[논문]고속 무한궤도 차량용 변속제어기 진단 알고리즘 분석

정규홍

doi:10.7839/ksfc.2018.15.4.030

[국내논문] 고속 무한궤도 차량용 변속제어기 진단 알고리즘 분석
Analysis of Diagnosis Algorithm Implemented in TCU for High-Speed Tracked Vehicles 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.15 no.4, 2018년, pp.30 - 38

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

Abstract ▼ AI-Helper

Electronic control units (ECUs) are currently popular, and have evolved further towards the high-end application of autonomous vehicles in the automotive industry. Such digital technologies have also become widespread, in agriculture and construction equipment. Likewise, transmission control of high-speed tracked vehicles is based on the transmission control unit (TCU), performing complex gear change control functions, and diagnostic algorithms (a TCU's self-diagnostic and reporting capability of malfunction data through CAN communication). Since all functions of TCU are implemented by embedded-software, it is hardly possible to analyze specifications by reverse engineering. In this paper a real-time transmission simulator adaptable to TCU is presented, for analysis of diagnosis algorithm and standards. Signal simulation circuits are deliberately designed considering electrical characteristics of TCU inputs and various analysis tools, such as analog input auto scan function, and global output enable switch, are implemented in software. Test results from hardware-in-the-loop simulator verify tolerance time for each error, as well as cause of fault, error reset conditions.

Keyword

표/그림 (18)

그림 Fig. 1 Transmission gear train stick diagram
그림 Fig. 2 TCU with jumper connectors
그림 Fig. 3 TCU I/O signals
표 Table 1 Clutch and brake engagement
표 Table 2 CAN messages
그림 Fig. 4 Transmission simulator
그림 Fig. 5 Closed-loop control of TCU analog input
그림 Fig. 6 Analog input in monitoring program
그림 Fig. 7 Typical transient response for F2→F3
그림 Fig. 8 PSV current and PWM duty sensing
그림 Fig. 9 Voltage output in auto scan function
그림 Fig. 10 Slip time 2-3 load upshift error(No. 170)
그림 Fig. 11 Gear slip error(No. 168)
그림 Fig. 12 F2→F3 shift at limp-home
그림 Fig. 13 Shift map at normal and limp-home
그림 Fig. 14 BF PSV open circuit error(No. 151)
그림 Fig. 15 EU1 errors with auto scan function
그림 Fig. 16 OP3 error with global enable switch

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 이전에 변속성능 분석을 위하여 개발된 시뮬레이터에 제반 센서와 액추에이터의 작동 오류를 모사하고 오류검출과 관련된 변속제어기의 응답을 모니터링 함으로써 진단 알고리즘을 분석할 수 있는 기능을 추가적으로 개발하였다. 작동오류 모사는 변속제어기 입력 신호의 전기적 특성을 고려하여 시뮬레이터 출력 신호 발생회로를 설계하였다.

