KR20220009596A - 소형 전기차용 모터 구동 조향장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소형 전기차용 모터 구동 조향장치에 관한 것으로, 조향휠의 조작력을 전달받는 스티어링컬럼에 연결되어 차륜을 조작하는 랙기어기기, 상기 조향휠의 조작에 따른 제어 신호를 발생하는 콘트롤러, 상기 콘트롤러의 제어 신호에 따라 공급되는 전류를 통해 회전되어 랙기어기기를 구동하는 모터조립체, 조향 복원시 콘트롤러의 정밀한 제어 특성을 위한 측정값을 발생하는 제어센서를 포함하고, 상기 제어센서는 상기 조향휠의 회전력을 전달받는 스티어링컬럼에 내재된 토션바의 비틀리는 정도를 측정하는 토크센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

소형 전기차용 모터 구동 조향장치{Electrical power steering system for small electric vehicle}

본 발명은 소형 전기차용 모터 구동 조향장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 브러시리스 모터의 동력을 이용해 조향 조작력을 발생하면서도, 소형자동차에 적용할 수 있는 최적의 배치구조를 가지는 소형 전기차용 모터 구동 조향장치에 관한 것이다.

자동차의 조향장치는 운전자가 조향 핸들을 돌려 자동차의 진행 방향을 자유로이 바꿀 수 있게 하는 장치로서, 자동차의 앞 바퀴가 선회하는 회전 중심을 임의로 변경하여 운전자가 원하는 방향으로 자동차를 진행시킬 수 있도록 보조하는 장치다. 이러한 조향장치에 있어서 운전자의 힘을 덜어주기 위해 보조 동력 기구로써 동력 조향장치(Power Steering System)가 사용되는데, 이러한 동력 조향장치는 크게 엔진의 힘을 이용하여 유압 펌프를 작동시켜 조향력을 보조하는 유압을 이용한 유압식 동력 보조 조향장치(HPS; Hydraulic Power Steering System)와 전기 모터를 이용한 전동식 동력 보조 조향장치(EPS; Electrical Power Steering System)가 있다.

유압식 동력 보조 조향장치는 조향휠의 회전을 감지하여 엔진에서 회전력을 받아 유압 펌프를 작동시키고 이 유압을 랙바 혹은 조향축에 구성된 실린더와 같은 구동부에 보내어 운전자의 조향력을 보조해 주는 구조를 가진다.

일반적으로 유압식 동력 보조 조향장치는 엔진의 동력을 벨트 등으로 구동되는 오일펌프를 이용하여 소정의 오일압을 형성하고, 이 오일압을 구동동력으로 작용하는 유압회로를 구성하여 운전자의 조향력에 대하여 증력된 힘으로서 차륜을 조향하도록 구성하는 유압작동회로가 일반적인 구성이다.

그러나, 상기와 같은 유압작동에 의한 동력조향장치는 오일펌프 및 다수의 오일회로를 구성하기 위한 오일관로, 로우터리밸브등과 같은 작동부재가 요구되어 상당히 복잡한 구성을 가지게 되고 많은 수량의 부품이 소요됨으로서 조향장치의 경량화와 원가저감에 부담이 되는 현상이 있게 된다.

전동식 동력 보조 조향장치는 조향휠의 회전을 감지하여 랙 혹은 조향축에 설치되어 회전 운동을 도와주는 모터를 가동시켜 조향장치가 원활하게 작동되도록 하는 구조를 가지며, 전동식 동력 보조 조향장치는 크게 랙 구동형(R-EPS)과 조향축 구동형(C-EPS)이 있다.

도1은 종래 전동식 동력 보조 조향장치의 구성도로서, 도1에서 도시된 바와 같이 전동식 동력 보조 조향장치(100)는 조향휠(102)로부터 양측 바퀴(126)까지 이어지는 조향 계통(130) 및 조향 계통(130)에 조향 보조 동력을 제공하는 보조 동력 기구(140)를 포함하여 구성된다.

조향 계통(130)은 일측이 조향휠(102)에 연결되어 조향휠(102)과 함께 회전하고 타측은 한 쌍의 유니버설 조인트(104)를 매개로 피니언축(108)에 연결되는 조향축(106)을 포함하여 구성된다. 또한, 피니언축(108)은 랙-피니언 기구부(110)를 통해 랙바(112)에 연결되고, 랙바(112)의 양단은 타이로드(122)와 너클암(124)을 통해 차량의 바퀴(126)에 연결된다.

