KR20110024009A - 자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출장치 및 그 방법 - Google Patents

자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고주파 신호를 발생시키는 차량신호발생기, 상기 차량신호발생기로부터 발생하는 고주파 신호를 지상으로 송신하는 차량안테나를 포함하는 차상설비, 및 상기 차량안테나로부터 송신되는 고주파 신호로부터 고주파 전압신호를 유도하는 교차루프코일, 상기 교차루프코일로부터 고주파 전압신호를 입력받아 구형파 펄스를 발생시키며 상기 발생한 구형파 펄스의 개수를 계수하여 열차의 이동거리 및 속도를 산출하는 지상검지신호정보처리장치를 포함하는 지상설비로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 지상에서 신속하고 연속적으로 열차의 위치와 속도를 파악할 수 있음으로 선형동기모터를 추진장치로 하는 초고속 자기부상열차의 위치, 속도 검지에 활용가능하며, 위치와 속도검지 처리시간이 최소화되며, 지상에 설치되는 교차유도루프코일의 교차간격이 분해능이 되기 때문에 고정밀의 열차위치확인이 가능하며, 날씨 및 주변의 기타 물리적 간섭 환경에서도 안정적으로 열차의 위치와 속도 파악이 가능하다는 장점이 있다.
자기부상열차, 위치검출, 속도검출, 교차루프코일

Description

자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출장치 및 그 방법{Apparatus for measuring position and velocity of magnetic levitation train and Method thereof}
본 발명은 자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 교차유도방식을 이용하여 지상에서 신속하고 정확하게 자기부상열차의 위치와 속도를 파악할 수 있는 자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적인 철도시스템에서 고속부상열차(철제차륜방식)의 위치 및 속도검지는 지상에 설치된 궤도회로와 열차에 설치된 타코메타 또는 오도메타 등을 사용하여 파악이 가능하다. 즉 열차의 철제차륜에 설치된 타코메타 또는 오도메타 등을 사용하여 차륜회전시 출력되는 전압 펄스의 개수를 세어 열차의 이동거리와 속도를 측정하며, 지상에 설치된 궤도회로를 사용하여 레일에 구성된 궤도회로와 철제차륜의 단락에 의해 열차의 위치파악이 가능하다.
이와 같이 궤도회로와 타코메타 또는 오도메타를 이용하는 얻어진 열차의 위치 및 속도정보는 열차의 운행제어 및 진로 쇄정, 열차의 간격조정 등 열차제어를 위한 핵심정보로 활용된다.
그러나 차륜의 회전과 궤도와의 접촉이 발생하지 않는 자기부상열차의 경우에는 기존의 타코메타와 궤도회로에 기반한 열차의 위치 및 속도확인이 불가능하므로 궤도회로와 타코메타 등을 대신하여 교차유도선과 안테나를 이용한 방식 등을 사용하고 있다.
도 1은 종래 교차유도선과 안테나를 이용한 열차위치 확인방식을 나타내는 개략도이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 구형파 형상을 갖도록 절곡시킨 구성을 갖고 지상의 궤도 위에 서로 반대방향으로 설치되어 고주파 신호가 인가되는 2개의 유도선(70,80)과 차량이 궤도를 따라 주행하던 중 상기 유도선(70,80)에서 유도되는 고주파 전압신호를 수신하는 안테나(10)와 상기 안테나(10)를 통하여 유도된 고주파 전압신호를 증폭하는 증폭기(20)와 상기 증폭기(20)를 통해 증폭된 고주파 전압신호의 포락선을 검파하는 검파기(30)와 상기 검파기(30)에 의해 검파된 전압 중 일정 전압 이상의 신호를 구형파로 변환시켜주는 슈미트 트리거(40)와 상기 슈미트 트리거(40)에서 출력되는 구형파 신호에 의거하여 차량의 주행속도를 산출해내는 속도변환부(50)와 상기 속도변환부(50)의 출력신호에 근거하여 차량의 주행 위치를 산출해 내는 위치변환부(60)로 구성되어 있다.
따라서 지상 궤도 위에 도 1과 같이 일정한 간격으로 넓혀진 부분과 좁혀진 부분으로 구성된 유도선(70,80)이 서로 대향되게 설치되고, 고주파 신호가 상기 유도선(70,80)에 공급된다. 이때 상기 유도선(70,80)이 설치된 궤도구간을 고속부상열차가 진행할 때 열차에 탑재된 안테나(10)에서는 교차 유도선의 넓혀진 부분과 좁혀진 부분에서의 유도전압 변화를 감지하게 된다.
