KR100528645B1

KR100528645B1 - 차량용 조향축의 절대조향각 측정방법

Info

Publication number: KR100528645B1
Application number: KR10-2004-0002902A
Authority: KR
Inventors: 이종화
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2005-11-15
Also published as: US20050159868A1; KR20050075112A; US7447579B2

Abstract

본 발명은 차량용 조향축의 조향각을 측정하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상기 조향축이 회전함에 따라 소정의 회전비로 회전하는 두 개의 회전체를 이용하여 조향축의 조향각을 측정하는 방법에 관한 것이다.

Description

차량용 조향축의 절대조향각 측정방법{Method for measuring the absolute steering angle of steering shaft for vehicle}

조향축의 절대 조향각을 측정함에 있어서는 그 측정범위가 360°를 넘기 때문에 단지 각도센서만을 이용하여 이를 측정하는 것이 용이하지 않은 문제가 있다.

또한, 조향축의 조향각은 차량의 시동을 켰을 때 그것이 임의의 각도 위치에 있더라도 바로 측정될 수 있어야 한다.

미국특허 제5930905호와 제6466889B1호에서는 조향축이 회전함에 따라 일정한 회전비로 회전하는 제1회전체와 제2회전체의 회전각을 측정하여 이로부터 조향축의 절대 조향각을 얻는 방법을 소개하고 있다.

상기에서 제1회전체 및 제2회전체의 절대 회전각은 각각 Ψ=Ψ′+ iΩ와 θ=θ′+ jΩ로 표현될 수 있는데(여기서, Ω는 상기 Ψ′와 θ′를 측정하는 각도센서의 측정범위를 나타내고, i는 제1회전체의 절대 회전각 Ψ가 상기 Ω를 넘어선 횟수를 나타내는 정수로서 제1회전체의 주기수를 나타내고, j는 마찬가지로 제2회전체의 주기수를 나타냄), 상기의 미국특허는 모두 Ψ′와 θ′를 측정하여 소정의 계산과정을 거쳐 조향축의 절대 조향각 Φ를 얻고 있다.

상기의 미국특허 제5930905호에서는 상기의 Ψ′와 θ′를 측정하고, 그 측정된 값을 Ψ, θ 및 Φ 상호간의 기하학적 관계로부터 도출되는 아래와 같은 특정한 식(1)에 대입한 후 이를 반올림하여 정수값 k를 얻은 다음, 그 k와 Ψ′ 및 θ′을 이용해 아래의 식(2)를 통해 Φ를 계산하여 구하게 된다.

식(1)

식(2)

(여기서, m은 제1회전체의 기어 이빨 수, m+1은 제2회전체의 기어 이빨 수, n은 조향축에 형성된 기어 이빨 수로서 조향축에 제1회전체 및 제2회전체가 치합되어 있다.)

한편, 상기의 미국특허 제6466889B1호에서는 두 회전체의 절대 회전각 차이인 Ψ-θ과 제1회전체(제2회전체가 될 수도 있음)의 i의 관계를 이용해 i를 직접 구하여 조향각 Φ를 얻고 있다. 여기서, Ψ-θ는 측정하여 얻은 Ψ′-θ′이 음의 수인 경우에는 Ω를 더하여 구하고, 그렇지 않은 경우에는 그 값을 그대로 유지함으로서 구하고 있다. 그 다음 Ψ-θ와 i의 관계로부터 i를 계산하고, Ψ′과 i로부터 계산된 Ψ를 이용해 조향축의 절대 조향각 Φ를 얻는 방법을 취하고 있다.

이때, 각도센서의 측정범위는 Ω이므로 조향축이 최대로 회전되어 i가 k1이 되었을 때 상기의 회전각 차이 Ψ-θ는 Ω와 같거나 그보다 작아야 한다(단, 상기의 미국특허 제6466889B1호에서는 Ω와 같도록 하였음). 즉, 조향축이 최대로 회전될 때까지 상기의 회전각 차이 Ψ-θ는 0°에서 Ω까지 연속적으로 변하며, i는 0에서 k1까지 단계적으로 변하게 된다.

