KR101040460B1

KR101040460B1 - 전동지게차의 과전류 검출장치

Info

Publication number: KR101040460B1
Application number: KR1020040092945A
Authority: KR
Inventors: 이병석
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2004-11-15
Filing date: 2004-11-15
Publication date: 2011-06-09
Also published as: KR20060047107A

Abstract

본 발명은 전동지게차의 과전류 검출장치에 관한 것으로서, 특히 인버터를 통해 AC 모터에 공급되는 3상(phase)의 전류가 과전류 상태인지를 판단할 때 각 상 전류와의 비교용으로 사용되는 제한치 전류를 디지털 제어방식을 이용하여 자동 설정하도록 한다. 이 때, 디지털 제어방식으로 제한치 전류를 자동 설정하기 위한 구성요소로는 디지털 포텐시오미터가 바람직하게 사용될 수 있다.

이에 따라, 생산라인에서 최종부품 조립 후 실시하는 하드웨어 튜닝 작업을 자동화할 수 있게 되고, 기 설정된 과전류 제한치가 차량 진동이나 부품 노후화에 따라 변경되는 것을 방지할 수 있다. 뿐만아니라 운전 중 사용자의 요구에 따라 파워모드가 변경되었을 때는 해당 파워모드에 따른 제한치 전류를 자동 설정해 줄 수 있게 되어 회로의 파손이나 오동작을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

전동지게차, 인버터, AC 모터, 과전류, 디지털 포텐시오미터

Description

전동지게차의 과전류 검출장치{ Apparatus for detecting over-current in electrically-powered trucks }

도 1은 종래 전동지게차에 사용되는 AC 모터 구동회로의 예,

도 2는 종래 전동지게차에 사용되는 과전류 검출장치의 예,

도 3은 홀 센서를 이용하는 전류검출회로의 예,

도 4는 본 발명에 따른 전동지게차의 과전류 검출장치에 관한 일 실시예,

도 5는 디지털 포텐시오미터와의 인터페이스를 위한 신호의 예,

도 6은 제어로직부의 중앙처리장치에서 수행하는 과정의 실시예이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11,41: 인버터 12,42: AC 모터

13,43: 제어로직부 14,16: 아날로그 포텐시오미터

15,17,45,47: 비교부 43-1: I/O 포트

44,46: 제한전류발생부 48: 모드 스위치

본 발명은 전동지게차의 과전류 검출장치에 관한 것으로서, 특히 전동지게차의 과전류 검출을 위해 사용되는 제한치 전류를 각종 파워모드에 따라 자동 설정할 수 있도록 해주는 과전류 검출장치에 관한 것이다.

전동지게차의 구동원은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 하나는 차량의 전진 및 후진 방향 움직임을 제어하는 주행용 모터이고, 다른 하나는 마스트(Mast)의 상승 및 하강, 마스트의 전후 경사각 조정, 마스트의 좌우 이동, 구동 바퀴 조향각 조절 등의 유압 파워를 생성해 내는 유압펌프 구동용 모터이다. 이 때, 배터리 전원을 인버터를 통해 모터 구동에 적합한 상태로 변환하여 공급해 준다.

도 1을 참조하자면, 전동지게차에서는 배터리(10)의 전원을 인버터(11)를 통해 펄스폭변조(PWM:Pulse Width Modulation) 스위칭하여 3상의 전류를 AC 모터(12)에 공급한다. 도 1에는 인버터(11)에 6개의 파워 스위치(T1~T6)가 사용된 예를 나타내고 있으며, 6개의 파워 스위치(T1~T6) 각각은 MOSFET을 병렬로 연결하여 소자의 온(On) 저항을 감소시킬 수 있도록 구성되고, 이에 따라 파워 손실을 감소시켜 대전류를 구동할 수 있다.

