KR102010743B1 - 전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법 - Google Patents

전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자 브레이크 시스템의 제동 이전에 브레이크 디스크와 패드의 일정 간극 유지를 위한 초기화 과정에서 하중 센서의 고장이 발생하더라도, 클램핑력 추정을 통해 초기화 과정이 정상적으로 이루어질 수 있도록 하는 전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법을 제공한다.
이를 위해 본 발명은 전자 브레이크 시스템의 초기 전원 인가시에 ECU가 설정 rpm으로 모터를 정방향 회전시키는 단계, 상기 모터의 설정 rpm에 따른 정방향 회전시, 설정 클램핑력이 발생하지 않으면 상기 모터를 역방향으로 회전시켜 초기 위치로 이동시키는 단계, 상기 ECU가 설정 rpm으로 모터를 정방향 회전시키고, 클램핑력 추정부와 모터 전류 모니터링부가 모터 전류 센서로부터의 모터 전류 감지 신호와 모터 위치 센서로부터의 모터 회전 누적 기계각에 따른 모터 위치 감지 신호에 근거하여, 각각 클램핑력의 추정 및 클램핑력의 발생 위치 정보를 발생하는 단계 및, 초기 위치 판정부가 상기 클램핑력 추정부로부터의 클램핑력의 추정값과, 상기 모터 전류 모니터링부로부터의 클램핑력의 발생 위치 정보를 근거로 브레이크 패드와 디스크의 초기 위치를 판정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법{Method for Discriminating Initial Position of Brake by Wire System}
본 발명은 전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자 브레이크 시스템의 브레이크의 마모 보정을 위해 이용되는 하중 센서의 고장시에도, 마모 보정을 위한 초기 위치로의 이동이 가능하도록 하는 전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전동식 전자 브레이크 시스템(Brake-By-Wire System)은 운전자의 수동 조작 장치와 제동륜 사이의 기계적 연결 없이도, 각 차륜에 위치한 전동 캘리퍼가 전동식 브레이크 전자 제어 장치(ECU)로부터 신호를 입력받아 각 차륜에 위치한 디스크를 잡아 줌으로서 차량의 제동을 이루도록 되어 있다.
통상, 전동식 브레이크는 고장진단 및 마모보정을 위해 브레이크 디스크와 패드사이에 일정한 거리(Ari Gap)를 유지하기 위한 초기화 과정이 필요하다. 일반적으로 초기화 과정은 모터의 이동거리를 측정하는 센서와, 클램핑력을 측정하는 센서(즉, 하중(Force) 센서, 토크(Torque) 센서 등)로부터 얻어지는 값을 이용하여 초기 위치를 연산한다.
전동식 브레이크의 초기화 과정은, 전자 브레이크 시스템에 전원이 인가되면 우선 파킹 기구부의 해제를 수행하고, 정방향으로 피스톤을 이동시키게 되는데, 피스톤의 이동은 브레이크 디스크와 패드가 접촉할 때까지 이루어진다.
이 때, 전자 브레이크 시스템에 구비된 BLDC 모터의 위치센서와 클램핑력을 측정하는 센서에서 측정된 값을 이용하여 브레이크 패드가 이동해야 할 초기 위치를 연산하고 일정한 거리를 유지하기 위해 이동하게 된다.
관련 기술로는 국내공개특허 제2011-0099405호(전자 제어식 브레이크의 오류 검출 장치)(2011.09.08)가 있다.
