KR101170862B1 - 어시스트 맵 튜닝 방법 및 전동식 파워 조향 장치 - Google Patents

어시스트 맵 튜닝 방법 및 전동식 파워 조향 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전동식 파워 조향 장치에서의 어시스트 맵 튜닝 방법에 관한 것이다.
본 발명은 전동식 파워 조향(EPS: Electric Power Steering, 이하 "EPS"라 함) 장치에서의 어시스트 맵 튜닝 방법에 있어서, (a) 넙스(NURBS: Non-Uniform Rational B-Spline) 곡선의 모양을 결정하는 소정 갯수의 제어점을 입력받아 저장하는 단계; (b) 토크 센서로부터 토크값이 입력되면, 기 저장된 상기 제어점을 이용하여 상기 넙스 곡선에 의한 보간을 실행함으로써, 상기 토크값에 해당하는 어시스트 전류를 결정하는 단계; 및 (c) 상기 어시스트 전류를 모터로 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 장치에서의 어시스트 맵 튜닝 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 소수의 제어점만으로 정밀한 어시스트 맵 튜닝이 가능하므로, EPS 장치의 메모리 용량을 줄여 제작 단가를 감소시킬 수 있고, 각 제어점이나 변곡점에서 부드러운 조향감을 운전자에게 제공할 수 있다는 효과가 있다.
넙스 곡선, 어시스트 맵, 토크, 어시스트 전류

Description

어시스트 맵 튜닝 방법 및 전동식 파워 조향 장치{Method for Tuning Assist Map for use in Electric Power Steering Apparatus And Electric Power Steering Apparatus}
도 1은 차량에 장착되는 EPS 장치의 개략적인 블럭 구성도,
도 2는 종래 EPS 장치에 설정되어 있는 어시스트 맵을 그래프로 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 EPS 장치에서의 어시스트 맵 튜닝 방법을 나타내는 순서도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 넙스 곡선에 의해 튜닝되는 어시스트 맵을 그래프로 표현한 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 EPS 장치의 개략적인 블록 구성도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
510: 토크센서 520: 차속센서
530: ECU 540: 모터
550: 조향 액츄에이터
본 발명은 어시스트 맵 튜닝 방법 및 전동식 파워 조향(EPS: Electric Power Steering, 이하 "EPS"라 함) 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 넙스 곡선을 이용하여 어시스트 맵을 튜닝하는 방법과 이를 적용한 EPS 장치에 관한 것이다.
EPS 장치는 운전자가 차량의 조향 핸들을 용이하게 조작할 수 있도록 한 조향 보조 장치로서, 유압을 이용하는 종래의 유압식 파워 조향(HPS: Hydraulic Power Steering) 장치와는 달리 모터의 회전력을 보조 조향력으로 사용한다.
도 1은 차량에 장착되는 EPS 장치의 개략적인 블럭 구성도이다.
EPS 장치는 토크센서(110), 차속센서(120), 전자제어유닛(ECU: Electronic Control Unit, 이하 "ECU"라 함)(130), 모터(140), 및 조향 액츄에이터(150)로 구성된다.
토크센서(110)은 운전자에 의한 조향 핸들의 회전에 의해 발생하는 토크(Torque)를 감지하여 ECU로 전달하고, 차속센서(120)는 차량의 속도(차속)를 감지하여 ECU(130)로 전달한다.
ECU(130)는 토크센서(110)와 차속센서(120)로부터 전달받은 토크 및 차속에 해당하는 어시스트(Assist) 전류를 모터(140)로 출력하고, 모터(140)는 어시스트 전류에 의해 회전되어 그 회전력을 조향 액츄에이터(150)에 전달함으로써, 보조 조향력을 제공하게 된다.
토크와 차속에 따라 그에 적절한 어시스트 전류를 출력하기 위해, ECU(230) 에는 토크 및 차속와 그에 따른 어시스트 전류와의 관계가 설정되어 있어야 하는데, 이를 어시스트 맵이라 한다.
