KR102168035B1 - 차량의 가속도 신호를 바탕으로 기준속도를 연산하는 wsp 제어기 - Google Patents

차량의 가속도 신호를 바탕으로 기준속도를 연산하는 wsp 제어기 Download PDF

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Abstract

차량의 가속도 신호를 바탕으로 기준속도를 연산하는 WSP 제어기에서, 상기 WSP 제어기는 철도 차량의 활주를 방지하기 위해 덤프 밸브로 제어신호를 제공하며, 가속도 센서, 신호 처리부 및 제어부를 포함한다. 상기 가속도 센서는 상기 철도 차량의 가속도를 센싱한다. 상기 신호 처리부는 상기 센싱된 가속도와 상기 철도 차량의 차축의 속도를 바탕으로 기준 속도를 연산하는 기준속도 연산부를 포함한다. 상기 제어부는 상기 신호 처리부에서 연산된 기준속도를 바탕으로 상기 제어 신호를 발생하여 상기 덤프 밸브로 제공한다.

Description

차량의 가속도 신호를 바탕으로 기준속도를 연산하는 WSP 제어기{WSP CONTROLLER CALCULATING REFERENCE SPEED}
본 발명은 WSP 제어기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고속철도 활주방지시스템(wheel slide protection, WSP)을 이용하여 제동신호를 제어함에 있어, 차량의 가속도 신호를 바탕으로 기준속도를 연산함으로써, 기준속도를 실제 차량 속도와 최대한 일치시킬 수 있는 차량의 가속도 신호를 바탕으로 기준속도를 연산하는 WSP 제어기에 관한 것이다.
고속철도 활주방지시스템(WSP)은 공압을 기반으로 한 고속철도의 제동 시스템으로서, 각 차축의 속도와, 차륜과 레일 사이의 비정상적인 점착상태를 감지하여 활주방지밸브를 제어함으로써 제동 캘리퍼에 작용하는 제동압력을 조절하여 차량의 활주를 방지한다.
이러한 WSP를 이용한 제어에서는, 일반적으로 철도차량의 선속도와 차륜속도를 비교하여 활주를 검지하고 있는데, 상기 철도차량의 선속도, 즉 실제 차량속도를 알 수 없기 때문에 기준속도(reference speed)를 계산하여 이를 차량 속도로 반영한다.
상기 기준속도는, 각 차축의 속도 중 최고속도와 기 설정된 기준 감속도를 이용한 기준속도를 비교하여 큰 속도로 결정하는데, 이러한 방식으로 연산된 기준속도는 실제 차량속도와는 차이가 발생하며 이에 따라 차륜의 지속적인 활주를 야기하는 문제가 있다.
즉, 도 1a에 도시된 바와 같이, 초저점착 상황, 즉 차륜과 레일 사이의 점착력이 거의 없는 상황에서는, 실제 차량의 속도는 거의 감속되지 않지만, 상기 종래의 연산 방법에 의해 연산된 기준속도는 감소하므로, 결과적으로 실제 차량의 속도(vehicle speed)와 차륜속도(wheel speed)의 차이가 크게 발생하며, 이에 따라 차축 비회전 발생 등의 위험도가 증가하게 된다.
이에, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 초저점착 상황을 인식하는 경우, 종래 기술에서는 기 설정된 기준 감속도를 수정하여 대응하지만, 여전히 실제 차량의 속도와 기준속도의 차이가 발생하게 되며, 이에 따라 실제 차량의 속도(vehicle speed)와 차륜속도(wheel speed) 사이의 차이는 여전이 존재하여 안정성이 저하되는 문제가 있다.
결국, 상기 연사되는 기준 속도를 실제 차량의 속도와 실질적으로 일치 또는 최대한 근접시키기 위한 제어 시스템의 개발이 필요한 상황이다.
