KR101361408B1 - 전동식 워터 펌프의 냉각수 부족 진단 방법 - Google Patents

전동식 워터 펌프의 냉각수 부족 진단 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 벡터 제어를 통해 모터 구동토크를 측정하고, 구동토크와 기준값을 비교하여 냉각수 부족 현상의 검출을 기존의 모터 구동 RPM과 전원 전압의 영향을 받지 않고 실시간으로 정밀하게 검출할 수 있는 전동식 워터 펌프의 냉각수 부족 진단 방법에 관한 것이다.

Description

전동식 워터 펌프의 냉각수 부족 진단 방법{Detecting method for shortage of coolant of electric water pump}
본 발명은 냉각수 부족을 정밀하게 검출할 수 있는 전동식 워터 펌프의 냉각수 부족 진단 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 워터 펌프는 엔진의 냉각 및 실내 난방을 위하여 엔진 및 히터에 냉각수를 순환시키기 위한 장치이다.
워터 펌프에서 토출된 냉각수는 엔진, 히터, 또는 라디에이터와 열교환을 하며 순환한 후 워터 펌프로 다시 유입된다.
이러한 워터 펌프는 크게 기계식 워터 펌프와 전동식 워터 펌프(Electric Water Pump)로 나뉘어진다.
기계식 워터 펌프는 엔진의 크랭크 샤프트에 고정된 풀리에 연결되어 크랭크 샤프트와 연동하여 구동됨에 따라, 기계식 워터 펌프에서 토출되는 냉각수의 유량은 엔진의 회전 속도에 따라 결정된다.
그런데, 히터 및 라디에이터에서 필요로 하는 냉각수의 유량은 엔진의 회전 속도와 상관없이 정해져 있으므로, 엔진 회전수가 낮은 영역에서는 히터 및 라디에이터가 정상적으로 작동되지 못하는 문제가 있다.
반면에 전동식 워터 펌프는 엔진에 연결되지 않고 전기모터에 의해 구동됨에 따라, 엔진의 회전 속도와는 상관없이 냉각수의 유량을 결정할 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 전동식 워터 펌프는 냉각수 라인의 누수 현상 등으로 인해 히터 및 라디에이터에서 필요로 하는 냉각수의 유량이 부족한 경우에 냉각수 부족 현상을 검출할 수 있는 검출수단이 필요한다.
상기 냉각수 부족 현상을 검출하기 위한 수단으로 냉각수 리저버 탱크에 수위센서를 설치하여, 수위센서를 통해 냉각수 리저버 탱크의 수위를 감지하여 수위가 설정값보다 낮으면 냉각수 부족을 검출할 수 있다.
그러나, 수위센서를 이용한 냉각수 부족 검출방법은 센서의 적용에 따른 부품수 증가로 원가를 상승시키는 문제가 있다.
또한, 다른 검출방법으로 전동식 워터 펌프를 구동시키기 위한 전기모터의 구동전류를 검출하여 측정된 구동전류값이 설정된 전류값보다 낮은 경우 냉각수의 유량이 부족한 것으로 판단할 수 있다.
