KR102098346B1 - 차량용 모터 구동 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 모터 구동 장치에 관한 것으로서, 특히 가변 저항을 이용하여 DC 모터의 조향을 제어할 수 있도록 하는 기술이다. 이러한 본 발명은, 조향각을 검출하는 자이로 센서, 차량의 조향축 회전을 감지하고, 감지된 조향각에 대응하여 가변되는 전압으로 출력하는 가변 저항; 및 자이로 센서의 출력과 가변 저항의 출력을 매칭하여 모터를 구동하는 모터 제어기를 포함한다.

Description

차량용 모터 구동 장치{Motor driving device for a vehicle}

본 발명은 차량용 모터 구동 장치에 관한 것으로서, 특히 가변 저항을 이용하여 DC 모터의 조향을 제어할 수 있도록 하는 기술이다.

차량용 전동식 조향장치(Motor Driven Power Steering, MDPS)는 전동식 모터에 의해 조향휠의 조타력을 보조해 주는 조향장치이다. 차량용 전동식 조향장치는 차속, 컬럼토크, 절대토크, 절대조향각, 차의 상태 등의 입력을 이용하여 조향휠의 조타력을 보조하기 위한 모터의 토크를 전류를 통해 제어한다.

차량용 전동식 조향장치는 일반적으로 모터의 입력전류센서를 이용하여 모터의 입력전류를 측정하고, 차속이 빠를 경우 모터의 입력전류를 감소시켜 차량용 전동식 조향장치의 조향 보조 토크를 감소시키고 차속이 느릴 경우 모터의 입력전류를 증가시켜 조향 보조 토크를 증가시킨다.

차량용 전동식 조향장치는 차속 뿐만 아니라 토크 센서와 조향각 센서, RPM 센서 등의 값을 받아서 모터의 입력전류를 제어함으로써 모터의 토크를 제어한다. 모터의 구동을 위한 전력은 LDC(Low DC-DC Converter)로 부터 공급될 수 있다. 차량용 전동식 조향장치는 일반적으로 모터의 입력전류센서를 이용하여 입력전류를 측정하고 이 값을 이용하여 모터 토크를 입력 전류에 의해 피드백 제어한다.

특히, 정밀 제어가 용이한 DC 모터는 속도기반 모터로써 전압 값을 입력으로 하여 모터의 회전 속도를 제어한다. 그리고, 자동차에서 조향은 위치 제어를 기반으로 한다. 예를 들어, 직진에서 우회전을 할 경우 조향기구(예를 들면, 핸들, 글러브)를 회전량 각도만큼 움직여 차량의 조향을 제어하게 된다.

일반적으로 이렇게 조향과 같이 각도 제어가 필요한 경우 회전수 및 회전 방향의 조절이 가능한 서보 모터를 사용하게 된다. 하지만, 서보 모터는 같은 급(예를 들어, Power=W(와트))의 DC 모터보다 비싸고(대략 4배 정도), 모터 컨트롤러는 더욱 비싸다.(대략 10~15배까지)

본 발명은 DC 모터에 가변 저항을 부착하고 가변 저항값을 기반으로 하여 DC 모터를 제어함으로써 조향을 안정적으로 구동할 수 있도록 하는 특징을 갖는다.

본 발명의 실시예에 따른 차량용 모터 구동 장치는, 조향각을 검출하는 자이로 센서; 차량의 조향축 회전을 감지하고, 감지된 조향각에 대응하여 가변되는 전압으로 출력하는 가변 저항; 및 자이로 센서의 출력과 상기 가변 저항의 출력을 매칭하여 모터를 구동하는 모터 제어기를 포함하며, 모터 제어기는 비례(P) 제어를 통해 에러를 보정하며, 목표 조향각에서 특정 오차 범위를 갖는 여유각을 설정하여, 조향각이 여유각 범위를 벗어난 경우에만 모터를 구동하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 비교적 저렴한 DC 모터를 서보 모터처럼 이용하여 조향을 안정적으로 구동하고 조향 장치의 원가를 줄일 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

아울러 본 발명의 실시예는 예시를 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 모터 구동 장치에서 가변저항을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 모터 구동 장치를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 모터 구동 장치를 설명하기 위한 구성도.
도 4는 도 3에서 자이로 센서의 조향각을 설명하기 위한 도면.
도 5a 및 도 5b는 모터 제어기의 동작을 설명하기 위한 그래프.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 동작을 설명하기 위한 그래프.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 모터 구동 장치에서 가변 저항(100)을 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 가변 저항(100)은 (1) 단자에 전원전압(VCC)를 연결하고 (3) 단자에 그라운드 전압(GND)를 연결하면 (2) 단자에서 전압 값이 측정된다.

