KR101265053B1 - 인휠 모터 구동 전기자동차의 피치운동 제어장치 - Google Patents

인휠 모터 구동 전기자동차의 피치운동 제어장치 Download PDF

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Abstract

인휠 모터 구동 전기자동차의 피치 운동 제어장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 구동 전기자동차의 피치 운동 제어장치는, 6륜 전기자동차의 좌우 전륜 및 좌우 후륜 마다, 인휠(In-Wheel) 모터의 토크에 따라 회전하는 해당 차륜과 노면과의 마찰에 의해 발생하는 해당 차륜의 구동력 또는 제동력이 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 차량 주행 중 피치 운동으로 인한 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력으로 차체에 작용함에 따라 신장 또는 압축되는 스프링이 구비된 현가장치를 포함한다.

Description

인휠 모터 구동 전기자동차의 피치운동 제어장치{APPARATUS OF CONTROLLING PITCH MOTION FOR ELECTRIC VEHICLES WITH IN-WHEEL MOTOR}
본 발명은 인휠 모터 구동 전기자동차의 피치운동 제어장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 인휠모터의 토크 제어를 통하여 차량의 주행 중에 발생하는 차량의 전후방향의 회전운동을 저감시키는 기술에 관한 것이다.
전기자동차에 있어서 전기구동모터는 본래의 기능으로 기존의 내연기관차량의 엔진을 대체하여 차륜을 회전시키는 구동력을 발생시키는 장치이다. 전기구동 모터는 내연기관의 엔진과 비교할 때 명령받은 토크를 매우 빠르고 정확히 만들어내는 장점이 있으며, 특히 전기구동모터를 차륜 내에 설치하는 인휠 모터의 경우는 전후좌우 각 차륜을 독립적으로 구동할 수 있다. 따라서 인휠 모터 구동 전기자동차는 인휠 모터의 우수한 제어성과 독립적인 구동력을 가지게 된다. 이로 인해서 최근 이 인휠 모터 구동 전기 자동차 분야에서는 전기구동모터의 우수한 제어성과 독립적인 구동력을 이용하여 차륜 슬립 제어 및 차량 선회시 요(yaw) 운동제어에 대한 기술이 개발 및 연구가 활발히 이루어지고 있다.
하지만, 인휠 모터 구동 전기 자동차 분야에서 차량 전후방향의 회전운동인 피치운동을 저감시켜 탑승자의 승차감 향상에 대한 기술개발 및 연구가 이루어지지 않고 있다.
인휠 모터의 각 차륜의 독립적인 제동력 또는 구동력 제어 특성을 이용하여 차량의 주행 중 발생하는 차체가 전후방향으로 회전하려는 피치운동을 저감 하는, 인휠 모터 구동 전기자동차의 피치운동 제어 장치가 제안된다.
본 발명의 일 양상에 따른 인휠 모터 구동 전기자동차의 피치 운동 제어장치는, 6륜 전기자동차의 좌우 전륜 및 좌우 후륜 마다, 인휠(In-Wheel) 모터의 토크에 따라 회전하는 해당 차륜과 노면과의 마찰에 의해 발생하는 해당 차륜의 구동력 또는 제동력이 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 차량 주행 중 피치 운동으로 인한 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력으로 차체에 작용함에 따라 신장 또는 압축되는 스프링이 구비된 현가장치를 포함한다.
상기 좌우 전륜 및 좌우 후륜의 제동력 또는 구동력의 방향은 동일하며, 상기 6륜 전기자동차의 좌우 중륜의 제동력 또는 구동력의 방향은 상기 좌우 전륜 및 좌우 후륜의 제동력 또는 구동력의 방향과 반대이며 2배의 크기를 가질 수 있다.
