KR100751247B1 - 고장 검출 기능을 가진 토크 센서 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고장 검출 기능을 가진 토크 센서 회로에 관한 것으로, 고장 검출 수단을 구비하여 토크 검출 코일의 단락이나 파손 등의 고장 발생시 이를 검출할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다. 본 발명에 따른 차량 조향 장치의 토크 센서 회로는 발진기와 코일부, 증폭 수단, 고장 검출부, 제어부를 포함하여 이루어진다. 발진기는 샘플링 클럭 신호에 동기되어 구형파 발진 신호를 발생시킨다. 코일부는 구형파 발진 신호를 입력받아 동작하여 토크 검출을 위한 복수개의 과도 전압을 발생시킨다. 증폭 수단은 기준 전압에 의해 동작하는데, 복수개의 과도 전압의 전압차를 증폭하여 토크값 산출의 기초가 되는 출력 전압을 발생시킨다. 고장 검출부는 복수개의 과도 전압 가운데 하나가 미리 설정된 범위를 벗어나면 출력 전압을 특정 값으로 변화시켜 코일부의 고장 발생을 알린다. 이와 같은 본 발명에 따른 차량 조향 장치의 토크 센서 회로는 고장 검출 수단을 구비하여 토크 검출 코일의 단락이나 파손 등의 고장 발생시 이를 검출하여 불필요한 보조 스티어링 토크를 발생시키지 않음으로써 보조 스티어링 발생 장치의 수명을 연장시키고 동력의 낭비를 막는 효과가 있다.

Description

고장 검출 기능을 가진 토크 센서 회로{torque sensor circuit having fail detection}
도 1은 종래의 차량 조향장치의 토크 센서 회로를 나타낸 블록 다이어그램.
도 2는 본 발명에 따른 차량 조향장치의 토크 센서 회로를 나타낸 블록 다이어그램.
*도면의 주요 기능에 대한 부호의 설명*
102 : 토크 센서 회로 104 : 온도 보상 코일
106 : 토크 검출 코일 108 : 정현파 발진기
110 : 위상 변환기 112, 118, 208 : 차동 증폭기
114, 120 : 아날로그 스위치 116, 122 : 전압-전류 변환기
124, 126 : 오프셋 전압 발생기 128, 214 : 제어부
202 : 구형파 발진기 204 : pnp 바이폴라 트랜지스터
206 : 코일부 210, 216 : 샘플홀드 회로
212 : 고장 검출부 218 : 상하한 판정부
220 : npn 바이폴라 트랜지스터 222 : 토크 검출 코일
224, 228 : 저항 226 : 온도 보상 코일
VC : 발진기 제어 신호 VS : 유지 신호
VOSC : 발진 신호 V1, V2 : 과도 전압
V3 : 증폭 전압 VR : 기준 전압
VOUT : 출력 전압
본 발명은 차량의 조향 장치에 관한 것으로, 특히 조향 장치의 토크 센서 회로에 관한 것이다.
대형 자동차나 저압 타이어를 사용하는 경우에는 앞바퀴의 접지저항이 증대하므로 스티어링 휠(Steering Wheel)의 조작력이 커지며, 신속한 조향조작을 할 수 없는 위험이 있다. 이와 같은 경우, 가볍고 신속한 조향조작의 요구에 대응하기 위하여 동력 조향(Power Steering)이 사용된다. 동력 조향은 조향 장치와 바퀴 사이의 중간에 배력 장치를 설치하여 스티어링 휠의 조작력을 그의 배력작용에 의해 경감시키는 것을 말한다. 동력 조향을 사용하는 경우의 이점은 다음과 같다. (1) 조작력을 작게 할 수 있으므로 조향 기어를 자유로이 선택할 수 있다. (2) 노면에서의 충격에 의한 스티어링 휠의 킥백(Kick Back)을 방지할 수 있다. (3) 앞바퀴의 이상 진동(Shimmy Motion)이 감소한다.
동력 조향을 구현하기 위해서는 운전자의 조작에 따른 스티어링 휠의 회전에 따른 토크량을 검출해야 하는데, 이때 사용되는 것이 토크 센서이다. 토크 센서는 스티어링 휠의 조작시에 발생하는 토크를 감지하여 토크 신호를 발생시킨다. 제어부는 이 토크 신호로부터 토크량을 산출하여 필요한 보조 동력의 크기를 결정하고, 모터를 제어하여 필요한 보조 동력이 발생할 수 있도록 한다.
