KR102399623B1 - Ｓｂｗ시스템용 조향반력 생성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스티어링휠의 선회 및 복원 회전시에 히스테리시스를 갖는 조향반력을 구현하여 조타감 및 수방 안정성을 향상시키는 기술에 관한 것으로, 본 발명에서는, 조향정보 및 차속정보를 입력받고; 상기 입력된 조향 및 차속정보를 바탕으로 반력모터에 의해 출력하는 목표 모터반력토크를 설정하되, 스티어링휠을 조향 회전하는 경우의 목표 모터반력토크와 복원 회전하는 경우의 목표 모터반력토크를 동일하게 설정하며; 상기 입력된 조향 및 차속정보를 바탕으로 MR브레이크에 의해 출력하는 목표 프릭션반력토크를 설정하고; 상기 목표 모터반력토크와 목표 프릭션반력토크를 추종하도록 반력모터와 MR브레이크를 제어하여 스티어링휠에 조향반력토크를 제공하는 것을 특징으로 하는 SBW시스템용 조향반력 생성방법이 소개된다.

Description

ＳＢＷ시스템용 조향반력 생성방법{METHOD FOR GENERATING STEERING REACTION FORCE OF STEER-BY-WIRE SYSTEM}
본 발명은 반력모터와 MR브레이크에 의해 선회 및 복원 회전시에 히스테리시스를 갖는 조향반력을 구현하여 조타감을 향상시키는 한편, 수방 안정성을 확보하는 SBW시스템용 조향반력 생성방법에 관한 것이다.
스티어 바이 와이어 시스템(STEER BY WIRE SYSTEM)은 스티어링휠과 차량의 구동바퀴의 기계적 연결을 분리한 조향시스템으로, 스티어링휠의 회전 신호를 전자제어유니트(ECU)를 통해 입력받고, 입력된 회전 신호를 바탕으로 구동바퀴에 연결된 조향모터를 작동시켜 차량을 조향할 수 있다.
이러한 스티어 바이 와이어 시스템은 기존의 조향시스템이 갖는 기계적 연결구조가 제거됨으로써, 조향계 구성에 따른 레이아웃 자유도를 증가시키고, 연비를 개선하며, 차륜에서 역입력되는 외란을 제거할 수 있는 등의 장점을 갖고 있다.
반면, 이 같은 기계적 연결구조의 단절로 인해 운전자가 필요로 하는 조향정보를 제대로 피드백 받을 수 없는 단점도 있다.
예컨대, 기존의 조향시스템의 경우 유니버셜조인트 등을 통한 기계적 연결구조로 인해 조향반력을 별도 생성할 필요가 없지만, 스티어 바이 와이어 시스템의 경우에는 기계적 연결구조가 없기 때문에 스프링 또는 모터 등을 이용하여 조향반력 또는 복원반력을 생성하게 된다.
이 외에도, MR장치 혹은 모터와 MR댐퍼를 이용하여 SBW의 조향 반력을 구현하는 기술이 제안된바 있으나, MR장치 하나만 이용한 경우 스티어링 휠의 움직임을 생성할 수 없는 단점이 있고, MR댐퍼와 모터를 이용한 경우 댐퍼의 특성상 스티어링휠의 회전속도 별로 다른 제어전략이 요구되는 문제가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
US 6535806 B2 US 6761243 B2 US 6678595 B2
본 발명은 반력모터와 MR브레이크에 의해 선회 및 복원 회전시에 히스테리시스를 갖는 조향반력을 구현하여 조타감을 향상시키는 한편, 수방 안정성을 확보하는 SBW시스템용 조향반력 생성방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 스티어링휠에 반력모터와 MR브레이크가 연결된 SBW시스템으로서, 컨트롤러가 조향정보 및 차속정보를 입력받는 단계; 컨트롤러가 상기 입력된 조향 및 차속정보를 바탕으로 반력모터에 의해 출력하는 목표 모터반력토크를 설정하되, 스티어링휠을 조향 회전하는 경우의 목표 모터반력토크와 복원 회전하는 경우의 목표 모터반력토크를 동일하게 설정하는 단계; 컨트롤러가 상기 입력된 조향 및 차속정보를 바탕으로 MR브레이크에 의해 출력하는 목표 프릭션반력토크를 설정하는 단계; 및 컨트롤러가 상기 목표 모터반력토크와 목표 프릭션반력토크를 추종하도록 반력모터와 MR브레이크를 제어하여 스티어링휠에 조향반력토크를 제공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 목표 모터반력토크는 차속에 비례할 수 있다.
