KR101562218B1

KR101562218B1 - 전동식 동력 조향장치의 제어장치

Info

Publication number: KR101562218B1
Application number: KR1020130103487A
Authority: KR
Inventors: 양승훈
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2015-10-21
Also published as: DE102014200694A1; US20150066302A1; CN104417611B; US9205863B2; KR20150025639A; CN104417611A

Abstract

본 발명은 전동식 동력 조향장치의 제어장치가 개시된다. 본 발명의 전동식 동력 조향장치의 제어장치는, 조향휠에 입력되는 운전자의 조향토크를 측정하여 조향토크 신호를 출력하는 토크센서; 상기 조향휠의 조향각을 측정하는 조향각센서; 상기 조향각의 시간에 대한 변화율인 조향각속도에 따른 상기 조향토크 신호에 대해 토크리플을 저감하는 가변 노치필터부; 차속을 측정하는 차속센서; 및 상기 조향각센서, 상기 가변 노치필터부 및 상기 차속센서로부터 상기 조향각, 상기 조향토크 신호, 및 상기 차속을 입력받아 차량의 주행속도에 따라 구동모터의 구동력을 조절하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전동식 동력 조향장치의 제어장치{CONTROL APPARATUS OF MOTOR DRIVEN POWER STEERING}

본 발명은 전동식 동력 조향장치의 제어장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전동식 동력 조향장치에서 조향각속도에 따라 발생되는 부밍성 진동을 선택적으로 제거하여 조향 진동을 저감시킬 수 있도록 한 전동식 동력 조향장치의 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 전동식 동력 조향장치(Motor Driven Power Steering; MDPS)는 전기모터를 이용해 운전자가 조향하는 방향으로 보조토크를 제공하여 핸들링이 가벼워지게 하는 것이다.

이러한 전동식 동력 조향장치는 기존의 유압식 동력 조향장치(Hydraulic Power Steering; HPS)와 달리 차량의 주행 조건에 따라 자동으로 전동모터의 동작을 제어하여 조타성능과 조타감을 향상시킬 수 있다.

이때, 전동식 동력 조향장치는 조향휠에 입력되는 운전자의 조향토크를 측정하는 토크센서, 조향휠의 조향각을 측정하는 조향각센서 및 차속을 측정하는 차속센서 등을 통해 차량의 주행 조건을 판단하여 운전자가 조향휠에 가한 조향토크에 따라 전동모터에 의한 보조토크를 제공한다.

또한, 조향토크에 비례하는 보조토크를 정하고, 이 비례 관계를 유지하는 토크 비례 이득을 취하여 운전자의 조타력을 저감시키거나 원활하게 함과 동시에 전동모터가 발생시키는 토크리플이나 노면으로부터 전해지는 외란 등의 진동을 억제하여, 운전자의 느낌(feeling)을 향상시킨다.

전동모터에서 발생되는 토크리플이나 노면외란 등의 진동을 억제하기 위해서는 로우 패스 필터(LPF)와 하이 패스 필터(HPF)로 이루어지는 혼합 필터를 사용하여, LPF에 의해 조타 성분을 추출해서 조타 보조토크의 제어를 실시하는 동시에, HPF에 의해 토크 리플 등의 고주파 진동 성분을 추출하고, 이 성분에 대해서는 저주파와는 다른 제어기를 이용하여 제어하고 있다.

또한, 밴드 패스 필터(BPF)를 이용하여, 전동모터의 회전속도 또는 조타각의 각속도 진동성분을 추출하고, 그 진동성분에 이득을 가한 신호를 목표 전류로부터 감산하고 새롭게 목표전류를 산출하여 각속도의 부귀환 제어를 구성함으로써 진동을 저감하기도 한다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 특허공개공보 제2010-0067906호(2010. 06. 01. 공개, 발명의 명칭 : 전동 파워 스티어링 제어 장치)에 개시되어 있다.

