KR20210000019A - 전동식 파워 조향 제어방법 및 제어시스템 - Google Patents

전동식 파워 조향 제어방법 및 제어시스템 Download PDF

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KR20210000019A KR1020190074727A KR20190074727A KR20210000019A KR 20210000019 A KR20210000019 A KR 20210000019A KR 1020190074727 A KR1020190074727 A KR 1020190074727A KR 20190074727 A KR20190074727 A KR 20190074727A KR 20210000019 A KR20210000019 A KR 20210000019A
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조정은
고영민
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현대자동차주식회사
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Abstract

스티어링휠과 랙기어 사이에 연결된 컬럼에 가상의 마찰 모델을 설정하는 단계; 설정한 가상의 마찰 모델에 스티어링휠의 조향각속도를 입력 변수로 컬럼의 마찰토크를 산출하는 단계; 및 산출한 컬럼의 마찰토크를 변수로 이용하는 가상의 조향계 모델를 기반으로 목표 조향토크를 산출하는 단계;를 포함하는 전동식 파워 조향 제어방법이 소개된다.

Description

전동식 파워 조향 제어방법 및 제어시스템{STEERING CONTROL METHOD AND CONTROL SYSTEM OF MOTOR DRIVEN POWER STEERING SYSTEM}
본 발명은 가상의 마찰 모델을 이용하여 추정한 스티어링휠과 연결된 컬럼의 마찰토크를 반영한 가상의 조향계 모델이 포함된 전동식 파워 조향 제어시스템 및 제어방법에 관한 것이다.
기존 오픈루프(Open-loop) 기반의 MDPS(Mortor Driven Power Steering) 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 개선하기 위하여 가상의 조향계 모델을 이용한 조향계 시스템이 이용되었다.
다만, 종래의 조향계 모델에서 사용되는 스티어링휠과 연결된 컬럼(Column)의 마찰토크는 일반 주행 조건에서는 정확하게 추정되었으나, 정차 또는 저속 주행 조건에서는 진동이 크게 발생하는 문제점이 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2017-0019669 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 정차 또는 저속 주행 조건에서도 스티어링휠의 마찰토크를 정확하게 추정하는 가상의 마찰 모델을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전동식 파워 조향 제어방법은 스티어링휠과 랙기어 사이에 연결된 컬럼에 가상의 마찰 모델을 설정하는 단계; 설정한 가상의 마찰 모델에 스티어링휠의 조향각속도를 입력 변수로 컬럼의 마찰토크를 산출하는 단계; 및 산출한 컬럼의 마찰토크를 변수로 이용하는 가상의 조향계 모델를 기반으로 목표 조향토크를 산출하는 단계;를 포함한다.
가상의 마찰 모델을 설정하는 단계에서, 가상의 마찰 모델은 컬럼의 마찰토크를 각각 조향각속도 또는 컬럼의 비틀림 변위에 대한 비선형 함수로 설정된 댐핑 토크와 강성 토크의 합으로 설정할 수 있다.
댐핑 토크는 스티어링휠의 조향각속도를 입력 변수로 하는 하이퍼볼릭 탄젠트 함수로 설정될 수 있다.
강성 토크는 컬럼의 비틀림 변위를 입력 변수로 하는 2차 이상의 다항식 함수로 설정될 수 있다.
가상의 마찰 모델을 설정하는 단계에서, 가상의 마찰 모델은 컬럼의 정지마찰(Stiction) 및 Stribeck 효과를 반영하도록 설정할 수 있다.
목표 조향토크를 산출하는 단계에서, 가상의 조향계 모델는 조향각속도 및 랙기어에 작용하는 랙포스를 입력 변수로 하는 상태방정식으로 목표 조향 토크를 산출할 수 있다.
목표 조향토크를 산출하는 단계에서, 상태방정식은 컬럼의 비틀림변위와, 랙기어의 모멘텀과, 스티어링휠의 모멘텀 및 랙기어의 이송변위를 상태변수로 설정하여 유도할 수 있다.
목표 조향토크를 산출하는 단계에서, 목표 조향토크는 차량의 속도를 변수로 설정된 어시스트게인을 반영하여 산출할 수 있다.
