KR920002735B1 - 파워스테어링 제어장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

파워스테어링 제어장치

제1도는 본원 발명에 의한 파워스테어링 제어장치의 일실시예를 나타낸 시스템 구성도.

제2도는 토오크센서의 특성도.

제3도는 타각(舵角)센서의 특성도.

제4도는 제어장치의 일실시예를 나타낸 블록도.

제5도는 전동기제어회로의 일실시예를 나타낸 회로도.

제6도는 고차(高次)함수특성의 일예를 나타낸 특성도.

제7도 및 제8도는 고차함수특성에 대한 근사(近似)특성의 설명도.

제9도는 본원 발명의 일실시예에 의해 주어지는 특성의 일예를 나타낸 설명도.

제10도는 연산회로의 일실시예를 나타낸 블록도.

제11도는 본원 발명의 일실시예의 동작을 설명하는 특성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

(1) : 조타핸들 (2) : 핸들측

(3),(9) : 피니온 (4) : 랙

(5) : 타이어(전항차륜) (6) : 토오크센서

(7) : 전동기 (8) : 감속기구

(10) : 타각센서 (11) : 제어장치

(20) : 연산회로 (21) : 함수발생기

(22),(25) : 가산기 (23) : 정부판별회로

(24) : 절대치회로 (26) : 쵸퍼제어회로

(27) : 전동기제어회로 (30) : 차속센서

본원 발명은 자동치 등에 있어서의 파워스테어링 제어장치에 관한 것이며, 특히 조타감이 유연하고 가볍게 손을 놓은 상태에서 핸들이 직진 방향으로 복귀된다는 조타감이 우수한 파워스테어링 제어장치에 관한 것이다.

사용자층이 남녀노소의 다양한 계층에 이르는 자동차등에 있어서는 대형차로부터 소형차까지 파워스테어링의 장비가 널리 사용되고 있으며, 조타력 부담의 경감과 그것에 의한 안전 확보에 기여하고 있다. 그런데 . 이 파워스테어링장치로서는 종래부터 주로 액압식의 것이 사용되고 있다. 그리고, 근년에 이르러 제어 내용의 풍부성이나 에너지 절약면에서의 효용에 착안하여 전동식이 파워스테어링장치가 실용에 제공되도록 되어 왔다. 그리고 이 전동식의 파워스테어링장치에 있어서는, 그것에 사용되는 전동식의 액츄에이터에 요구되는 커다란 조작력을 얻기 위해 이 액츄에이터로서 전동기를 사용하며, 그 출력을 감속하여 최종적인 보조조타용의 조작력을 얻는 방식의 것이 주로 채용되도록 되어 있다.

그리고 이 결과, 종래의 전동식 파워스테이링장치에 있어서는 보조조차력을 전동기로부터 얻는 경우, 조차력이 고속 회전하는 전동깅제대로 의해 감속기구를 통해서 부여되므로, 그 전동기의 회전자의 관성력과, 전동기가 무여자(無勵磁)상태로 감속기구의 출력측으로부터 전동기를 공회전시킬 경우에 가해지는 커다란 마찰저항에 의해 전동기에 의한 보조조타력의 발생이 지연되어 조타력이 급격하게 감소되고, 역으로 조타력이 발생하면 조타력이 급격하게 증가된다고 하는 조타의 유연성에 있어서 매우바람직하지 못한 특성과, 손을 놓은 상태에 있어서의 타이어의 직진방향으로 복원되는 힘이 전동기의 마찰력에 의해 소멸되고, 또 손을 놓은 상태에서는 타이어가 직진방향으로 복원되지 않기 때문에 운전자가 항상 핸들을 의식적으로 직진방향으로 복귀시키지 않으면 안된다고 하는데 결점이 있었다.

