[논문]고속 무한궤도 차량용 변속기 시뮬레이터 개발

정규홍

doi:10.7839/ksfc.2017.14.4.029

고속 무한궤도 차량용 변속기 시뮬레이터 개발
Development of Transmission Simulator for High-Speed Tracked Vehicles 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.14 no.4, 2017년, pp.29 - 36

정규홍 (Department of Computer Aided Mechanical Engineering, Daejin University)

Abstract ▼ AI-Helper

Electronic control technologies that have long been developed for passenger cars spread to construction equipment and agricultural vehicles because of its outstanding performance achieved by embedded software. Especially, system program of transmission control unit (TCU) plays a crucial role for the superb shift quality, driving performance and fuel efficiency, etc. Since the control algorithm is embedded in software that is rarely analyzed, development of such a TCU cannot be conducted by conventional reverse engineering. Transmission simulator is a kind of electronic device that simulates the electric signals including driver operation command and output of various sensors installed in transmission. Standalone TCU can be run in normal operation mode with the signals provided by transmission simulator. In this research, transmission simulator for the tracked vehicle TCU is developed for the analysis of shift control algorithm from the experiments with standalone TCU. It was confirmed that shift experimental data for the simulator setup conditions can be used for the analysis of control algorithms on proportional solenoid valves and shift map.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 고속 무한궤도 차량에 적용되는 선진사 자동변속기의 변속제어기에 구현된 변속제어와 관련된 기능을 분석하기 위하여 실제 변속기가 배제된 상태에서 변속제어기를 단독적으로 정상 작동시키는 기능의 변속기 시뮬레이터를 개발하였다. 수행된 연구내용으로는 연구대상 변속기의 구조, 기계적인 동력전달 특성과 변속제어기 입출력신호와 통신기능을 분석하고 이를 바탕으로 변속기 시뮬레이터를 개발하였고 다양한 작동조건에서의 성능시험을 통해 변속제어기 임베디드 소프트웨어에 설계된 변속선도와 변속제어 알고리즘을 파악하였다.
본 연구에서는 무한궤도 차량에 적용되는 변속제어기를 대상으로 실차에 탑재된 변속기의 작동상태와 유사한 전기적인 신호를 모사함으로써 변속제어기가 단독적으로 정상작동 될 수 있는 기능의 변속기 시뮬레이터를 개발하였다. 이를 위하여 분석대상 변속기의 구조와 동력전달특성, 변속제어기의 전기적 입출력신호를 분석하고 변속기 작동상태에 적절하게 운전자 작동신호와 제반 센서신호 사양을 설계하였으며 마이크로컨트롤러를 이용한 임베디드 프로그램으로 작동신호 모사기능을 구현하였다.

가설 설정

Table 2는 차량 CAN에 적용되는 CAN 통신 프로토콜을 나타낸다. 변속제어기는 가속페달이나 엔진토크와 관련된 정보를 CAN으로 수신받아 변속제어에 이용하므로 CAN 통신에 오류가 발생하면 정상적인 변속제어가 이루어지지 않는다.

