KR20170080398A - 전동식 조향 장치의 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동식 조향 장치의 제어 장치에 관한 것으로서, 이 제어 장치는 조향 토크 신호를 미분하여 제1 보상 토크 값을 계산하고, 조향 각속도와 차속에 따라 각각 보간 함수 값을 계산하며, 이들을 곱하여 제2 보상 토크 값을 계산하고, 제2 보상 토크 값에 기초하여 최종 보상 토크 값을 계산한다. 이에 따라 전동식 조향 장치의 조향감을 향상시킬 수 있다.

Description

전동식 조향 장치의 제어 장치 및 방법 {Control apparatus and method for electric power steering}

본 발명은 전동식 조향 장치의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전동식 조향 장치의 조향감 개선을 위한 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

전동식 파워 조향 장치의 마찰력은 건조 마찰(Dry Friction), 정적 마찰(Static Friction), 스트리벡 마찰(Stribeck Friction), 점성 마찰(Viscous Friction) 등의 조합으로 구할 수 있다. 여기서 정적 마찰과 건조 마찰은 스트리벡 효과에 의해 비선형 마찰 특성을 갖게 되는데, 이로 인하여 운전자의 조향 토크 입력 시나 조향 방향 전환 시 등 조향 각속도가 제로 근처에서는 큰 마찰력을 가지며, 조향 각속도가 증가하면서 정적 마찰력이 지수적으로 감소하게 된다.

이러한 비선형 특성을 갖는 정적 마찰력은 운전자의 조향 휠 반전 시 걸림감으로 나타나게 되는데, 이는 전동식 조향 장치의 조향감을 떨어뜨리는 주요한 원인이 된다.

비선형 정적 마찰 모델을 사용하여 보상 로직을 설계함에 있어서 로직을 구성하는 방정식의 파라미터 값들에 대한 정확한 측정이 어렵고 수식이 복잡하여 구현이 어렵다.

공개특허공보 10-2015-0025639

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 복잡한 정적 마찰 모델을 사용하지 않으면서도 조향 토크 입력 시나 조향 방향 전환 시 전동식 조향 장치의 조향감을 개선시킬 수 있는 전동식 조향 장치의 제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전동식 조향 장치의 제어 장치는, 조향 토크 신호를 미분하여 제1 보상 토크 값을 계산하고, 조향 각속도에 따라 제1 보간 함수 값을 계산하고, 차속에 따라 제2 보간 함수 값을 계산한 후 상기 제1 보상 토크 값과 상기 제1 및 제2 보간 함수 값을 곱하여 제2 보상 토크 값을 계산하고, 상기 제2 보상 토크 값에 기초하여 최종 보상 토크 값을 계산하는 신호 처리부, 그리고 상기 최종 보상 토크 값에 따라 보조 토크 값을 생성하여 모터를 구동하는 제어부를 포함한다.

상기 신호 처리부는 상기 미분된 조향 토크 신호를 대역 통과 필터에 통과시켜 상기 제1 보상 토크 값을 산출하고, 상기 제2 보상 토크 값을 저역 통과 필터에 통과시켜 상기 최종 보상 토크 값을 산출할 수 있다.

상기 대역 통과 필터의 특성을 변화하기 위한 설계 파라미터는 상기 조향 각속도에 따른 보간 함수로 적용될 수 있다.

상기 제1 보간 함수 값은 상기 조향 각속도가 0일 때 가장 크고, 상기 조향 각속도가 특정 값일 때 가장 작을 수 있다.

상기 제2 보간 함수 값은 상기 차속이 제1 차속 값일 때보다 제2 차속 값일 때 더 크고, 상기 제1 차속 값은 상기 제2 차속 값보다 클 수 있다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동식 조향 장치의 제어 방법은 조향 토크 신호를 미분하여 제1 보상 토크 값을 계산하는 단계, 조향 각속도에 따라 제1 보간 함수 값을 계산하는 단계, 차속에 따라 제2 보간 함수 값을 계산하는 단계, 제1 보상 토크 값과 상기 제1 및 제2 보간 함수 값을 곱하여 제2 보상 토크 값을 계산하는 단계, 상기 제2 보상 토크 값에 기초하여 최종 보상 토크 값을 계산하는 단계, 그리고 상기 최종 보상 토크 값에 따라 보조 토크 값을 생성하여 모터를 구동하는 단계를 포함한다.