상기 노면과의 마찰에 의해 발생하는 상기 6륜 전기자동차의 모든 차륜의 구동력 또는 제동력의 합은 "0"이 되며, 상기 노면과의 마찰에 의해 발생하는 상기 6륜 전기자동차의 모든 차륜의 구동력 또는 제동력이 만드는 선회 모멘트 합이 "0"이 될 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른 인휠 모터 구동 전기자동차의 피치 운동 제어장치는, 운전자의 목표 피치 속도와 6륜 전기자동차에서 출력된 상기 전기자동차의 피치 속도의 편차를 출력하는 제1감산기; 운전자의 목표 종방향 속도와 상기 전기자동차에서 출력되는 전기자동차의 종방향 속도의 편차를 출력하는 제2감산기; 상기 제1감산기에서 출력된 값을 비례 적분 제어하여, 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력을 출력하는 제 1 PI 제어기; 상기 분력에 동일한 크기의 6륜 전기자동차의 차륜 반경을 곱해서, 피치 운동 제어를 위하여, 좌우 전륜 및 좌우 후륜에 적용될 피치 운동 제어 토크를 출력하는, 토크 변환부; 상기 제2감산기에서 출력된 값을 비례 적분 제어하여 운전자의 목표 종방향 속도를 추종하기 위한 구동 토크를 출력하는, 제 2 PI 제어기; 상기 피치 운동 제어 토크과 제 2 PI 제어기에서 출력된 구동 토크를 이용하여, 상기 6륜 전기자동차의 모든 차륜의 토크를 구하는, 토크 형성부; 6륜 전기자동차의 좌우 전륜 및 좌우 후륜 마다, 인휠(In-Wheel) 모터의 토크에 따라 회전하는 해당 차륜과 노면과의 마찰에 의해 발생하는 해당 차륜의 구동력 또는 제동력이 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 차량 주행 중 피치 운동으로 인한 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력으로 차체에 작용함에 따라 신장 또는 압축되는 스프링이 구비된 현가장치를 포함하며, 상기 토크 형성부에서 구해진 차륜의 토크에 따라 해당 차륜의 회전에 의해 주행중인 전기자동차의 피치속도, 피치각 및 종방향 속도를 각각 피치속도 감지센서, 피치각 감지센서 및 속도 감지센서를 이용하여 측정해서 출력하는 전기자동차; 및 상기 전기자동차의 피치각과 피치 속도의 방향 일치 여부에 따라 상기 피치 운동 제어 토크의 상기 토크 형성부로의 인가 여부를 결정하는 적용부를 포함한다.
상기 운전자의 목표 피치 속도는, 0으로 설정될 수 있다.
상기 모든 차륜의 토크는 아래의 수학식을 이용하여 구해질 수 있다.
[ 수학식 ]
Figure 112011052226553-pat00001
이때,
Figure 112011052226553-pat00002
는 피치 운동 제어를 위하여, 좌우 전륜 및 좌우 후륜에 적용될 피치 운동 제어 토크,
Figure 112011052226553-pat00003
는 운전자의 목표 종방향 속도를 추종하기 위한 구동 토크, 좌측전륜의 토크
Figure 112011052226553-pat00004
, 우측전륜의 토크
Figure 112011052226553-pat00005
, 좌측중륜의 토크
Figure 112011052226553-pat00006
및 우측중륜의 토크
Figure 112011052226553-pat00007
, 좌측후륜의 토크
Figure 112011052226553-pat00008
및 우측후륜의 토크
Figure 112011052226553-pat00009
을 나타낸다.
상기 적용부는, 상기 전기자동차의 피치각과 피치 속도의 방향 일치 여부를 확인하여, 일치한 경우 "1"을 출력하고 일치하지 않은 경우 "0"을 출력하는 판단부; 와 상기 판단부의 출력 값과 상기 피치 운동 제어 토크 값을 승산하여 출력하는 승산부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 구동 전기자동차의 피치 운동 제어장치에 따르면, 인휠 모터의 독립적인 제동력 또는 구동력 제어 특성을 이용하여 차량의 주행 중 발생하는 차체의 피치 운동으로 수반되는 피치각을 저감함으로써, 차량의 주행 중 발생하는 차량 전후방향의 회전운동 현상을 감소시킬 수 있다.
도 1은 후륜 타이어 노면 접지점의 상하운동과 현가장치의 가상링크의 관계도.
도 2는 차량 제동시에 관성력의 방향과 피칭각을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예가 적용되는 6륜 차량에 있어서 중륜이 전후륜의 제동력 또는 구동력과 반대의 제동력 또는 구동력을 발생시키는 도면
도 4는 이상적인 현가장치 모델과 실제적인 현가장치 모델을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 현가장치 모델을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 구동 전기자동차의 피치 운동 제어장치의 구성을 나타낸 도면.
도 7은 차량 피치 운동 시뮬레이션을 위한 노면 프로파일을 나타낸 도면.
도 8은 차량 피치 운동에 대한 시뮬레이션 결과를 시간영역에서 나타낸 도면.
