KR101005759B1 - 능동 전륜 조향 시스템에서의 페일 세이프 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 AFS 시스템에서의 페일 세이프 제어방법에 관한 것으로, 차량의 조향 시스템에 적용되어, 차속과 조향각에 근거하여 조향 액츄에이터에 장착된 조향 기어비 가변기구를 통해 조향 기어비를 가변하는 AFS 시스템에 있어서, 상기 AFS 시스템의 ECU가 AFS 모터에 흐르는 전류가 모터 전류제한 임계값을 넘고, 그 넘는 시간이 일정 시간 이상인지를 판단하는 제1단계와, 상기 제1단계의 판단 결과, 상기 모터 전류가 모터 전류제한 임계값 이상이면서 그 넘는 시간도 일정 시간 이상이라면 모터의 최대 전류를 모터 전류제한 감소 기울기 만큼 감소시키는 제2단계와, 상기 제2단계에서 감소된 모터의 최대 전류가 모터 최대전류 임계값 이하인지를 판단하여, 이하인 경우 모터의 최대 전류를 모터 최대전류 임계값으로 설정하는 제3단계와, 상기 제3단계 수행 후, 운전자가 조향입력을 가할 경우 조향 입력 토크가 최소 반력 토크 이상인지를 판단하여, 이상인 경우 락킹기구를 작동시켜 AFS 모터를 구속시키는 제4단계로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 조향기어의 위치가 락에 있는데도 운전자의 조향입력으로 과다한 모터 전류가 발생하는 경우 모터의 최대 전류를 일정 임계값까지 감소시켜 줌으로써 AFS 모터의 과열 및 소손을 방지할 수 있게 되고, 계속해서 운전자가 AFS 모터의 반력 토크보다 큰 조향 토크 입력을 가할 경우 AFS 모터를 구속시켜 줌으로써 AFS 모터가 역방향으로 회전하여 조향핸들이 회전되는 것을 막아 운전자가 보다 안전한 조향을 할 수 있게 되는 효과가 있다.

AFS, 조향 기어비 가변 기구, 락킹기구, 모터 전류제한, 반력 토크

Description

능동 전륜 조향 시스템에서의 페일 세이프 제어방법{FAIL SAFE CONTROL METHODE IN ACTIVE FRONT STEERING SYSTEM}

도 1은 차량의 조향 시스템에 적용되는 AFS 시스템의 구성도.

도 2는 AFS 시스템내 AFS 액츄에이터 및 락킹기구를 보인 도면.

도 3은 본 발명에 따른 AFS 시스템의 모터 전류제한 제어방법을 보인 그래프.

도 4는 AFS 시스템의 모터 전류와 반력 토크간의 상관 그래프.

도 5는 본 발명에 따른 AFS 시스템의 페일 세이프 제어방법을 보인 동작 흐름도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 조향핸들 2 : 조향칼럼

3 : AFS 액츄에이터 4 : AFS ECU

5 : 인터미디어트 샤프트 6 : 로터리 밸브

7 : 조향기어 8 : 차량 바퀴

31 : 선기어 32 : 플레닛 기어

33 : 캐리어 34 : AFS 모터

37 : 락킹기구

본 발명은 능동 전륜 조향(Active Front Steering : 이하, 'AFS'라 칭함) 시스템에서의 페일 세이프 제어방법에 관한 것으로, 특히 차량의 조향 시스템에 적용되는 AFS 시스템에 있어서, 조향기어(Steering Gear)의 위치가 락(Lock)에 있는데도 운전자의 조향입력으로 과다한 모터 전류가 발생하는 경우 모터의 최대 전류를 일정 임계값까지 감소시켜 줌으로써 AFS 모터의 과열 및 소손을 방지할 수 있도록 하고, 계속해서 운전자가 AFS 모터의 반력 토크보다 큰 조향 토크 입력을 가할 경우 AFS 모터를 구속시켜 줌으로써 AFS 모터가 역방향으로 회전하여 조향핸들이 회전되는 것을 막아 운전자가 보다 안전한 조향을 할 수 있도록 한 AFS 시스템에서의 페일 세이프 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 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) 시스템으로 구분된다.

종래에는 상기와 같은 조향 시스템을 장착한 차량에 있어서, 운전자 핸들과 조향 액츄에이터 사이에 조향 기어비 가변 기구를 구비시켜, 이 조향 기어비 가변 기구의 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 적용되는 AFS 시스템의 구성도로서, 이에 도시된 바와 같이 AFS 시스템은 AFS 액츄에이터(Actuator)(3) 및 이를 제어하는 AFS ECU(4)로 구성되며, 이때 AFS 액츄에이터(3)는 조향핸들(1)에 결합되고, 그 하단이 인터미디어트 샤프트(Intermediate Shaft)(5)를 통해 로터리 밸브(Rotary Valve)(6) 및 조향기어(7)에 연결된 조향컬럼(2)에 위치하거나 도 2에 도시된 바와 같이 로터리 밸브(6)와 랙(35)과 결합되는 피니언(36)축에 위치된다.

