KR101893629B1 - 조향 보조 전류를 제어하는 전자 제어 장치, 이를 포함하는 전동식 파워 스티어링 시스템 및 조향 보조 전류 제어 방법 - Google Patents

조향 보조 전류를 제어하는 전자 제어 장치, 이를 포함하는 전동식 파워 스티어링 시스템 및 조향 보조 전류 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 조향 보조 전류를 제어하는 전자 제어 장치, 이를 포함하는 전동식 파워 스티어링 시스템 및 조향 보조 전류 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명은 피니언각 정보, 피니언각 정보를 미분한 피니언각속도 정보, 조향각 정보 및 조향각 정보를 미분한 조향각속도 정보를 포함한 상태 변수를 결정하고, 전동식 파워 스티어링 시스템의 주파수 응답 대역폭이 노면 정보 포함 주파수 영역이 되도록 하는 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 결정하며, 상기 상태 변수 및 상기 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 이용하여 상태 궤환 토크 및 상태 궤환 전류값을 연산하는 상태 궤환부; 및 차량의 차속 및 조향 토크에 따른 기본 제어 전류값을 조향 보조 전류 맵을 통해 결정하고, 상기 상태 궤환부로부터 상기 상태 궤환 전류값을 전달받은 후, 상기 기본 제어 전류값에서 상기 상태 궤환 전류값을 차감하여 조향 보조 전류값을 연산하며, 상기 조향 보조 전류값에 상응하는 조향 보조 전류를 생성하여 상기 전동식 파워 스티어링 시스템의 전동 모터에 공급하는 조향 보조 제어부를 포함하는 조향 보조 전류를 제어하는 전자 제어 장치를 제공한다.

Description

조향 보조 전류를 제어하는 전자 제어 장치, 이를 포함하는 전동식 파워 스티어링 시스템 및 조향 보조 전류 제어 방법{ELECTRONIC CONTROL UNIT FOR CONTROLLING STEERING ASSIST CURRENT, ELECTRIC POWER STEERING SYSTEM INCLUDING THE SAME, AND METHOD OF STEERING ASSIST CURRENT CONTROL}
본 발명은 조향 보조 전류를 제어하는 전자 제어 장치, 이를 포함하는 전동식 파워 스티어링 시스템 및 조향 보조 전류 제어 방법에 관한 것이다.
전동식 파워 스티어링 시스템(ELECTRIC POWER STEERING SYSTEM)은 전동 모터를 통해 보조 조향력을 발생하기 때문에 엔진의 힘으로 오일 펌프를 작동하여 보조 조향력을 발생하는 유압식 파워 스티어링 시스템에 비해 연료 소모량 및 공해 물질 배출이 작다는 장점이 있는 반면에, 유압식 파워 스티어링 시스템에 비해 시스템 자체의 주파수 응답 대역이 낮아서 토크 센서 신호 중에서 운전자에게 유용한 정보가 되는 특정 주파수 영역의 노면 정보를 조향 제어에 반영하지 못하는 단점이 있다.
구체적으로 전동식 파워 스티어링 시스템의 주파수 응답 특성은 10Hz 근처로써, 토크 센서 신호 중에서 10Hz 이상의 노면 정보는 차단하게 된다. 예를 들어, 운전자에게 유용한 노면 정보가 20Hz ~ 30Hz의 주파수 영역에 포함된 경우, 종래의 전동식 파워 스티어링 시스템은 조향 제어시에 20Hz ~ 30Hz의 주파수 영역에 포함된 노면 정보를 제대로 반영하지 못하는 문제점이 있는 것이다.
