KR20210014821A

KR20210014821A - 차량의 휠 슬립 제어 방법

Info

Publication number: KR20210014821A
Application number: KR1020190092527A
Authority: KR
Inventors: 오지원; 어정수
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2021-02-10
Also published as: US11648933B2; DE102020208919A1; US20210031750A1

Abstract

본 발명은 차량의 휠 슬립 제어 방법에 관한 것으로서, 차량에서 기준속도의 이용 없이 차륜의 휠 슬립을 제어할 수 있고, 노면 조건 및 핸들링량과 무관하게 항상 타이어 마찰원 내의 최대 마찰력을 이용할 수 있도록 하여 차량의 안정성 및 성능을 확보할 수 있도록 하는 휠 슬립 제어 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 차량의 주행 중 제어기의 등가관성 관측기에서 차량 구동을 위한 구동계의 작동 정보를 입력받아 상기 구동계의 작동 정보에 기초하여 구동계의 등가관성 정보를 실시간 관측 및 추정하는 단계; 제어기에서 등가관성 관측기에 의해 관측 및 추정되는 구동계의 등가관성 정보로부터 구동장치의 토크 지령을 보정하기 위한 보정량을 산출하는 단계; 제어기가 구동장치의 토크 지령을 상기 산출된 보정량을 이용하여 보정하는 단계; 및 제어기가 상기 보정된 토크 지령에 따라 구동륜에 인가되는 토크의 제어가 이루어지도록 하는 단계를 포함하는 차량의 휠 슬립 제어 방법이 개시된다.

Description

차량의 휠 슬립 제어 방법{WHEEL SLIP CONTROL METHOD FOR VEHICLE}

본 발명은 차량의 휠 슬립 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량에서 기준속도의 이용 없이 차륜의 휠 슬립을 제어할 수 있고, 노면 조건 및 핸들링량과 무관하게 항상 타이어 마찰원 내의 최대 마찰력을 이용할 수 있도록 하여 차량의 안정성 및 성능을 확보할 수 있도록 하는 휠 슬립 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 차량 주행 중 안전성을 향상시키기 위한 전자 제어 시스템으로는, 차량 제동시 미끄러운 노면에서 휠 슬립(wheel slip)으로 인한 브레이크 잠김을 방지하는 ABS(Anti-lock Brake System), 차량 급발진이나 급가속시 구동력 또는 제동력을 제어하여 휠 슬립을 방지하는 TCS(Traction Control System), 차량의 자세를 안정적으로 제어하기 위한 ESP(Electronic Stability Program) 등이 알려져 있다.

이 중에서 TCS는 저 마찰 노면이나 비대칭 노면에서의 차량 발진 또는 가속시 구동륜의 과도한 슬립을 방지하여 차량 스핀(spin)을 방지하고, 차량의 발진 및 가속 성능, 조종 안정성을 향상시키는 능동 안전 장치이다.

이러한 TCS는 차량이 미끄러운 노면에서 출발하거나 가속할 때 과잉의 구동력이 발생하여 휠 슬립 등의 현상이 발생하면, 차량의 구동력(구동토크) 또는 제동력(제동토크)을 제어하여 구동륜의 속도를 제어하고, 이를 통해 차량의 가속도가 최대가 될 수 있도록 한다.

여기서, 차량의 구동력은 차량 구동원이 출력하는 토크를 의미할 수 있고, 상기 차량 구동원은 모터(순수 전기 자동차, 연료전지 자동차), 엔진(내연기관 자동차), 또는 모터와 엔진(하이브리드 자동차)이 될 수 있다.

일례로, 순수 전기 자동차, 연료전지 자동차, 하이브리드 자동차와 같은 모터 구동 차량에서는 구동륜과 노면 사이에 발생하는 슬립의 양과 노면의 마찰계수 등에 따라 구동륜에서 최적 구동력을 얻을 수 있는 목표 구동륜 속도를 결정하고, 이를 추종하도록 모터 토크를 제어한다.

또한, 코너 길에서 차량이 선회할 때 차량의 불안정성을 막기 위해 모터 토크를 줄여줌으로써 차량이 안전하게 선회할 수 있도록 해준다.

TCS 작동시에는 주행 중인 실제 차량속도를 기준으로 차륜의 슬립을 계산하여 슬립을 감소시키는 방향으로 토크를 조절하는데, 차륜의 슬립을 계산하기 위해서는 실시간 정보인 실제 차량속도와 차륜속도를 아는게 필요하다.

예를 들면, 차륜의 슬립율(slip ratio, λ)은 아래와 같이 계산될 수 있다.

λ(%) = (Vveh - Vwhl)/Vveh ×100

여기서, 'Vveh'는 차량속도(vehicle speed), 즉 차체 속도이고, 이는 슬립율을 계산하는데 필요한 기준속도가 되며, 이 기준속도는 슬립이 없는 상태에서의 차량속도 의미를 가지는 것으로, TCS 작동을 위해서는 반드시 필요한 정보이다.

'Vwhl'은 차륜속도(휠 속도)(wheel speed)이고, 이는 휠속 센서를 통해 측정된다.

이와 같이 TCS 작동을 위해 기준속도는 반드시 필요하므로 정확하고 적절한 제어 성능을 구현하기 위해서는 기준속도의 정확한 추정이 요구된다.

일반적으로 기준속도로 비구동륜의 차륜속도를 이용하거나, 종방향 가속도를 검출하기 위한 G 센서를 이용하여 기준속도를 구할 수 있고, 기준속도를 보정하는데 요레이트 센서를 이용하기도 한다.

한편, 차량에 다양한 전자 제어 시스템을 도입하였음에도 불구하고 차량의 거동은 최종적으로 노면 마찰력의 한계로 인해 제한된다.

