KR100421423B1 - 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치 - Google Patents

반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 조향휠을 회전시키면 바퀴 조향용 모터가 차량의 바퀴를 조향 작동시키는 전기 조향 장치에 있어서, 상기 조향휠의 중심에 수직으로 연결된 조향축과, 양단에 장착된 지그를 통하여 조향축 타단과 차체 사이에 연결되는 비틀림 스프링과, 전류량에 따라 조향 반력을 제공하는 감쇠기와, 상기 조향축 일단에 맞물려 상기 조향휠의 회전량을 검출하는 회전각 센서와, 상기 조향축 일단에 맞물려 상기 조향휠의 토크량을 검출하는 토크 센서로 이루어진 조향 조작부와; 상기 감쇠기의 회전 저항력을 제어하는 전류 조절기와; 상기 토크 센서로부터 입력되는 토크량에 따라 상기 전류 조절기를 제어하고, 상기 회전각 센서로부터 입력되는 회전변위량에 따라 상기 바퀴 조향용 모터를 제어하는 콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치에 관한 것이다.

Description

반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치{An Electric Steering Wheel Device Using A Semi Active Actuator}
본 발명은 실내운전연습장의 조향휠, 게임기의 반력휠, 자동차의 조향휠에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자기 유변 유체를 사용하는 감쇠기를 이용하여 조향휠에 운전자의 입력이 갑자기 사라지더라도 상기 조향휠이 가속되지 않고, 반능동의 부드러운 조향감을 운전자에게 전달하는 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치에 관한 것이다.
도 1은 종래의 능동형 구동기를 이용한 전기 조향 장치를 나타내는 전체 구성도이다.
기계적인 조향 장치는 조향휠과 바퀴 사이의 기계적 연결에 의하여 차량 상태 정보와 노면 정보가 운전자에게 전달되지만 전기 조향 장치에는 기계적 연결이 없기 때문에 운전자에게 적절한 조향 반력을 전달하기 위해서는 추가적인 제어가 필요하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 전기 조향 장치는 조향 조작부(700)와 조향 작동부(710)가 기계적인 연결없이 상기 조향 조작부(700)의 조향휠(600)로 부터 조향 입력을 받으면 상기 조향 조작부(700)의 바퀴 조향용 모터가 구동하여 바퀴 (660)를 조향하게 된다.
즉, 상기 조향휠(600)에 연결되어 상기 조향휠(600)에 의해 회동되는 제 1조향축과 상기 제 1 조향축에 소정간격 이격 설치되어 제자리 회동이 가능한 제 2조향축이 구성되어 있다. 상기 제 1조향축의 일측에는 상기 조향휠(600)에 조향 반력을 제공하기 위한 조향 반력 제공용 모터(610)가 기어(630)에 의하여 상기 제 1조향축과 맞물려 있다. 그리고 상기 제 2조향축의 일측에는 바퀴(660)를 조향하기 위한 바퀴 조향용 모터(620)가 기어(630)에 의하여 상기 제 2조향축과 맞물려 있다.
또한 상기 제 1조향축의 일단에는 상기 조향휠(600)의 회전각도를 검출하기 위한 조향휠(600) 앵글 센서와 상기 조향휠(600)에 인가되는 토크를 검출하기 위한 토크센서가 구비되어 있다. 그리고 상기 조향휠 앵글 센서(640)에서 인가되는 신호에 따라 상기 바퀴 조향용 모터(620)를 제어하여 상기 제 2조향축의 회동각도를 조정하는 콘트롤러(650)가 구성되어 있다. 또한 상기 콘트롤러(650)는 기계적인 조향 장치에서와 유사한 감각으로 상기 조향휠(600)을 조작할 수 있도록 상기 조향 반력 제공용 모터(610)를 제어한다.
이상과 같이 구성된 종래의 전기 조향 장치는 상기 조향휠(600)이 운전자의 조향 입력에 따라 차량의 진행방향을 바꾸는 기존의 조향휠(600)이 담당한 역할을 하면서, 동시에 운전자가 적절한 조타력을 느낄 수 있도록 하여야 한다. 따라서 상기 조향휠(600) 외에 운전자의 입력각을 측정하여 제어기에 전달하는 회전각 센서및 운전자에게 조향 반력을 전달하는 조향휠 구동기가 필요하다. 여기서 조향휠 구동기는 제어성능의 한계와 조향휠(600)의 안정성에 영향을 주는 매우 중요한 구성요소로서 모터가 사용된다.
