KR19980071642A

KR19980071642A - 전동 파워 스티어링 시스템용 제어기

Info

Publication number: KR19980071642A
Application number: KR1019980005723A
Authority: KR
Inventors: 슈지 엔도
Original assignee: 세끼야 데쯔오; 닛본 세이고 가부시끼가이샤
Priority date: 1997-02-25
Filing date: 1998-02-24
Publication date: 1998-10-26
Also published as: JPH10236323A; DE19807024A1; JP3951337B2; DE19807024B4; KR100361119B1; US5982137A

Abstract

본 발명은 모터용 전원 전압의 저하를 예측하여 전원 전압의 저하가 예측되었을 때, 아이들링 업(idling-up) 동작을 행하기에 적합한 전동 파워 스티어링 시스템에 관한 것이다. 즉, 본 전동 파워 스티어링 시스템용 제어기는, 스티어링 샤프트에서 발생된 스티어링 토오크에 기초하여 연산된 스티어링 보조 지령값과 모터 전류값으로부터 연산된 전류 제어값에 기초하여 스티어링 기구에 스티어링 보조력을 공급하기 위한 모터를 제어하기에 적합하다. 또한, 상기 제어기는 모터에 인가된 전원 전압 저하의 발생을 예측하기 위한 예측 수단을 구비하고 있다. 또한, 상기 아이들링 업 동작은 전원 전압의 저하가 예측되었을 때 행해진다.

Description

전동 파워 스티어링 시스템용 제어기

본 발명은 자동차나 차량의 스티어링 시스템에 모터에 의해 동작되는 스티어링 보조력을 제공하도록 한 전동 파워 스티어링 시스템용 제어기에 관한 것으로, 특히 본 발명은 전원 전압의 저하를 예측하고 아이들 업 동작을 수행함으로써 긴급 조종(또는 스티어링 동작)에 있어서의 응답성을 향상시키도록 한 전동 파워 스티어링 시스템용 제어기에 관한 것이다.

모터의 회전력을 이용하여 스티어링 장치의 보조 부하 압축을 수행하는 종래의 모터 구동 파워 스티어링 시스템은, 모터의 구동력을 감속 기어를 통해 전달하기 위해 기어나 벨트와 같은 전달 기구에 의해 스티어링 샤프트 또는 랙 샤프트에 대해 보조 부하 압축이 수행되도록 되어 있다. 이와 같은 종래의 모터 구동 파워 스티어링 시스템은 스티어링 보조 토오크를 정확하게 발생시키기 위해 모터 전류의 피드백 제어를 수행한다.

피드백 제어는 전류 제어값과 모터 전류 검출값의 차가 감소하도록 하는 방식으로 모터에 인가되거나 가해진 전압을 조정한다. 일반적으로, 모터에 인가되는 전압의 조정은 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 동작에 이용되는 듀티 비의 조정에 의해 행해진다.

이하에서, 모터 구동 파워 스티어링 시스템의 일반적 또는 통상적인 구성을 도 1에 도시하였다. 스티어링 핸들(1)의 축(2)은 감속 기어(3), 유니버설 조인트(4a 및 4b) 및 피니언/랙 기구(5)를 통해 각각 휠과 대응되게 타이 로드(6)와 연결되어 있다. 스티어링 핸들(1)의 스티어링 토오크를 검출하는 토오크 센서(10)는 샤프트(2)에 부착되어 있다. 스티어링 핸들(1)의 조향력을 보조하는 모터(20)는 클러치(21) 및 감속 기어(3)를 통해 샤프트(2)와 연결되어 있다. 전동 파워는 배터리(14) 및 이그니션 키(11)를 통해 파워 스티어링 시스템을 제어하는 컨트롤 유닛(30)에 공급된다. 그리고, 컨트롤 유닛(30)은, 토오크 센서(10)에 의해 검출된 스티어링 토오크(T) 및 차속 센서(12)에 의해 검출된 차속 즉 차량 스피드(V)에 기초하여 보조 지령을 행함으로써 얻는 스티어링 보조 지령값(I)을 연산한다. 또한, 컨트롤 유닛(30)은 연산된 스티어링 보조 지령값(I)에 기초하여 모터(20)에 공급하는 전류를 제어한다. 클러치(21)의 온/오프 제어는 제어 유닛(30)으로 제어되며, 통상의 동작 상태하에서는 온(즉, 결합)되어 있다. 또한, 컨트롤 유닛(30)이 파워 스티어링 시스템이 고장이라고 판단하였을 때, 및 배터리(14)로 부터의 파워가 이그니션 키(11)에 의해 오프되어 있을 때, 클러치(21)는 오프(즉, 분리)된다.

