KR20200042634A - 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치 - Google Patents

차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 전동모터의 출력토크를 제어하여 운전자의 조향토크를 추가 보상함으로써 차량의 선회 성능을 증대하기 위한 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치에 관한 것이다.

Description

차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치 {Motor torque control device of vehicle steeing system}
본 발명은 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 전동모터의 출력토크를 제어하여 운전자의 조향토크를 추가 보상함으로써 차량의 선회 성능을 증대하기 위한 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치에 관한 것이다.
통상 차량은 선회 주행을 할 때 선회방향의 외측으로 원심력을 받고 선회방향으로 내측으로 횡력을 받게 된다. 이때 차륜의 타이어에 작용하는 상기 횡력과 상기 원심력이 균형을 이룸에 의해 미끄러지지 않고 안정적인 선회를 하게 된다.
운전자가 차량의 스티어링핸들을 회전시킬 때 조향각이 증가함에 따라 타이어의 노면 접지면 중 슬립영역이 점차 증가하게 된다. 상기 슬립영역이 증가함에 따라 운전자는 타이어 슬립에 의해 차량 스핀이 발생할 것을 우려하게 된다. 다시 말해, 운전자는 스티어링핸들을 회전시킬 때 차량 스핀의 가능성으로 인해 불안감을 느끼게 되고, 이에 노면에 대한 타이어의 그립 성능이 한계점에 도달하기 전부터 조향토크를 줄이게 된다.
이와 같이 타이어의 그립 성능이 한계점에 도달하기 전부터 운전자 조향토크가 감소하게 되면 스티어링핸들이 최대 조향각까지 회전하지 못한 상태로 선회 주행을 하게 된다. 상기 스티어링핸들의 조향각이 최대 조향각(한계점)까지 발생할 때 타이어의 횡력을 최대로 활용할 수 있다.
따라서, 상기 스티어링핸들의 조향각이 최대 조향각에 도달하기 전에 운전자 조향토크 및 조향각이 감소하게 되면, 주행 중 타이어에 작용하는 횡력을 최대로 활용하지 못함에 따라 차량의 선회 성능이 저하되는 문제점이 있으며 또한 운전자가 스티어링핸들을 조작하면서 느끼는 조타감이 저하되는 문제점이 있다.
공개특허 제2017-0079816호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 스티어링핸들이 최대 조향각까지 회전될 때에 스티어링기어로 입력되는 가상 조향토크와 상기 스티어링핸들의 실시간 조향각에 따라 스티어링기어로 입력되는 실제 조향토크를 추정하여 산출하고, 모터 어시스트토크를 발생시켜 운전자 조향토크를 보상할 때 상기 가상 조향토크와 실제 조향토크 간에 차이값을 기초로 상기 실제 조향토크를 추가 보상함으로써 차량의 선회 성능을 향상시킬 수 있는 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치를 제공하는데 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 전동모터를 이용하여 스티어링기어로 입력되는 운전자 조향토크를 보조하기 위한 모터 어시스트토크를 발생하는 조향 시스템의 모터토크 제어 장치로서, 스티어링핸들을 최대 조향각까지 회전시킬 때에 상기 스티어링기어에 입력되는 가상 조향토크를 추정하는 가상조향토크 판단유닛; 상기 스티어링핸들의 실시간 조향각에 따라 상기 스티어링기어에 입력되는 실제 조향토크와 상기 가상 조향토크 간에 차이를 판단하는 차감토크 판단유닛; 상기 차이 및 차속을 기초로 상기 실제 조향토크를 보상하기 위한 보상토크를 결정하는 보상토크 판단유닛; 운전자 조향토크를 보조하기 위한 모터 어시스트토크와 상기 보상토크를 기초로 상기 전동모터의 출력토크를 판단하는 모터토크 판단유닛;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 상기 가상조향토크 판단유닛은 차륜 타이어의 횡력과 가상 뉴매틱 트레일을 기초로 상기 가상 조향토크를 추정할 수 있으며, 상기 가상 뉴매틱 트레일은 타이어의 슬립이 미발생할 때의 뉴매틱 트레일 값이다. 