KR20130011840A - Steering control device of motor driven powersteering system - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A steering control device of an electric power steering system is provided to improve response property and conformability by adjusting a notch width, resonance avoidance and a bandwidth in torque loop logic. CONSTITUTION: A steering control device of an electric power steering system comprises a controller(10) and a feedback unit(20). The controller controls a sensor value inputted from a torque sensor. The controller compensates an assist torque value, and outputs the value. The controller controls a filter and a phase compensator. The filter is a low band filter. The phase compensator comprises a front compensator and a rear compensator. The feedback unit feeds back the assist torque value outputted from the controller. [Reference numerals] (20) Feedback unit; (AA) Torque sensing value; (BB) Assist torque value output

Description

전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치{STEERING CONTROL DEVICE OF MOTOR DRIVEN POWERSTEERING SYSTEM}Steering control device of electric power steering system {STEERING CONTROL DEVICE OF MOTOR DRIVEN POWERSTEERING SYSTEM}

본 발명은 전동식 파워 스티어링 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 토크 입력에 대비한 부스트 출력을 기반으로 메인 어시스트 토크를 결정하는 토크루프로직을 2차 필터의 보상기 형태로 조합한 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to an electric power steering system, and more particularly, to a steering of an electric power steering system in which a torque loop logic for determining a main assist torque based on a boost output in preparation for a torque input is combined in the form of a compensator for a secondary filter. It relates to a control device.

전동식 파워 스티어링 시스템(Motor Driven Powersteering System;MDPS)은 기존의 유압을 이용한 유압식 파워 스티어링 장치와 달리 모터의 회전력을 이용하여 운전자의 조향력을 보조한다. The Motor Driven Power Steering System (MDPS) assists the driver's steering power by using the rotational force of the motor, unlike the conventional hydraulic power steering system using hydraulic pressure.

이러한 전동식 파워 스티어링 시스템은 토크 센서로부터 센싱된 토크 센싱값과 차속을 조합하여 모터의 어시스트량을 산출하여 조향 성능을 개선한다.The electric power steering system improves steering performance by calculating the motor assist amount by combining the torque sensing value sensed from the torque sensor and the vehicle speed.

이러한 조향성능로직은 토크 입력에 대비한 부스트 출력을 기반으로 메인 어시스트 토크를 결정하는 토크루프로직과, 이질감과 출력을 증대시키는 HFAC(High-Frequency Assist Control)로직, 및 조향계의 진동을 조절하는 댐핑 로직 및 복원력을 증대시키는 능동복원로직을 포함하게 된다. This steering performance logic is a torque loop logic that determines the main assist torque based on the boost output against the torque input, a high frequency assist control (HFAC) logic that increases heterogeneity and output, and a vibration control of the steering system. It will include the damping logic and active restoration logic to increase resilience.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 10-2007-0105327(2007.10.30)에 개시되어 있다.Background art of the present invention is disclosed in Republic of Korea Patent Publication No. 10-2007-0105327 (2007.10.30).

종래의 토크루프로직은 PI(Proportional Integral) 제어기를 이용하는데, 2개의 PI 제어기를 구비하고, 이들에 대해 앞섬 보상과 뒷섬 보상을 수행하였다. Conventional torque loop logic uses a PI (Proportional Integral) controller, which has two PI controllers, and performs leading and trailing edge compensation on them.

그 결과, 토크루프로직에서 PI 제어기의 구조를 파악하기가 어려웠고, 토크루프로직 수행시 입출력되는 각각의 인자들의 역할을 이해하기가 어려웠다. 즉, 튜닝이나 필터링을 하는데 있어, 이들 인자들의 효과를 명확하게 인지하기가 어려운 문제점이 있었다.As a result, it was difficult to grasp the structure of the PI controller in torque loop logic, and it was difficult to understand the role of each factor input and output when performing torque loop logic. That is, in tuning or filtering, it is difficult to clearly recognize the effects of these factors.

게다가, 각각의 PI 제어기가 서로 다른 방식으로 이산화 방식을 수행하여 신호가 급격하게 변동될 가능성이 있었다. In addition, each PI controller performed the discretization scheme in a different way, so there was a possibility that the signal could change rapidly.

