[논문]자기유도를 이용한 조향각 센서의 특성 연구

김병우

자기유도를 이용한 조향각 센서의 특성 연구
A Study on the Characteristics of Steering Angle Sensor using Magnetic Induction 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.18 no.2, 2010년, pp.48 - 55

Abstract ▼ AI-Helper

We have development the steering angle sensor using not only detecting parts but also integrating technique with semiconductors for automobile applications. The performance design and analysis of the steering angle sensor for intelligent vehicles is complicated due to variety of parameters. In this study, the performance characteristics of the angle sensor were analyzed using test rig. By means of magnetic induction technique, these new the steering angle sensors showed excellent magnetic characteristics. The detection range of steering angle sensor obtained was ${\pm}800^{\circ}$, the maximum non-linearity is 0.744% Full Span and the temperature range was $-40^{\circ}C{\sim}+125^{\circ}C$. With this conclusive, the inductive angle sensor was quite satisfactory for many applications in intelligent vehicles.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

기존 연구에서는 ±360° 내외의 협소한 범위의 조향 각 만을 검지하였으나 본 연구에서는 두 쌍의 수신부 코일과 발생된 신호의 신호처리 방법에 대한 연구로 자동차에 적용 가능한 ±800°의 넓은 조향 각 검지가 가능한 인덕티브 센서 가능성을 확인하였다.
본 연구에서는 기존 연구에서 한계성으로 지적되고 있는 ±360° 내외의 협소한 검지영역을 자동차 조향장치에 적합한 ±800° 내외로 확장하기 위한 센서 설계 및 수학적 접근 방법에 의한 회로보정 방안을 제시하고자 한다. 또한, 넓은 각도 검지 기능과 함께 검지부 제작 시에 발생되는 x, y, z 방향의 변형을 비례 척도법에 의한 신호 왜곡의 보상 방법을 제시하고자 한다. 마지막으로, 자동차 응용 측면에서 가장 중요한 인자라 할 수 있는 온도변화에 대한 안정적 센서 설계 및 제작 가능성을 확인하였다.
본 연구에서는 기존 연구에서 한계성으로 지적되고 있는 ±360° 내외의 협소한 검지영역을 자동차 조향장치에 적합한 ±800° 내외로 확장하기 위한 센서 설계 및 수학적 접근 방법에 의한 회로보정 방안을 제시하고자 한다.

제안 방법

국내 최초로 인덕티브 기반의 조향각 센서를 설계 제작하였다. 기존 연구에서는 ±360° 내외의 협소한 범위의 조향 각 만을 검지하였으나 본 연구에서는 두 쌍의 수신부 코일과 발생된 신호의 신호처리 방법에 대한 연구로 자동차에 적용 가능한 ±800°의 넓은 조향 각 검지가 가능한 인덕티브 센서 가능성을 확인하였다.
그러나, 선형 곡선의 양 끝단에서는 비선형 구간이 존재하기 때문에 이를 선형화시키기 위하여 특정 함수를 정의하고 연산기와 출력기를 구성하여 ±800°의 넓은 조향 각을 얻었다.
기존 자동차 조향 장치에 적용되고 있는 홀 방식 조향 각 센서의 선형성은 ±1.5%이므로 이를 기준으로 본 인덕티브 방식의 선형성을 확인해 보았다.
따라서, 최종적으로 도출된 Z 축 변화량을 이용하여 실제 신호 대비 왜곡 신호를 보정하였다.
본 연구에서 제작된 센서 검지부의 코일은 X, Y 축을 기준으로 하여 반원의 형태를 취하고 있기 때문에 X, Y 왜곡에 대하여 별도의 보정장치 없이도 형상 왜곡에 의한 출력 변화가 매우 적게 된다. 만약, 적은 크기의 출력이 발생되라도 비례 척도 기법을 사용하여 계측 오차를 축소시킬 수 있는 방법을 적용하였다.
본 연구에서는 신호처리 방법을 통하여 근본적인 해결을 시도하였다. 본 연구에 제안된 검지부는 두 개의 수신코일에서 추출한 두 개의 입력신호를 받고 비례 척도 방법을 사용하여 최종 출력신호를 발생시킨다. 이 발생 신호를 연산하는 과정에서 파생된 Z 축 정보에 대한 수식을 활용하여 Z(커플러와 코일 사이의 간격) 축의 변화를 연산할 수 있다.
기존에는 Z 방향의 신호 노이즈 제거하기 위하여 별도의 코일을 사용하였기 때문에 근본적으로 노이즈를 제거시키지 못하였다. 본 연구에서는 신호처리 방법을 통하여 근본적인 해결을 시도하였다. 본 연구에 제안된 검지부는 두 개의 수신코일에서 추출한 두 개의 입력신호를 받고 비례 척도 방법을 사용하여 최종 출력신호를 발생시킨다.
앞에서는 X, Y축 방향에 대한 위치 왜곡에 의한 조향 각 센서 특성변화와 이를 전기 회로적으로 보정하는 방법 및 유효성을 확인하였다. 그러나, 커플러 기준으로 Z 축 방향의 왜곡은 변위 변화를 초래하기 때문에 X, Y 축에 비하여 선형적이면서도 신호 변화의 진폭이 크기 때문에 이에 대한 집중적 고찰이 필요하다.
자동차에서 요구하고 있는 광대역의 조향각 검지가 가능한 인덕턴스 기반의 조향 각 센서를 설계 제작하여 센서의 일반 성능을 평가하고 제작 단계에서 발생될 수 있는 3 축의 왜곡에 의한 센서 특성과 온도 변화에 의한 특성을 평가 분석하였다.

