KR101949693B1

KR101949693B1 - 상용차용 차량 안정성 제어시스템 적용을 위한 압력조절밸브 제어 알고리즘

Info

Publication number: KR101949693B1
Application number: KR1020170184357A
Authority: KR
Inventors: 유창희; 권순만; 장진수; 조현종; 주성욱
Original assignee: 상신브레이크주식회사
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2019-02-20

Abstract

본 발명은 상용차량의 동역학적 제어를 통하여 각 바퀴로 정확한 제동압력이 전달될 수 있도록 한 상용차용 차량 안정성 제어시스템 적용을 위한 압력조절밸브 제어 알고리즘에 관한 것으로, 상용차량의 ESC 시스템의 기능이 활성화되어 운전자의 핸들링 각도와 차량의 속도에 대해 가장 이상적인 요 각속도를 계산하여 ABS 압력조절밸브를 제어하도록 하되,
상기 요 각속도는,

에 의해 계산되도록 함을 특징으로 한다. (

는 목표로 하는 요 각속도(yaw rate),

는 차량의 운동방향 속도,

는 운전자의 핸들링에 따른 차량 조향각,

는 휠베이스,

는 상용차량의 무게,

,

은 차량 무게중심으로부터의 앞뒤까지의 거리,

,

은 앞바퀴와 뒷바퀴의 코너링 강성이다.)

Description

상용차용 차량 안정성 제어시스템 적용을 위한 압력조절밸브 제어 알고리즘{Development of wheel pressure control algorithm for electronic stability control system(ESC) of commercial truck}

본 발명은 상용차량의 동역학적 제어를 통하여 각 바퀴로 정확한 제동압력이 전달될 수 있도록 한 상용차용 차량 안정성 제어시스템 적용을 위한 압력조절밸브 제어 알고리즘에 관한 것이다.

일반적으로 승용차보다 중량이 큰 트럭의 경우 차량 사고의 규모와 피해의 정도가 훨씬 크다. 특히 고(高) 중량의 상용트럭은 일반 승용차에 비해 제동거리가 약 40% 더 증가되기 때문에 치명적인 사고에 개입되는 비율이 다른 차량에 비해 월등히 높아진다. 따라서 일반 승용차와 더불어 상용트럭의 주행안정성과 관련된 제어방법과 그 장치들이 다양하게 연구되고 있다.

그 중 ESC 시스템(Electronic Stability Control System)은 운전자가 차량에 대한 제어 능력을 잃을 때 상위(上位) 제어기인 ECU(Electronic control unit)에서 계산된 요율과 실제 차량의 요율 차이가 임계값을 초과하면 기능이 활성화되면서 차량의 운동상태를 안정화시키게 된다. 그리고 NHTSA(National Highway Traffic and Saety Administration)에서는 미국의 차량충돌 사고 데이터로부터 ESC 시스템이 일반 승용차의 차량 충돌사고를 약 34% 줄이고 SUV(스포츠 유틸리티 차량)의 차량 충돌사고를 약 59%까지 줄이며, 차량 전복사고도 훨씬 줄어드는 검증 결과를 보고하고 있다.

상기 ESC 시스템은 기본적으로 ABS 시스템이 포함된다. ABS 시스템은 슬립제어를 기반으로 휠의 각속도와 차량의 속도의 차이로 슬립 율을 계산하여 제어하게 되며, 차량의 속도 센서를 사용하지 않고 슬립 율을 추정하는 방법과, 구동력 추정을 이용하여 슬립제어 없이 최대의 구동력을 이끌어내는 방법과, 타이어의 최대 마찰력을 통한 방법 등의 다양한 방법을 통해 차량의 슬립을 제어함으로써 바퀴에 적절한 제동력을 전달하게 되며, 제동압력의 상승은 가압모드로, 제동압력의 유지는 정압모드로, 제동압력의 하강은 감압모드로 통칭된다.

한편, 상용트럭의 ESC 시스템과 ABS 시스템은 차량의 동역학적 특성에 따라 만들어진 제어량으로 각 바퀴에 제동압력을 분배 및 전달하게 되므로 정확한 제동압력을 브레이크로 전달하기 위해서는 브레이크에 전달되는 압력에 대한 제어가 매우 중요하다. 따라서 상용트럭의 ESC 시스템 적용을 목적으로 차량의 동역학적 제어를 통해 각 바퀴로 정확한 제동압력이 보다 효율적으로 전달될 수 있도록 제어하는 시스템이 요구되고 있다.

