KR102419260B1 - Sbw 시스템의 조향 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 SBW 시스템의 조향 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, SBW 시스템에서 조타력을 출력하는 파워모터, 상기 파워모터의 회전위치를 검출하는 파워모터 위치센서, 스티어링 휠의 조향각을 검출하는 조향각 센서, 차량의 차속을 검출하는 차속센서, 및 상기 조향각 센서에 의해 검출된 조향각으로부터 목표 조향각을 산출하고, 상기 목표 조향각에 따라 상기 파워모터를 구동시키는 파워모터 제어부를 포함하되, 상기 파워모터 제어부는, 상기 파워모터 위치센서를 통해 상기 파워모터의 회전위치를 검출하여 현재 차륜의 출력각을 반영한 피드백 조향각을 계산하고, 상기 피드백 조향각 및 상기 차속센서에 의해 검출된 차속에 근거하여 차륜의 출력각을 가변 제어하기 위한 보상 조향각을 산출하며, 목표 조향각을 상기 보상 조향각에 의해 보정하는 것을 특징으로 한다.

Description

SBW 시스템의 조향 제어 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING STEERING IN STEER-BY-WIRE SYSTEM AND METHOD THEREOF}
본 발명은 SBW 시스템의 조향 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 조향각 및 차속에 따라 가변 능동 조향이 가능한 SBW 시스템의 조향 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
차량의 파워 스티어링은 동력에 따른 조향 장치로, 운전자의 스티어링 휠 조작을 돕는 역할을 한다. 이러한 파워 스티어링은 유압을 이용하는 방식이 주로 사용되고 있었으나, 최근에는 모터의 힘을 이용하는 방식인 전동식 파워 스티어링(MDPS: Motor Driven Power Steering) 시스템의 사용이 늘어나고 있다. MDPS 시스템은 기존의 유압식 파워 스티어링 시스템과 대비하여 무게가 가볍고, 공간을 적게 차지하며, 오일교환이 필요 없다는 장점이 존재하기 때문이다.
이러한 MDPS 시스템은, 스티어링 휠의 회전에 의해 발생한 조향토크를 감지하여 조향토크에 비례하는 전기신호를 출력하는 토크센서, 토크센서로부터 출력된 전기신호를 입력받아 모터 구동신호를 출력하는 ECU(Electronic Control Unit), 및 ECU로부터 출력된 모터 구동신호에 기초하여 보조토크를 발생시키는 모터를 포함하여 구성된다. 이에 따라 모터에서 발생한 보조토크가 랙(Rack), 피니언기어(Pinion Gear) 또는 스티어링 컬럼(Steering Column)에 전달되어 운전자의 조향토크를 보조하게 된다. 한편, MDPS 시스템이 장착된 차량에는 운전자의 조타입력 대비 차륜의 출력각도의 비율, 즉 조향 기어비를 가변시킴으로써 보다 민첩하거나 정밀한 조향을 가능하게 하는 AFS(Active Front Steering) 또는 VGR(Variable Gear Ratio) 시스템이 적용될 수 있다.
AFS 시스템은 스티어링 휠과 조향 엑츄에이터 사이에 조향 기어비 가변장치를 구비시켜, 스티어링 휠의 조향각을 입력받아 조향 엑츄에이터에 가변된 회전각을 출력함으로써 조향 기어비를 가변시키게 된다. 이러한 AFS 시스템은 통상적으로 차속에 따라 조향 기어비를 가변하며, 저속에서는 빠른 조향 기어비를 설정함으로써 민첩한 조향 특성을 얻을 수 있고, 고속에서는 느린 조향 기어비를 설정함으로써 스티어링 민감도가 감소하여 안정적인 조항 조작이 가능하게 된다.
VGR 시스템은 스티어링 컬럼 끝단의 피니언의 회전운동을 직선운동으로 변환하는 랙의 기계적 가공을 통해 조향 기어비를 가변시키는 것으로서, 조향각에 따라 랙의 변위를 가변시킴으로써 조향 기어비를 가변시키게 된다. 이러한 VGR 시스템은 조향각에 따라 조향 기어비가 가변되며, 작은 조향각에서는 느린 조향 기어비를 설정함으로써 더 세밀한 조향 특성을 얻을 수 있고, 큰 조향각에서는 빠른 조향 기어비를 설정함으로써 더 민첩한 조향 특성을 얻을 수 있다.
최근에는 스티어링 휠과 차륜사이의 스티어링 컬럼 또는 유니버설 조인트, 피니언 샤프트와 같은 기계적인 연결장치를 제거하고, 랙에 연결된 모터의 구동을 전기적인 신호로 제어하여 차량의 조향이 이루어지도록 하는 SBW(Steer By Wire) 시스템이 개발되어 적용되고 있다. 이러한 SBW 시스템은, 운전자의 조향 조작을 위한 스티어링 휠, 스티어링 휠의 일측에 설치되어 스티어링 휠의 회전에 따른 반력 토크를 제공하는 반력모터, 랙과 연결되어 조향 조작을 구현하는 엑츄에이터, 조향각, 차속 및 스티어링 휠의 토크를 검출하기 위한 각 센서, 및 상기 센서로부터 입력되는 전기신호에 따라 엑츄에이터와 반력모터를 구동시키는 ECU를 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 SBW 시스템은 기계적인 연결이 없으므로 차량 충돌시 기구부에 의한 운전자 상해를 감소시킬 수 있고, 기계적 연결 부품 삭감에 따른 차량의 경량화 및 조향 작동시의 불필요한 에너지 소모를 감소시킬 수 있으며, ECU 프로그래밍에 의하여 이상적인 조향 성능 달성이 가능한 장점이 있어, 그 사용이 점차 증가하고 있는 추세이다.
