KR20210112708A - 차량의 전자식 조향장치 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 전자식 조향장치 및 그 제어방법이 개시된다. 본 발명의 차량의 전자식 조향장치는, 피니언에 연결되어 차륜을 조향하는 조향모터; 피니언이 회전한 피니언각을 검출하여 현재 조향각을 측정하는 피니언각 감지부; 조향제어를 위한 목표 조향각을 입력받아 목표 조향각속도에 따른 보상게인을 적용하여 조향 보상값을 산출하는 초기 응답 보상부; 및 현재 조향각, 조향 보상값과 목표 조향각을 입력받아 조향모터의 구동을 제어하는 구동 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 피니언에 연결된 조향모터를 구동하여 조향하고 반력모터를 구동하여 조향휠에 반력을 발생시키는 스티어 바이 와이어(Steer By Wire) 방식의 전자식 조향장치에서 목표 조향각속도를 기반으로 실제 차륜 조향의 초기 응답특성을 향상시킬 수 있도록 한 차량의 전자식 조향장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 차량의 조향장치는 운전자의 스티어링 휠의 조작력을 보조하여 운전 조작의 편의를 제공하기 위해 파워스티어링 시스템이 개발되어 적용되고 있고, 이러한 파워스티어링 시스템은 유압을 이용한 유압식과, 유압과 모터의 전동력을 동시에 이용하는 전동 유압식, 모터의 전동력만을 이용한 전동식 등이 개발되어 적용되었다.

최근에는 조향휠과 차륜사이의 스티어링 컬럼 또는 유니버설 조인트, 피니언 샤프트와 같은 기계적인 연결장치를 제거하고, 랙바에 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 조향휠, 조향휠의 일측에 설치되어 조향휠의 회전에 따른 반력 토크를 제공하는 반력모터, 랙바와 연결되어 조향 조작을 구현하는 조향모터, 조향각, 차속 및 조향휠의 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 바퀴와 조향휠이 연결되어 있지 않기 때문에 초기 조향 시 노면 마찰이나 기구 마찰 등으로 인해 조향모터의 응답이 지연되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 일 측면에 따른 본 발명의 목적은 차속과 조향각에 기초하여 피니언에 연결된 조향모터를 구동하여 조향하고 반력모터를 구동하여 조향휠에 반력을 발생시키는 스티어 바이 와이어(Steer By Wire) 방식의 전자식 조향장치에서 목표 조향각속도를 기반으로 실제 차륜 조향의 초기 응답특성을 향상시킬 수 있도록 한 차량의 전자식 조향장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 차량의 전자식 조향장치는, 피니언에 연결되어 차륜을 조향하는 조향모터; 피니언이 회전한 피니언각을 검출하여 현재 조향각을 측정하는 피니언각 감지부; 조향제어를 위한 목표 조향각을 입력받아 목표 조향각속도에 따른 보상게인을 적용하여 조향 보상값을 산출하는 초기 응답 보상부; 및 현재 조향각, 조향 보상값과 목표 조향각을 입력받아 조향모터의 구동을 제어하는 구동 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 초기 응답 보상부는, 목표 조향각으로부터 목표 조향각속도를 산출하는 목표 조향각속도 산출부; 목표 조향각속도에 따른 보상게인을 설정하는 보상게인 설정부; 목표 조향각속도와 보상게인을 기반으로 조향 보상값을 산출하는 보상값 산출부; 및 조향 보상값의 최대값을 제한하는 제한부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 목표 조향각속도 산출부의 출력단과 보상값 산출부의 출력단 중 어느 하나 이상에 매개되어 출력값의 급격한 변화를 제거하는 필터부;를 더 포함하는 것을 특징을 한다.