또한, ABS 시스템에서의 압력 제어는 에어리저버(Air Reservoir)로부터 공급되는 공기압력을 공급 및 차단하면서 에어 챔버(AIR CHAMBER)로 유체의 압력을 전달하는 공압제어방식으로 공압에 의한 지연현상에 의해 응답속도가 느린 등의 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1070961호(발명의 명칭: 자동차의 제동 제어 시스템 및 방법, 2011. 10. 06. 특허공고) 대한민국 등록특허공보 제10-0240405호(발명의 명칭: 자동차 자동제동장치 및 그 제어방법, 2000. 01. 15. 특허공고) 대한민국 등록특허공보 제10-1063668호(발명의 명칭: 자동차의 제동 제어 시스템 및 방법, 2011. 09. 07. 특허공고)

본 발명은 상용차량의 동역학적 제어를 통하여 각 바퀴로 정확한 제동압력이 전달될 수 있도록 상용차용 차량 안정성 제어시스템(ESC) 적용을 위한 압력조절밸브 제어 알고리즘을 제공함에 목적이 있다.

본 발명의 상용차용 차량 안정성 제어시스템 적용을 위한 압력조절밸브 제어 알고리즘은 상용차량의 ESC 시스템의 기능이 활성화되어 운전자의 핸들링 각도와 차량의 속도에 대해 가장 이상적인 요 각속도를 계산하여 ABS 압력조절밸브를 제어하도록 하되, 상기 요 각속도는,

(

는 목표로 하는 요 각속도(yaw rate),

는 차량의 운동방향 속도,

는 운전자의 핸들링에 따른 차량 조향각,

는 휠베이스,

는 상용차량의 무게,

,

은 차량 무게중심으로부터의 앞뒤까지의 거리,

,

은 앞바퀴와 뒷바퀴의 코너링 강성) 에 의해 계산되도록 함을 특징으로 할 수 있다.

상기 상용차량의 횡가속도(

)와 차량 속도(

)에 따라 다음식,

으로 압력조절밸브의 압력제어가 수정 제어되도록 함을 특징으로 할 수 있다.

상기 압력제어는 압력 지령의 기울기가

이상 일 때 증가 모드에 대한 신호를 출력하고,

이하일 때 감소 모드에 대한 신호를 출력하고,

과

사이의 값일 때에는 유지 모드에 대한 신호를 출력하도록 함을 특징으로 할 수 있다.

상기

와

의 선정은 유지 모드를 기준으로 압력조절밸브의 작동 듀티는 20%임을 특징으로 할 수 있다.

상기

와

의 선정은 유지 모드를 기준으로 압력조절밸브의 듀티 20%로 동작할 때 Apply 모드, Dump 모드로 동작한 샘플에 대해 증감되는 압력의 변동폭은 다음식,

과 같음을 특징으로 할 수 있다.

상기 Dump 모드는 가변적 듀티 모드가 다음식,

과 같음을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 상용차용 차량 안정성 제어시스템 적용을 위한 압력조절밸브 제어 알고리즘은, ABS 동작에 따른 지령압력 수신시 압력센서는 현 압력을 감지하여 지령압력의 기울기와 상승 또는 감소 압력의 기울기를 비교하고, 지령압력의 기울기가 상승압력의 기울기보다 클 경우 제어기는 압력 상승모드로 전환되어 지령압력과 실제 압력과의 차로 에러값을 연산하고; 상승모드의 에러가 에러 상한치에 초과할 경우 공압조절밸브는 APPLY 동작을 하고, 상승모드 에러가 에러 상한치의 이하일 경우에는 공압조절밸브는 HOLD 동작을 하고, 지령압력의 기울기가 압력감소 기울기보다 크고 상승압력의 기울기보다 작을 경우 제어기는 압력 유지 모드로 전환되어 에러값을 연산하고; 유지모드의 에러가 에러 상한치에 초과할 경우 공압조절밸브는 APPLY 동작을 하고, 유지모드 에러가 에러 하한치의 미만일 경우 공압조절밸브는 DUMP 동작을 하고, 유지모드 에러가 에러 상한치의 이상 및 에러 하한치 이하일 경우 공압조절밸브는 HOLD 동작을 하고, 지령압력의 기울기가 압력감소 기울기보다 작을 경우 제어기는 압력 하강모드로 전환되어 에러값을 연산하고; 하강모드의 에러가 에러 하한치 미만일 경우 공압조절밸브는 DUMP 동작을 하고 하강모드 에러가 에러 상한치 이상일 경우에 공압조절밸브는 HOLD 동작을 하고, 결정된 APPLY, HOLD, DUMP 동작에 따라 압력조절밸브는 온/오프 동작을 반복하여 압력을 제어하되, 압력 지령이 중지될 때까지 위 제어를 반복하며, 압력 지령이 중지되면 동작이 종료되도록 함을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 압력조절밸브 제어 알고리즘으로 상용차량의 동역학적 제어를 통하여 각 바퀴로 정확한 제동압력이 보다 효율적으로 전달되어 상용차용 차량 안정성이 달성되는 효과가 있다.

본 발명은 ESC 시스템에 의해 상용차의 차량 충돌사고와 전복사고 등이 가 크게 줄어들는 효과가 있다.

