KR102019516B1 - 전동식 조향장치의 조향휠 복원 시스템 및 방법 - Google Patents

전동식 조향장치의 조향휠 복원 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량의 전동식 조향장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 선회 주행이 이루어지는 상황에서 선회 완료를 확인하여 조향휠의 회전각도를 자동으로 센터위치까지 복원시킬 수 있는 전동식 조향장치의 조향휠 복원 시스템 및 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 조향각을 검출하는 조향각센서; 조향휠 토크를 검출하는 토크센서; 도로의 차선 정보를 검출하는 차선정보 검출부; 차량 주행 동안 상기 검출되는 조향각 및 조향휠 토크 정보로부터 조향휠 조작에 의한 차량의 선회 주행이 시작됨을 판단하고, 선회 주행 시작 후 상기 검출되는 차선 정보로부터 차량의 선회 주행이 완료됨을 판단하여 조향휠을 센터위치로 복원 회전시키기 위한 제어신호를 출력하는 제어기; 및 상기 제어기의 제어신호에 따라 조향휠을 센터위치로 복원 회전시키도록 구동 제어되는 조향모터를 포함하는 전동식 조향장치의 조향휠 복원 시스템, 및 이를 이용한 조향휠 복원 방법을 제공한다.

Description

전동식 조향장치의 조향휠 복원 시스템 및 방법{STEERING WHEEL RETURN SYSTEM AND METHOD FOR MOTOR DRIVEN POWER STEERING APPARATUS}
본 발명은 차량의 전동식 조향장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선회 완료시 조향휠의 회전각도를 센터위치까지 자동으로 복원시키는 전동식 조향장치의 조향휠 복원 시스템 및 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 자동차의 조향시에 운전자의 조타력을 저감시키기 위한 동력 보조 조향장치로는, 유압펌프에서 유압을 형성하여 조타력을 보조(assist)하는 유압식 조향장치(Hydraulic Power Steering), 전동모터의 구동토크(회전력)를 이용하여 조타력을 보조하는 전동식 조향장치(Motor Driven Power Steering, 이하 'MDPS'라 함)가 사용되고 있다.
이 중에서 MDPS는 전동모터가 차량의 주행조건에 따라 자동으로 제어되어 운전자 조향휠 조작에 따른 조타력 보조 기능을 수행하므로 유압식 조향장치에 비해 더욱 향상된 조타성능과 조타감을 제공한다.
따라서, 최근 출시되는 차량에는 주행조건에 따라 조타력을 변화시킬 수 있는 MDPS가 널리 사용되고 있다.
상기 MDPS는 차속에 따라 조향휠의 조작력을 줄여주어 가볍고 신속한 조향 조작이 가능하도록 하는바, 이를 위한 기본 구성으로 조향각센서, 토크센서, 차속센서, 휠속센서, 엔진회전수센서, 요 레이트 센서 등의 센서류와 제어기(ECU), 전동모터를 포함하고, 제어기가 전동모터의 구동을 제어함에 있어서 상기한 센서들로부터 조향정보(조향각, 조향휠 토크 등)와 차량의 주행정보(차속, 휠속, 엔진회전수, 요 레이트 정보 등)를 수신한다.
이때, 제어기는 조향정보와 주행정보에 기초하여 결정된 토크 값에 해당하는 만큼의 전류치를 튜닝된 대로 연산하여 전동모터에 공급하고, 이에 전동모터의 회전 및 회전 감속을 통해 운전자 조타력을 보조하기 위한 힘을 발생시킨다.
또한 MDPS의 기구적 구성을 살펴보면, 조향휠이 결합된 조향축(steering shaft)에 일체로 결합되어 있는 웜휠(worm wheel)과, 상기 웜휠에 치합되어 결합된 웜축(worm shaft)과, 상기 웜축의 일단에 연결된 상태로 제어기(이하, 'MDPS 제어기'라 칭함)의 제어에 의해 구동하여 웜축으로 동력을 전달하는 구동모터(이하, '조향모터'라 칭함)를 포함하고, 상기 조향모터 및 이에 연결된 웜축이 조향축의 웜휠(worm wheel)을 회전시켜 조타력을 보조하게 된다.