상기 목표 모터반력토크는 조향각 중립에서 0으로 설정하고, 상기 조향각 중립을 기준으로 조향각이 커짐에 따라 증가하도록 설정할 수 있다.
상기 목표 모터반력토크는, 조향각 중립에서 소정의 기준조향각까지 제1기울기를 갖고, 상기 기준조향각에서 최대조향각까지 상기 제1기울기보다 완만한 제2기울기를 갖도록 설정할 수 있다.
상기 목표 프릭션반력토크는 조향각 중립에서 O보다 큰 소정의 토크로 설정하고, 상기 조향각 중립을 기준으로 조향각이 커짐에 따라 감소하도록 설정할 수 있다.
상기 목표 프릭션반력토크는, 조향각 중립에서 소정의 기준조향각까지 제3기울기를 갖고, 상기 기준조향각에서 최대조향각까지 상기 제3기울기보다 완만한 제4기울기를 갖도록 설정할 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 스티어링휠의 선회 회전시의 조향반력토크와, 복원 회전시의 조향반력토크 사이에 히스테리시스가 형성됨으로써, 운전자가 느끼는 조타감이 크게 향상되고, 스티어링휠의 수방 안정성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 SBW시스템에서 스티어링휠에 반력모터와 MR브레이크가 연결된 구성을 예시하여 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따라 모터반력토크와 프릭션반력토크에 의해 최종조향반력토크를 생성하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명에서 차속별로 설정된 모터반력토크를 예시하여 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에서 조향각에 따라 설정된 모터반력토크 및 프릭션반력토크와 함께 스티어링휠에 제공되는 최종조향반력토크를 예시하여 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에서 조향 회전시의 조향반력토크와 복원 회전시의 조향반력토크 사이에 히스테리시스가 구현되는 작동 원리를 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명에서 조향각속도에 따라 설정된 프릭션반력토크를 예시하여 나타낸 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 스티어링휠(1)에 반력모터(5)와 MR브레이크(7)가 연결된 SBW시스템에 적용이 가능한 것으로, 도 1을 참조하여 상기 구성요소들의 연결관계를 살펴보면, 스티어링휠(1)의 하단에 조향센서(3)가 설치되고, 상기 조향센서(3)의 하단에 반력모터(5)와 MR브레이크(7)가 직렬 또는 병렬 형태로 설치될 수 있다. 그리고, 상기 MR브레이크(7)의 하단에는 스티어링휠(1)의 최대 조향각 이상의 회전을 기구적으로 제한하는 스토퍼기구(11)가 설치될 수 있다.
아울러, 상기 조향센서(3)는 조향각(θ)과 조향토크의 검출이 가능한 TAS센서일 수 있다. 그리고, 상기 MR브레이크(7)는 MR유체(Magneto-rheological Fluid)에 전기적 신호가 인가되면 마찰력을 발생시킬 수 있는 장치로서, 이는 공지의 기술이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
그리고, 차량에 설치된 여러 센서들을 통해 차속정보 및 조향정보가 컨트롤러(9)에 입력될 수 있고, 컨트롤러(9)는 상기 입력된 정보들을 바탕으로 목표 모터반력토크와 목표 프릭션반력토크를 결정할 수 있다. 이를 위해, 상기 컨트롤러(9)에는 모터반력토크맵과 프릭션반력토크맵이 저장될 수 있고, 상기 맵에 의해 반력모터(5)와 MR브레이크(7)의 작동을 제어할 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 SBW시스템에서 조향반력을 생성하기 위한 방법에 대해 설명하면, 먼저 컨트롤러(9)가 조향정보 및 차속정보를 입력받는다.
상기 조향정보는 조향각(θ) 및 조향각속도(ω)일 수 있는 것으로, TAS센서를 통해 입력받아 연산될 수 있고, 상기 차속정보는 차속센서를 통해 입력받을 수 있다.
그리고, 컨트롤러(9)가 상기 입력된 조향 및 차속정보를 바탕으로 반력모터(5)에 의해 출력하는 목표 모터반력토크를 설정할 수 있다. 특히, 상기 목표 모터반력토크는 스티어링휠(1)을 조향 회전하는 경우의 목표 모터반력토크와 스티어링휠(1)을 복원 회전하는 경우의 목표 모터반력토크를 동일하게 설정할 수 있다.