도 2는 종래 EPS 장치에 설정되어 있는 어시스트 맵을 그래프로 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, ECU(130)에 설정되어 있는 어시스트 전류는 토크에 비례하고 차속에 반비례하도록 설정되어 있다.
즉, 운전자의 조향 핸들 조작에 의해 발생하는 토크가 크면 그에 비례하는 큰 어시스트 전류를 모터(140)로 출력하여 보조 조향력을 크게 함으로써, 운전자가 조향 핸들을 용이하게 조작하도록 한다. 또한, 차속이 크면 그에 반비례하는 어시스트 전류를 모터(140)로 출력하여 보조 조향력을 작게 함으로써, 큰 힘이 가해져야 조향 핸들이 조작되도록 하여 안전한 운행이 가능하도록 한다.
한편, 어시스트 맵은 소정 갯수의 각 제어점에서 토크와 어시스트 전류와의 관계를 나타내는 룩업테이블로서 저장되어 있다. 그리고 ECU(130)는 룩업테이블을 참조하여 각 제어점 간의 선형 보간에 의해 전달된 토크값에서의 어시스트 전류를 결정하게 된다.
예컨대, 제어점 P와 Q의 토크와 어시스트 전류의 관계가 각각 (τ1, I1), (τ2, I2)라고 할 때, 제어점 P와 Q 사이의 임의의 토크값 τ0 인가되면, τ0 에서의 어시스트 전류 I0 는 선형 보간에 의해 수학식 1과 같이 결정된다.
Figure 112007031024214-pat00001
그러나 이와 같이 선형 보간법을 이용하여 적절한 어시스트 전류를 튜닝하는 경우, 다음과 같은 문제가 발생한다.
첫째, 통상적으로 1차 선형 보간법을 이용하는 경우, 토크와 어시스트 전류의 관계를 나타내기 위해 26(전류)*33(토크) 테이블을 사용한다. 즉, 33개의 토크값에서 적절한 어시스트 전류를 결정하고, 어시스트 전류의 조절이 필요한 경우 제어점 상하로 조절하게 된다. 그러나 이러한 경우, 어시스트 맵의 조절이 필요할 때마다 33개의 제어점을 상하로 조절해야 하므로, 튜닝에 많은 시간이 소요된다. 또한, 제어점을 상하로만 조절할 수 있으므로 튜닝 자유도에 한계가 있다.
둘째, 1차 선형 보간법을 사용할 경우, 저토크 구간과 고토크 구간의 제어점의 수가 동일하므로(즉, 저토그 구간과 고토크 구간의 튜인 자유도가 같다), 이 경우 정밀한 튜닝이 필요한 저토크 구간에서 튜닝이 제약된다.
셋째, 정밀한 튜닝을 위해서 튜닝의 자유도를 높이기 위해서는 제어점의 수를 늘려야 하는데, 메모리의 용량의 한계로 인하여 제약이 따르고, 메모리의 용량을 늘이는 경우에는 제작 단가가 상승하는 문제가 발생한다.
따라서 제어점의 수를 줄이면서도 정밀하게 어시스트 맵을 튜닝할 수 있는 방법이 요구된다.
이러한 요구에 부응하기 위해 본 발명은, 넙스 곡선을 이용하여 어시스트 맵을 튜닝하는 방법과 이를 적용한 EPS 장치를 제공함으로 목적을 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 전동식 파워 조향(EPS: Electric Power Steering, 이하 "EPS"라 함) 장치에서의 어시스트 맵 튜닝 방법에 있어서, (a) 넙스(NURBS: Non-Uniform Rational B-Spline) 곡선의 모양을 결정하는 소정 갯수의 제어점을 입력받아 저장하는 단계; (b) 토크 센서로부터 토크값이 입력되면, 기 저장된 상기 제어점을 이용하여 상기 넙스 곡선에 의한 보간을 실행함으로써, 상기 토크값에 해당하는 어시스트 전류를 결정하는 단계; 및 (c) 상기 어시스트 전류를 모터로 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 장치에서의 어시스트 맵 튜닝 방법을 제공한다.
