KR19990053296A - 이중 스카이훅 제어방법을 이용한 반능동 현가 제어장치 - Google Patents

Abstract

차체와 차륜의 절대 수직속도를 감지한 뒤에 이를 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 센서수단과, 상기한 센서수단으로부터 입력되는 차체 및 차륜의 절대 수직속도에 관한 신호를 이용하여 감쇠계수를 구한뒤에 이에따라 서스펜션을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 현가 제어수단과, 상기한 현가 제어수단으로부터 입력되는 제어신호에 따라 댐핑단수가 가변되는 서스펜션부를 포함하여 이루어지며, 차체만이 아니라 차륜쪽에도 스카이훅 감쇠기의 원리를 응용시킨 이중 스카이훅 제어방법을 사용함으로써 차체뿐만이 아니라 차륜의 공진도 효과적으로 제어하여 접지력 향상을 이룰 수 있고 현가계와 조향계를 통하여 전달되는 진동을 줄일 수 있는, 이중 스카이훅 제어방법을 이용한 반능동 현가 제어장치를 제공한다.

Description

이중 스카이훅 제어방법을 이용한 반능동 현가 제어장치

이 발명은 이중 스카이훅 제어방법을 이용한 반능동 현가 제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 말하자면 차체만이 아니라 차륜쪽에도 스카이훅 감쇠기의 원리를 응용시킨 이중 스카이훅 제어방법을 사용함으로써 차체뿐만이 아니라 차륜의 공진도 효과적으로 제어하여 접지력 향상을 이룰 수 있고 현가계와 조향계를 통하여 전달되는 진동을 줄일 수 있는, 이중 스카이훅 제어방법을 이용한 반능동 현가 제어장치에 관한 것이다.

현가장치란 간단히 말해서 차량의 하체와 상체 사이를 지탱해주는 부분을 말한다. 상기한 현가장치는 크게 수동 현가장치, 반능동 현가장치, 능동 현가장치의 3종류로 나눌 수가 있는데, 이러한 현가장치의 특성에 따라 차량의 승차감 및 조향성에 큰 영향을 미치게 된다. 상기한 각 현가장치의 특성은 댐퍼의 구조를 통해서 가장 현격하게 나타나게 되는데, 수동 현가장치에 사용되는 수동 댐퍼는 하나의 댐핑계수를 가지고 있으며, 반능동 현가장치에 사용되는 반능동 댐퍼는 단수에 따라 오리피스(orifice)의 크기가 바뀌어서 여러개의 댐핑계수를 가지고 있으므로 주위 상황에 따라 ECU가 적절하게 단수를 변화시키면 기존의 수동 댐퍼보다 훨씬 더 좋은 승차감 및 조향성을 확보할 수가 있다. 그러나, 상기한 반능동 현가장치는 힘을 발생시키지 못하기 때문에 능동 현가장치처럼 차체의 진동을 완전히 억제하지는 못하는데 반해서, 능동 현가장치는 차량내에 펌프와 밸브가 부착되어 있고 ECU가 밸브를 제어함으로써 적절한 힘을 실린더에서 발생시켜 차량의 자세를 제어할 수 있다. 상기한 능동 현가장치의 가장 큰 특징은 힘을 발생시키는 요소인 펌프가 존재하고, 그것을 제어하는 제어밸브가 있기 때문에 상황에 따라 적절하게 유압을 변환시킴으로써 세 장치중 가장 효과적으로 차량을 제어한다.

하지만, 상기한 능동 현가장치는 시스템이 복잡하고 가격이 비싸기 때문에 대부분의 완성차 메이커들은 주변상황에 따라 댐핑 계수를 바꿀 수가 있는 반능동 현가장치를 선호하고 있는 추세이다.

