KR100680377B1 - 이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치와 그제어방법 - Google Patents

이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치와 그제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치와 그 제어방법에 관한 것으로서, 고전압 모터와 저전압 모터를 동축상에 배치하고, 공급전압에 차이를 가지면서 해당 모터에 각각 전원을 공급하게 되는 이중 전원 시스템을 구비하여, 평상시 고전압 전원 시스템 및 고전압 모터를 사용하여 회전축을 구동하되, 이 고전압 전원 시스템과 고전압 모터 중 어느 하나에 이상이 발생할 경우, 저전압 전원 시스템과 저전압 모터를 회전축의 구동을 위한 보조수단으로 사용함으로써, 정상적으로 회전축이 구동될 수 있게 하고, 이를 통해 신뢰성 향상의 효과를 가지는 일축 이중 모터 장치와 그 제어방법에 관한 것이다.
자동차, 이중 전원, 일축 이중 모터

Description

이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치와 그 제어방법{One shaft-two motor driven mechanism with 2 power source input for the high reliability system}
도 1은 42V 벨트 구동형 ISG가 채용된 일반적인 이중 전원 시스템의 구성을 도시한 구성도,
도 2는 일반적인 이중 전원 시스템의 전원 및 부하 연결상태를 나타낸 블럭도,
도 3a와 도 3b는 통상의 Steer-By-Wire 시스템을 도시한 도면,
도 4는 Steer-By-Wire 시스템에서 구동모터로서 36V 모터가 적용된 예를 보여주는 단면도,
도 5a와 도 5b는 종래기술의 문제점을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 일축 이중 모터 장치의 전원 및 부하 연결상태를 나타낸 블럭도,
도 7은 본 발명에 따른 일축 이중 모터 장치의 구성예를 도시한 단면도,
도 8은 본 발명에 따른 일축 이중 모터 장치에서 브러쉬를 잡아주는 브러쉬 홀더 부분을 포함하여 나타낸 도면,
도 9는 본 발명에 따른 일축 이중 모터 장치에서 BLDC 모터가 적용된 예를 나타낸 도면,
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 일축 이중 모터 장치가 제어되는 과정을 나타낸 플로우차트,
도 12는 본 발명의 제어과정에서 목표 토크 추종 제어를 설명하기 위한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 42V IGS 110 : 고전압 전원 시스템
111 : 고전압 모터 제어기 112 : 고전압 모터
115a : 회전자 115b : 고정자
116 : 정류자 117 : 브러쉬
130 : 저전압 전원 시스템 131 : 저전압 모터 제어기
132 : 저전압 모터 133 : 모터 하우징
134 : 회전축 135a : 회전자
135b : 고정자 136 : 정류자
137 : 브러쉬 138 : 브러쉬 홀더
138a, 138b : 스프링 139 : 커넥터
143 : 홀 센서
본 발명은 이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치와 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고전압 모터와 저전압 모터를 동축상에 배치하고, 공급전압에 차이를 가지면서 해당 모터에 각각 전원을 공급하게 되는 이중 전원 시스템을 구비하여, 평상시 고전압 전원 시스템 및 고전압 모터를 사용하여 회전축을 구동하되, 이 고전압 전원 시스템과 고전압 모터 중 어느 하나에 이상이 발생할 경우, 저전압 전원 시스템과 저전압 모터를 회전축의 구동을 위한 보조수단으로 사용함으로써, 정상적으로 회전축이 구동될 수 있게 하고, 이를 통해 신뢰성 향상의 효과를 가지는 일축 이중 모터 장치와 그 제어방법에 관한 것이다.
자동차의 전기장치는 사람의 신경계통에 비유할 수 있으며, 전기장치가 정상적으로 작동해야 비로서 자동차는 본래의 우수한 성능을 발휘할 수 있게 된다.
자동차의 전기장치로는 엔진전기장치(시동장치, 점화장치, 충전장치)와 등화장치가 일반적이나, 최근에는 차량이 보다 전자제어화됨으로써 샤시전기장치를 포함한 대부분의 시스템들이 전기전자화되고 있는 추세이다.
한편, 자동차에 설치되는 램프, 오디오, 히터, 에어컨 등의 각종 전장품들은 자동차 정지시에는 배터리로부터 전원을 공급받고, 주행시에는 발전기로부터 전원을 공급받도록 되어 있는데, 이때 통상의 전원 전압으로 14V계 전원 시스템의 발전용량이 사용되고 있다.
그러나, 최근 들어 정보기술 산업의 발달과 더불어 자동차의 편의성 증대를 목적으로 하는 다양한 신기술(전동식 동력 조향장치, 인터넷 등)들이 차량에 접목되고 있으며, 앞으로도 현 자동차 시스템을 최대한 이용할 수 있는 신기술의 개발이 계속될 전망이다.
따라서, 기존의 14V계 전원 시스템으로는 신기술이 적용된 차량에 충분한 전력을 공급할 수 없게 되는 바, 보다 큰 전력을 공급할 수 있는 전원 시스템의 도입이 요구되고 있으며, 이에 대응하기 위한 방안이 차량의 이중 전원 시스템이다.
즉, 자동차의 전원 시스템을 14V/42V로 이중화하여, 고전력을 요구하는 샤시계 및 모터류에는 42V의 전압을 공급함으로써 전력효율을 증대시키고, 저전력 장치들은 기존의 14V 전원 시스템을 사용하도록 하고 있는 것이다.
