KR102093853B1 - 전동식 파워 스티어링 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 랙의 이동을 위한 힘을 제공하는 제1 모터 및 제1 모터와 동기화하여 랙의 이동을 위한 힘을 제공하는 제2 모터를 포함하는 모터부, 스티어링 휠의 조타에 따른 토크값 및 조향각을 검출하는 토크 앵글 센서 및 섹터 샤프트의 회전각을 검출하는 각도 센서를 포함하는 센서부 및 스티어링 휠의 조타에 따라 모터부를 제어하되, 조향각과 회전각에 기초하여 모터부의 보상 회전량을 산출하고, 보상 회전량에 따라 모터부의 회전량을 제어하는 제어부를 포함하는 전동식 파워 스티어링 장치를 제공한다. 본 개시에 의하면 운전자의 실제 조향 의지가 정확하게 반영되도록 휠의 회전량을 조절할 수 있다.

Description

전동식 파워 스티어링 장치 및 그 제어 방법{Electric Power Steering Apparatus and Control Method for the same}
본 개시는 전동식 파워 스티어링 장치에 구비된 모터부의 구동을 제어하는 전동식 파워 스티어링 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 조향 장치는 차량의 진행 방향을 운전자의 의지대로 변경할 수 있도록 하기 위한 장치이며, 전동식 파워 스티어링 장치는 운전자가 자동차의 조향 휠(Steering Wheel)을 조작할 경우에 배력 장치를 이용하여 운전자의 조향 휠 조작력을 보조하여 줌으로써 보다 작은 힘으로 용이하게 차량의 진행 방향을 변경할 수 있도록 하는 장치이다.
한편, 대형 상용차는 일반적인 승용차에 비하여 차체 길이나 무게가 승용차에 비하여 더 크기 때문에, 고출력 및 고출력을 견딜 수 있는 강성이 필요하여 종래에는 주로 유압식 파워 스티어링 장치를 이용하였다. 다만, 최근 다양한 운전자 보조 시스템의 도입에 따라, 대형 상용차에도 운전자 보조 시스템 및 전동식 파워 스티어링 장치가 점차 적용되고 있다.
이에 따라, 대형 상용차에 장착된 전동식 파워 스티어링 장치의 제어와 관련하여, 운전자의 조타 의지가 정확하게 반영되도록 모터부를 제어할 수 있는 제어 방법이 필요하게 된다.
이러한 배경에서, 본 개시의 목적은, 스티어링 휠의 조타에 따른 조향각과 섹터 샤프트의 회전각을 비교하여 산출된 보상 회전량에 따라 모터부의 회전량을 제어함으로써, 운전자의 실제 조향 의지가 정확하게 반영되도록 휠의 회전량을 조절할 수 있는 전동식 파워 스티어링 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 개시의 다른 목적은, 섹터 샤프트에 설치된 각도 센서를 이용하여 섹터 샤프트의 실제 회전량에 따른 모터부의 보상 회전량을 산출함으로써, 보다 정확하게 휠의 회전량을 조절할 수 있는 전동식 파워 스티어링 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 개시는 랙의 이동을 위한 힘을 제공하는 제1 모터 및 제1 모터와 동기화하여 랙의 이동을 위한 힘을 제공하는 제2 모터를 포함하는 모터부, 스티어링 휠의 조타에 따른 토크값 및 조향각을 검출하는 토크 앵글 센서 및 섹터 샤프트의 회전각을 검출하는 각도 센서를 포함하는 센서부 및 스티어링 휠의 조타에 따라 모터부를 제어하되, 조향각과 회전각에 기초하여 모터부의 보상 회전량을 산출하고, 보상 회전량에 따라 모터부의 회전량을 제어하는 제어부를 포함하는 전동식 파워 스티어링 장치를 제공한다.
다른 측면에서, 본 개시는 스티어링 휠의 조타에 따라 모터부를 제어하는 단계, 스티어링 휠의 조타에 따른 토크값 및 조향각을 검출하는 단계, 섹터 샤프트의 회전각을 검출하는 단계, 조향각과 회전각을 비교하여 모터부의 보상 회전량을 산출하는 단계 및 보상 회전량에 따라 모터부의 회전량을 제어하는 단계를 포함하는 전동식 파워 스티어링 장치의 제어 방법을 제공한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 개시에 의하면, 스티어링 휠의 조타에 따른 조향각과 섹터 샤프트의 회전각을 비교하여 산출된 보상 회전량에 따라 모터부의 회전량을 제어함으로써, 운전자의 실제 조향 의지가 정확하게 반영되도록 휠의 회전량을 조절할 수 있는 전동식 파워 스티어링 장치 및 그 제어 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 개시에 의하면, 섹터 샤프트에 설치된 각도 센서를 이용하여 섹터 샤프트의 실제 회전량에 따른 모터부의 보상 회전량을 산출함으로써, 보다 정확하게 휠의 회전량을 조절할 수 있는 전동식 파워 스티어링 장치 및 그 제어 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 개시에 따른 전동식 파워 스티어링 장치의 블록도이다.
도 2는 본 개시에 따른 전동식 파워 스티어링 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 개시에 따른 전동식 파워 스티어링 장치의 웜과 웜휠의 치합 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 개시에 따른 섹터 샤프트에 설치된 각도 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 개시에 따른 전동식 파워 스티어링 장치의 제어 방법에 대한 흐름도이다.
도 8은 본 개시에 따른 모터부의 회전량을 조절하는 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
다른 정의가 없다면, 본 개시에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 개시의 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 그리고 후술되는 용어들은 본 개시의 실시예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 개시 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 개시에서, "보상 회전량"은 운전자가 의도한 조타량과 실제 차량의 휠의 회전량이 차이가 나는 경우, 해당 차이를 보상하기 위해 모터부를 회전시켜야 하는 회전량을 의미한다.
