KR100895702B1 - 고장 검출을 수행하는 전동 조향 장치 - Google Patents

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Abstract

전동 조향 장치는 조향휠에 보조 토크를 제공하는 모터, 상기 조향휠에서 발생되는 조향 토크를 측정하는 토크 센서 및 전동 조향 장치의 모델링에 기반하는 추정값과 설정된 임계값을 비교하여 상기 전동 조향 장치의 고장을 검출하는 제어기를 포함한다. 전동 조향 장치에서 모터뿐 아니라 다양한 센서의 고장 여부를 판단할 수 있어 차량의 안전성을 보장할 수 있다. 추가적인 하드웨어의 구성이 필요없이 수학적 모델을 기반으로 하여 입력 신호와 센서의 값을 통해 고장을 검출할 수 있다.
전동 조향 장치, EPS, 토크 센서, 고장 검출, 조향 장치

Description

고장 검출을 수행하는 전동 조향 장치{Electric power steering apparatus for performing fault detection}
본 발명은 전동 조향 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고장 검출을 수행하는 전동 조향 장치에 관한 것이다.
전동 조향 장치(electric power steering apparatus)는 모터를 통해 운전자의 조향력(steering force)을 보조해주는 장치이다. 유압을 동력원으로 사용하는 기존의 유압 조향 장치가 가지고 있는 문제들을 해결하면서 유압 조향 장치를 대체해 가고 있다. 전동 조향 장치는 복잡한 유압장치를 제거함으로써 전체적인 차량의 무게를 줄일 수 있고, 오일을 사용하지 않으므로 환경 친화적이고, 필요시에만 조향력을 보조하므로 연비를 개선할 수 있다.
전동 조향 장치는 기계적 부품 외에도 모터, 센서, 전력전자소자, 마이크로 컨트롤러 등의 다양한 전기전자 부품들로 구성되므로 이들 전기전자 부품의 고장은 항상 존재할 수 있다. 부품의 고장은 전동 조향 장치의 오작동을 불러올 수 있고, 이로 인해 예기치 않은 조향력이 발생한다면 차량의 안전성에 문제를 발생시킬 수 있다. 전동 조향 장치는 높은 신뢰성과 안정성을 보장하여야 한다.
미국특허 제7,154,404호에 개시된 방법에 의하면, 모터의 회전 각도와 회전 방향 명령 사이의 차이를 이용하여 전동 조향 장치의 고장 여부를 확인한다. 이 방법에 의하면, 모터의 회전 각도를 통해 모터의 고장 여부에 대해서만 확인할 수 있을 뿐, 전동 조향 장치에 사용되는 센서의 고장 여부에 대해서는 확인할 수 없다.
전동 조향 장치에는 다양한 센서, 예를 들어 조향력의 측정을 위한 토크 센서가 사용된다. 토크 센서의 고장으로 잘못된 값이 측정되면, 과도한 조향력 보조가 수행될 수 있으므로, 센서의 신뢰성은 보장되어야 한다.
전동 조향 장치에 있어서, 모터뿐만 아니라 다양한 센서의 고장도 검출할 수 있어야 보다 높은 안전성을 보장할 수 있다.
