KR20060008499A - 전기 차량의 드라이브 샤프트 진동 제어방법 - Google Patents

전기 차량의 드라이브 샤프트 진동 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 휠 속도 검출센서를 사용하지 않고 저크 쇼크 현상을 보정할 수 있음으로써 드라이브 트레인 구성부품의 내구성 강화 및 전기 차량 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 전기 차량의 드라이브 샤프트 진동 제어방법에 관한 것으로, 댐핑 제어부 내부 알고리즘에서 검출되는 휠 속도와, 드라이브 제어에 의해 제공되어지는 모터의 로터 속도의 차이를 입력받아 그 차이만큼을 보상해주는 보정 토크를 알고리즘상으로 계산하고, 계산된 보상 토크값을 모터 제어부에 전달하여 전기식 드라이브 트레인의 진동 현상을 저감시키는 것을 특징으로 한다.
전기, 차량, 드라이브 샤프트, 진동

Description

전기 차량의 드라이브 샤프트 진동 제어방법{DRIVE SHAFT OSCILLATION CONTROL METHOD OF ELECTRIC VEHICLE}
도 1은 전기 차량의 드라이브 트레인 구성을 도시한 도면.
도 2는 드라이브 샤프트 출력 토크에 발생하는 저크 쇼크 현상을 도시한 도면.
도 3a와 도 3b는 노치 필터의 미사용 상태와 사용 상태시 저크 쇼크 현상의 개선상태를 비교한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기 차량의 드라이브 샤프트 진동 제어를 위한 다이어그램(Diagram)을 도시한 도면.
도 5와 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기 차량의 드라이브 샤프트 진동 제어신호 흐름을 도시한 도면.
도 7은 액티브 댐핑 제어의 측정 결과를 도시한 도면.
본 발명은 전기 차량의 드라이브 샤프트 진동 제어방법에 관한 것이다.
통상적으로, 전기 차량의 전기식 드라이브 트레인(Drive Train)은 도 1에 도 시된 바와 같이 구동 모터(110), 감속기(차동 기어)(120), 드라이브 샤프트(130)(Drive Shaft, Half Shaft)로 구성된다.
전기식 드라이브 트레인을 적용한 전기 차량은 내연 기관을 사용하지 않고 순수한 전기 동력에 의존하여 구동되는 차량이다.
구동 모터(110)는 내연 기관의 대체로 차량을 구동시키는 동력을 발생한다.
감속기(차동 기어)(120)는 구동 모터(110)에서 발생된 구동력이나 회전수를 적절히 조절하여 드라이브 샤프트(130)에 전달하는 기능을 한다.
드라이브 샤프트(130)는 감속기(차동 기어)(120)를 거친 동력을 차륜(바퀴)까지 전달해준다.
이와 같은 구성에 따라 구동 모터(110)에서 생성된 입력 토크는 감속기(차동 기어)(120)를 거쳐 드라이브 샤프트(130)에 전달되고 그 토크에 의해 전기 차량이 구동된다.
이때 전달되는 드라이브 샤프트(130) 출력 토크에 도 2에 도시된 바와 같이 심한 저크 쇼크(Jerk Shock)현상이 생긴다.
종래에는 이것을 노치 필터(Notch Filter)를 이용하여 진동(Oscillation)을 줄여주었다.
도 3a와 도 3b는 노치 필터의 미사용 상태와 사용 상태시 저크 쇼크 현상의 개선상태를 비교한 도면이다.
그런데, 위와 같은 방법을 사용할 때 종래에는 노치 필터를 이용하여 저크 쇼크 현상이 줄어들긴 했으나 노치 필터를 적용한 방법은 과도상태에서만 그 기능 을 발휘해 전구간(정상상태 포함)에 걸친 효과는 볼 수 없고 노치 필터를 거치면 응답특성이 떨어지기 때문에 가감속시 응답이 지연되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 휠 속도 검출센서를 사용하지 않고 저크 쇼크 현상을 보정할 수 있음으로써 드라이브 트레인 구성부품의 내구성 강화 및 전기 차량 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 전기 차량의 드라이브 샤프트 진동 제어방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전기 차량의 드라이브 샤프트 진동 제어방법에 있어서, 댐핑 제어부 내부 알고리즘에서 검출되는 휠 속도와, 드라이브 제어에 의해 제공되어지는 모터의 로터 속도의 차이를 입력받아 그 차이만큼을 보상해주는 보정 토크를 알고리즘상으로 계산하고, 계산된 보상 토크값을 모터 제어부에 전달하여 전기식 드라이브 트레인의 진동 현상을 저감시키는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기 차량의 드라이브 샤프트 진동 제어방법을 도시한 도면으로, 도 4는 액티브 댐핑 제어(Active Damping Control)를 도시한 다이어그램(Diagram)이며, 도 5와 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기 차량의 드라이브 샤프트 진동 제어신호 흐름을 도시한 도면이다.
