KR101252250B1 - 전자 제어식 브레이크 부스터 - Google Patents

전자 제어식 브레이크 부스터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 브레이크 페달의 스트로크를 검출하는 브레이크 페달 센서와, 브레이크 압력을 발생시키기 위한 동력을 전달하는 모터와, 모터를 통해 생성된 실린더 내부의 압력을 검출하는 실린더 압력 센서와, 브레이크 페달의 스트로크 검출 정보를 이용하여 목표 압력을 설정하는 목표 압력 설정부, 목표 압력과 실린더 압력과의 오차를 비례 적분 보상하는 비례 적분 제어기를 갖고 모터를 구동 제어하는 전자 제어 유닛을 포함하는 전자 제어식 브레이크 부스터에 있어서, 전자 제어 유닛은 실린더 압력 센서를 통해 검출된 상기 실린더 압력 정보를 이용하여 비례 적분 제어기의 비례 이득 및 적분 이득 중 적어도 하나를 조정하는 비례 적분 이득 조정부를 포함한다.
본 발명은 부하의 변동에 따른 이득값 제어(Gain Scheduling)를 수행함으로써, 제어 응답성을 향상시킬 수 있다.

Description

전자 제어식 브레이크 부스터{ELECTRONICALLY CONTROLLABLE BRAKE BOOSTER}
본 발명은 전기 모터를 통해 브레이크 압력을 발생시키는 전자 제어식 브레이크 부스터에 관한 것이다.
일반적으로, 전기 자동차(Electric Vehicle)는 휘발유 등의 화석 연료가 아닌 전기 에너지로 움직이는 차를 말한다. 이러한 전기 자동차는 배기 가스를 분출하지 않아 친환경적이며, 소음이 적게 발생한다는 장점이 있다. 전기 자동차는 1873년 처음 제작되었으나 차내에 장착하는 배터리의 무게와 충전 시간 등으로 인해 실용화되지 못했다. 그러나 환경 오염이 점점 심각해지면서 다시 개발이 진행되기 시작했다. 전기 자동차의 가장 큰 핵심은 배터리이며, 배터리의 경량(輕量) 및 소형화, 충전 시간의 단축이 전기 자동차의 실용화에 있어 선결 조건으로 꼽힌다.
또한 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle)은 동력원으로 기존 엔진과 전기 모터(구동 모터)를 함께 사용하는 자동차로 차량의 부하와 속도에 따라 엔진 또는 전기 모터의 동력을 선택적으로 사용하고, 남는 에너지는 모터를 사용하여 전기 에너지로 바꿈으로써 높은 연비와 저공해를 달성할 수 있는 차량이다. 이러한 하이브리드 전기 자동차는 전기 에너지에 의해 동작하는 전기 모터로 차량의 구동륜을 회전시켜서 차량을 운행하게 되는데 이 때 모터를 구동하는 전기 에너지를 얼마만큼 효율적으로 이용할 수 있는가 하는 것이 매우 중요한 과제이다.
전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차의 개발 및 발전에 따라 기존의 유압을 이용한 브레이크 시스템은 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차에 더 이상 적용하기 어려워졌으며, 전기 모터만을 이용하여 제동을 수행할 수 있는 시스템을 필요로 하게 되었다.
이러한 목적으로 개발된 시스템이 전자 제어식 브레이크 부스터로, 운전자가 페달을 밟는 경우 전자 제어식 브레이크 부스터 내부에 있는 모터의 회전자가 볼 스크류(Ball Screw)를 회전시켜 플런저(plunger)를 전진시킴으로써 실린더 내부의 압력을 상승시켜 브레이크 압력을 전달하게 된다. 이 때, 전자 제어식 브레이크 부스터 내의 모터를 제어하기 위해 PI 제어기를 사용하게 되는데 이하에서는 PI 제어기의 일반적인 내용에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 PI 제어기의 일반적인 구조를 나타낸 도면이다.
일반적으로 PI 제어기(비례 적분 제어기, Proportional Integral Controller)는 실제 응용 분야에서 가장 많이 사용되는 대표적인 형태의 제어 기법이다. 도 1에 도시된 바와 같이, PI 제어기는 기본적으로 피드백(feedback) 제어기의 형태를 가지고 있으며, 제어하고자 하는 대상의 출력값(output, y)을 측정하여 이를 원하고자 하는 참조값(reference value, r) 혹은 설정값(setpoint)과 비교하여 오차(error, e)를 계산하고, 이 오차값(e)을 이용하여 제어에 필요한 제어값을 계산하는 구조로 되어 있다. 즉, PI 제어기는 오차 신호(e)를 적분하여 제어 신호를 생성하는 적분 제어와, 적당한 비례 상수 이득을 곱하여 제어 신호를 생성하는 비례 제어를 병렬로 연결하여 사용하는 제어 기법을 가리킨다.