가변저항(100)을 끝까지 돌리면 0V~전원전압(VCC) 범위까지 전압이 측정된다. 예를 들어, 전원전압 VCC이 5V 라고 가정한다면, 가변저항(100)을 중간까지만 돌리면 (2) 단자에서 2.5V가 측정되고, 끝까지 돌리면 (2) 단자에서 5V가 측정된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 모터 구동 장치를 나타낸 도면이다.

가변저항(100)을 조향축(110)에 고정하여 조향축(110)이 회전할 때마다 전압값이 바뀌게 된다. 이에 따라, 가변저항(100)에서 측정된 전압 값에 따라 조향축(110)이 얼마나 회전했는지를 알 수 있게 된다.

가변저항(100)의 상측 부분은 절연 테이프(120)를 통해 프레임(130)과 고정시킨다. 이러한 방법으로 조향 모터터가 회전하면 가변저항(100)의 꼭지부분만 조향축(110)과 같이 회전하여 조향축(110)의 움직임에 따라 가변저항(100)에서 측정된 전압 값이 달라진다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 모터 구동 장치를 설명하기 위한 구성도이다.

본 발명의 실시예는 가변 저항(100), 자이로 센서(200), 모터 제어기(Motor control Unit, 300) 및 모터(400)를 포함한다. 여기서, 모터 제어기(300)는 아날로그 디지털 변환기(310), 매핑부(320)를 포함한다.

가변 저항(100)은 위에서 설명한 바와 같이 조향축(110)의 회전 각도에 대응하여 상이한 레벨을 갖는 전압 값을 측정하여 모터 제어기(300)에 출력한다. 자이로 센서(200)는 조향축(100)의 조향각을 측정하여 모터 제어기(300)에 출력한다. 모터 제어기(300)는 모터(400)의 동작을 제어한다.

가변저항(100)에서 측정된 저항값은 볼티지(Voltage) 값으로 출력되므로, 이 저항값은 아날로그 값을 갖는다. 이에 따라, 모터 제어기(300)의 아날로그 디지털 변환기(310)는 가변저항(100)에서 인가된 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하여 매핑부(320)에 출력한다.

예를 들어, 모터 제어기(300)가 8 비트 프로세서인 경우 아날로그 디지털 변환기(310)에서 출력된 디지털 값이 0~255 까지의 값이 될 수 있다.

즉, 가변저항(100)에서 측정된 전압이 0V인 경우 아날로그 디지털 변환기(310)에서 출력되는 디지털 값이 최소값인 "0"이 될 수 있다. 그리고, 가변저항(100)에서 측정된 전압이 2.5V인 경우 아날로그 디지털 변환기(310)에서 출력되는 디지털 값이 중간값인 "122.5"가 될 수 있다. 또한, 가변저항(100)에서 측정된 전압이 5V인 경우 아날로그 디지털 변환기(310)에서 출력되는 디지털 값이 최대값인 "255"이 될 수 있다.

그리고, 매핑부(320)는 자이로 센서(200)에서 측정된 센싱 값과 가변저항(100)에서 측정된 전압 값을 매칭시킨다. 이러한 매핑부(320)에 관한 매핑 동작은 아래의 도 4에서 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 4는 도 3에서 자이로 센서(200)의 조향각을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 조향기구(500)는 차량의 핸들이 될 수도 있고 글러브로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 글러브가 조향기구(500) 역할을 하는 경우, 페달과 스티어링(핸들) 없이 장갑을 사용하여 차량을 제어할 수 있도록 한다.

만약, 글러브가 θ만큼의 각도로 기울어질 경우 DC 모터가 구동되어 조향각이 θ만큼 움직일 수 있다. 그런데, 가변저항(100)과는 달리 조향기구(500)에 장착된 자이로 센서(200)의 경우 모터 제어기(300)와 직렬 통신(예를 들어, RS232 통신)을 수행한다. 이 때문에 모터 제어기(300)가 조향 각도 값을 그대로 입력받는다.

예를 들어, 조향기구(500)가 의 각도 θ가 "20도" 기울어진 경우 모터 제어기(300)가 "20"의 값을 그대로 입력받는다. 이 자이로 센서(200)의 값을 가변저항(100)의 측정값과 매칭시키기 위해서, 자이로 센서(200)의 값을 가변저항(100)의 ADC 값처럼 0~255 까지로 매핑시켜야 한다.

즉, 조향기구(500)의 조향각을 -40~40도 까지의 범위에서 제어하는 것을 가정한다. 그러면, 매핑부(320)는 자이로 센서(200)의 조향각이 -40도인 경우 ADC(310)의 값을 최저값인 "0"으로 매핑한다. 그리고, 매핑부(320)는 자이로 센서(200)의 조향각이 "0도"일 때는 ADC(310) 값을 중간값인 "122.5"로 매핑한다. 그리고, 매핑부(320)는 자이로 센서(200)의 조항각이 "40도" 일 때는 ADC(310) 값을 최대값인 "255"로 매핑한다.

