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KR101655678B1 - 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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KR101655678B1
KR101655678B1 KR1020150075819A KR20150075819A KR101655678B1 KR 101655678 B1 KR101655678 B1 KR 101655678B1 KR 1020150075819 A KR1020150075819 A KR 1020150075819A KR 20150075819 A KR20150075819 A KR 20150075819A KR 101655678 B1 KR101655678 B1 KR 101655678B1
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KR
South Korea
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mdps
steering
vehicle
failure
torque
Prior art date
Application number
KR1020150075819A
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English (en)
Inventor
노윤갑
이종호
노양수
한민우
Original Assignee
현대자동차주식회사
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.)
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Publication date
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Priority to DE102015121168.8A priority patent/DE102015121168B4/de
Priority to CN201510908258.6A priority patent/CN106184347B/zh
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Abstract

본 발명은 전동식 조향 장치의 기능 안전 대응을 위하여 고장 여부를 비롯하여 셀프-스티어링 및 노-스티어링 상황 등과 같은 고장 종류를 정확하게 검출할 수 있도록 한 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 센서류 등을 별도로 추가하지 않고 차량의 전반적인 상태를 고려하여, MDPS 고장 여부를 1차로 판정하고, 연속해서 MDPS 고장 종류(예를 들어, 셀프-스티어링 및 노-스티어링 상황)를 2차로 판정할 수 있도록 함으로써, 전동식 조향 장치의 기능 안전성을 확보할 수 있도록 한 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 시스템 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 시스템 및 방법{CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR FAIL SAFE OF MDPS}
본 발명은 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전동식 조향 장치의 기능 안전 대응을 위하여 고장 여부를 비롯하여 셀프-스티어링 및 노-스티어링 상황 등과 같은 고장 종류를 정확하게 검출할 수 있도록 한 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근에 출시되는 차량에는 주행속도에 따른 스티어링 휠의 조타력을 변화시키기 위하여 전동식 조향 장치(MDPS: motor driven power steering)가 탑재되고 있다.
상기 전동식 파워스티어링 장치는 차속 감응형 파워스티어링 장치로서, 전동식 파워스티어링 모듈의 ECU가 차량속도에 따라 조향각 및 모터 움직임을 제어하면서 주행속도별로 최적의 조향감을 운전자에게 제공하는 기능을 한다.
차량 내 부품들이 전자화됨에 따라 차량의 기능 안전에 대한 관심이 점차 높아지고 있으며, 이에 차량의 전동식 조향 장치(이하, MDPS라 칭함) 분야에서도 국제 표준인 ISO26262를 만족하기 위한 연구개발이 지속되고 있다.
이러한 국제 표준을 만족하고 MDPS 시스템의 기능 안전을 향상시키기 위하여, MDPS 페일 세이프 방안이 적용되고 있다.
이를 위한 종래의 MDPS 페일 세이프 방법은 주로 MDPS로 입력되는 센서 신호, ECU 내부 회로, 그리고 모터 등과 관련된 고장 등 MDPS의 위험이 예상되는 고장에만 초점을 맞추는 페일 세이프(Fail-Safe) 로직으로 구현되어, MDPS를 포함한 차량의 전반적인 상태에 대한 고려없이 즉각적으로 MDPS의 모터에 대한 전류를 차단하여 MDPS 동작을 멈추는 제어가 주를 이루고 있다.
그러나, MDPS의 새로운 기능 추가시 추가된 기능을 모니터링하기 위한 페일 세이프 방법은 시스템 안전등급(ASIL)에 부합한 방법론을 통해 개발되어야 하고, 또한 MDPS의 기능이 추가될 때마다 페일 세이프 로직이 추가되어야 하므로, 결국 MDPS 페일 세이프 시스템이 복잡해지는 문제점이 있다.
또한, MDPS의 기능이 추가될 때마다 페일 세이프 로직을 구현하기 위한 여러가지 센서가 요구됨에 따라 원가상승을 초래하는 문제점이 있다.
이에, MDPS의 고장 발생(예를 들어, 셀프-스티어링 또는 노-스티어링)을 정확하게 검출하기 위해서는 별도의 센서들을 추가하지 않고 차량의 전반적인 상태를 고려하여 검출할 필요가 있다.
