석사학위논문 전동조향장치의고장검출및분리에 관한연구 A Study on Fault Detecton and Iolaton for Electrc Power Steerng Sytem 이정준 한양대학교대학원 8 년 월
석사학위논문 전동조향장치의고장검출및분리에 관한연구 A Study on Fault Detecton and Iolaton for Electrc Power Steerng Sytem 지도교수 이형철 이논문을공학석사학위논문으로 제출합니다 8 년 월 한양대학교대학원 전기공학 이정준
이논문을이정준의석사학위논문으로인준함 8 년 월 심사위원장정정주인 심사위원이주인 심사위원이형철인 한양대학교 대학원
목차 목차... 국문요지... 3 Nomenclature... 4 그림목차... 5 제 장서론....6 제 장시스템모델링... 8. 시스템개요... 8. BLDC 전동기모델링....3 조향장치모델링... 4 제 3 장고장검출및분리방법... 7 3. 고장검출및분리방법개요... 7 3. BLDC 전동기의고장검출방법... 3.3 조향장치의고장검출방법... 5 3.4 고장분리방법... 6
제 4 장시뮬레이션... 8 제 5 장차량테스트... 34 제 6 장결론... 4 참고문헌... 4
국문요지 전동조향장치는전동기를통해운전자의조향토크를보조해주는진보된조향시스템이다. 전동조향장치는기계적장치외에도다양한전기전자부품으로구성되므로이들전기전자부품의고장으로인해예기치않은조향력이발생할수있다. 그래서전동조향장치의안전성을보장하기위해고장진단방법이필요하다. 이논문에서는모델을이용한고장검출및분리방법을통해전동조향장치내의센서에대해고장검출및분리방법을제안한다. 전동조향장치를크게전동기와조향장치부분으로나누어서수학적모델링을수행하고이를바탕으로고장진단방법을두가지단계로구성하였다. 먼저전동기의전류센서와각속도센서의고장에대해전동기의수학적모델로부터유도된패리티식을이용하여고장검출을수행한다. 그리고나서조향장치의수학적모델로부터조향토크, 보조토크, 로드토크등세가지토크값들의관계로부터고장을검출한다. 위의두가지단계를통해전동조향장치의센서의고장을검출및분리가가능하게된다. 제안된고장진단방법은시뮬레이션과차량테스트를통해그타당성을검증해보았다. 3
Nomenclature v R K E ω r L 3 tator voltage tator current tator retance back EMF contant angular velocty of rotor elf nductance L, L mutual nductance J M, B M nerta and frcton coeffcent of rotor K T torque contant θ w, θ angular poton of teerng wheel and teerng haft k toron tffne of toron bar J, B nerta and frcton coeffcent of teerng wheel J, B nerta and frcton coeffcent of teerng haft m vehcle ma v x, v y longtudnal and lateral velocte γ yaw rate l f, l r dtance from center of gravty to the front and rear axle I Z nerta moment of vehcle body F yf, F yr front and rear lateral tre force σ x longtudnal lp rato C σ f longtudnal tffne r radu of pnon r eff effectve radu of the tre r ω δ eff w equvalent rotatonal velocty road wheel teerng angle average tator current 4
그림목차 그림 Block dagram of EPS ytem 그림 Structure of three-phae bruhle dc motor 그림 3 Bruhle dc motor and controller 그림 4 Structure of the EPS ytem 그림 5 FBD of the teerng haft 그림 6 Structure of model baed fault detecton method 그림 7 Structure of redual generator 그림 8 Structure of adaptve threhold 그림 9 Flow chart of the FDI algorthm 그림 Structure of the FDI algorthm 그림 Smulaton envronment 그림 Normal tate (no fault) of the BLDC motor 그림 3 