KR102745130B1

KR102745130B1 - 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102745130B1
Application number: KR1020200053750A
Authority: KR
Inventors: 김태홍
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2020-05-06
Filing date: 2020-05-06
Publication date: 2024-12-23
Anticipated expiration: 2040-05-06
Also published as: US20210347406A1; US11820443B2; KR20210135738A

Abstract

전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치는, 자율주행 시스템으로부터의 지령 조향각과 조향각 센서로부터의 제1 현재 조향각의 차이인 제1 조향각 에러를 보상하여 제1 지령 전류를 출력하는 조향각 위치 제어부, 상기 지령 조향각과 모터로부터의 제2 현재 조향각 간의 차이인 제2 조향각 에러를 보상하고, 상기 보상된 값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 응답성 개선부를 포함하되, 상기 조향각 위치 제어부는, 상기 제1 지령 전류에 상기 보상된 값을 적용하여 제2 지령 전류를 출력하는 것을 특징으로 한다.

Description

전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING MOTOR DRIVEN POWER STEERING SYSTEM OF VEHICLE}

본 발명은 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 벨트 R MDPS에서 자율주행 시 급조타가 필요할 경우 순간적인 응답성을 높여주고, 성능을 안정적으로 극대화시킬 수 있도록 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 동력 보조 조향장치로는 유압 펌프의 유압을 이용한 유압식 조향장치(Hydraulic Power Steering Apparatus)가 사용되고 있지만, 1990년대 이후 전동 모터를 이용한 전동식 조향시스템(MDPS : Motor Driven Power Steering)이 점차로 보편화되어 가고 있다.

기존의 유압식 조향장치는 동력을 보조해 주는 동력원인 유압 펌프가 엔진에 의해 구동되어 조향 휠의 회전 여부와 관계없이 항상 에너지를 소모하게 되는데 비해서 전동식 조향시스템은 조향 휠이 회전하여 토크가 발생되면 전기 에너지로 구동되는 모터가 조향 보조 동력을 제공하게 된다.

따라서 전동식 조향시스템(또는 전동식 조향장치)을 사용하는 경우 유압식 조향장치에 비해 차량의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

한편 자율주행 모드가 적용된 차량은 자율주행 중 충돌이나 다른 사고의 위험이 갑자기 발생할 경우 차량은 차속을 줄이거나 조향 제어를 통해 장애물 등을 회피해야 한다. 그런데 기존의 자율주행 모드가 적용된 차량은 지정된 거리에 앞서서 미리 장애물이 검출되는 통상적인 상황에서 대응할 수 있도록 설계되어 있을 뿐, 긴급한 상황(예 : 갑자기 전방에 보행자 또는 차량이 끼어드는 상황)에 대응 가능하도록 설계되어 있지 않다.

따라서 통상적으로 긴급하지 않은 상황에서는 미리 차속을 줄이는 것이 효과적이나, 긴급한 상황(예 : 갑자기 전방에 보행자 또는 차량이 끼어드는 상황)에서는 급조타가 사고 회피에 더 효과적일 수 있다. 그런데 만약 기존의 자율주행 모드가 적용된 차량과 같이 이러한 긴급한 상황에서 자율주행 모드가 해지되거나 정상적으로 동작하지 않으면 운전자(또는 사용자)가 더 위험해 질 수 있기 때문에 자율주행 모드가 계속 유지되도록 한 상태에서 긴급한 상황에 대응하여 순간적으로 빠른 조타가 이루어질 수 있도록 응답성을 극대화 시켜주는 기술이 필요하다. 이때 MDPS의 모터는 제어가 가능하나 컬럼과 연결된 핸들이 떨릴 수가 있다. 응답성이 의도치 않게 너무 높아지게 되면 제어 안정성이 떨어져 외부인자에 의한 외란이나 기구 마찰력, 센서 노이즈 등으로 인해 제어기의 응답성능이 떨어지거나 의도치 않은 진동이 발생할 수 있다.

