[논문]기어의 고장을 구현하기 위한 EMB(Electro Mechanical Brake) 모델링 및 제어

최병도; 황우현; 허건수

doi:10.7467/ksae.2012.20.6.033

기어의 고장을 구현하기 위한 EMB(Electro Mechanical Brake) 모델링 및 제어
Modeling of EMB (Electro Mechanical Brake) to Emulate Gearbox Fault and Control 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.20 no.6, 2012년, pp.33 - 38

최병도 (한양대학교 대학원 자동차공학과) , 황우현 (한양대학교 대학원 자동차공학과) , 허건수 (한양대학교 미래자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

EMB is considered as the next generation braking mechanism because it has simple structure and is environment friendly. However, as other brake mechanisms, EMB should be operated reliably for any operating conditions. EMB should be designed with fail-safe and fault-tolerant control concepts which require robust fault detection algorithms for various possible faults. In the design of fault detection algorithms, it is very difficult to construct faulty conditions in real EMB and thus, simulations are often used to emulate the faulty conditions. In this paper, a simulation tool is developed using the commercial software to emulate gear faults in the EMB mechanism. A backlash compensation algorithm is introduced based on contact point detection because screw backlash causes a delay in clamping force response time.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

또한 백래시 모델을 추가하여 EMB에 발생할 수 있는 고장을 구현하였다. EMB 제어기는 브레이크의 작동 상황에 따라 위치 제어, 힘 제어를 통하여 수행하였다.
그러나 기어 및 스크류 부분의 고장은 실험을 통한 정량적인 구현이 힘들기 때문에 본 논문에서는 AMESim 과 MATLAB/Simulink를 이용하여 EMB를 모델링 하였다. EMB의 기어, 스크류 및 캘리퍼의 경우 AMESim을 이용하여 모델링 하였고, EMB 구동 모터인 PMSM은 MATLAB/Simulink을 이용하여 구성하고 기본적인 EMB 제어기를 설계하여 EMB의 성능에 영향을 주는 요소를 찾았다. 또한 백래시 모델을 추가하여 EMB에 발생할 수 있는 고장을 구현하였다.
MATLAB/Simulink에서는 s-function, AMESim에서는 인터페이스 블록을 이용하여 Fig. 2와 같이 서로 연계하여 시뮬레이션 하였다.
특히 브레이크 패드가 마모가 되고, 기어 및 스크류 부분에서는 백래시가 발생할 수 있다. 그러나 기어 및 스크류 부분의 고장은 실험을 통한 정량적인 구현이 힘들기 때문에 본 논문에서는 AMESim 과 MATLAB/Simulink를 이용하여 EMB를 모델링 하였다. EMB의 기어, 스크류 및 캘리퍼의 경우 AMESim을 이용하여 모델링 하였고, EMB 구동 모터인 PMSM은 MATLAB/Simulink을 이용하여 구성하고 기본적인 EMB 제어기를 설계하여 EMB의 성능에 영향을 주는 요소를 찾았다.
