KR100503880B1

KR100503880B1 - 전자식 조향 장치용 직류 모터의 제어회로

Info

Publication number: KR100503880B1
Application number: KR10-2003-0029580A
Authority: KR
Inventors: 강성옥
Original assignee: 화남전자 주식회사
Priority date: 2003-05-10
Filing date: 2003-05-10
Publication date: 2005-07-27
Also published as: KR20040096690A

Abstract

본 발명은 전자식 조향 장치용 직류 모터의 제어회로에 관한 것으로서, 특히, 전자식 조향장치의 직류 모터의 출력 전류를 피드백 받아 이 신호의 전류값에 따라서 상기 직류 모터의 출력 전류의 레벨을 제한하고, 제한 레벨 이상일 경우 모터에 걸리는 과부하를 미연에 차단하고, 제어 회로로서 제어가 어려운 제어 불능 상태인 경우에는 이를 감지하여 직류 모터의 구동을 차단하는 기능을 수행하는 조향장치용 직류 모터의 제어 회로에 관한 것이다.

Description

전자식 조향 장치용 직류 모터의 제어회로{Control circuit of DC Motor for Electronic Power Steering}

일반적으로, 전동 모터를 사용하여 구동되는 지게차나 전기 자동차 등의 조향 장치에 사용되는 직류 모터의 제어 회로로서, 소위 전자식 조향 장치(EPS, Electronic Power Steering)이라고 불리우는 모터 제어 회로가 사용된다. 이러한 직류 모터 제어 회로로서 마이크로프로세서 유닛을 사용한 디지털 제어 방식이 개발되어 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 디지털 제어 방식은, 통상 24V 내지 48V 에 달하는 직류 모터 인가 전압 및 그에 따른 대전류량에 따른 소자의 심한 발열의 문제점과, 통상적으로 제어 회로의 설치 환경이 온도 및 노이즈 발생면에서 열악한 조건하에 있을 경우가 많아 제어 회로를 구성하는 디지털 소자들의 동작의 정확성과 그 내구성이 약화되는 문제점이 있었다.

또한, 디지털 제어 방식은 기준 전류에 비례하여 실제 출력 전류의 레벨을 제한하도록 하는 기능이 구현되어 있으나, 입력된 명령치와 실제 출력 전류값이 비례하지 않을 경우, 예를 들어 직류 모터를 구동하는 FET 모듈이 파손되어 모터 구동 회로에 계속하여 전류가 흐르고 있는 경우 등에는 모터의 제어 회로와 모터가 계속되는 전류의 흐름으로 인하여 과열됨으로써 소자 자체가 소손되는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은, 종래의 입력 명령치에 따른 기본 제어 기능에 부가하여, 입력된 명령치와의 비교를 통하여 실제의 직류 모터의 출력 전류값의 상태에 따라 부하 전류를 제한하고, 모터 구동부의 작동을 차단하며, 일정 시간동안 휴지할 수 있는 기능을 구현함으로써 실제 운전자의 특성과 장비의 운용을 최적화 시킬수 있는 직류 모터의 제어 회로를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 종래의 마이크로 프로세서 유닛을 사용한 디지털 방식의 단점을 해소하고자, 비교적 열악한 환경하에서도 안정적으로 제기능을 수행하는 아날로그 선형 소자를 채택한 저렴한 가격의 직류 모터의 제어 회로를 제공하는데 있다.

