KR100814757B1 - 추정된 ｂｌａｃ 모터의 위치 정보를 이용하는 인터락회로구현방법 - Google Patents

추정된 ｂｌａｃ 모터의 위치 정보를 이용하는 인터락회로구현방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 추정된 BLAC 모터의 위치 정보를 이용하는 인터락 회로구현방법에 관한 것이다.
본 발명은 삼상 단자를 포함하는 BLAC(Brushless AC) 모터를 감시하는 서브(Sub) MCU(Micro Controller Unit)에서 인터락 회로를 구현하는 방법에 있어서, (a) 삼상 단자의 각 출력 전류를 감지하는 단계; (b) 삼상 단자의 각 출력 전류를 이용하여 BLAC 모터의 위치 정보를 추정하는 단계; (c) 추정된 BLAC 모터의 위치 정보를 이용하여 BLAC 모터의 전류를 계산하는 단계; (d) 계산된 BLAC 모터의 전류와 토크 간의 상관관계를 계산하여 상관관계가 미리 설정된 비정상영역에 위치하는지 여부를 판단하는 단계; 및 (e) 상관관계가 비정상영역에 위치하면 인터락 회로를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 추정된 BLAC 모터의 위치 정보를 이용하는 인터락 회로구현방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, BLAC 모터에서 모터의 출력 전류정보만을 이용하여 모터의 위치정보를 추정하여 출력 전류와 토크 간의 상관관계를 통하여 인터락 회로를 구현할 수 있다.
BLAC모터, 인터락 회로, 삼상 단자, 위치정보, 출력 전류

Description

추정된 ＢＬＡＣ 모터의 위치 정보를 이용하는 인터락 회로구현방법{Method for Making Interlock Circuit Using Estimated BLAC Motor Angle}
도 1은 메인 MCU와 서브 MCU 대략적인 모터제어 블록도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인터락 회로 구현방법의 흐름도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 BLAC 모터의 전류와 토크 간의 대략적인 상관관계도,
도 4a는 측정전류가 134.35 A 및 100 A 인 경우 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 계산된 전류와의 비교도,
도 4b는 측정전류가 80 A 및 60 A 인 경우 본 발명의 바람직한 실시예에 다른 계산된 전류와의 비교도,
도 4c는 측정전류가 40 A 및 20 A 인 경우 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 계산된 전류와의 비교도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110: BLAC 모터 120: 메인 MCU
130: 서브 MCU
본 발명은 추정된 BLAC 모터의 위치 정보를 이용하는 인터락 회로구현방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 BLAC모터의 서브 MCU에서 정확한 모터의 위치정보 대신 전류의 조건에서 전류를 추정하여 인터락 회로를 구현하는 방법에 관한 것이다.
자동차의 조향장치는 자동차의 진행방향을 운전자가 조향 핸들을 돌려 자유로이 바꾸기 위한 장치이다. 따라서 조향장치는 앞차축이나 앞바퀴 정렬과 밀접한 관계가 있으며 브레이크 장치와 함께 자동차 주행의 안전상 매우 중요한 장치이다. 일반적으로 조향장치는 선회 반경이 되도록 작고 고속주행에서 차량의 선회가 안정하게 되어야 하며 또한 조향 조작이 가볍게 되고 자유로워야 한다.
자동차가 점차 고급화됨에 따라 저압타이어가 이용되고, 대형차량의 자동화로 전륜의 접지 저항이 증대하여 조향 휠의 조작력이 필요하게 되어, 조향장치에 동력원을 설치하여 조향 휠의 조작력을 보조하는 동력 보조 조향장치(Power Steering Apparatus)가 개발되었다.
일반적으로 자동차의 동력 보조 조향장치로는 유압 펌프의 유압을 이용한 유압식 동력 보조 조향장치(Hydraulic Power Steering Apparatus)가 사용되고 있지만, 1990년대 이후 전기 모터를 이용한 전기식 동력 보조 조향장치(Electric Power Steering Apparatus)가 점차로 보편화 되어 가고 있다.
보조 동력 기구는 차속을 감지하여 감지된 차속에 비례하는 전기 신호를 출력하는 차속 센서, 조향각을 감지하여 감지된 조향각에 비례하는 전기 신호를 출력 하는 조향각 센서, 운전자가 조향 휠에 가하는 토크를 감지하고 감지된 토크에 비례하는 전기 신호를 출력하는 토크 센서 그리고 차속 센서, 조향각 센서 및 토크 센서가 감지하는 각각의 전기 신호에 기초하여 제어 신호를 발생하는 전자제어장치(ECU: Electronic Control Unit)를 포함하여 이루어진다.