여기에 2개의 앞바퀴 캘리퍼 지그와 2개의 뒷바퀴 캘리퍼 지그 및 EMB가 장착되도록 구성하였다. 그리고 EMB의 구동은 Host PC를 이용하고, 센서 신호 측정을 위해 dSPACE사의 MicroAutoBox를 사용하였다.
이는 협조 제동을 해야 하는 회생제동 혹은 급제동시 심각한 문제를 초래할 수 있다. 따라서 백래시가 EMB의 응답시간에 영향을 미치지 못하게 하기 위해 브레이크 패드와 디스크 사이의 접촉점을 정확히 검출하여 보상 제어할 수 있도록 하였다. 제안 된 보상 제어 알고리즘은 백래시 모델이 포함된 AMESim과 MATLAB/Simulink을 이용한 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.
따라서 본 논문에서는 EMB에서 나타날 수 있는 고장을 구현하기 위하여 Fig. 1의 간략화 된 모델을 바탕으로 AMESim과 MATLAB/Simulink를 이용하여 백래시를 구현하였다. 모델의 스크류와 너트 사이에 백래시를 넣어 백래시에 따른 EMB의 거동을 확인하고 고장이 발생하였을 때에도 정확한 응답성능을 나타내기 위하여 접촉점을 감지하여 백래시에 따른 보상 제어를 시행하였다.
EMB의 기어, 스크류 및 캘리퍼의 경우 AMESim을 이용하여 모델링 하였고, EMB 구동 모터인 PMSM은 MATLAB/Simulink을 이용하여 구성하고 기본적인 EMB 제어기를 설계하여 EMB의 성능에 영향을 주는 요소를 찾았다. 또한 백래시 모델을 추가하여 EMB에 발생할 수 있는 고장을 구현하였다. EMB 제어기는 브레이크의 작동 상황에 따라 위치 제어, 힘 제어를 통하여 수행하였다.
1의 간략화 된 모델을 바탕으로 AMESim과 MATLAB/Simulink를 이용하여 백래시를 구현하였다. 모델의 스크류와 너트 사이에 백래시를 넣어 백래시에 따른 EMB의 거동을 확인하고 고장이 발생하였을 때에도 정확한 응답성능을 나타내기 위하여 접촉점을 감지하여 백래시에 따른 보상 제어를 시행하였다.
본 논문에서는 MATLAB/Simulink에서 EMB의 구동원이 되는 PMSM과 기본적인 제어기를 구성하여 해석하고, AMESim에서 EMB의 기구부 및 캘리퍼를 모델링 및 해석하여 co-simulation 하였다.
앞서 모델링한 모델의 타당성을 검증하기 위해 실제 EMB의 클램핑력과 시뮬레이션을 통한 결과 값을 응답 시간 및 크기를 비교하여 모델의 타당성을 검증하였다. 실제 EMB의 클램핑력은 EMB 실험 장치와 MicroAutobox를 통해서 얻을 수 있었다.
4에서와 같이 클램핑력이 측정 가능한 EMB 실험 장치를 제작하였다. 여기에 2개의 앞바퀴 캘리퍼 지그와 2개의 뒷바퀴 캘리퍼 지그 및 EMB가 장착되도록 구성하였다. 그리고 EMB의 구동은 Host PC를 이용하고, 센서 신호 측정을 위해 dSPACE사의 MicroAutoBox를 사용하였다.
접촉이 일어나는 순간 모터의 속도가 변하게 되므로 모터의 감속하는 시점, 즉 각가속도가 (-)가 되는 시점을 접촉점으로 검출할 수 있다. 이 방법이 다른 방법에 비해 현실적이고 오 검출이 작은 것으로 판단하여 속도를 이용하는 방법을 사용하여 접촉점을 검출하였다.
따라서 백래시가 EMB의 응답시간에 영향을 미치지 못하게 하기 위해 브레이크 패드와 디스크 사이의 접촉점을 정확히 검출하여 보상 제어할 수 있도록 하였다. 제안 된 보상 제어 알고리즘은 백래시 모델이 포함된 AMESim과 MATLAB/Simulink을 이용한 시뮬레이션을 통하여 검증하였다. 향후 연구에서는 실제 시스템의 보다 정확한 적용을 위하여 윤활유와 마찰제의 특성을 고려한 백래시 모델을 고려할 것이다.

대상 데이터

EMB 실험 장치는 Fig. 4에서와 같이 클램핑력이 측정 가능한 EMB 실험 장치를 제작하였다. 여기에 2개의 앞바퀴 캘리퍼 지그와 2개의 뒷바퀴 캘리퍼 지그 및 EMB가 장착되도록 구성하였다.

이론/모형

위 식들을 기반으로 구성된 MATLAB/Simulink-Simpower의 PMSM 모델을 이용하여 시뮬레이션 할 수 있도록 구현하였다.

