KR20150047488A - 자동차용 전동식 동력 보조 조향 시스템의 작동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 동력 보조 조향 시스템 내 전기 서보모터의 모터 토크에 대한 목표 사전설정 값(yM_SM)을 결정하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은, 상기 목표 사전설정 값이, 개루프 제어 부분을 형성하는 모터 토크 파일럿 제어 성분(M_VSK)과, 폐루프 제어 부분을 형성하는 모터 토크 폐루프 제어 성분(M_RK)을 이용하여 결정되고, 상기 폐루프 제어 변수는 토션 바 토크(M_DS)이며, 상기 두 모터 토크 성분이 함수적으로 서로 결합되고, 그 결과 서보 모터(SM)의 모터 토크(M_SM)에 대한 목표 사전설정 값(yM_SM)이 결정될 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

자동차용 전동식 동력 보조 조향 시스템의 작동 방법{METHOD FOR OPERATING AN ELECTRIC POWER ASSISTED STEERING SYSTEM FOR A MOTOR VEHICLE}

본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 전동식 동력 보조 조향 시스템을 작동하기 위한 방법에 관한 것이다.

종래 기술에는 서보 모터용 모터 토크 목표 사전설정 값을 생성하기 위한 다양한 방법들이 공지되어 있다.

DE 101 15 018 A1호에는, 상태 폐루프 제어기가 차량의 상태 변수들을 이용하여 제어 장치를 위한 제어 변수를 생성하고, 상기 상태 폐루프 제어기에서는 운전자에 의해 인가될 조향력이 최소화될 수 있는, 차량 조향 시스템이 공개되어 있다. 이러한 토크-프리 조향에 기반하여, 참조값이 적용될 수 있다.

DE 10 2009 002 703 A1호에는, 전동식 차량 조향 시스템에서 사전 설정된 목표 토션 바 토크의 함수로서 토크 액추에이터를 구동하기 위한 조작 변수를 결정하기 위한 폐루프 제어 구조가 공개되어 있으며, 여기서는 목표 토션 바 토크와 실제 토션 바 토크 간 토크 편차가 산출되고, 출력 피드백 폐루프 제어기를 이용하여 상기 토크 편차의 함수로서 조작 변수가 결정된다.

본 발명의 과제는, 공지된 방법에 비해 기본 세팅이 수월하게 수행될 수 있게 하는 동시에, 조향 거동 및 운전자에게 전해지는 조향감에 포괄적이고 정밀한 영향을 미칠 수 있게 하는, 모터 토크에 대한 목표 사전설정 값을 결정하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제는 독립 청구항의 특징들에 의해 해결된다.

상기 방법에서는, 적어도 2개의 모터 토크 성분, 더 구체적으로는 개루프 제어 부분을 형성하는 모터 토크 파일럿 제어 성분과, 폐루프 제어 부분을 형성하는 모터 토크 폐루프 제어 성분으로부터 목표 사전설정 값이 산출되며, 여기서 폐루프 제어 변수는 토션 바 토크이다. 상기 두 모터 토크 성분이 함수적으로 서로 결합되고, 그 결과 서보 모터의 모터 토크에 대한 목표 사전설정 값이 결정된다.

상기 방법의 바람직한 개선예들은 도면 설명에 기초하여 더 상세히 설명될 종속 청구항들에 기술되어 있다.

따라서, 목표 사전설정 값을 결정하기 위해, 모터 토크 파일럿 제어 성분은 적어도 토션 바 토크(M_DS)의 함수로서 결정되고, 이때 추가로 차량 속도가 고려될 수 있으며, 모터 토크 폐루프 제어 성분은 토션 바 토크와 애플리케이션 토션 바 토크 간 폐루프 제어 편차의 함수로서 결정된다.

모터 토크 파일럿 제어 성분은, 적어도 토션 바 토크의 함수로서 파일럿 제어 부분을 결정하는 보조 특성곡선을 이용하여 결정되는 것이 바람직하다. 추가로, 상기 보조 특성곡선은 차량 속도의 함수로서 매개변수화될 수 있고, 이때 중간값들이 보간될 수 있다.

한 바람직한 실시예에서는, 모터 토크 파일럿 제어 성분이 폐루프 제어기에 의해 결정된다. 이 경우, 바람직하게는 범위 제한형(range-limited) PID 컨트롤러가 사용된다.

본 발명에 따라, 모터 토크 폐루프 제어 성분은 최대로 제공 가능한 조향 고유 한계값으로 제한된다. 이는 바람직하게 차량 속도의 함수로서 실시된다.

