KR20200141728A - 차량의 전자식 조향장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량의 전자식 조향장치 및 그 제어방법이 개시된다. 본 발명의 차량의 전자식 조향장치는, 스티어링 휠의 일측에 설치되어 스티어링 휠의 회전에 따른 반력토크를 발생시키는 반력모터; 랙과 연결되어 조향 조작을 구현하는 조향모터; 조향모터의 회전위치를 검출하여 현재 조향각을 측정하는 모터위치 감지부; 차속, 지령 조향각 및 현재 조향각을 입력받아 위치제어 에러량을 적용하여 목표 조향각을 산출하는 위치제어기; 위치제어기로부터 출력된 목표 조향각에 따라 조향모터를 구동하는 조향 제어부; 및 차속 및 조향각속도를 입력받아 운전자의 조향상태에 따른 반력토크를 생성하고 위치제어 에러량에 따라 반력토크를 보상하여 최종 반력토크를 기반으로 반력모터를 구동하는 반력 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

차량의 전자식 조향장치 및 그 제어방법{APPARATUS FOR STEERING BY WIRE OF VEHICLE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 차량의 전자식 조향장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차속과 조향각에 기초하여 랙에 연결된 조향모터를 구동하여 조향하고 반력을 발생시키는 스티어 바이 와이어 방식의 전자식 조향장치에서 자율주행 시 운전자의 조향의지에 따라 제어권이 이양될 때 이질감 없이 반력이 발생되도록 할 뿐만 아니라 운전자가 로드필을 느낄 수 있도록 조향모터의 위치제어 에러량에 따라 반력을 보상하는 차량의 전자식 조향장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 차량의 파워 스티어링은 동력에 따른 조향 장치로, 운전자의 스티어링 휠 조작을 돕는 역할을 한다. 이러한 파워 스티어링은 유압을 이용하는 방식이 주로 사용되고 있었으나, 최근에는 모터의 힘을 이용하는 방식인 전동식 파워 스티어링(MDPS: Motor Driven Power Steering) 시스템의 사용이 늘어나고 있다. MDPS 시스템은 기존의 유압식 파워 스티어링 시스템과 대비하여 무게가 가볍고, 공간을 적게 차지하며, 오일교환이 필요 없다는 장점이 존재하기 때문이다.
이러한 MDPS 시스템은, 스티어링 휠의 회전에 의해 발생한 조향토크를 감지하여 조향토크에 비례하는 전기신호를 출력하는 토크센서, 토크센서로부터 출력된 전기신호를 입력받아 모터 구동신호를 출력하는 ECU(Electronic Control Unit), 및 ECU로부터 출력된 모터 구동신호에 기초하여 보조토크를 발생시키는 모터를 포함하여 구성된다. 이에 따라 모터에서 발생한 보조토크가 랙(Rack), 피니언기어(Pinion Gear) 또는 스티어링 컬럼(Steering Column)에 전달되어 운전자의 조향토크를 보조하게 된다.
한편, MDPS 시스템이 장착된 차량에는 운전자의 조타입력 대비 차륜의 출력각도의 비율, 즉 조향 기어비를 가변시킴으로써 보다 민첩하거나 정밀한 조향을 가능하게 하는 AFS(Active Front Steering) 또는 VGR(Variable Gear Ratio) 시스템이 적용될 수 있다.
AFS 시스템은 스티어링 휠과 조향 액츄에이터 사이에 조향 기어비 가변장치를 구비시켜, 스티어링 휠의 조향각을 입력받아 조향 액츄에이터에 가변된 회전각을 출력함으로써 조향 기어비를 가변시키게 된다. 이러한 AFS 시스템은 통상적으로 차속에 따라 조향 기어비를 가변하며, 저속에서는 빠른 조향 기어비를 설정함으로써 민첩한 조향 특성을 얻을 수 있고, 고속에서는 느린 조향 기어비를 설정함으로써 스티어링 민감도가 감소하여 안정적인 조항 조작이 가능하게 된다.
VGR 시스템은 스티어링 컬럼 끝단의 피니언의 회전운동을 직선운동으로 변환하는 랙의 기계적 가공을 통해 조향 기어비를 가변시키는 것으로서, 조향각에 따라 랙의 변위를 가변시킴으로써 조향 기어비를 가변시키게 된다. 이러한 VGR 시스템은 조향각에 따라 조향 기어비가 가변되며, 작은 조향각에서는 느린 조향 기어비를 설정함으로써 더 세밀한 조향 특성을 얻을 수 있고, 큰 조향각에서는 빠른 조향 기어비를 설정함으로써 더 민첩한 조향 특성을 얻을 수 있다.
