KR20020044356A - 차량의 전기식 동력 조향장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 동력 조향장치에 있어서 유압 시스템을 사용하지 않고 전기모터를 동력원으로 하여 조향을 행하게 한 것으로, 본 발명은 핸들의 회전력을 직선왕복 운동으로 변환하여 조향을 행하게 하는 조향 기어, 조향에 조력으로 사용되는 전기모터, 조향제어를 위해 전기모터의 구동을 제어하도록 차량상태를 검출하는 센서, 및 상기 센서로부터의 차량 상태 검출신호에 근거하여, 상기 전기모터를 제어하도록 된 제어기를 포함한다.

Description

차량의 전기식 동력 조향장치{Electric power steering apparatus for vehicle}

본 발명은 차량의 동력 조향장치에 관한 것으로, 특히 동력원으로서 전기모터를 사용한 차량의 전기식 조향장치에 관한 것이다.

차량의 운전성을 향상시키고 운전자의 조작 편의성을 위해서 차량에는 다양한 장치가 장치되는데, 그중 조향장치는 자동차의 진행방향을 운전자가 조향핸들을 돌려 자유로이 바꿀 수 있게 하는 장치이다. 조향장치는 앞차축이나 앞바퀴 정렬과 밀접한 관계가 있으며 자동차 주행의 안전상 브레이크장치와 함께 매우 중요한 기구이다. 이러한 조향장치에 있어서, 동력조향장치(power steering system)는 엔진의 힘을 이용하여 유압펌프를 작동시켜 운전자가 핸들을 돌릴 때, 보다 적은 힘으로 조향이 가능하도록 하는 장치이다.

도 1은 종래의 조향장치의 구성을 도시한 도면이다. 종래의 조향장치는 도시된 바와 같이 오일펌프(1)를 필요로 한다. 동력 조향장치는 근본적으로 외부의 힘을 보조적으로 이용하는 것에 있기 때문에 엔진의 구동력이 이용되는데, 이 구동력이 조향하는데 사용할 수 있도록 하기 위해서 이 구동력은 조향용 오일펌프(1)를 회전시키는데 사용된다. 통상, 오일펌프(1)는 베인(vane)형으로 구성되는데, 예를 들면 10매의 베인이 압축/토출을 반복함으로써 유체를 가압시키는 작용을 하도록 되어 있다.

엔진의 구동력을 이용해서 오일펌프(1)에 의해서 가압된 유체를 얻을 수 있다. 그러면, 이 가압된 유체는 호스(2)를 통해 조향용 기어박스로 송출된다. 송출된 유체는 기어박스 내의 로터리 밸브 구조를 통해 조향 보조력을 휠에 결합되는 좌우의 실린더(4)로 공급함으로써 운전자의 조향력을 보조하는 것이다.

도면에서 참조부호 7은 ECU이며 6은 조향 컬럼으로서 핸들 조작력을 조향기어에 전달하는 축이며, 5는 I.M.S(intermediate shaft)로서, 각도를 가진 두 개의 축을 연결하여 동력을 전달하며 도로의 충격과 노이즈를 조향컬럼 통해 운전자에게 전달되는 것을 막아주는 역할을 한다.

이러한 종래의 차량의 동력 조향장치에 있어서의 문제점은 다음과 같다. 종래의 조향장치는 동력 조향용 오일펌프, 조향 기어박스, 호스 및 튜브, 저류탱크, 등등 시스템의 구성이 복잡하여 조율을 어렵게 하는 문제점이 있다.

또한, 유압작동으로 인해 오일 누설의 문제점과 아울러 유체 유동에 따른 소음의 발생 등으로 인해 품질이 저하되는 문제가 발생한다.

또한 연비를 악화시킬 수 있으며 차후 전기자동차에 적용하기가 불가능한 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 근본적으로 유압시스템을 사용하지 않음으로써, 유압 사용에 따른 제반 문제점을 제거한 조향 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 유압식 동력 조향장치의 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 전기동력식 조향장치의 사시도.

도 3a는 도 2의 조향장치의 일부에 대한 사시도.

도 3b는 도 3a에 관련한 본 발명의 조향장치의 동작을 설명하기 위한 블록도.

도 4는 본 발명의 조향장치의 동작을 설명하는 주 루틴을 도시한 흐름도.

도 5는 본 발명의 조향장치의 동작을 설명하는 블록도.

도 6은 관성제어 동작을 도시한 흐름도.

도 7은 차속제어 동작을 도시한 흐름도.

도 8 및 도 9는 복원제어 동작을 도시한 흐름도 및 복원 테이블.

