KR100699484B1 - 액티브 지오메트리 콘트롤 서스펜션 시스템의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 현재의 차량 정보 및 액티브 지오메트리 콘트롤 서스펜션(Active Geometry Control Suspension) 시스템 정보를 이용하여 모터 부하를 추정하고, 이러한 정보들을 PID 제어기의 출력에 더함으로써, 부하 증가 또는 감소에 해당하는 부분을 보상하여, 부하 조건이 변동되어도 튜닝시와 동일한 성능을 보장할 수 있도록 하는 액티브 지오메트리 콘트롤 서스펜션의 제어방법에 관한 것이다.

AGCS, PID 제어기, 튜닝

Description

액티브 지오메트리 콘트롤 서스펜션 시스템의 제어 방법{A method of controlling Active Geometry Control Suspension system}

도1은 일반적인 액티브 지오메트리 콘트롤 서스펜션을 도시하고 있다.

도2는 액티브 지오메트리 콘트롤 서스펜션 시스템의 액츄에이터 작동 여부 결정 로직을 도시하고 있다.

도3은 종래 액티브 지오메트리 콘트롤 서스펜션 시스템의 제어도이다.

도4는 본 발명에 의한 액티브 지오메트리 콘트롤 서스펜션 시스템의 제어도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 설명*

10 : 액츄에이터 20 : 요크부

30 : 제어 레버 40 : 어시스트 암

50 : 너클 60 : 힌지부

100: 액츄에이터 작동 여부 결정 로직 200: PID 위치 제어기

300 : 모터 제어 로직 400: 보상 로직

본 발명은, 현재의 차량 정보 및 액티브 지오메트리 콘트롤 서스펜션(Active Geometry Control Suspension) 시스템 정보를 이용하여 모터 부하를 추정하고, 이러한 정보들을 PID 제어기의 출력에 더함으로써, 부하 증가 또는 감소에 해당하는 부분을 보상하여, 부하 조건이 변동되어도 튜닝시와 동일한 성능을 보장할 수 있도록 하는 액티브 지오메트리 콘트롤 서스펜션의 제어방법에 관한 것이다.

현가장치는 선회, 제동 구동 시 차량의 조종성 및 안정성을 확보라는 기본 조건을 만족시켜야만 한다. 이러한 조건을 만족시키기 위해서는 서스펜션 지오메트리에 의한 휠의 자세가 매우 중요한 요소로 작용하게 되는데, 특히, 캠버와 토우는 차량의 직진 안정성 및 선회 안전성에 많은 영향을 미치게 되며, 이는 차체의 롤링과 매우 밀접한 관계를 갖고 있다.

이러한 캠버와 토우를 차량의 운행조건에 따라 적절히 변화시킬 수 있는 현가장치의 액추에이터 어셈블리로써, 액티브 지오메트리 컨트롤 서스펜션(Active Geometry control Suspension, AGCS) 시스템이 사용되는데, 종래 AGCS 시스템의 구조 및 작동 원리는 한국 공개특허 공개번호 제 2003-0017668호, 공개특허공보 제10-2004-0075481호 및 미국 특허 4,835,714호의 공보등에 제시되어 있다.

액티브 지오메트리 컨트롤 서스펜션(Active Geometry control Suspension, AGCS) 시스템이란, 전기적으로 작동되는 액츄에이터를 이용하여 차량 리어 서스펜션의 지오메트리를 변경하고 결과적으로 선회시 롤 스티어량을 증대시켜 차량 핸들링 성능을 대폭적으로 개선시켜 주는 기능을 하는 시스템을 말한다.

이러한 AGCS 시스템은 후륜 링크(link)구조에 선형 운동을 시킬 수 있는 액 츄에이터(actuator)를 차량의 좌/측에 장착하며, 또한 차속 및 조향각 센서를 각각 4륜에 장착한 후, 이 센서에 의해 감지된 값을 활용하여 차량의 거동과 운전 상황을 판단하도록 구성된다.

종래 AGCS 시스템은 상기 차속 및 조향각등의 측정값을 바탕으로 하여 조절되었는데, 일반적인 조절방법은 대한민국 공개 특허공보 제 2004-0096698호, 제2004-0075481호 등을 통해 자세히 설명되어 있다.

도1은 일반적인 AGCS 의 구성을 도시하고 있다.

