멀티코어 기반 영구자석형 동기전동기 고성능 제어적용 친환경차량 제동시스템에 관한 연구 :Study on ECO-friendly vehicle''s braking system applied High-performance control of the Permanent Magnet Synchronous Motor based on Multi-core

김도군

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김도군 (국민대학교, 국민대학교 대학원)

지도교수: 이근호

발행연도: 2016

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2016

멀티코어 기반 영구자석형 동기전동기 고성능 제어적용 친환경차량 제동시스템에 관한 연구

김도군 친환경고안전자동차 2016.01 학위논문

2003

C-dump Converter에 의한 차량용 SRM 구동 시스템의 고성능제어

김도군 , 윤용호 , 이태원 외 2명 전력전자학회논문지 2003.12 학술저널

C-dump Converter에 의한 차량용 스위치드 릴럭턴스 전동기 구동 시스템의 고성능 제어

김도군 , 윤용호 , 이태원 외 2명 전력전자학회 학술대회 논문집 2003.07 학술대회자료

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21세기에 들어서면서, 자동차 산업에 영향을 준 두 개의 큰 사건이 글로벌 자동자 업체인 토요타와 폭스바겐에서 발생하였다. 첫번째 사건은 2009년 말 토요타의 하이브리드 차량에서 브레이크 시스템의 소프트웨어 결함으로 발생하여, 대규모 리콜 사태로 토요타의 신용은 치명적인 타격을 받았다. 더욱이 이 사건을 계기로 자동차 업계에서는 기능안전의 문제가 이슈화 되고, 2011년 ISO 26262 표준을 제정 발표하게 되는 결정적 계기가 되었다. 두번째는 2015년 9월 폭스바겐의 디젤차량 배출가스 조작 사건이였다. 지구환경문제는 1997년 교토의정서를 시작으로 2015년 11월에 있었던 파리 기후변화협약으로 파리협정이 채택되기까지 전인류가 함께 고민하고 풀어야 할 공통의 과제로 인식되고 있으며, 자동차 산업을 포함한 산업 전반에 걸쳐 각종환경 규제가 다양하고 광범위하게 강화되어 가고 있다. 특히나 EU연합은 2020년까지 차량의 CO2 배출량을 95g/Km로 제안하는 규정을 발표하기도 하였다. 환경규제에 부합하기 위해 완성차 업체를 중심으로 다양한 형태의 환경차 연구가 활발히 진행되어져 왔는데, 폭스바겐 사건으로 향후 화석연료가 아닌, 전기 또는 대체연료를 사용하는 환경차 연구가 활발히 전개될 것으로 예상되고 있다.
전기에너지원을 사용하는 친환경 차량에서는 차량 구동용 전동기로 부터 감속과 정차시 발생되는 회생제동을 이용 운동에너지를 전기에너지로 환원함과 동시에 회생제동 협조제어를 통해 마찰제동의 열손실을 줄여 에너지 효율을 높일 수 있는 특화된 제동시스템이 필요하게 되었다.
본 논문에서는 친환경 차량용 전동식 제동시스템을 제안하고 있으며,
회생제동 협조제어 및 PMSM 전동식 제동시스템의 구조 및 동작 원리를 설명하고, 압력제어 특성에 영향을 주는 시스템 파라미터를 고려한 전동기 제어기 설계를 제안하였다.
또한 제동시스템은 기능안전 표준인 ISO 26262의 규정에 의하면 최고 안전 등급인 ASIL D에 해당된다. 이는 기존 시스템 대비 기능안전을 위한 더욱 보강된 하드웨어와 소프트웨어의 설계가 필요하다. ISO 26262 의 ASIL D를 만족하기 위해서는 하드웨어와 소프트웨어는 통합개념으로 시스템 설계가 보완 되어져야 하며, 이는 소프트웨어복잡도와 구현 소프트웨어의 증가를 의미한다. 이는 곧 통합형 전동식 제동시스템의 경우 긴 제어주기로 인해 전동기 고성능 제어의 제약 사항이 된다.
본 논문에서는 구동 소프트웨어의 증가로 인한 긴 제어주기로 야기된 전동기제어 성능저하를 보상하는 방법을 제안 하였다. 또한, 향후 ASIL D 적용 개발을 용이하게 할 수 있는 AUTOSAR 적용을 위해서, AUTOSAR로의 이식성을 높일 수 있는 멀티코어 기반의 펌웨어 소프트웨어 아키텍쳐를 제안하였으며, 개발된 Application 소프트웨어와 CDD는 향후 AUTOSAR 적용시 재사용이 가능하다. 구현된 시스템의 성능을 RIG와 실차에서 검증하였다.

