KR20110014905A

KR20110014905A - 상용 ａｂｓ와 성능비교를 통한 슬라이딩 모드 제어기의 제동성능 분석방법

Info

Publication number: KR20110014905A
Application number: KR1020090072507A
Authority: KR
Inventors: 윤득선; 부광석; 백승환; 송정훈
Original assignee: 인제대학교 산학협력단
Priority date: 2009-08-06
Filing date: 2009-08-06
Publication date: 2011-02-14

Abstract

본 발명은 상용 ABS와 성능비교를 통한 슬라이딩 모드 제어기의 제동성능 분석방법에 관한 것으로서, 특히, 15자유도 차량모델을 기본으로 실차의 브레이크용 유압라인과 ABS(Anti-lock Brake System) 제어용 ECU를 가진 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 시스템을 구축하고, 상기 HILS 시스템에 목표 제동슬립을 추종하는 성능을 향상시키기 위한 SMC(Sliding Mode Controller)를 적용하여, 상기 HILS의 ECU 시스템의 제동성능과 다양한 노면 환경에서 상용 ABS와 비교함으로써, 상기 SMC의 성능을 검증하는 것을 특징으로 하는 상용 ABS와 성능비교를 통한 슬라이딩 모드 제어기의 제동성능 분석방법을 기술적 요지로 한다. 이에 따라 HILS의 ECU 시스템의 제동성능과 다양한 노면 환경에서 상용 ABS와 상기 SMC가진 ABS를 비교함으로써 구축한 SMC의 성능을 검증하여, 실차 실험을 통한 비용을 절감시키고 시뮬레이션에 대한 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

차량 동역학 모델, ＡＢＳ, 슬라이딩 모드 제어기, ＳＭＣ, ＨＩＬＳ

Description

상용 ＡＢＳ와 성능비교를 통한 슬라이딩 모드 제어기의 제동성능 분석방법{Brake Performance Analysis of Sliding Mode Controller by Comparing with a Commercial Anti-Lock Brake System}

본 발명은 상용 ABS와 성능비교를 통한 슬라이딩 모드 제어기의 제동성능 분석방법에 관한 것으로서, 특히, 실차의 브레이크용 유압라인과 ABS 제어용 ECU 시스템을 가진 HILS 시스템을 구축하고, 목표 제동슬립을 추종하는 성능을 향상시키기 위해 SMC를 구성하여, 상용 ABS와 비교함으로써 구축한 SMC의 성능을 검증하여 비용을 절감시키고 신뢰성을 향상시키는 상용 ABS와 성능비교를 통한 슬라이딩 모드 제어기의 제동성능 분석방법에 관한 것이다.

ABS는 차량의 제동성능을 향상시키고 급제동 시에도 조향능력을 유지시켜줌으로써 차량의 안정성을 증대시키는 고안전 시스템이다. 최근에는 기존의 ABS의 성능을 보다 적극적으로 향상시키기 위한 연구가 활발하게 진행 중이다.

ABS는 전자제어시스템의 발달과 더불어 슬라이딩 모드 등의 고급제어 이론이 적용되고 최적화되어 제동성능이 향상되었으며, 최근에는 brake-by-wire 시스템을 이용하여 제동슬립의 제어를 수행하려는 연구도 다방면에서 진행되고 있다.

그러나 차량의 브레이크가 가지는 유압시스템의 비선형성과 불확실성으로 인하여 최적의 제어 알고리듬 개발이 어려운 것이 실정이다. 따라서 이 분야의 연구는 이론적, 실험적인 연구가 동시에 진행되어야 한다.

