Phase plane을 이용한 ESC와 TVD 통합제어 = Integrated control for ESC and TVD using the phase plane

국문 초록 (Abstract)

최근 차량의 안정성을 위한 제어 시스템의 사용이 증가하고 있다. 이러한 차량 안정성 제어 시스템은 브레이크를 기반으로 한 시스템인 Electronic Stability Control (ESC)과, 구동 토크를 기반으로 한 시스템인 Torque Vectoring Differential (TVD) 등 여러 시스템이 개발되고 있다. ESC의 경우 브레이크를 기반으로 하기 때문에 차량의 동적 성능이 떨어지는 경우가 발생한다. TVD의 경우 운전자로 하여금 역동적인 운전이 가능하도록 해주지만 ESC보다 차량의 안정성을 보장해주는 능력이 떨어지는 단점이 있다. 이 두 제어기가 한 차량에 장착되었을 경우 기존의 의도보다 차량의 성능이 저하되는 경우가 발생한다. 이러한 단점을 보완하고 차량의 성능과 안정성을 최대화하기 위해서는 각 제어 시스템을 통제하는 최상위 제어기가 필요하다. 이에 본 논문에서는 ESC와 TVD를 모델링 하고 이들의 통합 제어기 알고리즘을 제안하였다. 통합 제어기를 설계 시 차량의 비선형성을 고려하고자 Phase plane 기법을 사용하였고, 이를 통해 차량의 상태를 파악하였다.
Phase plane은 β − β phase plane과 β −ψ phase plane을 이용하였다. β (Side slip ngle)는 ψ (Yaw rate)과 달리 차량 센서로 측정이 불가하기 때문에 추정 알고리즘이 필요하게 된다. 이에 본 논문에서는 차량 상태 방정식을 이용한 추정기를 설계하여 β 를 추정하였다. 그리고 차량 동역학 방정식에 비선형성을 지닌 unknown parameter의 추정기를 설계하였다. 차량 제어에 사용되는 차량 상태 방정식에서 cornering stiffness라는 unknown parameter가 존재한다. Cornering stiffness는
타이어의 parameter로서 노면의 상태, 차량의 조향각 등에 의해 변하게 된다. 이에 본 논문에서는 RLS 알고리즘을 통해 cornering stiffness를 추정하여 차량 상태 방정식에 반영하였다. Brake 기반의 제어기인 ESC의 경우, 차량 동역학 모델을
기반으로 제어하도록 하였다. TVD는 Coupling 장치의 모델링 및 제어 로직을 구현하여 전륜 구동 기본 차량의 전 · 후 토크 분배가 가능하도록 하였다.
개발된 모델, 제어로직, 그리고 추정기의 검증의 시뮬레이션은 CarSim, Matlab/Simulink를 이용하였다.

목차 (Table of Contents)

• 차례................................................................................................................................................... 1
• 국문요지............................................................................................................................................... 3
• Nomenclature ........................................................................................................................................ 4
• 그림 / 표 목차.................................................................................................................................... 5
• 제 1 장 서론...................................................................................................................... 7
• 1.1 연구 필요성 ................................................................................................................ 7
• 1.2 연구 범위 .................................................................................................................... 9
• 1.3 Outline ........................................................................................................................ 10
• 제 2 장 차량 모델...........................................................................................................11
• 2.1 Bicycle Model..............................................................................................................11
• 2.2 Desired yaw rate & Desired sideslip angle ................................................................. 13
• 2.3 Upper bounded values of desired yaw rate & slip angle............................................. 14
• 제 3 장 Subsystems ......................................................................................................... 16
• 3.1 Torque Vectoring Device (TVD)................................................................................. 16
• 3.1.1 TVD Modeling ................................................................................................. 17
• 3.2 Electronic Stability Control (ESC).............................................................................. 18
• 제 4 장 파라미터 및 변수 추정 알고리즘 ................................................................ 20
• 4.1 Sideslip angle estimator .............................................................................................. 20
• 4.2 Cornering stiffness estimator ...................................................................................... 24
• 제 5 장 Phase plane 기법 기반의 통합 제어 알고리즘 ........................................... 32
• 5.1 Phase plane method .................................................................................................... 33
• 5.2 β − β phase plane .................................................................................................. 34
• 5.2.1 Control boundary.............................................................................................. 34
• 5.2.2 Control algorithm............................................................................................. 37
• 5.3 β −ψ phase plane.................................................................................................. 38
• 5.3.1 Control boundary.............................................................................................. 39
• 5.3.2 Control algorithm............................................................................................. 43
• 5.4 통합제어 알고리즘 검증......................................................................................... 45
• 5.4.1 통합제어 알고리즘 검증 환경 .................................................................... 45
• 5.4.2 Simulation 결과 .............................................................................................. 46
• 2
• 제 6 장 결론.................................................................................................................... 53
• 참고자료............................................................................................................................................. 54
• ABSTRACT........................................................................................................................................ 56