KR101543080B1 - 전동식 조향장치의 페일 세이프 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동식 조향장치의 페일 세이프 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터위치센서의 영점 이상시 페일 세이프 모드로 진입하여 모터 발진으로 인한 위험 상황을 방지하고 안정성을 확보하기 위한 전동식 조향장치의 페일 세이프 방법에 관한 것이다.
이에 본 발명은, (a) 주행중 전동식 조향장치의 모터 발진을 판단하는 과정; (b) 상기 모터 발진시 모터 출력을 일정 시간 동안 중단하고, 스티어링 휠을 수동으로 조작하는 중에 실제 모터의 역기전력과 모터위치센서의 측정값을 획득하는 과정; (c) 상기 역기전력과 모터위치 간에 위상차가 일정값 이상이면, 상기 모터위치센서의 영점 이상 발생을 인지하고 모터위치센서의 영점 조정을 수행하는 과정; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치의 페일 세이프 방법을 제공한다.

Description

전동식 조향장치의 페일 세이프 방법 {Method for Fail-Safe of Electronic Power Steering}

본 발명은 전동식 조향장치의 페일 세이프 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터위치센서의 영점 이상시 페일 세이프 모드로 진입하여 모터 발진으로 인한 위험 상황을 방지하고 안정성을 확보하기 위한 전동식 조향장치의 페일 세이프 방법에 관한 것이다.

최근 자동차는 연비 향상 및 SPAS(주차보조시스템), VSM(Vehicle Safety Management), 플렉시블 스티어링(Flexible Steering) 등의 부가 기능을 구현하기 위해 전동식 조향장치(MDPS, Motor Driven Power Steering)를 장착하고 있다. 상기 전동식 조향장치는 조향 성능 저하 또는 오동작 시 큰 위험을 초래할 수 있기 때문에 안정성, 강건성 등이 반드시 보장되어야 한다.

전동식 조향장치는 운전자가 스티어링 휠을 회전시켜 조향 토크가 발생하면 MDPS 모터가 조향 보조 동력을 제공하는 시스템으로서, 이를 구현하기 위해서는 모터 제어가 필수적이다.

모터 토크 제어를 위해, 전동식 조향장치에는 모터위치센서와 토크센서가 장착되어 있으며, 이 모터위치센서와 토크센서를 통해 모터의 위치와 각속도를 검출하고 그 센싱값으로 모터의 위치, 속도, 토크 등을 제어할 수 있게 된다.

최근 상기 모터위치센서로는 Hall IC 또는 마그네틱 로터리 인코더(Magnetic Rotary Encoder) 타입을 사용하고 있다.

Hall IC 타입의 위치센서를 이용시에는 모터의 로터 마그넷(Rotor Magnet)과 센서의 센싱 마그넷(Sensing Magnet)의 위치를 기계적, 구조적으로 정렬하기 때문에, 모터를 조립시 돌기나 홈 등의 구조에 맞춰 정확하게 장착해야 한다.

그리고, 마그네틱 로터리 인코더 타입의 위치센서를 이용시에는 로터 마그넷과 센싱 마그넷의 위치 정렬을 모터 회전시 발생하는 역기전력의 위상과 현재 장착된 센서의 위치를 기준으로 센서에서 출력한 펄스의 위상을 일치시킬 수 있는 보정값을 구한 뒤 소프트웨어적으로 영점을 조정하여 정렬하게 된다.

그러나, Hall IC 타입의 경우 돌기나 홈 등의 기계적 가공 오차로 인해 정렬(alignment) 오차를 초래할 수 있으며, 돌기나 홈의 파손시 큰 오차를 발생시킬 수 있다.

또한 마그네틱 로터리 인코더 타입의 경우 공정에서 영점 조정을 하지 않거나 잘못 조정시 정렬 오차를 크게 초래할 수 있다. 정렬 오차가 크게 발생하게 되면 센서에서 출력되어 계산된 모터 회전각과 실제 모터가 회전한 각의 차이가 발생하여, 교류 모터의 경우 3상 제어시 모터 출력 저하 및 역토크 발생에 의한 발진 현상이 발생한다.

