KR20070098146A - 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프알고리즘을 제공하는 시스템 및 방법 - Google Patents

전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프알고리즘을 제공하는 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프 알고리즘을 제공하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프(Fail-Safe) 알고리즘을 제공하는 시스템은, 자동차의 조향휠의 움직임을 감지하여 조향휠의 움직임을 보조하는 동력을 제공하는 모터; 모터에 인가되는 전류값을 일정 주기로 측정하는 전류 센서; 및 전류값을 샘플값으로 저장하고, 전류 센서로부터 새로운 전류값을 수신하면 저장하고 있는 샘플값을 과거 샘플값으로 저장하여 새로운 전류값으로 샘플값을 갱신하며, 샘플값과 과거 샘플값을 비교하여 샘플값과 과거 샘플값 간의 전류 변화량이 전동식 조향장치의 제조사가 설정한 임계값을 초과하는 경우 모터에 이상을 감지하는 전동식 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit, 이하 ECU'라 칭함)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프 알고리즘을 제공하는 시스템을 제공한다.
본 발명에 의하면, 별도의 전압 입력 없이 전류 센서를 이용하여 모니터링하는 전류값의 변화량을 이용하여 모터의 이상을 감지하는 페일세이프(Fail-Safe) 알고리즘을 제공함으로써, 페일세이프 알고리즘을 구현하는 회로를 단순화하여 비용을 절감하면서도 모터의 이상 발생 유무를 실시간으로 정확하게 검출하는 효과가 있다.
전동식 조향장치, EPS. ECU, 페일세이프, fail-safe

Description

전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프 알고리즘을 제공하는 시스템 및 방법{Method and System for Providing Fail-Safe Algorithm for Electronic Power Steering System by Using Current Sensor}
도 1은 자동차의 전동식 조향장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프 알고리즘을 제공하는 3상 모터의 등가 회로 중 u 상 회로를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프 알고리즘을 제공하는 과정을 나타낸 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 전동식 조향장치 110: 입력축
120: 출력축 130: 조향휠
140: 기어부 150: 랙 바
160: 전동식 제어 유닛 170: 모터
180: 조향각 센서 200: 전원
210: 전류 센서 220: 제 1 저항
222: 제 2 저항 224: 제 3 저항
226: 제 3 저항 230: 인덕터
본 발명은 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프 알고리즘을 제공하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 전동식 조향장치의 모터 내부에 전류 센서를 설치하고, 모터 내부의 저항과 인덕터에 인가되는 전류를 센싱(Sensing)하여 페일세이프 알고리즘을 구현하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 조향장치는 유압 펌프의 유압을 이용한 유압식 조향장치가 사용되고 있지만, 1990년대 이후 전기 모터를 이용한 전동식 조향장치가 점차로 보편화되어 가고 있다.
이러한 기존의 유압식 조향장치에서 동력을 보조해 주는 동력원인 유압 펌프가 엔진에 의해 구동되어 조향휠의 회전과 관계없이 에너지 소모가 항시 발생하는 데 비해 전동식 조향장치는 ECU(Electronic Control Unit)를 이용한 제어를 통해 전기적 에너지로 구동되는 모터를 돌려 조향휠의 회전에 따라 조향장치의 동력을 보조해 준다. 따라서 전동식 조향장치를 장착하는 경우 기존의 유압식 조향장치에 비해 자동차의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 자동차의 전동식 조향장치의 구성도이다. 도 1에서 도시하는 바와 같이 전동식 조향장치(100)는 토션 바(미도시)를 매개로 동축 상에 연결된 입력 축(110)과 출력축(120)을 구비하며, 입력축(110)과 출력축(120)은 하우징(미도시) 내에 설치되는 베어링(미도시)을 통해 회전 가능한 상태로 지지된다. 또 입력축(110)은 통상적인 자동차의 조향휠(130)과 연결되어 조향휠(130)과 함께 회전하도록 구성되고, 출력축(120)은 일측의 피니언 기어부(140)가 통상적인 동력 보조 조향장치의 랙 바(150)와 치합되도록 구성된다. 따라서 운전자가 조향휠(130)을 회전시키는 동작에 의해 발생하는 조향력이 입력축(110)에 전달되고, 조향력이 입력축(110)에서 출력축(120)으로 전달되는 과정에서 토크 센서가 토크를 감지하여 전기식 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit, 이하 'ECU'라 칭함)(160)에 전달하고 ECU(160)에서는 감지된 토크에 따라 조향 보조 동력을 공급하도록 모터(170)를 제어한다.
