KR20120082722A

KR20120082722A - 클러치 위치 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20120082722A
Application number: KR1020110004172A
Authority: KR
Inventors: 이상원
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2012-07-24

Abstract

하이브리드 차량에 탑재되는 변속기인 HEV AMT(Hybrid Electric Vehicle Automated Manual Transmission)에 대한 클러치 위치 제어 장치 및 방법이 개시된다. 이 클러치 제어 장치 및 방법은 전동기로 기동하는 클러치 액추에이터의 반발력을 고려하여 전동기에 대한 지령 전류를 보상하는 방식을 통해 클러치의 위치 제어를 수행한다. 이를 통해 클러치 위치의 정밀 제어를 구현할 수 있으며, 발진 및 변속 감의 개선을 이루어낼 수 있다.

Description

클러치 위치 제어 장치 및 방법{Apparatus for controlling clutch position and method thereof}

본 발명은 차량 변속기에 관한 것으로, 특히 하이브리드 차량에 탑재되는 변속기인 HEV AMT(Hybrid Electric Vehicle Automated Manual Transmission)에 관련된 것이다.

도 1은 자동화 수동 변속기 구성도이며, 도 2는 시스템 작동 원리를 나타낸 블록도이다.

HEV AMT는 기존의 수동 변속기와 레버 간의 전기적 연결 및 클러치의 수동 작동을 통한 기어 변속을 도 1과 같이 TCU(Transmission Control Unit)와 액추에이터로 구현한 차세대 변속 제어 시스템이다. 시스템의 작동원리는 도 2와 같다. TCU는 차속, APS(Accelerate Position Sensor), 레버 위치(Lever Position) 같은 차량 신호 및 HCU(Hybrid Control Unit)의 하이브리드 신호를 가지고 최적의 변속단 및 시점을 결정하며, 이를 통해 CCU(Clutch Control Unit) 및 GSU(Gear Control Unit)를 구동한다.

도 3은 클러치 위치 제어 관련 실험 결과를 나타낸 그래프이다.

도 3을 통해 확인되는 바와 같이, 클러치 위치 명령을 인가하였을 경우 실제 클러치 위치에 상당량의 오버슛 및 진동이 있음을 알 수 있다. 이는 클러치의 반발력 특성을 고려하지 않은 제어기에 그 문제가 있다.

도 4는 클러치의 구조도이며, 도 5는 클러치의 특성 곡선 그래프이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 클러치를 밀게 되면(파란색 화살표) 클러치의 해당 위치에 해당되는 반발력(적색 화살표)을 인가하게 된다. 클러치는 판스프링 구조로 되어 있어 반발력은 비선형적인 형태를 보이며, 도 5와 같은 특성 곡선을 보이게 된다. 만약 외력이 없는 상태에서의 위치 제어라면 제어 오차율이 매우 적은 비교적 강건한 제어기임에도 클러치의 반발력을 고려하지 않았기에 위치 명령 값을 제대로 추종하지 못하는 현상이 발생하는 것이다. 이를 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

첫 번째, 클러치를 특정 위치로 이동하는 명령이 인가된다. 두 번째, 제어를 위한 전류 값이 계산되어 이를 모터 제어에 사용한다. 세 번째, 반발력을 고려하지 않았으므로 제어가 시작되면 액추에이터가 반발력에 의해 밀려나며, 이에 따라 오버슛이 발생한다. 네 번째, 밀려난 액추에이터를 명령 위치로 제어한다. 다섯 번째, 제어가 끝나면 인가되는 전류 값이 0이 되고 반발력에 의해 다시 밀려난다. 여섯 번째, 네 번째와 다섯 번째가 반복되며, 이에 따라 진동이 발생한다.

현재 적용되고 있는 클러치 연결 로직은 클러치 완전 해제 지점 → 터치 포인트(Touch Point) 지점 → 슬립 구간 1 → 슬립 구간 2 → 클러치 완전 연결 지점으로 구성되어 있다. 여기서 터치 포인트라 함은 엔진의 동력이 변속기 입력 축에 인가되는 위치를 말하며, 슬립(Slip)이라 함은 클러치가 완전히 붙지 않은 상황에서는 엔진의 동력이 완전히 전달되지 않고 클러치 위치에 따라 특정 %만큼 전달됨을 말한다. 반발력이 고려되지 않은 제어기를 사용하게 되면 클러치 연결시 문제가 될 수 있다. 예를 들어 만약 터치 포인트까지 위치제어를 한 경우, 위치 명령을 제대로 추종하지 못한다면 토크 인터럽트가 발생하게 되는 것은 물론, 슬립 구간에서의 위치 제어가 제대로 되지 않으면 운전자가 밟는 액셀레이터의 양만큼 차의 속도가 올라가지 않으므로 전체적인 발진 감이 떨어지게 된다.

