KR102221826B1

KR102221826B1 - 직류 모터의 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102221826B1
Application number: KR1020180170215A
Authority: KR
Inventors: 장영섭; 이현태
Original assignee: 주식회사 코아비스
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2021-03-03
Also published as: KR20200080601A

Abstract

본 발명은 직류 모터의 리플을 감지하기 어려운 일정 RPM 미만에서도 직류 모터의 구동을 용이하게 할 수 있는 직류 모터의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의한 직류 모터의 제어 장치는 직류 전원(10)에 연결되어 전원을 공급받아 동작하는 DC모터부(20)를 제어하는 장치에 있어서, 일단이 상기 DC모터(20)에 연결되는 션트 저항(100) 및 일단이 상기 션트 저항(100)에 연결되어 상기 DC모터부(20)의 리플을 감지하여 상기 DC모터부(20)의 RPM을 측정하고, 타단이 상기 DC모터부(20)에 연결되어 측정된 상기 RPM에 따라 상기 DC모터부(20)의 듀티 비를 변경하여 구동신호를 인가하는 제어부(200)를 포함하되, 상기 제어부(200)는 측정되는 상기 DC모터부(20)의 RPM이 검출 가능한 기준치 미만일 경우, 상기 DC모터부(20)에 기설정된 듀티 비에 대응하는 구동신호를 인가하는 것을 특징으로 한다.

Description

직류 모터의 제어 장치 및 방법{Control apparatus and method for DC motor}

본 발명은 직류 모터의 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

차량에 사용되는 연료 펌프(Fuel pump)는 자동차의 엔진에 연료를 공급하며, 사용자의 조작에 따라 엔진의 출력을 조절하는 장치로, 차량에 사용되는 연료 펌프는 일반적으로 브러시(Brush) 타입의 직류 모터(DC Motor)를 사용하여 구동된다.

연료 펌프의 회전속도는 직류 모터의 입력 전압에 비례하는데, 따라서 연료 펌프의 회전속도의 제어는 연료 펌프의 직류 모터에 인가되는 입력 전압의 듀티 비(Duty ratio)를 제어함으로써 이루진다.

차량의 배터리와 같은 전원에서 연료 펌프에 인가되는 입력 전압의 경우, 일정하게 유지되는 것이 아닌 가변될 수밖에 없는데, 이러한 경우 직류 모터의 회전속도인 RPM(Revolutions Per Minute)이 가변되기 때문에 일반적으로 연료 펌프의 정밀한 제어가 힘들었고, 따라서 직류 모터의 제어를 일종의 폐루프 시스템(Closed-loop system)으로 구성하여 직류 모터의 RPM을 정밀하게 제어하고 있다.

종래 폐루프로 구성되는 직류 모터의 제어 시스템의 방식은 모터에서 리플을 감지한 후 이를 필터링해 구형파를 만든 후, 만들어진 구형파를 카운팅해 직류 모터의 RPM을 계산하여 계산된 RPM에 맞춰 듀티 비를 제어하는 방식이었다.

이러한 방식의 경우, 일정치 이상의 RPM에서는 리플의 감지가 용이하여 효과적인 방식이지만, 일정치 이하의 RPM에서는 리플량이 작아, 구형파로 필터링 하더라도 구형파가 만들어지지 않고, 로우(Low)값만 나타나는 경우가 있었다. 즉, 리플의 감지가 용이하지 않아, 직류 모터의 제어가 어려운 문제점이 있었으며, 직류 모터는 사용함에 따라 브러시의 마모로 인하여 리플 값이 달라지거나 불균형이 발생하여 실제 RPM과 달리 구동되는 경우가 있는 문제점이 있었다.

