KR100792090B1 - 조향 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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KR100792090B1
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다카아키 에구치
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

차량용 조향 컨트롤러는 조향입력을 수신하는 조향부와 기계적으로 분리되고, 조향 입력에 대응하는 차륜을 선회하는 선회부를 포함한다. 상기 컨트롤러는 또한 상기 선회부의 선회 상태에 대응하는 조향 반력을 조향부에 부여하는 반력모터와, 상기 조향부가 손을 놓은 상태인지를 검출하는 손을 놓은 상태 검출 센서와, 손을 놓은 상태를 검출하는 경우 손을 잡은 상태보다도 조향반력을 감소시키는 조향 반력 보정요소를 포함한다.

Description

조향 제어 장치 및 방법{STEERING CONTROL APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 차량의 조향 제어 분야에 관한 것으로, 특히 전자(또는 "스티어-바이-와이어(steer-by-wire)") 조향 제어 시스템에 관한 것이다.
스티어-바이-와이어 시스템에서는, 타이 로드(tie road)에 조향 반력 센서를 설치하고, 조향 반력 센서가 검출한 노면 반력을 조향 반력 토크에 부가함으로써, 노면으로부터 타이어에 작용하는 작용력의 영향을 조향 반력 토크에 반영시키고 있다.
스티어-바이-와이어 시스템에서 노면감을 운전자에게 확실하게 전달하기 위해서, 노면 반력에 대응하는 제어값을 조향 반력 토크에 부가한다. 예컨대, 일본국 특개평 10-217988호 공보에 개시된 기술에서, 조향력 연산부에서는, 조향력 센서의 검출결과를 기초로, 조향 샤프트에 부여된 조향력(T)을 연산한다. 동시에, 부여된 조향력(T)의 방향으로 조향 샤프트를 회전하는 제어값(aT)을 연산한다. 조향 반력 연산부에서는, 조향 반력 센서의 검출 결과를 기초로, 조향 샤프트에 부여된 조향 반력(F)을 연산한다. 조향 샤프트 모터 컨트롤러에서는, 이들 조향력 연산부와 조향 반력 연산부의 연산 결과를 기초로, 조향 샤프트의 회전 제어값(Mm)을 하기 식을 이용하여 연산하고, 이 회전 제어값(Mm)에 대응하는 반력 제어 신호를 조향 샤프트 모터로 출력한다. 하기 식에서, Gm은 출력 신호의 게인을 지시하는 게인 계수를 나타낸다.
Mm = Gm ·( aT - F )
조향 반력 Mm을 조향에 적정한 값으로 설정하면, 손을 놓을 때, 조향 핸들이 중립 위치를 지나 오버슛(overshoot)할 수 있다.
본 발명은 조향 입력을 수신하고 조향 입력에 따라 차륜을 선회하는 선회부와, 상기 선회부와 기계적으로 분리되는 조향부와, 상기 선회부의 선회 상태에 대응하는 조향 반력을 조향부에 부여하는 조향 반력 인가장치와, 상기 조향부가 손을 놓은 상태 또는 손을 잡은 상태인지를 검출하는 핸즈-프리 센서와, 손을 놓은 상태를 검출하는 경우 손을 잡은 상태보다도 조향 반력을 감소시키는 조향 반력 보정요소를 구비하는 차량의 조향 컨트롤러를 개시한다.
본 발명은 또한, 조향 입력으로부터 선회부를 통해 차륜을 선회하고, 조향부와 선회부를 기계적으로 분리하고, 선회부의 선회 상태에 대응하는 조향 반력을 조향부에 부여하고, 조향부가 손을 잡은 상태 또는 손을 놓은 상태인지 여부를 검출하며, 손을 놓은 상태보다도 손을 잡은 상태에서 조향 반력을 감소시키는 차륜의 제어 방법을 개시한다.
이하에, 본 발명의 바람직한 실시예를 기술한다. 그러나, 본 발명은 제1 내지 제4 실시예에 제한되지 않는다. 본 발명의 본질을 준수하는 한, 본 발명의 설계에 변화가 이루어질 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 차량용 조향 컨트롤러를 도시하는 전체 시스템도이다.
도 2는 제1 실시예에 따른 컨트롤러에 의해 실행된 노면 반력 게인의 설정 제어 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
도 3은 조향 핸들측의 토크 센서의 값에 대응하는 노면 반력 계수(D)의 설정에 사용된 그래프이다.
도 4는 조향각에 대응하는 조향각 게인의 설정에 사용된 그래프이다.
도 5는 조향각가속도에 대응하는 조향각가속도 게인의 설정에 사용된 그래프이다.
도 6은 조향각속도에 대응하는 조향각속도 게인의 설정에 사용된 그래프이다.
도 7은 손을 잡은 상태에서 노면 반력에 대응하는 노면 반력 게인의 설정에 사용된 그래프이다.
도 8은 종래 기술에서 손을 놓은 상태의 오버슛 문제를 도시하는 그래프이다.
도 9a는 손을 잡은 상태에서 조향각에 대한 조향 반력 토크를 도시하는 그래프이다.
도 9b는 손을 놓은 상태에서 조향각에 대한 조향 반력 토크를 도시하는 그래프이다.
도 10은 제1 실시예에서 손을 놓은 상태에서 오버슛의 방지 작용을 도시하는 그래프이다.
도 11은 제2 실시예에서 컨트롤러에 의해 실행된 조향각 게인의 설정 제어 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
도 12는 제2 실시예의 조향각 계수와 제3 실시예의 조향각가속도 계수의 설정에 사용된 그래프이다.