본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 토크루프로직에서 공진회피, 노치폭 조절 및 대역폭 조절을 통해 전동식 파워 스티어링 시스템의 추종성 및 응답성을 향상시키고 적합한 이산화를 통해 수렴성을 증대시킨 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention was devised to improve the above-mentioned problems, and improved torque tracking and responsiveness of an electric power steering system through resonance avoidance, notch width control and bandwidth control in torque loop logic, and increased convergence through suitable discretization. It is an object of the present invention to provide a steering control device for a power steering system.

본 발명의 일 측면에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치는 토크 센서로부터 입력된 토크 센서값을 비례적분 제어하여 생성된 어시스트 토크값이 목표값을 추종하도록 보상하여 출력하는 제어기; 및 상기 제어기에서 출력되는 어시스트 토크값을 상기 제어기의 입력으로 피드백하는 피드백부를 포함하는 것을 특징으로 한다. A steering control apparatus for an electric power steering system according to an aspect of the present invention includes a controller for compensating and outputting an assist torque value generated by proportionally integral control of a torque sensor value input from a torque sensor to follow a target value; And a feedback unit feeding back the assist torque value output from the controller to the input of the controller.

본 발명의 상기 제어기는 필터와 위상 보상기가 적용되는 것을 특징으로 한다. The controller of the present invention is characterized in that a filter and a phase compensator are applied.

본 발명의 상기 필터는 저대역 필터인 것을 특징으로 한다. The filter of the present invention is characterized in that a low band filter.

본 발명의 상기 위상 보상기는 앞섬 보상부와 뒤섬 보상부를 포함하는 것을 특징으로 한다. The phase compensator of the present invention is characterized in that it comprises a leading edge compensator and a trailing edge compensator.

본 발명의 상기 제어기는 상기 필터와 상기 위상 보상기를 조합하여 2차 필터 형태의 전달함수로 구현되는 것을 특징으로 한다. The controller of the present invention is characterized by being implemented as a transfer function in the form of a secondary filter by combining the filter and the phase compensator.

본 발명의 상기 전달함수(G(s))는 The transfer function (G (s)) of the present invention

Figure pat00001
Figure pat00001

이고, 여기서, K_rag는 뒤섬 보상 게인이고, K_lead는 앞섬 보상 게인이며, a는 컷 오프 주파수(Cut off frequency)인 것을 특징으로 한다. In this case, K_rag is a backward sum compensation gain, K_lead is a front sum compensation gain, and a is a cut off frequency.

본 발명의 상기 제어기는 상기 전달함수의 극점이 조정되도록 뒤섬 보상 게인과, 앞섬 보상 게인, 및 컷 오프 주파수 중 어느 하나 이상을 조절하여 안정성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치.
The controller of the present invention improves stability by adjusting any one or more of a tail compensating gain, a leading compensating gain, and a cut-off frequency so that the pole of the transfer function is adjusted. .

본 발명은 토크루프로직에서 공진회피, 노치폭 조절 및 대역폭 조절을 통해 전동식 파워 스티어링 시스템의 추종성 및 응답성을 향상시키고, 적합한 이산화를 통해 수렴성을 증대시킨다.
The present invention improves the followability and responsiveness of the electric power steering system through resonance avoidance, notch width control and bandwidth control in torque loop logic, and increases convergence through suitable discretization.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치의 블럭 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 응답 크기를 나타낸 보데선도를 도시한 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 크기를 나타낸 보데선도를 도시한 도면이다.1 is a block diagram of a steering control device of the electric power steering system according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing a bode diagram showing a response size according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a bode diagram showing a phase magnitude according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야할 것이다. Hereinafter, a steering control apparatus for an electric power steering system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this process, the thicknesses of the lines and the sizes of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to a user's or operator's intention or custom. Therefore, the definitions of these terms should be made based on the contents throughout the specification.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치의 블럭 구성도이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 응답 크기를 나타낸 보데선도를 도시한 도면이며, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 크기를 나타낸 보데선도를 도시한 도면이다.1 is a block diagram of a steering control device of an electric power steering system according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a view showing a bode diagram showing the response size according to an embodiment of the present invention, Figure 3 Is a diagram showing a bode diagram showing a phase size according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 다른 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치는 도 1 에 도시된 바와 같이, 제어기(10)와 피드백부(20)를 포함한다. The steering control apparatus of the electric power steering system according to an embodiment of the present invention includes a controller 10 and a feedback unit 20, as shown in FIG.

