KR100590691B1 - 차량의 전동식 조향장치 및 방법 - Google Patents

차량의 전동식 조향장치 및 방법 Download PDF

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KR100590691B1 KR1020050030633A KR20050030633A KR100590691B1 KR 100590691 B1 KR100590691 B1 KR 100590691B1 KR 1020050030633 A KR1020050030633 A KR 1020050030633A KR 20050030633 A KR20050030633 A KR 20050030633A KR 100590691 B1 KR100590691 B1 KR 100590691B1
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자동차부품연구원
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Abstract

본 발명은 차량의 전동식 조향장치 및 방법에 관한 것으로서, 차량의 전동식 조향장치에 있어서, 조향휠 회전각 및 차속을 각각 감지하는 조향각센서(110) 및 차속센서(120)와, 조향각센서(110) 및 차속센서(120)로부터 검출되는 조향휠 회전각 및 차속을 수신받아 기설정 프로그램에 의해 조향반력 및 조향구동 제어신호를 각각 출력하는 조향제어부(130)와, 조향제어부(130)의 조향반력 제어신호를 수신받아 조향휠(1)로 조향반력을 생성하는 조향반력모터(140)와, 조향제어부(130)의 조향구동 제어신호를 수신받아 차량의 조향각을 조절하는 조향구동모터(150)와, 조향구동모터(150)의 이상여부를 감지하는 조향구동모터감지부(160)와, 조향구동모터감지부(160)의 감지신호를 수신받아 조향구동모터(150)의 이상시 차량의 조향각이 조향각센서(110)로부터 수신받는 조향휠 회전각에 상응하도록 차량의 차륜(2,3)마다 설치된 제동기(4)를 각각 제어하는 비상조향제어부(170)를 포함한다. 따라서, 본 발명은 차량의 조향각을 조절하는 조향구동모터의 이상여부를 정확하게 판단하여 조향구동모터의 이상으로 인한 조향이 어려운 경우라도 차륜마다 설치된 제동기 등의 기존 장치를 사용하여 안정적으로 조향이 가능하도록 함으로써 차량의 중량이나 생산단가의 증가없이도 조향구동모터의 고장으로부터 운전자의 안전을 확보할 수 있는 효과를 가지고 있다.

Description

차량의 전동식 조향장치 및 방법{ELECTRIC WAY POWER STEERING APPARATUS AND METHOD THEREOF}
도 1은 종래의 차량의 전동식 조향장치를 도시한 구성도이고,
도 2는 종래의 다른 차량의 전동식 조향장치를 도시한 구성도이고,
도 3은 종래의 또 다른 차량의 전동식 조향장치를 도시한 구성도이고,
도 4는 본 발명에 따른 차량의 전동식 조향장치를 도시한 구성도이고,
도 5는 본 발명에 따른 차량의 전동식 조향방법을 도시한 흐름도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110 : 조향각센서 120 : 차속센서
130 : 조향제어부 131 : 조향토오크센서
140 : 조향반력모터 150 : 조향구동모터
160 : 조향구동모터감지부 170 : 비상조향제어부
180 : 랙변위센서
본 발명은 차량의 전동식 조향장치 및 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게 는 조향구동모터의 이상으로 인해 조향이 어려운 경우라도 차륜마다 설치된 제동기 등의 기존 장치를 사용하여 안정적으로 조향이 가능하도록 하는 차량의 전동식 조향장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 동력조향장치는 운전자의 조작에 의해 회전하는 조향휠의 회전각에 비례하는 각도로 전륜의 회전축 방향을 바꾸어서 차량의 진행방향을 전환하는 장치로서, 특히 조향휠에 의해 회전되는 조향축이나 그 조향축에 의해 작동되는 조향링크에 대하여 별도의 구동수단에 의해 토오크를 가해서 조향축의 회전력을 보충함으로써 운전자가 조향휠을 정확하고도 쉽게 조작할 수 있도록 한다.
