KR102098049B1 - 과전류 발생시 모터 구동 전원을 차단하는 eps 제어 장치 및 방법 - Google Patents

과전류 발생시 모터 구동 전원을 차단하는 eps 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 실시예는 모터를 구동하는 H-브릿지 회로에 폴트가 발생할 경우에 H-브릿지 회로에 인가되는 전원을 차단하는 EPS 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 일 실시예는 1개의 역전압 방지 MOSFET, 역전압 방지 MOSFET과 연결된 H-브릿지 회로, H-브릿지 회로와 연결된 션트 저항, 션트 저항과 연결된 Op Amp, Op Amp와 연결된 스위치 트랜지스터 및 H-브릿지 회로의 구동을 제어하는 MCU를 포함하되, H-브릿지 회로에서 더블 폴트가 발생하면, 역전압 방지 MOSFET이 오프되어 H-브릿지 회로에 인가되는 전원이 차단되는 것을 특징으로 하는 EPS 제어 장치를 제공한다.

Description

과전류 발생시 모터 구동 전원을 차단하는 EPS 제어 장치 및 방법{Methods for controlling EPS that cuts motor drive power when overcurrent occurs}
본 실시예는 EPS 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모터를 구동하는 H-브릿지 회로에 폴트가 발생할 경우에 H-브릿지 회로에 인가되는 전원을 차단하는 EPS 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 차량에는 운전자의 편의를 도모하기 위한 다양한 기능들이 구비되고 있으며, 이러한 기능들을 구현하기 위해 다양한 첨단 감지 센서와 전자 제어 장치들이 탑재되고 있다.
한편, 차량에는 스티어링 휠을 용이하게 조향할 수 있도록 전동식 조향장치(EPS: Electronic Power Steering)가 구비되어 있으며, 전동식 조향장치는 조향모터의 회전력을 이용하여 운전자의 조향력을 보조하게 된다.
이 때, EPS의 오동작 방지, 역전압 방지 및 배터리 하네스의 소손 방지를 위해서 EPS 제어 장치 내부에 전자식 릴레이를 설치할 수 있다. 만약 전자식 릴레이를 사용할 경우 EPS에 공급되는 전원을 차단하기 위해서 2개의 MOSFET이 사용되고, 이를 제어하기 위한 High Side 구동용 IC가 추가로 필요하게 되는 문제점이 있다. 따라서, EPS 제어 장치의 비용 및 사이즈를 줄이기 위해서 MOSFET 및 릴레이의 크기를 축소하기 위한 방안이 논의되고 있다.
본 실시예의 목적은 역전압 방지를 위한 MOSFET을 1개만 설치하고, 모터를 구동하는 H-브릿지 회로에서 폴트(fault)가 발생하여 과전류가 흐르는 경우에 H-브릿지 회로에 인가되는 전원을 차단하여 배터리 하네스 또는 ECU(Electronic Control Unit) 내부에 화재가 발생하는 것을 방지하기 위한 EPS 제어 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 일 실시예는 1개의 역전압 방지 MOSFET, 역전압 방지 MOSFET과 연결된 H-브릿지(H-bridge) 회로, H-브릿지 회로와 연결된 션트(shunt) 저항, 션트 저항과 연결된 Op Amp, Op Amp와 연결된 스위치 트랜지스터 및 H-브릿지 회로의 구동을 제어하는 MCU(Micro Controller Unit)를 포함하되, H-브릿지 회로에서 더블 폴트(Double Fault)가 발생하면, 역전압 방지 MOSFET이 오프(Off)되어 H-브릿지 회로에 인가되는 전원이 차단되는 것을 특징으로 하는 EPS(Electric Power Steering) 제어 장치를 제공한다.
또한 일 실시예는 H-브릿지(H-bridge) 회로의 폴트(Fault) 발생을 감지하는 폴트 감지 단계, 폴트의 타입 및 에러 모드를 판단하는 판단 단계 및 폴트의 타입 및 에러 모드에 따라 H-브릿지 회로에 인가되는 전원을 차단시키는 전원 차단 단계를 포함하되, H-브릿지 회로에서 더블 폴트(Double Fault)가 발생하면 역전압 방지 MOSFET이 오프(Off)되어 H-브릿지 회로에 인가되는 전원이 차단되는 것을 특징으로 하는 EPS 제어 방법을 제공한다.
