KR20190003874A - 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치 및 방법 - Google Patents

전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치 및 방법은, 조향축에 인가되는 컬럼토크를 검출하는 컬럼토크 센서, 차량의 차속을 검출하는 차속 센서, 조향휠의 조향각속도를 검출하는 조향각 센서, 및 컬럼토크 센서 및 차속 센서로부터 컬럼토크 및 차속을 각각 입력받아 컬럼토크의 고주파 영역을 제어하기 위한 고주파 보조 이득을 산출하고, 조향각 센서로부터 입력받은 조향각속도, 및 MDPS(Motor Driven Power Steering) 모터로 인가되는 모터 전류를 토대로 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인지 여부를 판단하여 그 판단 결과에 따라 고주파 보조 이득을 보상하며, 보상된 고주파 보조 이득을 이용하여 컬럼토크 및 차속으로부터 산출되는 보조토크의 고주파 특성을 보상하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치 및 방법{APPARATUS FOR COMPENSATING TORQUE OF MOTOR DRIVEN POWER STEERING SYSTEM AND METHOD THEREOF}
본 발명은 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 운전자의 조향감을 개선하기 위한 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치 및 방법에 관한 것이다.
차량의 전동식 파워 스티어링 시스템(이하 MDPS: Motor Driven Power Steering)은 차량 조향 시 운전자가 스티어링 휠에 가해야 하는 조향 토크의 일부를 보조 동력원을 이용하여 제공함으로서 조향을 용이하게 하는 장치이다.
이러한 MDPS 시스템은, 운전자의 조향 의도를 스티어링 휠에 직결된 토크 센서를 통해 감지하고 이 신호를 MDPS 시스템이 전달받아 현재의 차속 등을 고려하여 알맞은 힘을 제공하도록 전동 모터를 구동함으로써 운전자의 조향력을 보조한다. MDPS 시스템은 자동차의 주정차 시 또는 저속운전 시에는 큰 힘을 보조해 운전자의 힘을 덜고, 고속주행 시에는 작은 힘만을 보조하도록 함으로써 차체의 안정성이 유지될 수 있도록 한다.
한편, 이러한 MDPS 시스템이 탑재된 차량에 있어서, 운전자의 조향 상태에 따라 운전자가 스티어링 휠을 통해 느끼는 조향감을 개선하기 위한 시스템이 요청된다. 특히 운전자가 조타를 반전시키는 경우, MDPS 시스템에 구비되는 기구의 마찰, 관성 또는 MDPS 모터의 응답성 부족으로 인해 순간적인 로드(Load)가 발생하여 운전자가 끈적거리는 듯한 조향감을 느끼게 되는 문제점이 존재하며, 또한 운전자가 스티어링 휠을 홀딩(Holding)하고 있는 경우, 토크 센서 및 MDPS 모터의 전류를 검출하는 전류 센서의 노이즈로 인해 스티어링 휠을 통해 미세한 진동 및 소음이 전달되어 운전자의 조향감이 저하되는 문제점이 존재한다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2005-0046726호(2005.05.18. 공개)에 개시되어 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 스티어링 휠의 조향 상태가 조타 반전 상태 또는 조타 홀딩 상태인 경우에 운전자가 느끼게 되는 조향 위화감을 제거하여 운전자의 조향감을 향상시키기 위한 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치는, 조향축에 인가되는 컬럼토크를 검출하는 컬럼토크 센서, 차량의 차속을 검출하는 차속 센서, 조향휠의 조향각속도를 검출하는 조향각 센서, 및 상기 컬럼토크 센서 및 상기 차속 센서로부터 컬럼토크 및 차속을 각각 입력받아 상기 컬럼토크의 고주파 영역을 제어하기 위한 고주파 보조 이득을 산출하고, 상기 조향각 센서로부터 입력받은 조향각속도, 및 MDPS(Motor Driven Power Steering) 모터로 인가되는 모터 전류를 토대로 상기 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인지 여부를 판단하여 그 판단 결과에 따라 상기 고주파 보조 이득을 보상하며, 상기 보상된 고주파 보조 이득을 이용하여 상기 컬럼토크 및 상기 차속으로부터 산출되는 보조토크의 고주파 특성을 보상하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 조향각속도를 시간에 대하여 미분하여 산출되는 조향 각 가속도가 0의 값으로 수렴하고, 상기 모터 전류의 크기가 미리 설정된 기준치 이상이면 상기 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인 경우 상기 고주파 보조 이득을 상향 보상하고, 상기 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태가 아닌 경우 상기 고주파 보조 이득을 유지 보상하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 컬럼토크 및 상기 차속에 기초하여 보상 필터의 보상 특성을 결정하고, 상기 보상 특성이 결정된 보상 필터 및 상기 보상된 고주파 보조 이득을 이용하여 상기 보조토크의 고주파 특성을 보상하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 보상 필터는 제1 보상 필터 및 제2 보상 필터를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1 