KR20230056200A - 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법 - Google Patents

전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법 Download PDF

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Abstract

이 발명은 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법에 관한 것이다. 목표 상태 변수(XT)와 현재 상태변수(XC)가 입력되는 단계; 목표 상태 변수(XT)와 현재 상태변수(XC)를 합산한 값이 4차 조향 동역학 모델에 기반한 슬라이딩 모드 제어기에 반영된 결과로 최초 모터 토오크(τm_0)를 산출하는 단계; 외란 관측기 이론에 기반한 외란 관측부를 통해 차량에 전달되는 외란을 추정하는 추정된 외란값(d(k))을 구하는 단계; 최초 모터 토오크(τm_0)와 추정된 외란값(d(k))을 합산하여 모터 토오크(τM)를 산출하는 단계; 산출된 모터 토오크(τM)가 조향 모터에 인가되어 조향 모터를 구동시키는 단계; 조향 모터의 구동에 따라 조향축에 발생된 EPS 토오크(τEPS)를 토오크 센서에서 측정하는 단계; 및 측정된 EPS 토오크(τEPS)에 의해 전자식 동력조향장치의 구동이 제어되는 단계; 를 포함하여 이루어진다.

Description

전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법{Method for torque control of electronic power steering system}
이 발명은 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 주행방향을 조정하기 위한 컬럼 타입의 전자식 동력조향장치가 작동되는 과정에서 차량의 비선형 움직임 등에 의해 발생하는 조향 외란을 관측 및 추정한 후 동력조향에 인가되는 모터 토오크가 결정될 수 있도록 하는 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법에 관한 것이다.
2010년 이후에 제조된 대부분의 승용차에는 전자식 동력조향장치(EPS, Electronic Power Steering System)가 탑재되고 있다. 특히, 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS, Advanced Driving Assistant System) 등이 적용된 차량에 탑재되는 컬럼(Column) 타입의 전자식 동력조향장치는 운전자의 토오크 개입이 거의 없는 자율주행 시스템의 하위 제어 역할을 수행하도록 설계된다.
한편, 전자식 동력조향장치는 주행 중인 차량 동역학의 비선형적인 특성에 큰 영향을 받게 되고, 동역학 모델 파라미터의 불확실성이 발생하거나 반력 토오크 등이 작용하여 실제 설계된 플랜트와의 작동오차가 크게 발생할 수 있다. 이에, 전자식 동력조향장치를 개발하는 과정에서 외부 변동에 강인한 비선형 제어기를 설계하고자 하는 시도가 계속되고 있다. 그러나 외란 발생이 커질수록 비선형 제어기에 진동이 증가하는 현상이 발생하게 됨에 따라 외부 변동을 보상할 수 있는 기법 등이 요구되고 있다.
이를 위해, 전자식 동력조향장치를 개발하는 자동차 제조사, 자동차 부품 제조사 등에서는 대규모의 실차 테스트를 통해서 조향 특성을 파악하고, 파악된 데이터에 차량 속도, 조향각속도 등의 요인들을 반영하여 최적의 모터 토오크 값을 계산해내기 위한 시도를 계속 하고 있다. 이와 같은 시도를 통해 도출된 토오크 값들은 테이블화되어 제어 로직에 반영되고, 제공되는 테이블 범위 내에서는 어느 정도 안정성과 유효성이 보증되는 것으로 알려지고 있다. 하지만, 이와 같은 방식을 적용하기 위해서는 수많은 실험데이터 및 고가의 계측 장비가 필요함에 따른 한계가 존재한다.
또한, 관측기 이론에 기반하여 외부 변동 요인을 파악하고, 파악된 외부 변동 요인을 전자식 동력조향장치의 제어에 반영하고자 하는 시도가 있어 왔고, 조향 모델의 상태 변수 관측기를 설계하는 시도가 있어 왔지만, 다수의 튜닝 요소로 개발이 쉽지 않을 뿐만 아니라 많은 연산량으로 인해 양산 ECU에 사용되기에는 부적합한 문제점이 있다.
대한민국특허청 등록특허공보 10-1405603(2014.06.10.) 대한민국특허청 공개특허공보 10-2020-0142143(2020.12.22.) 대한민국특허청 등록특허공보 10-0646445(2006.11.14.)
이 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해서 창안된 것으로서, 차량의 주행방향을 조정하기 위한 컬럼 타입의 전자식 동력조향장치가 작동이 되는 과정에서 차량의 비선형 움직임 등에 의해 발생하는 외란을 관측하기 위한 외란 관측부를 구성함으로써 차량 조향 시에 동력조향에 인가되는 모터 토오크에 추정된 외란 성분이 반영될 수 있게 하는 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법을 제공하는 데 목적이 있다.
전술한 바와 같은 발명의 목적을 달성하기 위한 수단으로 이 발명에 따른 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법은 다음과 같이 이루어질 수 있다.
