KR102569200B1 - 추정 랙 포스 기반으로 복원 전류를 계산하는 차량의 eps 제어 장치 및 방법 - Google Patents

추정 랙 포스 기반으로 복원 전류를 계산하는 차량의 eps 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 실시예는 차량의 EPS 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 랙 포스를 추정하고 추정된 랙 포스의 값을 기초로 랙 포스 게인을 계산하고, 계산된 랙 포스 게인을 기초로 복원 전류를 계산하는 차량의 EPS 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 일 실시예는 조향 토크 및 EPS(Electric Power Steering) 모터 토크를 기초로 랙 포스를 추정하는 랙 포스 추정기, 랙 포스 추정기에서 추정된 랙 포스값을 기초로 랙 포스 게인값을 계산하는 랙 포스 게인 계산기 및 차속, 조향각, 조향각속도, 조향 토크 및 랙 포스 게인값을 기초로 EPS 모터에 인가되는 복원 전류를 계산하는 복원 전류 계산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 EPS 제어 장치를 제공한다.

Description

추정 랙 포스 기반으로 복원 전류를 계산하는 차량의 EPS 제어 장치 및 방법{Method and Apparatus of EPS control to calculate recovery current based on estimated rack force}
본 실시예는 차량의 EPS 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 랙 포스를 추정하고 추정된 랙 포스의 값을 기초로 랙 포스 게인을 계산하고, 계산된 랙 포스 게인을 기초로 복원 전류를 계산하는 차량의 EPS 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 차량들은 점점 더 전자적인 기능들이 증가하고 있으며, 이에 따라, 차량에는 다양한 전자장치들이 설치되어 사용되고 있다.
차량 내에 설치되는 전자장치로는, 엔진제어용 전자장치, 동력전달장치 제어용 전자장치, 브레이크 장치 제어용 전자장치, 현가장치 제어용 전자장치, 조향장치 제어용 전자장치, 계기장치 제어용 전자장치, 정보통신 제어용 전자장치, 전원/와이어 하니스 전자장치 등을 들 수 있다.
이러한 전자장치들을 제어하기 위해, 일반적으로 차량에는 각종 입력센서에서 검출되는 전기적 신호를 입력받아 출력측의 각종 액츄에이터를 구동하기 위한 디지털 제어신호를 출력하는 차량용 전자제어장치(Electronic Control Unit; 이하, 'ECU'라 칭함)가 구비되어 있다.
이와 같은 ECU를 이용하여 차량의 속도에 따라 스티어링 휠의 조작력을 가감하는 전동식 파워 조향(EPS: Electric Power Steering, 이하'EPS'라 칭함) 시스템은, 모터의 구동에 의해 어시스트 토크량을 조절함으로써, 운전자의 스티어링 휠 조작을 보조한다. 핸들 또는 조향축에 설치된 조향각 센서라는 회전 각도 센서의 정보와 속도 등의 정보를 바탕으로 ECU에서 최적의 힘을 계산해서 모터에 지시를 내리게 된다.
기존의 EPS에서 스티어링 휠을 복원하기 위한 복원 전류를 생성할 때 차속, 조향각, 조향 각속도, 조향 토크를 입력으로 받아 미리 설정된 튜닝맵에 따라 그에 상응하는 복원 전류를 출력한다. 하지만, 기존의 EPS는 노면 조건, 서스펜션 튜닝, 기구부 프릭션 등 차량의 조건이 바뀌는 경우 복원 성능이 달라지는 한계가 있으며 스텝 복원과 같은 고질적인 복원 성능 관련 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 실시예는, 기존의 복원 로직에 더해 랙 포스(rack force)를 입력으로 받아 복원 제어에 이용하여, 복원 튜닝의 자유도를 높일 수 있고 노면의 부하나 서스펜션 튜닝 등에 의해 복원 성능이 달라지는 문제점을 해결할 수 있는 차량의 EPS 제어 장치 및 방법을 제안한다.
전술한 과제를 해결하기 위한 일 실시예는 조향 토크 및 EPS(Electric Power Steering) 모터 토크를 기초로 랙 포스를 추정하는 랙 포스 추정기, 랙 포스 추정기에서 추정된 랙 포스값을 기초로 랙 포스 게인값을 계산하는 랙 포스 게인 계산기 및 차속, 조향각, 조향각속도, 조향 토크 및 랙 포스 게인값을 기초로 EPS 모터에 인가되는 복원 전류를 계산하는 복원 전류 계산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 EPS 제어 장치를 제공한다.