본 발명의 목적은 전체적인 고장 여부를 검출할 수 있는 전동 조향 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 전동 조향 장치는 조향휠에 보조 토크를 제공하는 모터, 상기 조향휠에서 발생되는 조향 토크를 측정하는 토크 센서 및 전동 조향 장치의 모델링에 기반하는 추정값과 설정된 임계값을 비교하여 상기 전동 조향 장치의 고장을 검출하는 제어기를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따른 전동 조향 장치는 조향휠에 보조 토크를 제공하는 모터, 상기 조향휠에서 발생되는 조향 토크를 측정하는 토크 센서, 상기 조향 토크의 추정값을 구하는 조향 토크 추정기 및 상기 조향 토크의 추정값을 상기 토크 센서로부터 측정되는 상기 조향 토크의 값을 비교하여 상기 토크 센서의 고장을 검출하는 프로세서를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따른 전동 조향 장치에 의해 조향되는 차량은 조향휠, 상기 조향휠에 보조 토크를 제공하는 모터, 상기 조향휠에서 발생되는 조향 토크를 측정하는 토크 센서 및 상기 조향휠에서 발생되는 조향 토크의 추정값을 구하고, 상기 토크 센서로부터 측정된 조향 토크 값을 상기 추정값과 비교하여 상기 토크 센서의 고장을 검출하는 제어기를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따른 전동 조향 장치의 고장 검출 방법은 토크 센 서로부터 조향휠로부터 발생되는 조향 토크를 수신하는 단계, 상기 전동 조향 장치의 모델링에 기반한 추정값을 구하는 단계 및 상기 추정값을 상기 조향 토크와 비교하여 상기 토크 센서의 고장을 검출하는 단계를 포함한다.
전동 조향 장치에서 모터뿐 아니라 다양한 센서의 고장 여부를 판단할 수 있어 차량의 안전성을 보장할 수 있다. 추가적인 하드웨어의 구성이 필요없이 수학적 모델을 기반으로 하여 입력 신호와 센서의 값을 통해 고장을 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 조향 장치를 나타낸 예시도이다.
도 1을 참조하면, 전동 조향 장치(100)는 토크 센서(130), 모터(160) 및 제어기(180)를 포함한다.
조향휠(steering wheel, 110)은 조향축(steering shaft, 120)에 연결된다. 조향축(120)의 하단에는 토크 센서(130)가 연결된다. 하부 조향축(125)의 상단에 토크 센서(130)가 연결되고, 하부 조향축(125)의 하단에는 조향 기어 박스(steering gear box, 150)가 배치된다. 조향 기어 박스(150)에서 나오는 랙바(rack bar, 210)는 타이 로드(tie rod, 220)의 일단에 연결되고, 타이 로드(220)의 타단은 너클암(knuckle arm, 230)을 통해 타이어(200)와 연결된다. 조향 기어 박스(150) 내의 피니언 기어의 회전은 랙바(210)를 이동시키고, 랙바(210)는 타이 로드(220)와 너클암(230)을 차례로 이동시켜, 타이어(200)를 조향한다.
토크 센서(130)는 차량의 운전자가 조향휠(110)을 작동시킴에 따른 조향 토 크(Ts)를 측정한다. 토크 센서(130)는 일반적인 토션바(torsion bar)를 사용할 수 있다. 조향축(120)에서의 회전 각도와 하부 조향축(125)에서의 회전 각도를 각각 θsw, θss라 할 때, 토크 센서(130)에서 측정되는 조향 토크(Ts)는 다음 수학식 1과 같다.
Figure 112007066235104-pat00001
여기서, ktorsion은 토션바의 강성(stiffness)이다.
모터(160)는 제어기(180)의 지시에 따라 조향휠(110)에 보조 조향력을 제공한다. 모터(160)는 웜(worm, 144)과 웜기어(worm gear, 142)를 통해 조향휠(110)에 보조 토크(TM)를 제공한다. 모터(160)는 일반적인 BLDC(brushless DC) 모터를 사용할 수 있다.
제어기(180)는 토크 센서(130)로부터 측정되는 조향 토크 및 차량에 부착되는 속도 센서(미도시)로부터 차량 속도(vehicle velocity)를 입력받아 보조 토크를 계산하고, 모터(160)를 제어하여 조향휠(110)에 상기 보조 토크를 제공한다. 잘못된 보조 토크의 계산을 방지하기 위해, 제어기(180)는 토크 센서(130) 및/또는 모터(160)의 고장을 검출한다.
도 2는 도 1의 제어기를 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 제어기(180)는 프로세서(182), 메모리(184), 토크 추정 기(186) 및 모터 추정기(188)를 포함한다.
