KR0178945B1 - 자동차의 4륜 조향 시스템 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 4륜 조향 시스템 제어장치를 개시한다. 개시된 본 발명은, 회전방향에 따른 전륜각을 측정하는 한쌍의 제1 및 제2센서(3,4)와; 상기 제1및 제2센서(3,4)에 의해 측정된 전륜각과 차속이 각기 입력되어 목표 후륜각이 연산되는 한 쌍의 메인 및 서브 전자 제어 유니트(1,2)를 포함하고, 상기 메인 및 서브 전자 제어 유니트(1,2)는 연산된 목표 후륜각이 비교되도록 서로 연결되고, 또한 비교된 목표 후륜각을 판정하여 상대 전자 제어 유니트를 오류 모드로 전환시켜 리세트시키는 것을 특징으로 한다.

Description

자동차의 4륜 조향 시스템 제어장치

본 발명은 자동차의 4륜 조향 시스템 제어장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 4륜 조향 시스템에서, 전륜각과 차속에 따른 목표 후륜각을 연산함과 아울러 실제 후륜각과 비교판정하여 피드백이 이루어지도록 하는 전자 제어 유니트에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차의 조향장치는 자동차의 진행방향을 임의로 바꾸기 위한 장치로서, 대부분이 전륜 조향식이다. 이러한 전륜 조향장치는 조작기구와, 기어장치, 및 링크기구로 구성되어 있다. 조작기구는 운전자가 직접 조향조작을 하여, 그 조작력을 기어장치와 링크기구에 전달하는 부분으로서, 조향핸들, 조향축, 및 컬럼으로 구성되어 있다. 기어장치는 조향축의 회전을 감속하여 조작력을 증가시킴과 아울러 조작기구의 운동방향을 전환하여 링크기구에 전달하는 부분이다. 또한, 링크기구는 기어장치의 작동을 전륜에 전달하고, 또한 각 바퀴의 위치관계를 정렬하도록 지지하는 부분으로서, 피트먼 암, 드래그 링크, 너틀 암, 및 타이-로드로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성되어 있기 때문에, 조향핸들의 조작력은, 운전자가 조향핸들을 돌리면, 기어장치의 조향기어로 전달되면서 감속됨과 동시에 운동방향이 전환되어, 링크기구인 피트먼 암, 드래그 링크, 및 너틀 암을 거쳐서 너클 스핀들로 전달된다.

너클 스핀들은 킹 핀을 중심으로 회전운동을 하기 때문에 전륜의 움직임을 전환시키게 된다. 그리고, 좌우의 너클 스핀들은 너클 암을 통해 타이-로드와 연결되어, 한쪽 바퀴의 움직임을 반대쪽 바퀴에 전달하도록 되어 있다.

상기와 같이 구성된 전륜 조향장치는 전륜이 조향되면, 후륜은 전륜이 조향된 방향과 동일한 방향으로 조향된다. 즉, 조향 핸들의 조작에 의하여 발생된 횡력(lateral force)은 전륜의 링크기구에 전달되어 전륜을 조향시키고, 이어서, 후륜의 링크기구에 전달됨으로써, 전륜의 조향방향으로 후륜이 조향되게 된다.

그런데, 전륜 조향장치는 조향핸들의 조작력이 전륜의 링크기구에 전달된 후, 이어서 후륜의 링크기구에 전달되기 때문에, 전륜과 후륜 사이의 횡력 발생시점이 서로 다르게 되고, 이로 인하여 차량의 진행방향과 운전자의 주시 방향이 일치하지 않는 문제점, 즉 전류에 비해 후륜의 조향이 지연되어 운전자가 주시하는 방향보다 차량의 진행이 뒤처지는 문제점이 있었다.

이를 개선하기 위하여 조향핸들의 조작에 의해 전륜과 후륜을 동시에 작동시킬 수 있는 4륜 조향 시스템이 개발되었다. 4륜 조향 시스템은 전륜과 후륜에 횡력이 동시에 전달되도록 하므로써, 차량의 진행방향과 운전자의 주시 방향이 일치되게 할 수 있다. 이것을 전문용어로는 차량의 바디슬립 앵글(body slip angle)이 0이 되도록 한다라고 통상 표현하며, 저속에서는 차량의 조정성 향상을 의미하고, 고속에서는 주행 안정성 향상을 의미한다. 이를 위하여 후륜각은 저속에서는 역상(逆狀)이 되도록 전륜각과 반대방향으로 회전되고, 반면에 고속에서는 동상(同狀)이 되도록 전륜각과 반대방향으로 회전되어야만 작은 회전반경을 이루며 회전될 수가 있고, 고속에서의 회전은 후륜이 전륜과 동일한 방향으로 회전되어야만 큰 회전반경을 이루며 회전될 수가 있다.