도1을 보면 액츄에이터(10)의 직선 왕복운동은 요크(YOKE)부(20)를 통해 제어 레버(30)의 회전 운동으로 변환되며 이것은 다시 제어 레버의 어시스트암 (ASSIST ARM, 40) 고정 부위의 상하 직선운동으로 전달되고, 따라서 어시스트암 하드 포인트 변경에 의해 선회시 리어 외륜측의 Roll Steer량(Toe In)을 AGCS가 작동하지 않을 때보다 훨씬 많이 발생되도록 하여 선회시의 리어측 코너링 포스를 증가시키고 따라서 차량 특성이 Under Steer 경향이 되게끔하여 핸들링 성능을 개선시키는 기능을 수행한다. 도면부호50은 너클을 나타낸다.

도2는 상기와 같은 AGCS 시스템을 작동시키기 위한 액츄에이터 작동여부 결정 로직을 도시하고 있다.

AGCS 시스템은 기본적으로 조향각, 차속을 입력받으며 추가적으로 로직상에서 조향각속도가 반영되는데, 이것은 조향각을 시간에 대해 미분하여(ECU내에서 계산) 얻을 수 있다. 엑츄에이터의 작동 여부를 결정하는 제어조건은 도1에서와 같이 조향각 vs 차속, 각속도 vs 차속 2가지 로직의 AND 로직으로 구성되는 것이 바람직하다. 먼저 조향각 vs 차속 로직에서는 현 조향각이 a1도 이상이고 차속이 v1 이상일 때 엑츄에이터가 작동 될 수 있도록 하는데, 이것은 조향각이 크더라도 저속에서는 차량이 bump가 되지 않으며, 차속이 높더라도 조향각이 작으면 bump가 되지 않는 논리를 반영한 것이다. 그러나 차속이 높고 조향각이 크더라도 만약 운전자가 조향을 천천히 하여 큰 조향상태가 된 상태라면 이 역시 차량이 크게 bump가 된 상태라고 보기 힘드므로 이러한 조건 판단을 위해 도1처럼 조향각vs차속 외에 조향각속도vs 차속 로직이 추가되게 되는 것이다. 즉, 조향각속도가 일정한 값 이상이 되면 엑츄에이터가 작동되도록 하는데 이러한 조향각속도 값은 차속에 따라 변할 수 있도록 미리 정해진다.

다시말하면, 이러한 종래의 액츄에이터 작동 여부 결정 로직은, 상기와 같은 차속, 조향각, 조향각속도를 가지고 차량의 횡가속도 및 Transient의 정도를 액츄에이터의 작동 조건으로서 고려하는 것이며, 차속과 조향각이 정해진 횡가속도조건에 해당하는 값에 이르고 이 때 조향각속도가 작동영역에 들어오면 (특정 Transient 수준에 이르면) 엑츄에이터의 작동을 위한 위치 명령을 출력하게 되는 것이다.

도3은 상기 도2의 액츄에이터 작동 여부 결정 로직을 포함하는 AGCS 시스템의 제어로직을 도시하고 있다.

액츄에이터 작동 여부 결정 로직(100)에 의해 위치명령이 출력되면, 상기 출력신호와 실제 위치와의 위치편차에 대한 신호가 PID 위치 제어기(200)에 입력되며, PID 위치제어기를 거친 신호는 모터제어로직(300)으로 전달 되어 모터를 작동시킴으로써 액츄에이터가 작동 되도록 한다. 모터제어로직(300)에는 부하토크에 대한 값(TL)이 더해진다.

이 때 시스템 제어 엑츄에이터를 구성하고 있는 모터의 운동방정식은

```` ①

로 표현되어질 수 있다. 여기서,

J : 모터와 아마츄어와 감속기를 포함한 회전체 관성 모멘트

B : Damping 상수,

Kt : 모터 토크 상수,

TL : 부하 토크,

α: 모터위치 θ의 2차 미분, 즉 가속도,

ω: 모터위치 θ의 1차 미분, 즉 회전속도,

I : 모터전류,

이다. 또한 전압방정식은

``` ②

V : 모터 단자 전압,

Ke : 모터 역기전력 상수,

R : 모터 권선저항,

L : 모터 인덕턴스,

dI/dt : 시간에 대한 전류의 미분,

이며, 이와 같은 식으로 도1에서와 같은 제어로직의 모터부분이 표현되어 질 수 있는데, 상기 식 ①, ②는 액츄에이터를 작동시키는 모터 제어도를 표현하는 일반적인 식이다.