최근에는 스티어링 휠과 차륜사이의 스티어링 컬럼 또는 유니버설 조인트, 피니언 샤프트와 같은 기계적인 연결장치를 제거하고, 랙에 연결된 모터의 구동을 전기적인 신호로 제어하여 차량의 조향이 이루어지도록 하는 SBW(Steer By Wire) 시스템이 개발되어 적용되고 있다. 이러한 SBW 시스템은, 운전자의 조향 조작을 위한 스티어링 휠, 스티어링 휠의 일측에 설치되어 스티어링 휠의 회전에 따른 반력 토크를 제공하는 반력모터, 랙과 연결되어 조향 조작을 구현하는 조향모터, 조향각, 차속 및 스티어링 휠의 토크를 검출하기 위한 각 센서, 및 센서로부터 입력되는 전기신호에 따라 조향모터와 반력모터를 구동시키는 ECU를 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 SBW 시스템은 기계적인 연결이 없으므로 차량 충돌시 기구부에 의한 운전자 상해를 감소시킬 수 있고, 기계적 연결 부품 삭감에 따른 차량의 경량화 및 조향 작동시의 불필요한 에너지 소모를 감소시킬 수 있으며, ECU 프로그래밍에 의하여 이상적인 조향 성능 달성이 가능한 장점이 있어, 그 사용이 점차 증가하고 있는 추세이다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0007393호(2018.01.23. 공개, SBW 시스템의 조향 제어 장치 및 그 방법)에 개시되어 있다.
그런데 이와 같은 SBW 시스템은 기계적 연결부품이 삭제된 상태에서 와이어에 의해 반력제어와 조향제어가 이루어지기 때문에 물리적으로 차량의 바퀴에 의해 스티어링 휠에 전달되는 로드필(Road feel)을 운전자가 느끼는 것이 불가능 하다.
따라서 SBW 시스템에서는 반력제어를 통해 조타 시 운전자에게 무거운 느낌을 제공해 줄 수는 있으나 노면이나 자동차의 거동에 따른 조향감을 제공 할 수 없기 때문에 자연스러운 조향감 보다는 다소 인공적인 조타감을 제공할 수밖에 없는 문제점이 있다.
또한, SBW 시스템이 적용된 자율주행 차량에서는 물리적으로 차량의 바퀴와 스티어링 휠이 연결되어 있지 않기 때문에 자율주행 모드에서는 스티어링 휠에 반력제어를 수행하지 않고 있으나 자율주행 모드에서 운전자의 조타로 인해 자율 주행모드가 해지되어 제어권이 운전자에게 이양될 때 갑작스럽게 반력제어를 수행할 경우 조타 이질감이 발생할 뿐만 아니라 순간적인 제어 안정성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 일 측면에 따른 본 발명의 목적은 차속과 조향각에 기초하여 랙에 연결된 조향모터를 구동하여 조향하고 반력을 발생시키는 스티어 바이 와이어 방식의 전자식 조향장치에서 자율주행 시 운전자의 조향의지에 따라 제어권이 이양될 때 이질감 없이 반력이 발생되도록 할 뿐만 아니라 운전자가 로드필을 느낄 수 있도록 조향모터의 위치제어 에러량에 따라 반력을 보상하는 차량의 전자식 조향장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 차량의 전자식 조향장치는, 스티어링 휠의 일측에 설치되어 스티어링 휠의 회전에 따른 반력토크를 발생시키는 반력모터; 랙과 연결되어 조향 조작을 구현하는 조향모터; 조향모터의 회전위치를 검출하여 현재 조향각을 측정하는 모터위치 감지부; 차속, 지령 조향각 및 현재 조향각을 입력받아 위치제어 에러량을 적용하여 목표 조향각을 산출하는 위치제어기; 위치제어기로부터 출력된 목표 조향각에 따라 조향모터를 구동하는 조향 제어부; 및 차속 및 조향각속도를 입력받아 운전자의 조향상태에 따른 반력토크를 생성하고 위치제어 에러량에 따라 반력토크를 보상하여 최종 반력토크를 기반으로 반력모터를 구동하는 반력 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 반력 제어부는, 차속과 조향각속도를 기반으로 반력토크를 생성하는 반력토크 생성부; 차속과 조향각속도를 기반으로 저주파 필터의 차단 주파수를 가변하여 위치제어 에러량을 필터링하는 가변 필터부; 및 가변 필터부에서 필터링된 위치제어 에러량에 따라 반력토크 보상하여 최종 반력토크를 출력하는 반력 보상부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 가변 필터부는, 차속과 조향각속도가 높을 경우 저주파 필터의 차단 주파수를 낮게 설정하고, 차속과 조향각속도가 낮을 경우 저주파 필터의 차단 주파수를 높게 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 가변 필터부는, 차속과 조향각속도에 따른 2차원 맵을 통해 저주파 필터의 차단 주파수를 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 반력 제어부는, 차속, 조향각속도 및 위치제어 에러량을 기반으로 반력토크를 생성하는 반력토크 생성부; 위치제어 에러량을 기반으로 운전자 조타모드를 판단하는 조타모드 판단부; 조타모드 판단부에서의 판단결과에 따라 모드전환 가중치를 설정하는 가중치 설정부; 및 가중치 설정부에서 설정된 모드전환 가중치를 반력토크에 적용하여 최종 반력토크를 출력하는 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 조타모드 판단부는, 위치제어 에러량이 설정값 이상으로 설정시간 이상 유지될 경우 운전자 조타모드로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 가중치 설정부는, 자율주행 모드인 경우 모드전환 가중치를 최대로 설정하고, 운전자 조타모드인 경우 모드전환 가중치를 최소로 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 가중치 설정부는, 운전자 조타모드로 판단된 경우 위치제어 에러량 또는 조향각속도에 따라 모드전환 가중치의 기울기를 변경하여 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 반력 제어부는, 차속과 조향각속도를 기반으로 반력토크를 생성하는 반력토크 생성부; 차속과 조향각속도를 기반으로 저주파 필터의 차단 주파수를 