KR101074722B1 - 전동 휠체어의 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동휠체어의 제어장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모터의 회생전류를 이용하여 전동휠체어의 관성에 의한 밀림을 제어할 뿐만 아니라 모터의 전압/전류 변화로부터 모터의 회전속도를 감지하여 모터의 회전속도를 용이하게 제어할 수 있는 전동휠체어의 제어장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 전동휠체어의 모터 제어 장치는, 우상 스위치와 우하 스위치가 직렬로 연결된 우측 직렬회로와 좌상 스위치와 좌하 스위치가 직렬로 연결된 좌측 직렬회로가 병렬로 연결되고, DC모터의 일측 입력단이 좌측 직렬회로의 좌상 스위치와 좌하 스위치 사이에 연결되고, DC모터의 타측 입력단은 우측 직렬회로의 우상 스위치와 우하 스위치 사이에 연결된 H-브리지 회로가 구비되고, 상기 DC모터의 정방향 회전시 상기 우상 스위치는 정방향 구형파에 의해 온-오프되도록 제어되고, 상기 좌상 스위치는 오프되게 제어되며, 상기 우하 스위치는 상기 정방향 PWM 파형과 반대 위상의 역위상 PWM 파형에 의해 온-오프되도록 제어되고, 상기 좌하 스위치는 온되도록 제어되며, 상기 DC모터의 역방향 회전시 상기 우상 스위치는 오프되도록 제어되고, 상기 좌상 스위치는 역방향 구형파에 의해 온-오프되도록 제어되며, 상기 우하 스위치는 온되도록 제어되고, 상기 좌하 스위치는 상기 역방향 PWM 파형과 반대 위상의 역위상 PWM 파형에 의해 온-오프되도록 제어되는 것을 특징으로 한다.

전동휠체어, 모터, 제어

Description

전동 휠체어의 제어장치{CONTROLLER FOR MOTOR-DRIVE WHEELCHAIR}

본 발명은 전동휠체어의 제어장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모터의 회생전류를 이용하여 전동휠체어의 관성에 의한 밀림을 제어할 뿐만 아니라 모터의 전압/전류 변화로부터 모터의 회전속도를 감지하여 모터의 회전속도를 용이하게 제어할 수 있는 전동휠체어의 제어장치에 관한 것이다.

최근, 휠체어는 도로나 보도 등의 플랫화, 혹은 실내 플로어의 플랫화의 보급에 수반하여, 신체가 부자유스러운 사람(장애인), 노령화에 따라서 보행이 차츰 곤란해진 사람, 혹은 병원 내에서 이동하는 사람들에게도 널리 사용되게 되었다.

휠체어를 이용하는 사람들은, 그 차륜을 수동으로 구동하는 것이 곤란한 경우가 많다. 또한, 반드시 항상 곁에 돌봐 주는 사람이 있는 것은 아니다. 이러한 배경에서, 최근에는 모터의 동력에 의해서 그 구동바퀴를 구동하는 이른바 전동휠체어가 많이 제안되고 있다. 전동휠체어는 그 구동바퀴를 구동시키기 위한 모터로 DC모터가 장착되고, 축전지로부터 전원을 인가받아 구동된다. 일반적인 전동휠체어는 구동바퀴에 각각 장착된 DC모터가 정·역 회전함에 따라 전진하거나 후진하고, 일측 DC모터가 정지한 채 타측 DC모터가 구동함에 따라 좌·우로 방향을 전 환하게 된다.

전동휠체어는 최대 100Kg이 넘는 물체를 싣고 이동하는 차량으로 주행시 이동방향과 속도에 따른 관성이 작용하게 된다. 핸들로 방향을 제어하고 엑셀레이터와 브레이크로 속도를 제어하는 자동차와 달리 전동휠체어는 조향바퀴가 없고 2개의 구동바퀴에 달린 모터의 회전속도가 동일하면 앞으로 전진하고 좌측이 느리고 우측의 빠르면 좌회전, 반대로 우측이 빠르면 우회전한다. 그리고 한쪽 바퀴는 역회전하고 반대쪽 바퀴가 회전하면 제자리에서 회전할 수 있는 특징을 가지고 있다.

따라서 전동휠체어는 주행시 관성을 따른 제어를 하지 않을 경우 내리막길 또는 고속주행시 관성에 의한 밀림으로 가속이 붙음으로써 모터의 속도제어가 되지 않아 방향제어 불능으로 인한 사고가 발생한다.

