안정열
(Jeong-Yeol An)
†iD
-
(Dept. of Electrical and Electronic Engineering,
Ulsan College, Korea.)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
Sunroof motor, Anti-Pitch function, observe
1. 서 론
본 논문은 현재 양산되고 있는 선루프 제어기에서 핵심 기술인 자동 반전(Anti-Pitch) 기능을 구현하기 위해 DC모터의 모델링을 통한 외부 센서
추가 없이 신뢰성 높은 선루프 제어기 개발에 관한 연구이다.
현재 국내 양산되고 있는 선루프 모터 및 제어기 시스템 물량의 90%는 해외 업체에서 수입에 의존하고 있다. 국내 선루프 생산 물량은 년간 100만대
이상이며, 모터 및 제어 시스템에 의하여 막대한 외화가 지출되고 있다.
국내에 기술개발이 가능한 제품을 해외에서 수입하여 사용한다는 것은 외화지출 문제도 있지만, 기술종족의 문제도 크게 발생한다. 하지만 선루프 제어기의
핵심 기술인 자동반전 기능에 관하여 알려진 알고리즘이 없어 국산화 개발에 어려움을 격고 있다.
기존의 홀센서 정보만으로 물건 끼임을 판별하기 어려운이유는 차량이 언덕길, 자갈길, 방지턱 주행과 같은 악조건 주행시 획득하는 정보와 물건 끼임시
얻는 정보간의 차이가 없기 때문이며 이러한 이유로 악조건 주행시 자동반전이 동작하는 문제점이 있다.
따라서 본 논문에서는 기존과 같은 방식으로 두 개의 홀 센서(Hall Sensor)를 이용한 위치 제어 및 속도 계산 방법을 사용하고 보다 정확하고
신뢰성 있는 자동반전 기능을 구현하기 위해 전류 센서를 사용하지 않고 계산에 의한 전류값 획득, 이를 이용한 모터의 토크 계산, 필터를 이용한 토크
값의 안정화, 저장된 토크 값과의 비교를 통한 자동반전 알고리즘을 적용한 신뢰성 높은 저가형 선루프 제어기 개발에 관하여 기술한다[1]-[10].
또한 RS232 통신을 이용해 LabView 프로그램으로 선루프의 위치, 전압, 토크, 스위치(switch) 입력, 각종 고장(fault) 신호 확인을
통해 선루프의 작동 및 자동반전 수행 여부를 확인한다.
2. 제안한 DC모터 모델링 기반 자동반전 기법
2.1 선루프 모터 토크 계산
선루프 모터의 정역 판단은 두 개의 홀센서 위상차로 하며, 속도 계산은 한 개의 홀센서의 1주기 파형을 이용하여 계산한다. 그림 1은 모터의 방향과 속도를 이용해 토크를 계산하기 위한 선루프 모터의 등가회로를 나타낸 것이다.
그림 1 DC 모터 등가회로
Fig. 1 Equivalent circuit of DC motor
그림 1을 LOOP Analysis 방법을 이용하여 식으로 나타내면 다음과 같이 나타낼 수 있다[2][3].
여기서, $K_{e}:역기전압 상수,\: w_{r}:모터 속도$
식 (1)에서 $L_{a}$는 직류에서는 무시할 수 있으므로 전류로 정리하면 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, $K_{e}:역기전압 상수$
따라서 모터의 토크는 계산한 전류를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.
여기서, 토크상수 $K_{t}=\dfrac{Po\le}{2}\lambda_{f}$
자속 $\lambda_{f}=K_{e}=\dfrac{E_{a}}{\dfrac{Po\le}{2}w_{r}}\left[\dfrac{V}{\dfrac{rad}{s}}\right]$
2.2 계산된 토크를 이용한 자동반전 기법
자동반전 기능은 안전을 위해 선루프가 CLOSE 작동시 물건 끼임을 감지하여 OPEN 방향으로 강제적으로 움직이게 해주는 기능을 말한다.
그림 2 자동반전 동작 순서도
Fig. 2 flowchart of Anti-pitching
그림 2는 계산된 토크값을 기준으로 자동반전을 수행하는 순서도를 나타낸 것이며 기준토크값은 선루프 초기화 수행시 계산된 무부하 상태의 토크값을 나타낸다.