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은, 시스템 모델을 기반으로 한 상태 궤환 제어를 통해 전동식 파워 스티어링 시스템의 주파수 응답 특성을 개선하여 10Hz 이상의 주파수 영역의 노면 정보를 조향 보조 전류 제어에 반영하는 전자 제어 장치, 이를 포함하는 전동식 파워 스티어링 시스템 및 조향 보조 전류 제어 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은, 피니언각 정보, 피니언각 정보를 미분한 피니언각속도 정보, 조향각 정보 및 조향각 정보를 미분한 조향각속도 정보를 포함한 상태 변수를 결정하고, 전동식 파워 스티어링 시스템의 주파수 응답 대역폭이 노면 정보 포함 주파수 영역이 되도록 하는 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 결정하며, 상기 상태 변수 및 상기 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 이용하여 상태 궤환 토크 및 상태 궤환 전류값을 연산하는 상태 궤환부; 및 차량의 차속 및 조향 토크에 따른 기본 제어 전류값을 조향 보조 전류 맵을 통해 결정하고, 상기 상태 궤환부로부터 상기 상태 궤환 전류값을 전달받은 후, 상기 기본 제어 전류값에서 상기 상태 궤환 전류값을 차감하여 조향 보조 전류값을 연산하며, 상기 조향 보조 전류값에 상응하는 조향 보조 전류를 생성하여 상기 전동식 파워 스티어링 시스템의 전동 모터에 공급하는 조향 보조 제어부를 포함하는 조향 보조 전류를 제어하는 전자 제어 장치를 제공한다.
다른 측면에서, 본 발명은, 토크 센서, 조향각 센서, 차속 센서 및 모터 위치 센서를 포함하여 차량의 주행 및 조향과 관련된 차량 상태 정보를 감지하는 조향 관련 센서; 상기 토크 센서로부터 피니언각 정보를 수신하고, 상기 조향각 센서로부터 조향각 정보를 수신하며, 상기 피니언각 정보, 상기 피니언각 정보를 미분한 피니언각속도 정보, 상기 조향각 정보 및 상기 조향각 정보를 미분한 조향각속도 정보를 포함한 상태 변수를 결정하고, 상기 상태 변수를 이용하여 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 결정하며, 상기 상태 변수 및 상기 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 이용하여 상태 궤환 토크 및 상태 궤환 전류값을 연산하고, 상기 차량의 차속과 조향 토크에 따른 기본 제어 전류값을 조향 보조 전류 맵을 통해 결정하고, 상기 기본 제어 전류값에서 상기 상태 궤환 전류값을 차감하여 조향 보조 전류값을 연산하며, 상기 조향 보조 전류값에 상응하는 조향 보조 전류를 생성하는 전자 제어 장치; 및 상기 전자 제어 장치로부터 조향 보조 전류를 공급받아서 운전자의 조향력을 보조하는 보조 조향력을 발생하는 전동 모터를 포함하는 전동식 파워 스티어링 시스템을 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은, 전동식 파워 스티어링 시스템의 전자 제어 장치에서 조향 보조 전류를 제어하는 방법에 있어서, 피니언각 정보, 피니언각 정보를 미분한 피니언각속도 정보, 조향각 정보 및 조향각 정보를 미분한 조향각속도 정보를 포함한 상태 변수를 결정하는 상태 변수 결정 단계; 상기 상태 변수를 이용하여 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 결정하고, 상기 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 이용하여 상태 궤환 토크를 연산하는 상태 궤환 토크 연산 단계; 상기 상태 궤환 토크를 상기 전동식 파워 스티어링 시스템의 전동 모터의 모터 토크 상수로 나눠서 상태 궤환 전류값을 연산하는 상태 궤환 전류값 연산 단계; 차량의 차속 및 조향 토크에 따른 기본 제어 전류값을 조향 보조 전류 맵을 통해 결정하고, 상기 기본 제어 전류값에서 상태 궤환 전류값을 차감하여 조향 보조 전류값을 연산하는 조향 보조 전류값 연산 단계; 및 상기 조향 보조 전류값에 상응하는 조향 보조 전류를 생성하여 상기 전동 모터에 공급하는 조향 보조 전류 공급 단계를 포함하는 조향 보조 전류 제어 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 전자 제어 장치에서 상태 궤환 제어를 통해 전동식 파워 스티어링 시스템의 주파수 응답 특성을 10Hz 이상으로 변경하기 때문에, 10Hz 이상의 주파수 영역에 포함된 노면 정보를 조향 보조 전류 제어에 반영할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 구성을 간략하게 나타낸 블록 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자 제어 장치의 구성을 간략하게 나타낸 블록 구성도,
도 3은 전동식 파워 스티어링 시스템의 시스템 모델 및 시스템 모델을 등가화한 등가 시스템을 간략하게 나타낸 블록 구성도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 주파수 응답과 종래의 전동식 파워 스티어링 시스템의 주파수 응답을 비교한 보드 선도,
도 5는 상태 궤환 제어 적용시 토크 센서 신호의 전력 스펙트럼 밀도와 상태 궤환 제어 미적용시 토크 센서 신호의 전력 스펙트럼 밀도를 비교한 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전자 제어 장치에서 조향 보조 전류를 제어하는 과정을 나타낸 순서도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템의 구성을 간략하게 나타낸 블록 구성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템은 토크 센서(110), 조향각 센서(120), 차속 센서(130) 및 모터 위치 센서(140) 등을 포함하는 조향 관련 센서(100), 전자 제어 장치(200, ECU: Electronic Control Unit) 및 전동 모터(300)를 포함한다.