기존의 수동 변속기라면 운전자가 반발력 특성을 고려하여 클러치를 연결하므로 크게 문제가 되지 않았으나, 클러치 기동을 모터로 구동하는 경우에는 이와 같은 문제가 발생할 수 있다. 이를 요약하면 다음과 같다. 우선, 기존의 수동 변속기에서는 운전자가 직접 클러치를 연결하므로 문제가 되지 않았다. 그러나 모터로 기동하는 클러치 액추에이터의 경우 외력을 고려하지 않은 제어기를 사용하면 위치 제어가 제대로 수행되지 못한다. 이러한 위치 제어 오류로 인해 발진 및 변속 감이 크게 떨어질 수 있다. 이에 따라 반발력을 고려한 제어기의 설계가 요구된다.

본 발명은 HEV AMT 차량의 클러치 위치를 정밀 제어할 수 있는 클러치 위치 제어 장치 및 방법을 제공함을 목적으로 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 클러치 위치 제어 장치는 클러치 액추에이터 구동을 위한 전동기, 지령 속도와 전동기 속도의 차를 제로로 만들기 위한 지령 전류를 연산하여 출력하는 속도 제어기, 클러치 위치 제어시 발생하는 클러치 액추에이터의 반발력을 추정하여 지령 전류를 보상하는 지령 전류 보상 제어기, 및 보상된 지령 전류와 전동기에 흐르는 전류의 차를 제로로 만들기 위한 지령 전압을 연산하여 전동기로 출력하는 전류 제어기를 포함한다. 여기서 클러치 위치 제어 장치는 하이브리드 차량에 탑재되는 자동화 수동 변속기(Automated Manual Transmission)를 위한 것이다.

나아가 지령 전류 보상 제어기는 전동기의 온도를 추정하고 추정된 온도를 고려하여 보상된 지령 전류를 보상하며, 더 나아가 지령 전류 보상 제어기는 클러치 플레이트의 마손 정도를 추정하여 보상된 지령 전류를 보상한다.

한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 클러치 위치 제어 방법은 클러치 액추에이터를 구동하는 전동기에 대한 지령 속도와 전동기 속도의 차를 제로로 만들기 위한 지령 전류를 연산하는 단계, 및 클러치 위치 제어시 발생하는 클러치 액추에이터의 반발력을 추정하여 지령 전류를 보상하는 단계를 포함한다.

나아가 클러치 위치 제어 방법은 차량 발진시 변속기 입력 축 속도의 변화를 감지하는 단계, 감지된 속도 변화를 통해 엔진의 동력이 변속기 입력 축에 인가되는 위치인 터치 포인트를 추정하는 단계, 추정된 터치 포인트와 기준 터치 포인트의 차를 계산하는 단계, 계산된 차에 근거하여 전류 증가량을 계산하는 단계, 계산된 전류 증가량을 상기 보상된 지령 전류에 반영하는 단계를 포함한다.

더 나아가 클러치 위치 제어 방법은 전동기의 온도를 추정하는 단계, 추정 온도와 기설정된 기준 온도를 비교하는 단계, 추정 온도가 기준 온도보다 높으면 추정 온도에 근거하여 전류 증가량을 계산하고, 추정 온도가 기준 온도보다 낮으면 추정 온도에 근거하여 전류 감소량을 계산하는 단계, 및 계산된 전류 증가량 혹은 전류 감소량을 보상된 지령 전류에 반영하는 단계를 더 포함한다.

본 발명에 따르면, 클러치 위치의 정밀 제어를 구현할 수 있으며 이에 따라 발진 및 변속 감의 개선을 이루어낼 수 있다. 이는 연비 향상의 효과도 창출한다. 또한 추정 알고리즘을 통하여 외력 판단 센서 및 변속기 온도 센서의 사용을 필요치 않으므로, 부품 수 감소가 가능해지며 부품 수 감소를 통한 원가절감을 이루어낼 수 있다.

