KR20100103989A - 하이브리드 차량용 구동계에서의 기어 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법 - Google Patents

하이브리드 차량용 구동계에서의 기어 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량용 구동계에서의 기어 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 차량이 모터로 주행할 때, 모터와 구동륜 사이의 기어 요소에 의해 발생하는 백래시 진동을 저감시킬 수 있도록 한 하이브리드 차량용 구동계에서의 기어 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 모터 토크 지령에서 드래그 토크를 차감한 값인 유효 토크 지령이 기어 백래시 매카니즘의 영토크 구간으로의 진입 및 진출 시점을 통과하였는지 판단하는 제1단계와; 상기 영토크 구간의 진입 및 진출 시점을 통과하는 것으로 판정된 경우, 제어시간을 초기화하면서 상기 유효 토크를 포물선 또는 지수함수 형태의 토크로 제한하는 제어를 시작하는 제2단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 구동계에서의 기어 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법을 제공한다.
Figure P1020090022104
하이브리드, 차량, 구동계, 기어, 백래시, 진동, 모터 토크, 포물선, 제어

Description

하이브리드 차량용 구동계에서의 기어 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법{Method for reducing vibration from gear backlash of hybrid vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량용 구동계에서의 기어 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 차량이 모터로 주행할 때, 모터와 구동륜 사이의 기어 요소에 의해 발생하는 백래시 진동을 저감시킬 수 있도록 한 하이브리드 차량용 구동계에서의 기어 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법에 관한 것이다.
연료전지-하이브리드 차량, 플러그인 하이브리드 차량, 하이브리드 전기자동차 등 여러가지 형태의 하이브리드 차량은 고전압배터리로부터의 전기에너지를 기계에너지로 전환하는 모터 구동에 의한 EV주행모드를 포함하고, 또한 엔진 및 차량 바퀴의 기계적 에너지가 모터를 통해 회수(발전, 회생)됨과 함께 인버터를 통해 전기에너지로 전환되어 배터리와 같은 에너지 저장장치에 충전되는 회생제동모드를 갖는다.
이러한 하이브리드 차량에 있어서, 모터와 구동륜 사이에는 변속기, 종감속기어 등 백래시(backlash) 특성을 지니는 여러가지 기어요소가 포함되어 있지만, 이러한 기어요소의 백래시를 고려한 토셔널 댐퍼(Torsional damper) 등과 같은 댐핑(damping) 요소가 부족하여, 상기 기어요소에 의한 유효 전달 토크의 방향 전환 시, 진동이 발생하는 단점이 있다.
이러한 진동 현상은 모터와 구동륜 사이의 기어요소들의 백래시(Backlash) 누적에 의하여 크리프(Creep) 발진시 주로 발생하는 바, 이러한 진동 현상은 차세대 친환경 차량이라는 소비자들의 이미지에 반하여 차량의 운전성 전반에 좋지 않은 영향을 미치게 된다.
여기서, 하이브리드 차량의 모터에 의한 EV 모드 주행시, 모터와 구동륜 사이의 기어요소들의 백래시(Backlash)가 발생되는 현상인 백래시 메카니즘(Backlash mechanism)을 첨부한 도 1을 참조로 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 스프링계로 모델링시킨 기어 모식도를 나타낸다.
모터 토크가 드라이브 샤프트에 전달되기 까지는 일정시간이 소요되는데, 이소요시간은 자동변속기 등의 기어가 구동방향으로 정렬되는데 필요한 시간 즉, 기어 백래시로 인한 지연 시간 및 각 기어간의 간극으로 설명될 수 있다.
이에, 도 1에 도시된 바와 같이 제1기어(10)와 제2기어(20)의 치형에 따라 생기는 간극(30)에 의해 모터 전달 토크의 데드존(dead-zone)이 형성된다.
이러한 기어 간극에 의한 데드존을 경유하여 전달되는 모터 토크는 첨부한 도 2에 도시된 일점쇄선으로 나타낸 바와 같고, 정상적으로 전달되는 선형 전달토 크(도 2의 점선으로 표시)와 달리 기어 백래시가 있는 부분에서 토크 전달이 원할하게 이루어지지 않음을 알 수 있다.
