KR101519762B1

KR101519762B1 - 전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101519762B1
Application number: KR1020130165255A
Authority: KR
Inventors: 김재형; 이경복
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2015-05-12
Also published as: US9493182B2; US20150183453A1

Abstract

차량의 횡력에 따른 랙바의 벤딩시 랙바와 베어링 간의 과다한 프릭션을 모터토크로 보상하여 조향감을 향상시킬 수 있도록 한 전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상 시스템 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 차량의 선회시 랙바에 횡력이 전달될 때, 랙바의 벤딩 여부를 판정하는 랙벤딩 신호처리부와; 랙바에 벤딩이 발생된 것으로 판정되면, 모터의 기본적인 조향토크에 랙바의 벤딩 변위에 따른 랙 벤딩 요구 토크가 추가된 최종 모터 토크를 산출하여, 모터 전류를 제어하는 프릭션 보상 제어부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상 시스템및 방법을 제공한다.

Description

전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상 시스템 및 방법{System and method for compensating friction accoding to rack bending of MDPS}

본 발명은 전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량의 횡력에 따른 랙바의 벤딩시 랙바와 베어링 간의 과다한 프릭션을 모터토크로 보상하여 조향감을 향상시킬 수 있도록 한 전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상 시스템 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 차량의 파워스티어링 장치는 스티어링 휠의 각회전 조작력 경감을 위한 장치로서, 유압을 이용한 파워스티어링(Power Steering) 방식이 지속적으로 사용되어 왔다.

최근에 출시되는 차량에는 주행속도에 따른 조타력을 변화시키기 위해 전동식 파워스티어링 장치(MDPS: motor driven power steering)가 탑재되고 있다.

상기 전동식 파워스티어링 장치는 차속 감응형 파워스티어링 장치로서, 전동식 파워스티어링 모듈의 ECU가 차량 속도에 따라 조향각 및 모터 움직임을 제어하면서 최적의 조향감을 운전자에게 제공하는 기능을 한다.

좀 더 상세하게는, 전동식 스티어링 장치는 모터의 동력으로 조향 파워를 어시스트(assist)하는 장치로서, 스티어링 컬럼쪽에 장착되어 조향을 위한 동력 발생용 모터와, 조향축과 연결된 랙바와, 모터의 출력축과 랙바 간을 동력전달 가능하게 연결하는 감속기어박스와, 차속을 입력받아 모터의 구동을 제어하는 ECU 등으로 구성되어, 조향력을 어시스트(assist)하는 기능을 한다.

이때, 도 1에서 보듯이 랙바(12)는 랙바 하우징(10)내에 베어링(14)을 매개로 좌측 또는 우측으로 이동 가능하게 배열되어, 차량의 선회시 랙바(12)는 베어링(14)과 구름 마찰하면서 조향을 위하여 좌측 또는 우측으로 이동하게 된다.

도 2에서 보듯이 차량의 선회시 조향축(16)에 대하여 수직방향의 횡력이 발생되는 바, 이때의 횡력은 도 1에서 보듯이 조향축(16) 및 랙바(12)쪽으로 전달된다.

이러한 횡력이 랙바(12)로 전달되면, 도 3에서 보듯이 랙바의 강성이 충분한 경우에는 랙바에 벤딩이 발생되지 않아 수평 상태를 유지하지만, 랙바의 강성이 부족한 경우에는 랙바에 휘어짐 즉, 벤딩이 발생하게 된다.

이렇게 횡력에 의하여 랙바에 벤딩이 발생하면, 랙바와 랙바 하우징내의 베어링 간 접촉면에서의 프릭션이 과다하게 발생하게 되어, 결국 부드러운 핸들링감을 제공하지 못하는 문제점을 야기하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 횡력으로 인한 랙바의 벤딩 여부를 판단한 후, 랙바의 벤딩시 횡력으로 인한 랙바와 베어링 간의 프릭션을 모터 토크를 통하여 보상함으로써, 부드러운 조향감을 실현할 수 있도록 한 전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 차량의 선회시 랙바에 횡력이 전달될 때, 랙바의 벤딩 여부를 판정하는 랙벤딩 신호처리부와; 랙바에 벤딩이 발생된 것으로 판정되면, 모터의 기본적인 조향토크에 랙바의 벤딩 변위에 따른 랙 벤딩 요구 토크가 추가된 최종 모터 토크를 산출하여, 모터 전류를 제어하는 프릭션 보상 제어부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상 시스템을 제공한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 차량의 선회시 횡력에 의한 랙바의 벤딩 여부 판정 단계와; 랙바에 벤딩이 발생된 것으로 판정되면, 랙바와 베어링 간의 프릭션 보상 토크를 결정하는 단계와; 상기 프릭션 보상 토크로 모터 전류를 제어하는 프릭션 보상 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상 방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따른 상기 랙바의 벤딩 여부 판정 단계는: 랙바의 벤딩 변위를 계산하는 단계와; 계산된 랙바의 벤딩 변위와, 랙바와 베어링 간의 간극을 비교하는 단계와; 랙바의 벤딩 변위가 랙바와 베어링 간의 간극보다 크면 랙바에 벤딩이 발생된 것으로 결정하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 랙바의 벤딩 변위는

