KR20230023081A

KR20230023081A - 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20230023081A
Application number: KR1020210104399A
Authority: KR
Inventors: 김태홍
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2021-08-09
Filing date: 2021-08-09
Publication date: 2023-02-17
Also published as: US20230040500A1

Abstract

전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치는, 자율주행 시스템으로부터 입력된 제1 지령 조향각의 노이즈를 제거하여 제2 지령 조향각을 출력하는 지령 조향각 제어부, 상기 제2 지령 조향각과 조향각 센서로부터의 제1 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제1 조향각 에러를 보상하여 제1 지령 전류를 출력하는 조향각 위치 제어부, 상기 제2 지령 조향각과 모터로부터의 제2 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제2 조향각 에러를 보상하여 제1 보상값을 산출하고, 상기 제1 보상값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 제1 응답성 개선부, 및 조향각속도 또는 모터각속도의 반전에 따른 보상 게인을 도출하고, 상기 제1 조향각 에러 및 상기 보상 게인에 기초하여 제2 보상값을 산출하며, 상기 제2 보상값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 제2 응답성 개선부를 포함하되, 상기 조향각 위치 제어부는 상기 제1 응답성 개선부로부터 인가받은 제1 보상값 및 상기 제2 응답성 개선부로부터 인가받은 제2 보상값을 상기 제1 지령 전류에 적용하여 제2 지령 전류를 출력할 수 있다.

Description

전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING MOTOR DRIVEN POWER STEERING SYSTEM OF VEHICLE}

본 발명은 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 MDPS(Motor Driven Power Steering)에서 자율주행 시 조향각 센서의 조향각을 위치 제어기에서 기본적으로 이용하면서 응답성을 높여주고, 지령 조향각의 노이즈에 강건하며, 성능을 안정적으로 극대화시킬 수 있도록 하는, 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 동력 보조 조향장치로는 유압 펌프의 유압을 이용한 유압식 조향장치(Hydraulic Power Steering Apparatus)가 사용되고 있지만, 1990년대 이후 전동 모터를 이용한 전동식 조향시스템(MDPS : Motor Driven Power Steering)이 점차로 보편화되어 가고 있다.

기존의 유압식 조향장치는 동력을 보조해 주는 동력원인 유압 펌프가 엔진에 의해 구동되어 조향 휠의 회전 여부와 관계없이 항상 에너지를 소모하게 되는데 비해서 전동식 조향시스템은 조향 휠이 회전하여 토크가 발생되면 전기 에너지로 구동되는 모터가 조향 보조 동력을 제공하게 된다.

따라서 전동식 조향시스템(또는 전동식 조향장치)을 사용하는 경우 유압식 조향장치에 비해 차량의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

한편, 자율주행에서 MDPS는 차량의 방향을 결정하는 중요한 부품 중 하나이다. 자율주행 제어기로부터 지령조향각이 인가되면, MDPS에서는 인가받은 지령 조향각의 응답성을 높이면서 진동이나 노이즈 등에 강건하게 제어하는 것이 매우 중요하다. 이로 인해 MDPS에서는 위치 제어기의 성능을 높이기 위하여 통상적인 PID제어기를 사용하지 않고 다양한 방법으로 위치 제어기의 성능을 높이려 하고 있다.

그러나, 종래의 자율주행을 위한 MDPS 위치 제어기는 기본적인 PID 제어기로만 구현되어 있어, 응답성을 높이는데 한계가 있고, 외부의 노면 노이즈나 진동 등이 인가되면 제어 성능이 크게 떨어지며, 심지어 발산을 하게 되는 경우가 있다. 뿐만 아니라, 일반적인 PID 제어의 경우 차량의 부하에 따라 발생하는 프릭션이나 관성에 대해 효과적인 대처가 어려운 문제가 있다. 예를 들어, 정차 조건에서 느린 속도로 좌우 위치 제어 시 반전할 경우 제대로 지령 조향각을 추종하지 못하는 문제가 생길 수 있다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 10-2019-0098783호(2019.08.23)의 '차량용 핸들 제어 장치'에 개시되어 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, MDPS에서 자율주행 시 조향각 센서의 조향각을 위치 제어기에서 기본적으로 이용하면서 응답성을 높여주고, 지령 조향각의 노이즈에 강건하며, 성능을 안정적으로 극대화시킬 수 있도록 하는, 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 MDPS에서 자율주행 시 위치 제어기가 반전할 경우 차량의 부하에 따라 발생하는 프릭션이나 관성을 효과적으로 대처할 수 있도록 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치는, 자율주행 시스템으로부터 입력된 제1 지령 조향각의 노이즈를 제거하여 제2 지령 조향각을 출력하는 지령 조향각 제어부, 상기 제2 지령 조향각과 조향각 센서로부터의 제1 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제1 조향각 에러를 보상하여 제1 지령 전류를 출력하는 조향각 위치 제어부, 상기 제2 지령 조향각과 모터로부터의 제2 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제2 조향각 에러를 보상하여 제1 보상값을 산출하고, 상기 제1 보상값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 제1 응답성 개선부, 및 조향각속도 또는 모터각속도의 반전에 따른 보상 게인을 도출하고, 상기 제1 조향각 에러 및 상기 보상 게인에 기초하여 제2 보상값을 산출하며, 상기 제2 보상값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 제2 응답성 개선부를 포함하되, 상기 조향각 위치 제어부는 상기 제1 응답성 개선부로부터 인가받은 제1 보상값 및 상기 제2 응답성 개선부로부터 인가받은 제2 보상값을 상기 제1 지령 전류에 적용하여 제2 지령 전류를 출력할 수 있다.

본 발명에서 상기 지령 조향각 제어부는, 차속에 따라 컷오프 주파수를 조정하여 상기 제1 지령 조향각의 노이즈를 제거하는 제1 가변 LPF(Low Pass Filter)를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 조향각 위치 제어부는, 상기 제1 현재 조향각을 저주파 필터링하는 제2 가변 LPF(Low Pass Filter), 상기 제2 지령 조향각과 상기 저주파 필터링된 제1 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제1 조향각 에러를 보상하는 위치 제어기, 상기 위치 제어기에서 출력되는 지령 속도와 현재 조향각속도의 차이에 해당하는 속도 에러를 보상하여 상기 제1 지령 전류를 출력하는 속도 제어기, 상기 제1 지령 전류에 상기 제1 보상값 및 제2 보상값을 더하여 상기 제2 지령 전류를 출력하는 제1 연산부를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 제2 가변 LPF는, 차속에 따라 컷오프 주파수를 조정할 수 있다.

본 발명에서 상기 위치 제어기 및 상기 속도 제어기 중 적어도 하나는, 차속, 모터각속도 및 조향각속도 중 적어도 하나에 기초하여 게인을 가변할 수 있다.

본 발명에서 상기 제1 응답성 개선부는, 상기 제2 현재 조향각을 저주파 필터링하는 제3 가변 LPF(Low pass filter), 상기 제2 지령 조향각과 상기 제3 가변 LPF에서 저주파 필터링된 제2 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제2 조향각 에러를 저주파 필터링하는 제4 가변 LPF, 상기 제4 가변 LPF에서 저주파 필터링된 값을 미분 처리하는 미분기, 및 상기 미분 처리된 값에 게인을 곱 연산하고, 상기 곱 연산된 값을 제1 보상값으로 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 제2 연산부를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 제3 가변 LPF는, 차속에 따라 컷오프 주파수를 조정할 수 있다.

본 발명에서 상기 제4 가변 LPF는, 모터각속도 및 조향각속도 중 적어도 하나에 기초하여 컷오프 주파수를 조정할 수 있다.

