KR102155303B1 - 자동 변속기의 토크 추정 시스템 - Google Patents

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KR102155303B1
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황재웅
최현석
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 자동 변속기의 클러치 토크 추정 시스템에 관한 것으로, 변속기에서 입력된 값과 클러치 토크를 기반으로 입력 속도, 출력 속도 및 출력 토크를 추정하는 추정부, 상기 추정부로부터 추정된 입력 속도 및 출력 속도를 기반으로, 클러치 속도를 산출하는 클러치 속도 산출부, 상기 변속기에서 입력된 값을 기반으로 마찰 계수를 실시간으로 보정하는 마찰 계수 보정부 및 상기 산출된 클러치 속도와 상기 보정된 마찰 계수를 이용하여 클러치 토크를 추정하는 클러치 토크 계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자동 변속기의 토크 추정 시스템{TORQUE ESTIMATION DEVICE FOR AUTOMATIC TRANSMISSION}
본 발명은 마찰 계수를 실시간으로 보정하고, 보정된 마찰 계수를 이용하여 클러치 토크를 추정하며, 상기 추정된 클러치 토크로부터 출력 토크를 추정하는 자동 변속기의 토크 추정 시스템에 관한 것이다.
최근 승용차뿐만 아니라 상용차에서도 그 사용의 용이함으로 인해 자동 변속기가 적용되고 있다. 자동 변속기의 연료 효율을 높이기 위하여 토크 컨버터는 높은 토크가 필요한 발진 단계에서만 활용되고 변속 시에는 록업 클러치(Lock-up Clutch)를 체결한 상태에서 클러치 대 클러치 변속 로직이 적용되고 있다. 따라서 변속 충격을 최소화하여 부드러운 변속을 보장하기 위해서 클러치 대 클러치 변속 로직이 매우 중요하다.
한편 클러치 대 클러치 변속 로직은, 두 개의 클러치가 동시에 체결되고 해방되면서 변속하는 형태이다. 이는 각 클러치의 체결/해방 제어를 정교하게 하지 않으면 엔진의 플레어(Flare) 또는 타이업(Tie-up)등의 발생으로 변속 성능이 좋지 않게 된다. 체결 클러치는 클러치 피스톤에 압력을 생성하는 충전 단계, 및 변속 종류에 따른 스피드 또는 토크 단계를 거쳐 최종 체결된다. 한편 해방 클러치는 체결 클러치가 충전 단계를 진행할 때 클러치가 슬립되지 않을 정도로 압력을 감소시키고 관성 단계 또는 토크 단계를 거쳐 순차적으로 해방된다. 토크 단계에서는 각 클러치가 체결/해방되면서 클러치 간에 토크 교환이 발생되고 관성 단계에서는 입력 속도가 목표 단 속도로 동기화 될 때까지 압력 선도를 제어한다.
종래의 변속 로직은, 속도 기반의 제어 방법이 활용되었다. 이때 속도 기반의 제어는 토크 단계에서 축의 속도 변화를 관찰할 수 없어 정교한 제어에 한계가 있다. 따라서 토크 기반의 제어는, 체결/해방 클러치의 토크를 기반으로 제어하기 때문에 제어가 보다 용이하다. 이를 위해 토크 센서를 클러치가 장착된 각 축에 적용하여 클러치/체결 해방에 따른 클러치의 토크가 계측되어야 하는데 양산 변속기의 중량 및 부피 제한으로 토크 센서를 장착하는 것은 불가능하다. 따라서, 토크 센서의 부재에도 토크 기반의 제어가 가능하도록 각 클러치의 토크를 추정하는 로직이 요구된다.
