승객운송차량의 운동제어 성능향상을 위한 동특성 모델링과 해석 = Dynamic modeling and analysis for motion control performance improvement of passenger vehicles

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 기존의 대중교통수단 중 승객운송에 사용되는 차량을 “승객운송차량”이라고 정의하고, 승객운송차량 중 철도차량과 버스의 운동제어 성능향상을 위해 동특성 모델링과 해석을 수행하였다.

먼저 틸팅철도차량(tilting train)에서 사용되는 유압틸팅액츄에이터(hydraulic tilting actuator)의 안전성을 평가하기 위하여 PLC (Programmable Logic Controller)를 이용한 무부하(no-load) 시험을 수행하였다. PLC를 이용한 무부하 시험에서, 저속 운동성능에는 문제가 없었지만 고속에서 두 실린더의 동기가 맞지 않는 문제가 발생하였다. MR 댐퍼(damper) HILS (Hardware In-the Loop Simulation) 시스템에서는 기존의 유압구동기에 스텝함수와 사인함수를 입력하여 반응속도 시험을 수행하였다.

틸팅철도차량의 전기틸팅액츄에이터(electric tilting actuator)를 대치할 수 있는 유압틸팅액츄에이터를 개발하였고, 기존에는 측정이 불가능 했던 실린더에 걸리는 부하(load)를 측정할 수 있게 되었다. 이 유압틸팅액츄에이터를 이용하여 기존 차량의 언밸런싱(unbalancing) 한 상황을 수치적으로 확인할 수 있었다. 기존 전기틸팅액츄에이터 시스템의 동기화 성능보다 50% 이상의 동기화 정밀도를 높였으며, 별도의 조치 없이 설치할 수 있도록 호환성을 확보하였다.

MR 댐퍼와 스카이훅(skyhook) 알고리즘을 포함한 버스의 동역학 모델을 구하여, 상용 해석프로그램을 이용하여 검증하였고, 이를 실시간 시뮬레이션이 가능한 모델로 변환하여 HILS 시스템에 적합한 모델로 구축하였다. 본 모델을 이용하여 MR 댐퍼와 도로데이터(road data)를 재현할 수 있는 모션 제어기(motion controller), 로드셀(load cell), LVDT (Linear Variable Differential Transformer) 와 MR 댐퍼 앰프를 포함한 HILS 시스템을 구축하였다. 본 시스템을 이용하여 온/오프라인 시뮬레이션의 결과를 비교/분석하였고, 범프(bump) 테스트와 차선변경 테스트 환경에서 스카이훅 알고리즘의 동작여부 및 성능을 확인하였다. 수직(vertical) 방향과 피치(pitch) 방향에서의 진동감소에는 매우 적합한 결과를 도출 할 수 있었다. 스카이훅 게인을 변경하여 게인과 진동감소에 대한 상관관계를 연구하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this dissertation, a “passenger vehicle” is defined as a vehicle focusing on passenger transport in the existing public transport modes. A dynamic model was developed and an analysis was conducted to improve the performance of railway vehicles and buses, among the various passenger vehicles.

In order to evaluate the safety of the hydraulic tilting actuator, a no-load test was performed using PLC. In this test, no problem was faced with the low-speed test; however, an error occurred owing to synchronization under high-speed conditions. By using step and sine functions with the conventional hydraulic actuator, the reaction rate test was carried out by using the MR damper HILS (Hardware In-the Loop Simulation) system.

First, we developed a hydraulic tilting actuator that can replace the electrical tilting actuator, and makes it possible to measure the load applied to the cylinder, which was not possible earlier. Hence, the unbalanced condition of present-day passenger vehicles could be confirmed. The synchronization precision increased by more than 50% with our hydraulic tilting actuator compared to that obtained by using the conventional electrical tilting actuator system. Our system also ensured the compatibility for installation without requiring a separate step.