대한민국 등록특허공보 제10-0458649호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 고속철도 활주방지시스템(wheel slide protection, WSP)을 이용하여 제동신호를 제어함에 있어, 차량의 가속도 신호를 바탕으로 기준속도를 연산함으로써, 기준속도를 실제 차량 속도와 최대한 일치시킬 수 있으며, 이를 통해 저점착 또는 초저점착 상태에서의 차륜의 활주를 억제시켜 철도차량의 안전성을 향상시킬 수 있는, 차량의 가속도 신호를 바탕으로 기준속도를 연산하는 WSP 제어기에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 WSP 제어기는 철도 차량의 활주를 방지하기 위해 덤프 밸브로 제어신호를 제공하며, 가속도 센서, 신호 처리부 및 제어부를 포함한다. 상기 가속도 센서는 상기 철도 차량의 가속도를 센싱한다. 상기 신호 처리부는 상기 센싱된 가속도와 상기 철도 차량의 차축의 속도를 바탕으로 기준 속도를 연산하는 기준속도 연산부를 포함한다. 상기 제어부는 상기 신호 처리부에서 연산된 기준속도를 바탕으로 상기 제어 신호를 발생하여 상기 덤프 밸브로 제공한다.
일 실시예에서, 상기 신호 처리부는, 상기 센싱된 가속도를 필터링하여 상기 기준속도 연산부로 제공하는 필터부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 신호 처리부는, 상기 철도 차량이 정차한 상태에서, 상기 센싱된 가속도를 0(zero)으로 보정하는 보정부, 및 상기 철도 차량의 진행 방향에 따라 상기 센싱된 가속도의 부호를 전환하는 부호 결정부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 부호 결정부는, 상기 철도 차량이 정차한 상태에서 가속을 시작할 때, 상기 차축의 속도의 방향과 상기 센싱된 가속도의 방향이 서로 다르면, 상기 센싱된 가속도의 부호를 전환할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기준속도 연산부는,
Figure 112019030142396-pat00001
식 (1)
이 때, Vref(i)는 t=ti에서의 기준속도, Vref(i-1)은 t=t(i-1)에서의 기준속도, a_vehicle은 가속도, Δt=ti-t(i-1)이고, 상기 식 (1)로 기준속도를 연산할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 신호 처리부는, 상기 철도 차량의 제동신호가 발생하지 않은 경우, 상기 기준 속도는 상기 철도 차량의 차축의 속도의 평균으로 연산하고, 상기 철도 차량의 차축 속도가 기 설정 속도 이상인 경우에만 상기 기준 속도를 연산할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가속도 센서에 전원을 공급하는 전원 공급부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가속도 센서, 및 상기 전원 공급부는 상기 WSP 제어기에 내장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가속도 센서, 및 상기 전원 공급부는 상기 철도 차량의 차체에 구비되고, 상기 신호 처리부는, 상기 제어부가 형성되는 상기 WSP 제어기의 CPU 보드와 유선 또는 무선 통신으로 연산된 기준속도를 상기 제어부로 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 신호 처리부는, 상기 제어부와 함께 상기 WSP 제어기의 CPU 보드에 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 종래 기준속도의 연산에 있어, 단순히 기 설정되거나 기 제공되는 기준 감속도를 사용함에 따라, 실제 차량의 속도(vehicle speed)와 차륜속도(wheel speed) 사이의 차이가 존재하여 철도 차량의 안전성이 저하되는 문제를 해결할 수 있다.
즉, 기준속도를 실제 차량의 속도와 최대한 일치시킬 수 있으며 이를 통해 저점착 또는 초저점착 상태에서의 차륜의 활주를 억제시켜 철도차량의 안전성을 향상시킬 수 있다.
이 경우, 기준속도의 연산에 있어, 철도 차량에 구비된 가속도 센서에서 센싱되는 가속도와, 철도 차량의 차축의 속도를 바탕으로 기준 속도를 연산하므로, 실제 철도 차량의 감속시에 변화하는 가속도를 기준 속도 연산에 실시간으로 적용할 수 있어, 상기 연산되는 기준 속도가 실제 차량의 속도와 최대한 일치할 수 있다.
특히, 철도 차량의 경우 양 방향으로의 진행이 모두 가능함을 고려하여, 부호 결정부에서 가속도 센서에서 검출되는 가속도의 방향을 철도 차량의 진행 방향에 부합하도록 전환할 수 있도록 하여, 철도 차량의 진행 방향과 무관하게 기준 속도의 연산에서 정확한 센싱 가속도 정보를 활용할 수 있다.
또한, 철도 차량의 정차시 보정부에서 센싱된 가속도를 0으로 보정함으로써, 운행을 시작하는 경우의 보다 정확한 가속도 센싱값을 센싱할 수 있고, 필터부를 통해 센싱된 가속도 신호의 노이즈를 제거함으로써, 보다 정확한 기준 속도의 연산이 가능하다.
