KR20220149332A - 기어변속 액추에이터의 정단위치 학습방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기어변속 액추에이터의 정단위치 학습방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 4단 디텐트 플레이트와 디텐트 스프링의 구동에 따라 기어변속 액추에이터의 정단위치를 학습하기 위한 방법에 있어서, (a) 기어변속을 수행하기 전, 액추에이터를 전 변속단으로 왕복하여 이동시키는 단계; (b) 상기 액추에이터를 일정한 듀티(duty) 제어하여 동일한 토크로 이동할 때 발생하는 전류값과 상기 액추에이터의 이동속도를 측정하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계에서 측정된 전류값과 상기 액추에이터의 이동속도를 기준으로 전 변속단의 정단위치를 판단하고, 학습하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
즉 본 발명은 SCU가 기어변속을 수행하기 전에 액추에이터가 전 변속단을 왕복 이동하여 각 변속단의 정단위치를 스스로 판단하고 학습하여 변속기의 공차나 제조사에 따른 기구적 형상 변형의 경우에도 원활한 제어를 수행할 수 있도록 보완성을 향상시킬 수 있는 기어변속 액추에이터의 정단위치 학습방법을 제안하고자 한다.

Description

기어변속 액추에이터의 정단위치 학습방법{Method to learn the exact position of each shift stage of a gear shift actuator}

본 발명은 SCU가 기어변속을 수행하기 전에 액추에이터가 전 변속단을 왕복 이동하여 각 변속단의 정단위치를 스스로 판단하고 학습하여 변속기의 공차나 제조사에 따른 기구적 형상 변형의 경우에도 원활한 제어를 수행할 수 있도록 할 수 있는 기어변속 액추에이터의 정단위치 학습방법에 관한 것이다.

통상적으로 변속기는 엔진에서 발생한 동력을 자동차의 주행상황에 맞추어 엔진의 회전력을 증대시키거나, 감소시켜 바퀴에 전달하는 기능을 하는 자동차 구동에 있어 핵심적인 구성 요소이다.

이와 같은 변속기는 변속 방식에 따라 수동 변속기와 자동 변속기로 나뉘어지는데, 최근에는 별도의 클러치 조작이 필요 없어 편리하고, 부드러운 발진이 가능하다는 장점 때문에 대다수의 차량에서 자동 변속기를 사용하고 있다.

이 때, 자동 변속기의 주행 모드는 변속 레버 시스템을 통해 결정될 수 있는데, 변속 레버 시스템은 다시 와이어를 통한 기계적인 링크 구조로 변속하는 기계식 변속 레버 시스템과 기계적인 링크 구조 대신 기판을 이용한 전기적 신호를 활용하여 변속하는 전동식 변속 레버 시스템으로 나누어진다.

전동식 변속 레버 시스템은 기계식 변속 레버 시스템과 달리 변속기와 변속 레버의 기계적 연결이 없이 운전자가 선택한 변속단의 정보를 전기적인 신호로 전달할 수 있어 충격과 진동이 발생하지 않으며, 기계식 변속 레버시스템과 달리 레버 장치와 미션 사이의 연결 수단을 간소화하여 의도치 않은 레버의 이동에 따른 기어변속을 방지할 수 있으므로, 가격이 비싸다는 단점에도 불구하고 전동식 변속 레버 시스템을 채택하는 차량이 점차 증가하고 있다.

이와 같은 전동식 변속 레버 시스템에서 안정적인 변속 제어를 수행하기 위해서는 모터의 위치를 파악하는 것이 중요한데, 종래의 전동식 변속 레버 시스템에서는 전기 모터 내부에 부착된 홀 센서를 이용하여 모터의 위치를 파악하려는 시도가 있었으나, 홀 센서는 모터의 상대적인 회전량만을 측정할 수 있을 뿐, 절대적인 회전 각도를 측정할 수는 없어 모터의 정확한 위치를 파악하기는 어렵다는 문제가 있었다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 수동식 변속 레버에서 사용되던 비접촉식 포지션 센서를 부착하여, 전기 모터의 절대적인 회전각도 또는 위치를 측정해보려는 시도가 제안되기도 하였으나, 비접촉식 포지션 센서에서 출력되는 PWM(Phase Width Modulation) 신호는 갱신 속도가 낮아 상기 방식에 따르더라도 모터의 위치를 정밀하게 측정하기 어려웠다.