본 실시예를 통해 1개의 역전압 방지 MOSFET만을 사용하고 High Side IC를 제거하더라도, H-브릿지 회로에서 폴트 발생으로 과전류 발생 시에 H-브릿지 회로에 인가되는 전원을 차단하는 EPS 제어 장치 및 방법을 제공할 수 있다. 이를 통해서 비용 및 사이즈를 줄이면서도 안전을 유지할 수 있는 EPS 제어 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 2개의 역전압 방지 MOSFET을 사용하는 기존 EPS 제어 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 실시예에서의 EPS 제어 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 실시예에서 폴트 발생 시 전원을 차단하는 절차를 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 2개의 역전압 방지 MOSFET을 사용하는 기존 EPS 제어 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리에서 입력되는 전원이 모터를 구동하는 회로인 H-브릿지 회로(110)에 진입하기 전에 2개의 역전압 방지 MOSFET(101)을 통과하게 된다. 2개의 역전압 방지 MOSFET(101)은 H-브릿지 회로(110)에 폴트(Fault)가 발생하여 과전류가 발생하게 되면 2개의 역전압 방지 MOSFET(101)을 제어하는 High Side Drive(102)가 과전류 발생을 감지하여, H-브릿지 회로(110)로 들어가는 전원이 차단되도록 2개의 역전압 방지 MOSFET(101)을 제어한다.
H-브릿지 회로(110)는 EPS의 모터(111)를 구동하기 위한 회로로서 모터(111)의 High Side에 2개의 MOSFET(112, 113)이 연결되어 있으며 Low Side에 2개의 MOSFET(114, 115)가 연결되어 있다. MOSFET 112와 MOSFET 114, MOSFET 113과 MOSFET 115는 각각 직렬 연결되어 있고, MOSFET 112와 113, MOSFET 114와 115는 각각 병렬 연결되어 있다.
H-브릿지 회로(110)를 구성하는 MOSFET에서 문제가 발생하는 것을 폴트(Fault)라고 한다. 폴트의 종류에는 싱글 폴트(Single Fault)와 더블 폴트(Double Fault)가 있다.
싱글 폴트(Single Fault)는 모터(111)의 High Side의 2개의 MOSFET(112, 113) 또는 Low Side의 2개의 MOSFET(114, 115) 중 하나의 Side에서만 문제가 발생하는 것을 의미한다. 싱글 폴트에서 에러 모드는 MOSFET에 오픈(Open)이 발생하는 오픈 모드와 쇼트(short)가 발생하는 쇼트 모드가 있다. 이 때, 쇼트(short)가 발생하면 쇼트가 발생한 MOSFET에 연결된 도선에는 정상값, 즉 폴트가 발생하지 않은 상태의 전류값보다 더 큰 전류가 발생하게 된다.
더블 폴트(Double Fault)는 모터(111)의 High Side의 2개의 MOSFET(112, 113) 또는 Low Side의 2개의 MOSFET(114, 115) 중 두 Side 모두 문제가 발생하는 것을 의미한다. 더블 폴트는 싱글 폴트 상황에서 하나의 Side의 MOSFET에서 쇼트가 발생하여 과전류가 흐를 때, 이를 감지하고 H-브릿지 회로에 인가되는 전원을 차단하기 전에 다른 Side의 MOSFET에서 쇼트가 발생하는 경우에 일어날 수 있다.
전술한 더블 폴트가 발생하는 경우에는 H-브릿지 회로에 매우 큰 과전류가 발생하기 때문에 배터리로부터 H-브릿지 회로에 공급되는 전원을 빠르게 차단하지 않으면 배터리 하네스 또는 ECU(Electronic Control Unit) 내부에 화재가 발생할 수 있다.
그리고 H-브릿지 회로(110)에는 션트(Shunt) 저항(120)이 연결되어 있다. 만약 H-브릿지 회로(110)에서 전술한 싱글 폴트 또는 더블 폴트가 발생하면 과전류가 션트 저항(120)에도 발생하게 된다. 그리고 션트 저항(120)에 과전류가 흐르면 션트 저항(120)에 형성되는 전압도 커지고, 션트 저항(120)에 형성되는 전압이 Op Amp(130)을 거쳐서 증폭되면 Op Amp(130)의 출력부에 과전압이 발생하고, MCU(140)가 과전압을 인지하여 H-브릿지 회로에 인가되는 전원을 차단하도록 제어할 수 있다.
