KR100605792B1 - 조타 제어 장치 - Google Patents

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마사히코 구리시게
도시히데 사타케
노리유키 이노우에
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

스티어링축(steering shaft) 반력 토크 추정 수단에 의해 스티어링축 반력 토크를 추정하고, 기준 노면 반력 토크 추정 수단에 의해 기준 노면 반력 토크를 추정한 후, 추정된 스티어링축 반력 토크 및 기준 노면 반력 토크를 가중(weighting)하여, 목표 조타 반력 토크 생성 수단에 의해, 이들에 근거하여 목표 조타 반력 토크를 설정하도록 하여, 목표 조타 반력 토크의 히스테리시스폭과 경사(width and inclination of a hysteresis)를 각각 조절하여, 용이하게 조타감을 개선한다.

Description

조타 제어 장치{STEERING CONTROL DEVICE}
본 발명은 목표 조타 반력 토크의 히스테리시스폭과 경사(width and inclination of a hysteresis)를 조절하여, 조타감(steering feeling)을 개선한 조타 제어 장치에 관한 것이다.
일본 특허 공개 제 2000-238654 호 공보에 기재되어 있는 종래의 조타 제어 장치로서는, 조타 반력 토크를 이하에 의해 정하고 있었다.
조타 반력 토크 = K·타이어 반력 + 보정값
단, 보정값은 차량 속도와 조타각으로부터 설정한다.
이에 따라, 적절한 히스테리시스를 갖는 조타 반력 특성(조타각 - 조타 반력 특성)을 실현하고 있었다.
또한, 일본 특허 공개 제 2002-274405 호 공보에 기재되어 있는 종래의 조타 제어 장치로서는, 조타 반력 토크를 이하에 의해 정하고 있었다. 그것에 의하여 기계적으로 연결되어 있지 않은 분리형 파워 스티어링(power steering) 장치에 있어서, 종래의 파워 스티어링 장치 탑재 차량과 동등한 조타감을 실현하고 있었다.
조타 반력 토크 The = (1 + f(o))-1 SAT
SAT : 셀프 얼라이닝 토크(Self Aligning Torque)
f(o) : 어시스트 토크(assist torque) Tem = f(o)·The
또한, 일본 특허 공개 제 2002-19631 호 공보에 기재되어 있는 종래의 조타 제어 장치로서는, 히스테리시스가 있는 조타 반력 토크를 터닝 인크리즈/터닝 백(turning increase/turning back) 판정 수단과 미리 설정한 핸들각과 조타 반력 토크의 관계식으로부터 생성했다.
일본 특허 공개 제 2000-238654 호 공보에 개시된 종래의 조타 제어 장치로서는, 「조타 반력 토크 = K·타이어 반력 + 보정값」에 의해 조타 반력 토크의 히스테리시스와 경사를 조절할 수 있지만, 보정값을 미리 설정해야 하여, 노면 마찰 μ의 변화 등에 따라서는, 적절한 보정값으로 되지 않는 경우가 있다.
또한, 일본 특허 공개 제 2002-274405 호 공보에 개시된 종래의 스티어 바이 와이어(steer-by-wire)로서는, 파워 스티어링의 어시스트 맵(assist map)의 관계와 추정한 셀프 얼라이닝 토크로부터 조타 반력 토크를 설정하기 때문에, 파워 스티어링 시스템 탑재 차량과 동등한 조타감을 얻을 수 있지만, 조타감을 종래의 파워 스티어링 장치 탑재 차량보다 더욱 향상시키도록 조타 반력의 히스테리시스폭이나 경사를 자유롭게 설정하는 것이 용이하지 않다.
또한, 일본 특허 공개 제 2002-19631 호 공보에 개시되는 종래의 조타 제어 장치로서는, 핸들각과 조타 반력 토크의 관계식을 미리 설정해야 하기 때문에, 복 잡한 조타 반력 토크를 설정하기 위해서는, 매칭(matching) 단계 수가 많아지고, 또한 연산 처리가 복잡하게 된다. 또한, 차륜에 걸리는 외력은 노면 마찰 계수, 조타 상황 등에 의해서 변화된다. 조타각과 차량 속도로부터 수식적으로 구한 조타 반력 토크로서는, 차륜에 걸리는 외력이나 조타 장치에 내재하는 마찰을 충분히 고려한 조타 반력 토크를 제어할 수 없기 때문에, 차량 거동을 인식할 수 없는 문제가 있고, 또한 조타감을 악화시키는 우려가 있다.
