KR101084157B1

KR101084157B1 - 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101084157B1
Application number: KR1020090130656A
Authority: KR
Inventors: 허현무; 유원희; 김민수; 박준혁
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2011-11-16
Also published as: EP2517943A4; CN102712326A; KR20110073866A; EP2517943B1; EP2517943A1; CN102712326B; WO2011078461A1

Abstract

본 발명은 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열차가 곡선 구간을 주행할 때 실시간으로 곡선의 곡률반경을 추정하고 추정된 곡률반경에 따라 최적의 윤축 조향각을 갖도록 제어함으로써 주행 중인 철도차량을 원활하게 조향하고, 곡선 구간과 윤축의 사이에 존재하는 공격각(angle of attack)을 대폭 줄일 수 있는 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 주행 중인 철도차량의 주행 데이터를 측정하는 측정부와, 상기 측정부에서 측정된 데이터를 이용하여 철도차량이 주행하는 곡선선로의 곡률반경을 추정하는 추정부와, 상기 추정부에서 추정된 곡률반경을 이용하여 주행 중인 철도차량의 윤축 조향각의 목표치를 설정하는 계산부와, 상기 계산부에서 설정된 윤축 조향각의 목표치와 실제 윤축 조향각을 비교하여 윤축에 조향제어신호를 발생시키는 제어부 및 상기 제어부의 조향 신호에 의해 윤축을 조향하는 액츄에이터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

능동 조향 제어, 조향 대차, 조향각, 곡률 반경, 윤축, 실시간,

Description

철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법{Active steering control apparatus for railway vehicles and the method of the same}

종래에는 철도차량 곡선부 주행 시에는 도 1에 도시된 바와 같이 레일과 윤축 간에는 공격각(angle of attack)이 존재하는데, 이 공격각은 차량의 원활한 곡선 주행에 악영향을 미쳐 곡선 주행시에 차륜의 플랜지와 레일 측면간의 마찰로 높은 소음을 유발할 뿐만 아니라 이로 인하여 차륜과 레일의 마모를 가속시키게 되고, 심할 경우에는 차륜과 레일의 파손으로 이어지게 되어 열차가 탈선하는 대형사 고가 발생할 수 있는 문제점도 있다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 곡선부 주행시 곡률반경과의 원활한 적응을 도모하기 위한 윤축 능동조향(active steering)방법이 제시되었다.

첫 번째 방법은 도 2에 도시된 바와 같이 윤축을 Δy만큼 외궤 방향으로 이동시켜 외궤 차륜의 구름반경을 내궤 차륜의 구름반경보다 크게 함으로써 원활한 주행을 도모하는 윤축 횡변위제어 방법이 있다.

두 번째 방법으로는 도 1에서와 같이 윤축의 요방향 회전 토크를 부여하여 곡선과 수직방향(radial position, 반지름방향)으로 위치하게 함으로써 공격각을 제거하는 윤축 레이디얼 포지션 (radial position) 제어 방법이 개발되었다.

이러한 제어방법의 일예로 도 3에 도시된 바와 같은 등록특허 제10-0916594호에 기재된 기술이 있는데, 그 기술적 특징은 엑츄에이터(21)에 의해 조향되는 철도차량용 능동 조향대차(10)에 있어서, 전방 윤축(12)의 양측 액슬박스와 힌지 결합하여 상기 전방 윤축(12)을 조향하는 전방조향장치(20)와 후방 윤축(12)의 양측 액슬박스(14)와 힌지 결합하여 상기 후방 윤축(12)을 조향하는 후방조향장치(20A)로 구성되되, 상기 전방조향장치(20)와 후방조향장치(20A)는 액츄에이터(21)와 대차프레임(11)과 힌지 결합되고 상기 액츄에이터(21)에서 발생되는 힘을 전달하는 구동링크(23,23a)와 상기 구동링크(23,23a)와 힌지결합되어 액슬박스(14)를 조향하는 종동링크(24,24a)와 대차(10)의 양측에 설치된 상기 구동링크(23,23a)를 연결한 전달링크(25)로 구성된 것을 특징으로 한다.

그러나, 등록특허 제10-0916594호에 기재된 기술은 윤축(12)의 요방향으로 회전토크를 부여하여 직선선로인지 곡선선로인지를 감지하여 윤축(12)의 조향각을 조절하여 곡선선로를 주행할 때 공격각을 줄임으로써 레일과 차륜의 플랜지의 마찰을 줄여주게 되어 승차감을 좋게 하고 레일과 차륜의 마모를 줄여주는 효과는 있으나, 곡선선로의 곡률이 위치에 따라 다 다르기 때문에 곡률에 따라서 윤축의 조향각을 설정해 주어야 하나 종래에는 주행하는 곡선에 맞추어 얼마의 각도로 조향각을 설정해야 하는 지에 대한 구성은 없기 때문에 곡선 주행시에 여전히 공격각이 존재하여 차륜의 플랜지와 레일 측면간의 마찰이 발생하고 이로 인한 소음 및 차륜과 레일의 마모가 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 열차가 곡선 구간을 주행할 때 실시간으로 곡선의 곡률반경을 측정하고 이에 따른 윤축의 조향각을 설정함으로써 공격각(angle of attack)을 대폭 줄여주게 되어 차륜과 레일의 마모를 줄일 수 있게 되고, 이에 따라 승차감도 좋아지는 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은;

