KR100938135B1 - 전기 모터를 과부하로부터 보호하기 위한 방법 및 회로 장치 - Google Patents

전기 모터를 과부하로부터 보호하기 위한 방법 및 회로 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비상 작동 모드에서 과부하로부터 전기 모터(10) 및/또는 그의 제어 회로(12)를 보호하기 위한 방법 및 상기 방법을 실행하기 위해 적합한 회로 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법 및 해당 회로 장치는 특히 펄스폭 변조에 의해 작동되는 차량의 직류-팬 모터를 보호하는데 사용되고, 제어 회로는 모터 출력단(22) 앞에 접속된 마이크로 컨트롤러(16) 및 과전압을 검출하기 위한 비교기 장치(14)를 포함하는 비상 제어 유닛으로서 형성된다. 본 발명에 따른 조치는 배터리 전압이 상승한 경우 그리고 전기 모터(10)의 정상적인 제어 회로(12)의 간섭으로 인해 비상 제어 유닛이 동시에 활성화될 경우 과부하 방지를 보장한다. 이를 위해 적어도 하나의 과전압 임계값(Us1, Us2)이 결정되고, 상기 과전압 임계값이 초과할 경우 모터에 제공된 전력은 감소되거나 또는 차단된다.
전기 모터, 제어 회로, 모터 출력단, 마이크로 컨트롤러, 비교기 장치.

Description

전기 모터를 과부하로부터 보호하기 위한 방법 및 회로 장치{Method and circuit arrangement for protecting an electric motor from an overload}
본 발명은 전기 모터 및/또는 그의 제어 회로를 과부하로부터 보호하기 위한 방법 및 청구범위 제 1항의 전제부에 따른 상기의 방법을 실시하기 위한 회로 장치에 관한 것이다.
DE-199 44 194 A 에는 전자 정류 가능한 모터용 과부하 방지 방법이 공지되어 있고, 상기 모터의 출력단은 전자 제어 유닛을 통해 PWM-제어 신호에 의해 제어될 수 있고, 공급 전압을 공급받을 수 있다. 공급 전압의 크기 및 PWM-제어 신호용으로 미리 주어진 설정값의 크기에 따라 적어도 모터의 공칭 전압이 초과될 때부터, 출력단용 PWM-제어 신호의 펄스폭이, 모터 출력의 제한을 통해 모터 및 전자 부품의 과부하를 방지하는 값으로 감소됨으로써, 모터의 과부하 방지에 의한 최대 부하의 제한이 이루어진다. 그러나 상기의 회로 장치는, 출력단의 제어가 PWM-신호 자체에 의해 어떠한 간섭을 받지 않을 경우에 한해서만 과부하 방지를 보장한다.
본 발명의 목적은, 제어 회로 자체에서 간섭이 발생할 경우에도 전기 모터 및 그의 파워 서플라이가 과부하로부터 보호되는 것을 보장하는, 전기 모터 및/또는 그의 제어 회로를 과부하로부터 보호하기 위한 방법 및 상기의 방법을 실시하기에 적합한 회로 장치를 제공하는 것이다. 이는, 청구범위 제 1항에 따른 방법에 의해 그리고 청구범위 제 8항에 따른 회로 장치에 의해 달성된다. 이 경우 특히, 모터의 소위 비상 작동시, 즉 모터의 정규 제어 회로가 고장난 경우 또는 작동되지 않는 경우, 과도하게 상승된 배터리 전압과 이로 인해 야기된 구동 매커니즘의 과부하가 보상된다.
본 발명의 실시예 및 개선예는 종속 청구항 및 12V-직류-차량 전기 시스템을 포함하는 차량의 직류-팬 모터의 보호를 위한 실시예의 상세한 설명에 제시된다. 상기 방법은 전기 모터용 비상 작동 모드를 보장하는데 이용되고, 상기 비상 작동동 모드는 한편으로는 차량용 팬 모터에서 반드시 보장되어야 하지만, 다른 한편으로는 그 자체가 손상을 야기해서는 안 된다. 이 경우, 특히 냉각 팬 출력단의 제어 라인의 차단, 즉 출력단의 제어 신호의 정상적인 수신, 그리고 스위칭된 공급 전압, 즉 차량에서 점화 스타터 스위치를 통해 안내된 배터리 전압의 모니터링이 주목된다.
