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문제 정의
- 본 논문에서는 슬립율 제어를 수행하기 위하여 브레이크 압력을 직접 제어하는 알고리즘을 구성하였다. 변조율(duty rate) 의 변화에 따른 브레이크 압력 특성 실험을 수행하여 브레이크 시스템의 동특성을 분석하였고 솔레노이드 밸브의 구동신호와 작동시간의 정보로부터 브레이크 압력을 추정하는 방법을 제안하였다.
제안 방법
- 구동력 제어의 성능을 분석하는데 요구되는 특성만을 나타내는 엔진 모델을 실험 자료에 의해 수립하였고 트로틀 밸브의 개도에 따른 엔진의 출력 토크를 구하여 차량 시스템에 작용시켰다. ABS/TCS 모듈레이터의 구성 부품들을 모델링하여 솔레노이드 밸브의 구동 신호에 의해 차륜에 형성되는 브레이크 압력을 구하였고 차량의 제동 토크로 작용시켰다. 차량이 주어진 경로를 추종하도록 조향각을 결정하는 운전자 모델도 수립하였다.
- 제어기에서 계산된 엔진의 목표 출력 토크, 솔레노이드 밸브의 구동 신호 그리고 주어진 경로 등이 입력으로 각 요소들에 전달된다. 구동력 제어의 성능을 분석하는데 요구되는 특성만을 나타내는 엔진 모델을 실험 자료에 의해 수립하였고 트로틀 밸브의 개도에 따른 엔진의 출력 토크를 구하여 차량 시스템에 작용시켰다. ABS/TCS 모듈레이터의 구성 부품들을 모델링하여 솔레노이드 밸브의 구동 신호에 의해 차륜에 형성되는 브레이크 압력을 구하였고 차량의 제동 토크로 작용시켰다.
- 본 논문에서는 슬립율 제어를 수행하기 위하여 브레이크 압력을 직접 제어하는 알고리즘을 구성하였다. 변조율(duty rate) 의 변화에 따른 브레이크 압력 특성 실험을 수행하여 브레이크 시스템의 동특성을 분석하였고 솔레노이드 밸브의 구동신호와 작동시간의 정보로부터 브레이크 압력을 추정하는 방법을 제안하였다. 추정된 브레이크 압력은 브레이크 압력 제어에 이용하였다.
- 3에 나타냈다. 변조율은 시간에 따라 증압시 7.5%, 22.5%, 15%로, 감압시에는 12.5%, 25%로 선정하였다. 변조율의 크기가 변화하는 경계점 그리고 솔레노이드 밸브의 작동 상태가 변화하는 부근에서 다소 오차가 있으나 이러한 오차의 크기는 10%이내에 존재하고 있으므로 추정 방법으로 브레이크 압력을 추정할 수 있음을 확인하였다.
- 브레이크 압력의 추정을 통해 브레이크 압력을 제어할 수 있는 알고리즘을 구성하였고 차량 구동력 제어에 이를 접목시켜 차량 적용성을 고찰하여 얻은 결과는 다음과 같다.
- 브레이크 제어의 차량 적용성을 고찰하기 위하여 저마찰 노면을 갖는 평지인 도로와 경사도로에서 발진 상황을 고찰하였다.
- 솔레노이드 밸브의 작동시간에 의한 브레이크 압력의 변화를 고찰하기 위하여 Fig.1과 같이 실험 장치를 구성하였고 변조율 변화에 따른 브레이크 압력 형성 실험을 수행하여 브레이크 시스템의 동특성을 구하였다. 솔레노이드 밸브의 작동 주파수를 변화시키면서 변조율을 0~100%로 변경하였을 때 증압 단계와 감압 단계에서의 시상수를 구하였고 변조율이 30%이상에서는 실험한 모든 주파수에서 시상수 값이 거의 비슷함을 알 수 있었다.
- 차량의 운동 방정식은 7자유도 모델로 나타내었고 가속도에 의해 발생되는 각 차륜의 수직 하중의 변화와 슬립각을 구하는 수학적 모델을 수립하였다. 실험 자료를 근거로 타이어의 특성을 나타내는 타이어 모델을 이용하여 차량의 거동에 미치는 차륜의 구동력(longitudinal force)과 횡력(lateral force)을 구하였다.
- 앞에서 제시한 브레이크 압력의 추정 방법의 신뢰성을 확인하기 위하여 맥동형 신호의 변조율을 시간에 따라 변화시켜 실험을 수행하였고 그 결과를 Fig.3에 나타냈다. 변조율은 시간에 따라 증압시 7.
- 그 대표적인 것으로 제동시 차륜의 록업(lock up)을 방지하는 ABS(Anti-lock Braking System)과 가속시 차륜의 스핀(spin)을 방지하는 TCS (Traction Control System) 그리고 차량에 요모멘트(yaw moment)를 발생시켜 차량의 거동을 제어하는 VDC(Vehicle Dynamic Control) 등이 있다. 이 기술들은 제어 대상인 차량의 속도와 구동륜 속도를 차륜 속도 감지기로부터 정보를 입수하여 슬립율(slip rate)을 계산하고 슬립율이 적절한 목표 값을 추종할 수 있도록 제어한다.1～4)
- 이들 실험 자료로부터 브레이크 압력을 추정하는데 기본이 되는 실험식과 필요한 실험적인 인자 αi를 구하였다.
