전기기계식 제동장치의 제동패드 마모보상방법 및 성능평가

백승구,오혁근,박춘수,김석원 한국산학기술학회 2020 한국산학기술학회논문지 Vol.21 No.10

This study examined a brake pad wear compensation method for an Electro-Mechanical Brake (EMB) using the braking test device. A three-phase Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM) was applied to drive the actuator of an EMB. Current control, speed control, and position control were used to control the clamping force of the EMB. The wear compensation method was performed using a software algorithm that updates the motor model equation by comparing the motor output torque current with a reference current. In addition, a simple first-order motor model equation was applied to estimate the output clamping force. The operation time to the maximum clamping force increased within 0.1 seconds compared to the brake pad in its initial condition. The experiment verified that the reference operating time was within 0.5 seconds, and the maximum value of the clamping force was satisfied under the wear condition. The wear compensation method based on the software algorithm in this paper can be performed in the pre-departure test of rolling stock. 본 논문은 전기기계식제동장치(EMB : Electro Mechanical Brake, 이하 EMB)의 제동패드 마모발생에 따른 소프트웨어 기반의 마모보상방법의 적용 및 성능평가를 다루었다. EMB의 구동을 위해 사용된 모터는 3상 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM : Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, 이하 IPMSM)가 사용되었다. EMB의 압부력(clamping force) 제어를 위해 위치제어기, 속도제어기 및 전류제어기가 적용되었으며, IPMSM의 출력 압부력 예측을 위해 모터의 거리별 압부력 실험을 통하여 힘 추정기(force estimator)를 1차 모델식으로 단순화 하였다. 제동패드에서 마모가 발생함에 따라 IPMSM에서 출력되는 토크전류의 크기가 감소하는 특성을 이용하여 기준 토크전류와의 비교를 통해 힘 추정기를 업데이트하는 방법으로 마모보상이 가능함을 보였다. 제동패드의 마모 후 최대 압부력 도달시간이 0.1초 이내로 증가하였으나, 마모패드 장착시에도 제동압부력은 마모 전 제동패드와 동일한 최대 기준 압부력을 만족하였으며, 최대압부력 도달시간의 경우 0.5초(기준값) 이내임을 실험으로 검증하였다. 소프트웨어 기반의 EMB 제동패드의 마모보상 방법은 철도차량의 출발 전 제동장치 점검시 테스트모드의 진입을 통하여 수행이 가능하다.

매입형 영구자석 동기전동기를 적용한 전기기계식 제동장치의 비상제동 성능평가

백승구,오혁근,박준혁,김석원,김상수 한국산학기술학회 2020 한국산학기술학회논문지 Vol.21 No.6

This study examined the clamping force control method and the braking performance test results of an electromechanical brake (EMB) using braking test equipment. Most of the studies related to EMBs have been carried out in the automotive field, dealing mainly with the static test results for various control methods. On the other hand, this study performed a dynamic performance evaluation. The three-phase interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) was applied to drive the actuator of the EMB, and the analysis was verified by JMAG(Ver. 18.0), which is finite element method (FEM) software. The current control, speed control, and position control were used for clamping force control of the EMB, and the maximum torque per ampere (MTPA) control was applied to the current controller for efficient control. The EMB's emergency braking deceleration performance was tested in the same way as conventional pneumatic brake systems when the wheel of a train rotates at 110 km/h, 230 km/h, and 300 km/h. The emergency braking time, with the wheel stopped completely at the maximum rotational speed, was approximately 73 seconds. The similarity of the braking time and deceleration pattern was verified through a comparison with the performance test results of the pneumatic brake system applied to the next generation high-speed railway vehicle (HEMU-430X). 본 논문은 전기기계식제동장치(EMB : Electro Mechanical Brake, 이하 EMB)의 제동 압부력(clamping force) 제어방법과 제동시험장비(dynamo test equipment)를 활용한 제동성능 평가결과에 대하여 다룬다. EMB와 관련한 연구는 자동차 분야에서 대부분 수행되었으며, 다양한 제어방법에 대한 정적상태의 압부력 시험결과를 주로 다루고 있으나 본 논문은 동적상태에서의 성능평가를 수행하였다. EMB의 구동을 위해 3상 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM : Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, 이하 IPMSM)가 적용되었으며 유한요소법(FEM : Finite Element Method, 이하 FEM) 해석 소프트웨어인 JMAG을 통하여 설계 및 해석을 수행하였다. EMB의 압부력제어를 위해 전류제어, 속도제어 및 위치제어가 수행되었으며, 전류제어기는 단위전류당 최대토크제어(MTPA : Maximum Torque Per Ampere, 이하 MTPA)가 적용되었다. 제동성능평가는 공압식 제동장치의 비상제동 성능시험 절차와 동일한 방법으로 수행되었으며 시험장비에 설치된 고속철도차량의 차륜을 110 km/h, 230 km/h 및 300 km/h로 회전하는 상태에서 각각의 속도 조건에 따른 EMB의 제동 압부력을 인가하여 감속성능을 확인하였다. 최고속도(300 km/h) 상태에서 비상제동 시험결과는 73초의 시간이 소요되었으며 차세대고속철도차량(HEMU-430X)에 적용된 공압식 제동장치의 성능시험 결과와 비교를 통하여 제동소요 시간 및 감속패턴의 유사함 확인하였다.

