KR101083174B1 - 모터 부하를 모니터링하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

모터 부하를 모니터링하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 과부하 상태를 탐지하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 일 실시예에서, DC 모터의 부하를 모니터링하는 방법은 모터의 간헐적인 전원 끊김(de-energizing), 제1 전압의 측정, 시작 시점과 종료 시점 사이의 첫 번째 시간 간격의 측정을 포함하는데, 시작 시점은 모터에 전원이 끊기는 시점을 의미하고, 종료 시점은 제1 전압과 기준 전압(reference voltage)이 실질적으로 유사한 값을 가지는 시점을 의미한다.
자동차, 냉각, 모터, 과부하, 전원 공급(energizing), 전원 차단(de-energizing)

Description

모터 부하를 모니터링하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS OF MONITORING A MOTOR LOAD}
관련 출원으로의 상호 참조
본 출원은 2006년 1월 4일 출원된 미국 특허 출원(No. 11/324,818)을 기초로 우선권을 주장하며, 이 출원을 참조함으로써 해당 명세서 내용 전체를 본 명세서에 통합한다.
기술분야
본 발명의 실시예는 직류(DC) 모터에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명의 실시예는 DC 모터 과부하 상태의 감지에 관한 것이다.
DC 모터의 부하가 증가함에 따라, 전류 인입(current draw) 및 내부적인 열 손실도 증가하게 된다. 또한 모터의 속도, 그리고 모터의 속도로 회전하는 내/외부의 팬이 제공하는 냉각 공기의 양도 동시에 줄어든다. 따라서, 모터의 온도가 증가한다. 온도에 의해 모터의 성능과 내구성이 모두 영향을 받으므로, 모터는 신중하게 정의된 부하 한도 내에서 동작하도록 설계되어야 한다. 하지만, 동작중에 예측하지 못한 상황으로 인하여 모터의 부하가 설계 값을 초과할 수 있고, 그 결과 모터의 온도가 수용 가능한 한도를 초과할 수 있다. 이는 때때로 모터의 파손을 초 래한다. 극단적인 경우에는, 모터 내의 하나 이상의 물질이 연소하기도 한다.
모터의 과부하가 문제될 수 있는 일 응용례로 자동차의 엔진 냉각 문제가 있다. 여러 자동차들이 방열기, 응축기, 또는 기타 열 교환기를 통해 공기를 이동시키기 위하여 전기 팬 어셈블리를 사용한다. 이러한 어셈블리에는 DC 모터가 동력을 공급하는 것이 통상적이다. 눈, 얼음, 또는 진흙의 존재는 팬을 회전시키는 데 필요한 토크를 증가시킬 수 있고, 또는 극단적인 경우에는 팬을 전혀 회전할 수 없도록 할 수도 있다. 마찬가지로 파손된 모터 베어링은 회전을 저지하거나 방해할 수 있다. 이러한 상황은 모터의 파손을 초래할 수 있다. 때때로, 이로 인하여 후드 아래에서 화재가 발생할 수도 있다. 그러므로, 모터 온도가 과도하게 높아지기 전에 과부하 상태를 감지하는 것이 필요하다.
통상적으로 과부하의 감지는 모터의 사용중에 모터 부하를 반복적으로 모니터링하는 것을 수반한다. 모터의 부하를 모니터링하는 전통적인 방법은 모터가 끌어오는 전류, 모터 온도, 모터 속도, 또는 모터에 의해 생성된 역기전력을 측정하는 것을 포함한다.
역기전력의 측정은 모터 전원의 간헐적인 단절을 수반하고, 모터 내의 전류가 0으로 감소하기에 충분한 시간이 흘렀으나 모터가 상당히 감속하기는 전에 연결이 끊긴 또는 전원이 끊긴 모터 리드의 전압을 측정하는 것을 수반한다. 이 전압은 역기전력을 나타내고, 이는 모터 속도와 함께 증가한다. 역기전력이 충분히 낮다면, 이는 과부하 상태를 나타내며, 모터가 차단될 수 있다. 역기전력이 충분히 높다면, 이는 정상적인 동작을 나타내고, 회로에는 다시 전원이 공급될 수 있다.
하지만, 과부하 조건의 존부를 판단하기 위해 사용되는 현재의 역기전력 측정 방법의 단점은 측정을 시행하는데 필요한 시간이다. 모터에 전원이 끊긴 후에, 측정된 전압이 역기전력을 나타내는 점근값(asymptotic value)에 가까워지는데는 얼마간의 시간이 필요하다. 이는 측정에 본래 노이즈가 존재한다는 점과 복합적이다. 연결이 끊긴 모터 리드는 임의의 노이즈 뿐만 아니라 정류 주파수에서의 전압 리플(voltage ripple)을 가질 것이다. 이러한 성분들은 모두 모터의 수명 동안에 정류기 및 브러시 상태가 변화함에 따라 달라질 것이다. 전압 측정에 이들이 미치는 효과를 제거하기 위하여, 이 신호는 몇몇 정류 주기와 동일한 시간 상수를 사용하여 필터링될 수 있다. 이는 역기전력을 정확히 측정하는데 필요한 시간 및 모터에 전원이 끊기는 시간을 증가시킨다. 만약 전원이 끊긴 시간이 충분히 길다면, 이들은 청각적으로 인식 가능해질 수 있고, 모터 샤프트와 구동 부하 사이의 백래시(backlash)에 기인하는 마모를 증가시킬 수 있다. 따라서, 모터 부하를 모니터링하는 향상된 방법과 장치가 필요하다.
이하의 요약은 본 발명의 실시예의 특정한 예를 설명한다. 이하의 요약은 모든 실시예를 설명하는 것은 아니며, 본 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다.
일 실시예에서, DC 모터의 부하를 모니터링하는 방법은 모터의 간헐적인 전원 끊김(de-energizing), 제1 전압의 측정, 시작 시점과 종료 시점 사이의 첫 번째 시간 간격의 측정을 포함하는데, 시작 시점은 모터에 전원이 끊기는 시점을 의미하고, 종료 시점은 제1 전압과 기준 전압(reference voltage)이 실질적으로 유사한 값을 가지는 시점을 의미한다.
다른 실시예에서는 제1 모터 리드와 제2 모터 리드를 구비한 DC 모터를 모니터링하도록 구성된 모터 부하 모니터링 시스템을 제공한다. 제1 및 제2 모터 리드는 전원 또는 파워 서플라이에 연결되도록 구성된다. 이 시스템은 파워 서플라이와 제1 모터 리드 사이에 연결되도록 구성된 스위치, 제1 모터 리드 및 제2 모터 리드 사이의 플라이-백 전류 경로, 및 이 스위치에 연결되도록 구성된 제어기를 포함한다. 프리휠링 다이오드(freewheeling diode), 스위치, 또는 기타 장치는 모터에 전원을 공급할 때 전류가 플라이-백 경로를 통해 흐르는 것을 막는다. 제어기는 스위치를 제어함으로써 간헐적으로 모터의 전원을 끊고, 모니터링 전압(monitored voltage)을 수신한다. 제어기는 시작 시점과 종료 시점 사이의 제1 시간 간격을 측정하도록 구성되는데, 시작 시점은 모터의 전원이 끊기는 시점을 의미하고, 종료 시점은 모니터링 전압이 기준 전압을 통과하는 시점을 의미한다.
