KR100737009B1

KR100737009B1 - 수동댐퍼와 댐핑 보상제어를 통한 스티어 바이 와이어시스템의 반력 제어 시스템 및 그의 방법

Info

Publication number: KR100737009B1
Application number: KR1020050122726A
Authority: KR
Inventors: 이문환
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2007-07-09
Also published as: KR20070062854A

Abstract

본 발명은 스티어 바이 와이어(SBW) 시스템의 반력 제어 시스템 및 그의 방법으로서, 그 구성은 차량의 조향 휠과; 상기 조향 휠의 조향에 의한 반력 토크를 제공하기 위해 구동되는 반력모터와; 상기 조향 휠의 조향 축을 고정하는 고정 프레임과; 상기 조향 축과 상기 고정 프레임에 연결 설치된 저항판, 상기 저항판을 둘러싸는 댐퍼커버 및 상기 저항판과 상기 댐퍼커버 사이에 채워진 유체물질을 포함하여 상기 반력모터의 반력 구현시 댐핑 역할을 하는 수동댐퍼와; 상기 조향 휠의 조작에 따른 반력모터와 수동댐퍼의 구동 제어를 위한 콘트롤러로 구성되는 것을 특징으로 한다.

반력, 모터, 댐퍼, SBW

Description

수동댐퍼와 댐핑 보상제어를 통한 스티어 바이 와이어 시스템의 반력 제어 시스템 및 그의 방법 {A system and a method for controlling reaction of steer by wire system using passive damper and damping compensation control}

도 1은 본 발명에 따른 SBW 반력 제어 시스템 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 SBW 반력 제어 시스템의 동작 설명을 위한 블록 다이어그램 도면.

도 3은 본 발명에 따른 SBW 반력 제어 방법 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2 : 조향 휠 4 : 반력 전달 와이어

6 : 반력 모터 8 : 수동댐퍼

10 : 조향 축 12 : 고정 프레임

14 : 휠구동 모터 16 : 구동력 전달 기어

20 : 콘트롤러 25a, 25b : 차륜

본 발명은 수동댐퍼와 댐핑 보상제어를 통한 스티어 바이 와이어 시스템의 반력 제어 시스템 및 그의 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 단일의 반력 모터와 수동댐퍼를 이용하여 자유구간에서는 댐핑특성이 상쇄되도록 하는 보상제어를 통해 최소의 비용 및 중량으로 핸들의 복합 하중을 구현할 수 있도록 한 수동댐퍼와 댐핑 보상제어를 통한 스티어 바이 와이어 시스템의 반력 제어 시스템 및 그의 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 스티어 바이 와이어(SBW:Steer By Wire, 이하 SBW라 칭함)란 차량의 핸들과 휠의 상호조작 메커니즘에서 기존의 기계적 연결을 제거하고, 두 시스템을 분리하여 각각을 전기적 장치를 통해 제어하는 시스템을 말한다. 즉, SBW에서는 오작동 방지를 통한 안전성 확보와 핸들의 반력(active force와 passive force) 구현을 통해 운전자의 이질감을 제거하는 것을 가장 중요시한다.

종래에는 상기 반력 구현을 위해 모터(능동 구동기), MR 댐퍼 등의 자기유변유체(반능동 구동기), 하이브리드 액츄에이터(모터와 MR 댐퍼) 및 스토퍼 등을 이용하였다.

그러나, 상기 종래기술들은 실제 핸들에서 발생하는 복합하중을 모두 고려하지 못해 반력의 구현에 한계가 있으며, 이와 동시에 비용 및 원가가 증가되는 문제점을 갖고 있다. 즉, 통상적으로 사용되는 모터는 노이즈에 의해 발생되는 미세진동 등에 의해 수동반력을 구현하는데 한계가 있으며, MR 댐퍼는 능동반력 구현이 어렵고 고가이며, 하이브리드 액츄에이터는 복합하중을 구현할 수는 있으나 두 개의 구동기를 사용해야 하므로 중량 및 가격면에서 문제점을 갖으며, 끝으로 스토퍼는 항상 고정된 위치이므로 운동범위에 제한을 갖는 문제점을 갖고 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 단일의 반력 모터와 수동댐퍼를 이용하여 자유구간에서는 댐핑특성이 상쇄되도록 하는 보상제어를 통해 최소의 비용 및 중량으로 핸들의 복합 하중을 구현할 수 있도록 한 수동댐퍼와 댐핑 보상제어를 통한 스티어 바이 와이어 시스템의 반력 제어 시스템 및 그의 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 이루기 위한, 본 발명에 따른 SBW 반력 제어 시스템 구성은, 차량의 조향 휠과; 상기 조향 휠의 조향에 의한 반력 토크를 제공하기 위해 구동되는 반력모터와; 상기 조향 휠의 조향 축을 고정하는 고정 프레임과; 상기 조향 축과 상기 고정 프레임에 연결 설치된 저항판, 상기 저항판을 둘러싸는 댐퍼커버 및 상기 저항판과 상기 댐퍼커버 사이에 채워진 유체물질을 포함하여 상기 반력모터의 반력 구현시 댐핑 역할을 하는 수동댐퍼와; 상기 조향 휠의 조작에 따른 반력모터와 수동댐퍼의 구동 제어를 위한 콘트롤러로 구성되는 것을 특징으로 한다.