발명의 요약
본 발명은 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해서 실시된 것으로서, 목표 조타 반력 토크의 히스테리시스폭과 경사를 각각 조절하여, 용이하게 조타감을 개선하는 목표 조타 반력 토크를 생성할 수 있고, 노면 마찰의 변화에 대하여도 적절한 조타 반력 토크를 얻을 수 있는 조타 제어 장치를 얻는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명에 관계되는 조타 제어 장치에 있어서는, 핸들에 인가되는 조타 반력 토크의 목표값인 목표 조타 반력 토크를 생성하는 목표 조타 반력 토크 생성 수단을 갖고, 조타 반력 토크가 목표 조타 반력 토크에 일치하도록 제어하는 조타 제어 장치에 있어서, 목표 조타 반력 토크 생성 수단은 스티어링축(steering shaft) 반력 토크를 추정하는 스티어링축 반력 토크 추정 수단, 및 기준 노면 반력 토크를 추정하는 기준 노면 반력 토크 추정 수단을 구비하고, 스티어링축 반력 토크 추정 수단에 의해서 추정된 스티어링축 반력 토크 및 기준 노면 반력 토크 추정 수단에 의해서 추정된 기준 노면 반력 토크를 이용하여 목표 조타 반력 토크를 설정하기 때문에, 주행시의 차량 거동을 운전자에게 전달할 수 있어, 자연스러운 조타감을 얻을 수 있는 동시에, 목표 조타 반력 토크의 히스테리시스폭과 경사를 각각 조절할 수 있으므로, 조타감을 향상시키는 적절한 목표 조타 반력 토크를 용이하게 설정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 의한 조타 제어 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 도면,
도 2는 본 발명의 실시예 1에 의한 조타 제어 장치의 목표 조타 반력 토크 생성 수단을 나타내는 플로우차트,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 의한 조타 제어 장치의 스티어링축 반력 토크 Tste와 기준 노면 반력 토크 Troad의 관계를 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예 1에 의한 조타 제어 장치의 가중(weighting) 계수 W의 예를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 실시예 1에 의한 조타 제어 장치의 반력 게인(reaction torque gain) K1의 예를 나타내는 도면,
도 6은 본 발명의 실시예 1에 의한 조타 제어 장치의 스티어링축 반력 토크와 목표 조타 반력 토크를 도시하는 도면,
도 7은 본 발명의 실시예 1에 의한 조타 제어 장치의 가중 계수 P의 맵(map)의 예를 나타내는 도면,
도 8은 본 발명의 실시예 1에 의한 조타 제어 장치의 조타 각속도의 필터 처리의 차이를 도시하는 도면,
도 9는 본 발명의 실시예 2에 의한 조타 제어 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 도면,
도 10은 본 발명의 실시예 3에 의한 조타 제어 장치의 구성의 개략을 도시하는 도면,
도 11은 본 발명의 실시예 3의 플로우차트,
도 12는 본 발명의 실시예 4에 의한 조타 제어 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 도면,
도 13은 본 발명의 실시예 1에 의한 조타 제어 장치의 목표 조타 반력 토크와 타 유지시(during holding a steering wheel)의 목표 조타 반력 토크와의 관계를 도시하는 도면.
실시예 1
도 1은 본 발명의 실시예 1에 의한 조타 제어 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 1에 있어서는, 운전자가 핸들(1)을 조작하는 조타 기구(16)와, 차륜(15)을 터닝(turning)하는 휠 터닝 기구(wheel turning mechanism)(17)가 기계적으로 결합하지 않는, 이른바 스티어 바이 와이어 시스템(steer-by-wire system)이라고 불리는 조타 제어 장치이다. 조타 기구(16)는 핸들축(2)을 통하여 핸들(1)의 조타각을 검출하는 핸들각 검출 수단(3)과, 핸들에 인가되는 조타 반력 토크를 검출하는 조타 반력 토크 검출 수단(4)과, 이 조타 반력 토크를 임의로 제어하는 반력 모터(5)를 구비한다. 휠 터닝 기구(17)는 조타 차륜의 차륜 타각(wheel steering angle of the steered wheel)에 대응하는 각도를 검출하는 차륜 타각 검출 수단(wheel steering angle detection means)(11)과, 차륜 타각을 임의로 제어하는 타각 모터(steering angle motor)(8)를 구비한다. 타각 모터(8)에 의해 제어된 스티어링축(10)의 회전각이 피니언 기어(12), 랙(rack)(13), 너클 아암(knuckle arm)(14)을 거쳐, 차륜(15)의 차륜 타각으로 변환된다.
제어 장치(7)는 차륜 터닝(turning the wheel)시에 차륜에 작용하는 반력의 스티어링축 환산값과 휠 터닝 기구에 작용하는 마찰 토크의 스티어링축 환산값의 합인 스티어링축 반력 토크를 추정하는 스티어링축 반력 토크 추정 수단 및 차륜 터닝시에 차륜에 작용하는 반력의 스티어링축 환산값인 기준 노면 반력 토크를 추정하는 기준 노면 반력 토크 추정 수단을 구비하고, 추정된 스티어링축 반력 토크 및 기준 노면 반력 토크로부터 핸들에 인가하는 조타 반력 토크의 목표값을 생성하는 목표 조타 반력 토크 생성 수단과, 목표 조타 반력 토크와 조타 반력 토크 검출 수단(4)에 의해 검출되는 조타 반력 토크가 일치하도록 반력 모터를 구동하기 위한 목표 전류값을 설정하는 조타 반력 토크 제어 수단과, 조타 차륜의 목표 차륜 타각을 생성하는 목표 차륜 타각 생성 수단과, 목표 차륜 타각과 차륜 타각 검출 수단(11)의 출력이 일치하도록 타각 모터를 구동하기 위한 목표 전류값을 설정하는 차륜 타각 제어 수단을 구비한다.