또한, 모터 토크 파일럿 제어 성분은, 추가 입력 변수로서 차량 속도가 공급되는 보조 특성곡선을 이용하여 결정된다.

애플리케이션 토션 바 토크는 바람직하게 검출된 래크 힘(rack force) 및/또는 추가 조향 고유 차량 변수 또는 주행 다이내믹 차량 변수를 이용하여, 그리고/또는 다양이한 조향 기능 요소들에 기반하여 결정된다.

모터 토크 성분들은 추후 함수적으로 서로 결합되고, 그 결과 모터 토크에 대한 목표 사전설정 값이 결정된다.

본 발명의 대상에는, 컴퓨터의 마이크로프로세서에서, 특히 동력 보조 조향 시스템의 제어 유닛에서 실행될 경우 본 발명의 한 방법을 수행하기 위한, 프로그램 코드 수단을 구비한 컴퓨터 프로그램도 포함된다.

본 발명의 대상에는, 본 발명에 따른 한 방법을 수행하도록, 또는 상응하는 컴퓨터 프로그램을 실행하도록 구성된, 동력 보조 조향 시스템을 작동하기 위한 상응하는 제어 유닛과, 그러한 제어 유닛을 구비한 동력 보조 조향 시스템도 포함된다.

도 1은 본 발명에 따른 방법의 한 바람직한 실시예를 설명하기 위한 구조도이다.
도 2는 애플리케이션 토션 바 토크의 생성을 위한 다양한 방법을 도시한 도이다.
도 3은 모터 토크 폐루프 제어 성분의 최대로 허용 가능한 부분의 제한을 나타낸 그래프이다.

도 1에는 본 발명에 따른 방법의 한 바람직한 실시예를 설명하기 위한 구조도가 도시되어 있다. 파일럿 제어 모듈(100)은 조향축에서 검출된 토션 바 토크(M_DS)에 따라, 제1 성분인 모터 토크 파일럿 제어 성분(M_VSK)을 결정한다. 이 성분은 모터 토크의 개루프 제어 부분을 나타낸다. 이를 위해, 파일럿 제어 모듈(100)은 추가로 차량 속도(v_FZG)를 이용한다. 상기 모듈(100)은 토션 바 토크(M_DS) 및 차량 속도(v_FZG)의 함수로서 모터 토크 파일럿 제어 성분(M_VSK)을 결정하는 보조 특성곡선을 내포하고 있다.

또한, 토션 바 토크 애플리케이션 모듈(200)이 애플리케이션 토션 바 토크(M_{DS, Appl .})를 결정한다. 이 성분은 모터 토크의 폐루프 제어 부분을 나타낸다. 애플리케이션 토션 바 토크(M_{DS, Appl .})의 값을 결정하는 것과 관련해서는 도 3의 설명에서 상세히 다룰 것이다.

상기 변수는 이를테면 후속하는 폐루프 제어를 위한 참조 변수이며, 운전자에게 전해질 목표 조향감에 있어서 매우 중요하다. 애플리케이션 토션 바 토크(M_{DS, Appl .})는 "참조 변수"로서 사용되는데, 이때 폐루프 제어 편차 결정 소자(102)에 의해 토션 바 토크(M_DS)와 관련한 폐루프 제어 편차가 결정된다. 그 하류에 접속된 폐루프 제어기, 즉 토션 바 비틀림 폐루프 제어 모듈(101)에 의해서는 제2 성분인 모터 토크 폐루프 제어 성분(M_RK)이 결정된다. 이 성분은 모터 토크의 폐루프 제어 부분을 나타낸다. 폐루프 제어기는 바람직하게 범위 제한형 (포화) PID 컨트롤러로서 구현된다. 이는 개개의 차량에 대한 간단하고 안정적인 적용을 가능케 한다.

상기 두 성분은, 서보 모터(SM)에 의해 방출될 모터 토크(M_SM)의 목표 사전설정 값(yM_SM)을 구하기 위해, 결합 소자(103)에 의해 결합된다. 가장 간단하게는, 상기 두 값의 합산에 의해 결합이 수행된다.

목표 사전설정 값(yM_SM)은 말단 유닛에 공급되고, 이 말단 유닛은 하위 필드 지향 폐루프 제어단(field oriented closed-loop control stage, FOC)을 이용하여 서보 모터를 위한 상응하는 위상 전류(I_M)를 발생시킨다.

모터 토크 파일럿 제어 성분(M_VSK)은 적어도 토션 바 토크(M_DS)의 함수로서 결정되고, 모터 토크 폐루프 제어 성분(M_RK)은 토션 바 토크(M_DS)와 애플리케이션 토션 바 토크(M_{DS, Appl .}) 간 폐루프 제어 편차의 함수로서 결정된다. 토션 바 토크는 조향축의 영역에서 적합한 센서에 의해 측정된다.