이에, 자율주행 시 급조타가 필요할 경우 순간적인 응답성을 높여주고, 외부인자에 의한 노이즈에도 성능을 안정적으로 극대화시켜 주는 것이 필요하다. 이를 위해 MDPS의 위치 제어기 성능을 극대화 시켜주어야 하며, 벨트 R MDPS시스템에서는, 통상적으로 조향각 센서에서 나오는 조향각보다는 모터각을 사용하여 제어를 하게 된다. 하지만 만일 벨트 슬립이 발생하는 경우에는 오히려 운전자에게 더 큰 위협이 될 수 있으므로, 상대적으로 성능이 떨어지는 조향각 센서의 조향각을 사용하면서도 모터각을 쓰는 만큼의 위치 제어기 성능을 낼 수 있는 기술이 필요한 상황이다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 10-2019-0098783호(2019.08.23)의 '차량용 핸들 제어 장치'에 개시되어 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 벨트 R MDPS에서 자율주행 시 급조타가 필요할 경우 순간적인 응답성을 높여주고, 성능을 안정적으로 극대화시킬 수 있도록 하는, 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치는, 자율주행 시스템으로부터의 지령 조향각과 조향각 센서로부터의 제1 현재 조향각의 차이인 제1 조향각 에러를 보상하여 제1 지령 전류를 출력하는 조향각 위치 제어부, 상기 지령 조향각과 모터로부터의 제2 현재 조향각 간의 차이인 제2 조향각 에러를 보상하고, 상기 보상된 값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 응답성 개선부를 포함하되, 상기 조향각 위치 제어부는, 상기 제1 지령 전류에 상기 보상된 값을 적용하여 제2 지령 전류를 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 조향각 위치 제어부는, 상기 제1 조향각 에러를 보상하는 위치 제어기, 상기 위치 제어기에서 출력되는 지령 속도와 현재 조향각 속도의 차이인 속도 에러를 보상하여 상기 제1 지령 전류를 출력하는 속도 제어기, 및 상기 제1 지령 전류에 상기 보상된 값을 더하여 상기 제2 지령 전류를 출력하는 제1 연산부(130)를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 응답성 개선부는, 컷오프 주파수를 조정하여 상기 제2 조향각 에러를 고주파 필터링하는 가변 HPF, 상기 제1 현재 조향각과 상기 제2 현재 조향각 간의 차이를 기반으로 상기 가변 HPF의 게인을 조절하는 게인 조절부, 및 상기 고주파 필터링된 값과 상기 조절된 게인을 곱 연산하고, 상기 곱 연산된 값을 보상된 값으로 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 제2 연산부를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 가변 HPF는, 전달함수의 미분시간을 조정하여 상기 컷오프 주파수를 조정할 수 있다.

본 발명에서 상기 제1 현재 조향각과 제2 현재 조향각 간의 차이는 벨트슬립이 발생하는 경우 발생할 수 있다.

본 발명에서 상기 게인 조절부는, 상기 벨트슬립이 감지되는 수준에 따라 상기 게인을 조절할 수 있다.

본 발명에서 상기 게인 조절부는, 상기 제1 현재 조향각과 상기 제2 현재 조향각 간의 차이가 클수록 상기 게인을 줄일 수 있다.

본 발명에서 상기 게인 조절부는, 상기 벨트슬립이 감지되지 않은 경우, 상기 게인을 증가시킬 수 있다.

본 발명에서 상기 게인 조절부는 상기 제1 현재 조향각과 제2 현재 조향각 간의 차이에 따른 부하곡선 게인과 현재 조향각 속도 및 기 설정된 비율을 곱하여 상기 게인을 조절할 수 있다.

본 발명은 상기 조향각 위치 제어부에서 출력되는 지령 전류와 센서 전류 간의 전류 에러를 보상하여 최종 지령 전류를 출력하는 전류 제어기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 전동식 조향시스템의 제어 방법은, 조향각 위치 제어부가, 자율주행 시스템으로부터의 지령 조향각과 조향각 센서로부터의 제1 현재 조향각의 차이인 제1 조향각 에러를 보상하여 제1 지령 전류를 출력하는 단계, 응답성 개선부가, 상기 지령 조향각과 모터로부터의 제2 현재 조향각 간의 차이인 제2 조향각 에러를 보상하고, 상기 보상된 값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 단계, 및 상기 조향각 위치 제어부가, 상기 제1 지령 전류에 상기 보상된 값을 적용하여 제2 지령 전류를 출력하는 단계를 포함한다.

본 발명에서 상기 제1 지령 전류를 출력하는 단계는, 위치 제어기가 상기 제1 조향각 에러를 보상하여 지령 속도를 출력하는 단계, 속도 제어기가 상기 위치 제어기에서 출력되는 지령 속도와 현재 조향각 속도의 차이인 속도 에러를 보상하여 상기 제1 지령 전류를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 보상된 값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 단계는, 가변 HPF가 컷오프 주파수를 조정하여 상기 제2 조향각 에러를 고주파 필터링하는 단계, 게인 조절부가 상기 제1 현재 조향각과 상기 제2 현재 조향각 간의 차이를 기반으로 상기 가변 HPF의 게인을 조절하는 단계, 및 상기 제2 연산부가 상기 고주파 필터링된 값과 상기 조절된 게인을 곱 연산하고, 상기 곱 연산된 값을 보상된 값으로 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명은 상기 제2 조향각 에러를 고주파 필터링하는 단계에서, 상기 가변 HPF는 전달함수의 미분시간을 조정하여 상기 컷오프 주파수를 조정할 수 있다.