상기와 같은 구성을 달성하기 위한 본 발명의 구성은,

조향 장치용 직류 모터와, 키 스위치의 입력에 의하여 상기 직류 모터에 배터리로부터의 구동 전류를 공급하되 논리 조합에 의하여 구동 방향의 제어 신호와 PWM 제어 신호가 입력되는 모터 구동부와, 상기 모터 구동부로부터 입력되는 구동 전류와 제어 신호에 따라서 FET 소자들을 스위칭시켜 모터를 구동시키는 FET 모듈과, 상기 FET 모듈의 출력 전류를 감지하는 모터전류 감지부와, 상기 모터전류 감지부에서 출력된 감지 전류를 피드백 받아 전류 증폭하는 모터전류 증폭부, 를 가진 전자식 조향 장치용 DC 모터의 제어 회로에 있어서, 저항 분배기를 통하여 기준 전류값이 설정되어 있고, 상기 모터전류 증폭부에서 증폭된 모터 전류값을 입력받아 직류모터의 구동 구간에서 상기 기준 전류값과 입력된 모터 전류값을 비교기에서 상호 비교하여 입력된 모터 전류값의 과전류 상태를 검출하고, 과전류 상태인 경우 상기 PWM 제어 신호를 차단하여 직류 모터의 구동을 정지시켜 모터 전류값을 상기 기준 전류값 이하로 제한하는 출력전류레벨 제한부를 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 출력전류레벨 제한부에서 제한하는 기준 전류값 이상을 가지는 과부하 전류값이 저항 분배기를 통하여 설정되어 있고, 상기 모터전류 증폭부에서 증폭된 모터 전류값을 입력받아 직류모터의 구동구간에서 상기 과부하 전류값과 입력된 모터 전류값을 비교기에서 상호 비교하여 입력된 모터 전류값의 과부하 상태와 과부하 상태의 시간이 RC 회로의 시정수에 의한 기준 시간을 초과하는지를 검출하고, 과부하 상태에서 기준시간을 초과할 경우 상기 PWM 제어 신호를 차단하여 직류 모터의 구동을 RC 회로의 시정수에 의한 소정 시간동안 정지시키는 과부하 차단부를 더 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 과부하 차단부에서 제한하는 과부하 전류값 이상을 가지는 제어불능 전류값이 저항 분배기를 통하여 설정되어 있고, 상기 모터전류 증폭부에서 증폭된 모터 전류값을 입력받아 직류모터의 구동 구간에서 상기 제어불능 전류값과 입력된 모터 전류값을 비교기에서 상호 비교하여 입력된 모터 전류값의 제어불능 상태를 검출하고, 제어불능 상태인 경우 상기 모터 구동부의 구동방향 제어신호를 차단하여 직류 모터의 구동을 정지시키는 제어불능상태 감지부를 더 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어불능상태 감지부는, 상기 제어불능 전류의 주파수를 저항 분배기를 통하여 검출하고, 검출된 상기 제어불능 전류의 주파수가 모터 전류의 정상 동작 주파수보다 낮은 레벨을 가지고 RC 충방전회로를 통한 시정수에 의한 소정 시간동안 지속되게 입력되는 경우, 상기 PWM 제어 신호 발생부의 출력을 차단하고, 직류 모터의 구동을 정지시키는 구성을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어불능상태 감지부는, 모터 전류 신호의 주파수보다 극히 작은 주파수를 가지는 제한 주파수가 캐패시터와 저항 및 다이오드의 충방전회로를 통하여 설정되어 있고, 모터전류 증폭부에서 입력된 모터 전류 신호의 주파수가 상기 제한 주파수보다 작을 경우 상기 충방전회로와 연동된 논리게이트를 통하여 논리게이트의 전달 지연시간동안 래치한 후, 상기 모터 구동부에 공급되는 전력을 차단시키는 차단시키는 구성을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 1A 이상의 전류값을 가지는 누출전류값이 저항 분배기를 통하여 설정되어 있고, 상기 모터전류 증폭부에서 증폭된 모터 전류값을 입력받아 직류모터의 정지 구간에서 상기 누출 전류값과 입력된 모터 전류값을 비교기에서 상호 비교하여 직류모터의 정지구간에서의 누출 전류값을 검출하고, 누출 전류값이 있는 경우 상기 비교기와 연동된 논리게이트들을 통하여 논리게이트의 전달 지연시간동안 래치한 후, 상기 모터 구동부에 공급되는 전력을 차단시키는 차단시키는 구성을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 계시된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1 은 본 발명 제어 회로의 블럭도, 도 2a 내지 도 2c 는 도 1 의 블럭도의 상세 회로도이며, 이하 설명되는 본 발명 직류 모터의 제어 회로는 상기 도 1 내지 도 2a 내지 도 2c 를 동시에 참조하여 기술되며, 해당 업계의 당업자에 의하여 공지된 부분의 회로는 그 설명을 가급적 간략하게 기술하거나 생략한 점에 유의하여야 한다.

토크 센서(TS)는 가역 운전이 가능한 직류 모터(M)의 조향랙(rack, 미도시) 상에 부설되어, 직류모터(M)가 정방향과 역방향으로 회전할 때 상기 직류 모터(M)에 부설된 구동 기어(미도시)가 조향랙 상을 이동한 거리에 비례하는 전압을 출력하는 통상의 센서이며, 토크 센서(TS)에 내장된 가변저항의 저항값에 따라서 동작전압(Vcc)가 분기되어 토크 센서 출력 전압(Vts)를 생성한다.

정전압부(10)는 배터리(BATT)의 출력 전압값을 일정하게 유지시키는 기능을 하는 것으로 공지의 정전압소자(Regulator)를 채용하여 구성되며, 정압된 전압은 본 발명의 제어 회로에 사용된 모든 소자에 동작 전압(Vcc)으로서 사용된다. 본 발명 실시예에서 사용된 동작 전압은 48V 이나, 직류 모터의 정격에 따라서 통상적으로 24V 내지 48V 의 동작 전압이 사용되어 질수 있다.

키 스위치 신호 발생부(20)는 사용자가 키(Key)를 이용하여 직류 모터에 시동을 걸었을 경우, 상기 정전압부(10)의 동작 전압에 의하여 구동되어 논리 조합부(80)에 제어 회로의 초기화를 알리는 신호를 전달하는 블럭이다.

정전압부 에러 검출부(30)은 상기 정전압부(10)가 출력하는 Vcc 값의 이상 상태를 검출하는 기능을 가진 블럭으로서, R40 과 R42 과의 분기 전압과 제너 다이오드(ZD6)를 사용하여 정전압부(10)의 Vcc 값이 변동하더라도 제너다이오드(ZD6)에 부하되는 기준 전압값에 의하여 제한되도록 함으로써, Vcc 값이 변동하더라도 비교 기준값은 일정하도록 하여 요구되는 Vcc 값 이상이 출력될 경우 정전압부의 에러를 검출하도록 구성된 것이다. 본 발명의 실시예에서는 Vcc 에 연결된 R40 과 R42 의 값을 조정하여 상기 정전압부(10)로부터 입력되는 Vcc 값이 +2V 이상으로 입력될 경우 비교기(U9A)가 High 상태의 신호를 출력할 수 있도록 조절하였으며, 이 신호는 논리 게이트 U7C 로 입력되고 이와 연동된 논리조합부(80)의 논리 게이트 U1B 및 U1A 로 전달되어 동작전압 모터 구동부(160,160')의 방향제어 입력단(A,B)을 차단시켜 모터(M)의 구동을 정지시킨다.