자동차의 이중 전원 시스템은, 도 1을 참조하여 설명하면, 스타터 기능을 가지면서 고전력을 발생시키는 ISG(Integrated Starter Generator;일체형 스타터 및 발전기)(31), 이 ISG(31)의 발전량 제어 및 스타터 기능 제어 등의 ISG 구동에 대한 제반적인 제어를 수행하는 MCU(Motor Control Unit)(36), 42V ISG(31)의 발전계로부터 생성되는 전력을 저장하는 36V 배터리(32), 이 36V 배터리(32)를 제어 관리하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System;BMS)(33), 상기 36V 배터리(32)에 의해 구동되는 42V 모터가 장착된 각종 고전력 장치(도시하지 않음), 상기 36V 배터리(32)로부터 전압을 직류/직류로 변환하는 양방향 DC/DC 컨버터(35), 이 DC/DC 컨버터(35)로부터 변환된 전압을 충전하는 12V 배터리(37), 이 12V 배터리(37) 전압으로 구동되는 저전력 장치(도시하지 않음) 등을 포함하여 이루어진다.
이러한 이중 전원 시스템의 여러 구성요소 중에서 ISG(31)는 기존의 스타터 와 알터네이터를 대체하는 것으로, 초기 기동시에는 MCU(36)의 제어하에 36V 배터리(32)로부터 인가되는 42V 전원을 받음으로써 스타터로서 동작하게 되고, 엔진의 정상 운전시에는 알터네이터로서 동작하게 된다.
ISG(31)에서 발생된 42V 전력은 36V 배터리(32)에 저장되며, 이 36V 배터리(32)의 전력이 MCU(36) 제어에 따라 42V 모터가 적용된 워터펌프, 전동식 에어컨 컴프레서, 연료펌프, 라디에이터 팬, 와이퍼, 컨덴서 팬, 파워 윈도우 등과 같은 고전력 장치를 구동시킨다.
도 2는 일반적인 이중 전원 시스템의 전원 및 부하 연결상태를 나타낸 블럭도로서, 14V/42V 이중 전원 시스템에서 공급전압에 차이를 갖는 2종의 전원, 즉 36V 배터리(32)와 12V 배터리(37)가 사용되고 있으며, 36V 배터리(36)에는 고전력 장치인 36V 부하(38)가, 12V 배터리(17)에는 저전력 장치인 12V 부하(39)가 전원을 공급받을 수 있도록 각각 연결되어 있다.
그리고, 36V ~ 42V 전압에 대해서 12V 부하를 구동하기 위해 13.5V로 낮추어 주는 DC/DC 컨버터(35)가 적용되고 있다.
한편, 자동차에는 X-By-Wire 시스템, 즉 전기 액추에이터에 의해 구동되는 다양한 장치들이 탑재되고 있으며, 이러한 시스템은 고도의 신뢰성을 보장할 수 있어야만 차량 조건에 적용할 수 있다.
X-By-Wire 시스템의 대표적인 장치로는 전기 액추에이터에 의해 조향작동을 수행하는 Steer-By-Wire 시스템을 들 수 있으며, 이는 도 3a와 도 3b에 나타낸 바와 같이 모터(50) 및 이 모터를 구동 제어하는 제어기(40)를 적용하여 자동차의 전 자적 조향을 가능하게 하는 첨단 시스템이다.
최근 들어 이중 전원 시스템이 차량에 도입됨에 따라서 Steer-By-Wire 시스템의 경우에도 고출력 작동을 요하는 모터 설계의 요구로 인하여 42V DC 모터의 적용이 검토되고 있다.
이러한 42V DC 모터는 42V 발전시스템의 작동을 통해 보다 효율적인 고출력 구동이 가능하다.
기존의 저출력 모터에 의존한 시스템을 X-By-Wire 시스템(전기 액추에이터에 의한 시스템 구동)에 적용할 경우 저출력 한계에 따른 효율 문제가 발생하게 된다(현 12V 모터를 기준으로, 500W 이상 구동시에는 효율 저하 발생).
따라서, 차량의 새로운 전원 시스템인 42V 전원 시스템을 이용하는 DC 모터의 기술 개발이 현재 선진국을 중심으로 활발히 이루어지고 있다.
42V DC 모터는 42V 전원 시스템을 이용하게 되므로 42V 모터로 표시할 수 있으나, 이는 36V의 정격전압을 사용하므로, 이하 본 명세서에서는 정격전압을 기준으로 36V 모터라 표시하기로 한다.
도 4는 Steer-By-Wire 시스템에서 구동모터로서 36V 모터가 적용된 예를 보여주는 단면도로서, 주지되어 있는 통상의 DC 모터와 마찬가지로, 모터 하우징(51) 내부에서 코일을 사용해 구성된 회전자(53)가 회전축(구동축)(52)과 일체로 설치되고, 상기 회전자(53) 주변으로는 영구자석을 사용해 구성된 고정자(54)가 배치된다.
또한, DC 모터(50)의 회전축(52)이 회전하기 위해서는 회전자(53)의 코일에 브러쉬(56) 및 정류자(55)를 통해 들어온 전류가 흘러야 하는 바, 회전자(53)의 코일에 전류가 공급될 수 있도록 연결된 정류자(55)가 회전축(52)에 일체로 설치되고, 회전축(52)과 일체로 회전하는 정류자(55)에 계속해서 전원을 연결시키기 위한 브러쉬(56)가 정류자(55) 주변으로 접하여 설치된다.
여기서, 도면상에는 도시되지 않았지만, 브러쉬(56)가 회전하는 정류자(55)에 상시 접촉하여 전원을 연결하므로, 계속되는 마찰 및 마모에도 불구하고 브러쉬(56)가 계속해서 정류자(55)에 접촉할 수 있도록, 상기 브러쉬는 스프링(미도시됨)에 의해 정류자에 밀착되도록 되어 있다.
또한, 모터 제어기(40)에 의해 인가되는 전원은 와이어링(41), 이 와이어링(41)을 모터 하우징(51)의 내부회로에 접속시키는 커넥터(57)를 거쳐 브러쉬(56)로 공급될 수 있게 되어 있으며, 브러쉬 정류 안정용 캐패시터 및 인덕턴스 회로부 등의 회로요소(58)들이 구비된다.
