KR102217876B1 - 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치 및 그것의 단락 진단 방법 - Google Patents

단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치 및 그것의 단락 진단 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치는, 배터리와 모터 사이에 연결되어 배터리의 전류를 모터에 공급하는 하이사이드 구동부와, 모터와 그라운드 사이에 연결되는 로우사이드 구동부를 구비하는 모터 구동부, 및 모터의 단락 진단을 위해 하이사이드 PWM 신호와 로우사이드 PWM 신호를 생성하고, 상기 하이사이드 PWM 신호를 이용하여 상기 하이사이드 구동부의 프리휠링을 제어하고, 상기 하이사이드 구동부의 프리휠링과 번갈아가며 수행되도록 상기 로우사이드 PWM 신호를 이용하여 상기 로우사이드 구동부의 프리휠링을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치 및 그것의 단락 진단 방법{MOTOR CONTROL APPARATUS WITH SHORT CIRCUIT DIAGNOSIS FUNCTION AND SHORT CIRCUIT DIAGNOSIS METHOD THEREOF}
본 발명은 모터 제어 장치에 관한 것으로, 일례로 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치 및 그것의 단락 진단 방법에 관한 것이다.
3상 BLDC(Brushless Direct Current) 모터의 경우, U상, V상, 및 W상의 와이어를 통해 모터 구동 회로에 연결되어 있다. 이러한 와이어가 피복이 벗겨지거나 끊어질 경우, 배터리 단락 또는 그라운드 단락이 발생할 수 있다.
이러한 고장 상황을 방치할 경우, 과전류에 의한 제어기 소손이 발생할 수 있기 때문에, 대부분의 3상 BLDC 모터를 제어하는 제어기는 단락 진단 기능을 필수적으로 적용하고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 단락 진단 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1의(a)는 모터 구동을 위한 구동스위치(FET)에 연결된 와이어의 그라운드 단락 상태를 보여주는 도면이다. 도 1의(b)는 구동스위치(FET)의 온(On) 상태에서 그라운드 단락에 따른 와이어의 저항(R)을 보여주는 도면이다.
도 1을 참고하면, 일반적으로 배터리 단락 또는 그라운드 단락을 진단하는 방법은, 모터를 구동하는 구동스위치(FET)의 온(On) 상태에서 구동스위치(FET) 양단 간의 전압(VDS = RDS(on)*I)을 측정하고, 이 전압(VDS)이 기준치 이상으로 확인될 경우 과전류가 발생한 것으로 판단하고 있다.
일반적으로 모터 구동용 구동스위치(FET)의 경우, 로우사이드(Low side)와 하이사이드(high side)에 복수 구비되어 3상 하프 브릿지 회로를 구현하게 된다. 각각의 구동스위치(FET)는 모터 구동을 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 응답하여 스위칭 동작을 수행하고 있는데, PWM 신호의 듀티 오프(Duty Off)구간에서 구동스위치(FET) 각각의 스위칭 동작에 의해 하이사이드 또는 로우사이드 프리휠링(freewheeling)이 수행된다. 대부분의 어플리케이션(application)에서는 하이사이드에서만 프리휠링을 수행하거나 로우사이드에서만 프리휠링을 수행한다. 이때 한 가지 방식만으로 프리휠링을 수행할 경우, 배터리 단락 또는 그라운드 단락 진단이 불가한 듀티 구간이 발생하게 된다.
예를 들어, BLDC 모터 구동을 위한 제어기가 로우사이드 프리휠링만 수행하는 경우, 이 제어기는 배터리 단락(SCG: short circuit to battery) 고장을 PWM 신호의 모든 듀티 구간에서 검출이 가능하나, 그라운드 단락(SCG: short circuit to ground) 고장을 PWM 신호의 듀티 오프(Off) 구간에서 검출이 불가능하다.
즉, BLDC 모터의 구동 중에 단락 고장을 진단하기 위한 PWM 신호의 듀티 구간에 제한이 있는데, PWM 신호의 듀티 온(On) 상태에서 구동스위치(FET)가 턴 온(Turn On)되는 경우에만 단락 고장 진단이 가능하다.
다른 예로 설명하면, 모터를 구동할 때 구동스위치(FET)를 제어하는 PWM 신호의 주파수(이하, 게이트 구동 주파)가 일반적으로 약 10kHz ~ 20kHz로서 주기로 환산하면 50us ~ 100us로 매우 짧은 시간이다. PWM 신호의 듀티비가 10%라고 가정한다면, 단락 고장을 5us ~ 10us 이내에 검출 완료해야 한다. 그런데 실제 SCB나 SCG가 발생할 경우, 단락 고장이 발생한 와이어의 저항값(R)과 인덕턴스 값이 무시하기엔 큰 값이어서 구동스위치(FET)의 온(On) 상태에서 전압(VDS)이 상승하는 기울기가 많이 낮아진다.
