KR20200048368A - 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치 - Google Patents

스티어링 모터 토크 보상 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 운전자의 조타 토크를 계측하는 토크 센서의 오프셋 발생에 따른 조향 모터의 출력 오차를 보상하기 위한 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치에 관한 것으로, 특히 토크 센서의 출력값에 따라 변동되는 모터 토크를 제어할 때 상기 토크 센서의 출력값에 포함되는 오프셋 성분(오프셋 토크)을 보상함으로써 상기 토크 센서의 주변 자계 변동에 대응하여 상기 모터 토크의 제어 정확도를 향상시킬 수 있는 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치를 제공하는데 목적이 있다.

Description

스티어링 모터 토크 보상 제어 장치 {Steering motor torque compensation control device}
본 발명은 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 운전자의 조타 토크를 계측하는 토크 센서의 오프셋 발생에 따른 조향 모터의 출력 오차를 보상하기 위한 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치에 관한 것이다.
자동차의 전동식 조향 장치는 운전자가 스티어링 휠을 조타 시 운전자의 조타력(즉, 조타 토크)을 어시스트하기 위한 모터 토크를 발생시키는 것으로서, 모터 구동 파워 스티어링(Moter Driven Power Steering, MDPS) 장치라고도 한다.
종래의 전동식 조향 장치는 상기 모터 토크의 제어를 위해 조타 토크와 조향각 및 차속의 정보를 이용하며, 조타 시 스티어링 휠의 조향축에 걸리는 조타 토크(혹은 핸들 토크)를 검출하는 토크 센서와 스티어링 휠의 조향각을 검출하는 조향각 센서 및 실시간 차속을 검출하는 차속 센서를 통해 필요한 정보를 취득한다.
한편, 상기 토크 센서는 일반적으로 마그네틱 센싱 타입의 토크 센서가 사용되고 있다.
도 4는 종래의 토크 센서를 나타낸 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 종래의 토크 센서(10)는 마그넷(11), 스테이터(12), 콜렉터(13), 및 자기소자(홀 IC)(14)로 구성된다. 상기 토크 센서(10)는 스티어링 휠의 조향축에 결합된 마그넷(11)의 회전 시 콜렉터(13)에 의해 포집된 자기장의 세기를 자기소자(14)에 의해 측정하여 조타 토크를 검출하게 된다.
한편, 종래의 토크 센서 주변에는 차량의 레이아웃상 에어컨 등의 전장부품이 배치되며, 상기 전장부품의 구동 시 자기장이 발생하게 된다.
상기 토크 센서는 자기장 세기를 측정하여 조타 토크를 검출하기 때문에 주변의 자계 변동에 영향을 받게 되며, 상기 전장부품의 구동 시 발생되는 자기장에 의해 센서 출력값(조타 토크 검출값)이 변동되고 결국 검출 정확도가 저하되는 문제점이 존재한다.
즉, 종래의 토크 센서는 주변 자계 변동에 의해 토크 오프셋(offset)이 발생하고, 토크 센서의 출력값은 상기 토크 오프셋에 따른 오차(오프셋 토크)를 포함하게 되는 문제가 있다.
또한, 상기 토크 센서의 검출 정확도가 저하됨에 의해 운전자의 조타력을 어시스트하기 위한 모터 토크의 제어 역시 정확도가 저하되는 문제가 발생한다.
공개특허 제2016-0137926호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 토크 센서의 출력값에 따라 변동되는 모터 토크를 제어할 때 상기 토크 센서의 출력값에 포함되는 오프셋 성분(오프셋 토크)을 보상함으로써 상기 토크 센서의 주변 자계 변동에 대응하여 상기 모터 토크의 제어 정확도를 향상시킬 수 있는 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치를 제공하는데 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 조타 시 스티어링 휠의 조향축에 인가되는 운전자의 조타 토크를 보조하기 위한 모터 토크를 보상 제어하는 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치로서,
상기 조타 토크를 검출하는 토크 센서의 외부 자계량을 검출하는 자기장 센서; 상기 외부 자계량을 기초로 상기 토크 센서의 오프셋 토크를 산출하는 오프셋 토크 추정부; 상기 오프셋 토크를 상쇄하기 위한 보상 토크를 산출하는 보상 토크 연산부; 상기 보상 토크를 이용하여 상기 오프셋 토크에 따른 상기 모터 토크의 오차를 상쇄시키는 모터 토크 보상부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치를 제공한다.