만성 콩팥병의 유병률, 인식율, 치료율

백승구,정진욱,신종호,방기태,김경민 대한내과학회 2019 대한내과학회 추계학술대회 Vol.2019 No.1

전기기계식제동장치의 힘센서 보상을 이용한 제어방법의 성능평가

백승구 한국산학기술학회 2022 한국산학기술학회논문지 Vol.23 No.12

Pneumatic brakes, which are mainly used in railway vehicles, apply a braking force to railway vehicles through an open loop control of a predetermined pneumatic pressure according to each braking step. Recently, with the appearance of electromechanical braking devices, a control method of an electric motor to replace the function of an existing pneumatic actuator has been studied. Complicated control is required because the braking operation using the motor is performed in the stall state of the motor. In particular, pressure estimation control is mainly used because the sensor installation is difficult due to the temperature rise of the friction surface of the brake disc. On the other hand, to accurately control the clamping force according to the change of the friction surface and the hysteresis characteristics of the motor, it is necessary to consider the installation of a force sensor. In this paper, instead of measuring the clamping force applied to the friction surface of the brake disc, a force sensor was installed in the brake pad bracket connection part of the caliper, and the sensor feedback signal was used together to compensate for the control of the existing position estimation control. The proposed method can increase the reliability of the braking system because it can be controlled through position estimation control when the clamping force sensor fails. The performance of EMB to which the proposed control method was applied was installed in the experimental jig, and the availability was evaluated through static control performance evaluation. 철도차량에 주로 사용되고 있는 공압식제동장치는 각 제동 단계에 따라 미리 결정된 공압을 오픈루프(open loop) 제어를 통해 철도차량에 제동력을 인가한다. 최근 전기기계식제동장치(EMB : Electro-Mechanical Brake, 이하EMB)의 등장으로 공압식 액추에이터의 기능을 대체하는 전동기의 제어방법이 연구되고 있다. 모터를 이용한 제동동작은 모터의 스톨(stall)상태에서 수행되므로 복잡한 제어가 필요하다. 특히, 제동디스크의 마찰면은 고온이 발생하여 센서설치의 어려움으로 인해 압부력추정제어가 주로 적용되지만 마찰면의 변화 및 모터의 히스테리시스 특성에 대응하여정확한 압부력 제어를 위해서는 힘센서의 설치가 검토되어야 한다. 본 논문에서는 제동디스크의 마찰면에 가해지는 압부력을 측정하는 대신에 캘리퍼의 제동패드 연결부에 힘센서를 설치하고 센서피드백 신호를 함께 사용하여 기존의 추정제어를 보상하는 방법을 적용하였다. 제안된 방법은 압부력센서의고장에도 위치추정제어를 통해 제어가 가능하므로 제동시스템의 신뢰성을 높일 수 있다. 제안된 제어방법을 적용한EMB의 제어성능은 실험지그에 설치하여 정적 제어성능평가를 통해 가용성을 평가하였다.

자기부상시스템의 2-DOF 구조를 이용한 제어기 설계에 관한 연구

백승구(Baek SeungKoo),이창영(Lee ChangYoung),장석각(Chang SeokGahk),권성태(Kwon SungTae) 한국철도학회 2006 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.- No.-

This study deals with the problem of balance beam system to stabilize about static and sinusoidal disturbance. wherein the design objectives are to keep the gap deviation from static and sinusoidal disturbance. In this paper propose the 2-Degree of Freedom(DOF) structure and a simple first-order controller which is designed by Characteristic ratio assignment (CRA) method. Matlab simulation result verify stabilization of balance beam system despite of disturbance. Hybrid simulation between digital controller and analog plant is presented by Matlab Simulink.

