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KR20090062321A - 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템과 그제어방법 - Google Patents

인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템과 그제어방법 Download PDF

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KR20090062321A
KR20090062321A KR1020070129484A KR20070129484A KR20090062321A KR 20090062321 A KR20090062321 A KR 20090062321A KR 1020070129484 A KR1020070129484 A KR 1020070129484A KR 20070129484 A KR20070129484 A KR 20070129484A KR 20090062321 A KR20090062321 A KR 20090062321A
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KR
South Korea
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wheel
vehicle
control
lateral acceleration
sensor
Prior art date
Application number
KR1020070129484A
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English (en)
Inventor
최서호
유성필
박선순
김현수
김정민
조남영
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.)
Filing date
Publication date
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Abstract

본 발명은 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템과 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래 내연기관 차량이 갖는 단점을 보완하고, 미래 자동차의 플랫폼으로써 그 활용가치가 큰 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템과 그 제어방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 차량의 가속, 제동 및 선회시 차량의 상태를 감지하는 차량속도센서, 차륜속도센서, 횡가속도 센서, 요 레이트 센서, 조향각센서; 상기 센서로부터 신호를 입력받아 인휠 모터의 작동을 제어하는 제어기; 및 차륜에 장착되는 인휠 모터를 포함하고, 상기 제어기는 인휠 모터 차륜의 슬립 제어 알고리즘, 횡가속도 제어 알고리즘, 요레이트 제어 알고리즘을 통해 각 모터의 최종 출력토크 지령값을 계산하여 통합제어 하는 것을 특징으로 하는 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템을 제공한다.
인 휠 드라이브, 인휠 모터, 독립구동, 슬립, 횡가속도, 요레이트

Description

인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템과 그 제어방법{Control technology for independent in wheel drive system for future vehicles}
본 발명은 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템과 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래 내연기관 차량이 갖는 단점을 보완하고, 미래 자동차의 플랫폼으로써 그 활용가치가 큰 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템과 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적인 내연기관 차량은 엔진, 변속기, 트랜스퍼케이스, 차동기어, 축, 차륜을 포함하는 구동계로 이루어져 있다.
도 1에 도시한 바와 같이 구동계의 동력전달은 엔진(1)에서 동력을 생성하고, 변속기(2)에서 운전 상황에 맞는 기어비를 택해 토크와 속도를 변환하고, 트랜스퍼케이스(3)를 통하여 전 후륜에 동력을 분배한 후 차동기어(4)와 축(5)을 거쳐 차륜(6)으로 전달되어 차량을 구동시킨다.
최근 차량이 고속화되고 운전자들의 안전에 대한 관심이 증대됨에 따라 여러 가지 안전장비가 차량에 탑재되고 있다.
종래의 차량의 안전장치는 사고 후 탑승자를 보호하는 수동형 안전장치에 대한 개발에 집중되었으나 최근에는 사고가 일어나는 것을 미연에 방지하는 능동형 안전장치에 대한 연구 개발이 많이 이루어지고 있다.
능동형 안전장치로는 브레이크를 제어하는 ABS(anti-lock brake system), 차량의 구동에 관계하는 TCS(traction control system), 선회 시 차량의 안정성을 제어하는 ESP(electronic stability program) 등이 있다.
능동형 안전장치의 작동 원리는 도 2에 도시한 바와 같이 먼저 차량의 상태에 대한 정보를 수집하는 각종 센서가 실시간으로 데이터를 수집하고, 제어기는 그 데이터를 바탕으로 차량의 상태를 판단한다.
차량의 상태가 불안정한 상태라고 판단되면 제어기는 그 상황에 대해 차량이 다시 안정한 상태로 돌아오도록 여러 가지 제어를 수행한다.
ABS에서는 차량의 바퀴가 잠기면 브레이크 유압을 줄여 이를 방지하고, TCS는 차량 구동륜의 미끄럼이 발생하지 않도록 엔진의 토크를 제어하거나 구동륜의 브레이크 제어를 수행한다.