상기한 반능동 현가장치를 제어하기 위한 종래의 반능동 현가 제어장치의 구성은, 도1에 도시되어 있는 바와 같이, 센서부(10)와, 상기한 센서부(1)에 입력단이 연결되어 있는 현가 제어부(20)와, 상기한 현가 제어부(20)에 입력단이 연결되어 있는 서스펜션부(30)로 이루어지며, 그 주기능은 차체의 상하운동(heave motion)과 롤운동(roll motion), 그리고 피치운동(pitch motion)의 억제에 있다고 할 수 있다. 이러한 운동들은 노면의 불규칙에 의해 일어나기도 하지만, 선회, 제동 등의 운전조작에 의해 발생하기도 한다.

기존에 발표된 반능동 현가 제어장치중에서, 스카이훅 제어방법을 사용하는 반능동 현가 제어장치는 차체의 공진을 제어하는데 상당히 탁월한 것으로 널리 알려져 있다. 상기한 스카이훅 제어방법은 운전자를 포함한 스프렁 질량의 상하방향 운동을 공진점에서 가장 효과적으로 줄이는 것을 요점으로 하고 있다. 즉, 상기한 스카이훅 방법은 차체의 공진 주파수 영역에서 아주 효과적으로 상하운동을 제어하며, 초기 기준면에 대한 상하운동의 억제를 통해서 롤이나 피치운동도 간접적으로 제어하는 효과를 기대할 수도 있다.

상기한 스카이훅 방법에 대해 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다. 스카이훅 제어 방법은, 도2에서 보는 바와 같이, 하늘(혹은 차량운동에 대한 절대기준)과 스프렁 질량 사이에 가상적인 댐퍼를 설치하여 스프렁 질량의 운동을 제어하는 방법이다. 스프렁 질량의 공진 주파수에서 이의 움직임을 최소화하기 위한 조건은 다음의 식(1)과 같이 유도될 수 있다.

Csky = Ms Ks / Cs ............ (1)

상기한 식(1)에서, 스카이훅 댐핑계수(Csky)는 기본적으로 스프렁 질량의 질량(Ms)과 현가계의 강성(Ks), 그리고 현가 댐퍼의 댐핑계수(Cs) 등의 수동 현가계(passive suspension)의 특성치들을 근거로 산출됨을 알 수 있다.

따라서, 차체에 스카이훅 댐핑계수가 Blsky인 스카이훅 감쇠기를 장착하면, 스카이훅 감쇠기에 의해 차체에 걸리는 힘(Fsprung)은 다음의 식(2)와 같다.

Fsprung = Blsky Xs (2)

여기에서, Xs는 차체의 절대 수직 속도이다.

그러나, 실제로 하늘과 스프렁질량 사이에 댐퍼를 장착할 수는 없으므로 Blsky를 대신한 Bld를 갖는 댐퍼를 현가댐퍼에 병렬로 연결하여야 하며, 실제의 감쇠기는 차체와 차륜의 상대속도에 의해서만 힘을 발생시키므로 차체에 전달되는 힘 Fsprung 은 다음의 식(3)과 같이 결정될 수 있다.

Fsprung = Bld (Xs - Xu) (3)

여기에서, Xu는 차륜의 절대 수직속도이다.

이에따라, 상기한 식(2)와 식(3)에 의해 차체에 장착한 스카이훅 감쇠기의 효과를 발생시키는 제어된 바람직한 감쇠계수 Bld는 다음의 식(4)와 같이 표시된다.

Bld = (Blsky Xs ) / (Xs - Xu) (4)

상기한 바와 같은 스카이훅 제어방법을 사용하는 일반적인 반능동 현가 제어장치에서는, 센서부(10)가 차체의 절대 수직속도와 차륜의 절대 수직속도를 감지하여 현가 제어부(20)로 출력하면, 현가 제어부(20)에서 이들을 이용하여 감쇠계수 Bld를 산출한 뒤에 차체에 전달되는 힘 Fsprung을 계산하여 서스펜션부(30)를 제어함으로써 반능동적으로 서스펜션이 제어되도록 한다.

