KR20200071607A - 전동식 조향시스템의 조향 제어방법 및 장치 - Google Patents

전동식 조향시스템의 조향 제어방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가상의 조향계모델에 의해 조향계 시스템의 특성을 다양하게 변경하여 조향성능의 예측이 가능한 기술에 관한 것으로, 본 발명에서는, 조향휠과 반력기구와 랙기어를 포함하는 가상의 조향계모델을 설정하고; 가상의 조향계모델에 대해 조향휠과 반력기구와 랙기어의 운동량을 상태변수로 갖는 상태방정식을 유도하며; 상태방정식의 수치 적분을 통해 반력기구에 작용하는 목표 조향토크를 산출하고; 조타토크를 상기 목표 조향토크와 일치시키도록 조향모터의 제어량을 피드백 제어하는 전동식 조향시스템의 조향 제어방법 및 장치가 소개된다.

Description

전동식 조향시스템의 조향 제어방법 및 장치{STEERING COTROL METHOD AND APPARATUS OF MOTOR DRIVEN POWER STEERING SYSTEM}
본 발명은 가상의 조향계모델을 이용하여 조향계 시스템의 특성을 다양하게 변경함으로써, 조향성능의 예측이 가능하여 제어기술의 개발 효율성을 향상시키는 전동식 조향 시스템의 조향 제어방법 및 장치에 관한 것이다.
기존 오픈루프 기반의 MDPS 제어는 하드웨어 산포에 의해 성능이 달라질 수 있고, 원하는 목표 조향성능을 확보하기 위해 많은 반복 튜닝이 필요하다는 단점이 있다.
다만, 이 같은 오픈루프 기반의 제어는 폐루프 기반의 피드백 제어를 통해 극복이 가능할 수 있다.
즉, 피드백 제어는 룩업 테이블(Look-up Table) 방식으로 제어의 대상인 목표 조향토크를 생성하여 피드백 제어함으로써, 오픈루프 방식에 대비하여 제어의 강건성과 튜닝 효율성이 향상되는 장점이 있다.
그러나, 이 같은 피드백 제어의 경우 피드백 제어기의 설계 초기 단계에서 제어로직의 성능을 예측하기 어려운 문제가 있어, 개발 효율성을 개선할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2017-0019669 A
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 가상의 조향계모델을 적용함에 따라 조향계 시스템의 특성을 다양하게 변경 가능함으로써, 조향성능의 예측이 가능하여 제어기술의 개발 효율성을 향상시키는 전동식 조향 시스템의 조향 제어방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 컨트롤러가, 조향휠과 랙기어 사이에 반력기구가 구비된 가상의 조향계모델을 설정하는 단계; 컨트롤러가, 상기 가상의 조향계모델에 대해 조향휠과 반력기구와 랙기어의 운동량을 상태변수로 갖는 상태방정식을 유도하는 단계; 컨트롤러가, 상기 상태방정식의 수치 적분을 통해 상기 반력기구에 작용하는 목표 조향토크를 산출하는 단계; 및 컨트롤러가, 조타토크를 상기 목표 조향토크와 일치시키도록 조향모터의 제어량을 피드백 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 가상의 조향계모델은, 조향각속도와 랙포스가 입력변수로 적용되고; 조향휠 관성과, 반력기구로 사용되는 토션바 강성과, 토션바 댐퍼와, 컬럼 프릭션과, 피니언 반지름과, 랙기어 중량이 시스템 특성 파라미터로 적용되며; 상기 입력변수와 시스템 특성 파라미터의 관계로 결정되는 목표 조향토크가 출력변수로 적용될 수 있다.
상기 가상의 조향계모델에 대해 본드그래프(Bond Graph)를 이용하여 상태방정식을 유도할 수 있다.
상기 상태방정식은 토션바의 비틀림변위와, 랙기어 모멘텀과, 조향휠 모멘텀 및 랙기어 이송변위를 상태변수로 설정하여 유도할 수 있다.