본 발명에서 상기 제2 응답성 개선부는, 컷오프 주파수를 조정하여 상기 제1 조향각 에러를 고주파 필터링하는 가변 HPF(High pass filter), 상기 가변 HPF에서 고주파 필터링된 값에 게인을 곱 연산하여 출력하는 제3 연산부, 상기 조향각속도 또는 모터각속도의 반전에 따른 보상 게인을 도출하는 보상 게인 도출부, 상기 보상 게인을 상기 제3 연산부에서 출력되는 값과 연산하여 제2 보상값을 산출하고, 상기 제2 보상값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 제4 연산부를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 보상 게인 도출부는, 상기 조향각속도 또는 모터각속도의 부호를 검출하고, 상기 부호에 기초하여 반전 여부를 판단하는 반전 판단부, 상기 조향각속도 또는 모터각속도를 미분한 각 가속도의 값을 통해 반 전시 보상할 게인의 양과 시간을 조절하는 보상 게인 조절부를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 반전 판단부는, 상기 현재 조향각속도 또는 모터각속도의 위상을 보상하는 위상 보상부, 상기 위상이 보상된 조향각속도 또는 모터각속도의 부호를 검출하고, 상기 부호에 기초하여 반전 여부를 판단하는 반전 조타 판단부를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 보상 게인 조절부는, 상기 조향각속도 또는 모터각속도를 미분 처리하여 각 가속도를 출력하는 미분기, 상기 미분기로부터의 각 가속도를 저주파 필터링하는 LPF, 상기 반전 판단부의 판단결과 반전인 경우, 상기 저주파 필터링된 각 가속도에 기초하여 상기 보상 게인의 양과 시간을 조절하는 최종 보상 게인 조절부를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 최종 보상 게인 조절부는, 각 가속도에 따른 보상 게인의 양 및 시간에 대한 정보가 저장된 보상 게인 테이블로부터 상기 저주파 필터링된 각 가속도에 따른 보상 게인의 양 및 시간을 획득하고, 상기 획득된 보상 게인을 기 설정된 범위 내로 제한할 수 있다.

본 발명은 상기 조향각 위치 제어부에서 출력되는 제2 지령 전류와 센서 전류 간의 전류 에러를 보상하여 최종 지령 전류를 출력하는 전류 제어기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 전동식 조향시스템의 제어 방법은, 지령 조향각 제어부가, 자율주행 시스템으로부터 입력된 제1 지령 조향각의 노이즈를 제거하여 제2 지령 조향각을 출력하는 단계, 조향각 위치 제어부가, 상기 제2 지령 조향각과 조향각 센서로부터의 제1 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제1 조향각 에러를 보상하여 제1 지령 전류를 출력하는 단계, 제1 응답성 개선부가, 상기 제2 지령 조향각과 모터로부터의 제2 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제2 조향각 에러를 보상하여 제1 보상값을 산출하고, 상기 제1 보상값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 단계, 제2 응답성 개선부가, 조향각속도의 반전에 따른 보상 게인을 도출하고, 상기 제1 조향각 에러 및 상기 보상 게인에 기초하여 제2 보상값을 산출하며, 상기 제2 보상값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 단계, 및 상기 조향각 위치 제어부가, 상기 제1 지령전류에 상기 제1 보상값 및 제2 보상값을 적용하여 제2 지령 전류를 출력하는 단계를 포함한다.

본 발명은 상기 제2 지령 조향각을 출력하는 단계에서, 상기 지령 조향각 제어부는, 차속에 따라 컷오프 주파수를 조정하여 상기 제1 지령 조향각을 저주파 필터링함으로써 상기 제1 지령 조향각의 노이즈를 제거하고, 상기 노이즈가 제거된 제2 지령 조향각을 출력할 수 있다.

본 발명에서 상기 제1 지령 전류를 출력하는 단계는, 제2 가변 LPF가 상기 제1 현재 조향각을 저주파 필터링하는 단계, 위치 제어기가 상기 제2 지령 조향각과 상기 저주파 필터링된 제1 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제1 조향각 에러를 보상하는 단계, 속도 제어기가 상기 위치 제어기에서 출력되는 지령 속도와 현재 조향각속도의 차이에 해당하는 속도 에러를 보상하여 상기 제1 지령 전류를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 제1 보상값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 단계는, 제3 가변 LPF가 상기 제2 현재 조향각을 저주파 필터링하는 단계, 제4 가변 LPF가 상기 제2 지령 조향각과 상기 제3 가변 LPF에서 저주파 필터링된 제2 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제2 조향각 에러를 저주파 필터링하는 단계, 미분기가 상기 제4 가변 LPF에서 저주파 필터링된 값을 미분 처리하는 단계, 및 제2 연산부가 상기 미분 처리된 값에 게인을 곱 연산하고, 상기 곱 연산된 값을 제1 보상값으로 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 제2 보상값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 단계는, 가변 HPF가 컷오프 주파수를 조정하여 상기 제1 조향각 에러를 고주파 필터링하는 단계, 제3 연산부가 상기 고주파 필터링된 값에 게인을 곱 연산하여 출력하는 단계, 보상 게인 도출부가 상기 조향각속도 또는 모터각속도의 반전에 따른 보상 게인을 도출하는 단계, 및 제4 연산부가 상기 보상 게인을 상기 제3 연산부에서 출력되는 값과 연산하여 제2 보상값을 산출하고, 상기 제2 보상값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 보상 게인을 도출하는 단계는, 반전 판단부가, 상기 조향각속도 또는 모터각속도의 부호를 검출하고, 상기 부호에 기초하여 반전 여부를 판단하는 단계, 보상 게인 조절부가, 상기 조향각속도 또는 모터각속도를 미분한 각 가속도의 값을 통해 반 전시 보상할 게인의 양과 시간을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 반 전시 보상할 게인의 양과 시간을 조절하는 단계는, 미분기가 상기 조향각속도 또는 모터각속도를 미분 처리하여 각 가속도를 출력하는 단계, LPF가 상기 미분기로부터의 각 가속도를 저주파 필터링하는 단계, 상기 반전 판단부의 판단결과 반전인 경우, 최종 보상 게인 조절부가 상기 저주파 필터링된 각 가속도에 기초하여 상기 보상 게인의 양과 시간을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명은 상기 보상 게인의 양과 시간을 조절하는 단계에서, 상기 최종 보상 게인 조절부는, 각 가속도에 따른 보상 게인의 양 및 시간에 대한 정보가 저장된 보상 게인 테이블로부터 상기 저주파 필터링된 각 가속도에 따른 보상 게인의 양 및 시간을 획득하고, 상기 획득된 보상 게인을 기 설정된 범위 내로 제한할 수 있다.

본 발명은 상기 제2 지령 전류를 출력하는 단계 이후, 전류 제어기가 상기 조향각 위치 제어부에서 출력되는 제2 지령 전류와 센서 전류 간의 전류 에러를 보상하여 최종 지령 전류를 출력하는 MDPS에 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법은, MDPS에서 자율주행 시 위치 제어기가 반전할 경우 추가 보상 게인을 생성함으로써, 단순 PID 제어 및 마찰력이나 관성에 대한 정확한 동역학적 보상이 이루어지지 않는 모델기반 제어의 부족한 성능을 개선시켜주어 위치제어의 성능을 크게 높일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법은 운전자의 안전을 위해 조향각 센서의 조향각을 조향각 위치 제어부에서 기본적으로 쓰면서도 응답성을 향상시킬 수 있고, 지령 조향각의 노이즈에도 강건하여 제어기의 안전성을 높이고 응답성까지 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 보상 게인 도출부의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 최종 보상 게인 조절부의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 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 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

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.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록도, 도 2는 도 1에 도시된 보상 게인 도출부(430)의 구성을 설명하기 위한 블록도, 도 3은 도 2에 도시된 최종 보상 게인 조절부(437)의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치는, 감지모듈(10), 자율주행 시스템(20), 지령 조향각 제어부(100), 조향각 위치 제어부(200), 제1 응답성 개선부(300), 제2 응답성 개선부(400) 및 전류 제어기(500)를 포함한다.