종래의 클러치 대 클러치 변속 제어를 위해 토크 센서를 대체할 토크 추정기의 추정 방법으로 언센티드 칼만 필터(Unscented Kalman Filter; UKF)를 이용한 토크 추정 방법 또는 타가기-수게노(Takagi-Sugeno; TS) 추정기를 사용한 방법, 또는 다양한 추정기를 조합한 토크 관찰 방법이 있다. 그러나 이러한 종래의 추정기들은 대부분 단일 단의 변속을 목표로 설계되었거나 구조가 너무 복잡해 현실적으로 전 단계 변속에 적용이 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 자동 변속기의 클러치 토크 추정 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것으로, 클러치 토크를 추정하는 것뿐만 아니라 마찰력을 실시간 보정할 수 있는 알고리즘을 구현하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 예는, 자동 변속기의 클러치 토크 추정 시스템에 관한 것으로, 변속기에서 입력된 값과 클러치 토크를 기반으로 입력 속도, 출력 속도 및 출력 토크를 추정하는 추정부, 상기 추정부로부터 추정된 입력 속도 및 출력 속도를 기반으로, 클러치 속도를 산출하는 클러치 속도 산출부, 상기 변속기에서 입력된 값을 기반으로 마찰 계수를 실시간으로 보정하는 마찰 계수 보정부 및 상기 산출된 클러치 속도와 상기 보정된 마찰 계수를 이용하여 클러치 토크를 추정하는 클러치 토크 계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 자동 변속기에서 입력된 값은, 입력 토크 값, 구름 저항 값, 입력 속도값 및 출력 속도값을 포함하고, 상기 추정부는, 상기 자동 변속기에서 입력된 값들과 클러치 토크 계산부로부터 추정된 클러치 토크 중 적어도 하나를 사용하여 상기 추정 입력 속도, 상기 추정 출력 속도 및 상기 추정 출력 토크를 산출하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 자동 변속기에서 입력된 값은, 입력 속도값, 출력 속도값 및 브레이크-클러치 압력값을 포함하고, 상기 마찰 계수 보정부는, 상기 자동 변속기에서 입력된 값, 상기 추정 입력 속도 및 상기 추정 출력 속도를 기반으로 마찰 계수를 실시간으로 보정하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에 있어서, 본 발명은 자동 변속기의 클러치 토크 추정 시스템의 작동 방법에 관한 것으로, 변속기에서 입력된 값과 클러치 토크를 기반으로 추정 입력 속도, 추정 출력 속도 및 추정 출력 토크를 추정하는 단계, 상기 추정된 입력 속도 및 출력 속도를 기반으로, 클러치 속도를 산출하는 단계, 상기 변속기에서 입력된 값을 기반으로 마찰 계수를 실시간으로 보정하는 단계 및 상기 산출된 클러치 속도와 상기 보정된 마찰 계수를 이용하여 클러치 토크를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 자동 변속기에서 입력된 값은, 입력 토크 값, 구름 저항 값, 입력 속도값 및 출력 속도값을 포함하고, 상기 추정 입력 속도, 추정 출력 속도 및 추정 출력 토크를 추정하는 단계는, 상기 자동 변속기에서 입력된 값들과 클러치 토크 중 적어도 하나를 사용하여 상기 추정 입력 속도, 상기 추정 출력 속도 및 상기 추정 출력 토크를 산출하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 자동 변속기에서 입력된 값은, 입력 속도값, 출력 속도값 및 브레이크-클러치 압력값을 포함하고, 상기 마찰 계수를 실시간으로 보정하는 단계는, 상기 자동 변속기에서 입력된 값, 상기 추정 입력 속도 및 상기 추정 출력 속도를 기반으로 마찰 계수를 실시간으로 보정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 자동변속기에서 모델 기반의 상태 추정으로, 이는 변속 전체 단에 대한 클러치 토크를 보다 강인하게 추정할 수 있어 적용성이 종래의 토크 추정 방법 보다 뛰어나다. 이는 마찰 계수와 같은 불확실한 매개 변수 오차에도 강인하며 정확히 토크를 추정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 일 실시 예에 따른 자동 변속기의 클러치 토크 추정 시스템의 구성도를 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 자동 변속기의 구조도를 도시한 참고 도면이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 자동 변속기의 각 변속단에 체결되는 브레이크/클러치를 나타낸 참고 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 자동 변속기의 자유 물체도를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동 변속기의 클러치 토크 추정 시스템의 추종 성능을 나타낸 그래프를 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동 변속기의 설계된 마찰계수 추정 성능을 나타낸 그래프를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 일 실시 예에 따른 토크 추정 시스템의 작동 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 자동 변속기의 토크 추정 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
앞서 살펴본 바와 같이, 종래의 자동 변속기의 토크 추정기는 대부분 단일 단의 변속을 목표로 설계되었거나 구조가 너무 복잡해 현실적으로 전 단계 변속에 적용이 어려운 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 자동 변속기의 전체 변속단에 대한 클러치 토크를 보다 강인하게 추정하고, 마찰 계수와 같은 불확실한 매개 변수 오차에도 정확하게 토크를 추정하는 기술을 제안한다.