이러한 차량의 동력조향장치는 조향축의 회전력 보충에 이용되는 동력의 종류에 따라 유압을 이용하는 유압식과 전동모터의 구동력을 이용하는 전동식으로 구분되며, 이들 중에서 차량의 유압식 조향장치는 오일펌프, 유압을 기계적인 토오크로 변환시키는 유압 액츄에이터, 유압 액츄에이터를 제어하기 위한 제어장치 및 이러한 장치들의 정확한 작동을 확보하기 위한 여러 가지 부품들이 요구되므로 중량이 커지고 복잡한 구조로 인해 전동식 조향장치가 널리 사용됨과 아울러 이에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다.
종래의 차량의 전동식 조향장치를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 차량의 전동식 조향장치를 도시한 구성도이다. 도시된 바와 같이 종래의 차량의 전동조향장치(10)는 조향휠(1)의 회전하는 각도 및 차량의 속도를 각각 감지하는 조향각센서(11) 및 차속센서(12)와, 조향각센서(11) 및 차속센 서(12)로부터 검출되는 조향휠 회전각 및 차속을 통해서 조향반력 및 조향구동을 위한 제어신호를 각각 출력하는 조향제어부(13)와, 조향제어부(13)의 조향반력 제어신호에 의해 조향휠(1)로 조향반력을 제공하는 조향반력모터(14)와, 조향제어부(13)의 조향구동 제어신호에 의해 차량의 조향각을 조절하는 조향구동모터(15)를 포함한다.
조향제어부(13)가 조향반력모터(14)를 제어하여 조향휠(1)로 원하는 토오크를 제대로 전달하는지를 확인하기 위해 조향휠(1)의 회전중심축인 조향축(1a)에 조향토오크센서(17)가 설치된다. 또한 조향휠(1)의 회전방향 및 각도에 따라 전륜(2)의 회전축이 제대로 회전하는지를 알아보기 위해 랙변위센서(18)가 마련된다.
이와 같은 전동식 조향장치(10)는 고장시 조향을 유지하도록 하기 위하여 여분의 조향구동모터(16)와 그 밖에 각종 센서나 제어기 등을 두 개 이상 구비하여 사용하도록 함으로써 본래의 기능을 지속적으로 구현하여 고장시 안전을 확보한다.
그러나 이러한 전동식 조향장치(10)는 실제 차량에서 같은 기능을 수행하는 조향구동모터, 센서, 제어기 등을 두 개 이상씩 장착하는 것은 차량의 단가를 상승시킬 뿐만 아니라 차량의 한정된 장착공간을 고려하면 실현 가능성이 어렵다는 문제점을 가지고 있었다.
그러므로 이러한 문제점을 해결하기 위해서 전동시 조향장치에 사용되는 센서들의 물리량을 고려하여 센서간의 수식적 관계를 도출하고 제어기에서 센서 고장이나 결함을 판단하여 고장센서를 대체하여 다른 센서의 값을 이용함으로써 센서 고장으로 인한 안전문제를 해결하려는 기술도 있으나 이는 전동식 조향장치의 고 장, 특히 조향구동모터(15)의 고장에 대한 안전 문제를 해결할 수 없다.
또한 도 2 및 도 3에 도시된 종래의 다른 실시예들에 따른 차량의 전동식 조향장치(20,30)는 기존의 컬럼(21)을 제거하지 않고 기계적 연결을 그대로 두어 전동 조향장치의 고장이나 결함시 컬럼(21)의 기계적 연결을 이용하여 조향력을 전달하거나 전자식 클러치(31)를 적용하여 전동식 조향장치의 고장에 대한 문제를 해결하고자 하고 있다.
그러나 이러한 종래의 다른 실시예들에 따른 차량의 전동식 조향장치(20,30)는 기존의 컬럼(21)을 두는 경우 전동식 조향장치의 장점을 제대로 구현할 수 없는 구조로서 대안으로는 적당하지 못하며, 전자식 클러치(31)를 사용할 경우 이를 설계하거나 구현하는 것이 쉽지 않아 실제 차량에 장착시 정확한 클러치의 구동과 컬럼과 랙의 클러치에 의한 전기적 연결로써 조향력을 제대로 전달할 수 있는 보장이 없다는 문제점을 가지고 있었다.
이와 같이 종래의 전동식 조향장치(10,20,30)들에 대한 고장 안전장치는 결과적으로 장착의 어려움, 차량의 생산단가 상승, 차체 무게 증가로 인한 연비 하락 등의 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 차량의 조향각을 조절하는 조향구동모터의 이상시 기존의 장치나 구성부품을 사용하여 안정적으로 조향이 가능하도록 하며, 차량의 중량이나 생산단가를 증가시킬 필요가 없는 차량의 전동식 조향장치 및 방법을 제공하는데 있다.
