KR20230151281A - Apparatus and method for controlling electronic power steering system - Google Patents

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KR20230151281A
KR20230151281A KR1020220050772A KR20220050772A KR20230151281A KR 20230151281 A KR20230151281 A KR 20230151281A KR 1020220050772 A KR1020220050772 A KR 1020220050772A KR 20220050772 A KR20220050772 A KR 20220050772A KR 20230151281 A KR20230151281 A KR 20230151281A
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김태홍
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현대모비스 주식회사
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Abstract

본 발명은 스티어링휠의 조향각을 검출하는 조향각 센서, 및 전동식 조향 시스템에 구비된 토션바 및 유니버셜 조인트의 비틀림으로 인해 조향각 센서에서 발생하는 노이즈를 제거하도록, 조향각 센서를 통해 검출된 조향각을 필터링하고, 필터링된 조향각을 전동식 조향 시스템의 위치 제어기로 출력하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a steering angle sensor that detects the steering angle of a steering wheel, and filters the steering angle detected through the steering angle sensor to remove noise generated in the steering angle sensor due to twisting of the torsion bar and universal joint provided in the electric steering system, It is characterized by including a controller that outputs the filtered steering angle to the position controller of the electric steering system.

Description

전동식 조향 시스템의 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING ELECTRONIC POWER STEERING SYSTEM}Control device and method for electric steering system {APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING ELECTRONIC POWER STEERING SYSTEM}

본 발명은 전동식 조향 시스템의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자율주행 차량에 적용된 랙타입 전동식 조향 시스템의 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a control device and method for an electric steering system, and more specifically, to a control device and method for a rack-type electric steering system applied to an autonomous vehicle.

차량의 파워 스티어링은 동력에 따른 조향 장치로, 운전자의 스티어링 휠 조작을 돕는 역할을 한다. 이러한 파워 스티어링은 유압을 이용하는 방식이 주로 사용되고 있었으나, 최근에는 모터의 힘을 이용하는 방식인 전동식 파워 스티어링(MDPS: Motor Driven Power Steering) 시스템의 사용이 늘어나고 있다. MDPS 시스템은 기존의 유압식 파워 스티어링 시스템과 대비하여 무게가 가볍고, 공간을 적게 차지하며, 오일교환이 필요 없다는 장점이 있다.A vehicle's power steering is a power-based steering device that helps the driver operate the steering wheel. This type of power steering was mainly used using hydraulic pressure, but recently, the use of the motor driven power steering (MDPS) system, which uses the power of a motor, has been increasing. Compared to existing hydraulic power steering systems, the MDPS system has the advantage of being lighter in weight, taking up less space, and requiring no oil changes.

MDPS 시스템은 조향휠에 입력되는 운전자의 조향토크를 측정하는 토크센서, 조향휠의 조향각 또는 조향각속도를 측정하는 조향각 센서, 및 차속을 측정하는 차속 센서 등을 통해 차량의 주행 조건을 판단하고, 운전자가 조향휠을 조타함에 따라 조향축에 인가되는 조향토크에 근거하여 전동모터를 통해 보조토크를 제공한다.The MDPS system determines the vehicle's driving conditions through a torque sensor that measures the driver's steering torque input to the steering wheel, a steering angle sensor that measures the steering angle or steering angle speed of the steering wheel, and a vehicle speed sensor that measures the vehicle speed, and the driver As the steering wheel is steered, auxiliary torque is provided through the electric motor based on the steering torque applied to the steering shaft.

도 1은 랙타입 전동식 조향 시스템(R-MDPS)의 구조를 도시하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 자율주행 차량에서 조향 모터의 구동량을 계측하는 센서로서 기능하는 조향각 센서(20)가 토션바(40) 및 유니버셜 조인트(30) 등을 거쳐 스티어링휠(10)에 장착되어 있는 구조를 채용하고 있는 경우, 토션바(40)나 유니버셜 조인트(30)가 비틀어짐에 따라 발생하는 진동 등이 조향 모터(50)의 위치 제어 시 피드백 신호에 포함되는 구조적인 문제점이 존재하며, 이러한 구조적 문제점은 차량의 주행 안정성 및 전동식 조향 시스템의 제어 응답성의 저하를 유발할 수 있다.Figure 1 shows the structure of a rack-type electric steering system (R-MDPS). As shown in FIG. 1, the steering angle sensor 20, which functions as a sensor that measures the driving amount of the steering motor in an autonomous vehicle, is connected to the steering wheel 10 through the torsion bar 40 and the universal joint 30. When the mounted structure is adopted, there is a structural problem in that vibration generated as the torsion bar 40 or the universal joint 30 is twisted is included in the feedback signal when controlling the position of the steering motor 50. These structural problems may cause a decrease in the driving stability of the vehicle and the control responsiveness of the electric steering system.