WWW의 CGI 성능 향상 기법에 관한 연구

백승구(Sung Gu Back),임인택(In Taek Leem),권영헌(Young Hun Kwon),조경숙(Kyung Sook Cho),김종근(Chong Gun Kim) 영남대학교 정보통신연구소 1997 정보통신연구소논문집 Vol.4 No.1

N/A

고속철도차량의 EMB 적용을 위한 3상 IPMSM의 설계 및 제동압부력 제어

백승구(Seung-Koo Baek),오혁근(Hyuck-Keun Oh),곽민호(Min-ho Kwak),김석원(Seog-Won Kim) 한국산학기술학회 2018 한국산학기술학회논문지 Vol.19 No.4

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. 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, brake reservoir, and air pipe. However, an EMB system uses up to 50% less space due to the use of a motor and electric wires for controlling the brake caliper. In addition, it can reduce the latency time for brake control because of the fast response and precise control. A train that has many brakes is advantageous for safety because of the control by sharing the braking force. In this paper, a driving method for a cam-shaft-type EMB is modeled. It is different from the ball-screw-type brakes that are widely used in automobiles. In addition, a co-simulation method is proposed using JMAG and Matlab/Simulink. The IPMSM was designed and analyzed with the JMAG tool, and the control system was simulated using Matlab/Simulink. The effectiveness of the co-simulation results of the mechanical clamping force and braking force was verified by comparison with the clamping force specifications of a HEMU-430X HST.

CDMA 통신기반의 원격 조가선 상태 모니터링 장치

백승구(Baek SeungKoo),이창영(Lee ChangYoung),권성태(Kwon SungTae) 한국철도학회 2007 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.- No.-

The contact and messenger wire is important parts in the electric power system of the railroad. There are so many measurement method like voltage, current, scratch of surface, and glow longer of length. In this paper suggest real time monitering system of messenger wire so called RTU (Remote Terminal Unit) and this system includes CDMA module to transfer real time or saved data of memory to the end user directly who is in the long distance. The hyper terminal program of windows shows the downloaded data from RTU through CDMA communication and this data can be transferred to excel sheet easily.

압부력센서를 적용한 철도차량용 전기기계식 제동장치의 제동 성능평가

백승구(S. K. Baek),전창성(C. S. Jeon),김상수(S. S. Kim) Korean Society for Precision Engineering 2023 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2023 No.5

전기기계식제동장치용 감속기일체형모터의 최적설계방법 및 성능평가

백승구(Seung-Koo Baek),신지환(Ji-Hwan Shin),최성훈(Sung-Hoon Choi),김석원(Seog-Won Kim) 한국산학기술학회 2021 한국산학기술학회논문지 Vol.22 No.12

고속철도차량에 장착되는 전기기계식 제동장치(EMB : Electro-Mechanical Brake, 이하 EMB)는 약 50 ~ 60 kN 수준의 제동압부력을 필요로 한다. 모터가 사용되는 EMB 구동부는 고토크 출력을 위해 높은 감속비를 필요로 하며 대차 설치로 인한 공간적인 제약 때문에 소형화 설계 및 운행 중 차량하부로부터 발생하는 진동으로 인한 내구성을 가져야 한다. 따라서, 감속기일체형모터(GM : Geared Motor, 이하 GM)의 설계 및 제작기술은 철도차량용 EMB 구동부의 신뢰성 향상을 위해 필요한 기술이다. 본 논문은 GM를 위한 모터 최적설계기법 및 감속기 구조를 다루었다. 모터는 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM : Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, 이하 IPMSM)를 적용하였으며 최적설계기법으로 Plackett-Burmann(PB, 이하 PB)의 민감도 분석을 통한 반응표면분석법(RSM : Response Surface Methodology, 이하 RSM)을 적용하여 최적화설계를 수행하였다. 감속기는 유성기어와 베벨기어의 조합을 통한 동심형 축직각 감속기 형태를 통해 안전측(fail safety) 동작 기능을 갖도록 제안하였다. IPMSM의 최적화 설계를 통하여 초기 설계결과 대비 출력토크는 12% 상승하였으며, 모터축과 감속기의 동심축 연결을 통하여 부피는 25% 감소, 중량은 50% 감소하는 결과를 보였다. GM는 EMB에 설치하여 기본성능시험을 통한 가용성을 평가하였다. An Electro-Mechanical Brake (EMB) mounted on the bogie of a high-speed train (HST) requires about 50 ~ 60 kN clamping force for braking. The EMB driving unit using a motor needs a high reduction gear for high torque output. In addition, the EMB driving unit must be compact owing to the space constraints and need to withstand the vibrations generated from under the vehicle while it is operating. Therefore, the design and manufacture of a geared motor (GM) for improving the reliability of the EMB driving unit for HST are necessary. This paper deals with the motor optimal design method and reduction gear structure of the GM. As part of the design, an Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM) is used, and the optimization design was performed by applying Response Surface Methodology (RSM) using the Plackett-Burmann (PB) sensitivity analysis. The reduction gear is proposed to have a safety function through the concentric shaft perpendicular reducer using the combination of planetary and bevel gears. Through the optimized design of IPMSM, the output torque increased by 12% compared to the initial design. Simultaneously, the volume and weight had decreased by 25% and 50%, respectively, through the integrated connection of the motor shaft to the reducer. Finally, the GM was installed in EMB, and its availability was evaluated through a basic performance test.