도 2를 참고하면, PWM 신호의 듀티비가 낮으면 듀티 온(On) 구간이 짧아 구동스위치(FET)의 턴 온(Turn On) 시간이 줄어들게 되고, 구동스위치(FET)의 양단 전압(VDS)이 과전류 진단 전압에 도달하기 전에 구동스위치(FET)가 턴 오프(Turn Off)되어, 단락 고장 진단이 불가능한 상황이 발생하는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1909068호
이에 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 안출된 것으로, PWM 신호의 듀티 오프(Off) 구간에서도 모터구동부의 배터리 단락 및 그라운드 단락 진단이 모두 가능한 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치 및 그것의 단락 진단 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치는, 배터리와 모터 사이에 연결되어 배터리의 전류를 모터에 공급하는 하이사이드 구동부와, 모터와 그라운드 사이에 연결되는 로우사이드 구동부를 구비하는 모터 구동부; 및 모터의 단락 진단을 위해 하이사이드 PWM 신호와 로우사이드 PWM 신호를 생성하고, 상기 하이사이드 PWM 신호를 이용하여 상기 하이사이드 구동부의 프리휠링을 제어하고, 상기 하이사이드 구동부의 프리휠링과 번갈아가며 수행되도록 상기 로우사이드 PWM 신호를 이용하여 상기 로우사이드 구동부의 프리휠링을 제어하는 제어부;를 포함한다.
상기 제어부는, 상기 하이사이드 구동부의 프리휠링 도중에 상기 모터의 그라운드 단락을 검출하고, 상기 로우사이드 구동부의 프리휠링 도중에 상기 모터의 배터리 단락을 검출할 수 있다.
상기 하이사이드 구동부는, 상기 모터의 U 상에 연결되는 제1 하이사이드 스위치, 상기 모터의 V 상에 연결되는 제2 하이사이드 스위치, 및 상기 모터의 W 상에 연결되는 제3 하이사이드 스위치를 포함할 수 있다.
상기 로우사이드 구동부는, 상기 모터의 U 상에 연결되는 제1 로우사이드 스위치, 상기 모터의 V 상에 연결되는 제2 로우사이드 스위치, 및 상기 모터의 W 상에 연결되는 제3 로우사이드 스위치를 포함할 수 있다.
상기 하이사이드 구동부의 프리휠링은, 상기 하이사이드 PWM 신호에 따라 적어도 두 개의 하이사이드 스위치가 턴 온 동작함으로써 수행될 수 있다.
상기 로우사이드 구동부의 프리휠링은, 상기 로우사이드 PWM 신호에 따라 적어도 두 개의 로우사이드 스위치가 턴 온 동작함으로써 수행될 수 있다.
상기 하이사이드 구동부의 프리휠링과 상기 로우사이드 구동부의 프리휠링은, 상기 모터의 회전 주기 내의 단계 별로 번갈아가며 수행될 수 있다.
상기 하이사이드 구동부의 프리휠링과 상기 로우사이드 구동부의 프리휠링은, 상기 모터의 회전 주기마다 번갈아가며 수행될 수 있다.
상기 모터의 홀센서값을 센싱하는 센싱부를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 제어 장치의 단락 진단 방법은, 모터의 단락 진단을 위한 하이사이드 PWM 신호와 로우사이드 PWM 신호를 생성하는 PWM 생성 단계; 상기 하이사이드 PWM 신호에 따라, 상기 모터와 배터리 사이에 연결된 하이사이드 구동부의 프리휠링을 수행하는 제1 프리휠링 단계; 상기 하이사이드 구동부의 프리휠링이 완료된 이후에 상기 로우사이드 PWM 신호에 따라, 상기 모터와 그라운드 사이에 연결된 로우사이드 구동부의 프리휠링을 수행하는 제2 프리휠링 단계; 및 상기 하이사이드 구동부의 프리휠링 또는 상기 로우사이드 구동부의 프리휠링 도중에 상기 모터의 전류를 검출하여 단락 여부를 진단하는 단락 진단 단계;를 포함한다.
상기 제1 프리휠링 단계와 상기 제2 프리휠링 단계는, 상기 모터의 회전 주기 내의 단계 별로 번갈아가며 수행될 수 있다.
상기 제1 프리휠링 단계와 상기 제2 프리휠링 단계는, 상기 모터의 회전 주기마다 번갈아가며 수행될 수 있다.
상기 단락 진단 단계는, 상기 하이사이드 구동부의 프리휠링 도중에 검출된 전류가 기준 전류를 초과하는 경우, 그라운드 단락 고장을 진단할 수 있다.
상기 단락 진단 단계는, 상기 로우사이드 구동부의 프리휠링 도중에 검출된 전류가 기준 전류를 초과하는 경우, 배터리 단락 고장을 진단할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치 및 그것의 단락 진단 방법에 의하면, 모터 구동을 위한 하이사이드 구동부와 로우사이드 구동부의 프리휠링을 번갈아가며 수행함으로써 단락 진단을 위한 PWM 신호의 듀티 오프(Off) 구간에서도 배터리 단락 및 그라운드 단락 고장을 검출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 단락 고장 진단 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 와이어의 그라운드 단락 상태에서 구동스위치의 양단 전압이 진단 전압에 도달하기까지 걸리는 시간을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치의 개략적인 회로도이다.
