KR100559066B1 - 전기 모터 구동 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 엔드 스테이지에 의해 제어가능한 전기 모터를 갖는 전기 모터 구동 장치에 관한 것으로, 상기 엔드 스테이지는 마이크로프로세서를 구비하고 있는 제어 회로를 가지고 있으며, 이 제어 회로를 이용해서 펄스폭 변조 가능한 엔드 스테이지가 제어되고, 제어 회로는 과부하 스테이지를 포함하고, 이 과부하 스테이지는 전기 모터의 온도로부터 전기 모터의 과부하를 검출한다.

이는 전기 모터의 온도를 제어 회로(18)의 펄스폭-변조-신호(16)로부터 얻도록 한다.

엔드 스테이지, 전기 모터, 제어 회로, 펄스폭-변조-신호, 과부하 스테이지

Description

전기 모터 구동 장치{control system using an electric motor}

본 발명은 엔드 스테이지를 통해 제어 가능한 전기 모터를 갖는 전기 모터 구동 장치에 관한 것이다.

상기 방식의 전기 모터 구동 장치들은 공지되어 있다. 이들은, 예를 들어, 자동차에서 제어 모터로서 사용된다. 상기 제어 모터들은 자동차의 배터리로부터 공급되는 공급전압으로 구동된다. 직류 모터로 구현된 전기 모터들은 특히 자동차의 열에 대한 임계 영역, 예를 들어, 내연 기관 바로 가까이에 장치된다. 또한, 전기 모터를 치명적인 열 손상으로부터 보호하기 위한 과부하 보호 장치를 전기 모터 구동 장치들에 제공하는 것은 공지되어 있다.

공지된 바와 같이, 열적 과부하로부터 전기 모터를 보호하기 위해, 하우징 온도 및/또는 직류 모터의 아마추어 와인딩 온도를 온도 감지 센서나 바이메탈 소자에 의해 검출된다. 허용 온도를 초과하면, 전기 모터의 전류 공급이 중단된다.

또한, 전기 소모체, 예를 들어, 자동차 내의 직류 모터용 모터 엔드 스테이지가 펄스폭-변조-신호에 의해 제어되는 것은 공지되어 있다. 펄스폭-변조-신호의 듀티 사이클에 따라서 전기 소모체는 전압원과 연결되거나 전압원으로부터 분리된다.

국제 특허 공보 제 WO 94/27349 호로부터 전기 모터 구동 장치가 공지되어 있으며, 상기 장치에서 모터 엔드 스테이지는 제어 회로와 연결되고, 상기 제어 회로는 과부하 신호를 전기 모터의 온도에 따라서 발생시킨다. 이때 전기 모터의 온도는, 전기 모터의 듀티 사이클 동안 측정된 모터 데이터에 기초하여 출력 손실 또는 이것에 비례하는 값으로부터 계산되고 적분되며, 이 적분값은 과부하 신호의 전송을 위해서 미리 설정가능한 임계치와 비교된다. 여기서, 모터 데이터의 필수적인 측정 때문에 전기 모터의 듀티 사이클 동안에는 측정이 필요하다는 것이 단점인데, 이는 또한 오류를 가지므로 정확한 과부하 신호가 얻어질 수 없다.

청구항 1항에 서술된 특징을 포함하는 본 발명에 따른 전기 모터 구동 장치는, 간단한 방법으로 전기 모터 구동 장치를 차단하기 위한 정확한 과부하 신호가 제공될 수 있다는 장점을 갖는다. 전기 모터의 온도는 제어 회로의 펄스폭-변조-신호로부터 얻어지므로, 전기 모터의 작동 중에는 모터의 데이터 측정이 불필요하다. 따라서 회로의 복잡성이 상당히 단순화된다. 즉, 모터 작동 중에 데이터 측정과 연관되어 발생하는 에러 소스가 마찬가지로 회피되므로, 상기 신호는 높은 정확도로 발생될 수 있다. 모터 온도의 결정은 오직 기존의 신호만으로, 즉, 전기 모터의 제어를 위한 펄스폭-변조-신호로부터 이루어진다. 전류 또는 온도와 같은 작동 파라미터들의 추가적이고 직접적인 측정이 필요하지 않다.