도 7은 액티브 댐핑 제어의 측정 결과를 도시한 도면으로, 전기 차량 드라이브 트레인의 저크 쇼크 현상이 개선된 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시예는 액티브 댐핑 제어(Active Damping Control)를 이용한 전기 차량 드라이브 트레인(Drive train)의 구동축 토크 리플 저감 제어방법에 관한 것으로, 휠 속도 검출센서(Wheel Speed Detector)를 사용하지 않고 저크 쇼크(Jerk Shock) 현상을 보정할 수 있다.
도 4와 도 5를 참조하면, 페달에 의한 압력 토크(Tpedal : reference torque)는 댐핑 제어부(Damping Control, Observer)에서 차량 파라미터 정보를 받는다.
댐핑 제어부 내 알고리즘에 의해 보정된 새로운 토크 입력이 모터 제어부(MCU ; Motor Control Unit, Motor Control)로 입력된다.
그러면, 모터 내의 백래쉬나 마찰 등에 의해 약간 변형된 토크가 차량의 출력이 된다.
이렇게 생기는 외부 저항요소는 차량 파라미터 내 값에 내재되어 있으므로 차량의 출력은 이미 그 외부 저항요소를 가만하여 최적의 토크를 낼 수 있게 된다.
참고적으로, 저크 쇼크 현상은 휠 속도와 로터 속도가 일치하지 않아 차량의 가/감속시 마다 충격이 오는 것인데 본 발명의 실시예는 이를 옵저버(Observer)라 명한 댐핑 제어부 내부 알고리즘에서 휠 속도를 검출하여 능동 제어를 수행함으로써 휠 속도와 로터 속도의 차이를 줄여주어 저크 쇼크 현상을 보정할 수 있다.
전기 차량의 전기식 드라이브 트레인의 진동(Oscillation) 현상은 모터의 로터 속도와 그 모터로부터 감속기와 드라이브 샤프트를 거쳐 동력이 전달되는 휠의 속도가 서로 같지 않아 생긴다고 볼 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예는 튜닝에 의해 응답성, 안락성, 안정성 관점에서 최적의 성능값을 찾을 수 있으며, 운전자의 페달 입력에 따른 토크 지령값을 보정하여 진동현상이 나타나지 않게 한다.
또한, 구동모터와 휠의 속도차를 입력으로 받아 토크 보정량을 계산하여 모터 제어부에 보상 토크를 전달하며, 드라이브 트레인의 주요 진동 성분을 2관성 시스템으로 모델링함을 알 수 있다.
도 6에서, J1은 관성(the inertia of the machine rotor and gears)을 나타내며, J2는 차량 질량(The Huge Vehicle Mass)을 나타낸다.
그리고, c는 스프링 상수(Spring Constant)를 나타내며, kP는 댐핑 팩터(physical damping factor)를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 액티브 댐핑 제어(Active Damping Control)를 이용한 공식은 다음과 같다.
Ω2 = f(Tem, Ω1)
TC = kd * ΔΩ = kd(Ω1 - Ω2)
여기서, Tem은 기준 토크 지령을 받은 변속기(TM)에서 나오는 토크(Torque)이다.
그리고, TC는 보정 토크(컨트롤러 토크 ; Controller Torque)이며, 보정 토크(TC ; Controller Torque)는 2개의 값(Ω1, Ω2)의 계산으로부터 나와 진동(Oscillation)을 능동적으로 보상해 준다.
여기서, kd는 댐핑 팩터(Damping Factor), Ω1은 로터 속도(the angular speed of the rotor), Ω2는 휠 속도(the angular speed of the wheels)를 나타낸다.