이론적인 시뮬레이션(simulation) 연구기법은 비용이 저렴하며 위험한 실차실험을 수행하지 않고 성능의 평가와 부품간의 상호작용을 확인할 수 있으나 연구결과의 신뢰성을 확보하기가 어렵다. 그리고, 실차실험을 통한 연구는 신뢰성은 높은 편이나 비용이 많이 소요되며 성능을 파악하기 위해 다수의 실험을 통한 데이터를 보유해야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 실차의 브레이크용 유압라인과 ABS 제어용 ECU 시스템을 가진 HILS 시스템을 구축하고, 목표 제동슬립을 추종하는 성능을 향상시키기 위해 SMC를 구성하여, HILS의 ECU 시스템의 제동성능과 다양한 노면 환경에서 상용 ABS와 비교함으로써 구축한 SMC의 성능을 검증하여 비용을 절감시키고 신뢰성을 향상시키는 상용 ABS와 성능비교를 통한 슬라이딩 모드 제어기의 제동성능 분석방법을 기술적 요지로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 15자유도 차량모델을 기본으로 실차의 브레이크용 유압라인과 ABS(Anti-lock Brake System) 제어용 ECU(Electric Control Unit), 를 가진 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 시스템을 구축하고, 상기 HILS 시스템에 목표 제동슬립을 추종하는 성능을 향상시키기 위한 SMC(Sliding Mode Controller, 슬라이딩 모드 제어기)를 적용하여, 상기 HILS의 ECU 시스템의 제동성능과 다양한 노면 환경에서 상용 ABS와 비교함으로써, 상기 SMC의 성능을 검증하는 것을 특징으로 하는 상용 ABS와 성능비교를 통한 슬라이딩 모드 제어기의 제동성능 분석방법을 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 차량모델은 타이어 모델, 브레이크 모델, 조향장치 모델, 현가장치 모델 및 엔진 모델을 기본으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 SMC는 타이어의 속도변화와 노면상태에 따른 미끄러짐을 제어하 기 위하여 현재슬립(λ_si)과 목표슬립(λ_di)과의 오차를 슬라이딩 표면(sliding surface)으로 하고, 시스템의 비선형적인 특성에 의한 오차를 고려한 후 고주파 성분에 의한 채터링을 제거하여 제어입력을 설계하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유압라인에는 제동압력 형성 모델을 설계하여 압력이 구현되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 SMC의 성능을 검증하기 위하여, SMC의 최종출력은 유압력으로 하여 실제 차량의 솔레노이드 밸브를 구동하기 위해 실물 유압라인의 제동압력이 SMC의 최종출력인 유압력에 추종하도록 구성하는 것이 바람직하다.

여기에서, 상기 실물 유압라인에 제동압력을 구현할 제동압력 형성 모델은 NO, NC 밸브를 이용하여 증압, 감압, 유지 모드의 방식으로 구분하여 구성되며, 상기 각 모드의 전환을 위해 상기 SMC의 출력과 제동압력 형성 모델의 출력을 비교하여 차이값이 기준치를 넘는 경우 솔레노이드 밸브가 구동되도록 하여 모드 전환이 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 HILS 시스템의 시뮬레이션은 상용 소프트웨어인 CarSim을 이용하되, 상용 ABS의 급제동 성능과 SMC를 가진 ABS의 급제동 성능의 비교를 위해 노면 상태에 따라 마찰계수가 변하는 환경에서 타이어의 최적 슬립율로서 목표 슬립율은 노면의 상태와 상관없이 타이어의 수직방향으로 가장 큰 제동력을 발생시키는 0.2로 설정하여 시뮬레이션이 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 구성에 의한 본 발명은, HILS의 ECU 시스템의 제동성능과 다양한 노면 환경에서 상용 ABS와 상기 SMC가진 ABS를 비교함으로써 구축한 SMC의 성능을 검증하여, 실차 실험을 통한 비용을 절감시키고 시뮬레이션에 대한 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, CarSim으로 검증한 차량모델과 급제동 모델을 상용 ABS의 유압라인을 가진 HILS 시스템에 연계하여 구축하고 검증하여 SMC 설계에 사용하고, 상기 SMC를 통해 상용 ABS 제어기와 비교하여 급제동 성능이 향상됨을 확인할 수 있었고 목표 슬립율을 잘 추종하였을 뿐만 아니라 변동폭도 적합한 수준에서 유지되는 효과가 있다.

또한, 상기 SMC를 가진 ABS가 급제동 성능과 승차감을 좌우하는 피칭운동의 변화폭을 감소시켜 차량의 제동 안정성 향상에 기여하는 효과가 있다.

본 발명에 따른 상용 ABS와 성능비교를 통한 슬라이딩 모드 제어기의 제동성능 분석방법은 15자유도 차량모델을 기본으로 실차의 브레이크용 유압라인과 안티록브레이크 시스템(Anti-lock Brake System, 이하에서는 ABS라 한다) 제어용 전자제어유닛(Electric Control Unit, 이하에서는 ECU라 한다)를 가진 루프를 이용한 하드웨어 시뮬레이션(Hardware In the Loop Simulation, 이하에서는 HILS라 한다) 시스템을 구축하고, 상기 HILS 시스템에 목표 제동슬립을 추종하는 성능을 향상시키기 위한 슬라이딩 모드 제어기(Sliding Mode Controller, 이하에서는 SMC라 한다)를 적용하여, 상기 HILS의 ECU 시스템의 제동성능과 다양한 노면 환경에서 상 용 ABS와 비교함으로써, 상기 SMC의 성능을 검증하는 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 각 식 및 도면 등에 기술된 문자 및 첨자에 대한 설명은 다음과 같다.