주행 중인 철도차량의 주행 데이터를 측정하는 측정부와, 상기 측정부에서 측정된 데이터를 이용하여 철도차량이 주행하는 곡선선로의 곡률반경을 추정하는 추정부와, 상기 추정부에서 추정된 곡률반경을 이용하여 주행 중인 철도차량의 윤축 조향각의 목표치를 설정하는 계산부와, 상기 계산부에서 설정된 윤축 조향각의 목표치와 실제 윤축 조향각을 비교하여 윤축에 조향제어신호를 발생시키는 제어부 및 상기 제어부의 조향 신호에 의해 윤축을 조향하는 액츄에이터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 측정부는, 대차의 일측면에 설치되어 차체와 전/후부 대차간 길이방향 상대변위와, 차체와 전/후부 대차 사이의 상대각을 측정하는 상대변위 및 상대각 측정장치 또는 차체의 전부 대차 중심에 설치되는 지피에스(GPS, Global Positioning System)로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 측정부는, 엑츄에이터의 구동 변위 측정을 통해 실제 조향되는 윤축의 조향각을 추정하는 조향각 측정장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 추정부는 상대변위 및 상대각 측정장치에서 측정된 상대변위 및 상대각을 이용하여

에 의해 곡률반경을 추정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 추정부는 지피에스에서 측정된 전부 대차의 중심 위치를 이용하여

에 의해 곡률반경을 추정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 계산부는 추정부에서 추정된 곡률반경을 이용하여

에 의해 주행 중인 철도차량의 윤축 조향각 목표치를 설정하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제어부는 계산부에서 설정된 윤축 조향각 목표치와 상기 조향각 추정장치를 통해 추정되는 실제 윤축의 조향각을 비교하는 비교부와, 상기 비교부에서의 비교 결과를 이용하여 액츄에이터에 윤축 조향신호를 발생시키는 신호발생부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 방법은,

주행 중인 철도차량의 주행 데이터를 측정하는 주행 데이터 측정단계와; 측정된 주행 데이터를 이용하여 철도차량이 주행하는 곡선선로의 곡률반경을 추정하는 곡률반경 추정단계와; 상기 곡률반경을 이용하여 주행중인 철도차량의 윤축 조향각 목표치를 설정하는 목표치 설정단계와; 상기 윤축 조향각 목표치를 실제 윤축 조향각과 비교하는 조향각 비교단계 및 윤축 조향각의 비교 결과에 따라 윤축 조향각을 제어하는 조향각 제어단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 주행 데이터 측정단계는, 변위센서를 이용하여 철도차량의 곡선구간 주행시 발생하는 차체와 전,후부 대차 사이의 상대각을 측정하는 상대각 측정단계와, 변위센서를 이용하여 철도차량의 곡선구간 주행시 발생하는 차체와 전,후부 대차 사이의 길이방향 상대변위를 측정하는 상대변위 측정단계로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 주행 데이터 측정단계는, 철도차량의 전부 대차 중심에 GPS를 취부하여 실시간으로 대차 중심의 위치정보를 취득하는 위치정보 취득단계와; 상기 전부 대차 중심의 위치정보를 이용하여 후부 대차 중심의 위치정보를 추정하는 위치정보 추정단계로 구성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 조향각 비교단계에서의 실제 윤축 조향각은 조향각 측정장치를 통해 엑츄에이터의 구동 변위를 측정하여 얻어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 조향각 제어단계에서는 조향각 비교단계에서 비교되는 윤축 조향각 목표치와 실제 윤축 조향각의 차이가 없어질 때까지 윤축 조향각을 지속적으로 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법에 따르면, 열차가 곡선 구간을 주행할 때 실시간으로 곡선의 곡률반경을 추정하고 추정된 곡률반경에 따라 최적의 윤축 조향각을 갖도록 윤축을 제어할 수 있는 뛰어난 효과를 갖는다.

또한, 본 발명에 따르면 실시간으로 주행 중인 철도차량을 원활하게 조향하고, 곡선 구간과 윤축의 사이에 존재하는 공격각(angle of attack)을 대폭 줄일 수 있음으로써 차륜과 레일의 마모를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 이에 따라 승차감도 좋아지는 효과를 추가로 갖는다.

또한, 본 발명에 따르면 윤축의 조향 제어에 필요한 입력 파라미터들을 모두 실제 철도차량에서 측정 가능한 데이터들로 구성함으로써 현존하는 모든 차량에 현 실적으로 적용이 가능하게 되어 실용성이 매우 뛰어난 효과를 추가로 갖는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. 그리고, 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있고, 기술된 실시 예에 한정되지 않음을 이해하여야 한다.

도 4 내지 도 6은 철도차량의 곡선구간 주행시의 모습을 개략적으로 나타낸 평면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 장치를 개념적으로 나타낸 블럭도이며, 도 8은 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 방법을 개념적으로 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 방법을 나타낸 흐름도이며, 도 10은 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법의 적용 유무에 따른 곡선주행 시뮬레이션의 결과 중 윤축의 상대각 해석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 11은 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법의 적용 유무에 따른 곡선주행 시뮬레이션의 결과 중 길이방향 힘을 비교하여 나타낸 그래프이며, 도 12는 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법의 적용 유무에 따른 곡선주행 시뮬레이션의 결과 중 횡방향 힘을 비교하여 나타낸 그래프이고, 도 13은 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법을 적용하여 액츄에이터를 구동시켰을 경우의 전부 및 후부 윤축의 요각 변 화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법에 관한 것으로 종래처럼 곡선선로인지 직선선로인지를 감지하여 선로의 상황에 따라 이분적으로 조향각을 변경하는 것이 아니라, 실제의 선로에 존재하는 다양한 곡률에 따라 윤축(120)의 조향각을 적절하게 조절함으로써 곡선 구간과 윤축(120)의 사이에 존재하는 공격각(angle of attack)을 대폭 줄여주게 되어 레일과 차륜의 플랜지와의 마찰을 줄여주게 되어 레일과 차륜의 마모를 줄여줄 뿐만 아니라, 승차감을 높일 수 있게 된다.