이는 차량의 거동이 타이어를 통한 노면과의 마찰력을 통해 얻어지는 것이기 때문이며, 따라서 마찰력을 얼마나 효과적으로 이용하는지의 여부가 차량의 거동을 결정하는 중요한 인자가 된다.

최대 노면 마찰력은 노면의 특성, 종/횡방향 타이어 슬립, 타이어 수직 하중 등에 의해 복합적인 영향을 받게 되는데, 통상적으로 슬립의 크기가 커질수록 이용 가능한 마찰력은 감소하게 된다.

그러므로, 차륜의 타이어 슬립을 제한하여 효과적인 종/횡 마찰력 유지를 하는 것이 중요하고, 차량에서 이 역할을 ABS나 TCS와 같은 전자 제어 시스템이 담당하고 있다.

그러나, 공지의 ABS나 TCS 제어 방식에서는 제어 주기 딜레이나 오작동을 방지하기 위한 휠속 신호 처리 등의 이유로 인해 이상적인 제어 성능을 유지하는 것이 어려워 최대 노면 마찰력을 내는 슬립 조건을 유지하지 못하고 상당히 큰 슬립이 발생하고 있는 실정이다.

결국, 차륜의 타이어 슬립율이 높은 상황에서 최대 노면 마찰력 대비 타이어 마찰력이 낮아지는 타이어 특성 때문에 한계상황에서 최대 노면 마찰력을 이용하지 못하고 낮은 마찰력을 이용하게 되면서 차량의 안정성과 성능을 효과적으로 발휘하지 못하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 차량에서 기준속도의 이용 없이 차륜의 휠 슬립을 제어할 수 있고, 노면 조건 및 핸들링량과 무관하게 항상 타이어 마찰원 내의 최대 마찰력을 이용할 수 있도록 하여 차량의 안정성 및 성능을 확보할 수 있도록 하는 휠 슬립 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 차량의 주행 중 제어기의 등가관성 관측기에서 차량 구동을 위한 구동계의 작동 정보를 입력받아 상기 구동계의 작동 정보에 기초하여 구동계의 등가관성 정보를 실시간으로 관측 및 추정하는 단계; 제어기에서 등가관성 관측기에 의해 관측 및 추정되는 구동계의 등가관성 정보로부터 구동장치의 토크 지령을 보정하기 위한 보정량을 산출하는 단계; 제어기가 구동장치의 토크 지령을 상기 산출된 보정량을 이용하여 보정하는 단계; 및 제어기가 상기 보정된 토크 지령에 따라 구동륜에 인가되는 토크의 제어가 이루어지도록 하는 단계를 포함하는 차량의 휠 슬립 제어 방법을 제공한다.

이로써, 본 발명에 따른 차량의 휠 슬립 제어 방법에 의하면, 차량에서 기준속도의 이용 없이 차륜의 휠 슬립 제어를 수행할 수 있고, 노면 조건 및 핸들링량과 무관하게 항상 타이어 마찰원 내의 최대 마찰력을 이용할 수 있게 되어 차량의 안정성 및 성능을 확보할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 휠 슬립 제어를 수행하는 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 차량의 휠 슬립 제어 과정을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명에서 등가관성 관측기의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 4 및 도 5는 종래 기술에 따른 비교예와 본 발명에 따른 실시예의 제어 상태를 구분하여 나타낸 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 차량의 휠 슬립 제어 방법에 관한 것으로, 비구동륜의 차륜속도를 이용하거나 그밖의 방법으로 복잡한 계산을 통해 구해지는 기준속도의 이용 없이 차량의 휠 슬립을 효과적으로 제어할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

특히, 본 발명은 차량의 등가관성 관측기 기반 휠 슬립 제어 방법에 관한 것으로, 제어기 내 설정된 관측기를 통해 추정되는 등가관성 정보를 이용하여 구동장치에 대한 구동력 지령(토크 지령)을 보정함으로써 차량의 휠 슬립을 제어하는 점에 주된 특징이 있는 것이다.

또한, 본 발명은 기존의 TCS 제어나 휠 슬립 제어가 작동하기 전인 과도(transient) 구간에서 휠 슬립을 선제적으로 제한할 수 있는 제어 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 차량 구동원, 즉 차량을 구동하는 구동장치로서 모터를 이용하는 친환경 자동차, 즉 배터리 전기 자동차(Battery Electric Vehicle, BEV)나 하이브리드 자동차(Hybrid Eletric Vehicle, HEV), 연료전지 자동차(Fuel Cell Eletric Vehicle, FCEV)와 같은 모터 구동 차량에 유용한 휠 슬립 제어 방법에 관한 것이다.

즉, 본 발명에 따른 휠 슬립 제어 방법은, 후술하는 바와 같이 휠 슬립 억제 내지 제한을 위해 등가관성 정보를 이용하여 구동장치에 대한 실시간적이고 즉각적이며 순간적인 구동력 제어를 실시하므로, 차량 구동장치로서 엔진에 비해 제어 반응성이 빠른 모터를 탑재한 차량에서 유용한 것이다.

공지의 TCS는 기준속도와 차륜속도(구동륜 속도)를 이용하여 두 속도의 차이에 상응하는 구동륜의 슬립량(또는 슬립율)을 산출하고, 슬립량을 감소시키는 방향으로 토크(구동토크 또는 제동토크일 수 있음)를 조절한다.

반면, 본 발명에서는 기준속도의 이용 없이 구동계의 작동 정보를 기초로 관측기에서 구동계 등가관성 정보를 추정하고, 추정된 값을 이용하여 등가관성을 증가시키는 방향으로 토크를 조절한다.