가변하여 위치제어 에러량을 필터링하는 가변 필터부; 가변 필터부에서 필터링된 위치제어 에러량에 따라 반력토크 보상하는 반력 보상부; 위치제어 에러량을 기반으로 운전자 조타모드를 판단하는 조타모드 판단부; 조타모드 판단부에서의 판단결과에 따라 모드전환 가중치를 설정하는 가중치 설정부; 및 가중치 설정부에서 설정된 모드전환 가중치를 보상된 반력토크에 적용하여 최종 반력토크를 출력하는 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 차량의 전자식 조향장치의 제어방법은, 위치제어기가 차속, 지령 조향각 및 현재 조향각을 입력받아 위치제어 에러량을 적용하여 목표 조향각을 산출하는 단계; 조향 제어부가 목표 조향각에 따라 조향모터를 구동하는 단계; 반력 제어부가 차속 및 조향각속도를 입력받아 운전자의 조향상태에 따른 반력토크를 생성하는 단계; 및 반력 제어부가 생성된 반력토크에 위치제어 에러량에 따라 반력토크를 보상한 최종 반력토크를 기반으로 반력모터를 구동하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 반력모터를 구동하는 단계는, 반력제어부가 차속과 조향각속도를 기반으로 저주파 필터의 차단 주파수를 가변하여 위치제어 에러량을 필터링하는 단계; 및 반력제어부가 필터링된 위치제어 에러량에 따라 반력토크를 보상하여 반력모터를 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 저주파 필터의 차단 주파수는, 차속과 조향각속도가 높을 경우 낮게 설정하고, 차속과 조향각속도가 낮을 경우 높게 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 저주파 필터의 차단 주파수는, 차속과 조향각속도에 따른 2차원 맵을 통해 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 반력모터를 구동하는 단계는, 반력 제어부가 위치제어 에러량을 기반으로 운전자 조타모드를 판단하는 단계; 반력 제어부가 운전자 조타모드를 판단한 판단결과에 따라 모드전환 가중치를 설정하는 단계; 및 반력 제어부가 설정된 모드전환 가중치를 반력토크에 적용하여 최종 반력토크를 기반으로 반력모터를 구동하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 운전자 조타모드를 판단하는 단계는, 반력 제어부가 위치제어 에러량이 설정값 이상으로 설정시간 이상 유지될 경우, 운전자 조타모드로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 모드전환 가중치를 설정하는 단계는, 반력 제어부가 자율주행 모드인 경우 모드전환 가중치를 최대로 설정하고, 운전자 조타모드인 경우 모드전환 가중치를 최소로 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 모드전환 가중치를 설정하는 단계는, 반력 제어부가 운전자 조타모드로 판단된 경우, 위치제어 에러량 또는 조향각속도에 따라 모드전환 가중치의 기울기를 변경하여 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 차량의 전자식 조향장치 및 그 제어방법은 차속과 조향각에 기초하여 랙에 연결된 조향모터를 구동하여 조향하고 반력을 발생시키는 스티어 바이 와이어 방식의 전자식 조향장치에서 자율주행 시 운전자의 조향의지에 따라 제어권이 이양될 때 위치제어 에러량을 기반으로 가중치를 설정하여 반력을 보상함으로써 이질감이 없도록 할 뿐만 아니라 조향모터의 위치제어 에러량에 따라 반력을 보상하여 운전자가 로드필을 느끼도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 전자식 조향장치를 나타낸 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 전자식 조향장치의 반력 제어부를 나타낸 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량의 전자식 조향장치의 반력 제어부를 나타낸 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량의 전자식 조향장치의 반력 제어부를 나타낸 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 전자식 조향장치의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량의 전자식 조향장치의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 차량의 전자식 조향장치 및 그 제어방법을 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 차량의 전자식 조향장치를 나타낸 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 전자식 조향장치의 반력 제어부를 나타낸 블록 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 전자식 조향장치는, 반력모터(60), 조향모터(30), 모터위치 감지부(40), 위치제어기(10), 조향 제어부(20) 및 반력 제어부(50)를 포함할 수 있다.
반력모터(60)는 스티어링 휠(미도시)의 일측에 설치되어 스티어링 휠의 회전에 따른 반력토크를 발생시킬 수 있다.
조향모터(30)는 랙(미도시)과 연결되어 랙바를 이동시킴으로써 원하는 방향으로 바퀴를 돌려 조향 조작을 구현할 수 있다.
모터위치 감지부(40)는 조향모터(30)의 회전위치를 검출하여 측정된 현재 조향각을 제공함으로써, 위치제어 시 노면의 상태를 파악하여 피드백 제어를 수행할 수 있도록 한다.
위치제어기(10)는 차속, 지령 조향각 및 현재 조향각을 입력받아 위치제어 에러량을 적용하여 목표 조향각을 산출할 수 있다.
여기서, 지령 조향각은 운전자 조타모드에서 운전자가 스티어링 휠을 조타하는 경우에는 스티어링 휠의 회전에 따른 조향각이고, 자율주행 모드에서는 자율주행 제어기(미도시)에서 출력되는 조향각일 수 있다.