하지만, 상기한 바와 같은 종래의 스카이훅 방법을 사용하는 반능동 현가 제어장치는, 차륜의 공진을 효과적으로 제어하지 못하여 차륜 공진 주파수 구간에서의 접지력이 수동 현가장치에 비해 오히려 나빠지는 단점을 가지고 있다. 또한, 상기한 차륜의 공진은 차체와 차륜을 연결하고 있는 현가장치와 조향장치 등을 통해서 차체로 전달되기 때문에 각종 소음과 진동을 차체에 전달하는 문제점이 있다.

물론, 주파수 성능 지수를 고려한 최적 제어이론을 사용하면 차륜 공진 주파수 구간의 제어에 가중치를 주어 위에 언급된 문제를 해결할 수는 있으나, 상기한 최적 제어이론은 시스템 변수의 불확실성에 대한 강인성이 떨어지고 모든 상태변수의 정보를 필요로 하기 때문에 실제로 사용하는 데는 많은 문제점을 가지고 있다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 차륜의 공진을 제어하지 못하는 기존의 이론적인 스카이훅 제어방법의 단점을 보완하여 차륜쪽에도 스카이훅 감쇠기의 원리를 응용시킨 이중 스카이훅 제어방법을 사용하는 새로운 반능동 현가 제어장치를 제공하는데 있다.

도 1은 일반적인 반능동 현가 제어장치의 구성 회로도이다.

도 2는 일반적인 반능동 현가 제어장치에서 사용되고 있는 스카이훅 제어방법을 설명하기 위한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 센서부 20 : 현가 제어부

30 : 서스펜션부

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 구성은, 차체와 차륜의 절대 수직속도를 감지한 뒤에 이를 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 센서수단과, 상기한 센서수단으로부터 입력되는 차체 및 차륜의 절대 수직속도에 관한 신호를 이용하여 감쇠계수를 구한뒤에 이에따라 서스펜션을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 현가 제어수단과, 상기한 현가 제어수단으로부터 입력되는 제어신호에 따라 댐핑단수가 가변되는 서스펜션부를 포함하여 이루어진다.

이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 이중 스카이훅 제어방법에서는, 기존의 스카이훅 제어방법과 마찬가지로 차체 속도성분과 차륜의 속도성분만 필요로 하기 때문에 회로적인 구성은 도1에 도시되어 있는 일반적인 반능동 현가 제어장치의 구성과 동일하며, 단지 현가 제어부(20)의 내부 메모리에 저장되는 실행 프로그램의 설계만 변경하면 되므로 편의상 이를 이용하기로 한다.

상기한 구성에 의한, 이 발명의 실시예에 따른 이중 스카이훅 제어방법을 이용한 반능동 현가 제어장치의 작용은 다음과 같다.

전원이 인가되면, 현가 제어부(20)의 내부 메모리에 프로그램화되어 저장되어 있는 제어 프로그램이 현가 제어부(20)에 의해 실행됨으로써 이 발명의 실시예에 따른 이중 스카이훅 제어방법을 이용한 반능동 현가 제어장치의 동작이 시작된다.

동작이 시작되면, 현가 제어부(20)는 모든 메모리 변수를 초기화시킨 뒤에, 센서부(10)로부터 입력되는 신호를 읽어들여 이중 스카이훅 제어방법에 기초하여 댐핑계수들을 산출한 뒤에, 이를 이용하여 서스펜션부(30)를 제어함으로써 서스펜션이 제어되도록 한다. 상기한 이중 스카이 제어방법에 대하여 상술하면 다음과 같다.

차륜공진의 억제를 위해서 차륜에도 감쇠계수가 B2sky인 스카이훅 감쇠기를 추가해서 장착하게 되면, 우선 차륜에 장착된 스카이훅 감쇠기에 의해 차륜에 걸리는 힘은 다음의 식(5)와 같다.

