KR102145198B1 - 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치 및 방법에 관학 것으로, 조향각 및 각속도 중 적어도 하나와 컬럼토크를 감지하는 감지부 및 조타 반전 여부를 판단하여 조타 반전 중인 경우, 상기 감지부를 통해 감지된 조향각 및 각속도 중 적어도 하나에 근거하여 컬럼토크 보상비를 계산하고, 상기 감지부를 통해 감지된 컬럼토크 및 상기 계산된 보상비에 근거하여 보상된 컬럼토크를 산출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF COLUMN TORQUE COMPENSATION FOR MDPS SYSTEM}

본 발명은 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치 및 방법에 관한 것이다.

자동차의 파워 스티어링은 동력에 따른 조향 장치로, 운전자의 스티어링 휠 조작을 돕는 역할을 한다. 이러한 파워 스티어링은 유압을 이용하는 방식이 주로 사용되고 있으나, 최근에는 모터의 힘을 이용하는 방식인 전동식 파워 스티어링(MDPS: Motor Driven Power Steering) 시스템의 사용이 늘어나고 있다. MDPS 시스템은 기존의 유압식 파워 스티어링 시스템과 대비하여 무게가 가볍고, 공간을 적게 차지하며, 오일교환이 필요 없다는 장점이 존재하기 때문이다.

MDPS 시스템은 차량 조향 시 운전자가 스티어링 휠에 가해야 하는 조향 토크의 일부를 보조 동력원을 이용하여 제공함으로써 조향을 용이하게 한다. 즉, 운전자의 조향 의도를 스티어링 휠에 직결된 토크 센서를 통해 감지하고 이 신호를 MDPS 시스템이 받아서 현재 자동차의 속력 등을 고려해 알맞은 힘을 제공하도록 모터를 구동함으로써 조향력을 보조한다. MDPS 시스템은 자동차의 주정차 때나 저속운전 때에는 큰 힘을 보조해 운전자의 힘을 덜고, 고속주행 때는 작은 힘만을 보조하도록 함으로써 차체의 안정성을 유지할 수 있도록 한다.

상기 MDPS 시스템은 모터가 스티어링 기어 박스와 너클을 연결하는 암(Arm)에 장착되는 형태일 수도 있고, 스티어링 휠과 연결된 스티어링 컬럼에 장착되는 형태 수도 있으나, 스티어링 휠의 회전을 감지하여 스티어링 휠의 회전 정도 및 차속에 따라 모터의 전원 인가량을 결정하는 기본 원리는 동일하다.

그런데, 종래의 MDPS 시스템은 모터의 출력 연산 시 컬럼토크를 곧바로 모터의 출력 연산 함수에 입력하기 때문에 조타 반전 시 히스테리시스 폭 조절이 불가능하여 히스테리시스 폭을 균일하게 제어하지 못한다는 문제점이 존재하였다.