감지 모듈(10)은 자율주행 및 조향 제어에 필요한 정보를 감지한다. 감지 모듈(10)에는 자율주행 시스템(20)의 동작에 필요한 주변 환경 정보를 감지하는 주변 환경 감지부(11), 차량의 차속을 감지하는 차속 감지부(12), 조향휠의 조향각을 감지하는 조향각 감지부(13), 및 조향휠의 조향각 속도를 검출하는 조향각 속도 검출부(14)가 포함될 수 있다.

조향각 속도 검출부(14)는 조향각 속도를 조향휠에서 직접 검출할 수 있으나, 조향각 감지부(13)에 의해 감지된 조향각을 미분하여 검출할 수도 있다.

주변 환경 감지부(11)로는 라이다, 레이더, 초음파 센서 이미지 센서 등이 포함될 수 있다. 주변 환경 정보에는 도로 정보, 장애물 정보 및 날씨 정보 등이 포함될 수 있다. 주변 환경 정보는 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

자율주행 시스템(20)은 자율주행 모드 시 주변 환경 감지부(11)로부터 입력된 주변 환경 정보를 토대로 차량의 자율주행 제어를 위한 지령 조향각을 출력할 수 있다.

자율주행 시스템(20)이 주변 환경 정보를 토대로 자율주행 제어를 수행하는 것은 당업자가 용이하게 실시할 수 있으므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.

지령 조향각 제어부(100)는 자율주행 시스템(20)으로부터 입력된 제1 지령 조향각의 노이즈를 제거하여 출력할 수 있다. 이때, 지령 조향각 제어부(100)는 제1 가변 LPF(Low Pass Filter, 100)를 이용하여 구현될 수 있다.

일반적으로 자율주행은 조향각 위치 제어를 통해 이루어진다. 즉 자율주행 시스템(20)에서 전동식 조향장치(MDPS, 500)에 지령 조향각을 인가하면, MDPS(600)는 그에 따라 위치제어를 실행하게 된다. 이때 위치제어를 실행하는 조향각 위치 제어부(200)에서 지령 조향각 명령을 인가받을 때, 노이즈를 제거하기 위하여 LPF를 적용한다. 만일 지령 조향각에 노이즈가 섞어 들어오면 조향각 위치 제어부(200)가 이를 추종하려다 오히려 발산할 수 있기 때문이다. 뿐만 아니라 통신 주기나 조향각 센서의 레졸루션(resolution)에 따라서 인가되는 지령 조향각이 순간적으로 크게 변할 수 있으며, 더 나아가 자율주행 시 급 조타의 경우 큰 조향각의 변동이 임펄스 형태로 조향각 위치 제어부(200)에 인가될 수도 있다. 이러한 고주파성 신호들은 오히려 조향각 위치 제어부(200)의 성능을 저하시키고 안전성에 큰 위협이 될 수 있으므로, 통상적으로 기본적인 조타 주기에 맞게 LPF의 컷오프(Cut Off) 주파수를 설정한다.

하지만 LPF를 적용한다는 의미는 조향각 위치 제어부(200)의 응답성을 떨어뜨린다는 의미와도 같으므로, 기존의 고정된 컷오프 주파수를 가진 LPF를 적용하게 되면 조향각 위치 제어부(200)의 성능저하로 이어지게 된다. 이를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에서는 제1 가변 LPF(100)를 적용할 수 있다.

즉, 지령 조향각 제어부(100)는 자율주행 시스템(20)으로부터 입력된 지령 조향각(이하 '제1 지령 조향각'이라 칭함)의 노이즈를 제거하여 제2 지령 조향각을 출력하는 것으로, 컷오프 주파수를 조절할 수 있는 제1 가변 LPF(100)를 포함할 수 있다.

제1 가변 LPF(100)는 차속에 따라 컷오프 주파수를 조정하여 제1 지령 조향각의 노이즈를 제거한다. 즉, 제1 가변 LPF(100)는 제1 지령 조향각을 저주파 필터링하여 컷오프 주파수 이상의 주파수를 갖는 노이즈 성분을 제거할 수 있다. 이때 컷오프 주파수는 차속에 따라 조절될 수 있다. 차속이 증가할 경우 노면의 진동이나 타이어 편심 등에 의한 노이즈로 인하여 위치제어 성능이 불안해질 수 있다. 이를 방지하기 위해 차속이 증가할수록 제1 가변 LPF(100)의 컷오프 주파수를 낮춤으로써 고속 주행 시 노이즈에 대한 조향각 위치 제어부(200)의 안전성을 높일 수 있다. 또한, 제1 가변 LPF(100)는 차속이 감소할수록 컷오프 주파수를 올려주어 고주파에 대한 반응성을 높여 응답 성능을 개선할 수 있다.

상술한 바와 같이 구성된 지령 조향각 제어부(100)를 통해 지령 조향각의 노이즈나 낮은 레졸루션(resolution)에 따른 조향각 위치 제어부(200)의 발산, 그리고 급 조타 시 발생하는 임펄스성 명령 등에 대해 조향각 위치 제어부(200)의 안전성을 높일 수 있고, 일반적인 상황에서 응답성을 극대화시켜 제어장치의 성능을 향상시킬 수 있다.

조향각 위치 제어부(200)는 지령 조향각 제어부(100)로부터의 제2 지령 조향각과 조향각 센서로부터의 제1 현재 조향각의 차이인 제1 조향각 에러(즉, 제1 위치 제어 에러)를 보상하여 제1 지령 전류를 출력한다. 이때, 조향각 위치 제어부(200)는 조향각 센서로부터의 제1 현재 조향각을 저주파 필터링하고, 제2 지령 조향각과 저주파 필터링된 제1 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제1 조향각 에러를 보상하여 제1 지령 전류를 출력할 수 있다.

이러한 조향각 위치 제어부(200)는 제2 가변 LPF(210), 위치 제어기(220) 및 속도 제어기(230)를 포함할 수 있다.

제2 가변 LPF(210)는 차속에 따라 컷오프 주파수를 조정하여 조향각 센서로부터의 제1 현재 조향각의 노이즈를 제거할 수 있다. 즉, 제2 가변 LPF(210)는 제1 현재 조향각을 저주파 필터링하여 컷오프 주파수 이상의 주파수를 갖는 노이즈 성분을 제거할 수 있다. 이때 컷오프 주파수는 차속에 따라 조절될 수 있다. 차속이 증가할 경우 노면의 진동이나 타이어 편심 등에 의한 노이즈로 인하여 위치제어 성능이 불안해질 수 있다. 이를 방지하기 위해 차속이 증가할수록 제2 가변 LPF(210)의 컷오프 주파수를 낮춤으로써 고속 주행 시 노이즈에 대한 조향각 위치 제어부(200)의 안전성을 높일 수 있다. 또한, 제2 가변 LPF(210)는 차속이 감소할수록 컷오프 주파수를 올려주어 고주파에 대한 반응성을 높여 응답 성능을 개선할 수 있다.

위치 제어기(220)는 제2 지령 조향각과 저주파 필터링된 제1 현재 조향각 간의 차이인 제1 조향각 에러를 보상할 수 있다. 이때 위치 제어기(220)는 P 제어기로 구성될 수 있고, 지령 속도를 출력할 수 있다.

속도 제어기(230)는 위치 제어기(220)에서 출력되는 지령 속도와 현재 조향각 속도 간의 차이인 속도 에러를 보상할 수 있다. 이때 속도 제어기(230)는 PI 제어기로 구성될 수 있고, 제1 지령 전류를 출력할 수 있다.

