[논문]전자제어식 미끄럼 방지 제동장치의 제어기 설계에 관한 연구

하연철; 조정목; 신병철; 황돈하; 박도영; 김용주

문제 정의

본 논문예서는 상용차용 ABS 시스템의 국산화를 위해, 대형 버스(bus)에 장착할 목적으로 개발한 새로운 ABS 제어기를 제안한다. 자동차 전용의 87C196KT 마이크로 프로세서 2개를 채용한 ABS의 전자제어장치 (Electronic Control Unit ; ECU)를 설계 제작하였고, 바퀴의 미끄러짐 검출.
본 연구에서는 상용차용 전자제어식 미끄럼 방지 제동장치를 위한 ECU를 독자적으로 개발하였고, 새로운 제어 알고리즘을 제안하였다. 제작된 ECU는 2개의 마이크로 프로세서를 중심으로 4개의 바퀴 속도센서로부터의 입력신호를 이용하여 바퀴속도를 계산하고, 차량의속도를 추정하여, 제어 알고리즘에 의해 PCV를 구동하도록 제작하였다.

제안 방법

자동차 전용의 87C196KT 마이크로 프로세서 2개를 채용한 ABS의 전자제어장치 (Electronic Control Unit ; ECU)를 설계 제작하였고, 바퀴의 미끄러짐 검출. ABS 밸브의 제어 알고리즘, ECU의 자기진단 방법 등의 연구결과를 제시한다.
초기 점화스위치가 “ON” 되었을 때 24 V의 밧데리 전원이 동작전압 영역에 있는 지를 확인하고, 회로에 공급되는 전압이 5 V인지를 확인한다. ECU 구성요소의 오동작 여부를 확인하고, PCV를 구동시키는 솔레노이드 입력단의 전류를 확인하여 마이크로 프로세서와 PCV 사이의 단락을 점검한다. 그리고 운전중에도 자기진단은 이러한 항목들에 대하여 계속적으로 이루어진다.
최초에 하드웨어적인 초기화가 이루어지고, 그 후 주 프로그램 이 시작되어 소프트웨어적인 초기화가 이루어진다. 그리고 ABS의 전체적인 고장유무를 검사하여 ABS 기능의 적용여부를 결정한다. ABS 기능이 적용되면 바퀴속도 와 차량속도를 산출하는 “Whe이 Speed”서브루틴, 바퀴 상태를 파악하여 밸브 제어명령을 생성하고 “State Analysis" 서브루틴, 그리고 "State Analysis" 에서 생성된 명령을 실제 솔레노이드 밸브의 제어신호로 변환하는 Val.
바퀴 속도센서에서 발생하는 정현파 신호는 속도에 따라서 주파수와 전압이 변동한다. 따라서 입력신호를 마 이크로 프로세서에서 사용할 수 있도록 하기 위해서 50 %의 Duty를 가진 구형파로 변환시키고, 일정한 전압범위를 벗어나는 신호는 Clipping하여 통과대역이 아닌 주파수에 대해서는 차단시키도록 입력 인터페이스 회로 를 설계하였다.
제어기는 그림 1과 같이 병렬로 동작하는 2개의 마이크로 프로세서(87C₁₉6KT)로 구성하여 상호간의 기능을 비교 확인하는 기능을 수행토록 하였다. 또한, EGU는 바퀴 속도센서로부터 출력되는 신호를 마이크로 프호세서가 인식할 수 있는 신호로 변환하는 입력 인터페이스 부분과, 마이크로 프로세서의 미소신호를 파워 트랜지스터 로 전력을 증폭하여 액추에 이터에 공급하는 출력 인터페이스 회로, 밧데리로부터 전원을 입력받 아 각각의 회로에 전원을 공급하는 전원회로, 안정적인 전원상태인지를 감시하는 진단회로 등으로 구성하였다. 그림 2에서는 본 연구에서 실제 제작한 ECU의 내부모 습을 나타내고 있다.
제작된 ECU는 2개의 마이크로 프로세서를 중심으로 4개의 바퀴 속도센서로부터의 입력신호를 이용하여 바퀴속도를 계산하고, 차량의속도를 추정하여, 제어 알고리즘에 의해 PCV를 구동하도록 제작하였다. 또한, 각각의 마이크로 프로세서를 서로 감시하고, 자기진단 시스템을 동작시켜 ECU의 이상유무를 판단하도록 하였다. ABS는 차량의 제동시 안정성에 심각한 영향을 미칠 수 있으므로 향후 구축된 HILS(Hardware In-the-Loop Simulation) 시스템을 이용한 ECU의 성능분석과 함께 최적의 제어 알고리즘 개발 연구가 수행될 예정이다.
릴레이에 전달되는 과도한 전류를 제한하는 보호회로, 출력회로의 문제점을 진단할 수 있는 부가적인 진단회로 등으로 구성하였다.
그리고, ABS 제어에 사용되는 차량속도의 정확한 검출을 위해서는 고가의 차체 가속도 센서가 필요하지만, 경제성의 문제때문에 별도의 센서를 취부하지 않고, 일반적으로 바퀴속도, 차량의 가감속도 및 기타 제어변수를 이용하여 차량속도를 추정하는 방식을 채택하고 있다. 본 연구에서 이용한 속도 산출방법은 평균주기 측정방식으로서 펄스의 최초 입력된 시점과 마지막 시점간의 시간차를 입력된 펄스의 갯수로 나누어서 구한 펄스의 평균주기로 속도를 추정한다.
입력받는다. 입력받은 AC 전압을 구형파로 변환하여, ECU단의 마이크로 프로세서로 입력시켜 각각의 주파수에 비례하는 바퀴속도를 계산하고, 계산된 4개의 바퀴속도를이용하여 차량의 기준속도(speed) 를 추정한다. ECU는 추정된 차량속도와 각각의 바퀴속도로부터 슬립율을 계산한 뒤, ABS 알고리즘에 따라 PCV 내부에 있는 솔레노이드 밾브(solenoid vaive)에 2~5〔A〕의 동작 전류신호를 보내게 된다.
제어기는 그림 1과 같이 병렬로 동작하는 2개의 마이크로 프로세서(87C₁₉6KT)로 구성하여 상호간의 기능을 비교 확인하는 기능을 수행토록 하였다. 또한, EGU는 바퀴 속도센서로부터 출력되는 신호를 마이크로 프호세서가 인식할 수 있는 신호로 변환하는 입력 인터페이스 부분과, 마이크로 프로세서의 미소신호를 파워 트랜지스터 로 전력을 증폭하여 액추에 이터에 공급하는 출력 인터페이스 회로, 밧데리로부터 전원을 입력받 아 각각의 회로에 전원을 공급하는 전원회로, 안정적인 전원상태인지를 감시하는 진단회로 등으로 구성하였다.
알고리즘을 제안하였다. 제작된 ECU는 2개의 마이크로 프로세서를 중심으로 4개의 바퀴 속도센서로부터의 입력신호를 이용하여 바퀴속도를 계산하고, 차량의속도를 추정하여, 제어 알고리즘에 의해 PCV를 구동하도록 제작하였다. 또한, 각각의 마이크로 프로세서를 서로 감시하고, 자기진단 시스템을 동작시켜 ECU의 이상유무를 판단하도록 하였다.

