KR102585751B1

KR102585751B1 - Sbw시스템의 랙포스 추정방법

Info

Publication number: KR102585751B1
Application number: KR1020180110664A
Authority: KR
Inventors: 황상우; 박영대; 이병림; 김민준; 장세현; 조현석
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2018-09-17
Filing date: 2018-09-17
Publication date: 2023-10-11
Anticipated expiration: 2038-09-17
Also published as: KR20200032283A; CN110901761A; US10962429B2; DE102018219560B4; DE102018219560A1; US20200088596A1; CN110901761B

Abstract

본 발명은 SBW시스템의 조향모터에서 랙바에 전달되는 힘을 활용하여 랙포스를 추정하는 기술에 관한 것으로, 본 발명에서는, 조향모터의 작동에 따라 랙바의 위치가 변화하는 경우, 감속기 전단 및 후단에서 구해지는 랙바의 위치값을 기반으로 감속기에 걸려지는 복원력을 계산하고; SBW시스템의 관성력이 포함된 운동방정식에 상기 복원력을 반영하여 랙포스를 계산하는 특징으로 하는 SBW시스템의 랙포스 추정방법이 소개된다.

Description

SBW시스템의 랙포스 추정방법{METHOD FOR ESTIMATING RACK FORCE OF STEER BY WIRE SYSTEM}

본 발명은 SBW 시스템 내 부재들의 강성을 토대로 모터에서 랙바에 전달되는 힘을 계측하고 이를 활용하여 랙포스를 추정하는 SBW시스템의 랙포스 추정방법에 관한 것이다.

스티어 바이 와이어(STEER BY WIRE : SBW)시스템은 스티어링휠과 차량의 구동바퀴의 기계적 연결을 분리한 조향시스템으로, 스티어링휠의 회전 신호를 전자제어유니트(ECU)를 통해 입력받고, 입력된 회전 신호를 바탕으로 구동바퀴에 연결된 조향어시스트모터(이하 '조향모터'로 칭함)를 작동시켜 차량을 조향할 수 있다.

이러한 스티어 바이 와이어 시스템은 기존의 조향시스템이 갖는 기계적 연결구조가 제거됨으로써, 조향계 구성에 따른 레이아웃 자유도를 증가시키고, 연비를 개선하며, 차륜에서 역입력되는 외란을 제거할 수 있는 등의 장점을 갖고 있다.

한편, 차량의 횡방향 제어 및 조타감 제어에 있어, 타이어에 들어오는 횡력(랙바로 전달되는 힘 = 랙포스)을 아는 것은 차량의 제어뿐 아니라 조타감을 제어하는 데에 많은 영향을 미치기 때문에 매우 중요하다.

특히, SBW시스템은 랙바와 운전자 간에 물리적인 연결이 없기 때문에 랙포스를 계측 혹은 추정하여 운전자에게 노면의 정보를 인지시켜야 할 필요가 있고, 이에, 특히 조향이 이루어지는 전륜의 횡력에 대하여 추정/계측하고자 하는 연구가 많이 진행되고 있다.

기존의 랙포스를 추정하는 방법은 주로 차량동역학 모델을 통한 횡력 추정과 조향 시스템 모델을 이용한 랙포스 추정이 있다. 계측 방법으로는 타이로드에 로드셀을 달아 힘을 직접 계측하기도 한다.

하지만, 차량동역학 모델을 이용한 랙포스 추정법의 경우 타이어의 모델에 따라 정확도가 상당한 차이가 나고, 낮은 차속에서 특히 잘 맞지 않는 경향이 있다.

그리고, 조향 시스템 모델을 이용한 경우는, 기어박스와 물리적으로 연결된 컬럼에 위치한 토크센서의 값을 활용하는 것으로, SBW시스템에서는 물리적 연결이 없어 활용이 불가능하고, 이에 따라 타이어 조타 시스템의 모터에서 랙으로 전달되는 힘을 정확히 알아야 하는 제한이 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.