먼저 도 1을 참고하여 본 발명에 따른 자동 변속기의 토크 추정 시스템을 설명하도록 한다. 이때 도 1은, 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동 변속기의 토크 추정 시스템의 구조를 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 자동 변속기의 토크 추정 시스템(10)은, 추정부(110), 클러치 속도 산출부(120), 마찰 계수 보정부(130) 및 클러치 토크 계산부(140)를 포함할 수 있다. 다만, 본 발명에 따른 토크 추정 시스템(10)은, 상술한 구성요소로 제한되는 것은 아니므로 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다. 도 1의 도시된 도면에 따르면 본 발명에 따른 토크 추정 시스템(10)이 추정한 클러치 토크 값, 또는 보정된 마찰 계수 등 산출된 데이터를 저장하는 데이터 저장부(30)를 더 포함할 수 있다. 이러한 데이터 저장부(30)는, 토크 추정 시스템 내부에 포함될 수도 있고, 도 1과 같이 외부에 존재하여 연결될 수 있다.
또한, 도 1에는 도시되지 않았으나, 본 발명에 따른 토크 추정 시스템(10)은 제어부를 더 포함할 수 있다. 이때 제어부는, 본 발명에 따른 토크 추정 시스템(10)을 구성하는 구성 요소를 전반적으로 제어할 수 있다.
이하에서는 도 1에 도시된 토크 추정 시스템(10)을 구성하는 각각의 구성 요소를 구체적으로 설명하도록 한다.
먼저 추정부(110)는, 변속기(20)에서 입력된 값 및 클러치 토크 계산부(140)에서 추정된 클러치 토크를 기반으로 입력 속도 및 출력 속도를 추정할 수 있다.
여기서 도 1은 본 발명에 따른 토크 추정 시스템(10)이 변속기(20)로부터 입력 값을 수신하는 것으로 도시하였으나, 이는 일 실시 예로, 차량/ 엔진/ 변속기 제어기로부터 입력 값을 수신할 수 있다.
이때 입력 값은, 입력 토크, 구름 저항, 입력 속도, 출력 속도, 및 변속기 브레이크/클러치 압력 값 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 추정부(110)는, 상기 입력 값 및 클러치 토크 계산부(140)에서 추정된 클러치 토크를 기반으로 입력 속도, 출력 속도 및 출력 토크를 추정할 수 있다. 이하에서는 추정된 입력 속도 및 추정된 출력 속도는 용어의 혼동을 방지하기 위해 ‘추정 입력 속도’ 및 ‘추정 출력 속도’로 명명하도록 한다.
한편, 클러치 속도 산출부(120)는, 상기 추정부로부터 추정된 추정 입력 속도 및 추정 출력 속도를 기반으로, 브레이크 속도 및 클러치 속도를 산출할 수 있다.
한편, 마찰 계수 보정부(130)는, 마찰 계수를 실시간으로 보정하여 보정 마찰 계수를 출력할 수 있다.
한편, 클러치 토크 계산부(140)는, 보정된 클러치 속도와 마찰계수를 이용하여 추정된 브레이크 토크와 클러치 토크를 출력할 수 있다.
