KR102581053B1

KR102581053B1 - Mr댐퍼 온도 측정방법

Info

Publication number: KR102581053B1
Application number: KR1020210054693A
Authority: KR
Inventors: 강경호
Original assignee: 현대로템 주식회사
Priority date: 2021-04-28
Filing date: 2021-04-28
Publication date: 2023-09-20
Also published as: KR20220147783A

Abstract

본 발명은 MR댐퍼 온도 측정방법에 관한 것으로, 특히 온도센서의 부착이 어려운 댐퍼 내부의 솔레노이드(Solenoid)의 저항변화를 계측하여 온도를 측정할 수 있도록 하는 MR댐퍼 온도 측정방법에 관한 것이다. 구성은 온도변화에 따른 MR 댐퍼 내부의 저항변화를 외부에서 전류, 전압으로 계측하여 온도로 환산하는 MR댐퍼 온도 측정방법으로서, (a) MR댐퍼의 전자석인 피스톤을 구성하는 코어조립체에 연결된 리드선 양단 간에 저항 값을 측정하고 측정된 저항 값을 통해 코어조립체의 온도계수를 측정하는 단계와; (b) 기준 온도에서 코어조립체의 저항을 측정하는 단계와; (c) 상기 (a) 단계 및 (b) 단계에서 얻어진 코어조립체의 온도계수 및 기준 온도의 저항 정보를 온도 측정을 위한 제어기와, 권선과, 필터와, 레벨변환기 및 CPU로 이루어지는 계측부의 CPU 내부에 저장하는 단계와; (d) 리드선 양단의 전압과 저항에 통전되는 인가 전류를 측정하고 필터를 이용하여 PWM 성분을 필터링하는 단계와; (e) 필터를 통해 걸러진 전압 및 필터를 통해 걸러진 전류에서 현재 저항 값을 계산하는 단계와; (f) 관계식 을 이용하여 코어조립체 현재의 온도를 계산하는 단계; 를 포함한다.

Description

MR댐퍼 온도 측정방법{MR Damper Temperature Measurement Method}

본 발명은 MR댐퍼 온도 측정방법에 관한 것으로, 특히 온도센서의 부착이 어려운 댐퍼 내부의 솔레노이드(Solenoid)의 저항변화를 계측하여 온도를 측정할 수 있도록 하는 MR댐퍼 온도 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로 MR댐퍼(Damper)는 자기장의 세기에 따라 유체의 겉보기 점도가 변하는 자기 유변 유체(Magneto-Rheological fluid)를 작동유로 사용하고 전류의 세기를 조절하여 전자석에서 발생하는 자기장의 세기를 변화시켜 전자석 주위를 유동하는 MR 유체의 점도 변화로 댐핑력이 가변 되어 상, 하 진동을 흡수하여 주행 안정성과 승차감을 향상토록 한다.

이와 같은 MR댐퍼는 항공기, 승용차량, 화물차량, 철도차량 등과 같은 운송수단의 승차감 및 주행성 향상을 위해 노면 충격과 진동을 흡수, 완충하는 완충장치인 쇼크업소버(shock absorber)로 사용된다.

그리고, MR댐퍼는 내부 압력이 높고 MR 유체로 인해 외부로 누유가 발생되지 않는 구조로 제작된다.

또한, MR 유체는 온도에 따라 자기적 성질 및 점성이 감소하여 댐퍼의 감쇠력이 저하하게 된다.

따라서, MR댐퍼의 MR유체 온도를 감지하여 설정 범위 이상으로 높아지는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

그러나, 종래의 MR댐퍼는 자기장을 생성시키기 위한 외부 리드선의 인출이 최소화되어야 하므로 별도의 온도센서를 부착시키기가 매우 어렵기 때문에 온도 측정이 이루어지지 않거나, 온도 측정을 위한 장치를 별도로 부착하여야 할 뿐만 아니라 온도 측정장치의 유지보수가 어려운 문제점이 있었다.

또, MR댐퍼의 온도를 측정하지 않을 경우 MR 유체의 온도가 상승함에 따라 자기적 성질 및 점성이 감소하여 댐퍼의 감쇠력 저하로 주행 안전성과 승차감이 저하되는 문제점이 있었다.