본 발명에서 필터부는, 이동 평균 필터(Moving Average Filter)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 초기 응답 보상부는, CAN 통신을 기반으로 목표 조향각을 입력받는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 구동 제어부는, 현재 조향각에서 조향 보상값을 차감한 후 목표 조향각과의 위치 에러량을 기반으로 목표전류를 산출하여 조향모터를 구동시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 구동 제어부는, 위치 에러량을 기반으로 PID 제어를 통해 목표전류를 산출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 차량의 전자식 조향장치의 제어방법은, 구동 제어부가 조향모터를 구동시키기 위한 목표 조향각을 입력받는 단계; 구동 제어부가 피니언각 감지부로부터 현재 조향각을 입력받는 단계; 구동 제어부가 초기 응답 보상부로부터 조향 보상값을 입력받는 단계; 구동 제어부가 입력받은 현재 조향각, 조향 보상값과 목표 조향각에 기초하여 목표전류를 산출하는 단계; 및 구동 제어부가 목표전류를 기반으로 조향모터를 구동시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 목표 조향각을 입력받는 단계는, 구동 제어부가 CAN 통신을 기반으로 목표 조향각을 입력받는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 목표전류를 산출하는 단계는, 구동 제어부가 현재 조향각에서 조향 보상값을 차감한 후 목표 조향각과의 위치 에러량을 기반으로 목표전류를 산출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 목표전류를 산출하는 단계는, 구동 제어부가 위치 에러량을 기반으로 PID 제어를 통해 목표전류를 산출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 차량의 전자식 조향장치 및 그 제어방법은 차속과 조향각에 기초하여 피니언에 연결된 조향모터를 구동하여 조향하고 반력모터를 구동하여 조향휠에 반력을 발생시키는 스티어 바이 와이어(Steer By Wire) 방식의 전자식 조향장치에서 목표 조향각속도를 기반으로 초기 조향 시 보상게인을 적용하여 응답지연을 개선함으로써 실제 차륜 조향의 초기 응답특성을 향상시킬 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 초기 응답 보상부를 구체적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 전자식 조향장치에서 산출된 조향 보상값을 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 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 초기 응답 보상부를 구체적으로 나타낸 블록 구성도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 전자식 조향장치에서 산출된 조향 보상값을 나타낸 예시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 전자식 조향장치는, 조향모터(40), 피니언각 감지부(10), 초기 응답 보상부(20) 및 구동 제어부(30)를 포함할 수 있다.

조향모터(40)는 피니언에 연결되어 랙바의 구동으로 차륜의 각도를 조절하여 조향 조작을 구현할 수 있다.

피니언각 감지부(10)는 피니언이 회전한 피니언각을 검출하여 조향 조작을 통해 실제 조향된 현재 조향각을 측정할 수 있다.

초기 응답 보상부(20)는 조향제어를 위해 조향모터(40)를 구동시키기 위한 한 목표 조향각을 입력받아 목표 조향각속도에 따른 보상게인을 적용하여 조향 보상값을 산출할 수 있다.

즉, 목표 조향각을 기반으로 조향모터(40)를 구동시킬 때 초기 구동 시 노면 마찰이나 기구 마찰 등으로 인해 조향모터(40)의 구동이 지연되는 응답 지연이 발생할 수 있다. 따라서 이러한 초기 응답 지연을 보상하기 위해 초기 응답 보상부(20)를 통해 초기 응답을 보상하기 위한 조향 보상값을 산출할 수 있다.

여기서, 초기 응답 보상부(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 목표 조향각속도 산출부(210), 보상게인 설정부(220), 보상값 산출부(230) 및 제한부(250)를 비롯하여 필터부(240)를 포함할 수 있다.

목표 조향각속도 산출부(210)는 목표 조향각을 입력받아 목표 조향각으로부터 목표 조향각속도를 산출할 수 있다.

여기서, 초기 응답 보상부(20)는 CAN 통신을 기반으로 운전자의 조향에 따른 목표 조향각을 입력받을 수 있다.

보상게인 설정부(220)는 초기 응답을 보상하기 위해 목표 조향각속도에 따라 초기 응답을 향상시키기 위한 보상게인을 설정할 수 있다.

보상값 산출부(230)는 목표 조향각속도 산출부(210)에서 산출한 목표 조향각속도와 보상게인 설정부(220)에서 설정한 보상게인을 기반으로 조향 보상값을 산출할 수 있다.