상기 목표 조향토크는 하기의 수식에 의해 산출될 수 있다.
Figure pat00001
Tq_ref : 목표 조향토크
Kt : 토션바 강성
q5 : 토션바 비틀림변위
Bt : 토션바 댐퍼
Figure pat00002
: 토션바 비틀림변위 미분*
상기 목표 조향토크에 어시스트게인을 곱하여, 상기 어시스트게인에 따라 목표 조향토크의 변경이 가능할 수 있다.
여기서, 0 < 어시스트게인(Ka) ≤ 1 임.
상기 시스템 특성 파라미터 중 적어도 하나 이상을 변경하여, 목표 조향토크의 변경이 가능할 수 있다.
본 발명의 조향 제어장치는, 조향휠과 랙기어 사이에 반력기구가 구비된 가상의 조향계모델을 설정하는 설정부; 상기 가상의 조향계모델에 대해 조향휠과 반력기구와 랙기어의 운동량을 상태변수로 갖는 상태방정식을 유도하고, 상기 상태방정식의 수치 적분을 통해 상기 반력기구에 작용하는 목표 조향토크를 산출부; 및 조타토크를 상기 목표 조향토크와 일치시키도록 조향모터의 제어량을 피드백 제어하는 피드백 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 가상의 조향계모델을 기반으로 목표 조향토크를 산출함으로써, 조향성능의 예측이 가능하여, 조향 제어기술의 개발 효율성을 높이게 되고, 더불어 조향계 시스템의 특성을 자유롭게 변경 가능하여 다양한 형태의 조향감을 생성함으로써, 튜닝 효율성을 향상시키는 효과가 있다.
더욱이, 조향휠과 스티어링기어박스 사이에 기구적인 연결구조가 단절된 SBW시스템에 적용시, 흡사 기구적인 조향 시스템이 장착되어 있는 것과 같은 조향반력 및 조향감을 생성하는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 조향 제어장치의 구성을 예시하여 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 다른 조향 제어과정의 흐름을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에서 어시스트게인에 따라 목표 조향토크가 변화하는 실험결과를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에서 토션바 강성에 따라 목표 조향토크가 변화하는 실험결과를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에서 랙포스 정보에 포함된 주파수 신호에 대한 크기와 위상을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에서 랙기어 중량에 따라 노이즈가 감소되는 실험결과를 나타낸 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 적용 가능한 전동식 조향시스템은 전동식 모터를 이용하여 조향력을 생성하거나 조향력을 보조하는 조향시스템일 수 있는 것으로, MDPS(Motor Driven Power Steering)시스템 또는 SBW(Steer-by-wire)시스템일 수 있다.
한편, 본 발명은 상기한 조향시스템에 적용되어 목표 조향토크(Tq_ref)를 다양하게 변경 가능할 수 있는 조향 제어방법으로, 가상의 조향계모델을 생성하는 단계와, 가상의 조향계모델에 대한 상태방정식을 유도하는 단계와, 상태방정식을 이용하여 목표 조향토크를 생성하는 단계, 그리고 목표 조향토크를 추종하도록 피드백 제어하는 단계를 포함하여 구성이 된다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명을 구체적으로 살펴보면, 먼저 가상 조향계모델 설정단계에서는, 컨트롤러(CLR)가, 조향휠(1)과 랙기어(5) 사이에 반력기구가 구비된 가상의 조향계모델(VM)을 설정한다. 여기서, 상기 반력기구는 토션바(3)일 수 있는 것으로, 상기 조향휠(1)과 랙기어(5) 사이에 토션바(3)가 연결된 가상의 조향계모델(VM)로 설정될 수 있다.
그리고, 상태방정식 유도단계에서는, 컨트롤러(CLR)가, 상기 가상의 조향계모델(VM)에 대해 조향휠(1)과 반력기구와 랙기어(5)의 운동량을 상태변수로 갖는 상태방정식을 유도한다.
