KR102663603B1 - 스티어 바이 와이어 시스템의 조향 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 목표하는 조향반력토크를 명확하게 규정하여, 차량의 주행상황에 적합하게 조향 반력제어가 이루어지도록 한 기술에 관한 것으로, 본 발명에서는, 차량의 주행상태를 반영하는 출력값과 조타상태를 반영하는 출력값의 관계로 1차 목표 조향반력토크를 산출하는 제1산출단계; 상기 1차 목표 조향반력토크와 노면 마찰상태를 반영하는 노면마찰력의 관계로 2차 목표 조향반력토크를 산출하는 제2산출단계; 및 상기 2차 목표 조향반력토크와, 토크센서에 의해 측정된 조타토크의 차이를 연산하고, 이 차이를 보상하기 위한 어시스트토크를 결정하여 반력제어모터를 제어하는 어시스트제어단계;를 포함하여 구성되는 스티어 바이 와이어 시스템의 조향 제어방법이 소개된다.

Description

스티어 바이 와이어 시스템의 조향 제어방법{CONTROLLED METHOD FOR STEERING IN STEER-BY-WIRE SYSTEM}
본 발명은 조향반력 생성을 위한 목표 조향토크를 명확하게 규정하여, 차량의 주행상황에 보다 적합하게 조향 반력제어가 이루어지도록 한 스티어 바이 와이어 시스템의 조향 제어방법에 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 제거되어 있기 때문에 운전자가 필요로 하는 조향정보를 제대로 피드백 받을 수 없는 단점이 있다.
이에, 기존의 조향시스템의 경우 유니버셜조인트 등을 통한 기계적 연결구조로 인해 조향반력을 별도 생성할 필요가 없지만, 스티어 바이 와이어 시스템의 경우에는 모터 등을 이용하여 조향반력 또는 복원반력을 생성하게 된다.
예컨대, 어시스트제어모듈, 마찰 보상제어모듈 등 여러 기능의 모듈에서 확보한 출력값을 이용하여 조향반력 생성에 필요한 어시스트 제어량을 결정할 수 있다.
다만, 이 같은 기존의 방식은 여러 모듈의 기능이 서로 상충되어 조향 반력 제어 기능을 저하시킬 수 있는 문제가 있다. 즉, 마찰 보상제어의 경우는 모터 어시스트토크를 증대시키는 경향으로 제어가 되는데, 댐핑 제어의 경우에는 모터 어시스트토크를 감소시키는 경향으로 제어가 이루어지게 되는바, 이들 기능이 서로 상충되는 경우 조향 반력제어가 부정확할 수 있는 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.
KR 10-2011-0081608 A
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 조향반력 생성을 위한 목표 조향토크를 명확하게 규정하여, 차량의 주행상황에 보다 적합하게 조향 반력제어가 이루어지도록 한 스티어 바이 와이어 시스템의 조향 제어방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 제어기가 차량의 주행상태를 반영하는 출력값과 조타상태를 반영하는 출력값의 관계로 1차 목표 조향반력토크를 산출하는 제1산출단계; 제어기가 상기 1차 목표 조향반력토크와 노면 마찰상태를 반영하는 노면마찰력의 관계로 2차 목표 조향반력토크를 산출하는 제2산출단계; 및 제어기가 상기 2차 목표 조향반력토크와, 토크센서에 의해 측정된 조타토크의 차이를 연산하고, 이 차이를 보상하기 위한 어시스트토크를 결정하여 반력제어모터를 제어하는 어시스트제어단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1산출단계에서는, 차속과, 조타각과, 조타각속도 및 조타토크의 관계로 1차 목표 조향반력토크를 산출할 수 있다.
상기 제2산출단계에서는, 상기 노면마찰력에 의해 결정되는 마찰게인값을 상기 1차 목표 조향반력토크에 반영하여 2차 목표 조향반력토크를 산출할 수 있다.
여기서, 0 < 마찰게인값(a) ≤ 1 임.
상기 마찰게인값은 상기 노면마찰력에 비례하여 결정될 수 있다.
