바이오시스템공학 (J. of Biosystems Eng.) Vol. 35, No. 1, pp.21~30 (2010. 2) 타이어시뮬레이터를이용한능동형타이어공기압제어시스템개발 이규철류관희이중용홍지향김혁주유지훈 Development of an Active Tire Pressure Control System Using a Tire Simulator K. C. Lee K. H. Ryu J. Y. Rhee J. H. Hong H. J. Kim J. H. Yu This study was performed to develop an active tire pressure control system that can adjust tire pressure to the optimum level according to traveling and working condition of agricultural tractor. For the development of active tire pressure control system, pneumatic supplier, solenoid valve block including pneumatic supply line, infinite rotation type pneumatic supplier with rotary joint unit, tire pressure transceiver module and control algorithm were developed. Also, tire simulator was developed. Using this tire simulator, the feasibility of each part constructing actual system was tested by checking the performance. The average communication success ratio was 98.3% between tire pressure transmitter and receiver module according to the various tire rotational speed and data receipt position of receiver module. The communication performance of the developed transmitter and receiver module was very stable in any condition. The tire pressure control system was accomplished by using the proportional control algorithm in this study. Also tire pressure control performance of developed control system was analyzed by using the tire simulator. As a result of control performance analysis to the developed system, the developed control system took 307 seconds to inflate agricultural tractor's tire from 50 kpa to 180 kpa. In opposite case, it took 210 seconds. Also it was able to control the tire pressure accurately under ± 0.9% (FS) in any condition. Keywords : Active tire pressure control, Radio frequency, Tire simulator 1. 서론농용트랙터의주행장치에범용으로사용되는공기주입형타이어는포장의노면진동을완충시키고작업에필요한견인력과제동력을제공하며조향시차량의안정성을유지하는역할을수행한다. 한편, 농용트랙터의타이어공기압은차량의제반성능변화에주요한영향을미치는한요인으로서타이어의공기압이적정공기압보다높을경우차량의조종안정성이향상되며회전저항이감소하고연비가증가하는반면승차감이감소할뿐아니라현가장치의수명도감소시키는등의영향을미친다. 이와반대의경우는앞서언급한것 과정반대의성능변화를야기할수있다.(Ryu et al., 2004) 따라서공기주입형타이어를장착한농용트랙터가원활한성능을발휘하기위해서는차량의제반성능에영향을미치는타이어공기압을차량의주행상태및환경에따라적정한상태를유지시킬수있는방안이필요하나아직까지는이런문제점을해결할수있는방법이마련되지못한실정이다. 