[논문]EPB 시스템의 센서 고장 허용 제어 기법

이원구; 이영옥; 장민석; 이충우; 정정주; 정한별

문제 정의

본 논문에서는 EPB 시스템에서 힘 센서, 엔코더, 전류 센서의 고장 발생 시에도 정상적인 동작을 보장하는 센서 고장 허용 제어 기법을 제안한다. EPB 시스템의 센서 고장 허용 제어를 위해 동일한 센서를 중복 사용한다면 추가적인 비용이 발생하게 되고, 공학적으로 가치가 떨어진다.
하지만 온도 변화 또는 파킹 케이블의 연결 고장으로 인해 탄성 계수가 변화하는 경우와 초기 부하량 차이에 따라 일정한 제동력을 위한 모터의 총 회전수가 변화하는 경우 힘 센서의 고장 검출을 보장할 수 없다. 본 논문에서는 모터의 전류와 각가속도를 이용한 제동력 추정 기법을 제안한다. 이 기법은 파킹 케이블의 탄성 계수 변화, 초기 부하 조건 등과 관계없이 제동력을 추정할 수 있다.
본 논문에서는 제동력 측정을 위해 힘 센서를 장착한 EPB 시스템에서 모터의 전류와 각 가속도를 이용하여 제동력을 추정하는 기법을 제안하고 모의실험 및 실험을 통해 성능을 검증하였다. 이 기법은 힘 센서 고장 시 전류 센서만을 이용하여도 신뢰도 높은 제동력을 추정할 수 있다.
이는 서로 다른 역할을 맡고 있는 기기라 하더라도 시스템 내부의 동특성에 대한 정보를 이용하면 하드웨어 중복을 이용한 것과 같은 효과를 얻을 수 있다는 사실에 바탕을 두고 있다. 본 연구에서는 해석적 중복 방법을 통해 EPB 시스템에 사용된 센서들의 고장을 검출하는 방법을 제시하고, 나아가 센서 고장 허용 제어가 가능한 EPB 시스템의 구현 가능성을 확인한다.

가설 설정

고장발생은 Fig. 13과 같이 비선형 비례 제어기가 적용되는 tNL 이후인 tfault에서 발생되는 것을 가정하였다.
식(9)는 모터에 가해진 입력 전압, V(t)과전류, 역기전력의 관계식이다. 역기전력 상수는 모터 토크상수, K_m와 동일하다고 가정한다. 모터의 전류 리플을 이용하여 모터의 각가속도를 측정하고, 이를 이용하여 제동력을 추정하였을 때 식 (7)을 식 (10)과 같이 정리할 수 있다.