모터 발진 현상이 발생하면 운전자는 핸들 떨림으로 불안감을 느낄 수 있으며, MDPS 조향을 원하는 방향으로 할 수 없기에 주행 안전상 큰 문제를 초래하게 된다.

따라서 MDPS 제어유닛은 기계 가공 오차, 영점 조정 공정상 오류, 센서 내부 메모리 문제로 인한 영점값 변경 또는 손실 등을 인지하여 시스템 고장을 진단하고 페일 세이프(Fail Safe) 모드로 진입해야 한다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 고안한 것으로서, 모터위치센서의 영점 이상 시 페일 세이프 모드로 진입하여 모터 발진으로 인한 위험 상황을 방지하고 시스템 안정성을 확보하기 위한 전동식 조향장치의 페일 세이프 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, (a) 주행중 전동식 조향장치의 모터 발진을 판단하는 과정; (b) 상기 모터 발진시 모터 출력을 일정 시간 동안 중단하고, 스티어링 휠을 수동으로 조작하는 중에 실제 모터의 역기전력과 모터위치센서의 측정값(모터 위치)을 획득하는 과정; (c) 상기 역기전력과 모터위치센서의 측정값(모터 위치) 간에 위상차가 일정값 이상이면, 상기 모터위치센서의 영점 이상 발생을 인지하고 모터위치센서의 영점 조정을 수행하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치의 페일 세이프 방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 상기 (a) 과정에서는, 저속 주행시 측정한 스티어링 휠의 진동주파수를 이용하여 모터 발진 여부를 판단하며, 상기 진동주파수가 소정 영역의 주파수(발진주파수 영역) 내에 존재시 모터가 발진한 것으로 판단한다.

바람직하게, 상기 (c) 과정에서는, 통합 표시창 등의 차량 내 표시수단을 통해 모터위치센서의 영점 조정을 위해 스티어링 휠의 조작이 필요함을 운전자에게 안내한다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 (c) 과정에서는, 모터위치센서의 영점 조정 완료 후, 모터 동작이 가능한 상태에서 스티어링 휠을 조작하고, 저속 주행시 측정한 스티어링 휠의 진동주파수를 이용하여 모터 발진 여부를 재진단한다.

상기 모터 발진이 발생한 것으로 판단될 시에는, 이그니션 온 시마다 또는 직접 시동시마다 정차상태에서 단시간 동안 모터를 동작시켜 스티어링 휠의 진동주파수를 측정하고, 상기 진동주파수를 이용하여 모터 발진 여부를 판단하게 되며, 상기 진동주파수가 소정 영역의 주파수(발진주파수 영역) 내에 존재시 발진으로 판단한다.

본 발명에 따른 전동식 조향장치의 페일 세이프 방법은 제조공정상의 과실 및 불량부품 사용 등에 따른 모터위치센서의 영점 이상 시에 대한 고장을 인지하고 페일 세이프 모드로 진입하여 모터 발진으로 인한 운전자 위험 상황을 사전에 방지하고 시스템 안정성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전동식 조향장치의 구성을 설명하기 위한 도면
도 2 내지 4는 본 발명에 따른 전동식 조향장치의 페일 세이프 방법을 설명하기 위한 도면

이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전동식 조향장치는 스티어링 휠(1, 조향핸들)과 조향기어부(2) 사이에 구성된 조향축(3)에 감속기어(4)를 통해 연결된 3상 모터(5), 상기 모터(5)의 위치를 측정하는 모터위치센서(6, MPS), 상기 조향축(3)의 토크 및 회전각(조향각)을 측정하는 토크/회전각 센서(TAS, Torque & Angle Sensor)(7), 상기 모터위치센서(6) 및 토크/회전각 센서(7)의 신호를 이용하여 모터를 구동하는 MDPS 제어유닛(ECU)(8)을 포함한다.

상기와 같이 구성되는 전동식 조향장치에서는, MDPS 모터위치센서와 모터 로터 간에 정렬 오차가 발생하는 경우 모터위치센서의 측정값과 실제 모터의 역기전력값을 이용하여 모터위치센서의 영점 이상을 진단하고 MDPS를 페일 세이프 모드로 진입하도록 한다.