이상에서는 토크 추정 시스템(10)을 구성하는 각각의 구성요소의 기능을 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 토크 추정 시스템(10)의 작동 방법과 더불어 상술한 변수들을 추정하고 계산하는 방법을 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다.
토크 추정 시스템(10)의 토크 추정 방법 설명을 위한 변속기의 예시는 습식 브레이크/클러치가 적용된 6단에 자동 변속기로 도 2를 참조하여 설명하도록 한다.
먼저 자동 변속기는 크게 두 부분으로 구분될 수 있다. 첫 번째 부분(이하 제1 파트라고 명명함, 200)은 3개의 유성기어 P4(211), PF(212), PR(213)와 2개의 브레이크 BF(221), BR(222)로 구성될 수 있다. 상기 제1 파트(200)는 차량의 이동방향을 결정할 수 있다.
한편, 두 번째 부분(이하 제2 파트라고 명명함, 300)은 3개의 유성기어 P1(311), P2(312), P3(313)과 3개의 브레이크 B1(321), B2(322), B3(323)과 2개의 클러치C1(331), C2(332)로 구성될 수 있다. 여기서 상기 제2 파트(300)는 변속기의 1단부터 6단까지 변속을 담당할 수 있다.
도 3은 상술한 각 기어에서 체결되는 브레이크/클러치를 표시한 도면이다.
즉, 도 3을 참조하면, 변속기의 1단 기어에서는, 브레이크 BF(221), B1(321)과 클러치 C1(331)이 체결될 수 있다. 2단 기어에서는, 브레이크 BF(221), B2(322)와 클러치 C1(331)이 체결될 수 있다. 3단 기어에서는, 브레이크 BF(221), B3(323)과 클러치 C1(331)이 체결될 수 있다. 4단 기어에서는, 브레이크 BF(221)과 클러치 C1(331), C2(332)가 체결될 수 있다. 5단 기어에서는, 브레이크 BF(221), B3(323)과 클러치 C2(332)가 체결될 수 있다. 6단 기어에서는, 브레이크 BF(221), B2(322)와 클러치 C2(332)가 체결될 수 있다.
변속을 담당하는 부분은 본 변속기에서 두 번째 부분에 해당하는 제2 파트(300)로, 본 발명에 따른 토크 추정 시스템의 설계를 위해 상기 제2 파트(300)를 사용할 수 있다.
한편, 도 4는 자동 변속기의 제2 파트(300)의 자유 물체도이며 지배 방정식은 각 유성 기어의 동역학 공식을 사용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019080994969-pat00001
[수학식 2]
Figure 112019080994969-pat00002
여기서
Figure 112019080994969-pat00003
로 각 유성 기어와 입 출력 축의 관성 값으로 이뤄진 대각 행렬이다. 한편 상기
Figure 112019080994969-pat00004
는 유성 기어를 표현하는 동역학 공식을 재배열하여 다음과 같이 도출 가능하다.
[수학식 3]
Figure 112019080994969-pat00005
[수학식 4]
Figure 112019080994969-pat00006
[수학식 5]
Figure 112019080994969-pat00007
한편 상술한
Figure 112019080994969-pat00008
는 다음과 같다.
[수학식 6]
Figure 112019080994969-pat00009
여기서 상술한 M과 B는 상수이고, T는 각 클러치 토크와 구름 저항으로 계산할 수 있다. 따라서
Figure 112019080994969-pat00010
는 하기의 수학식 7과 같이 도출할 수 있다. 이는 M 행렬이 정사각행렬로 역수를 취할 수 있기 때문이다.
[수학식 7]
Figure 112019080994969-pat00011
한편 브레이크/클러치 및 구름저항 토크로 구성된 벡터 T는 다음 수학식 8과 같이 계산 될 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112019080994969-pat00012
여기에서
Figure 112019080994969-pat00013
는 순서대로 브레이크/클러치 마찰계수, 마찰 판 개수, 클러치 반지름, 피스톤 넓이, 피스톤 압력, 스프링 상수, 스프링으로 인한 초기 압축 길이와 압축 변위, 슬립 속도, 보정 파라미터를 의미한다. 또한
Figure 112019080994969-pat00014
는 구름저항, 차량중량, 중력 가속도, 도로 경사각, 공기 밀도, 차량 전면투영면적, 공기저항계수, 차량속도, 스프로켓 반지름과 최종출력 기어 비를 의미한다.