조향 관련 센서(100)는 차량의 주행 및 조향과 관련된 차량 상태 정보를 감지한다. 이러한 조향 관련 센서(100)는 토크 센서(110), 조향각 센서(120), 차속 센서(130) 및 모터 위치 센서(140) 등을 포함한다.
토크 센서(110)는 조향 휠의 회전에 따라 입력축인 컬럼 샤프트 및 출력축인 피니언 샤프트의 상대 회전 변위를 감지하여 조향 토크 정보를 측정하고, 조향 토크 정보를 포함한 토크 센서 신호를 생성하여 전자 제어 장치(200)에 전송한다.
본 발명에서 토크 센서(110)는 토크 센서 신호를 전자 제어 장치(200)에 전송함과 아울러, 출력축인 피니언 샤프트의 회전각인 피니언각 정보를 전자 제어 장치(200)에 전달한다.
조향각 센서(120)는 운전자의 조작에 의해 회전하는 조향 휠의 조향각을 측정한 신호인 조향각 신호를 생성하여 전자 제어 장치(200)에 전달한다. 여기서, 조향각 정보가 조향각 신호에 포함됨은 물론이다.
본 발명에서 토크 센서(110) 및 조향각 센서(120)는 각각 개별적으로 구성되거나 토크 앵글 센서(TAS: Torque Angle Sensor)와 같이 일체형으로 구성될 수 있다.
차속 센서(130)는 차량의 차속을 감지하며, 감지된 차속에 비례하는 차속 신호를 생성하여 전자 제어 장치(200)로 전송한다.
모터 위치 센서(140)는 전동 모터(300)의 모터축 회전 각도에 대한 정보인 모터축 회전각 정보를 생성하여 전자 제어 장치(200)에 전달한다.
전자 제어 장치(200)는 토크 센서(110), 조향각 센서(120), 차속 센서(130) 및 모터 위치 센서(140)를 포함하는 다수의 센서로부터 조향 제어에 필요한 정보를 수신하고, 수신한 정보를 고려하여 전동 모터(300)에 공급하는 조향 보조 전류를 제어한다.
본 발명에서 전자 제어 장치(200)는 토크 센서(110)로부터 수신한 피니언각 정보, 피니언각 정보를 미분한 피니언각속도 정보, 조향각 센서(120)로부터 수신한 조향각 정보 및 조향각 정보를 미분한 조향각속도 정보를 포함한 상태 변수를 결정하고, 상태 변수를 이용하여 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 결정하며, 상태 변수 및 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 이용하여 상태 궤환 토크 및 상태 궤환 전류값을 연산하고, 차량의 차속 및 조향 토크에 따른 기본 제어 전류값을 조향 보조 전류 맵을 통해 결정하고, 기본 제어 전류값에서 상태 궤환 전류값을 차감하여 조향 보조 전류값을 연산하며, 조향 보조 전류값에 상응하는 조향 보조 전류를 생성하여 전동 모터(300)에 공급한다. 여기서, 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득은 전동식 파워 스티어링 시스템의 주파수 응답 특성이 10Hz 이상의 주파수 영역인 노면 정보 포함 주파수 영역이 되도록 하는 상태 궤환 이득이다.
본 발명의 실시예에서 제 N 상태 궤환 이득은 제 4 상태 궤환 이득일 수 있고, 노면 정보 포함 주파수 영역은 20Hz 내지 30Hz일 수 있다.