여기서, 미국특허 제6466889B1호에서는 상기의 회전각 차이 Ψ-θ이 0°에서 Ω까지 연속적으로 변할 때, i는 0에서 k1까지 연속적으로 변하여 선형비례관계이 있는 것으로 가정하고, 상기 두 개의 회전각을 측정하여 얻은 Ψ-θ에 k1/Ω을 곱하여 얻은 값으로부터 그 값보다 작은 최대의 정수값을 취하여 i를 얻고 있다. 예컨대, Ψ-θ에 k1/Ω을 곱하여 얻은 값이 5.9…인 경우 i는 5가 된다.

이와 같은 미국특허 제6466889B1호의 방법은 Ψ-θ의 최대값이 Ω보다 클 수 없기 때문에 i-j는 항상 0 또는 1이어야 하며, 2이상이 될 수 없는 제한을 받는다.

본 발명은 360° 범위를 넘어 회전하는 조향축의 절대 조향각을 측정하는 방법에 있어서, 센서의 측정오차로 인한 에러가 조향축의 조향각 상태에 따라 크게 발생할 수 있는 문제를 제거함으로서 조향축의 모든 조향각 상태에 대해 정확한 절대조향각을 측정할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의해 차량 조향축의 조향각을 측정하는 방법은, 조향축이 회전함에 따라 r1의 회전비로 회전하는 제1회전체와 상기 조향축이 회전함에 따라 r2의 회전비로 회전하는 제2회전체를 이용한다.

제1회전체의 절대 회전각 Ψ는 "Ψ′+ iΩ"로 표현될 수 있고, 제2회전체의 절대 회전각 θ는 "θ′+ jΩ"로 표현될 수 있으며, 각도센서를 이용해 상기의 Ψ′과 θ′을 측정하게 된다. 여기서, Ω는 상기 Ψ′와 θ′를 측정하는 각도센서의 측정범위를 나타내고, i는 제1회전체의 절대 회전각 Ψ가 상기 Ω를 넘어선 횟수를 나타내는 정수로서 제1회전체의 주기수를 나타내고, j는 마찬가지로 제2회전체의 주기수를 나타낸다. 즉, 제1회전체의 절대 회전각 Ψ는 측정범위가 Ω인 각도센서를 이용해 측정되는 상대 회전각 Ψ′과 주기수 i 및 Ω의 곱의 합으로 표현될 수 있고, 제2회전체의 절대 회전각 θ도 같은 방식으로 표현될 수 있다.

상기에서 각도센서의 측정범위 Ω는 180°나 360°또는 그 외의 다른 값이 될 수 있다. 그리고, 상기의 각도센서는 Ψ′과 θ′을 측정할 수 있는 것이라면 접촉식이건 비접촉식이건 관계없이 어떠한 종류라도 될 수 있으며, 바람직하게는 AMR(Anisotropic Magneto-Resistance) 센서이다.

본 발명에서는 측정범위가 Ω인 각도센서를 이용해 Ψ′과 θ′의 측정값 Ψ_M′및 θ_M′를 얻은 다음, Ψ′ 및 θ′의 관계로부터 상기 Ψ_M′에 대응될 수 있는 다수의 θ′들을 계산하여 그 계산값인 다수의 θc′들을 얻는다. 그리고, 상기 다수의 θc′들과 θ_M′을 비교하여 상기 제1회전체의 주기수 i를 얻고, 상기 i를 이용해 제1회전체의 절대 회전각 Ψ을 얻은 후 Ψ와 Φ의 관계로부터 조향축의 조향각 Φ(이를 Φ1이라 함)를 얻는다.

여기서, 상기의 주기수 i에 에러가 포함되는 경우에는 상기 Φ1은 큰 에러를 갖게된다. 예컨대, 상기의 주기수 i에 "±1"의 에러가 포함되면, 이로 인해 상기 Φ1에 포함되는 에러는 "±(Ω/r1)"이 된다.

따라서, 상기 다수의 θc′들과 θ_M′을 비교하여 상기 제1회전체의 주기수 i를 얻는 과정에서 에러가 포함되지 않도록 하는 것이 중요하다. 이를 위해 본 발명에서는, 상기 다수의 θc′들과 θ_M′을 비교함에 있어서, 상기 θ_M′이 상기 다수의 θc′들 중 최소의 θc′보다 작은 경우에는 상기 다수의 θc′들 중 최대의 θc′은 이로부터 Ω를 뺀 후 상기 θ_M′과 비교하고, 상기 θ_M′이 상기 다수의 θc′들 중 최대의 θc′보다 큰 경우에는 상기 다수의 θc′들 중 최소의 θc′은 이에 Ω를 더한 후 상기 θ_M′과 비교하게 된다.