본 발명은 제시된 알고리즘에 의해 공압에 의한 지연현상이 방지되어 응답속도가 빠라지므로 압력조절밸브에 대한 정밀제어가 달성되는 등의 효과가 있는 매우 유용한 발명이다.

도 1 : 본 발명에서 ESC 시스템의 알고리즘 예시도.
도 2 : 상용트럭에 설치되는 공압 드럼 브레이크 구성도.
도 3 : 본 발명에서 ESC 기능을 구현하기 위한 기본적인 구성도.
도 4 : 본 발명 일 예로 도시한 압력조절밸브의 구성도로, (a)는 Apply 모드, (b)는 Dump 모드, (c)는 Hold 모드이다.
도 5 : 본 발명에서 듀티 100%의 PWM 제어에 의한 솔레노이드 밸브의 응답 특성 그래프로, (A)는 Apply 모드이고, (b)는 Dump 모드이다.
도 6 : 본 발명에서 듀티 20%의 PWM 제어에 의한 솔레노이드 밸브의 응답 특성 그래프로, (A)는 Apply 모드이고, (b)는 Dump 모드이다.
도 7 : 상용트럭의 바퀴 하나를 기준 모델로 설계된 압력센서 기반의 일반적인 압력 제어 알고리즘 예시도.
도 8 : 본 발명 일 예로 도시한 압력조절밸브의 압력제어 알고리즘 예시도.
도 9 : 본 발명 일 예로 도시한 하드웨어 구성도.
도 10 : 도 7에 제시된 지령에 대한 조건의 구분 없이 기존의 뱅뱅 컨트롤을 적용한 결과 그래프로, (a)는 ABS 상황의 불규칙적인 압력의 패턴을 모사한 압력 지령이고, (b)는 공급압에서 대기압까지 구간에 대한 과도상태를 검증하기 위한 실험결과이다.
도 11 : 본 발명에서 도 8에 제시된 지령에 대한 조건을 구분하여 개별 제어를 적용한 압력 제어 결과 그래프로, (a)는 ABS 상황의 불규칙적인 압력의 패턴을 모사한 압력 지령이고, (b)는 공급압에서 대기압까지 구간에 대한 과도상태를 검증하기 위한 실험결과이다.
도 12 : 본 발명 일 예로 도시한 도 8의 알고리즘 흐름도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어 도면들 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일 부호로 기재하고, 관련된 공지구성이나 기능에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지가 모호해지지 않도록 생략하며, 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.

압력 제어는 에어리저버(Air Reservoir)로부터 공급되는 압력을 공급 및 차단하여 에어 챔버 (AIR CHAMBER)로 압력을 전달하는 트럭의 ABS 시스템에 대한 압력제어로 딜레이 현상에 대한 문제가 있다. 따라서 본 발명에서는 에어 챔버 (AIR CHAMBER)로 압력을 전달하는 압력제어수단으로 솔레노이드 밸브를 이용하였으며 솔레노이브 밸브에 인가되는 PWM신호를 이용한 압력을 추정한 결과가 제시된다.

또한 상용트럭의 상위 제어기인 ECU로부터 전달되는 목표압력 값에 대해 정밀한 제어를 위해서는 일반적으로 비례제어밸브를 이용한 압력제어가 성능이 좋지만 단가가 상승하므로 통상 On/Off타입의 솔레노이드 밸브로 대체 사용된다. On/Off타입의 솔레노이드 밸브를 사용하는 경우 완전 개방과 완전 차단의 동작이 연속으로 이루어지는 스위칭 현상에 의해 공압의 비선형적 특성과 더불어 밸브의 열림과 닫힘의 연속 동작으로 계단 형식의 응답특성을 가지게 되므로, 제어 관점에서는 On/Off타입의 솔레노이드밸브에 대해 비교적 장점을 가지지 않는다.

따라서 본 발명에서는 On/Off타입의 솔레노이드 밸브를 기반으로 상용트럭의 ESC에 적용되기 위한 압력 제어 알고리즘을 제시한다. 제시된 압력 제어 알고리즘은 공압 응답성을 바탕으로 압력의 공급과 배기 상태의 개별적인 특성을 고려하여 특성에 따른 개별 제어기를 구성하였으며, 압력 구간에 따라 달라지는 비선형적 특성은 각 압력구간에 대해 가변적으로 듀티(Duty)를 포함한 구조 밸브동작 조건을 설계하여 목표 압력에 대한 추정성능을 높였으며, 또한 응답특성에 따라 나눠지는 개별 제어기는 제시된 목표압력의 기울기에 따라 해당하는 개별 제어기가 동작하도록 구성된다. 마지막으로 목표압력과 압력센서로부터 피드백 되는 압력의 오차에 대한 제어는 On/Off타입의 밸브에 Bang-bang제어를 기반으로 작동한다. Bang-bang제어는 오차에 대한 임계값으로 도 4에 소개된 밸브의 세 가지 동작 상태로 밸브에 압력을 전달하게 된다.