본 개시는 듀얼 모터를 구비한 전동식 파워 스티어링 장치를 전제로, 대형 상용차에 적용되는 것이 더 효과적일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 내용은 적용이 불가한 경우를 제외하고, 일반적인 차량에도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
이하에서는, 첨부되는 도면을 참조하여 본 개시의 실시예들에 따른 전동식 파워 스티어링 장치 및 그 제어 방법을 설명한다.
도 1은 본 개시에 따른 전동식 파워 스티어링 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 개시에 따른 전동식 파워 스티어링 장치(100)는 랙(rack)의 이동을 위한 힘을 제공하는 제1 모터(111) 및 제1 모터와 동기화하여 랙의 이동을 위한 힘을 제공하는 제2 모터(113)를 포함하는 모터부(110), 스티어링 휠의 조타에 따른 토크값 및 조향각을 검출하는 토크 앵글 센서(131) 및 섹터 샤프트(sector shaft)의 회전각을 검출하는 각도 센서(133)를 포함하는 센서부(130) 및 스티어링 휠의 조타에 따라 모터부를 제어하되, 조향각과 회전각을 비교하여 모터부의 보상 회전량을 산출하고, 보상 회전량에 따라 모터부의 회전량을 제어하는 제어부(150)를 포함한다.
모터부(110)는 차량의 스티어링 휠에 대한 운전자의 조작 시 보조 조향력을 제공하기 위한 제1 모터(111) 및 제2 모터(113)를 포함할 수 있다. 제1 모터(111)는 차량이 운전자의 의도에 맞게 조향되도록 하는 위치로 랙(rack)을 이동시킬 때 필요한 보조 조향력을 제공할 수 있다. 운전자가 스티어링 휠을 조작하는 경우, 스티어링 휠의 조향각이 감지되고, 감지된 조향각에 기초하여 산출된 보조 조향력을 제공하기 위하여, 제1 모터(111)는 제어부의 제어에 따라 구동될 수 있다.
제2 모터(113)는 차량이 운전자의 의도에 맞게 조향되도록 하는 위치로 랙을 이동시킬 때 필요한 보조 조향력을 제공할 수 있다. 운전자가 스티어링 휠을 조작하는 경우, 스티어링 휠의 조향각이 감지되고, 감지된 조향각에 기초하여 산출된 보조 조향력을 제공하기 위하여, 제2 모터(113)는 제어부의 제어에 따라 구동될 수 있다.
일 예에 따라, 제2 모터(113)는 제1 모터(111)와 동기화되어 구동될 수 있다. 제1 모터(111)와 제2 모터(113)는 전동식 파워 스티어링 장치(100) 내의 동일한 하나의 웜휠(worm wheel)을 회전시키는 힘을 출력할 수 있으며, 따라서, 제1 모터(111)와 제2 모터(113)의 동작은 동기화되어 수행될 수 있다.
또한, 제1 모터(111)와 제2 모터(113)는 선택적으로 어느 하나만이 구동될 수 있다. 또한, 제1 모터(111)와 제2 모터(113)는 서로 동일한 방향으로 회전하거나, 서로 다른 방향으로 회전할 수 있다.
센서부(130)는 스티어링 휠의 조타에 따른 토크값 및 조향각을 검출하는 토크 앵글 센서(Torque Angle Sensor, TAS, 131) 및 섹터 샤프트의 회전각을 검출하는 각도 센서(Angle Sensor, AS, 133)를 포함할 수 있다.
토크 앵글 센서(131)는 스티어링 휠과 제1 감속부 사이에서, 조향축과 연결되어 조향축의 비틀림 및 회전에 따른 토크값 및 조향각을 검출할 수 있다. 토크 앵글 센서(131)는 검출된 토크값 및 조향각 정보를 제어부(150)로 제공할 수 있다. 일 예에 따라, 센서부(130)는 토크 앵글 센서를 대체하거나 별도로 구비되는 조향각 센서(Steering Angle Sensor, SAS)를 포함할 수 있다. 이 경우, 조향각 센서에서 검출된 조향각이 제어부(150)로 제공될 수 있다.
각도 센서(133)는 제2 감속부에 포함된 볼 너트의 슬라이딩에 따라 회전되는 섹터 샤프트에 설치되어, 섹터 샤프트의 회전각을 검출할 수 있다. 각도 센서(133)는 검출된 회전각 정보를 제어부(150)로 제공할 수 있다.
제어부(150)는 전동식 파워 스티어링 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 일 예에 따라, 제어부(150)는 마이크로 제어 유닛(MCU) 또는 전자 제어 장치(ECU) 등으로 구현될 수 있다. 제어부(150)는 제1 모터(111) 및 제2 모터(113)를 서로 동기화시켜 제어할 수 있다. 제어부(150)는 CAN을 통하여 제1 모터(111) 및 제2 모터(113)의 상태 정보를 수신할 수 있다. 제어부(150)는 스티어링 휠의 조타에 따라 휠이 조향되도록 제1 모터(111) 및 제2 모터(113)에 인가되는 전류를 제어할 수 있다.
제어부(150)는 토크 앵글 센서(111)에서 검출된 조향각과 각도 센서(113)에서 검출된 회전각에 따른 휠(wheel)의 회전량을 비교할 수 있다. 제어부(150)는 검출된 조향각에 따라 회전되어야할 휠의 회전량을 산출할 수 있다. 제어부(150)는 검출된 회전각에 따른 휠의 회전량을 산출할 수 있다.