일반적인 전동휠체어는 관성에 의한 밀림을 방지하기 위하여 조이스틱 등과 같은 조작기구에서 보내지는 주행명령에 따라 속도가 가감속이 될 수 있는 제어장치는 회전과 역방향제어를 짧은 시간동안 반복하면서 제어하는 방식이다. 도 1은 상기와 같은 일반적인 전동휠체어의 밀림 제어를 위한 펄스신호를 도시한 것이다. 도 1의 좌측 그림을 참조하면, 전동휠체어의 모터를 구동시키기 위한 정회전 방향(CW)의 펄스폭이 크고 역회전 방향(CCW) 펄스폭이 작으면 정회전 방향(CW)으로 회전하며, 이 폭의 차이가 크면 클수록 회전속도가 빨라지지게 된다. 반대로 역회전 방향(CCW)으로 회전하는 경우 도 1의 우측 그림과 같이 역회전방향(CCW)의 펄스폭이 크고 정회전 방향(CW) 펄스폭이 작으면 역회전 방향(CCW)으로 회전하게 된다. 정지상태의 경우(도면에 미도시)는 회전과 역회전 펄스폭이 같을 때 힘이 균형을 이루고 있어 정지하게 된다.

그러나 도 1에 도시된 바와 같은 관성에 의한 밀림 제어방식은 정지시 모터에서 삐- 하는 모터음이 발생하여 실내 또는 사람이 장시간 탑승하는 휠체어에 적용하기에는 문제가 많아 일부 제품을 제외하고는 적용하지 않는다.

한편, 전동휠체어에서 모터의 회전속도제어는 토크제어와 연관이 되어진다. 토크제어는 모터에서 일정한 힘을 발생시키는 제어라고 하면 속도제어는 토크를 제어하여 서보모터를 일정한 속도로 회전시키는 제어를 말한다. 즉 속도제어 루프는 내부에 토크제어 루프를 포함하고 있으며 속도제어 명령의 최종출력이 토크제어 명령의 입력으로 사용되게 된다.

도 2는 일반적인 모터의 속도제어 루프를 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 모터의 속도제어는 DC모터를 포함한 폐회로 제어시스템으로 구성되어 있다. 통상 모터에서 출력되는 속도를 검출하기 위한 속도검출센서는 구동드라이버 내부에 위치할 수 없고 구동 드라이버 외부에 위치하게 되는데, 모터의 회전축과 연결되어 기계적인 결합으로 구성된다. 속도검출센서로는 일반적으로 발전기의 원리를 이용한 타코제너레이터(Tacho-Generator) 또는 광학식 엔코더(Optical-Encoder) 등이 이용된다.

그러나, 전동휠체어의 경우 제품의 특성상 상기와 같이 모터의 회전축에 기계적인 결합으로 구성되는 일반적인 속도검출센서를 부착하는데 여러가지 공간상 제약을 받는다.

본 발명은 상기와 같은 점을 인식하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 모터의 회생전류를 이용하여 전동휠체어의 관성에 의한 밀림을 용이하게 제어할 수 있는 전동휠체어의 제어장치를 제공하기 위한 것이다.

아울러, 본 발명의 다른 목적은 별도의 기계적인 결합이 없이 모터의 전압/전류 변화로부터 모터의 회전속도를 간단하게 감지하여 모터의 회전속도를 용이하게 제어할 수 있는 전동휠체어의 제어장치를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전동휠체어의 제어장치는, 전동휠체어의 DC모터의 구동을 제어하기 위한 전동휠체어의 제어장치에 있어서, 우상 스위치와 우하 스위치가 직렬로 연결된 우측 직렬회로와 좌상 스위치와 좌하 스위치가 직렬로 연결된 좌측 직렬회로가 병렬로 연결되고, DC모터의 일측 입력단이 좌측 직렬회로의 좌상 스위치와 좌하 스위치 사이에 연결되고, DC모터의 타측 입력단은 우측 직렬회로의 우상 스위치와 우하 스위치 사이에 연결된 H-브리지 회로가 구비되고, 상기 DC모터의 정방향 회전시 상기 우상 스위치는 정방향 구형파에 의해 온-오프되도록 제어되고, 상기 좌상 스위치는 오프되게 제어되며, 상기 우하 스위치는 상기 정방향 PWM 파형과 반대 위상의 역위상 PWM 파형에 의해 온-오프되도록 제어되고, 상기 좌하 스위치는 온되도록 제어되며, 상기 DC모터의 역방향 회전시 상기 우상 스위치는 오프되도록 제어되고, 상기 좌상 스위치는 역방향 구형 파에 의해 온-오프되도록 제어되며, 상기 우하 스위치는 온되도록 제어되고, 상기 좌하 스위치는 상기 역방향 PWM 파형과 반대 위상의 역위상 PWM 파형에 의해 온-오프되도록 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 전동휠체어의 제어장치는, 상기 DC모터의 브레이크 정지시 상기 우상 스위치 및 좌상 스위치는 오프되도록 제어되고, 상기 우하 스위치 및 좌하 스위치는 동시에 온되도록 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 전동휠체어의 제어장치는, 상기 DC모터는 브러시와 정류자가 구비된 브러시 타입의 모터이고, 상기 제어부에는 모터의 전압 또는 전류변화 신호를 검출하여 검출된 신호의 주파수로부터 모터의 속도를 산출하는 속도감지수단이 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 전동휠체어의 제어장치는, 상기 속도감지수단은, 모터의 전압 또는 전류변화 신호를 검출하기 위한 검출기와, 검출된 신호를 증폭하기 위한 증폭기와, 증폭된 신호에서 노이즈를 제거하기 위한 필터와, 노이즈가 제거된 신호를 기준신호와 비교하여 구형파를 생성하기 위한 신호비교기와, 상기 신호비교기에서 생성된 구형파의 주파수를 속도신호로 변환하기 위한 주파수-속도변환기가 포함되어 구성된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 전동휠체어의 제어장치는 모터의 회생전류를 이용하여 전동휠체어의 관성에 의한 밀림을 용이하게 제어할 수 있는 장점을 갖는다.