컨트롤 유닛(30)은 주로 CPU로 구성된다. 도 2에 CPU 내의 프로그램 실행으로 행해지는 일반적인 기능을 나타내었다. 예를 들면, 위상 보상기(31)로 기록된 블럭은 독립된 하드웨어로서 작용하는 위상 보상기를 나타내는 것이 아니라, CPU에 의해 수행되는 위상 보상 기능을 나타낸다. 컨트롤 유닛(30)의 기능 및 동작은 다음의 설명으로 명확해 진다. 첫째, 위상 보상기(31)에서, 스티어링 시스템의 안정성을 높이기 위하여, 토오크 센서(10)에 의해 검출되어 입력된 스티어링 토오크 T에 대해 위상 보상이 행해진다. 계속하여, 위상 보상된 스티어링 토오크(TA)가 스티어링 보조 지령값 연산기(32)에 입력된다. 또, 차속 센서(12)에서 검출된 차속(V)도 스티어링 보조 지령값 연산기(32)에 입력된다. 그리고, 스티어링 보조 지령값 연산기(32)는 입력된 스티어링 토오크(TA) 및 차속(V)에 따라서, 모터(20)에 공급되는 전류의 제어 목표값인 스티어링 보조 지령값(I)을 결정한다. 또, 메모리(33)는 스티어링 보조 지령값 연산기(32)에 설치되어 있다. 또한, 메모리(33)는, 파라메터로서 차속(V)을 이용하여 스티어링 토오크에 대응하는 스티어링 보조 지령값(I)을 저장하고, 스티어링 보조 지령값 연산기(32)에 의해 스티어링 보조 지령값(I)을 연산하기 위해 이용된다. 또한, 스티어링 보조 지령값(I)은 감산기(30A)에 입력되고, 응답 속도를 높이기 위해 사용되는 피드 포워드 시스템(feed forward system)의 미분 보상기(34)에도 입력된다. 감산기(30A)에서 얻은 편차(I-1)는 비례 연산기(35)에 입력된다. 비례 연산기(35)의 비례 출력은 가산기(30B)에 입력됨과 동시에 피드백 시스템의 특성을 개선하기 위한 적분 비교기(36)로 입력된다. 미분 보상기(34) 및 적분 보상기(36)의 출력은 가산기(30B)에 입력되고, 이 가산기(30B)에서 비례 연산기(35) 및 보상기(34 및 35)의 출력의 가산이 행해진다. 가산기(30B)에서 행한 가산 결과인 전류 제어값(E)을 나타내는 신호는 모터 구동 신호로서 모터 구동 회로에 입력된다. 모터(20)용 모터 전류값(i)은 모터 전류 검출 회로(38)에서 검출되어, 감산기(30A)로 입력되어 피드백된다.

도 3에 모터 구동 회로(37)의 구성예를 도시하고 이하에 설명하였다. 모터 구동 회로(37)는, 전계 효과 트랜지스터(FETs) FET1∼FET4의 각각을 구동하기 위한 FET 게이트 구동 회로(371)와; 전계 효과 트랜지스터 FET1∼FET4로 이루어진 H 브리지 회로; 및 전계 효과 트랜지스터 FET1 및 FET2의 하이(high) 측을 구동하기 위한 승압 전원(또는 부스터 : 372)으로 구성되어 있다. 전계 효과 트랜지스터(FET1 및 FET2)는 듀티비(D1)를 갖는 PWM 신호에 응답하여 온 또는 오프된다. 또한, 듀티비(D1)가 작은 영역에서, 전계 효과 트랜지스터 FET3 및 FET4는 소정의 1차 함수(D2=a·D1+b, 여기에서 a 및 b는 상수)로 정의된 듀티비(D2)를 갖는 PWM 신호에 응답하여 구동된다. 반면에, 듀티비(D1)가 큰 영역에서, 전계 효과 트랜지스터 FET3 및 FET4는 PWM 신호의 부호에 의해 결정된 모터의 회전 방향에 따라 온 또는 오프된다. 예를 들면, 전계 효과 트랜지스터 FET3가 도전 상태에 있을 때, 전류는 전계 효과 트랜지스터 FET1, 모터(20), 전계 효과 트랜지스터 FET3 및 저항 R1을 통해 흐른다. 따라서, 전류는 정(positive) 방향으로 모터에 흐른다. 또한, 전계 효과 트랜지스터 FET4가 도전 상태에 있을 때, 전류는 전계 효과 트랜지스터 FET2, 모터(20), 전계 효과 트랜지스터 FET4 및 저항(R2)를 통해 흐른다. 따라서, 전류는 부(negative) 방향으로 모터에 흐른다. 그러므로, 전류 제어값(E)을 나타내는 신호가 PWM 출력 신호로서 가산기(30B)로부터 출력된다. 또한, 모터 전류 검출 회로(38)는 저항(R1) 양단에 발생된 전압 강하에 기초하여 정(+)방향 전류의 크기를 검출한다. 또한, 모터 전류 검출 회로(38)는 저항(R2) 양단에 발생된 전압 강하에 기초하여 부(-)방향 전류의 크기를 검출한다. 모터 전류 검출 회로(38)에 의해 검출된 모터 전류값(i)은 감산기(30A)에 입력되고 피드백된다. 상술한 제어 유닛의 제어하에서 얻어지는 조향 성능을 위한 중요한 사양중 하나는 전동 스티어링 보조 장치의 응답성에 관한 것이다. 즉, 긴급 스티어링 동작을 가정할 경우, 얼마나 빠르게 운전자 또는 작동자가 무리없이 조향 동작을 할 수 있을 것인 지가 중요하다. 전동 파워 스티어링 시스템의 경우, 모터의 성능은 응답성을 위한 지배적 요소이다. 모터용 전원 전압은 알터네이터(alternator) 또는 배터리로부터 공급되는 전압 범위(14.5∼12.0V)로 항상 제한된다. 또한, 모터의 크기도 기계적인 사양에 맞게 제한된다. 따라서, 이러한 점들은, 모터의 설계적인 관점에서 보면, 전동 스티어링 시스템으로 실현할 수 있는 응답성에 제한을 갖게하는 원인이 된다.

