KR20120127947A

KR20120127947A - Ｍｄｐｓ 시스템의 페일세이프 제어방법

Info

Publication number: KR20120127947A
Application number: KR1020110045757A
Authority: KR
Inventors: 성우제
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2012-11-26

Abstract

본 발명은, 입력축과 출력축이 결합된 토션바는 입력축이 스티어링휠과 연결되며 출력축은 모터와 연결되고, 토크센서에서 감지된 입력축과 출력축의 회전각들에 따라 출력측에 조향보조력이 제공되는 MDPS 시스템의 페일세이프 제어방법에 있어서, 스티어링휠의 회전각 및 모터의 회전각을 감지하여 입력축과 출력축의 회전각을 각각 센싱하는 센싱단계; 및 토크센서에서 수신된 입력축과 출력축의 회전각들을 감지단계에서 수신된 값과 비교하여 토크센서의 오작동을 판단하는 고장판단단계;를 포함한다.
상기와 같은 구성의 본 발명은 MPDS 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 또한, 종래에는 오작동에 따른 모터의 미작동으로 운전자가 갑작스러운 이질감을 느낄 수도 있었나 이를 개선함으로서 차량 조향 성능 및 안정성을 향상시킨 효과가 있다.

Description

ＭＤＰＳ 시스템의 페일세이프 제어방법{Control method of fail-safe for MDPS system}

본 발명은 MDPS(Motor driving power steering) 시스템의 페일세이프 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토크센서의 예상치 못한 고장 발생하여도 모터의 조향보조력(어시스트력)을 제공할 수 있는 MDPS 시스템의 페일세이프 제어방법에 관한 것이다.

차량의 파워스티어링장치(동력조향장치)는 운전자의 스티어링휠 조작력을 감소시키기 위한 장치이다.

그 중, MDPS 장치는 유압을 대신하여 모터의 힘을 이용하는 장치로서, 종래의 유압식 파워스티어링 장치와 대비하여 무게가 가볍고, 공간을 적게 차지하며, 오일교환이 필요 없으므로 승용 차량에서 최근에 널리 사용되고 있다.

상기 MDPS 시스템은 모터가 스티어링기어박스와 너클을 연결하는 암(arm)에 장착될 수도 있고, (스티어링휠과 연결된) 스티어링컬럼에 장착될 수도 있으나, 스티어링휠의 회전을 감지하여 스티어링휠의 회전 정도 및 차속에 따라 모터의 전원 인가량을 결정하는 기본 작동은 동일하다.

기본적으로 MDPS 시스템은 모터, 스티어링기어박스, 토크센서, MDPS ECU 를 포함한다. MDPS ECU 는 토크센서를 통해 스티어링휠의 회전량을 감지하여 차속에 따라 모터에 전류를 인가하여 스티어링휠의 토크를 제어하며, 스티어링기어박스는 스티어링샤프트를 통하여 구동력을 전달받아 회전방향을 변환하여 (릴레이로드, 타이로드, 너클암으로 구성된) 암을 통해 전륜을 회전시킨다.

토크센서는 통상적으로 광센서(optical sensor)를 이용한다. 가령, 스티어링휠과 함께 회전하는 토션바에 수광부를 부설하고, 고정된 지점에 발광부를 부설하여 스티어링휠의 조향각도 및 조향속도를 측정하는 구조를 갖는다.

도면을 참조하여 더 상세히 설명하면 도 1a 에 도시된 바와 같이, 스티어링컬럼에 모터가 부착되어 (모터의 회전력에 의해) 어시스트력을 제공하는 경우, 모터의 회전축에는 웜이 결합되고 스티어링휠의 회전력을 전달하는 토션바에는 상기 웜과 치합하는 웜기어가 장착된다. 상기 토션바는 스티어링휠과 연결된 입력축과 스티어링샤프트를 통해 기어박스로 연결되는 출력축이 결합되어 이뤄지되, 모터의 어시스트력은 출력축에 전달되도록 구성된다. 상기 입력축과 출력축 각각에는 상부홀센서와 하부홀센서가 각각 부설되어 도 1b 에 도시된 바와 같이 토크센서는 입력축과 출력축의 회전각 차이를 감지하여 비틀림 토크(T_sensor)를 연산해 낼 수 있다.[T_sensor = K_torsion _{_} _barX(입력축의 회전변위각 - 출력축의 회전변위각), K_torsion _{_} _bar: 토션바의 강성계수(Nm/deg)]

따라서, 운전자가 스티어링휠을 회전시키면 토크센서에서 측정된 비틀림 토크에 따라 MDPS ECU는 목표전류량을 연산하여 모터에 전류를 인가한다. 상기 모터는 웜과 웜휠로 토션바의 출력축을 회전시켜 조향보조력을 발생시킨다.