이와 같은 전동식 조향장치(100)의 경우 유압식 조향장치와 달리 ECU(160)가 모터(170)의 회전을 제어하여 조향 보조 동력을 공급하므로 기계적인 방법으로는 운전자의 조작에 따른 적절한 조향 보조 동력을 공급할 수 없다. 따라서 운전자의 조작에 따른 조향휠(130)의 회전각을 측정하여 ECU(160)에 전기적 신호로 보내 주는 장치가 필요하며, 이러한 기능을 하는 장치가 바로 조향각 센서(SAS: Steering Angle Sensor)(180)이다.
한편, 전동식 조향장치(100)는 ECU(160)의 제어에 따라 모터(170)의 회전을 제어함으로써 조향 보조 동력을 공급하는데, 전동식 조향장치(100)에서 모터(170)의 상태를 파악하는 것이 중요하다. 기존의 전동식 조향장치(100)에서 사용되는 모터(170)의 페일세이프 알고리즘(Fail-Safe Algorithm)은 모터(170) 내의 회로로부 터 전류와 전압을 모두 입력받아 모터(170)의 상태를 판단한다.
그러나 기존의 페일세이프 알고리즘은 전류와 전압을 모두 입력받아 모터(170)의 상태를 파악하여야 하기 때문에 페일세이프 알고리즘을 구현하는 회로가 복잡하고, 페일세이프 알고리즘을 구현하는 회로를 구성하는 데 소요되는 비용이 많다는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 전동식 조향장치의 모터 내부에 전류 센서를 설치하고, 모터 내부의 저항과 인덕터에 인가되는 전류를 센싱(Sensing)하여 페일세이프 알고리즘을 구현하는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 1 목적에 의하면, 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프(Fail-Safe) 알고리즘을 제공하는 시스템은, 자동차의 조향휠의 움직임을 감지하여 조향휠의 움직임을 보조하는 동력을 제공하는 모터; 모터에 인가되는 전류값을 일정 주기로 측정하는 전류 센서; 및 전류값을 샘플값으로 저장하고, 전류 센서로부터 새로운 전류값을 수신하면 저장하고 있는 샘플값을 과거 샘플값으로 저장하여 새로운 전류값으로 샘플값을 갱신하며, 샘플값과 과거 샘플값을 비교하여 샘플값과 과거 샘플값 간의 전류 변화량이 전동식 조향장치의 제조사가 설정한 임계값을 초과하는 경우 모터에 이상을 감지하는 전동식 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit, 이하 ECU'라 칭함)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프 알고리즘을 제공하는 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 제 2 목적에 의하면, 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프(Fail-Safe) 알고리즘을 제공하는 방법에 있어서, (a) 전류 센서가 전동식 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit, 이하 'ECU'라 칭함)의 제어에 따라 모터의 저항과 인덕터에 인가된 전류값을 일정 주기로 모니터링하고, 일정 주기로 ECU가 전류 센서로부터 전류값을 수신하는 단계; (b) 전류값을 샘플값으로 저장하고, 전류 센서로부터 일정 주기로 측정한 전류값을 수신하면 저장한 샘플값을 과거 샘플값으로 저장한 후 샘플값을 수신한 전류값으로 갱신하는 단계; (c) 샘플값과 과거 샘플값을 비교하여 샘플값과 과거 샘플값 간의 변화량이 임계값을 초과하였는지 여부를 확인하는 단계; 및 (d) 단계 (c)에서 샘플값과 과거 샘플값 간의 변화량이 상기 임계값을 초과하였다고 판단한 경우 모터에 이상이 감지되었음을 알리는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프 알고리즘을 제공하는 방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프 알고리즘을 제공하는 3상 모터의 등가 회로 중 u 상 회로를 나타낸 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프 알고리즘을 제공하는 3상 모터의 u, v, w 3상 중 u 상의 등가 회로는 저항 및 인덕터의 연결로 표현할 수 있는데, 제 1 저항(220), 제 2 저항(222), 제 3 저항(224), 제 4 저항(226) 및 인덕터(230)를 포함하도록 표현할 수 있다.
