자동차 운전자는 손을 통해 자동차와 도로의 상태를 직접 느낀다. 운전자의 손은 조향 핸들을 통해 자동차의 진행 방향을 조종하지만, 그 과정에서 타이어의 반응, 노면의 감촉, 기계적인 반감 등의 미묘한 느낌을 받는다. 조향보조(파워 스티어링) 장치는 기본적으로 조향력을 증폭해 운전 편의성을 높여준다. 그러나 인간과 기계시스템 사이의 원활한 교감을 매개해 부드럽고 자연스러운 조향 제어가 가능하도록 설계될 필요가 있다.
대표적인 조향보조 장치인 유압 파워 스티어링(HPS)은 부드러운 조향 감각과 질감, 아날로그적인 감성을 제공하지만 환경적인 부분과 연비 및 유지보수 문제 등으로 인해 점차 전동 파워 스티어링(EPS)으로 대체되고 있다. 전기차, 수소차, 농업용 다목적 운반차 등과 같은 친환경 자동차의 조향 시스템에도 EPS가 빠르게 적용되고 있다. 엔진구동 펌프로부터 연속적으로 동력을 얻는 HPS와 달리 EPS는 필요시에만 동력을 공급받으면 되므로 약 3%의 연료절감 효과가 있다. 소프트웨어로 신속히 조향 특성을 튜닝할 수 있어 개발시간도 단축되고 시스템 무게와 부피도 축소된다.
EPS 시스템은 조향 칼럼, 속도센서, 토크센서, 전자제어유닛(ECU), 조향 보조 전동기, 등으로 구성되며, 인터미디어트 샤프트 및 피니언 샤프트, 피니언과 랙 기어, 타이로드, 너클암을 통해 바퀴에 연결돼 있다. 그 종류는 EPS 유닛의 장착 위치에 따라 크게 세 가지로 구분된다. 조향 칼럼 샤프트에 설치돼 칼럼 회전력을 보조하는 칼럼형(C-EPS), 피니언 기어부에 설치되어 피니언 기어의 회전력을 보조하는 피니언형(P-EPS), 그리고 랙 기어부에 설치되어 랙 기어의 직선운동을 보조하는 랙형(R-EPS)이 있다.
EPS는 기본적으로 조향 핸들의 조향력과 바퀴 부분의 반력 사이에 발생하는 비틀림 토크를 측정하고 이를 토대로 전동기의 전류제어를 통해 조향 보조 토크를 발생시키는 구조다. 운전자의 섬세한 손의 감각을 만족시키기 위한 부드러운 전동기 제어알고리즘과 이를 실시간으로 구현하는 마이크로컨트롤러 및 관련 하드웨어(ECU)가 필수적이다. 조향 반력이 커지는 저속에서는 유연하고 가벼운 조향 보조를, 고속에서는 안정된 조향 보조를, 비포장도로에서 조향 핸들에 오는 충격을 효과적으로 억제해 운전자가 좋은 도로 감각을 가지게 한다.
EPS는 재활 보행보조로봇과 같은 의료산업 분야에도 그 원리가 적용되고 있지만, 자동차에 국한한다면 이미 인간과 자동차의 감성적 매개역할을 넘어서 전기차를 기반으로 한 자율주행 자동차의 차선유지 보조와 능동 조향 보조 장치, 그리고 자동주차 보조시스템의 핵심 장치로 자리 잡았다. 자율주행 자동차의 주행시험 장면을 보면 운전자가 없이도 조향 핸들이 혼자 돌아가고 있는 것을 볼 수 있다. 혼자 돌고 있는 조향 핸들도 탑승자에게 방해가 된다고 해서 곧 사라진다고 한다. 많이 섭섭하지만 완전자율주행 자동차에서는 조향, 제동, 가속장치가 없다. 인간과 자동차의 감성교환이 신체적 접촉이 아닌 음성과 시각정보(디스플레이 장치)로만 이루어지는 시대가 온다.
동서대 메카트로닉스 융합공학부 손영대 교수
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