위치 제어기(220) 및 속도 제어기(230)는 차속, 모터각속도 및 조향각속도 중 적어도 하나에 기초하여 게인을 가변할 수 있다.

통상적으로 위치 제어기(220)의 성능은 자율주행 모듈과 MDPS(600)간의 통신 속도에도 절대적인 영향을 받는다. 즉 지령 조향각의 송출 주기가 예를 들어 20ms일 경우, 이에 따른 제어기의 입/출력 주기에 따라 위치 제어기(220)에 진동이나 떨림 현상이 발생한다. 특히 지령 조향각속도가 느리거나 부하가 클 경우 이런 현상이 잘 발생하는데, 이는 위치 제어기(220)의 응답성을 높이기 위한 파라미터 튜닝에도 그 원인이 있다. 느린 속도의 제어를 부드럽게 수행하기 위해서는 위치 제어기(220)의 출력 변동량을 높이기 보다는 낮추는 방향이 오히려 제어 성능을 안정적으로 높이는데 유리하므로, 부하의 영향도는 차속으로, 제어속도는 조향각속도 또는 모터각속도를 이용하여 위치 제어기(220) 및 속도 제어기(230)의 게인을 가변시킬 수 있다. 이러한 설정으로 상황에 따라 위치 제어기(220)의 출력이 최적화되어, 부하가 작고 느린 위치 제어 상황일 경우 위치 제어기(220) 및 속도 제어기(230)의 게인을 줄이고, 부하가 크고 빠른 제어 상황일 경우 위치 제어기(220) 및 속도 제어기(230)의 게인을 높여, 위치 제어 성능을 극대화시킬 수 있다.

하지만 위치 제어기(220)와 속도 제어기(230)로 구성된 조향각 위치 제어부(200)는 응답성을 높이는데 한계가 있다. 이에, 조향각 위치 제어부(200)는 제1 응답성 개선부(300)로부터 필요 전류를 인가 받고, 인가 받은 필요 전류를 속도 제어기(230)로부터의 제1 지령 전류에 더하여 제2 지령 전류를 출력하는 제1 연산부(240)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 필요 전류는 제1 응답성 개선부(300)에서 제2 지령 조향각과 모터로부터의 현재 조향각(이하, '제2 현재 조향각'이라 칭함) 간의 차이인 제2 조향각 에러를 보상하는 제1 보상값과, 제2 응답성 개선부(400)에서 조향각속도의 반전에 따른 보상 게인에 기초하여 생성된 제2 보상값을 포함할 수 있다.

제1 응답성 개선부(300)는 제2 지령 조향각과 모터로부터의 제2 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제2 조향각 에러를 보상하여 제1 보상값을 산출하고, 제1 보상값을 조향각 위치 제어부(200)에 인가할 수 있다. 이때, 제1 응답성 개선부(300)는 모터로부터의 제2 현재 조향각을 저주파 필터링하고, 제2 지령 조향각과 저주파 필터링된 제2 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제2 조향각 에러를 보상하는 제1 보상값을 조향각 위치 제어부(200)에 인가할 수 있다. 이는 제1 지령 전류에 추가적인 필요 전류를 더해주는 역할을 하여, 조향각 위치 제어부(200)의 응답성능을 높일 수 있게 된다.

한편, 현재 조향각을 조향각 센서로 센싱하느냐, 모터의 회전으로 센싱하느냐에 따라 제어기의 성능이 크게 달라질 수 있다. 첫번째 이유는 센서의 레졸루션(resolution)이다. 조향각 센서의 경우 통신을 통해 MDPS(600)에 조향각을 보내주며 이에 따른 시간 지연(time delay)이 있을 뿐만 아니라 레졸루션(resolution)도 수 또는 수십 배 가량 모터의 엔코더 센서보다 떨어질 수 있다. 두번째 이유는 조향각 센서가 통상적으로 벨트 R 시스템의 경우 핸들에 장착되어 있으며 이는 토션바가 비틀림에 따라 실제 타이어의 회전각과 상이해 질 수 있다. 즉 타이어 각은 고정인데 핸들만 떨리는 상황이 발생했을 경우 이러한 진동신호가 그대로 조향각 위치 제어부(200)에 인가되어 오히려 제어기의 성능을 크게 저하시킬 수 있다. 그리하여 모터로부터 환산된 제2 현재 조향각을 조향각 위치 제어부(200)에서 사용하는 것이 보통이다. 하지만 벨트 슬립이 발생하게 되면 실제 주행하는 조향각과 MDPS(600)가 제어하는 조향각의 차이가 발생하여 의도치 않은 방향으로 차량이 움직일 수 있다. 이처럼 자율주행 중 벨트 슬립이 발생하면, 위치 제어가 제대로 이루어지지 않을 뿐 아니라, 안전상에 문제가 될 수 있다. 이 때문에 기구적으로 연결되어 있는 조향각 센서를 기준으로 위치 제어를 수행하는 것이 안전적인 측면에서 꼭 필요하다. 하지만 조향각 센서는 레졸루션(resolution)이 떨어지고 기구적으로 완전히 일치되지 않으며, 스프링과 같이 토션바 위에 달려있어 자율주행 중 위치 제어를 수행할 경우 의도치 않은 떨림 등이 발생할 수 있다. 통상적으로 MDPS(600)에서 강성이 가장 떨어지는 부분이 토션바인데, 토션바 위에 조향각 센서가 달려있어 실제 차량의 거동과 다른 각도가 발생할 수 있다. 예를 들어, 운전자가 실수로 핸들을 순간적으로 치거나, 자율주행 시스템이 급조타 명령을 인가하거나 노면상황에 따라 진동이 MDPS(600)에 인가되면 제어성능이 떨어지고 진동이 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해, 기본적인 조향각 위치 제어부(200)의 피드백 신호는 조향각 센서의 조향각을 사용하고, 응답성을 향상시키기 위한 제1 응답성 개선부(300)는 모터로부터 환산된 조향각을 사용함으로써 응답성과 안전성을 동시에 향상시킬 수 있다.

이러한 제1 응답성 개선부(300)는 제3 가변 LPF(310), 제4 가변 LPF(320), 미분기(330), 및 제2 연산부(340)를 포함할 수 있다.

제3 가변 LPF(310)는 모터로부터의 제2 현재 조향각을 저주파 필터링하여 노이즈를 제거할 수 있다. 즉, 제3 가변 LPF(310)는 제2 현재 조향각을 저주파 필터링하여 컷오프 주파수 이상의 주파수를 갖는 노이즈 성분을 제거할 수 있다. 이때 컷오프 주파수는 차속에 따라 조절될 수 있다. 차속이 증가할 경우 노면의 진동이나 타이어 편심 등에 의한 노이즈로 인하여 위치 제어 성능이 불안해질 수 있다. 이를 방지하기 위해 차속이 증가할수록 제3 가변 LPF(310)의 컷오프 주파수를 낮춤으로써 고속 주행시 노이즈에 대한 조향각 위치 제어부(200)의 안전성을 높일 수 있다. 또한, 제3 가변 LPF(310)는 차속이 감소할수록 컷오프 주파수를 올려주어 고주파에 대한 반응성을 높여 응답 성능을 개선할 수 있다.

제4 가변 LPF(320)는 제2 지령 조향각과 제3 가변 LPF(310)에서 저주파 필터링된 제2 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제2 조향각 에러를 저주파 필터링하여 노이즈 성분을 제거한다. 이 경우, 제4 가변 LPF(320)는 모터각속도 및 조향각속도 중 적어도 하나에 기초하여 컷오프 주파수를 조정할 수 있다.

미분기(330)는 제4 가변 LPF(320)에서 저주파 필터링된 값을 미분 처리하여 변화량을 구한다.