이하 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 차량의 전동식 조향장치를 도시한 구성도이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 차량의 전동식 조향장치(100)는 조향각센서(110) 및 차속센서(120)와, 이들로부터 검출되는 조향휠 회전각 및 차속에 의해 제어신호를 출력하는 조향제어부(130)와, 조향제어부(130)로부터 출력되는 제어신호에 따라 조향반력 및 차량의 조향각을 조절하는 조향반력모터(140) 및 조향구동모터(150)와, 조향구동모터(150)의 이상여부를 감지하는 조향구동모터감지부(160)와, 조향구동모터(150)의 이상시 차륜(2,3)마다 설치된 제동기(4)를 각각 제어하는 비상조향제어부(170)를 포함한다.
조향각센서(110)는 운전자의 조작에 의해 회전하는 조향휠(1)의 회전각도를 측정하여 감지신호를 조향제어부(130) 및 비상조향제어부(170)로 각각 출력한다.
차속센서(120)는 차량의 속도를 측정하여 감지신호를 조향제어부(130)로 출력한다.
조향제어부(130)는 조향각센서(110) 및 차속센서(120)로부터 검출되는 조향휠 회전각 및 차속에 대한 감지신호를 수신받아 기설정 프로그램에 의해 조향휠 회전각 및 차속에 상응하는 조향 반력이 조향휠(1)로 전달되도록 함과 아울러 차량의 조향각을 조절하기 위해 각각 계산된 모터구동전류를 조향반력모터(140) 및 조향구 동모터(150)로 공급함으로써 이들을 제어한다.
조향반력모터(140)는 조향휠(1)의 회전중심축인 조향축(1a) 또는 조향축(1a)에 의해 작동되는 조향링크(미도시)에 설치되어 토오크를 가해서 조향축(1a)의 회전력을 보충하여 운전자가 주행중에 조향휠(1)을 쉽게 조작할 수 있도록 한다. 한편, 조향제어부(130)는 조향휠(1)의 조향축(1a)에 설치되는 조향토오크센서(131)로부터 검출되는 조향축(1a)의 토오크를 수신받아서 조향반력모터(140)가 조향축(1a)에 원하는 토오크를 제대로 가하는지 판단하도록 한다.
조향구동모터(150)는 조향휠(1)의 회전각도에 비례하여 전륜(2)의 회전축이 회전하는 각도, 즉 조향각을 조절하기 위하여 조향제어부(130)에 의해 제어되고, 전륜(2)의 회전축 전환을 위해 구동력을 제공하며, 조향구동모터감지부(160)에 의해 그 이상여부가 모니터링된다.
조향구동모터감지부(160)는 조향구동모터(150)의 전류를 모니터링함으로써 조향구동모터(150)의 이상여부를 판단하게 되는데 예를 들면, 조향구동모터(150)의 입.출력 전류량간의 관계가 설정 범위를 벗어나는 경우 또는 주행중임에도 조향구동모터(150)로의 전류 공급이 없는 경우 등에 조향구동모터(150)에 이상이 발생함을 감지하게 된다. 조향구동모터감지부(160)는 이외에도 조향휠 회전각과 랙변위를 통해서도 조향구동모터(150)의 이상여부를 감지할 수 있다. 즉, 조향구동모터감지부(160)는 조향구동모터(150)의 구동에 의해 전륜(2)의 회전축 각도 전환을 위해 직선운동을 하게 되는 랙(미도시)의 변위를 랙변위센서(180)를 통해서 검출하고, 이러한 랙변위를 조향각센서(110)에 검출되는 조향휠 회전각과 비교하여 이들의 관 계가 설정된 범위를 벗어나는 등 랙변위가 조향휠 회전각에 상응하지 못하는 경우 조향구동모터(150)에 이상이 발생한 것으로 판단한다.
조향구동모터감지부(160)는 조향구동모터(150)의 이상여부를 상기의 두 가지 방법중 어느 하나를 사용하거나 두 가지 방법을 순차적으로 사용할 수 있다.