다른 실시예에서는 제1 모터 리드와 제2 모터 리드를 구비한 모터를 포함하는 자동차 엔진 냉각 모터 시스템을 제공한다. 제1 및 제2 모터 리드는 파워 서플라이에 연결되도록 구성된다. 이 시스템은 파워 서플라이와 제1 모터 리드 사이에 연결되도록 구성된 스위치, 제1 모터 리드 및 제2 모터 리드 사이의 플라이-백 전류 경로, 및 이 스위치에 연결되도록 구성된 제어기를 포함한다. 제어기는 스위치를 제어함으로써 간헐적으로 모터의 전원을 끊고, 모니터링 전압을 수신하며, 시작 시점과 종료 시점 사이의 제1 시간 간격을 측정하는데, 시작 시점은 모터의 전원이 끊기는 시점을 의미하고, 종료 시점은 모니터링 전압이 기준 전압을 통과하는 시점을 의미한다.
실시예 및 첨부된 도면을 고려하면 본 발명의 실시예의 기타 특징들 역시 명백할 것이다.
도 1은 냉각 팬 및 예시적인 모터 과부하 탐지 시스템을 구비한 자동차를 도시하는 도면.
도 2는 모터 과부하 상태를 탐지하기 위해 사용될 수 있는 예시적인 절차를 도시하는 도면.
도 3은 모터의 저전압측에 위치한 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor)를 포함하는 예시적인 모터 과부하 탐지 시스템을 도시하는 도면.
도 3B는 또 다른 예시적인 모터 과부하 상태 탐지 시스템을 도시하는 도면.
도 4A는 모터의 전원을 끊는 한번의 이벤트 동안 도 3에 도시한 전계 효과 트랜지스터의 게이트에서 시간에 따른 전압의 변화를 도시하는 도면.
도 4B는 모터의 전원을 끊는 한번의 이벤트 동안 도 3에 도시한 모니터링 지점 "A"에서 시간에 따른 전압의 변화를 도시하는 도면.
도 4C는 정상적인 부하의 경우에 모터의 전원을 끊고 다시 전원을 가하는 동안에 도 3에 도시한 전계 효과 트랜지스터의 게이트에서 시간에 따른 전압의 변화를 도시하는 도면.
도 4D는 정상적인 부하의 경우에 모터의 전원을 끊고 다시 전원을 가하는 동 안에 도 3에 도시한 모니터링 지점 "A"에서 시간에 따른 전압의 변화를 도시하는 도면.
도 5는 모터의 고전압측에 위치한 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 다른 예시적인 모터 과부하 탐지 시스템을 도시하는 도면.
도 6A는 모터의 전원을 끊는 한번의 이벤트 동안에 도 5에 도시한 전계 효과 트랜지스터의 게이트에서 시간에 따른 전압의 변화를 도시하는 도면.
도 6B는 모터의 전원을 끊는 한번의 이벤트 동안에 도 5에 표시한 모니터링 지점 "A"에서 시간에 따른 전압의 변화를 도시하는 도면.
도 6C는 정상적인 부하의 경우에 모터의 전원을 끊고 다시 전원을 가하는 동안에 도 5에 도시한 전계 효과 트랜지스터의 게이트에서 시간에 따른 전압의 변화를 도시하는 도면.
도 6D는 정상적인 부하의 경우에 모터의 전원을 끊고 다시 전원을 가하는 동안에 도 5에 도시한 모니터링 지점 "A"에서 시간에 따른 전압의 변화를 도시하는 도면.
도 7은 모니터링 전압이 기준 전압을 넘는데 걸리는 시간과 모터 토크(motor torque)의 관계를 도시하는 도면.
본 발명의 실시예를 상세히 설명함에 앞서서, 본 발명은 후술할 실시예에서 설명하거나 도면에 도시한 구성요소들의 세부적인 구조 및 배열에 대한 응용에 한정되지 않다는 것을 이해할 것이다. 본 발명에는 다른 실시예도 있을 수 있고, 본 발명은 다양한 방법으로 실시 또는 실행될 수 있다.
도 1은 모터 과부하 탐지 시스템(10)의 실시예를 도시한다. 모터 과부하 탐지 시스템(10)은 파워 서플라이(예컨대 자동차 배터리; 15), 모터(20), 스위칭 장치 또는 스위치(30), 다이오드(18) 또는 유사 장치를 포함하는 플라이-백 전류 경로, 제어기(17), 필터(19), 및 과부하 표시기(35)를 포함한다. 모터는 팬(22)에 연결되는데, 팬은 예컨대 공기를 방열기(도시 생략)로 향하게 하는데 사용될 수 있다. 제어기는 모니터링 전압(25)을 입력으로 수신한다. 시스템(10)은 (구조적으로 도시한 자동차(40)와 같은) 자동차에서 특히 유용성을 가지지만, 모터의 과부하가 문제되는 기타의 응용에서도 사용될 수 있다.
제어기(17)는 스위치(30)와 과부하 표시기(35)로 신호를 전송한다. 제어기(17)는 파워 서플라이가 공급하는 전류를 차단하도록 스위치에 신호한 후 모니터링 전압(25)과 기준 전압(일 실시예에서 이는 파워 서플라이(15)의 전압이다)을 비교함으로써 과부하 상태의 존재를 탐지하며, 이는 도 2를 참조하여 보다 자세히 설명할 것이다.
과부하 상태가 존재하지 않는 경우, 제어기는 스위치를 닫도록 신호하여 모터에 다시 전원을 공급한다. 만약 과부하 상태가 존재한다면, 제어기는 적절한 조치를 취한다. 몇몇 실시예에서, 제어기는 스위치를 닫도록 신호하여 모터에 다시 전원을 가하기 전에 일정 시간을 대기한다. 다른 실시예에서는 제어기가 모터에 다시 전원을 공급하지 않는다. 몇몇 실시예에서, 제어기는 과부하 상태에 대한 청각적, 시각적 표시, 또는 기타 표시를 제공하도록 과부하 표시기(35)에게 신호한 다. 예를 들어, 과부하 표시기(35)는 점멸등, 경고음, 장애 메시지, 또는 이들의 조합일 수 있다. 다른 과부하 표시기(35)도 역시 가능하다. 몇몇 실시예에서, 이러한 동작들의 조합이 수행된다.
몇몇 실시예에서, 제어기(17)는 일정한 간격으로 과부하 탐지 사이클(즉, 전술한 전압의 비교)을 개시한다. 간격의 길이는 모터 및 응용에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로 모터의 열용량은 단지 짧은 시간 동안의 과부하 상태에 관련된 손상을 지연시키기에는 충분히 크다. 따라서, 이러한 상태가 만약 존재하면, 이 시간 안에는 탐지되어야 하고, 모터의 전원을 끊어야 한다. 부하 모니터링 빈도를 선택하는데 영향을 미치는 요인들에는 모터의 설계 부하, 제공되는 모터 냉각량, 모터의 열용량, 및 주위의 온도 등이 포함될 수 있다. 예를 들어, 높은 주변 온도에서 동작하며 큰 부하를 가지는 모터는 모터를 적당한 동작 범위 내에 유지시키기 위하여 좀 더 빈번한 과부하 탐지를 필요로 할 것이다. 마찬가지로, 저온에서 동작하며 상대적으로 작은 부하를 가지는 모터의 경우 과부하 탐지 또는 모니터링을 가끔씩만 하면 될 것이다.