실제로 Lee(2001) 는적정타이어공기압에관한농민들의인식조사결과, 대부분의농민들이공기압에대하여무관심하여정기적으로공기압을조정하는경우는거의없었으며, 또한작업중인트랙터의공기압은적정치보다높게사용하였고, 좌 우타이어공기압의차이는대부분 10% 이상이 The article was submitted for publication on 2009-08-24, reviewed on 2009-12-10, and approved for publication by editorial board of KSAM on 2010-01-26. The authors are Kyu Cheol Lee, KSAM member, Chief of R&D Center of Seetron, Kwan Hee Ryu, KSAM member, Professor, Joong Yong Rhee, KSAM member, Professor, Ji Hyang Hong, KSAM member, Researcher, Seoul National University, Hyeok Joo Kim, KSAM member, Researcher, National Academy of Agricultural Science, and Ji Hoon Yu, KSAM member, Senior Researcher, Seoul National University. Corresponding author: J. H. Yu, KSAM member, Senior Researcher, Seoul National University RIALS, 151-921, Seoul, Korea; Fax: +82-02-873-2049; E-mail: <aem8493@snu.ac.kr>. 21
타이어시뮬레이터를이용한능동형타이어공기압제어시스템개발 었다고보고하였다. 한편, 이러한문제점을해결하기위한방안으로서타이어의공기압을자동적으로제어할수있는시스템과관련된기술들이제안되었으나북미지역및유럽에서일부상용차량및비포장노면의주행이많은차량을대상으로부분적으로적용되고있으며. 국내에서는관련기술에관한연구가거의수행되지못하고있는실정이다. 실례로타이어공기압을자동적으로조절할수있는시스템과관련되어앞서수행된연구들은승용과상용차량및군용차량들과같은공기주입형타이어를주행장치로채택한차량들의제반성능을개선하기위한선행기술의개발목적으로최근수행된것으로분석되었다. Kaczmarek(1984) 은모든바퀴구동형차량의기동성을개선하기위하여사용할수있는시스템중에타이어공기압제어시스템이가장효율적이라고제안하였다. Adams 등 (2004) 은농업용트랙터의타이어공기압제어시스템의장착에따른성능개선효과를검증실험결과, 평균적으로 99% 의승차감개선효과가있다고보고하였다. 본연구에서는농용트랙터의주행상태및작업환경에따라타이어공기압을능동적으로조절하여차량의성능을제고할수있는능동형타이어공기압제어시스템을개발하기위한목적으로공기압발생장치, 공압유로를포함한솔레노이드밸브블록및무한회전형공기압공급장치, 타이어공기압측정및송 수신장치등의제어시스템의각구성부품과공기압자동제어알고리즘을개발하였다. 주행하는차량에각종장치를장착하고다양한시험을수행하면서복합적인운전조건에대응이가능하도록제어알고리즘을포함한능동형타이어공기압제어시스템의설계를완성하는과정을시뮬레이션하기위하여본연구에서는타이어시뮬레이터를개발하고이를이용하여농용트랙터타이어를임의의회전속도로회전시키면서제어시스템의개별구성품의성능및작동상태를확인하여실제제어시스템에적용적합성을확인하였다. 2. 재료및방법 가. 타이어공기압측정및무선송 수신장치설계및제작 1) 공기압측정및무선송신장치 타이어공기압을측정하고측정데이터를송신하기위한장치는타이어압력, 온도및회전가속도를통합측정할수있는마이크로컨트롤러내장형센서소자와구동축전지, 변조기및송신안테나로구성하였다. 센서소자는 Infinion사의 SP30(T) 제품으로센서소자내부에는반도체소자를이용한피에조저항방식의소자를휘스톤브리지회로가단일칩형태로구성되어있다. 마이크로컨트롤러는센서소자에내 장되어있으며 RISC(reduced instructions set computer) 형태의 8비트마이크로컨트롤러를사용하였다. CPU는필립스사의 2세대저전력 8비트마이크로컴퓨터로 MRK2 Core를기반으로설계되어있다. 또한변조기는주파수변조방식 (FSK) 방식을사용하여구성하였으며, 전압제어발전기 (voltage controlled oscillator, VCO) 와위상동기루프 (phase locked loop, PLL) 이자체내장된 Melexis사의 RFIC를사용하였다. 2) 공기압무선수신장치공기압무선수신장치는수신안테나, 저잡음증폭기, 대역통과필터, 복조기로구성된무선수신부와마이크로컨트롤러및입출력장치로구성된데이터처리부로나누어구성하였다. 수신안테나는송신장치와마찬가지로헬리컬방식의안테나를사용하였으며, 저잡음증폭기를이용하여수신된신호는 15 20 db 정도증폭할수있도록설계, 제작하였다. 