KR102440694B1

KR102440694B1 - 차량의 조향 복원토크 제어 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102440694B1
Application number: KR1020170164954A
Authority: KR
Inventors: 김찬중
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2017-12-04
Filing date: 2017-12-04
Publication date: 2022-09-05
Also published as: KR20190065617A

Abstract

본 발명은 타이어의 슬립각을 이용하여 조향 복원토크를 결정할 수 있도록 한 차량의 조향 복원토크 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 차량 정보(요레이트, 횡가속도, 차속, 조향각)을 이용하여 타이어 슬립각(Slip angle)을 구한 다음, 차량의 복원 모멘트와 유사하게 타이어 슬립각에 따른 복원토크로 조향 휠의 복원을 어시스트할 수 있도록 한 차량의 조향 복원토크 제어 시스템 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

차량의 조향 복원토크 제어 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING STEERING RETURN TORQUE OF VEHICLE}

본 발명은 차량의 조향 복원토크 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 타이어의 슬립각을 이용하여 조향 복원토크를 결정할 수 있도록 한 차량의 조향 복원토크 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.

전동식 파워스티어링 장치(예를 들어, MDPS, Motor Driven Power Steering)는 주행속도에 따른 조타력을 변화시키기 위한 일종의 차속 감응형 파워스티어링 장치로서, 전동식 파워스티어링 모듈의 ECU가 차량속도에 따라 조향각 및 모터 움직임을 제어하면서 최적의 조향감을 운전자에게 제공하는 기능을 한다.

이러한 전동식 파워스티어링 장치는 차량의 조타(Steering) 복원성 즉, 조향 휠(steering wheel)의 조타 복원성을 향상시키기 위한 별도의 복원토크 로직이 적용되고 있다.

이에, 상기 복원토크 로직에 의하여 운전자가 차량을 주행하는 동안 선회(코너링)시 조향 휠을 조타하였다가 선회 완료시(선회 구간 통과 완료시)에 조향 휠을 놓아주게 되면 조향 휠이 복원토크에 의하여 중립(센터) 위치를 향해 회전되는 복원동작이 이루어진다.

종래기술의 일례로서, 한국등록특허 제10-0795102호에는 조향각 및 차속에 따라 조향 복원토크를 계산하고, 계산된 복원토크로 조향 휠의 복원을 어시스트할 수 있도록 한 전자제어 파워 스티어링 시스템의 복원제어장치가 개시되어 있다.

또한, 종래기술의 다른 예로서, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이 조향각, 조향각속도, 차속을 입력요소로 하는 튜닝맵을 이용하여 조향 휠이 중립위치로 향하도록 한 목표 조향각속도를 설정하고, 설정된 목표 조향각속도를 피드백 신호에 의한 실제 조향각속도 신호와 비교하여 에러 보정한 다음, PID제어기에서 전동식 파워스티어링 장치의 모터에 복원토크 출력신호를 명령하는 방법이 적용되고 있다.

그러나, 위의 종래기술들은 차속에 따라 조향 각속도 목표값을 설정한 후 튜닝맵을 통해 다시 튜닝해야 하므로, 조향 각속도 튜닝 시간이 오래 걸리고, 특히 조향 휠의 복원토크가 차속 등에 따라 다르기 때문에 즉, 조향 복원토크는 차속에 따라 변화되는 강한 비선형성을 갖는 물리량이기 때문에 조향 복원토크가 일정하지 않게 되며, 그에 따라 운전자가 차량 거동감과 조향 휠 복원감을 서로 불일치하게 느끼는 이질감이 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 차량 정보(요레이트, 횡가속도, 차속, 조향각)을 이용하여 타이어 슬립각(Slip angle)을 구한 다음, 차량의 복원 모멘트와 유사하게 타이어 슬립각에 따른 복원토크로 조향 휠의 복원을 어시스트할 수 있도록 한 차량의 조향 복원토크 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 요레이트, 횡가속도, 차속, 조향각 정보를 이용하여 타이어 슬립각(α)을 구하는 슬립각 모듈; 및 상기 슬립각 모듈에서 출력되는 슬립각(α)에 따라 조향 복원토크를 출력하는 튜닝맵 모듈; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량의 조향 복원토크 제어 시스템을 제공한다.