종래의 MDPS 시스템은 스티어링 휠 조작에 따라 발생하는 조향토크를 감지하여 보조토크를 생성하기 때문에 조향토크를 감지하기 위한 토크센서가 필수적 구성이었으며, 따라서 토크센서의 고장 또는 비정상적인 동작으로 인해 조향토크가 감지되지 않거나 실제 조향토크와 다른 조향토크가 감지되는 경우, 이에 따라 모터가 비정상적인 보조토크를 출력함으로써 운전자의 조향 조작에 이질감을 전달하는 문제점이 존재하였다.
또한 AFS 시스템은 조향 기어비를 가변시키기 위해 추가적인 조향 기어비 가변장치가 필요하고, 상기 조향 기어비 가변장치를 구동하기 위해서도 별도의 모터가 필요하여 부품 수 증가에 따른 시스템의 복잡화, 중량화 및 원가 상승의 문제점이 존재하였다. VGR 시스템 역시 랙의 기계적 가공을 통해 조향 기어비를 가변시키기 때문에 일단 정한 기어비는 변경할 수가 없으며, 기어비를 선택할 수 있는 방식으로 설계하는 경우는 생산단가가 높아지고 구조가 복잡해지는 문제점이 발생하게 된다.
전술한 문제점은 기계적인 링크로 구성되는 종래 조향 시스템의 한계로서, 본 발명은 기계적인 링크를 제거하고 전기신호만으로 랙에 연결된 모터를 구동하여 조향을 제어하는 SBW 시스템을 채용하여 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것이다. 즉, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 MDPS 시스템의 토크센서의 비정상적인 동작에 따른 운전자의 조향 조작상의 이질감을 제거하고, AFS 및 VGR과 같은 조향 기어비 가변시스템이 갖는 시스템의 복잡화 및 원가 상승 문제를 해결하는 동시에 기어비를 가변적으로 제어할 수 있는 SBW 시스템의 조향 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 조향 제어 장치는, SBW 시스템에서 조타력을 출력하는 파워모터, 상기 파워모터의 회전위치를 검출하는 파워모터 위치센서, 스티어링 휠의 조향각을 검출하는 조향각 센서, 차량의 차속을 검출하는 차속센서, 및 상기 조향각 센서에 의해 검출된 조향각으로부터 목표 조향각을 산출하고, 상기 목표 조향각에 따라 상기 파워모터를 구동시키는 파워모터 제어부를 포함하되, 상기 파워모터 제어부는, 상기 파워모터 위치센서를 통해 상기 파워모터의 회전위치를 검출하여 현재 차륜의 출력각을 반영한 피드백 조향각을 계산하고, 상기 피드백 조향각 및 상기 차속센서에 의해 검출된 차속에 근거하여 차륜의 출력각을 가변 제어하기 위한 보상 조향각을 산출하며, 목표 조향각을 상기 보상 조향각에 의해 보정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 파워모터 제어부는, 미리 설정된 조향각-기어비 맵으로부터 상기 피드백 조향각에 대한 기어비를 추출하고, 상기 피드백 조향각, 상기 추출된 기어비 및 상기 차속에 근거하여 상기 보상 조향각을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 파워모터 제어부는, 상기 차량의 시동 ON 이후, 상기 조향각 센서를 통해 검출된 초기 조향각과 상기 파워모터의 현재 회전위치를 동기화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 SBW 시스템에서 조타 반력을 출력하는 리어모터, 상기 차량의 요레이트를 검출하는 요레이트 센서, 상기 차량의 횡가속도를 검출하는 횡가속도 센서, 및 상기 조향각 센서, 차속센서, 요레이트 센서 및 횡가속도 센서에 의해 각각 검출된 조향각, 차속, 요레이트 및 횡가속도 중 하나 이상에 근거하여 반력게인을 산출하고, 상기 반력게인에 따라 상기 리어모터를 구동시키는 리어모터 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 리어모터의 회전위치를 검출하는 리어모터 위치센서를 더 포함하고, 상기 리어모터 제어부는, 상기 리어모터 위치센서에 의해 검출된 리어모터의 회전위치를 미분하고 저주파 필터링하여 리어모터 각속도를 산출하고, 미리 설정된 각속도-보상게인 맵으로부터 상기 리어모터 각속도에 대한 보상게인을 추출하며, 상기 반력게인을 상기 보상게인에 의해 보정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 조향 제어 방법은, 조향각 센서 및 차속센서가, 스티어링 휠의 조향각 및 차량의 차속을 각각 검출하는 단계, 파워모터 제어부가, 상기 검출된 조향각으로부터 목표 조향각을 산출하는 단계, 상기 파워모터 제어부가, 상기 목표 조향각에 따라 SBW(Steer By Wire) 시스템에서 조타력을 출력하는 파워모터를 구동시키는 단계, 상기 파워모터 제어부가, 상기 파워모터 위치센서를 통해 상기 파워모터의 회전위치를 검출하여 현재 차륜의 출력각을 반영한 피드백 조향각을 계산하는 단계, 및 상기 파워모터 제어부가, 상기 피드백 조향각 및 상기 검출된 차속에 근거하여 차륜의 출력각을 가변 제어하기 위한 보상 조향각을 산출하여, 목표 조향각을 상기 보상 조향각에 의해 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 목표 조향각을 상기 보상 조향각에 의해 보정하는 단계에서, 상기 파워모터 제어부는, 미리 설정된 조향각-기어비 맵으로부터 상기 피드백 조향각에 대한 기어비를 추출하고, 상기 피드백 조향각, 상기 추출된 기어비 및 상기 차속에 근거하여 상기 보상 조향각을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 