KR100362129B1 - 반능동댐퍼 - Google Patents

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KR100362129B1
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control
force
damper
semi
valve
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KR1019950019755A
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필립쁘브와쇼
레지스키라
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지이씨 알스톰 트랜스포트 에스에이
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Abstract

본 발명은 댐퍼의 역 모델(15)로 구성된 직접 제어 루프(19)를 포함하는 제어 회로에 의해 제어되는 반능동 댐퍼에 관한 것이다. 상기 댐퍼의 상기 역 모델(15)은 상기 댐퍼의 2개 단부들 사이의 상대 속도()에 대한 측정치와 작용력 기준치(Fc)에 근거하여 제어-한정식 압축 밸브(9)와 제어-한정식 팽창 밸브(10)를 제어하기 위한 전류(ith)에 대한 이론치를 결정한다. 본 발명에 의한 상기 반능동 댐퍼는 레일식 승용 차량용의 횡방향 보조 현가 장치로서 적용가능하다.

Description

반능동 댐퍼{A Semi-Active Damper}
본 발명은 통상 유압 댐퍼를 제어하기 위한 관계식에 관한 것으로, 특히 반능동 댐퍼에 관한 것이다.
레지 나시오날르 데 우지네 르노(Regic Nationale des Usines Renault) 명의의 프랑스 공화국 특허 제 2,660,705호 및 제2,667,908호는 자동차 현가 장치 내의 유압 가동기(actuator)의 작용력의 서보 제어에 관한 것이다.
전술한 상기 장치는 쿼드라틱 기준치(quadratic criterion)를 최소화함으로써 최적화된 제어 이론을 적용하여 달성되는 능동 현가 장치를 형성한다.
"능동 현가 장치"라는 용어는 관련되는 동력이 아주 높은 수준인 유압, 공기압 또는 전기 에너지일 수 있는 에너지 발생을 이용하는 현가 장치에 사용된다.
또한, 현가 장치는 공급되는 주요 동력이 없이도 제어되는 가변 특징을 가질 때 "반능동"으로 된다.
차량의 센서들에 의해 수행되는 측정을 고려한 제어 관계식과 상기 차량의 전형적인 이동은 현가 장치가 상기 소정의 기준치를 최소화하기 위해 임의의 순간에 작용될 필요가 있는 작용력을 계산하는 것을 가능하게 한다.
예컨대, 상기 기준치는 진동을 감소시키거나 또는 진폭을 제한하고자 하는 것이다.
이러한 방법으로 계산된 작용력은 현가 장치의 부재들이 추종해야 하는 기준 작용력을 형성한다. 그 후에, 이러한 부재들은 작용력에 대한 부 피드백 루프(negative feedback loop)를 갖는 서보 제어식 작용력 발생기로서 작용한다.
이상적인 상황하에서는, 차량 각각의 현가 장치 부재에 대응되는 각각의 작용력 서보 제어 루프가 고압으로 동력화된 유압 가동기에 의해 실행되고 작용력 센서와 서보 밸브를 구비한다.
예컨대, 프랑스 공화국 특허 제2,660,705호 및 제2,667,907호에 이러한 문제에 대한 해결책이 개시되어 있다.
상기 특허 제2,660,705호로부터, 자동차의 현가 장치에 대한 경우에 있어서와 같이 상기 가동기가 상대적으로 낮은 주파수에서 큰 진폭 운동을 하게 될 때, 상기 가동기로써 작용력 서보 제어를 달성하기가 어렵다는 본질적인 문제점이 있다는 것을 알 수 있다.
다시 말하면, 이러한 어려움은 현저히 가변될 수 있는 임피던스(impedance)를 갖는 자동차 현가 장치에 발생하게 된다.
상기 특허 제2,660,705호는 상기 가동기의 양 단부들 사이의 측정된 상대 속도를 기초로 하여 서보 밸브의 제어 전류를 보정하기 위한 보정기(corrector)를 개시하고 있다.
따라서, 상기 특허 제2,660,705호 내에 설명된 장치는 작용력 서보 제어를 위한 주 피드백 루프(main feedback loop) 상에서 중첩(superpose)되는 정 보정 루프(positive correction loop) 내에 합체된 상기 서보 밸브의 역 모델을 이용한다.
선행 기술에 의한 장치의 다른 특징은 또한 사용되는 역 서보 밸브 모델(inverse servo valve model)이 측정된 바와 같은 상대 속도 외에도 측정된 바와 같이 구체화되는 작용력을 고려한다는 것이다.
선행 기술에 의한 장치는 상기 장치가 고압의 유압 발생기 시스템을 구비한다는 점에서 능동적이 되는 현가 장치를 형성한다.
