KR101684513B1 - Mdps 시스템의 복원 제어장치 - Google Patents

Mdps 시스템의 복원 제어장치 Download PDF

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Abstract

MDPS(Motor Driven Power Steering) 시스템의 복원 제어장치는, 제어기 및 외란 보상기를 포함한다. 제어기는 목표 스티어링 컬럼(steering column) 속도와 실제 스티어링 컬럼 속도 사이의 오차를 입력 받아 상기 오차에 근거하여 MDPS 시스템을 모델링한 MDPS 시스템 모델이 복원 제어 토크 명령에 대응하는 목표 스티어링 컬럼 속도 명령을 출력하도록 제어한다. 외란 보상기는 MDPS 시스템 모델의 출력에 포함된 외란을 보상하여 제어기의 출력에 제공한다. MDPS 시스템 모델의 출력은 제어기의 입력에 피드백(feedback)된다.

Description

MDPS 시스템의 복원 제어장치{Device for controlling restoration of MDPS system}
본 발명은 MDPS(Motor Driven Power Steering) 관련 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, MDPS 시스템의 복원 제어장치에 관한 것이다.
MDPS(Motor Driven Power Steering)는 차량 조향(steering)시 운전자가 핸들에 가해야 하는 조향 토크의 일부를 보조 동력원을 이용하여 제공함으로써 조향을 용이하게 하는 장치이다. 즉, 운전자의 조향 의도를 스티어링 휠(steering wheel)에 직결된 토크 센서를 통해서 감시하고 이 신호를 MDPS가 입력받아 현재 차의 속력 등을 고려해 알맞은 힘을 제공토록 모터(motor)를 구동함으로써 조향력을 보조한다.
따라서 주정차 때나 저속 운전 때는 큰 힘을 보조해 운전자의 힘을 덜고, 고속 주행 때는 작은 힘만을 보조하도록 해 차체의 안정성을 유지할 수 있다.
MDPS는 동력을 제공하기 위해서 기존의 유압으로 작동되는 유압식 조향장치 대신에 전기 모터를 이용하는 조향장치로서, 속도별 최적 조향력을 제공하여 친환경 또는 연비 저감 등의 효과가 있다.
최근에 MDPS는 차량의 주행 및 조향시에 차량의 요(yaw) 안정성을 향상시키기 위한 댐핑 로직(damping logic) 및 차량의 조타(Steering) 복원성을 향상시키기 위한 복원 로직(restoration logic)이 추가되어 운전자의 주행을 보조한다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명이 해결하려는 기술적 과제(목적)는, MDPS 시스템 관련 고질 문제인 차량의 복원성능을 향상하고 그에 따른 운전자의 불만 해소를 위해 복원제어를 피드백 제어할 수 있는, 차량에 포함된 MDPS 시스템의 복원 제어장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결(달성)하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 MDPS(Motor Driven Power Steering) 시스템의 복원 제어장치는, 목표 스티어링 컬럼(steering column) 속도와 실제 스티어링 컬럼 속도 사이의 오차를 입력 받아 상기 오차에 근거하여 MDPS 시스템을 모델링한 MDPS 시스템 모델이 복원 제어 토크 명령에 대응하는 목표 스티어링 컬럼 속도 명령을 출력하도록 제어하는 제어기; 및 상기 MDPS 시스템 모델의 출력에 포함된 외란을 보상하여 상기 제어기의 출력에 제공하는 외란 보상기를 포함하며, 상기 MDPS 시스템 모델의 출력은 상기 제어기의 입력에 피드백(feedback)될 수 있다.
상기 MDPS 시스템의 복원 제어장치는, 상기 MDPS 시스템 모델의 출력을 필터링(filtering)하여 상기 제어기의 입력에 피드백(feedback)시키는 필터를 더 포함하며, 상기 외란 보상기는 상기 필터의 출력 신호에 포함된 외란을 보상하여 상기 제어기의 출력에 제공할 수 있다.