A : 마스터실린더 단면적(area of master cylinder(m ² ))

f _r : 구름 저항 계수(rolling resistance coefficient)

F _D : 공기저항력(aerodynamic drag force(N ))

I _W : 휠 관성모멘트(moment of inertia of wheel(kgm ² ))

T _b : 제동토크(brake torque(Nm))

T _t : 타이어 견인토크(tire tractive torque(Nm))

T _roll : 타이어 구름저항토크(tire rolling resistance torque(Nm))

T _eng : 변속기 출력 토크(output torque of transmission(Nm))

R _w : 바퀴 반지름(wheel radius(m))

P _M : 운전자에 의한 마스터 실린더 압력(pressure of a master cylinder by the driver (N/m ² ))

P _O : 샘플링 스텝 전 압력(pressure at previous sampling step (N/m ² ))

λ _d : 기준 타이어 미끄럼률(desired tire slip ratio)

λ _s : 타이어 미끄럼률(tire slip ratio)

ω : 휠 각속도(wheel angular velocity (rad/sec))

θ : 휠 각(wheel angle (radian))

Φ : 경계층 두께(thickness of boundary layer)

첨자로 b는 제동(Brake), t는 타이어(Tire), x, y, z는 각각 종,횡,수직(Longitudinal, Lateral, Normal) 방향을 나타낸다.

<차량모델>

차량의 성능을 향상시키고 동적 특성을 예측하기 위하여 차량의 모델을 설계하는 것은 필수적이다. 그러나 차량의 성능과 특성을 완벽하게 나타내는 모델을 구성하는 것은 불가능하며 차체의 변형을 무시하는 강체로 가정함과 단순화로 인하여 모델이 정확한 예측은 매우 어렵다. 그러나 차체를 탄성체로 가정하여 다물체 동역학 해석을 수행하는 연구는 많은 연산시간이 소요되므로 실시간으로 제어동작이 수행되는 분야에는 적합하지 않다.

따라서, 본 발명에서는 제어동작과 연산, 그리고 되먹임의 제어구조를 실시간으로 완성하기 위하여 차량모델을 구성하고 CarSim의 차량모델과 분석을 통하여 검증하였다.

-CarSim의 차량모델

CarSim의 차량모델은 27자유도를 가지고 정확한 차량성능 파라미터를 라이브러리 형태로 제공하며 풍부한 입,출력변수를 가지고 있어 신뢰성이 높을뿐만 아니라 제어기의 구성 및 적용이 용이한 구조로 되어 있다. 또한, 실시간 연산을 위한 모듈을 가지고 있으며 Matlab/Simulink와의 연계가 쉬워 외국의 Delphi, Ford 등 많은 기관에서 HILS 시스템 구축에 적용하고 있다.

본 발명에서는 HILS 환경을 위하여 적용한 CarSim 모델은 6.05 버젼에서 실시간 제어와 2차원의 차량 거동분석을 위하여 Opal-RT 실시간 시스템과 연동하였으며, 표 1에서는 이에 사용한 입출력 변수들을 보이고 있다.

<표 1>

	변수(variables)
입력(Input)	브레이크 압력
출력(output)	차량 속도
	차량 가속도
	바퀴의 회전 속도
	슬립율
	피치
	타이어의 수직력
	타이어의 수평력

-전체 차량 모델

본 발명에서 구성한 차량 모델은 15자유도를 가지며 타이어 모델, 브레이크 모델, 현가장치 모델과 엔진모델을 기본으로 동적 거동을 해석하였다. 본 발명에서는 SMC를 통하여 타이어의 슬립율(slip ratio) 대비 제동성능의 향상이 목적이므로 타이어 모델의 슬립율이 주요 제어변수이다.

