KR20230119391A - Sbw 시스템의 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Sbw 시스템의 제어 장치 및 방법 Download PDF

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KR20230119391A
KR20230119391A KR1020220015473A KR20220015473A KR20230119391A KR 20230119391 A KR20230119391 A KR 20230119391A KR 1020220015473 A KR1020220015473 A KR 1020220015473A KR 20220015473 A KR20220015473 A KR 20220015473A KR 20230119391 A KR20230119391 A KR 20230119391A
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현대모비스 주식회사
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Abstract

본 발명은 반력 토크를 발생시키는 동기 모터로 전원을 공급하는 인버터, 및 동기 모터에 의해 발생되는 반력 토크의 비의도적 저하 시점을 검출하고, 반력 토크의 비의도적 저하 시점에서 발생하는 스티어링 휠의 조타 이질감을 개선하도록, 인버터를 통해 동기 모터의 철손을 제어하는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

SBW 시스템의 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING STEER-BY-WIRE SYSTEM}
본 발명은 SBW 시스템의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비의도적인 반력 토크의 저하에 의한 스티어링 휠의 조타 이질감을 개선할 수 있는 SBW 시스템의 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 SBW 시스템(Steer By Wire System)의 일 실시예이다. 도 1에 도시된 바와 같이, SBW 시스템은 스티어링 휠(10)과 차륜(40) 간의 기계적 연결을 제거한 시스템으로서, 스티어링 휠(10)의 회전 정보를 ECU를 통해 입력받고, 입력받은 회전 정보에 기반하여 구동 바퀴에 연결된 조향 모터(30)를 작동시켜 차량을 조향시킬 수 있다. 이러한 SBW 시스템은 종래의 기계적 조향 시스템과 같은 조타감을 운전자에게 제공하기 위한 액추에이터(20)를 포함한다. 액추에이터(20)는 스티어링 휠(10)의 회전 방향에 반대 방향으로 반력 토크를 발생시킬 수 있다. 그러나, 액추에이터(20)는 동기 모터를 통해 반력 토크를 발생시키므로 동기 모터에 작용하는 외란 등에 의해 민감하게 반응한다. 도 2는 스티어링 휠(10)의 회전에 따라 액추에이터(20)를 통해 발생되는 반력 토크의 일 실시예이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 스티어링 휠(10)의 회전 시 특정 시점에서 비의도적인 반력 토크의 저하가 발생할 수 있으며, 반력 토크의 저하가 발생하는 경우 스티어링 휠(10)의 헐거움과 같은 조타 이질감을 운전자에게 발생시킬 수 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-0505886호(2005.07.26.)의 '전자 조향 시스템에서의 반력 제어 방법'에 개시되어 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 비의도적인 반력 토크의 저하에 의한 스티어링 휠의 조타 이질감을 개선할 수 있는 SBW 시스템의 제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 SBW 시스템의 제어 장치는 반력 토크를 발생시키는 동기 모터로 전원을 공급하는 인버터; 및 상기 동기 모터에 의해 발생되는 반력 토크의 비의도적 저하 시점을 검출하고, 상기 반력 토크의 비의도적 저하 시점에서 발생하는 스티어링 휠의 조타 이질감을 개선하도록, 상기 인버터를 통해 상기 동기 모터의 철손을 제어하는 프로세서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 동기 모터는, 표면부착형 영구자석 동기 모터(SPMSM: Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 프로세서는, 상기 스티어링 휠에 의한 반전 조타의 발생 시점을 상기 반력 토크의 비의도적 저하 시점으로 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 스티어링 휠의 조향각을 측정하는 조향각 센서;를 더 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 조향각 센서를 통해 측정되는 조향각에 기반하여 상기 반전 조타의 발생 시점을 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 프로세서는, 상기 동기 모터의 철손을 증가시키도록, 상기 인버터를 통해 고주파의 d축 전류를 상기 동기 모터로 인가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 스티어링 휠의 조향각을 측정하는 조향각 센서;를 더 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 조향각 센서를 통해 측정되는 조향각에 기반하여 상기 스티어링 휠의 각속도를 산출하고, 상기 스티어링 휠의 각속도에 기반하여 상기 동기 모터에 인가할 d축 전류의 값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 SBW 시스템의 제어 방법은 프로세서가, 동기 모터에 의해 발생되는 반력 토크의 비의도적 저하 시점을 검출하는 단계; 및 상기 프로세서가, 상기 반력 토크의 비의도적 저하 시점에서 발생하는 스티어링 휠의 조타 이질감을 개선하도록, 상기 동기 모터로 전원을 공급하는 인버터를 통해 상기 동기 모터의 철손을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 동기 모터는, 표면부착형 영구자석 동기 모터(SPMSM: Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 검출하는 단계에서, 상기 프로세서는, 상기 스티어링 휠에 의한 반전 조타의 발생 시점을 상기 반력 토크의 비의도적 저하 시점으로 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 검출하는 단계에서, 상기 프로세서는, 조향각 센서를 통해 측정되는 상기 스티어링 휠의 조향각에 기반하여 상기 반전 조타의 발생 시점을 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어하는 단계에서, 상기 프로세서는, 상기 동기 모터의 철손을 증가시키도록, 상기 인버터를 통해 고주파의 d축 전류를 상기 동기 모터로 인가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어하는 단계에서, 상기 프로세서는, 조향각 센서를 통해 측정되는 상기 스티어링 휠의 조향각에 기반하여 상기 스티어링 휠의 각속도를 산출하고, 상기 스티어링 휠의 각속도에 기반하여 상기 동기 모터에 인가할 d축 전류의 값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, SBW 시스템에서 비의도적인 반력 토크의 저하가 발생하는 경우 동기 모터의 철손을 제어하여 스티어링 휠의 조타 이질감을 개선시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 SBW 시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 제어 장치를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 4 및 도 5는 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 제어 장치를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 SBW 시스템의 제어 장치 및 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 제어 장치를 설명하기 위한 블록 구성도이고, 도 4 및 도 5는 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 제어 장치를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 제어 장치는 동기 모터(100), 인버터(200), 조향각 센서(300) 및 프로세서(400)를 포함할 수 있다.