이와 같이 토크리플에 의한 진동을 혼합필터나 밴드 패스 필터를 통해 제거하고 있으나, 전동식 동력 조향장치의 기구부에서 조향각속도에 따라 웜휠에 의해 발생되는 부밍성 진동에 대해서는 적절하게 대응하지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 전동식 동력 조향장치에서 조향각속도에 따라 발생되는 부밍성 진동을 선택적으로 제거하여 조향 진동을 저감시킬 수 있도록 한 전동식 동력 조향장치의 제어장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 전동식 동력 조향장치의 제어장치는, 조향휠에 입력되는 운전자의 조향토크를 측정하여 조향토크 신호를 출력하는 토크센서; 조향휠의 조향각을 측정하는 조향각센서; 조향각의 시간에 대한 변화율인 조향각속도에 따른 조향토크 신호에 대해 토크리플을 저감하는 가변 노치필터부; 차속을 측정하는 차속센서; 및 조향각센서, 가변 노치필터부 및 차속센서로부터 조향각, 조향토크 신호, 및 차속을 입력받아 차량의 주행속도에 따라 구동모터의 구동력을 조절하는 제어부;를 포함하되, 가변 노치필터부는 미리 결정된 설정차수의 토크리플을 저감하는 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명에서 가변 노치필터부의 설정차수는 구동모터의 구동력을 조향휠로 전달하기 위한 웜휠의 치차수인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 설정차수는 41차인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 가변 노치필터부는 조향각속도의 증가에 따라 노치가 변동하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 가변 노치필터부에서의 노치는 조향각속도가 1rps 이상 2rps 까지는 선형적으로 변동하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 가변 노치필터부는 조향각속도가 1rps일 때 노치가 41Hz이고, 2rps일 때 노치가 82Hz인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 가변 노치필터부는 조향각속도가 설정속도 이상일 경우 작동되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 설정속도는 1rps(360deg/sec) 인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 가변 노치필터부의 전달함수 특성은 아래식과 같이 정의되는 것을 특징으로 한다.

(아래식)

이때,

, β는 노치의 깊이, ζ는 노치의 폭,

는 조향각속도이다.

본 발명에 따른 전동식 동력 조향장치의 제어장치는 빠른 조타 상황에서 웜휠에 의해 발생되는 부밍성 진동에 대해 조향각속도에 따라 작동되는 가변 노치필터를 통해 선택적으로 제거함으로써 일반 조타 상황에서는 조향감에 영향을 주지 않으면서 빠른 조타 상황에서는 부밍성 진동을 제거하여 조향 진동을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 동력 조향장치의 제어장치를 나타낸 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 동력 조향장치의 제어장치에 따른 가변 노치필터의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 동력 조향장치의 제어장치에 따른 가변 노치필터의 특성값을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 동력 조향장치의 제어장치에 따라 일반 조타 상황에서 가변 노치필터부의 작동상태를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 동력 조향장치의 제어장치에 따라 빠른 조타 상황에서 가변 노치필터부의 작동상태를 설명하기 위한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 동력 조향장치의 제어장치를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 동력 조향장치의 제어장치를 나타낸 블록구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 동력 조향장치의 제어장치에 따른 가변 노치필터의 특성을 나타낸 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 동력 조향장치의 제어장치에 따른 가변 노치필터의 특성값을 시뮬레이션한 그래프이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 동력 조향장치의 제어장치는 토크센서(10), 조향각센서(40), 가변 노치필터부(20), 차속센서(50), 제어부(30)를 포함한다.

토크센서(10)는 운전자가 조향휠(미도시)을 조타함에 따라 조향휠의 회전에 따른 조향토크를 측정하여 조향토크 신호를 제공한다.

조향각센서(40)는 운전자에 의해 조작되는 조향휠의 조향조작에 따른 조향각을 측정하여 제공한다.

차속센서(50)는 차량의 주행속도를 측정하여 제공한다.

가변 노치필터부(20)는 조향각센서(40)로부터 측정된 조향각의 시간에 대한 변화율인 조향각속도에 따른 조향토크 신호에 대해 설정차수의 토크리플을 저감시킨다.

조향각속도는 조향각센서(40)를 통해 측정되는 조향각의 변화를 통해 계산할 수 있다.

본 실시예에서 가변 노치필터부(20)는 조향각속도가 높은, 빠른 조타 상황에서 발생되는 41차 토크리플에 의한 부밍성 진동을 제거할 수 있도록 설정된다.