이론/모형

기존에 자동차에 적용되는 인덕티브 방식의 센서는 페달 변위 검지, 스로틀 각도 검지와 같은 변위 및 협소 각도 측정용으로 사용되었다. 기본적으로 인덕티브 센서는 90° 단위로 선형적인 특성을 지니고 있기 때문에 자동차 조향장치와 같은 ±800° 내외의 넓은 각도를 검지하기 위해서는 별도의 검지부 설계 및 신호처리의 방안 제시가 요구된다.
Table 1은 인덕티브 기반의 조향각 센서의 온도 특성을 나타냈다. 자동차 온도 변화에 따른 센서 신호에러를 줄이기 위하여 제품 설계 시 비례 척도(Ratio metric) 기법을 사용하였다. 전체 6개의 샘플을 제작하여 온도특성을 평가한 결과, 온도 변화가 -25℃~+125℃일 경우에 평균적으로 약 ±0.

성능/효과

(b)의 결과는 X축 왜곡에 의한 오차율을 계산한 것로서 ±0.6mm를 이동하였을 때, 약 ±1.5%의 오차가 생긴다는 것을 확인할 수 있었다.
(b)의 결과는 Y축 왜곡에 의한 오차율을 계산한 것으로서 ± 0.6mm를 움직였을 때, 약 ± 1.5%의 오차가 생긴다는 것을 확인할 수 있었다.
1) 인덕티브 방식의 조향각 센서는 선형성이 ± 0.74%로서 기존 홀 방식의 조향각 센서 ± 1.5%에 비하여 우수한 특성을 나타냈다.
2) 기존 조향각 센서에서 문제시되고 있는 90° 주기 마다의 신호 왜곡을 보정하기 위하여 비례척 도법을 적용하여 ±800°의 광각을 구현할 수 있었다.
3) 인덕티브 검지부 설계 및 제작에서 발생되는 X, Y, Z 축의 왜곡에 의해서는 발생되는 센서 특성 변화는 Z 축이 X, Y에 비하여 절대적으로 크게 발생 되었으며 이를 비례척도 방법을 적용하여 오차율이 기존 ±30%에서 ±0.7%까지 축소되었다.
4) 자동차 샤시 장치용 전자제어 장치에서 요구하고 있는 온도 변화범위 -25℃~+125℃에서 ± 0.5% 정도의 오차율을 확인할 수 있었다.
Fig. 13에서 알 수 있듯이, 신호 노이즈를 보정하기 전에 Z축 커플러를 ±1.0mm 움직이면 ±30%의 오차가 발생되었지만 보정 후에는 ±0.7%로 감소하여 신호 보정 시스템의 유효성을 확인할 수 있었다.
Fig. 7에서 알 수 있듯이, 본 연구에서 개발한 인덕티브 센서의 선형성은 ±0.744%를 나타냈다.
그러나, 본 연구를 통해서 Y축 왜곡을 개선한 시스템에서는 ± 1.0mm를 움직였을 때, 최대 ± 0.5%의 오차가 생긴다는 것을 확인할 수 있었다.
기존조향장치에 적용되어 있는 홀 센서 방식이 ±720°까지 검지가 가능한 반면, 본 인덕티브 방식의 조향각 센서는 Fig. 8과 같이 ±800°까지 검출이 가능함을 확인할 수 있었다.
다시 말하자면, 이 같은 선형성 특성은 기존 상용화되어 있는 센서 ±1.5%에 비하여 우수한 것으로서 앞서 언급한 인덕티브 자체의 기본 성능과 함께 안정적인 기구부 설계 및 노이즈 제거를 위한 신호처리 방법의 유효성을 확인하였다.
또한, 넓은 각도 검지 기능과 함께 검지부 제작 시에 발생되는 x, y, z 방향의 변형을 비례 척도법에 의한 신호 왜곡의 보상 방법을 제시하고자 한다. 마지막으로, 자동차 응용 측면에서 가장 중요한 인자라 할 수 있는 온도변화에 대한 안정적 센서 설계 및 제작 가능성을 확인하였다.
744%를 나타냈다. 본 개발 센서의 선형성을 나타내 주는 1차 함수는 y= 0.614x-160.59이면서 R₂ 값이 09996으로 거의 직선에 근접되는 특성을 얻을 수 있었다. 이 같은 특성 값은 홀센서대비 인덕티브 센서가 갖고 있는 고유한 성질에 기인한다.
본 연구에서 설계 제작된 인덕턴스 기반의 조향 각 센서는 Fig. 9에서 알 수 있듯이, 검지 응답성이 ± 4000°/sec로서 요구되는 응답성 대비 200% 우수한 응답 특성을 확인하였다.
5% 정도의 오차율을 확인할 수 있었다. 이 결과를 통하여, 자동차 조향각 센서의 가장 큰 내환경 특성이라 할 수 있는 온도특성을 만족시키는 센서 개발 가능성을 확인하였다.
