KR20130057879A - 조향시스템의 고장 감지장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조향각 센서를 통해 검출된 조향각을 통해 조향각속도를 연산하는 단계; 모터의 위치각을 통해 산출된 모터 각속도를 통해 모터의 등가조향 각속도를 연산하는 단계, 모터의 전류값을 통해 추정된 모터 토크값을 통해 비틀림값을 산출하는 단계, 모터의 등가 조향각속도에 비틀림값을 반영하여 상기 비틀림값이 반영된 모터의 등가 조향각속도와 조향각속도의 차이값을 연산하는 단계 및 차이값과 문턱값을 비교하여 차이값이 문턱값 이상이면, 전원을 오프시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

조향시스템의 고장 감지장치 및 방법{STEERING SENSOR ERROR DETECTING DEVICE FOR MDPS AND METHOD THEREOF}

본 발명은 조향시스템의 고장 감지장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모터의 힘이 전달되는 각 기구부품의 비틀림값을 반영하여 정확한 등가 조향각속도를 연산하고 센서의 고장유무를 판단함으로써 진단로직의 정확성을 높여주며, 이를 통해 실질적인 문제 발생시에만 전원을 차단케하여 운행 안정성을 높인 조향시스템의 고장 감지장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량에는 조향 상태의 안정성을 보장하기 위해 파워 스티어링(Power Steering) 장치가 적용되는바, 파워 스티어링 장치는 기존에 유압을 이용한 유압식 파워 스티어링 장치(Hydraulic Power Steering;HPS)가 차량에 널리 이용되었으나, 최근에는 유압을 사용하던 기존의 방식과는 달리 모터의 회전력을 이용하여 운전자의 조향력을 도와주는 환경친화적인 전동식 파워 스티어링 장치(Motor Driven Power Steering;MDPS)의 설치가 증가되는 추세이다.

이러한 전동식 파워 스티어링 장치는 차속센서 및 토크센서 등에서 감지한 차량의 운행조건에 따라 전자제어유닛(Electronic Control Unit;ECU)에서 모터를 구동시켜 저속 운행시에는 가볍고 편안한 조향감을 부여하고, 고속 운행시에 는 무겁고 안전한 조향감과 더불어 양호한 방향 안정성을 부여하며, 비상 상황에서는 급속한 조향이 이루어지도록 하여 운전자에게 최적의 조향 조건을 제공하도록 하고 있다.

도 1은 종래의 실시예에 따른 전동 조향시스템을 도시한 블록도이다.

이를 참조하면, 종래의 전동 조향 장치(2)는 핸드휠(4)에 설치된 토션 바(미도시)의 회전에 따른 토크 및 조향각을 감지하는 토크 센서(10)와 조향각 센서(6), 이 토크 센서(10)와 조향각 센서(6)에 의해 감지된 감지신호에 따라 모터(14)의 구동 보조력을 산출하는 ECU(12)를 구비한다. 모터(14)는 영구 자석형 3상 모터로서, 로터의 절대각을 감지하는 3개의 홀 센서와 증분각을 감지하는 엔코더를 구비한다. 즉, 모터(14)에는 모터 위치센서(16)가 구비되어져 있다.

특히, 조향각 센서(6)에 의해 측정되는 조향각은 자동차 중속에서 자동차의 복원 제어에 사용되어지는 것으로서, 이 각도에 오류가 발생하는 경우에는 고속에서 자동차의 쏠림 및 미복원 형상이 발생하게 되므로 조향각을 측정하는 토크 센서(10)의 고장 유무를 판별하는 방법은 매우 중요하다할 것이다.

미설명한 참조부호 4는 핸드휠, 16은 벨트이며, 18은 기어, 20은 타이로드를 나타낸 것이다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 특허공개번호 10-2002-0051359호(2002.06.29)의 '차량용 전동식 동력 조향 장치'에 개시되어 있다.

종래의 전동 조향 장치는 시스템 동작도중 다수의 센서에서 문제가 발생될 수 있는 바, 센서에 문제가 발생되면 필요한 보조 조향력을 잘못 계산하여 큰 토크 발생으로 인해 운전자가 위험에 빠지는 것을 방지하기 위해, ECU는 센서 고장여부를 판단하고 고장 등의 문제가 있는 것으로 판단되면 전원을 오프시키도록 구성되어져 있다.