제어부(150)는 검출된 조향각에 따른 휠의 회전량과 검출된 회전각에 따른 휠의 회전량을 비교하여 모터부(110)의 보상 회전량을 산출할 수 있다. 토크 앵글 센서(131)는 스티어링 휠과 연결된 조향축의 회전에 따른 조향각을 검출하므로, 토크 앵글 센서(131)에 의해 검출된 조향각은 운전자의 조향 의지에 따른 휠의 회전각으로 해석될 수 있다. 또한, 각도 센서(133)는 섹터 샤프트에 설치될 수 있으며, 섹터 샤프트는 피트먼 암(pitman arm), 타이로드(tie rod) 등을 통하여 휠과 연결되므로, 각도 센서(133)에서 검출된 회전각은 휠의 실제 회전각으로 해석될 수 있다.
제어부(150)는 스티어링 휠을 통한 조타력 및 모터부(110)에서 제공되는 보조 조향력이 전달되는 루트에서의 각 기어비를 고려하여, 검출된 회전각에 따른 휠의 회전량이 검출된 조향각에 따른 휠의 회전량에 도달하도록 하는 모터부(110)의 보상 회전량을 산출할 수 있다. 제어부(150)는 산출된 보상 회전량에 따라 모터부(110)의 회전량을 제어할 수 있다. 이에 따라, 조향 제어 중 제1 감속부와 제2 감속부 등을 거치면서 발생할 수 있는 오차를 보상할 수 있다.
일 예에 따라, 제1 모터(111) 및 제2 모터(113)가 모두 구동 중인 경우, 제어부(150)는 제1 모터(111) 및 제2 모터(113)에 인가되는 전류를 제어하여, 모터부(110)의 회전량이 산출된 보상 회전량을 충족시키도록 조절할 수 있다. 제1 모터(111) 및 제2 모터(113)는 하나의 웜휠을 회전시키므로, 일 예에 따라, 제어부(150)는 웜휠의 회전량을 기준으로 모터부(110)를 제어할 수 있다.
일 예에 따라, 제1 모터(111) 및 제2 모터(113) 중 어느 하나만 구동 중인 경우, 제어부(150)는 구동 중인 모터를 더 회전시키도록 보상 회전량에 기초한 보상 전류를 더 인가할 수 있다. 또는, 구동 중이지 않은 모터를 구동하여 보상 회전량만큼 더 회전하도록 보상 전류를 인가할 수 있다.
즉, 제어부(150)는 스티어링 휠의 조향각 대비 섹터 샤프트가 회전해야할 회전각이 만족되지 못하는 경우, 모터부(110)를 제어하여 산출된 보상 회전량에 따라 섹터 샤프트를 더 회전시키는 위치 제어(angle overlay)를 수행할 수 있다.
이에 따르면, 스티어링 휠의 조타에 따른 조향각과 섹터 샤프트의 회전각을 비교하여 산출된 보상 회전량에 따라 모터부의 회전량을 제어함으로써, 운전자의 실제 조향 의지가 정확하게 반영되도록 휠의 회전량을 조절할 수 있다. 또한, 섹터 샤프트에 설치된 각도 센서를 이용하여 섹터 샤프트의 실제 회전량에 따른 모터부의 보상 회전량을 산출함으로써, 보다 정확하게 휠의 회전량을 조절할 수 있다.
도 2는 본 개시에 따른 전동식 파워 스티어링 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 본 개시에 따른 전동식 파워 스티어링 장치의 웜과 웜휠의 치합 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 4 내지 도 6은 본 개시에 따른 섹터 샤프트에 설치된 각도 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 전동식 파워 스티어링 장치(100)는 웜(161, 162)과 웜휠(163)의 치합에 의한 동력전달 구조를 갖는 제1 감속부(160) 및 제1 감속부에서 제공되는 힘이 랙에 전달되도록 볼 스크류(171)와 볼 너트(172)를 이용한 동력전달 구조를 갖는 제2 감속부(170)를 더 포함할 수 있다.
운전자가 스티어링 휠(180)을 조타하여, 차량을 조향하는 경우, 조향축(190)이 회전하게 되고, 이에 따라, 토크 앵글 센서(131)에서 토크값 및 조향각을 검출할 수 있다. 일 예에 따라, 조향각을 검출하는 조향각 센서가 이용될 수도 있다. 토크 앵글 센서(131)는 스티어링 휠(180)과 제1 감속부(160) 사이에서, 조향축(190)과 연결되어 조향축의 비틀림 및 회전에 따른 토크값 및 조향각을 검출할 수 있다. 토크 앵글 센서(131)의 동작은 공지된 바에 따르며, 더 이상 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
제1 모터(111)는 제1 웜(161)과 결합하여, 구동 시 제1 웜(161)을 회전시킬 수 있다. 제2 모터(113)는 제2 웜(162)과 결합하여, 구동 시 제2 웜(162)을 회전시킬 수 있다. 제1 웜(161)과 제2 웜(162)은 웜휠(163)과 치합될 수 있다. 도 3을 참조하면, 일 예에 따른, 제1 웜(161)과 제2 웜(162)이 웜휠(163)과 치합된 구조가 도시되어 있다. 제1 모터(111)의 회전축은 제1 웜(161)과 동축상에서 결합되고, 제2 모터(113)의 회전축은 제2 웜(162)와 동축상에서 결합될 수 있다.
일 예에 따라, 제1 모터(111)와 제2 모터(113)는 제1 웜(161) 및 제2 웜(162)을 기준으로 동일한 방향에 배치될 수 있다. 즉, 도 3에서, 제1 웜(161)의 좌측으로 도시된 끝단에 제1 모터(111)가 결합되는 경우, 제2 모터(113)도 제2 웜(162)의 좌측으로 도시된 끝단에, 제1 모터(111)와 나란하게, 결합될 수 있다. 일 예에 따라, 제1 모터(111) 및 제2 모터(113)는 제1 웜(161) 및 제2 웜(162)과 각각 결합될 수 있도록 평행하게 결합된 하나의 구성인 듀얼 모터로 구현될 수 있다.