즉, 횡축은 차속(㎞/h)을 나타내고 종축은 (후륜각/전륜각)을 나타낸 제1도의 그래프에 도시된 바와 같이, 차속이 40 내지 50㎞/h를 기준으로 그 이하에서는 역상을 나타내야만 저속에서의 조정성이 향상되고, 반면에 그 이상에서는 동상을 나타내어야만 고속에서의 주행성능이 향상될 수가 있게 된다.

상기와 같은 효과를 발휘하는 4륜 조향 시스템의 개략적인 구성도가 제2도에 도시되어 있다.

4륜 조향 시스템은 개발 초기에는 조향력이 유압 시스템에 의하여 전달되는 구조로 이루어져 있었으나, 최근에는 시스템의 단순화, 제어의 유연성의 향상을 위해 조향력이 주로 DC 모터인 액튜에이터에 의하여 전달되는 구조로 이루어져 있다.

이하, 모터가 엑튜에이터로서 작동하는 4륜 조향 시스템의 구조를 살펴보면, 전륜각 및 차속에 대한 정보가 수시로 입력되는 전자 제어 유니트에 의해 회전수가 제어되는 모터(1)는 그의 축(11)에 타이밍 벨트(2)에 연결되어 있다. 그리고, 상기 타이밍 벨트(2)는 풀리(도시되지 아니함)에 연결되어 있다. 또한, 풀리의 내주면에는 나사선이 형성되어 있고, 이 나사선에 볼 스크류(3)가 맞물리므로써 모터(1)의 회전운동이 볼 스크류(3)의 직선운동으로 전환된다. 상기 볼 스크류(3)의 일측에 링크(4)의 일측이 피봇연결되어 있다. 상기 링크(4)의 타단은 후륜(6)에 고정된 타이-로드(5)에 고정되어 있다. 또한, 상기 볼 스크류(3)의 타측에는 상기 모터(1)의 동력이 후륜(6)으로 전달되지 않게 되는 사태가 발생할 경우에 후륜(6)이 차량의 장축방향과 동일한 방향으로 정렬되도록 하기 위한 스프링(7)이 설치되어, 볼 스크류(3)에 복원력을 부여하도록 되어 있다.

상기와 같이 구성된 4륜 조향 시스템의 동작을 제3도를 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.

조향핸들을 조작하여 전륜각이 결정되면, 이 전륜각과 차량의 현재 속도가 전자 제어 유니트의 연산부(20)에 입력되고, 연산부(20)에 의해 목표 후륜각이 결정된다. 이 목표 후륜각은 제어기(21)로 전송되고, 이 목표 후륜각에 따라 제어기(21)는 제어 신호를 발송한다. 이어서, 이 제어 신호는 증폭기(22)에 의해 증폭된 후, 이 증폭된 신호에 의하여 상기 모터(1)가 구동된다.

따라서, 정해진 회전수만큼 모터(1)의 축(11)이 회전되고, 이 회전력이 타이밍 밸트(2)를 통해 볼 스크류(3)로 전달되므로써 볼 스크류(3)가 직선이동을 하게 된다. 따라서, 링크(4)도 같이 직선운동을 하게 되어 타이-로드(5)를 밀거나 당기므로써 후륜이 회전하게 된다. 이때, 후륜이 실제로 회전된 각, 즉 실제 후륜각이 측정되며, 이 후륜각이 연산부(20)에 의해 앞서 연산된 목표 후륜각과 비교된다. 만일, 차이가 있으면, 다시 제어기(21)에 의해 차이값이 보상되어 실제 후륜각이 목표 후륜각과 동일하도록 실행된다. 여기서, 실제 후륜각은 후륜각 측정장치에 의해 측정되는데, 후륜각 측정장치는 모터축(11)에 장착되고 외주면에 일정간격으로 수 개의 이(齒)가 형성된 기어와, 기어의 이가 근접하는 것을 감지하여 펄스를 발생시켜 전자 제어 유니트로 그 신호를 전송하는 한쌍의 센서에 의해 측정된다.