Fault of the current enor 그림 4 Fault of the angular velocty enor 그림 5 Normal tate n double lane change maneuver 그림 6 fault of the torque enor n double lane change maneuver 그림 7 Experment envronment 그림 8 Experment dagram 그림 9 Normal tate n lane change maneuver 그림 Fault of the torque enor n lane change maneuver 그림 Normal tate n lalom maneuver 그림 Fault of the torque enor n lalom maneuver 5
제 장서론 전동조향장치 (Electrc Power Steerng Sytem, EPS ytem) 는전동기를통해운전자의조향력을보조해주는장치로, 유압을동력원으로사용하는기존의유압조향장치가가지고있는문제들을개선하면서개발이활발히이루어지고있으며실제양산되고있다. EPS 시스템은복잡한유압장치를제거함으로써전체적인차량의무게를줄일수있고오일을사용하지않으므로환경친화적인장점을가지고있으며필요시에만동력보조를하므로연비를개선할수있다 [5, 7]. EPS 시스템은기계적장치외에도전동기, 센서, 전력전자소자, 마이크로컨트롤러등의다양한전기전자부품들을포함한다. 이들전기전자부품의고장으로인해예기치않은조향력이발생하여차량의안전성에문제를야기시킬수있다. 그래서 EPS 시스템의신뢰성과안전성을보장하기위하여고장진단방법이중요시되고있고많은연구가진행되고있다. 이에모델을기반으로하는고장검출및진단에대한여러가지방법들이제안되었고 [4], 파라미터추정기법을통해전동기의고장을검출하는방법이연구되었으며 [, 3], 가우스-뉴튼방법을이용한파라미터추정을통해전동식조향장치 (Motor Drven Steerng Column) 의고장을감지하는방법이제안되었다 [6]. 그러나전동기와센서등개별장치에대한고장진단은많이진행되어왔지만전체 EPS 시스템의고장진단에대한연구는매우미흡한실정이다. 본논문에서는모델을이용한고장진단방법을사용하여 EPS 시스템내의센서 에대한새로운고장검출및분리에관한방법을제안한다. EPS 시스템을전동기 부분과조향장치부분으로나누어서수학적모델을구성하고, 전동기의수학적모 6
델에서유도된패리티식을통해전동기의전류센서와각속도센서의고장발생유무를판단한다. 그리고조향장치모델에서추정된로드토크, 전동기의전류센서에서추정된보조토크, 측정된운전자의조향토크등세가지토크의값을서로비교하여조향토크센서의고장을검출할수있고, 전체 EPS 시스템의센서에대한고장분리가가능하게된다. 본논문의구성은다음과같다. 장에서는 EPS 시스템의수학적모델에대해살펴보고 3장에서모델을이용한고장검출및분리방법을알아본다. 그리고 4장과 5 장에서시뮬레이션과차량테스트를통해제안된고장진단방법의타당성을검증해본다. 7
제 장시스템모델링. EPS 시스템개요 기존의유압조향 (Hydraulc Power Steerng) 장치는엔진에서동력을전달받아구동하므로엔진의효율을감소시키며펌프, 호스, 드라이브벨트, 풀리등의부가적인유압장치로인하여구조적으로복잡하였다. 이에비하여, EPS 시스템은조향을위해독립적인전동기를사용하여엔진에부담을주지않으며, 기구부가단순해지는장점을가지고있다. 또한하드웨어적인변경없이소프트웨어튜닝을통해다양한조향감을발생시킬수있고오일을사용하지않으므로환경친화적인요소를가지고있어점점유압조향장치를대체하고있다. EPS 시스템은차량의속도, 조향토크등의입력신호를사용하여운전자의조향력을보조해준다. 주차시와같은저속주행상황에서는보조토크의크기를크게하여쉽게조향이가능하도록하고, 고속주행시에는안전한조향을위해조향핸들이쉽게돌아가지않도록작은양의보조토크를제공하여야한다. 또한조향토크센서의값을통해운전자의조향의도를파악하여적절한보조토크를발생시켜야한다. 그래서 EPS 시스템은이러한센서의값을통해차량의현재상태를파악하고그에맞는보조토크를제공하기위해전동기를제어하게된다. 전동기를통해발생된보조토크는운전자의조향토크에더해져서조향축을통해랙을움직이게되고조향이이루어진다. 그림 은 EPS 시스템의블록다이어그램을나타낸다. 8
teerng torque Steerng Controller vehcle peed At Motor at torque enor gnal Steerng Mechanm Vehcle 그림 Block dagram of EPS ytem EPS 시스템은전동기의장착위치에따라분류할수있는데본논문에서는전동기가조향축에부착된형태인 column type의 EPS 시스템에대하여모델링을수행하였다. EPS 시스템은보조토크를제공하는전동기와운전자의조향토크를차량휠쪽으로전달하는조향장치로나눌수있다. 그래서전동기부분과조향장치부분으로나누어서수학적인모델을구성해보았다. 9
