KR101223603B1 - 액추에이터 고장 진단 시스템 - Google Patents

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Abstract

액추에이터 고장 진단 시스템이 제공된다. 본 액추에이터 고장 진단 시스템은, 외부 네트워크에 액추에이터의 데이터 신호 및 제어 신호를 송수신하는 네트워크부, 네트워크부의 데이터 및 제어 명령의 전송 지연 또는 분실을 보상하는 네트워크 보상부, 액추에이터 내부에 설치된 센서와 내장된 마이크로프로세서를 이용하여, 액츄에이터의 고장 종류를 판단하는 고장 판단부 및 고장 진단부에 의해 판단된 액추에이터의 고장의 종류에 따라, 고장 사실을 네트워크부를 통해 외부 네트워크로 전송하거나 자체적으로 고장을 보상하는 고장 대처부를 포함한다. 이에 의해, 입력된 데이터만을 이용하여 네트워크부에서 전송 지연되거나 손실되는 정보를 추정하여 보상하고, 액추에이터의 고장 종류에 따라, 액추에이터가 고장을 자체 진단하여 대처함으로써, 외부 관리자가 대처해야 하는 고장의 종류가 획기적으로 감소할 수 있게 된다.

Description

액추에이터 고장 진단 시스템{System for diagnosing error of actuator}
본 발명은 액추에이터 고장 진단 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각 노드 사이의 정보를 실시간으로 교환하는 네트워크 제어 시스템에서의 액추에이터 고장 진단 시스템에 관한 것이다.
최근의 통신 및 네트워크 기술의 비약적인 발전은 네트워크 제어 시스템의 개발을 가속화하는 원동력이 되어 있다. 네트워크 제어 시스템은 기존의 기계적인 요소로 구성되어 있던 제어기, 구동기 및 센서를 필드버스(fieldbus) 네트워크로 대체한 시스템으로 각 노드들 사이의 정보를 네트워크를 통해 실시간으로 교환할 수 있는 시스템을 의미한다. 네트워크 제어 시스템의 장점으로는 시스템의 부피 및 무게 감소, 설치 비용의 절감, 시스템 확장성 등이 있다. 이러한 장점들로 인해 최근 네트워크 제어 시스템에 대한 연구는 활발하게 진행되고 있는 추세이며, 다양한 산업 분야에 적용되고 있다.
특히, 이러한 네트워크 제어 시스템은 액추에이터의 고장 진단 시스템에도 적용될 수 있다. 특히, 액추에이터 내부에 센서 및 마이크로프로세서 등을 이용하여, 액추에이터의 구동 데이터 및 고장 데이터를 외부 관리자로 전송하는 네트워크 시스템에 적용될 수 있다. 따라서, 외부 관리자는 액추에이터의 구동 데이터 및 고장 데이터를 바탕으로 액추에이터의 고장 여부를 판단할 수 있게 된다.
그러나 , 이러한 네트워크 제어 시스템에서는 전송 시간 지연 또는 패킷 분실과 같은 문제점을 가지고 있다. 이는 네트워크 환경에서 발생하는 문제로 네트워크 제어 시스템의 성능을 저하시키는 요인이 되기도 하며, 나아가 시스템의 안정성을 저해하는 요인이 되기도 한다.
따라서, 이 문제는 네트워크 제어 시스템에 액추에이터 고장 진단 시스템을 적용함에 있어 반드시 해결되어야 할 문제이다.
또한, 액추에이터 고장 진단 시스템에서 단순히 액추에이터의 고장 사실만을 진단한다면, 외부 관리자가 액추에이터의 고장을 일일이 해결해야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 네트워크부의 데이터 및 제어 명령의 전송 지연 또는 분실을 보상하는 네트워크 보상부를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 액추에이터의 고장의 종류에 따라, 고장 사실을 네트워크부를 통해 외부 네트워크로 전송하거나 자체적으로 고장을 보상하는 고장 대처부를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 액추에이터 고장 진단 시스템은, 외부 네트워크에 액추에이터의 데이터 신호 및 제어 신호를 송수신하는 네트워크부; 상기 네트워크부의 데이터 및 제어 명령의 전송 지연 또는 분실을 보상하는 네트워크 보상부; 액추에이터 내부에 설치된 센서와 내장된 마이크로프로세서를 이용하여, 상기기 액츄에이터의 고장 종류를 판단하는 고장 판단부; 및 상기 고장 진단부에 의해 판단된 액추에이터의 고장의 종류에 따라, 고장 사실을 상기 네트워크부를 통해 상기 외부 네트워크로 전송하거나 자체적으로 고장을 보상하는 고장 대처부;를 포함한다.
그리고, 상기 네트워크 보상부는, 라그랑지(Lagrange) 보간법을 이용하여 전송이 지연되거나 손실된 패킷 정보를 추정하여 보상할 수 있다.
또한, 상기 네트워크 보상부는, 상기 네트워크에 입력되는 신호만을 이용하여 전송이 지연되거나 손실된 패킷 정보를 추정하여 보상할 수 있다.
그리고, 상기 네트워크부는, EtherCAT 또는 CAN 네트워크를 이용할 수 있다.
또한, 상기 고장 대처부는, 상기 고장 진단부에 의해 발생된 고장이 상기 액추에이터의 입력 신호와 출력 신호가 독립적인 관계의 고장이라면, 상기 액추에이터의 고장 사실을 상기 네트워크부를 통해 외부 네트워크로 전송할 수 있다.
그리고, 상기 액추에이터의 입력 신호와 출력 신호가 독립적인 관계의 고장은, Lock in Place, Float 및 Hand-over 중 하나일 수 있다.
