[논문]Prototype의 새로운 Electric Power Steering (EPS) System의 개발

송정훈

doi:10.3795/ksme-a.2006.30.6.684

Prototype의 새로운 Electric Power Steering (EPS) System의 개발
Development of a Prototype New Electric Power Steering (EPS) System 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.30 no.6 = no.249, 2006년, pp.684 - 690

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes and validates a new column type electric power steering system (EPS-TT). It is driven by a uni-directional motor and two electro-magnetic clutches. The assist motor produces assist torque in only one direction and two clutches transmit the torque to the column of steering system in either left or right direction with respect to the steering input. A full order and a reduced order models are developed to evaluate the EPS-TT. Models are also used to investigate the vehicle responses. A PID control logic is designed to control the torque of the assist motor. A driver model is applied to the system and the resulting performances are analyzed. The results show that the performances of the full order model are similar to those of reduced order model. The results also prove that the performances achieved by the EPS-TT are improved compared to those of a conventional EPS-TT across the frequency domain.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 연구는 EPS-TT 의 수학적 모델을 설계 하고 기존에 개발되어 진 차량 모델에 적용시켜 성능 평가 하는 것을 목표로 한다. 이를 위하여 EPS-TT 의 full order model 과 reduced order model 를 설계하였다.
이 연구에서는 EPS-TT 의 정확한 성능평가를 위하여 두 종류의 수학적 모델을 설계하였다. 첫 번째 모델은 조향 휠에서 타이어까지 조향에 관련된 다양한 부품들을 세부분으로 나누어 보다 자세히 기술한 것이며(鱼11 order model) 두 번째는 조향 축(steering column)을 중심으로 조향 모터에서 발생하는 힘과 축의 변형량을 간단히 기술한 모델(reduced order model)이다.
있다. 이러한 방식의 경우, 회전 방향의 급격한 변화를 위해서는 정밀한 고가의 모터가 필요하며 순간적인 전력의 소비가 커지고 모터의 제어를 위하여 복잡한 제어 알고리즘이 필요하다户 따라서 이 연구는 이러한 단점을 개선한 새로운 조향 장치인 prototype EPS(EPS-TT, EPS with Two cluTches) 시스템의 성능 평가를 목적으로 한다. EPS-TT 는 단방향 회전 모터를 사용하며 두 개의 클러치를 이용하여 동력의 전달 방향을 제어한다.

가설 설정

저속 또는 주차 주행 중 조향입력이 가해지면 노면과 타이어의 마찰로 인하여 큰 조향 토크가 요구된다. 여기서 좌우 두 타이어의 조향 각은 동일하다고 가정한다. 이 연구에서는 타이어에 발생하는 종력(longitudinal force)과 횡 력 (lateral force)를 계 산하기 위하여 Dugoff 모델을 사용하였다叩

제안 방법

이 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다. (1) 두 가지의 사인파형 입력을 이용하여 EPS-TT 의 성능을 살펴보았다. 조향 입력이 작거나 느릴 경우, 최소 조향 입력각 允 이 조향 성능에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.
(2) 운전자 모델을 이용하여 EPS-TT 의 성능을 평가하였다. 이때 차량의 주행 경로는 요구되어지는 경로를 적절하게 따라가고 있어 운전자 모델이 타당하을 확인할 수 있었다.
차량은 큰 보조 조향력을 필요로 하는 조건인 건조한 아스팔트에서 10km/h 로 진행한다. 이때 조향 휠에 진폭 ±60。, 주파수 0.5Hz 인 사인파 조향 입력을 가하였다. 이때 조향휠 (Qw)과 피니언 기어 (0p) 사이의 각도 차(Osw- 缶)를 Fig.
EPS-TT 를 장착한 차량이 차선 변경을 시도할 경우 시스템의 거동해석을 위한 운전자 모델을 추가로 수립하여 차량 모델에 적용하였다急
세 부분으로 나누어 생각할 수 있다. 각 부분을 독립적으로 모델링한 후 하나의 시스템으로 통합하여 모델링 하였다(Fig. 2). 세 부분에 대한 모델 식은 다음과 같다.
따라서 EPS-TT 의 주파수 응답을 조사하였으며 결과 비교를 위하여 기존의 EPS 연구 결과를 참고하였다.。) 참고된 연구는 Delphi 사의 E*Steer system을 분석하여 얻어진 실험 결과이다.
이를 위하여 EPS-TT 의 full order model 과 reduced order model 를 설계하였다. 또한 운전자 모델을 사용하여 실제 차량이 차선을 변경할 때의 조향 입력을 구현한다.
한편 각도 차이가 I0LI 보다 크면 보조 조향 토크는 각도 차에 비례하여 증가하며 각도 차가 防』를 초과하면 보조 조향 토크는 IT시 이상 증가하지 않도록 설정하였다. 여기서 Tsat 는 모터의 최대 출력토크와 토션 바의 강성에 따라 결정된다.