그러나 전기 조향 장치의 조향휠(600)과 같은 관성이 작은 시스템을 모터와 같은 능동형 구동기를 이용하여 힘 궤환 제어를 할 경우에는 조향 입력이 사라지는 순간에 구동기인 상기 모터에 의하여 상기 조향휠(600)이 가속될 수 있기 때문에 시스템의 안정성을 보장하기 어렵다. 따라서 상기 모터와 같은 능동형 구동기를 통한 조향휠(600)의 구현은 차량의 조향 장치와 같은 안전성이 중요한 제어에서의 구동기로는 적합하지 않다. 또한 상기 모터와 같은 능동형 구동기의 사용 시 고주파의 토크가 상기 조향휠(600)에 전달되어 상기 운전자는 진동을 느끼게 되고 이러한 진동으로 인하여 운전자는 불쾌감을 느끼게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 감안하여 안출된 것으로써, 본 발명의 제 1목적은 반능동 구동기인 감쇠기를 이용하여 조향휠에 적절한 조향 반력을 제공함으로써, 운전자 입력 제거 시에도 안정성을 도모하고 운전자가 반능동의 부드러운 조향감을 느낄 수 있도록 하는 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치를 제공하는 것이다.
그리고 본 발명의 제 2목적은 자동차와 건설기계분야, 가상 현실 시스템 분야, 게임기 분야 등에 응용할 수 있도록 차량의 바퀴와 기계적 연결없이 차량정보에 따라 조향휠에 조향반력이 제공되는 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치를제공하는 것이다.
이러한 본 발명의 목적들은, 조향휠을 회전시키면 바퀴 조향용 모터가 차량의 바퀴를 조향 작동시키는 전기 조향 장치에 있어서,
상기 조향휠의 중심에 수직으로 연결된 조향축과, 양단에 장착된 지그를 통하여 조향축 타단과 차체 사이에 연결되는 비틀림 스프링과, 전류량에 따라 조향 반력을 제공하는 감쇠기와, 상기 조향축 일단에 맞물려 상기 조향휠의 회전량을 검출하는 회전각 센서와, 상기 조향축 일단에 맞물려 상기 조향휠의 토크량을 검출하는 토크 센서로 이루어진 조향 조작부와;
상기 감쇠기의 회전 저항력을 제어하는 전류 조절기와;
상기 토크 센서로부터 입력되는 토크량에 따라 상기 전류 조절기를 제어하고, 상기 회전각 센서로부터 입력되는 회전변위량에 따라 상기 바퀴 조향용 모터를 제어하는 콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치에 의하여 달성된다.
그리고, 상기 감쇠기는, 상기 조향축의 외주연에 고정되는 로터와, 상기 로터로부터 소정의 간격만큼 이격되어 설치되는 코일이 감긴 복수의 코어와, 상기 로터와 상기 복수의 코어를 수용하며 상기 로터와 소정의 간격만큼 이격되어 설치되는 하우징으로 구성되며, 상기 로터와 상기 코어와 상기 하우징 사이에 형성된 공간에는 자기 유변 유체가 채워져 있는 것이 특징이다.
또한, 상기 하우징은 상기 조향휠의 회전을 지지하도록 차체에 고정되는 것이 특징이며, 상기 비틀림 스프링은 직경을 다르게 하여 병렬로 연결된 이중 스프링 구조이며, 상기 비틀림 스프링의 나선방향은 서로 다른 것이 특징이다.
그리고, 상기 지그는 한 쌍을 이루며 원기둥 형상이고, 하나는 중심부가 상기 조향휠에 고정되며, 다른 하나는 차체에 고정되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 조향휠을 회전시키면 바퀴 조향용 모터가 차량의 바퀴를 조향 작동시키는 전기 조향 장치에 있어서,
조향휠의 중심에 수직으로 연결된 제 1조향축과, 양단에 장착된 제 1지그를 통하여 상기 제 1조향축과 제 2조향축 사이에 연결되는 제 1비틀림 스프링과, 양단에 장착된 제 2지그를 통하여 상기 제 2조향축과 차체 사이에 연결되는 제 2비틀림 스프링과, 상기 제 2조향축에 장착되어 상기 제 1비틀림 스프링에 의한 토크량을 조절하는 제 2감쇠기와, 기준토크와 상기 제 1비틀림 스프링에 의한 토크량을 비교하여 오차를 보정하기 위한 저항력을 제공하는 제 1감쇠기와, 상기 제 1조향축 일단에 맞물려 상기 조향휠의 각변위를 검출하는 제 1회전각 센서와, 상기 제 2조향축 일단에 맞물려 상기 제 2조향축의 각변위를 검출하는 제 2회전각 센서와, 상기 제 1조향축 일단에 맞물려 상기 조향휠의 토크량을 검출하는 토크 센서로 이루어진 조향 조작부와;
상기 제 1감쇠기의 회전 저항력을 제어하는 제 1전류 조절기와, 상기 제 2감쇠기의 회전저항력을 제어하는 제 2전류 조절기로 이루어진 전류 조절부와;
상기 토크 센서와, 상기 제 1회전각 센서와, 상기 제 2회전각 센서 값을 입력받아 상기 제 1전류 조절기와, 상기 제 2전류 조절기의 전류량을 제어하고 상기 바퀴 조향용 모터를 제어하는 콘트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치에 의하여 달성된다.
