KR102016742B1 - 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법 - Google Patents

철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법 Download PDF

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안다훈
허현무
신유정
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한국철도기술연구원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 방법에 있어서, 곡률 측정 센서로부터 수신한 곡률 측정 센싱값에 기초하여, 능동 조향 구동기의 조향 상태를 설정하기 위한 조향 구동기 커맨드를 생성하는 단계; 능동 조향 구동기로부터 기 생성되어 피드백 되는 조향 구동기 변위와 조향 구동기 커맨드에 기초하여 능동 조향 구동기에 제공되는 제어 신호를 생성하는 단계; 능동 조향 구동기의 변위에 기초하여 능동 조향 구동기의 조향 구동력을 추정하는 단계; 및 제어신호에 의하여 지정되는 조향 구동력을 기초로 능동 조향 구동기를 구동하되, 추정된 조향 구동력을 이용한 앞먹임 제어를 통해 능동 조향 구동기를 구동하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법 {ACTIVE STEERING CONTROL APPARATUS FOR RAILWAY VEHICLES AND METHOD OF THE SAME}
본 발명은 철도차량용 능동 조향 제어 장치에 관한 것으로 열차의 곡선 선로 주행 시, 윤축의 조향각 제어 성능을 향상시키기 위한 장치에 관한 것이다.
도 1은 종래의 철도 차량이 곡선부 주행 시, 능동 조향의 필요성에 대해 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 곡선 레일과 윤축간에는 공격각(angle of attack)이 존재한다. 공격각은 차량의 원활한 곡선 주행에 악영향을 미쳐 곡선 주행 시, 차륜의 플랜지와 레일 측면간의 마찰 발생 및 양측 차륜의 주행 거리 차이를 극복하지 못하는 스틱 슬립(stick slip) 현상의 원인이 될 뿐만 아니라, 소음, 마모, 분진 등의 문제점을 보유하고 있다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해서 종래에는 공격각을 감소시킬 수 있는 방안으로 철도차량이 곡선부 주행 시, 곡률반경과의 원활한 적응을 도모하기 위한 윤축 능동 조향(active steering) 방법을 사용하게 되었다.
이를 자세하게 설명하면, 도 1에서와 같이 윤축의 요(yaw)방향 회전 토크를 부여하여 곡선과 수직방향(radial position, 반지름 방향)으로 윤축을 정렬 함으로써 공격각을 제거하는 윤축 레이디얼 포지션(radial position)을 제어하는 것이다.
도 2는 종래에 사용된 능동 조향 구동기를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 윤축을 정렬하기 위해서 윤축이 회전 베어링으로 구속되어 있는 저널박스에 힘을 인가해야 함을 나타내고 있다. 이때, 저널 박스에 인가되는 힘은 1개의대차에 배치된 2개의 능동 조향 구동기에서 발생하고, 각각의 능동 조향 구동기는 대차를 중심으로 2개의 저널박스에 동일한 힘을 인가하게 된다.
열차가 곡선 선로를 주행 시, 내측 선로 상에 위치하게 되는 능동 조향 구동기는 동일 직선 상에 있는 2개의 저널박스에 당기는 힘을 인가하고, 외측 곡선 선로 상에 위치하는 능동 조향 구동기는 동일 직선상에 있는 2개의 저널 박스에 미는 힘을 인가하기 때문에 윤축이 도 1과 같이 곡선 선로의 중심을 향해 정렬하게 된다.
도 3은 능동 조향 대차 및 능동 조향 철도차량의 구성을 나타내는 도면이다.
먼저 그림(a)를 참조하면, 앞서 설명한 것과 같이 능동 조향 대차에는 2개의 능동 조향 구동기가 구비 된다. 또한, 실시간으로 곡률을 측정하기 위한 곡률 센서가 구비되고 능동 조향 구동기가 실제 인가해야 하는 힘의 크기나, 윤축의 회전 변위 등을 산출하게 된다.
그림(b)를 참조하면, 능동 조향 철도차량은 능동 조향 대차를 구비하고, 곡률센서로부터 수신한 정보를 연산하여 능동 조향 구동기에 제어 지령을 내리게 된다. 이때 제어 지령을 내리는 제어부는 차량당 1개를 탑재하고, 이와 관련된 정보를 영상으로 출력하는 TCMS를 구비하게 된다.