한편 브레이크는 체결 시, 각 슬립 속도가 0이 되는 반면, 클러치는 체결 시 일정한 슬립 속도를 유지할 수 있다. 따라서 클러치 토크 계산에 원심 압력이 포함될 수 있다.
슬립 속도(
Figure 112019080994969-pat00015
) 계산에 필요한 브레이크/클러치 체결 시 슬립 속도는 다음과 같이 계산된다.
[수학식 9]
Figure 112019080994969-pat00016
한편 기어의 1단에서 4단까지 변속하는 동안 C1 클러치는 계속 체결되어 있고, 4단에서 6단 변속하는 동안 C2 클러치가 계속 체결되어 있다. 따라서 1 ~ 4단 변속 시
Figure 112019080994969-pat00017
이고 4 ~ 6단 변속 시
Figure 112019080994969-pat00018
이 될 수 있다.
따라서 위 행렬 공식을 풀면 각 브레이크/클러치의 슬립 속도를 계산할 수 있다.
브레이크/클러치 체결 시 토크를 계산하는 경우의 문제점은 브레이크 체결 시 슬립 속도가 0이 되고 이를 기반으로 계산되는 토크 또한 0이 되기 때문이다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 상기 수학식 1을 다음 수학식 10과 같이 구성할 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112019080994969-pat00019
상기 수학식 10의 각각의 변수는 수학식 11과 같다.
[수학식 11]
Figure 112019080994969-pat00020
,
Figure 112019080994969-pat00021
상기 수학식 11에서,
Figure 112019080994969-pat00022
는, 하기의 수학식 12와 같다.
[수학식 12]
Figure 112019080994969-pat00023
,
Figure 112019080994969-pat00024
,
Figure 112019080994969-pat00025
이때, 변속기 기어를 1단에서 4단까지 변속 시 C1이 항상 체결되기 때문에
Figure 112019080994969-pat00026
이다. 또한, 변속기의 기어를 4단에서 6단까지 변속 시 C2가 항상 체결됨으로
Figure 112019080994969-pat00027
이다. 이를 통해 각 브레이크/클러치 축의 토크를 도출 할 수 있다.
출력축 토크는 수학식 10에서 계산된 출력축 각가속도를 루엔버거(Luenberger) 추정기를 적용하여 수학식 1에서 도출 가능한 출력 축 토크에 적용하여 추정할 수 있다. 수학식 10에서 계산된 출력축 각가속도와, 루엔버거 추정기 형태를 적용한 각 가속도와 출력 축 토크 추정기는 하기 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112019080994969-pat00028
여기서
Figure 112019080994969-pat00029
은
Figure 112019080994969-pat00030
행렬의
Figure 112019080994969-pat00031
행 열의 값이고,
Figure 112019080994969-pat00032
은 루엔버거(Luenberger) 추정기의 이득(Gain) 값이다. 또한
Figure 112019080994969-pat00033
는 출력 축 센서에서 측정된 각속도이고,
Figure 112019080994969-pat00034
은 식 수학식 13에서 도출된 출력 축 각가속도의 적분 값이다(
Figure 112019080994969-pat00035
). 출력 축 토크를 계산할 때, 출력 축 가속도의 측정 값과 계산 값의 차이를 통해 모델링 오차를 보정할 수 있다.
