KR20200023807A - 스티어 바이 와이어 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 실시예들은 스티어 바이 와이어 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 운전자가 스티어링휠의 조작시 스티어링휠의 조작 방향의 반대방향으로 반력을 제공하기 위한 반력 모터, 반력 모터에서 출력되는 상 전류를 감지하는 전류 센서, 반력 모터의 회전각을 감지하는 모터 위치 센서, 상 전류와 반력 모터의 회전각에 대한 정보를 제공받아 복수의 상태 변수와 운전자 토크를 추정하는 상태 및 외란 관찰기, 상태 및 외란 관찰기에서 추정된 복수의 상태 변수와 운전자 토크를 이용하여 반력 모터에서 출력되는 반력 토크를 결정하는 반력 제어기를 포함한다. 이에 의해, 토크 센서나 조향각 센서를 구비하지 아니하거나 토크 센서나 조향각 센서에 오류가 발생한 경우에도 운전자의 조향 의지를 정확히 파악할 수 있다.

Description

스티어 바이 와이어 시스템 및 그 제어방법{Steer by Wire System and Controlling Method Thereof}
본 실시예들은 스티어 바이 와이어 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 토크 센서와 조향각 센서가 구비되지 않거나 토크 센서와 조향각 센서의 오류 발생시에도 운전자의 조향 의지를 판단할 수 있는 복수의 상태 변수를 추정하도록 함으로써, 운전자의 조향 의지를 정확히 판단할 수 있도록 하는 스티어 바이 와이어 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
스티어 바이 와이어(Steer-By-Wire: SBW) 시스템은 스티어링휠과 바퀴를 연결하는 기계적인 구조 대신 운전자에 의한 스티어링휠의 조작을 감지하여 신호를 발생시키고, 해당 신호를 이용하여 바퀴의 조향을 제어하는 장치를 말한다.
스티어 바이 와이어 시스템의 스티어링휠을 포함하는 입력유닛에는 스티어링휠의 조향각을 검출하는 조향각 센서, 스티어링휠 조향축의 토크를 감지하는 토크 센서, 스티어링 휠의 회전에 따른 반력 토크을 제공하는 반력 모터 등이 구비되고, 출력유닛에는 바퀴의 회전각을 검출할 수 있는 조향 출력 센서, 보조력을 발생시켜 바퀴가 회전되도록 하는 조향 모터, 조향 모터의 회전축의 위치를 감지하는 조향 모터 위치 센서 등이 구비될 수 있다.
운전자가 스티어링휠을 돌리면 조향각 센서와 토크 센서에서 감지된 스티어링휠의 회전량과 토션바의 토크가 전자제어장치(Electronic Control Unit: ECU)로 전달되고, 전자제어장치는 바퀴의 조향제어를 위한 전류를 생성하여 조향 모터로 제공함으로써, 바퀴를 조향하게 된다.
또한, 스티어 바이 와이어 시스템에서는 반력 모터를 이용하여 운전자가 스티어링휠을 조작할 때 스티어링휠과 반대방향으로 힘을 발생시켜 운전자에게 적절한 조향감을 부여한다.
그런데, 이러한 스티어 바이 와이어 시스템에서는 조향각과 토크만으로는 운전자의 조향 의지를 정확히 판단하기 어렵다. 이를 보완하기 위해, 전류 센서를 사용하여 반력 모터 및/또는 조향 모터의 상 전류를 측정함으로써, 운전자에게 제공되는 반력과 바퀴의 조향을 제어하는 방법이 제안되었다. 그러나 이렇게 전류 센서를 사용하는 경우에도 토크 센서나 조향각 센서에 오류가 발생하게 되면, 토션바 토크에 대한 정보 또는 스티어링휠의 조향각에 대한 정보를 제공받지 못하거나 잘못된 정보를 제공받게 되므로, 시스템의 오동작을 야기할 수 있다. 이에 따라, 토크 센서나 조향각 센서에 오류가 발생하거나 토크 센서나 조향각 센서가 구비되지 아니한 경우에도 운전자의 조향 의지를 정확히 판단할 수 있는 방법을 마련할 필요가 있다.