또 다른 목적을 위해 본 발명은, 전동식 파워 조향(EPS: Electric Power Steering, 이하 "EPS"라 함) 장치에 있어서, 운전자의 조향 핸들 조작에 따라 발생하는 토크를 감지하는 토크센서; 넙스 곡선의 모양을 결정하는 소정 갯수의 제어점을 입력받아 저장하고, 상기 토크센서로부터 상기 토크를 전달받으면, 상기 제어점을 이용하여 넙스 곡선에 의한 보간을 실행함으로써, 상기 토크에 해당하는 어시스트 전류를 출력하는 전자 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit); 및 상기 어시스트 전류에 따라 회전하여 보조 조향력을 제공하는 모터 및 조향액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향(EPS: Electric Power Steering, 이하 "EPS"라 함) 장치를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 EPS 장치에서의 어시스트 맵 튜닝 방법을 나타내는 순서도이다.
먼저, ECU는 넙스(NURBS: Non-Uniform Rational B-Spline) 곡선의 모양을 결정하는 소정 갯수의 제어점을 입력받아 저장하게 된다(S310).
이후, 토크센서로부터 감지된 토크값이 전달되는지를 확인하여(S320), 토크값이 전달되면, 기 저장된 제어점을 이용하여 넙스 곡선에 의한 보간을 실행함으로써, 전달된 토크값에 해당하는 어시스트 전류를 결정한다(S330).
S330에서 결정된 어시스트 전류는 모터로 출력되고(S340), 모터는 어시스트 전류에 따라 회전하여 그 회전력을 조향 액츄에이터에 전달함으로써 보조 조향력을 제공하게 된다.
S310 내지 S330의 과정을 보다 상세히 설명하면 아래와 같다.
넙스 곡선은 "형상이 정해지지 않은 함수의 곡선"으로 표현할 수 있는데, 하나의 식으로부터 모든 형태의 직선 및 곡선을 표현할 수 있고, 베이저(Bezier) 곡 선이나 B-Spline 곡선 등을 포함하는 개념이다.
p차 넙스 곡선을 표현하는 식은 수학식 2와 같이 주어진다.
Figure 112007031024214-pat00002
여기서, p는 넙스 곡선의 차수, Pi는 제어점, u는 매듭 벡터를 나타내고, Wi는 제어점 Pi에 대한 가중치를 의미한다.
그리고 Ni ,p(u)는 p차 B-Spline 곡선의 기저함수로서 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112007031024214-pat00003
수학식 1 및 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 차수 p, 매듭 벡터 u 및 제어점 Pi, 가중치 Wi 등이 결정되면 그에 따른 넙스 곡선이 결정된다.
S310에서 어시스트 맵의 설계자는 소정의 갯수의 제어점을 결정하여 이를 ECU에 저장시킨다.
ECU에는 EPS 장치에서 사용되는 토크와 어시스트 전류와의 관계를 나타내는 곡선을 그릴 수 있도록 넙스 곡선의 차수와 매듭 벡터, 가중치(여기서 가중치는 1로 고정될 수 있으며 이 경우에 넙스 곡선은 B-Spline 곡선과 동일하게 된다)가 미리 결정되어 있고, 제어점이 입력되면 차수, 매듭 벡터, 가중치 및 제어점을 이용하여 넙스 곡선을 생성하는 알고리즘이 내장되어 있어, 토크센서로부터 임의의 토크값을 입력받으면 입력된 토크값에 해당하는 넙스 곡선 상의 어시스트 전류를 결정하게 된다. 즉, 임의의 토크값에서 넙스 곡선에 의한 보간을 실행하여 어시스트 전류를 결정할 수 있게 된다(S320, S330). 차수와 매듭 벡터 또는 제어점 등에 의해 넙스 곡선의 모양을 결정하는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서는 이미 공지된 기술이므로 그 상세한 설명을 생략한다.
