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[국내논문] 고속철도차량의 EMB 적용을 위한 3상 IPMSM의 설계 및 제동압부력 제어
A Design Method of Three-phase IPMSM and Clamping Force Control of EMB for High-speed Train 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.4, 2018년, pp.578 - 585  

백승구 (한국철도기술연구원 차세대철도차량본부) ,  오혁근 (한국철도기술연구원 차세대철도차량본부) ,  곽민호 (한국철도기술연구원 차세대철도차량본부) ,  김석원 (한국철도기술연구원 차세대철도차량본부)

초록
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본 논문은 고속철도차량에 전기기계제동장치(EMB : Electric Mechanical Brake)를 적용하기 위한 주요 구성품인 3상 매입형영구자석동기전동기(IPMSM : Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)의 설계방법과 이를 이용한 인버터 제어시스템의 압부력제어 시뮬레이션 방법을 제안한다. 최근 자동차에서 주로 사용하는 유압식 제동장치는 유압을 발생시키기 위해 필요한 오일류와 유압 라인의 관리, 유지보수성 및 유압펌프의 동작으로 인한 효율성 등이 문제로 제기되면서 EMB에 대한 관심이 높아지고 있으나 비용증가 및 안전측면의 보완이 지속적으로 요구되고 있다. 공압식 제동장치를 주로 사용하는 철도차량은 EMB 시스템을 적용할 경우 차량 하부에 큰 공간을 차지하는 공기압축기, 제동공기통 및 연결 배관 등의 부품이 필요하지 않으므로 50% 이상의 소형화가 가능하며 인버터를 적용한 전동기 구동방식으로 인하여 상대적으로 빠른 응답속도와 정밀제어를 통해 공주거리를 단축시킬 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 철도차량은 다수의 제동장치가 제동력을 분담하는 구조로 설계되어 자동차와 비교하여 EMB 적용이 안전측면에서 유리하다. 본 논문에서는 JMAG을 활용하여 고속철도의 제동 캘리퍼와 제동력 출력에 적합한 모터설계 및 전자계해석을 수행하였다. 제동 압부력 제어 시뮬레이션을 위해 기계구동부는 기존 EMB 시스템에 주로 적용된 볼스크류 형태의 동작방식과는 달리 고속철도차량에 적용된 편심축 회전을 이용한 구동방식으로 모델링하였다. IPMSM 제어를 통한 제동압부력 및 제동력 출력결과는 Matlab/Simulink를 활용하여 JMAG의 IPMSM 모델과 co-simulation을 통해 보였으며 결과의 타당성은 차세대고속철도(HEMU-430X)의 제동사양과의 비교를 통해 검증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper proposes a design method for a 3-phase interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) and clamping force control method for an electro-mechanical brake (EMB) using co-simulation for a high-speed train (HST). A traditional pneumatic brake system needs much space for the compressor, br...

Keyword

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문제 정의

  • 본 논문에서는 고속철도차량용 공압식 제동장치를 대체하기 위한 EMB 시스템의 모터 설계와 인버터 제어에 대한 시뮬레이션 검증방법을 제안한다. 모터는 전기자기장 해석용 프로그램인 JMAG을 이용하여 EMB 시스템에 적용하기 위한 전용 IPMSM을 설계하였다.
  • 본 논문은 철도차량 제동장치에 EMB 시스템을 적용하기 위하여 전자기장 해석툴인 JMAG으로 IPMSM 모터를 설계하고 설계된 모터의 최종 기계적 압부력 확인을 위해 Matlab/Simulink를 활용한 Co-simulation 결과를 보였다. 설계된 IPMSM의 결과값은 Matlab 모델과의 비교 및 HEMU-430X의 제동 압부력과 비교를 통한 타당성을 해석적으로 검증하였다.

가설 설정

  • 8. Compare with motor output torque and U-phase current simulation result between Matlab and JMAG motor model (a) motor torque(Matlab), (b) U-phase current(Matlab), (c) motor torque (JMAG), (b) U-phase current(JMAG).
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
BBW 형태의 전기기계식 제동장치인 EMB의 적용에 대한 관심이 증가되고 있는 이유는 무엇인가? 자동차 분야에서는 반도체 기술의 발전과 함께 ECU(Electronic Control Unit) 적용 장치의 비약적인 증가 및 성능향상이 진행되었다. 최근 자동차에서 주로 사용하는 유압식 제동장치는 유압을 발생시키기 위해 필요한 오일류와 유압 라인의 관리, 유지보수성 및 유압펌프 동작 등으로 인한 효율성이 지속적인 문제로 제기되어 구동 계통을 전기선으로 동작시킬 수 있는 BBW (Brake-By-Wire) 형태의 전기기계식 제동장치인 EMB의 적용에 대한 관심이 증가되고 있는 추세이다[1][2].
고속철도차량용 EMB는 무엇으로 구성되는가? 1은 고속철도차량용 EMB 개발을 위한 동작 구조를 나타낸 개념도이다. EMB 시스템은 구동장치인 모터, 감속기어부, 인버터, 캘리퍼 및 제동패드로 구성된다. 제동패드의 압부력은 모터 샤프트에 감속기어 1을 결합하고, 감속기어 출력 샤프트에 감속기어 2를 설치하여 접합 편심부를 회전시킴으로써 발생한다.
철도 차량에 EMB 시스템을 적용할 때의 장점은 무엇인가? 철도차량의 주요부품인 제동장치의 경우, 기존 공압방식에서 EMB 방식의 제동시스템 적용이 하나의 대안으로 관심을 받고 있다. 철도차량의 EMB 시스템 적용은 차량 하부에 많은 공간을 차지하고 있는 공기압축기, 제동공기통, 제동 배관 및 밸브류 등의 제거로 전체 제동시스템 부피의 50% 이상 소형화가 가능하며, 빠른 응답속도로 인하여 고정밀 제동제어 및 공주거리 단축이 가능하다. 또한, 한개 이상의 제동장치에 고장이 발생하여도 다수의 차축에 설치된 제동장치가 각각 제동력을 분담하는 구조로 설계가 가능하므로 자동차의 경우 보다 안전성을 확보할 수있는 장점이 있다.
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참고문헌 (17)