또한, 종래에는 모터를 회전시켜 디텐트 플레이트가 벽에 막혀 더 이상 움직이지 않게 한 후, 홀 센서에서 변화가 감지되지 않는 시점을 확인하고, 이를 기준점으로 삼아 모터의 절대적인 위치를 학습함으로써, 모터의 위치를 파악하는 방법도 제안된 바 있으나, 상기 방식에는 모터의 위치 학습을 위해 강제로 모터를 구동시켜야 하고, 학습에 별도의 시간이 필요하다는 단점이 있었다.

즉, 모터의 현재 위치를 정확하게 파악하는 것은 전동식 변속 레버 시스템이 주로 적용된 오늘날 차량 기술의 주된 과제임에도 불구하고, 종래에 제안되었던 방식만으로는 모터의 위치를 간편하고 정확하게 파악하기 어려웠다.

따라서 전동식 변속 레버 시스템의 성능 제고를 위하여 모터의 위치를 보다 정밀하게 파악할 수 있는 새로운 방법이 요구되는 실정이다.

대한민국 등록특허 제10-2100267호(2020.04.07. 등록)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,

SCU가 기어변속을 수행하기 전에 액추에이터가 전 변속단을 왕복 이동하여 각 변속단의 정단위치를 스스로 판단하고 학습하여 변속기의 공차나 제조사에 따른 기구적 형상 변형의 경우에도 원활한 제어를 수행할 수 있도록 보완성을 향상시키고자 하는 것을 하나의 목적으로 한다.

본 발명은 각 변속단을 이동 중 측정된 전류값과 액추에이터의 이동속도를 이용하여 전류소모량이 감소하고, 액추에이터의 이동속도가 감소하는 구간을 검출하여 각 변속단의 정단위치를 판단하고 학습함으로써 각 변속단의 정단위치를 보다 정확하고 정밀하게 판단 및 학습하고자 하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.

본 발명에 따른 기어변속 액추에이터의 정단위치 학습방법은 4단 디텐트 플레이트와 디텐트 스프링의 구동에 따라 기어변속 액추에이터의 정단위치를 학습하기 위한 방법에 있어서, (a) 기어변속을 수행하기 전, 액추에이터를 전 변속단으로 왕복하여 이동시키는 단계; (b) 상기 액추에이터를 일정한 듀티(duty) 제어하여 동일한 토크로 이동할 때 발생하는 전류값과 상기 액추에이터의 이동속도를 측정하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계에서 측정된 전류값과 상기 액추에이터의 이동속도를 기준으로 전 변속단의 정단위치를 판단하고, 학습하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 상기 (c) 단계에서 학습된 각 변속단의 정단위치는 측정된 전류값과 상기 액추에이터의 이송속도를 기준으로 전류소모량이 감소하고, 상기 액추에이터의 이동속도가 증가하는 구간인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 전류소모량은 상기 4단 디텐트 플레이트와 디텐트 스프링의 구동을 통해 구동모터의 전류를 측정하고, 상기 액추에이터의 이동속도는 위치센서 또는 위상센서, 전류변화시간에 따른 상기 액추에이터의 위치 검출을 통해 측정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 기어변속 액추에이터의 정단위치 학습방법은 각 변속단을 이동 중 측정된 전류값과 액추에이터의 이동속도를 이용하여 전류소모량이 감소하고, 액추에이터의 이동속도가 감소하는 구간을 검출하여 각 변속단의 정단위치를 판단하고 학습하게 되는데, 이는 각 변속단의 정단위치를 2개의 팩터를 이용하여 판단 및 학습을 수행하다는 점에서 각 변속단의 정단위치를 보다 정확하게 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 이를 통해 정확한 변속제어를 가능하게 할 수 있다.

또한 본 발명은 종래의 변속기나 래버의 경우 중요치수를 기준으로 제품과 도면의 공차가 엄격하게 관리되고 조금만 벗어나도 정상 변속을 수행 할 수 없어 불량품으로 처리되었지만, 학습기능을 통해 스스로 형상에 따라 정단위치를 판단하기 때문에 공차에 여유를 가질 수 있으며, 불량 산포를 흡수하는 효과를 기대 할 수 있다.

또한 본 발명은 기구적 형상 변화가 발생해도 정상제어나 고장판별을 통해 차량의 안전성 향상을 기대할 수 있다.