아울러, 본 발명에 따른 전동휠체어의 제어장치는 별도의 기계적인 결합이 없이 모터의 전압/전류 변화로부터 모터의 회전속도를 간단하게 감지하여 모터의 회전속도를 용이하게 제어할 수 있는 장점을 갖는다.

이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 전동휠체어의 제어장치를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어의 제어장치를 도시한 블럭도이고, 도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어의 제어장치 중 운전제어장치를 도시한 블럭도이며, 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어의 제어장치 중 모터제어장치를 도시한 블럭도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어의 제어장치의 조이스틱 방향 표시도이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어의 제어장치의 속도감지수단을 도시한 블럭도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어의 제어장치의 속도감지수단에서 DC모터의 속도검출을 위한 슬릿 전압변화 파형을 도시한 그래프이며, 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어의 제어장치의 H-브리지 회로의 작동을 도시한 도면이고, 9a 내지 도 9c는 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어의 제어장치에서 밀림방지 제어를 위하여 H-브리지 회로에 PWM 파형을 도시한 도면이다.

본 발명은 장애인 등의 이동보조 수단인 전동휠체어의 전기적인 동력을 제어하여 이동방향과 속도, 구동토크 등을 제어하기 위한 전동휠체어 모터 제어장치에 관한 기술이다.

도면에는 도시된 일실시에 따른 전동휠체어의 제어장치는 운전제어장치(1)와 모터 제어장치(2)로 구성된다. 도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어는 기존의 제품이 전압의 크기에 따른 제어신호로 제어되었던 방식과 달리 RS-485 통신을 이용한 디지털통신 제어신호로 운전제어 명령이 하달되도록 구성된다.

도 3 및 도 4a를 참조하면, 상기 운전제어장치(1)는 운전자가 전동휠체어를 의도하는 목적에 따라 차량은 운전하기 위해 필요한 장치들로 구성된 제어장치로서, 조이스틱(11), LED 디스플레이(12), 제어스위치(13), 경음기(14), 라디오(15), 마이크로컨트롤러(16) 및 통신수단(17a,17b)가 구비되어 구성된다.

상기 조이스틱(11)은 운전방향과 속도를 조정하기 위한 운전대와 엑셀레이터의 기능을 하기 위한 구성이다. 상기 조이스틱(11)은 운전자가 원한는 방향으로 조이스틱의 막대를 기울일 경우 기울어진 방향으로 차량이 주행하고 기울어짐이 클수록 차량의 속도가 증가하도록 설계되어 엑셀레이터의 역할을 한다.

상기 LED 디스플레이(12)는 자동차의 운전 및 주행상태를 표시하는 계기판에 해당하는 구성이다. LED 디스플레이(12)는 배터리상태, 주행속도, 변속상태, 고장진단 상태, 방향등 표시, 헤드램프 점등상태, 라디오 채널 등을 표시하도록 구성된다.

상기 제어스위치(13)는 전원 스위치, 방향 지시 스위치, 헤드램프 스위치, 경음기 스위치, 브레이크 스위치 등으로 구성된다.

상기 경음기(14)는 주행 중 경고음을 발생시키기 위한 구성이다.

상기 라디오(15)는 라디오 방송을 수신하여 출력하기 위한 구성이다.

상기 마이크로컨트롤러(16)는 상기 운전제어장치(1)의 다른 구성의 작동을 제어하고 제어에 필요한 연산을 수행하기 위한 구성이다.

