20kW급 전기구동 트랙터의 통합 최적 제어 전략 연구

변서정 ( Seo-jung Byeon ),박진감 ( Jin-kam Park ),박민규 ( Min-gyu Park ),이진웅 ( Jin-woong Lee ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

화석 연료의 사용 증가로 인한 탄소 배출은 기후 위기의 심각성이 높아짐에 따라 세계적인 문제로 대두되고 있다. 한국을 비롯한 120여개의 국가에서는 탄소 저감을 실현하기 위해 탄소배출권 거래제도나 탄소중립을 추진하고 있고, 스웨덴과 핀란드 등에서는 탄소세를 도입했다. 이러한 정책적 흐름은 국내 모빌리티 산업에 영향을 미쳐 ‘미래 모빌리티로 전환’이라는 핵심 과제를 통해, 자동차, 건설기계 및 농기계를 포함한 다양한 분야에서 활발히 연구되고 있으며 특히 온실가스 배출량을 줄일 수 있는 친환경 차량의 개발은 이중 가장 핵심적인 과제가 되었다. 이에 농기계 산업에서는 디젤 엔진의 배출가스 문제를 해결하기 위한 전기 트랙터 개발에 대한 요구가 증가하고 있다. 농업용 전기구동 트랙터는 기존 경유를 사용하는 디젤 엔진을 대체한 축전지 및 전동기를 이용하여 저소음 및 무공해(Zero-emission)를 구현하고 주행, 정지, 경운, 운반 및 PTO를 통한 다양한 작업을 수행한다. 또한 전동기(모터)와 전동기 제어기, 배터리와 BMS(Battery Management system)의 주요 4대 부품과 이를 제어하는 통합차량제어(VCU) 장치로 구성되고 통합차량제어장치(VCU)는 작업 모드에 대한 정보를 수집하여 트랙터의 작업성능을 향상시키기 위해 구동장치를 최적으로 제어한다. 전기구동 차량의 통합제어를 하기 위해 배터리, 모터, 인버터 등 파워트레인 등의 전기동력 시스템, 최적 운용 및 관리를 위한 전장 시스템 및 부하 분석 등 모두 고려해야 한다. 그러나 일반 자동차와 다르게 농업용 트랙터는 농작업 시, 경부하에서 순간적으로 중부하로 변경되는 특성이 있다. 본 연구는 기존 전통적인 엔진 농업기계와 차별화된 기술 적용 방안을 모색해 보고 다양한 작업 형태와 돌발변수를 가지는 농작업 특성에 최적화된 차량 통합 제어 전략을 제안한다.

트랙터 듀얼 클러치 변속기의 변속품질 향상을 위한 싱크로나이저 사전선택 연구

변서정 ( Seo-jung Byeon ),박진감 ( Jin-kam Park ),박영준 ( Young-jun Park ),이진웅 ( Jin-woong Lee ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1

트랙터를 이용한 농작업 수행 시 작업지의 불균일성과 운전자의 의지 변화에 따른 부하 변동이 자주 발생한다. 이에 따라 각각의 상황에 맞는 적합한 작업 속도로 신속하게 바꾸기 위한 변속 또한 빈번하게 이루어진다. 그러나 변속을 너무 빠르게 수행하거나 적절한 변속 단수를 선택하지 못하면 농작업 효율이 감소하고 변속감이 좋지 못하다는 문제점이 발생한다. 본 연구는 듀얼 클러치 변속기(Dual Clutch Transmission, DCT)의 변속품질 향상을 위해 기어 변경을 담당하는 핵심 부품인 싱크로나이저의 사전선택 전략을 제시하기 위한 사전 연구를 목적으로 수행되었다, DCT의 싱크로나이저 사전선택이란, 차기 변속단 싱크로나이저 제어를 통해 변속 목표 단수의 싱크로나이저를 클러치 동작 이전에 체결하여 준비하는 것을 말하며 DCT의 변속감 향상을 위해서는 매우 중요한 과정이다. 이 연구를 수행하기 위해 기존 연구결과를 활용하여 싱크로나이저의 구조와 변속 과정을 이해하고 사전선택 과정에 영향을 미치는 요인을 분석하도록 한다. 사전선택 제어에 영향을 주는 주요 요인들에 대한 민감도 및 반응 분석을 기반으로 제어 매개변수 최적화를 수행하도록 한다. 슬리브 질량, 콘 각도와 같은 구조 매개 변수에 대한 분석은 구조적인 문제이므로 이 연구에서는 고려하지 않는다. 이후 분석한 자료를 기반으로 현재 개발 중인 100kW급 DCT 장착된 트랙터에 적용하여 정확한 사전 변속을 실현하기 위한 제어 매개변수를 최적화한다. 도출한 매개변수 결과를 이용하여 싱크로나이저 작동력을 예측할 수 있으며 사전선택 제어 전략을 제시하는 데에 활용될 수 있을 것이다.

