KR100966741B1 - 능동 전륜 조향 시스템에서의 페일세이프 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 AFS 시스템에서의 페일세이프 제어방법에 관한 것으로, 입력각 센서와 출력각 센서를 구비한 AFS 시스템에 있어서, 상기 두 개의 센서중 하나는 절대각 센서를, 나머지 하나는 상대각 센서를 사용하도록 하고, 초기화시 상기 절대각 센서의 절대각 정보와 이 절대각 정보 및 상기 상대각 센서의 위치 정보로부터 구한 상대각 센서의 절대각 정보를 이용하여 목표 조향 기어비를 추종하도록 AFS 모터의 위치 제어를 수행하며, 일정 시간 동안 기준값 이상의 추종오차가 발생하는 경우에 AFS 시스템의 페일로 판별하여 락킹기구에 의해 AFS 모터의 구동을 구속함으로써 보다 정확하게 페일 원인을 알 수 있고, 이에 따라 빠르고 적절한 조치가 이루어질 수 있게 되는 효과가 있다.

AFS, 조향 기어비 가변기구, 페일세이프, 절대각 센서, 상대각 센서

Description

능동 전륜 조향 시스템에서의 페일세이프 제어방법{FAILSAFE CONTROL METHODE IN ACTIVE FRONT STEERING SYSTEM}

도 1은 차량의 조향 시스템에 적용된 종래 AFS 시스템의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 AFS 시스템에서의 절대각 정보 연산방법을 보인 도면.

도 3은 본 발명에 따른 AFS 시스템에서의 페일세이프 제어방법을 보인 동작 흐름도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 조향핸들 2 : 조향칼럼

3 : 입력각 센서 4 : ECU

5 : 능동 조향 메카니즘 6 : 조향 액츄에이터

7 : 출력각 센서

본 발명은 능동 전륜 조향(Active Front Steering : 이하, 'AFS'라 칭함) 시스템에서의 페일세이프(Failsafe) 제어방법에 관한 것으로, 특히 입력각 센서와 출 력각 센서를 구비한 AFS 시스템에 있어서, 상기 두 개의 센서중 하나는 절대각 센서를, 나머지 하나는 상대각 센서를 사용하도록 하고, 초기화시 상기 절대각 센서의 절대각 정보와 이 절대각 정보 및 상기 상대각 센서의 위치 정보로부터 구한 상대각 센서의 절대각 정보를 이용하여 목표 조향 기어비를 추종하도록 AFS 모터의 위치 제어를 수행하며, 일정 시간 동안 기준값 이상의 추종오차가 발생하는 경우에 AFS 시스템의 페일(Fail)로 판별하여 락킹(Lacking)기구에 의해 AFS 모터의 구동을 구속하도록 한 AFS 시스템에서의 페일세이프 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량에 적용되는, 전자제어장치(Electronic Control Unit ; 이하, 'ECU'라 칭함)를 이용하여 차량의 속도에 따라 운전자 핸들의 조작력을 줄여주어 가볍고 신속한 조향조작이 가능하도록 한 조향 시스템은, 기존의 유압식 파워 조향 시스템에 유압을 조정하는 전자제어밸브가 추가되어 어시스트량을 조절하는 전자제어 파워 조향(Electronic Power Steering) 시스템과 순수한 모터의 구동에 의해 어시스트량을 조절하는 전동식 파워 조향(Electric Power Steering ; 이하, 'EPS'라 칭함) 시스템으로 구분된다.

종래에는 상기와 같은 조향 시스템을 장착한 차량에 있어서, 운전자 핸들과 조향 액츄에이터 사이에 조향 기어비 가변기구를 구비시켜, 이 조향 기어비 가변기구의 작동을 통해 운전자 핸들의 조향입력에 대한 출력각도를 가변시켜 줌으로써 차량의 거동을 보다 안정화시킬 수 있도록 한 AFS 시스템이 적용되고 있다.

