Microsoft Word - 11__85-95_ 박기홍

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한솔 석
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1 한국정밀공학회지제 30 권 1 호 pp Journal of the Korean Society for Precision Engineering Vol. 30, No. 1, pp January 2013 / 85 로봇조향기반 EPS HLS 시스템의개발및검증 Development and Validation of Robot Steered EPS HLS System 홍태욱 1, 권재준 1, 박기홍 2,, 기시우 1, 최상수 1 aewook Hong 1, Jaejoon Kwon 1, Kihong Park 2,, Siwoo Ki 1, and Sangsoo hoi 1 1 국민대학교자동차공학전문대학원 (raduate School of Automotive Engineering, Kookmin Univ.) 2 국민대학교자동차공학과 (Department of Automotive Engineering, Kookmin Univ.) orresponding author: kpark@kookmin.ac.kr, el: Manuscript received: / Revised: ,9.6 / Accepted: As the conventional hydraulic power steering system in the passenger vehicles is being rapidly replaced by EPS (Electric Power Steering) system, performance evaluation of the EPS system has become an important issue in the automotive industries. But the evaluation process takes significant expertise since steering conditions in the test protocols must be implemented with high accuracy. EPS HLS (Hardware-n the-loop Simulation) system is developed together with robot steering system in this study. Main components of EPS HLS system include: -EPS hardware, arsim vehicle model, and road reaction force generation system powered by servo motor. he robot steering system, operated by another servo motor, was combined with EPS HLS system to substitute for steering efforts of human driver. he road reaction force generation system and the robot steering system were carefully validated by using the data obtained from vehicle tests. An on-center handling test was conducted by using EPS HLS system combined with the robot steering system. n the result of this study, robot-steered EPS HLS system developed with its high reliability and no need of skilled driver s, can be widely adopted to evaluate any performance of EPS system. Key Words: Electric Power Steering ( 전동식조향장치 ), Hardware-in-the Loop Simulation (HLS), Road Reaction Force eneration ( 노면반력구현 ), Robot Steering System ( 로봇조향시스템 ) 1. 서론 최근전자기술의발달로기존의유압방식이아닌모터의전기적인힘을이용하여운전자에게조향보조력을제공해주는 EPS(Electric Power Steering) 의개발및적용이확대되고있는추세이다. EPS 는유압식에비해무게가가벼워연비절감효과를가져다주며, 구조가단순하여설계공간의확보가용이하다는장점을가진다. EPS 는차량의조종안정성에직접적인영향을미치는안전시스템이기때문에개발단계에서부터 성능및안전성이철저하게검증되어야한다. 그러나 EPS 의성능및안전성을검증하고평가하는데는여러제약이따른다. 1 특히실차테스트를통하여 EPS 의조향성능을평가하는경우많은비용및시간이소요되며, 신뢰성있는평가를위해서는숙련된실차테스트운전자에의해동일한조향입력조건에대해반복적인실험을해야하며, 최종적으로는이렇게얻어진데이터를통계적으로분석하여야한다. 2,3 이러한배경을바탕으로본연구에서는 EPS 의신뢰성있는성능평가를위하여정확한조향

한국정밀공학회지제 30 권 1 호 pp. 85-95 January 2013 / 86 입력의반복구현이가능한로봇조향시스템을적용한 EPS HLS 시스템을개발하였다. HLS 시스템은실차시험상황을실험실에서구현할수있도록설계되어야하기때문에, 운전자의조향입력과차량의주행조건에따른차량거동의변화를실시간으로모사할수있어야한다.

HLS 시스템환경구성 본연구에서는실시간시뮬레이션시스템을구축하기위하여 Windows OS 기반의 Host P 1 대와 Linux OS 기반의 arget P 2 대, 즉총 3 대의 P 가 Fig. 1 과같이사용되었다. 모델의해석및수치연산을수행하고, arget- P 는 Signal /O 의계측및제어명령을전달받아이를수행하도록구성하였다.