도 2는 본 실시예에서의 EPS 제어 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 배터리에서 입력되는 전원이 모터를 구동하는 회로인 H-브릿지 회로(210)에 진입하기 전에 1개의 역전압 방지 MOSFET(101)만을 통과하게 된다. 기존 EPS 제어 장치와 달리 역전압 방지 MOSFET(101)을 제어하기 위한 High Side 구동을 위한 별도의 IC가 존재하지 않는다.
H-브릿지 회로(210)는 EPS의 모터(211)를 구동하기 위한 회로로서 모터(211)의 High Side에 2개의 MOSFET(212, 213)이 연결되어 있으며 Low Side에 2개의 MOSFET(214, 215)가 연결되어 있다. MOSFET 212와 MOSFET 214, MOSFET 213과 MOSFET 215는 각각 직렬 연결되어 있고, MOSFET 212와 213, MOSFET 214와 215는 각각 병렬 연결되어 있다. 이는 기존 EPS 제어 장치와 동일하다.
그리고 H-브릿지 회로(210)에는 션트(Shunt) 저항(220)이 연결되어 있다. 만약 H-브릿지 회로(210)에서 전술한 싱글 폴트 또는 더블 폴트가 발생하면 과전류가 션트 저항(220)에도 발생하게 된다. 그리고 션트 저항(220)에 과전류가 흐르면 션트 저항(220)에 형성되는 전압도 커지고, 션트 저항(220)에 형성되는 전압이 Op Amp(230)을 거쳐서 증폭되면 Op Amp(230)의 출력부에 과전압이 발생하게 된다.
Op Amp(230)의 출력부에 과전압이 발생하면 Op Amp(230)의 출력부에 연결된 MCU(240)가 과전압을 인지하여 H-브릿지 회로(210)에 인가되는 전원을 차단하도록 제어할 수 있다.
또한 Op Amp(230)의 출력부에 발생한 과전압이 Op Amp(230)와 연결된 스위치 트랜지스터(250)에 베이스에 인가되어 스위치 트랜지스터(250)를 온(On)시킬 수 있다.
폴트가 발생하지 않은 정상 상태에 비하여, 싱글 폴트가 발생할 때는 Op Amp(230)의 출력부에 큰 전압이 출력되고, 더블 폴트가 발생할 때는 Op Amp(230)의 출력부에 매우 큰 전압이 출력된다. 이 때, 정상 상태 또는 싱글 폴트가 발생할 때는 스위치 트랜지스터가 오프(Off)되고, 더블 폴트가 발생한 경우에만 스위치 트랜지스터가 온(On)되도록 스위치 트랜지스터(250)의 입력부에 연결된 수동 소자(저항, 다이오드)의 특성을 조정할 수 있다. 정상 상태일 때는 역전압 방지 MOSFET(201)을 오프시킬 필요가 없고, 싱글 폴트일 때는 MCU(240)에 의해 과전류 방지 제어가 수행되기 때문에 역시 역전압 방지 MOSFET(201)을 강제로 오프시킬 필요가 없기 때문이다.
만약, 스위치 트랜지스터(250)가 온(On)되면 1개의 역전압 방지 MOSFET(201)에 인가되는 게이트 전압이 미리 설정된 임계 게이트 전압 이상이 되어 역전압 방지 MOSFET(201)이 오프(Off)되게 된다. 역전압 방지 MOSFET(201)이 오프(Off)되면 배터리에서 H-브릿지 회로(210)로 공급되는 전원이 차단되기 때문에 H-브릿지 회로(210)에 더 이상 과전류가 흐르지 않게 된다.
이처럼 더블 폴트 상태에서는 MCU(240)가 과전류 방지를 소프트웨어로 제어하도록 하는 대신에 트랜지스터, 다이오드, 저항 등의 소자를 이용하여 배터리에서 H-브릿지 회로(210)로 공급되는 전원을 빠르게 차단할 수 있다. 이를 통해 더블 폴트가 발생할 때 매우 큰 과전류로 인해 발생할 수 있는 화재 발생 가능성을 차단할 수 있다.
도 3은 본 실시예에서 폴트 발생 시 전원을 차단하는 절차를 나타낸 흐름도이다.
이하, 도 2에서 설명한 EPS 제어 장치에 의해서 본 절차가 실행되는 것을 예시로 설명한다.
먼저 EPS 제어 장치에서는 모터를 구동하는 H-브릿지 회로(210)의 폴트 발생을 감지할 수 있다(S310). 전술한 바와 같이 폴트가 발생할 경우 H-브릿지 회로(210)에 흐르는 전류의 크기가 폴트가 발생하지 않은 정상 상태일 때의 전류의 크기보다 크기 때문에, 이를 기초로 하여 폴트 발생을 감지할 수 있다.