본 발명은 상기 가변 HPF의 게인을 조절하는 단계에서, 상기 제1 현재 조향각과 제2 현재 조향각 간의 차이는 벨트슬립이 발생하는 경우 발생할 수 있다.

본 발명은 상기 가변 HPF의 게인을 조절하는 단계에서, 상기 게인 조절부는, 상기 벨트슬립이 감지되는 수준에 따라 상기 게인을 조절할 수 있다.

본 발명은 상기 가변 HPF의 게인을 조절하는 단계에서, 상기 게인 조절부는, 상기 제1 현재 조향각과 상기 제2 현재 조향각 간의 차이가 클수록 상기 게인을 줄일 수 있다.

본 발명은 상기 가변 HPF의 게인을 조절하는 단계에서, 상기 게인 조절부는, 상기 벨트슬립이 감지되지 않은 경우, 상기 게인을 증가시킬 수 있다.

본 발명은 상기 가변 HPF의 게인을 조절하는 단계에서, 상기 게인 조절부는, 상기 제1 현재 조향각과 제2 현재 조향각 간의 차이에 따른 부하곡선 게인과 현재 조향각 속도 및 기 설정된 비율을 곱하여 상기 게인을 조절할 수 있다.

본 발명은 상기 제2 지령 전류를 출력하는 단계 이후, 전류 제어기가 상기 제2 지령 전류와 센서 전류 간의 전류 에러를 보상하여 최종 지령 전류를 출력하고, 상기 최종 지령 전류를 MDPS에 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법은 벨트 R MDPS에서 자율주행 시 급조타가 필요할 경우 순간적인 응답성을 높여주고, 성능을 안정적으로 극대화시킬 수 있도록 함으로써, 사고를 회피할 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법은 운전자의 안전을 위해 조향각 센서의 조향각을 조향각 위치 제어부에서 기본적으로 쓰면서도 응답성을 향상시킬 수 있고, 벨트 슬립이 발생했을 경우에도 문제없이 자율주행을 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야할 것이다.

본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치는, 감지모듈(10), 자율주행 시스템(20), 조향각 위치 제어부(100), 응답성 개선부(200) 및 전류 제어기(300)를 포함한다.

감지 모듈(10)은 자율주행 및 조향 제어에 필요한 정보를 감지한다. 감지 모듈(10)에는 자율주행 시스템(20)의 동작에 필요한 주변 환경 정보를 감지하는 주변 환경 감지부(11), 차량의 차속을 감지하는 차속 감지부(12), 조향휠의 조향각을 감지하는 조향각 감지부(13), 및 조향휠의 조향각 속도를 검출하는 조향각 속도 검출부(14)가 포함될 수 있다.

조향각 속도 검출부(14)는 조향각 속도를 조향휠에서 직접 검출할 수 있으나, 조향각 감지부(13)에 의해 감지된 조향각을 미분하여 검출할 수도 있다.

주변 환경 감지부(11)로는 라이다, 레이더, 초음파 센서 이미지 센서 등이 포함될 수 있다. 주변 환경 정보에는 도로 정보, 장애물 정보 및 날씨 정보 등이 포함될 수 있다. 주변 환경 정보는 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

자율주행 시스템(20)은 자율주행 모드시 주변 환경 감지부(11)로부터 입력된 주변 환경 정보를 토대로 차량의 자율주행 제어를 위한 지령 조향각을 출력한다.

자율주행 시스템(20)이 주변 환경 정보를 토대로 자율주행 제어를 수행하는 것은 당업자가 용이하게 실시할 수 있으므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.

조향각 위치 제어부(100)는 지령 조향각과 조향각 센서로부터의 현재 조향각(이하, '제1 현재 조향각'이라 칭함)의 차이인 제1 조향각 에러(즉, 제1 위치 제어 에러)를 보상하여 지령 전류를 출력한다.

일반적으로 자율주행은 최근 조향각 위치 제어를 통해 이루어 진다. 즉 자율주행 시스템(20)에서 전동식 조향장치(MDPS, 400)에 지령 조향각을 인가하면, 전동식 조향장치(400)는 그에 따라 위치제어를 실행하게 된다. 일반적으로 조향각 위치 제어부(100)는 위치 제어기(110) 및 속도 제어기(120)를 포함할 수 있다.

위치 제어기(110)는 지령 조향각과 제1 현재 조향각 간의 차이인 제1 조향각 에러를 보상할 수 있다. 이때 위치 제어기(110)는 P 제어기로 구성될 수 있다.