작업기 수평 자세 제어 시스템 성능 향상을 위한 작업기 롤링각 추정 알고리즘 연구

변서정 ( Seo-jung Byeon ),박진감 ( Jin-kam Park ),천수환 ( Su-hwan Cheon ),이진웅 ( Jin-woong Lee ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

본 연구는 국산 트랙터에 장착되어 판매되고 있는 작업기 수평 자세 제어 시스템의 성능 향상을 위해 수행되었으며 최종적으로 트랙터에 장착되어있는 작업기 수평 자세제어 시스템의 작업기 롤링각 자세 위치 추정 성능을 향상시키는 것을 목표로 한다. 트랙터 3점 히치 시스템에 대한 기구적인 분석을 통해 3점 히치 동작에 의한 히치 높이, 하부 링크와 리프트 로드의 지지점, 하부링크 연결 조인트 간의 간격 변화를 반영해 수평 실린더 센서와 히치 높이 센서를 이용한 작업기 롤링각 자세를 예측하는 알고리즘을 개발하였다. 작업기의 자세를 예측하기 위해 수평 실린더의 길이 변화와 3점 히치의 높이를 인식하기 위한 센서를 부착하였으며 센서의 제작 오차와 길이 변화를 인식하기 위한 소프트웨어를 개발하여 적용하였다. 알고리즘의 성능을 검증하기 위해 작업기를 장착한 트랙터를 편평한 작업지에 정차시켜 수평 실린더의 길이와 3점 히치의 높이를 연속적으로 변화시켜 작업기의 각도 측정값과 알고리즘의 예측 각도 값의 오차를 RMSE로 나타내며 기존 시스템 제안된 시스템의 오차 감소율을 비교하였다. 제안된 알고리즘의 경우 기존 시스템 대비 78.33~95.45%의 오차 감소율을 확인하였으며, 이는 작업기 자세 추정을 통해 수평 자세 제어 시스템의 제어 성능을 향상했음을 나타낸다.

20kW급 전기구동 트랙터의 통합 최적 제어 전략 연구

변서정 ( Seo-jung Byeon ),박진감 ( Jin-kam Park ),박민규 ( Min-gyu Park ),이진웅 ( Jin-woong Lee ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

화석 연료의 사용 증가로 인한 탄소 배출은 기후 위기의 심각성이 높아짐에 따라 세계적인 문제로 대두되고 있다. 한국을 비롯한 120여개의 국가에서는 탄소 저감을 실현하기 위해 탄소배출권 거래제도나 탄소중립을 추진하고 있고, 스웨덴과 핀란드 등에서는 탄소세를 도입했다. 이러한 정책적 흐름은 국내 모빌리티 산업에 영향을 미쳐 ‘미래 모빌리티로 전환’이라는 핵심 과제를 통해, 자동차, 건설기계 및 농기계를 포함한 다양한 분야에서 활발히 연구되고 있으며 특히 온실가스 배출량을 줄일 수 있는 친환경 차량의 개발은 이중 가장 핵심적인 과제가 되었다. 이에 농기계 산업에서는 디젤 엔진의 배출가스 문제를 해결하기 위한 전기 트랙터 개발에 대한 요구가 증가하고 있다. 농업용 전기구동 트랙터는 기존 경유를 사용하는 디젤 엔진을 대체한 축전지 및 전동기를 이용하여 저소음 및 무공해(Zero-emission)를 구현하고 주행, 정지, 경운, 운반 및 PTO를 통한 다양한 작업을 수행한다. 또한 전동기(모터)와 전동기 제어기, 배터리와 BMS(Battery Management system)의 주요 4대 부품과 이를 제어하는 통합차량제어(VCU) 장치로 구성되고 통합차량제어장치(VCU)는 작업 모드에 대한 정보를 수집하여 트랙터의 작업성능을 향상시키기 위해 구동장치를 최적으로 제어한다. 전기구동 차량의 통합제어를 하기 위해 배터리, 모터, 인버터 등 파워트레인 등의 전기동력 시스템, 최적 운용 및 관리를 위한 전장 시스템 및 부하 분석 등 모두 고려해야 한다. 그러나 일반 자동차와 다르게 농업용 트랙터는 농작업 시, 경부하에서 순간적으로 중부하로 변경되는 특성이 있다. 본 연구는 기존 전통적인 엔진 농업기계와 차별화된 기술 적용 방안을 모색해 보고 다양한 작업 형태와 돌발변수를 가지는 농작업 특성에 최적화된 차량 통합 제어 전략을 제안한다.

