KR102426580B1 - 철도차량용 전기기계식 제동장치의 제동패드 마모에 따른 보상 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철도차량용 전기기계식 제동장치의 제동패드 마모에 따른 보상 방법에 관한 것으로, 소프트웨어적으로 제동패드의 마모 보상을 제어함으로써 서서히 발생하는 제동패드의 마모 특성에 따라 선형적인 마모 보상이 가능하며 제동패드의 마모 보상을 위해 전류제어기의 파라미터 튜닝 등의 어려운 과정을 거치지 않고 1차식 수준에서 간단히 마모 보상을 할 수 있는 철도차량용 전기기계식 제동장치의 제동패드 마모에 따른 보상 방법을 제공한다.

Description

철도차량용 전기기계식 제동장치의 제동패드 마모에 따른 보상 방법 { Compensation method according to the brake pad wear of the Electric Mechanical Brake for railway vehicles }

본 발명은 철도차량용 전기기계식 제동장치의 제동패드 마모에 따른 보상 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철도차량의 EMB(Electric Mechanical Brake)의 EMB 시험모드 진입을 통해 제동패드의 마모 보상을 실행하여 제동패드가 마모된 상태에서도 신규 제동패드와 동일한 압부력을 발생할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 철도차량용 제동장치는 차량의 운전실 제어회로, 열차종합제어관리장치(TCMS), 인버터장치 등과 통신을 통해 정보를 전송하게 되는데, 통신방식은 디지털 입출력, 아날로그 입출력, PWM 통신, 직렬전송(RF-485)등의 방식을 사용하여 통신을 수행하고 있다.

이러한 제동장치는 기존에 공압을 이용한 제동장치를 많이 사용하였으나 최근에는 공압을 이용한 제동장치는 차량의 하부에 공간을 많이 차지하며 반응속도가 느리기 때문에 이러한 점을 개선한 전기모터를 엑츄에이터에 적용하여 사용하는 전기기계식 제동장치가 많이 개발되고 있으며, 이러한 전기기계식 제동장치의 일 예로 한국공개특허 제10-2008-0057631호(참고문헌 1)에 제안된 바 있다.

상기 참고문헌 1은 차량용 디스크 브레이크에 관한 것으로, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 차량의 휠과 함께 회전하는 디스크(10)와, 상기 디스크(10)의 양측에 마련되어 제동력을 발생시키는 마찰패드(20a,20b)와, 일면이 상기 마찰패드(20a,20b)에 부착되며 타면이 상기 디스크(10)에 대하여 경사지게 형성된 쐐기면(51,52)을 구비하는 쐐기부재(50)와, 상기 쐐기면(51,52)과 대응하도록 안내면(71,72)이 형성되며 상기 쐐기부재(50)와 결합하여 제동력을 증가시키는 안내부재(70)와, 상기 안내부재(70)의 일측에 마련되어 상기 마찰패드(20a,20b)를 상기 디스크(10)측으로 진퇴시키는 구동모터(60)와, 상기 안내부재(70)와 상기 구동모터(60)의 사이에 마련되어 상기 구동모터(60)의 회전운동을 직선운동으로 변환하기 위한 동력전달부재(80)와, 상기 구동모터(60)와 상기 동력전달부재(80) 사이에 마련되어 상기 동력전달부재(80)의 전진시 인장되는 탄성부재(90)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 참고문헌 1에 제안된 바와 같은 종래의 EMB(Electric Mechanical Brake) 장치에서는 메인 전원으로 차량의 배터리에서 전원을 공급받게 되며, 메인 전원으로부터 안정적인 공급이 어려울 경우를 대비하여, 보조 전원을 구비하여 사용하게 된다.

그런데, 이상의 종래 EMB 장치에서는 마찰패드(제동패드)의 마모에 따른 선형적인 보상이 어려운 문제점이 있다. 특히, 마찰패드(제동패드)의 마모 보상을 적용시키기 위해서는 필요한 최소한의 행정거리(비상제동 작동 등) 동작이 필요하거나, 캘리퍼의 뒷부분에 장착되어 간섭으로 인한 모터 구동부 및 제어부 설치가 어려우며, EMB의 구동부가 돌출되어 자갈 비산 등에 따른 추가 보호조치가 필요한 문제점이 있다.