여기서, 구동계의 작동 정보는 구동장치에 대한 이전 제어 주기의 구동력 지령(토크 지령)과 구동계 속도 정보를 포함할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기준속도인 차량속도를 이용하지 않고 등가관성 정보를 기초로 구동력을 조절하여 휠 슬립을 제어하며, 이 방법에 따르면 과도 구간에서 빠른 반응성을 확보할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 대해 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

다음의 실시예 설명에서 구동력은 구동장치의 구동시인 경우에서 구동장치가 내는 출력, 즉 토크(구동토크)를 의미하며, 본 발명은 구동장치의 회생시에도 적용이 가능하므로 구동력은 회생력 또는 제동력으로 대체 가능하고, 이때 토크는 제동토크를 의미한다.

도 1은 본 발명에 따른 휠 슬립 제어를 수행하는 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 차량의 휠 슬립 제어 과정을 나타내는 순서도이다.

도 1에 예시한 바와 같이, 본 발명에 따른 휠 슬립 제어를 수행하는 시스템은, 구동계 속도를 검출하는 속도검출부(10), 상기 속도검출부(10)에 의해 검출되는 구동계 속도 정보를 입력받아 휠 슬립 제어를 위한 보정된 토크 지령을 생성하는 제어기(20), 및 상기 제어기(20)가 생성하여 출력하는 보정된 토크 지령에 따라 작동하는 구동장치(30)를 포함한다.

본 발명에서는 상기 제어기(20) 내 등가관성 관측기(미도시됨)에서 상기 속도검출부(10)에 의해 검출되는 구동계 속도 정보를 이용하여 구동계 등가관성 정보가 추정되고, 제어기(20)가 관측기에서 추정된 구동계 등가관성 정보에 기초하여 토크 지령(구동력 지령)을 보정한다.

여기서, 구동계 속도는 차량을 구동하는 구동장치(30)로부터 구동륜(미도시)까지 구동력이 전달되는 경로에 존재하는 구동요소의 회전속도일 수 있고, 또는 그 밖의 구동륜 속도와 관련 있는 회전속도를 의미하는 것일 수 있으며, 이는 측정값으로서 속도검출부(10)에 의해 검출되는 구동계의 실시간 회전속도 정보이다.

예로서, 등가관성 정보를 추정하기 위한 구동계 속도는 구동장치(30)와 연결된 구동륜의 속도가 될 수 있고, 또는 구동장치(30)의 회전속도가 될 수 있으며, 또는 변속기 입력축 회전속도나 변속기 출력축 회전속도 등이 될 수 있다.

본 발명에서 구동계 속도가 구동륜의 속도라면, 상기 속도검출부(10)는 해당 구동륜에 설치된 휠속 센서가 될 수 있다.

또는 본 발명에서 구동계 속도가 구동장치(30)의 회전속도라면, 상기 속도검출부(10)는 엔진 속도를 검출하는 공지의 엔진회전수 센서이거나 모터 속도 검출을 위한 공지의 레졸버가 될 수 있다.

또는 구동계 속도는 엔진에 연결된 시동 발전기인 ISG(Integrated Starter and Generator)의 회전속도일 수도 있으며, 본 발명에서 구동륜 속도와 관련 있는 회전속도라면 등가관성 정보 추정을 위한 구동계 속도로 이용될 수 있다.

그리고, 등가관성 기반의 휠 슬립 제한을 위한 토크 제어는 차량 내 제어기(20)에 의해 수행되고, 차량 내 제어기(20)는 공지의 TCS 제어 내지 휠 슬립 제어를 수행하는 제어기일 수 있으며, 이 제어기는 단수의 제어기 또는 협조 제어를 수행하는 복수의 제어기를 의미하는 것일 수 있다.

또한, 본 발명에서 제어기(20)는 차량에서 협조 제어를 수행하는 상위 제어기인 차량 제어기와 하위 제어기인 모터 제어기를 모두 포함하는 개념의 제어기일 수 있다.

본 발명에서 제어기(20)는 운전자의 운전 입력 또는 크루즈 모드 입력 등에 따라 차량 주행을 위해 요구되는 1차적인 토크 지령(구동력 지령)을 통상적인 방법으로 생성한다.

또한, 제어기(20)는 등가관성 관측기를 통해 구동계의 작동 정보로부터 구동계 등가관성 정보를 추정하고, 상기 추정된 등가관성 정보에 기초하여 휠 슬립 제어를 위한 토크 보정량(구동력 보정량)을 산출한다.

이어, 제어기(20)는 상기 산출된 토크 보정량을 이용하여 상기 1차적인 토크 지령을 보정하고, 보정된 토크 지령으로 구동장치(30)의 작동을 제어하여 구동륜에 보정된 토크가 인가될 수 있도록 한다.

상기 구동장치(30)는 차량을 구동하는 구동원으로서 엔진 또는 모터일 수 있고, 본 발명에서 토크 지령은 엔진 토크 지령 또는 모터 토크 지령일 수 있다.

본 발명에서 등가관성 정보를 추정하는데 이용되는 구동계의 작동 정보는, 전술한 바와 같이, 구동장치(30)의 최종 토크 지령과 구동계의 실시간 속도 정보를 포함할 수 있다.

여기서, 최종 토크 지령은 이전 제어 주기의 토크 지령으로서, 이전 제어 주기에서 등가관성 정보에 기초하여 토크 보정이 이루어졌다면, 그 보정된 토크 지령이 최종 토크 지령이 된다.

상기 구동계의 실시간 속도 정보는 속도검출부(10)에 의해 검출되는 속도이다.

그리고, 관측기에서 추정된 등가관성 정보에 기초하여 보정을 위한 토크 보정량을 계산함에 있어, 구체적으로는 관측기에서 얻어지는 등가관성의 실시간 변화량 정보와 보정 게인을 이용하여 토크 보정량을 계산할 수 있다.