한편, 넙스 곡선에서의 제어점은 넙스 곡선 상에 위치할 수도 있고, 넙스 곡선 밖에 위치할 수도 있다. 그러나 본 발명에서는 제어점이 단순히 넙스 곡선의 모양을 결정하는 하나의 파라미터가 아니라 토크와 어시스트 전류와의 관계를 나타낼 수 있도록 넙스 곡선 상에 위치하는 것이 바람직하다. 그래야 설계자가 제어점의 조절에 따른 넙스 곡선의 변화(토크와 어시스트 전류 간의 관계 변화)를 시각적으로 파악하기가 용이하기 때문이다. 따라서 설계자는 소정 갯수의 토크값에서의 어시스트 전류값을 결정하고 이를 제어점으로 하여 ECU에 저장시키고, ECU에는 넙스 곡선이 제어점을 지나도록 차수나 매듭 벡터 등의 파라미터가 결정되도록 함이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 넙스 곡선에 의해 튜닝되는 어시 스트 맵을 그래프로 표현한 도면이다.
설계자에 의해 5개의 토크값에서의 어시스트 전류를 제어점으로 하여 ECU에 저장시키면, ECU는 토크와 어시스트 전류 간의 관계를 나타내는 넙스 곡선을 도 4와 같이 생성하게 된다.
따라서 토크센서로부터 토크 τ0 가 인가되면, 넙스 곡선에 의한 보간을 실행하여 토크 τ0 에 해당하는 어시스트 전류 I0 를 결정하게 된다.
또한, 어시스트 맵의 조절이 필요한 경우, 설계자가 조절이 필요한 구간의 제어점을 평면상의 임의의 방향으로 이동시키면, 이동된 제어점 부분의 넙스 곡선이 제어점의 이동방향을 따라 이동하게 된다. 따라서 설계자는 이동된 넙스 곡선을 확인하고, 적절하게 제어점을 조절한 후 조절된 제어점을 ECU로 입력함으로써 손쉽게 어시스트 맵을 조절할 수 있게 된다.
즉, 종래의 선형 보간법에 의하는 경우에는, 어시스트 맵을 조절하기 위해 많은 수의 제어점(통상 33개)을 상하로만 조절하여야만 하였으나, 넙스 곡선을 이용하는 경우에는 보다 적은 수의 제어점을 조절하여 어시스트 맵을 조절할 수 있고, 또한 제어점을 상하뿐만이 아니라 평면상의 임의의 방향으로 조절할 수 있으므로 튜닝의 자유도가 증가하여 정밀한 어시스트 맵을 설정할 수 있게 된다.
또한, 선형 보간법을 이용한 어시스트 맵의 그래프를 도시한 도 2와 넙스 곡선을 이용한 어시스트 맵의 그래프를 도시한 도 4를 비교해 보면, 도 2는 각 제어점, 특히 변곡점 부분에서 미분 연속성이 보장되지 않는다. 즉, 각 제어점에서 곡 선이 부드럽게 연결되지 않는다. 따라서, 각 제어점 부분에서의 조향감(Steering Feeling)이 다소 떨어지는 문제가 있다. 그러나 넙스 곡선을 이용하는 경우에는 각 제어점과 변곡점에서 곡선이 부드럽게 연결되므로(즉, 미분 연속성이 보장됨), 조향감을 증가시킬 수 있게 된다.
한편, 이상에서는 제어점의 수를 5개인 것으로 설명하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 정밀한 튜닝을 위해 5개 이상의 제어점을 설정할 수도 있고, 또한 미세 튜닝이 필요한 저토크 구간 등에 제어점을 다른 구간보다 많이 설정함으로써, 보다 정밀한 튜닝이 가능하도록 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 EPS 장치의 개략적인 블록 구성도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 EPS 장치는 토크센서(510), ECU(530), 모터(540) 및 조향 액츄에이터(550)를 포함하고, 차속센서(520)를 추가로 포함할 수 있다
토크센서(510)은 운전자의 조향 핸들 조작에 따라 발생하는 토크를 감지하여 ECU(230)로 전달한다.
ECU(530)는 넙스 곡선의 모양을 결정하는 소정 갯수(바람직하게는 5개 이상)의 제어점을 설계자로부터 입력받아 저장하고 있고, 토크센서로부터 토크가 전달되면 전달된 넙스 곡선에 의한 보간을 실행하여, 전달된 토크에서의 어시스트 전류를 결정하여 모터(540)로 출력한다.
