[논문]TCS(Traction Control System)을 위한 실시간 시뮬레이터 개발에 관한 연구

김태운; 천세영; 양순용

doi:10.7839/ksfc.2019.16.3.067

[국내논문] TCS(Traction Control System)을 위한 실시간 시뮬레이터 개발에 관한 연구
A Study on Development of Real-Time Simulator for Electric Traction Control System 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.16 no.3, 2019년, pp.67 - 74

김태운 (Department of Mechanical Engineering, University of Ulsan) , 천세영 (Brake Control Engineering Team, Hyundai Mobis) , 양순용 (Department of Mechanical Engineering, University of Ulsan)

Abstract ▼ AI-Helper

The automotive market has recently been investing much time and costs in improving existing technologies such as ABS (Anti-lock Braking System) and TCS (Traction Control System) and developing new technologies. Additionally, various methods have been applied and developed to reduce this. Among them, the development method using the simulation has been mainly used and developed. In this paper, we have studied a method to develop SILS (Software In the Loop Simulation) for TCS which can test various environment variables under the same conditions. We modeled hardware (vehicle engine and ABS module) and software (control logic) of TCS using MATLAB/Simulink and Carsim. Simulation was performed on the climate, road surface, driving course, etc. to verify the TCS logic. By using SILS to develop TCS control logic and controller, it is possible to verify before production and reduce the development period, manpower and investment costs.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1 Slip control region of ABS / TCS
그림 Fig. 2 BTCS Control Logic
그림 Fig. 3 Engine Transfer Function Model
그림 Fig. 4 D_V Target Mapping Curve
그림 Fig. 5 ETCS Control Logic
그림 Fig. 6 Configuration of TCS System
그림 Fig. 7 TCS Simulation Simulink Model with ABS Logic
표 Table 1 TCS Logic Operation Condition
그림 Fig. 8 Velocity Curves: 0.35 Mu (TCS On /Off)
그림 Fig. 9 Engine Torque Curves: 0.35 Mu (Split)
그림 Fig. 10 Brake Pressure Curves: 0.35 Mu
그림 Fig. 11 Velocity Curves: Split Mu (TCS On /Off)
그림 Fig. 12 Yaw rate Curves: Split Mu (TCS On/Off)
그림 Fig. 13 Brake Pressure: Split Mu (TCS On/Off)
그림 Fig. 14 Engine Torque: Split Mu
그림 Fig. 15 Velocity Curves: Circular Road (TCS On /Off)
그림 Fig. 16 Engine Torque Curves: Circular Road
그림 Fig. 17 X, Y Coordinate of Vehicle
그림 Fig. 18 X, Y Coordinate of Vehicle (Detail)

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 차량의 주행 조건을 모델링하기 위해 Carsim을 이용하여 차량, 기후, 노면, 주행코스 등의 다양한 환경변수를 모델링하여 동일한 조건에서 반복 테스트가 가능하도록 하였다. 이를 통해 TCS 제어 로직 및 제어기 개발에 이용하기 위해 생산 전 검증이 가능한 TCS용 실시간 시뮬레이터를 개발하였다.

가설 설정

Gear Ratio는 Carsim 출력을 TPS Signal은 Simulink에서 TPS 함수를 생성하여 입력하였다. BTCS는 ABS모듈을 이용하여 기능 구현하고 ETCS는 Throttle, 연료분사방식, 점화 시기 등의 직접적 제어 모사를 하지 않고 엔진 ECU가 존재한다고 가정하고 타겟 토크를 명령하여 엔진 출력이 변한다고 가정하였다.

