KR101713482B1 - Pwm 제어신호 생성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PWM 제어신호 생성방법에 관한 것으로, 제어부가, 모터구동 소자가 출력할 수 있는 PWM 제어신호의 전체 주파수 범위, 상기 모터의 유효 동작을 위한 유효 동작 주파수 범위, 및 가청주파수 범위에 근거하여 PWM 제어신호의 주파수를 1차 필터링하여 제 1주파수범위를 결정하는 단계; 상기 제어부가, 상기 제 1주파수범위의 PWM 제어신호로 상기 모터 제어시 발생되는 모터 소음에 근거하여, 상기 PWM 제어신호의 주파수를 2차 필터링하여 상기 제 1주파수범위로부터 제 2주파수범위를 결정하는 단계; 및 상기 제어부가, 상기 제 2주파수범위의 PWM 제어신호로 상기 모터 제어시 발생되는 듀티 별 제어오차를 평가하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

PWM 제어신호 생성방법{METHOD FOR GENERATING PWM CONTROL SIGNAL}
본 발명은 PWM 제어신호 생성방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 사륜구동 시스템에서 차륜으로 동력을 전달하는 모터를 제어하기 위한 PWM 제어신호에 있어, PWM 제어신호의 주파수에 기인하는 모터 소음 및 듀티 별 제어오차를 최소화하는 PWM 제어신호 주파수를 결정하기 위한 PWM 제어신호 생성방법에 관한 것이다.
사륜구동 시스템은 이륜으로 구동하는 차량을 사륜으로 구동시키기 위해 구동륜에서 비구동륜으로 동력을 전달하기 위한 사륜구동 장치 및 이를 제어하는 장치로 구성된다. 예를 들어 일반적인 승용 차량은 전륜이 엔진으로부터의 동력을 받아 차량을 구동하는 구동륜이며 후륜은 비구동륜으로 별도의 동력없이 차량이 움직임에 따라 수동적으로 움직이게 된다. 이러한 전륜구동 차량에 사륜구동 장치를 장착하게 되면 전륜으로 공급되는 엔진 동력의 일부를 후륜으로 전달하여 전후륜 모두가 구동되어 차량의 구동 성능을 높일 수 있다.
일반적으로 엔진으로부터 동력을 입력받아 비구동륜으로 전달하는 사륜구동 장치는 DC모터를 이용한 압력 제어 방식을 채용하고 있으며, 사륜구동 장치 내부에 생성되는 압력에 비례하여 비구동륜으로 동력을 전달하게 된다. 보다 구체적으로, 사륜구동 장치 내부에 생성되는 압력은 DC모터에 의해 발생되며, 상기 DC모터를 통해 비구동륜으로 전달되는 동력 효율을 제어하기 위해, 제어 장치는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 신호를 변조하여 DC모터에 전달함으로써 DC모터의 구동력을 제어하게 된다.
상기 PWM 방식으로 변조된 제어신호(이하 PWM 제어신호라 한다.)는 제어 장치에서 일정한 PWM 주파수로 설정되어 DC모터로 전달되는데, PWM 주파수를 낮게 설정하면 인간의 가청주파수 대역에 가까워지게 되어, 모터 내부 철심의 진동에 기인하는 고주파 진동음과 같은 가청 소음이 문제가 된다. 한편 PWM 주파수를 높게 설정하면 PWM 제어신호의 듀티의 펄스 폭이 작아지고 펄스 폭에 해당하는 시간이 짧아져, 제어 장치가 이와 같은 PWM 주파수를 갖는 제어신호의 생성이 불가능한 경우가 발생할 수 있으며, PWM 주파수 증가에 따른 듀티의 왜곡이 발생하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, PWM 주파수를 낮게 설정할 경우 발생할 수 있는, 모터 내부 철심의 진동에 기인하는 고주파 진동음과 같은 가청 소음을 최소화하는데 있다.