또한, 다른 실시예는 조향 토크 및 EPS(Electric Power Steering) 모터 토크를 기초로 랙 포스를 추정하는 랙 포스 추정 단계, 랙 포스 추정 단계에서 추정된 랙 포스값을 기초로 랙 포스 게인값을 계산하는 랙 포스 게인 계산 단계 및 차속, 조향각, 조향각속도, 조향 토크 및 랙 포스 게인값을 기초로 EPS 모터에 인가되는 복원 전류를 계산하는 복원 전류 계산 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 EPS 제어 방법을 제공한다.
본 실시예를 통해 복원 튜닝의 자유도를 높일 수 있고 노면의 부하나 서스펜션 튜닝 등에 의해 복원 성능이 달라지는 문제점을 해결할 수 있는 차량의 EPS 제어 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 복원 전류 계산 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 복원 전류 계산 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 차량의 EPS 제어 장치의 구성 요소만을 도시한 개략적 구성도이다.
도 4는 본 실시예에 따라 랙 포스를 추정하고, 랙 포스 게인을 계산하고, 복원 전류를 계산하는 상세한 과정을 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 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 종래의 복원 전류 계산 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 종래 EPS 모터에 인가되는 복원 전류는 차속, 조향각, 조향각속도 및 조향 토크를 기초로 계산될 수 있다. 일 예로 차속 및 조향각을 기초로 미리 설정된 복원 전류 튜닝 맵 또는 그래프에 따라 1차 복원 전류를 계산하고, 계산된 1차 복원 전류에다 조향각속도를 기초로 계산된 조향각속도 게인 값 및 조향 토크를 기초로 계산된 조향 토크 게인값을 곱한 값이 최종 복원 전류의 값이 될 수 있다. 이 때, 조향각속도 게인 값 및 조향 토크 게인 값은 각각 미리 설정된 튜닝맵에 의해서 결정될 수 있다.
도 1의 (b)는 차속 및 조향각을 기초로 미리 설정된 복원 전류 튜닝 맵 또는 그래프의 일 예로서, 차속에 따라 조향각(steering angle)에 따른 복원 전류를 결정하는 그래프가 서로 다르게 결정되는 것을 알 수 있다. 즉, 복원 전류의 크기는 차속과 조향각을 인자로 하여 결정될 수 있다.
이러한 종래의 복원 전류 계산 방식은 전술한 바와 같이, 복원 전류 튜닝 맵을 튜닝한 이후에 노면의 조건이 바뀌거나 서스펜션 튜닝, 기구부 프릭션 등이 변경되는 경우에는 전술한 변경 사항을 반영하지 못하여 복원 성능이 달라지는 한계가 있다.
도 2는 본 실시예에 따른 복원 전류 계산 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 복원 전류를 계산하기 위해 기존의 차속, 조향각, 조향각속도 및 조향 토크 뿐 아니라 랙 포스의 추정값을 추가로 사용할 수 있다. 즉, 기존의 차속, 조향각, 조향각속도 및 조향 토크를 이용해 복원 전류를 계산하는 방식은 그대로 유지하되, 추가로 조향 토크 및 EPS 모터에서 인가되는 모터 토크를 기초로 랙 포스를 추정하고, 추정된 랙 포스를 미리 설정된 랙 포스 게인 맵에 대입하여 랙 포스 게인을 계산하고, 계산된 랙 포스 게인을 기존의 방식을 통해 도출된 복원 전류값에 곱하여 최종 복원 전류를 계산할 수 있다.
랙 포스는 노면 상태, 차량의 방향 전환 등 차량의 주행에 따라 조향을 위해 바퀴에 전달되는 힘이므로 랙 포스의 변화를 통해 차량의 주행 환경을 추정할 수 있다. 이러한 랙 포스는 별도의 랙 포스 센서를 이용하여 실측할 수도 있지만, 별도의 랙 포스 센서를 이용하는 대신에 다른 센서들로부터 감지되는 정보를 기초로 추정하는 것도 가능하다. 또한, 랙 포스 센서의 실측값과 추정 랙 포스 값을 비교하여 랙 포스 센서의 실측값의 정확도를 높일 수도 있다.
따라서, 차량의 환경 변화 시에 이러한 변화로 인한 추정 랙 포스의 변화를 복원 전류 계산에 반영할 수 있어서, 차량에서 노면 조건, 차량 부하, 서스펜션 튜닝 변화 등이 발생하는 경우에도 일정한 복원 성능을 유지할 수 있다.
도 3은 본 실시예에 따른 차량의 EPS 제어 장치의 구성 요소만을 도시한 개략적 구성도이다.