바람직한 방법에서는, 제어 회로에서 적어도 하나의 과전압 임계값이 규정되고, 상기 과전압 임계값이 달성되거나 초과되면, 모터에 공급된 전력이 감소되거나 또는 모터가 차단된다. 바람직하게 상기 방법 및 상기 회로 장치는, 제 1 과전압 임계값 미만으로 배터리 전압의 30 % 내지 100 % 범위에 상응하는 전력이 모터에 제공되도록 설계된다. 이 경우, 제 1 과전압 임계값에 도달할 때까지 전체 배터리 전압에 상응하는 전력이 모터에 인가될 수 있지만, 선택적으로 전력은 비상 제어 유닛의 활성화에 의해 또는 배터리 전압의 달성에 의해 예컨대 1/2 전력값으로 감소될 수 있다. 펄스폭 변조시 전체 배터리 전압은 100% 듀티 사이클에서 제어에 상응하고, 1/2 배터리 전압인 경우 듀티 사이클은 50%이다. 그러나 바람직하게 2개의 과전압 임계값이 미리 주어지고, 전기 모터에는 제 1 임계값 미만으로 전체 배터리 전압에 상응하는 전력이 공급되는 한편, 제 1 임계값과 제 2 임계값 사이의 범위에서 바람직하게 배터리 전압의 50 %로 감소된 전력이 모터에 공급된다. 제 2 과전압 임계값에 도달할 경우 모터가 차단됨으로써, 모터 자체 및/또는 모터의 출력단의 과부하가 방지된다.
조절된 비상 작동을 가진 본 발명에 따른 모터 제어부의 일부인 전압 모니터링 회로는 과전압 임계값의 개수에 상응하는 개수의 비교기를 가진 비교기 장치를 포함하고, 상기 비교기에 한편으로는 각각 규정된 과전압 임계값에 상응하는 기준 전압이 제공되고, 트리거링 변수로서 실제 배터리 전압에 상응하는 기준값이 제공된다. 이러한 방식으로 특히 간단하고 확실한 방식으로 구동 매커니즘의 과부하 방지가 보장되는데, 그 이유는 제어가 과부하에 대해 규정된 변수 자체에 기초하기 때문이다.
비상 작동 모드에서 전기 모터 및/또는 그의 제어부를, 특히 차량의 직류-팬 모터를 과부하로부터 보호하는데 적합한 회로 장치는, 펄스폭 변조에 의해 제어되는 모터 출력단을 사용하고, 공급된 전력이 정상 작동 모드 동안 작용하는 PWM-제어 회로에 의해서는 더 이상 보장될 수 없는 비상 작동 모드에서 과부하로부터 보호하기 위한 전기 모터에는 모터 출력단 앞에 접속된, 공급 전압을 모니터링하기 위해 할당된 비교기 장치를 포함하는 마이크로 컨트롤러가 추가로 제공되는 것을 특징으로 한다. 모니터링되어 마이크로 컨트롤러에 디스플레이되는 하나 또는 다수의 과전압 임계값에 따라, 제어 전압이 모터 출력단에 제공됨으로써, 상기 비상 제어 유닛은 특히 펄스폭 변조의 설정값 신호 및/또는 모터 출력단의 스위칭된 공급 전압의 차단 또는 잘못된 공급시 작용한다.
본 발명의 다른 세부 사항 및 바람직한 구성은 실시예 설명에 제시된다.
도 1은 가변 배터리 전압(Ubat)에 따른, 전기 모터에 제공된 전압의 듀티 사이클(TV)의 곡선.
도 2는 차량용 냉각 팬의 비상 작동 모드시 본 발명에 따른 과부하 방지용 회로 장치.
