KR101987460B1 - 연료펌프 모터 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

Abstract

연료펌프 모터 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 연료펌프에 구비된 모터에 마련되는 로터의 위치를 검출하는 로터 위치 검출부, 차량의 메인 제어부로부터 수신된 단 입력신호에 대응되는 목표 출력과 상기 모터의 현재 출력에 기초해서 상기 모터를 BLAC 제어 방법에 기반해서 과변조 제어 방식으로 구동하도록 제어신호를 발생하는 제어부 및 상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 모터를 구동하는 모터 구동부를 포함하고, 연료펌프에 용적형 펌프에 비해 토크 리플에 대한 소음 저감 효과를 갖는 터빈 펌프를 적용하고, BLDC 제어방식으로 연료펌프 모터의 구동을 제어하고, 목표 출력이 모터 출력을 초과하는 경우 과변조 제어 방식을 적용해서 모터의 구동을 제어함으로써, 연료펌프 구동시 출력 저하를 방지하고, 소음을 효과적으로 저감할 수 있다.

Description

연료펌프 모터 제어장치 및 제어방법{FUEL PUMP MOTOR CONTROL APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 연료펌프 모터 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진에 연료를 공급하는 연료펌프용 모터의 구동을 제어하는 연료펌프 모터 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas, 이하 '엘피지'라 함)는 냉각이나 가압에 의해 쉽게 액화하고 반대로 가열이나 감압에 의해 기화하는 특성을 가짐에 따라, 보통 가압(액화)된 상태로 고압 용기에 저장되어 기타 가스에 비해 취급이 쉬우며 발열량이 높다.

종래에는 상기 엘피지를 연료로 하는 차량에서 액화되어 있는 가스를 엔진에 기체 상태로 공기와 함께 유입시켜 엔진의 연소실에서 착화될 수 있도록 구성하였으나, 이러한 방식은 기동성이 떨어지고 압력조절에 의한 분사방식으로 출력이 저하된다는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 최근에는 용기에 액화 저장되어 있는 가스를 가솔린 엔진과 동일한 방법으로, 연료탱크에서 공급되는 액화 가스를 그대로 인젝터까지 분사하도록 구성한 엘피아이(Liqufid Petroleum Injection, 액상 연료 분사) 엔진을 사용하여 기동성을 높이고 출력부분을 개선하였다.

예를 들어, 본 출원인은 하기의 특허문헌 1 내지 특허문헌 2 등 다수에 엘피아이 시스템 및 그에 적용되는 연료펌프 모터 구동 기술을 개시하여 특허 출원해서 등록받은 바 있다.

한편, 연료펌프를 구동시켜 주는 모터는 높은 효율과 장 수명 및 신뢰성 확보를 위하여 브러시리스 직류모터(Brushless DC Motor, 이하 'BLDC 모터'라 함)를 이용하며, 특히 센서가 없는(sensorless) BLDC 모터를 사용하는 것이 일반적이다.

그리고 종래기술에 따른 엘피아이 시스템은 액체 연료를 인젝터에서 그대로 분사하기 때문에, 연료펌프를 용적형 펌프로 마련하고, 연료펌프에 적용된 BLDC 모터를 제어하는 모터 드라이버가 연료탱크 내부에 장착된다.

상기 모터 드라이버는 차량의 ECU에서 PWM 신호를 받아 모터 속도와 비교하여 모터의 현재 RPM을 체크하고, 내부의 설정된 프로그램에 따라 모터 RPM을 5단계, 예컨대 1단: 500RPM, 2단: 1000RPM, 3단: 1500RPM, 4단: 2000RPM, 5단: 2800RPM로 조절하여 연료유량을 조절한다.

대한민국 특허 등록번호 제10-1094882호(2011년 12월 15일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1021108호(2011년 3월 14일 공고)

그러나 종래기술에 따른 엘피아이 시스템은 연료펌프에 용적형 펌프를 적용하고, BLDC 제어 방식으로 연료펌프에 적용되는 모터의 구동을 제어함에 따라, 연료펌프 구동시 지속적으로 소음이 발생한다.

이러한 연료펌프 구동시 발생하는 소음의 주된 원인은 펌프의 플랜지와 모터의 샤프트의 충돌과 BLDC 모터 제어시 토크 리플이다.

이와 같이, 연료펌프에서 발생하는 소음을 개선하기 위해, 펌프부에 흡음재 또는 차음재를 부착하는 방안이 이용되었으나, 이는 제품의 제조비용을 상승시키고, 작업성을 저하시키는 문제점이 있었다.

그리고 종래기술에 따른 엘피아이 시스템은 모터 드라이버에서 BLDC 제어 방식으로 모터의 역기전력을 측정하고, 측정된 역기전력에 기초해서 로터의 위치를 예측해서 예측된 로터의 위치에 따라 3상 전류를 제어하여 모터를 구동한다.

이와 같은 모터 제어방법의 개선만으로는 용적형 펌프에서 발생하는 소음을 저감하기에는 한계가 있다.

한편, 터빈 펌프는 용적형 펌프에 비해 소음이 적고, BLAC 제어 방식으로 구동하는 경우, BLDC 제어 방식으로 구동하는 경우에 비해 소음 저감 효과를 얻을 수 있다.