동기 모터(100)는 인버터(200)로부터 전원을 입력받아 스티어링 휠(10)의 회전 방향과 반대 방향으로 반력 토크를 발생시킬 수 있다. 일 실시예에 따르면, 동기 모터(100)는 표면부착형 영구자석 동기 모터(SPMSM: Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)일 수 있다.
인버터(200)는 동기 모터(100)로 전원을 공급할 수 있다. 인버터(200)는 외부로부터 입력되는 전원의 크기와 주파수를 가변하고, 크기와 주파수가 가변된 전원을 동기 모터(100)로 출력할 수 있다.
조향각 센서(300)는 스티어링 휠(10)의 조향각을 측정할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 조향각 센서(300)는 스티어링 컬럼에 구비되어, 스티어링 컬럼의 조향각을 검출함으로써 스티어링 휠(10)의 조향각을 측정할 수 있다.
프로세서(400)는 동기 모터(100)에 의해 발생되는 반력 토크의 비의도적 저하 시점을 검출하고, 반력 토크의 비의도적 저하 시점에서 발생하는 스티어링 휠(10)의 조타 이질감을 개선하도록, 인버터(200)를 통해 동기 모터(100)의 철손(core loss)을 제어할 수 있다.
프로세서(400)는 스티어링 휠(10)에 의한 반전 조타의 발생 시점을 반력 토크의 비의도적 저하 시점으로 검출할 수 있다. 본 발명은 스티어링 휠(10)의 회전 방향을 변경시키는 행위가 발생하는 시점, 또는 온센터에 정지한 스티어링 휠(10)을 회전시키는 행위가 발생하는 시점 등에서 순간적인 반력 토크의 저하가 발생된다는 사실로부터 착안된 것으로서, 스티어링 휠(10)의 회전 방향을 변경시키는 행위가 발생하는 시점, 또는 온센터에 정지한 스티어링 휠(10)을 회전시키는 행위가 발생하는 시점 등을 반전 조타의 발생 시점으로 간주할 수 있다.
프로세서(400)는 조향각 센서(300)를 통해 측정되는 조향각에 기반하여 반전 조타의 발생 시점을 검출할 수 있다. 프로세서(400)는 조향각 센서(300)를 통해 측정되는 조향각에 기반하여 스티어링 휠(10)의 회전 여부 및 회전 방향을 검출할 수 있으며, 스티어링 휠(10)의 회전 여부 및 회전 방향에 기반하여 반전 조타의 발생 시점을 검출할 수 있다.
프로세서(400)는 동기 모터(100)의 철손을 증가시키도록, 인버터(200)를 통해 고주파의 d축 전류를 동기 모터(100)로 인가할 수 있다. 운전자가 느끼는 조타감은 동기 모터(100)에 의해 발생되는 반력 토크와, 스티어링 휠(10)의 회전 시 발생하는 마찰력에 의해서 결정된다. 스티어링 휠(10)의 회전 시 발생하는 마찰력은 기계적 마찰력과 자기적 마찰력(magnetic Friction)으로 구분할 수 있다. 기계적 마찰력은 동기 모터(100)의 기계적 특성에 의해 결정되는 마찰력으로서, 외부에서 제어할 수 없다. 반면, 자기적 마찰력은 동기 모터(100)의 철손에 의해 발생되는 마찰력으로서, 동기 모터(100)의 자기 회로의 포화 정도와 교번하는 자계의 주파수에 의해 제어될 수 있다. 동기 모터(100)의 철손은 하기 수학식 1을 통해 계산될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, W는 철손이고, kh는 히스테리시스 손실 계수이고, ke는 와전류 손실 계수이고, ka는 이상 와전류 손실 계수이고, f는 동기 모터(100)의 회전속도에 따른 자계의 주파수이고, Bm은 동기 모터(100)에 구비된 영구자석에 의한 철심의 자속밀도이다. f와 Bm은 동기 모터(100)로 인가되는 전류의 크기 및 주파수에 따라 변경되는 값이므로, 동기 모터(100)로 인가되는 전류의 크기 및 주파수를 가변시킴으로써 철손을 제어할 수 있다.
