자동차용 자이로 센서 성능 평가

및 차량 제어 기술 지원

2005. 12

지원기관 자동차부품연구원

지원기업 우리산업(주)

산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 “자동차용 자이로센서 성능 평가 및 차량 제어 기술지원” ( 지원기간

: 2004. 12. ~ 2005. 11. ) 과제의 기술지원성과 보고서로 제출합니다.

2005 . 12 . .

지원기관 : 자동차부품연구원 노 영 욱

지원기업 : 우리산업(주) 김 명 준

지원책임자 ː 이 백 행

참여연구원 ː 정 기 윤

ː 이 혁 기

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목 차

제 1 장 서론

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 본론

제 1 절 기술지원 성과

1. 기술지원의 달성도

2. 기술지원내용

3. 지적재산권

4. 기업전략에의 기여도

제 2 절 기술지원 수행

1. 기술지원 추진일정

2. 수행주체들의 담당업무 성과

3. 수행방법 및 기자재 활용

제 3 장 결론

부 록

부록 A. 기술지원 일지

부록 B. 기술지원 활용 기자재 요약서

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제 1 장 서 론

제 1 절 기술지원 필요성

차세대 차량의 핵심은 전장 기술의 개발에 있다고 할 수 있다. 세계적인 기술 개발

의 추세를 보더라도 이러한 현상은 자동차 공업에서 하나의 패러다임으로 분명히

자리 잡고 있다. 현재 자동차에서 전장 부품이 차지하는 비율은 20 ~ 25% 정도인

것으로 분석하고 있고, 이러한 비율은 향후 5년 이내에 40% 이상으로 증가될 것으

로 예측된다.

source: Pass 2000, Mc Kinsey

차세대 차량에 적용되는 주요 전장 시스템들은 많은 센서를 필요로 한다. 이러한

센서들 중에서 자이로 센서는 차세대 Navigation, Black Box 시스템, Active

Suspension 시스템, 지능형 Air Bag, VDC, Drive By Wire 등의 기술에서 필요로

하는 핵심 센서로써 기술적으로 경제적으로 매우 중요한 위치를 차지한다.

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자동차에 적용할 수 있는 센서의 개발은 곧, 거의 모든 산업 분야에서 신뢰성을 갖

는 센서를 개발할 수 있는 독립 기술을 보유함을 의미하기 때문이다. 또한, 미래형

자동차기술개발 사업을 통하여 차세대 차량 기술 개발이 상당 부분 이루어져 있는

상황에서 자이로 센서를 응용한다면 더욱 많은 기술적 진보를 이루어 낼 수 있는

것도 이 사업이 갖는 큰 의의라 할 수 있다.

다음은 차량용 자이로 센서를 이용하여 개발이 가능한 첨단 지능형 시스템을 보여

준다.

o 차세대 Navigation

o Drive By Wire

o Vehicle Stability Control System

o Active Suspension System

o Smart Cruise System

o Black Box

o Intelligent Air Bag

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o Intelligent Lighting System

o Telematics

표 1. MEMS형 자이로 센서 적용성 분석

특히 센서 기술 개발에 대한 기반이 약한 국내의 현실을 감안 할 때, 자이로 센서

는 그 기반 기술을 보유하고 있는 극소수의 아이템 중의 하나로써 자동차용으로 개

발이 성공한다면 수출증대에도 많은 공헌을 할 수 있으며, 향후 전개되는 차세대차

량 기술 개발에서 선진국과 동등한 기술 개발 경쟁을 펼칠 수 있는 기초를 닦을 수

있다.

- 7 -

1. 경제적 측면

• 차량에 적용되는 센서는 일반적인 산업 용도의 센서와는 다른 특징들을 가지고

있다. 상대적으로 매우 가혹한 조건에서 동작하기 때문이다. 따라서 국내 독자의 기

술로 자이로 센서에 대한 원천 기술을 확보하는 것과 이를 자동차에 적용하기 위한

기술을 개발하는 것은 기술적으로 경제적으로 매우 중요하다.

그림 1. 차량에 적용되는 MEMS 센서

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• 향후에는 지금의 온도 센서 등과 같이 자이로 센서가 하나의 필수 센서로써 거의

모든 차량에 장착될 것으로 예상된다. 따라서 자이로 센서의 개발이 가져오는 경제

적 파급효과는 국내외 자동차 시장에서 뿐만 아이라, 가전기기, Mobile Computer

등 다양한 분야에서 엄청난 파급효과를 보일 것으로 예상된다.

그림 2. 자동차용 자이로 센서의 응용분야

• 자동차용 자이로 센서의 국내 및 국외 시장규모는 다음과 같다.

표 2. 자이로 센서 시장규모

구 분현재의 시장규모

(2005년)

예상 시장규모

(2007년)

세 계 시 장 규 모 1,000 억원 6,183 억원

한 국 시 장 규 모 - 억원 300 억원

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* 산출근거 : 한국자동차공업협동조합 2005년도 자동차산업편람

o 2003년 세계 자동차 생산 대수 :

- 승용 약 42,5130,000대

- 상용 약 19,317,000대

o 2005년 세계 자동차 생산 대수(추정) : 2003넌 자료를 기초함

- 승용 약 43,368,000대

- 상용 약 19,705,000대

o 자이로센서 장착 차량

- 2005년 : 약 4% (세계 : 2,473,000대, 내수 : - 대)

- 2007년 : 약 20% 이상 (세계 : 12,366,000대, 내수 : 600,000대)

o 자동차용 자이로 센서(최종 제품 기준) 예상 가격 : 약 50,000원

- 세계 : 12,366,000 * 50,000 = 6,183억

- 내수 : 600,000 * 50,000 = 300억

• 자이로 센서의 시장은 차량의 안정성 및 편의성에 필요한 제품이므로, 안정성이

큰 장점이 있으며, VDC와 Navigation에 응용할 수 가능하다는 측면에서 영속성이

크다

• 또한 가혹한 자동차 환경을 만족하는 센서 자체의 응용 기술 개발이 성공적으로

진입이 될 경우에 독점성이 크다

• 본 기술을 보유하고 있는 국내외 회사로는 Bosch, Siemens, Murata 및 기타 2

개사 미만이다.

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2. 기술적 측면

• 표 3에서처럼 자이로 센서 기술은 차량의 제동과 샤시 제어에 직접적으로 연관된

안전성 향상에 매우 중요한 위치를 차지하며, 또한 측면 충격에 대한 Aig Bag 제어

에 적용될 수 있다.

표 3. MEM 자이로 센서의 차량 적용성 분석

Application Sensor Structure StatusMEMS

Opportunity

Antilock

Steering Production Low

Position Production Low

Wheel

Rotation/ Production Low

Pressure Ltd. Production Med

Valve Future Low

Acceleration Limited Prod. High

Rate Limited Prod. High

Displacement Limited Prod. Low

Air bag

Actuation

Acceleration Production High

Frontal impact

Pressure

(Canister) Future Med

Displacement Limited Prod. Low

Side-impact

Pressure Future Med

Acceleration

(Side impact)Limited Prod. High

Seat

Occupancy

Presence Force Limited Prod. Low

Displacement Limited Prod. Low

Object

Avoidance

Presence/ Limited Prod. Low

Displacement Future

Navigation Yaw Rate/Gyro Limited Prod. High

Navigation Wheel Rot'n Limited Prod. Low

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• 최근에 차량용 자이로 센서는 운전자의 편의성 향상을 위해 많이 적용되고 있는

Navigation에 응용할 수 있다.

• 국내 자동차 부품업체들은 자이로 센서와 같은 핵심 부품을 수입에 의존하고, 단

위 기능의 모듈 및 시스템에 주력하고 있는 국내 실정에서 벗어나 센서 기술 개발

의 원천 기술을 화보하는데 매우 중요하다.

• 특히, 일반 가전에 사용되는 자이로 센서보다 훨씬 엄격한 자동차 환경조건을 만

족하는 자이로 센서 개발이 가능할 경우에 타 산업에 미치는 기술적 파급효과는 매

우 크다고 볼 수 있다.

• ESP는 차량의 Yaw Rate 에 대한 정보를 바탕으로 차량의 자세 제어를 하는 모

듈로써, 자이로 센서 개발시에 ESP인터페이스 관련 스펙에 대한 검토가 필요하며,

그와 동시에 감도 개선, Packaging 신뢰성 및 성능조건을 만족해야 한다.

3. 사회적 측면

• 고정도의 차량 자세 제어에 사용되는 자이로 센서 기술 개발을 통하여 현재 사회

문제시되고 있는 차량 사고로 인한 국가적인 손실을 예방할 수 있다.

• 고령화 인구 증대 및 다양한 운전자에 대응하여 차량의 안전 운전과 사고 예방이

가능한 핵심 센서 개발이 요구된다.

• 최근 각광을 받고 있는 RV차량중 일부 해외 수출 차량은 차량 전복 기준을 만족

하기 위해서 자이로 센서 기반의 ESP를 기본으로 장착을 하고 있다.

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제 2 절 기술지원 목표

운전자의 조향에 따른 차량의 회전운동을 감지하는 MEMS 기반의 자이로 센서의

성능 평가를 위하여 3축 Simulator를 이용하여 센서 특성 및 검증 기술 지원을 실

시하며, 또한 Data Fusion기술을 접목한 차량용 자이로 센서 기술 평가를 수행하고

자 한다.

자이로 센서의 기술 수준 및 성능품질 수준

구 분 평가항목

평가기준

평가방법(평가기관등)기술

지원전

기술

지원후

내 용

Scale Factor(mV/°/s) 0.67 25 실측 DATA(KATECH)

Rate Range[°/s] 300 90 시험 JIK(KATECH)

Supply Voltage(Vdc] 3 5 실측 DATA(우리산업)

작동 온도[] -5~+75 -30~+85 실측 DATA(우리산업)

Bandwidth[Hz] 50 7 실측 DATA(KATECH)

자이로 센서 평가 및 방법

3축 Simulator를 이용한 자이로 센서 성능 평가

- 정상상태 및 정현파 회전에 대한 자이로 센서 신호 특성 파악

- 센서의 Noise 제거를 위한 신호처리 기술 지원

- 장기간의 3축 모션을 통하여 자이로 센서 신호의 신뢰성 시험

Data Fusion 적용 기술 지원

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제 3 절 기술지원 내용(당해년도)

시스템의 요구사항 및 기능 정의

- MEMS 기반의 자이로 센서의 사양 분석

자이로 센서의 특성 파악 및 제어기 인터페이스 방안 연구

3축 Simulator를 이용한 자이로 센서 성능 평가

- 성능 평가를 위한 요구사항 파악

- 성능 평가를 위한 시험 방법 및 시나리오 연구

자이로 센서 신뢰성 검증

- 자이로 센서 신호의 재현성 검증

제어기 설계를 위한 파라미터 도출 방안 연구

- 센서 신호처리를 통한 최적의 Filter Design

Data Fusion 기술 분석 및 응용 기술 파악

- 차량용 통합 자이로 센서 기술 분석

- CPS 기반의 자이로 센서 기술 동향 분석

통합 자이로 모듈의 성능 평가

- 자이로 통합 모듈의 성능 분석 및 평가

- 제어기 인터페이스 관련 기술 방안 연구

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제 2 장 본 론

제 1 절 기술지원 성과

1. 기술지원의 달성도

본 종합기술지원사업은 차량, 군수 및 일반 가전제품에 폭 넓게 적용될 수 있는 자

이로 센서의 특성 평가 및 검증 기술지원 사업으로써 요청기의 애로점 및 선행기술

확보, 제품개발 기술 향상과 신뢰성 향상 기술을 확보하는 것을 목적으로 하고 있

다.

현재 국내에서 양산중인 ESP시스템의 핵심적인 자이로 센서는 해외업체로부터 전

량 수입하고 있는 실정이다. 본 기술지원을 통해서 자이로 센서 성능 평가와 신뢰

성 검증 및 실차 시험 기술 지원을 통해 원천 기술 확보와 함께 상용화 기반 화보

를 위한 기술 지원을 수행하였다.