본 발명에 제시된 압력제어 알고리즘의 성능에 대한 결과는 도 9의 에어 챔버(AIR CHAMBER) 압력제어 실험장비로 진행되었으며, 도 10, 도 11의 압력제어 결과로 검증된다.

주지하는 바와 같이 전자 안정성 제어 시스템(Electronic Stability Control System)은 차량 주행시 언더 스티어(Under Steer), 오버 스티어(Over Steer)와 같은 운전자가 의도하지 않은 상황에 개입하여 주행 안정성을 높인다. 따라서 ESC 기능이 탑재된 차량의 경우 저마찰 노면에서의 코너링이나 과도한 핸들링으로 인한 주행코스 이탈을 예방할 수 있다.

도 1은 본 발명 일 예로 도시한 ESC 시스템의 알고리즘에 대한 개략도이다. 우선 ESC 시스템의 기능이 활성화되면 운전자의 핸들링 각도와 차량의 속도에 대해 가장 이상적인 요 각속도(yaw rate)는 아래 식(1)과 같이 계산된다.

----------------------- 식(1)

위 식(1)에서,

는 목표로 하는 요 각속도(yaw rate)이고,

는 차량의 운동방향 속도이고,

는 운전자의 핸들링에 따른 차량 조향각이고,

는 휠베이스이고,

는 상용차량의 무게이고,

,

은 차량 무게중심으로부터의 앞뒤까지의 거리이고,

,

은 앞바퀴와 뒷바퀴의 코너링 강성으로, 식(1)에 따라 이상적인

가 도출된다. 하지만 식(1)의

는 이상적인 값이며, 상용차량의 횡가속도(

)와 차량 속도(

)에 따라 아래 식(2)로 수정된다.

--------------------------------------------------- 식(2)

따라서 요 각속도(yaw rate)에 대한 제어는 수정된 식(2)의 값으로 제어가 진행된다. 이때 목표로 하는

를 만족하기 위해서 차량의 네 바퀴에는 주행상황에 맞는 적절한 구동력을 가져야 하기 때문에 구동력 제어가 필요하다.

따라서 구동력 제어를 위해 각 바퀴에 슬립 비(slip ratio) 추정을 통한 구동력 제어가 이루어지며, 각 바퀴로 벡터링되는 토크값들을 만족하기 위해 각 휠에 제동력이 공급된다. 본 발명에서 상용트럭의 경우 공압브레이크를 사용하며, 각 바퀴의 에어 챔버(AIR CHAMBER)에 각 바퀴에 분배되는 목표 압력은 개별적 압력제어를 통해 적절한 제동압력으로 전달된다.

한편, 상용트럭에 주로 사용되는 공압 드럼브레이크는 도 2와 같은 구성을 가진다. 즉, 드럼브레이크는 압력의 공급원인 에어 컴프레셔로부터 챔버(Chamber)에 압력을 공급받으면 간극조정기(Slack adjuster)에 연결된 링크를 통해 수직 피스톤 운동을 하고, 간극조정기의 끝단으로 전해지는 수직 운동은 S캠(S cam)에 연결된 축을 중심으로 회전운동을 하게 된다. 따라서 S캠이 회전운동을 함과 동시에 도 2의 (b)와 같이 양단의 브레이크 슈(Brake Shoe)를 바깥쪽으로 밀어주게 되고 브레이크 슈를 따라 연결된 브레이크 라이닝(Brake Lining)은 브레이크 드럼(Brake Drum)에 마찰을 일으키면서 제동이 달성된다.

그리고, 공압을 이용한 브레이크는 공기의 통로가 되는 관의 상태에 따라 에어 챔버(AIR CHAMBER)로 전달되는 유체의 이동에 시간차가 발생된다. 따라서 리저버로부터 운전자의 브레이크 페달링에 따라 압력이 각 바퀴에 전달되는 중간에 추가적으로 퀵 릴리스 밸브(Quick release valve) 또는 릴레이 밸브(Relay valve)를 구성하게 된다.

도 3은 상용트럭에 장착되는 브레이크 시스템의 공압 회로도로, ESC 시스템의 기능을 구현하기 위해서는 기본적인 구성 외에 전륜에 퀵 릴리스 밸브(Quick release valve), 후륜에 릴레이 밸브(Relay valve), 두 개의 3/2밸브(valve) 및 전륜 및 후륜의 각 바퀴마다 압력조절밸브(Pressure modulator valve)가 추가 구성된다. 두 개의 3/2 valve는 ABV, ATC valve로 분류되며 상용트럭의 상위(上位) 제어기인 ECU의 신호에 따라 ABV는 전륜의 제동압 공급을 담당하고, ATC 밸브는 후륜의 제동압 공급을 담당하고, 압력조절밸브는 각 바퀴의 에어 챔버(AIR CHAMBER)에 전달되는 압력의 공급 및 배기를 제어하게 된다.