상기 통신수단(17a,17b)은 상기 모터 제어장치(2)에 제어명령을 전송하기 위한 RS-485 통신 인터페이스(17a)와 외부 PC나 단말기(P)로부터 운전에 필요한 파라메터 설정 또는 프로그램의 업 그레이드(Up grade) 등을 수행할 수 있는 RS-232 통신 인터페이스(17b)로 구성된다.

도 3 및 도 4b를 참조하면, 상기 구동제어장치(2)는 전동휠체어를 구동을 위한 제어장치로서 마이크로컨트롤러(21), 전원컨트롤러(22), 게이트 드라이버(23), 스위칭 드라이버(24), 의자기울기 조정모터 드라이버(25), 램프컨트롤러(26) 및 통신수단(27a,27b)가 구비되어 구성된다.

상기 구동제어장치(2)의 마이크로컨트롤러(21)는 상기 구동제어장치(2)의 다른 구성의 작동을 제어하고 연산을 수행하기 위한 구성이다.

상기 전원컨트롤러(22)는 DC모터(M) 등에 공급되는 전력의 공급 및 충전회로(22b)에 의한 배터리(22a)의 충전을 제어하기 위한 구성이다.

상기 운전제어장치(1)로부터 들어온 운전제어명령은 통신수단인 RS-485 통신 인터페이스(27a)를 통해 마이크로컨트롤러(21)에 입력된다. 입력된 제어명령에 따라 좌측과 우측의 바퀴의 모터회전을 제어하는데 각각의 DC모터(M)는 게이트 드라이버(23)에 의해 위상이 제어된다. 상기 게이트 드라이버(23)는 H-브리지 회로가 구비된 스위칭 드라이버(24)의 스위치를 서로 간섭없이 제어하게 된다.

한편, 전동휠체어용 DC모터(M)는 24V(20A), 500W급의 대 전력구동장치로 프리휠링과 역기전력에 의한 소자의 파괴(破壞)가 문제된다. 따라서 본 발명에서는 게이트 드라이버(23)에 과전류, 과전압, 과열 등의 보호회로를 장착하여 시스템을 안정화(安定化)하였다. 좌측과 우측의 구동소자는 각기 별도로 구성되어 있으며 각각의 DC모터(M)에 장착된 홀센서의 입력을 받아 마이크로컨트롤러(21)에서 회전제어를 할 수 있도록 구성하였다.

상기 충전회로(22b)는 최대 10A급까지 급속충전(急速充電) 되도록 설계하여 기존 충전기가 10시간이상 소용 되던 것을 3~4시간 정도로 단축할 수 있도록 설계되어 질 수 있다. 충전회로(22b)의 제어 방식은 RS-485 인터페이스(27a)를 통해 운전제어장치(1)의 LED 디스플레이(12)에서 배터리(22a)의 전원상태를 운전자가 실시간 감시할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하가.

상기 모터제어장치(2)에는 프로그램의 변경 및 수정이나 외부 장치로부터 시스템 파라메터를 입력받기 위한 RS-232 통신인터페이스(17b)가 구비된다.

상기 의자기울기 조정모터 드라이버(25)는 의자(C)의 기울기를 조절하기 위한 구동모터를 구동하기 위한 구성이다.

상기 램프컨트롤러(26)는 상기 운전제어장치(1)로부터 입력된 제어신호에 따라 헤드램프(H), 방향지시등(L,R)의 점등을 제어하기 위한 구성이다.