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No 계획 실적달성률

(%)

1시스템 요구사항 및

기능정의

자이로 센서 원리

• Coriolis force 이용

• Sensing comb

• Capacitive Sensing

• Turning fork방식

• Electrostatic Actuation

자이로 센서 사양 분석

• 온도/습도 조건

• 허용오차

• 장착조건

• 작동상태표

전기적 공급 사양

Yaw-Rate 센서 규격

자가 진단 기능

• BIT, CBIT

• 래스터 주파수

신뢰성 진행 절차 및 규격 정의

100

2

자이로 센서의 특성

파악 및 제어기 인터

페이스 방안 연구

자이로 ASIC 분석

자동차용 자이로 센서 실장 회로

• 자이로 검지부 인터페이스

• 필터 설계

- Bandwidth shifting

- phase/magnitude 변경

100

3자이로 센서

성능 평가

센서 기본 성능 평가

• 자이로 테스트 벤치 활용

• 정현파 시험

• Stability Test : 영점 변화

• Murata 센서 비교

- 0.5deg/s 인가시 출력 비교

- 정지상태 노이즈 분석

100

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No 계획 실적달성률

(%)

3자이로 센서

성능 평가

Single Lane 시험

- Single Lane 시험

- 50km/h, 80km/h

100

4자이로 센서 신뢰성

검증

하우징 설계 및 시뮬레이션

자이로 센서 하우징 개발

• Sensor Module Circuit 설계

- 2.5V Offset Voltage

- 0~5V Range

센서 패키징에 따른 동작 평가

• 센서 동작 시험

• 열충격 시험

- -40/8 유지 : 50 min

- 가속도 : 125/5min

노이즈 측정

내환경 동작성 평가

• ESD 전기적 시험

• Power Temperature Cycle

• 고온/저온 전압 시험

• Random Vibration 시험

• Biased Humidity 시험

100

5

Data fusion 기술

분석 및 응용 기술

파악

본 과제에서 요구되는 기술 동향

• RF ID 기술 동향

• DCPS 기술 동향

100

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2. 기술지원내용

1) MEMS 자이로 센서의 기능 정의

가) 자이로 센서 구조물의 기능

그림 3. 자이로 구조물의 개략도

위 그림 3에서 볼 수 있듯이 자이로 구조물은 기본적으로 X방향의 운동과 Y방향의

운동이 분리된 Two Gimbal의 형상을 가지고 있다. 이것은 진동적인 측면에서 두

방향의 고유진동수를 일치시키고자 할 때 발생하는 Veering현상을 최소화하기 위한

모델로써 주파수 튜닝에 의하여 두 방향의 고유진동수를 1Hz이만으로 접근시킬 수

있다. 자이로는 기본적으로 가진 Comb, 자려 발진을 유발하기 위한 sensing

comb, 코리올리 운동을 감지하는 Sensing electrode, 운동부의 고유진동수를 결정

하면서 운동을 제한하는 Spring부로 구성되며 본 설계에서 고유진동수의 변화는

Spring 길이를 변화시킴으로써 결정된다.

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아래 그림 4는 자이로의 개략도이다. 수평형 자이로는 수평 방향으로의 진동과 감

지가 이루어진다. Driving comb은 X-축 방향으로 공진을 위한 정전력을 발생시킨

다. Oscillating sensing부에서는 X-축 방향으로의 진동을 측정하고 driving부와 괘

환을 이루어서 공진이 이루어지도록 한다. 이때, 공진주파수는 spring의 조절로 가

능하다 Z-축으로의 회전력이 가해지면 Y-축 방향으로의 Coriolis force가 발생한

다. Coriolis sensing부에서 comb 사이 간격이 변하고, 이는 정전용량의 변화로 감

지하게 된다.

그림 4. 자이로의 개략도

① 감도에 영향을 미치는 인자

센싱 comb의 개수를 증가시킴으로 정전 용량의 변화는 크게 변한다. 또한,

moving part의 무게를 늘림으로 회전 각속도에 따른 직각방향으로의 움직임이 크

게 일어난다. X-방향으로 진동하는 Plate에 외부에서 R의 각속도가 Z-방향으로 인

가되었을 경우 아래과 갊은 Coriolis Force(Fc)가 진동에 수직방향으로 발생한다.

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m은 진동하는 Plate의 질량이고, 는 X-방향의 진동속도이다. Coriolis force에 의

해서 Plate는 y방향으로 진동하게 되고 이러한 진동은 Sensing electrode와 질량사

이에 형성된 Cap(d)을 변화시킨다. Cap이 변화함으로써 아래식과 같이 Sensing

comb의 capacitance(C)가 변한다. 이러한 Capacitance의 변화로부터 Coriolis

force를 측정하고 이를 통해 입력 각 속도(Ω)를 검출하는 것이다.

질량 m을 늘리면 Coriolis force가 증가하게 되고, sensing comb의 개수가 많아지

면 병렬로 연결된 C의 값이 증가한다.

② 외란에 둔감한 Turning Fork 방식

외란에 둔감하도록 Tuning fork방식은 외란에 둔감한 특징을 갖고 있다. 이는 두개

의 독립된 mess를 새로 고안된 pi spring으로 연결함으로 가능하게 되었다.

Tuning fork방식은 mess가 서로 반대방향으로 진동하게 하면서 Coriolis force감지

를 더하는 것으로 한쪽방향으로의 진동이나 음향의 외부 노이즈에 둔감해지는 특징

을 가지고 있다.

나) 자이로 센서의 전기적 등가회로

마이크로 자이로의 동작은 크게 Electrostatic Actuation과 Capacitive Sensing으로

나누어 생각할 수 있다. 즉 반도체 공정으로 제작된 기계적인 Gyro 구조물은 전기

적으로는 여러capacitor들이 합쳐진 구조로 생각할 수 있다.

마이크로 자이로 구조물은 전기적으로 다수의 Capacitor가 기계적으로 진동하는 하

나의 Node를 공유한 것과 등가이며, 이들 Capacitor는 상호간에 기생성분들에 의

해 복잡하게 Coupling되어 있다.

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이러한 기생 커패시터들과 구조물 자체의 저항을 고려한 등가회로는 그림 5와 같

다.

그림 5. Gyro 구조물의 전기적 등가회로

여기서 점선으로 표시한 것은 도체들 사이에 존재하는 미소한 기생성 용량의 결합

을 보인 것이다. 이러한 Parasitic Capacitance들은 극소량이긴 하지만 감지하고자

하는 대상의 크기가 수 fF인 점을 고려할때 결코 무시할 수 없는 크기이며, 특히

Gyroscope의 동작을 위해 구동부에 수KHz의 정현파 신호를 인가하기 때문에 이것

이 감지전극에서 큰 잡음원으로 작용한다.

이러한 영향을 줄이기 위해 Substrate와 Resonator를 Ground 전위로 고정시키고

구조물의 저항을 가능한 작게 조정하여 일종의 Electric Shield의 역할을 하도록 한

다. 그러나 근사적으로 Substrate와 구조물의 결합은 무시할 수 있으나 구조물 사

이에 존재하는 용량성 결합, 특히 Package에 Wire Bonding을 했을 때 존재하는

선간 결합 등은 여전히 존재한다.

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그림 6. 기생 Capacitance 분포도

① Micro-gyroscope Interface부 구성

마이크로 자이로의 회로는 크게 구조물의 진동을 유발하는 Self Oscillation부, 코리

올리 운동을 감지하는 Y 감지부, 감지된 신호와 진동신호를 비교하여 변조된 신호

로부터 각속도신호를 검출하는 복조부, 그리고 마지막으로 온도변화에 따른 감도변

화를 보상하는 온도보상부 등 크게 4가지로 구성되어 있다.

별도의 분류로 마이크로 자이로를 작동시키기 위한 전체 주변 회로 구성은 크게 구

동부와 감지부로 나눌 수 있다. 구동부는 X-축 방향에 일정한 진동을 발생시키고,

구조물의 감지부에서는 구조물의 변위에 의해 발생하는 미소 정전용량의 변화를 검

출하는 기능을 한다. 이외에도 구조물의 공진특성을 조정하는 부분 및 Gyro출력으

로부터 각속도 성분의 신호를 검출하기 위한 동기검파기를 포함한 복조단 등으로

구성한다. 앞에서 언급한 바와 같이 Gyro의 성능을 개선하기 위해서는 전체적인 신

호 대 잡음비를 높여야 하는데, 이를 위해 잡음의 원인, 전달경로, 내잡음성의 향상

등을 고려해야 한다. 일반적으로 잡음이 여러 주파수 대역에 걸쳐져 있음에 비해

Micro-gyro에서는 구동신호에 의한 잡음이 주된 원인이 되므로, 잡음원의 최소화

및 전달경로가 되는 Parasitic Capacitance의 저감, 그리고 감지회로에서의 내잡음

성의 개선이 모두 필요하다.

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② ∆C 감지단 특징

마이크로 구조물의 운동을 감지하는 요소는 Self Oscillation부와 Y 감지부에 포함

되어 있으며 변위의 감지는 전하증폭기를 사용하였다. 첫단의 변위를 검출하는 전

하증폭기의 성능은 최종적으로 자이로의 성능중 분해능과 같은 개념의 S/N비를 결

정하는 중요한 요소이며 Y가지단의 경우 고유진동수를 튜닝하는 역할을 겸하고 있

는 중요한 요소이다. 따라서 회로 설계중 자이로의 상품화를 결정하는 요소 중 반

드시 안정성, 재현성을 확보해야 하는 요소이다. 정전용량을 측정하여 물리량을 측

정하는 마이크로 센서에서는 여러 가지의 방법이 알려져 있으며 그 방법은 고주파

의 Carrier 신호를 인가하여 복조하는 방법과 전압을 감지하기 위해 전류 누설이 없

는 고저항 입력단을 갖는 jFET을 사용하는 방법 등이 많이 사용되고 있다. 하지만

전자의 경우 고주파의 Carrier신호를 만드는 발진 요소와 신호추출을 위해 변조단을

추가로 필요로 하는 단점이 있다. 후자의 경우 양호한 S/N비를 화보할 수 있으나

주파수 조정을 위해 인가해야 하는 직류성분의 전압을 인가하는 것이 난이하며 인

가된 전압 또한 안정적으로 재현하기 힘든 단점이 있다.

언급한 바와 같이 Micro-gyroscope의 Interface 요소들 중에서 특히 미소정전용량

의 변화를 검출하는 ∆C 감지부의 성능이 전체 시스템에서 가장 주요한 역할을 한

다. ∆C를 검출하는 방법은 보통 고주파의 Carrier를 Capacitor 양단에 인가하여 이

때 발생하는 전류나 전압의 변화로부터 알아낼 수 있다. 그러나 이 방법은 ∆C 보

다 훨씬 높은 주파수의 Carrier를 사용해야만 위상지연을 줄일 수 있으며, 검출되는

신호가 Carrier와 ∆C의 주파수로 변조되는 형식을 보이므로 추가의 복조단이 필요

하다.

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③ 복조회로부 특성

Gyro의 y축 출력신호는 X-축 구동신호와 z축 방향으로 인가되는 각속도 성분이 변

조된 형태로 나타나므로 이로부터 각속도 성분을 검출하기 위한 복조회로부가 필요

하다. 임의의 신호 fm이 고주파의 반송신호 fc에 의해 변조되었다면 이 fm을 다시

곱하고 저역필터를 통과시킴으로서 복조를 할 수 있다.

Micro Gyro에서는 X-축으로 진동하는 구조물의 속도가 Carrier의 역할을 한다. 즉

주파수와 위상이 고정된 일정한 구동전압이 Carrier가 되므로 복조를 위해

Multiplier를 사용하여 변조신호의 극성을 Carrier에 동기시켜 바꾸어 주는 동기검파

기로 복조기능을 구현할 수 있다.

동기검파에 사용되는 같은 주파수의 X,Y 각 정현파 신호중 Y신호에는 각속도 신호

와 자이로를 X방향으로 구동하기 위해 인가된 가진신호가 기생회로를 통하여 나타

나는 외란신호로 더해진 형태로 나타난다. 동기 검파에서 Multiplier를 사용하면 외

란신호와 X신호는 서로 같은 위상 또는 180도의 위상을 가지므로 동기신호에서 배

제될 수 있으며 오직 각속도 신호만이 동기검파를 통과한다. Mutiplier를 거친 신호

에는 각속도신호와 진동신호의 2배의 성분으로 발생되며 2배 고조파는 Low Pass

Filter를 통과하며 소멸된다.

복조부를 통과한 신호는 자이로의 감도를 조절하기 위한 조절단에 입력되어 자이로

의 Band Width와 출력을 조절하는 보상기를 거치게 되어 최종출력으로 발생된다.

보상기는 1차의 Lead-Lag compensator로 구성하여 자이로자체의 Pole을 Cancel

하며 원하는 Pole을 생성하는 구조로 되어 있다.

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④ 온도 보상부 특성

진공 패키지된 자이로는 온도의 변화에 따라 진공도가 변화하는 특성을 가지고 있

다. 즉 Wafer Level로 진공패키지된 자이로 구조물 각각의 Chip 내부에 유지되고

있는 공기 분자의 Mole수는 정해져 있으며 온도의 변화에 따라 이상기체라고 가정

하였을 때 Cavity 내부의 압력은 절대온도에 비례하는 성질을 가지게 된다. 이러한

성질은 자이로 출력에 영향을 끼쳐 결과적으로 자이로 구동시 온도에 따라 출력값

이 변화하는 온도 특성을 야기한다. 보통의 가전용 자이로나 자동차용 자이로의 경

우 자이로 사용 온도 범위 내에서 출력의 변화를 제한하고 있어서 이러한 온도특성

은 회로적으로 혹은 구조적으로 보상해주어야 한다. 이러한 온도 특성을 진공패키

지내의 기체가 이상기체임을 가정한다. 회로적으로 보상하는 방법이 우선적으로 고

려된다. 자이로의 초기 발진을 발생하는 회로의 구성에서 회로 자체의 온도 특성이

최소가 되도록 설계하고 회로 자체의 온도 특성이 무시해도 좋을 정도로 작다고 가

정한다. 자이로의 발진 변위는 주위의 압력에 반비례하는 특성을 가지므로 온가 상

승하여 압력이 올라가면 자이로 구조물에 인가되는 공기저항이 비례하여 상승한다.