본 발명의 바람직한 실시예는 나머지 청구항으로부터, 즉 종속 청구항의 특징에 나타난다.

도 1은 전기 모터 구동 장치의 회로도.

본 발명은 하기에서 해당 도면에 의해 실시예에서 상세히 설명된다.

도 1은 회로도로서 전기 모터 구동 장치를 도시한다. 전기 모터 구동 장치는 직류 모터(10)를 포함하고 있으며, 상기 모터는, 예를 들어, 차량 내의 제어 모터로서 작동한다. 이 직류 모터(10)는 엔드 스테이지(12; end stage)에 연결되며, 엔트 스테이지는 직류 모터(10)를 에너지원(14)과 연결하는 스위치 수단을 갖는다. 자동차에서 에너지원은, 예를 들어, 자동차 배터리이다. 스위칭 스테이지(12)에 제어신호(16)가 제공되고, 상기 신호는 제어 회로(18)에 의해서 공급된다. 제어 회로(18)를 이용해서 스위칭 스테이지(12)의 펄스폭 변조 제어가 이루어짐으로써, 공지된 바와 같이 직류 모터(10)의 클록 방식 작동 방법이 가능하다.

직류 모터(10)의 의도된 사용 동안, 이 모터가 예를 들어 어려움이나 장애요소들에 의해서, 즉 직류 모터(10)에 의해 이동 가능한 제어소자의 제어 경로에서 기계적으로나 열적으로 과부하되기 때문에, 적절한 시기에 과부하 신호를 발생시키기 위해 직류 모터(10)의 온도 감시가 필요하다. 이를 위해 제어 회로(18)에 과부하 스테이지(20)가 통합된다.
과부하 스테이지(20)를 이용해서 직류 모터(10)의 온도를 측정하는 것은 아래와 같이 온도 모델에 기초하여 이루어진다.

공지된 바와 같이, 직류 모터(10)의 온도는 공급된 출력과 배출된 출력에 달려 있으며, 그것은 다음과 같다.

여기서 P_T는 직류 모터의 온도 출력, P_zu는 공급된 출력, 그리고 P_ab는 배출된 출력이다. 이 배출된 출력 P_ab는 이미 공지된 직류 모터의 구조에서, 예를 들어 장시간의 운전 테스트를 거쳐서 구해지게 되며 하나의 상수로 가정된다.

공급된 출력은 다음과 같은 수학식 2로부터 얻어진다.

여기서 U는 제어 회로(18)에 의해 설정되는 펄스폭-변조-신호(16)이며, I는 모터 전류이고, R은 모터의 아마추어 저항이다. 이 저항 R은, 온도 의존도를 무시한 상수로 가정된다. 본 발명에 따라 직류 모터(10)의 아마추어 저항 R은, 예를 들어, -40℃에서 +85℃까지의 온도범위에서 약 50%만큼 변동한다.
직류 모터(10)의 온도를 측정하기 위해 작동 상태가 둘로 구분되어야 한다. 제 1 작동 상태(비단열적인 경우)는 직류 모터(10)의 아마추어가 움직이고, 따라서 열은 탄소 브러쉬를 통해 아마추어의 정류자의 전체 둘레에서 방출된다. 제 2 작동 상태(단열적인 경우)는 직류 모터(10)의 아마추어가 정지하거나 또는 상당히 저속으로 회전하는 경우이다. 이때 정류자로부터 전류 탄소 브러쉬를 통한 열의 배출이 상당히 제한됨으로써, 아마추어와 탄소 브러쉬의 더 빠른 온도 상승이 일어날 수 있다.