Funsprung = B2sky Xu (5)

일반적인 스카이훅 제어방법에서와 마찬가지로, 감쇠기는 차체와 차륜의 상대속도에 의해서만 힘을 발생시키므로 차륜에 전달되는 힘 Funsprung 은 다음의 식(6)과 같이 결정될 수 있다.

Funsprung = B2d (Xu - Xs) (6)

그러므로, 식 (5)와 식(6)에 의해 차륜에 장착한 스카이훅 감쇠기의 효과를 발생시키는 제어된 바람직한 감쇠계수 B2d는 다음의 식(7)과 같이 표시된다.

B2d = (B2sky Xu ) / (Xu - Xs) (7)

다음에 기존의 스카이훅 제어방법의 특성을 유지하면서 차륜 공진을 제어하기 위하여, 차체에 장착된 스카이훅 알고리즘에서 계산된 BLd와, 차륜에 장착한 스카이훅 알고리즘에서 계산된 B2d를 서로 중첩시키면 다음의 식(8)과 같다.

Bd = Bld + B2d (8)

그런데, 상기한 Bld는 식(4)에서 볼 때 일정한 상대속도에 대해서 차체속도(Xs)가 커지는 차체 공진 주파수 공간에서 값이 커져서 Bd에 많은 영향을 끼치고, 상기한 B2d는 식(7)에서 볼 때 일정한 상대속도에 비해 차륜속도(Xu)가 커지는 차륜 공진 주파수 구간에서 값이 커져서 Bd에 많은 영향을 끼친다. 그러므로 식(8)에 제시된 복합 감쇠기는 각각의 공진구간에서 효과적이다.

따라서, B2sky가 0이면 Bld만 작용하므로 차체에만 Blsky를 부착한 기존의 스카이훅 알고리즘과 같이 작동을 하게 되고, B2sky가 점점 커질수록 차륜의 공진제어가 잘되어 차륜 공진 주파수 구간에서 바퀴의 변형량이 줄어드는 반면 평균 감쇠력의 증가로 감쇠기를 통해 전달되는 힘의 크기가 증가하기 때문에 차체의 가속도가 증가하는 특성을 보인다. 그러므로, B2sky는 차륜 공진 주파수 구간에서의 차체 가속도와 타이어 변형량의 상대적 중요성에 따라서 시행착오법으로 결정할 수 있다.

그런데, 실제 감쇠기의 경우 감쇠할 수 있는 감쇠 계수의 범위가 물리적으로 한정되어 있으므로 식(8)에서 조합된 Bd는 다음의 식(9)와 같이 제한된다.

if Bd > Bmax, Bd = Bmax

if Bd < Bmin, Bd = Bmin (9)

이 경우에, B2sky가 Blsky와 같은 값이 되면 Bd는 다음의 식(10)에서 보여지듯이 Blsky가 되어 수동 현가장치에 일정한 Blsky값을 장착한 것과 같은 효과를 나타내므로 B2sky가 Blsky와 같은 값이 되는 설계를 피하여야 한다.

Bd = Bld + B2d = (Blsky Xs) / (Xs - Xu) + (Blsky Xu) / (Xu - Xs)

= Blsky (10)

하지만, 차륜은 차체에 비해서 약 10분의 1정도의 질량으로 작기 때문에 B2sky는 Blsky에 비해 충분히 작은 값으로도 차륜의 공진을 제어할 수 있고, 또 B2sky가 너무 크면 차륜 운동에 의한 과도한 감쇠력 때문에 차륜에서 차체로 전달되는 전달력이 커져서 승차감이 저하될 수 있으므로 B2sky는 대부분 Blsky에 비해서 작은 값으로 설계된다.

상기한 B2sky와 Blsky를 결정하는 방법은 다음과 같이 이루어진다.