전기식 동력 보조 조향장치의 작동원리를 살펴보면, 센서를 통해 감지되는 조향 휠의 토크, 차량의 속도, 조향각 정보로부터 전자제어장치에서 모터 제어전류를 산출하고 모터에 실제로 흐르는 전류 값을 검출하여, 산출한 모터 제어전류와 실제 모터의 전류를 비교하여 그 차이만큼의 전류를 모터로 전달해서 모터를 구동하여 운전자의 조향 조작을 보조한다. 운전자가 조향 휠에 토크를 크게 가할수록 운전자의 조향 조작을 보조하기 위하여 모터에 전달되는 전류는 증가하게 된다.
전기식 동력 보조 조향장치는 원활한 모터 구동을 위해서 토크(Torque)와 전류 간의 상관관계를 감시한다. 즉, 모터의 단선, 단락 등 시스템에 고장이 발생하는 경우, 토크와 전류 간의 상관관계는 비정상영역에 위치하게 되고, 전자 제어 장치에서는 이를 감지하여 인터락 회로를 이용한 모터 제어로 시스템의 손상을 막는 것이다. 여기서, 인터락을 건다고 함은 우선도가 높은 측의 회로를 온 조작하면 다른 회로가 열려서 작동하지 않도록 하는 것을 말하며, 이러한 회로를 인터락 회로라고 한다.
직류(DC)모터에서는 전류가 직접 입력되어 전류와 토크 간의 상관관계 파악이 용이한데 비하여, 교류(AC)모터에서는 삼상 단자를 통해 전류가 공급되어 삼상 단자 간의 전류의 위상차를 고려해야 하는 등 전류와 토크 간의 상관관계 파악이 용이하지 않다.
따라서, 직류모터에서는 전류와 토크 간의 상관관계를 이용하면, PCB를 이용한 하드웨어적으로나, ASIC(Application Specific Integrated Circuit: 주문형 반도체) 또는 서브(Sub) MCU에서 소프트웨어적으로 용이하게 인터락 회로를 구현할 수 있는데 비하여, 교류모터에서는 각 단자 간의 전류의 위상차를 고려하면서 인터락 회로를 구현하기 위해서는 모터의 위치정보가 필요하기 때문에 그 구현이 용이하지 않다.
특히 회전자가 없는(Brushless) BLAC모터에서는 다음의 수식으로 전류를 구한다.
I= 2/3 + {iu*cos(θ) + iv*cos(θ-120) + iw*cos(θ+120)}
여기서, 삼상 단자 전류(iu, iv, iw) 간의 위상차는 120 °이다.
BLAC모터는 브러시와 커뮤테이터 없이, 컨트롤러(변속기)를 이용하여 전류방향을 회전각도에 따라 전환시켜 회전자를 회전시킨다. 변속기에서 양극(+,-)의 DC전원을 삼상으로 전환하여 모터에 공급하고, 세 개의 고정코일에 공급된 전압으로 고정자석의 위치를 감지하여 위상변화를 줌으로써 회전을 한다. 변속기에서 발생한 삼상의 출력은 모터의 입력신호로 연결되기 때문에 120°의 위상차이를 갖게 되는 것이다.
이러한 BLAC모터에서는 모터를 제어하는 메인(Main) MCU는 모터의 위치정보를 직접 입력받아 구할 수 있지만, 서브(Sub) MCU는 이러한 메인 MCU의 제어를 별도로 감시하기 위한 것으로서, 모터의 위치정보를 직접 입력받지 못하고, 전류와 토크 값만을 입력받는 경우가 대부분이기 때문에, 서브 MCU에서는 전류와 토크 간의 상관관계를 감시하기 위한 모터의 위치정보를 직접 입력받기는 어려운 문제점이 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, BLAC모터의 서브 MCU에서 정확한 모터의 위치정보 대신 전류의 조건에서 전류를 추정하여 인터락 회로를 구현하는 방법을 제공하는 데 그 주된 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 삼상 단자를 포함하는 BLAC(Brushless AC)모터를 감시하는 서브(Sub) MCU(Micro Controller Unit)에서 인터락 회로를 구현하는 방법에 있어서, (a) 삼상 단자의 각 출력 전류를 감지하는 단계; (b) 삼상 단자의 각 출력 전류를 이용하여 BLAC 모터의 위치 정보를 추정하는 단계; (c) 추정된 BLAC 모터의 위치 정보를 이용하여 BLAC 모터의 전류를 계산하는 단계; (d) 계산된 BLAC 모터의 전류와 토크 간의 상관관계를 계산하여 상기 상관관계가 미리 설정된 비정상영역에 위치하는지 여부를 판단하는 단계; 및 (e) 상관관계가 비정상영역에 위치하면 인터락 회로를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 추정된 BLAC 모터의 위치 정보를 이용하는 인터락 회로구현방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소 들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 메인 MCU와 서브 MCU 대략적인 모터제어 블록도이다.