도 9는 차량 피치 운동에 대한 시뮬레이션 결과를 주파수 영역에서 나타낸 도면.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 구동 전기자동차의 피치운동 제어장치는, 좌우 전륜 및 좌우 후륜 각 차륜별로 상하운동을 가능하게 하는 현가장치를 구비한다. 이 현가장치에 의해 차륜 타이어의 노면접지 중심점은, 차륜을 옆에서 보았을 때, 도 1에 도시된 바와 같은 접지점의 상하 이동궤적을 가질 수 있다. 이 접지점의 상하 이동궤적은 차량의 운동에 있어서 안티다이브(anti-dive)/안티리프트(anti-lift) 특성과 관계되며, 도 1에 도시된 바와 같이 가상링크의 회전에 의해 움직이며, 가상링크와 노면은 소정의 각도(
Figure 112011052226553-pat00010
)를 이루고 있다.
이 안티다이브/안티리프트 특성에 대해서 살펴보기로 한다.
차량이 가속하거나 감속하게 되면 차량의 무게중심에 작용하는 관성력으로 인하여 차체는 피치 운동을 하게 된다.
예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이, 차량이 제동력에 의해 감속을 하게 되면 감속도에 의한 차량의 관성력이 차량의 전진방향으로 작용하여 차체가 앞으로 기울어지는 방향의 모멘트가 되어, 전륜의 경우 하중이 증가하고 후륜의 경우 하중이 작아져서, 결국 차량은 다이브(dive, 차체가 진행방향으로 기울어지게 되는 현상) 된다.
이때, 노면에 작용하는 제동력으로 인하여 이 제동력을 받는 전륜 현가장치의 가상링크 및 후륜 현가장치의 가상링크는, 각각 노면과 이루는 소정의 제1각도(
Figure 112011052226553-pat00011
) 및 제2각도(
Figure 112011052226553-pat00012
)를 이루고, 제1각도만큼 차체의 윗 방향으로 분력이 발생하며 이 윗 방향으로 발생된 분력에 의해서 전륜 현가장치 스프링이 신장되고(늘어나고) 제2각도만큼 차체의 아래 방향으로 분력이 발생하며 이 아래 방향으로 발생된 분력에 의해 후륜 현가장치 스프링이 압축되어서, 결국 차량의 다이브 현상이 저감 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전륜 현가장치의 가상링크의 순간 회전중심(
Figure 112011052226553-pat00013
)의 위치가 전륜의 후방에 있도록, 후륜 현가장치의 가상링크의 순간 회전중심(
Figure 112011052226553-pat00014
)의 위치가 후륜의 전방에 있도록 설계된 경우, 차량의 제동으로 인해 발생하는 차체의 피치 운동을 방해하는 분력을 만들어 낼 수 있다. 이러한 분력으로 인해서 차체의 상하운동이 저감 되는데, 이것이 바로 안티다이브/안티리프트 특성이다.
즉, 현가장치가 만들어 내는 안티다이브/안티리프트 특성을 이용하면, 인휠 모터의 토크에 의해 회전하는 차륜이 노면과의 마찰에 의해서 발생하는 제동력 또는 구동력이, 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 차체의 상하 방향의 분력으로 차체에 작용하여, 현가장치의 스프링이 늘어나거나 압축될 수 있다.
이를 이용하여 차량 주행 중에 발생 되는 차량의 피치 운동을 저감 시키는 경우 인휠 모터의 토크에 의한 노면에서의 차륜에 발생하는 제동력 또는 구동력이 전후륜 모두 동일한 방향이 되어 차량의 본래의 진행 방향을 방해하게 되어 바람직하지 않게 된다.
이에 대해서 자세히 살펴보면, 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력의 방향은, 좌우 전륜에서 차체의 상방향으로 작용하면 좌우 후륜의 경우 차체의 하방향으로 작용하도록 하여야 하며, 이와 반대로 좌우 전륜에서 차체의 하방향으로 작용하면 좌우 후륜의 경우 차체의 상방향으로 작용하도록 하여야 한다.
이를 위해서는 차체가 전방향으로 회전하는 피치 운동이 발생할 경우 이를 저감하기 위한 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력의 방향은, 좌우 전륜의 경우 상방향으로, 좌우 후륜의 경우 하방향이 되어야 할 것이므로, 이를 위한 좌우 전륜의 인휠 모터의 토크에 의한 제동력 또는 구동력의 방향은 제동력이 되고 마찬가지로 좌우 후륜의 인휠 모터의 토크에 의한 제동력 또는 구동력의 방향 역시 제동력이 되어야 한다.
마찬가지로 차체가 후방향으로 회전하는 피치 운동이 발생할 경우, 이를 저감하기 위한 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력의 방향은, 좌우 전륜의 경우 하방향으로, 좌우 후륜의 경우 상방향이 되어야 할 것이므로, 이를 위한 좌우 전륜의 인휠 모터의 토크에 의한 제동력 또는 구동력의 방향은 구동력이 되고 마찬가지로 좌우 후륜의 인휠 모터의 토크에 의한 제동력 또는 구동력의 방향 역시 구동력이 되어야 한다.
