액티브 서스펜션을 활용한 주행 성능 향상 제어 연구

액티브 서스펜션 시스템은 일반적인 노면 주행 시에는 노면의 진동에 의한 댐퍼 상하 운동을 펌프를 통해 모터의 역기전력으로 감쇠력으로 승차감 제어를 하고, 험로나 코너링 주행 시에는 모터 제어를 통해 댐퍼 상하 운동으로 차체를 능동 제어하는 시스템이다.

액티브 서스펜션은 Fig. 1과 같이 세미-액티브 서스펜션보다 넓은 영역에서 제어가 가능한 시스템이다. 댐퍼 상대속도가 인장 방향일 때는 압축력, 압축 방향일 때는 인장력, 즉 댐퍼가 움직이는 방향의 반대방향으로만 힘이 작용하는 것이 세미-액티브의 특징이다. 반면 액티브 서스펜션은 댐퍼의 움직이는 방향과 관계없이 인장력과 압축력을 능동적으로 구현할 수 있다.

Fig. 1

Control area of semi-active/active suspension system

코너링이나 험로 주행 시에 모터를 회전시켜 펌프를 통해 댐퍼를 상하운동 시킨다. Fig. 2의 왼쪽을 보면 모터 및 펌프가 시계방향으로 회전하면서 유체가 피스톤 상단으로 모이게 되고 고압을 형성하게 된다. 이 때 피스톤 상･하단의 압력차에 의해 댐퍼는 압축력을 가지게 된다. 오른쪽 그림은 그와 반대로 모터 및 펌프가 시계반대방향으로 회전하여 댐퍼는 인장력을 가지게 된다.

Fig. 2

Concept of active suspension system

댐퍼의 움직이는 방향과 독립적으로 모터 제어를 통해 능동적으로 댐퍼의 인장 및 압축력을 제어 할 수 있어 제어영역이 감쇠력 특성 그래프의 2/4, 4/4분면으로 확장된다. 넓어진 제어영역에서 능동 제어를 통해 차체거동이 감소하고 승차감 및 핸들링 성능을 개선할 수 있다.

시스템 구성에 앞서 해석기반으로 차량의 목표 성능 및 이를 위한 액츄에이터 요구 작동력 선정을 위한 시뮬레이션을 실시 하였다. CarSim 모델과 Matlab/Simulink⁶⁾ 제어로직을 연동한 해석 환경에서 대형 승용차종을 대상으로 고려하였다.

액티브 서스펜션 같은 새로운 신기술 개발에 있어서 액츄에이터 요구 작동력 선정은 매우 중요하다. 요구 작동력을 작게 예측한 경우 목표로 하는 차량 성능을 만족 시킬 수 없고 지나치게 크게 예측한 경우에는 패키지 및 중량/원가에서 비효율적이기 때문이다. 따라서 정확한 해석예측을 통해 적정한 사양을 선정해야 한다.

우선적으로 이상적인 차량의 목표 성능을 Table 1과 같이 선정하였다.

Table 1

Vehicle target performance

CarSim 해석 결과 차량 목표성능을 만족시키 위한 액츄에이터 요구 작동력은 다음과 같이 나타났다.

Fig. 3와 같이 정상원선회 시에 횡가속도 0.45 G까지 롤각을 최소화하는 제어 시에 액츄에이터 작동력이 약 2000 Newton이 필요한 것을 알 수 있다. 또한 위 해석 결과에서의 작동력은 휠 센터 위치에서 작용하는 가상의 액츄에이터를 기준으로 도출된 결과이기 때문에 실제 차량의 댐퍼 위치에서 필요한 작동력을 산출하기 위해서는 댐퍼의 레버비, 액츄에이터의 장착 기울기 및 시스템의 기계적 효율(마찰력 등으로 소모되는 에너지) 등을 추가로 고려해야 한다. 결과적으로 약 3000 Newton 작동력을 요구 작동력으로 선정하고 시스템 개발을 진행하였다.