이러한 경우 자이로의 변위는 공기저항이 주영향이 되는 기계적 Damping이 증가

하여 감소한다. 결과적으로 자이로 변위를 감지하는 출력단(Xso)의 출력이 감소하

는 결과를 야기한다. Xso는 자이로에 있어서 진공도를 감지할 수 있는 적절한 정보

를 제공하므로 이 신호를 자이로를 구동하는 신호에 Feedback 제어용 기준신호로

응용함으로써 온도보상, 즉 Automatic Cain Control을 적용할 수 있다. 자이로의

구동은 자이로의 구조적 고유진동수에 해당하는 교류 성분과 직류 성분의 합으로

구성되는데 자이로의 가진력은 그 곱에 비례한다. 결과적으로 어느 한 성분만 제어

해도 가진력의 크기를 비례적으로 제어할 수 있게 된다. 본 연구에서는 진동출력

신호와 기준전압의 차이를 Negative feedback하여 가진 신호의 직류성부을 제어함

으로써 성공적으로 온도의 변화에 무관하게 자이로의 변위신호가 일정하게 유지하

도록 하는 특성이 있다

- 25 -

2) 자이로 센서의 요구 사항 정의

가) 일반 조건

① 일반 사양

본 규격은 ESP용 횡각속도(Yaw Rate) 및 가속도를 측정하는 센서에 관한 기준이

며, 본 기술지원에서는 개발중인 자이로 센서에는 가속도 센서가 들어있지 않은 관

계로 횡각속도를 검출 및 인터페이스 사양 분석 위주로 진행 한다.

② 온도/습도 조건

특별한 지시사항이 없는 한, 모든 시험은 23±5 온도 조건에서 행해진다. EMC시

험의 상대 습도 조건은 20~ 40% 이며, 시험 상태의 온도/습도를 기록한다.

• 작동 온도 범위 : -40 ~ 85

• 방치 온도 범위 : -40 ~ 85

③ 허용 오차

특별한 지시사항이 없는 한, 허용 오차 범위는 다음과 같다.

• Voltages ±0.1 V of value or reading

• Currents ± 1 % of value or reading

• Temperature ± 3

• Frequencies ± 1 Hz for frequencies < 1000 Hz , else ±1% of value or

reading

④ 장착 조30

- 26 -

센서는 차량 중심에서 직경 500mm 이내에 장착되어야 한다. 센서는 모든 축

(X,Y,Z)에 대해 ±3이내로 장착되어야 한다.

⑤ 작동 상태

표 4. 센서의 자동 상태 및 모니터링

작동 상태 작동 상태 기술 센서 모니터링

A외란에 노출되는 중이나 후에 센서/시스템의 모든

기능이 정상일 것

센서는 시험 중에도

계속 모니터링됨

B

외란에 노출되는 증이나 후에 센서/시스템의 모든

기능은 정상이나, 신호가 부분적으로 기준치를 벗어

나 허용 오차 범위내 존재한다. 외란이 제거된 후

모든 기능은 자동으로 온전히 회복되며, 메모리 기

능은 A상태를 유지할 것

센서는 시험 중에도

계속 모니터링됨.

G

외란에 노출되는 중에는 기능이 정상 작동하지 않으

나, 외란이 제거된 후에는 자동으로 정상 상태에 도

달할 것.

센서는 시험 중에도

계속 모니터링됨.

D

외란에 노출되는 중에 기능이 정상 작동하지 않으

며, 외란이 제거된 후에도 정상적으로 자동 복귀되

지 않으나, 작동자의 단순 "RESET' 작업 후 정상 작

동할 것

센서는 시험 중에도

계속 모니터링됨.

"B" 상태 허용 오차 인정 범위

조건 횡 G센서 센서값 비 고

Peak Value 0.41 m/s2 4 °/s 기준치와의 절대값

RMS Value 0.070 m/s2 0.5 °/s 5초이상 측저요함

- 27 -

나) 전기적 사양

① 전기적 공급 사양

• 공급 전원 [ Vcc ] : 5 ± 0.25 V

• 소비 전류 : 65mA MAX

• 부하 저항[RL] : 10

• 시동 여유 시간 : 750 msec (전원 후 정상 작동까지 걸리는 시간)

• PiH-Lay out

1 pin --- Vcc ( 5.0 V)

2 pin --- Acceleration Out (see Note 1)

3 pin --- Yaw-rate Out (see Note 1)

4 pin --- CBlT/Acceleration_Self test Out (see Note 3)

5 pin --- Raster Frequency Out (see Note 2)

6 pin --- CND

Note:

1) Output with load drive capability ≥ 10

2) Open collector output with capability to source ≥ 4.7 to 5Vdc

3) CBIT 시험의 경우 pin 4 에 3.6 V 이상의 전압을 가한다.

- 28 -

② Yaw Rate 센서 규격

• 자동 범위 : ±75 °/s

• Band Width 18 ~ 22Hz ( +0 , -3dB )

• Phase at 5Hz : -18 ±1 °(dog)

• 신호 노이즈 : 12 mV ( RMS value )

• 정상 Offset : Vcc/ 2 at ±25 ambient, zero rate

• Sensitivity · 26.67 mV / (°/s) ±5% at full temp range

• Non-linearity : ±0.75°/5

• 온도 및 사용에 따른 OFFSET 에러(Zero-drift) -5.4~4.9°/s

• Angular rate cross axes Sensitivity: ±4.5 % of pitch / roll rate

• Raster frequency : 14000 ± 550 Hz (자이로 회로상의 공진 주파수)

③ 자가 진단 기능

BIT

요(Yaw-rate)각속도 센서는 BIT라는 내부 모니터링 함수를 내장하고 있으며, 만약

센서 내부에 문제가 생겼을 경우에는 100msec 이내에 3번 핀 요 Yaw-rate)각속도

출력 값이 0 볼트로 출력 된다. 따라서, 내부 자이로 회로가 이상이 생길 경우는

요(Yaw-rate)각속도 출력 값으로문제를 진단할 수 있다.

CBIT-Commanded Built In Test(Trigger on Input Pin and Rate jump on

Yaw-rate)

BIT신호로 검출되지 않은 자이로 회로 내부의 문제를 진단하기 위해서는 자가 진단

4번핀의 CBIT 를 사용할 수 있다. CBIT 를 작동시키기 위해 4번 핀에 3.6볼트 이

상을 가하게되면, 3번 핀 요 각속도 값이 실제 각속도 값보다 25 deg/s 더 크게

출력 된다.

- 29 -

더해지는 값인 25 deg/s 는 온도에 종속되는 값으로, 대략 25 deg/s±60% 정도

변화를 갖으며, 온도에 따른 함수 관계를 갖는 래스터 주파수 값을 사용하면, CBIT

작동시 요(Yaw-rate)각속도 값을 보상하여 더 나은 성능을 언을 수 있다

래스터 주파수 (Output Pin and Signal)

래스터 주파수는 자이로의 공진 주파수이며 5번 핀에 사각파 형태로 출력된다. 래

스터주파수의 출력단은 오픈 컬렉터로 구성된다. 래스터 주파수는 14kHz ±500Hz

범위를 가지며, 온도 계수는 -0.42 Hz/K 인 특성을 갖는다. 래스터 주파수의 온도

에 따른 변화량을 이용하여 여러 매개 변수들의 값을 보상할수 있다. ( CBIT보상에

사용 가능)

가속도 자가 진단

4번 핀에 전압이 인가되면, CBIT와 마찬가지로 가속도의 자가 진단이 이루어지며,

자가 진단 기간 동안은 전기적 힘에 의해 센서 내부 센싱 기능 소자가 힘을 받게

된다. 때 가속도 출력 핀 2번 신호는 Vcc( min 4.75V)로 증가한다.

- 30 -

3) 자이로 센서의 신뢰성 평가 규격

동작 환경이 열악한 자동차에서 내구성을 시험하기 위한 환경시험은 크게 상온, 저

온 시험과 습도 시험으로 나뉜다. 정확한 시험을 위해서는 chamber내에서 모듈을

회전시키며 각각의 상태에 따른 동작을 monitoring해야 하지만, 각 sample들의 성

능에 편차가 있기 때문에 시험 전후의 모듈 동작 유무를 확인한다. Gyro module의

단순 방치상태 전후의 data를 비교하여 대상 제품의 시험 통과 유무를 판별한다.

그림 7. Validation Test Plan Flow For Gyro sensor Module

- 31 -

가) 신뢰성 시험 환경

o High Ambient Temperature:

o Room Ambient Temperature:

o Low Ambient Temperature:

o Chamber Temperature:

o Test Time:

o Room Ambient Relative Humidity:

o Chamber Humidity:

o Voltage:

o Vibration:

o Shock:

o Frequency:

+85 -0 to +5

+23 ± 5

40 -5 to +0

spec ± 2

spec -0% to +2%

50 ± 20a

spec ± 5%

spec ± 0.2V

spec ± 0.2 C'S Of ± 20%

spec ± 20%

spec t 1%

나) 신뢰성 시험 항목 및 방법

① Power Temperature Cycling Test

테스트 조건은 온도 변차 -40에서 85까지 주기적으로 변화시키면서 장시간

Gyro sensor module을 동작시킨다.

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그림 8. PTC test cycle graph

test는 그림 8에 나타낸 온도 cycle에 따라서 chamber를 동작시키고, chamber의

온도 변화율은 10±1/minute가 가장 이상적이지만, 온도 변화율 5±1/minute의

chamber을 사용하여 진행하여도 무방하다. 단, 고온 및 저온 상태에서의 방치시간

은 일정해야 한다.

총 테스트 시간은 100 cycle이며 test 완료 후 상온에서의 출력 신호를 측정한다.

② High Temperature Test

고온 테스트로서 아래의 그림에서처럼 고온 85상태에서 Gyro sensor module의

동작을 평가한다. 만약 방치 상태에서의 동작 시험이면 온도를 65 상태에서 진행

을 한다.

테스트 진행은 그래프에 나타낸 48시간동안 Gyro sensor module을 방치한다. test

완료 후 상온에서의 출력 신호를 측정한다.

- 33 -

③ Low Temperature Test

저온 테스트로서 -40상태에서 Gyro sensor module의 동작을 평가한다. 최대한

빨리 온도를 하강시키기 위해 열충격기가 적당하지만 열충격기를 구하기가 불가능

하다면 분당 5의 ramp rate를 가진 항온항습기를 사용하여도 된다. 테스트 진행

은 48시간동안 Gyro sensor Module을 방치한다. test 완료 후 상온에서의 출력 신

호를 측정한다.

④ Random Vibration Test

실차의 운행시 진동상태에시의 제품 내구성을 측정하는 시험이다. 진동시의 출력값

을 측정해야 하지만, 당해연도에는 Gyro sensor module의 부품 탈락 유무와 시험

후 Gyro sensor의 동작 유무를 측정한다.

test진행은 3축으로 각각 1시간동안 아래의 표 5사양에 따라 테스트를 진행한다.

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표 5. Random Vib.ation Profile (3.3 G rms)

Breakpoint Frequency (Hz) Power Spectral Density (G2/Hz)

10 0..40

20 0.100

40 0.100

800 0.002

1000 0.002

⑤ Biased Humidity Test

이 Test의 목적은 고온 및 고습도 환경 조건을 주었을 때, 전자 부품들이 spec을

만족하는지를 확인하는 것이다. 이 Test는 수분 흡수 혹은 구성장비의 습기와 관련

된 불량을 발견하기 위한 것이다. 또한 회로 기판의 특성이 습기에 의하여 변경되

는 것을 발견하기 위함이다.

Chamber는 인공적인 압축이 되지 않도록 배출구가 있어야 한다. Test water는 표

준 시약인 ASTM D1193의 Type IV시약을 사용한다. chamber 내에서 동일한 온도

와 습도 유지를 위해 최소한의 Airflow를 유지하도록 한다. 이 테스트는 두가지 방

법으로 진행된다.

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• 선행 조건 절차

Gyro sensor module 제품 내부를 확실하게 폐하여 제품의 내,외부로 공기의 흐

름이 생기지 않도록 제한해야 한다. 전체 진행 test지는 48시간 동안 진행되며, 테

스트 절차는 다음과 같다.

Gyro sensor module을 chamber 온도 65와 상대습도 95~100% 상태에 30분

동안 방치한다. 온도 변화는 chamber 성능이 가능하다면 가장 빨리 변화시키면 이

상적이지만, 고습도(온도 변환동안 상대습도는 75~100%를 유지)를 유지하면서 온

도를 변화 시키는 chamber를 구하기가 쉽지 않기 때문에 변화시간에 제한을 두지

않고 테스트를 진행하였다. 고온 방치가 완료된 후, 10와 상대습도 95~100% 상

태에 30분간 방치해야 한다.

• 계속적인 Humidity

Gyro sensor module는 165, 상대습도 95~100%에 노출시키되 총 test 시간(선

행조건절차 포함)이 168시간 동안 한다. 방치가 완료되면 10/min조건으로 25

으로 내린 후, 외부 표면의 물기가 마를 때까지 놓아둔다. 외부의 응축된 물기는 닦

을 수 있으나 내부 표면(즉 뜨겁거나 차가운 압축 공기)의 물기는 인위적으로 건조

시켜서는 안 된다.