이어서, 제어 회로(18)의 펄스폭-변조-신호(16)로부터 직류 모터(10)의 온도를 얻는 것이 설명된다. 온도는 모델 계산에 의해서, 즉, 예를 들어 온도 감지 센서를 통한 직접적인 온도 측정 없이 구해진다. 온도 검출은 어떤 일정한 시간 간격으로 이루어질 수 있다. 여기서 실제의 온도 출력 P_T의 계산을 위한 시간 간격으로서, 디지털 펄스폭-변조-신호의 타임 슬롯 패턴이 선택될 수 있다. 예를 들어 오프에서 온으로 및/또는 온에서 오프로 디지털 신호 절환의 각 에지에서 계산이 이루어질 수 있다. n번째 제어값(n번째 에지)을 고려하는 시간 간격으로 계산이 이루어지는 것이 바람직하다. 필터를 이용해서 고려될 n번째 제어값이 얻어질 수 있다.

순시 출력 P_mom 은 순시 디지털 펄스폭 변조의 신호(16) PWM_mom의 제곱에 의해서 얻어진다. 이는 스위칭 스테이지(12)에서의 펄스폭-변조-신호(16)의 실제 출력값과 같다. 이에 다음과 같다.

직류 모터(10) 내에서 회전 속도의 증가에 따라 발생하는 역전압(countervoltage)이 고려되는 것이 아니라 평균적으로 비례 팩터로서 가정하며, 이 팩터는 계속되는 파라미터화에 의해 고려될 수 있다.

이어서 직류 모터(10)에 의해 결정되는 최대허용출력 P_grenz은 계산된 출력 P_mom값에서 감산되고, 따라서 차이 출력 P_diff은 다음과 같이 나오게 된다.

순시 출력의 계산을 위해 적용되는 매 시간 간격마다(n번째 신호 에지), 차이 출력 P_diff 이 적분되고, 다음과 같다.

이렇게 적분된 출력 P_neu이, 직류 모터에서 정의될 수 있는 경고 출력 P_warn에 이르면, 제어 회로(18)에 의해 스위칭 스테이지(12)용 펄스폭-변조-신호(16)는, 적은 출력의 제어가 이루어지도록 변동될 수 있다. 따라서, 직류 모터(10)의 온도부하가 감소된다. 차이 출력 P_diff의 부가 적분을 통해서, 규정된 차단 임계값 P_max에 이르게 되며, 상기 임계값에서 직류 모터(10)가 차단된다. 동시에 각각 규정된 시간 간격으로 계속해서 계산이 진행되는 경우에 적분값 P_neu의 감소는, 한계 출력 P_grenz만큼 선형적으로 이루어진다. 직류 모터(10)는 적분값 P_neu이 규정된 한계 P_min에 이르렀을 때에 턴온된다. 펄스폭-변조-신호(16)에 의해 직류 모터(10)가 턴온될 때, 출력 P_neu에 대한 적분이 전술한 과정에 따라서 시작된다.

특정 직류 모터(10)와 이 모터의 특정 사용 조건에 매칭되는 특성 연속 동작 프로그램에 의해 최대로 허용될 수 있는 연속 부하가 시뮬레이션된다. 이때, 경우에 따라서 전형적으로 또는 평균적으로 예상되는 부하 모멘트와 관계된 강제 냉각을 고려하면서, 예를 들어, 외부 온도와 공기 습도에 관련한 최악의 조건들이 고려되어야 한다. 외부 온도와 경우에 따라 공기 습도가 최악의 기대값으로 설정됨으로써, 최대허용 연속부하가 구해진다. 직류 모터(10)의 허용 온도에 이를때 까지, 연속 작동 사이클 및/또는 부하 모멘트가 점진적으로 증가한다. 시상수를 기초로, 허용 연속 부하를 얻기 위해서, 구해진 허용값보다 약간 아래에 있는 값이 구해지게 된다. 그래서 선택된 부하 파라미터 하에서, 직류 모터(10)가 연속부하 모드로 작동되고, 직류 모터(10)의 열적 시스템 시상수의 3배에서 5배에 해당하는 일정 시간 후에 안정된 상태가 된다. 이러한 조건들에 상응하는 펄스폭-변조-신호(16)는 제어 회로(18)에 의해 검출되고, 메모리에 저장되며, 사용 조건 하에서 나중의 온도 결정에 이용된다.
한계 출력 P_grenz는 적분값 P_neu의 시간에 따른 증가로부터 얻어질 수 있으며, 상기 증가는 처음에는 P_grenz = 0로서 계산되므로 단조롭게 증가한다. 한계 출력 P_grenz에 대해 얻어진 값들을 취하는 것은, 직류 모터(10)의 최대 허용 부하에서 적분값 P_neu이 변화없이 유지되게 한다. 경고 출력 P_warn은 차단 출력 P_max의 아래로 규정된다.