뿐만 아니라, 추가적으로 MR댐퍼의 전자석 온도가 지속 상승하게 되면 권선의 단락 또는 단선이 발생하여 MR댐퍼의 동작이 불가능하게 되는 문제점이 있다.

공개번호 제10-2007-0100426호

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 MR댐퍼 내부의 솔레노이드 저항변화를 통해 전류, 전압으로 계측하여 온도 변화를 측정할 수 있도록 함으로써, MR댐퍼의 특성 제어나 고장진단에 이용할 수 있도록 하는 MR댐퍼 온도 측정방법을 제공하는것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 온도변화에 따른 MR 댐퍼 내부의 저항변화를 외부에서 전류, 전압으로 계측하여 온도로 환산하는 MR댐퍼 온도 측정방법으로서, (a) MR댐퍼의 전자석인 피스톤을 구성하는 코어조립체에 연결된 리드선 양단 간에 저항 값을 측정하고 측정된 저항 값을 통해 코어조립체의 온도계수를 측정하는 단계와; (b) 기준 온도에서 코어조립체의 저항을 측정하는 단계와; (c) 상기 (a) 단계 및 (b) 단계에서 얻어진 코어조립체의 온도계수 및 기준 온도의 저항 정보를 온도 측정을 위한 제어기와, 권선과, 필터와, 레벨변환기 및 CPU로 이루어지는 계측부의 CPU 내부에 저장하는 단계와; (d) 리드선 양단의 전압과 저항에 통전되는 인가 전류를 측정하고 필터를 이용하여 PWM 성분을 필터링하는 단계와; (e) 필터를 통해 걸러진 전압 및 필터를 통해 걸러진 전류에서 현재 저항 값을 계산하는 단계와; (f) 관계식 을 이용하여 코어조립체 현재의 온도를 계산하는 단계; 를 포함한다.

삭제

이상에서와 같이 본 발명의 MR댐퍼 온도 측정방법은 코어조립체에 온도센서를 부착하지 않고 실시간으로 현재의 온도를 계산할 수 있는 효과가 있다.

또, 본 발명은 계산된 온도값을 이용하여 감쇠력 저하에 대한 보상 또는 과온에 대한 고장감지등 다양한 알고리즘의 개발이 가능해지는 효과가 있다.

뿐만 아니라, MR댐퍼의 온도를 측정함으로써, 온도 변화에 따른 감쇠력을 개선토록 하여 차량의 승차감 향상을 이루는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MR댐퍼 온도 측정방법에 대한 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 MR댐퍼의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 센서리스 온도 측정을 위한 계측부의 구성을 블록도로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 MR댐퍼 온도 측정을 위한 온도와 저항값의 선형관계를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.

여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MR댐퍼 온도 측정방법은, (a) MR댐퍼(100) 코어조립체(132)의 온도계수(α)를 측정하는 단계(S10)와; (b) 기준 온도에서 코어조립체(132)의 저항(R_ref)을 측정하는 단계(S20)와; (c) 코어조립체(132)의 온도계수(α) 및 기준 온도의 저항(R_ref) 정보를 저장하는 단계(S30)와; (d) 리드선 양단의 전압(V_feedback)과 저항에 통전되는 인가 전류(I_DC)를 측정 및 필터링하는 단계(S40)와; (e) 필터를 통해 걸러진 전압(V_coil) 및 필터를 통해 걸러진 전류(I_coil)에서 현재 저항(Rt)을 계산하는 단계(S50)와; (f) 관계식을 이용하여 현재의 온도(Tt)를 계산하는 단계(S60); 를 포함한다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 MR댐퍼(100)는 케이스인 튜브(110)와, 상기 튜브(110)의 내부 중앙에 상,하로 유동 가능하도록 형성되는 로드(120)와, 상기 로드(120)의 하단부를 통해 일체로 유동 가능하도록 형성되는 피스톤(130)으로 대별되어 이루어진다.

여기서, 상기 피스톤(130)은 전자석으로서, 자속(자기력선)을 발생시키는 자석이 흩어지지 않고 이상적으로 흘러갈 수 있도록 하는 금속띠인 플럭스링(131)과, 상기 플럭스링(131)의 내측에 위치하는 권선(132a)을 구비하는 코어조립체(132)와, 상기 코어조립체(132)의 상단부와 하단부로 형성되는 상부쉴드(133) 및 하부쉴드(134)로 이루어진다.