그리고, 회전축(52)은 모터 하우징(51) 등 고정요소와의 사이에 개재되는 베어링(59)에 의해 지지된다.
이와 같이 하여, 상기 DC 모터에서는 모터 제어기에 의해 전원이 인가될 경우 전류가 흐르는 코일이 자기장 속에서 힘을 받게 되고, 이 힘이 곧 회전축의 회전운동으로 변환되면서 모터 구동이 이루어지게 된다.
그러나, 현재 X-By-Wire 기술의 대상이 되는 36V 고출력 모터 적용 Steer-By-Wire의 경우, 도 5a에 나타낸 바와 같이 42V 전원 시스템의 이상 또는 36V 배터리(전원계통)(32) 등의 고장이 발생하게 되면, 모터(38)가 구동되지 못하므로 차량 조향이 불가능해지고, 이는 결국 큰 차량 사고로 이어지게 된다.
또한, 42V 전원 시스템과 36V 배터리(32)에 아무 이상이 없다 하더라도 36V 모터(부하계통)(38)에 고장이 발생한다면, 역시 차량 조향 불가와 사고 발생의 위험이 있게 된다.
다시 말해, 42V 전원 시스템 및 고출력 모터를 사용함에 따라 구동효율의 상승이라는 유리한 측면이 분명 존재하지만, 단일 계통의 전원 시스템 및 단일 모터를 사용함에 따라서 신뢰성의 한계 및 그로 인한 사고 발생 위험의 문제점은 계속해서 내재되어 있는 상태이다.
36V 모터를 Steer-By-Wire에 적용할 경우에서 있을 수 있는 고장 발생 및 예상 문제점은 다음과 같다.
1)모터 고장
- 모터 절연 파괴, 브러쉬 마모, 베어링 탈조, 고정자 접촉 등.
2)전원 공급 중단
- 42V 고전압 전원의 발전기 고장, 공급 전원 커넥터 분리, 36V 고전압 배터리의 이상 및 연결 불량 등.
3)제어기 오류
- 제어신호를 내리는 제어기의 오류(PCB 손상, 전장품 신뢰성 부족으로 인한 쇼트 발생), 제어기에서 수분 및 먼지 유입으로 인한 회로 손상 및 제어 오류 발생 등.
이러한 문제점을 최소화하기 위한 방법으로, 도 5b에 나타낸 바와 같이 36V 배터리(32)를 2개 적용하여 어느 하나의 배터리에 문제가 발생할 경우 나머지 다른 하나의 배터리로부터 전원이 공급되게 할 수 있다.
그러나, 이와 같이 단순히 배터리를 2개로 늘리는 것은 어느 하나의 배터리에 문제가 생기더라도 나머지 배터리를 이용하여 36V 부하(38)에 대해 전원이 인가되도록 할 수는 있지만, 이 경우 부하 자체의 고장에 대해서는 보완이 불가능하다.
따라서, Steer-By-Wire 시스템과 같이 작동 불가시에 바로 사고로 이어질 수 있는 매우 고신뢰성이 요구되는 X-By-Wire에 대하여 전원 또는 부하의 문제 발생시에 대비할 수 있는 보다 적극적인 대처방안이 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 고전압 모터와 저전압 모터를 동축상에 배치하고, 공급전압에 차이를 가지면서 해당 모터에 각각 전원을 공급하게 되는 이중 전원 시스템을 구비하여, 평상시 고전압 전원 시스템 및 고전압 모터를 사용하여 회전축을 구동하되, 이 고전압 전원 시스템과 고전압 모터 중 어느 하나에 이상이 발생할 경우, 저전압 전원 시스템과 저전압 모터를 회전축의 구동을 위한 보조수단으로 사용함으로써, 정상적으로 회전축이 구동될 수 있게 하고, 이를 통해 신뢰성 향상의 효과를 가지는 일축 이중 모터 장치와 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, 공급전압에 차이를 가지는 고전압 전원 시스템 및 저전압 전원 시스템과; 상기 고전압 전원 시스템의 전원을 공급받아 구동되는 고전압 모터와: 상기 저전압 전원 시스템의 전원을 공급받아 구동되는 저전압 모터와; 상기 각 모터의 구동을 제어하기 위한 고전압 모터 제어기 및 저전압 모터 제어기;를 포함하여 구성되고, 상기 고전압 모터와 저전압 모터가 동일 회전축을 구동시킬 수 있도록 동축상에 배치되어, 상기 고전압 모터 제어기가 고전압 모터를 작동 및 제어하여 회전축을 구동시키되, 고전압 전원 시스템 또는 고전압 모터의 이상 발생시에는 보조수단으로서 상기 저전압 모터 제어기의 제어하에 상기 저전압 모터가 회전축을 구동시키도록 된 것을 특징으로 하는 이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치를 제공하고자 한 것이다.