통상적으로, 동기 모터(100)로 인가되는 q축 전류 및/또는 d축 전류를 가변시킴으로써 동기 모터(100)로 인가되는 전류를 제어할 수 있다. 그러나, 표면부착형 영구자석 동기 모터의 경우 q축 전류를 가변시키면 동기 모터(100)에서 발생되는 반력 토크까지 변경되는 문제가 존재한다. 하기 수학식 2는 표면부착형 영구자석 동기 모터에서 발생되는 반력 토크를 계산하기 위한 수식이다.
Figure pat00002
여기서, T는 반력 토크이고, p는 극쌍수이고,
Figure pat00003
는 쇄교 자속이고,
Figure pat00004
는 q축 전류이다. 상기 수학식 2에 따르면, 표면부착형 영구자석 동기 모터에서 발생되는 반력 토크가 q축 전류에 의해서 결정되며, d축 전류에 무관하다.
이처럼, 표면부착형 영구자석 동기 모터의 경우 q축 전류를 가변시키면 동기 모터(100)에서 발생되는 반력 토크까지 변경되므로, 철손을 제어하기 위해 q축 전류를 가변시키는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 프로세서(400)는 동기 모터(100)의 철손을 제어하기 위해, 인버터(200)를 통해 동기 모터(100)로 인가되는 d축 전류만을 가변시킬 수 있다.
프로세서(400)는 조향각 센서(300)를 통해 측정되는 스티어링 휠(10)의 조향각에 기반하여 스티어링 휠(10)의 각속도를 산출하고, 스티어링 휠(10)의 각속도에 기반하여 동기 모터(100)에 인가할 d축 전류의 값을 산출할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 프로세서(400)는 별도의 센서를 통해 스티어링 휠(10)의 각속도를 산출할 수도 있다. 하기 수학식 3은 철손과 자기적 마찰력의 관계를 나타내는 수식이다.
Figure pat00005
여기서, W는 철손이고, Tf는 자기적 마찰력이고,
Figure pat00006
는 스티어링 휠(10)의 각속도이다. 상기 수학식 3에 따르면, 자기적 마찰력은 철손에 비례하고, 스티어링 휠(10)의 각속도에 반비례한다. 프로세서(400)는 스티어링 휠(10)의 각속도를 고려하여 철손의 값을 결정할 수 있다. 도 4는 스티어링 휠(10)의 각속도와 d축 전류에 따른 자기적 마찰력을 일 실시예이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 프로세서(400)는 스티어링 휠(10)의 각속도에 따라 d축 전류의 크기를 가변하여 일정한 자기 마찰력을 발생시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 반력 토크의 비의도적 저하 시점에서 저하되는 반력 토크를 보상하기 위해 추가적으로 발생시킬 자기적 마찰력의 값이 미리 실험 또는 시뮬레이션을 통해 결정되어 있을 수 있으며, 프로세서(400)는 해당 시점에서의 스티어링 휠(10)의 각속도와 미리 산출된 자기적 마찰력의 값에 기반하여 보상할 철손의 값을 산출하고, 산출된 철손의 값에 따라 d축 전류 지령을 생성하고, 생성된 d축 전류 지령을 인버터(200)로 출력함으로써 추가적인 자기적 마찰력을 발생시킬 수 있다. 이때, d축 전류의 주파수는 미리 특정값으로 고정될 수 있다.
도 5는 d축 전류 및 전기각에 따른 동기 모터의 반력 토크의 일 실시예이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 동기 모터(100)로 인가되는 d축 전류의 크기가 가변되더라도, 동기 모터(100)의 토크 리플은 거의 일정함을 확인할 수 있다. 이처럼, 본 발명은 동기 모터(100)로 인가되는 d축 전류를 가변시킴으로써 토크 리플의 변화 없이 동기 모터(100)의 자기적 마찰력만을 변경시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 SBW 시스템에서 비의도적인 반력 토크의 저하가 발생하는 경우 동기 모터로 인가되는 d축 전류를 가변하여 동기 모터의 철손을 가변시킴으로써 동기 모터의 자기적 마찰력을 제어할 수 있고, 이를 통해 반력 토크의 저하를 보상하여 스티어링 휠의 조타 이질감을 개선시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하에서는 도 6을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 제어 방법을 살펴보도록 한다.