이때, 자이로 센서(200)의 값은 선형(Linear)으로 변하게 되므로, 매핑부(320)는 1차 방정식인 y=ax+b의 수식에 경계 조건을 입력함으로써 매핑 함수를 구할 수 있다.

즉, 위의 [수학식 1]에 (x=-40, y=0), (x=-0, y=122.5), (x=40, y=255) 라는 조건을 넣으면 아래와 같이 매핑 수식을 얻을 수 있다.

위와 같은 [수학식 2]에 따라 모터(400) 제어를 위한 기본 값을 세팅하게 된다. 즉, 조향이 직진인 경우 가변저항(100)의 ADC(310) 값은 122.5를 나타낸다. 또한, 조향 기구(500)가 직진 상태인 경우 모터 제어기(300)에서 "0도"를 인식하게 된다. 하지만, 위의 [수학식 2]와 같은 매핑 함수를 통해 매핑 값이 "0"의 값을 나타낼 수 있게 된다. 여기서, -(122.5/40)와 122.5는 자이로 센서(200)와 가변저항(100)에 대응한 아날로그 디지털 변환값의 상수 값이다.

만약, 조향 기구(500)를 왼쪽으로 -40도 회전시켰을 경우 매핑 값은 "0"을 나타내고 조향축(110)에 있는 가변저항(100)도 40도 회전했을 경우 ADC(310)의 값이 "0"이 나오도록 세팅한다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는 가변 저항(100)을 통해 조향축의 각도를 알 수 있다. 그리고, 자이로 센서(200) 값의 매핑을 통해 조향 기구(500)의 각도값을 가변 저항(100)과 매칭시킬 수 있도록 한다. 이러한 경우 DC 모터(400)라는 액츄에이터(Actuator)를 통해 두 값의 차이를 "0"으로 줄여 정확한 조향이 가능하게 된다.

한편, 모터 제어기(300)에서 모터(400)를 제어하기 위해서는 에러(Error)를 정의해야 한다. 본 발명의 실시예에서는 조향 기구(500)의 기울어진 각도 값을 모터(400)가 따라가는 형태를 띠고 있다. 이는 핸들을 돌리면 바퀴가 핸들을 따라가는 원리와 동일하다.

즉, 조향 기구(500)의 기울기가 기준이 되므로, 에레(Error) = 조향기구(500)의 기울어진 각도값[매핑 값] - 조향축(110)의 틀어진 각도[가변저항(100)의 ADC(310) 값] 으로 정의된다. 이 에러(Error)를 비례적분미분(PID; proportional integral differential) 제어를 통해 줄이도록 하여 정확한 조향이 가능하다.

여기서, P Value, I Value, D Value는 해당 시스템의 특성에 맞게 튜닝할 수 있다. 이때, 너무 큰 제어기 값은 시스템을 발산시키므로 적절한 값을 찾아서 넣은 후 실험하는 방식으로 최적을 값을 찾을 수 있다.

또한, 에러(Error) 값이 양이냐 음이냐에 따라 조향 모터(400)의 방향을 조절할 수 있다. 즉, 에러(Error) > 0 인 경우 조향 기구(500)가 조향축(110) 보다 더 자회전 상태라는 의미이다. 그러므로, 모터 제어기(300)는 조향 모터(400)를 좌회전시킴으로써 에러(Error)를 줄일 수 있다. 반면에, 에러(Error) < 0 인 경우 반대로 조향 기구(500)가 조향축(110) 보다 더 우회전 상태라는 의미이다. 그러므로, 모터 제어기(300)는 조향 모터(400)를 우회전시킴으로써 에러(Error)를 줄일 수 있다.

만약, 에러(Error)가 크면 조향 모터(400)에 큰 전압을 가하여 조향축(110)과 조향 기구(500)의 각도를 맞춘다. 그리고, 에러(Error)가 작으면 조향 모터(400)에 작은 전압을 가하여 조향축(110)과 조향 기구(500)의 각도를 일치시킨다.

도 5a 및 도 5b는 모터 제어기(300)의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.

도 5a는 비례 제어의 특성을 나타낸 그래프이고, 도 5b는 PID 제어의 특성을 나타낸 그래프이다.

도 5a는 P(비례, Prorprtional) 제어를 주로 사용한 결과를 나타낸 것이고, 도 5b는 PI(비례적분, proportional integral) 제어를 주로 사용하였다. 도 5a에서는 비례 제어를 통해 조향각을 유연하게 목표값에 접근시킬 수 있고, 조작량은 편차에 비례하여 적어지게 된다. 도 5b에서는 PID 제어를 통해 조향각을 유연하게 목표값에 접근시킬 수 있고, 적분에 의해 편차량이 누적되어 조작량으로 발생하게 된다.

