[논문]C-EPS (C-type Electric Power Steering) 시뮬레이터 설계 및 제어 알고리즘 개발

박명욱; 문희창; 김정하

doi:10.5302/j.icros.2010.16.6.566

C-EPS (C-type Electric Power Steering) 시뮬레이터 설계 및 제어 알고리즘 개발
Design of C-EPS (Column type - Electric Power Steering) Simulator and Development of Control Algorithm 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.16 no.6, 2010년, pp.566 - 571

박명욱 (국민대학교 자동차공학전문대학원) , 문희창 , 김정하 (국민대학교 자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

EPS (Electric Power Steering) is important device for improving vehicle's dynamics and static performances. This paper deals with simulator design for C-EPS (Colum type-EPS), development assist and returnability control algorithm. First, C-EPS system model was simply designed because EPS system is complex control system that has many unknown variables. These parameters were simplified through assumptions. Second, C-EPS simulator was designed for development of control algorithm. This simulator has SAS (Steering Angle Sensor), dual torque sensor, dual load cell for measuring rack force, dual linear actuator for generating tire force and Data Acquisition System. Using this simulator, control methods ware tested. Third, control algorithm was designed for torque assist and returnability. Assist torque map and returnability torque map were found by lots of simulation test. These torque maps were tuned for EPS actuator control. The simulation result was compared with non-EPS system result. In this research, the C-EPS simulator was designed for development of control algorithm about torque assistant and returnability. Using this simulator, control algorithm was improved.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

현재의 자동차에는 동력 조향 장치가 장착되어 운전자가 손쉽게 주행방향을 조절할 수 있게 되어 있다. 동력 조향 장치는 저속 주행시 운전자의 부담을 줄여주는 것이 사용 목적이다.
복원력 실험은 스티어링 휠에서 운전자가 힘을 인가하지 않았을 때 핸들 중립 방향으로의 복원성을 확인해 보았다. 그림 13은 복원력 특성을 알 수 있는 그래프이다.
본 연구에서는 C-EPS 제어 알고리즘을 개발하는데 목적이 있다. 이를 위하여 C-EPS 시뮬레이터를 설계 및 제작하였고, 리니어 모터를 이용하여 반력 시스템을 구축하였다.

가설 설정

본 연구에서는 타이로드와 타이어의 질량, 타이어의 움직임, 마찰 등을 배제하였다. 그리고 기어의 효율도 100%라 가정하였다. 식 (1)은 조향 칼럼의 운동을 기술하고 있다.
EPS는 복잡한 시스템이며, 모델은 많은 매개변수를 포함하고 있다. 불확실한 매개변수들은 적절한 가정을 통하여 단순화 하였다. 우선 EPS 시스템을 선형 모델로 변경하기 위해 실험 상황을 차량이 정지 중 이거나 저속 주행으로 제한하였다.