상용트럭에 대한 공압제어는 도 3의 공압회로도에서 리저버 탱크로부터 바퀴에 달린 에어 챔버(AIR CHAMBER)까지 공급받은 압력이 전륜 및 후륜의 압력조절밸브를 통해 공급되며, 주행상황에 따라 공급되는 압력의 조절은 압력제어밸브(Pressure Control valve)를 통해 제어된다.

또한 압력조절밸브(Pressure modulator valve)는 내부적으로 NO, NC밸브 두 가지로 구성된다 상기 NO(normally open)는 전원이 인가되지 않은 상태에서 압력이 공급되도록 열린 상태가 유지되며, 전원이 인가된 상태에서는 공급이 중단되도록 닫히게 된다. 상기 NC(normally close)는 전원이 인가되지 않은 상태에서 배기가 되지 않도록 차단하게 되며, 전원이 인가되면 열리면서 배기된다.

도 4는 상기 NO, NC밸브의 구성으로, 도 4의 (a)는 Apply 모드이고, 도 4의 (b)는 Dump 모드이고, 도 4의 (c)는 Hold 모드를 각각 도시한 것으로, 공급압력이 지속적으로 공급되고 있는 상태를 가정할 때 도 4의 (a)는 NO, NC 밸브에 모두 전원이 인가되지 않은 상태로 배기없이 에어 챔버(AIR CHAMBER)로 압력이 공급되고, 도 4의 (b)는 NO밸브만 전원이 인가된 상태로 공급압력을 차단한 상태에서 에어 챔버(AIR CHAMBER) 내에 압력을 배기하는 동작이다. 도 4의 (c)는 NO밸브만 전원이 인가된 상태로 에어 챔버(AIR CHAMBER)내에 압력이 적정치에 도달했을 때에 에어 챔버(AIR CHAMBER) 내부의 압력을 유지하는 동작이다.

한편, 리저버 탱크(Air Reservoir)로부터 에어 챔버(AIR CHAMBER)까지 전달되는 압력에 대한 응답성은 제어 알고리즘 설계에 있어 필수적인 실험이다. 공압 응답성 실험은 압력의 공급 및 배기 특성을 확인하기 위한 실험으로 솔레노이드 밸브의 동작조건은 PWM 신호의 듀티비가 100% 및 20%로 도 5 및 도 6과 같이 각각 실험했고, 솔레노이드 밸브의 동작 조건에 따라 공급 및 배기 상태를 분석하게 된다.

도 5의 (a)는 Apply 모드로 5bar의 공급압력까지 도달하는데 걸린 시간이 540msec 소요되었으며, 압력공급시 대기압 상태에서 데드 볼륨(Dead volume)에 의한 불연속적인 특성이 었있다. 도 5의 (b)는 Dump 모드로 공급압 5bar에서 대기압까지 도달하는데 걸린 시간이 150 msec가 소요되었으며 대기압과 가까워지는 압력구간에서 응답특성이 느려지는 현상이 있었다.

도 5의 응답 특성으로 압력의 공급과 배기 상태는 아래 식(3)과 같이 각각 다른 응답 특성을 가지는 전달함수로 표현할 수 있다.

------------------------- 식(3)

식(3)에서 시상수

는 Apply 모드에서의 상수이고,

는 Dump 모드에서의 상수다. 공급과 배기의 목표 압력 도달속도를 비교하면

는

보다 항상 작은 상수가 된다. 도 6은 밸브에 PWM신호를 밸브의 최소 작동 조건인 20% 듀티 싸이클(duty cycle)의 신호를 주고 도 5의 데이터와 같이 (a)에 Apply 모드. (b)에 Dump 모드를 실험한 결과다. 도 6의 (a), (b)는 20%의 듀티 싸이클이 적용되어 도 5의 데이터와 비교하면 공급압력까지 또는 대기압까지 도달하는데 걸린 시간이 증가하였으며, 특히 도 6의 (b) 경우 대기압에 가까운 구간이 아닌 5bar의 공급압력 기준으로 2bar에 가까운 구간부터 응답특성이 느려지는 특성을 가진다. 따라서 Apply 모드는 듀티(Duty)의 감소에 따라 단순히 느려지는 결과를 가진다. 그러나 Dump 모드의 경우 듀티(Duty)의 감소에 따라 단순히 느려지는 것만이 아닌 특정압력 구간에서 느려지는 특성을 가진다. 따라서 본 발명에서 분석한 응답특성은 압력제어 알고리즘 구성에서 Apply 모드와 Dump 모드의 개별적 제어의 필요성이 요구된다.