에 의하여 계산되는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 프릭션 보상 토크는 모터의 기본적인 조향토크에 랙바의 벤딩 변위에 따른 랙 벤딩 요구 토크를 더해준 값으로 산출되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 랙바의 벤딩 변위에 따른 랙 벤딩 요구 토크(T_rack)는 "T_rack = dWmax/dθ"에 의하여 구해진 것임을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 차량의 선회시 횡력이 랙바에 전달되면, 횡력에 의한 랙바의 벤딩 여부를 판단한 후, 랙바가 벤딩된 것으로 판정되면 횡력으로 인한 랙바와 베어링 간의 프릭션을 모터 토크로 보상해 줌으로써, 부드러운 조향감을 제공할 수 있다.

도 1은 전동식 파워스티어링 장치의 랙바와 베어링 위치를 보여주는 도면,
도 2는 차량의 선회시 횡력이 발생되는 것을 나타낸 개략도,
도 3은 차량의 선회시 횡력에 의하여 랙바가 벤딩되는 것을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상 시스템을 나타낸 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상 방법으로서, 랙 벤딩 여부를 판정하는 단계를 도시한 순서도,
도 6은 랙바의 벤딩 변위를 계산하는 원리를 나타낸 개략도,
도 7은 본 발명에 따른 전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상 방법을 도시한 순서도,
도 8은 본 발명에 따른 전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상에 의하여 일정한 조향 히스테리시스가 구현되는 것을 나타낸 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 차량의 선회시 횡력에 의하여 랙바에 벤딩이 발생하면, 랙바와 랙바 하우징내의 베어링 간 접촉면에서의 프릭션이 과다하게 발생하게 되어, 부드러운 핸들링감을 제공하지 못하는 점을 해결하고자, 횡력으로 인한 랙바와 베어링 간의 프릭션을 모터의 기본적인 조향토크에 추가되는 프릭션 보상 토크로 보상해 줌으로써, 선회 주행시 부드러운 조향감을 제공할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

이를 위해, 본 발명에 따른 전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상 시스템은 차량의 선회시 랙바에 횡력이 전달될 때, 랙바의 벤딩 여부를 판정하는 랙 벤딩 신호처리부(20)를 포함하고, 또한 랙바에 벤딩이 발생된 것으로 판정되면, 모터의 기본적인 조향토크에 랙바의 벤딩 변위에 따른 랙 벤딩 요구 토크가 추가된 최종 모터 토크를 산출하여, 이 최종 모터 토크를 인가하기 위한 모터 전류를 제어하는 프릭션 보상 제어부(22)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 랙 벤딩 신호처리부와 프릭션 보상 제어부에 의하여 이루어지는 본 발명의 랙 벤딩 프릭션 보상 방법을 순차적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 랙 벤딩 신호처리부(20)에 의하여 랙바의 벤딩 여부를 판정하는 단계가 진행된다.

차량의 선회시 랙바가 랙바 하우징내의 베어링과 구름 마찰하면서 조향을 위하여 좌측 또는 우측으로 이동하게 될 때, 랙바와 랙바 하우징내의 베어링 간 접촉면에서의 프릭션이 과다하게 발생됨에 따라, 랙바가 벤딩될 수 있다.

이에, 상기 랙 벤딩 신호처리부(20)는 횡력에 의하여 랙바와 베어링 간 접촉면에서의 프릭션이 과다하게 발생됨에 따라 랙바가 벤딩되는지 여부를 판정한다.

도 6은 랙바의 벤딩 변위(반경방향 변위)을 계산하는 원리를 설명하기 위한 도면으로서, L은 랙바의 총 길이(mm), P는 랙바에 걸리는 횡력(Fy), a는 베어링 장착 부위까지의 길이(mm)를 각각 나타낸다.

따라서, 베어링 위치에 따른 랙바의 벤딩 변위(W_max)는 아래의 수학식 1에 의하여 산출될 수 있다.

위의 수학식 1에서, L = 랙바의 총 길이 (mm), P = 랙바에 걸리는 횡력(Fy ), a = 베어링 장착 부위까지의 길이(mm), E = 영률(탄성계수), I = 탄성 모멘트 (mm^4)를 각각 나타낸다.

이렇게 구해진 랙바의 벤딩 변위를 도 5의 순서도에서보듯이, 랙바와 베어링 간의 간극(clearance)과 비교하여, 랙바의 벤딩 변위가 랙바와 베어링 간의 간극보다 작으면 랙 밴딩 미발생으로 판정하고, 랙바의 벤딩 변위가 랙바와 베어링 간의 간극보다 크면 랙 밴딩이 발생된 것으로 판정한다.