제안 방법

C-EPS 시스템을 제어하기 위해 맵 기반 제어 알고리즘을 개발 하였다. 저속주행에서의 운전 용이성과 고속주행에서의 조향 안정성을 확보하기 위해 속도가 증가함에 따라 보조토크는 감소하도록 토크맵을 구성하였다.
제어기로 사용한 PC는 산업용 보드를 이용하여 그 처리 속도를 빠르게 하였고, 모터 드라이버와는 RS-232 통신을 사용하여 모터를 제어하게 된다. 그리고 각종 센서는 National Instrument사의 CompactDAQ 및 CAN (Controller Area Network) 통신 모듈을 사용하여 정확한 계측이 이루어질 수 있게 하였다.
또한 맵 튜닝 알고리즘을 개발하여 EPS 제어 알고리즘 개발을 더욱 용이하게 하였다. 그리고 맵 기반의 보조력 및 복원력 제어를 시뮬레이터에 적용하여 알고리즘을 검증하였다.
C-EPS 제어 알고리즘을 개발하기 위해서는 반력 시스템이 실제 도로에서 주행 상황과 같은 반력을 제공해 주어야 한다. 따라서 차량 모델을 통해 운전 상황에 맞는 반력 데이터를 이용하여 시뮬레이터의 반력 시스템을 제어하였다. 그 결과 반력 시스템의 성능을 확인 할 수 있었다.
리니어 모터를 이용한 반력시스템을 갖춘 C-EPS 시뮬레이터를 개발하였고, 이에 대한 맵 기반 보조력 및 복원력 알고리즘을 개발 하였다. 또한 EPS 제어 알고리즘 개발을 용이하게 하기 위해 맵 튜닝 알고리즘을 개발 하였다.
리니어 모터를 이용한 반력시스템을 갖춘 C-EPS 시뮬레이터를 개발하였고, 이에 대한 맵 기반 보조력 및 복원력 알고리즘을 개발 하였다. 또한 EPS 제어 알고리즘 개발을 용이하게 하기 위해 맵 튜닝 알고리즘을 개발 하였다.
본 연구에서는 운전자에게 노면의 반력을 제공하기 위해 리니어 모터를 두 개를 사용하였다. 반력값은 Carsim을 이용하여 대상차량에 대하여 시뮬레이션을 한 결과를 반력맵으로 작성하여 사용하였다. 랙과 리니어 모터의 연결은 실제 차량과 같이 설계 하였으며, 차량의 크기와 무게에 따라 조절이 가능하게 구성하여 여러 차종에 적용이 가능하도록 하였다[5].
그림 10에서 반력 스시템에 대한 실험 결과를 보여주고 있다. 반력에 대한 실험은 차량의 모델에서 출력되는 데이터와 실제 시뮬레이터에서 측정되는 데이터를 비교하였다. 차량 모델은 CarSim에 있는 모델을 사용하였다.
보조력 실험은 시뮬레이터에 제어 알고리즘을 적용하지 않았을 경우와 제어 알고리즘을 적용 하였을 경우를 비교하였다. 그 결과 차량 속도가 10km/h일 때 그림 11, 12와 같은 결과를 얻었다.
이 반력에 대한 정보는 차량의 모델로부터 출력되는 데이터를 이용하였으며, 랙에 로드셀을 설치하여 적절한 반력이 생성되는지 모니터링 하였다. 본 연구에서는 운전자에게 노면의 반력을 제공하기 위해 리니어 모터를 두 개를 사용하였다. 반력값은 Carsim을 이용하여 대상차량에 대하여 시뮬레이션을 한 결과를 반력맵으로 작성하여 사용하였다.
본 연구에서는 타이로드와 타이어의 질량, 타이어의 움직임, 마찰 등을 배제하였다. 그리고 기어의 효율도 100%라 가정하였다.
복원력 제어는 스티어링의 복원특성을 변화시켜 차량의 복원성능을 향상시킬 수 있도록 하였다. 스티어링 휠에서 운전자의 힘이 줄어들면, 셀프 얼라이닝 토크에 의해 부드럽게 복원 될 수 있게 개발 하였다. 그림 7은 보조 토크맵을 보여주고 있으며, 여기서 X축은 스티어링 휠 각도를 나타내고, Y축은 속도, Z축은 토크 값을 나타내고 있다.
실제 차량에서 발생되는 반력은 타이어와 접지면의 마찰력, 주행 시 발생하는 복원력 그리고 노면의 요철에 의해 생성되는 힘으로 구성된다. 이 반력에 대한 정보는 차량의 모델로부터 출력되는 데이터를 이용하였으며, 랙에 로드셀을 설치하여 적절한 반력이 생성되는지 모니터링 하였다. 본 연구에서는 운전자에게 노면의 반력을 제공하기 위해 리니어 모터를 두 개를 사용하였다.
본 연구에서는 C-EPS 제어 알고리즘을 개발하는데 목적이 있다. 이를 위하여 C-EPS 시뮬레이터를 설계 및 제작하였고, 리니어 모터를 이용하여 반력 시스템을 구축하였다. 또한 맵 튜닝 알고리즘을 개발하여 EPS 제어 알고리즘 개발을 더욱 용이하게 하였다.
운전자가 스티어링 휠을 돌렸을 때 컬럼에 작용하는 토크, 스티어링 휠의 각도 및 각속도 그리고 차량의 속도 등을 바탕으로 컨트롤러가 모터에 적절한 전류를 인가하게 된다. 이를 위해 비접촉식 토크 센서와 CAN 통신 방식의 조향각 센서를 조향 칼럼에 장착하였고, 차량의 속도 구현을 위해 실제 차량의 가속페달을 사용하였다.
C-EPS 시스템을 제어하기 위해 맵 기반 제어 알고리즘을 개발 하였다. 저속주행에서의 운전 용이성과 고속주행에서의 조향 안정성을 확보하기 위해 속도가 증가함에 따라 보조토크는 감소하도록 토크맵을 구성하였다. 맵 기반 C-EPS 제어 블록도는 그림 5와 같다.

