KR20180008155A - 회생 현가 시스템에서 모터를 이용한 댐퍼 특성 구현방법 - Google Patents

회생 현가 시스템에서 모터를 이용한 댐퍼 특성 구현방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회생 현가 시스템에서 모터를 이용한 댐퍼 특성 구현방법에 관한 것으로, 댐퍼의 직선 운동을 모터의 회전운동으로 변환하여 전기에너지를 얻는 회생 현가 시스템에서, 모터의 토크가 댐퍼의 댐퍼 힘과 비례하고, 모터의 회전속도가 댐퍼 속도와 비례함을 고려하여, 모터의 파라미터를 결정하여, 댐퍼의 댐핑 특성을 구현한다.

Description

회생 현가 시스템에서 모터를 이용한 댐퍼 특성 구현방법{Implementing method for damper characteristics using motor in regenerative suspension system}
본 발명은 회생 현가 시스템에서 모터를 이용한 댐퍼 특성 구현방법에 관한 것으로, 구체적으로는 모터의 파라미터를 선정하여, 모터 파라미터를 이용하여 댐퍼 특성을 구현할 수 있는 회생 현가 시스템에서 모터를 이용한 댐퍼 특성 구현방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 현가장치는 차축과 차체를 연결하며 주행할 때 차축이 노면에서 받는 진동이나 충격이 차체에 직접 전달되지 않도록 하여 차체나 화물의 손상을 방지하고, 승차감을 향상시킬 수 있는 장치이다.
현가장치는 새시스프링과 새시스프링의 자유진동을 감쇠시키는 댐퍼가 마련되어 있다.
또한 회생 현가 시스템은 댐퍼의 진동인 직선 운동을 모터의 회전운동으로 변환하여 전기에너지를 얻는 시스템이며, 상기 모터는 전원의 공급에 의해 기계적인 방식 또는 유압 방식으로 댐퍼의 감쇠력을 제어할 수 있다.
이러한 회생 현가 시스템의 예로서, 등록특허 10-0978298호(차량용 회생 발전 시스템, 2010년 8월 20일 등록)가 있다. 상기 등록특허에서는 현가장치의 회전 조인트의 회전력을 종속기를 통해 전달받아 회생 발전기 겸용 모터의 회전축을 회전시키고, 이때 발생되는 유도전류를 인버터를 통해 축전지에 저장하는 구조에 대하여 설명하고 있다.
그러나 상기 등록특허에서는 회전식 회생발전기 겸용 모터가 실질적으로 댐퍼의 감쇠 정도를 제어하기 위한 것이지만, 종속기를 통해 전달되는 회전력에 의한 발전을 할 수 있다는 기재만 있으며, 상기 모터가 댐퍼의 제어와 함께 발전을 할 수 있는 구체적인 근거의 제시가 미흡하다.
즉, 모터는 댐퍼의 감쇠력 제어와 함께 발전을 할 수 있어야 하는 것으로, 별도의 컨트롤러를 부가하여 댐퍼 제어 및 발전을 수행하도록 구성되어, 장치가 복잡하며, 제어프로그램의 설정이 쉽지 않은 문제점이 있었다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회생 현가 시스템에서 모터를 이용한 댐퍼 특성 구현방법은, 전술한 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 해결과제를 발명의 목적으로 한다.
먼저, 별도의 컨트롤러를 사용하지 않고도 댐퍼의 특성 구현과 함께 발전을 수행할 수 있는 회생 현가 시스템에서 모터를 이용한 댐퍼 특성 구현방법을 제공하는 것이다.
또한 별도의 외부 제어장치 또는 센서를 사용하지 않고, 모터의 파라미터를 선정하여 댐퍼 특성을 구현할 수 있는 회생 현가 시스템에서 모터를 이용한 댐퍼 특성 구현방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 회생 현가 시스템에서 모터를 이용한 댐퍼 특성 구현방법은, 댐퍼의 직선 운동을 모터의 회전운동으로 변환하여 전기에너지를 얻는 회생 현가 시스템에서, 모터의 토크가 댐퍼의 댐퍼 힘과 비례하고, 모터의 회전속도가 댐퍼 속도와 비례함을 고려하여, 아래의 수학식 1과 수학식 2로부터 모터의 파라미터를 결정하여, 댐퍼의 댐핑 특성을 구현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
[수학식 2]
Figure pat00002
T는 모터의 토크, K는 상수, Kt는 유도전압 상수, Ke는 토크상수, Wr은 회전속도, R은 모터의 저항, L은 모터의 인덕턴스
상기 수학식 2는, 컷오프 주파수가 R/2πL이고, 이득이 -KtKe/R인 로우패스 필터이며, 상기 컷오프 주파수를 L과 R의 값으로 결정하고, 이득의 값이 수학식 1의 K와 같도록 Kt와 Ke값을 선정하여, 모터 파라미터를 결정할 수 있다.
상기 수학식 1은, 상기 댐퍼의 댐핑 특성이 댐퍼 힘(F)=상수(C)X댐퍼 속도(Wr)로 주어진 경우에 토크와 회전속도의 식으로 변환한 결과이다.
상기 수학식 2는, 상기 모터의 내부 저항, 인덕터 및 회전자를 고려한 수학식 3의 전압 방정식을 구하고, 상기 전압 방정식을 전류에 대해 정리하고 라플라스 변환한 수학식 4의 전류 방정식을 구한 후, 상기 수학식 4에서 전압을 0으로 가정한 상태에서 모터의 토크에 대하여 정리한 수학식 5의 우변을 저항(R)으로 나누어 얻어진 것일 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
V는 모터에 공급된 전압, i는 전류, R은 모터 내부 저항, L은 모터 내부 인덕턴스
[수학식 4]
Figure pat00004
[수학식 5]
Figure pat00005