토크 센서 에러검출부(40)는 토크 센서(TS)의 출력 전압(Vts)의 이상 상태를 검출하는 것으로서, 2 개의 비교기(U5C,U5D)에 R33,R37,R38,R39 를 결선하여 각각의 비교기 출력을 논리 게이트 U4C 로 출력하도록 한 것으로서, 본 발명의 실시예에서는 +1V 이하 또는 +11V 이상에서 토크센서 에러검출부(40)의 비교기 출력이 High 상태가 되도록 R33,R37,R38,R39 를 조정하였다. 논리 게이트 U7C 는 상기 정전압부 에러 검출부(30)의 출력 신호와 토크 센서 에러 검출부(40)의 출력신호를 논리합하여 논리조합부(80)로 전달하고, 상술한 바와 같이 논리 게이트 U18 및 U1A 에 의하여 모터 구동부(160,160')의 방향제어 입력단(A,B)을 차단시켜 모터(M)의 구동을 정지시킨다.

절대치 생성부(70)는 입력된 토크 센서 출력전압(Vts)을 기준전압(Vref)을 기준으로 양의 전압영역이나 음의 전압영역에서 서로 대칭이되는 전압값(Vo)을 출력하도록 한 것으로, 이 출력 전압(Vo)은 후술할 직류 모터(M)의 회전방향 검출부(50)로 입력되어 전압값(Vo)과 기준전압(Vref)과의 대소를 비교하여 모터 구동부의 구동 방향을 결정한다. 또한, 이 출력 전압(Vo)은 PWM 제어 신호 발생부(90)로 입력되어 555 타이머로부터의 삼각파형과 결합함으로써 PWM 파형을 생성한다. 본 발명의 실시예에서는 기준전압(Vref)을 +6V 로 설정하였다.

모터 회전방향 검출부(50)는 상기 절대치 생성부(70)의 출력전압(Vo)를 U5A와 U5B를 이용한 비교기 회로에 입력하여 R24, R27 및 R32, R36 의 값에 따라서 기준전압(Vref)과의 비교를 수행하도록 되어 있는 블럭으로서, 본 발명 실시예에서는 기준전압(Vref)를 기준으로 Vo 가 5.5V 이하일 경우에는 역회전, Vo 가 6.5V 이상이면 정회전으로 인식하도록 되어 있다.

PWM 제어신호 발생부(90)는 구형파를 출력하는 구형파 발생기(Voltage Pump)의 입력 신호 및 삼각파 발생기(본 발명 실시예에서는 555 타이머소자를 이용)의 삼각파 입력 신호를 이용한 것으로서, 555 타이머 소자로부터 출력되는 구형파와 삼각파 발생기에서 출력되는 삼각파 중, 구형파 출력은 H-Bridge 형으로 된 FET 모듈(170)의 12V 의 High Side Floating 전압을 생성하고, 삼각파 출력은 절대치 회로의 출력값과 혼합되어 PWM 파형의 듀티 사이클을 결정한다.

즉, 상기 절대치 생성부(70)로부터 입력된 토크 센서 출력전압(Vts)의 절대치(Vo)를 U10D 의 비교기에 입력시킨 것으로, 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 토크 센서 출력 전압(Vts)가 중앙 레벨인 +5V 내지 +8V 사이에서는 모터에 흐르는 전류가 0(영)이 되도록 PWM 펄스폭을 0% 로 출력하고, Vts 가 +2V 내지 +5V 또는 +8V 내지 +10V 가 되는 구간에서는 직류모터(M)의 정회전 또는 역회전으로 토크센서 출력전압(Vts)의 크기와 비례한 전류가 모터에 흐를수 있도록 후술할 모터 구동부(160,160')의 방향제어 입력단(A,B)와 PWM 제어 입력단(A',B')의 입력에 각각의 PWM 펄스를 발생하여 인가하도록 구성된다. 그래서, 직류모터(M)가 정방향으로 전류를 발생할 경우 FET 모듈(170)의 FET1 이 ON 상태가 되고, FET4 가 상기 토크센서 출력전압(Vts)의 크기에 비례하여 조절된 PWM 주기를 가진 펄스를 인가하게 되고, 이는 직류모터(M)가 연결되는 구동장치의 출력 양단자(MPort1,MPort2)의 출력의 크기를 조절하게 된다. 이에 반하여 직류모터(M)가 역방향으로 전류를 발생할 경우에는 FET 모듈(170)의 FET2가 ON 상태로 되고, FET3 에 상기 토크센서 출력전압(Vts)의 크기에 비례하여 조절된 PWM 주기를 가진 펄스가 인가된다.

모터전류 감지부(180)는 션트 저항(Shunt)을 이용하여 직류모터(M)으로 흐르는 전류를 감지하는 블럭으로서, 션트 저항은 저항값이 수 mΩ에 불과하므로 이 저항에 의하여 검출되는 전류는 수 mV 의 출력값을 가진 상태로 모터전류 증폭부(60)로 피드백되고, 모터전류 증폭부(60)는 이 전류를 연산증폭기 U9C 로서 증폭하여 수 V 레벨로 증폭한 신호를 생성하며, 생성된 신호는 후술할 출력전류레벨 제한부(120)와 과부하 차단부(130)와 제어불능 감지부(140)로 각각 입력된다.

출력전류레벨 제한부(120)는 상기 모터전류 증폭부(60)에서 증폭된 신호를 입력받아 FET 모듈(170)의 과전류 상태를 검출하는 블럭으로서, 상기 모터전류 증폭부(60)에서 증폭한 신호는 원래의 동작 주파수와 동일한 주기를 갖는 신호로 출력되어 출력전류레벨 제한부(120)에 입력된다. 이때, R67 과 C9 을 통하여 출력 레벨이 일정 수준으로 적산(accumulate)되고, 그 값이 R63 과 R72 에 의해 설정된 전류값 이상이 되면 D18 의 캐소드가 Low 로 되고, 이와 연동된 논리게이트 U8C 의 입력단자를 Low 상태로 만들게 되므로, 논리조합부(80)로 입력되는 PWM 제어신호가 차단되어 PWM 폭이 제한되므로 직류모터(M)의 구동이 정지된다.

