KR101767878B1 - 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토크 센서로부터 입력된 토크 센서값을 비례적분 제어하여 생성된 어시스트 토크값이 목표값을 추종하도록 보상하여 출력하는 제어기 및 제어기에서 출력되는 어시스트 토크값을 제어기의 입력으로 피드백하는 피드백부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치{STEERING CONTROL DEVICE OF MOTOR DRIVEN POWERSTEERING SYSTEM}

본 발명은 전동식 파워 스티어링 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 토크 입력에 대비한 부스트 출력을 기반으로 메인 어시스트 토크를 결정하는 토크루프로직을 2차 필터의 보상기 형태로 조합한 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치에 관한 것이다.

전동식 파워 스티어링 시스템(Motor Driven Powersteering System;MDPS)은 기존의 유압을 이용한 유압식 파워 스티어링 장치와 달리 모터의 회전력을 이용하여 운전자의 조향력을 보조한다.

이러한 전동식 파워 스티어링 시스템은 토크 센서로부터 센싱된 토크 센싱값과 차속을 조합하여 모터의 어시스트량을 산출하여 조향 성능을 개선한다.

이러한 조향성능로직은 토크 입력에 대비한 부스트 출력을 기반으로 메인 어시스트 토크를 결정하는 토크루프로직과, 이질감과 출력을 증대시키는 HFAC(High-Frequency Assist Control)로직, 및 조향계의 진동을 조절하는 댐핑 로직 및 복원력을 증대시키는 능동복원로직을 포함하게 된다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 10-2007-0105327(2007.10.30)에 개시되어 있다.

종래의 토크루프로직은 PI(Proportional Integral) 제어기를 이용하는데, 2개의 PI 제어기를 구비하고, 이들에 대해 앞섬 보상과 뒷섬 보상을 수행하였다.

그 결과, 토크루프로직에서 PI 제어기의 구조를 파악하기가 어려웠고, 토크루프로직 수행시 입출력되는 각각의 인자들의 역할을 이해하기가 어려웠다. 즉, 튜닝이나 필터링을 하는데 있어, 이들 인자들의 효과를 명확하게 인지하기가 어려운 문제점이 있었다.

게다가, 각각의 PI 제어기가 서로 다른 방식으로 이산화 방식을 수행하여 신호가 급격하게 변동될 가능성이 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 토크루프로직에서 공진회피, 노치폭 조절 및 대역폭 조절을 통해 전동식 파워 스티어링 시스템의 추종성 및 응답성을 향상시키고 적합한 이산화를 통해 수렴성을 증대시킨 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치는 토크 센서로부터 입력된 토크 센서값을 비례적분 제어하여 생성된 어시스트 토크값이 목표값을 추종하도록 보상하여 출력하는 제어기; 및 상기 제어기에서 출력되는 어시스트 토크값을 상기 제어기의 입력으로 피드백하는 피드백부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 제어기는 필터와 위상 보상기가 적용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 필터는 저대역 필터인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 위상 보상기는 앞섬 보상부와 뒤섬 보상부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 제어기는 상기 필터와 상기 위상 보상기를 조합하여 2차 필터 형태의 전달함수로 구현되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 전달함수(G(s))는

이고, 여기서, K_rag는 뒤섬 보상 게인이고, K_lead는 앞섬 보상 게인이며, a는 컷 오프 주파수(Cut off frequency)인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 제어기는 상기 전달함수의 극점이 조정되도록 뒤섬 보상 게인과, 앞섬 보상 게인, 및 컷 오프 주파수 중 어느 하나 이상을 조절하여 안정성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치.