2 한국정밀공학회지제 30 권 1 호 pp January 2013 / 86 입력의반복구현이가능한로봇조향시스템을적용한 EPS HLS 시스템을개발하였다. HLS 시스템은실차시험상황을실험실에서구현할수있도록설계되어야하기때문에, 운전자의조향입력과차량의주행조건에따른차량거동의변화를실시간으로모사할수있어야한다. 본연구에서는노면으로부터타이어를통해랙에가해지는힘을추정하고이를컬럼에전달하여조향성능을평가할수있도록노면반력제어시스템을구현하였다. 또한다양한시험모드의조향입력조건을반복적으로수행하여신뢰성있는데이터들에대한통계적분석이가능하도록운전자의조향입력을대신하는로봇조향시스템을구현하였다. 2. HLS 시스템환경구성 본연구에서는실시간시뮬레이션시스템을구축하기위하여 Windows OS 기반의 Host P 1 대와 Linux OS 기반의 arget P 2 대, 즉총 3 대의 P 가 Fig. 1 과같이사용되었다. 모델의해석및수치연산을수행하고, arget- P 는 Signal /O 의계측및제어명령을전달받아이를수행하도록구성하였다. 계측및제어명령을전달받기위하여 arget- P 에서는 N (National nstrument) 사의 P 타입 DAQ 카드가사용되었다. 2.1 HLS 시스템하드웨어구성 EPS 선정 EPS 시스템은운전자의조향을돕기위해기존의유압보조력대신전기적인보조력을생성하는장치이다. 본논문에서는국내소형차량에적용된 12V 전원 45A 용량의 D Brushed 모터를장착한 -EPS 를사용하여 HLS 를개발하였다. Fig. 2 는본과제에서사용된 -EPS 를보여준다. -EPS 는조향컬럼과보조력을가해주는모터, 그리고모터제어를위한 EU 로구성되어있다. Fig. 2 -EPS used in HLS system Fig. 1 onfiguration of Robot Steered EPS HLS system Host P 와 arget P 들간의실시간연산및처리를위하여 Opal-R 사의 R-LAB 을사용하였으며, P/P 방식으로시스템들간에데이터를주고받을수있도록구성하였다. Host P 는 Simulink 를기반으로 arsim 차량모델을사용하여시뮬레이션의수행결과에대한애니메이터및모니터역할을수행하도록구성하였다. 실제적인차량모델의해석및 Signal /O 의제어는 2 대의 arget P 에서각각수행되었다. arget- P 는 P/P 통신을통하여 arsim 차량모델을전달받아 지그설계본논문에서는 EPS HLS 시스템을위한지그를설계함에있어 Fig. 3 과같이향후다양한타입의 EPS 시스템을장착할수있도록호환성을고려하여설계하였다. EPS HLS 시스템의지그부는크게노면반력구현시스템을위한부분과로봇조향시스템을위한부분으로나뉜다. 각각의지그들은호환성을높이기위해높이조절및회전이자유롭도록설계되었다. 본연구에서는조향입력에따른 EPS 의출력특성을관찰할수있도록 EPS 의입출력부위에두개의토크센서를장착하였다.

한국정밀공학회지제 30 권 1 호 pp. 85-95 January 2013 / 87 2.2 HLS 시스템소프트웨어구성 2.2.1 arsim 차량모델 HLS 시스템의신뢰성은차량의동역학모델의정확도에따라결정된다. 본연구에서는차량모델로 MS(Mechanical Simulation orporation) 사의 arsim 차량모델을사용하였다. 이모델은 Fig.

3 /O nterface 구성본연구에서는 EPS HLS 시스템의하드웨어요소인 -EPS, 토크센서, 조향각센서, 로드셀, 서보모터를 arsim 차량모델과연동하기위하여 N 사의 P 카드와 Softing 사의 P 타입 AN 카드를사용하였다. Fig. 4 는이들인터페이스장치와입출력신호의구성을보여준다. Fig. 5 onfiguration of arsim vehicle model Fig.

