Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 8 pp. 4742-4748, 2014 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2014.15.8.4742 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 CAN 통신기반의상용차용공압구동형세미오토클러치개발 김성진 1*, 이동근 2, 안경환 3, 이성철 3 1 ( 사 ) 전북대학교자동차부품금형기술혁신센터, 2 원광이엔텍 ( 주 ), 3 전북대학교기계공학과 Development of a Pneumatic Semi-Automatic Clutch for Commercial Vehicles based on the CAN Communication Seong-Jin Kim 1*, Dong-gun Lee 2, Kyeong-Hwan Ahn 3 and Seong-Cheol Lee 3 1 Chonbuk National University Automobile-parts&Mold Technology Innovation Center 2 One Kwang Environment technology. Co. Ltd 3 Department of Mechanical Engineering, Chonbuk National University 요약전북익산시 R회사에서기개발된세미오토클러치는수동클러치차량의기어변속시클러치페달을밟아야하는불편함을해소하고자만들어진장치로써클러치페달을밟지않고, 운전자가기어봉에위치한스위치조작만으로도클러치동작을제어할수있다. 차량의변속과정에서클러치동작을제어하기위해센서를설치하여차량정보를수집하여제어하였다. 그러나, 센서기반의제어기는열악한운전조건에서고장원인이되고있으며, 차량에설치하고보수하는과정에서시간소요가과다하여많은불편을가지고있었다. 이를위해본연구에서는차량의 ECU와 CAN통신을통해차량의주행정보를수집하여제어하고, 공압액추에이터로클러치를동작시키는세미오토클러치를개발하였다. 개발된공압액추에이터의정상적인동작을위해서는최소 3bar이상이요구되었다. Abstract A semi-automatic clutch was developed for drivers of vehicles with manual transmission. The clutch is operated by pressing a switch on the gear stick without stepping on a clutch pedal when the driver wants to shift gears. To automatic control a clutch, driving information is provided by sensors installed under the vehicle. On the other hand, sensors are prone to failure under severe driving conditions and a long time is needed to install or repair these sensors in the vehicle. In this paper, a semi-automatic clutch that received driving information by CAN communication from the ECU was developed and a pneumatic actuator was used to operate the clutch. The semi-automatic clutch by a pneumatic cylinder was operated with a supply air pressure of more than 3bar. Key Words : Semi-Automatic Clutch, CAN, Commercial Vehicle, Pneumatic Actuator 1. 서론클러치는수동변속기차량에서클러치페달의동작에의해마스터실린더를작동시키고, 마스터실린더에의해릴리스실린더를작동시키며, 릴리스실린더의작동에따라클러치판을분리 / 접속하여동력을단속하여변속기로전달하는장치이다. 수동변속기는구조가간단해가격이싸고고장이없지만, 운전하기는쉽지않아상용차운전자들이많은피로감을느끼게된다. 반면, 자동변속기는운전이편하지만기계가매우복잡해가격이비싸고, 연료비가수동변속기에비교해더들고고장이잦다. 이로인해최근에는자동변속기능과높은연료경제성을실현할수있는자동화수동변속기 (AMT, Automated Manual * Corresponding Author : Seong-Jin, Kim(Chonbuk National Univ. Automobile-parts&Mold Technology Innovation Center) Tel: +82-63-219-0313 email: ksj@camtic.or.kr Received June 19, 2014 Revised (1st July 18, 2014, 2nd July 28, 2014, 3rd August 6, 2014) Accepted August 7, 2014 4742