보상 필터를 통해 상기 보조토크를 1차 보상하고, 상기 1차 보상된 보조토크와 상기 보상된 고주파 보조 이득을 합산한 결과를 상기 제2 보상 필터를 통해 2차 보상하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 제2 보상 필터의 보상 특성을, 상기 컬럼토크가 미리 설정된 기준토크 미만이면 래그(Lag) 필터 특성으로 결정하고 상기 컬럼토크가 상기 기준토크 이상이면 리드(Lead) 필터 특성으로 결정하며, 상기 제1 보상 필터의 보상 특성을 상기 제2 보상 필터의 보상 특성과 상보적으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 고주파 특성이 보상된 보조토크를 차단 주파수가 가변인 가변 저역 필터(V-LPF: Variable-Low Pass Filter)를 통해 필터링하여 상기 고주파 특성이 보상된 보조토크의 고주파 노이즈를 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 조향각속도 및 상기 차속에 근거하여 상기 가변 저역 필터의 차단 주파수를 가변적으로 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 조향각속도에 근거하여 판단되는 상기 조향휠의 조향 상태가 조타 홀딩 상태인 경우, 상기 가변 저역 필터의 차단 주파수를 미리 설정된 기준 주파수 이하의 값으로 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 방법은, 제어부가, 조향축에 인가되는 컬럼토크 및 차량의 차속에 근거하여 상기 컬럼토크의 고주파 영역을 제어하기 위한 고주파 보조 이득을 산출하는 단계, 상기 제어부가, 조향휠의 조향각속도, 및 MDPS(Motor Driven Power Steering) 모터로 인가되는 모터 전류를 토대로 상기 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인지 여부를 판단하고 그 판단 결과에 따라 상기 고주파 보조 이득을 보상하는 단계, 및 상기 제어부가, 상기 보상된 고주파 보조 이득을 이용하여 상기 컬럼토크 및 상기 차속으로부터 산출되는 보조토크의 고주파 특성을 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 운전자의 조향감을 개선하기 위한 별도의 기구적인 장치 없이, 컬럼토크의 주파수 특성을 보상하는 로직만을 적용하여 조타 반전 상태 또는 조타 홀딩 상태 시의 운전자의 조향감을 향상시킬 수 있고, 운전자의 조향 상태에 따라 컬럼토크의 주파수 특성을 가변적으로 보상하여 운전자의 조향감을 실시간으로 최적화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치를 설명하기 위한 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치에서 조타 반전 시의 출력 변화를 나타낸 보드 선도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치에서 조타 홀딩 시의 출력 변화를 나타낸 보드 선도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치에서 일반 조타 시의 출력 변화를 나타낸 보드 선도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치 및 방법의 실시예를 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치를 설명하기 위한 블록구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치에서 조타 반전 시의 출력 변화를 나타낸 보드 선도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치에서 조타 홀딩 시의 출력 변화를 나타낸 보드 선도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치에서 일반 조타 시의 출력 변화를 나타낸 보드 선도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치는 컬럼토크 센서(100), 차속 센서(200), 조향각 센서(300), 모터 전류 센서(400) 및 제어부(500)를 포함할 수 있고, 제어부(500)는 조타 반전 보상부(510), 보조토크 산출부(530), 보조토크 보상부(550) 및 조타 홀딩 보상부(570)를 포함할 수 있다.
컬럼토크 센서(100)는 운전자가 조향휠을 조타함에 따라 조향축에 인가되는 컬럼토크(T)를 검출하여 후술할 제어부(500)로 전달할 수 있다. 컬럼토크 센서(100)에 의해 검출된 컬럼토크(T)는 후술할 것과 같이 MDPS 모터를 구동하기 위한 보조토크와, 보조토크의 고주파 특성을 보상하기 위한 고주파 보조 이득을 산출하는데 사용될 수 있다.
차속 센서(200)는 차량의 차속(V)을 검출하여 제어부(500)로 전달할 수 있다. 차속 센서(200)로는 차륜의 회전속도를 이용하여 차속을 검출하는 센서, 엔진 회전수(RPM: Revolution Per Minute)를 측정하여 차속을 검출하는 센서, 및 GPS(Global Positioning System)를 이용하여 차속을 검출하는 센서 등 다양한 센서가 모두 포함될 수 있다. MDPS 시스템은 차량의 저속 주행 시에는 큰 힘을 보조해 운전자의 힘을 덜고, 고속 주행 시에는 작은 힘만을 보조하도록 함으로써 차체의 안정성이 유지되도록 하는 기능을 수행하므로, 차속 센서(200)에 의해 검출된 차속(V)은 보조토크, 고주파 보조 이득 및 후술할 보상 특성 게인을 산출하는데 고려되는 파라미터로서 기능할 수 있다.