본 실시예들은, 운전자의 조향 의지를 판단할 수 있는 복수의 상태변수를 추정할 수 있도록 함으로써, 토크 센서나 조향각 센서의 오류시 또는 토크 센서나 조향각 센서가 채용되지 아니한 경우에도 운전자의 조향 의지를 정확히 판단할 수 있도록 하는 스티어 바이 와이어 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 운전자가 스티어링휠의 조작시 상기 스티어링휠의 조작 방향의 반대방향으로 반력을 제공하기 위한 반력 모터; 상기 반력 모터에서 출력되는 상 전류를 감지하는 전류 센서; 상기 반력 모터의 회전각을 감지하는 모터 위치 센서;상기 상 전류와 상기 반력 모터의 회전각에 대한 정보를 제공받아 복수의 상태 변수와 운전자 토크를 추정하는 상태 및 외란 관찰기; 및 상기 상태 및 외란 관찰기에서 추정된 상기 복수의 상태 변수와 운전자 토크를 이용하여 상기 반력 모터에서 출력되는 반력 토크를 결정하는 반력 제어기;를 포함하는 스티어 바이 와이어 시스템에 의해 달성될 수 있다.
상기 목적은, 운전자가 스티어링휠의 조작시 상기 스티어링휠의 조작 방향의 반대방향으로 반력을 제공하기 위한 반력 모터에서 출력되는 상 전류를 감지하는 상전류 감지 단계: 상기 반력 모터의 회전각을 감지하는 단계; 상기 상 전류와 상기 반력 모터의 회전각에 대한 정보를 제공받아 복수의 상태 변수 및 운전자 토크를 추정하는 추정단계; 및 상기 복수의 상태 변수 및 운전자 토크를 이용하여 상기 반력 모터에서 출력되는 반력 토크를 결정하는 토크 결정 단계;를 포함하는 스티어 바이 와이어 시스템의 제어방법에 의해서도 달성될 수 있다.
본 실시예들에 따르면, 토크 센서나 조향각 센서를 구비하지 아니하거나 토크 센서나 조향각 센서에 오류가 발생한 경우에도 운전자의 조향 의지를 정확히 파악할 수 있으므로, 반력 모터에 제공되는 반력 토크와 조향 모터에 제공되는 조향 토크를 정확히 산출하여 반력 모터와 조향 모터를 제어할 수 있다.
도 1은 본 실시예들에 따른 스티어 바이 와이어 시스템의 블록구성도이다.
도 2는 스티어 바이 와이어 시스템의 출력유닛의 간략한 구성도이다.
도 3은 본 실시예들에 따른 스티어 바이 와이어 시스템의 입력유닛과 제어유닛의 관계를 나타낸 블럭구성도이다.
도 4는 본 실시예들에 따른 스티어 바이 와이어 시스템의 상태 및 외란 관찰기에서 상태 변수들을 추정하는 과정을 보인 흐름도이다.
도 5는 본 실시예들에 따른 스티어 바이 와이어 시스템의 제어과정을 보인 흐름도이다.
이하, 본 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 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 실시예들의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 실시예들의 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.
도 1은 본 실시예들에 따른 스티어 바이 와이어 시스템의 블록구성도이다.
본 실시예들에 따른 스티어 바이 와이어 시스템은, 토크 센서나 조향각 센서에 오류가 발생하거나 토크 센서나 조향각 센서가 채용되지 않은 상태에서도 복수의 상태 변수와 운전자 토크를 추정할 수 있도록 함으로써, 운전자의 조향 의지를 정확히 판단할 수 있다.
본 스티어 바이 와이어 시스템은, 스티어링휠(15)을 포함하는 입력유닛(10)과, 운전자 토크를 비롯한 상태 변수들을 추정하는 제어유닛(50)과, 바퀴(85)를 포함하는 출력유닛(70)을 포함할 수 있다.
도 2는 스티어 바이 와이어 시스템의 출력유닛의 간략한 구성도이다.
출력유닛(70)은, 출력측에는 바퀴(85)의 회전각(θcm)을 검출할 수 있는 조향 출력 센서(90), 보조력을 발생시켜 바퀴(85)가 회전되도록 하는 조향 모터(75), 및 조향 모터(75)의 회전축의 위치를 감지하는 조향 모터 위치 센서(80) 등이 구비될 수 있다.
