[논문]EGR 밸브 용 모터 특성 분석

허준호; 이선봉

doi:10.5762/kais.2016.17.2.137

[국내논문] EGR 밸브 용 모터 특성 분석
The Characteristic Analysis of EGR Valve Motor 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.2, 2016년, pp.137 - 146

허준호 (계명대학교 일반대학원 기계공학과) , 이선봉 (계명대학교 기계자동차공학과)

초록
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EGR율이 증가할수록 $NO_X$ 저감에는 효과적이나, 과도한 EGR율은 오히려 불완전 연소의 주원인이 된다. 엄격한 배기규제를 만족하기 위해서는 엔진의 운행 조건에 최적화된 정밀한 EGR 밸브의 위치 제어가 뒷받침 되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 EGR 밸브 용 모터 특성 분석을 위해 수학적 모델링과 제어 이론에 대해 연구하고, 마이크로칩 개발 툴을 이용하여 EGR 밸브용 모터의 위치를 제어하기 위한 단계로서 PWM(Pulse Width Modulation)의 듀티(duty)비의 입력 값에 따른 밸브 위치를 측정하여 개폐 구간 별 EGR 밸브 모터 특성을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An increase in EGR rate can reduce NOx emissions. On the other hand, an excessive EGR rate is a major cause of incomplete combustion. Precise position control of the EGR valve that is optimized for the operating conditions of the engine should be supported to meet the strict emission regulations. Accordingly, this study performed mathematical modeling and control theory for characteristic analysis of an EGR valve motor. Because it is a step for controlling the position of the EGR valve motor using the Microchip development tool, this study analyzed the characteristics of the motor for each opening and closing section according to the input value of the duty ratio of PWM (Pulse Width Modulation).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

1. EGR 밸브 용 DC모터 특성 분석을 위해 수학적 모델링과 제어 이론에 대해서 연구하였다.
따라서 엄격한 배기규제를 만족하기 위해 엔진의 운행 조건에 최적화된 정밀한 EGR 밸브 제어가 뒷받침되어야만 한다. 따라서 본 연구에서는 EGR 밸브의 위치를 제어하기 위한 단계로 EGR 밸브 용 DC모터 특성을 분석하였다.
본 연구는 EGR 밸브용 DC모터의 위치를 제어하기 위한 하나의 단계로서 DC모터의 특성을 분석하였다. EGR 밸브용 DC모터 정밀제어를 위해서는 속도제어, 토크제어를 수행하고 궁극적으로는 하드웨어인 모터의 관성 특성을 고려한 소프트웨어와의 최적 제어 상태를 설계하고, 실제 적용 가능하도록 응답시간(response time)에 대한 연구를 거쳐야 할 것으로 판단된다.
EGR 밸브의 최대 열림 값까지 밸브의 개폐 구간을 0~100%로 정하고 PWM 듀티비 입력 값과 피드백 센서 값의 비를 이용하여 EGR 밸브의 위치를 실측한다. 최종적으로 PWM 입력 값에 따른 EGR 밸브의 위치를 계산하여 EGR 밸브용 모터의 특성을 분석하고자 한다.

가설 설정

이때 입력 전압 V∈을 속도 Ω∈으로 치환하고 La = 0이라 가정한다.