또한, 상기 고장 대처부는, 상기 고장 진단부에 의해 발생된 고장이 상기 액추에이터의 입력 신호와 출력 신호가 종속적인 관계의 고장이라면, 상기 액추에이터가 자체적으로 입력 신호를 제어하여 보상할 수 있다.
그리고, 상기 액추에이터의 입력 신호와 출력 신호가 종속적인 관계의 고장은, Loss of Effectiveness일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 입력된 데이터만을 이용하여 네트워크부에서 전송 지연되거나 손실되는 정보를 추정하여 보상할 수 있게 된다.
또한, 액추에이터의 고장 종류에 따라, 액추에이터가 고장을 자체 진단하여 대처함으로써, 외부 관리자가 대처해야 하는 고장의 종류가 획기적으로 감소할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 액추에이터 고장 진단 시스템의 블럭도를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 라그랑지 보간법을 이용한 네트워크 보상부를 설명하기 위한 그래프,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 네트워크 보상부에 의해 전송 지연/패킷 손실을 보상한 결과를 도시한 그래프,
도 4는 액추에이터의 고장 종류에 따른 출력 파형을 도시한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 액추에이터 고장 진단 시스템(100)의 블럭도를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 액추에이터 고장 진단 시스템(100)은 네트워크부(110), 네트워크 보상부(120), 고장 판단부(130) 및 고장 대처부(140)를 포함한다.
네트워크부(110)는 네트워크 제어 시스템이 적용된 네트워크로서, 외부 관리자와 통신을 하기 위해 양방향 네트워크로 구현된다.
특히, 네트워크부(110)는 외부 네트워크에 액추에이터의 데이터 신호 및 제어 신호를 송수신한다. 구체적으로, 외부 관리자에게 액추에이터의 구동 및 고장 여부를 알려주기 위하여, 네트워크부(110)는 외부 네트워크에 액추에이터의 구동 데이터 및 고장 데이터를 포함하는 각종 데이터를 송신한다. 또한, 외부 관리자로부터 액추에이터의 구동 제어 명령을 수신하기 위해, 네트워크부(110)는 외부 네트워크로부터 액추에이터의 제어 명령이 포함된 제어 신호를 수신한다.
이때, 네트워크부(110)는 상위 계층의 API(application programming interface)를 제공하며, EtherCAT 또는 CAN 등과 같은 다양한 네트워크 프로토콜을 지원할 수 있다.
네트워크 보상부(120)는 네트워크부(110)를 통해 입력되는 정보만을 이용하여 시간 지연 및 패킷 분실을 보상한다. 특히, 네트워크 보상부(120)는 라그랑지(Lagrange) 보간법을 이용하여 이전의 입력 신호 특성만을 이용하여 손실된 패킷 정보를 추정하여 보상이 가능하도록 한다.
라그랑지 보간법을 이용한 패킷 보상 방법에 대해 구체적으로 설명하면, 라그랑지 보간법(Lagrange interpolation)은 다항식 보간법의 한 방법으로, n 개의 데이터를 이용하여 유일한 (n-1)차 다항식을 결정하는 방법이다. Lagrange 보간법의 일반적인 형태는 아래 수학식 1과 같다.
Figure 112011023656187-pat00001
여기서, Li는 가중평균으로 다음과 같이 정의된다.
Figure 112011023656187-pat00002
따라서 수학식 1 및 수학식 2로부터 아래와 같은 수학식 3이 만족하게 되며, 결과적으로 수학식 1은 n개의 데이터를 지나는 유일한 (n-1)차 다항식이 된다.
Figure 112011023656187-pat00003
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 라그랑지(Lagrange) 보간법을 수정한 보상 기법에 대한 기본 개념을 보여준다. 만약 (n-3)T, (n-2)T, (n-1)T 시간에 발생한 3개의 데이터 값을 이용하여 제안된 보상 기법을 적용하게 되면, 일반적으로아래와 같이, 수학식 4에 의해 표현이 가능하다.
Figure 112011023656187-pat00004
여기서, T는 샘플링 시간을 의미하며,
Figure 112011023656187-pat00005
은 아래 수학식 5와 같이 표현된다.
Figure 112011023656187-pat00006
따라서, 수학식 5를 이용하여 nT 시간의 데이터 값을 추정하면, 아래와 같이, 수학식 6을 구할 수 있다.
Figure 112011023656187-pat00007
수학식 6으로부터 전송 지연 및 패킷 분실로 인하여 발생한 데이터 손실은 실시간으로
Figure 112011023656187-pat00008
을 업데이터하여 추정 가능함을 알 수 있다.
