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자동차 조향장치용 TAS module을 위한 Multi-track Encoder기반 신호처리보드의 구현

Preliminary study of Angle sensor module for Vehicle Steering System Based on Multi-track Encoder

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.26 no.6, 2017년, pp.432 - 437  

우승탁 (경북 IT 융합산업기술원) ,  한춘수 (한국 SKF 씰(주)) ,  백준병 (한국 SKF 씰(주)) ,  이상훈 (경북 IT 융합산업기술원) ,  정민우 (경북 IT 융합산업기술원) ,  추성중 (경북 IT 융합산업기술원) ,  박재률 (경북 IT 융합산업기술원) ,  유종호 (경북 IT 융합산업기술원) ,  정상훈 (경북 IT 융합산업기술원) ,  김주영 (경북 IT 융합산업기술원)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

As 4.0 industry has been developed, research on a self-driving car technology and related parts of an automobile has been highly investigated recently. Particularly, a TAS(Torque Angle Sensor) module on steering wheel system has been considered as a key technology because of its precise angle, torqu...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 고 분해능 TAS module의 최종 목적은 급성장하고 있는 자율주행 자동차 기술에 부합하여 조향 장치 또는 메인 ECU가 최소의 연산을 통해 목표로 하는 조향각도를 검출하는데 있다. 따라서, 신호처리IC 또는 모듈의 전력소모특성, 그리고 모듈을 구성하는 요소 부품의 규격화를 통해 최적의 각도 분해능 선정 연구가 동반될 필요가 있다.
  • 본 논문에서는 기존의 TAS module 보다 각도검출 분해능이 우수하며 구조의 단순화를 통해 모듈의 다운 사이징이 가능한 Multi-Track Encoder(MTE) 기반 TAS module의 구조를 제안하고, 핵심요소기술중 하나인 고 분해능의 각도검출 신호처리모듈을 구현하여 평가하였다. 제안한 구조의 TAS module 및 기존제품의 개념도는 Fig.
  • 본 논문에서는 기존의 main 및 sub gear 기반의 조향장치모듈보다 구조 및 구성요소가 단순하고 각도검출 분해능이 우수한 MTE 기반 TAS module의 구조를 제안하였으며, 핵심요소기술인 고 분해능의 각도검출 신호처리모듈을 구현하여 평가하였다. 제안된 MTE기반 TAS module 은 기존 상용 제품이 가지는 gear 맞물림에 따른 back-lash문제가 없다는 장점이 있으며, 특히 실험에 사용된 MTE는 유한요소해석을 통해 Angle/Torque track을 최적화 하였다.
  • 각도 검출에 있어 가장 중요한 요소부품중 하나인 Multi-track Encoder의 경우 회전에 따른 균잃한 자계의 형성이 중요하다. 본 논문에서는 높은 자계특성 및 최적화된 규격을 가지는 MTE설계를 위해 유한요소해석 프로그램(Flux, CEDRAT) 을 이용하여 track간격 및 재질에 따른 특성을 분석하였다. 각도 검출용 2-track과 토크검출용 track을 각각 32pole, 31pole, 그리고 16pole로 설계하였으며, 토크 및 각도 track간 1 ~ 3mm 간격을 변경함으로써 특성을 분석하였다.
  • 일반적으로 기존 조향장치모듈은 gear회전으로 인해 2000~3000°/sec의 검출속도 한계가 따르지만 본 논문에서 제안하는 TAS module 구조는 속도의 영향을 받지 않는 장점이 있다[17]. 본 논문에서는 제안한 구조의 TAS module의 실현을 위해 핵심 요소기술인 MTE와 디지털 홀센서가 내장된 신호처리모듈을 구현하여 각도검출특성을 분석하였으며 평가를 통해 기존 제품 대비 우수한 성능을 확인하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
자동차내 수반되는 조향장치의 역할은 무엇인가? 최근 자율주행 자동차 기술의 발전과 함께 LiDAR, ECU 및 첨단 조향제어 장치 등 관련 부품의 선진화 연구가 지속적으로 수행되고 있다[1-11]. 특히, 자동차내 수반되는 조향장치는 자동차의 안정성과 성능을 좌우하는 핵심 부품으로써, 정확한 각도 검출 및 빠른 데이터 처리를 통해 자동차의 진행방향과 회전각도를 적시에 제어하는 중요한 역할을 수행하고 있다[12-16].
기어가 맞물리면서 Back-lash에 의하여 각도검출오차가 발생하는 문제를 어떻게 해결할 수 있는가? 1과 같이 기존 TAS module은 메인 및 서브 기어가 회전할 때의 기어 비를 통해 각도검출 및 연산을 수행하게 되며, 이때 기어가 맞물리면서 발생하는 Back-lash에 의해 각도검출오차가 발생하는 단점이 있다[16]. 이러한 단점을 극복하기 위해 제안한 구조의 TAS module은 MTE를 통해 기어 없이 비접촉 방식으로 홀센서를 통해 회전에 따른 각도 및 토크 검출이 가능하다. 이에 따라 제안된 TAS module구조는 gear가 없어 backlash 가 발생하지 않으며, 또한 비접촉 방식을 통해 고속회전시에도 MTE로부터 각도 검출이 가능하다.
TAS(Torque Angle Sensor) module은 어떤 센서들을 통합한 센서모듈인가? 더욱이, 운전의 편의성과 안정성을 향상시키는 전자제어 조향장치(EPSS:Electric Power Steering System)의 구성품인 TAS(Torque Angle Sensor) module은 스티어링 휠 하단부에 장착되어 조향속도, 방향, 각도를측정하는 SAS(Steering Angle Sensor)와조향축에 걸리는 토크를 측정하는 STS(Steering Torque Sensor)를 통합한 지능형 자동차용 센서모듈로써 이에 대한 관심이 증가하고 있는 추세이다[15].
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참고문헌 (20)

