KR100701046B1 - 파워 스티어링 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파워 스티어링 시스템에 관한 것으로, 다수의 홀효과장치(A, B, C)로 구성된 모터위치 감지기(9)로부터의 출력신호가 직진위치에 대하여 정확한 조향각 측정값을 발생토록 스티어링 컬럼축(1) 또는 래크(6) 또는 좌우운동 감지기 등에 연결된 감지기(108)로부터의 인덱스신호와 조합된다. 홀효과 감지기 출력의 변화는 인덱스신호가 일정시간동안 변화하지 않도록 발생될 때 리셋트 되도록 카운터(106)를 구동시키기 위하여 이용된다. 인덱스신호는 스티어링 기어의 직진위치에 일치한다.

Description

파워 스티어링 시스템 {IMPROVEMENTS RELATING TO ELECTRICAL POWER ASSISTED STEERING ASSEMBLIES}

도 1은 본 발명에 따른 파워 스티어링 시스템의 개요도.

도 2는 도 1에서 보인 시스템에 결합되는 브러쉬레스 전기모터의 6극 회전자 둘레에 배치된 3개의 홀효과 감지기의 구성과 회전자가 회전할 때 감지기에 대한 자석의 정렬시컨스를 보인 설명도.

도 3(a)는 회전자의 360도 회전에 대한 단일 셋트의 6개의 3비트값을 발생토록 조합된 홀효과 감지기로부터의 대표적인 출력값 셋트를 보인 도표.

도 3(b)는 상기 회전자의 360도 회전에 대한 단일 셋트의 6개의 3비트값을 보인 도표.

도 4는 조향축이 +/- 1회전에서 직진위치를 통과할 때 그 토크출력에 부가하여 조향축의 조합된 토크위치 감지기로부터 발생된 인덱스신호를 보인 도표.

도 5는 조향축 위치를 측정하기 위하여 홀효과 감지기로부터의 출력과 조향축의 토크감지기로부터의 인덱스신호 출력을 처리하기 위한 수단을 보인 블록다이어그램.

도면의 주요부분에 대한 부호설명

1 … 조향축 7 … 전기모터

8 … 변속기 9 … 모터위치 감지수단

12 … 조향위치 감지수단 106 … 카운팅수단

본 발명은 스티어링 조립체에 보조토크를 가하도록 전기모터가 변속기를 통하여 스티어링 조립체에 연결된 종류의 차량용 파워 스트어링 시스템의 개선에 관한 것으로, 특히 스티어링 조립체의 일부의 각위치(角位置)를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.

상기 언급된 종류의 파워 스티어링(EPAS; electric power assisted steering) 조립체는 잘 알려져 있다. 전형적으로 스티어링 조립체는 여러가지 조립체가 널리 이용되고 있으나 조향래크를 통하여 하나 이상의 바퀴에 연결되는 조향축에 연결된 조향핸들로 구성된다. 일부의 EPAS는 모터권선의 스위칭, 즉 정류의 타이밍을 제어토록 전기모터에 모터위치 감지기가 구비된 브러쉬레스 모터를 이용한다. 전형적으로 모터위치 감지기는 회전자에 착설된 자석이 감지기를 통과할 때 상태가 변화하는 전자(電磁)형태의 스위치로 구성된다. 다른 방식으로서, 자화된 디스크가 회전자축에 착설될 수 있으며 감지기가 이 디스크에 착설된 자석의 운동을 검출할 수 있다.

예를 들어, 3상 브러쉬레스 영구자석 모터에 있어서, 홀효과 감지기가 회전자 전기위치의 대략적인 측정값을 얻도록 회전자의 둘레에 배치될 수 있다. 그러 나, 그 출력은 모터축의 단일회전 내에서 반복되어 불명료한 신호를 발생하므로 조향축의 위치를 나타내도록 하는데 적합치 않다. 또한 그 출력은 변속기의 변속비에 따라 달라진다.

조향축 위치의 정확한 측정값을 얻기 위하여, 조향축에 직접 착설되거나 기어 드라이브를 통하여 이에 착설되는 각위치 감지기를 제공하는 것이 알려져 있다. 이는 조향축으로부터 직접 판독하므로 변속기의 변속비에 따라 좌우되지 않는 출력을 발생하나 제작비용이 많이 든다.