조향각 센서(300)는 조향휠의 조향각속도(ω)를 검출하여 후술할 제어부(500)로 전달할 수 있다. 조향각센서는 광센서(optical sensor)를 포함하여 조향각속도(ω)를 검출할 수도 있고, 조향각을 측정하여 시간에 대하여 미분함으로써 조향각속도(ω)를 검출할 수도 있다. 조향각센서에 의해 검출된 조향각속도(ω)는 후술할 것과 같이 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인지 여부를 판단하기 위해 사용될 수 있으며, 가변 저역 필터의 차단주파수를 가변적으로 조절하기 위해 사용될 수 있다.
모터 전류 센서(400)는 MDPS 모터로 인가되는 모터 전류(I)를 검출하여 제어부(500)로 전달할 수 있다. 모터 전류 센서(400)에 의해 검출된 모터 전류(I)는 후술할 것과 같이 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인지 여부를 판단하기 위해 사용될 수 있다.
제어부(500)는 컬럼토크(T) 및 차속(V)으로부터 산출된 보조토크의 주파수 특성을 보상할 수 있다. 이를 위해 제어부(500)는 조타 반전 보상부(510), 보조토크 산출부(530), 보조토크 보상부(550) 및 조타 홀딩 보상부(570)를 포함할 수 있으며, 상기 각 구성의 기능을 개괄적으로 설명하면 다음과 같다.
조타 반전 보상부(510)는 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인 경우 보조토크의 고주파 특성을 보상함으로써, 조타 반전 시 기구의 마찰, 관성 또는 MDPS 모터의 응답성 부족으로 인해 순간적인 로드(Load)가 발생하여 운전자가 느끼는 끈적거리는 듯한 조향감이 저감되도록 할 수 있다.
보조토크 산출부(530)는 컬럼토크 센서(100) 및 차속 센서(200)로부터 컬럼토크(T) 및 차속(V)을 각각 입력받아 전동식 조향장치를 보조할 보조토크를 산출할 수 있다.
보조토크 보상부(550)는 보조토크의 전체적인 주파수 특성을 보상하는 역할을 수행할 수 있으며, 즉 시스템의 공진점을 회피하고 컬럼토크(T)의 크기에 따라 후술할 보상 필터의 보상 특성을 결정하여 운전자의 조향감을 최적화시키는 역할을 수행할 수 있다.
조타 홀딩 보상부(570)는 조향휠의 조향 상태가 조타 홀딩 상태인 경우 컬럼토크 센서(100) 및 모터 전류 센서(400)의 노이즈로 인한 조향휠의 진동을 제거할 수 있으며, 나아가 보조토크 보상부(550)에 의해 고주파 특성이 보상된 보조토크의 고주파 영역 노이즈를 제거하는 역할을 수행할 수 있다.
조타 반전 보상부(510), 보조토크 보상부(550) 및 조타 홀딩 보상부(570)는 도 1에 도시된 것과 같이 유기적으로 조합되어 기능함으로써 운전자의 조향감을 개선하는 역할을 수행할 수 있으며, 이하에서는 상기 각 구성을 통해 제어부(500)가 보조토크의 주파수 특성을 보상하는 과정을 구체적으로 설명한다.
먼저 조타 반전 보상부(510)에 대하여 설명한다.
MDPS 시스템에 있어서 기구의 마찰 또는 관성으로 인한 MDPS 모터의 응답성 저감 현상을 개선하기 위해서는 고주파 영역의 응답성을 높여야 할 필요가 있다. 이때, 조향휠의 조향 상태와 무관하게 컬럼토크(T)의 고주파 영역을 제어하기 위한 고주파 보조 이득을 일률적으로 상향 보상할 경우, 노면이나 기구적인 특성으로부터 야기되는 노이즈까지 증폭시켜 진동이 더 쉽게 발생할 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위하여 본 실시예에서는 조타 반전 보상부(510)를 통해 조타 반전 시에만 고주파 보조 이득을 보상함으로써 운전자의 조향감을 향상시킬 수 있다.
도 1에 도시된 것과 같이 조타 반전 보상부(510)는 고주파 보조 이득 산출부(511), 조향 각 가속도 산출부(513), 조타 반전 판단부(515) 및 고주파 보상 게인 산출부(517)를 포함할 수 있다.
고주파 보조 이득 산출부(511)는 컬럼토크 센서(100) 및 차속 센서(200)로부터 컬럼토크(T) 및 차속(V)을 각각 입력받아 컬럼토크(T)의 고주파 영역을 제어하기 위한 고주파 보조 이득을 산출할 수 있다. 고주파 보조 이득은 보조토크의 고주파 영역에서의 개별 제어 자유도를 향상시켜 빠른 응답성과 다양한 조향감을 구현하기 위한 파라미터로서, 후술할 것과 같이 고주파 보상 게인에 의해 상향 보상되고 1차 보상된 보조토크와 합산되어 2차 보상될 수 있다.