. BLDC 전동기의모델링 EPS 시스템은보조토크를제공하는 actuator로브러시를제거한영구자석전동기를사용하고있다 []. 이전의 EPS 시스템은제어가용이하고좋은동적특성을가진 DC모터를사용했지만브러시구조로인한수명단축과스파크에의한코일의파괴등의문제로최근에는영구자석전동기가많이사용되고있다 [4]. 영구자석전동기중 PMSM (Permanent Magnet Synchronou Motor) 이좋은대안이지만본논문에서는드라이브시스템이비교적간단한 BLDC (Bruhle DC) 전동기를사용하여모델링을수행하였다. BLDC 전동기는그림 와같이 4극의영구자석으로만들어진회전자와 Y 형태로결선된고정자로구성되며 BLDC 전동기구동시스템은그림 3과같고인버터를통해구동된다. 인버터는직류를교류로바꾸어주는전력전자소자로서 3상교류를발생시키기위해 6개의스위칭소자가결선되어있는형태를갖는다. BLDC 모터는고정자의각상에서발생하는자계의벡터적합이회전자계를형성하고, 회전자의영구자석이자계적흡인력에의해회전운동을하게된다. 모터 ECU는고정자에부착된홀센서를이용하여회전자의위치변화를관측하고 BLDC 모터를제어하기위해고정자권선의입력전압을조절하는데이것은인버터의트랜지스터를통해 PWM (Pule Wdth Modulaton) duty 비를변화시킴으로써가능하게된다.
tator 3b a b 3b b ㆍ S ㆍ b ㆍ N rotor N ㆍ a ㆍ S ㆍ a 3a a b 3a 그림 Structure of three-phae bruhle dc motor Motor ECU R L e 3 PWM Inverter Rotor poton detecton Hall Senor tator 그림 3 Bruhle dc motor and controller 본논문에서는상변수모델을이용하여 BLDC 전동기의모델링을수행한다 [3, 6]. 먼저하나의고정자권선에대한회로방정식을살펴보면다음과같다.
3 3 ) ( e L L L p R v = () 유기된역기전력은회전자의속도에비례하며식 () 와같이표현할수있다. ) ( t w K e r E = () 여기서고정자권선의저항은동일하고회전자의위치에따른 3 상고정자권선인덕턴스의변화가없다고가정하면, 각상의자기인덕턴스와상호인덕턴스가동일하다. M L L L L L L L = = = = = = 3 3 3 (3) 3 상에대하여정리하면식 (4) 와같다. = 3 3 3 3 e e e L M M M L M M M L dt d R R R v v v (4) 고정자의상전류가평형상태, 즉 3 = 라고가정하면식 (4) 는다음과같이간략하게나타낼수있다. = 3 3 3 3 e e e L L L dt d R R R v v v (5) 여기서 L=L -M 을나타낸다. 전동기의출력은식 (6) 과같고
3 r e out w T e e e P = = 3 3 (6) 출력토크 T e 는식 (7) 과같이나타낼수있다. 3 3 3 3 K K K w e e e T E E E r e = = (7) 전동기의부하의운동방정식은다음과같다. r M r M L e w dt d J w B T T = (8)
.3 조향장치의모델링 조향장치는그림 4 와같이크게조향휠 (teerng wheel), 조향축 (teerng haft), 토크센서, 전동기등의장치로구성된다. 이때, 조향축으로전달되는토크는운전자의 조향토크 (T S ) 와전동기의보조토크 (T M ), 로드토크 (T R ) 로나눌수있다 []. T S Steerng wheel ECU θ w θ Torque Senor Motor T M Steerng haft T P F R δ F x Rack & Pnon F y 그림 4 Structure of the EPS ytem T R k toron J J B B θ θ w T M T S 그림 5 FBD of the teerng haft 조향축에서의 free body dagram (FBD) 은그림 5 와같이표현할수있다. 그래서 FBD 로부터식 (9) ~ () 과같이조향축의운동방정식을얻을수있다. 4
J & & ) = T (9) θ w Bθ w ktoron( θw θ S J & & ) = T T () θ Bθ ktoron( θ θw M R J 과 B 이작다고가정하면, 아래와같이간략하게나타낼수있다. T = θ θ ) () S k toron ( w J && θ B & θ = T T T S M R () 식 () 과같이운전자의조향입력은조향휠과조향축사이에장착된토션바 (Toron bar) 의상단과하단에서측정된회전각도의차이를통해계산할수있다. 지면에서타이어로전달되는로드토크는타이어힘을추정하여구할수있다. 차량의자전거모델로부터횡방향과요방향운동방정식은식 (3) 과같이나타낼수있다. v& y = m & γ = I z ( F F ) ( l F l F ) f yf yf r yr v γ yr x (3) 센서에의해측정된횡방향가속도 a y 는다음식으로나타낼수있다. a y = v& y vxγ (4) 5