도 4는 종래의 능동 조향 시스템의 제어 방식을 나타낸 제어 선도를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 종래의 능동 조향 시스템은 먼저 곡률 측정 센서를 통해 주행 중인 차량이 이용중인 선로의 곡률을 측정하는 곡률 측정 센싱값을 수집한다(S210).
단계(S210)을 통해 생성된 곡률 측정 센싱값을 기초로 조향 구동기 커맨드를 생성한다(S220).
제어부는 조향 구동기 커맨드를 기초로 능동 조향 대차를 제어하기 위한 제어 신호를 생성한다(S230).
능동 조향 대차는 제어 신호에 맞게 차량의 대차를 조절하게 되는데(S240), 이때, 조향 구동기를 통해 생성된 조향 구동기 변위 피드백을 제어부로 전달하여 피드백 제어를 수행하고(S241), 대차를 조절하여 윤축 조향각을 제어하게 된다(S242).
앞서 설명한 종래의 능동 조향 기술은 철도차량의 공격각을 줄임으로써, 공격각으로 인한 문제를 감소시킬 수 있다. 하지만, 곡선 선로의 곡률이 위치에 따라 달라지며 그에 맞는 조향각을 실시간으로 제어해야 하지만, 아직 그에 맞는 정확한 조향각을 제어하는 방법에 대해 한계점이 존재하는 실정이다.
한국등록특허 제 10-1084157 호 (발명의 명칭: 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법)
따라서, 본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 안정적으로 철도차량을 운행할 수 있는 능동 조향 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 방법에 있어서, 곡률 측정 센서로부터 수신한 곡률 측정 센싱값에 기초하여, 능동 조향 구동기의 조향 변위를 설정하기 위한 조향 구동기 커맨드를 생성하는 단계; 능동 조향 구동기로부터 기 생성되어 피드백 되는 조향 구동기 변위와 조향 구동기 커맨드에 기초하여 능동 조향 구동기에 제공되는 제어 신호를 생성하는 단계; 능동 조향 구동기의 변위에 기초하여 능동 조향 구동기의 조향 구동력을 추정하는 단계; 및 제어신호에 의하여 지정되는 조향 구동력을 기초로 능동 조향 구동기를 구동하되, 추정된 조향 구동력을 이용한 앞먹임 제어를 통해 능동 조향 구동기를 구동하는 단계;를 포함하는 방법일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른, 철도차량용 능동 조향 제어 방법에 있어서, 곡률 측정 센서로부터 수신한 곡률 측정 센싱값에 기초하여, 능동 조향 구동기의 조향 변위를 설정하기 위한 조향 구동기 커맨드를 생성하는 단계; 능동 조향 구동기 커맨드에 기초하여 능동 조향 구동기의 조향 구동력을 추정하는 단계; 능동 조향 구동기로부터 기 생성되어 피드백되는 능동 조향 구동기 변위와 능동 조향 구동기 커맨드에 기초하여 능동 조향 구동기에 공급되는 제어 신호를 생성하는 단계; 및 제어신호에 의하여 지정되는 조향 구동력을 기초로 능동 조향 구동기를 구동하되, 추정된 조향 구동력을 이용한 앞먹임 제어를 통해 능동 조향 구동기를 구동하는 단계;를 포함할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 철도차량의 능동조향 제어에 앞먹임 제어를 적용함으로써 대차 제어 응답성을 향상시키고, 보다 정밀한 차량의 제어가 가능해지는 효과가 있다.
철도차량이 곡선구간을 고속으로 통과할 시, 능동조향대차의 윤축 조향도 빠르게 수행되어야 하기에, 본 발명을 통해 이러한 고속 조향 제어가 가능해진다.
또한 철도 차량에 탑승하는 승객의 숫자에 따른, 차체의 하중을 고려하여 능동조향의 제어 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 철도 차량이 곡선부 주행 시, 능동 조향의 필요성에 대해 도시한 것이다.
도 2는 종래에 사용된 능동 조향 구동기를 나타낸 도면이다.