속도 제어기(120)는 위치 제어기(110)에서 출력되는 지령 속도와 현재 조향각 속도 간의 차이인 속도 에러를 보상할 수 있다. 이때 속도 제어기(120)는 PI 제어기로 구성될 수 있고, 제1 지령 전류를 출력할 수 있다.

하지만 위치 제어기(110)와 속도 제어기(120)로 구성된 조향각 위치 제어기(100)는 응답성을 높이는데 한계가 있다. 이에, 조향각 위치 제어기(100)는 응답성 개선부(200)로부터 필요 전류를 인가 받고, 인가 받은 필요 전류를 속도 제어기(120)로부터의 제1 지령 전류에 더하여 제2 지령 전류를 출력하는 제1 연산부(130)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 필요 전류는 응답성 개선부(200)에서 지령 조향각과 모터로부터의 현재 조향각(이하, '제2 현재 조향각'이라 칭함) 간의 차이인 제2 조향각 에러를 보상한 값일 수 있다.

응답성 개선부(200)는 가변 HPF(210), 게인 조절부(220) 및 제2 연산부(230)를 포함할 수 있다. 응답성 개선부(200)는 제1 연산부(130)에 지령 조향각과 제2 현재 조향각의 차이인 에러 값을 고주파 필터링 하고, 게인(Gain)을 곱하여 인가할 수 있다. 이는 지령 전류에 추가적인 필요 전류를 더해주는 역할을 하여, 조향각 위치 제어기(100)의 응답성능을 높일 수 있게 된다.

한편, 현재 조향각을 조향각 센서로 센싱하느냐, 모터의 회전으로 센싱하느냐에 따라 제어기의 성능이 크게 달라질 수 있다. 첫번째 이유는 센서의 resolution이다. 조향각 센서의 경우 통신을 통해 MDPS(400)에 조향각을 보내주며 이에 따른 time delay가 있을 뿐만 아니라 resolution도 수 또는 수십 배 가량 모터의 엔코더 센서보다 떨어질 수 있다. 두번째 이유는 조향각 센서가 통상적으로 벨트 R 시스템의 경우 핸들에 장착되어 있으며 이는 토션바가 비틀림에 따라 실제 타이어의 회전각과 상이해 질 수 있다. 즉 타이어 각은 고정인데 핸들만 떨리는 상황이 발생했을 경우 이러한 진동신호가 그대로 조향각 위치 제어부(100)에 인가되어 오히려 제어기의 성능을 크게 저하시킬 수 있다. 그리하여 모터로부터 환산된 제2 현재 조향각을 조향각 위치 제어부(100)에서 사용하는 것이 보통이다. 하지만 만일 벨트 슬립이 발생하게 되면 실제 주행하는 조향각과 MDPS(400)가 제어하는 조향각의 차이가 발생하여 의도치 않은 방향으로 차량이 움직일 수 있다. 그러므로 이를 보완하기 위하여, 기본적인 조향각 위치 제어부(100)의 피드백 신호는 조향각 센서의 조향각을 사용하고, 응답성을 향상시키기 위한 응답성 개선부(200)는 모터각을 사용함으로써 응답성과 안전성을 동시에 향상시킬 수 있다.

응답성을 향상시키는 응답성 개선부(200)는 가변 HPF(210)의 형태를 띄게 된다. 이는 실제 D제어기를 추가한 것과 같으나, 제어기 설계의 편의성과 효율성 등을 위해, 가변 HPF(210)와 게인 조절부(220)의 조합으로 재구성한 것이다.

가변 HPF(210)는 컷오프(Cut-off) 주파수를 조정하여 지령 조향각과 제2 현재 조향각의 차이인 제2 조향각 에러를 고주파 필터링하여 노이즈 성분을 제거한다. 이 경우, 가변 HPF(210)는 전달함수의 미분시간을 조정하여 컷오프 주파수를 조정할 수 있다.

게인 조절부(220)는 제1 현재 조향각과 제2 현재 조향각 간의 차이를 기반으로 가변 HPF(210)의 게인을 조절한다. 여기서 제1 현재 조향각과 제2 현재 조향각 간의 차이는 벨트슬립이 발생하는 경우 발생할 수 있다. 따라서, 게인 조절부(220)는 벨트슬립이 감지되는 수준에 따라 HPF(210)의 게인을 조절할 수 있다.

예를 들어, 게인 조절부(220)는 제1 현재 조향각과 제2 현재 조향각 간의 차이가 클수록 게인을 줄일 수 있다. 또한, 게인 조절부(220)는 벨트슬립이 감지되지 않은 경우, 게인을 증가시킬 수 있다.