도 1에는 맥동 공급 전압의 듀티 사이클(TV)이 백분율로 배터리 전압(Ubat)에 따라 도시된다. 도면을 단순화하기 위해 듀티 사이클(TV)에 있어서 50% 및 100%의 값만 도시된다. 배터리 전압은 13 V 내지 16 V의 값으로 표시된다. 이 경우 13 V의 배터리 전압은 정상 공급 전압에 상응하고, 제 1 과전압 임계값(Us1)은 14 V로 규정되고, 제 2 과전압 임계값(Us2)은 16 V로 규정된다.
도 1에 따른 도면에서 듀티 사이클(TV)의 상이한 곡선이 도시되고, 상기 듀티 사이클은 구동 매커니즘의 공급 전압의 평균값에 상응한다. 일점쇄선에 의해 펄스폭 변조의 통상적인 곡선이 도시되고, 13 V의 정상 배터리 전압 미만에서 전체 전압은 100 %의 듀티 사이클에 상응하게 인가되는 한편, 상기 값을 지나서는 듀티 사이클이 -도시된 경우에는 선형으로- 감소되고, 16 V의 배터리 전압에서는 값 0에 도달된다. 이러한 공급 전압 제어는 서두에 언급된 DE 199 44 194 A에 기술된다.
비상 작동 모드에서 특히 상기 설명된, 도 1에 일점쇄선으로 도시된 공급 전압의 조절이 실패하는 경우가 반드시 고려되어야 한다. 전기 모터는 정상적인 경우 13 V의 공급 전압용으로 설계되기 때문에, 조절을 실패할 경우 인가된 16 V의 공급 전압은 항상 모터 및 그의 출력단에 과부하를 일으킬 것이며, 이는 본 발명에 따른 제어시 저지된다.
도 1에는 14 V의 값까지 PWM-제어가 실패한 이후에 전체 배터리 전압이 모터에 인가되는 전압 곡선이 실선으로 도시된다. 상기 작은 과부하는 정상적인 경우 예컨대 차량용 냉각 팬 모터에 의해 및 그의 출력단에 의해 손상없이 극복된다. 14 V의 제 1 과전압 임계값(Us1)에 도달된 이후에 듀티 사이클이 50 %로 감소됨으로써, 모터에는 1/2 배터리 전압만 인가된다. 이로 인해 모터의 비상 전력이 충분해질 수 있다. 16 V의 제 2 과전압 임계값(Us2)에 도달된 경우에 비로소 공급 전압이 차단된다.
다른 대안이 도 1에서 파선으로 도시된다. 이는 비상 작동 상황의 발생시 즉시 공급 전압이 50 %의 듀티 사이클에 상응하게 1/2 값으로 감소되고, 제 2 과전압 임계값(Us2)에서 차단될 때까지 상기 값을 유지하는 가능성을 도시한다. 추가 임계값의 배치가 가능하다. 예컨대 제 1 과전압 임계값이 13 V의 배터리 전압의 공칭값으로 규정되고, 상기 값에 도달할 경우 전압이 감소되는 것도 고려될 수 있다. 이 경우 기본적으로 비상 작동 모드에서 듀티 사이클(TV)의 조절된 감소는 예컨대 비간섭 작동에서 일점쇄선 곡선에 상응하게 실행될 수 있다.