이 발명의 일 실시 예에 따른 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법은 스티어링 휠, 조향 축, 조향 ECU, 조향 모터 및 토오크 센서를 포함하여 구성되는 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법에 있어서, 목표 상태 변수(XT)와 현재 상태변수(XC)가 입력되는 단계; 목표 상태 변수(XT)와 현재 상태변수(XC)를 합산한 값이 4차 조향 동역학 모델에 기반한 슬라이딩 모드 제어기에 반영된 결과로 최초 모터 토오크(τm_0)를 산출하는 단계; 외란 관측기 이론에 기반한 외란 관측부를 통해 차량에 전달되는 외란을 추정하는 추정된 외란값(d(k))을 구하는 단계; 최초 모터 토오크(τm_0)와 추정된 외란값(d(k))을 합산하여 모터 토오크(τM)를 산출하는 단계; 산출된 모터 토오크(τM)가 조향 모터에 인가되어 조향 모터를 구동시키는 단계; 조향 모터의 구동에 따라 조향축에 발생된 EPS 토오크(τEPS)를 토오크 센서에서 측정하는 단계; 및 측정된 EPS 토오크(τEPS)에 의해 전자식 동력조향장치의 구동이 제어되는 단계; 를 포함하여 이루어진다.
이 발명의 일 실시 예에 따른 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법에서 목표 상태 변수(XT)는 목표 조향각, 목표 조향각속도, 목표 모터각 및 목표 모터각속도가 변수들로 정의되고, 현재 상태변수(XC)는 현재 조향각, 현재 조향각속도, 현재 모터각 및 현재 모터각속도로 정의될 수 있다.
이 발명의 일 실시 예에 따른 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법에서 목표 상태 변수(XT)는 자율주행 시스템에서 인가되도록 설정될 수 있다.
이 발명의 일 실시 예에 따른 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법에서 추정된 외란값(d(k))은 노면 반력 관측기에서 측정되는 차량의 노면 반력일 수 있다.
이 발명의 실시 예에 따른 전자식 동력조향장치 토오크 제어방법에 의하면 차량의 주행방향을 조정하기 위한 컬럼 타입의 전자식 동력조향장치가 작동이 되는 과정에서 차량의 비선형 움직임 등에 의해 발생하는 외란이 차량 조향 시에 동력조향에 인가되는 모터 토오크에 반영됨에 따라 보다 안정적인 조향이 가능하게 된다.
또한, 이 발명의 실시 예에 따른 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법에 의하면 대규모의 실차 실험과 계측 데이터 등이 불필요할 뿐만 아니라 튜닝 요소와 적은 연산량을 가짐에 따라 양산 EUC에 적용될 수 있는 장점이 있다.
도1은 이 발명의 일 실시 예에 따른 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법이 적용되는 EPS의 구성을 보인 도면.
도2는 이 발명의 일 실시 예에 따른 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법을 설명하기 위한 도면.
이하에서는 이 발명의 실시 예에 따른 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법에 대하여 첨부된 도면을 참고하면서 보다 구체적으로 설명한다.
이 발명의 실시 예를 설명하기 위한 도면에서 이 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙이기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
도1은 이 발명의 일 실시 예에 따른 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법이 적용되는 EPS의 구성을 보인 도면이고, 도2는 이 발명의 일 실시 예에 따른 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법을 설명하기 위한 도면이다.
이 발명의 일 실시 예에 따른 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법이 적용되는 전자식 동력조향장치(100)는 도1에서 보이는 바와 같이 스티어링 휠(110), 조향 축(120), 조향 ECU(130), 조향 모터(140) 및 토오크 센서(150)를 포함하는 구성으로 이루어진다. 특히, 이 발명에 따른 전자식 동력조향장치(100)는 운전자의 토오크 개입이 거의 없는 ADAS 등의 자율주행 시스템이 탑재된 차량(10)에 적용되는 것이 바람직하다.
한편, 전자식 동력조향장치(100)가 자율주행 시스템에서의 하위 제어 역할을 하기 위해서는 조향 ECU(130)에서 조향 모터(140)로 적절한 토오크 값을 발생시켜야 하고, 토오크 값을 전달받은 조향 모터(140)는 내부 구동시스템을 거쳐 회전하게 됨에 따라 조향축(120)에 토오크를 발생시키게 된다.
조향축(120)에 가해진 토오크는 유니버셜 조인트(160)를 회전시키고, 랙-피니어 기어 등를 매개로 스티어링 기어(170)가 직선 방향으로 작동하게 됨에 따라 타이어의 방향을 조정하게 된다.
그리고 조향축(120) 상에는 토오크 센서(150)가 장착됨에 따라 조향축(120)에 가해진 토오크 값과 스티어링 휠(110)의 움직임에 따른 조향각을 측정하게 된다.
특히, 이 발명의 일 실시 예에 따른 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법이 적용된 자율주행 시스템에서는 차량(10)이 원하는 방향으로 이동하도록 하기 위해 목표 조향각 등을 계산하여 전술한 조향 모터(140)를 구동시키기 위한 토오크(Torque)를 산출하도록 설계된다.
