트랙터 전후진 자동변속기용 비례 제어 밸브의 전류 제어 모델 개발

안다빈,김경대,유지훈,김수철,이진웅,박영준 경상국립대학교 농업생명과학연구원 2020 농업생명과학연구 Vol.54 No.3

본 연구의 목적은 전후진 자동변속기가 장착된 트랙터의 변속 충격을 모사하기 위한 시뮬레이션 모델에 적용될 비례 제어 밸브의 전류 제어 모델을개발하는 것이다. 전류 제어 모델을 개발하기 위하여 시험 장치를 구성하여 밸브의 정특성 시험과 계단 응답 시험을 수행하였으며, 시험 결과를 토대로전류 제어 모델을 검증하였다. 비례 제어 밸브의 전류 제어 모델은 밸브의 전류-압력 선도, PID 제어기, 펄스폭변조 신호 발생기와 밸브 모델로구성하였다. 전류 제어 모델에 사용된 데이터는 시험을 통하여 도출된 값과 대상 트랙터에 적용된 값을 사용하였다. 전류 제어 모델 검증을 위해계단 입력 신호에 대하여 전류 특성 시험을 수행하였고, 실제 전류 시험 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 시험 결과와 시뮬레이션 결과에 대한전류 특성을 비교해 보면, 상승 시간 오차는 0.0074초, 첨두치 시간의 오차는 0.0065초, 오버슈트 오차는 0.06%로 나타났다. 따라서 개발된 비례제어 밸브의 전류 제어 모델은 실제 제어기의 전류 제어 특성을 제대로 반영할 수 있으며, 추후 변속 충격 모사를 위한 트랙터 시뮬레이션 모델에서비례 제어 밸브의 전류 제어 모델로 사용될 수 있을 것으로 판단된다. This study has developed the current control model for proportional control valve (PCV) to be applied in simulation models for simulating the shift impact of tractor with power shuttle transmission. In order to develop the current control model, the test equipment was constructed to perform a static characteristic test and step response test of the PCV, and compared to the simulation results using current control model to validate the model. The current control model of the proportional control valve consists of the current-pressure curve of the PCV, PID controller, pulse width modulation signal generator and PCV model. The data used in the current control model were derived from the test and used values applied to the target tractor. The current characteristics test was performed on the step input signal, and the actual current test results were compared the simulation results to validate the current control model. The rise time error was 0.0074 seconds, the peak time error was 0.0065 seconds, and the overshoot error was 0.06%. Thus, the PCV current control model developed in this study can be confidently used to predict the current control characteristics of the actual controller, and it can be used as a current control model of the PCV in a tractor simulation model for simulating the shift impact in the future.

농작업 부하 데이터 기반 전기구동 트랙터 파워트레인 설계를 위한 파라미터 최적화 방법

안다빈 ( Da-vin Ahn ),한규하 ( Gyu-ha Han ),김경대 ( Kyeong-dae Kim ),조승제 ( Seung-je Cho ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1

본 연구에서는 40kW급 전기구동 트랙터 파워트레인 설계를 위한 시스템 요구사항을 결정하는 프로세스에 대하여 분석하였다. 전기구동 트랙터 시스템은 유성 기어가 사용된 듀얼 모터 타입의 파워트레인 구조를 가진다. 듀얼 모터는 주 모터와 보조 모터로 구성되어 있으며 유성 기어에 의해 동력 분배, 동력 순환, 동력 보조 특성이 나타나며 유성 기어 기계적인 특성에 의하여 토크 제한이 발생할 수 있다. 시스템 요구사항은 트랙터가 요구되는 부하를 반영하여 시스템 파워 엔밸로프 (power envelope) 선도를 결정하였다. 농작업 부하 조건은 쟁기 작업과 로터리 작업, 주행작업으로 설정하였다. 농작업 부하 데이터는 같은 용량의 40kW급 엔진 트랙터를 이용하여 부하를 계측하였다. 결정된 시스템 파워 엔밸로프 선도 기반으로 파워트레인 설계 파라미터를 결정하였다. 파워트레인 설계 파라미터는 유전알고리즘을 활용하여 최적화하였으며, 목적 함수(object function)는 파워트레인 설계 파라미터에 의하여 계산된 파워 엔밸로프 선도와 시스템 파워 엔밸로프 선도의 차이로 결정하였다.

