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KR20210050642A - 전동식 파워 조향 시스템 및 그의 제어방법 - Google Patents

전동식 파워 조향 시스템 및 그의 제어방법 Download PDF

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KR20210050642A
KR20210050642A KR1020190134889A KR20190134889A KR20210050642A KR 20210050642 A KR20210050642 A KR 20210050642A KR 1020190134889 A KR1020190134889 A KR 1020190134889A KR 20190134889 A KR20190134889 A KR 20190134889A KR 20210050642 A KR20210050642 A KR 20210050642A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
friction
torque
coefficient
model
power source
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
KR1020190134889A
Other languages
English (en)
Inventor
김규원
정정주
정용우
이승희
Original Assignee
현대자동차주식회사
한양대학교 산학협력단
기아 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사, 한양대학교 산학협력단, 기아 주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020190134889A priority Critical patent/KR20210050642A/ko
Priority to US16/805,207 priority patent/US11608107B2/en
Publication of KR20210050642A publication Critical patent/KR20210050642A/ko
Pending legal-status Critical Current

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    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
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Abstract

차량의 조향을 어시스트하는 조향보조력을 발생시키는 동력원; 동력원과 컬럼 사이에 위치되고, 동력원에서 발생된 조향보조력을 컬럼으로 전달하는 전달기어; 전달기어에 실제로 발생하는 실제 마찰 토크를 기반으로 동적 마찰 모델의 마찰계수를 추정하는 계수 추정부; 및 전달기어의 접촉면 이동속도를 기반으로 동적 마찰 모델의 상태 변수를 산출하고, 산출한 상태 변수 및 계수 추정부에서 추정한 동적 마찰 모델의 마찰계수를 이용하여 동적 마찰 모델에 따른 예상 마찰 토크를 추정하는 상태 추정부;를 포함하는 전동식 파워 조향 시스템이 소개된다.

Description

전동식 파워 조향 시스템 및 그의 제어방법{MOTOR DRIVEN POWER STEERING SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 전동식 파워 조향 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 차량의 조향을 어시스트하는 전동식 파워 조향 시스템의 기구부에서 발생하는 마찰 토크를 추정하는 기술에 관한 것이다.
전동식 파워 조향(MDPS: Motor Driven Power Steering 또는 EPS: Electric Power Steering)은 기존의 유압식 파워 스티어링을 전기 모터로 대체하여 전자제어를 통한 조향력을 보조하는 장치로서, 오일탱크, 펌프, 호스 등 유압부품을 제거하고 모터 및 제어장치가 적용된 차량의 동력 조향 장치이다.
즉, 전동식 파워 조향 시스템은 운전자의 조향력을 어시스트하기 위하여 전기 모터를 직접 조향계통에 연결한다. 특히, 컬럼(Column) 타입의 전동식 파워 조향 시스템은 운전자의 핸들과 연결된 컬럼은 웜기어를 통하여 랙기어와 연결된다.
그러나 종래 기술에 따르면 전동식 파워 조향 시스템의 비선형성 마찰 성분은 웜기어에서 크게 발생하였고, 웜기어에서 발생하는 마찰 토크는 운전자가 조작하는 컬럼의 조향각속도에 의해 변화하는 특성을 갖는다.
또한, 웜기어에서 발생하는 마찰 토크는 조립과정에서 발생하는 조립공차 및 기어의 마모 정도에도 영향을 받는 점에서 이러한 마찰 토크를 동적 모델을 통하여 추정하고, 추정한 마찰 토크를 보상하여 조향을 제어하는 기술이 요구되었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2017-0019669 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 컬럼과 랙기어 사이를 연결하는 웜기어에서 발생하는 마찰 토크를 추정하고, 이를 보상하도록 제어하는 전동식 파워 조향 시스템 및 그의 제어방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전동식 파워 조향 시스템은 차량의 조향을 어시스트하는 조향보조력을 발생시키는 동력원; 동력원과 컬럼 사이에 위치되고, 동력원에서 발생된 조향보조력을 컬럼으로 전달하는 전달기어; 전달기어에 실제로 발생하는 실제 마찰 토크를 기반으로 동적 마찰 모델의 마찰계수를 추정하는 계수 추정부; 및 전달기어의 접촉면 이동속도를 기반으로 동적 마찰 모델의 상태 변수를 산출하고, 산출한 상태 변수 및 계수 추정부에서 추정한 동적 마찰 모델의 마찰계수를 이용하여 동적 마찰 모델에 따른 예상 마찰 토크를 추정하는 상태 추정부;를 포함한다.
