[논문]부하토크외란관측기를 이용한 철도모의장치의 Anti-Slip 제어

장진혁; 황락훈; 김영춘

부하토크외란관측기를 이용한 철도모의장치의 Anti-Slip 제어
Anti-Slip Control of Railway Vehicle Using Load Torque Disturbance Observer 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.7 no.6, 2006년, pp.1064 - 1071

장진혁 (대한국철도공사) , 황락훈 (세명대학교 전기공학과) , 김영춘 (공주대학교 기계자동차공학부)

초록
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본 논문에서는 최대 견인력 제어를 위해서 부하토크외란관측기와 속도센서리스 벡터제어를 이용하여 점착력 계수를 추정하고 추정한 점착력 계수의 미분치를 PI 토크 제어하는 Anti-slip제어를 제안한다. 점착력 계수를 추정하기 위해서는 전압, 전류값 뿐만 아니라 자속이나 속도정보가 필요하다. 따라서 전동기의 회전속도를 정확하게 검출할 수 있는 속도센서가 필요하게 된다. 그러나 속도검출을 위해 속도센서를 부착하는 것은 여러 가지 면에서 단점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 속도센서 없는 센서리스 구동방식에 의한 부하토크외란관측기를 설계하여, 점착력 계수를 추정한다. 이와 같은 제어 알고리즘을 구현하기 위하여 1C1M 철도모의장치를 이용하여 제안된 알고리즘을 실험을 통하여 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In electric motor coaches, the rolling stocks move by the adhesive effort between rail and driving wheel. Generally, the adhesive effort is defined by the function of both the weight of electric motor coach and the adhesive effort between rails and driving wheel. The characteristics of adhesive effort is strongly affected by the conditions between rails and driving wheel. When the adhesive effort decreases suddenly, the electric motor coach has slip phenomena. This paper proposes a re-adhesion control based on disturbance observer and sensor-less vector control. The numerical simulation and experimental results point out that the proposed readhesion control system has the desired driving wheel torque response for the tested bogie system of electric coach. Based on this estimated adhesive effort, the re-adhesion control is performed to obtain the maximum transfer of the tractive effort.

주제어

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제안 방법

그러므로 본 논문에서는 최대 견인력 제어를 위해서 속도센서리스벡터 제어와 부하토크 외란 관측기를 통하여 점착력 계수를 추정한다. 추정한 점착력 계수의 미분치를 PI 토크제어하여, 추정된 점착력이 최대 점착력에서 유지되도록 전동기를 토크 제어하는 Anti-slip제어 알고리즘을 제안한다.
이와 같은 제어 알고리즘을 구현하기 위하여 1C₁M(1-Controller 1-Motor) 철도모의 장치를 이용하여 제안된 알고리즘을 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였다. 또한 실제 철도차량 시스템의 경우 선로표면의 상태 변화 및 차량 속도의 가감에 따른 공전 속도에 대한점착력의 관계를 축소형 철도모의 장치를 이용하여 구현하였다.
순시적으로 추정한 부하 외란 토크에 철도차량 상수를 이용하여 점착력 계수를 추정한다. 또한, 점칙력 계수의 미분치는 노이즈에 강인한 미분 관측기를 구성하여 사용하였다.
본 논문에서는 속도센서리스벡터 제어를 이용한 부하 토크 외란 관측기를 구성하여 점착력 계수를 추정하고, 추정한 점착력 계수의 미분치를 pi토크 제어하여 다음과 같은 결론를 얻었다.
속도 센서 리스 벡터 제어에 의하여 견인 전동기의 속도를 추정하고, 추정한 속도의 정보를 이용하여, 부하 외란 토크를 순시적으로 추정한다. 순시적으로 추정한 부하 외란 토크에 철도차량 상수를 이용하여 점착력 계수를 추정한다.
제어 알고리즘을 구현하기 위해서 TMS320 -VC₃₃ DSP< 이용하였고, PWM 출력과 4개의 전동기 속도, 1개의 관성체 속도를 검출하여 사용하기 위하여 ALTERA 사의 EP1KQC₂₀8-2를 사용하였다. 유도전동기의 벡터 제어 방법은 회전자 자속기준 벡터제어를 이용하였으며, 전류제어 루프는 2<X)[uS] 마다 동작되도록 하였으며, 속도제어 루프는 5[mS〕마다 제어되도록 하였다.
3 대표적으로 전동차 운전 시, 레일의 노면 상태나 구배 등 여러 환경조건에 의하여 철도차량에 부착된 견인 전동기의 속도센서가 기계적인 진동에 의해 정확한 정보를 얻을 수 없다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 속도센서 없는 센서 리스 구동 방식에 의한 부하토크 외란관측기를 설계하여, 부하 외란 토크를 추정하고, 부하 외란 토크에 철도차량 상수를 이용하여 점착력 계수를 추정한다. 이와 같은 제어 알고리즘을 구현하기 위하여 1C₁M(1-Controller 1-Motor) 철도모의 장치를 이용하여 제안된 알고리즘을 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 속도센서 없는 센서 리스 구동 방식에 의한 부하토크 외란관측기를 설계하여, 부하 외란 토크를 추정하고, 부하 외란 토크에 철도차량 상수를 이용하여 점착력 계수를 추정한다. 이와 같은 제어 알고리즘을 구현하기 위하여 1C₁M(1-Controller 1-Motor) 철도모의 장치를 이용하여 제안된 알고리즘을 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였다. 또한 실제 철도차량 시스템의 경우 선로표면의 상태 변화 및 차량 속도의 가감에 따른 공전 속도에 대한점착력의 관계를 축소형 철도모의 장치를 이용하여 구현하였다.
점착력 계수를 추정한다. 추정한 점착력 계수의 미분치를 PI 토크제어하여, 추정된 점착력이 최대 점착력에서 유지되도록 전동기를 토크 제어하는 Anti-slip제어 알고리즘을 제안한다.'A®