반면, BLAC 제어 방식으로 터빈 펌프를 구동하는 경우, BLDC 제어 방식으로 구동하는 경우에 비해 소음은 저감되나, 최대 출력이 저하될 수 있다.

따라서 연료펌프에 용적형 펌프 대신에 터빈 펌프를 적용하고, BLAC 제어 방식으로 연료펌프를 구동하며, 목표 출력이 최대 출력보다 높은 경우 과변조 제어해서 출력을 높일 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.

또한, 종래기술에 따른 엘피아이 시스템은 모터 제어를 위한 3상 전류를 감지하기 위해 2개의 전류 센서 또는 3개의 션트 저항을 이용함에 따라, 제조 비용이 상승하는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 연료 펌프를 구동해서 액체 상태의 연료를 고압 상태로 엔진에 공급하는 연료펌프 모터 제어장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 연료펌프 구동시 발생하는 소음 중에서 큰 비율을 차지하는 토크 리플에 대한 소음을 저감할 수 있는 연료펌프 모터 제어장치 및 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 연료펌프 구동시 목표 출력에 따라 과변조 제어해서 출력을 높일 수 있는 연료펌프 모터 제어장치 및 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 1개의 션트 저항을 이용해서 3상 전류를 감지하고, 감지 결과에 기초해서 과변조 제어가 가능한 연료펌프 모터 제어장치 및 제어방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료펌프 모터 제어장치는 연료펌프에 구비된 모터에 마련되는 로터의 위치를 검출하는 로터 위치 검출부, 차량의 메인 제어부로부터 수신된 단 입력신호에 대응되는 목표 출력과 상기 모터의 현재 출력에 기초해서 상기 모터를 BLAC 제어 방법에 기반해서 과변조 제어 방식으로 구동하도록 제어신호를 발생하는 제어부 및 상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 모터를 구동하는 모터 구동부를 포함하고, 상기 연료펌프는 터빈 펌프로 마련되는 것을 특징으로 한다.

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또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료펌프 모터 제어방법은 (a) 차량의 메인 제어부로부터 터빈 펌프가 적용된 연료펌프에 구비되는 모터를 구동하고자 하는 목표 출력에 대응되는 단 입력신호를 수신받는 단계, (b) 로터 위치 검출부를 이용해서 상기 모터에 마련된 로터의 위치를 검출하는 단계, (c) 제어부에서 상기 목표 출력과 상기 모터의 현재 출력에 기초해서 상기 모터를 BLAC 제어 방식에 기반해서 과변조 제어방식으로 제어신호를 발생하는 단계 및 (d) 모터 구동부에서 상기 제어신호에 기초해서 상기 모터를 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료펌프 모터 제어장치 및 제어방법에 의하면, 연료펌프에 용적형 펌프에 비해 토크 리플에 대한 소음 저감 효과를 갖는 터빈 펌프를 적용하고, BLDC 제어방식으로 연료펌프 모터의 구동을 제어할 수 있다는 효과가 얻어진다.

그리고, 본 발명에 의하면, 목표 출력이 모터 출력을 초과하는 경우 과변조 제어 방식을 적용해서 모터의 구동을 제어함으로써, 연료펌프 구동시 출력 저하를 방지하고, 소음을 효과적으로 저감할 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1은 연료펌프에 터빈 펌프 적용시 소음을 측정한 결과 그래프,
도 2는 최대 출력을 측정한 결과 그래프,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 제어장치의 구성도,
도 4는 모터의 최대 출력과 목표 출력에 따른 과변조 제어방법을 설명하는 그래프,
도 5는 모터 구동부의 상세 구성도,
도 6은 모터 구동부의 회로 구성을 예시한 도면,
도 7은 하나의 션트 저항을 이용해서 전류 측정이 불가능한 구간을 보인 도면,
도 8은 SVPWM 신호의 두 주기 당 한 번의 전류 검출 방법을 설명하는 도면,
도 9는 오프셋 주입법을 이용한 전류 검출 방법을 설명하는 도면,
도 10은 제로 벡터 주입법을 이용한 전류 검출 방법을 설명하는 도면,
도 11은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 제어장치의 제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도,
도 12는 SVPWM 신호와 과변조 영역을 보인 도면,
도 13은 지령 전압 크기별 전압, 전류 파형 그래프,
도 14는 과변조 기법에 따른 선형성 비교 그래프,
도 15는 볼로냐니 과변조 기법을 설명하는 도면,
도 16은 SVPWM 신호의 섹터 1 영역에서 이루어지는 과변조를 설명하는 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 제어장치 및 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 실시 예에서는 엘피아이 시스템에 적용되는 연료펌프용 모터(이하 '연료펌프 모터'라 약칭함)를 이용하여 설명하기로 한다.

상기 엘피아이 시스템은 가스 연료 차량의 연비를 개선하기 위해 개발된 가스 연료 시스템으로서, 액체 상태의 가스 연료를 엔진에 공급하고, 엔진에서 분사되고 남은 가스 연료를 다시 봄베로 회수하도록 구성된다.

그러나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 엘피아이 시스템이나 엘피디아이 시스템과 같이 액체 상태의 가스 연료를 엔진에 공급하는 가스 연료 공급시스템뿐만 아니라, 가솔린이나 디젤 직접분사 시스템과 같이 다양한 연료 공급시스템에 적용되도록 변경될 수 있음에 유의하여야 한다.