즉, 도 1은 차량의 조향 시스템에 적용된 종래 AFS 시스템의 구성도로서, 조향칼럼(2)에 결합된 조향핸들(1), 입력축의 조향 입력각을 검출하는 입력각 센서 (3), AFS 시스템의 전반적인 동작 제어를 위한 ECU(4), 조향기어 또는 조향칼럼(2)에 장착되고 조향 기어비 가변기구와 AFS 모터 및 모터 위치 센서로 이루어져 조향 기어비를 가변하기 위한 능동 조향 메카니즘(Active Steering Mecanism)(5), EPS 모터로 이루어져 EPS 시스템의 조향 어시스트를 위한 조타 보조력을 생성하는 조향 액츄에이터(Steering Actuator)(6), 출력축의 조향 출력각을 검출하는 출력각 센서(7)로 구성되어 있으며, 상기 ECU(4)에서 입력각, 차속, 횡가속도, 요 레이트(Yaw Rate) 등의 차량 상태정보를 입력받아 차량 상태에 대한 적정한 조향 기어비를 연산 및 설정하고, 이 설정된 조향 기어비에 따른 제어신호를 출력하여 능동 조향 메카니즘(5)을 구동시킴으로써 최적의 전륜 조향각 보상 제어를 수행한다.

이때, 상기 능동 조향 메카니즘(5)내 조향 기어비 가변기구는 선기어와 링기어 및 캐리어 등으로 이루어진 유성기어 세트로 구성된다.

상기와 같이 구성된 AFS 시스템에서는 상기 ECU(4)에서 차속을 입력받아 차속별 목표 조향 기어비의 설정 맵을 통해 해당 차속에 따른 목표 조향 기어비를 설정하고, 이 설정된 조향 기어비와 입력각으로부터 출력각을 연산하며, 이 연산된 출력각을 추종할 수 있도록 AFS 모터의 위치제어를 수행한다.

한편, 종래에는 상기 입력각 센서(3)에서 검출되는 입력각에 상기 목표 조향 기어비를 곱하여 구한 출력각과 상기 출력각 센서(7)에서 검출되는 실제 출력각간의 차이값을 구하고, 이 구한 차이값이 기준값 이상인 경우 AFS 시스템에 페일이 발생한 것으로 판단하여, AFS 시스템내 AFS 모터와 연결된 락킹기구를 작동시켜 AFS 모터의 회전을 방지함으로써 입력축의 회전이 출력축의 회전으로 연결되는 최 소한의 기구적 동력전달만이 이루어져 입출력 간에 고정된 기어비로 작동하도록 하였다.

그러나, 상기와 같이 종래에는 상기 연산된 출력각과 실제 출력각간의 차이값을 이용하여 AFS 시스템의 페일 여부를 판단한 후 AFS 시스템의 작동을 중단하게 되는데, 이때 AFS 시스템을 초기화하지 않은 상태에서 각 센서의 출력값을 이용하여 AFS 시스템의 페일 여부를 판단함에 따라 페일의 정확한 유무를 알 수 없고, 조치 또한 제대로 이루어지지 못하게 되는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 입력각 센서와 출력각 센서를 구비한 AFS 시스템에 있어서, 상기 두 개의 센서중 하나는 절대각 센서를, 나머지 하나는 상대각 센서를 사용하도록 하고, 초기화시 상기 절대각 센서의 절대각 정보와 이 절대각 정보 및 상기 상대각 센서의 위치 정보로부터 구한 상대각 센서의 절대각 정보를 이용하여 목표 조향 기어비를 추종하도록 AFS 모터의 위치 제어를 수행하며, 일정 시간 동안 기준값 이상의 추종오차가 발생하는 경우에 AFS 시스템의 페일로 판별하여 락킹기구에 의해 AFS 모터의 구동을 구속함으로써 보다 정확하게 페일 원인을 알 수 있고, 이에 따라 빠르고 적절한 조치가 이루어질 수 있도록 한 AFS 시스템에서의 페일세이프 제어방법을 제공하는 데에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 AFS 시스템에서의 페일세 이프 제어방법은, 차량의 조향 시스템에 적용되고, 입력각 센서와 출력각 센서를 구비하여 이 두 개의 센서중 하나는 절대각 센서를, 나머지 하나는 상대각 센서를 사용하며, 차속에 근거하여 조향 액츄에이터에 장착된 조향 기어비 가변기구를 통해 조향 기어비를 가변하는 AFS 시스템에 있어서, 상기 절대각 센서의 값이 조향핸들의 중립위치 방향으로 가도록 AFS 모터를 구동하는 상태에서 상대각 센서의 Z상 값이 0인지를 판단하는 제1단계와, 상기 제1단계에서 상대각 센서의 Z상 값이 0인 경우 상기 절대각 센서의 절대각 정보와 상대각 센서의 위치 정보로부터 상대각 센서의 절대위치 정보를 연산하는 제2단계와, 상기 제2단계 수행 후, 차속별 목표 조향 기어비의 설정 맵을 통해 해당 차속에 따른 목표 조향 기어비를 설정하고, 이 설정된 목표 조향 기어비와 입력각으로부터 목표 출력각을 연산하는 제3단계와, 상기 절대각 센서의 절대각 정보와 상기 제2단계에서 연산된 상대각 센서의 절대위치 정보로부터