이후, 직류모터(M)의 구동이 정지되어 FET 모듈(170)에서의 출력 전류도 이를 따라서 하강하게 되므로, 입력되는 전류값이 상기 R63, R72 에 의한 설정된 전류값 이하로 다시 떨어지게 되고 이는 비교기 U10C 의 출력이 D18의 캐소드를 통하여 이와 연동된 논리게이트 U8C 의 입력단자를 High 상태로 만들게 됨으로써, PWM 제어 신호 발생부(90)로부터 출력되는 PWM 제어신호가 다시 논리조합부(80)를 통하여 모터구동부(160,160')로 입력되어 직류모터(M)가 다시 구동된다. 따라서, FET 모듈(170)에 흐르는 전류의 최대값이 출력전류레벨 제한부(120)에서 제한된 값으로 제어된다. 본 발명 실시예에서는 상기 출력전류레벨 제한부(120)가 제한할 수 있는 출력 전류의 최대치를 30A 로 설정하였으며 출력전류가 30A 이하인 경우에는 30A 를 최대 출력 전류로 하여 직류모터(M)의 구동을 계속하여 제어하되, 이를 초과하는 경우에는 후술할 과부하 차단부(130)의 R76, R79 에 의해 설정된 일정값 이상의 전류가 R77 과 C15 에 의하여 소정 시간 지속될 때, R74, C17 에 의한 소정 시간동안 직류모터(M)의 구동을 정지시키도록 구성할 수 있다.

과부하 차단부(130)는 상기 출력전류레벨 제한부(120)의 출력전류 제한과 더불어 과부하 상태가 소정시간 지속될 경우 제어 회로 자체와 직류모터(M)의 보호를 위하여 상기 PWM 제어신호 발생부(90)의 출력을 차단하는 신호를 발생하고 그 차단 시간을 결정하는 신호를 발생하는 블럭이다.

즉, R76, R79 값에 의해 설정된 전류값 이상으로 R77, C15 의 조합에 의한 RC 시정수 이상의 시간동안 지속될 경우에는 비교기 U9D 및 U11A 의 출력이 High 상태로되어 이와 연동된 논리게이트 U7D 의 입력단자를 High 상태로 만들게 되므로, 논리게이트 U7D 의 출력이 Low 가 되어 논리게이트 U8C 의 출력신호가 Low 가 됨으로써 PWM 제어신호 발생부(90)의 출력이 차단되어 직류모터(M)이 정지된다. 이때, 직류모터(M)가 정지되는 시간은 R74, C17 의 시정수 값으로 결정한다. 본 발명의 실시예에서는 모터 출력 전류가 30A 이상으로 3 초 지속시 시스템의 OFF 를 10 초동안 지속시키도록 설정되어 있고, 본 발명의 제어 회로의 적용 상황에 따라서 감지할 수 있는 출력 전류의 레벨, 동작 모드로 진입하기 위한 지속시간, 정지상태의 지속시간을 설정할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 실시예에서는 과부하 차단부(130)에 의하여 PWM 제어신호 발생부(90)의 신호가 차단되고 그 이후 시스템이 정상적으로 복구되었을 경우에, 차후 동일한 상황에 대한 민감도를 간단한 수동소자인 캐패시터 C15 의 충전 방전값으로 누적된 회로의 특성을 갖게 하도록 구성되었다. 즉, 1 단의 비교기 U9D 측에는 D19 와 R77 x C15 에 의하여 과부하 검출을 위한 이상 지속시간을 결정할 수 있도록 하고, 2 단의 비교기 U11A 측에는 D19 와 R95 x C17 에 시정수에 의하여 즉시 충전경로가 형성되어 C17 을 통하여 방전되고, 그 시간은 C17 x R74 의 시정수 값에 의하여 직류모터(M)의 정지 시간이 결정할 수 있도록 구성되었다.

제어불능출력 감지부(140)는 상기 출력전류레벨 제한부(120)에서 차단할 수 있는 전류 레벨을 벗어나는 모터 출력전류가 입력되면 이를 R53, R59 에 의하여 검출하고, 상기 PWM 제어신호 발생부(90)에서의 모터구동부(160,160')의 방향제어 입력단자(A,B)를 차단함과 동시에 PWM 제어 신호 발생부(90)를 차단하여 직류모터(M)의 구동을 즉시 정지하도록 하는 블럭으로서, 상술한 출력전류레벨제한부(120)와 과부하차단부(130)와는 달리 적산(accumulate) 되지 않는 피드백 전류 증폭 신호를 입력으로 사용하여 시간의 지연없이 직류모터(M)의 구동이 즉각적으로 정지될 수 있도록 함으로써, 순간적으로 발생할 수 있는 제어 불능한 전류로부터 직류모터(M)와 제어 회로를 보호한다.

즉, R53, R59 에 의하여 설정된 값 이상의 모터 출력 전류가 입력되면 이를 검출하여 비교기 U10B 의 출력이 D13 의 캐소드를 통하여 이와 연동된 논리조합부(80)의 논리게이트 U3A 의 입력 단자 및 U3B 의 입력 단자를 Low 상태로 만들게 되고, 상기 논리게이트 U3A 및 U3B 의 출력이 Low 가 됨으로써, 모터구동부(160,160')의 방향제어 입력단자(A,B)에 전류가 차단되어 PWM 제어신호 발생부(90)에 의한 PWM 제어 입력단자(A',B')의 활성화 여부와 상관없이 직류모터(M)에 공급되는 부하 전류를 1 차적으로 차단할 수 있다.

