KR100597121B1 - 차량의 조향장치용 토크센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 조향장치용 토크센서로서, 그 구성은

전원부로부터 공급되는 전압의 승압을 위한 승압부; 상기 승압부를 통해 승압된 전압의 발진을 위한 발진부; 상기 발진부를 통해 출력되는 전압과 동위상의 교류 전압을 출력하는 전류증폭부와, 상기 발진부를 통해 출력되는 전압과 동위상의 교류 전압을 위상 반전시켜 출력하는 위상반전부; 상기 전류증폭부 및 위상반전부의 출력 전압을 인가받아 각 신호 파형을 정류 변환하는 파형선택부; 상기 전원부의 전원을 이용하여 오프셋 전압을 만들어주는 오프셋 전압회로부; 상기 파형선택부와 오프셋 전압회로부의 출력단에 각각 직렬 연결된 제1,2 코일; 상기 제1,2 코일에 각각 병렬로 직렬 연결을 갖는 제1,2 저항; 상기 제1,2 코일 접속부 및 제1,2 저항 접속부에서의 전압을 인가받아 각 출력 전압에 해당하는 피크치 검출을 위한 제1,2 피크검출부; 상기 제1,2 피크검출부를 통해 출력되는 전압을 인가받아 차동증폭을 이루는 제1 차동증폭부; 및 상기 제1 차동증폭부를 통해 출력되는 전압을 전류로 변환하여 그에 해당하는 토크 신호(Ts)를 출력하는 제1 전압/전류변환부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

조향, 토크센서, 승압, 정류, 피크(peak), ECU

Description

차량의 조향장치용 토크센서 {A torque sensor for steering system of vehicle}

도 1은 본 발명에 따른 조향장치용 토크센서 구성도.

도 2는 본 발명의 발진부에서의 출력전압 파형도.

도 3a는 본 발명의 전류증폭부에서의 출력전압 파형도.

도 3b는 본 발명의 위상반전부에서의 출력전압 파형도.

도 4는 본 발명의 파형선택부에서의 출력전압 파형도.

도 5는 본 발명의 제1,2 코일 접속부에서의 출력전압 파형도.

도 6은 본 발명의 피크검출부에서의 출력전압 파형도.

<도면부호의 설명>

2 승압부 4 발진부

6 전류증폭부 8 위상반전부

10 파형선택부 12 오프셋 전압회로부

14a,14a' 제1,2 피크검출부 14b,14b' 제3,4 피크검출부

16a,16b 제1,2 차동증폭부 18a,18b 제1,2 전압/전류변환부

본 발명은 차량의 조향장치용 토크센서에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 토크센서로의 안정된 전원 공급 및 출력되는 토크 검출신호의 왜곡현상을 방지하기 위한 조향장치용 토크센서에 관한 것이다.

일반적으로, 차량의 전동파워스티어링(EPS:Electrical Power Steering, 이하 EPS라 칭함)시스템의 ECU에서는 토크센서를 통해 운전자의 조향휠 조작에 따른 조타 토크를 검출하여 조향을 이룬다.

종래 EPS 시스템에서의 조타 토크 검출을 위한 토크센서 구조는 일본 특개평 8-68703에서와 같이, 전원 공급구조는 배터리 전압이 ECU로 입력되고 입력된 전압은 ECU 내 레귤레이터(regulator)를 통해 출력되는 전압을 토크센서의 공급전원으로 사용하였다.

그러나, 배터리 전압이 순간적인 차량의 과부하 등으로 인해 일정 전압 이하로 떨어지면, ECU 내 레귤레이터를 통해 출력되는 토크센서로의 공급 전압은 정격전압의 허용범위보다 아래의 저전압이 되고, 그에 따라 토크센서에서의 동작이 정상적으로 작동하지 못하여 토크센서 출력 감소 등 오동작으로 인한 정확한 조향이 이루어지지 못하는 문제점을 갖고 있다.