그리고 ESP에서는 선회시 차량의 상태가 언더스티어(understeer)인지 오버스티어(oversteer)인지를 판단한 후 각 상황에 맞게 엔진 토크와 각 차륜의 브레이크를 통해 차량 요 모멘트(yaw moment)를 제어하여 차량을 안정화시킨다.
그러나, 종래의 4륜구동 차량의 구동 방식은 엔진, 변속기, 트랜스퍼케이스 등이 차량의 공간을 차지함으로써 공간 활용성에 불리하며, 차량 플랫폼의 활용도 가 낮다.
또한, 엔진의 동력이 변속기, 트랜스퍼케이스 등을 거쳐 전달됨에 따른 차량 효율이 떨어지는 단점이 있다.
그리고, 기존의 차량 안정성 제어 방법에는 다음과 같은 결점이 존재한다.
먼저 구동계의 제어를 위한 TCS 제어기, 제동계의 제어를 담당하는 ABS 제어기, 그리고 차량의 선회 제어를 담당하는 ESP 제어기가 각각 존재하여야 하고, 각 제어기의 제어 영역이 구분되어 있기 때문에 차량의 안전성을 종합적으로 제어하지 못하는 단점이 있다.
또한, 엔진의 토크 반응 속도가 엔진속도에 따라 수십에서 수백 msec로, 변속기, 트랜스퍼케이스 등의 응답시간까지 고려하면 바퀴로 전달되는 토크 응답은 200~700msec가 소요되어 토크 제어에 의한 자세 안정이 빠르게 이루어지지 못하는 단점이 있다.
한편 적용 차량이 4륜구동이 아닌 경우, 구동륜이 아닌 바퀴에서는 브레이크에 의한 요 모멘트 생성이 충분하지 못하여 차량 자세 제어가 제대로 이루어지지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 차량속도센서, 차륜속도센서, 횡가속도센서, 조향각센서 및 요 레이트 센서를 통해 차량의 상태를 감지하고, 센서의 입력값으로부터 슬립 제어 가중치, 횡가속도 제어 가중치 및 다이렉트 요 모멘트 컨트롤 토크를 계산하여 통합 주행 제어를 수행함으로써, 차량의 안정성 및 운전 성능을 향상시킬 수 있도록 한 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템과 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템에 있어서,
차량의 가속, 제동 및 선회시 차량의 상태를 감지하는 차량속도센서, 차륜속도센서, 횡가속도 센서, 요 레이트 센서, 조향각센서; 상기 센서로부터 신호를 입력받아 인휠 모터의 작동을 제어하는 제어기; 및 차륜에 장착되는 인휠 모터를 포함하고, 상기 제어기는 인휠 모터 차륜의 슬립 제어 알고리즘, 횡가속도 제어 알고리즘, 요레이트 제어 알고리즘을 통해 각 모터의 최종 출력토크 지령값을 계산하여 통합제어 하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 인휠모터는 좌우측의 쌍을 이루어 차륜에 장착되되, 모든 휠에 인휠 모터를 장착하거나 전륜에만 인휠모터를 장착한 전륜구동차량 또는 후륜에만 인휠모터를 장착한 후륜구동차량에 적용가능한 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 인휠모터는 좌우측의 쌍을 이루어 차륜에 장착되되, 전륜 또는 후륜이 내연기관 또는 모터, 변속기, 트랜스퍼 케이스, 축, 휠로 구성된 구동구조를 가지면서 나머지 휠에는 인휠모터를 장착한 차량에 적용가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면은 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템의 제어방법에 있어서,
차량속도센서 및 차륜속도센서에 의해 차속 및 각 휠의 회전속도를 감지하는 단계; 상기 차속 및 각 휠의 회전속도를 이용하여 슬립률을 계산하는 단계; 상기 계산된 슬립률과 요구슬립률로부터 슬립률 오차를 계산하는 단계; 상기 계산된 슬립률 오차에 따라 일정 범위의 계수(슬립제어 가중치)를 출력하는 단계; 상기 계수를 현재 인휠모터의 토크지령값에 곱하여 슬립제어 토크 지령값을 구하는 단계를 포함하여 이루어지고, 이에 따라 슬립률이 과도한 경우 인휠모터의 구동토크를 줄여 슬립률을 요구값 이내로 유지하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 계수(슬립제어 가중치)는 슬립률이 요구값(요구슬립률)보다 크고, 슬립률 오차가 기준값이상인 경우에는 0이고, 슬립률이 요구값 미만인 경우에는 1이며, 0~1의 범위를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면은 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템의 제어방법에 있어서,