상기 MDPS 시스템의 복원 제어장치는, 조향각 및 차속에 근거하여 상기 목표 스티어링 컬럼 속도를 생성하는 목표 컬럼속도 생성부를 더 포함할 수 있다.
상기 외란 보상기는, 상기 MDPS 시스템 모델의 출력을 입력으로 가지고, 상기 MDPS 시스템 모델의 외란을 억제하는 Q 필터의 전달함수와 상기 MDPS 시스템 모델의 전달함수의 역수를 곱한 값을 전달함수로 가지는 역 모델부; 상기 역 모델부의 출력에 상기 MDPS 시스템 모델의 발산을 억제하기 위한 게인(gain)을 곱하는 게인 부; 및 상기 게인 부의 출력 값에서, 상기 제어기의 출력에 상기 Q 필터의 전달함수를 곱한 값을 감산한 값을 상기 제어기의 출력에 피드백(feedback)시키는 감산기를 포함할 수 있다.
상기 Q 필터는 1차 저역 통과 필터(low pass filter)일 수 있다. 상기 제어기는 lead-lag 제어기를 포함할 수 있다. 상기 lead-lag 제어기는 1차 전달함수를 가질 수 있다.
상기 필터는 1차 저역 통과 필터일 수 있다. 상기 MDPS 시스템 모델은 1차 전달함수를 가질 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 MDPS(Motor Driven Power Steering) 시스템의 복원 제어장치가 적용된 실차 시험(field test 또는 Real Car Test) 결과, 본 발명은 타켓(목표) 조향 각속도의 추종(follow-up) 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 MDPS 시스템의 복원 제어장치는 차량(또는 스티어링 휠)의 복원성능 또는 복원속도를 향상시킬 수 있고, 스티어링 휠의 잔여(殘餘)각 또는 다단(多段, multistage) 현상을 제거할 수 있다.
또한 본 발명은 추가 비용상승 없이 차량의 복원성능을 향상시킬 수 있어 운전자의 불만을 제거할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여, 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 MDPS(Motor Driven Power Steering)에 의한 피드백 복원로직 장치의 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 MDPS(Motor Driven Power Steering) 시스템의 복원 제어장치를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 MDPS 시스템의 복원 제어장치를 보다 상세히 설명하는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 MDPS 시스템의 복원 제어장치를 보다 상세히 설명하는 도면이다.
도 5는 루프 형성 기법(Loop Shaping)을 통해 도 4에 도시된 MDPS 시스템의 간소화 모델의 검증을 설명하는 그래프(graph)이다.
도 6은 도 4에 도시된 MDPS 시스템 모델의 전달함수를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 목표 조향 각속도의 추종 성능을 설명하는 그래프(graph)이다.
도 8은 본 발명에 따른 차량의 복원성능을 설명하는 그래프(graph)이다.
본 발명, 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는, 본 발명의 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용이 참조되어야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하는 것에 의해, 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낼 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 “전기적 또는 기계적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(통상의 기술자)에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명과 비교되는 MDPS(Motor Driven Power Steering)에 관련된 복원제어는 오픈 루프(open loop) 제어로 차속과 조향각에 따라 차량 및 스티어링 휠을 복원시키는 토크에 대응하는 전류를 모터로 출력한다. 상기 제어는 구현이 단순하고 직관적인 장점이 있는 반면에, MDPS시스템의 HW프릭션(hardware friction) 또는 도로 노면상태 등과 같은 외란에 의해 스티어링 휠이 스티어링 휠의 중심(중립)까지 복원이 안 되는 단점이 있을 수 있다.
도 1은 MDPS(Motor Driven Power Steering)에 의한 피드백 복원로직 장치의 예를 나타내는 도면이다.
도 1의 장치는 MDPS의 스티어링 컬럼 속도 제어를 통한 복원 및 고속 댐핑 성능을 향상시킬 수 있다. 도 1의 장치는 복원 성능을 개선시킬 수 있고 다단 현상을 개선시킬 수 있고, 복원 제어의 이질감을 최소화시킬 수 있다.
