[논문]차량 비상제동을 위한 전자식 주차 브레이크 제어 시뮬레이터 설계

박재은; 임창현; 김태성; 김영근

doi:10.7467/ksae.2017.25.1.019

[국내논문] 차량 비상제동을 위한 전자식 주차 브레이크 제어 시뮬레이터 설계
Design of Electronic Parking Brake Control Simulator for Emergency Vehicle Braking 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.25 no.1, 2017년, pp.19 - 27

박재은 (한동대학교 기계제어공학부) , 임창현 (한동대학교 기계제어공학부) , 김태성 (이래오토모티브시스템 제동시스템) , 김영근 (한동대학교 기계제어공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a simulator hardware and control design for an electronic parking brake (EPB) are proposed for emergency vehicle braking when the hydraulic break and anti-lock brake systems (ABS) fail to function. EPB systems are designed specifically for park braking and are usually installed on the rear wheels. However, in an emergency situation when all vehicle brake systems fail, the EPB can be utilized to stop the vehicle and track the target slip ratio as the ABS. This paper analyzed the non-linear EBP of the type of motor on caliper (MoC) based on experiments. A simulator hardware is also designed to validate the performance of the designed EPB controller in terms of braking distance and performance in tracking the target slip ratio. Through the experimental analysis, it is confirmed that a sliding mode controller can be applied on a non-linear EPB to track the target slip ratio.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 MoC형 EPB의 시스템을 모델링하며 이를 이용하여 유압브레이크 고장 시비상용 브레이크로써의 역할을 수행하도록 시뮬레이터를 구성하고 적합한 제어기를 설계하는 것에 그 목적이 있다. 본 연구에서는 제동력 히스테리시스 특성이 있는 MoC의 비선형 모델링을 분석하여 EPB 제어기를 설계하고, EPB 제동력 성능을 검증할 수 있는 시뮬레이터를 구축하였다.

가설 설정

7과 같다. 하지만 슬립율 제어 피드백과는 달리 제동력을 계측하고 피드백할 수 있어야만 사용가능하기에 본 연구에서는 모터 전류를 피드백 받아 MoC의 제동력을 유도할 수 있다는 가정을 하였다.

제안 방법

MoC에 최대/최소 입력전압만 가해지는 상황에서의 MoC의 제동력 특성을 파악하기 위한 실험을 수행하였다.
MoC의 system identification을 통한 모델링을 하기 위하여 MoC에 전압(V_S)을 입력하고 그에 따른 출력제동력의 정상상태응답 특성과 과도응답 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 제동력 히스테리시스 특성이 있는 MoC의 비선형 모델링을 분석하여 EPB 제어기를 설계하고, EPB 제동력 성능을 검증할 수 있는 시뮬레이터를 구축하였다. 또한 일반적으로 ABS에 적용되는 슬립율 피드백 방법이 아닌 제동력 피드백 제어설계를 새롭게 제안하였다. 이는 목표 슬립율으로부터 제동력을 계산하고 이를 MoC가 출력하도록 제어하는 방식이다.
본 연구는 주행중인 차량이 브레이크의 고장으로 유압브레이크에 및 ABS 사용이 불가능한 비상시에 EPB를 대체제로 활용할 수 있도록 EPB 제동력 제어시스템을 설계하였고 시뮬레이터를 설계하여 성능을 실험적으로 검증하였다. EPB MoC의 스크류락-인 효과로 인해 입력전압-출력제동력의 정상상태응답이 히스테리시스 특성 곡선으로 표현되며 따라서 비선형제어기법이 요구되는 것을 분석되었다.
따라서 본 연구에서는 MoC형 EPB의 시스템을 모델링하며 이를 이용하여 유압브레이크 고장 시비상용 브레이크로써의 역할을 수행하도록 시뮬레이터를 구성하고 적합한 제어기를 설계하는 것에 그 목적이 있다. 본 연구에서는 제동력 히스테리시스 특성이 있는 MoC의 비선형 모델링을 분석하여 EPB 제어기를 설계하고, EPB 제동력 성능을 검증할 수 있는 시뮬레이터를 구축하였다. 또한 일반적으로 ABS에 적용되는 슬립율 피드백 방법이 아닌 제동력 피드백 제어설계를 새롭게 제안하였다.
제안하는 제동력피드백시스템은 목표슬립율을 추종하기 위한 최적의 제동력을 계산하고, 그 값을 MoC가 출력하도록 유도하는 방식이며 그 형태는 Fig. 7과 같다.

대상 데이터

Fig. 6에서 MoC 블록에 해당하는 부분은 실제 하드웨어로 연결되었으며(Fig. 1) 차량 동역학(vehicle dynamics)블록은 2.3장에서 유도한 차량 동역학 모델링을 이용하였다.
실험은 상기된 제어시스템을 MATLAB Simunlink와 아두이노를 이용하여 설계하였으며 Fig. 1의 시뮬레이터를 구동하여 실험을 수행하였다.

