철도차량용 전기기계식 제동엑츄에이터 Onboard 제어기 설계

초록

현재 철도차량의 제동장치는 공압식 제동장치가 주로 사용되고 있지만, 공압식이 갖는 성능한계로 인해 새로운 방식의 제동장치(유압식, 전기기계식)에 대한 요구가 점차 증가하고 있다. 특히, 전기기계식 제동장치(EMB: Electro Mechanical Brake)는 공압식과 비교하여 압축기, 건조기, 공기통 등의 공압 관련 장치가 필요 없어 경량화와 소형화가 가능한 장점이 있다. 또한 ‘Brake by Wire’ 전기제어방식에 의해 빠른 응답특성 및 높은 신뢰성을 갖는 제동장치의 구현이 가능하다. 본 연구에서는 BLDC 모터를 사용하는 EMB를 제어하기 위한 전기기계식 제동엑츄에이터 제어기(EMBC: Electro-Mechanical Brake Controller)를 Onboard로 설계 및 구현하여 성능시험을 수행하였다. EMBC는 컨트롤러보드와 드라이버보드로 구성하여 2단 적층으로 설계하였다. 컨트롤러 보드는 홀센서 정보 수집, 외부 ECU와의 통신 인터페이스, Encoder 정보 수집, 모터 제어명령을 위한 MCU 회로로 구성되어 있으며, 드라이버 보드는 모터드라이버부, ADC 회로, 전원부로 구성되어 있다. EMBC는 외부 ECU로부터 제동명령(요구제동력)을 수신 받아 요구제동력에 도달하도록 제동엑츄에이터를 제어한다. On-board로 제작된 EMBC의 성능시험을 위해 EMB가 장착된 캘리퍼를 이용하여 제동패드와 제동디스크 사이에 로드셀(접촉력 측정장치)을 장착하여 디스크 좌우측면에 가해지는 접촉력을 측정하였다. 성능검증을 위해 ECU가 보낸 요구접촉력과 EMBC에 의해 체결된 접촉력과의 오차를 계산하였다. 측정 결과, 1,4단에서는 편차가 약 13%, 2단은 약 20%, 3,5,6,7단은 약3%, 비상제동에서는 약6%의 오차가 발생하였다. 향후 신뢰성 높은 제동력 제어를 위해 정밀한 모터제어 알고리즘 연구가 필요하다.