우선, 본 발명 중 곡선선로의 곡률에 따른 윤축(120)의 조향각을 설정하기 위한 원리를 설명하면, 도 4에 도시된 바와 같이 전/후부 대차(112,114)의 중심(A,B)이 곡률반경이 R인 곡선상에 위치하고 있는 경우, 전/후부 대차(112,114)의 중심 사이의 거리(2L)에 비해, 곡률반경(R)이 훨씬 크므로 삼각형 OAB에서 다음 식이 성립하게 된다.

≒

(1)

(이때, L : 대차 중심간 거리의 반(m), R : 곡률반경(m), Ψ : 대차간 선회각(rad))

그리고, 철도차량이 곡률반경 R인 곡선을 주행하는 경우 대차(110)에 구비되는 2개의 윤축(120)이 원활한 조향 제어를 할 수 있도록 하기 위한 윤축(120)의 목 표 조향각(δ_desire)은 (1)식에서와 마찬가지로, 도 4에 도시한 기하학적 관계에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있게 된다.

(2)

(이때,

: 윤축 조향각 목표치, d : 고정축거의 반(m), C : 곡률(Curvature, 1/Km), 1/R로 정의됨.)

여기서, 상기 (1)식과 (2)식을 사용하여 윤축(120)의 목표 조향각(δ_desire)을 계산하기 위해서는 곡률반경(R)이나 곡률(C)을 측정하여야 하는데, 별도의 방법을 이용하여 실시간으로 추정(estimate)된 곡률반경 추정치(

)와 곡률 추정치(

)를 적용한다. 이때, 곡률(C)은 1/R로 정의되므로 곡률반경 추정치(

)를 구하게 되면, 곡률 추정치(

)는 자동적으로 얻을 수 있게 된다.

상기 곡률반경의 추정치(

)를 계산하기 위한 방법은 다음과 같다.

우선, 첫번째는 철도차량이 곡선 구간을 주행하는 경우에 발생하는 차체(100)와 대차(110) 사이의 상대각과(

) 길이방향 상대변위(

)를 이용하여 곡선구간의 곡률반경(R)을 추정하는 것으로, 도 5에 나타낸 바와 같이, 철도차량이 곡선구간을 주행하는 경우에는 차체(100)와 전부 및 후부 대 차(112,114) 사이에 상대각(

)과 길이방향 상대변위(

)가 발생하게 되는데, 이와 같이, 철도차량이 곡선구간을 주행하는 경우에 발생되는 차체(100)와 전부 및 후부 대차(112,114) 사이의 상대각(

)과 길이방향 상대 변위(

)를 측정하여 곡률반경(R)을 추정하는데 사용한다.

이때, 상기 상대각(

)과 상대변위(

)는 대상물의 물리 변화량을 다양한 소자로 검지하여 그 변화량을 거리로 환산함으로써 센서에서 대상물의 거리를 계측하는 변위센서(210)에 의해 측정되는데, 상기 변위센서(210)로는 광학식 변위 센서, 초음파 변위 센서 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 변위센서(210)는 철도차량의 주행 도중에 파손되는 것을 방지하기 위하여 대차의 일측면에 별도의 브라켓(미도시)을 설치하고, 상기 브라켓의 내측에 설치하는 것이 바람직하다.

한편, 상기와 같이 변위센서(210)를 이용하여 상대각(

)과 상대변위(

)를 측정한 이후에는 측정 데이터를 이용하여 철도차량이 주행하는 곡선구간의 곡률반경(R)을 추정하게 되는데, 상기 곡률반경(R)은 도 5에 나타낸 바와 같이, 철도차량의 곡선구간 주행시 차체(100)와 전부 및 후부 대차(112,114)가 이루는 기하학적인 관계에 의해 다음과 같이 추정한다.

이때, 실제 철도차량의 곡선구간 주행시에는 철도차량의 동적 특성에 의해 차체(100)와 전부 및 후부 대차(112,114) 사이의 상대각(

)과 상대변 위(

)가 완전히 동일하지는 않지만, 그 차이가 미소하고 전부 및 후부 대차(112,114)가 선로가 이루는 곡선을 중심으로하여 수직으로 위치(radial position)한다는 가정 하에 곡률반경(R)을 추정하기로 한다.

먼저, 곡률반경: R, 곡률반경의 중심: O, 전부 및 후부 대차(112,114)의 중심: A, B, 전부 및 후부 대차(112,114)의 중심사이의 최단거리의 반: L 이라 하고, 변위센서와 대차(110) 중심사이의 거리:

, 차체(100)와 전부 및 후부 대차(112,114) 사이의 상대각(rad):

, 차체(100)와 전부 및 후부 대차(112,114) 사이의 길이방향 상대 변위:

, 차체(100)와 전부 및 후부 대차(112,114) 사이의 선회각도(rad):

라 할 때, 래디얼 포지션(Radial position) 가정 하에

≒

,

≒

가 되고, 삼각형의 닮음 원리에 의해

가 된다.

또한, 도 5에서 삼각형 OPA와 삼각형 Aab는 닮음이고, 삼각형 OPB와 삼각형 Bef는 닮음이므로, 삼각함수의 원리에 의해 상대각과 선회각도를 각각 다음과 같이 나타낼 수 있다.