제안 방법

9) 본 연구에서는 시뮬레이터에 요구되는 작동오류를 모사한 후 오류판정과 관련된 변속제어기의 응답을 모니터링 할 수 있는 기능을 보완하여 선진사 변속제어기에 구현된 진단 알고리즘의 설계 사양을 분석하였다. 변속제어기에 구현된 진단 및 안전작동 알고리즘과 관련된 기본정보는 선진사로부터 제공받았으며 시뮬레이터는 실제 시험을 통해 이를 확인하는 기능으로 설계되었다.
⁹⁾ 본 연구에서는 시뮬레이터에 요구되는 작동오류를 모사한 후 오류판정과 관련된 변속제어기의 응답을 모니터링 할 수 있는 기능을 보완하여 선진사 변속제어기에 구현된 진단 알고리즘의 설계 사양을 분석하였다. 변속제어기에 구현된 진단 및 안전작동 알고리즘과 관련된 기본정보는 선진사로부터 제공받았으며 시뮬레이터는 실제 시험을 통해 이를 확인하는 기능으로 설계되었다. 변속기 시뮬레이터를 통해 분석된 선진사 변속제어기의 진단 설계사양과 안전작동(failsafe) 기능은 독자모델의 변속제어기 개발에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
변속제어는 변속기와 관련된 운전자 조작을 전기적인 신호로 인식하고 비례 솔레노이드밸브 구동전류를 변속제어기 에서 조절하는 shift-by-wire 방식이다. Fig. 2는 분석 대상 선진사 변속제어기이며, 변속제어기에서 제어되는 비례 솔레노이드밸브 전류는 시뮬레이터 내 전류 측정회로에서 측정하였고 PWM 구동신호는 PCB 회로에서 점퍼 커넥터를 통해 시뮬레이터로 연결하여 측정하였다.
본 연구에서 개발된 Fig. 4의 변속기 시뮬레이터는 변속기 작동상태를 실시간으로 연산하는 DSP (digital signal processor) 기반 시뮬레이션 프로그램과 연산결과를 TCU에 전기적인 신호로 전달하는 인터페이스 회로로 구성되며, PC에서 수행되는 모니터링 프로그램은 DSP와 직렬통신으로 작동조건을 설정하고 TCU 작동과 관련되어 수집된 정보를 표시하거나 저장하는 기능을 갖는다. 변속기 시뮬레이터는 변속제 어기에 입력되는 모든 신호를 실제 조작 스위치나 센서 없이 모니터링 프로그램에서 설정된 작동조건을 시뮬레이션 프로그램에서 처리하여 인터페이스 회로에서 전기적인 신호로 구현하는 simulation-by-wire 방식으로 설계하였다.
4의 변속기 시뮬레이터는 변속기 작동상태를 실시간으로 연산하는 DSP (digital signal processor) 기반 시뮬레이션 프로그램과 연산결과를 TCU에 전기적인 신호로 전달하는 인터페이스 회로로 구성되며, PC에서 수행되는 모니터링 프로그램은 DSP와 직렬통신으로 작동조건을 설정하고 TCU 작동과 관련되어 수집된 정보를 표시하거나 저장하는 기능을 갖는다. 변속기 시뮬레이터는 변속제 어기에 입력되는 모든 신호를 실제 조작 스위치나 센서 없이 모니터링 프로그램에서 설정된 작동조건을 시뮬레이션 프로그램에서 처리하여 인터페이스 회로에서 전기적인 신호로 구현하는 simulation-by-wire 방식으로 설계하였다. 변속기 시뮬레이터에서 모사되는 TCU 입출력 신호와 변속제어 및 진단기능 분석을 위해 설계된 주요 기능은 다음과 같다.
아날로그 센서신호는 D/A 컨버터를 이용하여 모사하는데 D/A 컨버터 출력전압을 TCU 아날로그 입력에 연결하면TCU 내부회로 임피던스로 인하여 출력전압이 변하거나 D/A 컨버터가 파손되는 현상이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 Fig. 5와 같이 D/A 출력전압을 2배증폭한 후 1K 저항으로 출력전류를 제한한 후 아날 로그 입력전압을 A/D 변환하여 모니터링 프로그램 설정지령(v_CMD)을 폐루프 방식으로 추종하는 설계를 적용하였다. 폐루프 제어는 아날로그 전압에 발생되는 진동을 방지하기 위하여 불감대(dead zone)를 갖는 적분제어기를 적용하였다.
5와 같이 D/A 출력전압을 2배증폭한 후 1K 저항으로 출력전류를 제한한 후 아날 로그 입력전압을 A/D 변환하여 모니터링 프로그램 설정지령(v_CMD)을 폐루프 방식으로 추종하는 설계를 적용하였다. 폐루프 제어는 아날로그 전압에 발생되는 진동을 방지하기 위하여 불감대(dead zone)를 갖는 적분제어기를 적용하였다. Fig.
토크컨버터 펌프, 터빈과 출력축 회전속도센서 신호를 전기적인 오류가 검출되지 않는 전압사양의 구형파 신호로 시뮬레이션 프로그램에서 연산된 속도를 모사하였다. 속도신호 주파수는 DSP에 내장된 PWM 출력장치의 반송주파수로 설정하였고 변속 과도상태에서 터빈 속도변화 궤적을 설정할 수 있는 기능을 설계하였다.
토크컨버터 펌프, 터빈과 출력축 회전속도센서 신호를 전기적인 오류가 검출되지 않는 전압사양의 구형파 신호로 시뮬레이션 프로그램에서 연산된 속도를 모사하였다. 속도신호 주파수는 DSP에 내장된 PWM 출력장치의 반송주파수로 설정하였고 변속 과도상태에서 터빈 속도변화 궤적을 설정할 수 있는 기능을 설계하였다.
변속제어기는 8개 비례 솔레노이드밸브의 전류를 제어하는데 전류부하로 오류를 감지하므로 솔레노이드 코일과 동일한 저항을 갖는 히터코일을 이용하여 전류출력의 부하저항을 모사하였다. Fig.
8은 과도 변속특성 분석을 위해 비례 솔레노이드 밸브전류와 PWM 듀티를 측정하는 시뮬레이터 내부회로의 구조 이다. 전류 측정저항(R_shunt) 양단 전압 차로부터 A/D 변환으로 전류를, 전력 트랜지스터를 구동하는 PWM 신호로부터 capture 기능으로 PWM 듀티율을 측정하며 릴레이를 이용하여 단선오류를 모사하는 기능을 구현하였다.
변속제어기 디지털 출력은 경고등과 특정기능의 릴레이 작동으로 사용되며 구동 시 전류부하가 정상 작동범위를 벗어나면 오류로 인식하므로 적절한 코일저항을 갖는 릴레이로 전류부하를 모사하였다.
엔진제어기와 차량컴퓨터에 해당되는 CAN 메시지를 송신하는 기능과 변속제어기에서 송신하는 CAN 메시지를 수신하여 변속제어기 작동상태를 파악하는 기능을 구현하였다. 특히, 변속제어기에서 인식된 오류는 MALFCTD(malfunction data)와 DTC(diagnostic trouble code) 정보를 포함하는 DM1 (diagnostic message #1) 메시지로 전송되므로 시뮬레이터 모사되는 오류에 대해 변속제어기 진단 알고리즘 응답을 확인할 수 있다.
개발된 변속기 시뮬레이터를 이용해서 연구대상 변속제어기에 설계된 진단 알고리즘을 분석하는 시험을 수행하였으며 변속제어에 영향을 미치는 오류에 대한 시험결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 이전에 변속성능 분석을 위하여 개발된 시뮬레이터에 제반 센서와 액추에이터의 작동 오류를 모사하고 오류검출과 관련된 변속제어기의 응답을 모니터링 함으로써 진단 알고리즘을 분석할 수 있는 기능을 추가적으로 개발하였다. 작동오류 모사는 변속제어기 입력 신호의 전기적 특성을 고려하여 시뮬레이터 출력 신호 발생회로를 설계하였다. 모니터링 프로그램에 구현된 아날로그 입력 자동스캔 기능을 통해서는 오류가 발생되고 삭제되는 센서 전압범위를, 전역 출력 활성화 스위치를 통해서는 오작동 조건이 인가된 후 실제로 변속제어기에서 오류가 검출되기까지의 오류판정 대기시간을 분석하였다.
작동오류 모사는 변속제어기 입력 신호의 전기적 특성을 고려하여 시뮬레이터 출력 신호 발생회로를 설계하였다. 모니터링 프로그램에 구현된 아날로그 입력 자동스캔 기능을 통해서는 오류가 발생되고 삭제되는 센서 전압범위를, 전역 출력 활성화 스위치를 통해서는 오작동 조건이 인가된 후 실제로 변속제어기에서 오류가 검출되기까지의 오류판정 대기시간을 분석하였다. 변속제어기가 비상귀환 모드로 전환되는 오류에서는 차량 주행속도를 변화시켜 변속선도와 변속 시 전류 궤적을 파악할 수 있었으며 비례 솔레노이드밸브 단선 오류를 통해서는 안전작동 기능도 확인하였다.
유압시스템의 압력과 온도센서 출력인 아날로그 입력(EU)은 정상 작동범위를 벗어나면 변속제어기 에서 오류로 인식되므로 오류가 발생되는 전압과 해제되는 전압을 파악하기 위하여 현재 전압으로부터 지정된 시간동안 1사이클의 출력이 변화되도록 설계하였다. Fig.