참고문헌 1: 한국공개특허 제10-2008-0057631호

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로 본 발명은 철도차량의 EMB(Electric Mechanical Brake)의 EMB 테스트 모드(시험모드) 진입을 통해 제동패드의 마모 보상을 실행하여 제동패드가 마모된 상태에서도 신규 제동패드와 동일한 압부력을 발생할 수 있도록 하는 철도차량용 전기기계식 제동장치의 제동패드 마모에 따른 보상 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

철도차량용 전기기계식 제동장치의 제동패드 마모에 따른 보상 방법에 있어서, 상기 제동패드를 제동디스크측으로 진퇴(進退)시키는 모터에서 감지되는 위치데이터를 피드백(feedback)하여 요구 압부력 지령을 추정하는 모델식으로 이루어지는 추정기로부터 요구 압부력 지령을 통해 모터를 구동하는 제1 단계; 상기 모터에서 감지되는 토크 전류가 설정된 기준전류를 초과하는지 비교하는 제2 단계; 및 상기 모터에서 감지되는 토크 전류가 설정된 기준전류를 초과하면 상기 추정기의 모델식을 업데이트(Update)하는 제3 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 전기기계식 제동장치의 제동패드 마모에 따른 보상 방법을 제공한다.

이때, 상기 추정기의 모델식은 일차식인 "Y = aX + b" 의 구조이며, 상기 추정기의 모델식의 업데이트(Update)는 모터 특성에 따른 압부력과 모터이동 거리간의 절편값인 b값을 변화시키는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1 단계 이전에 상기 제동패드 마모에 따른 보상 기능을 수행하기 위해 테스트 모드로 진입하는 제4단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 제3 단계의 업데이트는 설정 시간 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 단계에서 모터의 토크 전류가 설정된 기준전류보다 작으면 상기 업데이트된 추정기의 모델식을 결정하는 제5 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제5 단계 이후에 테스트 모드를 종료하는 제6 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 추정기의 모델식은 다차식을 사용하며, 상기 추정기의 모델식의 업데이트(Update)는 상기 다차식의 절편값을 변화시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 소프트웨어적으로 제동패드의 마모 보상을 제어함으로써 서서히 발생하는 제동패드의 마모 특성에 따라 선형적인 마모 보상이 가능하다.

특히, 본 발명에 따르면 제동패드의 마모 보상을 위해 전류제어기의 파라미터 튜닝 등의 어려운 과정을 거치지 않고 1차식 수준에서 간단히 마모 보상을 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 차량용 디스크 브레이크의 분해 사시도이다.
도 2는 일반적인 차량용 디스크 브레이크의 제동해제 상태를 보인 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 철도차량용 전기기계식 제동장치(EMB)의 제어 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 철도차량용 EMB의 마모보상 S/W 알고리즘 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 철도차량용 EMB의 마모보상 S/W 알고리즘 적용에 따른 동작파형을 도시한 그래프이다.

이하, 본 발명에 따른 철도차량용 전기기계식 제동장치의 제동패드 마모에 따른 보상 방법을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 철도차량용 전기기계식 제동장치의 제동패드 마모에 따른 보상 방법은 철도차량의 전기 기계식 제동장치(EMB, Electric Mechanical Brake)(이하, 'EMB'라 한다.)의 EMB 시험모드의 진입을 통해 마모보상 알고리즘을 실행하여 제동패드가 마모된 상태에서도 신규 제동패드와 동일한 압부력을 발생할 수 있도록 한다.

즉, 철도차량 EMB는 캘리퍼에 장착되는 제동패드를 차륜에 설치된 제동디스크와의 마찰을 통하여 차량에 제동력을 발생시키는데, 제동인가에 따라 지속되는 마찰은 재동패드의 마모를 동반하여 EMB의 요구 압부력을 충분히 발생시키지 못하는 결과를 가져오게 되므로 마모패드의 상태에서도 신규패드와 동일한 압부력이 발생하도록 본 발명은 EMB 시험모드의 진입을 통해 마모보상 알고리즘을 실행한다.