즉 차량의 피치 운동을 저감 하기 위한 전후륜의 제동력 또는 구동력의 방향은 일치하고 있다. 그러나 이러한 전후륜의 제동력 또는 구동력의 방향의 일치는 차량이 본래 원하는 주행을 하기 위한 제동력 또는 구동력의 크기를 변화시키는 것이 되므로 바람직하지 않다. 따라서 차량의 피치 운동을 저감 하기 위한 인휠 모터의 제동력 또는 구동력의 제어는 차량의 본래의 운동을 방해하므로 적용할 수 없는 것이 된다.
그러나 본 발명은 좌우 전륜 및 좌우 후륜을 구비한 4륜 구동 차량이 아닌 6륜 구동 차량의 경우 차량의 운동을 방해하지 않고 이러한 인휠 모터의 제동력 또는 구동력 제어를 통한 차량의 피치 운동을 저감할 수 있다.
즉, 차량의 피치 운동을 저감하기 위해서, 6륜 구동 차량의 좌우 전륜 및 좌우 후륜의 경우 동일한 방향의 제동력 또는 구동력이 발생하도록 하고, 6륜 구동 차량의 중륜의 경우 좌우 전륜 및 좌우 후륜과 반대 방향의 제동력 또는 구동력을 발생시킨다. 즉 좌우 전륜 및 좌우 후륜의 제동력 또는 구동력과 좌우 중륜의 제동력 또는 구동력이 서로 상쇄됨으로써 차량의 본래의 운동을 방해하지 않고 차량의 피치 운동을 저감 할 수 있는 것이 된다.
다시 말해서, 도 3에 예시한 바와 같이 좌우 중륜을 포함하는 6륜 차량의 경우는 좌우 전륜 및 좌우 후륜 각각 피치 운동을 저감 시키는 제동력 또는 구동력을 발생시켜도, 좌우 중륜의 제동력 또는 구동력의 방향이 좌우 전륜 및 좌우 후륜의 힘과 반대 방향으로 발생하도록 하여 상쇄시키면 이들의 전체적인 제동력 또는 구동력의 합은 Zero(0)가 되어 차량 본래의 주행을 방해하지 않고도 피치 운동을 저감할 수 있다.
또한 노면과의 마찰에 의해 발생하는 6륜 차량의 모든 차륜의 구동력 또는 제동력이 만드는 선회 모멘트의 합은 "0"일 수 있다. 즉, 도 3의 차량 중심선(미도시)에서 각 차륜의 제동력 또는 구동력이 작용하는 위치까지의 거리를 t라하고 인휠 모터의 토크 τp에 의한 제동력 또는 구동력을 Fp라 하면 선회 모멘트는 좌측 전륜, 우측 전륜, 좌측 중륜, 우측 중륜, 좌측 후륜 및 우측 후륜 순서대로, (τp×t)-(τp×t)+2(τp×t)-2(τp×t)+(τp×t)-(τp×t)이 되어 "0"이 된다.
다시 도 2를 참조하여 차량 주행 중에 발생하는 피치 운동의 저감에 대해서 살펴보기로 한다.
차량의 주행 중, 도 2에 예시된 바와 같은 피치 운동이 발생하면 좌우 전륜 및 좌우 후륜 모두에 제동력을 가한다. 좌우 전륜에서의 제동력은 도 2에서와 같이 현가장치에 의해 형성된 가상링크에 의해 차체에 상방향으로 작용하는 분력을 만들어 내고, 좌우 후륜에서의 제동력은 차체에 하방향으로 작용하는 분력을 만들기 때문에 발생된 피치 운동을 저감하는 힘으로 작용한다.
기존 내연기관 차량에 있어서 차체의 상하운동을 제한하기 위한 수단은, 차체에 작용하는 상하방향의 힘을 직접 제어하는 것으로서, 이를 위해 현가장치 요소인 댐퍼의 댐핑력을 이루는 댐핑계수를 가변할 수 있는 가변댐퍼를 두고 댐핑계수를 결정하는 알고리즘으로 스카이훅 제어 기법이 사용되고 있다. 이에 대해서 살펴보기로 한다.
스카이훅 제어는 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 가상의 관성기준(Inertia Reference)과 차량의 스프링 상중량(Sprung mass)(차체) M에 가상의 스카이훅 수동 댐퍼를 설치하여 차체 M의 속도에 직접 비례하는 감쇄력을 발생시키는 방법이다.
