KR102586508B1 - 이중안전 전동식 조향장치의 제어성능 평가 실험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이중 조향모터 제어 실험장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각 조향모터의 특성을 파악할 수 있는 센서들을 사용해 실시간 조향 제어에 대한 데이터를 검출, 이중안전 조향장치의 특성을 파악할 수 있고, 해당 검출 값들을 활용하여 위치/위치, 위치/토크, 토크/위치, 토크/토크 등의 다양한 제어모드로 실험이 가능하며, 또한 자율 주행 중 조향모터 고장 발생시에 대한 고장 진단 및 조향 토크 재분배를 통한 고장 대처 기술에 대한 성능 평가가 가능한 이중 조향모터 제어 실험장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 조향모터는, 상기 이중화된 조향모터의 회전각을 검출하는 모터각 센서, 조향 축에 가해지는 토크를 측정하는 토크 센서, 랙에 장착되는 제1 모터, 스티어링 휠 칼럼에 장착되는 제2 모터, 상기 제어신호에 따라 상기 제1 모터 및 제2 모터의 회전각 및 각속도를 각각 제어하는 cascade 제어부, 각 조향모터의 고장여부를 판단하는 외란 관측부 및 상기 모터각 센서를 통해 검출된 회전각과 상기 제어신호를 기준으로 상기 제1 모터 및 제2 모터를 동기화 시키는 제어신호를 생성하는 동기화부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이중안전 조향장치의 완성도를 평가하기 위해 C타입, R타입과도 같은 조향장치의 구조에 따라 발생하는 동기화 오차와 조향바퀴에 가해지는 외란을 제어기를 통해 제어할 수 있다는 이점이 있다. 또한 각 조향모터 및 이중안전 조향장치의 특성을 파악하여 다양한 제어모드로 제어가 가능하다는 이점 또한 있다.

Description

이중안전 전동식 조향장치의 제어성능 평가 실험장치{Experimental apparatus for controllability evaluation of the fail-safe electric power steering device}

본 발명은 이중 조향모터 제어장치의 특성 및 제어기의 성능에 대한 평가를 진행할 수 있는 실험장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 각 조향모터의 특성을 파악할 수 있는 센서들과 하부 타이 로드(tie rod) 부분에 설치된 부하장치 및 이 부하를 검출할 수 있는 센서를 활용하여 실시간 조향 제어에 대한 데이터를 측정해 이중안전 조향장치의 특성을 파악할 수 있게 한다.

또한 본 실험장치를 통해 다른 종류의 조향모터를 사용하였을 경우에 그 동기화 오차에 대한 제어기 차원에서의 보정을 진행할 수 있으며, 자율 주행 중 조향모터 고장 발생을 대비한 고장 진단 및 조향 토크(torque) 재분배를 통한 고장 대처 기술에 대한 성능 평가가 가능한 이중 조향모터 제어 실험장치에 관한 것이다.

차량의 파워 스티어링(power steering)은 동력을 통해 운전자의 스티어링 휠 조작을 보조하는 조향장치를 의미한다. 과거, 파워 스티어링은 엔진으로부터 발생하는 유압을 사용하는 유압식 파워 스티어링(HPS, Hydraulic Power Steering) 시스템이 주로 사용되었으나, 현재는 모터를 사용하는 방식인 전동식 파워 스티어링(EPS, Electric Power Steering) 시스템이 주로 사용되고 있다.

전동식 파워 스티어링(EPS) 시스템은 기존의 유압식 파워 스티어링(HPS) 시스템과 비교해 공간을 적게 차지하고, 무게가 가벼우며, 오일교환이 필요 없고, 엔진에 가해지는 부하가 적고, 연료 효율성이 높다는 이점이 있다.

최근에는 자율주행기술이 발전함에 따라 전동식 파워 스티어링 시스템(EPS)의 전자 제어를 통해 스티어링 휠과 차륜 사이의 기계적인 조향 축 없이도 차량의 조향이 이루어지도록 하는 스티어링 바이 와이어 시스템(SBW, Steering By Wire) 및 AI-기반 자동 조향 기술 등 사용자의 편의를 극대화하는 방향으로 기술이 개발되고 있다.