또한반송파에혼재된잡음성분은 30 2,500 MHz 대역에서주로사용하는압전현상을이용한 SAW 필터소자를이용하여제거할수있도록하였다. 그리고복조기는송신장치와마찬가지로 Melexis사의 RFIC를사용하여구성하였다. 데이터처리부를구성하고있는마이크로컨트롤러는 CISC (complex instructions set computer) 방식의 8비트마이크로컴퓨터인 Freescale사의 MC68HC908을사용하였으며, 128 64 도트그래픽액정표시장치드라이버가자체내장되어공기압등의디지털데이터를화면에출력할수있으며, 주변기기와통신포트로활용할수있는 SPI(serial peripheral interface) 등을내장하도록설계, 제작하였다. 그림 1은개발한공기압측정및무선송 수신장치의블록다이어그램이다. 나. 타이어공기압제어장치설계및제작 1) 공기압발생장치타이어공기압을제어하기위해서는타이어의현재압력과설정압력을비교하여공압회로의솔레노이드밸브를열어대기중으로타이어내부의공기를배출하거나외부에서압력을인가해주는작업을수행하여야한다. 타이어에압력을인가하기위하여설정압력보다높은압력을발생시킬수있는장치로본연구에서는피스톤의왕복운동과밸브의개폐에따라외부공기를흡입하여압축후배출하는기능을갖는왕복피스톤식공기압축기를적용하였다. 공기주입타이어의설정압력도달시간및소요공기량을계산하기위하여공기압축기의흡입공기량을선정하였다. 대기온도에서타이어의압력을제어하고자할때, 대기압 (1 atm, 101 kpa) 에서필요한공기의양을 로소요시간을 라고하고압축기의효율을 라고하면압축기의흡입공 22
J. of Biosystems Eng. Vol. 35, No. 1. (a) Transmitter module (modulator) (b) Receiver module (demodulator) Fig. 1 Blcok diagram of transmitter and receiver module for an active tire pressure control system. 기량 는식 (1) 로계산할수있다. (1) 출되게유로를설계하였다. 유로에선정한공압용솔레노이드밸브의제원은표 2와같으며, 제작한밸브블록은그림 2와같다. 식 (1) 의필요공기량 는이상기체상태방정식을이용하여계산하였으며, 타이어의최소공기압이 50 kpa에서 210 kpa로상승하는데소요되는시간을 5분, 효율을 90% 로가정하여공기공급량이 105 L/min인공기압축기를선정하였다. 농용트랙터에적용이가능하도록설치공간과차량의축전지 (12 VDC) 를구동전원으로사용할수있는구조를고려하여표 1과같은공기압축기 (ACD-105, Pneumatic korea, Korea) 를적용하였다. Table 2 Specification of solenoid valve Item Description Maximum ratings 12 VDC ±10% Fluid Compressed air Operating pressure 1700 kpa Endurance pressure 2400 kpa Peripheral temp -10 60 Orifice 7 Temperature rising Below 90 Table 1 Specification of air compressor Item Flow rate Operating voltage Pressure for stop operating Pressure for start operating Description 105 L/min 12 VDC 1034 kpa 345 kpa 2) 타이어공기압제어를위한공압용밸브블록어셈블리타이어공기압을제어하기위하여공기주입및배출기능을담당하는공압용솔레노이드밸브와밸브블록을이용하여유로를설계하였다. 선정한공압용파일럿식솔레노이드밸브 (TMV-150, Seetron, Korea) 는 12 VDC 전원을공급하면솔레노이드가전자석이되어파일럿부에있는원통형막대를당겨서공기흐름을바꾸고이것이다시메인스풀을동작시켜공기흐름을단속하는원리로작동한다. 각각의밸브는동시에작동하지않으며, 공기주입용밸브가작동하면공기압축기에서생성된공기가타이어로주입되고, 공기배출용밸브가작동하면타이어내부의공기가대기중으로배 Fig. 2 Pneumatic valve assembly for tire pressure control. 한편, 타이어공기압을제어하기위한밸브어셈블리의제어기는 TTL 신호를이용하여공기압축기와공압솔레노이드밸브를작동하는전원을제어하는릴레이구동회로를기본으로개발하였다. 또한개발한릴레이구동회로는제어기의 TTL 신호로달링턴트랜지스터의동작을제어함으로써릴레 23