도 3은 능동 조향 대차 및 능동 조향 철도차량의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 종래의 능동 조향 시스템의 제어 방식을 나타낸 제어 선도를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 능동 조향 시스템(1)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 조향 구동기 변위에 따른 축상 스프링에 의한 복원력을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 조향 구동기 변위를 통해 조향 구동력을 추정하고, 앞먹임 제어를 수행하여 능동 조향 제어를 수행하는 흐름을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 조향 구동기 커맨드로부터 조향 구동력을 추정하고, 앞먹임 제어를 수행하여 능동 조향 제어를 수행하는 흐름을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 축상 스프링에 걸리는 수직방향 부하에 따른 강성의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 차체의 하중을 추가로 고려하여 조향 구동력을 추정하고, 앞먹임 제어를 수행하여 능동 조향 제어를 수행하는 흐름을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른, 하중 센서를 이용하여 차량의 하중을 추정하는 방법을 나타낸 동작흐름도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른, 조향 구동기를 이용한 차체의 하중을 추정하는 방법을 나타낸 동작흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아니다. 따라서 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 동일 범위의 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
본 발명의 기술을 적용하여 능동 제어 시, 현재의 조향 구동기 변위 또는 조향 구동기 변위 커맨드를 이용하여 조향에 필요한 조향 구동력을 추정하고, 해당 값을 앞먹임(feedforward)하는 방식을 통해 정확하고 신속한 반응 속도를 가지는 능동 조향을 수행할 수 있다.
따라서, 이하 도 5 내지 도 8은 능동 조향 시스템(1)과 이를 통해 조향 구동력을 추정하고, 이를 앞먹임 제어를 수행하는 과정에 대해 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 능동 조향 시스템(1)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 능동 조향 시스템(1)은 시스템을 제어하기 위한 제어부(100), 추정부(110)를 포함하고, 능동 조향을 수행하기 위한 센서부(120), 능동 조향 대차(150)를 더 포함할 수 있다.
센서부(120)는 주행중인 철도차량의 주행 데이터를 수집한다. 이를 자세하게 설명하면, 센서부(120)는 곡률 측정 센서 및 속력 측정 센서 등을 구비하여, 철도차량의 속력 데이터 및 곡선선로의 곡률반경 데이터를 수집할 수 있다. 또한, 본 명세서 상에 제시된 발명을 구현하기 위해 차량의 하중 측정 센서를 더 포함하여 차량의 하중을 측정할 수도 있다.
추정부(110)는 센서부(120)를 통해 수집된 데이터를 이용하여, 철도 차량의 속력과 주행하는 곡선선로의 곡률반경을 추정한다. 또한, 본 명세서 상에 제시된 발명을 구현하기 위해 조향 구동력을 추가로 추정할 수 있다.
제어부(100)는 능동 조향 대차(130)를 제어하기 위한 제어 신호를 생성한다. 이를 통해 철도 차량이 곡선선로를 통과하는 경우 곡률에 맞게 윤축의 조향각을 조절하여, 곡선선로도 고속의 속력으로 부드럽게 통과할 수 있게 된다.
능동 조향 대차(130)는 능동 조향 구동기와 대차를 포함하는 장치로써 철도 차량의 차륜과 차축을 대차의 프레임에 대해 상대적으로 조절하여 능동 조향을 수행하게 된다.
한편, 제어부(100)와 추정부(110)는 메모리와 프로세서를 포함하는 컴퓨팅 장치 또는 임베디스 프로세서 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명에서는 별도의 구성 요소로 설명되어 있으나, 하나의 구성요소로 병합되어 각 기능을 수행할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 조향 구동기 변위에 따른 축상 스프링에 의한 복원력을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 조향 구동기 변위가 증가할수록 축상 스프링의 복원력이 증가함을 확인할 수 있다.
조향 구동기의 출력 힘은 축상 스프링에 의한 복원력을 이겨내고, 윤축의 움직임을 발생시키기 때문에 축상 스프링의 최소한의 복원력만큼 조향 구동력을 필요로 하게 된다.
또한, 축상 스프링의 복원력을 해당하는 조향 구동력을 추정하여 제어에 활용함으로써, 능동 조향 시스템(1)의 응답특성을 향상시키고 정밀한 제어를 구현할 수 있다.