한편 브레이크/클러치의 마찰력 계수의 수학적 모델링은 온도, 습도, 속도 등에 따라 계속 변하기 때문에 수학적 모델링이 복잡하고 부정확한 문제점이 있다. 따라서 본 발명은 토크를 추정할 뿐만 아니라 마찰력 계수를 실시간 보정할 수 있는 알고리즘 또한 구현하였다. 수학식 14를 참조하면, 변속 시 항상 두개의 브레이크/클러치만 체결되므로 다른 클러치의 토크는 0이 된다. 따라서 체결/해방되는 클러치의 마찰 계수를 실시간으로 정확하게 보정할 수 있다. 예를 들어, 1-2단 변속 시 입출력 축의 각가속도는 B1 과 B2 토크로 다음과 같이 결정할 수 있다. 이는 B3과 C1이 항상 해방되어 있어 토크가 0이기 때문이다.
[수학식 14]
Figure 112019080994969-pat00036
여기서 각 브레이크의 토크는 하기 수학식 15와 같이 계산된다.
[수학식 15]
Figure 112019080994969-pat00037
상기 수학식 15는 상기 수학식 8에서 리그레서(Regressor) R을 사용한 B1, B2의 토크이다. 이 때
Figure 112019080994969-pat00038
는 B1, B2의 일반적인 마찰계수와 미지 마찰계수이다. 이 때 미지 마찰계수는 시간에 따라 변하는 속도가 느리기 때문에
Figure 112019080994969-pat00039
이라 가정할 수 있다. 루엔버거 추정기를 사용한 추정은 수학식 16과 같다.
[수학식 16]
Figure 112019080994969-pat00040
이때
Figure 112019080994969-pat00041
이다. 마찰 계수 적응 방정식과 이를 수렴시키기 위한 리아프노프(Lyapunov) 방정식은 하기 수학식 17과 같다.
[수학식 17]
Figure 112019080994969-pat00042
상기 수학식 17에서 V는 리아프노프(Lyapunov) 방정식으로 적응된 마찰 계수를 참 값으로 수렴시키기 위한 방정식이다. 수렴하는 조건을 설립하기 위해
Figure 112019080994969-pat00043
의 미분을 하기 수학식 18과 같이 나타낼 수 있다. 이는
Figure 112019080994969-pat00044
이기 때문이다.
[수학식 18]
Figure 112019080994969-pat00045
상기 수학식 18은 상기 수학식 15에
Figure 112019080994969-pat00046
와 상기 수학식 17에
Figure 112019080994969-pat00047
를 대입하면 다음 수학식 19와 같이 간소화될 수 있다.
[수학식 19]
Figure 112019080994969-pat00048
상기 수학식 19에서 V의 수렴성을 보장하기 위해서 루엔버거(Luenberger) 이득 값인
Figure 112019080994969-pat00049
은 양수로 정해야 한다. 이때 수렴성을 보장하기 위해 하기 수학식 20과 같은 집합을 고려할 수 있다.
[수학식 20]
Figure 112019080994969-pat00050
,
Figure 112019080994969-pat00051
만약 상기 수학식 20에서
Figure 112019080994969-pat00052
이면, 수학식 17에 의해
Figure 112019080994969-pat00053
,
Figure 112019080994969-pat00054
이므로
Figure 112019080994969-pat00055
은 집합
Figure 112019080994969-pat00056
의 불변의 부분 집합이 되므로 에러는 점근적으로 0으로 수렴할 수 있다.
이하에서는 상술한 추정 방법에 근거하여, 본 발명에 일 실시 예에 따른 토크 추정 시스템의 작동 방법을 설명하도록 한다. 여기서 도 7은 본 발명에 일 실시 예에 따른 토크 추정 시스템의 작동 방법을 도시한 흐름도이다.
먼저 자동 변속기에서 입력된 값과 추정된 클러치 토크를 기반으로 추정 입력 속도, 추정 출력 속도 및 추정 출력 토크를 추정할 수 있다(S110).
한편 추청 입력 속도 및 추정 출력 속도를 기반으로, 클러치 속도를 산출할 수 있다(S120).
상기 변속기에서 입력된 값을 기반으로 마찰 계수를 실시간으로 보정할 수 있다(S130).