한편, 응답성이 문제가 될 때는, 보조 전류가 필요하게 된다. 전동 스티어링 시스템이 알터네이터와 배터리를 모두 사용하는 일반적인 전원을 사용할 경우, 알터네이터의 성능과 부하에 공급된 전류 사이의 관계에 따라, 전원 전압은 알터네이터에서 발생된 전압에서 배터리에서 발생된 전압으로 시프트되어 저하된다. 즉, 도 4에 도시한 바와 같이 모터의 응답성은 라인, 즉 세그먼트(A)에서 다른 라인(B)로 시프트된다. 따라서, 종래의 파워 스티어링 시스템은 필요한 응답성을 얻을 수 없는 문제에 직면하게 된다.

또한, 위험을 회피하기 위해 급격한 스티어링 동작을 수행할 때, 스티어링 토오크가 증가된다. 그래서, 보조 토오크를 발생시킬 필요가 있다. 모터의 능력의 한계를 초과하는 식으로 모터를 구동하면, 도 5의 (a) 내지 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 모터 전류값의 급격한 변화가 발생하고, 그 결과 스티어링 토오크에 있어서 펄스형 변화가 일어난다. 즉, 급속한 스티어링 동작이 시점(t1)에서 행해질 경우, 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 모터 각속도 또는 속도는 증가한다. 반면에, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 모터 전류(i)는 역기전력으로 인하여 급격하게 감소한다. 이것에 부가하여, 도 5의 (c)에 도시한 바와 같이, 스티어링 토오크(T)는 시점(t1) 이후에 급격하게 증가한다. 게다가, 시스템의 고유 진동수가 여기된다. 따라서, 참조 부호(A)가 가리키는 현상은 운전자에게 위화감을 주게 된다.

본 발명은 상술한 상황하에서 이루어진 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 전원 전압 저하의 발생을 예측하고 아이들링 업 동작을 수행함으로써, 위험한 상황을 피하려고 하는 경우에 있어서의 스티어링 핸들의 긴급한 조종을 행할 때에도 시스템의 응답성을 향상시키는 전동 파워 스티어링 시스템용 제어기를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 스티어링 샤프트에서 발생된 스티어링 토오크에 기초하여 연산된 스티어링 보조 지령값과 모터 전류값으로부터 연산된 전류 제어값에 기초하여 스티어링 기구에 스티어링 보조력을 공급하는 모터를 제어하는데 적합한 전동 파워 스티어링 시스템용의 제어기를 제공하는 것이다. 또한, 상기 제어기는 상기 모터에 인가되는 전원 전압의 저하의 발생을 예측하기 위한 예측 수단을 구비하고 있다. 또, 상술한 전원 전압의 저하가 예측되었을 때 아이들링 업 동작이 행해진다.

또한, 상기 제어기의 실시예에서, 상술한 예측 수단은 상기 모터의 회전 속도 또는 각속도를 수신하고, 수신된 속도의 현재값 또는 과거값으로부터 상술한 전원 전압의 저하를 예측한다.

본 발명의 또 다른 특징, 목적 및 장점은 이하의 상세한 설명으로부터 충분히 알 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 잇점은 첨부 도면을 참조한 다음의 설명으로 명백해질 것이다.