게인 조절부(220)는 제1 현재 조향각과 제2 현재 조향각 간의 차이와 현재 조향각 속도 중 적어도 하나를 이용하여 가변 HPF(210)의 게인을 조절한다. 즉, 게인 조절부(220)는 제1 현재 조향각과 제2 현재 조향각 간의 차이에 따른 부하곡선 게인과 조향각 속도 및 기 설정된 비율을 곱하여 게인을 조절한다. 이에 게인 조절부(220)는 제1 현재 조향각과 제2 현재 조향각 간의 차이에 따른 부하곡선 게인값과 조향각 속도 및 적절한 파라미터를 유지하기 위한 비율(ratio)를 곱하여 게인을 최종적으로 설정한다. 여기서, 비율은 실제 자율주행 조건에서 다양한 급조타 환경을 고려하여 다양하게 설정될 수 있다. MDPS(400)의 제어 안정성을 고려하여, 제1 현재 조향각과 제2 현재 조향각 간의 차이에 따른 부하곡선 게인값과 조향각 속도 및 비율(ratio)은 튜닝맵에 저장되어 동작한다.

일반적인 자율주행 모드에서 조향각 제어 성능이 지나치게 높으면, 외부의 노이즈나 주변환경 등으로 인해 제어 안정성이 떨어져 진동 등이 발생하고, 조향각 제어 성능이 오히려 저하될 수 있다. 따라서, 반드시 필요한 시점에서 조향각 제어 성능을 최대한 높이는 것이 매우 중요하다.

이를 위해, 일반적으로 사용하는 P-PI제어기 조합의 조향각 위치 제어부(100)를 사용하지 않고 PI-P 제어기나 PID-PI 제어기를 사용하는 것이 효과적이다. 하지만 조향각 위치 제어부(100)에 D제어기를 적용할 경우 지령 조향각의 노이즈나 외부 환경 또는 노이즈로 인해 진동이 발생할 수 있다. 일반적으로 조향각 위치 제어부(100)에 D제어기를 추가하여 위치의 변화에 대한 응답성을 높이지만, 이는 외란이나 외부 환경에서 유입되는 노이즈로 인해 증폭되어 진동을 유발할 수 있으므로 조향각 제어 성능을 오히려 저하시킬 수 있다.

이를 방지하기 위하여 보통 D제어기 앞단에 로우 패스 필터(Low pass filter)나 래그 보상기(Lag-compensator)를 적용한다. 하지만 구조가 복잡해지고 조타 상황에 따라 가변이 필요할 경우 변경해야 할 파라미터나 인자 값들이 많아지게 된다. 즉, 일반적으로 조향각 위치 제어부(100)를 P-PI에서 P제어기 단을 PI나 PID로 설계하여 PI-PI나 PID-PI 구성을 이용하는데, 이보다 더 효율적이고 조타 상황에 따라 제어기의 성능을 극대화시켜 노이즈나 외란에 강하면서도 응답성을 크게 향상 시킬 수 있는 방법이 필요하다.

이에 따라 통상적으로 PID제어기에서 D제어기에 LPF(Low pass filter)나 래그 보상기(Lag-compensator)를 적용하였을 경우, 수식을 정리해 보면 G(s) = Kp(1+1/Ti×s+Td×s/(1+s×Td))로 나타낼 수 있다. 여기서, G(s)는 전달함수, Kp는 비례이득, Ti는 적분시간, Td는 미분시간, s는 복소수를 의미할 수 있다. 이를 각각 PID제어 게인을 분리하여 다시 풀어보면(즉 Kp를 I나 D제어기에 맞게 게인을 분리하면) G(s)=kp+Ki/Ti×s+Kd×s/(1+Td×s)로 나타낼 수 있고, 이때 D제어를 다시 정리하면 (1/Td)/((1/Td)+s))×Td×Kp×s로 풀어볼 수 있다. 여기서, Ki는 적분이득, Kd는 미분이득을 나타낼 수 있다.

한편, (1/Td)/((1/Td)+s)) 및 s는 1차 하이패스필터의 형태와 유사하다. 이를 응용하여 D제어기를 적용하지 않고, 가변 HPF(210)와 게인 조절부(220)를 적용하면, 노이즈에 강건하고 조향각 제어 성능을 높일 수 있는 구조를 만들 수 있다. 이때 가변 HPF(210)의 게인과 컷오프 주파수는 매우 중요하다.

통상적으로 하이패스필터의 컷오프 주파수는 전동식 조향 장치, 예컨대 MDPS(400)의 모터제어 대역폭을 적용하여 설정할 수도 있다. 그러나, MDPS(400)의 토션바 공진점에 영향을 주지 않도록 하기 위해, C-MDPS의 경우 12Hz, R-MDPS의 경우 9Hz 정도를 컷 오프점으로 하여 공진점에 영향을 주지 않게 하이패스필터의 컷 오프 주파수를 설정하는 것이 중요하다. 참고로, MDPS(400)의 안정성에 가장 큰 요인은 토션바이다. 이는 토션바의 강성이 가장 약하며 이로 인해 공진이 가장 쉽게 발생하는 지점이기 때문이다.