그러나, 이 경우 모터의 구동전압에 의한 오차가 발생하여 냉각수 부족 여부 판단에 대한 정확성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 벡터 제어를 통해 모터 구동토크를 측정하고, 구동토크와 기준값을 비교하여 냉각수 부족 현상의 검출을 기존의 모터 구동 RPM과 전원 전압의 영향을 받지 않고 실시간으로 정밀하게 검출할 수 있는 전동식 워터 펌프의 냉각수 부족 진단 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 전동식 워터 펌프의 냉각수 부족 진단 방법은 전동식 워터펌프 구동을 위한 모터에 3상 전류를 인가하는 단계; 벡터 제어를 통해 상기 모터의 구동토크를 측정하는 단계; 상기 측정된 모터의 구동토크값과 기 설정된 기준토크값을 비교하는 단계; 상기 모터의 구동토크값이 기준토크값보다 낮으면 냉각수 부족인 것으로 판단하고, 상기 모터의 구동토크값이 기준토크값 이상이면 냉각수량이 정상인 것으로 판단하는 단계를 포함하여, 냉각수 부족을 정밀하게 판단할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 모터 구동토크의 측정은 3상의 전류성분을 직각의 2축 전류성분으로 변환하는 클락 변환부(Clarke Transform); 및 상기 직각의 2축 전류인 iS α, iS β 와 로터(rotor) 위치 각도값 θ를 이용하여 모터 구동토크 전류 iSq, 자계축 전류 iSd를 연산하는 파크 변환부(Park Transform)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모터 구동토크의 측정은 3상 전압성분을 직각의 2축 전압성분 VS α, VS β 으로 변환하는 위상 전압 재구성부(phase voltage reconstruction); 및 직각의 2축 전류인 iS α, iS β 와 직각의 2축 전압인 VS α, VS β 를 이용하여 구동중인 로터(rotor) 위치 각도값 θ를 연산하는 슬라이딩-모드 로터 위치 판단부(Sliding-mode rotor position estimator)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 기준토크값은 모터의 구동 속도별(RPM) 기준 토크 테이블로부터 추출되고, 상기 기준 토크 테이블은 속도계산기에서 로터 위치 각도값인 θ의 1주기를 주파수로 변환하고 모터의 극 수를 이용하여 연산한 모터 구동회전수(RPM) 별로 냉각수 부족을 판단하기 위한 기준 토크값들로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 기준 토크 테이블에서 기준토크값 추출 시 로우 패스 필터(Low Pass Filter)를 통해 RPM 변동에 민감하게 동작하는 노이즈를 줄이는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전동식 워터 펌프의 냉각수 부족 진단 방법의 장점을 설명하면 다음과 같다.
벡터 제어를 통해 모터제어기에서 모터 구동 토크를 측정하고, 모터 구동 속도별 기준토크 테이블에서 기준값을 추출한 다음, 측정된 모터 구동토크 값과 추출된 기준값을 비교하여 실시간으로 냉각수 부족을 검출함으로써, 기존의 모터 구동 RPM과 전원 전압의 영향을 받지 않고 냉각수 부족 상태를 정확하게 인식할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전동식 워터 펌프의 냉각수 부족 진단 시스템을 보여주는 개략도
도 2는 본 발명에 다른 전동식 워터 펌프의 냉각수 부족 진단 방법을 보여주는 순서도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 전동식 워터 펌프의 냉각수 부족 진단 시스템을 보여주는 개략도이다.
본 발명은 냉각수 부족 검출을 기존의 전동식 워터펌프 구동용 모터(11)의 구동 RPM 및 구동을 위한 전원 전압에 영향을 받지 않고 실시간으로 정확하게 검출할 수 있는 전동식 워터 펌프의 냉각수 부족 진단 방법에 관한 것이다.
이하의 설명에서는 별도의 설명 없이 모터(11)라 함은 전동식 워터펌프 구동용 모터(11)를 축약한 것으로 본다.
본 발명에 따른 전동식 워터 펌프의 냉각수 검출 방법은 FOC(Field Oriented Control) 제어를 통해 모터(11)의 구동토크를 측정하고, 측정된 모터(11)의 구동토크와 기준토크값을 비교함으로써 냉각수 부족 유무를 판단할 수 있다.
상기 FOC 제어는 AC 모터를 DC 모터처럼 제어하기 위해 도입된 제어 방법으로서, 벡터 제어(Vector Control) 라고도 한다.
상기 벡터 제어에서는 3상을 2상으로 변환하고, 좌표변환(벡터회전), 그리고 다시 한번 2상을 3상으로 변환하는 연산을 수행하며, 연산 수행을 위한 벡터 방정식은 다음과 같다.