여기서, 상기 기어요소에 의한 유효 전달 토크의 방향 전환시 진동이 발생하는 것을 첨부한 도 1을 참조로 설명하면 다음과 같다.
기어를 스프링(spring)계로 모델링(modeling)시킨 도 1에서 보는 바와 같이, 제1 및 제2기어간의 유효 전달 토크의 방향이 전환되는 시점에서 스프링계의 진동이 발생된다.
즉, 제1기어(10)가 화살표 방향대로 구동하여 제2기어(20)쪽으로 토크가 전달되지만, 그 토크 전달 과정중 도 1의 스프링계에서 보는 바와 같이 "전면 스프링(40) 압축 해제→ 제1 및 제2기어간의 물리적 간극(30)→ 후면 스프링(50) 압축" 이 이루어짐에 따라 스프링계의 진동이 발생되는 것을 설명될 수 있고, 결국 기어요소에 의한 유효 전달 토크의 방향 전환시 진동이 발생된다.
이때, 제1기어(10)에서 제2기어(20)쪽으로 토크가 전달될 때, "전면 스프링(40) 압축 해제→ 제1 및 제2기어간의 물리적 간극(30)→ 후면 스프링(50) 압축" 이 이루어지는 구간은 영토크(Null torque) 구간이 된다.
이러한 영토크(Null torque) 즉, "전면 스프링(40) 압축 해제→ 제1 및 제2기어간의 물리적 간극(30)→ 후면 스프링(50) 압축" 이 이루어지는 구간에서의 토크범위는 실질적으로 의미있는 전달토크 수준의 이하(변속기 입력축 기준 5Nm 이하)가 된다.
이와 같이, 기어 백래시가 있는 부분에서는 모터 토크 전달이 원할하게 이루 어지지 않고, 특히 진동이 발생하여 차량의 운전성 전반에 좋지 않은 영향을 미치는 문제점이 있었다.
이러한 진동 문제를 해결하고자, 종래에는 토셔널 댐퍼와 같은 물리적인 댐핑요소를 포함시킨 수동 댐핑(Passive damping)방식, 진동 역방향으로 감쇄력을 주는 폐루프 타입의 능동 댐핑(Active damping)방식, 백래시 메카니즘의 입력토크를 변형시켜 진동발생을 억제시키는 토크 프로파일(torque profiling) 조절 방식 등이 제안되었지만, 상기 수동 댐핑 방식은 기어요소를 포함하는 구동계에 대한 패키징(packaging) 문제를 해결하는데 어려움이 있고, 상기 능동 댐핑 방식은 별도의 고성능 센서 및 관찰계(observer)를 필수적으로 설계해야 하는 등 복잡한 단점이 있으며, 상기 토크 프로파일 조절 방식은 단순 토크 변화율 감소에 대한 진동저감에는 어느 정도 효과가 있지만 응답성이 저하되고, 또한 진동 모델에 기반한 역위상 토크의 첨가시 모델 오차에 따라 진동이 오히려 증가할 수도 있는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 기어 백래시 메카니즘을 갖는 기어요소로 모터 토크가 입력되되, 기어 백래시에 의한 영토크(Null torque) 이내의 모터 토크 지령은 유효토크 0(zero)으로 출력함과 더불어 영토크 구간에 진입 및 진출시 토크 토크 지령 형태를 포물선(Parabolic) 또는 지수(exponential)함수의 팩터로 제한하여, 높은 진동(진폭) 저감효과와 함께 토크 응답성 저하를 최대한 억제할 수 있도록 한 하이브리드 차량용 구동계에서의 기어 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 모터 토크 지령에서 드래그 토크를 차감한 값인 유효 토크 지령이 기어 백래시 매카니즘의 영토크 구간으로의 진입 시점 및 영토크 구간으로부터 벗어나는 진출 시점을 통과하였는지 판단하는 제1단계와; 상기 영토크 구간의 진입 및 진출 시점을 통과하는 것으로 판정된 경우, 제어시간을 초기화하면서 상기 유효토크를 포물선 또는 지수함수 형태의 토크로 제한하는 제어를 시작하는 제2단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 구동계에서의 기어 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법을 제공한다.