또한, 위치제어 에러량은 운전자가 조타 중 바닥 노면의 마찰력이 높거나, 장애물이 있거나, 차속이 있으면서 복원력(Self-Alignment)이 큰 상태에서 조타를 하거나, 바람이 불어 횡력이 발생하는 상황에서 조타를 하게 되면 일반적인 상태보다 상대적으로 높아지게 된다.
조향 제어부(20)는 위치제어기(10)로부터 피드백 제어를 통해 출력된 목표 조향각에 따라 조향모터(30)를 구동하여 조향이 이루어질 수 있도록 한다.
반력 제어부(50)는 차속 및 조향각속도를 입력받아 운전자의 조향상태에 따른 반력토크를 생성하고, 위치제어 에러량에 따라 반력토크를 보상하여 최종 반력토크를 기반으로 반력모터(60)를 구동하여 운전자에게 조타감을 느낄 수 있도록 한다.
여기서 반력 제어부(50)는 도 2에 도시된 바와 같이 반력토크 생성부(510), 가변 필터부(512) 및 반력 보상부(514)를 포함할 수 있다.
반력토크 생성부(510)는 차속과 조향각속도를 기반으로 차량모델에 따른 랙포스를 산출하여 반력토크를 생성할 수 있다.
가변 필터부(512)는 차속과 조향각속도를 기반으로 저주파 필터의 차단 주파수를 가변하여 위치제어 에러량을 필터링할 수 있다.
노면의 부하조건에 따라 변동되는 위치제어 에러량을 그대로 반력토크에 적용할 경우 이질감이 느낄 수 있다. 따라서 가변 필터부(512)를 통해 차속과 조향각속도에 따라 저주파 필터의 차단 주파수를 가변시킴으로써 자연스러운 조향감을 느낄 수 있도록 할 수 있다.
예를 들어, 차속과 조향각속도가 높을 경우 저주파 필터의 차단 주파수를 낮게 하여 고주파 성분의 진동성분을 제거한다. 반대로 저속이나 조향각속도가 낮을 경우 저주파 필터의 차단 주파수를 높게 하여 최대한 노면이나 외력의 느낌을 살려 자연스러운 조향감을 운전자가 느끼도록 한다.
본 실시예에서 가변 필터부(512)는 차속과 조향각속도에 따른 2차원 맵을 이용하여 튜닝을 통해 자연스러운 조향감을 느낄 수 있도록 저주파 필터의 차단 주파수를 설정할 수 있다.
반력 보상부(514)는 가변 필터부(512)에서 필터링된 위치제어 에러량에 따라 반력토크 보상하여 최종 반력토크를 출력할 수 있다.
여기서 필터링된 위치제어 에러량을 기반으로 자연스러운 로드필을 느낄 수 있도록 튜닝을 통해 보상이 필요한 반력 전류량을 설정하여 반력토크에 반영함으로써 최종 반력토크를 출력할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량의 전자식 조향장치의 반력 제어부를 나타낸 블록 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 차량의 전자식 조향장치의 반력 제어부(50)는, 반력토크 생성부(520), 조타모드 판단부(522), 가중치 설정부(524) 및 출력부(526)를 포함할 수 있다.
반력토크 생성부(520)는 차속, 조향각속도 및 위치제어 에러량을 기반으로 운전자가 스티어링 휠을 회전할 때 조타감을 느낄 수 있는 반력토크를 생성할 수 있다.
조타모드 판단부(522)는 위치제어기(10)에서 조향모터(30)의 피드백 제어를 위해 지령 조향각과 현재 조향각에 기초하여 산출한 위치제어 에러량을 기반으로 운전자 조타모드를 판단할 수 있다.
여기서, 조타모드 판단부(522)는 위치제어 에러량이 설정값 이상으로 설정시간 이상 유지될 경우 운전자 조타모드로 판단할 수 있다.
예를 들어, 자율주행 모드에서는 운전자가 스티어링 휠을 조타하지 않기 때문에 일반적으로 위치제어 에러량이 매우 작은 값으로 수렴한다. 그러나 노면의 상태나 주위환경 등으로 차량에 횡력이 가해지 경우 자율주행 모드에서도 일정량의 위치제어 에러량이 발생할 수 있다. 또한, 도로면에 돌과 같은 이물질이나 파인노면을 지나갈 경우에도 순간적으로 위치제어 에러량이 일정수준 발생할 수 있고 튀는 증상이 발생할 수 있다.
따라서 위치제어 에러량이 설정시간 이상 유지되지 않을 경우에는 위와 같이 주위환경에 따른 일시적인 변동으로 자율주행 모드로 판단할 수 있고, 위치제어 에러량이 설정값 이상으로 설정시간 이상 유지될 경우에만 운전자가 조타의지를 나타낸 것으로 판단하여 운전자 조타모드로 판단할 수 있다.
가중치 설정부(524)는 조타모드 판단부(522)에서의 판단결과에 따라 모드전환 가중치를 설정할 수 있다.
여기서, 가중치 설정부(524)는 자율주행 모드인 경우 모드전환 가중치를 최대로 설정하고, 운전자 조타모드인 경우 모드전환 가중치를 최소로 설정할 수 있다.
즉, 모드전환 가중치를 통해 자율주행 모드에서는 반력토크가 출력되지 않도록 하고, 운전자 조타모드에서는 생성된 반력토크가 최대로 출력되도록 할 수 있다.