JP 5313729 B

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, SBW 시스템 내 부재들의 강성을 토대로 모터에서 랙바에 전달되는 힘을 계측하고 이를 활용하여 랙포스를 추정하는 SBW시스템의 랙포스 추정방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 조향모터와 랙바 사이에 연결된 감속기를 통해 조향모터의 작동력을 랙바에 전달하여 조향 작동이 이루어지는 SBW시스템으로서, 컨트롤러가 상기 조향모터의 작동에 따라 랙바의 위치가 변화하는 경우, 감속기 전단 및 후단에서 구해지는 랙바의 위치값 차이를 기반으로 감속기에 걸려지는 복원력을 계산하는 복원력계산단계; 및 컨트롤러가 SBW시스템의 관성력이 포함된 운동방정식에 상기 복원력을 반영하여 랙포스를 계산하는 랙포스계산단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 복원력계산단계에서는, 상기 조향모터에 구비된 모터위치센서로부터 상기 랙바의 제1위치값을 계산하는 단계; 상기 랙바의 위치를 측정하는 랙위치센서에 의해 상기 랙바의 제2위치값을 계측하는 단계; 상기 제1위치값과 제2위치값의 차이값을 연산하는 단계; 및 상기 차이값에 감속기가 갖는 스프링상수를 곱하여 상기 복원력을 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 감속기는 벨트 풀리 타입의 감속기로서, 상기 벨트의 스프링상수를 상기 차이값에 곱하여 복원력을 계산할 수 있다.

상기 감속기는 벨트 풀리 타입의 감속기로서, 상기 차이값과 벨트에 걸려지는 힘의 관계를 형성하는 맵에 의해 복원력을 계산할 수 있다.

랙위치센서에 의해 측정된 랙바의 위치값을 계측하여 랙바의 가속도를 연산하고; 연산된 랙바의 가속도를 SBW시스템의 질량에 곱하여 관성력을 연산할 수 있다.

상기 랙포스계산단계에서는, 상기 감속기의 감속비를 복원력에 곱한 값에서 관성력을 감산하여 랙포스를 계산할 수 있다.

상기 감속기의 감속비를 복원력에 곱한 값에서 SBW시스템의 마찰력을 더 감산할 수 있다.

상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, SBW시스템 내에 있는 부품들 사이의 움직임 차이와 그 사이에 위치한 부재들의 강성을 토대로 조향모터에서 랙바에 전달되는 힘을 계측하고, 이를 활용하여 랙포스를 추정함으로써, 랙포스 추정을 위한 고가의 토크센서를 장착하지 않고도 랙포스의 추정이 가능하여 차량 원가를 절감하는 효과가 있다.

더불어, SBW시스템에 구비된 부품의 강성을 이용하여 조향모터와 랙바 사이에 작용하는 힘을 알아냄으로서, 랙포스의 추정 오차를 줄이는 효과도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 SBW시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따라 랙포스를 계측하는 원리를 설명하기 위한 작동흐름도.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 랙포스 추정에 적용되는 조향시스템은, 스티어링휠과 기어박스가 기구적으로 단절된 SBW시스템일 수 있는 것으로, 바람직하게는 벨트 풀리 타입의 감속기(5)가 설치된 SBW시스템일 수 있다.

이에, 도 1을 참조하여 본 발명에 적용되는 SBW시스템의 구성에 대해 살펴보면, 랙바(17)에 조향 작동력을 제공하는 조향모터(1)가 구비되고, 상기 조향모터(1)에는 조향모터(1)의 회전각을 측정하는 모터위치센서(3)가 구비된다.

그리고, 상기 조향모터(1)와 랙바(17) 사이에는 감속기(5)가 구비되어, 상기 조향모터(1)에서 제공되는 회전 작동력이 직선 작동력으로 전환되어 랙바(17)에 전달된다.

또한, 상기 랙바(17)를 감싸는 랙하우징(21)에는 랙바(17)와 마주하는 일부 위치에 랙위치센서(19)가 구비되어 랙바(17)의 위치를 측정한다.

아울러, 본 발명에 적용된 벨트 풀리 타입의 감속기(5)의 구조를 살펴보면, 조향모터(1)의 회전축에 구동풀리(7)가 결합되고, 상기 구동풀리(7)와 짝을 이루는 종동풀리(11)가 랙바(17)와 동축상에 구비되며, 구동풀리(7)와 종동풀리(11)가 벨트(9)에 의해 감겨져 연동 회전하는 구조가 된다.

그리고, 상기 종동풀리(11)에 볼너트(13)가 결합되어 종동풀리(11)와 함께 회전이 되는데, 상기 랙바(17)의 단부에 볼스크류(15)가 형성되고, 상기 볼스크류(15)에 볼너트(13)가 나사 결합 구조로 연결된다.