여기서, 등가관성의 실시간 변화량 정보는 구동계의 실시간 등가관성과 미리 정해진 값의 기본 등가관성의 차이가 될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 토크 보정량을 이용하여 상기 1차적인 토크 지령을 보정하는데, 토크 보정량을 양의 값으로 정의하였을 때, 토크 보정량이 구해지면, 토크 지령(보전 전 토크 지령, 즉 상기 1차적인 토크 지령)에 토크 보정량을 뺀 값으로 보정된 토크 지령이 구해져 생성될 수 있다.

본 발명에서 토크를 보정한다는 것은 구동장치(30)가 생성하여 구동륜에 인가하는 토크를 보정 전에 비해 감소시키는 것을 의미한다.

결국, 상기와 같이 보정된 토크 지령이 생성되면, 이를 목표로 하여 구동장치(30)를 제어하는 토크 제어가 실시된다.

도 3은 본 발명에서 등가관성 관측기의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도로서, 이를 참조로 설명하면 다음과 같다.

등가관성 관측기(21)는 제어기(20) 내에 구비될 수 있는 것으로, 도시된 바와 같이 구동계 작동 정보인 이전 제어 주기의 토크 지령(구동력 지령)과 구동계 속도를 입력으로 한다.

여기서, 구동계 속도는 속도검출부(10)에 의해 실시간 검출되는 속도 정보이다.

이하의 설명에서는 속도검출부(10)에 의해 검출되어 제어기(20)에 입력되는 구동계 속도를 '구동계 측정 속도'라 칭하기로 한다.

본 발명에서 등가관성 관측기(21)는 이전 제어 주기의 토크 지령과 구동계 측정 속도를 입력으로 하여 후술하는 바와 같이 구동계 등가관성 정보와 구동계 속도를 추정하는데, 이에 등가관성 관측기(21)는 관측값으로서 구동계 등가관성 정보와 구동계 속도를 출력으로 한다.

본 발명에서 등가관성 관측기(21)에서 출력되는 관측값 중 구동계 속도는 등가관성 관측기(21)에서 다음 제어 주기의 등가관성 정보와 구동계 속도를 추정하는데 있어 피드백 정보로 이용될 수 있다.

이하의 설명에서는 등가관성 관측기(21)에서 출력되는 관측값인 구동계 속도를 '구동계 관측 속도'라 칭하기로 한다.

등가관성 관측기(21)가 추정하여 출력하는 구동계 등가관성 정보는 구동계의 실시간 등가관성 변화량을 나타내는 정보, 즉 등가관성 변화량 정보일 수 있고, 상기 등가관성 변화량 정보는 역등가관성 변화량일 수 있다.

역등가관성 변화량은 등가관성 변화량의 역수로 정의되며, 등가관성 관측기(21)에서는 이전 제어 주기의 토크 지령과 구동계 측정 속도로부터 역등가관성 변화량과 구동계 관측 속도를 추정하고, 이때 추정된 구동계 관측 속도가 상기와 같이 피드백 정보로 이용된다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 등가관성 관측기(21)는 가속도변환부(22), 속도변환부(23), 오차산출부(24), 피드백 오차 제어기(25), 합산부(26), 및 적분기(27)를 포함하여 구성될 수 있다.

전술한 바와 같이, 등가관성 관측기(21)은 두 가지 입력을 필요로 하도록 구성되는데, 이 두 가지 입력은 피드포워드(Feedforward, FF)와 피드백(Feedback, FB)에 관련된 정보로서, 두 가지 입력 정보 중 하나가 구동계 작동 정보 중 이전 제어 주기의 토크 지령(최종 토크 지령)이고, 다른 하나가 속도검출부(10)에서 입력되는 구동계 측정 속도이다.

등가관성 관측기(21)에서는 기본적으로 하기 수학식 1의 관계를 이용하며, 여기서 'Tq'는 토크를, 'I'는 등가관성을, 'α'는 속도(각속도) 미분값인 각가속도를 나타낸다.

[수학식 1]

Tq = I×α

본 발명에서 도 3에 나타낸 등가관성 관측기(21)에서는 등가관성 정보로서 등가관성(I)의 역수인 역등가관성(J)의 정보가 추정될 수 있고, 보다 상세하게는 등가관성 변화량 정보로서 역등가관성 변화량이 추정될 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이, 등가관성 관측기(21)에서는 구동계 관측 속도가 구해질 수 있다.

하기 수학식 2와 수학식 3은 등가관성 관측기(21)에 미리 입력 및 설정된 후 등가관성 정보와 구동계 속도를 관측 및 추정하는데 이용되는 모델 방정식이다.

[수학식 2]

, 여기서

임.

[수학식 3]

위의 수학식 2, 3에서,

은 관측값을 나타내고,

은 미분값을 나타낸다.

또한,

는 역등가관성(등가관성의 역수)을,

은 관측 역등가관성(변수)을,

는 미리 설정되는 기본 역등가관성 값(상수)을,

는 관측 역등가관성 변화량(변수)을 나타낸다.

또한,

는 구동계 측정 속도를,

는 구동계 관측 속도를 나타내고, 수학식 2에서 T_cmd는 보정 후 토크 지령(이전 제어 주기의 토크 지령임)을 나타낸다.

도 3에 예시된 등가관성 관측기(21)에서는 속도검출부(10)에 의해 검출되는 구동계 속도를 속도변환부(23)에서 휠 속도로 변환하여 이용하고 있으며, 수학식 2와 수학식 3에서의 구동계 측정 속도

는 속도검출부(10)에 의해 검출된 속도를 휠 속도로 변환한 측정 휠 속도라 할 수 있다.