식 (3) ~ (4) 를연립하면횡방향타이어힘을다음과같이구할수있다. F yf ( maylr I zγ&) = l l f r (5) 종방향타이어힘은정상주행에서 lp rato 에비례하므로다음의식을통해 구할수있다. F xf reff ω w Vx = Cσ f σ x, σ x = (6) max( V, r ω ) x eff w 위에서구한타이어의종방향힘과횡방향힘은조향각센서에서얻은타이어의 조향각 (δ) 을통해 rack 으로전달되는타이어힘을구하면식 (7) 과같다. F = F n δ F coδ (7) R x y 그래서조향축으로전달되는로드토크는식 (8) 과같이나타낼수있다. T = F r (8) R R 보조토크는 BLDC 전동기의출력으로, 식 (9) 와같이전동기의상전류에비례하므로측정된전동기전류값을통해얻을수있다. 이때, 차량의속도와운전자의조향토크의정보를통해 EPS 시스템의 ECU (Electronc Control Unt) 는 BLDC 전동기의입력전류를제어한다. TM = KT (9) 6
제 3 장고장검출및분리방법 이번장에서는모델을이용한고장검출및분리방법을통해 EPS 시스템내의센서의고장을검출하는방법을제안하고자한다. 대상센서는전동기의전류센서와각속도센서그리고조향장치의토크센서이다. 모델기반고장검출방법은장치의추가를통한하드웨어적중복이아닌수학적모델을이용한해석적중복을통해고장을검출하는방식이다. 시스템의수학적모델, 측정된입력신호와출력신호를기반으로하여측정된값과추정된값과의차이를나타내는레지듀얼을만들어낸다. 이레지듀얼을정상상태에서의특성에서결정되는 threhold 와비교하여고장을검출하게된다. 3. 고장검출및분리방법개요 각종제어시스템이비정상적인작동을하는것을고장 (fault) 이라한다. 이러한고장을감지하고 (detecton), 시스템에서오류가발생한지점을찾아내는 (olaton) 기법및이론을고장검출및분리 (Fault Detecton and Iolaton, FDI) 방법이라한다. FDI 방법으로는다음과같은것들이있다 [6]. 먼저센서의출력값을추적하여그값이일정한범위안의값으로출력되는지를판별하여고장의유무를결정하는방법이있다. 이러한방법은시스템의모델이없어도간단히구현가능하나시스템의운전조건의변화를고려하기어려운문제점이있다. 다음은시스템에고장을감지할수있는하드웨어를부착하는방법이있다. 이방법의경우제어알고리즘을설계할때, 설계자에게설계의편의를제공하는 7
이점이있으나추가적으로하드웨어를부착해야하기때문에추가비용과공간이요구되고시스템이복잡해질수있다. 마지막으로시스템의수학적모델을이용하여고장을검출하는방법이있다. 이방법은모델의특성에구애받지않고여러다른종류의고장을분리하고검출할수있다. 그러나정확하고안정적인모델이필요하고제어알고리즘이복잡해지는단점이있다. 본논문에서는모델을이용한고장검출방법을사용하며 EPS 시스템의센서 고장을검출한다. 그림 5 는일반적인모델기반고장검출방법의구조를 나타낸다. f d u Sytem y Model y& - r Redual Evaluaton f 그림 6 Structure of model baed fault detecton method 레지듀얼을생성하는 Redual Generator 와이러한레지듀얼을이용하여실제로 시스템에고장이발생했는지를알려주는 Redual Evaluaton 으로이루어져있다. 여기서레지듀얼은고장이발생하지않았을경우 또는 에가까운아주작은 8
값을가지고고장이발생했을경우에는 이아닌어떤값을가진다. Redual Generator는시스템의입력과출력등을입력으로받아적정한 Redual을발생시키는역할을하며, 패리티식 (Party equaton) 을이용하는방법, 파라미터추정방법, 관측기 (tate oberver) 를이용하는방법등이보편적으로사용된다 [4]. 그래서 장에서얻은전동기와조향장치의수학적모델을기반으로하여전동기의센서와조향장치의센서에대해각각고장검출방법을제시하고이를바탕으로고장분리방법을제안하고자한다. 9
3. BLDC 전동기의고장검출방법 BLDC 전동기는구동제어를위해고정자전류센서와회전자각속도센서가 장착되어있다. BLDC 전동기의각센서의고장모델은고장이부가적인형태로 나타난다고가정하면다음과같이나타낼수있다. m, (,, 3) w r _ m = = w r f f w = () 여기서 m 은전류센서로부터측정된고정자상전류, w r_m 은각속도센서로부터측정된회전자각속도, _ 은셀제고정자상전류, w r 은실제회전자각속도, f _, f w 은전류센서와각속도센서에부가적인고장신호를나타낸다. 식 (5) ~ (8) 을통해전동기의상태방정식을구하면식 () 과같이나타낼수있다. x(t) & = x x Ax(t) Bu(t) E d(t) F f(t) y(t) = Cx(t) Du(t) E d(t) F f(t) y y () x(t) = w, m m _ 3 _ m r _ m C = I, D =, v e u(t) v e, =, v 3 e3 TL f f(t) f = f f E x =, E y =, Fx =, Fy = I _ 3 w 식 () 의상태방정식은식 () 와같은전달함수로변환할수있다. () H ()() u H ()() d H ( ) x( ) H ( ) f ( ) y = () yu yd yx yf