이하에서는 도면에 나타난 실시예를 통해 보다 상세하게 설명하도록 한다. 도1에는 조향축(1)과 이에 치합되어 있는 제1회전체(2) 및 제2회전체(3)와, 상기 제1회전체 및 제2회전체의 상대회전각 Ψ′및 θ′을 측정할 각도센서(4,5)와, 상기 센서로부터 측정된 Ψ_M′및 θ_M′를 입력받아 소정의 연산을 수행하여 Φ를 결과로 출력하는 연산회로(6)가 나타나 있다.

여기서 조향축과 제1회전체의 회전비 r1은 7/4이고, 조향축과 제2회전체의 회전비 r2는 6.5/4이다(도1은 단지 이해를 돕기 위해 도시된 것이며, 상기 회전비와 일치하도록 정확하게 도시된 것이 아님). 도2에는 조향축이 총4회전하는 동안 상기 제1회전체의 상대회전각 Ψ′과 상기 제2회전체의 상대회전각 θ′의 관계를 나타내고 있다. 여기서, x축은 조향각 Φ이고, Ω는 180°이다. 그리고, 도3에는 상기 Ψ′및 θ′을 측정하여 조향축의 절대 조향각 Φ를 구하는 과정을 도식적으로 나타내고 있다.

여기서, 도2와 같은 제1회전체 및 제2회전체의 상대회전각 관계는 조향축의 조향각을 변화시키면서 제1회전체의 상대회전각 Ψ′과 제2회전체의 상대회전각 θ′을 측정함으로서 시험적으로 얻는 것이 가장 바람직하다.

도3에서 보이듯이 각도센서를 이용해 Ψ_M′및 θ_M′을 얻으면, 상기의 Ψ_M′으로부터 도2와 같은 관계를 이용해 상기 Ψ_M′에 대응될 수 있는 다수의 θ_C′들을 계산하여 얻는다(도3에서 θ_Ci′는 i에 대응하는 θ_C′을 의미함). 그리고, 이와 같이 얻은 다수의 θ_C′들 중 θ_M′과 가장 근접한 것을 찾음으로서 상기의 i를 구한다. 예컨대, Ψ_M′은 130°이고, θ_M′은 105°라고 가정하면, 도2와 같은 관계에서 Ψ′이 130°일 때 이에 대응될 수 있는 θ_C′은 i가 0에서 13까지 증가함에 따라 도2의 그래프에서 점으로 표시되고 있는 바와 같이 순차적으로 120.7°, 107.9°, 95°, 82.1°, 69.3°, 56.4°, 43.6°, 30.7°, 17.9°, 5°, 172.1°, 159.3°, 146.4°, 133.6°등이 된다. 이와 같은 다수의 θ_C′들 중 105°인 θ_M′과 가장 근접한 것은 107.9°이며, 이때 i는 1이 된다.

그리고, 이와 같이 얻은 주기수 i와 Ψ_M′을 이용해 조향축의 조향각 Φ1을 계산하면 다음과 같다.

식(3)

상기와 같은 방법으로 조향축의 절대조향각을 측정함에 있어서, 문제는 제2회전체의 실제 상대회전각 θ′이 0°나 또는 180°근처에 있을 때이다. 이때에는 측정오차가 조금만 포함되더라도 실제의 θ′과 측정치인 θ_M′이 크게 차이가 날 수 있고, 이로 인해 주기수 i에 에러가 포함될 수 있기 때문이다. 여기서, 측정오차는 백래쉬(Backlash)와 같은 기계적 원인에 의한 것일 수도 있고, 노이즈(noise)와 같은 전기적 원인에 의한 것일 수도 있다.