참고로, MDPS의 셀프-스티어링(Self-Steering)은 운전자의 입력이 없는 상황(직진 또는 원선회 주행 등)에서 MDPS 기능 고장에 의해 MDPS용 모터에 큰 토크가 발생하여 의도하지 않게 현재 주행경로를 이탈하는 현상[안전등급(ASIL): D(매우 위험]을 말한다.
또한, MDPS의 노-스티어링(No-Steering)은 MDPS 기능 고장에 의해 운전자의 조향 입력에도 불구하고, MDPS용 모터토크가 운전자 토크와 같은 크기를 가지면서 반대로 작용하여 조향 자체가 불가능한 상황[안전등급(ASIL): C(위험)]이 초래되는 것을 말한다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 센서류 등을 별도로 추가하지 않고 차량의 전반적인 상태를 고려하여, MDPS 고장 여부를 1차로 판정하고, 연속해서 MDPS 고장 종류(예를 들어, 셀프-스티어링 및 노-스티어링 상황)를 2차로 판정할 수 있도록 함으로써, 전동식 조향 장치의 기능 안전성을 확보할 수 있도록 한 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 구현예는: 차속을 비롯하여 조향각 및 조향토크를 이용하여 직진 또는 선회 여부를 판정하는 직진/선회 여부 판정모듈과; 상기 직진/선회 여부 판정모듈에서 직진 주행으로 판정되면, 운전자 조향토크 및 MDPS의 모터토크를 이용하여 MDPS 고장 여부를 1차로 판정하는 고장여부 판단모듈과; 상기 고장판단모듈에 의한 MDPS 고장이 확정되면, 요레이트 변화율을 이용하여 2차로 MDPS 고장 종류를 판정하는 고장종류 판단모듈과; 상기 고장종류 판단모듈에 요레이트 변화율을 입력하는 요레이트 변화율 검출모듈; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 시스템을 제공한다.
본 발명의 시스템은 상기 고장여부 판단모듈 및 고장종류 판단모듈의 판단 결과에 따라, MDPS 모터를 오프시키는 모터 안전상태 천이 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 직진-선회 여부 판정모듈은: 차속이 일정값 이상일 경우, 입력받은 조향토크 및 조향각의 절대크기를 기반으로 차량의 직진 또는 선회 주행 여부를 판정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 고장여부 판단모듈은: 차량의 직진 주행 상태에서 조향토크와 모터토크의 곱을 연산 및 적분하고, 적분값이 임계치 이상이 되는 경우을 만족하는 동시에 모터토크의 크기가 임계치 이상으로 순간 증대된 경우를 만족하면 MDPS 고장으로 판정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 고장종류 판단모듈은 요레이트 변화율의 크기가 임계치 이상으로 과다하면 셀프-스티어링 상태로 판정하고, 요레이트 변화율의 크기가 임계치 이하로 과소하면 노-스티어링 상태로 판정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 요레이트 변화율 검출모듈은 차속 및 조향각을 이용하여 요레이트 변화율을 추정하는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 차속을 비롯하여 조향각 및 조향토크를 이용하여 차량의 직진 또는 선회 여부를 판정하는 직진/선회 여부 판정 단계와; 상기 직진 주행으로 판정되면, 운전자 조향토크 및 MDPS의 모터토크를 이용하여 MDPS 고장 여부를 1차로 판정하는 고장여부 판단 단계와; 상기 MDPS 고장으로 판정되면, 요레이트 변화율을 검출하여 2차로 MDPS 고장 종류를 판정하는 고장종류 판단 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 방법은 상기 고장여부 판단 및 고장종류 판단 결과에 따라, MDPS 모터를 오프시키는 모터 안전상태 천이 제어 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 상기 직진-선회 여부 판정 단계에서 차속이 일정값 이상일 경우, 현재 조향토크 및 조향각의 절대크기를 기반으로 차량의 직진 또는 선회 주행 여부를 판정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 고장여부 판단 단계는: 차량의 직진 주행 상태에서 조향토크와 모터토크의 곱을 연산하고, 연산된 값을 적분하는 단계와; 적분값이 임계치 이상이면서 모터토크의 크기가 임계치 이상으로 순간 증대된 경우, MDPS 고장으로 판정하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 상기 고장종류 판단 단계에서, 요레이트 변화율의 크기가 임계치 이상으로 과다하면 셀프-스티어링 상태로 판정하고, 요레이트 변화율의 크기가 임계치 이하로 과소하면 노-스티어링 상태로 판정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 요레이트 변화율 검출은 차속 및 조향각 신호를 기반으로
Figure 112015051841841-pat00001
에 의하여 추정되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 별도의 센서류 등을 추가하지 않고 MDPS가 측정할 수 있는 차량의 전반적인 상태 정보를 고려하여, MDPS 고장 여부를 1차로 판정할 수 있을 뿐만 아니라, 연속해서 MDPS 고장 종류(예를 들어, 셀프-스티어링 및 노-스티어링 상황)를 2차로 검출할 수 있다.