여기서, 상기 고전압 모터와 저전압 모터는 회전축에 설치된 회전자 및 정류자, 회전자 주변의 고정자, 정류자에 전원을 연결시키기 위한 브러쉬 및 브러쉬 홀더, 그리고 전원 공급용 와이어링 접속을 위한 커넥터를 가지는 DC 모터인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 두 모터의 커넥터가 양측 모터의 중간위치에 위치되어 저전압 와이어링과 고전압 와이어링의 접속부분 및 통전 경로를 달리한 일체형 공용 구조인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 두 모터의 브러쉬 및 브러쉬 홀더가 양측 모터의 중간위치에 위 치되고, 상기 브러쉬 홀더가 두 모터의 브러쉬를 정류자에 밀착시키는 각각의 스프링을 내장한 일체형 공용 구조인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고전압 모터와 저전압 모터가 3상 공급선, 회전자 위치에 대한 정보를 검출하기 위한 홀 센서 및 전원 공급용 와이어링 접속을 위한 커넥터를 가지는 BLDC 모터인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 두 모터의 커넥터가 양측 모터의 중간위치에 위치되어 저전압 와이어링과 고전압 와이어링의 접속부분 및 통전 경로를 달리한 일체형 공용 구조인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 두 모터에 대하여 하나의 홀 센서가 양측 모터 중간위치의 회전축 주위에 위치되어 공용으로 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고전압 전원 시스템이 14V/42V 이중 전원 시스템 차량의 36V 배터리를 포함하는 42V 전원 시스템이고, 상기 저전압 전원 시스템이 12V 배터리를 포함하는 14V 전원 시스템이며, 상기 고전압 모터가 42V 전원 시스템의 전압에 의해 구동되는 36V 모터, 상기 저전압 모터가 14V 전원 시스템의 전압에 의해 구동되는 12V 모터인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은, 공급전압에 차이를 가지는 제1전압 전원 시스템 및 제2전압 전원 시스템과, 제1전압 전원 시스템의 전원을 공급받아 구동되는 제1전압 모터와, 제2전압 전원 시스템의 전원을 공급받아 구동되는 제2전압 모터와, 각 모터의 구동을 제어하기 위한 제1전압 모터 제어기 및 제2전압 모터 제어기를 포함하고 제1전압 모터와 제2전압 모터가 동일 회전축을 구동시킬 수 있도록 동축상에 배치되 는 일축 이중 모터 장치의 제어방법에 있어서,
(a)상기 제1전압 모터 제어기가 모터 작동을 요구하는 신호를 입력받으면 제1전압 모터의 작동 개시 및 구동 제어를 위한 신호를 출력하는 단계와;
(b)상기 제1전압 모터 제어기가 제1전압 전원 시스템의 이상 여부를 체크하는 단계와;
(c)상기 제1전압 모터 제어기가 제1전압 전원 시스템의 이상이 없음 판단한 경우, 제1전압 모터에 대하여 계속해서 정상적인 구동 제어를 수행하는 단계와;
(d)상기 제1전압 모터 제어기가 제1전압 모터의 이상을 진단하여 이상 발생을 검출하는 단계와;
(e)상기 제1전압 모터 제어기가 제1전압 전원 시스템의 이상을 판단하거나 제1전압 모터의 이상을 검출한 경우, 제2전압 모터 제어기로 제2전압 모터의 보조작동을 요청하는 신호를 출력하는 단계와;
(f)이후 제2전압 모터 제어기가 제2전압 모터의 작동 개시 및 구동 제어를 위한 신호를 출력하여 제2전압 모터의 보조작동을 제어하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
특히, 상기 (c)단계에서, 상기 제1전압 모터 제어기는 제1전압 전원 시스템 내 배터리의 전압/전류상태를 체크하여 규정된 전압범위 및 전류값을 벗어날 경우 이상이 있음을 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (f)단계에서, 상기 제2전압 모터 제어기는 제1전압 모터 제어기와의 상호 통신 및 협조제어를 통해서 제1전압 모터와 제2전압 모터의 토크 합을 이용해 목표 토크를 추종하는 제2전압 모터 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1전압 전원 시스템과 제1전압 모터가 각각 고전압 전원 시스템과 고전압 모터이고, 상기 제2전압 전원 시스템과 제2전압 모터가 각각 저전압 전원 시스템과 저전압 모터인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1전압 전원 시스템과 제1전압 모터가 각각 저전압 전원 시스템과 저전압 모터이고, 상기 제2전압 전원 시스템과 제2전압 모터가 각각 고전압 전원 시스템과 고전압 모터인 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치와 그 제어방법에 관한 것으로서, 저전압 전원 시스템과 고전압 전원 시스템이 갖춰진 이중 전원 시스템 차량에서, 모터로 구동되는 장치의 신뢰성 확보를 위하여, 상기 두 전원 시스템으로부터 전원을 공급받는 저전압 모터와 고전압 모터를 하나의 회전축상에 설치하고, 두 모터가 해당 전원 시스템의 전원을 공급받으면서 적절히 제어되도록 한 점에 주안점이 있는 것이다.
예컨대, 본 발명은 평상시 고전압 전원 시스템 및 고전압 모터를 사용하되, 이 고전압 전원 시스템 및 고전압 모터(고전압 전원 계통과 부하) 중 어느 하나에 이상이 발생할 경우, 저전압 전원 시스템과 저전압 모터를 보조수단으로 사용하여, 회전축이 정상적으로 구동될 수 있게 하고, 이를 통해 모터 장치 및 이를 이용하여 구동되는 장치(X-By-Wire 시스템)의 신뢰성이 향상될 수 있도록 한 것이다.
이러한 본 발명은 저전압 전원 시스템과 고전압 전원 시스템이 갖춰진 이중 전원 시스템 차량에 적용할 경우 매우 유용하며, 차량에 탑재되는 모터 구동 장치 중에서도 특히 Steer-By-Wire 시스템과 같이 고신뢰성이 요구되는 장치에 적용할 경우 더욱 유용하다.
도 6은 본 발명에 따른 일축 이중 모터 장치의 전원 및 부하 연결상태를 나타낸 블럭도이다.
기존 X-By-Wire 시스템의 문제 발생은 모터 고장, 전원 공급 중단, 제어기 오류에 의한 것으로 나눌 수 있다.
본 발명은 공급전압에 차이가 있는 저전압 및 고전압 전원 시스템에서 동시에 이상이 발생하지 않는다는 것과 두 모터가 동시에 고장나지 않는다는 것을 전제로 한다.
이러한 본 발명은 모터로 구동되는 장치가 하나의 모터 및 하나의 전원 시스템을 이용하는 것에 비하여 비용은 상승하나 높은 신뢰성을 제공한다는 점에서 Steer-By-Wire 시스템과 같이 고신뢰성이 요구되는 장치에 필수적으로 요구된다 할 수 있다.
