[논문]SUV 차량용 전동식 능동 롤 제어 시스템의 성능 평가 기술 연구

전광기; 최성진; 김준태; 이경수

doi:10.3795/ksme-a.2012.36.11.1421

SUV 차량용 전동식 능동 롤 제어 시스템의 성능 평가 기술 연구
Study on Vehicle Dynamics Performance Evaluation of Electric Active Roll Control System for SUV 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.11, 2012년, pp.1421 - 1426

전광기 (자동차부품연구원 차체샤시기술연구센터) , 최성진 (자동차부품연구원 차체샤시기술연구센터) , 김준태 ((주)한화) , 이경수 (서울대학교 기계항공공학부)

초록
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차량 선회 시 조종안정성과 주행 승차감을 향상시키기 위하여 능동적으로 차체의 롤(roll)을 줄이기 위한 연구가 진행되고 있다. 전동식 능동 롤 제어(ARC) 시스템은 전후 스테빌라이저바 중앙에 위치한 전동 모터 방식의 구동기에 의해 차량의 차체 롤을 제어한다. 본 연구에서는 이러한 전동식 ARC 시스템의 제어 성능 및 차량 동역학적 특성을 평가하고 검증하기 위한 해석, 벤치 시험, 실차 시험의 3단계 절차와 방법을 제안하였다. ARC 제어로직의 성능 및 타당성 평가를 위한 Matlab/Simulink와 CarSim 간의 연동-해석 방법을 제안하였고, ARC 구동기 및 시스템의 성능을 평가하기 위한 벤치 시험 방법과 실차 시험 방법을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Cornering maneuvers with reduced body roll and without comfort loss are important requirements for car manufacturers. An electric active roll control(ARC) system controls the body roll angle by using motor-driven actuators installed at the centers of the front and rear stabilizer bars. Co-simulation using the Matlab/Simulink controller model and the CarSim vehicle model was proposed to evaluate the performance of the ARC control algorithm. To validate the performance of the ARC actuator and system, bench tests and vehicle tests were proposed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 주행 시 롤 거동이 특히 심한 SUV 차량을 대상으로 로터리(rotary) 방식의 전동식 ARC 시스템의 제어 성능과 차량 동역학적 거동 특성을 평가하고 검증하기 위한 방법과 절차를 제안하였다.
본 연구에서는 주행 시 롤 거동이 특히 심한 SUV 차량을 대상으로 스테빌라이저바 중심부에 전기 모터로 구동되는 로터리(rotary) 방식의 구동기가 장착된 전동식 ARC 시스템에 대하여, 개발된 제어로직과 전체 시스템 시제품의 차량 동역학 성능 및 제어 성능을 평가하고 검증하는 방법과 절차를 제안하였다.