도 10은 댐핑제어에 관련한 댐핑 게인 테이블.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

5 : I.M.S 6 : 조향컬럼

10 : 토크센서 12 : 제어기

14 : 전기모터 18 : 감속기구

20 : 랙

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 차량의 동력 조향장치는 핸들의 회전력을 직선왕복 운동으로 변환하여 조향을 행하게 하는 조향 기어; 조향에 조력으로 사용되는 전기모터; 조향제어를 위해 전기모터의 구동을 제어하도록 차량상태를 검출하는 센서; 및 상기 센서로부터의 차량 상태 검출신호에 근거하여, 상기 전기모터를 제어하도록 된 제어기를 포함한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

본 발명에서는 종래의 문제점을 야기하였던 인자를 근본적으로 제거함으로써, 본 발명의 목적을 달성하고 있다. 종래의 기술과 같이 오일펌프가 사용되지 않으면서도 원하는 조향을 보다 효율적으로 달성하게 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 차량의 조향장치의 구성을 사시도로 도시한 것이고, 일부 도 1과 동일하게 표시된 참조부호는 동일한 구성요소이다.

도 2에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 조향장치에 있어서는, 양 휠에 대한 조향을 가능하게 하는 동력장치로서는 예를 들면 전기모터(14)를 사용한다. 조향을 위한 동력장치로서 사용되는 이 전기모터(14)는 출력을 발생하는 기구로서 적용된 것으로 예를 들면 브러시리스형 모터를 채용할 수 있다. 이러한 모터의 사용과 더불어, 후술하는 바와 같이 감속기능을 갖추도록 이를테면 볼 스크류 형의 것을 적용하고 있고 모터의 회전력을 감소시켜 랙의 직선왕복 운동으로 추력을 전달한다.

본 발명의 조향장치는 또한 전자제어장치(ECU)로서 구현되는 제어기(12)를장착하고 있다. 이 제어기는 예를 들면 모터(4)의 상단부분에 배치될 수 있다. 이와 같은 배치에 의해서 일체형으로 장착이 될 수 있다. 본 발명에 따른 제어기(12)는 이를테면 차속, 복원력, 관성보상, 댐핑력 등을 제어하는 제어로직을 구비하고 있다.

본 발명의 조향장치는 또한 토크센서(10)를 구비하고 있다. 이것은 조향 회전력을 감지하는 기능을 갖고 있는 것으로서, 이를테면 기어박스 내에 내장되어 있을 수 있다. 조향 회전력 감지에 적합하게 사용되게 한 이러한 토크센서(10)로서는 예를 들면 비접촉식인 인덕턴스형의 것을 적용할 수 있다.

본 발명에 따른 조향장치는 이러한 주요 구성요소만에 의해서 원하는 바람직한 조향기능을 달성하며, 이에 따라 종래의 문제점으로 지적된 것들은 모두 해소될 수 있는 이점을 제공한다. 이러한 본 발명의 구성에 따른 동작을 가능하게 하기 위해서 제어장치에 구현되는 처리 플로우에 의해 달성된다.

다음에 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 동작에 대해서 보다 상세히 설명한다.

도 3a는 본 발명에 따른 조향장치의 구성을 사시도로 나타낸 것이며 도 3b는 도 3a에 관련한 조향장치의 구성요소의 개략적인 블록도를 도시한 것이다. 도 3a는 도 2와 동일한 부분에 대해선 도 2를 참조하고 다음에 도 3b를 도 3a에 관련하여 다음에 설명한다.

본 발명에 따른 조향장치를 구성하는 구성요소로서 먼저 조향기어에 대해서 설명한다. 조향기어는 기존의 동력 조향과 동일할 것일 수 있으며, 일반적인 랙및 피니온 조향기를 적용할 수 있다. 운전자는 선회를 위해서 조향 휠(26)을 돌리게 되는데, 이 때 운전자의 힘은 수동토크로서 랙(20)에 가해진다. 이러한 운전자의 수동 토크는 조향컬럼 및 유니버설 조인트를 통해 조향기어의 피니온 기어로 전달된다. 피니온의 회전력은 랙 기어를 통해 직선 왕복운동으로 변환되어 최종으로 휠을 돌리게 되어 차량은 선회를 할 수 있게 된다.

운전자의 조향하려는 힘에 도움이 되게 조력이 조향장치에 의해 제공된다. 본 발명에 따라서 조향에 사용될 조력은 이를테면 모터(14)에 의해서 제공된다. 모터는 조향기어와 일체로 구성된다. 조력을 제공하는 부분은 랙 부분으로서 소위 랙 어시스트 동력 조향이라고 칭한다. 사용될 수 있는 모터는 여러 가지가 가능하고, 다음의 것으로 본 발명은 한정하는 것은 아니나 이를테면 브러시리스 직류형 모터를 채용할 수 있다.