,

따라서,

과 같이 나타낼 수 있고,

라 하면, 철도차량이 주행하는 곡선구간의 곡률반경(R)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(3)

상기와 같은 (3)식에 의해 주행 중인 철도차량의 차체(100)와 대차(110) 사이의 길이방향 상대변위()를 측정하면, 철도차량이 주행하는 곡선구간의 곡률반경(R)을 실시간으로 추정하여 곡률반경 추정치(

)를 구할 수 있게 된다.

다음, 철도차량이 주행하는 곡선구간의 곡률반경(R)을 실시간으로 추정하기 위한 다른 방법으로, 철도차량 대차(110)의 중심위치를 측정하고, 상기 중심위치를 이용하여 철도차량이 주행하는 곡선구간의 곡률반경(R)을 추정하는 방법이 있다.

보다 상세하게는, 차체(100)의 전부 대차(112) 중심에 지피에스(GPS; Global Positioning System)(220)를 취부하여 실시간으로 전부 대차(112) 중심의 위치를 취득하고, 취득된 전부 대차(112) 중심의 위치정보를 이용하여 후부 대차(114) 중심의 위치 정보를 추정한 후, 전부 및 후부 대차(112,114) 중심의 위치정보를 이용하여 철도차량이 주행하는 곡선구간의 곡률반경(R)을 추정하는 것이다.

즉, 후부 대차(114)의 중심은 전부 대차(112)의 중심이 지나온 곡률반경(R) 상에 위치하게 되므로, 지피에스(220)를 통해 취득되는 전부 대차(112) 중심의 위치정보 데이터를 일정 시간간격으로 획득하고, 주행 중인 철도차량의 이동속도와 전부 대차(112)와 후부 대차(114) 사이의 거리를 고려하여, 획득된 위치정보 데이터 중에서 후부 대차(114)의 중심 위치를 추정할 수 있게 되고, 상기 전부 및 후부 대차(112,114) 중심의 위치정보와, 도 6에 나타낸 곡선구간을 주행하는 철도차량의 기하학적 형상을 이용하여 곡률반경(R)을 추정하는 것이다. 이때에도 역시, 철도차량의 대차(110)가 래디얼 조향의 조건을 만족하고 있다는 가정 하에 곡률반경(R)을 추정하기로 한다.

보다 상세히 설명하면, 도 6에 나타낸 바와 같이, 곡률반경: R, 곡률반경의 중심: O, 전부 및 후부 대차(112,114)의 중심: A, C, 전부 및 후부 대차(112,114)의 중심사이의 최단거리의 반: L 이라 하고,

의 중심: B, 선분 AC와 B점 사이의 거리를

라 하면, 상기

는 곡률반경(R)에서 선분 AC와 곡률반경의 중심, 즉 O점 사이의 거리를 뺀 값이 되므로, 피타고라스의 정리를 이용하여

과 같이 나타낼 수 있게 되고, 이를 R에 대해서 정리하면, 곡률반경(R)을 추정하기 위한 식은 다음과 같이 완성된다.

(4)

따라서, 전부 대차(112)의 중심에 취부된 지피에스(220)를 이용하여 A점(전 부 대차(112)의 중심)의 위치정보(도 6의 x-y 좌표계에서의 위치)를 지속적으로 취득하게 되면, 철도차량의 이동 속도와 전부 및 후부 대차(112,114)의 중심 사이의 거리를 고려하여 C점(후부 대차(114)의 중심)의 위치정보를 취득할 수 있게 되고, A점과 C점의 위치정보를 기준으로 하여 B점의 위치정보 또한 취득할 수 있게 되므로,

값(도 6에서의 A점을 기준으로 하는 y방향 변위)을 구할 수 있게 되고, 상기

값(도 6에서, 전부 대차(112)와 후부 대차(114)의 중심을 잇는 선분과 전부 대차(112) 중심의 이동 경로 사이의 최대거리)을 이용하여 철도차량이 주행하는 곡선구간의 곡률반경(R)을 추정할 수 있게 되는 것이다.

이와 같이, 추정된 곡률반경 추정치(

)를 다시 전술한 (2)식

에 대입하여 윤축(120)의 목표 조향각(δ_desire)을 계산하게 되고, 계산된 윤축(120)의 목표 조향각(δ_desire)에 따라 윤축(120)을 제어하게 되면 종래의 곡선선로와 직선선로만을 구별하던 것과는 달리 다양한 곡선선로에 따라 윤축(120)의 조향각(δ)을 제어하게 되어 공격각을 대폭 줄여주게 되므로, 차륜과 선로의 마찰을 줄여주게 되어 차륜과 선로의 마모를 줄이게 되고, 승차감을 높일 수 있게 되는 것이다.

다음, 전술한 바와 같이 추정된 곡률반경(R)을 통해 얻어진 윤축(120)의 목 표 조향각(δ_desire)에 따라 철도차량을 조향하기 위한 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 장치를 설명하면, 도 7에 도시된 바와 같이 그 구성은 크게 측정부(200), 추정부(300), 계산부(400), 제어부(500) 및 액츄에이터(600)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 측정부(200)는 주행 중인 철도차량의 주행 데이터를 측정하기 위한 것으로, 특히 윤축(120)의 조향각(δ)이 발생하는 곡선 구간에서의 주행 데이터를 측정하게 된다.