도 1은 종래의 차량 조향장치의 토크 센서 회로를 나타낸 블록 다이어그램이다. 정현파 발진기(sinusoidal oscillator, 108)는 기준 발진 신호를 발생시켜서 온도 보상 코일(104) 및 토크 검출 코일(106)에 공급한다. 차동 증폭기(112)(118)는 토크 검출 코일(106)에 유기된 전압과 온도 보상 코일(104)에 유기된 전압의 전압차를 증폭하여 아날로그 스위치(114)(120)로 출력한다. 아날로그 스위치(114)(120)는 차동 증폭기(112)(118) 출력 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하기 위한 샘플링 등을 수행한다. 전압-전류변환기(116)(122)는 아날로그 스위치(114)(120)의 출력 전압을 전류로 변환하여 제어부(128)로 출력한다. 위상 변환기(110)는 정현파 발진기(108)에서 발생한 기준 발진 신호의 위상을 반전시키는 장치로서, 토크 검출 코일(106)과 온도보상 코일(104)에 서로 위상이 반대인 발진 신호를 공급한다. 오프셋 전압 발생기(124)는 정현파 발진기(108)와 차동 증폭기(112), 아날로그 스위치(114), 전압-전류 변환기(116)에 오프셋 전압을 공급한다. 또 다른 오프셋 전압 발생기(126)는 위상 변환기(110)와 차동 증폭기(112), 아날로그 스위치(114), 전압-전류 변환기(116)에 오프셋 전압을 공급한다.
위에 언급한 구성요소 가운데 차동 증폭기(112)(118)와 아날로그 스위치(114)(120), 전압-전류 변환기(116)(122)가 각각 두 개씩인데, 이는 메인 신 호를 위한 구성(112)(114)(116)과 서브 신호를 위한 구성(118)(120)(122)이다. 메인 신호와 서브 신호는 동일한 경로를 통해 만들어지는 신호이므로 원칙적으로는 동일해야 한다. 제어부(128)는 이 두 신호를 비교하여 그 차이가 설정 범위를 벗어나면 토크 센서 회로(102)에 고장이 발생한 것으로 판단한다.
종래의 토크 센서 회로의 동작은 다음과 같다. 사용자가 스티어링 휠(steering wheel)을 조작하면 그 조작량에 따라 토크 검출 코일(106)의 인덕턴스 값이 변화한다. 토크 검출 코일(106)과 온도 보상 코일(104)의 초기 인덕턴스 값은 동일하게 설정되어 있는데, 스티어링 휠의 회전으로 온도 보상 코일(104)의 인덕턴스 값은 일정한 반면에 토크 검출 코일(106)의 인덕턴스 값은 변화한다. 이 때 토크 검출 코일(106)의 인덕턴스 값의 변화량은 곧 토크 검출 코일(106)에 유기되는 전압의 변화이므로, 이 토크 검출 코일(106)의 유기 전압의 변화량을 측정하여 스티어링 휠의 토크 값을 측정한다. 제어부(128)는 이 토크 값 만큼 모터를 구동하여 보조 동력이 발생할 수 있도록 한다.
그러나 이와 같은 종래의 토크 센서 회로에서는, 토크 센서 회로의 고장 발생은 검출할 수 있으나(메인 신호와 서브 신호의 비교를 통해) 토크 검출 코일(106) 또는 온도 보상 코일(104)이 단락(short)되거나 개방(open)되는 고장이 발생하는 경우에는 제어부(128)가 이를 검출하지 못해 불필요한 보조 스티어링 토크를 계속 발생시키는 문제가 있다.
종래 기술의 문제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 차량 조향 장치의 토크 센서 회로는 고장 검출 수단을 구비하여 토크 검출 코일의 단락이나 파손 등의 고장 발생시 이를 검출할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적의 본 발명에 따른 차량 조향 장치의 토크 센서 회로는 발진기와 코일부, 증폭 수단, 고장 검출부, 제어부를 포함하여 이루어진다. 발진기는 샘플링 클럭 신호에 동기되어 구형파 발진 신호를 발생시킨다. 코일부는 구형파 발진 신호를 입력받아 동작하여 토크 검출을 위한 복수개의 과도 전압을 발생시킨다. 증폭 수단은 기준 전압에 의해 동작하는데, 복수개의 과도 전압의 전압차를 증폭하여 토크값 산출의 기초가 되는 출력 전압을 발생시킨다. 고장 검출부는 복수개의 과도 전압 가운데 하나가 미리 설정된 범위를 벗어나면 차량의 출력 전압을 특정 값으로 변화시켜 코일부의 고장 발생을 알린다.