구동 회로(6)는 반력 토크 제어 수단에 의해 설정되는 목표 전류가 반력 모터에 인가되도록 구동 전류의 제어를 실시한다. 구동 회로(9)는 차륜 타각 제어 수단에 의해 설정되는 목표 전류가 타각 모터에 인가되도록 구동 전류의 제어를 실시한다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 의한 조타 제어 장치의 목표 조타 반력 토크 생성 수단을 나타내는 플로우차트이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 의한 조타 제어 장치의 스티어링축 반력 토크 Tste와 기준 노면 반력 토크 Troad의 관계를 도시하는 도면이다.
도 3에 있어서, 가로축은 조타각, 세로축은 토크이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 의한 조타 제어 장치의 가중 계수 W의 예를 나타내는 도면이다.
도 4에 있어서, 가로축은 기준 노면 반력 토크의 절대값, 세로축은 가중 계수이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 의한 조타 제어 장치의 반력 게인 K1의 예를 나타내는 도면이다.
도 5에 있어서, 가로축은 기준 노면 반력 토크의 절대값, 세로축은 반력 게인이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 의한 조타 제어 장치의 스티어링축 반력 토크와 목표 조타 반력 토크를 도시하는 도면이다.
도 6에 있어서, 가로축은 타각(steering angle), 세로축은 토크이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에 의한 조타 제어 장치의 가중 계수 P의 맵의 예를 나타내는 도면이다.
도 7에 있어서, 가로축은 조타 각속도, 세로축은 가중 계수 P 이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에 의한 조타 제어 장치의 조타 각속도의 필터 처리의 차이를 도시하는 도면이다.
도 8에 있어서, 가로축은 시간, 세로축은 조타 각속도의 절대값이다.
다음에, 도 2의 플로우차트를 이용하여, 목표 조타 반력 토크 생성 수단에 대하여, 순차적으로 설명한다.
우선, 도 2의 단계 S1의 스티어링축 반력 토크 추정 수단에 대하여 설명한다.
스티어링축 반력 토크는 차륜 터닝시에 차륜에 작용하는 노면 반력의 스티어링축 환산값(기준 노면 반력 토크 Troad)와 휠 터닝 기구(17)에 작용하는 마찰 토크의 스티어링축 환산값 Tfric의 합이다. 이 스티어링축 반력 토크의 추정 수법으로서 이하의 방법을 이용하고 있다.
도 1의 휠 터닝 기구(17)는, 일반적인 전동 파워 스티어링 장치에 있어서, 어시스트 모터(assist motor)의 출력만으로 차륜을 터닝하고 있는 것에 대응한다. 역학적으로(mechanically), 스티어링축 반력 토크 Tste는 타각 모터 전류 Ima, 타각 모터 토크 정수 Kma, 타각 모터의 관성 Jma, 타각 모터 기어비[타각 모터(8)로부터 스티어링축(10)까지의 기어비] Gma, 스티어링축 각 가속도 d2θ/dt2 라고 하면, 수학식 1의 관계가 성립한다.
[수학식 1]
Tste = Gma·Kma·Ima - Gma2·Jma·d2θ/dt2
스티어링축 각 가속도 d2θ/dt2는 차륜 타각 검출 수단(11)의 출력값을 2번 미분함으로써 얻어진다. 모터의 관성항을 고려하면, 초기 조타시의 스티어링축 반력 토크를 양호한 정밀도로 추정할 수 있다.
특히, 모터의 관성이 작고, 모터 관성의 영향이 무시될 수 있는 경우, 수학식 2로 노면 반력 Tste를 추정할 수 있다.
[수학식 2]
Tste = Gma·Kma·Ima
Tste에 노이즈가 포함되는 경우는, 지연(delay)이 문제가 되지 않는 정도의 컷오프 주파수(cut-off frequency)를 갖는 로우 패스 필터(low-pass filter)로 노이즈를 제거한다.
다음에, 도 2의 단계 S2의 기준 노면 반력 토크 추정 수단에 대하여 설명한다.
