KR20050023914A - 회전형 엠알 감쇠기를 이용한 전동식 브레이크용 페달시뮬레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동식 브레이크용 페달 시뮬레이터 시스템으로서, 그 구성은 운전자의 제동입력을 받는 페달; 상기 페달의 회전각을 측정하는 회전각 센서; 상기 회전각 센서로부터 페달의 회전각 신호를 입력받아, 페달 반력을 조절하기 위한 제어신호를 출력하는 제어부; 및 상기 제어부로부터 제어신호를 인가받아 MR 감쇠기에 구동 전류를 공급하는 전류조절부로 구성되며, 상기 MR 감쇠기에 토션 스프링이 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

회전형 엠알 감쇠기를 이용한 전동식 브레이크용 페달 시뮬레이터 {A pedal simulator for brake by wire system using MR brake}

본 발명은 회전형 MR 감쇠기를 이용한 전동식 브레이크용 페달 시뮬레이터에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 반능동 구동기인 회전형 MR 감쇠기 (Magneto-Rheological Brake)와 토션(torsion) 스프링을 병렬로 연결하여, MR 감쇠기의 감쇠력을 제어함으로써 운전자에게 페달 반력을 전달하는 MR 감쇠기를 이용한 전동식 브레이크용 페달 시뮬레이터에 관한 것이다.

일반적으로, 전동식 브레이크 시스템(Brake-By-Wire System)은 운전자와 제동륜 사이의 기계적 연결 없이, 각 차륜에 위치한 전동 캘리퍼(caliper)가 전동식 브레이크 전자제어장치(ECU)로부터 신호를 입력받아 각 차륜에 위치한 디스크를 잡아 줌으로써 차량의 제동을 이룬다. 도 1에 일반적인 전동식 브레이크 시스템의 개념도를 도시하였다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전기 제동장치의 하나인 페달 시뮬레이터(10)는 차량과 운전자의 인터페이스부로서, 운전자의 브레이크 페달(4) 조작의 제동입력을 ECU(8)에 전달하면, 각 차륜에 위치한 전동 캘리퍼(6)에서는 ECU(8)로부터 신호를 입력받아 디스크를 잡아 제동을 하게 된다. 또한, 전동식 브레이크 시스템에서는 운전자와 제동륜 사이의 기계적 연결이 없기 때문에, 제동페달의 임피던스가 매우 작다, 따라서, 페달 시뮬레이터(10)를 제어함으로써, 운전자에게 적절한 페달 반력을 전달하여 운전자의 제동동작을 보조하는 역할을 수행하도록 한다. 도 1에서 미설명된 도면부호 "2"는 전원을 의미하며, "12"는 각종 신호 및 전동 캘리퍼에 에너지를 공급하는 라인을 의미한다.

여기서, 전동식 브레이크 시스템의 페달 시뮬레이터에 대한 종래기술을 예로 들어 살펴본다. 각 기술의 구성위주로 간략히 설명한다.

첫째, 대한민국 특허출원번호 10-2001-69099는, 브레이크 페달에 설치된 페달 에뮬레이터에 페달 조작감 생성을 위한 부품으로 1,2차 리턴 스프링이 구비되어 있으며, 상기 스프링의 조합으로 운전자에게 브레이크 페달감을 부여하는 기술이다.

둘째, 미국 특허등록번호 US 6,267,208은, 2개의 영구자석으로 이루어진 회생장치(restoring device)를 갖는 페달 행정 시뮬레이터로서, 제1영구자석은 페달에 연결되고 상기 제1영구자석과 제2영구자석과의 자기력에 의해 운전자에게 페달감을 부여하는 기술이다.

세째, 미국 특허등록번호 US 6,105,737은, 포지션 센서와 스핀들 로드(rod), 복수개의 롤러, 스핀들 너트, 힘(force) 센서 등으로 구성되어, 상기 구성요소의 동작으로 운전자에게 페달감을 부여하는 전자 페달 시뮬레이터 기술이다.

네째, 미국 특허등록번호 US 6,267,456은, 제1 보어(bore)를 4개의 구역으로 나누는 3개의 피스톤과 또 다른 제2 보어를 2개 구역으로 나누는 피스톤 및 스프링으로 구성되어, 운전자에게 페달감을 부여하는 브레이크-바이-와이어 전용 페달 에뮬레이터 기술이다.