이어서, 목표 조향토크 산출단계에서는, 컨트롤러(CLR)가, 상기 상태방정식의 수치 적분을 통해 상기 반력기구에 작용하는 목표 조향토크(Tq_ref)를 산출한다.
그리고, 피드백 제어단계에서는, 컨트롤러(CLR)가, 조타토크를 상기 목표 조향토크(Tq_ref)와 일치시키도록 조향모터의 제어량을 피드백 제어한다.
즉, 상기한 구성에 따르면, 가상의 조향계모델(VM)을 기반으로 목표 조향토크(Tq_ref)를 산출함으로써, 조향성능의 예측이 가능하여, 조향 제어기술의 개발 효율성을 높이게 되고, 더불어 조향계 시스템의 특성을 자유롭게 변경 가능하여 다양한 형태의 조향감을 생성함으로써, 튜닝 효율성을 향상시키게 된다.
또한, 조향휠(1)과 스티어링기어박스 사이에 기구적인 연결구조가 단절된 SBW시스템에 적용시, 흡사 기구적인 조향 시스템이 장착되어 있는 것과 같은 조향반력 및 조향감을 생성할 수 있게 된다.
아울러, 도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 가상의 조향계모델(VM)을 설명하면, 상기 가상의 조향계모델(VM)은 조향각속도(ωsw)와 랙포스(Frack)가 입력변수로 적용되고, 조향휠(1) 관성과, 반력기구로 사용되는 토션바 강성(Kt)과, 토션바 댐퍼(Bt)와, 컬럼 프릭션(Tfric_c)과, 피니언 반지름(Rp)과, 랙기어 중량(Mr)이 시스템 특성 파라미터로 적용되며, 상기 입력변수와 시스템 특성 파라미터의 관계로 결정되는 목표 조향토크(Tq_ref)가 출력변수로 적용될 수 있다.
즉, 2개의 입력변수와, 6개의 파라미터 및 1개의 출력변수로 가상의 조향계모델(VM)을 설정할 수 있다.
한편, 상기 가상의 조향계모델(VM)에 대해 본드그래프(Bond Graph)를 이용하여 상태방정식을 유도할 수 있는데, 상기 본드그래프를 예시하면 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00003
ωsw : 조향각속도
Frack : 랙포스
Jsw : 조향휠 관성
Kt : 토션바 강성
Bt : 토션바 댐퍼
Tfric_c : 컬럼 프릭션
Rp : 피니언 반지름
Mr : 랙기어 중량
그리고, 상기의 본드그래프를 이용하여 상태방정식을 유도하게 되는데, 상기 상태방정식은 토션바의 비틀림변위(q5)와, 랙기어 모멘텀(P10)과, 조향휠 모멘텀(P2) 및 랙기어 이송변위(q13)를 상태변수로 설정하여 유도할 수 있고, 이를 예시하면 하기와 같이 산출될 수 있다.
Figure pat00004
q5 : 토션바 비틀림변위
P10 : 랙기어 모멘텀
P2 : 조향휠 모멘텀
q13 : 랙기어 이송변위
아울러, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명은 상기 상태방정식의 수치 적분을 통해 토션바(3)에 작용하는 목표 조향토크(Tq_ref)를 산출하게 되는바, 상기 목표 조향토크(Tq_ref)는 하기의 수식(1)에 의해 산출될 수 있다.
Figure pat00005
.........(1)
Tq_ref : 목표 조향토크
Kt : 토션바 강성
q5 : 토션바 비틀림변위
Bt : 토션바 댐퍼
Figure pat00006
: 토션바 비틀림변위 미분값
한편, 본 발명은 상기 수식에 의해 산출되는 목표 조향토크(Tq_ref)에 어시스트게인(Ka)을 곱하여, 상기 어시스트게인(Ka)에 따라 목표 조향토크(Tq_ref)의 변경이 가능하도록 구성할 수 있다. 이는, 하기의 수식(2)와 같이 정리될 수 있다.
Figure pat00007
여기서, 0 < 어시스트게인(Ka) ≤ 1 임.