이에 따라, 자율주행 차량에 적용되는 랙타입 전동식 조향 시스템에서 토션바 및 유니버셜 조인트의 비틀림으로 인해 스티어링휠에 구비된 조향각 센서에서 발생되는 노이즈를 최소화시킬 수 있는 기술이 요구되고 있다.Accordingly, there is a demand for technology that can minimize noise generated from the steering angle sensor provided on the steering wheel due to twisting of the torsion bar and universal joint in the rack-type electric steering system applied to autonomous vehicles.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2021-0007112호(2021.01.20.)의 '차량의 전동식 조향장치 및 그 제어방법'에 개시되어 있다.The background technology of the present invention is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2021-0007112 (2021.01.20.) ‘Electric steering device for vehicle and control method thereof’.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 랙타입 전동식 조향 시스템에 구비된 토션바 또는 유니버셜 조인트의 비틀림으로 인해 자율주행 차량의 스티어링휠에 구비된 조향각 센서에서 발생되는 노이즈를 제거할 수 있는 전동식 조향 시스템의 제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.The present invention was created to solve the above-mentioned problems, and the purpose of one aspect of the present invention is to adjust the steering angle provided on the steering wheel of an autonomous vehicle due to the twist of the torsion bar or universal joint provided in the rack-type electric steering system. The aim is to provide a control device and method for an electric steering system that can eliminate noise generated from sensors.

본 발명의 일 측면에 따른 전동식 조향 시스템의 제어 장치는 스티어링휠의 조향각을 검출하는 조향각 센서; 및 전동식 조향 시스템에 구비된 토션바 및 유니버셜 조인트의 비틀림으로 인해 상기 조향각 센서에서 발생하는 노이즈를 제거하도록, 상기 조향각 센서를 통해 검출된 조향각을 필터링하고, 상기 필터링된 조향각을 상기 전동식 조향 시스템의 위치 제어기로 출력하는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A control device for an electric steering system according to one aspect of the present invention includes a steering angle sensor that detects the steering angle of a steering wheel; and filtering the steering angle detected through the steering angle sensor to remove noise generated in the steering angle sensor due to twisting of the torsion bar and universal joint provided in the electric steering system, and converting the filtered steering angle to the position of the electric steering system. Characterized in that it includes a controller that outputs output to the controller.

본 발명에 있어 상기 컨트롤러는, 칼만 필터를 이용하여 상기 조향각 센서를 통해 검출된 조향각에 대한 추정값을 산출하고, 상기 조향각에 대한 추정값을 상기 위치 제어기로 출력하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the controller calculates an estimated value for the steering angle detected through the steering angle sensor using a Kalman filter, and outputs the estimated value for the steering angle to the position controller.

본 발명에 있어 상기 컨트롤러는, 상기 칼만 필터를 이용하여 상기 조향각 센서를 통해 검출된 조향각으로부터 조향각속도에 대한 추정값을 산출하고, 상기 조향각속도에 대한 추정값을 적분하여 상기 조향각에 대한 추정값을 산출하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the controller calculates an estimated value of the steering angle speed from the steering angle detected through the steering angle sensor using the Kalman filter, and calculates an estimated value of the steering angle by integrating the estimated value of the steering angle speed. It is characterized by

본 발명에 있어 상기 칼만 필터의 상태 방정식(State Equation)은 하기 수식 1로 정의되고, 상기 칼만 필터의 측정 방정식(Measurement Equation)은 하기 수식 2로 정의되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the state equation of the Kalman filter is defined by Equation 1 below, and the measurement equation of the Kalman filter is defined by Equation 2 below.

[수식 1][Formula 1]

[수식 2][Formula 2]

여기서,

Figure pat00003
는 조향각에 대한 추정값이고,
Figure pat00004
은 조향각 센서를 통해 검출된 조향각이고,
Figure pat00005
는 조향각속도에 대한 추정값이고, i는 조향 모터에 흐르는 전류값에 대한 추정값이고, B는 감쇠 계수이고, 이고, J는 관성 모멘트이고, Kb는 기전력이고, L은 인덕턴스이고, R은 저항이고, Kt는 모터토크 상수이고, Vin은 사용자에 의해 입력된 입력 전압이고, rand()은 랜덤 함수이다.here,
Figure pat00003
is the estimated value for the steering angle,
Figure pat00004
is the steering angle detected through the steering angle sensor,
Figure pat00005
is the estimated value for the steering angular speed, i is the estimated value for the current flowing in the steering motor, B is the damping coefficient, , J is the moment of inertia, K b is the electromotive force, L is the inductance, and R is the resistance. , K t is the motor torque constant, V in is the input voltage input by the user, and rand() is a random function.

본 발명에 있어 상기 컨트롤러는, 상기 칼만 필터를 이용하여 상기 조향각 센서를 통해 검출된 조향각으로부터 조향 모터에 흐르는 전류를 검출하는 전류 센서의 전류값에 대한 추정값을 산출하고, 상기 전류값에 대한 추정값을 상기 전동식 조향 시스템의 전류 제어기로 출력하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the controller uses the Kalman filter to calculate an estimated value of the current value of a current sensor that detects the current flowing in the steering motor from the steering angle detected through the steering angle sensor, and calculates an estimated value for the current value. It is characterized in that it is output to the current controller of the electric steering system.

본 발명에 있어 상기 컨트롤러는, 상기 전류 센서에 이상이 발생한 경우 상기 전류값에 대한 추정값을 상기 전류 제어기로 출력하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the controller outputs an estimated value of the current value to the current controller when an abnormality occurs in the current sensor.

