전동식 파워 스티어링

왜 배우는가: 전동식 파워 스티어링은 조향 성능, 연비, 운전자 지원 기능을 함께 좌우하는 장치이다. 시험에서는 정의와 장단점, 작동원리, 소프트웨어 기술의 발전과 연결되어 자주 묻는다.

출제 이력: 제128회 3교시 2번, 제113회 2교시 6번, 제96회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전동식 파워 스티어링(EPS)은 유압 대신 전동 모터와 전자제어장치(ECU)로 운전자의 조향력을 보조하는 조향장치이다.

답안 첫 줄에는 이 정의를 그대로 쓰고, 이어서 보조가 이루어지는 방식을 설명하면 된다. 전동식 전자제어 동력 조향장치(MDPS)는 같은 방식을 가리키는 말로, 모터를 이용한 동력 조향장치라는 뜻이다. 두 약어의 관계를 답안 서두에 함께 적으면 용어 판정에서 불이익을 줄일 수 있다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 전동 모터: 조향 컬럼, 피니언 또는 랙에 보조 토크를 더하는 구동원이다.
• ECU: 조향 토크와 차속 정보를 받아 모터의 지령값을 계산하는 전자제어장치이다.
• 조향 토크 센서: 운전자가 핸들에 가한 토크와 방향을 검출하는 센서이다.
• 보조 토크: 운전자의 조작력을 줄이기 위해 모터가 발생시키는 토크이다.
• 차속감응 제어: 차속에 따라 보조량을 바꾸는 제어이다.
• C-EPS·P-EPS·R-EPS: 모터를 컬럼, 피니언, 랙 중 어디에 붙이느냐에 따른 분류이다.

2. 개념 풀이

전동식 파워 스티어링은 조향 보조력을 유압이 아니라 전동 모터가 발생시키는 조향 시스템이다. 운전자가 핸들을 조작하면 조향 토크 센서가 조작 토크와 방향을 검출하고, ECU가 이 값에 차속 신호 같은 주행 조건을 더해 모터가 낼 보조 토크를 정한다. 정의의 핵심은 보조력의 생성원이 유압 펌프에서 모터로 바뀐다는 점이며, 보조력의 크기를 소프트웨어로 조절할 수 있다는 점이 그 다음 특징이다.

원리의 중심은 차속감응 제어이다. 차속이 낮을수록 보조 토크를 크게 주고 차속이 높을수록 줄여, 정차나 저속에서는 핸들이 가볍고 고속에서는 적당히 무거운 조향감을 만든다. 고속에서 작은 조작에도 차량이 크게 움직이는 위험을 막기 위한 설계이므로, 이 제어는 편의성과 안전성을 함께 얻는 수단이다. 운전자가 힘을 더 가할수록 보조 토크도 함께 커지는 구조가 기본이다.

보조 토크는 모터 출력이 감속기를 거쳐 조향 축이나 랙에 전달되는 경로로 만들어진다. 감속기는 모터의 고속 회전을 낮은 회전수와 큰 토크로 바꾸어 필요한 보조력을 얻게 한다. ECU는 모터에 흐르는 전류를 제어하므로, 전류 제어의 정밀도가 조향감의 정밀도를 결정한다. 이 구조에서 모터는 조향 토크가 발생할 때만 작동하므로 유압 펌프처럼 엔진 동력으로 상시 구동될 필요가 없다. 그 결과 전동식은 유압식보다 효율이 높다.

제어 목표는 보조 특성만이 아니다. 핸들을 놓았을 때 원위치로 되돌아가는 복원성과 조향 토크의 위상 지연도 ECU 제어로 조정한다. 이 특성들이 함께 맞아야 운전자가 느끼는 조향 감각이 자연스러워진다. 따라서 전동식 파워 스티어링의 설계는 모터의 힘을 키우는 문제가 아니라 제어 알고리즘으로 조향 특성을 만드는 문제이다.

3. 등장 배경과 필요성

유압식 파워 스티어링은 엔진이 구동하는 펌프로 작동유 압력을 만들어 조향을 보조한다. 이 구조는 오랫동안 쓰였지만 두 가지 한계가 있었다. 첫째, 펌프가 엔진 동력으로 항상 돌아가므로 보조가 필요 없는 직진 주행 중에도 동력을 소비한다. 둘째, 작동유가 누설되거나 사용 후 폐유를 처리해야 하므로 환경 부담이 생긴다.

또 하나의 한계는 엔진 정지 시 보조 상실이다. 유압 보조는 엔진이 멈추면 함께 사라진다. 이때 운전자는 보조 없이 무거운 핸들을 돌리면서 보조 장치 자체의 저항까지 감당해야 한다. 전동식은 전기 에너지로 모터를 구동하므로 엔진이 멈추어도 보조력이 유지된다. 엔진이 멈춰도 보조력이 유지되는 것이 전동식의 결정적 장점이다.

연비 측면에서는 전동식은 유압식에 비해 연비가 3~5% 개선되는 것으로 보고된다. 이는 2절에서 설명한 구조, 즉 모터가 조향 토크가 생길 때만 일하는 구조 때문이다. 전동식은 작동유를 사용하지 않으므로 누설과 폐유 처리 문제가 없다.

기능 측면에서는 보조 특성을 소프트웨어로 바꿀 수 있어 차종과 운전자 취향에 맞춘 조향감을 구현하기 쉽다. 전동식 조향은 운전자 조작이 없어도 ECU가 모터로 핸들을 움직일 수 있어, 차로 유지 제어와 같은 자동 조향 기능의 기반이 된다. 조향장치의 특성이 기계 구조가 아니라 제어 소프트웨어로 정해지는 구조가 이 기술이 등장한 배경이다.