또한, 종래의 토크센서에서는 코일측에서의 온도변화 등의 요인에 의해 위상변화 발생시 신호의 정확한 샘플링이 이루어지지 않아 토크검출신호의 왜곡현상이 발생되어 토크 검출신호의 정확성이 떨어지는 문제점을 갖고 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 차량의 일시적인 과부하로 인한 배터리의 저전압현상하에서도 토크센서로의 안정된 전원 공급을 위해 전원부로부터 공급되는 전압을 승압시키기 위한 승압회로부를 구비하여 승압된 전압을 토크센서의 구동전원으로 사용하도록 한 차량의 조향장치용 토크센서를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 조향장치용 토크센서의 코일부(온도보상코일 및 토크검출코일)에서의 온도변화 등에 의한 진폭 및 위상 변화로 인해 출력되는 토크 검출신호의 왜곡현상을 방지하기 위한 것이다.

상기 목적을 이루기 위한, 본 발명에 따른 차량의 조향장치용 토크센서는

전원부로부터 공급되는 전압의 승압을 위한 승압부;

상기 승압부를 통해 승압된 전압의 발진을 위한 발진부;

상기 발진부를 통해 출력되는 전압과 동위상의 교류 전압을 출력하는 전류증폭부와, 상기 발진부를 통해 출력되는 전압과 동위상의 교류 전압을 위상 반전시켜 출력하는 위상반전부;

상기 전류증폭부 및 위상반전부의 출력 전압을 인가받아 각 신호 파형을 정류 변환하는 파형선택부;

상기 전원부의 전원을 이용하여 오프셋 전압을 만들어주는 오프셋 전압회로부;

상기 파형선택부와 오프셋 전압회로부의 출력단에 각각 직렬 연결된 제1,2 코일;

상기 제1,2 코일에 각각 병렬로 직렬 연결을 갖는 제1,2 저항;

상기 제1,2 코일 접속부 및 제1,2 저항 접속부에서의 전압을 인가받아 각 출력 전압에 해당하는 피크치 검출을 위한 제1,2 피크검출부;

상기 제1,2 피크검출부를 통해 출력되는 전압을 인가받아 차동증폭을 이루는 제1 차동증폭부; 및

상기 제1 차동증폭부를 통해 출력되는 전압을 전류로 변환하여 그에 해당하는 토크 신호(Ts)를 출력하는 제1 전압/전류변환부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 조향장치용 토크센서는 제1,2 코일 접속부에서의 전압 및 상기 제1,2 코일에 각각 병렬로 직렬 연결을 갖는 제3,4 저항의 접속부에서의 전압을 제3,4 피크검출부에서 인가받아 각 출력전압에 해당하는 피크치 검출을 이룬 후 상기 토크 신호(Ts)를 얻기위한 구성과 같은 동작으로 제2 전압/전류변환부를 통해 토크 신호(Ts')를 출력하는 페일 세이프(fail-safe)용 토크 검출 센서구조를 추가로 포함하는 구성인 것을 특징으로 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

본 실시예에 따른 조향장치용 토크센서의 구성을 도 1을 참조하여 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전원부(E)로부터 공급되는 전압의 승압을 위한 승압부(2); 상기 승압부(2)를 통해 승압된 전압의 발진을 위한 발진부(4); 상기 발진 부(4)를 통해 출력되는 전압과 동위상의 교류 전압을 출력하는 전류증폭부(6)와, 상기 발진부(4)를 통해 출력되는 전압과 동위상의 교류 전압을 180°위상 반전시켜 출력하는 위상반전부(8); 상기 전류증폭부(6) 및 위상반전부(8)의 출력 전압을 인가받아 각 신호 파형을 정류 변환하는 파형선택부(10); 상기 전원부(E)의 전원을 이용하여 오프셋 전압을 만들어주는 오프셋 전압회로부(12); 상기 파형선택부(10)와 오프셋 전압회로부(12)의 출력단에 각각 직렬 연결된 제1,2 코일(L1, L2); 상기 제1,2 코일(L1, L2)에 각각 병렬로 직렬 연결을 갖는 제1,2 저항(R1, R2); 상기 제1,2 코일 접속부(A) 및 제1,2 저항 접속부(B)에서의 전압을 인가받아 각 출력 전압에 해당하는 피크치(peak) 검출을 위한 제1,2 피크검출부(14a, 14a'); 상기 제1,2 피크검출부(14a, 14a')를 통해 출력되는 전압을 인가받아 차동증폭을 이루는 제1 차동증폭부(16a); 및 상기 제1 차동증폭부(16a)를 통해 출력되는 전압을 전류로 변환하여 그에 해당하는 토크 신호(Ts)를 출력하는 제1 전압/전류변환부(18a)로 구성된다.