그러나 실제로는 이것이 가능하지 않기 때문에, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 현가장치의 가변 댐퍼를 이용하여 이와 등가 적인 감쇄력을 발생시킨다.
실제 현가장치 모델에서의 등가 댐핑 계수는 아래의 수학식 1을 통해서 구해질 수 있다.
Figure 112011052226553-pat00015
이때,
Figure 112011052226553-pat00016
는 실제 현가장치 모델에서의 등가 댐핑 계수,
Figure 112011052226553-pat00017
는 이상적인 현가장치 모델에서의 등가 댐핑 계수,
Figure 112011052226553-pat00018
는 차체(스프링 상중량)의 상하방향 속도,
Figure 112011052226553-pat00019
는 차륜(스프링 하중량)의 상하방향 속도를 나타낸다.
또한, 도 4의 (b)에서 등가적인 감쇄력은 아래의 수학식 2와 같은 조건에서만 구해질 수 있다.
Figure 112011052226553-pat00020
이때, 등가적인 감쇄력은
Figure 112011052226553-pat00021
이고
Figure 112011052226553-pat00022
인 경우를 모두 만족하는 경우에 발생하거나,
Figure 112011052226553-pat00023
이고
Figure 112011052226553-pat00024
인 경우를 모두 만족하는 경우에 발생할 수 있다. 즉, 차체의 상하방향 속도의 방향과, 차체의 상하방향 속도와 차륜 상하방향 속도 간 차의 방향이 모두 일치한 경우에 등가적인 감쇄력이 발생할 수 있다.
이에 본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 구동 전기자동차의 피치 운동 제어장치는, 스카이 훅 제어기법을 이용하여 차량의 주행 중 차체가 전후로 회전하려는 피치 운동에 따라, 6륜 전기자동차의 좌우 전륜 및 좌우 후륜 각 현가장치 스프링의 신장 및 압축에 의한 전기자동차 차체의 상하방향의 운동을 감소시키는 방향으로 힘을 발생하여 차체에 인가함으로써, 전기자동차의 좌우 전륜 및 좌우 후륜 각 현가장치 스프링의 상하방향 운동을 감소시켜 차량 주행 중 발생하는 차체의 피치 운동을 저감할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에 적용되는 현가장치의 모델이 도 5에 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 현가장치 모델은, 인휠(In-Wheel) 모터를 구비한 전기자동차의 차륜(4), 전기자동차 차체(1)를 지지하는 스프링(spring)(2) 및 전기자동차 차체(1)의 상하방향의 진동을 흡수하는 댐퍼(damper)(3)를 구비할 수 있다. 이때, 차륜(4)은 전기자동차의 좌우 전륜, 좌우 중륜 및 좌우 후륜을 하나의 차륜으로만 모델화하여 표시한 경우이다. 이는 예시에 해당하며 다른 실시예도 가능함은 당연하다.
인휠 모터의 토크에 의해 회전하는 차륜과 노면 사이의 마찰에 의해 발생하는 구동력 또는 제동력이, 현가장치의 가상링크가 노면과 이루는 사잇각 만큼, 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력으로 차체에 작용하여, 현가장치의 스프링이 신장되거나 압축될 수 있다.
이때, 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력
Figure 112011052226553-pat00025
는, 전기자동차 주행 중 발생하는 차체가 전후방향으로 회전하는 것에 의한 차체의 상하방향의 운동을 감소시키기 위해 차체에 인가되는 힘이 된다. 이에 따라, 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력
Figure 112011052226553-pat00026
가 차체에 작용하여, 현가장치의 스프링이 차체의 피치 운동을 방해하는 방향으로 신장되거나 압축된다. 이에 따라 차량 주행 중 발생하는 피치 운동이 저감될 수 있게 된다.
그리고 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력
Figure 112011052226553-pat00027
는 전기자동차의 주행중 차제가 전후방향으로 회전하는 것에 의해, 전기자동차의 좌우 전륜 각각에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력과, 전기자동차의 좌우 후륜 각각에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력으로 나뉠 수 있다.
좌우 전륜 각각에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력은, 인휠 모터의 토크에 의해 회전하는 좌우 전륜 각각과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 좌우 전륜 각각의 구동력 또는 제동력이, 좌우 전륜 현가장치 각각의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 차체의 상하운동을 방해하는 분력으로 차체에 작용하여, 좌우 전륜 현가장치 각각의 스프링을 신장하거나 압축하는 힘을 나타낸다.