대상 데이터

반력에 대한 실험은 차량의 모델에서 출력되는 데이터와 실제 시뮬레이터에서 측정되는 데이터를 비교하였다. 차량 모델은 CarSim에 있는 모델을 사용하였다. 그림을 보면 두 결과가 거의 일치하는 것을 볼 수 있다.

이론/모형

따라서 중요한 위치의 파라미터만 입력을 한 뒤에 전체적인 법이 생성될 수 있도록 해야 한다. 이를 위해 cubic hermite spline 방법을 사용하였다. Cubic hermite spline은 여러 가지 spline 공식 중 하나로, 두 점과 그 점에서의 기울기를 만족하는 3차 곡선에 관한 해법이다.

성능/효과

따라서 차량 모델을 통해 운전 상황에 맞는 반력 데이터를 이용하여 시뮬레이터의 반력 시스템을 제어하였다. 그 결과 반력 시스템의 성능을 확인 할 수 있었다.
그 결과 복원력 제어 알고리즘을 적용하지 않았을 경우에는 복원 시간이 대략 1.75sec이며, 스티어링 휠 각도가 10°에서 수렴하는 것을 확인할 수 있다.
또한 보조력 실험을 통해 보조력 제어 알고리즘의 성능을 확인 할 수 있었으며, 운전자에게 용이성과 안정성을 줄 수 있었다. 그리고 복원력 제어 알고리즘을 적용 함으로써 복원 성능을 높였으며, 차량의 수습성이 향상되었다.
또한 그림 12에서도 제어기 적용을 하지 않은 경우의 토크 값은 5~6N·m이며, 적용한 실험의 결과는 최대 토크가 4~5N·m로 줄어든 것을 확인 할 수 있었다.
이를 위하여 C-EPS 시뮬레이터를 설계 및 제작하였고, 리니어 모터를 이용하여 반력 시스템을 구축하였다. 또한 맵 튜닝 알고리즘을 개발하여 EPS 제어 알고리즘 개발을 더욱 용이하게 하였다. 그리고 맵 기반의 보조력 및 복원력 제어를 시뮬레이터에 적용하여 알고리즘을 검증하였다.
보조력 및 복원력 제어를 위해 토크 맵을 생성하였으며, 맵 튜닝 알고리즘의 개발로 제어기를 설계하고 수정하는데 시간을 상당히 줄일 수 있었다. 또한 보조력 실험을 통해 보조력 제어 알고리즘의 성능을 확인 할 수 있었으며, 운전자에게 용이성과 안정성을 줄 수 있었다. 그리고 복원력 제어 알고리즘을 적용 함으로써 복원 성능을 높였으며, 차량의 수습성이 향상되었다.
이 과정을 반복하며 모터를 제어하게 된다. 모터 제어는 PID 제어기를 사용하였으며, 반복 실험을 통해 안정된 값을 찾았다.
하지만 노이즈에 대한 영향을 고려 해야 더욱 좋은 결과를 얻을 수 있을 것이다. 보조력 및 복원력 제어를 위해 토크 맵을 생성하였으며, 맵 튜닝 알고리즘의 개발로 제어기를 설계하고 수정하는데 시간을 상당히 줄일 수 있었다. 또한 보조력 실험을 통해 보조력 제어 알고리즘의 성능을 확인 할 수 있었으며, 운전자에게 용이성과 안정성을 줄 수 있었다.
35sec이고, 수렴 각도가 0°에 근접한 것을 확인 할 수 있다. 복원력 제어를 함으로써 부드럽게 스티어링 휠이 중립 방향으로 복원이 되는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