Entering the 21st century, there were two big issues by major global carmakers. There were those by Toyota and Volkswagen which have been a significant impact on the automotive industry.
The former by Toyota was, at the end of 2009, that it happened by software fault of the brake system in some Toyota vehicles kinds.
After this event, it has been increasing awareness of the vehicle safety and it had a effect that Functional safety standard ISO 26262 was released a first edition in 2011.
The latter was Volkswagen’s cheating to improve emission test result, on September 2015, the United States Environmental Protection Agency(EPA) issued a notice of violation of German automaker Volkswagen.
The leading car makers have been pressed to meet various environmental regulations to reduce CO2 emissions. Especially, European Union has reached an agreement which is aimed at reducing the average CO2 passenger car emission to 95 g/km by 2020.
By this Volkswagen Emission Scandal, henceforth, it is expected to be changed research trends from conventional fossil fuel-based vehicles to renewable energy source, bio-fuels or electrical vehicles.
With these global situation, the automobile industries is forecasted to struggle for researching and developing green vehicles such as EV(Electric Vehicle), HEV(Hybrid Electric Vehicle), PHEV(Plug-in HEV) and FCEV(Fuel Cell Vehicle).
One of advantages with ECO-friendly vehicles is able to use regenerative braking. It means that it increases energy efficiency with cooperative controls of regenerative braking to reduce the heat loss due to the friction brake. Therefore, It will make new challenging market for automobile parts manufacturers.
For this reason, the study of the electric motor based on the eco-friendly vehicle’s braking system has being actively conducted in the automotive part manufacturers.
In this paper, it is proposed an integrated motor-driven brake system. It is explained the system structure and control principle including the regenerative braking coordination as the braking system with PMSM driven.
The PMSM’s speed and position controller design based on vector control are considered with pressure control characteristics for the hydraulic controller.
In the case of a main braking system of vehicles, the functional safety standard ISO 26262 had defined the highest grade ,ASIL D for corresponding to safety requirement.
It means that the brake system for function safety should be complemented software and hardware through overall development cycle from concept design phase to integration phase. Also in side of sotfware complement, it need to be added software for functional safety of electrical/electronic systems. Therefore, software complexity and implementation get more increased.
This paper is proposed the high performance motor control and compensation method under the long control cycle (long task period) due to add functional safety software.
Furthermore, it is proposed a firmware based software architecture which is able to have migration easily to AUTOSAR adaption in the future and the partition method for a complex system using multi core.
To verify suitability at the proposed system, the fundamental experiment was executed on the rig and hybrid vehicles. And the evaluation result proves this system is effective as the braking system for the green vehicles.

목 차 I
LIST OF FIGURES III
LIST OF TABLES V
NOMENCLATURE VI
국문요약 및 주제어 １
1. 서 론 ３
1.1. 연구배경 및 필요성 ３
1.2. 국.내외 연구동향 ７
1.3. 연구내용 １１
2. 전동식 제동시스템과 제동제어 １２
2.1. 전,후륜 제동 １２
2.1.1. 이상적인 제동력 분배 １２
2.1.2. 실제 차량에서의 제동력과 제동압 １３
2.2. 전동식 제동시스템 구조 １５
2.2.1. 액츄에이터(전동기) １７
2.2.2. 액츄에이터(솔레노이드 밸브) １８
2.2.3. 시스템 구조 １９
3. 전동식 제동시스템의 ECU 설계 ２１
3.1. ECU 하드웨어 설계 ２１
3.1.1. 마이크로프로세서 ２３
3.2. ECU 소프트웨어 설계 ２５
3.2.1. 멀티 코어 아키텍쳐 설계 ２５
3.2.2. 베이직 소프트웨어 설계 ２９
3.2.3. 전동기 위치센서(엔코더/홀센서) 신호처리 ３６
3.2.4. 구동 타이밍 설계 ３７
4. 전동식 제동시스템을 위한 고성능 PMSM 제어 ３９
4.1. AUTOSAR를 위한 모델기반 벡터제어 ４０
4.1.1. 전동기 3상 모델링 ４０
4.1.2. 회전좌표계 자속 ４２
4.1.3. 전압방정식 D-Q 변환 ４４
4.1.4. 토크 방정식 ４５
4.1.5. 시뮬링크를 이용한 PMSM 제어로직 설계 ４７
4.1.6. 자속-토크 기반의 전류맵 ５１
4.2. 긴 전류 제어 주기의 전류제어 성능개선 ６５
4.2.1. 모델 기반 제어의 문제점 ６５
4.2.2. 전류제어 성능 개선 ６６
5. 통합형 전동식 제동시스템 제어 ７５
5.1. 전동식 제동시스템 제어 ７５
5.2. 통합형 제동시스템 제어 ７７
5.2.1. 전동기제어에 의한 유압펌핑 ７７
5.2.2. ABS 및 VDC제어 ７９
5.2.3. 회생제동협조제어 ８２
5.3. 전동식 제동시스템 성능 평가 ８３
5.3.1. 유지압력에 따른 소비전류 ８３
5.3.2. 전동기제어와 최대 유압제어 성능 ８５
5.4. 실차 성능 평가 ８６
5.4.1. 회생제동 협조제어 성능 ８７
5.4.2. CBS 성능 결과 ８８
5.4.3. ABS 및 VDC 성능 결과 ８９
6. 결론 ９４
참고문헌 ９７
ABSTRACT AND KEYWORDS １００

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