이때, 상기 측정부(200)는 변위센서(210)와 지피에스(220) 중 어느 하나로 구성되거나, 상기 변위센서(210)와 지피에스(220) 모두를 포함하여 구성되는데, 상기 변위센서(210)는 전술한 바와 같이, 철도차량이 곡선구간을 주행하는 경우 차체(100)와 전부 및 후부 대차(112,114) 사이에 상대각(

)과 길이방향 상대변위(

)를 측정하기 위한 것으로, 선로의 곡률(C)에 따라 변화되는 차체(100)와 전부 및 후부 대차(112,114)간 길이방향 상대 변위(Δ₁,Δ₂)를 측정하는 상대변위 측정장치(212)와, 곡선선로에서 차체와 전/후부 대차가 이루는 상대각(θ₁,θ₂)을 측정하는 상대각 측정장치(214)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 상대변위 측정장치(212) 및 상대각 측정장치(214)로 이루어지는 변위센서(210)에 의해 측정된 상대 변위(Δ₁,Δ₂) 및 상대각(θ₁,θ₂)은 전술한 (3)식에 의해 철도차량이 주행하는 곡선구간의 곡률반경(R)을 실시간으로 추정하는데 사용된다.

또한, 상기 지피에스(220)는 전부 대차의 중심에 설치되어 일정시간 간격으로 전부대차(112)의 중심위치를 측정하는 역할을 하는 것으로, 상기 지피에스(220)의 측정 데이터는 전술한 (4)식에 의해 철도차량이 주행하는 곡선구간의 곡률반경(R)을 추정하는데 사용된다.

한편, 상기 측정부(200)로는 조향각 측정장치(230)가 더 포함되어 구성될 수도 있는데, 상기 조향각 측정장치(230)는 전술한 지피에스(220) 또는 변위센서(210)에 의해 측정된 측정 데이터를 통해 추정된 곡선구간의 곡률반경(R)을 이용하여 계산되는 윤축 조향각의 목표치(δ_desire)와의 비교를 위한 윤축 조향각(δ)의 추정치, 즉 액츄에이터(600)의 구동에 의해 실제로 조향되는 윤축 조향각(δ)의 추정치를 얻을 수 있도록 하는 역할을 하는 것으로, 보다 상세하게는 후술할 액츄에이터(600)의 구동 변위를 측정함으로써 액츄에이터(600)의 작동에 의한 윤축 조향각(δ)의 추정치를 얻을 수 있도록 하는 역할을 한다. 이때, 상기 액츄에이터(600)의 구동 변위를 측정하여 액츄에이터(600)의 구동에 따른 윤축의 조향각(δ)을 추정하는 과정은 액츄에이터(600)의 설치 위치에 따라 구동 변위와 윤축 조향각(δ) 사이의 상관관계가 달라질 수 있고, 당업자가 용이하게 추정할 수 있는 것이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 상기 조향각 측정장치(230)를 윤축(120)에 직접 설치하여 실제로 구동되는 윤축의 조향각(δ)을 실시간으로 측정할 수도 있음은 물론이다.

한편, 상기 추정부(300)는 측정부(200)에서 측정된 주행 중인 철도차량의 주행 데이터를 이용하여 철도차량이 주행하는 곡선선로의 곡률반경(R)을 추정하는 역할을 하는 것으로, 전술한 바와 같이 상대변위 측정장치(212) 및 상대각 측정장치(214)로 이루어지는 변위센서(210)에서 측정된 차체(100)와 전부 및 후부 대차(112,114)간 길이방향 상대 변위(Δ₁,Δ₂) 및 차체(100)와 전부 및 후부 대차(112,114)가 이루는 상대각(θ₁,θ₂)을

(3)식에 대입하여 곡률반경을 추정(

)하거나, 지피에스(220)에서 측정된 전부대차(112)의 중심위치를

(4)식에 대입하여 곡률반경을 추정(

)할 수 있게 된다.

다음, 상기 계산부(400)는 추정부(300)에서 추정된 곡률반경(R)을 이용하여 주행 중인 철도차량의 윤축 조향각 목표치(δ_desire)를 계산하여 설정하는 역할을 하는 것으로, (3)식 또는 (4)식을 통해여 추정된 곡률반경(

) 또는 상기 추정된 곡률반경(

)을 이용하여 얻어진 곡률의 추정치(

)을

(2)식에 대입하여

에 의해 윤축 조향각의 목표치(δ_desire)를 구할 수 있게 된다.

한편, 상기 제어부(500)는 계산부(400)에서 설정된 윤축 조향각의 목표치(δ_desire)를 실제로 구동되는 윤축의 조향각(δ)과 비교하여 윤축(120)에 연결 설치되는 액츄에이터(600)로 조향제어신호를 발생시키는 역할을 하는 것으로, 비교부(510)와 신호발생부(520)를 포함하여 구성된다.

보다 상세히 설명하면, 상기 비교부(510)는 계산부(400)에서 설정된 윤축 조향각의 목표치(δ_desire)를 실제로 구동되는 윤축의 조향각(δ)과 비교하는 역할을 하는 것으로, 이때 실제로 구동되는 윤축의 조향각(δ)은 전술한 바와 같이, 조향각 측정장치(230)에서 측정되는 액츄에이터(600)의 구동변위를 통해 추정되는 윤축의 조향각(δ)을 이용한다.

또한, 상기 신호발생부(520)는 비교부(510)에서 비교된 윤축 조향각의 목표치(δ_desire)와 실제로 구동되는 윤축의 조향각(δ)의 비교 결과를 이용하여 액츄에이터(600)에 그 오차에 해당되는 만큼의 윤축 조향신호를 발생시키는 역할을 하는 것으로, 이와 같은 윤축 조향신호는 상기 비교부(510)에서 비교된 오차가 0이 되는 시점까지, 즉 윤축 조향각의 목표치(δ_desire)가 실제로 구동되는 윤축의 조향각(δ)과 일치될 때까지 지속적으로 발생된다.

