KR102552648B1 - Sbw 시스템의 조향휠 반력 토크 신호 생성 장치 및 방법, 그를 포함하는 sbw 조향 장치 - Google Patents

Sbw 시스템의 조향휠 반력 토크 신호 생성 장치 및 방법, 그를 포함하는 sbw 조향 장치 Download PDF

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Abstract

본 실시예는 조향휠 반력 토크 신호를 생성하는 장치에 관한 것으로, 차량의 차륜의 회전속도, 차륜 각도, 조향 구동모터의 모터토크, 차량 속도 및 랙위치 중 하나 이상을 기초로, 차량 슬립과 관련된 슬립 인덱스를 산출하는 슬립 인덱스 결정부와, 슬립 인덱스에 관련된 보상 게인을 산출하는 보상 게인 결정부, 및 감지된 조향각을 기초로 산출된 각도기반 반력토크값에 상기 보상게인을 적용하여 목표 반력토크값을 결정하고, 상기 목표 반력토크값에 대응되는 조향 반력토크 신호를 생성하는 조향 반력토크 신호 생성부를 포함할 수 있다. 본 실시예를 이용하면, 슬립과 관련된 보상 게인을 이용하여 각도기반 목표반력토크를 보상함으로써, 슬립에 의한 언더 스티어 또는 오버 스티어 환경에서 카운터 스티어 동작을 적절하게 수행할 수 있다.

Description

SBW 시스템의 조향휠 반력 토크 신호 생성 장치 및 방법, 그를 포함하는 SBW 조향 장치{Method and Device for Generating Steering Wheel Reaction Torque Signal in SBW system, and SBW Steering Device with the same}
본 실시예는 조향휠 반력 토크를 생성하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 더 상세하게는 본 개시는 스티어 바이 와이어(Steer-by-Wire; 이하 'SBW'라 함) 조향시스템에서 차량 슬립 발생시에도 적절한 카운터 스티어가 가능하도록 조향휠 반력 토크를 생성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
차량의 진행방향을 제어하기 위한 장치로서 조향장치가 사용되며, 최근 전자 제어에 의하여 조향모터가 필요한 조향력을 제공하는 전자식 파워 스티어링(Electric Power Steering; 이하 'EPS'라 함) 장치가 널리 이용되고 있다.
이러한 EPS 조향장치는 운전자에 의하여 조향휠에 인가되는 조향토크에 따라 EPS 조향모터를 구동하여, 조향칼럼을 회전시키거나 또는 그에 연결된 랙바를 이동시키도록 동작한다.
이를 위하여 EPS 조향장치는 EPS 조향 모터와, 조향모터를 제어하는 조향 ECU(전자 컨트롤 유닛)을 포함하며, 조향모터에는 일정한 감속기가 연결되고, 감속기는 조향칼럼 또는 랙바와 연동하여 동작한다.
한편, 차량의 SBW(Steer-By-Wire) 조향 시스템은 조향휠과 차륜 사이의 스티어링 칼럼이나 유니버셜 조인트 혹은 피니언 샤프트와 같은 기계적인 연결 장치를 제거하는 대신에 모터와 같은 전동기를 이용하여 차량의 조향이 이루어지도록 하는 조향 시스템을 말한다.
SBW 시스템은 일반적으로 상위단 장치와 하위단 장치 및 그를 제어하는 제어장치를 포함하며, 상위단 장치는 조향휠에 연결되어 조향휠에 인가되는 토크를 감지하는 토크 감지부와, 하부의 랙바를 통한 조향에 따라 조향휠에 반력 토크를 제공하기 위한 모터 장치로서의 반력모터를 구비할 수 있다, 이러한 상위단 장치를 스티어링 피드백 액추에이터 (Steering Feedback Actuator; SFA)로 표현할 수 있다.
또한, 하위단 장치는 조향휠에 인가되는 조향 토크에 비례하는 조향 보조 토크 신호를 생성하고, 조향 보조 토크 신호를 이용하여 차륜의 타이로드에 연결된 랙바(Rack Bar)를 좌우로 이동시키기 위한 피니언 기어 또는 볼너트 기구부를 구동하는 조향 구동 모터 또는 조향 구동 액추에이터를 제어한다.
이러한 SBW 시스템에서는 조향휠과 조향칼럼 및 SFA를 포함하는 상위단 장치와, 랙바 구동장치(피니언 기어, 볼너트와 그를 구동하는 조향 모터 등)를 포함하는 하위단 장치 사이에 기계적인 연결 없이 독립적으로 동작한다.
따라서, 실제 조향이 이루어지는 하위단 장치의 랙바 이동에 따라 상위단 장치에 연결된 조향휠을 회전시킴으로써 운전자에게 조향 필링을 느끼게 해 주어야 하며, 이를 위하여 조향휠에 인가되는 힘 또는 토크를 반력 또는 반력 토크로 정의할 수 있다.
한편, 차량 주행중에는 노면상태, 차륜의 언밸런스 등에 의하여 차량이 원하는 방향으로 조향되지 않고 횡방향으로 이동하는 슬립현상이 발생할 수 있다.
이러한 차량 슬립이 발생하면, 차량은 목표 조향각도보다 더 조향되는 오버 스티어(Over-steer) 현상 또는 목표 조향각도보다 덜 조향되는 언더 스티어(Under-steer) 현상이 발생할 수 있다. 이러한 오버스티어 또는 언더스티어 현상 발생시 차량의 목표 궤적을 벗어나게 되며, 따라서 운전자는 그를 보상하기 위한 추가 조향 제어를 수행하게 된다. 이러한 추가 조향 제어를 카운터 스티어(Counter-steer)라 할 수 있다.
한편, 일반적인 SBW 조향장치 또는 EPS 조향장치에서는 스티어링 휠이 일정한 조향각으로 회전한 이후에 중앙위치로 복귀할 때 스티어링 휠의 복원을 보조하는 액티브 리턴 기능(Active Return Function)을 제공할 수 있다.
이러한 액티브 리턴 기능을 수행하는 과정에서, 노면 상태에 따라서 적절한 반력(피드백) 토크 제공을 방해하는 토크 성분이 발생할 수 있으며, 이로 인하여 오버/언더 스티어 상태에서 운전자의 카운터 스티어가 방해되는 현상이 발생될 수 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위해서, 본 실시예의 목적은 스티어 바이 와이어(SBW) 조향 시스템에서 조향휠로의 반력 토크를 제공하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 실시예의 다른 목적은, SBW 조향 시스템에서 차량 슬립 또는 차륜 슬립 발생을 고려하여 조향휠로의 반력 토크를 제어하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 실시예의 다른 목적은, SBW 조향 시스템에서 조향휠 반력토크를 제공함에 있어서, 슬립 발생에 따른 보상 게인을 설정하고 그를 기초로 조향휠 반력토크를 제공함으로써, 오버/언더스티어에 따른 카운터 스티어를 원활하게 수행할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 실시예의 다른 목적은, SBW 조향 시스템에서 조향휠 반력토크를 제공함에 있어서, 슬립에 따른 슬립 인덱스를 결정하고, 슬립 인덱스를 기초로 보상 게인을 결정하며, 조향각 기반의 조향 반력토크 연산값에 상기 게인을 적용하여 최종적인 목표 조향 반력토크를 생성하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 일 실시예는 차량의 SBW 시스템에서 조향휠 반력 토크 신호를 생성하는 장치로서, 상기 차량의 차륜의 회전속도, 차륜 각도, 조향 구동모터의 모터토크, 차량 속도 및 랙위치 중 하나 이상을 기초로, 차량 슬립과 관련된 슬립 인덱스를 산출하는 슬립 인덱스 결정부와, 상기 슬립 인덱스에 관련된 보상 게인을 산출하는 보상 게인 결정부, 및 감지된 조향각을 기초로 산출된 각도기반 반력토크값에 상기 보상게인을 적용하여 목표 조향 반력토크 신호를 생성하는 조향 반력토크 신호 생성부를 포함하는 장치를 제공할 수 있다.