도 13은 제4 실시예의 조향각가속도 계수의 설정에 사용된 그래프이다.
이하, 기술한 실시예에서, 노면 반력에 대응하는 조향 반력 토크에 의해 운전자에게 정확한 노면감을 제공할 수 있다. 또, 손을 놓은 상태에서는, 손을 잡은 상태보다도 조향 반력 토크를 작게 설정함으로써, 적절한 복원성을 실현할 수 있고, 이에 따라 오버슛을 방지할 수 있다.
도 1은 제1 실시예의 차량의 조향 컨트롤러를 도시하는 전체 시스템도이다. 제1 실시예의 차량 조향 컨트롤러는 조향부, 백업장치, 선회부, 및 컨트롤러를 포함한다.
조향부는 조향각센서(1)(조향각 검출수단), 엔코더(2), 토크센서(3)(조향토크 검출수단), 및 반력모터(5)(조향반력 부여 수단)를 구비한다.
조향각센서(1)는 조향 핸들(6)의 각 위치를 검출하는 수단이다. 이 센서는 케이블 컬럼(7)과 조향 핸들(6)을 연결하는 컬럼 샤프트(8a)에 설치되어 있다. 즉, 조향각센서(1)는 조향 핸들(6)과 토크센서(3) 사이에 설치되어 토크센서(3)의 비 틀림에 의한 각도 변화에 영향을 받지 않으므로, 조향각을 검출할 수 있다. 조향각센서(1)에서는 앱솔루트 타입 리졸버(absolute type resolver)(도시생략) 등이 사용된다.
토크센서(3)는 이중 시스템을 형성하고 조향각센서(1)와 반력모터(5) 사이에 설치되어 있다. 각 토크센서(3)는 축방향으로 연장하는 토션 바아(torsion bar)와, 이 토션 바아와 동축으로 토션 바아의 일단에 연결된 제1 샤프트와, 토션 바아와 제1 샤프트와 동축으로 토션 바아의 타단에 연결된 제2 샤프트와, 제1 샤프트에 고정된 제1 자성체와, 제2 샤프트에 고정된 제2 자성체와, 제1 자성체와 제2 자성체를 향하는 코일과, 코일을 에워싸고 제1 자성체와 제2 자성체와 함께 자성회로를 형성하는 제3 자성체를 갖고 있다. 코일은 토션 바아의 비틀림을 기초로 제1 자성체와 제2 자성체 사이의 상대 변위에 대응하여 변화하는 인덕턴스를 기초로, 출력신호로부터 토크를 검출한다.
반력모터(5)는, 조향 핸들(6)에 반력을 부여하는 반력 액츄에이터이다. 이 모터는, 컬럼 샤프트(8a)를 로터리 샤프트로 하는 1-로터/1-스테이터 타입 전동모터로 구성된다. 그 하우징은 차체의 적절한 위치에 고정되어 있다. 브러시리스 모터(brushless motor)가 반력모터(5)로 사용되고, 엔코더(2) 및 홀 IC(도시생략)가 브러시리스 모터의 사용에 필요하다. 여기서, 하나의 홀 IC만을 사용하여, 모터를 구동할 수 있지만, 출력 토크의 미세한 편차가 발생하여, 조향 반력의 느낌이 불량하게 된다. 보다 매끄러운 반력의 제어를 위해서, 엔코더(2)는 컬럼 샤프트(8a)의 샤프트에 배치되어 모터를 제어한다. 그 결과, 작은 토크 편차를 감소할 수 있고, 조향 반력감을 향상시키고 있다. 또, 엔코더(2) 대신에 리졸버가 사용될 수 있다.
백업장치는 케이블 컬럼(7)과 클러치(9)로 구성되어 있다. 클러치(9)는 컬럼 샤프트(8a)와 풀리 샤프트(8b) 사이에 설치되어 있고, 전자석 클러치가 제1 실시예에 사용된다. 체결된 후, 클러치(9)는 입력 샤프트인 컬럼 샤프트(8a)를, 출력 샤프트인 풀리 샤프트(8b)에 연결한다. 클러치(9)는 조향 핸들(6)에서 조향부(15)에 조향 토크를 기계적으로 전달한다.
케이블 컬럼(7)은, 클러치(9)가 체결되는 백업 상태에서 조향부와 선회부 사이에 포함된 요소와의 간섭을 회피하기 위해 우회하면서 토크를 전달하는 컬럼 샤프트의 기능을 발휘하는 기계적인 백업기구를 갖는다. 케이블 컬럼(7)의 구조에서, 각 단이 릴에 고정된 두 개의 내부 케이블이 두 개의 릴에 감겨져 있고, 두 개의 내부 케이블이 삽입되는 외측 피복의 두 단부가 두 개의 릴 하우징에 고정되어 있다.
선회부는 엔코더(10), 조향각센서(11), 토크센서(12)(노면 반력 검출수단), 조향모터(14), 조향부(15), 및 조향 차륜(16, 16')을 포함한다.
조향각센서(11)와 토크센서(12)는, 케이블 컬럼(7)의 풀리가 일단에 부착되고, 타단에 피니언 기어가 형성된 피니언 샤프트(17)에 장착되어 있다. 조향각센서(11)로서, 샤프트의 회전속도를 검출하는 앱솔루트 타입 리졸버 등이 사용될 수 있다. 또, 토크센서(3)와 같이, 토크센서(12)는, 인덕턴스의 변화로부터 토크를 검출하는 이중 시스템을 형성한다. 그리고, 조향각센서(11)를 케이블 컬럼(7)측에 설정하고, 토크센서(12)를 조향부(15)측에 설정한다. 그 결과, 조향각센서(11)에 의해 조향각 검출시, 토크센서(12)의 비틀림에 의한 각도의 변화에 영향을 받지 않는다.
