KR101836628B1 - 전동식 브레이크 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전동식 브레이크 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 모터 특성을 추정할 수 있는 전동식 브레이크 장치, 및 모터 특성을 추정하여 전동식 브레이크 장치를 제어할 수 있는 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 피스톤과 캘리퍼 하우징 측 사이에 설치되어, 제동 해제 방향으로 축방향 후퇴 이동하는 피스톤의 직선 이동력에 대항하는 반력을 생성하여 피스톤에 작용시키는 반력 형성 기구; 모터의 작동 상태를 검출하는 센서; 및 상기 피스톤이 축방향 후퇴 이동되도록 모터의 작동을 제어할 때 센서에 의해 검출되는 모터 작동 상태 정보에 기초하여 모터 전류와 모터 회전 토크 사이의 상관 관계를 나타내는 모터 토크 상수를 추정하는 제어기를 포함하는 전동식 브레이크 장치가 개시된다.

Description

전동식 브레이크 장치 및 그 제어 방법{Electro-mechanical brake system and control method thereof}
본 발명은 전동식 브레이크 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모터 특성을 추정할 수 있는 전동식 브레이크 장치, 및 모터 특성을 추정하여 전동식 브레이크 장치를 제어할 수 있는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 브레이크 장치는 주행 중인 차량을 감속 또는 정지시키거나 차량의 정지 상태를 유지하기 위한 제동력을 발생시키는 장치로서, 감속 시에 차량의 운동에너지가 기계적인 마찰에 의해 열에너지로 전환되고 그 마찰열이 대기 중에 방출되면서 제동이 이루어진다.
차량용 브레이크 장치에는 드럼식 유압 브레이크와 디스크식 유압 브레이크 등이 있는데, 디스크식 유압 브레이크는 드럼 대신에 휠과 함께 회전하는 디스크를 양쪽에서 마찰패드로 강하게 압박하여 제동력을 얻도록 되어 있다.
그러나, 유압 브레이크는 운전석의 브레이크 페달에 연결되는 기구적 요소, 유압 배관, 유압을 제어하기 위한 요소 등을 필요로 하여 구성이 복잡하다.
따라서, 브레이크 장치의 구성을 단순화하기 위해 전동식 브레이크(Electro-Mechanical Brake, EMB)가 개발되어 사용되고 있다.
전동식 브레이크는 주차 브레이크(EPB:Electronic Parking Brake)로 개발되었으나, 최근 종래의 유압식 브레이크를 대체하는 주 브레이크용으로 그 영역이 확장되고 있다.
전동식 브레이크는 일반적인 유압 브레이크와는 달리 전기모터로 구동되는 기계적 메커니즘을 이용하여 마찰패드를 가압함으로써 제동력을 얻는 브레이크 장치이다.
즉, 전동식 브레이크의 경우, 제동 및 제동 해제를 위해 정회전과 역회전을 하는 전기모터를 포함하는 액추에이터를 가지며, 제동 시에는 디스크를 압박하도록(디스크와 마찰되도록) 모터의 회전력을 이용하여 마찰패드를 가압하는 동작이 이루어진다.
이러한 전동식 브레이크는 유압 브레이크에 비해 구조가 간단하면서도 응답속도가 빠르고, 더욱 정밀한 제어가 가능하여 제동 안전성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 전동식 브레이크는 제동력 제어가 용이한 장점을 가지며, 브레이크-바이-와이어 시스템(Brake By Wire system, BBW)의 구현을 위해서는 필수적으로 적용이 되어야 하는 시스템이다.
한편, 전동식 브레이크는 운전자와의 기계적인 연결 없이 다양한 센서와 전기적인 장치에 의해 작동되며, 따라서 이러한 장치들의 고장에 대한 안정성을 확보하는 것이 반드시 필요하다.
예를 들면, 전동식 브레이크에 힘 센서가 설치될 수 있는데, 이 힘 센서는 캘리퍼 하우징의 피스톤과 핑거부가 마찰패드를 통해 디스크의 양면을 가압하는 힘인 클램핑력을 검출한다.
이에 힘 센서가 장착된 전동식 브레이크에서는 클램핑력 검출값을 피드백 정보로 이용하여 원하는 클램핑력 및 제동력을 발생시키도록 모터의 토크 출력을 제어하게 된다.
그러나, 힘 센서의 고장 시에는 클램핑력 검출 자체가 불가하므로 클램핑력 검출값을 이용하는 모터 토크 제어 및 제동력 제어 또한 불가능해진다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 힘 센서의 고장 시에 모터 특성을 추정할 수 있는 전동식 브레이크 장치, 및 힘 센서의 고장 시 모터 특성을 추정하여 전동식 브레이크 장치를 제어할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
또한, 본 발명은 힘 센서가 미장착된 상태에서 모터 특성을 추정할 수 있는 전동식 브레이크 장치, 및 모터 특성을 추정하여 전동식 브레이크 장치를 제어함으로써 힘 센서의 삭제가 가능하도록 한 전동식 브레이크 장치의 제어 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따르면, 캘리퍼 하우징에 축방향 진퇴 이동 가능하게 설치되어, 제동 시 축방향 전진 이동하여 디스크를 클램핑하도록 마찰패드를 가압하고, 제동 해제 시 축방향 후퇴 이동하는 피스톤; 상기 피스톤을 이동시키기 위한 회전력을 제공하는 모터를 포함하는 액추에이터; 상기 액추에이터에서 전달되는 회전력을 직선력으로 변환하여 피스톤에 전달함으로써 피스톤이 축방향 진퇴 이동되도록 하는 동력변환기구; 상기 피스톤과 캘리퍼 하우징 측 사이에 설치되어, 제동 해제 방향으로 축방향 후퇴 이동하는 피스톤의 직선 이동력에 대항하는 반력을 생성하여 피스톤에 작용시키는 반력 형성 기구;
상기 모터의 작동 상태를 검출하는 센서; 및 상기 피스톤이 축방향 후퇴 이동되도록 모터의 작동을 제어할 때 센서에 의해 검출되는 모터 작동 상태 정보에 기초하여 모터 전류와 모터 회전 토크 사이의 상관 관계를 나타내는 모터 토크 상수를 추정하는 제어기를 포함하는 전동식 브레이크 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 제동 시 축방향 전진 이동하여 디스크를 클램핑하도록 마찰패드를 가압하고 제동 해제 시 축방향 후퇴 이동하는 피스톤, 및 상기 피스톤을 이동시키기 위한 회전력을 제공하는 모터를 구비한 액추에이터를 포함하는 전동식 브레이크 장치에서, 상기 피스톤이 제동 해제 방향으로 축방향 후퇴 이동할 때 피스톤의 직선 이동력에 대항하는 반력을 생성하여 피스톤에 작용시키는 반력 형성 기구를 제공하는 단계; 상기 모터를 제동 해제 방향인 역방향으로 회전시켜 피스톤이 축방향 후퇴 이동되도록 하는 단계; 상기 피스톤이 축방향 후퇴 이동되도록 모터의 작동을 제어하는 동안 센서를 통해 모터 작동 상태 정보를 검출하는 단계; 및 상기 검출된 모터 작동 상태 정보에 기초하여 모터 전류와 모터 회전 토크 사이의 상관 관계를 나타내는 모터 토크 상수를 추정하는 단계를 포함하는 전동식 브레이크 장치의 모터 토크 상수 추정 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 제동 시 축방향 전진 이동하여 디스크를 클램핑하도록 마찰패드를 가압하고 제동 해제 시 축방향 후퇴 이동하는 피스톤, 상기 피스톤을 이동시키기 위한 회전력을 제공하는 모터를 포함하는 액추에이터, 및 상기 피스톤이 제동 해제 방향으로 축방향 후퇴 이동할 때 피스톤의 직선 이동력에 대항하는 반력을 생성하여 피스톤에 작용시키는 반력 형성 기구를 포함하는 전동식 브레이크 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 모터를 제동 해제 방향인 역방향으로 회전시켜 피스톤이 축방향 후퇴 이동되도록 하는 단계; 상기 피스톤이 축방향 후퇴 이동되도록 모터의 작동을 제어하는 동안 센서를 통해 모터 작동 상태 정보를 검출하는 단계; 상기 검출된 모터 작동 상태 정보에 기초하여 모터 전류와 모터 회전 토크 사이의 상관 관계를 나타내는 모터 토크 상수를 추정하는 단계; 및 상기 추정된 모터 토크 상수를 이용하여 목표로 하는 모터 회전 토크를 발생시키도록 상기 모터에 인가되는 전류를 제어하는 단계를 포함하는 전동식 브레이크 장치의 제어 방법을 제공한다.