목표 조향토크를 산출하는 단계 이후에, 산출한 목표 조향토크를 추종하도록 조향모터를 피드백 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전동식 파워 조향 제어시스템은 스티어링휠과 랙기어 사이에 연결된 컬럼에 설정된 가상의 마찰 모델에 스티어링휠의 조향각속도를 입력 변수로 컬럼의 마찰토크를 산출하는 마찰토크 산출부; 마찰토크 산출부에서 산출한 컬럼의 마찰토크를 변수로 이용하는 가상의 조향계 모델를 기반으로 목표 조향토크를 산출하는 목표 조향토크 산출부; 및 목표 조향토크 산출부에서 산출한 목표 조향토크를 이용하여 조향모터를 제어하는 모터 제어부;를 포함한다.
본 발명의 전동식 파워 조향 제어방법 및 제어시스템에 따르면, 정차 또는 저속 주행 조건에서 스티어링휠의 마찰토크를 추정하는 정확도를 향상시켜 조향계 시스템의 진동을 개선하는 효과를 갖는다.
또한, 조향계 시스템의 특성을 자유롭게 튜닝 가능하여 목표 토크 생성의 다양성을 확보함으로써 다양한 형태의 조향감을 생성할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 가상의 조향계 모델을 기반으로 목표 조향토크를 산출함으로써, 조향성능의 예측이 가능하여, 조향 제어기술의 개발 효율성을 향상시키는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 제어방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 제어시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가상의 마찰 모델을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 댐핑 토크의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 강성 토크의 그래프이다.
도 6 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 조향각과 목표 조향토크 사이의 관계 그래프를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 제어방법에 따른 조향토크 및 이에 따른 조향모터의 제어토크를 도시한 것이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명에 적용 가능한 전동식 파워 조향시스템은 전동식 모터를 이용하여 조향력을 생성하거나 조향력을 보조하는 조향시스템으로, MDPS(Motor Driven Power Steering) 시스템 또는 SBW(Steer by wire) 시스템일 수 있다.
특히, 본 발명은 전동식 모터를 포함한 전동식 파워 조향시스템을 제어하기 위한 목표 조향토크(Tq_ref)를 설정하고, 이에 따라 전동식 파워 조향시스템을 제어는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 제어방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 제어시스템의 구성도이다.
도 1 내지 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 제어방법은 스티어링휠과 랙기어 사이에 연결된 컬럼에 가상의 마찰 모델을 설정하는 단계(S100); 설정한 가상의 마찰 모델에 스티어링휠의 조향각속도를 입력 변수로 컬럼의 마찰토크를 산출하는 단계(S200); 및 산출한 컬럼의 마찰토크를 변수로 이용하는 가상의 조향계 모델를 기반으로 목표 조향토크를 산출하는 단계(S300);를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가상의 조향계 모델은 랙기어를 이용한 R-MDPS(Rack - Motor Driven Power Steering) 시스템으로, 스티어링휠과 랙기어 사이에는 컬럼이 마련되고, 컬럼에 형성된 피니언 기어가 랙기어와 연결된 구조를 예로 들 수 있다.
종래의 Darl Friction Model은 스티어링휠 및 컬럼의 동적 특성을 추정하기 위하여 마찰력을 Stress-Strain 커브에 대한 미분방정식으로 표현하였다. 특히, 변위와 속도의 부호에 관한 함수로, 변위에 따른 히스테리시스(Hysterisis) 특성을 반영하였다.
그러나 Darl Friction Model은 컬럼의 정지마찰(Stiction) 및 Stribeck 효과를 반영하지 못하여 정차 또는 저속 주행 조건에서 실제 컬럼의 마찰 특성을 정확하게 추정할 수 없는 문제가 있었다.
구체적으로, Darl Friction Model은 수직 하중에 대한 마찰력(
Figure pat00001
) 및 속도에 대한 Viscous 반영(
Figure pat00002
)은 가능하였으나, 컬럼의 Stick-Slip에 의한 정지마찰(Stiction) 현상을 반영하지 못하였고, Stribeck 효과 또한 반영하지 못하였다. 참고로, 정지마찰(Stiction) 및 Stribeck 효과에 따른 마찰력은 아래와 같다.
Figure pat00003
Figure pat00004
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰토크 산출부(10)에서는, 스티어링휠과 랙기어 사이에 연결된 컬럼에 설정된 가상의 마찰 모델에 스티어링휠의 조향각속도를 입력 변수로 컬럼의 마찰토크를 산출할 수 있다.
