KR100432596B1 - 차량구동토크제어장치 - Google Patents

Abstract

차량의 구동차륜의 구동토크를 제어하여 구동차륜과 노면 사이의 미끄럼율을 목표치와 동일하게 한다. 미끄럼율이 목표치와 동일하게 될 때 부호를 변경하는 판정함수와, 이 판정함수의 시간적분인 적분항을 포함하는 전환함수가 설정되고, 전환함수와 정비례하도록 구동토크 목표치가 설정된다. 또, 구동토크 목표치는 판정함수와 구동차륜의 각가속도에 따라 설정된다.

Description

차륜구동토크 제어장치

(발명의 분야)

본 발명은 차량의 기동 또는 가속시의 차륜구동토크의 최적화에 관한 것이다.

(발명의 배경)

차량의 기동 또는 가속시 구동차륜이 지나치게 미끄러지지 않도록 차륜 속도와 섀시 속도 사이의 차이에 따른 구동차륜 구동토크의 피드백 제어에 대해서는 예를 들면 다음 문헌에 기재되어 있다.

[1] 문헌(Tan and Chin : Vehicle Traction Control: Variable Structure Control Approach, Trans. of ASME Dynamic Systems, Measurement and Control, 113 223/230 (1991).

[2] 문헌(Chin, William, Sidlosky, Rule and Sparschu: Sliding-Mode ABS Wheel-Slip Control Proc. of Am. Control Conf. 1/5 (1992).

이들 문헌에 기재된 장치에 있어서, 독립변수로서 차량속도와 차륜속도를 가진 함수가 설정되고, 함수값이 정(positive) 또는 부(negative) 인가의 여부에 따라 구동토크를 변경함으로써 노면과 타이어 사이의 미끄럼율이 목표치로 제어된다.

그러나, 구동토크를 발생시키는 엔진의 스로틀 동작에 대한 응답지연으로 인해 이 장치에 구동토크의 헌팅(hunting)이 있으면, 원하는 값에 도달하지 못할 수 있다.

제어장치는 또한 디지탈 계산기를 포함한다. 섀시속도와 차륜속도가 제한된 샘플링구간에서 샘플링될 때, 함수 계산에 시간이 필요하기 때문에 구동 토크의 제어에 응답지연이 발생하고, 구동토크 또는 미끄럼율의 헌팅이 발생하는 경향이 있다.

헌팅을 억제하기 위해, 함수의 특성은 구동토크의 급격한 전환이 없고, 구동토크를 최대치로부터 최소치로 완만하게 변화시킬 수 있도록 설정될수 있다. 그러나 구동토크가 이러한 방식으로 간헐적으로 변하게 되면, 제어오류가 증가하고, 목표치가 미끄럼율의 실제치와 정확히 대응하지 않을 수 있다.

(발명의 요약)

따라서, 본 발명의 목적은 노면과 타이어 사이의 미끄럼율을 목표치로 신속하게 수렴시키는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은 미끄럼율의 제어정밀도를 증가시키는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 구동차륜의 속도를 검출하는 장치와, 차량의 속도를 검출하는 장치로서, 이 차량에는 상기 구동차륜이 장착된, 차량 속도 검출 장치와, 상기 구동차륜의 상기 속도와 상기 차량의 상기 속도로부터 구동차륜 미끄럼율을 계산하는 장치와, 상기 미끄럼율이 상기 목표치와 일치할 때 부호를 변경하는 판정함수를 설정하는 장치와, 상기 판정함수의 시간적분인 적분항을 포함하는 전환함수를 설정하는 장치와, 상기 전환함수의 값에 따라 구동토크 목표치를 판정하는 장치와, 상기 구동차륜의 구동토크를 상기 구동 토크 목표치로 제어하는 장치를 포함하는 차륜구동토크 제어장치를 제공한다.

상기 판정함수는 다음 식[A]에 의해 정의되고, 상기 전환 함수는 다음 식[B]에 의해 정의되는 것이 바람직하다.