이로써, 본 발명에 따른 전동식 브레이크 장치 및 그 제어 방법에 의하면, 정해진 추정 로직에 따라 모터 전류와 회전 토크 사이의 상관 관계를 나타내는 모터 토크 상수를 추정한 뒤, 이후 제동 작동 시 상기 추정된 모터 토크 상수를 이용하여 모터 전류를 제어하도록 구성됨으로써 힘 센서의 고장 시에도 전동식 브레이크 장치의 클램핑력 및 제동력 제어가 가능해진다.
따라서, 힘 센서 고장 시 제동 성능 및 안정성 확보가 가능해지고, 제동 안전성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 힘 센서가 미장착된 경우에도 정해진 추정 로직에 따라 모터 토크 상수를 추정하여 모터 토크 상수를 이용한 전동식 브레이크 장치의 클램핑력 및 제동력 제어가 가능하고, 따라서 힘 센서를 삭제할 수 있어 원가 절감의 효과 또한 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예로서 힘 센서가 장착된 전동식 브레이크 장치에서 힘 센서 고장 시의 제동력 제어 과정을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예로서 힘 센서가 미장착된 전동식 브레이크 장치에서 제동력 제어 과정을 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 전동식 브레이크 장치를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제어 과정을 수행하는 전동식 브레이크 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에서 모터 회전각과 모터 전류의 그래프를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시에 따른 힘 센서 고장 시의 페일 세이프 제어 과정을 좀더 상세히 나타낸 순서도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 힘 센서 미장착 시 제어 과정을 좀더 상세히 나타낸 순서도이다.
도 9는 본 발명에서 힘 센서의 검출값의 정상 범위가 설정된 예를 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
전동식 브레이크 장치에서는 제동력 발생을 위한 구동원인 전기모터의 제어, 보다 상세하게는 전기모터의 회전 토크 제어를 통해 클램핑력 및 제동력을 제어한다.
또한, 전기모터의 제어를 위해 기본적으로 모터 위치 센서(모터 회전각 센서) 및 전류 센서가 이용되고, 이에 더하여 제동력 제어 과정에서 모터에 의해 발생된 클램핑력을 검출하는 힘 센서가 이용된다.
그리고, 본 발명에서 모터 위치 센서 및 전류 센서의 검출값은 후술하는 바와 같이 모터 특성, 즉 모터 토크 상수를 추정하는 데에도 이용될 수 있다.
또한, 전동식 브레이크 장치에서 힘 센서를 통해 검출되는 클램핑력은 제동력을 발생시키기 위한 전기모터의 제어 시에 피드백 정보로 이용될 수 있는데, 이러한 힘 센서의 고장 시에는 클램핑력 검출 자체가 불가하여 전기모터의 제어를 통한 클램핑력 제어 및 제동력 제어가 불가능해진다.
이에 따라, 본 발명에서는 힘 센서의 고장 시에 전기모터의 제어(제동력 제어)에 필요한 모터 특성, 즉 모터 전류와 모터 회전 토크 사이의 상관 관계를 나타내는 모터 토크 상수를 추정하고, 추정된 모터 토크 상수를 이용하여 목표로 하는 모터 회전 토크를 발생시키도록 전기모터에 인가되는 전류를 제어한다.
참고로, 제조 산포는 물론 내구가 진행된 경우에도 모터 특성이 변화할 수 있으며, 따라서 모터 특성을 이용하여 제동력 제어를 수행할 경우 변화된 모터 특성을 반영하여 제동력 제어를 수행해야 한다.
따라서, 본 발명에서 힘 센서의 고장 시 별도의 추정 로직에 따라 다른 센서에 의해 검출되는 모터 작동 상태 정보를 이용하여 현재의 모터 특성, 즉 모터 토크 상수를 추정하고, 이후의 제동 작동시 상기 추정된 모터 토크 상수를 이용하여 모터 제어를 수행한다.
여기서, 모터 작동 상태 정보는 센서 검출 정보인 모터 회전각과 모터 전류가 될 수 있다.
또한, 힘 센서가 미장착된 경우 정해진 조건에서 별도의 추정 로직을 실시하여 현재의 모터 토크 상수를 추정한 뒤 이후의 제동 작동시에 상기 추정된 현재의 모터 토크 상수를 이용하여 모터 제어를 수행한다.
이러한 모터 토크 상수 추정에 의한 제어를 통해 힘 센서의 고장 시 대응이 가능해지고, 나아가 힘 센서의 삭제도 가능해진다.
이하, 본 발명의 실시예로서, 힘 센서가 장착된 전동식 브레이크 장치에서 힘 센서의 고장 시 모터 특성을 추정한 후 제동력을 제어하는 방법과, 힘 센서가 장착되지 않은(힘 센서가 삭제된) 전동식 브레이크 장치에서 모터 특성을 추정한 후 제동력을 제어하는 방법을 설명하기로 한다.
도 1은 힘 센서가 장착된 전동식 브레이크 장치에서 힘 센서 고장 시의 제동력 제어 과정을 나타내고 있다.
도시된 바와 같이, 힘 센서의 고장 유무를 판단하고(S1), 힘 센서가 고장인 것으로 판단한 경우 모터 특성 값, 즉 모터 토크 상수를 추정하며(S2), 추정된 모터 토크 상수를 이용하여 원하는 클램핑력 및 제동력 생성을 위한 모터의 구동을 제어하는 제동력 제어 과정(S3)을 나타내고 있다.
이와 같이 힘 센서의 고장 시에도 추정된 모터 토크 상수를 이용하여 제동력 제어가 이루어질 수 있으므로 고장 시 성능 및 안정성 확보가 가능해지고, 제동 안전성능을 향상시킬 수 있다.
도 2는 힘 센서가 미장착된 전동식 브레이크 장치에서 정해진 로직 진입 조건을 만족할 경우 추정 로직에 따라 모터 특성 값, 즉 모터 토크 상수를 추정하고(S1'), 추정된 모터 토크 상수를 이용하여 원하는 클램핑력 및 제동력 생성을 위해 모터의 구동을 제어하는 제동력 제어 과정(S2')을 나타내고 있다.
도 2의 제어 과정은 힘 센서가 미장착된 상태로 힘 센서를 이용하지 않는 일종의 센서리스(sensorless) 제어라 할 수 있으며, 이러한 제어 과정 적용 시 힘 센서의 삭제가 가능해진다.
한편, 제어 과정의 설명에 앞서 모터 특성 변화를 감지하고 모터 특성을 추정할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 전동식 브레이크 장치에 대해 설명하기로 한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 전동식 브레이크 장치를 나타내는 단면도로서, 전동식 브레이크 장치의 주요 구성요소와 함께 반력 형성 기구를 보여주고 있다.
또한, 도 4는 본 발명의 제어 과정을 수행하는 전동식 브레이크 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도시된 전동식 브레이크 장치에서는 모터(70)와 피스톤(30) 사이의 힘 전달 구조 내에 스프링과 같은 탄성부재(63)를 적용하여 모터(70)가 제동력 해제를 위해 역회전됨에 따라 반력이 점차 커지도록 한 반력 형성 기구가 설치된다.
또한, 센서에 의해 검출되는 모터 회전각(회전자 절대각 위치)과 모터 전류로부터 모터 토크 상수가 추정될 수 있도록 한다.
여기서, 센서는 모터 회전각을 검출하는 모터 위치 센서(102)와, 모터(70)에 인가되는 전류를 검출하는 전류 센서(103)이다.
도시된 전동식 브레이크 장치의 구성에 대해 설명하면, 전동식 브레이크 장치는 차체에 고정 설치되는 캐리어(도시하지 않음)와, 캐리어에 진퇴 이동 가능하게 결합되는 캘리퍼 하우징(20)을 포함한다.
