KR20190037507A

KR20190037507A - Sbw 시스템에서 조향 반력 생성 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20190037507A
Application number: KR1020170126937A
Authority: KR
Inventors: 고상진
Original assignee: 주식회사 만도
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2019-04-08
Also published as: KR102004348B1

Abstract

본 실시예는 랙 포스(rack force) 대신에 가상 매뉴얼 토크를 계산하여 SBW(Steer-by-wire) 시스템의 조향 반력을 생성하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 일 실시예는 차량의 SBW(Steer-By Wire) 시스템에서 조향 반력을 생성하는 장치에 있어서, 랙 기어에 결합된 SRM(Switched Reluctance Motor) 모터의 토크값에 기반하여 가상 매뉴얼 토크값을 연산하는 가상 매뉴얼 토크 연산기, 조향 토크 센서로부터 수신한 신호값 및 차속 센서로부터 수신한 신호값을 기초로 가상 어시스트 토크값을 연산하는 가상 어시스트 토크 연산기 및 가상 매뉴얼 토크값 및 가상 어시스트 토크값을 기초로 조향 반력을 생성하는 조향 반력 생성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 조향 반력 생성 장치 및 방법을 제공한다.

Description

SBW 시스템에서 조향 반력 생성 장치 및 방법{Methods for generating steering wheel reaction in Steer-by-wire system and apparatuses thereof}

본 실시예는 조향 반력 생성 장치 및 방법에 관한 것이다. 상세하게는, 랙 포스(rack force) 대신에 가상 매뉴얼 토크를 계산하여 SBW(Steer-by-wire) 시스템의 조향 반력을 생성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

차량의 SBW(Steer-By Wire) 시스템은 스티어링 휠과 차륜 사이의 스티어링 칼럼이나 유니버셜 조인트 혹은 피니언 샤프트와 같은 기계적인 연결 장치를 제거하는 대신에 모터와 같은 전동기를 이용하여 차량의 조향이 이루어지도록 하는 시스템을 말한다.

이러한 시스템은 스티어링 랙 기어와 스티어링 칼럼 사이에 기계적인 연결이 없기 때문에, 운전자가 기존 조향 시스템과 유사한 조향감을 느끼기 위해서는 조향시 핸들에 설치된 모터에서 적절한 조향 반력을 생성해야 할 필요가 있다.

전술한 조향 반력을 생성하기 위해서 기존의 SBW 시스템에서는 랙 기어가 받은 외력, 즉 랙 포스를 기반으로 생성할 조향 반력의 크기를 도출하고 있다. 즉, 랙 포스에 기초한 목표 조향 토크를 생성하여 폐루프 제어를 하는 방식을 취하고 있다. 그러나 이러한 제어 방식은 전동식 조향 장치(EPS, Electric Power Steering)과는 전혀 다른 방식으로서, 기존의 튜닝 캐퍼빌리티/노하우를 활용할 수 없고 새로운 방식의 튜닝 기술을 사용해야 한다는 문제가 있다.

따라서, 본 실시예는 전술한 문제점을 해결하기 위해서, 랙 포스 대신에 가상 매뉴얼 토크를 계산하고 이를 기초로 SBW(Steer-by-wire) 시스템의 조향 반력을 생성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 일 실시예는 차량의 SBW(Steer-By Wire) 시스템에서 조향 반력을 생성하는 장치에 있어서, 랙 기어에 결합된 SRM(Switched Reluctance Motor) 모터의 토크값에 기반하여 가상 매뉴얼 토크값을 연산하는 가상 매뉴얼 토크 연산기, 조향 토크 센서로부터 수신한 신호값 및 차속 센서로부터 수신한 신호값을 기초로 가상 어시스트 토크값을 연산하는 가상 어시스트 토크 연산기 및 가상 매뉴얼 토크값 및 가상 어시스트 토크값을 기초로 조향 반력을 생성하는 조향 반력 생성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 조향 반력 생성 장치를 제공한다.