도 1에 도시된 장치는, 조향각에 기초하여 목표 부하(목표 컬럼 속도)를 결정하는 목표 부하 결정부(10), 및 목표 부하와 추정된 실제 부하(실제 컬럼 속도)간의 오차를 입력받고, 출력값을 제어기(20)의 입력으로 피드백(Feedback)하여 오차를 제어(또는 제거)하는 제어기(20)로 구성될 수 있다. 목표 부하 결정부(10)는 복원 명령 생성부로도 언급될 수 있다. 상기 실제 컬럼 속도는 컬럼(Column) 토크와 MDPS 출력 전류에 기초하여 추정될 수 있다. 제어기(20)로부터 출력되는 목표 컬럼 속도 명령은 컬럼 토크와 컬럼 속도의 관계에 따라 MDPS(Motor Driven Power Steering) 시스템의 모터에 입력되는 복원 제어 토크 명령으로 변환될 수 있다.
도 1의 장치의 제어 로직(logic)을 설명하면 다음과 같다.
목표 부하 결정부(10)는 조향각에 기반하여 복원 각속도 명령을 생성(산출)할 수 있다.
도 1의 장치는 피드백(feed-back) 제어를 통한 복원 제어 토크를 계산할 수 있고, decouple 제어를 통해 운전자 의지를 판단할 수 있다.
제어기(20)는 피드백(feed-back) 제어를 통한 컬럼의 각속도 제어를 수행할 수 있고, 피드백 제어기인 PID(proportional integral differential) 제어기를 사용할 수 있다.
제어기(20)에서는, 적용 차량 변경 시 마다 게인(gain) 값의 튜닝(tuning)이 필요할 수 있고, 게인 값에 따라 목표 추종 성능이 미비할 수 있거나 또는 오버 슛(overshoot) 발생으로 튜닝의 어려움이 존재할 수 있다.
도 1의 장치는 한국 공개특허번호 10-2014-0036904에 개시(disclosure)되어 있을 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 MDPS(Motor Driven Power Steering) 시스템의 복원 제어장치를 설명하는 도면이다.
도 2의 장치는 Output(y)가 Reference(r)을 잘 따라갈 수 있다. 도 2의 장치는 disturbance(d) 및 noise(n)에 영향을 받지 않고, 제어대상 모델인Plant 모델의 오차(error)에도 강인하게 y를 쫓아갈 수 있는 제어 장치일 수 있다. 상기 Plant 모델은 MDPS(Motor Driven Power Steering, 모터 구동 파워 스티어링) 시스템 모델일 수 있다.
도 2에 도시된 본 발명에 따른 장치에서는, 모델 기반으로 제어기(Controller)인 lead-lag 제어기가 설계되어 기본적인 제어 성능이 확보되고, 외란(Disturbance)의 영향은 DOB(disturbance observer, 외란 보상기)로 줄이고, Noise의 영향은 예를 들어 저주파 필터로 줄일 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 MDPS 시스템의 복원 제어장치를 보다 상세히 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, MDPS 시스템의 복원 제어장치(100)는, 제어기(controller)(110), MDPS(Motor Driven Power Steering, 모터 구동 파워 스티어링) 시스템 모델(125), 필터(filter)(135), 및 외란 보상기(observer)(130)를 포함한다.
제어기(110)는 목표 스티어링 컬럼(steering column) 속도(또는 목표 스티어링 각속도)와 실제 스티어링 컬럼 속도(또는 실제 스티어링 컬럼 각속도) 사이의 오차(오차 신호, Ref)를 감산기(subtracter)(105)를 통해 입력 받아 상기 오차에 근거하여 MDPS 시스템을 모델링한 MDPS(Motor Driven Power Steering) 시스템 모델(125)이 복원 제어 토크 명령에 대응하는 목표 스티어링 컬럼 속도 명령(목표 컬럼 속도 명령)을 출력하도록 제어할 수 있다. 제어기(110)는 상기 오차를 제거하도록 MDPS 시스템 모델(125)을 제어할 수 있다. 상기 목표 스티어링 컬럼 속도 명령은 컬럼 토크와 컬럼 속도의 관계에 따라 MDPS 시스템의 모터에 입력되는 복원 제어 토크 명령으로 변환될 수 있다.