그리고, 상기 제 1 및 제2 감쇠기는, 상기 제 1 및 제 2조향축의 둘레에 각각 고정되는 로터와, 상기 로터로부터 소정의 간격만큼 이격되어 설치되는 코일이 감긴 복수의 코어와, 상기 로터와 상기 복수의 코어를 수용하며 상기 로터와 소정의 간격만큼 이격되어 설치되는 하우징으로 구성되고, 상기 로터와 상기 코어와 상기 하우징 사이에 형성된 공간에는 자기 유변 유체가 채워져 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하우징은 상기 조향휠의 회전을 지지하도록 차체에 고정되는 것을 특징이며, 상기 제 1비틀림 스프링은 직경을 다르게 하여 병렬로 연결된 이중 스프링 구조이며, 상기 제 1비틀림 스프링의 나선방향은 서로 다른 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제 2비틀림 스프링은 직경을 다르게 하여 병렬로 연결된 이중 스프링 구조이며, 상기 제 2비틀림 스프링의 나선방향은 서로 다른 것이 특징이고, 상기 제 2비틀림 스프링을 상기 제 1비틀림 스프링보다 강성이 작은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1지그는 한 쌍을 이루며 원기둥 형상이고, 하나는 중심부가 상기 제 1조향축에 고정되며, 다른 하나는 제 2조향축에 고정되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제 2지그는 한 쌍을 이루며 원기둥 형상이고, 하나는 중심부가 상기 2조향축에 고정되며, 다른 하나는 차체에 고정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
도 1은 종래의 능동형 구동기를 이용한 전기 조향 장치를 나타내는 전체 구성도,
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치를 나타내는 전체 구성도,
도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치를 구성하는 감쇠기의 단면도,
도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치를 구성하는 비틀림 스프링의 평면도,
도 5a는 본 발명의 제 1실시예에 따른 자기 유변 유체에 전류가 흐르기 전의 상태도,
도 5b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 자기 유변 유체에 전류가 흐를 때의 상태도,
도 6은 본 발명의 제 1실시예에 따른 기준 토크와 조향휠 토크를 주어진 조향휠 각속도 입력에 대하여 실험한 결과를 나타내는 그래프,
도 7은 본 발명의 제 2실시예에 따른 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치를 나타내는 전체 구성도,
도 8은 본 발명의 제 2실시예에 따른 기준 토크와 조향휠 토크를 주어진 조향휠 각속도 입력에 대하여 실험한 결과를 나타내는 그래프,
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 조향휠 20 : 조향축
30 : 감쇠기 32 : 로터
34 : 코어 36 : 자기 유변 유체
37 : 자성 입자 38 : 하우징
40 : 토크 센서 50 : 회전각 센서
60 : 지그 70 : 비틀림 스프링
80 : 전류 조절기 90 : 콘트롤러
110 : 바퀴 조향용 모터 120 : 바퀴
20a : 제 1조향축 30a : 제 1감쇠기
50a : 제 1회전각 센서 60a : 제 1지그
70a : 제 1 비틀림 스프링 80a : 제 1전류 조절기
20b : 제 2조향축 30b : 제 2감쇠기
50b : 제 2회전각 센서 60b : 제 2지그
70b : 제 2비틀림 스프링 80b : 제 2전류 조절기
200 : 조향 조작부 300 : 조향 작동부
400 : 전류 조절부
600 : 조향휠 610 : 조향 반력 제공용 모터
620 : 바퀴 조향용 모터 630 : 기어
640 : 조향휠 앵글 센서 650 : 콘트롤러
660 : 바퀴 700 : 조향 조작부
710 : 조향 작동부
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 주요한 특징은 운전자가 조향휠을 회전시켜 차량의 바퀴를 조향할 때 상기 바퀴와 상기 조향휠과 기계적인 연결구조 없이 조향하며 차량 상태 정보를 반능동 구동기인 감쇠기가 회전 저항력을 조향 반력의 형태로 상기 조향휠에 제공하여 상기 운전자에게 전달하는데 있다. 즉, 상기 조향휠은 조향의 안정성과 부드러운 조향감을 운전자에게 제공하기 위하여 상기 조향휠의 회전 각속도와 회전 방향과 같은 차량 상태 정보에 따라 적절한 조향 반력을 유지하는데 있다.