또한 다른 실시예는 차량의 SBW(Steer-By Wire) 시스템에서 조향 반력을 생성하는 방법에 있어서, 랙 기어에 결합된 SRM(Switched Reluctance Motor) 모터의 토크값에 기반하여 가상 매뉴얼 토크값을 연산하는 가상 매뉴얼 토크 연산 단계, 조향 토크 센서로부터 수신한 신호값 및 차속 센서로부터 수신한 신호값을 기초로 가상 어시스트 토크값을 연산하는 가상 어시스트 토크 연산 단계 및 가상 매뉴얼 토크값 및 가상 어시스트 토크값을 기초로 조향 반력을 생성하는 조향 반력 생성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조향 반력 생성 방법을 제공한다.

본 실시예는 종래의 전동식 조향 장치에서 사용된 튜닝 기술을 사용하여, 차량의 상태를 정확히 반영한 조향 반력을 생성할 수 있다. 따라서 종래의 전동식 조향 장치 시스템과 유사한 성능을 용이하게 구현할 수 있다.

도 1는 기존 SBW 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 기존 SBW 시스템의 조향 반력 생성 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 SBW 시스템의 조향 반력 생성 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4은 본 실시예에 따른 SBW 시스템에서 조향 반력을 생성하는 방법을 나타낸 흐름도이다.

이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하, 도면을 참조하여 본 실시예에 대해서 구체적으로 설명한다.

도 1는 기존 SBW 시스템의 구성을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 조향 제어 시스템, 즉 EPS(Electronic Power Steering) 시스템과 달리 기존 SBW 시스템은 스티어링 휠(110)과 랙(140) 사이에 기계적인 연결이 존재하지 않는다. 스티어링 휠(110)에 연결된 컬럼에는 스티어링 휠(110)에 조향 반력을 가할 수 있는 조향 반력 피드백 액츄에이터(120)가 결합되어 있다. 그리고 랙(140)에는 전륜을 제어하기 위한 전륜 액츄에이터(130)가 결합되어 있다. 조향 반력 피드백 액츄에이터(120)에는 조향 반력을 가하기 위한 모터가 결합되고 있고, 전륜 액츄에이터(130)에는 랙을 움직여서 전륜을 제어하기 위한 모터가 결합되어 있다.

이러한 SBW 시스템에서는 스티어링 휠(110)과 랙(140) 사이의 기계적인 연결이 존재하지 않아서, 차량의 조향 시 랙 기어가 외력을 받아도 그 힘이 스티어링 휠로 전달되지 않는다. 따라서, 차량의 조향 시 적절한 조향 반력을 생성하여 운전자에게 기계적 연결이 존재하는 종래의 EPS와 유사한 조향감을 제공하기 위한 장치가 필요하다.

구체적으로 종래의 EPS와 SBW 시스템의 조향 반력 생성 장치를 비교하면 다음과 같다.

먼저 종래의 EPS에서는 매뉴얼 토크를 먼저 계산한 후에, 매뉴얼 토크와 어시스트 토크의 차이만큼의 조향 반력을 운전자가 감지할 수 있도록 한다.

이 때, 매뉴얼 토크는 실제 조향휠을 돌리기 위한 전체 토크를 의미하며, EPS에서 어시스트 토크를 제공하지 않을 때 운전자가 조향휠을 제어하기 위하여 가해야 하는 토크를 의미한다.

어시스트 토크는 운전자가 적은 힘으로도 원하는 방향으로 조향을 수행할 수 있도록 하기 위해 EPS의 모터에서 제공하는 토크를 의미한다. 어시스트 토크는 측정된 차속과 운전자의 조향 토크 값을 미리 설정된 어시스트 토크 맵에 대입하여 구할 수 있다.

반면, SBW 시스템은 전술한 바와 같이 스티어링 휠과 랙 사이에 기계적인 연결이 존재하지 않기 때문에 상술한 매뉴얼 토크는 0이 된다. 따라서 종래의 EPS에서 사용하는 조향 반력 계산 방식을 사용할 수 없으며, SBW 시스템의 조향 반력 생성 장치에서는 랙 포스의 함수로 조향 반력을 도출한다.

도 2는 기존 SBW 시스템의 조향 반력 생성 장치의 구성을 도시한 도면이다.