상기 실제 스티어링 컬럼 속도는 MDPS 시스템의 ECU(electronic control unit)에 의해 제어되는 모터에 의해 회전되는 차량의 스티어링 컬럼이 회전하는 속도에 대응되는 MDPS 시스템(또는 MDPS 시스템 모델)의 출력값을 나타낼 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 실제 스티어링 컬럼 속도는 토크 센서에 의해 측정된 스티어링 컬럼 토크와 MDPS 출력 전류에 기초하여 추정될 수도 있다. 복원 제어 토크 명령은 스티어링 휠의 조향 토크 및 중립 복원 토크를 지원(보조)하는 MDPS 시스템에 포함된 ECU의 제어 출력에 추가될 수 있다. 상기 제어 출력은 스티어링 휠이 스티어링의 중심으로 복원되도록 하는 제어신호로서 스티어링 휠(핸들)에 복원 토크를 제공하는 전기 모터(motor)와 같은 모터로 출력될 수 있다. Plant(125)는 제어를 받는 제어 대상물으로서, MDPS 시스템 모델일 수 있다.
MDPS 시스템은 스티어링 휠에 입력되는 운전자의 조향 토크를 측정하는 토크센서, 스티어링 휠의 조향각을 측정하는 조향각 센서, 및 차속을 측정하는 차속센서를 포함할 수 있다. MDPS 시스템은 모터, 스티어링 기어박스, 토크센서, 및 MDPS ECU 를 포함할 수 있다. MDPS ECU 는 토크센서를 통해 스티어링 휠의 회전량을 감지하여 차속에 따라 모터에 전류를 인가하여 스티어링 휠의 토크를 제어할 수 있다.
필터(135)는 MDPS 시스템 모델(125)의 출력(출력 신호)를 필터링(filtering)하여 감산기(105)를 통해 제어기(110)의 입력에 피드백(feedback)시킬 수 있다.
외란 보상기(130)는 필터(135)의 출력 신호에 포함된 외란(disturbance)을 보상(또는 제거)하여 감산기(115)를 통해 제어기(110)의 출력(출력 신호)(또는 MDPS 시스템 모델(125)의 입력)에 제공할 수 있다. MDPS 시스템의 부품들 사이의 마찰(friction)과 같은 외란(disturbance)은 감산기(120)를 통해 MDPS 시스템 모델(125)에 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, MDPS 시스템의 복원 제어장치(100)에서 필터(filter)(135)는 제거(생략)될 수 있다. 필터(filter)(135)가 제거될 때, 외란 보상기(130)는 MDPS 시스템 모델(125)의 출력에 포함된 외란을 보상하여 제어기(110)의 출력에 제공할 수 있고, MDPS 시스템 모델(125)의 출력은 제어기(110)의 입력에 피드백(feedback)될 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 MDPS(Motor Driven Power Steering) 시스템의 복원 제어장치를 보다 상세히 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, MDPS 시스템의 복원 제어장치(100)는 타켓(목표) 컬럼속도와 실제 컬럼속도와의 오차를 입력으로 받고 제어기(Lead-Lag 제어기)(110), 외란 보상기인DOB(130), 및 필터(Filter)(135)를 이용한 피드백 제어 시스템(피드백 복원 제어기)으로서, 복원제어 토크 명령을 계산(출력)하여, MDPS 시스템의 모터에 제공할 수 있다. MDPS 시스템의 복원 제어장치(100)는 차량의 MDPS 피드백 복원 로직 제어 시스템으로도 언급될 수 있다. 컬럼(스티어링 컬럼)은 핸들축 중간 부분(portion)을 지시(indication)할 수 있다.
MDPS 시스템의 복원 제어장치(100)는 시스템 모델기반 제어를 통해 추종성능을 확보할 수 있고, DOB(130)의 설계를 통해 외란에 강건한 제어를 할 수 있고, 튜닝(tuning) 변수를 감소시켜 MDPS 제어를 단순화시킬 수 있다.