제안 방법

변속제어기는 토크컨버터 펌프, 터빈과 출력축 회전속도를 속도센서에서 출력되는 주기신호의 주파수로부터 연산하며, 신호 전압의 크기로부터 단선 및 단락의 오류를 파악한다. 변속기 시뮬레이터에서는 전기적인 오류가 검출되지 않는 전압신호의 크기로 각 변속단에서의 변속비와 일치되도록 주파수를 모사하였으며 변속제어기의 변속알고리즘 분석을 위하여 변속 과도상태에서의 속도변화 궤적을 조절할 수 있는 기능을 설계하였다.
모사되는 신호의 사양은 제반 센서와 액추에이터 사양을 고려하여 결정하였으며 변속기 작동상태에 적절하게 변화시킴으로써 변속제어기에서 오류코드가 검출되지 않도록 하였다. 변속기 시뮬레이터의 입출력 신호는 변속기 작동상태에 따른 기능별 특성을 고려하여 전기적인 회로를 설계하였으며 신호상태의 변화는 TI사의 F28335 DSP를 활용하여 임베디드 프로그램으로 구현하였다. Fig.
6은 변속제어기 PCB를 보여준다. 변속제어기는 비례 솔레노이드밸브 전류제어를 위하여 shunt 저항 양단 전압 차를 측정하며, 변속제어 알고리즘은 작동 및 해제되는 비례 솔레노이드밸브 전류궤적을 통해 분석될 수 있으므로 PCB회로에 점퍼 커넥터를 납땜하여 PWM 구동신호와 전류신호를 변속기 시뮬레이터에 연결할 수 있도록 하였다.
본 연구에서 개발된 변속기 시뮬레이터를 분석대상 궤도차량용 변속제어기에 연결하여 변속제어와 관련된 제반 성능을 분석하였다.
센서출력은 ON/OFF 상태를 감지하는 스위치 신호와 온도 또는 압력의 상태를 측정하는 아날로그 전압신호로 구분된다. 설계된 변속기 시뮬레이터에서는 모사대상 신호의 전압과 전류특성을 파악한 후 스위치 신호는 트랜지스터를 이용한 디지털 전압으로, 아날로그 센서신호는 D/A 컨버터를 이용한 전압으로 모사하였다.
본 연구에서는 고속 무한궤도 차량에 적용되는 선진사 자동변속기의 변속제어기에 구현된 변속제어와 관련된 기능을 분석하기 위하여 실제 변속기가 배제된 상태에서 변속제어기를 단독적으로 정상 작동시키는 기능의 변속기 시뮬레이터를 개발하였다. 수행된 연구내용으로는 연구대상 변속기의 구조, 기계적인 동력전달 특성과 변속제어기 입출력신호와 통신기능을 분석하고 이를 바탕으로 변속기 시뮬레이터를 개발하였고 다양한 작동조건에서의 성능시험을 통해 변속제어기 임베디드 소프트웨어에 설계된 변속선도와 변속제어 알고리즘을 파악하였다. 변속기 시뮬레이터를 통해 분석된 설계자료는 변속제어기 연구에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
엔진제어기와 차량컴퓨터에 해당되는 Table 2의 CAN 메시지를 송신하는 기능과 변속제어기에서 송신하는 CAN 메시지를 수신하여 변속제어기 내부정보를 표시하는 기능을 구현하였으며 변속제어에 영향을 미치는 EEC1의 PT(percent torque)와 EEC2의 AP(acceleration pedal)를 변속기 시뮬레이터에서 설정할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 무한궤도 차량에 적용되는 변속제어기를 대상으로 실차에 탑재된 변속기의 작동상태와 유사한 전기적인 신호를 모사함으로써 변속제어기가 단독적으로 정상작동 될 수 있는 기능의 변속기 시뮬레이터를 개발하였다. 이를 위하여 분석대상 변속기의 구조와 동력전달특성, 변속제어기의 전기적 입출력신호를 분석하고 변속기 작동상태에 적절하게 운전자 작동신호와 제반 센서신호 사양을 설계하였으며 마이크로컨트롤러를 이용한 임베디드 프로그램으로 작동신호 모사기능을 구현하였다.

이론/모형

마이크로컨트롤러로 설계된 변속기 시뮬레이터는 변속제어기에 입력되는 운전자 작동신호와 각종 센서신호를 실제 조작 스위치나 센서없이 PC에서 수행되는 모니터링 프로그램에서 제어하는 simulation-by-wire 방식으로 설계하였다. 또한, Fig.

성능/효과

개발된 변속기 시뮬레이터를 연구대상 변속제어기에 연결하여 다양한 조건에서 변속시험을 수행하여 기능을 검증하였으며 변속시험 데이터 분석을 통해 분석대상 변속제어기에 설계된 변속제어 알고리즘을 파악할 수 있었다. 본 연구를 통해 얻어진 분석결과는 변속제어기 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대되고 향후에는 진단(diagnosis) 및 안전작동(failsafe) 기능을 분석하기 위한 시뮬레이터 기능 설계와 시험도 진행할 계획이다.
14(b)는 변속시간에 따른 변속제어특성을 나타낸다. 변속시간이 0.5초로 짧으면 변속이 완료되는 시점에서 B3 비례 솔레노이드밸브 전류제어를 중지하고 결합전류로 제어하는 반면에 변속시간이 1초와 2초로 긴 경우에는 B2와 B3 비례 솔레 노이드밸브 전류제어 궤적이 동일하므로 분석대상 변속제어기는 변속이 시작될 때의 변속조건에 대해 설계된 기준 전류궤적을 추종하는 개루프 방식의 변속제어가 적용됨을 알 수 있다.
빈번한 변속을 방지하기 위하여 상향 및 하향 변속선이 다른 히스테리시스(hysteresis) 특성이 있으며 AP 값이 클수록 빠른 가속을 위하여 변속이 지연됨을 확인하였다.