제안 방법

EPB 시스템은 제동력 제어를 위해 힘 센서를 주센서로 사용하고, 힘 센서의 고장이 발생하였을 경우에는 전류 센서로 스위칭 하여 제동력을 제어한다. EPB 동작 도중 힘센서에서 전류 센서를 이용한 제동력 제어 방법으로 스위칭 시, 제동력 오차를 실험을 통해 확인한다. 목표 제동력은 80[kgf]부터 100[kgf]까지 5[kgf]씩 증가 시키면서 각 제동력마다 10회씩 실험을 진행하였다.
EPB 시스템의 고장 검출 기법을 검증하기 위해 모의실험을 진행 하였다. 기계적, 전기적 구성 요소는 Dymola를 이용하여 구현하였으며, 고장 검출을 위한 잔차 발생기는 4장에서 얻은 패리티 방정식을 MATLAB/ Simulink를 이용하여 구현하였다.
EPB 시스템의 센서 고장 허용 제어를 위해 동일한 센서를 중복 사용한다면 추가적인 비용이 발생하게 되고, 공학적으로 가치가 떨어진다. 고장 허용 제동력 제어를 위해 제동력(clamp force)을 측정하는 힘 센서의 고장 발생 시에도 정상정인 제동력 제어를 위해 모터의 전류와 각가속도 정보를 이용하는 제동력 추정 기법을 제안한다. 또한 엔코더 고장 발생을 대비하여 전류 리플을 이용해 모터의 회전수를 측정하는 방법을 사용한다.
2절에서 모의실험을 통해 확인한 결과 r₂와 r₅ 잔차 신호만으로 전류 센서, 힘 센서, 엔코더 등 3가지 센서 고장 검출이 가능하였다. 따라서 5개의 잔차 신호 중 r₂와 r₅ 2개의 잔차 신호를 이용하여 힘 센서, 전류 센서, 엔코더의 고장 잔차 패턴을 실험을 통해 확인한다. EPB 동작 이후 약 0.
모의실험 및 실험을 통한 잔차 패턴을 비교한 결과 각 센서들의 고장상태를 검출할 수 있었다. 또한 센서들의 고장 발생시에도 정상적인 동작을 할 수 있는 센서 고장 허용 제어 기법을 제안하였다. 제동력 추정 기법과 전류리플을 이용한 모터 회전수측정기법, 센서고장검출 기법을 이용함으로써 센서의 단일 고장 발생시에도 제동력 제어가 가능하다.
고장 허용 제동력 제어를 위해 제동력(clamp force)을 측정하는 힘 센서의 고장 발생 시에도 정상정인 제동력 제어를 위해 모터의 전류와 각가속도 정보를 이용하는 제동력 추정 기법을 제안한다. 또한 엔코더 고장 발생을 대비하여 전류 리플을 이용해 모터의 회전수를 측정하는 방법을 사용한다. 제동력 추정 기법과 전류 리플을 이용해 모터의 회전수를 측정하는 기법을 고장 검출을 위한 패리티 방정식에 적용하여 잔차 발생 행렬을 구한다.
이 기법은 힘 센서 고장 시 전류 센서만을 이용하여도 신뢰도 높은 제동력을 추정할 수 있다. 또한 이 제동력 추정 방법을 패리티 방정식을 이용한 EPB 고장 검출 기법에 적용하여 힘 센서와 엔코더, 전류 센서, 파킹 케이블 연결의 고장을 판별하였다. 모의실험 및 실험을 통한 잔차 패턴을 비교한 결과 각 센서들의 고장상태를 검출할 수 있었다.
모터에 흐르는 전류와 각가속도를 이용하여 추정한 제동력과 힘 센서로 측정한 실제 제동력을 비교하였다. 목표 제동력을 95[kgf]로 설정하였을 때 실험 결과는 Fig.
EPB 동작 도중 힘센서에서 전류 센서를 이용한 제동력 제어 방법으로 스위칭 시, 제동력 오차를 실험을 통해 확인한다. 목표 제동력은 80[kgf]부터 100[kgf]까지 5[kgf]씩 증가 시키면서 각 제동력마다 10회씩 실험을 진행하였다. 비선형 비례 제어 구간 중 목표 제동력의 약 5%에 도달하기 전까지 제어기의 출력은 최대로 포화된다.
본 장에서는 3장에서 제안한 제동력 추정기법을 실험을 통해 검증하고 4장에서 제안한 고장 검출 기법을 모의실험 및 실험을 통해 검증한다.
본 절에서는 실제 실험을 통해 EPB 시스템의 고장 검출 기법을 검증한다. 하지만, 파킹 케이블 연결 고장 검출의 검증은 구비하고 있는 EPB 실험기로 실험을 수행하기에는 안전상의 문제가 있기 때문에 제외 하고 진행하였다.
또한 2개의 잔차를 통하여 위 3가지 센서의 고장을 판별할 수 있다. 실험을 통해 제동력 추정기법을 검증하고, 모의실험 및 실험을 통해 EPB 시스템 고장 검출 기법을 검증하였다. 실험결과 제동력 추정 기법은 허용 오차 범위를 만족하는 결과를 보였고, 고장 검출 기법을 통해 EPB 시스템의 단일 센서 고장 발생 시에도 정상적인 동작을 보이는 것을 확인하였다.
본 장에서는 EPB 시스템의 고장 검출 기법을 설명한다. 전류 리플을 이용하여 모터 회전수를 측정하는 기법과 3장에서 제안한 제동력 추정기법을 고장 검출 기법에 적용하여 EPB 시스템의 센서와 파킹 케이블의 연결 고장을 검출한다.
제동력 제어 실험은 힘 센서를 이용하여 제어한 경우와 제동력 추정 기법을 이용하여 제어한 경우로 나누어 진행하였다. 80~100[kgf]의 목표 제동력에 대한 오차의 평균값과 편차는 Fig.
또한 엔코더 고장 발생을 대비하여 전류 리플을 이용해 모터의 회전수를 측정하는 방법을 사용한다. 제동력 추정 기법과 전류 리플을 이용해 모터의 회전수를 측정하는 기법을 고장 검출을 위한 패리티 방정식에 적용하여 잔차 발생 행렬을 구한다. 총 5개의 잔차 변화를 통하여 힘센서, 엔코더, 전류센서의 고장과 파킹 케이블의 연결 고장을 검출할 수 있다.
또한 센서들의 고장 발생시에도 정상적인 동작을 할 수 있는 센서 고장 허용 제어 기법을 제안하였다. 제동력 추정 기법과 전류리플을 이용한 모터 회전수측정기법, 센서고장검출 기법을 이용함으로써 센서의 단일 고장 발생시에도 제동력 제어가 가능하다. 힘 센서의 고장이 발생한 경우 전류 센서를 이용한 제동력 추정 기법을 이용하여 EPB의 제동력 제어를 시스템 을구현하고, 엔코더의 고장이 발생한 경우 전류 리플을 이용한 회전 정보로 대체 할 수 있다.
제동력 추정 기법의 성능을 검증하기 위하여 힘 센서와 전류 센서를 이용하여 80~100[kgf]의 목표 제동력 당 10회 반복 실험을 진행하였다. 로드셀을 이용하여 측정된 절대적인 최종 제동력은 각 센서를 이용하여 제동 력제어한 결과와 비교되었다.
제동력 해제 시의 경우는 초기 제동력을 80~100[kgf]로 하고, 목표 제동력을 0[kgf]로 하여 실험을 진행하였다. 실험 결과 Fig.