이 때, 상기 슬립 인덱스 결정부는 상기 차량의 비구동 차륜의 회전속도 차이를 기초로 결정되는 추정 차륜각도와 감지된 측정 차륜각도의 차이를 기초로 상기 슬립 인덱스를 결정할 수 있다.
또는. 상기 슬립 인덱스 결정부는 상기 차량의 구동차륜의 회전속도와 비구동차륜의 회전속도 차이를 기초로 상기 슬립 인덱스를 결정할 수도 있다.
또는, 상기 슬립 인덱스 결정부는 각도 기반의 차량 역학 모델링으로 추정되는 추정 랙포스와 조향 구동모터 토크 기반의 SBW 역학 모델링으로 산출되는 산출 랙포스의 차이를 기초로 상기 슬립 인덱스를 결정할 수 있다.
이 때, 상기 차량 역학 모델링으로 추정되는 상기 추정 랙포스는 상기 차량 속도와 상기 랙위치에 대한 함수이며, 상기 SBW 역학 모델링으로 산출되는 상기 산출 랙포스는 상기 조향 구동모터의 상기 모터토크와 및 상기 랙위치에 대한 함수일 수 있다.
한편, 상기 보상 게인은 0 내지 1 범위 내의 값을 가지며, 상기 슬립 인덱스의 크기에 반비례할 수 있다.
일 예에서, 상기 슬립 인덱스의 크기가 동작 임계값 이상이 되는 경우 상기 보상게인은 제1기울기를 가지면서 감소하거나, 일정한 감소기간 동안 감소할 수 있다.
또한, 상기 슬립 인덱스의 크기가 해제 임계값 미만인 경우, 상기 보상게인은 1의 값을 가질 수 있다.
다른 실시예에 의하면, 차량의 SBW 시스템에서 조향휠 반력 토크 신호를 생성하는 방법으로서, 상기 차량의 차륜의 회전속도, 차륜 각도, 조향 구동모터의 모터토크, 차량 속도 및 랙위치 중 하나 이상의 정보룰 수신하는 단계와, 상기 수신된 정보를 기초로, 차량 슬립과 관련된 슬립 인덱스를 산출하는 단계와, 상기 슬립 인덱스에 관련된 보상 게인을 산출하는 단계, 및 감지된 조향각을 기초로 산출된 각도기반 반력토크값에 상기 보상게인을 적용하여 목표 조향 반력토크 신호를 생성하는 단계를 포함하는 방법을 제공할 수 있다.
또다른 실시예에 의하면, 차량의 차륜의 회전속도, 차륜 각도, 조향 구동모터의 모터토크, 차량 속도 및 랙위치 중 하나 이상을 감지하는 센서부와, 상기 센서부로부터의 감지신호를 기초로 차량 슬립과 관련된 슬립 인덱스를 산출하고, 상기 슬립 인덱스에 관련된 보상 게인을 결정하며, 감지된 조향각을 기초로 산출된 각도기반 반력토크값에 상기 보상게인을 적용하여 목표 조향 반력토크 신호를 생성하는 조향휠 반력토크 신호 생성장치와, 상기 조향 반력 토크 신호에 따라 조향휠에 반력토크를 제공하는 스티어링 피드백 구동부(Steering Feedback Actuator), 및 상기 차륜에 연동된 랙바를 이동시키기 위한 상기 조향 구동모터를 포함하는 로드 휠 구동부(Road Wheel Actuator)를 포함하는 SBW 조향장치를 제공할 수 있다.
본 실시예에 의한 조향휠 반력토크 신호 생성장치를 이용하면, SBW 조향 시스템에서 차량 슬립 또는 차륜 슬립 발생을 고려하여 조향휠로의 반력 토크를 적절히 제어할 수 있다.
또한, SBW 조향 시스템에서 조향휠의 센터 복원 토크를 제공함에 있어서, 슬립 발생에 따른 보상 게인을 설정하고 그를 기초로 조향휠 반력토크를 제공함으로써, 오버/언더스티어에 따른 카운터 스티어를 원활하게 수행할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, SBW 조향 시스템에서 조향휠의 센터 복원 토크를 제공함에 있어서 차량 슬립에 따라 적절한 조향 반력토크를 제공함으로써 언더스티어 또는 오버스티어 상황에서의 적절한 카운트 스티어를 가능하게 한다.
결론적으로, 본 실시예에 의하면, SBW 조향 시스템에서 차량 슬립이 발생하더라도 차량의 조향 안정성을 유지할 수 있다.
도 1은 본 실시예에 의한 조향휠 반력 토크 신호 생성 장치가 사용될 수 있는 SBW 시스템의 구성도이다.
도 2는 차량 슬립에 의한 언더 스티어 또는 오버 스티어 상황을 도시한다.
도 3은 본 실시예에 의한 조향휠 반력 토크 신호 생성 장치를 포함하는 SBW 장치의 기능별 블록도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 조향휠 반력 토크 신호 생성 장치의 구성 요소를 도시한 구성도이다.
도 5는 본 실시예에 의한 조향휠 반력 토크 신호 생성 장치에 포함되는 슬립 인덱스 결정부의 일 실시예를 도시한다.
도 6은 본 실시예에 의한 조향휠 반력 토크 신호 생성 장치에 포함되는 슬립 인덱스 결정부의 다른 실시예를 도시한다.
도 7은 본 실시예에 의한 조향휠 반력 토크 신호 생성 장치에 포함되는 슬립 인덱스 결정부의 또다른 실시예를 도시한다.
도 8은 본 실시예에 의하여 슬립 인덱스를 기초로 보상 게인을 결정하는 예들을 도시한다.
도 9는 본 실시예에 따른 조향휠 반력 토크 신호 생성방법의 전체 흐름도이다.
도 10은 본 실시예에 의한 조향 반력토크 신호 생성부의 세부적인 제어 블록도이다.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 기술사상의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다. 본 명세서 상에서 언급된 "포함한다", "갖는다", "이루어진다" 등이 사용되는 경우 "~만"이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별한 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함할 수 있다.
또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다.
구성 요소들의 위치 관계에 대한 설명에 있어서, 둘 이상의 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속" 등이 된다고 기재된 경우, 둘 이상의 구성 요소가 직접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속" 될 수 있지만, 둘 이상의 구성 요소와 다른 구성 요소가 더 "개재"되어 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 여기서, 다른 구성 요소는 서로 "연결", "결합" 또는 "접속" 되는 둘 이상의 구성 요소 중 하나 이상에 포함될 수도 있다.
구성 요소들이나, 동작 방법이나 제작 방법 등과 관련한 시간적 흐름 관계에 대한 설명에 있어서, 예를 들어, "~후에", "~에 이어서", "~다음에", "~전에" 등으로 시간적 선후 관계 또는 흐름적 선후 관계가 설명되는 경우, "바로" 또는 "직접"이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
한편, 구성 요소에 대한 수치 또는 그 대응 정보(예: 레벨 등)가 언급된 경우, 별도의 명시적 기재가 없더라도, 수치 또는 그 대응 정보는 각종 요인(예: 공정상의 요인, 내부 또는 외부 충격, 노이즈 등)에 의해 발생할 수 있는 오차 범위를 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 실시예에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 실시예에 의한 조향휠 반력 토크 생성 장치가 사용될 수 있는 SBW 시스템의 구성도이다.
도 1에서 도시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 조향휠 반력 토크 생성장치가 사용될 수 있는 SBW 조향 시스템은 조향휠(steering wheel; 11), 조향휠을 지지하는 조향칼럼(12), 조향칼럼(12)의 일측에 장착되어 본 실시예에 의한 반력 토크 신호 생성장치(200) 및 ECU(140)에 의해서 구동되는 반력 모터(130), 조향축(12), 반력 모터(130) 또는 랙바(rack bar, 20)의 일측에 위치하여 조향 관련 정보 및 랙 위치 정보를 감지하는 센싱부(110), 차속 정보를 기반으로 어시스트 전류 제어 맵을 통해 조향 반력 토크 및 조향 보조력에 대한 제어 신호를 생성하는 ECU(전자 제어 장치: Electronic Control Unit, 140) 및 ECU의 제어 신호에 의해 차량의 좌륜 및 우륜(18) 각각을 독립적으로 조향시키는 하나 이상의 조향 구동 모터 또는 구동 액추에이터(actuator, 150)를 포함할 수 있다.
