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박진감 ( Jinkam Park ),천수환 ( Su Hwan Cheon ),유지훈 ( Ji Hun Yu ),최규정 ( Kyujeong Choi ),이진웅 ( Jin Woong Lee ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 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 되나, 부하가 클 경우 엔진이 스톨(Stall)될 수 있다는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 최근 정유압 변속기 유압 펌프의 사판을 페달과 독립적으로 제어할 수 있는 전자식 정유압 변속기가 개발되고 있다. 본 연구에서는 트랙터 전자식 정유압 변속기의 시뮬레이션 모델을 개발하고, 부하 조건에서 엔진 스톨 방지기능의 동작을 통해 검증을 실시하였다. 시뮬레이션 모델은 엔진, 전자식 정유압 변속기, 부하 입력부로 개발되었으며, 특히 정유압 변속기 모델은 전자식 압력 비례제어 밸브에 의해 구동되는 스풀과 피스톤으로 구성되는 서보 시스템을 기반으로 개발하여, 펌프의 토출 유량을 제어할 수 있도록 하였다. 정유압 변속기 구동을 위한 제어 모델은 입력부, 신호 처리부, 연산부, 출력부로 구분하여 개발하였으며, 시뮬레이션 모델에서 출력된 신호값을 입력으로 하여 정유압 변속기의 출력을 결정하는 밸브 전류를 출력하도록 하였다. 시뮬레이션 모델 검증을 위해 엔진 스톨 방지 기능을 동작시켜 검증을 실시하였다. 시뮬레이션 모델의 트랙터 차축부에 일정한 부하 조건을 가해 엔진 최대 토크 이상의 부하가 인가되도록 하고 이 때 엔진 회전수가 감소하는 정도에 따라 유압 펌프의 사판각도를 줄여 엔진 시동이 꺼지지 않고 목표 엔진 회전수까지 회생 동작을 하는지 확인하였다. 시뮬레이션 결과 부하 조건에서 엔진 회전수가 감소하는 과정에 유압펌프의 사판각도를 줄여 엔진 회전수가 목표 회전수까지 다시 회복되는 결과를 확인할 수 있었다.
Hardware-in-the-loop 시뮬레이션 기반 제어기 검증을 위한 트랙터 plant 모델 개발
한규하 ( Gyuha Han ),안다빈 ( Da-vin Ahn ),이진웅 ( Jinwoong Lee ),박진감 ( Jinkam Park ),신옥식 ( Okshik Shin ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1
제어기 알고리즘을 실제 트랙터에서 검증을 진행할 경우, 기능 안전 로직의 신뢰성에 따라 비용이 커지는 제한점이 있다. 그러므로 이번 연구에서는 hardware-in-the-loop 시뮬레이션(HILS) 기반 제어기 검증을 위하여 트랙터를 구성하는 전체 요소 중 제어기 외의 부분을 MATLAB/Simulink를 기반해 트랙터 plant 모델을 개발하였다. 개발된 트랙터 plant 모델은 입출력 프로세싱, HCU, 엔진, 변속기, 차량 모델의 크게 5가지 부분으로 이루어져 있다. 입출력 프로세싱은 제어기와 plant 모델이 주고받는 데이터의 종류에 따라 dSPACE 사의 ConfigurationDesk 6.7 프로그램을 통해 HILS의 realtime 구동이 가능하게끔 개발되었다. HCU는 모델링에 사용한 트랙터 비례제어밸브의 전류-압력 특성과 싱크로나이저의 전류 신호별 액추에이터의 거동을 반영하도록 개발되었다. 엔진은 토크맵에 따라 속도제어와 거버너를 통한 idle 제어가 가능하도록 개발되었다. 변속기는 전후진 클러치, 주변속 8단으로 구성된 듀얼 클러치 변속(DCT) 시스템과 함께 부변속 4단, PTO 3단으로 구성하였다. 차량 모델은 차량 무게, 타이어 제원 등의 실차 데이터를 사용하여 동역학 모델로 구성하였다. 개발된 트랙터 plant 모델은 test harness 기반 검증을 수행하였으며, 요구된 모델 성능을 만족함을 확인하였다.
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.
최규정 ( Kyujeong Choi ),안다빈 ( Da-vin Ahn ),김경대 ( Kyeong-dae Kim ),이진웅 ( Jinwoong Lee ),박진감 ( Jinkam Park ),천수환 ( Suhwan Cheon ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2
전자비례감압밸브(Electronic Proportional Pressure Reducing Valve, EPPR Valve)는 입력전류에 비례하여 토출압력을 제어하는 밸브이며 정밀한 압력제어가 가능하기 때문에 트랙터 변속기 제어를 위하여 주로 이용되고 있다. 특히 듀얼 클러치 변속기(Dual Clutch Transmission, DCT)를 적용한 트랙터는 전·후진 클러치, 홀·짝수 클러치, 주·부변속 싱크로나이저의 압력을 모두 정밀하게 제어해야 하므로 기존 변속 방식의 트랙터보다 전자비례감압밸브의 중요성이 증가하였다. 본 연구에서는 트랙터의 듀얼 클러치 변속기에 사용되는 전자비례감압밸브 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 전자비례감압밸브의 형상 기반 모델링을 위해 밸브 역설계를 진행하여 스풀, 슬리브, 스프링 등의 치수를 획득하였다. 솔레노이드의 특성을 획득하기 위하여 전류, 변위 조건에 따른 힘 측정 시험을 수행하였다. 전자비례감압밸브 단품 특성 획득을 위하여 유압파워팩을 사용하여 밸브의 정특성 및 동특성 시험을 수행하였다. 최종적으로 밸브 형상, 솔레노이드 특성 선도를 사용하여 전자비례감압밸브 시뮬레이션 모델을 개발하고 밸브단품 특성을 기준으로 모델 검증을 완료하였다.