상기 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치는, 상기 외부 자계량을 기초로 상기 토크 센서의 오프셋 토크를 보상하는 것이 필요한지 여부를 판단하는 오프셋 보상 판단부를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 오프셋 보상 판단부는 상기 외부 자계량이 기준 자계량 이상이면 상기 토크 센서의 오프셋 토크를 보상하는 것이 필요하다고 판단할 수 있으며, 좀더 바람직하게는 스티어링 휠의 조향각이 0°이고 조타 토크의 크기가 0Nm 를 초과할 때 상기 외부 자계량이 기준 자계량 이상이면 상기 토크 센서의 오프셋 토크를 보상하는 것이 필요하다고 판단할 수 있다. 여기서, 상기 기준 자계량(C)은 C=(D/A)×B 에 의해 계산되며, 상기 D는 기준 오프셋 토크이고, 상기 A는 스티어링 토션바의 토크 상수이고, 상기 B는 토크 센서의 센서티비티(sensitivity) 값이다.
상기 오프셋 토크의 보상이 필요하다고 판단되는 경우, 상기 오프셋 토크 추정부는 Y=(A/B)×X 에 의해 오프셋 토크(Y)를 계산할 수 있다. 이때 상기 A는 스티어링 토션바의 토크 상수이고, 상기 B는 토크 센서의 센서티비티 값이고, 상기 X는 토크 센서에 의해 측정된 외부 자계량이다. 상기 보상 토크 연산부는 Z=(-1/K)×Y 에 의해 보상 토크(Z)를 계산하며, 상기 K는 토크 센서의 토크 상수이고, 상기 Y는 토크 센서의 오프셋 토크이다.
그리고, 상기 모터 토크는 상기 조타 토크와 조향각 및 차속을 기초로 모터 토크 제어부에 의해 산출되며, 상기 모터 토크 보상부는 상기 모터 토크에 상기 보상 토크를 합산하여서 상기 조타 토크를 보조하기 위한 조향 모터의 실제 출력 토크를 결정하게 된다.
본 발명에 따른 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치에 의하면, 토크 센서의 출력값에 따라 변동되는 모터 토크를 제어할 때 상기 토크 센서의 출력값에 포함되는 오프셋 토크를 보상하여 상쇄시킬 수 있으며, 그에 따라 상기 토크 센서의 주변 자계 변동에 대응하여 상기 모터 토크의 제어 정확성도 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 상기 모터 토크의 제어 정확도가 향상됨에 의해 조타 시 운전자가 느끼는 조타감(스티어링 에포트)이 개선되는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치를 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 보상 토크 결정 방식을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 보상 토크를 이용한 모터 토크의 보상 제어 방식을 보여주는 도면
도 4는 종래의 토크 센서를 나타낸 도면
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치는 조향 모터의 어시스트 토크(줄여서 '모터 토크'라고도 함)를 보상 제어하는 것으로서, 도 1에 나타낸 바와 같이 자기장 센서(20), 오프셋 보상 판단부(30), 오프셋 토크 추정부(40), 보상 토크 연산부(50), 모터 토크 제어부(60), 및 모터 토크 보상부(70)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 조향 모터는 조타 시 스티어링 휠의 조향축에 인가되는 운전자의 조타 토크를 보조하기 위한 어시스트 토크를 발생하는 것으로서 MDPS 모터라고도 한다.
상기 자기장 센서(20)는 상기 조타 토크를 검출하는 토크 센서(10)의 외부 자계량(자기장 세기)을 검출하는 것으로서, 상기 토크 센서(10)의 외측 표면에 부착되어 장착될 수 있으며, 토크 센서(10)의 외부에 발생하는 자계량을 실시간으로 모니터링할 수 있다.
상기 토크 센서(10)는 마그네틱 센싱 타입의 토크 센서로서 상기 조향축에 결합된 마그넷(11)의 회전 시 콜렉터(13)에 의해 포집된 자계량을 자기소자(14)에 의해 측정하여 조타 토크를 검출할 수 있도록 구성되며(도 1 참조), 그에 따라 센서 주변의 자계 변동에 영향을 받아 센서 출력값(조타 토크)에 오프셋 토크(Y)가 포함될 수 있다.
이에 상기 오프셋 보상 판단부(30)를 이용하여 상기 자기장 센서(20)에 의해 검출된 외부 자계량(X)을 기초로 상기 토크 센서(10)의 오프셋 토크(Y)를 보상하는 것이 필요한지 여부를 판단한다. 즉, 상기 오프셋 보상 판단부(30)는 상기 토크 센서(10)의 외부 자계량(X) 값에 따라 상기 토크 센서(10)의 오프셋 토크(Y)의 보상이 필요한지 여부를 판단할 수 있도록 구성된다.