구체적으로, 상기 가상 조향토크는 "타이어의 횡력 × (캐스터 트레일 + 가상 뉴매틱 트레일)/모멘트 암 × 스티어링기어비 + 프릭션토크"에 의해 계산된다. 상기 캐스터 트레일은 차륜의 휠허브의 중심을 지나는 수직선과 킹핀 중심선의 아래쪽 연장선이 각각 노면에서 만나는 점 사이의 거리이고, 상기 모멘트 암은 킹핀과 타이로드 사이의 거리이다. 상기 킹핀은 전륜의 주행방향을 변경하는 너클의 회전축으로서 차축의 단부에 설치되어 있고, 상기 타이로드는 스티어링 기어와 전륜 사이에 설치되어 있다. 상기 스티어링기어비는 스티어링기어의 피니언과 랙바 간에 기어비이고, 상기 프릭션토크는 조향 시스템에 발생하는 마찰토크이다. 또한, 상기 가상조향토크 판단유닛은 차량의 횡가속도와 요레이트, 실시간 차속, 차량 중량, 차량 중심에서 차륜 휠까지의 거리, 및 질량관성모멘트를 기초로 상기 타이어의 횡력을 예측할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 차감토크 판단유닛은 가상 조향토크에서 실제 조향토크를 차감한 값으로서 차감토크를 계산하며, 실시간으로 발생하는 운전자 조향토크와 모터 어시스트토크를 합산한 값으로서 상기 실제 조향토크를 계산한다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 보상토크 판단유닛은 차속을 기초로 상기 차감토크에 대한 게인을 결정하고 상기 게인을 이용하여 상기 보상토크를 결정할 수 있다. 상기 차속이 설정된 제1차속 미만이면 상기 게인은 '0'으로 결정되고, 상기 차속이 제1차속보다 큰 제2차속 이상이면 상기 게인은 설정된 최대게인 값으로 결정되고, 상기 차속이 제1차속 이상 제2차속 미만이면 상기 게인은 차속에 비례하여 '0'과 상기 최대게인 사이의 값으로 결정된다. 그리고, 상기 보상토크는 "차감토크×게인"에 의해 계산될 수 있다.
아울러 본 발명에 의하면, 상기 모터토크 판단유닛은 모터 어시스트토크에서 상기 보상토크를 차감한 값으로서 상기 전동모터의 출력토크를 결정할 수 있다.
본 발명에 따른 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치에 의하면, 전동모터가 운전자 조향토크를 보조하기 위한 모터 어시스트토크를 발생할 때 실제 조향토크를 보상하기 위한 보상토크를 추가 발생할 수 있도록 모터토크(즉, 전동모터의 출력토크)를 제어함으로써 선회 주행 시에 타이어의 성능을 최대로 활용하여 차량의 선회 성능을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 타이어의 성능을 최대로 활용하게 됨에 따라 선회 주행 시 운전자가 스티어링핸들을 통해 느끼는 조향감을 개선할 수 있으며, 따라서 운전자에게 안정적인 조향감을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 전동식 조향 시스템의 모델을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차감토크 판단유닛을 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 차감토크 판단유닛의 차감토크 산출 방식을 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 보상토크 판단유닛의 게인 결정 방식을 나타낸 개념도이다.
먼저, 선회 주행 중 스티어링핸들의 조향각이 한계점(최대 조향각)에 도달하기 전에 운전자가 조향토크(핸들 조작력)를 감소시키는 이유를 살펴보도록 한다.
주행 중 차륜 타이어의 슬립각이 임계치를 초과하는 경우 노면에 접촉하는 타이어의 접지면은 노면을 그립하는 점착영역과 노면을 그립하지 못하고 미끄러지는 슬립영역으로 구분될 수 있다. 스티어링핸들의 조향각이 증가하는 경우 상기 타이어의 슬립각이 증가하게 되고, 상기 슬립각이 임계치를 초과하여 증가함에 따라 타이어의 노면 접지면 중 슬립영역이 증대되며, 상기 슬립영역이 증대됨에 따라 뉴매틱 트레일이 감소하게 된다.
상기 뉴매틱 트레일은 노면에 대한 차륜 타이어의 접지면 중심점과 상기 차륜 타이어에 작용하는 횡력의 작용점(또는 선회력의 착력점) 간에 거리이며, 선회 주행 시 타이어의 변형에 따라 발생하는 타이어의 복원모멘트는 "복원모멘트 = 횡력 × 뉴매틱 트레일"에 의해 결정된다. 따라서, 상기 뉴매틱 트레일이 감소됨에 따라 타이어의 복원모멘트가 감소하게 된다.