BLAC(Brushless AC) 모터(110)는 메인(Main) MCU(Micro Controller Unit)(120)에 의하여 제어를 받는다. BLAC 모터(110)의 구동에 직접적인 제어가 메인 MCU(120)에서 이루어지는 반면, 이러한 메인 MCU(120) 제어의 감시는 별도의 서브(Sub) MCU(130)에서 인터락 회로를 이용하여 이루어진다.
일반적으로 메인 MCU(120)에서는 BLAC 모터(110)의 위치정보를 직접 입력받을 수 있지만, 서브 MCU(130)에서는 BLAC 모터(110)의 위치정보를 직접 입력받지 못하고, 전류와 토크 값만을 입력받는다. 따라서 서브 MCU(130)에서는 전류와 토크 간의 상관관계를 감시하여 인터락 회로를 수행하기 위해서는 위한 BLAC 모터(110)의 위치정보를 추정하는 것이 필요하다.
인터락 회로는 BLAC 모터(110)가 단선, 단락 등 시스템의 이상이 발생했을 경우 BLAC 모터(110)의 전류와 토크의 상관관계를 비정상 영역으로 판단하여 시스템을 차단하는 역할을 수행한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인터락 회로 구현방법의 흐름도이다.
BLAC(Brushless AC)모터(110)는 삼상 단자에 각각 출력 전류값을 갖는다. 서 브 MCU(130)에서 BLAC 모터 삼상 단자의 각 출력 전류를 감지한다(S110). 감지된 삼상 단자의 각 출력 전류를 이용하여 모터의 위치 정보를 추정한다(S120).
BLAC 모터 삼상 단자의 각 출력 전류값을 Iu, Iv 및 Iw라고 하면, 아래의 식을 이용하여 BLAC 모터(110)의 위치정보를 추정할 수 있다. θ는 BLAC 모터의 위치정보를 의미한다.
Iu > 0, Iv < 0, Iw < 0 => θ = 0 도
Iu > 0, Iv > 0, Iw < 0 => θ = 60 도
Iu < 0, Iv > 0, Iw < 0 => θ = 120 도
Iu < 0, Iv > 0, Iw > 0 => θ = 180 도
Iu < 0, Iv < 0, Iw > 0 => θ = 240 도
Iu > 0, Iv < 0, Iw > 0 => θ = 300 도
이렇게 추정된 BLAC 모터(110)의 위치정보를 이용하여 BLAC 모터의 전류를 계산한다(S130). BLAC 모터의 전류는 다음의 식을 통하여 계산할 수 있다. I는 BLAC 모터의 전류를 의미한다.
I= 2/3 + {Iu*cos(θ) + Iv*cos(θ-120) + Iw*cos(θ+120)}
계산된 BLAC 모터(110)의 전류와 토크 간의 상관관계를 계산하여 계산된 상관관계가 미리 설정된 비정상영역에 위치하는지 여부를 판단한다(S140).
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 BLAC 모터의 전류와 토크 간의 대략적인 상관관계도를 나타낸 것으로서, S140에서는 계산된 전류와 토크에 따른 그래프상의 위치가 비정상 영역에 존재하는 지를 판단하게 된다.
계산된 상관관계가 비정상영역에 위치하면 인터락 회로를 수행한다(S150).
도 4a, 4b 및 4c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 계산된 전류와 측정전류를 동시에 나타낸 것이다.
도 4a는 측정전류가 134.35 A 및 100 A 인 경우, 도 4b는 측정전류가 80 A 및 60 A 인 경우, 도 4c는 측정전류가 40 A 및 20 A 인 경우를 도시한 것이다.