본 발명의 또 따른 목적은 PWM 주파수를 증가시킴에 따라 발생할 수 있는 듀티의 왜곡을 최소화하고, DC모터에 대한 제어성능을 향상시킬 수 있는 PWM 제어신호 생성방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 PWM 제어신호 생성방법은, 제어부가, 모터구동 소자가 출력할 수 있는 PWM 제어신호의 전체 주파수 범위, 상기 모터의 유효 동작을 위한 유효 동작 주파수 범위, 및 가청주파수 범위에 근거하여 PWM 제어신호의 주파수를 1차 필터링하여 제 1주파수범위를 결정하는 단계; 상기 제어부가, 상기 제 1주파수범위의 PWM 제어신호로 상기 모터 제어시 발생되는 모터 소음에 근거하여, 상기 PWM 제어신호의 주파수를 2차 필터링하여 상기 제 1주파수범위로부터 제 2주파수범위를 결정하는 단계; 및 상기 제어부가, 상기 제 2주파수범위의 PWM 제어신호로 상기 모터 제어시 발생되는 듀티 별 제어오차를 평가하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제 1주파수범위를 결정하는 단계는, 상기 가청주파수 대역 이상의 주파수에서, 상기 전체 주파수 범위 및 상기 유효 동작 주파수가 중복되는 주파수 범위를 상기 제 1주파수범위로 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제 2주파수범위를 결정하는 단계는, 상기 제어부가, 상기 제 1주파수범위의 최소주파수를 하한주파수로 선정하는 단계; 상기 제어부가, 상기 하한주파수의 PWM 제어신호로 상기 모터 제어시 발생되는 모터 소음 측청치가 기준치 이하인지 판단하는 단계; 및 상기 제어부가, 상기 모터 소음 측청치가 상기 기준치 이하인 경우, 상기 하한주파수를 하한으로 하고, 상기 제 1주파수범위의 최대주파수를 상한으로 하는 주파수범위를 상기 제 2주파수범위로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제 2주파수범위를 결정하는 단계는, 상기 모터 소음 측청치가 상기 기준치를 초과하는 경우, 상기 제어부가 상기 하한주파수를 기 설정된 값만큼 상향 조정하여, 상기 상향 조정된 하한주파수에 대응되는 상기 모터 소음 측청치가 상기 기준치 이하인지 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 듀티 별 제어오차를 평가하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 단계는, 상기 제어부가, 상기 제 2주파수범위에서 후보주파수를 선정하는 단계; 상기 제어부가, 상기 후보주파수의 PWM 제어신호로 상기 모터 제어시 발생되는 듀티 별 제어오차를 측정하는 단계; 및 상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 단계를 포함하되,상기 듀티 별 제어오차는, 해당 듀티로 설정되어 상기 모터구동 소자에 입력되는 입력신호의 듀티와, 상기 입력신호에 응답하여 상기 모터구동 소자에서 출력되는 출력신호의 듀티의 차이인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하는 단계는, 상기 제어부가, 상기 입력신호에 설정되는 듀티의 변화에 따라, 상기 듀티 별 제어오차가 변화하는 오차증가구간과 상기 듀티 별 제어오차가 일정한 오차균일구간으로 구분하는 단계; 상기 제어부가, 상기 오차증가구간에 해당하는 듀티범위가 상기 모터 제어에 사용되는 듀티범위에 포함되는지 확인하는 단계; 상기 제어부가, 상기 오차증가구간에 해당하는 듀티범위가 상기 모터 제어에 사용되는 듀티범위에 포함되고 상기 오차증가구간의 오차와 상기 오차균일구간의 오차가 상기 허용오차 이내인 경우, 및 상기 오차증가구간에 해당하는 듀티범위가 상기 모터 제어에 사용되는 듀티범위에 포함되지 않고 상기 오차균일구간의 오차가 상기 허용오차 이내인 경우 중 어느 하나에 해당하면 상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내라고 판단하는 단계; 및 상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내라고 판단된 경우, 상기 후보주파수를 PWM 제어신호의 최종주파수로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내라고 판단된 경우, 최소제어시간과 최소듀티시간을 비교하여 상기 최소제어시간이 상기 최소듀티시간보다 짧다고 판단된 경우에만 상기 후보주파수를 PWM 제어신호의 최종주파수로 결정하되, 상기 최소제어시간은 상기 제어부에서 생성할 수 있는 최소 펄스에 해당하는 시간이고, 상기 최소듀티시간은 상기 후보주파수의 PWM 제어신호로 상기 모터 제어시 사용되는 최소 듀티에 해당하는 시간인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 최소제어시간이 상기 최소듀티시간보다 길다고 판단된 경우, 상기 후보주파수를 기 설정된 값만큼 하향 조정하여 듀티 별 제어오차를 다시 측정하고, 상기 다시 측정된 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하며, 최소제어시간과 최소듀티시간을 비교하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 기 설정된 값만큼 하향 조정된 후보주파수가 상기 제 2주파수범위에 포함되지 않는 경우, 기 설정된 허용오차를 변경하고, 상기 제 2주파수범위에서 후보주파수를 재선정하여 듀티 별 제어오차를 다시 측정하며, 상기 다시 측정된 듀티 별 제어오차가 상기 변경된 허용오차 이내인지 판단하고, 최소제어시간과 최소듀티시간을 비교하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 단계는, 상기 제어부가, 상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내가 아니라고 판단된 경우, 상기 후보주파수를 기 설정된 값만큼 하향 조정하여 듀티 별 제어오차를 다시 측정하고, 상기 다시 측정된 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 PWM 주파수를 조정하면서 측정되는 모터 소음이 기준치 이하인지 판단함으로써, PWM 주파수를 낮게 설정할 경우 발생할 수 있는 모터의 고주파 진동음과 같은 가청 소음을 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 PWM 주파수를 조정하면서 측정되는 듀티 별 제어오차가 허용오차 이내인지 판단함으로써, PWM 주파수를 증가시킴에 따라 발생할 수 있는 듀티의 왜곡을 최소화하고, DC모터에 대한 제어성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어신호 생성 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어신호 생성방법을 개략적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어신호 생성방법에서 제 1주파수범위를 결정하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어신호 생성방법에서 제 2주파수범위를 결정하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어신호 생성방법에서 듀티 별 제어오차를 평가하고 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 과정을 개략적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어신호 생성방법에서 듀티 별 제어오차를 측정하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어신호 생성방법에서 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어신호 생성방법에서 제어부의 제어 정밀도를 설명하기 위한 예시도이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어신호 생성방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어신호 생성 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 블록구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 PWM 제어신호 생성 시스템은 제어부(10), 모터구동 소자(20), 모터(30)를 포함한다.