토크 추정기(186)는 전동 조향 장치(100)의 수학적인 모델링에 기반하여 추정값을 계산한다. 토크 추정기(186)에서 추정하는 추정값은 조향 토크의 추정값, 보조 토크의 추정값 및 로드 토크의 추정값을 포함한다.
모터 추정기(188)는 모터(180)의 수학적인 모델링에 기반하여 추정 모터 전류 및 추정 각속도(angular velocity)를 추정한다.
프로세서(182)는 토크 센서(130)로부터의 조향 토크, 차량 속도, 모터 전류 및 모터 각속도를 입력받아, 이를 토크 추정기(186) 및 모터 추정기(188)의 추정값들과 비교하여 토크 센서(130) 및/또는 모터(160)의 고장을 검출한다. 메모리(184)는 추정값들과의 비교를 위한 임계값이 저장된다.
전동 조향 장치의 모델링에 기반한 추정값을 산출하고, 이를 모터 또는 센서로부터 측정된 값과 비교하여 허용 범위를 넘어서면 고장으로 검출한다. 추가적인 하드웨어의 구성이 필요없이 고장을 검출할 수 있고, 모터뿐만 아니라 센서의 고장도 검출함으로써 전동 조향 장치의 신뢰성을 높인다.
<조향 기구의 모델링>
지면에서 타이어로 전달되는 로드 토크(road torque)는 타이어 힘의 추정치로부터 구할 수 있다. 횡 타이어 힘(lateral tire force) Fyf는 다음 수학식 2의 횡 방향과 요(yaw) 방향의 운동방정식으로부터 추정할 수 있다.
Figure 112007066235104-pat00002
여기서, m은 차량 질량(vehicle mass), vx,는 길이 방향 속도(longitudinal velocity), vy 는 횡 방향 속도(lateral velocity), r은 요 속도(yaw rate), lf은 차량의 무게 중심부터 전방 차축(front axle)까지의 거리, lr은 차량의 무게 중심부터 후방 차축(rear axle)까지의 거리, Iz는 관성모멘트(moment of inertia)이다.
차량에 장착된 횡 가속도 센서(미도시)로부터 측정되는 차량의 횡 가속도 ay는 수학식 3과 같다.
Figure 112007066235104-pat00003
수학식 2와 3을 연립하면 횡 타이어 힘 Fyf는 수학식 4와 같이 구해진다.
Figure 112007066235104-pat00004
종 타이어 힘(longitudinal tire force) Fxf는 일반적으로 슬립률(slip ratio) σx에 비례하므로 다음의 식을 통해 구할 수 있다.
Figure 112007066235104-pat00005
여기서, reff는 등가 타이어 반경(effective radius of the tire), reffωw는 등가 각속도(equivalent rotational velocity), Cσf는 선회 계수(cornering coefficient)이다.
횡방향 타이어 힘 Fyf, 종방향 타이어 힘 Fxf, 조향각 센서(미도시)에서 얻어지는 타이어의 조향각(δ)을 통해 조향 기어 박스(150)내의 랙(rack)으로 전달되는 타이어 힘 FR을 구하면 다음 식과 같다.
Figure 112007066235104-pat00006
조향축으로 전달되는 로드 토크 TR는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007066235104-pat00007
여기서, rp은 조향 기어 박스(150) 내의 피니언의 반경이다.
보조 토크 TM는 모터(160)의 출력으로 다음 식과 같은 모터(160)의 수학적 모델로부터 얻을 수 있다.
Figure 112007066235104-pat00008
여기서, KT는 토크 상수(torque constant), ia는 모터(160)로의 입력 전류이다.
제어기(180)는 차량의 속도와 토크 센서의 값을 통해, 적절한 보조 토크를 발생시키기 위해 모터(160)의 입력 전류 ia를 제어한다. 모터(160)의 회전 운동은 웜기어(142)를 통해 운동 방향이 전환되어 조향축(120)과 결합되고, 모터(160)의 보조 토크 TM는 운전자의 조향 토크 Ts와 더해지게 된다.