위 식에서 다양한 댐핑 팩터(Damping factor, kd)를 적용하여 최적의 수행결과를 이끌어내어 편안하고 안전한 주행이 될 수 있도록 한다.
댐핑 팩터(Damping Factor, kd)는 시뮬레이션(Simulation)에 의해서 정해지는 값이다.
예를 들어, 실차와 똑같은 환경 조건을 갖춘 시뮬레이션에 다양한 댐핑 팩터(k)값을 적용하여 최적의 결과를 내는 댐핑 팩터(kd)값을 찾아낸다.
그 최적화된 댐핑 팩터(kd)값을 모터 제어부에 입력하여 보정 토크의 계수로써, 댐핑 팩터로 적용하여 진동(Oscillation)을 감쇄시킨다.
도 7을 참조하면, 종래 기술의 도 3a와 도 3b의 두 그래프에 비해 오버슈트(Overshoot)와 전구간에서의 진동(Oscillation) 현상이 크게 개선된 것을 알 수 있다.
시험 결과 댐핑 팩터(k)값은 높을수록 강한 감쇄 효과와 약간 낮은 응답특성을 보이는 것을 알 수 있다.
도 7에 도시된 Th(Tref, new)는 드라이브 샤프트(하프 샤프트) 토크(Halfshaft Torque)이며, Tc는 보정 토크(Controller Torque), k는 댐핑 팩터(Damping factor), nrotor는 로터(Rotor) 회전수, nwheel은 휠 속도, nwheel,obs는 댐핑 제어부에 의해 계산된 휠 속도를 나타낸다.
도 7은 댐핑 팩터(k)=1.0와 1.5일 때를 비교한 것으로, 댐핑 팩터(k)값이 1.0일 때 보다 1.5일 때 더 좋은 결과를 나타내는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 전기 차량의 드라이브 샤프트 진동 제어방법은 휠 속도 검출센서를 사용하지 않음으로써 그에 따르는 원가 절감 및 공정 축소로 인한 생산비를 절감할 수 있다.
또한, 휠 속도 검출센서 고장으로 인한 위험 요인을 제거하여 전기 차량 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 드라이브 트레인 구성부품의 내구성을 강화할 수 있고, 진동 충격 완화로 인한 승차감 향상의 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 전기 차량의 드라이브 샤프트 진동 제어방법에 있어서,
    댐핑 제어부 내부 알고리즘에서 검출되는 휠 속도와, 드라이브 제어에 의해 제공되어지는 모터의 로터 속도의 차이를 입력받아 그 차이만큼을 보상해주는 보정 토크를 알고리즘상으로 계산하고, 계산된 보상 토크값을 모터 제어부에 전달하여 전기식 드라이브 트레인의 진동 현상을 저감시키는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 드라이브 샤프트 진동 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    보정 토크는 액티브 댐핑 제어(Active Damping Control)를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 드라이브 샤프트 진동 제어방법.
  3. 제2항에 있어서,
    액티브 댐핑 제어를 이용한 공식은 다음과 같은 것을 특징으로 하는 전기 차량의 드라이브 샤프트 진동 제어방법.
    Ω2 = f(Tem, Ω1)
    TC = kd * ΔΩ = kd(Ω1 - Ω2)
    여기서, Tem은 기준 토크 지령을 받은 변속기(TM)에서 나오는 토크, TC는 보 정 토크(Controller Torque), kd는 댐핑 팩터(Damping Factor), Ω1은 로터 속도(the angular speed of the rotor), Ω2는 휠 속도(the angular speed of the wheels)를 나타낸다.
  4. 제3항에 있어서,
    댐핑 팩터(k)는 실차와 같은 환경 조건을 갖춘 시뮬레이션에 다양한 댐핑 팩터(k)값을 적용하여 최적의 결과를 내는 댐핑 팩터(k)값을 찾아내고, 그 최적화된 댐핑 팩터(k)값을 모터 제어부(MCU)에 입력하여 보정 토크의 계수로써, 댐핑 팩터로 적용하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 드라이브 샤프트 진동 제어방법.
  5. 제1항에 있어서,
    모터의 로터 속도와 휠의 속도 차이를 입력으로 받아 토크 보정량을 계산하는 것은 드라이브 트레인의 진동 성분을 2관성 시스템으로 모델링한 상태에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 드라이브 샤프트 진동 제어방법.
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