목표 조향토크 산출부(20)에서는, 마찰토크 산출부(10)에서 산출한 컬럼의 마찰토크를 변수로 이용하는 가상의 조향계 모델를 기반으로 목표 조향토크를 산출할 수 있다.
모터 제어부(50)에서는, 목표 조향토크 산출부(20)에서 산출한 목표 조향토크를 이용하여 조향모터(40)를 제어할 수 있다.
이에 따라, 목표 조향토크를 산출함에 있어서 컬럼의 마찰토크를 실제와 부합하도록 추정함으로써 컬럼의 마찰토크를 추정하는 정확도를 향상시켜 조향계 시스템의 진동을 개선하는 효과를 갖는다.
특히, 가상의 마찰 모델을 설정하는 단계(S100)에서, 가상의 마찰 모델은 컬럼의 정지 마찰(Stiction) 및 Stribeck 효과를 반영하도록 설정할 수 있다.
이에 따라, 정차 또는 저속 주행 조건에서 신속한 조타시 발생하는 진동 문제가 해결되어 목표 토크 생성의 확정성을 확보하는 효과를 갖는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가상의 마찰 모델을 도시한 것이다.
도 3을 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가상의 마찰 모델은 운전자의 조작에 의해 발생되는 스티어링휠의 회전에 의해 컬럼이 회전되고, 이에 따라 댐핑 토크 및 비틀림에 의한 강성 토크 등이 발생되도록 설정할 수 있다.
구체적으로, 가상의 마찰 모델을 설정하는 단계(S100)에서, 가상의 마찰 모델은 컬럼의 마찰토크(Tfric_c)를 각각 조향각속도 또는 컬럼의 비틀림 변위에 대한 비선형 함수로 설정된 댐핑 토크(
Figure pat00005
)와 강성 토크(
Figure pat00006
)의 합으로 설정할 수 있다.
즉, 마찰토크(Tfric_c)는 각각이 비선형 함수인 댐핑 토크(
Figure pat00007
)와 강성 토크(
Figure pat00008
)의 합으로 추정되어 조향각속도(
Figure pat00009
)에 대한 마찰토크(Tfric_c)가 비선형 함수로 설정하도록 가상의 마찰 모델을 설정할 수 있다. 구체적으로 이를 본드 그래프(Bond Graph)로 표현하면 아래와 같다.
Figure pat00010
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 댐핑 토크(
Figure pat00011
)의 그래프이다.
도 4를 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 댐핑 토크(
Figure pat00012
)는 스티어링휠의 조향각속도(
Figure pat00013
)를 입력 변수로 하는 하이퍼볼릭 탄젠트 함수(tanh)로 설정될 수 있다. 예시로, 댐핑 토크(
Figure pat00014
)는 아래의 수식으로 설정될 수 있다.
Figure pat00015
여기서, α는 아래의 수식에 의해 기설정되는 상수일 수 있다.
Figure pat00016
여기서,
Figure pat00017
,
Figure pat00018
, β는 튜닝되는 파라미터 값으로, 특히, β는
Figure pat00019
에서의 댐핑 토크(
Figure pat00020
)와
Figure pat00021
사이의 비(Ratio)일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 강성 토크(
Figure pat00022
)의 그래프이다.
도 5를 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 강성 토크(
Figure pat00023
)는 컬럼의 비틀림 변위(
Figure pat00024
)를 입력 변수로 하는 2차 이상의 다항식 함수로 설정될 수 있다. 여기서, 컬럼의 비틀림 변위(
Figure pat00025
)는 컴플라이언스(Compliance) 값으로, 스티어링휠의 회전에 의해 컬럼의 비틀림 강성에 대응되어 변형되는 회전 변위(각도)일 수 있다. 예시로, 강성 토크(
Figure pat00026
)는 아래의 수식과 같이 비틀림 변위(
Figure pat00027
)를 입력 변수로 하는 3차 다항식 함수로 설정될 수 있다.
Figure pat00028
여기서,
Figure pat00029
,
Figure pat00030
,
Figure pat00031
,
Figure pat00032
는 튜닝되는 파라미터 값일 수 있다.
도 6 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 조향각과 목표 조향토크(Tq_ref) 사이의 관계 그래프를 도시한 것이다.