조향 각 가속도 산출부(513)는 조향각 센서(300)로부터 입력받은 조향각속도(ω)를 시간에 대하여 미분하여 조향 각 가속도를 산출할 수 있다.
조타 반전 판단부(515)는 조향 각 가속도 산출부(513)로부터 입력받은 조향 각 가속도 및 모터 전류 센서(400)로부터 입력받은 모터 전류(I)를 토대로 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인지 여부를 판단할 수 있다. 이때, 조타 반전 판단부(515)는 조향 각 가속도가 0의 값으로 수렴하고, 모터 전류(I)의 크기가 미리 설정된 기준치 이상이면 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인 것으로 판단할 수 있다. 조타 반전 판단부(515)는 조타 반전 상태 여부를 판단한 결과를 고주파 보상 게인 산출부(517)로 전달할 수 있다.
고주파 보상 게인 산출부(517)는 조타 반전 판단부(515)로부터 조타 반전 상태 여부를 판단한 결과를 전달받아 고주파 보조 이득을 보상하기 위한 고주파 보상 게인을 산출할 수 있다. 고주파 보상 게인의 값은 차량 또는 MDPS 시스템의 사양, 및 설계자의 의도에 따라 실험적 결과에 기초하여 다양하게 설계되어 고주파 보상 게인 산출부(517)에 미리 설정되어 있을 수 있다. 고주파 보상 게인 산출부(517)는 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인 경우, 고주파 보조 이득을 상향 보상하기 위한 값의 고주파 보상 게인을 산출할 수 있고(예: 고주파 보상 게인 > 1), 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태가 아닌 경우, 고주파 보조 이득 산출부(511)에 의해 산출된 고주파 보조 이득이 유지되도록 하기 위한 값의 고주파 보상 게인을 산출할 수 있다(예: 고주파 보상 게인 = 1).
조타 반전 보상부(510)는 상기와 같이 산출된 고주파 보조 이득과 고주파 보상 게인을 곱함으로써 고주파 보조 이득을 보상할 수 있다. 이에 따라 조타 반전 보상부(510)는 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인 경우 고주파 보조 이득을 상향 보상하고, 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태가 아닌 경우 고주파 보조 이득을 유지 보상할 수 있다.
보상된 고주파 보조 이득은 후술할 것과 같이 1차 보상된 보조토크와 합산되어 보조토크의 고주파 특성을 보상하는데 사용될 수 있으며, 이에 따라 고주파 응답성이 향상되어 조타 반전 시 기구의 마찰, 관성 또는 MDPS 모터의 응답성 부족으로 인해 순간적인 로드(Load)가 발생하여 운전자가 느끼는 끈적거리는 듯한 조향감이 저감될 수 있다.
도 2는 조타 반전 시의 출력 변화를 나타낸 보드 선도로서, 도 2에 도시된 것과 같이 본 실시예는 고주파 보상 게인을 통해 고주파 특성을 보상하여 고주파 응답성을 향상시킴으로써 조타 반전 시 운전자의 조향감을 개선할 수 있으며, 조타 반전 시에만 고주파 보조 이득을 상향 보상하므로 추가적인 보상에 따라 고주파 노이즈가 증가하는 등의 부수적으로 수반될 수 있는 문제점을 방지할 수 있다.
다음으로 보조토크 보상부(550)에 대하여 설명한다.
보조토크 보상부(550)는 조타 반전 시, 조타 홀딩 시 및 일반 조타 시 보조토크 산출부(530)에 의해 산출된 보조토크의 전체적인 주파수 특성을 보상하는 역할을 수행할 수 있으며, 즉 시스템의 공진점을 회피하고 컬럼토크(T)의 크기에 따라 후술할 보상 필터의 보상 특성을 결정하여 운전자의 조향감을 최적화시키는 역할을 수행할 수 있다.
도 1에 도시된 것과 같이 보조토크 보상부(550)는 보상 특성 게인 결정부(551), 역수부(553), 보상 필터를 포함할 수 있고, 보상 필터는 제1 보상 필터(555) 및 제2 보상 필터(557)를 포함할 수 있다. 보조토크 보상부(550)는 상기 구성을 통해, 컬럼토크(T) 및 차속(V)에 기초하여 보상 필터의 보상 특성을 결정하고, 보상 특성이 결정된 보상 필터 및 조타 반전 보상부(510)에 의해 보상된 고주파 보조 이득을 이용하여 보조토크 산출부(530)에 의해 산출된 보조토크의 고주파 특성을 보상할 수 있다. 이하에서는 보조토크 보상부(550)의 동작을 그 세부적인 구성으로 구체적으로 설명한다.