<식 1>

식 1은 타이어 모델을 나타내며, 여기서 첨자 i는 1,2,3,4이며, 도 1에서 좌측 앞바퀴, 우측 앞바퀴, 좌측 뒷바퀴, 우측 뒷바퀴를 각각 나타낸다. 또한, 차량의 무게 중심점에서의 x, y축에 대한 힘의 방정식은 아래의 식 2, 식 3과 같이 기술할 수 있다.

<식 2>

<식 3>

상기 식 2와 식 3을 연립하면 v_x를 구할 수 있으며 식 1에서 F_xi, F_yi를 구할 수 있다. 타이어 모델과 차량의 속도를 기준으로 하여 제동시의 미끄러짐 계수 λ_s는 다음 식 4와 같이 쓸 수 있다.

<식 4>

<슬라이딩 모드 제어기 설계>

차량의 급제동 성능을 향상시키고 타이어와 노면의 접지력을 유효하게 유지하기 위하여 바퀴의 슬립을 제어하는 SMC를 설계하였다. SMC는 시스템의 구조를 변경하여 시스템의 상태를 슬라이딩 표면에 구속시킴으로써 강인성을 얻을 수 있는 비선형 제어기법이며 모델의 불확실성과 외란이 존재할 경우에도 제어 시스템의 상태를 슬라이딩 표면 위에서 유지되도록 하는 우수한 제어기이다.

차량 타이어의 모델인 식 1에서 타이어의 속도 변화는 식 5와 같이 쓸 수 있다.

<식 5>

여기서 제어입력은 u_i=P_bi이며, 급제동시의 엔진출력이 T_eng=0으로 가정하여, τ_eng=T_eng/I_ωi=0, K_i=AR_b/I_ωi, τ_xi=F_xiR_ω/I_ωi, τ_ri=F_zif_ri/I_ωi=T_{roll i}/I_ωi이다.

따라서 바퀴의 속도 변화와 노면 상태에 따른 미끄러짐을 제어하기 위하여 현재 슬립(λ_si)과 목표 슬립(λ_di)과의 오차를 SMC의 슬라이딩 표면으로 하여 아래의 식 6으로 설정하고 이의 미분치를 구하면 식 7과 같이 쓸 수 있다.

<식 6>

<식 7>

여기서 λ_r은 λ_di-λ_si이며, λ는 양의 상수이다.

연속제어법(continuation control law)에 의한 최적

는

에서 제동토크의 오차가 없다는 가정하에서 아래의 식 8과 같이 구할 수 있다.

<식 8>

그러나 시스템의 비선형적인 특성으로 인하여 오차는 0이 될 수 없으므로 불연속 값인 식 9의

를 추가해야 한다.

<식 9>

여기서 η는 양의 상수이며 제어입력인 u_i는 식 8과 식 9로부터 구할 수 있으며 스칼라 양인 S가 0에 있어야만 슬라이딩 조건을 충족하므로 아래의 식 10을 만족해야만 한다.

<식 10>

그러나 시스템의 상태가 슬라이딩 표면을 가로지를 때 제어입력이 sgn(S)으로 인하여 시스템의 모델링 과정 중에 생략된 시스템의 고주파 성분이 여기되어 SMC의 치명적인 결점인 채터링이 발생한다. 따라서 불연속 스위칭 함수인 sgn(S)은 Φ를 경계층으로 가지는 연속 스위칭 함수인 sat(Φ) 함수로 바꾸어 채터링을 제거할 수 있으며 아래와 식 11과 같이 쓸 수 있다.

<식 11>

<급제동 모델>

본 발명에서는 SMC의 성능을 평가하기 위하여 실물 유압라인이 장착된 HILS 시스템을 이용하여 성능을 비교 및 평가하였다. 본 발명에서 설계하고자 하는 ABS용 SMC의 최종 출력은 유압력이며 실제 차량의 솔레노이드 밸브를 구동하기 위한 시스템이 필요하므로 도 2와 같이 실물 유압라인의 제동압력이 SMC의 출력에 추종 하도록 구성하였다.

실제 차량에 장착된 ABS용 ECU는 제동압력을 감시하여 되먹임하지 않으므로 도 2의 급제동 시나리오 구현을 위해서는 실물 유압라인에 압력을 구현할 제동압력 형성 모델이 필요하다. 제동압력 구현에는 표 2에서 보이듯이 NO(Normal Open), NC(Normal Close) 밸브를 이용하여 증압, 감압, 유지의 방식으로 구분하여 구성하였다. 또한 제동 압력형성 모델은 각 모드에 따라 식 12, 13, 14와 같이 구성하였다.