계수 추정부에서는, 전달기어의 접촉면 이동속도, 상태 추정부의 상태 변수 및 실제 마찰 토크를 이용하여 동적 마찰 모델의 마찰계수를 추정할 수 있다.
상태 추정부에서는, 기저장된 전달기어의 접촉면 이동속도에 따른 마찰 토크맵을 이용하여 동적 마찰 모델의 상태 변수를 산출할 수 있다.
동적 마찰 모델은 정지 마찰, 운동 마찰 및 점성 마찰이 포함된 LuGre 마찰 모델이고, 마찰계수에는 강성 마찰계수, 댐핑 마찰계수 및 점성 마찰계수가 포함될 수 있다.
요구 조향각 또는 요구 조향각속도를 기반으로 동력원의 제어토크를 산출하는 제어토크 산출부; 및 제어토크 산출부에서 산출한 동력원의 제어토크에 상태 추정부에서 추정한 예상 마찰 토크를 반영하여 동력원을 제어하는 동력원 제어부;를 더 포함할 수 있다.
실제 마찰 토크와 상태 추정부에서 추정한 예상 마찰 토크 사이의 차이를 산출하고, 산출한 차이를 제어토크에 보상하는 외란보상부;를 더 포함할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전동식 파워 조향 시스템을 제어하는 방법은 전달기어에 실제로 발생하는 실제 마찰 토크를 기반으로 동적 마찰 모델의 마찰계수를 추정하는 단계; 전달기어의 접촉면 이동속도를 기반으로 동적 마찰 모델의 상태 변수를 산출하는 단계; 및 산출한 동적 마찰 모델의 상태 변수 및 추정한 동적 마찰 모델의 마찰계수를 이용하여 동적 마찰 모델에 따른 예상 마찰 토크를 추정하는 단계;를 포함한다.
동적 마찰 모델의 마찰계수를 추정하는 단계에서는, 전달기어의 접촉면 이동속도, 동적 마찰 모델의 상태 변수 및 실제 마찰 토크를 이용하여 동적 마찰 모델의 마찰계수를 추정할 수 있다.
동적 마찰 모델의 마찰계수를 추정하는 단계에서는, 실제 마찰 토크와 예상 마찰 토크 사이의 오차가 최소화되는 마찰계수를 추정할 수 있다.
동적 마찰 모델의 상태 변수를 산출하는 단계에서는, 기저장된 전달기어의 접촉면 이동속도에 따른 마찰 토크맵을 이용하여 동적 마찰 모델의 상태 변수를 산출할 수 있다.
동적 마찰 모델은 정지 마찰, 운동 마찰 및 점성 마찰이 포함된 LuGre 마찰 모델이고, 마찰계수에는 강성 마찰계수, 댐핑 마찰계수 및 점성 마찰계수가 포함될 수 있다.
예상 마찰 토크를 추정하는 단계 이후에, 요구 조향각 또는 요구 조향각속도를 기반으로 동력원의 제어토크를 산출하는 단계; 및 산출한 동력원의 제어토크에 상태 추정부에서 추정한 예상 마찰 토크를 반영하여 동력원을 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
동력원을 제어하는 단계 이전에, 실제 마찰 토크와 상태 추정부에서 추정한 예상 마찰 토크 사이의 차이를 제어토크에 보상하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 전동식 파워 조향 시스템 및 그의 제어방법에 따르면, 순환적으로 동적 마찰 모델의 마찰계수를 업데이트함으로써 조립공차 또는 기구부의 마모 등에 의해 발생되는 마찰계수의 변화에 적응하여 동적 마찰 모델을 업데이트할 수 있고, 이에 따라 강건한 조향 제어가 가능한 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 시스템의 제어방법을 도시한 제어도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 마찰 모델의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉면 이동속도에 따른 마찰 토크맵이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 시스템을 적용한 실제 마찰 토크와 예상 마찰 토크를 도시한 것이다.