A dynamic model of a bus, including the MR damper and skyhook algorithm, was developed and verified using a commercial program and then converted into a real-time simulation model, which is suitable for the HILS system. By using the present model, the HILS system was built that includes an MR damper amplifier, an LVDT, a load cell, and a motion controller that can reproduce the road data and MR damper data. The results of the on/off-line simulation were compared and analyzed using the present system, and the operation and performance of skyhook algorithm was examined by using the bump test and lane change test. A very appropriate result was obtained by taking into consideration vibration reduction in both the vertical and pitch directions. By changing the skyhook gain, the correlation between the gain and vibration reduction was also verified.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구배경 및 필요성 1
• 1.2 관련 연구동향 5
• 1.2.1 한국형 틸팅열차 한빛 200 5
• 1.2.2 스카이훅을 이용한 MR 댐퍼 HILS 시스템 6
• 1.3 논문의 구성 8
• 제2장 승객운송차량의 사전시험 9
• 2.1 유압틸팅액츄에이터 시스템의 무부하 시험 9
• 2.2 유압 운동구동기의 반응시험 14
• 제3장 철도차량의 유압 틸팅구동시스템 19
• 3.1 유압틸팅액츄에이터 시스템 설계 19
• 3.2 모션제어기를 이용한 실차시험 31
• 3.3 실시간 부하측정 시험 44
• 제4장 MR 댐퍼 장착 버스 모델링 및 HILS 해석 52
• 4.1 MR 댐퍼 HILS 시스템의 구성 52
• 4.2 삼차원 강체운동 기술방법 56
• 4.3 차량 동역학 모델링 62
• 4.3.1 차체 동역학 모델링 62
• 4.3.2 현가장치 동역학 모델링 66
• 4.3.3 트럭심과 시뮬링크 시뮬레이션 결과비교 70
• 4.4 스카이훅 알고리즘 75
• 4.5 시뮬레이션 결과 및 해석 78
• 4.5.1 주행속도 80km/h, 3m에 대한 차선변경 시뮬레이션 78
• 4.5.2 주행속도 65km/h, 3m에 대한 차선변경 시뮬레이션 81
• 4.5.3 주행속도 65km/h, 6m에 대한 차선변경 시뮬레이션 83
• 4.5.4 주행속도 65 km/h, 20 cm, 2 m에 대한 범프 시뮬레이션 85
• 4.5.5 오프라인 시뮬레이션과 HILS 시뮬레이션 결과비교 88
• 4.5.6 스카이훅 알고리즘 게인변경 시뮬레이션 91
• 제 5 장 결론 93
• 참 고 문 헌 95
• ABSTRACT 99
• 부록 I. 스카이훅 알고리즘 프로그램 소스코드 101

참고문헌 (Reference)

1. “철도차량의 HILS,”, 허석, 한국소음진동공학회, 소음진동, vol. 20, no. 5 pp. 15-19, , 2010

2. “활주방지로직 시험장치에 대한 연구,”, 강철구, 김호연, 대한기계학회, 대한기계학회 논문집 A권, vol. 35, no. 1, pp. 85-90, , 2011

3. “차체 틸팅에 따른 전복안전도 특성 평가,”, 서승일, 김정석, 김남포, 한국철도학회, 한국도시철도학회논문집, vol. 9, no. 2, pp. 145-150, , 2006

4. “ER 및 MR 장치를 이용한 차량의 진동 및 안정성 제어,”, 성금길, 인하대학교 일반대학원, 인하대학교 일반대학원 박사학위 논문, , 2008

5. “틸팅 차량용 시뮬레이터를 위한 6자유도 운동판 개발,”, 김정석, 김남포, 송용수, 한성호, 최강윤, 한국철도학회, 한국철도학회논문집, vol. 8, no. 1, pp. 27-33, March, , 2005

6. “틸팅차량 주행에 따른 기존선 궤도 의 주행안정성 평가,”, 박용걸, 엄기영, 성덕룡, 최정열, 한국철도학회, 한국철도학회논문집, vol. 10, no. 6, pp. 701-708, , 2007

7. “HILS를 활용한 전투차량의 반는동 현수장치 적용에 관한 연구,”, 김지웅, 이은준, 이경훈, 김문준, 우관제, 한국군사과학기술학회지, vol. 13, no. 6, pp. 967-975, , 2010

8. “스마트 자기유변유체를 이용한 각종 댐퍼 및 마운트의 성능 평가,”, 우제관, 인하대학교 대학원, 인하대학교 박사학위논문, , 2015

9. “틸팅열차용 판토그라프의 틸팅 기구장치 및 가이드 트랙 형상 설계 연구,”, 고태환, 한성호, 김남포, 한국철도학회, 한국철도학회논문집, vol. 8, no. 6, pp.500-506, , 2005

10. “틸팅열차의 틸팅구동장치에 작용하는 부하특성 진단을 위한 유압식 틸팅 엑츄에이터의 실험적 평가,”, Lee, Jun-Ho, Park, Chan-Bae, Lee, Hyung-Woo, 김호연, Kang, Chul-Goo, 강철구, Lee, Byeong-Song, 이형우, Kim, Ho-Yeon, 이준호, 박찬배, 이병송, 제어 로봇 시스템 학회, 제어로봇시스템학회 논문지, vol. 18, no. 10, pp. 921-927, , 2012