한편, 가속도 센서 및 전원 공급부는 WSP 제어기에 직접 내장되거나, 또는 철도 차량의 차체에 구비될 수 있어, 차량의 설계의 다양성 및 교환이나 수리의 편의성을 향상시킬 수 있으며, 신호 처리부 역시 WSP 제어기의 CPU 보드에 직접 형성되거나 WSP 제어기와 통신을 통해 정보를 전달함으로써, 설계의 다양성, 제작의 용이성 및 교환이나 수리의 편의성을 향상시킬 수 있다.
도 1a는 종래기술에 의한 WSP 제어에서, 초저점착 상황에서의 기준속도의 오류로 인한 차축비회전 상태를 도시한 그래프이고, 도 1b는 종래기술에서 이를 보완하여 초저점착 상황에 대응한 결과의 상태를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 WSP 제어기를 포함한 제동시스템을 도시한 모식도이다.
도 3은 도 2의 WSP 제어기를 도시한 블록도이다.
도 4는 도 2의 WSP 제어기의 하드웨어의 예를 도시한 이미지이다.
도 5는 도 3의 WSP 제어기를 이용하여 연산된 기준속도를 바탕으로, 점착계수가 높은 경우의 실제 차량의 속도와 차륜속도를 도시한 결과의 그래프이다.
도 6a는 차량의 활주가 발생하는 점착계수가 낮은 경우, 기준속도가 실제 차량의 속도와 일치하는 경우의 WSP 제어기를 이용하여 제어되는 제동 특성을 도시한 그래프이다.
도 6b는 차량의 활주가 발생하는 점착계수가 낮은 경우, 도 3의 WSP 제어기를 이용하여 연산된 기준속도를 바탕으로, 제어되는 제동 특성을 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 WSP 제어기를 포함한 제동시스템을 도시한 모식도이다.
우선, 본 실시예에서의 WSP 제어기(100)는, 종래 일반적인 제동시스템(10)에 구비되는 것으로, 도 2를 참조하여, 상기 제동시스템(10)을 간단히 설명하면 하기와 같다.
즉, 상기 제동 시스템(10)은 철도 차량의 제동을 위해, 제동전자제어장치(ECU)(40)에 의해 제동제어장치(BOU 또는 BCU)(30)가 제어되며, 차량의 압축공기통(20)으로부터 전달된 공기에 의해 덤프밸브(dump valve)(50)가 공압 제동유닛(60), 즉 제동 캘리퍼를 동작시키되, 이 경우 WSP 제어기(100)에서 철도차량의 차축의 속도 신호를 속도 센서(70)에 의해 센싱한 결과를 바탕으로 상기 덤프밸브(50)를 피드백 제어하는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 WSP 제어기(100)는, 철도 차량의 차륜의 속도를 제공받아, 차륜이 활주가 발생한다고 판단되는 경우, 활주가 발생한 차륜에 대한 제동을 제어하기 위해 상기 덤프 밸브(50)의 제동 신호를 제공하는 것이다.
다만, 본 실시예에서는, 상기 WSP 제어기(100)에서의 덤프밸브(50)에 대한 피드백 제어를 위한 제어 신호를 발생시킴에 있어, 상기 속도 센서(70)에서 제공되는 속도 신호 외에, 가속도 센서를 통해 제공되는 가속도 신호를 모두 고려하여 기준속도를 연산하고, 이를 바탕으로 상기 제어신호를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
이러한, 본 실시예에서의 상기 WSP 제어기(100)의 특징은 하기 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 도 2의 WSP 제어기를 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에서의 상기 WSP 제어기(100)는 가속도 센서(110), 전원 공급부(120), 신호 처리부(130) 및 제어부(140)를 포함한다.
상기 가속도 센서(110)는 상기 WSP 제어기(100)에 내장되는 것으로, 상기 WSP 제어기(100)가 철도 차량의 차체에 구비되므로, 상기 가속도 센서(110)도 상기 철도 차량의 차체에 구비된다.
그리하여, 상기 가속도 센서(110)는 상기 철도 차량이 운행되는 경우, 상기 철도 차량의 가속도를 센싱하다. 특히, 본 실시예에서의 상기 WSP 제어기(100)는 철도 차량이 감속함에 따라 활주가 발생하는 경우 제어 신호를 발생하게 되므로, 상기 가속도 센서(110)는 철도 차량의 감속에 따른 감속 가속도(즉, 가속도의 부호는 철도 차량의 운행 방향과 반대임)를 중심으로 센싱하게 된다.
