KR20160098890A - 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템 및 방법 - Google Patents

자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 스티어링 휠의 조작에 대응하여 조향력을 바퀴로 전달하는 자동차의 전동식 파워 스티어링(MDPS, Motor Driven Power Steering)의 모터를 제어하는데 있어서, 연산시간으로 인한 지연으로 발생하는 모터 회전자 위치의 오차를 추정하여 보상함으로써, 모터제어의 정밀도가 향상되고, 오차에 의한 무효전력을 최소화하고 소음, 진동 및 열의 발생을 감소시켜 제어의 효율성이 향상되는 효과가 있다.

Description

자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템 및 방법 {Motor Driven Power Steering System and Method for the Vehicles}
본 발명은 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 모터를 이용하는 주행방향 제어에 있어서, 스티어링 휠의 조작에 대응하여 효과적으로 차량의 주향방향을 제어하는 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근 차량 내 파워스티링 시스템은 배터리 전원으로부터 모터의 회전 힘을 이용하여 차량의 주행 방향을 제어하는 전동식 파워 스티어링 시스템(MDPS, Motor Driven Power Steering System)이 확대 되어가고 있다.
이러한 MDPS 시스템은, 운전자의 스티어링 휠 조작에 따라 입력에 대응하는 출력을 발생시키는 모터 제어부가 중요한 역할을 수행한다.
3상 교류모터의 중요한 제어 인자로는, 상전류 측정, 모터 회전자 위치, 데드타임, 디커플링(decoupling) 등이 있다. 특히, 벡터제어를 위한 3상에서 2상 변환시 모터 회전자의 위치가 가장 중요한 제어 인자가 된다.
모터 구동시 PWM 스위칭 주파수는 인간의 가청주파수 보다 높은 20Khz(50us이하)이상으로 해야 한다. 따라서, 모터제어기의 주기는 PWM(Pulse Width Modulation) 주파수와 동일하게 가져가는 것이 좋지만, 이를 위해서는 별도의 컨트롤러가 구비되어야 한다.
그에 따라 종래에는 모터제어기의 주기를 PWM 주기의 수배 이상으로 구동하였으며, 다음번 회전자 위치가 계산되기 전까지 동일한 회전자 위치를 갖고 PWM을 구동시키는 방법을 사용하였다.
그러나 초기 센싱한 모터 회전자의 위치로 복잡한 수식에 의해 모터 출력을 연산한 이후 모터 구동을 위한 PWM 출력까지 SW 연산 시간을 고려하면 실제 초기 연산한 모터 위치 이후 모터의 회전에 의해 연산 후 실제 출력을 내어주는 위치에 오차가 존재하게 된다.
이것은 3000rpm 이상 모터가 약계자 제어와 같이 고속으로 작동 할 수록 회전자의 오차는 커지게 된다. 이는 회전하는 모터에서 처음 계산된 회전자 위치에 대하여, 시간이 지남에 따라 오차가 누적되는 것으로, 이렇게 누적된 오차는 무효전력(reactive power)에 의한 소음, 열, 토크리플이 발생하게 되어 MDPS의 성능을 저하시키고, 또한 NVH(noise, vibration, harshness)문제를 야기할 수 있다.