도 1을 참조하면, 제어기(17)는 전술한 과부하 탐지 사이클을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 제어기(17)는 운영체제(도시 생략)의 도움을 받아서 컴퓨터 실행가능 프로그램(즉, 소프트웨어)을 실행하는 프로세서일 수 있다. 다른 실시예에서, 제어기(17)는 여기서 설명한 기능들이 하드웨어 컴포넌트에 의해 수행되도록 하는 하드웨어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어기(17)는 주문형 반도체(ASIC), 펌웨어, 전용 컴포넌트 등으로 구현될 수 있고, 이는 이 기술 분야에서 잘 알려진 것이다. 따라서, 제어기(17)는 하드웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있음을 이해할 것이다.
도 2는 과부하 상태를 탐지하기 위하여 제어기(17)에 의해 실시될 수 있는 절차(75)를 도시한다. 단계(80)에서 우선 모터에 전원이 가해진다. 몇몇 실시예에서, 정상적인 모터의 시동 과정에서는 과부하 탐지가 수행되지 않는다. 이 기간 동안에, 모터, 그리고 팬과 같은 구동 컴포넌트의 가속은 모터의 부하를 일시적으로 설계 부하 이상으로 증가시킬 것이다. 첫 번째 부하 모니터링 이벤트(단계 82)를 지연시키면 이러한 일시적인 부하가 과부하 상태로서 해석되지 않도록 보장할 것이다. 가속 기간은 모터가 실질적으로 일정한 속도에 도달할 수 있도록 충분히 길어야 하고, 다만 과부하 상태가 존재할 때 모터가 손상되는데 걸리는 시간보다는 짧아야 한다. 몇몇 실시예에서, 가속 기간은 모터에 전원이 가해지는 동안의 과부하 탐지 사이클 간격보다 짧다.
대기 또는 가속 기간이 완료되면, 파워 서플라이(15)가 모터에 공급하는 전류를 차단하기 위해 스위치(30)가 사용된다(단계 85). 즉, 모터에 전원이 끊긴다. 몇몇 실시예에서, (도 3에 도시한 바와 같이) 트랜지스터가 스위치(30)처럼 사용된다. 스위치(30)를 불활성화시키면 제어기(17)는 시간을 맞추어(timing) 기준 전압과 모니터링 전압(25)을 비교하기 시작한다(단계 90). 도 3의 실시예에 도시된 바와 같이, 몇몇 실시예에서 타이밍 기능 및 전압 비교 기능은 제어기(17)에 의해서 수행된다. 다른 실시예에서, 타이밍 기능과 전압 비교 기능은 다른 전자 하드웨어 컴포넌트에 의해서 수행된다. 예를 들어, 전압 비교 기능은 트랜지스터 기반 또는 연산 증폭기("op amp") 기반 비교 회로를 사용하여 이행되는데, 이는 해당 기술 분야에 잘 알려져 있다.
전압 비교가 계속되고, 모니터링 전압(25)과 기준 전압이 거의 동일해질 때까지 비교 시간이 집계된다(단계 95). 도 4B와 도 6B와 관련하여 좀 더 상세하게 설명할 것이지만, 초기에 모니터링 전압은 비스위칭 모터 리드(non-switched motor lead)의 전압에 비해 매우 작게 유지된다. 모터를 통하는 전류가 0으로 감소하면, 모니터링 전압은 비스위칭 리드의 전압을 지나서, 결국 비스위칭 리드 전압과 역기전력만큼의 차이가 나게 된다. 역기전력 전압은 모터에 전원이 끊긴 후 모터의 계속된 회전에 의해 생성된다. 몇몇 실시예에서, 기준 전압은 비스위칭 리드의 전압과 동일하도록 선택된다. 모니터링 전압(25)과 기준 전압이 거의 동일하다는 것을 탐지한 후에, 시간 집계가 중지, 측정, 분류된다(단계 95). 시간 카테고리에는 예컨대 저부하 카테고리, 정상 카테고리, 및 과부하 카테고리가 포함될 수 있으며, 각각의 시간 카테고리는 일정한 길이의 시간(span of time)으로 정의된다. 예를 들어, 기준 전압과 거의 동일한 값으로 모니터링 전압(25)이 떨어지는데 필요한 시간이 정상 시간 카테고리에 포함된다면, 모터 부하는 정상적으로 동작하는 것으로 분류될 수 있다.
일 실시예에서, 알려진 모터 특징을 사용하여 카테고리화된 시간 길이(categorized time period)가 최초로 결정된다. 예를 들어, 설계 전압, 속도, 토크로 모터가 동작한다면, 모니터링 전압은 예측 가능한 길이의 시간 내에 기준 전압을 지날 것이다. 모터가 과부하 상태이고 더 높은 토크와 더 낮은 속도로 동 작하고 있다면, 전압은 더 긴 시간이 지난 후에 기준 전압을 넘을 것이다. 과부하 상태로 간주되는 최단의 시간을 나타내도록 기준 시간이 정해질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 여러 가지 다른 수준의 과부하가 정의될 수 있고, 이를 나타내기 위해 여러 가지 다른 기준 시간이 정해질 수 있다. 만약 모터가 선택 가능한 또는 가변 전압으로 동작한다면, 이 전압에 따라 기준 시간이 달라질 수 있다. 마찬가지로, 주위 온도가 기준 시간에 영향을 미칠 수 있다. 각각의 응용에 따라 각각의 조건에 상응하는 기준 시간이 집계될 수 있다. 또한, 서로 다른 모터들에 대해 각각의 카테고리에 상응하는 시간이 정의될 수 있다. 예를 들어, 200 와트 모터는 400 와트 모터와는 다른 정상 시간(normal time period) 및 과부하 시간(overload time period)을 가질 것이다. 몇몇 실시예에서, 제어기(17)는 각각 정의된 기준 시간을 저장하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 제어기(17)는 각각의 정의된 동작 상태(예컨대, 정상, 과부하 등)에 상응하는 기준 시간의 조회 테이블(look-up table, "LUT")을 포함할 수 있다.
측정된 시간이 정상 시간 범위 내에 있으면(단계 100), 스위치(30)에 다시 전원이 가해진다(단계 105). 절차는 단계(110)로 진행하여, 스위치(30)의 전원을 끊기 전에 미리 정의된 시간만큼 대기하고, 이로써 과부하 탐지 사이클을 다시 초기화한다. 이 상태로 인하여 모터 및 관련 장치(팬, 전자 제어부품 등)에 되돌릴 수 없는 또는 영구적인 손상이 발생하기 전에 과부하 상태를 탐지할 수 있도록 이 시간은 충분히 짧아야 한다.