또한, PWM 제어 신호 발생부를 차단하기 위하여 상기 R53, R59 는 이들에 의하여 설정된 값 이상의 모터 출력 전류가 입력되는 경우 이의 주파수를 검출하여 주파수가 동작 주파수보다 현저하게 낮아졌을 경우에 PWM 제어 신호 발생부(90)의 출력을 차단하는 기능을 수행한다.

즉, PWM 제어 신호의 동작주파수를 14KHz, 전류 제한을 30A 로 설정한 본 발명에 의한 실시예에 의하면, 부하에 40A 정도의 전류가 흐를 경우 5KHz 정도가 출력되도록 R53,R59 의 값을 조정하였다. 그리고, 상기 R53, R59 의 저항 분배기를 이용하는 비교기 U10B 의 출력과 연동된 U8B의 입력 단자가 5KHz 이하에서 Low 상태가 되도록 R57, C11 의 값을 설정한다. 그러면, 노이즈성 신호 또는 기타 원인에 의하여 순간적으로 과전류가 되면, D13의 캐소드 방향은 필터링 되기전의 값을 가지므로 Low 상태가 되어 상술한 바와 같이 방향제어 입력단자(A,B)가 차단되고, 과전류 상태가 5KHz 이하에서 R57, C11 의 시정수를 가지는 시간 동안 지속될 경우에는 이와 연동된 논리게이트 U8B의 입력 단자가 Low 상태가 되어 U8B 의 출력신호가 Low 상태로 되고, 이 출력신호는 논리게이트 U6C 의 입력단자로 되먹임되어 D18 의 캐소드 방향을 Low 상태로 만들고, D18 과 연동된 논리게이트 U8C 의 입력 단자가 Low 상태가 되어, 결국 U8C 의 출력도 Low 상태가 됨으로써 PWM 제어 신호 발생부(90)의 출력이 차단된다.

또한, 제어불능출력감지부(140)는 모터전류 증폭부(60)에서 입력된 신호의 주파수가 제어 회로의 기본 주파수보다 상당히 작은 주파수가 될 정도로 제한이 될 경우, 즉 PWM 파형의 듀티비가 매우 작게 감소되고 PWM 제어 신호의 듀티비의 제한이 최소 정도로 제한이 되었음에도 불구하고 더 큰 부하 전류가 흘러 PWM 제어 신호의 주파수가 점차 감소하여 5KHz 정도로 제어주파수가 낮아지는 경우질 경우에는 직류 모터(M)의 단락 또는 FET 모듈(170)의 이상이므로, R54, R57, C11 값으로 설정된 값에 의해 시스템 OFF 신호를 송출하는 기능을 추가적으로 가진다.

즉, R57 후단은 정상적인 주파수보다 상당히 작은 주파수가 될 정도로 제한이 되는 때를 감지하여 래치/시스템정지부(150)의 논리게이트 U8B 의 입력 단자를 High 상태로 만들어 U8B 의 출력신호가 High 상태가 되므로, 이 출력 신호가 이와 연동된 논리게이트 U6B, U4D 및 U3C 를 통하여 소정의 전달 지연시간동안 래치(latch)된 후 시스템 정지 인터페이스 단자(TERMINATE)를 활성화하여 이 단자와 연동된 콘텍터(외부적으로 모터 구동부에 전력을 공급하는 스위치, 미도시)의 연결이 해제되므로, 모터 구동부(160,160')의 공급 전력이 차단되어 본 발명 제어회로가 채용되는 전동지게차나 전기자동차등의 구동이 완전히 정지된다. 이때, 기본 주파수보다 상당히 작은 주파수가 될 정도로 제한이 되는 경우의 감지신호가 래치/시스템정지부(150)에 전달되는 전달 시간은 R57 을 통한 C11 에의 충전시간과 R54 를 통한 D13 으로의 방전시간으로 결정한다.

래치/시스템 정지부(150)는, 상술한 제어불능출력 감지부(140)에 의한 시스템의 정지 기능 이외에도 모터구동부(160,160')에서 이상 원인으로 인한 누출전류가 계속될 경우에 시스템을 정지시킬 수 있는 기능을 추가적으로 가지고 있다.

즉, 직류모터(M)가 구동하지 않고 중립의 위치에 있을 경우, 즉, 토크센서 출력전압(Vts)이 5.5 V 내지 7.5V 의 범위에 있는 경우에, 직류모터(M)에 전류 명령치 입력이 없슴에도 불구하고 FET 모듈(170)의 FET 소자의 소손이나 선로 단락 또는 직류모터(M)의 이상 등의 이유로 의하여 모터구동부(160,160')로부터 이상 전류가 누출되는 경우가 있을 수 있는데, 이는 모터구동부(160,160')와 FET 모듈(170)에 성능 저하를 야기하므로, 이와 같은 누출 전류를 방지하기 위한 것이다.

이를 위하여 FET3 및 FET4 로 입력되는 모터구동부(160,160')의 PWM 제어신호 입력단자(A',B')의 출력을 논리게이트 U7B 의 NOR 게이트로 각각 입력시켜, 이 신호들을 논리합한다. 이 상태에서 모터구동부(160,160')로 인가되는 입력전류가 없을 경우에는 상기 PWM 제어신호 입력단자(A',B') 양쪽의 출력 신호가 모두 Low 상태이므로 논리게이트 U7B 의 출력신호가 High 의 상태가 되어 논리게이트 U4D 로 전달되고, R65 를 통하여 피드백되어 논리게이트 U6C 의 입력단을 High 상태로 만들어 그 상태로 래치 상태를 유지하게 된다.