또, 상기 로드(120)의 내부에는 전자석으로 이루어지는 상기 피스톤(130)에 전류를 흘리기 위한 리드선(121)이 형성된다.

이에 따라, 상기 로드(120)의 내부에 형성되어 있는 리드선(121)을 통하여 상기 피스톤(130)에 제어 전류를 인가시 자기장의 강도에 따라 자기유변유체의 점성을 높거나 낮게 변화시켜 유로를 통과하는 MR 유체의 유량 조절로 댐핑력을 조절할 수 있게 된다.

또, 상기 로드(120)의 상단은 차체 측에 연결, 고정되고, 상기 튜브(210)의 하부 일단은 바퀴 측에 연결, 고정되어 차량의 주행시 차체와 바퀴 사이에서 발생하는 충격과 진동을 감소시키도록 상,하로 이동한다.

이와 같은 구성의 MR댐퍼(100)는 다양한 형태로 실시되고 있는 것으로서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

그리고, 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이 센서리스 온도 측정을 위한 계측부(200)를 구성하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 계측부(200)는 제어기(210)와, 권선(220)과, 필터(230)와, 레벨변환기(240) 및 CPU(250)로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 제어기(210)는 MR댐퍼(100)의 감쇠력을 제어하기 위해 차량의 거동특성을 고려하여 권선(220)에 인가되는 전류를 제어한다.

즉, 상기 제어기(210)로 권선(220)에 인가되는 전류를 제어하는 것은, 전류의 크기에 따라 전자석의 자속밀도값이 변하고 이에 비례하여 MR 유체의 점성이 변하게 되며 감쇠력은 유체 점성의 변화에 따라 변동하므로 전류의 제어를 통해 MR 유체의 점성을 제어할 수 있기 때문이다.

그리고, 상기 권선(220)은 감겨지는 횟수(턴수)×전류에 의해 자속을 발생시킬 수 있는 것이다.

즉, 상기 권선(220)은 감겨지는 횟수(턴수)×전류에 의해 제어기(210)에서 공급된 전류에 의해 자속을 만들 수 있게 한다.

상기 필터(230)는 측정계측부가 고주파 노이즈 성분을 제거할 목적으로 구현된다.

여기서, 상기 필터(230)는 회로로 구현할 수도 있고 SW의 알고리즘으로 구현하는 것도 가능하다.

상기 레벨변환기(240)는 CPU(250)에 내장된 A/D 컨버터의 전압 레벨에 적합하도록 전압 레벨을 변환하는 역할을 한다.

이러한 구성은 상기 원리에 의해 전류제어 알고리즘이 CPU(250)를 통해 계산된다.

상기 (a) 단계는, MR댐퍼(100)의 전자석인 피스톤(130)을 구성하는 코어조립체(132)의 온도계수(α)를 측정한다.(S10)

즉, 상기 (a) 단계는 MR댐퍼(100)의 코어조립체(132)를 항온챔버(미도시)에 두고 원하는 값으로 온도를 셋팅하여 균일하게 가열(Soaking)한 후 리드선(121) 양단 간의 저항을 측정한다.

예컨대, 상기 항온챔버에 넣은 코어조립체(132)의 온도를 100℃로 셋팅하여 균일하게 가열한 후, 리드선(121) 양단 간의 저항을 측정 한다. 이때, 상기 리드선(121) 양단 간에 측정 저항 값을 알 수 있다.

여기서, 상기 항온챔버에 넣은 코어조립체(132)의 온도를 증가시켜 각 온도 스텝별로 저항을 측정한 후 온도를 x축으로, 저항을 y축으로하는 그래프를 그리면 도 5와 같은 선형관계가 성립된다.

즉, 상기 코어조립체(132)에 연결된 리드선(121) 양단 간에 측정된 저항 값을 통해 코어조립체(132)의 온도계수(α)를 측정한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 해당 그래프의 기울기가 온도계수(α)로 정의되는데 온도계수값은 코어조립체(132)의 형태, 사양, 크기 등에 따라 달라질 수 있다.