이러한 구성은 조향모터가 조향축에 결합된 컬럼 구동방식의 구성(C-MDPS)이며, 이 외에 조향모터가 랙 기어에 결합된 랙 구동방식의 구성(R-MDPS)도 널리 적용되고 있다.
한편, 통상 차량의 조향장치에서는 운전자가 차량을 주행하는 동안 선회(코너링)시 조향휠을 조타하였다가 선회 완료시(선회 구간 통과 완료시)에 조향휠을 놓아주게 되면 조향휠이 일정 부분 센터위치를 향해 회전되는 복원 동작이 이루어진다.
이때, 조향휠의 복원량이 차속 등에 따라 다르기 때문에 운전자들 간 조향휠의 복원력에 대해 느끼는 부분이 상이하여 다수의 운전자가 불만을 가지고 있는 실정이다.
도 1은 종래기술의 문제점을 나타내는 도면으로, 선회 완료 후 조향휠이 센터위치를 향해 복원되는 상태를 보여주고 있으며, 종래의 조향장치(MDPS)에서는 코터링 구간 통과 후에도 조향휠이 센터위치까지 완전히 복원되지 않고 잔류각이 존재하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 선회 주행이 이루어지는 상황에서 선회 완료를 확인하여 조향휠의 회전각도를 자동으로 센터위치까지 복원(잔류각 제거)시킬 수 있는 전동식 조향장치의 조향휠 복원 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 조향각을 검출하는 조향각센서; 조향휠 토크를 검출하는 토크센서; 도로의 차선 정보를 검출하는 차선정보 검출부; 차량 주행 동안 상기 검출되는 조향각 및 조향휠 토크 정보로부터 조향휠 조작에 의한 차량의 선회 주행이 시작됨을 판단하고, 선회 주행 시작 후 상기 검출되는 차선 정보로부터 차량의 선회 주행이 완료됨을 판단하여 조향휠을 센터위치로 복원 회전시키기 위한 제어신호를 출력하는 제어기; 및 상기 제어기의 제어신호에 따라 조향휠을 센터위치로 복원 회전시키도록 구동 제어되는 조향모터를 포함하는 전동식 조향장치의 조향휠 복원 시스템을 제공한다.
그리고, 본 발명은 차량 주행 동안 센서에 의해 검출되는 조향각 및 조향휠 토크 정보로부터 조향휠 조작에 의한 차량의 선회 주행이 시작됨을 판단하는 단계; 선회 주행 시작 후 차선정보 검출부에 의해 검출되는 도로의 차선 정보로부터 차량의 선회 주행이 완료되는지를 판단하는 단계; 및 차량의 선회 주행이 완료되면 조향휠을 센터위치로 복원 회전시키도록 조향모터를 구동시키는 단계;를 포함하는 전동식 조향장치의 조향휠 복원 방법을 제공한다.
여기서, 상기 검출된 조향각과 조향휠 토크가 정해진 각각의 기준값 이상일 경우 운전자 선회 조타 입력에 의한 차량의 선회 주행이 시작된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 검출된 차선 정보로부터 차량 전방에 위치한 차선을 인식하고, 차량으로부터 전방 차선까지의 거리를 연산하여 상기 연산된 거리가 정해진 기준거리 이상이 될 경우 차량의 선회 주행이 완료된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 차선정보 검출부는 차량이 주행하는 도로를 촬영하는 카메라이고, 제어기가 상기 카메라에 의해 촬영된 영상으로부터 차선 정보를 취득하는 것을 특징으로 한다.