예를 들어, 제1 모터(111)의 구동에 따라 제1 웜(161)이 시계 방향으로 회전하는 경우, 웜휠(163)이 정방향으로 회전되도록 치합되었다고 가정한다. 이 경우, 제2 모터(113)의 구동에 따라 제2 웜(162)이 반시계 방향으로 회전하면, 웜힐(163)은 정방향으로 더 힘을 받게 되어, 더 큰 보조 조향력이 출력될 수 있다. 반대로, 제2 웜(162)을 시계 방향으로 회전시키는 경우, 제1 모터(111)와 제2 모터(113)의 힘이 서로 반대로 웜휠(163)에 작용하므로, 보조 조향력은 감소될 수 있다.
마찬가지로, 제1 모터(111)의 구동에 따라 제1 웜(161)이 반시계 방향으로 회전하는 경우, 웜휠(163)은 역방향으로 회전될 수 있다. 이 경우, 제2 모터(113)의 구동에 따라 제2 웜(162)이 시계 방향으로 회전하면, 웜힐(163)은 역방향으로 더 힘을 받게 되어, 더 큰 보조 조향력이 출력될 수 있다. 반대로, 제2 웜(162)을 반시계 방향으로 회전시키는 경우, 제1 모터(111)와 제2 모터(113)의 힘이 서로 반대로 웜휠(163)에 작용하므로, 역방향에 대한 보조 조향력은 감소될 수 있다.
다시, 도 2를 참조하면, 제1 모터(111)와 제2 모터(113)에 의하여 웜휠이 회전되면, 이와 결합된 볼 스크류(171)가 회전될 수 있다. 볼 스크류(171)의 회전에 따라, 볼 스크류(171)와 볼을 매개로 결합된 볼 너트(172)가 슬라이딩될 수 있다. 볼 너트(172)의 슬라이딩에 따라, 섹터 샤프트(120)가 회전하게 되면, 섹터 샤프트(120)와 결합된 피트먼암이 회전되어, 랙에 힘이 제공될 수 있다.
제어부(150)는 제1 모터(111) 및 제2 모터(113)에 공급되는 전류를 차량의 상황에 따라 적절히 조절하여, 정방향 또는 역방향 조향 시, 보조 조향력을 효율적으로 공급할 수 있다. 제어부(150)는 전동식 파워 스티어링 장치(100)가 운전자가 느끼는 조타력을 조절하기 위한 동작을 수행하도록, 모터부(110)의 구동을 제어할 수 있다.
각도 센서(133)는, 제2 감속부(170)에 포함된 볼 너트(172)의 슬라이딩에 따라 회전되는 섹터 샤프트(120)에 설치되어, 섹터 샤프트의 회전각을 검출할 수 있다. 도 4를 참조하면, 제2 감속부(170)와 섹터 샤프트(120)의 단면을 확대한 것이 도시되어 있다. 전술한 것과 같이, 모터부(110)의 구동에 따라 볼 스크류(171)가 회전하고, 볼 스크류(171)의 회전에 따라 볼 너트(172)는 슬라이딩하게 된다. 볼 너트(172)의 슬라이딩에 따라, 섹터 샤트프(120)는 좌우로 회전하게 된다.
일 예에 따라, 각도 센서(133)는, 섹터 샤프트(120)의 외주부에 형성되고 볼 너트(172)와 치합되는 섹터 기어(121)의 일 면에 설치될 수 있다. 구체적으로, 도 5 및 도 6을 참조하면, 각도 센서(133)는, 섹터 기어(121)의 일 면에 설치된 적어도 하나의 마그넷(1331)과, 마그넷에 의한 자기를 감지하는 자기 센서(1333)를 포함할 수 있다.
일 예에 따라, 자기 센서(1333)는 도 6에 도시된 것과 같이, 섹터 샤프트 및 섹터 기어를 둘러싼 하우징(125)의 일 면에, 마그넷(1331)과 대향하여 설치될 수 있다. 자기 센서(1333)는 마그넷(1331)에 의한 자기를 감지할 수 있다. 일 예에 따라, 자기 센서(1333)는 홀 IC(hall IC)로 구현될 수 있다. 다만, 이는 일 예로서, 자기 센서(1333)는 마그넷에 의한 자기를 감지할 수 있는 센서이면, 특정 종류에 한정되는 것은 아니다.
볼 너트(172)의 슬라이딩에 따라 섹터 샤프트(120)가 회전하면, 섹터 기어(121)에 설치된 마그넷(1331)도 같이 회전된다. 마그넷(1331)의 이동에 따라, 자기 센서(1333)에서 감지되는 마그넷의 자기장의 세기가 변화하게 된다. 자기 센서(1333)는 감지된 자기장의 세기 변화를 이용하여 섹터 샤프트(120)의 회전각을 검출할 수 있다.
다만, 도 5 및 도 6에 도시된 각도 센서는 일 예로서, 이에 한정되는 것은 아니다. 마그넷 및 자기 센서의 갯수나 설치 위치는 필요에 따라 다르게 설정될 수 있다. 또한, 섹터 샤프트(120)의 회전각을 검출할 수 있다면, 각도 센서는 특정 종류의 센서에 한정되지 않을 수 있다.
