트랙터 전·후진 변속 제어 기술 개발 동향
Development Trend of Forward-Reverse Shuttle Control Technology for Agricultural Tractor
김용현․김택진․김용주
Yong Hyeon Kim, Taek Jin Kim and Yong Joo Kim
1. 서 론
최근 농업기계는 고령화와 여성화에 따라 편의성 에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있다. 농업기 계 중 트랙터의 보급률은 2017년 국내 농업기계의 약 27.8%로 높은 비율을 차지하고 있다.1) 트랙터는 쟁기, 로터리, 베일 작업 등 다양한 농작업을 수행 하기 때문에 농업기계 중 가장 큰 시장규모를 차지 하고 있다. 트랙터의 농작업은 국내 논·밭의 규모가 작아 농지의 새머리 구간에서 선회나 축산업 작업 특성상 잦은 전·후진 변속이 필요하다. 잦은 전·후 진 기어 변속은 운전자에게 피로감을 주어 작업효 율을 떨어뜨리는 문제점이 있다.2) 국내에서 판매되 고 있는 트랙터의 전·후진 변속 방법으로는 크게 싱 크로나이져를 이용한 기계식 변속 방법과 전자유압 식인 파워셔틀(Power-shuttle) 변속 방법을 사용하고 있다. 최근에는 변속 조작의 용이성 및 효율성이 강 조되고 있어 2000년도 이후부터 국내 70마력급 이 상의 트랙터 전·후진 변속 방법은 대부분 유압 클러 치를 이용한 전자유압식 파워셔틀 변속을 채택하고 있다. 트랙터의 전자유압식 파워셔틀 변속 방법은 변속 제어장치를 장착함으로써 운전자가 엔진 동 력을 차단하는 클러치 페달을 조작할 필요가 없어 조작의 편의성이 향상되며, 변속 소요시간이 단축 된다.
해외 선진사에서는 수요자의 작업 편의성, 작업 효율증대, 다양한 작업기 활용의 요구에 대응하는 기술 개발을 실시하여 현재에는 대부분 전·후진 파 워셔틀을 기본 사양으로 사용하고 있으며, 또한, 파 워시프트(Power-shift)를 주변속까지 적용한 모델들 을 상용화하여 판매하고 있다. 일본의 Kubota 社는 기본 사양으로 파워셔틀 변속기를 적용한 트랙터를 판매중이며, 부변속은 GST (Glide Shift Transmission) 사양의 자동화 수동변속 개념의 전단수 자동 변속 트랙터를 출시하고 있다. 자동 변속으로 인해 최근 에는 Fig. 1과 같이 전·후진 변속, 주변속과 부변속
을 조작할 수 있을 뿐만 아니라 다른 기능까지도 제어할 수 있는 조작 레버를 사용하고 있다.
Fig. 1 A photo of multi-function lever
미국의 John Deere 社는 주변속 4단 파워시프트 사양을 “파워 쿼드(Power quad)”라 명명하여 장기간 동안 개발 보완하여 이를 베이스로 부변속 자동 변 속(GST) 사양도 상용화하고 있다. 이뿐만 아니라 수 동 변속기에 자동 변속이 가능한 AMT (Automated Manual Transmission)와 자동 변속기인 HST (Hydro Static Transmission), HMT (Hydro Mechanical Transmission), CVT (Continuously Variable Transmission), DCT (Dual Clutch Transmission) 등 고 급 사양의 변속기를 상용화하여 판매하고 있다. 또 한, 최근에는 Fig. 2와 같이 주변속 레버에 버튼을 눌러 클러치의 연결과 해제를 조작할 수 있는 핸드 클러치 기능을 탑재하여 주행 중에 클러치 페달을 밟지 않고 운전자의 손으로만 변속이 가능하도록 기능을 추가하고 있다.
Fig. 2 A photo of hand type auto-clutch
국내에서 트랙터 전·후진의 자동 변속으로 가장 많이 사용되고 있는 파워셔틀은 비례제어밸브 (Proportional control valve)를 사용하고 있다. 비례제 어밸브는 전기신호에 비례한 압력이나 유량을 연속 적으로 얻을 수 있으며, 컨트롤러와 조합하여 밸브 와의 전기신호를 원활하게 제어를 하면 변속 충격 을 최소화할 수 있다. 이러한 유압 제어 기반 비례 제어밸브는 자동변속기에 주로 적용되고 있으며, 최 근 활발히 연구가 수행되고 있다. 비례제어밸브에 대한 연구는 비례제어밸브 구동을 위한 유압 회로 의 동특성 해석에 관한 연구3), 변속 시 구속토크를 독립적으로 제어하는 연구4), PWM 제어를 이용하여 비례제어밸브의 제어 성능을 평가하는 방법에 대한 연구5)가 활발히 진행되고 있다.