운전자가 가한 조향입력은 조향각과 조향 토크로 구성되는데, 조향각은 AFS 액츄에이터(3)를 지나면서 적정한 기어비에 의해 변환되어 인터미디어트 샤프트(5)를 거쳐 로터리 밸브(6)로 전달되며, 이후 조향기어(7)에 의해 직선운동으로 변환되어 차량 바퀴(8)의 회전운동을 발생시킨다. 그리고 조향 토크는 AFS 액츄에이터(3)를 지나면서 일정한 기어비로 변환되고, 인터미디어트 샤프트(5)를 거쳐 로터리 밸브(6)로 전달되어 바퀴(8)의 회전운동을 돕는다.

상기와 같이 AFS 시스템은 운전자가 가한 조향핸들(1)의 입력을 받아 차속에 따라 적정한 조향 기어비를 계산하여 출력각으로 내어줌으로써 조향 기어비 가변 기능을 하며, 차량이 위험 상황에 있을 때(스핀, 드리프트-아웃) 최적의 조향 기어비를 계산하여 운전자가 가한 조향입력 외에 추가적인 각을 내어줌으로써(중첩각 기능) 차량의 안정성 향상에 기여하고 있는 것이다.

한편, 상기와 같은 AFS 시스템내 AFS 액츄에이터(3)는 유성기어 세트로 구성 되며, 도 2에 도시된 바와 같이 AFS 액츄에이터(3)가 로터리 밸브(6)와 랙(35)과 결합되는 피니언(36)축에 위치된 경우, 입력 선기어(Sun Gear)(31)와 출력 선기어, 그리고 단차가 진 복수의 유성기어(플레닛 기어(Planet Gear))(32)와 이를 공전시킬 수 있는 캐리어(Carrier)(33)로 구성된다. 이때 캐리어(33)는 외면에 기어치가 형성되어 일종의 웜기어(Warm Gear)(33-1)로 역할하며, 측면에 위치한 AFS 모터(34)에서 발생되는 구동력, 즉 회전력이 웜(34-1)을 통해 캐리어(33)의 회전운동을 발생시킴으로써 입출력간의 조향 기어비를 가변시키게 된다.

만일, 상기 AFS 모터(34) 등, AFS 시스템에 고장이 발생하게 되면 솔레노이드로 구성된 락킹기구(37)가 AFS 모터(34)의 웜(34-1)을 구속하여 AFS 모터(34)의 구동이 멈춰지게 되고, 이때 입력축의 회전이 출력축의 회전으로 연결되는 최소한의 기구적 동력전달이 이루어져 입출력 간에 고정된 기어비로 작동하게 된다.

한편, 차량이 정차시에 조향기어(7)의 위치가 락(끝단)에 있다면, 운전자가 입력을 가해도 출력각은 더 이상 발생할 수 없게 된다. 운전자가 실수로 또는 부주의하게 더 큰 조향입력을 가하면, 조향핸들(1)로부터 AFS 액츄에이터(3)내 입력 선기어(31)까지 강성에 의해 약간의 비틀림 각이 발생하고, 이에 따라 AFS ECU(4)는 이 비틀림 각만큼 출력각을 발생시키려고 AFS 모터(34)를 구동하게 된다.

그러나, 출력단은 락 위치에 있으므로 더 이상 AFS 모터(34)는 회전하지 못하고 구속되어 많은 양의 전류를 계속 흘리게 된다. 이러한 상태로 장시간이 흐르게 되면 AFS 모터(34)에 과다한 전류가 흘러 모터가 과열 및 열적 소손되는 문제점이 발생하게 된다.

한편, 모터 전류에 의해 운전자에게 전해지는 반력 토크는 아래 수식 1과 같으며, 상기 AFS 모터(34)의 과열 및 소손을 방지하기 위하여 모터 전류를 감소함에 따라 모터의 출력 토크 Tm도 감소하게 되고, 도 4에 도시된 바와 같이 운전자가 조행핸들(1)을 조타할 때 느끼게 되는 반력 토크(Reaction Torue) T도 감소하게 된다.

T = η×i ×C ×Tm

여기서, T : 반력 토크, η: 감속기 효율, i : 웜기어 감속비, C : 입력 선기어와 캐리어간의 회전토크 비례상수, Tm : 모터 출력 토크이다.