둘째, MDPS 기능 고장을 판정함과 물론 MDPS 기능 고장에 의한 사고발생 상황인 셀프-스티어링 및 노-스티어링을 판정할 수 있으므로, MDPS 고장 상황에 보다 안정적인 후속 조치(예를 들어, MDPS 모터 오프)를 취할 수 있고, 결국 전동식 조향 장치의 기능 안전성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 시스템을 도시한 구성도,
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 방법을 나타낸 순서도,
도 5는 전동식 조향 장치의 기능 고장에 따른 셀프-스티어링과 노-스티어링 상황을 도시한 개략도,
도 6은 본 발명에 따른 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 방법 중, MDPS 고장 판단 시점을 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 시스템을 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, 차속을 비롯하여 조향각 및 조향토크가 직진/선회 여부 판정모듈(10)에 입력되면, 직진/선회 여부 판정모듈(10)은 입력받은 차속이 일정값 이상인지 판정한 후(S101), 조향각 및 조향토크를 이용하여 차량의 직진 또는 선회 여부를 판정한다(S102).
즉, 차량의 차속센서로부터의 차속 신호와, 운전자 조작에 의한 스티어링 휠의 조향각를 검출하는 조향각 감지센서로부터의 조향각 신호와, 운전자 조작에 의한 스티어링 휠의 조향토크를 검출하는 조향토크 감지센서로부터의 조향토크 신호가 직진/선회 여부 판정모듈(10)에 입력되면, 직진-선회 여부 판정모듈(10)은 차속이 일정값 이상인지를 먼저 판정하고, 차속이 일정값 이상이면 조향토크 및 조향각의 절대크기를 기반으로 차량의 직진 또는 선회 주행 여부를 판정한다.
예를 들어, 스티어링 휠의 중립 상태(조향각 제로)이면서 조향토크 제로 상태이면 직진 주행으로 판정하고, 조향각 및 조향토크가 (+) 또는 (-)값을 가지는 경우 선회 주행으로 판정한다.
다음으로, 상기 직진/선회 여부 판정모듈(10)에서 직진 주행으로 판정되면, 고장여부 판단모듈(30)에서 운전자 조향토크 및 MDPS의 모터토크를 이용하여 MDPS 고장 여부를 1차로 판정하는 단계가 진행된다(S103).
첨부한 도 3을 참조하면, 상기 MDPS 고장 여부를 1차로 판정하기 위하여 고장여부 판단모듈(30)에서 먼저 차량의 직진 주행 상태에서 조향토크 감지센서로부터의 조향토크와 MDPS 모터의 토크를 감지하는 모터토크센서로부터의 모터토크를 곱하는 연산을 한 후(S103-1), 연산된 값을 적분한다(S103-2).
이때, 상기 조향토크와 모터토크는 서로 비례 관계에 있기 때문에 조향토크와 모터토크를 곱하여 적분한 누적 적분값의 크기가 임계치 이상인지 여부를 판단한다(S103-3).
이와 동시에, 상기 모터토크의 크기가 임계치 이상으로 순간 증대되었는지 여부를 판단한다(103-4).
따라서, 상기 조향토크와 모터토크를 곱하여 적분한 누적 적분값의 크기가 임계치 이상이고, 동시에 상기 조향토크 대비 모터토크의 크기가 비례적으로 증가하지 않고 임계치 이상으로 순간 증대된 것으로 판정되면, MDPS 기능 고장으로 판정한다(S103-5).