도시된 실시예에서 모터 토크 파일럿 제어 성분(M_VSK)은, 차량 속도(v_FZG)가 추가 입력 변수로서 공급되는 보조 특성곡선을 이용하여 결정된다.

상기 방법의 장점은 특히, 파일럿 제어 부분(M_VSK)을 이용하여 시스템의 동적 거동과 관련한 요건들이 충족될 수 있는 동시에, 폐루프 제어 부분(M_RK)을 이용하여 운전자에게 전해질 "목표" 조향감이 중첩된다는 데 있다. 따라서, 운전자의 빠른 조향 운동들이 하이 다이내믹 조향 프로세스의 형태로 조향 시스템에 전달되는 동시에, 운전자 조향 토크에는 목표 사전설정 값에 따라 폐루프 제어되고 제한된 효과를 갖는 영향이 미칠 수 있다.

특히 높은 보조 토크가 요구되는 경우, 파일럿 제어 모듈(100)을 이용하여 개시된 모터 토크(yM_SM)의 파일럿 제어를 통해, 조향 시스템 내에 서보 모터에 의한 "기본 보조(basic assistance)"가 인가된다. 상기 기본 보조는 폐루프 제어에서 제외되므로, 기능적 관점에서 "기본 보조 개루프 제어"에 상응한다. 파일럿 제어 모듈(100)은, "기본 보조"에 상응하게, 차량 속도(v_FZG) 및 토션 바 토크(M_DS)의 함수로서 모터 토크 파일럿 제어 성분(M_VSK)을 결정한다. 이때, 파일럿 제어 모듈(100)의 거동은, 모터 토크 파일럿 제어 성분(M_VSK)의 값이 차량 속도가 증가함에 따라서는 감소하고, 토션 바 토크가 증가함에 따라서는 상승하도록 구현된다.

토션 바 비틀림 폐루프 제어 모듈(101)을 이용하여 개시되는 토션 바 토크(M_DS)의 폐루프 제어는 특히, "조향 영역"에서, 다시 말해 조향 휠의 직진 위치에 비교적 근접한 영역에서, 낮거나 매우 적은 보조 토크가 발생하는 경우에 매우 바람직한 것으로 밝혀졌다. 이 경우, 일반적으로 약 0.5Nm 정도의 비교적 작은 보조력이 발생한다. 여기서 토션 바 비틀림 폐루프 제어 모듈(101)은 토션 바 토크 애플리케이션 모듈(200)의 목표 사전설정 값(M_{DS,Appl .})을 토대로 토션 바 토크(M_DS)의 "진정한" 폐루프 제어의 기능을 수행한다. 이러한 작은 보조 토크는 변속기의 변속에 의해 상응하게 증폭되어 조향감에 작용한다. 그러므로, 토션 바 토크의 폐루프 제어는 운전자에게 전해지는 조향감에 매우 긍정적인 영향을 미친다.

이때, 토션 바 비틀림 폐루프 제어 모듈(101), 즉 토션 바 토크의 폐루프 제어를 위한 폐루프 제어 법칙을 내포하고 있는 실질적인 폐루프 제어기를 포화 PID(Proportional Integral Differential) 컨트롤러로서 구현할 경우 상당히 유리하다. 그럼으로써 고려 가능한 모든 주행 상황에 대해 비교적 적은 비용으로 폐루프 제어기를 적응시킬 수 있다. 폐루프 제어기의 포화 범위는 대략 +/- 0.5Nm의 범위 이내이다. 상기 범위 내에서 운전자 조향 토크에 폐루프 제어된 자유로운 영향을 미칠 수 있다. 이는, 직진 주행 중에는 폐루프 제어 부분이 우세한 반면, 고속 조향 운동 시에는 개회로 제어 부분이 우세하도록 작용한다.

이러한 이유로, 모터 토크 폐루프 제어 성분(M_RK)은 최대로 제공 가능한 조향 고유 한계값(+/- M_RK,lim.)으로 제한된다. 이때, 모터 토크 폐루프 제어 성분(M_RK)은 차량 속도(v_FZG)의 함수로서 제한된다.