- 추정된 브레이크 압력은 브레이크 압력 제어에 이용하였다. 제안한 브레이크 압력 제어가 차량 구동력 제어의 성능에 미치는 영향을 분석하기 위하여 슬라이딩 모드(sliding mode) 이론을 적용한 차량 제어에 브레이크 압력 제어를 접목시켜 차량 적용성을 고찰하였다. 차량 제어기를 통해 차륜의 슬립율이 목표 슬립율을 추종되도록 차륜의 목표 토크를 결정하고 이에 해당하는 브레이크 압력으로 변환하여 브레이크 압력 제어의 기준 입력으로 제공하고 이를 추종하게 하였다.
- 일정한 주파수와 크기를 갖는 반송파 신호와 입력 신호를 비교하여 펄스폭을 변조시키는 펄스폭 변조(PWM : Pulse Width Modulation) 방법을 사용하여 브레이크 압력 제어를 수행함에 있어 브레이크 압력의 정보가 필수적이다. 제어기로부터 출력되는 구동 신호로 솔레노이드 밸브의 상태를 결정할 수 있으며 작동 시간에 의해 브레이크 압력의 크기가 결정된다는데 착안하여 실질적으로 감지가 어려운 브레이크 압력을 추정하였다.
- 제어기의 구동신호로부터 솔레노이드 밸브의 작동 시간 ti와 작동 상태가 결정되면 실험식을 통해 작동시간에 해당하는 압력 PBi와 실험적 인자 αi를 요소로 하는 함수식(1)로부터 추정된 브레이크 압력 #을 구하였다.
- 주어진 기준 입력을 추종하도록 PI제어기와 펄스폭 변조 방법을 이용하여 브레이크 압력 제어를 수행하였다. 추정방법으로부터 얻은 브레이크 압력과 기준 입력을 비교하여 PI 제어기 입력으로 사용하였고 PI 제어기의 출력을 펄스폭 변조 방법의 입력 신호로 활용하였다.
- 증압 단계 또는 감압 단계에서 솔레노이드 밸브를 일정한 변조율을 갖는 맥동형 신호로 작동시켜 브레이크 압력 형성의 실험 자료를 얻었다. 펄스폭 변조 방법에서 구동 신호는 변조율이 변화하는 맥동형 펄스들의 조합이라고 간주할 수 있어 맥동형 신호를 선정하였다.
- 제안한 브레이크 압력 제어가 차량 구동력 제어의 성능에 미치는 영향을 분석하기 위하여 슬라이딩 모드(sliding mode) 이론을 적용한 차량 제어에 브레이크 압력 제어를 접목시켜 차량 적용성을 고찰하였다. 차량 제어기를 통해 차륜의 슬립율이 목표 슬립율을 추종되도록 차륜의 목표 토크를 결정하고 이에 해당하는 브레이크 압력으로 변환하여 브레이크 압력 제어의 기준 입력으로 제공하고 이를 추종하게 하였다.
- 차량이 주어진 경로를 추종하도록 조향각을 결정하는 운전자 모델도 수립하였다. 차량의 운동 방정식은 7자유도 모델로 나타내었고 가속도에 의해 발생되는 각 차륜의 수직 하중의 변화와 슬립각을 구하는 수학적 모델을 수립하였다. 실험 자료를 근거로 타이어의 특성을 나타내는 타이어 모델을 이용하여 차량의 거동에 미치는 차륜의 구동력(longitudinal force)과 횡력(lateral force)을 구하였다.
- ABS/TCS 모듈레이터의 구성 부품들을 모델링하여 솔레노이드 밸브의 구동 신호에 의해 차륜에 형성되는 브레이크 압력을 구하였고 차량의 제동 토크로 작용시켰다. 차량이 주어진 경로를 추종하도록 조향각을 결정하는 운전자 모델도 수립하였다. 차량의 운동 방정식은 7자유도 모델로 나타내었고 가속도에 의해 발생되는 각 차륜의 수직 하중의 변화와 슬립각을 구하는 수학적 모델을 수립하였다.
- 주어진 기준 입력을 추종하도록 PI제어기와 펄스폭 변조 방법을 이용하여 브레이크 압력 제어를 수행하였다. 추정방법으로부터 얻은 브레이크 압력과 기준 입력을 비교하여 PI 제어기 입력으로 사용하였고 PI 제어기의 출력을 펄스폭 변조 방법의 입력 신호로 활용하였다. PI 제어기를 펄스폭 변조 방법 앞에 설치한 이유는 펄스폭 변조 방법만으로 제어하였을 때 작동 시간이 작은 변조율 영역에서 솔레노이드 밸브가 작동되지 않음으로 인하여 발생하는 응답 지연을 보상하기 위함이다.
