KR100954565B1 - 자기부상열차의 대차에서 전자석 편심 배치를 이용한 횡방향 댐핑 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기부상열차(URBAN TRANSIT MAGLEV)의 대차에서 전자석 편심 배치(ELECTRO-MAGNET ECCENTRIC ARRANGEMENT)를 이용한 횡 방향 댐핑 제어(LATERAL DAMPING CONTROL) 방법에 관한 것에 관한 것이다.

이와 같은 본 발명은 자기부상열차의 대차에서 전자석 편심 배치를 이용하여 횡 방향 댐핑을 제어해서 차량의 운행 중에 발생하는 횡 방향 진동을 억제하도록 한다.

따라서 차량의 운행 중에 횡 방향 진동이 억제되기 때문에, 차량의 운행 중 승차감이 향상되고 차량의 속도 증가 시 대차의 안정성이 향상되는 효과가 있다.

Description

자기부상열차의 대차에서 전자석 편심 배치를 이용한 횡 방향 댐핑 제어 방법{METHOD FOR LATERAL DAMPING CONTROL BY USING ELECTRO-MAGNET ECCENTRIC ARRANGEMENT ON THE TRUCK OF URBAN TRANSIT MAGLEV}

본 발명은 자기부상열차(URBAN TRANSIT MAGLEV)의 대차에서 전자석 편심 배치(ELECTRO-MAGNET ECCENTRIC ARRANGEMENT)를 이용한 횡 방향 댐핑 제어(LATERAL DAMPING CONTROL) 방법에 관한 것으로, 특히, 자기부상열차의 대차에서 전자석 편심 배치를 이용하여 횡 방향 댐핑을 제어해서 차량의 운행 중에 발생하는 횡 방향 진동을 억제하도록 하는 방법에 관한 것이다.

현재 국내에서 개발한 상전도 흡인식 도시형 자기부상열차는 전자석과 궤도의 자기력에 의한 흡인력을 이용한 부상 방식을 사용한다.

일차 현가장치 역할을 하는 전자석의 부상제어를 위하여 갭 센서와 수직방향 가속도 센서를 이용하여 전자석과 궤도의 일정 공극(약 10mm)을 유지하도록 대차의 각 코너별로 전류를 제어한다.

또한, 대차와 차체 사이에 2차 현가장치인 공기스프링과 경사형 오일 댐퍼를 장착하여, 수직방향 및 횡 방향에 대한 대차의 진동이 차체로 전이되는 것을 억제한다.

하지만, 이와 같은 기술로는 대차의 진동을 완전히 흡수할 수 없기 때문에, 주행안정성을 위해서는 전자석의 부상, 안내 제어, 및 적절한 대차의 구조 설계가 매우 중요하다.

이와 관련하여, 종래 자기부상열차의 대차에서는 수직방향에 대한 전자석의 운동만을 능동적으로 제어했을 뿐이고, 횡 방향에 대한 전자석의 운동은 능동적으로 제어하지 않았다. 즉, 횡 방향으로는 전자석의 편심 배치에 의한 순수 안내력 만을 이용하였다.

한편, 대차의 횡 방향 안내가 원활히 수행되지 못했을 경우를 대비하여 비상안내장치(Guidance Wheel)를 설치했고, 대차 내측 면에 버퍼(buffer)를 장착해서 대차의 횡 방향 최대변위에 대응하였다.

그러나 이와 같은 종래의 기술에 있어서는 대차의 횡 방향 운동에 대하여 능동적으로 대비할 수 없기 때문에, 차량의 횡 방향 진동에 의거하여 차량의 운행 중 승차감이 떨어지는 결점이 있다.

또한, 차량의 횡 방향 진동에 의거하여 차량의 속도 증가 시 대차의 안정성이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위하여 안출한 것으로, 자기부상열차의 대차에서 전자석 편심 배치를 이용하여 횡 방향 댐핑을 제어해서 차량의 운행 중에 발생하는 횡 방향 진동을 억제하도록 하는 자기부상열차의 대차에서 전자석 편심 배치를 이용한 횡 방향 댐핑 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여,