상기 제2산출단계 이전에, 상기 조타상태를 반영하는 출력값을 바탕으로 조향각 중립으로 복원하는 복원조건을 만족하는지 판단하는 복원판단단계;를 더 포함하고, 상기 제2산출단계에서는, 상기 복원조건 만족시, 상기 출력값에 의해 결정되는 복원조향게인값을 상기 1차 목표 조향반력토크에 반영하여 2차 목표 조향반력토크를 산출할 수 있다.
여기서, 1 ≤ 복원조향게인값(b) ≤ 2 임.
상기 복원판단단계에서는, '조타각 * 조타각속도 < 0' 인 경우, 복원조건을 만족하는 것으로 판단하고; 상기 제2산출단계에서는, '|조타각속도| > 기준조타각속도' 또는 '|조타토크 변화율| > 기준조타토크변화율' 을 만족시 카운터를 가산하여 누적하고, 불만족시 카운터를 0으로 리셋하여 카운터를 구하되, 상기 복원조향게인값이 카운터에 비례하여 결정될 수 있다.
상기 어시스트제어단계에서의 어시스트토크는, 상기 2차 목표 조향반력토크와, 조향마찰토크와, 조타각과, 조타각속도 및 조타각가속도의 관계로 결정되는 함수에 의해 산출될 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 차량의 주행상태, 노면상태정보, 조향계 마찰을 반영하여 어시스트토크를 결정하고, 이를 통해 조향반력을 제어함으로써, 차량의 주행상황에 보다 적합하도록 조향 반력제어가 이루어져 운전자에 정확한 조타감을 제공하는 효과가 있고, 또한 노면마찰 상태를 능동적으로 반영하여 조향반력 제어가 이루어지는바, 보다 강건하고 정확한 조타감 성능을 구현하는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 스티어 바이 와이어 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 스티어 바이 와이어 시스템의 조향 제어흐름을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 복원조건 만족시, 카운터에 대한 복원조향게인값의 관계를 나타낸 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 스티어 바이 와이어 시스템의 조향 제어방법은, 제1산출단계와, 제2산출단계 및 어시스트제어단계를 포함하여 구성할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명을 구체적으로 살펴보면, 먼저 제1산출단계(S10)에서는, 제어기(5)가 차량의 주행상태를 반영하는 출력값과 조향시스템의 조타상태를 반영하는 출력값의 관계로 1차 목표 조향반력토크를 산출할 수 있다.
예컨대, 상기 차량의 주행상태를 반영하는 출력값은 차속으로서, 이는 차량의 휠에 설치된 속도센서나, 변속기입력축 및 변속기출력축에 설치된 속도센서 등을 이용하여 계측 및 연산할 수 있다.
그리고, 조향시스템의 조타상태를 반영하는 출력값은, 조타각과, 조타각속도 및 조타토크일 수 있는 것으로, 이는 토크값은 물론 각도의 검출이 가능한 토크센서를 통해 검출할 수 있다.
즉, 차속별 조타각, 조타각속도, 조타토크의 관계를 형성하는 맵을 이용하여 1차 목표 조향반력토크를 산출할 수 있다.
제2산출단계(S20)에서는, 상기 제어기(5)가 상기 제1산출단계에서 산출된 1차 목표 조향반력토크와 노면 마찰상태를 반영하는 노면마찰력의 관계로 2차 목표 조향반력토크를 산출할 수 있다.
예컨대, 상기 노면마찰력은 비젼 또는 레이져, 타이어 포스 계측을 활용하여 직접적으로 계측 가능한 노면마찰계수일 수 있고, 또한 노면마찰추정기를 이용하여 추정한 노면마찰력일 수도 있다.
어시스트제어단계(S30)에서는, 상기 제어기(5)가 상기 2차 목표 조향반력토크와, 토크센서에 의해 측정된 조타토크의 차이를 연산하고, 이 차이를 보상하기 위한 어시스트토크를 결정하여 반력제어모터(3)를 제어(S40)할 수 있다.
즉, 상기한 구성에 따르면, 차량의 주행상태, 노면상태정보, 조향계 마찰을 반영하여 목표하는 조향반력토크를 결정하고, 결정된 목표 조향반력토크를 기반으로 반력제어모터(3)에서 제공하는 어시스트토크를 결정하여 조향반력을 제어함으로써, 차량의 주행상황에 보다 적합하도록 조향 반력제어가 이루어져 운전자에 정확한 조타감을 제공하게 된다.