출력유닛(70)에는 입력유닛(10)에서 산출되어 조향 모터(75)에 제공되는 전류에 대한 제어신호가 제공되며, 조향 모터(75)의 작동에 의해 운전자가 의도한 조향각을 갖도록 바퀴(85)가 조향될 수 있다.
도 3은 본 실시예들에 따른 스티어 바이 와이어 시스템의 입력유닛과 제어유닛의 관계를 나타낸 블럭구성도이다.
본 입력유닛(10)은, 스티어링휠(15), 반력 모터(35), 모터 위치 센서(40), 전류 센서(45)를 포함할 수 있으며, 제어유닛(50)은 반력 제어기(55), 상태 및 외란 관찰기(60), 조향 제어기(65)를 포함할 수 있다.
반력 모터(35)는 운전자가 스티어링휠(15)을 조작할 때 스티어링휠(15)과 반대방향으로 힘을 발생시켜 운전자에게 적절한 조향감을 부여하며, 조향감의 발생을 위한 반력 모터(35)에는 적절한 반력 토크의 발생을 위한 전류가 제공된다.
모터 위치 센서(40)는 반력 모터(35)의 회전에 따라 전압신호를 발생시키며, 전압신호에 의해 반력 모터(35)의 회전각(θcm)을 실시간으로 감지할 수 있다. 모터 위치 센서(40)는 반력 모터(35)의 회전각(θcm)에 대한 정보를 상태 및 외란 관찰기(60)로 전달할 수 있다.
전류 센서(45)는, 반력 모터의 상 전류를 감지하며, PWM 한 주기에서 기본파 전류, 즉 평균 전류를 획득할 수 있다. 일반적으로 상 전류를 감지하기 위해 전류 센서(45)는 한 쌍이 구비되며, 상 전류의 감지는 토크 제어를 위해 필수적이다.
제어유닛(50)의 반력 제어기(55)는 반력 모터(35)가 산출된 반력 토크를 갖도록 제어하고, 조향 제어기(65)는 조향 모터(75)가 운전자가 의도한 조향각으로 바퀴(85)가 구동하도록 조향 모터(75)를 제어할 수 있다.
상태 및 외란 관찰기(60)는 칼만필터(Kalman Filter)를 이용하여 운전자의 조향 의지를 파악하기 위한 복수의 상태 변수들 및 운전자 토크를 추정하며, 칼만필터의 사용에 따라, 조향 컬럼(20)의 모터 위치 센서(40), 전류 센서(45)로부터 제공된 데이터를 이용하여 복수의 상태 변수들 및 운전자 토크를 추정할 수 있다.
반력 제어기(55)는, 상태 및 외란 관찰기(60)로부터 복수의 상태 변수 및 운전자 토크의 추정값을 제공받으며, 제공받은 복수의 상태 변수들의 추정값을 이용하여 반력 모터(35)에서 출력되어야 하는 반력 토크를 결정하고, 결정된 반력 토크가 반력 모터(35)에서 출력되도록 반력 모터(35)에 제공되는 반력모터입력전압에 대한 제어신호를 출력하게 된다.
이를 위해, 반력 제어기(55)는 상태 및 외란 관찰기(60)에서 추정된 상태 변수들과 운전자 토크에 대응되는 반력 토크 기준값에 대한 정보를 보유하고 있으며, 상태 및 외란 관찰기(60)로부터 제공된 상태 변수들과 운전자 토크를 이용하여 반력 토크를 결정하게 된다. 또한, 반력 제어기(55)는 결정된 반력 토크가 반력 모터(35)에서 발생하기 위해 반력 모터(35)에 제공되어야 하는 반력모터입력전압에 대한 정보를 보유하고 있으며, 반력 토크가 결정되면, 해당 반력 토크에 매칭되는 반력모터입력전압이 반력 모터(35)로 제공되도록 제어신호를 생성하게 된다.
반력 제어기(55)는, 상태 및 외란 관찰기(60)로부터 모든 상태 변수들의 추정값을 제공받을 수도 있으나, 모터 위치 센서(40), 전류 센서(45)로부터 반력 모터(35)의 회전각(θcm), 상 전류에 대한 정보를 직접 제공받고, 이외의 상태 변수들과 운전자 토크의 추정값들은 상태 및 외란 관찰기(60)로부터 제공받을 수도 있다.