예컨대, 조향각(θ) 또는 랙포스(Frack)에 따라 모터반력토크맵에 의해 목표 모터반력토크가 결정될 수 있고, 상기 목표 모터반력토크는 스티어링휠(1)의 선회 방향 회전시와 복원 방향 회전시의 토크 변화가 동일하게 결정될 수 있다.
또한, 컨트롤러(9)가 상기 입력된 조향 및 차속정보를 바탕으로 MR브레이크(7)에 의해 출력하는 목표 프릭션반력토크를 설정할 수 있다.
예컨대, 조향각(θ) 또는 랙포스(Frack)에 따라 프릭션반력토크맵에 의해 목표 프릭션반력토크가 결정될 수 있다.
다음으로, 컨트롤러(9)가 상기 목표 모터반력토크와 목표 프릭션반력토크를 추종하도록 반력모터(5)와 MR브레이크(7)를 제어하여 스티어링휠(1)에 조향반력토크를 제공할 수 있다.
즉, 반력모터(5)를 의한 모터반력토크(Tmotor)와 MR브레이크(7)에 의한 프릭션반력토크(Tbrake)가 합산되어 총 조향반력토크(Ttotal)가 출력되는바, 최종적으로 운전자가 느끼는 조향반력토크를 스티어링휠(1)에 제공할 수 있게 된다.
아울러, 도 3과 같이 본 발명은 상기 목표 모터반력토크가 차속(v)에 비례하여 설정될 수 있다.
즉, 차속이 빠른 경우 상대적으로 차속이 느린 경우보다 조향각(θ) 또는 랙포스(Frack)에 대한 목표 모터반력토크가 더 증대됨으로써, 조향반력토크가 더 커지게 되고, 이에 스티어링휠(1)의 조향감이 무겁게 느껴질 수 있게 된다.
그리고, 도 4와 같이, 본 발명의 상기 목표 모터반력토크는 조향각(θ) 중립에서 0으로 설정하고, 상기 조향각(θ) 중립을 기준으로 조향각(θ)이 커짐에 따라 증가하도록 설정할 수 있다.
구체적으로, 상기 목표 모터반력토크는, 조향각(θ) 중립에서 소정의 기준조향각까지 제1기울기(G1)를 갖고, 상기 기준조향각에서 최대조향각까지 상기 제1기울기보다 완만한 제2기울기(G2)를 갖도록 설정할 수 있다.
예컨대, 상기 조향각(θ) 중립에서 우선회 방향으로 스티어링휠(1)을 회전하는 경우, 조향각(θ)이 커질수록 목표 모터반력토크도 함께 증가하게 된다.
또한, 본 발명의 상기 목표 프릭션반력토크는 조향각(θ) 중립에서 O보다 큰 소정의 토크로 설정하고, 상기 조향각(θ) 중립을 기준으로 조향각(θ)이 커짐에 따라 감소하도록 설정할 수 있다.
구체적으로, 상기 목표 프릭션반력토크는, 조향각(θ) 중립에서 소정의 기준조향각(θ)까지 제3기울기(G3)를 갖고, 상기 기준조향각에서 최대조향각까지 상기 제3기울기보다 완만한 제4기울기(G4)를 갖도록 설정할 수 있다.
예컨대, 상기 조향각(θ) 중립에서 우선회 방향으로 스티어링휠(1)을 회전하는 경우, 조향각(θ)이 커질수록 목표 프릭션반력토크는 감소하게 된다.
이러한, 상기 목표 프릭션반력토크는 스티어링휠(1)의 선회방향이 전환됨에 따라 물리적으로 작용하는 토크의 방향이 같이 바뀌기 때문에, 상기 목표 프릭션반력토크의 크기에 따라 후술하는 선회 회전시와 복원 회전시 사이의 히스테리시스 폭이 달라질 수 있다. 상기 히스테리시스의 생성 매커니즘에 대해서는 아래에서 다시 설명하기로 한다.
참고로, 상기 목표 프릭션반력토크는 도 6에 도시한 바와 같이, 소정의 조향각속도(ω)까지 급격하게 상승하고, 그 이후의 조향각속도(ω) 구간에서는 일정하게 유지되도록 설정할 수 있다.
한편, 도 5를 참조하여, 본 발명에서 조향 회전시의 조향반력토크와 복원 회전시의 조향반력토크 사이에 히스테리시스가 구현되는 작동 원리를 설명하면, 스티어링휠(1)을 조향각(θ) 중립에서 우선회하는 방향으로 회전하는 경우, 반력모터(5)에 의해 좌선회 방향에 대한 모터반력토크(Tmotor)가 생성이 되는데, 이때에 MR브레이크(7) 역시 프릭션으로 작용하게 됨으로써, 좌선회 방향에 대한 프릭션반력토크(Tbrake)가 생성된다.