그리하여, 상기 가속도 센서(110)에서 센싱된 가속도 신호는 상기 신호 처리부(130)로 제공된다.
상기 전원 공급부(120)는 상기 가속도 센서(110)에 전원을 공급하는 것으로, 상기 가속도 센서(110)와 인접하도록 배치되며, 이에 따라 상기 WSP 제어기(100)에 내장되도록 구비될 수 있다.
이 경우, 상기 전원 공급부(120)는 충전기의 형태로 충전을 통해 상기 가속도 센서(110)에 전원을 공급할 수 있으며, 이와 달리, 철도 차량에 구비된 별도의 전원 공급장치로부터 전원을 제공받아 이를 상기 가속도 센서(110)에 제공할 수도 있다.
한편, 실시예에 따라, 상기 가속도 센서(110) 및 상기 전원 공급부(120)는 상기 WSP 제어기(100)에 내장되지 않고, 철도 차량의 차체에 별도로 구비될 수도 있다.
이러한 경우라도, 상기 가속도 센서(110)로부터 센싱되는 상기 철도 차량의 가속도 신호는 상기 신호 처리부(130)로 제공된다.
다만, 상기 가속도 센서(110)가 철도 차량의 차체에 별도로 구비되는 경우라면, 상기 가속도 센서(110)의 센싱 신호는 유선 또는 무선 통신을 통해 상기 신호 처리부(130)로 제공될 수 있다. 이를 위해, 상기 가속도 센서(110)와 상기 신호 처리부(130)는 별도의 유선 또는 무선 통신 포트를 구비할 수 있다.
상기 신호 처리부(130)는 상기 가속도 센서(110)에서 센싱된 철도 차량의 가속도 신호와, 상기 속도 센서(70)를 통해 센싱되는 철도 차량의 차축의 속도 신호를 제공받아, 이를 바탕으로, 기준 속도를 연산한다.
보다 구체적으로, 상기 신호 처리부(130)는 보정부(131), 부호 결정부(132), 필터부(133) 및 기준속도 연산부(134)를 포함한다.
상기 가속도 센서(110)에서 센싱되는 철도 차량의 가속도 신호는, 통상적으로는 상기 기준속도 연산부(134)로 제공되어, 기준 속도의 연산에 활용된다.
다만, 상기 가속도 센서(110)에서 센싱되는 가속도 신호에는 노이즈가 포함될 수 있으므로, 상기 필터부(133)에서 상기 가속도 신호에 대하여 필터링을 수행한 후, 상기 기준속도 연산부(134)로 제공된다.
이 경우, 상기 필터부(133)는, 예를 들어 1~20Hz 범위의 저역 필터로서, 상기 가속도 신호에 대한 필터링을 통해 노이즈를 제거할 수 있다.
또한, 상기 필터부(133)는 후술되는 상기 부호 결정부(132)에서 가속도 신호의 부호가 결정된 시호에 대하여도 필터링을 수행하여 상기 기준속도 연산부(134)로 제공한다.
한편, 본 실시예에서의 상기 WSP 제어기(100)는 앞서 설명한 바와 같이, 철도 차량의 활주가 발생하였을 때, 비로소 제어 신호를 발생하는 것으로, 특히, 철도 차량이 정차한 경우 또는 소정의 속도 이하로 운행되는 경우(예를 들어, 4km/h 또는 3km/h)에는 동작되지 않는다.
나아가, 철도 차량은 정차와 운행을 반복하게 되므로, 경우에 따라 상기 가속도 센서(110)에서 센싱되는 가속도 신호에 노이즈가 누적되어 신호에 오류가 포함될 수 있다.
이에, 본 실시예에서는, 상기 보정부(131)에서, 상기 철도 차량이 정차한 경우, 상기 가속도 센서(110)의 센싱 가속도 값을 0(zero)로 보정함으로써, 센싱 신호의 오차를 최소화할 수 있다.
이를 위해, 상기 보정부(131)는 상기 속도센서(70)로부터 차축의 속도 신호를 제공받아, 상기 속도 신호를 바탕으로 철도 차량이 정차한 것으로 판단되면, 상기 가속도 센서(110)의 센싱 가속도를 0으로 보정한다.