조향 제어기(65)는, 상태 및 외란 관찰기(60)로부터 제공받은 복수의 상태 변수들의 추정값을 이용하여 조향 모터(75)에서 출력되는 조향 토크를 결정할 수 있다. 조향 토크가 결정되면, 조향 제어기(65)는 결정된 조향 토크가 조향 모터(75)에서 발생하기 위해 조향 모터(75)에 제공되어야 하는 조향모터입력전압에 대한 제어신호를 출력할 수 있다.
이를 위해, 조향 제어기(65)는 상태 변수들의 추정값에 대응되는 조향 토크 기준값에 대한 정보를 보유하고 있으며, 상태 및 외란 관찰기(60)로부터 제공된 상태 변수들과 토크 기준값을 이용하여 조향 토크를 결정하게 된다. 또한, 조향 제어기(65)는 결정된 조향 토크가 조향 모터(75)에서 발생하기 위해 조향 모터(75)에 제공되어야 하는 조향모터입력전압에 대한 정보를 보유하고 있으며, 조향 토크가 결정되면, 해당 조향 토크에 매칭되는 조향모터입력전압이 조향 모터(75)로 제공되도록 제어신호를 생성하게 된다.
상태 및 외란 관찰기(60)는, 도 4의 흐름도에 도시된 바와 같이, 모터 위치 센서(40)와 전류 센서(45)로부터 각각 반력 모터(35)의 회전각(θcm)과 반력 모터(35)의 상 전류에 대한 정보를 제공받고, 이를 이용하여 스티어링휠(15) 각속도, 스티어링휠(15) 각속도와 모터 각속도와의 차이, 운전자 토크(τdrv)를 추정하거나 산출할 수 있다.
상태 및 외란 관찰기(60)는, 칼만 필터(Kalman Filter)를 이용하여 정의되는 기본 추정기 게인(K)을 산출하고, 산출된 기본 추정기 게인에 대한 정보를 보유하고 있다(S400). 상태 및 외란 관찰기(60)의 기본 추정기 게인은 다음의 수학식 1로 정의될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
상태 및 외란 관찰기(60)에 반력 모터(35)의 회전각(θcm), 반력 모터(35)의 상 전류에 대한 정보가 입력되면(S410), 상태 및 외란 관찰기(60)는 이들 정보를 수학식 2의 미분 상 방정식에 대입하여 복수의 상태 변수들의 추정값을 산출할 수 있다(S420).
복수의 상태 변수로는 운전자 토크, 스티어링휠(15)의 조향각, 스티어링휠(15)의 조향 각속도, 토션바 토크, 각속도 차이 등을 포함할 수 있다. 여기서, 각속도 차이는 스티어링휠(15)의 조향 각속도와 반력 모터 각속도의 차이를 나타내며, 모터 각속도는 모터 위치 센서(40)에서 감지된 토션바 토크를 단위 시간으로 나누어 산출할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, K는 수학식 1의 기본 추정기 게인을 나타내고, y, Anew, Bnew는 각각 다음의 수학식 3, 4, 5로 정의될 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
여기서, Cnew은 수학식 3-1로 정의되고, za는 수학식 3-2으로 정의될 수 있다.
[수학식 3-1]
Figure pat00004
여기서, Cz은 수학식 3-1-1로 정의된다.
[수학식 3-1-1]
Figure pat00005
여기서, Ksen 은 토션바 강성 계수이다.
[수학식 3-2]
Figure pat00006
여기서, τdrv는 운전자 토크, θsw은 스티어링휠(15)의 조향각, ωsw은 스티어링휠(15)의 조향각속도, τt은 토션바 토크, ωd는 반력 모터의 각속도를 나타낸다.
Anew은 다음의 수학식 4로 정의될 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00007
여기서, Az은 다음의 수학식 4-1로 정의될 수 있다.