본 발명의 목적은, 모터를 이용하는 차량의 주행방향 제어에 있어서, 모터의 회전자 위치를 추정하고 보상하여 오차를 감소시키는 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템은, 스티어링 휠의 조작에 대응하여 조향력을 바퀴로 전달하는 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템에 있어서, 상기 전동식 파워 스티어링(MDPS, Motor Driven Power Steering)은, 스티어링 기어를 동작시키는 모터, 상기 모터의 회전자 위치를 감지하는 위치감지부, 상기 모터의 동작에 따른 각속도를 측정하는 각속도감지부, 상기 모터로 동작전원을 공급하는 모터 구동부 및 상기 위치감지부 및 상기 각속도감지부의 측정값에 대응하여 상기 모터 구동부로 제어명령을 입력하는 모터제어부를 포함하고, 상기 모터제어부는 상기 모터 제어를 위한 제어신호를 연산하는데 소요되는 연산시간에 대응하여 상기 모터의 상기 회전자 위치에 대한 오차를 보상하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템의 방법은, 스티어링 휠의 조작에 대응하여 조향력을 바퀴로 전달하는 자동차의 전동식 파워 스티어링(MDPS, Motor Driven Power Steering)에 구비되는 모터의 회전자 위치를 감지하여, 상기 모터를 제어하기 위한 제어신호를 연산하는 단계, 상기 제어신호 연산에 소요되는 연산시간 동안 변경되는 상기 회전자 위치를추정하는 단계, 상기 회전자 위치에 대한 추정값을 이용하여 상기 회전자 위치를 보상하는 단계 및 보상된 상기 회전자 위치에 대응하여 상기 모터를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템 및 그 방법은, 3상 교류모터를 제어하는데 있어서 모터 회전자의 위치를 추정하고 보상하여 연산시간으로 인한 지연으로 발생하는 오차를 크게 감소시키고, 오차에 의한 무효전력을 최소화하고 소음, 진동 및 열의 발생을 감소시킴으로써 제어의 효율성이 향상되고 보다 정밀한 제어가 가능하여 차량의 안전성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템이 구비되는 자동차를 간략하게 도시한 도이다.
도 2 는 본 발명에 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템의 제어 구성이 도시된 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템의 제어흐름이 도시된 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템의 회전자 위치 보상을 통한 출력특성의 제 1 예가 도시된 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템의 회전자 위치 보상을 통한 출력특성의 제 2 예가 도시된 도이다.
도 6은 본 발명에 따른 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템의 회전자 위치 보상을 통한 출력특성의 제 3 예가 도시된 도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템이 구비되는 자동차를 간략하게 도시한 도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 자동차(1)는 운전자의 조작에 따라 차량의주행방향을 변경하는 스티어링 휠(2), 스티어링을 제어하는 전동식 파워 스티어링(MDPS, Motor Driven Power Steering)(3), 바퀴(4)에 연결되어 조향력을 전달하는 스티어링 기어(5)를 포함한다.
자동차(1)는 스티어링 휠(2)의 조향 입력에 따라 토크와 회전각을 감지하는 토크센서(미도시)와 각센서(미도시), 차량의 속도를 측정하는 속도센서, 차량 내부 및 외부에 설치되어 차량의 상태를 감지하는 복수의 센서를 더 포함하고, 차량 주행의 동작 전반을 제어하는 메인제어부(미도시)를 더 포함한다.
또한, 자동차(1)는 동력원으로써 엔진(또는 모터)(미도시)를 구비하고, 차량의 가속 또는 감소를 위한 엑셀러레이터(미도시)와 브레이크(미도시)가 구비되고, 기어를 변속하는 변속기(미도시), 차량 내부 및 외부에 설치되는 복수의 센서(미도시) 등의 구성을 더 포함하나, 그에 대한 설명은 하기에서 생략하기로 한다.
전동식 파워 스티어링(MDPS)(3)은 스티어링 휠(2)의 동작에 따라 차량의 주행방향을 설정하는데 있어서, 구비되는 모터의 동력을 이용하여 조향감을 조절하는 장치이다.
전동식 파워 스티어링(MDPS)(3)은 연결 구조에 따라 다양한 형태로 구성되는데, 도 1에서는 컬럼에 구비되어 스티어링 휠(2)을 직접 돌리는 방식인 C-MDPS인 것을 예로하여 설명한다. 이때 전동식 파워 스티어링(MDPS)(3)는 모터를 구비함으로써, 차량의 엔진 동력을 사용하지 않으므로 적은 출력으로 구동 가능하다.