상기에서 설명한 바와 같이, 종래 제동페달에 반력기능을 제공하는 시스템들은 스프링이나 영구자석 또는 유압식 구동기를 이용하였다. 따라서, 페달 반력에 한계가 있다. 즉, 수동요소(passive element)인 스프링을 이용하여 페달 반력을 얻을 경우에는, 시스템의 페달 변위에 대해 스프링의 탄성에 의하여 정해진 반력만을 얻을 수 있으므로 제동상황에 적절한 반력을 생성할 수 없기 때문에 선회상황이나 지속적인 제동상황에서 운전자 발의 피로를 줄이는데 기여하는 페달 반력의 히스테리시스를 얻을 수 없다. 또한, 유압식 구동기를 이용한 경우에는, 시스템의 구성이 복잡함에도 불구하고 제어 가능한 반력의 범위가 작으며 반응시간이 큰 문제점이 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 자기 유변 유체(Magneto-Rheological Fluid, MRF)를 이용한 회전형 MR 감쇠기를 토션 스프링과 병렬로 연결하여 페달 시뮬레이터를 구현함으로써, 종래 전자석이나 스프링을 이용한 시스템들의 단점을 극복하여 페달 반력의 크기를 자유롭게 설정하고 페달 반력을 운전자에게 전달할 수 있도록 한 페달 시뮬레이터를 제공하는 것이다.

상기 목적을 이루기 위한 본 발명은,

운전자의 제동입력을 받는 페달;

상기 페달의 회전각을 측정하는 회전각 센서;

상기 회전각 센서로부터 페달의 회전각 신호를 입력받아, 페달 반력을 조절하기 위한 제어신호를 출력하는 제어부; 및

상기 제어부로부터 제어신호를 인가받아 MR 감쇠기에 구동 전류를 공급하는 전류조절부로 구성되며, 상기 제동 페달에 가해지는 에너지를 저장하기 위한 토션스프링이 MR 감쇠기에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 회전형 MR 감쇠기와 토션 스프링을 병렬로 연결한 페달 시뮬레이터로서, MR 감쇠기의 감쇠력을 제어하여 운전자에게 페달 반력을 제공하는 전동식 브레이크용 페달 시뮬레이터이다. 먼저, 본 발명의 시스템에 사용된 용어의 의미를 살펴본다.

용어설명

- 햅틱(Haptic) 제어 : "햅틱"이라는 용어는 그리스어로 '촉각의', '힘의', '힘과 관련된' 이라는 의미로서, "햅틱 컨트롤"이라는 용어는 본 발명의 시스템과 같이 사람이 어떠한 반력을 느낄 수 있는 장치와 관련된 제어라는 의미이다. 즉, 일반적인 시스템에서의 제어란 어떠한 힘이 시스템에 작용했을 때 제어기에 의하여 시스템의 특성을 변화시켜 원하는 궤적(속도, 각속도 등)으로 움직이도록 하는 제어라면, 햅틱 제어(일명, force feedback control)란 사용자가 기계 등의 장치를 조작할 때 사용자가 어떠한 반력을 느낄 수 있도록 하는 제어라고 볼 수 있다. 따라서, 시스템의 저항을 변화시킨다는 의미로 '임피던스 제어'라고도 불린다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

실시예

본 발명의 실시예에 따른 페달 시뮬레이터의 구성은 도 2에 도시된 바와 같다.

도 2에 도시된 바와 같이, 페달 시뮬레이터는

운전자의 제동입력을 받는 페달(14);

상기 페달(14)의 회전각을 측정하는 회전각 센서(50);

상기 회전각 센서(50)로부터 페달의 회전각 신호를 입력받아, 페달 반력을 조절하기 위한 제어신호를 출력하는 제어부(100); 및

상기 제어부(100)로부터 제어신호를 인가받아 MR 감쇠기(20)에 구동 전류를 공급하는 전류조절부(200)로 구성된다.

상기 제어부(100)에서의 MR 감쇠기 제어는 도 3에 도시된 바와 같다.

회전각 센서로부터 제어부로 페달 회전각 신호가 입력되면[S10], 상기 입력된 정보를 이용하여 기준 페달 반력을 설정한다[S20].

상기 설정된 기준 페달 반력의 구현을 위해, MR 감쇠기의 감쇠토크가 결정되며[S30], 상기 결정된 감쇠토크의 형성을 위한, MR 감쇠기의 구동전류를 설정하게 된다[S40]. 이렇게, 설정된 구동전류의 제어신호는 출력되어[S50], 전류조절부로 전송된다.

상기에서 설명한 바와 같은 본 발명의 페달 시뮬레이터에 따르면, 제동 페달에 가해지는 에너지를 저장하기 위한 토션(torsion) 스프링이 MR 감쇠기에 병렬로 연결되는 구조를 갖는다. 이러한 토션 스프링의 역할은 다음과 같다.