다시 말해서, 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 4 상태 궤환 이득을 통해 전동식 파워 스티어링 시스템의 주파수 응답 특성이 20Hz 내지 30Hz로 되도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 전자 제어 장치(200)는 아래 수학식 1과 같이 조향각 정보(θc)에 제 1 상태 궤환 이득(K1)을 곱한 값, 조향각속도 정보(
Figure 112014046172830-pat00001
)에 제 2 상태 궤환 이득(K2)을 곱한 값, 피니언각 정보(θp)에 제 3 상태 궤환 이득(K3)을 곱한 값 및 피니언각속도 정보(
Figure 112014046172830-pat00002
)에 제 4 상태 궤환 이득(K4)을 곱한 값을 모두 더해서 상태 궤환 토크를 연산하고, 상태 궤환 토크를 전동 모터(300)의 모터 토크 상수로 나눠서 상태 궤환 전류값을 연산할 수 있다.
Figure 112014046172830-pat00003
본 발명에서 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 결정하는 구성에 대한 자세한 설명은 전자 제어 장치(200)의 구성 설명에서 하도록 하겠다.
전동 모터(300)는 전자 제어 장치(200)로부터 조향 보조 전류를 공급받아서 운전자의 조향력을 보조하는 보조 조향력을 발생한다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 시스템이 랙 앤 피니언 타입 전동식 파워 스티어링 시스템인 경우, 전동 모터(300)는 보조 조향력을 랙바(Rack Bar)에 전달한다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 전자 제어 장치의 구성을 간략하게 나타낸 블록 구성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 전자 제어 장치(200)는 조향 보조 제어부(210) 및 상태 궤환부(220)를 포함한다.
조향 보조 제어부(210)는 토크 센서(110) 및 조향각 센서(120)를 포함하는 조향 관련 센서(100)로부터 조향 제어에 필요한 정보를 수신하고, 수신한 정보를 통해 조향 보조 전류를 생성하여 전동 모터(300)에 전달한다.
본 발명에서 조향 보조 제어부(210)는 전동식 파워 스티어링 시스템의 기본 로직을 통해 기본 제어 전류값을 결정, 즉 차량의 차속 및 조향 토크에 따른 기본 제어 전류값을 조향 보조 전류 맵을 통해 결정하고, 후술할 상태 궤환부(220)로부터 상태 궤환 전류값을 전달받은 후, 기본 제어 전류값에서 상태 궤환 전류값을 차감하여 조향 보조 전류값을 최종적으로 연산한다.
조향 보조 전류값을 연산한 조향 보조 제어부(210)는 조향 보조 전류값에 상응하는 조향 보조 전류를 생성하여 전동모터(300)에 공급한다.
상태 궤환부(220)는 피니언각 정보, 피니언각 정보를 미분한 피니언각속도 정보, 조향각 정보 및 조향각 정보를 미분한 조향각속도 정보를 포함한 상태 변수를 결정하고, 전동식 파워 스티어링 시스템의 주파수 응답 대역폭이 노면 정보 포함 주파수 영역이 되도록 하는 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 결정하며, 상태 변수 및 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 이용하여 상태 궤환 토크 및 상태 궤환 전류값을 연산한다. 여기서, 상태 궤환부(220)는 상태 궤환 토크를 전동 모터(300)의 모터 토크 상수로 나눠서 상태 궤환 전류값을 연산한다.
본 발명에서 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 결정하는 원리는 다음과 같다.
우선, 제 N 상태 궤환 이득이 제 4 상태 궤환 이득인 경우에 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 4 상태 궤환 이득을 결정하기 위해, 도 2의 2A와 같이 표현되는 시스템 모델 및 도 2의 2B와 같이 표현되는 등가 시스템의 파라미터들 및 상태 변수를 이용하여 전동식 파워 스티어링 시스템의 상태 방정식 및 출력 방정식을 수립한다.
여기서, 등가 시스템의 관성 모멘트(Jpeq)는 아래 수학식 2와 같이 피니언 기어의 기어비(Gp), 랙 바의 질량(Mr), 피니언 기어의 관성 모멘트(Jp), 볼 스크류의 기어비(Gbs), 볼 스크류의 관성 모멘트(Jbs), 볼 스크류의 볼 너트와 전동 모터(300)간의 감속비(Gb), 전동 모터(300)의 관성 모멘트(Jm)를 이용하여 산출할 수 있고, 등가 시스템의 댐핑 계수(Bpeq)는 수학식 3과 같이 피니언 기어의 기어비(Gp), 랙 바의 댐핑 계수(Br), 피니언 기어의 댐핑 계수(Bp), 볼 스크류의 기어비(Gbs), 볼 스크류의 댐핑 계수(Bbs), 볼 스크류의 볼 너트와 전동 모터(300) 간의 감속비(Gb) 및 전동 모터(300)의 댐핑 계수(Bm)를 이용하여 산출할 수 있다.