도 3은 조향 토크, 보조 토크 및 로드 토크에 대한 모델링을 나타낸 예시도이다.
도 3을 참조하면, 다음과 같은 운동 방정식을 얻을 수 있다.
Figure 112007066235104-pat00009
여기서, J1는 조향축(120)의 관성(inertia), B1는 조향축(120)의 마찰계수(friction coefficient), J2는 하부 조향축(125)의 관성, B2는 하부 조향축(125)의 마찰계수이다.
J1과 B1의 값이 작다고 가정하면, 다음 식과 같이 정리할 수 있다
Figure 112007066235104-pat00010
<모터의 모델링>
도 4는 보조 토크를 제공하는 BLDC 모터에 대한 모델링을 나타낸 예시도이다.
도 4를 참조하면, 전동 조향 장치는 보조 토크를 제공하는 모터로 브러시를 제거한 BLDC 모터(300)를 사용한다. BLDC 모터(300)는 4극의 영구자석으로 만들어진 회전자(rotor, 미도시)를 3상 인버터를 통해 구동한다. PWM(Pulse Width Modulation) 인버터(310)는 직류를 교류로 바꾸어 주는 전력전자소자로서 3상 교류를 발생시키기 위해 6개의 스위칭 소자가 결선되어 있는 형태를 갖는다. BLDC 모터는 고정자(stator, 320))의 각 상에서 발생하는 자계의 벡터적 합이 회전 자계를 형성하고, 회전자의 영구자석이 자계적 흡인력에 의해 회전운동을 하게 된다.
모터 드라이버(390)는 고정자(320)에 부착된 홀 센서(Hall sensor, 325)를 이용하여 회전자의 위치 변화를 관측하고 BLDC 모터(300)를 제어하기 위해 고정자(320) 권선의 입력 전압을 조절하는데 이것은 인버터의 트랜지스터를 통해 PWM 듀티율(duty rate)을 변화시킴으로써 가능하게 된다.
먼저 하나의 고정자 권선에 대한 회로방정식을 살펴보면 다음과 같다.
Figure 112007066235104-pat00011
여기서, v1는 고정자 전압(stator voltage), R은 고정자 저항(stator resistance), L은 고정자 인덕턴스(stator inductance), e는 역기전력(back-electro magnetic forceback), i는 고정자 전류(stator current)이다.
유기된 역기전력은 회전자의 속도에 비례하며 다음 식과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112007066235104-pat00012
고정자 권선의 저항이 동일하고 회전자의 위치에 따른 3상 고정자 권선 인덕턴스의 변화가 없다고 가정하면, 각 상의 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스가 동일하다.
Figure 112007066235104-pat00013
3상에 대하여 정리하면 다음 식과 같다.
Figure 112007066235104-pat00014
i1+i2+i3=0이고. L=Ls-M으로 표현하면 다음 식과 같이 정리할 수 있다.
Figure 112007066235104-pat00015
BLDC 모터(300)의 출력 Pout은 다음과 같다.
Figure 112007066235104-pat00016
출력토크 Te는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007066235104-pat00017
그리고, 부하의 운동방정식은 다음 식과 같다.
Figure 112007066235104-pat00018
여기서, J는 관성(inertia), B는 마찰계수(friction coefficient), TL은 부하토크(load torque)이다.
<모델 기반 고장 검출 방법>
이제 전동 조향 장치에 포함되는 센서 예를 들어, 모터 전류 센서, 모터 각속도 센서, 토크센서의 고장 검출에 대해 기술한다.