상기 (b) 단계는, 기준 온도(예, 상온)에서 코어조립체(132)의 저항(R_ref)을 측정한다.(S20)

즉, 상기 (b) 단계는 기준 온도(상온 예컨대, 20℃)에서 코어 조립체(132)의 저항(R_ref)을 측정한다.

구체적으로, 상기 코어 조립체(132)의 저항(R_ref)을 측정하는 것은 상기 온도값을 추정하기 위한 기준이 되고 제품 간의 편차가 존재하기 때문이다.

제품 간의 편차가 존재할 경우 계산된 온도값에도 오차가 발생하게 된다. 그러므로, 일반적으로 권선되는 전자석의 저항값은 전수검사 항목이다.

저항값에 영향을 미치는 요소는 코일의 도전율과 사이즈, 권선수이다. 사이즈와 권선수가 결정되면 도전율에 의해 저항이 결정되는데, 코일의 사양에 따라 순수 도전율과의 차이도 존재한다.

그러므로, 기준 온도(상온 예컨대, 20℃)에서 코어 조립체(132)의 저항(R_ref)을 측정하는 것은 제품의 검사시 반드시 수행되어야 하고, 측정된 결과는 측정 기준 온도와 함께 명기한다.

여기서, 기준온도라 함은 측정할 때 측정자가 시험체의 온도를 알고 있다는 의미이다.

상기 (c) 단계는, 코어조립체(132)의 온도계수(α) 및 기준 온도의 저항(R_ref) 정보를 저장한다.(S30)

즉, 상기 (c)단계는, 상기 (a) 단계 및 (b) 단계에서 얻어진 코어조립체(132)의 온도계수(α) 및 기준 온도의 저항(R_ref) 정보를 저장한다.

구체적으로, 상기 얻어진 코어조립체(132)의 온도계수(α) 및 기준 온도(T_ref)의 저항(R_ref) 정보는 도 4에 도시된 계측부(200)의 CPU(250) 내부에 저장될 수 있다.

예컨대, 추정된 권선온도(T_t)는 과온 고장 진단이나 온도에 따른 출력보상 제어 등에 사용되어야 하므로 연산장비에 부속된 메모리나 기억장치에 저장되어야 한다.

상기 (d) 단계는, 리드선(121) 양단의 전압(V_feedback)과 저항(R)에 통전되는 인가 전류(I_DC)를 측정 및 필터링한다.(S40)

즉, 상기 (d) 단계는 상기 코어조립체(132)에 연결되는 리드선(121)의 양단 간 전압(V_feedback)과 저항(R)에 인가되는 인가전류(I_DC)를 측정하고 필터링한다.

좀 더 구체적으로 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 코어조립체(132)는 저항(R)으로 등가되므로 리드선(121) 양단의 전압(V_feedback)과 저항(R)에 통전되는 전류(I_DC)에 의해 다음과 같은 옴의 법칙이 성립된다.

R : 저항

V_feedback : 리드선 양단의 전압

I_DC : 저항에 통전되는 전류

그러나, 상기 리드선(121) 양단의 전압(V_feedback) 및 저항(R)에 통전되는 전류(I_DC)는 상기 제어기(210)에서 공급된 전압의 PWM 성분을 포함하고 있기 때문에 필터(230)를 이용하여 PWM(pulse width modulation) 성분을 제거하여야 한다.

즉, 전자석에서 발생되는 자속을 제어하기 위해 인가전류는 DC로 제어되어야 한다. DC 전류를 만들기 위해 제어기(210)의 출력전압(Vt)은 PWM 스위칭으로 인가된다. 필터(230)가 없을 경우, 리드선(121) 양단의 전압(V_feedback)에는 PWM 성분이 섞여 있어 전류(I_coil)의 정확한 측정이 어렵다.

상기 (e) 단계는, 필터(230)를 통해 걸러진 전압(V_coil) 및 필터(230)를 통해 걸러진 전류(I_coil)에서 현재 저항(Rt)을 계산한다.(S50)

여기서, 상기 필터(230)를 통해 걸러진 전압(V_coil)과, 전류(I_coil)에서 현재의 저항(Rt)을 계산하기 위해서는 다음의 관계가 성립된다.