비례제어밸브를 전압 제어할 때에는 자동변속기 와 같은 경우 온도 변화에 따라 제어가 어려워 변 속 충격이 발생하여 상용화에 많은 어려움이 있다.
그러므로 최근에는 정확한 전류 피드백형 비례제어 밸브 기술 개발을 통하여 전압 제어의 단점을 개선 하고 있다. 특히, 트랙터는 변속뿐만 아니라 작업기 승·하강 제어에도 비례제어밸브를 사용하고 있어 이 에 대한 제어 기술은 농작업 효율에 가장 중요한 요소라 할 수 있다.
본 기술해설은 비례제어밸브를 이용하여 농업용 트랙터의 전·후진 변속을 위한 전류 제어 시스템 개 발에 관한 것으로, 트랙터의 전·후진 변속을 위한 비례제어밸브 전자 제어 시스템에 대해 소개하였다.
또한, 제어 정확도 평가를 위한 방법으로 밸브 테스 트 벤치를 제작하여 전류 제어 정확도를 측정하였 고, 제어 안정성 평가를 위하여 CPU 부하를 측정한 사례를 소개하였다.
2. 전·후진 변속기 구조
트랙터의 동력은 주로 차축, PTO, 3점히치로 분 기되어 전달된다. 전·후진 변속은 대부분 엔진에서 전달되는 동력을 처음으로 전달하는 위치에 구성되 어 있다. 그래서 전자유압식 파워셔틀 변속 방법은 엔진의 동력을 전달해 주는 건식 클러치가 필요 없 이 전·후진 변속에 사용되는 유압 클러치를 통해 동 력을 전달할 수 있다. 따라서 운전자는 운전석에 있 는 클러치 페달을 밟아 동력을 연결하거나 끊어주는 작업을 할 필요가 없어 운전자의 편리성이 향상된다.
Fig. 3 Schematic diagram of hydraulic power flow for forward-reverse (F/R) shuttle control for agricultural tractor
또한, 트랙터 전·후진 변속의 유압 동력은 Fig. 3 과 같이 엔진에 유압펌프를 장착하여 유압 밸브에 전달된다. 전·후진 변속을 위해 운전자가 변속 레버 를 전진이나 후진으로 작동하게 되면 변속기 제어 장치인 TCU (Transmission Control Unit)에서 감지하 여 연산한 후에 액추에이터, 기어 변속 및 유압 클 러치를 전기적으로 제어하도록 구성되어 있다. 유압 밸브는 TCU에서 전진 또는 후진 신호를 전달받아 유압 동력을 유압 클러치에 전달한다. 유압 클러치 는 습식 다판 클러치로, 파워셔틀 변속기의 주요 변 속 요소이며, 클러치 드럼, 피스톤, 리턴 스프링, 디 스크, 플레이트 등으로 구성되어 있다. 유압 밸브에 서 유압 동력을 전달받아 클러치 연결(Engagement) 시에는 피스톤이 리턴 스프링을 압축하며 전진하여 플레이트와 디스크에 수직력을 가하고 이를 연결시 켜 동력을 전달한다. 전진 클러치나 후진 클러치에 전달된 동력은 전진이나 후진 기어에 동력이 전달 되어 트랙터 전·후진 주행을 하게 된다. 해제 (Disengagement) 시에는 유압이 해제되어 리턴 스프 링에 의하여 피스톤이 후퇴하고 동력이 차단된다.
3. 전·후진 변속 제어 원리
수동 변속기의 전·후진 변속 레버 조작은 많은 힘 이 필요하며, 클러치 페달을 밟아 동력을 해지하고 연결해야 하는 등 숙련된 동작이 요구된다. 그에 반
는 클러치 페달 조작 없이 편리하게 손끝으로 간단 하게 변속할 수 있다. 트랙터 전·후진은 습식 다판 클러치의 작동으로 변속되며, 이를 제어하는 TCU는 클러치의 작동 방법을 결정하여 전·후진의 변속 품 질을 결정하게 된다. 그러므로 TCU는 트랙터의 변 속 충격을 최대한 줄이며, 부드럽게 주행하기 위해 변속 중 유압 클러치의 토크를 정교하게 제어할 수 있도록 클러치 압력을 제어해야 한다. 이때 전·후진 변속 제어의 클러치 모듈레이팅 구간(Pressure modulating range)은 변속 감도를 결정하는 중요한 요소이다. 이때 모듈레이팅 구간의 압력이 급격히 증가되면 큰 충격이 발생하고, 너무 천천히 증가되 면 도중에 동력이 전달되지 않을 수 있다. 변속기의 변속감도는 노지 상태나 운전자의 특성에 맞게 모 듈레이팅 구간의 시간을 제어하여 조절할 수 있다.