제안 방법

ARC 개발 시제품에 대한 실차 적용 가능성과 실차 상태에서의 최종 검증을 위한 실차 시험을 진행하였다.
각 단계별로 cornering, slalom, lane change, J-turn, sine wave, sine sweep 등의 시험모드에 따라 해석 또는 시험을 진행하고, 차량 속도는 저속(30kph), 중속(60kph), 고속(80kph) 3가지로 구분하였다. 또한 Passive, ARC Off, ARC On 3가지 상태에서의 차속, 조향각, 횡가속도, 롤각, 롤각속도, 요각속도, 피치각을 측정하여 ARC 시스템의 제어 유무에 따른 차량 동적 성능을 비교, 분석한다.
대상 SUV 차량에 창착이 가능하도록 Fig. 11과 같이 제작된 ARC 구동기와 제어기, 전원부 등을 장착하고, CAN 통신을 연결하였다. 또한 ARC 제어 유무에 따른 차량 동적 거동을 계측하기 위해 RT3100 센서와 DAQ 장비를 장착하였다.
11과 같이 제작된 ARC 구동기와 제어기, 전원부 등을 장착하고, CAN 통신을 연결하였다. 또한 ARC 제어 유무에 따른 차량 동적 거동을 계측하기 위해 RT3100 센서와 DAQ 장비를 장착하였다.
각 단계별로 cornering, slalom, lane change, J-turn, sine wave, sine sweep 등의 시험모드에 따라 해석 또는 시험을 진행하고, 차량 속도는 저속(30kph), 중속(60kph), 고속(80kph) 3가지로 구분하였다. 또한 Passive, ARC Off, ARC On 3가지 상태에서의 차속, 조향각, 횡가속도, 롤각, 롤각속도, 요각속도, 피치각을 측정하여 ARC 시스템의 제어 유무에 따른 차량 동적 성능을 비교, 분석한다.
벤치 시험기에서의 시험 평가는 기존 수동형 스테빌라이저바를 장착한 SUV 차량에 대해 Table 1에 제시된 시험모드로 실차 주행시험을 수행하며 수집한 스테빌라이저바 링크(link)부 하중값을 벤치 시험기의 load cell에서 재현하고, ARC 제어 유무에 따른 변위값을 LVDT로 계측하였다.
실차시험에서 사용한 ARC 시스템은 기존 수동형 스테빌라이저바가 장착되었던 SUV 차량에 장착하기 위해 벤치 시험에서 사용했던 이상적인 ㄷ-자형 구조의 ARC 시스템 형상 중 양쪽 바(bar) 형태를 수동형 스테빌라이저바의 형상대로 다시 제작하였다.
실차시험은 Table 1에 제시된 cornering, slalom, lane change, J-turn, sine wave, sine sweep 시험을 수행하였고, Fig. 12는 그 중에서 slalom(60kph) 시험에서의 ARC 효과를 보여주는 시험 장면이다.
이러한 ARC 시스템의 성능 평가 및 검증 절차는 제어기 simulink 모델과 대상차량 CarSim 해석 모델을 이용한 연동-해석(Co-Simulation) 평가, 실험실 내의 벤치 시험기를 이용한 벤치 시험 평가, 주행시험장에서의 실차 시험 평가의 3단계로 구성된다.
전동식 ARC 시스템 개발 시제품에 대한 제어 성능 평가 및 검증 절차는 Table 1과 같이 해석 평가, 벤치 시험 평가, 실차 시험 평가의 3단계로 진행할 것을 제안하였다.
해석 조건은 Table 1에서와 같이 cornering, sine wave, lane change, slalom, J-turn(step input), sine sweep 등의 모드로 'Passive', 'ARC Off', 'ARC On' 3가지 상태에 대한 해석을 수행하였고, 각 해석 결과 데이터 중 횡가속도별 롤각과 롤각속도(roll rate) 등을 비교 분석하였다.
해석적인 방법으로 검증된 ARC 제어기를 구현한 H/W, 개발된 ARC 구동기, 전원부 등을 조합한 ARC 시스템은 실차 시험 이전에 실험실 내 벤치 시험을 통하여 시스템의 문제점 여부를 사전 검토하고 성능을 평가하였다.

대상 데이터

또한 대상 전동식 ARC 시스템은 다른 센서나 추정기 모델을 추가하지 않고, 기존 ESP(Electronic Stability Control) 시스템의 센서들을 사용하기 위해 Fig. 5와 같이 추정 횡가속도를 제어 입력으로 사용하고 선형 롤 모델을 사용하는 비교적 간단하고 실용적인 ARC 제어로직을 사용하였다.⁽⁸⁾

이론/모형

ARC 제어로직의 성능 및 타당성 평가는 Fig. 6과 같이 Matlab/Simulink로 구현된 제어기 모델과 대상 SUV 차량 모델인 CarSim 간의 연동-해석(Co-Simulation) 방법으로 평가하였다.

성능/효과

Fig. 7과 같이 sine wave (80kph) 주행 조건에서 기존 수동형 스테빌라이저바를 사용한 결과와 2가지 ARC 제어로직(sliding mode controller, 추정 횡가속도 적용 controller) 적용 결과를 비교한 결과, 두가지 ARC 제어로직 적용 시 롤각과 롤각 속도가 기존 대비 약 50%로 감소되는 것을 확인하였다.
다양한 시험 결과 'ARC On' 상태에서의 최대 롤각은 ‘Passive' 상태에서의 최대 롤각에 비해 약 37~45% 감소되었고, 'ARC Off' 상태에서의 최대 롤각은 'Passive' 상태에 비해 약 4~10% 감소되었다.
또한 Fig. 15는 개발된 ARC 시스템의 동적 반응성을 평가하기 위해 동일한 조향각 입력이 점점 빨라지는 sine sweep(60kph) 시험 시 횡가속도와 롤각 결과 그래프이며, 일반적인 조향조건인 0.48Hz 조향 입력 시의 롤각에 비해 0.7Hz 조향 입력 시 롤각은 약 14% 증가하였고, 0.88Hz 조향 입력 시 롤각은 약 57% 증가하였다. 따라서 본 연구에서 시험한 ARC 시스템 개발 시제품의 경우 0.
이러한 3단계 성능 평가 및 검증 절차를 통하여, SUV용으로 개발된 ARC 시스템 시제품을 실차에서 최종 평가한 결과 기존 수동 스테빌라이저바 장착 시에 비해 ARC 시스템 장착 시 37~45%의 롤각 감소 효과를 확인하였다.