3 한국정밀공학회지제 30 권 1 호 pp January 2013 / HLS 시스템소프트웨어구성 arsim 차량모델 HLS 시스템의신뢰성은차량의동역학모델의정확도에따라결정된다. 본연구에서는차량모델로 MS(Mechanical Simulation orporation) 사의 arsim 차량모델을사용하였다. 이모델은 Fig. 5 에서정의되어있는것과같이 27 자유도의전차량동역학모델로구성되어있다. 차량의파라미터값들은 B lass 급차량의제원을기반으로하고, 여기에실차테스트데이터를대상으로파라미터추정방법을적용하여얻은값들로구성하였다. 4 Fig. 3 Design concept of Jigs /O nterface 구성본연구에서는 EPS HLS 시스템의하드웨어요소인 -EPS, 토크센서, 조향각센서, 로드셀, 서보모터를 arsim 차량모델과연동하기위하여 N 사의 P 카드와 Softing 사의 P 타입 AN 카드를사용하였다. Fig. 4 는이들인터페이스장치와입출력신호의구성을보여준다. Fig. 5 onfiguration of arsim vehicle model Fig. 4 onfiguration of Signal /O interface Fig. 4 와같이 HL 시뮬레이션수행을위해각종센서들의아날로그입력신호와 SAS 로부터출력되는 AN 신호를이용하여 arsim 차량모델의시뮬레이션에필요한입력값과노면반력구현을위한서보모터의피드백제어인자를구성하였다 Matlab/ Simulink 인터페이스모델본연구에서는실시간시뮬레이션구현을위하여 Host P 1 대와 arget P 2 대가사용되었기때문에, P 들의역할을구분하여분산처리를수행할수있도록총 3 개의서브시스템을가지는 Simulink 모델을구성하였다. Fig. 6 의 Simulink 모델에서각각의블럭은다음과같은역할을수행한다. SM(Master Subsystem) 서브시스템은 arsim 차량모델의수학적연산을담당하며, arget- P 에서실행된다. SS(Slave Subsystem) 서브시스템은 DAQ 장비들을통한입출력센서신호의인터페이스를담당하며, arget- P 에서실행된다. S(onsol Subsystem) 서브시스템은

한국정밀공학회지제 30 권 1 호 pp. 85-95 January 2013 / 88 계측센서들의초기화및시뮬레이션데이터의저장과모니터링을담당하며, Host P 에서실행된다. 전달되는노면반력에대해조향보조력을발생시킴으로써운전자에게조향편의를제공하는시스템이다.

2.3 가상주행환경 HLS 시스템을이용한 EPS 의성능평가를위하여본연구에서는 SO 에규정된다양한시험모드를수행할수있는가상주행환경을구축하였다.

4 한국정밀공학회지제 30 권 1 호 pp January 2013 / 88 계측센서들의초기화및시뮬레이션데이터의저장과모니터링을담당하며, Host P 에서실행된다. 전달되는노면반력에대해조향보조력을발생시킴으로써운전자에게조향편의를제공하는시스템이다. 따라서 EPS 의성능평가를위한 HLS 시스템을개발하는데있어서타이어의노면반력을정확하게구현하는것은무엇보다중요하다. 5 Fig. 6 Simulink model for real-time simulation 가상주행환경 HLS 시스템을이용한 EPS 의성능평가를위하여본연구에서는 SO 에규정된다양한시험모드를수행할수있는가상주행환경을구축하였다. 이를위해 arsim 의 Animation 기능을활용하였으며, J-turn(Step steer), on-center handling, SL(Single lane change), DL(Double lane change), slalom 의시험을수행할수있는환경을구축하였다. Fig. 7 은 DL 테스트를위한가상주행환경을보여준다. Fig. 8 Photo of road reaction force generation system 본연구에서는정확한노면반력구현을위하여 arsim 차량모델로부터출력되는킹핀모멘트를사용하였으며, 이값을기반으로노면반력구현시스템의서보모터의출력값을계산하였다. Fig. 8 은서보모터를이용하여노면반력을구현할수있도록구성된 HLS 시스템의모습을보여준다. 노면반력구현시스템은제어가용이하도록한쪽축에만토크를가하도록설계되었으며, arsim 차량모델로부터출력되는전륜양축의킹핀모멘트값의합력을출력하도록하였다. 또한얼라인토크의최대값을고려하여 20:1 의감속기를서보모터에장착하였다. Fig. 7 arsim virtual simulation environment 3. 제어시스템구성 3.1 노면반력구현시스템 EPS 는타이어와조향핸들을거쳐운전자에게 Fig. 9 PD controller for road reaction force generation

한국정밀공학회지제 30 권 1 호 pp. 85-95 January 2013 / 89 Fig. 9 는노면반력제어구현을위해구축된 Simulink 모델을보여준다. 이노면반력구현부에서는 arsim 차량모델로부터출력되는킹핀모멘트를입력으로받아목표치로삼고, 이값을서보모터가추종하여출력할수있도록 PD 제어를수행한다. 식 (1) 은노면반력구현부의제어로직에사용된식을나타낸다.