보조 동력 기구(140)는 운전자가 조향휠(102)에 가하는 토크를 감지하고 감지된 토크에 비례하는 전기 신호를 출력하는 토크 센서(142), 토크 센서(142)로부터 전해지는 전기신호에 기초하여 제어 신호를 발생하는 전자 제어 장치(144), 전자 제어 장치(144)로부터 전해지는 제어 신호에 기초하여 보조 동력을 발생시키는 모터(146) 및 모터(146)에서 발생한 보조 동력을 조향축(106)에 전달하기 위하여 웜(152) 및 웜휠(156)을 구비한 감속기(150)를 포함하여 구성된다.

따라서, 전동식 동력 보조 조향장치는 조향휠(102)의 회전에 의해 발생한 토크가 랙-피니언 기구부(110)를 거쳐서 랙바(112)에 전달되고, 발생된 토크에 따라 모터(146)에서 발생한 보조 동력이 랙바(112)에 전달되도록 구성된다.

즉, 조향휠(102)의 회전에 의해 발생한 토크와 모터(146)에서 발생한 보조 동력이 합쳐져서 랙바(112)를 축 방향으로 운동하도록 하는 것이다.

종래의 전동식 동력 보조 조향장치는 고속 주행용 중, 대형차에 적용할 수 있었으나, 다수의 부품 및 높은 생산 비용으로 저속 초소형 자동차에는 전동식 동력 보조 조향장치를 적용하는 것에 어려움이 있었다.

그러나 저속 초소형 전기차에도 자율주행 기능이 적용될 필요성이 커짐에 따라, 초소형 전기차에 적용 가능한 소형 전동식 동력 보조 조향장치의 개발 및 부품 배치구조에 대한 필요성이 커졌다.

대한민국 공개특허공보 특1995-0017616호(1995.07.20.)

본 발명은 저속 초소형 전기차에 적용가능한 모터 구동 조향장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 모터조립체에서 발생하는 열과 진동으로부터 콘트롤러를 보호하기 위한 배치 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 소형 전기차용 모터 구동 조향장치는 조향휠의 조작력을 전달받는 스티어링컬럼에 연결되어 차륜을 조작하는 랙기어기기, 조향휠의 조작에 따른 제어 신호를 발생하는 콘트롤러, 콘트롤러의 제어 신호에 따라 공급되는 전류를 통해 회전되어 랙기어기기를 구동하는 모터조립체 및 조향 복원시 콘트롤러의 정밀한 제어 특성을 위한 측정값을 발생하는 제어센서를 포함한다.

본 발명의 소형 전기차용 모터 구동 조향장치의 제어센서는 조향휠의 회전력을 전달받는 스티어링컬럼에 내재된 토션바의 비틀리는 정도를 측정하는 토크센서를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 소형 전기차용 모터 구동 조향장치는 스티어링컬럼과 차체를 연결하는 마운팅브라켓, 콘트롤러와 마운팅브라켓을 연결하는 제1 마운팅로드 및 콘트롤러와 모터조립체를 연결하는 제2 마운팅로드를 더 포함할 수 있다.

콘트롤러는 스티어링컬럼과 상기 모터조립체 사이에 위치할 수 있다.

본 발명은 저속 초소형 전기차에 적용가능한 모터 구동 조향장치를 제공하할 수 있고, 모터조립체에서 발생하는 열과 진동으로부터 콘트롤러를 보호하기 위한 배치 구조를 제공할 수 있다.

도1은 종래 전동식 동력 보조 조향장치의 구성도이다.
도2 및 도3은 본 발명의 소형 전기차용 모터 구동 조향장치의 구성도이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

또한 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하에서 사용될 수 있는 “포함한다”, "가진다“, "구성된다" 등의 표현은 추가적인 구성 요소나 기능을 배제하지는 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서 사용될 수 있는 "제1…", "제2…", "첫째", "둘째" 등의 표현은 명시적으로 언급되지 않는 한 구성 요소들 사이의 순서나 중요도 등을 한정하는 의미로 해석되어서는 안된다.