파워모터 제어부가, 차량의 시동 ON 이후, 상기 조향각 센서를 통해 검출된 초기 조향각과 상기 파워모터의 현재 회전위치를 동기화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 요레이트 센서 및 횡가속도 센서가, 차량의 요레이트 및 횡가속도를 각각 검출하는 단계, 리어모터 제어부가, 상기 검출된 조향각, 차속, 요레이트 및 횡가속도 중 하나 이상에 근거하여 반력게인을 산출하는 단계, 및 상기 리어모터 제어부가, 상기 반력게인에 따라 상기 SBW 시스템에서 반력을 출력하는 리어모터를 구동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 리어모터 회전센서가 상기 리어모터의 회전위치를 검출하는 단계, 및 상기 리어모터 제어부가, 상기 검출된 리어모터의 회전위치를 미분하고 저주파 필터링하여 리어모터 각속도를 산출하고, 미리 설정된 각속도-보상게인 맵으로부터 상기 리어모터 각속도에 대한 보상게인을 추출하며, 상기 반력게인을 상기 보상게인에 의해 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 토크센서 없이 MDPS를 구현함으로써 토크센서의 비정상적인 동작에 따른 운전자의 조향 조작상의 이질감을 제거할 수 있고, 조향 기어비를 가변시키기 위한 기계적인 구성없이, 기어비 가변 로직을 적용하여 시스템을 경량화하는 동시에 실시간으로 가변 능동조향을 가능하게 하는 효과를 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 조향 제어 장치를 설명하기 위한 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 조향 제어 방법에서 파워모터 및 리어모터의 구동이 제어되는 과정을 개략적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 조향 제어 방법에서 파워모터의 구동이 제어되는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 조향 제어 방법에서 리어모터의 구동이 제어되는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 SBW 시스템의 조향 제어 장치 및 그 방법의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 조향 제어 장치를 설명하기 위한 블록구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 조향 제어 장치는 조향각 센서(10), 차속센서(20), 요레이트 센서(30), 횡가속도 센서(40), 파워모터(PMT), 파워모터 위치센서(50), 리어모터(RMT), 리어모터 위치센서(60), 파워모터 제어부(70), 및 리어모터 제어부(80)를 포함할 수 있다.
파워모터 제어부(70)는 조향각-모터위치 동기화부(71), 목표 조향각 산출부(72), 위치제어기(73), 파워모터 구동부(74), 피드백 조향각 계산부(75), 및 보상 조향각 산출부(76)를 포함할 수 있다.
리어모터 제어부(80)는 반력게인 산출부(81), 리어모터 구동부(82), 미분기(83), LPF(Low Pass Filter:84), 및 보상게인 추출부(85)를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 실시예에서, 파워모터 제어부(70) 및 리어모터 제어부(80)는 분리된 구성으로 설명하지만, 실시예에 따라서는 하나의 제어부로 통합된 구성으로 구현될 수도 있다.
상기한 바에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 조향 제어 장치는, 각 센서로부터 입력받은 검출값에 따라, 파워모터(PMT) 및 리어모터(RMT)가 파워모터 제어부(70) 및 리어모터 제어부(80)에 의해 그 구동이 각각 병렬적, 동시적으로 제어된다. 따라서 파워모터(PMT)와 리어모터(RMT)의 구동을 제어하기 공통적으로 요구되는 조향각 및 차속을 각각 검출하는 조향각 센서(10) 및 차속센서(20)의 동작을 설명한 후, 파워모터 제어부(70)에 의해 파워모터(PMT)의 구동이 제어되는 구성과 리어모터 제어부(80)에 의해 리어모터(RMT)의 구동이 제어되는 구성을 각각 설명하기로 한다.
조향각 센서(10)는 운전자에 의해 조작되는 스티어링 휠의 조향각을 검출할 수 있다. 조향각 센서(10)는 차량 시동 ON 이후, 최초로 검출되는 초기 조향각을 파워모터 제어부(70)의 조향각-모터위치 동기화부(71)로 전달할 수 있으며, 이에 따라 후술할 바와 같이 초기 조향각 및 파워모터(PMT)의 현재 회전위치의 동기화 작업이 수행된다. 상기 동기화 작업 수행 후, 차량의 주행상태에서 조향 조작이 이루어지면, 조향각 센서(10)는 실시간으로 조향각을 검출하여 파워모터 제어부(70)의 목표 조향각 산출부(72)로 전달할 수 있다.
차속센서(20)는 주행중인 차량의 차속을 검출할 수 있다. 차속센서(20)로는 차륜의 회전속도를 이용하여 차속을 검출하는 센서, 엔진 회전수(RPM: Revolution Per Minute)를 측정하여 차속을 검출하는 센서, GPS(Global Positioning System)를 이용하여 차속을 검출하는 센서 등 다양한 센서가 모두 포함될 수 있다.
상기한 내용을 전제하여, 파워모터 제어부(70)에 의해 파워모터(PMT)의 구동이 제어되는 구성을 도 1을 참조하여 설명한다.