농업용 트랙터의 연료 효율 극대하를 위한 효율맵 개발

박진감 ( Jin-kam Park ),변서정 ( Seo-jung Byeon ),최찬호 ( Chan-ho Choi ),안형종 ( Hyoung-jong Ahn ),이진웅 ( Jin-woong Lee ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2

최근 농업용 트랙터의 작업 편의성, 승차감 향상시키기 위해 트랙터용 변속기도 자동변속기가 활발히 개발되는 추세이다. 자동변속기는 크게 유단변속기와 무단변속기로 구분할 수 있으며, 유단변속기는 구분된 변속 단수에서 자동으로 변속이 가능하며 무단변속기는 단수의 구분 없이 연속적인 변속이 가능하다. 특히 무단변속기는 유단변속기와 달리 변속 시 충격이 발생하지 않으므로 승차감 향상에 유리하다. 그러나 트랙터용 무단변속기는 주로 유압식 펌프와 모터로 동력을 전달하는 정유압 변속기(HST, Hydro-static Transmission)로 이루어져 있어 기존 유단변속기에 비해 효율이 떨어지는 단점이 있다. 본 연구에서는 정유압 변속기가 탑재된 트랙터의 엔진-변속기-기어부로 이어지는 동력전달계 전체의 효율맵을 개발하여 연료 효율을 극대화하기 위한 가이드를 제공하고자 한다. 엔진의 경우 회전 속도, 토크에 따른 연료 효율맵을 도출한다. 변속기는 정유압 변속기의 입력축 속도, 부하 압력, 펌프 사판각에 따른 4차원 효율맵을 도출한다. 또한 기어부를 구성하고 있는 각 축 및 베어링의 연결 구조를 분석하고 입력축 속도 및 토크에 따른 효율맵을 도출한다. 엔진, 변속기, 기어부에서 도출된 효율맵은 엔진 회전수, 부하, 변속기 사판각에 따라 동력전달계 전체의 효율맵으로 도출된다. 개발된 효율맵을 통해 추후 엔진 회전수 제어 및 변속기 사판각 제어에 따라 작업자가 원하는 속도에서 최대 효율을 낼 수 있는 상태로의 목표 설정이 가능하다.

슬라이딩 모드 제어기를 이용한 농업용 트랙터 변속기 제어

박진감 ( Jin-kam Park ),변서정 ( Seo-jung Byeon ),이진웅 ( Jin-woong Lee ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2

최근 농업용 트랙터의 편의성 및 승차감 향상을 위해 제조사 및 다양한 연구기관에서 트랙터 무단변속기를 개발하는 추세이다. 무단변속기 중 정유압 변속기(HST, Hydro-static Transmission)는 내구성이 우수하고 출력밀도가 높으며 변속 시 충격이 매우 작다는 장점이 있다. 기존 정유압 변속기의 구동 방식은 전·후진 페달이 유압 펌프 사판 제어부와 기구적으로 연결되어 있어 페달의 밟는 정도에 따라 펌프의 토출 유량이 직접적으로 제어가 가능하나 다양한 작업환경에 적합한 변속 제어가 어렵다. 이를 보완하기 위해 최근 정유압 변속기 유압 펌프의 사판을 페달과 독립적으로 제어할 수 있는 전자식 정유압 변속기가 개발되고 있다. 전자식 정유압 변속기는 별도의 전자식 압력비례밸브를 부착하여 밸브 제어를 통해 유압 펌프의 사판각을 제어할 수 있어, 제어 성능에 따라 변속 성능이 결정된다. 본 연구에서는 농업용 트랙터의 전자식 정유압 변속기의 제어를 위해 슬라이딩 모드 제어기를 이용한 제어 알고리즘을 개발하였다. 슬라이딩 모드 제어기는 제어 대상 내 불확실성, 외란 및 내부 파라미터의 변동 등을 가지고 있기 때문에 강인한 제어 성능이 필요한 다양한 시스템에서 활용되는 제어 기법이다. 특히 농작업과 같이 외부 작업환경에 의해 제어 시스템이 영향을 많이 받을 경우 사용할 수 있는 효과적인 제어기로 볼 수 있다. 슬라이딩 모드 제어기 개발을 위해 먼저 트랙터 동력전달계를 분석하고 상태 공간 모델(State space model)을 설계한다. 그리고 원하는 응답을 갖도록 슬라이딩 표면을 설계하고 슬라이딩 표면에 도달하고 머물 수 있는 적절한 제어 입력을 설계한다. 개발된 제어기의 성능검증을 위해 정유압 변속기가 탑재된 트랙터 시뮬레이션 모델을 개발하고, 작업 부하 조건에서 변속 제어 성능을 확인한다. 또한 부하변동이 큰 농작업 조건에서 실차 시험을 통해 변속 성능에 대한 검증을 실시한다.