상기 산출된 클러치 속도와 상기 보정된 마찰 계수를 이용하여 클러치 토크를 추정할 수 있다(S140).
또한 추정된 클러치 토크를 S110단계의 클러치 토크로 갱실할 수 있다(S150). 따라서 자동 변속기에서 입력된 값과 갱신된 클러치 토크를 기반으로 추정 입력 속도, 추정 출력 속도 및 추정 출력 토크를 추정할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과를 검증하기 위해 설계한 드라이브 라인 토크 추정기는 TCU(Transmission Control Unit)이 탑재된 실제 6단 자동 변속기에 적용하여 그 효과를 검증할 수 있다. 도 5는 대표적으로 2-3단 상향변속 시 출력 토크, 브레이크 토크와 입력 속도를 나타낸다. 도 5의 (a)는 토크 추정기의 출력 토크 추종 성능을 나타낸다. 토크 추정기를 사용한 토크는 사용하지 않은 토크보다 실제 값에 더 잘 수렴한다. 도 5의 (b)에서 토크 추정 값이 음수 방향으로 크게 감소하는 부분이 있는데 이는 도 5의 (c)에서 나타나듯 입력 축 속도에 큰 타이업을 발생시킬 수 있다. 구체적으로 도 5의 510 구간에서는 2단 변속단이 체결된 상태이다. 또한 도 5의 520 구간에서는 충전 단계로 클러치 체결을 위해 클러치 피스톤에 압력을 인가하는 단계이다. 도 5의 530 구간은 토크 단계로 체결 클러치의 토크는 증가하고 해방 클러치의 토크는 감소하여 토크 교환이 일어난다. 도 5의 540 구간은 타이업 단계이며 이 단계에서는 이론적으로, 해방 클러치의 토크가 완벽히 0이 되어야한다. 하지만 실제 상황에서는 해방 클러치 토크가 정확히 0으로 수렴하는 것이 어렵다. 이는 변속기의 수학적 모델링과 실제 변속기의 오차에서 발생 가능하고 제어 알고리즘의 성능이 낮아 발생 가능하다. 반대로 해방 클러치의 압력의 감소가 체결 클러치의 압력이 생성되는 속도보다 빠르면 입력 축에서 엔진 플레어가 발생 할 수 있다. 부드러운 변속을 위해서 토크 단계와 속도 단계를 순차적으로 진행되는 것이 이상적이다. 도 5의 550 구간은 관성 단계로 체결 클러치의 속도 제어가 이뤄지고 해방 클러치 축의 속도가 감소하는 단계이다. 마지막으로 도 5의 560 구간은 브레이크/클러치의 체결/해방이 완료되는 단계이다.
마찰계수 보정은 클러치 내부 마찰계수를 알 수 없어 자동 변속기를 모사한 모델을 통해 그 효과를 검증하였다. 도 6a 및 도 6b는 2-3단, 3-4단 변속을 순차적으로 진행할 때, 해당 클러치의 마찰 토크 수렴성을 나타낸다. 도 6a에서는 마찰계수 보정 알고리즘을 적용하여 계산한 브레이크/클러치 토크는 그렇지 않은 토크 보다 실제 토크 값을 훨씬 잘 추종하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 마찰 추정기를 적용하지 않은 토크 값이 속도 동기화 직전에 크게 변화 했다가 다시 수렴하는데 이는 기존의 방법으로는 도 6b와 같이 속도 계산에 오류가 있어 클러치가 체결 토크 용량에 의해 토크증가가 발생하는 것처럼 나타나기 때문이다.
반면에 마찰 추정 시스템(10)을 사용하는 경우 클러치 체결 시 슬립속도(Slip speed)를 정확하게 추정하기 때문에, 클러치 토크가 참 값으로 수렴하는 것을 볼 수 있다.
