KR101646852B1 - 모터의 전류를 측정하는 방법 및 장치 - Google Patents

모터의 전류를 측정하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터의 전류를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 측정 방법은, 모터의 접지 단자에 연결되는 션트 저항의 크기를 측정하는 단계, 상기 션트 저항의 양단에 인가되는 션트 전압을 증폭하기 위한 증폭기의 증폭 이득을 측정하는 단계, 상기 모터의 접지 단자에 전류가 흐르지 않을 때 상기 증폭기의 오프셋 전압 값을 측정하는 단계, 상기 모터의 접지 단자에 전류가 흐를 때 상기 증폭기를 통해 증폭된 션트 전압 값을 측정하는 단계 및 상기 션트 저항의 크기, 상기 증폭 이득, 상기 오프셋 전압 값, 상기 증폭된 션트 전압 값, 상기 PWM 듀티를 이용하여 상기 모터에 흐르는 전류의 크기를 계산하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면 차량 내부에 장착되는 모터에 흐르는 전류의 크기를 정확하게 측정함으로써 모터에 의해 인가되는 토크를 정확하게 파악하여 보다 정밀한 모터의 제어가 가능하다는 장점이 있다.

Description

모터의 전류를 측정하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING CURRENT OF MOTOR}
본 발명은 모터의 전류를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량 내부에 장착되는 모터에 흐르는 전류의 크기를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
차량 내부에 배치되는 장비들은 모터에 의해 구동된다. 예를 들어 듀얼 클러치 변속기(Dual Clutch Transmission, DCT)를 장착한 차량의 경우 클러치의 이동은 3상 모터에 의해 이루어진다. 이와 같은 3상 모터는 3상 인버터에 의해 구동된다. 3상 인버터는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 변환된 직류 전압을 트랜지스터 및 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 스위칭 소자를 이용하여 스위칭시켜 교류 전압으로 변환한 후 3상 모터와 같은 부하에 공급함으로써 부하를 구동시킨다. 이러한 3상 인버터는 스위칭 소자의 스위칭 간격을 가변시킴에 따라서 부하의 구동 주파수 조절이 가능하다.
이와 같은 모터에 의해 구동되는 장비들을 정확하게 제어하기 위해서는 모터에 의해 해당 장비들에 인가되는 토크를 정확하게 측정할 필요가 있다. 이러한 모터의 토크를 측정하는 가장 일반적인 방법은 모터에 흐르는 전류를 측정하는 것이다. 종래 기술에 따르면, 모터에 흐르는 전류를 측정하기 위해서는 전류 측정용 IC 또는 션트 저항 양단 전압을 증폭하는 별도의 회로를 추가해야 한다. 그러나 종래 기술에 따르면 모터에 흐르는 전류를 정확하게 측정하기가 매우 어렵다. 또한 전류 측정용 IC와 같은 별도의 부품 사용으로 인하여 제조 단가가 상승하고 장비의 부피가 증가하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 차량 내부에 장착되는 모터에 흐르는 전류의 크기를 정확하게 측정함으로써 모터에 의해 인가되는 토크를 정확하게 파악하여 보다 정밀한 모터의 제어를 가능하게 하는 모터 전류 측정 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 미리 정해진 PWM 듀티(duty)에 따라 제어되는 모터에 흐르는 전류를 측정하는 방법에 있어서, 상기 모터의 접지 단자에 연결되는 션트 저항의 크기를 측정하는 단계, 상기 션트 저항의 양단에 인가되는 션트 전압을 증폭하기 위한 증폭기의 증폭 이득을 측정하는 단계, 상기 모터의 접지 단자에 전류가 흐르지 않을 때 상기 증폭기의 오프셋 전압 값을 측정하는 단계, 상기 모터의 접지 단자에 전류가 흐를 때 상기 증폭기를 통해 증폭된 션트 전압 값을 측정하는 단계 및 상기 션트 저항의 크기, 상기 증폭 이득, 상기 오프셋 전압 값, 상기 증폭된 션트 전압 값, 상기 PWM 듀티를 이용하여 상기 모터에 흐르는 전류의 크기를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 미리 정해진 