실시예 1
먼저, 도 2를 참조하여 본 발명의 제 1실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치를 나타내는 전체 구성도이고, 도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치를 구성하는 감쇠기의 단면도이며, 도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치를 구성하는 비틀림 스프링의 평면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 운전자가 손으로 잡고 좌우로 회전시켜 조향 동작을 입력시키는 링 형상의 조향휠(10)이 구비되어 있으며 상기 조향휠(10) 중심에는 상기 조향휠(10)의 회전을 지지하는 봉 형상의 조향축(20)이 수직으로 연결되어 있다. 그리고 상기 조향축(20)의 중간영역에는 회전 저항력을 유발시켜 운전자에게 조향 반력을 제공하기 위한 로터(32)와 복수의 코어(34)와 자기 유변 유체(36)로 구성된 감쇠기(30)가 장착되어 있다.
즉, 상기 감쇠기(30)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 조향축(20)의 외주연에 로터(32)가 고정되며, 상기 로터(32)의 양측에는 상기 로터(32)의 측면으로부터 소정의 간격만큼 이격되어 코일이 감긴 복수의 코어(34)가 설치되어 있다. 또한 상기 로터(32)와 상기 복수의 코어(34)를 수용하는 하우징(38)이 상기 로터(32)와 소정의 간격만큼 이격되어 설치되어 있으며, 상기 로터(32)와 상기 코어(34)와 상기 하우징(38) 사이에 형성된 공간에는 자기 유변 유체(36)가 채워져 있다.
여기서 자기 유변 유체(MRF : Magneto Rheological Fluid)(36)는 실리콘 오일 또는 미네랄 오일 등의 비전도성 용매 속에 미크론( μ) 크기의 자성을 가지는 입자들을 분산시킨 비콜로이드 용액으로서, 자기장이 부하되지 않은 경우에는 자성 입자가 분산되어 뉴턴 유체 성질을 띠지만, 자기장이 부하되면 분산된 자성 입자가 분극화를 일으켜 부하된 자기장과 평행방향으로 자성 입자가 연결되어 전단력이나 유동력에 대한 저항력을 가지는 유체이며, 가변전성유체(ERF: Electro Rheological fluid)의 빠른 응답속도의 장점은 그대로 가지고 있으면서 낮은 항복응력과 좁은 사용온도범위 및 특히 불순물에 대한 민감성 등의 단점을 극복한 유체이다.
또한 상기 조향축(20)상에는 상기 조향축(20)의 일단에 맞물려 상기 감쇠기(30)로부터 유발된 회전 저항력이 상기 운전자에게 조향 반력으로 제공되는 토크량을 검출하기 위한 토크센서(40)가 부착되어 있다. 그리고 상기 조향축(20)상에는 상기 조향축(20)의 일단에 맞물려 상기 조향휠(10)의 회전량을 검출하는 회전각 센서(50)가 부착되어 있다.
그리고 상기 조향축(20)의 타단과 차체사이에는 양단에 원기둥 형상의 지그(60)가 장착된 비틀림 스프링(70)이 부착되어 있다. 즉, 상기 비틀림 스프링 (70)의 양단에 상기 지그(60)가 각각 장착되어 하나는 상기 조향축(20)에 부착되고, 또 다른 하나는 차체에 부착되어 상기 운전자가 조향휠(10)을 회동시키면 상기 비틀림 스프링(70)의 탄성에 의하여 초기위치로 상기 조향휠(10)은 복원력을 받게 된다.
또한 상기 비틀림 스프링(70)은 도 4에 도시된 바와 같이, 두개의 비틀림 스프링(70)으로 직경을 다르게 하여 병렬로 연결하고 하나는 시계방향(CW)으로 감기고 또 다른 하나는 반시계 방향(CCW)으로 감아서 감긴 나선방향을 서로 다르게 한 이중 스프링 구조인 것이 특징이다. 상기 비틀림 스프링(70)이 이중 스프링 구조인 것은 상기 조향휠(10)을 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회동시킬 때 각각의 방향에 따라 복원력을 제공하기 위함이다.
도 5a는 본 발명의 제 1실시예에 따른 자기 유변 유체(36)에 전류가 흐르기 전의 상태도이고, 도 5b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 자기 유변 유체(36)에 전류가 흐를 때의 상태도이다.
아울러 상기 하우징(38)은 차체에 고정되어 있으며, 상기 조향휠(10)을 회동시키면 상기 자기 유변 유체(36)가 채워져 있는 상기 하우징(38) 속에서 상기 로터 (32)도 동시에 회동하게 된다. 이 때 상기 코어(34)에 전류를 인가하기 전이면 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 자기 유변 유체(36)는 각 자성 입자(37)들이 서로 분리되어 있는 뉴턴유체 상태로서, 상기 로터(32)의 회전에 저항력을 가하지 않게 된다.