전동식 파워 스티어링(MDPS)(3)은 토크센서 및 회전각 센서에 의해 스티어링 휠(2)의 조작이 감지되면, 스티어링 휠(2)의 조작에 따른 토크와 회전각에 대한 센서데이터와, 차량의 속도 및 차량의 상태데이터를 입력 받아, 구비되는 모터를 구동시켜 컬럼의 기어박스를 제어한다. 그에 따라 조향력이 칼럼으로부터 스티어링 기어(5)를 통해 바퀴(4)로 전달된다.
그에 따라 운전자는 손쉽게 스티어링 휠(2)을 조작할 수 있고, 스티어링 휠(2)의 조작에 따라 차량의 주행방향이 변경된다.
도 2 는 본 발명에 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템의 제어 구성이 도시된 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전동식 파워 스티어링(MDPS)(3)은 모터(140), 모터구동부(130), 전류제어기(120), 모터제어부(110), 위치감지부(150), 각속도감지부(170) 및 전류감지부(160)를 포함한다.
모터(140)는 입력되는 동작전원에 따라 구동되어, 스티어링휠(2)에 연결되는 컬럼의 기어박스를 동작시킨다.
전류감지부(160)는 모터(140)로 인가되는 3상의 전원에 대하여 그 전류를 감지한다. 위치감지부(150)는 모터(140)의 회전자의 위치를 감지하고, 각속도감지부(170)는 모터의 회전에 따른 각속도를 측정한다.
모터구동부(130)는 모터제어부(110)의 제어명령에 따라 전류제어기(120)로부터 입력되는 신호에 대응하여 모터(140)의 동작을 제어한다. 이때 모터구동부(130)는 전류제어기(120)로부터 입력되는 전압지령에 따라, 스위칭 주기에 따라 PWM제어를 수행하고 그에 따라 인버터(미도시)를 구동하여 모터(140)로 3상의 동작전원을 인가함으로써 모터의 동작을 제어한다.
모터구동부(130)는, 모터(140) 구동 시, PWM 스위칭 주파수를 인간의 가청주파수 보다 높은 20Khz(50us이하)이상으로 설정하고, 그에 따라 모터(140)의 제어 주기도 PWM 주파수와 동일하게 설정한다.
모터제어부(110)는 스티어링휠(2)의 조작, 또는 차량의 주행상태에 대응하여 전동식 파워 스티어링(MDPS)(3)가 동작하도록 제어한다.
모터제어부(110)는 차량의 상태, 토크센서 및 각센서의 입력에 대응하여 모터(140)가 동작하도록 함으로써, 전동식 파워 스티어링(MDPS)(3)이 동작하도록 제어한다. 이때 모터제어부(110)는 모터(140)를 제어하기 위한 전류지령을 전류제어기(120)로 인가한다.
또한, 모터제어부(110)는 전류감지부(160), 위치감지부(150) 및 각속도감지부(170)의 입력에 대응하여 회전자의 위치를 추정하고, 회전자의 위치에 대한 오차를 보상하여 전류제어기(120) 및 모터구동부(130)로 보상된 데이터를 인가하여, 모터(140)가 동작하도록 한다.
모터제어부(110)는 모터구동부(130)에서 백터제어를 위해 2상전원을 3상전원으로 변환하는 때, 중요한 제어요소로 작용하는 모터 회전자의 위치에 대하여, 그 오차를 보상함으로써 모터(140)에 대한 정밀제어가 가능하도록 한다.
모터(140) 제어 시, 모터구동부(130)는 제어주기를 PWM 주기의 수배 이상으로 하여, 다음번 회전자 위치가 계산되기 전까지 동일한 회전자 위치를 갖고 PWM을 구동시키는 방법을 사용한다.
이때 위치감지부(150)에 의해 측정되는 회전자의 위치는 지난 제어주기에서 측정된 값으로, 시간이 지남에 따라 오차가 누적된다. 또한, 실제 모터 회전자 위치를 바탕으로 모터(140)의 출력을 연산하는데에도 시간이 소요된다.
