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문제 정의
- 본 연구에서는 기존 파워시프트 트랙터의 변속압 제어 시스템을 디지털 방식으로 변화하기 위하여 고속 전자 밸브를 이용하고, PWM제어 시스템을 설계 하여 성능 평가를 실시하였다. 결론은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 전 후진 클러치를 대상으로 PWM 제어 시스템을 설계하고 시험 평가를 통하여 PWM 파워시프트 클러치 압력 제어 시스템 개발 기술을 확보하고자 한다.
제안 방법
- (2) 고속전자 밸브를 이용한 PWM 파워시프트 변속 압력 제어 시스템을 설계하였다.
- (3) PWM 변속 압력 제어 시스템 실험 장치를 구성하고 제어 성능을 평가하였다. 평가 결과 하드웨어 및 소프트웨어적으로 제어 성능을 개선할 수 있으며, 제어 성능은 우수한 것으로 판단된다.
- 2) LabVIEW 프로그램을 실행하여 압력변조신호를 계산하고, 이는 다시 증폭기를 통해 PWM 신호로 변환되어 고속전자밸브를 구동시킨다.
- 4) 압력센서로부터 피드백된 클러치의 압력을 입력 지령 신호와 비교하여 오차를 측정하고 PWM듀티를 실시간으로 계산한다.
- 6) 실험 조건으로 어큐뮬레이터 사용 유무, 비례게 인의 변화, 부하량등을 변화시키며 시험을 실시한다.
- 고속 전자 밸브를 이용한 파워시프트 변속 압력 제어 시스템을 개발하기 위하여 타당한 PWM 시스템을 구상하였다. 파워시프트 트랙터의 유압 변속부로는 전진 및 후진을 제어하는 셔틀(shuttle)클러치, 변속단을 제어하는 쉬프트(shift)클러치, 외부에 동력을 공급하는 PTO(power take off)클러치가 있으며, 이중 특히 셔틀 및 쉬프트 클러치의 압력을 제어하는 것이 중요하다.
- 9는 프로그래밍된 LabVIEW의 컨트롤 패널로서 계측데이터의 입력 게인(gain) 및 sampling rate를 입력 할 수 있다. 또한 컨트롤 스위치를 이용하여 방향제어밸브의 전진 및 후진 압력을 제어 할 수 있도록 하였으며, 각 센서로부터 입력되는 신호와 실시간으로 계산된 고속전자밸브의 듀티비(Duty ratio)를 확인할 수 있도록 구성하였다.
- 6에서 고속전자밸브 1개와 방향제어밸브 1개를 이용하면 PWM 변속압력 제어시스템 설계안을 방향 구현 할 수 있다. 또한, 별도로 구성된 고속전자밸브를 추가하여 사용할 경우 방향 제어밸브 없이 4개의 고속전자밸브만 이용하여 전․후진 클러치의 압력을 제어할 수 있도록 구성하였다. 이는 향후 클러치 압력 제어시스템을 다양한 설계안으로 구현하기 위한 것이다.
- 파워시프트 변속기 PWM 제어 시스템을 디자인 하고, 실험 장치를 구성하였다. 또한, 실험을 통하여 제어 특성을 분석하고 정리하였다.
- 3과 같다. 본 시스템은 2방향 온-오프 고속전자 밸브와 방향 제어 밸브를 이용한 방법으로서, 방향 제어 밸브가 중립시 전 후진 클러치는 탱크와 연결되어 동력전달이 차단되지만, 방향 제어 밸브가 작동하게 되면, 한쪽 클러치의 유압라인은 압력공급라인과 연결된다. 이때 고속전자 밸브는 수msec단위로 개폐를 반복함으로서 압력 모듈레이션을 실시하게 된다.
- 10과 같이 실험 장치를 구성하였다. 유압펌프를 이용하여 클러치 구동압력 및 부하압력, 밸브 매니폴더에 압력을 각각 공급하였다. 입력 및 출력축에 연결된 토크미터 및 rpm센서, 그리고 밸브블록 출력축에 장착된 압력센서는 DAQ장치를 거쳐 PC로 데이터를 전송하도록 하였다.
- 유압펌프를 이용하여 클러치 구동압력 및 부하압력, 밸브 매니폴더에 압력을 각각 공급하였다. 입력 및 출력축에 연결된 토크미터 및 rpm센서, 그리고 밸브블록 출력축에 장착된 압력센서는 DAQ장치를 거쳐 PC로 데이터를 전송하도록 하였다. PC로부터 나오는 밸브 제어 입력 신호는 DAQ 및 PWM Amplifier를 거쳐증폭되며, 고속전자밸브 및 방향제어 밸브를 구동하게 된다.
- 입력되는 지령 신호 형태에 따라 압력 제어 성능을 평가하였다. 압력을 디지털 제어시 마이컴에 의해 압력 제어가 이루어지며, 차량의 종류 및 동작 상태에 따른 다양한 압력 변조가 이루어 질 것이므로 다양한 입력 신호에 의한 제어 성능을 평가할 필요가 있다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 파워시프트 변속 시스템의 PWM 제어를 위해 디지털 형태의 밸브인 2방향 고속 전자밸브를 이용하였다. 파워시프트 변속기 PWM 제어 시스템을 디자인 하고, 실험 장치를 구성하였다.