데이터처리

구성된 제어기로부터 출력된 제어 입력값이 모터드라이브를 거쳐 MoC에 입력되고, MoC의 구동으로 인해 발생한 제동력은 로드셀을 통해 측정되어 다시 제어기에 전달되는 구조다. 구성된 하드웨어를 사용하여 먼저 MoC의 시스템 모델링을 분석하였으며 제어기를 설계한 후 제동력 성능 분석을 수행하였다.
슬립율 피드백 시스템과 제동력 피드백 시스템을 비교 분석하기 위하여 비선형 제어설계 방법인 뱅뱅제어기와 슬라이딩 모드 제어기를 적용하여 제동력 성능을 비교 검토하였다.
이는 목표 슬립율으로부터 제동력을 계산하고 이를 MoC가 출력하도록 제어하는 방식이다. 제동력 피드백 제어시스템과 슬립율 피드백 제어시스템의 시뮬레이션 결과를 비교하여 각각에 대한 장단점을 분석하였다.

성능/효과

본 연구는 주행중인 차량이 브레이크의 고장으로 유압브레이크에 및 ABS 사용이 불가능한 비상시에 EPB를 대체제로 활용할 수 있도록 EPB 제동력 제어시스템을 설계하였고 시뮬레이터를 설계하여 성능을 실험적으로 검증하였다. EPB MoC의 스크류락-인 효과로 인해 입력전압-출력제동력의 정상상태응답이 히스테리시스 특성 곡선으로 표현되며 따라서 비선형제어기법이 요구되는 것을 분석되었다. 이에 따라 뱅뱅제어기와 슬라이딩 모드 제어기를 설계하여 EPB의 제동력을 실험한 결과 슬라이딩모드 제어기의 성능이 우수함을 확인할 수 있었다.
MoC 정상상태 응답 특성 결과로부터 EPB 시스템은 히스테리시스 특성을 갖는 비선형시스템이며 중간수치의 전압 값을 입력한 경우에는 락-인 효과로 인해 제동력이 유지되어 선형적 제어설계를 적용할 수 없다는 결론을 내릴 수 있다. 이에 따라 제어 입력값으로 Max / Min값을 갖는 뱅뱅제어기 혹은 슬라이딩 모드 제어기가 적합하다고 분석을 하였다.
EPB MoC의 스크류락-인 효과로 인해 입력전압-출력제동력의 정상상태응답이 히스테리시스 특성 곡선으로 표현되며 따라서 비선형제어기법이 요구되는 것을 분석되었다. 이에 따라 뱅뱅제어기와 슬라이딩 모드 제어기를 설계하여 EPB의 제동력을 실험한 결과 슬라이딩모드 제어기의 성능이 우수함을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 오직 한 개의 바퀴에 대한 것으로 실차적용을 위해서는 두 바퀴 시뮬레이터를 설계하거나 실제차량에 적용하여 다각도 방면에서 검토를 진행할 필요가 있다.

후속연구

이에 따라 뱅뱅제어기와 슬라이딩 모드 제어기를 설계하여 EPB의 제동력을 실험한 결과 슬라이딩모드 제어기의 성능이 우수함을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 오직 한 개의 바퀴에 대한 것으로 실차적용을 위해서는 두 바퀴 시뮬레이터를 설계하거나 실제차량에 적용하여 다각도 방면에서 검토를 진행할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ABS를 비롯한 주 브레이크까지 기능을 상실하는 경우 어떤 문제가 발생하는가?	5) 하지만 하이드로릭 모듈의 오일 누설로 인한 고장사례와 ABS 컴퓨터 시스템의 고장사례 등 예기치 못한 사고로 ABS를 비롯한 주 브레이크까지 기능을 상실하는 사례가 보고되고 있다.6) 이 경우 차량은 제동력을 상실하게 되어 운전자를 비롯한 차량 탑승자는 사고에 이를 위험에 처해지게 된다.
	ABS(Anti-lock Brake System)은 무엇인가?	이 중 ABS(Anti-lock Brake System)은 자동차 브레이크 잠김 현상을 방지하는 기술로써 제동 및 조향성능을 향상시키며 그 원리는 슬립율 추종을 통해차량바퀴와지면의마찰계수가항상최대값을갖도록 조절함에 있다. 우리나라에서도 ABS 연구가 활발하게 진행되고 있어 1990년대 중반 이후 큰 폭의 출원증가를 보이고 있다.
	대표적인 자동차 안정성 향상을 위한 기술은 무엇이 있는가?	자동차 안정성 향상을 위한 기술 연구는 꾸준히 이루어지고 있으며 대표적인 기술로는 차량 전복방지 ESP(Electronic Stability Program)1), 차선이탈경고장치(LDWS)2)를 포함한 운전 보조 장치(ADAS)3) 그리고 잠김방지제동장치(ABS) 제어기술4)이 있다.

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J. S. Kim, "ABS Sliding Mode Control Considering Optimum Road Friction Force of Tyre," Transactions of KSAE, Vol.21, No.1, pp.78-85, 2013.

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D. S. Yun, H. S. Kim, J. H. Song and K.S. Boo, "Brake Performance Analysis of Sliding Mode Controller by Comparing with a Commercial Anti-lock Brake System," Transactions of KSAE, Vol.18, No.2, pp.14-23, 2010.

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