제안 방법

다사로봇 주식회사 박종승이 제안한 ‘디씨모터구동 제어방법’에 따르면, 지령 위치정보와 현재 위치정보를 입력받아 PID제어기를 통하여 토크 지령 값을 출력하고, H-브릿지 회로를 통해 DC모터에 전류를 흘려준다. DC모터 및 기어가 회전하게 되고, DC모터의 위치정보를 PID제어기로 위치정보를 받아 새로운 토크 지령 값을 출력하여 DC모터 구동을 제어하는 방법을 연구하였다.[7]
EGR 밸브 용 모터는 F1 BDC 모터 애드온과 연결하여 12V 전원을 공급하고, 센서는 전원공급기를 이용하여 5V 전원을 공급하여 실측하였다.
PWM 듀티비는 1byte 단위로 0~255의 값을 입력하고, 입력 값에 대한 EGR 밸브 피드백 센서 값을 측정한다. EGR 밸브의 최대 열림 값까지 밸브의 개폐 구간을 0~100%로 정하고 PWM 듀티비 입력 값과 피드백 센서 값의 비를 이용하여 EGR 밸브의 위치를 실측한다. 최종적으로 PWM 입력 값에 따른 EGR 밸브의 위치를 계산하여 EGR 밸브용 모터의 특성을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 EGR 밸브 용 모터 특성 분석을 위해 PWM 듀티비를 이용하였다. MPLAB X IDE 소프트웨어를 이용하여 PWM 듀티비에 따른 EGR 밸브의 위치를 측정하였다. Fig.
PWM 듀티비 입력 값을 다르게 함으로서 피드백 센서 값과 EGR 밸브의 위치를 측정하였다. 그 결과 PWM 입력값이 0~38 구간에서는 EGR 밸브가 열리지 않았고, 40에서 EGR 밸브가 열리기 시작하면서, 60부터는 EGR밸브가 최대 6mm로 열리는 것을 확인하였다.
그 결과 PWM 입력값이 0~38 구간에서는 EGR 밸브가 열리지 않았고, 40에서 EGR 밸브가 열리기 시작하면서, 60부터는 EGR밸브가 최대 6mm로 열리는 것을 확인하였다. PWM 입력 값에 따른 EGR 밸브의 위치를 측정하기 위해 피드백 센서 값을 이용하였다. EGR 밸브의 위치와 피드백 센서값의 비례식을 이용하여 PWM 듀티비 입력값에 따른 EGR 밸브의 위치를 Table 3과 Fig.
로직화된 펌웨어 기반의 시스템온칩을 이용하여 모터의 정확한 위치를 제어한다. 모터의 현재 위치와 초기 기준위치가 동일하면 프로세서에 인터럽트 신호를 보내고 이에 의해 모터가 정확한 위치로 이동하였음을 알리고, 현재 위치와 초기 기준 위치가 상이하면 모터의 위치가 변경되도록 제어하는 방법에 대해 구하였다.[8]
본 연구에서는 EGR 밸브 용 모터 특성 분석을 위해 PWM 듀티비를 이용하였다. MPLAB X IDE 소프트웨어를 이용하여 PWM 듀티비에 따른 EGR 밸브의 위치를 측정하였다.
본 연구에서는 마이크로칩 개발 툴을 이용하여 EGR 밸브용 모터를 구동하고 모터에 인가되는 PWM(Pulse Width Modulation)의 듀티(duty)비 입력 값으로 변화시키며 EGR 밸브의 위치를 측정한다. PWM 듀티비는 1byte 단위로 0~255의 값을 입력하고, 입력 값에 대한 EGR 밸브 피드백 센서 값을 측정한다.
1과 같이 등가회로도를 사용한다. 전기자는 인덕턴스 L_a에 직렬로 연결되어있는 저항 R_a와 회전자가 회전할 때 전기자에서 생기는 역기전력을 나타내는 전압원 e_b로 이루어진 회로로 모델링한다. 전동기변수와 파라미터는 다음과 같이 정의된다.

대상 데이터

2. 모터를 구동하기 위한 MCU는 8bit PIC16LF1947을 포함하고 있고 F1 LV 플랫폼 개발툴을 이용하고 모터 드라이브는 F1 BDC 모터 애드온 개발툴을 이용하여 실험하였다.
본 연구에서는 현재 K사에서 양산되고 있는 EGR 밸브 시스템을 기준하여 사양을 결정하였다. Fig.
실험 장치 구성은 Fig. 12에 나타내었으며, A는 EGR 밸브이고, B는 F1 LV 플랫폼 개발 툴, C는 F1 BDC 모터 애드온 개발 툴, D는 전원공급기이다. E는 디버깅 때 사용할 마이크로칩사의 Pickit 3 툴이다.