도 6 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 시스템을 적용한 조향각속도 및 조향각을 도시한 그래프이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 시스템의 구성도를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 시스템의 제어방법을 도시한 제어도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 마찰 모델(60)의 구성도이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 시스템은 차량의 조향을 어시스트하는 조향보조력을 발생시키는 동력원(10); 동력원(10)과 컬럼(30) 사이에 위치되고, 동력원(10)에서 발생된 조향보조력을 컬럼(30)으로 전달하는 전달기어(20); 전달기어(20)에 실제로 발생하는 실제 마찰 토크를 기반으로 동적 마찰 모델(60)의 마찰계수를 추정하는 계수 추정부(61); 및 전달기어(20)의 접촉면 이동속도를 기반으로 동적 마찰 모델(60)의 상태 변수를 산출하고, 산출한 상태 변수 및 계수 추정부(61)에서 추정한 동적 마찰 모델(60)의 마찰계수를 이용하여 동적 마찰 모델(60)에 따른 예상 마찰 토크를 추정하는 상태 추정부(62);를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 시스템은 랙기어(40)를 이용한 R-MDPS(Rack - Motor Driven Power Steering) 시스템으로, 스티어링휠(31)과 랙기어(40) 사이에는 컬럼(30)이 마련되고, 컬럼(30)에 형성된 피니언기어(36)가 랙기어(40)와 연결된 구조로 설정할 수 있다. 더 구체적으로, 스티어링휠(31)과 연결된 컬럼(30)이 피니언기어(36)를 통하여 랙기어(40)로 연결되고, 스티어링휠(31)의 회전에 의해 컬럼(30)의 비틀림 변위가 발생될 수 있다.
컬럼(30)에는 스티어링휠(31)과 직접 연결된 스티어링 샤프트(32), 토션바(33) 및 어시스트 샤프트(35)가 포함될 수 있고, 이들은 동축으로 연결되어 동일한 회전 방향으로 회전될 수 있다. 어시스트 샤프트(35)에는 조향휠(미도시)과 연결된 타이로드(미도시)가 양단부에 결합된 랙기어(40)에 동력을 전달하는 피니언기어(36)가 결합될 수 있다.
스티어링 샤프트(32) 또는 토션바(33)의 주위에는 토크센서(34)가 배치되고, 토크센서(34)는 운전자가 스티어링휠(31)을 조작함에 따라 발생하는 토션바(33)의 비틀림 또는 토션바(33)의 토크(Ttb)를 센싱할 수 있다.
동력원(10)은 일 실시예로 모터(10)일 수 있고, 컬럼(30)(특히, 어시스트 샤프트(35))에 연결되어 조향보조력을 제공할 수 있다.
여기서, 본 발명은 동력원(10)은 컬럼(30)에 연결되어 조향보조력을 제공하는 칼럼마운트 방식(C-MDPS)을 통하여 설명하고 있지만, 랙마운트 방식(R-MDPS)에도 동일하게 적용될 수 있을 것이다.
전달기어(20)는 일종의 감속기로, 동력원(10)에서 발생된 조향보조력을 어시스트 샤프트(35)로 전달할 수 있다. 일 실시예로, 전달기어(20)는 웜기어(21)와 웜휠(22)일 수 있다. 웜기어(21)는 동력원(10)에 결합되고, 웜휠(22)은 어시스트 샤프트(35)에 연결될 수 있다.
웜기어(21)와 웜휠(22)은 동력원(10)에서 발생된 조향보조력을 전달하도록 서로 결합된 것으로, 그 사이에는 구조적으로 마찰 토크가 발생한다. 이러한 마찰 토크를 추정하기 위한 동적 마찰 모델(60)을 설정할 수 있다.
동적 마찰 모델(60)로는 Darl model과 같은 마찰 모델을 이용할 수도 있으나, 본 발명에서는 LuGre model에 따른 마찰 모델을 이용하여 마찰 토크를 추정한다.