PWM 듀티에 따라 제어되는 모터에 흐르는 전류를 측정하는 장치에 있어서, 상기 모터의 접지 단자에 연결되는 션트 저항의 크기, 상기 션트 저항의 양단에 인가되는 션트 전압을 증폭하기 위한 증폭기의 증폭 이득, 상기 모터의 접지 단자에 전류가 흐르지 않을 때 상기 증폭기의 오프셋 전압 값, 상기 모터의 접지 단자에 전류가 흐를 때 상기 증폭기를 통해 증폭된 션트 전압 값을 측정하는 측정부 및 상기 션트 저항의 크기, 상기 증폭 이득, 상기 오프셋 전압 값, 상기 증폭된 션트 전압 값, 상기 PWM 듀티를 이용하여 상기 모터에 흐르는 전류의 크기를 계산하는 계산부를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 차량 내부에 장착되는 모터에 흐르는 전류의 크기를 정확하게 측정함으로써 모터에 의해 인가되는 토크를 정확하게 파악하여 보다 정밀한 모터의 제어가 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 전압 측정 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 듀티 및 모터 전압 측정 방법을 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 전압 측정 방법의 흐름도.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 전압 측정 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 전압 측정 장치(112)는 측정부(114) 및 계산부(116)를 포함한다. 도 1에서 모터 전압 측정 장치(112)는 3상 인버터에 의해 구동되는 3상 모터(110)로부터 접지 단자로 흐르는 전류의 크기를 측정한다.
3상 모터(110)를 구동하기 위한 3상 인버터는 도 1과 같이 6개의 스위칭 소자(S1 내지 S6)를 포함한다. 스위칭 소자(S1 내지 S6)는 PWM 제어부(미도시)에 의해 인가되는 PWM 신호에 의해 스위칭 동작, 즉 (on)/오프(off) 동작을 반복함으로써 3상 모터(110)에 전류를 공급한다. PWM 신호는 도 1과 같이 온 듀티(102) 및 오프 듀티(104)를 포함하는 PWM 듀티를 갖는 신호이다. 예컨대 PWM 신호가 온 듀티(102)인 구간에서 스위칭 소자(S1)는 온 상태로 스위칭되고, 스위칭 소자(S2)는 오프 상태로 스위칭된다. 반대로 PWM 신호가 오프 듀티(104)인 구간에서 스위칭 소자(S1)는 오프 상태로 스위칭되고, 스위칭 소자(S2)는 온 상태로 스위칭된다.
도 1에 도시된 바와 같이, PWM 신호가 온 듀티(102)인 구간에서 전류는 제1 방향(106)으로 흐르게 되고, 오프 듀티(104)인 구간에서는 제2 방향(108)으로 흐르게 된다. 이 때 모터에 흐르는 전류는 온 듀티(102) 구간에서만 접지 단자 방향으로 흐르게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 전압 측정 장치(112)는 온 듀티(102)인 구간에서 접지 단자로 흐르는 전류의 크기를 측정 회로(118)를 이용하여 정밀하게 측정한다.
도 1에서 측정 회로(118)는 접지 단자와 직렬로 연결되는 션트 저항(Rs)을 포함한다. 션트 저항(Rs)은 모터에 흐르는 전류의 크기를 검출하기 위해 사용되는 낮은 크기의 저항으로서, 션트 저항(Rs) 양단에 걸리는 전압이 증폭기(122)를 통해 증폭되어 모터 전류를 검출하기 위한 검출 전압으로 출력된다. 이와 같이 출력된 검출 전압은 ADC(120)를 통해 디지털 값으로 변환될 수 있으며, 검출 전압을 션트 저항(Rs)의 크기로 나누어 션트 저항(Rs)에 흐르는 전류의 크기, 즉 모터에 흐르는 전류의 크기를 계산할 수 있다. 그러나 이와 같은 종래 방법에 의해 측정된 전류의 크기는 실제 모터에 흐르는 전류의 크기와는 차이가 있어 보다 정밀한 전류 측정 방법이 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 측정부(114)는 모터(110)의 접지 단자에 연결되는 션트 저항(Rs)의 크기, 션트 저항(Rs)의 양단에 인가되는 션트 전압을 증폭하기 위한 증폭기(122)의 증폭 이득, 모터(110)의 접지 단자에 전류가 흐르지 않을 때 증폭기(122)의 오프셋 전압 값, 모터(110)의 접지 단자에 전류가 흐를 때 증폭기(122)를 통해 증폭된 션트 전압 값을 각각 측정할 수 있다. 