조향계 엔지니어들에게 전동 조향 시스템의 시뮬레이션 및 분석을 위한 새로운 방식의 소프트웨어를 소개한다. 이 소프트웨어 MSAS는 전동 조향 시스템의 시뮬레이션, 분석 및 종합 기능을 제공하며, 기본적으로 조향계 모델과 차량모델 및 제어로직에 기초한다. 부품 공급회사들은 제어로직을 블랙박스 형태로 제공하기 때문에 이 소프트웨어는 로직 설계자의 의도에 따라 블랙박스 형태이든지 또는 화이트박스 형태이든지 모두 사용가능하다. 또한 이 소프트웨어는 공급회사들의 에스함수 제어로직 및 RMDPS와 함께 통합될 수 있다.
조향계 엔지니어들에게 전동 조향 시스템의 시뮬레이션 및 분석을 위한 새로운 방식의 소프트웨어를 소개한다. 이 소프트웨어 MSAS는 전동 조향 시스템의 시뮬레이션, 분석 및 종합 기능을 제공하며, 기본적으로 조향계 모델과 차량모델 및 제어로직에 기초한다. 부품 공급회사들은 제어로직을 블랙박스 형태로 제공하기 때문에 이 소프트웨어는 로직 설계자의 의도에 따라 블랙박스 형태이든지 또는 화이트박스 형태이든지 모두 사용가능하다. 또한 이 소프트웨어는 공급회사들의 에스함수 제어로직 및 RMDPS와 함께 통합될 수 있다.
Complete novel software for MDPS for the simulation and analysis is proposed for steering engineers. The software, MSAS, which can provide the functionality for MDPS Simulation, Analysis & Synthesis, is based on the steering system model, vehicle model and control logic. As the suppliers provide the...
Complete novel software for MDPS for the simulation and analysis is proposed for steering engineers. The software, MSAS, which can provide the functionality for MDPS Simulation, Analysis & Synthesis, is based on the steering system model, vehicle model and control logic. As the suppliers provide the control logic as a black box, this software is capable of using any type of black box logic or white box control logic that can be developed by logic designers. In addition, this software will be synthesized with the suppliers' s-function control logic and RMDPS together.
Complete novel software for MDPS for the simulation and analysis is proposed for steering engineers. The software, MSAS, which can provide the functionality for MDPS Simulation, Analysis & Synthesis, is based on the steering system model, vehicle model and control logic. As the suppliers provide the control logic as a black box, this software is capable of using any type of black box logic or white box control logic that can be developed by logic designers. In addition, this software will be synthesized with the suppliers' s-function control logic and RMDPS together.
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문제 정의
본 연구에서는 이러한 소프트웨어 개발 필요성을 인지하여 전동조향장치의 제어 로직 및 파라미터를 설계하고 차량 및 조향성능을 분석하고 파라미터 민감도 분석을 수행할 수 있게 MSAS (MDPS Simulation, Analysis & Synthesis) 전용 소프트웨어를 개발하고자 한다.
제안 방법
9는 소프트웨어 사용자의 관심에 따라 조향 및 차량 동적 성능을 선택적으로 결과를 확인하여 분석할 수있게 하였다. 또한 텍스트 박스에 파일명을 지정하면 현재 시뮬레이션 입력조건과 결과들을 데이타로 모두 저장 하여 다른 시뮬레이션 결과와 비교 분석할 수 있게 설계 하였다.
본 연구는 조향계 모델 구축 후 차량모델과 제어로직을 결합하여 전동조향장치를 해석하고 분석할 수 있는 밀스(Model-In-the-Loop-System) 기반 소프트웨어를 매트랩(Matlab) 기반 그래픽 사용자 인터페이스를 이용하여 설계 제작하였다. 또한 협력업체가 제공하는 컴파일된 에스함수(s-function) 형태의 블랙박스 제어로직도 사용자가 선택적으로 사용할 수 있도록 시뮬링크 모델에 합성하여 통합 제작하였다.
소프트웨어 개발 시 사용자가 가장 많이 사용하는 소프트웨어를 중심으로 수요조사를 실시하였다. 또한, 소프트웨어의 유지 보수 및 사용방법의 편의성을 고려하여 매트랩(Matlab) 소프트웨어 기반으로 그래픽 사용자 인터페이스(GUI, Graphic User Interface)를 구성하였다. 파라미터 및 로직 테이블 관리의 용이성을 위해서 데이타는 모두 엑셀(Excel)을 사용하였고, 매트랩(Matlab)에서 엑셀파일을 읽어 들이는 방식을 채택하였다.
또한, 시뮬레이션 입력조건과 결과들을 데이타로 모두 저장하여 파라미터 및 로직 맵 변경 후에 다른 시뮬레이션 결과와 비교 분석할 수 있게 설계하였다.
