A Predictive Control Strategy for Handling Performance of Front-Wheel-Drive Vehicles with Electronic Limited Slip Differential

Abstract

This dissertation focused on a predictive control strategy for improved handling and acceleration performance of front-wheel-drive vehicles with electronic limited slip differential. Conventional front-wheel-drive cars have certain disadvantages, including a lack of accelerating performance and excessive understeer during acceleration in turn, due to the fact that spin of the inner driving wheel can occur with a small vertical load on the wheel. To address this problem, control logic is proposed for an electronic limited slip differential (ELSD) to enhance handling and acceleration performance. The proposed ELSD control algorithm consists of four parts. (1) Understeer prevention logic is developed for acceleration in turn. First, for a rapid response, the driving torque is distributed in advance to the inner and outer wheels according to the magnitude of the estimated traction potential in the wheels. If wheel spin occurs because of insufficient inner grip, then additional driving torque is transmitted to the outer wheel in proportion to the increment of the inner wheel speed compared to the outer wheel. However, the torque transfer to the outer wheel is limited in proportion to the excess speed of the outer wheel compared to the non-driving wheel to prevent power slides. (2) Oversteer prevention logic can reduce overshooting yaw motion during severe lane changes. The algorithm transmits driving torque from the outer wheel to the inner wheel in proportion to the level of excess yaw rate relative to the target yaw rate. (3) A cooperative control strategy with an electronic stability control (ESC) system is developed to decouple the ELSD/ESC system from the overlapped control timing. (4) Steering feel compensation logic is applied to the electric power-assist steering to prevent a torque steer effect caused by torque bias. The performance of the proposed algorithm has been investigated via vehicle tests. The proposed algorithm has been verified through patents on the control method and friction estimation approach for the novelty of this research. The ELSD with the proposed algorithm was then applied to mass production. This approach received positive feedback from international media due to the significant improvements in vehicle performance via ELSD. The system with the proposed algorithm also was won the IR52 Jang Young-shil Award for its technological importance, originality, economic value, and technical spill-over.

논문은 전륜 구동 차량의 핸들링 및 가속 성능 향상을 위한 전자식 차동 제한 장치, Electronic Limited Slip Differential (ELSD)의 예측 제어 전략에 초점을 맞췄다. 기존 전륜 구동 차는 바퀴에 작은 수직하중으로 선회 내측 구동 휠의 스핀이 발생할 수 있기 때문에 선회 중 가속 시 가속 성능 면에서 불리하고 언더스티어가 과해지는 등 전형적인 단점이 있다. 이 문제를 해결하기 위해 ELSD에 대한 제어 로직을 제안하여 조종안정성 및 가속 성능을 향상시켰다. 제안된 전자식 차동제한장치 제어 알고리즘은 네 부분으로 구성된다. (1) 선회 중 가속 성능 향상을 위해 언더스티어 방지 로직을 제안하였다. 첫째, 빠른 응답을 위해 휠의 구동 가능 접지력 추정 값의 크기에 따라 선회 내측 및 외측 휠에 구동 토크를 미리 분배한다. 그래도 선회 내측 접지력이 부족하여 휠 스핀이 발생하는 경우, 외측 휠 속도 대비 내측 휠 속도의 초과량에 비례하여 추가 구동 토크를 외측 휠로 전달한다. 다만 외측 휠의 스핀은 절대로 허용하지 않기 위해 비구동 휠 속도 대비 구동 외측 휠 속도의 초과량에 비례하여 외측 휠로의 토크 전달을 제한한다. (2) 오버스티어 방지 로직은 심한 차선 변경 시 과한 요 거동을 안정화할 수 있다. 알고리즘은 목표 요 속도 대비 실제 차량의 요 속도 초과량에 비례하여 선회 외측 휠에서 내측 휠로 구동 토크를 전달한다. (3) Electronic Stability Control (ESC) 시스템과의 협조 제어 전략은 구동 토크와 제동 토크의 중복으로부터 ELSD/ESC 시스템을 분리하기 위해 제안되었다. (4) 조향 반력 토크 보상 제어 로직은 좌/우 구동 토크 차이로 인한 토크 스티어 효과를 방지하기 위해 전기식 파워 보조 조향 시스템에 보상 토크를 인가한다. 본 알고리즘은 차량 테스트를 통해 평가되었다. 제안된 알고리즘은 제어 방법과 마찰 추정 방법에 대한 특허를 통해 독창성을 검증 받았다. 그리고 제안된 알고리즘이 적용된 ELSD는 고성능 양산 차량에 적용되었다. 그 후, ELSD로 인해 차량 성능 크게 향상된 부분과 관련하여 국외 매체로부터 긍정적인 피드백을 받았다. 또한 제안된 알고리즘이 적용된 시스템은 IR52 장영실상을 수상하여, 기술적 중요성, 독창성, 경제적 가치, 기술적 파급력을 검증 받았다.