본 발명에 따른 연료펌프 모터 제어장치는 연료펌프에 용적형 펌프에 비해 토크 리플에 대한 소음 저감 효과를 갖는 터빈 펌프를 적용하고, BLAC 제어방식으로 연료펌프 모터를 구동하며, 목표 출력이 최대 출력을 초과하는 경우 과변조 제어를 통해 모터 출력을 높이도록 제어한다.

도 1은 연료펌프에 터빈 펌프 적용시 소음을 측정한 결과 그래프이고, 도 2는 최대 출력을 측정한 결과 그래프이다.

도 1에는 터빈 펌프가 적용된 연료펌프 모터를 BLDC 제어방식과 BLAC 제어방식으로 1단 및 3단으로 구동시 측정된 소음이 도시되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 터빈 펌프가 적용된 연료펌프(12)는 BLAC 제어 방식으로 구동하는 경우, BLDC 제어 방식으로 구동하는 경우에 비해 소음 저감 효과를 확인할 수 있다.

도 2에는 터빈 펌프가 적용된 연료펌프 모터를 BLDC 제어방식과 BLAC 제어방식으로 구동시 측정된 최대 출력이 도시되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 터빈 펌프가 적용된 연료펌프(12)는 BLAC 제어 방식으로 구동하는 경우, BLDC 제어 방식으로 구동하는 경우에 비해 최대 출력이 저하됨을 확인할 수 있다.

따라서 본 발명은 BLAC 제어 방식으로 모터의 구동을 제어하고, 모터를 구동하자 하는 목표 출력이 최대 출력을 초과하는 5단인 경우에는 과변조 제어를 통해 모터의 출력을 높이도록 제어한다.

예를 들어, 모터 출력은 1단: 2800RPM, 2단: 3500RPM, 3단: 4200RPM, 4단: 4700RPM, 5단: 5200RPM의 5단계로 설정될 수 있다.

물론, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 연료펌프의 규격 및 연료 공급시스템의 규격에 따라 각 단의 RPM을 변경하거나, 전체 단수를 4단 이하 또는 6단 이상으로 변경해서 연료유량을 조절할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 용적형 펌프에 비해 토크 리플에 대한 소음 저감 효과를 갖는 터빈 펌프를 연료펌프에 적용하고, BLAC 제어방식을 기반으로 자속 기준 제어(Field-Oriented Control, FOC)를 통해 모터를 구동하며, 목표 출력이 최대 출력을 초과하는 경우, 과변조 제어를 통해 모터 출력을 높이도록 제어할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 연료펌프 구동시 발생하는 소음을 효과적으로 저감할 수 있다.

다음, 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 에에 따른 연료펌프 모터 제어장치의 구성을 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 제어장치의 구성도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 제어장치가 적용된 엘피아이 시스템(10)은 도 3에 도시된 바와 같이, 봄베에 저장된 연료를 펌핑하는 연료펌프(12), 차량의 주행 상태에 기초하여 엔진에 공급되는 연료의 목표 출력을 산출하는 메인 제어부(11), 메인 제어부(11)와 통신을 수행하여 메인 제어부(11)로부터 수신된 목표 출력과 연료펌프(12)에 구비된 모터(13)의 현재 출력을 비교하고 비교 결과에 따라 모터(13)의 구동을 제어하는 연료펌프 모터 제어장치(20), 연료펌프(12)에 의해 펌핑되어 공급되는 연료를 미리 설정된 고압으로 가압하는 고압펌프(14), 고압으로 가압된 연료를 엔진의 실린더 내부에 분사하는 인젝터(15) 및 차량의 가속상태를 감지하는 가속상태 감지부(16)를 포함할 수 있다.

메인 제어부(11)는 차량의 주행 상태에 기초해서 엔진에 공급되는 연료의 유량을 조절하도록 모터(13)의 목표 출력, 즉 목표 RPM에 대응되는 단 입력신호를 연료펌프 모터 제어장치(10)의 제어부(21)로 전달할 수 있다.

가속상태 감지부(16)는 운전자의 가속페달 조작시 가속페달의 각도를 감지하는 가속페달센서(AccelerationPedal Sensor)로 구비되고, 상기 가속페달센서는 가속페달의 각도를 감지한 가속상태 감지신호를 메인제어부(11)로 전달한다.

여기서, 연료펌프(12)는 용적형 펌프에 비해 토크 리플에 대한 소음 저감 효과를 갖는 터빈 펌프로 마련되고, 연료펌프 모터(이하 '모터'라 약칭함)(13)는 센서가 없는(sensorless) BLDC 모터로 마련될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 제어장치(20)는 모터(13)에 마련된 로터의 위치를 검출하는 로터 위치 검출부(22), 차량의 메인 제어부(11)로부터 수신된 단 입력신호에 대응되는 목표 출력과 연료펌프(12)에 구비된 모터(13)의 현재 출력을 비교하고 비교 결과에 따라 모터(13)를 구동하도록 제어신호를 발생하는 제어부(21) 및 제어부(21)의 제어신호에 따라 모터(13)를 구동하는 모터 구동부(23)를 포함할 수 있다.

로터 위치 검출부(22)는 모터(13)의 각 상의 역기전력을 이용해서 로터의 위치를 검출하고, 제어부(21)는 로터 위치 검출부(22)에서 검출된 결과를 이용해서 모터(13)의 현재 출력, 즉 현재 RPM을 판단할 수 있다.