이 캐리어와 캘리퍼 하우징(20)은 차량의 휠에 설치된 디스크(1)를 일측에서 감싸는 형태가 되도록 배치된다.
캐리어 내에는 차량의 휠과 함께 회전하는 디스크(1)의 양면을 가압하는 한 쌍의 마찰패드(브레이크 패드)(11,12)가 진퇴 이동 가능하게 설치된다.
한 쌍의 마찰패드(11,12)는 서로 이격되게 설치되어 그 사이에 디스크(1)가 배치되도록 되어 있다.
따라서, 후술하는 피스톤(30)의 전진 작동 시 마찰패드(11,12)가 디스크(1)를 향해 이동하여 디스크(1)와 마찰함과 동시에 디스크(1)를 가압함으로써 제동이 이루어진다.
캘리퍼 하우징(20)은 캐리어에 슬라이드 이동 가능하게 설치되고, 피스톤(30)이 설치되는 실린더(21)를 가진다.
즉, 캘리퍼 하우징(20)의 일측에 중공의 실린더(21)가 형성되고, 이 실린더(21) 내에 피스톤(30)이 진퇴 이동될 수 있도록 설치되는 것이다.
피스톤(30)은 전진 이동하여 한 쌍의 마찰패드(11,12) 중 어느 하나의 마찰패드(11)를 디스크(1) 측으로 전진시켜 마찰패드(11)가 디스크(1)와 마찰되도록 한다.
또한, 캘리퍼 하우징(20)의 타측에는 다른 하나의 마찰패드(12)를 디스크(1) 측으로 전진시켜 마찰패드(12)가 디스크(1)와 마찰되도록 하는 핑거부(22)가 형성된다.
따라서, 제동을 위해 전달되는 힘에 의해 피스톤(30)이 마찰패드(11) 및 디스크(1) 측을 향해 전진하면서 일측의 마찰패드(11)를 디스크(1)에 가압시키고, 피스톤(30)과 일측의 마찰패드(11) 사이에 작용하는 반력에 의해 캘리퍼 하우징(20)이 피스톤(30)의 이동방향과 반대방향으로 이동하게 되면서 캘리퍼 하우징(20)의 핑거부(22)가 타측의 마찰패드(12)를 디스크(1)에 가압시킨다.
이에 두 마찰패드(11,12)가 디스크(1)의 양면을 동시에 압착하게 된다.
이때, 두 마찰패드(11,12)와 디스크(1) 사이에 발생하는 마찰력에 의해 제동이 이루어지며, 상기 마찰력에 의해 휠을 회전되지 못하게 구속하려는 제동력이 발생한다.
여기서, 캘리퍼 하우징(20)의 피스톤(30)과 핑거부(22)가 마찰패드(11,12)를 통해 디스크(1)의 양면을 가압하는 힘을 캘리퍼 하우징(20)의 클램핑력이라 할 수 있다.
한편, 전동식 브레이크 장치는 피스톤(30)을 동작시키기 위한 구동유닛을 포함하며, 구동유닛은, 제동력 발생을 위한 회전력을 생성하여 전달하는 액추에이터와, 액추에이터에서 전달되는 회전력을 직선력으로 변환하여 캘리퍼 하우징(20)의 실린더(21) 내에 설치된 피스톤(30)에 전달함으로써 피스톤(30)이 축방향 진퇴 이동되도록 하는 동력변환기구를 포함한다.
여기서, 동력변환기구는 캘리퍼 하우징(20)의 실린더(21) 내에 설치된 피스톤(30)에 결합되어 축방향 진퇴 이동(전후 직선 이동)됨에 따라 피스톤(30)이 축방향 진퇴 이동되도록 하는 너트부재(40)와, 너트부재(40)에 나사 결합되어 회전 시 너트부재(40)를 진퇴 이동(전후 직선 이동)시키는 스핀들(50)을 포함할 수 있다.
또한, 액추에이터는 제동력 발생을 위한 회전력을 생성하는 전기모터(도 4에서 도면부호 70임)와, 전기모터(70)의 회전축과 동력변환기구 사이에 구성되어 전기모터(70)의 회전력을 동력변환기구에 전달하는 기어 조립체(80)를 포함한다.
이때, 기어 조립체(80)는 전기모터(70)의 회전축과 동력변환기구의 스핀들(50) 사이에 구성되어 전기모터(70)의 회전력을 스핀들(50)에 전달하도록 구성될 수 있다.
이러한 구성에서는 액추에이터가 제동력 발생을 위한 회전력을 생성하여 스핀들(50)에 전달함으로써 스핀들(50)을 회전시키게 된다.
이와 함께 구동유닛은, 캘리퍼 하우징(20)에 고정 설치되어 너트부재(40)의 회전은 구속하면서 너트부재(40)의 축방향 진퇴 이동을 가이드 하는 가이드 부재(60)를 더 포함한다.
먼저, 캘리퍼 하우징(20)의 피스톤(30)은 내측에 그 축방향(즉, 길이방향)을 따라 길게 연장 형성된 중공부(81)를 가지며, 이 피스톤(30)의 중공부(81) 내측에 너트부재(40)가 설치되어 결합된다.
이에 피스톤(30)과 너트부재(40)는 일체로 축방향을 따라 전후 이동하도록 되어 있다.
너트부재(40)는 긴 원통 형상을 가질 수 있으며, 너트부재(40)의 외측면에는 그 길이방향(즉, 축방향)을 따라 길게 가이드 돌기(41)가 돌출 형성되고, 이 너트부재(40)의 가이드 돌기(41)는 캘리퍼 하우징(20)의 실린더(21) 내측면에 고정 설치된 가이드 부재(60)의 가이드 홈(61)에 결합된다.
가이드 부재(60)는 긴 원통 형상을 가질 수 있으며, 일측이 캘리퍼 하우징(20)에 고정됨과 더불어 타측이 피스톤(30)의 중공부(81)에 삽입되어 내측에 너트부재(40)를 수용하도록 되어 있다.
가이드 부재(60)의 가이드 홈(61)은 가이드 부재의 내측면에 길이방향(축방향)을 따라 길게 형성되며, 가이드 돌기(41)가 가이드 홈(61)에 삽입된 상태로 너트부재(40)의 축방향 진퇴 이동(전후 직선 이동)이 가이드 된다.
또한, 가이드 부재(60)가 캘리퍼 하우징(20)의 실린더(21) 내측면에 회전은 물론 전후 이동되지 않도록 완전히 고정되어 장착되므로, 가이드 부재(60)의 가이드 홈(61)에 가이드 돌기(41)가 결합되어 있는 너트부재(40)는, 가이드 부재(60)의 내측에서 축방향 진퇴 이동만 가능할 뿐, 회전방향에 대해서는 가이드 부재(60)에 의해 구속되어 그 회전이 불가하도록 되어 있다.
너트부재(40)의 내주면에는 나사산이 가공되어 형성되는데, 스핀들(50)의 외주면에 너트부재(40)와 나사 결합될 수 있는 나사산이 가공되어 형성되고, 이에 스핀들(50)의 회전 시 너트부재(40)가 축방향 진퇴 이동될 수 있게 되어 있다.
너트부재(40)의 내측으로 스핀들(50)이 나사 결합됨으로써 스핀들(50)의 회전력이 너트부재(40)의 전후 직선력으로 변환될 수 있는 것이다.
이에 스핀들(50)의 회전 시 너트부재(40)가 가이드 부재(60)에 의해 가이드 되어 축방향의 전후로 직선 이동할 수 있게 된다.
이러한 구성에서 피스톤(30)은 마찰패드(11)와 너트부재(40) 사이에 설치되어 너트부재(40)의 직선력을 마찰패드(11)에 전달하게 된다.
스핀들(50)은 기어 조립체(80)의 출력기어(81)의 축(82)에 회전력 전달이 가능하도록 결합되는데, 스핀들(50)의 후단부에는 반경방향으로 확장된 형상의 지지부(51)가 돌출 형성된다.
구동유닛의 전기모터(70)는 제동(마찰패드 가압) 및 제동 해제(마찰패드 감압)를 위한 구동력, 즉 회전력을 발생시키는 구동원으로서, 마찰패드 가압 시 정방향으로 회전되고, 마찰패드 감압 시에는 역방향으로 회전되는바, 정방향 회전력과 역방향 회전력을 발생시켜 기어 조립체(80)를 통해 스핀들(50)에 제공하게 된다.