보상 특성 게인 결정부(551)는 컬럼토크(T) 및 차속(V)을 입력받아 보상 필터의 보상 특성을 결정하는 보상 특성 게인을 산출할 수 있다. 보상 특성 게인은 제1 보상 필터(555) 및 제2 보상 필터(557)의 보상 특성을 각각 리드(Lead) 필터 특성 및 래그(Lag) 필터 특성으로 설정할지, 또는 각각 래그 필터 특성 및 리드 필터 특성으로 설정할지 여부를 결정하는 파라미터를 의미한다. 보상 특성 게인 결정부(551)는 미리 설정된 컬럼토크(T) 및 차속(V)에 대한 보상 특성 게인 관계 정보를 이용하여 보상 특성 게인을 결정할 수 있으며, 상기 관계 정보는 컬럼토크(T) 및 차속(V)과 보상 특성 게인의 매핑 정보, 룩업테이블, 또는 컬럼토크(T) 및 차속(V)에 대한 보상 특성 게인의 함수 등 다양한 방식으로 보상 특성 게인 결정부(551)에 미리 설정되어 있을 수 있다.
본 실시예에서 보조토크 보상부(550)는 제2 보상 필터(557)의 보상 특성을, 컬럼토크(T)가 미리 설정된 기준토크 미만이면 래그(Lag) 필터 특성으로 결정하고, 컬럼토크(T)가 기준토크 이상이면 리드(Lead) 필터 특성으로 결정할 수 있다. 이때, 보조토크 보상부(550)는 보상 특성 게인 결정부(551)에 의해 결정된 보상 특성 게인을 이용하여 제2 보상 필터(557)의 보상 특성을 결정하고, 역수부(553)를 통해 역수로 전환된 보상 특성 게인을 이용하여 제1 보상 필터(555)의 보상 특성을 결정함으로써, 제1 보상 필터(555)의 보상 특성과 제2 보상 필터(557)의 보상 특성을 상보적으로 결정할 수 있다.
전술한 내용 및 도 1을 참조하여 보조토크 보상부(550)의 동작을 구체적으로 설명하면, 보조토크 보상부(550)는 제1 보상 필터(555)를 통해 보조토크 산출부(530)로부터 출력된 보조토크를 1차 보상하고, 1차 보상된 보조토크와 조타 반전 보상부(510)에 의해 보상된 고주파 보조 이득을 합산한 결과를 제2 보상 필터(557)를 통해 2차 보상할 수 있다.
컬럼토크(T)가 기준토크 미만인 경우, 제1 보상 필터(555)는 리드 필터로 동작하고 제2 보상 필터(557)는 래그 필터로 동작한다. 이에 따라 저주파 응답성은 낮추고 고주파의 응답성을 살려 조향 시 든든감을 유지시키는 동시에 반응성을 향상시킬 수 있다. 반면, 컬럼토크(T)가 기준토크 이상인 경우, 즉 운전자가 급조타를 하는 등의 상황의 경우 제1 보상 필터(555)는 래그 필터로 동작하고 제2 보상 필터(557)는 리드 필터로 동작한다. 이에 따라 저주파와 고주파의 응답성을 모두 살리는 동시에 효과적으로 진동을 저감시켜 쾌적화된 조향감을 제공할 수 있다.
다음으로, 조타 홀딩 보상부(570)에 대하여 설명한다.
도 1에 도시된 것과 같이 조타 홀딩 보상부(570)는 차단주파수 결정부(571) 및 가변 저역 필터(V-LPF: Variable-Low Pass Filter, 573)를 포함할 수 있다.
운전자가 조향휠을 홀딩(Holding)하고 있는 경우, 컬럼토크 센서(100) 및 MDPS 모터의 전류를 검출하는 모터 전류 센서(400)의 노이즈로 인해 조향휠을 통해 미세한 진동 및 소음이 전달되어 운전자의 조향감이 저하될 수 있다. 따라서 본 실시예에서 조타 홀딩 보상부(570)는 조향각속도(ω)에 근거하여 판단되는 조향휠의 조향 상태가 조타 홀딩 상태인 경우, 보조토크 보상부(550)에 의해 고주파 특성이 보상된 보조토크(즉, 2차 보상된 보조토크)를 가변 저역 필터(573)를 통해 필터링하여 고주파 특성이 보상된 보조토크의 고주파 노이즈를 제거할 수 있다. 이때 조타 홀딩 보상부(570)는 조향각속도(ω)가 0에 수렴하는 경우 운전자가 조향휠을 홀딩하고 있다고 판단할 수 있다.