상기 제1단계에서, Tin[모터 토크 지령(운전자 요구토크)]이 Tdead[영토크 구간의 1/2]와 Tdrag[드래그 토크]의 합보다 크고, Tin_old[이전 sample time의 Tin값]이 상기 Tdead[영토크 구간의 1/2]와 Tdrag[드래그 토크]의 합보다 작거나 같은지를 판단하고, 또는 Tin[모터 토크 지령(운전자 요구토크)]이 -Tdead[영토크 구간의 나머지 1/2]와 Tdrag[드래그 토크]의 합보다 작고, Tin_old[이전 sample time의 Tin값]이 상기 -Tdead[영토크 구간의 나머지 1/2]와 Tdrag[드래그 토크]의 합보다 크거나 같은 지를 계산함으로써, 상기 유효토크 지령이 상기 기어 백래시 매카니즘의 영토크 구간의 진입 및 진출시점을 통과하는지를 판단할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 제2단계에서, 상기 유효 토크가 영토크 구간으로부터 진출시, 최종 모터토크 지령값(Tou)은 Tout= (Tin-Tdrag)×t2/tmax 2 + Tdrag 에 의하여 포물선(Parabolic)형으로 증가하는 토크 제한 제어를 받게 되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2단계에서, 상기 유효 토크가 영토크 구간에 진입시 지수(exponential) 함수를 사용하여 (1-exp(-αt)형태의 곡선이 되도록 하면서 드래그 토크로 수렴되도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 포물선형 토크 제한 제어가 진행되는 중임을 확인하여 유효토크 지령값이 영토크(Null torque) 구간 이내이면 포물선형 토크 제한 제어를 중지하여 최종 모터토크지령을 드래그 토크(Tdrag)로 지령하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 유효토크 지령값이 영토크 구간을 벗어나서 제어 시간이 경과한 경우에는 포물선형 토크 제한 제어를 중지하여 최종 모터토크지령(Tout)을 모터 토크(Tin)로 지령하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 하이브리드 차량의 기어 백래시 메카니즘을 갖는 기어요 소로 모터 토크가 입력될 때, 기어 백래시에 의한 영토크(Null torque) 진입 및 진출시 유효토크를 포물선 형태(Parabolic or exponential)의 팩터로 제한함으로써, 모터 토크 지령을 포물선 형태로 제한함에 따른 토크의 증가 및 회복되기 때문에 응답성 저하를 줄일 수 있다.
또한, 영토크 구간내에서는 유효토크를 0(zero)으로 출력함으로써, 불필요한 진동 발생을 억제시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부한 도 1 및 도 3을 참조로 본 발명에서 사용되는 용어와, 그리고 모터 및 구동륜 사이의 기어 요소에 의해 발생하는 백래시 매카니즘(Backlash mechanism)을 통한 토크 전달 상태를 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 3에서 보는 바와 같이, 영토크(Null torque) 구간은 스프링계로 모델링된 기어 백래시(backlash) 모델에서 각 기어간의 물리적인 간극에 의한 데드존(deadzone)과, 스프링(spring)으로 근사화된 정/역방향으로 기어 및 구동축이 변형되는 토크구간을 합한 구간을 의미한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 용어중, 입력토크는 백래시 메카니즘(backlash mechanism)으로 입력되는 토크(모터 축의 토크)를 의미하고, 출력토크는 백래시 메 카니즘(backlash mechanism)에서 출력되는 토크(구동축(driveshaft) 토크)를 의미한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 용어중, 드래그(Drag)토크는 백래시 메카니즘 입력단의 저항(drag)으로서, 모터 자체의 회전저항, 모터와 연결된 습식클러치의 유체 저항 등을 말한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 용어중, 유효토크는 모터 토크에서 드래그(drag) 토크를 뺀 값으로서, 입력단 자체 부하를 제하고 백래시 메카니즘에 실제 입력되는 토크를 의미한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 용어중, 응답지연은 영토크(Null torque) 구간을 벗어나는 토크명령이 들어올 경우, 토크를 포물선 형태의 팩터 내지 함수로 제한하는 시간을 말한다.
여기서, 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 구동계에서의 기어 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법을 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 구동계에서의 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법을 설명하는 개념도이고, 도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 구동계에서의 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법을 나타내는 제어순서도이다.