본 발명의 일 측면에 따른 전동식 조향 시스템의 제어 방법은 조향각 센서를 통해 스티어링휠의 조향각을 검출하는 단계; 전동식 조향 시스템에 구비된 토션바 및 유니버셜 조인트의 비틀림으로 인해 상기 조향각 센서에서 발생하는 노이즈를 제거하도록, 상기 조향각 센서를 통해 검출된 조향각을 필터링하는 단계; 및 상기 필터링된 조향각을 상기 전동식 조향 시스템의 위치 제어기로 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of controlling an electric steering system according to an aspect of the present invention includes detecting a steering angle of a steering wheel through a steering angle sensor; Filtering the steering angle detected through the steering angle sensor to remove noise generated in the steering angle sensor due to twisting of the torsion bar and universal joint provided in the electric steering system; and outputting the filtered steering angle to a position controller of the electric steering system.

본 발명의 일 측면에 따르면, 자율주행 차량에 적용되는 랙타입 전동식 조향 시스템에 구비된 토션바 또는 유니버셜 조인트의 비틀림으로 인해 스티어링휠에 구비된 조향각 센서에서 발생되는 노이즈를 제거함으로써 조향 시 차량의 제어 안정성을 향상시키고 전동식 조향 시스템의 제어 응답성을 개선시킬 수 있다.According to one aspect of the present invention, control of the vehicle during steering is achieved by removing noise generated from a steering angle sensor provided on the steering wheel due to twisting of a torsion bar or universal joint provided in a rack-type electric steering system applied to an autonomous vehicle. It can improve stability and improve the control response of the electric steering system.

또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 전류 센서의 고장 상황에서 조향각 센서의 조향각으로부터 조향 모터의 전류값을 예측하고, 예측된 전류값을 전류 제어기로 출력함으로써 전류 센서에 고장이 발생하더라도 조향 모터의 제어가 지속적으로 이루어지도록 할 수 있다.In addition, according to one aspect of the present invention, in the event of a current sensor failure, the current value of the steering motor is predicted from the steering angle of the steering angle sensor, and the predicted current value is output to the current controller, so that even if the current sensor fails, the steering motor Control can be ensured continuously.

도 1은 랙타입 전동식 조향 시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향 시스템의 제어 장치를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.Figure 1 is an example diagram for explaining a rack-type electric steering system.
Figure 2 is a block diagram for explaining a control device for an electric steering system according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a flowchart for explaining a control method of an electric steering system according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 전동식 조향 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 운전자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, a control device and method for an electric steering system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. In this process, the thickness of lines or sizes of components shown in the drawing may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, the terms described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, and may vary depending on the intention or custom of the driver or operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향 시스템의 제어 장치를 설명하기 위한 블록 구성도이다.Figure 2 is a block diagram for explaining a control device for an electric steering system according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향 시스템의 제어 장치는 조향각 센서(100), 컨트롤러(200) 및 전동식 조향 시스템(300)을 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 전동식 조향 시스템의 제어 장치는 자율주행 차량에 적용된 랙타입 전동식 조향 시스템(300)을 제어하기 위한 것일 수 있다.Referring to FIG. 2, the control device of the electric steering system according to an embodiment of the present invention may include a steering angle sensor 100, a controller 200, and an electric steering system 300. The control device for the electric steering system according to this embodiment may be for controlling the rack-type electric steering system 300 applied to an autonomous vehicle.

조향각 센서(100)는 스티어링휠에 구비되어, 스티어링휠의 조향각을 검출하고, 검출된 조향각을 후술하는 컨트롤러(200)로 출력할 수 있다. 조향각 센서(100)를 통해 검출된 조향각은 전동식 조향 시스템(300)의 위치 제어기(310)를 제어하는데 이용될 수 있다.The steering angle sensor 100 is provided on the steering wheel, detects the steering angle of the steering wheel, and outputs the detected steering angle to the controller 200, which will be described later. The steering angle detected through the steering angle sensor 100 can be used to control the position controller 310 of the electric steering system 300.

컨트롤러(200)는 조향각 센서(100)를 통해 검출된 조향각을 필터링하는 동작을 수행하는 주체로서, 프로세서(Processor), 중앙 처리 장치(CPU: Central Processing Unit) 또는 SoC(Systen on Chip)로 구현될 수 있으며, 운영 체제 또는 어플리케이션을 구동하여 프로세서에 연결된 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있고, 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있으며, 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 실행시키고, 그 실행 결과 데이터를 메모리에 저장하도록 구성될 수 있다.The controller 200 is a subject that performs the operation of filtering the steering angle detected through the steering angle sensor 100 and may be implemented as a processor, central processing unit (CPU), or system on chip (SoC). It can control a plurality of hardware or software components connected to the processor by running an operating system or application, perform various data processing and calculations, execute at least one command stored in memory, and execute the command. It may be configured to store result data in memory.