이러한 PI 제어기는 각각 비례 상수 및 적분 상수의 이득값(gain)을 곱하여 시스템을 구성하게 되는데, 일반적으로 부하가 일정한 경우 PI 이득값을 튜닝(tuning)하여 일정한 제어 응답 특성을 확보할 수 있다.
하지만, 부하가 가변하는 상태에서 원하는 제어 응답 특성을 획득하기 위해서는 부하의 변동 상황에 따른 이득값 제어(Gain Scheduling)가 이루어져야 한다.
부하의 변동에 따른 이득값 제어(Gain Scheduling)를 수행함으로써, 제어 응답성을 향상시킬 수 있는 전자 제어식 브레이크 부스터를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전자 제어식 브레이크 부스터는 브레이크 페달의 스트로크를 검출하는 브레이크 페달 센서와, 브레이크 압력을 발생시키기 위한 동력을 전달하는 모터와, 모터를 통해 생성된 실린더 내부의 압력을 검출하는 실린더 압력 센서와, 브레이크 페달의 스트로크 검출 정보를 이용하여 목표 압력을 설정하는 목표 압력 설정부, 목표 압력과 실린더 압력과의 오차를 비례 적분 보상하는 비례 적분 제어기를 갖고 모터를 구동 제어하는 전자 제어 유닛을 포함하는 전자 제어식 브레이크 부스터에 있어서, 전자 제어 유닛은 실린더 압력 센서를 통해 검출된 상기 실린더 압력 정보를 이용하여 비례 적분 제어기의 비례 이득 및 적분 이득 중 적어도 하나를 조정하는 비례 적분 이득 조정부를 포함한다.
또한 실린더 압력 센서는 실린더에 장착되어, 검출된 실린더의 압력 정보를 전자 제어 유닛으로 피드백한다.
또한 비례 적분 제어기는: 비례 이득을 발생시키고 비례 제어하는 비례 요소; 적분 이득을 발생시키고 적분 제어하는 적분 요소; 및 비례 요소 및 적분 요소의 출력 신호를 가산하는 가산기를 포함한다.
또한 전자 제어 유닛은 가산기로부터 수신된 비례·적분 신호를 이용하여 모터 제어 신호를 생성하는 제어 신호 생성부를 더 포함한다.
또한 전자 제어 유닛으로부터 수신된 모터 제어 신호에 따라 모터의 구동을 제어하는 모터 구동부를 더 포함한다.
본 발명은 부하의 변동에 따른 이득값 제어(Gain Scheduling)를 수행함으로써, 제어 응답성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 PI 제어기의 일반적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전자 제어식 브레이크 부스터의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전자 제어식 브레이크 부스터의 제어 블록도이다.
도 4는 페달 스트로크의 변화에 따른 실린더 압력의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전자 제어식 브레이크 부스터의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 전자 제어식 브레이크 부스터(100)는 브레이크 압력(제동압)을 발생시키기 위한 동력을 전달하는 3상 모터(110)와, 3상 모터(110)를 통해 전달되는 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 볼 스크류(112) 및 실린더 내부의 압력을 검출하기 위한 실린더 압력 센서(150)를 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전자 제어식 브레이크 부스터(100)는 브레이크 페달(미도시)의 입력에 따라 목표 압력(Target Pressure)을 설정하고, 설정된 목표 압력값에 도달하도록 3상 모터(110)를 전진시킨다. 반대로, 브레이크 페달(미도시)의 입력이 해제되면 3상 모터(110)를 후진시킴으로써 실린더 내부의 압력을 낮추게 된다.
즉, 실린더 내부의 압력이 상승하는 방향으로 3상 모터(110)가 회전하는 것을 3상 모터(110)의 전진이라 하면, 도 2에 도시된 바와 같이 3상 모터(110)가 전진함에 따라 실린더 내부의 압력 증가로 인해 부하가 증가하게(커지게) 된다.
반면, 3상 모터(110)가 역회전하여 3상 모터(110)의 회전자가 후진하는 경우에는 부하가 점점 감소하게(작아지게) 되며 더 이상 후진할 수 없을 때까지 이동하게 되면 이론적으로 무부하 상태가 된다.