변속 시 발생하는 변속 충격은 각 제조회사마다 실 험 결과를 바탕으로 각 모듈레이팅 압력을 설정하 고 있다.6)
전자식 유압 비례제어밸브를 전류 제어하는 방법 은 목표 유량 및 유압에 따른 전류 제어, 목표 전류 를 위한 PWM 주파수 제어, Dither 진폭 및 주기 제 어, SOC (System On Chip)를 이용한 전류 피드백 방 식의 밸브 제어 등이 있다. 목표 유량 및 유압에 따 른 전류 제어는 밸브에 흐르는 전류를 제어하기 위 해서는 밸브를 통전시키거나 단락시켜 원하는 전류 값에 도달하도록 만드는 방법이며, 목표 전류를 위 한 PWM 주파수 제어는 전류의 흐름을 상승과 하강 을 반복하여 원하는 전류 값에 도달하게 하는 것이 다. Dither 진폭 및 주기 제어는 정전류를 제어하지 않고 Dither 주파수를 적용하여 제어한다.
SOC를 이용한 전류 피드백 방식의 밸브 제어는 비례제어밸브의 흐르는 전류를 아날로그 값으로 측 정하여 전류를 도통시키는 역할을 모두 MPU가 부 담했던 다른 제어 방식과 달리, Fig. 4와 같이 전류 제어만을 목적으로 하는 SOC를 적용하여 전류 제 어에 대한 연산 부담을 감소시키는 것이 특징이다.
이러한 SOC에 전류 목표 값을 명령할 수 있는 통신 부를 추가 설계하여 전류의 제어 명령만을 CPU에 서 계산하여 전송할 수 있도록 설계된 것이 특징이 다. 또한, SOC는 전류 제어를 위한 역할만을 담당하 므로 SOC의 성능에 따라 복수의 비례제어밸브를 제어할 수 있으며, 하나의 SOC가 제어할 수 있는 성능을 초과하는 경우 복수의 SOC를 통해 시스템 을 확장할 수 있는 특징이 있다. 실제 트랙터에서는
Fig. 4 Schematic diagram of control system for single channel proportional valve
다채널 비례제어밸브 뿐만 아니라 다양한 디지털 및 아날로그 입출력이 존재하며, 차량의 각 전자 제 어기와 통신을 위한 CAN 통신 모듈을 포함하여야 한다. 따라서 양산 트랙터에서 바로 적용이 가능한 수준의 통합 전자 제어 하드웨어의 개발이 필요하 다. 트랙터의 파워셔틀은 전진과 후진 주행을 위하 여 2개 이상의 비례제어밸브를 사용하고 있다. 따라 서, 본 기술해설에서는 복수의 비례제어밸브를 제어 할 수 있는 SOC를 이용한 전류 제어 시스템을 제안 하였다.
4. 다채널 비례제어밸브 제어 방법
4.1 밸브 테스트 벤치
다채널 비례제어밸브를 사용하여 SOC의 전류 제 어 시스템 시험을 위해서는 동시 구동 가능한 밸브 테스트 벤치 개발이 필요하다. Fig. 5는 밸브 간의 시험 결과 편차를 확인하기 위해 총 4개의 비례제 어밸브를 구동시킬 수 있는 밸브 테스트 벤치 사례 이다.
4.2 전류 제어 성능
전류 제어 성능 평가는 개발된 전자 제어 시스템 의 전류 제어 정확도를 시험하기 위해 4개의 비례 제어밸브를 동시에 구동하였으며, 트랙터의 전자식 유압제어의 클러치의 연결과 해제에서 사용되는 목 표 전류 프로파일을 Fig. 6과 같이 가정하여 시험하 였다. 일반적인 트랙터의 클러치 연결 동작에서는 빠른 응답성과 부드러운 변속을 요구한다. 이러한 요구사항을 만족하기 위해서는 빠른 유압 반응을
Fig. 5 Photos of test bench for performance evaluation of proportional valve control (Valve test bench, Gint Co.,Ltd, Korea)
Fig. 6 Target current profile of proportional valve control for F/R power shuttle of agricultural tractor
위한 약 50 ms 동안의 Fill time과 부드러운 변속을 위한 모듈레이팅 구간(50 ~ 250 ms)의 합성 전류로 신호를 출력시켰다. 또한, 클러치 해제 동작에서는 모듈레이팅만을 중점적으로 반영하여 선형적인 감 쇠커브로 전류를 출력시켜 성능 평가하였다.