도 1은 자동화 수동 변속기 구성도.
도 2는 시스템 작동 원리를 나타낸 블록도.
도 3은 클러치 위치 제어 관련 실험 결과를 나타낸 그래프.
도 4는 클러치의 구조도.
도 5는 클러치의 특성 곡선 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 클러치 위치 제어 장치 블록도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 클러치 위치 제어 방법 흐름도.
도 8은 도 7의 S200을 구체화한 흐름도.
도 9는 도 8의 S210을 구체화한 흐름도.
도 10은 도 8의 S220을 구체화한 흐름도.
도 11은 도 8의 S230을 구체화한 흐름도.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 클러치 위치 제어 장치 블록도이다.

전동기(100)는 클러치용 액추에이터(200) 구동을 위한 전동기로써, 3상 교류 전동기일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 전동기(100)는 고정자가 영구자석으로 구비되는 회전자에 비접촉 방식으로 전자기를 가변함으로써 회전자를 회전시키는 구성을 갖는다. 인코더(300)는 전동기(100)를 구성하는 회전자의 회전 위치를 검출한다. 그리고 전류 센서(400)는 전동기(100)에 흐르는 전류를 감지하기 위한 구성이다. 위치 제어기(500)는 클러치 위치 제어 명령 및 인코더(300)의 출력 신호를 입력받아 클러치 위치 제어 명령에 따라 클러치 위치를 제어하기 위한 지령 속도(ω ref)를 연산한다. 속도 제어기(600)는 전동기(100)의 회전자 속도를 제어하기 위한 비례 적분(porportional integral, PI) 제어기로써, 지령 속도(ω ref)와 전동기(100)를 구성하는 회전자의 실제 회전 속도(ω)의 차를 0으로 만들기 위한 지령 전류를 계산하여 출력한다.

지령 전류 보상 제어기(700)는 클러치의 정밀한 위치 제어를 위해 속도 제어기(600)로부터 출력된 지령 전류를 보상한다. 본 발명의 일 양상에 따른 지령 전류 보상 제어기(700)는 클러치 위치 제어시 발생하는 클러치 액추에이터의 반발력을 고려하여 지령 전류를 보상한다. 나아가 본 발명의 추가적인 양상에 따른 지령 전류 보상 제어기(700)는 클러치 플레이트의 마손(wear)을 고려하여 지령 전류를 추가 보상한다. 더 나아가 본 발명의 추가적인 양상에 따른 지령 전류 보상 제어기(700)는 전동기의 온도를 추정하고 추정된 온도를 고려하여 지령 전류를 추가 보상한다. 이 같은 지령 전류 보상 제어기(700)에 대한 구체적인 설명은 후술한다.

전류 제어기(800)는 전동기(100)에 흐르는 전류를 제어하기 위한 PI 제어기로써, 지령 전류 보상 제어기(700)의 출력인 보상된 지령 전류(I ref^*)와 전류 센서(400)에 의해 센싱된 전동기(100)에 흐르는 실제 전류의 차를 0으로 만들기 위해 전동기(100)에 인가해야 하는 지령 전압(V ref)을 계산하여 출력한다. 출력된 지령 전압(V ref)에 따른 전압이 전동기(100)에 인가되며, 이에 따라 클러치 위치의 정밀 제어가 가능해진다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 클러치 액추에이터 제어 방법 흐름도이다.

우선, 속도 제어기(600)는 지령 속도(ω ref)와 전동기(100)를 구성하는 회전자의 실제 회전 속도(ω)의 차를 0으로 만들기 위한 지령 전류(I ref)를 계산한다(S100). 속도 제어기(600)에 의해 지령 전류가 계산되면, 지령 전류 보상 제어기(700)는 클러치 위치의 정밀 제어를 위해 지령 전류를 보상한다(S200). 지령 전류 보상이 완료되면, 전류 제어기(800)는 보상된 지령 전류(I ref^*)와 전류 센서(400)에 의해 센싱된 전동기(100)에 흐르는 실제 전류의 차를 0으로 만들기 위해 전동기(100)에 인가해야 하는 지령 전압(V ref)을 계산한다(S300).