제안 방법

노면 마찰력, 언덕 구배 등의 환경 변수의 변동과 TCS 제어 여부에 따른 차량의 거동을 분석하기 위해 실시간 TCS 시뮬레이션을 수행하였다. 결과로 설계한 TCS 제어기가 효과적으로 작동하여 차량의 구동 특성이 다음과 같이 향상됨을 확인하였다.
본 논문에서는 MATLAB/Simulink를 이용하여 TCS의 차량 엔진, ABS 모듈 등의 하드웨어와 제어 소프트웨어를 모델링하였다. 또한, 차량의 주행 조건을 모델링하기 위해 Carsim을 이용하여 차량, 기후, 노면, 주행코스 등의 다양한 환경변수를 모델링하여 동일한 조건에서 반복 테스트가 가능하도록 하였다. 이를 통해 TCS 제어 로직 및 제어기 개발에 이용하기 위해 생산 전 검증이 가능한 TCS용 실시간 시뮬레이터를 개발하였다.
본 논문에서는 BTCS 제어 로직을 구현하기 위한 제동시스템을 참고문헌의 ABS 시스템에서 참고하여 TCS 제어기 시스템에 응용하였다.⁷⁾ 또한, 실제 제어기 구축과정에서 각 제어시스템에서 공동으로 사용 가능한 파라미터는 공유하여 사용함으로써 제어기의 프로세스 부하를 줄였다. 특히, TCS에서 제어상태를 판단하게 되는 각 차륜의 슬립 값은 ABS에서의 계산된 차륜 슬립 결과 값을 사용하였다.
본 논문에서는 MATLAB / Simulink 와 Carsim을 이용하여 차량 엔진, ABS 모듈 등의 H/W 및 TCS 제어 로직 S/W를 모델링하여 SILS 실시간 환경으로 개발하였다. 개발한 SILS를 이용하여 노면, 주행코스 등의 환경변수 변경해가며 시뮬레이션을 수행하여 설계한 알고리즘에 맞춰 작동하는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 MATLAB/Simulink를 이용하여 TCS의 차량 엔진, ABS 모듈 등의 하드웨어와 제어 소프트웨어를 모델링하였다. 또한, 차량의 주행 조건을 모델링하기 위해 Carsim을 이용하여 차량, 기후, 노면, 주행코스 등의 다양한 환경변수를 모델링하여 동일한 조건에서 반복 테스트가 가능하도록 하였다.
조향각 센서와 가속페달 센서를 통해 운전자의 선회의지와 가속 의지를 판단하여 가속 페달을 밟은 상태에서도 적절한 조향이 가능하도록 한다. 본 논문에서는 조향 휠이나 가속 페달 센서를 사용하지 않고 차륜의 속도만을 이용하여 TCS 제어 로직을 구현하였다.
본 논문의 TCS에서 트레이스 제어는 횡가속도 센서, Yaw Rate 센서, 조향각 센서에 의한 입력 요소를 고려하지 않았으며 4개의 차륜에서 입력되는 속도만으로 트레이스 제어를 수행하는 방식으로 개발하였다. 트레이스 제어에 필요한 Yaw Rate는 각 차륜의 속도를 이용하여 추정하였다.
이번 시뮬레이션에서는 60kph 이하 구간에서 ETCS와 BTCS를 동시에 사용하였으며 그 이상 구간에서는 ETCS를 단독으로 사용하도록 설정하였다. Fig.
차량 동역학 모델은 Carsim으로 트랜스미션 모델, TCS 로직, 브레이크 로직, 브레이크 유압 모델을 가지는 ABS 모듈을 Matlab/Simulink로 모델링하였다. 차량 모델은 Carsim을 이용⁸⁾하여 C-Segment Data를 바탕으로 모델링 하였으며,엔진 모델은 시뮬레이션 처리속도 및 부하를 줄이기 위하여 Simulink에 엔진 토크 맵 데이터를 배치하여 모델링 하였다.
회전반경 400ft, 초기 속도 100kph, Full Throttle, μ= 0.85의 조건으로 400ft의 원형 도로를 100kph 이상의 속도로 주행하며 트레이스 제어를 사용할 때와 사용하지 않는 경우를 시뮬레이션하여 비교 분석하였다.

이론/모형

7과 같다. 차량 동역학 모델은 Carsim으로 트랜스미션 모델, TCS 로직, 브레이크 로직, 브레이크 유압 모델을 가지는 ABS 모듈을 Matlab/Simulink로 모델링하였다. 차량 모델은 Carsim을 이용⁸⁾하여 C-Segment Data를 바탕으로 모델링 하였으며,엔진 모델은 시뮬레이션 처리속도 및 부하를 줄이기 위하여 Simulink에 엔진 토크 맵 데이터를 배치하여 모델링 하였다.

