[논문]트랙터용 무단변속기 개발(II) -무단변속기 콘트롤러-

김효중; 김의한; 류관희

문제 정의

본 연구는 1단계 연구에서 개발된 무단변속기 메커니즘을 운전자가 편리하게 운전할 수 있고, 또한 농작업을 효율적으로 수행할 수 있도록 하는 전용 콘트롤러를 개발하기 위하여 수행되었다 변속기의 각종 정보를 계측하기 위한 운전 정보 계측시스템, 유압구동 시스템, 제어용 컴퓨터둥의 하드웨어를 개발하였고, 이를 운용하기 위한 무단변속기 제어 알고리즘을 개발하였다. 콘트롤러의 개발 후 실내 실험을 통해 변속기 제어 성능시험을 수행한 결과 속도비 2.
본 연구에서는 개발된 무단변속기 콘트롤러의 성능을 평가하기 위해 속도비 제어 성능을 대표할 '수 있는 계단 응답 시험을 수행하였다.
본 연구의 목적은 제작된 무단변속기 메커니즘을 바탕으로 운전자가 편리하게 운전할 수 있고, 농작업을 효율적으로 수행할 수 있도록 하기 위한 전자유압식 무단변속기 콘트롤러를 개발하는 데 있다.

제안 방법

CVT 메커니즘의 제어를 위한 CVT콘트롤러의 계측 시스템을 회전 속도 계측 시스템, 조작 신호계측시스템, 유체 온도계측시스템 그리고 압력계측시스템 등으로 구성하였다.
각계측시스템으로부터 자료를 수집하고, 수집된 자료를 기초로 CVT 메커니즘 제어를 위한 제어량을 연산하며, 연산된 제어량을 구동시스템으로 출력하기 위해 산업용 컴퓨터를 이용하였다. 컴퓨터와 각 장치 간의 접속을 위해 필요한 기능을 갖춘 인터페이스 보드들도 개발, 장착시켰다.
또한 개발된 무단변속기를 트랙터에 장착하고, 주행시험과 작업시험을 수행하여 콘트롤러의 제어 성능을 평가하였다.
조작 신호계측시스템은 운전자가 트랙터의 주행에 필요한 최소한의 운전 정보를 지시할 때, 이를 즉시 콘트롤러가 수집하여 제어에 적용할 수 있도록 하는 장치이며, 가속페달 각 변위, 최고속도 설정 레버각변위 등을 계측한다. 또한 전, 후진설정 스위치 및 급제동 스위치도 조작 신호 계측 시스템에 포함되며, 콘트롤러가 항상 이들 스위치들을 검사하여, 신호가 발생되었을 때, 적절한 조치를 취할 수 있도록 하였다.
베리에이터 속도비의 변화는 롤러실린더 내 압력의 제어를 통해 구현되는데, 이 압력을 계측하여 제어의 피드백 자료로 활용하고, 외부로부터의 부하량을 추정하기 위해 유체 압력계측시스 템을 구성하였다. 유압 계측 센서로는 반도체 스트레인 게이지 형식의 압력센서를 사용하였다.
본 연구에서 개발한 무단변속기 콘트롤러는 속도비 제어 기법으로 PID 제어 방식을 이용하였는데, 이때 비례, 미분, 적분 계수는 여러 번의 반복 실험을 통해 최적의 값을 찾아내었고, 각 범위별로 적절하게 다른 계수를 적용할 수 있도록 하였다.
유압 계측 센서로는 반도체 스트레인 게이지 형식의 압력센서를 사용하였다. 본 연구에서 선정한 압력 계측 센서는 신호 처리 회로를 내장하고 있고, 2선식 신호처리 방식을 채택하고 있으며, 비교적 소형이다.
엔진 출력 축과 베리에이터 축 회전 속도간의 비로 계산되는 베리에이터의 속도비는 콘트롤러의 제어 대상이므로, 부하극복을 위한 피드백 자료로 활용될 수 있도록 하였다. 또한, 베리에이터 속도비와 무관한 변속기 출력 축 회전속도는 모드 전환을 위한 변속 시점을 결정하기 위해 계측되며, 트랙터의 주행 속도로도 계산될 수 있다.
이러한 필요성에 따라 본 연구진은 1단계로 트랙터용 무단 변속기의 메커니즘을 설계하여, 무단 변속기를 제작하였고, 실험을 통해 무단 변속 기능을 확인한 바 있다.
무단 변속기 콘트롤러는 지속적으로 변화하는 부하와 운전자의 조작 신호에 따라 신속한 제어를 수행하여야 하며, 트랙터 및 작업환경의 다양한 외란에 의한 영향을 최소화시킬 수 있어야 한다. 이를 위해, 무단변속기의 각종 정보를 수집하기 위한 계측시스템을 구성하였고, 유압을 이용하는 모드 전환 클러치, 롤러실린더, 유압밸브 블록 및 밸브 구동 전자회로 등으로 구동시스템을 구 성하였다.
일반적으로 자동차나 산업용 기계 등을 제어하기 위한 콘트롤러에 적용되는 컴퓨터로는 부피가 작고, 전력 소모가 적으며, 내진동성이 큰 원칩마이컴이 대부분인더], 본 연구에서는 무단 변속기 제어 알고리즘 구현에 중점을 두고, 원칩 마이컴 개발 중 발생할 수 있는 문제점을 배제하기 위해, 산업용 컴퓨터(PC급)를 제어용 컴퓨터로 사용하였다.
전체 알고리즘은 초기화 루틴, 키입력 루틴, 자료 수집루틴, 목표 속도 비 변경 루틴, 유압밸 브 제어루틴 등으로 구성되며, 각 루틴은 순환 루틴 내에서 선택적으로 수행된다.
제어 알고리즘의 개발 후 예비실험을 통해 적정 제어계수를 찾아내었고, 이를 표로 정리하여, 프로그램에 삽입시켰다.
증속, 감속, 변속, 부하극복 둥 무단 변속기 메커니즘의 기능을 구현하기 위해, 콘트롤러 구동 시 스템으로써 모드 전환 클러치, 롤러실린더, 유압밸브 블록 및 밸브 구동 전자회로 등을 설계, 제작하였다. 유압제어를 위한 무단변속기 유압회로를 그림 2에 나타내었고, 그림 3에 유압회로 에 따라 설계제작된 유압밸브 블록의 사진을 나타내었다.
특히 베리에이터 속도비(RV) 중간값이 아닌 2.0이나, 0.5값으로의 계단 응답 성능시험은 오버슈트를 기계적으로 방지할 수 있기 때문에 각계수를 최대로 하여 실험을 수행하였다.