이러한 SBW 조향 시스템 중에서 반력 모터(130)와 조향칼럼에 장착되는 조향 토크 센서(14), 조향각 센서(13) 등이 SBW 시스템의 상위단을 구성하는 SFA 장치(Steering Feedback Actuator)로 표현될 수 있으며, 랙바(20)를 구동하기 위한 조향 구동 모터 또는 구동 액추에이터(actuator, 150) 등이 SBW 시스템의 하위단을 구성하는 RWA(Road Wheel Actuator) 장치로 표현될 수 있다.
또한, 랙 -피니언 타입을 가지는 SBW 시스템(1)에서는 조향휠(11)의 회전에 의해 발생한 조향 토크가 랙-피니언 기구부를 거쳐서 랙바(20)에 전달될 수 있고, 구동 액추에이터(150)에서 발생한 조향 보조력이 타이로드(19) 및 랙바(109)를 통하여 좌륜 및 우륜(18)에 전달될 수 있다.
이때 센싱부(110)는 운전자의 조향휠(11) 조작에 따라 가변되는 조향컬럼(12)의 회전 변화를 검출하는 조향각 센서(13), 반력 모터(130) 및 조향컬럼(12)의 일측에 설치되어 조향 칼럼에 인가되는 조향 토크 또는 반력 모터(130)에서 출력되는 반력 토크를 검출하는 토크 센서(14), 차량의 차속을 검출하는 차속 센서(15), 랙바(20)에 위치하여 랙 위치 정보를 검출하는 랙 위치 센서(16) 및 구동 액추에이터(150)의 토크를 감지하는 모터토크 센서(17) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 또는, 센싱부(110)는 상기 센서들로부터 센싱 정보를 수신할 수 있다.
또한, 센싱부(110)는 본 실시예에 의한 조향휠 반력 토크 생성 장치(200)에 이용되는 차륜의 회전속도를 감지하기 위한 차륜 회전속도 센서와, 차륜의 각도를 감지하는 차륜 각도 센서 등을 더 포함할 수 있다. 차륜 각도는 조향각이 0도인 상태를 기준으로 차륜이 이루는 각도를 의미한다.
물론, 아래에서 설명할 바와 같이, 차륜 회전 속도 감지센서가 사용되지 않고, 차속 센서(15)로부터의 차속 정보를 기초로 차륜 회전속도를 산출하여 이용할 수도 있다.
그리고 반력 모터(130)는 조향칼럼(12)의 일측에 설치되어 본 실시예에 의한 반력 토크 신호 생성 장치(200) 또는 ECU(140)로부터 인가되는 제어 신호에 따라 조향휠(11)에 가해지는 운전자의 조향력에 대항하는 상기 조향 반력을 발생시켜 운전자에게 적절한 조향감을 부여하는 모터이다.
구체적으로, 센싱부(110)에서 감지된 센싱 정보를 기반으로 반력 토크 생성 장치(200)는 아래에서 설명할 바와 같이 조향 반력 토크 신호를 생성하여 반력 모터(130)를 구동하고, ECU(140)는 어시스트 전류 제어 맵을 이용하여 상기 조향 보조 제어신호를 생성하고 그를 기초로 구동 액츄에이터(150)를 통해 랙바(20)를 좌우로 이동시킬 수 있다.
도 1에서 SBW 시스템으로 R-EPS(Rack타입 EPS)을 도시하여 설명하였지만, 유압식 EPS, C-EPS(Column 타입 EPS), DP-EPS(Dual Pinion 타입 EPS)등이 사용될 수도 있을 것이다.
한편, 이러한 SBW 시스템에서는 조향휠과 조향칼럼 및 SFA를 포함하는 상위단 장치와, 랙바 구동장치(피니언 기어, 볼너트와 그를 구동하는 조향 모터 등)를 포함하는 하위단 장치 사이에 기계적인 연결 없이 독립적으로 동작한다.
따라서, 실제 조향이 이루어지는 하위단 장치의 랙바 이동에 따라 상위단 장치에 연결된 조향휠을 회전시킴으로써 운전자에게 조향 필링을 느끼게 해 주어야 하며, 이를 위하여 조향휠에 인가되는 힘 또는 토크가 반력 토크이다. 본 명세서에서 조향휠에 인가되는 반력토크는 피드백토크, 반력, 피드백포스 등과 동일한 의미로 사용된다.
한편, 차량 주행중에는 노면상태, 차륜의 언밸런스 등에 의하여 차량이 원하는 방향으로 조향되지 않고 횡방향으로 이동하는 슬립현상이 발생할 수 있다.
이러한 차량 슬립이 발생하면, 차량은 목표 조향각도보다 더 조향되는 오버 스티어(Over-steer) 현상 또는 목표 조향각도보다 덜 조향되는 언더 스티어(Under-steer) 현상이 발생할 수 있다.
도 2는 차량 슬립에 의한 언더 스티어 또는 오버 스티어 상황을 도시한다.
도 2와 같이, 정상적인 조향이 이루어졌을때의 차량의 주행 궤적을 Tt라고 했을 때, 차량의 슬립 등으로 인하여 정상 조향보다 더 큰 조향이 이루어지는 오버 스티어 현상이 발생할 수 있으며 이때의 주행궤적은 To가 된다. 또는, 차량 슬립 등으로 인하여 정상 조향보다 작은 조향이 이루어지는 언더 스티어 현상이 발생될 수 있으며, 이 때의 주행궤적은 Tu가 된다.
오버 스티어 현상은 차량의 선회방향의 반대방향에 있는 차륜이 노면의 낮은 마찰력에 의하여 슬립되는 경우에 발생할 수 있다. 반대로, 언더 스티어 현상은 차량의 선회방향에 있는 차륜이 에 있는 차륜이 슬립되는 경우에 발생할 수 있다.
즉, 도 2와 같은 주행 환경에서, 선회방향인 오른쪽에 있는 우측전륜 또는 우측후륜이 노면에서 슬립되는 경우에 언더 스티어 주행궤적 Tu를 따라 주행하게 된다. 반대로 선회방향의 반대편인 좌측전륜 또는 좌측후륜이 노면에서 슬립되는 경우에 오버 스티어 주행궤적 To를 따라 주행할 수 있다.
이러한 오버스티어 또는 언더스티어 현상 발생시 차량의 목표 궤적을 벗어나게 되며, 따라서 운전자는 그를 보상하기 위한 추가 조향 제어를 수행하게 된다. 이러한 추가 조향 제어를 카운터 스티어(Counter-steer)라 표현할 수 있다.
한편, 일반적인 SBW 조향장치 또는 EPS 조향장치에서는 스티어링 휠이 일정한 조향각으로 회전한 이후에 중앙위치로 복귀할 때 스티어링 휠의 복원을 보조하는 액티브 리턴 기능(Active Return Function)을 제공할 수 있다.
즉, 조향휠을 일정 각도 이상으로 회전하여 조향을 수행했다가 조향휠을 센터위치로 복귀시키는 동작에서는, 신속한 센터 복귀를 위하여 반력모터(130)는 일반적인 반력토크보다 더 큰 반력토크를 조향휠에 인가할 수 있다. 이를 액티브 리턴 기능이라 표현할 수 있으나 그에 한정되는 것은 아니다.
일반적으로, 이러한 액티브 리턴 기능은 조향각을 기준으로 반력토크를 보상해주는 일종의 각도기반 보상 메커니즘으로 동작한다.
이러한 액티브 리턴 기능을 수행하는 과정에서, 노면 정보에 따라서 적절한 반력(피드백) 토크를 방해하는 토크 성분이 발생할 수 있으며, 이로 인하여 오버/언더 스티어 상태에서 운전자의 카운터 스티어가 방해되는 현상이 발생될 수 있다.