도 6 내지 7을 더 참조하면, 상기 설명한 것과 같은 튜닝되는 파라미터(
Figure pat00033
, β,
Figure pat00034
,
Figure pat00035
,
Figure pat00036
,
Figure pat00037
,
Figure pat00038
)는 아래의 표와 같이 튜닝될 수 있다. 특히, 강성 토크(
Figure pat00039
)는
Figure pat00040
및
Figure pat00041
를 0으로 설정하여 강성 토크(
Figure pat00042
)의 그래프가 원점을 기준으로 대칭되게 튜닝할 수 있다.
Figure pat00043
구체적으로, 도 6을 참고하면, Case 0는 각각의 파라미터가 상기 표와 같이 튜닝된 상태에서 조향각과 목표 조향토크(Tq_ref) 사이의 관계 그래프를 도시한 것이고, Case 1은 β를 0.9로 증가(α를 증가시킴에 따라)시킨 상태에서 조향각과 목표 조향토크(Tq_ref) 사이의 관계 그래프를 도시한 것이다.
Case 1을 Case 0와 비교하면, β(또는 α)는 목표 조향토크(Tq_ref) 그래프의 가장자리 영역인 조향각의 크기가 큰 영역에서의 목표 조향토크(Tq_ref)에 영향을 미친다. 특히, β(또는 α)가 증가함에 따라 목표 조향토크(Tq_ref) 그래프의 가장자리 영역에서 더 날카로운 형상을 나타낸다.
또한, Case 2는
Figure pat00044
를 10으로 감소시킨 상태에서 조향각과 목표 조향토크(Tq_ref) 사이의 관계 그래프를 도시한 것이다. Case 2를 Case 0와 비교하면, 목표 조향토크(Tq_ref) 그래프는 전 영역에서 폭이 좁아지는 형상을 나타내며, 이에 따라 히스테리시스(Hysteresis)의 크기가 감소된다.
이에 따라, 댐핑 토크(
Figure pat00045
)의 파라미터를 가변하여 요구하는 조향각에 따른 목표 조향토크(Tq_ref)를 튜닝할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 도 7을 참조하면, Case 0는 각각의 파라미터가 상기 표와 같이 튜닝된 상태에서 조향각과 목표 조향토크(Tq_ref) 사이의 관계 그래프를 도시한 것이고, Case 1은
Figure pat00046
및
Figure pat00047
를 각각 120, -15로 가변한 상태에서 조향각과 목표 조향토크(Tq_ref) 사이의 관계 그래프를 도시한 것이다.
Case 1을 Case 0와 비교하면, 전체적인 조향각에 따른 목표 조향토크(Tq_ref)의 기울기가 가변된 것을 확인할 수 있다. 특히, Case 1의 경우 Case 0에 대비하여 전체적인 기울기가 감소된다.
이에 따라, 강성 토크(
Figure pat00048
)의 파라미터를 가변하여 요구하는 조향각에 따른 목표 조향토크(Tq_ref)를 튜닝할 수 있는 효과를 갖는다.
목표 조향토크를 산출하는 단계(S300)에서, 가상의 조향계 모델는 조향각속도 및 랙기어에 작용하는 랙포스를 입력 변수로 하는 상태방정식으로 목표 조향 토크를 산출할 수 있다. 랙포스(Frack)는 별도의 랙포스 추정모델이 포함된 랙포스 추정기(30)에 의해 추정될 수 있다.
구체적으로, 가상의 조향계 모델은 조향각속도(ωsw)와 랙포스(Frack)가 입력변수로 적용되고, 스티어링휠의 관성(Jsw)과, 반력기구로 사용되는 컬럼의 강성(Kt)과, 컬럼의 댐퍼(Bt)와, 컬럼의 마찰토크(Tfric_c)와, 피니언 반지름(Rp)과, 랙기어 중량(Mr)이 시스템 특성 파라미터로 적용되며, 입력변수와 시스템 특성 파라미터의 관계에 의해 목표 조향토크(Tq_ref)가 출력변수로 적용될 수 있다.