제어기(10)는 토크를 감지하는 토크 센서(미도시)로부터 토크 센싱값을 입력받아 비례 적분하여 생성된 어시스트 토크값이 목표값을 추종하도록 보상한다. The controller 10 receives the torque sensing value from a torque sensor (not shown) that senses torque and compensates for the assist torque value generated by proportional integration following the target value.

피드백부(20)는 제어기(10)에서 출력되는 어시스트 토크값을 제어기(10)의 입력으로 피드백한다. 이러한 피드백부(20)는 입력에 대한 출력을 조정한다. The feedback unit 20 feeds back the assist torque value output from the controller 10 to the input of the controller 10. This feedback unit 20 adjusts the output for the input.

따라서, 제어기(10)로 입력되는 토크 센싱값은 제어기(10)와 피드백부(20)에 의해 기 설정된 목표값을 추종하게 되는데, 이때, 제어기(10)는 피드백부(20)로부터 입력되는 후술한 되먹임 요소, 즉 인자들에 의해 안정화된 어시스트 토크값을 출력하게 된다. Therefore, the torque sensing value input to the controller 10 follows the target value set by the controller 10 and the feedback unit 20. In this case, the controller 10 will be described later input from the feedback unit 20. It will output the assist torque value stabilized by one feedback factor, that is, the factors.

이러한 제어기(10)는 필터와 위상 보상기를 포함하고, 이들을 조합하여 2차 안정화 전달함수 형태로 구현된다.Such a controller 10 includes a filter and a phase compensator, which are combined to implement a second stabilized transfer function.

필터는 저대역 필터(Low pass filter)로써, 필터의 전달함수는 s/(s+a)이다. 여기서, s는 라플라스(Laplace) 연산자이고, a는 컷 오프 주파수(Cut off frequency)이다.The filter is a low pass filter, whose transfer function is s / (s + a). Where s is the Laplace operator and a is the cut off frequency.

위상 보상기는 앞섬 보상부와 뒤섬 보상부를 포함한다. The phase compensator includes a front compensator and a back compensator.

앞섬 보상부(Phase lead compensator)는 진상 제어기라고도 하며, 제어기(10)의 전달함수에 극점(Pole)의 형태로 존재하면서 고주파에 주파수 응답을 향상시킴으로써 보상 마진을 향상시킬 수 있도록 한다. The phase lead compensator, also known as a phase advance controller, is present in the form of poles in the transfer function of the controller 10 and improves the compensation margin by improving the frequency response at high frequencies.

뒤섬 보상부(Phase lag compensator)는 제어기(10)의 전달함수에 극점의 형태로 존재하면서 공진 주파수 등을 회피하기 위한 노치부를 결정하고, 노치폭을 확보한다.The phase lag compensator is present in the form of poles in the transfer function of the controller 10 and determines a notch for avoiding a resonance frequency and secures a notch width.

여기서, 제어기(10)의 전달함수는 후술한다.Here, the transfer function of the controller 10 will be described later.

한편, 제어기(10)는 토크 센싱값이 입력되면, 이 토크 센싱값을 비례 적분 제어를 수행한다. On the other hand, when the torque sensing value is input, the controller 10 performs proportional integral control on the torque sensing value.

이 경우, 저대역 필터와 앞섬 보상부 및 뒤섬 보상부를 적용하고, 저대역 필터가 앞섬 보상부와 뒤섬 보상부를 조합함으로써, 앞섬 보상 게인과 뒤섬 보상 게인에 의해 안정화된 2차 필터 형태의 노치 필터 형태로 나타난다. In this case, by applying the low band filter, the leading compensator and the back sum compensator, and the low band filter combining the front compensator and the back sum compensator, the notch filter type of the secondary filter type stabilized by the leading compensating gain and the back sum compensating gain. Appears.

여기서, 주파수 응답을 검출하는 앞섬 보상을 수행하는 주파수 응답을 이용하여 공진 주파수를 검출하고, 이러한 공진 주파수를 회피하도록 하는 뒤섬 보상을 수행하는 바, 하기한 바와 같은 수학적 모델로 구현된다.Here, the resonant frequency is detected using the frequency response for performing the front end compensation for detecting the frequency response, and the back sum compensation for avoiding the resonant frequency is performed. The mathematical model is implemented as follows.