한국 등록특허공보 제10-0978508호("자동차의 연료 펌프용 브러시 타입의 직류 모터의 구동장치 및 그 제어 방법", 공고일 2010.08.27.)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 직류 모터의 제어 장치 및 방법의 목적은 직류 모터의 리플을 감지하기 어려운 일정 RPM 이하에서도 직류 모터의 구동을 용이하게 할 수 있는 직류 모터의 제어 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다양한 실시예에 의한 직류 모터의 제어 장치 및 방법은, 직류 전원(10)에 연결되어 전원을 공급받아 동작하는 DC모터부(20)를 제어하는 장치에 있어서, 일단이 상기 DC모터(20)에 연결되는 션트 저항(100); 및 일단이 상기 션트 저항(100)에 연결되어 상기 DC모터부(20)의 리플을 감지하여 상기 DC모터부(20)의 RPM을 측정하고, 타단이 상기 DC모터부(20)에 연결되어 측정된 상기 RPM에 따라 상기 DC모터부(20)의 듀티 비를 변경하여 구동신호를 인가하는 제어부(200);를 포함하되, 상기 제어부(200)는 측정되는 상기 DC모터부(20)의 RPM이 검출 가능한 기준치 미만일 경우, 상기 DC모터부(20)에 기설정된 듀티 비에 대응하는 구동신호를 인가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 DC모터부(20)는 모터(21)와 상기 모터(21)에 연결된 스위칭 소자(22)를 포함하며, 상기 션트 저항(100) 및 상기 제어부(200) 각각은 상기 스위칭 소자(22)와 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부(200)는 감지된 DC모터부(20)의 리플을 필터링하여 구형파로 만들고, 단위시간동안 상기 구형파의 개수를 카운팅해 상기 DC모터부(20)의 RPM을 계산하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부(200)는 상기 션트 저항(100)과 연결되는 MCU(210) 및 상기 MCU(210)와 상기 DC모터부(20) 사이에 연결되어 상기 DC모터부(20)의 듀티 비를 제어하는 게이트 드라이버(220)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부(200)는 상기 MCU(210)와 상기 직류 전원(10) 사이에 위치해, 상기 MCU(210)로 과전압이 인가되지 않도록 하는 레귤레이터(230)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부(200)는 PWM(Pulse Width Modulation), LIN(Local Interconnect Network), CAN(Controller Area Network) 또는 CAN-FD(CAN with Flexible Data rate)를 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 직류 모터의 제어 방법은 DC모터(21)의 리플을 측정하는 리플 측정단계, 상기 리플 측정단계에서 측정된 리플을 필터링하여 구형파로 변환하는 변환단계, 단위시간동안 상기 구형파의 개수를 카운팅해 상기 DC모터(21)의 RPM을 측정하는 RPM 측정단계 및 상기 RPM 측정단계에서 측정된 RPM이 검출 가능한 기준치 이상일 경우 상기 DC모터(21)를 폐루프 제어하고, 상기 RPM 측정단계에서 측정된 RPM이 검출 가능한 기준치 미만일 경우 상기 DC모터(21)를 오픈루프 제어하는 것을 특징으로 하는 제어단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다양한 실시예에 의한 직류 모터의 제어 장치 및 방법에 의하면, DC 모터의 RPM이 검출 가능한 기준치 미만이더라도, 해당 RPM 구간에서 직류 모터를 오픈루프 제어하여 직류 모터에 인가되는 듀티 비가 일정하게 인가되므로, 종래 폐루프 제어 방식을 사용했을 때보다 해당 RPM 구간에서 DC모터의 제어가 보다 용이한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 직류 모터의 제어 장치의 블록도.
도 2는 DC모터에서 측정되는 리플의 크기에 따라 필터링되는 구형파의 예시.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 직류 모터의 제어 장치에서 인가되는 제어신호의 듀티 비에 따른 DC모터의 RPM 그래프.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 직류 모터의 제어 방법의 순서도.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 의한 직류 모터의 제어 장치에 관하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 직류 모터의 제어 장치의 블록도를 개략적으로 도시한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 직류 모터의 제어 장치는 직류 전원(10)에 연결되어 직류 전원(10)으로부터 전원을 공급받아 동작하는 DC모터부(20)를 제어하는 장치로, 션트 저항(100) 및 제어부(200)를 포함할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 일단은 션트 저항(100)은 DC모터부(20)에 연결되고, 타단은 후술할 제어부(200)와 연결되어, DC모터부(20)에 포함되는 DC모터(21)의 리플, 보다 상세히는 리플 전류를 측정하기 위한 저항으로, DC모터부(20)에 포함되는 스위칭 소자(22)에 연결될 수 있다. 즉, 션트 저항(100)은 스위칭 소자(22)의 턴 온, 턴 오프시 발생하는 리플 전류를 검출하며, 이는 후술할 제어부(200)에서 감지된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 제어부(200)는 일단이 션트 저항(100)에 연결되어 DC모터부(20), 보다 상세히 스위칭 소자(22)에서 발생하는 리플 전류를 감지하여 RPM을 계산한다. 보다 상세히, 제어부(200)는 감지된 리플 전류를(정현파의 형태) 소정의 회로를 통해 필터링하여 구형파로 만든 후, 단위시간(예를 들어 1분)동안의 구형파 개수를 카운팅하여, RPM을 계산할 수 있다.

