KR100621372B1 - 차량 제동장치의 온오프 밸브 제어방법 - Google Patents

차량 제동장치의 온오프 밸브 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 제동장치의 온오프밸브 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량용 제동창치의 온오프밸브를 PWM신호의 주파수 및 듀티비를 조절하여 제어함으로써 완만한 비례제어 동작을 행할 수 있도록 하여 차간거리 제어시스템인 AICC에 사용되는 감속장치의 밸브로써 BTCS나 VDC시스템에 사용하는 온오프 밸브를 사용할 수 있는 이점이 있다.
온오프제어 NO밸브 NC밸브 비례제어 BTCS VDC AICC

Description

차량 제동장치의 온오프 밸브 제어방법{METHOD FOR CONTROLLING ON-OFF VALVE OF BRAKE SYSREM USED VEHICLE}
도 1은 일반적인 온오프밸브를 사용한 차량용 브레이크장치의 유압회로를 나타낸 구성도이다.
도 2는 종래의 온오프 밸브의 제어방법에 의한 듀티비의 변화에 대한 압력의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 온오프 NO밸브에 작용하는 힘을 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명에 의한 온오프 NO밸브에서 듀티비의 변화에 따라 비례제어 동작구간이 형성되는 것을 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 4의 온오프 NO밸브의 비례제어 동작구간에서의 듀티비에 의한 휠압력의 포화점을 나타낸 그래프이다.
도 6은 온오프 NC밸브에 작용하는 힘을 나타낸 구성도이다.
도 7은 본 발명에 의해 NC밸브를 제어할 때 듀티비에 의한 휠의 압력변화율을 나타낸 그래프이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
10 : 마스터실린더 20 : 제어부
30, 40, 50 : 제 1 내지 제 3솔레노이드밸브
60 : 가압펌프 70 : 휠
본 발명은 차량용 제동장치의 온오프밸브 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량용 제동창치의 온오프밸브를 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, 이하 'PWM'이라 칭함)신호의 주파수 및 듀티비를 조절하여 제어함으로써 완만한 비례제어 동작을 행할 수 있도록 한 차량용 제동장치의 온오프밸브 제어방법에 관한 것이다.
요즈음은 전자장치의 발달로 인하여 자동차의 성능향상을 위해 많은 부분에서 전자장치의 제어에 의존하고 있다. 특히 엔진의 성능향상을 위해 여러 가지의 센서가 사용되어 최적의 엔진 효율을 발생시키고 있어 차량의 신뢰도 높아지고 있다. 또한 이러한 전자장치의 발달은 실제적인 엔진구동 뿐만 아니라 운전자의 안전을 도모하기 위한 안전장치나 운전의 편의를 위한 갖가지 부가장치, 주행장치 등에 적용되고 있다.
운전자의 안전을 도모하기 위한 안전장치로서 차량의 브레이크의 작동을 조절하는 방법으로 패달에 답력을 가해 차량의 급정거시킬 때 차량이 미끄러지는 것을 방지하고 조향능력을 향상시킬 수 있도록 하는 ABS시스템이나 패달의 답력과 관 계없이 차량의 상태에 따라 작동되는 시스템들이 있다. 이와 같은 시스템으로는 차량의 초기 출발시 미끄러지는 것을 방지하기 위한 BTCS(Brake Traction Control System)과 주행중 코너링시 미끄러지는 것을 방지하기 위한 VDC(Vehicle Dynamics Control System)과 차량의 주행중 앞차와의 간격을 자동으로 조절하는 차간거리 제어시스템인 AICC(Autonomous Intelligent Cruise Control) 등이 있다.
위에 언급된 시스템은 각종 센서의 값을 입력받아 휠에 공급되는 유압을 증가시키거나 감소시켜 제어하게 된다.
일반적으로 이와 같이 휠에 공급되는 유량을 조절하는 밸브로서 온오프밸브가 사용되는데 노말상태에서 열려있는 엔오(NO)밸브(이하, 'NO밸브'라 칭함)와 노말상태에서 닫혀있는 엔씨(NC)밸브(이하, 'NC밸브'라 칭함)를 통해 휠로 오일을 공급하여 압력을 증가시키거나 휠에 공급된 오일을 빼내 압력을 감소시키도록 하여 브레이크의 작동량을 조절하게 된다.
도 1은 일반적인 온오프밸브를 사용한 차량용 브레이크장치의 유압회로를 나타낸 구성도이다.