도 8은 도 7에 도시된 S200의 구체적인 흐름도이다.

지령 전류 보상을 위한 실시예에 대해, 도 8을 참조하여 구체적으로 설명한다. 우선, 지령 전류 보상 제어기(700)는 도 5와 같은 클러치 특성 곡선에서 기인된 클러치 액추에이터 반발력(이하 ‘외력’이라 한다)을 추정하고, 그 외력 추정 결과로부터 지령 전류를 보상한다(S210). 그 다음, 지령 전류 보상 제어기(700)는 전동기(100)의 온도를 추정하고, 그 온도 추정 결과로부터 지령 전류를 보상한다(S220). 마지막으로, 지령 전류 보상 제어기(700)는 클러치 플레이트의 마손을 추정하고, 그 클러치 플레이트 마손 추정 결과로부터 지령 전류를 보상한다(S230). 도 8에 도시된 각 과정의 선후는 달라질 수 있다. 그리고 각각의 보상 방식은 도 9 내지 도 11을 참조하여 상세히 설명한다.

도 9는 도 8에 도시된 S210의 구체적인 흐름도이다.

지령 전류 보상 제어기(700)는 도 5와 같은 클러치 특성 곡선에 따른 외력(External Force)에 대한 정보를 산출한다(S211). 그리고 외력과 같은 힘을 내기 위한 보상 전류를 계산하고(S212), 이 보상 전류에 기초하여 각 차량별 특성에 맞게 클러치 위치 학습을 시행하여 클러치를 특정 위치로 유지하기 위한 최소한의 보상 전류를 계산한다(S213). 지령 전류 보상 제어기(700)는 속도 제어기(600)에서 계산된 지령 전류와 외력 추정을 통해 얻은 보상 전류를 비교한다(S214). 속도 제어기(600)에서 계산된 지령 전류가 외력 추정을 통해 얻은 보상 전류보다 작다면, 외력으로 인한 클러치 밀림 현상이 발생하므로, 지령 전류 보상 제어기(700)는 지령 전류를 보상 전류로 수정한다(S215).

도 10은 도 8에 도시된 S220의 구체적인 흐름도이다.

동일한 전압이 전동기(100)에 인가되더라도, 온도에 따라 인가되는 전류는 달라지게 된다. 따라서 지령 전류 보상 제어기(700)는 온도에 따른 지령 전류 보상을 수행한다. 이에 대해 구체적으로 설명하면, 우선 지령 전류 보상 제어기(700)는 전동기(100)의 온도를 추정한다(S221). 일 실시예에 있어서, 지령 전류 보상 제어기(700)는 엔진 및 전자적 안정화 제어기(Electronic Stability Controller, ESC)로부터 온도 정보를 받아서 전동기(100)의 온도를 추정한다. 이 같이 하는 이유는 변속기에 온도 센서가 탑재되어 있지 않기 때문이다. 지령 전류 보상 제어기(700)는 추정 온도와 기설정된 기준 온도를 비교한다(S222). 추정 온도가 기준 온도보다 높은 경우, 지령 전류 보상 제어기(700)는 추정 온도에 근거하여 전류 증가량을 계산한다(S223). 반대로 추정 온도가 기준 온도보다 낮은 경우, 지령 전류 보상 제어기(700)는 추정 온도에 근거하여 전류 감소량을 계산한다(S224). 전류 증가량 혹은 전류 감소량 계산 후, 지령 전류 보상 제어기(700)는 보상 전류에 전류 증가(감소)량을 반영하여 보상한다(S225).

도 11은 도 8에 도시된 S230의 구체적인 흐름도이다.

클러치 플레이트의 마찰재는 계속해서 닳게 되며, 결국 클러치 해제를 위한 위치 명령 값이 시간이 흐름에 따라 달라진다. 따라서 클러치 플레이트가 닳는 현상을 고려하지 않는다면, 외력 추정을 통해 지령 전류를 보상한다 하더라도 위치 명령 값에 일정 값 이상의 오차가 발생하게 된다. 이러한 오차 방지를 위해, 지령 전류 보상 제어기(700)는 클러치 플레이트가 닳아가는 정도를 터치 포인트 학습을 통하여 추정하여 이를 지령 전류에 반영한다. 이에 대해 구체적으로 설명하면, 우선 지령 전류 보상 제어기(700)는 차량 발진시 변속기 입력 축 속도의 변화를 감지하고, 감지된 속도 변화를 통해 터치 포인트를 추정한다(S231). 터치 포인트가 추정되면, 지령 전류 보상 제어기(700)는 추정된 터치 포인트와 차량 출고시 기억 장치에 저장된 기준 터치 포인트와 비교하여 그 차이를 계산한다(S232). 그 다음, 지령 전류 보상 제어기(700)는 계산된 터치 포인트 차이에 근거하여 전류 증가량을 계산한 후(S233), 계산된 전류 증가량을 보상 전류에 반영한다(S234).

