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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 H-bridge 컨버터로 구동되는 EGR 밸브 액추에이터를 대상으로 정확한 수학적 모델을 유도한다. 특히 탄성력과 마찰력으로 구성된 스프링 토크 모델을 제안한다.
제안 방법
- 비례 이득은 제어기 출력이 포화되지 않도록 2로 선택하였다. EGR 밸브 액추 에이터의 각 동작점에서 특성을 비교하기 위해 밸브의열림 및 닫힘 방향에서 밸브 구간을 세분화한다. 크기가 작은 계단 형태의 동작을 확인하고, 밸브의 큰 동작 및작은 동작을 확인한다.
- EGR 밸브 액추에이터는 전동기를 제어하여 밸브의 위치를 조절하므로 모든 기계요소를 전동기 측으로 환산하여 모델링한다.
- H-bridge 컨버터로 구동되는 EGR 밸브 액추에이터를 대상으로 정확한 수학적 모델을 유도하였다. 특히 EGR 밸브의 스프링 토크 모델을 제안하였다.
- 스프링 마찰 토크 파라미터는 EGR 밸브의 정상상태 토크를 이용하여 추정하였다. 또한 밸브의 기구 구조에 의한 기계적 끝점 모델을 제시하였다. 제안한 EGR 밸브 액추에이터 모델을 기반한 시뮬레이션을 수행하고, 실험결과와 비교함으로써 모델의 정확성을 검증하였다.
- 제안한 스프링 토크 모델은 직선운동에서 스프링의 탄성력 및 스프링 Coulomb 마찰력을 회전운동의 토크로 변환하여 모델링하였다. 스프링 마찰 토크 파라미터는 EGR 밸브의 정상상태 토크를 이용하여 추정하였다. 또한 밸브의 기구 구조에 의한 기계적 끝점 모델을 제시하였다.
- 이를 위해 스프링의 마찰 토크를 추가적으로 모델링한다. 스프링 마찰 토크는 스프링의 Coulomb 마찰력을 이용하여 모델링한다. 직선운동에서 스프링의 Coulomb 마찰력 fcol은 다음과 같다[8].
- 따라서 EGR 밸브의 스프링 토크를 정확하게 모델링하기 위해 앞서 유도한 스프링 토크 모델을 보완할 필요가 있다. 이를 위해 스프링의 마찰 토크를 추가적으로 모델링한다. 스프링 마찰 토크는 스프링의 Coulomb 마찰력을 이용하여 모델링한다.
- 특히 EGR 밸브의 스프링 토크 모델을 제안하였다. 제안한 스프링 토크 모델은 직선운동에서 스프링의 탄성력 및 스프링 Coulomb 마찰력을 회전운동의 토크로 변환하여 모델링하였다. 스프링 마찰 토크 파라미터는 EGR 밸브의 정상상태 토크를 이용하여 추정하였다.
- H-bridge 컨버터로 구동되는 EGR 밸브 액추에이터를 대상으로 정확한 수학적 모델을 유도하였다. 특히 EGR 밸브의 스프링 토크 모델을 제안하였다. 제안한 스프링 토크 모델은 직선운동에서 스프링의 탄성력 및 스프링 Coulomb 마찰력을 회전운동의 토크로 변환하여 모델링하였다.
- 따라서 본 논문에서는 H-bridge 컨버터로 구동되는 EGR 밸브 액추에이터를 대상으로 정확한 수학적 모델을 유도한다. 특히 탄성력과 마찰력으로 구성된 스프링 토크 모델을 제안한다. 또한 밸브의 기구 구조에 의한 기계적 끝점 모델을 제시한다.
대상 데이터
- EGR 밸브 액추에이터는 그림 1과 같이 영구자석형 직류 전동기, 복원 스프링, 조인트, 가동자 및 유성 기어 등으로 구성된다. 또한 그림에서 보이지는 않으나 Hall 센서가 부착된다.
- 그림 9는 EGR 밸브 액추에이터의 구동을 위한 실험 구성을 보여준다. MCU (micro controller unit)는 TI사의 TMS302F28335를 사용하였다. H-bridge 컨버터의 입력 전압 및 PWM 스위칭 주파수는 각각 12[V] 및 10[kHz]이며, 무부하 조건이다.
데이터처리
- 또한 밸브의 기구 구조에 의한 기계적 끝점 모델을 제시한다. 유도한 EGR 밸브 액추에이터 모델을 기반한 시뮬레이션을 수행하고, 실험 결과와 비교함으로써 모델의 정확성을 검증한다.
- 유도한 EGR 밸브 액추에이터 모델의 정확성을 검증하기 위해 시뮬레이션 및 실험의 입출력을 비교한다.
- 또한 밸브의 기구 구조에 의한 기계적 끝점 모델을 제시하였다. 제안한 EGR 밸브 액추에이터 모델을 기반한 시뮬레이션을 수행하고, 실험결과와 비교함으로써 모델의 정확성을 검증하였다. 제안한 EGR 밸브 액추에이터 모델은 다변하는 동작 환경에 대한 밸브 제어 특성을 미리 예측하고 대처할 수있는 충분한 도구가 될 수 있으며, 나아가 제어기 설계에 적용 가능할 것으로 사료된다.
이론/모형
- [1]에서 EGR 밸브 액추에이터의 모델링 및 파라미터 식별을 다루고 있다. EGR 액추에이터의 시비율에 따른 밸브 위치 곡선을 통해 비선형 모델을 제시하였으며, Dahl 모델을 이용하여 스프링 마찰을 모델링하였다. EGR 밸브의 모델을 유도하는데 있어 기구 구조 및 물리적 개념을 수학적으로 도출하는 것이 아니라 실험 결과를 이용한 곡선접합(curve fitting)을 통해 수행하고 있다.
성능/효과
- 위의 비교 결과는 제안한 EGR 밸브 액추에이터 모델의 정확성을 입증할 수 있을 것으로 사료된다.
후속연구
- 제안한 EGR 밸브 액추에이터 모델을 기반한 시뮬레이션을 수행하고, 실험결과와 비교함으로써 모델의 정확성을 검증하였다. 제안한 EGR 밸브 액추에이터 모델은 다변하는 동작 환경에 대한 밸브 제어 특성을 미리 예측하고 대처할 수있는 충분한 도구가 될 수 있으며, 나아가 제어기 설계에 적용 가능할 것으로 사료된다.
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