한편, 상기 조향토크와 모터토크의 곱을 시간에 따라 적분한 예를 나타낸 첨부한 도 6에서 보듯이, 상기 누적 적분값의 넓이가 일정값 이상이 되면 MDPS 고장으로 판정할 수 있다.
다음으로, 상기 고장여부 판단모듈(30)에 의한 MDPS 고장이 확정되면, 고장종류 판단모듈(40)에서 요레이트 변화율을 이용하여 2차로 MDPS 고장 종류를 판정한다(104).
상기 MDPS 고장 종류를 판정하는 것은 MDPS 기능 고장 상태에서 차량 사고가 발생할 수 있는 상황을 검출하기 위한 것으로서, 예를 들어 셀프-스티어링 및 노-스티어링 상황을 검출하여, MDPS 고장 상황에 대한 보다 안정적인 후속 조치를 취할 수 있도록 함에 있다.
이때, 상기 셀프-스티어링(Self-Steering)은 운전자의 입력이 없는 직진 상태에서 MDPS 기능 고장에 의해 MDPS용 모터에 큰 토크가 발생하여 의도하지 않게 현재 주행경로를 이탈하는 현상을 말하고, 노-스티어링(No-Steering)은 직진 주행 상태에서 MDPS 기능 고장에 의해 운전자의 조향 입력에도 불구하고, MDPS용 모터토크가 반대로 작용하여 조향 자체가 불가능한 상황을 말한다.
따라서, 상기 고장여부 판단모듈(30)에 의한 MDPS 고장이 확정되면, 요레이트 변화율 검출모듈(20)에서 차속 및 조향각을 입력받아, 아래의 수학식 1을 이용하여 요레이트 변화율을 추정한 후, 그 결과를 고장종류 판단모듈(40)에 전송한다.
Figure 112015051841841-pat00002
위의 수학식 1에서, VX : 차량속도, L: 축거, Kus: 언더스티어 상수, g: 중력(9,81 ㎨), δf: 조향각을 나타낸다.
이어서, 상기 고장종류 판단모듈(40)에서 요레이트 변화율 검출모듈(20)로부터의 요레이트 변화율 크기를 이용하여 2차로 MDPS 고장 종류를 판정하되, 요레이트 변화율의 크기가 임계치 이상으로 과다하면 셀프-스티어링 상태로 판정하고(S104-1), 요레이트 변화율 크기가 임계치 이하로 과소하면 노-스티어링 상태로 판정한다(S104-2).
다시 말해서, 상기 요레이트 변화율 크기가 임계치 이상이면 차량이 의도하지 않게 현재 주행경로를 이탈하는 것으로 보아 셀프-스티어링 상태로 판정할 수 있고, 요레이트 변화율 크기가 임계치 이하로 과소하면 운전자의 조향 입력에도 불구하고 조향 자체가 불가능한 노-스티어링 상태로 판정할 수 있다.
최종적으로, 상기 고장여부 판단모듈(30) 및 고장종류 판단모듈(40)의 판단 결과에 따라, 모터 안전상태 천이 제어부(50)에서 MDPS 모터를 오프시키는 제어를 한다.
즉, 상기 고장여부 판단모듈(30)에서 MDPS 고장으로 판정하고, 상기 고장종류 판단모듈(40)에서 MDPS 고장 종류를 판정하면, 모터 안전상태 천이 제어부(50)에서 안전을 위하여 MDPS 모터를 오프시키는 제어를 한다.
이와 같이, MDPS 고장 여부를 1차로 판정할 수 있을 뿐만 아니라, 별도의 센서류 등을 추가하지 않고 MDPS 기능 고장에 의해 발생할 수 있는 재난 상황으로서 MDPS 고장 종류(예를 들어, 셀프-스티어링 및 노-스티어링 상황)를 2차로 검출할 수 있도록 함으로써, 차량 상태 모니터링 기능을 통해 차량의 재난 상황(MDPS 고장 종류)을 현상학적으로 검출할 수 있고, 그 검출 결과를 MDPS 고장에 대한 검출 커버리지를 높이는데 활용하는 동시에 보다 효율적으로 MDPS 기능 안정성을 확보하는데 활용할 수 있다.