상기 안테나에 유도되는 고주파 신호의 진폭성분은 유도선(70,80) 사이의 간격이 넓은 부분에서 크게 나타나게 되어 높은 전압이 유도되고, 유도선(70,80) 사이의 간격이 좁은 부분에서는 유도전압이 서로 상쇄되어 낮은 전압이 유도된다. 이렇게 유도된 전압신호는 증폭기(20)를 통하여 증폭되고, 검파기(30)를 통하여 포락선 검파과정을 거쳐 슈미트트리거(40)를 통과하여 구형파 신호로 출력된다. 따라서 속도변환부(50)와 위치변환부(60)는 상기 구형파의 개수를 세어 열차의 위치와 속도를 계산한다.
종래의 교차유도선과 안테나를 이용한 열차위치속도검지방식은 열차의 위치, 속도정보의 측정이 열차에서 이루어지며, 열차와 지상간의 무선통신을 통해 열차위치정보가 지상제어설비로 전송되어 지상에서 열차의 위치와 속도를 인식할 수 있게 된다.
종래와 같이 열차에서 위치를 파악하는 교차유도선과 안테나를 이용한 열차위치속도검지방식은 주로 선형유도모터(LIM : Linear Induction Motor) 방식의 중저속 자기부상열차에 적용되는 방식인 반면 초고속 자기부상열차에서는 주로 선형동기전동기(LSM : Linear Synchronous Motor)가 열차의 추진을 위해 사용되는데 고속부상열차 회전자(rotor)의 역할을 하고, 궤도가 고정자(stator)역할을 하게 되므로 고정자와 회전자간의 동기제어를 위해서 궤도구간에서의 열차의 정밀하고 신속한 위치와 속도 파악이 필요하다.
따라서 종래와 같이 열차에서 열차의 위치와 속도를 파악하는 방법은 초고속 자기부상열차의 추진제어를 위한 위치, 속도검지방식으로 적합하지 않으므로 지상에서 신속하고 정확하게 열차의 위치와 속도를 파악할 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 교차유도방식을 이용하여 지상에서 신속하고 정확하게 자기부상열차의 위치와 속도를 파악할 수 있는 자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출장치 및 그 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출장치는 고주파 신호를 발생시키는 차량신호발생기, 상기 차량신호발생기로부터 발생하는 고주파 신호를 지상으로 송신하는 차량안테나를 포함하는 차상설비, 및 상기 차량안테나로부터 송신되는 고주파 신호로부터 고주파 전압신호를 유도하는 교차루프코일, 상기 교차루프코일로부터 고주파 전압신호를 입력받아 구형파 펄스를 발생시키며 상기 발생한 구형파 펄스의 개수를 계수하여 열차의 이동거리 및 속도를 산출하는 지상검지신호정보처리장치를 포함하는 지상설비로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 차량안테나의 크기는 상기 교차루프코일 1개 교번 간격보다 작은 크기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 차량안테나의 입력단 및 상기 교차루프코일 출력단에 차량안테나와 교차루프코일간의 전압유도의 품질향상을 위한 임피던스 정합회로를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 지상검지신호정보처리장치는 교차루프코일로부터 입력받은 고주파 전압신호를 증폭하고 신호대역외 다른 주파수 성분인 잡음성분을 제거하는 대역통과필터를 포함하는 증폭기, 증폭된 고주파 전압신호를 포락선 검파하는 검파기, 검파된 고주파 전압신호를 구형파로 변환하는 비교기, 상기 구형파 개수를 계수하는 카운터 및 상기 구형파의 개수와 교차루프코일의 교번주기 거리를 곱하여 교차루프코일 상의 열차이동거리를 산출하고, 타이머를 통해 얻어진 시간정보를 사용하여 열차속도를 산출하는 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 지상검지신호정보처리장치는 구형파 개수에 따른 절대위치값이 대응된 테이블을 갖는 데이터베이스를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적을 구현하기 위한 자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출방법은 교차루프코일에 유도된 고주파 전압신호를 구형파 펄스로 변환하는 단계; 상기 구형파 펄스를 계수하며, 교차루프코일의 교번주기 거리를 곱하여 열차이동거리를 산출하는 단계; 및 상기 산출된 열차이동거리를 타이머를 통해 얻은 시간정보로 나누어 열차이동속도를 산출하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출장치 및 그 방법에 의하면, 지상에서 신속하고 연속적으로 열차의 위치와 속도를 파악할 수 있음으로 선형동기모터를 추진장치로 하는 초고속 자기부상열차의 위치, 속도 검지에 활용가능하며, 위치와 속도검지 처리시간이 최소화되며, 지상에 설치되는 교차유도루프코일의 교차간격이 분해능이 되기 때문에 고정밀의 열차위치확인이 가능하며, 날씨 및 주변의 기타 물리적 간섭 환경에서도 안정적으로 열차의 위치와 속도 파악이 가능하다는 장점이 있다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 종래와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출장치의 개략도이다.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명은 차량신호발생기(210) 및 차량안테나(220)를 포함하는 차상설비와 교차루프코일(230), 지상검지신호정보처리장치(240)를 포함하는 지상설비로 구성된다.