한편, 본 실시예에 따른 토크 센서는 페일 세이프(fail-safe)용 토크 검출 구조를 갖는다.

즉, 전원부(E)로부터 공급되는 전압의 승압이 이루어진 후 발진부(4)를 통해 발진된 전압이 인가되는 전류증폭부(6)와 위상반전부(8)를 거친 신호 파형을 정류 변환하는 파형선택부(10), 그리고 상기 전원부(E)의 전원을 이용하여 오프셋 전압을 만들어주는 오프셋 전압회로부(12)의 출력단에 각각 직렬 연결된 제1,2 코일(L1, L2)에 각각 병렬로 직렬 연결을 갖는 제3,4 저항(R1', R2'); 상기 제1,2 코일 접속부(A) 및 제3,4 저항 접속부(B')에서의 전압을 인가받아 각 출력 전압에 해당하는 피크치(peak) 검출을 위한 제3,4 피크검출부(14b, 14b'); 상기 제3,4 피크검출부(14b, 14b')를 통해 출력되는 전압을 인가받아 차동증폭을 이루는 제2 차동증폭부(16b); 및 상기 제2 차동증폭부(16b)를 통해 출력되는 전압을 전류로 변환하여 그에 해당하는 토크 신호(Ts')를 출력하는 제2 전압/전류변환부(18b)로 구성된다. 이러한, 페일 세이프용 토크 검출구조는 주회로용의 토크 검출신호(Ts)가 삭감된 경우 등과 같은 이상 현상 발생시 보조회로용의 토크 검출신호(Ts')를 이용하여 조향을 이루기 위해 필요한 것이다.

상기의 구성에서, 본 실시예에 따른 승압부(2)는 전원부(E)로부터 인가된 전압을 2배 이상으로 승압시킬 수 있는 회로구성이라면 적용하여 실시가능할 것이다.

또한, 본 실시예에 따른 전원부(E)로부터 인가된 전압의 승압배수에 해당하는 오프셋 전압(Voffset)이 발진부(4)로 인가되는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 실시예에서는 토크 센서의 구동전원을 승압된 전압을 사용함으로써, 발진부(4)를 비롯한 이후의 회로수단에서 사용되는 직류전압인 오프셋 전압(Voffset)을 승압배수만큼 변경해 주어야 한다. 한 예로, 기존의 토크센서 동작전압 8V 하에서 직류전압 3.5V를 사용했다면, 본 실시예에 따른 승압 회로구성에서는 동작전압이 16V인 경우 직류전압도 6V 이상에서 동작되도록 오프셋 전압을 설정해 주어야 한다.

또한, 본 실시예에 따른 상기 파형선택부(10)는 반파 정류회로인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 실시예의 토크센서 구성에 따른 동작을 도면을 참조하여 설명한다.

도 1에서 보는 바와 같이, 전원부(E)로부터 전원 공급이 이루어지면, 공급된 전원은 승압부(2)로 입력되어 입력된 전압의 승압이 이루어진다. 즉, 상기에서 설명한 바와 같이, 입력된 전압이 8V인 경우 승압부(2)를 통해 16V 또는 24V 등과 같이 승압된 후 승압된 전압을 토크센서의 동작 전압으로 사용하는 것이다.

이렇게, 승압된 전압은 발진부(4)를 거쳐 발진동작(oscillating)이 이루어지는데 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 발진부(4)로 입력되는 직류전압(Voffset)에 의해 바이어스된 발진 전압(Va)이 출력되고, 상기 출력된 발진 전압(Va)은 전류증폭부(6)와 위상반전부(8)로 각각 입력된다.