이 가운데 전동기의 관성에 의해 조타핸들을 조작했을 때에 나타나는 조타감상 바람직스럽지 못한 특성에 대해서는 예를 들면 일본국 특개소 55-76,760호 공보 등에서 제안되어 있는 바와 같이 전동기의 제어에 미분(微分)특성을 부여하는 방법을 생각할 수 있으며, 상당한 조타감 개선효과가 기대된다. 그러나, 이 방법에서는 미분회로 등을 여분으로 필요로 하고, 미분 특성의 부여는 더욱이 노이즈에 대한 새로운 배려를 필요로 하게 되어 원가상승으로 되기 쉬우며, 전술한 마찰저항에 의한 조타감의 악화에 대해서는 아무런 개선효과를 기대할 수 없으며, 전체적으로는 충분한 조타감의 개선을 얻을 수 없다 그리고, 이 마찰저항에 의한 조타감의 악화는 타각이 0(중립위치)이외일 때에 본래 나타나게 되어 있는 복원력의 현저한 저하 내지는 소멸이라고 하는 형태로 나타나는 것이다.

본원 발명의 목적은 상술한 종래 기술의 결점을 제거하며, 파워스테어링화에 의해서도 충분한 복원력을 남길 수 있고, 조타감을 크게 개선할 수 있도록 한 파워스테어링 제어장치를 제공하는데 있다.

이 목적을 달성하기 위해, 본원 발명은 자동차이 조타전향차륜등에 주어지는 타각을 검출하고, 조타핸들에 주어지는 조작력과의 관련에 있어서 상기 타각에 의해 엑츄에이터를 제어하며, 이것에 의해 보조복원력이 주어지도록 한 것을 특징으로 한다.

다음에, 본원 발명에 의한 파워스테어링 제어장치에 대하여 도시한 실시예에 의거하여 상세히 설명한다.

제1도는 본원 발명을 자동차용 전동파워스테어링 시스템에 적용한 경우의 일실시예이며, (1)은 조타핸들(이하 단지 핸들이라고 함,) (2)는 핸들축 ,(3)은 피니온, (4) 는 랙, (5)는 전향용 타이어(차륜), (6)은 토오크센서 (7)은 파워어시스트용 전동기 (8)은 감속기구 (9)는 피니온, (10)은 타각센서 (11)은 제어장치이다. 그리고 B는 전원용 배터리이다.

이 실시예는 이른바 랙앤드피니온 방식의 것으로서, 운전자에 의해 핸들(1)에 주어지는 조타력은 핸들축(2)으로부터 피니온(3)을 통해 랙(4)에 전달되어, 타이어 (5)를 소정의 타각으로 움직인다.

토오크센서(6)는 핸들(1)을 운전자가 회동시켰을 때, 이 핸들(1)로부터 핸들축(2)을 통해 피니온(3)에 주어지는 토오크를 검출하고, 그 토오크의 크기를 나타내는 신호γ를 발생하는 작용을 하는 것으로서 예를 들면 핸들축(2)에 부착된 변형게이지 또는 핸들축(2)에 토션스프링기구르그러나 설치하고, 이 토션량을 검출하는, 가변저항기 등으로 구성된 것으로서, 예를 들면 제2도에 나타낸 바와 같은 특성의 것으로 되어 있다.

전동기(7)는 기어장치등으로 이루어진 감속기구(8)와 피니온 (9)을 통해 랙 (4)에 보조조타력을 부여하는 전동식의 액츄에이터로서 동작한다.

타각을 검출하는 센서수단으로서의 타각센서(10)는 타이어(5)의 타각 (전향각)을 검출하고, 자동차가 직진상태, 극, 타이어(5)의 전향각이 중립의 위치에 있을 때에 타각을 0으로 하고, 예를 들면 제3도에 나타낸 바와 같은 특성에 따라 타각을 나타내는 신호θ를 발생하는 작용을 하는 것으로서, 타이어(5)의 전향에 수반해서 회동되는 부재의 회동각을 검출하는 가변저항기 등으로 이루어지는 로터리엔코더나 직선운동하는 부재의 움직임을 검출하는 리니어엔코더 등으로 구성된 것이다.

제4도는 제어장치(11)의 일실시예이며, 연산회로(20), 함수발생기(21), 가산기(22)(25), 정부(正負)판정회로(23), 절대치회로(24), 쵸퍼제어회로(26), 전동기 제어회로(27)등으로 구성되어 있다.

다음에 동작에 대해 설명한다.