Rt : 현재의 저항

V_coil : 필터를 통해 걸러진 전압

I_coil : 필터를 통해 걸러진 전류

저항(R)의 경우, 온도에 따른 선형관계가 성립되므로 현재의 저항(Rt)과 온도 및 온도계수(α)는 다음의 수식으로 정의된다.

Rt : 현재의 저항

R_ref : 기준 온도(예 : 상온)에서 측정한 저항

1 : 숫자

α : 온도계수

△T : 현재의 온도와 기준 온도 차이

T_{t :}현재의 온도

T_{ref :}기준 온도(예 : 상온 20℃)

상기 (f) 단계는, 관계식을 이용하여 현재의 온도(Tt)를 계산한다.(S60)

즉, 상기 수식에서 기준 온도(예 : 상온)에서 측정한 저항(R_ref) 및 현재의 저항(Rt) 값, 온도계수(α)를 계측 또는 계산에 의해 이미 알고 있으므로 최초 기준 온도에서 측정한 저항(R_ref) 측정시의 기준 온도(T_ref)를 대입하면, 현재의 온도(Tt)는 다음의 수식으로 정리된다.

상기와 같이, MR댐퍼(100)에 형성되는 MR 유체에 자기장을 생성하기 위한 전자석인 피스톤(130)의 권선(132a) 저항(R) 값이 온도에 대한 선형적인 특성을 이용하여 외부의 전압과 전류를 계측함으로써 온도값을 측정할 수 있다.

예컨대,

기준 온도(상온)에서 측정한 저항(R_ref) = 0.97Ω (기준 온도(T_ref)는 20℃)

온도계수(α) = 0.00381

현재의 상태에서 측정한 리드선(121) 양단의 전압(V_feedback)과, 저항에 통전되는 전류(I_DC)를 필터(230)를 통해 필터링하여 계산한 값은 전압(V_coil)과, 전류(I_coil)이다.

이때, 상기 필터(230)를 통해 필터링하여 계산한 전압(V_coil)이 7V이고, 전류(I_coil)가 5A라고 가정하면, 현재의 저항(Rt) = 7/5 = 1.4Ω가 된다.

이를 통해 아래 수식에서 현재의 온도를 계산하면,

현재의 온도는 (1.4/0.97 - 1)×1/0.00381 + 20 = 136.3℃ 임을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따르면 코어조립체에 온도센서를 부착하지 않고 실시간으로 현재의 온도를 정확하게 계산할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100 : MR댐퍼 110 : 튜브
120 : 로드 121 : 리드선
130 : 피스톤 131 : 플럭스링
132 : 코어조립체 132a : 권선
133 : 상부쉴드 134 : 하부쉴드
200 : 계측부 210 : 제어기
220 : 권선 230 : 필터
240 : 레벨변환기 250 : CPU

Claims

온도변화에 따른 MR 댐퍼 내부의 저항변화를 외부에서 전류, 전압으로 계측하여 온도로 환산하는 MR댐퍼 온도 측정방법으로서,
(a) MR댐퍼의 전자석인 피스톤을 구성하는 코어조립체에 연결된 리드선 양단 간에 저항 값을 측정하고 측정된 저항 값을 통해 코어조립체의 온도계수를 측정하는 단계와;
(b) 기준 온도에서 코어조립체의 저항을 측정하는 단계와;
(c) 상기 (a) 단계 및 (b) 단계에서 얻어진 코어조립체의 온도계수 및 기준 온도의 저항 정보를 온도 측정을 위한 제어기와, 권선과, 필터와, 레벨변환기 및 CPU로 이루어지는 계측부의 CPU 내부에 저장하는 단계와;
(d) 리드선 양단의 전압과 저항에 통전되는 인가 전류를 측정하고 필터를 이용하여 PWM 성분을 필터링하는 단계와;
(e) 필터를 통해 걸러진 전압 및 필터를 통해 걸러진 전류에서 현재 저항 값을 계산하는 단계와;
(f) 관계식 을 이용하여 코어조립체 현재의 온도를 계산하는 단계; 를 포함하는 MR댐퍼 온도 측정방법.
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