(1) B2sky를 점점 증가시킬수록 차륜 공진구간에서의 타이어 하중의 변형량과 현가장치 작동거리가 줄어드는 대신 같은 구간에서의 차체 가속도가 증가하므로 Blsky 값은 그대로 둔채 타이어 하중의 변형량과 현가장치 작동거리가 수동 현가장치에 비해서 작으면서도 차체 가속도도 수동 현가장치보다 작은 값이 될 때까지 B2sky를 0부터 서서히 증가시킨다.

(2) 위와 같이 Blsky 값은 그대로 둔채 B2sky 값을 정하게 되면 차륜 공진영역에서는 최적화가 되지만 전체적인 감쇠값의 증가로 차체 공진 주파수와 차륜 공진 주파수 사이에서는 타이어 하중의 변화량, 차체 가속도, 현가장치 작동거리가 기존의 스카이훅 제어방법에 비해서 작아지기 때문에 차체 공진구간을 제어하는 Blsky를 줄일 필요가 있다. 그러므로 차체 공진구간에서 타이어 하중의 변화량, 차체 가속도, 현가장치 작동거리가 기존의 스카이훅 제어방법보다 커지지 않는 범위내에서 Blsky 값을 최소로 줄인다.

본 발명의 실시에에서는 방법(1)과 방법(2)를 조합하여 차체 공진구간과 차륜 공진구간에서의 타이어 하중의 변화량, 차체 가속도, 현가장치 작동거리가 기존의 스카이훅 제어방법이나 수동형 현가장치에 비해 가장 작아지도록 Blsky와 B2sky를 각각 10000 Ns/m와 1120 Ns/m로 정하였다.

이상에서와 같이 이 발명의 실시예에서, 기존의 스카이훅 제어방법을 이요한 반능동 현가장치보다 더 좋거나 같은 승차감을 유지하면서도 타이어 하중의 변화량을 줄일 수 있고 현가장치의 작동거리를 줄일 수 있으므로 상대적으로 조종 안정성과 승차감을 동시에 높일 수가 잇으며, Blsky값과 B2sky값의 조합에 따라서 수동형 현가장치보다 승차감을 향상시키거나 접지성능을 향상시키거나 두가지 성능을 동시에 향상시킬 수가 있고, 또 각각의 성능향상의 영역이 기존의 스카이훅 제어방법에 비해 넓으므로 설계자의 의도에 따라 더욱 다양한 최적화가 가능하고, 노면의 거칠기와는 상관없이 안정된 작동을 하는 효과를 가진 이중 스카이훅 제어방법을 이용한 반능동 현가 제어장치를 제공할 수가 있다.

Claims (3)

1. 차체와 차륜의 절대 수직속도를 감지한 뒤에 이를 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 센서수단과, 상기한 센서수단으로부터 입력되는 차체 및 차륜의 절대 수직속도에 관한 신호를 이용하여 감쇠계수를 구한뒤에 이에따라 서스펜션을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 현가 제어수단과, 상기한 현가 제어수단으로부터 입력되는 제어신호에 따라 댐핑단수가 가변되는 서스펜션부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중 스카이훅 제어방법을 이용한 반능동 현가 제어장치.
2. 제1항에 있어서, 상기한 감쇠계수는 다음과 같은 수식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 이중 스카이훅 제어방법을 이용한 반능동 현가 제어장치.

   Bd = [(Blsky Xs ) / (Xs - Xu)] + [(B2sky Xu ) / (Xu - Xs)]

   여기에서, Bd는 댐핑계수이고, Xu는 차륜의 절대 수직속도이고, Xs는 차체의 절대 수직속도이다.
3. 제2항에 있어서, 상기한 댐핑계수 Bd는 다음과 같은 제한을 갖는 특징으로 하는 이중 스카이훅 제어방법을 이용한 반능동 현가 제어장치.

   if Bd > Bmax, Bd = Bmax

   if Bd < Bmin, Bd = Bmin