듀얼 모터 타입 전기 트랙터의 파워트레인 동력 특성 분석

안다빈 ( Da-vin Ahn ),한규하 ( Gyu-ha Han ),김경대 ( Kyeong-dae Kim ),조승제 ( Seung-je Cho ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1

환경 규제가 강화되고, 농촌 인구 고령화 및 에너지 자원 부족 등에 따른 대내외적인 환경 변화로 농업 기계에 대한 전기 구동 트랙터 개발의 필요성이 커지고 있다. 전기구동 트랙터 개발을 위해서는 농작업 환경에 따른 작업 부하를 고려한 용량 선정, 동력 전달 시스템 설계 및 제어 알고리즘 개발이 필요하며, 작업 안정성 및 효율(작업 및 주행 효율)을 높이는 것이 중요하다. 본 연구에서는 듀얼 모터 타입의 파워트레인 구조의 전기구동 트랙터에 대하여 작업 효율 및 동력 특성을 비교 분석하였다. 전기구동 트랙터 시스템은 듀얼 모터 타입의 파워트레인 구조이며 2단 변속기로 구성되어 있다. 듀얼 모터는 주 모터(30kW)와 보조 모터(10kW)로 구성되며, 구동 모드에 따라 주 모터만 사용하는 모드와 주 모터와 보조 모터 모두 사용하는 모드가 있다. 각 구동 모드에 따른 작동 영역 분석하여 모드별 사용 가능 영역을 정의하였다. 또한 작업 부하에 따른 작동점(operating point)과 파워트레인 효율 맵을 비교하여 에너지 효율 특성을 분석하였다. 추후 연구에서는 작업 조건에 따른 동력 소모가 최소화되는 작업 제어 알고리즘을 개발 및 검증을 진행할 것이다.

트랙터용 전 후진 자동변속기의 변속 품질 모사를 위한 시뮬레이션 모델 개발

안다빈(Da-Vin Ahn),김경대(Kyeong-Dae Kim),오주선(Jooseon Oh),박영준(Young-Jun Park),유지훈(Ji Hun Yu) 한국자동차공학회 2020 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2020 No.7

클러치 압력 커맨드에 따른 트랙터 변속기용 클러치 압력 특성 분석

안다빈 ( Da-vin Ahn ),김경대 ( Kyeong-dae Kim ),최규정 ( Kyujeong Choi ),이진웅 ( Jinwoong Lee ),박진감 ( Jinkam Park ),천수환 ( Suhwan Cheon ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

자동변속기가 장착된 트랙터의 출발 변속은 변속 명령을 통해 변속이 시작되면 전후진 클러치에 유압을 인가하여 동력이 전달되며 차량의 가속도가 발생하여 트랙터가 출발한다. 클러치 압력 커맨드는 출발 변속 시 클러치 압력을 결정하여 변속 품질에 영향을 미치는 주요 인자로 작용한다. 출발 변속에서의 클러치 압력 커맨드는 초기 채움 영역, 동력 전달 영역, 잠금 영역으로 구분된다. 초기 채움 영역은 클러치의 빈 유실을 채우는 과정으로 빠른 응답성을 위해 가능한 한 짧은 시간에 완료가 되어야 하며 적절한 수준으로 채워지도록 압력 커맨드를 결정해야 한다. 본 연구에서는 초기 채움 영역의 압력 커맨드 형상에 따른 클러치 압력 측정 시험을 수행하여 특성을 분석하였다. 시험 장비는 유압 파워팩, 비례압력제어밸브, 밸브 블록, 압력 센서, 유량 센서, 트랙터 트랜스미션 등으로 구성하였다. 유압 파워팩을 이용하여 시험 압력과 유량을 트랙터 유압 시스템 압력과 엔진 rpm에 따른 배출 유량과 동일한 값으로 설정하였고, 밸브 블록 후단에 압력 센서와 유량 센서를 설치하여 클러치의 압력과 클러치로 유입되는 유량을 측정하였다.