먼저, 프로세서(400)는 동기 모터(100)에 의해 발생되는 반력 토크의 비의도적 저하 시점을 검출할 수 있다(S601). 일 실시예에 따르면, 프로세서(400)는 스티어링 휠(10)에 의한 반전 조타의 발생 시점을 반력 토크의 비의도적 저하 시점으로 검출할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 프로세서(400)는 조향각 센서(300)를 통해 측정되는 조향각에 기반하여 반전 조타의 발생 시점을 검출할 수 있다.
이어서, 프로세서(400)는 반력 토크의 비의도적 저하 시점에서 발생하는 스티어링 휠(10)의 조타 이질감을 개선하도록, 인버터(200)를 통해 동기 모터(100)의 철손을 제어할 수 있다(S603). 일 실시예에 따르면, 프로세서(400)는 동기 모터(100)의 철손을 증가시키도록, 인버터(200)를 통해 고주파의 d축 전류를 동기 모터(100)로 인가할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 제어 장치 및 방법은 SBW 시스템에서 비의도적인 반력 토크의 저하가 발생하는 경우 동기 모터의 철손을 제어하여 스티어링 휠의 조타 이질감을 개선시킬 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 프로그래밍가능한 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 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 정해져야 할 것이다.
10: 스티어링 휠 20: 액추에이터
30: 조향 모터 40: 차륜
100: 동기 모터 200: 인버터
300: 조향각 센서 400: 프로세서

Claims (12)

  1. 반력 토크를 발생시키는 동기 모터로 전원을 공급하는 인버터; 및
    상기 동기 모터에 의해 발생되는 반력 토크의 비의도적 저하 시점을 검출하고, 상기 반력 토크의 비의도적 저하 시점에서 발생하는 스티어링 휠의 조타 이질감을 개선하도록, 상기 인버터를 통해 상기 동기 모터의 철손을 제어하는 프로세서;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 동기 모터는, 표면부착형 영구자석 동기 모터(SPMSM: Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)인 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 제어 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 스티어링 휠에 의한 반전 조타의 발생 시점을 상기 반력 토크의 비의도적 저하 시점으로 검출하는 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 제어 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 스티어링 휠의 조향각을 측정하는 조향각 센서;를 더 포함하고,
    상기 프로세서는, 상기 조향각 센서를 통해 측정되는 조향각에 기반하여 상기 반전 조타의 발생 시점을 검출하는 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 제어 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 동기 모터의 철손을 증가시키도록, 상기 인버터를 통해 고주파의 d축 전류를 상기 동기 모터로 인가하는 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 제어 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 스티어링 휠의 조향각을 측정하는 조향각 센서;를 더 포함하고,
    상기 프로세서는, 상기 조향각 센서를 통해 측정되는 조향각에 기반하여 상기 스티어링 휠의 각속도를 산출하고, 상기 스티어링 휠의 각속도에 기반하여 상기 동기 모터에 인가할 d축 전류의 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 제어 장치.
  7. 프로세서가, 동기 모터에 의해 발생되는 반력 토크의 비의도적 저하 시점을 검출하는 단계; 및
    상기 프로세서가, 상기 반력 토크의 비의도적 저하 시점에서 발생하는 스티어링 휠의 조타 이질감을 개선하도록, 상기 동기 모터로 전원을 공급하는 인버터를 통해 상기 동기 모터의 철손을 제어하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 제어 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 동기 모터는, 표면부착형 영구자석 동기 모터(SPMSM: Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)인 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 제어 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 검출하는 단계에서, 상기 프로세서는,
    상기 스티어링 휠에 의한 반전 조타의 발생 시점을 상기 반력 토크의 비의도적 저하 시점으로 검출하는 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 제어 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 검출하는 단계에서, 상기 프로세서는,
    조향각 센서를 통해 측정되는 상기 스티어링 휠의 조향각에 기반하여 상기 반전 조타의 발생 시점을 검출하는 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 제어 방법.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 제어하는 단계에서, 상기 프로세서는,
    상기 동기 모터의 철손을 증가시키도록, 상기 인버터를 통해 고주파의 d축 전류를 상기 동기 모터로 인가하는 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 제어 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제어하는 단계에서, 상기 프로세서는,
    조향각 센서를 통해 측정되는 상기 스티어링 휠의 조향각에 기반하여 상기 스티어링 휠의 각속도를 산출하고, 상기 스티어링 휠의 각속도에 기반하여 상기 동기 모터에 인가할 d축 전류의 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 제어 방법.
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