구체적으로, 상기 오프셋 보상 판단부(30)는 토크 센서(10)의 외부 자계량(X)이 기준 자계량(C) 이상이면 상기 토크 센서(10)의 오프셋 토크(Y)의 보상이 필요한 것으로 판단할 수 있으며, 좀더 구체적으로는 스티어링 휠의 조향각의 변동없이(조향각 = 0°) 운전자의 조타 토크가 발생한 것(조타 토크의 크기값 > 0Nm)으로 판단될 때(즉, 스티어링 휠의 조향각이 0°이고 조타 토크의 크기가 0Nm 를 초과할 때) 상기 외부 자계량(X)이 기준 자계량(C) 이상이면 토크 센서(10)의 오프셋 토크(Y)를 보상하는 것이 필요하다고 판단할 수 있다(도 2 참조).
상기 기준 자계량(C)은 토크 센서(10)의 외부 자계량(X)이 토크 센서(10)의 검출 정확도를 저하시킨다고 판단되는 값으로서 설정되며, 구체적으로 C=(D/A)×B 에 의해 계산될 수 있다. 이때 상기 D는 기준 오프셋 토크(Nm)(혹은 오프셋 토크 기준값)이고, 상기 A는 스티어링 토션바의 토크 상수(Nm/deg)이고, 상기 B는 토크 센서(10)의 센서티비티(sensitivity) 값(G/deg)이다. 상기 토크 센서(10)에 의해 측정되는 조타 토크 값은 스티어링 토션바의 비틀림 정도에 따라 변경되므로 상기 스티어링 토션바의 토크 상수를 기초로 상기 기준 자계량(C)을 결정하도록 한다.
상기 오프셋 보상 판단부(30)에 의해 토크 센서(10)의 오프셋 토크(Y)에 대한 보상이 필요하다고 판단되는 경우, 상기 오프셋 토크 추정부(40)는 상기 토크 센서(10)의 외부 자계량(X)을 기초로 토크 센서(10)의 오프셋 토크(Y)를 추정하여 산출한다(도 2 참조).
상기 토크 센서(10)의 오프셋 토크(Y)는 외부 자계량(X)에 따라 발생하게 되므로, 상기 오프셋 토크 추정부(40)는 Y=(A/B)×X 에 의해 상기 오프셋 토크(Y)를 계산할 수 있다. 이때 상기 A는 스티어링 토션바의 토크 상수(Nm/deg)이고, 상기 B는 토크 센서(10)의 센서티비티 값(G/deg)이고, 상기 X는 토크 센서(10)에 의해 측정된 외부 자계량 값(G)이다. 여기서, 상기 X는 외부 자계량을 나타내는 부호이고, 상기 G는 외부 자계량의 단위이다.
상기 보상 토크 연산부(50)는 상기 오프셋 토크(Y)를 상쇄시켜 제거하기 위한 보상 토크(Z)를 산출할 수 있도록 구성된다. 상기 보상 토크(Z)는 토크 센서(10)의 오프셋 토크(Y)에 의해 조향 모터의 어시스트 토크(즉, 모터 토크)에 발생하는 오차를 상쇄시키는 방향으로 보상하기 위한 것으로서 Z=(-1/K)×Y 에 의해 계산될 수 있다. 이때 상기 K는 토크 센서(10)의 토크 상수(Nm/Arms)이고, 상기 Y는 토크 센서(10)의 오프셋 토크(Nm)이다.
상기 모터 토크는 토크 센서(10)의 조타 토크 정보와 조향각 센서의 조향각 정보 및 차속 센서의 차속 정보를 기초로 산출되며, 상기 모터 토크 제어부(60)에 의해 결정된다. 상기 모터 토크 제어부(60)는 상기 조향 모터의 구동을 위한 전류 값 또는 상기 조향 모터의 구동에 따른 토크 값을 산출하여 제어할 수 있으며, 이를 위해 조타 토크와 조향각 및 차속을 기초로 모터 토크의 구동전류를 결정할 수 있도록 구축된 모터 전류 맵을 구비할 수 있다. 상기 모터 전류 맵을 구비하는 경우 상기 맵에 의해 취득된 구동전류 값을 조향 모터의 토크 상수로 나눔으로써(제산함으로써) 모터 토크 값을 구할 수 있다.