σ(t) = 판정함수

X_v(t) = 차량속도

X_w(t) = 구동차륜속도

λ₀= 목표미끄럼율

λ = 미끄럼율

상기 구동토크 목표치는 다음 식[C]에 의해 결정되는 것이 더욱 바람직하다:

J_w, q+, q-,δ = 상수들

u_cmd(t) = 구동토크 목표치

f(s) = 단조 감소함수, f(0) = q-, f(δ) = q+

또한, 본 발명은 구동차륜의 속도를 검출하는 장치와, 차량의 속도를 검출하는 장치로서, 이 차량에는 상기 구동차륜이 장착된, 속도 검출 장치와, 상기 구동차륜의 상기 속도와 상기 차량의 상기 속도로부터 구동차륜미끄럼율을 계산하는 장치와, 상기 미끄럼율이 상기 목표치와 일치할 때 부호를 변경하는 판정함수를 설정하는 장치와, 상기 구동차륜의 각가속도를 검출하는 장치와, 상기 판정함수의 값과 상기 각가속도에 따라 상기 구동토크의 목표치를 계산하는 장치와, 상기 구동차륜의 구동토크를 상기 구동토크 목표치와 일치하도록 제어하도록 제어하는 장치를 포함하는 차륜구동토크 제어장치를 제공한다.

상기 판정 함수는 다음 식[D]에 의해 정의되는 것이 바람직하다.

σ(t) = 판정함수

X_v(t) = 차량속도

X_w(t) =구동차륜속도

λ₀= 목표미끄럼율

λ = 미끄럼율

상기 구동토크 목표치는 다음 식[E]에 의해 결정되는 것이 더욱 바람직하다.

J_W, v+, v-, kw = 상수들

X_w= 구동차륜 각가속도

u_cmd(t) = 구동토크 목표치

본 발명의 상세 및 다른 특징, 이점은 발명의 상세한 설명의 나머지 부분에 기재되어 있고, 첨부도면에 도시되어 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 구동토크 제어장치의 개략도.

도 2는 구동토크 제어조건이 설정되었는가의 여부를 판정하기 위해 제어장치에 의해 행해지는 프로세스를 설명하는 플로차트.

도 3은 제어장치에 의해 행해지는 구동토크 제어 루틴을 설명하는 플로차트.

도 4는 제어장치에 의해 부여된 제어함수 q_i(t)의 특성을 나타낸 그래프.

도 5는 제어장치 제어하의 미끄럼율 λ의 그래프.

도 6은 제어장치 제어하의 구동차륜속도 x_wi와 섀시 속도 x_v사이의 관계를 나타낸 그래프.

도 7은 제 1 도와 유사하지만 본 발명의 제 2 실시예를 나타낸 도면.

도 8은 제 1 도와 유사하지만 본 발명의 제 3 실시예를 나타낸 도면.

도 9는 제 3 실시예에 의한 구동 토크제어루틴을 나타낸 플로차트.

도 10은 제 3 실시예에 의한 제어함수 v_i(t)의 특성을 나타낸 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 엔진

2 : 토크 분배기

3 : 제어장치

4 : 차륜속도센서

5 : 차량속도센서

9 : 스로틀보정장치

11 : 스로틀

도면중 도 1을 참조하면, 엔진(1)은 흡기스로틀(11)의 개구율(aperture)에 따라 출력토크가 변한다. 제어장치(3)의 출력 신호에 응답하여 토크를 분배하여 구동차륜(10)을 회전시키는 토크분배기(2)를 통해 좌 및 우 차륜(10)에 출력토크가 전달된다. 흡기스로틀의 개폐는 가속페달(8)에 의해 행해진다.

신호들은 차량(10)의 회전속도 X_w(t)를 검출하는 차륜속도센서(4), 자동차의 차량속도 X_v(t)를 검출하는 차량속도센서(5), 및 가속페달(8)의 눌림각 θ(t)을 검출하는 가속 페달 눌림각센서(6)로부터 제어장치(3)에 입력된다.

차륜속도센서(4)는 각 구동차륜들(10)에 설치된다.