여기에 도시된 유압회로는 4개의 휠 중에서 하나의 휠만을 예시로 나타낸 것으로서 다른 3개의 휠에도 동일하게 구성되며 각각 휠마다 제어가 이루어진다.
이와 같이 마스터실린더(10)에서 배출되는 오일을 단속하는 제 1솔레노이드밸브(30)와, 휠(70)로 공급되는 오일을 단속하는 제 2솔레노이드밸브(40)와, 휠(70)에서 방출되는 오일을 단속하는 제 3솔레노이드밸브(50)와, 유압회로의 오일을 가압하는 가압펌프(60)로 이루어진다.
그리고, 제 1내지 제 3솔레노이드밸브(30,40,50) 및 가압펌프(60)의 작동을 제어하는 제어부(20)로 이루어진다.
위에서 제 1내지 제 2솔레노이드밸브(30,40)는 노말상태에서 열려있는 밸브로써 작동시킬 경우 닫히는 NO밸브이며, 제 3솔레노이드밸브(50)는 노말상태에서 닫혀있는 밸브로써 작동시킬 경우 열리는 NC밸브이다.
따라서, 브레이크 패달에 답력이 가해지지 않은 상태에서 브레이크를 작동시키기 위해서는 제어부(20)에서 제 1내지 제 2솔레노이드밸브(30,40)를 작동시켜 회로를 차단한 후 가압펌프(60)를 작동시켜 제 1솔레노이드밸브(30)의 전단에 압력을 증가시킨다. 그런다음 필요한 압력만큼 제 2솔레노이드밸브(40)의 작동을 조절하여 휠(70)에 압력을 가해 제동을 일으켜 감속이 이루어지도록 한다. 이후 제동을 해제하기 위해서는 휠(70)에 가해진 압력을 제 3솔레노이드밸브(30)를 작동시켜 압력을 감소시키게 된다.
위와 같이 제어부(20)의 제어신호에 따라 제 1내지 제 3솔레노이드밸브(30,40,50)를 작동시키는 시스템으로는 위에서도 언급했다시피 초기 출발시 미끄러짐을 방지하기 위한 BTCS나 코너링시 미끄러짐을 방지하기 위한 VDC시스템에 사용된다.
도 2는 종래의 온오프 밸브의 제어방법에 의한 듀티비의 변화에 대한 압력의 변화를 나타낸 그래프이다.
(가)는 NO밸브의 동작상태이며 (나)는 NC밸브의 동작상태로써 저주파의 PWM신호의 듀티비의 조절에 따라 선형적인 압력변화가 일어나고 있음을 알고 있다.
이와 같은 BTCS나 VDC시스템에서는 위험한 상황에서의 안전을 위한 시스템으 로 휠압의 빠른 변화를 필요로 하기 때문에 제 1내지 제 3솔레노이드밸브를 온오프밸브로 사용하여 구성하여도 충분한 성능을 확보 할 수 있다. 또한, BTCS나 VDC시스템은 특별한 시점에만 작동하기 때문에 상당한 잡음이 발생하여도 큰 문제가 되지 않는다.
그러나, AICC와 같은 차간거리 제어시스템의 경우에는 주행 중 앞차와의 거리를 확보하기 위한 것으로써 감속 엑추에이터는 가속도를 3.0 m/s2 이하로 규정하고 있으며 가속도변화량을 2.5 m/s3 으로 규정한다. 또한, 저소음성을 규정하기 때문에 BTCS나 VDC시스템에서 사용되는 온오프밸브를 사용할 경우 제 1내지 제 2솔레노이드밸브로 사용되는 온오프 NO밸브를 통한 압력 증가량이 너무 크고, 제 3솔레노이드밸브로 사용되는 온오프 NC밸브를 통한 압력 감소량이 너무 크기 때문에 온오프밸브가 작동됨에 따른 차량속도의 변화가 커져 승차감을 저하시킬 뿐만 아니라 밸브가 작동될 때 소음이 큰 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 BTCS나 VDC시스템에서 감속 엑추에이터로 사용되는 유압회로의 온오프밸브를 온오프밸브의 응답주파수보다 높은 PWM제어 신호의 주파수와 듀티비로 비례제어 동작을 행할 수 있도록 하여 기구적인 변경없이 AICC시스템에 사용할 수 있도록 한 차량 제동장치의 온오프 밸브 제어방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 휠의 압력을 증가시켜 제동시키기 위한 온오프 NO밸브와, 휠의 압력을 감소시켜 제동을 해제시키기 위한 온오프 NC밸브로 이루어진 차량 제동장치에 있어서, 상기 온오프 NO밸브는 상기 온오프 NO밸브의 응답속도 보다 높은 주파수의 PWM신호의 듀티비로 제어하며, 상기 온오프 NC밸브는 상기 온오프 NC밸브의 응답속도 보다 낮은 주파수의 PWM신호의 듀티비로 제어하는 것을 특징으로 한다.
