KR20040092526A - 능동 반능동 구동기를 이용한 차량 시뮬레이터용 조향휠 - Google Patents

능동 반능동 구동기를 이용한 차량 시뮬레이터용 조향휠 Download PDF

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Abstract

본 발명은 능동 반능동 구동기를 이용한 차량 시뮬레이터용 조향 휠에 관한 것으로 구동기의 형태를 능동형 모터와 반능동형 감쇠기의 병렬 결합 형태로 전환하여 조향휠을 구현할 목적으로;
조향휠과; 칼럼에 구비되어 운전자의 조향휠 조작에 따라 상기 조향휠의 토크 변화를 검출하는 조향 토크 센서; 상기 칼럼에 구비되어 조향휠의 각도 변화를 검출하는 조향 각 센서; 운전자의 조향휠 조작에 따라 반력을 발생시키는 반능동 감쇠기가 구비된 반능동 조향휠 장치와; 상기 반능동 조향 휠 장치에 구비된 조향 토크 센서와 조향각 센서에서 검출되어 인가되는 신호를 인가받아 차량 동역학 시뮬레이터에 제공하고, 상기 차량 동역학 시뮬레이터로부터 인가되는 차량 동역학 데이터를 이용 힘 궤환 제어를 수행하여 능동 및 반능동 제어신호를 출력하는 제어부와; 상기 제어부에서 출력되는 능동 제어신호에 따라 능동 조향을 수행하는 능동 구동부와; 상기 반능동 제어신호에 따라 반능동 조향을 수행하는 반능동 구동부를 포함하여 이루어져 있어서, 반력 기구인 조향휠을 자기 유변 유체를 이용한 반능동 감쇠기와 능동형 모터를 이용하여 구현함으로써, 반능동 구동기의 부드러운 조향감을 반력 범위의 제한 없이 운전자에게 제공할 수 있다.