모터 구동부(23)는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, 이하 'FET'라 함) 소자를 이용하여 3상 풀 브리지(3-Phase FullBridge) 방식으로 이루어지며, 모터(13)에 인가되는 공급전원을 스위칭한다.

모터 구동부(23)의 구성은 아래에서 도 4 및 도 5를 참조하여 상세하게 설명한다.

제어부(21)는 모터(13)를 미리 설정된 복수의 단, 예컨대 5단 중에서 어느 하나의 단에 대응되는 모터 출력, 즉 RPM으로 구동하도록, 메인제어부(11)로부터 단 입력신호를 수신하고, 수신된 단 입력신호에 따라 BLAC 제어 방식으로 모터(13)를 구동하도록 제어신호를 발생한다.

즉, 제어부(21)는 수신된 단 입력신호에 대응되는 목표 RPM이 1단 내지 4단에 대응되는 경우 정현파 형태의 제어신호를 발생해서 BLAC 제어방식의 자속 기준 제어를 통해 모터(13)를 구동하고, 상기 목표 RPM이 모터의 최대 출력을 초과하는 경우, 예컨대 5단에 대응되는 경우 과변조 제어를 통해 모터(13)의 구동을 제어한다.

이를 위해, 제어부(21)는 목표 RPM이 5단인지를 검사하는 검사부(31), 현재 모터(13)의 출력, 즉 RPM과 미리 설정된 최고단의 이전단, 즉 4단 RPM을 비교하는 비교부(32), 비교부(32)의 비교결과에 따라 BLAC 제어방식의 자속 기준 제어 또는 과변조 제어방식으로 모터(13)를 구동하도록 모터 제어방식을 절환하는 절환부(33) 및 절환된 모터 제어방식에 따라 제어신호를 발생하는 신호발생부(34)를 포함할 수 있다.

절환부(33)는 목표 RPM이 5단에서 1단 내지 4단 또는 1단 내지 4단에서 5단으로 변경하는 경우, 현재 RPM이 4단 RPM에 도달하면 모터 제어방식을 절환할 수 있다.

도 4는 모터의 최대 출력과 목표 출력에 따른 과변조 제어방법을 설명하는 그래프이다.

제어부(21)는 도 4에 도시된 바와 같이, 목표 RPM이 모터의 최대 출력, 즉 5단에 대응되는 RPM 이상으로 변경, 즉 상승하기 이전에는 자속 기준 제어를 통해 모터(13)의 구동을 제어한다.

그리고 제어부(21)는 목표 RPM이 5단에 대응되는 RPM 이상으로 상승하면, 과변조 제어를 통해 모터(13)의 RPM을 상승시켜 과변조 영역으로 진입하도록 모터(13)의 구동을 제어한다.

이어서, 제어부(21)는 목표 RPM이 5단에 대응되는 RPM 이하로 변경, 즉 하강하면, 다시 자속 기준 제어를 통해 모터(13)의 구동을 제어한다.

도 5 및 도 6을 참조해서 모터 구동부의 구성 및 모터 구동부에서 전류를 측정하는 방법을 상세하게 설명한다.

도 5는 모터 구동부의 상세 구성도이고, 도 6은 모터 구동부의 회로 구성을 예시한 도면이다.

모터 구동부(23)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 각각 3개의 FET(또는 MOSFET) 소자(S_a 내지 S_c,

내지

)를 이용해 3상 풀 브리지 회로를 구성하는 제1 및 제2 스위칭부(41,42)를 포함하는 인버터 회로로 구성될 수 있다.

여기서, 제2 스위칭부(42)와 기저전위라인(GND) 사이에는 상 전류를 측정하기 위한 하나의 션트 저항(43)이 연결되고, 제1 및 제2 스위칭부(41,42)를 포함하는 인버터를 구동하는 컨트롤러(45), 즉 모터 드라이버와 션트 저항(43)사이에는 전압 증폭단(44)이 마련될 수 있다.

이와 같이 구성되는 모터 구동부(43)에 하나의 션트 저항(43)을 적용해서 모터의 3상 전류를 측정할 수 있다.

도 7 내지 도 10을 참조하여 전류 측정 방법을 상세하게 설명한다.

도 7은 하나의 션트 저항을 이용해서 전류 측정이 불가능한 구간을 보인 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 기저전위라인과 션트 저항(43)의 전압 차를 통해 모터(13)에 흐르는 전류를 측정하는 경우, 한 상의 전류를 측정하기 위해서는 측정하고자 하는 상과 나머지 두 상의 PWM 스위칭 상태가 반대여야 한다. 그리고 두 상의 전류가 검출되면, 나머지 한상의 전류는 ia + ib + ic = 0의 공식에 대입하여 계산할 수 있다.

도 7의 (a)에 도시된 PWM 파형은 V1의 스위칭 상태를 나타내며, A상의 전류를 측정할 시간(T₁)은 충분하나, B상 혹은 C상의 전류를 측정하기 위한 시간(T₂)은 불충분하다.

이와 같은 현상으로 인해, 전기각 1회 구동 시 V₁ 내지 V₆까지 6번의 검출 불가 구간이 발생한다.

그리고 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 모터에 인가되는 전류의 크기가 작을 때 전류 검출이 불가능한 구간이 발생한다.