즉, 조향모터(1)의 회전력이 구동풀리(7) 및 종동풀리(11)와 벨트(9)를 통하여 볼너트(13)에 전해지면, 볼너트(13)와 볼스크류(15)의 메커니즘에 의해 조향모터(1)의 회전운동이 랙바(17)의 직선운동으로 전환되면서 랙바(17)가 직선방향으로 이동되고, 이를 통해 타이어의 움직임을 만들어 내게 된다.

한편, 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 랙포스 추정방법에 대해 살펴보면, 크게 복원력계산단계와, 랙포스계산단계를 포함하여 구성이 된다.

먼저 복원력계산단계에서는 컨트롤러(23)가 상기 조향모터(1)의 작동에 따라 랙바(17)의 직선방향 위치가 변화하는 경우, 감속기(5) 전단 및 후단에서 구해지는 랙바(17)의 위치값 차이를 기반으로 감속기(5)에 걸려지는 복원력(F_B)을 계산한다.

그리고, 랙포스계산단계에서는, 컨트롤러(23)가 SBW시스템의 관성력() 이 포함된 운동방정식에 상기 복원력(F_B)을 반영하여 랙포스(F_ROAD)를 계산한다.

상기 복원력(F_B)을 계산하는 단계의 바람직한 예시로서, 상기 조향모터(1)에 구비된 모터위치센서(3)로부터 상기 랙바(17)의 제1위치값(x_m)을 계산하는 단계와, 상기 랙바(17)의 위치를 측정하는 랙위치센서(19)에 의해 상기 랙바(17)의 제2위치값(x_s)을 계측하는 단계와, 상기 제1위치값(x_m)과 제2위치값(x_s)의 차이값을 연산하는 단계 및, 상기 차이값에 감속기(5)가 갖는 스프링상수를 곱하여 상기 복원력(F_B)을 계산하는 단계를 포함하여 구성을 할 수 있다.

이때에, 상기 감속기(5)는 벨트 풀리 타입으로서, 복원력(F_B)을 계산하는 일례로는 상기 차이값에 상기 벨트(9)의 스프링상수(K)를 곱하여 복원력(F_B)을 계산할 수 있다.

그리고, 상기 복원력(F_B)을 계산하는 다른 예로서, 상기 차이값과 벨트(9)에 걸려지는 힘의 관계를 형성하는 맵에 의해 복원력(F_B)을 계산할 수 있다.

부연하면, 힘/토크의 계측은 주로 선형성을 갖는 탄성부재의 변형량을 계측하고, 변형량과 탄성부재의 스프링상수를 곱하여 계산한다.

이에, 벨트(9)를 탄성부재로 가정하면, 벨트(9) 전단과 벨트(9) 후단의 위치 계측을 통하여 벨트(9)의 변형량을 계산할 수 있고, 상기 변형량에 벨트(9)의 스프링상수(K)를 곱함으로써, 벨트(9)에 걸려지는(벨트로부터 전달되는) 힘인 복원력(F_B)을 계산할 수 있다.

이 외에, 상기 변형량과 벨트(9)에 걸려지는 힘의 관계를 형성하는 맵을 설정하여 복원력(F_B)을 연산할 수도 있다.

즉, 이 같은 원리에 따르면, 본 발명은 벨트(9)의 전단에는 모터위치센서(3)가 구비되고, 벨트(9)의 후단에는 랙위치센서(19)가 구비됨으로써, 하기의 수식(1)과 같이 모터위치센서(3)로부터 계산한 랙바(17)의 제1위치값(x_m)과 랙위치센서(19)로부터 계측한 랙바(17)의 제2위치값(x_s)의 차이값인 변형량을 구할 수 있다. 따라서, 상기 변형량에 벨트(9)의 스프링상수(K)를 곱하여 복원력(F_B)을 계산할 수 있다.

.............(1)

F_B : 복원력

K : 벨트의 스프링상수

x_m : 제1위치값

x_s : 제2위치값

한편, 본 발명에 따른 상기 SBW시스템의 관성력은 SBW시스템의 질량과 랙바(17)의 가속도를 곱하여 연산할 수 있는데, 이를 위해 상기 랙위치센서(19)에 의해 측정된 랙바(17)의 위치값을 계측하고, 이를 미분하여 랙바(17)의 가속도를 연산한다.