도 6은 14V/42V 이중 전원 시스템이 적용된 차량에서 Steer-By-Wire 시스템의 구동모터를 이중 모터, 즉 저전압 모터인 12V 모터(12V 부하)(132)와 고전압 모터인 36V 모터(36V 부하)(112)로 적용한 예를 보여주고 있다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 14V/42V 전원 시스템, 그리고 12V 및 36V DC 모터의 예를 들지만, 이는 본 발명을 설명하기 위한 하나의 예를 든 것일 뿐, 본 발명이 14V/42V(12V/36V)로 반드시 한정되는 것은 아니다.
예컨대, 저전압 모터로는 5V ~ 12V 모터가, 고전압 모터로는 42V ~ 650V 모터가 적용될 수 있으며, 저전압 모터가 만약 12V 모터라면 고전압 모터는 12V 전원 체계에 사용되지 않은 승압 컨버터에 의해서 별도의 전원을 사용하는 12V 모터보다 큰 출력을 갖는 모터가 될 수 있다.
본 발명의 일축 이중 모터 장치는 공급전압에 차이를 갖는 배터리(110,130)를 포함한 2종의 전원 시스템, 이 중에서 고전압 전원 시스템(36V 배터리를 포함하는 42V 전원 시스템)의 전원으로 구동되는 고전압 모터(36V DC 모터)(112), 저전압 전압 시스템(12V 배터리를 포함하는 14V 전원 시스템)의 전원으로 구동되는 저전압 모터(12V DC 모터)(132), 그리고 각 모터(112,132)의 구동을 제어하기 위한 고전압 모터 제어기(도 7에서 도면부호 111임) 및 저전압 모터 제어기(도 7에서 도면부호 131임)를 포함하여 구성되고, 특히 고전압 모터(112)와 저전압 모터(132)가 동일 회전축(도 7에서 도면부호 134임)을 구동시킬 수 있도록 구비되어서 구성되는 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 일축 이중 모터 장치의 구성예를 도시한 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일축 이중 모터 장치는 고전압 모터인 36V 모터(112)와 저전압 모터인 12V 모터(132)가 동일 회전축(134)을 구동시키기 위해 동축상에 구성되고, 여기서 36V 모터는 고전압 전원 시스템인 42V 전원 시스템으로부터, 12V 모터(132)는 저전압 전원 시스템인 14V 전원 시스템으로부터 각각 전원을 제공받아 구동된다.
또한, 36V 모터(112)와 12V 모터(132)는 각각의 모터 제어기(111,131))에 의해 구동이 제어되도록 되어 있다.
하나의 회전축(134)을 회전시키기 위해 설치되는 상기 두 모터(112,132)의 구성요소는 양측이 동일하게 구비될 수 있다.
도 7을 참조하면, 좌측에 도시된 12V 모터(112)와 우측에 도시된 36V 모터(132)가 동축상에 설치 구성되고, 양측이 서로 대칭된 구성요소로 구성됨을 볼 수 있다.
각 모터의 구성을 살펴보면, 하나의 모터 하우징(133) 내에서 두 모터(112,132)의 구성요소가 동축상에 서로 대칭된 형태로 설치되는 바, 두 모터 중 어느 하나라도 구동되는 경우 회전축(134)이 회전하도록 되어 있다.
두 모터의 구성요소가 하나의 회전축을 구동시키기 위해 동축상에 설치된 점을 제외하고는 각 모터의 구성요소는 통상의 DC 모터에서와 같다.
주지되어 있는 통상의 DC 모터와 마찬가지로, 각 모터에서는 코일을 사용해 구성된 회전자(115a,135a)가 회전축(구동축)(134)과 일체로 설치되고, 상기 회전자 주변으로는 영구자석을 사용해 구성된 고정자(115b,135b)가 배치된다.
또한, DC 모터의 회전축이 회전하기 위해서는 회전자의 코일에 브러쉬 및 정류자를 통해 들어온 전류가 흘러야 하는 바, 회전자(115a,135a)의 코일에 전류가 공급될 수 있도록 연결된 정류자(116,136)가 회전축(134)에 일체로 설치되고, 회전축과 일체로 회전하는 정류자에 계속해서 전원을 연결시키기 위한 브러쉬(117,137)가 정류자(116,136) 주변으로 접하여 설치된다.
여기서, 도 7에는 도시되지 않았지만, 브러쉬(117,137)가 회전하는 정류자(116,136)에 상시 접촉하여 전원을 연결하므로, 계속되는 마찰 및 마모에도 불구하고 브러쉬(117,137)가 계속해서 정류자에 접촉할 수 있도록, 상기 브러쉬(117,137)는 스프링(미도시됨)에 의해 정류자(116,136)에 밀착되도록 되어 있다.
또한, 각 모터 제어기(111,131)에 의해 인가되는 전원은 와이어링(111a,131a), 이 와이어링을 모터 하우징(133)의 내부회로에 접속시키는 커넥터(139)를 거쳐 브러쉬(117,137)로 공급될 수 있게 되어 있으며, 브러쉬 정류 안정용 캐패시터 및 인덕턴스 회로부 등의 회로요소(139a)들이 구비된다.
여기서, 각 모터(112,132)의 커넥터(139)는 양측 모터의 중간위치에 위치시킬 수 있으며, 이때 두 모터의 커넥터(139)는 저전압 와이어링(12V)(131a)과 고전압 와이어링(36V)(111a)이 연결된 부분 및 통전 경로를 달리하여 하나의 몸체로 일체화시킨 공용 구조로 구성할 수 있다.
그리고, 회전축(134)은 모터 하우징(133) 등 고정요소와의 사이에 개재되는 베어링(134a)에 의해 지지된다.