제2 연산부(340)는 미분기(330)에서 미분 처리된 값에 게인을 곱 연산하고, 곱 연산된 값을 제1 보상값으로 조향각 위치 제어부(200)에 인가할 수 있다. 이때 제2 연산부(340)는 모터의 각속도 또는 조향각 속도에 따른 게인을 미분 처리된 값에 곱할 수 있다.

상술한 바와 같이 제1 응답성 개선부(300)는 제2 지령 조향각과 저주파 필터링된 제2 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제2 조향각 에러를 저주파 필터링하고, 미분 처리한 후 게인을 곱 연산하여 조향각 위치 제어부(200)의 제1 연산부(240)에 인가할 수 있다. 즉, 제1 응답성 개선부(300)는 제1 지령 전류에 제2 지령 조향각과 제2 현재 조향각의 차이값만큼을 전류로 천이하여 부족한 앞단의 입력값을 실시간으로 보충하는 역할을 할 수 있다. 이는 일반적인 PID제어기의 D제어기와 유사하나 D제어기를 그냥 적용할 경우 인가되는 노이즈가 크게 증폭되어 오히려 제어기의 성능을 크게 떨어뜨릴 수 있다. D제어기는 일반적으로 미분기(330)와 동일하기 때문이며, 노이즈가 인가되었을 때 이를 미분 처리하면 노이즈가 오히려 크게 증폭될 수 있기 때문이다. 이를 방지하기 위하여 제1 응답성 개선부(300)는 미분을 불완전하게 수행하도록 D제어기 앞단에 LPF(Low pass filter)나 래그 보상기(Lag-compensator)를 적용한다. 이럴 경우 의도치 않은 노이즈 등은 필터링되고 필요한 대역의 제어 변화량만 걸리짐과 동시에 이를 조향각 위치 제어부(200)에 실시간으로 인가함으로써 제어 응답성을 높임과 동시에 안정성에도 문제가 없도록 할 수 있다.

상술한 바와 같이 제1 응답성 개선부(300)는 제2 지령 조향각과 저주파 필터링된 제2 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제2 조향각 에러의 불완전 미분을 위해 제4 가변 LPF(320)를 통과시킨 후, 미분기(330)를 통해 미분 처리하여 변화량을 구할 수 있다. 그런 후, 제1 응답성 개선부(300)는 제2 연산부(340)를 통해 게인을 곱한 후 속도 제어기(230)의 출력(제1 지령 전류)에 더할 수 있다.

이처럼, 제1 응답성 개선부(300)는 전류 출력단을 보상함으로써, 제어 응답성을 극대화시킬 수 있다. 이는 어느 정도 일반적인 방식이나 제어기의 플랜트를 정확하게 알아야 하고 플랜트 모델이 바뀔 때마다 플랜트 파라미터를 튜닝해주어야 하므로 번거로움이 크다. 이를 개선하기 위하여 본 발명은 역 플랜트 모델을 단순화시켜 1차 또는 2차 HPF의 형태로 변환시킨 제2 응답성 개선부(400)를 구비할 수 있다. HPF 적용에 따른 노이즈나 외란을 보상하기 위하여 제1 가변 LPF(100)를 적용하여 안정화시킬 수 있다.

제2 응답성 개선부(400)는 현재 조향각속도 또는 모터각속도의 반전에 따른 보상 게인을 도출하고, 제1 조향각 에러(즉, 제1 위치 제어 에러) 및 보상 게인에 기초하여 제2 보상값을 산출하며, 제2 보상값을 조향각 위치 제어부(200)에 인가할 수 있다. 이때, 제2 응답성 개선부(400)는 제1 조향각 에러(즉, 제1 위치 제어 에러)를 고주파 필터링한 후 게인(Gain)을 곱연산하여 조향각 위치 제어부(200)의 제1 연산부(240)에 인가할 수 있다. 또한 제2 응답성 개선부(400)는 조향각속도의 반전에 따른 보상 게인을 추가로 적용한 제2 보상값을 조향각 위치 제어부(200)의 제1 연산부(240)에 인가할 수 있다. 이는 제1 지령 전류에 추가적인 필요 전류를 더해주는 역할을 하여, 조향각 위치 제어부(200)의 응답성능을 높일 수 있게 된다.

이러한 제2 응답성 개선부(400)는 가변 HPF(410), 제3 연산부(420), 보상 게인 도출부(430) 및 제4 연산부(440)를 포함할 수 있다.

제2 응답성 개선부(400)는 가변 HPF(410)의 형태를 띄게 된다. 이는 실제 D제어기를 추가한 것과 같으나, 제어기 설계의 편의성과 효율성 등을 위해, 가변 HPF(410)와 제3 연산부(420)의 조합으로 재구성한 것이다.

가변 HPF(410)는 컷오프(Cut-off) 주파수를 조정하여 제2 지령 조향각과 제1 현재 조향각의 차이인 제1 조향각 에러를 고주파 필터링하여 노이즈 성분을 제거한다. 이 경우, 가변 HPF(410)는 위치제어가 동작하는 속도에 따라 컷오프 주파수를 조정할 수 있다. 예컨대, 고속일 경우 가변 HPF(410)는 컷오프(Cutoff) 주파수를 올려주고, 저속일 경우 컷오프 주파수를 낮춰줄 수 있다. 이는 제어 대역의 범위를 최적화시킬 뿐만 아니라 제어 외 불필요한 주파수 대역의 노이즈는 차단시키는 효과를 얻을 수 있다. 이로 인해 제1 조향각 에러(즉, 제1 위치 제어 에러)를 적절한 비율(ratio)이나 게인값을 곱해 즉각적으로 전류 지령으로 바꿔 줌으로써 실제 feed-forward 보상기와 같은 역할을 하면서도 보다 더 가변적이고 성능이 좋은 위치제어기를 구현할 수 있다.

제3 연산부(420)는 차속과 현재 조향각 속도 중 적어도 하나를 이용하여 가변 HPF(410)의 게인을 조절할 수 있다. 즉, 제3 연산부(420)는 차속에 따른 부하곡선 게인과 조향각속도 및 기 설정된 비율(ratio)을 곱하여 가변 HPF(410)의 게인을 조절할 수 있다. 여기서, 비율은 실제 자율주행 조건에서 다양한 급조타 환경을 고려하여 다양하게 설정될 수 있다. MDPS(600)의 제어 안정성을 고려하여, 차속에 따른 부하곡선 게인값과 조향각 속도 및 비율(ratio)은 튜닝맵에 저장되어 동작할 수 있다.

한편, 위치제어 시 실물조향각에서 발생하는 노이즈나 외란 성분이 위치 제어기에 그대로 인가하게 되면 오히려 제어 성능이 악화될 수 있으며 이는 차속과 관련해서 큰 영향을 받게 되므로 차속에 따른 제1 가변 LPF(100)를 피드백 조향각 앞단에 적용하여 조향각 위치 제어부(200)의 성능을 안정시킨다. 그러나 기본적인 PID를 보다 더 개선하기 위해서는 단순히 위치제어 에러량을 가지고 보상하는 것은 한계가 있다.

예를 들어, 정차 중 천천히 좌/우로 위치 제어를 할 경우 큰 부하로 인하여 반전 시 위치제어가 제대로 수행되지 않게 된다. PID의 경우 일반적으로 위치제어의 에러량의 크기와 속도 등에 영향을 받는데 실제 저속의 조건에서 작은 위치제어 에러가 있을 경우 PID 제어기에서는 작은 값을 보상하게 되고 에러가 누적될 경우 I제어기에 의해 누적보상으로 이를 보완하려 하지만 무조건 I제어 게인을 높인다고 해서 그 효과가 크지 않다. 뿐만 아니라 I제어기의 게인을 많이 높일 경우 오히려 제어가 매끄럽지 않고 지령 조향각을 추종 시 울렁거리면서 제어가 될 수도 있다. 즉, 계속적인 에러를 보정해 줄 때 누적된 에러에 따라 보상 게인이 크고 작아지는 정도가 커짐으로 부작용이 발생하는 문제가 있다.