또한, 등가 시스템의 비틀림 강성(Kpeq)은 수학식 4와 같이 토션바의 비틀림 강성(Kc)과 같다.
Figure 112014046172830-pat00004
Figure 112014046172830-pat00005
Figure 112014046172830-pat00006
한편, 상태 궤환부(220)에서 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 4 상태 궤환 이득을 결정하기 위한 전동식 파워 스티어링 시스템의 상태 방정식 및 출력 방정식은 아래의 수학식 5 및 수학식 6과 같이 표현된다.
Figure 112014046172830-pat00007
Figure 112014046172830-pat00008
여기서, 상태 방정식의 A는 상태 행렬, X는 상태 벡터, B는 입력 행렬, U는 입력 벡터이고, 출력 방정식의 C는 출력 행렬, y는 출력 벡터이다. 본 발명에서 출력 벡터 y는 조향 토크(Tc)가 되고, 행렬 각각의 변수들은 아래와 같다.
Figure 112014046172830-pat00009
,
Figure 112014046172830-pat00010
,
Figure 112014046172830-pat00011
,
Figure 112014046172830-pat00012
,
Figure 112014046172830-pat00013
,
Figure 112014046172830-pat00014
위의 요소들 중에서 Td는 운전자 토크를 의미하고, Tm은 모터 토크를 의미하며, Ft는 랙추력을 의미한다.
본 발명에서 컬럼 샤프트의 관성 모멘트(Jc), 볼 스크류의 볼 너트와 전동 모터(300)간의 감속비(Gb), 랙 바의 질량(Mr), 토션바의 비틀림 강성(Kc), 컬럼 샤프트의 댐핑 계수(Bc), 피니언 기어의 기어비(Gp), 볼 스크류의 기어비(Gbs), 피니언 기어의 관성 모멘트(Jp), 볼 스크류의 관성 모멘트(Jbs), 전동 모터(300)의 관성 모멘트(Jm), 랙 바의 댐핑 계수(Br), 피니언 기어의 댐핑 계수(Bp), 볼 스크류의 댐핑 계수(Bbs) 및 전동 모터(300)의 댐핑 계수(Bm)는 전동식 파워 스티어링 시스템의 시험 데이터를 기반으로 시스템 식별(System Identification) 기법을 통해 산출할 수 있고, 산출한 컬럼 샤프트의 관성 모멘트(Jc), 볼 스크류의 볼 너트와 전동 모터(300)간의 감속비(Gb), 토션바의 비틀림 강성(Kc), 컬럼 샤프트의 댐핑 계수(Bc), 피니언 기어의 기어비(Gp), 랙 바의 질량(Mr), 볼 스크류의 기어비(Gbs), 볼 스크류의 볼 너트와 전동 모터(300)간의 감속비(Gb), 피니언 기어의 관성 모멘트(Jp), 볼 스크류의 관성 모멘트(Jbs), 전동 모터(300)의 관성 모멘트(Jm), 랙 바의 댐핑 계수(Br), 피니언 기어의 댐핑 계수(Bp), 볼 스크류의 댐핑 계수(Bbs) 및 전동 모터(300)의 댐핑 계수(Bm)는 전자 제어 장치(200)의 데이터 저장부(미도시)에 기 저장될 수 있다.
한편, 전동식 파워 스티어링 시스템의 주파수 응답 특성은 상태 방정식으로부터 유도되는 전달함수[G(s)]의 극(Pole)에 의해 결정된다. 본 발명에서 전달함수[G(s)]의 입력은 노면 정보이고, 출력은 토크 센서(110)에서 감지하는 조향 토크이므로, 본 발명에서 전달함수{G(s)}는 아래 수학식 7과 같이 입력[U(s)]에 랙추력(Ft)이 대입되고, 출력[Y(s)]에 조향 토크(Tc)가 대입된다. 여기서, 랙추력(Ft)은 노면 정보를 포함한 외력이 랙바에 전달된 양을 의미한다.
