[논문]변속기 시뮬레이터를 이용한 진단 및 안전작동 알고리즘 분석

정규홍

doi:10.7467/ksae.2014.22.4.089

변속기 시뮬레이터를 이용한 진단 및 안전작동 알고리즘 분석
Analysis of Diagnosis and Failsafe Algorithm Using Transmission Simulator 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.22 no.4, 2014년, pp.89 - 97

Abstract ▼ AI-Helper

As the digital control technologies in automotive industry have advanced, electronic control units(ECUs) play a key-role to improve system performance. Transmission control unit(TCU) is a shifting controller for automatic transmission of which major functions are to determine the shift and manage the shifting process considering the various sensor signal on transmission and driver's commands. As with any ECU in vehicle, TCU performs complex algorithms such as shift control, diagnostic and failsafe functions. However, firmware design analysis is hardly possible by the reverse engineering due to code protection. Transmission simulator is a hardware-in-the-loop simulator which enables TCU to work in normal mode by simulating the electrical signal of TCU interface. In this research, diagnosis and failsafe algorithm implemented on commercialized TCU is analyzed by using the transmission simulator that is developed for wheel loader construction vehicle. This paper gives various experimental results on the proportional solenoid current trajectories for different operating modes, error detection criterion and limphome mode gears for all the possible cases of clutch malfunction. The derived results for conventional TCU can be applied to the development of inherent TCU algorithms and the transmission simulator can also be utilized for the test of TCU to be developed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 선진제품 TCU에 설계된 펌웨어의 변속제어기능을 분석하기 위하여 휠 로더 자동변속기의 내부구조와 작동원리를 파악한 후 이를 바탕으로 제반 센서의 전기적 신호를 실시간으로 모사하는 기능의 시뮬레이터를 개발하였으며 이를 이용한 다양한 시험을 통해 진단 및 안전작동 알고리즘을 분석하였다. 정상작동모드에서는 변속선도와 변속조건에 따른 비례제어 솔레노이드밸브 전류궤적을 분석하였고 발생되는 오류의 종류에 따른 대체 클러치 제어 모드와 비상귀환 모드와 해당되는 안전작동 모드에서 오류판단조건, 비상귀환 모드에서의 전진 및 후진 변속 단, 변속제어 시의 전류궤적 등을 확인하였다.
본 연구에서는 휠 로더 자동변속기를 대상으로 개발된 변속기 시뮬레이터를 활용하여 상용화된 TCU에 설계된 운영프로그램의 자기진단 및 안전작동기능을 파악하여 독자 TCU 펌웨어 개발⁵⁾에 활용될 수 있는 기초자료를 확보하였다.

제안 방법

4 는 개발된 시뮬레이터를 보여주는 사진이다. TCU 에서 구동하는 6개 비례제어 솔레노이드밸브는 실제 부품을 이용하여 전류부하를 구현하였다. 변속 성능 분석을 위하여 모니터링 프로그램에서 수집하는 주요 정보는 비례제어 솔레노이드밸브 PWM 신호 듀티율(duty cycle), 구동전류, TCU 내부 작동상 태를 나타내는 CAN 통신 데이터이며 직렬통신으로 송수신되어 PC에 저장된다.
기어 열은 독립된 회전 자유도를 갖는 터빈 기어 열, 센트럴 기어 열, 출력 기어 열로 구분되고 TCU는 속도센서를 이용하여 3개 기어 열의 회전속도를 측정한다. 변속비가 결정되기 위해서는 센트럴 기어 열을 중심으로 배치된 방향 클러치군(KV, KR, K4)과 속도 클러치군(K1, K2, K3)에서 각각 1개씩의 클러치가 결합되어야 하며 각 변속 단에서 결합되는 클러치는 Table 1과 같다.
자동변속모드에서 TCU는 변속기 입력토크와 출력축 속도로 설계된 변속선도에 의하여 자동변속기 능을 수행한다. 변속선도는 엔진과 터빈 속도 차를 일정하게 유지시킨 상태에서 엔진속도를 10rpm/sec 로 매우 서서히 변화시키면서 변속이 발생되는 출력축 속도를 기록하여 파악하였다. 변속기 입력토크는 변속기에 장착된 토크 컨버터 특성을 이용하여 엔진과 터빈속도 차로부터 다음과 같이 입력토크를 계산할 수 있다.
본 연구에서 설계된 변속기 시뮬레이터는 운전자 조작신호를 스위치와 버튼을 이용하여 전기적인 신호로 모사하였고 온도센서는 가변저항, 속도센서 신호는 기어 열 속도분석 결과를 바탕으로 변속 단이 고정된 경우와 변속과도상태에서의 속도를 마이크로 컨트롤러에서 연산한 후 구형파 신호의 주파수를 변화시키는 방식으로 모사하였다. Fig.
본 연구에서는 선진제품 TCU에 설계된 펌웨어의 변속제어기능을 분석하기 위하여 휠 로더 자동변속기의 내부구조와 작동원리를 파악한 후 이를 바탕으로 제반 센서의 전기적 신호를 실시간으로 모사하는 기능의 시뮬레이터를 개발하였으며 이를 이용한 다양한 시험을 통해 진단 및 안전작동 알고리즘을 분석하였다. 정상작동모드에서는 변속선도와 변속조건에 따른 비례제어 솔레노이드밸브 전류궤적을 분석하였고 발생되는 오류의 종류에 따른 대체 클러치 제어 모드와 비상귀환 모드와 해당되는 안전작동 모드에서 오류판단조건, 비상귀환 모드에서의 전진 및 후진 변속 단, 변속제어 시의 전류궤적 등을 확인하였다.
정상작동모드에서는 자동변속모드에서 변속시 점을 결정하는 변속선도와 변속 시 입력토크 변화에 따른 전류궤적을 분석하였다.
클러치나 비례제어 솔레노이드밸브 오작동으로 인하여 정상작동 모드 변속 단으로 주행이 불가한 비상귀환 모드에서의 변속 단은 각 클러치에 해당 되는 비례제어 솔레노이드밸브를 단선시켜 파악하였으며 결과를 Table 3에 나타내었다. Table 3에서 ‘x’는 오작동 상태를 나타내고 ‘-’는 오작동에 무관함을 의미한다.