차량속도센서(5)는 예를 들면 차량에 전/후 방향으로 작용하는 가속도 α를 검출하는 가속도 센서, 센서(5)의 출력을 적분하는 적분기를 포함한다.

또한, 차량속도 X_v(t)는 제어장치(3)에서 다음 식으로부터 계산될 수 있다.

식중, X_v(t₀)는 초기치이고, R_w는 차륜반경이다.

차륜속도센서가 또한 비구동차륜(20)에 설치되어 비구동차륜(20)의 회전속도를 차량속도 X_v(t)로서 검출할 수도 있다.

제어장치(3)는, 예를 들면 다음 식들로부터 입력구동차륜속도 X_w(t), 차량속도 X_v(t) 및 가속페달눌림각 θ(t) 신호들에 대한 목표구동토크 u_cmd(t)를 계산하는 마이크로컴퓨터를 포함한다.

[1]

식중, i는 차륜의 수를 나타내는 첨자이다.

예를 들면, 구동차륜이 2개의 후차륜일 때, 우측 후차륜의 차륜 속도를 X_w1(t)이라고 하고 좌측 후차륜의 차륜속도를 X_w2(t)이라고 한다. 판정함수 σ_i는 각 구동차륜의 속도에 대해 계산된다.

η는 다음 식에 의해 노면과 타이어 사이의 미끄럼율의 목표치 λ₀로부터 결정된 소정치이다:

노면과 타이어 사이의 미끄럼율 λ_i는 다음 식으로부터 결정된다:

[2]

정의에 의해, σ_i(t)=0은 미끄럼율 λ_i가 미끄럼율 λ₀와 일치하는 것을 의미한다. σ_i(t)>0은 미끄럼율이 목표치보다 큰 것을 의미하고, 한편 σ_i(t)<0는 미끄럼율이 목표치보다 작은 것을 의미한다.

다음에, 전환함수 s_i(t)는 다음 식을 사용하여 계산된다:

식중, t는 현재 시간이고, k₁는 소정의 양의 상수이다.

구동차륜들(10)의 구동토크치 u_cmd(t)는 다음 식에 의해 결정된다:

f(s_i)는 f₍₀₎= q_i-, f(δ) = q_i+을 만족하는 완만한 단조감소함수이다. δ는 정의 소정치이다. q_i+, q_i-는 다음 조건을 만족하는 상수들이다.

f_μi는 i번째 차륜상에 노면에 의해 작용하는 전/후방향의 힘이고, f_resisti는 i번째의 구름저항(rolling resistance)이다.

f_μi, f_resisti, _v, σi는 항상 유한 값들을 가지므로, 식 [6] 및 [7]을 만족시키는 q_i+, q_i- 의 값이 항상 존재한다. 도 4는 q_i(t)을 그래프 형태로 나타낸다.

그러므로, 목표구동토크 u_cmd(t)를 얻기 위해 요구되는 흡기스로틀(11)의 개도 보정양은 가속페달 눌림각 θ(t)으로부터 계산되고, 보정신호는 스로틀 보정장치(9)에 출력된다.

스로틀보정장치(9)는 흡기스로틀(11)에 부착되고, 보정신호에 따라 스로틀(11)의 개도를 보정한다.

다음에, 제어장치(3)에 의해 행해지는 상기 계산 및 제어를 도 2 및 도 3의 플로차트를 사용하여 설명한다.

도 2의 플로차트는 기본 루틴이다. 스텝 S1에서, 시간이 샘플링 시간인지의 여부가 판정된다. 이 스텝은 루틴을 일정주기로 실행하도록 하기 위해 제공된다. 특히, 현재시각의 카운터치 t가 n배(n은 정수)의 샘플링 주기 T와 동일한가의 여부가 결정되고, 스텝 S2의 루틴과 후속 스텝들은 동일할 때에만 실행된다.

스텝 S2에서, 가속페달의 눌림각 θ(t)이 리드되고 스텝 S3에서 θ(t)가 소정치 θ₀와 동일한가 또는 큰가의 여부가 판정된다. 일반적으로, 가속중의 미끄럼은가속페달이 소정량이상으로 눌렸을 때 일어난다. 다른 때에, 구동력 제어는 불필요하므로, 구동력 제어를 행할 필요없이 루틴은 종결된다.