기준 노면 반력 토크 Troad는 차륜 터닝시에 차륜에 작용하는 반력이며, 여기서는 스티어링축 환산한 반력 토크로 한다. 기준 노면 반력 토크 Troad와 휠 터닝 기구(17)에 작용하는 마찰 토크 Tfric의 합이 스티어링축 반력 토크에 대응한다. 즉, 도 3에 도시하는 바와 같이, 기준 노면 반력 토크는 스티어링축 반력 토크에 있어서의 히스테리시스폭의 중심을 지나는 반력이다.
기준 노면 반력 토크 추정 수단으로서는, 일본 특허 공개 제 2001-122146 호 공보에서 이용한 필터 처리 수법을 이용한다. 즉, 추정한 스티어링축 반력 토크를 로우 패스 필터에 통과시켜 기준 노면 반력 토크를 추정한다. 로우 패스 필터의 컷오프 주파수는 0.05∼1㎐ 이지만, 조타 속도나 차량 속도에 따라 변경하더라도 좋다.
이렇게 하여 추정한 스티어링축 반력 토크 Tste와 추정한 기준 노면 반력 토크 Troad로부터 목표 조타 반력 토크를 설정한다. 스티어링축 반력 토크와 기준 노면 반력 토크를 이용함으로써, 목표 조타 반력 토크의 히스테리시스폭과 경사를 각각 조절할 수 있다.
다음에, 도 2의 단계 S3, 단계 S4에 대하여 설명한다.
여기서는, 핸들각이나 차륜 타각, 기준 노면 반력 토크 Troad 등에 의해서 변화되는 반력 게인 K1과 가중 계수 W를 이용하고, 수학식 3을 이용하여 스티어링축 반력 토크 Tste와 기준 노면 반력 토크 Troad의 가중(weighting)을 실시하여, 목표 조타 반력 토크 Tref1를 산출한다.
[수학식 3]
Tref1 = K1·{W·Tste + (1-W)·Troad}
W≥0
예를 들면, 도 3에서, 기준 노면 반력 토크 Troad와 스티어링축 반력 토크 Tste를 이하의 식으로 나타낸다.
Troad = Kalign·θ
Tste = Kalign·θ + sign(dθ/dt)·Tfric
여기서, θ는 스티어링축 각도, dθ/dt는 스티어링축 각속도, sign(dθ/dt)는 스티어링축 각속도의 부호, Kalign은 스티어링축 각도 θ에 대한 기준 노면 반력 토크 Troad 또는 스티어링축 반력 토크 Tste의 경사이다. 또한, sign(dθ/dt)·Tfric는 스티어링축 반력 토크 Tste의 히스테리시스폭에 대응한다. 수학식 3에 대입하면 목표 조타 반력 토크 Tref1은 이하의 식이 된다.
Tref1 = K1·Kalign·θ + W·K1·sign(dθ/dt)·Tfric
즉, 목표 조타 반력 토크 Tref1의 경사를 K1로 조정하여, 목표 조타 반력 토크 Tref1의 히스테리시스폭을 W·K1로 조정할 수 있다.
예를 들면, 기준 노면 반력 토크 Troad가 작은 영역에서, 가중 계수 W를 작게 함으로써, 히스테리시스폭을 작게 할 수 있어, 온 센터감(on-center feeling)이 강하게 된다. 또한 마찰의 영향이 작은 신속한 조타감을 얻을 수 있다.
또한, 기준 노면 반력 토크 Troad가 작은 영역에서, 반력 게인 K1을 크게 하고, 기준 노면 반력 토크 Troad가 큰 영역에서, 반력 게인 K1을 작게 함으로써, 온 센터감을 강하게 하는 동시에, 조타각이 큰 영역에서 조타 반력 토크를 작게 하여, 파워 어시스트 효과(power assist effect)를 얻는다.
도 6은 스티어링축 반력 토크와, 수학식 3을 이용하여 구한 목표 조타 반력 토크의 예이다.
또한, 스티어링축 반력 토크, 기준 노면 반력 토크는 차량 속도에 의해서 변화하기 때문에, 차량 속도에 따라 반력 게인 K1, 가중 계수 W를 변화시킨다. 도 4 및 도 5는 가중 계수 W와 반력 게인 K1의 예이다. 가로축에 기준 노면 반력 토크의 절대값을 취하고 있는 것은 좌우 양쪽의 조타를 고려하고 있기 때문이다.
다음에, 도 2의 단계 S5, 단계 S6에 대하여 설명한다.
터닝 인크리즈(turning increase)와 터닝 백(turning back)에 히스테리시스가 있는 조타 반력 토크를 반력 모터에 의해 제어하고자 하면, 핸들을 타 유지하고자 했을 때나, 핸들을 가볍게 쥐고 있을 때에, 미소한 조타로 조타 반력 토크가 히스테리시스 사이에서 헌팅(hunting)을 일으켜, 조타감을 악화시켜 버린다.
그래서, 핸들 조타 속도에 의해 히스테리시스폭을 변화시킨다. 도 13에 도시하는 바와 같이 수학식 4를 이용하여, Tref1의 히스테리시스폭의 중심을 지나는 타 유지시의 목표 조타 반력 토크 Tref2를 산출한다.