10 : 직진/선회 여부 판정모듈
20 : 요레이트 변화율 검출모듈
30 : 고장여부 판단모듈
40 : 고장종류 판단모듈
50 : 모터 안전상태 천이 제어부

Claims (12)

  1. 차속을 비롯하여 조향각 및 조향토크를 이용하여 직진 또는 선회 여부를 판정하는 직진/선회 여부 판정모듈과;
    상기 직진/선회 여부 판정모듈에서 직진 주행으로 판정되면, 운전자 조향토크 및 MDPS의 모터토크를 이용하여 MDPS 고장 여부를 1차로 판정하는 고장여부 판단모듈과;
    상기 고장여부 판단모듈에 의한 MDPS 고장이 확정되면, 요레이트 변화율을 이용하여 2차로 MDPS 고장 종류를 판정하는 고장종류 판단모듈과;
    상기 고장종류 판단모듈에 요레이트 변화율을 입력하는 요레이트 변화율 검출모듈;을 포함하고,
    상기 고장여부 판단모듈은, 차량의 직진 주행 상태에서 조향토크와 모터토크의 곱을 연산 및 적분하고, 적분값이 임계치 이상이 되는 경우를 만족하는 동시에 모터토크의 크기가 임계치 이상으로 순간 증대된 경우를 만족하면 MDPS 고장으로 판정하는 것을 특징으로 하는 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고장여부 판단모듈 및 고장종류 판단모듈의 판단 결과에 따라, MDPS 모터를 오프시키는 모터 안전상태 천이 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 직진/선회 여부 판정모듈은:
    차속이 일정값 이상일 경우, 입력받은 조향토크 및 조향각의 절대크기를 기반으로 차량의 직진 또는 선회 주행 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 시스템.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 고장종류 판단모듈은:
    요레이트 변화율의 크기가 임계치 이상으로 과다하면 셀프-스티어링 상태로 판정하고, 요레이트 변화율의 크기가 임계치 이하로 과소하면 노-스티어링 상태로 판정하는 것을 특징으로 하는 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 요레이트 변화율 검출모듈은 차속 및 조향각을 이용하여 요레이트 변화율을 추정하는 것을 특징으로 하는 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 시스템.
  7. 차속을 비롯하여 조향각 및 조향토크를 이용하여 차량의 직진 또는 선회 여부를 판정하는 직진/선회 여부 판정 단계와;
    상기 직진 주행으로 판정되면, 운전자 조향토크 및 MDPS의 모터토크를 이용하여 MDPS 고장 여부를 1차로 판정하는 고장여부 판단 단계와;
    상기 MDPS 고장으로 판정되면, 요레이트 변화율을 검출하여 2차로 MDPS 고장 종류를 판정하는 고장종류 판단 단계;를 포함하고,
    상기 고장여부 판단 단계는:
    차량의 직진 주행 상태에서 조향토크와 모터토크의 곱을 연산하고, 연산된 값을 적분하는 단계와;
    적분값이 임계치 이상이면서 모터토크의 크기가 임계치 이상으로 순간 증대된 경우, MDPS 고장으로 판정하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 고장여부 판단 및 고장종류 판단 결과에 따라, MDPS 모터를 오프시키는 모터 안전상태 천이 제어 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 직진/선회 여부 판정 단계에서,
    차속이 일정값 이상일 경우, 현재 조향토크 및 조향각의 절대크기를 기반으로 차량의 직진 또는 선회 주행 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 방법.
  10. 삭제
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 고장종류 판단 단계에서,
    요레이트 변화율의 크기가 임계치 이상으로 과다하면 셀프-스티어링 상태로 판정하고, 요레이트 변화율의 크기가 임계치 이하로 과소하면 노-스티어링 상태로 판정하는 것을 특징으로 하는 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 방법.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 요레이트 변화율 검출은 차속 및 조향각 신호를 기반으로
    Figure 112015051841841-pat00003
    에 의하여 추정되는 것을 특징으로 하는 자동차용 전동식 조향 장치의 기능 안전을 위한 제어 방법.
    위의 식에서, VX : 차량속도, L: 축거, Kus: 언더스티어 상수, g: 중력(9,81 ㎨), δf: 조향각을 나타낸다.
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