KR102585257B1 - 차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈 - Google Patents

차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존 차량의 스티어링 휠, 브레이크 페달, 가속페달에 포함시켜 추가 장착하여 차량의 가감속시 PWM 변조 지수와 위상차를 변동하여 승차감을 향상시키는 알고리즘이 적용되되, 상기 제어 시스템 모듈은 스티어링 휠에 포함된 모터에 의해 스티어링휠 각도 제어를 하는 조향 제어 드라이버; 브레이크 페달에 장착시킨 모터에 의해 브레이크 페달 각도 제어를 하는 제동 제어 드라이버; 가속페달에 장착하여 가속페달의 변위데이터에 의해 제어를 하는 가속 제어 드라이버; 및 상기 조향 제어 드라이버, 제동 제어 드라이버, 가속 제어 드라이버와 유무선 통신에 의해 대응하는 모터 데이터 입출력, 입출력되는 데이터의 캘리브레이션, 모터의 속도, 각도, 토크를 제어하는 통합제어부;를 더 포함하여 구성되며, 상기 조향 제어 드라이버와 제동 제어 드라이버의 모터 제어는 모터의 위치 및 속도를 검출하는 엔코더로부터 입력되는 데이터와 상기 통합제어부에 임베딩된 가감속 알고리즘에 의해 배터리의 전력으로부터 DC/DC 컨버터 및 3상 PWM 인버터의 전력변환에 의해 제어 대상 모터 구동 전력을 제어함을 특징으로 하며, 상기 가감속 알고리즘은 3상 PWM 인버터 DC-링크 전압을 제어하되, 인버터 출력 전압에 대응하여 3상 PWM 인버터 변조비를 1이 되도록 제어함을 특징으로 하는 차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈에 관한 것이다.
본 과제(결과물)는 2021년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역혁신 사업의 결과입니다.(2021RIS-002)

Description

차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈{Acceleration/Deceleration Control System Module To Improve Riding Comfort That Can Be Added To The Vehicle}
본 발명은 차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존 차량의 스티어링 휠, 브레이크 페달, 가속페달에 포함시켜 추가 장착하여 차량의 가감속시 PWM 변조 지수와 위상차를 변동하여 승차감을 향상시키는 알고리즘이 적용되되, 상기 제어 시스템 모듈은 스티어링 휠에 포함된 모터에 의해 스티어링휠 각도 제어를 하는 조향 제어 드라이버; 브레이크 페달에 장착시킨 모터에 의해 브레이크 페달 각도 제어를 하는 제동 제어 드라이버; 가속페달에 장착하여 가속페달의 변위데이터에 의해 제어를 하는 가속 제어 드라이버; 및 상기 조향 제어 드라이버, 제동 제어 드라이버, 가속 제어 드라이버와 유무선 통신에 의해 대응하는 모터 데이터 입출력, 입출력되는 데이터의 캘리브레이션, 모터의 속도, 각도, 토크를 제어하는 통합제어부;를 더 포함하여 구성되며, 상기 조향 제어 드라이버와 제동 제어 드라이버의 모터 제어는 모터의 위치 및 속도를 검출하는 엔코더로부터 입력되는 데이터와 상기 통합제어부에 임베딩된 가감속 알고리즘에 의해 배터리의 전력으로부터 DC/DC 컨버터 및 3상 PWM 인버터의 전력변환에 의해 제어 대상 모터 구동 전력을 제어함을 특징으로 하며, 상기 가감속 알고리즘은 3상 PWM 인버터 DC-링크 전압을 제어하되, 인버터 출력 전압에 대응하여 3상 PWM 인버터 변조비를 1이 되도록 제어함을 특징으로 하는 차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈에 관한 것이다.
자율주행 자동차는 “첨단기술의 집약체”이며, ICT기술과 자동차 산업의 융합을 바탕으로 이루어진 미래 먹거리이며, 현재 자율주행의 기술 단계는 미국 자동차 공학회(SAE)기준 레벨2에 머물러 있으며, 이러한 단계는 자동차에 2개 이상의 특정 자동화 시스템을 장착하여 운전자의 속도 및 조향, 주차 보조, 장애물 회피 등을 제어하는 단계를 말하는바, 현재 각국의 규제와 제도들이 정비되면서 레벨 3의 자율주행 자동차가 시장에 공급될 것으로 전망된다.
기술개발의 진보와 시장 진출 장벽 등이 낮아지면서 자동차 산업은 다양한 분야의 기술과 접목되어 기술이 개발되고 있으며, 이에 따라 새로운 창업과 신규투자가 촉진되고 있으며, 자동차 관련 서비스 사업 범위가 확대되고 있으며, 특히 안전 및 안정성에 관련한 새로운 기술의 등장이 촉진되고 있다.