Description

능동 반능동 구동기를 이용한 차량 시뮬레이터용 조향휠{HYBRID STEERING WHEEL FOR DRIVING SIMULATOR AND STEER-BY-WIRE SYSTEM}
본 발명은 조향휠에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자기 유변 유체를 이용한 반능동 구동기(Magneto-Rheological Damper)와 능동형 구동기(전기모터)를 병렬로 연결하여 조향휠을 구현한 능동, 반능동 구동기를 이용한 차량 시뮬레이터용 조향휠에 관한 것이다.
차량 시뮬레이터는 차량 운전 모사 용도의 가상현실 장치로서, 주로 신기술 개발시 실차 시험 이전의 각종 시험이나, 실제 시험 시 위험이 수반되는 극한 상황에서의 운전자의 인자검출을 위하여 고안된 장치이다.
차량 시뮬레이터의 서브 시스템 중 하나인 조향휠은 시뮬레이터와 운전자와의 인터페이스 부로서 운전자에게 조향 반력을 전달하고, 운전자의 조향 입력을 시스템에 전달하는 역할을 수행하는 장치로서, 시뮬레이터의 현실감에 미치는 영향이 매우 큰 장치이다.
한편, 전기 조향장치는 운전자와 전류 사이의 기계적인 연결이 없고, 차량의 전류에 위치한 구동기가 제어기로부터 입력을 받아 전륜을 움직임으로써 차량을 조향한다. 이러한 전기 조향 장치에서의 조향휠은 운전자의 조향입력을 제어기에 전달하는 역할뿐 아니라, 차량 상태 정보를 조향 반력을 통하여 운전자에게 전달하는 중요한 역할을 수행하는 장치이다.
상기한 조향휠은 조작자에게 반력을 전달하는 장치로서 휠과 간단한 칼럼만으로 구성되어 있어 장치의 임피던스(시스템의 동적 저항값)가 적으며 일반적으로 임피던스 디스플레이(힘 궤한 제어)를 수행하는 대표적인 햅틱 장치이다.
따라서, 종래에는 조향휠에 반력 구현 기능을 제공하기 위하여, 서보 모터의 능동형 구동기를 이용한 장치가 제안되었다.
하지만, 상기한 종래의 능동형 구동기의 사용 시 모터가 시스템에 인가하는 토크와 조향휠의 회전방향이 반대로 작용하는 경우가 많기 때문에 모터의 손상이 발생하기 쉬우며, 소산 토크의 크기가 4 ~ 5Nm로 비교적 크기 때문에 대용량의 모터가 사용되어야 하고, 모터의 토크 리플이 운전자에게 전달된다. 또한 운전자의 조향 입력이 사라지는 경우에는 구동기의 임피던스가 작은 조향휠을 급속히 가속할 수 있기 때문에 차량의 조향 장치와 같은 안전이 중요한 장치에서의 조향휠로는 문제점을 가지고 있다.
반능동 구동기만을 이용하여 조향휠을 구성한 경우, 부드러운 조향감을 얻을 수 있다. 하지만, 시스템으로 들어오는 유일한 에너지원은 조작자에 의한 조향 입력이며 반능동 구동기는 시스템의 에너지를 소산시킬 뿐 시스템에 에너지를 넣어 줄 수 없는 제약이 따르게 되는데, 이것을 수동 구속 조건(passive constraint)이라고 한다. 즉, 조향반력의 범위가 구동기 축의 회전각도와 반대 방향으로 한정되기 때문에 반력의 구현범위에 있어서 제한이 따르게 된다. 이를 해결하기 위하여 다양한 수동요소(Passive Element)를 이용한 반력 휠의 제안도 있지만, 이는 드라이빙 시뮬레이터에서 요구하는 다양한 범위의 반력을 구현하기 위하여 능동형 구동기의 도움이 필요하게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 종래의 능동형 및 반능동형 구동기 사용시 발생하는 문제점들을 근본적으로 해결하기 위해서 구동기의 형태를 능동형 모터와 반능동형 감쇠기의 병렬 결합 형태로 전환하여 조향휠을 구현하기 위한 것이다. 즉 반력 기구인 조향휠을 자기 유변 유체를 이용한 반능동 감쇠기와 능동형 모터를 이용하여 구현함으로써, 반능동 구동기의 부드러운 조향감을 반력 범위의 제한 없이 운전자에게 제공하기 위한 차량 시뮬레이터용 조향휠을 제공하기 위한 것이다.
즉, 조향 반력의 방향과 조향 각속도의 방향이 반대 방향으로 작용하는 대부분의 조향 상황에서는 반능동 감쇠기를 이용하여 부드러운 조향 반력을 운전자에게 제공하며, 반능동 감쇠기가 수동 구속되는 경우에는 모터를 사용하여 기준 조향 반력 추종이 가능하다. 또한 운전자의 개입이 사라지는 경우에도, 모터를 이용하여 기준 조향 각을 추종하는 복원제어가 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 능동 반능동 구동기를 이용한 차량 시뮬레이터용 조향휠의 구성 개략도 이고,
도 2는 본 발명에 따른 능동 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치용 조향휠의 개념도 이고,
도 3은 본 발명에 따른 힘 궤환 제어시 조향 휠 제어선도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 조향 휠 20 : 반능동 감쇠기
30 : 모터 40 : 조향 토크 센서 50 : 조향 각 센서
60 : 바벨기어 70 : 제어부 80a : 제1 전류 변환기
80b : 제2 전류 변환기 100 : 동역학 시뮬레이터
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
조향휠 시뮬레이션 장치에 있어서,
조향휠과; 칼럼에 구비되어 운전자의 조향휠 조작에 따라 상기 조향휠의 토크 변화를 검출하는 조향 토크 센서; 상기 칼럼에 구비되어 조향휠의 각도 변화를 검출하는 조향 각 센서; 운전자의 조향휠 조작에 따라 반력을 발생시키는 반능동 감쇠기가 구비된 반능동 조향휠 장치와; 상기 반능동 조향휠 장치에 구비된 조향토크 센서와 조향각 센서에서 검출되어 인가되는 신호를 인가받아 차량 동역학 시뮬레이터에 제공하고, 상기 차량 동역학 시뮬레이터로부터 인가되는 차량 동역학 데이터를 이용 힘 궤환 제어를 수행하여 능동 및 반능동 제어신호를 출력하는 제어부와; 상기 제어부에서 출력되는 능동 제어신호에 따라 능동 조향을 수행하는 능동 구동부와; 상기 반능동 제어신호에 따라 반능동 조향을 수행하는 반능동 구동부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기에서 능동 구동부는 상기 제어부에서 출력되는 능동 제어신호를 전기신호로 변환하는 제1 변환부와; 상기 제1 변환부에서 출력되는 전기신호에 의해 구동되는 구동모터와; 일축이 상기 구동모터와 연결되어 있고, 타축이 조향 칼럼에 용접 연결되어 상기 구동모터의 구동변화에 따라 회동상태가 변화되어 조향휠의 반력을 발생시키는 기어부로 구비되어 있다.