다시 말해, 본 발명에서는 모터위치센서를 통해 검출한 모터 위치와 실제의 모터 역기전력 간에 차이를 초래하는 정렬 오차 발생시, 스티어링 휠의 조작시 발생하는 모터 발진 현상을 감지하여 고장을 진단하고 전동식 조향장치(MDPS)를 페일 세이프 모드로 진입시킨다.

도 2를 참조하면, 모터 발진 여부를 판단하기 위해, 운전자가 스티어링 휠을 조작시 상기 토크/회전각 센서는 운전자의 조작력 및 스티어링 휠의 회전각을 측정하고 모터위치센서는 모터 위치를 측정하며, MDPS 제어유닛은 상기 모터위치센서 및 토크/회전각 센서의 신호를 이용하여 모터를 동작시킨다.

이때 상기 토크/회전각 센서는 스티어링 휠의 거동(구체적으로는 조향축의 비틀림 및 회전각)을 모니터하여 스티어링 휠의 거동에 따른 진동주파수를 측정한다.

이렇게 토크/회전각 센서를 통해 스티어링 휠의 거동을 모니터하는 중에, 모터 발진이 발생하면 3회 이상의 모터 회전시간 동안 모터의 출력을 제한 및 중단한다.

이때 일반 도로를 저속(80kph 이하)으로 주행 시 상기 토크/회전각 센서에서 스티어링 휠의 거동에 따른 진동주파수를 측정하고, 상기 토크/회전각 센서의 측정값이 소정 영역의 주파수(실험을 통해 획득한 범위의 발진주파수 영역) 내에 존재 시 모터 발진이 발생한 것으로 판단한다.

또한 이때 소정 차속 이하 즉, 저속 조건에서 모터 발진을 진단하는 것은, 험로 주행시 스티어링 휠의 진동 주파수와 모터의 발진 주파수의 구분이 어렵기 때문이다.

따라서 상기 토크/회전각 센서가 측정한 진동주파수가 모터위치센서와 모터 로터 간 정렬을 미실시할 때 발생하는 발진주파수 영역에 있다면, 다시 말해 모터 발진이 발생한 경우, 험로 주행 중 발생가능한 발진주파수인지를 판단하기 위해 3회 이상의 모터 회전시간 동안 모터 출력을 정지하고 그 시간 동안 운전자가 스티어링 휠을 수동(Manual) 모드로 조작하게 하며, 모터 출력 정지 시간 동안 모터의 실제 U상 역기전력과 모터위치센서의 U상 모터위치를 측정한다.

다시 말해, 모터 출력을 중단한 상태에서(MDPS의 수동 모드에서) 스티어링 휠을 조작하여, 즉 운전자의 수동 조작에 의해 스티어링 휠의 거동을 발생시킨 상태에서, 모터의 실제 U상 역기전력(Vr)을 측정하고 모터위치센서에서 U상 모터위치(MP)를 측정한다.

여기서 상기 역기전력(Vr)은 모터 U상 출력단에 역기전력을 측정할 수 있는 회로를 구성하여 획득할 수 있으며, 이때 상기 역기전력 측정을 위한 회로는 저항 분류기(shunt)나 전류 분류기 또는 홀 센서 등을 사용할 수 있다.

또한 상기 모터위치센서를 통해 검출하는 모터위치(MP)는 모터의 로터 마그넷 위치에 따라 변경된다.

상기 역기전력(Vr)과 모터위치(MP) 간에 위상차(Offset)가 모터 발진을 초래하는 소정 각만큼 발생하면, 다시 말해 역기전력(Vr)과 모터위치(MP) 간에 위상차가 소정값 이상인 경우, 모터위치센서의 영점 조정 이상으로 인한 고장이 발생한 것으로 판단하고, "모터위치센서의 영점 조정 이상"에 대한 고장 코드를 발생시키고(고장 진단을 하고) 모터 출력을 제한하고 MDPS의 동작을 중단하는 페일 세이프 모드로 진입한다.