도 1은 종래의 전동 파워 스티어링 시스템의 일예의 구성을 도시한 블럭도.

도 2는 종래의 전동 파워 스티어링 시스템의 컨트롤 유닛의 일반적인 내부 구성을 도시한 블럭도.

도 3은 종래의 전동 파워 스티어링 시스템의 모터 구동 회로의 개략도.

도 4는 전원 전압의 저하에 기인하는 모터 성능의 한계의 저하를 도시한 그래프.

도 5의 (a) 내지 도 5의 (c)는 급격한 스티어링 동작이 수행되었을 때의 종래 시스템의 동작예를 도시한 도면.

도 6은 본 발명의 전동 파워 스티어링 시스템에 있어서의 컨트롤 유닛의 예를 도시한 블럭도.

도 7은 본 발명에 따른 모터 전류와 모터 각속도 사이의 관계를 나타내는 도면.

도 8은 차속을 파라메터로서 이용하여 스티어링 토오크 및 스티어링 보조 지령값 사이의 관계의 예를 도시한 특성도.

도 9는 모터의 역기전력과 각속도 사이의 관계를 도시한 그래프.

도 10은 모터 전류값과 불감 대역폭 사이의 관계의 예를 도시한 그래프.

도 11은 각 상태에서 모터의 회전 속도를 검출하는 동작의 예를 도시한 플로우차트.

도 12는 본 발명 실시예의 동작예를 도시한 플로우차트.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 토오크 센서

12 : 차속 센서

31 : 위상 보상기

35 : 비례 연산기

36 : 적분 연산기

37 : 모터 구동 회로

38 : 모터 전류 검출 회로

310 : 핸들 복귀 제어기

311 : 수렴 제어기

312 : 손실 토오크 보상기

313 : 관성 보상기

320 : 스티어링 보조 지령값 연산기

331 : 각속도 추정기

350 : 예측 수단

상술한 문제점을 해결하기 위해, 전원 전압이 저하되었을 때 엔진의 아이들링 업을 행하고, 전류 공급 능력을 높임으로써 14.5V로 알터네이터의 출력 전압을 유지하는 것이 바람직하다. 그러나, 종래의 시스템에 있어서는, 아이들링 업을 행함으로써 달성되는, 전원 전압 저하의 검출과 원하는 소정의 전원 전압의 회복 사이에는 시간 지연이 있다. 결국, 긴급한 위험 회피 동작(즉, 긴급한 스티어링 동작)시의 응답성을 개선하기 위한 소정의 전원 전압의 회복이 너무 늦어 진다. 반면에, 본 발명의 제어기의 경우는, 알터네이터의 전류 공급 능력이 부족하다는 것을 모터의 전류값 및 검출된 모터 전류 또는 검출된 각속도로부터 예측하여, 아이들링 업 신호를 미리 발생한다. 따라서, 전원 전압이 회복될 때까지의 시간 지연이 보상되어, 스티어링 동작에 필요한 응답성을 유지한다.