도 3을 참조하면, 차량의 EPS 제어 장치는 랙 포스 추정기(310), 랙 포스 게인 계산기(320) 및 복원 전류 계산기(330)를 포함할 수 있다.
랙 포스 추정기(310)는 조향 토크 및 EPS 모터 토크를 기초로 랙 포스를 추정할 수 있다. 또한, 랙 포스 추정기(310)는 기본적으로 조향 토크 및 EPS 모터 토크를 기초로 랙 포스를 추정하되, 기타 인자들로 인한 영향을 추가로 고려하여 추정된 랙 포스의 정확도를 높일 수 있다.
구체적인 일 예로 랙 포스 추정기(310)는 조향 토크, EPS 모터 토크뿐만 아니라 제1 랙 앤 피니언의 C-Factor, 제2 랙 앤 피니언의 C-Factor 및 웜 기어의 기어비를 기초로 랙 포스를 추정할 수 있다.
더욱 상세하게는, 추정 랙 포스는 아래 수학식 1과 같은 모델 함수에 의해 계산될 수 있다.
수학식 1에서 Frack 은 추정 랙 포스를 의미하고, Fmanual은 운전자에 의해 가해지는 매뉴얼 포스(Manual Force)를 의미하고, Fassist는 EPS 모터에 의해 가해지는 어시스트 포스(Assist Force)를 의미한다. 그리고 Br은 각 요소의 마찰(Friction)을 의미하고 Mr은 각 요소의 관성(Inertia)를 의미한다. 즉, 매뉴얼 포스와 어시스트 포스를 더한 값에서 각 요소의 변화량에 각각 마찰 및 관성을 곱한 값을 뺀 값이 랙 포스의 추정값이 된다. 여기서, 각 요소란 수학식 1을 구성하고 있는 랙 앤 피니언, 웜 기어, 감속기 등의 요소를 의미한다.
그리고 Tinput은 토크 센서에 의해 감지되는 조향 토크를 의미하며 Tmotor는 EPS 모터 토크를 의미한다. 이 때 EPS 모터 토크 Tmotor는 모터 상수 K와 모터 전류 I의 곱인 K * I로 표현될 수도 있다.
그리고 C_Factor1st는 제1 랙 앤 피니언(Rack & Pinion)의 C-Factor를 의미하며, C_Factor2nd는 제2 랙 앤 피니언의 C-Factor를 의미한다.
DP-EPS(Dual Pinion EPS)에서는 랙 앤 피니언이 운전자의 조타력을 랙으로 전달하는 제1 랙 앤 피니언과 EPS 모터의 어시스트 토크를 랙으로 전달하기 위한 제2 랙 피니언으로 구성되고 각각의 C-Factor가 서로 상이할 수 있다. 제1 랙 앤 피니언이 운전자의 조타력에 영향을 받으므로 위 수식에서는 Tinput과 연결되고, 제2 랙 앤 피니언은 EPS 모터에 영향을 받으므로 Tmotor와 연결된다.
그리고 GearRatio_worm은 웜 기어의 기어비를 의미하며, ηRP는 랙 앤 피니언의 효율을 의미하고 ηreduction은 감속기의 효율을 의미한다.
랙 포스 게인 계산기(320)는 랙 포스 추정기(310)에서 추정된 랙 포스 값을 기초로 랙 포스 게인값을 계산할 수 있다.
이 때, 랙 포스 값을 입력으로 받는 미리 설정된 튜닝 맵을 이용하여, 추정된 랙 포스 값으로부터 랙 포스 게인값을 계산할 수 있다. 튜닝 맵은 차량의 종류에 따라 상이할 수 있으며, 각 차량의 종류에 따라 실험으로 결정될 수 있다.
복원 전류 계산기(330)는 차속, 조향각, 조향각속도, 조향 토크 및 랙 포스 게인 계산기(320)에서 계산된 랙 포스 게인값을 기초로 EPS 모터에 인가되는 복원 전류를 계산할 수 있다.
이 때, 계산된 복원 전류의 값은 종래 차속, 조향각, 조향각속도, 조향 토크를 기초로 결정된 복원 전류 값에서 랙 포스 게인 계산기(320)에서 계산된 랙 포스 게인값을 곱한 값이 될 수 있다. 즉, EPS 모터에 인가되는 복원 전류의 값은 랙 포스 게인값에 비례하여 증가할 수 있다.
도 4는 본 실시예에 따라 랙 포스를 추정하고, 랙 포스 게인을 계산하고, 복원 전류를 계산하는 상세한 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 차량의 EPS 제어 방법은 먼저 랙 포스를 추정하기 위한 조향 토크 및 EPS 모터 토크를 수신하는 단계를 포함할 수 있다(S410).