[수학식 4-1]
Figure pat00008
여기서, Bsw는 스티어링휠의 댐핑 계수(Damping Coefficient), Bsen는 토션바의 댐핑 계수, Jsw는 스티어링휠의 관성(Inertia)을 나타낸다. 그리고 α1, α2, α3은 각각 다음의 수학식 4-1-1, 4-1-2, 4-1-3으로 나타낸다.
[수학식 4-1-1]
Figure pat00009
여기서, Bcm는 반력 모터의 댐핑 계수를 나타내고, Jcm는 반력 모터의 관성을 나타낸다.
[수학식 4-1-2]
Figure pat00010
[수학식 4-1-3]
Figure pat00011
Bnew는 다음의 수학식 5로 정의될 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00012
여기서, Bz은 다음의 수학식 5-1로 정의될 수 있다.
[수학식 5-1]
Figure pat00013
이러한 수학식 2의 미분 상 방정식은 다음의 수학식 6의 상 방정식을 미분하고 복수의 상태 변수들을 추정할 수 있도록 칼만필터를 적용하여 변형한 것이다.
[수학식 6]
Figure pat00014
여기서, 운전자 토크의 1차 도함수이다.
수학식 6의 상 방정식은 다음의 상 방정식 수학식 7을 변형하여 얻어진 것이다.
[수학식 7]
Figure pat00015
여기서 z, Az, Bz, Bz _ drv은 각각 다음의 수학식 7-1 내지 7-4로 정의될 수 있다.
[수학식 7-1]
Figure pat00016
[수학식 7-2]
Figure pat00017
[수학식 7-3]
Figure pat00018
[수학식 7-4]
Figure pat00019
수학식 7-1 내지 7-4에 표시된 T는 다음의 수학식 7-5와 같이 정의될 수 있다.
[수학식 7-5]
Figure pat00020
한편, 수학식 3-1-1에서 정의된 Cz과 T의 관계는 다음의 수학식 8로 정의될 수 있다.
[수학식 8]
Figure pat00021
이와 같이, 수학식 2로 정의된 상태 및 외란 관찰기(60)의 미분 상 방정식은, 수학식 4-1 내지 5-1에 나타난 바와 같이, 스티어링휠의 댐핑 계수, 토션바의 댐핑 계수, 반력 모터의 댐핑 계수, 스티어링휠의 관성(Inertia), 반력 모터의 관성을 입력받는다. 또한, 상태 및 외란 관찰기(60)의 미분 상 방정식은, 운전자 토크, 스티어링휠(15)의 조향각, 스티어링휠(15)의 조향각속도, 토션바 토크, 반력 모터의 각속도에 관련된 함수로서, 반력 모터(35)의 회전각과 전류 센서(45)에서 감지된 상 전류를 입력받아 수학식 1의 칼만필터를 적용하여 운전자 토크, 토션바 토크, 스티어링휠(15)의 조향각, 스티어링휠(15)의 조향각속도, 스티어링휠(15)과 반력 모터 간의 각속도 차이 등을 추정할 수 있다.
이렇게 상태 및 외란 관찰기(60)에서 칼만필터를 이용하여 운전자 토크를 비롯한 상태 변수들을 추정할 때, 칼만필터에 의해 조향 컬럼에 유입되는 토크 리플 등의 화이트 노이즈를 제거할 수 있다.
이러한 상태 및 외란 관찰기(60)는 상태 변수들의 추정값들을 모터 위치 센서(40), 전류 센서(45)에서 감지된 상태 변수들과 비교함으로써, 상태 및 외란 관찰기(60)에서 추정된 상태 변수들의 값이 정확한지 검증하는 과정을 수행할 수 있다(S430). 만약, 상태 및 외란 관찰기(60)에서 추정된 상태 변수들의 값이 모터 위치 센서(40), 전류 센서(45)에서 감지된 상태 변수들과 일정 이상의 차이가 발생하면, 상태 및 외란 관찰기(60)는 상태 변수들의 추정을 다시 수행할 수 있다.
검증이 완료되면, 상태 및 외란 관찰기(60)에서 산출된 상태 변수들의 추정값들은 각각 반력 제어기(55)와 조향 제어기(65)로 제공될 수 있다(S440).