일반적으로 미분시간(Td)의 경우는 PID제어기에서 D제어기의 제어주기와 주파수를 정의할 수 있다. 전달함수의 (1/Td)/((1/Td)+s))×Td×Kp×s에서 (1/Td)/((1/Td)+s))는 하이패스필터의 형태와 같으며, 1/Td를 통하여 원하는 주파수로 설정이 가능하다. 즉 일반적인 하이패스필터의 전달함수는 s/(s+w)로 나타낼 수 있다. 여기서 w는 2πf이고, f는 컷오프 주파수일 수 있다. 상기한 전달함수에서는 1/Td가 바로 w가 되므로, 가변 HPF(210)는 원하는 주파수를 설정하기 위해서 Td값을 가변시켜 컷오프 주파수를 조정할 수 있다.

게인 조절부(220)는 게인을 제어하기 위해서는 미분이득 Kd값을 가변시킨다. 이미 정의된 바와 같이, 전달함수 내에서 조향각 속도가 빠를수록 Kd값을 증가시키고, 조향각 속도가 낮을수록 Kd값을 감소시켜 응답성 개선부(200)의 게인응답특성을 가변시킬 수 있다. 게인을 결정하는 중요 요인은 조향각 속도이다. 차량의 부하와 MDPS(400)에 걸리는 로드를 결정하기 위해서는 조향각 속도를 반드시 고려해야 한다.

제2 연산부(230)는 가변 HPF(210)에서 고주파 필터링된 값과 게인 조절부(220)에서 조절된 게인을 곱 연산하고, 곱 연산된 값을 보상된 값으로 조향각 위치 제어부(100)에 인가한다. 그러면, 조향각 위치 제어부(100)는 제1 지령 전류에 인가받은 보상된 값을 적용하여 제2 지령 전류를 출력할 수 있다.

상술한 바와 같이 기본적인 조향각 위치 제어부(100)는 조향각 센서의 제1 조향각을 사용함으로써 실제 차량의 모션과 일체감을 유지시켜주고, 제어기의 응답성능만을 높여주는 부분은 모터로부터 환산된 조향각을 사용함으로써 벨트 슬립으로 인한 기본적인 조향각 위치 제어부(100)의 불안전성을 해소시킬 수 있다.

여기서 추가적으로 벨트 슬립이 발생한 경우 응답성을 개선시키기 위해 가변 HPF(210)의 게인을 저감시켜야 한다. 이는 일반적으로 벨트 슬립이 발생하지 않았을 때 조향각 센서의 조향각과 모터로부터 환산된 조향각에 차이가 거의 없는데 슬립이 발생했을 경우는 서로의 각에 차이가 발생한다. 이를 감안하여 조향각 간의 차이가 발생했다면 안전을 위해 응답성능을 개선하기 위해 가변 HPF(210)의 게인을 줄이고 정상적일 경우에만 가변 HPF(210)의 게인을 높여주어 부작용(Side effect)이 발생하지 않도록 할 수 있다. 즉 벨트슬립이 발생하더라도 기본적인 조향각 위치 제어부(100)는 조향각 센서로 구동되므로 당장 큰 문제를 야기시키지 않게 된다. 그리고 응답성 개선부(200)는 모터로부터 환산된 조향각으로 처리되지만 벨트 슬립이 감지되는 수준에 따라 게인이 가변되므로, 고장상태에서도 제어기의 안전성에 문제가 없다.

전류 제어기(200)는 조향각 위치 제어부(100)에서 출력되는 지령 전류와 센서 전류 간의 전류 에러를 보상하여 최종 지령 전류를 출력한다. 이때 전류 제어기(200)는 PI 제어기일 수 있고, 센서 전류는 MCU(미도시)가 모터를 센싱하여 획득한 전류일 수 있다.

전류 제어기(200)는 조향각 위치 제어부(100)로부터 제2 지령 전류를 입력받고, MCU로부터 센서 전류를 입력받으면, 제2 지령 전류와 센서 전류의 차이에 해당하는 에러를 보상하여 최종 지령 전류를 출력하고, 최종 지령 저류를 MDPS(400)에 인가할 수 있다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향시스템의 제어 방법을 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 2를 참조하면, 조향각 위치 제어부(100)는 자율주행 시스템(20)으로부터 입력된 지령 조향각과 조향각 센서로부터 입력된 제1 현재 조향각의 차이인 제1 조향각 에러를 보상하여 제1 지령 전류를 출력한다(S210). 이때, 위치 제어기(110)는 제1 조향각 에러를 보상하여 지령 속도를 출력할 수 있고, 속도 제어기(120)는 위치 제어기(110)에서 출력되는 지령 속도와 현재 조향각 속도의 차이인 속도 에러를 보상하여 제1 지령 전류를 출력할 수 있다.