조향모터(14)는, 피니언 샤프트(17)의 조향각센서(11)와 토크센서(12) 사이의 중간위치에 설정된 웜 기어에 맞물린 피니언 기어를, 모터 샤프트에 설정함으로써, 모터 구동시 조향 토크가 피니언 샤프트(17)에 부여되는 구조를 갖는다. 조향모터(14)는 1-로터/2-스테이터 구조의 이중 시스템을 형성한다. 이 조향모터는 제1 조향모터(14)와 제2 조향모터(14)를 형성하는 브러시리스 모터이다. 또, 반력모터(5)와 유사하게, 브러시리스 모터의 채택에 의해, 엔코더(10) 및 홀 IC(도시생략)가 사용된다.
조향부(15)는 피니언 샤프트(17)를 회전하여 좌우의 조향 차륜(16)을 선회시키는 구조를 갖는다. 랙 튜브(15a)에 삽입되고, 피니언 샤프트(17)의 피니언 기어와 맞물리는 랙 기어를 형성하는 랙 샤프트(15b)와, 차량의 좌우방향으로 연장하는 랙 샤프트(15b)의 두 단부에 고정된 타이 로드(15c, 15c')와, 일단이 타이 로드(15c, 15c')에 고정되고 타단이 조향 차륜(16, 16')에 고정되는 너클 아암(15d, 15d')을 갖고 있다.
컨트롤러는 두 개의 전원(18, 18')과 프로세싱과 연산동작을 실행하는 두 개의 컨트롤러(19, 19')로 구성되는 이중 시스템 구조를 갖는다.
컨트롤러(19)는, 조향각센서(1), 엔코더(2), 토크센서(3), 및 반력장치의 홀 IC와, 뿐만 아니라 엔코더(10), 조향각센서(11), 토크센서(12), 홀 IC, 및 조향장 치의 차속센서(21)로부터의 검출된 신호를 수신한다.
각종 센서의 검출치를 기초로, 컨트롤러(19)는 반력모터(5)와 조향모터(14)의 제어값을 설정하고, 각 조향모터(14)를 제어하고 구동한다. 또, 정상 시스템 조건 동안, 컨트롤러(19)는 클러치(9)를 해제한다. 한편, 조향 핸들(6)과 조향차륜(16, 16') 사이의 기계적 연결을 달성하도록 시스템은 클러치(9)와 맞물린다.
반력 모터 제어값의 설정을 이하에 설명한다. 컨트롤러(19)에서, 하기 식 1은 반력모터(5)의 제어값(Th)을 설정하는데 사용된다.
Th = Kp x θ + Kd x dθ/dt + Kdd x d2θ/dt2 + D x Kf x F ‥‥(1)
여기서, θ는 조향각, Kp는 조향각 게인, Kd는 조향각속도 게인, Kdd는 조향각가속도 게인, D는 노면 반력 계수, Kf는 노면 반력 게인을 나타낸다.
식 1에서, 우측변의 제1, 제2 및 제3 항은 조향각(θ)을 기초로 조향 반력의 제어값을 설정하고, 우측변의 제4 항은 노면 반력(F)을 기초로 제어값을 설정하므로, 노면으로부터 타이어에 작용하는 힘의 영향을 조향 반력 토크에 반영할 수 있다. 또, 조향각가속도(d2θ/dt2 ) 및 조향각속도(dθ/dt)는, (조향각가속도 검출수단 및 조향각속도 검출수단에 대응하는) 조향각센서(1)의 검출값으로부터 연산된다.
손을 놓은 상태에 대응하는 제어값의 설정을 이하에 설명한다. 식 1에서, 노면 반력을 기초로 반영된 조향 반력 토크의 값을 결정하는 노면 반력 게인(Kf)은 조향 상태의 함수로서 값을 변화한다. 도 2는 제1 실시예에서 컨트롤러(19)에 의 해 실행된 노면 반력 게인(Kf)을 설정하고 제어하는 프로세스 흐름을 도시하는 흐름도이다.
단계 S1에서는, 각종 센서 신호를 읽고, 프로세스 제어는 단계 S2로 진행한다. 단계 S2에서, 단계 S1에서 읽은 조향 핸들측의 토크센서(3)의 센서 신호로부터, 시스템이 손을 놓은 상태인지 여부를 판정한다(손을 놓은 검출수단에 대응). 만약 '예' 이면, 단계 S4로 진행한다. 만약 '아니오' 이면, 단계 S3로 진행한다. 토크 센서(3)의 센서 신호가 소정 레벨 이하일 때 손을 놓은 상태의 판정이 이루어진다. 여기서, 소정값은 토크센서(3)의 히스테리시스 특성을 말하며, 토크입력이 제로에 대응할 때의 히스테리시스 범위로부터 설정된다.
단계 S3에서, 시스템이 단계 S2에서 손을 놓은 상태가 아니라고 판정되기 때문에, 노면 반력 게인(Kf)은 (조향 반력 보정수단에 대응하는) 소정의 HIGH 값으로 설정되고, 리턴한다.
단계 S4에서, 시스템이 단계 S2에서 손을 놓은 상태라고 판정되기 때문에, 노면 반력 게인(Kf)은 HIGH 값보다 작은 소정의 LOW 값으로 설정되고, 리턴한다.