먼저, 제어기에서 앞섬 보상을 수행하는 제어로직의 전달함수는 하기의 수학식 1과 같이 표현된다. First, the transfer function of the control logic performing the leading compensation in the controller is expressed by Equation 1 below.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, G(s)_lead는 앞섬 보상을 수행하는 제어로직의 전달함수이고, K_lead는 앞섬 보상 게인이다.Here, G (s) _lead is a transfer function of control logic that performs lead compensation, and K_lead is lead compensation gain.

즉, 저대역 필터에 의해 외란이나 노이즈가 제거되고, 앞섬 보상 게인에 따라 위상에 대한 앞섬 보상이 이루어져 주파수 응답을 높임으로써, 보상 마진을 확보할 수 있도록 한다.In other words, the low-band filter removes the disturbance and noise, and according to the leading compensation gain, leading compensation for the phase is performed to increase the frequency response, thereby ensuring a compensation margin.

한편, 뒤섬 보상을 수행하는 제어로직의 전달함수는 하기의 수학식 2와 같다.  On the other hand, the transfer function of the control logic for performing the summation compensation is shown in Equation 2 below.

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서, G(s)_lag는 뒤섬 보상을 수행하는 제어로직의 전달함수이고, K_lag는 뒤섬 보상 게인이다.Here, G (s) _lag is a transfer function of control logic that performs back sum compensation, and K_lag is a du sum compensation gain.

즉, 저대역 필터에 의해 외란이나 노이즈가 제거되고, 뒤섬 보상 게인에 따라 위상에 대한 뒷섬 보상이 이루어져 주파수 응답을 이용하여 검출한 공진 주파수를 회피하기 위한 노치부 결정 및 노치폭을 확보할 수 있도록 한다. In other words, the low-band filter eliminates disturbance and noise, and back-compensation is performed according to the back-compensation gain to determine notch width and notch width for avoiding the resonance frequency detected using the frequency response. do.

이후, 앞섬 보상을 수행하는 제어로직의 전달함수와 뒤섬 보상을 수행하는 제어로직의 전달함수를 조합하면, 제어기(10)는 하기의 수학식 3과 같은 수학적 모델의 2차 안정화 전달함수를 획득할 수 있다. Subsequently, when the transfer function of the control logic that performs the leading edge compensation and the transfer function of the control logic that performs the backward sum compensation are combined, the controller 10 may obtain the second stabilization transfer function of the mathematical model shown in Equation 3 below. Can be.

이러한 전달함수는 2차 필터의 형태를 갖춘 노치 필터 형태로 갖게 되고, 이러한 전달함수에서 노치 필터의 특성을 조정하는 인자를 결정하여 이를 조정함으로써, 추종 오차가 최소가 되도록 한다.The transfer function is in the form of a notch filter having the form of a secondary filter, and by determining and adjusting the factors for adjusting the characteristics of the notch filter in the transfer function, the tracking error is minimized.

여기서, 제어기(10)의 전달함수는 하기의 수학식 3과 같다.Here, the transfer function of the controller 10 is shown in Equation 3 below.

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서, G(s)는 제어기(10)의 전달함수이고, K_lag는 뒤섬 보상 게인이며, K_lead는 앞섬 보상 게인이며, a는 컷 오프 주파수(Cut off frequency)이다.Here, G (s) is the transfer function of the controller 10, K_lag is the back sum compensation gain, K_lead is the front sum compensation gain, and a is the cut off frequency.

상기한 수학식 3에 나타난 바와 같이, 제어기(10)의 전달함수는 연속 영역에서의 전달함수 형태로써, 2차 필터의 형태를 갖게 된다. As shown in Equation 3, the transfer function of the controller 10 is in the form of a transfer function in the continuous region, and has a form of a second order filter.

이러한 전달함수를 살펴 보면, 노치 필터의 특성이 뒤섬 보상 게인과 앞섬 보상 게인 및 컷 오프 주파수와 같은 인자에 의해 결정됨을 알 수 있다.Looking at the transfer function, it can be seen that the characteristics of the notch filter are determined by factors such as the backslash compensation gain, the leading compensation gain, and the cutoff frequency.