본 발명의 일 형태에 따르면, 각 코너에 횡 방향 가속도센서가 각기 설치되고, 좌측 및 우측 궤도에 대해서 바깥쪽으로 전자석 1이 좌측 및 우측에 각기 편심 배치되며, 상기 좌측 및 우측 궤도에 대해서 안쪽으로 전자석 2가 좌측 및 우측에 각기 편심 배치된 구성을 갖는 대차를 구비하는 자기부상열차에서 횡 방향 댐핑 제어 방법으로서, 상기 각 가속도센서의 각 가속도 측정값을 이용하여 댐핑 요소(damping factor)를 구하고, 상기 댐핑 요소를 상기 전자석 1의 코일과 전자석 2의 코일에 제공되는 각 전류값에 각기 가감하여, 상기 각 전자석이 상기 궤도에 대해서 일정한 편심을 유지하도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 Kyp는 상기 대차의 횡 방향 속도 성분 게인(gain)이고, YP(n)는 현재 상기 대차의 횡 방향 속도 성분이며, 쵸퍼 1, 2가 상기 전자석 1, 2의 각 코 일에 전류를 각기 제공할 때, 상기 대차 좌측의 경우, 상기 쵸퍼 1의 최종 출력은 상기 쵸퍼 1의 기존 출력 + Kyp*YP(n)이고, 상기 쵸퍼 2의 최종 출력은 상기 쵸퍼 2의 기존 출력 - Kyp*YP(n); 상기 대차 우측의 경우, 상기 쵸퍼 1의 최종 출력은 상기 쵸퍼 1의 기존 출력 - Kyp*YP(n)이고, 상기 쵸퍼 2의 최종 출력은 상기 쵸퍼 2의 기존 출력 + Kyp*YP(n)임을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 횡 방향 가속도센서는 대역폭(Bandwidth)이 직류 내지 100Hz인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 전자석은 H자 형태인 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 자기부상열차의 대차에서 전자석 편심 배치를 이용하여 횡 방향 댐핑을 제어해서 차량의 운행 중에 발생하는 횡 방향 진동을 억제하도록 한다.

따라서 차량의 운행 중에 횡 방향 진동이 억제되기 때문에, 차량의 운행 중 승차감이 향상되고 차량의 속도 증가 시 대차의 안정성이 향상되는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 자기부상열차의 대차를 나타낸 도면으로, 대차 프레임에 오일 댐퍼, 공기 스프링, 견인 장치, 비상안내장치, 타이빔, 전자석, 선형 유 도 전동기, 기초 제동 장치, 및 비상 착지 장치가 형성된다.

도 2는 도 1에 도시된 자기부상열차의 대차에서 전자석 편심 배치를 나타낸 도면으로, 각 코너 1, 2, 3, 4에 횡 방향 가속도센서가 각기 설치되고, 좌측 및 우측 궤도에 대해서 바깥쪽으로 전자석 1이 좌측 및 우측에 각기 편심 배치되며, 좌측 및 우측 궤도에 대해서 안쪽으로 전자석 2가 좌측 및 우측에 각기 편심 배치된 대차를 구비한다.

이와 같은 대차에서 각 가속도센서의 각 가속도 측정값을 이용하여 댐핑 요소를 구하고, 상기 댐핑 요소를 전자석 1의 코일과 전자석 2의 코일에 제공되는 각 전류값에 각기 가감하여, 각 전자석이 궤도에 대해서 일정한 편심을 유지하도록 한다. 상기 횡 방향 가속도센서는 대역폭이 직류 내지 100Hz이다. 상기 전자석은 H자 형태이다.

도 3은 본 발명에 따른 횡 방향 댐핑 요소의 보드 다이어그램(Bode Diagram)이다.

도 1 내지 도 3에 있어서, 횡 방향 댐핑을 제어하기 위한 횡 방향 속도 성분(Absolute Lateral Velocity)을 YP, 횡 방향 가속도를 ACC_L이라 하면, 수학식 1과 같이 2차 대역통과 필터를 통과한 전달함수 형태로 횡 방향 속도 성분을 나타낼 수 있다. 이때, 상기 횡 방향 가속도 센서는 대차의 전면 방향에 대하여 좌측은 (+), 우측은 (-) 부호를 갖고, ω_c는 컷오프 주파수(cut-off frequency)[rad/s]이고, ξ는 댐핑률(damping ratio)이다.

YP(s)=(ω_cs/(s²+2ξω_cs+ω_c ²))×ACC_L(s)

예로, f_c=13Hz, 댐핑률=0.5로 가정하면, ω_c=2πf_c=81.68이므로 YP(s)는 수학식 2와 같다. 이때, 주파수 특성은 도 3과 같다.

YP(s)=(82s/(s²+82s+6672))×ACC_L(s)

이와 같은 것을 이용하여 YP성분을 계산하고, 도 2의 가속도 방향을 고려하여 다음과 같이 각 전자석에 PWM(Pulse-Width Modulation) 방식으로 전류를 각기 제공하는 각 쵸퍼의 PWM 출력을 계산하고 적절한 횡 방향 속도 성분 게인을 튜닝(tuning)하여 적용한다. 이때, Kyp는 횡 방향 속도 성분 게인이고, YP(n)는 계산된 현재 횡 방향 속도 성분이며, 쵸퍼 1, 2는 전자석 1, 2의 각 코일에 전류를 각기 제공한다.