손을 놓은 상태에서, 노면 반력 게인(Kf)을 작게 설정하고, 노면 반력(F)을 기초로 제어값이 작게 되므로 적절한 조향 핸들 복원성을 얻을 수 있다. 한편, 손을 잡은 상태에서, 노면 반력 게인(Kf)을 크게 설정하고 노면 반력(F)을 기초로 제어값이 크게 되므로 적절한 조향 반력을 얻을 수 있다.
손을 잡은 상태의 조향 토크에 대응하는 제어값의 설정을 이하에 설명한다. 식 1에서, 손을 잡은 상태에서, 노면 반력을 기초로 조향 반력 토크를 결정하는 노 면 반력 계수(D)는 조향 토크에 대응하는 값을 변경한다.
도 3은 조향 핸들측의 토크센서(3)의 값에 대응하는 노면 반력 계수(D)의 설정에 사용하는 그래프이다. 노면 반력 계수(D)는, 손을 놓은 상태에 대응하는 토크 센서값의 범위에서 소정의 최소값을 갖고, 토크센서 값의 절대값이 커질수록 커지도록 설정된다. 또, 조향 반력 토크가 너무 과대하게 되는 것을 방지하기 위해, 토크센서 값의 절대값이 소정 레벨을 초과하는 경우, 소정의 최대값이 된다.
조향 상태에 대응하는 제어값의 설정을 이제 설명한다. 식 1에서, 조향각(θ)을 기초로 조향반력의 제어값을 설정하는 조향각 게인(Kp)은 조향각(θ)의 함수로 변화한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 조향각 게인(Kp)은, 조향각(θ)의 절대값이 클수록 커지도록 설정된다. 또, 조향각 게인(Kp)은 높은 차속에 큰 값을 갖도록 설정된다.
또, 식 1에서, 조향각가속도(d2θ/dt2)를 기초로 조향 반력의 변화를 설정하는 조향각가속도 게인(Kdd)은 조향각가속도(d2θ/dt2)의 함수로 가변한다. 도 5에 도시한 바와 같이, 조향각가속도 게인(Kdd)은, 조향각가속도(d2θ/dt2)의 절대값이 클수록 커지도록 설정되어 있다. 또, 조향각가속도 게인(Kdd)은, 차속이 높을수록 커지도록 설정되어 있다.
또, 식 1에서, 조향각속도(dθ/dt)를 기초로 조향 반력의 제어값을 설정하는조향각속도 게인(Kd)은 조향각속도(dθ/dt)의 함수로 변화한다. 도 6에 도시한 바와 같이, 조향각속도 게인(Kd)은, 조향각속도(dθ/dt)의 절대값이 클수록 커지도록 설정된다. 또, 조향각속도 게인(Kd)은 차속이 높을수록 커지도록 설정된다.
노면 반력에 대응하는 제어값의 설정을 이제 설명한다. 식 1에서, 노면 반력 게인(Kf)은 HIGH 및 LOW의 두 값으로 제한되지 않는다. 또한, 노면 반력(F)의 함수로 변화할 수 있다. 이 경우, 노면 반력 게인(Kf)은, 노면 반력(F)의 절대값이 클수록 커지도록 설정된다(도 7).
종래의 스티어-바이-와이어 시스템에서는, 노면감을 운전자에게 정확하게 전달하기 위해서, 노면 반력에 대응하는 제어값이 조향 반력 토크에 부가된다. 조향력 센서의 검출 결과를 기초로, 스티어링 샤프트에 부여된 조향력(T)을 연산한다. 동시에, 부여된 조향력(T)의 방향으로 스티어링 샤프트를 회전하는 제어값(aT)을 연산한다. 조향 반력 연산부에서는, 조향 반력 센서의 검출 결과를 기초로, 스티어링 샤프트에 부여된 조향 반력(F)을 연산한다. 스티어링 샤프트 모터 컨트롤러에서는, 이들 조향력 연산부와 조향 반력 연산부의 연산 결과를 기초로, 하기 식을 이용하여 스티어링 샤프트의 회전 제어값(Mm)을 연산하며, 회전 제어값(Mm)에 대응하는 반력 제어 신호가 스티어링 샤프트 모터로 출력된다. 하기 식에서, Gm은 출력 신호의 게인을 지시하는 게인 계수를 나타낸다.
Mm = Gm x ( aT - F ) ‥‥ (2)
그러나, 상기 종래 기술에서, 조향에 적절한 값으로 조향 반력(Mm)을 설정한 경우, 손을 놓았을 때, 조향 핸들 복원력이 너무 커지므로, 조향 핸들이 중립 위치를 지나 오버슛하게 된다.
조향 반력의 변화의 과정은 손을 놓는 상태/손을 잡은 상태에 대응한다. 이 문제를 고려하여, 제1 실시예의 차량 조향 컨트롤러에서는, 손을 잡은 상태에서는 손을 놓을 상태와 비교해서 노면 반력에 대응하는 조향 반력 토크가 감소하므로, 이 문제를 해결하고 있다.
도 9a는 손을 잡은 상태에서의 조향각에 대한 조향 반력 토크를 도시하며, 도 9b는 손을 놓은 상태에서의 조향각에 대한 조향 반력 토크를 도시한다. 손을 잡은 상태에서는, 노면 반력 게인(Kf)을 HIGH 값으로 설정하므로, 조향 핸들이 복귀 상태에서도, 조향각에 따른 조향 반력 토크가 여전히 운전자에게 전달될 수 있다.