후속연구

수행된 연구내용으로는 연구대상 변속기의 구조, 기계적인 동력전달 특성과 변속제어기 입출력신호와 통신기능을 분석하고 이를 바탕으로 변속기 시뮬레이터를 개발하였고 다양한 작동조건에서의 성능시험을 통해 변속제어기 임베디드 소프트웨어에 설계된 변속선도와 변속제어 알고리즘을 파악하였다. 변속기 시뮬레이터를 통해 분석된 설계자료는 변속제어기 연구에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
개발된 변속기 시뮬레이터를 연구대상 변속제어기에 연결하여 다양한 조건에서 변속시험을 수행하여 기능을 검증하였으며 변속시험 데이터 분석을 통해 분석대상 변속제어기에 설계된 변속제어 알고리즘을 파악할 수 있었다. 본 연구를 통해 얻어진 분석결과는 변속제어기 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대되고 향후에는 진단(diagnosis) 및 안전작동(failsafe) 기능을 분석하기 위한 시뮬레이터 기능 설계와 시험도 진행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	임베디드 소프트웨어(embedded software)로 구현되는 변속제어에 대한 개발이 지속적으로 이루어지는 이유는 무엇인가?	변속제어기(Transmission Control Unit, TCU)는 자동변속기의 변속제어와 관련된 제반 기능을 담당하며 기어 열(gear train), 토크컨버터(torque converter), 유압제어시스템으로 대표되는 기계적인 부품과 더불어 변속기 성능을 결정하는 핵심부품이다. 특히, 환경관련 규제가 점차 강화됨에 따라 연비와 효율뿐만 아니라 주행성능 향상의 설계목적을 동시에 달성하기 위하여 임베디드 소프트웨어(embedded software)로 구현되는 변속제어에 대한 연구개발이 지속적으로 이루어지고 있다.1-2)
	변속제어기란 무엇인가?	최근 급속하게 발전하는 승용차용 엔진, 자동변속기 제어기술의 전자화는 산업용 및 건설기계, 농기계 등으로 응용분야가 확대되고 있다. 변속제어기(Transmission Control Unit, TCU)는 자동변속기의 변속제어와 관련된 제반 기능을 담당하며 기어 열(gear train), 토크컨버터(torque converter), 유압제어시스템으로 대표되는 기계적인 부품과 더불어 변속기 성능을 결정하는 핵심부품이다. 특히, 환경관련 규제가 점차 강화됨에 따라 연비와 효율뿐만 아니라 주행성능 향상의 설계목적을 동시에 달성하기 위하여 임베디드 소프트웨어(embedded software)로 구현되는 변속제어에 대한 연구개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
	본 논문에서 개발한, 무한궤도 차량에 적용되는 변속제어기를 대상으로 실차에 탑재된 변속기의 작동상태와 유사한 전기적인 신호를 모사함으로써 변속제어기가 단독적으로 정상작동 될 수 있는 기능의 변속기 시뮬레이터를 위해 구현한 것은 무엇인가?	본 연구에서는 무한궤도 차량에 적용되는 변속제어기를 대상으로 실차에 탑재된 변속기의 작동상태와 유사한 전기적인 신호를 모사함으로써 변속제어기가 단독적으로 정상작동 될 수 있는 기능의 변속기 시뮬레이터를 개발하였다. 이를 위하여 분석대상 변속기의 구조와 동력전달특성, 변속제어기의 전기적 입출력신호를 분석하고 변속기 작동상태에 적절하게 운전자 작동신호와 제반 센서신호 사양을 설계하였으며 마이크로컨트롤러를 이용한 임베디드 프로그램으로 작동신호 모사기능을 구현하였다.

참고문헌 (8)

G. H. Jung and K. I. Lee, "A Research on Shifting Controller Development of a Automa- tic Transmission for Construction Vehicles", Transactions of KSAE, Vol.10, No.2, pp.234-242, 2002.
G. H. Jung and K. I. Lee, "Hardware-In-The- Loop Simulation of Automatic Transmission for Passenger Cars," 2000 KSAE Spring Conference Proceeding, Vol.I, pp.355-362, 2000.
J. S. Choi and Y. S. Lee, "The Implementation of a Hardware-In-The-Loop Simulator for an Inverted Pendulum System Using Open-Source Hardware", Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol.23, No.2, pp.117-125, 2017.

상세보기
H. J. Song et al., "Verification of Algorithm for Real-Time Traversability Analysis of Autonomous Vehicle Using Virtual Simulator", 2017 17th International Conference on Control, Automation and Systems, pp.197-198, 2017.
G. H. Jung, S. H. Shin, S. I. Lee and H. J. Kim, "A Development of TCU Analyzer for Wheel Loader Automatic Transmission", KSAE 2006 Autumn Conference, 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.
G. H. Jung, "Analysis of Diagnosis and Failsafe Algorithm Using Transmission Simulator", Transactions of KSAE, Vol.22, No.4, pp.89-97, 2014.
Howard L. Benford and Leising, M, "The Lever Analogy: A New Tool in Transmission Analysis," SAE 810102, 1981.

저자의 다른 논문 :

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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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