차량속도센서 및 조향각센서에 의해 차속과 운전자의 조향각을 감지하는 단 계; 상기 차속과 조향각을 이용하여 현재 차량의 요구선회량을 만족하기 위한 요구횡가속도를 계산하는 단계; 상기 계산된 요구횡가속도와 횡가속도센서로부터 입력된 현재 차량의 횡가속도로부터 횡가속도 오차를 계산하는 단계; 상기 횡가속도 오차에 따라 제어기에서 일정범위의 계수(횡가속도 제어 가중치)를 출력하는 단계; 상기 출력된 계수를 현재 인휠 모터의 토크지령값에 곱하여 횡가속도 제어 토크 지령값을 구하는 단계를 포함하여 이루어지고, 차량이 고속으로 코너에 진입하여 요구되는 선회량을 만족하지 못할 때 차속을 제한하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 계수(횡가속도 제어 가중치)는 횡가속도 오차가 기준값 이상인 경우에는 0, 기준값 미만인 경우에는 1을 기준으로, 0~1의 범위인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면은 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템의 제어방법에 있어서,
차량속도센서 및 조향각 센서에 의해 차속 및 운전자의 조향각을 감지하는 단계; 상기 차속과 조향각을 이용하여 현재 차량의 요구 선회량에 해당하는 요구 요레이트를 계산하는 단계; 상기 계산된 요구 요레이트와 요레이트센서에서 입력된 현재 차량의 요레이트로부터 요레이트 오차를 계산하는 단계; 상기 요레이트 오차에 따라 제어기에서 토크 지령값의 가감분 크기를 결정하여 출력하는 단계; 상기 출력된 토크 지령값의 가감분을 좌우측 인휠모터의 토크지령값에 각각 더하고 빼주어 좌우측 차륜의 구동력의 차이를 발생시키는 단계를 포함하여 이루어지고, 차량의 선회량이 요구선회량보다 부족하거나 과할 경우에 선회방향이나 역방향으로 다 이렉트 요모멘트를 작용시켜 요구 선회량에 부합되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면은 차륜에 인휠모터가 탑재된 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템의 제어방법에 있어서,
운전자의 가/감속페달로부터 이에 해당하는 일정한 양의 토크를 구하는 단계; 노면과 차륜 사이의 슬립률이 요구슬립률보다 큰지를 판단하여 요구슬립률보다 큰 경우에는 인휠모터 차륜의 슬립을 제한하기 위해 슬립제어 가중치를 계산하는 단계; 요구 횡가속도 값과 실제 횡가속도 값의 오차가 기준값 이상인지를 판단하여 상기 오차가 기준값 이상인 경우에는 차속을 줄이기 위한 횡가속도제어 가중치를 계산하는 단계; 차량의 선회시 차속을 줄였음에도 불구하고 횡가속도 오차가 또 다른 기준값 이상일 경우에는 차량의 자세제어를 위한 다이렉트 요 모멘트 컨트롤 토크를 계산하는 단계를 포함하고, 상기 인휠모터 차륜의 슬립률에 대한 제어, 횡가속도에 대한 제어, 요레이트에 대한 제어의 경우 각각 제어값의 연산을 통해 각각의 모터에 최종 출력토크 지령하여 통합제어가 가능한 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템과 그 제어방법에 의하면, 종래 차량의 TCS, ABS, ESP 구현을 위한 별도의 장치 없이 인휠모터를 각 휠에 장착하여 각 휠의 구동토크를 제어함으로써, 차량의 안정성을 확보하고, 운전자의 운전 성능을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 인휠 드라이브 전기자동차를 예시한 도면으로서, 도 3a는 후륜 독립구동방식이고, 도 3b는 전류 독립구동 방식이고, 도 3c는 올 휠(all wheel) 독립구동방식이다.