제어부(10)는 모터(30)를 제어하기 위한 제어신호를 PWM 방식으로 변조하여 생성할 수 있다. 제어부(10)에서 생성된 상기 제어신호는 전압값이 작아 모터(30) 구동을 직접적으로 제어할 수 없으므로, 전압범위를 증폭시켜 모터(30)를 구동시킬 수 있는 신호를 생성하기 위해 상기 제어신호를 모터구동 소자(20)로 전달한다.
모터구동 소자(20)는 제어부(10)로부터 입력받은 제어신호를 증폭시켜 일정 주파수를 갖는 PWM 제어신호를 생성할 수 있다. 모터구동 소자(20)가 제어부(10)로부터 입력받은 제어신호로부터 생성할 수 있는 PWM 제어신호의 주파수범위는 정해져 있으며, 모터구동 소자(20)의 주파수범위는 후술할 제 1주파수범위의 결정시 고려될 수 있다.
모터(30)는 모터구동 소자(20)로부터 입력받은 PWM 제어신호에 의해 제어될 수 있으며, 보다 구체적으로 일정한 PWM 주파수로 설정된 PWM 제어신호의 듀티변화에 따른 평균전압값의 변화를 통해 구동력이 제어될 수 있다. 즉, 상기 PWM 제어신호의 듀티에 따라 모터(30)에 인가되는 평균전압이 변하게 되고, 이에 따라 모터(30)에 의해 발생되는 사륜구동 장치 내부의 압력이 달라짐으로써 비구동륜에 전달되는 동력의 효율이 제어될 수 있다.
본 발명의 구체적인 목적은 모터구동 소자(20)로부터 생성되는 PWM 제어신호의 최적의 주파수를 결정하는 방법을 제공하는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어신호 생성방법을 개략적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2를 참고하면, 제어부(10)는 모터구동 소자(20)가 생성 가능한 전체 주파수, 모터(30)의 유효 동작 주파수, 및 가청주파수에 근거하여 제 1주파수범위를 결정하고(S100), 모터 소음에 근거하여 제 2주파수범위를 결정하며(S200), 듀티 별 제어오차를 평가하고(S300), 제어부(10)에 의한 제어 정밀도를 평가하여(S400), PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하게 된다(S500).
우선 제어부(10)는, 모터구동 소자(20)가 출력할 수 있는 PWM 제어신호의 전체 주파수 범위, 모터(30)의 유효 동작을 위한 유효 동작 주파수 범위, 및 가청주파수 범위에 근거하여 PWM 제어신호의 주파수를 1차 필터링하여 제 1주파수범위를 결정한다(S100).
PWM 제어신호의 주파수가, 모터구동 소자(20)의 출력 가능 주파수범위에 존재하지 않거나, 모터(30)의 유효 동작 주파수범위에 존재하지 않으면 모터(30)에 대한 전압제어가 불가능하게 된다. 또한 PWM 제어신호의 주파수가 인간의 가청주파수범위에 존재하면 가청 소음이 문제되므로 PWM 제어신호의 주파수는 인간의 가청주파수대역 이상의 범위에 존재해야 한다. 제어부(10)는 모터구동 소자(20)가 출력할 수 있는 PWM 제어신호의 전체 주파수 범위, 모터(30)의 유효 동작을 위한 유효 동작 주파수 범위, 및 가청주파수 범위에 근거하여 PWM 제어신호 주파수의 제 1주파수범위를 결정하며, 상기 전체 주파수 범위, 상기 유효 동작 주파수 범위, 및 상기 가청주파수 범위는 제어부(10)에 기 설정되어 있을 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어신호 생성방법에서 제 1주파수범위를 결정하는 과정을 설명하기 위한 예시도로서, 도 3을 참고하면, 제어부(10)는 가청주파수 대역 이상의 주파수에서, 모터구동 소자(20)가 출력할 수 있는 전체 주파수 범위 및 모터(30)의 유효 동작 주파수가 중복되는 주파수 범위를 상기 제 1주파수범위로 결정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어신호 생성방법에서 제 2주파수범위를 결정하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4를 참고하면, 제어부(10)는, 상기 제 1주파수범위의 PWM 제어신호로 모터(30) 제어시 발생되는 모터 소음에 근거하여, PWM 제어신호의 주파수를 2차 필터링하여 상기 제 1주파수범위로부터 제 2주파수범위를 결정할 수 있다(S200).