[수학식 4]
Tref2 = K1·Troad
또한, 수학식 5를 이용하여 새로운 목표 조타 반력 토크를 산출한다.
[수학식 5]
Tref3 = P·Tref1 + (1-P)·Tref2
0≤P≤1
P는 조타 각속도가 작을 때에 0에 근접하는 가중치이다. 핸들각 속도의 노이즈가 큰 경우나, 미소 조타시의 영향을 작게 하는 경우는 조타 각속도에 로우 패스 필터 처리를 한 값으로부터 P를 구한다. 도 7에, 가중 계수 P의 맵의 예를 나타낸다.
또한, 조타 각속도의 절대값에 로우 패스 필터 처리를 한 값으로부터 P를 구하더라도 좋다. 핸들의 터닝 방향을 변경할 시에 순간적으로 핸들각 속도가 0으로 되지만, 절대값에 로우 패스 필터 처리함으로써, 0으로 되지 않는다. 즉, 터닝 방향 변경 조작을 타 유지라고 판정하지 않는다. 도 8에, 조타 각속도의 필터 처리의 차이를 나타낸다.
실시예 1에 의하면, 단계 S1, S2에 의해, 스티어링축 반력 토크 Tste와 기준 노면 반력 토크 Troad로부터 목표 조타 반력 토크를 생성함으로써, 주행시의 차량 거동을 운전자에게 전달 할 수 있어, 자연스러운 감(feeling)을 얻을 수 있다.
또한, 목표 조타 반력 토크의 히스테리시스폭과 경사를 각각 조절할 수 있기 때문에, 조타감을 향상시키는 적절한 목표 조타 반력 토크를 용이하게 설정할 수 있다.
또한, 스티어링축 반력 토크, 기준 노면 반력 토크 함께 추정하여 구하기 때문에, 매칭 단계 수를 적게 할 수 있다. 또한, 스티어링축 반력 토크, 기준 노면 반력 토크를 함께 추정하여 구하기 때문에, 주행 상황의 변화(노면 마찰 μ의 변화 등)에 대응하여 안정한 조타 반력 토크를 설정할 수 있다.
또한, 단계 S3, S4에 의해, 조타감을 향상시키는 적절한 목표 조타 반력 토크를 용이하게 설정할 수 있다.
또한, 차량 속도 변화에 대응하여, 조타감이 좋은 조타 반력 토크를 얻을 수 있다.
또한, 단계 S5, S6에 의해, 핸들 속도가 작을 때에, 히스테리시스폭을 작게 한 목표 조타 반력 토크를 생성함으로써, 타 유지시의 히스테리시스폭 사이에서 발생하는 헌팅 진동을 억제하여, 조타감을 좋게 할 수 있다.
실시예 2
도 9는 본 발명의 실시예 2에 의한 조타 제어 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 9에 있어서는, 운전자가 핸들(1)을 조작하는 조타 기구(16)와, 차륜(15)을 터닝하는 휠 터닝 기구(17)가 기계적으로 결합하지 않는 도 1의 조타 제어 장치에 대하여, 조타 기구(16)와, 차륜(15)을 터닝하는 휠 터닝 기구(17)가 유성 기어 기구(18), 유성 기어 기구(19)를 거쳐서, 기계적으로 결합한 기구로 되어 있다.
핸들축(2)은 유성 기어 기구(18)의 캐리어(21)에 결합되어 있다. 반력 모터(5)는 유성 기어 기구(18)의 링 기어(ring gear)(22)에 기어를 거쳐서 접속되어, 링 기어의 회전을 제어한다. 스티어링축(10)은 유성 기어 기구(19)의 캐리어(25)에 결합되어 있다. 유성 기어 기구(18)의 태양 기어(20)와 유성 기어 기구(19)의 태양 기어(24)는 샤프트(28)에 의해 결합되어 있고, 샤프트(28)에 기어를 거쳐서, 타각 모터(8)가 접속된다. 유성 기어 기구(19)의 링 기어(26)는 회전할 수 없도록 고정되어 있다. 유성 기어 기구(18)의 유성 기어(23), 유성 기어 기구(19)의 유성 기어(27)도 도면중에 나타낸다.
도 9로서는 타각 모터(8)로, 차륜 타각[스티어링축(10)의 각도]를 제어한다. 유성 기어 기구(18)는 차동 기구로서 작용하여, 핸들 조타각과 차륜 타각과의 사이에 각도차를 생기게 하는 동시에, 반력 모터(5)로, 핸들(1)에 인가되는 조타 반력 토크를 제어한다.
유성 기어 기구(18)의 태양 기어(20)의 각도를 θ1s, 캐리어(21)의 각도를 θ1c, 링 기어(22)의 각도를 θ1r로 한다. 링 기어(22)의 회전을 고정했을 때의 태양 기어(20)와 캐리어(21)의 기어비를 G1s로 한다.