목표 컬럼 속도 생성부(101)는 조향각(또는 운전자에 의한 조향각) 및 차속(차량의 속도)에 근거하여(또는 조향각 및 차속(차량의 속도)을 조합하여) 상기 목표 스티어링 컬럼 속도를 생성(산출)한 후 감산기(102)에 제공할 수 있다. 목표 컬럼속도 생성부(101)는 MDPS 시스템의 복원 제어장치(100)에 포함될 수 있고, 복원 명령 생성부로도 언급될 수 있다. 감산기(102)는 목표 스티어링 컬럼(steering column) 속도에서 실제 스티어링 컬럼 속도를 감산(subtraction)하여 제어기(110)에 제공할 수 있다. 목표 컬럼 속도 생성부(101)는 조향각 및 차속에 따른 컬럼속도 값이 포함된 참조 테이블(lookup table)이 저장된 저장부(예, EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory))를 포함할 수 있다. MDPS 시스템 모델(125)의 출력인 복원 제어 토크 명령은 MDPS 시스템(MDPS 장치)의 제어 출력(모터에 입력되는 신호)에 추가될 수 있다.
제어기(C(s), 110)는 기본 제어성능 확보를 위한 MDPS 시스템 모델(125)을 제어하는 제어기일 수 있다.
필터(135)는 예를 들어 1차 저역 통과 필터(1st order LPF)로서, 외란 보상기인 DOB(130)의 민감도를 줄이고, 노이즈(noise)의 제거를 위해 사용될 수 있다.
외란 보상기인 DOB(130)는 외란(disturbance)의 영향을 줄이고 강건한(robust) 제어를 위한 옵저버(observer)일 수 있다.
도 4에 도시된 제어기(Lead-Lag 제어기)(110)의 설계법을 설명하면 다음과 같다.
[수학식 1]
Figure 112015041516412-pat00001
[수학식 1]에서, Kgain은 lead-lag 제어기(앞섬-뒤섬 제어기 또는 진상-지상 제어기)의 게인(gain), a1 및 b1은 앞섬 보상 게인을 나타낼 수 있고, a2 및 b2는 뒤짐 보상 게인(뒤섬 보상 게인)을 나타낼 수 있다.
피드백 복원의 경우, 빠른 응답이 필요하지 않으므로, 반응이 느리다고 가정하면 [수학식 1]에서 2차 항이 상대적으로 1차 항과 상수 항보다 영향이 작아지게 된다. 따라서 [수학식 1]에서 제곱 항(2차 항)은 제거될 수 있다. 위와 같은 근사화 방법으로 1차 lead-lag 제어기(1차 lead-lag 제어기의 전달 함수)가 설계(design)될 수 있다.
도 4에 도시된 외란 보상기인 DOB(130)의 설계법을 설명하면 다음과 같다.
외란보상기(130)는 외란(Disturbance)을 MDPS 시스템 모델(도 4의 P(s))의 역모델(도 4의 P-1(s))에 의해 추정하고 상기 추정된 역모델을 피드백해서 제거할 수 있다.
외란보상기의 실제 적용시 플랜트(Plant)인 MDPS 시스템을 정확하게 모델링할 수 없고, 플랜트의 역모델은 인과성 문제로 구현할 수 없고, Plant와 모델링된 Plant 사이에는 오차가 존재할 수 있다. 또한 MDPS 시스템의 측정신호의 잡음에 의해, 외란 보상기의 성능이 저하될 수 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 저역통과필터(low pass filter)와 같은 도 4에 도시된 Q필터(Q(S))를 도입하여 Plant의 역모델이 구현될 수 있다. Q 필터(Q(S))는 시스템(MDPS 시스템 모델)의 강인성과 외란 억압의 성능을 좌우하는 요소일 수 있다. 외란 보상기(130)는 실제 Plant와 모델링된 Plant 사이 오차를 외란으로 간주하여 보상할 수 있다. 외란 보상기(130)는 구조가 간단하며 연산량도 적어 활용범위가 높을 수 있다.