측정된 시간이 정상 동작 조건 카테고리 내에 포함되지 않으면, 과부하 상태 가 판정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 과부하 표시기(35)로 신호가 전송된다(단계 115). 몇몇 실시예에서, 과부하 상태로 인지되면, 모터는 일정한 기간 동안 전원이 끊긴 상태로 유지된다(단계 120). 이 시간은 모터가 냉각될 수 있도록 하며, 과부하 상태의 원인이 제거되기에 충분할 수 있다. 예를 들어 몇몇 실시예에서, 과부하 상태의 발생 원인이 겨울에 자동차 팬 어셈블리에 얼음이 부착된 것일 수 있는데, 모터에 전원 공급이 끊겨있는 시간은 차량 엔진의 열로 인해 얼음이 녹는데 충분한 만큼일 수 있다. 냉각 기간이 끝나면, 스위치(30)는 전도 상태로 돌아가고(단계 125), 모터에는 전원이 다시 가해진다. 이 절차는 다음 부하 모니터링 사이클이 시작되기 전까지, 모터가 가속되는데 충분한 시간만큼 대기한다(단계 82). 과부하 상태가 지속된다면, 모터를 충분히 차갑게 하기 위하여, 몇몇 실시예에서 냉각 기간은 앞서 언급한 가속 시간보다 5배 이상이 될 수도 있다.
다른 실시예에서, 과부하 상태가 인식되면, 스위치(30)는 비전도 상태로 유지되고 모터는 전원이 끊긴 상태로 유지된다. 또 다른 실시예에서, 과부하 카테고리에는 여러 수준이 포함될 수 있는데, 각각의 수준은 과부하의 여러 정도를 나타내며, 이에 따라 상이한 조치가 필요하다. 어떤 카테고리는 냉각 기간 후에 모터에 전원을 다시 가해야 하는 반면에, 다른 카테고리는 모터의 전원이 끊긴 상태로 유지해야 한다.
몇몇 실시예에서, 모터의 속도는 제어될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이는 펄스 폭 변조에 의해 이루어질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 과부하 탐지를 위해 사용되는 스위치(30)는 펄스 폭 변조, 선택적인 브러시 파워링(brush powering), 또 는 기타 속도 제어 목적을 위해서도 사용된다.
도 3은 모터 과부하 탐지 시스템(150)의 일 실시예를 개략적으로 표현한 도면이다. 모터 과부하 탐지 시스템(150)은 모터(155), 파워 서플라이(15), N 채널 전계 효과 트랜지스터("FET"; 160), 프리휠링 다이오드(freewheeling diode; 165) (또는 플라이-백 다이오드), 필터(170), 제어기(17), 과부하 표시기(35)를 포함한다. 전술한 바와 같이 다른 실시예에서 모터 과부하 시스템(150)은 도 3에 도시한 것 보다 더 많은 또는 더 적은 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 모터 과부하 탐지 시스템(150)은 제어기(17)와 비슷한 기능을 수행하는 추가적인 하드웨어(예컨대 비교 회로, 타이밍 회로 등)를 포함할 수 있다. 그러므로, 이러한 실시예에서는 탐지 시스템(150)에서 제어기(17)가 생략될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 모터(155)는 브러시가 있는 4극 DC 모터이다. 하지만, 다른 종류의 모터(예컨대 브러시 없는 DC 모터)와 극의 개수가 다른 모터가 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 도 3의 회로는 단지 한 방향으로 모터에 전원을 공급하기 위하여 사용된다. 다른 실시예에서, 도 3에 도시된 회로는 상이한 회전 방향으로 모터에 전원을 공급할 수 있는 "풀 브릿지" 회로의 일부이다.
몇몇 실시예에서, 플라이-백 전류 경로(190)는 도 3에 도시된 바와 같이 프리휠링 다이오드(165)에 의해 제어된다. 하지만 도 3B에 도시된 것과 같은 다른 실시예에서, 플라이-백 전류 경로(190)는 다른 장치에 의해 제어된다. 예를 들어, PWM 속도 제어를 위해 FET(160)가 사용되면, 플라이-백 전류 경로(190)는 종종 스위치드 FET(192)에 의해 제어된다. 예를 들어, FET(160)가 스위치 오프되면 (즉, 비전도 상태가 되면) FET(192)가 스위치-온되어 플라이-백 전류 경로(190)를 통해 전류가 흐를 수 있도록 한다. 이러한 FET(192)는 다이오드(165)에 비해 손실을 줄일 수 있다.
제어기(17)는 FET(160)의 게이트(182)에 전압을 공급한다. 게이트(182)에 적절한 전압이 공급되면, FET(160)가 스위치-온되고(즉, 전도 상태가 되고), 그라운드로 전류가 흘러서 모터(155)에 전원을 공급하도록 한다. 모터 과부하 상태를 탐지하기 위하여, 제어기(17)는 FET(160)의 게이트(182)에 상대적으로 낮은 상이한 전압을 인가하여 FET(160)를 스위치-오프하고, 노드 A에서 전압을 모니터링하거나 노드 B에서 필터링된 전압을 모니터링한다. FET(160)가 스위치-오프되면(즉, 비전도 상태가 되면), 파워 서플라이(15)로부터의 전류가 차단된다. 하지만, 다이오드(165)는 전류가 계속하여 모터(155)를 통해 흐를 수 있도록 한다. 모터가 계속하여 돌고, 전류 흐름으로 인하여 모터 레지스턴스를 통한 전압 강하가 계속 존재하기 때문에 역기전력 전압이 계속 존재한다. 하지만 모터 와인딩 내의 전류 변화율에 비례하는 모터 인덕턴스에 의해 유도된 전압이 이 같은 전압 강하를 거스른다. FET(160)가 스위치-오프되면, 노드 A에서 측정된 전압은 공급 전압, 및 다이오드(165)에 관련된 순방향 전압 강하의 결합과 거의 동일한 값(즉, 대략 공급 전압과 0.7볼트의 결합)으로 증가한다. 이와 같은 "다이오드 고정 전압(diode-clamped voltage)"은 다이오드(165)를 흐르는 전류가 멈출 때까지 측정될 수 있다. 전류가 멈추면, 노드 A의 전압은 대략 모터의 역기전력만큼 공급 전압과 차이가 나는 수준으로 강하된다.
스위치드 FET 등 기타 장치가 도 3에 도시된 다이오드의 용도를 수행하는 실시예에서, 고정 전압(clamped voltage)과 공급 전압의 차이는, 다이오드의 약 0.7 볼트 순방향 전압 강하와는 다를 것이다. 예를 들어, 스위치드 FET는 수 밀리 옴 정도의 레지스턴스를 가질 수 있는데, 이는 0.7 볼트보다는 상당히 작은 전압 강하를 일으킨다.
몇몇 실시예에서, 제어기(17)는 노드 A에서 필터링되지 않은 전압을 모니터링한다. 이 노드는 FET(160)가 스위치-오프되면 연결이 끊기는 모터 리드에 상응한다. 하지만, 노드 A에서의 신호에는 노이즈가 다소 있을 수 있다. 따라서, 신호가 측정되기 전에 필터링되는 것이 바람직하다. 몇몇 실시예에서, 필터는 도 3에서 필터(170)로 도시한 것과 유사하다. 필터링된 신호는 노드 B의 필터(170)의 출력에서 측정될 수 있다.