위와 같이 이루어진 본 발명의 작동을 설명하면 다음과 같다.
차동 제동장치를 이루는 온오프 NO밸브와 온오프 NC밸브를 비례제어 동작을 시키기 위해 온오프 NO밸브를 온오프 NO밸브의 응답속도 보다 높은 주파수의 PWM신호의 듀티비를 제어하여 비례제어 동작이 이루어지도록 제어하며, 온오프 NC밸브는 온오프 NC밸브의 응답속도 보다 낮은 주파수영역의 PWM신호의 듀티비를 제어하여 안만한 휠의 압력감소를 시켜 비례제어 동작이 이루어지도록 제어하여 완만한 압력의 증가 및 감소가 이루어지도록 하여 온오프 NO밸브와 온오프 NC밸브를 AICC 등의 차간거리 제어시스템에 사용할 수 있도록 작동된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.
도 3은 온오프 NO밸브에 작용하는 힘을 나타낸 구성도이다.
여기에 도시된 바와 같이 온오프 NO밸브에 작용하는 힘들은 PWM신호에 의한 전류에 의해 솔레노이드에 의해 작동되는 자력(Fmagnetic)과, 휠에 걸린 압력에 의한 휠의 힘(Fwheel)과, 스프링의 탄성에 의한 스프링 힘(Fspring)과, 가압펌프 출력측의 압력에 의한 힘(FHPA)으로써 초기에 NO밸브가 열린상태에서 일정한 전류 iPWM을 가하면 HPA(High Pressure Accumulator)쪽에서 유입된 브레이크액에 의하여 휠쪽의 압력이 서서히 증가한다. 휠쪽의 압력이 특정한 값에 도달하면 NO밸브를 닫으려고 하는 힘과 열려고 하는 힘이 평형에 도달한다. 평형을 이루는 압력은 다음의 공식으로 알 수 있다.
FHPA + Fspring = Fwheel + Fmagnetic
Pwheel = Fwheel / S (압력작용 면적)
Pwheel = (FHPA + Fspring - Fmagnetic) / S
이와 같이 힘이 작용하는 NO밸브를 PWM제어신호의 주파수와 튜티비를 가변시키면서 작동시킬 때 압력의 변화를 측정한 값을 표 1에 나타내었다.
PWM신호의 주파수와 듀티비에 대한 NO밸브의 압력변화
Duty(%) 10Hz 100Hz 1kHz 10kHz 20kHz 30kHz
10 112.8871 120.4691 116.9772 124.1758 134.5238 130.1843
20 102.8207 128.1179 137.9731 123.2279 133.412 131.2427
30 93.85382 119.5767 116.9772 124.1758 125.1384 132.3185
40 78.74564 104.8237 119.5767 117.8311 134.5238 126.1161
50 117.8311 99.03593 115.3061 124.1758 129.1429 133.412
60 55.47374 80.71429 125.1384 116.9772 127.1091 134.5238
70 40.55994 72.71557 114.4883 17.42919 0 118.6975
80 28.12344 47.75993 0 0 0 0
90 0 9.76173 0 0 0 0
100 0 0 0 0 0 0
여기에 나타난 바와 같이 모든 주파수에서 Duty Ratio가 증가함에 따라 압력의 기울기가 작아짐을 알 수 있다. 이것은 NO밸브 드라이버의 온타임이 길어질수록 NO밸브가 닫히려는 경향이 강해지기 때문이다.
이때 10Hz PWM신호를 사용한 경우 재연성과 신호의 일관성이 작은 것으로 나타났고, 100Hz PWM신호를 사용한 경우 평균화에 의한 효과(Averaging Effect)보다는 온오프(On-Off)동작 특성이 더 강한 것으로 나타났다. 그리고, 1kHz 이상의 주파수에서는 평균화에 의한 효과가 두드러지면서 온오프(On-Off) 동작 특성이 작아짐을 알 수 있다. 평균화에 의한 효과는 밸브의 응답속도보다 빠른 주파수의 PWM신호를 가하면 PWM신호의 평균전류에 비례하는 동작특성이 나타나는 것을 알 수 있다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이 온오프 NO밸브의 응답속도 보다 높은 주파수에서 듀티비를 변경함에 따라 비례제어 동작구간이 형성되는 것을 볼 수 있다.