본 발명에서 전동휠체어의 제어는 일반적으로 조이스틱(11)에 의해 방향전환과 주행속도(走行速度)를 조절하도록 구성된다. 도 5를 참조하면, 주행방향(走行方向)은 원점위치인 P에 조이스틱(11)이 위치할 경우 좌우 DC모터(M) 모두 정지상 태가 된다. 이때는 휠체어가 움직이지 않는 상태로 DC모터(M)에 장착된 디스크 브레이크(도면에 미도시)에 의해 제동상태가 되며 외부의 힘에 의해서 움직이지 않도록 고정된다. 조이스틱(11)이 중심부인 P에서 전후좌우의 외각방향으로 멀어질수록 DC모터(M)의 회전속도는 빠르고 P에 가까울수록 느려지게 되어 간단하게 휠체어의 이동속도를 조절할 수 있다. 기본적인 동작은 전진할 때 전방(A방향)으로 조이스틱(11)을 밀면 좌우 양쪽의 DC모터(M)가 동일한 속도로 회전하여 앞으로 전진(前進)한다. 후진(後進)할 경우는 조이스틱(11)의 방향을 E방향으로 끌어당기면 역시 좌우 DC모터(M)가 동일한 회전속도(回轉速度)로 역회전하여 후진하도록 설계하였다. 그러나 좌회전 또는 우회전의 경우는 조금 다르게 동작한다. 좌회전의 경우 도 5에서 조이스틱의 방향이 B의 위치에 오면 좌측 바퀴는 멈추고 우측바퀴만 회전하여 좌측으로 방향전환을 하며, 우회전의 경우 반대로 좌측바퀴는 회전하고 우측바퀴는 멈추어 우회전 되도록 설계하였다. 조이스틱의 방향이 C의 위치에 올 경우 좌측 바퀴는 역회전, 우측바퀴는 회전을 하여 휠체어가 좌측으로 제자리에서 회전하며, 반대로 조이스틱이 G의 위치에 올 경우 좌측 바퀴는 회전하고 우측바퀴는 역회전 하여 휠체어가 제자리에서 우회전 하도록 만들어졌다. 이는 휠체어 좁은 장소에서 방향전환(方向轉換)을 쉽게 할 수 있도록 하기위해 만들어진 제어방법이다. 후진에서도 좌측방향으로 후진할 경우 조이스틱(11)의 위치는 D의 위치로 움직이고 좌측 DC모터는 정지하고 우측 DC모터가 회전하여 좌측으로 후진하며 방향전환이 이루어진다. 우측방향으로 후진은 조이스틱(11)이 F의 위치로 이동하며 좌측바퀴는 역회전, 우측바퀴는 회전하도록 설계하여 구현된다.

한편, DC모터(M) 속도제어는 도 2에 도시된 속도제어 루프에 의해 이루어진다. 즉, 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어의 DC모터(M)의 속도제어는 DC모터(M)를 포함한 폐회로 제어시스템으로 구성된다. 다만, 본 발명은 DC모터(M)에서 출력되는 속도를 검출하기 위하여 타코제너레이터(Tacho-Generator)나 광학식 엔코더(Optical-Encoder)와 같은 일반적인 속도검출센서를 사용하지 않고 DC모터(M)가 전원을 공급받아 회전하는 브러쉬와 정류자의 기계적인 특성에 따라 발생하는 미세한 전기적인 신호를 검출하여 속도를 검출하는 방법을 이용하였다. 이렇게 검출된 신호를 속도제어 루프 내부에서 연산을 위한 신호로 변경 이용된다.

즉, 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어의 제어장치는 상기 DC모터(M)의 회전자에 부착된 정류자와 브러쉬간의 전류의 흐름변화에 따른 미세한 전류의 변화를 속도감지에 이용한다. 도 6은 DC모터(M)의 전류 변화를 감지하여 속도신호로 변환하기 위한 속도감지수단(28)을 도시한 것이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어의 제어장치는 상기 DC모터(M)로 브러시와 정류자가 구비된 브러시 타입의 모터가 사용되는 경우 DC모터(M)의 전압 또는 전류변화 신호를 검출하여 검출된 신호의 주파수로부터 DC모터(M)의 속도를 산출하는 속도감지수단(28)이 더 구비된 것을 특징으로 한다. 상기 속도감지수단(28)은 DC모터(M)의 전압 또는 전류변화 신호를 검출하기 위한 검출기(281)와, 검출된 신호를 증폭하기 위한 증폭기(282)와, 증폭된 신호에서 노이즈를 제거하기 위한 필터(283)와, 노이즈가 제거된 신호를 기준신호와 비교하여 구형파를 생성하기 위한 신호비교기(284)와, 상기 신호비교기(284)에서 생성된 구형 파의 주파수를 속도신호로 변환하기 위한 주파수-속도변환기(285)가 포함되어 구성된다. 상기 DC모터(M)의 브러쉬와 정류자는 슬릿에서 다음 슬릿으로 이동할 때 마찰과 순간적인 단락에 의한 불꽃과 미세한 전압변화가 발생하는데 이때 나타나는 파형은 도 7에 도시된 바와 같은 삼각파와 같은 형태를 가진다. 정류장치의 슬릿의 수가 많을 수록 1회전 당 많은 수의 파형이 나오는데, 회전 당 슬롯 수를 파형의 수로 나누어 시간당 속도를 산출한다.