필터(170)는 노드 B에서의 전압이 모니터링되기 전에 대략 공급 전압에서 초기화되는 레지스턴스-콘덴서("R-C") 필터이다. 모터에 전원이 공급되면, 제어기(17)는 트랜지스터(172)의 베이스에 전압을 인가하고, 트랜지스터(172)는 전도하며(conducting), 트랜지스터(174)의 베이스는 접지된다. 이로써 전류가 트랜지스터(174)를 통해 흐르게 되고, 커패시터(180)는 방전 상태가 될 것이다. 모터(155)에 전원이 끊기면, 제어기(17)는 트랜지스터(172)의 베이스를 접지시키고, 트랜지스터(172)는 전도를 멈춘다. 트랜지스터(174)의 베이스에서의 전압은 공급 전압까지 증가하고, 트랜지스터(174)는 전도를 멈춘다. 이 때 필터는 레지스턴스(175) 및 레지스턴스(176)의 저항 값의 합과 동일한 저항을 갖는 간단한 R-C 필터처럼 동 작한다. 이 회로의 시간 상수는 모터의 L/R 유도 시간 상수보다 작은 것이 바람직하다. 예를 들어, "L"은 모터(155)의 인덕턴스를 나타내고, "R"은 모터(155) 및 플라이-백 회로의 저항을 나타낸다. 몇몇 실시예에서, 시간 상수는 모터의 L/R 시간 상수의 10분의 1보다도 작다.
도 4A와 도 4B는 모터 과부하 탐지 회로(도 3의 150)의 예시적인 전압 특성 그래프(각각 200, 205)이다. 도 4A는 특정 기간(210) 동안 FET(160)의 게이트에서의 전압을 측정한 것을 도시하고, 도 4B는 같은 기간(210) 동안 노드 A에서 전압을 측정한 것을 도시한다. 이 기간(210)은 모터에 전원이 한번 끊기기 전과 후에 상응한다. 전술한 바와 같이, FET(160)의 게이트에 제1 전압(예컨대 VON; 215)이 인가되면, FET(160)는 전도하고, 모터(155)에는 전원이 공급된다. 따라서, 도 4B에 도시된 바와 같이, 모터의 전류는 그라운드로 흐르고, 노드 A에서 측정된 전압은 그라운드와 단지 미세한 전압 차이(트레이스 220)가 있을 뿐이다(즉, 노드 A에서의 전압은 거의 0이다). 노드 A에서 측정된 전압과 그라운드의 차이는 FET의 레지스턴스와 관련된 상대적으로 작은 전압(VDROP)이며, 종종 이는 수 밀리 옴 정도이다.
도 4A를 다시 참조하면, TSWITCH 시점에 제2 전압(예컨대 VOFF; 225)이 FET(160)의 게이트에 인가된다. 이 시점에, FET(160)가 꺼지고 모터(155)의 전원을 효율적으로 끊는다. FET(160)의 게이트에 제2 전압(225)이 인가되는 TSWITCH 시점에, 노드 A에서 측정되는 전압은 다이오드 고정 전압(240)까지 증가하며, 이는 전술한 바와 같이 도 4B에 도시된 공급 전압(VS)과 다이오드의 순방향 전압 강 하(VFDD)의 결합과 대략 동일하다.
모터의 전원이 끊긴 후 다이오드를 통해 흐르는 전류는 결국 0으로 감소한다. 다이오드(165)를 통해 흐르는 전류가 없어지면, 노드 A에서 측정되는 전압은 다이오드 고정 전압 값(230)으로부터 감소하기 시작한다. 따라서, 전압이 다이오드 고정 값(230)으로부터 감소하기 시작하는데 필요한 시간은 모터 부하에 따라 서로 다르다. 예를 들어, 비교적 큰 모터 부하의 경우 본질적으로 모터(155)에 큰 전류가 제공되어야 한다. 따라서, 모터 전류가 더 오랜 시간 동안 다이오드(165)를 통해 흐르기 때문에, 다이오드 고정 전압(230)으로부터 전압이 이탈하는데 더 긴 시간이 필요하다. 마찬가지로, 비교적 작은 부하의 경우에는 다이오드 고정 전압(230)으로부터 전압이 이탈하는데 필요한 시간이 좀 더 짧다. 따라서, 이 시간이 더 길다는 것은 과부하 상태를 나타낼 수 있다.
도 4B는 TNORMAL(235), TREF(240), TOVERLOAD(245)를 포함하는 세 개의 시간을 도시하며, 이들은 정상 시간, 기준 시간, 과부하 시간에 상응한다. 시간(235-245)은 노드 A에서 측정되는 전압이 다이오드 고정 전압(230)으로부터 이탈하기 시작하여 기준 전압에 도달하는데 필요한 시간을 나타내는 것으로, 여기서 기준 전압은 (화살표(246)로 나타낸) 공급 전압 레벨(VS)이다. 파선(250)은 정상 부하 범위 내에서 동작하고 있는 모터를 나타내며, 이러한 모터는 모니터링 전압(230)이 공급 전압(VS)으로 내려가기 위해 제1 시간 또는 정상 시간(TNORMAL; 235)을 필요로 한다. 한편, 과부하 모터는 실선(255)으로 도시한 바와 같이 모니터링 전압(230)이 공급 전압(VS)으로 내려가기 위해 비교적 더 긴 시간(TOVERLOAD; 245)을 필요로 한다. 기준 시간(TREF; 240)은 예컨대 모터가 과부하 상태인지 판단하기 위한 한정 기준에 해당될 수 있다.
도 4B에 도시된 실시예에서의 기준 전압은 공급 전압(VS)이다. 공급 전압은 스위칭되지 않는 모터 리드의 전압이다. 다른 실시예에서, 기준 전압은 스위칭되지 않는 모터 리드의 전압과 다르다. 예를 들어, 비교 회로가 간단한 트랜지스터로 구성된다면, 도 4B의 모니터링 전압은 공급 전압에서 다이오드 전압 강하를 뺀 값과 같은 기준 전압과 비교될 수 있다.
모니터링 전압(230)은 결국 공급 전압(VS)에서 역기전력(248)을 뺀 값과 같은 수준에서 일정해진다. 과부하를 탐지하는 기존의 방법은 이 역기전력(248)을 측정하여 이로부터 모터의 속도와 부하를 추정하는 단계로 이루어진다. 하지만, 모니터링 전압이 기전력을 나타내는 수준에 도달하는데 필요한 시간은, 본 발명의 방법을 사용하여 모터 부하를 판단하는데 필요한 시간보다 일반적으로 상당히 더 길다. 본 방법을 사용할 때, 정상 부하 조건하에서 모터의 전원이 끊기는 시간은 TNORMAL이다. 역기전력의 측정에는 전압이 역기전력과 관련된 점근값에 도달하는데 필요한 추가적인 시간을 TREF에 더한 만큼의 시간이 필요할 것이다. 이상적인 전압 트레이스에서도 이 시간은 TNORMAL 보다 크다. 하지만, 브러시가 있는 개방 회로 DC 모터(open-circuited brushed DC motor)의 전압 트레이스는 도 4B에 도시된 이상적 인 트레이스와는 달리, 노이즈가 상당히 있는 신호이다. 이러한 조건하에서 역기전력의 측정은, 본 발명에서 기준 전압을 지나는 타이밍의 측정보다 본질적으로 정확도가 떨어진다. 이러한 한계는 모터의 정류 주파수의 역수보다 몇 배나 더 긴 시간 상수로 모니터링 전압을 필터링함으로써 단지 제거될 수 있을 뿐이다. 이 시간 상수는 일반적으로 필터(170)의 시간 상수보다 상당히 길다. 이러한 필터링은 역기전력의 측정에 필요한 시간을 더 증가시킬 수 있다.