이때, 상기 철도차량용 EMB는 철도차량의 대차에 설치되어 철도차량을 제동시키는 제동장치로서, 차량 제동장치 제어기(TBC)(1)로부터 제어명령을 입력받으면 제동을 수행하고, 제동에 따른 제어결과를 차량 제동장치 제어기(TBC)(1)로 전송한다.

이러한 철도차량용 EMB는 제동패드를 제동디스크측으로 진퇴(進退)시키는 모터(10)와, 상기 모터(10)를 제어하는 모터 제어기(100)를 포함한다.

상기 모터 제어기(100)는 차량용 배터리로부터 전원을 공급받아 철도차량용 EMB의 제동패드를 진퇴시키는 모터(10)를 제어하는 것으로, 위치제어기(110), 속도제어기(120), 전류제어기(130)를 포함하는 캐스케이드(Cascade) 제어기로서, 위치제어를 위해 상기 모터(10)로부터 위치데이터를 피드백(feedback)받아 요구 압부력 지령으로 환산하는 추정기(140)를 더 포함한다.

여기서, 상기 모터 제어기(100)는 모터(10)의 위치를 감지하는 위치감지부, 모터(10)의 속도를 감지하는 속도감지부, 모터(10)의 토크 전류를 감지하는 전류감지부를 통해 모터(10)로부터 감지 데이터를 입력받는다.

이때, 상기 위치감지부는 모터(10)의 위치데이터를 측정하여 추정기(140)로 제공하며 그에 따라 추정기(140)는 요구 압부력 지령을 추정하여 위치제어기(110)에 제공하고, 상기 전류감지부는 모터(10)에 흐르는 토크 전류를 측정하여 상기 전류제어기(130)에 제공하며, 상기 속도감지부는 모터(10)의 각속도를 측정하여 상기 속도제어기(120)에 제공한다.

이하 본 발명의 각 구성을 구체적으로 설명한다.

우선 상기 위치제어기(110)는 차량 제동장치 제어기(TBC)(1)로부터 전달된 기준압부력 및 추정기(140)에서 추정된 요구 압부력 지령을 입력 받아 출력 명령을 생성한다.

이때, 상기 위치제어기(110)는 속도제어기(120)와 연결되어 출력 명령을 생성하며, 그 출력 명령은 속도제어기(120)에 대한 모터 속도제어명령이 된다.

또한, 상기 속도제어기(120)는 상기 위치제어기(110)로부터 전달된 모터 속도제어명령 및 상기 속도감지부를 통해 측정된 모터(10)의 각속도를 입력 받아 출력 명령을 생성한다.

이때, 상기 속도제어기(120)는 전류제어기(130)와 연결되어 출력 명령을 생성하며, 그 출력 명령은 전류제어기(130)에 대한 모터 전류제어명령이 된다.

그리고, 상기 전류제어기(130)는 상기 속도제어기(120)로부터 전달된 모터 전류제어명령 및 상기 전류감지부를 통해 측정된 모터(10)의 토크 전류를 입력 받아 모터(10) 제어를 위한 출력 명령을 생성한다.

한편, 상기 추정기(140)는 상기 모터(10)로부터 위치데이터를 피드백(feedback) 받아 요구 압부력 지령으로 환산한다. 이러한 추정기(140)는 수식으로 모델링된 모델식으로, 수식으로의 모델링이 필요없이 위치데이터를 통한 직접적인 제어도 가능하다.

이와 같은 모터 제어기(100)의 기본적인 제어구조에서 제동패드의 마모 보상 알고리즘은 도 4에 도시한 바와 같다.

추정기(140)는 모터(10)의 위치데이터를 피드백(feedback)하여 요구 압부력 지령을 추정한다. 이때, 모터(10)로부터 연산된 토크 전류(q축 전류)의 센싱값이 기준전류보다 작은 경우 추정기(140)의 모델식의 출력값(요구 압부력 지령)은 모터(10)가 제동디스크 방향으로 위치이동을 하는 방향으로 결정되어 압부력이 증가된다.

