[논문]대형 상용차량 하이브리드 전동식 조향 시스템 주행 성능평가를 위한 HILS 시스템 개발

유춘식; 최규재

doi:10.7467/ksae.2017.25.1.103

대형 상용차량 하이브리드 전동식 조향 시스템 주행 성능평가를 위한 HILS 시스템 개발
Development of HILS System for Performance Evaluation of a Heavy Commercial Vehicle Hybrid Electric Power Steering System 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.25 no.1, 2017년, pp.103 - 110

유춘식 (군산대학교 기계자동차공학부) , 최규재 (군산대학교 기계자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Most commercial vehicles have adopted the hydraulic power steering system. To reduce fuel consumption and to improve steering controllability, a hybrid electric power steering system is being developed for commercial vehicles. In this study, the HILS (Hardware In the Loop Simulation) system equipped with a commercial vehicle hybrid electric power steering system was developed and the vehicle dynamic performance of a truck with the steering system was evaluated. The hybrid electric power steering system is composed of the EHPS motor pump, column mounted EPS system, and ball nut steering gear box for heavy commercial vehicles. The accuracy of vehicle models equipped with the HILS system was verified with comparisons between the simulation results and field test results. The road reaction forces of the steering system were generated from the vehicle model and verified using field test results. Step steering tests using the verified HILS system were carried out and the performance of a newly developed commercial vehicle hybrid electric power steering system was evaluated.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 상용차량의 연비 개선과 능동 조향제어가 가능한 하이브리드 전동식 조향시스템 개발을 위하여 HILS 시스템을 구축하고 이를 이용하여 상용차량 주행 특성 및 하이브리드 전동식 조향 시스템 구성 부품의 성능평가를 실시하였으며 다음과 같이 요약할 수 있다.
이와 같이 조향시스템을 구성함으로써 EHPS 시스템 유압펌프 용량을 작게 하여 경량화할 수 있으며 EPS를 이용하여 조향력 보조 기능을 수행할 수 있다. 특히 EPS를 이용하여 조향함으로써 차선유지제어나 자율주행제어와 같은 능동조향제어 시스템 개발 시 활용할 수 있다는 점이 하이브리드 조향시스템 개발의 주된 목적이라고 할 수 있다.

가설 설정

Fig. 14는 HILS 시스템을 이용한 주행 시험 시 (a)횡가속도, (b)EPS에서 발생하는 토크, (c)EHPS 펌프 회전속도를 각각 도시한 것이다.