5 한국정밀공학회지제 30 권 1 호 pp January 2013 / 89 Fig. 9 는노면반력제어구현을위해구축된 Simulink 모델을보여준다. 이노면반력구현부에서는 arsim 차량모델로부터출력되는킹핀모멘트를입력으로받아목표치로삼고, 이값을서보모터가추종하여출력할수있도록 PD 제어를수행한다. 식 (1) 은노면반력구현부의제어로직에사용된식을나타낸다. D 게인을튜닝함으로써오버슈트와반응속도사이에절충적인성능을주는 PD 게인값을찾을수있었다. V = K F F ) + K ( F F ) (1) p ( RD R D RD R 위식에서 V 는서보모터에전해지는토크전압을나타내며, F R 과 F RD 는랙포스의실제값과목표값을, K P 와 K D 는비례게인과미분게인을나타낸다. Fig. 10 에서 PD 제어기왼쪽에있는첫번째변환모듈 (onversion1) 은목표킹핀모멘트를랙포스로환산해주며, 이를위해식 (2) 이사용된다. 또한그림에서두번째변환모듈 (onversion2) 은센서로측정된조향토크를랙포스로환산해주며, 이를위해식 (3) 이사용된다. 1 F = M (2) R K r JA 2000 π F = ( ) R SW τ μ μ μ (3) W MS RP 식 (2) 에서 M k 는킹핀모멘트를, r JA 는조인트암의길이를나타낸다. 식 (3) 에서 는소위 factor 라불리는값으로랙앤피니언의기어비를 mm/rev 단위로나타내는상수이다. SW 는조향토크를, τ 는웜휠 / 웜샤프트의기어비를, µ W 는웜휠 / 웜샤프트의기어효율을, µ MS 는인터메드샤프트의효율을, µ RP 는랙앤피니언의기어효율을타나낸다. 본연구에서는노면반력구현부의 PD 제어기게인을찾기위해, 먼저 P와 D게인의적절한범위를개별적으로선정한다음, 이들을조합하였을때최적의성능을주는게인을찾는방법으로 PD 게인을선정하였다. Fig. 10 은이와같은제어기설계를위해수행한 HL 시뮬레이션가운데대표적인몇가지결과를보여준다. 먼저 P 제어만가지고최적의게인을찾았을때, 과도한오버슈트가생기는것을볼수있었고, 이를개선하기위해 D 제어기를추가하고 Fig. 10 HL simulation for PD gain tuning 본연구에서노면반력은 arsim 차량모델로부터출력되는킹핀모멘트로부터연산되기때문에, HLS 시스템의기구적마찰특성및서보모터의관성등은고려되지않게된다. 특히운전자의연속적인조향입력시위와같은비선형적요소들을고려하지않음으로인하여노면반력량이실제의값과많은오차를가질수있다. 이러한문제점을해결하기위하여본연구에서는위에서설명된 PD 제어기외에추가적으로조향각과차속에따른서보모터토크의보정을수행하였다. 이를위해서는시험데이터기반의룩업테이블을사용하였다. 3.2 로봇조향시스템 Fig. 11 은본연구에서운전자의조향입력을대체하도록구축한로봇조향시스템을보여준다. Fig. 11 Photo of robot steering system

한국정밀공학회지제 30 권 1 호 pp. 85-95 January 2013 / 90 본로봇조향시스템에는노면반력구현시스템과동일한서보모터가사용되었으며, 운전자의조향입력토크값이일반적으로 5~10 Nm 미만이기때문에별도의감속기는사용되지않았다. 운전자의조향입력을모사하는로봇조향시스템은조향칼럼에전달되는토크뿐아니라각도도함께제어하여야한다.