상기 센서로는 통상적으로 홀 센서(hall sensor)가 사용되며, 서로 대향하는 두 개의 영구자석 사이를 관통하여 도체가 직각으로 설치된 구조로 이루어져서, 도체에 전류를 공급하면, 도체내에서 전자는 공급전류와 자속의 방향에 대해 각각 직각으로 굴절되어 도체의 일측면에서는 전자가 과잉되고, 반면에 타측면에서는 전자가 부족하게 되어 두 면을 가로질러 전압이 발생하게 되는 홀 효과를 이용한 센서로서, 자동차의 회전속도를 계측하기 위한 센서로 주로 사용된다.

상기된 구조로 이루어진 후륜각 측정장치에 의해 측정된 실제 후륜각과 목표 후륜각을 비교판정하여 실제 후륜각이 목표 후륜각과 일치되도록 제어하는 4륜 조향 시스템의 제어장치인 전자 제어 유니트에는 후륜각 측정장치의 한쌍의 센서 오류(fail)를 대비하여 자기고장 진단(fail-safe)을 하기 위한 알고리즘이 구비되어 있다.

그러나, 자기고장 진단 알고리즘을 비롯하여 제어를 위한 모든 연산작업을 하는 전자 제어 유니트 자체의 오류가 발생된다면, 4륜 조향 시스템이 제어가 되지 않는 순간적인 방치상태가 되고, 오제어라는 결과로 이어질 수가 있으므로, 이를 반드시 대비해야 된다.

따라서, 전자 제어 유니트 자체의 오류를 대비하기 위한 방안이 요구되는데, 그 방안을 살펴보기 전에, 전자 제어 유니트의 오류 종류를 먼저 살펴보면 다음과 같다.

전자 제어 유니트 자체의 오류는 크게 하드웨어적인 오류와, 소프트웨어적인 오류로 구분할 수가 있다. 하드웨어적인 오류는 주변의 영향에 의해 비정상적으로 작동되는 전자 제어 유니트의 리세트(reset)가 있고, 소프트 웨어적인 오류는 전자 제어 유니트의 연산오류나 전류 자체의 노이즈에 의한 일시적인 연산오류가 있다.

상기된 전자 제어 유니트 자체의 오류를 극복하기 위한 종래의 방안이 와치-도그 타이머(watch-dog timer; 이하 그냥 타이머라 칭함)를 사용하는 것이다. 이 타이머는 전자 제어 유니트의 정상적인 활동중에 일정 주기의 펄스신호를 계속적으로 수신하여 전자 제어 유니트의 정상상태 여부를 확인하는 수단으로서, 일정주기의 펄스신호가 계속적으로 인가되지 않을 경우 전자 제어 유니트를 리세트시키는 동작을 수행하므로써 간헐적인 전자 제어 유니트의 자기고장 진단 알고리즘 기능으로 사용되어져 왔다.

그러나, 종래의 전자 제어 유니트 자체의 자기고장 진단 방안인 타이머는 전자 제어 유니트의 하드웨어적인 오류는 확인할 수 있지만, 소프트웨어적인 오류에는 전혀 대응할 수 없고, 또한 일정주기의 펄스신호가 계속적으로 인가되지 않을 경우 전자 제어 유니트를 리세트한 후, 리세트 상태를 즉시 해제하기 때문에 전자 제어 유니트의 자기고장 진단 방안으로는 적절하지 못하다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 종래의 4륜 조향 시스템의 제어장치에 구비되는 자기고장 진단방안의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 전자 제어 유니트 자체의 하드웨어적인 오류뿐만 아니라 소프트웨어적인 오류에도 능동적으로 대처할 수 있는 자동차의 4륜 조향 시스템 제어장치를 제공하는데 목적이 있다.

제1도는 일반적인 4륜 조향 시스템의 속도별 후륜각 계산곡선을 나타낸 그래프.

제2도는 일반적인 4륜 조향 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면.

제3도는 일반적인 4륜 조향 시스템의 제어 블럭도.

제4도는 본 발명에 따른 4륜 조향 시스템의 제어장치를 나타낸 회로도.