상기에서 기어부는 바벨기어이다.
상기에서 반능동 구동부는 상기 제어부에서 출력되는 반능동 제어신호를 전기신호로 변환시키는 제2 변환부와; 상기 제2 변환부에서 변환되어 출력되는 전기신호에 따라 조향휠의 반력을 발생시키는 반능동 감쇠기로 구비되어 있다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 능동 반능동 구동기를 이용한 차량 시뮬레이터용 조향휠의 구성 개략도 이고, 도 2는 본 발명에 따른 능동 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치용 조향휠의 개념도 이고, 도 3은 본 발명에 따른 힘 궤환 제어시 조향휠 제어선도이다.
도 1은 본 발명에 따른 능동 반능동 구동기를 이용한 차량 시뮬레이터용 조향휠의 구성 개략도로서, 반능동 조향휠 장치는 운전자의 조작에 따라 회전방향이 전환되는 조향휠(10)과; 이 조향휠에 연결되는 칼럼에 구비되어 운전자의 조향휠(10) 조작에 따라 상기 조향휠(10)의 토크 변화를 검출하는 조향 토크 센서(40)와; 상기 조향휠 칼럼에 구비되어 조향휠의 각도 변화를 검출하는 조향각 센서(50)와; 운전자의 조향휠 조작에 따라 반력을 발생시키는 반능동 감쇠기(20)로 구비되어 이루어져 있다.
상기에서 반능동 감쇠기(20)는 자기 유변 유체를 이용한 것으로서, 대한민국 특허출원번호 제2001-39980호(명칭 : 자기 유변 유체를 이용한 전동 조향 시스템의 조향반력 장치)에 상세히 기재되어 있다.
제어부(70)는 상기 반능동 조향휠 장치에 구비된 조향 토크 센서(40)와 조향각 센서(50)에서 검출되어 인가되는 신호를 인가받아 차량 동역학 시뮬레이터(100)에 제공하고, 상기 차량 동역학 시뮬레이터(100)로부터 인가되는 차량 동역학 데이터를 이용하여, 힘 궤환 제어를 수행해서 능동 및 반능동 제어신호를 출력한다.
능동 구동부(미부호)는 상기 제어부(70)에서 출력되는 능동 제어신호를 전기신호로 변환하여 출력하는 제1 전류 변환기(80a)와, 상기 제1 전류 변환기(80a)에서 출력되는 신호에 따라 구동되는 모터(30)와; 상기 모터(30)와 일측이 연결되어 있는 타측이 조향휠 칼럼에 끼움 연결되어 있는 기어부(60)부로 구성되어 있어, 상기 제어부(70)에서 출력되는 신호에 모터(30)가 구동되어 능동 반력 제어를 수행한다.
반능동 구동부(미부호)는 상기 제어부(70)에서 출력되는 반능동 제어신호를 전기신호로 변환하여 출력하는 제2 전류 변환기(80b)와; 이 제2 전류 변환기(80b)에서 출력되는 전기신호에 따라 반능동 구동되는 반능동 구동기(20)로 이루어져 있다.
상기 반능동 구동기(20)는 운전상황을 모사하기 위하여 자기 유변 유체를 이용한 것이다.
상기와 같이 구성된 능동, 반능동 구동기를 이용한 차량 시뮬레이터용 조향휠은 먼저, 운전자가 도 1에 도시되어 있는 조향휠(10)을 조작하면, 이 조향휠(10)의 칼럼에 구비된 조향 토크 센서(40) 및 조향 각센서(50)에 의해 운전자의 조향 입력(ω: 조향각속도 입력)이 차량 동역학 모델(100)로 전달된다. 이 때 운전자의 조향 입력은 조향각 센서(50)를 통하여 조향각(θ)을 측정한 후, 이를 미분하면 얻을 수 있다.
상기의 차량 동역학 모델(100)은 차량 속도와 조향각, 조향 각속도 등을 기반으로 기준 조향 반력(Tref)을 만들어 이를 제어부(70)로 전달한다.
상기 조향 반력(Tref)은 기준 모델이나 토크 맵을 이용하여 생성된다.
이에, 제어부(70)는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 상기 차량 동역학 모델(100)에서 만들어 제공하는 기준 조향 반력(Tref)과 토크 센서(40)를 이용하여 측정된 조향 반력(Tsw)을 비교하여 오차(Terror)를 'O'으로 만들기 위한 제어를 수행한다. 그리고, 제어부(70)는 반능동 감쇠기(20)가 수동 구속되는가를 판단한다.즉, 조향휠(10)의 회전방향이 제어부(70) 출력신호의 방향(조향 반력의 방향)과 일치하는가를 판단한다.
상기에서 조향휠(10)의 회전방향이 제어부(70) 출력신호의 방향과 일치함이 판단되면, 제어부(70)는 반능동 제어를 중지하고, 능동 제어를 위해 제어신호를 출력한다.
상기 제어부(70)의 출력 신호는 반능동 감쇠기 제어신호인 u1과 전기모터 제어신호인 u2이다.
상기 반능동 감쇠기 제어신호인 u1은 제2 전류 변환기(80b)로 인가되고 전기모터 제어신호인 u2는 제1 전류 변환기(80a)로 인가되어, 반능동 감쇠기(20)와 모터(30)를 구동시키기 위한 전류 i1과 i2가 제2 전류 변환기(80b)와 제1 전류 변환기(80a)에서 출력되어 제어대상인 액츄에이터(360)를 구동시킴으로서 능동 및 반능동 반력 제어를 수행한다.
도 2는 본 발명에 따른 능동 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치용 조향휠의 개념도로서, 실차에 적용하였을 때의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2에 도시되어 있는 제어부(70)는 상기 도 3에서 설명한 반력 제어기능을 모두 수행함과 동시에 실차에서 전기모터(90)를 직접 제어하여 차량의 진행 방향을 결정지을 수 있도록 바퀴(200)의 움직임을 조정하는 조향 제어를 수행한다.
이로서, 반력 기구인 조향휠을 자기 유변 유체를 이용한 반능동 감쇠기와 능동 형 모터를 이용하여 구성함으로서, 반능동 구동기의 부드러운 조향감을 반력 범위의 제한 없이 운전자에게 제공할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 능동 반능동 구동기를 이용한 차량 시뮬레이터용 조향휠은 종래의 능동형 및 반능동형 구동기 사용시 발생하는 문제점들을 근본적으로 해결하기 위해서 구동기의 형태를 능동형 모터와 반능동형 감쇠기의 병렬 결합 형태로 전환하여 조향휠을 구현하기 위한 것으로, 반력 기구인 조향휠을 자기 유변 유체를 이용한 반능동 감쇠기와 능동형 모터를 이용하여 구현함으로써, 반능동 구동기의 부드러운 조향감을 반력 범위의 제한 없이 운전자에게 제공할 수 있다.