본 발명은 인휠모터(20a,20b,20c,20d)를 이용한 인 휠 드라이브(In wheel drive) 전기자동차의 제어 방법에 관한 것이다.
상기 인휠모터(20a~20d)는 차량을 구동하기 위한 모터를 별도의 동력전달 기구의 사용 없이 직접 차륜(10,11)과 타이어에 연결한 것이다.
이에 차륜에 동력을 전달하기 위한 별도의 변속기와 트랜스퍼 케이스가 필요 없으므로, 이에 따른 동력손실이 없고 차륜을 각각 독립적으로 구동할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명은 별도의 동력전달 기구를 사용하지 않고 좌우측으로 쌍을 이루는 인휠모터(20a~20d)를 장착한 차량의 경우에 적용할 수 있다.
예를 들면, 도 3c에서 처럼 모든 휠에 인휠모터를 장착한 차량은 물론, 전륜에만 인휠모터를 장착한 전륜구동차량 그리고 후륜에만 인휠모터를 장착한 후륜구동차량에 적용할 수 있다.
또한, 도 3a 및 도 3b에서 처럼 전륜이나 후륜이 내연기관 또는 모터(1), 변속기(2), 트랜스퍼케이스(3), 축(5), 휠(10,11)로 구성된 기존의 구동구조를 가지면서 나머지 휠에는 인휠모터(20a~20d)를 장착한 차량에 적용할 수 있다.
상기 예와 같이 인휠모터(20a~20d)를 장착한 차량의 경우 구조가 간단하며, 차량 공간을 자유롭게 사용할 수 있어 차량 패키징 측면에서 자유도가 높고, 하나의 인 휠 드라이브 구동 플랫폼 개발로 다양한 차량 개발에 적용 가능한 구조이다.
도 4는 본 발명의 인 휠 드라이브 전기자동차의 작동원리를 설명하기 위한 구성도이다.
인 휠 드라이브 전기자동차는 동력원으로 배터리, 연료전지, 내연기관 등을 사용할 수 있으며, 이의 동력은 인휠모터(20a~20d)로 전달되어 차량을 구동한다.
차량을 제어하기 위하여 가속페달 각 센서(31), 제동 페달 각 센서(32), 조향각 센서(33), 4개의 차륜 속도 센서(34a~34d), 종방향 가속도 센서(35), 횡방향 가속도 센서(36), 요 레이트 센서(37)를 사용하며, 각 센서를 통하여 얻은 신호는 제어기(21)에 인가된다.
제어기(21)는 인 휠 드라이브 전기 자동차의 독립구동 주행 제어 방법에 따라 차량의 제어 신호를 인버터(22)에 인가하며, 인버터(22)는 배터리(23)의 전원을 이용하여 제어기(21)의 신호에 따라 인휠모터(20a~20d)에 구동력이 발생할 수 있도록 제어 한다.
본 발명에 따른 인휠모터를 이용한 전기자동차의 제어방법을 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 슬립제어방법을 나타내는 순서도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 횡가속도 제어방법을 나타내는 순서도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 요레이트 제어방법을 나타내는 순서도이다.
1) 슬립제어방법
마찰계수가 작은 노면에서 차량이 급제동을 하면 자동차 타이어의 회전은 멈추지만 차량의 관성에 의해 계속해서 움직이게 된다. 즉 타이어가 회전을 멈춘 상태에서 자동차는 마치 스키를 타듯 미끌어지게 된다.
이렇게 급제동을 해 타이어가 멈추게 되면 가장 큰 문제는 핸들이 고정되기 때문에 운전자가 스스로 자동차의 방향을 바꿀 수 없어 사고가 일어날 수 있다.
이것을 방지하는 장치가 기존에는 ABS(Anti-lock Braking System 또는 Anti-skid Braking System)이다.
ABS는 바퀴마다 스피드센서를 장착하고 자동차속도와 바퀴속도를 비교하며 슬립률을 이용하여 제동한다.
예를 들어 자동차가 100㎞/h이고 제동으로 인하여 바퀴속도가 80㎞/h라고 하면 슬립률은 20%이다. 노면상태에 따라서 차이가 있지만 슬립률이 15~20%일 때 제동력이 최고가 된다.