외란 보상기인 DOB(130)에서 사용되는 전달함수(P(s))의 역수를 구하기 위해, MDPS 시스템의 3차 모델(Plant P(S))은 아래의 [수학식 2]와 같이 1차로 근사화될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112015041516412-pat00002
상기 1차로 근사화된 식은, 도 5에 도시된 바와 같이, 루프 형성 기법(Loop Shaping)에 의해 검증될 수 있다.
[수학식 2]에서의
Figure 112015041516412-pat00003
를 구하는(계산하는) 과정이 다음과 같이 설명된다.
도 6을 참조하여
Figure 112015041516412-pat00004
인 외란 관측을 위한 MDPS 시스템 모델(125)의 전달함수는 아래와 같이 계산된다. 도 6은 MDPS 시스템을 포함하는 조향 장치 모델을 설명하는 도면이다.
핸들(Handle 또는 steering wheel)과 관련된 미분 방정식(또는 다이내믹 모델(dynamic model))은 아래와 같은 수학식으로 계산된다.
Figure 112015041516412-pat00005
상기
Figure 112015041516412-pat00006
은 핸들의 조향각이고,
Figure 112015041516412-pat00007
는 스티어링 컬럼의 회전각이고, J1은 핸들의 회전 관성 모멘트(rotational moment of inertia)를 지시하고, C1은 핸들의 점성 감쇠(viscous damping) 계수를 지시하고, K는 스프링 정수(stiffness)를 지시하고,
Figure 112015041516412-pat00008
는 차량 운전자에 의해 핸들에 가해지는 토크를 지시할 수 있다.
칼럼(column), 모터(motor), 및 랙(rack)과 관련된 미분 방정식은 아래와 같은 수학식으로 주어진다. 컬럼은 스티어링 컬럼 또는 스티어링 샤프트(shaft)로도 언급될 수 있다.
Figure 112015041516412-pat00009
상기 J2(도 6의 Jc)는 스티어링 컬럼의 회전 관성 모멘트(rotational moment of inertia)를 지시하고, C2(도 6의 Cc)은 스티어링 컬럼의 점성 감쇠(viscous damping) 계수를 지시하고, K는 스프링 정수(stiffness)를 지시하고, N은 MDPS 시스템의 모터에 연결된 기어(예, 웜기어(worm gear))의 기어비(gear ratio)를 지시하고,
Figure 112015041516412-pat00010
는 모터 토크를 지시하고, r은 랙(rack)과 피니언(pinion)(rp) 사이의 기어비를 지시하고,
Figure 112015041516412-pat00011
(도 6의 Fload)는 자동차 타이어에서 들어오는 랙(rack)에 걸리는 힘을 지시할 수 있다.
상기 핸들(Handle), 컬럼(column), 모터(motor), 및 랙(rack)에 관련된 미분방정식을 라플라스 변환(Laplace transform)하면 다음과 같다.
Figure 112015041516412-pat00012
상기 라플라스 변환 식에서
Figure 112015041516412-pat00013
로 하고
Figure 112015041516412-pat00014
를 소거하면 라플라스 변환 식은 아래의 수학식으로 변환될 수 있다.
Figure 112015041516412-pat00015
상기 수학식에서
Figure 112015041516412-pat00016
=0 및 dr=0으로 가정하고
Figure 112015041516412-pat00017
을 구하면 다음과 같다.
Figure 112015041516412-pat00018
상기 수학식에서
Figure 112015041516412-pat00019
를 구하면 다음과 같다.
Figure 112015041516412-pat00020
도 4에 도시된 Q-filter(140)는 다음과 같은 수학식으로 설계(모델링)될 수 있다.
Figure 112015041516412-pat00021
상기 수학식에서 Wc는 차단 주파수를 나타낼 수 있다.
모델링 오차로 인한 시스템의 발산을 억제하기 위해, Q-filter(140)의 실시예인 1차 LPF(저역통과필터)에 게인(gain)인 KDOB(또는 K_DOB)가 적용될 수 있다. 상기 K_DOB는 튜닝변수를 의미할 수 있다.