조향각-모터위치 동기화부(71)는 조향각 센서(10)로부터 전술한 초기 조향각을 입력받아 파워모터(PMT)의 현재 회전위치와 동기화시킬 수 있다. 예를 들어, 차량 시동 ON 이후, 조향각 센서(10)에 의해 스티어링 휠의 초기 조향각이 10°로 검출된 경우, 파워모터(PMT)의 현재 회전위치를 10°로 설정하여 초기 조향각과 파워모터(PMT)의 회전위치를 동기화시킬 수 있다.
상기 동기화 과정의 의미에 대하여 설명하면, 후술할 바와 같이 본 발명에 따른 실시예에서 파워모터 제어부(70)의 위치제어기(73)는, 파워모터 위치센서(50)에 의해 검출된 파워모터(PMT)의 회전위치로부터 계산된 피드백 조향각(으로부터 기어비 및 차속을 고려하여 산출된 보상 조향각)을 피드백 입력받아 파워모터(PMT)의 위치제어 및 가변 능동조향을 구현한다. 조향각 센서(10)의 정밀도는 파워모터 위치센서(50)의 정밀도보다 낮기 때문에, 파워모터 위치센서(50)를 통해 파워모터(PMT)의 회전위치를 검출하고 이를 조향각으로 환산하여 파워모터(PMT)의 회전위치를 피드백 제어하게 되면 보다 정밀한 파워모터(PMT) 위치제어가 가능하게 되는 점에 착안한 것으로서, 따라서 상기 동기화 작업은 파워모터(PMT)의 회전위치로부터 조향각을 계산하기 위한 전제가 된다.
한편, 동기화 작업은 차량 시동 ON 이후 최초 1회만 수행되며, 도 1에서 조향각-모터위치 동기화부(71)의 입출력으로 표시된 점선은 최초 1회만 수행되는 것을 나타낸 것이다.
목표 조향각 산출부(72)는 차량의 주행상태에서 이루어지는 조향 조작에 따라, 조향각 센서(10)에 의해 실시간으로 검출되는 조향각으로부터 미리 설정된 매핑정보에 근거하여 목표 조향각을 산출할 수 있다. 조향각 센서(10)에 의해 검출된 조향각을 직접 목표 조향각으로 설정하지 않고 상기 매핑정보에 근거하여 환산된 조향각을 목표 조향각으로 설정하는 이유는, 후술할 것과 같이 위치제어기(73)로 피드백 입력되는 보상 조향각은 파워모터 회전위치로부터 환산된 조향각(모터회전위치 기반의 조향각)이기 때문에, 목표 조향각과 보상 조향각과의 편차를 연산하기 위해서는 신호의 종류(즉, 신호의 단위)가 일치해야 되기 때문이다. 따라서 목표 조향각 산출부(72)는 조향각 센서(10)에 의해 검출된 조향각으로부터 미리 설정된 매핑정보에 근거하여 목표 조향각(모터회전위치 기반의 조향각)을 산출할 수 있다.
상기 매핑정보는 조향 시스템의 사양에 따라 파워모터 제어부(70)에 미리 설정되어 파워모터(PMT)의 회전위치를 조향각으로 환산하거나 그 역산에 사용된다. 상기 매핑정보는 파워모터(PMT)의 회전위치와 조향각 간의 대응관계를 나타내는 함수, 맵, 또는 룩업테이블 등 다양한 방법으로 설정될 수 있으며, 통상의 기구부수식(스티어링 휠 1회전에 대한 랙 변위(mm/rev))을 이용하여 파워모터(PMT)의 회전위치와 조향각 간의 환산관계가 설정될 수도 있다.
이에 따라, 목표 조향각 산출부(72)는 조향각 센서(10)로부터 입력받은 조향각으로부터 상기 매핑정보에 근거하여 모터회전위치 기반의 목표 조향각을 산출하여 위치제어기(73)로 전달할 수 있다.
위치제어기(73)는 목표 조향각 산출부(72)로부터 입력받은 목표 조향각에 따라 파워모터(PMT)를 최초 구동시킬 수 있다. 보다 구체적으로 상기 목표 조향각에 대응하는 파워모터 구동전류를 출력하여 파워모터(PMT)를 구동시킬 수 있다. 또한 파워모터(PMT)의 회전위치로부터 계산된 피드백 조향각(으로부터 기어비 및 차속을 고려하여 산출된 보상 조향각)을 피드백 입력받아 목표 조향각을 보정할 수 있는데, 이에 대해서는 후술한다.
한편, 위치제어기(73)로부터 출력되어 파워모터(PMT)로 입력되는 구동전류의 경로 상에는 파워모터 구동부(74)가 구비될 수 있다. 이 경우, 파워모터 구동부(74)는 현재 구동되는 파워모터(PMT)의 전류를 전류검출센서를 통해 검출하고, 검출된 전류를 피드백 입력받아 위치제어기(73)로부터 출력되는 전류를 보정할 수도 있다.
파워모터(PMT)는 위치제어기(73)로부터 파워모터 구동전류를 입력받아 구동되어 랙(Rack)의 직선운동을 발생시킴으로써 SBW 시스템의 조타력을 출력할 수 있다(차륜을 회전시킬 수 있다.).
파워모터 위치센서(50)는 상기 목표 조향각에 따라 구동되는 파워모터(PMT)의 회전위치, 즉 파워모터(PMT)의 회전각도를 검출하여 피드백 조향각 계산부(75)에 전달할 수 있다.