컨트롤러(200)는 전동식 조향 시스템(300)에 구비된 토션바 및 유니버셜 조인트의 비틀림으로 인해 조향각 센서(100)에서 발생하는 노이즈를 제거하도록, 조향각 센서(100)를 통해 검출된 조향각을 필터링하고, 필터링된 조향각을 후술하는 전동식 조향 시스템(300)의 위치 제어기(310)로 출력할 수 있다. 일반적으로, 운전자의 조타 시 발생하는 토션바의 비틀림은 토크 센서를 통해 감지되어, 보조 조타력을 생성하는데 이용되나, 차량이 자율주행 중인 경우 전술한 동작은 불필요하다. 본 발명은 전술한 사실로부터 착안된 것으로서, 차량이 자율주행 중인 경우 토션바의 비틀림이나 유니버셜 조인트의 틀어짐에 따른 조향각 센서(100)의 흔들림을 노이즈로 간주하고, 이러한 노이즈를 칼만 필터를 통해 필터링하여 제거함으로써 조향 시의 차량의 제어 안정성을 향상시킬 수 있다.The controller 200 filters the steering angle detected through the steering angle sensor 100 to remove noise generated in the steering angle sensor 100 due to twisting of the torsion bar and universal joint provided in the electric steering system 300, The filtered steering angle can be output to the position controller 310 of the electric steering system 300, which will be described later. Generally, the twist of the torsion bar that occurs when the driver steers is detected through a torque sensor and used to generate auxiliary steering force, but when the vehicle is driving autonomously, the above-described operation is unnecessary. The present invention was conceived from the above-mentioned fact, and when a vehicle is autonomously driving, the shaking of the steering angle sensor 100 due to the twisting of the torsion bar or the twisting of the universal joint is regarded as noise, and this noise is filtered through a Kalman filter. By removing it, the control stability of the vehicle during steering can be improved.

일 실시예에 따르면, 컨트롤러(200)는 칼만 필터를 이용하여 조향각 센서(100)를 통해 검출된 조향각에 대한 추정값을 산출하고, 산출된 추정값을 전동식 조향 시스템(300)의 위치 제어기(310)로 출력할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 컨트롤러(200)는 칼만 필터를 이용하여 조향각 센서(100)를 통해 검출된 조향각으로부터 조향각속도에 대한 추정값을 산출하고, 조향각속도에 대한 추정값을 적분하여 조향각에 대한 추정값을 산출할 수 있다. 전술한 방법으로 산출된 조향각에 대한 추정값은 전동식 조향 시스템(300)의 동작 과정에서 요구되는 조향각 센서(100)의 조향각을 대체할 수 있으며, 조향각에 대한 추정값은 토션바 및 유니버셜 조인트의 비틀림으로 인한 진동에 의해 발생되는 노이즈가 제거된 값이므로, 조향각 센서(100)를 통해 검출된 조향각을 칼만 필터를 이용하여 산출한 조향각에 대한 추정값으로 대체하여 이용할 경우 차량의 제어 안정성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 진동 발생으로 인해 전동식 조향 시스템(300)의 제어 응답성이 저하되는 문제를 개선할 수 있다. 한편, 칼만 필터는 주지된 알고리즘이므로, 그 구체적인 동작 방법(예: 추정값과 오차 공분산 예측-칼만 이득 계산-추정값 계산-오차 공분산 계산)은 생략하도록 한다.According to one embodiment, the controller 200 calculates an estimated value for the steering angle detected through the steering angle sensor 100 using a Kalman filter, and sends the calculated estimated value to the position controller 310 of the electric steering system 300. Can be printed. According to one embodiment, the controller 200 calculates an estimated value of the steering angle speed from the steering angle detected through the steering angle sensor 100 using a Kalman filter, and integrates the estimated value of the steering angle speed to calculate an estimated value of the steering angle. can do. The estimated value of the steering angle calculated by the above-described method can replace the steering angle of the steering angle sensor 100 required in the operation process of the electric steering system 300, and the estimated value of the steering angle is calculated from the distortion of the torsion bar and the universal joint. Since it is a value from which noise caused by vibration has been removed, if the steering angle detected through the steering angle sensor 100 is replaced with an estimate value for the steering angle calculated using a Kalman filter, not only can the control stability of the vehicle be improved. , it is possible to improve the problem of deterioration of control responsiveness of the electric steering system 300 due to vibration. Meanwhile, since the Kalman filter is a well-known algorithm, its specific operation method (e.g., predicting estimate and error covariance - calculating Kalman gain - calculating estimate value - calculating error covariance) will be omitted.

컨트롤러(200)는 칼만 필터를 이용하여 조향각 센서(100)를 통해 검출된 조향각으로부터 전류 센서의 전류값에 대한 추정값을 산출하고, 전류값에 대한 추정값을 전동식 조향 시스템(300)의 전류 제어기(330)로 출력할 수도 있다. 일 실시예에 따르면, 컨트롤러(200)는 전류 센서에 이상이 발생하였는지 여부를 판단하고, 전류 센서에 이상이 발생한 경우 전류값에 대한 추정값을 전류 제어기(330)로 출력할 수 있다. 컨트롤러(200)는 주지된 다양한 방법을 이용하여 전류 센서에 이상이 발생하였는지 여부를 판단할 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 조향 모터(340)에 흐르는 전류를 검출하는 전류 센서의 고장 상황에서 조향각 센서(100)의 조향각으로부터 조향 모터(340)의 전류값을 예측하고, 예측된 전류값을 전류 제어기(330)로 출력함으로써 조향 모터(340)의 제어가 지속적으로 이루어지도록 할 수 있다.The controller 200 calculates an estimate of the current value of the current sensor from the steering angle detected through the steering angle sensor 100 using a Kalman filter, and calculates the estimated value of the current value to the current controller 330 of the electric steering system 300. ) can also be output. According to one embodiment, the controller 200 may determine whether an abnormality has occurred in the current sensor, and output an estimated current value to the current controller 330 if an abnormality has occurred in the current sensor. The controller 200 can determine whether an abnormality has occurred in the current sensor using various well-known methods. In this way, the present invention predicts the current value of the steering motor 340 from the steering angle of the steering angle sensor 100 in a failure situation of the current sensor that detects the current flowing in the steering motor 340, and sends the predicted current value to the current controller. By outputting to 330, control of the steering motor 340 can be continuously performed.