- 36 -

4) 자이로 센서 특성 및 인터페이스용 필터 설계

가) 자이로 센서의 검지부 개념도

GYRO 회로도

그림 9. 자이로 센서 검지부의 개념도

위의 그림 9는 자이로 센서 검지부의 개년을 보여주는 개념도이다. 진동하는 질량

에 각속도가 인가되면 각속도와 진동신호에 복조되어 발생하는 Y방향의 신호는 차

동증폭의 방법으로 감진된다. 발생된 전하신호는 전하증폭기(Chare Amplifier)를 거

치게 되는데 발생되는 Vy는 X방향의 진동신호에 저주파의 각속도 신호가 복되되어

있는 유형으로 나타난다. 이러한 Coriolis 신호는 X방향의 진동신호와 곱해지는 방

식으로 변조된다. 변조된 신호에는 저주파의 각속도신호의 2배 성분이 있으며, 바

로 연결되어 있는 LPF에 의하여 소멸되면서 각속도 신호를 얻게 된다.

- 37 -

나) 필터 설계 및 특성

정상적인 조향에 의한 회전각속도는 10Hz 미만의 주파수 성분을 갖고 있으므로,

주변회로의 수동소자를 설계하여 Cutoff frequency를 약 25Hz 기준으로 설정하여

아래의 표 6과 같은 값을 얻어냈다.

표 6. Low-pass Filter 설계 변경 전ㆍ후 비교

그림 10. Low-pass Filter 도면

- 38 -

그림 11. 자동차용 실장 회로도

자이로 검지부에 공급전압을 5V 인가해주고, Low-pass Filter를 이용한 자동차용

실장회로도는 위의 그림 11과 같다. 10Hz 미만의 회전각속도 반응을 나타내는 자

동차의 동역학적 특성을 고겨하여 아래의 그림 12와 같은 주파수대비 Gain과

Phase에 대한 결과를 얻었다. 10Hz 미만에서 저주파 영역에서 25mv/deg/s 의 감

도가 일정한 값을 얻을 수 있다

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그림 12. 주파수 대비 감도와 위상 특성

위의 결과를 바탕으로 주변회로에서 검지부단에서 변조된 신호로부터 회전각속도

성분만을 검출하띠 최종적으로 자이로 센서의 출력 신호를 얻을 수 있다.

- 40 -

5) 자이로 센서 하우징 개발

가) 자이로 센서의 하우징 Benchmarking

그림 13과 14는 각각 가전용 S社 하우징과 G社의 하우징을 나타낸다. 하우징 자체

가 염분, 수분 및 가혹한 환경에서의 내구성이 취약한 형태를 갖고 있다. 특히 가전

용으로 제작된 하우징인 경우에는 내환경 특성이 매우 나쁜 형태를 보이고 있다.

특히 내부의 실장이 염/수분에 의해 오염될 가능성 이 높다.

그림 13. 케이스의 본딩이 미흡한 S社 가전용 하우징

그림 14. 내환경성이 취약한 G社의 하우징

- 41 -

그림 15. 내환경성이 향상된 M社 하우징

나) 자이로 하우징 개발

① 자이로 하우징 개발

그림 16. 하우징 Modeling

- 42 -

Housing 재료는 차량의 경량화에 적합한 알루미늄 합금인 Al-6061을 사용하였고,

표면은 anodizing처리를 하였다. connector 부분은 SIEMENS 자이로 센서의 것과

동일한 형태로 제작하였고, 실차 상태에서 고정하기 위한 접합부도 SIEMENS 모듈

을 참고하여 위치론 지정하였다. 그림 16은 하우징의 모델링을 나타낸다.

- 43 -

6) 자이로 센서 모듈 개발

가) 자이로 센서 특성

아래 그림 17은 외국 업체가 제작하여 양산중인 Yaw & G SENSOR로써 자이로 센

서와 가속도 센서가 포함된 모듈이다. 하기 제품의 용도는 주행중인 차량이 커브길

을 지날 때 차량의 회전 속도와 가속도를 측정하여 차체를 제어하는 기능을 수행한

다. 정지상태에서 자이로 센서 출력과 가속도 센서 출력 모두 2.5V이고, 출력 범위

는 0~5V였다.

그림 17. SEMENS의 Yaw&G Sensor

아래 그림 18은 국내업체에서 개발한 자이로 검지부를 PCB에 장착하여 제작한

Gyro sensor로서 reference voltage(Vref)가 1.35±0.1V, output voltage가

Vref±0.55V인 출력 특성과 supply voltage는 3±0.3V인 입력 특성을 가진다. 입력

전원은 6V까지 허용되지만, 정지 상태에서 output voltage의 출력 범위를 보정하

고, 자이로 센서의 출력 2.5V level에 맞추기 위해 보정 회로가 필요하다. 그림 18

는 1차 시험용 자이로 PCB 이다.

- 44 -

그림 18. 1차 test Gyro PCB

표 7. 1차 test Gyro 성능 측정 data

보정 회로는 Noise Measurement를 근거로 하여 제작되었고, 정지 상태의 출력

2.5V, 출력 범위 0~5V로 보정하기 위해 저항과 캐패시터의 용량을 조정하였다. 위

에 언급한 바와 같이 Gyro sensor의 sample마다 output voltage의 편차가 크기 때

문에 2차 시험용 자이로 센서 PCB는 캐패시터를 직렬로 연결하여 output voltage

의 변화량만 출력 신호로 인식하여 상대적으로 편차가 자은 Vref신호와 비교하여

최종 output voItage를 출력 하도록 했다. 아래의 그림 19은 보정 회로의 동작을

test하기 위해 제자한 시제품이다.

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그림 19. 2차 test Gyro PCB

표 8. 2차 test Gyro 성능 측정 data

그림 19의 2차 시험의 경우에 Output voltage는 2.5±0.1V의 특성을 나타냈지만,

감도의 경우 제품마다 상당한 편차를 나타냈다. 표 8의 test data 상에 나타난 것과

같이 감도 편차는 향상이 되었지만, 일부 제품에서 정지 상태의 output voltage가

2.5V에서 상당히 벗어났으며, 주파수 phase에서 나타난 것처럼 비교품인 기준 자

이로 센서의 Yaw 크기와 위상이 반대로 나타나는 경우도 발생했다. 이러한 부분은

각각의 모듈 회로의 소자 용량을 조정하여 보정할 수 있겠지만 차후 양산을 위해서

는 보정 회로에 대한 고정도 설계가 반드시 수반되어야 한다.

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나) 자이로 센서 모듈 시제품

아래의 그림 20은 제작된 Gyro sensor 모듈과 PCB가 실장된 내부의 모습이다.

그림 20. 자이로 센서 모듈 시제품

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7) 자이로 센서 성능 평가

가) 3축 Simulator구조 및 컨트롤러

테스트 벤치는 자동차용으로서의 극한 조건에 대한 모션을 수행하여야 함으로 이에

대한 고려가 우선적으로 이루어져야 한다. 특별히 차량의 경우 Yaw, Roll, Pitch의

각속도 성분이 복합적으로 동시에 발생하므로 3자 유도를 가지는 실시간 모션제어

가 수행될 수 3축 시뮬레이터를 활용한다.

자동차용으로서의 자이로의 성능 평가항목은 크게 분해능, 선형성, 다이나믹 레인

지, 주파수 특성, 안정성으로 이에 대한 평가수행이 가능할 수 있도록 설계 되어야

한다. 자이로의 구조물은 구동하는 에너지가 미소하며, 운동을 감지하는 방식이 전

류를 필요치 않는 정전 용량형을 사용하므로 대부분의 전기적인 사양은 회로 ASIC

에 의해 결정된다.

그림 21에서와 같이 자동차부품연구원이 보유하고 있는 3축 시뮬레이터를 이용하

여 우리산업이 제작한 시제품 평가를 수행하였다. 테스트 벤치는 3축 운동을 할 수

있도록 구성하였다. 이것은 다른 축의 운동에 대하여 상호 간섭 현상을 확인하기

위한 것이다. 테스트벤치 3축의 각각 최대 각속도는 150°/sec이며, Payload는 약

10kg, 크기는 8,600×4,000×1,000[mm] 이다.

우리산업의 시제품 자이로 센서와 Reference 자이로 센서를 비교평가하기 위하여

동일 축 상에 치부할 수 있도록 지그를 제작하였다. 각 센서의 신호는 DAQ 할 수

있도록 구성 하였다. 또한 모션제어의 반성 및 정확성을 유지하기 위하여 서보모터

로 구동하였다.

- 48 -

(A) 테스트 벤치 블록도

(B) 테스트 벤치 사진

그림 21. 3축 Simulator

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컨트롤러는 다축 모션 제어가 가능한 제어기로서 서보 모터를 동시 또는 개별적인

동작이 가능도록 설계하였다. 최대 4MPPS의 펄스레이트가 가능하며 정 한 가속도

제어가 가능하다. Internal/External pulse 카운터가 내장되어 있어 컨트롤러의 출력

펄스와 서보모터의 엔코더를 통해 받은 펄스 수를 비교하여 제어 가능하도록 되어

있다.

모터 드라이버 인터페이스 모듈과 각축의 출력단자에 1:1로 연길되어 있으며 모듈

의 펄스 출력 단에는 라인 드라이버를 탑재하여 외부 노이즈에 영향 받지 않도록

설계 되었다.

그림 22. 테스트벤치 컨트롤러

- 50 -

CPU 모듈 인터페이스는 Z-world사의 RCM2000 코어 모듈을 사용하였으며 프로세

서는 Rabbit 2000 CPU 모듈을 사용하였다. 모션 제어 Host Computer와는 USB

인터페이스를 사용한다.

기 보유된 테스트 벤치는 실제 차량의 제어 변위내의 최대 각속도 변화량 비교하여

이에 대한 극한 조건으로 테스트 벤치를 제어함으로서 실제 구현하기에 힘든 조건

을 임의적으로 시뮬레이션 할 수 있다.

그림 23은 차속 64km/h로 주행하였을 경우 최대 약 15°/sec 정도의 차량의 각속

도 변화를 보여준다. 테스트 벤치는 90°/sec 가혹 조건으로 제어 하였다. 본 기관

이 보유하고 있는 3축 Simulator는 가혹한 주행 환경을 모사할 수 있음을 보여주고

있다.

그림 23. 차량 및 테스트벤치의 각속도 비교

- 51 -

나) 3축 Simulator를 이용한 센서 평가

시제품 자이로의 작동전압, 소비전류, 응답성 등은 회로적으로 결정되는 항목이며,

직선성과 감도는 구조물과 회로의 특성이 연결되어 결정된다. 작동전압은 구조물의

설계와 ASIC 설계시 고려되어야 하는 기존적인 설정이며, 자이로 성능 평가를 통하

여 동작을 확인하였다.

기준출력은 ASIC에서 제공되는 출력으로 Band Cap Reference에서 생성되는 전압

을 증폭시켜 안정적인 전압으로 제공된다.

그림 24. Stability Test(영점 변화)

위의 그림 14는 정지상태에서 6시간동안 측정된 전압을 보여준다. 그림 10에서처

럼 차량의 회전각이 10Hz 미만임을 감안하면 노이즈 성분이 존재하더라도 EPS

ECU에서의 Low-pass Filter를 사용하면 안정적인 전압수준을 보이게 될 것이다.

따라서, 정지상태에서 자이로 센서의 안전성은 확보되었다고 판단된다.

- 52 -

아래의 그림 25는 3축 Simulator의 Yaw-axis을 정현파 형태로 회전하였을 때 기준

센서와 개발된 센서간의 특성을 보여준다. 그림 25에서처럼 Peak-to-Peak값은 거

의 유사하지만, 위상차가 존재함을 알 수 있다. 위상차가 발생하는 것은 기준센서와

개발된 센서의 필터링시에 발생하는 지연현상으로써 각각의 신호처리 부분에 의한

위상 오차가 일정한 값을 갖는 다면, 개발된 센서의 특성이 일정하다고 판단된다.

기준 센서의 노이즈 성분이 작고 개발된 센서에 비하여 시간지연이 크게 발생하는

점을 고려한다면, 고가의 기준에서는 여러개의 필터를 사용한 것으로 추정되며, 개

발 된 센서에 비하여 노이즈 성분이 작게 나타난다. 우리산업에서 개발된 자이로

센서는 노이즈 성분이 기준센서에 비하여 크게 나타나지만, 정현파 곡선을 잘 나타

내고 있다.

그림 25. 연속제어상태에서의 개발된 시제품 자이로 센서와 Reference 자이로

센서의 비교

- 53 -

동작후 정시상태에서의 과도 특성을 알아보기 위한 시험 결과는 아래와 그림 26과

같다. 정현파 연속시험결과와 유사하게 기준센서의 위상차 지연이 좀 더 크게 나타

나지만, 전체적으로 개발된 센서의 특성이 거의 유사하게 움직이고 있음을 알 수

있다.