또한, L₁, L₂는 관측기 피드백 게인(proportional, integral)을 나타낸다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에에서 등가관성 관측기(21)는 역등가관성 변화량(또는 역등가관성)을 실시간으로 관측하는 역할을 하는데, 수학식 2에서 관측 역등가관성 변화량(

)이 등가관성 관측기(21)의 관측 대상이다.

본 발명의 실시예에서 등가관성 관측기(21)는 기본적으로 수학식 1을 기반으로 설계될 수 있고, 보다 구체적으로는 수학식 1에 피드백 항이 추가된 형태의 모델 방정식을 기반으로 설계될 수 있다.

수학식 3은 수학식 2에 대해 적분 피드백(integral feedback) 항을 제공하는 기능을 하고, 따라서 L₂는 피드백 게인이 된다.

등가관성 관측기(21)에서 가속도변환부(22)는 이전 제어 주기의 토크 지령(T_cmd)로부터 가속도 차원의 피드포워드 정보를 생성하여 합산부(26)에 입력하도록 구비되며, 수학식 1 및 수학식 2의 모델을 기반으로 토크를 휠 가속도로 변환하도록 설계될 수 있다.

보다 상세하게는, 가속도변환부(22)는 피드백 오차 제어기(25)에서 피드백 속도 오차 정보로부터 관측된 등가관성 정보, 즉 관측 역등가관성(

) 값을 입력받도록 되어 있으며, 입력되는 이전 제어 주기의 토크 지령(T_cmd)과 관측 역등가관성(

)으로부터 피드포워드 정보인 휠 가속도(수학식 1에서 '

'임)를 산출하여 합산부(26)에 입력한다.

그리고, 속도변환부(23)는 속도검출부(도 1에서 도면부호 '10'임)에 의해 검출되는 구동계 속도를 입력받아 휠 속도(측정 휠 속도)(

)로 변환하며, 이 변환된 휠 속도(차륜속도) 역시 구동계 측정 속도라 할 수 있다.

등가관성 관측기(21)에 입력되는 구동계 측정 속도는 오차산출부(24)에서 피드백 속도인 구동계 관측 속도(관측 휠 속도)와 비교될 수 있도록 속도변환부(23)에 의해 휠 속도 단위로 변환되어야 한다.

예로서, 구동계 속도로 엔진 속도를 이용할 경우, 속도검출부(10)에 의해 검출되는 엔진 속도는 속도변환부(23)에서 변속기의 기어비와 종감속비를 이용하여 휠 속도 단위의 값(측정 휠 속도)로 변환되어야 한다.

마찬가지로, 구동계 속도로 모터 속도를 이용하는 경우, 속도검출부(10)에 의해 검출되는 모터 속도는 속도변환부(23)에서 변속기의 기어비 또는 감속비를 이용하여 휠 속도 단위(측정 휠 속도)로 변환되어야 한다.

만약, 속도검출부(10)가 직접적으로 휠 속도(차륜속도)를 검출하는 휠속 센서라면, 속도검출부(10)는 삭제 가능하다.

오차산출부(24)는 등가관성 관측기(21)의 출력인 구동계 관측 속도(

)를 피드백 속도로 입력받아, 속도변환부(23)에서 입력되는 측정 휠 속도인 구동계 측정 속도(

)와 피드백 속도인 구동계 관측 속도(

)의 오차(

)를 산출한다.

즉, 측정 휠 속도와 관측 휠 속도의 오차를 산출하는 것이며, 오차산출부(24)에서 산출된 속도 오차(

)가 피드백 오차로서 피드백 오차 제어기(25)에 입력된다.

피드백 오차 제어기(25)는 오차산출부(24)에서 산출되어 입력되는 상기 속도 오차(

)를 0으로 수렴시키기 위한 가속도 차원의 피드백 제어값을 산출한다.

이때, 피드백 오차 제어기(25)는 오차산출부(24)에서 산출되어 입력되는 상기 속도 오차(

)를 입력으로 하여 속도 오차를 보정하기 위한 제어값을 산출하는데, 속도 오차를 0으로 만들어주기 위한 일종의 제어값을 산출하여 출력하는 제어기라 할 수 있다.

피드백 오차 제어기(25)에서 출력되는 피드백 제어값은 수학식 2에서 속도 오차(

)로부터 구해지는 '

'의 값으로 정의될 수 있다.

상기 피드백 오차 제어기(25)에서 구해져 출력되는 피드백 제어값(

)은 합산부(26)로 입력된다.

본 발명의 실시예에서, 피드백 오차 제어기(25)는 P 게인 제어, 또는 I 게인 제어, 또는 맵(map) 기반 제어의 구성일 수 있고, 또는 이들의 합산치 등의 제어, 즉 이들이 병렬적으로 복합된 복합 제어의 구성이 될 수도 있다.

제어기의 이론적 통념과 같이 제어 입력과 제어 피드백, 제어 목표 간 물리적 차수가 존재함을 고려하였을 때, 상기 등가관성 관측기(21)에서와 같이 사용된 제어기의 종류에 따라 피드백 제어 입력의 차원이 가속도 차원에 국한되지 않아도 되는 자유도를 지닌다.

이로써, 합산부(26)에서는 피드포워드 정보로서 입력되는 휠 가속도, 즉 가속도변환부(22)에서 토크로부터 변환된 휠 가속도(

)와, 피드백 정보로서 피드백 오차 제어기(25)에서 구해져 입력되는 피드백 제어값(

)을 합산하여 그 합산된 값을 적분기(27)로 출력한다.

결국, 적분기(27)에서는 합산된 가속도 값을 적분하여 속도를 산출하며, 상기 적분기(27)에서 적분하여 산출한 속도가 등가관성 관측기(21)의 출력인 관측 휠 속도, 즉 구동계 관측 속도(

)가 된다.