전동식 조향 시스템(300)은 위치 제어기(310), 속도 제어기(320), 전류 제어기(330) 및 조향 모터(340)를 포함할 수 있다. 전동식 조향 시스템(300)의 각 구성을 개괄적으로 설명하면 다음과 같다.The electric steering system 300 may include a position controller 310, a speed controller 320, a current controller 330, and a steering motor 340. Each configuration of the electric steering system 300 is briefly described as follows.

위치 제어기(310)는 외부(예: 자율주행 시스템)에서 입력되는 지령 조향각과 컨트롤러(200)로부터 출력되는 조향각에 대한 추정값에 기반하여 지령 속도를 생성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 위치 제어기(310)는 외부로부터 입력되는 지령 조향각과 컨트롤러(200)에서 출력되는 조향각에 대한 추정값 간의 차이(즉, 조향각 에러)를 보상하여 지령 속도를 출력할 수 있다.The position controller 310 may generate a command speed based on a command steering angle input from an external source (e.g., an autonomous driving system) and an estimated value of the steering angle output from the controller 200. According to one embodiment, the position controller 310 may output a command speed by compensating for the difference (i.e., steering angle error) between the command steering angle input from the outside and the estimated value for the steering angle output from the controller 200.

속도 제어기(320)는 위치 제어기(310)로부터 출력되는 지령 속도와 현재 속도에 기반하여 지령 전류값을 생성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 속도 제어기(320)는 위치 제어기(310)에서 출력되는 지령 속도와 현재 조향각속도 간의 차이(즉, 속도 에러)를 보상하여 지령 전류값을 출력할 수 있다.The speed controller 320 may generate a command current value based on the command speed output from the position controller 310 and the current speed. According to one embodiment, the speed controller 320 may output a command current value by compensating for the difference (i.e., speed error) between the command speed output from the position controller 310 and the current steering angle speed.

전류 제어기(330)는 속도 제어기(320)로부터 출력되는 지령 전류값과 전류 센서를 통해 검출되는 전류값을 토대로 출력 전류를 산출하여 조향 모터(340)로 출력할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전류 제어기(330)는 속도 제어기(320)에서 출력되는 지령 전류값과 전류 센서를 통해 측정되는 전류값 간의 차이(즉, 전류 에러)를 보상하여 최종 지령 전류를 출력할 수 있다.The current controller 330 may calculate an output current based on the command current value output from the speed controller 320 and the current value detected through the current sensor and output it to the steering motor 340. According to one embodiment, the current controller 330 may output the final command current by compensating for the difference (i.e., current error) between the command current value output from the speed controller 320 and the current value measured through the current sensor. there is.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 이하에서는 도 3을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향 시스템의 제어 방법을 살펴보도록 한다.Figure 3 is a flowchart for explaining a control method of an electric steering system according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, with reference to FIG. 3, we will look at a control method of an electric steering system according to an embodiment of the present invention.

먼저, 컨트롤러(200)는 조향각 센서(100)를 통해 스티어링휠의 조향각을 검출할 수 있다(S301).First, the controller 200 can detect the steering angle of the steering wheel through the steering angle sensor 100 (S301).

이어서, 컨트롤러(200)는 칼만 필터를 이용하여 조향각 센서(100)를 통해 검출된 조향각에 대한 추정값을 산출할 수 있다(S303). 보다 구체적으로, 컨트롤러(200)는 칼만 필터를 이용하여 조향각 센서(100)를 통해 검출된 조향각으로부터 조향각속도에 대한 추정값을 산출하고, 조향각속도에 대한 추정값을 적분하여 조향각에 대한 추정값을 산출할 수 있다.Next, the controller 200 may calculate an estimated value for the steering angle detected through the steering angle sensor 100 using a Kalman filter (S303). More specifically, the controller 200 can calculate an estimated value for the steering angle speed from the steering angle detected through the steering angle sensor 100 using a Kalman filter, and calculate an estimated value for the steering angle by integrating the estimated value for the steering angle speed. there is.

조향각속도에 대한 추정값을 산출하기 위해 이용되는 칼만 필터는 하기 수학식 1의 상태 방정식(State Equation)과 하기 수학식 2의 측정 방정식(Measurement Equation)으로 정의될 수 있다.The Kalman filter used to calculate the estimated value for the steering angle speed can be defined as the State Equation in Equation 1 below and the Measurement Equation in Equation 2 below.