이러한 상태가 계속되어 모터의 출력 토크가 계속 감속하게 되면 도 4에 도시된 바와 같이 통상 운전자가 매뉴얼 상태로 가할 수 있는 토크 T1보다 반력 토크 T는 더 감소하게 되고, 이때 운전자가 반력 토크 T보다 큰 조향 입력을 가할 경우 모터의 반력을 이기고 조향핸들(1)이 돌아가게 된다. 따라서 출력각은 고정되어 있지만, 운전자가 가한 토크 T1에 의해 AFS 모터(34)를 역방향으로 구동시키면서 입력 선기어(31)와 캐리어(33)만 회전하게 되는 것이다.

따라서, 상기와 같은 경우 차량 바퀴(8)는 회전하지 않는데, 운전자의 조향핸들(1)은 회전할 수 있으므로, 운전자에게 심한 이질감을 주게 되는 등, 운전자가 AFS 시스템의 고장으로 인식하여 조향 조작에 있어 안전하지 못하다고 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 차량의 조향 시스템에 적용되는 AFS 시스템에 있어서, 조향기어의 위치가 락(끝단)에 있는데도 운전자의 조향입력으로 과다한 모터 전류가 발생하는 경우 모터의 최대 전류를 일정 임계값까지 감소시켜 줌으로써 AFS 모터의 과열 및 소손을 방지할 수 있도록 하고, 계속해서 운전자가 AFS 모터의 반력 토크보다 큰 조향 토크 입력을 가할 경우 AFS 모터를 구속시켜 줌으로써 AFS 모터가 역방향으로 회전하여 조향핸들이 회전되는 것을 막아 운전자가 보다 안전한 조향을 할 수 있도록 한 AFS 시스템에서의 페일 세이프 제어방법을 제공하는 데에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 AFS 시스템에서의 페일 세이프 제어방법은, 차량의 조향 시스템에 적용되어, 차속과 조향각에 근거하여 조향 액츄에이터에 장착된 조향 기어비 가변기구를 통해 조향 기어비를 가변하는 AFS 시스템에 있어서, 상기 AFS 시스템의 ECU가 AFS 모터에 흐르는 전류가 모터 전류제한 임계값을 넘고, 그 넘는 시간이 일정 시간 이상인지를 판단하는 제1단계와, 상기 제1단계의 판단 결과, 상기 모터 전류가 모터 전류제한 임계값 이상이면서 그 넘는 시간도 일정 시간 이상이라면 모터의 최대 전류를 모터 전류제한 감소 기울기 만큼 감소시키는 제2단계와, 상기 제2단계에서 감소된 모터의 최대 전류가 모터 최대전류 임계값 이하인지를 판단하여, 이하인 경우 모터의 최대 전류를 모터 최대전류 임계값으로 설정하는 제3단계와, 상기 제3단계 수행 후, 운전자가 조향입력을 가할 경우 조향 입력 토크가 최소 반력 토크 이상인지를 판단하여, 이상인 경우 락 킹기구를 작동시켜 AFS 모터를 구속시키는 제4단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

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

도 3은 본 발명에 따른 AFS 시스템의 모터 전류제한 제어방법을 보인 그래프로서, AFS 시스템의 AFS ECU(4)는 AFS 액츄에이터(3)내 조향 기어비 가변 기구의 구동을 위해 AFS 모터(34)에 흐르는 전류가 모터 전류제한 임계값 C1를 넘어 일정 시간(t1) 이상 흐르게 되면, 모터의 최대 전류를 시간에 따라 일정분씩 감소시키도록 제어한다. 즉, 도 3의 그래프에서와 같이 모터의 최대 전류를 모터 전류제한 감소 기울기 C2 만큼 감소시켜 모터 최대전류 임계값 C3으로 설정하도록 한다.

도 5는 모터 전류제한 제어방법을 포함한 본 발명에 따른 AFS 시스템의 페일 세이프 제어방법을 보인 동작 흐름도로서, 이를 참고하여 설명하면 다음과 같다.

AFS 시스템에 있어서, 조향기어(7)의 위치가 락(끝단)에 있는데도 운전자가 계속 조향입력을 가할 경우에는 그 출력단이 락 위치에 있으므로 더 이상 AFS 모터(34)가 회전하지 못하고 구속되어 많은 양의 전류를 계속 흘리게 된다.

그러므로, 본 발명에서는 AFS 모터(34)에 흐르는 전류를 체크하여 모터의 전류가 모터의 전류제한 임계값을 넘어서게 되면 모터의 최대전류를 최대전류 임계값까지 감소시켜 AFS 모터(34)에 흐르는 전류를 줄이도록 하는 것이다.