보다 구체적으로, 제어부(10)는 먼저 상기 제 1주파수범위의 최소주파수를 하한주파수로 선정한다(S210). 상기 제 1주파수범위의 최소주파수를 하한주파수로 선정하는 것은, PWM 주파수가 작을수록 가청주파수 대역에 근접하게 됨에 따라 가청 소음 문제가 발생할 수 있어, 최소주파수로 설정된 하한주파수를 상향 조정하면서 모터 소음을 측정하고 기준치 이하가 될때의 하한주파수를 판별하여 상기 제 1주파수범위를 필터링하기 위한 것이다.
제어부는 하한주파수를 선정한 후, 상기 하한주파수의 PWM 제어신호로 모터(30) 제어시 발생되는 모터 소음을 측정하고(S230), 상기 모터 소음 측정치가 기준치 이하인지 판단한다(S250). 상기 모터 소음은 별도의 소음측정기를 구성하여 측정될 수 있으며, 제어부(10)는 상기 소음측정기로부터 모터 소음 측정치를 입력받아 기준치와 비교함으로써 모터 소음 측정치가 기준치 이하인지 판단할 수 있다.
상기 모터 소음은 PWM 주파수에 기인하는 모터(30) 내부 철심의 진동에 기인하는 고주파 진동음과 같은 모터(30)의 전자기적 구동 소음을 포함할 수 있다.
상기 기준치는 허용 가능한 모터 소음의 정도를 나타내는 값으로, 모터(30) 사양, 사륜구동 시스템(1)의 조립 형태와 같은 패키지 구성, 실제 차량에서의 사륜구동 시스템(1) 장착 위치 등에 따라 달리 설계될 수 있으며, 제어부(10)에 미리 설정되어 있을 수 있다.
만약 모터 소음 측정치가 기준치를 초과하는 경우, 제어부(10)는 상기 하한주파수를 기 설정된 값만큼 상향 조정하여 상기 상향 조정된 하한주파수의 PWM 제어신호로 모터(30) 제어시 발생되는 모터 소음 측청치가 상기 기준치 이하인지 판단한다(S250, S270, S230). 즉, 측정된 모터 소음이 기준치 이하가 될 때까지 하한주파수를 상향 조정하면서 모터 소음을 측정하여 기준치 이하인지 판단하는 과정을 반복한다. 상기 하한주파수를 상향 조정하는 경우, 상향 폭은 제 1주파수범위의 크기 등에 따라 달리 설정되는 값으로서 제어부(10)에 미리 설정되어 있을 수 있다.
모터 소음 측정치가 기준치 이하라고 판단되면, 제어부(10)는 상기 하한주파수를 하한으로 하고, 제 1주파수범위의 최대주파수를 상한으로 하는 주파수범위를 제 2주파수범위를 결정한다(S290).
결론적으로, 제 1주파수범위의 최소주파수는 가청주파수에 근접해있어 모터의 고주파 진동음과 같은 가청소음이 문제되므로, 하한주파수를 최소주파수로 설정하고 상향 조정하면서 모터 소음을 측정하여, 가청주파수보다 크고 기준치 이하인 경우의 하한주파수를 결정함으로써, 제 2주파수범위를 결정하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어신호 생성방법에서 듀티 별 제어오차를 평가하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 과정을 개략적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어신호 생성방법에서 듀티 별 제어오차를 측정하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어신호 생성방법에서 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5 내지 도 7을 참고하면, 제어부(10)는, 상기 제 2주파수범위의 PWM 제어신호로 모터(30) 제어시 발생되는 듀티 별 제어오차를 평가하고 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정한다(S300).
이 단계에서는 상기 제 2주파수범위에서 듀티 별 제어오차가 허용오차 이내인 주파수범위에서 가청 소음을 최소화하기 위해 가장 큰 값의 주파수가 최종주파수로 결정될 수 있다. 즉 상기 제 2주파수범위는 제 1주파수범위를 결정하는 단계를 통해 가청주파수 대역 이상의 주파수범위로 필터링된 주파수에 해당하나, 가청주파수는 사람에 따라 상대적인 값을 가지는 것으로서 가청주파수 대역으로 주파수가 근접할수록 가청 소음이 발생할 가능성이 커지기 때문에, 제 2주파수범위에서 듀티 별 제어오차가 허용오차 이내인 조건을 만족하는 가장 큰 주파수를 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하여 가청 소음을 최소화하기 위한 것이다.