성능/효과

본 논문에서는 MATLAB / Simulink 와 Carsim을 이용하여 차량 엔진, ABS 모듈 등의 H/W 및 TCS 제어 로직 S/W를 모델링하여 SILS 실시간 환경으로 개발하였다. 개발한 SILS를 이용하여 노면, 주행코스 등의 환경변수 변경해가며 시뮬레이션을 수행하여 설계한 알고리즘에 맞춰 작동하는 것을 확인하였다. 시뮬레이션의 결과가 실차의 TCS 실제 동작과 유사함⁹⁾으로, 본 연구에서 개발한 실시간 시뮬레이터를 TCS 제어 로직 개발에 사용하여 개발 기간의 단축과 비용 절감을 기대 할 수 있다.
개발한 SILS를 이용하여 노면, 주행코스 등의 환경변수 변경해가며 시뮬레이션을 수행하여 설계한 알고리즘에 맞춰 작동하는 것을 확인하였다. 시뮬레이션의 결과가 실차의 TCS 실제 동작과 유사함⁹⁾으로, 본 연구에서 개발한 실시간 시뮬레이터를 TCS 제어 로직 개발에 사용하여 개발 기간의 단축과 비용 절감을 기대 할 수 있다.
평지 Low Mu 조건, 언덕길에서의 Split Mu 조건,Circle Road의 고속 조건에서 TCS의 유무에 따른 실제 차량의 거동과 TCS SILS에서의 TCS 동작 여부에 따른 구동력, 트레이스 제어 결과가 거의 유사하게 나타나는 것을 확인하였다.

후속연구

향후, 시뮬레이션 결과와 실차 데이터를 비교 분석하고 H/W 모델을 보완하여 시뮬레이터를 보완 구축할 예정이며, 해당 모델을 전기차 모델로 수정하여 전기차의 ETCS 로직을 개발할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SILS(Software In the Loop Simulation) 개발을 통해 기대할 수 있는 것은 무엇인가?	개발한 SILS를 이용하여 노면, 주행코스 등의 환경변수 변경해가며 시뮬레이션을 수행하여 설계한 알고리즘에 맞춰 작동하는 것을 확인하였다. 시뮬레이션의 결과가 실차의 TCS 실제 동작과 유사함9)으로, 본 연구에서 개발한 실시간 시뮬레이터를 TCS 제어 로직 개발에 사용하여 개발 기간의 단축과 비용 절감을 기대 할 수 있다.
	TCS (Traction Control System)에 대한 설명은?	차량이 발진 또는 가속, 등반 시 구동륜과 노면 마찰력이 충분히 확보되지 못하면 구동륜이 헛돌아 차량이 구동, 가속되지 않는 현상이 발생한다. 이렇게 구동륜이 헛도는 현상을 방지하기 위해 구동륜의 속도를 제어함으로써 마찰력을 확보하는 시스템을 TCS (Traction Control System)라 한다. 노면과의 마찰력을 확보하려는 근본적인 목표에서는 ABS(Anti-Lock Brake System)와 유사하지만, ABS와 TCS의 차이점으로 ABS는 감속 상황에서 제동력 확보가 목적이고 TCS는 가속 상황에서 구동력 및 선회 안정성을 유지해 차량이 차선을 이탈하는 것을 방지하는 것이 목적이다.
	HILS의 단점은?	이를 보완하기 위해 모델링이 어려운 하드웨어를 실험을 통해 얻은 결과로 대체하는 기법과 실물 그대로 시뮬레이션에 연동시키는 HILS(Hardware-In-the-Loop-Simulation) 기법으로 발전하였다.1)하지만, HILS 역시 다양한 시스템 및 환경을 요구하는 현재의 개발프로세스에 MCU, 하드웨어를 개발해야 하는 단점을 가지고 있어 모두 적용하기 어렵다. HILS를 구성하기 전 MCU를 컴퓨터상의 소프트웨어로 대체하고 차량의 모델을 검증하는 SILS(Software In the Loop Simulation) 기법을 개발하여 차량 개발프로세스에 적용하는 연구가 진행되고 있다.

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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구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
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