모터제어부(110)는 이러한 연산시간을 고려하여 모터 회전자의 위치를 추정하고 보상하여, 모터구동부(130)가 보상된 회전자 위치를 바탕으로 모터(140)를 제어하도록 한다.
모터제어부(110)는 회전자의 위치를 추정하기 위해, 위치를 이용한 추정, 속도를 이용한 추정, 그리고 위치 및 속도 추정을 혼합하여 산출할 수 있다. 이하, 속도를 이용한 모터의 회전자 위치를 추정하고 보상하는 것에 대해 설명하기로 한다.
모터제어부(110)는 모터(140)의 속도를 이용하여 회전자의 위치를 추정한다. 모터제어부(110)는 각속도감지부(170)에 의해 감지되는 모터(140)의 각속도를 이용하여 회전자의 위치를 추정할 수 있다.
이때, 모터제어부(110)는 모터 제어에 따른 연산 및 제어수행에 따른 소요시간이 달라지므로, 이를 모터제어에 적용한다. 모터 제어에 있어서, 연산시간은 타이머를 이용하여 계측 가능하고, 또는 별도로 오실로스코프 또는 SymTa 같은 툴을 이용하여 계측되어 입력될 수 있다.
모터제어부(110)는 이러한 연산시간을 상수값 T_sw로써 모터 회전자의 위치 추정 및 보상에 사용한다.
또한, 모터제어부(110)는 회전자 위치 추정에 있어서, 모터(140)의 속도가 관성에 의해 한 제어주기 동안 일정하다고 가정하고, 모터위치를 앞서 설명한 연산시간(T_sw)를 이용하여 다음 수학식1과 같이 연산한다.
Figure pat00001
여기서, Δθ_est는 회전자 위치 추정값이고, T_sw는 연산시간에 대한 상수값,ω는 모터의 각속도, P는 모터 극수이다.
이러한 속도를 이용한 위치 추정은 속도가 가변되는 경우 적용할 수 있다. 등속도인 경우에는 위치를 이용한 추정이 더 유리할 수 있다.
또한, 모터제어부(110)는 이와 같이 산출된 회전자 위치의 추정값을 다음의 수학식2를 통해 보상한다.
Figure pat00002
여기서, Δθ_est는 회전자 위치 추정값이고, θ_real 은 모터의 위치감지부(160)로부터 계측된 값이다.
즉, 모터제어부(110)는 위치감지부(160)로부터 측정된 값에 추정값을 합산하여 모터 회전자의 위치를 보상한다.
앞서 설명한 바와 같이, 위치감지부(160)로부터 측정되는 모터(140)의 회전자 위치를 바탕으로 모터(140)의 출력을 연산하고, 모터의 출력에 대한 데이터가 피드백되어 모터를 제어하기 까지 소정의 시간이 소요된다.
즉, 초기 센싱한 모터 회전자의 위치로부터 모터 출력을 연산한 이후 모터 구동을 위한 PWM 출력까지 연산 시간을 고려하면 실제 초기 연산한 모터 위치이후 모터의 회전에 의해 연산 후 실제 출력을 내어주는 위치에 오차가 존재하게 된다.
예를 들어, 모터(140)가 정격 1200rpm 로 회전하는 경우 연산시간은 약25us이고, 그에 따라 최대 0.54도의 오차가 발생한다.
연산시간만큼 회전자의 위치가 변경되어 오차가 발생하므로, 모터제어부(110)는 실제 회전자 위치에 추정값을 가산하여 회전자 위치를 보상한다.
도 3은 본 발명에 따른 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템의 제어흐름이 도시된 흐름도이다.
모터제어부(110)는 모터(140)를 제어하기 위한 전류지령을 생성하고(S120), 피드백되는 모터 출력에 대한 전류값을 전류지령에 가산하여(S123, S124) 전류제어기(120)로 인가한다. 이때, 모터제어부(110)는 Q축, D축에 대한 전류지령을 인가한다(S121, S122).