[수학식 6]
θ1s = G1s·θ1c
태양 기어(20)의 회전을 고정했을 때의 링 기어(22)와 캐리어(21)의 기어비를 G1r로 한다.
[수학식 7]
θ1r = G1r·θ1c
유성 기어 기구의 특성으로부터 캐리어(21)에 토크 T1c를 입력한 경우의, 태양 기어(20)에서의 출력 토크 T1s, 링 기어(22)에서의 출력 토크 T1r은,
[수학식 8]
T1s/G1r = T1c/(G1s·G1r) = T1r/G1s
의 관계가 있다.
캐리어(21)의 입력 토크 T1c는 조타 반력 토크 검출 수단(4)에 의해 검출한 조타 반력 토크 Tsens와 같기 때문에, 태양 기어(20)부터의 출력 토크 T1s는 수학식 9로 구한다.
[수학식 9]
T1s = T1c/G1s = Tsens/G1s
유성 기어 기구(19)의 태양 기어(24)의 각도를 θ2s, 캐리어(25)의 각도를 θ2c로 한다. 태양 기어(24)와 캐리어(25)의 기어비를 G2s 라고 하면,
[수학식 10]
θ2s = θ1s = G2s·θ2c
타각 모터의 전류 Ima, 타각 모터 토크 정수 Kma, 타각 모터의 관성 Jma, 타각 모터 기어비[타각 모터(8)로부터 샤프트(28)까지의 기어비] Gma, 스티어링축 각 가속도 d2θ2c/dt2라고 하면,
[수학식 11]
Gma2·Jma·d2θ1s/dt2 = T1s + Gma·Kma·Ima - Tste/G2s
로 역학적으로 나타낼 수 있다.
이것을 스티어링축 각으로 나타내면,
[수학식 12]
Gma2·G2s·Jma·d2θ2c/dt2 = Tsens/G1s + Gma·Kma·Ima - Tste/G2s
로 되고, 따라서, 스티어링축 반력 토크는 이하의 수학식 13에 의해 추정 가능하다.
[수학식 13]
Tste = G2s·Tsens/G1s + Gma·G2s·Kma·Ima - Gma2·G2s2·Jma·d2θ2c/dt2
스티어링축 각 가속도 d2θ2c/dt2은 차륜 타각 검출 수단(11)의 출력값을 2번 미분함으로써 얻어진다.
모터의 관성이 작고, 모터 관성의 영향이 무시할 수 있는 경우, 다음식으로 스티어링축 반력 토크 Tste를 추정할 수 있다.
[수학식 14]
Tste = G2s·Tsens/G1s + Gma·G2s·Kma·Ima
Tste에 노이즈가 포함되는 경우는, 지연이 문제가 되지 않는 정도의 컷오프 주파수를 갖는 로우 패스 필터로 노이즈를 제거한다.
도 9에 나타내는 기구에 있어서, 스티어링축 반력 토크를 추정하기 위해서는, 조타 기구(16)로부터 샤프트(28)에 작용하는 힘을 구할 필요가 있지만, 반력 모터의 관성이나 출력 토크 등을 고려하여 구하고자 하면 복잡하게 된다. 그러나, 핸들에 인가되는 조타 반력 토크를 검출하는 조타 반력 토크 검출 수단(4)의 출력 Tsens를 이용함으로써, 조타 기구(16)로부터 샤프트(28)에 작용하는 힘을 Tsens의 게인 배(value gain times)로서 구할 수 있다.
그 때문에, 검출한 조타 반력 토크 Tsens와, 타각 모터 전류 Ima와, 스티어링축 각 가속도 d2θ2c/dt2로부터 스티어링축 반력 토크를 추정할 수 있고, 추정에 필요한 상태량을 적게 할 수 있어, 안정한 추정이 가능하다. 도 9의 구성에서는, 센서도 더 추가할 필요가 없어, 비용을 저감할 수 있다.
또한, 스티어링축 반력 토크를 추정하기 위해서, 노면 마찰 계수 μ 추정 및 마찰의 방향 판정을 할 필요가 없어, 스티어링축 반력 토크를 안정하게 추정할 수 있다.
또한, 핸들축(2)이 유성 기어 기구(18)의 태양 기어(20)에 결합하고, 스티어링축(10)은 유성 기어 기구(19)의 태양 기어(24)에 결합하며, 유성 기어 기구(18)의 캐리어(21)와 유성 기어 기구(19)의 캐리어(25)를 샤프트(28)로 결합한 구성이나, 유성 기어 기구(18) 대신에 고조파 드라이브 감속 기구(harmonic drive speed reduction mechanism) 등의 차동 기어 기구(differential gear mechanism)를 이용한 구성에 있어서도, 토크의 입출력 관계를 이용함으로써 조타 반력 토크를 검출하는 조타 반력 토크 검출 수단(4)의 출력 결과 Tsens와, 타각 모터 전류 Ima와, 스티어링축 각 가속도 d2θ2c/dt2로부터 스티어링축 반력 토크를 추정할 수 있다.