이를 개선하기 위해, 제2 응답성 개선부(400)는 조향각속도(또는 모터각속도)의 반전에 따른 보상 게인을 도출하는 보상 게인 도출부(430)를 포함할 수 있다.

보상 게인 도출부(430)는 도 2에 도시된 바와 같이 반전 판단부(431) 및 보상 게인 조절부(434)를 포함할 수 있다.

반전 판단부(431)는 실제 위치제어기의 속도제어 단에 속도의 부호를 검출한다. 즉, 반전 시 속도의 부호는 바뀌므로, 반전 판단부(431)는 이를 통해 위치제어의 제어 방향을 판별할 수 있다. 하지만 기구적인 특성을 고려하여 반전 부호화 처리 전 보다 더 정확한 반전 타이밍을 보정할 필요가 있다. 이에, 반전 판단부(431)는 위상 보상부(432) 및 반전 조타 판단부(433)를 포함할 수 있다.

위상 보상부(432)는 조향각 속도(또는 모터각속도)의 위상을 보상함으로써, 반전 타이밍을 보정할 수 있다. 이러한 위상 보상부(432)는 LPF(Low pass filter)나 래그 보상기(Lag-compensator) 등으로 구현될 수 있다.

반전 조타 판단부(433)는 위상 보상부(432)에서 위상이 보상된 조향각 속도(또는 모터각속도)의 부호를 검출할 수 있다. 반전 조타 판단부(433)는 검출된 부호에 기초하여 반전 조타를 판단할 수 있다.

보상 게인 조절부(434)는 현재 조향각속도(또는 모터각속도)를 미분한 각 가속도의 값을 통해 반 전시 보상해줄 게인의 양과 시간을 조절할 수 있다.

이러한 보상 게인 조절부(434)는 미분기(435), LPF(436), 및 최종 보상 게인 조절부(437)를 포함할 수 있다.

미분기(435)는 현재 조향각속도(또는 모터각속도)를 미분 처리하여 각 가속도를 출력할 수 있다.

LPF(436)는 미분기(435)로부터의 각 가속도를 저주파 필터링함으로써 노이즈를 제거할 수 있다.

최종 보상 게인 조절부(437)는 조향각속도(또는 모터각속도)의 반전 여부에 따라 보상할 보상 게인을 조절할 수 있다. 최종 보상 게인 조절부(437)는 도 3에 도시된 바와 같이 속도의 반전 여부에 따라 보상 게인을 조절할 수 있다.

조향각속도(또는 모터각속도)가 비반전인 경우, 최종 보상 게인 조절부(437)는 '1'을 보상 게인으로 출력할 수 있다.

조향각속도(또는 모터각속도)가 반전인 경우, 최종 보상 게인 조절부(437)는 LPF(436)로부터의 각 가속도의 값에 기초하여 보상 게인의 양과 시간을 조절할 수 있다. 이때, 최종 보상 게인 조절부(437)에는 각 가속도에 따른 보상 게인의 양(Gain) 및 각 가속도에 따른 보상 게인의 시간(Period)에 대한 정보가 저장된 보상 게인 테이블이 존재할 수 있다. 각 가속도의 증가에 따른 보상 게인(Gain)은 도 3의 (a)와 같이 지수 함수적으로 증가할 수 있고, 각 가속도의 증가에 따른 보상 게인의 시간은 도 3의 (b)와 같이 지수 함수적으로 감소할 수 있다.

최종 보상 게인 조절부(437)는 보상 게인 테이블로부터 각 가속도에 따른 보상 게인의 양 및 및 유지 시간을 획득할 수 있다.

한편, 최종 보상 게인 조절부(437)에서 획득된 보상 게인은 기 설정된 일정 값(범위)를 넘지 않아야 한다. 이에, 최종 보상 게인 조절부(437)는 획득된 보상 게인을 기 설정된 범위 내로 제한하고, 제한된 보상 게인을 최종 보상 게인으로 도출할 수 있다.

제4 연산부(440)는 보상 게인 도출부(430)에서 도출된 보상 게인을 제3 연산부(420)에서 출력되는 가변 HPF(410)의 게인과 연산하여 제1 연산부에 인가할 수 있다. 이때, 제4 연산부(440)는 보상 게인과 가변 HPF(410)의 게인을 곱연산하여 제1 연산부에 인가할 수 있다. 그러면, 제1 연산부(240)는 제1 지령전류와 제1 응답성 개선부(300)에서 출력되는 제1 보상값(제1 필요 전류), 제2 응답성 개선부(400)에서 출력되는 제2 보상값(제2 필요 전류)를 합하여 제2 지령 전류를 출력할 수 있다.

상기와 같이 구성된 제2 응답성 개선부(400)는 관성에 의해 기구나 모터가 얼마나 더 이동할지 그리고 그에 따른 보상 게인을 얼마동안 보상할지를 튜닝을 통해 최적화시킨다. 그래서 최종적인 반전 보상 게인을 도출하고, 위치제어 에러량에 이를 곱해서 바로 위치제어기의 전류제어 출력단에 보상을 할 경우 반전 시 필요하는 초기 프릭션이나 관성력을 충분히 보상할 수 있다.

전류 제어기(500)는 조향각 위치 제어부(200)에서 출력되는 지령 전류와 센서 전류 간의 전류 에러를 보상하여 최종 지령 전류를 출력한다. 이때 전류 제어기(500)는 PI 제어기일 수 있고, 센서 전류는 MCU(미도시)가 모터를 센싱하여 획득한 전류일 수 있다.

전류 제어기(500)는 조향각 위치 제어부(200)로부터 제2 지령 전류를 입력 받고, MCU로부터 센서 전류를 입력 받으면, 제2 지령 전류와 센서 전류의 차이에 해당하는 에러를 보상하여 최종 지령 전류를 출력하고, 최종 지령 전류를 MDPS(600)에 인가할 수 있다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향시스템의 제어 방법을 도 4를 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 4를 참조하면, 지령 조향각 제어부(100)는 자율주행 시스템(20)으로부터 입력된 제1 지령 조향각의 노이즈를 제거하여 제2 지령 조향각을 출력한다(S410). 이때, 지령 조향각 제어부(100)는 제1 지령 조향각을 저주파 필터링하여 컷오프 주파수 이상의 주파수를 갖는 노이즈 성분을 제거할 수 있다. 이때 컷오프 주파수는 차속에 따라 조절될 수 있다.

조향각 위치 제어부(200)는 지령 조향각 제어부(100)로부터 입력된 제2 지령 조향각과 조향각 센서로부터 입력된 제1 현재 조향각의 차이인 제1 조향각 에러를 보상하여 제1 지령 전류를 출력한다(S420). 구체적으로, 제2 가변 LPF(210)는 조향각 센서로부터의 제1 현재 조향각을 저주파 필터링하여 컷오프 주파수 이상의 주파수를 갖는 노이즈 성분을 제거할 수 있다. 이때 컷오프 주파수는 차속에 따라 조절될 수 있다. 위치 제어기(220)는 제2 지령 조향각과 제2 가변 LPF(210)에서 저주파 필터링된 제1 현재 조향각 간의 차이인 제1 조향각 에러를 보상하여 지령 속도를 출력할 수 있다. 속도 제어기(230)는 위치 제어기(220)에서 출력되는 지령 속도와 현재 조향각 속도의 차이인 속도 에러를 보상하여 제1 지령 전류를 출력할 수 있다. 이때, 위치 제어기(220) 및 속도 제어기(230)는 차속, 모터각속도 및 조향각속도 중 적어도 하나에 기초하여 게인을 가변할 수 있다.