이때 피드백되는 전류값 또한, Q축, D축 전류에 대한 데이터이다.
전류제어기(120)는 입력되는 전류지령에 대응하여 전압지령을 모터구동부(130)로 인가한다(S130). 전류제어기(120)는 입력되는 전류지령에 대응하여, 획득된 회전자 위치와 전류감지부(160)의 상전류 값으로부터 전압지령을 생성한다.
모터구동부(130)는 입력되는 전압지령을 변환하여 PWM 제어를 통해 모터(140)를 제어한다(S140). 모터구동부(130)는 전류제어기(120)로부터 입력되는 신호에 대응하여 스위칭제어를 수행하고, 그에 따라 2상의 전원을 3상의 전원으로 변환하여 모터(140)로 인가한다.
전동식 파워 스티어링(MDPS)(3)의 모터(140)는 공급되는 동작전원으로 회전동작한다(S150).
모터(140)가 동작하는 중, 모터(140)의 위치감지부(150)는 위치센서의 측정값으로터 모터의 회전자 위치를 연산한다(S181). 또한, 각속도감지부(170)는 모터의 회전동작에 따른 각속도를 측정한다.
모터제어부(110)는 각속도감지부(170)로부터 각속도 측정값을 입력 받아, 모터의 회전자 위치를 추정한다(S182). 모터제어부(110)는 앞서 설명한 속도에 따른 회전자 위치 추정에 따라 수학식1을 바탕으로 회전자의 위치를 추정한다(S182).
또한, 모터제어부(110)는 실제 회전자의 위치와, 추정된 회전자의 위치를 가산하여 모터의 회전자 위치를 보상한다(S183).
이와 같이 보상된 모터의 회전자 위치는 전류제어기(120) 및 모터구동부(130)로 입력되어 모터제어 시 제어요인으로써 사용된다.
한편, 모터(140)가 동작하는 중, 전류감지부(160)는 모터(140)의 전류를 감지한다.
또한, 모터제어부(110)는 연산된 회전자 위치로부터 모터의 출력을 연산하여(S160), Q축, D축에 대한 전류값으로 산출한다(S170). 이와 같이 산출되는 전류값은 피드백되어 이를 다음 제어주기에서 전류지령에 가산된다(S123, S124).
모터제어부(110)는 이와 같은 제어를 반복하여 전동식 파워 스티어링(MDPS)(3)가 동작하도록 한다.
도 4는 본 발명에 따른 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템의 회전자 위치 보상을 통한 출력특성의 제 1 예가 도시된 도이다. 도 4는 위치를 이용한 위치 추정방식이 적용된 실시예이다.
전동식 파워 스티어링(MDPS)(3)은 모터제어부(110)에서 모터 회전자 위치를 추정하여 보상하고, 보상된 회전자 위치를 바탕으로 모터(140)를 제어한다.
모터제어부(110)가 위치를 이용한 추정방식을 사용하는 경우 다음의 수학식이 적용된다.
Figure pat00003
이러한 추정방식은 등속일 때, 관성에 의해 속도변화가 없다는 가정하에 사용된다.
Figure pat00004
도 4에 도시된 바와 같이, 모터(140)가 구동하고, 위치감지부(150)에 의해 측정되는 모터 회전자의 위치(S1)는 그 회전각이 시간에 비례하여 증가한다. 한편, 보상된 모터 회전자 위치(S2)는 시간이 경과함에 따라, 제어주기(dt) 단위로 회전각이 단계적으로 증가하게 된다. 이때, 실제 모터 회전자 위치(S1)과 보상된 모터 회전자 위치(S2) 간의 차이(E1)(A, B)가 오차가 된다.
위치를 이용한 추정을 이용하는 경우, 제 1 시간(t1)에서 위치연산을 시작하면, 연산시점에서 모터 회전자의 위치는, 회전각 Δ_advance(n-1)에서 Δ_advance(n)으로 증가하고, 두번째 위치연산이 시작되는 제 2 시간(t2)에서 Δ_advance(n+1)로 증가한다.