좌우 후륜 각각에 의해 발생하는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력은, 인휠 모터의 토크에 의해 회전하는 좌우 후륜 각각과 노면 간 마찰에 의해 발생하는 좌우 후륜 각각의 구동력 또는 제동력이, 좌우 후륜 현가장치 각각의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 차체의 상하운동을 방해하는 분력으로 차체에 작용하여, 좌우 후륜 현가장치 각각의 스프링을 신장하거나 압축하는 힘을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 구동 전기자동차의 피치 운동 제어장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 구동 전기자동차의 피치 운동 제어장치는, 제1감산기(10), 제2감산기(11), 제 1 PI제어기(12), 제 2 PI제어기(13), 토크 변환부(14), 토크 형성부(15), 6륜 전기자동차(16) 및 판정부(17)와 승산부(18)를 포함한 토크 적용부를 포함한다.
제1감산기(10)는 운전자의 목표 피치속도
Figure 112011052226553-pat00028
와 전기자동차(16)에서 출력된 차량의 피치속도
Figure 112011052226553-pat00029
의 편차를 출력한다. 이때, 운전자의 목표 피치 속도는 "O(Zero)"일 수 있다. 이는 전기자동차 탑승자가 피치 운동의 영향을 받지 않도록 하여 안락한 승차감을 갖도록 하기 위해서이다.
제2감산기(11)는 운전자의 목표 종방향 속도
Figure 112011052226553-pat00030
와 전기 자동차(16)에서 출력되는 전기자동차의 종방향 속도
Figure 112011052226553-pat00031
의 편차를 출력한다. 이때, 운전자의 목표 종방향 속도
Figure 112011052226553-pat00032
는 전기자동차 주행 중에 운전자가 원하는 전기자동차 속도를 의미한다. 운전자는 운전중인 전기자동차의 현재 차속, 즉 전기자동차의 종방향 속도
Figure 112011052226553-pat00033
를 인지하여 전기자동차(차량)의 속도를 유지하거나 가속 또는 감속을 하게 된다. 전기자동차의 속도를 유지하기 위해서는 현재의 가속 페달의 상태를 유지하며, 가속을 위해서는 가속페달을 더욱 밟으며, 감속을 위해서는 주로 감속페달을 조작하게 된다. 이러한 운전자의 가감속 페달의 조작은, 인휠 모터의 토크를 증대시키거나 감소시키는 것 또는 회생 제동 토크의 명령과 동일하므로, 도 6의 제 2 PI 제어기(13)의 역할과 동일하다. 왜냐하면 PI 제어기는 운전자의 목표 종방향 속도와 현재 전기자동차의 종방향 속도의 편차로부터 인휠 모터에 인가되는 토크, 즉 운전자의 목표 종방향 속도를 추종하기 위한 구동 토크
Figure 112011052226553-pat00034
를 출력하기 때문이다.
제 1 PI 제어기(12)는 제1감산기(10)에서 출력된 값을 비례 적분 제어하여, 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력을 출력한다.
토크 변환부(14)는 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력에 동일한 크기의 6륜 전기자동차의 차륜 반경을 곱하여, 피치 운동 제어를 위하여 좌우 전륜 및 좌우 후륜에 적용될 피치 운동 제어 토크
Figure 112011052226553-pat00035
를 출력한다.
제 2 PI 제어기(13)는 제2감산기(11)에서 출력된 값을 비례 적분 제어하여 운전자의 목표 종방향 속도를 추종하기 위한 구동 토크
Figure 112011052226553-pat00036
를 출력한다.
토크 형성부(15)는 토크 변환부(14)에서 출력된 피치 운동 제어 토크
Figure 112011052226553-pat00037
와 제2 PI 제어기(13)에서 출력된 구동 토크
Figure 112011052226553-pat00038
를 이용하여, 좌측전륜의 토크
Figure 112011052226553-pat00039
, 우측전륜의 토크
Figure 112011052226553-pat00040
, 좌측중륜의 토크
Figure 112011052226553-pat00041
및 우측중륜의 토크
Figure 112011052226553-pat00042
, 좌측후륜의 토크
Figure 112011052226553-pat00043
및 우측후륜의 토크
Figure 112011052226553-pat00044
을 구한다.