현재 국외 완성차업체들은 현재 자율주행 2단계를 마무리하는 시점이며, 근 시일내에 3,4 단계 모델을 선보이기 위해 개발을 진행중이나, 애프터 마켓용 제품은 아직 기획 단계에 머무르는 중으로 법제도 관련 우선순위상 답보 상태에 머무르고 있는 실정인바, 특히 기존 차량에 모듈 형태로 탑재할 수 있는 가감속 제어 모듈은 수동운전 및 자율주행에 필수 요소로서 미래 자동차 시장의 안전 운전에 기여할 핵심 장비 부품으로 자리매김할 것으로 판단되는데, 이에 대한 기술 개발이 다각적으로 요구된다 할 것이다.
본 발명인 차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈은 다음과 같은 목적이 있다.
(1) 본 발명의 목적은 기존의 첨단 운전 보조 장치중 하나인 ADAS(Advanced Driver Assistance System)와는 성격이 다른 것으로서, ADAS가 없는 일반 차량의 운전 성능 향상과 안전사고 방지를 위한 것으로서, 차량의 브레이크와 액셀레이터에 직접 장착하는 제어 시스템으로써 애프터마켓을 타깃으로하는 자율주행 및 미래형 자동차의 안전 운전에 도움을 줄 수 있는 장비 가감속 제어 모듈을 제공함에 있다.
(2) 본 발명의 또다른 목적은 가감속 제어 시스템 모듈에 승차감 향상을 위한 가감속 제어 구동 알고리즘을 제공하여, 모터를 사용하는 전기차에 구성된 모터와 모터 드라이브의 저속에서 낮은 변조비로 인해 발생하는 토크 리플과 전동기의 고조파 전류 유입을 감소시켜 승차감 향상뿐만 아니라 시스템 효율 향상을 제공함에 있다.
본 발명인 차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈(CSM)은 기존 차량의 스티어링 휠, 브레이크 페달, 가속페달에 포함시켜 추가 장착하여 차량의 가감속시 PWM 변조 지수와 위상차를 변동하여 승차감을 향상시키는 알고리즘이 적용된 것을 특징으로 하는 차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈에 관한 것이다.
상기 제어 시스템 모듈(CSM)은 스티어링 휠에 포함된 모터에 의해 스티어링휠 각도 제어를 하는 조향 제어 드라이버(120); 브레이크 페달에 장착시킨 모터에 의해 브레이크 페달 각도 제어를 하는 제동 제어 드라이버(220); 가속페달에 장착하여 가속페달의 변위데이터에 의해 제어를 하는 가속 제어 드라이버(320); 및 상기 조향 제어 드라이버(120), 제동 제어 드라이버(220), 가속 제어 드라이버(320)와 유무선 통신에 의해 대응하는 모터 데이터 입출력, 입출력되는 데이터의 캘리브레이션, 모터의 속도, 각도, 토크를 제어하는 통합제어부(400);를 더 포함하여 구성된다.
상기 조향 제어 드라이버(120)와 제동 제어 드라이버(220)의 모터 제어는 모터의 위치 및 속도를 검출하는 엔코더로부터 입력되는 데이터와 상기 통합제어부(400)에 임베딩된 가감속 알고리즘에 의해 배터리의 전력으로부터 DC/DC 컨버터 (부호 미부여)및 3상 PWM 인버터(부호 미부여)의 전력변환에 의해 제어 대상 모터 구동 전력을 제어함을 특징으로 한다.
상기 가감속 알고리즘은 3상 PWM 인버터 DC-링크 전압을 제어하되,
인버터 출력 전압에 대응하여 3상 PWM 인버터 변조비를 1이 되도록 제어함을 특징으로 한다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 본 발명은 기존의 첨단 운전 보조 장치중 하나인 ADAS(Advanced Driver Assistance System)와는 성격이 다른, 차량의 브레이크와 액셀레이터에 직접 장착하는 제어 시스템으로써 애프터마켓을 타깃으로하는 자율주행 및 미래형 자동차의 안전 운전에 도움을 줄 수 있는 장비 가감속 제어 모듈을 제공한다.
(2) 본 발명은 가감속 제어 시스템 모듈에 승차감 향상을 위한 가감속 제어 구동 알고리즘을 제공하여, 모터를 사용하는 전기차에 구성된 모터와 모터 드라이브의 저속에서 낮은 변조비로 인해 발생하는 토크 리플과 전동기의 고조파 전류 유입을 감소시켜 승차감 향상뿐만 아니라 시스템 효율 향상을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명인 차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈을 간략하게 나타낸 블럭 개념도이다.