제안 방법

1) 대형 트랙터 하이브리드 전동식 조향시스템 구성 부품인 EPS와 EHPS 시스템, 피트먼 암, 드래그 링크, 볼너트 기어박스 등으로 테스트 벤치를 구축하고 조향 반력을 생성하기 위하여 노면 반력 재현 시스템을 개발하였다.
8) 조향 입력 조건은 스텝 조향 입력 시험(step steering test, J-turn)으로 HILS 시스템에 장착되어있는 조향 휠을 시험자가 직접 회전시키면서 가상주행 시험을 실시하였다.
HILS 시스템을 이용하여 상용차량 하이브리드 전동식 조향 시스템의 성능평가를 수행하였다.⁸⁾ 조향 입력 조건은 스텝 조향 입력 시험(step steering test, J-turn)으로 HILS 시스템에 장착되어있는 조향 휠을 시험자가 직접 회전시키면서 가상주행 시험을 실시하였다.
호스트 PC에는 TruckSim 소프트웨어가 설치되어 입력된 조향 등 주행조건과 차량모델을 조합하여 차량거동을 계산하고 시뮬레이션 결과를 애니메이션 형태로 나타낸다. TruckSim을 RT-LAB과 동시 시뮬레이션하기 위해서 Matlab/Simulink를 사용하여 실시간으로 차량의 주행 입력 조건을 변경시킬 수 있으며 ECU와 센서 등의 디지털, 아날로그 신호처리가 가능하도록 구성하였다.
구성한 HILS 시스템에서 차량 주행 시험 시 조향 반력 재현의 정확도를 검증하였다. 이것은 상용차량 하이브리드 전동식 조향시스템 HILS에서 주행 상황에 따라 적절하게 조향 반력을 생성할 수 있어야 HILS를 이용한 조향시스템 개발이 가능하기 때문에 필수적인 사항이라고 할 수 있다.
구성한 TruckSim 차량 모델의 정확도를 검증하기 위하여 주행시험장에서 스텝조향입력시험(step steering test)을 실시하였다(자동차부품연구원). 차량 모델 해석 결과와 측정값을 비교하기 위하여 측정된 조향각을 TruckSim의 조향 조건으로 입력하였다.
HILS를 이용하여 조향시스템의 성능을 평가하기 위해서는 주행 중 발생하는 노면에서의 반력이 조향시스템으로 입력되는 노면 반력 재현시스템을 구축하는 것이 중요하다. 구성한 노면 반력 재현 시스 템은 Fig. 4에서 보는 것과 같이 조향휠에서 부터 드래그 링크까지 실제 차량에 쓰이는 부품을 사용하였으며 서보모터가 볼 스크류에 토크를 가하여 드래그 링크를 밀도록 설계하였다. 피트먼 암과 기어 박스 사이에 토크미터를 장착하여 피트먼 암 토크를 측정하였다.
본 연구에서는 HILS를 활용하여 상용차량 하이브리드 전동식 조향시스템 성능평가를 위해 실시간 차량 모델 생성 및 검증, EHPS 및 EPS H/W 시스템 구성, 노면 반력 재현시스템 구축, 통합 실시간 시뮬레이션 환경 구축 등을 수행하였다. 구축된 HILS 시스템의 수학적 모델을 수립하여 실차, 수학적 모델, HILS 시스템을 비교함으로써 정확도를 검증하였으며 HILS를 이용하여 주행시뮬레이션을 실시하여 상용차량 하이브리드 전동식 조향시스템의 특성을 평가하였다.