눌림각 θ(t)이 θ₀와 동일하거나 또는 클때에는, 도 3에 나타낸 구동력 제어루틴이 실행된다.

이중, 스텝 S11에서, 구동차륜속도 X_wi(t)와 차량속도 X_v(t)가 리드된다. 다음에, 스텝 S12-S14에서, 계산 [1]-[7]이 행해지고, 각 차륜에 대한 구동 토크 u_cmdi(t)가 계산된다.

다음에, 스텝 S15에서, 스로틀 개도가 보정되어 엔진토크 T_E는 다음 식과 일치한다:

식중, k_G는 [엔진토크/구동차륜의 구동토크]에 대응하는 기어비(gear ratio)이다. 이 루틴을 단순하게 실행하기 위해, 스로틀 개도는에 정비례하도록 배치되어도 된다.

토크분배기(2)는 좌 및 우구동차륜 사이의 엔진토크 T_E를 u_cmd1: u_cmd2의 비율로 나눈다.

차량의 구동차륜의 수가 η_w일때, 가속도 운동방정식은 다음 식으로 표현될수 있다:

X_v= 차량속도(회전각속도로부터 변환됨)

u_i= i 번째 차륜의 가속모멘트

B_v= 기체저항 계수

J_w= 구동차륜들의 관성모멘트

μ_i(λ_i) = i번째 차륜과 노면 사이의 마찰계수

F_vi= i번째 구동차륜의 차륜부하

θ = 노면경사

X_wi= i번째 구동차륜의 회전속도

M_v= 차량의 중량

B_ri= i번째 차륜의 구름 저항계수

R_w= 구동차륜들의 반경

λ_i= i번째 차륜의 미끄럼율

η_w= 구동차륜들의 수

다음에, 양 V_i(t)=S_i(t)²을 고려한다. 정의에 의해, V_i(t)>0이 명백하다.

V_i(t)의 시간미분이 항상이면, V_i(t)는 단조로 감소하고,

즉:

s_i(t)도 또한 상수값이다. 정의에 의해, S_i(t)가 상수이면, σ(t)=0, 즉 λ_i=λ₀이다.

가 항상인 조건을 결정한다.= 2··S_i(t)≤이므로, s_i(t)≥0 일때<0 이고 s_i(t)≤0일때≥0이다. 먼저, s_i(t)<0인 경우를 고려한다.를 다음과 같이 쓴다.

식[10]에 식[5]의 q_i(t)를 대입하면,>0 임을 용이하게 알 수 있다. 마찬가지로, s_i(t)>δ에 대해,<0임을 용이하게 알 수 있다.

영역 0≤s_i(t)≤δ에서, q_i(t)=u_io(q_i ^-> u_io> q_i ⁺)에서=0에 대해 평형점 p이 있다는 것을 식[10]으로부터 명백하게 알 수 있다. 그러므로, s_i(t)<0이고 s_i(t)>δ이기 때문에, V_i(t)는 단조로 감소하고, 영역 0≤s_i(t)≤δ에서의 점 p에서 V_i(t)는 안정하다. 이것은 λ_i=λ₀을 의미한다. 이러한 방식으로, 미끄럼율 λ_i는 도5에 나타낸 바와 같이 단시간에 목표치 λ₀로 정밀하게 제어된다. 또, 차량속도 x_v는 도 6에 나타낸 바와 같이 미끄럼율 λ₀에 대응하는 일정 속도차를 갖는 구동차륜속도 x_wi를 추종한다.

따라서, 효과적이고, 안정한 가속은 전환 함수에 적분항을 부여함으로써 실현될 수 있다.

도 7은 상기 실시예의 구성이 단순화된 본 발명의 제 2실시예를 나타낸다.