밸브 테스트 벤치의 직류 정전압은 Fig. 7과 같이 목표 전류 제어의 정확도를 시험하기 위하여 먼저 비례밸브 전자 제어기와 밸브 테스트 벤치의 장착 된 비례제어밸브에 공통의 트랙터 배터리 전압인 12 V를 인가하였다. 성능 평가는 전압이 인가된 상 태에서 CAN 통신 드라이버를 전자 제어기와 연결 하고 목표 전류에 대한 프로파일을 입력한 후에, PC 프로그램을 통하여 출력을 분석하는 방법으로 진행하였다. 이때 실제 밸브에 흐르는 전류는 오실 로스코프를 통해 확인하고, PC 프로그램을 통해 설 정된 전류 프로파일과의 비교를 통해 정확도 평가 를 수행하였다. 밸브 전류의 실제 구동에서는 전류
Fig. 7 Evaluation method of control performance of proportional valve for F/R power shuttle of agricultural tractor
의 물리적인 특성상 특정 PWM 주기로 스위치를 제 어해야 함과 동시에 밸브의 내구수명의 연장과 니 들(Needle)의 빠른 응답성을 위한 Dither 성분이 포 함 된다. 전류 제어 성능 평가는 실제 밸브 구동 전 류와 구동 전류 출력을 명령하는 전자 제어기의 목 표 전류 파형을 비교하여 그 오차를 측정하였다.
4.3 밸브 전류 프로파일 시험 평가
성능 평가 시험은 클러치의 연결과 해제 시로 분 류하여 수행하였으며, 4개의 비례제어밸브에 대하여 목표 전류 프로파일을 입력하여 시험 결과를 분석 하였다. 시험 결과는 Table 1과 같이 총 4개의 전류 제어 오차율을 측정하였다. Dither 진폭 오차율과 출 력 전류 오차율은 클러치 연결 시 평균적으로 0.61%, 0.38%로 나타났으며, 클러치 해제 시에는 0.39%, 0.47%의 평균값으로 측정되었다. 시험 결과 전류 제어의 평균 오차율은 최대 1%를 넘지 않아 제어성이 양호하다고 판단된다.
5. 제어 시스템 안정성 평가
PC 프로그램은 목표 전류를 출력할 때와 출력하 지 않을 때 모두 소프트웨어 내부적으로 CPU 부하 율 계산을 수행하도록 소스 코드를 작성하였다. 이 때 계산된 CPU 부하율은 실시간으로 PC 프로그램 을 통해 확인할 수 있으며, 식 (1)과 같이 권고7)되는 CPU 부하율 한계를 초과하는지 비교하여 안정성을 평가하였다.
proportional valve
Item
Engage (%) Disengage (%) Dither
amplitude error rate
Output current error rate
Dither amplitude error rate
Output current error rate Valve #1 1.00 0.36 0.67 0.67 Valve #2 0.67 0.36 0.10 0.29 Valve #3 0.67 0.29 0.67 0.43 Valve #4 0.10 0.50 0.10 0.50 Average 0.61 0.38 0.39 0.47
≤
(1)Where, : utilization : number of tasks : period of task i
: computational time of task i
전자 제어기를 통해 비례제어밸브의 구동 시 최 대 부하 측정 결과는 Table 2와 같이 나타났다. 시 험 결과, 밸브 전류 생성 상태에 따라 CPU 부하율 이 다르게 나타난 것을 알 수 있다. 특히 목표 전류 가 변하는 경우에 연산부와 통신부의 CPU의 부하 가 증가하는 특징이 있다. 측정된 CPU 부하율 측정 결과를 바탕으로 RTOS CPU 부하 한계치와 비교해 보면, 시험 결과 최대 CPU 부하율 14.11%는 Task의 수를 5로 적용한 CPU 한계치 74.34%를 초과하지 않아 안정적인 시스템으로 판단할 수 있다.
Table 2 Results of CPU load measurement during proportional valve control
Condition CPU load measurement (%) Valve on 11.02 Engaging current generation 14.11 Constant current generation 11.21 Disengaging current generation 14.02 Valve off 11.01
트랙터의 전·후진 변속 방법으로 가장 많이 사용 되고 있는 파워셔틀 변속은 비례제어밸브의 전자유 압식 제어 시스템으로 구성되어 있다. 변속 충격, 주행 안전 등과 관련되어 있기 때문에 비례제어밸 브 제어는 파워셔틀 변속에 있어서 매우 중요한 요 소이다. 본 기술해설에서는 비례제어밸브의 전자 제 어 시스템에 대하여 소개하였으며, 밸브 테스트 벤 치를 통하여 제어 정확도와 제어 안정성의 성능 평 가를 위해 전류 제어 정확도와 CPU 부하를 측정한 사례8)를 소개하였다.