도 7은 상용트럭의 바퀴 하나를 기준 모델로 설계된 압력센서 기반의 일반적인 압력제어 알고리즘이다. 도 7은 뱅뱅 컨트롤(Bang-bang control)을 활용한 압력 피드백 제어 알고리즘으로 지령압력과 압력센서로 피드백된 값의 차이를 PID 제어기를 통해 제어입력값을 출력하고, 뱅뱅 컨트롤러의 설정된 한계 값들의 범위에 따라 Apply 모드 또는 Dump 모드로 밸브가 동작하고 제어 입력값이 범위 내에 존재할 경우 Hold 모드로 동작한다.

그러나 도 7은 공압의 응답성을 고려하지 않은 압력제어 알고리즘이다. 공압 응답성은 공급과 배기 그리고 압력 구간마다 다른 응답성을 갖는다. 따라서 도 7의 응답성을 고려하지 않은 압력제어 알고리즘은 불필요한 밸브동작을 만들 확률이 높으며 동시에 많은 양의 공기를 사용하기 때문에 더 큰 리저버 탱크를 필요로 하게 된다.

본 발명에서는 도 5, 도 6에 의한 공압 응답성에 대한 결과를 바탕으로 압력의 공급과 배기에 대한 모델특성이 실험을 통해 확인되었으며, 본 발명자들은 제어 알고리즘의 설계에 각 모델의 응답특성에 따라 개별적으로 제어기를 설계했다.

본 발명에서는 공압 응답성에 따른 개별압력제어 적용을 위한 방법으로 도 8의 신호 지령(Signal Decision)과 같이 지령에 대한 기울기에 따라 상승(Increase), 유지(Maintain), 하강(Decrease)로 조건을 분류했다. 제시된 세 가지 조건은 아래 식(4)와 같이 압력 지령의 기울기가

이상 일 때 증가 모드에 대한 신호를 출력하고,

이하일 때 감소 모드에 대한 신호를 출력하며,

과

사이의 값일 때에는 유지 모드에 대한 신호를 출력한다.

와

의 선정은 유지 모드를 기준으로 도 6의 압력조절밸브(Pressure modulator valve)의 작동조건 최소 Duty 20%로 동작할 때 Apply, Dump 동작한 샘플에 대해 증감되는 압력의 변동폭을 고려하여 선정된다.

-------------------------------------- 식(4)

따라서 압력의 공급과 배기에 따라 다른 모델 특성을 반영함과 동시에 압력의 유지 상태에서 제어기에 의한 오실레이션 현상이 방지된다. 세 가지 조건에 대해 출력된 신호는 조건에 따라 개별적으로 설계된 제어기의 출력 유무를 판단한다.

도 8에 제시된 압력 제어 알고리즘은 제어모드 구분에 따라 출력된 신호를 바탕으로 개별적으로 설계된 제어기에 따라

등 세 가지 제어입력으로 밸브동작조건을 결정하는 뱅뱅 컨트롤러(Bang-bang control)에 전달된다. 제어 입력이

일 경우

이상의 기울기 값을 가지는 상태로 Apply모드로 밸브가 작동 시 설정된 한계값

값을 초과하게 되면 Hold 모드로 공급이 중단되고, 다시 Apply 모드가 작동되는 패턴이고 제어입력이

일 경우 반대로 Dump 모드 작동 시 설정된 한계값

를 초과하면 Hold 모드가 작동되는 패턴이다. 기울기가 완만한 구간에서

으로 제어입력이 전달되는 경우 Apply, Hold, Dump 모드로 동작되는데 이는 On/Off 방식으로 동작하는 밸브의 특성상 도 6과 같이 압력의 급격한 변화에 제어기의 작동은 오실레이션 현상을 발생하기 때문에 최적의 정상상태를 유지하기 위해 한계값

,

에 대해 Apply, Hold, Dump모드로 설계되었다.

추가적으로 도 6의 (b)의 배기 응답특성을 참고하면 도 6 (a)의 공급 응답특성에 비해 빠른 압력 변화와 압력 구간에 따라 변화되는 특성으로 도 8에 설계된 Dump 모드는 가변적 듀티 모드가 아래 식(5)와 같이 설정되어 있다.

---------------------------------------- 식(5)

식(5)의 듀티 설정은 공급압에 가까운

이상의 구간은 급격히 감소하는 압력에 대해서 듀티 감소를 통해 배기량을 줄이고, 대기압에 가까워지는

이하의 구간은 압력의 감소 폭이 작기 때문에 듀티를 증가시켜 밸브의 동작시간을 조절했다.

와

사이의 구간은 개별적으로 듀티 설정이 적용되지 않았으며 피드백 제어 주기 10msec에 의해 연속적으로 변경된다.