삭제

또한, 상기 시스템 구성을 통한 SBW 반력 제어 방법은, 차량의 핸들 조향여부 판단 단계; 핸들 조향이 이루어진 경우 반력모터 내 내장된 엔코더를 통해 조향 각 및 조향 각속도 산출 단계; 휠 구동모터를 통해 산출된 조향 각에 상응하는 휠 조향 단계; 휠 구동모터 내 내장된 엔코더를 통해 휠 조향각 및 휠 조향각속도 산출 단계; 차량의 주행여부를 판단한 결과, 주행상태인 경우 차량 주행시의 복합반력 산출 및 수동댐퍼의 보상을 이루지만, 정지상태인 경우에는 차량 정지시의 복합반력 산출 및 수동댐퍼의 보상을 이루는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

삭제

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

본 발명에 따른 실시예의 설명에 앞서, 본 발명에서는 단일의 반력 모터를 이용하여 SBW 시스템에서의 복합반력(active force와 passive force)을 구현한 것이고, 상기 모터를 통해 반능동 반력을 구현할 때 발생하는 속도정보 노이즈에 의한 떨림현상을 조향축과 고정 프레임간에 직접 연결 설치된 수동댐퍼를 통해 억제토록 한 것이며, 스위칭 보상제어를 통해 자유 운동시 발생하는 수동댐퍼에 의한 이질적인 반력이 상쇄되도록 한 것이다.

본 실시예에 따른 스티어 바이 와이어(SBW) 시스템의 반력 제어 시스템 구성을 도 1을 참조하여 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 SBW의 반력 제어 시스템은, 차량의 조향 휠(2)과; 상기 조향 휠(2)의 조향에 의한 반력 토크를 제공하기 위해 구동되는 반력모터(6)와; 상기 조향 휠(2)의 조향 축(10)을 고정하는 고정 프레임(12)과; 상기 조향 축(10)과 상기 고정 프레임(12)에 연결 설치된 저항판(8a), 상기 저항판(8a)을 둘러싸는 댐퍼커버(8b) 및 상기 저항판(8a)과 상기 댐퍼커버(8b) 사이에 채워진 유체물질을 포함하여 상기 반력모터)6)의 반력 구현시 댐핑 역할을 하는 수동댐퍼(8)와; 상기 조향 휠(2)의 조작에 따른 반력모터(6)와 수동댐퍼(8)의 구동 제어를 위한 콘트롤러(20)로 구성된다. 상기 도 1에서, 미설명된 도면부호 '4'는 반력모터의 반력 전달을 위한 와이어, '14'는 휠 구동 모터, '16'은 휠 구동 모터의 구동력 전달을 위한 와이어, 그리고 '25a'와 '25b'는 좌,우 차륜을 의미한다.

삭제

상기 시스템 구성을 갖는, 본 실시예에 따른 SBW시스템의 동작 설명을 블록 다이어그램인 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 SBW시스템에서 조향 축상에 설치된 단일의 반력모터와 수동댐퍼 구성을 통해 복합반력의 전달 및 댐핑 보상을 이루기 위한 것이다.

이를 위해, 본 실시예에서는 운전자가 조향 휠에 일정토크(T_driver)를 가하여 조향을 이루게 되면, 이는 조향 시스템의 콘트롤러에서의 역학모델 출력값(

)에 의해 휠의 조향이 이루어진다.

상기 과정에서 조향 휠의 각변위와 각속도 즉,

,

그리고, 휠의 각변위와 각속도 즉,

,

가 발생하게 되는데, 이들 각각은 콘트롤러에서 디지털 데이터(

,

)로 샘플링 된다. 이렇게, 샘플링된 데이터와 그외 조건 즉, 차량의 주행조건 및 노면조건 등에 의해 미리 세팅되었거나 실시간으로 산출되는 반력모델(V(z))의 복합반력(

)이 설정되며, 이 값은 ZOH(Zero Order Holder)에 의해 모터의 출력값(T_simulated)으로 정해진다.