비상조향제어부(170)는 조향구동모터감지부(160)로부터 출력되는 조향구동모터(150)의 이상여부에 대한 감지신호를 수신받아 조향구동모터(150)의 이상시 차량의 조향각이 조향각센서(110)로부터 수신받는 조향휠 회전각에 상응하도록 차량의 차륜(2,3)마다 설치된 제동기(4)를 각각 제어한다. 즉, 비상조향제어부(170)는 조향구동모터감지부(160)에 의해 조향구동모터(150)에 이상이 발생한 것으로 판단되면 차륜(2,3)에 각각 마련된 제동기(4)를 각각 동작시키는 제동구동부(5)를 제어하여 조향휠(1)의 회전방향에 따라 양측 차륜(2,3)간의 제동력에 차등을 두어서 차량 조향각을 조절한다.
제동구동부(5)는 제동기(4)에 동작을 위해 유압을 공급 또는 배출시키는 다수의 솔레노이드밸브와 유압펌프 등으로 이루어져서 차량의 자세 안정성(Electronic Stability Program : ESP)에 사용되는 유압제어수단을 사용할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 차량의 전동식 조향방법을 도시한 흐름도로서 본 발명의 차량의 전동식 조향장치(100)의 작용과 함께 설명하기로 하겠다. 본 발명에 따른 차량의 전동식 조향방법은 조향휠 회전각 및 차속을 측정하는 단계(S10)와, 조향반력모터(140) 및 조향구동모터(150)를 제어하는 단계(S20)와, 조향구동모터 (150)의 이상여부를 판단하는 단계(S30)와, 조향구동모터(150)의 이상시 제동기(4)를 각각 제어하는 단계(S40)를 포함한다.
조향휠 회전각 및 차속을 측정하는 단계(S10)는 차량이 주행중인지를 판단하고(S11), 차량이 주행중이면 조향각센서(110) 및 차속센서(120)를 통해 운전자의 조작에 의해 회전하는 조향휠(1)의 회전각 및 차량의 속도를 측정한다(S12).
조향반력모터(140) 및 조향구동모터(150)를 제어하는 단계(S20)는 조향각센서(110) 및 차속센서(120)로부터 검출된 조향휠 회전각 및 차속을 조향제어부(130)가 수신받아서 기설정 프로그램에 의해 조향휠(1)을 통해 운전자에게 전달되는 조향 반력과 차량의 진행방향을 결정하는 조향각을 계산하여 이들을 얻기 위한 조향반력모터(140) 및 조향구동모터(150)의 구동전류를 각각 계산하고(S21), 조향반력모터(140) 및 조향구동모터(150)를 계산된 구동전류로 구동시킴으로써(S22) 조향반력모터(140)는 조향휠 회전각 및 차속에 해당하는 토오크를 조향축(1a) 또는 조향축(1a)의 조향링크(미도시)에 가하여 조향휠(1)에 회전력을 보충하여 운전자가 주행중에 조향휠(1)을 안전하고도 정확하게 조작할 수 있도록 하며, 조향구동모터(150)는 운전자의 조작에 의한 조향휠(1)의 회전각도에 비례하여 전륜(2)의 회전축이 회전하도록 한다.
조향구동모터(150)의 이상여부를 판단하는 단계(S30)는 조향구동모터감지부(160)가 조향구동모터(150)의 전류를 모니터링을 통해서 판단하게 되며(S32), 조향구동모터(150)의 전류 모니터링을 통한 이상여부 판단(S32) 이전에 조향휠 회전각과 랙변위를 통해서 조향구동모터(150)의 이상여부를 먼저 판단할 수 있도록 함이 바람직하다. 즉, 조향구동모터감지부(160)가 랙변위센서(180)를 통해서 검출된 랙변위가 조향각센서(110)로부터 검출된 조향휠 회전각에 상응하는지를 판단하여(S31) 랙변위가 조향휠(1)의 회전각에 상응하는 값을 가지면 조향구동모터(150)는 정상이며, 랙변위가 조향휠(1)의 회전각에 상응하는 값을 가지지 못하면 조향구동모터(150)가 이상이 발생한 것으로 1차적으로 판단하게 되며, 조향구동모터감지부(160)는 이러한 조향구동모터(150)의 전류를 모니터링하여 조향구동모터(150)의 입.출력 전류량간의 관계가 설정된 범위를 벗어나거나 또는 주행중임에도 조향구동모터(150)로의 전류 공급이 없으면 조향구동모터(150)에 이상이 발생됨을 최종적으로 판단하게 된다. 따라서, 조향구동모터(150)의 이상여부를 다단계로 정확하게 판단하게 된다.