이하 본 발명에 따른 토크 센서 회로의 바람직한 실시예를 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 2는 본 발명에 따른 차량 조향장치의 토크 센서 회로를 나타낸 블록 다이어그램이다.
구형파 발진기(202)는 제어부(ECU, 214)로부터 제공되는 클럭 신호인 제어 신호(VC)에 의해 동작하여 소정 주파수의 구형파 발진 신호(VOSC)를 발생시킨다. 이 제어 신호(VC)의 주파수는 제어부(214) 내에서 생성되는 샘플링 클럭(sampling clock)과 같은 주파수이기 때문에 구형파 발진기(202)의 발진 동작 역시 이 샘플링 클럭에 동기되어 이루어진다.
코일 구동 수단인 pnp 바이폴라 트랜지스터(204)는 구형파 발진기(202)의 발진 신호(VOSC)에 의해 온/오프되는데, 이 때문에 발진 신호(VOSC)의 위상이 반전된다. pnp 바이폴라 트랜지스터(204)에 의해 반전된 신호는 코일부(206)에 입력된다.
코일부(206)는 토크 검출 코일(222)과 온도 보상 코일(226), 저항(224)(228)으로 구성되어 복수개의 과도 전압 중 제 1, 2의 과도 전압(V1)(V2)을 출력한다. 이 제 1, 2의 과도 전압(V1)(V2)은 pnp 바이폴라 트랜지스터(204)를 통해 반전 입력되는 발진 신호(VOSC)에 의해 코일(222)(226)과 저항(224)(228) 사이에서 발생한다.
차동 증폭기(208)는 코일부(206)에서 출력되는 제 1, 2의 과도 전압(V1)(V2)의 전압차를 증폭하여 증폭 전압(V3)을 발생시킨다. 이 차동 증폭기(208)에는 제어부(214)에서 출력되는 기준 전압(VR)이 입력되는데, 이 기준 전압(VR)은 2.5V로서 VDD/2에 해당된다. 차동 증폭기(208)의 증폭 전압(V3)은 이 기준 전압(VR)을 중심으로 변화한다.
샘플홀드 회로(sample & hold circuit, 210)는 차동 증폭기(208)에서 출력되는 증폭 전압(V3)을 양자화하여 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환한다. 샘플홀드 회로(210)의 출력 전압(VOUT)은 제어부(214)에 입력되며, 제어부(214)는 이 출력 전압(VOUT)을 통해 토크값을 검출한다. 또한 코일부(206)의 과도기 동안에는 차동 증폭기(208)의 출력 전압을 일정 시간 동안 유지하기도 한다. 이 유지 동작은 제어부(214)에서 출력되는 유지 신호(VS)에 의해 이루어진다.
고장 검출부(212)는 샘플홀드 회로(216)와 상하한 판정부(218) 및 스위칭 수단인 npn 바이폴라 트랜지스터(220)로 구성된다.
샘플홀드 회로(216)에는 코일부(206)의 토크 검출 코일(222)에서 발생하는 과도 전압(V1)이 입력된다. 샘플홀드 회로(216)는 이 과도 전압(V1)을 샘플링하여 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환한 다음 샘플홀드 회로(216)로 출력한다.
상하한 판정부(218)는 샘플홀드 회로(216)의 출력 신호의 전압이 설정된 범위를 벗어나면 npn 바이폴라 트랜지스터(220)를 턴 온시킨다. npn 바이폴라 트랜지스터(220)의 콜렉터에는 제어부(214)에서 출력되는 기준 전압(VR)이 입력되고, 에미터는 접지되기 때문에, npn 바이폴라 트랜지스터(220)가 턴 온되면 기준 전압(VR)은 0V가 된다. 상하한 판정부(218)의 상한값과 하한값은 코일부(206)가 정상적으로 동작할 때의 제 1, 2의 과도 전압(V1)(V2)이 갖는 최대값과 최소값에 해당하며, 공급 전압 VDD보다 작고 0V보다는 크다.