본 발명의 압력 제어 실험은 압력제어 로직 설계 및 실시간 제어를 통한 데이터 확인을 위해 매트랩(Matlab, Simulink)를 사용했으며, DAQ(Quanser qpid-e type)을 통해 아날로그 형태의 신호 입력을 솔레노이드 밸브 PWM 드라이버에서 PWM 형태의 신호로 전환하여 솔레노이드 밸브로 전달한다.

도 3은 에어컴프레서에서 공급라인이 바로 연결된 WABCO社의 Pressure modulator valve(472 195 018 0)는 에어 컴프레서로부터 공급받은 압력을 밸브의 On/Off제어를 통해 챔버로 전달되고 간극조정기(Slack adjuster)를 통한 운동방향 변경으로 압력을 S캠에서 제동력으로 전달한다. 본 실험장비는 도 2의 브레이크 라이닝과 브레이크 슈를 제외한 S캠 까지 구성되었다. 제어 실험은 상용트럭의 상위 제어기인 ECU를 기준으로 10 msec의 제어주기로 설정되었다.

도 10은 도 7에 제시된 지령에 대한 조건의 구분없이 기존의 뱅뱅 컨트롤을 적용한 결과이며, 도 11은 도 8에 제시된 지령에 대한 조건을 구분하여 개별 제어를 적용한 압력 제어 결과다. 도 10과 도 11의 (a)는 ABS 상황의 불규칙적인 압력의 패턴을 모사한 압력 지령으로 정상상태 오차는 지령의 하강(Decrease) 상태 또는 상승(Increase) 상태에서 유지(Maintain) 상태로 진입 시 유지 상태에 해당하는 제어기 및 밸브동작조건으로 오차가 감소되었다. 도 10과 도 11의 (b)는 공급압에서 대기압까지 구간에 대한 과도상태를 검증하기 위한 실험결과로, 도 10과 도 11의 (a) 데이터를 비교하였을 때 전체적인 지령에 대한 추정성능과 떨림(oscillation) 현상의 감소는 공압 응답성에 대한 데이터를 기반으로 에어 챔버(AIR CHAMBER) 내 압력의 Apply 상태와 Dump 상태에서의 다른 모델특성을 고려하여 개별적으로 제어한 결과이며 압력 구간에 따른 가변적 Duty를 적용한 결과로 제어 주기에 따른 압력의 변동 폭이 상대적으로 큰 Dump 모드에서의 추정 성능이 개선되었다.

도 10과 도 11의 데이터는 본 발명에서 제시된 압력 제어 알고리즘의 기울기 조건(Gradient condition)에 설정된 값에 따라 세 가지의 조건으로 각각 다른 제어입력으로 뱅뱅 컨트롤(Bang-bang control)에 의한 밸브 동작제어가 적용된 결과로 On/Off제어를 적용해야하는 액추에이터의 특성상 적용된 한계점 만큼의 오차를 가진다.

도 12는 본 발명 일 예로 도시한 도 8의 알고리즘 흐름도로, ABS 동작에 따른 지령압력 수신시(S1) 압력센서는 현 압력을 감지하여(S2) 지령압력의 기울기와 상승 또는 감소 압력의 기울기를 비교한다(S3). 지령압력의 기울기가 상승압력의 기울기보다 클 경우, 제어기는 압력 상승모드로 전환되어(S4) 지령압력과 실제 압력과의 차로 에러값을 연산한다(S5). 이 때 계산된 에러값을 상승모드 에러라 정의하며(S6) 상승모드의 에러가 에러 상한치에 초과할 경우, 공압조절밸브는 APPLY 동작을 하며(S7), 상승모드 에러가 에러 상한치의 이하일 경우에는 공압조절밸브는 HOLD 동작을 한다(S15).

또한 지령압력의 기울기가 압력감소 기울기보다 크고 상승압력의 기울기보다 작을 경우(S10), 제어기는 압력 유지 모드로 전환되어(S11) 에러값을 연산한다(S12). 이 때 계산된 에러값을 유지모드 에러라 정의하며 유지모드의 에러가 에러 상한치에 초과할 경우(S13), 공압조절밸브는 APPLY 동작을 하며(S7), 유지모드 에러가 에러 하한치의 미만일 경우에는 공압조절밸브는 DUMP 동작을 한다(S20). 유지모드 에러가 에러 상한치의 이상(S13) 및 에러 하한치 이하일 경우(S14) 공압조절밸브는 HOLD 동작을 한다(S15).

또한 지령압력의 기울기가 압력감소 기울기보다 작을 경우(S1), 제어기는 압력 하강모드로 전환되어(S17) 에러값을 연산한다(S18). 이 때 계산된 에러값을 하강모드 에러라 정의하며 하강모드의 에러가 에러 하한치 미만일 경우(S19) 공압조절밸브는 DUMP 동작을 하고(S20), 하강모드 에러가 에러 상한치 이상일 경우에 공압조절밸브는 HOLD 동작을 한다(S8).