그러나, 센서의 고장 유무를 판단하기 위한 기준 설정값은 각 기구부품의 비틀림값에 의해 오차가 발생되게 되므로 적절한 기준 설정값 예를 들어, 문턱값을 설정하기가 매우 어렵다는 문제가 있었다. 즉, 종래의 전동 조향 장치는 센서의 고장유무를 정확하게 판단하지 못하고 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 모터의 힘이 전달되는 각 기구부품의 비틀림값을 반영하여 정확한 등가 조향각속도를 연산하고 센서의 고장유무를 판단함으로써 진단로직의 정확성을 높여주며, 이를 통해 실질적인 문제 발생시에만 전원을 차단케하여 운행 안정성을 높인 조향시스템의 고장 감지장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 조향시스템의 고장 감지방법은 조향각 센서를 통해 검출된 조향각을 통해 조향각속도를 연산하는 단계; 모터의 위치각을 통해 산출된 모터 각속도를 통해 모터의 등가조향 각속도를 연산하는 단계; 모터의 전류값을 통해 추정된 모터 토크값을 통해 비틀림값을 산출하는 단계; 상기 모터의 등가 조향각속도에 상기 비틀림값을 반영하여 상기 비틀림값이 반영된 모터의 등가 조향각속도와 상기 조향각속도의 차이값을 연산하는 단계; 및 상기 차이값과 문턱값을 비교하여 상기 차이값이 상기 문턱값 이상이면, 전원을 오프시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 등가 조향각속도 계산식은 등가 조향각속도=모터의 위치각× 전체 기어비이고, 전체 기어비=벨트 풀리 기어비× 볼너트 비× 랙 앤 피니언 기어비인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 비틀림값이 반영된 모터의 등가 조향각속도를 산출하는 계산식은 비틀림값이 반영된 모터의 등가 조향각속도= (추정된 모터 토크값에 대응되는 비틀림값)× 등가 조향각속도인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 추정된 모터 토크값은 모터의 상전류를 검출하는 단계; 모터 상전류를 DQ축 변환하는 단계; Q축의 전류를 산출하는 단계; Q축의 전류값에 모터의 토크상수를 곱하는 단계를 통해 산출할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 비틀림값은 상기 모터의 상전류에 대응되어 가변되도록 테이블로 미리 설계된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 조향시스템의 고장 감지장치는 핸드휠의 조향각을 검출하는 조향각 센서; 모터의 전류값을 감지하는 모터전류감지센서; 모터의 위치각을 감지하는 모터위치센서; 및 상기 조향각 센서에서 검출된 상기 조향각을 통해 조향각속도를 연산하고, 상기 모터위치센서에서 감지된 상기 모터의 위치각을 통해 모터의 등가 조향각속도를 연산하며, 상기 모터전류감지센서에서 감지된 상기 모터의 전류값으로 추정된 모터 토크값으로 비틀림값을 산출한 후, 상기 모터의 등가 조향각속도에 상기 비틀림값을 반영하여 상기 비틀림값이 반영된 상기 모터의 등가 조향각속도와 상기 조향각속도의 차이값이 상기 데이터 저장부에 저장된 상기 문턱값 이상이면 전원을 오프시키는 ECU(Electronic Cintrol Unit)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 모터의 등가 조향각속도의 계산식은 모터의 등가 조향각속도=모터의 위치각× 전체 기어비이고, 전체 기어비=벨트 풀리 기어비× 볼너트 비× 랙 앤 피니언 기어비인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 비틀림값이 반영된 상기 모터의 등가 조향각속도의 계산식은 비틀림값이 반영된 모터의 등가 조향각속도= (추정된 모터 토크값에 대응되는 비틀림값)× 등가 조향각속도인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 추정된 모터 토크값은 상기 모터전류감지센서에서 감지된 상기 모터의 상전류를 DQ축 변환하여 Q축의 전류를 산출한 후, 상기 Q축의 전류값에 상기 모터의 토크상수를 곱하여 산출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 비틀림값은 상기 모터의 상전류에 대응되어 가변되도록 테이블로 미리 설계된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 모터 토크를 전달하는 각 기구부의 비틀림값을 반영하여 센서의 고장유무를 판단하므로 조기에 정확하게 센서의 고장을 판단할 수 있어 차량 운행의 안전성이 매우 높아진다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 실시예에 따른 전동 조향시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 조향시스템의 고장 감지장치를 도시한 블록구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비틀림값과 모터 토크와의 상관관계를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 조향시스템의 고장 감지장치의 신호흐름을 도시한 플로우챠트이다.

이에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 조향시스템의 고장 감지장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 조향시스템의 고장 감지장치를 도시한 블록구성도, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비틀림값과 모터 토크와의 상관관계를 도시한 그래프이다.

이를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 조향시스템의 고장 감지장치(102)는 모터의 힘이 전달되는 각 기구부품의 비틀림값을 반영하여 정확한 등가 조향각속도를 연산하고 센서의 고장유무를 판단함으로써 진단로직의 정확성을 높여주며, 이를 통해 실질적인 문제 발생시에만 전원을 차단케하여 운행 안정성을 높인 장치이다.