대상 데이터

TCU 에서 구동하는 6개 비례제어 솔레노이드밸브는 실제 부품을 이용하여 전류부하를 구현하였다. 변속 성능 분석을 위하여 모니터링 프로그램에서 수집하는 주요 정보는 비례제어 솔레노이드밸브 PWM 신호 듀티율(duty cycle), 구동전류, TCU 내부 작동상 태를 나타내는 CAN 통신 데이터이며 직렬통신으로 송수신되어 PC에 저장된다.
TCU 작동이 불가한 오류가 검출되는 경우로 비례제어 솔레노이드밸브와 디지털 출력전원을 차단하고 중립기어를 유지한다. 분석대상 TCU는 시동키에 의하여 전원이 차단될 때 CAN 통신 데이터로 TCU 작동정지 오류코드를 송신한다.
연구대상 자동변속기는 최대 전달동력이 270kW(362마력)인 ZF사 4WG-260 모델⁶⁾로 주요 구성요소는 기어 열(gear train), 토크 컨버터(torque converter), 유압제어시스템, TCU이며 각 요소의 기능과 설계 사양을 살펴보면 다음과 같다.

성능/효과

터빈속도가 900rpm인 경우에 토크 컨버터 속도 차(DNeNt)는 400rpm이고, 터빈속도가 500rpm인 경우에는 800rpm의 속도 차에 해당된다. 변속 개시시점에서 입력토크가 다른 상태에서 발생되는 변속 전류궤적을 비교한 결과 동일함을 확인하였다. 이로부터 대체 클러치 제어 모드에서는 변속조건(입력토크와 차속)에 무관하게 각각의 변속 에 대하여 하나의 전류궤적으로 변속이 진행됨을 알 수 있다.

후속연구

개발된 변속기 시뮬레이터는 기존에 상용화된 TCU의 변속 알고리즘 분석뿐만 아니라 독자적으로 개발하는 TCU 운영프로그램 검증에도 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	변속제 어기는 어떤 부품인가?	최근 급속하게 발전하는 자동차 기술의 전자화는 건설 중장비로 응용분야가 확대되고 있다. 변속제 어기(Transmission Control Unit, TCU)는 자동변속기의 변속제어와 관련된 제반 기능을 담당하므로 기어 열(gear train), 토크 컨버터(torque converter), 유압 제어시스템의 기계적인 부품과 더불어 변속기 성능을 결정하는 핵심부품이다. 특히, 환경관련 규제가 점차 강화됨에 따라 연비와 효율뿐만 아니라 주행 성능 향상의 설계목적을 동시에 달성하기 위하여 하드웨어와 펌웨어(firmware) 기술에 대한 연구개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
	휠 로더는 버킷과 붐을 조작하면서 빈번하게 전후진 변속을 수행하는 작업특성으로 인하여 어떤 부품의 장착이 일반화되고 있는가?	1 참조). 휠 로더는 버킷과 붐을 조작하면서 빈번하게 전후진 변속을 수행하는 작업특성으로 인하여 편의성과 작업 효율이 우수한 자동변속기 장착이 일반화되고 있다.

참고문헌 (10)

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G. H. Jung, S. H. Shin, S. I. Lee and H. J. Kim, "A Development of TCU Analyzer for Wheel Loader Automatic Transmission," KSAE Fall Conference Proceedings, pp.1405-1410, 2006.
G. H. Jung, S. H. Shin and S. I. Lee, "Development of an Automatic Transmission Simulator for a Wheel Loader," Transactions of KFPS, Vol.4, No.2, pp.7-20, 2007.

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