전술한 바와 같이, MDPS 시스템에 있어서 토션바의 비틀림 토크를 계측하여 MDPS ECU 에 데이터를 전송하는 토크센서는 매우 중요한 구성요소이므로, 토크센서의 고장은 차량 조작에 오작동을 유발하여 치명적인 결과를 초래할 수 있다.

그래서, 종래에는 상부홀센서와 하부홀센서는 메인신호(T1_main)와 서브신호(T2_sub)를 교차하여 송출하는 방식으로 동작한다. 이러한 두가지 신호의 조합을 통하여 감지된 데이터의 신뢰성을 향상시킬 수 있으나, 전원공급장치의 고장이나 메인신호와 서브신호가 동시에 문제가 발생할 경우 토크 감지가 불가능한 문제점이 있었다. 따라서, 차량의 신뢰성 향상 측면에서 토크센서의 고장 유무를 판별하여 MDPS 모터의 동작 이전에 이를 차단할 수 있는 페일세이프(Fail-safe) 제어방법의 개발이 요구되었다.

한편, 차량의 전자제어 장치의 장착에 따라, 차속과 차량의 진행상태 및 운전자의 주행의지를 검출 및 예측하기 위하여 최근 출시되는 차량들은 차륜의 속도를 검출하는 휠속도센서, 차량의 횡가속도를 검출하는 횡가속도센서, 요모멘트(yaw moment)를 검출하는 요레이트센서 및 스티어링휠의 회전각도를 검출하는 조향각센서 등을 구비하는 것이 일반적이다.

따라서, 본 발명은 추가적인 장치의 별도 장착 없이 차량에 구비되는 센서를 이용하여 지속적으로 토크센서의 오작동 유무를 감시하되, 토크센서의 오작동이 감지되면 이를 운전자에게 즉각적으로 알리고 운전에 필요한 최소한의 어시스트력을 제공하는 페일세이프 제어방법을 제공하는 것에 주목적이 있다.

따라서, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 입력축과 출력축이 결합된 토션바는 입력축이 스티어링휠과 연결되며 출력축은 모터와 연결되고, 토크센서에서 감지된 입력축과 출력축의 회전각들에 따라 출력측에 조향보조력이 제공되는 MDPS 시스템의 페일세이프 제어방법에 있어서, 스티어링휠의 회전각 및 모터의 회전각을 감지하여 입력축과 출력축의 회전각을 각각 센싱하는 센싱단계; 및 토크센서에서 수신된 입력축과 출력축의 회전각들을 감지단계에서 수신된 값과 비교하여 토크센서의 오작동을 판단하는 고장판단단계;를 포함하여 구성된다.

상기 모터는 웜(worm)이 장착되며 토션바의 출력축에는 상기 웜과 치합되는 웜휠(worm wheel)가 장착되고, 상기 모터는 모터의 회전수를 감지하는 엔코더(encoder)가 장착된다.

그리고, 상기 스티어링휠의 회전각은 조향각센서(steering angle sensor)에 의하여 감지된다.

아울러, 상기 모터는 토크센서에서 수신된 값에 따라 인가될 전류량이 결정되되, 상기 고장판단단계에서 토크센서의 오작동이 판단되면 센싱단계에서 센싱된 스티어링휠의 회전각 및 모터의 회전각에 따라 모터로 인가될 전류량이 결정되는 백업단계;를 더 포함한다.

상기 백업단계에서 모터에 인가될 전류량은 차량의 주행속도 및/또는 작용하는 횡가속도(횡G)에 따라 차등되어 결정된다.

상기와 같은 구성의 본 발명은, 별도의 추가적인 장비의 장착없이도 제어 로직만을 개선하여 MPDS 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 종래에는 오작동에 따른 모터의 미작동으로 운전자가 갑작스러운 이질감을 느낄 수 있었나, 이를 개선함으로서 차량 조향 성능 및 안정성을 향상시킨 효과가 있다.

그리고, 차량의 운행상태에 따라 (미리 정해진 위험도에 따라) 차등 어시스트력을 제공하여 더욱 향상된 안정성을 제공할 수 있다.

