KR20120105932A

KR20120105932A - 차량의 듀얼 클러치 변속제어방법

Info

Publication number: KR20120105932A
Application number: KR1020110023664A
Authority: KR
Inventors: 최세범; 김진성
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2012-09-26
Also published as: KR101859431B1

Abstract

본 발명의 차량의 듀얼 클러치 변속제어방법은 (a) 듀얼 클러치의 입력에 제약조건을 설정하는 단계; (b) 차량의 변속제어시 상기 제약조건에 따라 제1 클러치는 체결되는 방향으로만 구동되고, 제2 클러치는 분리되는 방향으로만 구동되는 단계; 및 (c) 상기 제1 클러치와 제2 클러치 중 어느 하나의 클러치에서 상기 제약조건을 위반하는 제어입력이 발생한 경우 상기 제약조건을 위반하지 않은 클러치에 상기 제약조건을 위반하는 제어입력과 반대되는 입력을 제공하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 구동기의 구동방향을 한 방향으로만 유지하는 제약조건을 활용하여 약 0.8~1.5초 사이에 변속이 시작되어 완료될 때까지 유압밸브 혹은 전기모터의 구동방향을 반대로 바꾸지 않음으로써 구동기의 방향전환에 따라 발생하는 시간지연이나 비선형성 등의 불리한 현상들을 피할 수 있게 된다.

Description

차량의 듀얼 클러치 변속제어방법{DUAL CLUTCH SHIFT GEARSHIFT CONTROL METHOD FOR VECHELE}

본 발명은 차량의 듀얼 클러치 변속제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두 개의 클러치를 각각 한쪽 방향으로 제어하도록 클러치 입력에 제약조건을 주어 체결 클러치는 체결 방향으로만, 분리 클러치는 분리되는 방향으로만 구동기의 위치가 변화하는 클러치토크 변화율의 단방향 제한을 이용한 듀얼 클러치 변속제어방법에 관한 것이다.

자동차 변속기는 차량의 연비효율 향상에 직접적인 영향을 미치고 있어, 관련기술 개발에 주 관심이 모아지고 있다. 듀얼 클러치 변속기(DCT)는 자동변속기의 일종으로 자동화를 통해 편의성을 확보하면서도 두 개의 동력 전달 축을 사용하여 변속단절감을 해결하였다. 일반 자동변속기와는 달리, 듀얼 클러치 변속기는 유체클러치의 일종인 토크 컨버터가 없기 때문에 효율을 더욱 높일 수 있는 장점이 있다. 반면 이로 인해 클러치 체결/분리시 충격흡수가 어려운 단점이 있으며, 내구성 문제에도 영향을 미치게 된다. 더욱이, 효율성 증대를 위해 건식클러치를 적용할 경우에는 이 문제가 더욱 중요해진다. 따라서, 주어진 시스템 내에서 안정된 성능을 확보하기 위해서는 효율적이고 강인한 제어기 개발이 매우 중요하다.

듀얼 클러치 변속기(DCT)는 2000년대초에 폭스바겐의 골프에 장착된 이래, 성공적인 상용화를 이루어가고 있다. 실차량에 적용된지 10여년이 흐름에 따라 듀얼 클러치 변속기의 문제점들이 발견되기 시작하였다. 가장 큰 문제는 변속시 발생하는 과도한 마찰 및 클러치의 순간적인 충격으로 인한 내구성 저하이다. 이러한 문제들은 듀얼 클러치 구조로 인해 발생하는 필연적인 문제들로, 하드웨어적인 해결책에 한계가 있다. 우선 두 개의 클러치를 사용하기 때문에 공간확보에 어려움이 있다. 또한 충격완화를 위해 시스템의 강성을 낮출 경우 체결력 확보등에 문제가 발생한다.