계수 추정부(61)는 전달기어(20)에 실제로 발생하는 실제 마찰 토크를 기반으로 동적 마찰 모델(60)의 마찰계수를 추정할 수 있다.
일 실시예로, 계수 추정부(61)는 기설정된 시간동안 실제 마찰 토크, 접촉면 이동속도 및 동적 마찰 모델(60)의 상태 변수를 이용하여 최소 자승법으로 동적 마찰 모델(60)의 마찰계수를 추정할 수 있다.
구체적으로, 계수 추정부(61)는 예상 마찰 토크를 추정하기 위하여 동적 마찰 모델(60)에서 이용하는 마찰계수를 업데이트하는 구성으로, 예상 마찰 토크를 추정하여 동력원(10)을 제어한 이후, 실제 예상 마찰 토크를 반영하여 제어된 동력원(10)의 구동에 따라 전달기어(20)의 실제 마찰 토크를 이용하여 동적 마찰 모델(60)의 마찰계수를 새롭게 추정하는 것이다.
또한, 상태 추정부(62)는 동적 마찰 모델(60)의 상태 변수를 산출하고, 산출한 상태 변수를 동적 마찰 모델(60)에 입력하여 예상 마찰 토크를 추정하는 구성이다. 특히, 동적 마찰 모델(60)의 마찰계수는 이전에 저장되거나, 또는 이전에 계수 추정부(61)에서 추정된 것일 수 있다.
일 실시예로, 상태 추정부(62)는 계수 추정부(61)에서 추정한 동적 마찰 모델(60)의 마찰계수를 이용하여 기설정된 시간동안 동적 마찰 모델(60)의 상태 변수를 산출하고, 이에 따라 예상 마찰 토크를 추정할 수 있고, 그 이후에는 업데이트된 동적 마찰 모델(60)의 마찰계수를 이용할 수 있다.
즉, 계수 추정부(61)와 상태 추정부(62)에서 순환적으로 동적 마찰 모델(60)의 마찰계수를 업데이트함으로써 조립공차 또는 기구부의 마모 등에 의해 발생되는 마찰계수의 변화에 적응하여 동적 마찰 모델(60)을 업데이트할 수 있고, 이에 따라 강건한 조향 제어가 가능한 효과를 갖는다.
특히, 이러한 제어를 속도 구간별로 반복하여, 부품 산포 및 내구 열화에 따른 마찰 토크 변화에 적응적인 마찰계수 추정이 가능한 효과를 갖는다.
요구 조향각 또는 요구 조향각속도를 기반으로 동력원(10)의 제어토크를 산출하는 제어토크 산출부(70); 및 제어토크 산출부(70)에서 산출한 동력원(10)의 제어토크에 상태 추정부(62)에서 추정한 예상 마찰 토크를 반영하여 동력원(10)을 제어하는 동력원 제어부(80);를 더 포함할 수 있다.
제어토크 산출부(70)는 보조조향력을 발생시키는 동력원(10)의 제어토크를 산출하는 것으로, 요구 조향각 및 요구 조향각속도과 실제 조향각 및 실제 조향각속도를 반영하여 동력원(10)의 제어토크를 산출할 수 있다.
일 실시예로, 기준모델(50)은 어시스트 토크 명령값(Ta) 및 실제 조향 토크(토크바 토크(
Figure pat00001
) 및 어시스트 샤프트(35) 토크(
Figure pat00002
))를 이용하여 요구 조향각 (
Figure pat00003
)및 요구 조향각속도(
Figure pat00004
)를 산출할 수 있다.
제어토크 산출부(70)는 웜휠(22)의 실제 조향각(
Figure pat00005
) 및 실제 조향각속도(
Figure pat00006
)가 요구 조향각 (
Figure pat00007
)및 요구 조향각속도(
Figure pat00008
)를 추종하도록 피드백 제어할 수 있다. 예를 들어, PD 제어(Proportional-Derivative Control) 방식으로 동력원(10)을 제어할 수 있다.