1) 3상 교류⇒d-q
Figure 112012103571813-pat00001
2) d-q⇒ 3상 교류
Figure 112012103571813-pat00002
이때, id*, iq*는 각각 자화(여자)전류, 토크전류의 지령치이다.
도 1은 본 발명에 따른 냉각수 부족 검출을 위한 시스템를 보여주는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 전압원 인버터(Voltage Source Inverter;10)는 배터리와 연결되는 DC 버스에 연결되어 DC 전압을 인가받아 DC 전압을 3상의 AC 전압으로 변환하고, 변환된 AC 전압을 모터에 인가한다.
이때, 컨트롤러가 3상 모터(11)를 제어하여 워터펌프를 작동시킨다.
클락 변환(Clarke Transform)부(12)는 3상 모터의 구동전류를 검출하여 3상의 전류성분 iSa, iSb을 직각의 2축의 전류성분 iS α, iS β 로 변환하여 슬라이딩-모드의 로터 위치 판단 및 파크 변환(Park Transform)을 위한 입력값으로 출력한다.
위상 전압 재구성(phase voltage reconstruction)부(13)는 3상 PWM 출력 전압으로 변환 및 DC 버스(Bus)전압값을 A/D로 변환하고, 3상 전압성분을 직각의 2축 전압성분 VS α, VS β 로 변환하여 슬라이딩-모드의 로터 위치 판단을 위한 입력값으로 출력한다.
슬라이딩-모드 로터 위치 판단(Sliding-mode rotor position estimator)부(14)는 클락 변환부(12)로부터 입력받은 직각의 2축 전류값 iS α, iS β 와, 위상 전압 재구성부(13)로부터 입력받은 직각의 2축 전압값 VS α, VS β 을 이용하여 구동중인 로터(rotor) 위치의 전기적 각도값 θ을 연산하여 출력한다.
여기서, 상기 출력된 로터 위치의 전기적인 각도값 θ은 모터의 회전속도 검출, 파크(Park) 변환, 인버스 파크(Inv. Park) 변환을 위한 각도값으로 입력된다.
속도계산기(Speed Calculator based of estimated rotor position;15)는 슬라이딩-모드 로터 위치 판단부(14)로부터 입력받은 각도값 θ의 1주기를 주파수로 변환하고, 모터의 극 수를 이용하여 모터 구동RPM(회전수)를 연산하며, 모터 구동 회전수를 출력한다.
파크 변환(Park Transform)부(16)는 클락 변환부(12)로부터 입력받은 직각의 2축 전류값 iS α, iS β 과 슬라이딩-모드 로터 위치 판단부(14)로부터 입력받은 로터 위치 각도값 θ를 이용하여 모터 구동토크 전류 iSq, 자계축 전류 iSd를 연산하여 출력한다.
속도 PI부(17)는 모터(11)의 구동속도값이 설정 속도값에 추종하도록 비례-적분기를 이용하여 부궤환(Negative feedback) 속도 안정화를 위한 토크 전류값 iSqref을 출력한다.
iSq PI부(19)는 iSq 전류가 속도 PI 전류 출력값 iSqref에 추종하도록 비례-적분기를 이용하여 부궤환 VSqref를 연산한다.
iSd PI부(18)는 iSd 전류가 iSdref에 추종하도록 비례-적분기를 이용하여 부궤환 VSdref를 연산한다.
인버스 파크 변환(Inverse Park Transform)부(20)는 VSqref, VSdref값을 이용하여 직각의 2축 전압성분 VS α ref, VS β ref로 변환한다.
공간 벡터 PWM 발생기(Space Vector PWM Generator;21)는 VS α ref, VS β ref 값을 이용하여 3상의 공간 벡터 PWM 값으로 연산하여 PWM 모듈에 기준값으로 입력하고, PWM1~PWM6 신호를 발생시킨다.