성능/효과

LCD에 측정된 피드백 센서 값이 실제 피드백 센서 값과 일치하는지 검증하기 위해 멀티미터를 이용하여 그값을 측정한 결과 Fig 18과 같이 LCD에서 측정된 피드백 센서 값이 실제 피드백 센서 값과 일치하다는 것을 검증하였다.
EGR 밸브 위치를 먼저 선정하면 그 때의 PWM 듀티비를 입력하여 원하는 위치만큼 밸브가 작동하게 된다. PWM이 40일 때부터 밸브가 열리기 시작하면서 PWM이 60일 때 밸브가 최대 6mm까지 열리게 되는 것을 알 수 있었다. 또한, 실험 과정을 통해 EGR 밸브 용 DC모터는 PWM 입력값이 58일 때, 센서의 값이 급격히 떨어지고 밸브가 급격히 열리게 되는 것을 확인하였다.
PWM 듀티비 입력 값을 다르게 함으로서 피드백 센서 값과 EGR 밸브의 위치를 측정하였다. 그 결과 PWM 입력값이 0~38 구간에서는 EGR 밸브가 열리지 않았고, 40에서 EGR 밸브가 열리기 시작하면서, 60부터는 EGR밸브가 최대 6mm로 열리는 것을 확인하였다. PWM 입력 값에 따른 EGR 밸브의 위치를 측정하기 위해 피드백 센서 값을 이용하였다.
PWM이 40일 때부터 밸브가 열리기 시작하면서 PWM이 60일 때 밸브가 최대 6mm까지 열리게 되는 것을 알 수 있었다. 또한, 실험 과정을 통해 EGR 밸브 용 DC모터는 PWM 입력값이 58일 때, 센서의 값이 급격히 떨어지고 밸브가 급격히 열리게 되는 것을 확인하였다. EGR 밸브 내부에 스프링이 있는데 밸브의 위치를 고정시켜주는 역할을 한다.

후속연구

본 연구는 EGR 밸브용 DC모터의 위치를 제어하기 위한 하나의 단계로서 DC모터의 특성을 분석하였다. EGR 밸브용 DC모터 정밀제어를 위해서는 속도제어, 토크제어를 수행하고 궁극적으로는 하드웨어인 모터의 관성 특성을 고려한 소프트웨어와의 최적 제어 상태를 설계하고, 실제 적용 가능하도록 응답시간(response time)에 대한 연구를 거쳐야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디젤엔진에서 NOX를 저감하는 방법은 무엇이 있는가?	지구온난화에 대한 수송 분야의 CO2 규제가 강화되 면서 유럽을 중심으로 디젤엔진이 중요한 대안으로 떠오 르고 있다. 디젤엔진에서 환경 문제가 되는 NOX를 저감하는 방법은 크게 EGR(Exhaust Gas Recirculation), LNT(Lean NOX Trap), SCR(Selective Catalytic Reduction) 등이 고려되고 있으나, 승용 디젤 엔진에서는 EGR 시스템이 널리 쓰인다. EGR은 연소가스를 실린더 안으로 재순환시킴으로써 연소 시 NOX의 생성을 저감하는 기술이다.
	EGR 시스템은 무엇인가?	디젤엔진에서 환경 문제가 되는 NOX를 저감하는 방법은 크게 EGR(Exhaust Gas Recirculation), LNT(Lean NOX Trap), SCR(Selective Catalytic Reduction) 등이 고려되고 있으나, 승용 디젤 엔진에서는 EGR 시스템이 널리 쓰인다. EGR은 연소가스를 실린더 안으로 재순환시킴으로써 연소 시 NOX의 생성을 저감하는 기술이다.[1-2]
	배기가스를 내부 재순환하는 이유는 무엇인가?	일부 재순환은 별도의 장치를 이용하여 배기가스 중의 일부를 배기다기관 하부에서 다시 흡기다기관으로 보내고, 연료 / 공기 혼합기에 혼합시켜 연소실로 유입되게 하는 시스템을 말한다. 배기가스를 재순환시키는 이유는 새 혼합기의 충진을 낮출 수 있고, 재순환된 배기가스에는 NO2 에 비해 열용량이 큰 CO2가 많이 함유되어 있어, 동일한 양의 연료를 연소시킬 때 온도상승률이 낮다. 또 공기에 비해 산소함량이 적은 배기가스가 연소에 관여하게 됨으로 연소속도가 감소하여 연소최고온도가 낮아지게 된다. 그렇게 되면 NOX의 양은 현저하게 감소한다. 그러나 배기가스 중의 HC와 CO의 양은 감소되지 않는다.

참고문헌 (10)

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H. S. Kang and D. H. Shin, "DC Motor Model Parameter Identification and Experimental Adjustment for Motor Controller Design", Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 31, No. 12, pp. 1147-1154, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.7736/KSPE.2014.31.12.1147

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Y. K. Son, "A Study on the Claw-Pole Stepping Motor Design to Improve the Torque Characteristics and Moving Accuracy", Mater's Thesis, Hanyang University.

저자의 다른 논문 :

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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