전원(200)은 전동식 조향장치(100)의 모터(170)에 전원을 인가함으로써 모터 내부의 u, v 및 w 3상 회로가 구동하도록 한다.
전류 센서(210)는 전원(200)과 모터(170) 사이에 연결되어 모터(170)에 인가되는 전류값을 실시간으로 모니터링하여 일정 주기로 전동식 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit, 이하 'ECU'라 칭함)(160)에 모니터링한 전류값을 전송한다.
u 상 회로의 저항은 다양한 저항값을 가지고, 다양한 형태(직렬, 병렬 또는 직병렬)로 회로를 구성하지만 본 발명에서는 본 발명을 이해하기 쉽도록 하기 위하여 제 1 저항(220), 제 2 저항(222), 제 3 저항(224) 및 제 4 저항(226)의 직병렬 연결로 표현하고, 그 저항값을 각각 100 Ω으로 설정한다.
인덕터(230)는 전류의 변화량에 비례하여 전압을 유도하는 코일로서, 모터(170) 내의 전류의 급격한 변화를 방지하고 전기 잡음을 걸러내는 필터의 역할도 한다.
전동식 조향장치(100)는 모터(170)에 인가되는 전류값을 제어하여 모터(170)의 회전력을 제어한다. 따라서, 모터(170)에 인가되는 전류값의 변화량은 모터(170) 내의 저항이 단선 또는 단락되지 않으면 인덕터(230)에 의하여 연속적인 값을 가지게 된다.
그러나 모터(170) 내의 권선이 단선 또는 단락되어 모터(170) 내의 전체 저항값이 변화하면 저항이 단선 또는 단락되는 순간을 기준으로 저항이 단선 또는 단락되기 전의 전류값과 저항이 단선 또는 단락된 후의 전류값은 불연속적으로 변화하게 된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프 알고리즘을 제공하는 과정을 나타낸 순서도이다.
전류 센서(210)가 전동식 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit, 이하 'ECU'라 칭함)(160)의 제어에 따라 모터(170)의 저항과 인덕터(230)에 인가된 전류값을 모니터링한다(S300).
전류 센서(210)로부터 모니터링한 전류값을 일정 주기로 ECU(160)가 수신한다(S302).
ECU(160)가 전류 센서(210)로부터 수신한 전류값을 샘플값으로 저장하고, 전류 센서(210)로부터 일정 주기로 전류값을 수신하면 저장한 샘플값을 과거 샘플값으로 저장한 후 샘플값을 갱신한다(S304).
ECU(160)가 샘플값과 과거 샘플값을 비교하여 샘플값과 과거 샘플값의 차가 전동식 조향장치(100)의 제조사에서 설정한 임계값을 초과하였는지 여부를 확인한 다(S306).
본 발명에서 모터(170) 내의 회로에 존재하는 저항의 경우 단선 또는 단락되면 전체 저항값이 변하고, 전체 저항에 인가되는 전류값도 변한다.
예를 들어, 도 2에서와 같이 제 1 저항(210) 및 제 2 저항(212)이 병렬로 연결되어 있고, 제 3 저항 및 제 4 저항(216)이 병렬로 연결되어 있으며, 이들이 직렬 연결된 구조를 가진 회로에서 전체 저항은 100 Ω이다. 그러나, 제 1 저항(210)이 끊어질 경우 전체 저항은 150 Ω이 되고, 제 2 저항(212)의 양 단자가 모두 끊어진 후 제 3 저항 및 제 4 저항과 병렬로 연결되는 상황이 발생하면 전체 저항은 약 133 Ω이 되어 전체 저항값이 순간적으로 바뀐다.