듀티 별 제어오차를 평가하는 과정을 도 5를 참고하여 단계별로 설명한다.
우선, 제어부(10)는 제 2주파수범위에서 후보주파수를 선정한다(S310).
이때, 제어부(10)는 제 2주파수범위의 최대주파수를 후보주파수로 선정할 수 있다. 제 2주파수범위의 최대주파수를 후보주파수로 선정하는 것은, PWM 주파수가 클수록 듀티 별 제어오차가 증가하므로, 상기 최대주파수로 선정된 후보주파수를 기 설정된 값만큼 하향 조정하면서 듀티 별 제어오차를 측정하여 후술할 바와 같이 듀티 별 제어오차가 허용오차 이내가 될 때의 후보주파수를 판별하여 PWM 제어신호의 최종주파수로 결정하기 위한 것이다.
또한 상기 후보주파수는 상기 듀티 별 제어오차를 평가하는 상황에 따라 다른 방식으로 선정될 수도 있으므로, 제어부(10)가 특정 주파수를 후보주파수로 선정하는 방식으로도 수행될 수 있다.
보다 구체적으로, 앞서 설명한 것과 같이 후보주파수를 제 2주파수범위의 최대주파수로 선정하고, 상기 최대주파수로 선정된 후보주파수를 기 설정된 값만큼 하향 조정하면서 듀티 별 제어오차를 평가하는 경우, 듀티 별 제어오차를 평가할 주파수범위가 제 2주파수범위 전부가 될 수 있어 듀티 별 제어오차를 평가하는데 소요되는 시간이 증가하는 부담이 발생하므로, 제 2주파수범위의 최대주파수 이하의 특정주파수를 후보주파수로 선정하여 듀티 별 제어오차를 반복해서 평가하는 것에 소요되는 시간을 감소시킬 수 있다.
제 2주파수범위에서 후보주파수를 선정한 후, 제어부(10)는 상기 후보주파수의 PWM 제어신호로 모터(30) 제어시 발생되는 듀티 별 제어오차를 측정한다(S330). 상기 듀티 별 제어오차는, 해당 듀티로 설정되어 모터구동 소자(20)에 입력되는 입력신호의 듀티와, 상기 입력신호에 응답하여 모터구동 소자(20)에서 출력되는 출력신호의 듀티의 차이인 것으로 정의된다.
PWM 방식에 의한 모터(30) 제어는, 모터(30)에 입력되는 상기 PWM 제어신호의 듀티를 변화시켜 모터(30)에 인가되는 평균전압을 변화시킴으로써 모터(30)의 구동력을 제어하는 것으로서, 제어부(10)에서 명령받은 듀티에 대하여 모터구동 소자(20)가 왜곡된 듀티를 출력하면 모터(30)에 대한 정상적인 제어가 불가능하게 된다. 따라서 각 듀티에 따라 발생하는 듀티의 왜곡정도, 즉 듀티 별 제어오차를 측정하고 상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하여 모터(30)제어에 사용할 수 있는 듀티인지 판단하게 되는 것이다.
도 6을 참고하면, 상기 선정된 후보주파수를 갖는 입력신호의 듀티(도 6의 입력신호듀티)가 다르게 설정되어 모터구동 소자(20)에 입력될 수 있으며, 상기 입력신호에 응답하여 출력되는 출력신호의 듀티(도 6의 출력신호듀티)가 제어부(10)에 의해 측정되고, 제어부(10)는 상기 입력신호의 듀티와 상기 출력신호의 듀티의 차이를 측정함으로써 듀티 별 제어오차를 측정할 수 있다.
듀티 별 제어오차를 측정한 후, 제어부(10)는 상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단한다(S350).
도 7을 참고하여 이를 단계별로 설명하면, 먼저 제어부(10)는 모터구동 소자(20)에 입력되는 입력신호에 설정되는 듀티의 변화에 따라, 듀티 별 제어오차가 변화하는 오차증가구간과 듀티 별 제어오차가 일정한 오차균일구간으로 구분한다(S351). 오차증가구간과 오차균일구간의 경계를 정밀하게 확정하기 위해 제어오차를 측정할 듀티를 1% 단위로 조밀하게 설정할 수도 있다.
오차균일구간은 오차증가구간보다 상대적으로 작은 오차가 균일하게 분포되는 구간으로서, 모터(30) 제어에 일반적으로 사용되는 듀티범위이다. 오차증가구간은 오차균일구간보다 상대적으로 큰 오차값을 갖고 듀티가 변화함에 따라 오차가 변화하는 구간으로서, 큰 오차값을 갖는 듀티를 모터(30) 제어에 사용 시 모터(30)에 대한 정상적인 제어가 불가능할 수도 있으므로, 후술할 바와 같이, 제어부(10)는 먼저 오차증가구간의 듀티범위가 모터(30) 제어에 사용되는 듀티구간인지 판단고, 모터(30) 제어에 사용되는 듀티구간인 경우 오차증가구간의 오차가 허용오차 이내인지 판단한 후 오차균일구간의 오차가 허용오차 이내인지 판단할 수 있다.