이때, 차량이 주행하는 경우 대비 정차 조건에서 조향휠의 홀딩에 따른 진동에 의한 조향 이질감이 더 크므로, 차단주파수 결정부(571)는 조향각속도(ω)과 함께 차속(V)도 고려하여 가변 저역 필터(573)의 차단주파수를 결정할 수 있다. 차단주파수 결정부(571)는 미리 설정된 조향각속도(ω) 및 차속(V)에 대한 차단주파수 관계 정보를 이용하여 가변 저역 필터(573)의 차단주파수를 결정할 수 있으며, 상기 관계 정보는 조향각속도(ω) 및 차속(V)과 차단주파수의 매핑 정보, 룩업테이블, 또는 조향각속도(ω) 및 차속(V)에 대한 차단주파수의 함수 등 다양한 방식으로 차단주파수 결정부(571)에 미리 설정되어 있을 수 있다.
상기한 방식을 통해 운전자가 조향휠을 홀딩하고 있는 상태에서 컬럼토크 센서(100) 및 모터 전류 센서(400)의 노이즈로 인해 발생하는 진동을 효과적으로 제거할 수 있다.
나아가, 종래의 MDPS 시스템은 운전자의 일반 조타 시, 시스템 공진점에 해당하는 공진 주파수만을 회피하고 다른 주파수 영역에서는 모두 응답하도록 설계된다. 그러나, 일반적으로 운전자가 조타 시 민감하게 영향을 주는 주파수 영역은 100Hz 영역 이하이며, 그 이상의 고주파 영역은 MDPS 시스템에 구비되는 센서 또는 외부 환경에 의한 노이즈가 존재하는 주파수 영역이므로, 운전자의 조향 이질감을 제거하기 위해서는 고주파 영역의 노이즈를 필터링할 필요성이 있다. 따라서, 조타 홀딩 보상부(570)는 가변 저역 필터(573)를 통해 고주파 영역의 노이즈를 제거하는 역할을 수행할 수 있다.
즉, 조타 홀딩 보상부(571)는 고주파 특성이 보상된 보조토크를 차단 주파수가 가변인 가변 저역 필터(573)를 통해 필터링하여 고주파 특성이 보상된 보조토크의 고주파 노이즈를 제거하되, 특히 조향각속도에 근거하여 판단되는 조향휠의 조향 상태가 조타 홀딩 상태인 경우, 가변 저역 필터의 차단 주파수를 미리 설정된 기준 주파수 이하의 값으로 조절하는 방식을 이용하여 조타 홀딩 시 조향휠에 발생하는 진동을 효과적으로 저감시킬 수 있다.
도 3은 조타 홀딩 시의 출력 변화를 나타낸 보드 선도로서, 도 3에 도시된 것과 같이 본 실시예는 정차 상태에서 운전자가 조타 홀딩 시, 컬럼토크 센서(100) 및 모터 전류 센서(400)의 고주파 노이즈로 인한 진동을 가변 저역 필터(573)를 통해 저감시킬 수 있다. 또한 운전자가 조타 홀딩 상태에서 다시 조타를 시작하는 경우 가변 저역 필터(573)의 차단주파수를 바로 가변시킴으로써 조타 시에는 고주파 영역의 응답성을 다시 높일 수도 있다.
도 4는 운전자의 일반 조타 시의 출력 변화를 나타낸 보드 선도로서, 도 4에 도시된 것과 같이 운전자가 일반 조타 시, 운전자가 민감하는 반응하는 주파수 영역 외의 주파수 영역의 응답성을 감소시켜 센서 또는 외부 환경에 의한 고주파 노이즈를 저감시킴으로써 운전자에게 개선된 조향감을 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 방법을 설명하면, 먼저 제어부(500)는 조향축에 인가되는 컬럼토크(T) 및 차량의 차속(V)에 근거하여 컬럼토크(T)의 고주파 영역을 제어하기 위한 고주파 보조 이득을 산출한다(S100).
이어서, 제어부(500)는 조향휠의 조향각속도(ω), 및 MDPS(Motor Driven Power Steering) 모터로 인가되는 모터 전류(I)를 토대로 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인지 여부를 판단하고 그 판단 결과에 따라 S100 단계에서 산출된 고주파 보조 이득을 보상한다(S200).
S200 단계에서 제어부(500)는, 조향각속도(ω)를 시간에 대하여 미분하여 산출되는 조향 각 가속도가 0의 값으로 수렴하고, 모터 전류(I)의 크기가 미리 설정된 기준치 이상이면 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인 것으로 판단할 수 있다. 또한, 제어부(500)는 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인 경우 고주파 보조 이득을 상향 보상하고, 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태가 아닌 경우 고주파 보조 이득을 유지 보상할 수 있다. 고주파 보상 게인을 통해 고주파 보조 이득을 보상하는 과정은 전술한 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.