그림 26. 동작 정지 상태에서의 개발된 시제품 자이로 센서와 Reference 자이로

센서의 비칠 실험

다) 기존제품과의 비교 시험

기존에 출시된 제품과의 비교평가 시험은 우리산업이 제작한 시제품의 특성을 알아

랄 수 있다. 일본 무라타(Murata)社의 자이로 센서와 시제품은 둘다 MEMS기반의

센서로써, 0.5deg/s 회전시에 Peak-to-Peak값이 다르게 나타는 이유는 제품의 작

동영역에서 차이가 있을 수 있다. 그러나, 기본적으로 노이즈 수준에 있어서는 많은

차이가 나고 있음을 알 수 있다. 이런 점에서 우리산업이 재발한 시제품의 노이즈

감쇠특성이 좋으며, 정현파의 곡선이 매끄럽게 나타나고 있다. 마찬가지로 정지상태

에서의 노이즈 수준에서 시제품의 노이즈 수준이 낮게 나타나므로, 시제품이 좀 더

우수한 특성을 보인다.

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(A) 개발된 자이로 (B) Murata(일본) 자이로

그림 27. 0.5 deg/s의 각속도 인가시 자이로 출력 비교

(A) 개발된 자이로 (B) Murata(일본) 자이로

그림 28. 정지 상태에서의 자이로 출력 비교

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8) 자이로 센서 신뢰성 평가

가) 센서 패키징에 따른 기본 동작성 평가

극한 환경 속에서의 높은 신뢰성 확보를 위한 설계를 위해서는 제조 및 동작시의

온도분포, 이에 의한 열응력분포의 예측을 통한 신뢰성 평가, 패키지의 냉각을 위한

형상 특성 파악 등에 대한 연구가 선행되어야 한다.

자이로 센서 패키지를 설계하는데 있어 물리적인 측면에서 해석되어야 할 문제에

대한 접근으로, 조립시와 동작시 패키지에 걸리는 열 하중에서 패키지의 기하하적

형상, 재료의 물성치, 외부환경 등의 변화가 센서의 신뢰성에 미치는 영향을 고려하

여 패키지 설계하였다.

① 센서의 동작 시험

MGL50281×CO를 패키징을 이용하여 작동 테스트를 실시하였다. 작동 테스트는 작

동 테스터기에 장착하여 CCW 방향으로 40씩 3초 간격으로 3회 회전 후, CW 방

향으로 40씩 3초 간격으로 3회를 양방향으로 12시간 동안 자동시킨 후 출력 전

압값을 측정하였다. 테스트 조건은 입력 전압값(Vcc)은 5V, 기준 전압값(Vref)은

1.4V로 하였다. 이 때의 결과 값은 아래 그림 29와 같다.

- 56 -

그림 29. 시험전후의 측정 결과

상기와 같은 프로파일을 기초로 판단할 때, 12시간 연속 각도 변동시 MEMS Gyro

의 성능 변화에는 영향을 미치지 못하는 것으로 판단된다.

② 역충격 시험

열충격 테스트는 그림 30와 같은 모드로 2사이클을 실시하였다. 여기서 A구간은

50분이며, B구간은 5분이다.

- 57 -

그림 30. 자이로 열충격 테스트 프로시져

그림 31. 열충격 테스트 내구성능평가

테스트 결과는 위의 그림 31과 같았다.

- 58 -

결과에 대한 테스트는 테스트 전후에 작동 테스터기에 장착하여 CCW 방향으로 4

0씩 3회, CW 방향으로 40씩 3회 회전시킬 때 출력되는 전압값을 기준으로 평

가하였다.

상기의 그림 30과 같은 프로파일을 기준으로 판단할 경우 열 충격을 사이클(약 4시

간) 동안 실시하였을 경우, 출력단에 많은 노이즈가 발생하는 것을 볼 수 있었다.

이와 같은 노이즈의 발생 원은으로는 다음과 같은 차이 때문으로 판단된다.

Thermal Shock시 멤스 자이로 센서(MEMS Gyro Sensor)에서의 스펙은 -30

~85이며 방치 시간은 30분인 반면, 실시한 테스트는 -40~85이며 방치 시간

이 50분이었다. 이에 대한 차이가 가장 주요한 원인이라 사료되며, 차후에 온도 조

건이 가장 중요한 평가 요소가 되어야 한다고 판단된다.

③ 노이즈 관련 테스트

아래 그림 32과 33은 3축 Simulator위에 자이로를 올리고 회전시켰을 시에 발생한

출력 파형을 오실로 스코프를 통하여 보여주는 것이다. Sine파의 신호로 입력을 가

해서 회전을 시켰으며, 0을 기준으로 시계 방향과 반시계방향의 출력이 잘 나오고

있음을 보여주고 있다. 새로운 설계로 제작된 구조물의 특성이 개선되었음을 보여

주는 파형이다. 감도는 25.1mV/deg /sec로 측정되었으며, 노이즈가 감소되어진 것

을 알 수 있다.

- 59 -

그림 32. 자이로 1deg/sec 출력파형

그림 33. 자이로 90deg/sec 출력파형

- 60 -

④ 센서 하우징에 따른 내환경 동작성 평가

자이로 센서 검지부는 가혹한 자동차 환경에 대하여 취약하기 때문에 추가로 센서

패키징이 필요하며, 아래 표 9의 신뢰성 시험조건에 따른 시험이 필요하다. 8개 항

목의 신뢰성을 진행하였으면, 각각에 투입된 자이로 샘플의 개수는 11개로 모두

pass 해야 한다. 8개 항목은 고온보존, 저온보존, 고온고습, 열충격, 진동, 낙하, 납

내열성의 환경 시험 7개와 ESD 전기적 시험 1개 이다. 신뢰성 시험 전에 측정한

감도, DC출력과 시험 후의 감도, DC출력의 차이가 10% 이내에 드는 것을 합격판

정으로 하였다.

표 9. 진행된 신뢰성 항목

시험 항목 시험 조건

고온 보존 시험 85, 168h

저온 보존 시험 -40, 168h

고온 고습 시험 60, 95%RH, 168h

열충격 시험 -40 1h ↔ 110, 1h 5cycle

진동시험 10~55Hz, 진폭 : 1mrn, S/T : 5분, 각축 2h

낙하 7cm, 철판바닥, 자유낙하 3회

납내열성Paesk 온도 : 260±5, 예열온도 : 150~180

60~120 sec, 230 over time : 20~40sec

ESD 150pF, 330Ω,1초 간격 5회 접촉방전 ±2kV

아래 그림 34에서는 시험 전후의 감도변화를 그래프로 나타낸 것이다. ESD를 제외

한 7개 항목에서 모두 10%이내의 변화를 보이고 있다.

- 61 -

그림 34. 환경 시험 전후의 감도특성 변화

아래 그림 35에서는 위상의 변화가 거의 없음을 보여주고 있다.

그림 35. 환경시험 전후의 위상 변화

아래 표 10에서는 ESD 시험 결과를 보여준다. 시험 전과 시험 후의 감도 변화는

평균 0.6 % 이고, 출력 DC 변동은 평균 1.3 % 로써 매우 우수한 특성을 나타낸

다. 각 단자마다 2 kV까지 부하에 견디며, 모든 단자에 0.3 kV에서 1 kV까지 부하

를 걸은 후의 결과도 감도는 최고 2%, 출력 DC는 최고 5% 이내의 변화로 10%

이내에 모두 통과하였다.

- 62 -

표 10. ESD 시험 결과 (감도특성과 출력 DC특성)

자동차용으로서의 모듈평가 기준으로 자체 평가를 수행하였다. Package 상태와 하

우징 상태로 나누어 비교평가를 수행하였으며 Cycle 테스트 방법으로 진행 하였다.

총 5가지의 주요 내구성 항목에 대한 평가결과는 아래 표 11과 같다. 평가 결과 자

동차용으로 하우징한 자이로 센서에 대해서는 모두 정상 동작하였다.

- 63 -

표 11. 테스트 환경 주요 사항

항 목 주 요 내 용

High Ambient Temperature 185 -0 to +15

Room Ambient Temperature +23 ± 5

Low Ambient Temperature -40± -5 to +0±

Chamber Temperature spec ± 2

Test Time spec -0% to +2%

Room Ambient Relative

Humidity50 ± 20%

Chamber Humidity spec ± 5%

High Operational Voltage 16.0 ± 0.1 (as measured at the module)

Nominal Operational

Voltage14.5 ± 0.1 (as measured at the module)

Low Operational Voltage 9.0 ± 0.1 (as measured at the module)

Voltage spec ± 0.1 (as measured at the module)

Vibrationspec ± 0.2 Q's or ± 20%

(whichever is greater)

Shock spec 120%

Frequency spec ± 1%

Power Temperature Cycle 테스트

아래 그림 36에서와 같이 저온에서부터 고온까지의 Cycle 시험평가를 수행한 결과

Package만 되어 있는 자이로 센서의 경우 전체의 60%만 정상 동작 하였다. 그러

나 하우징된 자이로 센서의 경우 모두 정상 동작 하였다.

- 64 -

그림 36. Power Temperature cycle 테스트방법

High Temperature/High Voltage Endurance 테스트

아래 그림 37에서와 같이 고온 및 고전압에 대한 복합내구 시험평가를 수행한 결과

Package만 되어 있는 자이로 센서의 경우 전체의 90%만 정상 동작하였다. 그러나

하우징된 자이로 센서의 경우 모두 정상 동작하였다.

그림 37. High temperature/High Voltage Endurance 테스트방법

- 65 -

Low Temperature Endurance 테스트

아래 그림 38에서와 같이 저온 내구 시험평가를 수행한 결과 Package만 되어 있는

자이로 센서의 경우와 하우징된 자이로 센서의 경우 모두 정상 동작 하였다. 저온

내구특성에 관련해서는 센서 자체의 특성이 좋은 것으로 판단된다.

그림 38. Low Temperature Endurance 테스트방법

Random Vibration 테스트

표 12. Random Vibration 테스트 방법

Breakpoint Frequency (Hz) Power Spectral Density (G2/Hz)

10 0.040

20 0.100

40 0.100

800 0.002

1000 0.002

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위의 표 12에서와 같이 랜덤한 진동 시험평가를 수행한 결과 Package만 되어 있는

자이로 센서의 경우 전체의 95%만 정상 동작하였다. 그러나 하우징된 자이로 센서

의 경우 모두 정상 동작 하였다.

Biased Humidity 테스트

아래 그림 39에서와 같이 습도 시험평가를 수행한 결과 Package만 되어 있는 자이

로 센서의 경우 모두 동작하지 않았다. 그러나 하우징된 자이로 센서의 경우 모두

정상 동작 하였다. 즉 습도에 대해서는 Package만으로는 자동차용으로서 내구성을

만족할 수 없다.

그림 39. Biased Humidity 테스트 방법

- 67 -

9) 실차 시험 평가

가) 자이로 센서 차량 적용 시험 환경

운전자의 편의성과 안전성을 확보할 수 있는 ESP(Electronic Stability Program;차

량의 안정성 제어 시스템)시스템은 Steering Angle, Yaw, Lateral G, Pressure

sensor등 기본적인 ESP 센서신호 입력을 처리하여 차량의 상태를 제어 로직을 통

해 판단하고 액츄에이터(Actuator)를 구동하여 ESP 제어를 수행하는 역할을 한다.

본 기술지원에서는 개발된 자이로 센서가 향후에 적용될 수 있는 ESP 시스템 구성

에 대하여 알아본다.

① ESP 시스템 구성

ECU & HU

그림 40. HECU 구성도

ESP ECU는 전원부, 센서 및 스위치 신호 처리부, Actuator 구동부, MCU 그리고

통신부로 구성된다.

- 68 -

HU(Hydraulic Unit, 이하 HU)는 밸브와 모터등으로 구성되어 ECU의 작동명령을

수행하는 Actuator로 압력센서를 내장하여 압력 값으로 ECU로 직접 전달한다. 그

림 40은 HECU의 구성도를 보인다.

Sensor

ESP system에는 다수의 센서들이 필요로 한다. Wheel의 속도를 감지하는 wheel

speed sensor와 핸들의 조향각을 판단하는 Steering angle sensor, 마스터 실린더

의 압력을 측정하는 Pressure sensor, 차량의 Yaw rate와 횡가속도를 측정하는

Yaw & LC sensor가 있다.

표 13. ESP 센서

구 분 개수 형 태 주요기능

Wheel Speed

Sensor4ea 차속 검출

Steering Angle

Sensor1ea

운전자의 조향

입력 검출

Pressure Sensor 1eaMaster Cyline

입력 검출

Yaw & LG Sensor 1ea 차량 거동 검출

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각 센서의 필요수량과 그림은 위의 표 13에 나타냈다. 표 13에서 보듯이 차량 거동

검출용으로 사용되는 각속도 (Yaw-rate) 센서는 ESP 시스템에서 제어 logic의 판

단에 아주 중요한 역할을 하는 것을 알 수 있다.

아래의 표 14에서는 현재 사용되고 있는 각속도센서(Yaw Rate Sensor)의 간략한

요구사항으로 시스템에 요구되는 사양의 사례로 보인 것이다.

표 14. 각속도센서 사양

- 70 -

② 실차 시험

그림 41. 차량내에 Reference 자이로와 시제품 자이로 장착

- 71 -

나) 차량 적용 시험 결과

① Single Lane Change, 50KPH, Mild모드

본 시험 모드는 Lane Change를 1회 실시하고, 이때의 차량의 속도를 약 50km/h

로 속도로 유지하며 Lane Change시 Mild하게 운행할 때의 시험 모드이다. 아래 그

림 42에서는 본 모드에서 Reference Gyro의 데이터 값과 본 시제품 Gyro로 센서

간의 비교 데이터를 도시하였다.