이때 실제 모터 회전자 위치는 제 1 시간(t1)에 θ(n)이고, 제 2 시간에 θ(n+1)이 된다.
제 1 시간(t1)에서는 보상된 모터 회전자의 위치가 실제 모터 회전자 위치보다 크고, 제2 시간(t2)에는 실제 모터 회전자 위치가 보상된 모터 회전자 위치보다 커진다.
또한, 제 1 시간(t1)과 제 2 시간(t2) 사이에, 실제 모터 회전자 위치와 보상된 모터 회전자 위치가 일치하게 된다.
실제 모터 회전자 위치와 보상된 모터 회전자 위치는 오차(E1)이 존재하기는 하나, 종래에 비해 1/2으로 감소하게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템의 회전자 위치 보상을 통한 출력특성의 제 2 예가 도시된 도이다.
도 5의 a는 종래 기술에 따른 모터 회전자의 위치이고 도 5의 b는 앞서 설명한 속도를 이용한 추정방법을 사용하는 경우 모터 회전자의 위치가 도시된 도이다.
도 5의 a에 도시된 바와 같이, 실제 모터 회전자 위치(S11)에 추종하여 측정된 모터 회전자 위치(S12)가 단계적으로 증가한다. 즉 측정된 시점에서 연산을 하여 다음 측정 시까지 동일한 값이 유지되므로 시간이 경과함에 따라 오차는 증가한다.
제 3시간(t11)에 위치연산을 수행하면, 이때, 측정된 모터 회전자 위치는 0에서 θ_real로 실제 모터의 위치와 동일한 값이 사용된다.
시간이 경과되어 다음 제어주기(dt2)의 제 5 시간(t13)이 되면, 위치연산을 시작하고, 실제 모터 회전자 위치를 바탕으로 위치연산을 시작한다. 이때, 측정된 모터 회전자 위치 간의 차이(θ_err)가 크게 증가한다. 그에 따라 누적되는 오차는 측정된 모터 회전자 위치(D11)와 실제 모터 회전자 위치(S12)사이의 면적C에 해당하게 된다.
제 3 시간(t11)에서의 첫번째 위치연산에 따라, 연산시간(T_sw)(dt3)이 경과한 제 4 시간(t12)에 PWM을 인가하게 된다.
연산에는 소정의 시간이 소요되므로, 연산시간이 경과한 후 PWM제어를 수행하게 되는데, 이때 제 4시간(t12)에서의 PWM제어는 제 3시간(t11)에 측정된 회전자 위치를 바탕으로 하므로, 제 4시간(t12)에서의 실제 모터 회전자 위치와 제어하는 PWM신호에 사용된 회전자 위치가 상이하므로 그만큼 오차가 발생한다.
즉 제 4 시간(t12)에 PWM제어를 수행하는 때, 지난 제 3 시간(t11)의 회전자 위치를 이용하므로, 제어하는 신호와 제어시점의 회전자 위치가 상이하므로 그그에 따른 오차가 발생한다. 특히 연산시간이 길어질수록 오차는 커진다.
한편, 도 5의b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 속도를 이용한 모터 회전자 위치에 대하여 보상을 수행하는 경우, 제 3시간(t11)에서의 위치연산 시, 실제 모터 회전자 위치를 측정하여 위치연산을 수행한다. 이때 회전자 위치는 θ_real가 된다.
이때, 모터제어부(110)는 측정된 모터 회전자 위치를 바탕으로 연산을 수행하되, 연산시간(T_sw)을 고려하고 그에 해당하는 모터 회전자 위치를 추정하고, 이를 제 3시간(t11)에서의 모터 회전자 위치에 가산하여 보상한다.
그에 따라, 제 3 시간(t11)의 첫번째 위치연산으로부터 연산시간(T_sw)(dt3)가 경과한 제 4 시간(t12)에서, PWM 제어를 수행한다.