도 5는 도 4의 온오프 NO밸브의 비례제어 동작구간에서의 듀티비에 의한 휠압력의 포화점을 나타낸 그래프이다.
여기에 도시된 그래프는 10kHz의 PWM신호에 듀티비를 67%∼72%로 변화시키면 서 힘의 평형점에 이른 휠압력의 포화점을 나타낸 것으로서, 이 구간에서 듀티비와 평형점에 이른 휠의 압력간에 비례관계가 나타나고 있음을 알 수 있다.
NO밸브가 힘의 평형점에 이른다는 것은 NO밸브가 온오프(On-Off) 동작이 아닌 평균화 효과에 의한 동작을 하고 있음을 나타낸다. PWM신호의 주파수가 높아질수록 온오프 동작 특성보다는 평균화 효과에 의한 동작 특성을 나타냈으며 밸브의 여닫는 동작 시에 발생하는 잡음(Noise)이 감소됨을 알 수 있다. 그러나, PWM 주파수를 너무 높이 설정할 경우 PWM 포트의 Resolution이 낮아져 제어가능한 듀티비의 가지 수가 감소하고 인덕턴스(Inductance)가 증가하여 비효율적으로 되기 때문에 약 10kHz∼20kHz가 바람직하다.
도 6은 온오프 NC밸브에 작용하는 힘을 나타낸 구성도이다.
여기에 도시된 바와 같이 온오프 NC밸브에 작용하는 힘들은 PWM신호에 의한 전류에 의해 솔레노이드를 작동시키는 자력(Fmagnetic)과, 휠에 걸린 압력에 의한 휠의 힘(Fwheel), 스프링의 탄성에 의한 스프링 힘(Fspring)과, 가압펌프 회귀측의 압력에 의한 힘(FLPA)으로써 가압펌프를 작동시켜 휠의 압력을 릴리프(Relief)압까지 증가시킨 후에 NC밸브를 구동하기 때문에 초기에 NC밸브의 휠측에는 릴리프압 크기의 압력에 의한 힘(Fwheel)과 스프링 힘(Fspring)이 작용한다. NC밸브의 LPA측에는 iPWM에 의하여 발생하는 힘(Fmagnetic)와 LPA의 압력에 의한 힘(FLPA)이 작용한다. 이때, LPA측은 매우 저압이므로 FLPA도 작은 값이 된다. LPA측 힘이 휠측의 힘보다 작은 경우 NC밸 브는 닫힌 채로 압력에는 아무 변화가 없다.
Fwheel + Fspring = FLPA + Fmagnetic과 같이 NC밸브 양측의 힘이 균형을 이루는 순간 휠측의 브레이크액은 LPA측으로 흘러 들어오기 시작한다. 이때, 휠측의 압력은 감소하며 양측의 힘은 Fwheel + Fspring < FLPA + Fmagnetic과 같이 불균형 상태에 놓이게 된다. 이런 힘의 불균형은 NC밸브를 더욱 열려고 하고 휠측의 압력은 급격히 감소하게 된다. 이것은 휠측의 힘이 솔레노이드의 자력 힘에 항복(Avalanche)함을 의미하게 된다.
위와 같은 힘이 작용하는 NC밸브를 PWM제어신호의 주파수와 튜티비를 가변시키면서 작동시킬 때 압력의 변화를 측정한 값을 표 2에 나타내었다.
PWM신호의 주파수와 듀티비에 대한 NC밸브의 압력변화
Duty(%) 10Hz 100Hz 1kHz 10kHz
10 -158.66 0 0 0
20 -302.86 0 0 0
30 -357.14 -156.25 0 0
40 -545.11 -306.53 0 0
50 -553.25 -408.67 0 0
60 -957.14 -490.06 0 0
70 -1007.8 -572.93 0 0
80 -640.6 -580.71 0 -747.06
90 -908.79 -798.1 -906.59 -865.93
PWM신호의 주파수를 10Hz, 100Hz, 1kHz, 10kHz로 변화시키면서 듀티비에 대한 압력의 변화를 측정한 값과 같이 모든 주파수에서 듀티비가 증가함에 따라 기울기가 커짐을 알 수 있다. 이것은 NC밸브의 온타임이 길어질수록 NC밸브가 열리려는 경향이 강해지기 때문이다.