즉, 제동패드의 마모발생으로 인해 압부력이 작게 발생하는 것을 캘리퍼 위치제어값을 제동디스크 방향으로 더 이동시켜 추가적인 압부력 값을 발생시키도록 한다.

따라서, 제동패드의 마모 보상을 위해 전류제어기(130)의 파라미터 튜닝 등의 어려운 과정을 거치지 않고 1차식 수준에서 간단한 마모보상이 가능하다.

이하에서는 상기 제동패드의 마모 보상을 위한 추정기(140)의 동작을 상세히 설명한다.

본 발명의 추정기(140)는 모터(10)에서 감지되는 위치데이터를 피드백(feedback)하여 요구 압부력 지령을 추정하기 위해 1차식 수준의 모델식을 사용한다.

추정기(140)를 일차식인 "Y = aX + b" 로 가정하면 Y는 제동장치의 출력 압부력, X는 모터(10)로부터 피드백(feedback)되는 이동거리, a와 b는 모터(10) 특성에 따른 압부력과 모터이동 거리간의 기울기 및 절편에 해당된다.

상기 추정기 식에서 b 값을 이동시키면 모터(10)의 특성과 관계없이 추정기(140)의 출력값인 압부력 추정값을 변화시킬 수 있다. 예를 들어 b 값을 압부력이 낮아지는 방향으로 변화시키면 기준압부력과 피드백(feedback) 값의 차이가 많이 발생하여 모터(10)를 압부력이 추가되는 방향으로 더 이동시키게 된다.

여기서, 상기 추정기(140)는 전술한 바와 같이 일차식을 사용할 수도 있지만 이에 한정되는 것이 아니라, "Y = aX² + bX + c"와 같은 이차식을 사용할 수도 있고, 다차식을 사용할 수도 있다.

이때, 상기 다차식의 계수는 모터의 특성을 반영한 수치이고, 상기 다차식을 사용할 경우에도 전술한 일차식과 같이 상기 추정기의 모델식을 업데이트(Update)할 때에는 상기 다차식의 절편값을 변화시켜 업데이트하게 된다.

이하에서는 도 4를 참고로 본 발명의 제동패드의 마모 보상 제어 흐름에 관해 구체적으로 설명한다.

우선 모터 제어기(100)는 제동패드 마모에 따른 보상 기능을 수행하기 위해 테스트 모드를 실행(진입)한다.(S1) 이 경우 모터 제어기(100)는 예를 들어 차량 제동장치 제어기(TBC)(1)로부터 테스트 모드 실행에 관한 제어신호를 입력받을 수 있다.

그리고, 모터 제어기(100)는 모터(10)에서 감지되는 위치데이터를 피드백(feedback)하여 요구 압부력 지령을 추정하는 추정기(140)로부터 요구 압부력 지령을 입력 받는 위치제어기(110)와 속도제어기(120) 및 전류제어기(130)의 순차적 제어를 통해 명령을 출력하여 모터(10)를 구동한다.(S2)

상기 단계(S2)를 통해 모터(10)가 구동되면 전류감지부를 통해 모터(10)의 토크 전류(q축 전류)를 감지하며 감지된 모터(10)의 토크 전류(q축 전류)가 설정된 기준전류를 초과하는지 비교한다.(S3)

상기 단계(S3)를 통해 모터(10)의 토크 전류(q축 전류)가 설정된 기준전류를 초과하는 경우에 추정기(140)의 모델식을 업데이트(Update)한다.(S4)

이때, 상기 추정기(140)의 모델식의 업데이트는 상기 추정기(140)의 일차식인 "Y = aX + b" 의 경우 모터(10) 특성에 따른 압부력과 모터이동 거리간의 절편값인 b값에 대해 업데이트를 수행한다.