대상 데이터
- 증압 단계 또는 감압 단계에서 솔레노이드 밸브를 일정한 변조율을 갖는 맥동형 신호로 작동시켜 브레이크 압력 형성의 실험 자료를 얻었다. 펄스폭 변조 방법에서 구동 신호는 변조율이 변화하는 맥동형 펄스들의 조합이라고 간주할 수 있어 맥동형 신호를 선정하였다. 이들 실험 자료로부터 브레이크 압력을 추정하는데 기본이 되는 실험식과 필요한 실험적인 인자 αi를 구하였다.
성능/효과
- 1) 솔레노이드 밸브의 구동신호와 작동시간을 이용하여 브레이크 압력을 추정하는 방법을 제안하였고 브레이크 압력 형성 실험을 통해 얻은 결과로부터 추정 방법의 타당성을 확인하였다.
- 2) 차량 구동력 제어의 시뮬레이션 결과로부터 브레이크 압력을 제어 변수로 정하여 직접 제어할 수 있는 가능성을 확인하였다.
- 10은 좌우륜의 브레이크 압력을 5단계 모드를 이용하여 형성하고 독립적으로 제어하는 차량으로 눈길 노면에서 실차 시험한 결과를 나타낸다.5) Fig.10과 앞에서 언급한 시뮬레이션 결과들을 비교 분석하면 실차 실험에서 구동륜 속도 변화와 브레이크 압력 형성의 변화가 시뮬레이션을 통해 얻은 결과와 서로 유사한 경향을 보여 주고 있으므로 제안한 브레이크 제어 방법의 타당성을 확인할 수 있었다.
- 4에 나타냈다. 기준 입력을 부드럽게 추종하지는 못하지만 전반적인 압력 형성은 기준 입력을 중심으로 형성되고 있음을 알 수 있어 주어진 입력을 추종하도록 차륜의 브레이크 압력을 조정할 수 있음을 알 수 있었다.
- 6와 비교하여 보면 구동륜의 속도가 제어 초기에 기준 속도를 크게 벗어나는 것을 브레이크 압력을 형성하여 막을 수 있었고 구동륜의 속도가 기준 속도를 빠르게 추종하고 있음을 보여주고 있다. 또한 구동륜의 슬립율을 기준 슬립율로 유지할 수 있어 차량의 가속성과 조종 안정성이 향상될 수 있음을 예측할 수 있다.
- 5%, 25%로 선정하였다. 변조율의 크기가 변화하는 경계점 그리고 솔레노이드 밸브의 작동 상태가 변화하는 부근에서 다소 오차가 있으나 이러한 오차의 크기는 10%이내에 존재하고 있으므로 추정 방법으로 브레이크 압력을 추정할 수 있음을 확인하였다.
- 차량의 출발 가속성도 제어를 수행하지 않았을 경우보다 60%정도 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다. 브레이크 압력이 크게 작용하는 제어 초기에는 차동장치의 영향으로 차륜 속도의 변화가 상호 심해져 슬립율의 변화가 많이 나타나고 있으나 속도가 증가함에 따라 낮은 압력 변화로 차륜의 속도를 기준 속도에 접근 시킬 수 있기 때문에 슬립율의 변화가 줄어들고 있음을 알 수 있었다.
- 1과 같이 실험 장치를 구성하였고 변조율 변화에 따른 브레이크 압력 형성 실험을 수행하여 브레이크 시스템의 동특성을 구하였다. 솔레노이드 밸브의 작동 주파수를 변화시키면서 변조율을 0~100%로 변경하였을 때 증압 단계와 감압 단계에서의 시상수를 구하였고 변조율이 30%이상에서는 실험한 모든 주파수에서 시상수 값이 거의 비슷함을 알 수 있었다. 이로부터 솔레노이드 밸브를 제어하는데 사용되는 변조율의 범위를 선정할 수 있었다.
- 8에 나타냈다. 차량의 전반적인 응답 특성은 저마찰 평지 노면에서 발진하는 경우와 유사하나 차량의 하중이 뒤로 작용하여 발생하는 저항 때문에 차량의 가속성이 현저히 떨어지고 있음을 알 수 있었다. Fig.
- 9는 브레이크 압력 제어를 수행한 차량 응답으로 제동압력이 형성되어 구동륜의 슬립을 제어함으로써 목표 속도를 구동륜이 추종하고 있음을 보여주고 있다. 차량의 출발 가속성도 제어를 수행하지 않았을 경우보다 60%정도 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다. 브레이크 압력이 크게 작용하는 제어 초기에는 차동장치의 영향으로 차륜 속도의 변화가 상호 심해져 슬립율의 변화가 많이 나타나고 있으나 속도가 증가함에 따라 낮은 압력 변화로 차륜의 속도를 기준 속도에 접근 시킬 수 있기 때문에 슬립율의 변화가 줄어들고 있음을 알 수 있었다.
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