타이어시뮬레이터를이용한능동형타이어공기압제어시스템개발 이를작동시켜릴레이출력단에접속되어있는솔레노이드밸브에전원을인가또는차단할수있는구조로회로를개발하였다. 그림 3은공압솔레노이드밸브블록과제어기로이루어진밸브어셈블리의실제모습이다. Fig. 4 Infinite rotation type pneumatic supplier with rotary joint unit. Fig. 3 Pneumatic valve block assembly for an active tire pressure control system. 3) 무한회전형공기압공급장치능동형타이어공기압제어시스템에서농용트랙터의타이어가회전하는동안공기압을원활히공급, 배출함으로써공기압을제어하기위한무한회전형공기압공급장치는로터리조인트를이용하여구성하였다. 로터리조인트는회전하는부품과고정된배관라인을연결하는유공압부품으로, 표 3은무한회전형공기압공급장치에장착되어있는로터리조인트의제원이다. Table 3 Specification of rotary joint Item Description Fluid Air, oil Max. pressure 1,500 kpa Temperature 80 Max. speed 1,500 rpm 4) 공기압측정및무선송 수신장치장착용지그 일부외국의대형트랙터를제외한대부분의국내농용트랙터는튜브타이어를채택하고있으므로타이어공기압송신장치를휠내부에장착하는것은불가능하다. 따라서본연구에서는다양한형태의타이어휠에적용이가능하도록타이어공기압송신장치를타이어휠외부에고정하는방식을선택하였다. 타이어공기압송신장치의가속도모듈을이용하여차량의주행속도를측정하기위하여송신장치의장착방향이회전축과평행한방향으로설치되도록하였으며, 그림 5와같은타이어휠고정장치를제작하였다. 회전하는물체의가속도는회전반경에비례하므로, 장착위치를회전중심에서최대로사이가벌어지는지점을선택하는것이가속도측정에유리하다. 타이어공기압송신장치는타이어휠회전중심으로부터 0.3 m인거리에부착하였다. 타이어휠에로터리조인트를장착하여공기압축기에서압축된공기가로터리조인트를통하여회전하는타이어로공급되거나타이어내부의공기가유로를통하여대기중으로배출되도록무한회전형공기압공급장치를제작하였다. 제작한공급장치는이동하거나작업중에외부의이물질에의한파손을방지하기위하여가능한한바퀴외부로돌출되지않도록구성하였으며, 타이어및솔레노이드밸브블록과연결할수있도록공기입 출력포트를설치하였다. 또한그림 4 와같이로터리조인트를타이어휠에고정하기위하여별도의고정장치를제작하였다. Fig. 5 Tire pressure transmitter mounted on the wheel. 24
J. of Biosystems Eng. Vol. 35, No. 1. 5) 공기압제어알고리즘 공기압제어의최초과정에서타이어의압력변화를감지할수있는최소시간동안타이어에공기주입또는배출과정을수행하고, 이에따라계산된압력변화율을이용하여설정압력으로제어하기위하여공기주입및배출밸브의열림시간계산방법을채택하여공기압제어알고리즘을구축하였다. 개발한알고리즘은타이어의종류와크기, 공압라인및공기압발생장치등의구성장치의특성에무관하게공기압을비교적정확하게제어할수있는장점이있다. 공기압력변화에따른소요공기량의계산은이상기체상태방정식을이용하여제어알고리즘에서사용되는수식을간략화하였으며, 다음의식 (2) 는제어알고리즘에서타이어내용적 ( ) 를산출하는식이다. 산하여계산하였다. 계산된밸브작동시간이식 (3) 으로예측한시간과차이가발생하는경우에는제어시스템의이상상황으로제어기에서경보처리를수행하도록구성하였다. SV : Target pressure PV : Tine pressure T0 : 1st valve open time kp : Proportional gain kd : Derivative gain Ki : Integnal gain P0 = PV dt = T0 Inflation Valve Open during dt Start Err = 0 P0 = PV SV-PV >3.4 kpa SV > P0 Err = 0 P0 = PV dt = T0 Deflation Valve Open during dt 1st Inflation? 1st Deflation? (2) Tire volume calculation Valve opening time(tv) calculation Tire volume calculation Valve opening time(tv) calculation where, : Inner volume of tire ( ) : Valve open time at first inflation (s) : Air flow-rate of compressor ( /min) : Atmospheric pressure (kpa) : Measured tire pressure at initial time (kpa) : Measured tire pressure at 2nd time (kpa) 제어알고리즘에서는이상기체상태방정식을이용하여타이어의부피, 설정공기압및현재타이어공기압으로타이어주입공기량을예측할수있으며, 이를통하여공기주입밸브작동시간, 즉공기압축기의작동시간을식 (3) 을이용하여예측할수있다. (3) where, : Total valve open time at first inflation (s) : Air requirement ( ) : Air flow-rate of compressor ( /min) 그림 6과같이제어알고리즘은차량하중차이에따른압력변화율변동, 제어과정중에서타이어압력차이에따른공기주입및배출시간변동및공기주입기효율의경시변화등의외부요인에의한비선형요소를고려하여비례제어기를기반으로개발하였다. 