한편 본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2010-0056312호(2010.05.27.)에 개시되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 MDPS 시스템의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 조타 반전 시 히스테리시스 폭 조절이 가능한 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치는 조향각 및 각속도 중 적어도 하나와 컬럼토크를 감지하는 감지부; 및 상기 감지부의 감지결과에 근거하여 조타 반전 여부를 판단하여 조타 반전 중인 경우, 상기 감지부를 통해 감지된 조향각 및 각속도 중 적어도 하나에 근거하여 컬럼토크 보상비를 계산하고, 상기 감지부를 통해 감지된 컬럼토크 및 상기 계산된 보상비에 근거하여 보상된 컬럼토크를 산출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 보상된 컬럼토크 산출시, 상기 제어부는 상기 감지부를 통해 감지된 컬럼토크에 상기 보상비를 곱하여 보상토크를 계산하고, 상기 컬럼토크에 상기 보상토크를 가산하여 상기 보상된 컬럼토크를 산출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 조타 반전 여부 판단 시, 상기 제어부는 상기 감지된 각속도에 상기 감지된 조향각을 곱한 값이 음수인 경우, 조타 반전 중인 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 컬럼토크 보상비 계산 시, 상기 제어부는 상기 감지된 각속도에 따른 게인값에 상기 감지된 조향각에 따른 게인값을 곱하여 상기 컬럼토크 보상비를 계산하되, 상기 각속도에 따른 게인값은 각속도가 느릴수록 더 큰 값을 가지고, 상기 조향각에 따른 게인값은 조향각이 미리 설정된 범위에 해당하는 경우 0의 값을 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 방법은 제어부가 감지부를 통해 조향각 및 각속도 중 적어도 하나와 컬럼토크를 감지하는 단계; 상기 제어부가 상기 감지하는 단계의 감지결과에 근거하여 조타 반전 여부를 판단하는 단계; 조타 반전 중인 경우 상기 제어부가 상기 감지된 조향각 및 각속도 중 적어도 하나에 근거하여 컬럼토크 보상비를 계산하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 감지된 컬럼토크와 상기 계산된 컬럼토크 보상비에 근거하여 보상된 컬럼토크를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 보상된 컬럼토크를 산출하는 단계는, 상기 제어부가 상기 감지된 컬럼토크에 상기 계산된 컬럼토크 보상비를 곱하여 보상토크를 계산하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 감지된 컬럼토크에 상기 계산된 보상토크를 가산하여 상기 보상된 컬럼토크를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 조타 반전 여부를 판단하는 단계에서, 상기 제어부는 상기 감지된 각속도에 상기 감지된 조향각을 곱한 값이 음수인 경우, 조타 반전 중인 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 컬럼토크 보상비를 계산하는 단계에서, 상기 제어부는 상기 감지된 각속도에 따른 게인값에 상기 감지된 조향각에 따른 게인값을 곱하여 상기 컬럼토크 보상비를 계산하되, 상기 각속도에 따른 게인값은 각속도가 느릴수록 더 큰 값을 가지고, 상기 조향각에 따른 게인값은 조향각이 미리 설정된 범위에 해당하는 경우 0의 값을 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치 및 방법은 각속도 및 조향각에 따른 보상 게인을 설정하여 조타 반전 시 컬럼토크 보상을 통해 히스테리시스 폭의 제어가 가능하도록 함으로써 조향감을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치의 구성을 나타낸 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치에서 보상된 컬럼토크 산출을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치에서 조향각과 컬럼토크에 기반을 둔 히스테리시스 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치를 적용한 자동차에서 게인의 변화에 따라 측정된 히스테리시스 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치 및 방법의 일 실시예를 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 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치의 구성을 나타낸 블록구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치에서 보상된 컬럼토크 산출을 설명하기 위한 예시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치는 제어부(100) 및 감지부(110)를 포함한다.

감지부(110)는 조향각 및 각속도 중 적어도 하나와 컬럼토크를 감지한다. 여기서 조향각은 운전자에 의해 스티어링 휠이 조향된 각도를 말하며, 각속도는 상기 스티어링 휠의 회전 속도를 말한다. 스티어링 휠이 중심에서 시계방향으로 회전했을 때의 조향각을 양수로, 반시계방향으로 회전했을 때의 조향각을 음수로 표현한다. 각속도 또한 시계방향으로 회전하는 경우 양수로, 반시계방향으로 회전하는 경우 음수로 표현한다.

감지부(110)는 광센서(optical sensor)를 이용하여 조향각 또는 각속도를 측정할 수 있다. 예를 들어 스티어링 휠과 함께 회전하는 토션바에 수광부를 부설하고, 고정된 지점에 발광부를 부설하여 스티어링 휠의 조향각 또는 회전 속도를 측정할 수 있다. 다만 본 실시예는 이에 한정되지 않고 조향각 또는 각속도를 측정할 수 있는 다양한 방법이 채용될 수 있다. 컬럼토크는 스티어링 휠에 연결된 스티어링 컬럼의 토크를 의미하며 컬럼 토크센서를 통해 측정될 수 있다.

감지부(110)는 필요에 따라 하나 이상일 수 있으며, 감지부(110)는 조향각 및 각속도 중 적어도 하나와 컬럼토크를 주기적으로 측정하거나, 제어부(100)의 제어에 따라 비주기적으로 측정할 수 있다. 또한, 제어부(100)는 필요시에만 조향각 및 각속도 중 적어도 하나와 컬럼토크를 측정하도록 감지부(110)를 제어할 수도 있다.

제어부(100)는 감지부(110)의 감지결과에 근거하여 조타 반전 여부를 판단하여, 조타 반전 중인 경우 컬럼토크 보상을 수행할 수 있다.

여기서 조타 반전 중이라 함은 운전자가 스티어링 휠을 회전시키는 방향과 조향각의 방향이 반대되는 경우를 의미하며, 제어부(100)는 감지부(110)를 통해 감지된 각속도와 감지부(110)를 통해 감지된 조향각의 곱셈을 통해 조타 반전 여부를 판단할 수 있다. 즉 제어부(100)는 각속도와 조향각을 곱한값이 음수인 경우 조타 반전 중이라고 판단할 수 있다. 다만 이외에도 별도의 센서를 사용하는 등 반전 여부를 판단할 수 있는 다양한 방식이 채용될 수 있다.