CAN 통신기반의상용차용공압구동형세미오토클러치개발 Transmission) 라는개념의변속기에대한관심이날로높아지고있다 [1,2]. 또한, AMT 개발과정에서클러치구동을위해유압식액추에이터가사용되고있으나, 최근대형차량의경우공압액추에이터의개발이진행되고있으며, 소형차량용전동식액추에이터를이용한클러치제어에대한많은연구가진행되고있다 [3]. 본논문에서의세미오토클러치는 R회사에서개발한장치로 AMT 에적용되는클러치개발과달리기존의수동변속기차량에장착하여클러치페달동작없이클러치를자동으로제어해주는장치이며, 상용차운전자들의변속과정에서불편함을줄여주기위한운전편의장치로개발되었다. 이는클러치동작제어를위해속도및회전수, 클러치 / 가속페달동작유무를감지하는센서를차량의하부에설치하고, 이들로부터정보를받아사용하였으며, 스텝모터로공압실린더를구동하는전동식액추에이터를적용하였다. 그러나, 상용차의열악한운행조건으로인해고장원인이되고있으며, 센서의설치개소가많아설치가복잡하고, 시간소요가많이소요되는문제점을가지고있다. 2. 공압구동형액추에이터 2.1 공압구동형액추에이터설계세미오토클러치의액추에이터는클러치페달에의해구동유압을전달하는일반수동변속기와달리마스터실린더와릴리스실린더사이의유압라인에공압실린더를연결하여클러치구동유압을제어하는역할을수행한다. 상용차는상차시와공차시에대한중량차이등으로클러치의유격을유지하는시간차가발생하며, 운전자들의특성에따라클러치의연결속도에대한차이가발생하여상황에따른클러치연결속도에대한제어가필요하다. 이를위해공압실린더에클러치의동작속도를제어하는하나의공급포트과세개의서로다른구경을가지는배출포트를연결하였으며, 제어모듈에서전기적신호를액추에이터로보내면액추에이터에장착된솔레노이드밸브가공압의흐름을제어하여클러치를구동하도록설계하였다. Fig. 2는공압구동형액추에이터를적용한세미오토클러치의시스템개략도를보여주고있다. [Fig. 1] Semi-automatic clutch (Old model) 본논문에서는이러한문제점을해결하기위해아래의두가지기능구현을통해새로운세미오토클러치를개발하였다. 첫째, 스텝모터를이용한공압실린더구동을솔레노이드밸브로제어하는세미오토클러치의공압구동형액추에이터를개발하였다. 둘째, 차량의정보수집을위해설치했던센서를대신하여설치의신속성과유지보수의편의를위해차량 ECU(Electrical Control Unit) 와 CAN (Controller Area Network) 통신을통해차량의운행정보를취득하여제어하도록제어기를개발하였다. [Fig. 2] Structure of Semi-automatic clutch system Fig. 3은세미오토클러치의공압구동형액추에이터기구부의 3D CAD 모델과제작사진을보여주고있다. (a) 4743
한국산학기술학회논문지제 15 권제 8 호, 2014 [Table 2] CAN protocol ID (b) [Fig. 3] Pneumatic actuator (a) 3D CAD model, (b) Product 3. 세미오토클러치제어모듈세미오토클러치의제어모듈은차량과의 CAN 통신과액추에이터에장착된클러치의위치를확인하기위한위치신호를입력으로받고, 솔레노이드밸브를제어하기위한출력신호를내보내는역할을수행한다. 3.1 CAN통신 CAN 통신은차량의 ECU와데이터통신의표준으로사용되며, 빠른전송속도와잡음에매우강하다는장점이있다. 상용차에서는 SAE J1939 프로토콜로표준화하여 CAN 통신을사용하고있다. SAE J1939 표준은트레일러, 건설및농업용차량등과같은중장비차량에서의전자제어장치들간의데이터통신을위한 CAN을의미한다. SAE J1939는 J1939/11 규격에서물리계층으로 CAN을사용하는것으로표준화되어있고, ID가 29 bit인확장형 CAN으로써전송속도는 250 kbit/s 이다. SAE J1939의 CAN ID는 PGN(Parameter Group Number), source address, priority, data page bit, extended data page bit를포함하고있고, 추가적으로 peer-to-peer의경우 target 주소를포함한다. Table 1은 PDU(Protocol Data Unit) Format과 PDU Specific을하나로합친 PGN을보여주고있다. ID 0x18FEF100 0xCF00300 0xCF00400 0x18F0000F Data Brake/Clutch pedal operation Car speed Acceleration pedal operation Engine speed Retarder switch operation 본논문에서는 ECU 로부터차량속도, 가속페달정보, 브레이크 / 클러치페달작동정보, 리타더 (retarder) 스위치작동정보등을 CAN통신으로받는다. Table 2는 SAE J1939 프로토콜에서해당정보를얻기위한 ID를보여주고있다. 3.2 CAN 통신기반제어모듈설계 세미오토클러치제어기는 AT90CAN128를 MCU로채택하여회로를설계하였으며, Fig. 4와같이 MCU부와전원부, CAN 통신부, 입출력부로구성되어있다. [Fig. 4] Block diagram of Semi-automatic clutch controller Fig. 5는 AT90CAN128 MCU를사용하여인터페이스회로를보여주고있다. [Table 1] CAN message format Priority Extended PDU Data Page Data Page Format PDU Specific Source Address 3 bit 1 bit 1 bit 8 bit 8 bit 8 bit [Fig. 5] Interface circuit of AT90CAN128 MCU 4744