이어서, 비교기 U10A 으로 입력되는 모터전류 증폭부(60)의 출력 전류에 의한 전압값과 이 비교기 U10A 에 입력단에 결선된 R44 와 R49 와의 분기 전압이 비교기에 의하여 비교되어 출력값이 생성되는 경우에는(본 발명 실시예에서는 1A 이상의 누출 전류가 있을 경우에 비교기 U10A 의 출력값이 Low 상태가 생성되도록 R44 와 R49 의 저항치를 조절하였다), Low 상태의 신호가 비교기 U10A 에서 출력되어 논리게이트 U6C 의 입력단으로 입력되고, 상기 논리게이트 U6C 의 다른 입력단자에 R65 를 통하여 래치되어 있던 High 상태의 신호와 논리곱되어 상기 논리게이트 U6C 의 출력값이 High 상태가 된다. 따라서, 상기 논리게이트 U6C 의 High 상태의 출력신호는 논리게이트 U4D 및 U3C 를 통하여 소정의 전달 지연시간동안 래치(latch)된 후, 시스템정지 인터페이스 단자(TERMINATE)를 활성화시켜 상술한 바와 같이 이 단자와 연동된 콘텍터 (미도시)의 연결이 해제되므로, 모터 구동부의 공급 전력이 차단되어 본 발명 제어회로가 채용되는 전동지게차나 전기자동차등의 구동이 완전히 정지된다.

이때, 상기 모터구동부(160,160')에 작용되는 노이즈성 신호에 의하여 생성되는 기생 신호에도 민감하게 반응하여 시스템이 쓸때없이 정지될 우려가 있으므로, 상기 논리게이트 U7B 에서 전달되는 출력 신호에 R48 과 C9 를 통한 시정수값에 의하여 전달지연시간을 가지게 하되, D11 과 결선된 R50 을 통하여 빠른 시간으로 방전시킨다.

한편, 미설명 블럭 110 의 보조전원부는 FET 모듈(170)에 인가되는 전류의 양이 연속적으로 유지될 수 있도록 정전압부(10)에 부가되는 블럭으로서, 본 발명 실시예에서는 PWM 제어신호 발생부(90)에 사용되는 제어 주파수와 동일한 주파수의 구형파 출력을 Voltage Pump 의 스위칭 입력으로 TR Q1, Q2 의 입력단에 인가하고, C1 과 C2 의 충방전과 다이오드 D1, D2 의 개폐에 의해 양의 반주기 동안의 C1 에 축적된 충전 전하량과 음의 반주기 동안의 C2 에 축적된 충전 전하량에 의한 충방전에 의해 보조 전원의 출력을 발생시킨다. 본 발명 실시예에서는 보조 전원의 출력을 12V 로 조절하였으며, 동작상의 안정성을 위해 12V 의 정전압을 유지하는 제너 다이오드(ZD1)를 채용하여 정전압하였다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어회로의 동작 순서를 상세하게 설명한다.

본 발명 제어회로를 작동시키기 위하여 키 스위치 신호 발생부(20)의 키 스위치를 ON 시키면, 키스위치 신호 발생부(20)와 연동된 정전압부(10)가 배터리(BATT)에서 출력되는 전압을 정전압하여 동작전압(Vcc)을 출력하고, 정전압부 에러검출부(30)는 상기 동작전압(Vcc)의 이상 상태를 검출한다. 만일, 동작전압이 12V 이상이 검출되면, 모터 구동부(160,160')의 방향제어 입력단(A,B)을 차단시켜 모터(M)의 구동을 정지시킨다.

다음으로, 동작 전압(Vcc)의 이상이 없으면, 구동 핸들의 조향 방향에 따라서 토크센서(TS)의 출력전압(Vts)이 제어 회로로 입력된다. 이 출력전압(Vts)은 토크센서 에러 검출부(40)에 의하여 그 이상 상태가 계속적으로 검출되는데, 전술한 바와 같이 Vts 가 +1V 이하 또는 +11V 이상이면 토크센서 에러검출부(40)의 비교기 출력이 High 상태가 되어 모터 구동부(160,160')의 방향제어 입력단(A,B)을 차단되고 모터(M)의 구동을 정지시키게 된다.

계속하여 상기 토크센서 출력전압(Vts)는 절대치 생성부(70)로 입력되어 기준 전압(Vref)을 기준으로 양의 영역과 음의 영역에서 서로 대칭이 되도록 절대값이 생성되고, 생성된 출력전압(Vts)의 절대치는 모터 회전방향 검출부(50) 및 PWM 제어신호 발생부(90)로 입력되어 Vts 의 값에 따른 직류모터(M)의 정회전 또는 역회전의 방향과 PWM 제어 신호의 듀티비를 제어한다.

도 3 은 본 발명의 실시예에 있어서 Vts 의 값에 따른 직류모터(M)의 부하전류량을 그래프로 도시한 것으로서,

Vts 값이 1V 내지 2V의 범위 또는 Vts 값이 10V 내지 11V 인 경우에는, PWM 제어신호 발생부(90)에서의 제어 신호의 듀티비가 최대(Maximum)인 상태가 되어 직류 모터(M)에 -30A 또는 +30A 의 최대 전류가 공급되는 경우인데, 이는 조향 바퀴가 최대 위치에 있거나 부하 전류가 과다한 경우이므로 이 상태가 3 초 이상 지속되면, 전술한 바와 같이 과부하 차단부(130)에 의하여 즉시 PWM 제어신호 발생부(90)의 출력이 차단되어 직류모터(M)의 구동이 정지된다.

Vts 값이 2V 내지 5V 의 범위 또는 8V 내지 10V 인 경우에는, PWM 제어신호 발생부(90)에서의 제어신호가 정상적으로 공급되어 FET 3 과 FET 4 가 스위칭되고, 모터 회전방향 검출부(50)에서의 제어 신호에 따라서 직류모터(M)가 정회전 하거나 역회전하는 구간이다. 본 발명 실시예에서는 상기 Vts 값이 2V 내지 5V 의 범위일 경우에는 직류모터(M)가 역회전(ccw)하고, Vts 값이 8V 내지 10V 의 범위일 경우에는 직류모터(M)가 정회전(cw)하게 되며, 직류모터(M)의 부하 전류량은 -30A 부터 0 A 미만 또는 0 A 부터 30A 미만의 값을 가지게 된다.