본 발명에 의한 상기 반능동 댐퍼의 장점은, 본 발명에 의한 장치가 제어 작용 하에서 가변되는 댐핑 관계식을 생성한다는 점에서 반능동 장치를 형성하기 때문에 상기 장치가 유압 발생기를 구비하지 않는다는 것이다.
기존의 댐퍼 장치의 다른 제한은 댐핑 관계식이 특성상 일정하고 구성에 따라 "고정(frozen)"된다는 것이다.
본 발명의 목적은 레일식 차량의 진동 쾌적성을 향상시킬 수 있는 반능동 댐퍼를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기적 제어 장치가 내장되어 있는 경우 이미 시판된 레일식 차량의 쾌적성을 향상시킬 수 있는 반능동 댐퍼를 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 제어 회로에 의해 제어되는 반능동 댐퍼는 상기 제어 회로가 상기 댐퍼의 역 모델에 의해 형성된 직접 제어 루프(direct control loop)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 다음의 특성들 중의 적어도 하나를 만족하는 제어 회로에 의해 제어되는 반능동 댐퍼를 제공한다. 즉,
상기 댐퍼의 역 모델은, 상기 댐퍼의 양 단부 사이의 상대 속도에 대한 측정치에 근거하고 또한 작용력 기준치(Fc)에 근거하여 제어-한정식 압축 밸브 및 제어-한정식 팽창 밸브를 제어하기 위한 이상적인 제어 전류(ith)에 대한 값을 결정하고,
작용력 피드백은 상기 작용력 기준치(Fc)와 실제 작용하는 작용력(F)의 측정치 사이의 작용력 오차(εF)를 고려하기 위해 상기 이상적인 제어 전류(ith) 내에 비례 보정항(δi)을 구비하고,
상기 댐퍼의 역 모델은 다음의 관계식으로 형성된다.
이 때, K13및 K23은 가동기의 크기, 오일의 물리적 특성 및 유압 제어-한정식 밸브의 유동을 응답에 따른 양수이다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 의한 반능동 댐퍼의 장점은 에너지원, 펌프 또는 압축기를 필요로 하지 않는다는 것이다.
본 발명에 의한 반능동 댐퍼의 다른 장점은 상기 댐퍼의 댐핑 관계식이 자체적으로 제어되어 연속적으로 다수의 상대적인 작용력-속도 관계식을 실행시키는 것을 가능하게 하는 것이다.
본 발명에 의한 반능동 댐퍼의 또 다른 장점은 기존의 댐퍼가 단순히 전기 배선(electrical wiring)을 변경하는 비용으로 제어식 댐퍼 부재로 대체된다는 것이다.
본 발명에 의한 반능동 댐퍼의 또 다른 장점은 이상 상태(fault condition)하의 댐퍼의 작동이 기존의 댐퍼와 동일하다는 것이다.
본 발명에 의한 반능동 댐퍼의 또 다른 장점은 고려되는 차량의 형태에 따라 진동 쾌적성이 20% 내지 50% 향상된다는 것이다.
본 발명에 의한 반능동 댐퍼의 또 다른 장점은 상기 댐퍼의 역 모델을 이용함에 기인한다.
상기 댐퍼의 역 모델을 이용함으로써 전술한 바와 같이 선행 기술 수준에서 수행되었던 것처럼 측정된 상대 속도 및 최종 작용력에 근거하지 않고 측정된 상대 속도 및 작용력 기준치의 함수로서 서보 밸브에 대한 제어 전류를 결정할 수 있다.
본 발명에 의한 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 설명되는 반능동 댐퍼의 양호한 실시예에 대한 이하의 상세한 설명에 의해 명백해질 것이다.
제1도는 본 발명에 의한 제어식 반능동 댐퍼의 원리를 도시하는 도면이다.
본 발명에 의한 상기 제어식 반능동 댐퍼는 이 조립체가 가동기(14)를 형성하도록 로드(rod, 3)를 갖춘 견고한 피스톤(2)이 그 속에서 활주하는 본체(1)를 구비한다.
상기 피스톤(2)은 압축 챔버로 불리는 제1 챔버(4)와 팽창 챔버로 불리는 제2 챔버(5)를 형성한다.
상기 본체(1)는 예컨대 유압 오일과 같은 유체(6)로 충전되어 있다.
반능동 댐퍼는 압축 밸브로 불리는 제1 비복귀(non-return) 밸브(7) 및 팽창 밸브로 불리는 제2 비복귀 밸브(8)를 또한 포함한다.
전기적으로 제어되는 제1 및 제2 유압 한정식 밸브(9, 10)는 제1 제어-한정식 압축 밸브(9)와 제2 제어-한정식 팽창 밸브(10)를 포함한다.
상기 반능동 댐퍼는 한 챔버에 의해 형성된 이미 충전된 올레오식 공기압 축압기(oleopnumatic accumulator, 11)를 또한 포함하고 있다.