Figure 112014046172830-pat00015
상태 궤환 제어가 없는 경우의 상태 방정식은 아래의 수학식 8과 같이 표현되고, 이에 대한 전달 함수 및 특성 방정식은 수학식 9 및 수학식 10과 같다. 여기서, B1은 입력 행렬 B의 제 1 열, B2는 입력 행렬 B의 제 2 열, B3는 입력 행렬 B의 제 3 열을 의미한다.
Figure 112014046172830-pat00016
Figure 112014046172830-pat00017
Figure 112014046172830-pat00018
한편, 본 발명에서는 상태 궤환 제어가 있으므로, 모터 토크(Tm)는 아래의 수학식 11과 같이 기본 로직에 따른 기준 입력(r)에서 상태 궤환 토크(KfdX)를 차감한 값이 된다. 여기서, 기준 입력(r)은 기본 로직을 통해 산출한 기본 제어 전류값에 상응하는 모터 토크이고, Kfd는 제 1 상태 궤환 이득(K1), 제 2 상태 궤환 이득(K2), 제 3 상태 궤환 이득(K3) 및 제 4 상태 궤환 이득(K4)을 변수로 갖는 상태 궤환 이득 행렬이다.
Figure 112014046172830-pat00019
수학식 8의 모터 토크(Tm)에 수학식 11을 대입하면, 본 발명에서의 상태 방정식, 즉 상태 궤환 제어가 있는 경우의 상태 방정식을 수학식 12와 같이 얻을 수 있고, 이에 대한 전달 함수 및 특성 방정식은 수학식 13 및 14와 같다.
Figure 112014046172830-pat00020
Figure 112014046172830-pat00021
Figure 112014046172830-pat00022
위에서 언급한 바와 같이 전동식 파워 스티어링 시스템의 주파수 응답 특성은 전달함수{G(s)}의 극(Pole)에 의해 결정된다.
상태 궤환 제어가 없는 기존의 전동식 파워 스티어링 시스템은 전달함수{G(s)}의 극(Pole), 즉 특성 방정식의 해가 상태 행렬 A에 의해 결정되고, 수학식 15와 같이 상태 행렬 A에 의해 결정된 특성 방정식의 해(p11, p12, p13, p14)로 인해 전동식 파워 스티어링 시스템이 도 4의 굵은 선과 같이 10Hz 근처의 주파수 응답 특성을 가지는 반면, 상태 궤환 제어가 있는 경우에는 수학식 16과 같이 특성 방정식의 해가 상태 궤환 이득 행렬(Kfd)에 의해 결정된다.
따라서, 전동식 파워 스티어링 시스템이 도 4의 얇은 선과 같이 노면 정보 포함 주파수 영역의 주파수 응답 특성을 나타내도록 하는 특성 방정식의 해(p21, p22, p23, p24)가 나오도록 상태 궤환 이득 행렬(Kfd)을 결정할 수 있다. 여기서, 전동식 파워 스티어링 시스템이 노면 정보 포함 주파수 영역의 주파수 응답 특성을 나타내도록 하는 특성 방정식의 해(p21, p22, p23, p24)는 실차 테스트에 의해 그 값이 결정될 수 있다.
Figure 112014046172830-pat00023
Figure 112014046172830-pat00024
다시 말해서, 상태 궤환 이득 행렬(Kfd)은 특성 방정식
Figure 112014046172830-pat00025
이 p21, p22, p23, p24의 해를 갖도록 결정될 수 있고, 전동식 파워 스티어링 시스템의 주파수 응답 특성이 특성 방정식
Figure 112014046172830-pat00026
의 해(p21, p22, p23, p24)에 의해 도 4의 굵은 선(10Hz 근처)에서 얇은 선(노면 정보 포함 주파수 영역, 20Hz 내지 30Hz)으로 변경될 수 있다.
본 발명에서 상태 궤환부(220)는 아래 수학식 17과 같이 본 발명의 특성 방정식을 전개한 후에 수학식 18과 같은 아커만 공식(Ackermann's formula)을 이용하여 상태 궤환 이득 행렬(Kfd), 즉 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 4 상태 궤환 이득을 결정할 수 있다. 여기서, α1, α2, α3, α4는 본 발명의 특성 방정식을 전개했을 때에 구해지는 계수이다.