성능/효과

3장 EMB모델 분석에서 확인한 결과 EMB의 백래시에 따라 클램핑력의 응답시간이 매우 많이 느려짐을 확인할 수 있었다. 따라서 브레이크 패드와 디스크 사이의 접촉점을 이용하여 응답시간이 느려지지 않도록 보상 제어를 하여야 한다.
5와 같이 클램핑력을 발생시킨다. 실제 EMB의 실험결과와 응답을 비교분석 결과 약간의 차이는 있지만 비슷한 응답성과 경향을 가지고 있으므로 고장 구현이 목적인 시뮬레이션 모델로서 타당함을 알 수 있다.

후속연구

제안 된 보상 제어 알고리즘은 백래시 모델이 포함된 AMESim과 MATLAB/Simulink을 이용한 시뮬레이션을 통하여 검증하였다. 향후 연구에서는 실제 시스템의 보다 정확한 적용을 위하여 윤활유와 마찰제의 특성을 고려한 백래시 모델을 고려할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	EMB의 장점은?	완전한 BBW(Brake-by-Wire) 시스템인 EMB(ElectroMechanical Brake)의 경우 브레이크 부스터나 유압 호스 등을 제거할 수 있으므로 단순한 구조에 공간적인 활용도가 높고, 유압을 사용하지 않으므로 친환경적인 장점이 있다. 또한 직접 모터를 제어하는 방식이기 때문에 빠른 응답속도를 보이므로 차세대 제동장치로 적합하다. 1)
	본문에서 언급된 BBW 시스템 개발에 있어서 신뢰성 확보 문제가 중요한 이유를 보여주는 사례는?	그러나 BBW 시스템 개발에 있어 신뢰성 확보 문제는 개발 제품의 시장진입 저해 요인으로 작용할 수 있는 중요 이슈가 된다. 예를 들어, EHB (Electro- Hydraulic Brake) 시스템으로 개발된 BOSCH사의 SBC (Sensotronic Brake Control) 시스템의 경우, Mercedes-Benz사 차량에 장착된 제품에서 시스템결함으로 인해 리콜(Recall)을 경험한바 있다. 그리고 이러한 사건으로 인해 Mercedes-Benz사에서는 BBW 시스템을 적용하는데 보다 신중해 졌으며, 엄격한 기준으로 시스템 신뢰성 확보가 요구 되었다. 2)
	EMB는 어떻게 브레이크를 작동시키는가?	EMB는 PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor)에서 발생되는 토크에 의해 브레이크가 작동된다. PMSM에 의해 발생된 토크는 기어들에 의해 토크가 증폭되고, 증폭된 토크는 스크류(Screw)를 회전시킨다.

참고문헌 (8)

N. A. Kelling and P. Leteinturier, "X-by-Wire: Opportunituies. Challenges and Trends," SAE 2003-01-0113, 2003.
Strategic Analysis of European Markets for X-by-wire Systems, Frost & Sullivan, USA, 2007.
P. Pillay and R. Krishnan, "Modeling, Simulation, and Analysis of Permanent-magnet Motor Drives, PartI: The Permanent-Magnet Synchronous Motor Drive," IEEE, Transactions on Industry Applications, Vol.25, No.25, pp.265-273, 1989.

상세보기
J. P. Hong, Core Machine Component Design, Bookshill, Seoul, pp.62-64, 2002.
R. Schwarz, R. Isermann, J. Bohm, J. Nell and P. Rieth, "Modeling and Control of an Electromechanical Disk Brake," SAE 980600, 1998.
C. Line, C. Manzie and M. C. Good, "Electromechanical Brake Modeling and Control: From PI to MPC," IEEE, Vol.16, No.3, pp.446-457, 2008.
C. Jo, S. Hwang and H. Kim, "Clamping-force Control for Electromechanical Brake," IEEE, Vol.59, No.7, pp.3205-3212, 2010.
R. Schwarz, R. Isermann, J. Bohm, J. Nell and P. Rieth, "Clamping Force Estimation for a Brake-by-Wire Actuator," SAE 1999-01-0482, 1999.

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