도 2는 차량의 직류-팬 모터 및 그의 제어 회로(12)를 과부하로부터 보호하기 위한 회로 장치를 도시한다. 도면에 팬을 구비한 전기 모터(10)가 도시되고, 상기 전기 모터에는 제어 회로(12)에 의해 펄스폭 변조 전압(PWMmot)이 제공된다. 제어 회로(12)는 실질적으로 비교기 장치(14), 마이크로 컨트롤러(16) 및 모터 출력단(22)으로 이루어진다. 전기 모터(10)의 정상 작동 모드에서의 제어는 차량에서 통상적으로 모트로닉(motronic)이라 칭하는 제어 장치(18)를 통해 이루어지고, 상기 제어 장치는 마이크로 컨트롤러(16)에 PWM의 설정값을 제공한다. 또한, 마이크로 컨트롤러(16)는 비교기 장치(14)의 출력부와 점화 스위치 후방에 접속된 배터리 전압(U15)에 연결된다. 펄스폭 변조 제어 신호(PWM)를 가진 마이크로 컨트롤러(16)의 출력부는 모터 출력단(22)에 연결되고, 또한 상기 모터 출력단은 도시되지 않은 차량 배터리에 연결되고 그로부터 배터리 전압(Ubat)이 얻어진다. 모터 출력단(22)의 출력부에서 펄스폭 변조 공급 전압(PWMmot)이 전기 모터(10)에 인가된다.
실시예에서 비교기 장치(14)는 2개의 비교기(24 및 26)로 이루어지고, 상기 비교기의 비반전 입력부에 각각 실제 배터리 전압으로부터 도출된 기준값(Uref)이 인가된다. 상기 기준값은 각각 도 1에 의해 이미 설명된 과전압 임계값(Us1 또는 Us2)과 비교되고, 상기 과전압 임계값은 차량의 12 V-전기 시스템에서 바람직하게 전기 모터(10)의 공급 전압으로서 13 V의 정상 배터리 전압에 대한 한계값으로서 Us1 은 14 V으로, 그리고 Us2 은 16 V의 값으로 결정된다.
전기 모터(10)의 비상 작동 모드용 간섭 변수로서 특히 모트로닉(18)의 출력 신호(PWMsoll)가 모니터링된다. 따라서 제어 신호의 펄스폭 변조의 간섭과 동시에 배터리 전압(Ubat)의 과도한 상승이 발생하면, 모트로닉(18)과 마이크로 컨트롤러(16) 사이의 연결 차단시 전기 모터(10) 또는 출력단(22)에 과부하가 발생할 수 있다.
비상 제어 유닛이 활성화되는 다른 이유로서 차량의 점화 스위치 후방에 접속된 배터리 전압(U15)의 차단을 들 수 있고, 이러한 간섭은 모트로닉(18)의 제어 신호 내의 간섭과 동시에 또는 별도로 발생할 수 있다.
간섭이 발생하는 경우, 비교기 장치(14)에서 비교기(24)의 반전 입력부에 14 V의 과전압 임계값(Us1)에 상응하는 신호가 인가되는 한편, 비교기(26)의 반전 입력부에는 16 V의 과전압 임계값(Us2)에 상응하는 입력 신호가 인가된다. 비교기(24 및 26)의 2개의 비반전 입력부들에 기준 전압(Uref)이 제공되고, 상기 기준 전압의 크기는 실제 배터리 전압(Ubat)에 의해 결정된다.
도 1의 실선에 상응하는 비상 작동 프로그램에서는, 배터리 전압이 임계값(Us1)에 상응하는 14 V의 값을 초과하지 않는 경우에 한해서, 비교기 장치(14) 및 이와 함께 비상 제어 유닛이 활성화되지 않는다. 이러한 시점까지 듀티 사이클(TV)은 100 %이고, 배터리 전압은 최고 높이로 모터 출력단(22)을 통해 전기 모터(10)에 인가된다. 14 V의 과전압 임계값(Us1)에 도달됨으로써 듀티 사이클(TV)이 50 %의 값으로 감소되고, 16 V의 과전압 임계값(Us2)이 달성되고 전기 모터(10)의 전류 공급이 차단될 때까지 1/2 배터리 전압이 모터에 인가된다. 비상 작동 모드에서 감소된 배터리 전압의, 도 1에 도시된 다른 곡선에 대해서도 상응하게 적용된다. 파선의 경우, 간섭 위치(28 및/또는 30)에서 간섭이 발생하는 즉시 공급 전압은 듀티 사이클이 50 %로 감소됨으로써 1/2이 되고, 16 V의 과전압 임계값(Us2)에 도달되어 모터가 차단될 때까지, 상기 크기로 전기 모터(10)에 인가되어 유지된다.