이와 같이 회전자, 고정자, 정류자, 브러쉬 등 구성요소가 각 모터에 대하여 별도로 구비되어 모터를 구성하게 되며, 각 모터에 대하여 모터 제어기 및 전원 시스템 역시 별도로 구비된다.
한편, 도 8은 브러쉬(117,137)를 잡아주는 브러쉬 홀더(138) 부분을 포함하여 나타낸 도면으로서, 도 7의 일축 이중 모터를 도시하고 있으나, 두 모터(112,132)에 대해 하나의 브러쉬 홀더(138)가 공용으로 사용될 수 있다는 것을 보 여주는 도면이다.
도시한 바와 같이, 두 모터(112,132)의 브러쉬(117,137) 및 브러쉬 홀더(138)가 모터 하우징(133) 중앙쪽에 설치되어 일체형으로 되어 있으며, 두 모터에 설치된 브러쉬(117,137)를 하나의 공용 브러쉬 홀더(138)가 동시에 잡아주고 있다.
다시 말해, 각 모터(112,132)의 브러쉬(117,137)가 두 모터의 중간위치에 설치되고, 상기 공용 브러쉬 홀더(138)에 내장되어 있는 각 스프링(138a,138b)에 의해 각 브러쉬(117,137)가 해당 정류자(116,136)에 밀착되도록 되어 있다.
이와 같이 각 모터(112,132)의 브러쉬(117,137)는 공용 브러쉬 홀더(138)의 해당 스프링(138a,138b)에 의해 각 정류자(116,136)에 계속해서 밀착되는 상태를 유지하여 전기적 연결이 가능하도록 상시 접촉된다.
이와 같이 하여, 상기한 구성의 일축 이중 모터 장치는 저전압 전원(12V 전원)과 고전압 전원(36V 전원)에 의하여 모두 회전축을 구동시킬 수가 있다.
특히, 고전압 모터의 고장시에 별도의 전원 시스템으로부터 전원을 공급받는 저전압 모터를 사용하여 회전축을 구동시킬 수 있도록 구성되는 것이며, 이를 통해 저전압 모터 구동용 배터리가 완전 소모되기 전까지 장치의 안정적인 작동 및 차량의 안정적인 운행이 이루어질 수 있도록 보완하게 되는 시스템이다.
상기한 일축 이중 모터 장치는 모터 구동 1축에 대해서 2개의 모터를 대칭되게 장착하여 모터 제작성 및 패키징에 매우 유리한 장점이 있으며, 커넥터 부위가 가운데로 모인 구조로 구성되어 정비 및 설계, 생산에도 매우 유리한 장점을 가진다.
다음으로, 도 9는 본 발명에 따른 일축 이중 모터 장치에서 BLDC 모터가 적용된 예를 나타낸 도면이다.
이에 도시한 바와 같이, 동축상에 설치된 고전압 모터(112a)와 저전압 모터(132a)는, 상기한 브러쉬를 갖는 일반 DC 모터가 아닌, 브러쉬가 없는 DC 모터, 즉 BLDC 모터(Brushless DC motor; BLDC motor)로 실시 가능하다.
도 9의 예는 BLDC 모터로 대체된 점을 제외하고는 모터 제어기(111,131) 및 전원 시스템(도 6의 각 배터리 등) 등의 구성이 도 7의 예에서와 모두 같다.
즉, 고전압 BLDC 모터(112a)와 저전압 BLDC 모터(132a)의 각 구성이 전술한 일반 DC 모터의 사용예와 마찬가지로 동일 회전축(134)을 구동시키기 위해 동축상에 구성된다.
그리고, 고전압 BLDC 모터(112a)는 36V 배터리를 포함하는 고전압 전원 시스템으로부터, 저전압 BLDC 모터(132a)는 12V 배터리를 포함하는 저전압 전원 시스템으로부터 각각 전원을 제공받아 구동된다.
또한, 각 모터(112a,132a)는 각각의 모터 제어기(111,131)에 의해 구동이 제어되도록 되어 있고, 하나의 회전축(134)을 회전시키기 위해 설치되는 두 모터의 구성요소가 양측이 동일하게 구비될 수 있다.
그리고, 각 BLDC 모터는 통상의 BLDC의 구성과 동일한 구성요소로 구성될 수 있으며, 예컨대 3상 공급 단자대(141a,141b), 3상 공급선(142a,142b), 3상 커넥터(도시하지 않음) 등이 구비되고, 회전자 위치에 대한 정보를 검출하기 위하여 홀 센서(143)가 구비된다.
여기서, 각 모터(112a,132a)에 대하여 전원 공급(12V,36V) 3상 커넥터를 도 7에 도시된 일반 DC 모터 사용시와 마찬가지로 양측 모터의 중간위치에 위치시켜 일체형으로 공용화할 수 있다.
또한, 고가인 홀 센서(143)는 양측 모터(112a,132a) 중간위치의 회전축(134) 주위에 위치시켜 공용화할 수 있다.
이와 같이 고전압 BLDC 모터(112a) 및 저전압 BLDC 모터(132a)를 사용하여 일축 이중 모터 장치를 구성할 수 있으며, 일반 DC 모터의 브러쉬 부분이 홀 센서(143)로 대체된다
이에 BLDC 모터를 이용한 일축 이중 모터 장치에서도 고전압 전원(36V 전원) 및 저전압 전원(12V 전원)에 의하여 하나의 회전축을 구동시킬 수 있게 된다.
한편, 상기와 같이 구성된 일축 이중 모터 장치에서는, 고전압 모터의 구동을 제어하는 고전압 모터 제어기와 저전압 모터의 구동을 제어하는 저전압 모터 제어기가 상호간에 협조제어를 수행하여, 고전압 전원 시스템 및 고전압 모터의 이상이 발생되면, 보조하는 수단으로서 저전압 전원 시스템 및 저전압 모터를 이용해 회전축을 구동시키고, 이를 통해 장치의 안정적인 작동이 이루어질 수 있도록 한다.