상술한 라그랑지 보간법을 이용한 손실 패킷 보상 방법은 입력 신호만을 이용하여 손실된 정보를 보상하느 방법으로, 적용되는 시스템에 독립적으로 설계가 가능하다는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 네트워크 보상부에 의해 전송 지연/패킷 손실을 보상한 결과를 도시한 그래프이다. 도 3의 결과는 제어기와 조향 시스템 사이의 임의적인 패킷의 분실((3.6~4.1초, 6.0~6.5초, 7.3~7.6초) 및 조향각 센서와 제어기 사이의 패킷 분실(2.8~2.9초, 4.6~4.7초, 8.3~8.4초)을 가정하였다. 또한 액츄에이터 시스템의 제어기는 PID 제어기를 이용하였다.
도 3의 위에서 첫번째 그래프는 진폭이 30인 정형파 형태로 조향각이 지속적으로 움직이고 있음을 가정한 결과이다. 도 3의 위에서 첫 번째 그래프와 두 번째 그래프로부터, 본 발명에서 고려한 전송 시간 지연 및 패킷 분실의 영향으로 기준 입력을 잘 추정하지 못함을 볼 수 있다. 특히, 도 3의 위에서 두 번째 그래프를 통해 알 수 있듯이, 6초에서 5초 사이의 오차가 최대 9도까지 발생하게 되어 조향 시스템의 안정성에 큰 영향을 미치게 된다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따라, 손실된 패킷을 보상하는 경우, 도 3의 위에서 두 번째 그래프를 보면 알 수 있듯이, 기준 입력과 조향각 사이의 오차는 0,3도 이하로 줄어들게 됨을 볼 수 있다.
도 3의 세 번째 그래프 및 네 번째 그래프는 손실된 정보 및 제안된 보상 기법을 이용하는 경우, 전송 지연 및 패킷 분실이 발생하지 않은 이상적인 경우를 잘 추종함을 알 수 있다. 그러나, 보상을 수행하지 않는 경우, 이상적인 경우와 비교하여 지속적인 오차를 발생하게 된다. 또한, 도 3의 네 번째 그래프에서 알 수 있듯이, 측정된 조향각은 네트워크 상에 발생하는 전송 시간 지연 및 패킷 분실로 인하여 제어기에 정확하게 전달되지 못함을 확인할 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 의해 손실된 정보를 추정하는 경우, 추정치는 손실된 정보를 잘 추정하고 있음을 보여 준다.
다시 도 1에 대해 설명하면, 고장 판단부(110)는 액추에이터(100) 내부에 설치된 센서와 내장된 마이크로프로세서를 이용하여, 액츄에이터(100)의 고장 종류를 판단한다.
구체적으로, 고장 판단부(130)는 기 저장된 정상 범주의 출력 신호와 현재 센서를 통해 검출된 출력 신호를 비교하여, 액추에이터(100)의 고장 종류를 판단한다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 고장 판단부(110)는 센서를 통해 검출된 출력 신호를 통해, Lock in Place, Float, Hand-over 및 Loss of Effectiveness 중 하나를 판단한다.
고장 판단부(130)는 센서 및 마이크로프로세서를 통해 판단된 고장의 종류를 고장 대처부(140)에 출력한다.
고장 대처부(140)는 고장 판단부(130)에 의해 판단된 액추에이터의 고장의 종류에 따라, 고장 사실을 네트워크부(110)를 통해 상기 외부 네트워크로 전송하거나 자체적으로 고장을 보상한다.
구체적으로, 고장 판단부(130)에서 판단된 액추에이터의 고장이 액추에이터의 입력 신호와 출력 신호가 독립적 관계의 고장이라면, 고장 대처부(140)는 액추에이터의 고장 사실을 네트워크부(110)를 통해 외부 네트워크로 전송한다. 구체적으로, 도 4에 도시된 그래프 중 a), b), c) 그래프는 입력되는 신호와 상관없이, 독립적인 출력 신호가 출력된다. 특히, 액추에이터의 고장이 Lock in Place, Float 및 Hand-over 중 하나에 해당한다면, 고장 대처부(140)는 자체적으로 액추에이터의 고장을 보상하지 않고, 이를 네트워크부(110)를 통해 외부 관리자에게 고장 정보를 전송한다. 이는 입력 신호와 출력 신호가 독립적인 관계의 고장일 경우, 고장 대처부(140)는 자체적으로 고장에 대해 대처할 수 없기 때문에, 고장 사실만을 외부 관리자에게 통보함으로써, 관리자가 액추에이터를 수리 또는 교체하게 할 수 있다.
그러나, 고장 판단부(130)에서 판단된 액추에이터의 고장이 액추에이터의 입력 신호와 출력 신호가 종속적 관계의 고장이라면, 고장 대처부(140)는 액추에이터의 고장을 자체적으로 대처한다. 구체적으로, 도 4에 도시된 그래프 중 d) 그래프와 같이, 입력신호와 출력신호가 종속적인 관계의 고장(Loss of Effectiveness)이라면, 고장 대처부(140)는 자체적으로 입력신호를 조절하여 액추에이터의 고장을 대처한다. 예를 들어, 출력 신호가 정상 신호에 비하여 낮게 출력되는 경우, 고장 대처부(140)는 입력 신호를 높여줌으로써, 고장에 대처할 수 있다. 그러나, 액추에이터의 입력을 무한히 올릴 수 없기 때문에, 액추에이터의 입력이 임계값 이상이 필요한 경우, 고장 대처부(140)는 자체적으로 액추에이터의 고장을 보상하지 않고, 네트워크부(110)를 통해 외부 관리자에게 액추에이터의 고장 정보를 전송한다.
상술한 액추에이터 고장 진단 시스템에 의하면, 액추에이터의 고장 종류에 따라, 액추에이터가 고장을 자체 진단하여 대처함으로써, 외부 관리자가 대처해야 하는 고장의 종류가 획기적으로 감소할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110: 네트워크부 120: 네트워크 보상부
130: 고장 판단부 140: 고장 대처부