가상의 조향계모델에 대해 본드 그래프(Bond Graph)를 이용하여 상태방정식을 유도할 수 있는데, 본드 그래프를 예시하면 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00049
또한, 목표 조향토크를 산출하는 단계(S300)에서, 상태방정식은 컬럼의 비틀림변위와, 랙기어의 모멘텀과, 스티어링휠의 모멘텀 및 랙기어의 이송변위를 상태변수로 설정하여 유도할 수 있다.
구체적으로, 본드그래프를 이용하여 상태방정식을 유도하게 되는데, 상기 상태방정식은 컬럼의 비틀림변위(q5)와, 랙기어의 모멘텀(P10)과, 스티어링휠의 모멘텀(P2) 및 랙기어의 이송변위(q13)를 상태변수로 설정하여 유도할 수 있고, 이를 예시하면 하기와 같이 산출될 수 있다.
Figure pat00050
본 발명은 상기 상태방정식의 수치 적분을 통해 컬럼에 작용하는 목표 조향토크(Tq_ref)를 산출하게 되고, 특히 목표 조향토크(Tq_ref)는 하기의 수식(1)에 의해 산출될 수 있다.
Figure pat00051
.........(1)
Tq_ref : 목표 조향토크
Kt : 컬럼의 강성
q5 : 컬럼의 비틀림변위
Bt : 컬럼의 댐퍼
Figure pat00052
: 토션바 비틀림변위 변화율
가상의 조향계모델을 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.
스티어링휠과 스티어링 기어박스 사이에 기구적인 연결구조가 단절된 SBW시스템에 적용시, 흡사 기구적인 조향 시스템이 장착되어 있는 것과 같은 조향반력 및 조향감을 생성할 수 있게 된다.
추가로, 목표 조향토크를 산출하는 단계(S300)에서, 목표 조향토크는 차량의 속도(Vs)를 변수로 설정된 어시스트게인(Ka)을 반영하여 산출할 수 있다. 어시스트게인(Ka)은 차량의 속도(Vs)를 입력 받아 게인판단부(60)에서 결정될 수 있다.
구체적으로, 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 수식과 같이 정리될 수 있다.
Figure pat00053
여기서, 0 < 어시스트게인(Ka) ≤ 1 임.
즉, 목표 조향토크(Tq_ref)의 값이 과도하게 높게 산출되는 경우, 상기 어시스트게인(Ka)을 적용하여 목표 조향토크(Tq_ref)를 감소시킬 수 있게 된다.
어시스트게인(Ka)은 조향각 및 차량의 주행속도에 의해 가변되는 값일 수 있다. 일 실시예로, 어시스트게인(Ka)은 조향각이 증가함에 따라 감소되도록 기맵핑될 수 있고, 차량의 주행속도가 증가함에 따라 감소되도록 기맵핑될 수 있다.
목표 조향토크를 산출하는 단계(S300) 이후에, 산출한 목표 조향토크를 추종하도록 조향모터(40)를 피드백 제어하는 단계(S400);를 더 포함할 수 있다.
즉, 모터 제어부(50)는 모터로 입력되는 실제 조향토크가 상기 목표 조향토크(Tq_ref)와 일치되도록 조향모터(40)의 제어량을 피드백 제어할 수 있다.
도 2을 다시 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 제어시스템은 스티어링휠과 랙기어 사이에 연결된 컬럼에 설정된 가상의 마찰 모델에 스티어링휠의 조향각 또는 조향각속도를 입력 변수로 컬럼의 마찰토크를 산출하는 마찰토크 산출부(10); 마찰토크 산출부(10)에서 산출한 컬럼의 마찰토크를 변수로 이용하는 가상의 조향계 모델를 기반으로 목표 조향토크를 산출하는 목표 조향토크 산출부(20); 및 목표 조향토크 산출부(20)에서 산출한 목표 조향토크를 이용하여 조향모터(40)를 제어하는 모터 제어부(50);를 포함한다.
여기서, 마찰토크 산출부(10), 목표 조향토크 산출부(20) 및 모터 제어부(50)와 같은 제어부는 차량의 다양한 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 알고리즘 또는 상기 알고리즘을 재생하는 소프트웨어 명령어에 관한 데이터를 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리(도시되지 않음) 및 해당 메모리에 저장된 데이터를 사용하여 이하에 설명되는 동작을 수행하도록 구성된 프로세서(도시되지 않음)를 통해 구현될 수 있다. 여기서, 메모리 및 프로세서는 개별 칩으로 구현될 수 있다. 대안적으로는, 메모리 및 프로세서는 서로 통합된 단일 칩으로 구현될 수 있다. 프로세서는 하나 이상의 프로세서의 형태를 취할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 제어방법에 따른 조향토크 및 이에 따른 조향모터(40)의 제어토크를 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 차량의 주행속도가 0인 상태(정차 상태)로 스티어링휠을 급조타하는 조건에서 평가한 것이다.