상기 복원모멘트가 감소되는 경우, 운전자는 스티어링핸들을 통해 전달되는 힘에 의해 타이어의 그립 성능이 감소하는 것을 느끼게 된다. 상기 복원모멘트는 타이어의 그립 성능이 한계점에 도달하고 노면에 대해 타이어의 슬립이 발생할 때까지 점차 감소한다. 따라서, 타이어의 그립 성능이 한계점에 도달하기 전부터, 즉 스티어링핸들이 한계점(최대 조향각)에 도달하기 전부터, 운전자는 타이어 슬립에 의해 차량 스핀이 발생할 것을 우려하게 된다. 다시 말해, 운전자는 스티어링핸들을 회전시킬 때 차량 스핀의 가능성으로 인해 불안감을 느끼게 된다. 이에 운전자는 노면에 대한 타이어의 그립 성능이 한계점에 도달하기 전부터 조향토크를 줄이게 된다.
이와 같이 타이어의 그립 성능이 한계점에 도달하기 전부터 운전자 조향토크가 감소하게 되면 스티어링핸들이 최대 조향각까지 회전하지 못한 상태로 선회 주행을 하게 된다. 상기 스티어링핸들의 조향각이 최대 조향각까지 발생할 때 타이어의 횡력을 최대로 활용할 수 있다.
따라서, 상기 스티어링핸들의 조향각이 최대 조향각에 도달하기 전에 운전자 조향토크 및 조향각이 감소하게 되면, 주행 중 타이어에 작용하는 횡력을 최대로 활용하지 못함에 따라 차량의 선회 성능이 저하되고 또한 운전자가 스티어링핸들을 조작하면서 느끼는 조타감이 저하된다.
이에 본 발명에서는 스티어링핸들이 최대 조향각까지 회전될 때에 스티어링기어로 입력되는 가상 조향토크와 상기 스티어링핸들의 실시간 조향각에 따라 스티어링기어로 입력되는 실제 조향토크를 추정하여 산출하고, 모터 어시스트토크를 발생시켜 운전자 조향토크를 보상할 때 상기 가상 조향토크와 실제 조향토크 간에 차이값을 기초로 상기 실제 조향토크를 추가 보상함으로써 차량의 선회 성능을 향상시킬 수 있도록 한다.
이하, 도 1 내지 5를 참조하여 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치를 나타낸 구성도이고, 도 2는 전동식 조향 시스템의 모델을 나타낸 도면이고, 도 3은 상기 모터토크 제어 장치를 구성하는 차감토크 판단유닛의 구성을 일례로 나타낸 도면이고, 도 4는 상기 차감토크 판단유닛의 차감토크 산출 방식을 나타낸 개념도이고, 도 5는 상기 모터토크 제어 장치를 구성하는 보상토크 판단유닛의 게인 결정 방식을 나타낸 개념도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치는 가상조향토크 판단유닛(10), 차감토크 판단유닛(20), 보상토크 판단유닛(30), 및 모터토크 판단유닛(40)을 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 판단유닛(10,20,30,40)들은 차량용 전동식 조향 시스템(electric power steering system)의 제어기내에 구비될 수 있다.
도 2를 참조하여 설명하면, 상기 전동식 조향 시스템은 일반적으로 전동모터(3)를 이용하여 운전자의 스티어링핸들 조작력(운전자 조향토크)을 보조해주는 어시스트토크를 발생시키며, 상기 전동모터(3)의 어시스트토크(모터 어시스트토크)는 운전자 조향토크와 실시간 차속 및 스티어링핸들(1)의 조향각에 따라 결정되고 제어된다. 상기 운전자 조향토크와 모터 어시스트토크는 스티어링핸들(1)의 회전축 역할을 하는 스티어링샤프트(2)를 통해 스티어링기어(4)를 구성하고 있는 피니언(4a)으로 입력되고, 상기 피니언(4a)과 일정 기어비로 치합되는 스티어링기어(4)의 랙바(4b)를 통해 차륜으로 전달된다.