운전자에 의해 핸들(1)이 조작되어 핸들축(2)에 토오크가 주어지면, 그것이 제2도의 특성에 따라 토오크센서(6)에 의해 검출되어 토오코 신호γ가 출력된다.

이 토오크신호 γ는 연산회로(20),(함수발생기(21), 가산기(22), 정부판정회로(23), 절대치회로(24), , 또한 가산기(25)를 통해 쵸퍼제어회로(26)에 입력되며, 그때의 절대치에 대응한 듀티비의 펄스신호 CP로 변환되어 전동기 제어회로(27)에 입력된다. 이때, 정부판정회로(23)에서는 그것에 입력된 신호의 정부(正負)에 따라 정신호 P 또는 부신호 N 의 어느 한쪽을 출력해서 , 이들 신호 P,N를 전동기 제어회로(27)에 입력한다, 그리고, 토오크센서(6)로부터 발생되는 토오크신호 γ의 극성은 예를 들면 핸들(1)을 시계방향으로 회동시켰을 때에 나타나는 토오크에 대해 정극성(正極性) 으로 되며, 반시계방향으로 회동시켰을 때에 나타나는 토오크에 대해서는 부극(負極)성(性)으로 되도록 되어 있는 것이다. 따라서 토오크신호γ가 정으로 되어 있을 때에는 자동차는 우측으로 전향하고, 부로 되어 있을 때에는 좌측으로 전향하게 된다.

제5도는 전동기 제어회로(27)의 일실시예이며, 4개의 파워트랜지스터 TR1~TR4(이하 단지 TR1~TR4라고 함)와 , 프리휠다이오드 D1,D2 전류검출기 CD로 구성되어 있다.

TR1의 베이스에는 정신호 P가, 그리고 TR2의 베이스에는 부신호 N가 공급되며, 또한 TR3에는 부호신호 N와 펄스신호 CP의 논리적(論理積)에 의한 신호가, 그리고 TR4에는 정신호 P와 펄스신호 CP의 논리적에 의한 신호가 각각 공급되도록 되어 있으며, 이로써 정신호 P가 나타나 있을 때, 즉 토오크신호 γ가 정극성으로 되어 있을 때에는 TR1과 TR4가 온되며, 전동기(7)에는 도면의 화살표방향으로 전류가 공급되고, 이 전류이 크기는 펄스신호 CP의 듀티비로 제어되도록 되어 있으며, 토오크 신호γ가 부극성으로 부신호 N가 나타나 있을 때에는 TR2와 TR3가 온되고, 전동기(7)에는 도면이 화살표와 반대방향으로 전류가 공급되며, 이때의 전류치는 역시 펄스신호 CP의 듀티비로 제어되게 된다

그리고, 이 어느 경우에서도 전동기(7)에 흐르고 있는 전류의 크기가 전류감출기 CD에 의해 검출되어, 전류신호 i로서 가산기(25)에 공급되도록 되어 있으며, 이것에 의해 절대치회로(24)로부터 주어지고 있는 신호에 대응한 전류가 전동기(7)에 정확하게 공급되도록 하기 위한 피드백루프가 형성되도록 되어 있다. 그리고, 다이오드 D1,D2는 TR3 또는 TR4가 펄스신호 CP에 의해 쵸퍼제어되어 오프되었을 때의 환류(還流)로를 부여하는 작용을 하는 것이다.

따라서, 운전자가 핸들(1)을 조작하면, 그때 가해진 조작력(조타력)의 방향과 그 크기에 따라 소정치의 잔류가 소정의 방향으로부터 전동기(7)에 공급되며, 이에 의해 전동기(7)가 발생하는 토오크가 피니온(9)으로부터 랙(4)에 주어져서, 보조조타력으로 되기 때문에 파워스테어링장치로서의 기능이 얻어지게 된다.

그런데, 운전자가 핸들(1)을조작했을 때에 필요한 조타력의 크기는 너무 작아도 운전을 하기가 곤란하게 되며, 이 때문에 경험상등에서, 토오크센서(6)의 신호γ에 대해 제6도와 같은 오프세트를 갖는 고차(高次)함수특성으로 보조조타력, 즉 전동기(7)의 전류치가 정해지록 해 주는 것이 조타감상 바람직하다는 것이 알려져 있다.