물론, 상기 단계(S4)를 통해 추정기(140)의 모델식을 업데이트한 후에는 상기 단계(S2)로 분기하여 업데이트된 추정기(140)에서 새롭게 추정되는 요구 압부력 지령이 위치제어기(110)로 입력되며 그에 따라 속도제어기(120) 및 전류제어기(130)의 순차적 제어를 통한 명령 출력을 통해 모터(10)를 구동하며 토크 전류(q축 전류)를 감지하며 감지된 모터(10)의 토크 전류(q축 전류)가 설정된 기준전류를 초과하는지 비교한다.

이러한 단계(S2 ~ S4)를 수행하는 과정에서 b값에 대해 설정된 시간동안 업데이트를 수행한다. 여기서 상기 b값은 선형적으로 변화시키거나 설정값을 순차적으로 적용할 수 있다.

한편, 상기 단계(S3)를 통해 모터(10)의 토크 전류(q축 전류)가 설정된 기준전류보다 작은 경우 최종 업데이트된 추정기(140)의 모델식을 결정한다.(S5)

이와 같이 최종 업데이트된 추정기(140)의 모델식을 결정하면 테스트 모드를 종료하며 이에 통상의 제동 압부력 출력과 같은 상태가 된다.(S6)

이상의 본 발명에 따른 EMB 마모보상 S/W 알고리즘 적용에 따른 실험 결과의 일 예로 도 5에 도시한 바와 같은 동작파형을 얻을 수 있다.

이에 도시된 파형과 같이 모터(10)의 토크 전류(Iq 전류)는 일정 압부력 입력시의 기준전류와 비교를 수행하며 모터의 출력 Iq 전류값이 작은 경우 모델식에 따른 파형(위치데이터)를 그래프 x축으로부터 상승시킨다.

이와 같이 모터(10)의 위치데이터가 증가됨으로써 모터 Iq 전류는 증가하고 기준전류와 비교하여 큰 경우 모델식을 업데이트하지 않고 알고리즘을 종료하며, 알고리즘의 종료 후 마모보상이 완료되어 기준압부력을 추종하게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 차량 제동장치 제어기(TBC) 10: 모터
100: 모터 제어기 110: 위치제어기
120: 속도제어기 130: 전류제어기
140: 추정기

Claims (7)

1. 철도차량용 전기기계식 제동장치의 제동패드 마모에 따른 보상 방법에 있어서,
   상기 제동패드를 제동디스크측으로 진퇴(進退)시키는 모터에서 감지되는 위치데이터를 피드백(feedback)하여 요구 압부력 지령을 추정하는 모델식으로 이루어지는 추정기로부터 요구 압부력 지령을 통해 모터를 구동하는 제1 단계;
   상기 모터에서 감지되는 토크 전류가 설정된 기준전류를 초과하는지 비교하는 제2 단계; 및
   상기 모터에서 감지되는 토크 전류가 설정된 기준전류를 초과하면 상기 추정기의 모델식을 업데이트(Update)하는 제3 단계;를 포함하며,
   상기 추정기의 모델식은 다차식을 사용하며, 상기 추정기의 모델식의 업데이트(Update)는 상기 다차식의 절편값을 변화시키는 것을 특징으로 하는 철도차량용 전기기계식 제동장치의 제동패드 마모에 따른 보상 방법.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 단계 이전에 상기 제동패드 마모에 따른 보상 기능을 수행하기 위해 테스트 모드로 진입하는 제4단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 전기기계식 제동장치의 제동패드 마모에 따른 보상 방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제3 단계의 업데이트는 설정 시간 수행하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 전기기계식 제동장치의 제동패드 마모에 따른 보상 방법.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 제2 단계에서 모터의 토크 전류가 설정된 기준전류보다 작으면 상기 업데이트된 추정기의 모델식을 결정하는 제5 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 전기기계식 제동장치의 제동패드 마모에 따른 보상 방법.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 제1 단계는 테스트 모드에 진입하여 수행되며,
   상기 제5 단계 이후에 테스트 모드를 종료하는 제6 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 전기기계식 제동장치의 제동패드 마모에 따른 보상 방법.
   
7. 삭제

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