  1. R. T. Bannatyne. "Advances and challenges in electronic braking control technology," SAE Technical Papers, Sep. 1998. 

  2. M. Sundar, D. Plunkett. "Brake-by-Wire, Motivation and Engineering-GM Sequel," SAE Technical Papers, Jan. 2006. DOI: https://doi.org/10.4271/2006-01-3194 

  3. J. S. Cheon, "Brake by wire system configuration and functions using front EWB(Electric Wedge Brake) and rear EMB(Electro-Mechanical Brake) actuators," SAE Technical Papers, Oct. 2010. DOI: https://doi.org/10.4271/2010-01-1708 

  4. J. K. Ahn, K. H. Jung, D. H. Kim, H. B. Jin, H. S. Kim, and S. H. Hwang, "Analysis of a regenerative braking system for hybrid electric vehicles using an electro-mechanical brake," International Journal of Automotive Technology, vol. 10, no. 2, pp. 229-234, Apr. 2009. DOI: https://doi.org/10.1007/s12239-009-0027-z 

  5. M. R. A. Atia, S. A. Haggag, and A. M. M. Kamal, "Enhanced electromechanical brake-by-wire system using sliding mode controller," Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol. 138, no. 4, pp. 0410031-6, Apr. 2016. 

  6. C. Jo, S. Hwang, and H. Kim, "Clamping-force control for electromechanical brake," IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 59, no. 7, pp. 3205-3212, Sep. 2010. DOI: https://doi.org/10.1109/TVT.2010.2043696 

  7. Y. H. Ki, K. J. Lee, J. S. Cheon, and H. S. Ahn, "Design and implementation of a new clamping force estimator in electro-mechanical brake systems," International Journal of Automotive Technology, vol. 14, no. 5, pp. 739-745, Oct. 2013. DOI: https://doi.org/10.1007/s12239-013-0081-4 

  8. Y. O. Lee, M. Jang, W. Lee, C. W. Lee, C. C. Chung, and Y. S. Son, "Novel clamping force control for electric parking brake systems," ELSEVIER Mechatronics, vol. 21, no. 7, pp. 1156-1162, Jun. 2011. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2011.07.006 

  9. W. Hwang and K. Huh, "Fault detection and estimation for electromechanical brake systems using parity space approach," Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol. 137, no. 1, pp. 0145041-7, Jan. 2015. DOI: http://doi.org/10.1115/1.4028184 

  10. S. Kim and K. Huh, "Fault-tolerant braking control with integerated EMBs and regenerative in-wheel motors," International Journal of Automotive Technology, vol. 17, no. 5, pp. 923-936, Apr. 2016. DOI: https://doi.org/10.1007/s12239-016-0090-1 

  11. W. Hwang, K. Han, and K. Huh, "Fault detection and diagnosis of the electromechanical brake based on observer and parity space," International Journal of Automotive Technology, vol. 13, no. 5, pp. 845-851, Aug. 2012. DOI: https://doi.org/10.1007/s12239-012-0085-5 

  12. K. Han, I.-J. Yang, and K. Huh, "Current and Force Sensor Fault Detection Algorithm for Clamping Force Control of Electro-Mechanical Brake," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, vol. 17, no. 11, pp. 1145-1153, Sep. 2011. DOI: https://doi.org/10.5302/J.ICROS.2011.17.11.1145 

  13. Y.-H. Ki, H.-S. Ahn, and J. S. Cheon, "Fault-tolerant control of Emb systems," SAE Technical Papers, vol. 5, no. 2, pp. 579-589, Sep. 2012. DOI: https://doi.org/10.4271/2012-01-1795 

  14. M. Sho, K. Park, M. Park, and M. Kim, "Development of a fail-safe control strategy for electro-mechanical brake system," SAE Technical Papers, Mar. 2013. 

  15. M. S. Kim, S. C. Oh and S. J. Kwon, "Characteristic Test of the Electro Mechanical Brake Actuator for Urban Railway Vehicles," J. Korean Soc. Precis. Eng., vol. 33, no. 7, pp. 535-540, July 2016. DOI: https://doi.org/10.7736/KSPE.2016.33.7.535 

  16. Y. Honda, T. Nakamura, T. Higaki, Y. Tkeda, "Motor design Cosiderations and Test Result of an Interior Permanent Magnet Syncronus Motor for Electric Vechicles," IEE Proc. of Elecric Power Application, vol. 145, no. 2, pp119-124, 1998 

  17. T. M. Rowan and R. J. Kerhman, "A new synchronous current regulator and an analysis of current-regulated PWM inverter," IEEE Transactions on Industry Applications, vol. IA-22, no. 4, pp. 678-690, July/August, 1986. DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.1986.4504778 

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