의 구속조건을 연산하여 이

의 구속조건을 기준으로 AFS 모터를 구동시켜 상기 제3단계에서 연산된 목표 출력각을 추종하도록 AFS 모터의 위치제어를 수행하는 제4단계와, 상기 제4단계에서 입력각 센서로부터 얻어지는 입력각에 목표 조향 기어비를 곱한 값과 상기 출력각 센서로부터 얻어지는 절대위치 정보값간의 차이가 기준값 이내인지를 판단하고, 기준값 이상이라면 AFS 시스템의 페일로 판별하여 페일 코드를 출력하고, 락킹기구를 작동시켜 AFS 모터의 구동을 구속하는 제5단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 AFS 시스템에서의 페일세이프 제어방법을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 AFS 시스템의 능동 조향 메카니즘(5)내 조향 기어비 가변기구를 이루는 유성기어에 있어서, 아래첨자 A를 선기어, B를 링기어, C를 캐리어라고 가정하면, 기구적인 구속조건식은 아래 수학식 1, 2와 같이 표현된다.(이 식은 각도조건과 속도조건에 동일하게 적용 가능하다)

상기와 같은 수학식에 있어서, 링기어를 생략하고, 또 하나의 선기어를 장착하고 단이 있는 플레닛(Planet) 기어를 채택하여도 동일한 결과를 얻게 된다. 상기 세 개의 기어에 각각 입력축, AFS 모터의 제어축, 출력축을 연결하면 조향 기어비 가변기구가 구현되고, 이때 연결순서는 제한이 없다.

그리고, 입력축을 아래첨자 A, 출력축을 아래첨자 B, 제어축을 아래첨자 C라고 가정하면, 목표 조향 기어비(K)에 따른 입출력 관계식은 아래 수학식 3과 같고, 수학식 1과 3을 통합하면 아래 수학식 4와 같은 구속조건의 조합이 가능하다.

여기서,

는 입력각 센서(3)로부터 검출되는 입력각이고,

는 출력각 센서(7)로부터 검출되는 출력각이며,

는 모터 위치 센서로부터 검출되는 모터 회전각이다.

는 입력축에 대한 제어축의 관계 구속조건이고,

는 출력축에 대한 제어축의 관계 구속조건이며,

은 입력각 센서(3)의 절대각 정보(입력각)와 이 절대각 정보 및 상기 출력각 센서(7)의 위치 정보로부터 구한 출력각 센서(7)의 절대각 정보(절대위치)를 통해 조합되는 입력축에 대한 출력축의 관계구속조건이다.

상기와 같이 본 발명에 따른 AFS 시스템에서는 모터 위치 세서를 제외한 입력각 검출 수단으로 입력각 센서(3)와 출력각 검출 수단으로 출력각 센서(7)만이 구성되도록 하고, 상기 입력각 센서(3) 또는 출력각 센서(7) 중 하나를 절대각 센서로 사용하고, 나머지 하나를 상대각 센서로 각각 사용하도록 한다.

상기와 같이 AFS 시스템을 구성한 후, 초기화 시에 상기 절대각 센서의 절대 각 정보와 이 절대각 정보 및 상기 상대각 센서의 위치 정보로부터 구한 상대각 센서의 절대각 정보를 이용하여 목표 조향 기어비를 추종하도록 AFS 모터의 위치 제어를 수행하도록 한다.