도 4B에 도시된 전압 트레이스는 노드 A에서 모니터링되는 전압에 해당한다. 필터(170)가 사용되면, TSWITCH 시점 이전의 시간 동안에 노드 B에서 모니터링되는 전압은 도 4B의 전압과 다를 것이며, TSWITCH 시점에는 공급 전압(VS)에서 약간의 트랜지스터 전압 강하를 뺀 값과 같아질 것이다. TSWITCH 이후에는, 도 4B에 도시된 전압에 근접해질 것이다.
도 4A와 도 4B에 도시된 전압 트레이스는 한 번의 전원 끊김에 상응하고, 이는 모터에 전원이 다시 가해지지 않는 경우의 모니터링 전압(230)과 FET(160)의 게이트 전압의 성질을 도시한다. 대부분의 실시예에서 과부하 상태의 모터에는 전원이 다시 공급되지 않을 것이므로, 도 4B에 도시된 실선(255)은 과부하 상태에서의 모터에 대한 실제의 전압 트레이스에 해당한다. 모터 속도의 변화에 따른 역기전력 전압의 종국적인 변화는 도 4B에 도시되어 있지 않다. 모터가 느려져서 결국 정지하면, 역기전력 값(248)은 0으로 떨어질 것이며, 실선 트레이스는 점차 공급 전압(VS)에 접근할 것이다.
도 4C 및 4D는 정상 부하 조건 하에서 모터에 대한 게이트 전압 및 모니터링 전압(230)의 트레이스를 도시한 도면으로서, 도 4A 및 도 4B에 도시한 전원 끊김(de-energizing)과 전원 재공급(re-energizing) 이벤트를 포함한다. 도 4B에 굽은 파선으로 표시된 바와 같이, 기준 시간 TREF 보다 작은 TNORMAL 이내에 모니터링 전압(230)이 기준 전압(이 예에서는 공급 전압 VS와 동일함)을 넘는 것을 제어기(17)가 탐지하면, 제어기는 모터가 정상 부하 상태에 있다고 판단하고, 모터에 전원을 다시 가한다. 이를 위해, FET(160)의 게이트에 VON 전압을 인가하며, FET는 전도 상태로 돌아간다. 모니터링 전압(230)은 FET의 레지스턴스에 상응하는 작은 VDROP 값으로 떨어진다. 모터의 전원을 끊고, 노드 A에서의 전압을 모니터링하며, 이 전압 및 기준 전압의 교차 시간을 측정하고, 모터에 전원을 다시 공급하는 것으로 구성된 이와 같은 일련의 이벤트는, 모터가 정상 부하 상태에 있는 것으로 감지되는 한 규칙적인 간격을 두고 반복될 것이다.
도 3, 도 4A, 도 4B에 도시된 실시예에서는 모터(155)의 저전압 리드를 스위칭하기 위해 FET(160)가 사용된다. 도 5, 도 6A, 도 6B에 도시된 실시예에서는 FET(160)가 고전압 측 리드를 스위칭한다.
도 5는 모터(155), 파워 서플라이(15), p-채널 FET(280), 프리휠링 다이오드(165) (또는 플라이-백 다이오드), 필터(283), 제어기(17), 과부하 표시기(35)를 포함하는 모터 과부하 탐지 시스템(275)을 개략적으로 표현한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제어기(17)는 FET(280)의 게이트(282)에 전압을 공급한다. 게이트(282)에 적절한 전압이 공급되면, FET(280)는 전도, 즉 스위치-온되고, 파워 서플라이(15)로부터 모터(155)의 고전압 리드로 전류가 흐르게 한다. 모터 과부하 상태를 탐지하기 위하여, 제어기(17)는 FET(280)의 게이트(282)에서의 전압을 높이고, 노드 A에서 전압을 모니터링하거나 또는 노드 B에서 필터링 전압을 모니터링한다. FET(280)가 꺼지고(즉, 비전도 상태가 되고), 이로써 파워 서플라이(15)로부터의 전류를 차단한다. 하지만, 다이오드(165)는 전류가 계속해서 모터를 통해 흐를 수 있도록 한다. 모터가 계속하여 회전하기 때문에 역기전력도 계속 존재하며, 전류 때문에 모터 저항을 통한 전압 강하가 계속하여 존재한다. 하지만 모터 와인딩 내의 전류 변화율에 비례하는 모터 인덕턴스에 의해 유도된 전압이 이 같은 전압 강하를 거스른다(counter). FET(280)가 스위치-오프되면, 노드 A에서 측정되는 전압은 그라운드 전압(0볼트로 취함)에서 다이오드(165)와 관련된 순방향 전압 강하(즉, 대략 -0.7볼트)를 뺀 값과 거의 동일한 값으로 감소한다. 이와 같은 "다이오드 고정 전압(diode-clamped voltage)"은 다이오드(165)를 흐르는 전류가 멈출 때까지 측정될 수 있다. 전류가 멈추면, 노드 A의 전압은 대략 모터의 역기전력의 수준으로 상승한다.
몇몇 실시예에서, 제어기(17)는 노드 A에서 필터링되지 않은 전압을 모니터링한다. 이 노드는 FET(280)가 스위치-오프되었을 때 연결이 해제된 모터 리드에 상응한다. 하지만, 노드 A에서의 신호에는 다소 노이즈가 있을 수 있다. 그러므로, 신호가 측정되기 전에 필터링되는 것이 바람직하다. 몇몇 실시예에서, 필터는 도 5에서 필터(283)로 도시한 것과 유사하다. 필터링된 신호는 노드 B의 필터의 출력에서 측정될 수 있다.
도 5의 필터(283)는 노드 B에서의 전압이 모니터링되기 전에 대략 그라운드 전압에서 초기화되는 R-C 필터이다. 모터에 전원이 공급되면, 제어기(17)는 트랜지스터(284)의 베이스에 전압을 인가한다. 이로써, 트랜지스터(284)에 전류가 흐를 수 있고, 커패시터(287)는 방전 상태가 될 것이다. 모터(155)의 전원이 끊기면, 제어기(17)는 트랜지스터(284)의 베이스를 접지시키고, 트랜지스터(284)는 전도를 멈춘다. 이 시점에, 필터는 레지스턴스(285) 및 레지스턴스(286)의 저항 값의 합과 동일한 저항을 갖는 간단한 R-C 필터처럼 동작한다. 이 회로의 시간 상수는 모터(155)의 L/R 유도 시간 상수보다 작은 것이 바람직하다. 몇몇 실시예에서, 시간 상수는 모터(155)의 L/R 시간 상수의 10분의 1보다도 작다.