도 5는 종래기술에 따른 단락 진단 방법에서 모터의 홀센서 값에 따른 3상 하프 브릿지의 스위칭 신호를 도시한 예이다.
도 6은 도 5의 3상 하프 브릿지의 스위칭 신호에 따른 신호 흐름을 보여주는 제1 도면이다.
도 7은 도 5의 3상 하프 브릿지의 스위칭 신호에 따른 신호 흐름을 보여주는 제2 도면이다.
도 8은 도 5의 3상 하프 브릿지의 스위칭 신호에 따른 단락 고장 진단 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치에서 모터의 홀센서 값에 따른 3상 하프 브릿지의 스위칭 신호 및 단락 고장 진단 특성을 도시한 예이다.
도 10은 도 9의 3상 하프 브릿지의 스위칭 신호에 따른 신호 흐름을 보여주는 제1 도면이다.
도 11은 도 9의 3상 하프 브릿지의 스위칭 신호에 따른 신호 흐름을 보여주는 제2 도면이다.
도 12는 도 9의 3상 하프 브릿지의 스위칭 신호에 따른 신호 흐름을 보여주는 제3 도면이다.
도 13은 도 9의 3상 하프 브릿지의 스위칭 신호에 따른 신호 흐름을 보여주는 제4 도면이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 제어 장치의 단락 진단 방법의 순서도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치의 블록도이다. 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치의 개략적인 회로도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치(100)는, 모터(200)의 각 상과 모터구동부(120)를 연결하는 와이어의 단락 고장을 진단 가능한 것으로서, 센싱부(110), 모터구동부(120), 및 제어부(130)를 포함한다.
센싱부(110)는 모터(200)의 각 상의 홀센서값을 측정하는 U홀센서(111), V홀센서(113), 및 W홀센서(115)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 모터(200)는 3상 BLDC(Brushless Direct Current) 모터일 수 있다. 모터(200)는 회전자, 코일(고정자), 및 영구자석(고정자)으로 구성될 수 있다. 모터(200)의 회전자는 고정자의 자화에 의해 회전할 수 있다. 고정자의 자화는 회전자의 위치에 따라 결정된다. 고정자의 극성(N극 또는 S극)을 결정하기 위해서는, 먼저 회전자의 위치 파악이 필요하다. 이를 위해 모터(200)의 각 상에 U홀센서(111), V홀센서(113), W홀센서(115)가 장착될 수 있다. 센싱부(110)는 모터(200)의 각 상(U, V, W)의 홀센서값을 측정하여 제어부(130)에 전달할 수 있다. 여기서, 홀센서값은 모터(200)의 회전 위치(회전자의 전기적 위치)를 나타낸다. 홀센서값은 모터구동부(120)의 프리휠링 동작을 위한 단락 진단용 PWM 신호 생성에 활용될 수 있다. 또한 홀센서값은 모터(220)의 고정자를 자화시키기 위한 모터구동부(120)의 스위칭 동작을 제어하는 PWM 신호 생성에 활용될 수 있다.
모터구동부(120)는 모터(200)의 각 상(U, V, W)에 와이어를 통해 연결되는 하이사이드 구동부(121)와 로우사이드 구동부(123)를 포함한다.
하이사이드 구동부(121)는 모터(200)의 U 상에 연결되는 제1 하이사이드 스위치(HS1), 모터(200)의 V 상에 연결되는 제2 하이사이드 스위치(HS2), 및 모터(200)의 W 상에 연결되는 제3 하이사이드 스위치(HS3)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 제1 하이사이드 스위치(HS1), 제2 하이사이드 스위치(HS2), 및 제3 하이사이드 스위치(HS3)는 모스펫(MOSFET)일 수 있다. 제1 하이사이드 스위치(HS1), 제2 하이사이드 스위치(HS2), 및 제3 하이사이드 스위치(HS3)는 드레인단이 파워(POWER)에 연결될 수 있다.
로우사이드 구동부(123)는 모터(200)의 U 상에 연결되는 제1 로우사이드 스위치(LS1), 모터(200)의 V 상에 연결되는 제2 로우사이드 스위치(LS2), 및 모터(200)의 W 상에 연결되는 제3 로우사이드 스위치(LS3)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 제1 로우사이드 스위치(LS1), 제2 로우사이드 스위치(LS2), 및 제3 로우사이드 스위치(LS3)는 모스펫(MOSFET)일 수 있다. 제1 로우사이드 스위치(LS1), 제2 로우사이드 스위치(LS2), 및 제3 로우사이드 스위치(LS3)는 소스단이 그라운드에 연결될 수 있다. 여기서, 제1 로우사이드 스위치(LS1), 제2 로우사이드 스위치(LS2), 및 제3 로우사이드 스위치(LS3) 각각의 소스단과 그라운드 사이에 전압 강하용 저항(R1)이 연결될 수 있다.