본 연구에서는 HILS를 활용하여 상용차량 하이브리드 전동식 조향시스템 성능평가를 위해 실시간 차량 모델 생성 및 검증, EHPS 및 EPS H/W 시스템 구성, 노면 반력 재현시스템 구축, 통합 실시간 시뮬레이션 환경 구축 등을 수행하였다. 구축된 HILS 시스템의 수학적 모델을 수립하여 실차, 수학적 모델, HILS 시스템을 비교함으로써 정확도를 검증하였으며 HILS를 이용하여 주행시뮬레이션을 실시하여 상용차량 하이브리드 전동식 조향시스템의 특성을 평가하였다.
상용차량 하이브리드 전동식 조향시스템 평가를 위해 Fig. 3과 같이 HILS 시스템을 구축하였다. 차량 모델은 현재 양산되고 있는 상용차량을 TruckSim⁵⁾으로 모델링 하였으며 27 자유도를 가지고 있다.
시험 방법은 차속에 따라 직진주행 중인 대형 트랙터에 스텝 함수 형태의 조향 입력을 가하여 정상 상태 도달 시 횡가속도가 약 0.2 g가 되도록 주행하여 차량 응답 특성과 하이브리드 전동식 조향시스템 구성 부품에서의 동작 특성을 분석하였다. 조향 입력은 Fig.
차량 모델은 현재 양산되고 있는 상용차량을 TruckSim⁵⁾으로 모델링 하였으며 27 자유도를 가지고 있다. 운전자가 조향휠을 이용하여 조향 입력을 전달하면 반력모터를 이용하여 차량모델로부터 계산된 킹핀 모멘트를 생성하도록 하여 노면 반력을 재현하였다. 운전자가 직접적으로 조향을 할 수 있도록 차량의 운전석 환경을 구축하고 모니터를 이용하여 차량 주행 전방 환경을 디스플레이하여 차량을 주행하면서 필요한 조향을 할 수 있도록 구성하였다.
운전자가 조향휠을 이용하여 조향 입력을 전달하면 반력모터를 이용하여 차량모델로부터 계산된 킹핀 모멘트를 생성하도록 하여 노면 반력을 재현하였다. 운전자가 직접적으로 조향을 할 수 있도록 차량의 운전석 환경을 구축하고 모니터를 이용하여 차량 주행 전방 환경을 디스플레이하여 차량을 주행하면서 필요한 조향을 할 수 있도록 구성하였다.
구성한 TruckSim 차량 모델의 정확도를 검증하기 위하여 주행시험장에서 스텝조향입력시험(step steering test)을 실시하였다(자동차부품연구원). 차량 모델 해석 결과와 측정값을 비교하기 위하여 측정된 조향각을 TruckSim의 조향 조건으로 입력하였다. 일반적으로 차량의 주행 특성 분석 시 사용하는 항목인 횡 가속도, 요 각속도, 롤 각을 비교하였으며 Fig.
4에서 보는 것과 같이 조향휠에서 부터 드래그 링크까지 실제 차량에 쓰이는 부품을 사용하였으며 서보모터가 볼 스크류에 토크를 가하여 드래그 링크를 밀도록 설계하였다. 피트먼 암과 기어 박스 사이에 토크미터를 장착하여 피트먼 암 토크를 측정하였다. 노면 반력은 TruckSim에서 차량동 역학 해석을 통해서 구한 킹핀 축에 작용하는 토크 값을 피트먼 암에 작용하는 힘으로 환산하여 입력하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 차량은 국내 생산 대형 트랙터로 형상을 Fig. 6에 도시하였으며 기본 재원은 Table 1에 기술하였다.
3과 같이 HILS 시스템을 구축하였다. 차량 모델은 현재 양산되고 있는 상용차량을 TruckSim⁵⁾으로 모델링 하였으며 27 자유도를 가지고 있다. 운전자가 조향휠을 이용하여 조향 입력을 전달하면 반력모터를 이용하여 차량모델로부터 계산된 킹핀 모멘트를 생성하도록 하여 노면 반력을 재현하였다.

