비 구형 기어를 이용한 자기강화 브레이크 시스템의 강인제어 기법 개발

Abstract

EWB 시스템은 자기강화 효과를 통하여 actuator의 힘을 크게 증폭시킬 수 있으나 마찬가지로 에러 역시 크게 증폭된다는 문제가 있다. 이는 시스템의 성능을 저하시키고 악화시킬 우려가 있다. EWB의 증폭 gain은 wedge의 각도와 brake pad 마찰계수 (friction coefficient)에 의하여 결정되는데 마찰계수가 일정한 값을 가지지 않고 변하기 때문에 기존의 PID기법과 같은 방법으로는 제어하기가 어렵다. 따라서 2007년 황윤영은 비선형 제어기법인 sliding mode control을 사용한 제어기법을 개발한 바 있다.[7] 그는 또한 시스템 gain에 큰 영향을 끼치는 마찰계수를 추정하기 위하여 Lyapunov equation을 통해 parameter 추정 기법을 개발하였다. EWB 시스템에서 자기강화 효과를 높이기 위해서는 wedge와 caliper housing 사이의 마찰을 줄여야 한다. 보통 wedge와 caliper housing 사이에 roller를 사용하여 마찰을 줄이는 방법이 사용되고 있다. 그러나 roller에 반복적으로 큰 힘이 걸리다 보면 roller가 닳게 되고 roller의 효과가 줄어들게 되는 문제가 발생하게 된다. 2008년 김성룡은 타원 형태의 기어를 사용한 새로운 형태의 브레이크 시스템을 개발하였다.[8] 이 brake 시스템은 타원형 기어를 이용하여 EWB와 마찬가지로 자기강화 효과를 이용하면서도 일정한 각도만을 사용하는 EWB에 비해 다양한 각도를 적용할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 2008년 김성룡은 비 구형 기어를 이용한 자기강화 브레이크의 첫 proto type을 제작하였다. 그러나 타원형 기어의 제작이 어려운 관계로 처음 설계했던 것과는 달리 구형 기어 두 개를 겹쳐 놓은 형태의 기어가 제작되었다. 실험을 수행한 결과 modeling에러 및 lead screw의 마찰 및 변형으로 인하여 원하는 결과가 나오지 못함을 확인하였다. 본 논문에서는 제작된 원 두 개를 겹친 형태의 비 구형 기어를 기반으로 kinematics와 dynamics를 새로 정리하였다. 마찰을 줄이기 위하여 ball screw를 적용하였고 기존 DC모터의 brush로 인한 내구성 문제를 해결하기 위하여 PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) 모터를 새로 적용하였다. 정확한 model을 얻기 위하여 caliper stiffness를 측정해본 결과 caliper stiffness가 constant가 아닌 변위에 따라 변하는 변수임을 확인하였다. 본 논문에서는 새로운 actuator와 정확한 parameter를 적용한 모델을 구현하였다. 또한 변화된 plant 모델을 기반으로 controller를 수정하고 브레이크 제동 환경의 변화로 인한 parameter 변화에 적응하도록 적응 제어 기법을 개발하였다. 개발된 제어기법은 시뮬레이션을 통해 성능을 검증하였다.