제1 하이사이드 스위치(HS1)와 제1 로우사이드 스위치(LS1)는 U상 하프 브릿지 회로를 구현할 수 있다.
제2 하이사이드 스위치(HS2)와 제2 로우사이드 스위치(LS2)는 V상 하프 브릿지 회로를 구현할 수 있다.
제3 하이사이드 스위치(HS3)와 제3 로우사이드 스위치(LS3)는 W상 하프 브릿지 회로를 구현할 수 있다. 이를 통해 모터구동부(120)는 3상 하프브릿지 회로를 구현할 수 있다.
하이사이드 구동부(121)는 제어부(130)로부터 전달받는 PWM 신호에 응답하여 스위칭 동작할 수 있다. 하이사이드 구동부(121)는 스위칭 동작을 통해 그라운드 단락 진단을 위한 프리휠링을 수행할 수 있다. 이하, 하이사이드 구동부(121)에 인가되는 PWM 신호는 하이사이드 PWM 신호로 정의한다.
로우사이드 구동부(123)는 제어부(130)로부터 전달받는 PWM 신호에 응답하여 스위칭 동작할 수 있다. 로우사이드 구동부(123)는 스위칭 동작을 통해 배터리 단락 진단을 위한 프리휠링을 수행할 수 있다. 이하, 로우사이드 구동부(123)에 인가되는 PWM 신호는 로우사이드 PWM 신호로 정의한다.
제어부(130)는, 모터구동부(120)를 제어하여 모터(200)를 회전시킬 수 있다. 또한, 제어부(130)는 단락 진단을 위한 모터구동부(120)의 프리휠링 동작을 제어할 수 있다. 제어부(130)는 모터구동부(120)의 프리휠링 동작 제어를 위한 PWM 신호를 복수 생성할 수 있다. 제어부(130)는 복수의 홀센서값을 이용하여 PWM 신호를 생성할 수 있다. 제어부(130)는 하이사이드 PWM 신호를 하이사이드 구동부(121)에 인가하여 하이사이드 구동부(121)의 프리휠링을 제어할 수 있다. 제어부(130)는 로우사이드 PWM 신호를 로우사이드 구동부(123)에 인가하여 로우사이드 구동부(123)의 프리휠링을 제어할 수 있다.
하이사이드 구동부(121)의 프리휠링과 로우사이드 구동부(123)의 프리휠링은 제어부(130)의 제어에 의해 번갈아가며 수행될 수 있다. 이하, 하이사이드 구동부(121)의 프리휠링을 하이사이드 프리휠링으로 정의하고, 로우사이드 구동부(123)의 프리휠링을 로우사이드 프리휠링으로 정의한다.
일 실시예에 있어서, 하이사이드 프리휠링과 로우사이드 프리휠링의 교번하는 타이밍은 두 가지가 있을 수 있다.
첫째, 하이사이드 프리휠링과 로우사이드 프리휠링은 복수의 스위치(HS1, HS2, HS3, LS1, LS2, LS3)의 게이트 구동 주기마다 번갈아가며 수행될 수 있다.
둘째, 하이사이드 프리휠링과 로우사이드 프리휠링은 모터의 1회전(회전자가 전기적으로 1바퀴 회전)을 위한 6스텝(step) 주기가 완료되는 시점마다 번갈아가며 수행될 수 있다.
모터의 회전자 위치 제어를 위한 어플리케이션은 게이트 구동 주기마다 프리휠링을 교번하는 첫번째 방법을 사용하고, 모터를 지속적으로 회전시키는 펌프와 같은 어플리케이션은 6스텝 주기로 교번하는 두번째 방법을 사용할 수 있다.
제어부(130)는 하이사이드 프리휠링 도중에 그라운드 단락 고장을 진단할 수 있다. 제어부(130)는 로우사이드 프리휠링 도중에 배터리 단락 고장을 진단할 수 있다. 제어부(130)는 모터(200)의 각 상(U, V, W)에 흐르는 전류를 이용하여 그라운드 단락 또는 배터리 단락 고장을 진단할 수 있다. 모터(200)의 각 상(U, V, W)에 흐르는 전류는 별도의 센서(미도시)를 통해 측정될 수 있다.
이하에서는, 종래기술의 단락 진단 방법에 따른 프리휠링 제어 기술과 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 제어 장치(200)의 프리휠링 제어 기술을 비교 설명한다.
도 5는 종래기술에 따른 단락 진단 방법에서 모터의 홀센서 값에 따른 3상 하프 브릿지의 스위칭 신호를 도시한 예이다.