한편, 손을 놓은 상태에서, 노면 반력 게인(Kf)을 LOW 값으로 설정하기 때문에, 노면 반력(F)에 대응하는 조향 반력(Kf x F)은 손을 잡은 상태보다 작게 된다. 그 결과, 손을 놓은 상태의 조향각에 대응하는 조향 반력 토크가 손을 잡은 상태보다도 작게 된다. 도 10에 도시한 바와 같이, 운전자의 손을 조향 핸들에서 제거한 후 오버슛의 발생을 방지할 수 있기 때문에, 손을 제거한 시간, 요 레이트(yaw rate), 횡가속도, 또는 다른 차량 상태값 변화의 수렴이 종래 기술보다도 단축될 수 있다(수렴시간 2초).
조향 반력의 변화의 과정은 조향 토크에 대응한다. 제1 실시예에서, 손을 잡은 상태에서는, 조향 토크가 커질수록 조향 반력 토크가 커진다. 결과적으로, 손을 놓은 상태와 손을 잡은 상태 사이의 절환에 있어서, 계수(Kf)의 LOW 값과 HIGH 값 사이에 계단식 대신에 D가 매끄럽게 변화하므로, 보다 자연스러운 조향 핸들 복원성과 노면감의 양호한 전달 모두를 실현할 수 있다.
제1 실시예의 차량 조향 컨트롤러에서는 하기 효과를 실현할 수 있다. 장치가 조향 입력을 수신하는 조향부(1)로부터 기계적으로 분리된 선회부(3)와, 조향 입력에 대응하는 조향 차륜(16, 16')과, 조향부(1)에 대해 선회부(3)의 선회 상태에 대응하는 조향 반력을 부여하는 반력모터(5)와, 조향부(1)가 손을 놓은 상태인지 여부를 검출하는 손을 놓은 상태 검출수단, 및 손을 잡은 상태에 대해 조향 반력을 감소하는 조향 반력 보정수단을 갖기 때문에, 그 결과, 손을 놓은 상태에서 적절한 복원성과 손을 잡은 상태에서 운전자에게 노면감의 정확한 전달을 모두 실현할 수 있다.
시스템은 노면 반력(F)을 검출하는 토크센서(12)를 갖고, 반력모터(5)는 노면 반력에 대응하는 조향 반력(Kf x F)을 부여하고, 손을 놓은 상태가 검출되는 경우, 조향 반력 보정수단은 LOW 값으로 설정된 Kf로 노면 반력에 대응하는 조향 반력을 감소시킨다. 그 결과, 손을 놓은 상태에서는, 적절한 조향 차륜 복원성을 실현하며, 손을 잡은 상태에서는, 노면감을 정확하게 운전자에게 전달할 수 있다.
시스템은 조향토크를 검출하는 컨트롤러 토크 센서(3)를 갖는다. 손을 놓은 상태가 검출되지 않는 경우, 조향 반력 보정수단은 보다 작은 조향 토크에 대해 노면 반력에 대응하는 조향 반력을 감소시킨다. 그 결과, 손을 놓은 상태와 손을 잡은 상태 사이의 절환시, 매끄럽게 절환을 실현할 수 있고, 보다 자연스러운 조향 핸들 복원성과 노면감의 양호한 전달 모두를 실현할 수 있다.
제2 실시예는, 조향각을 기초로 반영된 조향 반력 토크의 양을 변화시키는 예이다. 제2 실시예의 구조가 제1 실시예의 구조와 동일하므로, 추가 설명을 생략 한다.
제2 실시예에서, 컨트롤러(19)에서는, 반력모터(5)의 제어값(Th)이 하기 식 3을 기초로 설정된다.
Th = Kp x θ + Kd x dθ/dt + Kdd x d2θ/dt2 + Kf x F ‥‥(3)
도 11은 제2 실시예의 컨트롤러(19)에 의해 실행되는 조향각 게인(Kp)을 설정하고 제어하는 프로세스를 도시하는 흐름도이다. 단계 S11 및 S12에서, 도 2의 단계 S1 및 S2에 사용된 동일 프로세스가 실행되므로, 이에 대한 추가 설명을 생략한다.
단계 S13에서, 단계 S12에서 손을 놓은 상태가 아니라고 시스템이 판정되었기 때문에, 조향각 게인(Kp)을 (조향 반력 보정수단에 대응하는) 소정의 HIGH 값으로 설정하고, 리턴한다.
단계 S14에서, 시스템이 손을 놓은 상태라고 판정되었기 때문에, 조향각 게인(Kp)을 HIGH 값보다 작은 LOW 값으로 설정하고, 리턴한다.
즉, 조향각 게인(Kp)은, 조향 핸들(6)을 중립점(중립위치)으로 복귀하는 탄성 모멘트 성분이기 때문에, 손을 놓은 상태에서, 조향 핸들이 중립점을 초과하는, 즉, 오버슛하지 않도록 적절한 조향 핸들 복원성을 이루는 작은 값으로 설정되고, 손을 잡은 상태에서, 적절한 조향 반력 토크를 생성하도록 크게 설정된다.
다른 방법으로서, 조향 핸들측의 토크센서(3)의 검출값에 대응하는 Kp x θ 을 변화할 수 있다. 이 경우, 하기 식 4를 기초로, 반력모터(5)의 제어값(Th)을 연산한다.
Th = A x Kp x θ + Kd x dθ/dt + Kdd x d2θ/dt2 + D x Kf x F ‥‥(4)
여기서, A는 조향 토크의 절대값에 비례하여 설정되는 조향각 계수이다. 도12에 도시한 바와 같이, A는 손을 놓은 상태에 대응하는 토크센서 값의 범위 내에서 소정의 최소값을 가지며, 토크센서 값의 절대값이 클수록 커지는 값을 갖는다. 또, 조향 반력 토크가 너무 커지는 것을 방지하기 위해서, 토크센서 값의 절대값이 소정의 레벨을 초과하는 경우, 소정의 최대값으로 가정하도록 설정된다.