<표 2>

<식 12>

<식 13>

<식 14>

여기서 τ₁은 Fluid Time Constant이며 a는 감압 모드에서 초기값으로 사용되는 양의 상수이다.

그러나 SMC가 실제 유압라인에 개입하여 솔레노이드 밸브를 구동하기 위해서는 식 12 및 식 13에서 모드의 전환이 필요하며 SMC의 출력과 급제동 압력형성 모델의 출력을 비교하여 차이값이 기준치를 넘는 경우, 솔레노이드 밸브의 코일 드라이버(Driver)를 이용하여 실물 유압라인의 솔레노이드 밸브를 구동한다.

도 3에서는 SMC의 출력과 급제동 모델의 출력값의 차이가 ±0.2Mpa 이내에 있는 경우에는 유지 모드를 유지하며, 그 이상의 차이값을 가지면 모드의 전환이 발생하는 제어동작의 흐름을 보이고 있다.

<HILS 시스템 구성>

본 발명에서 설계한 SMC의 성능시험을 위하여 사용한 HILS 시스템은 도 4에서 보이듯이 실차의 제동유압라인과 ABS를 가지고 있으며, HILS에 탑승한 운전자가 입력한 급제동 신호에 실차와 같이 반응하는 시스템을 구축하였다.

이러한 HILS 시스템에 본 발명에서 구현한 SMC를 급제동에 적용한 결과를 실차의 ABS용 ECU 출력값과 비교하여 성능을 검증하였다.

또한 HILS 시스템은 1개의 호스트 PC와 2개의 Target PC를 사용하였으며, Continental Teves사의 MK25 ECU를 사용한 ECU in the Loop Simulation 시스템이 구축되어 있다.

<HILS Simulation 환경과 최적 슬립율>

본 발명에서의 simulation 환경은 수 많은 논문에서 검증된 사용 소프트웨어인 CarSim을 실차 대신으로 하여 표 1의 입출력 변수를 설정하고 다양한 노면조건에서 실험을 수행하였다. 또한 정확한 실험결과를 얻기 위하여 표 3의 JASO ABS Test 규정에 의거하여 실험을 수행하였다.

그러나 상용 ABS의 급제동 성능과 SMC를 가진 ABS의 급제동 성능의 비교를 위하여 운전자 모델은 배제하고 조향입력도 없는 것으로 가정하여 simulation을 수행하였다.

또한 노면 상태에 따라 마찰계수가 변하는 환경에서 타이어의 최적 슬립율로서 목표 슬립율은 노면의 상태와 상관없이 타이어의 수직방향으로 가장 큰 제동력을 발생시키는 0.2로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다.

-건조한 노면 테스트

건조한 아스팔트에서의 주행은 표 3에서 보이듯이 마찰계수가 0.8로써 가장 우수한 노면조건을 가지고 있다. 도 5에서는 본 발명에서 연구한 SMC가 없는 상용 ABS의 급제동 simulation의 결과와 SMC를 가진 ABS의 급제동 결과를 나타낸다.

차량의 초기속도는 120km/h이나 운전자로부터 제동신호가 발생하고 난 후에 제동압력이 발생하므로 실제 제동은 110km/h에서 시작한다. 도 5(a), (d)에서는 SMC를 가진 ABS가 피칭운동 변화가 작으므로 감성적인 승차감이 향상된 것으로 사 료된다.

이는 도 5(e)에서 보이듯이 SMC에서 최적 슬립율인 0.2 근방에서 안정적으로 제한하는 경향을 가지므로 나타낸 결과이며, 도 5(f)와 같이 차량의 속도가 선형적으로 감소하고 바퀴의 속도 또한 차량의 속도를 추종하면서 작은 변화폭을 가지고 감소하는 경향을 나타내었다. 즉, 슬립율을 0.2 정도에서 제한하여 최대의 제동력을 발생시켜 급제동 시에 피칭 운동의 변화를 최소화하는 결과를 보인다. 그러나 도 5(b)와 같이 SMC가 없는 상용 ABS는 급제동 초기에 급격히 슬립율이 감소하는 경향을 보이며 심지어 도 5(c)의 2.4초 근방에서는 바퀴의 잠김 현상까지 발생하며 안정성이 크게 저하되고 있다.