성능의 한계를 초과하여 모터를 제어하는 것은 불가능하므로, 본 발명의 제어기는 모터 성능의 한계를 예측 또는 추측하여, 알터네이터의 전류 공급 능력을 확대하는 제어를 행한다. 도 7은 그와 같은 제어 동작을 나타내는 모터 전류값(i) 대 모터 각속도(ω) 특성을 도시한다. 그래프에서, 참조 부호 ir은 정격 전류를, ωr은 정격 각속도를 나타낸다. 또한, 곡선 C는 핸들 조작의 변화를 나타낸다. 모터 성능의 특성 한계는 LT2(ω=a2·i+b2)이다. 본 발명의 제어기의 경우, 특성 한계(LT2)에 도달하기 이전 시점(Δt)에서, 모터가 판정 (기준) 특성 LT1(ω=a1·i+b1)에 도달했는지의 여부를 예측한다. 또한, 판정 특성 LT1에 도달했을 때, 아이들링 업 신호를 출력함으로써 아이들링 업 동작이 행하여 진다. 따라서, 전원 전압이 회복될 때까지 시간 지연(Δt)이 보상되어, 필요로 하는 스티어링 동작에 대한 응답성을 유지할 수 있다. 도 7에서, 참조 부호 *i는 추정 또는 예측 전류값을 나타내고, ΔS는 시점 Δt에서의 예측되는 이동량을 나타낸다. 부가하여, 시점 Δt는 통상 0.5초이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 제어기는 모터(20)의 각속도(ω) 및 모터 전류값(i)을 검출하고, 검출된 각속도(ω) 및 모터 전류값(i)으로부터 모터가 판정 특성 LT1에 도달했는 지의 여부를 예측하여, 판정 특성 LT1에 도달했을 때 아이들링 업 동작을 행하는 방식으로 구성되어 있다. 또한, 도 6은 도2에 대응되게 도시되어 있다. 토오크 센서(10)로부터 전송된 스티어링 토오크(T)를 나타내는 신호는 위상 보상기(31) 및 핸들 복귀 제어기(310)에 입력된다. 또한, 차속 센서(12)로부터 출력된 차속(V)을 나타내는 신호는 핸들 복귀 제어기(310) 및 수렴 제어기(311)에 입력됨과 동시에, 스티어링 보조 지령값 연산기(320)에 입력된다. 스티어링 보조 지령값 연산기(320)로부터 출력된 스티어링 보조 지령값(I)은 보조 지령으로서 가산기/감산기(321)에 입력된다. 또, 가산기/감산기(321)로부터 출력된 스티어링 보조 지령값(Iref)은 감산기(30A)에 입력된다. 가산기(30B)로부터 출력된 전류 제어값(E) 및 배터리(14)로부터 공급된 전압(Vb)은 단자간 전압 추정기(340)로 입력된다. 단자간 전압 추정값(Vm)은 추정기(330) 내에 구비되어 있는 각속도 추정기(331)에 입력된다. 유닛(330)에서 얻어진 추정값 PR2는 손실 토오크 보상기(312)에 입력된다. 추정값 PR3는 관성 보상기(313)에 입력된다. 추정기(330) 내에 구비되어 있는 각속도 추정기(331)에서 추정된 각속도(ω)는 추정값 PR1으로서 직접 추정된다. 따라서, 추정값 PR1은 모터 각속도(ω)를 나타낸다. 또, 각속도(ω)는 신호 검출기(332)에 입력되고 그에 따라 각속도의 신호가 판정 또는 검출된다. 따라서, 추정값(PR2)은 모터의 회전 방향을 지시한다. 또한, 근사 미분기(333)에서 모터 각속도(ω)를 미분하여 얻어지는 추정값(PR3)은 모터 각가속도를 나타내고 있다. 핸들 복귀 제어기(310)로부터 출력되는 핸들 복귀 신호(HR)는 가산기/감산기(321)에 입력되어 가산된다. 수렴 제어기(311)로부터 출력된 수렴 신호(AS)는 가산기/감산기(321)로부터 입력되어 감산된다. 손실 토오크 보상기(312)로부터 출력된 손실 토오크 보상 신호(LT) 및 관성 보상기(313)로부터 출력된 관성 보상 신호(IN)는 가산기/감산기(321)에 입력되어 가산된다.

본 발명의 컨트롤 유닛(30)은 예측 수단(350)을 구비하고 있고, 모터 전류값(i) 및 각속도(ω)는 모터 전류 검출 회로(38) 및 추정기(330)로부터 각각 입력된다. 예측 수단(350)은 입력된 모터 전류값(i) 및 입력된 모터 각속도(ω)로부터 전원 전압의 저하를 예측하기 위해 동작한다. 또한, 예측 수단(350)은 예측 또는 추정값에 기초하여 전원 전압의 저하가 검출되었을 때 아이들링 업 동작을 위한 아이들링 업 신호(IU)를 출력함으로써 알터네이터의 전류 공급 능력을 확대하는 동작을 행한다. 본 발명의 컨트롤 유닛을 사용하는 목적은 모터 특성의 한계 내에서 모터를 사용하기 위함이다. 또한, 특성의 한계는 전류 및 각속도 간의 관계에 따라 결정된다. 따라서, 모터(20)의 전류 특성이 그 한계에 근접하게 된다는 것이 전류 및 각속도로부터 검출된다. 또한, 모터(20)의 전류 특성이 그 한계에 근접한다는 것이 검출되었을 때, 알터네이터의 전류 공급 능력은 아이들링 업 동작을 행함으로써 확대된다. 따라서, 모터(20)의 응답성이 확대된다. 그러므로, 예측 수단(350)은, 토오크 신호(T)를 이용하지 않고 모터 전류값(i) 및 각속도(ω)를 이용함으로써, 모터(20)의 전류 특성이 한계에 근접한다는 것을 검출하는 방식에 적합하게 되어 있다.