즉, P 제어만을 사용해도 사용자가 원하는 목표값(조향기구의 각도)에 조향각이 따라오지만, 도 5a에서 알 수 있듯이 잔류 편차가 조금 남는다. 반면에, 도 5b에서와 같이 PID 제어를 사용하게 되면 잔류 편차를 "0"에 가깝게 줄일 수 있다.

그런데, I 제어값은 적분항이기 때문에 시스템이 계속 작동되는 경우 계속해서 그 값이 적분된다. 따라서, 오랜 시간 동안 시스템을 작동시킬 경우에는 이 I 제어값 때문에 시스템이 발산하는 경우가 생길 수 있다. 즉, 조향축(110)이 조향기구(500)의 각도를 따라가지 않는다.

이를 방지하기 위해 본 발명의 실시예에서는 I 제어값을 사용하지 않고 P 제어를 주로 이용한다. 그리고, 잔류 편차가 남는 문제를 해결하기 위해 여유 각도를 준다. 이에 대한 설명은 아래의 도 6에서 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 동작을 설명하기 위한 그래프이다.

일반적으로 조향은 0.1도 단위를 필요로 할 만큼 정밀 제어를 하지 않는다. 즉, 임의 각도(예를 들면, ±1.5도) 정도는 오차가 있어도 충분한 조향 제어가 가능하다.

이에 따라, 본 발명의 실시예에서는 도 6에서와 같이 목표 값에 근접한 범위를 갖는 여유 각을 주고, 센싱된 조향이 그 각도 범위 내에만 있는 경우 조향을 굳이 하지 않는다. 이러한 경우 P 제어를 주로 이용했을 때 발생하는 잔류 편차가 생겨도 큰 문제가 발생하지 않는다.

이를 슈도 코드(Pseudo code)로 표현하면 아래와 같다.

If(error > -1.5 and error > 1.5) 조향 모터(400) 구동 전압 = 0

Else if(error < -1.5) 조향 모터(400) 전압 = PID 제어, 조향 방향 = 좌회전

Else if(error > 1.5) 조향 모터(400) 전압 = PID 제어, 조향 방향 = 우회전

위와 같이, 모터 제어기(300)는 조향각이 -1.5 ~ 1.5의 오차 범위 내에 있는 경우 조향 모터(400)의 구동 전압을 "0"으로 출력하여 모터(400)를 구동하지 않는다. 반면에, 모터 제어기(300)는 조향각이 -1.5 이하이거나 1.5 이상의 오차 범위를 벗어나는 경우 조향 모터(400)의 구동 전압을 PID로 제어하여 모터(400)를 구동하게 된다.

Claims (11)

1. 조향각을 검출하는 자이로 센서;
   차량의 조향축 회전을 감지하고, 감지된 조향각에 대응하여 가변되는 전압으로 출력하는 가변 저항; 및
   상기 자이로 센서의 출력과 상기 가변 저항의 출력을 매칭하여 모터를 구동하는 모터 제어기를 포함하며,
   상기 모터 제어기는
   비례(P) 제어를 통해 에러를 보정하고,
   목표 조향각에서 특정 오차 범위를 갖는 여유각을 설정하여, 상기 조향각이 상기 여유각 범위를 벗어난 경우에만 상기 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 구동 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 가변 저항은
   제 1단자에 전원전압을 연결하고, 제 2단자에 그라운드 전압을 연결하며, 제 3단자를 통해 상기 조향각에 대응하는 가변 전압이 출력되는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 구동 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 모터 제어기는
   상기 가변 저항으로부터 인가되는 아날로그 값을 디지털 값을 변환하는 아날로그 디지털 변환기; 및
   상기 아날로그 디지털 변환기의 출력과 상기 자이로 센서의 출력을 매칭시키는 매핑부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 구동 장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 아날로그 디지털 변환기는
   상기 아날로그 값을 특정 비트 값에 대응하는 복수의 디지털 값으로 구분하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 구동 장치.
5. 제 3항에 있어서, 상기 매핑부는
   상기 자이로 센서에서 측정된 조향각의 값을 디지털 값으로 입력받고 상기 가변 저항값에 대응하는 디지털 값과 매칭시키는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 구동 장치.
6. 제 3항에 있어서, 상기 매핑부는
   1차 방정식인 y = ax+b의 수식에 경계 조건을 입력하여 매핑 함수를 구하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 구동 장치.(여기서, y는 매핑 값, x는 자이로 센서의 값, a, b는 조향각과 가변저항의 상수 값)
7. 제 1항에 있어서, 상기 모터 제어기는
   상기 조향축의 각도값에서 가변 저항에 대응하는 디지털 값을 뺀 값을 에러로 정의하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 구동 장치.
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