KR102200098B1 - 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향토크 보상 제어 방법 - Google Patents

전동식 파워 스티어링 시스템의 조향토크 보상 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전동식 파워 스티어링 시스템의 내구 감소에 따른 조향토크 변동량 등을 추정하고 그에 따라 모터 전류량을 저감시켜 운전자가 느끼는 스티어링 휠의 조향감을 일정하게 유지시켜 강건화한 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향토크 보상 제어 방법에 관한 것으로, 주행중 실시간으로 스티어링 휠의 조향토크를 모니터링하여 조향토크 변화량을 추정하고 내구 감소에 따른 프릭션 변화량만큼 모터 전류량을 저감시켜 조향 모터에 의해 발생하는 조향토크를 보상 제어함으로써 스티어링계의 내구 감소 여부에 상관없이 초기 조향감을 유지하여 운전자가 일정한 조향감을 갖도록 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향토크 보상 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

전동식 파워 스티어링 시스템의 조향토크 보상 제어 방법 {Controlling method for torque compensation of motor driven power steering}
본 발명은 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향토크 보상 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전동식 파워 스티어링 시스템의 내구 감소에 따른 조향토크 변동량 등을 추정하고 그에 따라 모터 전류량을 저감시켜 운전자가 느끼는 스티어링 휠의 조향감을 일정하게 유지시켜 강건화한 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향토크 보상 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량에는 스티어링 휠(핸들)의 조향력을 경감하여 조향 상태의 안정성을 보장하기 위한 수단으로서 동력보조 조향장치가 사용되는데, 이와 같은 동력보조 조향장치로는 유압을 이용한 유압식 파워 스티어링(HPS: Hydraulic Power Steering System) 시스템이 차량에 널리 이용되었으나, 최근에는 모터의 회전력을 이용하여 운전자의 조향을 도와주는 환경 친화적인 전동식 파워 스티어링(MDPS: Motor Driven Power Steering) 시스템이 사용되고 있다.
상기 전동식 파워 스티어링(MDPS; Motor Driven Power Steering) 시스템은 운전자의 조향시 보조 조향력을 발생시키기 위한 조향 모터가 설치되어 있어 차량에 시동을 걸면 조향 모터가 작동하여 운전자의 조향을 보조하기 위한 조향토크를 발생하게 된다.
종래 전동식 파워 스티어링 시스템은 차속 센서, 조향각 센서 및 토크 센서 등에서 감지한 차량의 운행조건에 따라 제어부(ECU: Electronic Control Unit)에서 조향 모터를 구동시켜 저속 운행시에는 가볍고 편안한 조향감을 부여하고, 고속 운행시에는 무거운 조향감과 더불어 양호한 방향 안정성을 부여하며, 또한 스티어링 휠의 회전각에 따른 조속한 스티어링 휠의 복원력을 제공하여 비상 상황에서 급속한 조향이 이루어지도록 하여 운전자에게 최적의 조향 조건을 제공한다.
이러한 종래 전동식 파워 스티어링 시스템은 구동에 따른 내구 감소 여부에 상관없이 스티어링 휠의 조향토크가 일정하게 유지되어야 운전자의 조종 안정성을 확보할 수 있게 된다.