이러한 구성에 의한 스티어 바이 와이어 시스템에서 상태 및 외란 관찰기(60)를 이용하여 반력 토크의 결정을 위한 상태 변수들의 추정값들을 산출하는 과정을 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
차량의 운행이 시작되면(S500), 모터 위치 센서(40)와 전류 센서(45)에서는 각각 반력 모터(35)의 회전각(θcm)과 상 전류값을 감지하여 상태 및 외란 관찰기(60)로 전달할 수 있다(S510).
상태 및 외란 관찰기(60)에서는 입력받은 반력 모터(35)의 회전각(θcm), 상 전류값, 스티어링휠(15)의 댐핑 계수, 토션바의 댐핑 계수, 반력 모터(35)의 댐핑 계수, 스티어링휠의 관성(Inertia), 반력 모터(35)의 관성을 미분 상방정식에 대입하여 복수의 상태 변수들을 추정할 수 있다(S520).
이때, 추정되는 상태 변수들은 운전자 토크, 토션바 토크, 스티어링휠(15)의 조향각, 스티어링휠(15)의 조향각속도, 스티어링휠(15)과 반력 모터(35) 간의 각속도 차이 등을 포함할 수 있다.
상태 및 외란 관찰기(60)는 산출된 상태 변수들의 추정값과, 모터 위치 센서(40)와 전류 센서(45)에서 감지된 반력 모터(35)의 회전각(θcm), 반력 모터(35)에서 검출된 상 전류값, 반력 모터(35)에 제공되는 모터입력전압을 비교할 수 있다(S530). 만약 상태 및 외란 관찰기(60)에서 산출된 상태 변수들의 추정값과 각 센서에서 감지된 상태 변수들 간의 차이가 미리 설정된 일정 이상이면(S540-N), 상태 및 외란 관찰기(60)는 그 차이가 일정 이하가 될 때까지 상태 변수들을 다시 추정할 수 있다.
검증이 완료되면, 상태 및 외란 관찰기(60)에서 산출되어 검증된 복수의 상태 변수의 추정값들은 반력 제어기(55)와 조향 제어기(65)로 제공될 수 있다(S550). 반력 제어기(55)에서는 상태 변수의 추정값들을 이용하여 반력 모터(35)의 반력 토크를 결정하고, 결정된 반력 토크에 대응되는 모터입력전압에 대한 제어신호를 반력 모터(35)로 제공할 수 있다. 조향 제어기(65)에서는 상태 변수의 추정값들을 이용하여 조향 모터(75)의 조향 토크를 결정하고, 결정된 조향 토크에 대응되는 조향모터입력전압에 대한 제어신호를 조향 모터(75)로 제공할 수 있다(S560).
한편, 상술한 실시예들에서는 토크 센서를 구비하지 아니한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 토크 센서를 구비한 경우에는 토크 센서에서 감지된 토션바 토크를 상태 및 외란 관찰기(60)에서 추정된 토션바 토크와 비교함으로써, 토크 센서에서 감지된 토션바 토크를 검증할 수 있다.
만약, 토크 센서에서 감지된 토션바 토크가 상태 및 외란 관찰기(60)에서 추정된 토션바 토크로부터 일정 범위 이상 벗어날 경우, 토크 센서에 오류가 발생한 것으로 판단하고, 상태 및 외란 관찰기(60)에서 추정된 토션바 토크를 이용하여 반력 모터(35)와 조향 모터(75)를 제어할 수 있도록 한다. 즉, 토크 센서가 구비된 경우에는 본 상태 및 외란 관찰기(60)를 사용하여 토크 센서의 오류를 판단하고, 오류 발생시에는 상태 및 외란 관찰기(60)에서 추정된 토션바 토크를 사용함으로써, 토크 센서의 오류 발생시에도 운전자의 조향 의지를 정확히 파악할 수 있다.
또한, 상술한 실시예들에서는 조향각 센서를 구비하지 아니한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 조향각 센서를 구비한 경우에는 조향각 센서에서 감지된 스티어링휠(15)의 조향각을 상태 및 외란 관찰기(60)에서 추정된 스티어링휠(15)의 조향각과 비교함으로써, 조향각 센서에서 감지된 스티어링휠(15)의 조향각을 검증할 수 있다.
