KR100831895B1 - 차량용 반능동 현가장치의 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 차량용 반능동 현가장치의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량의 승차감과 주행안정성을 부가하기 위한 현가장치의 스카이훅(Skyhook) 제어방법을 개선하여 승차감과 주행안정성이 향상된 현가장치의 제작단가를 현저히 줄일 수 있는 차량용 반능동 현가장치의 제어방법에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 위하여 본 발명에서는 스카이훅 제어기법에 필요한 정보인 차체 속도, 차체 질량과 차축 질량 사이의 상대속도 중에서 상대속도만을 이용하고 이를 차체질량의 운동방정식에 적용하여 차체 속도를 안출하게 되고 이로써 스카이훅 제어기법에 필요한 정보를 모두 득하게 됨에 따라 반능동 현가장치를 제어할 수 있게 되며, 여기서 차축질량의 공진영역인 8~12Hz 대의 주파수 영역에서의 신호를 대역통과필터를 통하여 걸려내고 조절된 게인값을 일반 스카이훅 제어기법에 적용하여 게인값의 상승으로 자기유동성 댐퍼의 감쇠력을 높여 승차감을 향상시키고 주행안정성을 높일 수 있게 된다.
반능동 현가장치, 스카이훅 제어, 추정기
Description
도 1은 본 발명의 게인조절 스카이훅 제어 흐름도
도 2는 본 발명의 일반적인 스카이훅 제어 흐름도
본 발명은 차량용 반능동 현가장치의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량의 승차감과 주행안정성을 부가하기 위한 현가장치의 스카이훅(Skyhook) 제어방법을 개선하여 승차감과 주행안정성이 향상된 현가장치의 제작단가를 현저히 줄일 수 있는 차량용 반능동 현가장치의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 운행중인 차량의 흔들림을 특정 주파수에서 진동량(가속도)로 감지하여 차량의 승차감과 주행안정성을 부가하기 위한 현가장치의 종래의 스카이 훅(Skyhook) 제어방법은 카르노프(Karnopp)에 의해 제안되어 능동 및 반능동 제어시스템에 적용될 수 있는 제어방법으로 노면 외란에 의한 차체 질량의 수직가속도를 줄이는 데 목적이 있다. 위와 같은 스카이훅 제어의 기본 개념은 차체의 상부에 가상적인 고정된 기준면을 설정하고 진동하는 차체와 가상의 진동면 사이에 감쇠기(댐퍼)를 설치하여 노면 외란에 의한 차체로 전달되는 진동을 억제하는 것이다. 이 방법은 전 상태 피드백에 의한 제어기와 대등한 성능개선을 가져올 수 있고 계산량이 적어 ECU 설계에 적합한 제어방법이다. 그러나 실제적으로 차체와 가상적으로 설정한 기준면의 사이에는 댐퍼(감쇠기)를 연결한다는 것은 불가능하게 되는 것이다. 따라서, 능동 및 반능동 현가시스템에서 종래의 일반적인 스카이훅 제어방법을 사용하기 위하여서는 차체의 몸체와 차축바퀴의 사이에 가변형 댐퍼를 설치한 후, 가변형 댐퍼의 댐퍼계수로써 차체와 가상의 기준면 사이에 있는 가상의 댐퍼가 만들어내야 할 감쇠력과 동일한 추정하는 방법을 사용하게 되는 것이다.
상기와 같은 종래의 일반적인 스카이훅 제어를 위해서는 차체 질량()의 속도(), 차체 질량()과 차축 질량() 사이의 상대속도()에 대한 정보를 알아야 구현 가능하게 되고, 위의 두 가지 속도정보를 알기 위하여 일반적으로 두가지 방법을 사용하는데, 첫번째 방법으로는 차체 질량()의 속도()의 정보를 알기 위한 가속도 센서()와 차체 질량과 차축 질량 사이의 상대속도()의 정보를 알기 위한 상대변위센서가 필요하게 되며, 두번째 방법으로는 가속도센서를 차체 질량과 차축 질량 사이의 상대속도의 정보를 알아내는 방법을 사용하고 있다. 이 정보를 얻기 위해서는 전차량 모델인 경우 7개의 센서가 필요하다.