특히, 상기 슬립각 모듈에서

를 이용하여 타이어 슬립각(α)을 계산하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 튜닝맵 모듈은 타이어 슬립각(α) 대비 조향 복원토크를 튜닝하기 위한 튜닝맵 데이터를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 요레이트, 횡가속도, 차속, 조향각 정보를 이용하여 슬립각 모듈에서 타이어 슬립각(α)을 계산하는 제1단계; 및 상기 슬립각 모듈에서 계산된 슬립각(α)에 따라 튜닝맵 모듈에서 복원토크를 출력하는 제2단계; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량의 조향 복원토크 제어 시스템을 제공한다.

특히, 상기 제1단계에서

를 이용하여 타이어 슬립각(α)이 계산되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제2단계에서, 조향 복원토크는 타이어 슬립각(α) 대비 복원토크를 튜닝하기 위한 튜닝맵 데이터에 의하여 결정되는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 차량 거동과 관련된 정보와 차속 정보 등을 이용하여 계산된 타이어 슬립각을 이용하여 조향 복원토크를 출력함으로써, 차량 거동감과 조향 휠 복원감을 서로 일치시킬 수 있고, 그에 따라 기존에 조향 휠의 복원토크가 차속에 따라 달라서 차량 거동감과 조향 휠 복원감이 서로 불일치됨에 따른 운전자 이질감을 방지할 수 있다.

도 1은 종래기술로서 목표 조향각속도를 설정하여 조향 복원토크를 출력하는 방법을 도시한 제어 블럭도,
도 2는 조향 복원모멘트를 설명하기 위한 모식도,
도 3은 조향 복원모멘트가 타이어 슬립각에 따라 바뀌는 것을 도시한 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 조향 복원토크 제어 시스템을 제어 블럭도,
도 5는 본 발명에 따른 조향 복원토크 제어 시스템의 슬립각 모듈을 도시한 제어 블럭도,
도 6은 본 발명에 따른 조향 복원토크 제어 시스템의 튜닝맵 모듈을 도시한 제어 블럭도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예로서, 슬립각 모듈이 목표 조향각속도를 설정하여 조향 복원토크를 출력하는 제어 시스템에 적용될 수 있음을 도시한 제어 블럭도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 조향 후 본래 위치로의 조향 복원모멘트(조향 휠의 조향 및 그에 따른 타이어가 조향된 후, 본래 위치로의 조향 복원모멘트)에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

첨부한 도 2는 조향 복원모멘트를 설명하기 위한 모식도로서, 조향시 타이어에 횡력(Fy)이 작용한다.

상기 타이어에 작용하는 횡력(Fy)은 노면에 대해 타이어를 횡방향으로 미는 힘으로서, 타이어의 변형시(예, 타이어 슬립각 발생시) 마찰에 의해 횡력(Fy)이 발생하게 된다.

또한, 상기 타이어 슬립각(slip angle)이 발생할 때, 횡방향의 합력인 횡력(Fy) 작용점과 타이어의 접지 중심점 간의 거리로서 뉴매틱 트레일(Pneumatic Trail)이 발생한다.

참고로, 단면이 크고 저압인 타이어일수록 고속 주행을 함에 따라서 타이어의 바깥 둘레가 변형하여 접지면의 중심이 차차 뒤로 이동하면 뉴매틱 트레일이 증가하는 것으로 알려져 있다.

이때, 상기 타이어의 조향 후 복원모멘트는 횡력 작용점의 차이에 의하여 발생하는데, 횡력(Fy)과 모멘트 암 길이로서 뉴매틱 트레일을 곱한 값으로 발생한다.

이에, 상기 복원모멘트는 첨부한 도 3에서 보듯이 타이어 슬립각에 따라 그 값이 바뀌게 된다.

즉, 상기 슬립각이 증대되면 타이어의 노면 접촉면 중 슬립영역이 증대되어 뉴매틱 트레일이 감소되는 동시에 복원모멘트가 줄어들게 된다.

위와 같이, 상기 복원모멘트는 횡력에 의하여 발생하고, 횡력은 슬립각에 의해 발생하므로, 결국 복원모멘트는 슬립각의 함수(복원모멘트=f(slip angle))가 됨을 알 수 있다.