Fig. 3

Actuator active force during roll control (analysis)

기본모듈은 기존 ECS 시스템 수준의 제어영역 및 승차감 수준을 유지할 수 있는 모듈이다. 모터의 목표토크를 식 (1)과 같이 현재 발생하는 RPM의 역방향, 즉 음의 부호로 설정하면 댐퍼 내 유체 흐름을 방해하는 감쇠력으로 작동하게 된다.

where K : Gain Factor(-)

이 식에서 K가 결정되면 Fig. 6과 같이 댐퍼의 속도-힘 그래프에서 하나의 감쇠력 곡선으로 댐퍼 특성이 결정된다. K의 값을 변화하면서 Soft Limit과 Hard Limit사이에서 적절한 감쇠력을 구현할 수 있다.

Fig. 6

Damping force characteristic curve according to K

차속에 따라서 K값을 다르게 설정하여 차속 감응형 댐핑 제어 기능을 구현한다. 고속 주행 시에 큰 K값을 설정하여 감쇠력을 증가시켜 주행 안정성을 확보할 수 있다. 또한 기본 모듈에는 노면 거칠기에 따른 K값 설정을 통해서 노면별 댐핑 제어 기능도 포함되어 있다. 이를 통해 험로나 둔턱 주행 시에 적절한 감쇠력을 구현할 수 있다.

능동 모듈은 Fig. 7과 같이 차량의 롤 모션, 피치 모션, 히브 모션을 제어하는 모듈로 나눌 수 있다. 그리고 각 모션을 노면 및 핸들링에 의한 피드백 제어(롤/피치 레이트, 히브 속도 제어)와 운전자 입력에 대한 역 모멘트 제어(롤/피치 제어)로 구분할 수 있다.

Fig. 7

Diagram of active module

피드백 제어는 Fig. 8과 같이 차체 수직가속도 센서를 이용하여 C.G.에서의 롤/피치 레이트, 히브 속도를 추정하는 차량 상태 추정기와 그 값을 최소화하는 제어력을 연산하는 PID제어기로 구성되어 있다.

Fig. 8

Feedback control architecture

차량 상태 상태 추정기에서는 차체 수직가속도 센서의 장착 위치에 따라 차량 상태 물리량 오차가 발생하여 제어 성능에 영향을 줄 수 있다. 센서 위치가 반영된 차량 상태 추정기가 필요하다. 수직가속도 센서가 Fig. 9와 같이 차량 내에 위치하는 경우, 차체를 강체라고 가정하면 식 (2)와 같이 무게중심에서의 수직가속도와 각 센서 위치별 수직가속도 관계식이 성립된다.

Fig. 9

Position of body vertical sensor in vehicle

Where $$ {\dot{\omega }}_x^{\text{'}}$$: x-axis angle accleration (deg/s²)
         $$ {\dot{\omega }}_y^{\text{'}}$$: y-axis angle accleration (deg/s²)

성립된 관계식을 행렬로 변환 후 역행렬 연산을 통해서 식 (3)과 같이 롤각가속도, 피치각가속도, 무게중심에서의 수직가속도 추정이 가능하다.

Where $$ \ddot{\theta }$$: pitch angle accleration (deg/s²)
         $$ \ddot{\phi }$$: roll angle acceleration (deg/s²)

추정된 각가속도 및 수직가속도를 활용해 필터 및 적분기를 통해 롤/피치 레이트, 히브 속도로 변환하여 제어에 활용할 수 있다. 추정된 각 방향(롤/피치, 히브)의 모션을 최소화하는 목표로 PID 제어기를 통해서 각 피드백 제어의 목표작동력을 연산한다.

역 모멘트 제어는 차량의 외란 입력인 종/횡가속도에 의한 롤/피치 각을 계산하고 그 크기 제어를 통해 승차감 및 핸들링 성능을 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 실제 차량의 제어기에 적용시 연산부하를 최소화 하기 위한 목적으로 차량 모델 및 제어로직은 최대한 단순화 된 방법을 적용하였다.

