자동차 임베디드 시스템에 대한 질문...

윗분 말씀대로 자동차쪽 임베디드는 최신 기술을 재빨리 들여오기보다는 이미 검증된 기술을 안정적으로 사용하는데 중점을 두고 있습니다. 물론, 가격 상승요인을 줄이기 위해 더 낮은 사양, 더 간단한 시스템으로 자동차를 제어하는 것이 중요하기 때문에 최적화가 필요하긴 합니다만 요새야 워낙에 하드웨어 기술이 발달해서 자동차 제어 정도에는 극한의 최적화가 필요하진 않습니다.

여튼간에 ECU의 가장 기본적인 몇가지 기능을 설명해드리면 제작에 조금은 도움이 되지 않을까 싶어 몇자 적어봅니다. 먼저 여기에 올라왔던 임베디드를 이용한 가솔린자동차 컨트롤시스템.을 읽어보시는 것도 좋을 듯 싶습니다.

ECU를 제작하고자 하는 경우 무엇보다도 feedback control에 대해 명확한 이해가 있어야 합니다. 시스템을 제작하기 전에 자신이 설계한 시스템이 stable한지 unstable한지 정도는 확인이 가능해야 하니까요. 또한 자동차에 들어가는 각 센서의 기능과 특성을 정확하게 알고 있어야 합니다. 가장 기본적인 공연비 제어의 경우에도 AFS, 크랭크 앵글 센서, 노킹센서, 산소센서정도는 항상 필요하거든요.

가솔린 엔진을 기준으로 할 때 가장 기본적으로 ECU에서 제어해 주어야할 것이 정상 상태(steady state)에서의 공연비 제어입니다. 연료와 공기가 일정하게 들어올 때 공기 유량 센서(Air Flow Sensor)를 통해 산소의 질량 류량(kg/s)를 계산하고 그에 따라 적절한 연료를 분사하는 것입니다. 매니폴더에 장착된 산소센서를 통해 들어오는 산소량을 이용하여 항상 공연비가 14.7:1에 근접하도록 만드는 것 또한 중요합니다.

최적의 출력을 내기 위한 노킹 감지도 아주 중요합니다. 최적의 출력을 내기 위해서는 노킹 감지및 제어가 필수적이지요. 출력을 높이기 위해 MBT까지 점화 시기를 진각시키는 경우 어느 한계 이상을 넘어가면 노킹이 발생하기 마련입니다. 일반적인 경우 기본 값으로 정해진 점회 시기에서 점점 점화 시기를 진각시키다가 노킹이 발생하는 순간 발생하는 특정한 파장의 주파수를 센서로 감지해서 점화 시기를 지각시키는 시스템입니다.

그 다음 중요한 것이 공회전 상태에서 낮은 RPM으로 엔진을 기동시키는 것 입니다. 공회전 상태에서는 엔진의 출력이 차량을 움직이는데 사용되지 않기 때문에 되도록 낮은 RPM에서 안정적으로 엔진을 구동시키는 것이 중요합니다. 쓰로틀이 닫혀있어서 소량의 공기만이 들어가기 때문에 에어컨 컴프레셔나 파워 스티어링의 유압 펌프와 같은 부하가 걸리는 경우 시동이 꺼질수도 있습니다. 이 역시 제어 해줄 필요가 있지요.

공회전 상태에서의 제어는 상식적으로 생각할 때 어려워 보이지 않지만 엔진 제조사에서 피나는 원가 절감 노력을 한 덕분에 공회전 상태에서 최적 RPM으로 엔진을 유지하는 것이 좀 꼬여 있습니다. 자세한 정보는 인터넷 검색해보시면 많이 나올겁니다.

저온 시동도 중요합니다. 온도가 아주 낮을 경우(-20도 이하) 연료가 아주 작은 방울로 바뀌어 공기와 섞이는게 잘 되지 않기 때문에 외기 온도를 측정하여 특정 조건보다 낮을 경우 연료를 평소때의 5~10배정도로 분사해줄 필요가 있습니다.

그 다음 중요한 것이 비정상 상태(transient state)에서의 공연비 제어입니다. 이 부분에 대해서는 저도 정확하게 아는 바가 없어서 말씀 드리기 힘드네요. :shock:

그리고 다른 시스템과의 통신도 빼먹을 수 없지요. 요즘의 오토 미션 같은 경우에는 자체적으로 TCU(Transmition Control Unit)을 가지고 있고 엔진과 연동하여 최적의 운행전략을 세웁니다. 거기다가 TCS, ESP 까지 들어가면 장난이 아니죠. 요즘엔 Throttle by wire를 사용하는 엔진이 많아서 악셀을 밟는 정도에 선형적으로 쓰로틀이 열리는 시스템은 거의 없다고 보시며 됩니다. 기본적으로 선형적인 값을 갖지만 TCU, ESP 등이 보정값을 넘기고 그 값까지 처리해서 최종적인 쓰로틀 개도 정도를 결정하는게 보편적입니다.

다른 시스템과의 통신은 취미로 제작하는 경우에는 무시해도 됩니다.

기타 다른 많은 제어가 필요하지만 기본적인 ECU를 제작하려고 하는 경우 정상 상태의 공연비 제어 정도로도 충분합니다.

하지만 가장 중요한건 ECU를 통한 제어가 엔진의 안정성(stability)를 보장할 수 있는가 하는 것과 몇개의 센서가 고장나더라도 엔진의 기본적인 작동에는 무리가 없어야 한다는 걸 꼭 명심해두셔야 합니다.

ECU 제작의 경우 외국에서 진행중인 megasquirt 프로젝트를 참고해보시는 것도 좋습니다.
(국내서의 경우 "ECU 내손으로 만들자"라는 책이 있긴 하지만 절대 비추합니다.)

그리고 내연 기관에 대한 공부를 하신다면 ECU 제작에 대한 감이 조금은 더 오지 않을까 싶습니다. 개인적으로는 PRENTICE HALL 에서 나온 Internal Combustion Engine 을 추천합니다. 책도 얇고 설명도 잘 되어 있습니다.

논문의 경우 www.ksae.org 에 가입하셔서 자료검색해보시면 몇몇 쓸만한 논문을 발견하실 수 있을겁니다. 자동차공학회지에 실리는 기사도 몇몇 쓸만한게 있구요.

아.. 그리고 ECU와 컴퓨터를 연결시킬 수 있다면 해당 ECU가 장착된 자동차의 정비지침서를 보는 것도 아주 큰 도움이 됩니다. 연식마다 ECU가 다른 경우도 있으니 꼭 해당 차량의 연식, 정확한 모델명을 알고 있어야 합니다.

도움이 되셨길 :)