이때 41차 토크리플은 구동모터(60)의 구동력을 조향휠로 전달하기 위한 웜휠(미도시)에 의해 발생되는 부밍성 진동으로 웜휠의 치차수에 대응된다.

즉, 웜휠의 치차수가 41개일 경우 빠른 조타 상황에서 41차 토크리플 성분이 차량의 차체와 조향장치를 가진하여 부밍성 진동이 발생시키게 된다.

따라서, 41차 토크리플 성분을 제거하기 위해 가변 노치필터부(20)는 빠른 조타 상황에서 토크리플의 41차 성분을 제거하여 부밍성 진동을 제거할 수 있도록 한다.

이를 위해 가변 노치필터부(40)의 전달함수 특성은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

이때,

, β는 노치의 깊이, ζ는 노치의 폭,

는 조향각속도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 베타(β)값은 조향각속도에 따라 노치필터의 작동여부를 결정하기 위해 조향각속도 1rps(360 deg/sec)를 기준으로 1rps 미만에서는 노치필터가 작동되지 않고, 1rps 이상에서는 노치필터가 작동하여 2rps까지는 선형적으로 노치를 증가시켜 필터링하도록 테이블을 설정할 수 있다.

즉, 1rps에서는 노치를 41Hz로 설정하고, 2rps에서는 82Hz로 설정할 수 있다.

또한, 제타(ζ)값은 노치필터의 노치의 폭을 설정하는 값으로 조향각속도에 무관하게 일정한 값으로 설정한다.

이와 같은 전달함수 특성을 갖는 가변 노치필터부(20)를 조향각속도에 따라 시뮬레이션 할 경우 도 3에 도시된 바와 같다.

도 3에 도시된 바와 같이 조향각속도가 1rps 미만에서는 노치필터가 작동하지 않아 필터링이 이루어지지 않고 1rps 이상에서만 노치필터가 작동하여 필터링이 이루어지며, 노치의 포인트도 변하고 있다.

예를 들어, 0.5rps의 조향각속도로 조타할 경우 노치필터는 작동하지 않고, 1rps의 조향각속도로 조타할 경우 41Hz를 제거하는 노치필터가 적용되며, 1.5rps의조향각속도로 조타할 경우 61.5Hz를 제거하는 노치필터가 적용된다.

또한, 최적의 조향감을 만들기 위해 제타를 조향각속도에 따라 가변할 경우 노치의 폭도 조절할 수 있다.

제어부(30)는 조향각센서(40), 가변 노치필터부(20) 및 차속센서(50)로부터 입력된 조향각, 조향토크 신호, 및 차속을 입력받아 차량의 주행속도에 따라 구동모터(60)의 구동력을 조절하여 운전자가 조작하는 조향휠에 보조토크를 제공하여 저속에서는 가볍게 조향할 수 있도록 보조하고, 고속에서는 무겁게 조향할 수 있도록 보조하여 주행안정성을 확보할 수 있도록 한다.

즉, 보조토크는 주행속도에 반비례하도록 제공된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 동력 조향장치의 제어장치에 따라 일반 조타 상황에서 가변 노치필터부의 작동상태를 설명하기 위한 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 동력 조향장치의 제어장치에 따라 빠른 조타 상황에서 가변 노치필터부의 작동상태를 설명하기 위한 그래프이다.

도 4와 도 5에는 가변 노치필터부(20)가 적용되지 않은 상태와 적용된 상태에서 각각 측정된 조향각에 따른 조향토크 신호와, 조향토크 신호에 대해 FFT 변환한 차수별 토크값과, 시간에 따른 조향각속도를 나타내었다.

도 4는 조향각속도 0.5rps 정도의 일반 조타 상황에서 측정된 시험 결과로써, 가변 노치필터부(20)가 적용되지 않은 (가)의 'A'부분과 가변 노치필터부(20)가 적용된 (나)의 'A'부분을 살펴보면 두 그래프 모두 20.5차와 41차에서 진동성분이 조금 높게 나타나고 있음을 볼 수 있다. 그러나, 이와 같은 크기로는 부밍성 진동을 발생시키지 않기 때문에 노치필터가 작동되지 않고 있음을 확인할 수 있다.