6 한국정밀공학회지제 30 권 1 호 pp January 2013 / 90 본로봇조향시스템에는노면반력구현시스템과동일한서보모터가사용되었으며, 운전자의조향입력토크값이일반적으로 5~10 Nm 미만이기때문에별도의감속기는사용되지않았다. 운전자의조향입력을모사하는로봇조향시스템은조향칼럼에전달되는토크뿐아니라각도도함께제어하여야한다. 이에따라본연구의로봇조향시스템은토크제어와위치제어를동시에수행하도록설계되었으며, 이를구현하기위해서보모터의전용드라이버와함께 N 사의모션제어기를사용하였다. 로봇조향시스템은 HLS 시스템과는별개로모션제어기를통해서보모터의제어를수행하도록설계되었으며, 이를위해본연구에서는 LabVEW 를이용하여제어로직을구현하였다. Fig. 13 ontrol flow diagram in robot steering system 4. HLS 시스템성능검증 이장에서는로봇조향기반 EPS HLS 시스템을개발하면서수행된성능검증을위한시험결과들을보여준다. 4.1 노면반력구현시스템성능검증본절에서는노면반력구현시스템의성능검증을위하여서보모터제어에의해출력되는토크가차량의실제노면반력에상응하는값으로랙에가해지고있는지알아보았다. 노면반력으로인해랙에가해지는힘을측정하기위하여서보모터와랙사이에로드셀을장착하였으며, able 1 과같은조건으로노면반력제어시스템의성능검증을위한시험을수행하였다. Fig. 12 ontrol panel of robot steering system Fig. 12 는조향토크와각도의목표값을입력할수있도록구성된 LabVEW 프로그램의화면이다. 사용자가이화면에서조향토크와각도의목표값을일정한값또는궤적프로파일의형태로주게되면, LabVEW 프로그램은모션제어기에위치지령을내려서보모터의토크및위치제어를수행하게된다. 로봇조향시스템의제어순서는 Fig. 13 과같다. LabVEW 프로그램으로부터위치지령을받은모션제어기는, 서보모터에장착된엔코더의신호를피드백받아위상차에대한 PD 제어를수행하여, 토크및각도의정확한지령값을계산한다. 이값은다시서보모터드라이버에목표값으로인가되어서보모터의토크및위치제어가수행된다. able 1 est ondition for road reaction force generation Vehicle Speed 60 km/h Road Friction 0.85 µ est Mode J-turn(Step steer) Steer nput 90 deg 식 (4) 는서보모터의출력토크를계산하는수식이다. 서보모터의출력토크는서보모터와랙사이에설치된로드셀의측정값을서보모터축과랙을연결하는조인트암의길이에곱해서얻는다. Motororque[ Nm] = Loadell[ N] Jo int Arm[ m] ( King pinmoment Motororque) Fig. 14 는식 (4) 와같이계산된서보모터의출력토크값과 arsim 차량모델로부터출력되는킹핀모멘트값을비교한결과를보여준다. (4)

7 한국정밀공학회지제 30 권 1 호 pp January 2013 / 91 orque [Nm] -KPRKPOQOPV 5XQ/QVQ6QSW ime [sec] Fig. 14 Verification of road reaction force generation (a) Vehicle test Fig. 14 를살펴보면 100 Nm 에해당하는노면반력이서보모터의제어를통해랙에비교적정확하게구현되어전달되고있음을볼수있다. 4.2 EPS HLS 시스템성능검증본절에서는 EPS HLS 시스템의성능검증을위한실차와 HL 시뮬레이션시험결과에대한분석내용을보여준다. 성능검증을위한실차시험은자동차부품연구원내의 P (Proving round) 에서진행되었으며, 조향시스템평가목적에부합하는시험항목들로 J-turn 시험과온-센터핸들링 (Oncenter handling) 시험을수행하였다. 실차와 HL 시뮬레이션은다수운전자들에의하여수행되었으며, EPS HLS 시스템의신뢰성검증을위해동일시험조건의데이터들간의경향성비교를수행하였다. 이를위해본연구에서는 Minitab 의 Margin plot 과기초통계그래픽요약기능을이용하여시험조건인차속과조향각에대한평균값의 95% 신뢰구간내데이터를유효데이터로간주하고유사도가가장높은시험조건하에서실차와 HL 시뮬레이션결과를비교검증하였다. able 2 는 EPS HLS 시스템의성능검증을위해수행된 J-turn 시험과온-센터핸들링시험의조건을보여준다. (b) HL simulation Fig. 15 Margin plot of input signal in J-turn test Fig. 15 를살펴보면 HL 시뮬레이션결과가실차결과에비하여정확한 J-turn 시험조건에밀집해있는것을볼수있다. 이는 HL 시뮬레이션의경우실차시험의경우와달리시험간운전자에게차량거동이미치는영향이적기때문에반복적이고재현성있는시험이수행될수있기때문이다. 실차의경우차량의롤거동등에의한영향으로운전자로하여금주어진차속및조향각의시험조건을반복적으로수행하기어렵게한다. 이러한경우시험조건이달라지기때문에 EPS HLS 시스템을검증하기위한실차데이터들에큰영향을미친다. Fig. 16 과 Fig. 17 은 J-turn 시험간시험조건의편차에따른 HLS 시스템성능검증에필요한요레이트와횡가속도의변동을보여준다. able 2 ondition of Vehicle est est Mode J-turn On-center handling Vehicle Speed 30 km/h 60 km/h Road Friction 0.85 µ 0.85 µ Steer nput 180 deg 0.5 Hz, ±40 deg (Sinusoid) (a) omparison of test conditions and yaw rate Fig. 15 는 J-turn 시험의입력조건인차속과조향각에대한실차및 HL 시뮬레이션결과의 Margin plot 을보여준다. (b) omparison of test conditions and lateral acceleration Fig. 16 J-turn test results (vehicle test)