도 2는 일반적인 차량 가감속 패턴을 7개의 속도 패턴 영역으로 구분하여 나타낸 그래프를 표현한 도면이다.
도 3은 본 발명인 차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈에 임베딩된 PI 제어 알고리즘을 수식과 블럭도로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명인 차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈에 있어서 조향 제어기와 제동 제어기에 포함된 모터 제어를 블럭도로 나타낸 도면이다.
먼저, 본 발명의 구체적인 설명에 들어가기에 앞서, 본 발명에 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라 질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명에 따른 "차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈"을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 일면에 있어서, 도 1은 본 발명인 차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈을 간략하게 나타낸 블럭 개념도이고, 도 2는 일반적인 차량 가감속 패턴을 7개의 속도 패턴 영역으로 구분하여 나타낸 그래프를 표현한 도면이며, 도 3은 본 발명인 차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈에 임베딩된 PI 제어 알고리즘을 수식과 블럭도로 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명인 차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈에 있어서 조향 제어기와 제동 제어기에 포함된 모터 제어를 블럭도로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면 본 발명인 차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈(CSM)은 기존 차량의 스티어링 휠, 브레이크 페달, 가속페달에 포함시켜 추가 장착하여 차량의 가감속시 PWM 변조 지수와 위상차를 변동하여 승차감을 향상시키는 알고리즘이 적용된 것을 특징으로 하는 차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈에 관한 것이다.
도 1을 참조하면 상기 제어 시스템 모듈(CSM)은 스티어링 휠에 포함된 모터에 의해 스티어링휠 각도 제어를 하는 조향 제어 드라이버(120); 브레이크 페달에 장착시킨 모터에 의해 브레이크 페달 각도 제어를 하는 제동 제어 드라이버(220); 가속페달에 장착하여 가속페달의 변위데이터에 의해 제어를 하는 가속 제어 드라이버(320); 및 상기 조향 제어 드라이버(120), 제동 제어 드라이버(220), 가속 제어 드라이버(320)와 유무선 통신에 의해 대응하는 모터 데이터 입출력, 입출력되는 데이터의 캘리브레이션, 모터의 속도, 각도, 토크를 제어하는 통합제어부(400);를 더 포함하여 구성된다.
상기 통합제어부와 각기 드라이버 사이에는 유무선 통신 프로토콜이 사용되는바, CAN 통신, RS232, USB 인터페이스 모듈등이 사용될 수 있고, 모두 쌍방향 통신이어야 함이 바람직하다.
도 3 및 4를 참조하면 상기 조향 제어 드라이버(120)와 제동 제어 드라이버(220)의 모터 제어는 모터의 위치 및 속도를 검출하는 엔코더로부터 입력되는 데이터와 상기 통합제어부(400)에 임베딩된 가감속 알고리즘에 의해 배터리의 전력으로부터 DC/DC 컨버터 (부호 미부여)및 3상 PWM 인버터(부호 미부여)의 전력변환에 의해 제어 대상 모터 구동 전력을 제어함을 특징으로 한다.
상기 가감속 알고리즘의 설명을 위해 차량의 정속 구간에서의 시간 기준 가감속 속도 패턴을 살펴볼 필요가 있다.
도 2를 참조하면 일반적인 차량의 가속 패턴은 가속부, 일정가속, 가속곡부, 전속, 감속곡부, 일정감속, 감속부 순으로 총 7개의 영역으로 구분할 수 있다.
속도패턴의 구간에서 가속부는 전동기를 기동시키는 부분으로 기동 shock를 최소화 시키기 위해 2차 또는 3차 시간 함수의 형태를 취하게 되며, 일정 가속부는 차량이 전속에 얼마나 빨리 도달하는가를 결정하는 부분으로 차량의 승차감과 속도감에 영향을 준다.
가속곡부는 가속에서 전속으로의 변환되는 영역으로 가속부와 마찬가지로 기동 shock의 발생 우려가 있으므로 가속도는 시간의 루트함수 형태를 취하여 부드러운 변환을 주게 된다.
전속부는 차량의 정격속도에 해당하는 부분으로 인버터 설계 시 일반적으로 이 영역에서 인버터의 변조비가 최대가 되도록 설계한다.
감속곡부는 전속에서 감속으로의 변환부로 감속 shock의 주요한 발생부로 가속곡부의 우함수 형태를 취하며, 일정 감속부는 일정가속부의 기울기와 거의 유사하다.