도 2에는 애플리케이션 토션 바 토크(M_{DS, Appl .})의 생성을 위한 다양한 방법의 예가 도시되어 있다. 이 방법들은 독자적으로 또는 서로 결합되어 적용될 수 있다. 토션 바 토크 애플리케이션 모듈(200)은 계산되거나 추정된 래크 힘(ZSK)을 결정하는 래크 힘(rack force) 결정 모듈(201)을 내포한다. 또한, 상기 모듈(200)은, 예컨대 순간 조향각, 조향 각속도, 현재 주행 속도, 서보 모터의 로터 회전수 및 그 밖의 주행 다이내믹 변수와 같은 조향 관련 변수 또는 차량 고유 변수를 포하는 블록(242)을 포함한다. 도시된 실시예에서는 상이한 방식으로 두 가지 ZSK 값이 결정된다. 즉, 동적 부분(240, ZSK-D)과 안락감 관련 부분(241, ZSK-C)이 결정된다. 이때, ZSK-D 값은, 기계적 방정식 및/또는 전기적 방정식에 기초하여 조향 장치 내부의 토크 또는 힘을 기술하는 조향 내적 변수들로부터 결정된다. ZSK-C 값은 물리학적 관계들에 기초하여 운동 상태를 기술하는 조향 외적 차량 변수들을 이용하여 결정된다.

상기 두 가지 ZSK 변수는 서로 결합되어 하나의 래크 힘을 형성하거나, 주행 조건에 따라 임의의 비율로 서로 혼합될 수 있다. 이렇게 하여 도출된 래크 힘은 차후 기본 조향 보조 모듈(202)의 개별 기능 유닛들 또는 부가 조향 기능 모듈(203)로 공급된다.

여기서, 기본 조향 보조 모듈(202)의 기능 유닛들은 다음의 요소들, 즉, 조향 영역 내 기본 조향 토크(210), 능동 복귀 기능부(211), 셀프 센터링(self-centring) 감지 기능 유닛(212), 능동 댐핑 기능부(213), 마찰 및 히스테리시스 보상 유닛(214)을 포함할 수 있다.

부가 조향 기능 모듈(203)의 기능 유닛들은 다음의 요소들, 즉, 오버스티어링 보조 기능부(220) 및 언더스티어링 보조 기능부(221)를 포함할 수 있다.

또한, 상위 개념의 개입은 차량 제조자 측에서 OEM 기능부(230)와의 인터페이스를 이용하여 제공될 수 있다. 이러한 개입에는, 예컨대 차선 유지 및 추종 안내, 또는 충돌 회피 조향의 개시와 같은 자율 조향 개입이 포함된다.

일부 기능 유닛들(202, 203)은 블록(242)의 조향 관련 변수들의 추가 사용 또는 배타적 사용을 요구한다. 예를 들어, 능동 댐핑 기능부(213)는 오직 서보 모터의 순간 로터 속도에 기초해서만 애플리케이션 토션 바 토크의 댐핑 고유 부분을 결정할 수 있다.

따라서, 도 1을 토대로 기술한 본 발명의 실시예와 관련하여, 애플리케이션 토션 바 토크(M_{DS, Appl .})는 결정된 래크 힘(RFM-C, RFM-D)을 이용하여, 그리고/또는 다양한 조향 기능 요소들(210, 211, 212, 213, 214, 220, 221, 230)에 기반한 조향 고유 차량 변수 또는 주행 다이내믹 차량 변수를 이용하여 결정된다.

합산 또는 가중 지점(204)에 의해, 결정된 모든 함수 성분들이 결합되어 전체 애플리케이션 토션 바 토크(M_{DS, Appl .})가 산출된다. 가장 간단하게는, 모든 성분이 가산 지점(204)을 이용하여 합산됨으로써, 전체 애플리케이션 토션 바 토크(M_{DS, Appl.})가 결정된다.

도 3에는 모터 토크 폐루프 제어 성분(M_RK)의 최대로 허용 가능한 부분의 제한이 포락선 형태로 도시되어 있다.

상기 제한은 바람직하게 차량 속도(v_FZG)의 함수로서 실시된다. 정차 상태에서부터 속도가 약 10 내지 15km/h(포인트 1)에 도달할 때까지, 폐루프 제어 부분은 0Nm이고, 상기 속도에서부터 최대로 허용 가능한 부분은 +/- M_{RK , lim .}의 최대 대칭값에 도달할 때까지 램프 형태로 제2 속도(포인트 2)로 증가한다. 이 값은 대략 0.3 내지 0.5Nm이다.

