KR100577575B1 - 자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도 추정방법 - Google Patents

자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도 추정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도 추정방법은, a)가속도 센서 신호와 갭 센서 신호를 동시에 사용하며, 2개의 적분기를 구비하는 하나의 속도 추정 알고리즘(프로그램)으로서의 자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도추정기를 구성하고, 필드로부터의 가속도 센서 신호와 갭 센서 신호를 상기 속도추정기로 각각 입력하는 단계; b)상기 입력된 가속도 센서 신호를 이중 적분하여 얻어진 출력과 상기 입력된 갭 센서 신호를 비교하는 단계; c) 상기 비교에서 두 신호 간에 오차가 있을 경우, 이 오차로부터 제2 추정기 이득을 통하는 한편 상기 가속도 센서 신호의 1차 적분 출력으로부터 제1 추정기 이득을 통하여, 그 두 추정기 이득의 출력을 합산하여 상기 가속도 센서 신호의 입력단측으로 피드백하는 단계; d) 상기 피드백 값을 상기 입력 가속도 센서 신호에 음의 값으로 더해 추정 속도를 보정하는 단계; 및 e) 상기 단계 c)에서 단계 d)까지의 과정을 오차가 0(zero)에 수렴할 때까지 반복 실행하여 최종 추정 속도를 얻는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 자기부상열차 마그네트의 수직방향의 속도를 추정할 때 가속도 센서와 갭 센서를 함께 사용하므로, 자기부상 시스템의 신뢰성 향상에 크게 기여할 수 있다.