또한 조향휠의 센터위치 각도를 목표 조향각으로 하고 조향각센서의 조향각 신호를 피드백 신호로 하여 조향모터에 대한 PID 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
이로써 상기한 과제 해결 수단에 따르면, 선회 구간에 진입한 후 선회 완료를 확인하면 조향모터를 구동 제어하여 조향휠을 자동으로 센터위치까지 복원 회전시키도록 구성됨으로써 종래의 잔류각 문제를 해소할 수 있게 된다.
도 1은 종래기술의 문제점을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 조향휠 복원 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 조향휠 복원 과정을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명에서 조향휠 복원을 위한 조향각 피드백 제어를 수행하는 제어블록도이다.
도 5는 차량이 선회 주행을 하는 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에서 차량의 선회 주행 동안 차선 인식 거리의 변화를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 2은 실시예에 따른 조향휠 복원 시스템의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 3은 실시예에 따른 조향휠 복원 과정을 나타내는 순서도이며, 도 4는 조향휠 복원을 위한 피드백 제어를 수행하는 제어블록도이다.
실시예에 따른 조향휠 복원 시스템은, 조향각을 검출하는 조향각센서(11); 조향휠 토크를 검출하는 토크센서(12); 도로의 차선 정보를 검출하는 차선정보 검출부(14); 차량 주행 동안 상기 검출되는 조향각 및 조향휠 토크 정보로부터 조향휠 조작에 의한 차량의 선회 주행이 시작됨을 판단하고, 선회 주행 시작 후 상기 검출되는 차선 정보로부터 차량의 선회 주행이 완료됨을 판단하여 조향휠을 센터위치로 복원 회전시키기 위한 제어신호를 출력하는 제어기(20); 및 상기 제어기(20)의 제어신호에 따라 조향휠을 센터위치로 복원 회전시키도록 구동 제어되는 조향모터(30)를 포함한다.
공지의 전동식 조향장치(MDPS)는 조향각센서(11), 토크센서(12)(또는 토크 및 각 센서(TAS, Torque & Angle Sensor)) 등을 통해 검출되는 조향각, 조향휠 토크, 조향각속도 등의 조향정보와, 차속센서(미도시), 휠속센서(미도시), 엔진회전수센서(미도시), 요 레이트 센서(미도시) 등을 통해 검출되는 차속, 휠속, 엔진회전수, 요 레이트 정보 등의 차량 주행정보를 제어기(20)가 수신하고, 조향정보와 차량 주행정보에 따라 결정된 토크 값에 상응하는 전류 제어를 통하여 조향모터(30)의 구동을 제어함으로써 조타력을 보조하기 위한 힘(토크)을 발생시킨다.
이러한 MDPS 구성에서 조향휠 복원 시스템은 차량이 주행하는 도로의 차선(lane) 정보를 검출하는 차선정보 검출부(13)를 포함하여 구성되며, 여기서 차선 정보는 차량이 주행하고 있는 도로에서 중앙선을 포함하여 도로의 각 차로를 구분하고 있는 차선에 대한 정보이고, 특히 차량 전방의 차선 정보를 포함하는 것이다.
상기 차선정보 검출부(13)는 차량에 장착된 카메라가 될 수 있으며, 상기 차선 정보는 카메라에 의해 촬영되는 영상정보로부터 취득될 수 있다.
실시예에서 차선정보 검출부(13)는 차량에 구성되어 있는 차선유지 지원시스템(Lane Keeping Assist/Support System, LKAS)의 카메라가 될 수 있다.
즉, 실시예에서 제어기(20)는 카메라(13)에 의해 촬영된 영상정보를 전달받아 영상정보로부터 차선을 인식하며, 특히 자기 차량에서 전방에 위치한 차선까지의 직선 거리(이하, '차선 인식 거리'라 칭함)(도 5 참조)를 취득하게 된다.
또한 조향휠 복원 시스템에서 제어기(MDPS 제어기)(20)는 조향각센서(11)와 토크센서(12)(또는 토크 및 각 센서(TAS))를 통해 검출되는 조향각 및 조향휠 토크로부터 차량이 선회 주행함을 판단하고, 이후 차선정보 검출부(13)를 통해 취득된 차선 인식 거리로부터 선회 완료(선회 구간 통과 완료)를 확인하게 될 경우, 조향모터(30)의 구동을 제어하여 조향휠을 센터위치까지 복원 회전시킨다.