구체적으로, 좌측은 종래 기술에 따른 전동식 파워 조향 제어방법에 따른 조향토크 및 이에 따른 조향모터(40)의 제어토크를 도시한 것이다. 종래 기술에 따르면, 실제 조향토크(
Figure pat00054
)는 목표 조향토크(
Figure pat00055
)를 추종함에 있어서 심하게 진동하고, 이에 따른 조향모터(40)의 제어토크(
Figure pat00056
) 또한 심하게 진동하는 것을 확인할 수 있다.
이에 대비하여, 우측은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 제어방법에 따른 조향토크 및 이에 따른 조향모터(40)의 제어토크를 도시한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 제어방법에 따르면, 조향모터(40)에 입력되는 실제 조향토크(
Figure pat00057
)의 진동이 현저하게 감소하였고, 이에 따라 조향모터(40)의 제어토크(
Figure pat00058
) 또한 거의 진동하지 않는 효과를 확인할 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 마찰토크 산출부 20 : 목표 조향토크 산출부
30 : 랙포스 추정기 40 : 조향모터
50 : 모터 제어부 60 : 게인판단부

Claims (10)

  1. 스티어링휠과 랙기어 사이에 연결된 컬럼에 가상의 마찰 모델을 설정하는 단계;
    설정한 가상의 마찰 모델에 스티어링휠의 조향각속도를 입력 변수로 컬럼의 마찰토크를 산출하는 단계; 및
    산출한 컬럼의 마찰토크를 변수로 이용하는 가상의 조향계 모델를 기반으로 목표 조향토크를 산출하는 단계;를 포함하는 전동식 파워 조향 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    가상의 마찰 모델을 설정하는 단계에서, 가상의 마찰 모델은 컬럼의 마찰토크를 각각 조향각속도 또는 컬럼의 비틀림 변위에 대한 비선형 함수로 설정된 댐핑 토크와 강성 토크의 합으로 설정하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    댐핑 토크는 스티어링휠의 조향각속도를 입력 변수로 하는 하이퍼볼릭 탄젠트 함수로 설정된 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 제어방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    강성 토크는 컬럼의 비틀림 변위를 입력 변수로 하는 2차 이상의 다항식 함수로 설정된 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    가상의 마찰 모델을 설정하는 단계에서, 가상의 마찰 모델은 컬럼의 정지마찰(Stiction) 및 Stribeck 효과를 반영하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 제어방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    목표 조향토크를 산출하는 단계에서, 가상의 조향계 모델는 조향각속도 및 랙기어에 작용하는 랙포스를 입력 변수로 하는 상태방정식으로 목표 조향 토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    목표 조향토크를 산출하는 단계에서, 상태방정식은 컬럼의 비틀림변위와, 랙기어의 모멘텀과, 스티어링휠의 모멘텀 및 랙기어의 이송변위를 상태변수로 설정하여 유도한 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 제어방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    목표 조향토크를 산출하는 단계에서, 목표 조향토크는 차량의 속도를 변수로 설정된 어시스트게인을 반영하여 산출하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 제어방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    목표 조향토크를 산출하는 단계 이후에, 산출한 목표 조향토크를 추종하도록 조향모터를 피드백 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 제어방법.
  10. 스티어링휠과 랙기어 사이에 연결된 컬럼에 설정된 가상의 마찰 모델에 스티어링휠의 조향각속도를 입력 변수로 컬럼의 마찰토크를 산출하는 마찰토크 산출부;
    마찰토크 산출부에서 산출한 컬럼의 마찰토크를 변수로 이용하는 가상의 조향계 모델를 기반으로 목표 조향토크를 산출하는 목표 조향토크 산출부; 및
    목표 조향토크 산출부에서 산출한 목표 조향토크를 이용하여 조향모터를 제어하는 모터 제어부;를 포함하는 전동식 파워 조향 제어시스템.
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