그림 42 Reference 자이로와 시제품 센서와의 신호출력 비교

상기 그림 42에서 보듯이 기준 자이로에 의한 측정값과 시제품 자이로 센서간의 신

호 출력값의 차이가 발생함을 알 수 있다. 물론, 이때의 데이터 비교의 경우

Reference Gyro 측정기의 출력값은 일정 DC성분의 offset 값이 없으므로 이에 대

하여 시제품 센서의 offset 값 2.3V를 보정하고, 또한 sensitivity 24.5mv/deg/sec

또한 보정하여 비교하였다.

- 72 -

우선, 구간 (1)에서는 약 0.2V에 해당하는 각속도 값(약 8deg/sec)의 차이가 발생

하며 이러한 차이는 offset 2.3V를 기준으로 볼 때 서로 다른 방향으로 각속도값으

로 약 4 deg/sec의 차이를 보이는 것이다. 이것은 ESP system의 제어를 결정하는

중요한 factor로 작용될 수 있으며 이에 따라서 불필요한 민감 제어나 혹은 응답성

이 느린 제어 현상을 보일 수도 있는 것이다.

또한 본 기술지원에서 개발된 자이로 센서의 특징은 일정한 각속도 값을 도이는 구

간에서 그 값이 급격히 offset 값 방향으로 나타나는 것이다. 이 또한 error요인으

로 작용 될 수 있다(구간 (2)). 구간 (3)의 경우에서도 Reference gyro sensor의

출력값은 offset 값으로 수렴하여 이미 차량의 거동이 좌,우 회전량이 없이 전진 방

향으로 주행함으로 보이는 반면, 시제품 센서의 경우 반대 방향으로 각속도값을 나

타내는 현상을 알 수 있다.

그림 43. Reference 자이로와 시제품의 신호출력 비교

상기와 동일한 차량 거동 상태에서 본 과제를 통해 개박된 시제품 자이로 센서와

Reference Gyro 출력값을 비교하여 보았다.

- 73 -

그림 43에서 보듯이 시제품 센서와 Reference Gyro 센서와의 신호 출력 차이는

offset voltage 오차 성분만 존재할 뿐 차이가 없음을 알 수 있다.

② Single Lane Change, 50KPH, Severe모드

본 시험 모드는 Lane Change를 1회 실시하고, 이때의 차량의 속도를 약 50km/h

로 속도로 유지하며 Lane Change시 Severe하게 운행할 때의 시험 모드이다. 아래

그림 44에서는 Reference Gyro의 데이터 값과 시제품 센서간의 비교 데이터를 도

시하였다.

그림 44. Reference 자이로와 시제품의 신호출력 비교

그림 44의 구간 (1)에서 알 수 있듯이 offset 값 2.3V를 기준으로 그 차이를 비교

하여 보면 offset 전. 후로 약 12deg/sec의 각속도 차이가 나는 것을 일 수 있다.

- 74 -

따라서 offset 전압 레벨, 즉 차량의 거동이 회전성분이 없고 직진이라 판단되는 조

건을 기준으로 볼 때 서로 다른 방향의 각속도 성분이 평균 6 deg/sec 발생되는

것을 알 수 있다.

이는 시험 모드별로 볼 때 완만한 single lane change 보다 급격한 single lane

change 모드가 상대적으로 더 큰 각속도 error를 보이는 것을 알 수 있다.

③ Single Lane Change, 80KPH, Mild모드

본 시험 모드는 Lane Change를 1회 실시하고, 이때의 차량의 속도를 약 80km/h

로 속도로 유지하며 Lane Change시 Mild하게 운행할 때의 시험 모드이다. 그림

45에서는 본 모드에서 Reference Gyro의 데이터 값과 시제품간의 비교 데이터를

도시하였다.

그림 45. Reference 자이로와 시제품의 신호출격 비교

본 시험 모드에서의 결과는 그림 45에서 보듯이 offset 전압 2.3V를 기준으로 하여

전. 후 약 7 ~ 8 deg/sec의 오차를 보이는 것으로 나타났다.

- 75 -

④ Single Lane Change, 80KPH, Severe모드

본 시험 모드는 Lane Change를 1회 실시하고, 이때의 차량의 속도를 약 80km/h

로 속도로 유지하며 Lane Change시 Severe하게 운행할 때의 시험 모드이다. 아래

그림 46에서는 본 모드에서 Reference Gyro의 데이터 값과 시제품간의 비교 데이

터를 도시하였다.

그림 46. Reference 자이로와 시제품의 신호출력 비교

본 시험 모드에서의 결과는 그림 46에서 보듯이 offset 전압 2.3V를 기준으로 하여

전. 후 약 8.5 ~ 12 deg/sec의 오차를 보이는 것으로 나타났다. 따라서 앞서 언급

한 바와 같이 차량의 주행 속도별로 나타난 각속도 값의 비교 결과로 볼 때 차량의

주행속도 보다는 완만한 lane change인가, 급격한 lane change인 가에 따라서 그

오차정도가 심해진다는 것을 알 수 있다.

- 76 -

⑤ Slalom, 80KPH 모드

본 시험 모드는 Lane Change를 차량의 속도를 약 80Km/h로 속도로 유지하며 여

러 회 반복 실시하는 시험 모드이다. 아래 그림 47에서는 본 모드에서 Reference

Gyro의 데이터 값과 시제품 센서간의 비교 데이터를 도시 하였다.

그림 47. Reference 자이로와 시제품의 신호출력 비교

그림 47에서의 특징은 앞서의 경우와는 약간 다른 특징을 보이고 있다. 우선,

offset 전압 2.3V를 기준으로 본 전. 후의 각속도 error값은 약 8 ~ 9deg/sec의 차

이를 보임으로써 앞서의 경우와 유사한 반면, 특히 원으로 표시된 영역에서의 두드

러진 차이를 보이는 현상인 것이다. 이는 비교적 일정 속도로 일정 각속도 성분이

나타나는 영역으로 본 구간에서는 급격히 각속도값이 offset level로 감소하는 것으

로 추정된다.

- 77 -

10) Data Fusion 기술 분석 및 응용 기술 파악

가) RF ID 71술

① 하드웨어

RF ID 수신기

그림 48. RFID 수신부 회로

그림 48은 RF ID 데이터 수신을 담당하는 부분으로써 안테나를 통해 비접촉 메모

리카드(트랜스폰더)에 전원을 공급하고 데이터를 수신한다. 수신된 데이터는 칩

MFRC531 데이터 버스를 통해 MPU로 다시 전송된다. 헤더 J1 ANT는 수신안테나

연결 탭이다. 캐패시터 C2, C3와 C8은 메모리카드에서 전송되는 데이터를 수신받

기 위해 채널 조정용으로 사용 되는 캐패시터다. 데이터 수신 및 수신 데이터를

MPU에 전송하기 위해 MFRC531이 사용되었다. 데이터버스 AD0~AD7은 MPU

Atmega 128의 데이터 버스와 연결된다.

- 78 -

신호처리(MPU-1, MPU-2) 및 그 외 회로

MFRC531 데이터버스는 MPU의 포트A와 연결된다. MPU는 PC에 전달하기 위해 데

이터 처리를 한다. MPU로는 Atmega 128이 사용되었다. 입격된 테이터는 시리얼

통신RS-232 또는 USB를 통해 PC에 전달된다. 전달 된 데이터는 PC측의 View

software나 application Program에 의해 스마트카드의 정보가 무엇인지를 볼 수 있

게 된다. 헤더 J2는 Atemega128의 펌웨어(Firmware)를 입력하기 위한 통신 터널

로PC의 패러럴 포트와 직접 연결이 되어 내부 메모리에 데이터가 Read/write를 할

수 있게 한다. 칩 HC139는 USB controller칩을 제어하기 위한 것이다. 그림 49의

도면 MPU-2차 헤더 J3은 atmega128의A/D converter를 위한 아날로그 입력 터미

널이다. SUB_BOARD의 회로는 비첩촉 스마트카드로부터 데이터를 전송받기 위한

안테나의 도면이다.

그림49. MPU 회로

- 79 -

그림 50. 주변회로

그림 51에서, USB통신을 위해 SL811HST Controller칩을 사용됐다. Atmega128로

부터 8개의 데이터버스가 입력이 되고 이것을 USB시리얼 통신을 통해 데이터를 전

송하게 된다.

그림 51. USB controller

- 80 -

② RfID Reader Board

그림 52. RFID 리더 보드

본 기술 지원에서는 RF ID관련된 소프트웨어 및 하드웨어 기반으로 RF ID 환경 기

본 기술을 응용 할 수 있는 수준까지 수행이 되었으며, RF ID기술의 적용에 대한

부분은 좀 더 신중한 판단을 내릴 필요가 있으므로, 요청기업이 RF ID 기술에 대한

활용성 및 간단한 모의 시험을 할 수 있는 환경을 구축하는데 주력하게 되었다.

나) DGPS

① DGPS의 필요성

C/A코드 하나만 사용할 경우 10~30m 이상의 정 도로 위치를 결정하는 것은 현

실적으로 불가능한데 이것은 수신기가 결정하는 거리 자료에 여러 가지 오차 요인

이 복합적으로 영향을 미치기 때문이다. 그래서 실제로 많은 응용분야에 있어서도

기본적인 GPS만으로 충분한 정 도를 제공하기는 하지만 좀더 향상된 정확도를 가

지는 체계를 마련하기 위해서 DGPS라는 방범이 고안되었다. DGPS 체계는 기본

GPS에 수반하는 여러 오차요인을 제거함으로써 움직이는 물체에 대해서는 수 m,

정지한 대상에 대해서는 1m 이내의 위치 측정을 가능하게 만들어준다.

- 81 -

기존 GPS에 비해 괄목할만한 정 도를 제공하는 DGPS는 GPS가 배나 비행기의

항법에만 사용될 수 있을 뿐만 아니라 자동차 및 정 성이 요구되는 측지 등에까지

응용될 수 있는 길을 마련하였다.

② DGPS의 동작원리

DGPS는 두 개의 GPS신기를 필요로 한다. 하나의 수신기는 정지해있고(stationary)

다른 하나는 이동을 하면서(roving) 위치 폭정을 시행한다. 정지한 수신기가 바로

DGPS 개념의 핵심이 되는 것으로서 이 정지된 수신기는 실제 위성을 이용한 측정

값과 이미 결정된 실제값과의 차이를 계산한다.

③ 측위 보정 범위에 의한 분류

LADGPS(Local Area DGPS)

지역보정 항법 시스템으로서 기준국(Reference Station), 기준국용 GPS 수신기 그

리고 사용자용 GPS 수신기로 구성되어 있으며, 위치가 정확히 측지된 지점에 설치

된 기준국에서는 기준국용 GPS 수신기를 사용하여 위성 데이터를 수신한다. 기준

국에서는 모든 가시 위성에 대한 실제 거리를 계산할 수 있으므로 오차가 포함된

코드 정보에 의한 의사 거리로부터 의사 거리 오차론 계산할 수 있다.

GPS 위성은 지상으로부터 매우 먼 거리에 있으므로 기준국과 사용자간의 거리가

비교적 150km 이내로 가까울 경우, 기준국의 의사 거리 오차와 사용자의 의사 거

리 오차는 거의 같기 때문에 기준국에서 계산한 오차 항으로 사용자의 의사 거리를

보정하면 의사 거리 오차가 감소하여 수 m수준의 인치 정확도로 사용자의 위치를

계산 할 수 있다.

- 82 -

WADGPS(Wireless Area DGPS)

광역보정 항법 시스템으로서 GPS 위성 및 통신 기능을 담당하는 정지 위성과 기지

국으로 구성되어 있으며, 기지국은 광역 기준국, 광역 주 기지국 및 지상국으로 구

성된다. 정지 위성은 통합 처리된 보전 데이터를 사용자에게 전송하며 사용자는 보

정된 의사 거리로 위치를 구하게 된다. 광역 기준국은 널리 분포된 여러 개의 기준

국으로부터 각 성분별 오차항에 관련된 데이터 수신한 후 통합 처리하여 최종적인

보정 데이터를 벡터적으로 산출한다. 광역 주 기지국에서 처리된 보정 데이터는 지

상국으로 송신되며 지상국은 이러한 보정 데이터를 GPS 위성 궤도 및 위성 시계에

대한 보정 데이터와 함께 정지 위성으로 송신한다.

④ 신호 처리 방식에 의한 분류

부호 위상이나 반송과 위상은 타이밍 측정을 위해 이용하는 신호를 가지고 구분하

는 용어이다. 반송파 위상 (Carrier Phase) CPS는 일반인들이 사용하는 부호 위상

(Code Phase) GPS보다 매우 정 도가 높은 반면에 장시간의 측정이 필요하고 특

별한 소프트웨어가 필요하다는 단점이 있다. 일반적인 GPS 수신기는 수신기 자체

에서 의사난수부호(Pseudo Random Code)를 발생시키고 그것을 수신된 위성부호

와 비교함으로써 위성 신호의 전달 시간을 측정한다. 이들을 이용하여 측위를 보정

하는 GPS 방식에 대하여 알아본다.