전기모터(70)는 제어기(90)에 의해 구동이 제어되며, 이 제어기(90)는 전기모터(70)의 정방향 및 역방향 구동을 제어하게 된다.
기어 조립체(80)는 모터(70)의 회전속도를 감속시킴과 더불어 모터(70)의 회전력을 증폭시켜 스핀들(50)에 전달하는 구성요소로, 복수 개의 기어들이 조합된 기어 트레인으로 구성될 수 있다.
전기모터(70)와 기어 조립체(80)는 공지의 전동식 브레이크 장치에 기 적용되고 있는 것이 될 수 있으며, 기어 조립체(80)에서 모터(70)의 회전력을 최종 출력하는 출력기어(81)의 축(82)에 스핀들(50)이 결합된다.
전술한 바와 같이, 가이드 부재(60)는 캘리퍼 하우징(20)의 실린더(21) 내측면에 완전히 고정되도록 설치되는 것으로, 너트부재(40)가 내측에 삽입된 상태에서 축방향으로 가이드 될 수 있도록 긴 통 형상, 예컨대 원통 형상을 가질 수 있고, 그 내측으로 너트부재(40)와 함께 너트부재(40)에 결합된 스핀들(50)이 통과하도록 되어 있다.
또한, 가이드 부재(60)의 후단부에는 반경방향으로 확장된 원통 형상의 확장부(62)가 형성되고, 이 확장부(62) 내측에 스핀들(50)의 지지부(51)가 수용되어 위치된다.
이때, 가이드 부재(60)의 확장부(62)가 캘리퍼 하우징(20)의 실린더(21) 내측면에 고정되고, 가이드 부재(60)에서 확장부(62) 전측의 부분이 피스톤(30)의 중공부(81) 내측으로 삽입된 상태로 너트부재(40)의 외측면과 결합되는 부분이 된다.
캘리퍼 하우징(20)의 실린더(21) 내 후측에는 스핀들(50)의 지지부(51) 후측에 결합되어 상기 지지부(51)를 통해 작용하는 제동 시의 힘, 즉 클램핑력을 검출하는 힘 센서(101)가 설치된다.
제동 시 모터(70) 구동에 의해 발생된 클램핑력이 마찰패드(11,12)를 통해 디스크(1)에 작용할 때, 디스크(1)에 작용하는 클램핑력에 대한 반력이 피스톤(30) 및 너트부재(40), 스핀들(50)(지지부)을 통해 힘 센서(101)에 전달 및 입력되는데, 이 힘 센서(101)에 전달 및 입력되는 반력은 클램핑력과 같은 힘이 되며, 이 반력(클램핑력)을 힘 센서(101)가 검출하게 된다.
도 3에서 도면부호 52는 스핀들(50)의 지지부(51)와 그 후방의 힘 센서(101) 사이에 설치되는 베어링(52)을 나타내는 것으로, 상기 베어링(52)은 지지부(51)를 통해 스핀들(50)을 힘 센서(101)에서 회전 가능하게 지지한다.
상기한 구성에서 피스톤(30) 및 이 피스톤(30)에 결합된 너트부재(40)는 전동식 브레이크 장치에서 모터(70)의 회전력에 의해 이동되는 이동 부품, 즉 이동부가 되고, 캘리퍼 하우징(20) 및 이 캘리퍼 하우징(20)에 고정 설치된 가이드 부재(60)는 모터 위치를 기준으로 상대적 고정되어 있는 고정 부품, 즉 고정부가 된다.
한편, 제동이 해제되는 방향으로 모터(70)가 역회전될 때 반력을 생성하는 반력 형성 기구가 설치되며, 여기서 반력은 모터(70)가 역회전될 때 축방향 후퇴 이동되는 피스톤(30)의 직선 이동력에 대항하는 힘이라 할 수 있다.
본 발명에서 반력 형성 기구는 피스톤이 제동 해제 방향으로 이동될 때, 즉 축방향 후퇴 이동될 때 상기 반력을 생성하여 피스톤에 작용시키게 되며, 바람직한 실시예에서 이동부와 고정부 간에 탄성부재(63)를 설치하여서 구성될 수 있다.
보다 상세하게는, 반력 형성 기구는 이동부인 피스톤(30)과 고정부인 캘리퍼 하우징(20) 측(캘리퍼 하우징에 고정되어 있는 부품을 포함하는 것임) 사이에 탄성부재(63)인 스프링을 설치하여 구성될 수 있다.
이때, 스프링(63)은 캘리퍼 하우징(20)에 고정 설치되어 있는 가이드 부재(60)의 확장부(62)와 피스톤(30) 사이에 설치될 수 있다.
이와 같이 모터(70)와 피스톤(30)에 이르는 힘 전달 구조 내에 탄성부재(63)를 적용하여 모터(70)의 역회전 시 반력이 점차 커지도록 하며, 이러한 반력 형성 기구는 모터 회전각에 따른 전류 변화로부터 모터 토크 상수를 추정하기 위해 이용된다.
모터 토크 상수의 추정과 관련해서 설명하면 다음과 같다.
먼저, 스프링(탄성부재)의 반력은 모터 토크 상수와 모터에 인가되는 모터 전류의 함수가 될 수 있고, 모터 회전 토크는 아래의 수학식 1로 정의될 수 있다.
[수학식 1]
모터 회전 토크 = 모터 토크 상수×모터 전류
또한, 모터 토크와 클램핑력의 관계식은 아래의 수학식 2가 될 수 있다.
[수학식 2]
모터 회전 토크×감속비×기어 효율×2π×스핀들 효율 = 클램핑력×스핀들 리드
아울러, 클램핑력은 아래의 수학식 3으로 정의될 수 있다.
[수학식 3]
클램핑력 = 스프링 상수×스핀들 이동 거리 = 스프링 상수×(모터 회전각×스핀들 리드)/(감속비×2π)
결국, 수학식 2 및 3으로부터 모터 토크 상수는 아래의 수학식 4와 5가 구해질 수 있다.
[수학식 4]
모터 토크 = 모터 회전각×K = 모터 토크 상수×전류
[수학식 5]
모터 토크 상수 = (모터 회전각/전류)×K
여기서, 스프링 상수는 반력 형성 기구의 탄성부재, 즉 피스톤(30)과 캘리퍼 하우징(20) 측 사이에 설치된 스프링(63)의 스프링 상수로서, 제어기(90)에 입력되어 모터 토크 상수를 추정하는데 이용된다.
또한, 감속비는 기어 조립체(80)의 기어 구성에 따라 정해지는 감속비로서, 입력속도(모터 및 입력기어의 회전속도)에 대한 출력속도(출력기어 및 스핀들의 회전속도)의 비가 되며, 이 또한 제어기(90)에 입력되어 모터 토크 상수를 추정하는데 이용된다.
상기 K는 ' K = 스프링 상수×(스핀들 리드/(감속비×2π))2×기어 효율×스핀들 효율) '로서 미리 정해진 값이 된다.
모터 회전각은 모터 위치 센서(102)에 의해 검출되는 센서 검출 정보이고, 모터 전류는 모터(70)에 인가되는 전류로서 전류 센서(103)에 의해 검출되는 센서 검출 정보이다.
결국, 제어기(90)가 수학식 2와 같이 센서 검출 정보, 즉 모터 위치 센서(102) 및 전류 센서(103)에 의해 각각 검출되는 모터 회전각과 모터 전류, 그리고 미리 입력 저장된 설정 정보인 스프링 상수와 감속비를 이용하여 모터 토크 상수를 추정할 수 있다.
또한, 모터 토크 상수의 추정을 위해서는 추정 로직에서 모터(70)를 제동이 해제되는 방향으로 역회전시키는데, 모터(70)가 역방향 회전될 때, 스핀들(50)의 역회전으로 너트부재(40)와 피스톤(30)이 일체로 후퇴 이동하게 된다.
이때, 피스톤(30)에 의해 반력 형성 기구의 스프링(63)이 압축되며, 스프링(63)의 압축이 이루어질 때 피스톤(30)은 스프링의 힘, 즉 후퇴 이동될 때의 반력을 스프링으로부터 받게 된다.