먼저 차상설비가 장착된 자기부상열차(200)가 상기 지상설비가 설치된 궤도구간 통과시 자기부상열차(200)의 차량신호발생기(210)에서 고주파 신호를 차량안테나(220)를 통해 궤도상의 교차루프코일(230)에 유도전압을 유기하면 유기된 전압신호를 지상검지신호정보처리장치(240)에서 수신하고 연산처리하여 지상에서 교차루프코일이 설치된 궤도구간 안에서의 열차의 정확한 위치와 속도를 파악할 수 있다.
여기서 차량안테나(220)에 의해 교차루프코일(230)에 유기된 전압은 차량안테나(220)와 만나는 교차루프코일(230)의 면적 크기에 따라 비례하는 특성을 가지며, 교차루프코일의 면적이 가장 큰 지점에 차량안테나가 위치할 경우 교차루프코일(230)에 유기되는 전압은 최대가 되고, 교차루프코일의 면적이 가장 작은 지점에 차량안테나가 위치할 경우 교차루프코일(230)에 유기되는 전압은 최소가 된다.
도 3은 본 발명에 따른 자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출장치의 세부 블록도이다.
도 3에서 보는 바와 같이 차상설비는 고주파 신호원(211), 증폭기(212), 임피던스 정합회로(213)로 구성된 차량신호발생기(210)와 코일로 이루어진 차량안테나(220)를 포함하며, 지상설비는 교차루프코일(230)과 임피던스 정합회로(241), 증폭기(242), 검파기(243), 비교기(244), 카운터(245), 제어부(246), 데이터베이 스(247), 타이머(248)를 포함하는 지상검지신호정보처리장치(240)를 포함한다.
차상설비의 고주파 신호원(211)가 고주파 신호를 발생하면 발생된 고주파 신호는 임피던스 정합회로(213)를 거쳐 차량안테나(220)로 인가된다. 이때 고속부상열차가 교차루프코일(230)이 설치된 궤도구간을 통과할 때 차량안테나(220)로부터 고주파전압신호가 교차루프코일(230)에 유도된다. 상기 교차루프코일은 두개의 도선이 8자 형상의 루프구조를 갖는다.
지상설비의 교차루프코일(230)에 유도된 고주파 전압신호는 지상검지신호정보처리장치(240)로 전송된다. 지상검지신호정보처리장치(240)에서는 유도된 고주파 전압신호는 증폭기(241)를 거쳐 일정수준 이상의 전압신호로 증폭된다. 상기 증폭기(241)는 신호대역외 다른 주파수성분의 잡음성분을 제거하는 대역통과필터를 내장하여 잡음에 의한 오류발생을 방지한다.
다음으로 증폭된 고주파 전압신호는 포락선 검파기(243)에 의해 검파된다. 검파된 고주파 전압신호는 일정 전압 이상의 신호를 구형파로 변환시키는 비교기(244)에 의하여 구형파(펄스)로 변환된다.
따라서 고속부상열차가 교차루프코일(230) 위로 이동할 때 차량안테나(220)가 통과한 교번하는 교차루프코일의 개수만큼 지상검지신호정보처리장치(240)에서 구형파(펄스)가 발생하게 되어 지상에서 열차위치(차량안테나 위치)를 정확하게 파악할 수 있다. 이때 발생하게 된 구형파의 개수와 교차루프코일의 교번 주기 거리를 곱하여 교차루프코일 상의 열차이동거리를 산출할 수 있으며, 타이머(247)를 통해 얻어진 시간정보를 사용하여 단위 시간 동안에 이동한 거리를 파악하여 열차속도를 산출할 수 있다.
상기 획득된 열차이동거리 및 열차속도는 열차제어지상설비(250)로 전송되어 지상에서 신속하고 정확하게 열차의 위치와 속도를 파악할 수 있다.
또한 제어부(246)에서 위치계산에 따라 발생하는 프로세싱 부하를 줄이고 신속한 위치산출을 위하여 구형파(펄스) 개수에 따라 절대위치값이 대응된 테이블을 데이터베이스화하여 프로세서에서는 입력된 구형파 개수에 해당하는 절대위치값을 데이터베이스(247)에서 참조하여 사용하는 방식으로 구성할 수 있다.