예컨대, 제1회전체의 실제 상대회전각 Ψ′은 130°이고, 제2회전체의 실제 상대회전각 θ′은 5°라고 가정하자. 그리고, 각도센서를 이용해 측정한 값은 Ψ_M′이 130°이고, θ_M′은 측정오차가 포함되어 178°가 되었다고 가정하자. 이와 같은 상태에서 130°인 Ψ_M′에 대응될 수 있는 다수의 θ_C′들 중 상기 178°와 가장 근접한 것은 θ_C′이 172.1°일 때이며, 이때 i는 10이 된다. 그리고, 상기 식(3)를 이용해 이때의 Φ1을 계산하면, Φ1은 1102.9°가 된다.

그러나, 측정오차가 포함되지 않았다면 θ_M′은 5°가 될 것이고, i는 9가 될 것이며, 이때의 정확한 Φ1은 1000°가 될 것이다. 즉, θ_M′에 측정오차가 포함됨으로서 이로부터 계산되는 조향축의 절대조향각은 102.9°(=Ω/r1)만큼의 에러를 갖게 된 것이다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는, 상기 계산값 θc′들을 얻는 단계와 상기 제1회전체의 주기수 i를 얻는 단계 사이에, 상기 θc′들에 대해 Ω를 더하거나 뺌으로서 상기 θc′들을 보정하는 단계를 추가로 포함하는 것이다.

그리고, 상기와 같은 보정은, 상기 θ_M′이 상기 다수의 θc′들 중 최소의 θc′보다 작은 경우에는 상기 다수의 θc′들 중 최대의 θc′으로부터 Ω를 뺌으로서 상기 최대의 θc′을 보정하고, 상기 θ_M′이 상기 다수의 θc′들 중 최대의 θc′보다 큰 경우에는 상기 다수의 θc′들 중 최소의 θc′에 대해 Ω를 더함으로서 상기 최소의 θc′을 보정하는 것을 내용으로 한다.

예를 들어, 제1회전체의 실제 상대회전각 Ψ′은 130°이고, 제2회전체의 실제 상대회전각 θ′은 5°라고 가정하자. 그리고, 각도센서를 이용해 측정한 값은 Ψ_M′이 130°이고, θ_M′은 측정오차가 포함되어 179.5°가 되었다고 가정하자. 그러면, 상기 130°인 θ_M′에 대응될 수 있는 다수의 θc′들은 상기와 같이 i가 0에서 13까지 증가함에 따라 순차적으로 120.7°, 107.9°, 95°, 82.1°, 69.3°, 56.4°, 43.6°, 30.7°, 17.9°, 5°, 172.1°, 159.3°, 146.4°, 133.6°등이 된다. 이와 같은 상황에서, 상기 179.5°인 θ_M′을 상기 다수의 θc′들과 비교할 때, 상기 θ_M′은 상기 θc′들 중 그 최대인 172.1°보다 크므로, 상기 다수의 θc′들 중 최소인 5°는 여기에 Ω인 180°를 더한 후 비교한다. 그러면, 상기 θ_M′과 가장 근접한 θc′는 5°이며, 이때 i는 9가 된다.

한편, 제1회전체의 실제 상대회전각 Ψ′은 134°이고, 제2회전체의 실제 상대회전각 θ′은 175.9°라고 가정하자. 그리고, 각도센서를 이용해 측정한 값은 Ψ_M′이 134°이고, θ_M′은 측정오차가 포함되어 1°가 되었다고 가정하자. 그러면, 상기 134°인 θ_M′에 대응될 수 있는 다수의 θc′들을 도2와 같은 관계로부터 얻으면, i가 0에서 13까지 증가함에 따라 순차적으로 124.4°, 111.6°, 98.7°, 85.9°, 73°, 60°, 47°, 34°, 21.6°, 8.7°, 175.9°, 163°, 150°, 137.3°등이 된다. 이와 같은 상황에서, 상기 1°인 θ_M′을 상기 다수의 θc′들과 비교할 때, 상기 θ_M′은 상기 θc′들 중 그 최소인 8.7°보다 작으므로, 상기 다수의 θc′들 중 최대인 175.9°는 이로부터 Ω인 180°를 뺀 후 비교한다. 그러면, 상기 θ_M′과 가장 근접한 θc′는 175.9°이며, 이때 i는 10이 된다.