예를 들어, 도 2의 오버스티어 주행궤적 To를 따라 주행하게 되는 경우, 운전자는 정상 주행궤적 Tt를 따라 주행하도록 우측으로 회전했던 조향휠을 급하게 왼쪽으로 회전시키는 카운터 스티어를 수행할 수 있다.
이러한 카운터 스티어는 일정한 우측조향각에서 센터, 즉 조향각 0인 위치로 복귀하는 과정이다. 이때, 액티브 리턴 기능이 동작되면 조향휠의 센터 방향으로의 일반적인 반력 토크에 더하여 액티브 리턴 기능에 의한 추가 반력토크가 더 보조될 수 있다.
이러한 액티브 리턴 기능에 의한 추가 반력토크는 운전자의 카운터 스티어 동작을 방해할 수 있다.
즉, 운전자는 오버 스티어 현상을 바로잡기 위해서 조향휠을 좌측방향으로 회전시켜 카운터 스티어 동작을 수행하게 되는데, 이 때 큰 반력토크가 조향휠에 인가되는 경우 의도한 카운터 스티어 조작량보다 더 큰 조작을 하게 될 수 있다.
특히, 반력토크 제공시 조향각 기반으로 반력토크를 결정하는 각도기반 제어에서는, 센터위치(조향각이 0도인 위치)까지는 조향휠 복원을 보조하는 기능을 하지만, 센터위치를 넘어가게 되면 반력토크가 카운터 스티어를 방해하는 방향으로 인가될 수 있다.
이와 같이 카운터 스티어 동작이 방해되면, 차량의 조향 안정성이 나빠질 수 있다.
따라서, 차량 슬립 또는 차륜 슬립 등이 발생하는 경우, SBW 조향장치에서 조향휠에 인가되는 반력토크를 적절하게 보상하여, 언더/오버 스티어 상황에서 정상적인 카운터 스티어 동작을 가능하게 할 필요가 있다.
이에 본 실시예에서는, 차량의 슬립이 감지되는 경우, 슬립 인덱스와 그에 따른 보상 게인을 결정하고, 그 보상게인을 조향각 기반으로 결정된 반력토크에 적용하여 조향휠의 반력토크를 제어하는 방안을 제시한다. 이러한 방안을 통해서, 언더/오버 스티어 상황에서 정상적인 카운터 스티어 동작을 모사할 수 있다.
도 3은 본 실시예에 의한 조향휠 반력 토크 신호 생성 장치를 포함하는 SBW 장치의 기능별 블록도이다.
본 실시예에 의한 SBW 시스템은 차륜 회전속도 센서(312)를 포함하는 센서부(310)와, 본 실시예에 의하여 슬립 인덱스와 그에 따른 보상 게인이 적용된 목표 반력 토크를 결정하고 그에 대응되는 조향 반력 토크신호를 생성하는 조향휠 반력 토크 신호 생성장치(200)와, 조향휠 반력 토크 생성 장치에서 생성된 반력 토크 신호를 기초로 조향휠에 피드백 포스, 즉 반력을 제공하는 스티어링 피드백 구동부(SFA; 320)을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 차륜에 연동된 랙바를 이동시키기 위한 조향 구동모터를 포함하는 로드 휠 구동부(Road Wheel Actuator; 330)를 포함할 수 있다.
이러한 로드 휠 구동부(330)는, 도시하지는 않았지만, 랙바와 연결된 구동 기계부와, 상기 구동 기계부와 연동하여 랙바 이동을 제어하는 조향 구동 모터와, 조향휠에 인가되는 조향 토크에 따라 조향 보조 신호를 생성하여 조향 구동 모터를 제어하고, 생성된 반력 토크 신호를 기초로 스티어링 피드백 구동부를 제어하는 제어부로서의 ECU를 더 포함할 수 있다.
로드 휠 구동부에 포함되는 구동 기계부는 조향 구동 모터의 구동력을 랙바로 전달하는 감속기를 포함할 수 있다. 이러한 감속기의 일 예로서, 풀리-방식의 감속기는, 조향 구동 모터의 모터샤프트에 구비된 모터풀리와, 랙바에 회전가능하게 결합되는 볼너트 및 볼너트에 구비된 너트풀리와 모터풀리를 연결하는 구동벨트을 포함할 수 있다.
물론, 로드 휠 구동부(330)의 감속기는 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 피니언-랙기어 결합 방식의 감속기가 사용될 수도 있다.
또한, 센서부(310)는 차륜 회전속도 센서(312)이외에, 차속 센서(313), 랙위치센서(314), 조향 구동모터의 모터토크센서(315), 차륜의 각도를 감지하는 차륜각도 센서(316) 등을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 의한 조향휠 반력토크 신호 생성장치(200)는 센서부(310)로부터의 감지신호를 기초로 차량 슬립과 관련된 슬립 인덱스를 산출하는 기능과, 슬립 인덱스에 관련된 보상 게인을 결정하는 기능과, 감지된 조향각을 기초로 산출된 각도기반 반력토크값에 상기 보상게인을 적용하여 목표 조향 반력토크를 결정하고, 그에 대응되는 조향반력토크 신호를 생성/출력하는 기능을 수행할 수 있다. 이러한 조향휠 반력토크 신호 생성장치(200)의 세부 구성에 대해서는 아래에서 도 4는 기초로 더 상세하게 설명한다.
스티어링 피드백 구동부(SFA; 320)는 조향휠 반력 토크 생성 장치(200)에서 생성된 반력 토크 신호를 기초로 조향휠에 반력을 제공하는 기구 및 전자 장치를 의미하며, 조향칼럼에 연결되는 동력전달기구와, 동력전달기구 중 일부를 회전시키는 반력 모터 등을 포함하여 구성될 수 있다.
이 때, 동력전달기구의 일예로서, 반력 모터 축에 연결되는 웜축과, 조향칼럼에 연결되는 웜휠을 포하는 웜-웜휠 기어 기구 등이 사용될 수 있다.
그러나, SFA(320)의 동력전달기구는 이에 한정되는 것은 아니며, 반력 모터축 및 조향칼럼에 연결되는 구동풀리 및 종동풀리와, 풀리 사이에 배치되는 벨트 등을 포함하는 벨트-풀리 방식의 동력 전달기구가 사용될 수도 있다.
도 4는 본 실시예에 따른 조향휠 반력 토크 신호 생성 장치의 구성 요소를 도시한 구성도이다.
도 4를 참고하면, 본 실시예에 의한 조향휠 반력 토크 신호 생성 장치(200)는 슬립 인덱스 결정부(210)와, 보상 게인 결정부(220) 및 조향 반력토크 신호 생성부(230)를 포함할 수 있다.
슬립 인덱스 결정부(210)는 차륜의 회전속도, 차륜 회전각도, 조향 구동모터의 모터토크, 차량의 속도 및 랙위치 중 하나 이상을 기초로 차량 슬립과 관련된 지수인 슬립 인덱스를 산출하는 기능을 수행한다.
보상 게인 결정부(220)는 결정된 슬립 인덱스에 관련된 보상 게인을 결정하는 기능을 수행한다.
보상 게인은 조향휠에 인가되는 반력토크의 양을 적절하게 감소시키기 위한 게인으로서 0 내지 1의 범위 내의 특정 값으로 정의될 수 있다.
즉, 일반적으로 조향휠에 인가되는 반력토크는 조향각 기반으로 결정되는 각도기반 목표반력토크와, 랙바에 인가되는 랙포스(Rack Force)를 기반으로 결정되는 랙포스기반 목표반력토크로 제어된다. 이 때, 본 실시예에 의한 보상 게인은 각도기반 목표반력토크의 값을 일정 정도 감소시키기 위하여 사용된다.
구체적으로, 조향 반력토크 신호 생성부(230)는 각도기반 반력토크값에 상기 보상게인을 곱함으로써 보상된 각도기반 반력토크값을 산출하고, 그를 기초로 최종 목표 조향 반력토크값을 결정하고, 그에 대응되는 목표 조향 반력토크 신호를 생성하여 반력모터(130)로 출력할 수 있다.