모델 기반 고장 검출 방법은 수학적 모델을 이용한 논리적인 중복을 통해 고장을 검출하는 방식이다. 측정된 입력 신호와 출력 신호를 기반으로 하여 파라미터 추정 방법, 상태(state) 추정 방법 등을 이용하여 레지듀얼(residual)을 만든다. 레지듀얼은 고장 검출을 위한 모델 기반으로부터 얻어진 비교값이다. 이렇게 만들어진 레지듀얼을 정상 상태의 특성과 비교하여 고장 발생 여부를 판단한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고장 검출 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5를 참조하면, 조향 기구(steering mechanism)에 대한 레지듀얼 rT을 획득한다(S110). 조향기구에 대한 레지듀얼은 토크센서로부터 측정되는 조향 토크 값과 모터의 전류 센서로부터 유도되는 보조 토크 값의 이상 유무를 확인하기 위해 실제 측정된 값과 임계값의 차이를 하나의 값으로 나타낸 값이다. 주로 센서의 고장 유무를 나타내므로 모터의 고장과 구분하여 조향 기구에 대한 레지듀얼이라 한다.
얻어진 레지듀얼을 미리 설정된 임계값과 비교하여 이상 발생 여부를 확인한다(S120). 이상이 확인되지 않으면 전동 조향 장치는 정상 상태로 동작한다. 일반적으로 임계값은 상한 Ymax과 하단 Ymin으로 나타내며, 정상적일 경우 레지듀얼 rT은 다음과 같이 상한 Ymax과 하단 Ymin사이에 값을 가진다.
Figure 112007066235104-pat00019
관찰된 값의 상태가 허용오차 구간 안에 있다면 정상 상태를 의미하고 임계값의 범위를 넘어서면 고장이라고 판단하게 된다.
이상이 확인되면, 모터에 대한 레지듀얼 rM을 획득한다(S130). 이상이 모터에서 발생한 것인지 토크센서의 고장인지 여부를 확인하기 위함이다.
모터에 대한 레지듀얼 rM이 허용 오차 내에 있는지 여부를 확인한다(S140). 허용 오차 내에 있지 않으면, 토크 센서 고장으로 판단한다(S150). 허용 오차 내에 있으면, 모터 고장으로 판단한다(S160). 토크 센서 및/또는 모터의 고장이 확인되면, 전동 조향 장치를 이를 운전자에게 알리고 기계적인 조향 모드로 작동할 수 있다.
<조향 기구에 대한 고장 검출>
조향 장치의 센서의 고장 모델은 다음 식과 같다.
Figure 112007066235104-pat00020
여기서, Tsm은 토크센서로부터 측정된 조향 토크 값, TMm은 모터의 전류 센서에서 유도된 보조 토크 값, TSr은 실제 운전자 조향 토크 값, TMr는 실제 전동기 보조 토크 값, fs, fa은 각각의 고장을 나타낸다.
상술한 전동 조향 장치의 수학적 모델을 이용하여 운전자의 조향 토크, 지면에서의 로드 토크, 그리고 모터의 보조 토크의 크기를 얻을 수 있다. 세가지 토크 값들은 수학식 10의 관계로부터 다음 식과 같은 레지듀얼 rT을 만들 수 있다.
Figure 112009013703580-pat00051
여기서, 로드 토크 TR는 모델을 기반으로 추정된 값이기 때문에 모델 불확실성을 포함하게 된다. 그래서 적절한 임계값을 설정하여 수학식 21을 통해 얻은 레 지듀얼 값과 임계값을 비교하여 고장을 검출해 낼 수 있다.
<모터에 대한 고장 검출>
모터에 대한 고장 검출은 실질적으로 모터와 관련된 센서의 고장 검출이다. BLDC 전동기의 고정자 전류 센서와 회전자 속도 센서에 대한 고장 모델은 다음 식과 같다.
Figure 112007066235104-pat00022
여기서, im은 측정된 전류 센서 값, wrm은 측정된 회전자 속도 센서 값, is는 실제 고정자 권선에 흐르는 전류의 값, wr은 실제 회전자 속도 값, fi와 fw은 각각 센서의 고장을 나타낸다.
수학식 15 내지 18을 통해 모터의 상태방정식을 구하면 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007066235104-pat00023
여기서, x는 상태변수(state variable), u는 입력신호, y는 출력신호, d는 외란, f는 고장신호를 나타내며, BLDC 모터의 경우 다음과 같은 변수를 갖는다.
