볼 스크류형 전동식 동력 조향 장치의 제어 성능 향상에 관한 연구 = (A) study on the enhanced control algorithm for a ball screw type of motor driven power steering system

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 기존의 유압식 동력 조향 장치가 가지고 있는 단점을 해결할 수 있는 전동식 동력 조향 장치(motor driven power steering system)의 기본적인 제어 알고리즘과 향상된 제어 알고리즘을 제시 하였고, 실제 조향 장치의 성능을 시험할 수 있는 HILS(hardware-In-the-Loop-Simulation)시스템에 대한 연구를 기술 하였다.
먼저 제어 알고리즘의 유도를 위하여 전동식 동력 조향 장치를 본드 선도를 이용하여 모델링 하였으며, 기본적인 조향력 보조게인의 설정을 위해 차속과 조향각에 따른 모터의 보조 동력을 계산하였다. 또한 전동 모터를 장착함에 따라서 생기는 문제의 해결을 위하여, 동력 보조 게인 외에 조향 토오크의 변화에 비례하는 게인, 조향 각속도에 비례하는 게인을 포함하는 제어 알고리즘을 제시 하였다. 이 외에 차량의 고속 주행시 안정성에 영향을 미치는 횡 가속도의 영향을 감소시키기 위해서 조향 각속도에 비례하는 제어 알고리즘을 제안 하였다.
제어 게인의 성분별 분석 결과 일반적인 비례제어 게인 만으로는 조향 주파수의 제곱에 비례하는 모터 관성의 효과를 해결할 수 없으나, 제안된 알고리즘은 토크 변화량에 비례하는 게인을 주파수에 따라 크게 설정함으로써 제어 할 수 있었다. 그러나 이 값의 증가에 따라 위상 지연이 증가하게 되지만, 조향 각속도에 비례하는 게인을 주파수에 따라 감소시킴으로써 위상 지연 을 감소시킬 수 있었다. 제어 게인의 주파수 영역 특성을 고찰 하기 위해 제어 목적함수로서 조향각 게인(steering angle gain)을 설정하였고, 조향 토오크에 비례하는 게인의 설정으로 조향각 게인의 크기가 감소하므로 조향력 보조가 되나 고주파수 영역에서 응답 특성이 나빠짐을 알 수 있었다. 조향 토오크의 변화율에 비례하는 게인의 설정으로 조향각 게인의 고주파수 응답을 개선시킬 수 있었으며, 조향 각속도에 비례하는 게인으로 일정 주파수 대역에서 조향각 게인의 응답을 일정하게 유지할 수 있음을 보였다. 하지만 이들 게인의 설정은 주파수 대역 별로 서로 영향을 미치게 되며, 조향 성능 향상을 위해서는 이 값들의 설정에 많은 주의를 요구 한다. 또한 횡가속도 제어 게인을 이용하여 차속별 주파수 응답을 일정하게 유지할 수 있음을 보였다.
시간영역의 응답 특성을 고찰하기 위해 정확한 조향력을 계산할 필요가 있었으며, 이를 위해 타이어의 복원 토오크를 수정하여 실차와 유사한 응답을 얻을 수 있었다. 차속별 조향 토오크 응답 및 조향 복원성, 위상 지연의 측면에서 기존의 조향 장치에 비해 제안된 알고리즘이 더욱 향상된 응답을 보이고, 정상원 선회 시험을 통하여 횡가속도 제어기가 차량의 안정성을 향상시킴을 알 수 있었다.
조향 토오크의 분석을 통해 조향력에 가장 큰 영향을 미치는 성분은 랙바의 속도에 비례하는 값임을 알 수 있었고, 민감도 해석을 통해 랙바의 속도에 가장 큰 영향을 주는 설계변수는 피니언, 조향 링크 및 감속기어의 기어비 임을 알 수 있었다.
다음에 실제 조향 장치를 사용하고 차량은 컴퓨터 모델로 대치하여 시험할 수 있는 HILS시스템을 제안 하였고, 유압장치부의 모델링을 통하여 실린더 로드의 위치 제어기와 추력 제어기를 설계하였다. 또한 모니터링 프로그램을 이용하여 조향 장치의 상태와 차량의 상태 변수들을 고찰할 수 있게 하였다. HILS시스템의 시험을 통하여 조향 입력을 통한 조향장치의 성능분석, 차량의 운동 특성 등을 고찰 할 수 있었고, 실차 시험결과와 비교하여 실험장치의 타당성을 입증 하였다.