코일부(206)에 고장이 발생한 경우의 본 발명에 따른 토크 센서 회로의 동작은 다음과 같다. 토크 검출 코일(222)이 단락되거나 파손되면 제 1의 과도 전압(V1)은 VDD 또는 0V가 된다. 이 값이 샘플홀드 회로(216)를 통해 상하한 판정부(218)에 입력되면, 상하한 판정부(218)는 샘플홀드 회로(216)의 출력 전압이 적정 범위 밖에 있으므로 npn 바이폴라 트랜지스터(220)를 턴 온 시켜서 차동 증폭기(208)에 공급되는 기준 전압(VR)을 0V로 만든다. 이 때문에 차동 증폭기(208)의 증폭 전압(V3)은 제 1, 2의 과도 전압(V1)(V2)에 관계없이 0V가 되며, 샘플홀드 회로(210)의 출력 전압(VOUT) 역시 0V가 된다. 제어부(214)는 이와 같은 정상 동작 범위를 벗어나는 출력 전압(VOUT)이 발생하면 코일부(206)에 고장이 발생하였음을 인지하고, 보조 스티어링 토크를 발생시키지 않는다.
또한, 코일 구동 수단인 pnp 바이폴라 트랜지스터(204)의 고장으로 인하여 코일부(206) 내에 전류가 공급되지 않을 때 제 1, 2의 과도 전압(V1)(V2)은 모두 0이 되므로 차동 증폭기(208)의 증폭 전압(V3)은 기준 전압(VR)이 되고, 결과적으로 샘플홀드 회로(210)의 출력 전압(VOUT) 역시 기준 전압(VR)이 된다. 제어부(214)는 출력 전압(VOUT)이 0이 되는 것을 검출하여 고장이 발생하였음을 인지하고 더 이상 보조 스티어링 토크를 발생시키지 않는다.
본 발명에 따른 차량 조향 장치의 토크 센서 회로는 고장 검출 수단을 구비하여 토크 검출 코일의 단락이나 파손 등의 고장 발생시 이를 검출하여 불필요한 보조 스티어링 토크를 발생시키지 않음으로써 보조 스티어링 발생 장치의 수명을 연장시키고 동력의 낭비를 막는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 샘플링 클럭 신호에 동기되어 구형파 발진 신호를 발생시키는 발진기와;
    상기 구형파 발진 신호를 입력받아 동작하여 토크 검출을 위한 제 1, 2의 과도 전압을 발생시키는 코일부와;
    기준 전압에 의해 동작하고, 상기 제 1, 2의 과도 전압의 전압차를 증폭하여 차량의 토크값 산출의 기초가 되는 출력 전압을 발생시키는 증폭 수단과;
    상기 기준 전압의 단자와 접지 사이에 연결되는 스위칭 수단과, 미리 설정된 상한값과 하한값을 갖고 상기 제 1, 2의 과도 전압 가운데 하나가 상기 상한값 또는 상기 하한값을 벗어나면 상기 스위칭 수단을 턴 온 시켜서 상기 기준 전압이 상기 접지 레벨이 되도록 하는 상하한 판정를 구비하여, 상기 제 1, 2의 과도 전압 가운데 하나가 미리 설정된 범위를 벗어나면 상기 출력 전압을 특정 값으로 변화시키는 고장 검출부를 포함하여 이루어지는 토크 센서 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 증폭 수단은,
    상기 기준 전압에 의해 동작하고, 상기 제 1 및 제 2 과도 전압의 전압차를 증폭하여 증폭 전압을 발생시키는 차동 증폭기와;
    상기 증폭 전압을 디지털 신호로 변환하여 상기 출력 전압을 발생시키는 샘플홀드 회로를 포함하여 이루어지는 것이 특징인 토크 센서 회로.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상하한 판정부의 상한값과 하한값의 범위는 각각 상기 코일부가 정상적으로 동작할 때의 상기 제 1 과도 전압이 갖는 최대값과 최소값의 범위에 비례하는 것이 특징인 토크 센서 회로.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 고장 검출부는,
    상기 제 1 과도 전압이 미리 설정된 범위를 벗어나면 상기 고장 검출부가 이를 상기 코일부의 고장으로 인지하고 상기 기준 전압을 접지 레벨로 만들어 상기 증폭 수단의 출력 전압을 접지 레벨로 만들도록 이루어지는 것이 특징인 토크 센서 회로.
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