도 5를 참고하면, 모터(200)의 회전자의 전기적 1회전을 위한 6스텝(step) 별 홀센서값(Hall Sensor), 하이사이드 스위치(HS FET)의 스위칭 신호, 및 로우사이드 스위치(LS FET)의 스위칭 신호의 일 예를 확인할 수 있다.
예를 들어, 제1 스텝에서 U상의 홀센서값과 W 상의 홀센서값이 하이레벨 ‘1’이고, V상의 홀센서값이 로우레벨 ‘0’인 경우, U상의 하이사이드 스위치가 PWM 제어되고, V상의 로우사이드 스위치가 온/오프(On/Off) 제어된다.
제2 스텝에서 U상의 홀센서값이 하이레벨 ‘1’이고, V상의 홀센서값과 W 상의 홀센서값이 로우레벨 ‘0’인 경우, U상의 하이사이드 스위치가 PWM 제어되고, W상의 로우사이드 스위치가 온/오프(On/Off) 제어된다. 이하, 제3 스텝 내지 제6 스텝 별 스위칭 신호에 대한 상세 설명은 생략한다.
도 6은 도 5의 3상 하프 브릿지의 스위칭 신호에 따른 신호 흐름을 보여주는 제1 도면이다.
도 6을 참고하면, 도 5의 제1 스텝에서 하이사이드 스위치에 인가되는 PWM 신호의 듀티 온(On) 상태에 따른 전류 흐름을 확인할 수 있다. PWM 신호의 듀티 온(On) 구간에서 전류는 하이사이드에서 모터(200)로 공급되고, 모터(200)를 통과한 전류는 로우사이드로 유입된다. 즉, 전류는 파워(POWER)에서 생성되어 제1 하이사이드 스위치(HS1)를 지나서, 모터(200)의 U 상과 V 상을 지나게 되며, 제2 로우사이드 스위치(LS2)를 통과하여 그라운드로 흐르게 된다.
도 7은 도 5의 3상 하프 브릿지의 스위칭 신호에 따른 신호 흐름을 보여주는 제2 도면이다.
도 7을 참고하면, 도 5의 제1 스텝에서 하이사이드 스위치에 인가되는 PWM 신호의 듀티 오프(Off) 상태에 따른 전류 흐름을 확인할 수 있다. PWM 신호의 듀티 오프(Off) 구간에서 제1 하이사이드 스위치(HS1)는 턴 오프(Off)되고, 동일한 상의 제1 로우사이드 스위치(LS1)가 턴 온(On)되어 전류가 프리휠링을 수행하게 된다. 즉, 전류는 제1 로우사이드 스위치(LS1), 모터(200)의 U 상, 모터(200)의 V 상, 및 제2 로우사이드 스위치(LS2)를 순차적으로 지나게 된다. 이때 제어부(130)는 PWM 신호의 듀티 오프(Off) 구간에서 와이어에 흐르는 전류를 통해 배터리 단락 여부를 검출할 수 있다. 그러나, 제어부(130)는 PWM 신호의 듀티 오프(Off) 구간에서 로우사이드 프링힐링 도중에 SCG 진단이 취약한 문제가 있다.
SCG 진단을 하기 위해서는 SCG가 발생한 상의 하이사이드 스위치가 턴 온(Turn On)되어 하이사이드 스위치에 과전류가 흘러야 한다. 그런데, PWM 신호의 듀티비가 낮은 경우, 듀티 온(On) 구간이 짧아 하이사이드 스위치(HS FET)가 턴 온(Turn On) 상태로 유지되는 시간이 짧아져서 SCG 진단이 어려운 문제가 있다.
도 8은 도 5의 3상 하프 브릿지의 스위칭 신호에 따른 단락 고장 진단 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참고하면, 제1 스텝에서는 U 상의 SCG 진단이 취약하고, V 상의 SCB 진단이 용이하다. 제2 스텝에서는 U 상의 SCG 진단이 취약하고, W 상의 SCB 진단이 용이하다. 제3 스텝에서는 V 상의 SCG 진단이 취약하고, W 상의 SCB 진단이 용이하다. 제4 스텝에서는 V 상의 SCG 진단이 취약하고, U 상의 SCB 진단이 용이하다. 제5 스텝에서는 W 상의 SCG 진단이 취약하고, U 상의 SCB 진단이 용이하다. 제6 스텝에서는 W 상의 SCG 진단이 취약하고, V 상의 SCB 진단이 용이하다. 이와 같이, 종래기술에 따른 단락 진단 방법은, 제1 스텝 내지 제6 스텝에서 모터(200)의 각 상의 SCB 진단이 용이한 반면에 PWM 신호의 듀티 오프(Off) 구간에서 SCG 진단이 취약한 문제가 있다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치에서 모터의 홀센서 값에 따른 3상 하프 브릿지의 스위칭 신호 및 단락 고장 진단 특성을 도시한 예이다.