그런데 종래 전동식 파워 스티어링 시스템은 스티어링 휠과 차륜 사이에 구성된 스티어링계의 조향 모터 및 기어박스 등의 내구 감소에 따라 조향계 프릭션(friction)이 감소하여 스티어링 휠의 조향감이 가볍고 헐렁해지는 경향이 발생하며, 이렇게 조향계 프릭션이 감소하여 스티어링 휠의 조향감이 변동됨에 의해 운전자의 조종 안정성을 확보하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 주행중 실시간으로 스티어링 휠의 조향토크를 모니터링하여 조향토크 변화량을 추정하고 내구 감소에 따른 프릭션 변화량만큼 모터 전류량을 저감시켜 조향 모터에 의해 발생하는 조향토크를 보상 제어함으로써 스티어링계의 내구 감소 여부에 상관없이 초기 조향감을 유지하여 운전자가 일정한 조향감을 갖도록 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향토크 보상 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 전동식 파워 스티어링 시스템이 구동됨에 따라 발생하는 조향각 신호와 각속도 신호 및 차속 신호를 검출하여 스티어링 온센터 판단기준을 만족하는지 여부를 판단하는 과정; 상기 스티어링 온센터 판단기준이 만족되는 동시에 조향각 신호가 '0'이 될 때의 조향토크 값을 매번 검출하여 저장하고 그 저장횟수를 카운트하는 과정; 상기 저장횟수가 사전 설정된 셋팅횟수 이상이 되면 그동안 저장된 조향토크 값들의 평균값을 계산하는 과정; 계산된 조향토크 평균값과 전동식 파워 스티어링 시스템의 구동 이후 최초로 저장된 조향토크 값 간에 차이값에 비례하여 전류맵의 게인값을 변경하는 과정; 및 전동식 파워 스티어링 시스템의 최초 구동 이후, 조향 모터의 구동을 위해 공급된 전류량을 누적하여 합산한 누적전류량과 운전자 조작에 의해 발생한 조향각의 크기값을 누적하여 합산한 누적조향각을 기반으로 전류맵의 게인값을 보상하기 위한 게인보상값을 결정하는 과정; 상기 변경된 전류맵의 게인값에 상기 게인보상값을 합산한 값을 전류맵의 게인값으로 결정하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향토크 보상 제어 방법을 제공한다.
여기서, 상기 전류맵은 차속 신호와 운전자 입력토크에 따라 조향 모터에 공급되는 구동전류를 지령할 수 있게 사전 구성된 것이다.
그리고, 상기 스티어링 온센터 판단기준을 만족하는지 여부를 판단하는 과정에서는, 전동식 파워 스티어링 시스템의 구동시 검출된 조향각 신호와 각속도 신호 및 차속 신호가 각각 사전 설정된 조향각 임계범위와 각속도 임계범위 및 차속 임계범위 내에 존재하는 것으로 판단되면 스티어링 온센터 판단기준을 만족하는 것으로 판단한다.
본 발명에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향토크 보상 제어 방법에 의하면, 차량의 스티어링 휠과 차륜 사이에 구성된 스티어링계의 내구 감소에 의해 변동되는 조향토크를 능동적으로 보상하여 스티어링계의 내구 감소 여부에 상관없이 일정한 조향감을 유지하여 운전자의 조종 안정성을 확보할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향토크 보상 제어 방법을 나타낸 순서도
도 2는 본 발명에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템에 적용되는 히스테리시스 곡선을 나타낸 예시도
도 3은 본 발명에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향토크 보상 제어 방법의 효과를 나타낸 그래프
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 먼저 전동식 파워 스티어링 시스템이 구동됨에 따라 조향각 센서에 의해 검출된 조향각 신호와, 각속도 센서에 의해 검출된 각속도 신호, 차속센서에 의해 검출된 차속 신호를 포함하는 스티어링 온센터 판단용 입력신호가 전동식 파워 스티어링 시스템의 제어부(MDPS ECU)에 입력된다.
상기 제어부(MDPS ECU)에는 스티어링 온센터 구간에서 발생가능한 조향각 신호와 각속도 신호 및 차속 신호 값의 임계범위로서 각각 조향각 임계범위, 각속도 임계범위, 차속 임계범위가 사전 설정되어 스티어링 온센터 판단기준으로 저장되며, 상기 스티어링 온센터 판단용 입력신호가 모두 사전 설정된 각각의 임계범위 내에 존재하여 스티어링 온센터 판단기준을 만족하는 것으로 판단되면, 조향각 신호가 '0'이 될 때의 조향토크 값이 운전자의 조향력을 보조하는 토크값으로서 검출되어 저장된다.
조향각 신호와 각속도 신호 및 차속 신호가 각각 스티어링 온센터 판단기준을 만족하는 동시에 상기 조향각 신호가 '0'이 될 때를 기준으로 조향 모터(MDPS 모터)의 구동에 의한 조향토크 값을 모니터링함으로써 정확한 조향토크 값을 취득할 수 있다.