이론/모형

이 연구는 새로운 컬럼형의 전기식 동력 조향 장치인 EPS-TT 의 성능을 foil order model 과 reduced order model 을 사용하여 평 가하여 보았다. 이 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.
여기서 좌우 두 타이어의 조향 각은 동일하다고 가정한다. 이 연구에서는 타이어에 발생하는 종력(longitudinal force)과 횡 력 (lateral force)를 계 산하기 위하여 Dugoff 모델을 사용하였다叩
성능 평가 하는 것을 목표로 한다. 이를 위하여 EPS-TT 의 full order model 과 reduced order model 를 설계하였다. 또한 운전자 모델을 사용하여 실제 차량이 차선을 변경할 때의 조향 입력을 구현한다.
정확한 보조 조향 력을 발생하기 위하여 EPS-TT 의 조향 모터는 PID 제어법을 이용하여 제어하였다. 제어기를 설계하기에 앞서 EPS-TT 에 요구되는 기준보조조향출력은 Fig.

성능/효과

(3) EPS-TT 는 기존 EPS 에 비하여 저 주파수 영역뿐만 아니라 고 주파수 영역에서 우수한 성능을 보여주었다. 따라서 향후 EPS-TT 의 상용화에 대한 보다 심도 깊은 연구가 요구된다.
또한 엔진의 동작에 독립적이므로 연비 향상 및 환경친화적 특징을 가지며 소량의 동력으로 구동시킬 수 있어 전기차 및 소형차에 매우 적합한 시스템이다. 그리고 전자제어 장치를 사용함으로써 조향각의 정확성을 높일 수 있으며 응답성을 향상시킬 수 있다. 한편, EPS 는 부품 수를 감소시킬 수 있어 생산성 향상, 불량률 감소 및 정비성을 높일 수 있다W)
즉, EPS-TT 는 기존 EPS 에 비하여 저 주파수 영역뿐만 아니라 고 주파수 영역에서 안정적이며 우수한 성능을 보여주었다. 또한 full order 및 reduced order model 은 약 3Hz 까지 비교적 안정적인 응답을 보여준다. 가Iz 이후의 입력에 대해서는 주파수가 증가함에 따라 응답이 작아지며 큰 지연이 발생하는 것을 알 수 있다.
즉, 유압식 동력조향장치와는 달리 보조조향력을 필 요한 경우에만 공급하므로 에너지 낭비를 줄일 수 있다. 여기서 하단에 나타낸 yaw rate 를 살펴 보면 조향장치의 on/off 동작이 차량 운동 성능에는 큰 영향을 미치지 못함을 확인할 수 있다.
(1) 두 가지의 사인파형 입력을 이용하여 EPS-TT 의 성능을 살펴보았다. 조향 입력이 작거나 느릴 경우, 최소 조향 입력각 允 이 조향 성능에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다. 한편 사인파형이 입력으로 사용될 경우, foil order 및 reduced order model 은 큰 차이를 보이지 않았다.
12 를 살펴보면 full order model 과 reduced order model 의 응답은 비슷하며 참고 문헌의 EPS 실험 결과에 비하여 다소 개선된 성능을 보여줌을 알 수 있다. 즉, EPS-TT 는 기존 EPS 에 비하여 저 주파수 영역뿐만 아니라 고 주파수 영역에서 안정적이며 우수한 성능을 보여주었다. 또한 full order 및 reduced order model 은 약 3Hz 까지 비교적 안정적인 응답을 보여준다.

후속연구

보여주었다. 따라서 향후 EPS-TT 의 상용화에 대한 보다 심도 깊은 연구가 요구된다.

참고문헌 (8)

Song, J., Boo, K., Kim, H. S., Lee, J., and Hong, S., 2004, 'Model Development and Control Methodology of a New Electric Power Steering System,' Journal of Automobile Engineering, Proceedings of the Institute of Mechanical Engineers Part D, Vol. 218, No. 9, pp. 967-976

상세보기
Kim, J., and Song, J., 2002, 'Control Logic for an Electric Power Steering System Using Assist Motor,' Mechatronics, Vol. 12, pp. 447-459

상세보기
Song, J., Boo, K., and Lee, J., 2004, 'Evaluation of Performance and Development of Control Method of a New Electric Power Steering System (EPS-TT),' Trans. of KSAE, Vol. 12, No. 5, pp. 154-161

원문보기 상세보기
Dugoff, H., Fancher, P. S. and Segel, L., 1970, 'An Analysis of Tire Traction Properties and Their Influence on Vehicle Dynamic Performance,' SAE 700377
Song, J., Boo, K., and Lee, J., 2004, 'Using an ABS Controller and Rear Wheel Controller for Stability Improvement of a Vehicle,' Trans. of the KSME(A), Vol. 28, No. 8, pp. 1125-1134

원문보기 상세보기
Hendrick, E., and Sorenson, S. C., 1990, 'Mean Value Modeling of Spark Ignition Engines,' SAE 900616
Song, J., Boo, J., 2004, 'Performance Evaluation of Traction Control Systems Using a Vehicle Dynamic Model,' Journal of Automobile' Engineering, Proceedings of the Institute of Mechanical Engineers Part D, Vol. 218, No. 7, pp. 685-696

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Badawy, A., Zuraski, J., Bolurchi, F. and Chandy, A., 1999, 'Modeling and Analysis of an Electric Power Steering System,' SAE1999-01-0399

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