계산된 토크값이 기준토크값을 넘으면 값을 계속 누적하다가 자동반전 동작 토크값에 도달하면 자동반전을 수행하게 된다. 토크값을 누적하는 이유는 순간적인
외부의 영향으로 자동반전 동작을 막기 위해서이다.
3. 실험장치 구성 및 결과
3.1 시스템 하드웨어 구성
그림 3은 선루프 모터의 구동을 위한 전체 제어 시스템 하드웨어 구성도를 나타낸 것이다. 스위치 또는 상위 컴퓨터로부터 입력 신호를 받아 MCU의 입력 포트로
전달한다. MCU에서는 입력 포트로부터 수신한 신호를 판단하여 릴레이(Relay)로 모터의 정·역 구동을 위한 신호를 보낸다. 릴레이는 배터리로부터
전원을 인가받아 MCU로부터 받은 신호에 따라 모터를 구동시킨다. 모터 구동에 따라 홀 센서(H1, H2)로부터 신호가 발생하고 이 신호는 MCU의
입력 포트에 연결되어 Capture, External Interrupt를 발생시켜 모터의 속도계산, 방향 및 선루프 위치를 결정하는데 사용된다.
그림 3 시스템 하드웨어 구성도
Fig. 3 Configuration of system hardware
상위 컴퓨터를 통해서 선루프를 조작하거나 선루프의 정보를 화면으로 확인한다.
그림 4 상위 컴퓨터 LabView화면
Fig. 4 Window of computer using LabView
선루프 모터 제어용 상위 프로그램은 선루프 모터의 현재 상태(전압, 전류, 현재의 모터 위치, 에러, 스위치 눌림 상태 등)에 대한 정보를 디스플레이
한다. 또한 프로그램 상의 버튼을 통한 모터의 직접 제어 및 현재 토크 값과 저장된 토크 값 실제 발생한 토크 값을 그래프로 확인 할 수 있다.
제어기와 컴퓨터간에 RS232 통신을 통해 정보를 전달하며 LabView 프로그램을 이용하여 작성하였다.
표 1 직류 전동기 상수
Table 1 Parameters of DC motor
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number of poles
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two poles
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Rated output
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60[W]
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Rated voltage
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12[V]
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Maximum
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3000[RPM]
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Stator resistance
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0.115[$Ω$]
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Stator Inductance
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0.109[mH]
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back-EMF constant
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1.3[V/kRPM]
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그림 5는 본 논문에서 사용한 직류 전동기와 제어기 사진을 나타내었다.
그림 5 모터 및 제어기 사진
Fig. 5 Photos of DC motor and controller
그림 6 자동반전 측정 장비
Fig. 6 Photo of DC motor and controller
그림 6은 선루프에 자동반전 토크값을 측정하기위한 실험장치를 장착한 사진이다. 앞단에 장착되는 스프링에 따라 40[N]에서 최대 200[N]까지 측정이 가능하다.
3.2 실험결과
실험은 크게 자동반전 측정 장비를 통한 테스트와 실차 주행 중 테스트로 진행하였다.
자동반전 측정 장비를 이용하여 입력전압 9.5[V]~ 15.5[V], 1[V]단위로 증가하여 총 30회 측정하였다.
자동반전 동작 토크 값은 75[N]이며, 그림 7은 자동반전 측정 장비를 통해서 측정된 값을 나타낸 것이다. X축은 시험 횟수를 Y축은 토크를 나타낸다.
토크값의 편차는 10.5[V]에서 5.7[N]로 가장 적은 편차를 보였으며 9.5[V]에서 12.0[N]로 가장 큰 편차를 보였다. 전체 영역에서
토크의 평균값은 대략 80~85[N]의 값으로 나타났다. 최대 토크 값은 9.5[V]에서 87.6[N]이며 가장 작은 값은 14.5[V]에서 74.5[N]이다.
그림 7 자동반전 토크 측정 결과
Fig. 7 Measurement result of Anti-pitching torque
그림 8 실주행시 자동반전 토크 측정 결과
Fig. 8 Measurement result of Anti-pitching torque at car driving
그림 8은 악조건의 실차 주행시 측정한 데이터를 상위컴퓨터의 LabView 화면을 나타낸 것이다. X축은 선루프 위치를 나타내며, Y축은 토크값을 나타낸다.