즉, 모터(13)에 인가하는 전류의 크기가 작을수록, 공간 벡터 PWM(SVPWM) 신호의 스위칭 온(On) 주기는 작아지게 되고, 이로 인해 A, B, C의 상전류를 측정할 시간(T₁, T₂)가 충분하지 않아 상전류 검출이 불가능하다.

이러한 문제점을 해소하기 위해, 본 실시 예에서는 아래의 3가지 기법을 적용한다.

1) SVPWM 신호의 두 주기 당 한 번의 전류 검출

도 8은 SVPWM 신호의 두 주기 당 한 번의 전류 검출 방법을 설명하는 도면이다.

도 8의 (a)와 같이 전류 B,C 상의 전류를 검출하기 위한 시간이 부족하다.

이를 해결하기 위해, SVPWM 신호의 한 주기당 2번의 전류 검출하는 것을 SVPWM 신호의 두 주기 당 두 번 전류를 측정하도록 변경한다.

즉, B와 C의 PWM 신호 주기는 동일하며, 이를 Seq-A에서는 B상 PWM 신호의 주기를 소폭 감소시키고, C상 PWM 신호의 주기를 소폭 증가시키며, 반대로 Seq-B에서는 B상 PWM 신호의 주기를 소폭 증가시키고, C상 PWM 신호의 주기를 소폭 감소 시킨다.

이를 통해, Seq-A와 같이 C상의 전류 측정 시간과 A상의 전류 측정 시간을 확보할 수 있으며, 도 8의 (b)에 도시된 Seq-A와 Seq-B의 A, B, C상의 PWM 신호에서 온, 오프 비율은 도 8의 (a)와 동일하다.

2) 오프셋(Offset) 주입법

도 9는 오프셋 주입법을 이용한 전류 검출 방법을 설명하는 도면이다.

상기 오프셋 주입법은 도 9의 (a)와 같이 측정이 불가능한 상, 즉 C 상에 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 오프셋을 주입하여 측정 불가능한 상의 PWM 신호를 좌우로 이동시키는 방법이다. 이를 통해, B상의 전류 측정 시간과 C상의 전류 측정 시간을 확보할 수 있다.

3) 제로 벡터(Zero Vector) 주입법

도 10은 제로 벡터 주입법을 이용한 전류 검출 방법을 설명하는 도면이다.

도 10의 (a)와 같이 전류 측정 불가능한 두 상(B상, C상) 중에서 하나의 상에 제로 벡터를 주입해서 전류를 검출할 수 있다.

본 실시 예에서는 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, C상 PWM 신호에 제로 벡터를 주입함으로써, C상 전류 측정 시간과 A상의 전류 측정 시간을 확보할 수 있다.

다음, 도 11을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 제어장치의 제어방법을 상세하게 설명한다.

도 11은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료펌프 모터 제어장치의 제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도이다.

도 11의 S10단계에서 차량의 이그니션 키(도면 미도시)가 온 또는 스타트 조작되어 전원이 공급되면, 연료펌프 모터 구동장치(20)는 연료펌프(12)에 마련된 모터(13)를 구동해서 연료를 펌핑하여 연료공급라인(S)을 통해 엔진에 공급한다(S12).

특히, 엔진이 시동되면, 가속상태 감지부(16)는 차량의 가속상태를 감지하고, 감지된 가속상태 감지신호를 메인 제어부(11)로 전달한다(S14).

그러면, 메인 제어부(11)는 상기 가속상태에 기초해서 연료펌프 모터의 목표 출력을 설정하고, 연료펌프 모터 구동장치(20)의 제어부(21)는 메인 제어부(11)로부터 목표 출력에 대응되는 단 입력신호를 수신한다(S16).

이때, 로터 위치 검출부(21)는 모터(13)의 각 상의 역기전력을 이용해서 로터의 위치를 검출하고(S18), 제어부(21)는 로터 위치 검출부(22)에서 검출된 결과를 이용해서 모터(13)의 현재 출력, 즉 현재 RPM을 판단할 수 있다.

그러면, S20단계에서 제어부(21)에 마련된 검사부(31)는 수신된 단 입력신호에 대응되는 목표 출력, 즉 목표 RPM이 5단인지를 검사한다.

S20단계의 검사결과 목표 RPM이 5단이면, S22단계에서 비교부(32)는 현재 모터(13)가 구동되는 현재 RPM과 미리 설정된 최고단 보다 낮은 이전단, 즉 4단 RPM을 비교한다.

만약, S22단계의 비교결과 현재 RPM이 4단 RPM을 초과하면, 절환부(33)는 BLAC 제어 방식에 기초한 자속 기준 제어 방식에서 과변조 제어방식으로 절환한다.

이때, 제어부(21)는 모터 구동부(23)에 마련된 션트 저항(43)을 이용해서 측정하고자 하는 상과 나머지 두 상의 PWM 스위칭 상태가 반대인 시점에 상 전류를 측정한다.

그래서 S24단계에서 신호 발생부(34)는 BLAC 제어 방식에 기반해서 과변조 제어를 통해 모터(13)를 구동하도록 구형파 형태의 제어신호를 발생한다. 이때, 신호발생부(34)는 PWM 제어신호의 듀티값을 설정하고, 설정된 듀티값의 PWM 제어신호를 발생해서 모터 구동부(23)로 전달한다.

도 12 내지 도 16을 참조하여 과변조 제어 방법을 상세하게 설명한다.