그러나 이와 같은 종래 로직에 적용되는 PID위치 제어기(200)의 게인값들은 특정 차량 부하조건에서 튜닝된 고정값들로서, 만약 차량 부하 조건이 노면 조건 변동이나, 차량 하중 변동등에 의해 변경될 경우, 적절한 성능을 내지 못하여 위치 제어의 오버슈트가 증가하거나 작동속도가 줄어들게 되는 단점을 가지고 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 현재의 차량 정보 및 AGCS 시스템 정보를 이용하여 추정된 모터 부하에 대한 값을, PID 제어기의 출력에 더함으로써, 부하의 증가 또는 감소에 해당하는 부분을 보상하여 적절한 성능을 내도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 차량의 조향각과 차속등을 센싱하는 센싱단계와; 상기 측정된 조향각 신호와 차속 신호를 이용하여 액츄에이터의 작동 여부를 결정하며, 엑츄에이터의 작동이 결정되면 위치명령에 대한 신호를 출력하는 엑츄에이터 작동여부 결정 단계와; 상기 위치명령과 실제위치와의 위치편차가 PID 위치 제어기에 입력되며, 상기 PID 위치 제어기의 출력신호가 모터제어로직으로 전달되는 PID 제어 단계와; 모터제어로직에 의해 모터가 회전하여 액츄에이 터가 작동하도록 하는 작동단계를 포함하되, 상기 PID 제어 단계와 작동단계 사이에는 모터의 부하를 추정하는 모터부하 추정 단계와; 상기 모터의 부하값에 튜닝을 위한 게인을 곱한 값을, PID위치제어기의 출력값에 합산하는 합산단계가; 포함되는 것을 특징으로 한다.

보다 바람직하게는, 상기 엑츄에이터 작동 여부 결정 단계는, 상기 측정된 조향각 신호와 차속신호를 이용하여 횡가속도를 추정하는 횡가속도 추정 단계와; 상기 조향각 신호, 차속신호 및 상기 횡가속도 신호를 이용하여 액츄에이터의 작동 여부를 결정하는 결정 단계를; 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 모터부하 추정 단계는, 차속, 조향각등을 바탕으로 계산된 차량부하 조건에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도4는 본 발명에 의한 AGCS 시스템의 액츄에이터 제어도이다.

기본적인 로직은 도3에 도시된 종래의 제어로직과 동일하나, 보상로직(400)이 추가된 점에서 차이가 있다. 상기 보상 로직(400)은 차량 조건에 따른 모터의 부하를 추정하여 이러한 정보들이 기존 PID 제어기(200)의 출력에 더해지도록 함으로써, 부하 증가 또는 감소에 해당하는 부분을 보상할 수 있도록 되어 있는 점에서 차이가 있다. 식1 을 보면

이고, 여기서 TL은 모터 부하로서 차량 부하와 관련있는 항이며, 차량 부하가 증가하면 TL이 증가하고 차량 부하가 감소하면 TL이 감소한다는 것을 예측할 수 있다. 그런데 TL은 현재의 전류I, 모터각속도 α, 모터속도 ω를 알면 구할 수 있으므로(J, B, Kt 는 상수) 현재의 전류와, 모터 각속도, 모터 속도를 를 이용하면 현재 차량의 부하를 예측할 수 있는 것이다. 그래서 이러한 KtI-Jα-Bω 에 튜닝을 위한 게인 Kc를 곱하여 표현한 제어시스템의 구조가 도4와 같이 되는 것이다. 도4에서와 같이 상기 보상항이 PID 제어기(200) 출력에 더해져 시스템을 제어하면, 차량 부하가 변동하여도 동일한 성능을 보장할 수 있게 된다.

상기와 같은 원리를 이용한 본 발명의 AGCS 시스템의 제어방법을 도5를 참조하여 정리하면 다음과 같다.