조향 모터(140)의 구동을 위한 최적의 모터 토오크(τM) 산출을 위한 우선 단계로 조향 ECU(130)에서는 입력받은 목표 상태 변수(XT)와 현재 상태변수(XC)를 합산한 후, 목표 상태 변수(XT)와 현재 상태변수(XC)의 차이를 4차 조향 동역학 모델에 기반한 슬라이딩 모드 제어기에 반영하여 최초 모터 토오크(τm_0)를 산출한다.
이때, 목표 상태 변수(XT)는 목표 조향각, 목표 조향각속도, 목표 모터각 및 목표 모터각속도가 변수들로 정의되고, 현재 상태변수(XC)는 현재 조향각, 현재 조향각속도, 현재 모터각 및 현재 모터각속도로 정의될 수 있다.
목표 상태 변수(XT) 중 목표 조향 각속도는 자율주행 시스템에서 인가된 목표 조향각의 미분을 통해 획득이 되며, 목표 모터각 및 목표 모터각속도는 해당 기어비의 곱을 통해 획득이 된다.
현재 상태 변수(XC) 중 현재 조향각 및 현재 조향각속도는 차량(10)에 설치된 토오크 앵글 센서(TAS, Torque Angle Sensor)를 통해 획득이 되며, 현재 모터각 및 현재 모터각속도는 해당 기어비의 곱을 통해 획득이 된다.
조향 ECU(130)에 입력된 목표 상태 변수(XT)와 현재 상태변수(XC)의 차이를 반영하여 최초 모터 토오크(τm_0)를 산출하는데 이용되는 4차 조향 동역학 모델에 기반한 슬라이딩 모드 제어기를 설명한다.
4차 조향 동역학 모델은 아래의 수학식1과 같다.
Figure pat00001
한편, 4차 조향 동역학 모델이 제어기 설계에 사용되기 위해서는 상태 공간 방적식으로의 변환이 필요하고, 상태 공간 방정식으로 변환된 결과는 수학식2와 같다.
Figure pat00002
수학식2에서 사용된 기호 및 단위는 다음과 같다.
Figure pat00003
변환된 상태 공간 방정식이 조향 ECU(130)에서 연산되기 위해서는 10ms 주기로 이산화된 샘플링 과정이 필요하고, 위 방정식의 이산화 과정을 거친 행렬을 A,B로 정의하면 수학식3과 같다. 여기서 k는 샘플링(Sampling) 시 각 인덱스(Index)를 의미한다.
Figure pat00004
그리고 목표 상태 변수(XT)와 현재 상태변수(XC)의 차이를 e로 정의하면, 슬라이딩 모드 제어기 이론에 의해 슬라이딩 평면 s를 다음과 같이 정의할 수 있다. 여기서 C는 설계 변수를 의미한다.
Figure pat00005
또한, 제어기 설계에 필요한 입력 u는 슬라이딩 모드 제어기 이론에 의해 다음과 같이 정의된다.
Figure pat00006
위 수학식5에서 산출된 u(k)가 최초 모터 토오크(τm_0)이다.
한편, 외란 관측기 이론에 기반한 외란 관측부에서는 도2에서 보이는 바와 같이 차량(10)에 전달되는 외란을 추정하여 추정된 외란값(d(k))을 구하는데, 그 과정은 다음과 같다.
조향 시스템 모델링 중 외란 d의 정의는 아래의 식과 같다.
Figure pat00007
여기서, Fr은 차량(10)의 샤시 데이터에서 측정되지 않으므로, 외란 관측부(132)를 통해 추정해야 한다.
한편, 외란 관측기 이론에 따르면 임의의 시스템 외란은 아래의 식과 같이 구성하는 것이 가능하다.
Figure pat00008
이와 같은 과정을 통해 구해진 추정된 외란값(d(k))을 전술한 최초 모터 토오크(τm_0)와 합산하여 최종적인 모터 토오크(τM)가 아래의 식과 같이 산출된다.
Figure pat00009
수학식8에서 산출된 u(k)는 이 발명의 실시 예에 따라 산출된 최종적인 모터 토오크(τM)를 의미한다. 그리고 이렇게 산출된 모터 토오크(τM)는 조향 모터(140)에 인가되어 조향 모터(140)를 구동시키게 된다.
한편, 조향 모터(140)의 구동에 따라 조향축(120)에 발생된 EPS 토오크(τEPS)는 토오크 센서(150)에서 측정되며, 이렇게 획득된 EPS 토오크(τEPS)에 의해서 전자식 동력조향장치의 구동이 제어될 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 차량의 주행방향을 조정하기 위한 컬럼 타입의 전자식 동력조향장치가 작동이 되는 과정에서 차량의 비선형 움직임 등에 의해 발생하는 외란이 차량 조향 시에 동력조향에 인가되는 모터 토오크에 반영됨에 따라 보다 안정적인 조향이 가능하게 된다.
또한, 이 발명의 실시 예에 따른 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법에 의하면 대규모의 실차 실험과 계측 데이터 등이 불필요할 뿐만 아니라 튜닝 요소와 적은 연산량을 가짐에 따라 양산 EUC에 적용될 수 있는 장점이 있다.
이상에서는 첨부된 도면들을 참조하면서 이 발명의 실시 예에 따른 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법에 대하여 설명하였다.
앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시 예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시 예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
10 : 차량 100 : 전자식 동력조향장치
110 : 스티어링 휠 120 : 조향 축
130 : 조향 ECU 132 : 외란 관측부
140 : 조향 모터 150 : 토오크 센서
160 : 유니버셜 조인트 170 : 스티어링 기어