본 소프트웨어는 협력업체가 제공하는 에스함수(s-function) 형태의 블랙박스 제어로직도 사용자가 사용할 수 있도록 Fig. 8과 같이 각각의 로직 모듈들을 합성하여 사용자가 선택한 제어 로직 결과를 분석할 수 있게 하였다. 시뮬레이션 결과를 분석하기 위해서 사용자는 Fig.
본 연구는 조향계 모델 구축 후 차량모델과 제어로직을 결합하여 전동조향장치를 해석하고 분석할 수 있는 밀스(Model-In-the-Loop-System) 기반 소프트웨어를 매트랩(Matlab) 기반 그래픽 사용자 인터페이스를 이용하여 설계 제작하였다. 또한 협력업체가 제공하는 컴파일된 에스함수(s-function) 형태의 블랙박스 제어로직도 사용자가 선택적으로 사용할 수 있도록 시뮬링크 모델에 합성하여 통합 제작하였다.
소프트웨어 개발 시 사용자가 가장 많이 사용하는 소프트웨어를 중심으로 수요조사를 실시하였다. 또한, 소프트웨어의 유지 보수 및 사용방법의 편의성을 고려하여 매트랩(Matlab) 소프트웨어 기반으로 그래픽 사용자 인터페이스(GUI, Graphic User Interface)를 구성하였다.
이 때 제어로직의 기능 모듈은 차량의 횡방향 거동에 영향을 미치지 않기에 거의 같은 크기의 횡가속도 값을 갖게 됨을 알 수 있었다. 위와 같이 본 연구에서 개발된 소프트웨어를 사용하여 차량과 조향의 파라미터 값들을 바꾸어가면서 민감도 분석을 수행할 수 있게 되었다. 따라서 조향관련 설계 엔지니어들은 본 소프트웨어를 활용하여 차량 및 조향의 동적 특성들을 확인하면서 설계 요소들을 고려할 수 있다.
제어 로직을 검증하기 위해 차속 100 kph에서 조향각 18도로 입력을 주어 실차시험 결과와 시뮬레이션 결과의 비교를 통해 Fig 3～4와 같이 토크 출력 및 조타력 그래프를 통해 모델 유효성을 검증하였다.
제어로직 데이타 파일을 읽어 들이고 사용자가 제어 로직 맵을 먼저 확인한 후에 기능별 제어 모듈을 온/오프할 수 있는 기능을 두어 제어 기능 모듈의 영향도를 비교 분석 할 수 있게 하였다.
등의 부품들로 구성되어 있다. 조향시스템과 제어기의 유효성을 검증하기 위해서는 먼저 조향시스템을 Fig. 2와 같이 각각의 조향계 부품에 대한 모델링을 수행하였다. 핸들의 질량관성, 웜과 웜휠 기어의 질량관성을 Jsw, Jg1, Jg2로 각각 표현하였다.
운전자의 핸들에서의 토크 입력이 직선운동으로 바뀌는 랙은 질량 MR, 변위 XR로 표시하였다. 타이어로부터 랙에 들어오는 횡방향 반력은 킹핀에서의 모멘트 Mzkpin을 상용소프트에어서 구한 후 모멘트를 타이로드 끝단의 유효 암 길이로 나누어 랙 반력의 힘을 구하는 방식을 택하였다. 여기서 유효 암 길이는 차속 및 운전자의 조향 각 입력에 따라 차량마다 좌/우 길이가 달라지므로 자동차 제조업체의 데이타를 받아서 사용하였다.
또한 모터 관성을 Jmo로 표시하였다. 토션바의 탄성은 Ktb를 사용하여 모델링 하였으며 스티어링 시스템 각 부의 마찰, 댐핑을 CF, B로 표시하여 모델링하였고 조향휠(sw), 모터(mo), 피니언(p) 부품의 위치에 아래 첨자를 사용하여 수학적 모델을 유도하였다. 운전자의 핸들에서의 토크 입력이 직선운동으로 바뀌는 랙은 질량 MR, 변위 XR로 표시하였다.
또한, 소프트웨어의 유지 보수 및 사용방법의 편의성을 고려하여 매트랩(Matlab) 소프트웨어 기반으로 그래픽 사용자 인터페이스(GUI, Graphic User Interface)를 구성하였다. 파라미터 및 로직 테이블 관리의 용이성을 위해서 데이타는 모두 엑셀(Excel)을 사용하였고, 매트랩(Matlab)에서 엑셀파일을 읽어 들이는 방식을 채택하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 차량 모델은 3자유도 선형 차량 모델로 조향입력이 사인파 입력일 때 유용하게 사용될수 있으나 복원제어나 급 조타 입력시에는 차량동역학상용 소프트웨어인 카심(CarSim)이나 아담스(ADAMS)로 모델을 대체하여 결과를 분석할 수 있다[4].
