최근 환경오염, 지구 온난화, 화석 연료 고갈 등이 범지구적 문제가 됨에 따라 녹색 에너지 기술 개발이 주목을 받고 있다. 이런 추세에 따라, 자전거가 다양한 스마트 에너지 기술과 결합하여 친환경 근거리 이동수단으로 발전하고 있다. 스마트 자전거 기술과 관련하여 많은 기술이 개발되고 있는데 이중 PAS(Power Assist System)는 사람의 힘과 전기의 힘을 효과적으로 결합하여 배터리로 구동되는 전기 모터를 제어하는 기술이다. 본 논문은 PAS를 구성하는 핵심 기술인 새로운 토크 센서를 제안한다. 이 기술은 기존 기술들과는 달리 자전거 뒤축에 스트레인 게이지를 부착하여 슬립링의 필요성을 없애고 사람에 의해 가해지는 구동축 토크를 측정 할 뿐 아니라, 현재 작동되는 기어의 위치를 근사적으로 추정 가능하게 한다.
최근 환경오염, 지구 온난화, 화석 연료 고갈 등이 범지구적 문제가 됨에 따라 녹색 에너지 기술 개발이 주목을 받고 있다. 이런 추세에 따라, 자전거가 다양한 스마트 에너지 기술과 결합하여 친환경 근거리 이동수단으로 발전하고 있다. 스마트 자전거 기술과 관련하여 많은 기술이 개발되고 있는데 이중 PAS(Power Assist System)는 사람의 힘과 전기의 힘을 효과적으로 결합하여 배터리로 구동되는 전기 모터를 제어하는 기술이다. 본 논문은 PAS를 구성하는 핵심 기술인 새로운 토크 센서를 제안한다. 이 기술은 기존 기술들과는 달리 자전거 뒤축에 스트레인 게이지를 부착하여 슬립링의 필요성을 없애고 사람에 의해 가해지는 구동축 토크를 측정 할 뿐 아니라, 현재 작동되는 기어의 위치를 근사적으로 추정 가능하게 한다.
As environmental pollution, global warming, and exhaustion of fossil fuel become global issue recently, there has been strong research motivation to develop green energy technology. Along the same line of motivation, some research efforts have been put into the development of environment-friendly bi...
As environmental pollution, global warming, and exhaustion of fossil fuel become global issue recently, there has been strong research motivation to develop green energy technology. Along the same line of motivation, some research efforts have been put into the development of environment-friendly bicycle equipped with various smart energy technologies to increase the usability of the bicycle as short-distance transportation. Among the technologies related with new generation bicycle, PAS (power assist system) is one of the most important systems that are essential in efficiently integrating human power and the electrical power supplied by electric motor driven by battery. In this paper, a novel torque sensor technology which is core component for PAS is proposed. Unlike existing technologies, strain gauges are attached to rear shaft directly under the hub bearings, which eliminates the requirement of slip-ring, Furthermore, the sensor is able to not only measure the torque transmitted to driving axle by human but also estimate the position of the gear to which the chain is currently engaged.
As environmental pollution, global warming, and exhaustion of fossil fuel become global issue recently, there has been strong research motivation to develop green energy technology. Along the same line of motivation, some research efforts have been put into the development of environment-friendly bicycle equipped with various smart energy technologies to increase the usability of the bicycle as short-distance transportation. Among the technologies related with new generation bicycle, PAS (power assist system) is one of the most important systems that are essential in efficiently integrating human power and the electrical power supplied by electric motor driven by battery. In this paper, a novel torque sensor technology which is core component for PAS is proposed. Unlike existing technologies, strain gauges are attached to rear shaft directly under the hub bearings, which eliminates the requirement of slip-ring, Furthermore, the sensor is able to not only measure the torque transmitted to driving axle by human but also estimate the position of the gear to which the chain is currently engaged.
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문제 정의
따라서 정확한 토크의 측정을 위해서 본 논문에서는 자전거의 기어를 지나 바퀴의 축에 토크 센서를 부착하는 방법을 제시하고, 또한 토크를 측정함에 있어서 기어변경이 고려되지 않은 축에 가해지는 평균토크를 측정하는 것이 아니라, 기어의 변경의 영향까지 고려된 정밀한 토크 값을 계측 할 수 있는 센서처리 기술을 연구 제시한다. 이에 자전거의 기어 모듈후단의 바퀴 축에 토크센서를 장착하여 전기 자전거의 제어에 관련된 국내 기술을 확보하고, 정밀한 스트레인 게이지 센서 기술을 이용하여, 기존 자전거에 손쉽게 적용 가능한 저렴하며 성능이 뛰어난 전기 자전거용 토크 센서를 개발하고자 한다.
본 논문에서는 새로운 타입의 전기자전거용 토크측정 기술을 제안하였다. 스트레인 게이지를 이용하여, 기존 자전거의 구조를 변형시키지 않고, 간단히 센서의 부착만으로도 토크의 측정이 가능하고, 기어의위치도 판별 가능함을 알 수 있었다.