후속연구

88Hz 조향 입력 시 롤각은 약 57% 증가하였다. 따라서 본 연구에서 시험한 ARC 시스템 개발 시제품의 경우 0.5Hz 이상 조향 입력 시 성능이 감소되는 점은 추후 수정이 필요하다고 사료된다.
전동식 ARC 시스템을 이용해 차량의 롤각을 최소화하기 위해서는 구동기의 크기와 용량이 증가해야 하는데, 구동기 용량이 커지면 차량 장착성에 문제가 생긴다. 따라서 횡가속도에 따른 롤각 제어목표치를 결정하기 위해서는 구동기 용량과 개선하고자 하는 차량의 롤 성능을 동시에 검토해야만 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량 선회 시 원심력에 의한 차체의 롤은 어떤 문제를 일으키는가?	차량 선회 시 원심력에 의한 차체의 롤(roll)은 선회력(cornering force)을 감소시켜 조종안정성(handling 성능)에 악영향을 주며, 운전자의 주행 자세에 불편을 주어 주행승차감(ride 성능)을 감소시킨다.(1) 이러한 특성은 차체중심이 높은 SUV(Sports Utility Vehicle), 픽업트럭 등에서 특히 자주 발생한다.
	ARC 시스템의 성능 평가 및 검증 절차는 어떻게 구성되는가?	이러한 ARC 시스템의 성능 평가 및 검증 절차는 해석 평가, 벤치 시험 평가, 실차 시험 평가의 3단계로 구성되었다.
	차량 선회 시 원심력에 의한 차체의 롤 특성은 어떤 차종에서 자주 발생하는가?	차량 선회 시 원심력에 의한 차체의 롤(roll)은 선회력(cornering force)을 감소시켜 조종안정성(handling 성능)에 악영향을 주며, 운전자의 주행 자세에 불편을 주어 주행승차감(ride 성능)을 감소시킨다.(1) 이러한 특성은 차체중심이 높은 SUV(Sports Utility Vehicle), 픽업트럭 등에서 특히 자주 발생한다.

참고문헌 (8)

Mizuta, Y., Suzumura, M. and Matsumoto, S., 2008, "Ride Comfort Enhancement Using Active Stabilizer System," AVEC 2008, pp. 379-384.
Konik, D., 2002, "Development of the Dynamic Drive for the new 7 Series of the BMW Group," Int. J. of Vehicle Design, Vol. 28, No. 1/2/3, 131-149.

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Kim, H. J., Lee, C. R., 2002, "Hybrid Roll Control using Electric ARC System Considering Limited Bandwidth of Actuating Module," Int. J. Automotive Technology, Vol. 3, No. 3, pp. 123-128.
Ohta, Y., Kato, H., Yamada, D., Sato, K., Fukino, T., Nobuyama, E. and Buma, S., 2006, "Development of an Electric Active Stabilizer System Based on Robust Design," SAE paper No. 2006-01-0758.
Suzuki, S., Buman, S., Urababa, S., Nishihara, A. and Taneda, A., 2006, "Development of Elecric Active Stabilizer Suspension System," SAE paper No. 2006-01-1537.
Gaffney III, E. F., Keane, J. C., Nicols, J. T., 2009, "High Efficiency 2 Channel Active Roll Control System," SAE paper No. 2009-01-0222.
Sorniotti, A., 2006, "Electro-Mechanical Active Roll Control : A New Solution for Active Suspensions," SAE paper No. 2006-01-1966.
Jeon, K., Choi, S., Kim, J., Jang, K. and Yi, K., 2012, "Development of an Electric Active Roll Control(ARC) Algorithm for a SUV," Int. J. of Automotive Technology, Vol. 13, No. 2, pp. 247-253.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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