도 9를 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치(100)는, 도 5 내지 도 8의 종래기술과 달리, 하이사이드 스위치(HS FET)와 로우사이드 스위치(HS FET)에 인가되는 신호 모두 PWM 신호인 것을 특징으로 한다. 또한, 모터 제어 장치(100)는, 진단이 취약한 상황을 개선하기 위해 하이사이드 프리휠링과 로우사이드 프리휠링을 번갈아가며 수행하는 것을 특징으로 한다.
모터 제어 장치(100)는, 모터(200)의 회전자를 전기적으로 1회전 시키는 6스텝에서, 하이사이드 스위치(HS FET)와 로우사이드 스위치(HS FET)를 PWM 제어함에 따라 SCG 진단이 취약한 문제를 해소하는 효과가 있다.
도 10은 도 9의 3상 하프 브릿지의 스위칭 신호에 따른 신호 흐름을 보여주는 제1 도면이다.
도 10을 참고하면, 도 9의 제1 스텝에서 하이사이드 스위치와 로우사이드 스위치 각각에 인가되는 하이사이드 PWM 신호와 로우사이드 PWM 신호의 듀티 온(On) 상태에 따른 전류 흐름을 확인할 수 있다. 하이사이드 PWM 신호와 로우사이드 PWM 신호의 듀티 온(On) 구간에서 전류는 하이사이드에서 모터(200)로 공급되고, 모터(200)를 통과한 전류는 로우사이드로 유입된다. 즉, 전류는 파워(POWER)에서 생성되어 제1 하이사이드 스위치(HS1)를 지나서, 모터(200)의 U 상과 V 상을 지나게 되며, 제2 로우사이드 스위치(LS2)를 통과하여 그라운드로 흐르게 된다.
도 11은 도 9의 3상 하프 브릿지의 스위칭 신호에 따른 신호 흐름을 보여주는 제2 도면이다.
도 11을 참고하면, 도 9의 제1 스텝에서 하이사이드 스위치(HS FET)에 인가되는 하이사이드 PWM 신호의 듀티 오프(Off-1) 상태에 따른 전류 흐름을 확인할 수 있다. 하이사이드 PWM 신호의 듀티 오프(Off-1) 구간에서 U 상의 제1 하이사이드 스위치(HS1)는 턴 오프(Off) 되고, 동일한 U 상의 제1 로우사이드 스위치(LS1)가 턴 온(On)되고, V 상의 제2 로우사이드 스위치(LS2)가 턴 온(On) 상태를 유지함으로써, 전류가 로우사이드 프리휠링을 수행하게 된다. 즉, 전류는 제1 로우사이드 스위치(LS1), 모터(200)의 U 상, 모터(200)의 V 상, 및 제2 로우사이드 스위치(LS2)을 순차적으로 지나게 된다. 이때 제어부(130)는 하이사이드 PWM 신호의 듀티 오프(Off) 구간에서 와이어에 흐르는 전류를 통해 배터리 단락 여부를 검출할 수 있다.
도 12는 도 9의 3상 하프 브릿지의 스위칭 신호에 따른 신호 흐름을 보여주는 제3 도면이다.
도 12를 참고하면, 도 9의 제1 스텝에서 U 상의 제1 하이사이드 스위치(HS1)는 하이사이드 PWM 신호의 듀티 온(On) 구간에서 다시 턴 온(Turn On) 되고, V 상의 제2 로우사이드 스위치(LS2)는 로우사이드 PWM 신호의 듀티 온(On) 구간에서 턴 온(Turn On) 상태를 유지하고, 제1 로우사이드 스위치(LS1)는 로우사이드 PWM 신호에 따라 턴 오프(Off)된다. 하이사이드 PWM 신호와 로우사이드 PWM 신호의 듀티 온(On) 구간에서 전류는 하이사이드에서 모터(200)로 공급되고, 모터(200)를 통과한 전류는 로우사이드로 유입된다.
도 13은 도 9의 3상 하프 브릿지의 스위칭 신호에 따른 신호 흐름을 보여주는 제4 도면이다.
도 13을 참고하면, 도 9의 제1 스텝에서 로우사이드 스위치(LS FET)에 인가되는 로우사이드 PWM 신호의 듀티 오프(Off-2) 상태에 따른 전류 흐름을 확인할 수 있다. 로우사이드 PWM 신호의 듀티 오프(Off-2) 구간에서 U 상의 제1 하이사이드 스위치(HS1)는 턴 온(Turn On) 상태를 유지하고, V 상의 제2 하이사이드 스위치(HS2)는 턴 온(Turn On) 되고, V 상의 제2 로우사이드 스위치(LS2)는 턴 오프(Turn Off) 된다. 이때 전류가 하이사이드 프리휠링을 수행하게 된다. 즉, 전류는 제1 하이사이드 스위치(HS1), 모터(200)의 U 상, 모터(200)의 V 상, 및 제2 하이사이드 스위치(HS2)를 순차적으로 지나게 된다. 이때 제어부(130)는 로우사이드 PWM 신호의 듀티 오프(Off-1) 구간에서 와이어에 흐르는 전류를 통해 그라운드 단락 여부를 검출할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치(100)는, 제1 스텝의 게이트 구동 듀티마다 로우사이드 프리휠링과 하이사이드 프리휠링을 번갈아가며 수행함으로써, SCG 진단이 취약한 문제를 해소하는 효과가 있다.