그러나, 위와 같은 종래의 일반적인 스카이훅 제어방법을 사용하기 위하여서는 각각의 차체질량(몸체)와 차축 질량(바퀴)의 사이에 다량의 센서를 부착하여야 함으로써 경제성이 떨어지는 문제점이 있었고, 특히 종래의 일반적인 스카이훅 제어기법은 차체 질량의 공진을 제어하는 데에는 효과적이나, 차축 질량의 공진주파수 8~12Hz 대의 주파수 영역에서는 수동현가장치보다 성능이 떨어지므로 주행안정성과 승차감에 나쁜 영향을 끼치게 되는 문제점이 있다.
위와 같은 종래의 일반적인 스카이훅 제어방법에서 나타나는 제반 문제점들을 해소하기 위하여, 본 발명의 첫째 목적은 차체질량에 대한 운동방정식을 이용하여 차체 질량(몸체)과 차축질량(바퀴)사이의 상대속도와 차체 질량(몸체)과 차축질량(바퀴)의 사이에 한개의 단일 상대변위센서만으로 차체질량의 절대속도를 도출할 수 있게 함으로써 차량의 현가장치에 대한 경제성을 높일 수 있게 하였다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은 차체에 대한 승차감의 정도를 판단하는 공진주파수 대역(10Hz)에서 자기유동형 댐퍼의 댐퍼계수를 보정함으로써 차체의 진동 감쇠력을 증대시키기 위한 것이다.
본 발명에 따른 현가장치의 제어방법은,
스카이훅 제어에 필요한 차량모델을 차축 질량(바퀴)가 한개로 한정시킨 쿼터(quarter)모델로 설정하는 단계와:
상기 운동방정식에 의하여 도출된 차체질량()의 속도()와 함께 차체질량()과 차축질량()사이의 상대변위 ()의 시간에 대한 미분치인 상대속도()를 이용하여 차체 질량과 가상의 기준면 사이의 스카이훅 제어에 의한 감쇠력을 추정하는 단계와:
상기 추정된 스카이훅 제어의 감쇠력에 따라 차축의 공진주파수대역(10Hz)에 중간대역필터를 적용하여 가변댐퍼의 댐핑계수를 보정하는 단계와:
상기 스카이훅 제어에 의한 감쇠력과 차체와 차축사이에 설치된 자기유동성 가변댐퍼의 감쇠력이 동일하게 되도록 하는 단계를 포함하여 구현됨을 특징으로 하는 차량용 반능동 현가장치의 제어방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 이루기 위한 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 게인조절 스카이훅 제어 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일반적인 스카이훅 제어 흐름도로서,
스카이훅 제어에 필요한 차량모델을 차축 질량(바퀴)가 한개로 한정시킨 쿼터(quarter)모델로 설정하는 단계와:
상기 운동방정식에 의하여 도출된 차체질량()의 속도()와 함께 차체질량()과 차축질량()사이의 측정된 상대변위 ()의 시간에 대한 미분치인 상대속도()를 이용하여 차체 질량과 가상의 기준면 사이의 스카이훅 제어에 의한 감쇠력을 추정하는 단계와:
상기 추정된 스카이훅 제어의 감쇠력에 따라 차축의 공진주파수대역(10Hz)에 중간대역필터를 적용하여 가변댐퍼의 댐핑계수를 보정하는 단계와:
상기 스카이훅 제어에 의한 감쇠력과 차체와 차축사이에 설치된 자기유동성 가변댐퍼의 감쇠력이 동일하게 되도록 하는 단계를 포함하여 구현됨을 특징으로 하는 차량용 반능동 현가장치의 제어방법을 특징으로 하는 것이다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 구체적인 작용설명을 하기로 한다.
먼저, 본 발명에 적용되는 차량 모델은 4개의 차축바퀴로 운행되는 전차량 모델이 아닌 한개의 차축바퀴를 사용한 쿼터차량모델로 한정한 것은 각 차축바퀴와 차체몸체의 사이에는 동일한 감쇠력이 전달되는 점을 감안하여 각 차축바퀴와 차체몸체와 연결되는 각종 장치들에 의한 매개변수를 간소화함으로써 본 발명의 구현을 보다 용이하게 할 수 있게 되는 것이다.