도 4a, 4b 및 4c에서 도시된 바와 같이 시뮬레이션 결과에서 계산된 전류는 실제로 측정된 전류보다 작게 나타난다. 따라서 BLAC 모터(110)의 출력 전류가 양의 값에서 BLAC 모터(110)가 정상인 경우에는 도 2에서 도시된 바와 같이 계산된 전류는 실제로 측정된 전류와 동일한 정상영역에 속하게 되어 인터락 회로는 수행되지 않는다.
BLAC 모터(110)의 출력 전류가 양의 값에서 BLAC 모터(110)가 비정상인 경우에는 실제로 측정된 전류는 비정상 영역에 있지만, 계산된 전류는 정상 영역과 비정상 영역에 공존할 수 있다. 이런 경우 계산된 전류는 일정한 주기로 정상 영역과 비정상 영역을 왕복하기 때문에, 계산된 전류가 비정상 영역에 위치하는 순간 인터락 회로는 수행되어, 결과적으로는 BLAC 모터(110)의 비정상 여부에 따라 적절한 제어가 이루어지게 된다.
도 4a에서 도시된 바와 같이 실제 측정된 전류가 95A rms 기준(Peak 134.35 A)인 경우 계산된 전류와 최대 18 A 차이가 존재하지만, 전술한 계산된 전류와 측정전류 사이의 특성 때문에 인터락 회로 구현에는 아무런 문제가 없다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으 로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, BLAC 모터에서 모터의 출력 전류정보만을 이용하여 모터의 위치정보를 추정하여 출력 전류와 토크 간의 상관관계를 통하여 인터락 회로를 구현할 수 있다.

Claims (3)

  1. 삼상 단자를 포함하는 BLAC(Brushless AC) 모터를 감시하는 서브(Sub) MCU(Micro Controller Unit)에서 인터락 회로를 구현하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 삼상 단자의 각 출력 전류를 감지하는 단계;
    (b) 상기 삼상 단자의 각 출력 전류를 이용하여 상기 BLAC 모터의 위치 정보를 추정하는 단계;
    (c) 상기 추정된 BLAC 모터의 위치 정보를 이용하여 상기 BLAC 모터의 전류를 계산하는 단계;
    (d) 상기 계산된 BLAC 모터의 전류와 토크 간의 상관관계를 계산하여 상기 상관관계가 미리 설정된 비정상영역에 위치하는지 여부를 판단하는 단계; 및
    (e) 상기 상관관계가 비정상영역에 위치하면 인터락 회로를 수행하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 추정된 BLAC 모터의 위치 정보를 이용하는 인터락 회로구현방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 (b)에서,
    상기 삼상 단자의 각 출력 전류는 Iu, Iv 및 Iw로 이루어지며,
    상기 Iu > 0 이고, 상기 Iv < 0 이고, 상기 Iw < 0 이면, 상기 BLAC 모터의 위치정보는 0 °이고;
    상기 Iu > 0 이고, 상기 Iv > 0 이고, 상기 Iw < 0 이면, 상기 BLAC 모터의 위치정보는 60 °이고;
    상기 Iu < 0 이고, 상기 Iv > 0 이고, 상기 Iw < 0 이면, 상기 BLAC 모터의 위치정보는 120 °이고;
    상기 Iu < 0 이고, 상기 Iv > 0 이고, 상기 Iw > 0 이면, 상기 BLAC 모터의 위치정보는 180 °이고;
    상기 Iu < 0 이고, 상기 Iv < 0 이고, 상기 Iw > 0 이면, 상기 BLAC 모터의 위치정보는 240 °이고; 및
    상기 Iu > 0 이고, 상기 Iv < 0 이고, 상기 Iw > 0 이면, 상기 BLAC 모터의 위치정보는 300 °
    로 추정하는 것을 특징으로 하는 추정된 BLAC 모터의 위치 정보를 이용하여 인터락 회로 구현방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 단계 (c)에서,
    상기 BLAC 모터의 전류(I)의 계산은 상기 삼상 단자의 각 출력전류(Iu, Iv, Iw)와 상기 BLAC 모터의 위치 정보(θ)를 이용하여 I = 2/3 + {Iu*cos(θ) + Iv*cos(θ-120) + Iw*cos(θ+120)}에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 추정된 BLAC 모터의 위치 정보를 이용하는 인터락 회로 구현방법.
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