동력원 제어부(80)는 제어토크 산출부(70)에서 산출한 동력원(10)의 제어토크를 기반으로 동력원(10)을 제어하는 구성으로, 상태 추정부(62)에서 추정한 예상 마찰 토크를 반영하여 동력원(10)을 제어할 수 있다. 예상 마찰 토크는 동적 마찰 모델(60)에 따라 추정된 것으로, 상태 추정부(62)에서 추정될 수 있다.
실제 마찰 토크와 상태 추정부(62)에서 추정한 예상 마찰 토크 사이의 차이를 산출하고, 산출한 차이를 제어토크에 보상하는 외란보상부(90);를 더 포함할 수 있다.
외란보상부(90)는 실제 마찰 토크와 예상 마찰 토크 사이의 차이인 잔류 마찰 성분을 제어토크에 보상할 수 있다.
특히, 상태 추정부(62)에서 추정된 예상 마찰 토크는 피드포워드(Feed-Forward) 방식으로 제어토크에 보상함으로써 추종 제어 성능을 향상시키고, 잔류 마찰 성분은 외란보상부(90)에 의해 보상될 수 있다.
도 2 내지 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 시스템을 제어하는 방법은 전달기어(20)에 실제로 발생하는 실제 마찰 토크를 기반으로 동적 마찰 모델(60)의 마찰계수를 추정하는 단계; 전달기어(20)의 접촉면 이동속도를 기반으로 동적 마찰 모델(60)의 상태 변수를 산출하는 단계; 및 산출한 동적 마찰 모델(60)의 상태 변수 및 추정한 동적 마찰 모델(60)의 마찰계수를 이용하여 동적 마찰 모델(60)에 따른 예상 마찰 토크를 추정하는 단계;를 포함한다.
동적 마찰 모델(60)의 마찰계수를 추정하는 단계에서는, 웜기어(21)와 웜휠(22) 사이에서 발생하는 실제 마찰 토크를 기반으로 동적 마찰 모델(60)의 마찰계수를 추정할 수 있다.
실제 마찰 토크는 어시스트 토크 명령값(Ta)과 실제 조향 토크(토크바 토크(
Figure pat00009
) 및 어시스트 샤프트(35) 토크(
Figure pat00010
))를 이용하여 추정할 수 있다.
구체적으로 동적 마찰 모델(60)의 마찰계수를 추정하는 단계에서는, 전달기어(20)의 접촉면 이동속도, 동적 마찰 모델(60)의 상태 변수 및 실제 마찰 토크를 이용하여 동적 마찰 모델(60)의 마찰계수를 추정할 수 있다.
전달기어(20)의 접촉면 이동속도(v)는 전달기어(20)의 회전속도로부터 산출할 수 있다. 동력원(10)과 연결되어 동시에 회전하는 웜기어(21)의 회전속도 및 웜기어(21)의 원주길이를 이용하거나, 또는 웜휠(22)의 회전속도로부터 산출할 수 있다.
동적 마찰 모델(60)은 정지 마찰, 운동 마찰 및 점성 마찰이 포함된 LuGre 마찰 모델이고, 마찰계수에는 강성 마찰계수, 댐핑 마찰계수 및 점성 마찰계수가 포함될 수 있다.
구체적으로, LuGre model은 솔(Bristle) 형태의 동적 마찰 모델(60)로, 동적 마찰 모델(60)의 상태 변수에는 LuGre model에서는 상태 변수로 z(=
Figure pat00011
),
Figure pat00012
가 포함될 수 있다.
LuGre model에서는 아래와 같은 수식으로 접촉면 속도에 따른 마찰토크를 추정할 수 있다.
Figure pat00013
여기서,
Figure pat00014
는 강성 마찰계수,
Figure pat00015
는 댐핑 마찰계수,
Figure pat00016
는 점성 마찰계수이고, z는 솔 변위[μm]이며, v는 접촉면 속도이다.
상태변수 중 솔 변위의 변화율(
Figure pat00017
)는 아래와 같은 수식으로 산출할 수 있다.
Figure pat00018
여기서, g(v)는 접촉면 이동속도에 따른 마찰 토크맵일 수 있다. 일 실시예로, 접촉면 이동속도에 따른 마찰 토크맵은 아래 수식으로 산출할 수 있다.