이러한 전동지게차의 모터 제어시 운전효율 및 동특성 향상을 위해 전류제어 또는 토크제어를 수행하는데, 제어로직부(13)는 액셀 페달로부터 입력되는 요구 지령 전류값과 실제 권선에 흐르는 피드백 전류값을 이용하여 비례적분(PI) 제어를 실시한 후, 그 결과로서 발생되는 필요 전압을 인버터 펄스폭변조(PWM) 제어를 통해 조합하여 모터 권선에 인가한다.

이 과정에서 비례적분(PI) 제어기의 계산오류, 인버터 상/하 파워 스위치의 단락오류, 게이트 드라이버 회로의 동작오류 등으로 인하여 파워소자의 최대허용전류 또는 모터권선의 최대허용전류 범위를 초과하는 대전류가 흐르는 경우가 발생할 수 있다. 이와 같은 과전류가 흐를경우 파워소자 또는 모터권선의 소손을 초래하게 되므로, 과전류를 검출하면 인버터 펄스폭변조(PWM) 스위칭 신호를 차단하여 구동 시스템의 파손을 방지할 수 있도록 하고 있다.

도 2를 참조하여, 종래의 전동지게차에서 과전류 검출이 이루어지는 과정을 설명하기로 한다.

일반적으로 권선 전류 검출용 센서는 도 3에 도시한 예와 같이 홀센서(Hall Sensor) 모듈을 사용하는데, 홀센서 입력전압은 +12V/-12V가 사용되며 +/- 전류 검출에 따른 +/- 출력전압을 A/D 컨버터 및 제어로직부 입력전압 레벨에 맞추기 위해 차동증폭기를 통해 레벨 쉬프트(Level Shift)하여 사용한다.

다시 도 2를 참조하자면, 평형(Balanced) 3상 회로에서 3상 전류의 합은 0이라는 사실에 기초하여 3상 중 2상의 권선 과전류만을 검출한 후 모터 전류 제어시 진단 신호로 적용하게 된다. 도 2에는 3상 권선 중 1상(U상)의 과전류 검출부분에 대해서만 도시하였으나, 다른 1상에서의 과전류 검출에 대해서도 동일한 방식으로 적용할 수 있다.

제1비교부(15)는 U상 전류와 + 과전류 제한치를 비교하고, 제2 비교부(17)는 U상의 전류와 - 과전류 제한치를 비교하여 과전류 상태인지를 검출한다. 즉, +/- 각방향의 과전류를 검출하기 위해서는 각 방향 과전류 검출을 위한 과전류 제한치 를 설정해 주어야 하는데, 종래에는 기계적인 볼륨 조절부를 갖는 아날로그 포텐시오미터(14,16)를 사용하여 +/- 각 방향의 과전류 제한치를 설정하였다.

따라서 공장에서 제품을 출하할 때는 생산자가 원하는 사양에 따라 수동으로 과전류 제한치를 조정하여 세팅해 주어야 하는 불편함이 있었고, 수작업에 따른 제품별 편차가 존재할 수 밖에 없었다. 또한, 전기적인 신호의 왜곡 관점에서 살펴보면 기계적으로 볼륨을 조절하는 아날로그 포텐시오미터는 저항선 인출부(Wiper)의 접점이 미끄럼 방식의 기계적인 접촉으로 이루어져 있기 때문에 차량운전중 부품에 진동이 가해지거나 부품이 노후화되면 Wiper의 위치가 변동하고, 부품 발열로 인한 동작온도 상승시의 저항값 변화등이 원인이 되어 과전류 제한치로서 설정된 값이 오차범위를 벗어날 수 있는 문제점이 있었다.