본 발명은 토크루프로직에서 공진회피, 노치폭 조절 및 대역폭 조절을 통해 전동식 파워 스티어링 시스템의 추종성 및 응답성을 향상시키고, 적합한 이산화를 통해 수렴성을 증대시킨다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치의 블럭 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 응답 크기를 나타낸 보데선도를 도시한 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 크기를 나타낸 보데선도를 도시한 도면이다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야할 것이다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치의 블럭 구성도이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 응답 크기를 나타낸 보데선도를 도시한 도면이며, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 크기를 나타낸 보데선도를 도시한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 다른 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치는 도 1 에 도시된 바와 같이, 제어기(10)와 피드백부(20)를 포함한다.

제어기(10)는 토크를 감지하는 토크 센서(미도시)로부터 토크 센싱값을 입력받아 비례 적분하여 생성된 어시스트 토크값이 목표값을 추종하도록 보상한다.

피드백부(20)는 제어기(10)에서 출력되는 어시스트 토크값을 제어기(10)의 입력으로 피드백한다. 이러한 피드백부(20)는 입력에 대한 출력을 조정한다.

따라서, 제어기(10)로 입력되는 토크 센싱값은 제어기(10)와 피드백부(20)에 의해 기 설정된 목표값을 추종하게 되는데, 이때, 제어기(10)는 피드백부(20)로부터 입력되는 후술한 되먹임 요소, 즉 인자들에 의해 안정화된 어시스트 토크값을 출력하게 된다.

이러한 제어기(10)는 필터와 위상 보상기를 포함하고, 이들을 조합하여 2차 안정화 전달함수 형태로 구현된다.

필터는 저대역 필터(Low pass filter)로써, 필터의 전달함수는 s/(s+a)이다. 여기서, s는 라플라스(Laplace) 연산자이고, a는 컷 오프 주파수(Cut off frequency)이다.

위상 보상기는 앞섬 보상부와 뒤섬 보상부를 포함한다.

앞섬 보상부(Phase lead compensator)는 진상 제어기라고도 하며, 제어기(10)의 전달함수에 극점(Pole)의 형태로 존재하면서 고주파에 주파수 응답을 향상시킴으로써 보상 마진을 향상시킬 수 있도록 한다.

뒤섬 보상부(Phase lag compensator)는 제어기(10)의 전달함수에 극점의 형태로 존재하면서 공진 주파수 등을 회피하기 위한 노치부를 결정하고, 노치폭을 확보한다.

여기서, 제어기(10)의 전달함수는 후술한다.

한편, 제어기(10)는 토크 센싱값이 입력되면, 이 토크 센싱값을 비례 적분 제어를 수행한다.

이 경우, 저대역 필터와 앞섬 보상부 및 뒤섬 보상부를 적용하고, 저대역 필터가 앞섬 보상부와 뒤섬 보상부를 조합함으로써, 앞섬 보상 게인과 뒤섬 보상 게인에 의해 안정화된 2차 필터 형태의 노치 필터 형태로 나타난다.

여기서, 주파수 응답을 검출하는 앞섬 보상을 수행하는 주파수 응답을 이용하여 공진 주파수를 검출하고, 이러한 공진 주파수를 회피하도록 하는 뒤섬 보상을 수행하는 바, 하기한 바와 같은 수학적 모델로 구현된다.

먼저, 제어기에서 앞섬 보상을 수행하는 제어로직의 전달함수는 하기의 수학식 1과 같이 표현된다.

여기서, G(s)_lead는 앞섬 보상을 수행하는 제어로직의 전달함수이고, K_lead는 앞섬 보상 게인이다.

즉, 저대역 필터에 의해 외란이나 노이즈가 제거되고, 앞섬 보상 게인에 따라 위상에 대한 앞섬 보상이 이루어져 주파수 응답을 높임으로써, 보상 마진을 확보할 수 있도록 한다.

한편, 뒤섬 보상을 수행하는 제어로직의 전달함수는 하기의 수학식 2와 같다.

여기서, G(s)_lag는 뒤섬 보상을 수행하는 제어로직의 전달함수이고, K_lag는 뒤섬 보상 게인이다.