전술한 모터에 의해 발생되어 제공되는 회전력은 적합한 속도로 제어되게 감속기구에 의해 조절된다. 도면에 이에 대한 실시예로서 참조부호 18로서 도시된 바와 같이 감속기구로서는 예를 들면 볼 스크류형의 것을 적용할 수 있다. 감소기구는 모터의 회전력을 감속하여 랙 기어의 직선 왕복운동으로 변환하여 추력을 발생한다.

이와 같이 운전자의 수동에 의해 힘과 상기 모터에 의해서 제공되는 추력이 합쳐져서 원하는 조향이 행해진다.

최적의 조향을 위해서 전술한 모터의 적합한 제어가 필요하다. 이를 위해서 ECU(12)가 구비되어 있고 여기 채용된 여러 가지 제어로직을 통해 모터의 구동조건을 최적화 제어를 행한다.

조향에 대한 최적화 제어는 ECU(12)에 의해서 행해질 때, 각종의 운전상태가 어떠한지를 파악하여 이를 참조로 최적화를 달성하는 것이 바람직하다. 이를 위해서 각종의 센서를 사용한다. 여기서 사용되는 센서는 여러 가지가 있을 수 있으나, 대표적으로 차량 속도센서(24), 토크센서(10), 모터 위치 센서(12) 등을 사용하여 최적의 조향운전을 행하게 한다.

차량 속도센서(24)는 차량의 속도를 감지하는 센서로서, 차량속도에 따라 ECU 전류값을 제어하여 조향효과를 제어하는데 사용된다. 토크센서(10)는 조향 회전력을 감지하는 센서로서, 조향 피니온 하우징 내에 설치되는 것으로서 비접촉식의 인덕턴스형이 적용될 수 있다. 모터 위치 센서(22)는 모터의 회전상태(회전방향, 회전각도, 회전각속도)를 감지하여 모터의 구동을 제어하는데 사용된다.

이에 더하여, 기타 통신을 위한 장치가 부가적으로 사용할 수 있다.

이들 각종의 센서에 의해서 감지되어 얻어진 차량속도, 예를 들면 4펄스/1회전의 차량속도와, 토크센서에 의한 신호, 및 모터위치에 센서에 의한 모터의 회전방향, 회전각도, 및 회전 각속도는 모터 구동 명령을 발행하는데 사용된다. 여기서 토크센서로부터 얻어진 신호는 아날로그 디지털 변환기에 의해 대응하는 디지털 값으로 변환되어 디지털 필터링을 거쳐 그 값이 디지털적으로 계산에 사용될 수 있다. 물론 다른 센서로부터의 신호들도 마찬가지 처리에 의해 디지털적으로 계산하는데 사용된다. 브러시리스 직류모터는 3상신호를 필요로 할 수 있으므로, 모터 구동 명령은 각 상에 대한 적합한 구동신호로서 이를 통해 모터의 회전수에 따른토크 및 속도를 제어한다.

본 발명에서는 이들 센서에 의한 제어에 더하여, 다음과 같이 차량의 브레이크 상태를 감지하여 이 입력신호를 별도의 로직을 사용하여 모터를 제어하도록 하고 있다.

본 발명에 따라 전기동력에 의한 조력을 사용하여 차량의 조향제어를 행하는 제어에 대해서 다음에 설명한다. 도 4는 조향제어를 구현하는 흐름도를 도시한 것이다.

도 4에서 동력 조향장치의 초기화는 단계 S1에서 이루어진다. 초기화에 이어 단계 S2에서, 모터방향 및 출력값을 계산, 차속신호 입력, 토크신호 입력, 모터위치 신호입력, 모터 각도 및 각속도 연산, 직렬통신 수신 체크 등을 행한다. 주 루프는 적정회수 수행된다. 서브 루프를 나타낸 단계 S4에서는 토크 센서값 연산, 속도센서값 연산, 핸들 각속도 연산, 모드선택, 차속제어와 복원제어와 댐핑제어와 관성제어 등 시스템 로직 수행, 차량 진단코드와 경고램프와 모터과열 방지 등의 페일 세이프 등을 처리하는 단계이다.

주 루틴의 핵심은 서브루틴의 수행으로서 언급한 바와같이 차속제어, 복원제어, 댐핑제어, 관성제어 등과 아울러 페일 세이프 기능을 행한다. 이러한 본 발명의 조향 최적화 제어에 대해서 제어 기능블록도로 도시된 5 및 각종의 제어루틴을 도시한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

전술한 바와 같이, 본 제어를 실행하기 위한 주 루틴은 도 4에 도시된 바와 같고, 차량은 이 주 루틴에 의거하여 조향시 최적의 조향이 되도록 모터를 제어할것이다.