대상 데이터

본 논문에서 사용하는 cable puller stretched type EPB 시스템은 DC 모터와 파킹 케이블, 스크류, 기어박스, 힘 센서, 전류 센서, 엔코더 등으로 이루어져 있다. 시스템의 구성은 Fig.
제동력 제어 실험을 위해 힘 센서 및 전류 센서, 엔코더가 장착된 cable puller stretched type EPB를 사용한다. 실험기에는 파킹 케이블의 절대적인 장력 측정을 위해 로드셀 및 인디케이터가 장착되어 있고, 주전원은 차량용 12[V] 베터리를 사용한다. 실험 환경은 Fig.

데이터처리

제동력 추정 기법의 성능을 검증하기 위하여 힘 센서와 전류 센서를 이용하여 80~100[kgf]의 목표 제동력 당 10회 반복 실험을 진행하였다. 로드셀을 이용하여 측정된 절대적인 최종 제동력은 각 센서를 이용하여 제동 력제어한 결과와 비교되었다.

이론/모형

³⁾ 이 기법은 모델 기반 검출 기법으로 실제 시스템과 공칭 모델(nominal model)의 관계를 나타내는 패리티 방정식을 유도하고 잔차 확인을 통해 시스템의 고장을 검출한다.⁴⁾ 패리티 방정식 유도 과정에는 전류 리플을 이용한 모터 위치 측정 기법과 제동력 추정기법이 적용되었다.
EPB 시스템의 고장을 검출하기 위해서 패리티 방정식을 이용한 고장 검출 기법을 사용한다.³⁾ 이 기법은 모델 기반 검출 기법으로 실제 시스템과 공칭 모델(nominal model)의 관계를 나타내는 패리티 방정식을 유도하고 잔차 확인을 통해 시스템의 고장을 검출한다.
EPB 시스템의 고장 검출 기법을 검증하기 위해 모의실험을 진행 하였다. 기계적, 전기적 구성 요소는 Dymola를 이용하여 구현하였으며, 고장 검출을 위한 잔차 발생기는 4장에서 얻은 패리티 방정식을 MATLAB/ Simulink를 이용하여 구현하였다. 4장에서 제안된 고장 검출 기법은 전류 센서, 엔코더, 힘센서 고장, 파킹 케이블 연결 고장 등 4가지 고장을 검출할 수 있다.