본 발명 회생 현가 시스템에서 모터를 이용한 댐퍼 특성 구현방법은, 별도의 외부 컨트롤러를 사용하지 않고도 모터를 이용하여 발전과 함께 댐퍼 특성을 구현할 수 있어 복잡한 제어프로그램의 설정이 요구되지 않기 때문에 시스템의 구현이 용이하며, 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
아울러 본 발명은 모터 자체의 파라미터를 이용하여 댐퍼 특성을 구현할 수 있기 때문에 댐퍼의 제어가 단순해 지며, 시스템 구성을 단순화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 회생 현가 시스템의 댐퍼 제어장치의 일실시 구성도이다.
도 2는 도 1에서 모터구동부의 상세 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 회생 현가 시스템의 댐퍼 제어장치의 일실시 구성도이다.
도 1을 참조하면 본 발명이 적용되는 회생 현가 시스템의 댐퍼 제어장치는, 모터(11)에 전원을 공급하여 구동하는 모터구동부(10)와, 상기 모터(11)의 구동력을 댐퍼(30)에 전달하여 댐퍼(30) 특성을 제어하는 감쇠부(20)와, 상기 댐퍼(30)의 직선 운동에 따른 감쇠부(20)의 변화에 따라 회전하는 상기 모터(11)의 유도전류를 직류전류로 변환하는 인버터(40)와, 상기 인버터(40)의 전류를 충전하는 충전부(50)를 포함하여 구성된다.
이와 같은 구성에서, 댐퍼(30)는 현가 시스템에 마련되어 노면의 특성에 따른 진동이나 차량의 자세에 따라 실린더 내부의 피스톤이 상향 또는 하향으로 이동하게 된다. 이때 피스톤의 이동에 의해 피스톤을 기준으로 상부측 실린더의 공간인 인장챔버와 하부측 실린더의 공간인 압축챔버는 부피에 변화가 발생하게 된다.
상기 인장챔버와 압축챔버의 부피 변화는 감쇠부(20)에 영향을 주게 된다. 상기 감쇠부(20)는 도 1에 도시한 바와 같이 펌프(21)를 포함하는 유압회로(22)로 구현될 수 있으며, 볼스크류와 너트 구조 또는 랙과 피니언과 같이 기계적으로 구현될 수 있다.
상기 댐퍼(30)의 피스톤의 직선운동 영향은, 유압회로(22) 내에서 유체를 이동시키게 되며, 상기 유체의 이동은 펌프(21)를 작동시켜, 모터(11)의 회전축을 회전시키게 된다.
상기 모터(11)는 회전축의 회전에 의해 유도전류를 생성하며, 이 유도전류는 인버터(40)를 통해 충전부(50)에 충전된다.
이와 같은 구성에서 모터(11)를 이용하여 컨벤셔널(conventional) 댐퍼의 특성을 구현하기 위해 아래와 같은 제어방법을 제안한다.
도 2는 모터구동부(10)의 상세 구성도이다.
상기 모터구동부(10)는 모터(11)와, 모터(11)에 전원을 공급하는 전원공급부(12)를 포함한다. 도면에서 인덕터(L)와 저항(R)은 실질적으로 모터(11) 내부의 코일의 인덕턴스와 저항값이나, 설명의 편의를 위하여 모터(11)와 분리하여 도시한 것이다.
상기 모터구동부(10)의 전압방정식은 아래의 수학식 1로 표현될 수 있다.
Figure pat00006
위의 식에서 V는 전원공급부(12)의 전압이고, i는 도 1에서 모터구동부(10) 폐루프를 흐르는 전류이며, Ke는 토크상수, Wr은 회전속도, R은 저항, L은 인덕턴스이다.
위의 수학식 1을 전류에 대한 방정식으로 변환하고, 라플라스 변환(Laplace Transform)하면 아래의 수학식 2를 얻을 수 있다.
Figure pat00007
위의 수학식 2에서 전원공급부(12)의 전압(V) 공급이 없는 상태를 가정할 때 상기 전압(V)은 0이되며, 모터(11)의 토크(T)에 대한 방정식에 위의 수학식 2를 대입하면, 아래의 수학식 3을 얻을 수 있다.
Figure pat00008
T는 모터(11)의 토크이며, Kt는 유도전압 상수이다.
상기 모터(11)와 댐퍼(30)의 특성은 서로 다르기 때문에 모터(11)의 특성과 댐퍼(30)의 특성을 대응시킬 필요가 있다. 모터(11)의 토크는 댐퍼(30)의 힘에 비례하고, 모터(11)의 회전속도는 댐퍼(30)의 속도에 비례하게 된다.
이를 아래의 수학식 4에 나타내었다.
Figure pat00009
F는 댐퍼(30)의 힘, Vsus는 댐퍼(30)의 속도이다.
이때 댐퍼(30)의 특성은 컨벤셔널 댐퍼 특성인 F=CVsus(C는 상수)로 주어질 수 있으며, 댐퍼(30)의 특성은 아래의 수학식 5와 같이 모터(11)의 토크와 회전속도의 식으로 변환될 수 있다.
Figure pat00010
K는 상수이며, 위의 수학식 3을 고려할 때, K값을 쉽게 구할 수 있다.
수학식 3의 우변의 분모와 분자를 저항값(R)으로 나누면 아래의 수학식 6을 얻을 수 있다.
Figure pat00011
상기 수학식 6은 컷오프 주파수(fc)가 R/2πL이고, 이득이 -KtKe/R인 로우패스 필터 특성을 나타냄을 알 수 있다. 따라서 컷오프 주파수가 큰 값이 되도록 L과 R을 선정하고, 이득의 값이 수학식 5의 K와 같도록 Kt 및 Ke값을 선정하면, 컷오프 주파수 이전의 영역에서 수학식 5와 수학식 6은 동일한 것이 된다.
따라서 댐퍼(30)의 컨벤셔널 댐퍼 특성을 요구하는 경우에는 위와 같은 모터의 특성이 구현될 수 있도록 전원공급부(12)를 단락시켜 모터(11)의 회전속도에 따라 토크가 증가하도록 하고, 댐퍼(30)의 제어가 필요한 경우에는 전원공급부(12)를 연결함으로써 원하는 댐퍼 힘을 생성할 수 있게 된다.
따라서 특별한 제어 없이 모터를 이용하여 컨벤셔널 댐퍼 특성을 구현할 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10:모터구동부 11:모터
12:전원공급부 20:감쇠부
21:펌프 22:유압회로
30:댐퍼 40:인버터
50:충전부