제한부(250)는 조향 보상값의 최대값을 제한하여 노이즈 등에 의한 과도한 보상을 제한할 수 있다.

이와 같이 제한부(250)를 통해 조향 보상값의 최대값을 제한하여 도 3에 도시된 바와 같은 조향 보상값을 출력할 수 있다.

필터부(240)는 목표 조향각속도 산출부(210)의 출력단과 보상값 산출부(230)의 출력단 중 어느 하나 이상에 매개되어 출력값의 급격한 변화를 제거할 수 있다.

본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 보상값 산출부(230)의 출력단에 필터부(240)를 구비하여 조향 보상값에 포함된 노이즈를 이동 평균 필터(Moving Average Filter)를 통해 제거하고 있으나, 목표 조향각속도 산출부(210)의 출력단에 필터부(240)를 구비하여 목표 조향각속도에 포함된 노이즈를 이동 평균 필터를 통해 제거할 수도 있고, 보상값 산출부(230)의 출력단과 보상값 산출부(230)의 출력단 모두에 필터부(240)를 구비하여 노이즈를 제거할 수도 있다.

구동 제어부(30)는 현재 조향각, 조향 보상값과 목표 조향각을 입력받아 조향모터(40)의 구동을 제어할 수 있다.

여기서, 구동 제어부(30)는 현재 조향각에서 조향 보상값을 차감한 후 목표 조향각과의 위치 에러량을 기반으로 PID 제어를 통해 목표전류를 산출하여 조향모터(40)를 구동시킬 수 있다.

따라서 초기 조향 시에는 위치 에러량이 증가되어 목표전류가 증가됨에 따라 조향모터(40)를 조기에 구동시킬 수 있어 초기 응답지연을 개선함으로써 초기 응답특성을 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 차량의 전자식 조향장치에 따르면, 차속과 조향각에 기초하여 피니언에 연결된 조향모터를 구동하여 조향하고 반력모터를 구동하여 조향휠에 반력을 발생시키는 스티어 바이 와이어(Steer By Wire) 방식의 전자식 조향장치에서 목표 조향각속도를 기반으로 초기 조향 시 보상게인을 적용하여 응답지연을 개선함으로써 실제 차륜 조향의 초기 응답특성을 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 전자식 조향장치의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 전자식 조향장치의 제어방법에서는, 구동 제어부(30)가 CAN 통신을 기반으로 운전자의 조향에 따라 조향모터(40)를 구동시키기 위한 목표 조향각을 입력받는다(S10).

또한, 구동 제어부(30)는 피니언각 감지부(10)로부터 조향 조작을 통해 실제 조향된 현재 조향각을 입력받는다(S20).

그리고 구동 제어부(30)는 초기 응답 보상부(20)로부터 조향 보상값을 입력받는다(S30).

여기서 초기 응답 보상부(20)는 조향제어를 위한 목표 조향각을 입력받아 목표 조향각속도에 따른 보상게인을 적용하여 조향 보상값을 산출할 수 있다.

즉, 목표 조향각을 기반으로 조향모터(40)를 구동시킬 때 초기 구동 시 노면 마찰이나 기구 마찰 등으로 인해 조향모터(40)의 구동이 지연되는 응답 지연이 발생할 수 있다. 따라서 이러한 초기 응답 지연을 보상하기 위해 초기 응답 보상부(20)를 통해 초기 응답을 보상하기 위한 조향 보상값을 산출할 수 있다.

이후 구동 제어부(30)는 입력받은 현재 조향각, 조향 보상값과 목표 조향각에 기초하여 현재 조향각에서 조향 보상값을 차감한 후 목표 조향각과의 위치 에러량을 기반으로 PID 제어를 통해 목표전류를 산출한다(S40).

S40 단계에서 목표전류를 산출한 후 구동 제어부(30)는 목표전류를 기반으로 조향모터(40)를 구동시킨다(S50).