제 1 관점에 따라서, 본 발명은 모터회전자의 각위치를 나타내는 출력을 발생하는 모터위치 감지수단으로 구성되는 스티어링 조립체에 보조토크를 가하도록 전기모터가 변속기를 통하여 스티어링 조립체에 연결된 종류의 차량용 파워 스트어링 시스템에 있어서, 이 시스템이 임의의 제로위치에 대하여 회전자의 각위치를 나타내는 카운트신호를 발생토록 모터위치 감지수단의 출력의 변화를 카운트할 수 있게 된 카운팅수단, 스티어링 조립체의 일부의 알려진 각위치를 나타내는 적어도 하나의 위치 인덱스신호를 발생할 수 있게 된 조향위치 감지수단과 상기 스티어링 조립체의 상기 일부가 상기 인덱스신호를 모니터링 하여 상기 알려진 위치에 있을 경우 상기 카운팅수단에 의하여 발생된 카운트신호를 리셋트 시킬 수 있게 된 리셋트수단으로 구성됨을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명은 모터위치 감지수단의 출력변화를 카운트하고 스티어링 조립체 위치가 차량의 직진위치에 일치함을 나타내는 감지기로부터 인덱스신호가 발생될 때 카운트를 리셋트시켜 모터위치 감지수단의 출력으로부터 스티어링 조립체의 각위치를 모니터하는 장치를 제공한다. 인덱스신호는 스티어링 컬럼감지기로부터, 스티어링 조립체의 스티어링 래크의 위치를 모니터할 수 있게 된 감지기로부터, 또는 차량의 좌우운동율(yaw rate)을 나타내는 출력을 발생할 수 있게 된 좌우운동율 감지기로부터 제공될 수 있다.

저가의 인덱스위치 감지기가 리셋트 타이밍을 간단히 이용할 수 있도록 조향축에 제공될 수 있다.

출력변화를 카운트하는 것은 예를 들어, 감지수단 출력이 일측방향으로의 회전에 일치하는 상태로 변화할 때 카운트신호를 증분하고 상태의 변화가 반대방향으로의 회전에 일치할 때 카운트신호를 감분함을 의미한다. 따라서, 카운트신호의 값은 리셋트가 이루어지는 알려진 각위치에 대한 조향축의 각위치를 나타낸다.

모터위치 감지수단은 하나 이상의 회전자 자석 또는 모터의 회전자에 대하여 고정된 자석의 위치를 검출할 수 있게 된 하나 이상의 전자효과 감지기로 구성될 수 있다. 특별히 유리한 구성에 있어서, 모터는 브러쉬레스 영구자석 모터로 구성되고 자기효과 감지기가 회전자 자석의 위치를 검출한다. 물론 다른 형태의 감지기가 달리 사용될 수 있다.

모터위치 감지수단로부터의 출력신호는 부가적으로 카운트신호를 발생할 수 있고 유리하게 모터회전자 권선의 타이밍 또는 정류를 제어하는데 사용될 수 있다. 감지수단은 하나 이상의 홀효과 감지기로 구성될 수 있다. 이는 3비트 출력신호를 발생할 수 있게 된 3개의 홀효과 감지기로 구성되는 것이 좋다.

본 발명의 시스템은 모터위치 감지수단 과/또는 조향위치 감지수단을 "스트로브(strobe)" 할 수 있게 된, 즉 주기적으로 작동시킬 수 있게 된 수단과 작동시 감지수단의 출력을 샘플링할 수 있게 된 수단을 포함한다. 감지기는 샘플 사이에서 작동되지 않을 수 있다. 이는 연속적으로 감지기를 작동시키는 것에 비하여 평균전류소모를 최소화 한다. 이는 또한 스티어링 시스템이 차량배터리의 지나친 소모없이 차량의 시동에 의하여 전력이 떨어질 때에도 카운터가 조향축 위치를 추적할 수 있도록 한다. 샘플값을 고정하기 위한 래치가 제공될 수 있다.

조향위치 감지수단은 조향축의 직진위치 또는 다른 조향각도에 일치하는 단일위치 인덱스신호를 발생할 수 있다. 예를 들어, 조향축이 알려진 위치를 통과할 때 펄스가 발생될 수 있다. 이는 축의 자석이 통과하는 것을 검출할 수 있게 된 단일 자기효과 감지기로 구성될 수 있다. 이와 같이, 조향위치 감지수단은 제 2 값을 갖는 인덱스위치 외에 축의 모든 위치에 대하여 제 1 출력값을 갖는다. 그러나, 인덱스위치가 출력의 처리를 통하여 식별될 수만 있다면 다른 적당한 출력이 이용될 수 있다.