예를 들어, U상에 SCG가 발생하는 경우, 로우사이드 PWM 듀티 오프(Off-2) 구간에도 제1 하이사이드 스위치(HS1)와 제2 하이사이드 스위치(HS2)가 온(on)되어 하이사이드 프리휠링이 수행됨에 따라, U상의 SCG 진단을 할 수 있는 시간이 길어져 SCG 진단이 용이하게 수행될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 모터(200)가 펌프와 같이 연속적으로 회전하는 어플리케이션인 경우, 하이사이드 프리휠링과 로우사이드 프리휠링을 번갈아가며 수행하는 것을 모터(200) 회전자의 전기적 회전 1주기마다 수행할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 로우사이드 프리휠링은 6개의 스텝 중 2개의 스텝마다 수행되고, U 상의 제1 로우사이드 스위치(LS1), V 상의 제2 로우사이드 스위치(LS2), 및 W 상의 제3 로우사이드 스위치(LS3)가 100% 듀티 온(on) 상태이므로, SCB 고장이 대부분 진단될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 하이사이드 프리휠링은 6개의 스텝 중 2개의 스텝마다 수행되고, U 상의 제1 하이사이드 스위치(HS1), V상의 제2 하이사이드 스위치(HS2), W 상의 제3 하이사이드 스위치(HS3)가 100% 듀티 온(on) 상태이므로, SCG 고장이 대부분 진단될 수 있다.
종래 기술에서는 로우사이드 프리휠링을 수행하는 어플리케이션이 대부분이었고, 이로 인해 PWM 신호의 듀티 오프(Off) 구간에서는 SCG 진단이 어려워 스위치 양단 전압(VDS)의 전압값을 이용한 진단 방법 이외의 SCG 진단을 위한 추가 로직이 적용되어야 했다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 제어 장치(100)는 단락 진단이 가능한 PWM 신호의 듀티 구간이 넓어져 단락 진단에 대한 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 제어 장치의 단락 진단 방법의 순서도이다.
도 4 및 도 14를 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 제어 장치의 단락 진단 방법은, PWM 생성 단계(S1410), 제1 프리휠링 단계(S1420), 제2 프리휠링 단계(S1430), 및 단락 진단 단계(S1440)를 포함한다.
먼저 PWM 생성 단계(S1410)에서, 제어부(130)는 모터(200)의 단락 진단을 위한 하이사이드 PWM 신호와 로우사이드 PWM 신호를 생성한다. 여기서, 제어부(130)는 모터(200)의 홀센서값을 이용하여 하이사이드 PWM 신호와 로우사이드 PWM 신호를 생성할 수 있다.
그런 다음 제1 프리휠링 단계(S1420)에서, 제어부(130)는 하이사이드 PWM 신호에 따라 하이사이드 구동부(121)의 프리휠링을 제어할 수 있다.
그런 다음 제2 프리휠링 단계(S1430)에서, 제어부(130)는 하이사이드 구동부(121)의 프리휠링이 완료된 이후에, 로우사이드 PWM 신호에 따라 로우사이드 구동부(123)의 프리휠링을 제어할 수 있다. 하이사이드 프리휠링과 로우사이드 프리휠링은 번갈아가며 수행될 수 있다.
그런 다음 단락 진단 단계(S1440)에서, 제어부(130)는 하이사이드 구동부(121)의 프리휠링 또는 로우사이드 구동부(123)의 프리휠링 도중에 모터(200)의 각 상에 흐르는 전류를 검출하여 단락 여부를 진단할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제어부(130)는 하이사이드 프리휠링 도중에 검출된 전류가 기준 전류를 초과하는 경우 그라운드 단락 고장을 진단할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제어부(130)는 로우사이드 프리휠링 도중에 검출된 전류가 기준 전류를 초과하는 경우 배터리 단락 고장을 진단할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 단계들 및/또는 동작들은 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있는 것과 같이, 다른 순서로, 또는 병렬적으로, 또는 다른 에포크(epoch) 등을 위해 다른 실시 예들에서 동시에 일어날 수 있다.
실시 예에 따라서는, 단계들 및/또는 동작들의 일부 또는 전부는 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체에 저장된 명령, 프로그램, 상호작용 데이터 구조(interactive data structure), 클라이언트 및/또는 서버를 구동하는 하나 이상의 프로세서들을 사용하여 적어도 일부가 구현되거나 또는 수행될 수 있다. 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체는 예시적으로 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 논의된 "모듈"의 기능은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합으로 구현될 수 있다.