마지막으로, 상기 액츄에이터(600)는 철도차량의 윤축(120)에 연결 설치되어 제어부(500)의 제어신호에 의해 윤축(120)을 조향하는 역할을 하는 것으로, 이에 대한 상세한 설명은 본 출원인의 선행특허출원인 특허출원번호 제10-2008-0134796 호 및 제10-2008-0134843호에 기재된 내용과 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법을 이용하여 선행특허출원에 기재된 구조를 갖는 액츄에이터를 구동시켜 윤축(120)에 조향각을 발생시키면 도 13에 나타낸 바와 같이, 대차(110)에 구비되는 전부 윤축의 조향각(frt_yaw)과 후부 윤축의 조향각(rr_yaw)이 서로 반대방향으로 구현되어 전부 및 후부 윤축이 부채꼴 형상을 이루도록 하여 윤축의 조향이 구현된다.

이하, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 장치를 사용하여 곡선구간을 주행하는 철도차량의 윤축 조향각(δ)을 제어하는 철도차량용 능동 조향 제어 방법을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 방법은 크게 주행 데이터 측정단계(S10)와, 곡률반경 추정단계(S20), 목표치 설정단계(S30), 조향각 비교단계(S40) 및 조향각 제어단계(S50)를 포함하여 구성되는데, 상기 주행 데이터 측정단계(S10)는 주행 중인 철도차량의 주행 데이터를 측정하는 단계에 관한 것으로, 이때, 측정되는 주행 데이터에는 차체(100)와 대차(110) 사이의 상대각과(

) 길이방향 상대변위(

) 또는 대차(110)의 위치 정보가 있다.

이때, 상기 주행 데이터로 차체(100)와 대차(110) 사이의 상대각 과(

) 길이방향 상대변위(

)를 이용하는 경우, 상기 주행 데이터 측정단계(S10)는 상대각 측정단계(S12)와 상대변위 측정단계(S14)를 포함하여 구성되는데, 상기 상대각 측정단계(S12)에서는 대차(110)의 일측면에 설치되는 변위센서(210), 특히 상대각 측정장치(214)를 이용하여 철도차량이 곡선구간을 주행하는 경우에 발생되는 차체(100)와 전부 및 후부 대차(112,114) 사이의 상대각(

)을 측정하게 되고, 상기 상대변위 측정단계(S14)에서는 마찬가지로 대차(110)의 일측면에 설치되는 변위센서(210), 특히 상대변위 측정장치(212)를 이용하여 철도차량이 곡선구간을 주행하는 경우에 발생되는 차체(100)와 전부 및 후부 대차(112,114) 사이의 길이방향 상대 변위(

)를 측정하게 된다.

또한, 상기 주행 데이터로 대차(110)의 위치 정보를 이용하는 경우, 상기 주행 데이터 측정단계(S10)는 위치정보 취득단계(S16)와, 위치정보 추정단계(S18)로 구성되는데, 상기 위치정보 취득단계(S16)는 지피에스(220)를 이용하여 대차(110)의 위치 정보를 취득하는 것으로, 차체(100)의 전부 대차(112) 중심에 지피에스(220)를 취부하여 실시간으로 전부 대차(112) 중심의 위치를 취득할 수 있도록 하는 것이다.

또한, 상기 위치정보 추정단계(S18)는 지피에스(220)를 통해 취득된 전부 대차(112) 중심의 위치정보를 이용하여 후부 대차(114) 중심의 위치 정보를 추정하는 단계에 관한 것으로, 후부 대차(114)의 중심은 전부 대차(112)의 중심이 지나온 곡 률반경(R) 상에 위치하게 되므로, 지피에스(220)를 통해 취득되는 전부 대차(112) 중심의 위치정보 데이터를 일정 시간간격으로 획득하고, 주행 중인 철도차량의 이동속도와 전부 대차(112)와 후부 대차(114) 사이의 거리를 고려하여, 획득된 위치정보 데이터 중에서 후부 대차(114)의 중심 위치를 추정할 수 있게 된다.

다음, 상기 곡률반경 추정단계(S20)는 주행 데이터 측정단계(S10)에서 측정된 철도차량의 주행 데이터를 이용하여 철도차량이 주행하는 곡선선로의 곡률반경(R)을 추정하는 단계에 관한 것으로, 상기 측정된 주행 데이터가 차체(100)와 대차(110) 사이의 상대각과(

) 길이방향 상대변위(

)인 경우에는 전술한 (3)식

을 이용하여 곡률반경을 추정(

)하게 되고, 주행 데이터로 전부 및 후부 대차(112,114) 중심의 위치정보를 이용하는 경우에는 전술한 (4)식

을 이용하여 곡률반경을 추정(

)하게 된다.

다음, 상기 목표치 설정단계(S30)는 곡률반경 추정단계(S20)에서 얻어진 곡률반경(R)을 이용하여 주행 중인 철도차량의 윤축 조향각 목표치(δ_desire)를 설정하는 단계에 관한 것으로, 전술한 (3)식 또는 (4)식을 이용하여 추정된 곡선선로의 곡률반경(

) 또는 상기 곡률반경(

)의 역수로 정의되는 곡률(

)을 전술한 (2)식

에 대입하여

에 의해 윤축 조향각의 목표치(δ_desire)를 설정하게 된다.