또한 열차의 추진제어를 지상설비에서 담당하는 선형동기전동기기반의 초고속자기부상열차시스템과 같은 시스템에서 고정밀도의 열차위치정보를 고속으로 추진제어장치로 전송할 수 있도록 위치펄스신호를 지상검지신호정보처리장치(240)의 출력으로 구성한다.
도 4는 본 발명에 따른 지상검지신호정보처리장치에서의 전압 파형도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 지상검지신호정보처리장치(240)는 차량안테나(220)가 교차루프코일(230) 위를 통과함에 따라 유도되는 고주파 전압신호를 처리하여 위치를 파악하게 된다. 따라서 차량안테나(220)와 교차루프코일(230)간의 관계가 유도되는 고주파 전압신호의 품질에 영향을 주므로 차량안테나(220)의 크기는 교차루프코일(230)의 교번간격보다 작은 크기로 구성되어야 한다. 따라서 차량안테나는 교차루프코일의 1개 교번간격만큼만 고주파 전압을 유도시키며 1개 교번 간격이 위치정보의 분해능에 해당한다.
도 5는 본 발명에 따른 열차위치 및 속도 검출하는 방법을 보인 순서도이다.
지상검지신호정보처리장치에서는 교차루프코일에 유도된 고주파 전압신호를 구형파 펄스로 변환한다(S10). 다음으로 지상검지신호정보처리장치의 카운터에서 상기 구형파 펄스를 계수하며, 제어부에서는 구형파 펄수 계수값에 교차루프코일의 교번주기 거리를 곱하여 열차이동거리를 산출한다(S20). 다음으로 상기 산출된 열차이동거리를 타이머를 통해 얻은 시간정보로 나누어 열차이동속도를 산출한다(S30).
따라서 지상에서 신속하고 정확하게 열차의 위치와 속도를 파악하여 자기부상열차의 추진제어를 위한 정보로서 활용할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정·변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
도 1은 종래 교차유도선과 안테나를 이용한 열차위치 확인방식을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출장치의 세부 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 지상검지신호정보처리장치에서의 전압 파형도이다.
도 5는 본 발명에 따른 열차위치 및 속도 검출하는 방법을 보인 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200:자기부상열차 210:차량신호발생기
211:고주파 신호원 213:증폭기
214:임피던스정합회로 220:차량안테나
230:교차루프코일 240:지상검지신호 정보처리장치
241:임피던스정합회로 242:증폭기
243:검파기 244:비교기
245:카운터 246:제어부
247:데이터베이스 248:타이머
250:열차제어 지상설비

Claims (6)

  1. 고주파 신호를 발생시키는 차량신호발생기,
    상기 차량신호발생기로부터 발생하는 고주파 신호를 지상으로 송신하는 차량안테나를 포함하는 차상설비, 및
    상기 차량안테나로부터 송신되는 고주파 신호로부터 고주파 전압신호를 유도하는 교차루프코일, 상기 교차루프코일로부터 고주파 전압신호를 입력받아 구형파 펄스를 발생시키며 상기 발생한 구형파 펄스의 개수를 계수하여 열차의 이동거리 및 속도를 산출하는 지상검지신호정보처리장치를 포함하는 지상설비로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 차량안테나의 크기는 상기 교차루프코일 1개 교번 간격보다 작은 크기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 차량안테나의 입력단 및 상기 교차루프코일 출력단에 차량안테나와 교 차루프코일간의 전압유도의 품질향상을 위한 임피던스 정합회로를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 지상검지신호정보처리장치는 교차루프코일로부터 입력받은 고주파 전압신호를 증폭하고 신호대역외 다른 주파수 성분인 잡음성분을 제거하는 대역통과필터를 포함하는 증폭기, 증폭된 고주파 전압신호를 포락선 검파하는 검파기, 검파된 고주파 전압신호를 구형파로 변환하는 비교기, 상기 구형파 개수를 계수하는 카운터 및 상기 구형파의 개수와 교차루프코일의 교번주기 거리를 곱하여 교차루프코일 상의 열차이동거리를 산출하고, 타이머를 통해 얻어진 시간정보를 사용하여 열차속도를 산출하는 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 지상검지신호정보처리장치는 구형파 개수에 따른 절대위치값이 대응된 테이블을 갖는 데이터베이스를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출장치.
  6. 교차루프코일에 유도된 고주파 전압신호를 구형파 펄스로 변환하는 단계;
    상기 구형파 펄스를 계수하며, 교차루프코일의 교번주기 거리를 곱하여 열차이동거리를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 열차이동거리를 타이머를 통해 얻은 시간정보로 나누어 열차이동속도를 산출하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기부상열차용 무접촉 지상 열차위치 및 속도검출방법.
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