이때 PWM제어신호는 앞서 설명한 바와 같이 위치연산시간(T_sw)(dt3)까지 고려하여 보상된 모터 회전자 위치인 Δ_advance가 적용된 신호이다. 즉 제 4시간(t12)에서의 오차(D)만큼 위치를 추정하여 보상함으로써 오차를 최소화하고 나아가, 실제 모터 회전자 위치와 일치하도록 한다.
다음 제어주기(dt2)인 제 5시간(t13)에는 모터 회전자 위치를 측정하고, 앞서설명한 바와 같이 연산시간을 고려하여 회전자 위치를 추정하여 이를 보상함으로써 다음 PWM제어를 수행한다.
그에 따라 PWM제어시점인 제 4 시간(t12)에서, 실제 모터 회전자 위치와 PWM신호에 적용되는, 보상된 모터 회전자 위치 간의 오차는 감소하게 된다. 나아가 PWM신호에 적용된 보상된 모터 회전자 위치가 실제 모터 회전자 위치와 일치하게 되고 그에 따라 오차없이 모터 제어가 가능해 진다.
도 6은 본 발명에 따른 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템의 회전자 위치 보상을 통한 출력특성의 제 3 예가 도시된 도이다.
앞서 설명한 바와 같이 오차 보상을 통해 PWM제어 시점에서 실제 모터 회전자 위치에 따라 제어할 수 있다.
이하, 연산시간이 긴 제어기의 경우에 대하여 오차 보상을 통한 모터제어를 수행하는 경우에 대하여 설명하기로 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 연산시간(T_sw)(dt4)가 긴 경우, 제 6시간(t21)에서의 모터 회전자 위치를 바탕으로 위치연산을 시작하면, 연신시간이 경과되는 시점인 제 7 시간(t22)에서 실제 모터 회전자 위치와 제 6시간에서의 모터 회전자 위치간에는 오차가 크게 증가하게 된다.
그에 따라 제 7 시간(t22)에, PWM제어를 수행하는 경우 오차가 증가함에 따라 그에 따른 모터 제어에도 문제가 발생할 수 있다.
반면, 본 발명의 전동식 파워 스티어링(MDPS)(3)은, 도 6b에 도시된 바와 같이, 측정된 모터의 회전자 위치에 대하여 연신시간을 고려하여 변경되는 회전자 위치를 추정하여 보상한다.
제 6시간(t21)에 연산을 시작하여 연산시간이 오래 걸리더라도, 연산시간에 대응하는 위치 보상을 통해 제 7 시간(t22)에 PWM제어를 수행하므로, 모터 회전자 위치에 따른 오차없이 모터(140)를 제어할 수 있다. 연산시간이 긴 경우에도 그에 대응하여 보상하므로 연산시간의 길이에 관계없이 정밀한 제어를 수행할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템을 구성함으로써, MDPS의 모터제어 시, 연산시간으로 인한 오차를 최소화 하고, 연산시간을 고려하여 보상함으로써 정밀한 모터제어가 가능하다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
1: 자동차 2: 스티어링 휠
3: 전동식 파워 스티어링(MDPS) 4: 바퀴
110: 모터제어부 120: 전류제어기
130: 모터구동부 140: 모터
150: 전류감지부 160: 위치감지부
170: 각속도감지부

Claims (14)

  1. 스티어링 휠의 조작에 대응하여 조향력을 바퀴로 전달하는 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템에 있어서,
    상기 전동식 파워 스티어링(MDPS, Motor Driven Power Steering)은,
    스티어링 기어를 동작시키는 모터;
    상기 모터의 회전자 위치를 감지하는 위치감지부;
    상기 모터의 동작에 따른 각속도를 측정하는 각속도감지부;
    상기 모터로 동작전원을 공급하는 모터 구동부; 및
    상기 위치감지부 및 상기 각속도감지부의 측정값에 대응하여 상기 모터 구동부로 제어명령을 입력하는 모터제어부;를 포함하고,
    상기 모터제어부는 상기 모터 제어를 위한 제어신호를 연산하는데 소요되는 연산시간에 대응하여 상기 모터의 상기 회전자 위치에 대한 오차를 보상하는 것을 특징으로 하는 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터제어부는 상기 위치감지부로부터 감지되는 상기 모터의 회전자 위치에 따라 상기 모터를 제어하기 위한 제어신호를 연산하는 중, 상기 연산시간 동안 변경되는 상기 회전자 위치를 추정하여, 상기 회전자 위치를 보상하는 것을 특징으로 하는 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터구동부는 상기 모터제어부로부터 입력되는 