도 6A 및 6B는 모터 과부하 탐지 회로(도 5의 275)의 예시적인 전압 특성 그래프(각각 300, 305)이다. 도 6A는 특정 기간(310) 동안 FET(280)의 게이트에서의 전압을 측정한 것을 도시하고, 도 6B는 같은 기간(310) 동안 노드 A에서 전압을 측정한 것을 도시한다. 이 기간(310)은 모터에 전원이 한 번 끊기기 전과 후에 상응한다. 전술한 바와 같이, FET(280)의 게이트에 제1 전압(예컨대, VON; 315)이 인가되면, FET(280)는 전도하고, 모터(155)에 전원이 가해진다. 따라서, 도 6B에 도시된 바와 같이, 노드 A에서 측정된 전압은 공급 전압과 단지 미세한 전압 차이(트레이스 320)가 있을 뿐이다. 노드 A에서 측정된 전압과 공급 전압의 차이는 FET(280)의 레지스턴스와 관련된 상대적으로 작은 전압(VDROP)이며, 종종 이는 수 밀 리 옴 정도이다.
도 6A를 다시 참조하면, TSWITCH 시점에 제2 전압(예컨대, VOFF; 325)이 FET(280)의 게이트에 인가된다. 이 시점에, FET(280)가 꺼지고 모터(155)의 전원을 효율적으로 끊는다. FET(280)의 게이트에 제2 전압(325)이 인가되는 TSWITCH 시점에, 노드 A에서 측정되는 전압(즉, 모니터링 전압)은 다이오드 고정 전압(330)까지 감소하며, 이는 전술한 바와 같이 도 6B에 도시된 다이오드의 순방향 전압 강하(VFDD)의 음의 값과 대략 동일하다.
모터(155)의 전원이 끊긴 후 다이오드를 통해 흐르는 전류는 결국 0으로 감소한다. 다이오드(165)를 통해 흐르는 전류가 없어지면, 노드 A에서 측정되는 전압은 다이오드 고정 전압 값(330)으로부터 증가하기 시작한다. 따라서, 전압이 다이오드 고정 값(330)으로부터 증가하기 시작하는데 필요한 시간은 모터 부하에 따라 서로 다르다. 예를 들어, 비교적 큰 모터 부하의 경우 본질적으로 모터(155)에 큰 전류가 제공되어야 한다. 따라서, 모터 전류가 더 오랜 시간 동안 다이오드(165)를 통해 흐르기 때문에, 다이오드 고정 전압(330)으로부터 전압이 이탈하는데 더 긴 시간이 필요하다. 마찬가지로, 비교적 작은 부하의 경우에는 다이오드 고정 전압(330)으로부터 전압이 이탈하는데 필요한 시간이 좀 더 짧다. 따라서, 이 시간이 더 길다는 것은 과부하 상태를 나타낼 수 있다.
도 6B는 TNORMAL(335), TREF(340), TOVERLOAD(345)를 포함하는 세 개의 시간을 도시하며, 이들은 정상 시간, 기준 시간, 과부하 시간에 상응한다. 시간(335-345)은 노드 A에서 측정되는 전압이 다이오드 고정 전압(330)으로부터 증가하기 시작하여 기준 전압에 도달하는데 필요한 시간을 나타내는 것으로, 여기서 기준 전압은 (화살표(346)로 나타낸) 그라운드 전압, 즉 0볼트이다. 파선(350)은 정상 부하 범위 내에서 동작하고 있는 모터를 나타내며, 이러한 모터는 모니터링 전압(330)이 0볼트로 상승하기 위해 제1 시간 또는 정상 시간(TNORMAL; 335)을 필요로 한다. 한편, 과부하 모터는 실선(355)으로 도시한 바와 같이 모니터링 전압(330)이 0볼트로 상승하기 위해 비교적 더 긴 시간(TOVERLOAD; 345)을 필요로 한다. 기준 시간(TREF; 340)은 예컨대 모터가 과부하 상태인지 판단하기 위한 한정 기준(limiting criterion)에 해당될 수 있다.
도 6B에 도시된 전압 트레이스는 노드 A에서 모니터링되는 전압에 해당한다. 필터(283)가 사용되면, TSWITCH 시점 이전의 시간 동안에 노드 B에서 모니터링되는 전압은 도 6B의 전압과 다를 것이며, TSWITCH 시점에는 그라운드 전압에 약간의 트랜지스터 전압 강하를 더한 값과 같아질 것이다. TSWITCH 이후에는, 도 6B에 도시된 전압에 근접해질 것이다.
도 6A와 도 6B에 도시된 전압 트레이스는 한 번의 전원 끊김에 상응하고, 이는 모터에 전원이 다시 공급되지 않는 경우의 모니터링 전압(230)과 FET(280)의 게이트 전압의 성질을 도시한다. 대부분의 실시예에서 과부하 상태의 모터에는 전원이 다시 공급되지 않을 것이므로, 도 6B에 도시된 실선(355)은 과부하 상태에서의 모터에 대한 실제의 전압 트레이스에 해당한다. 모터 속도의 변화에 따른 역기전 력 전압의 종국적인 변화는 도 6B에 도시되어 있지 않다. 모터가 느려져서 결국 정지하면, 역기전력 값(348)은 0으로 떨어질 것이며, 실선 트레이스는 점차 그라운드 전압, 즉 0볼트에 접근할 것이다.
도 6C 및 6D는 정상 부하 조건 하에서 모터에 대한 (FET 280의) 게이트 전압 및 모니터링 전압(330)의 트레이스를 도시한 도면으로서, 도 6A 및 도 6B에 도시한 전원 끊김과 전원 재공급을 포함한다. 도 6B에 굽은 파선(350)으로 표시된 바와 같이 기준 시간 TREF 보다 작은 TNORMAL 이내에 모니터링 전압(330)이 기준 전압(이 예에서는 그라운드 전압, 즉 0볼트임)을 넘는 것을 제어기(17)가 탐지하면, 제어기는 모터가 정상 부하 상태에 있다고 판단하고, 모터에 전원을 다시 공급한다. 이를 위해, FET(280)의 게이트에 VON 전압을 인가하며, FET(280)는 전도 상태로 돌아간다. 모니터링 전압(330)은 공급 전압 VS에서 FET(280)의 레지스턴스에 상응하는 작은 VDROP 값을 뺀 값으로 상승한다. 모터의 전원을 끊고, 노드 A에서의 전압을 모니터링하며, 이 전압 및 기준 전압의 교차 시간을 측정하고, 모터에 전원을 다시 공급하는 것으로 구성된 이와 같은 일련의 이벤트는, 모터(155)가 정상 부하 상태에 있는 것으로 감지되는 한 규칙적인 간격을 두고 반복될 것이다.
스위칭 특성은 도 4A, 4C, 6A, 6C에 도시된 바와 같이 FET(160 및 280)의 구성에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 제1 전압(215, 315) 및 제2 전압(225, 325)으로 여러 가지 전압이 사용될 수 있다. 예를 들어, 게이트 전압을 공급 전압을 넘어 증가시키기 위해 전하 펌프가 사용된다면, 하이 사이드 스위치로 N-채널 FET 가 사용될 수 있다. 도 4A에 도시된 바와 같이, FET(160)를 스위치-온하는 게이트 전압(215)은 FET를 스위치-오프하는 전압(225)을 초과한다.