Description

자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도 추정방법{Method for estimating vertical speed of a magnetically-levitated train magnet}
도 1은 종래의 속도 추정 방법으로서 가속도 신호를 적분한 속도 추정기의 개념도.
도 2는 종래의 속도 추정 방법으로서 갭 신호를 미분한 속도 추정기의 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도 추정방법의 개요를 보여주는 도면.
도 4는 갭 센서 및 가속도 센서로부터의 각각의 전달함수의 합의 이득 보드선도.
도 5는 갭 센서 및 가속도 센서로부터의 각각의 전달함수의 합의 위상 보드선도.
도 6은 갭 센서 및 가속도 센서로부터의 각 전달함수의 보드선도.
도 7은 본 발명에 채용되는 속도추정기에 있어서, 갭 센서가 고장난 경우의 가속도 센서만 사용한 자기부상 수직방향 속도추정기의 개념도.
도 8은 본 발명에 채용되는 속도추정기에 있어서, 가속도 센서가 고장난 경우의 갭 센서만 사용한 자기부상 수직방향 속도추정기의 개념도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
s : 라플라스 변환에서의 미분 연산자
H1 : 추정기 이득 H2 : 추정기 이득
acc : 가속도 신호 gap : 갭 신호
Figure 112005007134600-pat00001
: 추정된 속도 신호 101,102 : 적분기
본 발명은 자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도 추정방법에 관한 것으로서, 특히 자기부상열차 마그네트의 수직방향의 속도를 추정함에 있어서 가속도 센서 신호와 갭 센서 신호를 함께 사용함으로써 가속도 센서의 드리프트 문제와 갭 센서의 노이즈 문제를 동시에 해결하고, 자기부상열차가 추진할 때 마그네트의 상대 속도와 절대 속도를 동시에 추정할 수 있는 자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도 추정방법에 관한 것이다.
자기부상열차 마그네트의 수직방향의 속도를 추정할 때, 종래의 방법은 도 1에서와 같이 가속도 센서 신호를 적분하거나, 도 2에서와 같이 갭 센서 신호를 미분하였다. 이러한 종래의 방법은 가속도 센서만 사용할 때(도 1) 가속도 신호에 드리프트(drift) 문제가 있으면 추정된 속도에 오차가 발생할 수가 있고, 레일이 저주파수 성분을 가질 때 가속도 센서가 이 성분을 측정하기 곤란하다는 문제가 있 다. 그리고, 갭 센서만 사용할 때(도 2) 갭 센서에 노이즈가 있을 경우 이를 보상할 수 없어 추정된 속도 신호에 그대로 전달되고, 또 레일의 주파수 성분이 큰 경우에 추정된 속도 신호의 크기가 매우 클 수 있다는 문제가 있다.
또한, 도 1 및 도 2와 같이 가속도 센서 또는 갭 센서 하나만 속도 추정기에 사용할 때, 사용된 센서가 고장이 났을 경우, 속도 신호를 추정하지 못하는 문제가 발생한다.
본 발명은 이상과 같은 종래 기술에서의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 자기부상열차 마그네트의 수직방향의 속도를 추정함에 있어서 가속도 센서 신호와 갭 센서 신호를 함께 사용함으로써 가속도 센서의 드리프트 문제와 갭 센서의 노이즈 문제를 동시에 해결하고, 자기부상열차가 추진할 때 마그네트의 상대 속도와 절대 속도를 동시에 추정할 수 있는 자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도 추정방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도 추정방법은,
a) 가속도 센서 신호와 갭 센서 신호를 동시에 사용하며, 2개의 적분기를 구비하는 하나의 속도 추정 알고리즘(프로그램)으로서의 자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도추정기를 구성하고, 필드로부터의 가속도 센서 신호와 갭 센서 신호를 상기 속도추정기로 각각 입력하는 단계;
b) 상기 입력된 가속도 센서 신호를 이중 적분하여 얻어진 출력과 상기 입력된 갭 센서 신호를 비교하는 단계;
c) 상기 비교에서 두 신호 간에 오차가 있을 경우, 이 오차로부터 제2 추정기 이득을 통하는 한편 상기 가속도 센서 신호의 1차 적분 출력으로부터 제1 추정기 이득을 통하여, 그 두 추정기 이득의 출력을 합산하여 상기 가속도 센서 신호의 입력단측으로 피드백하는 단계;
d) 상기 피드백 값을 상기 입력 가속도 센서 신호에 음의 값으로 더해 추정 속도를 보정하는 단계; 및
e) 상기 단계 c)에서 단계 d)까지의 과정을 오차가 0(zero)에 수렴할 때까지 반복 실행하여 최종 추정 속도를 얻는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도 추정방법의 개요를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도 추정방법의 구현을 위해서는 도시된 바와 같이, 가속도 센서 신호(acc)와 갭 센서 신호(gap)를 동시에 사용하며, 2개의 적분기(101)(102)를 구비하는 하나의 속도 추정 알고리즘(프로그램)으로서의 자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도추정기를 우선 구성해야 한다. 이와 같은 속도추정기는 실제로 소프트웨어 프로그램으로 작성될 수 있다.
그러면, 그와 같은 구성이 되어 있음을 전제로 본 발명의 자기부상열차 마그 네트의 수직방향 속도 추정방법에 대해 설명해 보기로 한다.
먼저, 자기부상열차 마그네트의 가속도 신호(acc)를 제1,제2 적분기(101) (102)에 의해 이중 적분한 결과와 갭 신호(gap)를 비교한다. 이 비교에서 오차가 있을 경우, 이 오차는 추정기 이득
Figure 112005007134600-pat00002
와
Figure 112005007134600-pat00003
를 통하여 피드백되어 다시 가속도 신호 및 추정 속도 신호를 보상하게 된다. 만약 가속도 신호를 이중 적분하여 얻은 신호와 갭 센서 신호 사이에 오차가 없으면 피드백되는 신호는 0(zero)이 된다. 즉 각각의 적분기 출력 신호는 오차가 없다는 의미가 되고, 추정 속도 신호는 마그네트의 수직방향의 속도를 정확히 추정했다고 볼 수 있다.
종래의 속도 추정방식인 상기 도 1과 도 2는 개루프 방식이기 때문에 드리프트나 노이즈가 발생할 경우 오차를 수정할 수 없는 문제가 있지만, 본 발명에서의 속도 추정방식은 폐루프 방식이기 때문에 오차를 수정할 수 있는 장점이 있고, 도 7 및 도 8에서처럼 갭 센서와 가속도 센서 중의 어느 하나가 고장이 나도 안정적으로 속도를 추정할 수 있다.
도 3에서 가속도 신호로부터 구한 속도 신호인
Figure 112005007134600-pat00004
와 갭 신호로부터 구한 속도 신호인
Figure 112005007134600-pat00005
는 다음의 수식과 같이 구할 수 있다.
Figure 112005007134600-pat00006
그리고, 속도 신호
Figure 112005007134600-pat00007
로부터 추정
Figure 112005007134600-pat00008
속도 까지의 전달함수를
Figure 112005007134600-pat00009
, 속도 신호
Figure 112005007134600-pat00010
로부터 추정 속도
Figure 112005007134600-pat00011
까지의 전달함수를
Figure 112005007134600-pat00012
라 할 때, 각 전달함수
Figure 112005007134600-pat00013
,
Figure 112005007134600-pat00014
는 다음과 같다.
Figure 112005007134600-pat00015
그리고, 각 전달함수의 보드선도는 도 6과 같다.
그 결과 추정 속도
Figure 112005007134600-pat00016
는 다음의 수학식 3과 같이 속도 신호
Figure 112005007134600-pat00017
와
Figure 112005007134600-pat00018
의 선형 결합으로 주어지고, 각 전달함수의 합은 수학식 4와 같이 된다.
Figure 112005007134600-pat00019
Figure 112005007134600-pat00020
이 추정기의 속도 추정 특성은 추정기 이득
Figure 112005007134600-pat00021
와
Figure 112005007134600-pat00022
에 의해 결정된다. 즉 이 이득에 의해 2차 전달함수의 댐핑 상수와 고유주파수가 결정되고, 결정된 각 전달함수의 이득 보드선도와 위상 보드선도는 각각 도 4 및 도 5와 같다.
이때, 전형적인 2차 전달함수는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112005007134600-pat00023
그리고, 이 전달함수의 분모와 각 전달함수
Figure 112005007134600-pat00024
,
Figure 112005007134600-pat00025
의 분모를 같게 놓으면, 다음과 같이 정리된다.
Figure 112005007134600-pat00026
여기서 고유주파수
Figure 112005007134600-pat00027
와 댐핑 상수
Figure 112005007134600-pat00028
를 다음의 수학식 7과 같이 놓으 면, 추정기 이득
Figure 112005007134600-pat00029
와
Figure 112005007134600-pat00030
는 다음의 수학식 8과 같이 구해진다.
Figure 112005007134600-pat00031
Figure 112005007134600-pat00032
만약 도 7에서처럼 갭 센서가 고장이 나면 추정 속도는 다음의 수학식 9와 같이 가속도 신호만으로도 결정될 수 있다.
Figure 112005007134600-pat00033
그리고, 도 8에서처럼 가속도 센서가 고장이 나면 추정 속도는 다음의 수학식 10과 같이 갭 신호만으로도 결정될 수 있다.
Figure 112005007134600-pat00034
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도 추정방법은 자기부상열차 마그네트의 수직방향의 속도를 추정할 때 가속도 센 서와 갭 센서를 함께 사용하므로, 가속도 센서의 드리프트 문제와 갭 센서의 노이즈 문제를 동시에 해결할 수 있고, 어느 일측의 센서가 고장이 나도 속도를 안정적으로 추정할 수 있어 자기부상 시스템의 신뢰성 향상에 크게 기여할 수 있다. 그리고, 자기부상열차가 추진할 때 마그네트의 상대 속도와 절대 속도를 동시에 추정할 수 있어, 자기부상열차가 고속으로 추진할 때 온갖 형상의 레일이 있다하더라도 항상 안정성을 유지할 수 있도록 하는 장점이 있다.