따라서, 피드백부(20)를 통해 전달함수에 뒤섬 보상 게인과 앞섬 보상 게인 및 컷 오프 주파수 중 어느 하나 이상을 조절하여 극점을 도출함으로써, 안정화 성능을 향상시킬 수 있게 된다.Therefore, by adjusting any one or more of the back-compensation gain, the leading-compensation gain, and the cut-off frequency to the transfer function through the feedback unit 20, the pole can be derived, thereby improving stabilization performance.

이 경우, 뒤섬 보상 게인과 앞섬 보상 게인 및 컷 오프 주파수 중 어느 하나 이상을 조절하면, 제어기(10)에서 공진 회피와 대역폭을 확보할 수 있게 되는 바, 이를 도 2 와 도 3 을 참조하여 설명한다.In this case, by adjusting any one or more of the backward sum compensation gain, the leading sum gain and the cut-off frequency, the controller 10 can secure the resonance avoidance and the bandwidth, which will be described with reference to FIGS. 2 and 3. .

도 2 과 도 3 은 상기한 제어기의 전달함수에 대한 보데선도를 나타낸다.2 and 3 show a Bode diagram of the transfer function of the controller described above.

파란 선도는 기존의 방식에 따른 응답 크기를 나타내고, 녹색 선도는 본 발명에 따른 응답 크기와 위상 크기를 나타낸다. The blue plot represents the response magnitude according to the conventional scheme, and the green plot represents the response magnitude and phase magnitude according to the present invention.

도 2 와 도 3 을 참조하면, 주파수가 약 10-8㎐ 대역 이상에서는 거의 같은 형태로 위상마진과 이득마진이 모두 무한대임을 알 수 있고, 이를 통해 2차 필터의 응답성의 타당함을 확인할 수 있다.2 and 3, it can be seen that both the phase margin and the gain margin are infinite in the same form when the frequency is about 10 −8 kHz or more, and it can be confirmed that the responsiveness of the secondary filter is valid. .

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, I will understand. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the following claims.

10: 제어기 20: 피드백부10: controller 20: feedback unit

Claims (7)

토크 센서로부터 입력된 토크 센서값을 비례적분 제어하여 생성된 어시스트 토크값이 목표값을 추종하도록 보상하여 출력하는 제어기; 및
상기 제어기에서 출력되는 어시스트 토크값을 상기 제어기의 입력으로 피드백하는 피드백부를 포함하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치.A controller for compensating and outputting the assist torque value generated by proportional integral control of the torque sensor value input from the torque sensor to follow the target value; And
And a feedback unit for feeding back an assist torque value output from the controller to an input of the controller. 제 1 항에 있어서, 상기 제어기는 필터와 위상 보상기가 적용되는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치.2. The steering control device of claim 1, wherein the controller is applied with a filter and a phase compensator. 제 2 항에 있어서, 상기 필터는 저대역 필터인 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치.3. The steering control device of an electric power steering system according to claim 2, wherein said filter is a low band filter. 제 2 항에 있어서, 상기 위상 보상기는 앞섬 보상부와 뒤섬 보상부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치.3. The steering control apparatus of claim 2, wherein the phase compensator comprises a front compensator and a back compensator. 제 2 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 필터와 상기 위상 보상기를 조합하여 2차 필터 형태의 전달함수로 구현되는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치.3. The steering control apparatus of claim 2, wherein the controller is implemented as a transfer function in the form of a secondary filter by combining the filter and the phase compensator. 제 5 항에 있어서, 상기 전달함수(G(s))는
Figure pat00005

이고,
여기서, K_rag는 뒤섬 보상 게인이고, K_lead는 앞섬 보상 게인이며, a는 컷 오프 주파수(Cut off frequency)인 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치.The method of claim 5, wherein the transfer function (G (s)) is
Figure pat00005

ego,
Here, K_rag is the tail-compensation gain, K_lead is the tail-compensation gain, a is a cut off frequency (Cut off frequency) steering control device of the electric power steering system. 제 6 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 전달함수의 극점이 조정되도록 뒤섬 보상 게인과, 앞섬 보상 게인, 및 컷 오프 주파수 중 어느 하나 이상을 조절하여 안정성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치.7. The electric power steering system of claim 6, wherein the controller improves stability by adjusting one or more of a tail compensating gain, a leading compensating gain, and a cutoff frequency to adjust the pole of the transfer function. Steering Control Unit.
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