8 한국정밀공학회지제 30 권 1 호 pp January 2013 / 92 의한운전자영향에의한초기조향각이불안정한영역을제외하면전반적으로실차시험과 HL 시뮬레이션의결과가유사한경향을보이고있음을알수있다. (a) omparison of test condition and yaw rate (b) omparison of test condition and lateral acceleration Fig. 17 J-turn test results (HLS) Fig. 16 과 17 로부터시험조건인차속또는조향각이증가할경우요레이트및횡가속도역시증가함을알수있다. 이러한영향을배제하기위해앞서설명한바와같이유효시험조건영역에서유사도가가장높은시험조건하에서 J-turn 시험결과를실차와 HL 시뮬레이션을통해비교하였다. Fig. 18 은실차시험과 HL 시뮬레이션에서 J-turn 시험을위해운전자에의해가해진조향각을비교하여보여준다.? U = P K Q V N E E N V *+.5. 8JKEN 6KO=UE?? U =F V Y ; (a) Lateral acceleration *+.5 8JKEN 6KO=UE? (b) Yaw rate Fig. 19 omparison of output signals in J-turn test Steering wheel angle [deg] *+.5 8JKEN 위에서살펴본 J-turn 시험을통한 EPS HLS 시스템의성능검증과같은방법으로본연구에서는온 - 센터핸들링시험을통한 EPS HLS 시스템의성능검증을수행하였다. Fig. 20 은운전자에의해수행된온 - 센터핸들링시험결과를보여준다. ime [sec] Fig. 18 omparison of steering inputs in J-turn test Fig. 18 을살펴보면실차시험의경우초기조향입력시운전자의과도한조향에따른오버슛이발생하는것을볼수있다. 이는실차시험의경우급작스러운롤과같은차량의거동변화가운전자에게영향을미치기때문인것으로사료된다. 이러한부분을제외하면동일시험조건을잘유지할경우실차시험과 HL 시뮬레이션의결과가잘일치하는것을볼수있다. Fig. 19 는 J-turn 시험조건으로실차시험과 HL 시뮬레이션에서얻어진횡가속도와요레이트를비교하여보여준다. Fig. 19 에서실차의거동에? O =0 W S NVQ J Y KP V 5 8JKEN *+.5.VNEENVKQP=U? Fig. 20 omparison of on-center handling test HL 시뮬레이션결과를살펴보면운전자에의한시험으로인하여일부조향토크값의변동이보여