이상의 도 9 내지 도 11을 모두 고려하여 지령 전류를 보상하여 전류 제어기에 인가함으로써, 원하는 클러치 위치 명령을 수행할 수 있다. 이를 통해 클러치 위치의 정밀 제어를 구현할 수 있으며, 발진 및 변속 감의 개선을 이루어낼 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 전동기 200 : 액추에이터
300 : 인코더 400 : 전류 센서
500 : 위치 제어기 600 : 속도 제어기
700 : 지령 전류 보상 제어기 800 : 전류 제어기

Claims

클러치 액추에이터 구동을 위한 전동기;
지령 속도와 상기 전동기 속도의 차를 제로로 만들기 위한 지령 전류를 연산하여 출력하는 속도 제어기;
클러치 위치 제어시 발생하는 상기 클러치 액추에이터의 반발력을 추정하여 상기 출력된 지령 전류를 보상하는 지령 전류 보상 제어기; 및
상기 보상된 지령 전류와 상기 전동기에 흐르는 전류의 차를 제로로 만들기 위한 지령 전압을 연산하여 상기 전동기로 출력하는 전류 제어기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 클러치 위치 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 클러치 위치 제어 장치는 하이브리드 차량에 탑재되는 자동화 수동 변속기(Automated Manual Transmission)를 위한 것임을 특징으로 하는 클러치 위치 제어 장치.
제2항에 있어서,
상기 지령 전류 보상 제어기는 상기 전동기의 온도를 추정하고 추정된 온도를 고려하여 상기 보상된 지령 전류를 보상함을 특징으로 하는 클러치 위치 제어 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 지령 전류 보상 제어기는 상기 클러치 플레이트의 마손 정도를 추정하여 상기 보상된 지령 전류를 보상함을 특징으로 하는 클러치 위치 제어 장치.
클러치 액추에이터를 구동하는 전동기에 대한 지령 속도와 상기 전동기 속도의 차를 제로로 만들기 위한 지령 전류를 연산하는 단계; 및
클러치 위치 제어시 발생하는 클러치 액추에이터의 반발력을 추정하여 상기 연산된 지령 전류를 보상하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 클러치 위치 제어 방법.
제5항에 있어서,
차량 발진시 변속기 입력 축 속도의 변화를 감지하는 단계;
상기 감지된 속도 변화를 통해 엔진의 동력이 상기 변속기 입력 축에 인가되는 위치인 터치 포인트를 추정하는 단계;
상기 추정된 터치 포인트와 기준 터치 포인트의 차를 계산하는 단계;
상기 계산된 차에 근거하여 전류 증가량을 계산하는 단계; 및
상기 계산된 전류 증가량을 상기 보상된 지령 전류에 반영하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 클러치 위치 제어 방법.
제5항 또는 제6에 있어서,
전동기의 온도를 추정하는 단계;
상기 추정 온도와 기설정된 기준 온도를 비교하는 단계;
상기 추정 온도가 상기 기준 온도보다 높으면 상기 추정 온도에 근거하여 전류 증가량을 계산하고, 상기 추정 온도가 상기 기준 온도보다 낮으면 상기 추정 온도에 근거하여 전류 감소량을 계산하는 단계; 및
상기 계산된 전류 증가량 혹은 전류 감소량을 상기 보상된 지령 전류에 반영하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 클러치 위치 제어 방법.
제7항에 있어서,
상기 전동기의 온도를 추정하는 단계는 엔진 및 전자적 안정화 제어기(Electronic Stability Controller) 중 적어도 하나로부터 온도 정보를 획득하여 상기 전동기의 온도를 추정함을 특징으로 하는 클러치 위치 제어 방법.