현재 대부분의 듀얼 클러치 변속기의 변속제어기술은 반복된 실험을 기반으로 이상적인 클러치 토크 값을 찾아내고 이를 추종하는 방식으로 설계되어 있다. 미국등록특허 6364809호에는 체결제어에 필요한 클러치 토크 값과 엔진 토크 값을 실험으로부터 얻어 룩업(Look-up) 테이블을 구성하여 활용하는 방식이 개시되어 있다. 그러나 이러한 방식의 제어기법은 여러 가지 상황에 대응하기 어렵다. 룩업테이블 방식은 정상상태(steady-state)의 엔진특성만을 고려하기 때문이다. 그러나 변속기는 토크전달이 주 목적이기 때문에, 과도상태에서의 엔진토크 값을 정확하게 알아야 하므로 기존의 강인성이 떨어지는 결과를 초래한다. 또한, 클러치 토크를 제어하는데 있어 가장 어려운 제약조건은 해당 값을 직접 측정하지 못하는 점이다. 따라서, 클러치 토크를 예측하는 방법을 활용하는 것은 클러치 제어의 주된 이슈 중에 하나이다. 미국등록특허 7127961호에는 체결 클러치가 체결되기 시작할 때 슬립을 어느 정도 유지시키면서 슬립영역에서 클러치 토크 정보를 예측하는 방법을 제안하고 있다. 듀얼 클러치에서 양 클러치의 체결 및 분리 시점을 결정하는 문제 또한 매우 중요하다. 각각의 클러치가 제때 풀리지 않을 경우 토크가 역전달되어 엔진이 꺼지는 등 원치 않는 현상이 발생할 수 있다. 미국등록특허 7086989호에는 아주 짧은 시간동안 두 개의 클러치가 동시에 토크를 전달토록 한 다음 슬립을 감지하여 분리 클러치가 떨어지도록 하는 방법에 대하여 개시하고 있다. 이러한 방법은 추가적인 센서가 필요하지 않아 유용하지만 양 클러치의 토크가 오버랩될 때 오류가 발생하면 주행 중 매우 위험한 상황을 만들 수 있다. 미국등록특허 7624658호에는 클러치 입력축에도 속도 센서를 장착하는 방법이 개시되어 있다. 출력축의 속도 센서와 함께 사용하였을 때 해상도를 높일 수 있는 장점이 있다. 결과적으로, 좀 더 정확한 슬립제어가 가능하지만 원가상승으로 인해, 실제품 양산 시 최선책으로 고려되기 힘든 단점이 있다. 또한, 문헌 Y. Liu et al., “A systematic model for dynamics and control of dual clutch transmissions”, ASME J of Mechanical Design, Vol.131, pp.061012-1~7, 2009.에는 듀얼 클러치가 장착된 차량 구동계 모델을 개발하고 실험을 통해 검증한 내용이 개시되어 있다. 또한, 문헌 R. Mustafa, T. Kassel, G. Alvermann, and F. K, “Modelling And Analysis Of The Electro-Hydraulic And Driveline Control Of A Dual Clutch Transmission”, in Proc. of FISITA World Automotive Congress, F2010-SC-O-18, Budapest, Hungary, 2010.에는 역시 유압 시스템의 모델을 이용하여 클러치 토크 모델을 생성하고, 섀시다이나모를 활용하여 실차실험을 수행한 내용이 개시되어 있다. 위 두 논문의 경우, 실제 듀얼클러치변속기를 장착한 차량을 통해, 매우 기본적인 피드백 제어기만을 단순하게 적용하였기 때문에, 강인성 확보차원에서는 미흡하다고 볼 수 있다.

다시 말해, 전술한 기존의 듀얼 클러치 변속기의 제어방법들은 두 개의 클러치를 사용함에도 불구하고, 하나의 클러치를 위한 제어기법이 두 개의 클러치에 각각 적용되어 단순히 합쳐진 형태로 구성되어 있다. 또한 현재 대부분의 듀얼 클러치 변속기 시스템을 위한 제어기법들은 간단한 비례-적분-미분(PID) 제어기 수준에 그치고 있다. 따라서, 구동계 모델을 기반으로 하여 듀얼 클러치의 구조적 특성을 살린 제어기법의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 두 개의 클러치를 각각 한쪽 방향으로 제어하도록 클러치 입력에 제약조건을 주어 체결 클러치는 체결 방향으로만, 분리 클러치는 분리되는 방향으로만 구동될 수 있도록 한 클러치토크 변화율의 단방향 제한을 이용한 듀얼 클러치 변속제어방법을 제공함을 목적으로 한다.