도 2를 참조하여 컬럼토크 보상 수행을 좀 더 구체적으로 살펴보면, 제어부(100)는 조타 반전 중인 경우 감지부(110)를 통해 감지된 조향각과 감지부(110)를 통해 감지된 각속도에 근거하여 컬럼토크 보상비를 계산할 수 있다. 예를 들어, 각속도에 따른 게인값에 조향각에 따른 게인값을 곱하여 컬럼토크 보상비를 계산할 수 있다.

이때 각속도에 따른 게인값은 각속도가 느릴수록 더 큰 값을 가질 수 있고, 조향각에 따른 게인값은 조향각이 미리 설정된 범위에 해당하는 경우 0의 값을 가질 수 있다.

즉 본 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치는 각속도가 저속인 경우 게인을 크게 하여 보상이 되도록 하고 속도가 증가할수록 게인을 작게 하여 보상량이 줄어들도록 설계될 수 있다. 각속도가 빠른 경우는 운전자가 스티어링 휠의 회전에 많은 힘을 가하여 빠른 조향변경을 원하는 경우이므로, 컬럼토크의 보상을 통해 운전자가 느끼는 조향감을 변경할 필요가 크지 않기 때문이다.

또한 본 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치는 특정 구간의 조향각에서는 컬럼토크 보상이 되지 않도록 설계될 수 있다. 예를 들어 조향각에 따른 게인은 로우패스필터의 형태로 설계되어, 온센터 근방에서는 컬럼토크 보상이 이루어지지 않도록 할 수도 있다. 온센터 근방에서 운전자의 스티어링 휠 조작으로 조타 반전이 발생하더라도 이는 조향변경을 위한 것이 아니라 직진 주행을 위한 것일 가능성이 크기 때문이다. 여기서 온센터라 함은 스티어링 휠이 중립에 위치한 것을 의미한다.

본 실시예에서는 제어부(100)가 조향각 및 각속도를 고려하여 컬럼토크 보상비를 계산하는 것으로 설명하였으나, 제어부(100)가 조향각 및 각속도 중 하나만을 고려하여 컬럼토크 보상비를 계산하도록 설계될 수도 있다. 또한 컬럼토크 보상비를 계산하는 방식으로 상술한바와 같은 게인을 사용하는 방식 외에도 조향각 및 각속도 중 적어도 하나와 컬럼토크 보상비 간의 대응관계에 대한 룩업 테이블을 사용하는 방식 등 다양한 방식이 채용될 수 있다.

또한 제어부(100)는 감지부(110)를 통해 감지된 컬럼토크와 계산된 컬럼토크 보상비에 근거하여 보상된 컬럼토크를 산출할 수 있다. 예를 들어 제어부(100)는 컬럼토크에 컬럼토크 보상비를 곱하여 보상토크를 계산하고, 상기 컬럼토크에 상기 보상토크를 가산하여 최종적으로 보상된 컬럼토크를 산출할 수 있다.

상기 보상된 컬럼토크는 보상 전 컬럼토크를 대신하여 모터의 출력 연산 함수에 입력되어 MDPS 시스템의 모터 출력을 결정하는데 사용된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치에서 조향각과 컬럼토크에 기반을 둔 히스테리시스 곡선을 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치를 적용한 자동차에서 게인의 변화에 따라 측정된 히스테리시스 곡선을 나타낸 그래프이다.

도4에 도시된 바와 같이, 컬럼토크 보상을 통해 히스테리시스 폭의 변화가 가능하며, 이때 각속도에 기반을 둔 게인값에 따라 히스테리시스 폭이 변경되므로, 컬럼토크 보상을 통해 히스테리시스 폭의 제어가 가능하다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 이를 참조하여 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 방법을 설명한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 제어부(100)는 감지부(110)를 통해 조향각 및 각속도 중 적어도 하나와 컬럼토크를 감지한다(S500).

이어서 제어부(100)는 상기 단계(S500)의 감지결과에 근거하여 조타 반전 여부를 판단한다(S510). 예를 들어, 제어부(100)는 상기 단계(S500)에서 감지된 각속도와 상기 단계(S500)에서 감지된 조향각의 곱셈을 통해 조타 반전 여부를 판단할 수 있다. 즉 제어부(100)는 각속도와 조향각을 곱한값이 음수인 경우 조타 반전 중이라고 판단할 수 있다.