제어부(MDPS ECU)에서는 스티어링 휠과 차륜 사이에 구성된 스티어링계의 마모 등에 의한 프릭션 및 내구 감소 진행에 따라 발생하는 조향토크 변화량을 정확하게 계측하기 위해 조향각 신호, 각속도 신호, 및 차속 신호 등이 스티어링 온센터 구간에 해당하는 값으로 판정되는 동시에 조향각 신호가 '0'이 될 때의 조향토크 크기값(절대값)을 매번 저장한다.
도 2에 보이듯, 전동식 파워 스티어링 시스템에서는 통상 운전자의 조향력을 보조하는 조향토크 즉, 조향 모터의 구동에 의해 발생하는 조향토크가 히스테리시스 곡선으로 제어되기 때문에, 조향각 신호와 각속도 신호 및 차속 신호가 스티어링 온센터 판단기준을 만족할 때의 조향토크 값을 기반으로 조향토크를 보상하더라도 스티어링 오프센터 구간에서의 조향토크까지 대변하여 보상할 수 있다.
제어부(MDPS ECU)에서는 조향각 신호, 각속도 신호, 및 차속 신호 등이 스티어링 온센터 구간에 해당하는 값으로 판정되는 동시에 조향각 신호가 '0'이 될 때의 조향토크 값을 저장하는 동시에 상기 조향토크 값을 저장하는 횟수를 카운트하여 저장하며, 이때 카운트한 조향토크 저장횟수와 사전 설정된 셋팅횟수를 비교하여 조향토크 저장횟수가 셋팅횟수 이상이 되면 이때까지 저장한 조향토크 값들의 평균값을 계산한다.
도 2를 참조하면, 이때 제어부(MDPS ECU)에 저장되는 조향토크 값은 1회 저장시 조향각이 '0'이 될 때의 두 값 즉, ① 위치와 ② 위치의 두 값의 크기값을 합산한 값으로 제어부(MDPS ECU) 내에 구성된 조향토크 변화량 검출부에 저장된다.
상기 조향토크 변화량 검출부에서는 조향토크 저장횟수가 셋팅횟수 이상이 될 때까지 저장된 조향토크 값들의 평균값을 산출한다.
제어부(MDPS ECU)는 조향토크 변화량 검출부에서 산출된 조향토크 평균값을 조향토크 변화량 검출부에 최초로 저장된 조향토크 값(최초 조향토크 값)과 비교하여 그 차이값만큼 전류맵의 게인값을 변경하여 조향토크를 보상한다.
여기서, 상기 최초 조향토크 값은 전동식 파워 스티어링 시스템이 차량에 장착되어 최초로 구동한 이후 조향각 신호, 각속도 신호, 및 차속 신호 등이 스티어링 온센터 구간에 해당하는 값으로 판정되어 스티어링 온센터 판단기준을 만족하는 동시에 최초로 조향각 신호가 '0'이 될 때의 조향토크 값이다.
상기 전류맵은 차속센서에 의해 검출된 차속 신호 및 토크센서에 의해 검출된 운전자 입력토크(혹은 컬럼토크)에 따라 조향 모터에 공급되는 구동전류(출력전류)를 지령할 수 있게 사전 구성된 것으로, 제어부(MDPS ECU)에 저장되고, 맵핑 구성시 설정되는 일정 게인값에 따라 차속 신호 및 운전자 입력토크에 대한 구동전류를 지령할 수 있다.
제어부(MDPS ECU)에는 상기의 최초 조향토크 값과 조향토크 평균값 간에 차이값에 대해 전류맵의 게인값을 선형적으로 맵핑하여 구성된 게인맵이 저장되어 있으며, 이 게인맵은 최초 조향토크 값과 조향토크 평균값 간에 차이값에 따라 상기 전류맵의 게인값을 지령하여 선형적으로 변경되게 한다.
즉, 게인맵은 상기의 최초 조향토크 값과 조향토크 평균값 간에 차이값에 비례하여 전류맵의 게인값을 변동되게 지령한다.