본 발명의 시스템과 같은 햅틱 시스템(Haptic System)을 반능동 구동기인 MR 감쇠기만으로 구현할 경우, 시스템으로 들어오는 유일한 에너지원은 운전자의 페달 조작이며 MR 감쇠기는 시스템의 에너지를 소산시킬 뿐 시스템에 에너지를 넣어줄 수 없는 제약이 따르게 된다. 즉, 페달 반력의 범위가 MR 감쇠기의 구동축의 회전 각속도와 반대 방향으로 한정되기 때문에, 페달의 복원력이 불가능한 것이다. 따라서, 본 발명에서는 상기 문제점을 해결하기 위해, 토션 스프링을 이용하여 운전자가 제동시 페달에 가하는 에너지를 저장해 두었다가, 복원 제어시 이용할 수 있도록 하였다.

본 발명의 실시예에 따른 MR 감쇠기의 감쇠력 형성과정을 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 MR 감쇠기의 단면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제어부의 제어신호를 전류조절부에서 전송받아 MR 감쇠기에 구동전류를 공급하면, MR 감쇠기의 자기 유변 유체(MRF) 주위에 자기장이 형성된다. 즉, 도 4에 도시된 MR 감쇠기는 회전축(27)을 중심으로 회전하게 되며, 자기 유변 유체(23)의 성질에 의해 MR 감쇠기의 좌,우 측면에 위치한 자기장 형성용 코일(28)에 의해 자기장이 형성되며(24), 형성된 자기장의 세기에 비례하여 감쇠력이 형성된다. 이때, 자기장의 세기는 회전축(27)을 중심으로 감은 권선에 흐르는 전류의 세기에 의해 조절되는 것이다. 미설명된 도면부호 "21"은 감쇠기 축이며, "22"는 감쇠기 하우징이며, "26"은 리테이너(retainer)를 의미한다.

상기와 같은 구조의 MR 감쇠기는 다음과 같은 구조로 페달의 동일 프레임상에 설치되어, 페달 시뮬레이터로 동작된다.

첫째, MR 감쇠기 축 고정식으로서, 도 5a에 도시된 바와 같다.

도 5a에서 보는 바와 같이, MR 감쇠기(20)의 하우징(22)과 페달(14)이 동일 프레임상에 설치되며, 감쇠기의 축(21)은 차체와 동일 프레임상에 설치된다. 따라서, 감쇠기(20)의 회전축(27)을 중심으로 감쇠기 하우징(22)이 회전하게 된다.

또한, 토션 스프링(30)의 한쪽 끝은 MR 감쇠기(20)의 하우징(22)과 동일 프레임상에 설치되어 있고, 다른쪽 끝은 마운팅 브라켓(40)과 동일 프레임상에 설치된다. 미설명된 도면부호 "70"은 페달 스토퍼를 의미한다.

둘째, MR 감쇠기 하우징 고정식으로서, 도 5b에 도시된 바와 같다.

도 5b에서 보는 바와 같이, MR 감쇠기(20)의 축(21)과 페달(14)이 동일 프레임상에 설치되며, 감쇠기의 하우징(22)은 차체와 동일 프레임상에 설치된다. 따라서, 감쇠기(20)의 회전축(27)을 중심으로 감쇠기 축(21)이 회전하게 된다.

또한, 토션 스프링(30)의 한쪽 끝은 MR 감쇠기(20)의 하우징(22)과 동일 프레임상에 설치되어 있고, 다른쪽 끝은 마운팅 브라켓(45)과 동일 프레임상에 설치된다. 미설명된 도면부호 "70"은 페달 스토퍼를 의미한다.

상기에서 설명한 바와 같은, 본 발명에 따른 MR 감쇠기에 토션 스프링을 병렬로 연결한 페달 시뮬레이터의 반력 제어 영역은 도 6에 도시된 바와 같다.

도 6에서, (a)는 페달 회전각속도가 "+"인 경우로서, 운전자가 페달을 밟는 동안(즉, 페달 회전각속도가 +인 경우), 반력은 스프링에 의한 반력과 MR 감쇠기에 의한 반력의 합이 되며, 이때 MR 감쇠기를 제어함으로써 도시된 바와 같이, 빗금친 영역이 제어가능한 영역이 되는 것이다.

반면, (b)는 페달 횐전각속도가 "-"인 경우로서, 운전자의 페달 조작이 없어져 페달의 복원제어가 이루어진 경우에는(즉, 페달 회전각속도가 -인 경우), 페달에 가해지는 힘은 스프링에 의한 복원력과 MR 감쇠기에 의한 감쇠력의 차가 되며, 이때 MR 감쇠기를 제어함으로써 도시된 바와 같이, 빗금친 영역이 제어가능한 영역이 되는 것이다.