이어서, 제어부(500)는 S200 단계를 통해 보상된 고주파 보조 이득을 이용하여 컬럼토크(T) 및 차속(V)으로부터 산출되는 보조토크의 고주파 특성을 보상한다(S300).
S300 단계에서 제어부(500)는 컬럼토크(T) 및 차속(V)에 기초하여 보상 필터의 보상 특성을 결정하고, 보상 특성이 결정된 보상 필터 및 S200 단계를 통해 보상된 고주파 보조 이득을 이용하여 보조토크의 고주파 특성을 보상할 수 있다. 이때, 보상 필터는 제1 보상 필터(555) 및 제2 보상 필터(557)를 포함할 수 있으며, 이에 따라 제어부(500)는 제1 보상 필터(555)를 통해 보조토크를 1차 보상하고, 1차 보상된 보조토크와 보상된 고주파 보조 이득을 합산한 결과를 제2 보상 필터(557)를 통해 2차 보상할 수 있다. 컬럼토크(T)에 따라 결정되는 보상 특성 게인에 의해 제1 및 제2 보상 필터(555, 557)는 그 보상 특성이 상보적으로 결정될 수 있음은 전술한 것과 같으며, 이에 따라 컬럼토크(T)에 따라 최적화된 조향감을 운전자에게 제공할 수 있고, 또한 제1 및 제2 보상 필터(555, 557)가 각각 리드 및 래그 필터로 동작하는 경우, 및 각각 래그 및 리드 필터로 동작하는 경우 모두 고주파 응답성이 향상되므로, 조타 반전 시 순간적인 로드(Load)가 발생하여 운전자가 느끼는 끈적거리는 듯한 조향감이 저감될 수 있다.
이어서, 제어부(500)는 S300 단계를 통해 고주파 특성이 보상된 보조토크를 차단 주파수가 가변인 가변 저역 필터(573)를 통해 필터링하여 고주파 특성이 보상된 보조토크의 고주파 노이즈를 제거한다(S400).
이때, 제어부(500)는 조향각속도(ω) 및 차속(V)에 근거하여 가변 저역 필터(573)의 차단 주파수를 가변적으로 조절할 수 있으며, 이에 따라 조향각속도(ω) 및 차속(V)에 근거하여 정차 조건에서 조타 홀딩 상태인 경우 조향휠에 발생하는 진동을 저감시킬 수 있고, 나아가 일반 조타 상태에서의 고주파 노이즈 또한 제거할 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 운전자의 조향감을 개선하기 위한 별도의 기구적인 장치 없이, 컬럼토크의 주파수 특성을 보상하는 로직만을 적용하여 조타 반전 상태 또는 조타 홀딩 상태 시의 운전자의 조향감을 향상시킬 수 있고, 운전자의 조향 상태에 따라 컬럼토크의 주파수 특성을 가변적으로 보상하여 운전자의 조향감을 실시간으로 최적화할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100: 컬럼토크 센서
200: 차속 센서
300: 조향각 센서
400: 모터 전류 센서
500: 제어부
510: 조타 반전 보상부
511: 고주파 보조 이득 산출부
513: 조향 각 가속도 산출부
515: 조타 반전 판단부
517: 고주파 보상 게인 산출부
530: 보조토크 산출부
550: 보조토크 보상부
551: 보상 특성 게인 결정부
553: 역수부
555: 제1 보상 필터
557: 제2 보상 필터
570: 조타 홀딩 보상부
571: 차단주파수 결정부
573: 가변 저역 필터
T: 컬럼토크
V: 차속
ω: 조향각속도
I: 모터 전류

Claims (17)

  1. 조향축에 인가되는 컬럼토크를 검출하는 컬럼토크 센서;
    차량의 차속을 검출하는 차속 센서;
    조향휠의 조향각속도를 검출하는 조향각 센서; 및
    상기 컬럼토크 센서 및 상기 차속 센서로부터 컬럼토크 및 차속을 각각 입력받아 상기 컬럼토크의 고주파 영역을 제어하기 위한 고주파 보조 이득을 산출하고, 상기 조향각 센서로부터 입력받은 조향각속도, 및 MDPS(Motor Driven Power Steering) 모터로 인가되는 모터 전류를 토대로 상기 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인지 여부를 판단하여 그 판단 결과에 따라 상기 고주파 보조 이득을 보상하며, 상기 보상된 고주파 보조 이득을 이용하여 상기 컬럼토크 및 상기 차속으로부터 산출되는 보조토크의 고주파 특성을 보상하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 조향각속도를 시간에 대하여 미분하여 산출되는 조향 각 가속도가 0의 값으로 수렴하고, 상기 모터 전류의 크기가 미리 설정된 기준치 이상이면 상기 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인 경우 상기 고주파 보조 이득을 상향 보상하고, 상기 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태가 아닌 경우 상기 고주파 보조 이득을 유지 보상하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 컬럼토크 및 상기 차속에 기초하여 보상 필터의 보상 특성을 결정하고, 상기 보상 특성이 결정된 보상 필터 및 상기 보상된 고주파 보조 이득을 이용하여 상기 보조토크의 고주파 특성을 보상하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보상 필터는 제1 보상 필터 및 제2 보상 필터를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 제1 보상 