이 때, 최종 목표 조향 반력토크값은 보상게인이 적용된 보상된 각도기반 반력토크값에 더하여, 랙포스기반 목표 반력토크값과 조향각속도를 기반으로 하는 각속도기반 목표반력토크값 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 이러한 구체적인 제어방식에 대해서는 도 10을 기초로 아래에서 더 상세하게 설명한다.
한편, 본 실시예에서 사용되는 슬립 인덱스는 차량 슬립 또는 차륜의 슬립의 정도를 나타내는 정보이다.
구체적으로, 슬립 인덱스 결정부(210)는 슬립 인덱스를 결정하기 위하여 아래 설명할 바와 같은 3가지 실시예로 구현될 수 있으나 그에 한정되는 것은 아니다.
도 5 내지 도 7은 본 실시예에 의한 조향휠 반력 토크 신호 생성 장치에 포함되는 슬립 인덱스 결정부의 여러 실시예들을 도시한다.
도 5를 참고하면, 슬립 인덱스 결정을 위한 일 실시예에서는, 슬립 인덱스 결정부(210)는 차량의 비구동 차륜의 회전속도 차이를 기초로 결정되는 추정 차륜각도와 감지된 측정 차륜각도의 차이를 기초로 슬립 인덱스를 결정할 수 있다.
도 5의 실시예에서는 차량의 전륜 구동 차량을 예시한다. 즉, 전방의 좌측 차륜(WFL) 및 전방 우측차륜(WFR)에만 엔진 또는 모터의 구동력이 전달되며, 후방 좌우측 차륜(WRL, WRR)에는 구동력이 전달되지 않는 차량으로 예시한다.
이 경우, 도 5의 실시예에서는, 슬립 인덱스 결정부(210)는 차량의 비구동 차륜인 후방 좌측 차륜(WRL)의 회전속도 ωRL와 후방 우측 차륜(WRR)의 회전속도 ωRR 의 차이를 기초로 추정 차륜각도 θe를 산출한다. 또한, 차륜 각도센서(316)를 이용하여 측정된 측정 차륜각도 θd의 차이를 기초로 슬립 인덱스 Is를 결정할 수 있다.
도 5와 같이 우측으로 선회하는 경우에는, 선회반경의 차이로 인하여 비구동 차륜인 후방 좌우 차륜사이에는 회전속도 차이가 발생하며 그 회전속도 차이를 기초로 추정 차륜 각도 θe를 추정할 수 있다.
한편, 차량 슬립이 발생하지 않는 상태라면, 추정 차륜각도 θe는 차륜 각도센서(316)로 감지된 측정 차륜각도 θd와 동일한 값을 가질 것이다.
이러한 비구동 차륜의 회전속도 차이를 기초로 결정되는 추정 차륜각도 θe와 감지된 측정 차륜각도 θd의 차이가 클수록 더 많은 슬립이 발생하게 된다.
따라서, 도 5의 실시예에서는, 슬립 인덱스 결정부(210)가 차량의 비구동 차륜의 회전속도 차이를 기초로 결정되는 추정 차륜각도 θe와 감지된 측정 차륜각도 θd의 차이값인 |θe-θd|가 클수록 더 큰 슬립 인덱스 Is를 결정할 수 있다.
도 6의 실시예에서도 차량의 전륜 구동 차량을 예시한다. 즉, 전방의 좌측 차륜(WFL) 및 전방 우측차륜(WFR)에만 엔진 또는 모터의 구동력이 전달되며, 후방 좌우측 차륜(WRL, WRR)에는 구동력이 전달되지 않는 차량으로 예시한다.
이 경우, 도 6의 실시예에서는, 슬립 인덱스 결정부(210)는 차량의 구동 차륜인 전방 좌측 차륜(WFL) 또는 전방 우측 차륜(WFR)의 회전속도와 비구동 차륜인 후방 좌측 차륜(WRL) 또는 전방 우측 차륜(WFR)의 회전속도의 차이를 기초로 슬립 인덱스 Is를 결정할 수 있다.
이 때, 회전속도 비교 대상이 되는 비구동 차륜 및 구동 차륜은 좌측의 2개 차륜 또는 우측의 2개 차륜이 될 수 있다. 즉, 비구동 차륜이 후방 좌측 차륜인 경우 구동차륜은 전방 좌측 차륜이고, 비구동 차륜이 후방 우측 차륜인 경우 구동차륜은 전방 우측 차륜일 수 있다.
도 6과 같이 우측으로 선회하는 경우에는, 정상적인 상태라면 좌측의 2개 차륜은 동일한 선회반경으로 인하여 회전속도가 동일하다. 또한, 정상적인 상태라면 우측의 2개 차륜은 동일한 선회반경으로 인하여 회전속도가 동일하다. 즉, 슬립 발생이 없는 정상 상태라면 구동 차륜인 전방 좌측 차륜(WFL)의 회전속도 ωFL과 비구동 차륜인 후방 좌측 차륜(WRL)의 회전속도 ωRL는 동일하다.
차량 슬립이 발생하면 구동 차륜의 회전속도와 동일한 측에 있는 비구동 차륜의 회전속도에 차이가 발생하며, 슬립량이 클수록 구동차륜과 비구동 차륜의 회전속도의 차이값이 커진다.
따라서, 도 6에 도시한 바와 같이, 슬립 인덱스 결정부(210)는 구동 차륜인 전방 좌측 차륜의 회전속도 ωFL (또는 전방 우측 차륜의 회전속도 ωFR) 및 비구동 차륜인 후방 좌측 차륜의 회전속도 ωRL(또는 후방 우측 차륜의 회전속도 ωRR)을 입력받고, 그 차이값인 |ωFL-ωRL|을 산출한다. 다음으로, 슬립 인덱스 결정부(210)는 차륜 회전속도 차이값인 |ωFL-ωRL|을 기초로 슬립 인덱스 Is를 결정할 수 있다.
더 구체적으로, 슬립 인덱스 결정부(210)는 슬립 인덱스 Is가 구동차륜의 회전속도와 비구동 차륜의 회전속도의 차이값 |ωFL-ωRL|에 비례하도록 결정할 수 있다.
도 7을 참고하면, 슬립 인덱스 결정부(210)는 각도 기반의 차량 역학 모델링(Angle-based Vehicle Dynamics modeling)으로 추정되는 추정 랙포스(Frack)와 조향 구동모터 토크 기반의 SBW 역학 모델링(SBW Dynamics Modeling)으로 산출되는 산출 랙포스(F'rack)의 차이를 기초로 슬립 인덱스 Is를 결정할 수 있다.
이 때, 차량 역학 모델링으로 추정되는 추정 랙포스(Frack)는 차량 속도(v)와 랙바의 위치인 랙위치에 대한 함수이며, SBW 역학 모델링으로 산출되는 산출 랙포스(F'rack)는 조향 구동모터의 모터토크(Tm)와 및 랙위치에 대한 함수일 수 있다.
일반적으로, 차량 주행시 랙바에 일정한 하중이 인가되며 이를 랙포스로 정의할 수 있으며, 차량에 고유한 차량 역학 모델링 상태방정식에 의하여 추정되거나, SBW 조향장치에 고유한 SBW 역학 모델링(SBW Dynamics Modeling) 상태방정식에 의하여 결정될 수 있다.
이 때, 차량 역학 모델링 상태방정식에 의한 추정 랙포스는 차량 조향시스템의 피니언 기어를 기준으로 하되, 피니언 기어를 포함하지 않는 조향조작장치 측을 모델링 해석한 제1 모델링해석과 피니언 기어를 포함하는 구동 모터 측을 모델링한 제2 모델링해석에 기초하여 산출된 상태방정식을 이용하여 추정될 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 슬립 인덱스 결정부(210)는 추정 랙포스 결정부(211)와 산출 랙포스 결정부(212)를 포함할 수 있다.