만약 조향각 센서에서 감지된 스티어링휠(15)의 조향각 상태 및 외란 관찰기(60)에서 추정한 스티어링휠(15)의 조향각으로부터 일정 범위 이상 벗어날 경우, 조향각 센서에 오류가 발생한 것으로 판단하고, 상태 및 외란 관찰기(60)에서 추정된 스티어링휠(15)의 조향각을 이용하여 반력 모터(35)와 조향 모터(75)를 제어할 수 있도록 한다. 즉, 조향각 센서가 구비된 경우에는 본 상태 및 외란 관찰기(60)를 사용하여 조향각 센서의 오류를 판단하고, 오류 발생시에는 상태 및 외란 관찰기(60)에서 추정된 스티어링휠(15)의 조향각을 사용함으로써, 조향각 센서의 오류 발생시에도 운전자의 조향 의지를 정확히 파악할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예들에 따른 스티어 바이 와이어 시스템에서는 칼만필터를 이용한 상태 및 외란 관찰기(60)를 이용하여 운전자 토크, 토션바 토크, 스티어링휠(15)의 조향각, 스티어링휠(15)의 조향각속도, 스티어링휠(15)과 반력 모터(35) 간의 각속도 차이 등을 포함하는 상태 변수들의 추정값을 정확하게 산출할 수 있다. 따라서, 토크 센서와 조향각 센서를 구비하지 아니한 상태에서도 운전자의 조향 의지를 정확히 파악할 수 있다. 이에 따라, 반력 모터(35)에 제공되는 반력 토크와 조향 모터(75)에 제공되는 조향 토크를 정확히 산출하여 반력 모터(35)와 조향 모터(75)를 제어할 수 있다. 또한, 토크 센서와 조향각 센서가 구비된 경우에도 상태 및 외란 관찰기(60)에서 산출된 상태 변수들의 추정값을 토크 센서와 조향각 센서의 오류를 감지하기 위해 사용할 수 있으므로, 각 센서의 오류시에도 시스템의 정상적인 작동이 가능하게 된다.
전술한 실시예들에서 언급한 표준내용 또는 표준문서들은 명세서의 설명을 간략하게 하기 위해 생략한 것으로 본 명세서의 일부를 구성한다. 따라서, 위 표준내용 및 표준문서들의 일부의 내용을 본 명세서에 추가하거나 청구범위에 기재하는 것은 본 실시예들의 범위에 해당하는 것으로 해석되어야 한다.
이상의 설명은 본 실시예들의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예들의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들에 개시된 실시예들은 본 실시예들의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 실시예들의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예들의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위내에 있는 모든 기술사상은 본 실시예들의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 입력유닛 15 : 스티어링휠
20 : 조향 컬럼 35 : 반력 모터
40 : 모터 위치 센서 45 : 전류 센서
50 : 제어유닛 55 : 반력 제어기
60 : 상태 및 외란 관찰기 65 : 조향 제어기
70 : 출력유닛 75 : 조향 모터
80 : 조향 모터 위치 센서 85 : 바퀴
90 : 조향 출력 센서

Claims (14)

  1. 운전자가 스티어링휠의 조작시 상기 스티어링휠의 조작 방향의 반대방향으로 반력을 제공하기 위한 반력 모터;
    상기 반력 모터에서 출력되는 상 전류를 감지하는 전류 센서;
    상기 반력 모터의 회전각을 감지하는 모터 위치 센서;
    상기 상 전류와 상기 반력 모터의 회전각에 대한 정보를 제공받아 복수의 상태 변수와 운전자 토크를 추정하는 상태 및 외란 관찰기; 및
    상기 상태 및 외란 관찰기에서 추정된 상기 복수의 상태 변수와 운전자 토크를 이용하여 상기 반력 모터에서 출력되는 반력 토크를 결정하는 반력 제어기;를 포함하는 스티어 바이 와이어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상태 및 외란 관찰기는, 칼만 필터를 이용하여 정의되는 기본 추정기 게인에 대한 정보를 보유하고 있으며, 상기 기본 추정기 게인을 미분 상 방정식에 적용하여 상기 복수의 상태 변수를 추정하는 스티어 바이 와이어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    바퀴를 조향하는 조향 모터와, 상기 상태 및 외란 관찰기로부터 상기 복수의 상태 변수의 추정값을 제공받아 상기 조향 모터에서 출력되는 조향 