롤 제어에 있어서 차량 모델은 Fig. 10과 같은 1자유도 롤 모델을 사용하여 식 (4)와 같은 관계식으로 표현할 수 있다.

Fig. 10

1DOF vehicle roll model in vehicle dynamics and control7)

Where k_s : suspension spring stiffness
         b_s : suspension damping coefficient
         F_sl, F_sr : suspension force
Where I_xx : roll moment of inertia about C.G.
         m : vehicle sprung mass
         h_R : height of vehicle C.G. from roll center (R.C.)
         a_y : lateral acceleration of vehicle
         φ : roll angle
         t : track width

여기서 서스펜션이 발생하는 힘인 F_sl, F_sr 의 구성요소는 스프링, 댐퍼 및 액티브 서스펜션 액츄에이터이며 식 (5)와 같이 표현할 수 있다.

Where, k_s : suspension spring stiffness
          b_s : suspension damping coefficient
          F_Al, F_Ar : actuator force left/right

또한 일반적인 핸들링 상황에서의 차량의 롤각은 5° 미만이므로 미소 롤각 가정(sinφ = φ, cosφ = 1) 이 적용 가능하고 또한 완만한 핸들링 상황은 정상상태($$ \dot{\phi }=\ddot{\phi }=0$$)로 간주하여도 오차가 크지 않으며 액티브 서스펜션 액츄에이터 특성상 액티브 모드로 동작할 때에는 댐퍼 기능이 없어지고(b_s = 0) 능동 작동력만 발생되므로 식 (4)는 식 (6)과 같이 표현 가능하다.

이를 다시 롤각에 대해 정리하면 다음과 같다.

즉 차량의 롤각은 횡가속도 크기에 비례하며 액티브 서스펜션 액츄에이터 제어력에 반비례하는 관계를 가진다. 좌/우륜 액츄에이터에 동일한 크기의 작동력(F_Al = F_Ar = F_A)을 인가하는 경우에 목표 롤각을 0도로 만들기 위한 제어입력은 식 (8)과 같다.

피치제어의 경우에도 Fig. 11과 같이 1자유도 롤 모델에서 횡가속도 대신 종가속도를(a_y → a_x), 휠트랙 대신 휠베이스를(t → L), 롤 중심 대신 피치 중심으로(h_R → h_P) 변경한 모델을 적용할 수 있다.

Fig. 11

1DOF vehicle pitch model

단 피치 운동의 경우에는 가속의 경우와 감속의 경우에 피치중심 위치가 달라지기 때문에 이를 추가로 고려해야 한다.

제어로직을 검증하기 위해서 CarSim 모델과 Matlab/Simulink 제어로직을 연동한 해석 환경에서 성능 해석을 실시하였다. 핸들링 성능 검증을 위해 롤 모션과 피치 모션 성능에 대한 해석을 실시하였다. 우선 롤모션 성능을 검증하기 위해 실시한 ISO3888-18⁸⁾ 이중차선변경 100 KPH 시험을 해석한 결과 Fig. 12와 같이 제어하기 전 대비 37 % 롤각이 감소하는 성능을 확인할 수 있었다.

Fig. 12

Double lang change - 100(KPH), Analysis (roll angle)

또한 피치모션 성능을 평가하기 위해서 정차상태에서 종가속도 0.65 G로 급가속 후 -0.7 G로 급감속하는 시험을 제어 전후로 비교 해석해 보았다. Fig. 13과 같이 급가속/감속 시험에서의 피치각은 제어 전 대비 각각 85/95 %의 감소효과를 확인하였다.

Fig. 13

Acceleration/deceleration - 0.65/-0.7(G) analysis (pitch angle)

이중차선변경, 급/가감속 해석을 통해서 Table 2와 같이 각각 롤 모션, 피치 모션 방향의 제어 효과를 확인할 수 있었다. 여러 방향의 차량 모션을 제어함으로써 핸들링 성능을 개선할 수 있다.

Table 2

Performance analysis result