도 1a 는 MDPS 시스템이 장착된 조향장치의 스티어링컬럼, 모터, 토션바의 모습이 도시된 사시도 및 분해사시도,
도 1b 는 종래의 MDPS 시스템의 개략도,
도 1c 는 토크센서에 입출력되는 메인신호(T1)와 서브신호(T2)의 그래프,
도 2 는 본 발명의 제어방법에 따라 입력축과 출력축의 회전각들을 추가적으로 계측하는 모습이 도시된 개략도,
도 3 과 도 4 는 본 발명의 제어방법에 따라 토크센서의 고장유무를 모니터링 하는 단계를 도시한 순서도,
도 5 는 차량의 주행상태에 따라 차등 어시스트력을 제공하는 제어방법의 순서도.

본 발명에 따른 차량은 스티어링휠에 조향각도를 계측할 수 있는 센서를 구비한다. 상기 센서는 전술한 바와 같은 조향각센서(10)로 실시될 수 있으며, 상기 조향각센서(10)는 수광부와 발광부를 이용한 광센서 방식을 포함하여 공지의 기술로 실시된다.

그리고, 본 발명의 MDPS 시스템에 사용되는 모터(20)는 (도 1a 에 도시된 바와 같이) 웜(21)과 웜휠로 토션바와 치합되며, 엔코더(encoder)를 포함하여 구성된다. 공지의 기술을 이용하여 상기 엔코더는 (전술한 바와 같이 토크센서의 회전각도를 계측하는 원리와 유사하도록) 수광 및 발광 소자를 이용하여 모터 회전축의 회전속도 및 회전각을 계측하도록 구성된다.

즉, 본 발명에 따른 페일세이프 제어방법은 토크센서(50)와는 별도로 스티어링휠(11)의 회전각 및 모터(20)의 회전각을 각각 개별적으로 센싱하도록 구성되되, 센싱된 데이터를 토크센서(50)에서 수신된 데이터와 비교하여 상기 토크센서의 오작동을 판단한다.

그리고, 토크센서(50)가 오작동하는 것으로 감지되면 센싱된 스티어링휠(11)의 회전각 및 모터(20)의 회전각에 따라 백업토크값을 연산하고 이 백업토크값을 근거로 모터(20)로 인가될 전류량이 결정한다. 한편, 상기 모터(20)에 인가될 전류량은 차량의 주행속도 및/또는 작용하는 횡가속도에 따른 위험도에 의거하여 차등되어 결정되는 것이 바람직하다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MDPS 시스템의 페일세이프 제어방법을 설명한다.

(운전자의 의도에 따라 스티어링휠에서 발생된) 토션바의 토크값계측을 위해서 입력축(30)의 각변화량과 출력축(40)의 각변화량은 각각 계측된다. 본 발명의 제어방법에서는 조향각센서(10) 및 모터(20)에서 수집된 데이터가 페일세이프제어기(F/S: Fail-Safe 제어기)로 수집된다.

즉, 입력축 각변화량(θ _upper )의 데이터는 토크센서(50)의 상부홀센서(51)와 별개로 조향각센서(10)로부터 계측되어 수집되며, 출력축 각변화량(θ _lower )는 모터(20) 엔코더의 신호로부터 계측되어 수집된다. 상기 출력축(40)의 각변화량은 모터(20)의 회전수 및 웜(21)과 웜휠의 기어비로부터 연산되어 계측될 수 있다.

그리고, 토크센서(50)의 오작동 및 고장을 감시하기 위해 토크센서(50) 출력신호와 토션바 비틀림 방향의 정합성(整合性)을 확인한다. 가령, 도 1c 의 그래프와 같이 CW(시계방향)의 비틀림 발생시 메인신호(T1_main)는 2.5V 이상이며 서브신호(T2_sub)의 신호는 2.5V 이하값을 발생시키므로 토션바의 토크 데이터를 검출할 수 있다. 따라서, 이 신호를 전술한 바와 같은 엔코더 및/또는 조향각센서에서 계측된 데이터와 비교하여 토크센서(50)의 고장 유무를 모니터링 할 수 있다.

가령, 도 3 에 도시된 바와 같이, 토크센서(50)의 메인신호와 서브신호로부터 토션바의 토크데이터를 획득하되, 모터엔코더의 펄스 방향성(모터 회전축의 회전 방향)으로 입력축(30) 및 출력축(40)의 회전각을 비교하여 토크센서(50)의 이상유무를 모니터링 할 수 있다. 토크센서의 데이터와 엔코더의 데이터가 부합하지 않는 경우 페일세이프제어기는 차량의 계기판에 경고등을 점등시켜 운전자에게 경고하며 모터(20)로의 전원인가를 제어하도록 구성된다. 상기 페일세이프제어기는 로직 개선 및 통신확장을 통해 공지의 MDPS ECU 에서 구현될 수 있다.

