더로 유입된 유량이 일정 수준을 넘는 경우에는 수평 제어가 이루어지지 않고 묘탑재대가 롤링하는 현상이 발생할 수 있다. 따라서 유압 회로의 유량 수준과 식부장치의 경사 정도에 따라 솔레노이드 밸브의 작동 시간을 제어할 수 있는 PWM 제어 방식을 함께 적용하였다. 그림 2는 PWM 제어 방식을 적용한 수평 제어 시스템의 제어 순서를 나타낸 것이다.
- 45인 표준 실린더를 채택하였다. 또한 실린더를 제작할 때의 가공성을 고려하여 실린더와 로드의 직경은 각각 25 mm, 15 mm 로 결정하였다. 이때 실린더의 유효 면적은 314.
- 국내 이앙기의 수평 제어 장치는 대부분 기술 제휴선인 일본 업체의 모델로서 일본에서 생산되고 있는 승용 이앙기의 수평 제 어 장치 와 같은 형태이다. 보다 고급화된 수평 제어 장치는 경사각 센서와 가속도 센서 를 이 용하여 이 앙기의 경사도를 검출하고. 이 경사 신호를 이용하여 식부장치를 수평으로 제어하는 방식이다.
- 본 연구는 경사각 센서를 이용하여 이앙기의 절대 경사를 검출하고. 이 경사도를 이용하여 식부장치가 항상 수평을 유지할 수 있는 유압 수평 제어 장치를 개발하기 위하여 시도되었으며.
- 유압 시스템은 유체의 압축성과 내부 마찰 등으로 인하여 일정 크기의 시간 지연을 갖는다. 본 연구에서 개발된 수평 저어 시스템에 대한 작동 지연 시간은 솔레노이드 밸브에 전기적 신호를 주어 실린더에 유량이 흐르게 한 후 실린더 로드의 위치 변화을 측정하여 이 두 신호 사이의 시간차를 수평 제어 시스템의 시간 지연으로 결정하였다. 이 방법으로 결정한 시스템의 시간 지연은 0.
- 본 연구에서 개발한 수평 제어 장치의 기본 원리는 경사각 센서를 이용하여 이앙기의 절대수평경사각을 검출하고. 이를 이용하여 마이크로 콘트롤러로써 솔레노이드 밸브를 전자제어하여 유압실린더가 식부장치를 수평으로 제어토록 하는 것이다.
- 사인 함수의 변위 입력에 대한 경사각 센서의 출력은 유압 실린더가 작동을 시작한 후 0.2 Hz의 경우 0.44초, 0.3 Hz의 경우 0.43초, 0.4 Hz의 경우 0.37 초부터 변화되기 시작하였으며, 전반적으로 0.27〜0.49초의 시간 지연을 두고 선형 포텐쇼미터의 신호를 추종하였다. 따라서 경사각 센서는 묘탑재대의 경사각을 일정 시차를 두고 출력하므로 이앙기의 주행 속도가 일정 속도 이상일 때는 제어 성능이 크게 떨어질 것으로 예상되었다.
- 사용하였다. 센서의 출력 전압은 센서에서 인가된 전압과 비례하기 때문에 DC 5 V의 전압을 인가하여 0~200 mm의 변위 범위에서 0~5 V의 전압을 선형적으로 출력할 수 있도록 하였다.
- 수평 제 어 시스템 의 동력은 시 험 이 앙기의 구조와 기능에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 조향용 유압 펌프에서 얻도록 설계하였다. 시험 이앙기에는 승하강용 유압 펌프와 조향용 유압 펌프 2개가 있으나.
- 수평 제어 장치를 설치할 이앙기는 L사의 승용 6조 이앙기로 하였으며, 성능 시험을 수행하기 위하여 구조의 일부를 다음과 같이 개조하였다.
- 따라서 이 수준 내에서 묘탑재대의 경사에 대한 주파수 및 진폭에 해당하는 입력 신호를 컴퓨터에서 발생시키고. 수평 제어장치의 제어부로 입력시켜 수평 제어 시스템을 작동시켰다. 그 후 제어부에 입력된 신호와 묘탑재대에 부착된 경사각 센서의 신호와 비교하여 수평 제어 시스템의 동적 응답특성을 구명하였다.