이러한 축압기(11)는 가압된 비활성 가스와 상기 가스가 그 압력을 연통시키는 유압식 오일을 보유하는 고정 체적을 형성한다.
상기 2개의 유체는 멤브레인(membrane) 또는 블래더(bladder)에 의해 통상 물리적으로 분리된다.
상기 축압기의 기능에는, 첫째 상기 댐퍼가 완전히 압축될 때 상기 로드의 체적에 해당하는 오일의 체적을 흡수하는 것과, 둘째 상기 유압 회로내에서 적어도 최소 압력을 유지하는 것이 있다.
압축 밸브(7)와 제어-한정식 팽창 밸브(10)는 병렬로 연결되고, 팽창 챔버(5)와 축압기(11)의 챔버 사이에 배치되어 있다.
팽창 밸브(8)와 제어-한정식 압축 밸브(9)는 병렬로 연결되고, 압축 챔버(4)와 축압기(11)의 챔버 사이에 배치되어 있다.
최종적으로, 반능동 댐퍼는 작용력 센서(12)와 상대 속도 센서(13)를 포함하고 있다.
제2도는 본 발명의 반능동 댐퍼의 제어 방법을 도시하는 블록 다이아그램이다.
제2도에서 사용된 참조 부호와 그 의미는 다음에 나열되어 있다.
Fc : 작용력 기준치.
F : 실제 작용력.
Fm : 센서에 의해 측정된 실제 작용력.
εF : 작용력 오차, εF = Fc - Fm.
: 댐퍼의 양 단부 사이의 상대 속도.
i : 제어-한정식 밸브를 제어하기 위한 전류.
ith: 작용력 Fc를 얻기 위해 상기 역 모델을 이용하여 결정된, 제어-한정식 유압 밸브에 적용되는 이상적인 제어 전류.
δi: 상기 작용력 오차를 고려하기 위한 i = ith+ δi에 대한 추가 보정항.
본 발명에 의한 제어식 반능동 댐퍼의 유압 작용은 제1도 및 제2도를 참조하여 아래에서 설명한다.
본 발명에 의한 제어식 반능동 댐퍼의 유압 작동은 2개의 단계로 구분될 수 있다. 즉, 제1 단계는 제1도의 화살표(C)로 표시된 압축 단계라 하고, 제2 단계는 제1도의 화살표(D)로 표시된 팽창 단계라 한다.
상기 압축 단계 중에 피스톤(2)은 상기 가동기의 본체(1) 내로 통과하고, 상기 팽창 단계 중에 상기 피스톤(2)은 상기 가동기의 본체(1)에 대해 외향으로 이동한다.
상기 압축 단계에서, 압축 챔버(4) 내에 보유된 유체(6)는 압축된다. 이 비복귀 팽창 밸브(8)는 밀폐되어 상기 유체가 제어-한정식 압축 밸브(9)를 강제적으로 통과하게 한다.
비복귀 팽창 밸브(7)는 상기 유체(6)가 제어-한정식 팽창 밸브(10)를 단락시키고 또한 상기 팽창 챔버(5)를 자유로이 충전시키도록 한다.
제어-한정식 압축 밸브(9)에 작용된 제어 작용은 압축 챔버(4) 내의 압력 수준을 제어하고, 따라서 압축시에 작용된 반력을 제어하도록 작용한다.
상기 팽창 단계에서, 상기 부재들의 기능은 거꾸로 된다.
제어-한정식 팽창 밸브(10)는 팽창 챔버(5)로부터 축압기(11)의 챔버내로의 유체(6)의 유동을 제어하여, 팽창력이 조절될 수 있게 한다.
비복귀 팽창 밸브(8)는 작동되어서 상기 유체(6)가 팽창 챔버(5)로부터 축압기(11)의 챔버 내로의 자유 이동을 가능하게 한다.
제어-한정식 압축 및 팽창 밸브(9, 10)는 항상 속도에 대항하는 댐핑력을 조절하기 위한 이러한 방법으로 (양호하게는 전기적으로) 제어된다.
댐핑 현상이 소산 시스템(dissipative system)을 유지시킨다는 것은 상기 내용에서 기인한다.
인가되는 작용력의 조절은 상기 작용력을 (도시되지 않은) 컴퓨터에 의해 발생된 작용력 기준치(Fc)로 서보 제어하는 것을 가능하게 한다.
기본적인 문제점은 작용력 기준치(Fc)를 달성하기 위해 제어-한정식 압축 및 팽창 밸브(9, 10)에 인가되는 제어 전류(i)를 결정하는 것을 포함한다.
이 관계식을 이용함으로써, 압축 단계 및 팽창 단계 동안에 공히 일정 속도로 상기 댐퍼의 각 챔버에 대한 체적 유동율의 전형적인 평형은 상기 댐퍼의 역 모델(15)에 의해 얻어진 전류(ith), 순간 상대 속도()및 댐핑력 사이의 간단한 관계식을 추론할 수 있게 하였다.