상기의 두 예에서 보이듯이 본 발명에 의하면, θ_M′에 측정오차가 포함되더라도 i는 에러가 포함되지 않은 정확한 값으로 구해짐을 알 수 있다. 그리고, 이와 같이 정확하게 구해진 i를 식(3)에 적용함으로서 큰 에러가 없는 조향축의 절대조향각을 얻게 되는 것이다.

본 발명에 의하면, 제1회전체의 주기수 i를 구함에 있어서 "Ψ-θ"를 이용하지 않으므로 보다 정확한 절대조향각을 얻을 수 있다. 그리고, 상기 제1회전체의 주기수 i는 측정오차로 인한 에러(예컨대, ±1의 에러)가 포함되지 않으며, 따라서, 조향축의 절대조향각도 에러가 포함되지 않은 정확한 값으로 얻어지게 된다.

도1은 본 발명의 바람직한 하나의 실시예를 나타내고 있다.

도2는 조향축의 조향각에 따른 Ψ′과 θ′의 관계를 나타낸다.

도3은 본 발명에 의한 방법으로 조향축의 절대조향각을 측정하는 실시예를 나타내고 있다.

*도면의 주요부분에 대한 설명*

1...조향축, 2...제1회전체, 3...제2회전체, 4,5...각도센서, 6...연산회로

Claims

차량의 조향축이 회전함에 따라 각각 일정한 회전비로 회전하는 제1회전체 및 제2회전체를 이용하여 조향축의 절대조향각 Φ를 측정하는 방법에 있어서,

측정범위가 Ω인 각도센서를 이용하여 상기 제1회전체의 상대회전각 Ψ′을 측정하여 그 측정값인 Ψ_M′과 상기 제2회전체의 상대회전각 θ′을 측정하여 그 측정값인 θ_M′을 얻는 단계와;

상기 제1회전체의 상대회전각 Ψ′과 상기 제2회전체의 상대회전각 θ′사이의 관계로부터 상기 Ψ_M′에 대응될 수 있는 상기 제2회전체의 다수의 상대회전각 θ′들을 계산하여 그 계산값 θc′들을 얻는 단계와;

상기 다수의 θc′들과 θ_M′을 비교하여 상기 제1회전체의 주기수 i를 얻는 단계와;

상기 i를 이용해 제1회전체의 절대 회전각 Ψ를 얻은 후 Ψ와 Φ의 관계로부터 조향축의 절대조향각을 얻는 단계를 포함하여 구성되되;

상기 계산값 θc′들을 얻는 단계와 상기 제1회전체의 주기수 i를 얻는 단계 사이에, 상기 θc′들에 대해 Ω를 더하거나 뺌으로서 상기 θc′들을 보정하는 단계를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 차량용 조향축의 절대조향각 측정방법.
제1항에 있어서, 상기 θc′들을 보정하는 단계는,

상기 θ_M′이 상기 다수의 θc′들 중 최소의 θc′보다 작은 경우에, 상기 다수의 θc′들 중 최대의 θc′에 대해서 Ω를 뺌으로서 상기 최대의 θc′을 보정하는 단계인 것을 특징으로 하는, 차량용 조향축의 절대조향각 측정방법.
제1항에 있어서, 상기 θc′들을 보정하는 단계는,

상기 θ_M′이 상기 다수의 θc′들 중 최대의 θc′보다 큰 경우에, 상기 다수의 θc′들 중 최소의 θc′에 대해 Ω를 더함으로서 상기 최소의 θc′을 보정하는 단계인 것을 특징으로 하는, 차량용 조향축의 절대조향각 측정방법.
제1항에 있어서, 상기 θc′들을 보정하는 단계는,

상기 θ_M′이 상기 다수의 θc′들 중 최소의 θc′보다 작은 경우에는, 상기 다수의 θc′들 중 최대의 θc′에 대해서 Ω를 뺌으로서 상기 최대의 θc′을 보정하고,

상기 θ_M′이 상기 다수의 θc′들 중 최대의 θc′보다 큰 경우에는, 상기 다수의 θc′들 중 최소의 θc′에 대해 Ω를 더함으로서 상기 최소의 θc′을 보정하는 단계인 것을 특징으로 하는, 차량용 조향축의 절대조향각 측정방법.