여기서각각의전달함수는아래와같이구할수있다. H H H H yu yx yd yf () = C( I A) B D () = C( I A) () = C( I A) E x E () = C( I A) Fx Fy 이때초기값은 x() 이다. y d() f() H yd () H yf () y() u() H yu () V ru () V ry () r() 그림 7 Structure of redual generator 그림 6 에서나타낸것과같이 BLDC 전동기의레지듀얼, r M () 은패리티식을이용하여 구할수있다 [].
( ) f() d() u() y() u() ) ( ) ( () ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( H V x H V H V H V V V V r yf ry yx ry yd ry yu ry ru ry ru M = = (3) 여기서 V ry () 와 V ru () 는 y 와 u 를입력으로하는필터이다. 이때, 식 (4) 를만족하는 V ry () 와 V ru () 를선택하면전동기고장에대한레지듀얼 r M () 은입력신호와외란그리고초기값에영향을받지않고고장에만영향을받게된다. ( ) ) ( ) ( ) ( ) ( = I H H V V yd yu ru ry (4) 본논문에서사용된 BLDC 모델은아래와같이 V ry () 와 V ru () 의값을구할수있다. = = ) ( ) ( ) ( R L R L K LB LJ K K LB LJ LK K LB LJ K K LB LJ K V K LB LJ L K LB LJ K K LB LJ K K LB LJ B J V E E E E E E E E ry E E E E E E ru (5) 식 (5) 와같이 BLDC 전동기모델은식 (4) 를만족하는필터가존재하므로레지듀얼은
식 (6) 과같이구할수있다. rm ( ) = Vry( ) H yf ( )f() (6) 식 (6) 에서구한레지듀얼을이용하여고장검출방법중가장간단하고자주사용되는 lmt checkng 방법을통해 BLDC 전동기의센서고장은검출할수있다 []. Lmt checkng 방법은측정된신호를감시하여그값이미리결정된 threhold를넘는지를체크하여고장을검출한다. 일반적으로 threhold 값은상한과하한으로나타내며, 측정된값이 threhold 값내에있다면즉, Y ( < Y mn < Y t) max 여기서 Y mn 과 Y max 는상한과하한값이다. 정상상태라고판단한다. 이때 BLDC 전동기는모델에서고려하지않은시간에따라변화하는 uncertanty 를포함하고있으므로이 uncertanty를고려한시변 threhold, Y mn (t) 와 Y max (t), 값을적절하게결정하여야한다. 본논문에서는 adaptve threhold 방법을통해모델 uncertanty를고려하여 threhold 값을결정하였다. Adaptve threhold 방법은그림 8과같이나타낼수있다 []. 3
c th cont U T T U flt U flt th dyn T 3 ΔY tol HP.F LP.F c th ln 그림 8 Structure of adaptve threhold Adaptve threhold 방법은 redual 을결정하는데포함된입력신호의정적인부분과동적인부분을고려하여 threhold 값을결정하는방식이다. 동적인특성을고려하기위해입력신호를 hgh pa flter를사용하였고 low pa flter를통해 threhold 값을부드럽게변화하도록하였다. 여기서 T /T 은모델 uncertanty의동적특성을고려하여결정한다. 4
3.3 조향장치의고장검출방법 조향장치는운전자의조향력을측정하기위해조향축에토크센서를장착하고있다. 그래서토크센서에대해고장검출방법을적용해보고자한다. 고장모델은아래와 같고부가적인고장이발생한다고가정한다. T _ = T f (7) S m S S 여기서 T S_m 은측정된운전자의조향토크, T S 는실제조향토크, f S 는토크센서에발생한고장신호를나타낸다..3절에서설명한것과같이 T S, T M, 그리고 T R 은센서를통해측정하거나모델을통해추정할수있다. 세가지토크의관계를나타낸식 () 로부터아래와같은토크센서고장에대한레지듀얼을얻을수있다. r T = ( T T J && θ B & θ (8) S _ m TM ) R 식 (8) 에서구한레지듀얼 r T 는 3.절과같은방식으로정상상태일때의 threhold 값과비교하여토크센서의고장을검출할수있다. 조향장치의수학적모델은역시모델 uncertanty를포함하고있기때문에적절한 threhold 값을결정하는것이요구된다. 그래서전동기의고장검출방법에서적용한 adaptve threhold 방법을통해조향각, 차량속도등의차량상태에따라변화되는 threhold 값을얻을수있다. 5