밸브작동시간은이전밸브작동시간에의한압력변화를이용하여계산된시간, 압력변화율에따라계산된시간및설정압력과현재압력차이의누적합에의하여계산된시간등에각각의계수를곱하고이를합 Waming message dlsplay Time>Tv*1.5 Err=Err + (SV-PV) Slope = (PV-P0)/T0 dt={(sv-pv)/(pv-p0) kp}+(slope kd)+(err ki) Fig. 6 Flowchart of tire pressure control algorithm. 다. 타이어시뮬레이터 그림 7과같이타이어공기압제어시뮬레이터는농용트랙터타이어를임의회전속도로회전시키면서공기압제어시스템을구성하고있는개별구성품의성능및작동상태를실내에서확인하기위한장치로, 타이어압력을조절하기위하여공기압발생장치로사용하는공기압축기, 공압용우레탄튜브와원터치커플러로구성된공압유로, 공기주입및배출기능을담당하는솔레노이드밸브블록등의기계장치와공기압을제어하기위한밸브제어회로등으로구성하였다. 또한그기능은타이어공기주입및배출, 공기압조절및표시, 회전속도조절및표시기능으로요약될수있다. 개발된타이어시뮬레이터의타이어공기압조절기능은전기스위치와순차회로를이용하여공기주입및배출용솔레노이드를수동으로조작하여작동하였다. 공압유로상에스트레인게이지방식의압력송신기 (PSC-10, Sensys, Korea) 를설치하여공기압을표시할수있도록표시장치와부착하여육안으로확인이가능하도록하였다. 타이어회전에필요한동력원은전동기 (TEB414B, SH Electric, Korea) 를이용하였으며, 회전속도를조절하기위하여전용제어기 25
타이어시뮬레이터를이용한능동형타이어공기압제어시스템개발 를설치하였다. 타이어회전속도는전위차계 (RES-1K, Spectra, Japan) 를이용하여모터제어기의회전속도제어단자에입력되는전압을조절하여설정할수있도록구성하였다. 따라서시뮬레이터를작동하면서능동형타이어공기압제어시스템을구성하는각종부품의정상작동여부및타이어공기압제어시스템에의적용적합성을확인하였다. where, : Traveling speed of vehicle (km/h) : Radius of tire (m) Fig. 8 Calculation of vehicle speed from accelerometer. Fig. 7 Construction of tire simulator. 라. 타이어시뮬레이터를이용한개별구성품의성능평가 1) 차속및공기압측정장치의성능평가 타이어시뮬레이터에농용트랙터타이어를장착하고무선송신장치내의공기압센서소자 (SP30, Infinion Co., France) 에내장되어있는가속도센서의측정정확도및차속환산성능을측정하였다. 이를위하여그림 8과같이타이어가회전하는동안휠에장착된송신장치는원심력에의한가속도를측정하여개발된데이터그램에 1바이트크기로포함시켜측정값을전송하도록구성하였으며, 전송된측정값은수신장치에서복호화과정을거쳐제어기로전달되도록하였다. 또한최종적으로측정된가속도는제어기에서식 (6) 에대입하여연산과정을통하여차량의주행속도로환산하였다. (4) where, A : Measured acceleration in transmitter module (m/s 2 ) r : Distance between center of wheel and transmitter module (m) N : Rotational speed of tire (rpm) (5) 차속측정장치의성능을평가하기위하여송신장치에서측정한회전속도와시뮬레이터의회전축에부착된로터리인코더 (HT-5500, Onosokki Co., Japan) 에서측정한회전속도를비교분석하였다. 타이어시뮬레이터를이용하여타이어회전속도를 50 rpm 에서 160 rpm 까지 10 rpm 씩증가시키면서회전속도를측정하였다. 또한, 타이어공기압은디지털압력계 (DPI-603, Druck Co., Germany) 를이용하여측정한값과송신장치의압력센서로측정한값을비교분석하였으며, 이때타이어공기압은 0~280 kpa 범위에서 40 kpa 씩증가시키면서공기압을측정하였다. 2) 회전속도에따른타이어공기압무선송 수신장치성능평가타이어공기압측정및무선송 수신장치는타이어회전속도에따라회로및안테나성능에영향을줄수있다. 따라서타이어회전속도에따른공기압송 수신장치의성능을분석하기위하여그림 9와같이타이어시뮬레이터에공기압측정및무선송신장치를부착하고수신장치의위치를바꿔가면서무선데이터의송 수신성공률확인시험을수행하였다. 트랙터용타이어의회전속도는 0 150 rpm( 차속기준 36 km/h) 범위에서 50 rpm 씩증가하면서각회전속도별로송 수신성공률을측정하였다. 수신장치의위치는타이어중심점으로부터반경 3 m 의거리에서수평면기준으로 45 씩변경하면서각각의타이어회전속도별로총 5회반복측정하였다. (6) 26