결과적으로 ABS는 제동력이 최대가 되는 슬립률이 유지되도록 ECU와 유압제동장치가 각 바퀴의 회전속도를 조절한다.
여기서, 본 발명에 따른 슬립제어 알고리즘은 제어기에서 차속과 각 휠의 회전속도를 이용하여 슬립률을 계산하고, 구해진 슬립률과 요구슬립률로부터 슬립률 오차를 정의하며, 상기 제어기는 정의된 슬립률 오차에 따라 0~1 사이의 계수를 출력한다.
이때, 상기 슬립률 오차가 일정범위를 벗어나는 경우에는 계수 0을 출력하 고, 일정범위 미만인 경우에는 계수 1을 출력한다.
그 다음, 상기 제어기는 현재 인휠모터의 토크지령값에 계수를 곱하여 슬립제어 토크지령값을 구한다.
이와 같은 방법에 의해 차량의 급제동에 의해 휠의 잠금 등 슬립률이 과도한 경우에 인휠모터의 구동토크를 줄여 슬립률을 요구슬립률 미만으로 유지하도록 한다.
2) 횡가속도 제어방법
TCS(Traction Control System)는 차륜 슬립현상을 최소화하여 안전운행을 할 수 있도록 도와주는 시스템으로써 눈길 등 미끄러지기 쉬운 노면에서의 가속성 및 선회안전성을 확보하여 주는 슬립제어 기능과 선회가속 시에 구동력을 제어하여 조향성능을 향상시키는 트레이스 제어(TRACE CONTROL) 기능을 갖는다.
상기 슬립 제어(SLIP CONTROL)는 후륜 스피드 센서에서 얻어지는 차체의 속도와 전륜 스피드 센서에서 얻어지는 구동 바퀴와의 비교에 의해 슬립비가 적정하도록 엔진의 출력 및 구동바퀴의 유압을 제어하는데 미끄러운 노면에서 출발 시와 같을때 미끄러지지 않게 출발되도록 하는 제어이다.
상기 트레이스 제어는 운전자의 조향 핸들 조작량과 가속 페달 밟은 양 및 이때의 비구동 바퀴의 좌우측 속도 차이를 검출하고 구동력을 제어하여 안정된 선회가 가능하도록 유압 및 엔진 제어를 하는데 커브길에서 안전하게 선회가 가능하도록 하는 제어이다.
여기서, 본 발명은 제어기에서 차속과 운전자의 조향 입력값을 이용하여 현 재 차량의 요구선회량을 만족하기 위한 요구 횡가속도를 계산한다.
그 다음, 계산된 요구 횡가속도와, 횡가속도 센서로부터 입력받아 현재 차량의 횡가속도로부터 횡가속도 오차를 정의한다. 상기 횡가속도의 오차에 따라 0~1 사이의 계수를 출력한다.
이때, 상기 횡가속도 오차가 일정 범위를 벗어나는 경우에는 계수 0을, 일정 범위 이내인 경우에는 계수 1을 출력한다. 즉, 횡가속도 오차가 클수록 계수는 작은 값을, 그리고 횡가속도 오차가 작을 수록 계수는 큰 값을 출력한다.
상기 제어기는 현재 인휠모터의 토크지령값에 계수를 곱하여 횡가속도 제어토크 지령값을 계산한다. 예를 들어, 상기 횡가속도 오차가 일정범위를 벗어나서 계수 0을 곱하면 횡가속도 제어 토크 지령값은 0이 되게 된다.
이는 차량이 고속으로 코너에 진입하여 요구되는 선회량을 만족하지 못하고 옆으로 미끄러질 위험이 있을 때(횡가속도 오차 급증) 차량의 구동력을 줄이거나 끊어줌으로써 차속을 제한하여 횡방향 안정성을 확보할 수 있도록 해 준다.
3) 요레이트 제어방법
먼저 제어기에서 차속과 운전자의 조향입력값을 이용하여 현재 차량의 요구선회량에 해당하는 요구 요레이트를 계산한 다음, 계산된 요구 요레이트와 요레이트 센서로부터 신호를 입력받은 현재 차량의 요레이트로부터 요레이트 오차를 정의한다.