상기 전류증폭부(6)에서는 도 3a에 도시된 바와 같이, 발진부(4)를 통해 출력되는 전압과 동위상의 교류전압(Vb) 및 발진부(4)로 인가된 직류전압(Voffset)을 출력하며, 이와 동시에 위상반전부(8)에서는 도 3b에 도시된 바와 같이, 발진부(4)를 통해 출력되는 전압의 위상을 180°반전시킨 교류전압(Vb')과 인가된 직류전압(Voffset)을 출력한다. 이렇게, 전류증폭부(6) 및 위상반전부(8)를 통해 출력된 신호는 파형선택부(10)를 통해 정류변환된다. 즉, 상기 전류증폭부(6)를 통해 출력된 신호의 경우 파형선택부(10)를 통한 정류(반파 정류)된 신호 파형은 도 4에 도시된 바와 같으며, 상기 출력 신호(Vd)는 제1 코일인 온도보상코일(L1)측에 인가된다.

한편, 본 실시예에서는 전원부(E)로부터 인가되는 전압의 승압배수에 해당하는 오프셋 전압(Voffset)이 발진부(4)로 인가되며, 인가되는 오프셋 전압은 오프셋 전압회로부(12)를 통해 검출되어 제2 코일인 토크검출코일(L2)측에 인가된다.

상기에서와 같이, 파형선택부(10) 및 오프셋 전압회로부(12)를 통해 출력된 신호는 온도보상코일(L1)측과 토크검출코일(L2)측으로 각각 인가되는데, 상기 온도보상코일(L1)측으로 인가되는 신호의 파형은 반주기는 교류전압이 반주기는 직류전압(Voffset)이 인가되며, 토크검출코일(L2)로 인가되는 신호는 직류전압(Voffset)만이 인가된다. 이렇게, 온도보상코일과 토크검출코일로 신호가 인가된 후 온도보상코일(L1)과 토크검출코일(L2)의 접속부(A)에서의 출력신호 파형은 도 5에 도시된 바와 같다.

도 5에 도시된 바와 같이, 코일(L1, L2)의 인덕턴스 크기에 따라 전류증폭부(6)를 통해 출력된 교류전압 신호파형의 진폭 변화가 발생하게 된다. 한편, 상기 온도보상코일(L1)과 토크검출코일(L2)에 각각 병렬로 제1,2 저항(R1, R2)이 직렬 연결을 갖는데, 이때 제1,2 저항(R1, R2) 값이 동일한 경우 접속부(B)에는 일정한 직류전압(Voffset)만이 인가되게 된다. 참고로, 페일 세이프용 제3,4 저항(R3, R4) 값이 동일한 경우 접속부(B')에서의 전압 또한 상기 접속부(B)에서의 전압과 동일하다.

그리고, 상기 제1,2 코일(L1, L2)과 제1,2 저항(R1, R2)의 접속부(A, B)에서의 전압은 각각 제2 피크검출부(14a)와 제1 피크검출부(14a')로 인가되며, 제1,2 피크검출부(14a, 14b)에서는 입력된 신호 파형의 피크치 검출이 이루어진다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1,2 피크검출부 중 제2 피크검출부(14a)에서는 입력된 교류전압 신호파형(d1,d2,d3)에서의 피크치 전압(Vp)의 검출이 이루어지게 된다.

상기 제1,2 피크검출부(14a, 14a')를 통해 출력된 전압은 제1 차동증폭부(16a)로 입력되어 차동증폭된 후 제1 전압/전류변환부(18a)를 통해 토크 검출신호 (Ts)로 출력된다. 이렇게, 출력된 토크 검출신호는 ECU 컨트롤러(미도시)로 입력되어 토크 검출신호(Ts)에 따른 모터의 구동으로 조타력을 확보하게 되는 것이다.

한편, 본 실시예에 따른 페일 세이프(fail-safe)용 토크 검출센서 구조 즉, 제3,4 피크검출부(14b, 14b'), 제2 차동증폭부(16b) 및 제2 전압/전류변환부(18b)에서의 동작은 상기에서 설명한 주회로용 토크 검출센서의 동작과 동일하다. 즉, 상기 페일 세이프용 토크 검출센서 구조에서의 토크 검출신호(Ts')는 앞에서 언급한 바와 같이, 주회로용의 토크 검출신호(Ts)가 삭감된 경우 등에 대비하여 페일 세이프용으로 동작되는 토크 검출용이다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 토크 센서에 따르면, 토크센서의 동작전압을 승압시켜 사용함으로써 어떠한 상황하에서도 토크센서로 안정된 전원의 공급을 이룰 수 있으며, 발진부에서의 진폭조정을 통해 토크의 작은 변화도 감지가 용이하며, 이는 차동증폭부에서의 증폭비를 기존보다 작게할 수 있으므로 신호대 노이즈(S/N비) 특성을 향상시킬 수가 있다. 또한, 토크센서의 코일단으로부터 인가된 교류전압의 피크치 검출을 통해 토크센서의 코일부(온도보상코일 및 토크검출코일)에서의 온도변화 등에 의한 진폭 및 위상 변화가 발생하더라도 출력되는 토크 검출신호의 왜곡현상이 발생되지 않도록 한 것이다.