그러나, 이러한 전동식 파워 스티어링 시스템은 현재 1개의 조향모터로 구성되어 있으며, 이 경우 자율 주행 중 조향모터에 고장이 발생할 경우 고장에 순간 대처하기 힘들며 고장 진단 또한 이루어지지 않고 있기에 조향장치의 안정성을 신뢰할 수 없다는 한계가 있다.

이를 극복하기 위해 조향모터 및 주변 장치들을 이중화한 조향장치, 이를 제어하기 위해 이중화 설계된 제어기는 물론, 조향모터의 고장으로 인한 교통사고를 예방하기 위한 조향모터 고장진단 및 fail-safe 제어기 등이 활발히 개발되고 있다. 그러나, 이러한 기술들은 검증되지 못한 기술들이기에 이를 검증하기 위한 실험장치 또한 필요한 실정이다.

KR 10-2021-0076456A

상기 전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 이중안전 조향장치의 완성도를 평가하기 위해 구조에 따라 발생하는 조향모터 간의 동기화 오차를 최소화할 수 있으며, 하부 타이 로드에 설치된 부하장치를 통해 조향 축에 외란(disturbance)을 가할 수 있으며, 외란 관측기 등의 제어방식을 통해 해당 외란을 제어할 수 있게 한다.

또한 본 발명은 각 조향모터에 토크 센서, 모터각 센서 등의 센서들을 설치해 실시간 조향 제어에 대한 데이터 측정을 통해 이중 조향모터가 구축된 조향장치의 특성을 파악할 수 있게 하며, 해당 측정 값들을 사용해 각 조향모터에 대해 위치/위치, 토크/위치, 위치/토크, 토크/토크 등 다양한 조합의 제어모드로 작동 가능하게 한다.

마지막으로 본 발명은 조향모터의 고장을 진단할 수 있고, fail-safe 제어기의 성능을 평가할 수 있는 이중 조향모터 제어 실험장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시 예로써, 이중 조향모터 제어 실험장치가 제공된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 조향모터는, 상기 이중 조향모터의 회전각을 검출하는 모터각 센서; 조향 축에 가해지는 토크를 측정하는 토크 센서; 피니언 기어(pinion gear)에 장착되는 제1 모터; 스티어링 휠 조향 축에 장착되는 제2 모터; 상기 제1 모터 및 제2 모터의 회전각 및 각속도를 각각 제어하는 cascade 제어부; 조향모터 고장 여부를 판단하며 외부로부터 가해지는 외란을 제어하기 위한 외란 관측부; 및 상기 모터각 센서를 통해 검출된 회전각, 토크 센서를 통해 검출된 토크값 및 상기 제어신호를 기준으로 상기 제1 모터 및 제2 모터를 동기화시키는 동기화신호를 생성하는 동기화부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 조향모터는, 상기 제1 모터 및 제2 모터는 차량의 조향을 위한 EPS 모터인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 이중안전 조향장치의 완성도를 평가하기 위해 C타입, R타입과도 같은 조향장치의 구조에 따라 발생하는 동기화 오차와 조향바퀴에 가해지는 외란을 제어할 수 있으며, 조향장치의 특성을 파악할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 조향모터의 고장진단 및 fail safe 제어기의 성능을 평가할 수 있다는 이점이 있다.

본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급된 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 조향모터 제어 실험장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 조향모터 제어 실험장치의 구현예이다.
도 3은 본 발명에 따른 이중 조향모터 제어 실험장치의 제어부의 구현예이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "~부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 소자를 사이에 두고"연결되어 있는 경우도 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 조향모터 제어 실험장치의 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 조향모터 제어 실험장치는 모터각 센서(3), 토크 센서(4), 제1 모터(1), 제2 모터(2), cascade 제어부(5), 외란 관측부(6) 및 동기화부(7)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 조향모터 제어 실험장치의 구현예이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이중 조향모터 제어 실험장치의 제1 모터(1), 제2 모터(2) 및 모터각 센서(3)와 토크 센서(4) 간의 관계를 상세히 알 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 이중 조향모터 제어기의 구현예이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 cascade 제어부(5), 외란 관측부(6) 및 동기화부(7) 사이의 연결관계를 상세히 알 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 조향모터 제어 실험장치의 각 구성에 대하여 상세히 설명하고자 한다.

상기 모터각 센서(3)는 각 조향모터의 회전각을 검출할 수 있다.