예를 들면, 팽창 단계에서, 이러한 관계식은 다음의 방정식으로 주어진다.
여기서, F는 작용된 댐핑력이고, ρ는 오일의 밀도이고, S1은 피스톤 로드가 없고 측면에 압력이 가해지는 상기 피스톤의 단면적이고, S2는 피스톤 로드가 있고 측면에 압력이 가해지는 상기 피스톤의 단면적이고, St는 상기 로드의 단면적이고,는 상대 속도이고, Gi는 제어-한정식 밸브의 압력 응답이고, i는 제어 전류이고, Cd는 비복귀 팽창 밸브의 유동을 계수이고, A31는 비복귀 팽창 밸브의 기하학적 유동 단면적이고, △P31는 상기 축압기와 흡입 챔버 사이의 수두 손실이고, P3는 상기 축압기 내의 압력이고, Pe는 대기압이다.
소정의 작용력(Fc)과 측정된 속도()의 함수로서 제어 부재에 적용하기 위한 전류(ith)에 대한 조사가 행해지기 때문에, 이러한 댐퍼 모델을 이용하는 것은 상기 댐퍼의 역 모델(15)을 사용하는 것에 상당한다.
댐핑 관계식을 수립함에 있어서의 간단함과 상기 댐퍼의 역 모델의 간단함으로 인하여, 비례 보정항(δi)은 작용력 피드백 루프(16)에 의해 도입되게 된다.
인가되는 작용력(F)의 측정치(Fm)를 제공하기 위하여 작용력 센서(12)를 사용함으로써 기준치(Fc)와 측정 작용력(Fm) 사이의 오차 신호(εF)를 발생시키는 것이 가능하게 된다.
이러한 오차 신호(εF)는 제어-한정식 밸브(9, 10)의 제어 전류(i)에 대한 추가 보정항(δi)을 제공하는 보정기(17)에 인가된다.
상대 속도()의 값은 속도 피드백 루프(18)를 통해 상기 댐퍼의 역 모델(15) 내로 삽입된다.
속도 피드백 루프(18)는 속도 센서(13)를 포함한다.
이상적인 제어 전류(ith)의 값은 상기 댐퍼의 역 모델(15)에 의해 결정된다.
이러한 이상적인 제어 전류(ith)는 직접 제어 루프(19)를 통해 작용력(Fc)을 얻기 위해 제어-한정식 유압 밸브에 인가된다.
상기 직접 제어 루프(19)는, 예컨대 아래의 관계식에 의해 정의되는 상기 댐퍼의 역 모델(15)을 포함한다.
여기서, K13및 K23은 가동기의 크기, 오일의 물리적 특성, 및 제어-한정식 유압 밸브의 유동율 응답에 따르는 양수이다.
본 발명에 의한 반능동 댐퍼는 레일식 승용 차량용의 횡방향 보조 현가 장치로서 적용할 수 있다.
제1도는 본 발명에 의한 제어식 반능동 댐퍼의 원리를 도시하는 도면.
제2도는 본 발명에 의한 제어식 반능동 댐퍼의 제어 회로의 블록 다이아그램.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 가동기 본체 2 : 피스톤
9 : 제어-한정식 압축 밸브 10 : 제어-한정식 팽창 밸브
11 : 축압기 15 : 역 모델
16 : 작용력 피드백 루프 19 : 직접 제어 루프

Claims (2)

  1. 컴퓨터에 의해 발생된 작용력 기준치(Fc) 및 댐퍼의 두 개의 단부들 사이에 상대 속도()를 입력 신호로 수용하는 제어 회로에 의해 제어되고, 상기 제어 회로는 직접 제어 루프(19) 및 작용력 피드백 루프(16)를 포함하며, 상기 직접 제어 루프는 단순화된 댐퍼의 역 모델을 포함하고, 상기 댐퍼의 역 모델(15)은 상기 상대 속도()의 측정치와 작용력 기준치(Fc)에 기초하여 제어 한정식 압축 밸브(9)와 제어 한정식 팽창 밸브910)를 제어하기 위한 이상적인 제어 전류(ith)의 값을 결정하고, 상기 작용력 피드백 루프는 상기 작용력 기준치(Fc)와 실제 작용된 작용력((F)의 측정치 사이의 작용력 오차(εF)를 고려하도록 상기 이상적인 제어 전류(ith) 내에 비례형 보정항(δi)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반능동 댐퍼.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 댐퍼의 상기 역 모델(15)은 다음의 식으로 정의 되는 것을 특징으로 하는 반능동 댐퍼.
    여기서, K13및 K23은 가동기의 크기, 오일의 물리적 특성 제어-한정식 유압 밸브의 유동을 응답에 따르는 양수이다.
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