기존 SBW 시스템은 랙 기어가 받은 외력(부하), 즉 랙 포스에 기반하여 조향 반력을 생성한다. 기존 SBW 시스템에서는 추정된 랙 포스를 기초로 하여 목표 스티어링 토크를 연산하고, 이에 대한 폐루프 제어를 수행한다.

구체적으로, 목표 스티어링 토크 연산기(210)에서는 추정된 랙 포스값과 차속 센서로부터 수신한 신호값, 즉 차속을 기초로 목표 스티어링 토크를 연산한다. 랙 포스의 값은 랙 기어에 결합된 모터에서 측정한 신호값을 기반으로 전자 제어 장치에서 미리 설정된 추정 로직을 이용하여 추정한다.

그리고, 피드백 제어기(220)에서는 목표 스티어링 토크 연산기(210)로부터 수신한 목표 스티어링 토크값과 조향 토크 센서로부터 수신한 토크 신호를 기반으로 하여 목표 조향 반력을 생성한다.

전술한 바와 같이, SBW 시스템에서 조향 반력을 생성하는 방법과 종래 EPS에서 조향 반력을 생성하는 방법은 서로 차이점이 존재한다. 따라서, 종래 EPS에서 운전자에게 적절한 조향감을 제공하기 위한 사용한 튜닝 캐퍼빌리티/노하우를 SBW 시스템에서는 그대로 적용할 수 없는 문제가 있다.

따라서, 본 실시예에서는 종래 EPS에서 사용한 튜닝 캐퍼빌리티/노하우를 SBW 시스템에서 활용하기 위해서, 랙 포스 대신에 가상 매뉴얼 토크를 계산하고, 이를 기초로 SBW 시스템의 조향 반력을 생성하는 장치를 제안한다.

도 3은 본 실시예에 따른 SBW 시스템의 조향 반력 생성 장치의 구성을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예의 조향 반력 생성 장치(300)은 가상 매뉴얼 토크 연산기(310), 가상 어시스트 토크 연산기(320) 및 조향 반력 생성기(330)를 포함할 수 있다.

가상 매뉴얼 토크 연산기(310)는 랙 기어에 결합된 SRM(Switched Reluctance Motor) 모터의 토크값에 기반하여 가상 매뉴얼 토크값을 연산하는 기능을 수행할 수 있다.

SRM 모터는 스위칭 제어 장치가 결합된 형태의 모터로서 고정자와 회전자가 모두 돌극형 구조로 되어 있으며, 고정자 부분에만 권선이 감겨져 있고 회전자 부분에는 권선이나 영구자석이 부착되지 않아서 구조가 간단하다는 장점이 있다.

가상 매뉴얼 토크값은 랙과 스티어링 휠 사이에 가상의 조향축이 존재한다고 가정할 경우에, 운전자가 EPS의 어시스트를 받지 않은 상태에서, 스티어링 휠을 돌려서 가상의 조향축을 통해 조향을 제어하기 위하여 필요한 토크값을 의미한다.

구체적으로 가상 매뉴얼 토크값은 전술한 SRM 모터의 토크값과 함께 랙 기어의 기어비, 볼스크류 리드 및 미리 설정된 가상 팩터값을 인자로 하는 함수에 의해 연산될 수 있다.

일 예로 가상 매뉴얼 토크값을 구하는 함수는 다음과 같이 정해질 수 있다.

(가상 매뉴얼 토크값) = (SRM 모터의 토크값) * (랙 기어의 기어비) * (가상 팩터) / (볼 스크류 리드)

볼 스크류 리드는 스크류 축을 1회전시켰을 때 너트가 진행한 직선 거리를 나타내는 값이다. 그리고 랙 기어와 연결된 가상의 조향축이 존재한다고 가정하면 랙의 직선 운동 대비 조향축의 회전 비율은 랙 기어의 기어비에 의해 결정될 수 있다.

따라서, SRM 모터의 토크값에다 볼 스크류 리드를 나누고 이를 랙 기어의 기어비와 곱하게 되면 랙 기어와 연결된 가상의 조향축이 받게 되는 토크값을 구할 수 있다.