CAN 통신기반의상용차용공압구동형세미오토클러치개발 [Fig. 6] CAN interface Circuit CAN 통신회로는 Philips 社의 PCA82C250 칩을사용하여구성하였으며, 이 PCA82C250 칩은 high speed CAN을지원하는 CAN 트랜시버칩으로최대 1M baud-rate 속도로통신할수있다. Fig. 6은 CAN 통신회로를보여주고있다. 세미오토클러치제어장치의전원은상용차의 24 V 전원을사용하거나상용차의배터리를전원으로사용한다. 이때발생할수있는과전류로부터회로를보호하기위하여퓨즈를사용했다. 포토커플러와포토인터럽터센서에공급할 12V 전원을위하여 7812 레귤레이터를이용하였고, AT90CAN128 MCU와다른 IC의작동에필요한 5V의전원을공급하기위하여 LM2575 레귤레이터를사용하였다. 자동차로부터들어오는전기적노이즈로부터회로를보호하기위하여그라운드를분리하였다. Fig. 7 은전원부회로를보여주고있다. (rpm), 각종페달작동정보등을얻어낸다. 다음으로클러치페달의작동유무를판별하게되는데, 어떠한상황에서도운전자가클러치페달을밟게되면액추에이터의피스톤은복귀하여야한다. 다음으로저속에서브레이크페달의작동유무에대하여판별하게된다. 자동변속기의경우브레이크를밟아서정지하여도시동이꺼지는경우가없다. 이처럼세미오토클러치를장착한차량의운전자가브레이크페달을밟아서정차할경우, 엔진회전수와차량의속도가설정값이하일때클러치를분리하여시동이꺼지는것을방지해준다. 다음으로주행모드를판별한다. 세미오토클러치모드는일반주행모드와타력주행모드로구분된다. 일반주행모드는타력주행을하지않는상태로써클러치스위치를누르지않으면클러치는결합해있는상태이다. 타력주행모드는설정된속도사이에서가속페달을밟지않으면클러치가떨어져있는상태이다. 그리고리타더를작동하면클러치를재빨리결합하여제동역할을할수있도록하였다. 프로그램이다운되거나오작동이생길경우를대비하여워치독 (watchdog) 기능을사용하였고, 타이머기능을 [Fig. 7] Circuit of power supply 3.3 세미오토클러치제어알고리즘세미오토클러치에전원을인가하면시스템초기화를통해서이전에사용자가저장한설정값을불러오고각종기능에대해서초기화를진행한다. 초기화가끝나면 CAN통신을통해현재차량의주행속도, 엔진회전수 [Fig. 8] Algorithm of Semi-automatic clutch 4745
한국산학기술학회논문지제 15 권제 8 호, 2014 사용하여약 2.9 ms 주기로갱신시켜주었다. Fig. 8은세미오토클러치의제어순서도를보여주고있다. 4. 실험및결과 4.1 액추에이터응답성능측정운전자의기어변환시빠르게클러치가분리되어야변속기에이상부하를주지않기때문에빠른응답특성이중요한요소이다. 개발된세미오토클러치의공압구동형액추에이터의동작특성을확인하기위하여 Fig. 9 와같이 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 장비에장착하여실험하였다. 에보이는바와같이차량의운행속도와관계없이클러치동작신호이후 0.27초후클러치가최대로분리되었으며, 운행속도에따른저속에서는클러치를서서히붙여주고, 고속에서는빠르게클러치를붙여주는특성을보였다. 개발된공압구동형액추에이터의공급압력에따른특성을알기위해 1.5~6 bar의공급압력조건에서각각의클러치분리시간을측정하였다. Fig.11은공급압력별분리시간에대한실험결과를보여준다. 공급압력 4bar에서분리시간이 0.20초가소요되었고, 3bar에서 0.23 초가소요되었으며, 이하의공급압력에서는클러치를최대로분리시키지못하였다. [Fig. 9] Photo of HILS 이러한클러치의작동응답특성을비교하기위해클러치동작신호를 1.5초동안보낸이후클러치가최대로분리시간을기존장치와개발장치에대하여각각측정하였다. 먼저, 기존전동식액추에이터의응답특성은 Fig. 10 [Fig. 11] Response characteristic of pneumatic actuator at disengage process 실험결과기존전동식액추에이터의응답특성을기준으로비교하여볼때개발된공압구동형액추에이터는 3 bar 이상에서 0.23 초의응답특성을나타내고있으므로상용차의변속시클러치분리시간에대한조건을충족할것으로판단된다. [Fig. 10] Response characteristic of motor actuator at disengage process 4.2 실차장착개발된공압구동형세미오토클러치는 Fig. 12와같이 WIDE CAB 8.3 G255 2010년식모델에장착하여세미오토클러치의장착시간및실차운행을통해특성을파악하였다. 기존의세미오토클러치는장착시여러센서의설치및보정과액추에이터의장착때문에 5 6 시간정도가소요되었으나, CAN 통신을할수있도록차량의 OBD-II 커넥터에케이블을연결하면되기때문에전체적인장착 4746