이후, EPS 제어 장치에서는 발생한 폴트의 타입 및 에러 모드를 판단할 수 있다. 전술한 바와 같이 폴트에는 싱글 폴트와 더블 폴트가 있고 에러 모드에는 오픈(Open) 모드와 쇼트(Short) 모드가 있다. 그리고 폴트의 타입 및 에러 모드에 따라 H-브릿지 회로에 인가되는 전원을 차단하기 위한 방법이 달라지게 된다.
전술한 바와 같이 더블 폴트는 싱글 폴트 발생 후 다른 side의 MOSFET에도 쇼트가 발생하는 특수한 경우에 발생하므로 일단 싱글 폴트가 발생한 것으로 판단한다.
우선 EPS 제어 장치에서 에러 모드가 MOSFET의 오픈(Open)으로 인해 발생한 에러인 오픈 모드인지를 판단한다(S320). 만약 오픈으로 인해 발생한 에러이면(S320-Y), EPS 제어 장치의 MCU(240)는 싱글 폴트/오픈 모드를 인지하고, H-브릿지 회로(210)에 인가되는 전원을 차단시킬 수 있다(S370).
만약 에러 모드가 MOSFET의 오픈(Open)으로 인해 발생한 에러가 아니고 쇼트(short)가 발생하여 생긴 쇼트 모드인 경우(S320-N)에는 폴트의 타입이 싱글 폴트인지 더블 폴트인지를 파악해야 한다. 전술한 바와 같이 더블 폴트가 발생한 경우에는 싱글 폴트일 때보다 더 큰 과전류가 모터(211)에 흐르기 때문에, 모터(211)에 인가되는 전류의 크기가 더블 폴트에 해당하는 임계 전류값 이하인지 여부에 따라 폴트 타입을 구분할 수 있다.
만약 모터에 인가되는 모터 전류가 임계 전류 이하이면(S330-Y), EPS 제어 장치에서는 폴트 타입이 싱글 폴트인 것으로 판단하고, EPS 제어 장치의 MCU(240)는 싱글 폴트/오픈 모드를 인지하고, H-브릿지 회로(210)에 인가되는 전원을 차단시킬 수 있다(S370).
만약 모터에 인가되는 모터 전류가 임계 전류를 초과하는 경우(S330-N), EPS 제어 장치에서는 폴트 타입이 더블 폴트인 것으로 판단할 수 있다. 도 2에서 전술한 바와 같이 더블 폴트가 발생하면 션트 저항(220)에 걸린 전압이 Op Amp(230)의 입력측에 인가되고, Op Amp(230)를 통해 증폭된 과전압에 의해 스위치 트랜지스터(250)가 온(On)이 된다(S340). 그리고 스위치 트랜지스터(250)가 온(On)되어 역전압 방지 MOSFET(201)에 인가되는 게이트 전압이 미리 설정된 임계 게이트 전압 이상이 되어 역전압 방지 MOSFET(201)이 오프(Off)된다(S350). 역전압 방지 MOSFET(201)이 오프(Off)되므로 배터리에서 H-브릿지 회로로 인가되는 전원이 차단된다(S360).
전술한 실시예에서 언급한 표준내용 또는 표준문서들은 명세서의 설명을 간략하게 하기 위해 생략한 것으로 본 명세서의 일부를 구성한다. 따라서, 위 표준내용 및 표준문서들의 일부의 내용을 본 명세서에 추가하거나 청구범위에 기재하는 것은 본 발명의 범위에 해당하는 것으로 해석되어야 한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

1개의 역전압 방지 MOSFET;
상기 역전압 방지 MOSFET과 연결된 H-브릿지(H-bridge) 회로;
상기 H-브릿지 회로와 연결된 션트(shunt) 저항;
상기 션트 저항과 연결된 Op Amp;
상기 Op Amp와 연결된 스위치 트랜지스터; 및
상기 H-브릿지 회로의 구동을 제어하는 MCU(Micro Controller Unit)를 포함하되,
상기 MCU는,
에러 모드가 쇼트 모드인 경우에, 모터에 인가되는 전류의 크기와 미리 설정된 임계 전류값을 비교하여, 그 결과에 따라 상기 H-브릿지 회로에서 싱글 폴트(Single Fault)가 발생하는지 더블 폴트(Double Fault)가 발생하는지 여부를 구분하고,
상기 모터에 인가되는 상기 전류의 크기가 상기 임계 전류값 이하이면, 상기 H-브릿지 회로에서 상기 싱글 폴트가 발생한 것으로 판단하여, 상기 스위치 트랜지스터를 오프(Off)시켜, 상기 H-브릿지 회로에 인가되는 전원을 차단시키고,
상기 모터에 인가되는 상기 전류의 크기가 상기 임계 전류값을 초과하면, 상기 H-브릿지 회로에서 상기 더블 폴트가 발생한 것으로 판단하여, 상기 스위치 트랜지스터를 온(On)시키고,
상기 역전압 방지 MOSFET은,
상기 더블 폴트가 발생하여 상기 스위치 트랜지스터가 온(On)되면, 상기 역전압 방지 MOSFET에 인가되는 게이트 전압이 미리 설정된 임계 게이트 전압 이상이 되어, 오프(Off)되고,
상기 H-브릿지 회로에 인가되는 전원은,
상기 역전압 방지 MOSFET이 오프(Off)되면, 차단되는 것을 특징으로 하는 EPS(Electric Power Steering) 제어 장치.