대상 데이터

''유압제어 시스템의 가장 핵심이 되는 부분은 베리에이터롤러에 힘을 가하기 위해 복동 실린 더 양단에 압력차를 주는 한 쌍의 비례 제어 밸브인데, 본 연구에서는 독일의 Hydraulic Rine 사 밸 브를 구입하여 사용하였다. 일반적으로 비례제어밸브는 펄스 폭변조(PWM) 신호에 의해 작동하게 되므로, 본 연구에서도 자체 제작된 밸브드라이버를 이용하였다.
온도센서로는 다양한 온도센서 중, 전기신호의 인출이 가능하고, 냉접점 보상 등의 추가 교정이 필요 없는 백금 측온 저항식 온도센서인 Pt-100을 사용하였다.
베리에이터 속도비의 변화는 롤러실린더 내 압력의 제어를 통해 구현되는데, 이 압력을 계측하여 제어의 피드백 자료로 활용하고, 외부로부터의 부하량을 추정하기 위해 유체 압력계측시스 템을 구성하였다. 유압 계측 센서로는 반도체 스트레인 게이지 형식의 압력센서를 사용하였다. 본 연구에서 선정한 압력 계측 센서는 신호 처리 회로를 내장하고 있고, 2선식 신호처리 방식을 채택하고 있으며, 비교적 소형이다.

이론/모형

또한, 베리에이터 속도비와 무관한 변속기 출력 축 회전속도는 모드 전환을 위한 변속 시점을 결정하기 위해 계측되며, 트랙터의 주행 속도로도 계산될 수 있다. 회전속도 계측을 위한 센서로는 큰 회전 속도를 검출하는 데 유리하며, 자동차의 자동변속기둥에 폭넓게 적용되고 있는 마그네틱-픽업을 사용하였다.

성능/효과

무단 변속기 메커니즘에 지속적인 견인부하를 줄 수 있는 작업인쟁기 작업에 대한 성능시험 곡선을 그림 8에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이, 견인부하의 증가에 의해 엔진 회전 속도가 감소하면 무단 변속기 콘트롤러가 이를 감지하여, 차량의 속도를 떨어뜨리고 이에 따라 엔진희 전 속도가 회복되면, 다시 차량을 증속시키는 기능을 수행하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한 실내실험 후 무단변속기를 트랙터에 탑재하여 Field Test를 수행하였는데, 작업부하의 변동에 대해 운전자가 별다른 조작을 하지 않고서도 원활하게 작업을 수행할 수 있음을 확인하였 다.
본 연구는 1단계 연구에서 개발된 무단변속기 메커니즘을 운전자가 편리하게 운전할 수 있고, 또한 농작업을 효율적으로 수행할 수 있도록 하는 전용 콘트롤러를 개발하기 위하여 수행되었다 변속기의 각종 정보를 계측하기 위한 운전 정보 계측시스템, 유압구동 시스템, 제어용 컴퓨터둥의 하드웨어를 개발하였고, 이를 운용하기 위한 무단변속기 제어 알고리즘을 개발하였다. 콘트롤러의 개발 후 실내 실험을 통해 변속기 제어 성능시험을 수행한 결과 속도비 2.0 상태에서 속도비 L0 상태로 변화시키는 계단 응답 시험에 대해 정정시간이 약 0.52초로 나타났다. 이는 각종 농작업 시운전자의 조작이나 부하 응답에 대해 속도비 제어를 충분히 빠르게 수행할 수 있는 응답 성능인 것으로 판단되었다.

후속연구

향후 트랙터에 대한 수요 패턴이 작업 편의성, 작업 효율 향상, 포장 적응능력을 향상시키는 방향으로 바뀌게 될 것에 대비하여, 기존 HST(Hydrostatic transmission) 및 파워-쉬프트 트랜스미션의 단점을 극복하고 포장 적응성이 우수한 트랙터용 무단 변속기를 개발하여야 한다는 필요성이 대두되고 있다.

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