또한, 차량의 EPS 제어 방법은 조향 토크 및 EPS 모터 토크를 기초로 랙 포스를 추정하는 단계를 포함할 수 있다(S420).
도 3에서 전술한 바와 같이 구체적인 일 예로 조향 토크, EPS 모터 토크 뿐만 아니라 제1 랙 앤 피니언의 C-Factor, 제2 랙 앤 피니언의 C-Factor 및 웜 기어의 기어비를 기초로 랙 포스를 추정할 수 있다.
또한, 차량의 EPS 제어 방법은 S420 단계에서 추정된 랙 포스값을 기초로 랙 포스 게인값을 계산하는 단계를 포함할 수 있다(S430).
이 때, 랙 포스 값을 입력으로 받는 미리 설정된 튜닝 맵을 이용하여 랙 포스 게인값을 계산할 수 있다.
그리고, 차량의 EPS 제어 방법은 차속, 조향각, 조향각속도, 조향 토크 및 S430 단계에서 계산된 랙 포스 게인값을 기초로 EPS 모터에 인가되는 복원 전류를 계산하는 단계를 포함할 수 있다(S440). 도 3에서 전술한 바와 같이 EPS 모터에 인가되는 복원 전류의 값은 랙 포스 게인값에 비례하여 증가할 수 있다.
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 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 조향 토크 및 EPS(Electric Power Steering) 모터 토크를 기초로 랙 포스를 추정하는 랙 포스 추정기;
    상기 랙 포스 추정기에서 추정된 랙 포스값을 기초로 랙 포스 게인값을 계산하는 랙 포스 게인 계산기; 및
    차속, 조향각, 조향각속도, 조향 토크 및 상기 랙 포스 게인값을 기초로 EPS 모터에 인가되는 복원 전류를 계산하는 복원 전류 계산기를 포함하며,
    상기 랙 포스 추정기는,
    상기 조향 토크, 상기 EPS 모터 토크, 제1 랙 앤 피니언의 C-Factor, 제2 랙 앤 피니언의 C-Factor 및 웜 기어의 기어비를 기초로 랙 포스를 추정하되,
    상기 랙 포스값은,
    2π를 곱한 조향 토크(Tinput)를 제1 랙 앤 피니언의 C-Factor(C_Factor1st)로 나눈 값에 랙 앤 피니언의 효율(ηRP)을 곱한 값과, 2π와 웜 기어의 기어비(GearRatio_worm)를 곱한 EPS 모터 토크(Tmotor)를 제2 랙 앤 피니언의 C-Factor(C_Factor2nd)로 나눈 값에 감속기의 효율(ηreduction)을 곱한 값을 더하여 산출하는 것을 특징으로 하는 차량의 EPS 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복원 전류는,
    상기 랙 포스 게인에 비례하여 증가하는 것을 특징으로 하는 차량의 EPS 제어 장치.
  4. 조향 토크 및 EPS(Electric Power Steering) 모터 토크를 기초로 랙 포스를 추정하는 랙 포스 추정 단계;
    상기 랙 포스 추정 단계에서 추정된 랙 포스값을 기초로 랙 포스 게인값을 계산하는 랙 포스 게인 계산 단계; 및
    차속, 조향각, 조향각속도, 조향 토크 및 상기 랙 포스 게인값을 기초로 EPS 모터에 인가되는 복원 전류를 계산하는 복원 전류 계산 단계를 포함하며,
    상기 랙 포스 추정 단계는,
    상기 조향 토크, 상기 EPS 모터 토크, 제1 랙 앤 피니언의 C-Factor, 제2 랙 앤 피니언의 C-Factor 및 웜 기어의 기어비를 기초로 랙 포스를 추정하되,
    상기 랙 포스값은,
    2π를 곱한 조향 토크(Tinput)를 제1 랙 앤 피니언의 C-Factor(C_Factor1st)로 나눈 값에 랙 앤 피니언의 효율(ηRP)을 곱한 값과, 2π와 웜 기어의 기어비(GearRatio_worm)를 곱한 EPS 모터 토크(Tmotor)를 제2 랙 앤 피니언의 C-Factor(C_Factor2nd)로 나눈 값에 감속기의 효율(ηreduction)을 곱한 값을 더하여 산출하는 것을 특징으로 하는 차량의 EPS 제어 방법.
  5. 삭제
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 복원 전류는,
    상기 랙 포스 게인에 비례하여 증가하는 것을 특징으로 하는 차량의 EPS 제어 방법.
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