만약 1회전마다 하나의 인덱스신호가 발생된다면 조향축이 회전할 때마다 카운터가 제로(또는 다른 값)로 리셋트 될 것이다. 이와 같은 경우, 카운터에 저장된 최대값은 모터의 1회전에 대한 모터 감지수단의 출력의 변화수와 조향축의 1회전에 대한 모터의 회전수에 따라 달라질 것이다. 이는 명백히 변속기의 변속비에 따라 달라진다. 그럼에도 불구하고 변속기의 변속비가 일정하면 카운터에 저장된 값은 조향축의 1회전 범위내에 정확한 축위치를 나타낼 것이다. 리셋팅은 총 카운트가 시간에 따라 변화하는 것을 방지한다. 이러한 현상은 예를 들어 거짓 "변화"가 기록될 때에 나타난다.

그러나, 인덱스신호는 조향이 직진위치이거나 이러한 위치에 관련된 각도일 때에만 발생되므로 카운터에 저장된 값은 이러한 직진위치에 대하여 절대조향각도를 나타낸다.

카운팅수단은 16비트 카운터로 구성되나 이 보다 크거나 작은 카운터가 사용될 수 있다.

본 발명의 시스템은 배터리 작동형이거나 적어도 부분적으로 배터리에 의하여 작동되는 형태이다. 배터리 상태수단은 배터리가 시스템으로부터 분리되었을 때를 검출할 수 있게 제공된다. 배터리 상태수단이 배터리의 분리를 검출하였을 때 에러플래그가 상승된다. 만약 이 플래그가 상승되는 경우, 카운터값은 이후의 전력 공급상태(즉, 배터리의 재연결)가 오류이거나 신뢰할 수 없는 것으로 처리된다. 이는 전력이 공급되지 않는 경우 카운터가 업데이트됨이 없이 모터회전자가 회전되기 때문이다.

알려진 변속기의 변속비로부터 카운터에 저장된 값을 조향축 위치의 측정값과 상관시키도록 하는 처리수단이 제공된다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에서 보인 시스템은 일측단부가 조향핸들(2)에 연결되고 타측단부가 래크/피니언 변속기(5, 6)를 통하여 차량의 바퀴(3, 4)에 연결된 조향축(1)으로 구성 된다.

운전자를 보조하는 토크를 제공하기 위하여, 이 시스템은 변속비가 16.5:1인 감속변속기(8)를 통하여 조향축(1)에 연결된 전기모터(7)를 포함한다. 이 모터(7)는 3상 연구자석 브러쉬레스 모터로 구성되고 3개의 홀효과 감지기 (A)(B)(C)로 구성된 감지수단(9)이 회전자 자석(10)의 위치를 측정함으로서 회전자의 전기각을 검출토록 모터(7)의 둘레에 배열된다. 이는 도 2에 도시되어 있다.

도 3(a)에서 보인 바와 같이, 각 감지기(A)(B)(C)는 회전자 자석의 N극 또는 S극이 각 감지기의 검출범위 내에 있는지의 여부에 따라 제로 또는 제로가 아닌 값이 되는 출력을 발생한다. 감지기를 적당한 간격으로 배치함으로서 도 3(b)에서 보인 바와 같이 6개의 3비트 값을 갖는 증분출력이 발생될 수 있다. 이러한 감지기 출력은 전기각도의 값으로 절대적인 기계각도가 아니다. 예를 들어, 6극 회전자를 갖는 3상 모터의 경우 감지기 출력의 시컨스는 기계각도 120도마다 반복할 것이다. 상기 언급된 변속비의 경우 스티어링 컬럼의 매 회전마다 297회의 홀효과 변화가 이루어지고 스티어링 컬럼의 분해능력은 변화당 약 1.2도이다.

모터(7)의 정확한 제어를 위하여, 조합형 토크/위치 감지기(12)가 조향핸들에 작용하는 운전자에 의하여 조향축에 가하여지는 토크를 측정토록 제공된다. 토크를 나타내는 토크감지기로부터의 출력은 모터전류 요구값을 발생하는데 이용된다. 그리고 이는 모터에 인가된 전류를 제어하는 모터전류신호를 발생하는데 이용된다.

토크를 나타내는 출력을 발생하는 것에 부가하여, 토크감지기는 조향축의 각도를 나타내는 출력신호를 발생한다. 이는 도 4에 도시되어 있다. 도시된 실시형태 에서, 이 신호는 토크감지기가 조향축의 직진위치에 일치되게 정렬될 때 발생된 단일 인덱스신호로 구성된다. 실제로, 이 인덱스는 조향축이 직진위치를 통하여 통과할 때 발생되는 좁은 펄스이다. 이는 토크와는 무관하다.

또한 직진조향 인덱스신호는 예를 들어 스티어링 래크(6)에 직접 착설된 다른 감지기로부터, 또는 차량이 회전하는 회전율을 측정하는 좌우운동 감지기로부터 얻을 수 있다.