스티어링 보조 지령값 연산기(320)는, 도 8에 도시한 바와 같이 미리 다항식으로 정의된 보조 특성에 기초하여, 스티어링 토오크(T) 및 차속(V)로부터 보조 지령으로서 스티어링 보조 지령값(I)을 연산한다. 핸들 복귀 제어기(310)는, 중저속에서 나타나는 핸들 복귀 특성을 개선하기 위하여, 핸들 복귀 상태에서 핸들 복귀 신호 HR을 출력하여 복귀하는 방향으로 보조 동작을 행한다. 수렴 제어기(311)는, 차량의 요잉(yawing) 동작의 수렴을 개선하기 위하여 핸들의 흔들림 동작에 대하여 브레이크를 가하도록 되어 있다. 따라서, 차속(V)은 핸들 복귀 제어기(310) 및 수렴 제어기(311)에 입력된다. 손실 토오크 보상기(312)는, 손실 토오크의 영향을 제거하기 위하여, 손실 토오크 보상 신호(LT)를 출력하여 손실 토오크가 발생하는 방향, 즉 모터(20)의 회전 방향으로 손실 토오크에 상당하는 보조 동작을 행한다. 또한, 관성 보상기(313)는, 모터(20)의 관성으로 인해 발생되는 힘에 대응하는 보조 동작을 행함과 동시에, 관성 보상 신호(IN)을 출력하여 관성감(feeling of inertia) 또는 제어의 응답성이 나빠지는 것을 방지하도록 동작한다. 따라서, 손실 토오크 보상기(312)에 입력된 추정값(PR2)은 모터 회전 방향을 나타낸다. 또한, 관성 보상기(313)에 입력된 추정값(PR3)는 모터 각가속도를 나타낸다.

한편, 일본국 특허 공개 평8-67262호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 모터 각속도(ω)는 모터 역기전력의 추정값으로부터 구할 수 있다. 즉, 모터 역기전력의 추정값(K_T·ω)은 모터의 단자간 전압(Vm) 및 모터 전류값(i)으로부터, 다음 수학식 1서 구할 수 있다.

[수학식 1]

여기에서, R은 단자간 저항이고, K_T는 역기전력 상수이다.

또한, 모터 각속도(ω)의 주파수 성분이 모터의 전기적 응답 특성에 비해 충분히 낮다고 가정하자.

모터(20)의 각속도는 상기 수학식 1으로 구할 수 있지만, 실제적인 모터의 전기적 특성과 수학적 모델을 이용하여 정의한 전기적 특성간의 차이가 있을 경우, 오프셋이 존재하는 방향으로 모터 각속도의 추정값(ω)의 추정 오차(e)가 발생한다. 또, 실제 모터인 경우는 모터 인덕턴스(L)가 각속도에 영향을 주지만, 인덕턴스(L)를 무시하는 경우의 특성을 수학적 모델로서 이용하였다. 따라서, 단자간 전압은 다음과 같이 표시한다: Vm = R·i. 오프셋 오차(e)가 있으면, 보정 신호가 추정값을 이용하여 발생될 경우, 예를 들면 스티어링 핸들이 한 위치를 유지하고 있을 때에도, 모터(20)가 회전하고 있다고 잘못 판정한다. 따라서, 이같은 경우, 잘못된 정정 신호가 출력된다. 실제로 모터(2)의 전기적 특성은, 제조시에 발생하는 모터 품질의 불균일 및 온도의 변동에 의해 영향을 받는다. 따라서, 상술한 오프셋 오차(e)가 발생하는 것을 피할 수 없다. 이와 같은 문제의 해결을 목적으로, 도 9에 도시한 바와 같이 불감대(DZ)를 모터 역기전력의 추정값(KT·ω)에 상당하게 확정하는 것을 고려하였다. 반대로, 이와 같은 경우, 모터 역기전력을 모터 각속도(ω)가 작은 영역에서는 추정할 수 없는 또 다른 문제가 발생한다.

상기한 바와 같이, 모터 각속도(ω)의 추정 오차(e) 발생의 중요한 요인은 실제 모터의 전기적 특성(K_T·ω)과 수학적 모델을 이용하여 정의한 전기적 특성(K_T·ω') 간의 차(差)이다. 즉, 모터의 단자간 저항(R)에 대해 다음의 수학식 2가 성립한다.

[수학식 2]

여기에서, Rm은 모델을 이용하는 경우의 저항, ΔRt는 온보 변화에 기인하는 저항의 변화, ΔRp는 제조시 모터 품질의 불균일에 기인하는 저항의 변화를 가리킨다.

따라서, 실제 모터의 단자간 전압(Vm)은 수학식 1에서의 R에 수학식 3을 대입하여 다음과 같이 구해진다.

[수학식 3]

반면에, 제조시의 모터 품질의 불균일 및 온도 변화를 고려하지 않고 구해진 수학적 모델을 이용한 경우, 단자간 전압(Vm)은 다음 수학식 4에 의해 구해진다.

[수학식 4]

따라서, 역기전력의 추정 오차(e)는 상기 수학식 3 및 수학식 4로부터 구해진 다음의 수학식 5에서 구해진다.