먼저, 이러한 제어에 사용되는 토크입력에 관련하여 이에 관계된 관성제어에 대해서 설명하다. 관성제어는 모터와 감속기의 관성으로 인해 응답지연이 발생할 수 있다. 관성제어는 이러한 응답지연을 보상하기 위해 행해지는 것이다. 본 발명에서는 이러한 응답지연 보상을 제어하기 위해서 비례 미분제어를 적용하였다. 이 제어에 있어서는 시스템의 입력에 해당하는 토크 신호(토크센서(10)로부터)와 이의 변화율을 계산(도 5의 블록 42에서)하여 보상한다. 이를 보다 구체적으로, 도 6에 도시한 관성제어 루틴과 같이, 토크값은 아날로그 디지털 변환에 의해 디지털값으로 변환되고(단계 S61), 디지털화된 토크값에 대해 디지털로 필터링하고(단계 S62) 이전의 토크값을 저장한 후에 토크 변화량을 연산하고 토크 비례미분연산을 행한다(단계 S63-S65).

모터제어에 있어서 사용되는 전술한 토크입력과 차속입력이 사용되는데, 차속제어에 있어서는 도 7에 도시한 바와 같이 입력차속과 조향시 발생하는 토크에 기초하여 출력전류를 결정한다. 차속은 다양할 수 있고, 각각의 차속에서 조향이 이루어져야 할 때 적합한 출력전류는 도 7에 도시한 바와 같이 결정된다. 이를 제어 블록도인 도 5를 참조하여 살펴보면 차속센서(24)는 토크센서(10)로부터의 신호에 기초하여 기본제어 테이블을 나타낸 블록 30에서 행해질 수 있고 결정된 출력전류가 제공된다.

다음에 복원제어(returnability control)에 대해서 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한다. 복원제어는 감속기구의 감속비 증가와, 모터 및 감속기구 부가에 따른마찰 증대 등으로 인하여 핸들 본원시 잔류각이 증가하게 되어 탄력감이 저하하는 등의 문제를 방지하기 위해 행해지는 제어이다. 이것은 도 5의 블록 40에서 행해지고 이때 사용되는 처리흐름은 흐름도로서 도시한 도 8과 같다.

한 예로서, 차속이 예를 들면 40KPh이상이고 토크가 센터와 동일한지 여부(단계 S81)가 판정된다. 여기서 조향각은 복원량의 선정의 기준으로 사용되는 것으로서 모터 위치로부터 연산된다. 도 5에 도시한 바와 같이 모터(14)의 모터 위치센서(20)로부터 블록 44와 같이 조향각이 추정되어 블록 40에서 사용되는 것이다. 또한 중립점 판별에 있어서는 조향입력이 없는 상태에서 중립값을 갱신한다. 이와 같이 핸들의 위치를 중립점으로 갱신하고(단계 S82) 다음 단계인 S83으로 진행한다. 또한, 단계 S81에서 해당조건이 아닌 경우에는 단계 S83로 진행한다. 단계 S83-S85와 같이, 조향각을 계산하고 차속별로 복원량을 연산하여 확정한 후에 차속에 적합한 복원량으로 핸들이 복원될 수 있게 하는 것이다.

복원량의 도출에 있어서는 도 9에 도시한 복원 테이블을 사용할 수 있다. 도 9에 도시한 바와 같이 조향각과 차속에 의거하여 복원값을 결정한다.

다음에 댐핑제어에 대해서 설명한다. 이 제어는 도 5의 블록 50에서 행해진다. 댐핑제어의 목적은 고속에서 조타후에 조향 휠을 릴리즈하였을 때에 댐핑에 기인하여 차량이 요잉(yawing)되는 것에 대해 안정성을 도모하기 위한 것이다. 따라서, 차속이 관건이므로, 도시된 바와 같이, 댐핑제어는 차속입력을 필요로 한다. 차속입력에 따라 적합한 게인 즉 전류값은 이를테면 도 10에 도시한 댐핑 게인 테이블을 이용하여 결정할 수 있다.

이와 같이 도 5의 각각의 블록 40, 30, 50에서 출력된 제어값들은 블록 46의 모터전류를 사용한 블록 48의 모터회전속도의 추정치와 함께, 모터를 제어하기 위한 목표전류를 블록 50에서 생성하고, 생성된 목표전류와 모터(14)로부터 얻어낸 모터전류를 사용하여 전류 PI제어를 행하여(블록 52) 모터 구동회로(블록 54)에 의해 모터를 구동하는 것이다.

