[논문]전자식 조향장치를 위한 조향 센서 개발에 관한 연구

김병우

문제 정의

본 연구에서는 기존에 상용화되어 있는 방식과 차별화된인덕티브 방식의 센서 검지 기구부와 이로부터 발생되는 전기적 신호 특성 향상을 위한 신호처리 방안을 제안하여 실제 자동차에 적용 가능한 수준의 센서 설계 및 제작 가능성을 제시하였다.
본 절에서는 제 3절에서 기술한 인덕티브 방식의 센서 이론 및 설계에 기초하여 제작된 검지부 성능을 평가하였다. 본 연구에서 제시된 성능평가 결과의 상대적이고 객관적인 검증을 위하여 조향각 센서의 분해능, 직선성, 정밀도, 검지 영역, 위치 공차 등에 대한 특성을 평가하고 분석하였다.
위에서 언급한 자동차 조향장치의 기구적 제안을 기반으로 발생되는 물리적인 조향각을 검지하고 이를 신호 처리하여 일정 정도 이상의 검지능력을 갖는 방법을 기술하고자 한다. 일반적으로 자동차 업체에서 요구하고 있는 조향각 센서는 단위 각도 90°를 기본으로 확장성을 요구하고 있기 때문에 Fig.

제안 방법

상기 구조는 일정 정도의 검출 정밀도를 보장하고는 있으나 하나의 조향기어에 별도의 종동기어 두 개를 적용함에 따라서, 장치 전반의 부피 및 불량 증가라는 치명적인 문제점을 지니고 있다. Fig. 4에서 알 수 있듯이, 본 연구에서는 각도 및 각속도의 검출을 위한 양극성의 커플러를 배치하여 두 회전체 중 하나가 다른 하나의 회전체 내측에 함입되는 형태로 구성하여 소형화 및 불량감소를 도모하였다.
기존에 상용화되어 있는 차동 형태의 코일구조는 본 연구에서 제시한 노이즈 제거 방식에 비하여 초기 신호 손실이 클 것이라 판단되기 때문에 기계적 공차의 대부분을 차지하는 커플러 중심의 Z 방향 왜곡에 따른 센서 특성 및 개선 방법을 조사하였다. 이전 시스템에서는 Z 방향 노이즈 제거를 위하여 별도의 코일을 사용하여 제한적인 효과만을 얻었지만 본 연구에서는 신호처리 방법을 통하여 근본적인 해결을 시도하였다.
구성된다. 발진코일에서 발생되는 전자기장을 수신 코일에서 검지하고 정보로서의 기전력 변화를 측정한다. 인덕턴스 방식 각도센서는 Fig.
평가하였다. 본 연구에서 제시된 성능평가 결과의 상대적이고 객관적인 검증을 위하여 조향각 센서의 분해능, 직선성, 정밀도, 검지 영역, 위치 공차 등에 대한 특성을 평가하고 분석하였다.
위와 같은 문제를 해결하기 위해서 반원형의한 쌍의 수신 코일을 양쪽에 대칭으로 배치하여 공통형 잡음 제거 가능성을 수학적으로 검증하였다. Fig.
기존에 상용화되어 있는 차동 형태의 코일구조는 본 연구에서 제시한 노이즈 제거 방식에 비하여 초기 신호 손실이 클 것이라 판단되기 때문에 기계적 공차의 대부분을 차지하는 커플러 중심의 Z 방향 왜곡에 따른 센서 특성 및 개선 방법을 조사하였다. 이전 시스템에서는 Z 방향 노이즈 제거를 위하여 별도의 코일을 사용하여 제한적인 효과만을 얻었지만 본 연구에서는 신호처리 방법을 통하여 근본적인 해결을 시도하였다.
인덕티브 방식을 적용한 자동차용 조향각 센서 설계 및 제작에 관한 연구를 국내 최초로 실시하여 기존 홀 방식대비 동등 또는 이상의 성능을 확인하였는바, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

이론/모형

방법에 기인한다. 다시 말하면, 두 개의 수신 코일에서 추출한 두 개의 입력신호를 받고 Ratio metric 방법을 사용하여 최종 출력신호를 추출하게 되는데, 이 출력신호 연산 과정에서 Z축 정보를 얻고 이 변화 값을 출력신호 보정 시에 활용할 수 있었다.

성능/효과

Fig. 11, 12에서 알 수 있듯이, 이를 통하여, Z축 커플러를 ±L0mm 움직였을 때에 보정 전에는 약 ±30%의 오차가발생되었지만 보정 후에는 ±0.7%로 감소하여 신호 보정 시스템의 유효성을 확인할 수 있었다.
둘째, 연속 구동이 가능하고 소형화된 회전각 검지 기어 부와 저역필터 회로를 적용한 신호처리부 설계를 통하여 검지 영역 ±800°, 선형성 ±0.744%, 정밀도 土L488%를 확인하였다.
또한, 두 개 유성 기어의 회전 비율을 상이하게 작동시켜 기어 간의 마찰 및 마모를 줄이는 동시에 검출 정밀도 향상을 도모하였다.
744%를 나타냈다. 본 개발 센서의 선형성을 나타내 주는 1차 함수는 y=0.614x-160.59 이면서 R2 값이 09996( 1인 경우, 완전한 선형성 확보)로서 거의 직선에 근접되는 특성을 얻을 수 있었다.
셋째, 인덕티브 방식의 센서 제작 단계에서 발생되는 수신 코일과 커플러 사이의 왜곡(±0.6mm)에 의하여 발생되는 +10% 에러를 외부 에러 상쇄가 가능한 신호처리 방법을 도입하여 土LOnm 왜곡 시에 ±0.7% 까지 저감이 가능하였다.
600。영역을 검지할 수 있음을 확인하였다. 이 같은 결과는 제 2절에서 기술한 연속 검지 가능한 기어부 설계에 기인하는 것으로서 기존 제품의 검지 영역인 720° 에 비하여 우수한 검지 능력을 나타냈다.
9에서 알 수 있듯이, 90° 단위로 전체 1, 600。영역을 검지할 수 있음을 확인하였다. 이 같은 결과는 제 2절에서 기술한 연속 검지 가능한 기어부 설계에 기인하는 것으로서 기존 제품의 검지 영역인 720° 에 비하여 우수한 검지 능력을 나타냈다.
이 같은 선형성 특성은 기존 상용화되어 있는 센서 ±1.5%에 비하여 우수한 것으로서 앞서 언급한 안정적인 기구부 설계와 불가피한 노이즈 제거를 위한 신호처리 방법의 유효성을 확인할 수 있었다.
이로부터 일반적으로 알려져 있는 인덕티브 센서의 정밀도를 활용한 조향 센서 활용 가능성을 검증할 수 있었다.
첫째, 인덕티브 기반의 자동차 조향각 센서의 성능을 향상시키기 위해서는 기구적인 보상과 함께 신호적인 보상을 병행함으로써 기존 홀센서 이상의 성능확보가 가능하였다.

후속연구

향후 연구에서는 본 연구에서 제시한 조향각 센서의 일반성능 결과를 기반으로 내환경 특성 및 살차 적용올 통하여 상용화 방안에 대한 대안제시가 요구된다.

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