단, SBW 시스템에서는 이 축은 가상의 축이며 실제 존재하지 않기 때문에, 실제 축이 존재할 경우의 매뉴얼 토크값과의 차이를 최소화하기 위하여 가상 팩터 값을 곱해줄 수 있다. 이 때, 가상 팩터의 값은 실험에 의해 측정된 값이 될 수 있다.

가상 어시스트 토크 연산기(320)는 조향 토크 센서로부터 수신한 신호값 및 차속 센서로부터 수신한 신호값를 기초로 가상 어시스트 토크값을 연산하는 기능을 수행할 수 있다.

종래 EPS와 유사하게 조향 토크 센서의 신호값 및 차속 센서의 신호값을 이용하여 가상 어시스트 토크를 계산하기 때문에, 가상 어시스트 토크 연산기(320)는 SBW 시스템에 사용되는 별도의 어시스트 맵에 기반하지 않고, 종래의 조향 제어 시스템의 어시스트 맵에 기반하여 가상 어시스트 토크를 계산할 수 있다.

이 경우, SBW 시스템과 스티어링 휠과 랙 사이에 기계적인 연결이 존재하지 않기 때문에, 가상 어시스트 토크 연산기(320)에서 계산된 가상 어시스트 토크값은 실제 어시스트 토크값이 아니고 스티어링 휠과 랙 사이에 마치 가상의 기계적 연결이 있다고 가정하여 결정된 값이다.

조향 반력 생성기(330)는 가상 매뉴얼 토크 연산기(310)에서 연산한 가상 매뉴얼 토크값과 가상 어시스트 토크 연산기(320)에서 연산한 가상 어시스트 토크값을 기초로 조향 반력을 생성하는 기능을 수행할 수 있다.

전술한 바와 같이 운전자가 느끼는 조향감은 매뉴얼 토크와 어시스트 토크와의 차이이기 때문에, 가상 매뉴얼 토크값과 가상 어시스트 토크값의 차이만큼 조향 컬럼에 결합된 모터에 토크를 인가해주면 운전자는 인가된 토크의 크기만큼 인가된 토크의 반대 방향으로 조향 반력을 느낄 수 있다.

이는 종래 EPS와 같이 스티어링 휠과 랙 사이에 기계적인 연결이 있을 때 운전자가 조향 반력을 느끼는 방법과 유사하다. 따라서, SBW 시스템에서 랙 포스를 기반으로 하는 조향 반력 생성 장치에 대비하여 간단하고, 종래 EPS에서 사용한 튜닝 캐퍼빌리티/노하우를 활용할 수 있다.

이상과 같은 실시예에 의한 조향 반력 생성 장치(300)에 이용되는 가상 매뉴얼 토크 연산기(310), 가상 어시스트 토크 연산기(320) 및 조향 반력 생성기(330)는 차량에 설치되는 통합 제어 장치 또는 전자 제어 장치(ECU, Electronic Control Unit)의 일부 모듈로서 구현될 수 있다.

이러한 차량의 통합제어장치 또는 ECU는 프로세서와 메모리 등의 저장장치와, 특정한 기능을 수행할 수 있는 컴퓨터 프로그램 등을 포함할 수 있으며, 가상 매뉴얼 토크 연산기(310), 가상 어시스트 토크 연산기(320) 및 조향 반력 생성기(330) 등은 각각의 고유한 기능을 수행할 수 있는 소프트웨어 모듈로서 구현될 수 있을 것이다.

도 4은 본 실시예에 따른 SBW 시스템에서 조향 반력을 생성하는 방법을 나타낸 흐름도이다.

이하, 도 3에서 설명한 조향 반력 생성 장치에 의해 본 방법이 실행되는 것을 예시로 설명한다.

도 4를 참조하면, 본 방법에서는, 조향 반력 생성 장치(300)의 가상 매뉴얼 토크 연산기(310)가 랙 기어에 결합된 SRM(Switched Reluctance Motor) 모터의 토크값에 기반하여 가상 매뉴얼 토크값을 연산하는 가상 매뉴얼 토크 연산 단계를 포함할 수 있다(S410).