Claims (9)

  1. 액추에이터 고장 진단 시스템에 있어서,
    외부 네트워크에 액추에이터의 데이터 신호 및 제어 신호를 송수신하는 네트워크부;
    상기 네트워크부의 데이터 및 제어 명령의 전송 지연 또는 분실을 보상하는 네트워크 보상부;
    액추에이터 내부에 설치된 센서와 내장된 마이크로프로세서를 이용하여, 상기 액츄에이터의 고장 종류를 판단하는 고장 판단부;
    상기 고장 판단부에 의해 판단된 액추에이터의 고장의 종류에 따라, 고장 사실을 상기 네트워크부를 통해 상기 외부 네트워크로 전송하거나 자체적으로 고장을 보상하는 고장 대처부;를 포함하며,
    상기 네트워크 보상부는,
    상기 네트워크부에 입력되는 신호만을 이용하여 전송이 지연되거나 손실된 패킷 정보를 추정하여 보상하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 고장 진단 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 네트워크 보상부는,
    라그랑지(Lagrange) 보간법을 이용하여 전송이 지연되거나 손실된 패킷 정보를 추정하여 보상하는 것을 특징으로 하는 고장 진단 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 네트워크부는,
    EtherCAT 또는 CAN 프로토콜을 지원하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 고장 진단 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고장 대처부는,
    상기 고장 진단부에 의해 발생된 고장이 상기 액추에이터의 입력 신호와 출력 신호가 독립적인 관계의 고장이라면, 상기 액추에이터의 고장 사실을 상기 네트워크부를 통해 외부 네트워크로 전송하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 고장 진단 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 액추에이터의 입력 신호와 출력 신호가 독립적인 관계의 고장은,
    Lock in Place, Float 및 Hand-over 중 하나인 것을 특징으로 하는 액추에이터 고장 진단 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고장 대처부는,
    상기 고장 진단부에 의해 발생된 고장이 상기 액추에이터의 입력 신호와 출력 신호가 종속적인 관계의 고장이라면, 상기 액추에이터가 자체적으로 구동 입력 신호를 제어하여 보상하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 고장 진단 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 액추에이터의 입력 신호와 출력 신호가 종속적인 관계의 고장은,
    Loss of Effectiveness인 것을 특징으로 하는 액추에이터 고장 진단 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 고장 판단부는,
    상기 액추에이터의 출력 신호를 검출하여, 상기 액추에이터의 고장 종류를 판단하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 고장 진단 시스템.
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‘Fault tolerant control using self-diagnostic smart actuator’, ICCAS-SICE, pp. 5674-5678, 2009년8월18-21일.*
‘스마트 하이브리드 액츄에이터 연구’, 2010년4월30일.*
'Fault tolerant control using self-diagnostic smart actuator', ICCAS-SICE, pp. 5674-5678, 2009년8월18-21일. *
'스마트 하이브리드 액츄에이터 연구', 2010년4월30일. *

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