이와 같이 스프링이 압축되는 과정에서 모터 회전각과 모터 전류를 검출하여 모터 특성 값, 즉 모터 토크 상수를 추정할 수 있는데, 스프링이 압축되는 과정에서 모니터링되는 모터 회전각과 모터 전류의 관계가 모터 토크 상수를 결정하게 된다.
도 3a는 반력 형성 기구에서 스프링이 피스톤(30)에 의해 압축되지 않은 초기 상태에서 무부하 상태가 되도록 세팅된 전동식 브레이크 장치의 단면도이고, 도 3b는 초기 상태에서 스프링이 압축된 상태로 세팅되어 있는 전동식 브레이크 장치의 단면도이다.
도 3b의 전동식 브레이크 장치에서는 캘리퍼 하우징(20)의 실린더(21)에서 그 후측의 내측면에 스프링 장착홈(23)이 소정의 축방향 길이 구간만큼 형성되고, 이 스프링 장착홈(23)의 내측으로 링 형상의 스프링 시트(64)가 설치된다.
또한, 스프링 시트(64)와 가이드 부재(60)의 확장부(62) 사이에 스프링을 설치하여 반력 형성 기구를 구성하는데, 이때 스프링 시트(64)는 가이드 부재(60)의 확장부(62)와의 사이에 설치된 스프링(63)을 압축한 상태로 스프링 장착홈(23)의 전측 끝단에 걸려 있을 수 있게 설치된다.
다만, 스프링 시트(64)는 스프링 장착홈(23)에서 캘리퍼 하우징(20)의 실린더(21) 내측으로 돌출된 구조를 가지도록 설치되며, 이에 모터(70)의 역회전 시 후퇴 이동하는 피스톤(30)이 스프링 시트(64)를 후방으로 밀 수 있도록 되어 있다.
결국, 피스톤(30)이 후퇴 이동하여 스프링 시트(64)를 밀어주게 되면 스프링(63)의 추가적인 압축이 이루어지게 된다.
한편, 도 5 및 도 6은 모터 회전각과 모터 전류의 그래프를 나타낸 도면으로, 도 5는 도 3a의 전동식 브레이크 장치와 같이 스프링이 압축되지 않은 무부하 상태로 초기 상태가 설정된 경우(스프링 무부하 세팅)의 그래프를 나타내고, 도 6은 도 3b의 전동식 브레이크 장치와 같이 스프링이 압축된 초기 상태로 설정된 경우(스프링 초기 압축 세팅)의 그래프를 나타낸다.
이하의 설명에서 반력 형성 기구의 접촉이라 함은 스프링(63)의 압축이 시작됨을 의미하고, 나아가 스프링(63)의 압축이 시작되어 반력 형성 기구에 의해 반력이 생성되기 시작함을 의미하며, 또한 반력 형성 기구에 의해 생성된 반력이 피스톤(30)에 작용하기 시작함을 의미한다.
또한, 반력 형성 기구의 접촉 시점은 피스톤(30)에 의해 스프링(63)의 압축이 시작되는 시점을 의미한다.
도 5를 참조하면, 제동력이 발생하도록 마찰패드(11,12)가 디스크(1)를 가압하고 있는 제동 상태에서 제동 해제를 위해 모터(70)가 역회전되어 피스톤(30)이 후퇴 이동되면, 모터(70)가 어느 정도 회전되고 난 뒤 반력 형성 기구의 스프링(63)이 압축되기 시작한다.
이와 같이 스프링(63)의 압축이 시작되는 반력 형성 기구의 접촉 이후에는 스프링을 가압하기 위해 모터(70)에 인가되는 전류가 증가하게 되며, 모터 전류가 증가하기 시작하는 시점이 반력 형성 기구가 접촉되는 시점(이때의 모터 회전각: 'X')이 된다.
또한, 도 5에 나타낸 바와 같이 스프링(63)의 압축이 시작되면 스프링 압축을 위해 모터 회전각이 증가함에 따라 모터 전류도 증가하는 경향을 나타내며, 모터 회전각에 대한 모터 전류의 변화율을 나타내는 직선 그래프의 기울기(모터 회전각 변화에 따른 모터 전류 변화를 나타냄)는 현재의 모터 토크 상수에 따라 결정된다.
또한, 모터의 내구가 진행됨에 따라 모터 특성이 변화하게 되는데, 이러한 상태 변화에 따라 직선의 기울기가 변하게 된다.
이와 같이 직선의 기울기는 모터 특성과 관계되는 정보이며, 따라서 이러한 상태 변화 및 기울기 변화로부터 모터 특성의 변화를 예측할 수 있고, 나아가 모터 토크 상수를 보정할 수 있게 된다.
도 5에 나타낸 실선의 직선 그래프는 내구가 진행되지 않은 모터의 회전각과 모터 전류 간의 관계를 나타내는 기준 설정 정보(설계치)로서, 도 5와 같은 설정 정보에 따르면 기준이 되는 모터 특성과 관계되는 기울기(이하 '기준 기울기'라 함)가 설정될 수 있게 된다.
결국, 이러한 설정 정보가 제어기(90)에 미리 입력 및 저장된 상태에서, 제어기(90)는 실제 센서 검출 정보인 모터 회전각과 모터 전류 간의 관계를 나타내는 직선의 기울기와 설정된 기준 기울기를 비교하여 기울기 변화량만큼 모터 토크 상수를 보정할 수 있게 된다.
이러한 모터 토크 상수의 보정은, 제어기에 기울기 변화량에 상응하는 보정값을 미리 설정해둔 상태에서, 제어기가 센서 검출 정보로부터 구해지는 기울기를 설정 정보인 기준 기울기와 비교하여 기울기 변화량(구해지는 기울기와 기준 기울기의 차이값)에 상응하는 보정값을 구한 후, 추정된 모터 토크 상수를 상기 보정값 만큼 보정하는 방식으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 모터 특성 변화에 따라 달라지는 모터 토크 상수를 주기적으로 보정할 수 있다면, 보정 후의 모터 토크 상수를 이용하여 정확한 클램핑력 및 제동력을 계산할 수 있고, 이에 따라 힘 센서(101)를 삭제하거나 또는 힘 센서의 고장 시에 대처할 수 있다.
도 5에서 소정의 기울기를 가지는 점선의 두 직선 그래프는 모터(70)나 제어기(90) 등이 정상적으로 동작하는 정상 범위를 나타내고 있는 것으로, 모터 회전각 Vs 전류 그래프 및 데이터가 정상 범위를 벗어난 경우 모터나 제어기 등이 정상적으로 동작하지 않는 고장 상태를 의미한다.
도 6은 스프링 초기 압축 세팅의 경우로, 초기 상태에서 스프링이 압축되어 있기 때문에 반력 형성 기구의 접촉이 이루어지는 시점, 즉 초기 압축 상태에서 추가적인 스프링 압축이 시작되는 시점에서 순간적으로 큰 전류가 소요되는 것(도 6에서 급격히 전류가 증가되는 것으로 나타난 영역)을 제외하고는 도 5의 경우와 차이가 없다.
스프링의 압축된 상태를 이기고 스프링의 추가 압축이 시작되도록 하기 위한 전류 추가분은 도 6의 그래프 상에서 모터 전류가 급격히 증가하는 부분으로 나타난다.
도 6에서 모터 전류가 피크값을 나타내는 시점(이때의 모터 회전각: 'Y')이 반력 형성 기구의 접촉 시점, 즉 압축된 초기 상태에서 스프링의 추가 압축이 시작되는 시점이 된다.
도 6에서 소정의 기울기를 가지는 점선의 두 직선 그래프는 모터(70)나 제어기(90) 등이 정상적으로 동작하는 정상 범위를 나타내고 있는 것으로, 모터 회전각 Vs 전류 그래프 및 데이터가 정상 범위를 벗어날 경우 모터나 제어기 등이 정상적으로 동작하지 않는 고장 상태를 의미한다.
이러한 도 6의 스프링 초기 압축 세팅의 경우에도 도 5의 무부하 세팅의 경우와 동일한 방식으로 모터 토크 상수를 보정하는 것이 가능하며, 제어기(90)에서 센서(102,103)에 의해 검출된 모터 회전각과 모터 전류의 관계를 나타내는 직선의 기울기를 설정된 기준 기울기와 비교하여 도 5의 경우와 동일한 방법으로 모터 토크 상수를 보정한다.