Figure 112007066235104-pat00024
Figure 112007066235104-pat00025
수학식 23의 상태방정식을 전달함수 형태로 표시하면 다음 식과 같다.
Figure 112007066235104-pat00026
여기서, 각각의 전달함수는 다음 식을 통해 구할 수 있다.
Figure 112007066235104-pat00027
도 6은 모터에 대한 레지듀얼을 구하기 위한 블록도이다. 수학식 25를 도 6에 나타난 바와 같이 패리티 식을 이용하여 나타내면 다음 수학식 27과 같이 레지듀얼 rM을 구할 수 있다.
Figure 112007066235104-pat00028
Figure 112007066235104-pat00029
여기서, 레지듀얼 rM 값이 고장에만 영향을 받게 하고, 입력신호와 외란에는 관계가 없도록 하기 위해서 다음 식을 만족하는 Vry(s), Vru(s)를 찾는다.
Figure 112007066235104-pat00030
여기서, 모델 불확실성를 고려하기 위해 각각의 고장에 대한 임계값을 설정한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고장 검출 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7을 참조하면, 모터의 모델링에 기반하여 추정값을 획득한다(S310). 얻어진 추정값을 미리 설정된 임계값과 비교한다(S320). 이상 발생 여부를 확인하여 이상이 발생하지 않으면 정상 상태로 전동 조향 장치를 동작시킨다(S330).
이상이 발생되면, 조향기구에 대한 추정값을 획득한다(S340). 조향기구에 대한 추정값을 임계값과 비교한다(S350). 센서 고장 여부를 확인하여(S360), 센서 고장인지(S380), 모터 고장인지(S370) 여부를 검출한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고장 검출 방법을 나타낸 흐름도이 다.
도 8을 참조하면, 전동 조향 장치에 포함되는 적어도 하나이상의 센서로부터 측정값을 얻는다(S410). 전동 조향 장치의 모델링에 기반하여, 각 센서의 출력에 대한 추정값을 얻는다(S420). 측정값과 추정값을 비교하여, 각 센서별로 고장을 검출한다(S430). 측정값과 추정값의 차가 허용 오차를 넘는다면, 해당하는 센서의 고장으로 판단할 수 있다.
제안된 고장 검출 방법의 성능을 검증하기 위하여 차량 모델과 전동 조향 장치 모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행한다.
도 9는 센서에 고장이 없을 경우 시간에 따른 각 센서의 레지듀얼을 나타낸 그래프이다. 각 센서의 레지듀얼 값에 모델 불확실성에 따른 약간의 오차가 발생하는 것을 볼 수 있다.
도 10은 0.2초와 0.25초 사이에 모터 센서에 고장이 발생한 경우 레지듀얼을 나타낸 그래프이다. 모터 센서에 고장이 발생한 경우 레지듀얼 값이 비정상적으로 나옴을 알 수 있다. 따라서, 허용 범위를 적절히 조정한다면 모터 센서의 고장을 검출할 수 있다.
도 11은 7초에서 8초 이에 토크 센서에 고장이 발생한 경우 레지듀얼을 나타낸 그래프이다. 모터 센서에 고장이 없다고 가정하면, 토크 센서에 고장이 발생하면 레지듀얼을 통해 고장을 검출할 수 있다.
이제 실제 차량에 가상의 고장을 발생시킨 경우에 있어서, 고장 검출 방법의 성능을 시험한 결과를 기술한다.
도 12는 80kph의 속도로 직진 주행하면서, 전동 조향 장치에 고장이 발생하지 않은 경우 레지듀얼을 나타낸 그래프이다.
도 13은 10초에서 11초 사이에 토크 센서에 10Nm의 가상 고장을 발생시킨 경우의 레지듀얼을 나타낸 그래프이다. 직진 주행시 고장 검출이 비교적 명확하게 레지듀얼을 통해 관찰되고 있다.