본 발명의 기술적 범위를 해석함에 있어서는, 상기에서 설명된 실시예에 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 범위는 특허청구범위에 기재된 사항의 합리적 해석에 의해 결정되어져야 한다.

본 발명의 차량의 조향장치용 토크센서에 따르면, 차량의 일시적인 과부하로 인한 배터리의 저전압하에서도 토크센서로의 안정된 전원 공급 및 신호 대 노이즈(S/N비) 특성을 향상시킬 수 있으며, 또한 온도변화 등에 의한 코일단에서의 위상변화에 따른 토크 검출신호의 왜곡현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 전원부로부터 공급되는 전압의 승압을 위한 승압부;

   상기 승압부를 통해 승압된 전압의 발진을 위한 발진부;

   상기 발진부를 통해 출력되는 전압과 동위상의 교류 전압을 출력하는 전류증폭부와, 상기 발진부를 통해 출력되는 전압과 동위상의 교류 전압을 위상 반전시켜 출력하는 위상반전부;

   상기 전류증폭부 및 위상반전부의 출력 전압을 인가받아 각 신호 파형을 정류 변환하는 파형선택부;

   상기 전원부의 전원을 이용하여 오프셋 전압을 만들어주는 오프셋 전압회로부;

   상기 파형선택부와 오프셋 전압회로부의 출력단에 각각 직렬 연결된 제1,2 코일;

   상기 제1,2 코일에 각각 병렬로 직렬 연결을 갖는 제1,2 저항;

   상기 제1,2 코일 접속부 및 제1,2 저항 접속부에서의 전압을 인가받아 각 출력 전압에 해당하는 피크치 검출을 위한 제1,2 피크검출부;

   상기 제1,2 피크검출부를 통해 출력되는 전압을 인가받아 차동증폭을 이루는 제1 차동증폭부; 및

   상기 제1 차동증폭부를 통해 출력되는 전압을 전류로 변환하여 그에 해당하는 토크 신호(Ts)를 출력하는 제1 전압/전류변환부로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량의 조향장치용 토크센서.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전원부로부터 공급되는 전압의 승압이 이루어진 후 발진부를 통해 발진된 전압이 인가되는 전류증폭부와 위상반전부를 거친 신호 파형을 정류 변환하는 파형선택부, 그리고 상기 전원부의 전원을 이용하여 오프셋 전압을 만들어주는 오프셋 전압회로부의 출력단에 각각 직렬 연결된 제1,2 코일에 각각 병렬로 직렬 연결을 갖는 제3,4 저항;

   상기 제1,2 코일 접속부 및 제3,4 저항 접속부에서의 전압을 인가받아 각 출력 전압에 해당하는 피크치 검출을 위한 제3,4 피크검출부;

   상기 제3,4 피크검출부를 통해 출력되는 전압을 인가받아 차동증폭을 이루는 제2 차동증폭부; 및

   상기 제2 차동증폭부를 통해 출력되는 전압을 전류로 변환하여 그에 해당하는 토크 신호(Ts')를 출력하는 제2 전압/전류변환부로 구성되는 페일 세이프(fail-safe)용 토크 검출 센서구조를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 조향장치용 토크센서.
3. 제 1항 또는 2항에 있어서,

   상기 발진부로 인가되는 전압의 승압배수에 해당하는 오프셋 전압(Voffset)이 발진부로 인가되는 것을 특징으로 하는 차량의 조향장치용 토크센서.
4. 제 1항 또는 2항에 있어서,

   상기 파형선택부는 반파 정류회로인 것을 특징으로 하는 차량의 조향장치용 토크센서.

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