상기 모터 토크 제어부(60)는 오프셋 토크(Y)가 포함된 조타 토크를 기반으로 모터 토크를 산출하므로 상기 모터 토크 제어부(60)에 의해 계산된 모터 토크 값은 오프셋 토크(Y)에 따른 오차를 포함하게 된다.
따라서, 상기 모터 토크 보상부(70)는 보상 토크 연산부(50)에 의해 계산된 보상 토크(Z) 즉, 상기 오프셋 토크(Y)에 따른 보상 토크(Z)를 이용하여 상기 오프셋 토크(Y)에 따른 모터 토크의 오차를 상쇄시켜 보상할 수 있도록 구성된다. 구체적으로, 상기 모터 토크 보상부(70)는 모터 토크 제어부(60)로부터 입력되는 모터 토크 값에 상기 보상 토크(Z)를 합산한 값으로서 조향 모터(80)의 실제 출력 토크를 결정한다(도 3 참조).
즉, 상기 조향 모터(80)의 실제 출력 토크는 모터 토크 제어부(60)에 의해 결정된 모터 토크(어시스트 토크)에 상기 보상 토크(Z) 값이 합산된 토크 값이 된다.
이와 같이 토크 센서(10)의 오프셋 토크(Y)에 따른 모터 토크의 오차를 보상함으로써 상기 조향 모터에서 실제 출력되는 토크에서 상기 오프셋 토크(Y)에 따른 오차를 제거할 수 있으며, 그에 따라 조향 모터의 토크 제어 정확도를 향상시킬 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 토크 센서
20 : 자기장 센서
30 : 오프셋 보상 판단부
40 : 오프셋 토크 추정부
50 : 보상 토크 연산부
60 : 모터 토크 제어부
70 : 모터 토크 보상부
80 : 조향 모터

Claims (9)

  1. 조타 시 스티어링 휠의 조향축에 인가되는 운전자의 조타 토크를 보조하기 위한 모터 토크를 보상 제어하는 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치로서,
    상기 조타 토크를 검출하는 토크 센서의 외부 자계량을 검출하는 자기장 센서;
    상기 외부 자계량을 기초로 상기 토크 센서의 오프셋 토크를 산출하는 오프셋 토크 추정부;
    상기 오프셋 토크를 상쇄하기 위한 보상 토크를 산출하는 보상 토크 연산부;
    상기 보상 토크를 이용하여 상기 오프셋 토크에 따른 상기 모터 토크의 오차를 상쇄시키는 모터 토크 보상부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 자계량을 기초로 상기 토크 센서의 오프셋 토크를 보상하는 것이 필요한지 여부를 판단하는 오프셋 보상 판단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 오프셋 보상 판단부는 상기 외부 자계량이 기준 자계량 이상이면 상기 토크 센서의 오프셋 토크를 보상하는 것이 필요하다고 판단하는 것을 특징으로 하는 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 오프셋 보상 판단부는 스티어링 휠의 조향각이 0°이고 조타 토크의 크기가 0Nm 를 초과할 때 상기 외부 자계량이 기준 자계량 이상이면 상기 토크 센서의 오프셋 토크를 보상하는 것이 필요하다고 판단하는 것을 특징으로 하는 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치.
  5. 청구항 3 또는 4에 있어서,
    상기 기준 자계량(C)은 C=(D/A)×B 에 의해 계산되며, 상기 D는 기준 오프셋 토크이고, 상기 A는 스티어링 토션바의 토크 상수이고, 상기 B는 토크 센서의 센서티비티 값인 것을 특징으로 하는 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 오프셋 토크 추정부는 상기 오프셋 토크의 보상이 필요하면 Y=(A/B)×X 에 의해 오프셋 토크(Y)를 계산하며, 상기 A는 스티어링 토션바의 토크 상수이고, 상기 B는 토크 센서의 센서티비티 값이고, 상기 X는 토크 센서에 의해 측정된 외부 자계량인 것을 특징으로 하는 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 보상 토크 연산부는 Z=(-1/K)×Y 에 의해 보상 토크(Z)를 계산하며, 상기 K는 토크 센서의 토크 상수이고, 상기 Y는 토크 센서의 오프셋 토크인 것을 특징으로 하는 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터 토크는 상기 조타 토크와 조향각 및 차속을 기초로 모터 토크 제어부에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터 토크 보상부는 상기 모터 토크에 상기 보상 토크를 합산하여서 상기 조타 토크를 보조하기 위한 조향 모터의 실제 출력 토크를 결정하는 것을 특징으로 하는 스티어링 모터 토크 보상 제어 장치.
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