이하에서 사용될 수 있는 "결합된다", "연결된다" 등의 표현은 명시적으로 언급되지 않는 한 직접적으로 겹합되거나 연결되어 있는 경우 뿐만 아니라 중간에 다른 구성 요소가 존재하거나 개재될 수도 있는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서 용어의 사용에 있어서 다수의 표현은 명시적으로 언급되지 않는 한 복수의 표현을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도2 및 도3은 본 발명의 소형 전기차용 모터 구동 조향장치의 구성도이다. 이하 도2 및 도3을 참조하며, 본 발명의 소형 전기차용 모터 구동 조향장치(이하 조향장치)에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 조향장치는 조향휠(5)의 조작력을 전달받는 스티어링컬럼(1)에 치합되어 차륜을 조작하는 랙기어기기(6), 조향휠(5)의 조작에 따른 제어 신호를 발생하는 콘트롤러(ECU: Electronic Control Unit, 3), 콘트롤러(3)의 제어 신호에 따라 공급되는 전류를 통해 회전되어 랙기어기기(6)를 구동하는 모터조립체(2) 및 조향 복원 시 콘트롤러(3)의 정밀한 제어 특성을 위한 측정값을 발생하는 제어센서를 포함한다.

제어센서는 조향휠(5)의 조작에 따른 조타각을 측정하도록 조향각센서, 조향휠(5)의 회전력을 전달받는 스티어링컬럼(1)에 내재된 토션바의 비틀리는 정도를 측정해 운전자가 가하는 조향력을 측정하는 토크센서(4) 및 모터조립체(2)의 회전각을 마그네틱을 이용해 측정하는 홀센서를 포함한다.

모터조립체(2)에 포함된 모터는 브러시리스(Brushless) 타입 모터이다.

홀센서는 자계를 검출하는 자기 센서로서 브러시리스 모터를 구성하기 위한 소자로써 널리 이용되며, 이와 같은 홀센서는 통상적으로 2개의 입력단자와 2개의 출력 단자를 갖추어 입력단자에 제어 전류를 흘리고 센서면에 자계를 가하면 출력단자에는 자계와 제어 전류의 곱에 비례하는 홀 전압을 얻을 수 있는 특성을 갖고 있다.

한편, 콘트롤러(3)는 통상적으로 내장된 로직에 따라 조향장치의 조작과 작동 과정을 여러 가지 제어하는 알고리즘을 갖게 되는데 즉, 운전자의 조향력을 보조하기 위한 조향보조 알고리즘을 기본으로 하여 스티어링컬럼(1)과 랙기어기기(6)등의 기계적인 마찰력을 보상함과 더불어 댐핑을 보상해주는 마찰력 보상·댐핑 알고리즘이 있으면서 또한, 차륜의 토인 (Toe In)에 따른 조향휠(5)의 복귀를 제어하는 복원제어 알고리즘 등을 수행하게 됨은 물론이다.

이하 본 발명의 작동을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명의 조향장치는 운전자가 차량의 방향을 바꾸고자 조향휠(5)을 조작하면, 조향휠(5)을 조작하는 운전자의 조작력을 모터의 구동력을 통해 보조하게 되는데 즉, 조향휠(5)의 조타 정도에 따라 콘트롤러(3)가 모터조립체(2)에서 필요한 회전력을 발생시켜 스티어링컬럼(1)에 치합된 랙기어기기(6)를 조작하게 되며, 이에 따라 운전자의 조향휠(5) 조작력이 모터조립체(0)의 구동력을 이용해 보조하게 된다.

이때, 콘트롤러(3)는 운전자가 가하는 조향력을 토크 값으로 측정하는 토크센서(4)의 측정값을 입력받아 모터조립체(2)의 정확한 회전력 즉, 운전자가 조작하는 조향휠(5)의 회전에 비례해서 발생되는 토크센서(4)의 측정값에 따라 차륜의 이동 정도를 정확히 제어하게 됨은 물론이다.

그리고, 모터조립체(2)의 모터는 브러시리스 타입으로서 모터의 구동에 따라 모터를 이루는 구성요소인 브러시에 의해 발생되는 소음과 진동 및 분진 등이 발생되지 않게 되며 또한, 운전자의 이와 같은 조향 조작은 콘트롤러(3)에 내장된 로직인 조향보조 알고리즘에 따라 수행됨은 물론이다.

한편, 운전자의 조향휠(5) 조작 후 조향휠(5)의 자세 복귀 시에는 콘트롤러(3)의 복원제어 알고리즘에 따라 수행되는데, 이와 같은 조향휠(5)의 복귀를 제어는 차륜에서 발생된 토인(Toe In)에 따른 영향을 고려해야만 하고, 이를 위해 콘트롤러(3)는 제어센서의 측정값을 전송받아 모터졸비체(2)의 모터를 제어하게 된다.