Figure 112014046172830-pat00027
Figure 112014046172830-pat00028
Figure 112014046172830-pat00029
이와 같이 상태 궤환부(220)에서 특성 방정식
Figure 112014046172830-pat00030
이 p21, p22, p23, p24의 해를 갖도록 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 4 상태 궤환 이득을 결정하고, 피니언각 정보, 피니언각속도 정보, 조향각 정보 및 조향각속도 정보를 포함한 상태 변수를 곱하여 상태 궤환 토크를 연산하고, 상태 궤환 토크를 모터 토크로 나눠서 상태 궤환 전류값을 연산하며, 조향 보조 제어부(210)에서 기본 제어 전류값에서 상태 궤환 전류값을 차감하여 조향 보조 전류값을 최종적으로 연산하여 조향 보조 전류를 생성하고, 이를 전동 모터(300)에 공급하여 조향 제어를 수행하면 기존에 조향 제어에 반영하지 못했던 노면 정보 포함 주파수 영역에 포함된 노면 정보가 조향 제어에 반영된다.
위와 같이 노면 정보 포함 주파수 영역에 포함된 노면 정보가 조향 제어에 반영되면, 도 5와 같이 토크 센서 신호 중 노면 정보 포함 주파수 영역에서의 전력 스펙트럼 밀도가 종래에 비해 향상, 즉 전동식 파워 스티어링 시스템의 노면 정보 전달 기능이 종래에 비해 개선되는 것을 알 수 있다.
이하에서는 전동식 파워 스티어링 시스템의 전자 제어 장치(200)에서 조향 보조 전류를 제어하는 과정에 대하여 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전자 제어 장치에서 조향 보조 전류를 제어하는 과정을 나타낸 순서도이다.
본 발명에서 전자 제어 장치(200)는 상태 궤환 제어를 통해 전동식 파워 스티어링 시스템이 노면 정보 포함 주파수 영역의 주파수 응답 특성을 나타내도록 하기 위해, 피니언각 정보, 피니언각 정보를 미분한 피니언각속도 정보, 조향각 정보 및 조향각 정보를 미분한 조향각속도 정보를 포함한 상태 변수를 결정한다(S610). 여기서, 피니언각 정보는 토크 센서(110)로부터 수신하고, 조향각 정보는 조향각 센서(120)로부터 수신하는 것은 물론이다.
전자 제어 장치(200)는 상태 변수 및 도 2의 2A와 같이 표현되는 시스템 모델 및 도 2의 2B와 같이 표현되는 등가 시스템의 파라미터들을 이용하여 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 결정하고, 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 이용하여 상태 궤환 토크를 연산한다(S620, S630). 여기서, 제 N 상태 궤환 이득은 제 4 상태 궤환 이득일 수 있고, 전자 제어 장치(200)는 수학식 17과 같이 노면 정보 포함 주파수 영역의 주파수 응답 특성을 나타내도록 하는 해(p21, p22, p23, p24)를 갖는 특성 방정식을 전개한 후에 수학식 18과 같은 아커만 공식을 이용하여 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 4 상태 궤환 이득을 결정할 수 있다.
이후, 전자 제어 장치(200)는 상태 궤환 토크를 전동 모터(300)의 모터 토크 상수로 나눠서 상태 궤환 전류값을 연산한다(S640).
전자 제어 장치(200)는 차량의 차속 및 조향 토크에 따른 기본 제어 전류값을 조향 보조 전류 맵을 통해 결정하고, 기본 제어 전류값에서 상태 궤환 전류값을 차감하여 조향 보조 전류값을 연산한다(S650).
조향 보조 전류값을 연산한 전자 제어 장치(200)는 조향 보조 전류값에 상응하는 조향 보조 전류를 생성하여 전동모터(300)에 공급한다(S660).