-젖은 노면 테스트

젖은 노면의 마찰계수는 표 3에서 0.5이며, 급제동 시의 실제속도는 약 75km/h에서 제동이 발생하기 시작한다. 급제동의 목적은 최소한의 시간에 차량을 안정한 속도로 감속하는 것이며, 도 6(f)의 SMC를 가진 급제동의 경우 20km/h에 도달하는 시간이 약 4.5초이고, 도 6(c)의 ABS 만을 가진 경우에는 약 5.5초 정도인 것으로 나타났다.

따라서 SMC를 가진 ABS가 제동거리도 짧을 것으로 사료된다. 그러나 젖은 노면은 미끄럼이 발생하기 쉬우므로 상용 ABS는 도 6(b)와 같이 건조한 노면의 경우보다 슬립율이 급격하게 변하는 경향을 보이나 상대적으로 SMC의 경우는 도 6(e)와 같이 0.2 부근에서 제한되는 경향을 나타내었다.

또한 상용 ABS는 큰 슬립이 발생하는 1.7초 부근의 경우 바퀴의 속도가 급격하게 떨어져 도 6(a)에서 보이듯이 피팅운동이 크게 발생하게 되어 승차감에 큰 악영향을 끼치게 된다. 건조한 노면과의 비교하면 젖은 노면에서의 안정성이 더 나쁜 것으로 사료된다.

그러나 SMC를 이용하여 급제동을 하는 경우는 도 6(d)와 같이 피칭운동의 변화량이 매우 적으며 슬립율도 0.2 부근에서 제한되고 차량의 속도와 바퀴의 속도 또한 안정적인 동기화를 이루며 빠른 속도로 감속하는 성능향상을 보이고 있다.

-빙판 노면 테스트

마찰계수가 0.2 정도로 매우 낮은 빙판 노면은 초기속도를 50km/h로 설정하였으나 실제속도는 약 49km/h에서 제동이 발생하기 시작한다.

도 7(c)에서 보이듯이 상용 ABS는 빙판 노면에서 급제동하여 안정속도로 진입하는 시간이 약 10초 정도로서 도 7(f)의 SMC가 7초 정도 소요되는 것에 비하여 매우 큰 것으로 나타났으며 차량의 바퀴 속도도 매우 불규칙하게 변화하는 것이 보이고 있다. 도 7(e)에서 SMC는 약간의 채터링을 가지며, 슬립율을 0.2 근방에서 유지하고 있으나, 도 7(b)의 상용 ABS는 초기에 큰 슬립이 발생한 후 제어를 수행하므로 도 7(a)와 같은 큰 피칭운동이 발생한다. 그러나 도 7(d)의 SMC는 상용 ABS에 비하여 피칭운동의 변화폭이 작으므로 빙판 노면에서도 안정된 승차감을 가지며 성능향상을 가진다고 사료된다.

이것은 건조한 노면과 젖은 노면의 경우와 마찬가지로 SMC가 슬립율을 일정 하게 유지하여 접지력을 향상시킴으로써 차량이 속도와 바퀴의 속도가 선형적으로 동조하며 감소하는 경향을 보이고 있다.

본 발명에서는 상용 ABS의 급제동 성능향상을 위하여 SMC를 설계하고 이를 HILS 시스템에서 상용 ABS와 비교하여 성능을 평가 및 분석하였다.

이를 통해 얻은 결론은 다음과 같이 요약할 수 있다.

1)CarSim으로 검증한 차량모델과 급제동 모델을 상용 ABS의 유압라인을 가진 HILS 시스템에 연계하여 구축하고 검증하여 제어기 설계에 사용하였다.

2)비선형 제어기인 슬라이딩 모드 제어기를 설계하였으며 상용 ABS 제어기와 비교하여 급제동 성능이 향상됨을 확인할 수 있었고 목표 슬립율을 잘 추종하였을 뿐만 아니라 변동폭도 적합한 수준에서 유지되고 있음을 알 수 있었다.

3)슬라이딩 모드 제어기를 가진 ABS가 급제동 성능과 승차감을 좌우하는 피칭운동의 변화폭을 감소시켜 차량의 제동 안정성 향상에 기여하고 있음을 확인할 수 있었다.

도 1 - 본 발명에 따른 15자유도를 가지는 차량 모델에 대한 모식도.

도 2 - 본 발명에 따른 솔레노이드 밸브의 작동 로직(operation logic)에 대한 데이타를 나타낸 도.