상기 가상조향토크 판단유닛(10)은 선회 주행 시 스티어링핸들(1) 및 전동모터(3)와 연결된 스티어링샤프트(2)를 통해 스티어링기어(4)에 입력되는 가상 조향토크를 추정하여 판단한다. 상기 가상 조향토크는 스티어링핸들(1)의 조향각이 타이어 슬립이 발생하기 직전의 한계점(즉, 최대 조향각)까지 발생하는 경우 스티어링샤프트(2)를 통해 스티어링기어(4)에 입력되는 조향토크 값으로서 결정된다. 다시 말해, 상기 가상조향토크 판단유닛(10)은 스티어링핸들(1)의 조향각이 타이어 슬립이 발생하기 직전의 한계점(즉, 최대 조향각)까지 발생한다고 가정하고 상기 가상 조향토크를 산출한다. 즉, 상기 가상조향토크 판단유닛(10)은 타이어의 뉴매틱 트레일이 변하지 않는다고 가정하고 상기 뉴매틱 트레일을 일정값(즉, 가상 뉴매틱 트레일)으로 설정하여 가상 조향토크를 계산한다. 상기 가상 뉴매틱 트레일은 타이어 슬립이 미발생할 때의 뉴매틱 트레일 값으로 설정되며, 차량에 따라 변경될 수 있다. 상기 가상 조향토크는 아래 식 1과 같이 계산될 수 있다.
식 1 : 가상 조향토크 = 타이어의 횡력 × (캐스터 트레일 + 가상 뉴매틱 트레일)/모멘트 암 × 스티어링기어비 + 프릭션토크
상기 횡력은 선회 주행 시 차륜의 타이어에 횡방향으로 작용하는 힘으로서, 선회 주행 시에 발생하는 타이어의 트레드의 변형을 복원시키려고 하는 고무 반력으로서 발생하며, 타이어의 슬립각을 감소시키는 방향으로 작용한다. 상기 캐스터 트레일은 차륜의 휠허브의 중심을 지나는 수직선과 킹핀 중심선의 아래쪽 연장선이 각각 노면에서 만나는 점 사이의 거리이고, 상기 가상 뉴매틱 트레일은 타이어의 노면 접지면 중심점과 타이어의 횡력 작용점 간에 거리이고, 상기 모멘트 암은 킹핀과 타이로드 사이의 최단 거리이다. 상기 킹핀은 전륜의 주행방향을 변경하는 너클의 회전축으로서 차축의 단부에 설치되어 있고, 상기 타이로드는 스티어링 기어와 전륜 사이에 설치되어 있다. 상기 스티어링기어비는 스티어링기어(4)를 구성하는 피니언(4a)과 랙바(4b) 간에 기어비이고, 상기 프릭션토크는 선회 주행 시 조향 시스템에 발생하는 기계적 마찰토크이다. 상기 가상 뉴매틱 트레일은 타이어의 슬립이 미발생할 때의 뉴매틱 트레일 값중에 선택된 값으로 설정되며, 사전 시험 및 평가 등을 통해 선택된 값으로 설정될 수 있다. 상기 캐스터 트레일과 모멘트 암 및 프릭션토크는 차량에 따라 설정된 일정값이 사용된다.
상기 타이어의 횡력은 차량의 횡가속도와 요레이트, 실시간 차속, 및 차량 제원을 기초로 결정되며, 상기 횡가속도, 요레이트, 차속, 차량 제원을 기초로 상기 횡력을 결정할 수 있도록 구성된 횡력 결정맵에 의해 결정될 수 있다. 상기 횡력 결정맵은 시험 및 평가 등에 의해 사전 구축되어 상기 가상조향토크 판단유닛(10)에 저장 구비될 수 있다. 상기 횡력 결정맵은 차량제원 중에서 차량 중량, 차량 중심에서 차륜 휠(프론트 휠 혹은 리어 휠)까지의 거리, 질량관성모멘트를 입력값으로 이용하여 상기 횡력을 결정할 수 있도록 구성된다. 상기 요레이트는 요각속도라고도 하며 자동차의 중심을 통하는 수직선 주위에 회전각(요각)이 변하는 속도이다. 상기 차량 중량, 차량 중심에서 차륜 휠까지의 거리, 질량관성모멘트 등의 차량 제원에 대한 정보는 차량에 따라 정해지는 값이며 가상조향토크 판단유닛(10)에 입력되어 저장될 수 있다.
이와 같이 상기 가상조향토크 판단유닛(10)에 의해 예측되는 가상 조향토크는 선회 주행 시에 발생하는 실제 뉴매틱 트레일의 변동에 상관없이 고정된 값의 뉴매틱 트레일(즉, 가상 뉴매틱 트레일)을 이용하여 예측되며, 또한 복원모멘트의 변동에 영향을 받지 않는 조향토크 값으로서 추정된다.