100: 모터 제어 장치
110: 센싱부
111: U홀센서
113: V홀센서
115: W홀센서
120: 모터구동부
121: 하이사이드 구동부
HS1, HS2, HS3: 제1, 제2, 제3 하이사이드 스위치
123: 로우사이드 구동부
LS1, LS2, LS3: 제1, 제2, 제3 로우사이드 스위치

Claims (14)

  1. 배터리와 모터 사이에 연결되어 배터리의 전류를 모터에 공급하는 하이사이드 구동부와, 모터와 그라운드 사이에 연결되는 로우사이드 구동부를 구비하는 모터 구동부; 및
    모터의 단락 진단을 위해 하이사이드 PWM 신호와 로우사이드 PWM 신호를 생성하고, 상기 하이사이드 PWM 신호를 이용하여 상기 하이사이드 구동부의 프리휠링을 제어하고, 상기 하이사이드 구동부의 프리휠링과 번갈아가며 수행되도록 상기 로우사이드 PWM 신호를 이용하여 상기 로우사이드 구동부의 프리휠링을 제어하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 하이사이드 구동부 및 상기 로우사이드 구동부 각각의 듀티 오프 구간에서 상기 하이사이드 구동부의 프리휠링과 상기 로우사이드 구동부의 프리휠링을 제어하는 것을 특징으로 하는 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 하이사이드 구동부의 프리휠링 도중에 상기 모터의 그라운드 단락을 검출하고, 상기 로우사이드 구동부의 프리휠링 도중에 상기 모터의 배터리 단락을 검출하는 것을 특징으로 하는 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이사이드 구동부는,
    상기 모터의 U 상에 연결되는 제1 하이사이드 스위치, 상기 모터의 V 상에 연결되는 제2 하이사이드 스위치, 및 상기 모터의 W 상에 연결되는 제3 하이사이드 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 로우사이드 구동부는,
    상기 모터의 U 상에 연결되는 제1 로우사이드 스위치, 상기 모터의 V 상에 연결되는 제2 로우사이드 스위치, 및 상기 모터의 W 상에 연결되는 제3 로우사이드 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이사이드 구동부의 프리휠링은,
    상기 하이사이드 PWM 신호에 따라 적어도 두 개의 하이사이드 스위치가 턴 온 동작함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 로우사이드 구동부의 프리휠링은,
    상기 로우사이드 PWM 신호에 따라 적어도 두 개의 로우사이드 스위치가 턴 온 동작함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이사이드 구동부의 프리휠링과 상기 로우사이드 구동부의 프리휠링은, 상기 모터의 회전 주기 내의 단계 별로 번갈아가며 수행되는 것을 특징으로 하는 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이사이드 구동부의 프리휠링과 상기 로우사이드 구동부의 프리휠링은, 상기 모터의 회전 주기마다 번갈아가며 수행되는 것을 특징으로 하는 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터의 홀센서값을 센싱하고, 센싱 결과를 상기 제어부로 전송하는 센싱부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치.
  10. 모터의 단락 진단을 위한 하이사이드 PWM 신호와 로우사이드 PWM 신호를 생성하는 PWM 생성 단계;
    상기 하이사이드 PWM 신호에 따라, 상기 모터와 배터리 사이에 연결된 하이사이드 구동부의 프리휠링을 수행하는 제1 프리휠링 단계;
    상기 하이사이드 구동부의 프리휠링이 완료된 이후에 상기 로우사이드 PWM 신호에 따라, 상기 모터와 그라운드 사이에 연결된 로우사이드 구동부의 프리휠링을 수행하는 제2 프리휠링 단계; 및
    상기 하이사이드 구동부의 프리휠링 또는 상기 로우사이드 구동부의 프리휠링 도중에 상기 모터의 전류를 검출하여 단락 여부를 진단하는 단락 진단 단계;
    를 포함하고,
    상기 제1 프리휠링 단계는,
    상기 로우사이드 구동부의 듀티 오프 구간에서 상기 하이사이드 구동부의 프리휠링을 수행하고,
    상기 제2 프리휠링 단계는,
    상기 하이사이드 구동부의 듀티 오프 구간에서 상기 로우사이드 구동부의 프리휠링을 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치의 단락 진단 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 프리휠링 단계와 상기 제2 프리휠링 단계는, 상기 모터의 회전 주기 내의 단계 별로 번갈아가며 수행되는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치의 단락 진단 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 프리휠링 단계와 상기 제2 프리휠링 단계는, 상기 모터의 회전 주기마다 번갈아가며 수행되는 것을 특징으로 하는 단락 진단 기능을 구비한 모터 제어 장치의 단락 진단 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 단락 진단 단계는,
    상기 하이사이드 구동부의 프리휠링 도중에 검출된 전류가 기준 전류를 초과하는 경우, 그라운드 단락 고장을 진단하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치의 단락 진단 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 단락 진단 단계는,
    상기 로우사이드 구동부의 프리휠링 도중에 검출된 전류가 기준 전류를 초과하는 경우, 배터리 단락 고장을 진단하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치의 단락 진단 방법.
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