후처리(rest Processing) 방식

모든 DGPS 응용분야에 있어서 실시간으로 정 한 위치 측정을 수행해 하는 것은

아니다.

- 83 -

이를테면 새로 건설한 도로를 지도에 삽입하고자 할 때는 관측이 먼저 행해지고,

이 때 저장했던 측량 자료를 후처리하여 위치를 계산할 경우도 있다. 이 때 이동하

는 수신기는 위성 신호의 수신 자료와 시간만 저장하며 기준국은 동시에 보정값들

을 계산하여 저장한다. 측량이 종료된 후 자료를 보정값을 이용하여 후처리하면 정

한 위치 정보를 획득할 수 있다. 이런 경우, 기준 수신기와 이동 수신기간의 전파

를 이용한 연결(Radio Link)은 필요하지 않으며 근처에 직접 보정값을 받을 수 있

는 기지국이 없어도 가능하다.

2개의 수신기는 같은 시간에 같은 인공위성으로부터 자료를 수신 받아야 한다. 이

동 수신기에서 자료가 다 모아지면 기준 수신기는 작동을 멈추고 두 수신기에서 모

아진 자료는 컴퓨터로 다운로드 된다. 이 때 다운로드 된 자료는 수신기 제작회사

별로 형식이 다르므로 각 회사의 다른 형식에 관계없이 이용할 수 있는

RINEX(Receive. INdependent EXchange) 표준 형식으로 바꿔서 전송된다. 후처리

를 하여야만 DGPS 위치를 얻을 수 있기 때문에 GIS 용 데이터 취득에 이용되며,

수도관, 가스관 및 전신주 조사 등에도 손쉽게 이용할 수 있다.

실시각(Real-time) DGPS

기본적 개념은 후처리 DGPS와 같지만 차이점은 후처리에서 2개의 수신기에서 수

신된 데이터가 나중에 프로세싱을 위해 다운로드 되는 것과는 달리 수신기가 수신

을 받는 즉시, 기준 수신기는 보정값을 계산해서 바로 이동 수신기로 전송을 한다.

이 때 기준 수신기에서 이동 수신기로 전송 방법은 라디오 수신기를 통하거나 전송

시간은 빠르나 비용이 많이 드는 셀룰라망을 통해서 전송하는 방법이 있다. 실시각

DGPS에서 가장 널리 사용되는 표준 형식을 RTCM SC-104(Maritime Service

Special Committee 104) 또는 간단히 RTCM 디라고 한다.

- 84 -

표 15. 후처리와 실시각의 비교

후처리 DGPS 실시각 DGPS

- 반송파를 이용하딘로 정 도가 높다

- 무교 DGPS 보정자료를 이용하면 하나

의 수신기만 필요하므로 비용이 적게

든다.

- 기준 수신기를 따로 구입하면 비용이 많

이 든다.

- 반송파 사용하지 않으므로 정 도가

떨어진다.

- 보정 자료를 즉각 제공할 있다.

- 필드에 인력이 필요 없다.

⑤ GPS의 기술 동향과 전망

GPS론 이용한 다양한 응용분야가 현재 존재하고 있다. 그러나 GPS를 보다 유용하

게 사용하기 위하여 해결되어야할 문제들이 있다. 우선 GPS는 수동적인 시스템이

다. 즉, GPS는 수신기를 가진 사용자만이 자신의 위치를 알 수 있으므로, 사용자의

위치가 정보로서의 가치를 갖기 위해 서는 통신수단을 특히 이동통신수단을 통해

주위의 사용자들과 공유하여야 한다. GPS 수신기의 출력은 공간상에서의 사용자의

절대좌표이다. 그러나 많은 응 용분야에서는 절대좌표보다는 상대적인 위치정보가

중요하다. 지형지물과 여 러가지 지형정보가 있는 지도 위에서의 자신의 상대적인

위치가 보다 중요하기 때문에 GPS와 함께 사용될 지도데이터가 준비되어야 한다.

DGPS(Differential GPS)는 위치 정확도를 위해 개발된 방법 중 가장 널리 쓰이는

방법으로 현재 미국에서는 상용서비스가 제공되고 있다. DGPS에서는 위치가 알려

진 기준국에서, 현재 위성에서 보내오는 정보에 의한 의사거리측정값에 있는 오차

성분을 계산하여, 이를 주변의 사용자에게 알려줌으로 해서 보다 향상된 위치결정

을 가능하게 하는 시스템이다.

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DGPS의 보정정보는 RTCM SC-104라는 기준 포맷이 정의되어 있고 무전데이터모

뎀, RDS, TRS, 셀룰라 등의 무선통신망을 통하여 보정정보를 송신할 수 있다.

GPS의 반송파위상을 이용하여서도, C/A 코드를 이용한 위치결정에 비해 더 나은

cm 정도의 위치정확도를 얻을 수 있다. 그러나 이 방법은 기본적으로 상대거리를

측정하는 방법이고 또한 반송파 측정값에 필연적으로 존재하게 되는 반송파의 정수

모호성(Integer. Ambiguity)을 반드시 없애야 하는 부가적인 문제점이 있다.

현재 반송파를 이용한 측량용 수신기들이 상용화되어 있다. 측량과는 달리 움직이

는 이동체의 위치를 매 순간마다 결정하기 위해서는 역시 두 수신기 사이에 통신망

을 통한 반송파 위상 측정정보의 송신이 필요하고 또한 이동하면시 순간적으로 모

호정수를 계산해야하는 어려움이 있게 된다.

그러나 다수의 안테나를 이동체의 몸체에 적절히 설치하여 안테나 사이의 상대거리

벡터를 측정하는 경우 무선통신망이 불필요하게 되며, 이렇게 측정된 벡터를 이용

하여 이동체의 3차원 자세를 실시간으로 면 하게 측정할 수 있다. 현재 GPS 반송

파를 이용한 자세측정기술은 일부 외국 기업에서만 상용제품을 제공하는 최신 기술

이다.

GPS는 1.5GHz대역의 전파를 이용하는 전파항법시스템이기 때문에, 지형지 물에

의해 위성이 보이지 않는 경우 위성신호가 수신되지 않아 위치계산이 불가능하게

된다. 이러한 문제는 특히 도심지역을 운행하는 차량의 위치를 결정하는 경우에 자

주 발생하게 되므로, GPS반을 이용하여서는 도심지역에 서의 연속적인 차량의 위

치결정이 불가능하게된다. 이를 해결하기 위한 다양 한 방법들이 차량항법시스템

개발의 한 부분으로 현재 활발히 연구 개발되고 있다.

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가장 대표적인 방법은 방향센서와 속도센서를 이용한 자립항법 (Dead-Reckoning)

을 사용하는 것이다. 차량에 장착된 주행거리계 혹은 바퀴에 장착된 휠 센서에 의

한 속도정보, 그리고 플럭스게이트와 같은 자성센서를 이용한 차량의 자세각 정보

를 이용하여 초기위치로부터 다음순간까지의 이동거리에 대한 정보를 계산함으로써

차량의 위치를 계산하는 방식이다. 이 방식은 외부로부터의 정보의 필요 없이 자체

적인 정보를 이용한다는 장점이 있으나 일반적으로 위치측정의 오차가 사용한 시간

에 따라 누적된다는 단점이 있다. 그러나 위치오차가 항상 절대적인 범위 안에 있

는 GPS와 함께 상호보완적인 결합형태로 쓰이게되면, GPS의 신호가 불가능한 경

우 DR에 의하여 위치를 계산할 수 있고 또한 GPS가 수신되는 경우에는 DR센서를

적절하게 보정할 수 있어 DR센서에 의한 오차누적을 방지할 수 있다. 이밖에 도로

지도로부터의 정보를 함께 이용할 수도 있다.

차량은 항상 도로 위를 주행한다는 가정을 한다면 도로지도로부터 차량의 주행하는

도로의 방향과 주행거리등의 정보를 얻을 수 있고 또한 오차에 의해 도로 밖으로

표시될 수 있는 GPS와 DR에 의한 차량의 위치를 도로위로 보정할 수 있다. 이를

지도매칭(Map Matching)이라 하며 현재 가장 진보된 형태의 차량항법장치는 GPS

와 DR 그리고 지도매칭를 이용한 통합항법 시스템이다.

미국의 미래 GPS 정책

GPS의 사용이 전 세계적으로 확대되면서 민간사용자를 중심으로 GPS의 미래에 대

한 우려가 조성되었다. “미국의 국방성에서 운영하는 GPS를 계속적으로 믿고 사용

할 수 있는가?” 혹은 “현재 GPS의 사용은 무료이지만 언젠가 GPS시장이 확보된

후, 일방적으로 사용료를 징수하지 않을까?”. 이 때문인 지 혹은 최근 공식적인 운

영을 시작한 러시아의 GLONASS의 사용확산을 염두에 둔 탓인지 미국은 96년 3월

29일의 대통령교서를 통하여 미국의 향 후 GPS정책을 발표하였다.

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이중 가장 중요한 것은 미국은 앞으로도 계속적으로 평화적인 민간 및 상용 그리고

과학적인 사용에 대해서는 직접적인 사용료의 징수없이 GPS의 표준 항법서비스

(SPS)를 제공하겠다는 약속이다. 또한 금세기내에 S/A (Selective Availability)를 없

애겠다고 발표하였다. 이 경우 SPS로 얻을 수 있는 위치정확도는 30m정도로 향상

된다.

현재 유럽을 중심으로 GNSS(Global Navigation Satellite System)의 구축이 추진되

고 있는데, 이건은 GPS, GLONASS, INMARSAT-3, EGNOS (European

Geostationary Navigation Overlay Service)등을 모두 이 용하여 전 세계 민간사용

자들에게 보다 정확하고 보다 신뢰할 수 있는 항법 시스템을 제공하려는 계획이다.

미국은 GNSS를 적극 지원하고 있으며 GPS 와 미국이 개발하는 확장시스템

(Augmentation)을 GNSS의 표준으로 채택하려고 노력하고 있다.

국내 기술 및 연구개발 동향

외국에 비해 국내에서 GPS의 본격적인 사용이 없었던 것은 무선데이터 통신 망,

GIS, 수치지도 등 관련 기간시설이 갖추어지지 않아서였지만 근래 들어 이러한 것

들이 국내에서도 구축되어가고 있기 때문에 GPS, 통신망, 지도데 이터 등을 이용

한 다양한 응용시스템들이 개발되고 있다.

이중 몇 가지 예를 들면, 한국통신에서는 물류망사업을 위하여 무선선데이터모뎀,

무궁화위성, DGPS 그리고 수치지도를 이용한 화물차량 관제시스템을 개발하여 시

범사업을 곧 시행할 예정이고, 서울시에서도 역시 무선데이터모뎀과 GPS를 이용한

버스위치결정시스템을 이용하여 버스정류장에서의 도착시간 자동안내시스템의 시범

사업을 시행할 예정이다.

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이러한 AVL(Atomatic Vehicle Location) 시스템은 택시, 경찰차, 소방차, 보안경배,

앰뷸런스, 택배, 차량정비 등 모든 분야의 차량관제분야에 응용 될 수 있으며, 또한

현재 우리나라에서도 건교부에 의해 추진중인 ITS와 연계되어 보다 효과적으로 사

용될 수 있다.

자동차 관련 기업들에 의해서는 GPS와 최근 자동차부품연구원에 의해 개발 된 항

법용 수치도로지도를 이용한 차량항법장치들이 개발되고 있다. 또한 선 박용 전자

통신기기 제작업체들에 의해 전자해도와 GPS를 이용한 선박항법 시스템들이 개발

되고 있다. 이밖에 GPS를 이용한 CDMA통신망의 시각동기 에 관한 연구가 현대전

자, LG통신, 이동통신들에 의해 활발히 진행되고 있다.

독자적인 위성항법시스템이 없는 한국의 입장에서는 유럽의 GNSS와 같이, 미국의

GPS만을 사용할 것이 아니라 소련의 GLONASS와 INMARSAT과 같은 위성들을 함

께 사용하여 특정국가의 시스템에 종속되는 것에 대비하고 또한 한국의 위성인 무

궁화위성 혹은 다목적위성을 이러한 시스템들과 연계하여 사용하는 방법을 강구하

여야 할 것이다.

3. 지적재산권

요청기업인 (주)우리산업과 특허 출원내용에 대해 협의를 진행하고 있으며, 자이로

검지부와 지능형 시스템과의 인터페이스를 위한 실장 회로설계에 대한 특허 출원은

향후에 가능하다.

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4. 기업전략에의 기여도

본 사업의 기술지원 요청기업인 (주)우리산업은 차량의 회전각을 검출하는데 필요

한 자이로 센서를 개발하는 업체이며, 국내 업체가 ESP에 적용한 자이로 센서는

외국 업체로부터 수입에 의존하고 있다. 차량의 불안정한 자세를 제어함으로써 전

복 방지 및 조정 안전성을 확보하는 장치라는 특성 때문에 ESP에 장착되는 자이로

센서는 횡 각속도를 정확하게 검지해야 하는 기본 성능뿐 만 아니라 신뢰성 확보가

매우 중요하다 그런 이유에 근거하여 자동차용 자이로 센서는 자동차의 가혹한 주

행 환경에서도 기본 기능을 보장할 수 있는 신뢰성 확보가 반드시 선행되어야 한

다.