그러나 상기 코어(34)에 전류를 인가하면 상기 자성 입자(37)들은 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 자기 유변 유체(36)의 각 자성 입자(37)들이 자기장과 평행한 방향으로 연결되는 빙햄유체 상태로 변하게 된다. 따라서 상기 로터(32)가 회전을 하기 위해서는 일렬로 늘어선 상기 자성 입자(37)들의 연결을 끊어야 하기 때문에 회전 저항력이 발생한다. 상기 자성 입자(37)들의 연결력은 전류량과 비례하여 전류의 흐름이 많을 수록 상기 로터(32)는 회전 저항력을 많이 받게 된다.
즉, 차량 상태 정보에 따라서 전류량을 증가 또는 감소시키면 상기 로터(32)의 회전 저항력은 곧바로 상기 조향휠(10)에 전달되어 상기 운전자는 상기 로터 (32)의 회전 저항력을 조향 반력으로 느끼게 된다.
상기 감쇠기(30)에 공급하는 전류는 전류 조절기(80)를 통하여 공급하며 상기 전류 조절기(80)가 공급하는 전류량은 콘트롤러(90)에 의하여 제어된다. 또한 상기 콘트롤러(90)는 상기 토크센서(40)와 상기 회전각 센서(50)와 연결되어 있으며, 상기 토크센서(40)로부터 입력되는 토크량에 따라 상기 전류 조절기(80)를 제어하여 상기 코어(34)에 공급하는 전류량을 콘트롤한다.
미설명 부호 39번은 자기력선의 방향을 도시화한 것이다.
도 6은 본 발명의 제 1실시예에 따른 기준 토크와 조향휠 토크를 주어진 조향휠 각속도 입력에 대하여 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.
즉, 상기 운전자가 적절한 조타력을 느낄 수 있도록 상기 조향휠(10)에 조향 반력을 제공하는 상기 감쇠기(30)는 도 6에 도시된 바와 같이 상기 조향휠(10)의 각속도(d)와 회전각도(c)에 따라 상기 콘트롤러(90)에 의하여 전류량을 제어받아 기설정된 기준 토크(b)와 가깝게 조향휠 토크(a)를 생성한다. 여기서, X축은 시간 (sec)을 나타내고, Y축은 토크(Nm)를 나타내고 있으며, 시간의 변화에 따른 기준 토크(b)와 조향휠 토크(a)의 변화량을 보여주는 것이다.
그리고 상기 콘트롤러(90)는 상기 조향휠(10)의 회전각도(c)를 검출하는 상기 회전각 센서(50)의 회전변위량을 입력받아 상기 콘트롤러(90)와 연결된 조향장치의 바퀴조향용 모터(110)를 제어한다.
실시예 2
도 7은 본 발명의 제 2실시예에 따른 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치를 나타내는 전체 구성도이다.
본 실시예의 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치의 조향휠(10)은 상기 조향축(20) 하단에 다른 조향축을 하나 더 구비하고 감쇠기(30)와 회전각 센서(50) 및 비틀림 코일 스프링을 추가로 구성하여 상기 실시예 1과 동작원리는 같으나 상기 조향휠(10)의 토크가 기설정된 기준 토크(b)와 더욱 가깝게 구현되는 것이 특징이다.
즉, 반능동 구동기인 감쇠기(30)를 이용하여 힘 궤한 제어를 수행할 경우에는 운전자에 의하여만 전기 조향 장치에 에너지가 인가될 수 있고, 감쇠기(30)는 전기 조향 장치의 에너지를 소산시킬 뿐 상기 전기 조향 장치에 에너지를 인가할 수 없는 구속 조건을 가지게 된다. 이러한 구속 조건은 도 6에 도시된 A부분에서 알 수 있듯이 구동기의 수동 구속으로 인하여 상기 조향휠(10)을 이용하여 표현할 수 있는 반력의 범위에 제한이 따르게 된다. 이하에서는 반력의 구현에 제한이 따르게 되는 A부분을 수동 구속 구간(Passive Constraint Range)이라 칭하며, 실시예 2는 이러한 수동 구속 구간(A)을 최소화 시켜 구현하고자하는 상기 조향휠 토크(a)를 상기 기준 토크(b)에 근접시키는 것에 특징이 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 조향 조작부(200)는 운전자가 손으로 잡고 좌우로 회전시켜 조향 동작의 입력을 하는 링 형상의 조향휠(10)이 구비되어 있으며 상기 조향휠(10)의 중심에는 상기 조향휠(10)의 회전을 지지하는 봉 형상의 제 1조향축 (20a)이 수직으로 연결되어 있다. 그리고 상기 제 1조향축(20a)의 하단에는 제 2조향축(20b)이 양단에 제 1지그(60a)가 장착된 제 1비틀림 스프링(70a)에 의하여 일직선상으로 연결되어 있다. 또한 상기 제 2조향축(20b)의 하단과 차체사이에는 양단에 제 2지그(60b)가 장착된 제 2비틀림 스프링(70b)이 연결되어 있다.