도 7을 참조하면, DC모터에서 검출된 신호는 정류자와 브러쉬 사이에서 발생하는 노이즈로 인해 고조파 노이즈가 다수 포함되어 있어 곧바로 사용할 수 없다. 도 6에 도시된 신호 가공과정을 거처 속도신호를 검출한다. 속도신호는 DC모터(M)의 슬릿에서 발생하는 미세한 파형을 분리하여 증폭기(282)를 통해 증폭하고, 신호에 포함된 고주파 노이즈를 제거하기 위해 30KHz 이상의 신호를 제거하는 저역통과 필터(283)가 구비된다. 노이즈가 제거된 신호는 삼각파와 사인파의 중간정도의 파형을 나타내며 이를 비교기(284)를 통해 신호를 정형화 하면 구형파가 나오게 된다. 구형파는 엔코더의 신호와 같이 모터의 회전속도가 빠르면 높은 주파수가 발생하며, 회전속도가 낮을 경우 펄스주파수도 낮아진다. 따라서 F/V 변환기(285)를 통하면 쉽게 속도신호를 검출하여 도 2에 도시된 바와 같은 피드백제어에 적용한다.

한편, 본 발명은 DC모터(M)를 정역회전 제어하기 위하여 스위칭 드라이버(24)에 전류의 흐름방향을 변환할 수 있는 H-브리지 회로가 구비된 것을 특징으로 한다. 도 8a 내지 도 8c는 H-브리지 회로의 구조 및 작동을 개념적으로 도시한 것이다. 도 8a 내지 도 8c를 참조하면, H-브리지 회로는 우상 스위치(RH)와 우하 스위치(RL)가 직렬로 연결된 우측 직렬회로와 좌상 스위치(LH)와 좌하 스위치(RL)가 직렬로 연결된 좌측 직렬회로가 병렬로 연결되고, DC모터(M)의 일측 입력단이 좌측 직렬회로의 좌상 스위치(LH)와 좌하 스위치(LL) 사이에 연결되고, DC모터(M)의 타측 입력단은 우측 직렬회로의 우상 스위치(RH)와 우하 스위치(RL) 사이에 연결되어 구성된다. 상기 스위치(RH,RL,LH,LL)는 FET 스위칭 소자로 구성되어 각 소자는 상기 게이트 드라이버(23)에 의해 온-오프(ON-OFF)가 제어된다. 도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 상기 H-브리지 회로는 4개의 FET 스위칭 소자가 사다리 꼴로 배열되어 구성된다. 도 8a는 정회전(CW)시의 모터에 인가되는 전류의 희름을 나타냈으며, 도 8b의 경우는 도 8a와 반대 방향으로 모터에 전류가 인가되어 모터가 역회전(CCW) 방향으로 회전되는 상태를 도시한 것이다. 도 8a에 도시된 정방향(CW)의 회전은 H-브리지 회로의 우상 스위치(RH)와 좌하 스위치(LL)스위치가 온(On)되고, 동시에 상기 좌상 스위치(LH)와 우하 스위치(RL)는 오프(Off)가 된 상태에서 이루어지며, 도 8b에 도시된 역방향(CCW)의 회전은 정방향 회전의 경우와 반대로 H-브리지 회로의 우상 스위치(RH)와 좌하 스위치(LL)스위치가 오프(Off)되고, 동시에 상기 좌상 스위치(LH)와 우하 스위치(RL)는 온(On)이 된 상태에서 이루어진다. 즉, 본 발명은 상기 게이트 드라이버(23)에 의해 스위칭 드라이버(24)의 H-브리지 회로의 FET 스위칭 소자를 X형태로 스위칭함으로써 간단하게 모터의 회전 방향을 변환할 수 있게 된다. 한편, 도 8c는 DC모터(M)의 역기전력의 의한 제동을 나타낸 것으로, DC모터가 회전하는 상태에서 우상 스위치(RH) 및 좌상 스위치(LH)를 오 프(OFF)시켜 전류의 공급을 중단시키고 우하 스위치(RL) 및 좌하 스위치(LL)를 온(ON)시켜 모터 전원입력 단자를 단락시키면 DC모터(M)가 일방향으로 회전시 발생하는 기전력이 다시 DC모터에 역으로 인가되므로 DC모터(M)가 제동되게 된다.

한편, 내리막길 또는 고속주행시 관성에 의해 전동휠체어가 밀려내려 가속이 붙음으로 모터의 속도제어가 되지 않아 방향제어 불능으로 인한 사고를 방지하고자 본 발명에 따른 전동휠체어의 제어장치는 조이스틱(11)에서 보내지는 주행명령에 따라 속도가 가감속이 될 수 있는 제어되는 것이 필요하다.

본 발명에 따른 전동휠체어의 제어장치는 도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이 기본적으로 H-브리지 회로에서 X자 형태로 전류를 흘려 제어하는데, 밀림방지 제어를 위해서 OFF상태의 하단의 스위치(RL 또는 LL)가 정방향(CW) 또는 역방향(CCW) PWM 파형과 역위상으로 ON-OFF되도록 제어된다. 즉 상단의 스위치(RH 또는 LH)의 PWM 파형이 ON 주기 상태 일때 하단의 하단의 스위치(RL 또는 LL)는 ON상태를 유지하고 있음으로 회전방향으로 모터가 회전하지만 상단의 스위치(RH 또는 LH)의 PWM 파형이 OFF 주기 일때 하단의 스위치(RL 및 LL)가 모두 ON상태가 되도록 하여 역기전력에 의해 브레이킹 상태가 만들어져 관성에 의한 가속도를 제동하는 역할을 수행할 수 있다.