또한, 철도 차량의 경우, 양 방향으로 운행이 가능하며, 양 방향으로의 운행에 따라 철도 차량의 속도의 방향은 물론 가속도의 방향도 전환되게 된다.
이에 따라, 상기 가속도 센서(110)에서 센싱되는 가속도 신호는 초기 설정된 철도 차량의 운행 방향이 반대 방향으로 전환되면, 철도 차량이 감속되는 구간이 오히려 가속되는 구간으로 인식되는 문제가 발생하게 된다.
그리하여, 상기 가속도 센서(110)에서 센싱되는 가속도 신호의 방향을, 상기 철도 차량의 운행 방향을 고려하여 전환하여야 한다.
본 실시예에선, 상기 부호 결정부(132)에서는, 이와 같이, 상기 철도 차량의 운행 방향을 고려하여, 상기 가속도 센서(110)에서 센싱되는 가속도 신호의 방향을, 상기 철도 차량의 운행 방향에 부합하도록 전환한다.
즉, 상기 부호 결정부(132)에서는, 상기 철도 차량이 정차한 상태에서 가속을 시작할 때, 상기 속도센서(70)를 통해 제공되는 속도 신호를 바탕으로 인지되는 차축의 속도의 방향과, 상기 가속도 센서(110)에서 제공되는 가속도 신호의 방향이 서로 다르면, 상기 가속도 신호의 부호를 전환한다.
예를 들어, 철도 차량이 정차한 상태에서 가속을 시작하게 되면, 상기 속도센서(70)를 통해 제공되는 속도 신호는 (+)로 인지되므로, 상기 철도 차량이 가속을 시작하였음을 인지할 수 있는데, 이 경우, 상기 가속도 센서(110)에서 제공되는 가속도 신호가 (-)라면 이를 (+)로 전환한다.
이렇게 부호가 전환된 상태로, 다음 정차시까지 해당 부호의 전환 상태를 유지하게 되며, 이후 다음 정차에서 다시 운행을 시작하는 경우 상기와 같은 신호의 방향에 대한 재차 확인을 통해, 가속도 신호의 부호를 전환할지의 여부를 판단하게 된다.
그리하여, 철도 차량의 운행 방향에 부합하는 가속도 신호를 상기 기준속도 연산부(134)로 제공할 수 있게 된다.
상기 기준속도 연산부(134)는 상기 필터부(133)를 통해 노이즈가 필터링되어 제공된 가속도 신호와, 상기 속도센서(70)를 통해 제공되는 차축의 속도신호를 바탕으로 기준속도를 연산한다.
이 경우, 상기 기준속도란, 상기 WSP 제어기(100)에서 철도 차량의 활주가 발생하였을 때 이를 제어하기 위해 발생시키는 상기 덤프 밸브(50)에 대한 제어신호의 기준이 되는 속도로서, 실제 철도 차량의 속도와 일치하는 경우가 가장 이상적인 기준속도에 해당된다.
다만, 상기 기준속도는 별도의 연산 알고리즘 등을 통해 연산되는 것으로, 특히 활주가 발생하는 경우에 있어 실제 차량 속도와는 차이가 존재할 수밖에 없는 한계가 있다. 이에, 본 실시예에서는, 상기 연산 알고리즘을 통해 도출되는 기준속도를 실체 차량 속도와 매우 근접하도록 연산하는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 기준속도 연산부(134)에서는, 상기 가속도 신호와 상기 속도 신호를 바탕으로 하기 식 (1)을 통해 기준속도를 연산한다.
Figure 112019030142396-pat00002
식 (1)
이 때, Vref(i)는 t=ti에서의 기준속도, Vref(i-1)은 t=t(i-1)에서의 기준속도, a_vehicle은 가속도, Δt=ti-t(i-1)이다.
상기 WSP 제어기(100)는 소정의 시간 간격(Δt), 예를 들어, 20ms 간격으로 각 차축의 속도신호를 상기 속도 센서(70)로부터 제공받으므로, 상기 기준속도 연산부(134)에서도 상기 시간 간격(Δt) 마다 상기 속도 신호, 및 상기 가속도 신호를 바탕으로 기준속도를 연산한다.