도 14는 13초에서 14초 사이에 모트 토크에 10Nm의 가상 고장을 발생시킨 경우의 레지듀얼을 나타낸 그래프이다. 직진 주행시 고장 검출이 비교적 명확하게 레지듀얼을 통해 관찰되고 있다.
도 15는 80kph에서 조향휠을 동작시킬 때 전동 조향 장치에 고장이 발생하지 않은 경우 레지듀얼을 나타낸 그래프이다.
도 16은 7초에서 8초 사이에 토크 센서에 10Nm의 가상 고장을 발생시킨 경우의 레지듀얼을 나타낸 그래프이다. 조향휠을 동작시킬 때 고장 검출이 비교적 명확하게 레지듀얼을 통해 관찰되고 있다.
도 17은 9초에서 10초 사이에 모터 토크에 10Nm의 가상 고장을 발생시킨 경우의 레지듀얼을 나타낸 그래프이다. 조향휠을 동작시킬 때 고장 검출이 비교적 명확하게 레지듀얼을 통해 관찰되고 있다.
도 18은 50kph에서 지그재그로 운행할 때 전동 조향 장치에 고장이 발생하지 않은 경우 레지듀얼을 나타낸 그래프이다.
도 19는 7초에서 8초 사이에 토크 센서에 10Nm의 가상 고장을 발생시킨 경우 의 레지듀얼을 나타낸 그래프이다. 지그재그로 운행할 때 고장 검출이 비교적 명확하게 레지듀얼을 통해 관찰되고 있다.
도 20은 12초에서 13초 사이에 모터 토크에 10Nm의 가상 고장을 발생시킨 경우의 레지듀얼을 나타낸 그래프이다. 지그재그로 운행할 때 고장 검출이 비교적 명확하게 레지듀얼을 통해 관찰되고 있다.
상술한 모든 기능은 상기 기능을 수행하도록 코딩된 소프트웨어나 프로그램 코드 등에 따른 마이크로프로세서, 제어기, 마이크로제어기, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등과 같은 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 상기 코드의 설계, 개발 및 구현은 본 발명의 설명에 기초하여 당업자에게 자명하다고 할 것이다.
이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 조향 장치를 나타낸 예시도이다.
도 2는 도 1의 제어기를 나타낸 블록도이다.
도 3은 조향 토크, 보조 토크 및 로드 토크에 대한 모델링을 나타낸 예시도이다.
도 4는 보조 토크를 제공하는 BLDC 모터에 대한 모델링을 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고장 검출 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 모터에 대한 레지듀얼을 구하기 위한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고장 검출 방법을 나타낸 순서도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고장 검출 방법을 나타낸 순서도이다.
도 9는 센서에 고장이 없을 경우 시간에 따른 각 센서의 레지듀얼을 나타낸 그래프이다.
도 10은 0.2초와 0.25초 사이에 모터 센서에 고장이 발생한 경우 레지듀얼을 나타낸 그래프이다.
도 11은 7초에서 8초 이에 토크 센서에 고장이 발생한 경우 레지듀얼을 나타낸 그래프이다.
도 12는 80kph의 속도로 직진 주행하면서, 전동 조향 장치에 고장이 발생하지 않은 경우 레지듀얼을 나타낸 그래프이다.
도 13은 10초에서 11초 사이에 토크 센서에 10Nm의 가상 고장을 발생시킨 경우의 레지듀얼을 나타낸 그래프이다.
도 14는 13초에서 14초 사이에 모트 토크에 10Nm의 가상 고장을 발생시킨 경우의 레지듀얼을 나타낸 그래프이다.
도 15는 80kph에서 조향휠을 동작시킬 때 전동 조향 장치에 고장이 발생하지 않은 경우 레지듀얼을 나타낸 그래프이다.
도 16은 7초에서 8초 사이에 토크 센서에 10Nm의 가상 고장을 발생시킨 경우의 레지듀얼을 나타낸 그래프이다.