즉, 저대역 필터에 의해 외란이나 노이즈가 제거되고, 뒤섬 보상 게인에 따라 위상에 대한 뒷섬 보상이 이루어져 주파수 응답을 이용하여 검출한 공진 주파수를 회피하기 위한 노치부 결정 및 노치폭을 확보할 수 있도록 한다.

이후, 앞섬 보상을 수행하는 제어로직의 전달함수와 뒤섬 보상을 수행하는 제어로직의 전달함수를 조합하면, 제어기(10)는 하기의 수학식 3과 같은 수학적 모델의 2차 안정화 전달함수를 획득할 수 있다.

이러한 전달함수는 2차 필터의 형태를 갖춘 노치 필터 형태로 갖게 되고, 이러한 전달함수에서 노치 필터의 특성을 조정하는 인자를 결정하여 이를 조정함으로써, 추종 오차가 최소가 되도록 한다.

여기서, 제어기(10)의 전달함수는 하기의 수학식 3과 같다.

여기서, G(s)는 제어기(10)의 전달함수이고, K_lag는 뒤섬 보상 게인이며, K_lead는 앞섬 보상 게인이며, a는 컷 오프 주파수(Cut off frequency)이다.

상기한 수학식 3에 나타난 바와 같이, 제어기(10)의 전달함수는 연속 영역에서의 전달함수 형태로써, 2차 필터의 형태를 갖게 된다.

이러한 전달함수를 살펴 보면, 노치 필터의 특성이 뒤섬 보상 게인과 앞섬 보상 게인 및 컷 오프 주파수와 같은 인자에 의해 결정됨을 알 수 있다.

따라서, 피드백부(20)를 통해 전달함수에 뒤섬 보상 게인과 앞섬 보상 게인 및 컷 오프 주파수 중 어느 하나 이상을 조절하여 극점을 도출함으로써, 안정화 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

이 경우, 뒤섬 보상 게인과 앞섬 보상 게인 및 컷 오프 주파수 중 어느 하나 이상을 조절하면, 제어기(10)에서 공진 회피와 대역폭을 확보할 수 있게 되는 바, 이를 도 2 와 도 3 을 참조하여 설명한다.

도 2 과 도 3 은 상기한 제어기의 전달함수에 대한 보데선도를 나타낸다.

파란 선도는 기존의 방식에 따른 응답 크기를 나타내고, 녹색 선도는 본 발명에 따른 응답 크기와 위상 크기를 나타낸다.

도 2 와 도 3 을 참조하면, 주파수가 약 10^-8㎐ 대역 이상에서는 거의 같은 형태로 위상마진과 이득마진이 모두 무한대임을 알 수 있고, 이를 통해 2차 필터의 응답성의 타당함을 확인할 수 있다.

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 정해져야할 것이다.

10: 제어기 20: 피드백부

Claims (7)

1. 토크 센서로부터 입력된 토크 센서값을 비례적분 제어하여 생성된 어시스트 토크값이 목표값을 추종하도록 보상하여 출력하는 제어기; 및
   상기 제어기에서 출력되는 어시스트 토크값을 상기 제어기의 입력으로 피드백하는 피드백부를 포함하며,
   상기 제어기는 필터와 위상 보상기가 적용되며,
   상기 제어기는 상기 필터와 상기 위상 보상기를 조합하여 2차 필터 형태의 전달함수로 구현되며,
   상기 전달함수(G(s))는
   

   

   
   이고,
   여기서, K_lag는 뒤섬 보상 게인이고, K_lead는 앞섬 보상 게인이며, a는 컷 오프 주파수(Cut off frequency)이며,
   상기 제어기는 상기 전달함수의 극점이 조정되도록 뒤섬 보상 게인과, 앞섬 보상 게인, 및 컷 오프 주파수 중 어느 하나 이상을 조절하여 안정성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 필터는 저대역 필터인 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 위상 보상기는 앞섬 보상부와 뒤섬 보상부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 조향 제어 장치.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제

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