전자제어식 스티어링(Electronic Power Steering, EPS) 시스템은 기존 유압식 파워스티어링의 한계를 극복하고 경량화, 연비 개선, 정밀 제어를 가능하게 한 핵심 기술이다. 스티어링 휠 회전 토크를 토크 센서가 측정하여 ECU로 전달하면, 전기 모터가 필요 토크를 연산해 스티어링 기어에 보조력을 제공한다. 이 과정에서 유압 펌프가 필요 없어 엔진 부하와 연료 소비가 줄어들며, 회생 제동 에너지를 활용한 자체 발전 기능으로 배터리 충전도 가능하다. EPS는 랙-피니언 구조 외에도 칼럼-바이-칼럼, 전동 리어 액슬 방식으로 구분되며, 각 방식은 차축별 설계 조건과 성능 목표에 따라 선택된다. 주요 기술 요소는 토크·각도 센서, 브러시리스 DC 모터, 감속 기어, 전력 전자 인버터, 고속 ECU 알고리즘이며, 안전을 위해 중복 센서·소프트웨어 리던던시, ISO 26262 준수 등이 필수적이다. 본문에서는 EPS 구조와 동작 원리, 센서·모터·제어 알고리즘 설계, 시스템 안전 요구사항, 실차 적용 사례와 미래 발전 방향을 상세히 다룹니다.
전자제어식 스티어링 시스템 개요와 필요성
전자제어식 스티어링(EPS)은 운전자의 조향 입력을 전기적으로 보조하여 운전 피로도를 낮추고 차량 응답성을 향상시키는 시스템이다. 전통적인 유압식 파워스티어링(HPS)은 엔진 회전수를 이용해 유압 펌프를 구동하여 스티어링에 보조력을 제공하지만, 엔진 부하와 연료 소비를 증가시키고 유지보수 비용 또한 높다. 반면 EPS는 필요할 때만 전기 모터를 작동시켜 보조력을 제공하며, 엔진 부하가 없기 때문에 연비가 최대 3~5%까지 개선되고, CO₂ 배출량도 감소한다. 또한 전기 모터의 동작 제어가 디지털화되어 운전 속도와 주행 모드, 노면 상태에 따라 가변적인 보조 특성을 구현할 수 있으므로, 저속 주차부터 고속 주행까지 일관된 제어감을 제공한다.
EPS 도입 초기에는 조향 보조 강도가 균일하게 제공되어 기계적 감각이 부족하다는 지적이 있었으나, 최근에는 토크 센서와 휠 각도 센서를 고속으로 샘플링해 운전자의 미세한 조향 의도를 실시간으로 파악하고, 전력 전자 인버터가 모터 토크를 정밀하게 제어한다. 이로 인해 ‘스포츠 모드’, ‘컴포트 모드’처럼 주행 성향에 맞춘 다중 보조 맵(mapping)이 가능해졌다. 기술 발전과 함께 전자제어식 스티어링은 자율주행 단계에서도 조향 피드백 제어, 전자식 완전 조향(4WS), 차량 자세 안정화 기능과 융합되어 모빌리티 안전성과 편의성을 한층 끌어올리고 있다.
EPS 구조와 핵심 구성 요소
EPS는 크게 스티어링 입력부, 센서부, 보조력 생성부, 제어부로 구성된다. 먼저 운전자가 스티어링 휠을 돌리면 스티어링 샤프트를 통해 토크가 휠 각도 센서와 토크 센서에 전달된다. 토크 센서는 홀 효과 방식이나 스트레인 게이지 방식으로 회전 토크를 측정해 ECU(System on Chip)에 수백 Hz 샘플링 주기로 신호를 보낸다. 휠 각도 센서는 레졸버나 자기 채널링 방식으로 정확한 휠 위치를 검출해 토크 정보와 결합한다.
ECU는 임베디드 ARM Cortex-R 계열 CPU와 전력 전자 드라이버를 통합한 모듈로, 수집된 센서 정보를 바탕으로 제어 알고리즘을 실행한다. 토크맵, 속도맵, 온도 보정, 센서 보정, 안전 제한 로직 등을 포함한 DSP 알고리즘으로 모터에 필요한 토크를 계산한다. 보조력 생성부는 브러시리스 DC 모터와 정밀 감속 기어(행성 기어 또는 볼 스크류)를 통해 스티어링 랙 또는 컬럼에 토크를 전달한다. 모터 전력은 인버터가 12V 또는 48V 배터리 전원을 수백 볼트 DC 버스로 승압한 뒤 PWM 제어를 통해 공급한다.
안전 요구사항을 충족하기 위해 ECU와 센서, 모터 드라이버는 이중화(Redundancy) 설계가 필수적이다. 센서 고장 시 예비 센서로 전환하거나 소프트웨어 추정 알고리즘이 보조력을 유지해야 하며, 전력 전자 회로는 회로 고립(Isolation)과 전류 제한 회로를 통한 과전류 보호 기능을 갖춰야 한다. ISO 26262 ASIL-D 등급 적용 예로, TOR 데이터 이상 시 즉시 경고를 발생시키고, 예비 모드로 전환해 셀프 테스트를 진행한 뒤 복귀하는 절차가 구현되어야 한다.
실차 적용 사례와 미래 기술 방향
대다수 모던카는 EPS를 표준으로 채택하고 있다. 토요타 프리우스는 스티어링 컬럼 부착형 EPS를 통해 경량화와 비용 절감을 동시에 달성했으며, BMW 5시리즈는 랙 어시스트형 EPS를 통해 더 정확한 조향 응답과 주행 안정성을 제공한다. 전기차에 적용된 사례로는 테슬라 모델3가 내구성과 연비를 높이기 위해 48V EPS를 도입했고, 아우디 e-tron은 서페스-마운트 EPS를 통해 공간 활용성과 경량화를 최적화했다.
미래 EPS는 전자제어 스티어링, 브레이크, 가속 페달을 통합 제어하는 ‘스티어-바이-와이어(SBW)’로 발전할 전망이다. SBW는 물리적 연결을 전기 신호로 대체해 설계 자유도를 높이고, 자율주행 단계에서 조향 제어를 소프트웨어로 유연하게 반영할 수 있다. 또한 AI 기반 토크 맵 최적화 기술로 운전 스타일과 도로 환경을 분석해 개인화된 핸들링 튜닝, 원격 소프트웨어 업데이트를 통한 지속적인 기능 개선이 가능해질 것이다.
전자제어식 스티어링 시스템은 경량화, 연비 개선, 주행 안전성, 자율주행 연계 제어 등 다양한 이점을 제공하며, 앞으로 더욱 첨단화된 제어 아키텍처와 고신뢰성 설정으로 진화할 것입니다. 자동차 연구개발 R&D 부서에서는 모터·센서·ECU 기술과 안전 표준을 융합해 SBW 및 AI 제어 시스템을 개발함으로써 차세대 모빌리티 구현에 핵심적인 역할을 수행해야 합니다.