제어부(200)는 계산된 RPM에 따라 듀티 비(Duty ratio)를 변경하고, 변경된 듀티 비에 대응되는 구동신호를 DC모터부(20)의 스위칭 소자(22)에 인가한다. 즉, 일종의 폐루프 시스템을 구성하여, DC모터(21)의 출력값(RPM)에 따라 입력 값을 변경하여, 직류 전원(10)의 출력 값이 일정하지 않더라도 RPM을 일정한 수치로 수렴시킬 수 있다.

단, 배경기술에서 상술한 바와 같이, 이는 DC모터부(20)의 리플을 용이하게 감지할 수 있는, 즉 RPM이 검출 가능한 기준치 이상일 경우에만 해당하는 것이다. 일반적으로 RPM이 검출 가능한 기준치 이상일 경우 리플은 도 2a에 도시된 바와 같이 정현파 형태로 구성되어, 필터링을 통해 구형파로 변환하더라도 그 주기가 명확하므로 단위시간동안의 구형파의 개수를 카운팅하기 용이한데, RPM이 검출 가능한 기준치 미만일 경우 도 2b에 도시된 바와 같이 그 양이 작아 필터링을 통해 구형파로 변환하더라도 Low값으로 변환되어 구형파의 개수를 카운팅할 수 없는 경우가 발생한다. 즉 본 발명은 이를 해결하기 위해, RPM이 검출 가능한 기준치 미만일 경우 종래의 폐루프 제어(Closed-loop control)를 사용하지 않고 오픈루프 제어를 사용한다.

보다 상세히는, 측정되는 DC모터부(20)의 RPM이 기준치 미만일 경우 제어부(200)는 기설정된 듀티 비에 대응되는 구동신호를 스위칭 소자(22)에 인가함으로써, DC모터(21)를 구동시킬 수 있도록 하는 것이다. 여기서 기설정된 듀티 비에 대응되는 구동신호란, DC모터(21)를 오픈 루프 제어하는 기준이 되는 RPM이 검출 가능한 기준치 미만의 구간에서의 듀티 비에 따른 DC모터(21)의 RPM수치 정보에 따른 구동신호로, 본 실시예는 상술한 오픈 루프 제어하는 기준이 되는 RPM수치 미만의 구간에서의 듀티 비에 따른 DC모터(21)의 RPM수치 정보가 저장되는 메모리를 더 포함할 수 있다.

제어부(200)는 상술한 바와 같은 동작을 위해, MCU(210)(Micro Control Unit), 게이트 드라이버(220) 및 레귤레이터(230)를 포함할 수 있다.

MCU(210)는 션트 저항(100)을 통해 감지되는 리플을 필터링하여 구형파로 구성하고, 단위시간 동안의 구형파를 카운팅하여 DC모터(21)의 RPM을 측정하는 역할을 하고, 게이트 드라이버(220)는 MCU(210)에서 측정되는 DC모터(21)의 RPM에 따라 폐루프 방식 또는 오픈루프 방식으로 듀티 비를 결정하여, 결정된 듀티 비에 따른 구동신호를 스위칭 소자(22)에 인가함으로써, 특정 RPM 이하에서도 DC모터(21)가 동작할 수 있도록 한다.

레귤레이터(230)는 전원(10)과 연결된 제어부(200)로 과전압이 흐르지 않도록 입력전원을 제한한다.

제어부(200)에서 사용되는 입력방식은 PWM(Pulse Width Modulation) 제어가 사용되거나, LIN(Local Interconnect Network), CAN(Controller Area Network) 또는 CAN-FD(CAN with Flexible Data rate) 프로토콜이 사용될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 직류 모터의 제어 장치에서 인가되는 제어신호의 듀티 비에 따른 DC모터의 RPM 그래프이다.