보다 상세하게, 본 발명의 일실시예에 따른 조향시스템의 고장 감지장치(102)는 핸드휠에 설치된 토션 바의 회전에 따른 토크 및 조향각을 감지하는 토크 센서(110)와 조향각 센서(106), 이 토크 센서(110)와 조향각 센서(106)에 의해 감지된 감지신호에 따라 모터(도 1참조: 14)의 구동 보조력을 산출하는 ECU(112)를 구비한다. 모터(14)에는 모터 위치센서(116)가 구비되어져 있다.

특히, 본 발명의 일실시예에 따른 조향시스템의 고장 감지장치(102)는 모터의 전류값을 감지하기 위한 모터전류감지센서(122)가 구비됨을 도시하지만, 실제로 전류값은 분기선 감지 및 AD 변환을 통해 간단하게 ECU(112)로 인가시킬 수 있다.

이때, 본 발명의 일실시예에 따른 조향시스템의 고장 감지장치(102)에 포함된 ECU(112)는 모터의 신호를 이용하여 비틀림(Compliance)효과를 반영한 정확한 등가 조향각속도를 산출해냄으로써 비틀림 효과로 인한 오차의 발생을 보상한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 조향시스템의 고장 감지장치(102)는 기준 설정값(문턱값) 및 모터의 토크값에 대응한 조향각과 모터의 등가조향각 차이로 연산된 비틀림값이 테이블로 저장된 데이터 저장부(124)를 포함한다.

상기한 구성의 본 발명의 일실시예에 따른 조향시스템의 고장 감지장치의 기능과 작용을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 조향시스템의 고장 감지장치의 신호흐름을 도시한 플로우챠트이다.

먼저, 조향각 센서(106)를 이용하여 조향각을 검출하고, 그 조향각을 미분하여 조향각속도를 산출한다.

그리고, ECU(112)는 토크 센서(110)를 이용하여 핸드휠의 토크를 계산하여 모터(14)에 인가하고, 토크가 인가된 모터(14)의 회전에 의한 모터(14)의 위치각을 모터 위치센서(116)를 통해 검출한다.

모터의 위치각이 산출되면, 모터의 위치각을 미분하여 모터 각속도를 산출하고, 모터의 각속도에 전체 기어비를 곱하여 등가 조향각속도를 산출한다.

그리고, 모터(14)의 전류값을 이용한 모터 토크를 추정한다.

이때, 모터(14)의 위치각과 모터(14)의 조향각은 기본적으로 전체 기어비를 곱하므로써 이론적으로 계산되지만, 실제로 모터(14)의 힘이 전달되는 과정에서 각 기구부품의 비틀림(Compliance) 효과 등으로 오차가 발생된다.

이는 각속도와 같이 미분하는 경우에는 이 오차를 더욱 크게 증폭시켜 적절한 문턱값을 설정하기가 매우 어려워진다. 따라서, 본 발명은 초기 발생 가능한 오차를 획기적으로 감소시켜 진단로직의 정확성을 높이기 위한 방법이다.

도 3에 도시된 바와같이, 비틀림(Compliance) 효과는 모터(14)의 토크가 크면 클수록 증가하는 비례관계를 갖는다. 따라서, 모터(14)의 토크를 계산하면 기구부의 비틀림에 의해 모터(14)의 각과 조향각이 실제로 어느 정도의 차이를 갖는 지를 추정할 수 있게 된다.

마찬가지로, 모터(14)의 각속도와 조향각속도 또한 모터의 토크가 클수록 차이가 커지는 현상을 보상해야만 정확한 비교가 가능해진다.

모터의 토크는 모터 상전류를 DQ축 변환에 의해 Q축 전류를 연산하고, 모터의 토크상수를 곱하여 추정할 수 있다.

즉, 모터 위치각의 등가 조향각속도 계산식은,

「등가 조향각속도=모터 위치각 × 전체 기어비」,

「전체 기어비= 벨트 풀리 기어비× 볼너트 비× 랙 앤 피니언 기어비」이다.

또한, 비틀림값이 반영된 모터의 등가 조향각속도를 산출하는 계산식은,

「비틀림값이 반영된 모터의 등가 조향각속도= (추정된 모터 토크값에 대응되는 비틀림값)× 등가 조향각속도」이다.

여기서, 비틀림값은 모터 토크값과 양의 상관관계를 갖는 값이므로 실험이나 튜닝을 통해 추정할 수 있다. 실제 시험은 모터 토크를 천천히 증가시키면서 각 모터 토크의 값에 따라서 조향각과 모터의 등가조향각의 차이를 구함으로써 비틀림(Compliance)값을 산출할 수 있다. 또한, 이를 이용하여 비틀림(Compliance)값을 전류값에 따라 가변되도록 테이블을 설계할 수 있다.