피드백 조향각 계산부(75)는 입력받은 파워모터(PMT)의 회전위치로부터 전술한 매핑정보에 근거하여 현재 차륜의 출력각을 반영한 피드백 조향각을 계산할 수 있다. 즉, 현재 구동중인 파워모터(PMT)의 회전위치를 전술한 매핑정보에 근거하여 조향각으로 환산하면 현재 차륜의 출력각을 반영한 피드백 조향각을 알 수 있으며, 또한 상기 피드백 조향각은 보다 정밀한 분해능을 갖는 파워모터 위치센서(50)를 통해 검출된 파워모터(PMT)의 회전위치로부터 계산된 것이므로 파워모터(PMT)의 정밀한 피드백 제어가 가능하게 된다. 그리고 파워모터(PMT)의 회전위치로부터 상기 매핑정보에 근거하여 계산된 피드백 조향각은 모터회전위치 기반의 조향각이므로 전술한 것과 같이 목표 조향각 산출부로부터 출력되는 목표 조향각과 신호의 종류가 일치하게 되어 그 편차 연산이 가능하게 된다. 그리고 상기와 같이 계산된 피드백 조향각에 기초하여 후술할 조향각-기어비 맵으로부터 기어비를 추출할 수 있게 된다.
피드백 조향각 계산부(75)는 상기 계산된 피드백 조향각을 보상 조향각 산출부(76)로 전달할 수 있다.
보상 조향각 산출부(76)에 대하여 설명한다.
SBW 시스템은 스티어링 휠과 차륜사이의 스티어링 컬럼 또는 유니버설 조인트, 피니언 컬럼과 같은 기계적인 연결장치를 제거한 것으로서, 피니언과 랙의 연결도 제거되기 때문에 기계적인 방법으로 VGR과 같은 가변 기어비 효과를 달성할 수 없다. 본 발명에 따른 실시예에서 보상 조향각 산출부(76)는, 미리 설정된 조향각-기어비 맵을 통해 기어비 가변 효과를 달성할 수 있다. 보다 구체적으로, 미리 설정된 조향각-기어비 맵으로부터, 피드백 조향각 계산부(75)로부터 입력받은 피드백 조향각에 대한 기어비를 추출할 수 있다. 통상적인 VGR 시스템에서는, -30° ~ 30°의 조향각에 대응되는 기어비는 1로 설정되고, 그 외의 영역에서는 1.2로 설정되도록 랙이 제작된다. 따라서 만약 입력된 피드백 조향각이 40°인 경우를 가정하면 조향각-기어비 맵으로부터 1.2의 기어비가 추출되게 된다.
한편 조향각-기어비 맵은, 통상적인 VGR 시스템의 기어비인 1 및 1.2에 한정되지 않고 조향 시스템의 사양 및 설계자에 의도에 따라 다양하게 설계되어 보상 조향각 산출부(76)에 미리 설정될 수 있다.
또한 보상 조향각 산출부(76)는, 위치제어기(73)에 피드백 입력될 보상 조향각을 산출할 수 있다. 보다 구체적으로, 피드백 조향각 계산부(75)로부터 입력받은 피드백 조향각과 상기 추출된 기어비, 그리고 차속센서(20)에 의해 검출된 차속에 근거하여 보상 조향각을 산출할 수 있다. 예를 들어, 입력받은 피드백 조향각이 40°이고 기어비가 1.2로 결정된 경우, 차륜의 출력각은 48°(40°*1.2)가 되도록 보상 조향각을 피드백 입력해야 할 것이다. 다만, AFS와 같이 차속에 따라 기어비를 가변시키는 효과를 달성하기 위해, 상기와 같이 피드백 조향각과 기어비의 곱셈으로 산출된 보상 조향각(이하 1차 보상 조향각이라 한다)에 차속을 고려하여 최종적인 보상 조향각을 산출하게 된다. 예를 들면, 차속이 저속인 경우 민첩한 조향 특성을 위해 최종 보상 조향각을 1차 보상 조향각인 48°보다 증가시킴으로써, 그리고 차속이 고속인 경우 안정적인 조향 특정을 위해 최종 보상 조향각을 1차 보상 조향각인 48°보다 감소시킴으로써 최종적인 보상 조향각을 산출할 수 있다. 차속에 따라 1차 보상 조향각을 가감하는 로직은, 조향 시스템의 사양 및 설계자의 의도에 따라 다양하게 설계되어 보상 조향각 산출부(76)에 미리 설정될 수 있다.
정리하면, 본 발명에 따른 일 실시예에서, AFS와 같은 조향 기어비 가변 장치 또는 VGR이 적용된 랙이 구비되지 않아도, 조향각-기어비 맵 및 차속을 고려한 조향각 보상 로직을 미리 설정하여 보상 조향각을 산출하고, 상기 산출된 보상 조향각을 피드백 제어하여 파워모터(PMT)를 구동시킴으로써 기어비를 가변하는 능동 조향 효과를 달성할 수 있게 된다.
위치제어기(73)는 실시간으로 입력되는 목표 조향각을 상기 보상 조향각에 의해 보정하고, 상기 보정된 목표 조향각에 따라 파워모터(PMT)를 구동시켜 목표 조향각과 보상 조향각과의 편차가 제거되도록 파워모터(PMT)의 회전위치를 제어하게 된다. 위치제어기(73)는 상기 편차가 제거되도록 파워모터(PMT)의 회전위치를 제어하기 위해 PID(Proportional Integral Derivative) 위치제어기로 구현될 수 있다.
다음으로, 도 1을 참조하여 리어모터 제어부(80)에 의해 리어모터(RMT)의 구동이 제어되는 구성에 대하여 설명한다.
