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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 기존 조향장치를 유무인 주행 전기자동차에 적용할 때 문제점을 해결한 수동 및 자동 조향 메커니즘과 제어기의 설계를 제안한다[3,4].
- 본 논문에서는 전자클러치와 풀리를 이용한 수동 및 자동 조향이 가능한 장치를 제안하였다. 설계한 수동 및 자동 조향장치의 성능을 시험하기 위해서 실험용 자계기반 전기 자동차를 제작하였다.
제안 방법
- 5m이 가능하도록 설계하였다. 24V BLDC 모터를 조향모터, 전자클러치, 풀리, 벨트를 이용하여 조향시스템을 구성하였다. 자동조향 추종 실험을 위해 차량의 앞에 MPS(Magnetic Position Sensor)를 장착하였다.
- BLDC모터에 전자 클러치를 연결하고 전자 클러치와 조향 축은 풀리와 벨트를 통해 연결된다. BLDC모터에 전압이 인가되고 제어 신호가 전달되면 동력이 풀리와 벨트를 통하여 조향 축에 전달되도록 구성하였다.
- 개발된 유무인 전기자동차용 수동 및 자동 조향장치의 동작 특성 실험을 실시하였다. 자동조향장치의 입력 전압값에 따른 조향각의 동작 실험을 실시하고 데이터를 분석하였다.
- 개발된 자동조향장치를 장착한 전기자동차의 동작 실험을 실시하였다. 무선 리모컨을 이용하여 개발된 수동/자동 조향장치의 수동 조향 실험을 실시하였다.
- 또한 MPS의 입력에 따른 자동조향 실험을 실시하였다. 그리고 마그네틱 경로를 따라 무인주행실험을 실시한 다음 조향각 데이터를 분석하여 수동/자동 조향장치가 동작함을 확인하였다.
- 무선 리모컨을 이용하여 개발된 수동/자동 조향장치의 수동 조향 실험을 실시하였다. 또한 MPS의 입력에 따른 자동조향 실험을 실시하였다. 그리고 마그네틱 경로를 따라 무인주행실험을 실시한 다음 조향각 데이터를 분석하여 수동/자동 조향장치가 동작함을 확인하였다.
- 개발된 자동조향장치를 장착한 전기자동차의 동작 실험을 실시하였다. 무선 리모컨을 이용하여 개발된 수동/자동 조향장치의 수동 조향 실험을 실시하였다. 또한 MPS의 입력에 따른 자동조향 실험을 실시하였다.
- 24V BLDC 모터를 조향모터, 전자클러치, 풀리, 벨트를 이용하여 조향시스템을 구성하였다. 자동조향 추종 실험을 위해 차량의 앞에 MPS(Magnetic Position Sensor)를 장착하였다.
- 설계한 수동 및 자동 조향장치의 성능을 시험하기 위해서 실험용 자계기반 전기 자동차를 제작하였다. 자동조향장치 특성 실험 및 해석을 바탕으로 제어기를 설계한 후 수동 및 자동 조향 실험을 실시하였다. 자계경로 추종 실험을 통해 개발한 수동/자동 조향장치가 유용함을 확인하였다.
- 자동조향장치의 동작 특성 곡선을 구하기 위하여 입력 전압값을 증가시키며 모터를 구동시키고 전기자동차의 조향각이 -30°에서 0°까지 움직이는 시간을 계측하여 자동조향장치 구동에 따른 전기자동차의 조향 회전 각속도를 계산하였다.
- 개발된 유무인 전기자동차용 수동 및 자동 조향장치의 동작 특성 실험을 실시하였다. 자동조향장치의 입력 전압값에 따른 조향각의 동작 실험을 실시하고 데이터를 분석하였다.
- 그림 2와 같이 3D CAD를 이용함으로써 차량의 사양에 적합한지 분석 평가하여 조향메커니즘을 설계할 수 있다. 전자클러치, BLDC모터, 풀리, 벨트, 조향 축 등을 실측하고 시뮬레이션을 통해 조향메커니즘을 최종 설계되었다.
- 그림 2. 전자클러치와 풀리를 이용한 조향 메커니즘의 3D 설계.
- 제안하는 자동 조향 메커니즘을 적용하여 실험용 전기자동차를 제작하였다[6]. 실험용 전기자동차는 자계 기반 무인주행을 적용하여 실제 자동모드 성능을 실험하였다[7,8,9].