100 파일럿 제어 모듈
101 토션 바 비틀림 폐루프 제어 모듈
102 폐루프 제어 편차 결정 소자
103 결합 지점
200 토션 바 토크 애플리케이션 모듈
201 래크 힘 결정 모듈
202 기본 조향 보조 모듈
203 부가 조향 기능 모듈
204 합산 지점
205 토션 바 비틀림 폐루프 제어 모듈
210 조향 영역 내 기본 조향 토크
211 능동 복귀
212 셀프 센터링 감지
213 능동 댐핑
214 히스테리시스
220 오버스티어링 보조
221 언더스티어링 보조
230 외부 조향 기능
240 래크 힘, 동적 부분(ZSK-D)
241 래크 힘, 안락감 부분(ZSK-C)
242 조향 관련 변수
M_DS 토션 바 토크
SM 서보 모터
I_M 서보 모터 전류
yM_SM 모터 토크의 목표 사전설정 값
M_SM 모터 토크
M_VSK 모터 토크 파일럿 제어 성분
M_RK 모터 토크 폐루프 제어 성분
M_{DS, Appl .} 애플리케이션 토션 바 토크
v_FZG 차량 속도

Claims (12)

1. 자동차용 동력 보조 조향 시스템 내 전기 서보모터의 모터 토크에 대한 목표 사전설정 값(yM_SM)을 결정하기 위한 방법에 있어서,
   상기 목표 사전설정 값은,
   - 개루프 제어 부분을 형성하는 모터 토크 파일럿 제어 성분(M_VSK)과,
   - 폐루프 제어 부분을 형성하는 모터 토크 폐루프 제어 성분(M_RK)을 이용하여[여기서, 폐루프 제어 변수는 토션 바 토크(M_DS)임] 결정되고,
   상기 두 모터 토크 성분은 함수적으로 서로 결합되고, 그 결과 서보 모터(SM)의 모터 토크(M_SM)에 대한 목표 사전설정 값(yM_SM)이 결정되는 것을 특징으로 하는, 모터 토크에 대한 목표 사전설정 값의 결정 방법.
2. 제1항에 따른 목표 사전설정 값(yM_SM)의 결정 방법에 있어서,
   - 모터 토크 파일럿 제어 성분(M_VSK)은 적어도 토션 바 토크(M_DS)의 함수로서 결정되고,
   - 모터 토크 폐루프 제어 성분(M_RK)은 토션 바 토크(M_DS)와 애플리케이션 토션 바 토크(M_{DS, Appl .}) 사이의 폐루프 제어 편차의 함수로서 결정되는 것을 특징으로 하는, 모터 토크에 대한 목표 사전설정 값의 결정 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 모터 토크 폐루프 제어 성분(M_RK)은 폐루프 제어기(101)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 모터 토크에 대한 목표 사전설정 값의 결정 방법.
4. 제3항에 있어서, 모터 토크 폐루프 제어 성분(M_RK)은 최대로 제공 가능한 조향 고유 한계값(+/- M_RK,lim.)으로 제한되는 것을 특징으로 하는, 모터 토크에 대한 목표 사전설정 값의 결정 방법.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 모터 토크 폐루프 제어 성분(M_RK)은 차량 속도(v_FZG)의 함수로서 제한되는 것을 특징으로 하는, 모터 토크에 대한 목표 사전설정 값의 결정 방법.
6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 폐루프 제어기(101)는 범위 제한형(range-limited) PID 컨트롤러로서 구현되는 것을 특징으로 하는, 모터 토크에 대한 목표 사전설정 값의 결정 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 모터 토크 파일럿 제어 성분(M_VSK)은, 추가 입력 변수로서 차량 속도(v_FZG)가 공급되는 보조 특성곡선을 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는, 모터 토크에 대한 목표 사전설정 값의 결정 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 애플리케이션 토션 바 토크(M_DS,Appl.)는, 검출된 래크 힘(rack force)(RFM-C, RFM-D) 및/또는 추가 조향 고유 차량 변수 또는 주행 다이내믹 차량 변수를 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는, 모터 토크에 대한 목표 사전설정 값의 결정 방법.
9. 제8항에 있어서, 애플리케이션 토션 바 토크(M_{DS,Appl .})는 다양한 조향 기능 요소들에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는, 모터 토크에 대한 목표 사전설정 값의 결정 방법.
10. 프로그램 코드 수단을 구비한 컴퓨터 프로그램이며,
    상기 프로그램은, 컴퓨터의 마이크로프로세서, 특히 동력 보조 조향 시스템의 제어 유닛에서 실행될 경우 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 하기 위한 것인, 컴퓨터 프로그램.
11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록, 또는 제8항에 따른 컴퓨터 프로그램을 실행하도록 구성된, 동력 보조 조향 시스템의 제어 유닛.
12. 제11항에 따른 제어 유닛을 구비한 동력 보조 조향 시스템.

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