도 4를 참조하여 외란 보상기(130)를 부연하여 설명하면 다음과 같다.
외란 보상기(130)는, 역 모델부(160), 제1 게인 부(gain unit)(155), 감산기(150), 및 제2 게인 부(145)를 포함한다.
역 모델부(160)는 MDPS 시스템 모델(125)의 출력을 입력으로 가지고, MDPS 시스템 모델(125)의 외란을 억제(또는 보상)하는 Q 필터(140)의 전달함수와 MDPS 시스템 모델(125)의 전달함수의 역수를 곱한 값을 전달함수로 가질 수 있다.
제1 게인 부(155)는 역 모델부(160)의 출력에 MDPS 시스템 모델(125)의 발산을 억제하기 위한 제1 게인을 곱할 수 있다.
감산기(150)는 제1 게인 부(155)의 출력 값에서, 제어기(110)의 출력에 Q 필터(140)의 전달함수를 곱한 값을 감산할 수 있다.
제2 게인 부(145)는 감산기(150)의 출력 값에 상기 외란을 제거하기 위한 제2 게인(DOB_gain)을 곱한 값을 제어기(110)의 출력에 피드백(feedback)(제공)시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 외란 보상기(130)에서 제2 게인 부(145)는 제거(생략)될 수 있다. 제2 게인 부(145)가 제거될 때, 감산기(150)는 게인 부(155)의 출력 값에서, 제어기(110)의 출력에 Q 필터(140)의 전달함수를 곱한 값을 감산한 값을 제어기(110)의 출력에 피드백(feedback)시킬 수 있다.
도 4에 도시된 필터(135)(예, 1차 저역통과필터(1st order LPF))는 다음과 같은 수학식으로 설계될 수 있다.
Figure 112015041516412-pat00022
상기 수학식에서 Wc는 차단 주파수를 나타낼 수 있다.
외란 보상기인 DOB(도 4의 130)의 민감도를 낮추고 노이즈(noise)의 영향을 제거하기 위해, 필터(135)의 전달 함수가 MDPS 시스템의 복원 제어장치(100)에 적용될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 목표 조향 각속도의 추종 성능을 설명하는 그래프(graph)이다.
도 7(a)는 도 1에 도시된 PID 제어기를 사용한 장치에 따른 목표 조향 각속도의 추종 성능을 나타내고, 도 7(b)는 본 발명에 따른 목표 조향 각속도(복원을 위한 타겟(target) 조향 각속도)의 추종 성능을 나타낸다.
도 7의 (a) 및 도 7의 (b)를 참조하면, 본 발명은 도 1의 PID 제어기를 사용한 장치 보다 실제(real) 컬럼 속도가 목표(target) 컬럼 속도에 더 추종하도록 제어할 수 있다. 따라서 본 발명은 우수한 응답성을 가질 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 차량의 복원성능을 설명하는 그래프(graph)이다.
도 8(a)는 도 1의 장치에 따른 스티어링 휠의 복원 속도와 본 발명에 따른 스티어링 휠의 복원 속도를 비교하는 그래프(graph)이다.
도 8(a)를 참조하면, 차속이 24 KPH(kilometers per hour)일 때 본 발명은 PID 제어를 사용하는 도 1의 장치보다 스티어링 휠의 복원 속도를 향상시킴을 알 수 있다.
도 8(b)는 도 1의 장치에 따른 차량의 크립(creep) 주행 시 복원성능과 본 발명에 따른 차량의 크립(creep) 주행 시 복원성능을 비교하는 그래프(graph)이다.
도 8(b)를 참조하면, 차량의 크립(creep) 주행 시, 본 발명은 참조 번호 210으로 도시된 바와 같이 스티어링 휠의 복원 잔여각을 제거할 수 있고 참조 번호 205로 도시된 바와 같이 복원 각속도가 불균일한 다단(多段, multistage) 현상을 제거할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 오픈 루프 제어방식의 복원 제어를 피드백 제어로 변경함에 따라 외부의 외란에도 스티어링 휠(핸들)이 스티어링 휠 중심까지 복원되도록 하는 것에 의해 차량의 복원성능을 향상시켜 운전자의 불만을 제거할 수 있다.