이하, 본 발명에 따른 일축 이중 모터 장치의 제어방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 10은 본 발명에 따른 일축 이중 모터 장치가 제어되는 과정을 나타낸 플로우차트이다.
이에 도시한 바와 같이, 제어 시작 초기화 상태에서 외부 제어기로부터 모터 작동을 요구하는 신호가 고전압 모터 제어기에 입력되면, 상기 고전압 모터 제어기는 36V 모터(고전압 모터)의 작동 개시 및 구동 제어를 위한 신호를 출력한다.
이어 36V 배터리의 전압/전류상태가 적정한지를 체크한다.
여기서, 고전압 모터 제어기는 36V 배터리(고전압 배터리)에서 공급되는 전압이 규정된 범위, 예컨대 30V ~ 52V의 전압범위 내에 있는지를 판단하고, 전류가 규정된 전류값, 예컨대 20A 전류를 유지하고 있는지를 판단한다.
만약, 36V 배터리의 전압/전류상태가 적정한 것으로 판단한 경우, 36V 모터에 대하여 계속해서 정상적인 구동 제어를 수행한다.
이후, 고전압 모터 제어기는 모터의 회전 동안에 단락/단선, 출력 저하, 제어 불능, 모터 구속, 홀 센서로부터의 신호 미출력, 모터 전압 이상치 발생 등과 같은 36V 모터의 이상을 진단하여 이상이 없을 경우 36V 모터의 정상적인 구동 제어를 유지하고, 이후 모터 정지를 요구하는 신호가 입력되면 모터 작동을 오프시키고 제어를 종료한다.
만약, 36V 배터리의 전압/전류상태가 적정하지 않음을 판단한 경우나, 36V 모터의 이상을 검출한 경우, 저전압 모터 제어기로 12V 모터의 보조작동을 요청하는 신호를 출력하고, 이에 의해 저전압 모터 제어기는 12V 모터(저전압 모터)의 작동 개시 및 구동 제어를 위한 신호를 출력한다.
이에 의해 12V 모터는 저전압 모터 제어기가 출력하는 신호에 의해 구동이 제어되면서 36V 모터를 보조하게 된다.
이때, 저전압 모터 제어기는 고전압 모터 제어기와의 상호 통신 및 협조제어를 통해서 36V 모터와 12V 모터의 토크 합으로부터 목표 토크를 추종하는 제어를 수행한다.
도 12는 목표 토크 및 각 모터의 작동 토크를 나타내는 선도로서, 이에 나타낸 바와 같이 저전압 모터 제어기는 36V 모터와 12V 모터의 토크 합을 이용해 목표 토크를 추종하는 제어를 하게 되며, 본 발명의 일축 이중 모터 장치로부터 모터 구동되는 장치의 작동에 필요한 토크량이 최종 출력될 수 있도록 12V 모터의 구동을 적절히 제어하게 된다.
즉, 36V 모터가 전원 및 부하 계통의 이상으로 정상 출력을 내지 못하는 비정상적인 구동상태이거나 구동이 완전히 오프된 상태인 경우, 모터 구동 장치의 작동에 필요한 목표 토크가 일축 이중 모터 장치로부터 최종 출력될 수 있도록 12V 모터가 나머지 출력을 보상하게 되는 것이다.
이후, 고전압 모터 제어기와 저전압 모터 제어기가 모터 정지를 요구하는 신호를 입력받게 되면 모터 작동을 오프시키고 제어를 종료한다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 고전압 전원 시스템 및 고전압 모터에 이상이 발생하더라도 저전압 모터 제어기가 고전압 모터 제어기와의 협조제어를 통해 저전압 모터를 적절히 구동 및 제어해줌으로써, 일축 이중 모터 장치로부터 목표로 하는 최종의 토크 출력이 이루어질 있도록 하고, 결국 모터 장치 및 이를 이용하여 구동되는 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명을 설명함에 있어서, 고전압 전원 시스템과 고전압 모터, 그 제어기 를 회전축을 구동시키기 위한 메인 수단으로 하고, 저전압 전원 시스템과 저전압 모터, 그 제어기를 보조 수단으로 설명하였다.
그러나, 상호간 역할을 바꾸어, 저전압 전원 시스템과 저전압 모터, 그 제어기가 메인 수단이 되고, 고전압 전원 시스템과 고전압 모터, 그 제어기가 보조 수단이 될 수도 있다.
이 경우에는 도 11의 제어로직이 적용된다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 전체적인 제어과정은 동일하며, 저전압 모터(12V 모터)가 그 제어기의 제어하에 회전축을 구동시키고, 저전압 전원 시스템 또는 저전압 모터(12V 배터리 또는 12V 모터)에 이상이 발생하는 경우 저전압 모터 제어기와 고전압 모터 제어기간 협조제어를 통해 고저전압 모터(36V 모터)가 저전압 모터의 작동을 적절히 보조하여 회전축을 구동시키게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이중 전원을 사용하는 일축 이중 모터 장치와 그 제어방법에 의하면, 고전압 모터와 저전압 모터를 동축상에 배치하고, 공급전압에 차이를 가지면서 해당 모터에 각각 전원을 공급하게 되는 이중 전원 시스템을 구비하여, 평상시 고전압 전원 시스템 및 고전압 모터를 사용하여 회전축을 구동하되, 이 고전압 전원 시스템과 고전압 모터 중 어느 하나에 이상이 발생할 경우, 저전압 전원 시스템과 저전압 모터를 회전축의 구동을 위한 보조수단으로 사용함으로써, 정상적으로 회전축이 구동될 수 있게 하고, 결국 장치의 신뢰 성이 향상되는 효과가 있게 된다.