도 1의 일점쇄선에 상응하게 비상 작동 모드에서도 조절된 공급이 보장될 수 있다. 또한, 추가 과전압 임계값이 규정될 수 있고, 공급 전압이 감소할 경우 중간단이 구현될 수 있다. 이 경우 마이크로 컨트롤러(16)에 의한 제어 회로(12)에서의 모니터링 기능은 PWMsoll-신호 또는 스위칭된 공급 전압(U15)의 완전한 장애에 국한되지 않고, 마이크로 컨트롤러(16)에서 특히 변수(PWMsoll 및 U15)의 타당성에 대한 모니터링이 이루어진다. 이 경우 예컨대 변수(U15 및 PWMsoll)에 대해 10 % 또는 90 %의 한계값이 규정될 수 있고, 상기 한계값에 미만 또는 초과시 에러가 신호화된다.
상기 방식의 제어 회로(12)의 펄스폭 변조의 클록 주파수는 통상적으로 100 Hz 내지 300 Hz 범위이고, 상기 클록 주파수도 모니터링되고, 마찬가지로 작은 변동은 간섭으로 나타나지 않는다. 마지막으로 모트로닉(18) 대신에 펄스폭 변조를 위한 각각 다른 조절- 또는 제어 유닛이 사용될 수 있고, 특히 상기 유닛들은 마이크로 컨트롤러(16)에 통합될 수도 있다. 정상적인 조절 또는 제어의 실패시 및 상승된 배터리 전압이 동시에 발생할 경우 전기 모터(10) 또는 그의 출력단(22)이 과부하를 받지 않는 것이 중요한 것이 아니라, 이러한 경우 전기 모터(10)의 추가 작동 모드를 규정된 한계값으로 유지하는 비상 제어 유닛이 개입하는 것이 중요하다.
따라서 본 발명에 따른 회로 장치는, 배터리 전압이 상승되어 제어 라인이 차단될 경우 과부하를 방지할 수 없는, 일반적으로 전방 접속된, 예컨대 모트로닉(18) 형태의 모터 제어 회로가 고장날 경우, 모터 제어 회로 내에서 내부 전압 보상을 가능하게 한다.

Claims (10)

  1. 전기 모터(10) 및 그 제어 회로(12)를 과부하로부터 보호하기 위한 방법으로서, 상기 전기 모터에는 공급된 전력의 펄스폭 변조 제어(PWM)를 위한 모터 출력단 및 상승된 공급 전압이 발생할 경우 모터 전력의 제한을 위한 제어부가 배치되는, 전기 모터 및 그 제어 회로를 과부하로부터 보호하기 위한 방법에 있어서,
    상기 전기 모터(10)의 비상 작동 모드에서 과부하 방지는, 모터 출력단의 제어부(8)에서 간섭(28, 30)이 발생할 경우 비상 제어 유닛(14, 16)의 활성화에 의해 이루어지고,
    상기 전기 모터(10)에 규정된 비상 작동 전력이 제공되고, 상기 비상 작동 전력은 공급 전압의 제 1 과전압 임계값(Us1) 미만에서 미리 주어진 값 또는 곡선을 가지고, 하나 또는 다수의 과전압 임계값(Us1, Us2)의 초과시 감소되거나 또는 차단되는 것을 특징으로 하는 전기 모터 및 그 제어 회로를 과부하로부터 보호하기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전기 모터(10)에 제 1 과전압 임계값(Us1) 미만에서 배터리 전압(Ubat)의 30 % 내지 100 % 범위에 상응하는 전력이 제공되는 것을 특징으로 하는 전기 모터 및 그 제어 회로를 과부하로부터 보호하기 위한 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    2개의 과전압 임계값(Us1, Us2)이 미리 주어지고,
    제 1 임계값(Us1)과 제 2 임계값(Us2) 사이에서 상기 전기 모터(10)에 배터리 전압(Ubat)의 30 % 내지 70 % 범위에 상응하는 전력이 제공되는 것을 특징으로 하는 전기 모터 및 그 제어 회로를 과부하로부터 보호하기 위한 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 전기 모터(10)는 상기 제 2 과전압 임계값(Us2)의 도달시 차단되는 것을 특징으로 하는 전기 모터 및 그 제어 회로를 과부하로부터 보호하기 위한 방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    차량의 12 V-전기 시스템에 사용하기 위해 상기 제 1 과전압 임계값(Us1)이 14 V의 값으로 정해지는 것을 특징으로 하는 전기 모터 및 그 제어 회로를 과부하로부터 보호하기 위한 방법.