또한, 유성 기어 기구(19)는 단순한 감속 기구로서 작용하기 때문에, 유성 기어 기구 대신에 그 외의 감속 기구를 이용하여도 좋다.
실시예 2에 의하면, 도 9의 구성에 의해서도, 스티어링축 반력 토크를 추정할 수 있고, 추정에 필요한 상태량을 적게 할 수 있으며, 안정한 추정이 가능하다. 도 9의 구성으로부터, 센서도 더 추가할 필요가 없어, 비용을 저감할 수 있다.
또한, 실시예 1과 같이, 추정한 스티어링축 반력 토크 Tste를 이용하여, 실시예 1의 도 2의 플로우차트를 실시하는 것으로, 목표 조타 반력 토크를 생성한다. 그것에 의하여 목표 조타 반력 토크 생성 수단에 있어서, 실시예 1과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 종래의 전동 파워 스티어링 조타 제어 장치, 또는 핸들 조타각에 대한 휠 터닝 각(wheel turning angle)의 전달비를 가변으로 하는 전달비 가변 기구와 전동 파워 스티어링 장치를 구비한 조타 제어 장치에도 적용 가능하다. 이하에 전동 파워 스티어링 조타 제어 장치에 적용한 실시예를 설명한다.
실시예 3
도 10은 본 발명의 실시예 3에 관한 조타 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다. 운전자가 핸들(1)을 조작하면, 핸들(1)의 회전각이 스티어링축(10), 피니언 기어(12), 랙(13), 너클 아암(14)을 거쳐 차륜(15)의 차륜 타각으로 변환되는 조타 장치에 있어서, 전동 파워 스티어링 조타 제어 장치는 운전자가 조타한 경우의 조타 반력 토크를 검출하는 조타 반력 토크 검출 수단(4)의 출력에 근거하여, 제어 장치(7)에 의해 어시스트 모터(29)의 모터 전류 목표값을 연산한다. 구동 회로(30)는 제어 장치(7)에 의해 설정되는 목표 전류가 어시스트 모터 전류에 인가되도록 구동 전류의 제어를 실시한다.
종래의 전동 파워 스티어링 조타 제어 장치로서는, 조타 반력 검출 수단(4)의 출력에 근거하여 어시스트 토크를 설정하고, 설정한 어시스트 토크를 발생하도록 모터 전류 목표값을 연산하는 데 대하여, 본 발명에서는, 목표 조타 반력 토크 Tref를 설정하고, 조타 반력 토크 Tsens가 목표 조타 반력 토크 Tref에 일치하도록 어시스트 모터 전류 목표값을 연산하는 구성이며, 추정한 스티어링축 반력 토크 Tste 및 추정한 기준 노면 반력 토크를 이용하여 목표 조타 반력 토크 Tref를 설정한다.
도 11은 실시예 3의 플로우차트이다.
단계 S101의 스티어링축 반력 추정 수단에 대하여 설명한다. 스티어링축 반력 토크 Tste는 어시스트 모터 전류 Ima, 어시스트 모터 토크 정수 Kma, 어시스트 모터의 관성 Jma, 어시스트 모터 기어비[어시스트 모터(29)로부터 스티어링축(10)까지의 기어비] Gma, 스티어링축 각 가속도 d2θ/dt2, 조타 반력 토크 검출 수단(4)의 출력 Tsens라고 하면, 다음식으로부터 추정할 수 있다.
[수학식 15]
Tste = Tsens + Gma·Kma·Ima - Gma2·Jma·d2θ/dt2
단계 S102, S103, S104로서는 실시예 1과 같이, 추정한 스티어링축 반력 토크 Tste를 이용하여, 도 2의 플로우차트를 실시함으로써, 목표 조타 반력 토크를 생성한다. 그에 따라, 목표 조타 반력 생성 수단에 있어서, 실시예 1과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
단계 S105에서는 운전자의 조타에 대한 조타 반력 토크 Tsens를 목표 조타 반력 Tref1으로 제어하도록 어시스트 모터 전류 목표값 Iref를 산출한다. 예컨대, 수학식 16을 연산하여 전류 목표값 Iref를 산출한다. 여기서, (s)는 라플라스 연산자(Laplace operator)이며, Gc(s)에는 예컨대 PID 제어를 채용한다.
[수학식 16]
Iref = Gc(s)·(Tref1 - Tsens)
단계 S106로서는, 단계 S105에서 설정되는 목표 전류 Iref가 어시스트 모터 전류에 인가되도록 구동 회로의 구동 전류 제어를 실시한다.