도 12는 SVPWM 신호와 과변조 영역을 보인 도면이다.

도 12에는 SVPWM 스위칭 기법을 통해 출력 가능한 전압을 표현한 육각 형상의 과변조 영역과 과변조를 적용하지 않은 BLAC 제어 시 최대 전압 지령의 내접원이 도시되어 있다.

여기서, BLAC 제어 방법에 과변조 제어를 적용하면 도 12에 도시된 육각 형상의 과변조 영역만큼 출력 전압을 확장시킬 수 있다.

이와 같은 과변조 제어는 지령 전압(V^*)이

의 조건을 만족하는 경우에 발생하고, 과변조 전압 출력 영역은 도 12에 도시된 육각 형상으로 표현될 수 있다.

도 13은 지령 전압 크기별 전압, 전류 파형 그래프이고, 도 14는 과변조 기법에 따른 선형성 비교 그래프이다.

도 13의 (a) 내지 (c)에는 각각 0 내지 1/

구간과

내지 2/3Vdc구간, 2/3Vdc의 전압 및 전류 파형이 도시되어 있다.

도 13에 도시된 바와 같이, 지령 전압이 증가함에 따라 전압 및 전류는 BLDC와 근접하며, 출력 전압이 증가하여 출력 토크도 증가하고, 토크리플의 발생이 증가함에 따라 소음도 증가한다.

그러나 모터 제어에 과변조가 적용되어 토크리플에 의한 소음이 발생하는 경우, 자동차가 고속 혹은 엔진의 고토크 주행 중일 경우이다. 따라서 상기 상태에서 모터(13)의 구동 소음은 자동차의 타 소음에 비해 상대적으로 적은 편이다.

따라서 본 실시 예에서는 모터 구동부(23)에 볼로냐니(Bolognani) 과변조 기법을 적용한다.

상기 볼로냐니 기법은 출력하고자 하는 전압이 내접원을 초과하는 경우, 지령 전압을 지령 전압과 육각 형상의 과변조 영역이 인접한 교점으로 변조하는 방식이다.

이러한 볼로냐니 기법은 동일위상 과변조 기법(Minimum Phase Error PWM Mothod, MPEPM) 혹은 최소거리 과변조 기법(Minimum Magnitude Error PMW Method, MMEPM)과 같은 타 과변조 기법에 비해 과변조 구간에서 도 14와 같이 선형성을 가진다.

이러한 볼로냐니 과변조 기법은 섹터별로 전압 제한 크기와 비교하여 과변조를 실행한다.

도 15는 볼로냐니 과변조 기법을 설명하는 도면이다.

만약, 도 15에 도시된 바와 같이 출력하고자 하는 지령 전압이 과변조 전압 출력 영역일 경우, 지령 전압의 크기를 출력할 수 있는 각(α, 유지각)에서 전압을 출력시킨다. 이때, 출력 지령의 크기는 같으나, 위상은 틀어지게 된다.

BLAC 제어는 출력 지령이 커질수록 BLDC 6-스텝 운전과 유사해진다.

도 16은 SVPWM 신호의 섹터 1 영역에서 이루어지는 과변조를 설명하는 도면이다.

도 16에서 지령 전압(V^*)은 시계 반대 방향으로 회전하고, 전압의 양은 동일하며, 이 값은 상기한

의 조건을 만족한다.

도 16의 (a)에서 지령 전압(V^*)은 내접원과 육각 형상의 과변조 영역 사이에 있다. 이때, SVPWM 신호의 과변조 영역 내에 지령 전압(V^*)이 있으므로, 지령 전압에 대한 유지각 변조를 적용하지 않는다.

도 16의 (b)에서 지령 전압(V^*)은 육각 형상의 과변조 영역을 초과하고, SVPWM 신호로 이 지령 전압(V^*)을 구동 할 수 없다. 이러한 경우에는 유지각을 적용하여 지령 전압원과, 인버터 최대 전압 육각 형상의 과변조 영역이 만나는 점 중 근접한 곳으로 지령 전압(V^*)의 각을 이동 시키며, 이때 전압량은 동일하다.

도 16의 (c)에서도 도 16의 (b)와 유사하며, 동일한 하나의 지령 전압원과 SVPWM 신호의 육각 형상의 과변조 영역이 접하는 점 중 가장 가까운 점이 도 16의 (b)와 다르게 전압 지령 방향의 앞에 존재한다. 따라서 유지각은 전압 지령에 대비해 진각되어 형성되며, 유지각으로 지령 전압(V^*)을 발생시킨다.

도 16의 (d)에서는 도 16의 (a)와 동일하게 유지각이 적용되지 않으며, 지령 전압으로 전압을 발생시킨다.

이와 같이, 본 발명은 목표 출력이 모터 출력을 초과하는 경우, 블로냐니 과변조 기법을 적용해서 과변조 구간에서 선형성을 가지도록 과변조 제어할 수 있다.

반면, S22단계의 비교결과 현재 RPM이 4단 RPM 이하이면, 제어부(21)는 S16단계로 진행해서 이후 과정을 반복 수행한다.

한편, S20단계의 검사결과, 목표 RPM이 5단이 아닌 경우, 즉 1단 내지 4단이면, S30단계에서 비교부(32)는 현재 모터(13)가 구동되는 현재 RPM과 미리 설정된 최고단의 이전단, 즉 4단 RPM을 비교한다.