도 3을 참조하여 설명하면, 먼저 차량 주행 동안 제어기(20)가 센서 검출 정보로부터 운전자 선회 조타 입력을 감지하는 경우 차량의 선회 주행이 시작된 것으로 판단한다.
MDPS의 설계시 운전자가 통상적으로 자연스럽게 조향할 수 있는 기준 조향휠 토크값이 설정되어 있으며, 이러한 기준 조향휠 토크값 이상의 조향휠 토크가 입력됨과 동시에 일정값 이상의 조향각이 입력될 경우 조향휠을 통한 운전자의 선회 조타 입력이 이루어진 것으로 판단한다.
운전자가 선회 주행을 위해 일정 각도 및 토크 이상으로 조향휠을 회전시키면, 센서(11,12)를 통해 제어기(20)가 선회 조타 입력이 이루어짐을 판단하도록 하는 것이며, 이를 위해 선회 조타 입력을 판단하기 위한 기준값, 즉 기준각도와 기준토크가 제어기에 미리 설정된다.
이로써 제어기(20)는 조향각센서(11) 및 토크센서(12)에 의해 검출되는 조향각 및 조향휠 토크가 기준각도 및 기준토크 이상일 경우 운전자 선회 조타 입력이 이루어지고 차량의 선회 주행이 시작된 것으로 판단할 수 있게 된다.
상기와 같이 선회 조타 입력이 감지되면, 제어기(20)는 차선정보 검출부(13)로부터 수신되는 차선 정보를 통해 차선을 인식하며, 이어 차량과 전방에 위치해 있는 차선까지의 직선 거리(차선 인식 거리)(Lt)를 연산한다.
이때, 제어기(20)는 카메라에 의해 촬영된 영상으로부터 차선을 인식하여 차선 인식 거리를 연산하게 된다.
이어 차선 인식 거리(Lt)가 기준거리(α)보다 작은 값이면 차량이 현재 선회 구간을 지나고 있는 것으로 판단하고(차량 선회 중), 차선 인식 거리가 기준거리 이상이 되면 차량이 선회 구간을 통과하여 벗어난 선회 완료 상태로 판단한다.
여기서, 상기 기준거리는 선회 완료 판단을 위해 제어기에 미리 설정되는 기준값이다.
도 5는 차량이 선회 주행을 하는 상태를 나타내는 도면이며, 이에 나타낸 바와 같이 차선 인식 거리(Lt)는 차량 앞부분에서부터 그 전방에 위치한 차선까지의 직선 거리이다.
이러한 차선 인식 거리(Lt)는 선회 구간에 진입(운전자 선회 조타 입력으로부터 판단함)한 시점부터 선회 주행을 하는 동안 점점 커지게 되는데, 이는 도 6에 나타낸 바와 같다.
도 6을 참조하면, 운전자 선회 조타 입력으로부터 차량 선회 주행을 인식한 뒤 선회 주행 동안 차선 인식 거리(Lt)는 최초 측정 거리에서 점차 커지게 되고, 선회 구간 통과 후 직선 구간에 진입하면 차선 인식 거리는 무한대 값이 된다.
이 과정에서 차선 인식 거리(Lt)가 미리 설정된 기준거리(α) 이상이 되면 차량의 선회 완료가 이루어진 것으로 판단할 수 있고, 이때부터 제어기(20)는 조향모터(30)의 구동을 제어하여 조향휠이 자동으로 센터위치까지 복원 회전되도록 한다.
이때, 조향모터(30)의 구동 제어는 통상의 제어 방식, 즉 PWM 방식의 인버터 제어를 통해 조향모터에 인가되는 전류를 제어하는 방식(또는 전압 제어)으로 이루어질 수 있다.