추정 랙포스 산출부(211)는 차량마다 고유하게 정의되는 차량 역학 모델링 상태방정식을 기초로 추정 랙포스(Frack)를 결정할 수 있다. 이때, 추정 랙포스(Frack) 결정을 위한 차량 역학 모델링 상태방정식은 차량 속도(v)와 랙바의 위치인 랙위치(Pr)를 변수로 가진다. 즉, 차량 속도(v)가 클수록 랙바에 인가되는 하중이 커질 수 있으며 그에 따라 추정 랙포스(Frack) 역시 커질 수 있다. 또한, 랙바에 인가되는 추정 랙포스(Frack)는 랙바의 위치가 일측의 엔드 상태에 가까울수록 커질 수 있다. 따라서, 추정 랙포스 산출부(211)는 차량 속도(v)와 랙바의 위치인 랙위치(Pr)에 대한 함수로서 추정 랙포스(Frack)를 결정할 수 있다.
추정 랙포스(Frack)를 위한 차량 역학 모델링 상태방정식은 차량의 횡가속도(ay)에 랙포스 계수값 Ca를 곱하여 정의될 수 있다. 이때 사용되는 차량 횡가속도(ay)는 아래와 같은 수학식 1로 산출될 수 있으나 그에 한정되는 것은 아니다. 또한, 랙포스 계수값 Ca는 차량 질량 등에 따라 정의되는 차량 고유 특성값이다.
[수학식 1]
Figure 112021076052591-pat00001
상기 수학식 1에서 V는 차량 속도, Rt는 스티어링 기어비(Steering ratio), L은 휠베이스, K는 언더스티어 그래디언트, g는 중력가속도이다.
한편, 산출 랙포스 결정부(212)는 차량 고유의 역학 모델링과 별도로 SBW 조향시스템에 고유하게 정의되는 SBW 역학 모델링(SBW Dynamics Modeling) 상태방정식을 이용하여 산출 랙포스(F'rack)를 결정할 수 있다. SBW 역학 모델링(SBW Dynamics Modeling) 상태방정식은 조향 구동모터의 모터토크(Tm) 및 랙위치(Pr)을 변수로 가진다. 즉, 조향 구동모터의 모터토크(Tm)가 클수록 큰 조향이 이루어지고 있으므로 추정 랙포스(Frack) 역시 커질 수 있다. 또한, 랙바에 인가되는 산출 랙포스(F'rack)는 랙바의 위치가 일측의 엔드 상태에 가까울수록 커질 수 있다. 따라서, 산출 랙포스 결정부(212)는 조향 구동모터의 모터토크(Tm)와 랙위치(Pr)에 대한 함수인 SBW 역학 모델링(SBW Dynamics Modeling) 상태방정식을 이용하여 산출 랙포스(F'rack)를 결정할 수 있다.
산출 랙포스(F'rack)를 산출하기 위한 SBW 역학 모델링(SBW Dynamics Modeling) 상태방정식의 일 예로서, 아래와 같은 수학식 2가 사용될 수 있지만 그에 한정되는 것은 아니다.
[수학식 2]
Figure 112021076052591-pat00002
상기 수학식 2에서
Figure 112021076052591-pat00003
이고, xr, vr은 각각 랙위치 및 랙속도이다. 또한, Meq, Beq는 각각 대응 질량 계수(Equivalent Mass Coefficient) 및 대응 댐핑 계수(Equivalent Damping Coefficient)이고, Keq는 포스대 모터토크 대응 게인(Equivalent Gain from motor torque to force)이며, τm은 조향 구동모터의 모터토크이다.
슬립이 발생되지 않는 정상적인 경우라면, 차량 역학 모델링에 의한 추정 랙포스(Frack)와 SBW 역학 모델링에 의한 산출 랙포스(F'rack)는 동일한 값을 가질 것이다. 그러나, 차량 슬립이 발생하면 차량 역학 모델링에 의한 추정 랙포스(Frack)와 SBW 역학 모델링에 의한 산출 랙포스(F'rack) 사이에 차이가 발생할 수 있으며, 슬립 인덱스 결정부(210)는 그 차이값을 기초로 슬립 인덱스 Is를 결정할 수 있다.
구체적으로, 슬립 인덱스 결정부(210)는 차량 역학 모델링에 의한 추정 랙포스(Frack)와 SBW 역학 모델링에 의한 산출 랙포스(F'rack) 사이에 차이값이 클수록 더 큰 슬립 인덱스를 결정할 수 있다.
도 8은 본 실시예에 의하여 슬립 인덱스를 기초로 보상 게인을 결정하는 예들을 도시한다.
도 8을 참고하면, 본 실시예에 의한 보상 게인 결정부(220)는 슬립 인덱스 결정부(210)에서 결정된 슬립 인덱스에 따라서 보상 게인(g)을 결정할 수 있다.
이 때, 보상 게인(g)은 0 내지 1 범위 내의 값을 가지며, 상기 슬립 인덱스의 크기에 반비례할 수 있다.
도 8의 (A)에 도시한 예에서는, 보상 게인 결정부(220)는 슬립 인덱스(Is)의 크기가 동작 임계값(THop) 이상이 되는 경우 보상게인이 제1기울기를 가지면서 감소하도록 결정할 수 있다.
즉, 도 8의 (A)와 같이, 슬립 인덱스(Is)가 동작 임계값(THop)에 도달하면 슬립 인덱스가 증가함에 따라 보상게인이 초기값(gi)에서 0까지 제1기울기를 가지면서 선형적으로 감소하도록 결정될 수 있다. 즉, 도 8의 (A)의 예에서는 슬립 인덱스가 일정값 이상인 경우 보상 게인(g)이 슬립 인덱스에 선형적으로 반비례하도록 결정된다.
또다른 실시예에서는, 도 8의 (B)와 같이, 슬립 인덱스(Is)가 동작 임계값(THop)에 도달하면 일정한 감소시간 △t 동안 선형적 또는 비선형적으로 감소하도록 결정될 수 있다. 즉, 도 8의 (B)의 예에서는 슬립 인덱스가 일정값 이상인 경우 보상 게인(g)이 슬립 인덱스의 크기와 무관하게 일정 시간동안 감소하도록 결정된다.
또다른 실시예에서는, 도 8의 (C)와 같이, 슬립 인덱스(Is)가 해제 임계값(THre) 미만이 되면 보상게인(g)이 1로 결정될 수 있다.
이와 같이 보상 게인(g)이 결정되면, 결정된 보상 게인은 각도기반 목표반력토크의 값을 일정 정도 감소시키기 위하여 사용된다.
일반적으로 조향휠에 인가되는 반력토크는 조향각 기반으로 결정되는 각도기반 목표반력토크와, 랙바에 인가되는 랙포스(Rack Force)를 기반으로 결정되는 랙포스기반 목표반력토크로 제어된다. 이 때, 본 실시예에 의한 보상 게인은 각도기반 목표반력토크의 값을 일정 정도 감소시키기 위하여 사용된다.
구체적으로, 조향 반력토크 신호 생성부(230)는 각도기반 반력토크값에 상기 보상게인을 곱함으로써 보상된 각도기반 반력토크값을 산출하고, 그를 기초로 최종 목표 조향 반력토크값을 결정하고, 그에 대응되는 목표 조향 반력토크 신호를 생성하여 반력모터(130)로 출력할 수 있다.
예를 들어, 조향각 기반으로 산출된 각도기반 반력토크값이 Tag이고 슬립 인덱스(Is)를 기초로 결정된 보상게인(g)가 0.7인 경우, 보상된 각도기반 반력토크값은 0.7Tag가 된다.
즉, 슬립이 많이 발생할수록 각도기반 반력토크값을 감소시킴으로써 조향휠의 센터 복귀시의 반력토크를 감소시킬 수 있다. 따라서, 슬립에 의한 오버/언더 스티어 발생시에도 카운터 스티어를 방해하지 않을 수 있다.
한편, 본 실시예에 의한 조향 반력토크 신호 생성부(230)는 최종적인 목표 조향반력토크값을 결정함에 있어서, 각도기반 반력토크값 이외에, 랙포스(Rack Force)를 기반으로 결정되는 랙포스기반 목표반력토크 및 조향각속도 기반으로 결정되는 각속도기반 목표반력토크를 더 고려할 수 있다.