- 시험에 사용된 이앙기에는 동력 조향을 위한 유압 펌프가 설치되어 있기 때문에 이를 이용하여 동력 조향과 직렬로 수평 제어를 수행할 수 있도록 유압 회로를 설계하였다. 그림 4는 수평 제어와 동력 조향을 병행한 제어장치의 유압 회로를 나타낸 것이다.
- 따라서. 유량이 1.0l/min 이상인 경우에도 안정적으로 제어를 수행할 수 있는 PWM 제어를 적용하였다.
- 마이크로 콘트롤러와의연결을 고려하여 솔레노이드 밸브로 결정하였다. 이 솔레노이드 밸브는 중립 상태에서 A, B 포트가 모두 닫혀 실린더에 외력이 작용하더라도 실린더가 움직일 수 없는 즉, OFF 상태가 되며, 중립상태에서 유량이 탱크로 순환하는 탠덤 센터 방식의 회로를 구성하였다. 스풀이 좌측 또는 우측으로 움직이면 방향 제어 밸브와 연결된 실린더도 이에 따라 좌측 또는 우측으로 작동하는 ON 상태가 된다.
- 절대수평 상태는 지면의 기울기와 관계없이 항상 포장의 수면과 평행한 상태를 나타낸 것이다. 저어 방식은 식부장치의 경사각이 절대수평상태를 나타내는 불감대 영역을 벗어나는지 벗어나지 않는지에 따라 솔레노이드 밸브를 작동 또는 정지시키는 ON/OFF 제어방식과 불감대 영역을 벗어나는 정도에 따라 솔레노이드 밸브의 작동 시간을 조정하는 PWM 제어 두 가지 방식으로 하였다.
- 설계 . 제작된 수평 제어 시스템의 성능을 안정된 실험 조건에서 평가할 뿐만 아니라 다양한 작동 조건에서도 그 성능이 만족할만한 수준인지를 파악하기 위하여 성능 실험을 수행하였다.
- 최대 작동 시간과 대기 시간의 상관 관계를 구명 하기 위 하여 작동 시 간과 대 기 시 간을 변화시키며 실험을 수행하였다. 이때.
- 복동 양로드형을 채택하였으며. 치수는 묘탑재대가 최대로 묘를 탑재한 상태에서 최대로 기울어졌을 때 최소한의 복원 토크를 얻기 위한 작용력과 이 작용력을 기준으로 한 실린더의 유효 면적을 이용하여 결정하였다. 묘탑재대를 복원하는데 필요한 최소한의 복원 토크는 600 N.
대상 데이터
- 좌측, 우측 3가지 작동 모드를 가진 밸브가 요구된다. 따라서 3방향 4포트 방향 제어 밸브를 사용하였으며. 마이크로 콘트롤러와의연결을 고려하여 솔레노이드 밸브로 결정하였다.
- 5mm이된다(정, 2001). 유압 실린더는 보통로드의 면적에 대한 헤드의 면적비로 나타내므로, 실린더가 설치될 공간과 로드의 안정성을 고려하여 유효 면적비가 1.45인 표준 실린더를 채택하였다. 또한 실린더를 제작할 때의 가공성을 고려하여 실린더와 로드의 직경은 각각 25 mm, 15 mm 로 결정하였다.
이론/모형
- 실린더 로드의 변위를 검출하기 위하여 선형 포텐쇼미터를 사용하였다. 센서의 출력 전압은 센서에서 인가된 전압과 비례하기 때문에 DC 5 V의 전압을 인가하여 0~200 mm의 변위 범위에서 0~5 V의 전압을 선형적으로 출력할 수 있도록 하였다.
- 유압 실린더는 좌우 경사를 모두 제어하기 위하여 복동 양로드형을 채택하였으며. 치수는 묘탑재대가 최대로 묘를 탑재한 상태에서 최대로 기울어졌을 때 최소한의 복원 토크를 얻기 위한 작용력과 이 작용력을 기준으로 한 실린더의 유효 면적을 이용하여 결정하였다.