또한 전동지게차에는 장착된 배터리의 사용시간을 길게하고 사용자의 작업환경에 최적인 운전모드를 제공하기 위하여 사용자로 하여금 파워모드를 알맞게 설정할 수 있도록 하는 기능이 구비되어 있다. 이 때, 각각의 파워모드에서 모터권선에 흘려줄 수 있는 최대 과전류 제한치는 각각 다르다. 즉, 운전중에 사용자의 요구에 의해 파워모드가 변경되었을 때는 설정된 파워모드에서의 최대 허용 전류값에 맞추어 과전류 검출회로의 과전류 제한치를 변경시켜 주어야 한다. 그러나 기계적인 볼륨 조정 방식을 이용하는 경우에는 과전류 제한치가 사용자에 의한 파워모드 변경과는 무관하게 공장출하시 설정된 값으로 고정된 상태에서 운전된다. 그러므로, 파워모드에 따른 정확한 회로 오동작의 발견 또는 진단정보의 제공이 어려운 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 사용자가 선택하는 파워모드에 따라 과전류 제한치를 자동 설정할 수 있도록 하여, 제품의 공장출하시 또는 작업환경에 따른 사용자의 파워모드 변경시에 전동지게차의 구동 시스템을 과전류로부터 효과적으로 보호할 수 있는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전동지게차의 과전류 검출장치는 배터리 전원을 인버터를 통해 스위칭하여 3상 전류를 AC 모터에 공급하도록 구성되는 전동지게차에 사용되며, 파워모드를 설정하기 위한 모드 스위치; 상기 각 상 전류에 대하여 일정 디지털 제어신호에 따라 플러스(+) 제한치 전류를 발생하는 제1제한전류발생부; 상기 각 상 전류와 상기 제1제한전류발생부에서 발생하는 전류를 비교하는 제1비교부; 상기 각 상 전류에 대하여 일정 디지털 제어신호에 따라 마이너스(-) 제한치 전류를 발생하는 제2제한전류발생부; 상기 각 상 전류와 상기 제2제한전류발생부에서 발생하는 전류를 비교하는 제2비교부; 및 상기 인버터를 펄스폭변조(PWM) 방식으로 제어하고, 상기 모드 스위치에 의해 설정되는 파워모드에 따라 상기 제1제한전류발생부와 제2제한전류발생부에 상기 디지털 제어신호를 전달하며, 상기 제1비교부와 제2비교부에서의 비교값을 입력받아 현재 과전류 상태인지를 판단하는 제어로직부를 포함하여 이루어진다.

상기 제1제한전류발생부와 제2제한전류발생부는 디지털 포텐시오미터를 이용하여 바람직하게 구성될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 4를 참조하자면, 제어로직부(43)는 인버터(41)를 펄스폭변조(PWM) 스위칭하여 배터리 전원(40)을 3상 교류의 형태로 AC 모터(42)에 공급한다. 도 4에는 3상 권선 중 1상(U상)에 대하여 과전류를 검출하는 구성만을 도시하였으나, 다른 한상에서의 과전류 검출도 동일한 방식으로 이루어질 수 있다.

제어로직부(43)는 중앙처리장치(CPU)와 중앙처리장치의 동작용 컴퓨터 프로그램을 저장하는 메모리를 포함하도록 구성하여 바람직하게 실시할 수 있으며, I/O 포트(43-1)를 통해 모드 스위치(48)와 연결된다. 모드 스위치(48)는 파워모드를 설정할 수 있도록 해주는 스위치이고, 사용자는 모드 스위치(48)를 이용하여 Economic 모드, Standard 모드, Heavy Duty 모드 등 각종 파워모드 중에서 현재 필요로 하는 모드를 설정할 수 있으며, 사용자가 설정한 파워모드에 따라 과전류의 판단 기준값인 과전류 제한치가 달라지게 된다.

제1비교부(45)는 현재 U상 전류치와 제1제한전류발생부(44)에서 발생하는 플러스(+) 제한 전류치를 비교하고, 제어로직부(43)는 제1비교부(45)에서의 비교 결과에 따라 현재 U상 전류가 플러스 과전류 상태인지를 판단한다. 즉, 제1제한전류발생부(44)의 역할은 U상 전류와 비교할 플러스 제한 전류를 발생하는 것이며, 특히 제1제한전류발생부(44)는 종래 아날로그 포텐시오미터와는 달리 디지털 제어신호에 따라 플러스 제한 전류를 발생한다.