먼저, 모터 토크 지령(운전자 요구토크)에서 드래그 토크를 차감한 값인 유효 토크 지령이 기어 백래시 매카니즘의 영토크 구간의 하한선을 통과하여 영토크 구간으로 진입하는지, 그리고 영토크 구간의 상한선을 통과하여 영토크 구간으로부 터 벗어나는 진출이 이루어지는지를 판단한다(S101).
즉, 모터 토크에서 드래그 토크를 차감한 값인 유효 토크가 기어 백래시 매카니즘의 영토크 구간에 진입하였는지, 영토크 구간내인지, 영토크 구간의 밖으로 진출하였는지를 판단한다(S101).
구체적으로, Tin[모터 토크 지령(운전자 요구토크)]이 Tdead[영토크 구간의 1/2]와 Tdrag[드래그 토크]의 합보다 크고, Tin_old[이전 sample time의 Tin값]이 상기 Tdead[영토크 구간의 1/2]와 Tdrag[드래그 토크]의 합보다 작거나 같은지를 판단하고, 또는 Tin[모터 토크 지령(운전자 요구토크)]이 -Tdead[영토크 구간의 나머지 1/2]와 Tdrag[드래그 토크]의 합보다 작고, Tin_old[이전 sample time의 Tin값]이 상기 -Tdead[영토크 구간의 나머지 1/2]와 Tdrag[드래그 토크]의 합보다 크거나 같은지를 계산함으로써, 유효 토크가 기어 백래시 매카니즘의 영토크 구간내로 진입하는 중인지, 영토크 구간내인지, 영토크 구간 밖으로 진출하였는지를 판단할 수 있다.
이어서, 상기 유효 토크가 기어 백래시 매카니즘의 영토크 구간에 진입하는 경우, 영토크 구간의 하한선을 통과하는 시점부터 제어시간을 초기화(t=0)하면서 상기 유효 토크를 포물선형 토크로 제한하는 제어(TqRestric =1)를 시작(S102)하게 되고, TqRestric는 포물선 형태의 토크 제한 제어를 위한 제어 비트(parabolic restriction 적용 제어 bit)를 나타낸다.
바람직하게는, 상기 유효 토크가 영토크 구간에 진입시 지수(exponential) 함수를 사용하여 (1-exp(-αt)형태의 곡선이 되도록 하면서 드래그 토크로 수렴되도록 한다.
한편, 상기 유효 토크가 기어 백래시 매카니즘의 영토크 구간의 실제 물리적 간극에 의한 데드존을 벗어나 영토크 구간을 벗어나는 경우에는 최종 모터토크 지령값(Tout)은 제어시간에 따라 포물선(parabolic)형으로 증가하는 토크 제한치(0~1)가 된다(S103).
즉, 상기 유효 토크가 영토크 구간에 진입시, 상기 최종 모터토크 지령값(Tout)은 본 발명의 진동 저감 제어에 따라 출력되는 변형된 모터 토크 지령값으로서, Tout= (Tin-Tdrag)×t2/tmax 2 + Tdrag 에 의하여 포물선형 토크 제한 제어를 받게 되고, tmax는 포물선 형태의 토크 제어(parabolic restriction)적용 시간 즉, 응답지연을 나타낸다.
이러한 포물선형 토크로 제한하는 제어(TqRestric =1)가 진행되는 중임을 확인하는 단계(S104) 및 상기 유효토크 지령값이 영토크(Null torque) 구간 이내인지를 확인하는 단계(S105)가 더 진행된다.
이에, 상기 유효토크 지령값이 영토크 구간 이내이면, 즉 [Tin(모터 토크 지령)-Tdrag(드래그 토크)]가 Tdead[영토크 구간의 1/2]보다 작거나 같으면, 상기 포물선형 토크 제한 제어를 중지하여(S106), 최종 모터토크지령(Tout)을 드래그 토 크(Tdrag)로 지령한다(S107).
반면에, 상기 유효토크 지령값이 영토크 구간을 벗어난 경우, 즉 [Tin(모터 토크 지령)-Tdrag(드래그 토크)]가 Tdead[영토크 구간의 1/2]보다 크면, 상기 포물선형 토크 제한 제어 시간을 확인(S106)한 후, 제어 시간이 경과한 경우에는 포물선형 토크 제한 제어를 중지하여(S109) 최종 모터토크지령(Tout)을 모터 토크(Tin)로 지령한다(S110).