인덱스신호와 홀효과 감지기의 출력을 처리함으로서 단일 인덱스신호보다 높은 분해능을 갖는 조향축의 각위치의 측정값이 발생될 수 있다. 이러한 처리는 전기적으로 이루어진다.

3개의 모든 홀효과 감지기로부터의 출력은 제 1 처리단으로 보내어진다. 홀효과 감지기의 상태가 변화할 때, 제 1 처리단은 카운트-업 또는 카운트-다운 신호를 발생한다.

카운트-업 신호는 홀효과 상태의 변화가 제 1 방향으로 모터회전자의 운동을 나타낼 때에 발생된다. 카운트-다운 신호는 이러한 변화가 제 2의 반대방향으로 모터회전자의 운동을 나타낼 때에 발생된다. 예를 들어, 제 1 방향은 S₁-S₂, S₂-S₃, S₃-S₄, S₄-S₅, S₅-S₆, S₆-S ₁의 홀효과 출력의 변화에 일치한다. 제 2 방향은 변화 S₁-S₆, S₆-S₅, S₅-S₄ ……S₂-S₁에 일치한다.

제 1 처리단의 출력은 16비트 카운터에 보내어진다. 만약 카운트-업 신호가 수신되면, 카운터에 저장된 카운트값이 1씩 증분된다. 만약 카운트-다운 신호가 수 신되면, 카운터에 저장된 카운트값이 1씩 감분된다.

카운터의 값은 초기에는 조향축이 직진위치에 있을 때 제로로 설정된다. 이는 토크(또는 다른)감지기로부터의 인덱스신호에 일치한다. 일측방향으로 바퀴가 연속하여 회전하는 경우, 카운터에 저장된 값은 조향축이 직진위치에 대하여 반대방향으로 복귀할 때까지 단계적으로 증가할 것이다. 카운터는 일측 조향방향에서는 상향계수 되고 다른 방향에서는 하향계수 된다. 직진위치에서 카운터는 리셋트 된다. 이와 같이, 조향핸들이 직진위치를 통하여 이동할 때 카운트의 에러는 연속적으로 리셋트 된다.

스티어링 시스템에 전력이 공급되지 않을 때 카운터가 업데이트되지 않는다면 문제가 발생한다. 예를 들어, 차량의 점화장치가 스위치-오프되었을 때 파워 스티어링 시스템이 비작동상태에 놓일 수 있다. 이는 엔진이 작동되지 않을 때 모터의 작동에 의한 배터리의 소모를 의도적으로 방지한다.

그러나, 이러한 경우에 있어서, 조향핸들은 아직까지 회전될 수 있다. 카운터에 저장된 값은 업데이트될 수 없으며(전력이 스위치-오프 되었으므로) 재시동시에 에러성의 위치신호를 발생할 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 홀효과 감지기는 이들이 스위치-오프되는 시간만큼 간격을 둔 짧은 시간동안 이들을 반복적으로 전환시킴으로서 스트로브된다. 이는 위치판독이 가능하도록 하고 카운터가 업데이트될 수 있도록 한다. 이와 같이 감지기는 판독사이에 스위치-오프 된다. 변화의 검출을 놓치지 않기 위하여 감지기출력을 샘플링하는 빈도는 감지기출력의 최대 변화율의 적어도 두배 이상이 되어야 한다. 여기에서 제한이 있다면 이는 모터의 최대속도의 물리적인 제한이다.

감지기의 작동과 처리수행을 위한 시스템(100)이 도 5에 도시되어 있다. 이는 발진기(101)로 구성되며 그 출력이 1/16의 듀티싸이클동안 홀효과장치(102)를 턴온 시키도록 스위치(110)에 인가된다. 그러나 듀티싸이클의 값은 다른 값이 이용될 수 있다. 발진기에는 5볼트 레귤레이터(103)를 통하여 12볼트 차량배터리의 전원이 인가된다. 이는 스위치(110)를 통하여 홀효과 감지기, 감지기의 출력을 샘플링하여 고정하는 래치(104), 디코우더 논리회로(105)와 홀효과 감지기의 출력을 처리하는 변화카운터(106)에 전력을 인가한다. 카운터의 출력은 카운트값을 각도(108)로 변환시키는 마이크로 프로세서(107)로 보내어진다.