  6. 제 3항에 있어서,
    차량의 12 V-전기 시스템에 사용하기 위해 상기 제 2 과전압 임계값(Us2)이 16 V의 값으로 정해지는 것을 특징으로 하는 전기 모터 및 그 제어 회로를 과부하로부터 보호하기 위한 방법.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    비상 작동 모드에서 상기 전기 모터(10)의 전력은 비교기 장치(14)를 포함하는 전압 모니터링 회로에 의해 조절되고, 상기 비교기 장치에는 상기 과전압 임계값(Us1, Us2)에 대한 기준값으로서 배터리 전압(Ubat)에 상응하는 기준 전압(Uref)이 제공되는 것을 특징으로 하는 전기 모터 및 그 제어 회로를 과부하로부터 보호하기 위한 방법.
  8. 전기 모터에 제공된 전력의 펄스폭 변조 제어(PWM)를 위한 모터 출력단, 및
    상승된 공급 전압이 발생할 경우 모터 전력을 제한하기 위한 제어부를 포함하는, 전기 모터 및 그 제어 회로(12)를 과부하로부터 보호하기 위한 회로 장치에 있어서,
    전기 모터(10)의 비상 작동 모드에서 과부하를 방지하기 위해 상기 전기 모터의 제어 회로(12)가 비상 제어 유닛으로 형성되고, 상기 비상 제어 유닛은 PWM-설정값 전송기로서 작동하는 제어 장치(18)와 모터 출력단(22)에 부가하여 상기 모터 출력단 전방에 접속된 마이크로 컨트롤러(16)를 포함하고, 상기 마이크로 컨트롤러는 펄스폭 변조의 설정값 신호(PWMsoll) 또는 스위칭된 공급 전압(U15)의 차단 또는 오류 공급시, 상기 마이크로 컨트롤러에서 적어도 하나의 과전압 임계값(Us1, Us2)의 설정에 따라, 제어 전압(PWM)을 상기 모터 출력단(22)에 제공하는 것을 특징으로 하는 전기 모터 및 그 제어 회로를 과부하로부터 보호하기 위한 회로 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 비상 제어 유닛은 비교기 장치(14)를 포함하고, 상기 비교기 장치에는 한편으로는 배터리 전압(Ubat)에 상응하는 기준 전압(Uref)이, 다른 한편으로는 정상 배터리 전압(Ubat) 보다 큰 적어도 하나의 상기 과전압 임계값(Us1, Us2)이 비교값으로서 미리 주어지는 것을 특징으로 하는 전기 모터 및 그 제어 회로를 과부하로부터 보호하기 위한 회로 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    차량의 12 V-전기 시스템에 사용하기 위해, 상기 비교기 장치(14)가 2개의 비교기(24, 26)를 포함하고, 상기 비교기에는 한편으로는 각각 실제 배터리 전압(Ubat)으로부터 도출된 기준 값(Uref) 및 다른 한편으로는 13 V의 정상 배터리 전압(Ubat) 보다 큰, 14 V(Us1) 또는 16 V(Us2)의 과전압 임계값이 미리 주어지는 것을 특징으로 하는 전기 모터 및 그 제어 회로를 과부하로부터 보호하기 위한 회로 장치.
KR1020047009007A 2001-12-18 2002-09-24 전기 모터를 과부하로부터 보호하기 위한 방법 및 회로 장치 KR100938135B1 (ko)

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