NC 기준 토크 테이블(NC Ref Torque Table;22)은 냉각수 부족을 모터 RPM 별로 판단하기 위한 기준 토크값 테이블이다.
다시 말해서, 상기 NC 기준 토크 테이블(22)에 있는 기준 토크값은 기존의 모터에서 RPM별로 냉각수 부족을 검출하기 위해 현재 모터의 속도에 상관없이 실험을 거쳐 이미 정해진 토크값들이며, 차량마다 달라질 수 있다.
LPF(Low Pass Filter;23)는 냉각수 진단 테이블 출력값을 로우 패스 필터(Low Pass Filter) 함수를 이용하여 rpm 변동에 민감하게 동작하는 노이즈를 저감할 수 있다.
토크 비교기(torque comparator;24)는 파크 변환부(16)의 토크 출력값과 LPF(23)를 통해 노이즈를 제거한 냉각수 부족 문제 진단용 기준 토크값을 비교하고, 상기 토크 출력값이 기준 토크값보다 낮으면 냉각수가 부족한 것으로 판단한다.
이와 같은 구성에 의한 본 발명에 따른 전동식 워터 펌프의 냉각수 부족 진단 방법을 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 2는 본 발명에 다른 전동식 워터 펌프의 냉각수 부족 진단 방법을 보여주는 순서도이다.
모터(11) 구동을 위해 인버터(10)를 통해 DC 전압을 AC 전압으로 변환하여 3상 모터(11)에 전압을 인가한다.
그 다음, 모터(11)에 3상 전류를 인가한 후 클락 변환부(12)와 파크 변환부(16)에 의한 벡터 제어를 통해 모터(11)의 구동토크를 측정하고, 모터 구동 속도별 토크 테이블(22)에서 기준토크값을 추출한다.
이어서, 토크 비교기(24)에서 상기 측정된 모터 구동토크와 추출된 기준토크값을 비교한 후, 모터 구동토크가 기준토크값보다 낮으면 냉각수가 부족한 것으로 판단하고, 모터 구동토크가 기준토크값보다 크거나 같으면 모터(11)가 정상 작동하는 것으로 판단하다.
여기서, 클락 변환부(12)와 파크 변환부(16)를 통해 모터 구동토크 측정 및 기준토크값 추출방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 클락 변환부(12)는 인버터(10)에서 3상 모터(11)로 인가되는 구동전류를 검출하고, 3상의 전류성분을 직각의 2축 전류성분 iS α, iS β 로 변환하여 슬라이딩-모드 로터 위치 판단부(14)와 파크 변환부(16)의 입력값으로 출력한다.
그리고, 위상 전압 재구성부(13)는 인버터(10)로부터 DC 전압을 검출하여 A/D로 변환하고, 변환된 3상의 전압성분을 직각의 2축 전압성분 VS α, VS β 로 변환하여 슬라이딩-모드 로터 위치 판단부(14)의 입력값으로 출력한다.
그 다음, 슬라이딩-모드 로터 위치 판단부(14)는 상기 전류값 iS α, iS β 과 전압값 iS α, iS β 을 이용하여 구동중인 로터 위치의 전기적 각도값인 θ를 속도계산기(15)와 파크 변환부(16)의 입력값으로 출력한다.
상기 파크 변환부(16)는 직각의 2축 전류인 iS α, iS β 값과 θ값을 이용하여 모터 구동토크 전류 iSq, 자계축 전류 iSd를 연산하여 출력한다.
여기서, 상기 파크 변환부(16)로부터 출력되는 모터 구동토크 전류 iSq값이 모터 구동토크 측정값이 된다.
이 후, 속도계산기(15)는 입력된 θ값의 1주기를 주파수로 변환하고, 변환된 주파수와 모터 극 수를 이용하여 모터 구동 회전수를 연산하여 출력한다.
상기 출력된 모터 구동 회전수(RPM)를 이용하여 모터 구동 속도별 기준 토크 테이블(22)에서 기준토크값을 추출하게 된다.