상기 토크 센서(4)는 각 조향 축의 상단 및 하단에 가해지는 토크를 측정할 수 있다.

상기 제1 모터(1)는 랙(rack)에 장착될 수 있다. 이때, 랙(rack)이란 피니언 기어와 맞물리는 기어를 의미하는 것으로, 2개의 길고 작은 기어가 맞물릴 때 길이가 긴 기어를 의미한다.

상기 제2 모터(2)는 스티어링 휠 칼럼(column)에 장착될 수 있다. 여기서, 조향 축이란 핸들의 조작력을 조향기어에 전달하는 축을 의미하며, 조향축의 윗부분에는 핸들이, 아랫부분에는 조향기어가 결합되어 있다.

실시 예에 따라, 상기 제1 모터(1) 및 제2 모터(2)는 차량의 조향을 위하여 동기화 되어있는 EPS 모터인 것을 특징으로 할 수 있다. 여기서, EPS 모터란 전동식 파워 스티어링(EPS, Electric Power Steering)에 사용되는 조향모터를 의미하며, cascade 제어부(5)에서 입력되는 조향 제어에 따라 ECU에서 모터를 제어하는 방식으로 동작한다.

상기 cascade 제어부(5)는 상기 제1 모터(1) 및 제2 모터(2)의 회전각 및 조향 토크를 제어하는 제어신호를 생성할 수 있다. 실시 예에 따라, cascade 제어부(5)는 두 개의 피드백 제어 루프(feedback control loop)로 구성될 수 있으며, 1차 조절계의 출력이 2차 조절계의 설정 값이 되도록 설정될 수 있다.

이때, 상기 두 개의 피드백 제어 루프는 상호간섭에 따른 제어 불안정을 피하기 위해 응답시간 상수가 다르게 설정됨이 바람직할 것이다.

상기 외란 관측부(6)는 주행 중 발생하는 외란을 제어하여 크고 급속한 외란이 가하여도 안전 범위 내에서 조작이 가능하고 공급 압력의 변화나 그 밖의 다른 공급측의 외란을 유효하게 제어할 수 있다. 또한 외란 관측부(6)을 통해 모터각 센서(3)를 통해 검출된 회전각을 기준으로 상기 제1 모터(1) 혹은 제2 모터(2)의 고장 여부도 판단할 수 있다.

상기 동기화부(7)는 모터각 센서(3)를 통해 검출된 회전각과 토크 센서(4)를 통해 검출된 토크 및 상기 제어신호를 기준으로 상기 제1 모터(1) 및 제2 모터(2)를 동기화 시킬 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 제1 모터
2: 제2 모터
3: 모터각 센서
4: 토크 센서
5: cascade 제어부
6: 외란 관측부
7: 동기화부

Claims (2)

1. 이중 조향모터 제어 실험장치에 있어서,
   상기 이중 조향모터의 회전각을 검출하는 모터각 센서;
   조향 축의 상단 및 하단에 가해지는 토크를 측정하는 토크 센서;
   랙에 장착되는 제1 모터;
   스티어링 휠 칼럼에 장착되는 제2 모터;
   상기 제1 모터와 제2 모터의 회전각 및 각속도를 각각 제어하는 제어신호를 생성하는 cascade 제어부;
   조향모터에 가해지는 외란을 제어하며 조향모터의 고장여부를 판단하는 외란 관측부;
   상기 모터각 센서를 통해 검출된 회전각 및 토크 센서를 통해 검출된 토크값과 상기 제어신호를 기준으로 상기 제1 모터 및 제2 모터를 동기화시키는 동기화신호를 생성하는 동기화부;를 포함하되,
   상기 cascade 제어부는 두 개의 피드백 제어 루프(Feedback control loop)로 구성되어 1차 조절계의 출력이 2차 조절계의 설정 값이 되도록 설정되고,
   상기 두 개의 피드백 제어 루프는 상호간섭에 따른 제어 불안정을 피하기 위해 응답시간 상수가 다르게 설정되는 것을 포함하는 이중 조향모터 제어 실험장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 모터 및 제2 모터는 차량의 조향을 위하여 동기화 되어있는 EPS 모터인 것을 특징으로 하는 이중 조향모터 제어 실험장치.