Claims (4)

  1. 조향휠과; 칼럼에 구비되어 운전자의 조향휠 조작에 따라 상기 조향휠의 토크 변화를 검출하는 조향 토크 센서와; 상기 칼럼에 구비되어 조향휠의 각도 변화를 검출하는 조향각 센서와; 운전자의 조향휠 조작에 따라 반력을 발생시키는 반능동 감쇠기와; 상기 조향 토크 센서와 조향각 센서에서 검출되어 인가되는 신호를 인가받아 차량 동역학 시뮬레이터에 제공하고, 상기 차량 동역학 시뮬레이터로부터 인가되는 차량 동역학 데이터를 이용하여 힘 궤환 제어를 수행해서 능동 및 반능동 제어신호를 출력하는 제어부와; 상기 제어부에서 출력되는 능동 제어신호에 따라 상기 조향 휠에 능동 반력을 부여하는 능동 구동부와; 상기 반능동 제어신호에 따라 상기 조향 휠에 반능동 반력을 부여하는 반능동 구동부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 능동 반능동 구동기를 이용한 차량 시뮬레이터용 조향휠.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 능동 구동부는 상기 제어부에서 출력되는 능동 제어신호를 전기신호로 변환하는 제1 변환부와; 상기 제1 변환부에서 출력되는 전기신호에 의해 구동되는 구동모터와; 일축이 상기 구동모터와 연결되어 있고, 타축이 조향 칼럼에 연결되어 상기 구동모터의 구동변화에 따라 회동상태가 변화되어 조향휠의 반력을 발생시키는 기어부로 구비되어 있는 것을 포함하는 능동 반능동 구동기를 이용한 차량 시뮬레이터용 조향휠.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 기어부는 바벨기어 인 것을 더 포함하는 능동 반능동 구동기를 이용한 차량 시뮬레이터용 조향휠.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 반능동 구동부는 상기 제어부에서 출력되는 반능동 제어신호를 전기신호로 변환시키는 제2 변환부와; 상기 제2 변환부에서 변환되어 출력되는 전기신호에 따라 조향휠의 반력을 발생시키는 반능동 감쇠기로 구비되어 이루어지는 것을 포함하는 능동 반능동 구동기를 이용한 차량 시뮬레이터용 조향휠.
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