S30단계의 비교결과 현재 RPM이 4단 RPM 이하이면, 절환부(33)는 과변조 제어에서 자속 기준 제어 방식으로 절환한다(S32).

그래서 신호 발생부(34)는 자속 기준 제어 방식으로 모터(13)를 구동하도록 정형파 형태의 제어신호를 발생한다.

한편, S30단계의 비교결과 현재 RPM이 4단 RPM을 초과하면, 제어부(21)는 S16단계로 진행해서 이후 과정을 반복 수행한다.

상기한 바와 같이 S26단계 또는 S32단계를 수행한 후, 모터 구동부(23)는 신호발생부(34)에서 수신된 제어신호에 따라 BLDC 제어방식에 기반한 자속 기준 제어 또는 과변조 제어를 통해 모터(13)를 구동한다(S40).

이와 같이, 본 발명은 차량의 메인 제어부로부터 수신된 연료펌프의 단 입력신호에 따라 연료펌프 모터를 BLDC 제어방식의 자속 기준 제어 또는 과변조 제어 방식으로 구동할 수 있다.

즉, 본 발명은 BLAC 제어방식으로 모터 구동시 BLDC 제어방식에 비해 모터 출력이 저하되는 단에서는 과변조 제어 방식으로 모터를 구동해서 모터 출력 저하를 방지할 수 있다.

S42단계에서 제어부(21)는 이그니션 키가 오프 조작되어 전원 공급이 중지되는지를 검사하고, 전원 공급이 중지될 때까지 S12단계 내지 S42단계를 반복 수행하도록 제어한다.

만약, S42단계의 검사결과 전원 공급이 중지되면, 제어부(21)는 연료펌프 모터 구동장치(20)의 구동을 중지하고 종료한다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 연료펌프에 용적형 펌프에 비해 토크 리플에 대한 소음 저감 효과를 갖는 터빈 펌프를 적용하고, 목표 출력에 따라 BLAC 제어방식을 기반으로 과변조 제어 방식을 선택적으로 적용해서 연료펌프 모터의 구동을 제어한다.

이에 따라, 본 발명은 연료펌프 구동시 출력 저하를 방지하고, 소음을 효과적으로 저감할 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

즉, 상기의 실시 예에서는 엘피아이 시스템에 적용되는 연료펌프용 모터를 이용해서 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 엘피아이 시스템이나 엘피디아이 시스템과 같이 액체 상태의 가스 연료를 엔진에 공급하는 가스 연료 공급시스템뿐만 아니라, 가솔린이나 디젤 직접분사 시스템과 같이 다양한 연료 공급시스템에 적용되도록 변경될 수 있다.

그리고 상기 실시 예에서는 연료펌프에 센서리스 BLDC 모터가 적용되는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 홀센서가 적용된 BLDC 모터를 적용하도록 변경될 수도 있다.

또한, 상기의 실시 예에서는 목표 출력과 4단 RPM을 비교한 결과에 따라 모터 제어 방식을 절환하는 것을 설명하였으나, 본 발명은 BLAC 제어 방식으로 구동시 모터의 최대 출력이 BLDC 제어 방식으로 구동하는 경우에 비해 저하되는 기준단보다 낮은 이전단을 기준으로 모터 제어 방식을 절환하도록 변경될 수 있다.

본 발명은 은 연료펌프 구동시 출력 저하를 방지하고, 소음을 효과적으로 저감하는 연료펌프 모터 제어장치 및 제어방법 기술에 적용된다.

10: 엘피아이 시스템
11: 메인 제어부 12: 연료펌프
13: 모터 14: 고압펌프
15: 인젝터 16: 가속상태 감지부
20: 연료펌프 모터 제어장치
21: 제어부 22: 압력감지부
23: 모터구동부 24: 로터 위치 검출부
31: 검사부 32: 비교부
33: 절환부 34: 신호발생부
41,42: 제1,제2 스위칭부 43: 션트 저항
44: 전압 증폭단 45: 컨트롤러

Claims (11)