먼저 대차 좌측의 경우, '쵸퍼 1의 최종 출력'은 '쵸퍼 1의 기존 출력 + Kyp*YP(n)'이고, '쵸퍼 2의 최종 출력'은 '쵸퍼 2의 기존 출력 - Kyp*YP(n)'이다.

다음 대차 우측의 경우, '쵸퍼 1의 최종 출력'은 '쵸퍼 1의 기존 출력 - Kyp*YP(n)'이고, '쵸퍼 2의 최종 출력'은 '쵸퍼 2의 기존 출력 + Kyp*YP(n)'이다.

쵸퍼의 출력 제어는 디지털 신호 처리기에 의해 디지털 신호 처리하므로 위 전달함수를 'Bilinear Transform'하여 적용할 수 있다. 이때, 's=2*Fs*(z- 1)/(z+1)'을 대입하고, 댐핑 요소는 0.5로 한다.

따라서, 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

YP(z)/ACC_L(z)=(2F_sω_cz²-2F_sω_c)/((4F_s ²+2F_sω_c+ω_c ²)z²+2(ω_c+2F_s)(ω_c-2F_s)z+4F_s ²-2F_sω_c+ω_c ²)

결국, 'K=4Fs^2+2FsWc+Wc^2'이라고 하고, 순환(Recursive) 식을 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

YP(n)=(2FsWc/K)*ACC_L(n)-(2FsWc/K)*ACC_L(n-2)-{2(Wc+2Fs)(Wc-2Fs)/K}*YP(n-1)-{(4Fs2-2FsWc+Wc2)/K}*YP(n-2)

이와 같은 본 발명에서 대차의 편심 배치 방식 변경, 대차의 구조 변경, 센서의 위치 변경, 및 각 코너의 종합적인 제어 방식이 가능할 경우 그에 알맞은 형태의 횡 방향 안내 제어 기법으로 변경할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상 의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

도 1은 본 발명에 따른 자기부상열차의 대차를 나타낸 도면,

도 2는 도 1에 도시된 자기부상열차의 대차에서 전자석 편심 배치를 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 따른 횡 방향 댐핑 요소의 보드 다이어그램이다.

Claims (4)

1. 각 코너에 횡 방향 가속도센서가 각기 설치되고, 좌측 및 우측 궤도에 대해서 바깥쪽으로 전자석 1이 좌측 및 우측에 각기 편심 배치되며, 상기 좌측 및 우측 궤도에 대해서 안쪽으로 전자석 2가 좌측 및 우측에 각기 편심 배치된 구성을 갖는 대차를 구비하는 자기부상열차에서 횡 방향 댐핑 제어 방법으로서,

   상기 각 가속도센서의 각 가속도 측정값을 이용하여 댐핑 요소를 구하고, 상기 댐핑 요소를 상기 전자석 1의 코일과 전자석 2의 코일에 제공되는 각 전류값에 각기 가감하여, 상기 각 전자석이 상기 궤도에 대해서 일정한 편심을 유지하도록 하고,

   상기 횡 방향 가속도센서는 대역폭이 직류 내지 100Hz인 것을 특징으로 하는 차상 이중화 자동열차제어장치의 절체 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   Kyp는 상기 대차의 횡 방향 속도 성분 게인(gain)이고, YP(n)는 현재 상기 대차의 횡 방향 속도 성분이며, 쵸퍼 1, 2가 상기 전자석 1, 2의 각 코일에 전류를 각기 제공할 때,

   상기 대차 좌측의 경우, 상기 쵸퍼 1의 최종 출력은 상기 쵸퍼 1의 기존 출력 + Kyp*YP(n)이고, 상기 쵸퍼 2의 최종 출력은 상기 쵸퍼 2의 기존 출력 - Kyp*YP(n);

   상기 대차 우측의 경우, 상기 쵸퍼 1의 최종 출력은 상기 쵸퍼 1의 기존 출 력 - Kyp*YP(n)이고, 상기 쵸퍼 2의 최종 출력은 상기 쵸퍼 2의 기존 출력 + Kyp*YP(n)임을 특징으로 하는 차상 이중화 자동열차제어장치의 절체 방법.
3. 삭제
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 전자석은 H자 형태인 것을 특징으로 하는 차상 이중화 자동열차제어장치의 절체 방법.

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