트랙터 자율주행을 위한 경로 추종 제어 알고리즘 개발

한동헌 ( Dong Heon Han ),변서정 ( Seo Jung Byeon ),김경대 ( Kyeong-dae Kim ),한규하 ( Gyu Ha Han ),차무현 ( Moo Hyun Cha ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

최근 발전하는 IT 융합기술과 저가형 환경인식 센서 기술을 차량의 자율주행 연구에 적용하는 사례가 증가하고 있다. 농업용 트랙터의 경우, 시스템의 차별성과 주변 환경의 제한 조건 때문에 자동차와는 다른 자율주행 기술이 요구된다. 본 연구에서는 트랙터의 자율주행 정밀도를 향상시키기 위하여 조향제어를 통한 경로 추종 알고리즘을 개발하였다. 차량의 운동 상태를 모사하기 위한 차량 모델은 kinematic bicycle model을 사용하였으며, 중간지점(way points)을 기준으로 발생하는 경로 이탈과 조향각 오차를 감소시키기 위하여 비례제어(P control)를 사용하였다. 또한, 경로 추종 시 차량의 요동(oscillation) 운동으로 인한 경로 이탈을 최소화하기 위한 dynamic targeting method을 사용하여 추종 성능을 향상시켰다. 마지막으로 개발된 경로 추종 알고리즘과 차량 모델을 이용하여 경로 추정 시뮬레이션을 수행하였으며, 조향각 제어를 통한 목표 경로 추종 성능을 확인하였다.

농업용 트랙터의 변속성능 향상을 위한 클러치 제어 전략

박진감 ( Jin-kam Park ),변서정 ( Seo-jung Byeon ),박민규 ( Min-gyu Park ),이진웅 ( Jin-woong Lee ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

최근 농업용 트랙터의 편의성 향상을 위해 제조사 및 다양한 연구기관에서 트랙터 자동변속기를 연구, 개발하는 추세이다. 자동변속기를 구성하는 요소 부품 중 클러치는 엔진 토크를 차축으로 전달하는 가장 핵심적인 역할을 수행하며 클러치의 제어 전략에 따라 차량의 변속 성능이 결정된다. 본 연구는 농업용 트랙터의 변속 성능 향상을 위한 클러치 제어 전략으로, 제어 영역을 압력 채움 구간, 토크 전달 구간, 속도 제어 구간으로 구분하여 제어한다. 압력 채움 구간은 클러치에서 밸브 간 유실을 채우기 위한 구간으로, 압력 비례제어밸브에 의해 토출되는 유량이 중요하며 과도하게 공급되거나 적게 공급될 경우 충격이 발생한다. 압력 채움 구간에서는 적절한 유량을 공급하기 위해서 엔진 토크 정보를 이용한다. 압력 채움이 완료되는 시점에서의 엔진 토크 변화 상태를 확인하고 압력 채움이 과다하거나 또는 부족함을 판단하며, 이를 통해 압력 채움 시간에 대한 보정값을 적용한다. 보정값은 TCU의 EEPROM에 저장되어 동일한 오일 온도에서 보정값이 반영된다. 토크 전달 구간은 엔진 토크를 차축으로 전달하는 초기 과정이며 차량의 초기 구동 속도에 영향을 준다. 트랙터의 경우 다양한 부하 조건에서 구동하므로 토크 전달 구간에서 구동 압력에 대한 값을 변화시킬 필요가 있다. 구동 압력은 부변속 단수에 따라 단수가 높을수록 값을 크게 설정하도록 하며, 변속응답 조절장치가 있을 경우 이를 통해서도 조절할 수 있도록 한다. 속도 제어 구간에서는 차량의 가속을 결정하며, 현재 차속과 목표 차속과의 오차를 이용한 PID 제어기 설계로 출력 압력을 결정한다. 이를 통해 부하조건에서도 무부하 조건과의 변속 시간에 대한 편차가 적고 일정 가속 프로파일을 유지할 수 있도록 제어한다.