상기 제1 보상 토크 값 계산 단계는 상기 미분된 조향 토크 신호를 대역 통과 필터에 통과시켜 상기 제1 보상 토크 값을 산출하는 단계를 포함하고, 상기 최종 보상 토크 값 계산 단계는 상기 제2 보상 토크 값을 저역 통과 필터에 통과시켜 상기 최종 보상 토크 값을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 복잡한 정적 마찰 모델을 사용하지 않으면서도 조향 토크 입력 시나 조향 휠의 방향 전환 시 조향 휠의 걸림감을 없애 전동식 조향 장치의 조향감을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전동식 조향 장치의 제어 장치를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전동식 조향 장치의 신호 처리부가 적용되지 않은 경우의 조향 토크를 도시한 파형도이다.
도 3은 조향 각속도에 따른 정적 마찰력 특성을 도시한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시한 제어 장치의 신호 처리부의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 필터 파라미터의 보간 함수의 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 보간 함수의 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 보간 함수의 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 보상 토크를 도시한 파형도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전동식 조향 장치의 신호 처리부가 적용된 경우의 조향 토크를 도시한 파형도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전동식 조향 장치의 신호 처리 방법을 도시한 흐름도이다.

이하에서 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전동식 조향 장치의 제어 장치를 도시한 블록도이다.

도 1를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 전동식 조향 장치의 제어 장치(10)는 신호 처리부(300)와 제어부(400)를 포함하며, 전동식 조향 장치의 토크 센서(100), 조향 각 센서(200) 및 차속 센서(600)로부터 조향 토크 신호, 조향 각 신호 및 차속 신호를 각각 받아 적절한 신호 처리 및 제어를 통하여 전동식 조향 장치의 모터(500)를 구동한다.

토크 센서(100)는 운전자가 조향 휠(도시하지 않음)을 회전시킴에 따라 생성되는 조향 토크를 감지하여 조향 토크 신호를 제공한다.

조향 각 센서(200)는 조향 휠의 회전에 따른 조향 각을 감지하여 조향 각 신호를 제공한다. 이와 달리 전동식 조향 장치에서 조향 각 센서(200) 대신에 조향 각속도 센서가 구비되어 조향 각속도 신호가 제공될 수도 있다.

차속 센서(600)는 차량의 속도를 측정하여 차속 신호를 제공하는 센서로서 리드 스위치 방식이나 홀 센서 방식 등을 가리지 않는다. 한편 차속 센서(600) 대신 변속기 제어 장치(TCU)와 같이 차속 신호를 처리할 수 있는 장치가 차속 신호를 제공할 수도 있다.

신호 처리부(300)는 조향 토크 신호 및 조향 각 신호를 받아 전동식 조향 장치의 전체 시스템과 차량의 동적 거동을 안정화시키는 신호 처리를 수행한다. 특히, 신호 처리부(300)는 조향감을 저해시키는 물리적 특성들 중 정적 마찰력을 보상할 수 있는 신호 처리를 수행하며, 이를 위하여 조향 토크에 포함되어 있는 정적 마찰 성분을 적절히 보상한 보상 토크 신호를 생성하여 제어부(400)에 제공한다.

제어부(400)는 신호 처리부(300)로부터의 보상 토크 신호를 이용하여 모터(500) 구동을 위한 보조 토크 신호를 생성하고, 모터(500)를 동작시키기 위한 알고리즘을 수행하며 전동식 조향 장치의 각종 드라이버를 제어한다.

모터(500)는 전동식 조향 장치의 기구부(도시하지 않음)에 보조 토크를 전달하여 운전자의 조향을 도와준다.

한편 본 발명의 실시예에 따른 전동식 조향 장치의 조향 토크를 보상하기 위한 신호 처리부를 설명하기에 앞서 전동식 조향 장치의 조향 토크에 대하여 도 2를 참고하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 전동식 조향 장치의 신호 처리부가 적용되지 않은 경우의 조향 토크(SWT)를 도시한 파형도이다. 즉, 전동식 조향 장치가 장착된 차량에서 본 발명의 실시예에 따른 정적 마찰 보상이 이루어지지 않은 경우의 조향 토크(SWT)를 도시한 파형도이다.

도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 정적 마찰 보상이 이루어지지 않은 경우 조향 각속도가 감소함에 따라 운전자의 조향 토크 변화량은 커지게 된다. 이것은 도 3에 도시한 바와 같이 정적 마찰 특성 중 스트리벡 효과에 의해 마찰력이 감소하는 구간에서 운전자의 요구 토크가 줄어들게 되어 나타나는 현상이다.

그러면 이러한 비선형 정적 마찰력에 의한 조향 토크 신호를 보상하여 조향감을 향상시킬 수 있는 신호 처리부(300)에 대하여 도 4를 참고하여 좀 더 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 신호 처리부의 블록도이다.

신호 처리부(300)는 미분기(310), 대역 통과 필터(320), 제1 및 제2 보간 함수 연산기(330, 340), 곱셈기(350), 그리고 저역 통과 필터(360)를 포함한다.