따라서 정확한 토크의 측정을 위해서 본 논문에서는 자전거의 기어를 지나 바퀴의 축에 토크 센서를 부착하는 방법을 제시하고, 또한 토크를 측정함에 있어서 기어변경이 고려되지 않은 축에 가해지는 평균토크를 측정하는 것이 아니라, 기어의 변경의 영향까지 고려된 정밀한 토크 값을 계측 할 수 있는 센서처리 기술을 연구 제시한다. 이에 자전거의 기어 모듈후단의 바퀴 축에 토크센서를 장착하여 전기 자전거의 제어에 관련된 국내 기술을 확보하고, 정밀한 스트레인 게이지 센서 기술을 이용하여, 기존 자전거에 손쉽게 적용 가능한 저렴하며 성능이 뛰어난 전기 자전거용 토크 센서를 개발하고자 한다.
가설 설정
전기 자전거의 정확한 토크 계측을 위하여 자전거 페달 구동력이 크랭크축으로부터 기어 모듈을 통하여 뒷바퀴 축에 전달됨으로 가정할 때, 토크센서는 뒷바퀴 축에 장착하고, 기어의 영향까지 포함된 자전거 뒷바퀴의 전체적인 모습은 그림 1과 같다.
제안 방법
계측회로는 저항으로 구성된 하프 브릿지 회로와 계측용 증폭기 두 개를 사용하여 차동 증폭회로를 구성 하였다. 두 개의 계측회로에서 얻어진 아날로그 값은 ADC(Analog to Digital Converter)를 거쳐 디지털 데이터로 변환한다.
스트레인 게이지 부착 위치를 고려하기 위해 인벤터 시뮬레이션으로 동일 조건의 축을 모델링 후 응력분석을 하였다[4][5].
의 값을 구할 수 있다. 이때 각기 5N,10N, 15N, 20N, 25N, 30N의 장력을 인가하여 계측되는 값의 평균을 취하고, 기어의 개수에 해당 되는 7개의 계측 값을 가지고 최소 오차자승법을 사용하여 얻어진 값은 표3과 같다.
성능/효과
본 논문에서는 새로운 타입의 전기자전거용 토크측정 기술을 제안하였다. 스트레인 게이지를 이용하여, 기존 자전거의 구조를 변형시키지 않고, 간단히 센서의 부착만으로도 토크의 측정이 가능하고, 기어의위치도 판별 가능함을 알 수 있었다.
후속연구
추후 시스템의 더욱 정밀한 모델과 센서의 배치를 고려하여 측정오차를 감소하고, 또 실시간 토크측정이 가능한 알고리즘을 연구하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PAS란 무슨 시스템인가?
전기 자전거의 많은 기술 중에 하나인, PAS(Power Assist System)는 사람의 페달 구름을 전기모터의 힘으로 도와줌으로써, 사용자의 편의를 돕는 시스템이라 할 수 있다. 페달을 밟는 힘을 "토크 센서"가 감지하여 주행 상황에 적합한 최적의 조력을 순간적으로 계산하고, 그에 맞는 전류를 "전동 모터"에 공급함으로 페달의 부하를 감소시키는 기술이다.
고유가와 온실가스 배출에 관련이 있는 부문은 무엇인가?
각국이 에너지 문제에 전력을 투구하고 있는 상황에서 에너지 효율의 재조명이 이루어졌다. 고유가와 온실가스 배출에 밀접한 관련이 있는 것은 승용차와 트럭이 대부분을 차지하고 있는 수송 부문이다. 수송부문은 세계 에너지 소비량의 26%를 점하고 에너지 관련 온실 가스의 23%를 배출하며, 내연기관을 이용한 수송이 2005년 세계 수송 부문 에너지 소비의 95%를 차지하였다[2].
참고문헌 (15)
김현진, "국가 에너지 전략의 시대", CEO Information, 569호, 2006.
한국에너지경제연구소, "수송부문의 녹색일자리 (상)", 에너지 하이라이트, KOREA Energy Economics Institute, May, 2010.
Bedford, Fowler, "Engineering Mechanics Dynamics SI edition", Pearson, pp. 222-235, 2005.
다솔기계설계교육연구소, "인벤터활용서", 예문사, pp. 366-375, 2006.
Stephen H. Crandall, Norman C. Dahl, Thomas J. Lardner, "An Introduction to the Mechanics of Solids, Second Edition with SI Units", McGrawHill, p. 165, p. 514, 1999.
Coughin, Driscoll, "Operational Amplifiers and Linear Integrated circuits 6th edition", PrenticeHall, p. 239, 1998.
정원섭, 김호성, 유상대, 유재희, 정덕진, "마이크로전자회로 Sedra. Smith 5theditoin", 한티미디어, pp. 96-100, 2005.
김영해, "센서 인터페이싱 메카트로닉스 센서", 기전연구사, pp. 111-126, 2005.
노승만, "강원도 녹색 교통 촉진방안", 강원발전연구원, 정책브리프, 제 52호, 2009.
김성필, " Matlab 활용 칼만 필터의 이해 ", 아진, pp. 3-5, 2010.
이종원, 김문생, 조효남, "재료역학 James M. Gere 6th edtion", 교보문고, p. 665, 2009.
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Horowits and Hill, "The art of electronics", Cambridge, pp. 421-425, 1999.
이호형, 조황, "조종성이 가변 가능한 홀로노믹 구동 기술 개발", 한국전자통신학회논문지, 5권, 4호, pp. 471-479, 2010.
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