또한, 가중치 설정부(524)는 운전자 조타모드로 판단된 경우 위치제어 에러량 또는 조향각속도에 따라 모드전환 가중치의 기울기를 변경하여 설정함으로써, 자율주행 모드에서 운전자 조타모드로 제어권이 이양되는 경우 운전자가 이질감을 느끼지 않도록 하기 위해, 급격한 조타가 이루어져 위치제어 에러량이 큰 경우에는 모드전환 가중치의 기울기를 크게 하고, 완만한 조타가 이루어져 위치제어 에러량이 작은 경우에는 모드전환 가중치의 기울기를 작게 할 수 있다.
출력부(526)는 가중치 설정부(524)에서 설정된 모드전환 가중치를 반력토크에 적용하여 최종 반력토크를 출력할 수 있다.
예를 들어, 출력부(526)는 (1 - 모드전환 가중치)와 반력토크를 곱하여 최종 반력토크를 출력할 수 있다.
따라서 자율주행 모드에서는 모드전환 가중치가 '1'로써 반력토크가 출력되지 않도록 하고, 운전자 조타모드에서는 모드전환 가중치가 '0'으로써 반력토크가 출력되도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량의 전자식 조향장치의 반력 제어부를 나타낸 블록 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 차량의 전자식 조향장치의 반력 제어부(50)는 반력토크 생성부(510), 가변 필터부(512), 반력 보상부(514), 조타모드 판단부(522), 가중치 설정부(524) 및 출력부(526)를 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 반력 제어부는 도 2와 도 3에 도시된 반력 제어부를 합성한 것으로써, 그 구체적인 설명은 생략한다.
반력토크 생성부(510)는 차속과 조향각속도를 기반으로 차량모델에 따른 랙포스를 산출하여 반력토크를 생성할 수 있다.
가변 필터부(512)는 차속과 조향각속도를 기반으로 저주파 필터의 차단 주파수를 가변하여 위치제어 에러량을 필터링할 수 있다.
노면의 부하조건에 따라 변동되는 위치제어 에러량을 그대로 반력토크에 적용할 경우 이질감이 느낄 수 있다. 따라서 가변 필터부(512)를 통해 차속과 조향각속도에 따라 저주파 필터의 차단 주파수를 가변시킴으로써 자연스러운 조향감을 느낄 수 있도록 할 수 있다.
본 실시예에서 가변 필터부(512)는 차속과 조향각속도에 따른 2차원 맵을 이용하여 튜닝을 통해 자연스러운 조향감을 느낄 수 있도록 저주파 필터의 차단 주파수를 설정할 수 있다.
반력 보상부(514)는 가변 필터부(512)에서 필터링된 위치제어 에러량에 따라 반력토크 보상할 수 있다.
여기서 필터링된 위치제어 에러량을 기반으로 자연스러운 로드필을 느낄 수 있도록 튜닝을 통해 보상이 필요한 반력 전류량을 설정하여 반력토크에 반영함으로써 반력토크를 보상할 수 있다.
조타모드 판단부(522)는 위치제어기(10)에서 조향모터(30)의 피드백 제어를 위해 지령 조향각과 현재 조향각에 기초하여 산출한 위치제어 에러량을 기반으로 운전자 조타모드를 판단할 수 있다.
여기서, 조타모드 판단부(522)는 위치제어 에러량이 설정값 이상으로 설정시간 이상 유지될 경우 운전자 조타모드로 판단할 수 있다.
가중치 설정부(524)는 조타모드 판단부(522)에서의 판단결과에 따라 모드전환 가중치를 설정할 수 있다.
여기서, 가중치 설정부(524)는 자율주행 모드인 경우 모드전환 가중치를 최대로 설정하고, 운전자 조타모드인 경우 모드전환 가중치를 최소로 설정할 수 있다.
즉, 모드전환 가중치를 통해 자율주행 모드에서는 반력토크가 출력되지 않도록 하고, 운전자 조타모드에서는 생성된 반력토크가 최대로 출력되도록 할 수 있다.
또한, 가중치 설정부(524)는 운전자 조타모드로 판단된 경우 위치제어 에러량 또는 조향각속도에 따라 모드전환 가중치의 기울기를 변경하여 설정함으로써, 자율주행 모드에서 운전자 조타모드로 제어권이 이양되는 경우 운전자가 이질감을 느끼지 않도록 하기 위해, 급격한 조타가 이루어져 위치제어 에러량이 큰 경우에는 모드전환 가중치의 기울기를 크게 하고, 완만한 조타가 이루어져 위치제어 에러량이 작은 경우에는 모드전환 가중치의 기울기를 작게 할 수 있다.
출력부(526)는 가중치 설정부(524)에서 설정된 모드전환 가중치를 반력 보상부(514)에서 보상한 반력토크에 적용하여 최종 반력토크를 출력할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 차량의 전자식 조향장치에 따르면, 차속과 조향각에 기초하여 랙에 연결된 조향모터를 구동하여 조향하고 반력을 발생시키는 스티어 바이 와이어 방식의 전자식 조향장치에서 자율주행 시 운전자의 조향의지에 따라 제어권이 이양될 때 위치제어 에러량을 기반으로 가중치를 설정하여 반력을 보상함으로써 이질감이 없도록 할 뿐만 아니라 조향모터의 위치제어 에러량에 따라 반력을 보상하여 운전자가 로드필을 느끼도록 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 전자식 조향장치의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 전자식 조향장치의 제어방법에서는 먼저, 위치제어기(10)가 차속, 지령 조향각 및 현재 조향각을 입력받아 위치제어 에러량을 적용하여 목표 조향각을 산출한다(S10).