즉, 상기 조향휠(10)의 중심에 제 1조향축(20a)이 연결되어 있으며 상기 제 1조향축(20a)의 하단에는 제 1비틀림 스프링(70a)이 연결되어 있고, 상기 제 1비틀림 스프링(70a)의 하단에는 제 2조향축(20b)이 연결되어 있고, 상기 제 2조향축 (20b)의 하단에는 제 2비틀림 스프링(70b)이 연결되어 있으며, 상기 제 2비틀림 스프링(70b)은 차체에 연결되어 상기 조향휠(10)과 차체사이에 일직선을 이루고 있다.
그리고 상기 제 1조향축(20a)의 중간영역에는 로터(32)와 복수의 코어(34)와 자기 유변 유체(36)로 구성된 제 1감쇠기(30a)가 장착되어 있다. 또한 상기 제 1조향축(20a) 일단에 맞물려 상기 조향휠(10)의 토크량을 검출하는 토크센서(40)가 부착되어 있으며, 상기 제 1조향축(20a) 일단에 맞물려 상기 제 1조향휠의 각변위를 검출하는 제 1회전각 센서(50a)가 부착되어 있다.
또한 상기 제 2조향축(20b)의 중간영역에는 로터(32)와 복수의 코어(34)와 자기 유변 유체(36)로 구성된 제 2감쇠기(30b)가 장착되어 있으며, 상기 제 2조향축(20b) 일단에 맞물려 상기 제 2조향축(20b)의 각변위를 검출하는 제 2회전각 센서(50b)가 부착되어 있다.
즉, 상기 제 1감쇠기(30a) 및 제 2감쇠기(30b)는 실시예 1의 도 3에 도시된 바와 같은 구조이며, 상기 제 1비틀림 스프링(70a) 및 제 2비틀림 스프링(70b)은 도 4에 도시된 바와 같은 구조인 것이 특징이다.
아울러 전류 조절부(400)는 상기 제 1감쇠기(30a)에 전류를 공급하여 상기 제 1감쇠기(30a)의 회전 저항력을 제어하는 제 1전류 조절기(80a)와, 상기 제 2감쇠기(30b)에 전류를 공급하여 상기 제 2감쇠기(30b)의 회전 저항력을 제어하는 제 2전류 조절기(80b)로 이루어져 있다.
또한 상기 토크센서(40)와, 제 1회전각 센서(50a)와, 상기 제 2회전각 센서 (50b) 값을 입력받아 상기 제 1전류 조절기(80a)와, 상기 제 2전류 조절기(80b)의 전류량을 제어하고 조향장치의 상기 바퀴 조향용 모터(110)를 제어하기 위한 콘트롤러(90)가 구성되어 있다.
이상과 같이 구성된 본 실시예는 상기의 수동 구속 구간(A)을 줄이기 위하여 제 1감쇠기(30a) 및 제 2감쇠기(30b) 사이에 에너지 저장요소인 상기 제 1비틀림 스프링(70a)을 연결하여 운전자가 가하는 에너지를 상기 제 1비틀림 스프링(70a)에 저장하여 구현 가능한 반력의 범위를 변화시킬 수 있는 구조이다.
여기서, 운전자가 느끼는 조향 반력은 제 1비틀림 스프링(70a)과 제 1감쇠기 (30a)에 의한 토크로 대부분 구성되는데, 이때 제 1비틀림 스프링(70a)에 의한 토크만으로 기준 토크(b)를 생성하도록 제 2감쇠기(30b)를 제어하고, 상기 기준 토크 (b)와 제 1스프링에 의한 토크의 차이만큼을 제 1감쇠기(30a)가 생성한다.
즉, 상기 제 1비틀림 스프링(70a)의 토크는 상기 제 1조향축(20a)의 회전각(θ1)에서 상기 제 2조향축(20b)의 회전각(θ2)을 뺀 값에 스프링 상수 K의 곱으로 산출된다. 따라서 상기 제 2감쇠기(30b)는 상대 각변위(θ1- θ2)를 제어하여 상기 제 1비틀림 스프링(70a)이 기준 토크(b)에 가까운 토크를 형성하게 하고, 상기 제 1감쇠기(30a)는 상기 기준 토크(b)와 상기 제 1비틀림 스프링(70a)에 의한 토크(K(θ1- θ2))의 차이만큼을 소산한다.