도 17은 9초에서 10초 사이에 모터 토크에 10Nm의 가상 고장을 발생시킨 경우의 레지듀얼을 나타낸 그래프이다.
도 18은 50kph에서 지그재그로 운행할 때 전동 조향 장치에 고장이 발생하지 않은 경우 레지듀얼을 나타낸 그래프이다.
도 19는 7초에서 8초 사이에 토크 센서에 10Nm의 가상 고장을 발생시킨 경우의 레지듀얼을 나타낸 그래프이다.
도 20은 12초에서 13초 사이에 모터 토크에 10Nm의 가상 고장을 발생시킨 경우의 레지듀얼을 나타낸 그래프다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 조향휠에 보조 토크를 제공하는 모터;
    상기 조향휠에서 발생되는 조향 토크값 Tsm을 측정하는 토크 센서; 및
    타이어 힘(tire force)을 FR이라 하고 조향기어 박스내의 피니어 반경을 rP라 할 때 FR벡터와 rP벡터의 외적 값으로 상기 조향 토크의 추정값인 로드 토크(road torque) TR을 연산하는 토크추정기; 및
    토크 상수(torque constant) KT와 상기 모터로의 입력전류 ia의 곱으로 추정되는 보조 토크 TM값을 연산하는 모터추정기; 및
    식
    Figure 112009013703580-pat00052
    으로부터 레지듀얼 rT를 계산하고, 여기서, J2는 하부 조향축의 관성, B2는 하부 조향축의 마찰계수, θ는 하부조향축의 회전각도,
    상기 레지듀얼 rT의 값이 허용 범위를 넘어서는 경우 상기 토크센서 또는 상기 모터의 고장으로 판별하고,
    상기 레지듀얼 rT의 값이 허용 범위를 넘어설 때, 상기 모터의 전류 센서에서 유도된 보조 토크 값 TMn과 상기 보조 토크 추정값 TM으로부터 레지듀얼 rM을 계산하고,
    상기 레지듀얼 rM의 값이 허용범위 내이면 상기 토크센서의 고장으로 검출하고 허용범위 밖이면 모터의 고장으로 검출하는 프로세서를 포함하는 전동 조향 장치.
  6. 삭제
  7. 조향휠; 및
    상기 조향휠에 보조 토크를 제공하여 운전자의 조향력을 보조하는 전동 조향 장치를 포함하되,
    상기 전동 조향 장치는
    조향휠에 보조 토크를 제공하는 모터;
    상기 조향휠에서 발생되는 조향 토크값 Tsm을 측정하는 토크 센서; 및
    타이어 힘(tire force)을 FR이라 하고 조향기어 박스내의 피니어 반경을 rP라 할 때 FR벡터와 rP벡터의 외적 값으로 상기 조향 토크의 추정값인 로드 토크(road torque) TR을 연산하는 토크추정기; 및
    토크 상수(torque constant) KT와 상기 모터로의 입력전류 ia의 곱으로 추정되는 보조 토크 TM값을 연산하는 모터추정기; 및
    식
    Figure 112009013703580-pat00053
    으로부터 레지듀얼 rT를 계산하고, 여기서, J2는 하부 조향축의 관성, B2는 하부 조향축의 마찰계수, θ는 하부조향축의 회전각도,
    상기 레지듀얼 rT의 값이 허용 범위를 넘어서는 경우 상기 토크센서 또는 상기 모터의 고장으로 판별하고,
    상기 레지듀얼 rT의 값이 허용 범위를 넘어설 때, 상기 모터의 전류 센서에서 유도된 보조 토크 값 TMn과 상기 보조 토크 추정값 TM으로부터 레지듀얼 rM을 계산하고,
    상기 레지듀얼 rM의 값이 허용범위 내이면 상기 토크센서의 고장으로 검출하고 허용범위 밖이면 모터의 고장으로 검출하는 프로세서를 포함하는 차량.
  8. 삭제
  9. 삭제
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