상기 차감토크 판단유닛(20)은 선회 주행 시 스티어링샤프트(2)를 통해 스티어링기어(4)에 실시간으로 입력되는 실제 조향토크와 상기 가상 조향토크 간에 차이(즉, 차감토크)를 예측하여 계산할 수 있도록 구성된다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 차감토크 판단유닛(20)은 상기 가상 조향토크와 실제 조향토크를 기초로 상기 차감토크를 결정할 수 있는 차감토크 계산부(21)와 상기 차감토크 계산부(21)에서 산출된 차감토크에 포함되어 있는 노이즈 성분(예를 들어, 노면에서 발생되는 불규칙한 외력 등)을 제거할 수 있는 저주파 필터(22)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 차감토크 계산부(21)는 가상 조향토크에서 실제 조향토크를 차감하여 차감토크를 계산하며, 상기 실제 조향토크는 운전자가 회전시키는 스티어링핸들(1)의 실시간 조향각(운전자 조향각)에 따라 발생한다. 즉, 상기 실제 조향토크는 실시간 조향각을 기초로 결정될 수 있다. 다시 말해, 상기 실제 조향토크는 실시간 조향각에 따라 발생하는 운전자 조향토크와 상기 운전자 조향토크를 보조하기 위한 모터 어시스트토크를 합산한 값으로서 결정될 수 있다. 따라서, 상기 차감토크 계산부(21)는 가상 조향토크와 운전자 조향토크 및 모터 어시스트토크를 기초로 상기 차감토크를 계산하게 된다. 상기 차감토크 계산부(21)에서 산출된 상기 차감토크는 상기 저주파 필터(22)에 의해 노이즈 성분이 제거될 수 있다.
운전자는 선회 주행을 위해 스티어링핸들의 조향각을 증가시키는 경우 타이어의 복원모멘트가 감소하고 스티어링핸들의 조타감이 가벼워지는 것을 타이어의 그립 성능의 한계로 판단하고 스티어링핸들을 회전시키기 위한 조타력(조향토크)을 감소시키게 된다. 차량의 선회 성능을 증대하기 위해서는 운전자가 조향토크를 최대토크(타이어 슬립이 발생하기 직전의 조향토크)까지 발생시킨 뒤 유지시켜야 한다(도 4의 가상 조향토크 그래프(A) 참조). 그런데, 운전자는 스티어링핸들을 회전시키는 중에(즉, 조향토크를 발생하는 중에) 타이어의 복원모멘트가 감소하는 것을 느끼게 되면 타이어의 슬립이 발생하는 것을 우려하여 조향토크를 최대치까지 발생시키지 않고 오히려 감소시키게 된다(도 4의 실제 조향토크 그래프(B) 참조). 이에 따라 스티어링기어로 입력되는 실제 조향토크(즉, 피니언토크)가 도 4의 가상 조향토크 그래프(A)와 같이 최대토크를 유지하지 못하고 실제 조향토크 그래프(B)와 같이 감소하게 된다. 아울러, 도 4의 가상 조향토크 그래프(A)와 실제 조향토크 그래프(B) 사이에 빗금친 부분에 해당하는 토크가 상기 차감토크라고 볼 수 있다.
상기 보상토크 판단유닛(30)은 상기 차감토크를 기초로 실제 조향토크를 보상하기 위한 보상토크를 차속에 따라 결정할 수 있도록 구성된다. 다시 말해, 상기 보상토크 판단유닛(30)은 상기 차감토크와 실시간 차속을 기초로 상기 보상토크를 결정할 수 있도록 구성된다. 이를 위해 보상토크 판단유닛(30)은 실시간 차속에 따라 상기 차감토크에 대한 게인(Gain)을 결정할 수 있도록 구축된 게인 결정맵을 구비할 수 있다. 보상토크 판단유닛(30)은 상기 게인 결정맵을 이용하여 상기 차감토크에 대한 게인을 결정하고, "차감토크 × 게인"에 의해 상기 보상토크를 계산할 수 있다.