CAN 통신기반의상용차용공압구동형세미오토클러치개발 시간이 2 3 시간으로크게단축되었다. 또한실차운행결과공압구동의특성상정밀제어를할수없어출발시변속충격이크고클러치의결합속도가느려사용이어려웠으며, 주행중에는세미오토클러치만을이용하여변속을하여도변속충격이느껴지지않아원활할동작이가능하였다. [Fig. 12] Photo of Semi-automatic clutch controller on dashboard and pneumatic actuator on frame 3. 결론본논문에서는기개발된세미오토클러치의문제점을해결하기위해 CAN 통신을이용하여차량의속도와엔진회전수, 페달작동상태등의정보를수집하여제어하는공압구동형세미오토클러치를개발하였다. 센서를장착해정보를취득하는형식의기존세미오토클러치는장착및유지보수에서많이시간이소요되었으나, CAN 통신을이용한정보수집방법으로이를단축하였다. 또한, 공압구동형세미오토클러치는원활한동작을위해공급압력조건이중요하며, 최소 3bar이상의압력이요구되고있다. Academia-Industrial cooperation Society, Vol.13, No.9 pp.3849-3855, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/kais.2012.13.9.3849 [4] S. J. Kim, S. C. Lee, D. G. Lee, and S. J. Yang, "Development of the Semi-Auto Clutch for a Commercial Vehicle using PSD Sensor Module," Proc. of KSPE spring conference, pp.351-352, June, 2012. [5] K. H. Ahn, S. J. Kim, D. G. Lee, S. C. Lee, and S. J. Yang, "A Study on the Response Characteristics of Pneumatic Actuator of Semi-Auto Clutch for Heavy Commercial Vehicle," Proc. of KSPE Autumn conference, pp.257-258, October, 2013. [6] D. G. Lee, S. J. Kim, Y. J. Ko, K. H. Ann, and S. C. Lee, "Development of the Semi-Auto Clutch Control Module using AT90CAN128 MCU for Commercial Vehicle," Proc. of KSPE Spring conference, pp.443-444, June, 2013. [7] J. Y, Kim and G. D, Kim, Design and Analysis of a New Shift Automation Mechanism for Automated Manual Transmission, Journal of the Society of Korea Industrial and Systems Engineering, Vol.34, No.4, pp.66~71, December, 2011. [8] BOSCH, CAN Specification version 2.0, Robert Bosch Gmbh., 1991. 김성진 (Seong-Jin Kim) [ 정회원 ] 1997 년 2 월 : 전북대학교대학원기계공학과 ( 석사 ) 2010 년 2 월 : 전북대학교대학원기계공학과 ( 박사수료 ) 2006 년 3 월 ~ 현재 : ( 사 ) 전북대학교자동차부품금형기술혁신센터책임연구원 References 메카트로닉스, 제어계측 [1] K. Nordgard and H. Hoonorst, "Developments in Automated Clutch Management System," SAE 950896, 1995. DOI: http://dx.doi.org/10.4271/950896 [2] R. Fischer and R. Berger, "Automation of Manual Transmissions," 6th International Luk Symposium, pp.95-121, 1998. [3] Y. K. Park and J. Y. Park, "The Development of Clutch Control for Manual Transmission Vehicle based on Stepping Motor," Journal of the Korea 4747
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