3상 모터(110)가 전부하(全負荷, full load) 상태에서 동작하는 PI 이득값 설정으로 동작하게 되면 페달 입력 해제 시 3상 모터(110)의 동작에 있어서 오버슈트(Overshoot)와 언더슈트(Undershoot) 현상이 반복적으로 발생하게 되어 시스템이 불안정해진다. 또한 전자 제어식 브레이크 부스터(100)의 회전축에 의해 후진 방향(페달 방향)으로는 대략 2~3㎜까지 이동할 수 있으며 더 이상 이동하는 경우에는 회전축이 뒤쪽 면에 부딪혀 소음이 발생할 가능성이 있다.
반면, 3상 모터(110)가 무부하(無負荷, no load) 상태에서 동작하는 PI 이득값 설정으로 동작하게 되면 목표 압력을 형성하는 정상상태까지 도달하는 속도(시정수)가 상당히 느려지게 되어 운전자의 의지대로 차량을 정차할 수 없게 된다.
이와 같이, 부하가 가변하는 상태에서 원하는 제어 응답 특성을 획득하기 위해서는 부하의 변동 상황에 따른 이득값 제어(Gain Scheduling)가 이루어져야 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 전자 제어식 브레이크 부스터(100)는 3상 모터(110), 브레이크 페달 센서(120), 전자 제어 유닛(130), 모터 구동부(140) 및 실린더 압력 센서(150)를 포함하여 이루어진다.
3상 모터(110)는 브레이크 압력(제동압)을 발생시키기 위한 동력을 전달한다.
브레이크 페달 센서(120)는 브레이크 페달(미도시)에 장착되어, 브레이크 페달의 스트로크를 검출하고, 검출된 브레이크 페달의 스트로크 정보를 전자 제어 유닛(130)으로 전송한다.
전자 제어 유닛(130)은 전자 제어식 브레이크 부스터(100)의 전반적인 동작을 제어하기 위한 것으로, 전자 제어 유닛(130)은 다시 목표 압력 설정부(131), 오차 산출부(132), 비례 적분 제어기(133), 제어 신호 생성부(137), 비례/적분 상수 조정부(138)를 포함하여 이루어진다.
목표 압력 설정부(131)는 브레이크 페달 센서(120)로부터 수신되는 브레이크 페달의 스트로크 정보를 이용하여 목표 압력(목표로 하는 브레이크 압력)를 설정하고, 설정된 목표 압력 정보를 오차 산출부(132)로 출력한다.
오차 산출부(132)는 목표 압력 설정부(131)로부터 수신되는 목표 압력 정보와 실린더 압력 센서(150)로부터 수신되는 실린더 압력 정보 사이의 오차(△P)를 산출하고, 산출된 오차 정보(ΔP)를 비례 적분 제어기(133)로 출력한다.
비례 적분 제어기(133)는 비례 이득(Kp)을 발생시키고 비례 제어하는 비례 요소(134)와, 적분 이득(Ki)을 발생시키고 적분 제어하는 적분 요소(135)와, 비례 요소(134) 및 적분 요소(135)의 출력 신호를 가산하는 가산기(136)를 포함한다.
비례 요소(134)와 적분 요소(135)는 병렬 접속되어, 비례 요소(134)는 오차 신호 ΔP에 비례 이득 Ｋp을 승산한 비례 신호 Pp를, 적분 요소(135)는 오차 신호 ΔＩ에 적분 게인 Ｋi를 가지는 적분 처리를 행한 적분 신호 Pi를 각각 가산기(136)로 출력한다．
또한, 비례 요소(134)는 비례/적분 이득 조정부(138)로부터 출력된 비례 계수를 비례 이득(Kp)에 승산하는 연산 기능을 포함한다. 한편, 적분 요소(135)는 비례/적분 이득 조정부(138)로부터 출력된 적분 계수를 적분 이득(Ki)에 승산하는 연산 기능을 포함한다.
가산기(136)는 비례 신호(Pp)와 적분 신호(Pi)를 가산하고，비례·적분 신호 Ppi(=Pp＋Pi)를 제어 신호 생성부(137)로 출력한다．
제어 신호 생성부(137)는 가산기(136)로부터 수신된 비례·적분 신호(Ppi)를 이용하여 모터 제어 신호를 생성하고, 생성된 모터 제어 신호를 모터 구동부(140)로 전송한다.