그 다음, 상기 요레이트 오차의 크기에 따라 토크 지령값의 가감분 크기를 결정한다. 상기 제어기에서 출력한 토크 지령값의 가감분을 쌍을 이루는 좌우측 인 휠모터의 토크지령값에 각각 더하거나 빼줌으로써, 좌우측 구동력의 차이를 발생시킨다.
이는 차량의 선회량이 요구 선회량보다 부족(언더스티어)하거나 과할 경우(오버스티어)에 선회방향이나 역방향으로 다이렉트 요모멘트를 작용시켜 요구 선회량에 부합하도록 해준다.
예를 들어 좌측 선회시 차량의 선회량이 요구 선회량보다 부족한 경우에는 좌측 차륜의 현재 토크 지령값에서 제어기 출력값(토크지령값의 가감분)을 빼고, 우측 차륜의 현재 토크 지령값에서 제어기 출력값을 더하면, 차량의 선회량이 증가하여 부족한 선회량을 보상해준다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 인휠 모터를 장착한 차량의 자세제어를 나타내는 전체 구성도이고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 인 휠 드라이브 전기자동차의 통합제어방법을 나타내는 순서도이다.
4) 통합제어방법
기존의 내연기관 차량의 경우 ESP, TCS, ABS 등의 제어기들이 엔진과 브레이크를 각각 독립적으로 개별 제어하는 반면, 본 발명의 슬립제어 알고리즘, 횡가속도 제어알고리즘, 요레이트 제어 알고리즘의 경우 각 제어값의 연산을 통해 각 모터의 최종 출력토크 지령을 내릴수 있으므로, 각 기능의 통합제어가 가능하게 된다.
먼저, 운전자의 가/감속페달로부터 이에 해당하는 일정한 양의 토크 Ttrac을 구한다. 노면과 차륜 사이의 슬립률이 요구슬립률보다 크면 인휠모터 차륜의 슬립을 제한하기 위한 슬립제어 가중치를 계산한다.
또한, 요구 횡가속도 값과 실제 횡가속도 값의 오차가 기준값 이상이면 차량의 선회 중 차속이 너무 높다고 판단하여 차속을 줄이기 위한 횡가속도제어 가중치를 계산한다.
이렇게 차량의 선회시 차속을 줄였음에도 불구하고 횡가속도 오차가 또 다른 기준값 이상을 경우, 차량의 자세제어를 위한 다이렉트 요 모멘트 컨트롤(DYC, Direct Yaw Moment Control) 토크를 계산한다.
상기 구동, 차량 자세 제어 알고리즘을 기반으로 인 휠 드라이브 전기 자동차의 통합 주행 제어가 수행된다. 슬립 제어 알고리즘, 횡가속도 제어 알고리즘, 요레이트 제어 알고리즘의 제어 출력값들은 PID, Fuzzy, Sliding mode 등 다양한 형태의 제어기를 이용하여 계산이 가능하며, 일례로 비선형 제어기로 널리 사용되고 있는 슬라이딩 모드 제어기를 기본으로 구성하여 시뮬레이션 검증을 수행하였다.
성능 시뮬레이션
시뮬레이션에 사용된 차량의 제원은 표 1과 같다.
Figure 112007089491811-PAT00001
종래 차량의 TCS에 해당하는 기능의 구현을 확인하기 위하여 저마찰 노면(μ=0.2)에서의 가속 시뮬레이션을 수행하였다.
도 10은 기능 미구현 차량의 휠 슬립률을 나타내고, 도 11은 본 발명을 적용한 차량의 휠 슬립률을 나타낸다.
본 발명을 적용함으로써 종래 차량의 기능 구현을 위한 별도의 장치없이도 휠 슬립률에 대한 제어가 가능하여 저마찰 노면에서의 가속시에도 효율적인 구동력의 사용 및 안정성 확보가 가능하다.
또한, 종래 차량의 ESP 등 차량의 자세 안정성 확보를 위한 통합제어에 해당하는 기능의 구현을 확인하기 위하여 일정 조향입력에 대한 차량의 선회 능력을 시뮬레이션하였다.