상기 회전자 위치의 보상값에 대응하여 상기 모터를 PWM 제어하는 것을 특징으로 하는 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터제어부는 연산 시작 시점에서 상기 위치감지부로부터 감지되는 상기 모터의 상기 회전자 위치에 따른 연산값에, 상기 연산시간 동안 변경되는 상기 회전자 위치에 대한 추정값을 합산하여 상기 회전자 위치를 보상하는 것을 특징으로 하는 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터제어부는 상기 위치감지부로부터 감지된 상기 회전자 위치와 상기 각속도감지부로부터 감지되는 각속도를 이용하여, 상기 연산시간 동안 변경되는 상기 회전자의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터제어부는 상기 연산시간으로 인한 지연에 대응하여, 상기 회전자의 위치를 다음의 수학식에 따라 추정하는 것을 특징으로 하는 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템.
    Δθ_est = ω*T_sw * P/2
    (여기서, Δθ_est는 상기 회전자 위치에 대한 추정값이고, T_sw는 상기 연산시간에 대한 상수값, ω는 상기 모터의 각속도, P는 상기 모터의 극수이다.)
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터제어부는 상기 연산시간에 따라 상기 회전자의 위치를 보상하여 상기 모터구동부에 의해 PWM제어를 수행하는 시점에서, 상기 회전자의 위치에 대한 오차가 0이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산시간을 카운트 하는 타이머를 더 포함하고,
    상기 모터제어부는 상기 타이머에 의해 측정되는 상기 연산시간을 입력 받아,상기 연산시간에 대한 상기 회전자 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터제어부는 상기 연산시간을 외부로부터 입력 받아, 상기 연산시간에 대한 상기 회전자 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템.
  10. 스티어링 휠의 조작에 대응하여 조향력을 바퀴로 전달하는 자동차의 전동식 파워 스티어링(MDPS, Motor Driven Power Steering)에 구비되는 모터의 회전자 위치를 감지하여, 상기 모터를 제어하기 위한 제어신호를 연산하는 단계;
    상기 제어신호 연산에 소요되는 연산시간 동안 변경되는 상기 회전자 위치를추정하는 단계;
    상기 회전자 위치에 대한 추정값을 이용하여 상기 회전자 위치를 보상하는 단계; 및
    보상된 상기 회전자 위치에 대응하여 상기 모터를 제어하는 단계; 를 포함하는 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템의 제어방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    각속도감지부로부터 입력되는 상기 모터에 대한 각속도와, 상기 연산시간에 에 대응하여, 상기 연산시간 동안 변경되는 상기 회전자 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템의 제어방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    초기 감지된 상기 회전자 위치에 대한 연산값에, 상기 회전자 위치에 대한 추정값을 합산하여 상기 회전자 위치를 보상하는 것을 특징으로 하는 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템의 제어방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 연산시간을 미리 측정하여 상기 회전자 위치에 대한 추정값을 산출하는 것을 특징으로 하는 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템의 제어방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어신호에 대한 연산이 종료되는 시점에서, 보상된 상기 회전자 위치에 따라 상기 모터에 대한 PWM제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 자동차의 전동식 파워 스티어링 시스템의 제어방법.
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