식 4를 기초로 제어값(Th)을 설정함으로써, 조향토크에 대응하도록 조향각 계수(A)가 매끄럽게 변화될 수 있다. 결과적으로, 보다 자연스러운 조향 복원성과 적절한 조향 반력 토크를 실현할 수 있다. 또, 조향각의 복귀후 조향 핸들(6)이 중립위치로 복귀하지 않는 경우, Kp를 증가시킬 수도 있다.
제1 실시예에서 설명한 바와 같이, 손을 놓은 상태에서 탄성 반력(Kp)을 감소시킴으로써, 조향 핸들 복원시의 오버슛을 감소하고 차량 거동의 수렴 특성을 향상할 수 있다. 또, 복원력이 부족하고, 조향 핸들(6)이 중립점까지 복귀하지 않는 경우, 잔류 조향각을 유지하면서, 잔류 조향각을 감소하기 위해서 Kp를 증가시킬 수 있다.
제2 실시예의 차량 조향 컨트롤러는, 제1 실시예의 효과에 추가하여, 하기 효과를 갖는다.
시스템은 조향각(θ)을 검출하는 조향각센서(1)를 갖는다. 반력모터(5)는 조향각(θ)에 대응하는 조향반력(Kp x θ)을 부여한다. 조향 반력 보정수단은, 손을 놓은 상태가 검출되면, 조향각(θ)에 대응하는 조향반력(Kp x θ)을 감소한다. 그 결과, 손을 놓은 상태에서의 오버슛을 감소하고 차량 거동의 수렴성을 향상할 수 있다.
제3 실시예는, 손을 놓은 상태에서의 조향각가속도를 기초로 조향반력 토크 반영량의 변화를 도시하는 실시예이다. 제3 실시예의 구조는 제1 실시예와 동일하므로, 추가 설명을 생략한다.
제3 실시예에서, 반력모터(5)의 제어값을 설정하는 식 1에서, 손을 놓은 상태와 손을 잡은 상태 사이에 조향각가속도 게인(Kdd)을 변화시킨다. 손을 잡은 상태에서는, 조향각가속도 게인(Kdd)을 소정의 값(HIHG)으로 설정하고, 손을 놓은 상태에서는, 조향각가속도 게인(Kdd)을 HIGH 값보다 작은 LOW 값으로 설정한다.
즉, Kdd는 관성 토크 성분이다. Kdd의 값이 작을수록, 조향 핸들(6)의 수렴 주파수가 높아진다. 그 결과, 손을 놓은 상태에서 적절한 조향 핸들 복원성이 존재하도록 Kdd의 값을 작게 설정하며, 손을 잡은 상태에서 적절한 조향 관성감이 존재하도록 Kdd의 값을 크게 설정한다.
또, 다른 방법으로서, 조향 핸들측의 토크센서(3, 3)의 검출치에 대응하여 Kdd x d2θ/dt2를 변화시키는 계획을 채택할 수 있다. 이 경우, 반력모터(5)의 제어값(Th)은 하기 식 5를 기초로 연산된다.
Th = A x Kp x θ + Kd x dθ/dt + C x Kdd x d2θ/dt2 + D x Kf x F ‥‥(5)
여기서, C는 조향토크의 절대값에 비례하여 설정되는 조향각가속도 계수이다. 도 12에 도시한 바와 같이, 조향각가속도 계수(C)는 손을 놓은 상태에 대응하는 토크센서 범위 내의 소정의 최소값이다. 손을 잡은 상태에서, 토크센서 값의 절대값이 클수록, C의 값이 커지도록 설정되고 있다. 또, 조향반력 토크가 너무 커지는 것을 방지하기 위해서, 토크센서 값의 절대값이 소정 레벨을 초과하는 경우에는 소정의 최대값을 갖도록 설정된다.
식 5를 기초로 제어값(Th)을 설정함으로써, 조향토크에 매끄럽게 대응하는 조향각가속도 계수(C)를 변화하는 것이 가능하므로, 보다 자연스러운 조향 핸들 복원성과 적절한 조향 반력 토크를 실현할 수 있다.
제3 실시예의 차량 조향 컨트롤러는, 제1 실시예의 효과에 추가하여, 하기 효과를 갖는다.
제3 실시예의 컨트롤러는 조향각가속도를 검출하는 조향각가속도 검출수단을 갖는다. 반력모터(5)는 조향각가속도(d2θ/dt2)에 대응하는 조향반력(Kdd x d2θ/dt2)을 부여한다. 조향 반력 보정수단은, 손을 놓은 상태가 검출되면, 조향각가속도(d2θ/dt2)에 대응하는 조향반력(Kdd x d2θ/dt2)을 작게 감소시킨다. 그 결과, 손을 놓은 상태에서의 조향 핸들(6)의 수렴 주파수가 커지고 수렴성을 향상할 수 있다.
제4 실시예는, 손을 놓은 상태에서의 조향각속도를 기초로 조향반력 토크 반영량의 변화를 도시하는 예이다. 또, 제4 실시예의 구조는 제1 실시예와 동일하므 로, 추가 설명을 생략한다.