도 5는 조향각속도 1rps 정도의 빠른 조타 상황에서 측정된 시험 결과로써, 가변 노치필터부(20)가 적용되지 않은 (가)의 'B'부분과 가변 노치필터부(20)가 적용된 (나)의 'B'부분을 살펴보면 가변 노치필터부(20)가 적용된 (나)에서 0.5차와 2차에서 진동성분이 조금 증가하였으나 조향감에 영향을 줄 정도는 아니다.

그런데, 'A'부분을 살펴보면 빠른 조타 상황에서 가변 노치필터부(20)가 적용되지 않은 (가)는 41차에서 진동성분이 상당히 높게 나타나고 있음을 볼 수 있다. 그러나, 가변 노치필터부(20)가 적용된 (나)는 노치필터가 작동하면서 20.5차와 41차의 진동성분이 모두 제거된 것을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 전동식 동력 조향장치의 제어장치에 따르면, 빠른 조타 상황에서 웜휠에 의해 발생되는 부밍성 진동에 대해 조향각속도에 따라 작동되는 가변 노치필터를 통해 선택적으로 제거함으로써 일반 조타 상황에서는 조향감에 영향을 주지 않으면서 빠른 조타 상황에서는 부밍성 진동을 제거하여 조향 진동을 개선할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

10 : 토크센서 20 : 가변 노치필터부
30 : 제어부 40 : 조향각센서
50 : 제어부 60 : 구동모터

Claims

조향휠에 입력되는 운전자의 조향토크를 측정하여 조향토크 신호를 출력하는 토크센서;
상기 조향휠의 조향각을 측정하는 조향각센서;
상기 조향각의 시간에 대한 변화율인 조향각속도에 따른 상기 조향토크 신호에 대해 토크리플을 저감하는 가변 노치필터부;
차속을 측정하는 차속센서; 및
상기 조향각센서, 상기 가변 노치필터부 및 상기 차속센서로부터 상기 조향각, 상기 조향토크 신호, 및 상기 차속을 입력받아 차량의 주행속도에 따라 구동모터의 구동력을 조절하는 제어부;를 포함하되,
상기 가변 노치필터부는 미리 결정된 설정차수의 토크리플을 저감하는 것을 특징으로 하는 전동식 동력 조향장치의 제어장치.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 가변 노치필터부의 상기 설정차수는 상기 구동모터의 구동력을 상기 조향휠로 전달하기 위한 웜휠의 치차수인 것을 특징으로 하는 전동식 동력 조향장치의 제어장치.
제 3항에 있어서, 상기 설정차수는 41차인 것을 특징으로 하는 전동식 동력 조향장치의 제어장치.
제 1항에 있어서, 상기 가변 노치필터부는 상기 조향각속도의 증가에 따라 노치가 변동하는 것을 특징으로 하는 전동식 동력 조향장치의 제어장치.
제 5항에 있어서, 상기 가변 노치필터부에서의 노치는 상기 조향각속도가 1rps 이상 2rps 까지는 선형적으로 변동하는 것을 특징으로 하는 전동식 동력 조향장치의 제어장치.
제 6항에 있어서, 상기 가변 노치필터부는 상기 조향각속도가 1rps일 때 노치가 41Hz이고, 2rps일 때 노치가 82Hz인 것을 특징으로 하는 전동식 동력 조향장치의 제어장치.
제 1항에 있어서, 상기 가변 노치필터부는 상기 조향각속도가 설정속도 이상일 경우 작동되는 것을 특징으로 하는 전동식 동력 조향장치의 제어장치.
제 8항에 있어서, 상기 설정속도는 1rps(360deg/sec) 인 것을 특징으로 하는 전동식 동력 조향장치의 제어장치.
제 1항에 있어서, 상기 가변 노치필터부의 전달함수 특성은 아래식과 같이 정의되는 것을 특징으로 하는 전동식 동력 조향장치의 제어장치.
(아래식)

이때,
, β는 노치의 깊이, ζ는 노치의 폭,
는 조향각속도이다.