최적 제어 기반 승차감 향상을 위한 트랙터 캐빈용 반능동 현가장치 제어 알고리즘 개발

안다빈 ( Da-vin Ahn ),김경대 ( Kyeong-dae Kim ),오주선 ( Jooseon Oh ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

트랙터 작업자의 승차감 개선을 위하여 트랙터 현가장치 시스템에 대한 연구가 진행되고 있으며, 다양한 타입의 트랙터 현가장치 중 캐빈 현가장치가 승차감 개선에 가장 효과적이라고 평가되고 있다. 트랙터 캐빈 현가장치와 관련된 연구는 초기 현가장치 구조 및 구성에 대한 연구가 집중되었으나, 최근에는 현가장치 최적화 및 제어 시스템 구성에 대한 연구가 주로 이루어 지면서 현가장치 제어 알고리즘 개발에 대한 중요성이 증가하였다. 본 연구에서는 트랙터 주행 중 승차감 향상을 위하여 캐빈 후방 반능동 현가장치 장착된 트랙터의 제어 알고리즘을 시뮬레이션 환경에서 개발하였다. 트랙터 플랜트 모델은 Half car suspension model로 모델링 하였으며, 현가장치 제어 알고리즘은 칼만 필터(Kalman filter) 기반 상태 관측기(state observer)와 전체 상태 피드백 제어(full state feedback control)인 LQR을 결합한 LQG(Linear quadratic Gaussian) 기반 최적 제어 기법을 사용하였다. 시뮬레이션은 실제 트랙터 환경을 고려하여 하나로 제한된 센서 수를 이용하여 캐빈 후방 반능동 현가장치의 상대 변위만 계측 가능한 상황으로 제한하였으며, ISO 8608의 노면 등급 A, B, C 주행 노면 조건에서 수행하였다. 반능동 현가장치 제어 알고리즘 성능은 상태 관측기의 정확도와 LQG 최적 제어의 승차 진동 저감 수준 확인하였다.

트랙터 캐빈용 고무 마운트의 동적 특성에 대한 실험적 규명

안다빈 ( Da Vin Ahn ),오주선 ( Joo Seon Oh ),김흥섭 ( Heung Sub Kim ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

시뮬레이션 모델을 이용하여 농업용 트랙터의 승차 진동을 정확히 예측하기 위해서는 시트, 캐빈 고무 마운트, 타이어의 스프링 강성과 감쇠 계수를 정확하게 측정하는 것이 반드시 필요하다. 하지만 캐빈 고무 마운트를 제작한 회사에서도 고무 마운트의 스프링 강성과 감쇠 계수에 대한 시험은 속행하지 않고 있다. 본 논문은 트랙터 캐빈 고무 마운트의 동특성을 시험으로 구하는 것을 목표로 하였다. 고무 마운트의 동특성에 큰 영향을 미치는 것은 고무 마운트에 작용하는 하중이다. 트랙터 캐빈의 무게를 측정하여 고무 마운트에 작용하는 정하중을 계산하였다. 고무 마운트의 동특성을 구하기 위하여 KS M 6604 방진 고무 시험방법 중 공진 방법을 이용하였다. 시험 데이터와 1 자유도 바닥 가진 시스템에서 유도된 식을 사용하여 고무 마운트의 동특성을 도출하였다.

비틀림 댐퍼를 이용한 트랙터 PTO 전동라인의 비틀림 진동 저감

안다빈 ( Da-vin Ahn ),오주선 ( Joo-seon Oh ),정우진 ( Woo-jin Chung ),신인경 ( In-kyung Shin ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1