또한, 노면마찰 상태를 능동적으로 반영하여 조향반력 제어가 이루어지는바, 보다 강건하고 정확한 조타감 성능을 구현할 수 있게 된다.
한편, 상기 제2산출단계에서는, 상기 노면마찰력에 의해 결정되는 마찰게인값을 상기 1차 목표 조향반력토크에 반영하여 2차 목표 조향반력토크를 산출할 수 있다.
이때에, 0 < 마찰게인값(a) ≤ 1 일 수 있다.
특히, 상기 마찰게인값은 상기 노면마찰력에 비례하여 결정될 수 있다.
예컨대, 2차 목표 조향반력토크는 1차 목표 조향반력토크×마찰게인값으로 산출될 수 있는 것으로, 이때에 마찰게인값은 빙판길의 경우 0.2, 빗길은 0.6, 포장도로는 1.0 으로 설정될 수 있다.
즉, 마찰계수가 작은 노면일수록 마찰게인값이 작고, 마찰계수가 큰 노면일수록 마찰게인값이 커지게 됨으로써, 노면의 상태에 따라 스티어링휠(1)을 통해 느껴지는 조타감을 능동적으로 반영할 수 있다.
한편, 상기 제2산출단계 이전에, 조향시스템의 조타상태를 반영하는 출력값을 바탕으로 조향각 중립으로 복원하는 복원조건을 만족하는지 판단하는 복원판단단계를 더 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 출력값은 조타각과 조타각속도일 수 있는 것으로, '조타각 * 조타각속도 < 0' 인 경우, 복원조건을 만족하는 것으로 판단할 수 있다.
즉, 스티어링휠(1)이 조향각 중립위치로 복원 선회하는 경우 조타각이 (-)값으로 산출되어, 위의 복원조건을 만족할 수 있다.
이때에, 상기 제2산출단계에서는, 상기 복원조건 만족시, 상기 출력값에 의해 결정되는 복원조향게인값을 상기 1차 목표 조향반력토크에 반영하여 2차 목표 조향반력토크를 산출할 수 있다.
여기서, 1 ≤ 복원조향게인값(b) ≤ 2 일 수 있다.
예컨대, '|조타각속도| > 기준조타각속도' 또는 '|조타토크 변화율| > 기준조타토크변화율' 을 만족하는 경우, 카운터를 가산(counter = 이전 counter +1)하여 누적할 수 있고, 반대로 상기 조건의 불만족시 카운터를 0으로 리셋할 수 있다.
그리고, 상기 복원조향게인값은 상기와 같이 구해진 카운터에 비례하여 결정될 수 있고, 이는 도 3에 도시한 맵의 형태로 구현될 수 있다.
즉, 스티어링휠(1)이 조향각 중립위치로 복귀되는 상황에서 조타각속도 또는 조타토크 변화율이 설정된 값보다 큰 경우에, 운전자가 스티어링휠(1)에서 손을 뗀 상태에서 스티어링휠(1)이 복원되는 것으로 생각할 수 있다.
이 경우, 2차 목표 조향반력토크를 1차 목표 조향반력토크×마찰게인값×복원조향게인값으로 산출하게 되는바, 상기 복원조향게인값이 스티어링휠(1)의 복원성능(복원 조타각속도, 미복원각, 조타각 오버슛 등)을 높이는 방향으로 설정됨으로써, 스티어링휠(1)의 복원성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 어시스트제어단계에서의 어시스트토크는, 상기 2차 목표 조향반력토크와, 조향마찰토크와, 조타각과, 조타각속도 및 조타각가속도의 관계로 결정되는 함수에 의해 산출될 수 있다. 여기서, 상기 조향마찰토크는 조향시스템 마찰토크 추정기를 구성하여 산출하거나, 조향시스템 모델 기반 추정기를 구성하여 산출할 수 있다.
예컨대, 상기 어시스트토크는 하기의 동역학 방정식(수식 1)을 이용하여 결정할 수 있는데, 상기 수식 1은 수식 2와 같이 변형될 수 있다.
...(수식 1)
...(수식 2)
Jeq : 등가 회전관성계수
Ceq : 등가 댐핑계수
Keq : 등가 스프링상수
Tm : 조타토크 센싱값
Tassist : 어시스트토크
Tfric : 조향마찰토크
구체적으로, 상기 어시스트토크는 2차 목표 조향반력토크와, 토크센서에 의해 측정된 조타토크의 차이를 줄이는 방향으로 결정되어야 하는바, 2차 목표 조향반력토크와 조타토크와의 에러값(e)은 로 정의될 수 있다.