상기 게인 결정맵은 도 5의 그래프와 같이 차감토크의 게인을 결정할 수 있다. 도 5에 보듯이, 상기 게인은 설정된 제1차속(a) 미만의 저속범위에서는 상기 차감토크를 보상하지 않기 위한 값으로 결정될 수 있다. 또한 상기 게인은 제1차속(a) 이상 제2차속(b) 미만의 중속범위에서는 차속이 증가함에 따라 일정비율로 증가하도록 결정될 수 있으며, 그에 따라 상기 차감토크의 보상량도 일정비율로 증가할 수 있다. 또한 상기 게인은 설정된 제2차속(b) 이상의 고속범위에서는 최대값을 유지하도록 결정될 수 있다. 다시 말해, 상기 차감토크는 저속에서는 보상되지 않고 고속에서는 설정된 최대비율(즉, 최대게인)으로 보상될 수 있으며, 중속에서는 차속에 따라 보상비율이 증가될 수 있다. 즉, 상기 차속이 설정된 제1차속(a) 미만이면 상기 게인은 '0'으로 결정될 수 있고, 상기 차속이 제1차속(a)보다 큰 값의 제2차속(b) 이상이면 상기 게인은 설정된 최대게인(α) 값으로 결정될 수 있고, 상기 차속이 제1차속(a) 이상 제2차속(b) 미만이면 상기 게인은 차속에 비례하여 '0'과 상기 최대게인(α) 사이의 값으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 고속범위에서 차감토크의 보상량(즉, 보상토크)을 결정하는 최대게인(α)은 0.7일 수 있으며, 상기 제1차속(a)과 제2차속(b) 및 상기 최대게인(α)은 차량에 따라 조정되어 설정될 수 있다. 상기 제1차속(a)은 0보다 일정치 이상 큰 값으로 결정될 수 있고, 상기 제2차속(b)은 제1차속(a)보다 일정치 이상 큰 값으로 결정될 수 있다.
상기 보상토크 판단유닛(30)에 의해 결정된 보상토크는 전동모터(3)에 의해 발생되어 스티어링기어(4)측으로 전달된다.
상기 모터토크 판단유닛(40)은 운전자 조향토크를 보조하기 위한 모터 어시스트토크에서 상기 보상토크를 차감하여 상기 전동모터(3)의 출력토크를 결정할 수 있도록 구성된다. 구체적으로, 상기 모터토크 판단유닛(40)은 모터어시스트토크 판단부(41)와 모터출력토크 계산부(42)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 모터어시스트토크 판단부(41)는 운전자 조향토크를 보조하는 전동모터(3)의 어시스트토크(즉, 모터 어시스트토크)를 추정하여 예측할 수 있도록 구성되며, 운전자 조향토크와 스티어링핸들(1)의 조향각(즉, 운전자 조향각) 및 실시간 차속을 기초로 하여 상기 모터 어시스트토크를 결정할 수 있도록 구성된다. 이를 위해, 상기 모터어시스트토크 판단부(41)는 운전자 조향토크와 조향각 및 실시간 차속을 기초로 모터 어시스트토크를 결정하기 위한 모터어시스트토크 결정맵을 구비할 수 있다.
상기 모터출력토크 계산부(42)는 상기 모터어시스트토크 판단부(41)에서 예측한 모터 어시스트토크와 상기 보상토크 판단유닛(30)에서 산출한 보상토크를 기초로 전동모터(3)의 출력토크(즉, 모터 출력토크)를 결정한다. 구체적으로, 상기 모터출력토크 계산부(42)는 상기 모터 어시스트토크에서 상기 보상토크를 차감하여 계산한 값으로서 상기 모터 출력토크를 결정한다.