이 때, 전술한 바와 같이 가상 매뉴얼 토크값은 전술한 SRM 모터의 토크값에 기반하여 랙 기어의 기어비, 볼스크류 리드 및 미리 설정된 가상 팩터값을 이용한 함수를 통해서 계산될 수 있다.

또한, 본 방법에서는, 조향 반력 생성 장치(300)의 가상 어시스트 토크 연산기(320)가 조향 토크 센서로부터 수신한 신호값 및 차속 센서로부터 수신한 신호값을 기초로 가상 어시스트 토크값을 연산하는 가상 어시스트 토크 연산 단계를 포함할 수 있다(S420).

전술한 바와 같이 종래 EPS와 유사하게 조향 토크 센서의 신호값 및 차속 센서의 신호값을 이용하기 때문에, 가상 어시스트 토크 연산기(320)는 SBW 시스템에 사용되는 별도의 어시스트 맵에 기반하지 않고, 종래 조향 제어 시스템의 어시스트 맵에 기반하여 가상 어시스트 토크를 계산할 수 있다.

또한, 본 방법에서는, 조향 반력 생성 장치(300)의 조향 반력 생성기(330)가 전술한 가상 매뉴얼 토크값 및 가상 어시스트 토크값을 기초로 조향 반력을 생성하는 조향 반력 생성 단계를 포함할 수 있다(S430).

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

차량의 SBW(Steer-By Wire) 시스템에서 조향 반력을 생성하는 장치에 있어서,
랙 기어에 결합된 SRM(Switched Reluctance Motor) 모터의 토크값에 기반하여 가상 매뉴얼 토크값을 연산하는 가상 매뉴얼 토크 연산기;
조향 토크 센서로부터 수신한 신호값 및 차속 센서로부터 수신한 신호값을 기초로 가상 어시스트 토크값을 연산하는 가상 어시스트 토크 연산기; 및
상기 가상 매뉴얼 토크값 및 가상 어시스트 토크값을 기초로 조향 반력을 생성하는 조향 반력 생성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 조향 반력 생성 장치.
제 1항에 있어서,
상기 가상 매뉴얼 토크 연산기는,
상기 SRM 모터의 토크값, 상기 랙 기어의 기어비, 볼스크류 리드 및 미리 설정된 가상 팩터값을 인자로 하는 함수를 이용하여 가상 매뉴얼 토크값을 연산하는 것을 특징으로 하는 조향 반력 생성 장치.
제 1항에 있어서,
상기 가상 어시스트 토크 연산기는,
조향 제어 시스템의 어시스트 맵에 기반하여 가상 어시스트 토크값을 연산하는 것을 특징으로 하는 조향 반력 생성 장치.
차량의 SBW(Steer-By Wire) 시스템에서 조향 반력을 생성하는 방법에 있어서,
랙 기어에 결합된 SRM(Switched Reluctance Motor) 모터의 토크값에 기반하여 가상 매뉴얼 토크값을 연산하는 가상 매뉴얼 토크 연산 단계;
조향 토크 센서로부터 수신한 신호값 및 차속 센서로부터 수신한 신호값을 기초로 가상 어시스트 토크값을 연산하는 가상 어시스트 토크 연산 단계; 및
상기 가상 매뉴얼 토크값 및 가상 어시스트 토크값을 기초로 조향 반력을 생성하는 조향 반력 생성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조향 반력 생성 방법.
제 4항에 있어서,
상기 가상 매뉴얼 토크 연산 단계는,
상기 SRM 모터의 토크값, 상기 랙 기어의 기어비, 볼스크류 리드 및 미리 설정된 가상 팩터값을 인자로 하는 함수를 이용하여 가상 매뉴얼 토크값을 연산하는 것을 특징으로 하는 조향 반력 생성 방법.
제 4항에 있어서,
상기 가상 어시스트 토크 연산 단계는,
조향 제어 시스템의 어시스트 맵에 기반하여 가상 어시스트 토크값을 연산하는 것을 특징으로 하는 조향 반력 생성 방법.