이와 같이, 스프링계의 압축이 진행되는 기어 백래시 메카니즘의 영토크(Null torque)구간에 진입 및 진출시, 모터 토크 지령의 형태를 포물선 함수(parabolic 또는 exponential function) 형태로 제한하는 제어를 실시하여 모터 토크 지령을 포물선 형태로 제한함에 따른 토크의 증가 및 회복되기 때문에 응답성 저하를 줄일 수 있고, 또한 영토크 구간내에서는 유효토크를 0(zero)으로 출력하여 불필요한 진동 발생을 억제시킬 수 있다.
도 1은 기어 백래시 및 그에 따른 진동 발생 현상을 설명하기 위하여 스프링계로 모델링시킨 기어 모식도,
도 2는 기어 간극에 의한 데드존을 경유하여 전달되는 모터 토크와, 정상적으로 전달되는 선형 전달토크를 비교한 토크선도,
도 3은 하이브리드 차량용 모터와 구동륜 사이의 기어 요소에 의해 발생하는 백래시 매카니즘(Backlash mechanism)을 통한 토크 전달 상태를 설명하는 토크선도,
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 구동계에서의 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법을 설명하는 개념도,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 구동계에서의 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법을 나타내는 제어순서도.

Claims (6)

  1. 모터 토크 지령에서 드래그 토크를 차감한 값인 유효 토크 지령이 기어 백래시 매카니즘의 영토크 구간으로의 진입 시점 및 영토크 구간으로부터 벗어나는 진출 시점을 통과하였는지 판단하는 제1단계와;
    상기 영토크 구간의 진입 및 진출 시점을 통과하는 것으로 판정된 경우, 제어시간을 초기화하면서 상기 유효토크를 포물선 또는 지수함수 형태의 토크로 제한하는 제어를 시작하는 제2단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 구동계에서의 기어 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1단계에서,
    Tin[모터 토크 지령(운전자 요구토크)]이 Tdead[영토크 구간의 1/2]와 Tdrag[드래그 토크]의 합보다 크고, Tin_old[이전 sample time의 Tin값]이 상기 Tdead[영토크 구간의 1/2]와 Tdrag[드래그 토크]의 합보다 작거나 같은지를 판단하고, 또는 Tin[모터 토크 지령(운전자 요구토크)]이 -Tdead[영토크 구간의 나머지 1/2]와 Tdrag[드래그 토크]의 합보다 작고, Tin_old[이전 sample time의 Tin값]이 상기 -Tdead[영토크 구간의 나머지 1/2]와 Tdrag[드래그 토크]의 합보다 크거나 같은 지를 계산함으로써, 상기 유효토크 지령이 상기 기어 백래시 매카니즘의 영토크 구간의 진입 및 진출시점을 통과하는지를 판단할 수 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 구동계에서의 기어 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제2단계에서,
    상기 유효 토크가 영토크 구간으로부터 진출시, 최종 모터토크 지령값(Tou)은 Tout= (Tin-Tdrag)×t2/tmax 2 + Tdrag 에 의하여 포물선(Parabolic)형으로 증가하는 토크 제한 제어를 받게 되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 구동계에서의 기어 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제2단계에서,
    상기 유효 토크가 영토크 구간에 진입시 지수(exponential) 함수를 사용하여 (1-exp(-αt)형태의 곡선이 되도록 하면서 드래그 토크로 수렴되도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 구동계에서의 기어 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 포물선형 토크 제한 제어가 진행되는 중임을 확인하여 유효토크 지령값이 영토크(Null torque) 구간 이내이면 포물선형 토크 제한 제어를 중지하여 최종 모터토크지령을 드래그 토크(Tdrag)로 지령하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 구동계에서의 기어 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 유효토크 지령값이 영토크 구간을 벗어나서 제어 시간이 경과한 경우에는 포물선형 토크 제한 제어를 중지하여 최종 모터토크지령(Tout)을 모터 토크(Tin)로 지령하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 구동계에서의 기어 백래시 진동을 저감시키기 위한 방법.
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