아울러, 토크센서(50)의 고장 감시 기능과 더불어 본 발명은 조향각센서(10) 및 엔코더에서 수신된 데이터를 근거로 토크센서(50)의 기능을 대신하는 백업기능을 제공할 수 있다.

즉, 토크센서가 고장으로 판단되면 운전자가 이질감을 느끼지 않고 정비소까지 임시적으로 운행 가능하도록 림프홈모드(Limp Home Mode)를 제공한다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 페일세이프제어기(또는 MDPS ECU) 는 토크센서를 대신하여 조향각센서로부터 입력축(30)의 변위각을 수신하고 엔코더로부터 모터의 회전량을 수신한다. 페일세이프제어기는 전술한 바와 같이 엔코더의 데이터로부터 출력축의 회전량을 연산하여 백업 토크값(T _Back-up )을 계산해 낼 수 있다. 그리고, 전술한 바와 같이 경고등을 통하여 운전자에게 MDPS 시스템의 이상 유무를 경고하며 상기 백업토크값을 근거로 모터에 전류량을 인가하여 MDPS 제어를 임시적으로 수행할 수 있다.

그리고, 선택적 실시예로서, 본 발명의 고장감시 기능 및 백업 기능 구현시 차량의 주행상황에 따라 MDPS 어시스트력을 단계별로 차등적용하여 운전자의 이질감을 최소화시킬 수 있다.

즉, 차량의 주행속도에 따라 차량의 선회시 작용하는 횡가속도는 달라지며, 이에 따라 운전자의 조작성 및 위험도는 달라진다. 가령, 0.5g 이상의 횡가속도가 작용하는 고속선회 시에는 주행빈도가 적으나 사고시 상해 정도가 크며 운전자조작성이 좋지않아 위험도가 높은 반면, 0.1g 이하의 횡가속도가 작용하는 직진주행 시에는 운전자의 조작성이 비교적 수월하며 위험도가 낮다.

따라서, 차속, 조향각 및 작용하는 횡가속도에 따라 미리 위험도 단계 및 기준값을 설정하고 이 기준값에 근거하여 (도 5 에 도시된 바와 같이) 모터에 인가되는 전류량을 제어함으로서 어시스트력을 차등하여 단계적으로 제공할 수 있다.

이상과 같이 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

10 : 조향각센서
11 : 스티어링휠
20 : 모터
30 : 입력축
40 : 출력축
50 : 토크센서

Claims

입력축과 출력축이 결합된 토션바는 입력축이 스티어링휠과 연결되며 출력축은 모터와 연결되고, 토크센서에서 감지된 입력축과 출력축의 회전각들에 따라 출력측에 조향보조력이 제공되는 MDPS 시스템의 페일세이프 제어방법에 있어서,
스티어링휠의 회전각 및 모터의 회전각을 감지하여 입력축과 출력축의 회전각을 각각 센싱하는 센싱단계; 및
토크센서에서 수신된 입력축과 출력축의 회전각들을 감지단계에서 수신된 값과 비교하여 토크센서의 오작동을 판단하는 고장판단단계;를 포함하는 MDPS 시스템의 페일세이프 제어방법.
제 1 항에 있어서, 상기 모터는 웜(worm)이 장착되며 토션바의 출력축에는 상기 웜과 치합되는 웜휠(worm wheel)가 장착되고, 상기 모터는 모터의 회전수를 감지하는 엔코더(encoder)가 장착된 것을 특징으로 하는 MDPS 시스템의 페일세이프 제어방법.
제 2 항에 있어서, 상기 스티어링휠의 회전각은 조향각센서(steering angle sensor)에 의하여 감지되는 것을 특징으로 하는 MDPS 시스템의 페일세이프 제어방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터는 토크센서에서 수신된 값에 따라 인가될 전류량이 결정되되,
상기 고장판단단계에서 토크센서의 오작동이 판단되면 센싱단계에서 센싱된 스티어링휠의 회전각 및 모터의 회전각에 따라 모터로 인가될 전류량이 결정되는 백업단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MDPS 시스템의 페일세이프 제어방법.
제 4 항에 있어서, 상기 백업단계에서 모터에 인가될 전류량은 차량의 횡가속도에 따라 차등되어 결정되는 것을 특징으로 하는 MDPS 시스템의 페일세이프 제어방법.