상기 단계(S510)의 판단결과, 조타 반전 중인 경우 제어부(100)는 상기 단계(S500)에서 감지된 조향각 및 각속도 중 적어도 하나에 근거하여 컬럼토크 보상비를 계산한다(S520). 반면 상기 단계(S510)의 판단결과, 조타 반전 중이 아니었다면 제어부(100)는 상기 단계(S500)으로 회귀하여 조향각 및 각속도 중 적어도 하나와 컬럼토크의 감지부터 다시 반복한다.

한편 상기 단계(S520)이후, 제어부(100)는 상기 단계(S500)에서 감지된 컬럼토크에 상기 단계(S520)에서 계산된 컬럼토크 보상비를 곱하여 보상토크를 계산한다(S530).

이어서 제어부(100)는 상기 단계(S500)에서 감지된 컬럼토크에 상기 단계(S530)에서 계산된 보상토크를 가산하여 보상된 컬럼토크를 산출한다(S540).

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치 및 방법은 조타 반전 시 컬럼토크의 보상을 통해 히스테리시스 폭의 제어가 가능하도록 한다.

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.

100: 제어부
110: 감지부

Claims (8)

1. 조향각 및 각속도 중 적어도 하나와 컬럼토크를 감지하는 감지부; 및
   상기 감지부의 감지결과에 근거하여 조타 반전 여부를 판단하여 조타 반전 중인 경우, 상기 감지부를 통해 감지된 조향각 및 각속도 중 적어도 하나에 근거하여 컬럼토크 보상비를 계산하고, 상기 감지부를 통해 감지된 컬럼토크 및 상기 계산된 보상비에 근거하여 보상된 컬럼토크를 산출하는 제어부를 포함하고,
   상기 컬럼토크 보상비 계산 시, 상기 제어부는 상기 감지된 각속도에 따른 게인값에 상기 감지된 조향각에 따른 게인값을 곱하여 상기 컬럼토크 보상비를 계산하되,
   상기 각속도에 따른 게인값은 각속도가 느릴수록 더 큰 값을 가지고, 상기 조향각에 따른 게인값은 조향각이 미리 설정된 범위에 해당하는 경우 0의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 보상된 컬럼토크 산출시, 상기 제어부는 상기 감지부를 통해 감지된 컬럼토크에 상기 보상비를 곱하여 보상토크를 계산하고, 상기 컬럼토크에 상기 보상토크를 가산하여 상기 보상된 컬럼토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 조타 반전 여부 판단 시, 상기 제어부는 상기 감지된 각속도에 상기 감지된 조향각을 곱한 값이 음수인 경우, 조타 반전 중인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 장치.
   
4. 삭제
5. 제어부가 감지부를 통해 조향각 및 각속도 중 적어도 하나와 컬럼토크를 감지하는 단계;
   상기 제어부가 상기 감지하는 단계의 감지결과에 근거하여 조타 반전 여부를 판단하는 단계;
   조타 반전 중인 경우 상기 제어부가 상기 감지된 조향각 및 각속도 중 적어도 하나에 근거하여 컬럼토크 보상비를 계산하는 단계; 및
   상기 제어부가 상기 감지된 컬럼토크와 상기 계산된 컬럼토크 보상비에 근거하여 보상된 컬럼토크를 산출하는 단계를 포함하고,
   상기 컬럼토크 보상비를 계산하는 단계에서,
   상기 제어부는 상기 감지된 각속도에 따른 게인값에 상기 감지된 조향각에 따른 게인값을 곱하여 상기 컬럼토크 보상비를 계산하되,
   상기 각속도에 따른 게인값은 각속도가 느릴수록 더 큰 값을 가지고, 상기 조향각에 따른 게인값은 조향각이 미리 설정된 범위에 해당하는 경우 0의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 방법.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 보상된 컬럼토크를 산출하는 단계는,
   상기 제어부가 상기 감지된 컬럼토크에 상기 계산된 컬럼토크 보상비를 곱하여 보상토크를 계산하는 단계; 및
   상기 제어부가 상기 감지된 컬럼토크에 상기 계산된 보상토크를 가산하여 상기 보상된 컬럼토크를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 방법.
   
7. 제 5항에 있어서,
   상기 조타 반전 여부를 판단하는 단계에서,
   상기 제어부는 상기 감지된 각속도에 상기 감지된 조향각을 곱한 값이 음수인 경우, 조타 반전 중인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 컬럼토크 보상 방법.
   
8. 삭제

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