농업용 트랙터의 진동과 소음은 동력원인 엔진과 동력전달계인 변속기 및 PTO 전동라인에서 주로 발생한다. 동력전달계의 진동과 소음은 엔진의 토크 변동에 의해 발생하며, 이는 PTO 전동라인에 비틀림 진동을 유발시킨다. 비틀림 진동은 PTO 전동라인의 구동기어와 피동기어에 연속적인 충돌을 발생시키며, 심한 진동과 래틀 소음의 원인이 된다. 트랙터의 진동 및 래틀 소음을 저감하기 위하여 비틀림 댐퍼를 설치하여 해결하려는 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 비틀림 댐퍼를 이용하여 PTO 전동라인에서 발생하는 비틀림 진동을 감소시키고 공진 현상을 회피하는 연구를 수행하였다. 각속도 시험을 통해 PTO 전동라인의 비틀림 진동이 래틀 소음에 미치는 영향을 분석하였고 PTO 구동축 기어에서의 과도한 각속도 증폭을 확인하였다. 시뮬레이션 모형을 개발하여 공진 현상을 확인하였고, 공진 회피 및 비틀림 진동 저감을 위한 PTO 전동라인 모형을 개발하였으며, 실제 시험 결과를 이용하여 개발된 모형을 검증하였다. 검증된 모델을 이용하여 비틀림 댐퍼의 설계변수가 래틀 소음에 미치는 영향을 분석하였으며, 비틀림 댐퍼의 설계 변수 최적화를 수행하였다. 최적화된 비틀림 댐퍼는 공진 영역을 회피하고 비틀림 진동이 감소함을 확인할 수 있었다.

듀얼 모터 기반 전기 트랙터 파워트레인 시스템 구조 해석

안다빈 ( Da-vin Ahn ),한규하 ( Gyuha Han ),김경대 ( Kyeong-dae Kim ),조승제 ( Seung-je Cho ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

전 세계적으로 배기가스 규제 및 저탄소 환경을 위한 정책이 시행됨에 따라 전기 트랙터는 농업 분야에서 해당 정책을 위한 트랙터 트렌드라고 할 수 있다. 해외 선진사의 경우 시제품이 개발된 상태이나 상용화 단계까지는 진행 되지 않았으며, 공통적인 문제로는 짧은 작업 시간이다. 이를 개선하기 위해 배터리 제어 및 동력전달계 최적화에 대한 연구가 진행 중이나, 체계적인 연구가 부족한 상황이다. 본 연구에서는 유성 기어가 사용된 듀얼 모터 타입의 파워트레인 구조를 구동 모드에 따른 동력 전달 흐름을 분석하였다. 듀얼 모터는 주 모터와 보조 모터로 구성되어 있으며, 유성 기어를 사용하여 주 모터와 보조모터의 동력분배가 가능하다. 구동 모드는 주 모터만 사용하는 모드와 주 모터와 보조 모터를 모두 사용하는 모드로 구분되며, 부하가 큰 작업이 필요한 경우 주 모터와 보조 모터가 모두 사용된다. 듀얼 모터 타입 파워트레인 시스템 구조 해석은 MATLAB/Simulink 상에서 모델링 하였으며 시뮬레이션 조건은 작업 모드, 타겟차량 속도, 트레일러 부하 등을 고려하였다. 시뮬레이션 해석은 주 모터와 보조 모토의 토크, 속도에 따른 유성 기어의 동력 분배, 동력 순환, 동력 보조 특성을 확인하여 해당 파워트레인 구조 사용시 요구되는 설계 파라미터를 선정하였다.

농업용 트랙터 PTO 전동라인의 래틀 소음 분석

안다빈(Da-Vin Ahn),신인경(In-Kyung Shin),한현우(Hyun-Woo Han),손관희(Gwan-Hee Son),박영준(Young-Jun Park) 한국기계가공학회 2019 한국기계가공학회지 Vol.18 No.6

In this study, we analyze the rattle noise of a power takeoff (PTO) driveline and develop a PTO driveline resonance model. We measured the rattle noise of the PTO driveline on the output shaft and, by analyzing the rattle noise in the time domain, we determine that the engine expansion stroke period matches the sound pressure of rattle noise. This finding helped us demonstrate that the rattle noise is caused by the collision between the PTO driving gear and the gear driven by the engine expansion stroke; the torsional vibration caused by this collision is affected by the angular velocity fluctuation of the PTO drive shaft. By measuring the angular velocity of the PTO drive shaft, we confirm that the angular velocity fluctuation of the engine flywheel tends to excessively amplify the PTO drive shaft angular velocity fluctuation. We conclude that the resonance, which occurs when the operating frequency of the engine is close to the natural frequency of the tractor power transmission system, causes the excessive angular velocity fluctuation of the PTO drive shaft. We performed a modal analysis of the PTO driveline resonance and, using the characteristic equation, we show that the resonance occurs when the engine rotation speed is close to 850 rpm, which matches the natural frequency of the PTO driveline.