여기서, 지령 조향각은 운전자 조타모드에서 운전자가 스티어링 휠을 조타하는 경우에는 스티어링 휠의 회전에 따른 조향각이고, 자율주행 모드에서는 자율주행 제어기(미도시)에서 출력되는 조향각일 수 있다.
또한, 위치제어 에러량은 운전자가 조타 중 바닥 노면의 마찰력이 높거나, 장애물이 있거나, 차속이 있으면서 복원력(Self-Alignment)이 큰 상태에서 조타를 하거나, 바람이 불어 횡력이 발생하는 상황에서 조타를 하게 되면 일반적인 상태보다 상대적으로 높아지게 된다.
S10 단계에서 위치제어기(10)로부터 피드백 제어를 통해 출력된 목표 조향각에 따라 조향 제어부(50)는 조향모터(30)를 구동하여 조향이 이루어질 수 있도록 한다(S20).
한편, 반력 제어부(50)는 차속 및 조향각속도를 기반으로 차량모델에 따른 랙포스를 산출하여 운전자의 조향상태에 따른 반력토크를 생성한다(S30).
S30 단계에서 반력토크를 생성한 후 반력 제어부(50)는 차속과 조향각속도를 기반으로 저주파 필터의 차단 주파수를 가변하여 위치제어 에러량을 필터링한다(S40).
노면의 부하조건에 따라 변동되는 위치제어 에러량을 그대로 반력토크에 적용할 경우 이질감이 느낄 수 있다. 따라서 반력 제어부(50)는 차속과 조향각속도에 따라 저주파 필터의 차단 주파수를 가변시킴으로써 자연스러운 조향감을 느낄 수 있도록 할 수 있다.
예를 들어, 차속과 조향각속도가 높을 경우 저주파 필터의 차단 주파수를 낮게 하여 고주파 성분의 진동성분을 제거한다. 반대로 저속이나 조향각속도가 낮을 경우 저주파 필터의 차단 주파수를 높게 하여 최대한 노면이나 외력의 느낌을 살려 자연스러운 조향감을 운전자가 느끼도록 한다.
본 실시예에서 반력 제어부(50)는 차속과 조향각속도에 따른 2차원 맵을 이용하여 튜닝을 통해 자연스러운 조향감을 느낄 수 있도록 저주파 필터의 차단 주파수를 설정할 수 있다.
S40 단계에서 차속과 조향각속도를 기반으로 위치제어 에러량을 필터링한 후 반력 제어부(50)는 필터링된 위치제어 에러량에 따라 반력토크 보상한다(S50).
여기서 필터링된 위치제어 에러량을 기반으로 자연스러운 로드필을 느낄 수 있도록 튜닝을 통해 보상이 필요한 반력 전류량을 설정하여 반력토크에 반영함으로써 최종 반력토크를 출력할 수 있다.
S50 단계에서 반력토크를 보상한 최종 반력토크를 기반으로 반력 제어부(50)는 반력모터(60)를 구동시켜 운전자가 자연스러운 로드필을 느낄 수 있도록 한다(S60).
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량의 전자식 조향장치의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6에 도시된 바와 같이 다른 실시예에 따른 차량의 전자식 조향장치의 제어방법에서는 먼저, 위치제어기(10)가 차속, 지령 조향각 및 현재 조향각을 입력받아 위치제어 에러량을 적용하여 목표 조향각을 산출한다(S100).
여기서, 지령 조향각은 운전자 조타모드에서 운전자가 스티어링 휠을 조타하는 경우에는 스티어링 휠의 회전에 따른 조향각이고, 자율주행 모드에서는 자율주행 제어기(미도시)에서 출력되는 조향각일 수 있다.
또한, 위치제어 에러량은 운전자가 조타 중 바닥 노면의 마찰력이 높거나, 장애물이 있거나, 차속이 있으면서 복원력(Self-Alignment)이 큰 상태에서 조타를 하거나, 바람이 불어 횡력이 발생하는 상황에서 조타를 하게 되면 일반적인 상태보다 상대적으로 높아지게 된다.
S100 단계에서 위치제어기(10)로부터 피드백 제어를 통해 출력된 목표 조향각에 따라 조향 제어부(50)는 조향모터(30)를 구동하여 조향이 이루어질 수 있도록 한다(S110).
한편, 반력 제어부(50)는 차속, 조향각속도 및 위치제어 에러량을 기반으로 운전자의 조향상태에 따른 반력토크를 생성한다(S120).
S120 단계에서 반력토크를 생성한 후 반력 제어부(50)는 위치제어기(10)에서 조향모터(30)의 피드백 제어를 위해 지령 조향각과 현재 조향각에 기초하여 산출한 위치제어 에러량을 기반으로 운전자 조타모드를 판단한다(S130).
여기서, 반력 제어부(50)는 위치제어 에러량이 설정값 이상으로 설정시간 이상 유지될 경우 운전자 조타모드로 판단할 수 있다.