부가적인 안전구조로 시스템에 전력공급이 중지되었을 때 배터리가 분리되었음을 검출하는 배터리 분리래치(109)가 제공된다. 이 래치는 전력공급이 중단되는 경우 에러플래그를 상승시킨다. 시동시에 마이크로 프로세서(107)는 플래그에 질의한다. 만약 플래그가 상승하면 카운터에 저장된 값은 에러성인 것으로 처리된다. 카운터가 리셋트되고 에러플래그가 소거되는 직진위치를 결정하기 위하여 다른 수단이 이용될 수 있다.

본 발명 시스템의 분해능은 각 모터의 기계적인 회전에 대한 홀효과 감지기의 변화수와 변속비에 의하여 달라진다. 그러나, 홀효과 감지기의 변화의 순간에 위치 측정값의 정확성은 조향축에 고가의 절대위치 감지기를 사용할 필요없는 이러한 시스템을 이용함으로서 비교적 높을 것이다.

마이크로 프로세서(107)의 부가적인 입력은 인덱스 위치신호(111)로 구성된다. 이 신호는 컬럼위치 감지기의 출력이 펄스형 인덱스를 발생하는 경우에 발생된다. 이러한 신호의 발생으로 스티어링 컬럼이 직진위치에 있음을 알 수 있고 이 신호가 카운터를 리셋트시키는 트리거로서 이용될 수 있다.

Claims (14)

1. 모터회전자의 각위치를 나타내는 출력을 발생하는 모터위치 감지수단(9)으로 구성되는 스티어링 조립체에 보조토크를 가하도록 전기모터(7)가 변속기(8)를 통하여 스티어링 조립체(1)에 연결된 차량용 파워 스트어링 시스템에 있어서, 이 시스템이 임의의 제로위치에 대하여 회전자의 각위치를 나타내는 카운트신호를 발생토록 모터위치 감지수단(9)의 출력의 변화를 카운트할 수 있게 된 카운팅수단(106), 스티어링 조립체(1)의 일부의 알려진 각위치를 나타내는 적어도 하나의 위치 인덱스신호를 발생할 수 있게 된 조향위치 감지기(12)와, 상기 스티어링 조립체의 상기 일부(1,6)가 상기 인덱스신호를 모니터링 하여 상기 알려진 각위치에 있을 경우 상기 카운팅수단에 의하여 발생된 카운트신호를 리셋트시킬 수 있게 된 리셋트수단으로 구성됨을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 조향위치 감지기가 스티어링 조립체의 일부의 위치를 직접 모니터 하여 그 출력으로서 인덱스신호를 발생토록 제공됨을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 모터위치 감지수단(9)이 하나 이상의 회전자 자석(10) 또는 모터의 회전자에 대하여 고정된 자석의 위치를 검출할 수 있게 된 하나 이상의 전자효과 감지기(A, B, C)로 구성됨을 특징으로 하는 파워 스티어 링 시스템.
4. 제 3 항에 있어서, 모터(7)가 브러쉬레스 영구자석 모터로 구성되고 자기효과 감지기(A, B, C)가 회전자 자석(10)의 위치를 검출함을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
5. 제 3 항에 있어서, 모터위치 감지수단이 3비트 출력신호를 발생할 수 있게 된 3개의 홀효과 감지기(A, B, C)로 구성됨을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
6. 제 1 항에 있어서, 모터위치 감지수단(9) 또는 조향위치 감지기(12)를 주기적으로 작동시킬 수 있게 된 수단과 측정 사이에 전류소모를 최소화 하기 위하여 작동시 감지수단의 출력을 샘플링할 수 있게 된 수단이 구성되어 있음을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
7. 제 1 항에 있어서, 조향위치 감지기가 조향축(1)의 직진위치 또는 다른 조향각도에 일치하는 단일위치 인덱스신호를 발생할 수 있게 되어 있음을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
8. 제 7 항에 있어서, 모터신호가 스티어링 조립체의 일부가 알려진 위치를 통 과할 때 발생되는 펄스로 구성됨을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
9. 제 1 항에 있어서, 조향위치 감지기가 스티어링 조립체의 일부에 착설된 자석이 통과하는 것을 검출할 수 있게 된 단일자석효과 감지기로 구성됨을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
10. 제 1 항에 있어서, 카운팅수단이 16비트 카운터로 구성됨을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 파워 스티어링 시스템이 배터리로 작동됨을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
12. 제 11 항에 있어서, 배터리가 시스템으로부터 분리되었을 때를 검출할 수 있게 된 배터리 상태수단이 제공됨을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
13. 제 1 항에 있어서, 알려진 변속기의 변속비로부터 카운터에 저장된 값을 스티어링 조립체의 일부의 측정값과 상관시키도록 하는 처리수단이 제공됨을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
14. 제 1 항에 있어서, 스티어링 조립체의 일부가 조향축으로 구성됨을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.

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