따라서 초기 조향 시에는 위치 에러량이 증가되어 목표전류가 증가됨에 따라 조향모터(40)를 조기에 구동시킬 수 있어 초기 응답지연을 개선함으로써 초기 응답특성을 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 차량의 전자식 조향장치의 제어방법에 따르면, 차속과 조향각에 기초하여 피니언에 연결된 조향모터를 구동하여 조향하고 반력모터를 구동하여 조향휠에 반력을 발생시키는 스티어 바이 와이어(Steer By Wire) 방식의 전자식 조향장치에서 목표 조향각속도를 기반으로 초기 조향 시 보상게인을 적용하여 응답지연을 개선함으로써 실제 차륜 조향의 초기 응답특성을 향상시킬 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 : 피니언각 감지부
20 : 초기 응답 보상부
30 : 구동 제어부
40 : 조향모터
210 : 목표 조향각속도 산출부
220 : 보상게인 설정부
230 : 보상값 산출부
240 : 필터부
250 : 제한부

Claims (11)

1. 피니언에 연결되어 차륜을 조향하는 조향모터;
   상기 피니언이 회전한 피니언각을 검출하여 현재 조향각을 측정하는 피니언각 감지부;
   조향제어를 위한 목표 조향각을 입력받아 목표 조향각속도에 따른 보상게인을 적용하여 조향 보상값을 산출하는 초기 응답 보상부; 및
   상기 현재 조향각, 상기 조향 보상값과 상기 목표 조향각을 입력받아 상기 조향모터의 구동을 제어하는 구동 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 초기 응답 보상부는,
   상기 목표 조향각으로부터 상기 목표 조향각속도를 산출하는 목표 조향각속도 산출부;
   상기 목표 조향각속도에 따른 상기 보상게인을 설정하는 보상게인 설정부;
   상기 목표 조향각속도와 상기 보상게인을 기반으로 상기 조향 보상값을 산출하는 보상값 산출부; 및
   상기 조향 보상값의 최대값을 제한하는 제한부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치.
   
3. 제 2항에 있어서, 상기 목표 조향각속도 산출부의 출력단과 상기 보상값 산출부의 출력단 중 어느 하나 이상에 매개되어 출력값의 급격한 변화를 제거하는 필터부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치.
   
4. 제 3항에 있어서, 상기 필터부는, 이동 평균 필터(Moving Average Filter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 초기 응답 보상부는, CAN 통신을 기반으로 상기 목표 조향각을 입력받는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치.
   
6. 제 1항에 있어서, 상기 구동 제어부는, 상기 현재 조향각에서 상기 조향 보상값을 차감한 후 상기 목표 조향각과의 위치 에러량을 기반으로 목표전류를 산출하여 상기 조향모터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치.
   
7. 제 6항에 있어서, 상기 구동 제어부는, 상기 위치 에러량을 기반으로 PID 제어를 통해 상기 목표전류를 산출하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치.
   
8. 구동 제어부가 조향모터를 구동시키기 위한 목표 조향각을 입력받는 단계;
   상기 구동 제어부가 피니언각 감지부로부터 현재 조향각을 입력받는 단계;
   상기 구동 제어부가 초기 응답 보상부로부터 조향 보상값을 입력받는 단계;
   상기 구동 제어부가 입력받은 상기 현재 조향각, 상기 조향 보상값과 상기 목표 조향각에 기초하여 목표전류를 산출하는 단계; 및
   상기 구동 제어부가 상기 목표전류를 기반으로 상기 조향모터를 구동시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치의 제어방법.
   
9. 제 8항에 있어서, 상기 목표 조향각을 입력받는 단계는, 상기 구동 제어부가 CAN 통신을 기반으로 상기 목표 조향각을 입력받는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치의 제어방법.
   
10. 제 8항에 있어서, 상기 목표전류를 산출하는 단계는, 상기 구동 제어부가 상기 현재 조향각에서 상기 조향 보상값을 차감한 후 상기 목표 조향각과의 위치 에러량을 기반으로 상기 목표전류를 산출하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치의 제어방법.
    
11. 제 10항에 있어서, 상기 목표전류를 산출하는 단계는, 상기 구동 제어부가 상기 위치 에러량을 기반으로 PID 제어를 통해 상기 목표전류를 산출하는 것을 특징으로 하는 차량의 전자식 조향장치의 제어방법.

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