트랙터 V2X 기술 동향

박민규 ( Min-gyu Park ),박진감 ( Jin-kam Park ),변서정 ( Seo-jung Byeon ),이진웅 ( Jin-woong Lee ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

현재 차량 산업은 ICT 기술의 발전에 따라 운전자의 편의성 및 안전성을 증대시키고자 외부 네트워크와 차량을 연결하여 양방향 통신을 가능하게 하는 커넥티드 카와 자율주행 차량에 대한 관심이 증가하는 추세이다. 이에 맞춰 농기계 산업 또한 차량 산업의 트렌드를 따라가고 있으며, 농업기계의 대표적인 품목인 트랙터에서 커넥티드 및 자율주행 기술에 대한 관심과 연구가 집중되고 있다. 또한, 현재 국내에서는 농촌인구가 지속해서 감소하고 있고, 남아있는 농촌 인구의 고령화도 매우 빠르게 진행되고 있고, 고령화에 따른 작업 능률 저하를 극복하기 위해 작업의 편의성과 안정성, 노동 강도를 저감할 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다. 이러한 커넥티드 카와 자율 주행 차량의 경우 대용량의 멀티미디어 전송 및 센서 데이터 공유 등 다양한 서비스를 위해 높은 전송용량과 신뢰성을 보장할 수 있는 V2V(vehicle-to-vehicle) 통신과 V2I(vehicle-to-infrastructure) 통신에 대한 기본적인 연구와 구현이 필수적이다. 또한 V2X 시장이 향후 급속한 확대가 전망되면서, 관련된 산업계와 밀접한 연계시스템을 구축해야하며 연구 또한 필요할 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는 트랙터 V2X 기술의 동향을 정리해보고자 하였다. 현재 해외 선진사는 지능형 농기계에 대한 연구 및 상용화가 활발하게 진행 중이다. 특히 미국의 존 디어(John Deere)사는 완전 자율 주행 트랙터가 올해 초에 공개되었고, 원격 제어 및 관리, 군집주행에 관한 서비스도 상용화 되어 있다. 또한 우리나라와 상황이 비슷한 일본의 구보다, 얀마 사 또한 농촌 인구 고령화에 대비해 무인 및 자율 주행 트랙터를 상용화 하였으며 군집주행 관련 연구·개발 또한 활발히 진행 중이다. 국내의 농기계 업체 또한 해당 기술에 대한 연구가 활발하며 상용된 서비스도 일부 있으나, 해외 선진사에 비해 미비한 실정이다.

지능형 농기계를 위한 통합 소프트웨어 플랫폼 구조

이진웅 ( Jin-woong Lee ),박진감 ( Jin-kam Park ),변서정 ( Seo-jung Byeon ),박민규 ( Min-gyu Park ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

전자제어기술의 비약적인 발전에 따라 농업기계 분야에서도 기계적인 방법에 의해 동작하던 각종 장치들이 운전자의 편리성, 안정성, 효율성 등의 이유로 전기적인 방법에 의해 구동되고 있으며, 이에 따라 농업기계시스템은 점차 고도화, 첨단화, 지능화 되어 가고 있다. 이러한 농업기계의 변화에 맞춰 다양한 기능이 가능한 전자제어장치들이 늘어나고 있으며 이를 포함한 제어시스템 또한 복잡해져가고 있는 실정이다. 이러한 전자제어장치는 각종 차량에 장착 된 각종 센서, 사용자 조작 입력 및 통신(CAN)입력을 통해 현재의 상태를 판단하고 구동용 액추에이터 또는 정보를 출력하는 역할을 하며 이에 대한 작업은 제어기에 입력 된 소프트웨어에서 그 기능을 구현하고 있다. 이러한 소프트웨어의 경우 하드웨어와는 달리 무형적인 특징이 있어 신뢰성, 안정성 및 무결성 등을 검증하기 매우 어려운 특징을 지닌다. 그러나 각종 전자제어장치들의 증가는 이러한 소프트웨어의 안정성에 문제를 가져올 수 있는 가능성이 증가하는 것을 의미한다. 본 연구에서는 지능형 농기계의 다양한 기능을 지원하고 변속기, 작업기, 유압시스템 및 다양한 시스템에 활용할 수 있는 범용성을 지닌 소프트웨어 플랫폼 구조를 제안하도록 한다.