본 발명은 차량 정보(요레이트, 횡가속도, 차속, 조향각)을 이용하여 타이어 슬립각을 계산한 다음, 차량의 복원 모멘트와 유사하게 타이어 슬립각에 따른 복원토크로 조향 휠의 복원을 어시스트할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

첨부한 도 4는 본 발명에 따른 조향 복원토크 제어 시스템을 제어 블럭도이고, 도 5는 본 발명의 슬립각 모듈을 나타내며, 도 6은 본 발명의 튜닝맵 모듈을 나타낸다.

먼저, 슬립각 모듈(10)에서 요레이트, 횡가속도, 차속, 조향각 정보를 이용하여 타이어 슬립각(α)을 계산한다.

상기 슬립각 모듈(10)은 요레이트 감지 센서와, 횡가속도 감지센서와, 차속센서와, 조향각 센서로부터 각각 요레이트, 횡가속도, 차속, 조향각 정보를 입력받아서 타이어 슬립각(α)을 계산한다.

이때, 상기 슬립각 모듈(10)은 아래의 수학식 1에 의하여 타이어 슬립각(α)을 계산한다.

위의 수학식 1에서, θ: 조향각, i: 조향각에 따른 타이어 회전각비, a_y: 횡가속도, ω_y: 요레이트, U: 차속, a: 차량의 무게 중심점(CG, Center of Gravity)에서 조향 전륜 중심까지의 거리이고, 1/S는 적분을 의미한다.

위의 수학식 1은 아래의 수학식 2 내지 4에 의하여 도출된다.

본래 타이어 슬립각(α)은 위의 수학식 2에 의하여 계산된다.

위의 수학식 2에서, δ: 타이어 회전각, V: 차량 횡방향 속도(side velocity), a: 차량의 무게 중심점(CG, Center of Gravity)에서 조향 전륜 중심까지의 거리, ω_y: 요레이트, U: 차속.

위의 수학식 3은 횡가속도(a_y)를 구하는 식으로서,

는 차량 횡방향 속도 미분값, ω_y: 요레이트, U: 차속을 나타낸다.

위의 수학식 4에서, δ: 타이어 회전각, θ: 조향각, i: 조향각에 따른 타이어 회전각비를 나타낸다.

따라서, 상기 수학식 3을 이용하여 적분한 1/S(a_y-ω_yU)를 수학식 2의 차량 횡방향 속도인 V에 대입하고, 상기 수학식 4의 θㆍi를 수학식 2의 타이어 회전각인 δ에 대입하면, 상기한 수학식 1에 도출된다.

이에 따라, 상기 슬립각 모듈(10)은 요레이트, 횡가속도, 차속, 조향각 정보를 입력받아서 상기한 수학식 1을 통해 타이어 슬립각(α)을 계산하게 된다.

다음으로, 상기 슬립각 모듈(10)에서 계산되어 출력되는 타이어 슬립각(α)에 따라 튜닝맵 모듈(20)에서 조향 복원토크를 출력한다.

상기 튜닝맵 모듈(20)은 타이어 슬립각(α) 대비 조향 복원토크를 튜닝하기 위한 튜닝맵 데이터를 포함하고 있으며, 이 튜닝맵 데이터는 시험을 통하여 구축될 수 있다.

기존에는 차속에 따라 조향 복원토크를 튜닝하는 맵을 이용하였는 바, 본 발명의 튜닝맵에 사용되는 타이어 슬립각은 이미 차속이 반영되어 있으므로 차속이 증대되면 슬립각이 자연스럽게 커지게 된다.

또한, 본 발명의 튜닝맵에 사용되는 타이어 슬립각에는 차량의 거동특성과 관련된 제어요소로서 횡가속도와 요레이트 등의 차량 횡방향 제어요소가 모두 반영되어 있으므로, 보다 정확한 조향 복원토크를 제공할 수 있다.

따라서, 상기 튜닝맵 모듈(20)에서 타이어 슬립각(α) 대비 복원토크를 튜닝하기 위한 튜닝맵 데이터에 의하여 결정된 조향 복원토크 신호를 전동식 파워스티어링 장치(MDPS)의 모터에 출력하게 되고, 모터는 복원토크로 조향 휠의 복원을 어시스트하게 된다.