시뮬레이션 방법은 μ=0.5 노면에서 65kph 정속으로 주행 중 슬라럼 조향 입력에 대한 차량의 이동 궤적을 확인하였다.
도 12는 기능 미구현 차량의 이동궤적을 나타내고, 도 13은 본 발명을 적용한 차량의 이동궤적을 나타낸다. 본 발명을 적용함으로써, 종래 차량의 기능 구현을 위한 별도의 장치 없이도 차량의 선회 시 자세 안정성 확보가 가능하다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 종래의 내연기관 차량의 구동계를 나타내는 개략도이다.
도 2는 4륜 구동 차량의 자세제어의 전체적인 구성도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 인휠 드라이브 전기자동차를 예시한 도면으로서, 도 3a는 후륜 독립구동방식이고, 도 3b는 전류 독립구동 방식이고, 도 3c는 올 휠(all wheel) 독립구동방식이다.
도 4는 본 발명의 인 휠 드라이브 전기자동차의 작동원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 슬립제어방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 횡가속도 제어방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 요레이트 제어방법을 나타내는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 인휠 모터를 장착한 차량의 자세제어를 나타내는 전체 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 인 휠 드라이브 전기자동차의 통합제어방법을 나타내는 순서도이다.
도 10은 풀(full) 가속 시뮬레이션 수행 결과, 기능 미구현 차량의 휠 슬립률을 나타내는 그래프이다.
도 11은 풀 가속 시뮬레이션 수행 결과, 본 발명 적용 차량의 휠 술립률을 나타내는 그래프이다.
도 12는 슬라럼 정속주행 시뮬레이션 수행 결과, 기능 미구현 차량의 이동 궤적을 나타내는 그래프이다.
도 13은 슬라럼 정속 주행 시뮬레이션 수행 결과, 본 발명 적용 차량의 이동궤적을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 전륜 11 : 후륜
20a~20d : 인휠모터 21 : 제어기
22 : 인버터 23 : 배터리
31 : 가속페달 각 센서 32 : 제동페달 각 센서
33 : 조향각 센서 34a~34d : 차륜속도센서
35 : 종방향 가속도 센서 36 : 횡방향 가속도센서
37 : 요 레이트 센서

Claims (9)

  1. 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템에 있어서,
    차량의 가속, 제동 및 선회시 차량의 상태를 감지하는 차량속도센서, 차륜속도센서, 횡가속도 센서, 요 레이트 센서, 조향각센서;
    상기 센서로부터 신호를 입력받아 인휠 모터의 작동을 제어하는 제어기; 및
    차륜에 장착되는 인휠 모터를 포함하고, 상기 제어기는 인휠 모터 차륜의 슬립 제어 알고리즘, 횡가속도 제어 알고리즘, 요레이트 제어 알고리즘을 통해 각 모터의 최종 출력토크 지령값을 계산하여 통합제어 하는 것을 특징으로 하는 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 인휠모터는 좌우측의 쌍을 이루어 차륜에 장착되되, 모든 휠에 인휠 모터를 장착하거나 전륜에만 인휠모터를 장착한 전륜구동차량 또는 후륜에만 인휠모터를 장착한 후륜구동차량에 적용가능한 것을 특징으로 하는 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 인휠모터는 좌우측의 쌍을 이루어 차륜에 장착되되, 전륜 또는 후륜이 내연기관 또는 모터, 변속기, 트랜스퍼 케이스, 축, 휠로 구성된 구동구조를 가지면서 나머지 휠에는 인휠모터를 장착한 차량에 적용가능한 것을 특징으로 하는 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템.
  4. 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템의 제어방법에 있어서,
    차량속도센서 및 차륜속도센서에 의해 차속 및 각 휠의 회전속도를 감지하는 단계;
    상기 차속 및 각 휠의 회전속도를 이용하여 슬립률을 계산하는 단계;
    상기 계산된 슬립률과 요구슬립률로부터 슬립률 오차를 계산하는 단계;
    상기 계산된 슬립률 오차에 따라 일정 범위의 계수(슬립제어 가중치)를 출력하는 단계;
    상기 계수를 현재 인휠모터의 토크지령값에 곱하여 슬립제어 토크 지령값을 구하는 단계를 포함하여 이루어지고, 이에 따라 슬립률이 과도한 경우 인휠모터의 구동토크를 줄여 슬립률을 요구값 이내로 유지하는 것을 특징으로 하는 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템의 제어방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 계수(슬립제어 가중치)는 슬립률이 요구값(요구슬립률)보다 크고, 슬립률 오차가 기준값이상인 경우에는 0이고, 슬립률이 요구값 미만인 경우에는 1이며, 0~1의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템의 제어방법.