따라서 상기 게인맵에 의해 게인값이 변동된 전류맵은 이전과 동일한 차속 신호 및 운전자 입력토크가 입력될 때 이전과 다른 구동전류 값을 지령하게 되고, 결과적으로 조향 모터의 출력토크(조향 모터에 의해 발생하는 조향토크) 값이 가변되어 스티어링 휠과 차륜 사이에 구성된 스티어링계의 내구 감소에 따른 조향토크의 변동을 보상하고 최초 구동시(스티어링계의 내구 감소 전)의 조향토크를 구현할 수 있게 된다.
또한, 제어부(MDPS ECU) 내에 구성된 학습 메모리부에는 전동식 파워 스티어링 시스템이 차량에 장착되어 최초로 구동된 때부터, 조향 모터의 구동을 위해 공급된 전류량을 누적하여 합산한 누적전류량과 운전자 조작에 의해 발생한 조향각의 크기값을 누적하여 합산한 누적조향각이 계측되어 저장된다.
전동식 파워 스티어링 시스템이 차량에 장착되어 구동을 시작함에 따라 스티어링 휠과 차륜 사이에 구성된 스티어링계의 마모 등에 의한 내구 감소가 진행되어 스티어링계의 프릭션(friction) 등이 변동된다.
따라서 실차 조건에서 전동식 파워 스티어링 시스템의 구동을 시작함에 의해 발생하는 누적전류량 및 누적조향각을 계측하고 이 누적전류량 및 누적조향각의 변화에 따라 변동되는 스티어링계의 프릭션을 프릭션 레퍼런스(friction reference)와 비교한 결과를 기반으로 상기 게인맵에 의해 결정된 전류맵의 게인값을 변경 보상하기 위한 게인보상값을 지령하는 게인보상맵이 구성된다.
여기서, 상기 프릭션 레퍼런스(friction reference)는 전동식 파워 스티어링 시스템이 차량에 장착되어 구동을 시작하기 전에 계측된 스티어링계의 초기 프릭션 값이다. 전동식 파워 스티어링 시스템이 구동을 시작하여 스티어링계의 마모 등에 의한 내구 감소가 진행됨과 동시에 누적전류량과 누적조향각이 발생하고 스티어링계의 프릭션이 변경된다.
다시 말해, 상기 게인보상맵은 전동식 파워 스티어링 시스템의 최초 구동을 시작한 이후 발생하는 누적전류량 및 누적조향각의 변화에 따른 전류맵의 게인보상값을 실차 조건에서 실험 및 평가를 통해 도출하여 사전 구성된 것으로 제어부(MDPS ECU)에 저장되며, 전동식 파워 스티어링 시스템의 최초 구동 이후의 누적전류량 및 누적조향값 값을 기반으로 게인보상값을 지령하게 된다.
제어부(MDPS ECU)에서는 게인맵에서 획득한 게인값에 게인보상맵에서 획득한 게인보상값을 합산하여 보상한 값을 전류맵의 게인값으로 결정하고, 이렇게 결정된 게인값이 설정된 전류맵으로부터 취득한 전류값을 이용하여 조향 모터의 구동을 제어함으로써 스티어링계의 내구 감소 진행에 따라 변동된 조향토크를 보상 제어한 값으로서 조향 모터의 출력토크(조향토크)를 지령하게 된다.
즉, 전류맵의 게인값을 변경 설정하여 조향 모터가 출력하는 조향토크 값을 변경함으로써 스티어링계의 프릭션 및 내구 감소에 따라 변동된 조향토크를 보상 제어한 결과를 얻게 된다.
상기와 같이 결정되는 전류맵의 게인값은 키 오프 시에는 제어부(MDPS ECU)의 학습메모리부에 저장되고 키 온 시에는 학습메모리부에 저장된 게인값이 전류맵의 게인값으로 호출되어 반영된다.