대상 데이터

본 연구에서 캐발한 ECU는 한 장의 PCB로 설계, 제작하였고, SMDtSurface Mounted Device) 기술을 사용하였다. 제어기는 그림 1과 같이 병렬로 동작하는 2개의 마이크로 프로세서(87C₁₉6KT)로 구성하여 상호간의 기능을 비교 확인하는 기능을 수행토록 하였다.
그리고 ABS 동작전과 동작후의 자기진단 기능을 수행한다. 본 연구에서는 자동차 전용으로 개발된 Intel 사의 CHMOS 16-bit 마이크로 프로세서인 87C196KT# 채용하였다.
제어기를 제안한다. 자동차 전용의 87C196KT 마이크로 프로세서 2개를 채용한 ABS의 전자제어장치 (Electronic Control Unit ; ECU)를 설계 제작하였고, 바퀴의 미끄러짐 검출. ABS 밸브의 제어 알고리즘, ECU의 자기진단 방법 등의 연구결과를 제시한다.

후속연구

또한, 각각의 마이크로 프로세서를 서로 감시하고, 자기진단 시스템을 동작시켜 ECU의 이상유무를 판단하도록 하였다. ABS는 차량의 제동시 안정성에 심각한 영향을 미칠 수 있으므로 향후 구축된 HILS(Hardware In-the-Loop Simulation) 시스템을 이용한 ECU의 성능분석과 함께 최적의 제어 알고리즘 개발 연구가 수행될 예정이다.

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