상기 역기전력(Vr)과 모터위치(MP) 간에 위상차(Offset)가 미리 설정된 값 보다 큰 경우 DTC(Dynamic Traction Control)가 발생하고, 모터 출력 제한에 따라 MDPS 동작이 중지된다.

이때 클러스터나 AVN(Audio, Video, Navigation) 등의 통합 표시창(표시수단)에 영점 조정 실시를 묻는 대화창이나 영점 조정 실시를 위한 절차 등을 표시 및 안내하여, 운전자가 모터위치센서의 영점 조정(정렬)을 선택 및 수행하도록 할 수 있다.

즉, MDPS 제어유닛은 영점 조정 실시를 위해, 차량의 통합 표시창을 통해 재 이그니션 온(IG ON) 시 모터 동작 불가능(disable) 상태임을 알리고 운전자가 스티어링 휠을 좌우로 일정 각도 이상 회전시키도록 문자 안내 혹은 음성 안내를 한다.

도 3을 참조하면, 클러스터 등의 통합 표시창에는 모터위치센서의 영점 조정 실시를 위한 시행 방법이 표시된다. 상기 통합 표시창에는 현재 차량이 이그니션 온(또는 Idle 모드)과 같은 정차상태(또는 주행대기상태)이고 모터 출력이 제한되어 모터 동작 불가능(disable) 상태임이 표시되고, 또한 운전자에게 스티어링 휠을 시계방향 및/또는 반시계방향으로 돌려 조작하라는 알림이 표시된다.

운전자가 모터를 최소 3회전 이상 회전하도록 스티어링 휠을 조작하면, 역기전력 측정용 회로를 이용하여 실제 모터의 U상 역기전력(Vr)을 측정하고, 모터위치센서를 이용하여 모터위치(MP)를 측정하여, 상기 역기전력(Vr)과 모터위치(MP) 간에 위상차를 산출한다.

이때 상기 위상차가 미리 설정한 일정값을 초과하면 그 값(위상차)을 모터위치센서로 전송하고 센서 메모리에 저장하여 모터위치센서의 영점 조정을 완료한다.

즉, MDPS 제어유닛은 상기 위상차가 미리 설정한 일정값을 초과하면, 실제 모터의 U상 역기전력(Vr)과 모터위치센서의 U상 모터위치(MP) 간에 편차(위상차)를 시리얼(Serial) 통신 등을 통해 모터위치센서로 전송하여 모터위치센서의 영점 조정을 완료시킨다.

상기 영점 조정을 통해 모터위치센서의 정렬이 완료되면 문자 안내나 음성 안내를 통해 운전자에게 알림으로써 운전자가 엔진 시동을 걸도록 유도한다.

또는 이그니션 온 상태에서 일정 시간 동안 문자 안내 또는 음성 안내를 하여 모터가 동작 가능한(enable) 상태임을 운전자에게 알린다.

MDPS 제어유닛은 모터의 출력 제한(또는 MDPS의 동작 중단)을 해제하여 모터 동작을 가능하게 하고 운전자에게 모터가 동작 가능함을 안내하여, 운전자로 하여금 스티어링 휠을 일정각도 이상 회전시키도록 유도한 후, 운전자가 스티어링 휠을 조작시 모터위치센서의 영점 조정 이상으로 발생가능한 스티어링 발진 현상 여부를 판단한다.

이때 일반 도로를 저속(80kph 이하)으로 주행 시 상기 토크/회전각 센서에서 스티어링 휠의 거동에 따른 진동주파수를 측정하고, 토크/회전각 센서의 측정값이 소정 영역의 주파수(실험을 통해 획득한 범위의 발진주파수 영역) 내에 존재 시 모터 발진이 발생한 것으로 판단한다.

스티어링 발진(또는 모터 발진)이 미발생한 경우 모터위치센서의 정렬을 종료하고, 스티어링 발진이 발생한 경우 다시 모터위치센서의 정렬(영점 조정)을 위해 전술한 바와 같은 영점 조정의 과정을 반복한다.

전동식 조향장치는 모터위치센서의 영점 이상 시 스티어링 휠을 조작하는 순간 발진하게 되므로, 모터를 구동하는 순간 실제 모터 회전각과 센서 측정 회전각 간에 차이로 인해 역토크가 발생하여 발진하게 된다.