그래서, 이 때문에 설치되어 있는 것이 함수발생기(21)이며, 입력신호에 대해 제6도의 특성에 따른 출력신호를 발생하록 되어 있다. 그리고, 실제로는 제6도와 같은 원활한 특성을 주는 함수발생기는 원가상승으로 되거나 실현이 불가능해지거나 하므로 예를 들면 제7도와 같은 절선근사(折線近似)에 의한 함수발생기(21)를 사용하도록 해 주면 된다. 또, 이 절선근사 대신 제8도에 나타낸 바와 같은 계단(階段)근사에 의한 것을 사용해도 실시 가능하다.

다응에. 타이어(5)를 전향시키기 위해 필요한 힘, 이른바 조타력은 타이어와 주행노면 사이에서의 전향방향에서의 마찰저항에 의해 결정되지만, 이 마찰저항은 차속에 의해 변화하며, 고속으로 됨에 따라 감소된다. 따라서, 이 조타력은 차속이 작을 때 일수록 커지며, 통상 핸들을 꺽는다고 하는 차속이 0일때에는 매우 커져서 거의 핸들조작이 불가능할 정도로 된다. 그리고, 실용상에서는 자동차를 차고에 넣을 때나 종렬 주차를 할 때에는 이 조작이 필요하다.

한편, 고속시에 핸들조작력이 작아지면 오히려 위험해지므로 고속시에는 보조조타력을 작게 하거나 또는 주지 않도록 하는 것이 바람직하다. 그래서, 이 때문에 설치되어 있는 것이 연산회로(20)이며, (30)으로 나타낸 차속센서로부터 차속신호 υ를 입력하고, 토오크신호τ에 대해 소정의 연산처리를 실시하여 제 9도에 나타낸 바와 같이 함수 발생기(21)에서 주어지는 특성의 오프세프의 폭이 차속신호υ에 따라 넓어지도록 하고 있다.

제10도는 연산회로(20)의 일실시예이며, 정부(正負)분리회로(201), 2개의 가산기(202),(203), 또한 2개의 반전회로(204)(205) 그리고 아날로그 OR 회로(206)로 구성한 것이다. 그리고 이 연산회로(20)는 기본적으로는 신호 γ와 υ의 가산기로서의 기능을 하는 것이지만, 토오크신호γ가 정과 부의 값을 취하므로, 정부분리회로(201)에서 정극성일 때와 부극성으로 되었을 때를 분리하고, 정극성일 때에는 그대로 가산기(202)에서 신호υ로부터 감산하고 있지만, 부극성일 때에는 먼저 반전회로(204)에서 정극성으로 한 다음 가산기(203)에서 신호υ의 감산을 행하고 ,그후 다시 반전회(205)를 통하여 원래의 극성으로 돌아오도록 되어 있는 것이다.

이미 설명한 바와 같이 , 파워스테어링을 설치한 조타시스템의 조타감을 결정하는 커다란 포인트는 정상적인 복원 특성이 남아 있는지 아닌지에 있다, 즉, 자동차의 조타시스템에는 전향차륜의 캐스터 효과등을 이용하여 복원 특성을 부여하도록 하고 있는 것이 일반적이며, 이 때문에 핸들조작에 의해 소정의 타각을 부여한 다음은 이 복원 특성에 의해 핸들에 주어지는 복원력을 이용한 운전조작이 널리 행해지며, 이것이 양호한 조타감을 부여하는 포인트로 되어 있으며, 따라서 파워스테어링의 장비에 의해서도 이 복원력을 손상시키지 않도록 하지 않으면 안되는 것이다.

그래서, 이 때문에 제4도의 실시예에서는 가산기(22)를 사용하여 함수발생기(21)의 출력에 타각 센서(10)의 신호 θ를 가산하고, 토오크 신호 γ에 대한 전동기(7)의 전류특성에 타각신호θ를 파라미터로 한 변화를 부여하여, 제11도에 나타낸 바와 같은 특성을 갖게 하는 것이다. 즉 토오크신호γ에 대한 전동기전류 특성에 대한 타각신호 θ가 정극성으로 되었을 때에는 부방향의 변위를 부여하며, 부극성으로 되었을 때에는 정방향의 변위를 부여하도록 하며, 또한 이들 변위의 크기는 제3도에 나타낸 바와 같은 특성을 나타내는 타각신호 θ에 비례하도록 한 것이다.