제4 실시예에서, 반력모터(5)의 제어값을 설정하는 식 1에서, 손을 놓은 상태와 손을 잡은 상태 사이에 조향각속도 게인(Kd)을 변화시킨다. 손을 잡은 상태에서는, 조향각속도 게인(Kd)을 소정의 HIGH 값으로 설정하고, 손을 놓은 상태에서는, 조향각속도 게인(Kd)을 HIGH 값보다 작은 LOW 값으로 설정한다.
즉, Kd는 점성 토크 성분이다. 이 성분의 값이 작을수록, 손을 놓은 상태에서 조향 핸들(6)의 수렴 감쇠가 높아진다. 따라서, 손을 놓은 상태에서는 적절한 조향 핸들 복원성을 갖도록 값을 크게 설정한다. 손을 잡은 상태에서는 적절한 조향 점성감을 갖도록 값을 작게 설정한다.
또, 다른 방법으로서, 조향 핸들측의 토크센서(3)의 검출치에 대응하여 Kd x dθ/dt를 변화시킬 수 있다. 이 경우, 반력모터(5)의 제어값(Th)은 하기 식 6을 기초로 연산된다.
Th = A x Kp x θ + B x Kd x dθ/dt + C x Kdd x d2θ/dt2 + D x Kf x F ‥‥ (6)
여기서, B는 조향토크의 절대값에 비례하여 설정되는 조향각속도 계수이다. 도 13에 도시한 바와 같이, 조향각속도 계수(B)는 손을 놓은 상태에 대응하는 토크센서 범위 내의 소정의 최소값을 갖도록 설정되고, 손을 잡은 상태에서, 토크센서 값의 절대값이 클수록 커지도록 설정되고 있다. 또, 조향반력 토크가 너무 커지는 것을 방지하기 위해서, 토크센서 값의 절대값이 소정 레벨을 초과하는 경우에는 소 정의 최대값을 갖는다.
식 6을 기초로 제어값(Th)을 설정함으로써, 조향토크에 매끄럽게 대응하여 조향각속도 계수(B)를 변경하는 것이 가능하므로, 보다 자연스러운 조향 핸들 복원성과 적절한 조향 반력 토크를 실현할 수 있다. 또, 식 6에서, 손을 놓은 상태에서 조향각(θ)을 감소방향으로 하기 위해서, 우측변의 제2 항은 다른 항에 역 부호가 된다.
제4 실시예의 차량 조향 컨트롤러는, 제1 실시예의 효과에 추가하여, 하기 효과를 갖는다.
조향각속도(dθ/dt)를 검출하는 조향각속도 검출수단을 갖고, 반력모터(5)는, 조향각속도(dθ/dt)에 대응하는 조향반력(Kd x dθ/dt)을 부여하고, 조향 반력 보정수단은, 손을 놓은 상태가 검출되면, 조향각속도(dθ/dt)에 대응하는 조향반력을 감소하므로, 손을 놓은 상태에서의 조향 핸들(6)의 수렴 감쇠를 증가시키고 수렴성을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였다. 그러나, 본 발명의 구체적인 구성은 실시예 1~4에 제한되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않고 본 발명의 설계에 대한 변경이 이루어질 수 있다.
본원은 일본 특허청에 2004년 12월 14일자로 출원된 일본특허출원 제2004-361986호에 기초로, 그 전체 내용이 참고로 본원에 인용되고 있다.

Claims (19)

  1. 조향 입력을 수신하는 조향 핸들(steering wheel)과, 상기 조향 핸들의 위치를 기초로 노면 위의 차륜을 선회하는 전자식 제어 조향부를 구비하는 차량용 조향 제어 장치로서,
    상기 조향 핸들에 연결되고 제어 신호에 응답하여 상기 조향 핸들에 조향 반력을 부여하는 반력장치와,
    상기 조향 핸들이 손을 놓은 상태 또는 손을 잡은 상태인지 여부를 나타내는 신호를 생성시키는 핸즈-프리(hands-free) 센서와,
    손을 잡은 상태를 나타내는 경우에 부여되는 조향 반력에 대해, 손을 놓은 상태를 나타내는 경우에 부여되는 조향 반력을 감소하도록 상기 핸즈-프리 센서 신호에 응답하여 제어 신호를 가변시키는 컨트롤러를 구비하는 차량용 조향 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 노면 반력을 나타내는 신호를 생성시키는 노면 반력 센서를 더 구비하고, 상기 반력장치는 나타낸 노면 반력(indicated road surface reaction force)ㅇ에 대응하는 조향 반력을 부여하며, 상기 컨트롤러는, 손을 놓은 상태라고 나타내는 경우 나타낸 노면 반력에 대응하는 조향 반력을 감소시키는 차량용 조향 제어 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 조향 핸들의 조향각을 나타내는 신호를 생성시키는 조향각 검출센서를 더 구비하고, 상기 조향 반력장치는 조향각에 대응하는 조향 반력을 부여하며, 상기 컨트롤러는, 손을 놓은 상태라고 나타내는 경우 나타낸 조향각에 대응하는 반력을 감소시키는 차량용 조향 제어 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 조향각가속도를 나타내는 신호를 생성시키는 조향각가속도 검출센서를 더 구비하고, 상기 조향 반력장치는 나타낸 조향각가속도에 대응하는 조향 반력을 부여하며, 상기 컨트롤러는, 손을 놓은 상태라고 나타내는 경우 나타낸 조향각가속도에 대응하는 반력을 감소시키는 차량용 조향 제어 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 조향각속도를 나타내는 신호를 생성시키는 조향각속도 검출센서를 더 구비하고, 상기 조향 반력장치는 나타낸 조향각속도에 대응하는 조향 반력을 부여하며, 상기 컨트롤러는, 손을 놓은 상태라고 나타내는 경우 나타낸 조향각속도에 대응하는 반력을 감소시키는 차량용 조향 제어 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 조향토크를 나타내는 신호를 생성시키는 조향토크 검출센서를 더 구비하고, 상기 컨트롤러는, 나타낸 조향 토크가 감소하고 손을 놓은 상태를 나타내지 않는 경우 반력을 감소시키는 차량용 조향 제어 장치.