3.4 고장분리방법 3. 절과 3.3 절의고장검출방법을통해 BLDC 전동기와조향장치내의센서에 대한고장을검출할수있다. EPS 시스템의고장분리는그림 9 에서나타낸것과 같이순차적인방법을통해가능하게된다. Start Obtan r M from model of motor Compare r M wth threhold Fault? Y N Obtan r T from model of teerng mechanm Compare r T wth threhold Fault? N Y motor enor torque enor Fault free End 그림 9 Flow chart of the FDI algorthm 먼저 3.절의고장검출방법을통해 BLDC 전동기의센서에고장이발생하였는지를판단할수있다. 이때고장이발생하지않았을경우, 3.3절의조향장치의고장검출방법을적용하여토크센서의고장이발생하였는지를확인한다. 결과적으로위의과정을통해 EPS 시스템내의각각의센서에대해고장분리가 6
가능하게된다. 그림 은전체적인 EPS 시스템의고장검출및분리방법에대한 개략도를나타낸다. Steerng Torque Senor Motor Fault Detecton Algorthm Motor At Torque Cro-Checkng Motor Current Senor Motor Angular Velocty Senor Road Torque Tre Force 그림 Structure of the FDI algorthm 7
제 4 장시뮬레이션 제안된 FDI 방법의효율성과성능을시험하기위하여그림 과같이차량모델과 EPS 시스템모델을구성하여시뮬레이션을수행하였다. Full ze SUV의파라미터를적용한 CarSm 을차량모델로사용하였으며 EPS 시스템모델은 MATLAB/Smulnk 를이용하여개발하였다. 토크맵을구성하여차량에서받은센서값에따라전동기의입력전류를결정하였다. EPS ytem Drver Steerng Torque 차량센서 Vehcle Speed Steerng Torque Torque Map At Torque Steerng Mechanm Road Torque Vehcle (CarSm) 그림 Smulaton envronment 8
그림 는 BLDC 전동기를.초에 7.5N의토크로기동시킬때고장진단로직을적용한결과이다. 그림에서볼수있듯이레지듀얼값은 threhold 값내에서변화하므로 fale alarm은발생하지않았다. 전동기의레지듀얼은모델불확실성으로인해 에서약간벗어난값을갖는것을볼수있다. motor torque [N] redual redual 3 dered torque actual torque 9 7 5 3 -.5.75..5.5.75. tme (ec) 4 3 - current enor threhold -.5..5..5.3.35 tme (ec) 4 3 - angular velocty enor threhold -.5..5..5.3.35 tme (ec) 그림 Normal tate (no fault) of the BLDC motor 9
그림 3은.초에서.5초사이에전동기전류센서에고장이발생했을경우결과를보여준다. 레지듀얼이고장이발생한시간에 threhold 값을초과하므로고장을검출할수있는것을확인할수있다. 전동기가구동을하는 tranent 구간에서는레지듀얼이약간의오차를가지는것을확인할수있다. current [A] 4 3 actual current meaured current -.5..5..5.3.35 tme (ec) redual 4 current enor threhold -.5..5..5.3.35 tme (ec) 그림 3 Fault of the current enor 3
그림 4는.초에서.5초사이에전동기각속도센서에고장이발생했을때의결과를나타낸다. 역시레지듀얼값의변화를살펴보면정확하게고장을검출하는것을알수있다. Threhold 값은전동기의동작특성에따라변화되는것을볼수있다. angular velocty [rad/] 7 6 actual angular velocty 5 meaured angular velocty 4 3.5..5..5.3.35 tme (ec) redual 6 5 angular velocty enor 4 3 threhold - -.5..5..5.3.35 tme (ec) 그림 4 Fault of the angular velocty enor 3