그리고, 위와 같은 쿼터차량을 모델로 한 본 발명의 차체 질량(몸체,)와 차축 질량(바퀴,)의 사이에는 차체변위(), 차축변위(), 노면변위(),와 함께 코일스프링상수(), 타이어스프링상수() 및 비선형 댐핑력()등과 같은 다양한 형태의 매개변수들이 첨부한 도 1과 같은 구조로 존재하게 되고, 상기 차체 질량(몸체,)와 차축 질량(바퀴,)의 사이에는 한개의 단일 상대변위센서를 부착하게 되는 데, 그 상대변위 센서에 의하여 차체 질량(몸체,)의 변위 와 차축 질량(바퀴,)의 변위 사이의 상대변위 ()의 시간에 대한 미분치인 상대속도()를 알게 되는 것이다. 그리고 본 발명의 차체 질량()에 대한 절대속도는 쿼터모델로 설정된 차체질량()에 대한 운동방정식이 차체 질량()의 가속도의 함수로 나타나고 있다는 점과 속도는 가속도의 적분식에 의하여 산출되어 진다는 점을 감안하여 본 발명의 쿼터모델로 설정된 차체질량()에 대한 (1)식과 같은 운동방정식을 적용하기로 하고 이후에 본 발명의 구체적인 진행과정을 아래에서 살펴보기로 한다.
1. 차체 질량의 절대속도 추정
여기서 는 스카이훅(Skyhook) 제어입력에 의해 와 사이에서 변화하는 값이다. 와 은 자기유동성 댐퍼(Magneto rheological damper)의 물리적 한계치를 나타낸다.
이렇게 구해진 절대가속도를 속도신호로 변환하고 저주파 잡음을 없애기 위해 적분기를 포함한 0.2Hz 고주파 통과필터를 사용하여 신호를 처리한다. 이렇게 고주파 통과필터를 사용한 신호처리로 DC 옵셋 성분을 제거하게 되는데 이는 적분할 때 생기는 적분상수에 의한 오차를 없애는 역할을 한다. 아래의 (3)식에서 는 0.2Hz 고주파 통과필터를 통과하여 구하여진 차체 질량의 절대속도 성분이다.
2. 매개변수 추정
(4)식을 이용하여 차체 가속도를 구하기 위해서는 차체의 질량인 와 스프링 상수인 의 정확한 값을 알아야 한다. 실제 차량에서 차량의 질량은 승객이나 짐 등의 변동에 따라서 변하며, 스프링상수는 온도와 같이 주위환경이나 사용기간에 따라 마모에 의해서 서시히 변화한다. 그러므로 값과 값을 실시간으로 조절하여 주는 자기동조기가 필요하다. 자기동조기를 설계하기 위해 먼저 (1)식을 다음과 같이 표현한다.
위의 (4)식을 다음과 같이 둔다.
먼저, 에서 차체와 차축 간의 상대변위인 의 값은 상대변위센서로 직접 측정한 후 고주파 통과필터를 통해 DC옵셋 성분와 극저주파 잡음만 제거하여 구한다. 에서 차체 질량의 절대가속도는 (2)식과 같이 상대변위 의 값을 이용하여 구한다. 마지막으로 는 댐퍼구동유닛에서 댐퍼에 입력하는 전류를 피드백받아 자기유동성 댐퍼(Magneto rheological Damper) 모델식을 통해 그 전류값에 해당하는 힘을 구한다.
다음으로, 본 발명은 차체 질량의 승차감을 개선할 목적으로 차체의 진동 감쇠력을 판단하는 차체의 공진주파수 대역(10Hz)에서 중간대역필터를 사용하여 자기유동성 가변형 댐퍼의 댐핑계수에 대한 보정값을 첨가함으로써 상기 공진주파수 대역(10Hz)에서 차체의 감쇠력을 증대시켜 차체의 승차감을 개선할 수 있게 되는 것이다. 위와 같이 차체의 공진주파수 대역(10Hz)에서 중간대역필터를 사용하여 자기유동성 가변형 댐퍼의 댐핑계수에 대한 보정값을 첨가하는 진행과정은 아래에서 구체적으로 살펴보기로 한다.
1. 상대속도를 얻기 위한 상대변위 신호처리
스카이훅 제어를 위한 상대속도는 (14)식과 같이 상대변위센서에서 얻어진 신호를 필터를 통해 DC-옵셋 성분과 신호를 저주파 잡음을 제거한 후 미분하여 얻어진다.