Claims (13)

  1. 공급전압에 차이를 가지는 고전압 전원 시스템 및 저전압 전원 시스템과;
    상기 고전압 전원 시스템의 전원을 공급받아 구동되는 고전압 모터와:
    상기 저전압 전원 시스템의 전원을 공급받아 구동되는 저전압 모터와;
    상기 각 모터의 구동을 제어하기 위한 고전압 모터 제어기 및 저전압 모터 제어기;
    를 포함하여 구성되고, 상기 고전압 모터와 저전압 모터가 동일 회전축을 구동시킬 수 있도록 동축상에 배치되어, 상기 고전압 모터 제어기가 고전압 모터를 작동 및 제어하여 회전축을 구동시키되, 고전압 전원 시스템 또는 고전압 모터의 이상 발생시에는 보조수단으로서 상기 저전압 모터 제어기의 제어하에 상기 저전압 모터가 회전축을 구동시키도록 된 것을 특징으로 하는 이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고전압 모터와 저전압 모터는 회전축에 설치된 회전자 및 정류자, 회전자 주변의 고정자, 정류자에 전원을 연결시키기 위한 브러쉬 및 브러쉬 홀더, 그리고 전원 공급용 와이어링 접속을 위한 커넥터를 가지는 DC 모터인 것을 특징으로 하는 이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 두 모터의 커넥터가 양측 모터의 중간위치에 위치되어 저전압 와이어링과 고전압 와이어링의 접속부분 및 통전 경로를 달리한 일체형 공용 구조인 것을 특징으로 하는 이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 두 모터의 브러쉬 및 브러쉬 홀더가 양측 모터의 중간위치에 위치되고, 상기 브러쉬 홀더가 두 모터의 브러쉬를 정류자에 밀착시키는 각각의 스프링을 내장한 일체형 공용 구조인 것을 특징으로 하는 이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 고전압 모터와 저전압 모터가 3상 공급선, 회전자 위치에 대한 정보를 검출하기 위한 홀 센서 및 전원 공급용 와이어링 접속을 위한 커넥터를 가지는 BLDC 모터인 것을 특징으로 하는 이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 두 모터의 커넥터가 양측 모터의 중간위치에 위치되어 저전압 와이어링과 고전압 와이어링의 접속부분 및 통전 경로를 달리한 일체형 공용 구조인 것을 특징으로 하는 이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 두 모터에 대하여 하나의 홀 센서가 양측 모터 중간위치의 회전축 주위에 위치되어 공용으로 구비되는 것을 특징으로 하는 이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 고전압 전원 시스템이 14V/42V 이중 전원 시스템 차량의 36V 배터리를 포함하는 42V 전원 시스템이고, 상기 저전압 전원 시스템이 12V 배터리를 포함하는 14V 전원 시스템이며, 상기 고전압 모터가 42V 전원 시스템의 전압에 의해 구동되는 36V 모터, 상기 저전압 모터가 14V 전원 시스템의 전압에 의해 구동되는 12V 모터인 것을 특징으로 하는 이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치.
  9. 공급전압에 차이를 가지는 제1전압 전원 시스템 및 제2전압 전원 시스템과, 제1전압 전원 시스템의 전원을 공급받아 구동되는 제1전압 모터와, 제2전압 전원 시스템의 전원을 공급받아 구동되는 제2전압 모터와, 각 모터의 구동을 제어하기 위한 제1전압 모터 제어기 및 제2전압 모터 제어기를 포함하고 제1전압 모터와 제2전압 모터가 동일 회전축을 구동시킬 수 있도록 동축상에 배치되는 일축 이중 모터 장치의 제어방법에 있어서,
    (a)상기 제1전압 모터 제어기가 모터 작동을 요구하는 신호를 입력받으면 제1전압 모터의 작동 개시 및 구동 제어를 위한 신호를 출력하는 단계와;
    (b)상기 제1전압 모터 제어기가 제1전압 전원 시스템의 이상 여부를 체크하는 단계와;
    (c)상기 제1전압 모터 제어기가 제1전압 전원 시스템의 이상이 없음 판단한 경우, 제1전압 모터에 대하여 계속해서 정상적인 구동 제어를 수행하는 단계와;
    (d)상기 제1전압 모터 제어기가 제1전압 모터의 이상을 진단하여 이상 발생을 검출하는 단계와;
    (e)상기 제1전압 모터 제어기가 제1전압 전원 시스템의 이상을 판단하거나 제1전압 모터의 이상을 검출한 경우, 제2전압 모터 제어기로 제2전압 모터의 보조작동을 요청하는 신호를 출력하는 단계와;
    (f)이후 제2전압 모터 제어기가 제2전압 모터의 작동 개시 및 구동 제어를 위한 신호를 출력하여 제2전압 모터의 보조작동을 제어하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치의 제어방법
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 (c)단계에서, 상기 제1전압 모터 제어기는 제1전압 전원 시스템 내 배터리의 전압/전류상태를 체크하여 규정된 전압범위 및 전류값을 벗어날 경우 이상이 있음을 판단하는 것을 특징으로 하는 이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치의 제어방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 (f)단계에서, 상기 제2전압 모터 제어기는 제1전압 모터 제어기와의 상호 통신 및 협조제어를 통해서 제1전압 모터와 제2전압 모터의 토크 합을 이용해 목표 토크를 추종하는 제2전압 모터 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치의 제어방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1전압 전원 시스템과 제1전압 모터가 각각 고전압 전원 시스템과 고전압 모터이고, 상기 제2전압 전원 시스템과 제2전압 모터가 각각 저전압 전원 시스템과 저전압 모터인 것을 특징으로 하는 이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치의 제어방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1전압 전원 시스템과 제1전압 모터가 각각 저전압 전원 시스템과 저전압 모터이고, 상기 제2전압 전원 시스템과 제2전압 모터가 각각 고전압 전원 시스템과 고전압 모터인 것을 특징으로 하는 이중 전원을 사용하는 고신뢰성 일축 이중 모터 장치의 제어방법.
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