이와 같이 반력 형성 기구가 접촉한 시점에서부터 스프링(63)이 압축되는 동안의 모터 회전각과 모터 전류의 변화를 모니터링함으로써 모터 특성 변화를 추정할 수 있으며, 이를 이용하여 모터 토크 상수를 보정할 수 있다.
그리고, 센서 검출 정보인 모터 회전각과 모터 전류로부터는 도 5와 도 6에 나타낸 바와 같이 반력 형성 기구의 접촉 여부, 즉 스프링 압축이 시작되었는지를 판단하는 것이 가능하다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 전동식 브레이크 장치의 제어 과정을 좀더 구체적으로 설명하기로 한다.
도 7은 힘 센서 고장 시의 페일 세이프 제어 과정을 좀더 상세히 나타낸 순서도로서, 먼저 제동력 추정 로직이 시작되면(S11) 제어기(90)는 힘 센서(101)의 고장 유무를 판단하게 된다(S12).
힘 센서(101)의 고장 유무는 힘 센서(101)와 전류 센서(103)의 검출 정보를 이용하여 판단할 수 있으며, 제어기(90)가 힘 센서(101)의 검출값이 전류 센서(103)의 검출값에 해당하는 설정된 정상 범위 이내에 있는지를 확인하여 힘 센서의 고장 유무를 판단하게 된다.
이때, 제어기(90)는 힘 센서(101)의 검출값이 정상 범위 이내인 경우 힘 센서가 정상인 것으로 판단하고, 정상 범위를 벗어난 경우 힘 센서가 고장 상태인 것으로 판단하게 된다.
도 9는 힘 센서의 검출값의 정상 범위가 설정된 예를 나타낸 도면으로, 도시된 바와 같이 전류 센서에 의해 검출되는 모터 전류 값과 힘 센서에 의해 검출되는 클램핑력 값을 모니터링(전류 센서 검출값 Vs 힘 센서 검출값 모니터링)하고, 힘 센서에 의해 검출된 클램핑력 값이 동일 시점에서 검출된 모터 전류 값에 해당하는 정상 범위 이내인지를 확인하게 된다.
또는 제어기가 전류 센서의 검출값 변화에 대한 힘 센서의 검출값 변화를 나타내는 기울기를 설정된 정상 기울기 범위와 비교하여 정상 기울기 범위 이내인 경우 힘 센서의 정상, 정상 기울기 범위를 벗어난 경우 힘 센서의 고장으로 판단하도록 설정될 수도 있다.
도 9에서 점선의 두 직선 그래프는 정상 범위의 상한값과 하한값을 규정하고 있는 것으로, 전류 센서와 힘 센서의 검출값으로부터 얻은 직선 데이터가 정상 범위의 상한값과 하한값을 나타내는 두 점선 사이에 위치할 경우(검출값의 직선 기울기가 두 점선의 기울기 사이 값인 경우) 힘 센서의 정상 상태이고, 두 점선 사이를 벗어난 경우 고장 상태이다.
상기와 같이 힘 센서가 고장 상태인 것으로 판단한 경우 모터 토크 상수를 추정하기 위한 추정 로직이 시작되는데, 먼저 현재 제동력을 발생시켜야 하는 제동 요구 상황인지를 판단하고(S13), 제동력을 발생시키지 않아도 되는 제동 해제 가능 상태이면, 이미 제동이 이루어진 상태(예를 들어, 주차 제동 상태)였을 때 제어기(90)가 모터(70)를 제동 해제가 이루어지는 역방향으로 회전시킨다(S14).
이어 제어기(90)는 모터(70)가 역방향 회전되는 동안 센서(102,103)에 의해 검출되는 모터 회전각과 모터 전류를 모니터링하여 반력 형성 기구의 접촉 여부(스프링 압축 시작 여부)를 판단하게 된다(S15).
반력 형성 기구의 접촉 여부는 앞에서 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이 모니터링되는 센서 검출 정보인 모터 회전각과 모터 전류로부터 판단할 수 있으며, 모터 회전각 변화에 대한 모터 전류의 변화 상태를 확인하여 판단할 수 있다.
반력 형성 기구의 접촉이 이루어지면, 즉 모터 역회전 및 피스톤 후퇴 이동에 의해 반력 형성 기구의 스프링(63)이 압축되기 시작하면, 모터 회전각이 증가함에 따라 모터 전류도 증가하는 경향을 나타내는데, 스프링의 초기 무부하 세팅인 경우 도 5에 나타낸 바와 같이 모터 회전각이 증가함에 따라 모터 전류가 증가하기 시작할 경우 반력 형성 기구의 접촉(스프링의 압축 시작)이 이루어진 것으로 판단할 수 있다.
또한, 스프링의 초기 압축 세팅인 경우 도 6에 나타낸 바와 같이 모터 회전각이 증가함에 따라 추가적인 스프링 압축이 시작되는 시점에서 순간적으로 큰 전류가 소요되므로(피크 전류가 나타남), 이러한 급격한 전류 상승이 나타난 경우 반력 형성 기구의 접촉(스프링의 압축 시작)이 이루어진 것으로 판단할 수 있다.
도 6을 참조하면 피크 전류가 나타난 시점이 반력 형성 기구의 접촉이 이루어진 시점(스프링의 압축이 시작되는 시점)임을 나타내고 있다.
상기와 같이 반력 형성 기구의 접촉이 이루어지면, 제어기(90)는 센서 검출 정보 및 설정 정보에 기초하여 모터 토크 상수를 추정하게 되는데(S16), 센서(102,103)에 의해 각각 검출된 모터 회전각 및 모터 전류, 설정 정보인 스프링 상수와 감속비(또는 K 값)를 이용하여 수학식 2에 따라 모터 토크 상수를 구하게 된다.
이렇게 구해진 초기의 모터 토크 상수는 앞서 설명한 바와 같이 제어기(90)에서 센서(102,103)에 의해 검출된 모터 회전각 및 모터 전류와 미리 설정된 기준 기울기를 이용하여 보정하게 된다.
결국, 보정된 모터 토크 상수가 최종 추정된 모터 토크 상수로 결정되어 제어기(90)에 저장되며, 이후 제어기(90)는 제동 시 상기 최종 추정되어 저장된 모터 토크 상수(보정된 모터 토크 상수)를 이용하여 전동식 브레이크 장치의 제동력 발생을 제어하게 된다(S17).
즉, 제어기(90)는 제동 시 요구되는 제동력이 결정되면, 요구 제동력에 상응하는 모터 회전 토크(= 모터 토크 상수×모터 전류)를 결정하고, 모터 토크 상수를 이용하여 모터 회전 토크를 충족시키기 위한 모터 전류를 제어하게 된다.
이와 같이 전류 제어 방식으로 모터(70)의 구동을 제어하고, 이를 통해 원하는 클램핑력 및 제동력('제동력 = 클램핑력×마찰패드와 디스크 간 마찰계수'의 관계임)을 발생시킨다.
한편, 도 8은 힘 센서가 미장착된 전동식 브레이크 장치의 제어 과정을 좀더 상세히 나타낸 순서도로서, 차량이 주차된 상태일 때 모터 토크 상수를 추정하기 위한 추정 로직이 시작된다.
모터 토크 상수를 추정하기 위해서는 해당 전동식 브레이크 장치의 제동 해제가 일시적으로 이루어져야 하는바, 차량이 주차된 상태라 하더라도 경사로에 주차된 경우에는 경사로에서 차량이 밀리는 것을 방지하기 위해 전체 차륜의 전동식 브레이크 장치들에 대해서 순차적인 모터 토크 상수 추정이 수행되도록 한다.
이를 위해, 상위 제어기(도시하지 않음)가 차량의 경사각 센서(도시하지 않음)로부터 차량이 경사로에 주차됨을 확인한 경우, 상위 제어기가 각 전동식 브레이크 장치에 설치된 제어기(90)와 통신하여 순차적인 모터 토크 상수 추정이 이루어지도록 협조 제어하게 된다.