도 10은 본 실시예에 의한 조향 반력토크 신호 생성부의 세부적인 제어 블록도이다
도 10을 참고하면, 본 실시예에 의한 조향 반력토크 신호 생성부(230)는 각도기반 목표반력토크 결정부(231)와 본 실시예에 의한 보상 게인이 적용된 보상된 각도기반 반력토크를 결정하는 각도기반 반력토크 보상부(232)를 포함할 수 있다.
또한, 조향 반력토크 신호 생성부(230)는 조향각속도 기반의 목표반력토크를 결정하는 각속도기반 목표반력토크 결정부(233) 및 랙포스기반의 목표반력토크를 결정하는 랙포스기반 목표반력토크 결정부(234)를 더 포함할 수 있다.
각도기반 목표반력토크 결정부(231)는 조향각을 기초로 각도기반 목표반력토크(Tag)을 결정하고, 각도기반 반력토크 보상부(232)는 각도기반 목표반력토크(Tag)에 전술한 보상 게인 결정부(220)에서 결정된 보상 게인(g)을 곱하여 보상된 각도기반 반력토크(Tag')를 결정한다.
각속도기반 목표반력토크 결정부(233)는 조향각의 시변량인 조향각속도를 기초로 각속도기반 목표반력토크(Tagspd)를 결정한다. 또한, 랙포스기반 목표반력토크 결정부(234)는 전술한 추정 랙포스(Frack) 또는 산출 랙포스(F'rack) 중 하나 이상을 기초로 랙포스기반 목표반력토크(Trf)를 결정한다.
조향 반력토크 신호 생성부(230)는 본 실시예에 의한 보상 게인으로 보상된 각도기반 반력토크(Tag')와, 각속도기반 목표반력토크(Tagspd) 및 랙포스기반 목표반력토크(Trf)를 합하여 최종적인 목표반력토크(Tf)를 결정한다.
조향 반력토크 신호 생성부(230)는 최종적인 목표반력토크(Tf)에 대응되는 조향 목표 반력토크 신호(Sf)를 생성하여 반력모터(130)으로 출력한다.
이상과 같이, 본 실시예에 의한 조향휠 반력토크 신호 생성장치를 이용하면, 슬립과 관련된 보상 게인을 이용하여 각도기반 목표반력토크를 보상함으로써, 슬립에 의한 언더 스티어 또는 오버 스티어 환경에서 카운터 스티어 동작을 적절하게 수행할 수 있도록 한다.
또한, 본 실시예에 의한 조향휠 반력토크 신호 생성장치를 이용하면 각도기반 반력토크의 보상 이외에도, 각속도기반 목표반력토크 및 랙포스기반 목표반력토크를 더 이용함으로써, 슬립 상태에서도 운전자에게 위화감을 주지 않도록 정밀한 조향휠 반력토크를 제공할 수 있다.
더 구체적으로, 본 실시예에 의한 조향휠 반력토크 신호 생성장치를 이용하면, 카운터 스티어가 필요한 슬립 상황에서 각도기반의 반력토크를 감소시킴으로써, 조향휠이 랙포스의 방향에 따라 적절한 움직임을 나타내도록 할 수 있다.
한편, 이상과 같은 본 실시예에 의한 조향휠 반력 토크 신호 생성장치(200) 및 그에 포함되는 슬립 인덱스 결정부(210)와, 보상 게인 결정부(220) 및 조향 반력토크 신호 생성부(230) 등은 SBW 조향 시스템의 제어장치 또는 ECU의 일부 모듈로서 구현될 수 있다.
이러한 SBW 조향 시스템의 제어장치 또는 ECU는 프로세서와 메모리 등의 저장장치와 특정한 기능을 수행할 수 있는 컴퓨터 프로그램 등을 포함할 수 있으며, 전술한 슬립 인덱스 결정부(210)와, 보상 게인 결정부(220) 및 조향 반력토크 신호 생성부(230) 등은 각각의 해당되는 기능을 수행할 수 있는 소프트웨어 모듈로서 구현될 수 있을 것이다.
즉, 본 실시예에 의한 슬립 인덱스 결정부(210)와, 보상 게인 결정부(220) 및 조향 반력토크 신호 생성부(230) 등은 각각 해당되는 소프트웨어 모듈로 구현되어 메모리에 저장될 수 있으며, 각 소프트웨어 모듈은 특정 시점에서 SBW 조향 시스템에 포함된 ECU와 같은 연산처리 장치에서 수행될 수 있다.
도 9는 본 실시예에 따른 조향휠 반력 토크 신호 생성방법의 전체 흐름도이다.
본 실시예에 의한 조향휠 반력 토크 신호 생성방법은 차량의 차륜의 회전속도, 차륜의 각도, 조향 구동모터의 모터토크, 상기 차량의 속도 및 랙위치 중 하나 이상의 정보룰 수신하는 단계(S910)와, 수신된 정보를 기초로, 차량 슬립과 관련된 슬립 인덱스를 산출하는 단계(S920)와, 슬립 인덱스에 관련된 보상 게인을 산출하는 단계(S930), 및 감지된 조향각을 기초로 산출된 각도기반 반력토크값에 상기 보상게인을 적용하여 목표 조향 반력토크값을 결정하고, 그에 대응되는 조향 반력토크 신호를 생성하는 단계(S940)을 포함할 수 있다.
슬립 인덱스를 결정하는 단계(S920)에서, 상기 슬립 인덱스는 차량의 비구동 차륜의 회전속도 차이를 기초로 결정되는 추정 차륜각도와 감지된 측정 차륜각도의 차이를 기초로 결정될 수 있다.
또는, 슬립 인덱스를 결정하는 단계(S920)에서, 상기 슬립 인덱스는 차량의 구동차륜의 회전속도와 비구동차륜의 회전속도 차이를 기초로 결정될 수 있다.
또는, 슬립 인덱스를 결정하는 단계(S920)에서, 상기 슬립 인덱스는 각도 기반의 차량 역학 모델링으로 추정되는 추정 랙포스와 조향 구동모터 토크 기반의 SBW 역학 모델링으로 산출되는 산출 랙포스의 차이를 기초로 결정될 수 있다.
이 때, 차량 역학 모델링으로 추정되는 상기 추정 랙포스는 상기 차량 속도와 상기 랙위치에 대한 함수이며, 상기 SBW 역학 모델링으로 산출되는 상기 산출 랙포스는 상기 조향 구동모터의 상기 모터토크와 및 상기 랙위치에 대한 함수일 수 있다.
또한, 보상 게인은 0 내지 1 범위 내의 값을 가지며, 상기 슬립 인덱스의 크기에 반비례할 수 있다.