성능/효과

이 기법은 파킹 케이블의 탄성 계수 변화, 초기 부하 조건 등과 관계없이 제동력을 추정할 수 있다.¹⁴⁾ 이 제동력 추정 기법은 EPB 고장 검출 기법에 적용될 수 있으며, 저가 EPB시스템 구현 시에도 유용하게 사용될 수 있다.⁵⁾
따라서 고장 검출을 포함한 다양한 고장 허용제어(fault tolerant control) 기법에 대한 연구가 요구된다.³⁾고장 허용 제어 기법은 크게 하드웨어 중복(hardware redundancy)을 통한 방법과 해석적 중복(analytic redundancy)을 통한 방법으로 나누어진다.⁴⁾ 하드웨어 중복에 의한 방법은 동일한 기능을 갖는 하드웨어를 두 개 이상 사용하여 고장을 허용하는 것으로, 가장 신뢰성이 높고 간단하게 구현할 수 있다는 장점이 있으나 구현하고자 하는 곳에 두 개 이상의 기기를 설치해야 하기 때문에 구조적으로 복잡해지고 추가적인 비용이 발생하는 단점이 있다.
³⁾고장 허용 제어 기법은 크게 하드웨어 중복(hardware redundancy)을 통한 방법과 해석적 중복(analytic redundancy)을 통한 방법으로 나누어진다.⁴⁾ 하드웨어 중복에 의한 방법은 동일한 기능을 갖는 하드웨어를 두 개 이상 사용하여 고장을 허용하는 것으로, 가장 신뢰성이 높고 간단하게 구현할 수 있다는 장점이 있으나 구현하고자 하는 곳에 두 개 이상의 기기를 설치해야 하기 때문에 구조적으로 복잡해지고 추가적인 비용이 발생하는 단점이 있다. 이러한 하드웨어 중복의 단점을 해결하기 위해 1970년대 이후에 해석적 중복 개념이 제안되었다.
하지만, 파킹 케이블 연결 고장 검출의 검증은 구비하고 있는 EPB 실험기로 실험을 수행하기에는 안전상의 문제가 있기 때문에 제외 하고 진행하였다. 5.2절에서 모의실험을 통해 확인한 결과 r₂와 r₅ 잔차 신호만으로 전류 센서, 힘 센서, 엔코더 등 3가지 센서 고장 검출이 가능하였다. 따라서 5개의 잔차 신호 중 r₂와 r₅ 2개의 잔차 신호를 이용하여 힘 센서, 전류 센서, 엔코더의 고장 잔차 패턴을 실험을 통해 확인한다.
5개의 잔차 신호 r₁, r₂, r₃, r₄, r₅를 이용하여 각각의 고장 상태에 대한 잔차 패턴을 확인하면 전류 센서, 엔코더, 힘 센서의 고장 등 3가지 센서 고장과 파킹 케이블 연결고장 상태를 검출할 수 있다. 또한 3장에서 제안된 제동력 추정 기법과 결합하여 EPB 시스템의 센서 고장 허용 제동력 제어를 할 수 있다.
또한 이 제동력 추정 방법을 패리티 방정식을 이용한 EPB 고장 검출 기법에 적용하여 힘 센서와 엔코더, 전류 센서, 파킹 케이블 연결의 고장을 판별하였다. 모의실험 및 실험을 통한 잔차 패턴을 비교한 결과 각 센서들의 고장상태를 검출할 수 있었다. 또한 센서들의 고장 발생시에도 정상적인 동작을 할 수 있는 센서 고장 허용 제어 기법을 제안하였다.
6에서 각 목표 제동력마다 오프셋 오차와 편차가 발생하는 이유는 EPB 실험기의 구조적 특성으로 인해 생기는 전류의 저주파 진동 성분 때문이다. 본 실험기에서는85[kgf]와 95[kgf] 부분에서 전류의 진동 성분이 크게 존재하기 때문에 전류 센서를 이용한 제동력 제어 시 85[kgf]와 95[kgf] 부분에서 오차가 더 크게 나타났다. 전류의 저주파 진동 원인은 prototype 제작 시 축의 misalignment로 인한 부하 토크의 변화 때문인 것으로 추정된다.