착상부는 감속 shock 없이 정확한 위치에 정지하기 위해 다른 영역과 달리 위치함수 속도 패턴을 일정 감속부에서 착상부로 변환될 수 있도록 가속도 및 속도가 연속함수가 되도록 하는 것이 중요하다.
본 발명에서 제공하는 가감속 제어 알고리즘은 상기 여러 고려사항들을 반영하여 외부에서 수신하는 속도 지령값을 운전 성능을 저하하지 않으면서 승차감을 향상시킬 수 있다.
도 3 및 4를 참조하면 PWM 인버터를 이용한 차량의 속도 가감속 제어는 PWM 변조지수와 위상차를 변동하여 사용하게 되는바, 모터의 역기전력은 속도에 비례하는 함수이므로 속도가 적은 경우 PWM 변조비가 낮게 되어 전동기 구동을 위한 전압은 고주파 성분이 크게 나타나며 이로 인해 인버터의 효율이 저하되는 단점이 있지만, 이에 대한 트레이드오프 관계에서 PWM 인버터의 DC-Link단 전압을 인버터 발생전압, 변조비, DC-Link 전압의 상관관계를 이용하여 제어한다면 인버터 변조비는 1로 유지할 수 있으며, 이를 통해 토크 리플을 감소시킬 수 있는 장점이 있는바, 이에 따라 PWM 인버터의 변조비를 1로 제어할 수 있는 알고리즘 적용을 통해 시스템의 효율 향상과 토크 리플 저감을 달성할 수 있게 되는 것이다.
도 3을 참조하면 상기 가감속 알고리즘은 3상 PWM 인버터 DC-링크 전압을 제어하되, 인버터 출력 전압에 대응하여 3상 PWM 인버터 변조비를 1이 되도록 제어함을 특징으로 한다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 본 발명은 기존의 첨단 운전 보조 장치중 하나인 ADAS(Advanced Driver Assistance System)와는 성격이 다른, 차량의 브레이크와 액셀레이터에 직접 장착하는 제어 시스템으로써 애프터마켓을 타깃으로하는 자율주행 및 미래형 자동차의 안전 운전에 도움을 줄 수 있는 장비 가감속 제어 모듈을 제공한다.
(2) 본 발명은 가감속 제어 시스템 모듈에 승차감 향상을 위한 가감속 제어 구동 알고리즘을 제공하여, 모터를 사용하는 전기차에 구성된 모터와 모터 드라이브의 저속에서 낮은 변조비로 인해 발생하는 토크 리플과 전동기의 고조파 전류 유입을 감소시켜 승차감 향상뿐만 아니라 시스템 효율 향상을 제공할 수 있다.
CSM : 제어 시스템 모듈 100 : 조향 제어기
200 : 제동 제어기 300 : 가속 제어기
110, 210 : 제어 모터 120, 220, 320 : 제어 드라이버
400 : 통합제어부

Claims (4)

  1. 기존 차량의 스티어링 휠, 브레이크 페달, 가속페달에 포함시켜 추가 장착하여 차량의 가감속시 PWM 변조 지수와 위상차를 변동하여 승차감을 향상시키는 알고리즘이 적용되되,
    제어 시스템 모듈은
    스티어링 휠에 포함된 모터에 의해 스티어링휠 각도 제어를 하는 조향 제어 드라이버;
    브레이크 페달에 장착시킨 모터에 의해 브레이크 페달 각도 제어를 하는 제동 제어 드라이버;
    가속페달에 장착하여 가속페달의 변위데이터에 의해 제어를 하는 가속 제어 드라이버; 및
    상기 조향 제어 드라이버, 제동 제어 드라이버, 가속 제어 드라이버와 유무선 통신에 의해 대응하는 모터 데이터 입출력, 입출력되는 데이터의 캘리브레이션, 모터의 속도, 각도, 토크를 제어하는 통합제어부;를 포함하며,
    상기 조향 제어 드라이버와 제동 제어 드라이버의 모터 제어는 모터의 위치 및 속도를 검출하는 엔코더로부터 입력되는 데이터와 상기 통합제어부에 임베딩된 가감속 알고리즘에 의해 배터리의 전력으로부터 DC/DC 컨버터 및 3상 PWM 인버터의 전력변환에 의해 제어 대상 모터 구동 전력을 제어하며,
    상기 가감속 알고리즘은 3상 PWM 인버터 DC-링크 전압을 제어하되,
    인버터 출력 전압에 대응하여 3상 PWM 인버터 변조비를 1이 되도록 제어함을 특징으로 하는 차량에 추가장착 가능한 승차감 향상을 위한 가감속 제어 시스템 모듈.
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