따라서, 본 발명에서 추정된 모터 토크를 통해 비틀림값을 산출하고, 비틀림값이 반영된 모터의 등가 조향각속도를 산출하며, 비틀림값이 반영된 모터의 등가 조향각속도와 조향각 센서에 의해 측정된 조향각속도의 차이값을 연산한다.

그리고, 차이값이 문턱값보다 작은 지를 판단하고, 차이값이 문턱값 이상이면 고장으로 판단하고 시스템 전원을 오프시킨다.

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.

102: 조향시스템의 고장 감지장치 106: 조향각센서
110: 토크센서 112: ECU
116: 모터위치센서 122: 모터전류감지센서
124: 데이터저장부

Claims (10)

1. 조향각 센서를 통해 검출된 조향각을 통해 조향각속도를 연산하는 단계;
   모터의 위치각을 통해 산출된 모터 각속도를 통해 모터의 등가조향 각속도를 연산하는 단계;
   모터의 전류값을 통해 추정된 모터 토크값을 통해 비틀림값을 산출하는 단계;
   상기 모터의 등가 조향각속도에 상기 비틀림값을 반영하여 상기 비틀림값이 반영된 모터의 등가 조향각속도와 상기 조향각속도의 차이값을 연산하는 단계; 및
   상기 차이값과 문턱값을 비교하여 상기 차이값이 상기 문턱값 이상이면, 전원을 오프시키는 단계를 포함하는 조향시스템의 고장 감지방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 등가 조향각속도 계산식은
   등가 조향각속도=모터의 위치각× 전체 기어비이고,
   전체 기어비=벨트 풀리 기어비× 볼너트 비× 랙 앤 피니언 기어비
   인 것을 특징으로 하는 조향시스템의 고장 감지방법.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 비틀림값이 반영된 모터의 등가 조향각속도를 산출하는 계산식은,
   비틀림값이 반영된 모터의 등가 조향각속도= (추정된 모터 토크값에 대응되는 비틀림값)× 등가 조향각속도
   인 것을 특징으로 하는 조향시스템의 고장 감지방법.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 추정된 모터 토크값은
   모터의 상전류를 검출하는 단계;
   모터 상전류를 DQ축 변환하는 단계;
   Q축의 전류를 산출하는 단계; 및
   Q축의 전류값에 모터의 토크상수를 곱하는 단계를 통해 산출할 수 있는 것을 특징으로 하는 조향시스템의 고장 감지방법.
5. 제 3항 또는 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 비틀림값은 상기 모터의 상전류에 대응되어 가변되도록 테이블로 미리 설계된 것을 특징으로 하는 조향시스템의 고장 감지방법.
6. 핸드휠의 조향각을 검출하는 조향각 센서;
   모터의 전류값을 감지하는 모터전류감지센서;
   모터의 위치각을 감지하는 모터위치센서; 및
   상기 조향각 센서에서 검출된 상기 조향각을 통해 조향각속도를 연산하고, 상기 모터위치센서에서 감지된 상기 모터의 위치각을 통해 모터의 등가 조향각속도를 연산하며, 상기 모터전류감지센서에서 감지된 상기 모터의 전류값으로 추정된 모터 토크값으로 비틀림값을 산출한 후, 상기 모터의 등가 조향각속도에 상기 비틀림값을 반영하여 상기 비틀림값이 반영된 상기 모터의 등가 조향각속도와 상기 조향각속도의 차이값이 상기 데이터 저장부에 저장된 상기 문턱값 이상이면 전원을 오프시키는 ECU(Electronic Cintrol Unit)를 포함하는 조향시스템의 고장 감지장치.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 모터의 등가 조향각속도의 계산식은
   모터의 등가 조향각속도=모터의 위치각× 전체 기어비이고,
   전체 기어비=벨트 풀리 기어비× 볼너트 비× 랙 앤 피니언 기어비
   인 것을 특징으로 하는 조향시스템의 고장 감지장치.
8. 제 6항에 있어서,
   상기 비틀림값이 반영된 상기 모터의 등가 조향각속도의 계산식은
   비틀림값이 반영된 모터의 등가 조향각속도= (추정된 모터 토크값에 대응되는 비틀림값)× 등가 조향각속도
   인 것을 특징으로 하는 조향시스템의 고장 감지장치.
9. 제 6항에 있어서,
   상기 추정된 모터 토크값은
   상기 모터전류감지센서에서 감지된 상기 모터의 상전류를 DQ축 변환하여 Q축의 전류를 산출한 후, 상기 Q축의 전류값에 상기 모터의 토크상수를 곱하여 산출하는 것을 특징으로 하는 조향시스템의 고장 감지장치.
10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 비틀림값은 상기 모터의 상전류에 대응되어 가변되도록 테이블로 미리 설계된 것을 특징으로 하는 조향시스템의 고장 감지장치.

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