  6. 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템의 제어방법에 있어서,
    차량속도센서 및 조향각센서에 의해 차속과 운전자의 조향각을 감지하는 단계;
    상기 차속과 조향각을 이용하여 현재 차량의 요구선회량을 만족하기 위한 요구횡가속도를 계산하는 단계;
    상기 계산된 요구횡가속도와 횡가속도센서로부터 입력된 현재 차량의 횡가속도로부터 횡가속도 오차를 계산하는 단계;
    상기 횡가속도 오차에 따라 제어기에서 일정범위의 계수(횡가속도 제어 가중치)를 출력하는 단계;
    상기 출력된 계수를 현재 인휠 모터의 토크지령값에 곱하여 횡가속도 제어 토크 지령값을 구하는 단계를 포함하여 이루어지고, 차량이 고속으로 코너에 진입하여 요구되는 선회량을 만족하지 못할 때 차속을 제한하는 것을 특징으로 하는 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템의 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 계수(횡가속도 제어 가중치)는 횡가속도 오차가 기준값 이상인 경우에는 0, 기준값 미만인 경우에는 1을 기준으로, 0~1의 범위인 것을 특징으로 하는 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템의 제어방법.
  8. 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템의 제어방법에 있어서,
    차량속도센서 및 조향각 센서에 의해 차속 및 운전자의 조향각을 감지하는 단계;
    상기 차속과 조향각을 이용하여 현재 차량의 요구 선회량에 해당하는 요구 요레이트를 계산하는 단계;
    상기 계산된 요구 요레이트와 요레이트센서에서 입력된 현재 차량의 요레이트로부터 요레이트 오차를 계산하는 단계;
    상기 요레이트 오차에 따라 제어기에서 토크 지령값의 가감분 크기를 결정하여 출력하는 단계;
    상기 출력된 토크 지령값의 가감분을 좌우측 인휠모터의 토크지령값에 각각 더하고 빼주어 좌우측 차륜의 구동력의 차이를 발생시키는 단계를 포함하여 이루어지고, 차량의 선회량이 요구선회량보다 부족하거나 과할 경우에 선회방향이나 역방향으로 다이렉트 요모멘트를 작용시켜 요구 선회량에 부합되도록 하는 것을 특징으 로 하는 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템의 제어방법.
  9. 차륜에 인휠모터가 탑재된 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템의 제어방법에 있어서,
    운전자의 가/감속페달로부터 이에 해당하는 일정한 양의 토크를 구하는 단계;
    노면과 차륜 사이의 슬립률이 요구슬립률보다 큰지를 판단하여 요구슬립률보다 큰 경우에는 인휠모터 차륜의 슬립을 제한하기 위해 슬립제어 가중치를 계산하는 단계;
    요구 횡가속도 값과 실제 횡가속도 값의 오차가 기준값 이상인지를 판단하여 상기 오차가 기준값 이상인 경우에는 차속을 줄이기 위한 횡가속도제어 가중치를 계산하는 단계;
    차량의 선회시 차속을 줄였음에도 불구하고 횡가속도 오차가 또 다른 기준값 이상일 경우에는 차량의 자세제어를 위한 다이렉트 요 모멘트 컨트롤 토크를 계산하는 단계를 포함하고, 상기 인휠모터 차륜의 슬립률에 대한 제어, 횡가속도에 대한 제어, 요레이트에 대한 제어의 경우 각각 제어값의 연산을 통해 각각의 모터에 최종 출력토크 지령하여 통합제어가 가능한 것을 특징으로 하는 인 휠 드라이브 전기자동차의 독립구동 주행시스템의 제어방법.
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