여기서, A는 이전 상태에 기반한 상태 전이 행렬이고, B는 사용자 입력에 의한 상태 전이 행렬이고, H는 출력 행렬이고,

Figure pat00008
는 상태 변수이고,
Figure pat00009
는 사용자 입력이고,
Figure pat00010
는 시스템 잡음이고,
Figure pat00011
는 측정 잡음이고,
Figure pat00012
는 상태 변수의 측정값이고
Figure pat00013
는 조향각에 대한 추정값이고,
Figure pat00014
은 조향각 센서(100)를 통해 검출된 조향각이고,
Figure pat00015
는 조향각속도에 대한 추정값이고, i는 조향 모터(340)에 흐르는 전류값에 대한 추정값이고, B는 감쇠 계수(Damping coefficient)이고, 이고, J는 관성 모멘트(moment of inertia)이고, Kb는 기전력(Electromotive force)이고, L은 인덕턴스(Electrical inductance)이고, R은 저항(Electrical resistance)이고, Kt는 모터토크 상수이고, Vin은 사용자에 의해 입력된 입력 전압이고, rand()은 랜덤 함수일 수 있다. 상기 수학식 1 및 2에 기재된 (2) 수식은 (1) 수식을 구체화시킨 수식에 해당한다.Here, A is the state transition matrix based on the previous state, B is the state transition matrix based on user input, H is the output matrix,
Figure pat00008
is a state variable,
Figure pat00009
is the user input,
Figure pat00010
is the system noise,
Figure pat00011
is the measurement noise,
Figure pat00012
is the measurement of the state variable and
Figure pat00013
is the estimated value for the steering angle,
Figure pat00014
is the steering angle detected through the steering angle sensor 100,
Figure pat00015
is an estimated value for the steering angular speed, i is an estimated value for the current value flowing in the steering motor 340, B is the damping coefficient, , J is the moment of inertia, and K b is is the electromotive force, L is the inductance, R is the resistance, K t is the motor torque constant, V in is the input voltage input by the user, and rand() is a random It can be a function. Formula (2) described in Equations 1 and 2 above corresponds to a formula that embodies formula (1).

이러한 칼만 필터는 스티어링 휠을 제외한 나머지 부분을 기준으로 시스템 모델의 설계가 이루어진 것이므로, 토션바 및 유니버셜 조인트에 의해 발생하는 스티어링 휠의 진동성분을 외란으로 처리하여 제거할 수 있다.Since this Kalman filter design of the system model is based on parts other than the steering wheel, the vibration component of the steering wheel generated by the torsion bar and universal joint can be treated as a disturbance and removed.

전술한 수학식에서 확인할 수 있듯이, 운전자가 핸들을 잡고 있지 않은 상태에서 조향 모터(340)가 회전할 때 발생하는 오실레이션 양만큼을 뺀 값이 시스템 잡음으로 정의될 수 있다. 즉,

Figure pat00016
이 시스템 잡음로 간주될 수 있다. 또한, 조향각 센서(100)의 경우 resolution이 0.1도 정도이고, 노이즈 또한 0.1도 정도의 범위 내에서 발생하므로, 0.1*rand()이 측정 잡음으로 정의될 수 있다.As can be seen from the above-mentioned equation, the value obtained by subtracting the amount of oscillation that occurs when the steering motor 340 rotates while the driver is not holding the steering wheel can be defined as system noise. in other words,
Figure pat00016
This can be considered system noise. Additionally, in the case of the steering angle sensor 100, the resolution is about 0.1 degrees, and noise also occurs within a range of about 0.1 degrees, so 0.1*rand() can be defined as measurement noise.

한편, 컨트롤러(200)는 조향각에 대한 추정값을 위치 제어기(310)로 출력할 수 있다(S305). 위치 제어기(310)는 외부(예: 자율주행 시스템)에서 입력되는 지령 조향각과 컨트롤러(200)에서 출력되는 조향각에 대한 추정값 간의 차이(즉, 조향각 에러)를 보상함으로써 조향 모터(340)에 대한 위치 제어를 수행할 수 있다.Meanwhile, the controller 200 may output an estimated value for the steering angle to the position controller 310 (S305). The position controller 310 determines the position of the steering motor 340 by compensating for the difference (i.e., steering angle error) between the command steering angle input from the outside (e.g., autonomous driving system) and the estimated value for the steering angle output from the controller 200. Control can be performed.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 전동식 조향 시스템의 제어 장치 및 방법은 자율주행 차량에 적용되는 랙타입 전동식 조향 시스템에 구비된 토션바 또는 유니버셜 조인트의 비틀림으로 인해 스티어링휠에 구비된 조향각 센서에서 발생되는 노이즈를 제거함으로써 조향 시 차량의 제어 안정성을 향상시키고 전동식 조향 시스템의 제어 응답성을 개선시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 전류 센서의 고장 상황에서 조향각 센서의 조향각으로부터 조향 모터의 전류값을 예측하고, 예측된 전류값을 전류 제어기로 출력함으로써 전류 센서에 고장이 발생하더라도 조향 모터의 제어가 지속적으로 이루어지도록 할 수 있다.As described above, the control device and method of the electric steering system according to one aspect of the present invention is to change the steering angle provided on the steering wheel due to the twist of the torsion bar or universal joint provided in the rack-type electric steering system applied to the autonomous vehicle. By eliminating noise generated from sensors, the control stability of the vehicle can be improved when steering and the control responsiveness of the electric steering system can be improved. In addition, the present invention predicts the current value of the steering motor from the steering angle of the steering angle sensor in the event of a current sensor failure, and outputs the predicted current value to the current controller, so that even if the current sensor fails, the steering motor is continuously controlled. You can let it go.