예를 들어, 자율주행 모드에서는 운전자가 스티어링 휠을 조타하지 않기 때문에 일반적으로 위치제어 에러량이 매우 작은 값으로 수렴한다. 그러나 노면의 상태나 주위환경 등으로 차량에 횡력이 가해지 경우 자율주행 모드에서도 일정량의 위치제어 에러량이 발생할 수 있다. 또한, 도로면에 돌과 같은 이물질이나 파인노면을 지나갈 경우에도 순간적으로 위치제어 에러량이 일정수준 발생할 수 있고 튀는 증상이 발생할 수 있다.
따라서 위치제어 에러량이 설정시간 이상 유지되지 않을 경우에는 위와 같이 주위환경에 따른 일시적인 변동으로 자율주행 모드로 판단할 수 있고, 위치제어 에러량이 설정값 이상으로 설정시간 이상 유지될 경우에만 운전자가 조타의지를 나타낸 것으로 판단하여 운전자 조타모드로 판단할 수 있다.
S130 단계에서 운전자 조타모드를 판단한 후 판단결과에 따라 반력 제어부(50)는 모드전환 가중치를 설정한다(S140).
여기서, 반력 제어부(50)는 자율주행 모드인 경우 모드전환 가중치를 최대로 설정하고, 운전자 조타모드인 경우 모드전환 가중치를 최소로 설정할 수 있다.
즉, 모드전환 가중치를 통해 자율주행 모드에서는 반력토크가 출력되지 않도록 하고, 운전자 조타모드에서는 생성된 반력토크가 최대로 출력되도록 할 수 있다.
또한, 반력 제어부(50)는 운전자 조타모드로 판단된 경우 위치제어 에러량 또는 조향각속도에 따라 모드전환 가중치의 기울기를 변경하여 설정함으로써, 자율주행 모드에서 운전자 조타모드로 제어권이 이양되는 경우 운전자가 이질감을 느끼지 않도록 하기 위해, 급격한 조타가 이루어져 위치제어 에러량이 큰 경우에는 모드전환 가중치의 기울기를 크게 하고, 완만한 조타가 이루어져 위치제어 에러량이 작은 경우에는 모드전환 가중치의 기울기를 작게 할 수 있다.
S140 단계에서 모드전환 가중치를 설정한 후 반력 제어부(50)는 설정된 모드전환 가중치를 반력토크에 적용하여 최종 반력토크를 산출한다(S150).
예를 들어, 반력 제어부(50)는 (1 - 모드전환 가중치)와 반력토크를 곱하여 최종 반력토크를 산출할 수 있다.
S150 단계에서 산출한 최종 반력토크를 기반으로 반력 제어부(50)는 반력모터(60)를 구동한다(S160).
따라서 자율주행 모드에서는 모드전환 가중치가 '1'로써 반력토크가 출력되지 않고, 운전자 조타모드에서는 모드전환 가중치가 '0'으로써 반력토크가 출력될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 차량의 전자식 조향장치의 제어방법에 따르면, 차속과 조향각에 기초하여 랙에 연결된 조향모터를 구동하여 조향하고 반력을 발생시키는 스티어 바이 와이어 방식의 전자식 조향장치에서 자율주행 시 운전자의 조향의지에 따라 제어권이 이양될 때 위치제어 에러량을 기반으로 가중치를 설정하여 반력을 보상함으로써 이질감이 없도록 할 뿐만 아니라 조향모터의 위치제어 에러량에 따라 반력을 보상하여 운전자가 로드필을 느끼도록 할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
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 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 위치제어기 20 : 조향제어부
30 : 조향모터 40 : 모터위치 감지부
50 : 반력 제어부 60 : 반력모터
510 : 반력토크 생성부 512 : 가변 필터부
514 : 반력 보상부 520 : 반력토크 생성부
522 : 조타모드 판단부 524 : 가중치 설정부
526 : 출력부

Claims (17)

  1. 스티어링 휠의 일측에 설치되어 상기 스티어링 휠의 회전에 따른 반력토크를 발생시키는 반력모터;
    랙과 연결되어 조향 조작을 구현하는 조향모터;
    상기 조향모터의 회전위치를 검출하여 현재 조향각을 측정하는 모터위치 감지부;
    차속, 지령 조향각 및 상기 현재 조향각을 입력받아 위치제어 에러량을 적용하여 목표 조향각을 산출하는 위치제어기;
    상기 위치제어기로부터 출력된 상기 목표 조향각에 따라 상기 조향모터를 구동하는 조향 제어부; 및
    상기 차속 및 조향각속도를 입력받아 운전자의 조향상태에 따른 상기 반력토크를 생성하고 상기 위치제어 에러량에 따라 상기 반력토크를 보상하여 최종 반력토크를 기반으로 상기 반력모터를 구동하는 반력 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 반력 제어부는,
    상기 차속과 상기 조향각속도를 기반으로 상기 반력토크를 생성하는 반력토크 생성부;
    상기 차속과 상기 조향각속도를 기반으로 저주파 필터의 차단 주파수를 가변하여 상기 위치제어 에러량을 필터링하는 가변 필터부; 및
    상기 가변 필터부에서 필터링된 위치제어 에러량에 따라 상기 반력토크 보상하여 상기 최종 반력토크를 출력하는 반력 보상부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 가변 필터부는, 상기 차속과 상기 조향각속도가 높을 경우 상기 저주파 필터의 차단 주파수를 낮게 설정하고, 상기 차속과 상기 조향각속도가 낮을 경우 상기 저주파 필터의 차단 주파수를 높게 설정하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 가변 필터부는, 상기 차속과 상기 조향각속도에 따른 2차원 맵을 통해 상기 저주파 필터의 차단 주파수를 설정하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 반력 제어부는,
    상기 차속, 상기 조향각속도 및 상기 위치제어 에러량을 기반으로 상기 반력토크를 생성하는 반력토크 생성부;
    상기 위치제어 에러량을 기반으로 운전자 조타모드를 판단하는 조타모드 판단부;