J. of Biosystems Eng. Vol. 35, No. 1. Fig. 9 Performance test of transmitter and receiver using tire simulator. 3) 타이어공기압제어장치의성능평가타이어공기압제어장치의제어알고리즘은임의의타이어를제어대상으로초기공기주입에의한압력변화를이용하여임의의설정압력으로제어하기위한소요공기량을계산하여공기주입밸브의개폐시간을예측하는과정을수행하도록구성되어있다. 초기공기압제어알고리즘에는기본적으로 PID 제어기적용을고려하였으나, 제어과정에분단위의소요시간이필요하며제어대상인타이어압력의측정에일정시간의안정화시간이필요한응답특성을갖기때문에본연구에서는미분 ( ) 및적분 ( ) 제어계수는 0으로설정하여미분제어와적분제어를수행하지않더라도원하는제어성능을구현할수있는비례제어기를타이어공기압제어장치에채택하였다. 따라서본연구에서는타이어시뮬레이터를이용하여최적의타이어공기압제어성능을확보하기위하여 공기압제어장치의비례제어계수 ( ) 를설정하기위한시험과설정된제어계수에따른공기압제어장치의성능평가시험을수행하였다. 타이어시뮬레이터를이용한제어계수최적화작업은농용트랙터타이어의공기압을 152 kpa 에서설정공기압 210 kpa 까지가압시키는공기주입제어동작과, 공기압 210 kpa 에서설정공기압 138 kpa 까지감압시키는공기배출제어동작을수행하는동안제어계수를변화시키면서제어시간을측정하였다. 또한타이어시뮬레이터와타이어공기압제어장치를이용하여시뮬레이터에장착된타이어를 100 rpm 의회전속도로회전시키면서 50 kpa 에서 138, 180, 210 kpa 로설정공기압까지공기주입및배출과정을각각 5회씩수행하여개발된제어장치의공기압제어성능을확인하였다. 3. 결과및고찰 가. 차속및공기압측정장치의성능분석 1) 차속측정성능분석타이어시뮬레이터를이용하여타이어의회전속도를 50 rpm 부터 160 rpm 까지 10 rpm 단위로증가시키면서타이어휠에장착된무선송신장치에서전송된데이터그램에서가속도를확인하였다. 표 4와같이시속 10 km 이상의속도구간에서는대략 ±1 %(FS) 이내의정확도로차속을계산할수있음을확인하였다. 2) 공기압측정성능분석공기압측정및송신장치의타이어공기압측정성능은교정기로디지털압력계 (DPI-603, Druck Co., Germany) 를 Table 4 Results of test for vehicle speed measurement of transmitter module Rotational speed (rpm) Tire simulator Vehicle speed computed from rotational speed (km/h) Acceleration (m/s 2 ) Tire pressure sensing and transmitter module Vehicle speed computed from acceleration (km/h) Error (%, FS) 49.3 11.7 4.91 9.4-5.8 59.4 14.1 9.81 13.3-2.0 70.5 16.7 14.72 16.3-1.2 80.2 19.0 19.62 18.8-0.6 89.5 21.2 25.53 21.0-0.6 100.0 23.7 31.88 24.0 0.5 109.8 26.1 39.24 26.6 1.3 119.8 28.4 44.15 28.2-0.6 129.9 30.8 53.96 31.2 0.8 139.4 33.1 61.31 33.2 0.3 150.1 35.6 68.67 35.2-1.2 160.0 38.0 78.48 37.6-1.0 27