이렇게 스티어링계의 내구 감소가 진행됨과 동시에 발생하는 조향토크의 변동량 및 누적전류량과 누적조향각 등을 고려하여, 조향 모터에 공급되는 전류값 결정을 위한 전류맵의 게인값을 변경하여서 조향 모터의 구동을 위한 공급전류량을 보상/저감 제어함으로써 운전자의 조타력을 보조하기 위한 조향토크를 보상 제어한 결과를 얻을 수 있으며, 이에 의해 전동식 파워 스티어링 시스템이 차량에 장착되어 처음으로 구동을 시작할 때의 최초 조향토크를 구현할 수 있게 된다.
즉, 전동식 파워 스티어링 시스템의 내구 감소가 진행됨에 따라 스티어링계의 프릭션 변경이 발생하여 조향 모터에 의한 조향토크가 변동되는 것을 보상하기 위하여, 전류맵의 게인값을 변경하여 조향 모터에 공급되는 모터 전류량을 저감 제어함으로써 조향 모터에 의한 조향토크를 변경하여 운전자가 조타시 느끼는 조향감을 일정하게 유지시킬 수 있게 된다.
한편, 도 3에 (a)는 전동식 파워 스티어링 시스템이 차량에 장착되어 처음으로 구동을 시작할 때의 조향토크를 나타낸 히스테리시스 곡선이고, (b)는 전동식 파워 스티어링 시스템의 구동이 일정 기간 동안 수행되어 내구 감소가 진행됨에 의해 변동된 조향토크를 나타낸 히스테리시스 곡선이고, (c)는 내구 감소가 진행되어 조향토크가 변동된 전동식 파워 스티어링 시스템의 모터 전류량을 본 발명에 따른 조향토크 보상 제어 방법에 의해 감소시켜 결과적으로 조향토크를 보상 제어한 히스테리시스 곡선이다.
도 3에 보이듯, 본 발명에 따른 조향토크 보상 제어를 수행하여 모터 전류량을 감소시킴에 의해 스티어링 시스템을 처음으로 구동을 시작할 때의 초기 조향토크에 근접한 조향토크를 구현하게 됨을 확인할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

Claims (4)

  1. 전동식 파워 스티어링 시스템이 구동됨에 따라 발생하는 조향각 신호와 각속도 신호 및 차속 신호를 검출하여 스티어링 온센터 판단기준을 만족하는지 여부를 판단하는 과정;
    상기 스티어링 온센터 판단기준이 만족되는 동시에 조향각 신호가 '0'이 될 때의 조향토크 값을 매번 검출하여 저장하고 그 저장횟수를 카운트하는 과정;
    상기 저장횟수가 사전 설정된 셋팅횟수 이상이 되면 그동안 저장된 조향토크 값들의 평균값을 계산하는 과정;
    계산된 조향토크 평균값과 전동식 파워 스티어링 시스템의 구동 이후 최초로 저장된 조향토크 값 간에 차이값에 비례하여 조향 모터에 공급되는 구동전류를 지령할 수 있게 구성된 전류맵의 게인값을 변경하는 과정;을 포함하며,
    상기 전동식 파워 스티어링 시스템의 최초 구동 이후, 상기 조향 모터의 구동을 위해 공급된 전류량을 누적하여 합산한 누적전류량과 운전자 조작에 의해 발생한 조향각의 크기값을 누적하여 합산한 누적조향각을 기반으로 상기 전류맵의 게인값을 보상하기 위한 게인보상값을 결정하는 과정;
    상기 전류맵의 게인값을 변경하는 과정에서 변경된 전류맵의 게인값에 상기 게인보상값을 합산한 값을 전류맵의 게인값으로 결정하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향토크 보상 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류맵은 차속 신호와 운전자 입력토크에 따라 조향 모터에 공급되는 구동전류를 지령할 수 있게 사전 구성된 것임을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향토크 보상 제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 스티어링 온센터 판단기준을 만족하는지 여부를 판단하는 과정에서는, 전동식 파워 스티어링 시스템의 구동시 검출된 조향각 신호와 각속도 신호 및 차속 신호가 각각 사전 설정된 조향각 임계범위와 각속도 임계범위 및 차속 임계범위 내에 존재하는 것으로 판단되면 스티어링 온센터 판단기준을 만족하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향토크 보상 제어 방법.
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