제5도는 본 발명의 메인 및 서브 전자 제어 유니트의 동작을 순차적으로 나타낸 흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 메인 전자 제어 유니트 2 : 서브 전자 제어 유니트

3 : 제1센서 4 : 제2센서

5,6 : 앤드 게이트 7 : 인버터

8 : H-브릿지 9 : 릴레이

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 회전방향에 따른 전륜각을 측정하는 한쌍의 제1 및 제2센서와; 상기 제1 및 제2센서에 의해 측정된 전륜각과 차속이 각기 입력되어 목표 후륜각이 연산되는 한쌍의 메인 및 서브 전자 제어 유니트를 포함하고, 상기 메인 및 서브 전자 제어 유니트는 연산된 목표 후륜각이 비교되도록 서로 연결되고, 또한 비교된 목표 후륜각을 판정하여 상대 전자 제어 유니트를 오류 모드로 전환시켜 리세트시키는 것을 특징으로 한다.

상기된 본 발명의 구성에 의하면, 4륜 조향 시스템의 제어장치인 전자 제어 유니트가 서로 상호보안되는 메인 및 서브의 2개로 구성되므로써, 각기 연산된 목표 후륜각이 서로 비교판정되어, 그 비교치가 설정된 범위를 벗어나게 되면 상대 전자 제어 유니트를 오류 모드로 전환시켜서 리세트를 시킬 수가 있고, 따라서 전자 제어 유니트의 하드웨어적인 오류뿐만이 아니라 소프트웨어적인 오류에도 능동적으로 대처할 수가 있게 된다.

[실시예]

이하, 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다.

제4도는 본 발명에 따른 4륜 조향 시스템의 제어장치를 나타낸 회로도이고, 제5도는 본 발명의 메인 및 서브 전자 제어 유니트의 동작을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.

제4도에 도시된 바와 같이, 4륜 조향 시스템을 제어하는 장치인 전자 제어 유니트가 메인(1)과 서브(2)로 구성된다. 상기 각 메인 및 서브 전자 제어 유니트(1,2)는 전륜각을 측정하는 한쌍의 제1 및 제2센서(3,4)로부터 전륜각이 입력되도록 연결된다. 상기 메인 및 서브 전자 제어 유니트(1,2)는 상호통신이 되도록 연결되어, 제1 및 제2센서(3,4)로부터 입력된 전륜각과 현재 차속에 따른 목표 후륜각을 각기 연산하여, 이 연산된 목표 후륜각을 상대 전자 제어 유니트로 보내 서로 비교하게 된다.

상기 메인 전자 제어 유니트(1)에는 후륜 조향 장치의 구동원인 엑튜에이터, 예를 들면 모터를 구동시키기 위한 신호인 펄스 폭 변조 드라이버 시그널(Pulse Width Modulation driver signal; 이하 PWM 드라이버 시스널이라 칭함)이 송신되는 채널이 연결되고, 이 채널에는 앤드 게이트(5:AND gate)가 설치된다. 또한, 앤드 게이트(5)는 인버터(7:inverter)에 연결되고, 상기 인버터(7)는 임피던스를 측정하기 위한 일종의 교류 브릿지인 H-브릿지(8)에 연결된다. 이 H-브릿지(8)가 릴레이(9)를 통해 배터리 전원에 연결된다.

또한, 상기 메인 및 서브 전자 제어 유니트(1,2)에는 각기 연산되어 비교된 목표 후륜각이 설정된 범위를 벗어나면, 상대 전자 제어 유니트를 오류 모드로 전환시키기 위한 채널이 각각 연결되고, 이 채널에도 다른 하나의 앤드 게이트(6)가 설치된다. 앤드 게이트(6)에서 이어지는 오류 모드 채널은 상기 앤드 게이트(5)에 연결됨과 아울러, 그 중간에서 분기되어 상기 릴레이(9)의 동작을 제어하도록 연결된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 실시예의 동작을 제5도를 참고로 하여 상세히 설명한다.

메인 및 서브 전자 제어 유니트(1,2)의 동작은 동시에 진행하게 된다. 즉, 단계 ST1에서, 제1 및 제2센서(3,4)로부터 측정된 전륜각이 메인 및 서브 전자 제어 유니트(1,2)로 각기 입력된다.

그 다음, 단계 ST2에서, 입력된 전륜각과 그 당시의 차속에 의거하여 메인 및 서브 전자 제어 유니트(1,2)가 각기 목표 후륜각인 Ra1 및 Ra2를 연산하게 된다. 이때, 메인 서브 전자 제어 유니트(1,2)에서 제1 또는 제2센서(3,4)의 오류가 판명되면, 즉시 각 전자 제어 유니트(1,2)는 오류모드로 전환된다.