또한 결정된 APPLY, HOLD, DUMP 동작에 따라 압력조절밸브(PCV)는 온/오프 동작을 반복하여 압력을 제어하게 되며, 압력 지령이 중지될 때까지 위 제어를 반복하며, 압력 지령이 중지될 시(S9) 동작이 종료된다.

이상과 같이 설명한 본 발명은 본 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하며, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명한 것이다.

Claims

상용차량의 ESC 시스템의 기능이 활성화되어 운전자의 핸들링 각도와 차량의 속도에 대해 가장 이상적인 요 각속도를 계산하여 ABS 압력조절밸브를 제어하도록 하되,
상기 요 각속도는,

(
는 목표로 하는 요 각속도(yaw rate),
는 차량의 운동방향 속도,
는 운전자의 핸들링에 따른 차량 조향각,
는 휠베이스,
는 상용차량의 무게,
,
은 차량 무게중심으로부터의 앞뒤까지의 거리,
,
은 앞바퀴와 뒷바퀴의 코너링 강성) 에 의해 계산되도록 함을 특징으로 하는 상용차용 차량 안정성 제어시스템 적용을 위한 압력조절밸브 제어 알고리즘.
청구항 1에 있어서;
상용차량의 횡가속도(
)와 차량 속도(
)에 따라 다음식,

으로 압력조절밸브의 압력제어가 수정 제어되도록 함을 특징으로 하는 상용차용 차량 안정성 제어시스템 적용을 위한 압력조절밸브 제어 알고리즘.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서;
압력제어는 압력 지령의 기울기가
이상 일 때 증가 모드에 대한 신호를 출력하고,
이하일 때 감소 모드에 대한 신호를 출력하고,
과
사이의 값일 때에는 유지 모드에 대한 신호를 출력하도록 함을 특징으로 하는 상용차용 차량 안정성 제어시스템 적용을 위한 압력조절밸브 제어 알고리즘.
청구항 3에 있어서;

와
의 선정은 유지 모드를 기준으로 압력조절밸브의 작동 듀티는 20%임을 특징으로 하는 상용차용 차량 안정성 제어시스템 적용을 위한 압력조절밸브 제어 알고리즘.
청구항 3에 있어서;

와
의 선정은 유지 모드를 기준으로 압력조절밸브의 듀티 20%로 동작할 때 Apply 모드, Dump 모드로 동작한 샘플에 대해 증감되는 압력의 변동폭은 아래식,

과 같음을 특징으로 하는 상용차용 차량 안정성 제어시스템 적용을 위한 압력조절밸브 제어 알고리즘.
청구항 5에 있어서;
Dump 모드는 가변적 듀티 모드가 아래식,

과 같음을 특징으로 하는 상용차용 차량 안정성 제어시스템 적용을 위한 압력조절밸브 제어 알고리즘.
ABS 동작에 따른 지령압력 수신시 압력센서는 현 압력을 감지하여 지령압력의 기울기와 상승 또는 감소 압력의 기울기를 비교하고, 지령압력의 기울기가 상승압력의 기울기보다 클 경우 제어기는 압력 상승모드로 전환되어 지령압력과 실제 압력과의 차로 에러값을 연산하고;
상승모드의 에러가 에러 상한치에 초과할 경우 공압조절밸브는 APPLY 동작을 하고, 상승모드 에러가 에러 상한치의 이하일 경우에는 공압조절밸브는 HOLD 동작을 하고, 지령압력의 기울기가 압력감소 기울기보다 크고 상승압력의 기울기보다 작을 경우 제어기는 압력 유지 모드로 전환되어 에러값을 연산하고;
유지모드의 에러가 에러 상한치에 초과할 경우 공압조절밸브는 APPLY 동작을 하고, 유지모드 에러가 에러 하한치의 미만일 경우 공압조절밸브는 DUMP 동작을 하고, 유지모드 에러가 에러 상한치의 이상 및 에러 하한치 이하일 경우 공압조절밸브는 HOLD 동작을 하고, 지령압력의 기울기가 압력감소 기울기보다 작을 경우 제어기는 압력 하강모드로 전환되어 에러값을 연산하고;
하강모드의 에러가 에러 하한치 미만일 경우 공압조절밸브는 DUMP 동작을 하고 하강모드 에러가 에러 상한치 이상일 경우에 공압조절밸브는 HOLD 동작을 하고, 결정된 APPLY, HOLD, DUMP 동작에 따라 압력조절밸브는 온/오프 동작을 반복하여 압력을 제어하되, 압력 지령이 중지될 때까지 위 제어를 반복하며, 압력 지령이 중지되면 동작이 종료되도록 함을 특징으로 하는 상용차용 차량 안정성 제어시스템 적용을 위한 압력조절밸브 제어 알고리즘.