도 3 - 솔레노이드 밸브 제어동작의 흐름을 나타낸 도.

도 4 - 본 발명에 따른 SMC를 가진 ABS의 테스트를 위한 HILS 시스템에 대한 사진을 나타낸 도.

도 5 - 건조한 노면에서 상용 ABS(a),(b),(c) 및 본 발명에 따른 SMC를 가진 ABS(d),(e),(f)의 급제동 시뮬레이션 결과를 나타낸 도.

도 6 - 젖은 노면에서 상용 ABS(a),(b),(c) 및 본 발명에 따른 SMC를 가진 ABS(d),(e),(f)의 급제동 시뮬레이션 결과를 나타낸 도.

도 7 - 빙판 노면에서 상용 ABS(a),(b),(c) 및 본 발명에 따른 SMC를 가진 ABS(d),(e),(f)의 급제동 시뮬레이션 결과를 나타낸 도.

Claims

15자유도 차량모델을 기본으로 실차의 브레이크용 유압라인과 ABS(Anti-lock Brake System) 제어용 ECU(Electric Control Unit)를 가진 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 시스템을 구축하고, 상기 HILS 시스템에 목표 제동슬립을 추종하는 성능을 향상시키기 위한 SMC(Sliding Mode Controller)를 적용하여, 상기 HILS 시스템의 ECU의 제동성능과 다양한 노면 환경에서 상용 ABS와 비교함으로써, 상기 SMC의 성능을 검증하는 것을 특징으로 하는 상용 ABS와 성능비교를 통한 슬라이딩 모드 제어기의 제동성능 분석방법.

제 1항에 있어서, 상기 차량모델은 타이어 모델, 브레이크 모델, 조향장치 모델, 현가장치 모델 및 엔진 모델을 기본으로 하는 것을 특징으로 하는 상용 ABS와 성능비교를 통한 슬라이딩 모드 제어기의 제동성능 분석방법.

제 1항에 있어서, 상기 SMC는 타이어의 속도변화와 노면상태에 따른 미끄러짐을 제어하기 위하여 현재슬립(λ_si)과 목표슬립(λ_di)과의 오차를 슬라이딩 표면(sliding surface)으로 하고, 시스템의 비선형적인 특성에 의한 오차를 고려한 후 고주파 성분에 의한 채터링을 제거하여 제어입력을 설계하는 것을 특징으로 하는 상용 ABS와 성능비교를 통한 슬라이딩 모드 제어기의 제동성능 분석방법.

제 1항에 있어서, 상기 유압라인에는 제동압력 형성 모델을 설계하여 압력이 구현되도록 하는 것을 특징으로 하는 상용 ABS와 성능비교를 통한 슬라이딩 모드 제어기의 제동성능 분석방법.

제 1항에 있어서, 상기 SMC의 성능을 검증하기 위하여, SMC의 최종출력은 유압력으로 하여 실제 차량의 솔레노이드 밸브를 구동하기 위해 실물 유압라인의 제동압력이 SMC의 최종출력인 유압력에 추종하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 상용 ABS와 성능비교를 통한 슬라이딩 모드 제어기의 제동성능 분석방법.

제 5항에 있어서, 상기 실물 유압라인에 제동압력을 구현할 제동압력 형성 모델은 NO(Normal Open), NC(Normal Close) 밸브를 이용하여 증압, 감압, 유지 모드의 방식으로 구분하여 구성되며, 상기 각 모드의 전환을 위해 상기 SMC의 출력과 제동압력 형성 모델의 출력을 비교하여 차이값이 기준치를 넘는 경우 솔레노이드 밸브가 구동되도록 하여 모드 전환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 상용 ABS와 성능비교를 통한 슬라이딩 모드 제어기의 제동성능 분석방법.

제 1항에 있어서, 상기 HILS 시스템의 시뮬레이션은 상용 소프트웨어인 CarSim을 이용하되, 상용 ABS의 급제동 성능과 SMC를 가진 ABS의 급제동 성능의 비교를 위해 노면 상태에 따라 마찰계수가 변하는 환경에서 타이어의 최적 슬립율로 서 목표 슬립율은 노면의 상태와 상관없이 타이어의 수직방향으로 가장 큰 제동력을 발생시키는 0.2로 설정하여 시뮬레이션이 이루어지는 것을 특징으로 하는 상용 ABS와 성능비교를 통한 슬라이딩 모드 제어기의 제동성능 분석방법.