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, 마이크로컨트롤러, 집적 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 컨트롤러 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 컨트롤러는 또한 최종-운전자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/게인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.Implementations described herein may be implemented, for example, as a method or process, device, software program, data stream, or signal. Although discussed only in the context of a single form of implementation (eg, only as a method), implementations of the features discussed may also be implemented in other forms (eg, devices or programs). The device may be implemented with appropriate hardware, software, firmware, etc. The method may be implemented in a device such as a controller, which generally refers to a processing device including, for example, a computer, microcontroller, integrated circuit, or programmable logic device. Controllers also include communication devices such as computers, cell phones, personal digital assistants (“PDAs”) and other devices that facilitate communication of information between end-drivers.

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.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely illustrative, and those skilled in the art will recognize that various modifications and other equivalent embodiments can be made therefrom. You will understand. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the scope of the patent claims below.

100: 조향각 센서 200: 컨트롤러
300: 전동식 조향 시스템 310: 위치 제어기
320: 속도 제어기 330: 전류 제어기
340: 조향 모터100: Steering angle sensor 200: Controller
300: Electric steering system 310: Position controller
320: speed controller 330: current controller
340: steering motor

Claims (12)

스티어링휠의 조향각을 검출하는 조향각 센서; 및
전동식 조향 시스템에 구비된 토션바 및 유니버셜 조인트의 비틀림으로 인해 상기 조향각 센서에서 발생하는 노이즈를 제거하도록, 상기 조향각 센서를 통해 검출된 조향각을 필터링하고, 상기 필터링된 조향각을 상기 전동식 조향 시스템의 위치 제어기로 출력하는 컨트롤러;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향 시스템의 제어 장치.
A steering angle sensor that detects the steering angle of the steering wheel; and
The steering angle detected through the steering angle sensor is filtered to remove noise generated from the steering angle sensor due to the twist of the torsion bar and universal joint provided in the electric steering system, and the filtered steering angle is applied to the position controller of the electric steering system. Controller that outputs to;
A control device for an electric steering system comprising a.
 제 1항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 칼만 필터를 이용하여 상기 조향각 센서를 통해 검출된 조향각에 대한 추정값을 산출하고, 상기 조향각에 대한 추정값을 상기 위치 제어기로 출력하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향 시스템의 제어 장치.
According to clause 1,
The controller calculates an estimated value for the steering angle detected through the steering angle sensor using a Kalman filter, and outputs the estimated value for the steering angle to the position controller.
 제 2항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 칼만 필터를 이용하여 상기 조향각 센서를 통해 검출된 조향각으로부터 조향각속도에 대한 추정값을 산출하고, 상기 조향각속도에 대한 추정값을 적분하여 상기 조향각에 대한 추정값을 산출하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향 시스템의 제어 장치.
According to clause 2,
The controller calculates an estimated value of the steering angle speed from the steering angle detected through the steering angle sensor using the Kalman filter, and calculates an estimated value of the steering angle by integrating the estimated value of the steering angle speed. Control unit of the steering system.
 제 3항에 있어서,
상기 칼만 필터의 상태 방정식(State Equation)은 하기 수식 1로 정의되고, 상기 칼만 필터의 측정 방정식(Measurement Equation)은 하기 수식 2로 정의되는 것을 특징으로 하는 전동식 조향 시스템의 제어 장치.
[수식 1]

[수식 2]

(여기서,
Figure pat00019
는 조향각에 대한 추정값이고,
Figure pat00020
은 조향각 센서를 통해 검출된 조향각이고,
Figure pat00021
는 조향각속도에 대한 추정값이고, i는 조향 모터에 흐르는 전류값에 대한 추정값이고, B는 감쇠 계수이고, 이고, J는 관성 모멘트이고, Kb는 기전력이고, L은 인덕턴스이고, R은 저항이고, Kt는 모터토크 상수이고, Vin은 사용자에 의해 입력된 입력 전압이고, rand()은 랜덤 함수이다.)
According to clause 3,
The state equation of the Kalman filter is defined by Equation 1 below, and the measurement equation of the Kalman filter is defined by Equation 2 below.
[Formula 1]

[Formula 2]