본 실시예에서 사용되는 구성요소 또는 “~부(unit)” 또는 블록 또는 모듈은 메모리 상의 소정 영역에서 수행되는 태스크, 클래스, 서브 루틴, 프로세스, 오브젝트, 실행 쓰레드, 프로그램과 같은 소프트웨어(software)나, FPGA(fieldprogrammable gate array)나 ASIC(application-specific integrated circuit)과 같은 하드웨어(hardware)로 구현될 수 있으며, 또한 상기 소프트웨어 및 하드웨어의 조합으로 이루어질 수도 있다. 상기 구성요소 또는 '~부' 등은 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 포함되어 있을 수도 있고, 복수의 컴퓨터에 그 일부가 분산되어 분포될 수도 있다.
이상에서와 같이, 도면과 명세서에서 실시예가 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명으로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
101: 목표 컬럼속도 생성부
110: 제어기
125: MDPS 시스템 모델
130: 외란 보상기
135: 필터
140: Q 필터

Claims (9)

  1. MDPS(Motor Driven Power Steering) 시스템의 복원 제어장치에 있어서,
    목표 스티어링 컬럼(steering column) 속도와 실제 스티어링 컬럼 속도 사이의 오차를 입력 받아 상기 오차에 근거하여 MDPS 시스템을 모델링한 MDPS 시스템 모델이 복원 제어 토크 명령에 대응하는 목표 스티어링 컬럼 속도 명령을 출력하도록 제어하는 제어기; 및
    상기 MDPS 시스템 모델의 출력에 포함된 외란을 보상하여 상기 제어기의 출력에 제공하는 외란 보상기
    를 포함하며,
    상기 MDPS 시스템 모델의 출력은 상기 제어기의 입력에 피드백(feedback)되고,
    상기 외란 보상기는,
    상기 MDPS 시스템 모델의 출력을 입력으로 가지고, 상기 MDPS 시스템 모델의 외란을 억제하는 Q 필터의 전달함수와 상기 MDPS 시스템 모델의 전달함수의 역수를 곱한 값을 전달함수로 가지는 역 모델부;
    상기 역 모델부의 출력에 상기 MDPS 시스템 모델의 발산을 억제하기 위한 게인(gain)을 곱하는 게인 부; 및
    상기 게인 부의 출력 값에서, 상기 제어기의 출력에 상기 Q 필터의 전달함수를 곱한 값을 감산한 값을 상기 제어기의 출력에 피드백(feedback)시키는 감산기를 포함하는 MDPS 시스템의 복원 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 MDPS 시스템의 복원 제어장치는,
    상기 MDPS 시스템 모델의 출력을 필터링(filtering)하여 상기 제어기의 입력에 피드백(feedback)시키는 필터를 더 포함하며,
    상기 외란 보상기는 상기 필터의 출력 신호에 포함된 외란을 보상하여 상기 제어기의 출력에 제공하는 것을 특징으로 하는 MDPS 시스템의 복원 제어장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 MDPS 시스템의 복원 제어장치는,
    조향각 및 차속에 근거하여 상기 목표 스티어링 컬럼 속도를 생성하는 목표 컬럼속도 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MDPS 시스템의 복원 제어장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 Q 필터는 1차 저역 통과 필터인 것을 특징으로 하는 MDPS 시스템의 복원 제어장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 lead-lag 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 MDPS 시스템의 복원 제어장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 lead-lag 제어기는 1차 전달함수를 가지는 것을 특징으로 하는 MDPS 시스템의 복원 제어장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 필터는 1차 저역 통과 필터인 것을 특징으로 하는 MDPS 시스템의 복원 제어장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 MDPS 시스템 모델은 1차 전달함수를 가지는 MDPS 시스템의 복원 제어장치.
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