상기 모터토크 판단유닛(40)에서 판단한 모터 출력토크는 실시간으로 발생하는 운전자 조향토크와 함께 스티어링기어(4)로 입력되며, 이에 상기 스티어링기어(4)의 피니언에는 상기 차감토크가 보상된 실제 조향토크(즉, 가상 조향토크에 근사한 값으로 보정된 조향토크)가 입력되게 된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 모터토크 제어 장치를 이용하여 전동모터(3)의 출력토크를 결정하고 제어하는 경우, 상기 보상토크 판단유닛(30)에서 결정한 보상토크를 이용하여 실제 조향토크를 가상 조향토크에 근사한 값으로 보정할 수 있으며, 그에 따라 운전자가 복원모멘트의 감소로 인해 조향토크를 감소시키는 것에 대응할 수 있게 된다. 다시 말해, 선회 주행 중 운전자가 스티어링핸들의 조향각을 증가시키다가 감소시키더라도(도 4의 B 참조), 운전자 조향토크의 감소분(즉, 차감토크)이 전동모터에 의해 보상되고 상기 가상 조향토크(스티어링핸들을 최대 조향각까지 회전시킨 경우에 발생하는 조향토크임)에 근사한 조향토크가 스티어링기어측으로 전달된다. 따라서, 타이어의 횡력을 최대로 이용하는 선회 주행을 할 수 있고, 타이어의 성능을 최대로 활용하여 차량의 선회 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 스티어링핸들
2 : 스티어링샤프트
3 : 전동모터
4 : 스티어링기어
4a : 피니언
4b : 랙바
10 : 가상조향토크 판단유닛
20 : 차감토크 판단유닛
21 : 차감토크 계산부
22 : 저주파 필터
30 : 보상토크 판단유닛
40 : 모터토크 판단유닛
41 : 모터어시스트토크 판단부
42 : 모터출력토크 계산부

Claims (10)

  1. 전동모터를 이용하여 스티어링기어로 입력되는 운전자 조향토크를 보조하기 위한 모터 어시스트토크를 발생하는 조향 시스템의 모터토크 제어 장치로서,
    스티어링핸들을 최대 조향각까지 회전시킬 때에 상기 스티어링기어에 입력되는 가상 조향토크를 추정하는 가상조향토크 판단유닛;
    상기 스티어링핸들의 실시간 조향각에 따라 상기 스티어링기어에 입력되는 실제 조향토크와 상기 가상 조향토크 간에 차이를 판단하는 차감토크 판단유닛;
    상기 차이 및 차속을 기초로 상기 실제 조향토크를 보상하기 위한 보상토크를 결정하는 보상토크 판단유닛;
    운전자 조향토크를 보조하기 위한 모터 어시스트토크와 상기 보상토크를 기초로 상기 전동모터의 출력토크를 판단하는 모터토크 판단유닛;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가상조향토크 판단유닛은 차륜 타이어의 횡력과 가상 뉴매틱 트레일을 기초로 상기 가상 조향토크를 추정하는 것을 특징으로 하는 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치.
    상기 가상 뉴매틱 트레일은 타이어의 슬립이 미발생할 때의 뉴매틱 트레일 값이다.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 가상 조향토크는 "타이어의 횡력 × (캐스터 트레일 + 가상 뉴매틱 트레일)/모멘트 암 × 스티어링기어비 + 프릭션토크"에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치.
    상기 캐스터 트레일은 차륜의 휠허브의 중심을 지나는 수직선과 킹핀 중심선의 아래쪽 연장선이 각각 노면에서 만나는 점 사이의 거리이고, 상기 모멘트 암은 킹핀과 타이로드 사이의 거리이고, 상기 스티어링기어비는 스티어링기어의 피니언과 랙바 간에 기어비이고, 상기 프릭션토크는 조향 시스템에 발생하는 마찰토크이다.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 가상조향토크 판단유닛은 차량의 횡가속도와 요레이트, 실시간 차속, 차량 중량, 차량 중심에서 차륜 휠까지의 거리, 및 질량관성모멘트를 기초로 상기 타이어의 횡력을 예측하는 것을 특징으로 하는 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 차감토크 판단유닛은 가상 조향토크에서 실제 조향토크를 차감한 값으로서 차감토크를 계산하며, 실시간으로 발생하는 운전자 조향토크와 모터 어시스트토크를 합산한 값으로서 상기 실제 조향토크를 계산하는 것을 특징으로 하는 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 보상토크 판단유닛은 차속을 기초로 상기 차감토크에 대한 게인을 결정하고 상기 게인을 이용하여 상기 보상토크를 결정하는 것을 특징으로 하는 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 차속이 설정된 제1차속 미만이면 상기 게인은 '0'으로 결정되고, 상기 차속이 제1차속보다 큰 제2차속 이상이면 상기 게인은 설정된 최대게인 값으로 결정되고, 상기 차속이 제1차속 이상 제2차속 미만이면 상기 게인은 차속에 비례하여 '0'과 상기 최대게인 사이의 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 보상토크는 "차감토크×게인"에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터토크 판단유닛은 모터 어시스트토크에서 상기 보상토크를 차감한 값으로서 상기 전동모터의 출력토크를 결정하는 것을 특징으로 하는 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 모터토크 판단유닛은 운전자 조향토크와 조향각 및 실시간 차속을 기초로 상기 모터 어시스트토크를 결정하기 위한 모터어시스트토크 판단부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 조향 시스템의 모터토크 제어 장치.
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