성능/효과

엔진제어기와 차량컴퓨터에 해당되는 CAN 메시지를 송신하는 기능과 변속제어기에서 송신하는 CAN 메시지를 수신하여 변속제어기 작동상태를 파악하는 기능을 구현하였다. 특히, 변속제어기에서 인식된 오류는 MALFCTD(malfunction data)와 DTC(diagnostic trouble code) 정보를 포함하는 DM1 (diagnostic message #1) 메시지로 전송되므로 시뮬레이터 모사되는 오류에 대해 변속제어기 진단 알고리즘 응답을 확인할 수 있다.
94(engine torque limit exceeded)오류는 과도한 엔진토크 설정이 원인으로 변속제어와는 관련 없다. 변속이 개시된 후 약 1초가 경과되면 클러치 작동과 해제가 완료되고 현재 변속단이 F3로 전환되지만 터빈속도가 서서히 변화되므로 변속비는 F3에 도달하지 않으며, 변속완료 0.8초 후에 No. 170오류가 CAN MALFCTD 메시지로 송신됨을 확인하였다. 참고로 F2→F3 변속은 변속개시 전에 록업 클러치가 결합되므로 변속 중 터빈과 펌프속도는 같다.
이 때 록업 클러치를 작동시키는 비례 솔레노이드 전원은 차단되지 않으므로 LK 비례 솔레노이드 전류는 유지된다. 0.2초 후에는 No. 151 오류를 CAN MALFCTD 메시지로 전송하므로 BF 단선 후 오류가 전송될 때까지의 오류 판정 대기시간은 약 0.7초임을 확인하였다.
모니터링 프로그램에 구현된 아날로그 입력 자동스캔 기능을 통해서는 오류가 발생되고 삭제되는 센서 전압범위를, 전역 출력 활성화 스위치를 통해서는 오작동 조건이 인가된 후 실제로 변속제어기에서 오류가 검출되기까지의 오류판정 대기시간을 분석하였다. 변속제어기가 비상귀환 모드로 전환되는 오류에서는 차량 주행속도를 변화시켜 변속선도와 변속 시 전류 궤적을 파악할 수 있었으며 비례 솔레노이드밸브 단선 오류를 통해서는 안전작동 기능도 확인하였다. 다양한 오류모사 시험을 통해서 도출된 진단 알고리즘 분석결과는 진단기능 개발경험이 많지 않은 국내 연구진의 독자모델 개발에 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