또한, 전술한 문제점들을 소프트웨어적으로 해결함으로써 기본적인 기능인 변속제어, 차량 출발시 체결제어(launch), 언덕길 모드 등의 듀얼 클러치 반복된 사용을 좀 더 효율적으로 만들 수 있도록 한 클러치토크 변화율의 단방향 제한을 이용한 듀얼 클러치 변속제어방법을 제공함을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량의 듀얼 클러치 변속제어방법의 일 측면에 따르면, (a) 듀얼 클러치의 입력에 제약조건을 설정하는 단계; (b) 차량의 변속제어시 상기 제약조건에 따라 제1 클러치는 체결되는 방향으로만 구동되고, 제2 클러치는 분리되는 방향으로만 구동되는 단계; 및 (c) 상기 제1 클러치와 제2 클러치 중 어느 하나의 클러치에서 상기 제약조건을 위반하는 제어입력이 발생한 경우 상기 제약조건을 위반하지 않은 클러치에 상기 제약조건을 위반하는 제어입력과 반대되는 입력을 제공하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면, 구동기의 구동방향을 한 방향으로만 유지하는 제약조건을 활용하여 약 0.8~1.5초 사이에 변속이 시작되어 완료될 때까지 유압밸브 혹은 전기모터의 구동방향을 반대로 바꾸지 않음으로써 구동기의 방향전환에 따라 발생하는 시간지연이나 비선형성 등의 불리한 현상들을 피할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서 제안된 제어기의 개념은 변속제어기 상에서 피드포워드 입력에 적용할 수 있으며, 체결 클러치의 슬립구간 전까지 매우 빠르고 정확한 제어를 가능하게 한다.

또한, 반대방향의 구동을 원하는 경우에도 반대편 클러치의 구동기를 이용하여 제어가 가능하다.

또한, 본 발명에서 제안된 제어전략은 양 클러치 운용에 대한 제약조건을 역이용하는 것으로, 클러치 서보 제어시에는 비례-적분-미분(PID) 이외의 다른 강인제어기법들을 모두 적용할 수 있다.

또한, 제어입력 계산량 등에 무리가 없고 복잡도가 낮아 실용성이 매우 높다.

또한, 기존의 듀얼 클러치 변속기(DCT) 하드웨어를 그대로 사용하면서 제어기 부분만 교체함으로써 그 활용가치가 매우 높다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 듀얼 클러치 변속기(DCT)의 구성을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 듀얼 클러치 변속기(DCT)의 제어방법을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에서 제안된 방법에 의해 생성된 클러치 체결력 프로파일을 나타내는 도면.
도 4는 도 3에서 1.1초에서의 확대 도면.
도 5는 상향 변속시 엔진 및 듀얼 클러치 축의 속도를 나타내는 도면.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 듀얼 클러치 변속기(DCT)의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 듀얼 클러치 변속기의 제어 구성도는 차량 전체를 나타낸다. 듀얼 클러치 변속기(DCT)(10)는 엔진제어유닛(ECU: Engine Control Unit)(30) 및 트랜스미션 제어유닛(TCU: Transmission Control Unit)(50)으로부터 명령 및 계측정보를 받아 클러치를 제어한다. 이 때 제1 클러치(11)와 제2 클러치(13)는 서로 정보를 교환하며 제안된 제어알고리즘을 수행하게 된다.

제1 클러치 컨트롤러(15)는 제1 클러치(11)를 제어하고, 제2 클러치 컨트롤러(17)는 제2 클러치(13)를 제어한다. 엔진 컨트롤러(70)는 엔진(90)을 제어한다. 시프트 스케쥴러(110)는 엔진 컨트롤러(70)와 정보를 교환한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 듀얼 클러치 변속기(DCT)의 제어방법을 나타내는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 듀얼 클러치의 입력에 제약조건을 설정(S10)한다. 이때 듀얼 클러치의 입력에 설정되는 제약조건은 체결 클러치 토크의 변화율은 0보다 크거나 같으며, 분리 클러치 토크의 변화율은 0보다 작거나 같은 조건이다.

차량의 변속제어가 시작되는지를 판단(S30)한다. 만약 차량의 변속제어시에는 단계S10에서 설정된 제약조건에 따라 체결 클러치는 체결되는 방향으로만 구동되고, 분리 클러치는 분리되는 방향으로만 구동(S50)된다.