성능/효과
- 10) 이상의 결과로써 본 연구에서 개발된 수평 제어 시스템은 실제 포장 실험에서도 유효한 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단되었다.
- 2) 절대 수평을 나타내는 기준 경사각과 묘탑재대의 경사각을 비교하여 솔레노이드 밸브를 ON/ OFF 제어 또는 PWM 제어함으로써 식부 장치를 수평으로 유지할 수 있었다.
- 5) 경사각 센서의 출력을 이용하여 ON/OFF 제어할 경우 롤링 현상이 일어나지 않고 안정적인 수평 제어를 수행하기 위해서는 작동 유량을 1.0 // min 이 하로 유지하여 야 한다.
- 6) 작동 유량이 1.0l/min 보다 큰 경우에는 PWM 제어가 보다 안정적이었다.
- 9) 최대 작동 시간과 대기 시간을 조절하여 PWM 제어를 수행하면 유량이 큰 경우에도 적절한 수평 제어가 가능한 것으로 판단되었다.
- 그러나. 동력 조향 방식은 기계식과 유압식을 혼합한 형태이므로 조향용 유압 펌프에서 공급되는 유량을 먼저 수평 제어 시스템에서 사용하고, 다음에 리턴되는 유량을 조향 제어에 사용하더라도 유압 시스템에는 무리가 없을 것으로 판단되었다. 조향용 유압 펌프를 이용하여 수평 제어 시스템과 조향 유압 시스템을 직렬로 연결할 경우’ 별도의 수평 제어용 유압 펌프가 필요없으며 제어 시스템이 간단하고 제작비용도 줄일 수 있는 이점이 있다.
- 49초의 시간 지연을 두고 선형 포텐쇼미터의 신호를 추종하였다. 따라서 경사각 센서는 묘탑재대의 경사각을 일정 시차를 두고 출력하므로 이앙기의 주행 속도가 일정 속도 이상일 때는 제어 성능이 크게 떨어질 것으로 예상되었다. 또한, 경사각 센서의 응답에서 나타난 오버슈트는 입력주파수가 클수록 크게 나타났다.
- 대기 시간이 증가하였음에도 불구하고 수평을 유지하는데 필요한 작동 시간은 단축되었다. 따라서 최대 작동 시간과 대기 시간을 적절히 조절하여 PWM 제어를 수행하면 유량이 큰 경우에도 수평 제어를 수행할 수 있을 깃으로 판단되었다.
- 5초로 증가시켰을 경우에는 이러한 현상이 발생되지 않았으며, 수평 제어도 원활히 수행되었다. 따라서 평균 유량을 6.1 //min 정도로 할 경우, 최대 작동 시간을 0.2초로 설정하면, 안정적인 수평 제어를 수행하기 위해서는 0.4초 이상의 대기 시간이 필요한 것으로 나타났다.
- 38초이었다. 따라서, 평균 유량이 4.7//min 일 경우, 최대작동 시간을 0.4초로 설정하면, 안정적인 수평 제어를 수행하기 위해서는 0.6초 이상의 대기 시간이 필요한 것으로 나타났다.
- 따라서 경사각 센서는 묘탑재대의 경사각을 일정 시차를 두고 출력하므로 이앙기의 주행 속도가 일정 속도 이상일 때는 제어 성능이 크게 떨어질 것으로 예상되었다. 또한, 경사각 센서의 응답에서 나타난 오버슈트는 입력주파수가 클수록 크게 나타났다.
- 25 MPa로 설정하였을 때, 경사도가 5°인 묘탑재대가수평을 회복하는 과정을 나타낸 것이다. 유압 실린더가 작동을 시작한 후 0.기초부터 경사각 센서의 출력이 변화되기 시작하였으며, 유압 실린더가 작동을 멈춘 후 0.58초까지 경사각 센서의 출력이 나타났다. 이때, 유압 실린더 로드의 작동 거리는 82.
- 7 l/min 이었으며. 응답 특성은 최대 작동 시간을 0.2초, 대기 시간을 0.3초로 설정하였을 때와 같이 묘탑재대가 최초로 기울어진 방향과 반대 방향으로 기울어진 후 다시 수평을 회복하였다. 또한 작동 시간은 3.
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