- 본 연구에서는 파워시프트 변속 시스템의 PWM 제어를 위해 디지털 형태의 밸브인 2방향 고속 전자밸브를 이용하였다. 파워시프트 변속기 PWM 제어 시스템을 디자인 하고, 실험 장치를 구성하였다. 또한, 실험을 통하여 제어 특성을 분석하고 정리하였다.
데이터처리
- 계측용 소프트웨어는 NI의 LabVIEW를 이용하였으며, 물리량 계측 및 밸브 제어를 실행하도록 프로그래밍 하였다. Fig.
성능/효과
- (1) 기존 압력 제어 방식은 최적의 압력 파형 및 기대 상태에 따른 다양한 압력 파형 생성이 불가능하므로, 디지털 압력 제어가 이루어 져야 한다.
- 1) 현재 파워시프트는 변속기에서 유압에 의한 토크 부하의 과대한 변동을 방지하기 위한 연구 및 노력이 계속 되고 있지만 대부분 기계적 동특성의 조합으로 이루어진 모듈레이팅 밸브를 이용하는데 그치고 있다.2) 하지만 기계적 동특성만을 이용한 모듈 레이팅 밸브로는 최적 유압 곡선을 유도해 내는데 한계가 있으며, 변속기의 사용에 따른 작동유의 온도 상승은 점도 및 비중의 변화를 초래하고, 기구의 노후와 함께 지속적이고 균일한 클러치 압력제어에 악 영향을 미쳐 그 특성이 달라짐은 자명하다.
- 3) 방향제어 밸브는 클러치와 연결되며, 이때 고속 전자밸브는 압력변조를 실시한다.
- 3) 이와 같은 여건에서 힘입어 자동차용 자동 변속기에서는 작동유압을 디지털로 제어하는 기술이 이미 개발되었지만 트랙터의 변속 시스템에 적용된 적은 없었다.
- 압력을 디지털 제어시 마이컴에 의해 압력 제어가 이루어지며, 차량의 종류 및 동작 상태에 따른 다양한 압력 변조가 이루어 질 것이므로 다양한 입력 신호에 의한 제어 성능을 평가할 필요가 있다. Fig. 12에서와 같이 입력 신호의 기울기를 조절하여 실험한 결과 신호의 기울기가 어느 정도 커질 때 제어 성능이 불안정해짐을 확인하였다.
- 14는 고속전자 밸브를 이용하여 클러치 압력을 변조시키고 이때, 입 출력축의 회전 속도 및 토크의 변화량을 계측한 것이다. 결과에서 보듯이, 압력 모듈레이션 제어는 우수하며, 모듈레이션시 입 출력축의 토크 크기 및 속도 변화의 특성을 잘 나타내고 있다. 이러한 자료를 이용하여 가속도 및 저크를 분석하면 차량이 출발할 때 발생하는 변속 충격을 알 수 있고 이를 토대로 차량 상태에 따라 변속 충격을 최소로 하는 압력 모듈레이션 신호를 역설계 할 수 있다.
- 11에서와 같이 어큐뮬레이터를 이용하지 않을 때는 현재의 시스템으로 클러치 변속압제어가 불가능함을 확인하였다. 또한 어큐뮬레이터를 사용할시 적절한 예압 및 체적을 선정하여야 제어 성능이 우수하며, 그러지 않을 경우 응답속도가 늦거나, 특정 압력 영역에서 원활한 제어가 되지 않음을 확인하였다.
- 어큐뮬레이터의 사용 유무에 따라 제어 성능을 실험한 결과, Fig. 11에서와 같이 어큐뮬레이터를 이용하지 않을 때는 현재의 시스템으로 클러치 변속압제어가 불가능함을 확인하였다. 또한 어큐뮬레이터를 사용할시 적절한 예압 및 체적을 선정하여야 제어 성능이 우수하며, 그러지 않을 경우 응답속도가 늦거나, 특정 압력 영역에서 원활한 제어가 되지 않음을 확인하였다.
- 15는 압력 모듈레이션을 일정하게 하고 차량의 구동 부하를 증가 시키며, 출력축 속도를 측정한 것이다. 트랙터의 정격 부하량 기준으로 10%에서 약 50%까지 부하량을 증가 시키며 속도를 계측한 결과 임의로 설정된 모듈레이션 압력이 정격 부하 30%에서 적합함을 알 수 있다. 이렇듯, 차량 상태에 따라 적합한 모듈레이션 압력을 설계하고 반영하여야 하므로, 이러한 설계 기술을 확보하는 것이 중요하다.
- (3) PWM 변속 압력 제어 시스템 실험 장치를 구성하고 제어 성능을 평가하였다. 평가 결과 하드웨어 및 소프트웨어적으로 제어 성능을 개선할 수 있으며, 제어 성능은 우수한 것으로 판단된다.
후속연구
- (4) 클러치 부하 시험기에서 계측된 물리량은 차량 상태에 따른 최적의 압력 모듈레이션 신호를 역설계하는데 이용 될 수 있다.
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