또한 아래의 [수학식 1]과 같은 조향 구동력의 수학식을 기반으로 조향 구동력을 추정할 수 있는데, 조향 구동력이 조향 구동기 변위의 함수로 표현된다는 특징을 가질 수 있다. 이에 따라, 능동 조향 구동기의 변위에 기초하여 조향 구동력을 추정할 수 있다. 이때, 함수는 차량에 따라 다양한 형식을 가질 수 있다.
[수학식1]
Figure 112018039584912-pat00001
Figure 112018039584912-pat00002
: 조향 구동력
Figure 112018039584912-pat00003
: 조향 구동력 변위
Figure 112018039584912-pat00004
: 조향 구동력 추정계수
이와 같이 조향 구동력(=축상 스프링의 복원력)의 추정은 실제 조향 구동기 변위 측정값(피드백)으로부터 획득할 수도 있다. 하지만, 이와 유사하지만 노이즈 성분이 적은 조향 구동기 커맨드에서도 조향 구동력을 획득할 수 있다.
따라서, 아래의 [수학식 2]와 같은 조향 구동력 수학식을 기반으로도 조향 구동력을 추정할 수 있는데, 이는 앞서 제시한 함수와 다르게 조향 구동력이 조향 구동기 커맨드의 함수로 표현된다는 것에 특징이 있다. 이에 따라, 조향 구동기 커맨드에 기초하여 조향 구동력을 추정할 수 있다. 또한 조향 구동기 커맨드를 이용한 함수도 차량에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다.
[수학식2]
Figure 112018039584912-pat00005
Figure 112018039584912-pat00006
: 조향 구동기 커맨드
종래의 능동 조향 기술과 마찬가지로 본 발명에서의 기술도 조향 구동기에 출력되는 조향 구동기 변위 피드백과 조향 구동기 커맨드를 이용한 피드백 제어를 통해 능동 조향 구동기의 제어를 수행하게 된다.
하지만, 종래의 능동 조향 기술과 다르게 앞먹임 제어 시, 제어에 필요한 정보를 더 추가함으로써 능동 조향 기술의 정확도와 반응 속도를 높일 수 있게 되었다.
이하, 도 7 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 능동 조향 구동기 변위 및 조향 구동기 커맨드로부터 조향 구동력을 추정하는 앞먹임 제어 단계가 포함된 제어 선도를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 조향 구동기 변위를 통해 조향 구동력을 추정하고, 앞먹임 제어를 수행하여 능동 조향 제어를 수행하는 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 능동 조향 제어를 수행하기 위해서 종래와 같이 곡률 측정 센서를 통해 곡률 측정 센싱값을 수집하고(S310), 이를 기초로 조향 구동기 커맨드를 생성한다(S320).
제어부(100)는 조향 구동기 커맨드를 기초로 능동 조향 대차(130)를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하고(S330), 능동 조향 대차(130)는 제어 신호에 맞게 차량의 대차를 제어하게 된다(S340).
이때, 조향 구동기를 통해 생성된 조향 구동기 변위 피드백을 제어부(100)로 전달하여 피드백 제어를 수행(S241)하는 것은 종래와 동일하지만, 여기서 조향 구동기의 조향 구동력을 추정하여 이를 조향 대차에 피드백을 수행하는 과정이 더 포함될 수 있다(S350). 이후 대차를 제어하여 윤축 조향각을 조절하게 된다(S342).
즉, 제어부(100)가 종래의 방식과 같이 조향 구동기 커맨드와 능동 조향 구동기로부터 피드백되어 조향 구동기 변위에 기초하여, 조향 구동기에 제공하는 제어 신호를 생성하는 과정은 동일하지만, 조향 구동기 변위를 이용하여 조향 구동력을 추정하고 추정값을 다시 조향 구동기로 앞먹임 제어하는 과정이 추가되는 것이다.
또한, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 조향 구동기 커맨드로부터 조향 구동력을 추정하고, 앞먹임 제어를 수행하여 능동 조향 제어를 수행하는 흐름을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 곡률 측정 센서를 통해 곡률 측정 센싱값을 수집하고(S410), 이를 기초로 조향 구동기 커맨드를 생성한다(S420).
이때, 조향 구동기 커맨드를 통해 조향 구동력을 추정하는 단계가 종래의 방식과 다르게 더 추가된다(S430).