이 실시예는 토크분배기(2) 대신에 차동기어(23)를 가진 차량에 응용된다. 여기서, 차륜속도센서(4)를 각각의 구동차륜들(10)에 부착하는 대신 회전속도센서(22)는 추진축(21)에 부착되고, 구동차륜속도의 평균치 x_w1는 η_w=1에 대한 추진축(21)의 회전속도로부터 계산된다.

본 실시예에 의하면, 좌 및 우차륜(10)에 대한 토크 분배는 부하에 따라 차동기어(23)에 의해 행해지고, 제어장치(3)는 스로틀 개도만을 제어한다.

도 8, 도 9는 본 발명의 제 3실시예를 나타낸다. 본 실시예에 의하면, 각 구동차륜(10)의 각가속도를 검출하는 각가속도센서(7)가 제 1 실시예의 구성에 추가되고 각 구동차륜(10)의 각가속도 _w는 각 구동차륜(10)에 대한 구동토크 목표치 u_cmdi(t)의 계산에 피드백된다. 기본 구동력 제어루틴은 도 2에 나타낸 제 1실시예의 플로차트에서와 동일하지만, 구동력 목표치 u_cmdi(t)의 계산에 관해서는, 제 1실시예의 스텝 S13, S14은 각각 도 9에 나타낸 바와 같이 스텝 S23, S24에 의해 대체된다.

즉, 스텝 S23에 있어서, 구동차륜들의 각가속도 _wi(t)는 각가속도 센서(7)의 출력으로부터 판독되고, 스텝 S24에 있어서, 구동토크 목표치 u_cmdi(t)는 다음 식들로부터 계산된다:

식중, k_w는 차륜 각가속도 _wi를 브레이크토크에 피드백하기 위한 피드백 게인인 정의 소정치이다. v_i ⁺, v_i ^-는 다음 조건들을 만족하는 상수들이다;

f_μi, f_resisti, _v, s_i는 모든 경우에 유한값을 가지므로, 식[13] 및 [14]을 만족시키는 v_i ⁺, v_i ^-의 값이 항상 존재한다. 도표로 식[12]을 나타내면, 도 10의 그래프가 얻어진다.

스텝 S15에 있어서, 스로틀 개도가 보정되고 발생된 토크는 상기에서와 같이계산된 구동토크치 u_cmd(t)를 사용하여 제 1실시예의 경우에서와 같이 토크 분배기(2)를 통해 각각의 구동차륜(10)에 분배된다.

본 실시예에 의하면, 상기 제 1실시예의 식[10]은 다음과 같이 기재된다.

이것은, 식[11]으로부터 얻어진

가 식[9]에 대입되면,

가 얻어진다는 것으로부터 유도된다.

식[12]의 v_i(t)를 식[15]에 대입하면, s_i(t)<0 일때, 식[14]으로부터>0, 마찬가지로 s_i(t)>0일때, 식[13]으로부터<0인 것을 용이하게 알 수 있다. 그러므로, 이러한 구동력 전환의 형태가 가능할 때는 v_i(t)가 단조로 감소하고 λ_i= λ₀이다.

실제치에 대해 차륜속도 또는 차량속도에는 검출지연이 항상 존재한다. 또, 디지탈 프로세스가 계산장치로서 사용될 때, 제어가 일정 구간들에서 행해지므로,제어 신호는 제어시간 사이에는 출력되지 않는다. 또, 구동토크를 발생하는 액튜에이터에는 지연이 존재한다. 결과적으로 구동토크 제어에는 지연이 항상 존재한다.

이 때문에, 미끄럼율이 목표치에 비해 너무 크거나 너무 작게되고, 구동 토크가 변동하고, 그 결과로서 목표치의 영역에는 미끄럼율의 헌팅이 있다.

본 실시예에 의하면, 구동차륜의 각가속도 _w는 구동토크에 피드백되고, 차륜회전 관성모멘트가 같은 양만큼 증가하고, f_μi, f_resisti및 v_i(t)에 대한 차륜속도의 변동이 작다. 이것은 식[16]중 k_w의 정의 소정치로 인해, k_w=0 일때 _v의 좌측편이 1/(1+k_w)이라는 것으로부터 명백하다.