모터(540)는 ECU(230)로부터 출력된 어시스트 전류에 따라 회전하여 그 회전 력을 조향 액츄에이터(550)로 전달하고, 조향 액츄에이터는 모터의 회전력에 의한 보조 조향력을 제공하게 된다.
여기서, 보조 조향력을 제공함에 있어, 차량의 속도(차속)를 고려하는 경우에는, 차속센서(520)이 추가로 포함될 수 있고, 이 경우 ECU(530)는 차속별로 토크와 어시스트 전류 간에 넙스 곡선에 의한 보간을 실행할 수 있다.
ECU에서 실행되는 넙스 곡선에 의한 보간은 위에서 상세히 설명하였으므로, 그 설명을 생략한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 어시스트 맵의 조절이 필요한 경우 설계자는 적은 갯수의 제어점을 상하좌우로 이동시켜 어시스트 맵을 조절할 수 있으므로, 기존 선형 보간법에 의한 경우보다 어시스트 맵 설계에 소요되는 시간을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 튜닝의 자유도를 높여 정밀한 튜닝이 가능하다.
또한, 미세 튜닝이 필요한 저토크 구간 등에는 보다 많은 수의 제어점을 설정함으로써 정밀한 튜닝이 가능하다.
또한, 기존 선형 보간법에 의한 어시스트 맵 튜닝 방법과 비교하여 어시스트 맵의 튜닝에 필요한 제어점의 수를 줄일 수 있어, 적은 용량의 메모리로 EPS 장치의 구현이 가능하여 제작 단가를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
나아가 넙스 곡선에 의한 튜닝의 경우, 각 제어점이나 변곡점에서 미분 연속성이 보장되어, 부드러운 조향감을 운전자에게 제공할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 전동식 파워 조향(EPS: Electric Power Steering, 이하 "EPS"라 함) 장치에서의 어시스트 맵 튜닝 방법에 있어서,
    (a) 넙스(NURBS: Non-Uniform Rational B-Spline) 곡선의 모양을 결정하는 소정 갯수의 제어점을 입력받아 저장하는 단계;
    (b) 토크 센서로부터 토크값이 입력되면, 기 저장된 상기 제어점을 이용하여 상기 넙스 곡선에 의한 보간을 실행함으로써, 상기 토크값에 해당하는 어시스트 전류를 결정하는 단계; 및
    (c) 상기 어시스트 전류를 모터로 출력하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 장치에서의 어시스트 맵 튜닝 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 넙스 곡선은 소정 갯수의 상기 제어점 각각을 지나는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 장치에서의 어시스트 맵 튜닝 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어점의 갯수는 5개 이상인 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 장치에서의 어시스트 맵 튜닝 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어점은 어시스트 전류의 미세 튜닝이 필요한 구간에 더 많이 위치시키는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 장치에서의 어시스트 맵 튜닝 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 미세 튜닝이 필요한 구간은 저토크 구간인 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 장치에서의 어시스트 맵 튜닝 방법.
  6. 전동식 파워 조향(EPS: Electric Power Steering, 이하 "EPS"라 함) 장치에 있어서,
    운전자의 조향 핸들 조작에 따라 발생하는 토크를 감지하는 토크센서;
    넙스 곡선의 모양을 결정하는 소정 갯수의 제어점을 저장하고, 상기 토크센서로부터 상기 토크를 전달받으면, 상기 제어점을 이용하여 넙스 곡선에 의한 보간을 실행함으로써, 상기 토크에 해당하는 어시스트 전류를 출력하는 전자 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit); 및
    상기 어시스트 전류에 따라 회전하여 보조 조향력을 제공하는 모터 및 조향액츄에이터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향(EPS: Electric Power Steering, 이하 "EPS"라 함) 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어점의 갯수는 5개 이상인 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어점은 어시스트 전류의 미세 튜닝이 필요한 구간에 더 많이 위치시키는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 미세 튜닝이 필요한 구간은 저토크 구간인 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 장치.
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