상기에서, 반력모델(V(z))에 포함된 수동 반력요소는 조향휠과 휠의 각속도 즉,

,

을 변수로 하여 정의되는데, 이때 일반적으로 사용되는 엔코더의 출력값(각변위)으로부터 속도신호를 추정하는 한 노이즈성분을 배제할 수 없으며 이러한 노이즈성분에 의해 핸들이 떨이는 현상이 야기된다.

이를 위해, 본 실시예에서는 조향 축과 고정프레임간에 설치된 수동댐퍼를 설치한 것이며, 이를 통해 조향 축에 고정된 저항판과 고정프레임상에 장착된 댐퍼 커버, 그리고 상기 두 구성수단간에 채원진 유체의 점성을 이용한 댐핑작용을 통해 차량의 주행시 핸들의 진동이 저감될 수 있도록 한 것이다. 하지만, 상기에서 수동댐퍼의 진동억제 효과는 항상 고정된 저항력(

×

)을 발생시켜 운전자에게 비정상적인 반력을 제공할 수 있으므로, 자유운동시 또는 휠의 수동반력이 적은 구간에서는 반력모터를 통해 상기 수동댐퍼의 댐핑효과를 보상해 주는 것이 바람직할 것이다.

상기 SBW시스템의 복합 반력 구현 및 수동댐퍼를 통한 보상 제어 방법을 흐름도인 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3에서 보는 바와 같이, 본 실시예에서는 차량의 핸들 조향여부를 판단하여 핸들 조향이 이루어진 경우 반력모터 내 내장된 엔코더를 통해 조향 각(

) 및 조향 각속도(

)를 산출한다[S10, S50]. 하지만, 상기 S10 단계의 판단결과, 차량의 핸들 조향이 이루어지지 않은 경우에는 현 차량의 주행상태를 판단하여, 주행중인 경우에는 차량 주행시의 능동반력을 산출하여 적용하지만, 정지상태인 경우에는 반력 모터 및 휠구동 모터의 구동상태를 오프시킨다[S20 ~ S40]. 상기 S30 단계에서 차량 주행시의 능동반력(T_simulated) 산출 수식은 아래 수학식 1과 같다.

T_simulated= -k2_wheel × θ_wheel

상기에서, T_simulated은 반력

k2_wheel 은 차량 주행시 능동 반력 계수를 의미한다.

다시 도 3의 흐름도로 돌아가서, 상기 S50 단계에서 조향각 및 조향각속도를 산출한 후 휠 구동모터를 통해 산출된 조향 각에 상응하는 휠 조향을 이루고[S60], 상기 휠 구동모터 내 내장된 엔코더를 통해 휠 조향각(

) 및 휠 조향각속도(

)를 산출한다[S70].

상기 S70 단계에서 휠 조향각 및 휠 조향각속도를 산출한 후에는, 차량의 주행여부를 판단하여 주행상태인 경우에는 차량 주행시의 복합반력 산출 및 수동댐퍼의 보상을 이루며, 정지상태인 경우에는 차량 정지시의 복합반력 산출 및 수동댐퍼의 보상을 이루도록 한다[S80 ~ S100]. 상기에서, 차량 정지시의 복합반력 산출 및 차량 주행시의 복합반력은 각각 아래 수학식 2와 3과 같이 산출된다.

T_simulated = (-k1_wheek × θ_wheel) + (C_damper× ) - (C1_wheel × )

상기에서, T_simulated은 반력

k1_wheel 은 차량 정지시 능동 반력 계수

C1_wheel 은 차량 정지시 반능동 반력 계수

C_damper은 수동댐퍼의 고정된 저항력을 의미한다.

T_simulated = (-k2_wheek × θ_wheel) + (C_damper× ) - (C2_wheel × )

상기에서, T_simulated은 반력

k2_wheel 은 차량 주행시 능동 반력 계수

C2_wheel 은 차량 주행시 반능동 반력 계수

C_damper은 수동댐퍼의 고정된 저항력을 의미한다.

참고로, 상기에서 각 계수 즉, 차량 주행시 능동 및 반능동 반력 계수와 차량 정지시 능동 및 반능동 반력 계수는 차량 주행시 노면조건, 타이어 공기압, 차량의 적재하중 조건 등에 따라 실험을 통해 미리 세팅된 값이다.

이와 같이, 본 발명에서는 반력모터를 통해 반력과 수동댐퍼의 보상력이 구현되도록 한 후, 이를 반력전달와이어를 통해 조향 축으로 전달하여 운전자가 반력 을 느낄 수 있도록 한 것이며, 이와 동시에 휠 구동모터는 정확한 동력전달이 이루어지도록 구동된다.