S210 단계가 수행되면, 응답성 개선부(200)는 지령 조향각과 모터로부터의 제2 현재 조향각 간의 차이인 제2 조향각 에러를 보상하고, 상기 보상된 값을 조향각 위치 제어부(100)에 인가한다(S220). 이때 가변 HPF(210)는 컷오프 주파수를 조정하여 제2 조향각 에러를 고주파 필터링하여 노이즈 성분을 제거할 수 있다. 이어 게인 조절부(220)는 제1 현재 조향각과 제2 현재 조향각 간의 차이를 기반으로 가변 HPF(210)의 게인을 조절할 수 있다. 이때 제1 현재 조향각과 제2 현재 조향각 간의 차이는 벨트슬립이 발생한 경우 발생할 수 있고, 게인 조절부(220)는 벨트슬립이 감지되는 수준에 따라 게인을 조절할 수 있다. 예를 들면, 게인 조절부(220)는 제1 현재 조향각과 제2 현재 조향각 간의 차이가 클수록 게인을 줄일 수 있다. 또한 벨트슬립이 감지되지 않으면, 게인 조절부(220)는 게인을 증가시킬 수 있다. 이때 게인 조절부(220)는 제1 현재 조향각과 제2 현재 조향각 간의 차이에 따른 부하곡선 게인과 현재 조향각 속도 및 기 설정된 비율을 곱하여 게인을 조절할 수 있다.

S220 단계가 수행되면, 조향각 위치 제어부(100)는 제1 지령 전류에 응답성 개선부(200)로부터 인가받은 보상된 값을 적용하여 제2 지령 전류를 출력한다(S230). 즉, 조향각 위치 제어부(100)는 제1 지령 전류에 보상된 값을 더하여 제2 지령 전류를 출력할 수 있다.

S230 단계가 수행되면, 전류 제어기(200)는 조향각 위치 제어부(100)에서 출력되는 제2 지령 전류와 센서 전류 간의 전류 에러를 보상하여 최종 지령 전류를 출력하고(S240), 최종 지령 전류를 MDPS(400)에 인가한다(S250). 이때, 전류 제어기(200)는 조향각 위치 제어부(100)로부터 제2 지령 전류를 입력받고, MCU로부터 센서 전류를 입력받으면, 제2 지령 전류와 센서 전류의 차이에 해당하는 에러를 보상하여 최종 지령 전류를 출력할 수 있고, 출력된 최종 지령 전류를 MDPS(400)에 인가할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 전동식 조향시스템의 제어 장치 및 방법은 차량의 자율주행 시 급조타가 필요할 경우 순간적인 응답성을 높여주고, 외부인자에 의한 노이즈에도 성능을 안정적으로 극대화시킬 수 있도록 함으로써, 사고를 회피할 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.

10: 감지 모듈 11: 주변 환경 감지부
12: 차속 감지부 13: 조향각 감지부
14: 조향 각속도 검출부 20: 자율주행 시스템 21: 유사 진동 필터링부
100: 조향각 위치 제어부 110: 위치 제어기
120: 속도 제어기 130: 제1 연산부
200: 응답성 개선부 210: 가변 HPF
220: 게인 조절부 230: 제2 연산부
300: 전류 제어기 400 : MDPS