여기서 은 고주파 필터를 통과한 상대속도인 는 고주파 필 터에 사용된 차단주파수이고, 는 고주파 필터에 사용된 감쇠비를 나타낸다. (14)식에서 나타나는 , 등은 설계변수로써 차종 및 센서에 따라 달라질 수 있으며 차단 주파수 는 차량의 차체 질량의 공진영역인 1Hz보다 낮아야 한다. 만약 고주파 필터의 차단주파수 를 1Hz근방으로 설계한다면 DC-옵셋 성분이나 극저주파 신호의 차단 뿐만 아니라 차량의 원하는 신호까지 제거하기 때문에 정확한 정보를 얻을 수 없다. 그러므로 고주파 통과필터의 극저주파 신호를 감쇠시키는 속도를 좌우한다. 그러므로 빠른 감쇠를 위해서 본 발명에서는 감쇠비 를 0.7로 설정하였다.
2. 가중치를 얻기 위한 상대변위 신호처리
게인을 조절하기 위한 가중치는 차축 질량의 공진주파수 영역에서 공진을 억제하여 승차감 향상을 얻는 데 사용된다. 가중치는 크게 두단계를 거쳐 얻어진다.
3. 통합신호처리
게인조절 스카이훅 제어(Gain-sdjusting skyhook control)에 사용되는 댐퍼계수의 보정값은 (17)식과 같이 얻어진다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에서는 반능동 현가시스템을 차체 질량과 차축 질량 사이의 상대변위정보 및 차체 질량과 차축 질량의 상대속도 및 차체의 공진주파수 대역(10Hz)대역에서 가변형 댐퍼의 댐핑계수에 대한 보정을 함으로써 스카이훅 제어에 의한 초기속도와 파라미터값의 상이함에도 불구하고 차체 질량속도의 정확하게 도출할 수 있게 되었고, 특히 차체 질량의 공진주파수 대역에서 차체의 감쇠력이 증대되어 차량의 승차감과 함께 주행안정성이 개선되는 효과는 물론 현가장치의 제작단가를 현저히 줄일 수 있어 경제적으로 매우 큰 효과가 나타나게 되는 것이다.
Claims (7)
- 상대변위 센서와 스카이훅 제어로 자기유동성 댐퍼를 이용한 차량용 반능동 현가장치의 제어방법에 있어서,스카이훅 제어에 필요한 차량모델을 차축 질량(바퀴)가 한개로 한정시킨 쿼터(quarter)모델로 설정하는 단계와:상기 운동방정식(1)에 의하여 도출된 차체질량()의 속도()와 함께 차체질량()과 차축질량()사이에 측정된 상대변위 ()의 시간에 대한 미분치인 상대속도()를 이용하여 차체 질량과 가상의 기준면 사이의 스카이훅 제어에 의한 감쇠력을 추정하는 단계와:상기 추정된 스카이훅 제어의 감쇠력에 따라 차축의 공진주파수대역(10Hz)에 중간대역필터를 적용하여 가변댐퍼의 댐핑계수를 보정하는 단계와:상기 스카이훅 제어에 의한 감쇠력과 차체와 차축사이에 설치된 자기유동성 가변댐퍼의 감쇠력이 동일하게 되도록 하는 단계를 포함하여 구현됨을 특징으로 하는 차량용 반능동 현가장치의 제어방법.
- 제 1 항에 있어서, 차량모델은 1/4(quarter)차량 모델을 적용하는 것을 특징으로 하는 차량용 반능동 현가장치의 제어방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 차체와 차축 사이에는 단 한개의 상대변위 센서가 부착됨을 특징으로 하는 차량용 반능동 현가장치의 제어방법.
- 제 1 항에 있어서, 차체질량의 속도는 차체 질량의 운동방정식을 적분하여 도출되는 것을 특징으로 하는 차량용 반능동 현가장치의 제어방법.
- 제 1 항에 있어서, 가변댐퍼에 대한 댐핑계수의 보정은 차축 공진주파수인 10Hz 대역에서 중간대역필터로 보정하는 것을 특징으로 하는 차량용 반능동 현가장치의 제어방법.
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