제1 및 제2센서(3,4)가 정상이면, 단계 ST3에서 각기 연산된 목표 후륜각이 상호교환된다. 이러한 상호통신 과정에서, 일정시간이내에 통신이 원활하게 이루어지지 않으면 무응답으로 간주, 즉 상대 전자 제어 유니트의 하드웨어적인 오류로 간주되어 상대 전자 제어 유니트를 오류 모드로 전환시켜 리스트시킨다.

상기와 같은 하드웨어적인 오류가 아니면, 단계 ST4에서 메인 및 서브 전자 제어 유니트(1,2)는 수신된 목표 후륜각과 연산된 목표 후륜각을 비교한다.

비교된 값이 설정된 범위인 문턱값(TL;threshold level)을 벗어나지 않으면, 즉이 만족되면 메인 및 서브 전자 제어 유니트(1,2)가 모두 정상상태로 판정하여, 단계 ST5에서 메인 전자 제어 유니트(1)는 PWM 드라이버 시그널을 전송하여 엑튜에이터를 구동시키게 된다.

반면에, 단계 ST4에서 비교된 값이 문턱값을 벗어나면, 소프트웨어 오류인 연산오류로 판정하여 상대 전자 제어 유니트를 오류 모드로 전환시키게 된다.

먼저, 메인 전자 제어 유니트(1)에서 비교된 값이 문턱값을 벗어나면, 서브 전자 제어 유니트(2)가 오류상태인 것으로 판정되어, 단계 ST6에서 오류 모드 채널의 출력값을 로우(low)로 설정하여 PWM 드라이버 시그널이 앤드 게이트(6)에 의해 기본적으로 차단되게 하고, 릴레이(9)를 '오프'시키므로써 서브 전자 제어 유니트(2)를 리세트시킨다. 그런 다음, 단계 ST7에서 메인 전자 제어 유니트(1)는 그 자신이 무한 루프상태로 되어, 더 이상의 제어를 포기하는 상태가 되며, 오류 메시지를 출력하여 운전자가 이러한 상황을 알 수 있도록 한다.

반대로, 서브 전자 제어 유니트(2)에서 비교된 값이 문턱값을 벗어나면, 메인 전자 제어 유니트(1)가 오류상태인 것으로 판정되어, 단계 ST8에서 오류 모드 채널의 출력값을 로우로 설정하여 PWM 드라이버 시그널이 앤드 게이트(6)에 의해 기본적으로 차단되게 하고, 릴레이(9)를 '오프' 시키므로써 메인 전자 제어 유니트(1)를 리세트시킨다. 그런 다음, 단계 ST9에서 서브 전자 제어 유니트(2)는 그 자신이 무한 루프상태로 되어, 더 이상의 제어를 포기하는 상태가 되며, 오류 메시지를 출력하여 운전자가 이러한 상황을 알 수 있도록 한다. 또한, 무한 루프상태가 된 메인 또는 서브 전자 제어 유니트(1,2)는, 운전자가 전체 4륜 조향 시스템을 리세트시키지 않는 한, 오류 모드상태 그대로 유지된다.

상기된 바와 같이 본 발명에 의하면, 후륜각을 제어하는 장치인 전자 제어 유니트가 메인 및 서브 2개로 구성되어, 각각에 의해 연산된 목표 후륜각을 서로 비교판정하여 상대 전자 제어 유니트를 오류 모드로 전환시키게 되므로써, 센서의 오류인 하드웨어적인 오류뿐만이 아니라 전자 제어 유니트 자체의 소프트웨어적인 오류에도 능동적으로 대처할 수가 있게 되어, 4륜 조향 시스템의 제어가 보다 확실하게 이루어질 수가 있다.

기타, 본 발명은 상기의 실시예에 한정하는 것은 아니며, 그 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (1)

1. 회전방향에 따른 전륜각을 측정하는 한쌍의 제1 및 제2센서와; 상기 제1 및 제2센서에 의해 측정된 전륜각과 차속이 각기 입력되어 목표 후륜각이 연산되는 한쌍의 메인 및 서브 전자 제어 유니트를 포함하고, 상기 메인 및 서브 전자 제어 유니트는 연산된 목표 후륜각이 비교되도록 서로 연결되고, 또한 비교된 목표 후륜각을 판정하여 상대 전자 제어 유니트를 오류 모드로 전환시켜 리세트시키는 것을 특징으로 하는 자동차의 4륜 조향 시스템 제어장치.