이는 앞서 설명한 도 7이 조향 구동기 변위에 기초하여 조향 구동력을 추정한다면, 도 8을 통해 제시된 방법은 조향 구동기 커맨드 값을 통해 조향 구동력을 추정하는 방법이 되는 것이다.
이후, 제어부(100)는 조향 구동기 커맨드를 기초로 능동 조향 대차(130)를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하고(S440), 단계(S430)를 통해 생성된 조향 구동력과 함께 능동 조향 대차(130)로 전달하게 된다.
능동 조향 대차(130)는 제어 신호 및 조향 구동력에 기초하여 차량의 대차를 조절하게 되는데(S450), 이때, 조향 구동기를 통해 생성된 조향 구동기 변위 피드백을 제어부(100)로 전달하여 앞먹임 제어를 수행하고(S451), 대차를 조절하여 윤축 조향각을 제어하게 된다(S452).
앞서 설명을 통해 조향 구동력을 추정하기 위해 조향 구동기 변위 및 조향 구동기 커맨드를 이용함을 제시하고 있으나, 차량의 하중 정보를 이용하면 더 정확한 조향 구동력을 추정할 수 있게 된다.
이하 도 9 내지 도 11은 철도차량의 하중을 측정 방법 및 이를 적용하여 조향 구동력의 정확도를 높이는 방법에 대해 도시한 도면이다.
여기서 차량의 하중을 고려하는 이유는 열차에 탑승한 승객의 숫자변화에 따라 차량의 하중이 달라지게 되고, 그에 맞는 조향 속도나 변위를 필요로 하기 때문이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 축상 스프링에 걸리는 부하에 따른 강성의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 조향 구동력은 조향 구동기 변위에 의해서 변화하게 되고, 동시에 대차 상부의 차량 하중에 따라서도 달라질 수 있음을 나타내고 있다.
도 6에서 서술한 바와 같이 조향 구동력은 축상 스프링의 복원력과 관계가 있고, 이 복원력은 축상 스프링의 종방향(즉, 철도차량의 진행방향을 뜻한다.) 강성과 조향 구동기 변위에 의해 결정된다.
이때, 축상 스프링이 철도차량의 하중을 지지하고 있기 때문에 차량의 하중 변화에 따라 종방향 강성이 변하게 된다.
따라서 조향 구동력은 조향 구동기 변위만으로는 일부를 추정할 수 있으나 차량의 하중을 고려하게 된다면, 조향 구동력를 추정함에 있어 정확도를 높일 수 있게 된다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 차체의 하중을 추가로 고려하여 조향 구동력을 추정하고, 앞먹임 제어를 수행하여 능동 조향 제어를 수행하는 흐름을 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 조향 구동기 변위 커맨드를 변환하는 단계 이후, 조향 구동력을 추정하는 단계에서 차량의 하중을 추가적으로 고려하여 피드백 제어를 수행하게 된다.
이때, 하중을 고려한 조향 구동력을 추정하는 방법은 아래의 [수학식 3]을 참고하게 된다.
[수학식3]
Figure 112018039584912-pat00007
Figure 112018039584912-pat00008
: 조향 구동력 측정계수
Figure 112018039584912-pat00009
: 자체 하중
조향 구동력은 조향 구동기 커맨드 및 차량의 하중 함수로 표현될 수 있고, 차량에 따라 다양한 형태의 함수로 변형이 가능하다.
또한, [수학식 3]을 변형하여 조향 구동기 변위 및 차량의 하중 함수로도 조향 구동력을 추정할 수 있다.
도면 상의 각 단계를 설명하면, 먼저 곡률 측정 센서를 통해 곡률 측정 센싱값을 수집하고(S510), 이를 기초로 조향 구동기 커맨드를 생성한다(S520).
단계(S520)를 통해 생성된 조향 구동기 커맨드를 통해 조향 구동력을 추정하되(S530), 차량의 하중을 추가로 산출(S531) 후 이를 사용하여 조향 구동력을 추정할 수 있다.
이후, 제어부(100)는 조향 구동기 커맨드에 기초로 능동 조향 대차(130)를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하고(S540), 단계(S530)를 통해 생성된 조향 구동력과 함께 능동 조향 대차(130)로 전달하게 된다.