제어부(150)는, 조향각에 따라 산출된 휠의 회전량과 회전각에 따라 산출된 휠의 회전량을 비교하여 보상 회전량을 산출할 수 있다. 제어부(150)는 토크 앵글 센서(111)에서 검출된 조향각과 각도 센서(113)에서 검출된 회전각에 따른 휠의 회전량을 비교할 수 있다. 제어부(150)는 검출된 조향각에 따라 회전되어야할 휠의 회전량을 산출할 수 있다. 제어부(150)는 검출된 회전각에 따른 휠의 회전량을 산출할 수 있다.
제어부(150)는 검출된 조향각에 따른 휠의 회전량과 검출된 회전각에 따른 휠의 회전량을 비교하여 모터부(110)의 보상 회전량을 산출할 수 있다. 도 2에 도시된 것과 같이, 토크 앵글 센서(131)는 스티어링 휠(180)과 연결된 조향축(190)의 회전에 따른 조향각을 검출할 수 있다. 운전자에 의한 스티어링 휠(180)의 회전에 따른 조향각이 검출되는 것이므로, 토크 앵글 센서(131)에 의해 검출된 조향각은 운전자가 의도하는 휠의 회전각이 될 수 있다.
앞서 검출된 조향각에 따라 모터부(110)가 구동되어, 모터부(110)에서 제공되는 보조 조향력이 반영되어 섹터 샤트프(120)가 회전하게 된다. 섹터 샤프트(120)의 회전에 따라, 피트먼 암, 타이로드 등을 통하여 조향력이 랙에 전달되고, 랙의 움직임에 따라 휠이 회전된다. 각도 센서(133)는 섹터 샤프트(120)에 설치되며, 섹터 샤프트(120)의 회전은 휠의 회전과 연계되므로, 각도 센서(133)에서 검출된 회전각은 보조 조향력의 산출 또는 전달 과정에서 발생할 수 있는 오차가 적용된 휠의 실제 회전각이 될 수 있다.
제어부(150)는 보상 회전량의 산출 시, 스티어링 휠을 통한 조타력 및 모터부(110)에서 제공되는 보조 조향력이 전달되는 루트에서의 각 기어비(예를 들어, 웜과 웜휠의 기어비)를 고려할 수 있다. 제어부(150)는 검출된 회전각에 따른 휠의 회전량이 검출된 조향각에 따른 휠의 회전량에 도달하도록 하는 모터부(110)의 보상 회전량을 산출할 수 있다. 제어부(150)는 산출된 보상 회전량에 따라 모터부(110)의 회전량을 제어할 수 있다. 이에 따라, 조향 제어 중 제1 감속부(160)와 제2 감속부(170) 등을 거치면서 발생할 수 있는 오차가 보상될 수 있다.
일 예에 따라, 제1 모터(111) 및 제2 모터(113)가 모두 구동 중인 경우, 제어부(150)는 제1 모터(111) 및 제2 모터(113)에 인가되는 전류를 제어하여, 모터부(110)의 회전량이 산출된 보상 회전량을 충족시키도록 조절할 수 있다. 제1 모터(111) 및 제2 모터(113)는 하나의 웜휠을 회전시키므로, 일 예에 따라, 제어부(150)는 웜휠의 회전량을 기준으로 모터부(110)를 제어할 수 있다.
일 예에 따라, 제1 모터(111) 및 제2 모터(113) 중 어느 하나만 구동 중인 경우, 제어부(150)는 구동 중인 모터를 더 회전시키도록 보상 회전량에 기초한 보상 전류를 더 인가할 수 있다. 또는, 구동 중이지 않은 모터를 구동하여 보상 회전량만큼 더 회전하도록 보상 전류를 인가할 수 있다.
즉, 제어부(150)는 스티어링 휠의 조향각 대비 섹터 샤프트가 회전해야할 회전각이 만족되지 못하는 경우, 모터부(110)를 제어하여 산출된 보상 회전량에 따라 섹터 샤프트를 더 회전시키는 위치 제어(angle overlay)를 수행할 수 있다. 일 예에 따라, 제어부(150)는 비례적분제어(Proportional Integral Control, PI제어)를 이용하여 위치 제어를 수행할 수 있다. 보상 회전량에 기초하여 모터부(110)가 더 회전함에 따라 제공되는 보조 조향력은 랙과 피트먼 암을 통하여 연결된 섹터 샤프트(120)를 더 회전시켜 랙을 더 이동시키기 위한 위치 제어에 이용될 수 있다.
이에 따르면, 스티어링 휠의 조타에 따른 조향각과 섹터 샤프트의 회전각을 비교하여 산출된 보상 회전량에 따라 모터부의 회전량을 제어함으로써, 운전자의 실제 조향 의지가 정확하게 반영되도록 휠의 회전량을 조절할 수 있다. 또한, 섹터 샤프트에 설치된 각도 센서를 이용하여 섹터 샤프트의 실제 회전량에 따른 모터부의 보상 회전량을 산출함으로써, 보다 정확하게 휠의 회전량을 조절할 수 있다.
도 7은 본 개시에 따른 전동식 파워 스티어링 장치의 제어 방법에 대한 흐름도이다. 도 8은 본 개시에 따른 모터부의 회전량을 조절하는 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 개시에 따른 전동식 파워 스티어링 장치의 제어 방법은, 도 1을 참조하여 설명한 전동식 파워 스티어링 장치(100)에서 구현될 수 있다. 이하 필요한 도면들을 참조하여, 본 개시에 따른 전동식 파워 스티어링 장치의 제어 방법과, 이를 구현하기 위한 전동식 파워 스티어링 장치(100)의 동작을 상세히 설명하기로 한다.
도 7을 참조하면, 전동식 파워 스티어링 장치는 스티어링 휠의 조타에 따라 모터부를 제어할 수 있다[S110].