이때 좌측전륜의 토크, 우측전륜의 토크, 좌측중륜의 토크, 우측중륜의 토크, 좌측후륜의 토크 및 우측후륜의 토크는 아래의 수학식 3을 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112011052226553-pat00045
이때,
Figure 112011052226553-pat00046
는 피치 운동 제어를 위하여 좌우 전륜 및 좌우 후륜에 적용될 피치운동 제어토크,
Figure 112011052226553-pat00047
는 운전자의 목표 종방향 속도를 추종하기 위한 구동 토크, 좌측전륜의 토크
Figure 112011052226553-pat00048
, 우측전륜의 토크
Figure 112011052226553-pat00049
, 좌측중륜의 토크
Figure 112011052226553-pat00050
및 우측중륜의 토크
Figure 112011052226553-pat00051
, 좌측후륜의 토크
Figure 112011052226553-pat00052
및 우측후륜의 토크
Figure 112011052226553-pat00053
을 나타낸다. 여기서 중륜의 피치 운동을 저감 시키는 토크는 전후륜의 토크에 비하여 방향은 반대이고 크기는 2배의 값을 갖는다.
전기자동차(16)는, 6륜을 구비하며 6륜 중 좌우 전륜 및 좌우 후륜 마다, 인휠(In-Wheel) 모터의 토크에 따라 회전하는 해당 차륜과 노면과의 마찰에 의해 발생하는 해당 차륜의 구동력 또는 제동력이 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 차량 주행 중 피치 운동으로 인한 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력으로 차체에 작용함에 따라 신장 또는 압축되는 스프링이 구비된 현가장치를 포함한다. 이때, 좌우 전륜 및 좌우 후륜의 제동력 또는 구동력의 방향은 동일하며, 6륜 전기자동차의 좌우 중륜의 제동력 또는 구동력의 방향은 좌우 전륜 및 좌우 후륜의 제동력 또는 구동력의 방향과 반대이며 2배의 크기를 가질 수 있다. 또한 노면과의 마찰에 의해 발생하는 6륜 전기자동차의 모든 차륜의 구동력 또는 제동력의 합은 "0"이 되며, 노면과의 마찰에 의해 발생하는 6륜 전기자동차의 모든 차륜의 구동력 또는 제동력이 만드는 선회 모멘트 합이 "0"이 될 수 있다.
또한 전기자동차(16)는, 토크 형성부(15)에서 구해진 각 토크 값에 따라 각 차륜의 회전에 의해 주행중인 전기자동차의 피치속도, 피치각 및 종방향 속도를 각각 피치속도 감지센서, 피치각 감지센서 및 속도 감지센서를 이용하여 측정해서 출력한다.
토크 적용부는 차량의 피치각
Figure 112011052226553-pat00054
와 피치속도
Figure 112011052226553-pat00055
의 방향의 일치 여부에 따라 토크 변환부에서 출력된 피치 운동 제어 토크의 토크 형성부(15)로의 인가 여부를 결정하며, 판정부(17)와 승산부(18)를 포함한다. 판정부(17)는 차량의 피치각과 피치속도의 방향이 일치한 경우에만 "1"을 출력하고 일치하지 않은 경우 "0"을 출력한다. 승산부(18)는 판정부(17)에서 출력된 값과 토크 변환부(14)에 출력된 값을 승산하여 출력한다. 즉, 차량의 피치각과 피치속도의 방향이 일치한 경우에만, 판정부(17)의 출력이 "1"인 경우에만 토크 변환부(14)에서 출력된 피치 운동 제어 토크를 토크 형성부(15)에 인가한다.
도 7은 차량 피치 운동을 시뮬레이션하기 위한 노면 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 7의 노면은 소위 SIGNSWEEP 노면으로 노면의 굴곡이 SINE 형상으로 차량의 진행에 따라 노면의 SINE 굴곡의 크기는 적어지지만 SINE 굴곡의 주파수는 커지는 특징을 가진다.
도 8은 차량 피치 운동에 대한 시뮬레이션 결과를 시간영역에서 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 도 8은 차량이 도 7의 노면을 40kph의 속도로 주행한 결과로서, 본 발명의 실시예에 따른 피치 운동제어가 이루어진 경우(with control), 제어가 이루어지지 않은 경우에 비해서 피치 운동이 저감 됨을 알 수 있다.