이와 같이 적분기(27)에서 적분하여 산출한 구동계 관측 속도(

)가 등가관성 관측기(21)의 출력이 되는 동시에, 내부적으로는 속도 오차(

)의 산출을 위해 오차산출부(24)에 입력되는 피드백 속도가 된다.

등가관성 관측기(21)에서 오차산출부(24)가 산출하는 속도 오차(

)는 관측기 오차가 되는 것으로서, 피드백 오차 제어기(25)는 관측기 오차를 피드백 입력으로 하여 관측기 오차에 상응하는 피드백 제어값을 산출하는 구성이 된다.

또한, 본 발명에서 피드백 제어값은 가속도변환부(22)에서 출력되는 휠 가속도를 보상하기 위한 보상값으로 이용되는 것으로서, 가속도변환부(22)에서 출력되는 휠 가속도와 상기 보상값인 피드백 제어값을 합산하는 방식으로 휠 가속도의 보상이 이루어질 수 있다.

등가관성 관측기(21)에서 가속도변환부(22)가 출력하는 휠 가속도 정보가 피드포워드 가속도 정보로서 보상부인 합산부(26)에 입력되고, 동시에 피드백 오차 제어기(25)가 출력하는 피드백 제어값이 피드백 가속도 정보로 합산부(26)에 입력되면, 합산부(26)에서는 피드포워드 가속도 값인 휠 가속도와 피드백 오차 제어기(25)의 피드백 제어값을 합산한다.

또한, 합산부(26)가 합산된 휠 가속도(관측 구동계 가속도)를 적분기(27)로 출력하면, 적분기(27)에서는 합산부(26)에서 입력되는 휠 가속도를 적분하여 휠 속도(

)를 산출한다.

한편, 피드백 오차 제어기(25)에서는 수학식 3을 기초로 하여 역등가관성 변화량을 추정하여 출력하는데, 이 추정된 역등가관성 변화량이 등가관성 관측기(21)의 또 다른 출력인 관측 역등가관성 변화량(

)이 된다.

또한, 피드백 오차 제어기(25)에서는 상수로서 미리 설정된 기본 설정 역등가관성(

)과 상기 관측 역등가관성 변화량(

)으로부터 '

의 관계를 이용하여 관측 역등가관성(

)이 구해질 수 있고, 이 관측 역등가관성(

)은 가속도변환부(22)로 입력되어, 가속도변환부(22)에서 이전 제어 주기의 토크 지령(T_cmd)을 휠 가속도로 변환하는데 이용된다.

결국, 등가관성 관측기(21)가 추정하는 역등가관성 변화량, 즉 관측 역등가관성 변화량(

)은 제어기(20)에서 토크 지령을 보정하는데 이용되고, 여기서 보정 전 토크 지령은 제어기(20)가 운전자의 운전 입력 또는 크루즈 모드 입력 등에 따라 차량의 주행을 위해 생성하는 통상의 토크 지령이다.

제어기(20)에서는 보정 전 토크 지령을 감소시키는 방향으로 보정하며, 토크 보정량이 양(+)의 값으로 정의된다면, 보정 후 토크 지령은 보정 전 토크 지령에서 토크 보정량을 뺀 값이 된다.

하기 수학식 4는 제어기(20)에서 보정된 최종 토크 지령이 구해지는 토크 보정식이다.

[수학식 4]

여기서, T_cmd는 보정 후 토크 지령으로서 최종 토크 지령을 나타내고, K_p와 K_i는 토크 보정 게인(proportional, integral)을 나타내며, T_ff는 보정 전 토크 지령을 나타낸다.

또한, sgn(x)는 x > 0일 때 +1의 값을, x < 0일 때 -1의 값을 나타내는 함수이다.

수학식 4에서 알 수 있듯이, 토크 보정량은 등가관성 관측기(21)에서 얻어진 구동계 관측 속도와 구동계 측정 속도의 속도 오차(

)의 함수로 설정된다.

보다 상세하게는, 제어기(20)에서 토크 보정량은 등가관성 관측기(21)에서 얻어진 상기 속도 오차(

)와, 등가관성 관측기(21)에서 관측된 등가관성 정보인 관측 역등가관성 변화량(

)의 함수로 결정되도록 할 수 있다.

이때, 제어기(20)에서 토크 보정랑이 속도 오차(

)와 관측 역등가관성 변화량(

)의 함수로 결정함에 있어 각각의 비중을 P 게인(K_p)과 I 게인(K_i)을 통해 설정한다.

위의 설명에서 등가관성 관측기(21)에서의 등가관성 정보 및 토크 보정시의 등가관성 정보가 역수인 역등가관성 및 역등가관성 변화량인 것으로 설명하였으나, 위의 설명 중 역등가관성은 등가관성값 자체로 대체될 수도 있고, 또는 등가관성값의 오차값, 또는 등가관성값의 자승값 등으로도 동일하게 대체되어 적용될 수 있다.

그리고, 본 발명에서 관측된 등가관성값의 제한치인 상한치를 제어기(20)에 설정해둘 수 있으며, 상기 상한치는 평지 최대 가속시 기준의 등가관성값으로 설정될 수 있다.

만약, 본 발명에서 관측 대상이 등가관성값이 아닌 등가관성의 역수, 즉 역등가관성값이라면, 제한치으로서 하한치를 설정해두어야 하고, 하한치는 평지 최대 가속시 기준의 차량 등가관성값의 역수값으로 설정될 수 있다.