- 제안하는 조향 메커니즘은 풀리와 전자클러치를 응용한 새로운 구조의 수동 및 자동 겸용 조향장치이다. 조향축과 조향모터축에 풀리를 장착하여 벨트로 연결하고 조향모터로 조향축을 동작시킨다.
- 제안하는 조향장치가 적합한 성능을 갖도록 하기 위해서 차량 사양에 맞는 메커니즘의 설계와 전자클러치와 풀리를 고려한 제어기의 설계하였다.
- 조향장치의 비선형적인 특성을 고려하여 자동조향용 제어기를 설계하였다. 그림 7은 보상기(Compensator)와 PD 제어기가 결합된 제어 블록도를 나타낸다.
- 015로 변화시키며 조향각 제어 실험을 하였다. 초기 조향각이 –30°이고 원하는 조향각을 0°으로 입력할 때 현재의 조향각이 0°까지의 변화를 측정하였다. (a) (b) (c) 실험 결과를 살펴보면 원하는 조향각까지 제어가 이루어짐을 확인 할 수 있다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 전자클러치와 풀리를 이용한 수동 및 자동 조향이 가능한 장치를 제안하였다. 설계한 수동 및 자동 조향장치의 성능을 시험하기 위해서 실험용 자계기반 전기 자동차를 제작하였다. 자동조향장치 특성 실험 및 해석을 바탕으로 제어기를 설계한 후 수동 및 자동 조향 실험을 실시하였다.
- 제안하는 자동 조향 메커니즘을 적용하여 실험용 전기자동차를 제작하였다[6]. 실험용 전기자동차는 자계 기반 무인주행을 적용하여 실제 자동모드 성능을 실험하였다[7,8,9].
- 자동조향 전기자동차의 조향 실험을 위해 그림11과 같이 마그네틱 와이어를 이용하여 곡선경로를 구성하였다.
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4.1 실험용 전기자동차의 제작
제안하는 수동/자동 조향장치의 실험을 위해 실험용 유무인 전기자동차를 그림 4와 같이 설계 및 제작하였다. 플랫폼의 차체는 길이 1410mm × 폭 630mm × 높이 600mm의 크기를 갖으며, 최대 탑승 무게인 150kg을 지탱할 수 있고, 회전반경 1.
- 그림 4. 제작된 실험용 유무인전기자동차.
- 플랫폼의 차체는 길이 1410mm × 폭 630mm × 높이 600mm의 크기를 갖으며, 최대 탑승 무게인 150kg을 지탱할 수 있고, 회전반경 1.5m이 가능하도록 설계하였다.
성능/효과
- 그림 10은 자계안내시스템(MGS : Magnetic Guidance System)를 이용한 전기자동차의 자동조향을 실험을 나타낸다. MGS의 입력에 따라 전기자동차의 조향이 이루어짐을 확인하였다.
- 그림 9는 리모컨을 이용한 수동 조향 실험이다. 리모컨을 이용해 전기자동차의 조향이 이루어짐을 확인하였다.
- 실험결과에 따르면 전자클러치와 풀리를 이용한 자동조향장치를 적용하여 전기자동차의 조향이 이루어짐을 확인할 수 있다. 하지만 현재의 조향각이 원하는 조향각보다 약간의 지연이 발생함을 확인할 수 있다.
- 자동조향장치 특성 실험 및 해석을 바탕으로 제어기를 설계한 후 수동 및 자동 조향 실험을 실시하였다. 자계경로 추종 실험을 통해 개발한 수동/자동 조향장치가 유용함을 확인하였다. 기존 자동조향 시스템에 비해 조향모터의 동력을 물리적으로 분리시킴으로써 핸들잠김 현상의 문제점의 해결할 수 있다.
- 특성실험 결과를 보면 입력전압 PWM에 따른 출력 조향각속도가 선형적이지 않음을 알 수 있다.
후속연구
- 기존 자동조향 시스템에 비해 조향모터의 동력을 물리적으로 분리시킴으로써 핸들잠김 현상의 문제점의 해결할 수 있다. 향후 조향제어에 지연이 발생하는 부분의 보완을 위한 알고리즘 개선과 기존 자동조향 시스템과의 실험을 통한 성능비교가 필요하다.
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