Vts 값이 5V 내지 8V 인 경우에는, 직류모터(M)의 부하되는 전류량이 0 A 로서 직류모터(M)가 정지되는 구간이므로 FET 모듈(170)의 모든 FET 소자들이 OFF 된다.

위와 같은 순서에 따라서 동작하는 본 발명의 직류 모터 제어 회로는, 상술한 바와 같이 직류모터(M)의 구동하기 위한 기본적인 제어를 수행함은 물론, 상기 FET 모듈(170)에서 출력되는 부하 전류의 값을 검출하여 이 값에 따라서 직류모터(M) 와 FET 모듈(170) 및 제어 회로 전체를 이상 상태로부터 보호하는 기능을 추가로 부여한 것으로, 이하, 상기 FET 모듈(170)에 결선된 모터전류 감지부(180)의 출력 전류값에 따라서 이루어지는 본 발명 제어 회로의 동작을 설명한다.

모터전류 감지부(180)에서 피드백 된 FET 모듈(170)의 출력 전류는 모터 전류 증폭부(60)에 의하여 증폭되고, 증폭된 출력 전류가 25A 이상 30A 이상일 경우에는 출력전류레벨 제한부(120)에 의하여 전류레벨 제한이 이루어져 최대 출력 전류가 30A 로서 제한되며, 30 A 이상 40 A 미만일 경우에 이 상태가 3 초이상 지속될 경우에는 이는 조향 바퀴가 최대 위치에 있거나 부하 전류가 과다한 상태이므로 과부하 차단부(130)에 의하여 PWM 제어 신호 발생부(90)의 출력이 차단되어 직류모터(M) 구동이 정지된다.

또한, 40A 이상일 경우에는 FET 모듈(170)의 FET 소자 또는 직류모터(M) 가 소손된 경우이거나 선로상 단락이 된 경우이므로 제어불능출력 감지부(140)에 의하여 PWM 제어 신호 발생부(90)의 작동 여부와는 관계없이 모터 구동부(160,160')의 방향제어 신호 입력단의 신호가 차단되어 직류모터(M)의 구동이 즉시 정지되고, 구동이 정지된 상태에서 래치/시스템 정지부(150)에 의하여 소정의 전달 지연시간동안 래치되었다가 시스템 정지 인터페이스 단자(TERMINATE)에 신호가 전달되어, 이 단자와 연동된 콘텍터(미도시)의 연결이 해제되어, 모터 구동부의 공급 전력이 차단됨으로써 본 발명 제어회로가 채용되는 전동지게차나 전기자동차등의 구동을 완전히 정지시킨다.

또한, 토크센서 출력전압(Vts)이 5.5 V 내지 7.5V 의 범위에 있는 경우에, 즉, 직류모터(M)에 전류 명령치 입력이 없슴에도 불구하고 모터구동부(160,160')로부터 이상 전류가 누출되어 1A 정도의 누출 전류가 30 초 이상 발생하는 경우에는 FET 모듈(170)이 선로상 단락되었거나 직류모터(M) 또는 FET 소자의 성능이 저하된 경우이므로, 래치/시스템 정지부(150)에 의하여 소정의 전달 지연시간동안 래치되었다가, 시스템정지 인터페이스 단자(TERMINATE)에 신호가 전달되어 상술한 바와 같이 전동 지게차나 전기 자동차의 구동이 정지된다.

이상과 같이, 계시된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였으나, 이는 오로지 실시예를 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 해당 업계의 당업자에 의하여 다양한 변형 실시가 가능함은 자명하다 할 것이다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 효과는, 출력 전류의 레벨과 전류의 지속 시간에 따라서 소자의 특성이나 다양한 설치 환경에서 야기될 수 있는 비정상적인 동작 상태의 감지 및 부하 전류를 제한하거나 모터의 구동을 정지시킬 수 있는 대응 기능들을 구현함으로써, 제어 회로에 사용되는 모터와 구동 소자들의 수명을 연장시킬수 있으며, 제어 회로의 이상 상태와 그 원인을 정확하게 파악하게 됨으로써, 차후 발생할 수 있는 고장을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 온도나 습도, 노이즈 등에 강하고, 동작이 단순한 선형성의 아날로그 소자만으로 제어 회로를 구성함으로써, 제품의 내구성을 향상시키고 제어 동작의 안정성과 신뢰성을 제고(提高)시키며, 종래의 디지털 소자를 이용한 제어회로에 비하여 비교적 저렴한 가격으로 제조될 수 있는 장점을 가지는 진보한 발명인 것이다.