도 9a 및 도 9b는 PWM 파형에 의해 관성에 의한 밀림을 방지하기 위하여 H-브리지 회로에 가해지는 PWM 파형의 관계를 도시한 것이다.

도 9a는 상기 DC모터(M)가 정방향(CW) 회전시의 PWM 파형을 도시한 것으로, 도 9a를 참조하면, 우상 스위치(RH)와 좌하 스위치(LL)은 PWM 제어에 의한 모터속 도제어가 이루어짐을 나타내고 있으며, 우상 스위치(RH)와 우하 스위치(RL)은 서로 역위상을 가지는 PWM 파형이 인가되고 있음을 나타낸다. 도 9a에서와 같이 우상 스위치(RH)가 OFF상태일 때 우하 스위치(RL)과 좌하 스위치(LL)은 ON 상태가 되어 회생전류에 의한 역기전력이 발생하여 역방향으로 제동이 걸림으로써 관성에 의한 밀림을 방지할 수 있게 된다.

즉, 도 9a에서와 같이 상기 DC모터(M)의 정방향(CW) 회전시 상기 우상 스위치(RH)는 정방향 PWM 파형에 의해 주기적으로 온-오프(On-Off)되도록 제어되고, 상기 좌상 스위치(LH)는 항상 오프(Off)되게 제어되며, 상기 우하 스위치(RL)는 상기 정방향 PWM 파형과 반대 위상의 역위상 PWM 파형에 의해 온-오프(On-Off)되도록 제어되고, 상기 좌하 스위치(LL)는 온(On)되도록 제어된 상태가 된다. 상기와 같은 PWM 파형에 의해 H-브리지 회로의 스위치의 온오프가 제어된 상태에서는 우상 스위치(RH)의 PWM 파형이 ON 주기(도 9a의 t1,t3)일 때 우하 스위치(RL)의 PWM 파형은 OFF 주기이고, 동시에 좌하 스위치(LL)은 ON, 좌상 스위치(LH)는 OFF 상태이므로 DC모터(M)는 정방향(CW) 방향으로 회전된다. 한편, 우상 스위치(RH)의 PWM 파형이 OFF 주기(도 9a의 t2)일 때 우하 스위치(RL)의 PWM 파형은 ON 주기이고, 동시에 좌하 스위치(LL)은 ON, 좌상 스위치(LH)는 OFF 상태이므로 DC모터(M)는 하단의 스위치(RL 및 LL)가 모두 ON상태가 되어 역기전력에 의해 브레이킹 상태가 만들어져 관성에 의한 가속도를 제동함으로써 관성에 의한 밀림을 방지하게 된다.

반대로, 도 9b는 상기 DC모터(M)가 역방향(CW) 회전시의 PWM 파형을 도시한 것으로, 상기 DC모터의 역방향(CCW) 회전시 상기 우상 스위치(RH)는 오프되도록 제 어되고, 상기 좌상 스위치(LH)는 역방향 구형파에 의해 온-오프되도록 제어되며, 상기 우하 스위치(RL)는 온되도록 제어되고, 상기 좌하 스위치(LL)는 상기 역방향 PWM 파형과 반대 위상의 역위상 PWM 파형에 의해 온-오프되도록 제어된다. 상기와 같은 PWM 파형에 의해 H-브리지 회로의 스위치의 온오프가 제어된 상태에서는 좌상 스위치(LH)의 PWM 파형이 ON 주기(도 9b의 T1,T3)일 때 좌하 스위치(LL)의 PWM 파형은 OFF 주기이고, 동시에 우하 스위치(RL)은 ON, 우상 스위치(RH)는 OFF 상태이므로 DC모터(M)는 역방향(CCW) 방향으로 회전된다. 한편, 좌상 스위치(RH)의 PWM 파형이 OFF 주기(도 9b의 T2)일 때 좌하 스위치(LL)의 PWM 파형은 ON 주기이고, 동시에 우하 스위치(RL)은 ON, 우상 스위치(RH)는 OFF 상태이므로 DC모터(M)는 하단의 스위치(RL 및 LL)가 모두 ON상태가 되어 역기전력에 의해 브레이킹 상태가 만들어져 관성에 의한 가속도를 제동함으로써 관성에 의한 밀림을 방지하게 된다.