이 결과, 핸들(1)이 중립위치로부터 소정의 타각위치까지 회동조작되고, 그후 핸들(1)에 대한 운전자의 파악(把握力)이 완화되어 토오크신호γ가 소정치 이하로 감소되었을 때에는 그때의 타각의 방향에 따라 예를 들면 타각이 +라면 -방형의 전동기전류가 , 그리고 -라면 +방향의 전동기전류가 각각 흐르도록 작용한다.

그래서, 제3도에 나타낸 토오크센서(6)의 특성을 적당히 선정하여, 제11도의 T로 나타낸 전동기전류의 크기가, 제1도에 있어서 랙(4)으로부터 피니온(9) 및 감속기구(10)를 통해 전동기(7)를 공전시켰을 때에 주어지는 마찰저항과 랙의 마찰력과 대략 같은 토오크를 전동기(7)에 발생시키기 위해 필요한 값으로 되도록 정해 두면, 타이어(5)의 복원력에 대해 보조복원력이 주어진 것으로 되며, 이에 의해 전동기(7), 감속기구(10), 또한 피니온(9)에 의한 마찰저항은 모두 소거되어 타이어 (5)에 의한 복원력은 본래의 크기대로 남게 되어서 양호한 조타감을 줄 수 있다.

따라서, 상기 실시예에 의하면 본원 발명의 파워스테어링을 장비함으로써 조타력 부담의 경감을 도모하면서, 조타시스템이 본래 가지고 있는 복원특성을 하등 손상시킬 염려가 없으며 항상 양호한 조타감을 줄 수 있고, 함수발생기(21)에 의해 항상 최적의 보조조타력을 부여할 수 있으며, 또 연산회로(20)에 의해 정차시에서의 꺾는 것을 용이하게 하고, 또한 저속시에서의 핸들조작을 가볍게 하면서 고속시에서의 주행안정성을 충분히 유지할 수 있는 파워스테어링장치를 얻을 수 있다.

그리고 , 이상의 실시예에서는 전동식 파워스테어링 장치에 본원 발명을 적용한 경우에 대해 설명했지만, 본원 발명은 이것에 한정되지 않고 실시 가능한 것은 물론이며, 예를 들면 종래부터 널리 사용되고 있는 액압식의 서보모터에 의해 보조조타력을 부여하는 방식의 파워스테어링장치에 적용해서 보조복원력을 부여하여 양호한 조타감을 얻을 수도 있다.

이상 설명한 것처럼 본원 발명에 의하면 파워스테어링을 장비해도 복원 특성을 손상시킬 염려가 없으므로 종래 기술의 결점을 제거하며, 핸들조작이 유연하고, 더욱 핸들의 복원을 이용한 양호한 조타감을 부여할 수 있는 파워스테어링 제어장치를 용이하게 제공할 수 있다.

Claims (4)

1. 조타핸들에 가해진 조타력의 소정의 함수에 따라 액츄에이터를 제어하며, 이 액츄에이터에 의해 보조 조타력을 부여하도록 한 파워스테어링 제어장치에 있어서, 타각(舵角)을 검출하는 센서수단을 설치하고, 타각과 상기 조타력에 따라 상기 액츄에이터를 제어하며, 타각에 대해 보조복원력을 부여하도록 구성한 것을 특징으로 하는 파워스테어링 제어장치.
2. 제2항에 있어서, 상기 소정의 함수가 조타력에 대해 오프세트를 갖는 고차함수로 되도록 구성한 것을 특징으로 하는 파워스테어링 제어장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 오프세트의 폭을 차량의 주향속도에 4K라 변화시키도록 구성한 것을 특징으로 하는 파워스테어링 제어 장치.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한항에 있어서, 상기 액츄에이터가 전동기와 감속기구로 이루어진 전동식 액츄에이터인 것을 특징으로 하는 파워스테어링 제어장치.

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