(here,
Figure pat00019
is the estimated value for the steering angle,
Figure pat00020
is the steering angle detected through the steering angle sensor,
Figure pat00021
is the estimated value for the steering angular speed, i is the estimated value for the current flowing in the steering motor, B is the damping coefficient, , J is the moment of inertia, K b is the electromotive force, L is the inductance, and R is the resistance. , K t is the motor torque constant, V in is the input voltage input by the user, and rand() is a random function.)
 제 2항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 칼만 필터를 이용하여 상기 조향각 센서를 통해 검출된 조향각으로부터 조향 모터에 흐르는 전류를 검출하는 전류 센서의 전류값에 대한 추정값을 산출하고, 상기 전류값에 대한 추정값을 상기 전동식 조향 시스템의 전류 제어기로 출력하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향 시스템의 제어 장치.
According to clause 2,
The controller uses the Kalman filter to calculate an estimate of the current value of the current sensor that detects the current flowing in the steering motor from the steering angle detected through the steering angle sensor, and calculates the estimated value of the current value to the electric steering system. A control device for an electric steering system, characterized in that the output is output to a current controller.
 제 5항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 전류 센서에 이상이 발생한 경우 상기 전류값에 대한 추정값을 상기 전류 제어기로 출력하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향 시스템의 제어 장치.
According to clause 5,
The controller is a control device for an electric steering system, characterized in that when an abnormality occurs in the current sensor, the estimated value of the current value is output to the current controller.
 컨트롤러가, 조향각 센서를 통해 스티어링휠의 조향각을 검출하는 단계;
상기 컨트롤러가, 전동식 조향 시스템에 구비된 토션바 및 유니버셜 조인트의 비틀림으로 인해 상기 조향각 센서에서 발생하는 노이즈를 제거하도록, 상기 조향각 센서를 통해 검출된 조향각을 필터링하는 단계; 및
상기 컨트롤러가, 상기 필터링된 조향각을 상기 전동식 조향 시스템의 위치 제어기로 출력하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향 시스템의 제어 방법.
A controller detecting the steering angle of a steering wheel through a steering angle sensor;
filtering, by the controller, the steering angle detected through the steering angle sensor to remove noise generated in the steering angle sensor due to twisting of the torsion bar and universal joint provided in the electric steering system; and
outputting, by the controller, the filtered steering angle to a position controller of the electric steering system;
A control method for an electric steering system comprising a.
 제 7항에 있어서,
상기 필터링하는 단계는,
상기 컨트롤러가, 칼만 필터를 이용하여 상기 조향각 센서를 통해 검출된 조향각에 대한 추정값을 산출하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향 시스템의 제어 방법.
According to clause 7,
The filtering step is,
Calculating, by the controller, an estimate value for the steering angle detected through the steering angle sensor using a Kalman filter;
A control method for an electric steering system comprising a.
 제 8항에 있어서,
상기 산출하는 단계는,
상기 컨트롤러가, 상기 칼만 필터를 이용하여 상기 조향각 센서를 통해 검출된 조향각으로부터 조향각속도에 대한 추정값을 산출하는 단계; 및
상기 컨트롤러가, 상기 조향각속도에 대한 추정값을 적분하여 상기 조향각에 대한 추정값을 산출하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향 시스템의 제어 방법.
According to clause 8,
The calculating step is,
calculating, by the controller, an estimated value for steering angle speed from the steering angle detected through the steering angle sensor using the Kalman filter; and
calculating, by the controller, an estimated value for the steering angle by integrating the estimated value for the steering angle speed;
A control method for an electric steering system comprising a.
 제 9항에 있어서,
상기 칼만 필터의 상태 방정식(State Equation)은 하기 수식 1로 정의되고, 상기 칼만 필터의 측정 방정식(Measurement Equation)은 하기 수식 2로 정의되는 것을 특징으로 하는 전동식 조향 시스템의 제어 방법.
[수식 1]

[수식 2]

(여기서,
Figure pat00024
는 조향각에 대한 추정값이고,
Figure pat00025
은 조향각 센서를 통해 검출된 조향각이고,
Figure pat00026
는 조향각속도에 대한 추정값이고, i는 조향 모터에 흐르는 전류값에 대한 추정값이고, B는 감쇠 계수이고, 이고, J는 관성 모멘트이고, Kb는 기전력이고, L은 인덕턴스이고, R은 저항이고, Kt는 모터토크 상수이고, Vin은 사용자에 의해 입력된 입력 전압이고, rand()은 랜덤 함수이다.)
According to clause 9,
The state equation of the Kalman filter is defined by Equation 1 below, and the measurement equation of the Kalman filter is defined by Equation 2 below.
[Formula 1]

[Formula 2]

(here,
Figure pat00024
is the estimated value for the steering angle,
Figure pat00025
is the steering angle detected through the steering angle sensor,
Figure pat00026
is the estimated value for the steering angular speed, i is the estimated value for the current flowing in the steering motor, B is the damping coefficient, , J is the moment of inertia, K b is the electromotive force, L is the inductance, and R is the resistance. , K t is the motor torque constant, V in is the input voltage input by the user, and rand() is a random function.)
 제 8항에 있어서,
상기 컨트롤러가, 상기 칼만 필터를 이용하여 상기 조향각 센서를 통해 검출된 조향각으로부터 조향 모터에 흐르는 전류를 검출하는 전류 센서의 전류값에 대한 추정값을 산출하는 단계; 및
상기 컨트롤러가, 상기 전류값에 대한 추정값을 상기 전동식 조향 시스템의 전류 제어기로 출력하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향 시스템의 제어 방법.
According to clause 8,
calculating, by the controller, an estimated value for a current value of a current sensor that detects a current flowing in a steering motor from the steering angle detected through the steering angle sensor using the Kalman filter; and
outputting, by the controller, an estimated value of the current value to a current controller of the electric steering system;
A control method for an electric steering system further comprising:
 제 11항에 있어서,
상기 전류 제어기로 출력하는 단계에서, 상기 컨트롤러는,
상기 전류 센서에 이상이 발생한 경우 상기 전류값에 대한 추정값을 상기 전류 제어기로 출력하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향 시스템의 제어 방법.According to clause 11,
In the step of outputting to the current controller, the controller:
A control method for an electric steering system, characterized in that when an abnormality occurs in the current sensor, an estimated value of the current value is output to the current controller.
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