타이어시뮬레이터를이용한능동형타이어공기압제어시스템개발 이용하여측정된값과송신장치의압력센서로측정한값을비교하는방법을이용하여분석하였다. 타이어공기압을 0~ 280 kpa 범위에서 40 kpa 씩증가시키면서비교측정하였다. 표 5와같이각각교정기를이용하여계측한실제타이어의공기압과공기압측정및송신장치를이용하여계측한값을비교한결과개발된공기압측정및송신장치의공기압측정오차는전체측정범위내에서 0.7 %(FS) 이내로확인되었다. Table 5 Results of test for tire pressure measurement of transmitter module Actual pressure of tire (kpa) Measured pressure of tire from transmitter (kpa) Error (%, FS) 0 0 0.0 40 39-0.4 80 78-0.4 120 118-0.7 160 159-0.4 200 200 0.0 240 242-0.7 280 282-0.7 나. 타이어회전속도에따른타이어공기압무선송 수신장치성능분석 개발한타이어공기압무선송신장치는타이어회전속도에따라타이어휠에부착되어있는송신장치의회로및안테나성능에영향을줄수있다. 따라서본연구에서는타이어회전속도에따른공기압송 수신장치의성능을분석하기위하여송신장치로부터 100개의데이터그램을송신하도록설정한후수신장치가정상적으로수신한데이터를백분율로표시하는방법을사용하였다. 표 6의무선송 수신장치성능분석결과, 평균수신성공률은 98.3 % 로나타났으며, 수신장치의장착위치의변경에따른수신성공균일도 (CV) 는 0.6 % 로타이어공기압무선송 수신장치의통신성능은타이어의회전속도및수신장치의위치에관계없이안정적임을확인하였다. 이결과를토대로농용트랙터의통상적인주행속도이내에서는개발된 타이어공기압무선송 수신장치의무선통신성능은차륜의회전속도나송 수신장치사이의장착방향에구애받지않음을확인할수있었다. 다. 타이어공기압제어장치성능분석 1) 공기압제어장치의제어계수선정타이어공기압제어장치의제어알고리즘은임의의형식을갖는타이어를제어대상으로초기공기주입에의한압력변화를이용하여임의의설정압력으로제어하기위한소요공기량을계산하여공기주입밸브의개폐시간을예측하는과정을수행하게된다. 타이어공기압제어장치의제어알고리즘은비례제어기능을이용하였으며, 이에따라제어장치의최적의비례제어계수 ( ) 를결정하기위한시험을수행하였다. 이를위하여농용트랙터타이어로 152 kpa의초기압력에서 207 kpa 까지압력제어동작을수행한결과를그림 10 에나타내었다. 그림에서표시된압력값은공기압측정및무선송신장치로부터수집된값이며, 공기주입밸브를닫은후에그래프상에서평탄하게표시되는부분이실제타이어공기압을나타낸다. 그이유는공기압축기, 유로, 솔레노이드밸브블록과공기압측정및송신장치가하나의공압라인에연결되어있기때문에공기주입또는배출과정중에는공기압축기의송출압력또는대기중으로개방되는배출밸브의영향으로공압라인에형성되는압력이실제타이어공기압과다를수밖에없는시스템의구조적인특징을갖기때문이다. 시험결과, 그림과같이 가 0.8인경우에는 4회의공기주입밸브의제어동작이필요하였으며, 제어시간은 140초소요되는것으로분석되었다. 가 1.0인경우에는 3회의공기주입밸브작동후에제어동작이완료되었으며, 제어시간은 133초소요되는것으로분석되었다. 를 1.2로설정하면 2회의밸브작동이후에설정압력을초과하여배출밸브로공기를배출시켜초과된압력을낮추는불필요한감압제어과정이추가되어, 설정압력도달시간은총 185초가소요됨을확인하였다. 상기시험결과를고려하여본연구에서개발한공기압제어기의비례제어계수는 1.0으로선정하였다. Table 6 RF communication performance between transmitter and receiver module Wheel speed Data receipt success ratio by position of receiver module (%) (rpm) A (0 deg.) B (45 deg.) C (90 deg.) D (135 deg.) E (180 deg.) Aver. (%) CV (%) 0 98 99 96 98 98 97.8 1.0 50 99 99 98 99 99 98.8 0.4 100 98 98 97 98 99 98.0 0.6 150 99 98 99 99 98 98.6 0.5 28
J. of Biosystems Eng. Vol. 35, No. 1. Fig. 11 Pressure-time curve in automatic tire inflation control. (a) =0.8 Fig. 12 Pressure-time curve in automatic tire deflation control. (b) =1.0 개발된공기압제어알고리즘을이용하여농용트랙터타이어를대상으로공기압제어성능을분석하였다. 제어성능은타이어시뮬레이터를이용하여타이어를 100 rpm 으로회전시키면서공기주입및배출시험을각각 5회씩수행한평균값으로확인하였다. 표 7은농용트랙터타이어를각각의압력조절단계별로공기주입및배출시간을측정한결과로, 타이어의최소허용공기압 (50 kpa) 에서규정공기압 (180 kpa) 까지제어하는경우제어시간은대략 307초가소요되었고그반대로제어하는경우대략 201초가소요되었으며, 제어과정중공기주입및배출밸브의개폐횟수는 3 4회에서 (c) =1.2 Fig. 10 Pressure control of agricultural tractor s tire using tire pressure controller with different values of. 