이에 따라, 상기 연산된 랙바(17)의 가속도를 SBW시스템의 질량에 곱하여 관성력을 연산할 수 있다. 상기 SBW시스템의 질량은 시스템 모델링을 통해 계산할 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 상기 랙포스계산단계에서는, 하기의 수식(3)과 같이 상기 감속기(5)의 감속비를 복원력(F_B)에 곱한 값에서 관성력을 감산하여 랙포스(F_ROAD)를 계산할 수 있다.

더불어, 상기 감속기(5)의 감속비를 복원력(F_B)에 곱한 값에서 SBW시스템의 마찰력(F_fric)을 더 감산하여 랙포스(F_ROAD)를 계산할 수 있다.

여기서, 상기 마찰력(F_fric)은 적절한 마찰모델을 통해 추정하고, 상기 감속비는 볼스크류(15)와 볼너트(13) 간의 감속비일 수 있다.

즉, 조향모터(1)의 작동에 따라 랙바(17)가 움직여 타이어의 움직임을 만들어 낼 때에, SBW시스템의 마찰력(F_fric)과, 타이어로부터 전달되는 랙포스(외력)가 작용하게 된다.

이를 정리해 보면, 하기의 수식(2)와 같이 SBW시스템이 갖는 관성력과, SBW시스템의 마찰력(F_fric)과, 타이어로부터 전달되는 랙포스(외력)의 합력이, 벨트(9)로부터 전달되는 힘인 복원력(F_B)에 감속비를 곱한 값과 같다.

.....(2)

F_ROAD : 랙포스

R_n _-s : 감속비

F_fric : 마찰력

: 관성력

M : 질량

: 가속도

그리고, 이를 다시 랙포스(F_ROAD)에 대해 정리하면, 하기의 수식(3)이 된다.

........(3)

즉, 마찰력(F_fric)과 질량(M)은 적절한 모델값을 통해 확보하고, 랙바(17)의 가속도는 랙위치센서(19)를 통해 계산하며, 복원력(F_B)은 앞서 설명된 수식(1)에 의해 계산하면, 감속비는 이미 결정되어 알고 있는 값이므로, 랙포스(F_ROAD)를 계산 및 추정할 수 있다.

도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 랙포스(F_ROAD)를 추정하는 과정을 순차적으로 살펴보면, 먼저 랙위치센서(19)에 의해 랙바(17)의 위치값(제2위치값)을 측정한다(S10).

이어서, 상기 측정된 제2위치값(xs)을 미분하여 랙속도를 연산하고(S20), 연산된 랙속도를 마찰력 모델 데이터에 반영하여(S30), SBW시스템의 마찰력(F_fric)을 추정 및 확보한다.

그리고, S20단계에서 미분된 랙속도를 다시 미분하여(S40) 랙바(17)의 가속도를 연산하고, 연산된 랙바(17)의 가속도에 시스템의 질량을 곱하여(S50) SBW시스템의 관성력을 연산 및 확보한다.

한편, 모터위치센서(3)에 의해 조향모터(1)의 회전각을 측정한다(S60).

이어서, 측정된 회전각에 풀리기어비와 볼너트(13) 및 볼스크류(15) 기어비(Rn-s)가 합산된 총기어비(R)를 반영하여(S70) 모터위치센서(3)로부터 환산되는 랙바(17)의 위치값(제1위치값)을 구한다.

그리고, 상기 제1위치값(xm)과 제2위치값(xs)의 차이값을 연산하고(S80), 연산된 차이값에 벨트(9)의 스프링상수(K)를 곱하거나 상기 차이값에 대한 복원력(F_B)의 관계를 형성하는 맵을 이용하여 복원력(F_B)을 구하게 된다(S90).

이어서, 상기 복원력(F_B)에 볼너트(13) 및 볼스크류(15) 기어비를 곱하고(S100), 이 곱해진 값에서 S30단계에서 구해진 마찰력(F_fric)과 S50단계에서 구해진 관성력을 감산(S110)함으로써, 랙포스(F_ROAD)를 계산 및 추정할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 SBW시스템 내에 있는 부품들 사이의 움직임 차이와 그 사이에 위치한 부재들의 강성을 토대로 조향모터(1)에서 랙바(17)에 전달되는 힘을 계측하고, 이를 활용하여 랙포스(F_ROAD)를 추정함으로써, 랙포스 추정을 위한 고가의 토크센서를 장착하지 않고도 랙포스의 추정이 가능하여 차량 원가를 절감할 수 있고, 또한 SBW시스템에 구비된 부품의 강성을 이용하여 조향모터(1)와 랙바(17) 사이에 작용하는 힘을 알아냄으로서, 랙포스(F_ROAD)의 추정 오차를 줄일 수 있게 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 : 조향모터
3 : 모터위치센서
5 : 감속기
7 : 구동풀리
9 : 벨트
11 : 종동풀리
13 : 볼너트
15 : 볼스크류
17 : 랙바
19 : 랙위치센서
21 : 랙하우징
23 : 컨트롤러