본 기술해설의 시스템은 전자식 유압제어를 위한 다채널 비례제어밸브의 제어 소프트웨어만 반영되 어 있다. 실제 트랙터에 파워셔틀을 개발하기 위한 프로세스는 Fig. 8과 같이 모듈 구현, 모듈 설계, 아 키텍쳐 설계, 시스템 설계 순으로 진행되며, 각각의 단계들은 검증이 필요하다. 시스템 검증 단계에서는 실차 조건으로 검증이 되어야 하며, 검증 항목으로 는 주행 모드 및 작업별 변속, 온도 변화에 따른 변 속 충격 및 변속 시간, 운전자의 변속감 등이 있다.
이와 같이 트랙터에 적용하기 위해서는 추가적인 입출력에 대해 보다 많은 기능들이 구현되어야 하 며, 최적화에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
비례제어밸브 제어는 자동변속기나 전자식 유압 제어에 있어서 매우 중요한 요소이므로, 전·후진 변 속의 제어 시스템은 변속이 진행되는 동안에 토크 와 회전속도의 변화가 매끄럽지 못하면 승차감이 저하되고, 동력전달 구성요소에 가해지는 부하 또한 맥동적일 수밖에 없다. 그러므로 변속 품질을 높이 기 위해서는 변속 진행 시 회전속도와 토크의 변동 을 최소화하기 위한 연구가 함께 이루어져야 한다.
Fig. 8 Development process of F/R power shuttle control system of agricultural tractor
또한, 트랙터에 제어 시스템을 탑재하여 실제 주 행 및 농작업을 실시하여 변속감이나 변속 품질에 대해 평가가 필요하다.
참고 문헌
1) KAMICO and KSAM, “Agricultural Machinery Yearbook Republic of Korea”, Korea, 2018.
2) C. H. Choi, M. N. Woo, D. H. Lee, Y. J. Kim and J. H. Jeong, “Development of Electric Actuator Position Control System for Automatic Shuttle Shifting of Tractor”, Journal of Biosystems Engineering, Vol.35, No.4, pp.224-230, 2010.
3) C. S. Song, Y. J. Lee and S. J. Yu, “A Study on the Analysis of Dynamic Characteristics of the Solenoid Valve of Automatic Transmission”, Journal of the Korean Society of Precision Engineering, Vol.12, No.8, pp.122-130, 1995.
4) H. S. Jung and K. I. Lee, “A Study on the Design of an Indirect Shift Transient Torque Controller for an Automatic Power Transmission System”, Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol.2, No.5, pp.110-120, 1994.
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6) J. C. Lee, “An Analytical Investigation of a Hydraulic Clutch System of Powershift Transmission”, Journal of Drive and Control, Vol.6, No.1, pp.65-71, 2009.
7) C. L. Liu, James W. Layland, “Scheduling Algorithms for Multiprogramming in a Hard-Real-Time Environment”, Journal of the
Association for Computing Machiner, Vol.20, No.1, pp.46-61, 1973.
8) Y. H. Kim, “Development of electronic control system for proportional control valve for agricultural tractor”, M.S. dissertation, Chungnam National University, Daejeon, Korea, 2018.
[저자 소개]
김용현
E-mail : [email protected] Tel : 070-4225-4120
2019년 충남대학교 농업기계공학과 석사 졸업. 2010～2012년 현대케피코 연구원.
2012～2015년 현대오트론 선임연구원.
2015년～현재 GINT(주) 대표이사. 차량 제어 SW 및 통합 플랫폼 연구에 종사, 한국정밀농업학회 무 인자동화분과 위원장.
김택진
E-mail : [email protected] Tel : 042-821-7870
2019년 충남대학교 농업기계공학과 석사 졸업. 2008～2018년 국제종합기계 선임 연구원. 2019년～현재 충남대학교 농업 기계공학과 박사 과정.
김용주
E-mail : [email protected] Tel : 042-821-6716
2008년 성균관대학교 바이오 메카트로닉 스학과 박사. 2008～2014년 LS엠트론 중앙연구소 동력기계기술그룹 그룹장.
2014년～현재 충남대학교 바이오시스템 기계공학과 부교수. 농업동력기계 설계 및 해석 연구에 종사, 한국농업기계학회, 한국정밀농업학회, 유공압건설기계학회 등 학회회원.
