철도차량의 서보 제동시스템 강인제어

초록

수도권을 중심으로 도시철도차량의 보급이 점차 확대되고 있으며 이용 수요가 점점 증대되고 있다. 따라서 도시철도 차량의 운용 효율의 향상이 요구된다. 최근, 도시철도 차량의 수송능력 확대를 위하여 차량의 가속성능 향상을 위한 연구들이 진행되고 있다. 근접한 역과 역 사이를 빠른 시간에 이동할 수 있도록 하기 위한 도시철도 차량의 가속능력 향상은 충분한 제동 안정성이 확보되어야 된다는 전제 하에서 이루어 질 수 있다. 그러므로 철도 차량 제동시스템은 높은 신뢰성이 요구되며 아울러, 철도차량의 제동에 대한 품질 향상을 위한 정위치 정지 제어의 실현이 요구된다. 한편, 철도차량의 공기압 브레이크 시스템은 공기의 압축성과 제동 캘리퍼의 탄성변형 및 제동 디스크와 패드 사이의 온도 상승 및 제동 디스크의 마모 및 이물질 유입에 의한 마찰력의 변동 등의 불확실성을 내포한다. 따라서, 신뢰성을 확보하고 고품질의 철도차량 제동 시스템을 실현하기 위해서는 특히, 제동 디스크와 패드 사이의 마찰계수 변동에도 강인한 제동 성능을 확보할 수 있는 제동 알고리즘이 개발되어야 한다. 본 논문에서는 모델 추종 제어 알고리즘을 제안하여 마찰계수 변동 불확실성이 존재하더라도 철도차량이 설정된 기준 속도를 추종함으로써, 제동시스템의 높은 신뢰성을 확보하고 철도차량의 정위치 정지를 실현 할 수 있도록 하였다. 슬라이딩 모드 제어는 설계가 용이하고 강인성을 확보할 수 있으나 채터링 문제가 발생하여 구동기의 악영향을 줄 수 있는 문제점을 가지고 있다. 그러나 철도차량 제동 시스템의 모델 추종 제어는 센서를 통해 검출된 감속도를 이용한 피드-포워드 제어 항을 포함하기 때문에 슬라이딩 모드 제어기가 담당해야 하는 불확실성의 크기가 줄어들게 되므로 채터링 문제를 저감 할 수 있다. 또한, 최근 철도차량의 공기압 제동 시스템은 중계밸브를 적용하고 있으며 중계밸브는 ON/OFF 밸브를 이용하므로 제동 지령에 릴레이 특성이 수반된다. 따라서 본 논문에서는 모델 추종 제어를 위한 피드백 제어기로 슬라이딩 모드 제어기의 적용을 제안하였다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 제안된 슬라이딩 모드 제어기를 적용한 모델 추종 제어와 PI제어기를 적용한 모델 추종 제어 성능을 비교함으로써, 제안된 제어 알고리즘의 우수성을 검증하였다.