독립회전차륜의 전기구동시스템 및 능동제어전략 연구

Abstract

철도차량에서 차륜은 차량 동역학에 영향을 주는 중요한 부품으로 강체윤축차륜과 독립회전차륜 방식으로 양분되어 개발되었다. 강체윤축차륜 방식은 주행 중에 횡 변위 발생시 차륜과 레일의 상호작용에 의해 자가 복원력을 생성한다. 이는 별도의 제어 없이도 주행 안정성 확보에 유리하기 때문에 대부분의 철도차량에 적용되고 있지만, 고속 주행시 사행동이 존재하고 급 곡선 구간 주행이 불가능하다는 단점을 갖는다. 독립회전차륜 방식은 윤축의 제거로 자가 복원력이 사라지기 때문에 직선 구간에서 주행 안전성이 저하된다. 하지만 좌우 휠의 독립 회전을 허용함으로써 급 곡선 주행 성능을 향상할 수 있다. 이 밖에도 축의 제거로 인해서 경량화 및 저상화가 가능해져 승객 탑승에 유리하다는 장점이 있다. 최근 제어 및 전력전자 기술의 발달로 독립회전차륜에도 복원력을 생성할 수 있게 되었다. 하지만 아직은 연구가 활발히 이루어지지 않고 있으며 실용화를 위해서도 많은 장애물이 존재한다. 본 연구에서는 독립회전차륜의 물리적인 특성을 파악하기 위해 동역학 방정식을 유도하였으며, 이를 기반으로 능동제어전략을 제안하였다. 첫 번째로는 다중입출력 시스템을 갖는 독립차륜모델의 비간섭 변환을 제안하였으며 이를 통해 독립적인 제어기를 설계할 수 있었다. 두 번째로는 차륜 속도제어에 기반한 위상제어전략을 제안하였다. 제안된 제어 전략의 제어성능을 평가하기 위한 시험법을 연구하였다. 먼저 독립회전차륜의 HILS 시험법을 제안하였으며, 실시간 차량 모델과 모터-제너레이터 세트를 연동한 주행시험을 통해 복원력 제어 성능을 검증하였다. 이후에는 독립회전차륜이 적용된 무가선 3량 트램과 급 곡선(15mR) 시험 레일을 제작하여 제어 성능을 평가하였다. 제안된 제어 전략을 적용시 급 곡선 구간에서 주행 성능을 향상할 수 있었다.