제2비교부(47)는 현재 U상 전류치와 제2제한전류발생부(46)에서 발생하는 마이너스(-) 제한 전류치를 비교하고, 제어로직부(43)는 제2비교부(46)에서의 비교 결과에 따라 현재 U상 전류가 마이너스 과전류 상태인지를 판단하게 된다. 즉, 제2제한전류발생부(46)의 역할은 U상 전류와 비교할 마이너스 제한 전류를 발생하는 것이며, 특히 제2제한전류발생부(46)는 종래 아날로그 포텐시오미터와는 달리 디지털 제어신호에 따라 마이너스 제한 전류를 발생한다.

이러한 제1제한전류발생부(44) 및 제2제한전류발생부(46)는 디지털 포텐시오미터를 이용하여 바람직하게 구성할 수 있다.

한편, 제어로직부(43)는 AC 모터(42)의 출력을 피이드백(feedback)하여 인버터를 펄스폭변조(PWM) 스위칭하는 기본적인 역할을 수행하며, 모드 스위치(48)에 의해 설정되는 파워모드에 따라 제1제한전류발생부(44) 및 제2제한전류발생부(46)에 현재 파워모드에 해당하는 디지털 제어신호를 전달한다. 또한, 제어로직부(43)는 제1비교부(45) 및 제2비교부(47)에서의 비교값을 입력받아 현재 플러스 과전류 상태인지의 여부와 마이너스 과전류 상태인지의 여부를 판단한다.

제어로직부(43)는 플러스 과전류 상태나 마이너스 과전류 상태가 발생하면 전동지게차에 별도로 구비되는 운전자용 모니터 장치 등 일정 표시장치를 통해 현재 과전류 상태임을 알리는 표시를 출력한다.

도 5는 로직제어부(43)와 각 전류발생부(44,46)의 역할을 수행하는 디지털 포텐시오미터 사이에서 이루어지는 인터페이스 신호의 예를 도시한 것으로서, 데이터 신호(DI), 직렬통신용 기준 클럭신호(SCLK), 및 칩 선택신호(CS)를 포함한다.

즉, 공장출하시 또는 사용자에 의해 파워모드가 변경되어 과전류 제한치를 다시 설정해야 하는 경우, 제어로직부(43)는 칩 선택신호(CS)를 액티브(active) 상태로 만들어 변경하고자 하는 해당 디지털 포텐시오미터를 선택한다. 이 때, 직렬통신용 기준 클럭신호(SCLK)로는 로직제어부(43)의 중앙처리장치(CPU) 초기화시 설정된 통신속도의 주파수를 갖는 구형파가 출력된다. 또한 데이터 신호(DI)로는 설정하고자 하는 해당 디지털 포텐시오미터의 저항값을 전송할 수 있다. 그러면, 해당 디지털 포텐시오미터 출력선(Wiper)의 저항값이 변경되어 과전류 제한치의 설정이 이루어진다.

도 6을 참조하여 사용자에 의해 파워모드가 변경될 때 제어로직부(43)에서 이루어지는 과정의 예를 설명하기로 한다.

차량의 키 스위치가 입력되어 제어전원이 온(On)되면 제어로직부(43)는 중앙처리장치(CPU)를 초기화 한다(S61). 즉, 디지털 포텐시오미터와의 통신속도와 데이터 크기 등 통신 프로토콜을 설정한다. 이어서 중앙처리부(CPU)는 제어용 파라메터를 저장하고 있는 EEPROM으로부터 파워모드의 초기 설정값을 읽고(S62), 도 5에 도시한 예와 같은 설정 신호를 보내 해당 디지털 포텐시오미터를 초기 파워모드로 설정한다(S63).