정상적인 경우, 본 발명에서 전동식 조향장치(100)의 모터(170)에 인가되는 전류의 변화량은 모터(170) 내의 인덕터(230)에 의하여 연속적인 값을 가지게 된다. 그러나, 위와 같이 모터(170) 내의 권선이 단선 또는 단락되는 경우 모터(170)에 인가되는 전류의 변화량은 저항이 바뀌는 순간에 모터(170)에 인가되는 전류의 변화량이 불연속적으로 변한다.
단계 S306에서 샘플값과 과거 샘플값의 차가 전동식 조향장치(100)의 제조사에서 설정한 임계값을 초과하였다고 판단한 경우 ECU(160)는 모터(170)에 이상이 감지되었음을 알리는 경고등(Warning Lamp)을 동작시키고, 모터(170)의 보호를 위하여 모터(170)의 전원(200)을 차단한다(S308).
단계 S306에서 샘플값과 과거 샘플값의 차가 전동식 조향장치(100)의 제조사에서 설정한 임계값을 초과하지 않았다고 판단한 경우 ECU(160)는 단계 S304를 지 속적으로 수행한다.
여기서 임계값의 설정은, 단선 또는 단락이 발생하여 모터(170)에 이상이 발생할 정도의 전류 변화량을 감지할 수 있는 정도로 하는 것이 가장 바람직하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 별도의 전압 입력 없이 전류 센서를 이용하여 모니터링하는 전류값의 변화량을 이용하여 모터의 이상을 감지하는 페일세이프(Fail-Safe) 알고리즘을 제공함으로써, 페일세이프 알고리즘을 구현하는 회로를 단순화하여 비용을 절감하면서도 모터의 이상 발생 유무를 실시간으로 정확하게 검출하는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프(Fail-Safe) 알고리즘을 제공하는 시스템에 있어서,
    자동차의 조향휠의 움직임을 감지하여 상기 조향휠의 움직임을 보조하는 동력을 제공하는 모터;
    상기 모터에 인가되는 전류값을 일정 주기로 측정하는 전류 센서; 및
    상기 전류값을 샘플값으로 저장하고, 상기 전류 센서로부터 새로운 전류값을 수신하면 저장하고 있는 샘플값을 과거 샘플값으로 저장하여 상기 새로운 전류값으로 샘플값을 갱신하며, 상기 샘플값과 상기 과거 샘플값을 비교하여 상기 샘플값과 상기 과거 샘플값 간의 전류 변화량이 기설정된 임계값을 초과하는 경우 상기 모터에 이상을 감지하는 전동식 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit, 이하 ECU'라 칭함)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프 알고리즘을 제공하는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전류 센서는,
    상기 모터에 인가되는 상기 전류값을 모니터링하여 일정 주기로 상기 ECU에 전송하는 것을 특징으로 하는 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프 알고리즘을 제공하는 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 ECU는,
    상기 모터에 이상이 감지된 경우 상기 모터의 이상을 알리는 경고등(Warning Lamp)을 점등하고, 상기 모터에 인가되는 전원을 차단하는 것을 특징으로 하는 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프 알고리즘을 제공하는 시스템.
  4. 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프(Fail-Safe) 알고리즘을 제공하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 전류 센서가 전동식 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit, 이하 'ECU'라 칭함)의 제어에 따라 모터에 인가된 전류값을 일정 주기로 모니터링하고, 상기 일정 주기로 상기 ECU가 상기 전류 센서로부터 상기 전류값을 수신하는 단계;
    (b) 상기 전류값을 샘플값으로 저장하고, 상기 전류 센서로부터 상기 일정 주기로 측정한 전류값을 수신하면 저장한 상기 샘플값을 과거 샘플값으로 저장한 후 상기 샘플값을 수신한 상기 전류값으로 갱신하는 단계;
    (c) 상기 샘플값과 상기 과거 샘플값을 비교하여 상기 샘플값과 상기 과거 샘플값 간의 변화량이 임계값을 초과하였는지 여부를 확인하는 단계; 및
    (d) 상기 단계 (c)에서 상기 샘플값과 상기 과거 샘플값 간의 변화량이 상기 임계값을 초과하였다고 판단한 경우 상기 모터에 이상이 감지되었음을 알리는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센서를 이용하여 전동식 조향장치에 페일세이프 알고리즘을 제공하는 방법.
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