조향구동모터(150)의 이상시 제동기(4)를 각각 제어하는 단계(S40)는 조향구동모터(150)에 이상이 발생하면 조향휠(1)의 회전방향 및 각도에 비례하여 차량의 진행방향이 전환되도록 차륜(2,3) 각각에 마련된 제동기(4)의 제동력을 계산하여(S41) 제동기(4)로부터 발생되는 제동력이 계산된 값을 가지도록 제동기(4)를 구동시키는 제동구동부(5)를 제어하여 조향휠(1)의 회전에 따른 양측 차륜(2,3)간의 제동력에 차등을 두어서 차량 조향각을 조절하게 된다. 따라서 조향구동모터(150)에 이상이 발생됨에도 불구하고, 차량의 진행방향을 조향휠(1)의 회전방향에 상응하여 조절될 수 있도록 함으로써 차량을 안전하게 원하는 위치로 이동시킬 수 있다.
차량이 안전 위치로 이동하여 정지하게 되면(S50) 제동기(4)의 제어에 의한 조향은 중지하게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 차량의 전동식 조향장치 및 방법은 차량의 조향각을 조절하는 조향구동모터의 이상여부를 정확하게 판단하여 조향구동모터의 이상으로 인한 조향이 어려운 경우라도 차륜마다 설치된 제동기 등의 기존 장치를 사용하여 안정적으로 조향이 가능하도록 함으로써 차량의 중량이나 생산단가의 증가없이도 조향구동모터의 고장으로부터 운전자의 안전을 확보할 수 있는 효과를 가지고 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 차량의 전동식 조향장치 및 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (4)

  1. 차량의 전동식 조향장치에 있어서,
    조향휠 회전각 및 차속을 각각 감지하는 조향각센서 및 차속센서와,
    상기 조향각센서 및 상기 차속센서로부터 검출되는 조향휠 회전각 및 차속을 수신받아 기설정 프로그램에 의해 조향반력 및 조향구동 제어신호를 각각 출력하는 조향제어부와,
    상기 조향제어부의 조향반력 제어신호를 수신받아 상기 조향휠로 조향반력을 생성하는 조향반력모터와,
    상기 조향제어부의 조향구동 제어신호를 수신받아 차량의 조향각을 조절하는 조향구동모터와,
    상기 조향구동모터의 이상여부를 감지하는 조향구동모터감지부와,
    상기 조향구동모터감지부의 감지신호를 수신받아 상기 조향구동모터의 이상시 차량의 조향각이 상기 조향각센서로부터 수신받는 조향휠 회전각에 상응하도록 차량의 차륜마다 설치된 제동기를 각각 제어하는 비상조향제어부
    를 포함하는 차량의 전동식 조향장치.
  2. 차량의 전동식 조향방법에 있어서,
    차량의 주행시 조향휠 회전각 및 차속을 측정하는 단계와,
    상기 조향휠 회전각 및 상기 차속으로부터 기설정 프로그램에 의해 해당하는 조향 반력과 차량의 조향각을 가지도록 조향반력모터 및 조향구동모터를 제어하는 단계와,
    상기 조향구동모터의 이상여부를 판단하는 단계와,
    상기 조향구동모터의 이상시 차량의 조향각이 상기 조향휠 회전각에 상응하도록 차량의 차륜마다 설치된 제동기를 각각 제어하는 단계
    를 포함하는 차량의 전동식 조향방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 조향구동모터의 이상여부 판단단계는,
    상기 조향구동모터의 전류를 모니터링함으로써 상기 조향구동모터의 이상여부를 판단하는 것
    을 특징으로 하는 차량의 전동식 조향방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 조향구동모터의 이상여부 판단단계는,
    랙변위가 조향휠의 회전각에 상응하는지를 모니터링함으로써 상기 조향구동모터의 이상여부를 판단하는 것
    을 특징으로 하는 차량의 전동식 조향방법.
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