능동 조향 대차(130)는 제어 신호 및 조향 구동력에 기초하여 차량의 대차를 조절하게 되는데(S550), 이때, 조향 구동기를 통해 생성된 조향 구동기 변위 피드백을 제어부(100)로 전달하여 앞먹임 제어를 수행하고(S551), 대차를 조절하여 윤축 조향각을 제어하게 된다(S552).
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른, 하중 센서를 이용하여 차량의 하중을 추정하는 방법을 나타낸 동작흐름도이다.
이때, 하중 센서는 철도차량의 2차 현가 장치인 공기 스프링과 차체 사이에 설치하여 하중을 측정할 수 있다.
또한, 철도차량의 2차 현가 장치인 공기스프링 내부 또는 공기스프링으로 연결되는 공기 배관 내의 압력 변화를 측정하여 차량의 하중을 추정할 수도 있다.
일반적으로 차체의 하중 변화는 대부분 정차역에서 승객이 드나듦에 따라 발생하게 되고, 앞서 설명한 두 가지 하중 측정방법은 차량의 정차 시, 측정할 수 있게 된다. 하지만, 기술의 발전에 따라 주행 중에도 실시간으로 하중을 측정하는 기술이 개발된다면, 해당 기술을 본 발명에 적용하여 능동 조향 제어의 정확도를 높일 수 있을 것이다. 따라서 하중의 측정방법이 본 발명의 범위를 제한하지는 않는다.
도 11을 참조하여 하중 센서를 이용하여 차량의 하중을 추정하는 방법은 먼저 철도 차량의 정차 및 조향 제어 장치를 종료하면서 시작된다(S610).
승객의 승하차를 통해 차량의 하중이 변하고, 승하차의 완료 후 차량이 출발 전 하중 센서를 통해 차량의 하중을 측정한다(S620).
조향 구동력을 추정하는 알고리즘에 단계(S620)에서 얻은 차량의 하중 정보를 적용한다(S630).
알고리즘 변경 후 조항 제어 장치를 켜고, 차량의 주행을 시작한다(S640).
하중 센서를 이용하여 차량의 하중을 추정하는 방법 이외에도 조향 구동기를 통해 차체의 하중을 추정할 수 있다.
이는 공차 상태에서 임의의 조향각으로 제어하며 소모된 전류를 측정하여 기준 제어력을 계산하게 된다.
차량의 정차 시, 공차상태에서의 기준 제어력을 기초로 계산한 조향각 제어에 소모된 전류를 감지하여 제어력의 변화를 측정하게 된다.
이때, 측정한 제어력 변화를 통해 차체 하중값을 역산하여 제어에 활용하는 [수학식 4]는 아래와 같을 수 있다.
[수학식4]
Figure 112018039584912-pat00010
Figure 112018039584912-pat00011
: 차체 하중 역산 추정값
Figure 112018039584912-pat00012
: 실제 제어 입력값(제어구동력)
따라서, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른, 조향 구동기를 이용한 차체의 하중을 추정하는 방법을 나타낸 동작흐름도이다.
도 12를 참조하면, 조향구동기를 이용한 차체의 하중을 추정하기 위해서는 철도차량의 정차 및 조향 제어 장치를 종료하고, 승객의 승하차(하중의 변동)하는 단계를 가진다(S710).
이때, 철도차량이 정차하면 조향 제어기의 작동을 중단하게 된다.
승객의 승하차가 완료되면, 조향 구동을 이용한 역산을 통해 철도차량의 하중을 추정한다(S720).
이때, 하중을 역산하는 방법에 대해서는 앞서 설명한 [수학식 4]를 적용하도록 한다.
단계(S720)를 통해 하중의 추정이 완료되는 경우 조향 구동력을 추정하기 위한 알고리즘에 차량의 하중 정보를 적용한다(S730).
알고리즘 변경 후 조항 제어 장치를 켜고, 차량의 주행을 시작한다(S740).