전동식 파워 스티어링 장치의 모터부는 차량의 스티어링 휠에 대한 운전자의 조작 시 보조 조향력을 제공하기 위한 제1 모터 및 제2 모터를 포함할 수 있다. 모터부는 차량이 운전자의 의도에 맞게 조향되도록 하는 위치로 랙을 이동시킬 때 필요한 보조 조향력을 제공할 수 있다.
운전자가 스티어링 휠을 조작하는 경우, 스티어링 휠의 조향각이 감지되고, 감지된 조향각에 기초하여 산출된 보조 조향력을 제공하기 위하여, 모터부는 제어부의 제어에 따라 구동될 수 있다. 전동식 파워 스티어링 장치의 제어부는 스티어링 휠의 조타에 따라 휠이 조향되도록 제1 모터 및 제2 모터에 인가되는 전류를 제어할 수 있다.
다시, 도 7을 참조하면, 전동식 파워 스티어링 장치는 스티어링 휠의 조타에 따른 토크값 및 조향각을 검출할 수 있다[S120].
전동식 파워 스티어링 장치의 센서부는 스티어링 휠의 조타에 따른 토크값 및 조향각을 검출하는 토크 앵글 센서를 포함할 수 있다. 토크 앵글 센서는 스티어링 휠과 제1 감속부 사이에서, 조향축과 연결되어 조향축의 비틀림 및 회전에 따른 토크값 및 조향각을 검출할 수 있다. 토크 앵글 센서는 검출된 토크값 및 조향각 정보를 제어부로 제공할 수 있다.
다시, 도 7을 참조하면, 섹터 샤프트의 회전각을 검출할 수 있다[S130].
전동식 파워 스티어링 장치의 센서부는 섹터 샤프트의 회전각을 검출하는 각도 센서를 포함할 수 있다. 각도 센서는 제2 감속부에 포함된 볼 너트의 슬라이딩에 따라 회전되는 섹터 샤프트에 설치되어, 섹터 샤프트의 회전각을 검출할 수 있다. 각도 센서는 검출된 회전각 정보를 제어부로 제공할 수 있다.
다시, 도 7을 참조하면, 조향각과 회전각을 비교하여 모터부의 보상 회전량을 산출할 수 있다[S140].
전동식 파워 스티어링 장치의 제어부는 토크 앵글 센서에서 검출된 조향각과 각도 센서에서 검출된 회전각에 따른 휠의 회전량을 비교할 수 있다. 제어부는 검출된 조향각에 따라 회전되어야할 휠의 회전량을 산출할 수 있다. 제어부는 검출된 회전각에 따른 휠의 회전량을 산출할 수 있다.
제어부는 검출된 조향각에 따른 휠의 회전량과 검출된 회전각에 따른 휠의 회전량을 비교하여 모터부의 보상 회전량을 산출할 수 있다. 제어부는 스티어링 휠을 통한 조타력 및 모터부에서 제공되는 보조 조향력이 전달되는 루트에서의 각 기어비를 고려하여, 검출된 회전각에 따른 휠의 회전량이 검출된 조향각에 따른 휠의 회전량에 도달하도록 하는 모터부의 보상 회전량을 산출할 수 있다.
다시, 도 7을 참조하면, 전동식 파워 스티어링 장치는 보상 회전량에 따라 모터부의 회전량을 제어할 수 있다[S150].
전동식 파워 스티어링 장치의 제어부는 산출된 보상 회전량에 따라 모터부의 회전량을 제어할 수 있다. 이에 따라, 조향 제어 중 제1 감속부와 제2 감속부 등을 거치면서 발생할 수 있는 오차를 보상할 수 있다.
일 예에 따라, 제1 모터 및 제2 모터가 모두 구동 중인 경우, 제어부는 제1 모터 및 제2 모터에 인가되는 전류를 제어하여, 모터부의 회전량이 산출된 보상 회전량을 충족시키도록 조절할 수 있다. 제1 모터 및 제2 모터는 하나의 웜휠을 회전시키므로, 일 예에 따라, 제어부는 웜휠의 회전량을 기준으로 모터부를 제어할 수 있다.
일 예에 따라, 제1 모터 및 제2 모터 중 어느 하나만 구동 중인 경우, 제어부는 구동 중인 모터를 더 회전시키도록 보상 회전량에 기초한 보상 전류를 더 인가할 수 있다. 또는, 구동 중이지 않은 모터를 구동하여 보상 회전량만큼 더 회전하도록 보상 전류를 인가할 수 있다.
즉, 제어부는 스티어링 휠의 조향각 대비 섹터 샤프트가 회전해야할 회전각이 만족되지 못하는 경우, 모터부를 제어하여 산출된 보상 회전량에 따라 섹터 샤프트를 더 회전시키는 위치 제어를 수행할 수 있다.
이에 따르면, 스티어링 휠의 조타에 따른 조향각과 섹터 샤프트의 회전각을 비교하여 산출된 보상 회전량에 따라 모터부의 회전량을 제어함으로써, 운전자의 실제 조향 의지가 정확하게 반영되도록 휠의 회전량을 조절할 수 있다. 또한, 섹터 샤프트에 설치된 각도 센서를 이용하여 섹터 샤프트의 실제 회전량에 따른 모터부의 보상 회전량을 산출함으로써, 보다 정확하게 휠의 회전량을 조절할 수 있다.
이하에서는, 본 개시에 따른 보상 회전량의 산출 및 모터부의 제어에 대하여 도 8을 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 8을 참조하면, 운전자가 스티어링 휠을 조타[S210]하여, 차량을 조향하는 경우, 조향축이 회전하게 되고, 이에 따라, 토크 앵글 센서에서 토크값 및 조향각을 검출할 수 있다[S220]. 토크 앵글 센서는 스티어링 휠과 제1 감속부 사이에서, 조향축과 연결되어 조향축의 비틀림 및 회전에 따른 토크값 및 조향각을 검출할 수 있다.