그림 5 는 6km/h 의속도로 lane change 주행을수행하였을때의결과를나타낸다. 토크센서의레지듀얼값은 threhold 값을초과하지않으므로 fale alarm 은발생하지 않았다. gnal SWA (deg) 8 vehcle peed (kph) 6 4 - -4-6 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 tme (ec) teerng torque [N] 5 5 actual torque meaured torque -5 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 tme (ec) redual torque enor threhold - 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 tme (ec) 그림 5 Normal tate n double lane change maneuver 3
그림 6 은 6 초에서 7 초사이에토크센서에고장이발생하였을때의결과를 나타낸다. 그림에서보는것과같이비교적정확하게고장이발생한시점에서 레지듀얼이 threhold 를초과하는것을확인할수있다. teerng torque [N] 5 5 actual torque meaured torque -5 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 tme (ec) redual torque enor threhold - 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 tme (ec) 그림 6 Fault of the torque enor n double lane change maneuver 33
제 5 장차량테스트 현대자동차기술연구소테스트트랙에서 full ze SUV 차량을이용하여실차테스트실험을수행하였다. 제안된 FDI 로직은 rapd control prototypng (RCP) 장비인 dspace 사의 mcroautobox를사용하여실제차량에탑재하여테스트를진행하였다. RCP 장비를통해 Matlab/Smulnk로개발된로직을차량의인터페이스와연결하여실시간으로데이터를주고받음으로써쉽고빠르게실험이가능하게된다. 그림 7은차량테스트환경을나타내며그림 8은각장비들의구성내용을보여준다. 그림 7 Experment envronment 가상의고장신호는 FIU (Fault Inerton Unt) 를통해만들어지며 ECU 로 들어가는센서의출력신호에가상의고장신호가더해져서실제고장발생환경이 만들어진다. FIU 는 Analog FIU 와 CAN FIU 의두가지형태로구성하여다양한센서 34
신호에대해고장을만들수있도록개발하였다. Analog FIU는센서의 analog 신호로부터직접데이터를변조하여고장신호를발생시킨다. Analog 센서신호를 dgtal 값으로변환하여 CAN 메시지형태로센서신호를전송하는형태의경우, CAN FIU를통해고장신호를만들어낸다. Analog Senor CAN ECU Analog FIU CAN FIU RCP Devce PC 그림 8 Experment dagram 35
그림 9 는 5 km/h 의속도로 lane change 주행을할경우결과를나타낸다. 토크 센서의레지듀얼값은주행구간내에서 threhold 의범위내에서변화하는것을 볼수있고 fale alarm 은발생하지않았다. Sgnal 5 SWA (deg) VehcleVelocty (kph) -5 5 5 tme (ec) torque (N) 5 5 actual torque meaured torque -5 5 5 tme (ec) Redual torque enor threhold - 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 tme (ec) 그림 9 Normal tate n lane change maneuver 36
그림 은토크센서에 초에서 초사이에고장이발생하였을때의결과를 나타낸다. 고장이발생한시점에서레지듀얼값이 threhold 의범위를벗어나므로 고장을검출할수있다. torque (N) actual torque 5 meaured torque 5-5 5 5 tme (ec) Redual torque enor threhold - 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 tme (ec) 그림 Fault of the torque enor n lane change maneuver 37