대상 데이터

시스템 구성은 1C₁M 에 의해 구동되는 한 개의 바퀴에 대하여 모델링하여 실험하였다. 제어 알고리즘을 구현하기 위해서 TMS320 -VC₃₃ DSP< 이용하였고, PWM 출력과 4개의 전동기 속도, 1개의 관성체 속도를 검출하여 사용하기 위하여 ALTERA 사의 EP1KQC₂₀8-2를 사용하였다.

이론/모형

시스템 구성은 1C₁M 에 의해 구동되는 한 개의 바퀴에 대하여 모델링하여 실험하였다. 제어 알고리즘을 구현하기 위해서 TMS320 -VC₃₃ DSP< 이용하였고, PWM 출력과 4개의 전동기 속도, 1개의 관성체 속도를 검출하여 사용하기 위하여 ALTERA 사의 EP1KQC₂₀8-2를 사용하였다. 유도전동기의 벡터 제어 방법은 회전자 자속기준 벡터제어를 이용하였으며, 전류제어 루프는 2<X)[uS] 마다 동작되도록 하였으며, 속도제어 루프는 5[mS〕마다 제어되도록 하였다.

성능/효과

[1] 바퀴와 레일 사이의 실제 점착력 계수를 부하 토크 외란 관측기를 통하여 실시간으로 추정하고, 추정된 점착력 계수를 통하여 점착력을 추정하여 최대 견인력 제어가 가능함을 확인 하였다.
[2] 속도센서리스벡터 제어를 적용함으로써, 레일의 노면 상태나 구배 등 여러 환경 조건에 대해서도 정확한 속도정보를 얻을 수 있었다.
[3] 공전 속도에 의한 점착력 계수의 변화에도 불구하고 구동토크와 차량 속도는 일정한 가속 제어가 가능하게 하였다.
것을 확인할 수 있었다. 또한 그림 10은 Anti-slip PI토크제어를 하지 않은 경우로써, 그림 11 의 Anti-Slip PL토크 제어를 한 경우와 비교하여 차량 속도의 증가기울기가 현저히 감소함을 확인할 수 있었다.
전동차 기동4초후에 공전이 발생하면, non Anti-slip 제어 경우에는 공전 속도 증가에 의한 점착력과 차량 속도의 감소롤 확인할 수 있었고, Anti-slip제어 경우에는 점착력과 차량 속도가 non Anfi-slip제어 경우와 비교하여 점착력의 감소율이 적었고, 차량 속도의 증가 기울기가 현저히 상승함을 확인 하였다.

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