도 7은 도 4B의 정의된 시간(235-245)들과 모터(155)의 토크 사이의 관계를 표현하는 토크 곡선(400)을 도시한다. 다른 실시예에서는, 도 6B의 정의된 시간(335-345)들과 모터(155)의 토크 사이의 관계를 표현하기 위하여 토크 곡선(400)과 유사한 다른 토크 곡선(도시 생략)이 그려질 수 있다. 토크 곡선(400)은 일반적으로 비선형적이다. 도 4B에 도시된 바와 같이, 정상 시간(TNORMAL; 235) 및 과부하 시간(TOVERLOAD; 245)은 각각 모터의 설계 토크(405) 및 모터의 과부하 토크(410)에 상응한다. 몇몇 실시예에서, 설계 토크(405)는 명판(nameplate) 토크 값, 또는 좀 더 간단하게 말하면 정상 동작 조건하에서 모터(155)가 만들어내는 토크 값이다. 이와 달리, 과부하 토크(410)는 모터(155)에 장애를 유발할 수 있는 토크의 양을 나타낸다. 예를 들어, 모터(155)가 일정 시간 동안 과부하 토크(410)를 만든다면, 모터(155)의 온도가 상승하고, 이는 모터(155)의 구성요소에 손상을 유발할 수 있다. 충분한 손상이 가해지면 모터는 파손된다. 기준 시간(TREF; 240)은 한계 모터 토크(407)에 상응한다. 이 값보다 작은 토크 값은 설계 토크(405)보다 클 수는 있지만 모터(155)를 손상시키지는 않을 것이다.
청구항에서 다양한 실시예를 설명한다.

Claims (35)

  1. 복수의 리드들을 구비한 DC 모터의 부하를 모니터링하는 방법으로서,
    상기 모터에 최초로 전원을 가하는(energizing) 단계; 및
    각각 제1 시간 간격으로 분리된 일련의 동작들을 반복적으로 수행하는 단계를 포함하고,
    일련의 동작들 각각은
    상기 복수의 리드들 중 하나를 통하는 전류를 차단하여 상기 모터의 전원을 끊는(de-energizing) 단계;
    모터 리드 전압을 모니터링하는 단계; 및
    시작 시점과 종료 시점 사이의 제2 시간 간격을 측정하는 단계 - 상기 시작 시점은 상기 모터에 전원이 끊기는 시점을 포함하고, 상기 종료 시점은 상기 모터 리드 전압과 기준 전압이 동일한 값을 가지는 시점을 포함함 - 를 포함하는,
    DC 모터의 부하를 모니터링하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동작들은,
    상기 제2 시간 간격을 기준 시간 간격과 비교하는 단계; 및
    상기 제2 시간 간격을 기초로 상기 모터가 과부하 상태인지 판단하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 기준 시간 간격보다 긴 시간 간격은 과부하 상태로 해석되고, 상기 기준 시간 간격보다 짧은 시간 간격은 정상 상태로 해석되는, DC 모터의 부하를 모니터링하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 동작들은,
    상기 모터가 정상 상태이면 상기 모터에 전원을 다시 가하는(re-energizing) 단계; 및
    상기 모터가 과부하 상태이면 상기 모터에 전원이 끊긴 상태로 유지하는 단계
    를 더 포함하는 DC 모터의 부하를 모니터링하는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 동작들은,
    상기 모터가 정상 상태이면 상기 모터에 전압을 다시 가하는 단계; 및
    상기 모터가 과부하 상태이면 제3 시간 간격 후에 상기 모터에 전원을 다시 가하는 단계
    를 더 포함하는 DC 모터의 부하를 모니터링하는 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 모터는, 상기 모터에 최초로 전원을 가하는 시점과 상기 일련의 동작들이 일어나는 가장 이른 시점 사이의 간격인 제4 시간 간격동안 가속되고, 상기 제4 시간 간격은 상기 모터가 모터의 일정한 속도(steady speed)로 가속하기에는 충분한 시간이지만, 과부하 상태가 상기 모터를 영구적으로 파손하는데 걸리는 시간 보다는 짧은, DC 모터의 부하를 모니터링하는 방법.
  6. 파워 서플라이에 연결되도록 구성된 제1 모터 리드와 제2 모터 리드를 구비한 DC 모터를 모니터링하도록 구성된 모터 부하 모니터링 시스템으로서,
    상기 파워 서플라이와 상기 제1 모터 리드 사이에 연결되도록 구성된 스위치;
    상기 제1 모터 리드와 상기 제2 모터 리드 사이의 프리휠링 다이오드를 통한 전류의 환류 경로; 및
    상기 스위치에 연결되고 모니터링 전압(monitored voltage)을 수신하며 상기 스위치를 제어하여 간헐적으로 상기 모터에 전원을 끊고, 시작 시점과 종료 시점 사이의 시간 간격을 측정하도록 구성된 제어기 - 상기 시작 시점은 상기 모터에 전원이 끊기는 시점을 포함하고, 상기 종료 시점은 상기 모니터링 전압과 기준 전압이 동일한 값을 가지는 시점을 포함함 -
    를 포함하는 모터 부하 모니터링 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 모터 리드에 연결된 필터를 더 포함하고, 상기 모니터링 전압은 상기 필터의 출력에서의 전압을 포함하는 모터 부하 모니터링 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 스위치는 속도 제어를 위해서도 사용되는 모터 부하 모니터링 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 전류의 환류 경로는 다이오드를 포함하는 모터 부하 모니터링 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 전류의 환류 경로는 트랜지스터를 포함하는 모터 부하 모니터링 시스템.
  11. 자동차 엔진 냉각 시스템으로서,
    파워 서플라이에 연결되도록 구성된 제1 모터 리드 및 제2 모터 리드를 구비한 모터;
    상기 파워 서플라이와 상기 제1 모터 리드 사이에 연결되도록 구성된 스위치;
    상기 제1 모터 리드 및 상기 제2 모터 리드 사이의 프리휠링 다이오드를 통한 전류의 환류 경로; 및
    상기 스위치에 연결되고 모니터링 전압을 수신하며 상기 스위치를 제어하여 간헐적으로 상기 모터에 전원을 끊고, 시작 시점과 종료 시점 사이의 시간 간격을 측정하도록 구성된 제어기 - 상기 시작 시점은 상기 모터에 전원이 끊기는 시점을 포함하고, 상기 종료 시점은 상기 모니터링 전압과 기준 전압이 동일한 값을 가지는 시점을 포함함 -
    를 포함하는 자동차 엔진 냉각 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 모터 리드에 연결된 필터를 더 포함하고, 상기 모니터링 전압은 상기 필터의 출력에서의 전압을 포함하는 자동차 엔진 냉각 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 모터는 브러시가 있는(brushed), 또는 기계적으로 정류된(commutated) DC 모터인 자동차 엔진 냉각 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 스위치는 트랜지스터인 자동차 엔진 냉각 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 스위치는 속도 제어를 위해서도 사용되는 자동차 엔진 냉각 시스템.
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