그림 은 5 km/h 의속도로 lalom 주행을실시하였을경우의결과를보여준다. 토크센서의레지듀얼은역시 threhold 의범위내에서변화하여 fale alarm 은 발생하지않았다. 5 SWA (deg) VehcleVelocty (kph) Sgnal 5-5 torque (N) 5 5 5 6 7 8 9 3 4 5 tme (ec) actual torque meaured torque -5 5 6 7 8 9 3 4 5 tme (ec) Redual - torque enor threhold 5 6 7 8 9 3 4 5 tme (ec) 그림 Normal tate n lalom maneuver 38
그림 는토크센서에 초에서 초사이에고장이발생하였을때의결과를 나타낸다. 고장이발생한시점에서레지듀얼값이 threhold 의범위를벗어나므로 역시고장을검출할수있는것을확인할수있다. torque (N) 5 5 actual torque meaured torque -5 5 6 7 8 9 3 4 5 tme (ec) Redual - torque enor threhold 5 6 7 8 9 3 4 5 tme (ec) 그림 Fault of the torque enor n lalom maneuver 39
제 6 장결론 본논문에서는 EPS 시스템내의조향토크센서, 전동기전류센서, 전동기각속도센서에대한고장검출및분리방법을제안하였다. 시뮬레이션과차량테스트결과를통해제안된 EPS 시스템의 FDI 방법을검증할수있었다. 각각의센서의고장은추가적인하드웨어의설치없이수학적인모델을이용하여비교적정확하게검출할수있어제품의단가를줄일수있고 EPS 시스템외에도다양한시스템에적용이가능할것이다. 추가적으로다양한주행환경과작은고장신호에대해서도적용가능하도록좀더강인하고민감한 FDI 로직을개발하는연구가필요할것이다. 또한고장검출후단계인 fault tolerant 제어방법에대한연구를진행하여고장의발생을검출한후제어기의재설계를통해시스템을안정적으로동작시키기위한방법을 EPS 시스템에적용해보도록하겠다. 4
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Abtract A Study on Fault Detecton and Iolaton for Electrc Power Steerng Sytem Jeongjun Lee Superved Profeor, Hyeongcheol Lee Department of Electrc Engneerng Graduate School Hanyang Unverty Electrc Power Steerng (EPS) ytem an advanced teerng ytem that at teerng torque ung an electrc motor. To guarantee relablty and afety of the EPS Sytem, fault management epecally mportant. Th paper provde a fault detecton and olaton (FDI) technque for enor of the EPS ytem ung model-baed FDI method. In the preented work, FDI algorthm compoed of a two-tep proce by ung the mathematcal model of the electrc motor and the teerng mechanm. In the frt tep, fault of the phae current enor and the angular velocty enor of the electrc motor can be detected by ung party equaton whch derved from the mathematcal model of the electrc motor. In the ubequent tep, redual produced by cro-checkng wth three torque gnal n mathematcal model of the teerng mechanm, etmated at torque from the meaured phae motor current, etmated road torque from the tre 43
model and drver' wheel teerng torque. And then th e teerng enor fault can be detected by comparng the redual wth the threhold whch nclude model uncertante. Through the both tep, the EPS ytem enor fault can be olated by dentfyng the faulty component. 44