Ttarget : 2차 목표 조향반력토크
이때에, 상기 에러값이 0이 되도록 어시스트토크가 결정되어야 함으로써, 이는 다시 하기의 수식 3과 같이 정리될 수 있다.
...(수식 3)
이에, 상기 수식 2와 수식 3으로부터 하기의 수식 4가 유도될 수 있는바, 결국 어시스트토크를 산출할 수 있다.
...(수식 4)
이처럼, 산출된 어시스트토크는 전류값으로 변화하여 반력제어모터(3)에 적용됨으로써, 반력제어모터를 통해 주행상황에 적합하도록 조향반력을 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 차량의 주행상태, 노면상태정보, 조향계 마찰을 반영하여 목표하는 조향반력토크를 결정하고, 결정된 목표 조향반력토크를 기반으로 반력제어모터에서 제공하는 어시스트토크를 결정하여 조향반력을 제어함으로써, 차량의 주행상황에 보다 적합하도록 조향 반력제어가 이루어져 운전자에 정확한 조타감을 제공하게 되고, 또한 노면마찰 상태를 능동적으로 반영하여 조향반력 제어가 이루어지게 되는바, 보다 강건하고 정확한 조타감 성능을 구현하게 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 : 반력제어모터
5 : 제어기

Claims (7)

  1. 제어기가 차량의 주행상태를 반영하는 출력값과 조타상태를 반영하는 출력값의 관계로 1차 목표 조향반력토크를 산출하는 제1산출단계;
    제어기가 상기 1차 목표 조향반력토크와 노면 마찰상태를 반영하는 노면마찰력의 관계로 2차 목표 조향반력토크를 산출하는 제2산출단계; 및
    제어기가 상기 2차 목표 조향반력토크와, 토크센서에 의해 측정된 조타토크의 차이를 연산하고, 이 차이를 보상하기 위한 어시스트토크를 결정하여 반력제어모터를 제어하는 어시스트제어단계;를 포함하고,
    상기 제2산출단계 이전에, 상기 조타상태를 반영하는 출력값을 바탕으로 조향각 중립으로 복원하는 복원조건을 만족하는지 판단하는 복원판단단계;를 더 포함하고,
    상기 제2산출단계에서는,
    상기 복원조건 만족시, 상기 출력값에 의해 결정되는 복원조향게인값을 상기 1차 목표 조향반력토크에 반영하여 2차 목표 조향반력토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어 시스템의 조향 제어방법.
    여기서, 1 ≤ 복원조향게인값(b) ≤ 2 임.
    상기 복원판단단계에서는,
    '조타각 * 조타각속도 < 0' 인 경우, 복원조건을 만족하는 것으로 판단하고;
    상기 제2산출단계에서는,
    '|조타각속도| > 기준조타각속도' 또는 '|조타토크 변화율| > 기준조타토크변화율' 을 만족시 카운터를 가산하여 누적하고, 불만족시 카운터를 0으로 리셋하여 카운터를 구하되, 상기 복원조향게인값이 카운터에 비례하여 결정되는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어 시스템의 조향 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1산출단계에서는,
    차속과, 조타각과, 조타각속도 및 조타토크의 관계로 1차 목표 조향반력토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어 시스템의 조향 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2산출단계에서는,
    상기 노면마찰력에 의해 결정되는 마찰게인값을 상기 1차 목표 조향반력토크에 반영하여 2차 목표 조향반력토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어 시스템의 조향 제어방법.
    여기서, 0 < 마찰게인값(a) ≤ 1 임.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 마찰게인값은 상기 노면마찰력에 비례하여 결정되는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어 시스템의 조향 제어방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 어시스트제어단계에서의 어시스트토크는,
    상기 2차 목표 조향반력토크와, 조향마찰토크와, 조타각과, 조타각속도 및 조타각가속도의 관계로 결정되는 함수에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어 시스템의 조향 제어방법.
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JP2006151134A (ja) * 2004-11-29 2006-06-15 Nissan Motor Co Ltd 車両用操舵装置
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