도 3에 도시된 바와 같이, RPM이 검출 가능한 기준치 미만인 1구간에서는 듀티 비가 일정하거나, 외부 입력신호에 비례하여 증가할 수 있다. 예를 들어, 운전자가 차량이 정지한 상태에서 차량의 페달을 밟아 연료펌프의 RPM을 0에서 기준치까지 올렸을 때, 운전자로부터 오는 입력신호에만 맞춰 듀티 비를 기설정된 바와 같이, 선형적으로 증가시킬 수 있다. 듀티 비에 직류 전원의 출력을 곱하면 DC모터(21)에 인가되는 전원의 크기가 되고, 전원의 크기는 RPM과 비례하는데, 상술한 바와 같이 직류 전원(10)의 출력 값은 고정된 것이 아닌 특정 범위 내에서 진동하므로, 오픈루프 제어를 통해 DC모터(21)를 구동시키면, 출력 값이 의도했던 것과 다를 수 있지만, 듀티 비 자체가 작기 때문에 그 오차가 크지 않다.

예를 들어, 도 3의 1구간에서 듀티 비가 0.1이고, 직류 전원(10)의 출력값이 12~15V일 경우, DC모터(21)에 인가되는 전압은 1.2V~1.5V일 것이나, 그 차이가 0.3V로 크지 않아, DC모터(21)의 RPM 오차 또한 크지 않다. 도 3의 1구간에서 오픈루프 제어방식으로 제어되는 본 발명의 그래프 파형은 선형적으로 증가하는 것과 같이 직선으로 도시되어 있지만, 실제로는 직선이 아닌 출력 값이 변경되는 꺾은선 그래프와 같을 것이다.

아래의 표 1은 별도의 메모리에 저장되어 DC모터(21)의 오픈루프 제어시에 사용되는 듀티 비에 따른 DC모터(21)의 RPM수치 정보의 일예를 도시한 것이다.

[표 1]

만약 표 1에 도시된 DC모터(21)의 1500 RPM(Output RPM에 해당함) 이하의 구간에서 부정확한 전류값이 검출되어 신뢰성이 낮거나, 전류값의 검출이 불가한 경우, 표 1에 저장된 듀티 비대 RPM정보를 이용하여 DC모터(21)를 오픈루프 제어하며, 이때 구동신호(Command input)는 표 1에 저장된 듀티 비 별 RPM수치를 활용한다.

단, 표 1에 기재된 수치는 임의의 값으로써, 모터의 부하, 브러쉬의 마모정도 및 기타 조건에 따라 달라질 수 있어, 본 발명에서 한정하지는 않는다.

도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 방식이 아닌 본 발명에 의한 직류 모터의 제어 장치를 이용할 경우, 종래보다 낮은 RPM에서 직류 모터를 제어할 수 있기 때문에, DC 모터의 수명이 증가하고, 낮은 RPM으로 인해 전력 소모를 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 의한 직류 모터 제어 방법에 관하여 설명한다. 이하 설명하는 직류의 모터 제어 방법에서 사용되는 구성들은 상술한 직류의 모터의 제어 장치를 사용할 수 있으며, 기설명된 구성들과 동일한 명칭 또는 도번일 경우 그 구성은 서로 같은 것으로 간주한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 직류 모터 제어 방법의 순서를 도시한 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 직류 모터 제어 방법은, 리플 측정단계(S10), 변환단계(S20), RPM 측정단계(S30) 및 제어단계(S40)를 포함할 수 있다.

리플 측정단계(S10)는 DC모터(21)의 리플을 측정하는 단계로, DC모터(21)의 동작을 제어하는 스위칭 소자(22)에 각각 션트 저항(100) 및 제어부(200)가 연결되어 리플을 측정할 수 있다.

변환단계(S20)는 상기 리플 측정단계(S10)에서 측정된 리플을 필터링하여 구형파로 변환하며, 변환단계(S20)는 제어부(200)에서 수행될 수 있다.

RPM 측정단계(S30)는 단위시간동안 변환단계(S20)에서 변환된 구형파의 개수를 측정하여, DC모터(21)의 RPM을 측정한다.