또한 본 발명은 학습로직이 최적화되어 정확도를 담보할 수 있어 추가적인 센서 없이도 정단위치의 판단이 가능할 뿐만 아니라, 불필요한 원가상승을 억제할 수 있는 경제적 효과를 제고할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 기어변속 액추에이터를 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 정단위치 학습방법을 나타내는 흐름도,
도 3은 본 발명에 따른 정단위치 학습방법을 나타내는 제어로직,
도 4는 본 발명에 따른 디텐트 플레이트에서 각 변속단에서 이동속도 및 전류소모량을 측정하기 위해 설정된 구간을 나타내는 그래프,
도 5는 도 4에서의 각 변속단 구간에서 액추에이터의 이동속도와 전류소모량의 관계를 나타내는 그래프.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시례를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.

먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시례를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

먼저 본 명세서상에 표현된 용어를 엄밀하지 않게 정의하면, '정단위치'란 기구적인 의미에서 각 변속단의 정위치를 의미하고, 또한 '정단위치의 학습'이란 미리 정해지 정단위치 대신에 위치값을 스스로 판단하여 학습할 수 있는 기능을 의미한다.

또한 '기구적 형상의 변화'란 깨짐, 마모 등을 포함한 내구적인 형상 변화와 공차, 제조사변경, 재질변경, 검사누락 등을 포함한 제조적인 형상변화를 의미한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 기어변속 액추에이터(30)의 정단위치 학습방법은 액추에이터(30)를 전 변속단으로 왕복 이동시키는 (a) 단계(S100)와, 전류값과 액추에이터(30)의 이동속도를 측정하는 (b) 단계(S200) 및 측정된 전류값과 액추에이터(30)의 이동속도를 기준으로 전 변속단의 정단위치를 판단하고 학습하는 (c) 단계(S300)를 포함하여 구성된다.

일반적으로 전동식 변속 레버 시스템은 운전자의 기어 셀렉터(변속레버) 조작을 인식하고, 이를 토대로 모터를 회전시키는 방식으로 변속기의 변속단을 전환하는 시스템을 의미하며, 특히 전동식 변속 레버 시스템은 구동모터의 회전축에 결합되어, 구동모터의 회전에 따라 회전하는 디텐트 플레이트(10)와 상기 디텐트 플레이트(10)(Detent plate)의 회전에 의해 상하 방향으로 움직이는 디텐트 스프링(20)(Detent spring)을 이용하여 차량의 변속단을 전환할 수 있다.

상기한 바와 같은 전동식 변속 레버 시스템에서 본 발명은 4단 디텐트 플레이트(10)와 디텐트 스프링(20)의 구동에 따라 기어변속 액추에이터(30)의 정단위치를 학습하기 위한 방법을 제안하고, 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 상세히 기술하기로 한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 (a) 단계(S100)는 기어변속을 수행하기 전, 액추에이터(30)를 전 변속단으로 왕복하여 이동시키는 단계이다.

(a) 단계(S100)에서는 기어변속 전, 즉 자동차를 제조하여 변속기가 구비된 트랜스미션을 조립하는 경우 최초 변속기는 중립단, 즉 N단으로 조립된 상태에서 'IGN ON'을 하여 시동을 건 상태에서, 변속 레버를 조작하여 N단에서 P단 또는 D단으로 전환하고, 다시 D단에서 P단으로 또는 P단에서 D단으로 왕복하여 이동함으로써 액추에이터(30)가 전 변속단을 왕복 이동할 수 있도록 하게 된다.

즉 변속레버를 'N단 → P단 → D단 → P단 → D단 → P단'으로 변속하여 액추에이터(30)로 하여금 전 변속단을 왕복 이동할 수 있도록 한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 (b) 단계는(S200) 액추에이터(30)를 일정한 듀티(duty) 제어하여 동일한 토크로 이동할 때 발생하는 전류값과 액추에이터(30)의 이동속도를 측정하는 단계이다.

(b) 단계(S200)는 (a) 단계(S100)에서 액추에이터(30)가 전 변속단을 왕복 이동하는 과정에서 특정 측정 팰터를 데이터로 수집하게 된다. 이때 신뢰할 수 있는 데이터를 수집하기 위해 액추에이터(30)를 일정하게 듀티 제어하여 동일한 토크로 이동할 수 있도록 제어하게 된다.