이 때, 파워모드는 Economic 모드, Standard 모드, Heavy Duty 모드 등으로 이루어질 수 있으며, 각각의 파워 모드는 모터권선에 흘려주는 최대 과전류 제한치를 달리하여 설정된다. 예로서, 인버터 파워 모듈의 최대허용전류를 100%로 가정하였을 때, Heavy Duty 모드는 100% 사양을 모두 사용할 수 있도록 하고 Standard 모 드와 Economic 모드는 각각 최대사양의 90%, 80%까지만 사용할 수 있도록 과전류 제한치를 설정할 수 있다.

중앙처리장치(CPU)는 메인 루틴의 여러가지 일들을 수행하게 되며(S64,S68), I/O 포트(43-1)를 통해 연결되어 있는 모드 스위치(48)의 신호를 주기적으로 검사하여 파워모드가 사용자에 의해 변경되었는지 조사한다(S65).

그리고, 단계 S65에서의 조사 결과 파워모드가 변경되었을 경우에는 각 디지털 포텐시오미터의 과전류 제한치를 변경된 파워모드에 알맞은 값으로 설정해주고, 파워모드가 변경되지 않았다면 메인 루틴의 다음 내용을 계속해서 수행 한다(S66,S67),

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 당업자에 의해 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것이다.

본 발명에 따르면, 전동지게차의 과전류를 검출하기 위한 기준값을 기계적인 볼륨 조절부를 갖는 아날로그 포텐시오미터 대신 디지털 포텐시오미터를 이용하여 설정할 수 있으므로, 생산라인에서 최종부품 조립 후 실시하는 하드웨어 튜닝 작업을 자동화할 수 있다.

또한 아날로그 포텐시오미터를 사용할 때 나타날 수 있는 차량 진동이나 부품 노후화에 따른 Wiper의 위치변동 및 부품 발열에 의한 저항값 변화로 인해 나타나는 과전류 제한치의 변경을 방지할 수 있다.

뿐만아니라 운전중에 사용자가 파워모드를 변경하였을 때는 과전류 제한치를 자동으로 변경하므로, 파워라인에서 발생할 수 있는 과전류 오류를 현재의 파워모드에 적합한 범위내에서 검출할 수 있다. 이에 따라 전동지게차를 과전류로 인한 회로의 파손 또는 오동작으로부터 효과적으로 보호할 수 있으며, 운전자에게 정확한 오류 정보를 알려 줄 수 있게 되어 차량 동작의 안정성 및 효율적인 유지/보수가 가능해진다.

Claims

배터리 전원을 인버터를 통해 스위칭하여 3상(phase)의 전류를 각종 구동용 AC 모터에 공급하도록 구성되는 전동지게차에 사용되어 과전류를 검출하는 장치에 있어서,

파워모드를 설정하기 위한 모드 스위치;

상기 각 상 전류에 대하여 일정 디지털 제어신호에 따라 플러스(+) 제한치 전류를 발생하는 제1제한전류발생부;

상기 각 상 전류와 상기 제1제한전류발생부에서 발생하는 전류를 비교하는 제1비교부;

상기 각 상 전류에 대하여 일정 디지털 제어신호에 따라 마이너스(-) 제한치 전류를 발생하는 제2제한전류발생부;

상기 각 상 전류와 상기 제2제한전류발생부에서 발생하는 전류를 비교하는 제2비교부; 및

상기 인버터를 펄스폭변조(PWM) 방식으로 제어하고, 상기 모드 스위치에 의해 설정되는 파워모드에 따라 상기 제1제한전류발생부와 제2제한전류발생부에 상기 디지털 제어신호를 전달하며, 상기 제1비교부와 제2비교부에서의 비교값을 입력받아 현재 과전류 상태인지를 판단하는 제어로직부를 포함하여 이루어지는 전동지게차의 과전류 검출장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제1제한전류발생부와 제2제한전류발생부는 디지털 포텐시오미터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전동지게차의 과전류 검출장치..
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 제어로직부는 상기 판단 결과에 따라 상기 전동지게차에 구비된 일정 표시장치를 통해 과전류 상태를 알리고, 상기 인버터의 동작을 중지시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전동지게차의 과전류 검출장치.