이미 전술한 단열의 경우를 고려하기 위해, 즉, 탄소 브러쉬를 통해서 충분한 열배출이 이루어지지 않아서 극도의 온도상승이 발생할 경우를 고려하기 위해, 필터 출력 P_filter을 포함한 순시 출력 P_mom이 필터링된다. 이 필터 출력은 아래와 같은 수학식 6에서 나온다.

K는 증폭률이며, T_a는 샘플링 시간, 그리고 T는 타우값(tau value)이다.

필터 출력 P_filter이 경고 출력 P_warn'을 초과하면, 직류 모터(10)의 제어을 위해서 열적으로 미소하게 부하가 걸리도록 하는 제어전략으로 전환되며, 차단 출력 P_max'를 넘어서는 경우, 직류 모터(10)가 차단된다. 그런 후에 필터 출력 P_filter은, 최소 출력 P_min'에 다다를 때까지 시상수로 감소하며, 이 시점에서 필터 출력 P_filter은 일정하게 유지되고, 직류 모터(10)는 다시 턴온된다.

이 필터의 시상수는, 직류 모터(10)가 최대 가능한 부하에 의해 작동 온도에서부터 임계 온도까지 상승되는 수치이다. 파라미터화는 임계온도를 갖는 단시간 최대 허용 부하의 분석을 통해 이루어진다. 이 단시간 부하는 시상수의 약 세배에 이르는 값을 갖는다. 최대 허용 부하는, 예를 들어, 예측되는 적어도 바람직한 주변 온도에서 최대 부하 하의 직류 모터의 런업에 의해 야기될 수 있다. 필터 출력 P_filter은 초기에는 차단 출력 P_max'없이 설정되므로, 최대 부하에서 이르는 필터 출력 P_filter의 최대값이 결정된다. 차단 출력 P_max'은 도달된 최대 필터 출력 P_filter보다 약간 크게 선택되고, 경고 출력 P_warn' 은 또다시 차단 출력 P_max' 이하로 선택된다.

상기 두가지 작동의 경우, 즉 비단열과 단열의 경우는, 직류 모터(10)가 적절히 사용될 때 혼합된 형태로 일어날 것이다. 이점에 있어서, 상기 결정된 값들의 결합이 필요하다. 여기서 비단열적인 경우의 경고 출력 P_warn과 단열적인 경우의 경고 출력P_warn'의 OR-결합이 이루어진다. 직류 모터(10)의 차단은 비단열적 경우 및 단열적인 경우의 두 개의 차단 출력들 P_max 및 P_warn'의 OR-결합을 통해서 이루어진다. 두 가지 경우에서, 직류 모터를 턴온하는 것이 허용될 때에만, 즉, 즉, 비단열과 단열의 경우의 최소 출력 P_min이 AND-결합에 의해 결합될 때에만, 직류 모터(10)를 다시 턴온하는 것이 가능하다.

이와 같이 과부하 스테이지(20)를 포함하는 제어 회로(18)의 단순한 구성 또는 설계를 통해서, 직류 모터(10)를 제어하기 위해 펄스폭-변조-신호(16)를 변동하는 것이 가능하다. 따라서 부가적인 온도 측정 또는 전류 측정이 더 이상 불필요하다. 이 과부하 스테이지(20)에는 단지 초기 온도만이 공지될 필요가 있다. 이는, 예를 들어, 초기값의 합성적인 사양이며, 상기 초기값은 직류 모터(10)의 최악의 작동 조건이다. 또한, 다른 센서, 예를 들어, 자동차 내부에 장치된 온도 센서로부터 공급된 외부 온도를 직류 모터(10)의 오프 시간과 결합함으로써 초기값을 발생시키는 것이 가능하다.