그리고, 본 발명에서 제어기(20)의 휠 슬립 인지 조건 혹은 휠 슬립 제한을 위한 토크 지령 보정 실시 조건을 등가관성 관측기(21)의 피드백 오차, 즉 속도 오차(

)의 함수로 설정하는 것이 가능하다.

즉, 등가관성 관측기(21)의 속도 오차(

) 값이 설정값 이상일 때, 혹은 속도 오차 값이 미리 정해진 설정범위를 벗어날 때, 제어기(20)는 해당 구동륜의 휠 슬립 상태인 것으로 판단 및 인지하여 상기 토크 보정을 실시하도록 설정될 수 있다.

또한, 본 발명에서는 제어기(20)에서 수학식 4와 같이 토크 보정량을 결정할 때 피드백 오차(즉 속도 오차)의 경우에도 sign 함수를 적용하여 토크 보정량의 구배(기울기)(gradient, rate)가 제한되도록 할 수 있다.

보다 상세하게는, 수학식 4의 예에서 피드백 오차 신호인 속도 오차의 경우에도 양의 값일 때에는 토크 보정량의 감소폭을 제한하고, 속도 오차가 음의 값일 때에는 토크 보정량의 감소폭 제한을 해제하는 것이 가능하다.

더 나아가, 단순한 감소폭 제한 또는 해제 대신, 제어기(20)에 토크 보정량의 증가 또는 감소 제한치가 피드백 오차 신호의 함수인 맵으로 설정되어 맵으로부터 결정되도록 하는 것이 가능하다.

도 4 및 도 5는 종래 기술에 따른 비교예와 본 발명에 따른 실시예의 제어 상태를 구분하여 나타낸 도면이다

비교예는 기존의 휠 속도차 기반 슬립 제한 제어가 실시되는 예이고, 실시예는 본 발명에 따른 등가관성 관측기 기반의 휠 슬립 제한 제어가 실시되는 예이다.

도 4 및 도 5에서 맨 위의 그래프는 보정 전 구동력(토크) 지령을 나타내는 것이며, 도 4의 위에서 두 번째 그래프는 구동륜의 휠 속도와 차량속도를 나타내고, 도 5의 위에서 두 번째 그래프는 구동륜의 측정 휠 속도와 관측 휠 속도를 예시하고 있다.

또한, 도 4의 위에서 세 번째 그래프는 구동륜의 휠 슬립량을 나타내고, 도 5의 위에서 세 번째 그래프는 속도 오차(관측 등가관성 변화량)를 나타내고 있다.

또한, 도 4 및 도 5의 맨 아래 그래프는 보정된 구동력 지령을 나타내고 있다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 비교예에서는 구동륜에서 발생한 휠 슬립량을 기초로 구동력 지령의 보정이 이루어지고 있다.

반면, 실시예의 경우, 도 5에 나타낸 바와 같이, 등가관성량 변화량에 상응하는 양만큼 구동력을 감소시키는 제어가 수행된다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 차량의 등가관성 관측기 기반 휠 슬립 제어 방법에서는, 종래의 방법이 실제 차량속도(기준속도)와 차륜속도(휠속)를 비교하여 휠 슬립을 제한하는 것과 달리, 토크와 구동계 속도로부터 구해지는 구동계 등가관성의 변화량을 제한하는 방식으로 제어가 이루어진다.

따라서, 첫째로 차륜속도보다 구동원(구동장치)에 가까운 속도를 측정하여 이용하므로 제어 반응성이 향상될 수 있고, 많은 양의 휠 슬립이 발생하기 전에 미리 슬립량을 제한할 수 있는 이점이 있게 된다.

둘째로 차량속도(기준속도)를 필요로 하지 않기 때문에 4륜 구동(4WD) 차량에서의 적용이 어려웠던 종래의 슬립 제한 제어 방법과 달리 4륜 구동(4WD) 차량에서도 효과적으로 적용이 가능하다.

또한, 셋째로 차량속도(기준속도)를 필요로 하지 않기 때문에 종래의 제어 방법에서 차량속도를 얻기 위해 수행해야 했던 좌우 휠속 편차 보정, 타이어 동반경 보정, 이종 타이어 감지 및 보정, 선회시 전후륜 휠속 편차 보정 등의 과정을 전혀 필요로 하지 않는다.

뿐만 아니라, 상기한 과정들을 필요로 하지 않기 때문에 불필요한 오작동을 방지하기 위한 차량속도와 차륜속도 간 차이의 데드존(deadzone) 임계값 설정을 하지 않아도 되며, 이는 추가적인 제어 반응성 향상으로 이어질 수 있다.

넷째로 선회시 휠속 보정을 수행하지 않아도 되기 때문에 종방향 슬립율 제어 반응성에 유리할 뿐 아니라, 횡방향 안정성 확보에도 효과적이다.

이는 타이어 마찰원 원리에 의해 종방향 슬립율이 억제될수록 선회시 횡력을 추가로 확보할 수 있다는 것에 기반한 효과이며, 전륜 구동 차량의 언더스티어와 후륜 구동 차량의 오버스티어 현상을 완화하는 효과를 제공하게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 속도검출부
20 : 제어기
21 : 등가관성 관측기
22 : 가속도변환부
23 : 속도변환부
24 : 오차산출부
25 : 피드백 오차 제어기
26 : 합산부
27 : 적분기
30 : 구동장치