또한 조향휠 복원을 위한 조향각 피드백 제어가 이루어지도록 함이 바람직한데, 센터위치로 조향휠을 복원 회전시키기 위해 도 4에 나타낸 바와 같이 센터위치의 조향휠 각도를 목표 조향각(0deg)으로 하고 조향각센서(11)에 의해 검출되는 조향각 신호(잔류각)를 피드백 신호로 하여 제어기(20)가 조향모터(30)에 대한 PID 제어를 수행하도록 구성될 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 조향휠 복원 시스템에 따르면, 선회 구간에 진입한 후 선회 완료를 확인하면 조향모터를 구동 제어하여 조향휠을 자동으로 센터위치까지 복원 회전시키도록 구성됨으로써 종래의 잔류각 문제를 해소할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
11 : 조향각센서
12 : 토크센서
13 : 차선정보 검출부
20 ; 제어기
30 : 조향모터

Claims (9)

  1. 조향각을 검출하는 조향각센서;
    조향휠 토크를 검출하는 토크센서;
    도로의 차선 정보를 검출하는 차선정보 검출부;
    차량 주행 동안 상기 검출되는 조향각 및 조향휠 토크 정보로부터 조향휠 조작에 의한 차량의 선회 주행이 시작됨을 판단하고, 선회 주행 시작 후 상기 검출되는 차선 정보로부터 차량의 선회 주행이 완료됨을 판단하여 조향휠을 센터위치로 복원 회전시키기 위한 제어신호를 출력하는 제어기; 및
    상기 제어기의 제어신호에 따라 조향휠을 센터위치로 복원 회전시키도록 구동 제어되는 조향모터;를 포함하고,
    상기 제어기는 검출된 차선 정보로부터 차량 전방에 위치한 차선을 인식하고, 차량으로부터 전방 차선까지의 거리를 연산하여 상기 연산된 거리가 정해진 기준거리 이상이 될 경우 차량의 선회 주행이 완료된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치의 조향휠 복원 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는 검출된 조향각과 조향휠 토크가 정해진 각각의 기준값 이상일 경우 운전자 선회 조타 입력에 의한 차량의 선회 주행이 시작된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치의 조향휠 복원 시스템.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 차선정보 검출부는 차량이 주행하는 도로를 촬영하는 카메라이고, 상기 제어기는 카메라에 의해 촬영된 영상으로부터 차선 정보를 취득하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치의 조향휠 복원 시스템.
  5. 차량 주행 동안 센서에 의해 검출되는 조향각 및 조향휠 토크 정보로부터 조향휠 조작에 의한 차량의 선회 주행이 시작됨을 판단하는 단계;
    선회 주행 시작 후 차선정보 검출부에 의해 검출되는 도로의 차선 정보로부터 차량의 선회 주행이 완료되는지를 판단하는 단계; 및
    차량의 선회 주행이 완료되면 조향휠을 센터위치로 복원 회전시키도록 조향모터를 구동시키는 단계;를 포함하고,
    상기 검출된 차선 정보로부터 차량 전방에 위치한 차선을 인식하고, 차량으로부터 전방 차선까지의 거리를 연산하여 상기 연산된 거리가 정해진 기준거리 이상이 될 경우 차량의 선회 주행이 완료된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치의 조향휠 복원 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 검출된 조향각과 조향휠 토크가 정해진 각각의 기준값 이상일 경우 운전자 선회 조타 입력에 의한 차량의 선회 주행이 시작된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치의 조향휠 복원 방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 차선정보 검출부는 차량이 주행하는 도로를 촬영하는 카메라이고, 카메라에 의해 촬영된 영상으로부터 차선 정보를 취득하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치의 조향휠 복원 방법.
  9. 청구항 5에 있어서,
    조향휠의 센터위치 각도를 목표 조향각으로 하고 조향각센서의 조향각 신호를 피드백 신호로 하여 조향모터에 대한 PID 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치의 조향휠 복원 방법.



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