Claims

자율주행 시스템으로부터의 지령 조향각과 조향각 센서로부터의 제1 현재 조향각의 차이인 제1 조향각 에러를 보상하여 제1 지령 전류를 출력하는 조향각 위치 제어부; 및
상기 지령 조향각과 모터로부터의 제2 현재 조향각 간의 차이인 제2 조향각 에러를 보상하고, 상기 보상된 값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 응답성 개선부를 포함하되,
상기 조향각 위치 제어부는,
상기 제1 지령 전류에 상기 보상된 값을 적용하여 제2 지령 전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 조향각 위치 제어부는,
상기 제1 조향각 에러를 보상하는 위치 제어기;
상기 위치 제어기에서 출력되는 지령 속도와 현재 조향각 속도의 차이인 속도 에러를 보상하여 상기 제1 지령 전류를 출력하는 속도 제어기; 및
상기 제1 지령 전류에 상기 보상된 값을 더하여 상기 제2 지령 전류를 출력하는 제1 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 응답성 개선부는,
컷오프 주파수를 조정하여 상기 제2 조향각 에러를 고주파 필터링하는 가변 HPF(High pass filter);
상기 제1 현재 조향각과 상기 제2 현재 조향각 간의 차이를 기반으로 상기 가변 HPF의 게인을 조절하는 게인 조절부; 및
상기 고주파 필터링된 값과 상기 조절된 게인을 곱 연산하고, 상기 곱 연산된 값을 보상된 값으로 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 제2 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제3항에 있어서,
상기 가변 HPF는,
전달함수의 미분시간을 조정하여 상기 컷오프 주파수를 조정하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제3항에 있어서,
상기 제1 현재 조향각과 제2 현재 조향각 간의 차이는 벨트슬립이 발생하는 경우 발생하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제5항에 있어서,
상기 게인 조절부는,
상기 벨트슬립이 감지되는 수준에 따라 상기 게인을 조절하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제5항에 있어서,
상기 게인 조절부는,
상기 제1 현재 조향각과 상기 제2 현재 조향각 간의 차이가 클수록 상기 게인을 줄이는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제6항에 있어서,
상기 게인 조절부는,
상기 벨트슬립이 감지되지 않은 경우, 상기 게인을 증가시키는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제3항에 있어서,
상기 게인 조절부는
상기 제1 현재 조향각과 제2 현재 조향각 간의 차이에 따른 부하곡선 게인과 현재 조향각 속도 및 기 설정된 비율을 곱하여 상기 게인을 조절하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 조향각 위치 제어부에서 출력되는 지령 전류와 센서 전류 간의 전류 에러를 보상하여 최종 지령 전류를 출력하는 전류 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 장치.
조향각 위치 제어부가, 자율주행 시스템으로부터의 지령 조향각과 조향각 센서로부터의 제1 현재 조향각의 차이인 제1 조향각 에러를 보상하여 제1 지령 전류를 출력하는 단계;
응답성 개선부가, 상기 지령 조향각과 모터로부터의 제2 현재 조향각 간의 차이인 제2 조향각 에러를 보상하고, 상기 보상된 값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 단계; 및
상기 조향각 위치 제어부가, 상기 제1 지령 전류에 상기 보상된 값을 적용하여 제2 지령 전류를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제11항에 있어서,
상기 제1 지령 전류를 출력하는 단계는,
위치 제어기가 상기 제1 조향각 에러를 보상하여 지령 속도를 출력하는 단계; 및
속도 제어기가 상기 위치 제어기에서 출력되는 지령 속도와 현재 조향각 속도의 차이인 속도 에러를 보상하여 상기 제1 지령 전류를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제11항에 있어서,
상기 보상된 값을 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 단계는,
가변 HPF가 컷오프 주파수를 조정하여 상기 제2 조향각 에러를 고주파 필터링하는 단계;
게인 조절부가 상기 제1 현재 조향각과 상기 제2 현재 조향각 간의 차이를 기반으로 상기 가변 HPF의 게인을 조절하는 단계; 및
제2 연산부가 상기 가변 HPF에서 고주파 필터링된 값과 상기 게인 조절부에서 조절된 게인을 곱 연산하고, 상기 곱 연산된 값을 보상된 값으로 상기 조향각 위치 제어부에 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제13항에 있어서,
상기 제2 조향각 에러를 고주파 필터링하는 단계에서,
상기 가변 HPF는 전달함수의 미분시간을 조정하여 상기 컷오프 주파수를 조정하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제13항에 있어서,
상기 가변 HPF의 게인을 조절하는 단계에서,
상기 제1 현재 조향각과 제2 현재 조향각 간의 차이는 벨트슬립이 발생하는 경우 발생하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제15항에 있어서,
상기 가변 HPF의 게인을 조절하는 단계에서,
상기 게인 조절부는, 상기 벨트슬립이 감지되는 수준에 따라 상기 게인을 조절하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제15항에 있어서,
상기 가변 HPF의 게인을 조절하는 단계에서,
상기 게인 조절부는, 상기 제1 현재 조향각과 상기 제2 현재 조향각 간의 차이가 클수록 상기 게인을 줄이는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제16항에 있어서,
상기 가변 HPF의 게인을 조절하는 단계에서,
상기 게인 조절부는, 상기 벨트슬립이 감지되지 않은 경우, 상기 게인을 증가시키는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제13항에 있어서,
상기 가변 HPF의 게인을 조절하는 단계에서,
상기 게인 조절부는, 상기 제1 현재 조향각과 제2 현재 조향각 간의 차이에 따른 부하곡선 게인과 현재 조향각 속도 및 기 설정된 비율을 곱하여 상기 게인을 조절하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.
제11항에 있어서,
상기 제2 지령 전류를 출력하는 단계 이후,
전류 제어기가 상기 제2 지령 전류와 센서 전류 간의 전류 에러를 보상하여 최종 지령 전류를 출력하고, 상기 최종 지령 전류를 MDPS에 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향시스템의 제어 방법.