따라서 모터위치센서의 영점 이상 시 스티어링 휠을 조작하기 전에는 스티어링 발진이 발생하지 않으므로, 이그니션 온 시마다 모터를 짧은 시간(1초 이내) 동안 동작시켜 발진 여부를 확인하는 과정을 추가할 수 있다.

도 4를 참조하면, 차량의 이그니션 온 시 또는 직접 시동 시마다 모터를 1초 이내의 순간 동안 회전시키고, 토크/회전각 센서에서 스티어링 휠의 거동을 모니터하여, 모터 발진 여부를 판단할 수 있다.

이때 이그니션 온 또는 아이들 모드와 같은 정차 상태에서 스티어링 휠을 좌우로 회전시켜 조작할 때 발생하는 주파수(진동주파수)를 토크/회전각 센서를 통해 측정하고, 그 측정값(토크/회전각 센서의 측정주파수)이 소정 영역의 주파수(실험을 통해 획득한 범위의 주파수임) 내에 존재시 모터 발진이 발생한 것으로 판단한다.

또는, 스티어링 링크나 스티어링 휠에 압전 게이지 또는 스트레인 게이지 등의 진동측정소자를 장착하여 진동주파수를 측정함으로써 모터 발진을 판단할 수도 있다.

또한 이때 정차 조건에서 모터 발진을 진단하는 것은, 다시 말해 주행 중 모터 발진을 진단하지 않는 것은, 험로 주행시 스티어링 휠의 진동 주파수와 모터의 발진 주파수의 구분이 어렵기 때문이다.

상기 모터 발진 판단 결과, 모터 발진이 발생한 경우 모터 출력을 정지하고 "모터위치센서의 영점 이상"으로 인한 고장 코드를 발생시켜 전동식 조향장치의 고장을 인지할 수 있도록 하고, 모터 발진이 발생하지 않은 경우 전동식 조향장치를 정상적으로 동작하게 한다.

상기와 같이 본 발명에 의하면 운전자가 조향을 하기 전에 MDPS는 모터 발진을 인지하고 페일 세이프 모드로 전환되어 모터 발진에 따른 운전자 위험 요소를 제거할 수 있게 된다.

이상으로 본 발명에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 바에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

1 : 스티어링 휠
5 : 모터
6 : 모터위치센서
7 : 토크/회전각 센서
8 : 제어유닛

Claims (5)

1. (a) 주행중 전동식 조향장치의 모터 발진을 판단하는 과정;
   (b) 상기 모터 발진시 모터 출력을 일정 시간 동안 중단하고, 스티어링 휠을 수동으로 조작하는 중에 실제 모터의 역기전력과 모터위치센서의 측정값을 획득하는 과정;
   (c) 상기 역기전력과 모터위치센서의 측정값 간에 위상차가 일정값 이상이면, 상기 모터위치센서의 영점 이상 발생을 인지하고 모터위치센서의 영점 조정을 수행하는 과정;
   을 포함하고,
   상기 (c) 과정에서, 모터위치센서의 영점 조정을 위해 스티어링 휠의 조작이 필요함과 영점조정 실시를 위한 절차를 운전자에게 안내하여 운전자에 의해 모터위치센서의 영점 조정을 선택 및 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치의 페일 세이프 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 (a) 과정에서는, 저속 주행시 측정한 스티어링 휠의 진동주파수를 이용하여 모터 발진 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치의 페일 세이프 방법.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 (c) 과정에서는, 모터위치센서의 영점 조정 완료 후, 모터 동작이 가능한 상태에서 스티어링 휠을 조작하고, 저속 주행시 측정한 스티어링 휠의 진동주파수를 이용하여 모터 발진 여부를 재진단하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치의 페일 세이프 방법.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 모터 발진이 발생한 것으로 판단시, 이그니션 온 시마다 정차상태에서 단시간 동안 모터를 동작시켜 스티어링 휠의 진동주파수를 측정하고, 상기 진동주파수를 이용하여 모터 발진 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치의 페일 세이프 방법.
   

Images