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 수동댐퍼와 댐핑 보상제어를 통한 스티어 바이 와이어 시스템의 반력 제어 시스템 및 그의 방법에 따르면, 기존의 고가의 MR 댐퍼나 센서를 구비하지 않고 단일의 반력모터와 수동댐퍼를 이용하여 SBW 시스템에서 복합반력을 구현할 수 있으며, 상기 수동댐퍼의 댐핑 보상제어를 이룰 수 있는 효과를 갖는다.

Claims

스티어 바이 와이어(SBW) 시스템의 반력 제어 시스템에 있어서,

차량의 조향 휠과;

상기 조향 휠의 조향에 의한 반력 토크를 제공하기 위해 구동되는 반력모터와;

상기 조향 휠의 조향 축을 고정하는 고정 프레임과;

상기 조향 축과 상기 고정 프레임에 연결 설치된 저항판, 상기 저항판을 둘러싸는 댐퍼커버 및 상기 저항판과 상기 댐퍼커버 사이에 채워진 유체물질을 포함하여 상기 반력모터의 반력 구현시 댐핑 역할을 하는 수동댐퍼와;

상기 조향 휠의 조작에 따른 반력모터와 수동댐퍼의 구동 제어를 위한 콘트롤러로 구성되는 것을 특징으로 하는 수동댐퍼와 댐핑 보상제어를 통한 스티어 바이 와이어 시스템의 반력 제어 시스템.
스티어 바이 와이어(SBW) 시스템의 반력 제어 방법에 있어서,

차량의 핸들 조향여부 판단 단계;

핸들 조향이 이루어진 경우 반력모터 내 내장된 엔코더를 통해 조향 각 및 조향 각속도 산출 단계;

휠 구동모터를 통해 산출된 조향 각에 상응하는 휠 조향 단계;

휠 구동모터 내 내장된 엔코더를 통해 휠 조향각 및 휠 조향각속도 산출 단계; 및

차량의 주행여부를 판단한 결과, 주행상태인 경우 차량 주행시의 복합반력 산출 및 수동댐퍼의 보상을 이루지만, 정지상태인 경우에는 차량 정지시의 복합반력 산출 및 수동댐퍼의 보상을 이루는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수동댐퍼와 댐핑 보상제어를 통한 스티어 바이 와이어 시스템의 반력 제어 방법.
제 2항에 있어서,

상기에서 차량의 핸들 조향이 이루어지지 않은 경우 차량의 주행상태를 판단하여, 주행중인 경우에는 차량 주행시의 능동반력을 산출하여 적용하지만, 정지상태인 경우에는 반력 모터 및 휠구동 모터의 구동상태를 오프시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 수동댐퍼와 댐핑 보상제어를 통한 스티어 바이 와이어 시스템의 반력 제어 방법.
제 3항에 있어서,

상기 차량 주행시의 능동반력은 아래 수학식과 같이 산출되는 것을 특징으로 하는 수동댐퍼와 댐핑 보상제어를 통한 스티어 바이 와이어 시스템의 반력 제어 방법.

T_simulated= -k2_wheel × θ_wheel

상기에서, T_simulated은 반력

k2_wheel 은 차량 주행시의 능동 반력 계수를 의미한다.
제 2항에 있어서,

상기 차량 정지시의 복합반력 산출 및 수동댐퍼의 보상은 아래 수학식과 같이 이루어지는 것을 특징으로 하는 수동댐퍼와 댐핑 보상제어를 통한 스티어 바이 와이어 시스템의 반력 제어 방법.

T_simulated = (-k1_wheek × θ_wheel) + (C_damper×
) - (C1_wheel ×
)

상기에서, T_simulated은 반력

k1_wheel 은 차량 정지시 능동 반력 계수

C1_wheel 은 차량 정지시 반능동 반력 계수

C_damper은 수동댐퍼의 고정된 저항력을 의미한다.
제 2항에 있어서,

상기 차량 주행시의 복합반력 산출 및 수동댐퍼의 보상은 아래 수학식과 같이 이루어지는 것을 특징으로 하는 수동댐퍼와 댐핑 보상제어를 통한 스티어 바이 와이어 시스템의 반력 제어 방법.

T_simulated = (-k2_wheek × θ_wheel) + (C_damper×
) - (C2_wheel ×
)

상기에서, T_simulated은 반력

k2_wheel 은 차량 주행시 능동 반력 계수

C2_wheel 은 차량 주행시 반능동 반력 계수

C_damper은 수동댐퍼의 고정된 저항력을 의미한다.