즉, 제어센서 중 조향각센서는 조향 후 차륜에서 발생된 틀어진 각도인 토인에 의한 조향휠(5)의 실제적인 회전각도를 측정해 콘트롤러(3)로 전송한다.

또한, 제어센서 중 홀센서는 모터조립체(2)의 모터의 회전각에 대한 정확한 측정값을 측정해 각각 콘트롤러(3)로 전송한다.

콘트롤러(3)는 제어센서의 각 측정값을 이용해 조향휠(5)의 복귀를 위한 구동 모터(4)의 회전 정도를 제어하며, 콘트롤러(3)는 조향각센서의 측정값을 통해 복귀 시점에서 조향휠(5)의 정확한 회전 각도를 판단하여 모터조립체(2)로 제어신호를 보낸다.

이에 따라, 모터조립체(2)는 조향휠(5)을 정확히 복귀시켜 주게 되고 이때, 모터조립체(2)는 콘트롤러(2)에 의해 지속적으로 제어받는데 즉, 홀센서가 모터조립체(2)의 모터의 회전각을 측정해 콘트롤러(3)로 전송하게 되면, 콘트롤러(3)는 조향각센서에 의한 조향휠(5)의 회전각과 모터의 회전각을 서로 비교한 후 모터의 회전을 조절하면서 조향휠(5)의 정확한 복귀를 수행한다.

스티어링칼럼(1)을 차체에 고정하기 위하여, 마운팅브라켓이 이용된다. 스티어링칼럼(1)에는 제1 마운팅브라켓(11)과 제2 마운팅브라켓이 설치될 수 있다. 제1 마운팅브라켓(11)과 제2 마운팅브라켓(12)은 차체에 볼트로 체결되어, 스티어링칼럼(1)을 차체에 고정 연결할 수 있다.

콘트롤러(3)를 고정하기 위하여, 제1 마운팅로드(13) 및 제2 마운팅로드(14)를 설치할 수 있다.

제1 마운팅로드(13)는 콘트롤러(3)와 제2 마운팅브라켓(12)을 연결하고, 제2 마운팅로드(14)는 콘트롤러(3)와 모터조립체(2)를 연결한다.

모터조립체(2)에서 발생하는 열과 진동으로부터 콘트롤러(3)를 보호하기 위하여, 콘트롤러(3)는 모터조립체(2)로부터 이격되어 설치는 것이 바람직하다. 제1 마운팅로드(13) 및 제2 마운팅로드(14)를 이용하여, 콘트롤러(3)를 모터조립체(2)로부터 이격하여 설치할 수 있다.

콘트롤러(3)는 모터조립체(2)에 설치되되, 콘트롤러(3)는 스티어링컬럼(1)과 모터조립체(2) 사이에 위치하여 설치된다.

결국 모터조립체(2), 콘트롤러(3) 및 토크센서(4)를 설치함에 있어서, 열과 진동에 의한 오작동을 줄이면서도 최소 공간으로 구성품을 설치할 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

1 스티어링컬럼 2 모터조립체
3 콘트롤러 4 토크센서
5 조향휠 6 랙기어기기
11 제1 마운팅브라켓 12 제2 마운팅브라켓
13 제1 마운팅로드 14 제2 마운팅로드

Claims (2)

1. 조향휠의 조작력을 전달받는 스티어링컬럼에 연결되어 차륜을 조작하는 랙기어기기;
   상기 조향휠의 조작에 따른 제어 신호를 발생하는 콘트롤러;
   상기 콘트롤러의 제어 신호에 따라 공급되는 전류를 통해 회전되어 랙기어기기를 구동하는 모터조립체 및
   조향 복원시 콘트롤러의 정밀한 제어 특성을 위한 측정값을 발생하는 제어센서를 포함하고,
   상기 제어센서는 상기 조향휠의 회전력을 전달받는 스티어링컬럼에 내재된 토션바의 비틀리는 정도를 측정하는 토크센서를 포함하는 소형 전기차용 모터 구동 조향장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스티어링컬럼과 차체를 연결하는 마운팅브라켓;
   상기 콘트롤러와 상기 마운팅브라켓을 연결하는 제1 마운팅로드 및
   상기 콘트롤러와 상기 모터조립체를 연결하는 제2 마운팅로드를 더 포함하고,
   상기 콘트롤러는 상기 스티어링컬럼과 상기 모터조립체 사이에 위치하는 소형 전기차용 모터 구동 조향장치.

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