즉, 상기 수식(1)에 의해 산출되는 목표 조향토크(Tq_ref)의 값이 과도하게 높게 산출되는 경우, 상기 어시스트게인(Ka)을 적용하여 목표 조향토크(Tq_ref)를 감소시킬 수 있게 된다.
다만, 도 3과 같이 상기 어시스트게인(Ka) 적용시, 어시스트게인(Ka)의 크기에 따라 목표 조향토크(Tq_ref)가 비례하여 산출될 수 있는 것으로, 상기 어시스트게인(Ka)의 증대시 목표 조향토크(Tq_ref)가 상향이 된다.
아울러, 본 발명에서는 상기 시스템 특성 파라미터 중 적어도 하나 이상을 변경하여, 목표 조향토크(Tq_ref)의 변경이 가능하도록 구성할 수 있다.
즉, 도 4는 토션바 강성(Kt)에 따라 목표 조향토크(Tq_ref)가 변화하는 실험결과를 나타낸 것으로, 토션바 강성(Kt)의 증대시, 목표 조향토크(Tq_ref)가 상향이 된다.
또한, 도 5는 랙포스(Frack) 정보에 포함된 주파수 신호에 대한 크기와 위상을 나타낸 것으로, 랙포스(Frack) 정보에 포함된 고주파수 신호를 억제할 수 있음이 확인된다.
즉, 목표 조향토크(Tq_ref)에 따라 주파수 영역에 대한 설계가 가능하여, 외부 노이즈를 억제할 수 있게 된다.
예컨대, 랙기어(5)의 중량을 증대시키는 경우, 관성이 증대되어 에너지 흡수(필터 효과)로 노이즈가 감소될 수 있다. 이는, 도 6에서 랙기어 중량(Mr)에 따라 노이즈가 감소되는 실험결과를 통해 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 토션바의 강성(Kt) 및 랙기어의 중량(Mr) 등과 같은 시스템 파라미터 특성을 변경하여 다양한 형태의 조향감을 생성하게 되고, 이에 조향성능의 예측을 통해 제어기술의 개발 효율성 및 튜닝 효율성을 향상시키게 된다.
한편, 본 발명에 따른 전동식 조향시스템의 조향 제어장치는, 크게 설정부(10)와, 산출부(20)와, 피드백 제어기(30)를 포함하여 구성이 될 수 있다.
도 1을 참조하면, 먼저 설정부(10)에는 조향휠(1)과 랙기어(5) 사이에 반력기구가 구비된 가상의 조향계모델(VM)을 설정하여 저장된다.
그리고, 산출부(20)에서는, 상기 가상의 조향계모델(VM)에 대해 조향휠(1)과 반력기구와 랙기어(5)의 운동량을 상태변수로 갖는 상태방정식을 유도하고, 상기 상태방정식의 수치 적분을 통해 상기 반력기구에 작용하는 목표 조향토크(Tq_ref)를 산출한다.
또한, 피드백 제어기(30)에서는 조타토크를 상기 목표 조향토크(Tq_ref)와 일치시키도록 조향모터의 제어량을 피드백 제어한다.
한편, 도 2는 도 1의 조향 제어장치를 이용한 조향 제어흐름을 나타낸 도면으로, 도면을 참조하여 설명하면 먼저 조향휠(1)과 랙기어(5)와 토션바(3)로 구성된 가상의 조향계모델(VM)을 설정한다(S10).
이어서, 상기 가상의 조향계모델(VM)에 대한 본드그래프(Bond Graph)를 생성하고(S20), 상기 본드그래프를 이용하여 상태방정식을 유도하되, 상기 상태방정식은 토션바의 비틀림변위(q5)와, 랙기어 모멘텀(P10)과, 조향휠 모멘텀(P2) 및 랙기어 이송변위(q13)를 상태변수로 설정하여 유도하게 된다(S30).
그리고, 상기 상태방정식의 수치 적분을 통해 상기 토션바(3)에 작용하는 목표 조향토크(Tq_ref)를 산출한다(S40).