또한 계산부(116)는 션트 저항(Rs)의 크기, 증폭 이득, 오프셋 전압 값, 증폭된 션트 전압 값, PWM 듀티를 이용하여 모터(110)에 흐르는 전류의 크기를 계산할 수 있다. 이 때 계산부(116)가 모터(110)에 흐르는 전류의 평균값을 계산하기 위하 측정 회로(118)의 증폭기(122)와 ADC(120) 사이에는 로우 패스 필터(low pass filter)가 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 로우 패스 필터는 저항(R5) 및 캐패시터(C)로 구성된다. 로우 패스 필터는 증폭기(122)를 통해 증폭된 션트 전압이 제한 값을 초과하면 이를 전류 초과로 인지함으로써 평균 전류의 측정을 가능하게 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 듀티 및 모터 전압 측정 방법을 나타내는 그래프이다.
도 1에 도시된 3상 인버터는 PWM 제어 신호에 의한 스위칭을 수행하여 3상 모터(110)에 전류를 공급하는데, 도 2에는 PWM 듀티를 구성하는 온 듀티(Ton) 및 오프 듀티(Toff)에서 각각 측정되는 ADC(120)의 전압 및 모터에 흐르는 전류가 각각 나타나 있다. 도 2와 같이 모터에 흐르는 전류의 크기는 온 듀티(Ton)에서 증가하다가 오프 듀티(Toff)에서 감소한다. 그런데 온 듀티(Ton)에서는 ADC(120)를 통해 션트 전압의 크기가 검출되지만 오프 듀티(Toff)에서는 션트 전압의 크기가 0으로 나타나게 된다. 이는 전술한 바와 같이 오프 듀티(Toff)에서는 접지 단자 쪽으로 전류가 흐르지 않기 때문이다. 이에 따라 본 발명에서는 온 듀티(Ton)에서 흐르는 모터 전류의 크기를 이용하여 PWM 듀티의 전체 구간, 즉 온 듀티(Ton) 및 오프 듀티(Toff) 전체에서 흐르는 모터 전류의 크기를 정확하게 추정한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 전압 측정 방법의 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 측정부(114)는 먼저 모터의 접지 단자에 연결되는 션트 저항의 크기를 측정하고(302), 션트 저항의 양단에 인가되는 션트 전압을 증폭하기 위한 증폭기(122)의 증폭 이득을 측정한다(304). 또한 측정부(114)는 모터(110)의 접지 단자에 전류가 흐르지 않을 때의 증폭기(122)의 오프셋 전압 값을 측정하고(306), 그 후 모터(110)의 접지 단자에 전류가 흐를 때 증폭기를 통해 증폭된 션트 전압 값을 측정한다(308).
다음으로, 계산부(116)는 측정부(114)에 의해 측정된 션트 저항의 크기, 증폭 이득, 오프셋 전압 값, 증폭된 션트 전압 값과 3상 인버터를 제어하기 위한 PWM 듀티를 이용하여 모터(110)에 흐르는 전류의 크기를 계산한다. 본 발명의 일 실시예에서, 계산부(116)는 하기 [수학식 1]과 같이 모터(110)에 흐르는 전류의 크기를 계산할 수 있다.
Figure 112014120309813-pat00001
[수학식 1]에서 iRMS는 모터(110)에 흐르는 전류의 크기, GV는 증폭기(122)의 증폭 이득, RS는 션트 저항(RS)의 크기, Vi.ADC는 증폭기(122)에 의해 증폭된 션트 전압 값, Vi.OFF.ADC는 모터(110)의 접지 단자에 전류가 흐르지 않을 때의 증폭기(122)의오프셋 전압 값, a, b는 미리 정해진 상수, DPWM은 PWM 듀티를 나타낸다.
만약 도 2에서 온 듀티(Ton) 구간의 ADC 전압이 모터(110)에 흐르는 전류의 PWM 듀티와 동일하다면, [수학식 1]의 a는 1로, b는 0으로 설정될 수 있다. 그러나 온 듀티(Ton) 구간의 ADC 전압이 모터(110)에 흐르는 전류의 PWM 듀티는 실제로 동일하지 않으므로 [수학식 1]에서는 미리 정해진 상수인 a 및 b를 이용하여 PWM 듀티를 보정한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면 온 듀티(Ton) 구간에서 흐르는 전류를 이용하여 PWM 듀티 전체 구간에서 모터에 흐르는 전류의 크기를 정확하게 측정할 수 있다. 아울러 이와 같이 측정된 전류의 크기를 이용하여 모터에 의해 인가되는 토크를 정확하게 파악함으로써 보다 정밀한 모터의 제어가 가능하다.
전술한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (10)