리어모터(RMT)는 스티어링 휠에 연결된 컬럼 하단측에 구비되어, 운전자의 조향에 대한 반력을 출력함으로써 자연스러운 조향감을 느낄 수 있도록 한다. 즉, 스티어링 휠과 차륜이 기계적으로 분리된 SBW 시스템에서 운전자는 노면 마찰과 같은 저항력을 감각할 수 없으므로, 인위적인 반력을 출력하여 자연스러운 조향감을 느낄 수 있도록 한다.
요레이트 센서(30)는 차량의 요레이트를 검출할 수 있다. 요레이트는 차량의 Z축을 기준으로 좌우로 회전하는 값의 비율을 의미한다. 또한 요레이트는 차량이 현재 평지주행 상태인지 여부 또는 차량의 기울기를 판단하는 기준이 될 수 있다. 요레이트 센서(30)는 검출된 요레이트를 반력게인 산출부(81)에 전달할 수 있다.
횡가속도 센서(40)는 차량의 횡가속도를 검출할 수 있다. 횡가속도는 차량이 현재 평지주행 조건 상태인지 또는 차량의 기울기를 판단하는 기준이 될 수 있다. 횡가속도 센서(40)는 검출된 횡가속도를 반력게인 산출부(81)에 전달할 수 있다.
반력게인 산출부(81)는 조향각 센서(10), 차속센서(20), 요레이트 센서(30) 및 횡가속도 센서(40)에 의해 각각 검출된 조향각, 차속, 요레이트 및 횡가속도 중 하나 이상에 근거하여 미리 설정된 연산로직을 통해 반력게인을 산출할 수 있다. 조향각, 차속, 요레이트 및 횡가속도와 같은 다양한 주행 조건을 고려함으로써 반력의 출력 응답성을 향상시키 위한 것으로서, 반력게인은 리어모터(RMT)가 반력을 출력하도록 리어모터(RMT)를 구동시키는 힘으로 정의될 수 있고, 반력토크, 목표 리어모터각 등의 파라미터로 처리될 수 있다. 상기 연산로직은 조향각, 차속, 요레이트 및 횡가속도 대 반력토크와의 관계를 설정한 반력함수, 반력토크 맵 또는 반력토크 룩업테이블 등으로 설정될 수 있다.
반력게인 산출부(81)는 상기 반력게인에 따라 상기 리어모터(RMT)를 구동시킬 수 있고, 구체적으로 상기 반력게인에 대응하는 리어모터 구동전류를 출력하여 리어모터(RMT)를 구동시킴으로써 반력을 출력할 수 있다.
한편, 반력게인 산출부(81)로부터 출력되어 리어모터(RMT)로 입력되는 구동전류의 경로 상에는 리어모터 구동부(82)가 구비될 수 있다. 이 경우, 리어모터 구동부(82)는 현재 구동되는 리어모터(RMT)의 전류를 전류검출센서를 통해 검출하고, 검출된 전류를 피드백 입력받아 반력게인 산출부(81)로부터 출력되는 전류를 보정할 수도 있다.
본 발명에 따른 실시예에서는, 리어모터 위치센서(60)를 통해 상기 구동되는 리어모터(RMT)의 회전위치를 검출하여 보상게인을 결정하고, 결정된 보상게인을 반력게인 산출부(81)에 피드백함으로써 반력게인을 보상할 수 있다.
이를 위해, 리어모터 위치센서(60)는 리어모터(RMT)의 회전위치를 검출하여 미분기(83)에 전달할 수 있다.
미분기(83)는 입력받은 리어모터(RMT)의 회전위치를 미분하여 리어모터 각속도를 산출하여 LPF(84)에 전달할 수 있다.
LPF(84)는 입력받은 리어모터 각속도 신호에서, 리어모터(RMT)의 회전위치를 미분하는 과정에서 발생된 저주파 잡음을 제거하여 보상게인 추출부로 전달할 수 있다.
보상게인 추출부(85)는 미리 설정된 각속도-보상게인 맵으로부터 상기 리어모터 각속도에 대한 보상게인을 추출하여 반력게인 산출부(81)로 피드백 입력한다. 상기 각속도-보상게인 맵은 조향 시스템의 사양 및 설계자의 의도에 따라 다양하게 설정되어 보상게인 추출부(85)에 미리 설정될 수 있다.
반력게인 산출부(81)는 각 센서로부터 입력받은 조향각, 차속, 요레이트 및 횡가속도 중 하나 이상에 근거하여 산출된 반력게인을 상기 보상게인에 의해 보정하고, 상기 보정된 반력게인에 따라 리어모터(RMT)를 구동시키게 된다.
정리하면, 반력게인 산출부(81)는 차량의 주행조건에 따라 반력게인을 산출하여 리어모터를 구동시키되, 리어모터(RMT)의 회전위치 및 이에 대응하는 리어모터 각속도를 피드백 입력받아 통해 차량의 주행상태에 따라 반력을 가변 제어하여 보다 더 자연스러운 조향감을 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 조향 제어 방법에서 파워모터 및 리어모터의 구동이 제어되는 과정을 개략적으로 설명하기 위한 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 조향 제어 방법에서 파워모터의 구동이 제어되는 과정을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 조향 제어 방법에서 리어모터의 구동이 제어되는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 조향 제어 방법에서 파워모터(PMT) 및 리어모터(RMT)의 구동이 제어되는 과정을 설명하면, 먼저 파워모터 제어부(70)는, 차량 시동 ON 이후, 조향각 센서(10)를 통해 최초로 검출되는 스티어링 휠의 초기 조향각과 파워모터(PMT)의 현재 회전위치를 동기화시킨다(S100).