그림(a)는 언덕길에서 시속 80[km/h]의 속도로 달리고 있는 상태에서 선루프를 작동한 그래프이며 그림(b)는 자갈길에서 시속 60[km/h]의 속도로 달리고 있는 상태에서 선루프를 작동한 그래프이다.
그림(c)는 방지턱에서 시속 40[km/h]의 속도로 달리고 있는 상태에서 선루프를 작동한 그래프이다.
위 결과에서 알 수 있듯이 방지턱 및 자갈길에서는 계산된 토크값이 기준 토크값을 넘지만 단위 시간당 누적값을 사용하였기 때문에 물건 끼임이 아닌 다른
조건에서 자동반전이 발생하지 않음을 알 수 있다.
4. 결 론
본 논문은 기존 양산형 선루프 모터에 저가형 칩을 사용한 제어기를 장착하여 신뢰성 높은 자동반전 성능을 구현하기 위해 기존의 홀센서 방식에 직류모터
모델링을 통한 계산된 토크 값을 적용하여 외부 전류센서 추가없이 악조건 주행 시에도 자동반전 오동작이 없는 제어기를 구현하였다.
RS232 통신을 이용하여 상위 컴퓨터로 모터의 상태 및 토크 등을 직접 관찰하였으며, 실제 차를 이용하여 다양한 환경에서 실험을 통해 제안한 방식의
타당성을 입증하였다.
본 논문의 결과를 요약하면 아래와 같다.
홀센서를 사용하여 모터의 현재위치 및 속도 계산을 하고 DC모터 모델링을 통한 토크 값을 계산하였다. 위치 초기화 기능을 통한 선루프의 위치별 부하
값을 데이터 베이스에 저장하였다. 현재 부하 값과 데이터 베이스에 저장된 부하 값의 비교를 통하여 자동반전 기능을 구현하였다.
기능 및 성능 확인을 위하여 RS232 통신을 통해 상위 컴퓨터로 모니터링하고, 자동반전 장비를 이용한 자동반전 시 토크값을 측정하였다. 실제 차량에
제어기를 부착하여 여러 가지 조건에서 기능 및 성능을 시험하였다. 이를 통하여 선루프 Ass’y 및 실차 장착 시에 오작동 여부를 확인하였으며, 자동반전
조건인 100[N] 이하에서 자동 반전하며 일반 구동 중에 오작동 여부는 장비를 통한 전압별로 측정 실험하여 정상 작동함을 확인하였다.
Acknowledgements
이 논문은 2018년도 울산과학대학교 교내 학술연구비 지원에 의해 연구되었음.
References
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Control of a DC Motor
Bai ShanLin, Park Kiheon, 2009, Speed Control of DC Motor using the Load Torque Observer
J Srisertpol, 2009, Estimation of DC motor variable torque using adaptive compensation
Haishui Zhu, 2010, Design on a DC Motor Speed Control
이름 Cao Rongmin, 2007, Model-free Learning Adaptive Control for DC Motor Rotate Speed
Systems
Y.S.E Ali, 2003, Microcontroller performance for DC motor speed control system
P. Alaeinovin, S. Chiniforoosh, J. Jatskevich, 2008, Evaluating Misalignment of Hall
Sensors in Brushless DC Motors, IEEE Electric Power Conference, pp. 1-6
P. Alaeinovin, J. Jatskevich, 2012, Filtering of Hall-Sensor Signal for Improved Operation
of Brushless DC Motors, IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol. 27, No. 2, pp. 547-549
P. Alaeinovin, J. Jatskevich, 2011, Hall-Sensor Signals Filtering for Improved Operation
of Brushless DC Motor, IEEE ISIE, pp. 613-618
N. Samoylenko, Qiang Han, J. Jatskevich, 2008, Dynamic Performance of Brushless DC
Motors with Unbalance Hall Sensors, IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol. 23, No.
3, pp. 752-763
저자소개
1976년 11월 8일 생. 2002년 원광대 전기전자공학부 졸업. 2004년 울산대 대학원 전기전자정보시스템공학부 졸업(석사). 2009년
동 대학원 졸업(공박). 2009년~2015년 동희홀딩스 전장사업실 책임연구원. 2015년~현재 울산과학대학교 전기전자공학부 부교수