이와 같이, 차량 거동과 관련된 정보(횡가속도와 요레이트) 및 조향각 정보, 그리고 차속 정보를 기반으로 타이어 슬립각을 계산하고, 계산된 타이어 슬립각 대비 조향 복원토크를 튜닝맵에서 출력하도록 함으로써, 차량 거동감과 조향 휠 복원감을 서로 일치시킬 수 있고, 그에 따라 기존에 조향 휠의 복원토크가 차속에 따라 달라서 차량 거동감과 조향 휠 복원감이 서로 불일치됨에 따른 운전자 이질감을 방지할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예로서, 상기한 본 발명의 슬립각 모듈(10)을 목표 조향각속도을 이용하여 복원토크 출력하는 기존의 조향 복원토크 제어방법에도 적용 가능하다.

첨부한 도 7에 도시된 바와 같이, 기존의 목표 조향각속도를 출력하는 튜닝 맵 모듈을 조향각 대비 목표 조향각속도를 튜닝하는 맵 데이터에서 타이어 슬립각 대비 조향 각속도를 튜닝하기 위한 튜닝맵 데이터를 갖는 것으로 변경하고, 또한 상기 튜닝맵 모듈에 대한 입력요소를 조향각과 조향각속도와 차속에서 타이어 슬립각과 조향각속도와 차속으로 변경한다.

이때, 상기 조향각 대신에 튜닝맵 모듈에 입력되는 타이어 슬립각은 복원모멘트로서 조향각속도의 함수를 가지므로, 상기와 같이 본 발명의 슬립각 모듈(10)에 의하여 계산된 타이어 슬립각이 입력될 수 있다.

따라서, 도 7에서 보듯이 상기 튜닝맵 모듈에 슬립각 모듈에서 계산된 타이어 슬립각 외에 조향각속도와 차속 정보가 입력되면, 타이어 슬립각 대비 조향 각속도를 튜닝하기 위한 튜닝맵으로부터 목표 조향각속도가 출력되고, 출력된 목표 조향각속도를 피드백 신호에 의한 실제 조향각속도 신호와 비교하여 에러 보정한 다음, PID제어기에서 전동식 파워스티어링 장치의 모터에 복원토크 출력신호를 명령하게 된다.

10 : 슬립각 모듈
20 : 튜닝맵 모듈

Claims

요레이트, 횡가속도, 차속, 조향각 정보를 이용하여 타이어 슬립각(α)을 구하는 슬립각 모듈; 및
상기 슬립각 모듈에서 출력되는 슬립각(α)에 따라 조향 복원토크를 출력하는 튜닝맵 모듈;
을 포함하여 구성되고,
상기 슬립각 모듈에서
를 이용하여 타이어 슬립각(α)을 계산하는 것을 특징으로 하는 차량의 조향 복원토크 제어 시스템.
위의 식에서, θ: 조향각, i: 조향각에 따른 타이어 회전각비, a_y: 횡가속도, ω_y: 요레이트, U: 차속, a: 차량의 무게 중심점(CG, Center of Gravity)에서 프론트까지의 거리, 1/S는 적분을 의미.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 튜닝맵 모듈은 타이어 슬립각(α) 대비 복원토크를 튜닝하기 위한 튜닝맵 데이터를 갖는 것을 특징으로 하는 차량의 조향 복원토크 제어 시스템.
요레이트, 횡가속도, 차속, 조향각 정보를 이용하여 슬립각 모듈에서 타이어 슬립각(α)을 계산하는 제1단계; 및
상기 슬립각 모듈에서 계산된 슬립각(α)에 따라 튜닝맵 모듈에서 조향 복원토크를 출력하는 제2단계;
을 포함하고,
상기 제1단계에서
를 이용하여 타이어 슬립각(α)이 계산되는 것을 특징으로 하는 차량의 조향 복원토크 제어 방법.
위의 식에서, θ: 조향각, i: 조향각에 따른 타이어 회전각비, a_y: 횡가속도, ω_y: 요레이트, U: 차속, a: 차량의 무게 중심점(CG, Center of Gravity)에서 프론트까지의 거리, 1/S는 적분을 의미.
삭제
청구항 4에 있어서,
상기 제2단계에서, 조향 복원토크는 타이어 슬립각(α) 대비 복원토크를 튜닝하기 위한 튜닝맵 데이터에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 차량의 조향 복원토크 제어 방법.