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 피니언각 정보, 상기 피니언각 정보를 미분한 피니언각속도 정보, 조향각 정보 및 상기 조향각 정보를 미분한 조향각속도 정보를 포함한 상태 변수를 결정하고, 전동식 파워 스티어링 시스템의 주파수 응답 대역폭이 노면 정보 포함 주파수 영역이 되도록 하는 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 결정하며, 상기 상태 변수 및 상기 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 이용하여 상태 궤환 토크 및 상태 궤환 전류값을 연산하는 상태 궤환부; 및
    기본 제어 전류값에서 상기 상태 궤환 전류값을 차감하여 조향 보조 전류값을 연산하며, 상기 조향 보조 전류값에 상응하는 조향 보조 전류를 생성하여 상기 전동식 파워 스티어링 시스템의 전동 모터에 공급하는 조향 보조 제어부
    를 포함하는 조향 보조 전류를 제어하는 전자 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 노면 정보 포함 주파수 영역은 20Hz 내지 30Hz인 것을 특징으로 하는 조향 보조 전류를 제어하는 전자 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 N 상태 궤환 이득은 제 4 상태 궤환 이득인 것을 특징으로 하는 조향 보조 전류를 제어하는 전자 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상태 궤환부는 상기 상태 궤환 토크를 상기 전동 모터의 모터 토크 상수로 나눠서 상기 상태 궤환 전류값을 연산하는 것을 특징으로 하는 조향 보조 전류를 제어하는 전자 제어 장치.
  5. 토크 센서, 조향각 센서, 차속 센서 및 모터 위치 센서를 포함하여 차량의 주행 및 조향과 관련된 차량 상태 정보를 감지하는 조향 관련 센서;
    상기 토크 센서로부터 피니언각 정보를 수신하고, 상기 조향각 센서로부터 조향각 정보를 수신하며, 상기 피니언각 정보, 상기 피니언각 정보를 미분한 피니언각속도 정보, 상기 조향각 정보 및 상기 조향각 정보를 미분한 조향각속도 정보를 포함한 상태 변수를 결정하고, 상기 상태 변수를 이용하여 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 결정하며, 상기 상태 변수 및 상기 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 이용하여 상태 궤환 토크 및 상태 궤환 전류값을 연산하고, 기본 제어 전류값에서 상기 상태 궤환 전류값을 차감하여 조향 보조 전류값을 연산하며, 상기 조향 보조 전류값에 상응하는 조향 보조 전류를 생성하는 전자 제어 장치; 및
    상기 전자 제어 장치로부터 조향 보조 전류를 공급받아서 운전자의 조향력을 보조하는 보조 조향력을 발생하는 전동 모터
    를 포함하는 전동식 파워 스티어링 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전자 제어 장치는 상기 상태 궤환 토크를 상기 전동 모터의 모터 토크 상수로 나눠서 상기 상태 궤환 전류값을 연산하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 N 상태 궤환 이득은 제 4 상태 궤환 이득인 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 4 상태 궤환 이득은 상기 전동식 파워 스티어링 시스템의 주파수 응답 특성이 20Hz 내지 30Hz가 되도록 하는 상태 궤환 이득인 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템.
  9. 전동식 파워 스티어링 시스템의 전자 제어 장치에서 조향 보조 전류를 제어하는 방법에 있어서,
    피니언각 정보, 상기 피니언각 정보를 미분한 피니언각속도 정보, 조향각 정보 및 상기 조향각 정보를 미분한 조향각속도 정보를 포함한 상태 변수를 결정하는 상태 변수 결정 단계;
    상기 상태 변수를 이용하여 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 결정하고, 상기 제 1 상태 궤환 이득 내지 제 N 상태 궤환 이득을 이용하여 상태 궤환 토크를 연산하는 상태 궤환 토크 연산 단계;
    상기 상태 궤환 토크를 상기 전동식 파워 스티어링 시스템의 전동 모터의 모터 토크 상수로 나눠서 상태 궤환 전류값을 연산하는 상태 궤환 전류값 연산 단계;
    기본 제어 전류값에서 상기 상태 궤환 전류값을 차감하여 조향 보조 전류값을 연산하는 조향 보조 전류값 연산 단계; 및
    상기 조향 보조 전류값에 상응하는 조향 보조 전류를 생성하여 상기 전동 모터에 공급하는 조향 보조 전류 공급 단계
    를 포함하는 조향 보조 전류 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 N 상태 궤환 이득은 제 4 상태 궤환 이득인 것을 특징으로 하는 조향 보조 전류 제어 방법.
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