도 9는 도 8의 시간영역에서의 결과를 주파수 영역으로 변환한 것으로서 일반적으로 차량의 피치운동에 대해 사람이 민감하게 느끼는 주파수 영역인 1~2Hz 대역에서 피치 운동이 저감 되었음을 나타내고 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허청구범위에 기재된 내용 및 그와 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 운전자의 목표 피치 속도와 6륜 전기자동차에서 출력된 상기 전기자동차의 피치 속도의 편차를 출력하는 제1감산기;
    운전자의 목표 종방향 속도와 상기 전기자동차에서 출력되는 전기자동차의 종방향 속도의 편차를 출력하는 제2감산기;
    상기 제1감산기에서 출력된 값을 비례 적분 제어하여, 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력을 출력하는 제 1 PI 제어기;
    상기 분력에 동일한 크기의 6륜 전기자동차의 차륜 반경을 곱해서, 피치 운동 제어를 위하여, 좌우 전륜 및 좌우 후륜에 적용될 피치 운동 제어 토크를 출력하는, 토크 변환부;
    상기 제2감산기에서 출력된 값을 비례 적분 제어하여 운전자의 목표 종방향 속도를 추종하기 위한 구동 토크를 출력하는, 제 2 PI 제어기;
    상기 피치 운동 제어 토크과 제 2 PI 제어기에서 출력된 구동 토크를 이용하여, 상기 6륜 전기자동차의 모든 차륜의 토크를 구하는, 토크 형성부;
    6륜 전기자동차의 좌우 전륜 및 좌우 후륜 마다, 인휠(In-Wheel) 모터의 토크에 따라 회전하는 해당 차륜과 노면과의 마찰에 의해 발생하는 해당 차륜의 구동력 또는 제동력이 현가장치의 가상링크와 노면이 이루는 사잇각 만큼, 차량 주행 중 피치 운동으로 인한 차체의 상하방향 운동을 방해하는 분력으로 차체에 작용함에 따라 신장 또는 압축되는 스프링이 구비된 현가장치를 포함하며, 상기 토크 형성부에서 구해진 차륜의 토크에 따라 해당 차륜의 회전에 의해 주행중인 전기자동차의 피치속도, 피치각 및 종방향 속도를 각각 피치속도 감지센서, 피치각 감지센서 및 속도 감지센서를 이용하여 측정해서 출력하는 전기자동차; 및
    상기 전기자동차의 피치각과 피치 속도의 방향 일치 여부에 따라 상기 피치 운동 제어 토크의 상기 토크 형성부로의 인가 여부를 결정하는 적용부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 인휠 모터 구동 전기자동차의 피치 운동 제어장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 운전자의 목표 피치 속도는, 0으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 인휠 모터 구동 전기자동차의 피치 운동 제어장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 모든 차륜의 토크는 아래의 수학식을 이용하여 구해지는 것을 특징으로 하는, 인휠 모터 구동 전기자동차의 피치 운동 제어장치.
    [ 수학식 ]
    Figure 112011052226553-pat00056

    이때,
    Figure 112011052226553-pat00057
    는 피치 운동 제어를 위하여, 좌우 전륜 및 좌우 후륜에 적용될 피치 운동 제어 토크,
    Figure 112011052226553-pat00058
    는 운전자의 목표 종방향 속도를 추종하기 위한 구동 토크, 좌측전륜의 토크
    Figure 112011052226553-pat00059
    , 우측전륜의 토크
    Figure 112011052226553-pat00060
    , 좌측중륜의 토크
    Figure 112011052226553-pat00061
    및 우측중륜의 토크
    Figure 112011052226553-pat00062
    , 좌측후륜의 토크
    Figure 112011052226553-pat00063
    및 우측후륜의 토크
    Figure 112011052226553-pat00064
    을 나타낸다.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 좌우 전륜 및 좌우 후륜의 제동력 또는 구동력의 방향은 동일하며, 상기 6륜 전기자동차의 좌우 중륜의 제동력 또는 구동력의 방향은 상기 좌우 전륜 및 좌우 후륜의 제동력 또는 구동력의 방향과 반대이며 2배의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 인휠 모터 구동 전기자동차의 피치 운동 제어장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 노면과의 마찰에 의해 발생하는 상기 6륜 전기자동차의 모든 차륜의 구동력 또는 제동력의 합은 "0"이 되며, 상기 노면과의 마찰에 의해 발생하는 상기 6륜 전기자동차의 모든 차륜의 구동력 또는 제동력이 만드는 선회 모멘트 합이 "0"이 되는 것을 특징으로 하는, 인휠 모터 구동 전기자동차의 피치 운동 제어장치.
  9. 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적용부는,
    상기 전기자동차의 피치각과 피치 속도의 방향 일치 여부를 확인하여, 일치한 경우 "1"을 출력하고 일치하지 않은 경우 "0"을 출력하는 판단부; 와
    상기 판단부의 출력 값과 상기 피치 운동 제어 토크 값을 승산하여 출력하는 승산부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 인휠 모터 구동 전기자동차의 피치 운동 제어장치.
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