참고로, 상기 간극은 랙바와 베어링 조립 설계시 정해진 값이다.

따라서, 상기 랙 벤딩 신호처리부(20)에서 랙 벤딩이 발생된 것으로 판정할 때의 랙바의 벤딩 변위 즉, 위의 수학식 1에 의하여 구해진 랙바의 벤딩 변위를 프릭션 보상 제어부(22)로 전달한다.

이어서, 상기 프릭션 보상 제어부(22)에 의하여 랙바와 베어링 간의 프릭션 보상 토크를 결정하는 단계 및 프릭션 보상 토크로 모터 전류를 제어하는 프릭션 보상 단계가 진행된다.

상기 프릭션 보상 토크는 선회 주행을 위한 운전자 요구에 따른 모터의 기본적인 조향토크에 랙바의 벤딩 변위에 따른 랙 벤딩 요구 토크(T_rack)를 더해준 값으로 산출된다.

이때, 상기 랙바의 벤딩 변위에 따른 랙 벤딩 요구 토크(T_rack)는 아래 수학식 2에 의하여 산출될 수 있다.

모터의 기본적인 조향토크와 랙바의 벤딩 변위에 따른 랙 벤딩 요구 토크(T_rack)를 더해준 값인 프릭션 보상 토크를 모터에 인가하기 위하여, 모터에 대한 전류 제어를 실시하게 된다.

즉, 모터의 기본적인 조향토크를 인가하기 위한 MDPS 기본 모터 제어 전류(Ti)와 랙 벤딩 요구 토크를 인가하기 위한 랙 벤딩 요구 전류(Xi)의 합인 최종 MDPS 모터 제어 전류(Mi)를 모터에 인가함으로써, 모터 토크가 보다 증대된 토크가 되어 랙바에 작용하게 된다.

결국, 상기 모터가 모터의 기본적인 조향토크와 랙바의 벤딩 변위에 따른 랙 벤딩 요구 토크(T_rack)를 더해준 값인 프릭션 보상 토크로 출력됨으로써, 랙바에 보다 큰 모터 토크가 작용하여 랙바와 베어링 간의 과도한 프릭션을 보상하게 되므로, 운전자는 부드러운 조향감을 느끼게 된다.

이와 같이, 차량의 선회시 횡력이 랙바에 전달되면, 횡력에 의하여 랙바와 베어링 간의 과도한 프릭션으로 인하여 랙바의 벤딩이 발생되더라도, 횡력으로 인한 랙바와 베어링 간의 프릭션을 모터 토크로 보상해 줌으로써, 선회 주행시에도 항상 부드러운 조향감을 제공할 수 있다.

10 : 랙바 하우징
12 : 랙바
14 : 베어링
16 : 조향축
20 : 랙 벤딩 신호처리부
22 : 프릭션 보상 제어부

Claims

차량의 선회시 랙바에 횡력이 전달될 때, 랙바의 벤딩 여부를 판정하는 랙벤딩 신호처리부와;
랙바에 벤딩이 발생된 것으로 판정되면, 모터의 기본적인 조향토크에 랙바의 벤딩 변위에 따른 요구 토크가 추가된 최종 모터 토크를 산출하여, 모터 전류를 제어하는 프릭션 보상 제어부;
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상 시스템.
차량의 선회시 횡력에 의한 랙바의 벤딩 여부 판정 단계와;
랙바에 벤딩이 발생된 것으로 판정되면, 랙바와 베어링 간의 프릭션 보상 토크를 결정하는 단계와;
상기 프릭션 보상 토크로 모터 전류를 제어하는 프릭션 보상 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 랙바의 벤딩 여부 판정 단계는:
랙바의 벤딩 변위를 계산하는 단계와;
계산된 랙바의 벤딩 변위와, 랙바와 베어링 간의 간극을 비교하는 단계와;
랙바의 벤딩 변위가 랙바와 베어링 간의 간극보다 크면 랙바에 벤딩이 발생된 것으로 결정하는 단계;
로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 랙바의 벤딩 변위는

에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상 방법.
L = 랙바의 총 길이 (mm), P = 랙바에 걸리는 횡력(Fy ), a = 베어링 장착 부위까지의 길이(mm), E = 영률(탄성계수), I = 탄성 모멘트 (mm^4).
청구항 2에 있어서,
상기 프릭션 보상 토크는:
모터의 기본적인 조향토크에 랙바의 벤딩 변위에 따른 랙 벤딩 요구 토크를 더해준 값으로 산출되는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 랙바의 벤딩 변위에 따른 요구 토크(T_rack)는 "T_rack = dW_max/dθ"에 의하여 구해진 것임을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 랙 벤딩 프릭션 보상 방법.