제어부는 제1 모터 및 제2 모터에 공급되는 전류를 차량의 상황에 따라 적절히 조절하여, 정방향 또는 역방향 조향 시, 모터부를 회전시킬 수 있다[S230]. 제어부는 전동식 파워 스티어링 장치가 운전자가 느끼는 조타력을 조절하기 위한 동작을 수행하도록, 모터부의 구동을 제어할 수 있다.
모터부의 구동에 따라 제2 감속부의 볼 스크류가 회전하고, 볼 스크류의 회전에 따라 볼 너트는 슬라이딩하게 된다. 볼 너트의 슬라이딩에 따라, 섹터 샤트프는 소정의 각도 범위에서 회전하게 된다[S240].
각도 센서는 섹터 샤프트에 설치되어, 섹터 샤프트의 회전각을 검출할 수 있다[S250]. 섹터 샤프트의 회전에 따라, 섹터 샤프트와 연결된 피트먼 암, 타이로드 등을 통하여 랙에 조향력이 전달되고, 이에 따라 휠이 회전할 수 있다[S260].
일 예에 따라, 각도 센서는, 섹터 샤프트의 외주부에 형성되고 볼 너트와 치합되는 섹터 기어의 일 면에 설치될 수 있다. 각도 센서는 섹터 기어의 일 면에 설치된 적어도 하나의 마그넷과, 마그넷에 의한 자기를 감지하는 자기 센서를 포함할 수 있다.
일 예에 따라, 자기 센서는, 섹터 샤프트 및 섹터 기어를 둘러싼 하우징의 일 면에, 마그넷과 대향하여 설치될 수 있다. 자기 센서는 마그넷에 의한 자기를 감지할 수 있다. 일 예에 따라, 자기 센서는 홀 IC로 구현될 수 있다. 다만, 이는 일 예로서, 자기 센서는 마그넷에 의한 자기를 감지할 수 있는 센서이면, 특정 종류에 한정되는 것은 아니다.
볼 너트의 슬라이딩에 따라 섹터 샤프트가 회전하면, 섹터 기어에 설치된 마그넷도 같이 회전된다. 마그넷의 이동에 따라, 자기 센서에서 감지되는 마그넷의 자기장의 세기가 변화하게 된다. 자기 센서는 감지된 자기장의 세기 변화를 이용하여 섹터 샤프트의 회전각을 검출할 수 있다.
제어부는, 조향각에 따라 산출된 휠의 회전량과 회전각에 따라 산출된 휠의 회전량을 비교할 수 있다[S270]. 제어부는 토크 앵글 센서에서 검출된 조향각과 각도 센서에서 검출된 회전각에 따른 휠의 회전량을 비교할 수 있다. 제어부는 검출된 조향각에 따라 회전되어야할 휠의 회전량을 산출할 수 있다. 제어부는 검출된 회전각에 따른 휠의 회전량을 산출할 수 있다.
제어부는 검출된 조향각에 따른 휠의 회전량과 검출된 회전각에 따른 휠의 회전량을 비교하여 모터부의 보상 회전량을 산출할 수 있다[S280]. 토크 앵글 센서는 스티어링 휠과 연결된 조향축의 회전에 따른 조향각을 검출할 수 있다. 운전자에 의한 스티어링 휠의 회전에 따른 조향각이 검출되는 것이므로, 토크 앵글 센서에 의해 검출된 조향각은 운전자가 의도하는 휠의 회전각이 될 수 있다.
전술한 것과 같이, 검출된 조향각에 따라 모터부가 구동되어, 모터부에서 제공되는 보조 조향력이 반영되어 섹터 샤트프가 회전하게 된다. 섹터 샤프트의 회전에 따라, 피트먼 암, 타이로드 등을 통하여 조향력이 랙에 전달되고, 랙의 움직임에 따라 휠이 회전된다. 각도 센서는 섹터 샤프트에 설치되며, 섹터 샤프트의 회전은 휠의 회전과 연계되므로, 각도 센서에서 검출된 회전각은 보조 조향력의 산출 또는 전달 과정에서 발생할 수 있는 오차가 적용된 휠의 실제 회전각이 될 수 있다.
제어부는 검출된 회전각에 따른 휠의 회전량이 검출된 조향각에 따른 휠의 회전량에 도달하도록 하는 모터부의 보상 회전량을 산출할 수 있다. 제어부는 산출된 보상 회전량에 따라 모터부의 회전량을 제어할 수 있다. 이에 따라, 조향 제어 중 제1 감속부와 제2 감속부 등을 거치면서 발생할 수 있는 오차가 보상될 수 있다.
즉, 제어부는 스티어링 휠의 조향각 대비 섹터 샤프트가 회전해야할 회전각이 만족되지 못하는 경우, 모터부를 제어하여 산출된 보상 회전량에 따라 섹터 샤프트를 더 회전시키는 위치 제어를 수행할 수 있다. 일 예에 따라, 제어부는 비례적분제어를 이용하여 위치 제어를 수행할 수 있다. 보상 회전량에 기초하여 모터부가 더 회전함에 따라 제공되는 보조 조향력은 랙과 피트먼 암을 통하여 연결된 섹터 샤프트를 더 회전시켜 랙을 더 이동시키기 위한 위치 제어에 이용될 수 있다.
이에 따르면, 스티어링 휠의 조타에 따른 조향각과 섹터 샤프트의 회전각을 비교하여 산출된 보상 회전량에 따라 모터부의 회전량을 제어함으로써, 운전자의 실제 조향 의지가 정확하게 반영되도록 휠의 회전량을 조절할 수 있다. 또한, 섹터 샤프트에 설치된 각도 센서를 이용하여 섹터 샤프트의 실제 회전량에 따른 모터부의 보상 회전량을 산출함으로써, 보다 정확하게 휠의 회전량을 조절할 수 있다.