이때, 차륜 하나의 휠에 설치된 전동식 브레이크 장치에 대해서 모터 토크 상수의 추정이 이루질 경우 나머지 휠의 전동식 브레이크 장치는 제동 상태를 유지하도록 하고, 모터 토크 상수의 추정이 종료되면 다른 휠에 설치된 전동식 브레이크 장치에 대해서 모터 토크 상수의 추정이 이루어지도록 한다.
이렇게 정해진 순번에 따라 순차적으로 전체 차륜의 전동식 브레이크 장치들에 대해 모터 토크 상수의 추정이 이루어지도록 한다.
도 8은 하나의 전동식 브레이크 장치에 대해서 모터 토크 상수의 추정이 이루어지는 과정을 나타내고 있으며, 차량이 주차된 상태에서 추정 로직이 시작되고, 차량이 주차된 상태는 운전석 도어가 열린 후 닫혔는지를 확인하는 것으로 판단될 수 있다(S10).
즉, 전동식 브레이크 장치의 제어기(90)가 도어 관련 제어기(예, BCM)로부터 운전석 도어가 열린 뒤 닫힌 신호를 입력받게 되면, 운전자가 도어를 열고 내린 뒤 다시 닫은 상태 및 운전자가 차량을 주차한 뒤 하차한 상태인 것으로 판단할 수 있는 것이다.
이와 같이 차량이 주차된 상태에서 추정 로직이 시작되고(S11'), 이후 제어기(90)가 모터(70)를 제동 해제가 이루어지는 역방향으로 회전시킨다(S12').
이어 제어기(90)는 모터(70)가 역방향 회전되는 동안 센서(102,103)에 의해 검출되는 모터 회전각과 모터 전류를 모니터링하여 반력 형성 기구의 접촉 여부(스프링 압축 시작 여부)를 판단하게 된다(S13').
이때, 반력 형성 기구의 접촉이 이루어짐을 판단한 경우, 제어기(90)는 센서 검출 정보 및 설정 정보에 기초하여 모터 토크 상수를 추정하며(S14'), 센서(102,103)에 의해 검출된 모터 회전각 및 모터 전류, 설정 정보인 스프링 상수와 감속비(또는 K 값)를 이용하여 수학식 2에 따라 모터 토크 상수를 구하게 된다.
이어 상기와 같이 구해진 모터 토크 상수가 이전에 저장된 모터 토크 상수와 달라졌는지를 판단하고(S15'), 모터 토크 상수가 달라진 경우 구해진 모터 토크 상수를 앞서 설명한 바와 같이 제어기(90)에서 센서(102,103)에 의해 검출된 모터 회전각 및 모터 전류와 미리 설정된 기준 기울기를 이용하여 보정하게 된다(S16').
결국, 보정된 모터 토크 상수가 최종 추정된 모터 토크 상수로 결정되어 제어기(90)에 저장되며, 이후 제어기(90)는 차량 운행이 다시 시작되고 난 후 제동이 이루어질 때 상기 저장된 모터 토크 상수(보정된 모터 토크 상수)를 이용하여 전동식 브레이크 장치의 제동력 발생을 제어하게 된다.
즉, 제어기(90)는 제동 시 요구되는 제동력이 결정되면, 요구 제동력에 상응하는 모터 회전 토크(= 모터 토크 상수×모터 전류)를 결정하고, 모터 토크 상수를 이용하여 모터 회전 토크를 충족시키기 위한 모터 전류를 제어하게 된다.
이와 같이 전류 제어 방식으로 모터(70)의 구동을 제어하고, 이를 통해 원하는 클램핑력 및 제동력을 발생시킨다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 디스크 11, 12 : 마찰패드
20 : 캘리퍼 하우징 21 : 실린더
22 : 핑거부 23 : 스프링 장착홈
30 : 피스톤 31 : 중공부
40 : 너트부재 41 : 가이드 돌기
50 : 스핀들 51 : 지지부
52 : 베어링 60 : 가이드 부재
61 : 가이드 홈 62 : 확장부
63 : 탄성부재(스프링) 64 : 스프링 시트
70 : 모터 80 : 기어 조립체
81 : 출력기어 82 : 축
90 : 제어기 101 : 힘 센서
102 : 모터 위치 센서 103 : 전류 센서

Claims (26)

  1. 캘리퍼 하우징에 축방향 진퇴 이동 가능하게 설치되어, 제동 시 축방향 전진 이동하여 디스크를 클램핑하도록 마찰패드를 가압하고, 제동 해제 시 축방향 후퇴 이동하는 피스톤;
    상기 피스톤을 이동시키기 위한 회전력을 제공하는 모터를 포함하는 액추에이터;
    상기 액추에이터에서 전달되는 회전력을 직선력으로 변환하여 피스톤에 전달함으로써 피스톤이 축방향 진퇴 이동되도록 하는 동력변환기구;
    상기 피스톤과 캘리퍼 하우징 측 사이에 설치되어, 제동 해제 방향으로 축방향 후퇴 이동하는 피스톤의 직선 이동력에 대항하는 반력을 생성하여 피스톤에 작용시키는 반력 형성 기구;
    상기 모터의 작동 상태를 검출하는 센서; 및
    상기 피스톤이 축방향 후퇴 이동되도록 모터의 작동을 제어할 때 센서에 의해 검출되는 모터 작동 상태 정보에 기초하여 모터 전류와 모터 회전 토크 사이의 상관 관계를 나타내는 모터 토크 상수를 추정하는 제어기를 포함하는 전동식 브레이크 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반력 형성 기구는,
    피스톤과 캘리퍼 하우징 측 사이에, 축방향 후퇴 이동하는 피스톤에 의해 압축되는 탄성부재를 설치하여서 구성되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어기는 상기 모터 작동 상태 정보로부터 상기 탄성부재의 압축이 시작됨을 판단하고, 상기 탄성부재의 압축이 시작된 상태에서 검출되는 모터 작동 상태 정보에 기초하여 모터 토크 상수를 추정하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서는 모터 위치 센서와 전류 센서를 포함하고,
    상기 모터 작동 상태 정보는,
    상기 모터 위치 센서에 의해 검출되는 모터 회전각; 및
    상기 전류 센서에 의해 검출되는 모터 인가 전류를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 캘리퍼 하우징에 일체로 고정 설치되어 너트부재의 회전은 구속하면서 너트부재의 축방향 진퇴 이동을 가이드 하는 가이드 부재를 더 포함하고,
    상기 탄성부재는 피스톤과, 상기 캘리퍼 하우징에 고정된 가이드 부재 사이에 설치되는 스프링인 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 가이드 부재는,
    통 형상으로 형성되어 일측이 캘리퍼 하우징에 고정되고,
    타측이 피스톤의 중공부에 삽입된 상태에서 상기 중공부 내측으로 삽입되어 결합된 너트부재를 수용하도록 너트부재와 결합되어 너트부재의 회전 구속 및 축방향 진퇴 이동 안내가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 가이드 부재에 반경방향으로 확장된 원통 형상의 확장부가 형성되고, 상기 가이드 부재의 확장부가 캘리퍼 하우징에 일체로 고정됨과 더불어, 상기 피스톤과 가이드 부재의 확장부 사이에 상기 반력 형성 기구의 스프링이 설치되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 동력변환기구는,
    상기 피스톤에 결합되어 축방향 진퇴 이동됨에 따라 피스톤이 축방향 진퇴 이동되도록 하는 너트부재; 및
    상기 액추에이터에 결합되어 액추에이터에서 전달되는 회전력에 의해 회전되고, 상기 너트부재에 나사 결합되어 회전 시 너트부재를 축방향 진퇴 이동시키는 스핀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 캘리퍼 하우징에 일체로 고정 설치되어 너트부재의 회전은 구속하면서 너트부재의 축방향 진퇴 이동을 가이드 하는 가이드 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 피스톤 및 너트부재, 스핀들이 캘리퍼 하우징에 형성된 중공의 실린더 내에 설치되며,
    상기 가이드 부재는,
    통 형상으로 형성되어 일측이 캘리퍼 하우징에 고정되고,
    타측이 피스톤의 중공부에 삽입된 상태에서 상기 중공부 내측으로 삽입되어 결합된 너트부재를 수용하도록 너트부재와 결합되어 너트부재의 회전 구속 및 축방향 진퇴 이동 안내가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치.