이 과정에 액추에이터(30)가 각 변속단을 왕복하여 이동하는 경우 발생하는 전류값과 액추에이터(30)의 이동속도를 측정하게 된다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 (c) 단계(S300)는 상기 (b) 단계(S200)에서 측정된 전류값과 액추에이터(30)의 이동속도를 기준으로 전 변속단의 정단위치를 판단하고, 학습하는 단계이다.

(c) 단계(S300)에서는 액추에이터(30)가 전 변속단을 왕복 이동하는 과정에서 각 변속단의 특정 구간에서의 전류값의 변화와 액추에이터(30)의 이동속도 변화값을 이용하여 각 변속단의 정단위치를 판단하여 학습하게 된다.

여기서, 각 변속단의 특정 구간이란 측정된 전류값을 기준으로 전류소모량이 감소하고, 액추에이터(30)의 이동속도가 증가하는 구간을 의미한다.

먼저 디텐트 플레이트(10)에는 산과 골로 이루어져 각 산과 골을 액추에이터(30)의 구동에 따라 디텐트 스프링(20)이 산과 골의 위치에서 측정되는 전류값이 달라지게 된다. 즉 디텐트 스프링(20)이 골의 위치에 있는 경우 검출되는 전류값은 상대적으로 작아지고, 디텐트 스프링(20)이 산의 위치에 있는 경우에는 검출되는 전류값이 상대적으로 크게 검출된다. 따라서 전류소모량 역시 산과 골의 위치에서 달라지게 되는데, 이는 골에서 산으로 디텐트 스프링(20)이 구동하는 경우 전류소모량은 증가하게 되고, 반대로 산에서 골로 디텐트 스프링(20)이 구동하는 경우에는 전류소모량이 감소하게 된다. 이 경우 전류값 내지 전류소모량은 디텐트 플레이트(10)와 디텐트 스프링(20)의 구동을 통해 구동모터의 전류를 측정하여 검출하게 된다.

다음으로 디텐트 스프링(20)이 이동 시 액추에이터(30)의 이동속도는 골에서 산까지 반발토크가 발생하여 감소하지만, 산을 지나는 순간 탄성으로 액추에이터(30)의 이동속도는 추진토크 발생으로 증가하게 된다. 이 경우 액추에이터(30)의 이동속도는 위치센서 또는 위상센서를 이용하고, 전류변화시간에 따른 액추에이터(30)의 위치를 측정하여 검출하게 된다.

즉 상기한 바에서 본 발명은 각 변속단의 특정 구간, 즉 각 변속단의 정단위치로 이동할 때 추진토크 발생 및 가속도의 발생하게 되는데, 이는 전류소모량이 감소하고, 동시에 액추에이터(30)의 이동속도 감소하는 구간을 정단위치로 하여 학습기능을 수행할 수 있게 된다.

이는 도 4에 도시된 바와 같이 디텐트 플레이트(10)의 각 변속단 구간에서 구동모터의 로드는 골에서 산으로 이동 시, 즉 도 4의 도시에서 ② → ④, ⑥ → ⑧, ⑩ → ⑫, ⑭ → ⑮의 구간에서 반발토크가 발생하여 구동모터에 부하가 커지는 것을 예상할 수 있다. 반대로 각 변속단에서 산에서 골로 이동 시, 즉 도 4의 도시에서 ① → ②, ④ → ⑥, ⑧ → ⑩, ⑫ → ⑭ 구간에서 추진토크 발생으로 구동모터의 부하가 감소되는 것을 예상할 수 있다.

상기한 바와 같은 결과를 바탕으로 도 5에서는 각 변속단에서 액추에이터의 이동속도와 구동모터의 소모전류량과의 관계를 시험값으로 도시하고 있다.

즉 도 5의 (a)는 'P단 → D단'으로 이동 시 액추에이터의 이동속도와 구동모터의 소모전류량과의 관계이고, 도 5의 (b)는 'D단 → P단'이동 시 액추에이터의 이동속도와 구동모터의 소모전류량과의 관계이다.

도 4 및 도 5의 시험결과는 일정한 Duty로 액추에이터를 작동시키기 때문에 엑추에이터의 이동속도는 기울기가 내리막(산 → 골)에서 오르막(골 → 산)으로 전환되는 지점인 P/R/N/D 정위치(디텐트 플레이트의 골)에서 가장 빠르게 이동한다.