체결 클러치와 분리 클러치 중 어느 하나의 클러치에서 단계S10에서 설정된 제약조건을 위반하는 제어입력이 발생하는지를 판단(S70)한다. 판단 결과 단계S10에서 설정된 제약조건을 위반하는 제어입력이 발생한 경우 제약조건을 위반하지 않은 클러치에 제약조건을 위반하는 제어입력과 반대되는 입력을 제공(S90)한다.

즉, 듀얼 클러치 변속기(DCT)는 두 개의 동력전달 축을 사용하는 자동변속기이다. 따라서 두 개의 구동기(유압 또는 모터 등)와 두 개의 클러치가 필요하다. 하나의 클러치가 체결 될 때(체결 클러치) 나머지 하나의 클러치는 분리(분리 클러치)가 된다 . 따라서, 두 클러치를 동시에 제어하는 것이 가장 큰 과제이다. 본 발명에서는 전술한 바와 같이 두 개의 클러치를 각각 한쪽 방향으로 제어하도록 클러치 입력에 제약조건을 준다. 따라서 체결 클러치는 체결 방향으로만, 분리 클러치는 분리되는 방향으로만 구동기의 위치가 변화한다. 차량상태에 따라 반대방향의 제어입력이 가해지는 경우, 두 클러치의 연관효과(coupling effect)를 이용하여 제약조건의 위반 없이 같은 결과를 얻어낼 수 있다. 이는 기어장치로 인하여 두 개의 클러치가 기구적으로 연결되어 있기 때문에 가능하다.

일반적으로 모터 및 유압시스템과 같은 구동시스템에는 항상 백래시 혹은 마찰과 같은 비선형성이 존재한다. 이는 제어정확도 저하를 유발하거나, 변속시간지연 등의 문제를 발생시킨다. 따라서, 정확한 시간 안에 원하는 결과를 얻기 위해서는 가능한 한 비선형성이 발생하지 않도록 해주는 것이 좋다.

결과적으로 본 발명에서는 구동기의 백래시(backlash) 현상을 피할 수 있기 때문에 시간지연 및 비선형성 등의 구동기 방향전환에 따라 발생하는 불리한 현상들을 원천적으로 피할 수 있게 된다. 이러한 제어기의 개념은 변속제어기 상에서 피드포워드 입력에 적용할 수 있으며, 체결 클러치의 슬립구간 전까지 매우 빠르고 정확한 제어를 가능케 한다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 듀얼 클러치 변속기(DCT)의 제어방법에 있어서, 각각의 클러치는 한쪽 방향으로만 구동된다. 다시 말해, 체결 클러치는 체결되는 방향으로, 분리 클러치는 분리되는 방향으로 구동된다. 양 클러치에 적용되는 제약조건은 체결 클러치 토크의 변화율은 0보다 크거나 같고, 분리 클러치 토크의 변화율은 0보다 작거나 같다. 따라서 변속동작이 완료되기 전까지는 각각의 클러치가 초기위치의 방향으로 다시 돌아가지 않는다.

변속구간에서, 차량의 상태와 클러치 토크 변화에 따라 순간적으로 클러치의 움직임을 반대방향으로 제어해야 할 때가 있다. 이 경우 듀얼 클러치의 특성을 이용하여 제약조건을 위반하지 않고 같은 효과를 얻을 수 있다. 이러한 경우에 각각의 클러치 구동을 정리하면 다음과 같다.

체결 클러치의 경우, 체결 클러치는 체결 방향으로만 구동되므로 슬립구간 전까지 클러치 토크는 증가하게 된다. 만약 체결 클러치 토크가 감소하는 방향으로 작용될 경우, 체결 클러치 토크의 변화율은 0보다 크거나 같은 제약조건에 따라 제어입력은 같은 값으로 고정(hold)된다. 동시에 분리 클러치 또한 고정(hold)된다. 두 클러치 축은 연결되어 있기 때문에 제어입력이 상대방 클러치 토크 변화에 영향을 미치게 된다. 이는 체결 클러치 토크가 감소하는 것과 같은 효과를 보여준다.