도 8은 본 발명의 제 2실시예에 따른 기준 토크와 조향휠 토크를 주어진 조향휠 각속도 입력에 대하여 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6의 그래프에서 설명한 바와 같이, 도 8에 도시된 그래프도 X축은 시간 (sec)을 나타내고, Y축은 토크(Nm)를 나타내고 있으며, 시간의 변화에 따른 기준토크(b)와 조향휠 토크(a)의 변화량을 보여주는 것이다.
따라서 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 조향휠 토크(a)는 상기 수동 구속 구간(A)을 줄이면서 상기 기준 토크(b)를 근접하게 추종하여 운전자에게 부드러운 조향 반력을 제공하게 된다.
그리고 실시예 1과 마찬가지로 상기 제 2비틀림 스프링(70b)은 이중 스프링 구조로서 상기 조향휠(10)의 회전에 따라 상기 조향휠(10)에 복원력을 제공하는 기능으로 상기 제 1비틀림 스프링(70a)보다 작은 강성을 가진 것이 특징이다. 또한 상기 콘트롤러(90)는 상기 제 1회전각 센서(50a)와, 상기 제 2회전각 센서(50b)와, 상기 토크센서(40)의 값을 입력받아 상기 조향휠 토크(a)가 상기 기준 토크(b)를 추종하도록 상기 제 1전류 조절기(80a) 및 제 2전류 조절기(80b)를 제어한다. 그리고 상기 제 1회전각 센서(50a)가 검출하는 상기 조향휠(10)의 각도에 따라 상기 조향 작동부(300)의 바퀴 조향용 모터(110)를 제어하여 진행하고자 하는 방향으로 바퀴(120)를 조향한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치에 의하면, 반능동 구동기인 감쇠기(30)를 이용하여 조향휠(10)에 적절한 조향 반력을 제공함으로써, 운전자가 반능동의 부드러운 조향감을 느낄 수 있게 되었다. 그리고 자기 유변 유체(36)를 이용한 감쇠기(30)를 이용하므로 운전자의 조향 입력이 갑자기 사라지더라도 조향휠(10)을 가속할 위험이 없게 되어 안전성을 확보할 수 있게 되었다.
또한 차량의 바퀴와 기계적 연결없이 차량정보에 따라 조향휠(10)에 조향반력이 제공되므로 자동차와 건설기계분야, 가상 현실 시스템 분야, 게임기 분야 등과 같이 다양한 분야에 보다 폭넓게 응용할 수 있게 되었다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

Claims (13)

  1. 조향휠(10)을 회전시키면 바퀴 조향용 모터(110)가 차량의 바퀴(120)를 조향 작동시키는 전기 조향 장치에 있어서,
    상기 조향휠(10)의 중심에 수직으로 연결된 조향축(20)과, 양단에 장착된 지그(60)를 통하여 상기 조향축(20) 타단과 차체 사이에 연결되는 비틀림 스프링(70)과, 전류량에 따라 조향 반력을 제공하는 감쇠기(30)와, 상기 조향축(20) 일단에 맞물려 상기 조향휠(10)의 회전량을 검출하는 회전각 센서(50)와, 상기 조향축(20) 일단에 맞물려 상기 조향휠(10)의 토크량을 검출하는 토크 센서(40)로 이루어진 조향 조작부(200)와;
    상기 감쇠기(30)의 회전 저항력을 제어하는 전류 조절기(80)와;
    상기 토크 센서(40)로부터 입력되는 토크량에 따라 상기 전류 조절기(80)를 제어하고, 상기 회전각 센서(50)로부터 입력되는 회전변위량에 따라 상기 바퀴 조향용 모터(110)를 제어하는 콘트롤러(90)를 포함하여 이루어지며;
    상기 감쇠기(30)는,
    상기 조향축(20)의 외주연에 고정되는 로터(32)와,
    상기 로터(32)의 상하부에 설치되는 코일 복합체 구조이며, 외부 전기공급에 의하여 로터(32)의 상하부면에 자기력을 인가할 수 있도록 자기력의 범위가 미치는 공간내에 다수개 설치되는 코어(34)와,
    상기 로터(32)와 코어(34) 사이에 체워지는 액상 재료로써, 코어(32)에서 제공하는 자기력에 따라서 자기장과 평행한 방향으로 분극을 일으켜 로터(32)의 회전에 저항성을 제공하는 유체(36)와,
    중심축으로 상기 조향축(20)이 관통되고, 상기 로터(32)와 코어(34) 및 유체(36)를 장착하는 공간부를 갖는 하우징(38)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 비틀림 스프링(70)은 직경을 다르게 하여 병렬로 연결된 이중 스프링 구조이며, 상기 비틀림 스프링(70)의 나선방향은 서로 다른 것을 특징으로 하는 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 지그(60)는 한 쌍을 이루며 원기둥 형상이고, 하나는 중심부가 상기 조향휠(10)에 고정되며, 다른 하나는 차체에 고정되는 것을 특징으로 하는 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치.