또한 액추에이터의 소모전류량은 디텐트 스프링력의 도움을 가장 많이 받는 내리막 기울기가 가장 큰 지점에서 가장 낮게 소모되고, 반대로 디텐트 스프링력의 방해를 가장 많이 받는 오르막 기울기가 가장 큰 지점에서 가장 높게 소모된다.

또한 기울기가 내리막에서 오르막으로 전환되는 지점에서 일정 값 이상의 전류 소모가 발생하여 'P단 → D단' 구간, 'D단 → P단' 구간의 전류소모량 데이터를 조합하여 P/R/N/D의 정위치를 판단한다.

따라서 액추에이터의 이동속도 및 소모전류량 특성을 'P단 → D단'으로 이동, 'D단 → P단'의 이동으로 조합하여 P/R/N/D 각 포지션의 정위치를 명확하게 판단 할 수 있다.

상기한 바와 같은 결과로부터 본 발명에서는 전 변속단에 대하여 구동모터의 소모전류량과 액추에이터(30)의 이송속도를 각 변속단의 정단위치를 검출하기 위한 요소로 도출하고, 학습기능을 구동모터의 소모전류량이 감소하고, 동시에 액추에이터(30)의 이동속도가 감소하는 구간을 각 변속단의 정단위치로 판단하고, 학습하도록 하고 있다.

특히 본 발명은 전술한 바와 같이 전 변속단을 액추에이터(30)가 왕복 이동하여 각 변속단에서의 전류소모량과 액추에이터(30)의 이동속도를 기준으로 전류소모량의 감소하고, 동시에 액추에이터(30)의 이동속도가 감소하는 구간을 검출하여 각 변속단의 정단위치로 학습하도록 하고 있는데, 이는 결정요인으로 2개의 팩터를 이용하고 있다는 점에서 각 변속단의 정단위치를 정밀하게 검출하고 학습할 수 있다는 장점과, 함께 각 변속단의 정단위치를 모두 검출한 데이터를 정단위치로 학습하도록 함으로써 보다 정밀한 제어가 가능하도록 하고 있다는 장점이 있다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 학습방법은 SCU가 기어변속을 수행하기 전에 액추에이터(30)가 전 변속단을 왕복 이동하여 각 변속단의 정단위치를 스스로 판단하고 학습하여 변속기의 공차나 제조사에 따른 기구적 형상 변형의 경우에도 원활한 제어를 수행할 수 있도록 보완성을 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명은 학습기능을 통해 스스로 형상에 따라 정단위치를 판단하기 때문에 공차에 여유를 가질 수 있으며, 불량 산포를 흡수하는 효과를 기대 할 수 있고, 기구적 형상 변화가 발생해도 정상제어나 고장판별을 통해 차량의 안전성 향상을 기대할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일실시례를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시례가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10 : 디텐트 플레이트
20 : 디텐트 스프링
30 : 액추에이터

Claims (3)

1. 4단 디텐트 플레이트(10)와 디텐트 스프링(20)의 구동에 따라 기어변속 액추에이터(30)의 정단위치를 학습하기 위한 방법에 있어서,
   (a) 기어변속을 수행하기 전, 액추에이터(30)를 전 변속단으로 왕복하여 이동시키는 단계(S100);
   (b) 상기 액추에이터(30)를 일정한 듀티(duty) 제어하여 동일한 토크로 이동할 때 발생하는 전류값과 상기 액추에이터(30)의 이동속도를 측정하는 단계(S200); 및
   (c) 상기 (b) 단계(S200)에서 측정된 전류값과 상기 액추에이터(30)의 이동속도를 기준으로 전 변속단의 정단위치를 판단하고, 학습하는 단계(S300);를 포함하여 이루어진 기어변속 액추에이터의 정단위치 학습방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 (c) 단계(S300)에서 학습된 각 변속단의 정단위치는 측정된 전류값과 상기 액추에이터(30)의 이송속도를 기준으로 전류소모량이 감소하고, 상기 액추에이터(30)의 이동속도가 증가하는 구간인 것을 특징으로 하는 기어변속 액추에이터의 정단위치 학습방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 전류소모량은 상기 4단 디텐트 플레이트(10)와 디텐트 스프링(20)의 구동을 통해 구동모터의 전류를 측정하고,
   상기 액추에이터(30)의 이동속도는 위치센서 또는 위상센서, 전류변화시간에 따른 상기 액추에이터(30)의 위치 검출을 통해 측정하는 것을 특징으로 하는 기어변속 액추에이터의 정단위치 학습방법.

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