이 후, 토크센서에서 측정되는 조타토크를 상기 목표 조향토크(Tq_ref)와 일치시키도록 조향모터의 제어량을 피드백 제어하게 된다(S50).
상술한 바와 같이, 본 발명은 가상의 조향계모델(VM)을 기반으로 목표 조향토크(Tq_ref)를 산출함으로써, 조향성능의 예측이 가능하여, 조향 제어기술의 개발 효율성을 높이게 되고, 더불어 조향계 시스템의 특성을 자유롭게 변경 가능하여 다양한 형태의 조향감을 생성함으로써, 튜닝 효율성을 향상시키게 된다.
또한, 조향휠(1)과 스티어링기어박스 사이에 기구적인 연결구조가 단절된 SBW시스템에 적용시, 흡사 기구적인 조향 시스템이 장착되어 있는 것과 같은 조향반력 및 조향감을 생성할 수 있게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
1 : 조향휠
3 : 토션바
5 : 랙기어
10 : 설정부
20 : 산출부
30 : 피드백 제어기
CLR : 컨트롤러
VM : 가상의 조향계모델

Claims (8)

  1. 컨트롤러가, 조향휠과 랙기어 사이에 반력기구가 구비된 가상의 조향계모델을 설정하는 단계;
    컨트롤러가, 상기 가상의 조향계모델에 대해 조향휠과 반력기구와 랙기어의 운동량을 상태변수로 갖는 상태방정식을 유도하는 단계;
    컨트롤러가, 상기 상태방정식의 수치 적분을 통해 상기 반력기구에 작용하는 목표 조향토크를 산출하는 단계; 및
    컨트롤러가, 조타토크를 상기 목표 조향토크와 일치시키도록 조향모터의 제어량을 피드백 제어하는 단계;를 포함하는 전동식 조향시스템의 조향 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가상의 조향계모델은,
    조향각속도와 랙포스가 입력변수로 적용되고;
    조향휠 관성과, 반력기구로 사용되는 토션바 강성과, 토션바 댐퍼와, 컬럼 프릭션과, 피니언 반지름과, 랙기어 중량이 시스템 특성 파라미터로 적용되며;
    상기 입력변수와 시스템 특성 파라미터의 관계로 결정되는 목표 조향토크가 출력변수로 적용되는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 조향 제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 가상의 조향계모델에 대해 본드그래프(Bond Graph)를 이용하여 상태방정식을 유도하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 조향 제어방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 상태방정식은 토션바의 비틀림변위와, 랙기어 모멘텀과, 조향휠 모멘텀 및 랙기어 이송변위를 상태변수로 설정하여 유도하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 조향 제어방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 목표 조향토크는 하기의 수식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 조향 제어방법.
    Figure pat00008

    Tq_ref : 목표 조향토크
    Kt : 토션바 강성
    q5 : 토션바 비틀림변위
    Bt : 토션바 댐퍼
    Figure pat00009
    : 토션바 비틀림변위 미분*
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 목표 조향토크에 어시스트게인을 곱하여, 상기 어시스트게인에 따라 목표 조향토크의 변경이 가능한 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 조향 제어방법.
    여기서, 0 < 어시스트게인(Ka) ≤ 1 임.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 시스템 특성 파라미터 중 적어도 하나 이상을 변경하여, 목표 조향토크의 변경이 가능한 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 조향 제어방법.
  8. 조향휠과 랙기어 사이에 반력기구가 구비된 가상의 조향계모델을 설정하는 설정부;
    상기 가상의 조향계모델에 대해 조향휠과 반력기구와 랙기어의 운동량을 상태변수로 갖는 상태방정식을 유도하고, 상기 상태방정식의 수치 적분을 통해 상기 반력기구에 작용하는 목표 조향토크를 산출부; 및
    조타토크를 상기 목표 조향토크와 일치시키도록 조향모터의 제어량을 피드백 제어하는 피드백 제어기;를 포함하는 전동식 조향시스템의 조향 제어장치.
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