S420 단계가 수행되면, 제1 응답성 개선부(300)는 제2 지령 조향각과 모터로부터의 제2 현재 조향각 간의 차이인 제2 조향각 에러를 보상하고, 그 보상된 값을 조향각 위치 제어부(200)에 인가한다(S430).

구체적으로, 제3 가변 LPF(310)는 모터로부터의 제2 현재 조향각을 저주파 필터링하여 노이즈를 제거할 수 있다. 즉, 제3 가변 LPF(310)는 제2 현재 조향각을 저주파 필터링하여 컷오프 주파수 이상의 주파수를 갖는 노이즈 성분을 제거할 수 있다. 이때 컷오프 주파수는 차속에 따라 조절될 수 있다. 제4 가변 LPF(320)는 제2 지령 조향각과 제3 가변 LPF(310)에서 저주파 필터링된 제2 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제2 조향각 에러를 저주파 필터링하여 노이즈 성분을 제거할 수 있다. 이때, 제4 가변 LPF(320)는 모터각속도 및 조향각속도 중 적어도 하나에 기초하여 컷오프 주파수를 조정할 수 있다. 미분기(330)는 제4 가변 LPF(320)에서 저주파 필터링된 값을 미분 처리하여 변화량을 구한다. 제2 연산부(340)는 미분기(330)에서 미분 처리된 값에 게인을 곱 연산하고, 곱 연산된 값을 제1 보상값으로 조향각 위치 제어부(200)에 인가할 수 있다.

S420 단계가 수행되면, 제2 응답성 개선부(400)는 제2 지령 조향각과 제1 현재 조향각 간의 에러를 고주파 필터링한 후 게인을 곱연산하고, 곱연산된 값에 각속도의 반전에 따른 보상 게인을 적용하여 제2 보상값을 출력하며, 제2 보상값을 조향각 위치 제어부에 인가한다(S440).

구체적으로, 가변 HPF(410)는 컷오프(Cut-off) 주파수를 조정하여 제2 지령 조향각과 제1 현재 조향각의 차이인 제1 조향각 에러를 고주파 필터링하여 노이즈 성분을 제거할 수 있다. 그러면, 제3 연산부(420)는 차속과 현재 조향각 속도 중 적어도 하나를 이용하여 가변 HPF(410)의 게인을 조절할 수 있다. 이때, 보상 게인 도출부(430)는 조향각속도(또는 모터각속도)의 반전에 따른 보상 게인을 도출할 수 있다. 그러면, 제4 연산부(440)는 보상 게인 도출부(430)에서 도출된 보상 게인을 제3 연산부(420)에서 출력되는 가변 HPF(410)의 게인과 곱 연산하여 제2 보상값으로 조향각 위치 제어부(200)에 인가할 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 S430 단계 수행 후, S440 단계를 수행하는 것으로 설명하였으나, S430 단계와 S440 단계는 동시에 수행될 수 있다.

S440 단계가 수행되면, 조향각 위치 제어부(200)는 제1 지령 전류에 제1 응답성 개선부(300)로부터 인가받은 제1 보상값과 제2 응답성 개선부(400)로부터 인가받은 제2 보상값을 적용하여 제2 지령 전류를 출력한다(S450). 즉, 조향각 위치 제어부(200)는 제1 지령 전류에 제1 보상값 및 제2 보상값을 더하여 제2 지령 전류를 출력할 수 있다.

S450 단계가 수행되면, 전류 제어기(500)는 조향각 위치 제어부(200)에서 출력되는 제2 지령 전류와 센서 전류 간의 전류 에러를 보상하여 최종 지령 전류를 출력하고(S460), 최종 지령 전류를 MDPS(600)에 인가한다(S470). 이때, 전류 제어기(500)는 조향각 위치 제어부(200)로부터 제2 지령 전류를 입력 받고, MCU로부터 센서 전류를 입력 받으면, 제2 지령 전류와 센서 전류의 차이에 해당하는 에러를 보상하여 최종 지령 전류를 출력할 수 있고, 출력된 최종 지령 전류를 MDPS(600)에 인가할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법은, MDPS에서 자율주행 시 위치 제어기가 반전할 경우 추가 보상 게인을 생성함으로써, 단순 PID 제어 및 마찰력이나 관성에 대한 정확한 동역학적 보상이 이루어지지 않는 모델기반 제어의 부족한 성능을 개선시켜주어 위치제어의 성능을 크게 높일 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.

10: 감지 모듈 11: 주변 환경 감지부
12: 차속 감지부 13: 조향각 감지부
14: 조향 각속도 검출부 20: 자율주행 시스템
100: 지령 조향각 제어부 200: 조향각 위치 제어부
210: 제2 가변 LPF 220: 위치 제어기
230: 속도 제어기 240: 제1 연산부
300: 제1 응답성 개선부 310: 제3 가변 HPF
320: 제4 가변 LPF 330, 435: 미분기
340: 제2 연산부 400: 제2 응답성 개선부
410: 가변 HPF 420: 제3 연산부
430: 보상 게인 도출부 431: 반전 판단부
432: 위상 보상부 433: 반전 조타 판단부
434: 보상 게인 조절부 436: LPF
437: 최종 보상 게인 조절부 440: 제4 연산부
500: 전류 제어기 600: MDPS