  1. D. Roy, A. J. Krishnamurthy, Sunderesh S. Heragu. and Charles J. Malmborg, "Performance analysis and design trade-offs in warehouses with autonomous vehicle technology", IIE Transactions, Vol. 44, pp. 1045-1060, 2012. 

  2. C. Brown, "Autonomous Vehicle Technology in Mining", Engineering and Mining Journal, Vol. 213, pp. 30-32, 2012. 

  3. P. Falcone, F. Borrelli, and J. Asgari, "Predictive Active Steering Control for Autonomous Vehicle Systems", IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol. 15, pp. 566-580, 2007. 

  4. S. J. Choo, and J. Y. Kim "LiDAR Sensors for Autonomous Driving Car", Science and Technology Journal, Vol. 7, No. 1. pp. 14-18, 2017. 

  5. D. N. Hutchison, J. Sun, J. K. Doylend., R. Kumar, J. Heck, W. Kim, C. T. Phare, A. Feshali, and H. Rong, "High-resolution aliasing-free optical beam steering", Optica, Vol. 3, No. 8, pp. 887-890, 2016. 

  6. J. Sun, E. Timurdogan, A. Yaacobi, E. S. Hosseini, and M. R. Watts, "Large-scale nanophotonic phased array," Nature, Vol. 493, No. 7431, pp. 195-199, 2013. 

  7. J. Sun, E. Timurdogan, A. Yaacobi, Z. Su, E. S. Hosseini, D. B. Cole and M. R. Watts, "Large-scale silicon photonic circuits for optical phased arrays," IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., Vol. 20, No. 4, pp. 1-15, 2014. 

  8. C. V. Poulton, M. J. Byrd, M. Raval, Z. Su, N. Li, E. Timurdogan, D. Coolbaugh, D. Vermeulen, and M. R. Watts, "Large-scale silicon nitiride nanophotonic phased arrays at infrared and visible wavelengths," Optical Letter., Vol. 42, No. 1, pp. 21-24, 2017. 

  9. L. Ye, G. Zhang, and Z. You, "5 V compatible two-axis PZT driven MEMS scanning mirror with mechanical leverage structure for miniature LiDAR Application," Sensors, Vol. 17, No. 3, pp. 521, 2017. 

  10. X. Zhang, S. J. Koppal, R. Zhang, L. Zhou, E. Butler, and H. Xie "Wide-angle structured light with a scanning MEMS mirror in liguid," Optical Express, Vol. 24, pp. 3479-3487, 2016. 

  11. L. Ye, G. Zhang, and Z. You, "Large-aperture kHz operating frequency Ti-alloy based optical micro scanning mirror for LiDAR application," Micromachines, Vol. 8, No. 4, 120, 2017. 

  12. L. Xuand W. Cheng, "Torque and reactive power control of a doubly fed induction machine by position sensorless scheme", IEEE transactions on Industry Applications, Vol. 31, No. 3, pp. 636-642, 1995. 

  13. http://www.lginnotek.com/(retrieved on Feb. 1, 2016). 

  14. http://www.ko.delphi.com/(retrieved on Feb. 11, 2017). 

  15. K. Yoo, J. Seo, J. Ban, et al., "Study on Development of Torque and Angle Sensor for EPS", SAE International Journal of Passenger Cars - Electronic and Electrical Systems, Vol. 5, No. 1, pp. 292-296, 2012. 

  16. A. Lagerberg, B. Egardt, "Backlash Estimation With Application to Automotive Powertrains", IEEE Transactions on Control Systems, Vol. 15, No. 3, pp. 483-493, 2007. 

  17. https://www.bourns.com/docs/automotive/datasheets/torque-and-angle-combo-sensor (retrieved on May. 20, 2017). 

  18. P. Kejik, S. Reymond, Radivoje. S. Popovic, "Purely CMOS angular position sensor based on a new hall microchip", Conference of IEEE Industrial Electronics, pp. 1777-1781, Orlando, USA, 2008. 

  19. M. Benammar, A. Khattab, S. Saleh, F. Bensaali, F. Touati, "A Sinusoidal Encoder-to-Digital Converter Based on an Improved Tangent Method", Sensors Journal IEEE, Vol. 17, pp. 5169-5179, 2017 

  20. J. H. Heo, S. B. Lee, "Study on Parking Guideline Generation Algorithm", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 16, No. 5, pp. 3060-3070, 2015. 

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