자이로 센서가 차량의 조정 및 운전 안전성에 필수한 센서라는 점에서 국내 대형

부품업체들은 비싼 가격을 지불하면서 외국 센서를 사용하는 실정이다. 특히, ESP

모듈의 결함에 따르는 리콜, 기업 이미지 추락 및 기타 부작용에 때문에 자이로 센

서의 국산화에 매우 소극적이다.

자이로 센서는 ESP에 필수적으로 사용되지만, 첨단 차세대 자동차 구현에 있어서

다용도로 사용 가능한 센서이다. 특히, Navigation과 연동하여 차량의 제적을 추적

시 보정용으로 사용될 수 있으며, 측면 충돌시 운전자 및 탑승자 보호를 위한 측면

에어백 제어시 보조 센서로도 사용된다. 이와 같이 향후 차세대 자동차 기술의 핵

심센서인 자이로 센서에 대한 원천 기술 및 적용기술을 개발하는 것이 시급히 필요

하다.

이러한 기술적인 특성에 기초하여 본 기술지인 사업을 통해 다음의 성과를 거두었

다.

1) 자동차용 자이로 센서의 기본 기능 및 응용 원리

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2) ESP 인터페이스 사양 분석

3) 자이로 센서의 기본 성능 평가

4) 자이로 센서 신뢰성 평가

5) RF ID 및 DGPS 관련 기술 동향 분석

사업 진행결과는 기술 지원요청기업인 우리산업이 자동차용 자이로 센서 개발 및

신뢰성 향상 기술 확보에 기여를 하였다고 판단되며, 자동차 모듈 업체가 매우 중

요시 여기는 신뢰성 분석 및 평가 방법을 수행을 성공적으로_ 완료하게 되어 제품

개발 능력이 향상 될 것으로 기대된다.

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제 2 절 기술지원 수행

1. 기술지원 추진일정

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2. 수행주체들의 담당업무 성과

수행주체 담당업무 성과

자동차

부품연구원

시스템의 요구사항

및 기능 정의

o MEMS자이로 구조물 특성 분석

- Comb Driving

- Coriolis Sensing

- Capacitive Sensing

- Electrostatic Actuation

o 자이로 센서의 민감도 특성

o 자이로 센서 사양 분석

- 온도/습도 조건

- 허용 오차

- 장착 조건(무게 중심 기준)

- 작동상태표(센싱, 모니터링)

o 전기적 공급 사양

o Yaw-Rate 센서 규격

o 신뢰성 진행절차 및 규격 정의

자이로 센서의 특

성 파악 및 제어기

인터페이스 방안 연

구

o 자이로 ASIC 분석

o 자동차용 자이로 센서 실장 회로

• 자이로 검지부 인터페이스

• 필터 설계

- Bandwidth shifting

- phase/magnitude 변경

자이로 센서 성능

평가

o 센서 기본 성능 평가

- 3축 Simulator 벤치 활용

- 정현파 시험

- Stability Test : 영점 변화

- Murata 센서 비교

* 0.5deg/s 인가시 출력 비교

* 정지상태 노이즈 분석

o 실차 시험 평가

- Single Lane 시험

- 50Km/h, 80km/h

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수행주체 담당업무 성과

자동차

부품연구원

자이로 센서 신뢰

성 검증

o 센서 하우징 동작성 평가

• 센서 동작 시험

• 열충격 시험

- -40/85 유지 : 50 min

- 가속도 125/snliri

o 노이즈 측정

o 내환경 동작성 평가

• ESD 전기적 시험

• Power Temperature Cycle

• 고온/저온 전압 시험

• Random Vibration 시험

• Biased Humidity 시험

Data Fusion 기술

동향 분석

o RF ID 기술 동향 분석

o RF ID 기본 기능 구현

- RF ID 수신 보드 활용

- Software 활용

o DGPS 기분 동향 분석

우리산업

o 자이로 센서의 사양 검토

- Yaw Rate 센서 규격

- 전기적 사양

o 자이로 하우징 Dimension 검토

o Siemens 자이로와 동일한 터미널 설계

o Fluent를 이용한 열해석

o 자동차용 실장 회로 제작 및 성능 평가 시

험 수행

- Offset Voltage Control

- 신뢰성 시험

o 자이로 하우징 설계 및 제작

- Gyro 센서 모듈과 PCB 제작

- 신뢰성 시험 전/후 비교

실차 시험

o 제작된 자이로 센서 시제품 장착 및 주행

시험 수행

o 분석 결과에 대한 검토

o 향후 설계 반영을 위한 설계 인자 도출

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3. 수행방법 및 기자재 활용

본 과제 진행에서는 자동차부품연구원 보유 기자재 활용과 과제 수행방법에 대하여

기술지원 항목별로 설명한다.

가. 시스템의 요구사항 및 기능 정의

MEMS기반의 자이로 구조물 및 ASIC으_로 이루어진 자이로 검지부는 국내 업체로

부터 제공받았으며, 자동차용 자이로 센서 기능에 적합하도록 Offset voltage PI제

어, 민감도 향상 및 노이즈 수준을 낮추는 기술이 필요하다. 본 기술지원에서는

MEMS 자이로 검지부의 구조물 특성, 즉 Comb Drive, Comb Sensing, Coriolis

Sensing, Turning Fork 방식, Coriolis Force를 검지하기 위한 감도에 영향을 미치

는 인자 및 ASIC 부의 특징을 검토하였으며, 또한 차

나. 제어기 인터페이스 방안 연구

차량용으로 적용하기 위한 인터페이스 사양을 만족할 수 있는 자동차용 자이로 센

서의 일반사양, 온도/습도 조건, 허용초차, 작동상태에 대한 모니터링 알고리즘, 터

미널의 전기적 사양 및 Yaw Rate 규격을 양산 ESP에 적용된 자이로 센서를 기준

으로 규정하는 작업이 진행되었다.

다. 3축 Simulator를 이용한 자이로 센서 성능 평가

우리간첩은 자이로 센서의 하우징과 관련된 작업을 수행할 수 있지만, 차량의 거동

에 적합하고 내환경 조건을 만족할 수 있는 자이로 검지부의 주변회로 설계 기술이

부족하다. 또한 회전 각속도를 발생시켜 개발된 시제품을 평가할 수 없다.

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이러한 애로점을 해결하기 위한 방안으로 자동차 부품연구원이 보유하고 있는 3축

Simulator를 이용하여 자이로 센서의 기본 성능을 평가하였다. 3축 Simulator를 통

해 운전자의 임의 조향에 대한 모사가 가능하므로, 시제품의 회전 각속도에 민감도,

전압값 측정, 노이즈 수준, 선형성, 재현성 및 타른 기본적인 성능 평가가 수행되었

다.

라. 자이로 센서 신뢰성 검증

회전 각속도 건지 성능 평가와 함께 신뢰성 확보는 자이로 센서 개발에 있어서 매

우 중요한 사안이다. 특히, 차량의 자세 제어에 적용되는 자이로 센서인 경우에는

더욱더 신뢰성을 고려한 설계 및 개발이 필수적이라고 볼 수 있다. 본 기술지원에

서는 신뢰성 검증 차원에서 개발 초기에 우리 산업에서 Fluent 시뮬레이션을 이용

한 해석을 바탕으로 하우징 기술을 개발하고, 본 연구원은 검지부 주변 회로 설계

및 성능 평가 시험을 통해 센서의 요구사항을 충족하기 위한 평가 작업을 수행하였

다.

본 연구원의 내환경 시험장비를 이용하여 자이로 검지부의 하우징 이후에 자이로

센서의 신뢰성 규격과 동일한 시험을 수행함으로써, 센서 안정성 척도중에 하나인

Stability 시험(영점 시험) 및 시험 전ㆍ후의 특성을 비교하였다.

또한, 본 연구원이 보유하고 있는 DAQ 장비를 이용하여 기준센서와 센서와 시제품

의 실차 비교 시험을 수행하였다. 동일한 위치에 두개의 센서를 장착하여 주행로에

서 50km/h와 80km/h의 주행속도에 따라 Single Lane 모드로 시험을 수행한 결과,

약간의 위상차와 Peak-to-Peak 값의 차이가 발생하지만, 센서의 민감도와 필터 설

계를 통해 해결이 가능 할 것으로 보인다.

마. 제어기 설계를 위란 파라미터 도출 방안 연구

자동차의 조향에 의한 회전각속도는 실제로 약 10Hz미만에서 발생하므로,

Low-pass Filter의 Cutoff Frequency를 조정할 필요가 있다.

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이런 점을 고려하여 검지부에서 출력되는 신호의 감도(mV/deg/s)를 10Hz미만에

서만 검출할 수 있도록 설계를 수행하였다.

바. Data fusion 기술 분석 및 응용 기술 파악

자동차의 첨단 고안전 지능형 차량에 핵심은 센서 기술 개발임과 동시에 각각의 센

서가 독립적으로 적용되면, Wire Harness 문제 및 통합 관리가 어려워짐에 따라

유사한 기능 및 목적을 갖는 센서들을 통합한 센서 모듈 기술이 향후에 필요하게

될 것이다. 이런 기술 동향에 맞게 자이로 센서에 DGPS 기술 및 RF ID를 접목한

응용 기술에 대한 관심이 높아지게 된다. DGPS는 차량의 위치를 추적하는 기능을

하, 자이로 센서는 차량의 회전각속도를 이용하여 차량의 궤적을 추정할 수 있는

기능이 있으므로, DGPS의 위치 오차 범위를 사이로 센서의 값을 이용하여 보정하

는 방식도 검토할 가치가 있다. 이와 같이 여러 가지의 센서의 기능을 통합한 센서

모듈은 아직 상용화 단계에 도달하지는 못했지만, 선행 기술로써는 상당한 의미가

있다고 볼 수 있다.

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제 3 장 결 론

자동차용 자이 센서는 코너링 혹은 차량의 미끄러짐 현상이 발생하였을 때, 차량의

자세를 안전하게 유지해주는 ESP에 적용되는 핵심적인 센서로써 조향에 따른 회전

각속도 검출의 정확성 뿐 만 아니라 신뢰성 요구조건을 만족해야 한다.

본 기술 지원에서는 MEMS기반의 자이로 구조물과 ASIC 으로 이루어진 자이로 검

지부를 자동차용으로 실장하여 자동차용 자이로 센서 패키징 과 하우징, 성능 평가

및 신뢰성 시험이 이루어졌다.

조향에 의하여 차량의 노면과 샤시 특성에 의해 결정되는 회전 각속도를 검출하는

MEMS 기반의 자이로 검지부에 대한 사양 및 특성은 이미 결이 되어 있지만, 검지

부 출력단에 전압 Offset Control 회로와 Low-pass filter를 설계하여 검지부 출력

신호의 감도, Bandwidth 및 기된 성능에 대한 평가가 이루어졌으며, 기준 자이로

센서와 유사한 특성을 보임을 알 수 있었다.

특히, 본 연구원이 보유 있는 3측 Simulator를 활용하여 센서 평가에 기본적인 회

전운동을 재현할 수 있었으며, 신뢰성 장비를 이용하여 가혹 시험 전/후의 센서 특

징을 파악할 수 있었다. 신뢰성 측면에서 자이로 센서 하우징을 하였을 때 패키징

의 경우보다 더 우수한 현상을 보인다.

본 기술지원의 성과로는 다음과 같다.

- 자동차용 자이로 센서 사양 및 신뢰성 규격 확보

- 자동차 실장용 회로 개발에 따른 센서 사양 만족

- 자이로 센서의 기본 성능 평가 및 신뢰성 시험 수행

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- 자이로 센서의 하우징 기술 개발

- 가혹한 온도조건에서의 작동성 확보

- 실차 시험을 통한 센서의 성능 평가

- RF ID 와 GDPS 기술 동향 분석

본 기술지원에 개발된 자이로 센서 시제품의 성능은 기준 자이로 센서와 상대비교

를 통해 평가가 이루어졌으며, 약간의 오차가 발생하고 있다. 센서 신호의 파형 크

기는 거의 유사하지만, 위상차가 발생하는 문제점을 가지고 있으며, 향후에 센서의

위상 문제와 fulling 작업을 통해서 개선해야 할 부분이 남아 있다. 본 기술 지원에

서는 자이로 센서의 적용 제품과의 연계된 시험을 수행하지 않고, 신뢰성 전후 시

험 평가와 실차 시험을 통한 센서 평가만이 수행되었다. 따라서, 자이로 센서의 적

락을 검토할 수 있는 ECU 수준의 시험이 향후에 필요하다.

그러나, 국내 자동차부품업체에서 차량 자세 제어의 핵심적인 자이로 센서에 대한

시작품을 개발하여 실차 시험에 어느 정도 우수한 결과를 얻었다는 점은 매우 고무

적이라고 볼 수 있으며, 자이로 센서이 활용도가 높은 점을 생각해 볼 때 향후에

자이로 센서 개발 기술을 다른 신제품 개발에 응용이 가능할 것으로 판단된다. 특

히 Navigation 및 차량의 측면 에어백 검지 센서로도 활용이 충분하다.

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