오차증가구간과 오차균일구간이 확정된 후, 제어부(10)는 오차증가구간에 해당하는 듀티범위가 실제로 모터(30) 제어에 사용되는 듀티범위에 포함되는지 확인한다(S352). 상기 모터(30) 제어에 사용되는 듀티범위는 기 설정된 범위로서, 오차증가구간에 해당하는 듀티범위가 모터(30) 제어에 사용되는 듀티범위에 포함되는 경우에는 오차증가구간의 오차와 오차균일구간의 오차가 허용오차 이내인지 판단하고(S353, S354), 오차증가구간에 해당하는 듀티범위가 모터(30) 제어에 사용되는 듀티범위에 포함되지 않는 경우에는 오차증가구간의 오차가 허용오차 이내인지 판단할 필요가 없으므로 오차균일구간의 오차가 허용오차 이내인지 판단한다.(S354)
상기 허용오차는 듀티의 왜곡이 있더라도 모터(30)를 정상적으로 제어할 수 있는 허용범위로서, 모터(30) 및 완성차량의 사양 등에 따라 다른 값으로 제어부에 미리 설정되어 있을 수 있다. 또한 이러한 허용오차는 각각의 듀티 별로 서로 다른 값이 설정될 수도 있다.
이하, 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단되는 과정을 설명한다.
오차증가구간에 해당하는 듀티범위가 모터(30) 제어에 사용되는 듀티범위에 포함되고 오차증가구간의 오차와 오차균일구간의 오차가 허용오차 이내인 경우, 및 오차증가구간에 해당하는 듀티범위가 모터(30) 제어에 사용되는 듀티범위에 포함되지 않고 오차균일구간의 오차가 허용오차 이내인 경우 중 어느 하나에 해당하면 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내라고 판단한다.
이때, 오차증가구간 및 오차균일구간이 허용오차 이내인지 판단하는 경우, 듀티 전 범위에 대하여 하나의 값으로 설정된 허용오차와 듀티 별 제어오차를 비교하여 판단할 수도 있고, 해당 듀티의 제어오차 각각에 대하여 다른 값으로 설정된 허용오차와 해당 듀티의 제어오차 각각과 비교하여 판단할 수도 있으며, 오차증가구간의 제어오차의 평균 내지 오차균일구간의 제어오차의 평균과 각 구간에 대하여 설정된 허용오차와 비교하여 판단할 수도 있다.
듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내가 아니라고 판단된 경우, 제어부(10)는 후보주파수를 기 설정된 값만큼 하향 조정하면서 하향 조정된 후보주파수에 대하여 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하는 과정을 반복하게 된다.
보다 구체적으로, 제어부(10)는 후보주파수를 기 설정된 값만큼 하향 조정하고(S370), 하향 조정된 후보주파수가 제 2주파수범위에 포함되는지 판단한다(S371). 제 2주파수범위에 포함되는 경우, 하향 조정된 후보주파수에 대하여 듀티 별 제어오차를 다시 측정하고(S330), 상기 다시 측정된 듀티 별 제어오차가 허용오차 이내인지 판단하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정할 수 있다(S350). 이러한 과정은 듀티 별 제어오차가 허용오차 이내라고 판단될 때까지 반복 수행될 수 있다.
상기 하향 조정된 후보주파수가 제 2주파수범위에 포함되지 않는 경우, 즉 제 2주파수범위 이하의 주파수로 후보주파수가 하향 조정된 경우에, 제어부(10)는 허용오차를 넓게 조정할 수 있다(S373). 여기서 허용오차를 넓게 조정한다 함은 모터를 제어하는 PWM 제어신호의 듀티 왜곡에 의한 제어오차를 완화한다는 의미로서 그 값을 크게 조정한다는 의미이다.
허용오차를 조정한 후, 제 2주파수범위에서 후보주파수를 재선정하여(S310) 듀티 별 제어오차를 다시 측정하고, 상기 다시 측정된 듀티 별 제어오차가 상기 변경된 허용오차 이내인지 판단하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정할 수 있다. 이 경우는 듀티 별 제어오차에 따라 발생하는 모터(30) 제어성능 저감보다 제 2주파수범위를 더 고려하여 모터 소음방지를 우선시한 경우이다.
또한 상기 하향 조정된 후보주파수가 제 2주파수범위에 포함되지 않는 경우, 소음 방지책 보강을 수행한 경우라면 모터 소음에 근거한 제 2주파수범위를 다시 설정한 후, 재설정된 제 2주파수범위에서 듀티 별 제어오차가 허용오차 이내인지 판단하는 과정이 수행될 수 있다.(미도시) 이 경우는 모터 소음방지 및 모터 제어성능 확보를 동시에 충족할 수 있으나 모터 소음에 근거하여 제 2주파수범위를 다시 결정해야 하는 부담이 따른다.
듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내라고 판단된 경우, 제어부(10)는 상기 후보주파수를 PWM 제어신호의 최종주파수로 결정할 수 있고(S390), 제어부(10)에 의한 모터(30) 제어성능을 향상시키기 위해 다음과 같이 제어 정밀도를 판단하는 과정을 더 수행 할 수 있다.
듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내라고 판단된 경우, 제어부(10)는, 제어부(10)에서 생성할 수 있는 최소 펄스에 해당하는 시간(이하 최소제어시간이라 한다.)과, 상기 후보주파수의 PWM 제어신호로 상기 모터(30) 제어시 사용되는 최소 듀티에 해당하는 시간(이하 최소듀티시간이라 한다.)을 비교한다(S400). 이는 상기 후보주파수가 갖는 최소듀티에 해당하는 펄스를 제어부(10)가 제어할 수 있는지 판단하는 단계이다.
비교결과, 상기 최소제어시간이 상기 최소듀티시간보다 짧다고 판단된 경우, 제어부(10)가 상기 후보주파수의 모든 듀티범위를 제어할 수 있으므로 상기 후보주파수를 PWM 제어신호의 최종주파수로 결정한다(S500).
비교결과, 상기 최소제어시간이 상기 최소듀티시간보다 길다고 판단된 경우, 제어부(10)가 제어할 수 없는 상기 후보주파수의 듀티가 존재하는 것이므로, 앞서 설명한 것과 같이, 후보주파수를 기 설정된 값만큼 하향 조정하여(S370) 듀티 별 제어오차를 다시 측정하고, 상기 다시 측정된 듀티 별 제어오차가 허용오차 이내인지 판단하여(S330, S350), 최소제어시간과 최소듀티시간을 비교(S400)하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정할 수 있다. 이러한 과정은 최저제어시간이 최소듀티시간보다 짧다고 판단될 때까지 반복 수행될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어신호 생성방법에서 제어부의 제어 정밀도를 설명하기 위한 예시도로서, 도 8의 일 예시를 참고하면, 듀티 1%에 해당하는 시간은 PWM 제어신호의 주파수가 2kHz, 10kHz, 20kHz일 때 각각 5us, 1us, 0.5us인 것을 볼 수 있다. 만약 상기 듀티 별 제어오차를 평가한 결과 선정된 후보주파수가 20kHz이고, 듀티 1%가 모터 제어에 사용되는 최소 듀티라면 최소듀티시간은 0.5us가 된다. 따라서 제어부는 최소한 0.5us보다 작은 시간에 해당하는 PWM 펄스를 생성할 수 있어야 하고, 즉 최소제어시간이 0.5us보다 작아야 모터(30)에 대한 정상적인 제어가 가능하게 된다.
후보주파수에 대한 듀티 별 제어오차가 허용오차 이내이고, 제어부(10)의 최소제어시간이 후보주파수의 최소듀티시간보다 짧다고 판단되면 상기 후보주파수를 PWM 제어신호의 최종주파수로 결정할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 PWM 제어신호 생성방법은 사륜구동 시스템(1)에서 모터(30)를 제어하는 PWM 제어신호의 주파수를 변화시켜 PWM 제어신호 주파수에 기인하는 모터 소음, 듀티 왜곡 및 제어부(10)의 제어 정밀도를 반복적으로 평가함으로써, 모터(30)에 대한 제어성능을 향상시키는 최적의 PWM 제어신호 주파수를 결정할 수 있도록 한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
1:사륜구동 시스템 10:제어부
20:모터구동 소자 30:모터

Claims (10)

  1. 사륜구동 시스템에서 차량의 비구동륜으로 동력을 전달하는 모터를 제어하기 위한 PWM 제어신호의 생성방법으로서,
    제어부가, 모터구동 소자가 출력할 수 있는 PWM 제어신호의 전체 주파수 범위, 상기 모터의 유효 동작을 위한 유효 동작 주파수 범위, 및 가청주파수 범위에 근거하여 PWM 제어신호의 주파수를 1차 필터링하여 제 1주파수범위를 결정하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 제 1주파수범위의 PWM 제어신호로 상기 모터 제어시 발생되는 모터 소음에 근거하여, 상기 PWM 제어신호의 주파수를 2차 필터링하여 상기 제 1주파수범위로부터 제 2주파수범위를 결정하는 단계; 및
    상기 제어부가, 상기 제 2주파수범위의 PWM 제어신호로 상기 모터 제어시 발생되는 듀티 별 제어오차를 평가하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM 제어신호 생성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 1주파수범위를 결정하는 단계는, 상기 가청주파수 대역 이상의 주파수에서, 상기 전체 주파수 범위 및 상기 유효 동작 주파수가 중복되는 주파수 범위를 상기 제 1주파수범위로 결정하는 것을 특징으로 하는 PWM 제어신호 생성방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 2주파수범위를 결정하는 단계는,
    상기 제어부가, 상기 제 1주파수범위의 최소주파수를 하한주파수로 선정하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 하한주파수의 PWM 제어신호로 상기 모터 제어시 발생되는 모터 소음 측청치가 기준치 이하인지 판단하는 단계; 및