이때 10Hz PWM신호를 사용한 경우 재연성과 신호의 일관성이 작은 것으로 나타나고 있으며, 100Hz PWM신호를 사용한 경우 평균화에 의한 효과(Averaging Effect) 보다는 온오프(On-Off) 동작 특성이 더 강한 것으로 나타났다. 그리고, 1kHz 이상의 주파수에서는 평균화에 의한 효과가 두드러지면서 온오프(On-Off) 동작 특성이 작아짐을 알 수 있었다.
그러나, NC밸브는 NO밸브와 달리 평형점이 존재할 수 없는 물리적 구조로 인하여 완만한 압력감소는 나타나지 않고 급격한 압력감소가 일어나 위에서 설명한 바와 같이 항복(Avalanche)현상이 일어난다.
도 7은 본 발명에 의해 NC밸브를 제어할 때 듀티비에 의한 휠의 압력변화율을 나타낸 그래프이다.
여기에 도시된 그래프는 100Hz의 PWM신호에 듀티비를 25%∼32%로 변화시키면서 휠의 압력변화율을 나타낸 것으로서, 이 구간에서 듀티비 변화에 따라 휠의 압력이 완만하게 감소되고 있음을 알 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에서 온오프 NO밸브를 제어할 때 온오프 NO밸브의 응답주파수보다 높은 10kHz의 PWM신호에 68%∼72%의 듀티비의 범위에서 제어함으로써 비례제어 동작을 구현하여 완만한 압력증가를 구현할 수 있으며, 온오프 NC밸브를 제어할 때 온오프 NC밸브의 응답주파수보다 낮은 100Hz의 PWM신호에 25%∼32%의 듀티비의 범위에서 제어함으로써 완만한 압력감소를 구현할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명은 BTCS나 VDC시스템에 사용되는 온오프 NO밸브와 온오프 NC밸브를 제어할 때 비례적인 제어를 행할 수 있도록 온오프 NO밸브와 온오프 NC밸브를 제어하는 PWM신호의 주파수와 듀티비를 조절함으로써 압력의 증가율과 감소율을 완만하게 제어하여 차간거리 제어시스템인 AICC시스템에서 온오프 밸브를 사용할 수 있는 이점이 있다.
또한, 온오프 NO밸브의 응답주파수보다 높은 주파수를 갖는 PWM신호를 통해 온오프 NO밸브를 비례제어 동작을 수행함으로써 잡음의 발생을 줄일 수 있는 이점이 있다.

Claims (4)

  1. 노말상태에서 열려있는 온오프 엔오(NO)밸브로서 마스터실린더(10)에서 배출되는 오일을 단속하는 제 1솔레노이드밸브(30)와, 휠(70)로 공급되는 오일을 단속하는 다른 온오프 엔오(NO)밸브인 제 2솔레노이드밸브(40)와, 노말상태에서 닫혀있는 온오프 엔씨(NC)밸브로서 상기 휠(70)에서 방출되는 오일을 단속하는 제 3솔레노이드밸브(50)와, 유압회로의 오일을 가압하는 가압펌프(60)와, 상기 제 1내지 제 3솔레노이드밸브(30,40,50) 및 상기 가압펌프(60)의 작동을 제어하는 제어부(20)를 포함한 차량 제동장치의 온오프밸브 제어방법에 있어서;
    상기 온오프 엔오(NO)밸브는 상기 온오프 엔오(NO)밸브의 응답속도 보다 높은 주파수의 펄스폭변조(PWM)신호의 듀티비로 제어하며, 상기 온오프 엔씨(NC)밸브는 상기 온오프 엔씨(NC)밸브의 응답속도 보다 낮은 주파수의 펄스폭변조(PWM)신호의 듀티비로 제어하는 것
    을 특징으로 하는 차량 제동장치의 온오프밸브 제어방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 온오프 엔오(NO)밸브를 제어하는 펄스폭변조(PWM)신호의 주파수는 10kHz∼20kHz 범위인 것을 특징으로 하는 차량 제동장치의 온오프 밸브 제어방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 온오프 엔오(NO)밸브를 제어하는 펄스폭변조(PWM)신호의 듀티비는 68%∼72% 범위인 것을 특징으로 하는 차량 제동장치의 온오프 밸브 제어방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 온오프 엔씨(NC)밸브를 제어하는 펄스폭변조(PWM)신호의 듀티비는 25%∼32% 범위인 것을 특징으로 하는 차량 제동창치의 온오프 밸브 제어방법.
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