본 발명은 종래의 토크 추정 시스템와 달리 변속의 전체 단에 적용 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 토크 추정 시스템은, 브레이크/클러치 토크 및 출력 토크를 잘 추정하는 것을 확인할 수 있다. 한편 실제 변속기에 적용이 어려운 종래의 다른 추정기들과 달리, 적용성이 용이하고 토크 추종 능력이 우수한 효과가 있다. 브레이크/클러치 체결 시 마찰력 또한 강인하게 추종하여 뛰어난 추종능력을 확인하였다.
전술한 본 발명은, 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.
또한, 상기 컴퓨터는 단말기의 제어 모듈을 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
10: 토크 추정 시스템
20: 변속기
30: 데이터 저장부
110: 추정부
120: 마찰 계수 보정부
130: 클러치 속도 산출부
140: 클러치 토크 계산부

Claims (6)

  1. 변속기에서 입력된 값과 클러치 토크를 기반으로 추정 입력 속도, 추정 출력 속도 및 추정 출력 토크를 추정하는 추정부;
    상기 추정 입력 속도 및 추정 출력 속도를 기반으로, 클러치 속도를 산출하는 클러치 속도 산출부;
    상기 변속기에서 입력된 값을 기반으로 마찰 계수를 실시간으로 보정하는 마찰 계수 보정부; 및
    상기 산출된 클러치 속도와 상기 보정된 마찰 계수를 이용하여 클러치 토크를 추정하는 클러치 토크 계산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 변속기의 토크 추정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자동 변속기에서 입력된 값은,
    입력 토크 값, 구름 저항 값, 입력 속도값 및 출력 속도값을 포함하고,
    상기 추정부는,
    상기 자동 변속기에서 입력된 값들 중 적어도 하나를 사용하여 상기 추정 입력 속도, 상기 추정 출력 속도 및 추정 출력 토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 자동 변속기의 토크 추정 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자동 변속기에서 입력된 값은,
    입력 속도값, 출력 속도값 및 브레이크-클러치 압력값을 포함하고,
    상기 마찰 계수 보정부는,
    상기 자동 변속기에서 입력된 값, 상기 추정 입력 속도 및 상기 추정 출력 속도를 기반으로 마찰 계수를 실시간으로 보정하는 것을 특징으로 하는 자동 변속기의 토크 추정 시스템.
  4. 변속기에서 입력된 값과 클러치 토크를 기반으로 추정 입력 속도, 추정 출력 속도 및 추정 출력 토크를 추정하는 단계;
    상기 추정 입력 속도 및 추정 출력 속도를 기반으로, 클러치 속도를 산출하는 단계;
    상기 변속기에서 입력된 값을 기반으로 마찰 계수를 실시간으로 보정하는 단계; 및
    상기 산출된 클러치 속도와 상기 보정된 마찰 계수를 이용하여 클러치 토크를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 변속기의 토크 추정 시스템의 작동 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자동 변속기에서 입력된 값은,
    입력 토크 값, 구름 저항 값, 입력 속도값 및 출력 속도값을 포함하고,
    상기 추정 입력 속도, 추정 출력 속도 및 추정 출력 토크를 추정하는 단계는,
    상기 자동 변속기에서 입력된 값들과 클러치 토크 중 적어도 하나를 사용하여 상기 추정 입력 속도, 상기 추정 출력 속도 및 상기 추정 출력 토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 자동 변속기의 토크 추정 시스템의 작동 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 자동 변속기에서 입력된 값은,
    입력 속도값, 출력 속도값 및 브레이크-클러치 압력값을 포함하고,
    상기 마찰 계수를 실시간으로 보정하는 단계는,
    상기 자동 변속기에서 입력된 값, 상기 추정 입력 속도 및 상기 추정 출력 속도를 기반으로 마찰 계수를 실시간으로 보정하는 것을 특징으로 하는 자동 변속기의 토크 추정 시스템의 작동 방법.
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KR20180066757A (ko) * 2016-12-09 2018-06-19 현대오트론 주식회사 다단 자동변속기의 클러치 마찰계수 학습 제어 장치 및 방법, 그리고 클러치 마찰계수 학습 제어 장치를 포함하는 다단 자동변속기

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