토크를 제어하는 조향 제어기를 더 포함하는 스티어 바이 와이어 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상태 및 외란 관찰기는, 상기 복수의 상태 변수가 상기 반력 모터의 회전각과 상기 반력 모터의 상 전류에 대한 정보 중 적어도 하나와 미리 설정된 일정 이상의 차이가 발생하면, 상기 복수의 상태 변수의 추정값을 재산출하는 스티어 바이 와이어 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상태 및 외란 관찰기에서 산출된 상기 복수의 상태 변수의 추정값은 운전자 토크, 스티어링휠의 조향각, 스티어링휠의 조향각속도, 토션바 토크, 스티어링 휠과 모터의 각속도 차이 중 적어도 하나를 포함하는 스티어 바이 와이어 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스티어링휠의 조작시 발생하는 토크를 감지하는 토크 센서를 더 포함하며;
    상기 상태 및 외란 관찰기는 상기 토크 센서에서 감지된 토션바 토크와 상기 상태 및 외란 관찰기에서 추정된 토션바 토크를 비교하여 상기 토크 센서의 오류 여부를 판단하는 스티어 바이 와이어 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스티어링휠의 조향각을 감지하는 조향각 센서를 더 포함하며;
    상기 상태 및 외란 관찰기는 상기 조향각 센서에서 감지된 상기 스티어링휠의 조향각과 상기 상태 및 외란 관찰기에서 추정된 스티어링휠의 조향각을 비교하여 상기 조향각 센서의 오류 여부를 판단하는 스티어 바이 와이어 시스템.
  8. 운전자가 스티어링휠의 조작시 상기 스티어링휠의 조작 방향의 반대방향으로 반력을 제공하기 위한 반력 모터에서 출력되는 상 전류를 감지하는 상전류 감지 단계:
    상기 반력 모터의 회전각을 감지하는 단계;
    상기 상 전류와 상기 반력 모터의 회전각에 대한 정보를 제공받아 복수의 상태 변수 및 운전자 토크를 추정하는 추정단계; 및
    상기 복수의 상태 변수 및 운전자 토크를 이용하여 상기 반력 모터에서 출력되는 반력 토크를 결정하는 토크 결정 단계;를 포함하는 스티어 바이 와이어 시스템의 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 추정단계는, 칼만 필터를 이용하여 정의되는 기본 추정기 게인을 미분 상 방정식에 적용하여 상기 복수의 상태 변수를 추정하는 스티어 바이 와이어 시스템의 제어방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 상태 변수의 추정값을 제공받아 바퀴를 조향하는 조향 모터에 제공되는 전류를 제어하는 단계를 더 포함하는 스티어 바이 와이어 시스템의 제어방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 상태 변수가 상기 반력 모터의 회전각, 상기 반력 모터의 상 전류에 대한 정보 중 적어도 하나와 미리 설정된 일정 이상의 차이가 발생하면, 상기 복수의 상태 변수의 추정값을 재산출하는 단계를 더 포함하는 스티어 바이 와이어 시스템의 제어방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 상태 변수의 추정값은 운전자 토크, 스티어링휠의 조향각, 스티어링휠의 조향각속도, 토션바 토크, 스티어링 휠과 모터의 각속도 차이 중 적어도 하나를 포함하는 스티어 바이 와이어 시스템의 제어방법.
  13. 제8항에 있어서,
    조향 컬럼의 토션바 토크를 감지하는 단계와,
    상기 감지된 토션바 토크와 상기 복수의 상태 변수의 추정값 중 하나인 토션바 토크를 비교하여 상기 토션바 토크를 감지하는 토크 센서의 오류 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 스티어 바이 와이어 시스템의 제어방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 스티어링휠의 조향각을 감지하는 단계와,
    상기 감지된 스티어링휠의 조향각과 상기 복수의 상태 변수의 추정값 중 하나인 스티어링휠의 조향각을 비교하여 상기 스티어링휠의 조향각을 감지하는 조향각 센서의 오류 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 스티어 바이 와이어 시스템의 제어방법.

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