제 1항에 있어서,
상기 스위치 트랜지스터는,
상기 션트 저항에 형성되는 전압이 상기 Op Amp의 입력측에 인가되고, 상기 Op Amp의 출력측의 전압이 상기 스위치 트랜지스터의 베이스에 인가되어, 온(On)되는 것을 특징으로 하는 EPS 제어 장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 MCU는,
상기 H-브릿지 회로에서 싱글 폴트가 발생하고 에러 모드가 쇼트(Short) 모드인 경우에, 상기 H-브릿지 회로에 인가되는 전원을 차단시키는 것을 특징으로 하는 EPS 제어 장치.
역전압 방지 MOSFET과 연결된 H-브릿지(H-bridge) 회로의 폴트(Fault) 발생을 감지하는 폴트 감지 단계;
상기 폴트의 타입 및 에러 모드를 판단하는 판단 단계; 및
상기 폴트의 타입 및 에러 모드에 따라 상기 H-브릿지 회로에 인가되는 전원을 차단시키는 전원 차단 단계를 포함하되,
상기 전원 차단 단계는,
에러 모드가 쇼트 모드인 경우에, 모터에 인가되는 전류의 크기와 미리 설정된 임계 전류값을 비교하여, 그 결과에 따라 상기 H-브릿지 회로에서 싱글 폴트(Single Fault)가 발생하는지 더블 폴트(Double Fault)가 발생하는지 여부를 구분하고,
상기 모터에 인가되는 상기 전류의 크기가 상기 임계 전류값 이하이면, 상기 H-브릿지 회로에서 상기 싱글 폴트가 발생한 것으로 판단하여, 스위치 트랜지스터를 오프(Off)시켜, 상기 H-브릿지 회로에 인가되는 전원을 차단시키고,
상기 모터에 인가되는 상기 전류의 크기가 상기 임계 전류값을 초과하면, 상기 H-브릿지 회로에서 상기 더블 폴트가 발생한 것으로 판단하여, 상기 스위치 트랜지스터를 온(On)시키고,
상기 역전압 방지 MOSFET은,
상기 더블 폴트가 발생하여 상기 스위치 트랜지스터가 온(On)되면, 상기 역전압 방지 MOSFET에 인가되는 게이트 전압이 미리 설정된 임계 게이트 전압 이상이 되어 오프(Off)되고,
상기 H-브릿지 회로에 인가되는 전원은,
상기 역전압 방지 MOSFET이 오프(Off)되면, 차단되는 것을 특징으로 하는 EPS 제어 방법.
제 5항에 있어서,
상기 스위치 트랜지스터는,
상기 H-브릿지 회로에서 더블 폴트가 발생하면, 션트 저항에 형성되는 전압이 Op Amp의 입력측에 인가되고, 상기 Op Amp의 출력측의 전압이 스위치 트랜지스터의 베이스에 인가되어, 온(On)되는 것을 특징으로 하는 EPS 제어 방법.
삭제
제 5항에 있어서,
상기 전원 차단 단계는,
상기 H-브릿지 회로에서 싱글 폴트(Single Fault)가 발생하고 에러 모드가 쇼트(Short) 모드인 경우에, MCU가 상기 H-브릿지 회로에 인가되는 전원을 차단시키는 것을 특징으로 하는 EPS 제어 방법.
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