Claims (4)

  1. 스티어링 휠, 조향 축, 조향 ECU, 조향 모터 및 토오크 센서를 포함하여 구성되는 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법에 있어서,
    목표 상태 변수(XT)와 현재 상태변수(XC)가 입력되는 단계;
    상기 목표 상태 변수(XT)와 현재 상태변수(XC)를 합산한 값이 4차 조향 동역학 모델에 기반한 슬라이딩 모드 제어기에 반영된 결과로 최초 모터 토오크(τm_0)를 산출하는 단계;
    외란 관측기 이론에 기반한 외란 관측부를 통해 차량에 전달되는 외란을 추정하여 추정된 외란값(d(k))을 구하는 단계;
    상기 최초 모터 토오크(τm_0)와 상기 추정된 외란값(d(k))을 합산하여 모터 토오크(τM)를 산출하는 단계;
    상기 산출된 모터 토오크(τM)가 상기 조향 모터에 인가되어 조향 모터를 구동시키는 단계;
    상기 조향 모터의 구동에 따라 상기 조향축에 발생된 EPS 토오크(τEPS)를 상기 토오크 센서에서 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 EPS 토오크(τEPS)에 의해 전자식 동력조향장치의 구동이 제어되는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 목표 상태 변수(XT)는 목표 조향각, 목표 조향각속도, 목표 모터각 및 목표 모터각속도가 변수들로 정의되고, 상기 현재 상태변수(XC)는 현재 조향각, 현재 조향각속도, 현재 모터각 및 현재 모터각속도로 정의되는 것을 특징으로 하는 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 목표 상태 변수(XT)는 자율주행 시스템에서 인가되도록 설정된 것을 특징으로 하는 전자식 동력조향장치의 토오크 제어방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 추정된 외란값(d(k))은 노면 반력 관측기에서 측정되는 차량의 노면 반력인 것을 특징으로 하는 전자식 동력조향장치의 토오크 제어장치.
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