미분기(310)는 조향 토크 신호를 미분한다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 신호 처리부(300)는 운전자의 조향 토크 신호를 미분한 값을 이용하여 기본적인 정적 마찰 보상을 위한 신호 처리를 수행한다. 조향 토크 신호의 미분 값을 이용하면 조향 휠이 반전되는 순간을 알 수 있으므로 조향 토크 신호의 반전 시 나타나는 정적 마찰 특성을 보상할 수 있다.

도 4에 도시한 것처럼 본 발명의 실시예에 따른 신호 처리부(300)는 복잡한 정적 마찰 모델을 구성하지 않고, 정적 마찰이 발생할 때의 조향 토크 변화량을 정적 마찰력으로 사용하기 위한 정적 마찰 보상 로직이다.

대역 통과 필터(320)는 조향 토크 신호의 변화량에 대해 특정 대역 성분을 추출할 수 있으며 이를 통하여 제어 성능을 높일 수 있다. 대역 통과 필터(320)는 다음과 같은 버터워스 필터(Butterworth filter)로 설계될 수 있으나 이에 한정되지 않으며 다른 종류의 다양한 필터로 설계될 수 있다.

대역 통과 필터(320)는 2차 이상의 전달 함수로 구성되며 디지털화를 위해 Z변환을 통해 입력에 대한 출력 수식으로 변경된다. 여기서 주파수 영역에서 전달 함수 출력에 대한 위상과 이득의 변화에 관여하는 설계 파라미터는 전달 함수의 구조에 따라 그 개수와 설계 파라미터의 설계 수식이 변경될 수 있다. 이렇게 설계된 파라미터 값이 고정되면 운전자의 조향 토크의 변화에 따라 선형적인 출력 값을 계산하기 어려우므로 조향 각속도, 조향 토크 신호의 변화량에 따라 설계 파라미터가 변화될 수 있도록 설계 파라미터에 보간 함수를 적용하도록 한다.

도 5는 대역 통과 필터의 설계 파라미터(ω_c, B) 값을 조향 각속도에 따른 보간 함수로 적용한 것을 나타내고 있다. 조향 각속도가 변함에 따라 대역 통과 필터(320)의 특성을 변화하기 위해 설계 파라미터들에 보간 함수를 적용한 것이다.

제1 보간 함수 연산기(330)는 조향 각속도를 입력 받아 조향 각속도에 따라 정적 마찰 보상 토크 값을 조절할 수 있는 이득을 조절할 수 있다. 도 6은 예시적인 조향 각속도의 보간 함수의 그래프이다. 조향 각속도가 증가하면 정적 마찰력은 특정 값에서 감소하다가 다시 증가하므로 이러한 특성이 잘 반영되도록 보간 함수를 튜닝한다.

제2 보간 함수 연산기(340)는 차속을 입력 받아 차속에 따라 정적 마찰 보상 토크 값을 조절할 수 있는 이득을 조절할 수 있다. 도 7은 예시적인 차속의 보간 함수의 그래프이다. 차속이 작은 구간에서 정적 마찰력이 크기 때문에 차속이 작은 구간에서는 보간 함수의 출력을 크게 설정하고 반대의 경우에는 보간 함수의 출력을 작게 설정한다.

곱셈기(350)는 대역 통과 필터(320)의 출력 값, 제1 및 제2 보간 함수 연산기(330, 340)의 출력 값을 곱한다.

저역 통과 필터(360)는 조향 토크 변화량에 대한 고주파 리플을 제거할 수 있으며, 다음과 같이 적용할 수 있다.

전달 함수는 다음과 같다.

디지털 변환은 다음과 같이 할 수 있다.

디지털 변환 과정은 다음과 같다.

여기서, T는 Sampling Time이며, a = 2*pi*cutoff frequency 이다. T와 a 값도 조향 각속도 및 조향 토크 변화량에 따라 변경될 수 있도록 보간 함수 테이블로 구성될 수 있다.

저역 통과 필터(360)의 출력이 최종 보상 토크가 되며, 이를 도 8에 나타냈다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 정적 마찰 보상을 위한 신호 처리가 수행될 때의 조향 토크를 나타낸 그래프이다. 조향 각속도가 작은 정적 마찰 구간에서 조향 토크 신호 레벨이 도 2에 도시한 조향 토크 신호 레벨에 비해 높아진 것을 볼 수 있으며, 이를 통해 본 발명의 정적 마찰 보상 신호 처리가 효과적임을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전동식 조향 장치의 신호 처리부의 신호 처리 방법에 대하여 도 10을 참고하여 설명한다. 다만 앞선 실시예의 전동식 조향 장치의 신호 처리부(10)에서 설명한 내용과 동일한 부분에 대하여는 설명을 생략한다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전동식 조향 장치의 신호 처리 방법을 도시한 흐름도이다.

먼저 본 발명의 실시예에 따른 전동식 조향 장치의 신호 처리부(300)는 토크 센서(100)로부터 입력된 조향 토크 신호를 미분한 후 대역 통과 필터를 통과시켜 제1 보상 토크 값을 계산한다(S110).