최종의 적합한 조향을 위한 모터(14)의 구동은 토크입력과 차속입력과 아울러 측정된 모터위치와 모터전류를 사용하여 달성된다. 이와 아울러, 본 발명에서는 도 5에 도시한 바와 같이 브레이크 상태 등 차량의 상태를 감지하여 제어기 영역 네트워크(CAN; Controller Area Network) 통신을 통해 ECU로 입력되어 브레이크 힘 제어 테이블(블록 56)을 참조하여 모터를 제어하고 있다.

한편, 휠측으로부터의 과대한 하중이 발생되는 경우가 있을 수 있다. 이러한 경우가 발생하였을 때 조향보조용 모터를 구동하는 구동회로의 발열에 의한 소손을 방지하고 모터의 열화 등을 방지가 필요할 수 있다. 이를 위해서 전류제한 로직이 또한 구비될 수 있다.

종래의 오일램프를 사용함에 따른 제반 문제점을 근본적으로 해결하는 본 발명에 따른 전기모터를 조향 보조원으로서 사용하는 전기 동력 조향장치는 이와 같이 동작하여 모터를 구동함으로써 조향이 이루어진다.

이러한 조향제어에 더하여 페일 세이프 로직이 부가될 수 있다. 이것은 예를 들면 ECU, 전원전압, 차속센서, 모터, 토크 센서의 고장이 발생하였을 때, 각각의 경우에 대응하는 불량코드를 할당(각각 상기의 순서대로, 0, 11, 12, 13, 15)하고 각각의 경우에 있어서 증상과 진단을 분류하여 경보중 보조조향, 경보중 시스템 복귀, 시스템 리셋, 진단시간 등을 미리 결정하여 로직화함으로써 페일 세이프 기능을 갖추게 할 수 있다.

예를 들면 불량코드 0이 할당될 수 있는 ECU의 경우 고장으로서 파워 릴레이 온 고장진단, 디지털 신호처리기 진단, FET 고장진단의 경우가 고려될 수 있고, 그 진단시기로서 초기에 할 것인지 혹은 상시 진단할 것인지 지정할 수 있으며, 파워 릴레이 온 고정진단의 경우와 FET 고장진단의 경우에는 경보중 보조조향을 정지시키도록 하는 등의 처리를 행하게 로직화할 수 있는 것이다. 다른 진단에 대해서도 설계자가 적합하게 설정할 수 있다.

본 발명에 따른 차량의 동력 조향장치에 의해서, 여러 가지 잇점이 제공된다.

종래의 경우와 같이 유압에 의한 시스템이 아니기 때문에 작업이 용이하고, 전체 부품수가 대폭 줄어들어 공정수가 대폭 개선되며 코스면에서도 유리하고 경량화가 될 수 있다.

본 발명의 구성에 의해서 환경친화적 구성이 가능하게 되고 차세대 차량의 기반이 되는 기술이 될 수 있다.

본 발명에 따라 설계 자유도가 크게 되어 연비가 향상되는 이점이 있다. 또한 노면의 반력으로 인한 킥백이 개선되고 가변기어 적용시 조향감이 개선된다. 또한 유압을 사용하지 않기 때문에 사용자 입장에서 수리비용 등이 절감될 수 있고, 제어가 용이하여 편의성이 향상된다.

Claims (5)

1. 차량의 동력 조향장치에 있어서,

   핸들의 회전력을 직선왕복 운동으로 변환하여 조향을 행하게 하는 조향 기어;

   조향에 조력으로 사용되는 전기모터;

   조향제어를 위해 전기모터의 구동을 제어하도록 차량상태를 검출하는 센서; 및

   상기 센서로부터의 차량 상태 검출신호에 근거하여, 상기 전기모터를 제어하도록 된 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 차량의 동력 조향장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 전기모터의 회전수를 조정하는 감속기를 더 포함하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 차량의 동력 조향장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 센서는 차속센서 및 토크센서와 모터의 회전상태를 검출하는 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 차량의 동력 조향장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 센서의 검출신호에 근거하여, 차속제어, 복원제어 및 댐핑제어를 행하여 각각의 제어값을 모터의 회전상태를 나타내는 값에 기초하여 모터를 제어하며, 또한 차량의 브레이크 상태 등의 차량상태에 따라모터를 또한 제어하는 것을 차량의 동력 조향장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 전기모터는 브러시리스 직류형 모터인 것을 특징으로 하는 차량의 동력 조향장치.