Claims

조향모터와 랙바 사이에 연결된 감속기를 통해 조향모터의 작동력을 랙바에 전달하여 조향 작동이 이루어지는 SBW시스템으로서,
컨트롤러가 상기 조향모터의 작동에 따라 랙바의 위치가 변화하는 경우, 감속기 전단 및 후단에서 구해지는 랙바의 위치값 차이를 기반으로 감속기에 걸려지는 복원력을 계산하는 복원력계산단계; 및
컨트롤러가 SBW시스템의 관성력이 포함된 운동방정식에 상기 복원력을 반영하여 랙포스를 계산하는 랙포스계산단계;를 포함하고,
상기 복원력계산단계에서는,
상기 조향모터에 구비된 모터위치센서로부터 상기 랙바의 제1위치값을 계산하는 단계;
상기 랙바의 위치를 측정하는 랙위치센서에 의해 상기 랙바의 제2위치값을 계측하는 단계;
상기 제1위치값과 제2위치값의 차이값을 연산하는 단계; 및
상기 차이값에 감속기가 갖는 스프링상수를 곱하여 상기 복원력을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 SBW시스템의 랙포스 추정방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 감속기는 벨트 풀리 타입의 감속기로서, 상기 벨트의 스프링상수를 상기 차이값에 곱하여 복원력을 계산하는 것을 특징으로 하는 SBW시스템의 랙포스 추정방법.
청구항 1에 있어서,
상기 감속기는 벨트 풀리 타입의 감속기로서, 상기 차이값과 벨트에 걸려지는 힘의 관계를 형성하는 맵에 의해 복원력을 계산하는 것을 특징으로 하는 SBW시스템의 랙포스 추정방법.
조향모터와 랙바 사이에 연결된 감속기를 통해 조향모터의 작동력을 랙바에 전달하여 조향 작동이 이루어지는 SBW시스템으로서,
컨트롤러가 상기 조향모터의 작동에 따라 랙바의 위치가 변화하는 경우, 감속기 전단 및 후단에서 구해지는 랙바의 위치값 차이를 기반으로 감속기에 걸려지는 복원력을 계산하는 복원력계산단계; 및
컨트롤러가 SBW시스템의 관성력이 포함된 운동방정식에 상기 복원력을 반영하여 랙포스를 계산하는 랙포스계산단계;를 포함하고,
랙위치센서에 의해 측정된 랙바의 위치값을 계측하여 랙바의 가속도를 연산하고;
연산된 랙바의 가속도를 SBW시스템의 질량에 곱하여 관성력을 연산하는 것을 특징으로 하는 SBW시스템의 랙포스 추정방법.
조향모터와 랙바 사이에 연결된 감속기를 통해 조향모터의 작동력을 랙바에 전달하여 조향 작동이 이루어지는 SBW시스템으로서,
컨트롤러가 상기 조향모터의 작동에 따라 랙바의 위치가 변화하는 경우, 감속기 전단 및 후단에서 구해지는 랙바의 위치값 차이를 기반으로 감속기에 걸려지는 복원력을 계산하는 복원력계산단계; 및
컨트롤러가 SBW시스템의 관성력이 포함된 운동방정식에 상기 복원력을 반영하여 랙포스를 계산하는 랙포스계산단계;를 포함하고,
상기 랙포스계산단계에서는, 상기 감속기의 감속비를 복원력에 곱한 값에서 관성력을 감산하여 랙포스를 계산하는 것을 특징으로 하는 SBW시스템의 랙포스 추정방법.
청구항 6에 있어서,
상기 감속기의 감속비를 복원력에 곱한 값에서 SBW시스템의 마찰력을 더 감산하는 것을 특징으로 하는 SBW시스템의 랙포스 추정방법.