신호 처리부(300)는 조향각 센서(200) 또는 조향 각속도 센서로부터 얻을 수 있는 조향 각속도 신호를 이용하여 제1 보간 값을 계산한다(S120).

그리고 신호 처리부(300)는 차속 센서(600)로부터의 차속 신호를 이용하여 제2 보간 값을 계산한다(S130).

신호 처리부(300)는 제1 보상 토크 값과 제1 및 제2 보간 값을 곱하여 제2 보상 토크 값을 계산한다(S140).

그런 후 신호 처리부(300)는 제2 보상 토크 값을 저역 통과 필터에 통과시켜 최종 보상 토크 값을 계산한다(S150).

이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.

10: 전동식 조향 장치의 제어 장치
100: 토크 센서
200: 조향각 센서
300: 신호 처리부
310: 미분기
320: 대역 통과 필터
330, 340: 보간 함수 연산기
350: 곱셈기
360: 저역 통과 필터
400: 제어부
500: 모터
600: 차속 센서

Claims (10)

1. 조향 토크 신호를 미분하여 제1 보상 토크 값을 계산하고, 조향 각속도에 따라 제1 보간 함수 값을 계산하고, 차속에 따라 제2 보간 함수 값을 계산한 후 상기 제1 보상 토크 값과 상기 제1 및 제2 보간 함수 값을 곱하여 제2 보상 토크 값을 계산하고, 상기 제2 보상 토크 값에 기초하여 최종 보상 토크 값을 계산하는 신호 처리부, 그리고
   상기 최종 보상 토크 값에 따라 보조 토크 값을 생성하여 모터를 구동하는 제어부
   를 포함하는 전동식 조향 장치의 제어 장치.
2. 제1항에서,
   상기 신호 처리부는 상기 미분된 조향 토크 신호를 대역 통과 필터에 통과시켜 상기 제1 보상 토크 값을 산출하고, 상기 제2 보상 토크 값을 저역 통과 필터에 통과시켜 상기 최종 보상 토크 값을 산출하는 전동식 조향 장치의 제어 장치.
3. 제2항에서,
   상기 대역 통과 필터의 특성을 변화하기 위한 설계 파라미터는 상기 조향 각속도에 따른 보간 함수로 적용되는 전동식 조향 장치의 제어 장치.
4. 제1항에서,
   상기 제1 보간 함수 값은 상기 조향 각속도가 0일 때 가장 크고, 상기 조향 각속도가 특정 값일 때 가장 작은 전동식 조향 장치의 제어 장치.
5. 제1항에서,
   상기 제2 보간 함수 값은 상기 차속이 제1 차속 값일 때보다 제2 차속 값일 때 더 크고, 상기 제1 차속 값은 상기 제2 차속 값보다 큰 전동식 조향 장치의 제어 장치.
6. 조향 토크 신호를 미분하여 제1 보상 토크 값을 계산하는 단계,
   조향 각속도에 따라 제1 보간 함수 값을 계산하는 단계,
   차속에 따라 제2 보간 함수 값을 계산하는 단계,
   제1 보상 토크 값과 상기 제1 및 제2 보간 함수 값을 곱하여 제2 보상 토크 값을 계산하는 단계,
   상기 제2 보상 토크 값에 기초하여 최종 보상 토크 값을 계산하는 단계, 그리고
   상기 최종 보상 토크 값에 따라 보조 토크 값을 생성하여 모터를 구동하는 단계
   를 포함하는 전동식 조향 장치의 제어 방법.
7. 제6항에서,
   상기 제1 보상 토크 값 계산 단계는 상기 미분된 조향 토크 신호를 대역 통과 필터에 통과시켜 상기 제1 보상 토크 값을 산출하는 단계를 포함하고, 상기 최종 보상 토크 값 계산 단계는 상기 제2 보상 토크 값을 저역 통과 필터에 통과시켜 상기 최종 보상 토크 값을 산출하는 단계를 포함하는 전동식 조향 장치의 제어 방법.
8. 제7항에서,
   상기 대역 통과 필터의 특성을 변화하기 위한 설계 파라미터는 상기 조향 각속도에 따른 보간 함수로 적용되는 전동식 조향 장치의 제어 방법.
9. 제6항에서,
   상기 제1 보간 함수 값은 상기 조향 각속도가 0일 때 가장 크고, 상기 조향 각속도가 특정 값일 때 가장 작은 전동식 조향 장치의 제어 방법.
10. 제6항에서,
    상기 제2 보간 함수 값은 상기 차속이 제1 차속 값일 때보다 제2 차속 값일 때 더 크고, 상기 제1 차속 값은 상기 제2 차속 값보다 큰 전동식 조향 장치의 제어 방법.

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