도 1 은 본 발명 제어 회로의 블럭도,

도 2a 내지 도 2c 는 도 1 의 블럭도의 상세 회로도,

도 3 는 본 발명에 있어서 토크센서의 출력 전압에 따른 부하 전류의 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10; 정전압부 20; 키 스위치 신호 발생부

30; 정전압부 에러 검출부 40; 토크센서 에러 검출부

50; 모터 회전방향 검출부 60; 모터 전류 증폭부

70; 절대치 생성부 80; 논리 조합부

90; PWM 제어신호 발생부 100; 파형 발생부

110; 보조 전원부 120; 출력전류레벨 제한부

130; 과부하 차단부 140; 제어불능출력 감지부

150; 래치/시스템 정지부 160,160'; 모터 구동부

170; FET 모듈 180; 모터전류 감지부

M; 직류 모터 TS; 토크 센서

Claims

조향 장치용 직류 모터와, 키 스위치의 입력에 의하여 상기 직류 모터에 배터리로부터의 구동 전류를 공급하되 논리 조합에 의하여 구동 방향의 제어 신호와 PWM 제어 신호가 입력되는 모터 구동부와, 상기 모터 구동부로부터 입력되는 구동 전류와 제어 신호에 따라서 FET 소자들을 스위칭시켜 모터를 구동시키는 FET 모듈과, 상기 FET 모듈의 출력 전류를 감지하는 모터전류 감지부와, 상기 모터전류 감지부에서 출력된 감지 전류를 피드백 받아 전류 증폭하는 모터전류 증폭부, 를 가진 전자식 조향 장치용 DC 모터의 제어 회로에 있어서,

상기 직류 모터에 부설된 토크 센서의 출력 전압을 기준 전압(Vref)을 기준으로 양의 전압 영역이나 음의 전압 영역에서 서로 대칭이되는 전압값(Vo)을 출력하여 이 전압값(Vo)과 기준전압(Vref)과의 대소를 비교하여 모터 구동부의 구동 방향을 결정하는 절대치 생성부와;

구형파를 출력하는 구형파 발생기와 삼각파를 출력하는 삼각파 발생기로 이루어지며, 상기 구형파 출력은 상기 모터 구동부로 입력되는 보조 전원을 형성하고, 상기 삼각파 출력은 상기 절대치 생성부의 전압값(Vo)과 혼합되어 PWM 파형의 듀티 사이클을 결정하는 PWM 제어신호 발생부와;

저항 분배기를 통하여 기준 전류값이 설정되어 있고, 상기 모터전류 증폭부에서 증폭된 모터 전류값을 입력받아 직류모터의 구동 구간에서 상기 기준 전류값과 입력된 모터 전류값을 비교기에서 상호 비교하여 입력된 모터 전류값의 과전류 상태를 검출하고, 과전류 상태인 경우 상기 PWM 제어 신호를 차단하여 직류 모터의 구동을 정지시켜 모터 전류값을 상기 기준 전류값 이하로 제한하는 출력전류레벨 제한부; 를 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자식 조향 장치용 직류 모터의 제어회로.
제 1 항에 있어서,

상기 출력전류레벨 제한부에서 제한하는 기준 전류값 이상을 가지는 과부하 전류값이 저항 분배기를 통하여 설정되어 있고, 상기 모터전류 증폭부에서 증폭된 모터 전류값을 입력받아 직류모터의 구동구간에서 상기 과부하 전류값과 입력된 모터 전류값을 비교기에서 상호 비교하여 입력된 모터 전류값의 과부하 상태와 과부하 상태의 시간이 RC 회로의 시정수에 의한 기준 시간을 초과하는지를 검출하고, 과부하 상태에서 기준시간을 초과할 경우 상기 PWM 제어 신호를 차단하여 직류 모터의 구동을 RC 회로의 시정수에 의한 소정 시간동안 정지시키는 과부하 차단부; 를 더 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자식 조향 장치용 직류 모터의 제어회로.
제 2 항에 있어서,

상기 과부하 차단부에서 제한하는 과부하 전류값 이상을 가지는 제어불능 전류값이 저항 분배기를 통하여 설정되어 있고, 상기 모터전류 증폭부에서 증폭된 모터 전류값을 입력받아 직류모터의 구동 구간에서 상기 제어불능 전류값과 입력된 모터 전류값을 비교기에서 상호 비교하여 입력된 모터 전류값의 제어불능 상태를 검출하고, 제어불능 상태인 경우 상기 모터 구동부의 구동방향 제어신호를 차단하여 직류 모터의 구동을 정지시키는 제어불능상태 감지부; 를 더 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 조향 장치용 직류 모터의 제어회로.
제 3 항에 있어서, 상기 제어불능상태 감지부는,

상기 제어불능 전류의 주파수를 저항 분배기를 통하여 검출하고, 검출된 상기 제어불능 전류의 주파수가 모터 전류의 정상 동작 주파수보다 낮은 레벨을 가지고 RC 충방전회로를 통한 시정수에 의한 소정 시간동안 지속되게 입력되는 경우, 상기 PWM 제어 신호 발생부의 출력을 차단하고, 직류 모터의 구동을 정지시키는 구성을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조향 장치용 직류 모터의 제어회로.
제 3 항에 있어서, 상기 제어불능상태 감지부는,

모터 전류 신호의 주파수보다 극히 작은 주파수를 가지는 제한 주파수가 캐패시터와 저항 및 다이오드의 충방전회로를 통하여 설정되어 있고, 모터전류 증폭부에서 입력된 모터 전류 신호의 주파수가 상기 제한 주파수보다 작을 경우 상기 충방전회로와 연동된 논리게이트를 통하여 논리게이트의 전달 지연시간동안 래치한 후, 상기 모터 구동부에 공급되는 전력을 차단시키는 차단시키는 구성을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조향 장치용 직류 모터의 제어회로.
제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,

1A 이상의 전류값을 가지는 누출전류값이 저항 분배기를 통하여 설정되어 있고, 상기 모터전류 증폭부에서 증폭된 모터 전류값을 입력받아 직류모터의 정지 구간에서 상기 누출 전류값과 입력된 모터 전류값을 비교기에서 상호 비교하여 직류모터의 정지구간에서의 누출 전류값을 검출하고, 누출 전류값이 있는 경우 상기 비교기와 연동된 논리게이트들을 통하여 논리게이트의 전달 지연시간동안 래치한 후, 상기 모터 구동부에 공급되는 전력을 차단시키는 차단시키는 구성을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조향 장치용 직류 모터의 제어 회로.