그리고, 조향각 센서(10) 및 차속센서(20)가, 스티어링 휠의 조향각 및 차량의 차속을 각각 검출한다(S200). 조향각 센서(10) 및 차속센서(20)는 조향각 및 차속을 각각 실시간으로 검출하여 파워모터 제어부(70) 및 리어모터 제어부(80)로 각각 출력한다.
그리고, 파워모터 제어부(70) 및 리어모터 제어부(80)는 상기 검출된 조향각 및 차속에 근거하여 파워모터(PMT) 및 리어모터(RMT)의 구동을 각각 제어한다(S300).
다음으로, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 조향 제어 방법에서 파워모터(PMT)의 구동이 제어되는 과정을 설명한다.
파워모터 제어부(70)는 상기 검출된 조향각으로부터 미리 설정된 매핑정보에 근거하여 목표 조향각을 산출한다(S310a).
이어서, 파워모터 제어부(70)는 상기 목표 조향각에 따라 SBW 시스템에서 조타력을 출력하는 파워모터(PMT)를 구동시킨다(S320a).
이어서, 파워모터 제어부(70)는 파워모터 위치센서(50)를 통해 파워모터(PMT)의 회전위치를 검출하고, 상기 매핑정보에 근거하여 현재 차륜의 출력각을 반영한 피드백 조향각을 계산한다(S330a).
이어서, 파워모터 제어부(70)는 상기 피드백 조향각 및 상기 검출된 차속에 근거하여 차륜의 출력각을 가변 제어하기 위한 보상 조향각을 산출하여, 목표 조향각을 상기 보상 조향각에 의해 보정한다(S340a-S360a).
보다 구체적으로, 파워모터 제어부(70)는 미리 설정된 조향각-기어비 맵으로부터 상기 피드백 조향각에 대한 기어비를 추출하고(S340a), 상기 피드백 조향각, 상기 추출된 기어비 및 상기 차속에 근거하여 보상 조향각을 산출한다(S350a). 그리고 실시간으로 입력되는 목표 조향각을 상기 보상 조향각에 의해 보정하고(S360a), 상기 보정된 목표 조향각에 따라 파워모터(PMT)를 구동시켜 목표 조향각과 보상 조향각과의 편차가 제거되도록 파워모터(PMT)의 회전위치를 제어하게 된다. 위치제어기(73)는 상기 편차를 제거되도록 파워모터(PMT)의 회전위치를 제어하기 위해 PID 위치제어기로 구현될 수 있다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 SBW 시스템의 조향 제어 방법에서 리어모터(RMT)의 구동이 제어되는 과정을 설명한다.
요레이트 센서(30) 및 횡가속도 센서(40)는 차량의 요레이트 및 횡가속도를 각각 검출한다(S310b). 요레이트 센서(30) 및 횡가속도 센서(40)는 요레이트 및 횡가속도를 각각 실시간으로 검출하여 리어모터 제어부(80)에 출력한다.
이어서, 리어모터 제어부(80)는 상기 검출된 조향각, 차속, 요레이트 및 횡가속도 중 하나 이상에 근거하여 반력게인을 산출한다(S320b).
이어서, 리어모터 제어부(80)는 상기 반력게인에 따라 SBW 시스템에서 반력을 출력하는 리어모터(RMT)를 구동시킨다(S330b). 즉, 상기 반력게인에 대응하는 리어모터 구동전류를 출력하여 리어모터(RMT)를 구동시킴으로써 반력을 출력할 수 있다.
이어서, 리어모터 위치센서(60)는 상기 구동되는 리어모터(RMT)의 회전위치를 검출한다(S340b).
이어서, 리어모터 제어부(80)는 상기 검출된 리어모터(RMT)의 회전위치를 미분하여 리어모터 각속도를 산출하고(S350b), 저주파 필터링하여 미분과정에서 발생한 저주파 잡음을 제거한다(S360b). 그리고 미리 설정된 각속도-보상게인 맵으로부터 상기 리어모터 각속도에 대한 보상게인을 추출하며(S370b), 상기 반력게인을 상기 보상게인에 의해 보정한다(S380b).
이에 따라, 리어모터 제어부(80)는 보정된 반력게인에 따라 리어모터(RMT)를 구동시킴으로써, 차량의 주행상태에 따라 반력을 가변시켜 보다 더 자연스러운 조향감을 제공할 수 있다.
전술한 것과 같이, 파워모터(PMT)의 구동이 제어되는 과정과 리어모터(RMT)의 구동이 제어되는 과정은 차량의 주행상태에서 병렬적, 동시적으로 이루어지는 구성으로서, 상기한 순서에 한정되지 않는다.