실험을 통해 제동력 추정기법을 검증하고, 모의실험 및 실험을 통해 EPB 시스템 고장 검출 기법을 검증하였다. 실험결과 제동력 추정 기법은 허용 오차 범위를 만족하는 결과를 보였고, 고장 검출 기법을 통해 EPB 시스템의 단일 센서 고장 발생 시에도 정상적인 동작을 보이는 것을 확인하였다.
이것은 오프셋 오차의 주원인인 전류의 저주파 진동이 브레이킹 동작 시에 비해 제동력 해제 시에 작게 나타나기 때문이다. 이상의 실험 결과를 통해 브레이킹 동작 시와 제동력 해제 시 모두 전류 센서만을 이용한 EPB 제동력 제어가 가능하다는 것을 확인하였다.
제동력 추정 기법을 사용하여 제동력을 제어한 경우 목표 제동력에 대해 ±5%이내의 오차 범위 내에서 동작하는 것을 확인할 수 있다.
제동력 추정 기법과 전류 리플을 이용해 모터의 회전수를 측정하는 기법을 고장 검출을 위한 패리티 방정식에 적용하여 잔차 발생 행렬을 구한다. 총 5개의 잔차 변화를 통하여 힘센서, 엔코더, 전류센서의 고장과 파킹 케이블의 연결 고장을 검출할 수 있다. 또한 2개의 잔차를 통하여 위 3가지 센서의 고장을 판별할 수 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	X-bywire이란 무엇인가?	최근 자동차 산업에서는 사용자의 편의를 강조하는 지능형 자동차에 대한 관심이 높아가는 가운데 전자식 센서, 엑츄에이터, 전자제어장치(ECU :Elec-tronic Control Unit)등을 이용하는 X-by-wire 시스템에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.1) X-bywire란 기계 또는 유압으로 제어되던 스티어링 휠이나 브레이크 등의 장치들을 전자제어 방식으로 전환하는 기술이다. X-by-wire 기술을 브레이크에 적용할 경우 brake-by-wire라고 한다.
	Brake-by-wire 시스템의 장점은 무엇인가?	X-by-wire 기술을 브레이크에 적용할 경우 brake-by-wire라고 한다. Brake-by-wire 시스템은 기존의 시스템과 비교하여 차량 시스템 구성 요소가 모듈화 되어 차량의 개발 비용이 저렴하고, 편리성 및 기능 확장의 유연성이 뛰어나다. 전자제어식 주차 브레이크(Electric Parking Brake 이하 EPB) 시스템은 brake-by-wire 시스템의 일종으로 최근 실제 차량에 장착되고 있으며, 제어 기법과 다양한 부가 기능에 대한 연구가 진행중이다.
	고장 허용 제어 기법 중 하드웨어 중복에 의한 방법의 특징은 무엇인가?	3) 고장 허용 제어 기법은 크게 하드웨어 중복(hardware redundancy)을 통한 방법과 해석적 중복(analytic redundancy)을 통한 방법으로 나누어진다.4) 하드웨어 중복에 의한 방법은 동일한 기능을 갖는 하드웨어를 두 개 이상 사용하여 고장을 허용하는 것으로, 가장 신뢰성이 높고 간단하게 구현할 수 있다는 장점이 있으나 구현하고자 하는 곳에 두 개 이상의 기기를 설치해야 하기 때문에 구조적으로 복잡해지고 추가적인 비용이 발생하는 단점이 있다. 이러한 하드웨어 중복의 단점을 해결하기 위해 1970년대 이후에 해석적 중복 개념이 제안되었다.

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