Claims (4)

  1. 댐퍼의 직선 운동을 모터의 회전운동으로 변환하여 전기에너지를 얻는 회생 현가 시스템에서,
    모터의 토크가 댐퍼의 댐퍼 힘과 비례하고,
    모터의 회전속도가 댐퍼 속도와 비례함을 고려하여,
    아래의 수학식 1과 수학식 2로부터 모터의 파라미터를 결정하여, 댐퍼의 댐핑 특성을 구현하는 것을 특징으로 하는 회생 현가 시스템에서 모터를 이용한 댐퍼 특성 구현방법.
    [수학식 1]
    Figure pat00012

    [수학식 2]
    Figure pat00013

    T는 모터의 토크, K는 상수, Kt는 유도전압 상수, Ke는 토크상수, Wr은 회전속도, R은 모터의 저항, L은 모터의 인덕턴스
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수학식 2는,
    컷오프 주파수가 R/2πL이고, 이득이 -KtKe/R인 로우패스 필터이며,
    상기 컷오프 주파수를 L과 R의 값으로 결정하고,
    이득의 값이 수학식 1의 K와 같도록 Kt와 Ke값을 선정하여,
    모터 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 하는 회생 현가 시스템에서 모터를 이용한 댐퍼 특성 구현방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수학식 1은,
    상기 댐퍼의 댐핑 특성이 댐퍼 힘(F)=상수(C)X댐퍼 속도(Wr)로 주어진 경우에 토크와 회전속도의 식으로 변환한 결과인 것을 특징으로 하는 회생 현가 시스템에서 모터를 이용한 댐퍼 특성 구현방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 수학식 2는,
    상기 모터의 내부 저항, 인덕터 및 회전자를 고려한 수학식 3의 전압 방정식을 구하고,
    상기 전압 방정식을 전류에 대해 정리하고 라플라스 변환한 수학식 4의 전류 방정식을 구한 후,
    상기 수학식 4에서 전압을 0으로 가정한 상태에서 모터의 토크에 대하여 정리한 수학식 5의 우변을 저항(R)으로 나누어 얻어지는 것을 특징으로 하는 회생 현가 시스템에서 모터를 이용한 댐퍼 특성 구현방법.
    [수학식 3]
    Figure pat00014

    V는 모터에 공급된 전압, i는 전류, R은 모터 내부 저항, L은 모터 내부 인덕턴스
    [수학식 4]
    Figure pat00015

    [수학식 5]
    Figure pat00016
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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