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 능동 조향 시스템
100: 제어부 110: 추정부
120: 센서부 130: 능동 조향 대차

Claims (8)

  1. 철도차량용 능동 조향 제어 방법에 있어서,
    곡률 측정 센서로부터 수신한 곡률 측정 센싱값에 기초하여, 능동 조향 구동기의 조향 상태를 설정하기 위한 조향 구동기 커맨드를 생성하는 단계;
    상기 능동 조향 구동기로부터 기 생성되어 피드백 되는 조향 구동기 변위와 상기 조향 구동기 커맨드에 기초하여 상기 능동 조향 구동기에 제공되는 제어 신호를 생성하는 단계;
    상기 능동 조향 구동기의 변위에 기초하여 상기 능동 조향 구동기의 조향 구동력을 추정하는 단계; 및
    상기 제어신호에 의하여 지정되는 조향 구동력을 기초로 상기 능동 조향 구동기를 구동하되, 상기 추정된 조향 구동력을 이용한 앞먹임 제어를 통해 능동 조향 구동기를 구동하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 조향 구동력을 추정하는 단계는
    상기 조향 구동력 변위를 하기의 수학식 1에 기초하여, 상기 조향 구동력을 추정하는 것인, 철도차량용 능동 조향 제어 방법.
    [수학식1]
    Figure 112019057438810-pat00034

    Figure 112019057438810-pat00035
    : 조향 구동력
    Figure 112019057438810-pat00036
    : 조향 구동력 변위
    Figure 112019057438810-pat00037
    : 조향 구동력 추정계수
  2. 철도차량용 능동 조향 제어 방법에 있어서,
    곡률 측정 센서로부터 수신한 곡률 측정 센싱값에 기초하여, 능동 조향 구동기의 조향 상태를 설정하기 위한 조향 구동기 커맨드를 생성하는 단계;
    상기 조향 구동기 커맨드에 기초하여 상기 능동 조향 구동기의 조향 구동력을 추정하는 단계;
    상기 능동 조향 구동기로부터 기 생성되어 피드백되는 능동 조향 구동기 변위와 상기 조향 구동기 커맨드에 기초하여 상기 능동 조향 구동기에 공급되는 제어 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제어신호에 의하여 지정되는 조향 구동력을 기초로 상기 능동 조향 구동기를 구동하되, 상기 추정된 조향 구동력을 이용한 앞먹임 제어를 통해 능동 조향 구동기를 구동하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 조향 구동력을 추정하는 단계는
    상기 조향 구동기 커맨드를 하기의 수학식 2에 기초하여, 상기 조향 구동력을 추정하는 것인, 철도차량용 능동 조향 제어 방법.
    [수학식2]
    Figure 112019057438810-pat00038

    Figure 112019057438810-pat00039
    : 조향 구동력
    Figure 112019057438810-pat00040
    : 조향 구동기 커맨드
    Figure 112019057438810-pat00041
    : 조향 구동력 추정계수
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 조향 구동력을 추정하는 단계는 상기 철도 차량의 하중을 추가로 고려하여 조향 구동력을 추정하는 것인, 철도차량용 능동 조향 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 조향 구동력을 추정하는 단계는 상기 철도차량에 구비된 하중센서를 통해 상기 철도차량의 하중을 측정하거나, 상기 능동 조향 구동기의 구동에 소모된 전류값을 역산하여 상기 철도차량의 하중을 산출하는 것인, 철도차량용 능동 조향 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 조향 구동력을 추정하는 단계는
    상기 철도차량이 공차 상태에서 기 설정된 제어력을 기준으로 계산된 조향각 제어에 소모된 전류를 측정하고,
    상기 전류값의 변화에 기초하여 제어력의 변화를 측정하고,
    상기 제어력의 변화를 역산하여 상기 철도차량의 하중을 산출하는 것인, 철도차량용 능동 조향 제어 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 조향 구동력을 추정하는 단계는
    철도차량의 자체 하중을 하기의 수학식 3에 기초하여 조향 구동력을 추정하되, 상기 수학식1 또는 수학식2를 대체하는 것인, 철도차량용 능동 조향 제어 방법.
    [수학식3]
    Figure 112019502995824-pat00019

    Figure 112019502995824-pat00042
    : 조향 구동력
    Figure 112019502995824-pat00043
    : 조향 구동기 커맨드
    Figure 112019502995824-pat00020
    : 조향 구동력 추정계수
    Figure 112019502995824-pat00021
    : 자체 하중
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