그림 11은선정된비례제어계수를이용하여트랙터타이어의초기공기압 152 kpa 에서설정공기압 210 kpa 까지공기주입제어동작을수행하는과정을나타낸것이며, 그림 12는초기공기압 210 kpa 에서설정공기압 138 kpa 까지공기배출제어동작을수행하는과정을나타낸것이다. Table 7 Tire pressure control performance of designed tire pressure controller Start pressure (kpa) Target pressure (kpa) Actual pressure (kpa) Time (sec) Valve open (Times) Error (%FS) 50 138 137 190 3-0.3 50 180 180 307 4 0.0 50 210 207 431 4-0.9 138 50 50 150 4 0.0 180 50 51 201 4 0.3 210 50 48 228 4-0.6 29
타이어시뮬레이터를이용한능동형타이어공기압제어시스템개발 제어가가능하였다. 공기주입및배출시간예측알고리즘이적용된타이어공기압제어장치는대략 ±0.9 %(FS) 의정확도로공기압을제어할수있었다. 4. 요약및결론 본연구에서는농용트랙터의주행상태및작업환경에따라타이어공기압을능동적으로조절하여차량의성능을제고할수있는능동형타이어공기압제어시스템을개발하기위한목적으로공기압발생장치, 공압유로를포함한솔레노이드밸브블록및무한회전형공기압공급장치, 타이어공기압측정및송 수신장치등의제어시스템의각구성부품과공기압자동제어알고리즘을개발하였다. 또한타이어시뮬레이터를개발하여공기압제어시스템의개별구성품의성능및작동상태를확인하여실제제어시스템에의적용적합성을평가하였으며, 그결과를다음과같이요약하였다. (1) 공기압발생장치, 무한회전형공기압공급장치, 공기주입및배출밸브블록등의기계장치, 제어기와주입및배출시간예측알고리즘으로구성된타이어공기압제어장치를개발하였다. 개별구성품에대한장치의적용적합성을확인하고공기압제어알고리즘의완성및개발한무선송 수신장치의성능을분석하기위하여타이어시뮬레이터를제작하였다. (2) 타이어시뮬레이터에개발한장치를장착하고차속및공기압측정장치의성능시험을수행하였다. 측정결과, 차속은 1 %(FS) 의측정정확도를확인하였으며, 공기압은 0.7 %(FS) 의오차범위이내로측정할수있었다. (3) 타이어회전속도의변화및수신장치의데이터수신위치에따른타이어공기압무선송 수신장치의데이터평균수신성공률은 98.3 %, 수신성공균일도 (CV) 는 0.6 % 로측정되어개발한장치의통신성능은차륜의회전속도나송 수신장치사이의장착방향에구애받지않음을확인할수있었다. (4) 타이어공기압제어시스템은비례제어기를기반으로한제어알고리즘을이용하여완성하였으며, 제어기의비례제어계수 ( ) 는 1.0으로결정하였다. 개발된공기압제어장치및타이어시뮬레이터를이용하여농용트랙터용타이어를대상으로공기압제어성능을분석한결과, 개발된공기압제어시스템은타이어의최소허용공기압인 50 kpa 에서규정공기압 180 kpa 까지공기주입소요시간이대략 307초, 그반대의경우는 201초가소요되었으며, 대략 ±0.9 %(FS) 의정확도로공기압이제어되었다. 1. Adams, B. T., J. F. Reit, J. W. Hummel, Q. Zhang and R. G. Hoeft. 2004. Effect of central tire inflation systems on ride quality of agricultural vehicles. Journal of Terramechanics 41:199-207. 2. Kaczmarek, R. W. 1984. Central tire inflation enhance vehicle mobility. Proceedings of the 8th International Conference of the ISTVS 3:1255-1271. 3. Lee, K. S. 2001. Effect of Tire Pressure on the Performance of Agricultural Tractors. Report of Agricultural R&D research. Ministry for Food, Agriculture, Forestry and Fisheries, Seoul, Korea. 4. Ryu, K. H., K. U. Kim, K. D. Kim, S. T. Kim, K. J. Park, S, J. Park. J. G. Park, S. R. Ser, B. S. Shin, K. S. Youn, K. S. Lee and K. M. Lee. 2004. Tractor Engineering Principles. pp. 346-379. Munundang, Seoul, Korea. 30