다음, 상기 조향각 비교단계(S40)는 윤축 조향각의 목표치(δ_desire)와 철도차량의 주행 중에 실제로 조향되는 윤축 조향각(δ)을 비교하는 단계에 관한 것으로, 상기 목표치 설정단계(S30)에서 (2)식에 의해 추정된 윤축 조향각의 목표치(δ_desire)를 주행중인 철도차량에서 조향되는 실제 윤축의 조향각(δ)과 비교하는 것이다.

이때, 주행중인 철도차량의 실제 윤축 조향각(δ)은 윤축(120)에 연결 설치되어 윤축(120)을 조향하는 액츄에이터(600)의 구동변위를 측정함으로써 추정하게 되는데, 상기 액츄에이터(600)의 구동변위는 조향각 측정장치(230)를 통해 얻을 수 있다.

다음, 상기 조향각 제어단계(S50)는 윤축 조향각(δ)의 비교 결과에 따라 윤축 조향각(δ)을 제어하는 단계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 조향각 비교단계(S40)에서 이루어지는 윤축 조향각 목표치(δ_desire)와 실제 윤축 조향각(δ) 사이의 비교에 의해 발생하는 오차에 해당하는 신호를 윤축(120)에 연결 설치된 액츄에이터(600)에 전송함으로써 해당하는 오차만큼 윤축(120)을 조향하도록 제어할 수 있게 되는 것이다.

이때, 상기 조향각 제어단계(S50)에서는 윤축 조향각 목표치(δ_desire)와 실제 윤축 조향각(δ) 사이의 오차값이 0이 될 때까지, 즉 조향각 비교단계(S40)에서 비 교되는 윤축 조향각 목표치(δ_desire)와 실제 윤축 조향각(δ)의 차이가 없어질 때까지 윤축 조향각(δ)을 지속적으로 제어함으로써 철도차량의 주행 중에 실제로 조향되는 윤축 조향각(δ)을 윤축 조향각의 목표치(δ_desire)에 최대로 근접하도록 제어할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법에 따라 윤축의 조향각(δ)을 조절할 경우와 종래의 조향 제어 방법에 의해 윤축의 조향각(δ)을 조절할 경우를 시험에 의해 비교해 보기로 한다.

우선, 곡선 주행시 능동 조향 제어를 한 경우와 하지 않은 경우의 상대각을 비교해 보았다. 그 결과는 도 10에 도시된 바와 같이 곡률반경 R300에 상응하는 상대 조향각의 목표치(δ_desire)는 0.4°인데, 본 발명에 따른 능동 조향 제어 장치 및 방법을 사용한 경우에는 윤축 조향각(δ)이 0.38°로 측정되었고, 종래의 조향 제어 방법을 사용한 경우에는 윤축 조향각(δ)이 0.08°로 측정되어 현저한 차이를 보였다.

다음으로 곡률반경 R300의 곡선선로에서 주행 시험을 하여 외궤 차륜에 작용하는 길이방향 힘(longitudina force)와 횡방향 힘(Lateral force)을 비교해 보았는데, 그 결과는 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법을 적용한 경우 대차(110)에 작용하는 길이방향 힘(longitudina force)과 횡방향 힘(Lateral force)이 현저하게 적게 작용하는 것 을 알 수 있다.

따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법에 의하면 열차가 곡선 구간을 주행할 때 실시간으로 곡선의 곡률반경(R)을 추정하고 추정된 곡률반경(R)에 따라 최적의 윤축 조향각(δ)을 갖도록 윤축(120)을 제어할 수 있어 실시간으로 주행 중인 철도차량을 원활하게 조향할 수 있고, 곡선 구간과 윤축(120)의 사이에 존재하는 공격각(angle of attack)을 대폭 줄임으로써 차륜과 레일의 마모를 줄이고, 승차감을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 윤축(120)의 조향 제어에 필요한 입력 파라미터들을 모두 실제 철도차량에서 측정 가능한 데이터들로 구성함으로써 현존하는 모든 차량에 현실적으로 적용이 가능하게 되어 실용성이 매우 뛰어난 장점을 갖게 되는 것이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리 범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.

도 1은 곡선선로에서 윤축의 레디얼 포지션 제어에 관한 개념도.

도 2는 종래의 윤축의 횡변위 제어에 관한 개념도.

도 3은 종래의 능동조향대차의 사시도.

도 4 내지 도 6은 철도차량의 곡선구간 주행시의 모습을 개략적으로 나타낸 평면도.

도 7은 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 장치를 개념적으로 나타낸 블럭도.

도 8은 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 방법을 개념적으로 나타낸 도면.

도 9는 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 방법을 나타낸 흐름도.

도 10은 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법의 적용 유무에 따른 곡선주행 시뮬레이션의 결과 중 윤축의 상대각 해석 결과를 나타낸 그래프.

도 11은 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법의 적용 유 무에 따른 곡선주행 시뮬레이션의 결과 중 길이방향 힘을 비교하여 나타낸 그래프.

도 12는 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법의 적용 유무에 따른 곡선주행 시뮬레이션의 결과 중 횡방향 힘을 비교하여 나타낸 그래프.