9 한국정밀공학회지제 30 권 1 호 pp January 2013 / 93 지기는하지만실차의결과와매우흡사한경향을보이고있음을확인할수있다. J-turn 시험및온 - 센터시험으로부터검증된바와같이본연구를통하여구축된 EPS HLS 시스템은실차시험을대신하여 EPS 의성능을평가하고검증하는데사용될수있는것으로판단되었다. 4.3 로봇조향시스템성능검증본절에서는로봇조향시스템의성능검증결과를소개한다. 로봇조향시스템은운전자의직접적인조향입력에따른조향오차를방지하고, 동일한시험조건을반복적으로수행할수있어야한다. 이를위해로봇조향시스템은운전자의조향입력과마찬가지로서보모터의제어를통하여시험조건에따라조향각을컬럼에인가해주어야한다. 따라서, 본절에서는시험조건에정의되어있는조향각을로봇조향시스템이정확하게구현하는지확인함으로써성능을검증하였다. able 3 은로봇조향시스템의성능검증을위하여수행된차속 30 kph 에서 180 edg 조향입력시험조건을보여준다. able 3 est condition of robot steering system Vehicle Speed 30 km/h Road Friction 0.85 µ est Mode J-turn(Step steer) Steer nput 180 deg Fig. 21 은 able 3 의조건으로시험한결과이다. 실제조향각이목표조향각을잘추종하고있음을알수있다. Steering Wheel angle? =F N P N J Y KP V 5 6V#PN 1WVRWV#PN VKO=UE? Fig. 21 Steering wheel angle in J-turn test (30 kph-180 deg) Fig. 21 로부터본연구에서개발된로봇조향시스템이목표조향각을오버슛없이정확히제어하고있음을볼수있다.? O =0 W S Q 6 1WVRWV +PRWV 6KO=UE? Fig. 22 Steering input torque and steering column output torque in J-turn test Fig. 22 는로봇조향시스템에서조향입력이제어되는동안 -EPS 의입력토크값과출력토크값을측정한결과를보여준다. 일반적으로 EPS 작동시운전자로부터컬럼에인가되는입력조향토크는 0~10 Nm 이며, 주행중노면에서발생하는반력과 EPS 의보조력정도에따라크기가변화한다. Fig. 23 의결과를살펴보면 able 3 의시험수행시발생하는조향입력토크가 3 Nm 내외에서큰변동없이잘제어되는것을볼수있다. 또한 -EPS 컬럼으로부터출력되는토크도일정한값에안정적으로유지되고있는것을볼수있다. 위의시험결과를통하여본연구에서개발된로봇조향시스템이시험조건에정의된조향입력각과조향토크의목표값을잘추종하는것을확인 할수있었다. 4.4 로봇조향기반 EPS HLS 시스템성능검증본절에서는 EPS HLS 시스템에로봇조향시스템을결합한로봇조향기반 EPS HLS 시스템의성능을검증하였다. 이를위해 EPS 의중립조향성능을평가하는방법으로사용되는온-센터핸들링시험을수행하였다. Fig. 23 은온-센터핸들링성능의평가분석방법을도식적으로보여준다. 낮은횡가속도영역인중립조향구간에서운전자의조종성은조향토크대횡가속도의히스테리시스그래프의기울기와폭으로판단할수있는것으로알려져있다. 6,7

10 한국정밀공학회지제 30 권 1 호 pp January 2013 / 94 Fig. 23 Evaluation method of on-center handling 온 - 센터핸들링시험방법에서는일반적으로차속 100 km/h 에서 0.2 Hz/20 deg 의정현파조향입력을사용하여, 0.2 g 이내의낮은횡가속도영역에서 EPS 의중립조향감성을평가한다. 그러나본연구에서는실차시험이수행된 P 의공간적제약때문에, able 4 와같이차속을 60 km/h 로낮추고, 이때 0.2 g 의횡가속도를내는 0.5 Hz/40 deg 의정현파조향입력을사용하여시험을수행하였다. 8 able 4 est condition of on-center handling Vehicle Speed 60 km/h Road Friction 0.85 µ est Mode On-center handling Steer nput 0.5 Hz, ±40 deg (Sinusoid) Fig. 24 는온 - 센터핸들링시험에서얻어진조향토크대횡가속도의히스테리시스그래프를보여준다. Steering wheel torque [Nm] Lateral acceleration [gs] Fig. 24 omparison of SW vs. A y 8JKEN *+.5 HL 시뮬레이션의경우정밀한로봇조향으로인해수차례반복된온 - 센터핸들링시험에도일정한조향토크대횡가속도의경향을얻을수있었다. 그러나온 - 센터핸들링을위한실차시험의경우운전자의직접조향으로인하여매번조금씩다른경향이얻어졌다. 이에본연구에서는실차시험의경우수차례반복된시험결과의평균값을사용하였다. Fig. 24 에서볼수있듯이, HL 시뮬레이션으로부터얻어진히스테리시스그래프의기울기는실차시험에서얻어진그것과매우유사한경향을보였다. 히스테리시스그래프의폭으로나타내어지는복원성또한, HL 시뮬레이션의결과와실차시험결과가매우유사한경향을보였다. able 5 Steering feel index for on-center handling tem HLS Field Unit orque radient (SW/Ay) [Nm/g] Returnability (Ay) [g] able 5 는 Fig. 24 의히스테리시스그래프로부터계산된토크기울기와복원성을나타낸다. HL 시뮬레이션과실차테스트결과를통하여본연구에사용된상용 -EPS 의경우, 토크기울기는약 15 [Nm/g] 의값을가지며, 복원성은약 0.3 [g] 의값을가지도록설계되었음을볼수있었다. 위의시험결과를통하여본연구에서개발된로봇조향기반 EPS HLS 시스템은실차를대신하여 EPS 의성능을평가하고검증하는데사용될수있는것으로판단할수있었다. 5. 결론 본논문에서는최근승용차량에널리보급되어지고있는 EPS 의조향성능개선및평가를위한 EPS HLS 시스템을개발하였다. 이를위해다음과같은연구를수행하였다. 1) EPS 의성능검증및평가를위하여실제도로의주행상황을모사가능하도록 arsim R 와 R-Lab 을이용하여실시간가상주행환경을구성하였다. 2) EPS HLS 시스템을위한노면반력제어는 arsim 의킹핀모멘트값을환산하여서보모터의