[수학식 5]

= Vm - Rm·i - {Vm - (Rm + ΔRt + ΔRp)·i}

= (ΔRt + ΔRp)·i

그 결과, 전류 i에 비례하는 오프셋 오차(e)가 발생된다. 따라서, 예를 들면 도 10에 도시한 바와 같은 관계에 따라, 폭이 전류(i)에 비례하는 불감대를 설치한 결과, 전류(i)가 작으면 오프셋값이 작아진다. 또한, 불감대 폭 DZ = K·i도 마찬가지로 작아진다. 그러므로, 모터 각속도(ω)가 작은 영역에서도 모터 역기전력을 예측 또는 추정할 수 있다.

한편, 각속도(ω)를 PWM 출력인 전류 제어값(E)과 모터 전류값(i)으로부터 추정할 경우, 불감대 폭(DZ)은 모터 전류값(i)에 비례하는 것으로 가정한다. 즉, K를 상수로 나타낸다. 그러면, 다음식 DZ = K·i가 성립한다. 이 경우, 수학식 5에서의 모터의 단자간 전압 변동의 최대값 이상의 값을 비례 계수 또는 요소(F)로서 설정한다. 따라서, 각속도의 추정값은 항상 오프셋 오차(e)를 갖지는 않는다. 그리고, 실제의 모터 각속도가 낮은 영역에서도, 각속도 추정기(331)로 모터 각속도(ω)를 추정할 수 있다. 또한, 모터 각속도(ω)의 방향과 전류(i)의 방향이 다를 경우, 즉 핸들이 초기 위치로 복귀된 경우, 다음 수학식 7에서 알수 있는 바와 같이 오프셋 오차가 발생되지 않는다. 따라서, 오히려 불감대 보정을 행하지 않는 것이 좋다. 즉,

[수학식 6]

그리고, ｜i｜≒0이면,

[수학식 7]

이 된다.

도 11은 추정기(330)에 의해 모터(20)의 각속도(ω)(즉, 회전 방향 및 정지 상태)를 검출하는 동작의 예를 도시하고 있다. 먼저, 모터 전류 검출 회로(38)에서 모터 전류값(i)이 검출된다(단계 S1). 다음에, 단자간 전압(Vm)은, 배터리에서 공급된 전압(Vb) 및 전류 제어값(E)에 기초하여 방정식 Vm=Vb·E에 따라 단자간 전압 추정기(340)에 의해 연산된다(단계 S2). 따라서, 각속도(ω)가 각속도 추정기(331)에서 구해지고 수학식 1의 연산이 행해진다. 다음에, 각속도(ω) 및 모터 전류값(i)에 기초하여 스티어링 핸들이 핸들 복귀 상태에 있는지의 여부를 판정한다(단계 S4). 핸들 복귀 상태이면 동작을 종료한다. 핸들 복귀 상태가 아니면 모터 역기전력(K_T·ω)의 절대값이 불감대 폭 DZ = K·i 이상인지의 여부를 판단하기 위해 다음 부등식 8을 연산한다(단계 S10).

[수학식 8]

그리고, 모터 역기전력이 불감대 폭 이상일 경우에는, 다음 수학식 9의 연산을 행한다(단계 S12).

[수학식 9]

반면에, 그렇지 않을 경우는, 각속도의 추정값을 ω=0으로 설정한다(단계 S11).

또한, 상기 수학식 9에서 역기전력(K_T·ω)이 정(positive)일 경우 sign(K_T·ω)은 +1이다. 반대로, 역기전력(K_T·ω)이 부(negative)일 경우 sign(K_T·ω)는 -1이다. 그 후, 모터 각속도(ω)가 0인지의 여부를 판단한다(단계 S13). 만일 0이면, 모터의 정지 상태가 검출되고(단계 S17), 0이 아니면, 모터 각속도(ω)가 정(+)인지의 여부를 판단한다(단계 S14). 예를 들어, 정(+)이면 모터가 시계 방향으로 회전하고(단계 S16), 반대로 부(-)이면 모터가 시계 반대 방향으로 회전한다(단계 S15).

본 발명의 제어기의 경우, 모터(20)의 각속도 검출은 상기 단계 S3에서 구해진 모터 각속도의 추정값을 이용하여 행한다. 상술한 바와 같이, 오프셋 타입의 추정 오차(e)는 모터 각속도의 추정값(ω)으로부터 발생된다. 따라서, 추정값을 이용하여 정정 신호를 발생할 경우, 스티어링 핸들이 한 위치에 고정되어 있어도, 모터(20)가 회전하는 것으로 잘못 판정하는 결점이 있다. 한편, 모터 전류값(i)에 비례하는 폭 DZ=K·i인 불감대를 설치하고, 오프셋 보정을 행한 후에 모터의 각속도를 정확하게 검출할 수 있다.