데이터처리

2) 실시간 해석을 위한 TruckSim 차량 모델의 정확도를 검증하기 위하여 대형 트랙터 실차 시험 데이터와 비교 검증하였다.
구성한 HILS 시스템의 수학적 모델을 생성하였으며 상용차량 주행 시험 결과와 비교하였다. 조향시 바퀴에서 발생하는 힘의 관계는 Fig.

이론/모형

이것은 상용차량 하이브리드 전동식 조향시스템 HILS에서 주행 상황에 따라 적절하게 조향 반력을 생성할 수 있어야 HILS를 이용한 조향시스템 개발이 가능하기 때문에 필수적인 사항이라고 할 수 있다. 본 논문에서는 TruckSim에서 제공하고 있는 Pacejka 타이어 모델을 사용하였으며 이 모델은 거의 모든 속도 구간에서 정확한 타이어 발생력을 계산할 수 있는 것으로 알려져 있다.⁷⁾

성능/효과

3) HILS를 활용하여 차속 변화에 따른 조향 반력 재현시험을 실시하였으며 실차시험 결과와 비교를 통해 잘 일치함을 확인하였다.
4) 직진 주행 중 급격한 조향이 이루어지는 스텝 입력 조향 주행시뮬레이션을 실시하여 하이브리드 전동식 조향시스템이 장착된 트랙터의 주행 특성 분석과 구성부품의 특성을 실험실 내에서 실차와 유사한 환경을 구축하여 평가할 수 있음을 확인하였다.
이상과 같이 HILS를 활용하여 개발 단계인 대형 상용차량 하이브리드 전동식 조향시스템의 성능평 가를 수행함으로써 조향시스템 및 차량의 동역학적 특성을 평가하여 부품 성능 및 제어 로직 보완 등 시스템 개선 방향을 제시할 수 있음을 확인하였다.
이와 같이 HILS 시스템을 활용하여 안전하고 재현성 높은 시험이 가능하기 때문에 개발 중인 상용 차량 하이브리드 조향시스템 장착 차량의 주행 특성 뿐만 아니라 EPS와 EHPS 시스템 구성 부품의 응답특성 및 제어로직 튜닝을 통하여 원하는 특성의 조향시스템 개발에 활용할 수 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상용차량 하이브리드 전동식 조향시스템은 어떤 작동 메커니즘을 가지는가?	시스템 작동 메커니즘2)은 Fig. 2와 같으며 운전자의 조향에 의해 모멘트가 발생하면 EPS 토션바에 비틀림이 발생하게 된다. 토크센서에서 토션바 비틀림각 정보를 ECU에 전달하게 되면 ECU에서는 운전자 조향 모멘트를 계산한다. ECU에서는 토크, 차속, 조향각 신호를 토대로 상황에 적절한 모터 토크를 발생시키고 감속기를 통해 보조 토크가 부가 되어 최종 볼&너트 기어박스 토크가 전달된다. 이토크가 볼&너트 기어박스의 토션바를 회전시켜 볼 &너트 기어박스 내 유로 밸브 개폐량을 조절하여 피스톤을 밀어내는 힘을 조절한다. 이때 EHPS ECU 에서는 차속, 조향각속도의 신호를 토대로 상황에 따라 적절한 유량을 공급하여 피스톤을 밀어내는 압력을 조절하게 되고 최종적으로 조향기구를 작동 시키는 힘을 발생시킨다. 이와 같이 EPS와 EHPS의 제어를 통해 발생한 힘의 합이 피트먼 암, 드래그 링크, 스티어링 암, 타이로드를 통해 타이어를 회전시킨다. 따라서 하이브리드 조향시스템의 작동이 원활하게 이루어지기 위해서는 EPS ECU와 EHPS ECU가 동시에 상호 작용을 해야 하며 두 ECU 사이의 최적 제어 전략 수립이 필요하다.
	유압식 조향시스템은 무엇인가?	중대형 상용차량의 경우 기존에는 조향력 보조를 위하여 엔진부하를 이용하여 유압을 발생시키는 유압식 조향시스템(HPS)이 사용되어 왔다. 그러나 연비향상 요구에 따라 모터로 유압펌프를 구동시켜 유압을 발생시키는 전기 유압식 동력 조향시스템 (EHPS)을 적용하여 왔으나1) 기본적으로 유압을 사용하여 조향력을 보조하기 때문에 능동조향제어 등에 어려움이 있었다.
	하이브리드 전동식 조향시스템은 어떻게 구성되는가?	하이브리드 전동식 조향시스템은 Fig. 1에서 보는 것과 같이 모터로 유압을 발생시켜 상용차량의 바퀴를 조향시키는 전기 유압식 조향시스템(EHPS) 과 운전자의 조향력을 보조하기 위하여 모터로 직접 스티어링 컬럼을 보조하는 전동식 조향시스템 (EPS)으로 구성된다.

참고문헌 (8)

B. H. Gu, H. Y. Lee, Y. K. Park, S. W. Cha, W. S. Lim, B. C. Jang and J. S. Bang, "Steering Consuming Energy and Fuel Efficiency Analysis Depending on Steering System Model," Transactions of KSAE, Vol.24, No.4, pp.401-407, 2016.

원문보기 상세보기
S. B. Park, S. J. Mun and J. M. Kim, "A New Concept of Steering for Commercial Vehicle Fuel Saving," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.814-820, 2012.
J. J. Kwon and K. H. Park, "Development of the Hardware-in-the Loop Simulator for Evaluating Performance of EPS System," SAE Technical Paper 2011-28-0139, 2011.
K. H. Kim, C. J. Kim, H. S. Sin and C. S. Han, "Development of R-MDPS Control Algorithm Using HILS," KSAE Fall Conference Proceedings, pp.800-805, 2007.
TruckSim 8.2 User's manual, Mechanical Simulation Corporation, USA.
RT-LAB 8.3.7 User's manual, OPAL-RT TECHNOLOGIES, Corporation, Canada.
Hans B. Pacejka, Tire and Vehicle Dynamics, Third Edition, SAE International and Butterworth Heinemann, Massachusetts, 2012.
C. S. Yoo, G. J. Choi and H. J. Moon, "Commercial Vehicle Hybrid Electric Steering System Performance Evaluation Using HILS," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.454-455, 2015.

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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