11 한국정밀공학회지제 30 권 1 호 pp January 2013 / 95 PD 제어를수행하였다. 3) 신뢰성있는 EPS 의성능평가를수행할수있도록일반적인조향시스템성능평가용 HLS 와다르게로봇조향입력을통한반복시험데이터의모니터링이가능하도록구성하였다. 4) EPS HLS 의성능을검증해보고자 J-turn 시험방법을통하여실차시험결과와비교해보았다. 정상상태에서횡가속도와요레이트값은 ±5% 이내의경향성을보여준다. 5) 로봇조향시스템의성능을검증하기위하여 J-turn 시험을한결과, 오버슛없이입력및출력토크가일정하게제어됨을확인하였다. 6) 온 - 센터핸들링시험방법을이용하여로봇조향기반의 EPS HLS 시스템의성능을검증하였다. torque gradient 값의경우, HL 시뮬레이션결과가실차시험결과와 1% 미만의오차를보였으며, returnability 값의경우, HL 시뮬레이션의결과와실차시험의결과가동일하였다. 이러한성능검증을통해본연구에서개발된로봇조향기반 EPS HLS 시스템은실차를대신하여 EPS 의성능을평가하고검증하는데사용될만한신뢰성을가지는것으로판단되었다. 5. Jang, B.. and So, S.., Simulation ntegration echnique of a Full Vehicle Equipped with EPS ontrol System, J. of the KSPE, Vol. 23, No. 6, pp , Norman, K. D., Objective Evaluation of On-enter Handling Performance, SAE Paper, No , Kim, H., Kim, S. H., Park, K., and Heo, S. J., A Study on EPS Performance Evaluation using HLS System, Proc. of KSPE Spring onference, pp , Hong,. and Park, K., A New Steering Wheel Returnability ontrol Strategy for On-center Handling Performance, SAE Paper, No , 후기 본연구는국민대학교 2011 학년교내연구비지원을받아수행되었습니다. 참고문헌 1. oyohira,., Nakamura, K., and anno, Y., he Validity of EPS ontrol System Development using HLS, SAE Paper, No , Kim,., Kwon, J., Kim, S. H., Park, K., and Heo, S. J., Development of HLS system for EPS performance evaluation, Proc. of KSPE Spring onference, pp , Kwon, J. and Park, K., Development of the Hardware-in-the loop Simulation for Evaluating Performance of EPS System, SAE Paper, No , Hong,., Park, K., Heo, S. J., Park, L. H., Lee, K., and ho, Y. J., Research for parameter estimation method by basis of real vehicle data, Proc. of KSPE Spring onference, pp , 2005.

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PowerPoint 프레젠테이션 RecurDyn 의 Co-simulation 와 하드웨어인터페이스적용 2016.11.16 User day 김진수, 서준원 펑션베이솔루션그룹 Index 1. Co-simulation 이란? Interface 방식 Co-simulation 개념 2. RecurDyn 과 Co-simulation 이가능한분야별소프트웨어 Dynamics과 Control 1) RecurDyn