필터를 통해 상기 보조토크를 1차 보상하고, 상기 1차 보상된 보조토크와 상기 보상된 고주파 보조 이득을 합산한 결과를 상기 제2 보상 필터를 통해 2차 보상하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제2 보상 필터의 보상 특성을, 상기 컬럼토크가 미리 설정된 기준토크 미만이면 래그(Lag) 필터 특성으로 결정하고 상기 컬럼토크가 상기 기준토크 이상이면 리드(Lead) 필터 특성으로 결정하며, 상기 제1 보상 필터의 보상 특성을 상기 제2 보상 필터의 보상 특성과 상보적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 고주파 특성이 보상된 보조토크를 차단 주파수가 가변인 가변 저역 필터(V-LPF: Variable-Low Pass Filter)를 통해 필터링하여 상기 고주파 특성이 보상된 보조토크의 고주파 노이즈를 제거하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 조향각속도 및 상기 차속에 근거하여 상기 가변 저역 필터의 차단 주파수를 가변적으로 조절하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 조향각속도에 근거하여 판단되는 상기 조향휠의 조향 상태가 조타 홀딩 상태인 경우, 상기 가변 저역 필터의 차단 주파수를 미리 설정된 기준 주파수 이하의 값으로 조절하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 장치.
  10. 제어부가, 조향축에 인가되는 컬럼토크 및 차량의 차속에 근거하여 상기 컬럼토크의 고주파 영역을 제어하기 위한 고주파 보조 이득을 산출하는 단계;
    상기 제어부가, 조향휠의 조향각속도, 및 MDPS(Motor Driven Power Steering) 모터로 인가되는 모터 전류를 토대로 상기 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인지 여부를 판단하고 그 판단 결과에 따라 상기 고주파 보조 이득을 보상하는 단계; 및
    상기 제어부가, 상기 보상된 고주파 보조 이득을 이용하여 상기 컬럼토크 및 상기 차속으로부터 산출되는 보조토크의 고주파 특성을 보상하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 고주파 보조 이득을 보상하는 단계에서, 상기 제어부는,
    상기 조향각속도를 시간에 대하여 미분하여 산출되는 조향 각 가속도가 0의 값으로 수렴하고, 상기 모터 전류의 크기가 미리 설정된 기준치 이상이면 상기 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 고주파 보조 이득을 보상하는 단계에서, 상기 제어부는,
    상기 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태인 경우 상기 고주파 보조 이득을 상향 보상하고, 상기 조향휠의 조향 상태가 조타 반전 상태가 아닌 경우 상기 고주파 보조 이득을 유지 보상하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 보조토크의 고주파 특성을 보상하는 단계에서, 상기 제어부는,
    상기 컬럼토크 및 상기 차속에 기초하여 보상 필터의 보상 특성을 결정하고, 상기 보상 특성이 결정된 보상 필터 및 상기 보상된 고주파 보조 이득을 이용하여 상기 보조토크의 고주파 특성을 보상하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 보상 필터는 제1 보상 필터 및 제2 보상 필터를 포함하고,
    상기 보조토크의 고주파 특성을 보상하는 단계에서, 상기 제어부는,
    상기 제1 보상 필터를 통해 상기 보조토크를 1차 보상하고, 상기 1차 보상된 보조토크와 상기 보상된 고주파 보조 이득을 합산한 결과를 상기 제2 보상 필터를 통해 2차 보상하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 보상토크의 고주파 특성을 보상하는 단계에서, 상기 제어부는,
    상기 제2 보상 필터의 보상 특성을, 상기 컬럼토크가 미리 설정된 기준토크 미만이면 래그(Lag) 필터 특성으로 결정하고 상기 컬럼토크가 상기 기준토크 이상이면 리드(Lead) 필터 특성으로 결정하며, 상기 제1 보상 필터의 보상 특성을 상기 제2 보상 필터의 보상 특성과 상보적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 고주파 특성이 보상된 보조토크를 차단 주파수가 가변인 가변 저역 필터(V-LPF: Variable-Low Pass Filter)를 통해 필터링하여 상기 고주파 특성이 보상된 보조토크의 고주파 노이즈를 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 고주파 노이즈를 제거하는 단계에서, 상기 제어부는,
    상기 조향각속도 및 상기 차속에 근거하여 상기 가변 저역 필터의 차단 주파수를 가변적으로 조절하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 토크 보상 방법.
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