전체 6개의 샘플을 제작하여 온도특성을 평가한 결과, 온도 변화가 -25℃~+125℃일 경우에 평균적으로 약 ±0.5%정도의 오차율을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	통합 샤시 시스템이란?	지능형 자동차의 완성도를 높이기 위해서는 통합 샤시 시스템에 대한 전자화 기술 개발이 필수적이다. 통합 샤시 시스템는 조향장치, 제동장치, 동력장치를 통합적으로 제어하는 시스템으로서 이 중에서 조향장치는 가장 중요한 역할을 담당하고 있다.1,2) 전자식 조향장치는 조향각 변화를 검지하는 조향각 센서, 조향력을 판단하는 전자제어장치, 모터를 구동하는 구동부로 구분할 수 있다.
	지능형 자동차의 개발이 필요성이 증대되는 이유는?	자동차의 전자화가 급격히 진행되면서 자동차 안전 및 편의성 확보 차원에서 지능형 자동차에 대한 개발 필요성이 증대되고 있다. 지능형 자동차의 완성도를 높이기 위해서는 통합 샤시 시스템에 대한 전자화 기술 개발이 필수적이다.
	조향각 센서의 광 방식과 홀 방식은 어떻게 사용되고 있는가?	그 동안 조향각 센서는 광 방식과 홀 방식을 주로 사용하였다. 광 방식은 구조가 복잡하고 기구부 제작이 어려운 문제로 인하여 제한적 용도로 사용되고 있고 홀 방식은 가장 보편적인 조향각 검지 센서로 사용되고 있다. 그러나, 홀 센서 방식은 전자기 노이즈에 취약하고 원천 특허 독점으로 인한 설계 자유도의 제한성을 지니고 있다.

참고문헌 (5)

D. J. Adelerhof and W. J. A. Geven, "New Position Detectors Based on AMR Sensors," Sensor & Actuator, A 85, 2000.
T. Kohata, M. Abe and N. Ukai, "Electronic Control Four-Wheel Steering System," AVEC'92, No.923048, 1992.
S. Torii, E. Yaguchi, K. Ozaki and T. Jindoh, "Electronically Controlled Torque Split System for 4WD Vehicles," SAE 861349, 1983.
G. Binasch, P. Grunberg, F. Saurenbach and W. Zinn, "Enhanced Magnetoresistance in Layered Magnetic Structures with Antiferomagnetic Interlayer Exchagge," Phys. Rev. B 39, pp. 4828-4830, 2000.
J. Van Driel, R. Cooeorn, K. M. H. Lenssen and F. R. Doeer, "Thermal Stability of Ir-Mn as Exchange Biasing Material," J. Appl. Phys. No.85, pp.5522-5524, 2008.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

자기유도를 이용한 조향각 센서의 특성 연구
A Study on the Characteristics of Steering Angle Sensor using Magnetic Induction 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (5)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

자기유도를 이용한 조향각 센서의 특성 연구 A Study on the Characteristics of Steering Angle Sensor using Magnetic Induction 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (5)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김병우 (50)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

자기유도를 이용한 조향각 센서의 특성 연구
A Study on the Characteristics of Steering Angle Sensor using Magnetic Induction 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper