KR101149125B1 - 전동지게차 구동용 모터 제어장치 - Google Patents

전동지게차 구동용 모터 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 림프홈(Limphome) 제어 기능을 가지는 전동지게차 구동용 모터 제어장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 전동지게차 구동용 모터 제어 장치는 모터의 속도를 측정하는 센서에 이상이 발생되는 경우에 속도센서의 출력신호와 무관하게 모터를 일정하게 동작시킬 수 있는 제어 구성을 가진다.
이에 따라, 차량 시동시 또는 차량작업 도중에 속도센서의 갑작스런 고장으로 인하여 차량의 동작이 이루어지지 않는 위험한 상태가 발생되지 않도록 함으로써 운전자의 안전성을 높여 줄 수 있다.
전동 지게차, 림프홈, 모터 제어, 속도센서

Description

전동지게차 구동용 모터 제어장치{Apparatus of controlling the motor for driving an electric forklift truck}
도 1은 일반적인 AC 유도모터를 제어하는 전동지게차의 구동용 모터 제어 시스템의 구성도를 도시한 도면,
도 2는 도 1 에 도시된 제어장치가 수행하는 AC 유도모터의 속도제어 및 토크제어 루프의 구성을 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 제어장치의 AC 유도모터 제어 구성을 도시한 도면,
도 4는 도 3에 도시된 상전압 발생부의 구동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 제어장치 300 : 상전압 발생부
302 : 스위칭부 304 : 최대전류 검출부
306 : PWM 인버터
본 발명은 전동지게차 구동용 모터 제어장치에 관한 것으로, 림프홈 (Limphome) 제어 기능을 가지는 전동지게차 구동용 모터 제어장치에 관한 것이다.
차량의 시동과 관련된 하나의 센서나 스위치가 고장을 일으켜 제어장치에 약정된 신호를 보내지 않을 경우 제어장치는 고장이라 판별하고 시동을 정지시키게 되는데 이는 이용자에게 많은 불편을 주게 된다.
따라서, 센서나 스위치에 고장이 발생한 경우 계기판의 경고등을 온 시켜 운전자에게 경고함과 더불어 미리 약속된 신호를 제어신호에 보냄으로써 엔진의 시동이 정지하는 것을 막게 된다. 이를 림프홈 제어라고 하는데, 운전자는 림프홈 제어가 시행되는 동안 가까운 정비업소로 차량을 이동시켜 이를 치유하게 된다.
본 발명은 엔코더와 같은 펄스발생기 또는 타코 제너레이터(Tacho Generator)를 모터 회전자의 속도센서로 사용하는 전동지게차 구동용 모터 제어시스템에 적용된다. 전동지게차의 기본동작을 위한 주행 및 유압펌프의 구동원은 크게 DC 모터와 AC 모터의 두가지 종류로 나누어지는데, AC 모터는 다시 유도형 비동기모터와 영구자석형 동기모터, 스위치드 릴럭턴스형(SR : Switched Reluctance) 동기모터로 나누어진다.
본 발명은 주행 및 유압펌프 구동원으로서 비동기형 AC 유도모터와 그 제어장치와 3상 인버터 파워모듈이 구비된 전동지게차의 구동용 모터 제어시스템에 적용된다.
일반적으로 DC 모터가 장착된 차량에서는 액셀레이터의 페달 기울기에 비례하는 레벨의 전압을 발생하고, 발생한 전압의 레벨에 비례하여 소정의 듀티를 가지는 스위칭 전압을 쵸퍼(Chopper)를 통하여 발생시킨다. 그리고 스위칭 전압을 DC 모터 전기자 권선에 인가함으로써 차량 구동에 필요한 토크를 얻는 토크 제어방식을 사용하고 있다.
이때 회전자의 속도정보는 사용되지 않고 액셀레이터의 페달 기울기에 따라 발생된 신호의 전압에만 의존하여 스위칭 전압이 DC 모터 전기자 권선에 인가되기 때문에 가감속시 차량의 속도 리플(Ripple)이 존재하여 운전자의 승차감각을 저하시키고 주행 및 작업기의 가감속 응답특성을 저하시키게 된다.
이러한 DC 모터 차량의 단점을 극복하기 위해 속도센서가 부착된 AC 유도모터를 차량에 장착하여 속도제어를 행함으로써 주행 및 작업기의 가감속 특성을 향상시키고 속도 리플을 제거함과 동시에 모터 회생에 의한 배터리 소모율을 개선할 수 있다.
하지만 이러한 차량성능 및 운전자 감각성의 향상을 위해서는 속도센서인 엔코더가 차량에 장착된 상태에서 정상적으로 펄스를 발생하여 제어 시스템 내의 제어장치에 입력됨으로써 모터의 속도제어에 필요한 회전자 속도 제어가 이루어져야 한다. 만약 엔코더가 연결소자의 접속 오류로 인해 장착되지 않은 상태가 되거나, 동작 중에 모터 권선에 흐르는 대전류에 의해 발생된 전자기파 유기전압에 의해서 또는 기계적인 충격 등으로 인해 손상되는 고장이 발생된 경우에는 모터에 회전자 속도 피드백(Feedback)이 이루어지지 않기 때문에, 그 결과로써 모터 권선전류 및 발생토크는 난조를 일으키게 되어 차량은 움직일 수 없는 동작불능 상태가 된다.
이와 같이 운전자가 차량 시동시 또는 차량작업 도중에 속도센서의 갑작스런 고장으로 인하여 차량 동작불능 상태가 되면 진행하던 작업의 종류 및 차량이 놓여 있는 위치에 따라서 운전자에게 위험한 상황이 전개될 가능성이 존재한다.
그러므로 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 창출된 것으로, 전동지게차 구동용 모터의 속도를 측정하는 속도센서에 이상이 발생하는 경우에 속도센서의 출력신호와 무관하게 모터를 일정하게 제어하는 전동지게차 구동용 모터 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전동지게차 구동용 모터 제어 장치는 차량 구동용 모터의 속도를 센싱하는 속도센서에 이상이 발생되는지의 여부를 확인하는 진단부; 상기 진단부를 통해 상기 속도센서의 이상이 확인되는 경우에 전원 주파수 지령치에 따라 상기 모터에 일정 공극자속이 제공되도록 하는 상전압 지령치를 발생시키는 상전압 발생부; 및 상기 전원 주파수 지령치와 상기 상전압 발생부에서 발생된 상전압 지령치에 따라 상기 모터에 일정 공극 자속을 공급할 수 있는 복수 개의 권선 전류를 발생시키는 PWM 인버터;를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 전원 주파수 지령치는 운전자의 액셀레이터 또는 작업기 레버 조작에 의해 발생되는 신호의 전압 크기에 따라 상기 모터의 속도를 제어하기 위해 미리 정해 놓은 전원 주파수 값이다.
그리고, 상기 진단부는 상기 속도센서의 신호 전압 크기로 상기 속도센서의 동작 이상을 여부를 확인하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전동지게차 구동용 모터 제어 장치는 상기 PWM 인버터에서 발생시키는 복수 개의 권선전류 중 최대 전류치를 검출하는 최대전류 검출부; 및 상기 최대전류 검출부에서 검출된 최대 전류치와 상기 모터의 허용 정격 전류치를 비교하여 그 비교 결과, 상기 검출된 최대 전류치가 상기 허용 정격 전류치를 초과하는 경우에는 상기 PWM 인버터로 0V에 해당하는 접지 전압을 공급하고, 그렇지 않은 경우에는 상기 PWM 인버터로 상기 상전압 발생부에서 발생된 상전압 지령치를 공급하는 상전압 공급 제한부;를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 일반적인 AC 유도모터를 제어하는 전동지게차의 구동용 모터 제어 시스템의 구성도를 도시한 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이, 모터 제어 시스템은 DC 전압 배터리와, DC 링크 필터용 커패시터와, 제어 장치(100)로 구성된다.
DC 전압 배터리는 AC 유도모터 구동에 필요한 DC 전력을 공급해 주고, DC 링크 필터용 커패시터는 AC 유도모터가 잦은 가감속 동작을 수행할 때에 모터링 및 회생전류가 배터리로부터 공급 또는 저장되는데 이때 발생하는 DC 링크전압의 변동을 억제시키기 위한 목적으로 적용되는 필터용 커패시터이다.
제어 장치(100)는 신호 처리부와 3상 6-브리지 인버터로 구성되고, 3상 6-브리지 인버터는 배터리의 DC 전력을 AC 유도모터 구동에 적합한 형태의 AC 전력으로 변환하여 공급해 준다.
신호 처리부는 전류 센서가 검출한 유도모터 권선전류의 검출신호 및 엔코더에서 발생되는 펄스신호를 입력받아 속도제어루프 및 토크제어 루프를 구성하고, 운전자로부터 입력받은 운전 지령명령(예로 액셀레이터의 동작신호 또는 작업기의 동작신호)에 맞게 차량이 동작될 수 있도록 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭 신호를 발생하여 3상 6-브리지 인버터를 제어함으로써 결과적으로 유도모터의 구동을 제어한다.
여기서, 엔코더의 펄스신호는 제어 장치(100)에서 유도모터의 속도제어에 필요한 회전자 속도를 계산하기 위해 필요하다.
도 2는 도 1에 도시된 제어 장치(100)가 수행하는 AC 유도모터의 속도제어 및 토크제어 루프의 구성을 도시하고 있다.
기본적으로 유도모터의 고정자 권선 전류를 자속발생 성분과 토크발생 성분으로 분리하여 자속발생용 전류벡터(자속전류)와 토크발생용 전류벡터(토크전류)가 서로 직각을 유지하도록 하여 최대 토크를 얻을 수 있도록 고정자 전류 및 전압을 제어하는 기법으로써, 벡터제어라고 불린다.
모터속도 지령치는 운전자의 액셀레이터 또는 작업기 레버 조작에 따라 발생된 전압으로부터 얻어진다.
제어 장치(100)는 엔코더로부터 입력된 펄스를 이용하여 회전자 속도를 계산한 후 운전자로부터 입력된 속도지령치와 비교함으로써 속도 오차를 계산한다.
속도 오차는 PI(Proportional Integral) 속도 제어기에 의해서 증폭되어 토크전류 지령치(Iqs * )가 된다.
엔코더의 펄스신호를 통해 계산된 회전자 속도는 유도모터 자속 발생을 위한 자속지령치(Φdr *)를 생성하기 위해 사용됨과 동시에 유도모터 내부에서 발생한 회전자 자속(Φdr)의 위치, 즉 회전자 자속각(θe)을 계산하는데도 사용된다.
발생된 자속 지령치는 홀 센서에 의해 검출된 유도모터 권선전류(Iu,Iv)로부터 계산된 회전자 자속값(Φdr)과 비교되어 자속 오차가 얻어지고, 자속 오차는 PI 자속 제어기에 의해 증폭되어 자속전류 지령치(Ids * )가 된다.
토크전류 지령치(Iqs *)와 자속전류 지령치(Ids * )는 홀 센서에 의해 검출된 유도모터 권선 전류로부터 구해진 토크전류(Iqs) 및 자속전류(Ids)의 성분과 비교되어 다시 토크전류 오차 및 자속전류 오차가 얻어지고, PI 전류 제어기에 의해 증폭되어 3상 PWM 인버터를 제어하기 위한 전압 지령치(Vqs *, Vds *)가 된다.
전압 지령치는 PWM 계산 알고리즘에 의해 3상 인버터 구동에 적합한 형태의 스위칭 신호로 변환되어 6-브리지 인버터의 게이트 구동 단자에 공급됨으로써 배터 리 DC 전력이 AC 전력으로 변환되어 유도모터에 공급된다.
이에 따라, 상기와 같은 일련의 제어 알고리즘에 의해 이루어지는 AC 유도모터 제어 시스템에서 제어 장치(100)가 속도 센서인 엔코더의 동작 이상을 검출했을 경우, PI 속도제어모드로 운전되던 모터 제어 시스템을 엔코더 없이도 모터 제어가 가능하도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 제어 장치(100)의 AC 유도모터 제어 구성을 도시한 도면으로, 엔코더의 이상을 판단한 경우에 엔코더의 출력신호를 이용하지 않고 AC 유도모터의 구동을 제어하는 구성을 도시하고 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 제어 장치(100)는 상전압 발생부(300)와, 상전압 공급 제한부(302)와, 최대전류 검출부(304)와, PWM 인버터(306)와, 진단부(308)로 포함하여 이루어진다.
살펴보면, 운전자의 액셀레이터 또는 작업기 레버 조작에 따라 발생되는 신호가 제어 장치(100)로 입력되면 그 신호의 전압 크기에 따라 유도모터의 속도를 제어하기 위해 미리 정해 놓은 전원 주파수 지령치가 상전압 발생부(300) 및 PWM 인버터(306)에 입력되도록 한다.
진단부(308)는 차량 구동용 모터의 속도를 센싱하는 속도센서에 이상이 발생되는지의 여부를 속도센서의 신호 전압 크기를 통해 확인한다. 만약 속도센서가 연결소자의 접속 오류로 인해 장착되지 않은 상태가 되거나, 동작 중에 모터 권선에 흐르는 대전류에 의해 발생된 전자기파 유기전압에 의해서 또는 기계적인 충격 등으로 인해 손상되는 고장이 발생된 경우에는 속도센서에서 발생되는 신호 전압 크기가 기준 전압 크기보다 작아짐에 따라 속도센서의 이상 여부를 확인할 수 있다.
상전압 발생부(300)는 진단부(308)를 통해 속도센서의 이상이 확인되는 경우에 전원 주파수 지령치에 따라 유도모터에 일정 공극자속이 제공되도록 하는 상전압 지령치를 발생시킨다.
PWM 인버터(306)는 운전자의 차량 조작에 따른 전원 주파수 지령치와, 그 전원 주파수 지령치를 이용하여 상전압 발생부(300)에서 발생시킨 상전압 지령치를 입력받고, 두 값을 통해 공극자속을 산출하여 산출된 공극자속이 AC 유도모터에 인가되도록 유도모터 권선전류를 발생시킨다.
최대전류 검출부(304)는 PWM 인버터(306)를 통해 AC 유도모터에 인가된 유도모터 권선전류들 중 최대 전류치를 검출한다.
그리고 상전압 공급 제한부(302)는 최대전류 검출부(304)에서 검출된 전류치가 허용치보다 큰 경우에는 PWM 인버터(306)에 0V에 해당하는 접지 전압을 인가해 주고, 그렇지 않은 경우에 상전압 발생부(300)에서 발생시키는 상전압 지령치가 PWM 인버터(306)에 인가되도록 한다.
그에 따라, AC 유도모터에 허용 정격 전류치를 초과하는 전류가 인가되었다면 AC 유도모터에 흐르는 전류가 허용치보다 낮아지게 되는 때까지 PWM 인버터(306)에 상전압 지령치가 입력되는 것을 막아 PWM 인버터(306)에서 AC 유도모터로 전류를 출력시키지 못하도록 한다.
도 4는 도 3에 도시된 상전압 발생부(300)의 구동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하여, 상전압 발생부(300)에서 운전자의 액셀레이터 또는 작업기 레버 조작에 따른 전원 주파수 지령치를 이용하여 일정 공극자속이 AC 유도모터에 공급될 수 있도록 하는 상전압 지령치를 발생시키는 방식을 좀 더 상세히 살펴보도록 한다.
유도모터의 상전압(Vs), 전원 각 주파수(ωe), 및 공극자속(Φm)의 관계는 유도모터 구동시에 고정자 저항 때문에 발생하는 전압 강하를 무시하면 다음과 같은 식으로 나타내어 질 수 있다.
Vs = ωeΦm
위의 식을 다시 바꾸면, 아래와 같은 식으로 정리된다.
Φm = Vs/ωe = Vs/(2πfe )
여기서, fe는 전원 주파수이다.
위의 식에 나타난 바와 같이 유도모터 상전압을 전원 주파수에 비례하여 일정하게 변화시키면 공극자속이 일정하게 유지되고, 이는 유도모터의 최대토크 운전을 가능하게 한다.
그리고, 앞서 언급된 식에서는 유도모터의 고정자 저항에 의한 전압 강하를 무시하였으나 전원 각 주파수(ωe)가 낮아져서 모터 권선에 발생하는 유기 기전력(Em=ωeΦm)의 크기가 고정자 회로의 저항 전압강하에 비해 비슷하거나 작게 되면 고정자 회로에 인가되는 전압을 고려해 주어야 한다.
따라서, 전원 각 주파수(ωe)가 아주 작은 영역에서는 공극자속을 비교적 일정하게 유지하기 위해서 일정 전압을 필요로 하게 되는데, 이를 토크 부스트(Torque Boost) 전압(V0) 또는 옵셋(OffSet) 전압이라고 한다.
그래서 도 4는 토크 부스트 전압이 고려되어 유도모터에 일정 공극자속이 인가되도록 앞서 언급된 유도모터 상전압과 전원 주파수와의 관계를 도식적으로 나타내고 있으며, 이를 식으로 표현하면, 다음과 같이 정의할 수 있다.
Vs = KV/F ㆍfe + V0
여기서 V0는 고정자 회로의 저항 전압강하를 고려한 토크 부스트 전압, KV/F는 유도모터의 기저속도에서 정격 주파수(fbase)에 대한 정격 상전압(Vbase)의 비, fe는 전원 주파수 지령치이다.
한편, 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 상전압 발생부(300)는 전원 주파수 지령치가 정격 주파수(fbase)를 초과하게 되는 경우에 정격 상전압(Vbase) 이상으로 유도모터 상전압을 발생시키지 않는다.
이와 같이, 본 발명에서는 제어 장치(100)가 엔코더의 출력신호를 이용하는 AC 유도모터의 속도제어 및 토크제어 루프를 통해 AC 유도모터를 제어할 수 없는 경우에, 운전자의 액셀레이터 또는 작업기 레버 조작에 따른 전원 주파수 지령치를 이용하여 미리 지정해 놓은 공극자속이 AC 유도모터에 공급되도록 하는 상전압 지령치를 발생시켜서 상기 두 지령치에 따른 AC 유도모터에 유도모터 권선전류를 인 가시켜 준다.
이로써, 제어 장치(100)가 엔코더의 이상을 검출했을 경우에 대한 AC 유도모터에 대한 림프홈(Limphome) 제어 기능을 수행하게 된다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
본 발명에 따르면, 전동지게차 구동용 모터 제어 장치는 모터의 속도를 측정하는 센서에 이상이 발생되는 경우에 속도센서의 출력신호와 무관하게 모터를 일정하게 동작시킬 수 있는 제어 구성을 가진다.
이에 따라, 차량 시동시 또는 차량작업 도중에 속도센서의 갑작스런 고장으로 인하여 차량의 동작이 이루어지지 않는 위험한 상태가 발생되지 않도록 함으로써 운전자의 안전성을 높여 줄 수 있다.

Claims (4)

  1. 차량 구동용 모터의 속도를 센싱하는 속도센서에 이상이 발생되는지의 여부를 확인하는 진단부;
    상기 진단부를 통해 상기 속도센서의 이상이 확인되는 경우에 전원 주파수 지령치에 따라 상기 모터에 일정 공극자속이 제공되도록 하는 상전압 지령치를 발생시키는 상전압 발생부;
    상기 전원 주파수 지령치와 상기 상전압 발생부에서 발생된 상전압 지령치에 따라 상기 모터에 일정 공극 자속을 공급할 수 있는 복수 개의 권선 전류를 발생시키는 PWM 인버터;
    상기 PWM 인버터에서 발생시키는 복수 개의 권선전류 중 최대 전류치를 검출하는 최대전류 검출부; 및
    상기 최대전류 검출부에서 검출된 최대 전류치와 상기 모터의 허용 정격 전류치를 비교하여 그 비교 결과, 상기 검출된 최대 전류치가 상기 허용 정격 전류치를 초과하는 경우에는 상기 PWM 인버터로 0V에 해당하는 접지 전압을 공급하고, 그렇지 않은 경우에는 상기 PWM 인버터로 상기 상전압 발생부에서 발생된 상전압 지령치를 공급하는 상전압 공급 제한부;를 포함하되,
    상기 전원 주파수 지령치는
    운전자의 액셀레이터 또는 작업기 레버 조작에 의해 발생되는 신호의 전압 크기에 따라 상기 모터의 속도를 제어하기 위해 미리 정해 놓은 전원 주파수 값으로 결정되고,
    상기 진단부는
    상기 속도센서의 신호 전압 크기로 상기 속도센서의 동작 이상 여부를 확인하는 것을 특징으로 하는 전동지게차 구동용 모터 제어 장치.
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