Claims (4)

  1. a) 가속도 센서 신호와 갭 센서 신호를 동시에 사용하며, 2개의 적분기를 구비하는 하나의 속도 추정 알고리즘(프로그램)으로서의 자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도추정기를 구성하고, 필드로부터의 가속도 센서 신호와 갭 센서 신호를 상기 속도추정기로 각각 입력하는 단계;
    b) 상기 입력된 가속도 센서 신호를 이중 적분하여 얻어진 출력과 상기 입력된 갭 센서 신호를 비교하는 단계;
    c) 상기 비교에서 두 신호 간에 오차가 있을 경우, 이 오차로부터 제2 추정기 이득을 통하는 한편 상기 가속도 센서 신호의 1차 적분 출력으로부터 제1 추정기 이득을 통하여, 그 두 추정기 이득의 출력을 합산하여 상기 가속도 센서 신호의 입력단측으로 피드백하는 단계;
    d) 상기 피드백 값을 상기 입력 가속도 센서 신호에 음의 값으로 더해 추정 속도를 보정하는 단계; 및
    e) 상기 단계 c)에서 단계 d)까지의 과정을 오차가 0(zero)에 수렴할 때까지 반복 실행하여 최종 추정 속도를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도 추정방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 추정 속도(
    Figure 112005007134600-pat00035
    )는
    Figure 112005007134600-pat00036
    의 수식관계에 의해 얻는 것을 특징으로 하는 자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도 추정방법.
    (단,
    Figure 112005007134600-pat00037
    ,
    Figure 112005007134600-pat00038
    의 수식관계를 가지며, s: 라플라스 변환에서의 미분 연산자, H1,H2:추정기 이득, acc: 가속도 신호, gap:갭신호 )
  3. 제1항에 있어서, 상기 추정 속도(
    Figure 112005007134600-pat00039
    )는 갭 센서가 고장난 경우
    Figure 112005007134600-pat00040
    의 수식관계에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도 추정방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 추정 속도(
    Figure 112005007134600-pat00041
    )는 가속도 센서가 고장난 경우
    Figure 112005007134600-pat00042
    의 수식관계에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 자기부상열차 마그네트의 수직방향 속도 추정방법.
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