한편, 철도 차량의 활주가 발생하는 경우, 상기 가속도 신호는 (-)의 값을 갖게 되므로, 기준속도(Vref(i))는 이전 기준속도(Vref(i-1))보다 감소하게 됨을 상기 식 (1)을 통해 확인할 수 있다.
또한, 상기 기준속도 연산부(134)는, 상기 기준속도의 연산에 있어, 상기 철도 차량의 제동신호가 발생하지 않는 경우, 즉 철도 차량이 감속되지 않는 경우라면, 상기 기준속도는 상기 철도 차량의 차축 속도의 평균으로 연산한다.
나아가, 상기 기준속도 연산부(134)에서는, 상기 철도 차량의 차축의 속도가 기 설정된 속도, 예를 들어, 3km/h 또는 4km/h 이상인 경우에만, 상기 기준속도를 연산한다.
이는, 상기 철도 차량의 차축의 속도가 상기 기 설정된 속도 미만인 경우라면, 상기 철도 차량은 활주가 발생되지 않는 정상적인 제동상태일 가능성이 높기 때문이다.
이상과 같이, 상기 기준속도 연산부(134)에서, 매 시간 간격(Δt)마다 상기 기준 속도를 연산하면, 이렇게 연산된 기준 속도를 바탕으로 상기 제어부(140)는 상기 덤프 밸브(50)에 대한 제어 신호를 발생한다.
그리하여, 상기 덤프 밸브(50)는 상기 제어부(140)에서 발생되는 제어신호를 바탕으로 제어됨으로써, 상기 철도 차량의 활주 발생시 이를 최소화하며 제동을 수행하는 활주 방지 시스템이 수행되게 된다.
한편, 본 실시예에서, 상기 신호 처리부(130)는 상기 WSP 제어기(100)의 CPU 보드에 일체로 형성될 수 있다.
이와 달리, 상기 WSP 제어기(100)의 CPU 보드에 직접 형성되지 않고 별도의 보드 등에 형성되며 상기 WSP 제어기(100)와 유선 또는 무선 통신으로 상기 연산된 기준 속도를 상기 제어부(140)로 제공할 수 있다.
이 경우, 상기 유선 또는 무선 통신을 위한, 별도의 통신 포트가 구비될 수 있다.
도 4는 도 2의 WSP 제어기의 하드웨어의 예를 도시한 이미지이다.
도 4를 참조하면, 상기 WSP 제어기(100)는 도시된 바와 같은 하드웨어의 포트 구조를 가질 수 있으며, 전원을 공급받는 파워보드(101), 철도 차량 인통선과의 인터페이스를 위한 인터페이스 보드(102), 철도 차량과의 통신을 위한 통신보드(104) 및 CPU 보드(103)를 포함한다.
이 경우, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 CPU 보드(103)에는 상기 제어부(140)가 실장되는 것 외에, 상기 신호 처리부(130)도 일체로 실장될 수 있으며, 상기 신호 처리부(130)는 별도의 보드에 형성되어 상기 CPU 보드(103)와 유선 또는 무선 통신을 통한 신호 전달을 수행할 수 있다.
이 경우, 상기 통신 보드(104)를 통해 관련 신호를 전달 받을 수도 있다.
도 5는 도 3의 WSP 제어기를 이용하여 연산된 기준속도를 바탕으로, 점착계수가 높은 경우의 실제 차량의 속도와 차륜속도를 도시한 결과의 그래프이다.
즉, 도 5의 경우, 철도 차량에 본 실시예에서와 같은 가속도 센서(110) 및 신호 처리부(130)를 구비하고, GPS 수신기 및 속도센서(70)를 구비하여, 본 실시예의 상기 신호 처리부(130)를 통해 연산되는 기준속도와, GPS 수신기를 통해 수신되는 차량의 실제 속도, 및 속도센서(70)를 통해 센싱되는 각 차축의 속도를 비교한 결과의 그래프이다.
도 5를 참조하면, 철도 차량의 제동시 레일(2)과 차륜(1) 사이의 점착 계수가 높은 경우, 즉 Dry 레일 상태에서는, 본 실시예를 통해 연산된 상기 기준속도(vel_Train_by_acceleration)는, 상기 GSP 수신기를 통해 수신되는 실제 차량의 속도(vel_GPS), 및 각 차축의 속도(MC_vel)와 모두 일치하는 것을 확인할 수 있다.