따라서, 본 발명에 의하면 벡터 제어를 통해 모터제어기에서 모터 구동 토크를 측정하고, 모터 구동 속도별 기준토크 테이블(22)에서 기준값을 추출한 다음, 토크 비교기(24)를 통해 측정된 모터 구동토크 값과 추출된 기준값을 비교하여 실시간으로 냉각수 부족을 검출함으로써, 기존의 모터 구동 RPM과 전원 전압의 영향을 받지 않고 냉각수 부족 상태를 정확하게 인식할 수 있다.
10 : 전압원 인버터(voltage inverter)
11 : 모터
12 : 클락 변환(Clarke transform)부
13 : 위상 전압 재구성(phase voltage reconstruction)부
14 : 슬라이딩-모드 로터 위치 판단(sliding-mode rotor position estimator)부
15 : 속도계산기(speed calculator based on estimated rotor position)
16 : 파크 변환부(park transform)
17 : 속도 PI부
18 : iSd PI부
19 : iSq PI부
20 : 인버스 파크 변환(inverse park transform)부
21 : 공간벡터 PWM 제너레이터(space vector PWM generator)
22 : NC Ref 토크 테이블(torque table)
23 : 로우패스필터(Low Pass Filter)
24 : 토크 비교기(torque comparator)

Claims (5)

  1. 전동식 워터펌프 구동을 위한 모터(11)에 3상 전류를 인가하는 단계;
    벡터 제어를 통해 상기 모터(11)의 구동토크를 측정하는 단계;
    상기 측정된 모터(11)의 구동토크값과 기 설정된 기준토크값을 비교하는 단계;
    상기 모터(11)의 구동토크값이 기준토크값보다 낮으면 냉각수 부족인 것으로 판단하고, 상기 모터(11)의 구동토크값이 기준토크값 이상이면 냉각수량이 정상인 것으로 판단하는 단계;
    를 포함하여 이루어지고, 냉각수 부족을 정밀하게 판단할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 전동식 워터 펌프의 냉각수 부족 진단 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터 구동토크의 측정은 3상의 전류성분을 직각의 2축 전류성분으로 변환하는 클락 변환부(12)(Clarke Transform); 및
    상기 직각의 2축 전류인 iS α, iS β 와 로터(rotor) 위치 각도값 θ를 이용하여 모터 구동토크 전류 iSq, 자계축 전류 iSd를 연산하는 파크 변환부(16)(Park Transform)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전동식 워터 펌프의 냉각수 부족 진단 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 모터 구동토크의 측정은 3상 전압성분을 직각의 2축 전압성분 VS α, VS β 으로 변환하는 위상 전압 재구성부(13)(phase voltage reconstruction); 및
    직각의 2축 전류인 iS α, iS β 와 직각의 2축 전압인 VS α, VS β 를 이용하여 구동중인 로터(rotor) 위치 각도값 θ를 연산하는 슬라이딩-모드 로터 위치 판단부(14)(Sliding-mode rotor position estimator);
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전동식 워터 펌프의 냉각수 부족 진단 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준토크값은 모터의 구동 속도별(RPM) 기준 토크 테이블(22)로부터 추출되고, 상기 기준 토크 테이블(22)은 속도계산기(15)에서 로터 위치 각도값인 θ의 1주기를 주파수로 변환하고 모터의 극 수를 이용하여 연산한 모터 구동회전수(RPM) 별로 냉각수 부족을 판단하기 위한 기준 토크값들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전동식 워터 펌프의 냉각수 부족 진단 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 기준 토크 테이블(22)에서 기준토크값 추출 시 로우 패스 필터(23)(Low Pass Filter)를 통해 RPM 변동에 민감하게 동작하는 노이즈를 줄이는 것을 특징으로 하는 전동식 워터 펌프의 냉각수 부족 진단 방법.
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