이 실시예 3에 의하면, 전동 파워 스티어링 조타 제어 장치에 있어서 조타 반력의 히스테리시스폭과 경사를 각각 조절할 수 있어, 조타감이 향상된다.
실시예 4
핸들 조타각에 대한 휠 터닝 각의 전달비를 가변으로 하는 전달비 가변 기구와 전동 파워 스티어링 장치를 구비한 조타 제어 장치에 있어서의 실시예를 이하에 설명한다.
도 12에 전달비 가변 기구와 전동 파워 스티어링 장치를 구비한 조타 제어 장치를 나타낸다. 도 12는 도 9와 같은 기구이지만, 도 9의 반력 모터(5)가 전달비 가변 기구의 각도 중첩 모터(31), 도 9의 타각 모터(8)가 전동 파워 스티어링 장치의 어시스트 모터(32)로서 동작한다.
유성 기어 기구(18)의 태양 기어(20)의 각도를 θ1s, 캐리어(21)의 각도를 θ1c, 링 기어(22)의 각도를 θ1r로 한다. 또한 스티어링축(10)의 각도를 θ2c로 한다. 유성 기어 기구(18)의 차동 기구를 이용함으로써, 캐리어(21)의 각도 θ1c와, 링 기어(22)의 각도 θ1r과, 스티어링축(10)의 각도 θ2c 사이에는, 수학식 16의 관계식이 성립한다.
[수학식 17]
θ2c = θ1c - θ1r/G1r
즉, 핸들 조타에 따라서, 각도 중첩 모터(31)에 의해 링 기어의 각도 θ1r를 제어함으로써, 핸들 조타각에 대한 휠 터닝 각의 전달비를 가변으로 할 수 있다.
실시의 순서는 실시예 3의 플로우차트(11)와 마찬가지이다.
도 11의 단계 S103에 있어서, 반력 게인 K1, 가중 계수 W는 핸들각, 차륜 타각, 핸들각에 대한 차륜 타각의 전달비 및, 그 외의 차량 상태량에 따라 변경하더라도 좋다. 예컨대, 전달비를 고려하고 반력 게인 K1, 가중 계수 W를 설정함으로써, 전달비가 변화되었을 때의, 드라이버의 조타 반력 토크 변화를 억제할 수 있다.
이 실시예 4에 의하면, 전동 파워 스티어링 조타 제어 장치에 있어서 조타 반력의 히스테리시스폭과 경사를 각각 조절할 수 있어, 조타감이 향상된다. 또한, 전달비를 고려하여, 조타 반력을 설정함으로써, 전달비가 변화되었을 때의, 드라이버의 조타 반력 토크 변화를 억제할 수 있다.
본 발명은 자동차 등의 조타 제어 장치에 적용하기 바람직하다.

Claims (5)

  1. 핸들에 인가되는 조타 반력 토크의 목표값인 목표 조타 반력 토크를 생성하는 목표 조타 반력 토크 생성 수단을 갖고, 상기 조타 반력 토크가 상기 목표 조타 반력 토크에 일치하도록 제어하는 조타 제어 장치에 있어서,
    상기 목표 조타 반력 토크 생성 수단은 스티어링축 반력 토크를 추정하는 스티어링축 반력 토크 추정 수단, 및 기준 노면 반력 토크를 추정하는 기준 노면 반력 토크 추정 수단을 구비하고, 상기 스티어링축 반력 토크 추정 수단에 의해서 추정된 스티어링축 반력 토크 및 상기 기준 노면 반력 토크 추정 수단에 의해서 추정된 기준 노면 반력 토크를 이용하여 상기 목표 조타 반력 토크를 설정하는 것을 특징으로 하는
    조타 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스티어링축 반력 토크 및 상기 기준 노면 반력 토크는 가중치가 부여되어 상기 목표 조타 반력 토크의 설정에 이용되는 것을 특징으로 하는
    조타 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스티어링축 반력 토크 및 상기 기준 노면 반력 토크의 가중치 부여에 이용되는 계수는 차량 속도에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는
    조타 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 목표 조타 반력 토크 생성 수단에 의해 설정된 목표 조타 반력 토크와, 타 유지시(during holding a steering wheel)에 기준 노면 반력 토크에 의해 설정되는 목표 조타 반력 토크를 이용하여, 조타 각속도에 따른 가중치 부여를 실시하여, 새로운 목표 조타 반력 토크를 설정하는 것을 특징으로 하는
    조타 제어 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    핸들에 결합된 핸들축과 차륜을 터닝(turning)하는 휠 터닝 기구(wheel turning mechanism)가 차동 기어 기구를 거쳐서 결합된 조타 제어 장치에 있어서, 상기 스티어링축 반력 토크 추정 수단은 차륜 타각을 제어하는 타각 모터의 모터 전류와 조타 반력 토크와 스티어링축 각 가속도를 이용하여 스티어링축 반력 토크를 추정하는 것을 특징으로 하는
    조타 제어 장치.
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