한편, 도 9c는 휠체어의 제동이 이루어지는 상태의 PWM 파형을 도시한 것이다. 제동시에는 우상 스위치(RH) 및 좌상 스위치(LH)를 오프(OFF)시켜 전류의 공급을 중단시키고 우하 스위치(RL) 및 좌하 스위치(LL)를 온(ON)시켜 모터 전원입력 단자를 단락시키면 DC모터(M)가 일방향으로 회전시 발생하는 기전력이 다시 DC모터에 역으로 인가되므로 DC모터(M)가 제동되게 된다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 전동휠체어의 제어장치는 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.

도 1은 일반적인 전동휠체어의 밀림방지 제어를 위한 모터의 구동펄스 신호를 도시한 그래프

도 2는 일반적인 모터의 속도제어루프를 도시한 도면

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어의 제어장치를 도시한 블럭도

도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어의 제어장치 중 운전제어장치를 도시한 블럭도

도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어의 제어장치 중 모터제어장치를 도시한 블럭도

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어의 제어장치의 조이스틱 방향 표시도

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어의 제어장치의 속도감지수단을 도시한 블럭도

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어의 제어장치의 속도감지수단에서 DC모터의 속도검출을 위한 슬릿 전압변화 파형을 도시한 그래프

8a 내지 도 8c는 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어의 제어장치의 H-브리지 회로의 작동을 도시한 도면

9a 내지 도 9c는 본 발명의 일실시예에 따른 전동휠체어의 제어장치에서 밀림방지 제어를 위하여 H-브리지 회로에 PWM 파형을 도시한 도면

<주요 도면부호에 대한 간단한 설명>

1 운전제어장치

11 조이스틱

12 LED 디스플레이

13 제어스위치

14 경음기

15 라디오

16 마이크로컨트롤러

17a,17b 통신수단

2 모터제어장치

21 마이크로컨트롤러

22 전원컨트롤러

23 게이트 드라이버

24 스위칭 드라이버

25 의자기울기 조정모터 드라이버

26 램프컨트롤러

27a,27b 통신수단

Claims (4)

1. 전동휠체어의 DC모터의 구동을 제어하기 위한 전동휠체어의 제어장치에 있어서,

   우상 스위치와 우하 스위치가 직렬로 연결된 우측 직렬회로와 좌상 스위치와 좌하 스위치가 직렬로 연결된 좌측 직렬회로가 병렬로 연결되고, DC모터의 일측 입력단이 좌측 직렬회로의 좌상 스위치와 좌하 스위치 사이에 연결되고, DC모터의 타측 입력단은 우측 직렬회로의 우상 스위치와 우하 스위치 사이에 연결된 H-브리지 회로가 구비되고,

   상기 DC모터의 정방향 회전시 상기 우상 스위치는 정방향 구형파에 의해 온-오프되도록 제어되고, 상기 좌상 스위치는 오프되게 제어되며, 상기 우하 스위치는 상기 정방향 구형파 파형과 반대 위상인 역위상 구형파 파형에 의해 온-오프되도록 제어되고, 상기 좌하 스위치는 온되도록 제어되며,

   상기 DC모터의 역방향 회전시 상기 우상 스위치는 오프되도록 제어되고, 상기 좌상 스위치는 역방향 구형파에 의해 온-오프되도록 제어되며, 상기 우하 스위치는 온되도록 제어되고, 상기 좌하 스위치는 상기 역방향 구형파 파형과 반대 위상인 역위상 구형파 파형에 의해 온-오프되도록 제어되고,

   상기 DC모터의 브레이크 정지시 상기 우상 스위치 및 좌상 스위치는 오프되도록 제어되고, 상기 우하 스위치 및 좌하 스위치는 동시에 온되도록 제어되며,

   상기 DC모터는 브러시와 정류자가 구비된 브러시 타입의 모터이고,

   상기 DC모터의 브러시와 정류자의 접촉과 단락으로 발생되는 전압 또는 전류변화 신호를 검출하여 검출된 신호의 주파수로부터 모터의 속도를 산출하는 속도감지수단이 구비된 것을 특징으로 하는 전동휠체어의 제어장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 속도감지수단은, DC모터의 전압 또는 전류변화 신호를 검출하기 위한 검출기와,

   검출된 신호를 증폭하기 위한 증폭기와, 증폭된 신호에서 노이즈를 제거하기 위한 필터와,

   노이즈가 제거된 신호를 기준신호와 비교하여 구형파를 생성하기 위한 신호비교기와,

   상기 신호비교기에서 생성된 구형파의 주파수를 속도신호로 변환하기 위한 주파수-속도변환기가 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 전동휠체어의 제어장치.
3. 삭제
4. 삭제

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