도 13은 본 발명에 따른 철도차량용 능동 조향 제어 장치 및 방법을 적용하여 액츄에이터를 구동시켰을 경우의 전부 및 후부 윤축의 요각 변화를 나타낸 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 차체 110 : 대차

112 : 전부 대차 114 : 후부 대차

120 : 윤축 200 : 측정부

210 : 변위센서 212 : 상대변위 측정장치

214 : 상대각 측정장치 220 : 지피에스

230 : 조향각 측정장치 300 : 추정부

400 : 계산부 500 : 제어부

510 : 비교부 520 : 신호발생부

600 : 액츄에이터

S10 : 주행 데이터 측정단계 S12 : 상대각 측정단계

S14 : 상대변위 측정단계 S16 : 위치정보 취득단계

S18 : 위치정보 추정단계 S20 : 곡률반경 추정단계

S30 : 목표치 설정단계 S40 : 조향각 비교단계

S50 : 조향각 제어단계

Claims

주행 중인 철도차량의 주행 데이터를 측정하는 측정부와,

상기 측정부에서 측정된 데이터를 이용하여 철도차량이 주행하는 곡선선로의 곡률반경을 추정하는 추정부와,

상기 추정부에서 추정된 곡률반경을 이용하여 주행 중인 철도차량의 윤축 조향각의 목표치를 설정하는 계산부와,

상기 계산부에서 설정된 윤축 조향각의 목표치와 실제 윤축 조향각을 비교하여 윤축에 조향제어신호를 발생시키는 제어부 및

상기 제어부의 조향 신호에 의해 윤축을 조향하는 액츄에이터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 철도차량용 능동 조향 제어 장치.
제 1항에 있어서,

상기 측정부는, 대차의 일측면에 설치되어 차체와 전/후부 대차간 길이방향 상대변위와, 차체와 전/후부 대차 사이의 상대각을 측정하는 상대변위 및 상대각 측정장치 또는 차체의 전부 대차 중심에 설치되는 지피에스(GPS, Global Positioning System)로 구성된 것을 특징으로 하는 철도차량용 능동 조향 제어 장치.
제 2항에 있어서,

상기 측정부는, 엑츄에이터의 구동 변위 측정을 통해 실제 조향되는 윤축의 조향각을 추정하는 조향각 측정장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 능동 조향 제어 장치.
제 2항에 있어서,

상기 추정부는 상대변위 및 상대각 측정장치에서 측정된 상대변위 및 상대각을 이용하여
에 의해 곡률반경을 추정하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 능동 조향 제어 장치.

(이때,
: 곡률반경 추정치,
: 전부 대차와 후부 대차의 중심 사이의 거리,
: 상대변위 및 상대각 측정장치와 대차 중심 사이의 거리,
: 차체와 전,후부 대차 사이의 길이방향 상대변위(
)의 합)
제 2항에 있어서,

상기 추정부는 지피에스에서 측정된 전부 대차의 중심 위치를 이용하여
에 의해 곡률반경을 추정하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 능동 조향 제어 장치.

(이때,
: 곡률반경 추정치,
: 전부 대차와 후부 대차의 중심 사이의 거리의 반,
: 전부 대차와 후부 대차의 중심을 잇는 선분과 전부 대차 중심의 이동 경로 사이의 최대거리)
제 1항에 있어서,

상기 계산부는 추정부에서 추정된 곡률반경을 이용하여
에 의해 주행 중인 철도차량의 윤축 조향각 목표치를 설정하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 능동 조향 제어 장치.

(이때,
: 윤축 조향각 목표치, d : 고정축거의 반(m),
: 곡률반경, C : 곡률(Curvature, 1/Km), 1/R로 정의됨)
제 3항에 있어서,

상기 제어부는 계산부에서 설정된 윤축 조향각 목표치와 상기 조향각 추정장 치를 통해 추정되는 실제 윤축의 조향각을 비교하는 비교부와, 상기 비교부에서의 비교 결과를 이용하여 액츄에이터에 윤축 조향신호를 발생시키는 신호발생부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 철도차량용 능동 조향 제어 장치.
주행 중인 철도차량의 주행 데이터를 측정하는 주행 데이터 측정단계와;

측정된 주행 데이터를 이용하여 철도차량이 주행하는 곡선선로의 곡률반경을 추정하는 곡률반경 추정단계와;

상기 곡률반경을 이용하여 주행중인 철도차량의 윤축 조향각 목표치를 설정하는 목표치 설정단계와;

상기 윤축 조향각 목표치를 실제 윤축 조향각과 비교하는 조향각 비교단계 및

윤축 조향각의 비교 결과에 따라 윤축 조향각을 제어하는 조향각 제어단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 철도차량용 능동 조향 제어 방법.
제 8항에 있어서,

상기 주행 데이터 측정단계는,

변위센서를 이용하여 철도차량의 곡선구간 주행시 발생하는 차체와 전,후부 대차 사이의 상대각을 측정하는 상대각 측정단계와,

변위센서를 이용하여 철도차량의 곡선구간 주행시 발생하는 차체와 전,후부 대차 사이의 길이방향 상대변위를 측정하는 상대변위 측정단계로 구성된 것을 특징으로 하는 철도차량용 능동 조향 제어 방법.
제 8항에 있어서,

상기 주행 데이터 측정단계는,

철도차량의 전부 대차 중심에 GPS를 취부하여 실시간으로 대차 중심의 위치정보를 취득하는 위치정보 취득단계와;

상기 전부 대차 중심의 위치정보를 이용하여 후부 대차 중심의 위치정보를 추정하는 위치정보 추정단계로 구성된 것을 특징으로 하는 철도차량용 능동 조향 제어 방법.
제 8항에 있어서,

상기 조향각 비교단계에서의 실제 윤축 조향각은 조향각 측정장치를 통해 엑츄에이터의 구동 변위를 측정하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 철도차량용 능동 조향 제어 방법.
제 8항에 있어서,

상기 조향각 제어단계에서는 조향각 비교단계에서 비교되는 윤축 조향각 목표치와 실제 윤축 조향각의 차이가 없어질 때까지 윤축 조향각을 지속적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 능동 조향 제어 방법.