도 6a는 차량의 활주가 발생하는 점착계수가 낮은 경우, 기준속도가 실제 차량의 속도와 일치하는 경우의 WSP 제어기를 이용하여 제어되는 제동 특성을 도시한 그래프이다.
한편, 도 6a의 경우, 이상적인 경우로서, 기준속도가 실제 차량의 속도와 일치하는 경우에서, 차량의 활주가 발생하는 경우의 WSP 제어기를 이용하여 철도 차량의 제동이 제어되는 결과를 도시한 그래프이다.
이를 통해 확인되는 바와 같이, 기준속도가 실제 차량의 속도와 일치한다면, WSP 제어기를 통해 제어됨에 따라, 철도 차량이 제동되는 과정에서, 각 차륜의 속도들(wheel speed)은 실제 차량의 속도(vehicle speed)를 잘 추종하며, 이에 따라, 차륜의 슬라이드, 제동거리 및 제동 시간이 모두 개선되는 것을 확인할 수 있다.
도 6b는 차량의 활주가 발생하는 점착계수가 낮은 경우, 도 3의 WSP 제어기를 이용하여 연산된 기준속도를 바탕으로, 제어되는 제동 특성을 도시한 그래프이다.
즉, 도 6b 역시 도 5의 경우와 같이, 철도 차량에 본 실시예에서와 같은 가속도 센서(110) 및 신호 처리부(130)를 구비하고, GPS 수신기 및 속도센서(70)를 구비하여, 본 실시예의 상기 신호 처리부(130)를 통해 연산되는 기준속도와, GPS 수신기를 통해 수신되는 차량의 실제 속도, 및 속도센서(70)를 통해 센싱되는 각 차축의 속도를 비교한 결과의 그래프이다.
도 6b를 참조하면, 철도 차량의 제동시 레일(2)과 차륜(1) 사이의 점착 계수가 낮은 경우, 즉 활주가 발생하는 Wet 레일 상태에서는, 본 실시예를 통해 연산된 상기 기준속도(vel_Train_by_acceleration)는, 상기 GSP 수신기를 통해 수신되는 실제 차량의 속도(vel_GPS)와 일치하는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라, 상기 WSP 제어기(100)를 통해, 활주 상태의 철도 차량에 대한 제어를 수행하는 경우, 각 차축의 속도(MC_AX)도 실제 차량의 속도(vel_GPS)를 일정 수준 이상 우수하게 추종하는 것을 확인할 수 있다.
결국, 도 1a 및 도 1b를 통해 예시한 종래 기술을 통한 WSP 제어기를 이용하여 활주 상태의 철도 차량에 대한 제어를 수행하는 경우보다, 차륜의 활주가 보다 억제되도록 우수한 제동 제어를 수행할 수 있으며, 이에 따라 제동거리 및 제동시간을 단축시키는 것은 물론, 철도 차량의 안전성을 보다 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 종래 기준속도의 연산에 있어, 단순히 기 설정되거나 기 제공되는 기준 감속도를 사용함에 따라, 실제 차량의 속도(vehicle speed)와 차륜속도(wheel speed) 사이의 차이가 존재하여 철도 차량의 안전성이 저하되는 문제를 해결할 수 있다.
즉, 기준속도를 실제 차량의 속도와 최대한 일치시킬 수 있으며 이를 통해 저점착 또는 초저점착 상태에서의 차륜의 활주를 억제시켜 철도차량의 안전성을 향상시킬 수 있다.
이 경우, 기준속도의 연산에 있어, 철도 차량에 구비된 가속도 센서에서 센싱되는 가속도와, 철도 차량의 차축의 속도를 바탕으로 기준 속도를 연산하므로, 실제 철도 차량의 감속시에 변화하는 가속도를 기준 속도 연산에 실시간으로 적용할 수 있어, 상기 연산되는 기준 속도가 실제 차량의 속도와 최대한 일치할 수 있다.
특히, 철도 차량의 경우 양 방향으로의 진행이 모두 가능함을 고려하여, 부호 결정부에서 가속도 센서에서 검출되는 가속도의 방향을 철도 차량의 진행 방향에 부합하도록 전환할 수 있도록 하여, 철도 차량의 진행 방향과 무관하게 기준 속도의 연산에서 정확한 센싱 가속도 정보를 활용할 수 있다.