Claims

차량의 주행 중 제어기의 등가관성 관측기에서 차량 구동을 위한 구동계의 작동 정보를 입력받아 상기 구동계의 작동 정보에 기초하여 구동계의 등가관성 정보를 실시간으로 관측 및 추정하는 단계;
제어기에서 등가관성 관측기에 의해 관측 및 추정되는 구동계의 등가관성 정보로부터 구동장치의 토크 지령을 보정하기 위한 보정량을 산출하는 단계;
제어기가 구동장치의 토크 지령을 상기 산출된 보정량을 이용하여 보정하는 단계; 및
제어기가 상기 보정된 토크 지령에 따라 구동륜에 인가되는 토크의 제어가 이루어지도록 하는 단계를 포함하는 차량의 휠 슬립 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 보정량을 산출하기 위한 구동계의 등가관성 정보는,
구동계 등가관성과 미리 정해진 값의 기본 등가관성의 차이인 등가관성 변화량인 것을 특징으로 하는 차량의 휠 슬립 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 보정량을 산출하기 위한 구동계의 등가관성 정보는,
구동계 등가관성의 역수인 구동계 역등가관성과 미리 정해진 값의 기본 역등가관성의 차이인 역등가관성 변화량인 것을 차량의 휠 슬립 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 보정량을 산출하기 위한 구동계의 등가관성 정보는,
구동계 등가관성 자체, 구동계 등가관성의 역수, 구동계 등가관성의 오차값, 및 구동계 등가관성의 자승값 중 하나인 것을 특징으로 하는 차량의 휠 슬립 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 구동계의 작동 정보는 차량을 구동하는 구동장치에 대한 이전 제어 주기의 토크 지령과 속도검출부에 의해 검출되는 구동계의 속도 정보인 것을 특징으로 하는 차량의 휠 슬립 제어 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 구동계의 속도 정보는 엔진 속도, 모터 속도, 변속기 입력축 회전속도, 변속기 출력축 회전속도, 및 엔진에 연결된 시동 발전기의 회전속도 중 하나인 것을 특징으로 하는 차량의 휠 슬립 제어 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 등가관성 관측기에서 구동계의 작동 정보에 기초하여 구동계의 등가관성 정보를 실시간으로 관측 및 추정하는 단계는,
상기 등가관성 관측기의 가속도변환부에 의해 상기 이전 제어 주기의 토크 지령이 휠 가속도로 변환되는 단계;
상기 등가관성 관측기의 속도변환부에 의해 상기 구동계의 속도가 휠 속도로 변환되어 측정 휠 속도가 얻어지는 단계;
상기 등가관성 관측기의 오차산출부에 의해 상기 휠 가속도로부터 구해지는 피드백 휠 속도 관측값인 관측 휠 속도와 상기 측정 휠 속도의 피드백 속도 오차를 산출하는 단계; 및
상기 등가관성 관측기의 피드백 오차 제어기에 의해 상기 산출된 피드백 속도 오차로부터 상기 실시간 관측 및 추정값인 구동계의 등가관성 정보가 구해지는 단계를 포함하는 차량의 휠 슬립 제어 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 이전 제어 주기의 토크 지령이 휠 가속도로 변환되는 단계에서,
상기 가속도변환부는,
상기 피드백 오차 제어기에서 구해지는 등가관성 정보의 등가관성 값 또는 역등가관성 값을 입력받아 입력된 상기 등가관성 값 또는 역등가관성 값을 이용하여 상기 이전 제어 주기의 토크 지령을 휠 가속도로 변환하는 것을 특징으로 하는 차량의 휠 슬립 제어 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 등가관성 관측기의 합산부에서 가속도변환부에 의해 변환된 휠 가속도를 피드포워드 정보로 입력받는 동시에, 상기 피드백 오차 제어기에서 피드백 속도 오차로부터 얻어지는 피드백 제어값을 피드백 정보로 입력받아, 휠 가속도와 피드백 제어값을 합산하는 단계; 및
상기 등가관성 관측기의 적분기에서 상기 합산부에서 합산되어 입력되는 가속도 값을 적분하여 상기 피드백 휠 속도 관측값인 관측 휠 속도를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 휠 슬립 제어 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 피드백 제어값은 상기 관측 휠 속도를 상기 측정 휠 속도로 수렴시키기 위한 피드백 제어값인 것을 특징으로 하는 차량의 휠 슬립 제어 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 제어기는,
상기 등가관성 관측기의 오차산출부에서 구해지는 피드백 속도 오차가 정해진 설정값 이상이거나 정해진 설정범위를 벗어나는 경우, 구동륜의 휠 슬립 상태인 것으로 판단 및 인지하여 상기 보정량을 산출하는 단계, 상기 토크 지령을 보정하는 단계, 및 상기 보정된 토크 지령에 따라 토크의 제어가 이루지도록 하는 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 차량의 휠 슬립 제어 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 구동장치의 토크 지령을 보정하는 단계에서,
상기 제어기는 상기 구동장치의 토크 지령을 상기 산출된 보정량만큼 감소시키는 것을 특징으로 하는 차량의 휠 슬립 제어 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 제어기에서 상기 보정량은 상기 피드백 속도 오차의 함수로 설정되는 것을 특징으로 하는 차량의 휠 슬립 제어 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 보정량은 상기 등가관성 관측기에서 산출되는 피드백 속도 오차와, 상기 등가관성 관측기에서 관측 및 추정되는 등가관성 정보의 함수로 제어기에 설정되는 것을 특징으로 하는 차량의 휠 슬립 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제어기에는 등가관성 관측기에서 관측 및 추정되는 등가관성 정보인 등가관성값 또는 역등가관성값의 제한치가 설정되는 것을 특징으로 하는 차량의 휠 슬립 제어 방법.
청구항 15에 있어서,
상기 제한치는 차량의 평지 최대 가속시 기준의 등가관성값 또는 역등가관성값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 차량의 휠 슬립 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 구동장치의 토크 지령을 보정하는 단계에서,
상기 제어기는 상기 구동장치의 토크 지령을 상기 산출된 보정량만큼 감소시키는 것을 특징으로 하는 차량의 휠 슬립 제어 방법.