타이어로부터 랙에 들어오는 횡방향 반력은 킹핀에서의 모멘트 Mzkpin을 상용소프트에어서 구한 후 모멘트를 타이로드 끝단의 유효 암 길이로 나누어 랙 반력의 힘을 구하는 방식을 택하였다. 여기서 유효 암 길이는 차속 및 운전자의 조향 각 입력에 따라 차량마다 좌/우 길이가 달라지므로 자동차 제조업체의 데이타를 받아서 사용하였다.
이론/모형
차량 모델은 상용 프로그램 아담스(ADAMS), 대즈 (DADS), 카심(CarSim)을 이용하여 구성할 수 있으며[4,5] 본 연구에서는 기 검증된 3자유도 선형 차량모델[6]을 사용하여 시뮬링크(Simulink)로 구성하였다.
성능/효과
11과 같이 비교 분석할 수 있다. 따라서 파라미터별 민감도 분석이 가능하고, 제어로직 맵의 크기에 따라 민감도 분석 및 제어로직 기능별 모듈의 온/오프에 따른 결과차이 값을 통해서 제어기를 이해하고 기능의 확장성을 위한 설계가 용이해질 것으로 판단된다.
후속연구
본 연구에서 수행된 결과물을 조향관련 엔지니어들이 사용해보고 요구조건이나 요구 기능들이 있을 것으로 판단되며, 이를 반영해서 소프트웨어 업그레이드 시 전동조향장치 해석 및 설계 전용 툴로서 활용될 것으로 기대해본다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CMDPS는 어떤 부품들로 구성되어 있는가?
CMDPS는 Fig 2에 나타난 바와 같이 조향메커니즘, 센서, 제어기(ECU), 감속기, 모터제어6) 등의 부품들로 구성되어 있다. 조향시스템과 제어기의 유효성을 검증하기 위해서는 먼저 조향시스템을 Fig.
제어로직에서 부가제어 모듈의 게인 값을 높이면 운전자가 가벼운 조향감을 느낄 수 있는데, 게인 값을 낮출 경우에는 어떤 현상이 일어나는가?
14의 경우는 제어로직에서 부가제어(Assist control) 모듈의 게인 값을 20%씩 바꾸어 가며 토크의 크기를 봤을 때 게인 값을 높이면 모터에서 어시스트 되는 토크의 양이 증가함에 따라 운전자가 느낄 수 있는 토크의 크기가 줄어 가벼운 조향감을 느낄 수 있다. 반대로 게인 값을 낮추었을 때 모터에서 보조되는 토크의 값이 낮아져서 운전자는 조금 더 토크를 느끼게 되어 조향감이 무거워 짐을 느끼게 된다는 것을 알 수 있다. 이 때 제어로직의 기능 모듈은 차량의 횡방향 거동에 영향을 미치지 않기에 거의 같은 크기의 횡가속도 값을 갖게 됨을 알 수 있었다.
제어 로직에 들어가는 입력은 무엇을 통해서 신호를 받는가?
제어 로직에 들어가는 입력은 컬럼 토크, 컬럼 각, 차량속도를 센서를 통해서 신호를 받게 된다. MDPS 로직의 경우 6개의 기능모듈로 (1) 부가제어(Assist control), (2) 댐핑 보상제어(Damping compensation), (3) 마찰 보상제어(Friction compensation), (4) 복원성 제어 (Return-ability control), (5) 동적 부스트 제어(Dynamic Boost control), (6) 관성 보상제어(Inertia compensation)로 구성되어 있고 각각의 로직연산 전류 값이 합해져 목표 전류 값을 계산하여 모터에 입력된다.
참고문헌 (6)
Y. S. Lee, J .K. Ji, G. S. Cha, "Controller Design of PMSM Drive System Using Embedded Target in MATLAB/SIMULINK", KAIS 2007 Fall Conference / pp.148-151, 2007
A. Badaway, J. Zuraski, F. Bolourchi, A. Chandy, "Modeling and Analysis of an Electric Power Steering System", SAE 982878, 1998. DOI: http://dx.doi.org/10.4271/1999-01-0399
E. Pfeffer, "Interaction of Vehicle and Steering System Regarding On-Centre Handling", PhD Dissertation, University of Bath, 2006.
B. Jang, G. Choi, "Co-Simulation & Simulation Integration for an Electric Power Steering System", Mathematical and Computer Modeling of Dynamical Systems, Taylor & Francis, 2006.
B. Jang, "Study on Concurrent Simulation Technique of Matlab CMDPS and A CarSim Base Full Car Model", KAIS, pp.1555-1560, 2013.
B. Jang, "Active Handling System Using Both Brake and Drive Torque Modulation", Ph.D. Dissertation, UCDavis, pp.17-62, 2000.
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