  6. 조향휠(10)을 회전시키면 바퀴 조향용 모터(110)가 차량의 바퀴(120)를 조향 작동시키는 전기 조향 장치에 있어서,
    조향휠(10)의 중심에 수직으로 연결된 제 1조향축(20a)과, 양단에 장착된 제 1지그(60a)를 통하여 상기 제 1조향축(20a)과 제 2조향축(20b) 사이에 연결되는 제 1비틀림 스프링(70a)과, 양단에 장착된 제 2지그(60b)를 통하여 상기 제 2조향축(20b)과 차체 사이에 연결되는 제 2비틀림 스프링(70b)과, 상기 제 2조향축(20b)에 장착되어 상기 제 1비틀림 스프링(70a)에 의한 토크량을 조절하는 제 2감쇠기(30b)와, 기준토크와 상기 제 1비틀림 스프링(70a)에 의한 토크량을 비교하여 오차를 보정하기 위한 저항력을 제공하는 제 1감쇠기(30a)와, 상기 제 1조향축(20a) 일단에 맞물려 상기 조향휠(10)의 각변위를 검출하는 제 1회전각 센서(50a)와, 상기 제 2조향축(20b) 일단에 맞물려 상기 제 2조향축(20b)의 각변위를 검출하는 제 2회전각 센서(50b)와, 상기 제 1조향축(20a) 일단에 맞물려 상기 조향휠(10)의 토크량을 검출하는 토크 센서(40)로 이루어진 조향 조작부(200)와;
    상기 제 1감쇠기(30a)의 회전 저항력을 제어하는 제 1전류 조절기(80a)와, 상기 제 2감쇠기(30b)의 회전저항력을 제어하는 제 2전류 조절기(80b)로 이루어진 전류 조절부(400)와;
    상기 토크 센서(40)와, 상기 제 1회전각 센서(50a)와, 상기 제 2회전각 센서(50b) 값을 입력받아 상기 제 1전류 조절기(80a)와, 상기 제 2전류 조절기(80b)의 전류량을 제어하고 상기 바퀴 조향용 모터(110)를 제어하는 콘트롤러(90);를 포함하며;
    상기 제 1감쇠기(30a) 및 제 2감쇠기(30b)는,
    상기 제 1 및 제 2조향축(20a, 20b)의 둘레에 각각 고정되는 로터(32)와,
    상기 로터(32)의 상하부에 설치되는 코일 복합체 구조이며, 외부 전기 공급에 의하여 로터(32)의 상하부면에 자기력을 인가할 수 있도록 자기력의 범위가 미치는 지역내에 다수개 설치되는 코어(34)와,
    상기 로터(32)와 코어(34) 사이에 체워지는 액상재료로써, 코어(32)에서 제공하는 자기력에 따라서 자기장과 평행한 방향으로 분극을 일으켜 로터(32)의 회전에 저항성을 제공하는 유체(36)와,
    중심축으로 상기 조향축(20a, 20b)이 관통되고, 상기 로터(32)와 코어(34) 및 유체(36)를 장착하는 공간부를 갖는 하우징(38)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 6항에 있어서, 상기 제 1비틀림 스프링(70a)은 직경을 다르게 하여 병렬로 연결된 이중 스프링 구조이며, 상기 제 1비틀림 스프링(70a)의 나선방향은 서로 다른 것을 특징으로 하는 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치.
  10. 제 6항에 있어서, 상기 제 2비틀림 스프링(70b)은 직경을 다르게 하여 병렬로 연결된 이중 스프링 구조이며, 상기 제 2비틀림 스프링(70b)의 나선방향은 서로 다른 것을 특징으로 하는 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치.
  11. 제 6항에 있어서, 상기 제 2비틀림 스프링(70b)을 상기 제 1비틀림 스프링(70a)보다 강성이 작은 것을 특징으로 하는 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치.
  12. 제 6항에 있어서, 상기 제 1지그(60a)는 한쌍을 이루며 원기둥 형상이고, 하나는 중심부가 상기 제 1조향축(20a)에 고정되며, 다른 하나는 제 2조향축(20b)에 고정되는 것을 특징으로 하는 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치.
  13. 제 6항에 있어서, 상기 제 2지그(60b)는 한쌍을 이루며 원기둥 형상이고, 하나는 중심부가 상기 2조향축에 고정되며, 다른 하나는 차체에 고정되는 것을 특징으로 하는 반능동 구동기를 이용한 전기 조향 장치.
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