Claims

자율주행 시스템으로부터 입력된 제1 지령 조향각의 노이즈를 제거하여 제2 지령 조향각을 출력하는 지령 조향각 제어부;
상기 제2 지령 조향각과 조향각 센서로부터의 제1 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제1 조향각 에러를 보상하여 제1 지령 전류를 출력하는 조향각 위치 제어부;
상기 제2 지령 조향각과 모터로부터의 제2 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제2 조향각 에러를 보상하여 제1 보상값을 산출하고, 상기 제1 보상값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 제1 응답성 개선부; 및
조향각속도 또는 모터각속도의 반전에 따른 보상 게인을 도출하고, 상기 제1 조향각 에러 및 상기 보상 게인에 기초하여 제2 보상값을 산출하며, 상기 제2 보상값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 제2 응답성 개선부를 포함하되,
상기 조향각 위치 제어부는,
상기 제1 응답성 개선부로부터 인가받은 제1 보상값 및 상기 제2 응답성 개선부로부터 인가받은 제2 보상값을 상기 제1 지령 전류에 적용하여 제2 지령 전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 지령 조향각 제어부는,
차속에 따라 컷오프 주파수를 조정하여 상기 제1 지령 조향각의 노이즈를 제거하는 제1 가변 LPF(Low Pass Filter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 조향각 위치 제어부는,
상기 제1 현재 조향각을 저주파 필터링하는 제2 가변 LPF(Low Pass Filter);
상기 제2 지령 조향각과 상기 저주파 필터링된 제1 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제1 조향각 에러를 보상하는 위치 제어기;
상기 위치 제어기에서 출력되는 지령 속도와 현재 조향각속도의 차이에 해당하는 속도 에러를 보상하여 상기 제1 지령 전류를 출력하는 속도 제어기; 및
상기 제1 지령 전류에 상기 제1 보상값 및 제2 보상값을 더하여 상기 제2 지령 전류를 출력하는 제1 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제3항에 있어서,
상기 제2 가변 LPF는,
차속에 따라 컷오프 주파수를 조정하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제3항에 있어서,
상기 위치 제어기 및 상기 속도 제어기 중 적어도 하나는,
차속, 모터각속도 및 조향각속도 중 적어도 하나에 기초하여 게인을 가변하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 응답성 개선부는,
상기 제2 현재 조향각을 저주파 필터링하는 제3 가변 LPF(Low pass filter);
상기 제2 지령 조향각과 상기 제3 가변 LPF에서 저주파 필터링된 제2 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제2 조향각 에러를 저주파 필터링하는 제4 가변 LPF;
상기 제4 가변 LPF에서 저주파 필터링된 값을 미분 처리하는 미분기; 및
상기 미분 처리된 값에 게인을 곱 연산하고, 상기 곱 연산된 값을 제1 보상값으로 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 제2 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제6항에 있어서,
상기 제3 가변 LPF는,
차속에 따라 컷오프 주파수를 조정하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제6항에 있어서,
상기 제4 가변 LPF는,
모터각속도 및 조향각속도 중 적어도 하나에 기초하여 컷오프 주파수를 조정하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 응답성 개선부는,
컷오프 주파수를 조정하여 상기 제1 조향각 에러를 고주파 필터링하는 가변 HPF(High pass filter);
상기 가변 HPF에서 고주파 필터링된 값에 게인을 곱 연산하는 제3 연산부;
상기 조향각속도 또는 모터각속도의 반전에 따른 보상 게인을 도출하는 보상 게인 도출부; 및
상기 보상 게인을 상기 제3 연산부에서 출력되는 값과 연산하여 제2 보상값을 산출하고, 상기 제2 보상값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 제4 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제9항에 있어서,
상기 보상 게인 도출부는,
상기 조향각속도 또는 모터각속도의 부호를 검출하고, 상기 부호에 기초하여 반전 여부를 판단하는 반전 판단부; 및
상기 조향각속도 또는 모터각속도를 미분한 각 가속도의 값을 통해 반전시 보상할 게인의 양과 시간을 조절하는 보상 게인 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제10항에 있어서,
상기 반전 판단부는,
상기 조향각속도 또는 모터각속도의 위상을 보상하는 위상 보상부; 및
상기 위상이 보상된 조향각속도 또는 모터각속도의 부호를 검출하고, 상기 부호에 기초하여 반전 여부를 판단하는 반전 조타 판단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제10항에 있어서,
상기 보상 게인 조절부는,
상기 조향각속도 또는 모터각속도를 미분 처리하여 각 가속도를 출력하는 미분기;
상기 미분기로부터의 각 가속도를 저주파 필터링하는 LPF; 및
상기 반전 판단부의 판단결과 반전인 경우, 상기 저주파 필터링된 각 가속도에 기초하여 상기 보상 게인의 양과 시간을 조절하는 최종 보상 게인 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제12항에 있어서,
상기 최종 보상 게인 조절부는,
각 가속도에 따른 보상 게인의 양 및 시간에 대한 정보가 저장된 보상 게인 테이블로부터 상기 저주파 필터링된 각 가속도에 따른 보상 게인의 양 및 시간을 획득하고, 상기 획득된 보상 게인을 기 설정된 범위 내로 제한하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 조향각 위치 제어부에서 출력되는 제2 지령 전류와 센서 전류 간의 전류 에러를 보상하여 최종 지령 전류를 출력하는 전류 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
지령 조향각 제어부가, 자율주행 시스템으로부터 입력된 제1 지령 조향각의 노이즈를 제거하여 제2 지령 조향각을 출력하는 단계;
조향각 위치 제어부가, 상기 제2 지령 조향각과 조향각 센서로부터의 제1 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제1 조향각 에러를 보상하여 제1 지령 전류를 출력하는 단계;
제1 응답성 개선부가, 상기 제2 지령 조향각과 모터로부터의 제2 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제2 조향각 에러를 보상하여 제1 보상값을 산출하고, 상기 제1 보상값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 단계;
제2 응답성 개선부가, 조향각속도 또는 모터각속도의 반전에 따른 보상 게인을 도출하고, 상기 제1 조향각 에러 및 상기 보상 게인에 기초하여 제2 보상값을 산출하며, 상기 제2 보상값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 단계; 및
상기 조향각 위치 제어부가, 상기 제1 지령전류에 상기 제1 보상값 및 제2 보상값을 적용하여 제2 지령 전류를 출력하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제15항에 있어서,
상기 제2 지령 조향각을 출력하는 단계에서,
상기 지령 조향각 제어부는, 차속에 따라 컷오프 주파수를 조정하여 상기 제1 지령 조향각을 저주파 필터링함으로써 상기 제1 지령 조향각의 노이즈를 제거하고, 상기 노이즈가 제거된 제2 지령 조향각을 출력하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제15항에 있어서,
상기 제1 지령 전류를 출력하는 단계는,
제2 가변 LPF가 상기 제1 현재 조향각을 저주파 필터링하는 단계;
위치 제어기가 상기 제2 지령 조향각과 상기 저주파 필터링된 제1 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제1 조향각 에러를 보상하는 단계; 및
속도 제어기가 상기 위치 제어기에서 출력되는 지령 속도와 현재 조향각속도의 차이에 해당하는 속도 에러를 보상하여 상기 제1 지령 전류를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제15항에 있어서,
상기 제1 보상값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 단계는,
제3 가변 LPF가 상기 제2 현재 조향각을 저주파 필터링하는 단계;
제4 가변 LPF가 상기 제2 지령 조향각과 상기 제3 가변 LPF에서 저주파 필터링된 제2 현재 조향각 간의 차이에 해당하는 제2 조향각 에러를 저주파 필터링하는 단계;
미분기가 상기 제4 가변 LPF에서 저주파 필터링된 값을 미분 처리하는 단계; 및
제2 연산부가 상기 미분 처리된 값에 게인을 곱 연산하고, 상기 곱 연산된 값을 제1 보상값으로 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제15항에 있어서,
상기 제2 보상값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 단계는,
가변 HPF가 컷오프 주파수를 조정하여 상기 제1 조향각 에러를 고주파 필터링하는 단계;
제3 연산부가 상기 고주파 필터링된 값에 게인을 곱 연산하여 출력하는 단계;
보상 게인 도출부가 상기 조향각속도 또는 모터각속도의 반전에 따른 보상 게인을 도출하는 단계; 및
제4 연산부가 상기 보상 게인을 상기 제3 연산부에서 출력되는 값과 연산하여 제2 보상값을 산출하고, 상기 제2 보상값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제19항에 있어서,
상기 보상 게인을 도출하는 단계는,
반전 판단부가, 상기 조향각속도 또는 모터각속도의 부호를 검출하고, 상기 부호에 기초하여 반전 여부를 판단하는 단계; 및
보상 게인 조절부가, 상기 조향각속도 또는 모터각속도를 미분한 각 가속도의 값을 통해 반전시 보상할 게인의 양과 시간을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제19항에 있어서,
상기 반전시 보상할 게인의 양과 시간을 조절하는 단계는,
미분기가 상기 조향각속도 또는 모터각속도를 미분 처리하여 각 가속도를 출력하는 단계;
LPF가 상기 미분기로부터의 각 가속도를 저주파 필터링하는 단계; 및
상기 반전 판단부의 판단결과 반전인 경우, 최종 보상 게인 조절부가 상기 저주파 필터링된 각 가속도에 기초하여 상기 보상 게인의 양과 시간을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제21항에 있어서,
상기 보상 게인의 양과 시간을 조절하는 단계에서,
상기 최종 보상 게인 조절부는, 각 가속도에 따른 보상 게인의 양 및 시간에 대한 정보가 저장된 보상 게인 테이블로부터 상기 저주파 필터링된 각 가속도에 따른 보상 게인의 양 및 시간을 획득하고, 상기 획득된 보상 게인을 기 설정된 범위 내로 제한하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제15항에 있어서,
상기 제2 지령 전류를 출력하는 단계 이후,
전류 제어기가 상기 조향각 위치 제어부에서 출력되는 제2 지령 전류와 센서 전류 간의 전류 에러를 보상하여 최종 지령 전류를 출력하는 MDPS에 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.