분리 클러치의 경우, 분리 클러치는 분리되는 방향으로만 구동된다. 슬립구간 전까지 클러치 토크는 감소하게 된다. 만약 분리 클러치 토크가 증가하는 방향으로 작용될 경우, 분리 클러치 토크의 변화율은 0보다 작거나 같은 제약조건에 따라 제어 입력은 같은 값을 유지하도록 고정된다. 이 때 체결 클러치 역시 고정시킨다. 체결 클러치의 경우와 같은 원리에 의해 분리 클러치의 토크가 증가한다.

결과적으로 양 클러치 토크가 엉키거나, 역 토크 전달현상 없이 빠른 시간안에 클러치 체결이 이루어지게 된다. 이는 기어박스와 같은 기계적인 결속장치에 의해 두 클러치가 연결되어 있기 때문에 가능하다. 따라서, 주어진 제약조건에 따라 각각의 클러치에 전달되는 토크의 값은 달라지지만, 양 클러치 토크의 합은 안정적 제어를 위해 정해진 양을 유지하게 되는 원리이다.

도 3은 본 발명에서 제안된 방법에 의해 생성된 클러치 체결력 프로파일을 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3에서 1.1초에서의 확대 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 제안된 듀얼 클러치 변속기(DCT)의 제어기법을 시뮬레이션 한 결과이다. 이러한 결과는 1-2단 상향변속(upshift)의 경우로, 체결 클러치(red)(A)의 체결력은 체결 방향으로만 정의된다. 따라서 체결력 변화의 기울기가 음의 기울기를 갖지 않는다. 반대로 분리 클러치(blue)(B)의 체결력 변화는 양의 기울기를 갖지 않음을 알 수 있다. 도 4에서와 같이, 약 1.1초에서 분리 클러치 토크 기울기가 잠시 줄어듬을 알 수 있는데, 이는 체결 클러치의 역방향 제어와 같은 효과를 갖는다.

도 5는 상향 변속시 엔진 및 듀얼 클러치 축의 속도를 나타내는 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 도 5는 도 3의 클러치 체결력에 따른 엔진과 클러치 축의 속도변화를 나타낸 것이다. 약 0.6초에 클러치가 체결되지만 체결된 축에 진동이 거의 발생하지 않는다. 큰 충격 없이 짧은 시간안에 변속이 수행됨을 확인할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10 : 듀얼 클러치 변속기 11, 13 : 클러치
15,17 : 클러치 컨트롤러 30 : 엔진제어유닛
50 : 트랜스미션 제어유닛 70 : 엔진 컨트롤러
90 : 엔진 110 : 시프트 스케쥴러

Claims

차량의 듀얼 클러치 변속제어방법으로서,
(a) 듀얼 클러치의 입력에 제약조건을 설정하는 단계;
(b) 차량의 변속제어시 상기 제약조건에 따라 제1 클러치는 체결되는 방향으로만 구동되고, 제2 클러치는 분리되는 방향으로만 구동되는 단계; 및
(c) 상기 제1 클러치와 제2 클러치 중 어느 하나의 클러치에서 상기 제약조건을 위반하는 제어입력이 발생한 경우 상기 제약조건을 위반하지 않은 클러치에 상기 제약조건을 위반하는 제어입력과 반대되는 입력을 제공하는 단계를 포함하는 차량의 듀얼 클러치 변속제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 단계(a)에서, 상기 듀얼 클러치의 입력에 설정되는 제약조건은 상기 제1 클러치 토크의 변화율은 0보다 크거나 같으며, 상기 제2 클러치 토크의 변화율은 0보다 작거나 같은
것을 특징으로 하는 차량의 듀얼 클러치 변속제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 단계(b)에서, 상기 제1 클러치는 체결 클러치이고, 상기 제2 클러치는 분리 클러치인
것을 특징으로 하는 차량의 듀얼 클러치 변속제어방법.
청구항 3에 있어서,
상기 체결 클러치는 체결되는 방향으로만 구동기의 위치가 변화하고, 상기 분리 클러치는 분리되는 방향으로만 구동기의 위치가 변화하는
것을 특징으로 하는 차량의 듀얼 클러치 변속제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 단계(b)는 슬립 직전까지 단독으로 수행되고, 슬립 구간에서는 피드백 입력이 함께 사용되어 클러치 체결이 완료되는 단계를 더 포함하는
것을 특징으로 하는 차량의 듀얼 클러치 변속제어방법.