또한, 철도 차량의 정차시 보정부에서 센싱된 가속도를 0으로 보정함으로써, 운행을 시작하는 경우의 보다 정확한 가속도 센싱값을 센싱할 수 있고, 필터부를 통해 센싱된 가속도 신호의 노이즈를 제거함으로써, 보다 정확한 기준 속도의 연산이 가능하다.
한편, 가속도 센서 및 전원 공급부는 WSP 제어기에 직접 내장되거나, 또는 철도 차량의 차체에 구비될 수 있어, 차량의 설계의 다양성 및 교환이나 수리의 편의성을 향상시킬 수 있으며, 신호 처리부 역시 WSP 제어기의 CPU 보드에 직접 형성되거나 WSP 제어기와 통신을 통해 정보를 전달함으로써, 설계의 다양성, 제작의 용이성 및 교환이나 수리의 편의성을 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 제동 시스템 20 : 압축 공기통
30 : 제동제어장치 40 : 제동전자 제어장치
50 : 덤프 밸브 60 : 제동 캘리퍼
70 : 속도센서 100 : WSP 제어기
110 : 가속도 센서 120 : 전원 공급부
130 : 신호 처리부 131 : 보정부
132 : 부호 결정부 133 : 필터부
134 : 기준속도 연산부 140 : 제어부

Claims (10)

  1. 철도 차량의 활주를 방지하기 위해 덤프 밸브로 제어신호를 제공하는 WSP 제어기에서,
    상기 철도 차량의 가속도를 센싱하는 가속도 센서;
    상기 센싱된 가속도와 상기 철도 차량의 차축의 속도를 바탕으로 기준 속도를 연산하는 기준속도 연산부를 포함하는 신호 처리부; 및
    상기 신호 처리부에서 연산된 기준속도를 바탕으로 상기 제어 신호를 발생하여 상기 덤프 밸브로 제공하는 제어부를 포함하고,
    상기 신호 처리부는 상기 철도차량이 정차한 상태에서, 상기 센싱된 가속도를 0(zero)으로 보정하여 가속도 신호에 누적되는 노이즈를 제거하는 것을 특징으로 하는 WSP 제어기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 신호 처리부는,
    상기 센싱된 가속도를 필터링하여 상기 기준속도 연산부로 제공하는 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 WSP 제어기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 신호 처리부는,
    상기 철도 차량의 진행 방향에 따라 상기 센싱된 가속도의 부호를 전환하는 부호 결정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 WSP 제어기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 부호 결정부는,
    상기 철도 차량이 정차한 상태에서 가속을 시작할 때, 상기 차축의 속도의 방향과 상기 센싱된 가속도의 방향이 서로 다르면, 상기 센싱된 가속도의 부호를 전환하는 것을 특징으로 하는 WSP 제어기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기준속도 연산부는,

    Figure 112019030142396-pat00003
    식 (1)

    이 때, Vref(i)는 t=ti에서의 기준속도, Vref(i-1)은 t=t(i-1)에서의 기준속도, a_vehicle은 가속도, Δt=ti-t(i-1)이고, 상기 식 (1)로 기준속도를 연산하는 것을 특징으로 하는 WSP 제어기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 신호 처리부는,
    상기 철도 차량의 제동신호가 발생하지 않은 경우, 상기 기준 속도는 상기 철도 차량의 차축의 속도의 평균으로 연산하고,
    상기 철도 차량의 차축 속도가 기 설정 속도 이상인 경우에만 상기 기준 속도를 연산하는 것을 특징으로 하는 WSP 제어기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가속도 센서에 전원을 공급하는 전원 공급부를 더 포함하는 WSP 제어기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가속도 센서, 및 상기 전원 공급부는 상기 WSP 제어기에 내장되는 것을 특징으로 하는 WSP 제어기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 가속도 센서, 및 상기 전원 공급부는 상기 철도 차량의 차체에 구비되고,
    상기 신호 처리부는, 상기 제어부가 형성되는 상기 WSP 제어기의 CPU 보드와 유선 또는 무선 통신으로 연산된 기준속도를 상기 제어부로 제공하는 것을 특징으로 하는 WSP 제어기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 신호 처리부는,
    상기 제어부와 함께 상기 WSP 제어기의 CPU 보드에 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 WSP 제어기.
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