  1. 미리 정해진 PWM 듀티(duty)에 따라 제어되는 모터에 흐르는 전류를 측정하는 방법에 있어서,
    상기 모터에 전류를 공급하는 인버터 및 상기 모터의 접지 단자 사이에 연결되는 션트 저항의 크기를 측정하는 단계;
    상기 션트 저항의 양단에 인가되는 션트 전압을 증폭하기 위한 증폭기의 증폭 이득을 측정하는 단계;
    상기 모터의 접지 단자에 전류가 흐르지 않을 때 상기 증폭기의 오프셋 전압 값을 측정하는 단계;
    상기 모터의 접지 단자에 전류가 흐를 때 상기 증폭기를 통해 증폭된 션트 전압 값을 측정하는 단계; 및
    상기 션트 저항의 크기, 상기 증폭 이득, 상기 오프셋 전압 값, 상기 증폭된 션트 전압 값, 상기 PWM 듀티를 이용하여 상기 모터에 흐르는 전류의 크기를 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 모터에 흐르는 전류의 크기는 하기 [수학식 1]과 같이 정의되는
    전류 측정 방법.

    [수학식 1]
    Figure 112016057365096-pat00007

    (단, iRMS는 상기 모터에 흐르는 전류의 크기, GV는 상기 증폭 이득, RS는 상기 션트 저항의 크기, Vi.ADC는 상기 증폭된 션트 전압 값, Vi.OFF.ADC는 상기 오프셋 전압 값, a, b는 미리 정해진 상수, DPWM은 상기 PWM 듀티)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 증폭기의 일단에는 로우 패스 필터(low pass filter)가 연결되는
    전류 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 PWM 듀티는 온(on) 듀티 및 오프(off) 듀티를 포함하고,
    상기 PWM 듀티가 온 듀티일 때 상기 모터의 접지 단자로 전류가 흐르고, 상기 PWM 듀티가 오프 듀티일 때 상기 모터의 접지 단자로 전류가 흐르지 않는
    전류 측정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 모터에 흐르는 전류의 크기를 계산하는 단계는
    상기 PWM 듀티가 온 듀티일 때 상기 모터의 접지 단자로 흐르는 전류의 크기를 이용하여 상기 PWM 듀티 전체 구간에서 상기 모터에 흐르는 전류의 크기를 측정하는 단계를
    포함하는 전류 측정 방법.
  5. 삭제
  6. 미리 정해진 PWM 듀티(duty)에 따라 제어되는 모터에 흐르는 전류를 측정하는 장치에 있어서,
    상기 모터에 전류를 공급하는 인버터 및 상기 모터의 접지 단자 사이에 연결되는 션트 저항의 크기, 상기 션트 저항의 양단에 인가되는 션트 전압을 증폭하기 위한 증폭기의 증폭 이득, 상기 모터의 접지 단자에 전류가 흐르지 않을 때 상기 증폭기의 오프셋 전압 값, 상기 모터의 접지 단자에 전류가 흐를 때 상기 증폭기를 통해 증폭된 션트 전압 값을 측정하는 측정부; 및
    상기 션트 저항의 크기, 상기 증폭 이득, 상기 오프셋 전압 값, 상기 증폭된 션트 전압 값, 상기 PWM 듀티를 이용하여 상기 모터에 흐르는 전류의 크기를 계산하는 계산부를 포함하고,
    상기 모터에 흐르는 전류의 크기는 하기 [수학식 1]과 같이 정의되는
    전류 측정 장치.

    [수학식 1]
    Figure 112016057365096-pat00008

    (단, iRMS는 상기 모터에 흐르는 전류의 크기, GV는 상기 증폭 이득, RS는 상기 션트 저항의 크기, Vi.ADC는 상기 증폭된 션트 전압 값, Vi.OFF.ADC는 상기 오프셋 전압 값, a, b는 미리 정해진 상수, DPWM은 상기 PWM 듀티)
  7. 제6항에 있어서,
    상기 증폭기의 일단에는 로우 패스 필터(low pass filter)가 연결되는
    전류 측정 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 PWM 듀티는 온(on) 듀티 및 오프(off) 듀티를 포함하고,
    상기 PWM 듀티가 온 듀티일 때 상기 모터의 접지 단자로 전류가 흐르고, 상기 PWM 듀티가 오프 듀티일 때 상기 모터의 접지 단자로 전류가 흐르지 않는
    전류 측정 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 계산부는
    상기 PWM 듀티가 온 듀티일 때 상기 모터의 접지 단자로 흐르는 전류의 크기를 이용하여 상기 PWM 듀티 전체 구간에서 상기 모터에 흐르는 전류의 크기를 측정하는 단계를
    포함하는 전류 측정 장치.
  10. 삭제
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