즉, 상기 입력각 센서(3)가 절대각 센서이고, 출력각 센서(7)가 상대각 센서인 경우, 상기 두 개의 절대각 정보를 토대로 입력각 센서(3)로부터 얻어지는 입력각에 목표 조향 기어비(K)를 곱한 값과 상기 출력각 센서(7)로부터 얻어지는 절대위치 정보값간의 차이가 기준값 이내가 되도록 AFS 모터의 위치 제어를 수행하는 것이다. 이때, 만일 일정 시간 제어 후 상기 두 값의 차이가 기준값보다 크게 되면 AFS 시스템의 페일로 판별하여 락킹기구에 의해 AFS 모터의 구동을 구속하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 AFS 시스템에서의 절대각 정보 연산 방법을 보인 도면으로서, 차량 시동 후 AFS 시스템의 초기화 시에 절대각 센서인 입력각 센서(3)의 값으로부터 조향핸들(1)이 중립위치 방향으로 움직이도록 AFS 모터를 구동하고, 이때 상대각 센서인 출력각 센서(7)가 Z상을 지나가는 경우 상기 절대각 센서인 입력각 센서(3)의 절대각 정보를 토대로 출력각 센서(7)의 절대위치를 초기화한다.

상기 초기화 이후 두 개의 절대각 정보를 이용하여 AFS 모터의 위치 제어를 수행하게 되는데, 즉 상기 수학식 4와 같이

의 구속조건을 연산하여 그 값이 0이 가까워지도록 제어를 수행하는 것이다. 이때, 만일 일정 시간동안 상기 수학식 5에 따른

의 구속조건이 만족되지 않으면 AFS 시스템의 페일로 판별하여 락킹 기구로 AFS 모터의 구동을 구속하게 되고, 이로 인해 고정된 조향 기어비의 동력전달만이 가능하게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 AFS 시스템에서의 페일세이프 제어방법을 보인 동작 흐름도로서, 이를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

여기서, 입력각 센서(3)로 절대각 센서를 사용하고, 출력각 센서(7)로 상대각 센서를 사용한 경우를 설명하도록 한다.

먼저, AFS 시스템에서 AFS 모터를 구속하기 위한 락킹기구의 작동을 해제한 후(S1), 차량이 정차한 상태에서의 조향 기어비를 목표 조향 기어비(K)로 설정한다(S2).

이어, AFS 시스템의 ECU(4)는 절대각 센서인 입력각 센서(3)의 값이 조향핸들(1)의 중립위치 방향으로 가도록 AFS 모터를 구동하고(S3), 이때 상대각 센서인 출력각 센서(7)가 Z상을 지나가는 경우, 즉 Z상의 값이 0인지를 판단하여(S4) 출력각 센서(7)가 Z상을 지나 그 값이 0인 경우라면 입력각 센서(3)의 절대각 정보(입력각)와 출력각 센서(7)의 위치 정보로부터 상대각 센서인 출력각 센서(7)의 절대위치 정보를 연산한다(S5).

이후, ECU(4)는 차속센서를 통해 감지되어 입력되는 차량의 속도를 연산하여 차속을 구하고(S6), 이어 차속별 목표 조향 기어비의 설정 맵을 통해 상기 단계(S6)에서 구한 해당 차속에 따른 목표 조향 기어비(K)를 설정한다(S7).

그리고 나서, 상기 단계(S7)에서 설정된 목표 조향 기어비(K)와 입력각으로부터 목표 출력각을 연산한다(S8).

이후, 상기 절대각 센서인 입력각 센서(3)의 절대각 정보(입력각)와 상기 단계(S5)에서 연산된 상대각 센서인 출력각 센서(7)의 절대위치 정보(절대위치)로부터

의 구속조건을 연산하여 이

의 구속조건을 기준으로 AFS 모터를 구동시켜 상기 단계(S8)에서 연산된 목표 출력각을 추종하도록 AFS 모터의 위치제어를 수행한다(S9).

즉, 상기 두 개의 절대각 정보를 토대로 입력각 센서(3)로부터 얻어지는 입력각에 목표 조향 기어비(K)를 곱한 값(목표 출력각)과 상기 출력각 센서(7)로부터 얻어지는 절대위치 정보값(실제 출력각)간의 차이가 기준값 이내가 되도록 AFS 모터의 위치 제어를 수행하는 것이다.