1. 연료펌프에 구비된 모터에 마련되는 로터의 위치를 검출하는 로터 위치 검출부,
   차량의 메인 제어부로부터 수신된 단 입력신호에 대응되는 목표 출력과 상기 모터의 현재 출력에 기초해서 상기 모터를 BLAC 제어 방식에 기반해서 과변조 제어 방식으로 구동하도록 제어신호를 발생하는 제어부 및
   상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 모터를 구동하는 모터 구동부를 포함하고,
   상기 연료펌프는 터빈 펌프로 마련되며,
   상기 메인 제어부는 상기 모터를 구동하기 위해, 미리 설정된 복수의 단 중에서 차랑의 주행 상태에 대응되는 목표 출력에 대응되도록 어느 하나의 단에 대응되는 상기 단 입력신호를 발생하고,
   상기 제어부는 상기 단 입력신호가 상기 BLAC 제어 방식으로 구동시 상기 모터의 출력이 BLDC 제어방식으로 구동시에 비해 저하되는 기준단에 대응되면, 상기 모터를 상기 BLAC 제어 방식에 기반한 자속 기준 제어방식에서 상기 과변조 제어방식으로 절환하여 구동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료펌프 모터 제어장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
   상기 단 입력신호에 대응되는 목표 RPM이 상기 기준단인지를 검사하는 검사부,
   상기 모터의 현재 RPM과 상기 기준단보다 낮은 이전단 RPM을 비교하는 비교부,
   상기 비교부의 비교결과에 따라 상기 자속 기준 제어방식 또는 상기 과변조 제어방식으로 모터를 구동하도록 모터 제어방식을 절환하는 절환부 및
   상기 절환부에 의해 절환된 모터 제어방식에 따라 상기 제어신호를 발생하는 신호발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료펌프 모터 제어장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 모터 구동부는 각각 3개의 FET 소자를 이용해 3상 풀 브리지 회로를 구성하는 제1 및 제2 스위칭부를 포함하는 인버터 회로로 구성되며,
   상기 제2 스위칭부와 기저전위라인 사이에는 상 전류를 측정하기 위한 하나의 션트 저항이 연결되고,
   상기 제1 및 제2 스위칭부를 포함하는 인버터를 구동하는 컨트롤러와 상기 션트 저항사이에는 전압 증폭단이 마련되는 것을 특징으로 하는 연료펌프 모터 제어장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 모터 구동부는 상기 하나의 션트 저항을 이용해서 전류 측정시, 상기 모터를 구동하기 위한 공간 벡터 PWM 신호의 두 주기당 한 번 전류를 검출하거나, 전류 측정이 불가능한 상에 오프셋을 주입하는 오프셋 주입법 또는 전류 측정이 불가능한 두 상 중에서 하나에 제로 벡터를 주입하는 제로 벡터 주입법을 적용해서 두 상의 전류 측정 시간을 확보하여 두 상의 전류를 측정하는 것을 특징으로 하는 연료펌프 모터 제어장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제어부는 자동차의 과속 주행 또는 엔진의 고토크 주행시에 출력하고자 하는 지령 전압이 내접원을 초과하는 경우, 상기 지령 전압을 상기 지령 전압과 육각 형상의 과변조 영역이 인접한 교점으로 변조하는 볼로냐니 과변조 제어방식을 이용해서 상기 모터의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료펌프 모터 제어장치.
7. 제1항 및 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 연료펌프 모터 제어장치의 제어방법에 있어서,
   (a) 차량의 메인 제어부로부터 터빈 펌프가 적용된 연료펌프에 구비되는 모터를 구동하고자 하는 목표 출력에 대응되는 단 입력신호를 수신받는 단계,
   (b) 로터 위치 검출부를 이용해서 상기 모터에 마련된 로터의 위치를 검출하는 단계,
   (c) 제어부에서 상기 목표 출력과 상기 모터의 현재 출력에 기초해서 상기 모터를 BLAC 제어 방식에 기반해서 과변조 제어방식으로 제어신호를 발생하는 단계 및
   (d) 모터 구동부에서 상기 제어신호에 기초해서 상기 모터를 구동하는 단계를 포함하며,
   상기 (a)단계에서 메인 제어부는 상기 모터를 구동하기 위해, 미리 설정된 복수의 단 중에서 차랑의 주행 상태에 대응되는 목표 출력에 대응되도록 어느 하나의 단에 대응되는 상기 단 입력신호를 발생하고,
   상기 (c)단계에서 제어부는 상기 단 입력신호가 상기 BLAC 제어 방식으로 구동시 상기 모터의 출력이 BLDC 제어방식으로 구동시에 비해 저하되는 기준단에 대응되면, 상기 모터를 상기 BLAC 제어 방식에 기반한 자속 기준 제어방식에서 상기 과변조 제어방식으로 절환하여 구동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료펌프 모터 제어방법.
8. 삭제
9. 제7항에 있어서, 상기 (c)단계는
   (c1) 상기 제어부에 마련된 검사부에서 상기 단 입력신호에 대응되는 목표 RPM이 상기 기준단인지를 검사하는 단계,
   (c2) 비교부에서 상기 모터의 현재 RPM과 상기 기준단보다 낮은 이전단 RPM을 비교하는 단계,
   (c3) 절환부에서 상기 비교부의 비교결과에 따라 상기 BLAC 제어방식에 기반해서 자속 기준 제어방식 또는 상기 과변조 제어방식으로 모터를 구동하도록 모터 제어방식을 절환하는 단계 및
   (c4) 신호발생부에서 상기 절환부에 의해 절환된 모터 제어방식에 따라 상기 제어신호를 발생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료펌프 모터 제어방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 모터 구동부는 상기 모터 구동부에 마련된 하나의 션트 저항을 이용해서 전류 측정시, 상기 모터를 구동하기 위한 공간 벡터 PWM 신호의 두 주기당 한 번 전류를 검출하거나, 전류 측정이 불가능한 상에 오프셋을 주입하는 오프셋 주입법 또는 전류 측정이 불가능한 두 상 중에서 하나에 제로 벡터를 주입하는 제로 벡터 주입법을 적용해서 두 상의 전류 측정 시간을 확보하여 두 상의 전류를 측정하는 것을 특징으로 하는 연료펌프 모터 제어방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는 자동차의 과속 주행 또는 엔진의 고토크 주행시에 출력하고자 하는 지령 전압이 내접원을 초과하는 경우, 상기 지령 전압을 상기 지령 전압과 육각 형상의 과변조 영역이 인접한 교점으로 변조하는 볼로냐니 과변조 제어방식을 이용해서 상기 모터의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료펌프 모터 제어방법.
    

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