  7. 조향부와,
    상기 조향부에 응답하여 상기 조향부의 위치를 기초로 차륜을 선회하는 전자식 제어 선회부와,
    상기 조향부에 조향 반력을 부여하는 조향 반력 부여장치와,
    상기 조향부가 손을 놓은 상태 또는 손을 잡은 상태인지 여부를 검출하는 핸즈-프리(hands-free) 센서와,
    손을 잡은 상태를 검출하는 경우에 부여되는 조향 반력에 대해, 손을 놓은 상태를 나타내는 경우에 부여되는 조향 반력을 감소시키는 조향 반력 보정요소를 구비하는 차륜을 갖는 차량.
  8. 청구항 7에 있어서, 노면 반력을 검출하는 노면 반력센서를 더 구비하고, 상기 조향 반력 부여장치는 노면 반력에 대응하는 조향 반력을 부여하며, 상기 조향 반력 보정요소는 조향부가 손을 놓은 상태인 경우 노면 반력에 대응하는 조향 반력을 감소시키는 차량.
  9. 청구항 7에 있어서, 조향 핸들의 조향각을 검출하는 조향각 검출센서를 더 구비하고, 상기 조향 반력 부여장치는 조향각에 대응하는 조향반력을 부여하며, 상기 조향 반력 보정요소는 손을 놓은 상태가 검출된 경우 조향각에 대응하는 조향 반력을 감소시키는 차량.
  10. 청구항 7에 있어서, 조향각가속도를 검출하는 조향각가속도 검출센서를 더 구비하고, 상기 조향 반력 부여장치는 조향각가속도에 대응하는 조향반력을 부여하며, 상기 조향 반력 보정요소는 손을 놓은 상태가 검출된 경우 조향각가속도를 참조하여 조향각에 대응하는 조향 반력을 감소시키는 차량.
  11. 청구항 7에 있어서, 조향 핸들의 조향각속도를 검출하는 조향각속도 검출센서를 더 구비하고, 상기 조향 반력 부여장치는 조향각속도에 대응하는 조향반력을 부여하며, 상기 조향 반력 보정요소는 손을 놓은 상태가 검출된 경우 조향각속도에 대응하는 조향 반력을 감소시키는 차량.
  12. 청구항 7에 있어서, 조향 토크를 검출하는 조향 토크 검출센서를 더 구비하고, 상기 조향 반력 보정요소는 손을 놓은 상태가 검출되지 않은 경우 조향 토크가 작을수록 조향 반력을 감소시키는 차량.
  13. 조향부의 조향 입력에 따라 조향 차륜을 선회하는 수단과,
    상기 조향부에 조향 반력을 부여하는 수단과,
    손을 잡은 상태 또는 손을 놓은 상태인지를 검출하는 수단과,
    손을 놓은 상태가 검출되는 경우, 손을 잡은 상태보다도 조향 반력을 감소시키는 수단을 구비하는 차륜을 제어하는 차량.
  14. 조향 입력으로부터 조향부를 통해 차륜을 선회하는 단계와,
    상기 조향부에 조향 반력을 부여하는 단계와,
    상기 조향부가 손을 잡은 상태 또는 손을 놓은 상태인지 여부를 검출하는 단계와,
    손을 잡은 상태를 검출하는 경우에 부여되는 조향 반력보다도, 손을 놓은 상태를 검출하는 경우에 부여되는 조향 반력을 감소시키는 단계를 포함하는 차륜 제어 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    노면 반력을 검출하는 단계와,
    노면 반력에 대응하는 조향 반력을 상기 조향부에 부여하는 단계와,
    손을 놓은 상태를 검출하는 경우에 노면 반력에 대응하는 조향 반력을 감소시키는 단계를 더 포함하는 차륜 제어 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    조향각을 검출하는 단계와,
    조향각에 대응하는 조향 반력을 상기 조향부에 부여하는 단계와,
    손을 놓은 상태를 검출하는 경우에 조향각에 대응하는 조향 반력을 감소시키는 단계를 더 포함하는 차륜 제어 방법.
  17. 청구항 14에 있어서,
    조향각가속도를 검출하는 단계와,
    조향각가속도에 대응하는 조향 반력을 상기 조향부에 부여하는 단계와,
    손을 놓은 상태를 검출하는 경우에 조향각가속도에 대응하는 조향 반력을 감소시키는 단계를 더 포함하는 차륜 제어 방법.
  18. 청구항 14에 있어서,
    조향각속도를 검출하는 단계와,
    조향각속도에 대응하는 조향 반력을 상기 조향부에 부여하는 단계와,
    손을 놓은 상태를 검출하는 경우에 조향각속도에 대응하는 조향 반력을 감소시키는 단계를 더 포함하는 차륜 제어 방법.
  19. 청구항 14에 있어서,
    조향 토크를 검출하는 단계와,
    조향 토크에 대응하는 조향 반력을 상기 조향부에 부여하는 단계와,
    손을 놓은 상태를 검출하는 경우에 상기 조향 토크에 대응하는 조향 반력을 감소시키는 단계를 더 포함하는 차륜 제어 방법.
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