이때, 일정 시간동안 상기

의 구속조건이 만족되지 않으면, 즉 상기 두 개의 절대각 정보를 토대로 입력각 센서(3)로부터 얻어지는 입력각에 목표 조향 기어비(K)를 곱한 값(목표 출력각)과 상기 출력각 센서(7)로부터 얻어지는 절대위치 정보값(실제 출력각)간의 차이가 기준값 이내인지를 판단하여(S10), 기준값 이내라면 상기 단계(S5)로 진행하여 이후 단계를 반복 수행하도록 하고, 기준값 이상이라면 AFS 시스템의 페일로 판별하여 페일 코드를 출력하고(S11), 락킹기구를 작동시켜 AFS 모터의 구동을 구속하도록 한다(S12).

이후, 이로 인해 AFS 시스템에서 고정된 조향 기어비의 동력전달만이 가능하게 된다.

이상, 상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 입력각 센서와 출력각 센서를 구비한 AFS 시스템에 있어서, 상기 두 개의 센서중 하나는 절대각 센서를, 나머지 하나는 상대각 센서를 사용하도록 하고, 초기화시 상기 절대각 센서의 절대각 정보와 이 절대각 정보 및 상기 상대각 센서의 위치 정보로부터 구한 상대각 센서의 절대각 정보를 이용하여 목표 조향 기어비를 추종하도록 AFS 모터의 위치 제어를 수행하며, 일정 시간 동안 기준값 이상의 추종오차가 발생하는 경우에 AFS 시스템의 페일로 판별하여 락킹기구에 의해 AFS 모터의 구동을 구속함으로써 보다 정확하게 페일 원인을 알 수 있고, 이에 따라 빠르고 적절한 조치가 이루어질 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 차량의 조향 시스템에 적용되고, 입력각 센서와 출력각 센서를 구비하여 이 두 개의 센서중 하나는 절대각 센서를, 나머지 하나는 상대각 센서를 사용하며, 차속에 근거하여 조향 액츄에이터에 장착된 조향 기어비 가변기구를 통해 조향 기어비를 가변하는 AFS 시스템에 있어서,

   상기 절대각 센서의 값이 조향핸들의 중립위치 방향으로 가도록 AFS 모터를 구동하는 상태에서 상대각 센서의 Z상 값이 0인지를 판단하는 제1단계와,

   상기 제1단계에서 상대각 센서의 Z상 값이 0인 경우 상기 절대각 센서의 절대각 정보와 상대각 센서의 위치 정보로부터 상대각 센서의 절대위치 정보를 연산하는 제2단계와,

   상기 제2단계 수행 후, 차속별 목표 조향 기어비의 설정 맵을 통해 해당 차속에 따른 목표 조향 기어비를 설정하고, 이 설정된 목표 조향 기어비와 입력각으로부터 목표 출력각을 연산하는 제3단계와,

   상기 절대각 센서의 절대각 정보와 상기 제2단계에서 연산된 상대각 센서의 절대위치 정보로부터

   

   의 구속조건을 연산하여 이

   

   의 구속조건을 기준으로 AFS 모터를 구동시켜 상기 제3단계에서 연산된 목표 출력각을 추종하도록 AFS 모터의 위치제어를 수행하는 제4단계와,

   상기 제4단계에서 입력각 센서로부터 얻어지는 입력각에 목표 조향 기어비를 곱한 값과 상기 출력각 센서로부터 얻어지는 절대위치 정보값간의 차이가 기준값 이내인지를 판단하고, 기준값 이상이라면 AFS 시스템의 페일로 판별하여 페일 코드를 출력하고, 락킹기구를 작동시켜 AFS 모터의 구동을 구속하는 제5단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 능동 전륜 조향 시스템에서의 페일세이프 제어방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기

   

   로서, 입력각 센서의 절대각 정보와 이 절대각 정보 및 출력각 센서의 위치 정보로부터 구한 출력각 센서의 절대각 정보를 통해 조합되는 입력축에 대한 출력축의 관계구속조건인 것을 특징으로 하는 능동 전륜 조향 시스템에서의 페일세이프 제어방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 입력각 센서를 절대각 센서로 사용하고, 출력각 센서를 상대각 센서로 사용하는 것을 특징으로 하는 능동 전륜 조향 시스템에서의 페일세이프 제어방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 입력각 센서를 상대각 센서로 사용하고, 출력각 센서를 절대각 센서로 사용하는 것을 특징으로 하는 능동 전륜 조향 시스템에서의 페일세이프 제어방법.

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