따라서, 우선회 방향으로 회전하는 경우, 좌선회 방향에 대한 모터반력토크(Tmotor)와 좌선회 방향에 대한 프릭션반력토크(Tbrake)가 합산됨으로써, 스티어링휠(1)에 모터반력토크(Tmotor)보다 큰 최종 조향반력토크(Ttotal)를 제공하게 된다.
그런데, 이 상태에서 조향각(θ) 중립을 향해 복원하는 좌선회 방향으로 스티어링휠(1)을 회전하게 되면, MR브레이크(7)는 운동방향이 전환됨에 따라 물리적으로 토크 방향만이 바뀌기 때문에 우선회 방향에 대한 프릭션반력토크(Tbrake)가 생성된다.
하지만, 반력모터(5)는 단지 토크가 줄어들 뿐 토크의 방향은 바뀌지 않기 때문에 여전히 좌선회 방향에 대한 모터반력토크(Tmotor)를 생성하게 된다.
따라서, 조향각(θ) 중립을 향해 좌선회 방향으로 복원 회전하는 경우, 좌선회 방향에 대한 모터반력토크(Tmotor)와 우선회방향에 대한 프릭션반력토크(Tbrake)가 합산됨으로써, 스티어링휠(1)에 모터반력토크(Tmotor)보다 작은 최종 조향반력토크(Ttotal)를 제공하게 된다.
이에, 스티어링휠(1)의 선회 회전시의 조향반력토크(Ttotal)와, 복원 회전시의 조향반력토크(Ttotal) 사이에 히스테리시스가 형성됨으로써, 운전자가 느끼는 조타감이 크게 향상되고, 또한 스티어링휠(1)의 수방 안정성(스티어링휠에서 손을 놓았을 때의 거동 안정성)을 향상시키게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
1 : 스티어링휠
3 : 조향센서
5 : 반력모터
7 : MR브레이크
9 : 컨트롤러

Claims (6)

  1. 스티어링휠에 반력모터와 MR브레이크가 연결된 SBW시스템으로서,
    컨트롤러가 조향정보 및 차속정보를 입력받는 단계;
    컨트롤러가 상기 입력된 조향 및 차속정보를 바탕으로 반력모터에 의해 출력하는 목표 모터반력토크를 설정하되, 스티어링휠을 조향 회전하는 경우의 목표 모터반력토크와 복원 회전하는 경우의 목표 모터반력토크를 동일하게 설정하는 단계;
    컨트롤러가 상기 입력된 조향 및 차속정보를 바탕으로 MR브레이크에 의해 출력하는 목표 프릭션반력토크를 설정하는 단계; 및
    컨트롤러가 상기 목표 모터반력토크와 목표 프릭션반력토크를 추종하도록 반력모터와 MR브레이크를 제어하여 스티어링휠에 조향반력토크를 제공하는 단계;를 포함하고,
    상기 목표 모터반력토크는, 조향각 중립에서 소정의 기준조향각까지 제1기울기를 갖고 증가하고, 상기 기준조향각에서 최대조향각까지 상기 제1기울기보다 완만한 제2기울기를 갖고 증가하도록 설정하며,
    상기 목표 프릭션반력토크는, 조향각 중립에서 소정의 기준조향각까지 제3기울기를 갖고 감소하고, 상기 기준조향각에서 최대조향각까지 상기 제3기울기보다 완만한 제4기울기를 갖고 감소하도록 설정한 것을 특징으로 하는 SBW시스템용 조향 반력 생성방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 목표 모터반력토크는 차속에 비례하는 것을 특징으로 하는 SBW시스템용 조향 반력 생성방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 목표 모터반력토크는 조향각 중립에서 0으로 설정하고, 상기 조향각 중립을 기준으로 조향각이 커짐에 따라 증가하도록 설정한 것을 특징으로 하는 SBW시스템용 조향반력 생성방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 목표 프릭션반력토크는 조향각 중립에서 O보다 큰 소정의 토크로 설정하고, 상기 조향각 중립을 기준으로 조향각이 커짐에 따라 감소하도록 설정한 것을 특징으로 하는 SBW시스템용 조향반력 생성방법.
  6. 삭제
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