    상기 조타모드 판단부에서의 판단결과에 따라 모드전환 가중치를 설정하는 가중치 설정부; 및
    상기 가중치 설정부에서 설정된 상기 모드전환 가중치를 상기 반력토크에 적용하여 상기 최종 반력토크를 출력하는 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 조타모드 판단부는, 상기 위치제어 에러량이 설정값 이상으로 설정시간 이상 유지될 경우 상기 운전자 조타모드로 판단하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 가중치 설정부는, 자율주행 모드인 경우 상기 모드전환 가중치를 최대로 설정하고, 상기 운전자 조타모드인 경우 상기 모드전환 가중치를 최소로 설정하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 가중치 설정부는, 상기 운전자 조타모드로 판단된 경우 상기 위치제어 에러량 또는 조향각속도에 따라 상기 모드전환 가중치의 기울기를 변경하여 설정하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 반력 제어부는,
    상기 차속과 상기 조향각속도를 기반으로 상기 반력토크를 생성하는 반력토크 생성부;
    상기 차속과 상기 조향각속도를 기반으로 저주파 필터의 차단 주파수를 가변하여 상기 위치제어 에러량을 필터링하는 가변 필터부;
    상기 가변 필터부에서 필터링된 상기 위치제어 에러량에 따라 상기 반력토크 보상하는 반력 보상부;
    상기 위치제어 에러량을 기반으로 운전자 조타모드를 판단하는 조타모드 판단부;
    상기 조타모드 판단부에서의 판단결과에 따라 모드전환 가중치를 설정하는 가중치 설정부; 및
    상기 가중치 설정부에서 설정된 상기 모드전환 가중치를 보상된 상기 반력토크에 적용하여 상기 최종 반력토크를 출력하는 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치.
  10. 위치제어기가 차속, 지령 조향각 및 현재 조향각을 입력받아 위치제어 에러량을 적용하여 목표 조향각을 산출하는 단계;
    조향 제어부가 상기 목표 조향각에 따라 조향모터를 구동하는 단계;
    반력 제어부가 상기 차속 및 조향각속도를 입력받아 운전자의 조향상태에 따른 반력토크를 생성하는 단계; 및
    상기 반력 제어부가 생성된 상기 반력토크에 상기 위치제어 에러량에 따라 상기 반력토크를 보상한 최종 반력토크를 기반으로 반력모터를 구동하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치의 제어방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 반력모터를 구동하는 단계는,
    상기 반력제어부가 상기 차속과 상기 조향각속도를 기반으로 저주파 필터의 차단 주파수를 가변하여 상기 위치제어 에러량을 필터링하는 단계; 및
    상기 반력제어부가 필터링된 상기 위치제어 에러량에 따라 상기 반력토크를 보상하여 상기 반력모터를 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치의 제어방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 저주파 필터의 차단 주파수는, 상기 차속과 상기 조향각속도가 높을 경우 낮게 설정하고, 상기 차속과 상기 조향각속도가 낮을 경우 높게 설정하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치의 제어방법.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 저주파 필터의 차단 주파수는, 상기 차속과 상기 조향각속도에 따른 2차원 맵을 통해 설정하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치의 제어방법.
  14. 제 10항에 있어서, 상기 반력모터를 구동하는 단계는,
    상기 반력 제어부가 상기 위치제어 에러량을 기반으로 운전자 조타모드를 판단하는 단계;
    상기 반력 제어부가 상기 운전자 조타모드를 판단한 판단결과에 따라 모드전환 가중치를 설정하는 단계; 및
    상기 반력 제어부가 설정된 상기 모드전환 가중치를 상기 반력토크에 적용하여 상기 최종 반력토크를 기반으로 상기 반력모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치의 제어방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 운전자 조타모드를 판단하는 단계는, 상기 반력 제어부가 상기 위치제어 에러량이 설정값 이상으로 설정시간 이상 유지될 경우, 상기 운전자 조타모드로 판단하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치의 제어방법.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 모드전환 가중치를 설정하는 단계는, 상기 반력 제어부가 자율주행 모드인 경우 상기 모드전환 가중치를 최대로 설정하고, 상기 운전자 조타모드인 경우 상기 모드전환 가중치를 최소로 설정하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치의 제어방법.
  17. 제 14항에 있어서, 상기 모드전환 가중치를 설정하는 단계는, 상기 반력 제어부가 상기 운전자 조타모드로 판단된 경우, 상기 위치제어 에러량 또는 조향각속도에 따라 상기 모드전환 가중치의 기울기를 변경하여 설정하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치의 제어방법.
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