Claims (15)

1. 엔드 스테이지를 통해서 제어가능한 전기 모터를 포함하고, 상기 엔드 스테이지에는 마이크로프로세서를 갖는 제어 회로가 배치되며, 상기 제어 회로를 이용해서 상기 엔드 스테이지의 펄스폭 변조된 제어가 이루어지고, 상기 제어 회로는 과부하 스테이지를 포함하며, 상기 과부하 스테이지가 전기 모터의 온도로부터 상기 전기 모터의 과부하를 검출하는, 전기 모터 구동 장치에 있어서,

   상기 전기 모터의 온도는 상기 제어 회로(18)의 펄스폭-변조-신호(16)로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 전기 모터 구동 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 펄스폭-변조-신호(16)는 선택가능한 시간 간격으로 평가되는 것을 특징으로 하는 전기 모터 구동 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 펄스폭-변조-신호(16)의 각 n번째 에지에서 평가되는 것을 특징으로 하는 전기 모터 구동 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 시간 간격 마다 차이 출력(P_diff)이 적분되고, 상기 차이 출력(P_diff)은 펄스폭-변조-신호(16)로부터 얻어진 순시 출력(P_mom)과 기계 사양에 의해 설정된 한계 출력(P_grenz)으로부터 주어지는 것을 특징으로 하는 전기 모터 구동 장치.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적분된 출력(P_neu)이 상기 기계 사양에 의해 규정된 경고 출력(P_warn)에 이를 경우, 펄스폭-변조-신호(16)가 상기 전기 모터(10)의 제어를 위해서 변화되는 것을 특징으로 하는 전기 모터 구동 장치.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적분된 출력(P_neu)이 상기 기계 사양에 의해 설정된 차단 출력(P_max)에 이를 경우, 상기 전기 모터(10)가 차단되는 것을 특징으로 하는 전기 모터 구동 장치.
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 모터(10)의 턴온은, 정해진 시간 간격으로 얻어지는 상기 적분된 출력(P_neu)이 기계 사양에 의해 설정된 최소 출력(P_min)에 이를 경우 또는 미달될 경우에 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 모터 구동 장치.
8. 제 4 항에 있어서, 상기 펄스폭-변조-신호(16)로부터 얻어지는 상기 순시 출력(P_mom)은 필터 출력(P_filter)으로 필터링되는 것을 특징으로 하는 전기 모터 구동 장치.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 필터 출력(P_filter)이 상기 기계 사양에 의해 설정된 경고 출력(P_warn')에 이를 경우, 상기 펄스폭-변조-신호(16)는 상기 전기 모터(10)의 제어를 위해서 변화되는 것을 특징으로 하는 전기 모터 구동 장치.
10. 제 8 항에 있어서, 필터 출력(P_filter)이 상기 기계 사양에 의해 설정된 차단 출력(P_max')에 이를 경우, 상기 전기 모터(10)가 차단되는 것을 특징으로 하는 전기 모터 구동 장치.
11. 제 8 항에 있어서, 상기 전기 모터(10)의 턴온은, 상기 필터 출력(P_filter)이 기계 사양에 의해 설정된 출력(P_min)으로 감소될 때에 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 모터 구동 장치.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 필터 출력(P_filter)이 기계 사양에 의해 설정 가능한 시상수(time constant)로 감소하는 것을 특징으로 하는 전기 모터 구동 장치.
13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펄스폭-변조-신호(16)는 상기 경고 출력(P_warn) 또는 상기 경고 출력(P_warn')에 이를 경우에 변화되는 것을 특징으로 하는 전기 모터 구동 장치.
14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 모터(10)는, 상기 차단 출력(P_max) 또는 상기 차단 출력(P_max')에 이를 경우에 차단되는 것을 특징으로 하는 전기 모터 구동 장치.
15. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 모터(10)의 턴온은 상기 출력(P_min)과 상기 출력(P_min')에 이를 경우에 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 모터 구동 장치.

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