그러므로, 미끄럼율이 목표치의 근방에 있을때, 지연이 v_i(t)의 출현으로 일어날 때에도 _w가 너무 많이 변화하지 않고, 헌팅은 감소된다.

구동차륜들의 가속도는, 구동차륜들의 회전속도를 하이패스필터(high pass filter) 또는 밴드패스필터를 이용하여 처리함으로써 얻어진 슈도 차분으로 대체되어도 된다. 또, 본 실시예에 의하면, 차량속도는 비구동차륜들(20)의 차륜속도에 의해 치환되어도 된다. 또, 차륜속도센서(4)는 상기 제 2 실시예에서와 같이 각 구동차륜(10)에 부착될 수도 있고, 회전속도 센서(22)는 차동기어(23)를 가진 차량의 추진축(21)에 부착될 수도 있고, 스로틀 개도만을 제어하도록 추진축(21)의 회전 속도로부터 구동차륜 속도의 평균치 x_w1가 계산된다.

독점적인 특성 또는 특권을 가진 본 발명의 실시예는 다음의 특허청구의 범위에 정의된다.

Claims (6)

1. 구동차륜의 속도를 검출하는 수단과,

   차량의 속도를 검출하는 수단으로서, 상기 차량에는 상기 차륜이 장착되어 있는, 차량 속도 검출 수단과,

   상기 구동차륜의 상기 속도와 상기 차량의 상기 속도로부터 구동차륜 미끄럼율을 계산하는 수단과,

   상기 미끄럼율이 상기 목표치와 일치하였을 때 부호(sign)를 변경하는 판정함수를 설정하는 수단과,

   상기 판정함수의 시간 적분인 적분항을 포함하는 전환함수를 설정하는 수단과,

   상기 전환함수의 값에 따라 구동토크 목표치를 판정하는 수단과,

   상기 구동차륜의 구동토크를 상기 구동토크 목표치로 제어하는 수단을 포함하는 차륜구동토크 제어장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 판정함수는 다음 식 [A]에 의해 정의되고, 상기 전환 함수는 다음 식 [B]에 의해 정의되는 차륜구동토크 제어장치.

   σ(t) = 판정함수

   x_v(t) = 차량속도

   x_w(t) = 구동차륜속도

   λo = 목표미끄럼율

   λ = 미끄럼율
3. 제 2항에 있어서, 상기 구동토크 목표치는 다음 식[C]에 의해 결정되는 차륜 구동 토크 제어장치.

   J_w, q+, q-, δ = 상수들

   u_cmd(t) = 구동토크 목표치

   f(s) = 단조 감소함수, f(0) = q-, f(δ) = q+
4. 구동차륜의 속도를 검출하는 수단과,

   차량의 속도를 검출하는 수단으로서, 상기 차륜에는 상기 차륜이 장착된, 차량 속도 검출 수단과,

   상기 구동차륜의 상기 속도와 상기 차량의 상기 속도로부터 구동차륜 미끄럼율을 계산하는 수단과,

   상기 미끄럼율이 상기 목표치와 일치하였을 때 부호를 변경하는 판정함수를 설정하는 수단과,

   상기 구동차륜의 각가속도를 검출하는 수단과,

   상기 판정함수의 값과 상기 각가속도에 따라 상기 구동토크의 목표치를 계산하는 수단과,

   상기 구동차륜의 구동토크를 상기 구동토크 목표치로 제어하는 수단을 포함하는 차륜구동토크 제어장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 판정함수는 다음 식[D]에 의해 정의되는 차륜구동토크 제어장치.

   σ(t) = 판정함수

   x_v(t) = 차량속도

   x_w(t) = 구동차륜속도

   λo = 목표미끄럼율

   λ = 미끄럼율
6. 제 5항에 있어서, 상기 구동토크 목표치는 다음 식[E]에 의해 결정되는 차륜구동토크 제어장치.

   J_W, v+, v-, k_W= 상수들

   _w= 구동차륜 각가속도

   u_cmd(t) = 구동토크 목표치