Figure pat00019
여기서, Tc는 쿨롱(Coulomb) 마찰토크이고, Ts는 최대 정지 마찰토크이며,
Figure pat00020
는 Stribeck effect를 제공하는 이동속도로 기설정된 값일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 접촉면 이동속도에 따른 마찰 토크맵이다.
도 4를 더 참조하면, 접촉면 이동속도에 따른 마찰 토크맵(g(v))은 Stribeck effect, 점성 마찰 및 쿨롱 마찰을 고려하여 결정될 수 있다.
동적 마찰 모델(60)의 상태 변수를 산출하는 단계에서는, 기저장된 전달기어(20)의 접촉면 이동속도에 따른 마찰 토크맵을 이용하여 동적 마찰 모델(60)의 상태 변수를 산출할 수 있다.
즉, 기저장된 접촉면 이동속도에 따른 마찰 토크맵(g(v))의 수식 또는 기매핑된 접촉면 이동속도에 따른 마찰 토크맵(g(v))을 이용하여 접촉면 이동속도에 따른 동적 마찰 모델(60)의 상태 변수(솔 변위의 변화율(
Figure pat00021
))를 산출할 수 있다.
동적 마찰 모델(60)의 마찰계수를 추정하는 단계에서는, 실제 마찰 토크와 예상 마찰 토크 사이의 오차가 최소화되는 마찰계수를 추정할 수 있다.
예상 마찰 토크(
Figure pat00022
)는 아래의 수식과 같이 추정할 수 있다. 여기서, X는 동적 마찰 모델(60)의 상태 변수이고,
Figure pat00023
는 동적 마찰 모델(60)의 마찰계수이다.
Figure pat00024
실제 마찰 토크(
Figure pat00025
)와 예상 마찰 토크(
Figure pat00026
) 사이의 오차를 e로 설정하면, 오차의 제곱으로 구성된 목적함수(J)를 아래와 같이 정의할 수 있다.
Figure pat00027
오차의 제곱으로 구성된 목적함수(J)가 최소가 되는 마찰계수를 찾기 위하여, 목적함수를
Figure pat00028
로 편미분한 값이 0인 것으로 가정하면 아래와 같이 실제 마찰 토크와 예상 마찰 토크 사이의 오차가 최소화되는 마찰계수를 추정할 수 있다.
Figure pat00029
추정한 마찰계수를 접촉면 이동속도에 따른 마찰 토크맵(g(v))에 적용하면 동적 마찰 모델(60)의 상태 변수를 산출할 수 있고, 상태 변수 및 접촉면 이동속도(v)에 따른 예상 마찰 토크를 추정할 수 있다.
이에 따라, 예상 마찰 토크가 실제 마찰 토크에 수렴하도록 동적 마찰 모델(60)의 마찰계수를 설정함으로써 동적 마찰 모델(60)을 실제와 같이 구성하는 것이 가능하며, 이에 따라 파워 조향 시스템의 조향감이 향상되는 효과를 갖는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 시스템을 적용한 실제 마찰 토크와 예상 마찰 토크를 도시한 것이고, 도 6 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 시스템을 적용한 조향각속도 및 조향각을 도시한 그래프이다.