제어단계(S40)는 상기 RPM 측정단계(S30)에서 측정된 RPM이 검출 가능한 기준치 이상일 경우 상기 DC모터(21)를 폐루프 제어하고, 상기 RPM 측정단계에서 측정된 RPM이 검출 가능한 기준치 미만일 경우 상기 DC모터(21)를 오픈루프 제어한다. 폐루프 제어는 DC모터(21)에 인가되는 듀티 비를 측정된 DC모터(21)의 RPM에 따라 변경하여 인가하는 것을 말하며, 오픈루프 제어는 측정되는 DC모터(21)의 RPM에 관계없이, 기설정된 듀티 비에 대응되는 구동신호를 DC모터(21)에 인가하는 것을 의미한다. 제어단계(S40)에서 오픈루프 제어할 경우 사용되는 기설정된 듀티 비에 대응되는 구동신호란, DC모터(21)를 오픈 루프 제어하는 기준이 되는 검출 가능한 RPM수치 미만의 구간에서의 듀티 비에 따른 DC모터(21)의 RPM수치 정보에 따른 구동신호이다. 오픈루프 제어시 사용되는 구동신호는 별도의 메모리에 저장될 수 있으며, 별도의 메모리에 저장되는 정보의 일예는 상술한 표 1일 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

10 : 직류 전원
20 : DC모터부
21 : DC모터
22 : 스위칭 소자
100 : 션트 저항
200 : 제어부
210 : MCU
220 : 게이트 드라이버
230 : 레귤레이터
S10 : 리플 측정단계
S20 : 변환단계
S30 : RPM 측정단계
S40 : 제어단계

Claims

직류 전원(10)에 연결되어 전원을 공급받아 동작하는 DC모터부(20)를 제어하는 장치에 있어서,
일단이 상기 DC모터부(20)에 연결되는 션트 저항(100); 및
일단이 상기 션트 저항(100)에 연결되어 상기 DC모터부(20)의 리플을 감지하여 상기 DC모터부(20)의 RPM을 측정하고, 타단이 상기 DC모터부(20)에 연결되어 측정된 상기 RPM에 따라 상기 DC모터부(20)의 듀티 비를 변경하여 구동신호를 인가하는 제어부(200);
를 포함하되,
상기 제어부(200)는 감지된 상기 DC모터부(20)의 리플을 필터링하여 구형파로 만들고, 단위시간동안 상기 구형파의 개수를 카운팅해 상기 DC모터부(20)의 RPM을 계산하고, 상기 구형파의 개수를 카운팅할 수 없을 경우, 상기 DC모터부(20)이 기설정된 듀티 비에 대응하는 구동신호를 인가하여 상기 DC모터부(20)를 개루프 제어하는 것을 특징으로 하는 직류 모터의 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 DC모터부(20)는 모터(21)와 상기 모터(21)에 연결된 스위칭 소자(22)를 포함하며,
상기 션트 저항(100) 및 상기 제어부(200) 각각은 상기 스위칭 소자(22)와 연결되는 것을 특징으로 하는 직류 모터의 제어 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제어부(200)는
상기 션트 저항(100)과 연결되는 MCU(210) 및
상기 MCU(210)와 상기 DC모터부(20) 사이에 연결되어 상기 DC모터부(20)의 듀티 비를 제어하는 게이트 드라이버(220)
를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 모터의 제어 장치.
제4항에 있어서,
상기 제어부(200)는 상기 MCU(210)와 상기 직류 전원(10) 사이에 위치해, 상기 MCU(210)로 과전압이 인가되지 않도록 하는 레귤레이터(230)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 모터의 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부(200)는 PWM(Pulse Width Modulation), LIN(Local Interconnect Network), CAN(Controller Area Network) 또는 CAN-FD(CAN with Flexible Data rate)를 사용하는 것을 특징으로 하는 직류 모터의 제어 장치.
DC모터(21)의 리플을 측정하는 리플 측정단계;
상기 리플 측정단계에서 측정된 리플을 필터링하여 구형파로 변환하는 변환단계;
단위시간동안 상기 구형파의 개수를 카운팅해 상기 DC모터(21)의 RPM을 측정하는 RPM 측정단계; 및
상기 RPM 측정단계에서 상기 구형파의 개수가 카운팅할 수 없어 상기 DC모터(21)의 RPM이 검출 가능한 기준치 미만으로 판단되면 상기 DC모터(21)를 개루프 제어하고, 상기 RPM 측정단계에서 측정된 RPM이 기준치 이상일 경우 상기 DC모터(21)를 폐루프 제어하는 것을 특징으로 하는 제어단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 모터의 제어 방법.