또한, 조향 반력토크 신호를 생성하는 단계(S940)는 조향각을 기초로 각도기반 목표반력토크(Tag)을 결정하는 단계와, 결정된 각도기반 목표반력토크(Tag)에 보상 게인(g)을 곱하여 보상된 각도기반 반력토크(Tag')를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 조향 반력토크 신호를 생성하는 단계(S940)는 보상된 각도기반 반력토크(Tag')와, 각속도기반 목표반력토크(Tagspd) 및 랙포스기반 목표반력토크(Trf)를 합하여 최종적인 목표반력토크(Tf)를 결정하는 단계와, 최종적인 목표반력토크(Tf)에 대응되는 조향 목표 반력토크 신호(Sf)를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 의한 조향휠 반력토크 신호 생성장치 및 방법을 이용하면, 슬립과 관련된 보상 게인을 이용하여 각도기반 목표반력토크를 보상함으로써, 슬립에 의한 언더 스티어 또는 오버 스티어 환경에서 카운터 스티어 동작을 적절하게 수행할 수 있는 효과가 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
이상의 설명은 본 개시의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 기술사상의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 또한, 본 실시예들은 본 개시의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 이러한 실시예에 의하여 본 개시의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
200 : 조향휠 반력 토크 신호 생성장치 210 : 슬립 인덱스 결정부
220 : 보상 게인 결정부 230 : 조향 반력토크 신호 생성부
310 : 센서부 312 : 차륜 회전속도 센서
313 : 차속센서 314 : 랙위치 센서
315 : 모터토크센서 ` 316 : 차륜 각도센서
320 : 스티어링 피드백 구동부 330 : 로드 휠 구동부

Claims (20)

  1. 차량의 SBW 시스템에서 조향휠 반력 토크 신호를 생성하는 장치에 있어서,
    상기 차량의 차륜의 회전속도, 차륜 각도, 조향 구동모터의 모터토크, 차량 속도 및 랙위치 중 하나 이상을 기초로, 차량 슬립과 관련된 슬립 인덱스를 산출하는 슬립 인덱스 결정부;
    상기 슬립 인덱스에 관련된 보상 게인을 산출하는 보상 게인 결정부; 및,
    감지된 조향각을 기초로 산출된 각도기반 반력토크값에 상기 보상게인을 적용하여 목표 반력토크값을 결정하고, 상기 목표 반력토크값에 대응되는 조향 반력토크 신호를 생성하는 조향 반력토크 신호 생성부를 포함하며,
    상기 슬립 인덱스 결정부는 각도 기반의 차량 역학 모델링으로 추정되는 추정 랙포스와 조향 구동모터 토크 기반의 SBW 역학 모델링으로 산출되는 산출 랙포스의 차이를 기초로 상기 슬립 인덱스를 결정하는 것을 특징으로 하는 조향휠 반력토크 신호 생성장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슬립 인덱스 결정부는 상기 차량의 비구동 차륜의 회전속도 차이를 기초로 결정되는 추정 차륜각도와 감지된 측정 차륜각도의 차이를 기초로 상기 슬립 인덱스를 결정하는 것을 특징으로 하는 조향휠 반력토크 신호 생성장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 슬립 인덱스 결정부는 상기 차량의 구동차륜의 회전속도와 비구동차륜의 회전속도 차이를 기초로 상기 슬립 인덱스를 결정하는 것을 특징으로 하는 조향휠 반력토크 신호 생성장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 차량 역학 모델링으로 추정되는 상기 추정 랙포스는 상기 차량 속도와 상기 랙위치에 대한 함수이며,
    상기 SBW 역학 모델링으로 산출되는 상기 산출 랙포스는 상기 조향 구동모터의 상기 모터토크와 및 상기 랙위치에 대한 함수인 것을 특징으로 하는 조향휠 반력토크 신호 생성장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 보상 게인은 0 내지 1 범위 내의 값을 가지며, 상기 슬립 인덱스의 크기에 반비례하는 것을 특징으로 하는 조향휠 반력토크 신호 생성장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 슬립 인덱스의 크기가 동작 임계값 이상이 되는 경우 상기 보상게인은 제1기울기를 가지면서 감소하는 것을 특징으로 하는 조향휠 반력토크 신호 생성장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 슬립 인덱스의 크기가 동작 임계값 이상이 되는 경우 상기 보상게인은 일정한 감소기간 동안 감소하는 것을 특징으로 하는 조향휠 반력토크 신호 생성장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 슬립 인덱스의 크기가 해제 임계값 미만인 경우, 상기 보상게인은 1의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 조향휠 반력토크 신호 생성장치.
  10. 차량의 SBW 시스템에서 조향휠 반력 토크 신호를 생성하는 방법에 있어서,
    상기 차량의 차륜의 회전속도, 차륜 각도, 조향 구동모터의 모터토크, 차량 속도 및 랙위치 중 하나 이상의 정보룰 수신하는 단계;
    상기 수신된 정보를 기초로, 차량 슬립과 관련된 슬립 인덱스를 산출하는 단계;
    상기 슬립 인덱스에 관련된 보상 게인을 산출하는 단계; 및
    감지된 조향각을 기초로 산출된 각도기반 반력토크값에 상기 보상게인을 적용하여 목표 조향 반력토크값을 결정하고, 상기 목표 조향 반력토크값에 대응되는 조향 반력토크 신호를 생성하는 단계;를 포함하며,
    상기 슬립 인덱스를 결정하는 단계는 각도 기반의 차량 역학 모델링으로 추정되는 추정 랙포스와 조향 구동모터 토크 기반의 SBW 역학 모델링으로 산출되는 산출 랙포스의 차이를 기초로 상기 슬립 인덱스를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조향휠 반력토크 신호 생성방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 슬립 인덱스를 결정하는 단계는 상기 차량의 비구동 차륜의 회전속도 차이를 기초로 결정되는 추정 차륜각도와 감지된 측정 차륜각도의 차이를 기초로 상기 슬립 인덱스를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조향휠 반력토크 신호 생성방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 슬립 인덱스를 결정하는 단계는 상기 차량의 구동차륜의 회전속도와 비구동차륜의 회전속도 차이를 기초로 상기 슬립 인덱스를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조향휠 반력토크 신호 생성방법.
  13. 삭제
  14. 제10항에 있어서,
    상기 차량 역학 모델링으로 추정되는 상기 추정 랙포스는 상기 차량 속도와 상기 랙위치에 대한 함수이며,
    상기 SBW 역학 모델링으로 산출되는 상기 산출 랙포스는 상기 조향 구동모터의 상기 모터토크와 및 상기 랙위치에 대한 함수인 것을 특징으로 하는 조향휠 반력토크 신호 생성방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 보상 게인은 0 내지 1 범위 내의 값을 가지며, 상기 슬립 인덱스의 크기에 반비례하는 것을 특징으로 하는 조향휠 반력토크 신호 생성방법.
  16. 차량의 차륜의 회전속도, 차륜 각도, 조향 구동모터의 모터토크, 차량 속도 및 랙위치 중 하나 이상을 감지하는 센서부;
    상기 센서부로부터의 감지신호를 기초로 차량 슬립과 관련된 슬립 인덱스를 산출하고, 상기 슬립 인덱스에 관련된 보상 게인을 결정하며, 감지된 조향각을 기초로 산출된 각도기반 반력토크값에 상기 보상게인을 적용하여 목표 조향 반력토크값을 결정하고, 상기 목표 조향 반력토크값에 대응되는 조향 반력토크 신호를 생성하는 조향휠 반력토크 신호 생성장치;
    상기 조향 반력 토크 신호에 따라 조향휠에 반력토크를 제공하는 스티어링 피드백 구동부(Steering Feedback Actuator); 및
    상기 차륜에 연동된 랙바를 이동시키기 위한 상기 조향 구동모터를 포함하는 로드 휠 구동부(Road Wheel Actuator);
    를 포함하며,
    상기 조향휠 반력토크 신호 생성장치는 각도 기반의 차량 역학 모델링으로 추정되는 추정 랙포스와 조향 구동모터 토크 기반의 SBW 역학 모델링으로 산출되는 산출 랙포스의 차이를 기초로 상기 슬립 인덱스를 결정하는 것을 특징으로 하는 SBW 조향장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 조향휠 반력토크 신호 생성장치는 상기 차량의 비구동 차륜의 회전속도 차이를 기초로 결정되는 추정 차륜각도와 감지된 측정 차륜각도의 차이를 기초로 상기 슬립 인덱스를 결정하는 것을 특징으로 하는 SBW 조향장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 조향휠 반력토크 신호 생성장치는 상기 차량의 구동차륜의 회전속도와 비구동차륜의 회전속도 차이를 기초로 상기 슬립 인덱스를 결정하는 것을 특징으로 하는 SBW 조향장치.
  19. 삭제
  20. 제16항에 있어서,
    상기 보상 게인은 0 내지 1 범위 내의 값을 가지며, 상기 슬립 인덱스의 크기에 반비례하는 것을 특징으로 하는 SBW 조향장치.
KR1020210086339A 2020-07-01 2021-07-01 Sbw 시스템의 조향휠 반력 토크 신호 생성 장치 및 방법, 그를 포함하는 sbw 조향 장치 KR102552648B1 (ko)

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