이와같은, 본 발명에 따른 페달 시뮬레이터 시스템은 전동식 브레이크시스템용 페달 시뮬레이터, 차량 시뮬레이터의 페달 반력장치(가속/감속 페달), 실내 운전연습장의 반력 페달, 게임기의 반력 페달 등과 같이 조작자에게 반력을 제공하는 응용분야에 적용 가능하다.

이상에서 바람직한 실시예를 중심으로 본 발명을 설명하였으나 본 발명의 기술적사상이 이에 한정되어 해석되어서는 아니되며, 본 발명에 따른 기술적 범위는 특허청구범위에 기재된 사항의 합리적인 해석에 의해 결정되어져야 한다.

본 발명의 회전형 MR 감쇠기를 이용한 전동식 브레이크용 페달 시뮬레이터 시스템에 따른 효과는 다음과 같다.

첫째, 반능동 구동기인 MR 감쇠기를 이용함에 따라, 스프링 등의 수동요소만을 이용한 반력장치에서 발생하는 반력기능 구현의 제한을 없앨 수 있다.

둘째, MR 감쇠기의 감쇠력 제어와 스프링의 복원력을 통해 제동 페달의 리턴(return)제어가 가능하다.

세째, MR 감쇠기를 이용한 반력제어를 통해, 선회상황이나 지속적인 제동상황에서 운전자 발의 피로를 줄이는데 기여하는 페달 반력의 히스테리시스를 구현할 수 있다.

도 1은 일반적인 전동식 브레이크 시스템의 개념도.

도 2는 본 발명에 따른 전동식 브레이크용 페달 시뮬레이터 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 제어부에서의 제어 흐름도.

도 4는 본 발명에 따른 MR 감쇠기의 단면도.

도 5a는 본 발명에 따른 MR 감쇠기 축 고정식의 페달 시뮬레이터 도면.

도 5b는 본 발명에 따른 MR 감쇠기 하우징 고정식의 페달 시뮬레이터 도면.

도 6은 본 발명에 따른 페달 시뮬레이터의 반력 제어 도면.

<도면부호의 설명>

2 전원 4,14 제동 페달 6 캘리퍼

8 ECU 10 페달 시뮬레이터 12 신호 및 에너지 공급라인

20 MR감쇠기 21 감쇠기 축 22 감쇠기 하우징

24 자기장 23 자기유변유체 26 리테이너

27 회전축 28 자기장형성용코일 30 스프링

50 회전각센서 40,45 브라켓 70 페달 스토퍼

100 제어부 200 전류조절부

Claims (5)

1. 전동식 브레이크용 페달 시뮬레이터에 있어서,

   운전자의 제동입력을 받는 페달;

   상기 페달의 회전각을 측정하는 회전각 센서;

   상기 회전각 센서로부터 페달의 회전각 신호를 입력받아, 페달 반력을 조절하기 위한 제어신호를 출력하는 제어부; 및

   상기 제어부로부터 제어신호를 인가받아 MR 감쇠기에 구동 전류를 공급하는 전류조절부로 구성되는 회전형 MR 감쇠기를 이용한 전동식 브레이크용 페달 시뮬레이터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 MR 감쇠기에 병렬로 연결되어, 제동 페달에 가해지는 에너지를 저장하는 토션 스프링이 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 회전형 MR 감쇠기를 이용한 전동식 브레이크용 페달 시뮬레이터.
3. 제 1항에 있어서, 상기 제어부에서의 제어방법은,

   회전각 센서로부터 페달 회전각 신호의 입력단계;

   상기 입력된 정보를 이용하여, 기준 페달 반력의 설정 단계;

   상기 설정된 기준 페달 반력의 구현을 위해, MR 감쇠기의 감쇠토크 설정 단계;

   상기 설정된 감쇠토크의 형성을 위해, MR 감쇠기의 구동전류 설정 단계; 및

   상기 설정된 구동전류의 제어신호를 전류조절부로 출력하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전형 MR 감쇠기를 이용한 전동식 브레이크용 페달 시뮬레이터.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 페달 시뮬레이터는 MR 감쇠기의 축과 페달이 동일 프레임상에 설치된 구조인 것을 특징으로 하는 회전형 MR 감쇠기를 이용한 전동식 브레이크용 페달 시뮬레이터.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 페달 시뮬레이터는 MR 감쇠기의 하우징과 페달이 동일 프레임상에 설치된 구조인 것을 특징으로 하는 회전형 MR 감쇠기를 이용한 전동식 브레이크용 페달 시뮬레이터.