도 5를 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 시스템을 적용하면 동적 마찰 모델(60)을 이용하여 추정한 예상 마찰 토크가 실제 마찰 토크와 거의 동일하게 추정되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 6 내지 7을 더 참조하면, 실제 조향각속도 및 실제 조향각이 요구 조향각속도 및 요구 조향각을 오차 없이 추정하는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 파워 조향 시스템 및 그 제어방법에 따르면 운전자의 요구 조향각 및 요구 조향각속도를 정확하게 추정하여 요구하는 조향감을 구현할 수 있는 효과가 입증되었다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 동력원 20 : 전달기어
30 : 컬럼 40 : 랙기어
50 : 기준모델 60 : 동적 마찰 모델
61 : 계수 추정부 62 : 상태 추정부
70 : 제어토크 산출부 80 : 동력원 제어부
90 : 외란보상부

Claims (13)

  1. 차량의 조향을 어시스트하는 조향보조력을 발생시키는 동력원;
    동력원과 컬럼 사이에 위치되고, 동력원에서 발생된 조향보조력을 컬럼으로 전달하는 전달기어;
    전달기어에 실제로 발생하는 실제 마찰 토크를 기반으로 동적 마찰 모델의 마찰계수를 추정하는 계수 추정부; 및
    전달기어의 접촉면 이동속도를 기반으로 동적 마찰 모델의 상태 변수를 산출하고, 산출한 상태 변수 및 계수 추정부에서 추정한 동적 마찰 모델의 마찰계수를 이용하여 동적 마찰 모델에 따른 예상 마찰 토크를 추정하는 상태 추정부;를 포함하는 전동식 파워 조향 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    계수 추정부에서는, 전달기어의 접촉면 이동속도, 상태 추정부의 상태 변수 및 실제 마찰 토크를 이용하여 동적 마찰 모델의 마찰계수를 추정하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상태 추정부에서는, 기저장된 전달기어의 접촉면 이동속도에 따른 마찰 토크맵을 이용하여 동적 마찰 모델의 상태 변수를 산출하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    동적 마찰 모델은 정지 마찰, 운동 마찰 및 점성 마찰이 포함된 LuGre 마찰 모델이고, 마찰계수에는 강성 마찰계수, 댐핑 마찰계수 및 점성 마찰계수가 포함된 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    요구 조향각 또는 요구 조향각속도를 기반으로 동력원의 제어토크를 산출하는 제어토크 산출부; 및
    제어토크 산출부에서 산출한 동력원의 제어토크에 상태 추정부에서 추정한 예상 마찰 토크를 반영하여 동력원을 제어하는 동력원 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    실제 마찰 토크와 상태 추정부에서 추정한 예상 마찰 토크 사이의 차이를 산출하고, 산출한 차이를 제어토크에 보상하는 외란보상부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 시스템.
  7. 청구항 1의 전동식 파워 조향 시스템을 제어하는 방법으로서,
    전달기어에 실제로 발생하는 실제 마찰 토크를 기반으로 동적 마찰 모델의 마찰계수를 추정하는 단계;
    전달기어의 접촉면 이동속도를 기반으로 동적 마찰 모델의 상태 변수를 산출하는 단계; 및
    산출한 동적 마찰 모델의 상태 변수 및 추정한 동적 마찰 모델의 마찰계수를 이용하여 동적 마찰 모델에 따른 예상 마찰 토크를 추정하는 단계;를 포함하는 전동식 파워 조향 시스템의 제어방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    동적 마찰 모델의 마찰계수를 추정하는 단계에서는, 전달기어의 접촉면 이동속도, 동적 마찰 모델의 상태 변수 및 실제 마찰 토크를 이용하여 동적 마찰 모델의 마찰계수를 추정하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 시스템의 제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    동적 마찰 모델의 마찰계수를 추정하는 단계에서는, 실제 마찰 토크와 예상 마찰 토크 사이의 오차가 최소화되는 마찰계수를 추정하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 시스템의 제어방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    동적 마찰 모델의 상태 변수를 산출하는 단계에서는, 기저장된 전달기어의 접촉면 이동속도에 따른 마찰 토크맵을 이용하여 동적 마찰 모델의 상태 변수를 산출하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 시스템의 제어방법.
  11. 청구항 7에 있어서,
    동적 마찰 모델은 정지 마찰, 운동 마찰 및 점성 마찰이 포함된 LuGre 마찰 모델이고, 마찰계수에는 강성 마찰계수, 댐핑 마찰계수 및 점성 마찰계수가 포함된 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 시스템의 제어방법.
  12. 청구항 7에 있어서,
    예상 마찰 토크를 추정하는 단계 이후에, 요구 조향각 또는 요구 조향각속도를 기반으로 동력원의 제어토크를 산출하는 단계; 및
    산출한 동력원의 제어토크에 상태 추정부에서 추정한 예상 마찰 토크를 반영하여 동력원을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 시스템의 제어방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    동력원을 제어하는 단계 이전에, 실제 마찰 토크와 상태 추정부에서 추정한 예상 마찰 토크 사이의 차이를 제어토크에 보상하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 조향 시스템의 제어방법.
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