먼저 센싱단계에서는 차량의 조향각 센서와 차속센서등을 이용하여 조향각 및 차속을 센싱한다.(S10)

액츄에이터 작동 여부 결정 로직(100)은 상기 측정된 조향각 신호와 차속 신호를 이용하여 조향각속도를 계산하며, 상기 조향각, 차속, 조향각속도를 가지고 현재의 차량 횡가속도 조건 및 Transient의 정도를 판단, 이를 바탕으로 액츄에이터의 작동 여부를 결정한다. 액츄에이터의 작동이 결정되면 위치명령에 대한 신호를 출력한다.(S20)

PID 위치 제어기(200)에는 상기 위치명령에 대한 신호와 실제위치와의 위치 편차가 입력되며, 모터제어로직(300)으로 신호를 출력한다.(S30)

이 때 보상로직(400)은 현재의 차량 정보 및 AGCS 시스템 정보를 이용하여 모터의 부하를 추정하며(S40), 상기 모터의 부하값에 튜닝을 위한 게인 Kc를 곱한 값을 PID 위치제어기(200)의 출력값에 합산한다.(S50) 이 때 차량 정보는 노면조건에 대한 정보 또는 차량 하중의 변동에 의한 정보가 될 것이다. 눈길, 빗길등에서는 노면조건이 현저히 달라지며, 차량에 승객이 몇 명 탑승하는지, 얼마나 무거운 물건이 적재되는지등에 따라 하중이 현저히 달라지기 때문이다.

상기 PID위치 제어기(200)의 출력 신호와 보상로직(400)의 출력신호의 합은 모터제어로직(300)으로 전달되며, 상기 모터제어로직에서는 모터를 회전시킴으로써, 액츄에이터가 작동되도록 한다.(S60)

상기 언급된 본 발명에 의하면, 차량부하 조건 변동등을 추정하여, 이를 제어에 반영하므로, 차량 조건이 변동되어도 튜닝시와 동일한 성능을 보여줄 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 차량의 조향각과 차속을 센싱하는 센싱단계와;

   상기 측정된 조향각 신호와 차속 신호를 이용하여 액츄에이터의 작동 여부를 결정하며, 엑츄에이터의 작동이 결정되면 위치명령에 대한 신호를 출력하는 엑츄에이터 작동여부 결정 단계와;

   상기 위치명령과 실제위치와의 위치편차가 PID 위치 제어기에 입력되며, 상기 PID 위치 제어기의 출력신호가 모터제어로직으로 전달되는 PID 제어 단계와;

   모터제어로직에 의해 모터가 회전하여 액츄에이터가 작동하도록 하는 작동단계를 포함하되,

   상기 PID 제어 단계와 작동단계 사이에는 모터의 부하를 추정하는 모터부하 추정 단계와;

   상기 모터의 부하값에 튜닝을 위한 게인을 곱한 값을, PID위치제어기의 출력값에 합산하는 합산단계가; 포함되며,

   상기 엑츄에이터 작동 여부 결정 단계는,

   상기 측정된 조향각 신호와 차속신호를 이용하여 횡가속도를 추정하는 횡가속도 추정 단계와;

   상기 조향각 신호, 차속신호 및 상기 횡가속도 신호를 이용하여 액츄에이터의 작동 여부를 결정하는 결정 단계를; 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 지오메트리 콘트롤 서스펜션 시스템의 제어 방법.
3. 차량의 조향각과 차속을 센싱하는 센싱단계와;

   상기 측정된 조향각 신호와 차속 신호를 이용하여 액츄에이터의 작동 여부를 결정하며, 엑츄에이터의 작동이 결정되면 위치명령에 대한 신호를 출력하는 엑츄에이터 작동여부 결정 단계와;

   상기 위치명령과 실제위치와의 위치편차가 PID 위치 제어기에 입력되며, 상기 PID 위치 제어기의 출력신호가 모터제어로직으로 전달되는 PID 제어 단계와;

   모터제어로직에 의해 모터가 회전하여 액츄에이터가 작동하도록 하는 작동단계를 포함하되,

   상기 PID 제어 단계와 작동단계 사이에는 모터의 부하를 추정하는 모터부하 추정 단계와;

   상기 모터의 부하값에 튜닝을 위한 게인을 곱한 값을, PID위치제어기의 출력값에 합산하는 합산단계가; 포함되며,

   상기 모터부하는,

   전류, 모터속도, 모터가속도를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 액티브 지오메트리 콘트롤 서스펜션 시스템의 제어 방법.

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