변속제어기에 구현된 진단 및 안전작동 알고리즘과 관련된 기본정보는 선진사로부터 제공받았으며 시뮬레이터는 실제 시험을 통해 이를 확인하는 기능으로 설계되었다. 변속기 시뮬레이터를 통해 분석된 선진사 변속제어기의 진단 설계사양과 안전작동(failsafe) 기능은 독자모델의 변속제어기 개발에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
변속제어기가 비상귀환 모드로 전환되는 오류에서는 차량 주행속도를 변화시켜 변속선도와 변속 시 전류 궤적을 파악할 수 있었으며 비례 솔레노이드밸브 단선 오류를 통해서는 안전작동 기능도 확인하였다. 다양한 오류모사 시험을 통해서 도출된 진단 알고리즘 분석결과는 진단기능 개발경험이 많지 않은 국내 연구진의 독자모델 개발에 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	엔진과 변속기로 구성되는 동력전달장치에 전자제어를 적용하는 장점은 무엇인가?	기계식 자동변속기는 변속시점과 변속 시 작용하는 클러치 압력이 밸브바디 내의 유압회로에 의해 결정되므로 차량의 연비와 가속성능이 기계적 부품의 특성과 성능으로 결정된다. 이에 비하여 엔진과 변속기로 구성되는 동력전달장치에 전자제어를 적용 하면 다양한 센서를 이용하여 기계장치의 작동조건과 운전자 조작정보를 파악하여 최적의 운전조건을 컴퓨터 소프트웨어에서 결정하므로 연비 및 주행성능 향상이 가능한 장점으로 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다1-2).
	기계식 자동변속기의 특징은 무엇인가?	기계식 자동변속기는 변속시점과 변속 시 작용하는 클러치 압력이 밸브바디 내의 유압회로에 의해 결정되므로 차량의 연비와 가속성능이 기계적 부품의 특성과 성능으로 결정된다. 이에 비하여 엔진과 변속기로 구성되는 동력전달장치에 전자제어를 적용 하면 다양한 센서를 이용하여 기계장치의 작동조건과 운전자 조작정보를 파악하여 최적의 운전조건을 컴퓨터 소프트웨어에서 결정하므로 연비 및 주행성능 향상이 가능한 장점으로 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다1-2).
	변속제어기의 임베디드 소프트웨어로 구현되는 변속제어 및 진단 알고리즘에 요구되는 것과 현재 실정은?	변속제어기(Transmission Control Unit, TCU)는 운전자 조작신호와 차량 운전조건을 파악하여 변속시점을 결정하고 변속 시 발생되는 충격을 최소화하는 변속제어기능과 더불어 동력전달장치와 관련된 기계 및 전기적인 작동오류를 자체적으로 판단하는 자기 진단기능(On-Board Diagnosis, OBD)3) 을 수행한다. 임베디드 소프트웨어(embedded software)로 구현되는 변속제어 및 진단 알고리즘은 오랜 기간에 걸친 연구와 개발경험이 요구되며, 통상적으로 후발주자가 활용하는 역 설계(reverse engineering)는 프로그램 설계 내용분석이 불가능하여 적용이 어려운 실정이다.

참고문헌 (10)

G. H. Jung and K. I. Lee, "A Research on Shifting Controller Development of a Automatic Transmission for Construction Vehicles", Transactions of KSAE, Vol.10, No.2, pp.234-242, 2002.
G. H. Jung, C. D. Jung and S. H. Park, "Feedback Shift Controller Design of Automatic Transmission for Tractors", Journal of Drive and Control, Vol.13, No.1, pp.1-9, 2016.
On-board diagnostics, https://en.wikipedia.org/wiki/On-board_diagnostics
J. S. Choi and Y. S. Lee, "The Implemen-tation 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 et al., "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.
G. H. Jung, "Development of Transmission Simulator for High-Speed Tracked Vehicles", Journal of Drive and Control, Vol.14, No.4, pp.29-36, 2017.
SAE J1939, Surface Vehicle Recommended Practice, 2005.

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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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