  11. 제동 시 축방향 전진 이동하여 디스크를 클램핑하도록 마찰패드를 가압하고 제동 해제 시 축방향 후퇴 이동하는 피스톤, 및 상기 피스톤을 이동시키기 위한 회전력을 제공하는 모터를 구비한 액추에이터를 포함하는 전동식 브레이크 장치에서, 상기 피스톤이 제동 해제 방향으로 축방향 후퇴 이동할 때 피스톤의 직선 이동력에 대항하는 반력을 생성하여 피스톤에 작용시키는 반력 형성 기구를 제공하는 단계;
    상기 모터를 제동 해제 방향인 역방향으로 회전시켜 피스톤이 축방향 후퇴 이동되도록 하는 단계;
    상기 피스톤이 축방향 후퇴 이동되도록 모터의 작동을 제어하는 동안 센서를 통해 모터 작동 상태 정보를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 모터 작동 상태 정보에 기초하여 모터 전류와 모터 회전 토크 사이의 상관 관계를 나타내는 모터 토크 상수를 추정하는 단계를 포함하는 전동식 브레이크 장치의 모터 토크 상수 추정 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 반력 형성 기구는,
    상기 피스톤과 캘리퍼 하우징 측 사이에, 축방향 후퇴 이동하는 피스톤에 의해 압축되는 탄성부재를 설치하여서 구성되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치의 모터 토크 상수 추정 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 모터 작동 상태 정보를 검출하는 단계에서 검출된 모터 작동 상태 정보로부터 상기 탄성부재의 압축이 시작되어 반력 형성 기구에서 반력이 생성되기 시작함을 판단한 후, 상기 탄성부재의 압축이 시작된 상태에서 검출되는 상기 모터 작동 상태 정보에 기초하여 모터 토크 상수를 추정하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치의 모터 토크 상수 추정 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 모터 작동 상태 정보는 모터 위치 센서에 의해 검출되는 모터 회전각, 및 전류 센서에 의해 검출되는 모터 인가 전류를 포함하고,
    상기 모터 회전각이 증가함에 따라 모터 인가 전류가 증가하기 시작한 경우 상기 탄성부재의 압축이 시작되어 반력 형성 기구에서 반력이 생성되기 시작한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치의 모터 토크 상수 추정 방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 모터 작동 상태 정보는,
    모터 위치 센서에 의해 검출되는 모터 회전각; 및
    전류 센서에 의해 검출되는 모터 인가 전류를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치의 모터 토크 상수 추정 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 센서들에 의해 검출되는 모터 회전각과 모터 인가 전류를 이용하여 모터 토크 상수를 계산 및 추정하고,
    상기 센서에 의해 검출되는 모터 회전각에 대한 모터 인가 전류의 변화율을 나타내는 기울기를 구한 뒤, 상기 구해진 기울기와 미리 설정된 기준 기울기의 차이에 상응하는 보정값을 구하며,
    상기 추정된 모터 토크 상수를 상기 구해진 보정값을 이용하여 보정하여 최종의 모터 토크 상수를 결정하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치의 모터 토크 상수 추정 방법.
  17. 청구항 11에 있어서,
    차량이 주차된 상태인지를 판단하는 단계를 더 포함하고,
    차량이 주차된 상태인 것으로 판단한 경우, 상기 피스톤이 축방향 후퇴 이동되도록 하는 단계; 상기 모터 작동 상태 정보를 검출하는 단계; 및 상기 검출된 모터 작동 상태 정보에 기초하여 모터 토크 상수를 추정하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치의 모터 토크 상수 추정 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    차량이 주차된 상태인 것으로 판단한 경우 경사각 센서를 통해 차량이 경사로에 주차되어 있음을 판단하는 단계를 더 포함하고,
    차량이 경사로에 주차되어 있음을 판단한 경우, 상기 피스톤이 축방향 후퇴 이동되도록 하는 단계; 상기 모터 작동 상태 정보를 검출하는 단계; 및 상기 검출된 모터 작동 상태 정보에 기초하여 모터 토크 상수를 추정하는 단계로 이루어지는 모터 토크 상수 추정 과정을, 전체 차륜의 전동식 브레이크 장치들에 대해서 순차적으로 실시하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치의 모터 토크 상수 추정 방법.
  19. 제동 시 축방향 전진 이동하여 디스크를 클램핑하도록 마찰패드를 가압하고 제동 해제 시 축방향 후퇴 이동하는 피스톤, 상기 피스톤을 이동시키기 위한 회전력을 제공하는 모터를 포함하는 액추에이터, 및 상기 피스톤이 제동 해제 방향으로 축방향 후퇴 이동할 때 피스톤의 직선 이동력에 대항하는 반력을 생성하여 피스톤에 작용시키는 반력 형성 기구를 포함하는 전동식 브레이크 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 모터를 제동 해제 방향인 역방향으로 회전시켜 피스톤이 축방향 후퇴 이동되도록 하는 단계;
    상기 피스톤이 축방향 후퇴 이동되도록 모터의 작동을 제어하는 동안 센서를 통해 모터 작동 상태 정보를 검출하는 단계;
    상기 검출된 모터 작동 상태 정보에 기초하여 모터 전류와 모터 회전 토크 사이의 상관 관계를 나타내는 모터 토크 상수를 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 모터 토크 상수를 이용하여 목표로 하는 모터 회전 토크를 발생시키도록 상기 모터에 인가되는 전류를 제어하는 단계를 포함하는 전동식 브레이크 장치의 제어 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 반력 형성 기구는,
    상기 피스톤과 캘리퍼 하우징 측 사이에, 축방향 후퇴 이동하는 피스톤에 의해 압축되는 탄성부재를 설치하여서 구성되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치의 제어 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 모터 작동 상태 정보를 검출하는 단계에서 검출된 모터 작동 상태 정보로부터 상기 탄성부재의 압축이 시작되어 반력 형성 기구에서 반력이 생성되기 시작함을 판단한 후, 상기 탄성부재의 압축이 시작된 상태에서 검출되는 상기 모터 작동 상태 정보에 기초하여 모터 토크 상수를 추정하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치의 제어 방법.
  22. 청구항 20에 있어서,
    상기 모터 작동 상태 정보는 모터 위치 센서에 의해 검출되는 모터 회전각, 및 전류 센서에 의해 검출되는 모터 인가 전류를 포함하고,
    상기 모터 회전각이 증가함에 따라 모터 인가 전류가 증가하기 시작한 경우 상기 탄성부재의 압축이 시작되어 반력 형성 기구에서 반력이 생성되기 시작한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치의 제어 방법.
  23. 청구항 19에 있어서,
    상기 모터 작동 상태 정보는,
    모터 위치 센서에 의해 검출되는 모터 회전각; 및
    전류 센서에 의해 검출되는 모터 인가 전류를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치의 제어 방법.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 센서들에 의해 검출되는 모터 회전각과 모터 인가 전류를 이용하여 모터 토크 상수를 계산 및 추정하고,
    상기 센서에 의해 검출되는 모터 회전각에 대한 모터 인가 전류의 변화율을 나타내는 기울기를 구한 뒤, 상기 구해진 기울기와 미리 설정된 기준 기울기의 차이에 상응하는 보정값을 구하며,
    상기 추정된 모터 토크 상수를 상기 구해진 보정값을 이용하여 보정하여 최종의 모터 토크 상수를 결정하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치의 제어 방법.
  25. 청구항 19에 있어서,
    마찰패드가 디스크의 양면을 가압하는 힘인 클램핑력을 검출하는 힘 센서의 고장 유무를 판단하는 단계를 더 포함하고,
    상기 힘 센서의 고장을 판단한 경우
    상기 피스톤이 축방향 후퇴 이동되도록 하는 단계, 상기 모터 작동 상태 정보를 검출하는 단계, 상기 모터 토크 상수를 추정하는 단계, 및 상기 모터에 인가되는 전류를 제어하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치의 제어 방법.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 힘 센서의 고장 유무를 판단하는 단계는,
    상기 힘 센서에 의해 검출된 클램핑력이, 전류 센서에 의해 검출된 모터 인가 전류에 해당하는 설정된 정상 범위 이내인지를 확인하여, 상기 설정된 정상 범위를 벗어난 경우, 힘 센서의 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크 장치의 제어 방법.


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