    상기 제어부가, 상기 모터 소음 측청치가 상기 기준치 이하인 경우, 상기 하한주파수를 하한으로 하고, 상기 제 1주파수범위의 최대주파수를 상한으로 하는 주파수범위를 상기 제 2주파수범위로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM 제어신호 생성방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제 2주파수범위를 결정하는 단계는, 상기 모터 소음 측청치가 상기 기준치를 초과하는 경우, 상기 제어부가 상기 하한주파수를 기 설정된 값만큼 상향 조정하여, 상기 상향 조정된 하한주파수에 대응되는 상기 모터 소음 측청치가 상기 기준치 이하인지 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM 제어신호 생성방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 듀티 별 제어오차를 평가하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 단계는,
    상기 제어부가, 상기 제 2주파수범위에서 후보주파수를 선정하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 후보주파수의 PWM 제어신호로 상기 모터 제어시 발생되는 듀티 별 제어오차를 측정하는 단계; 및
    상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 단계를 포함하되,
    상기 듀티 별 제어오차는, 해당 듀티로 설정되어 상기 모터구동 소자에 입력되는 입력신호의 듀티와, 상기 입력신호에 응답하여 상기 모터구동 소자에서 출력되는 출력신호의 듀티의 차이인 것을 특징으로 하는 PWM 제어신호 생성방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 단계는,
    상기 제어부가, 상기 입력신호에 설정되는 듀티의 변화에 따라, 상기 듀티 별 제어오차가 변화하는 오차증가구간과 상기 듀티 별 제어오차가 일정한 오차균일구간으로 구분하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 오차증가구간에 해당하는 듀티범위가 상기 모터 제어에 사용되는 듀티범위에 포함되는지 확인하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 오차증가구간에 해당하는 듀티범위가 상기 모터 제어에 사용되는 듀티범위에 포함되고 상기 오차증가구간의 오차와 상기 오차균일구간의 오차가 허용오차 이내인 경우, 및 상기 오차증가구간에 해당하는 듀티범위가 상기 모터 제어에 사용되는 듀티범위에 포함되지 않고 상기 오차균일구간의 오차가 허용오차 이내인 경우 중 어느 하나에 해당하면 상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내라고 판단하는 단계; 및
    상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내라고 판단된 경우, 상기 후보주파수를 PWM 제어신호의 최종주파수로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM 제어신호 생성방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내라고 판단된 경우, 최소제어시간과 최소듀티시간을 비교하여 상기 최소제어시간이 상기 최소듀티시간보다 짧다고 판단된 경우에만 상기 후보주파수를 PWM 제어신호의 최종주파수로 결정하되,
    상기 최소제어시간은 상기 제어부에서 생성할 수 있는 최소 펄스에 해당하는 시간이고, 상기 최소듀티시간은 상기 후보주파수의 PWM 제어신호로 상기 모터 제어시 사용되는 최소 듀티에 해당하는 시간인 것을 특징으로 하는 PWM 제어신호 생성방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 최소제어시간이 상기 최소듀티시간보다 길다고 판단된 경우, 상기 후보주파수를 기 설정된 값만큼 하향 조정하여 듀티 별 제어오차를 다시 측정하고, 상기 다시 측정된 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하며, 최소제어시간과 최소듀티시간을 비교하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 것을 특징으로 하는 PWM 제어신호 생성방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 기 설정된 값만큼 하향 조정된 후보주파수가 상기 제 2주파수범위에 포함되지 않는 경우, 기 설정된 허용오차를 변경하고, 상기 제 2주파수범위에서 후보주파수를 재선정하여 듀티 별 제어오차를 다시 측정하며, 상기 다시 측정된 듀티 별 제어오차가 상기 변경된 허용오차 이내인지 판단하고, 최소제어시간과 최소듀티시간을 비교하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 것을 특징으로 하는 PWM 제어신호 생성방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 단계는, 상기 제어부가, 상기 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내가 아니라고 판단된 경우, 상기 후보주파수를 기 설정된 값만큼 하향 조정하여 듀티 별 제어오차를 다시 측정하고, 상기 다시 측정된 듀티 별 제어오차가 기 설정된 허용오차 이내인지 판단하여 PWM 제어신호의 최종주파수를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM 제어신호 생성방법.
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