비례/적분 이득 조정부(138)는 ROM 등의 메모리를 구비하고, 실린더 압력 센서(150)로부터 수신되는 실린더 압력 정보에 기초하여 메모리에 미리 저장되어 있는 비례 계수 및 적분 계수를 읽어, 비례 계수를 비례 요소(134)로 출력하고, 적분 계수를 적분 요소(135)로 출력한다.
모터 구동부(140)는 제어 신호 생성부(137)로부터 수신된 모터 제어 신호에 따라 3상 모터(110)의 구동을 제어한다.
실린더 압력 센서(150)는 실린더(미도시)에 장착되어, 실린더의 압력을 검출하고, 검출된 실린더의 압력 정보를 전자 제어 유닛(130)으로 피드백한다.
전술한 바와 같이, 부하가 가변하는 상태에서 원하는 제어 응답 특성을 획득하기 위해서는 부하의 변동 상황에 따른 이득값 제어(Gain Scheduling)가 이루어져야 한다.
이러한 이득값 제어 시 회생 제동 및 부가 기능을 위해 필요한 실린더 압력 센서(150)를 이용하여 회전축의 전진으로 인한 현재의 실린더의 압력값 즉, 현재 회전축에 작용하는 부하를 확인할 수 있고, 부하의 변동에 따라 비례/적분 이득을 조정함으로써 제어 응답성을 향상시킬 수 있게 된다.
도 4는 페달 스트로크의 변화에 따른 실린더 압력의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 전자 제어식 브레이크 부스터(100)의 회생 제동, ABS 및 ESC 제어 동작에 따라 실린더의 압력이 상황에 따라 변하기 때문에 현재의 실린더의 압력과 페달 스트로크의 변화에 따라 생성해야 할 브레이크 압력이 항상 변하게 됨을 보여준다.
도 4의 (a)는 정상적인 경우를 나타낸 도면이고, 도 4의 (b)는 페달 스트로크의 값이 도 4의 (a)와 동일하게 변화하더라도 실린더의 압력의 변화가 발생하기 때문에 비례 이득의 값을 더 크게 설정해야 함을 나타낸다.
도 4의 (c)에서는 운전자의 페달 스트로크가 길게 들어간다 하더라도 실린더의 압력이 감소했기 때문에 비례 이득의 값을 예상값보다 낮게 설정하여 오버슈트가 발생하지 않도록 제어해야 한다.
100: 전자 제어식 브레이크 부스터 110: 3상 모터
120: 브레이크 페달 센서 130: 전자 제어 유닛(ECU)
131: 목표 압력 설정부 133: 비례 적분 제어기(PI 제어기)
137: 제어 신호 생성부 138: 비례/적분 상수 조정부
140: 모터 구동부 150: 실린더 압력 센서

Claims (5)

  1. 브레이크 페달의 스트로크를 검출하는 브레이크 페달 센서와, 브레이크 압력을 발생시키기 위한 동력을 전달하는 모터와, 상기 모터를 통해 생성된 실린더 내부의 압력을 검출하는 실린더 압력 센서와, 상기 브레이크 페달의 스트로크 검출 정보를 이용하여 목표 압력을 설정하는 목표 압력 설정부, 상기 목표 압력과 상기 실린더 압력과의 오차를 비례 적분 보상하는 비례 적분 제어기를 갖고 상기 모터를구동 제어하는 전자 제어 유닛을 포함하는 전자 제어식 브레이크 부스터에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛은 상기 실린더 압력 센서를 통해 검출된 상기 실린더 압력 정보를 이용하여 상기 비례 적분 제어기의 비례 이득 및 적분 이득 중 적어도 하나를 조정하는 비례 적분 이득 조정부를 포함하는 전자 제어식 브레이크 부스터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 실린더 압력 센서는 실린더에 장착되어, 상기 검출된 실린더의 압력 정보를 상기 전자 제어 유닛으로 피드백하는 전자 제어식 브레이크 부스터.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 비례 적분 제어기는:
    상기 비례 이득을 발생시키고 비례 제어하는 비례 요소;
    상기 적분 이득을 발생시키고 적분 제어하는 적분 요소; 및 상기 비례 요소 및 상기 적분 요소의 출력 신호를 가산하는 가산기를 포함하는 전자 제어식 브레이크 부스터.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은 상기 가산기로부터 수신된 비례·적분 신호를 이용하여 모터 제어 신호를 생성하는 제어 신호 생성부를 더 포함하는 전자 제어식 브레이크 부스터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛으로부터 수신된 모터 제어 신호에 따라 상기 모터의 구동을 제어하는 모터 구동부를 더 포함하는 전자 제어식 브레이크 부스터.
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