전술한 본 개시는, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.
이상에서의 설명 및 첨부된 도면은 본 개시의 기술 사상을 예시적으로 나타낸 것에 불과한 것으로서, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 개시의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 구성의 결합, 분리, 치환 및 변경 등의 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 개시에 개시된 실시예들은 본 개시의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 개시의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 개시의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 전동식 파워 스티어링 장치 110: 모터부
130: 센서부 150: 제어부
160: 제1 감속부 170: 제2 감속부
180: 스티어링 휠 190: 조향축

Claims (14)

  1. 랙의 이동을 위한 힘을 제공하는 제1 모터 및 상기 제1 모터와 동기화하여 상기 랙의 이동을 위한 힘을 제공하는 제2 모터를 포함하는 모터부;
    스티어링 휠의 조타에 따른 토크값 및 조향각을 검출하는 토크 앵글 센서 및 섹터 샤프트의 회전각을 검출하는 각도 센서를 포함하는 센서부; 및
    상기 스티어링 휠의 조타에 따라 상기 모터부를 제어하되, 상기 조향각과 상기 회전각에 기초하여 상기 모터부의 보상 회전량을 산출하고, 상기 보상 회전량에 따라 상기 모터부의 회전량을 제어하는 제어부;
    를 포함하되,
    상기 모터부는, 웜과 웜휠의 치합에 의한 동력전달 구조를 갖는 제1 감속부를 통하여, 볼 스크류와 볼 너트를 이용한 동력전달 구조를 갖는 제2 감속부의 상기 볼 스크류에 힘이 전달되도록 구동되어, 상기 랙에 힘이 전달되도록 하고,
    상기 각도 센서는, 상기 볼 너트의 슬라이딩에 따라 회전되는 상기 섹터 샤프트의 외주부에 형성되어 상기 볼 너트와 치합되는 섹터 기어의 일 면에 설치된 복수의 마그넷 및 상기 섹터 기어가 회전하는 경우 상기 복수의 마그넷에 의한 자기를 감지하는 자기 센서를 포함하고,
    상기 복수의 마그넷은, 상기 섹터 기어에 형성된 복수의 치에 대응하는 위치에 각각 설치되는 전동식 파워 스티어링 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 토크 앵글 센서는,
    상기 스티어링 휠과 상기 제1 감속부 사이에서, 조향축과 연결되어 조향축의 비틀림 및 회전에 따른 토크값 및 조향각을 검출하는 전동식 파워 스티어링 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기 센서는,
    상기 적어도 하나의 마그넷에 대향하여 상기 섹터 샤프트 및 상기 섹터 기어를 둘러싼 하우징에 설치되는 전동식 파워 스티어링 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 조향각에 따라 산출된 상기 휠의 회전량과 상기 회전각에 따라 산출된 상기 휠의 회전량을 비교하여 상기 보상 회전량을 산출하고, 상기 보상 회전량에 기초한 보상 전류를 상기 모터부에 인가하는 전동식 파워 스티어링 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    비례적분제어(Proportional Integral Control, PI제어)를 이용하여 상기 모터부의 위치 제어를 수행하는 전동식 파워 스티어링 장치.
  9. 차량의 전동식 파워 스티어링 장치를 제어하는 방법에 있어서,
    스티어링 휠의 조타에 따라 모터부를 제어하는 단계;
    스티어링 휠의 조타에 따른 토크값 및 조향각을 토크 앵글 센서에서 검출하는 단계;
    섹터 샤프트의 회전각을 각도 센서에서 검출하는 단계;
    상기 조향각과 상기 회전각을 비교하여 상기 모터부의 보상 회전량을 산출하는 단계; 및
    상기 보상 회전량에 따라 상기 모터부의 회전량을 제어하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 모터부는, 웜과 웜휠의 치합에 의한 동력전달 구조를 갖는 제1 감속부를 통하여, 볼 스크류와 볼 너트를 이용한 동력전달 구조를 갖는 제2 감속부의 상기 볼 스크류에 힘이 전달되도록 구동되어, 랙에 힘이 전달되도록 하고,
    상기 각도 센서는, 상기 볼 너트의 슬라이딩에 따라 회전되는 상기 섹터 샤프트의 외주부에 형성되어 상기 볼 너트와 치합되는 섹터 기어의 일 면에 설치된 복수의 마그넷 및 상기 섹터 기어가 회전하는 경우 상기 복수의 마그넷에 의한 자기를 감지하는 자기 센서를 포함하고,
    상기 복수의 마그넷은, 상기 섹터 기어에 형성된 복수의 치에 대응하는 위치에 각각 설치되는 전동식 파워 스티어링 장치의 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 토크값 및 조향각을 검출하는 단계는,
    조향축의 비틀림 및 회전에 따른 토크값 및 조향각을 검출하는 전동식 파워 스티어링 장치의 제어 방법.
  11. 삭제
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 모터부의 보상 회전량을 산출하는 단계는,
    상기 조향각에 따라 산출된 상기 휠의 회전량과 상기 회전각에 따라 산출된 상기 휠의 회전량을 비교하여 상기 보상 회전량을 산출하는 전동식 파워 스티어링 장치의 제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 모터부의 회전량을 제어하는 단계는,
    상기 보상 회전량에 기초한 보상 전류를 상기 모터부에 인가하는 전동식 파워 스티어링 장치의 제어 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 모터부의 회전량을 제어하는 단계는,
    PI제어를 이용하여 상기 모터부의 위치 제어를 수행하는 전동식 파워 스티어링 장치의 제어 방법.
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