수렴 제어기(311)는, 추정기(330)에 의해 추정된 모터 각속도(ω)에 미리 설정된 소정 게인(Ks)으로 곱하여 구한 K_T·ω값을 나타내는 신호를 수렴 신호(AS)로서 출력하고, 차량의 수렴을 제어하기 위해 이용된다.

한편, 본 발명의 예측 수단(350)의 동작을 도 12의 플로우차트를 참조하여 이하에 설명한다. 먼저, 예측 수단(350)은 추정기(330)로부터 전송된 각속도(ω) 및 모터 전류 검출 회로(38)로부터 전송된 모터 전류값(i)을 수신하여 판독한다(단계 S20). 다음에, 예측 수단(350)은 각속도가 판정 특성 LT1 = a1·i + b1보다 큰지의 여부를 판정한다(단계 S21). 각속도가 판정 특성(LT1)을 초과하고 있으면, di/dt 및 dω/dt가 계산된다(단계 S22). 다음에, 도 7에 도시한 바와 같은 예측 전류값(*i)은 di/dt)·Δt + i의 연산으로 구해진다(단계 S23). 또, dω/di는 다음의 수학식 10에 의해 구해진다(단계 S24).

[수학식 10]

상기 수학식 10에 의해 예측 전류값(*i)이 구해지면, 시점 Δt의 경과후에 얻어지는 예측 각속도(*ω)를 다음 수학식 11에 따라 구할 수 있다(단계 S25).

[수학식 11]

예측 각속도(*ω)가 구해지면, 다음에 이 예측 각속도(*ω)가 특성의 한계 LT2 = a2·i + b2 이상인지의 여부를 판정한다(단계 S26). 예측 각속도(*ω)가 특성의 한계 이상이면, 아이들링 업 신호(IU)를 출력하고, 그것으로 알터네이터의 전류 공급 능력을 확대한다.

상술한 바와 같이, 모터로의 인가 전압이 저하하고 모터 성능의 한계가 낮아진 경우라도, 본 발명의 전동 파워 스티어링 장치용 제어기는, 모터의 성능 한계가 초과되었는 지의 여부를 예측하기 적합하며, 예측 결과에 따라서 아이들링 업 동작을 행한다. 따라서, 긴급한 스티어링 동작시에도 모터의 응답성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 양호한 실시예를 상술하였지만, 본 발명은 이것에 제한하기 위한 것은 아니고, 본 분야에 숙련된 기술자들은 본 발명의 범위를 일탈하지 않고 본 발명을 여러가지로 변형할 수 있다.

그러므로, 본 발명의 범위는 첨부된 특허 청구의 범위에 의해서만 한정된다.

Claims

스티어링 샤프트에서 발생하는 스티어링 토오크에 따라 연산되는 스티어링 보조 지령값 및 모터 전류값으로부터 계산된 전류 제어값에 따라 스티어링 기구에 스티어링 보조력을 공급하기 위한 모터를 제어하기에 적합한 전동 파워 스티어링 시스템용 제어기에 있어서,

상기 모터에 공급되는 전원 전압의 저하의 발생을 예측하기 위한 예측 수단을 포함하여, 전원 전압의 저하가 예측되었을 때 아이들링 업(idling-up) 동작이 행해지는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 시스템용 제어기.
제1항에 있어서, 상기 예측 수단은 상기 모터의 회전 속도 또는 각속도를 수신하여, 수신된 속도의 현재의 값 및 과거의 값으로부터 전원 전압의 저하를 예측하는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 시스템용 제어기.
제2항에 있어서, 상기 예측 수단은 상기 모터 전류값을 더 수신하는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 시스템용 제어기.
제1항에 있어서, 상기 예측 수단은 상기 모터의 특성 한계 LT2를 정하고, 상기 모터가 상기 특성 한계 LT2에 도달하는 시점 Δt 전(前)의 순간에 도달하는 판정 특성 LT1에 도달했는지의 여부를 예측하여, 상기 아이들링 업 동작을 행하는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 시스템용 제어기.
제4항에 있어서, 상기 모터 각속도를 ω, 상기 모터 전류를 i, a1, a2, b1, b2를 상수로 했을 때, 상기 특성 한계 LT2는 ω = a2·i + b2로 나타내고, 상기 판정 특성 LT1은 ω = a1·i + b1으로 나타낸 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 시스템용 제어기.
제5항에 있어서, 상기 시점은 0.5초인 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 시스템용 제어기.
제6항에 있어서, 상기 아이들링 업 동작에 기초하여 알터네이터의 전류 공급 능력을 확대하는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 시스템용 제어기.