즉, AFS 시스템의 AFS ECU(4)는 AFS 액츄에이터(3)내 조향 기어비 가변 기구의 구동을 위해 AFS 모터(34)에 흐르는 전류가 모터 전류제한 임계값 C1를 넘고, 그 넘는 시간이 일정 시간(t1) 이상인지를 판단한다(S1).

상기 단계(S1)의 판단 결과, 모터 전류가 모터 전류제한 임계값 C1 이상이면서 시간도 일정 시간(t1) 이상이라면, 모터의 최대 전류를 모터 전류제한 감소 기울기 C2 만큼 감소시킨다(S2). 즉, 모터의 최대 전류를 시간에 따라 일정분씩 감소시키는 것이다.

그리고 나서, 상기 단계(S2)에서와 같이 감소된 모터의 최대 전류가 모터 최대전류 임계값 C3 이하인지를 판단하여(S3), 이하라면 모터의 최대 전류를 모터 최대전류 임계값 C3으로 설정하도록 한다(S4).

상기와 같이 본 발명에서는 출력각이 락 위치에 있는 상태에서 운전자의 과다한 조향입력이 가해지는 경우 모터의 최대 전류를 최대전류 임계값까지 감소시켜 줌으로써 AFS 모터에 흐르는 전류를 줄여 AFS 모터의 과열 및 소손을 방지하게 되는 것이다.

이후, 상기와 같이 모터의 최대 전류를 최대전류 임계값 C3까지 감소시킨 상태(이때, 모터 전류가 감소됨에 따라 모터의 출력 토크는 물론 반력 토크도 감소하게 된다)에서 운전자가 계속 과도한 입력으로 조향핸들(1)을 조타할 경우 운전자가 가한 조향 입력 토크 T가 최소 반력 토크 Tmin 이상인지를 판단하여(S5), 최소 반력 토크 이상이라면 AFS ECU(4)는 이를 고장으로 인식하여 락킹기구(37)를 작동시켜 AFS 모터(34)를 구속시키도록 한다(S6).

상기와 같이 본 발명은 모터의 최대 전류 감소 이후에도 운전자가 계속 과도한 입력으로 조향핸들(1)을 조타하는 경우에 AFS 모터(34)를 구속함에 따라 AFS 모 터(34)가 역방향으로 회전하는 것을 막아 조향핸들(1)의 회전 역시 방지하여 심한 이질감을 제거할 수 있어 운전자가 안전한 조향 조작이 가능하도록 하고 있다.

이상, 상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 조향 시스템에 적용되어, 차량의 속도와 조향핸들의 조향각에 근거하여 조향칼럼 또는 조향기어에 장착된 조향 기어비 가변기구를 통해 조향 기어비를 가변하는 AFS 시스템에 있어서, 조향기어의 위치가 락(끝단)에 있는데도 운전자의 조향입력으로 과다한 모터 전류가 발생하는 경우 모터의 최대 전류를 일정 임계값까지 감소시켜 줌으로써 AFS 모터의 과열 및 소손을 방지할 수 있게 되고, 계속해서 운전자가 AFS 모터의 반력 토크보다 큰 조향 토크 입력을 가할 경우 AFS 모터를 구속시켜 줌으로써 AFS 모터가 역방향으로 회전하여 조향핸들이 회전되는 것을 막아 운전자가 보다 안전한 조향을 할 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 차량의 조향 시스템에 적용되어, 차속과 조향각에 근거하여 조향 액츄에이터에 장착된 조향 기어비 가변기구를 통해 조향 기어비를 가변하는 AFS 시스템에 있어서,

   상기 AFS 시스템의 ECU가 AFS 모터에 흐르는 전류인 모터 전류가 모터 전류제한 임계값을 넘고, 그 넘는 시간이 일정 시간 이상인지를 판단하는 제1단계와,

   상기 제1단계의 판단 결과, 상기 모터 전류가 상기 모터 전류제한 임계값 이상이면서 그 넘는 시간도 일정 시간 이상이라면 상기 AFS 모터의 최대 전류를 시간에 따라 일정분씩 감소시키는 제2단계와,

   상기 제2단계에서 감소된 상기 AFS 모터의 최대 전류가 모터 최대전류 임계값 이하인지를 판단하여, 이하인 경우 상기 AFS 모터의 최대 전류를 상기 모터 최대전류 임계값으로 설정하는 제3단계와,

   상기 제3단계 수행 후, 운전자가 조향입력을 가할 경우 조향 입력 토크가 최소 반력 토크 이상인지를 판단하여, 이상인 경우 락킹기구를 작동시켜 AFS 모터를 구속시키는 제4단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 능동 전륜 조향 시스템에서의 페일 세이프 제어방법.

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