이에 따라 본 발명은, 조향각 및 파워모터(PMT)의 회전위치만으로 파워모터(PMT)의 구동을 제어하여, 토크센서 없이 MDPS를 구현함으로써 토크센서의 비정상적인 동작에 따른 운전자의 조향 조작상의 이질감을 제거할 수 있고, 조향 기어비를 가변시키기 위한 기계적인 구성없이, 기어비 가변 로직을 적용하여 시스템을 경량화하는 동시에 실시간으로 가변 능동조향을 가능하게 할 수 있으며, 리어모터(RMT)의 회전위치신호를 실시간으로 피드백 입력받아 리어모터(RMT)의 구동을 제어함으로써 차량의 주행상태에 따라 반력을 가변시켜 보다 더 자연스러운 조향감을 제공할 수 있도록 한다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10: 조향각 센서 20: 차속센서
30: 요레이트 센서 40: 횡가속도 센서
50: 파워모터 위치센서 60: 리어모터 위치센서
70: 파워모터 제어부 71: 조향각-모터위치 동기화부
72: 목표 조향각 산출부 73: 위치제어기
74: 파워모터 구동부 75: 피드백 조향각 계산부
76: 보상 조향각 산출부 80: 리어모터 제어부
81: 반력게인 산출부 82: 리어모터 구동부
83: 미분기 84: LPF
85: 보상게인 추출부 PMT: 파워모터
RMT: 리어모터

Claims (10)

  1. SBW(Steer By Wire) 시스템에서 조타력을 출력하는 파워모터;
    상기 파워모터의 회전위치를 검출하는 파워모터 위치센서;
    스티어링 휠의 조향각을 검출하는 조향각 센서;
    차량의 차속을 검출하는 차속센서; 및
    상기 조향각 센서에 의해 검출된 조향각으로부터 목표 조향각을 산출하고, 상기 목표 조향각에 따라 상기 파워모터를 구동시키는 파워모터 제어부를 포함하되,
    상기 파워모터 제어부는, 상기 파워모터 위치센서를 통해 상기 파워모터의 회전위치를 검출하여 현재 차륜의 출력각을 반영한 피드백 조향각을 계산하고, 상기 피드백 조향각 및 상기 차속센서에 의해 검출된 차속에 근거하여 차륜의 출력각을 가변 제어하기 위한 보상 조향각을 산출하며, 목표 조향각을 상기 보상 조향각에 의해 보정하고,
    상기 파워모터 제어부는, 미리 설정된 조향각-기어비 맵으로부터 상기 피드백 조향각에 대한 기어비를 추출하고, 상기 피드백 조향각, 상기 추출된 기어비 및 상기 차속에 근거하여 상기 보상 조향각을 산출하는 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 조향 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 파워모터 제어부는, 상기 차량의 시동 ON 이후, 상기 조향각 센서를 통해 검출된 초기 조향각과 상기 파워모터의 현재 회전위치를 동기화시키는 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 조향 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 SBW 시스템에서 조타 반력을 출력하는 리어모터;
    상기 차량의 요레이트를 검출하는 요레이트 센서;
    상기 차량의 횡가속도를 검출하는 횡가속도 센서; 및
    상기 조향각 센서, 차속센서, 요레이트 센서 및 횡가속도 센서에 의해 각각 검출된 조향각, 차속, 요레이트 및 횡가속도 중 하나 이상에 근거하여 반력게인을 산출하고, 상기 반력게인에 따라 상기 리어모터를 구동시키는 리어모터 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 조향 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 리어모터의 회전위치를 검출하는 리어모터 위치센서를 더 포함하고,
    상기 리어모터 제어부는, 상기 리어모터 위치센서에 의해 검출된 리어모터의 회전위치를 미분하고 저주파 필터링하여 리어모터 각속도를 산출하고, 미리 설정된 각속도-보상게인 맵으로부터 상기 리어모터 각속도에 대한 보상게인을 추출하며, 상기 반력게인을 상기 보상게인에 의해 보정하는 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 조향 제어 장치.
  6. 조향각 센서 및 차속센서가, 스티어링 휠의 조향각 및 차량의 차속을 각각 검출하는 단계;
    파워모터 제어부가, 상기 검출된 조향각으로부터 목표 조향각을 산출하는 단계;
    상기 파워모터 제어부가, 상기 목표 조향각에 따라 SBW(Steer By Wire) 시스템에서 조타력을 출력하는 파워모터를 구동시키는 단계;
    상기 파워모터 제어부가, 상기 파워모터 위치센서를 통해 상기 파워모터의 회전위치를 검출하여 현재 차륜의 출력각을 반영한 피드백 조향각을 계산하는 단계; 및
    상기 파워모터 제어부가, 상기 피드백 조향각 및 상기 검출된 차속에 근거하여 차륜의 출력각을 가변 제어하기 위한 보상 조향각을 산출하여, 목표 조향각을 상기 보상 조향각에 의해 보정하는 단계를 포함하고,
    상기 목표 조향각을 상기 보상 조향각에 의해 보정하는 단계에서,
    상기 파워모터 제어부는, 미리 설정된 조향각-기어비 맵으로부터 상기 피드백 조향각에 대한 기어비를 추출하고, 상기 피드백 조향각, 상기 추출된 기어비 및 상기 차속에 근거하여 상기 보상 조향각을 산출하는 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 조향 제어 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 파워모터 제어부가, 차량의 시동 ON 이후, 상기 조향각 센서를 통해 검출된 초기 조향각과 상기 파워모터의 현재 회전위치를 동기화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 조향 제어 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    요레이트 센서 및 횡가속도 센서가, 차량의 요레이트 및 횡가속도를 각각 검출하는 단계;
    리어모터 제어부가, 상기 검출된 조향각, 차속, 요레이트 및 횡가속도 중 하나 이상에 근거하여 반력게인을 산출하는 단계; 및
    상기 리어모터 제어부가, 상기 반력게인에 따라 상기 SBW 시스템에서 반력을 출력하는 리어모터를 구동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 조향 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    리어모터 회전센서가 상기 리어모터의 회전위치를 검출하는 단계; 및
    상기 리어모터 제어부가, 상기 검출된 리어모터의 회전위치를 미분하고 저주파 필터링하여 리어모터 각속도를 산출하고, 미리 설정된 각속도-보상게인 맵으로부터 상기 리어모터 각속도에 대한 보상게인을 추출하며, 상기 반력게인을 상기 보상게인에 의해 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SBW 시스템의 조향 제어 방법.
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