하지만 노이즈에 대한 영향을 고려 해야 더욱 좋은 결과를 얻을 수 있을 것이다. 보조력 및 복원력 제어를 위해 토크 맵을 생성하였으며, 맵 튜닝 알고리즘의 개발로 제어기를 설계하고 수정하는데 시간을 상당히 줄일 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	EPS를 발생 토크의 크기에 따라 구분하라	또한 전기 자동차와 같은 친환경 자동차에서는 전동식 파워 스티어링이 더 높은 호환성을 가지고 있으며, 미래형 자동차에서도 능동 조향 시스템을 구축하기에도 이상적이다. EPS는 발생 토크의 크기에 따라 C-EPS, P-EPS (Pinion Type EPS), R-EPS (Rack type EPS)가 있으며 R-EPS가 가장 큰 힘을 내며 C-EPS는 소형차에 적용 가능한 토크와 간단한 구조로 가장 많이 사용되고 있다. EPS가 가진 많은 장점에도 불구하고 아직 실용화 단계에 머물고 있는 이유는 상용차 적용시 발생하는 가변적인 외부환경요소 때문이다.
	자동차의 조향 장치에 사용되는 유압식 파워 스티어링 시스템의 단점은 무엇인가	자동차의 조향 장치는 몇 년 전만 하더라도 유압펌프를 이용하여 조향 장치에 파워를 공급하는 유압식 파워 스티어링 시스템이었다. 이런 유압식 파워 스티어링 시스템은 유압 펌프를 사용하기 때문에 연비가 좋지 않으며, 오일 사용으로 환경오염의 원인이 된다. 하지만 전동식 파워 스티어링(EPS: Electric Power Steering)은 전기 모터에서 운전자에게 토크를 공급하기 때문에 연료 절감 및 환경에 대해 장점이 많으며, 효율적인 운용이 가능하다.
	전동식 파워 스티어링의 장점은 무엇인가?	이런 유압식 파워 스티어링 시스템은 유압 펌프를 사용하기 때문에 연비가 좋지 않으며, 오일 사용으로 환경오염의 원인이 된다. 하지만 전동식 파워 스티어링(EPS: Electric Power Steering)은 전기 모터에서 운전자에게 토크를 공급하기 때문에 연료 절감 및 환경에 대해 장점이 많으며, 효율적인 운용이 가능하다. 또한 전기 자동차와 같은 친환경 자동차에서는 전동식 파워 스티어링이 더 높은 호환성을 가지고 있으며, 미래형 자동차에서도 능동 조향 시스템을 구축하기에도 이상적이다. EPS는 발생 토크의 크기에 따라 C-EPS, P-EPS (Pinion Type EPS), R-EPS (Rack type EPS)가 있으며 R-EPS가 가장 큰 힘을 내며 C-EPS는 소형차에 적용 가능한 토크와 간단한 구조로 가장 많이 사용되고 있다.

참고문헌 (8)

송정훈, "Prototype의 새로운 Electron Power Steering.(EPS) System의 개발," 대한기계학회논문집 A권, 제30권 제6호, pp. 684-690, 2006.

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A. Badawy, J. Zuraski, F. Bolourchi, and A. Chandy, "Modeling and Analysis of an Electric Power Steering system," SAE, 1999- 01-0399.
H. Kawazoe, T. Murakami, O. Sadano, K. Suda amd H. Ono, "Development of a Line-keeping Support System," SAE, 2001- 01-0797.
A. Sugiyama, M. Kurishige, H. Hamada, and T. Kifuku, "An EPS Control Strategy to Reduce Steering Vibration Associated with Disturbance from Road Wheel," SAE Paper 2006-01-1178.
김기현, 김창준, 신현수, 한창수, "HILS를 이용한 RMDPS 제어 알고리즘 개발," 한국자동차공학회 춘계학 술대회논문집, pp. 800-806, 2007.
Angleviel, Frachon and Masson, "Development of a Contactless Hall effect Torque Sensor for Electric Power Steering," SAE paper 2006-01-0939.
김지훈, 송재복, "토크맵을 이용한 컬럼형 전기식 동력조향 시스템의 제어로직," 한국자동차공학회, 제8권 제4호, pp. 186-193, 2000.

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KunWoo Lee, Principles of CAD/CAM/CAE System, Addison- Wesley Longman Publishing Co., Inc., 2000.

저자의 다른 논문 :

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].

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