이러한 전동식 전자 브레이크 시스템에서는 초기화 과정에 모터의 위치센서와 더불어 클램핑력을 측정하기 위한 하중 센서가 반드시 필요하게 되는데, 하중 센서의 스트레스로 인한 고장이나 오동작 등의 문제가 발생하는 경우에는 초기화 과정의 진행이 불가능하게 된다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위해 이루어진 것으로서, 전자 브레이크 시스템의 제동 이전에 브레이크 디스크와 패드의 일정 간극 유지를 위한 초기화 과정에서 하중 센서의 고장이 발생하더라도, 클램핑력 추정을 통해 초기화 과정이 정상적으로 이루어질 수 있도록 하는 전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일측면에 따른 전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법은, 전자 브레이크 시스템의 초기 전원 인가시에 ECU가 설정 rpm으로 모터를 정방향 회전시키는 제1단계, 상기 모터의 설정 rpm에 따른 정방향 회전시, 설정 클램핑력이 발생하지 않으면 상기 모터를 역방향으로 회전시켜 초기 위치로 이동시키는 제2단계, 상기 ECU가 설정 rpm으로 모터를 정방향 회전시키고, 클램핑력 추정부와 모터 전류 모니터링부가 모터 전류 센서로부터의 모터 전류 감지 신호와 모터 위치 센서로부터의 모터 회전 누적 기계각에 따른 모터 위치 감지 신호에 근거하여, 각각 클램핑력의 추정 및 클램핑력의 발생 위치 정보를 발생하는 제3단계 및, 초기 위치 판정부가 상기 클램핑력 추정부로부터의 클램핑력의 추정값과, 상기 모터 전류 모니터링부로부터의 클램핑력의 발생 위치 정보를 근거로 브레이크 패드와 디스크의 초기 위치를 판정하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1단계에서, 상기 모터 전류 센서와 상기 모터 위치 센서의 오프셋을 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3단계는, 상기 클램핑력 추정부가 모터의 토크 상수와, 관성 모멘트, 댐핑 계수, 기어 효율, 기어비, 볼 스크류 리드값이 미리 설정된 상태에서, 모터 토크와, 부하 토크, 마찰 토크를 각각 구하는 단계 및, 상기 클램핑력 추정부가 상기 모터 토크, 부하 토크, 마찰 토크의 계산값을 통하여 클램핑력을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제4단계에서, 상기 초기 위치 판정부는 상기 클램핑력 추정부의 설정 횟수에 따른 클램핑력 추정값과, 상기 모터 전류 모니터링부의 설정 횟수에 따른 클램핑력 발생 위치 정보에 대한 평균을 구하여 초기 위치를 선정하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따르면, 전자 브레이크 시스템에 있어서 초기화 과정을 수행할때 모터의 클램핑력을 측정하는 하중 센서에 고장이 발생하더라도, 클램핑력의 추정 기법을 이용하여 정상적인 초기화 과정이 진행될 수 있도록 함에 따라, 클램핑력을 측정하는 하중 센서의 문제가 발생시에 별도의 추가적인 기계적, 전자적인 보조 센서 장치를 장착하지 않고서도 페일-세이프(Fail-Safe) 기능을 얼마든지 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법이 적용되는 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법에서 클램핑력을 추정하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법에서 부하에 따른 모터 전류의 변화 상태에 따라 클램핑력이 발생하는 시점을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법에 대한 동작을 설명하는 플로우차트이다.
이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 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 일실시예에 따른 전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법이 적용되는 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법이 적용되는 장치는, 모터 전류 센서(10), 모터 위치 센서(20), 클램핑력 추정부(30), 모터 전류 모니터링부(40), 초기 위치 판정부(50)를 포함한다.
상기 모터 전류 센서(10)는 전자 브레이크 시스템에 구비된 BLDC 모터의 q축에 인가되는 전류를 감지하여 모터 전류 감지 신호를 발생한다.
상기 모터 위치 센서(20)는 상기 BLDC 모터의 구동 위치를 감지하여 모터의 회전 누적 기계각에 따른 모터 위치 감지 신호를 발생한다.
상기 클램핑력 추정부(30)는 상기 모터 전류 센서(10)로부터의 모터 전류 감지 신호와, 상기 모터 위치 센서(20)로부터의 모터 위치 감지 신호를 각각 입력받아 연산 처리를 수행함에 의해, 부하 토크를 계산하여 브레이크 패드와 디스크 사이의 간극 검지를 위한 클램핑력을 추정하는 기능을 수행한다.
상기 모터 전류 모니터링부(40)는 상기 모터 전류 센서(10)로부터의 모터 전류 감지 신호와, 상기 모터 위치 센서(20)로부터의 모터 위치 감지 신호를 각각 입력받아 모니터링을 수행함에 의해, 상기 BLDC 모터의 q축에 걸리는 부하에 의한 전류의 변화에 따라 클램핑력의 발생 시점을 검지한다.
상기 초기 위치 판정부(50)는 상기 클램핑력 추정부(30)로부터의 클램핑력 추정치와, 상기 모터 전류 모니터링부(40)로부터의 모터 전류 모니터링 정보를 통해서 최종적으로 초기화 과정을 위한 초기 위치를 판정하는 기능을 수행한다.
한편, 본 발명에 따라 클램핑력을 추정하여 초기 위치를 찾아야 하는 이유는 하기한 바와 같다.
즉, 전자 브레이크 시스템의 BLDC 모터에서 발생되는 토크는, 감속기를 거쳐서 스크류에 전달되며, 스크류는 직진운동을 하여 차량의 브레이크 디스크와 접촉함에 의해 제동을 수행한다. 이 때, 유성기어와 스크류 사이에 설치된 로드셀(Load Cell) 타입의 하중센서에서는 클램핑력을 센싱하여 하중제어를 수행하는데 활용될 수 있도록 하는데, 전자 브레이크의 제어를 위해서는 하중센서가 중요한 요소로 적용된다.
이러한 하중센서는 하중제어 뿐만 아니라 브레이크 디스크와 패스 사이의 일정한 간극을 유지하기 위해서 반드시 필요하지만, 센서 단락이나 단선에 의해 고장이 발생한 경우, 제동 이전에 브레이크 디스크와 패드 사이의 간극을 찾지 못하여 제동조차 시도할 수 없는 상황이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 하중센서가 고장나더라도 모터 위치에 따른 클램핑력을 추정하여 초기 위치를 정상적으로 찾는데 활용할 수 있다.
상기 클램핑력 추정부(30)는 클램핑력 추정을 위해 우선적으로 모터의 각 가속도를 하기한 수학식 1과 같이 정의한다.
Figure 112012101101045-pat00001
여기서, 상기 "Tm"은 모터 토크이고, 상기 "TL"는 부하 토크이며, 상기 "TF"는 마찰 토크에 해당된다.
한편, 상기 수학식 1을 참조하여 클램핑력을 추정하기 위해서는, 부하 토크(TL)의 추정이 가장 중요하게 되는데, 상기 수학식 1에서의 각 토크값은 하기한 수학식 2와 같이 전개할 수 있다.
Figure 112012101101045-pat00002
여기서, 상기 "Im"는 모터의 q축 전류이고, 상기 "Km"는 모터의 토크 상수이며, 상기 "Jtot"는 액츄에이터의 관성 모멘트이고, 상기 "θm"는 모터의 회전 누적 기계각이며, 상기 "Fcl"는 클램핑력이고, 상기 "Dm"는 모터의 댐핑 계수이며, 상기 "GearEfficiency"는 기어 효율이고, 상기 "GearRatio"는 기어비이며, 상기 "ScrewLead"는 볼 스크류의 리드 값에 해당된다.
상기 클램핑력 추정부(30)는 상기 수학식 2에 따라 모터 토크와, 부하 토크, 마탈 토크를 각각 계산할 수 있으며, 상기 부하 토크의 계산식에 포함된 클램핑력(Fcl)을 전개하여 하기한 수학식 3을 도출하게 된다.
Figure 112012101101045-pat00003
한편, 상기 수학식 3에서 모터의 토크 상수(Km)와, 액츄에이터의 관성 모멘트(Jtot), 기어효율(GearEfficiency), 기어비(GearRatio), 볼 스크류의 리드값(ScrewLead)은, 각각 미리 설정되어 있는 값들을 적용하는 것으로 하고, 상기 모터의 q축 전류(Im)와, 모터의 회전 누적 기계각(θm)은 각각 상기 모터 전류 센서(10)와, 모터 위치 센서(20)를 통해서 얻을 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법에서 클램핑력을 추정하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 클램핑력 추정부(30)는 상기 수학식 3의 계산에 따라 얻어지는 값을 통해서 모터가 정회전 또는 역회전하는 상태에서의 클램핑 추정값을 도출함으로써, 클램핑력을 추정할 수 있다.
또한, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법에서 부하에 따른 모터 전류의 변화 상태에 따라 클램핑력이 발생하는 시점을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 모터 전류 모니터링부(40)는 상기 모터 전류 센서(10)로부터의 모터 전류 감지 신호와, 상기 모터 위치 센서(20)로부터의 모터 위치 감지 신호를 통해서, 모터 부하가 발생한 경우의 모터 q축 전류 변화 및 모터 위치를 감안한 클램핑력의 발생 시점을 모니터링할 수 있게 된다.
이어, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법에 대한 동작을 도 4의 플로우차트를 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법에 대한 동작을 설명하는 플로우차트이다.
먼저, 전자 브레이크 시스템이 턴온(Turn-On)되어 전원이 인가되면(S10), 전자 제어 유니트(ECU)는 제동을 위한 BLDC 모터의 모터 전류 센서(10)와, 모터 위치 센서(20)에 대해 각각 오프셋(Offset)을 보정하는 동작을 수행한다(S11).
그 상태에서, 상기 전자 제어 유니트(ECU)는 초기화 과정을 위한 초기 위치 판별을 위해, 상기 BLDC 모터를 예컨대 500 rpm과 같은 특정 속도로 정방향 회전시키게 되는데(S12), 상기 BLDC 모터의 정방향 회전에 따라 피스톤이 예컨대 5㎜와 같은 일정 거리만큼 전진 이동하는 동안에, 클램핑력이 예컨대 1,000N과 같은 설정 클램핑력만큼 발생하는지를 판단하게 된다(S13).
상기 판단 결과, 상기 전자 제어 유니트(ECU)는 상기 클램핑력이 1,000N 만큼 발생하였다고 판단되면, 브레이크 패드와 디스크의 접촉 위치를 연산한 다음에(S14), 상기 BLDC 모터를 역방향으로 회전 구동시켜서 초기 위치로 이동시키고(S15), 제동 대기 모드로 전환하게 된다(S16).
한편, 상기 S13 단계의 판단 결과, 상기 클램핑력이 1,000N만큼 발생하지 않았다고 판단되면, 상기 BLDC 모터를 역방향으로 회전시켜서 초기 위치로 이동한 다음에(S17), 클램핑력의 추정을 위해 상기 모터를 500 rpm으로 정방향으로 회전시키게 된다(S18).
즉, 상기 모터 전류 센서(10)에서 상기 BLDC 모터의 회전 구동을 위해 인가되는 q축의 전류를 감지하고, 상기 모터 위치 센서(20)에서 상기 BLDC 모터의 회전 구동에 따른 회전 누적 기계각을 감지하게 되면, 상기 클램핑력 추정부(30)는 상기 모터 전류 센서(10)로부터의 모터 전류 감지 신호와, 상기 모터 위치 센서(20)로부터의 회전 누적 기계각에 따른 모터 위치 감지 신호를 근거로 상기 수학식 2와 같이 모터 토크, 부하 토크, 마찰 토크를 구한다.
그 상태에서, 상기 클램핑력 추정부(30)는 상기 모터 토크, 부하 토크, 마찰 토크와, 모터 q축의 전류, 모터의 회전 누적 기계각을 알고 있는 상태에서, 상기 수학식 3과 같이 계산을 수행하여 클램핑력의 추정값을 구하게 된다.
또한, 모터 전류 모니터링부(40)에서도 상기 모터 전류 센서(10)로부터의 모터 전류 감지 신호와, 상기 모터 위치 센서(20)로부터의 회전 누적 기계각에 따른 모터 위치 감지 신호를 근거로, 도 3에 도시된 바와 같이 급격하게 전류값이 상승하는 구간에서의 클램핑력 발생 시점을 추정하게 된다.
초기 위치 판정부(50)는 상기 클램핑력 추정부(30)로부터 발생되는 클램핑력의 추정값과, 상기 모터 전류 모니터링부(40)로부터의 클램핑력 발생 시점의 추정치를 예컨대 5회와 같은 설정 횟수로 반복적으로 입력받고, 설정 횟수로 입력받은 추정값의 평균을 취하여 초기 위치를 선정하게 되는데, 이 때 상기 초기 위치 판정부(50)는 클램핑력의 추정을 위한 연산 횟수가 설정 횟수에 도달하는지를 판단한다(S20).
상기 판단 결과, 상기 클램핑력의 추정을 위한 연산 횟수가 설정 횟수에 도달하지 않았다고 판단되면, 상기 S17 내지 S19의 단계를 반복적으로 수행하고, 상기 연산 횟수가 설정 횟수에 도달하였다고 판단되면, 상기 추정값의 평균을 취하여 초기 위치를 선정한 후에(S21), 상기 S16의 단계로 진행하여 제동 대기 모드로 전환한다.
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:모터 전류 센서 20:모터 위치 센서
30:클램핑력 추정부 40:모터 전류 모니터링부
50:초기 위치 판정부

Claims (4)

  1. 전자 브레이크 시스템의 초기 전원 인가시에 ECU가 설정 rpm으로 모터를 정방향 회전시키는 제1단계;
    상기 모터의 설정 rpm에 따른 정방향 회전시, 설정 클램핑력이 발생하지 않으면 상기 모터를 역방향으로 회전시켜 초기 위치로 이동시키는 제2단계;
    상기 ECU가 설정 rpm으로 모터를 정방향 회전시키고, 클램핑력 추정부와 모터 전류 모니터링부가 모터 전류 센서로부터의 모터 전류 감지 신호와 모터 위치 센서로부터의 모터 회전 누적 기계각에 따른 모터 위치 감지 신호에 근거하여, 각각 클램핑력의 추정 및 클램핑력의 발생 위치 정보를 발생하는 제3단계; 및
    초기 위치 판정부가 상기 클램핑력 추정부로부터의 클램핑력의 추정값과, 상기 모터 전류 모니터링부로부터의 클램핑력의 발생 위치 정보를 근거로 브레이크 패드와 디스크의 초기 위치를 판정하는 제4단계를 포함하되,
    상기 제3단계는, 상기 클램핑력 추정부가 모터의 토크 상수와, 관성 모멘트, 댐핑 계수, 기어 효율, 기어비, 볼 스크류 리드값이 미리 설정된 상태에서, 모터 토크와, 부하 토크, 마찰 토크를 각각 구하는 단계 및,
    상기 클램핑력 추정부가 상기 모터 토크, 부하 토크, 마찰 토크의 계산값을 통하여 클램핑력을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1단계에서, 상기 모터 전류 센서와 상기 모터 위치 센서의 오프셋(Offset)을 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제4단계에서, 상기 초기 위치 판정부는 상기 클램핑력 추정부의 설정 횟수에 따른 클램핑력 추정값과, 상기 모터 전류 모니터링부의 설정 횟수에 따른 클램핑력 발생 위치 정보에 대한 평균을 구하여 초기 위치를 선정하는 것을 특징으로 하는 전자 브레이크 시스템의 초기 위치 판별 방법.

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