KR102298363B1

KR102298363B1 - 모터의 통전 제어 장치

Info

Publication number: KR102298363B1
Application number: KR1020140122088A
Authority: KR
Inventors: 손병욱
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2014-09-15
Filing date: 2014-09-15
Publication date: 2021-09-07
Also published as: KR20160032352A

Abstract

모터의 통전 제어 장치에 대한 발명이 개시된다. 본 발명의 모터의 통전 제어 장치는 각 상별로 제1코일과, 제1코일에 직렬로 연결된 제2코일을 포함하는 모터, 다수의 인버터스위치를 통해 각 상별로 스위칭하여 모터를 구동시키는 모터구동부 제1코일과 제2코일에 인가되는 전류 상태를 감지하는 전류센서 제1코일과 제2코일 중 어느 하나 이상의 코일에 대한 전류 패스가 선택되도록 작동하는 다수의 스위치들이 직렬로 연결되는 스위치부 및 전류센서의 감지에 따라 스위치부의 작동을 제어하는 구동제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

모터의 통전 제어 장치{APPARATUS FOR APPLYING AN ELECTRIC CURRENT CONTROL OF MOTOR}

본 발명은 모터의 통전 제어 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기식 파워 스티어링(EPS) 시스템에 있어서, ECU에 결선 전환을 위한 스위치를 구비하여 스위치 제어를 통해 직렬로 권선되는 모터의 각 코일에 통전을 제어함으로써 모터 고장에 대한 페일 세이프가 확보되도록 하는 모터의 통전 제어 장치에 관한 것이다.

전기식 파워 스티어링(EPS) 장치는 브러시리스 모터에서 발생하는 조향력을 감속기를 통해 증폭시켜 스티어링 휠에 조타력을 제공함으로써 운전자의 조향 편의성을 제공해 주는 장치로써, 유압식 파워스티어링에 비해 연비가 높고 스티어링 느낌이 좋으며 체적이 작으므로 자동차에 많이 적용되고 있다. 몇 년 전까지 대부분의 전기식 파워 스티어링 시스템에는 제어가 쉽고 하드웨어 구조가 간단한 영구자석 DC 모터가 주로 적용되었으나 최근에는 효율이 높고 수명이 긴 BLAC(Brushless AC)모터가 적용되고 있다.

일반적으로 3상 BLAC 모터는 각 슬롯에 순차적으로 권선이 실시되어 2개의 단자가 각각 ECU와 모터 3상의 중성점에 결선되는데, 어느 하나의 슬롯에서 코일 소손이 발생되는 경우 정상적으로 모터에 전류가 흐르지 않아 토크가 발생되지 않게 된다.

즉, 모터 코일 단선, 전원 단자의 접촉불량 등으로 모터가 고장 날 경우, ECU에서 모터 제어를 중지하게 되어 모터 회전력이 컬럼에 발생되지 않게 되고, 이로 인하여 운전자는 급격한 조향 토크가 부담되어 조타시 어려움이 발생할 수 있다.

또한, 차세대 조향 시스템인 Steer By Wire는 기계적인 연결장치 없이 스티어링 휠과 모터 구동부가 구성되기 때문에, 구동 모터나 ECU 고장에 대한 페일 세이프 구조가 추가적으로 요구되고 있다.

따라서, 일부 시스템에서는 모터와 ECU를 추가하여 모터 또는 ECU 손상시 1/2 조향력을 제공하는 등의 페일 세이프 구조를 제안하였으나, 이러한 구조는 모터 및 ECU가 추가됨에 따라 재료비가 상승되고 중량이 증가되는 문제점이 있었다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0110772호(2013. 10. 10. 공개, 발명의 명칭 : 3결선 구조의 스테이터 및 이를 이용한 BLDC 모터)에 개시되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 전기식 파워 스티어링(EPS) 시스템에 있어서, ECU에 결선 전환을 위한 스위치를 구비하여 스위치 제어를 통해 직렬로 권선되는 모터의 통전 상태가 변경되도록 전류 패스를 선택함으로써 모터 고장에 대한 페일 세이프가 확보되도록 하는 모터의 통전 제어 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 권선 구조를 변경하여 3상 BLAC 모터에서 어느 하나의 슬롯에 코일 소손이 발생되더라도 스위치 제어를 통해 소손이 발생되지 않은 슬롯의 코일에만 전류가 통전되도록 전류 패스를 선택하여 모터에 지속적으로 토크가 발생되도록 하는 모터의 통전 제어 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 모터의 통전 제어 장치는, 각 상별로 제1코일과, 상기 제1코일에 직렬로 연결된 제2코일을 포함하는 모터; 다수의 인버터스위치를 통해 상기 각 상별로 스위칭하여 상기 모터를 구동시키는 모터구동부; 상기 제1코일과 제2코일에 인가되는 전류 상태를 감지하는 전류센서; 상기 제1코일과 제2코일 중 어느 하나 이상의 코일에 대한 전류 패스가 선택되도록 작동하는 다수의 스위치들이 직렬로 연결되는 스위치부; 및 상기 전류센서의 감지에 따라 상기 스위치부의 작동을 제어하는 구동제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 모터는 다수의 슬롯이 방사형으로 구비되는 회전자, 상기 슬롯의 수가 3×(2n+4), (n=0,1,2…n)인 고정자에서 3상을 이루는 A, B, C 각 상의 코일이 각각 전기각 360×2n, 360×2n+120, 360×2n+240 (n=0,1,2…n) 위치의 슬롯에 권선된 상기 제1코일 및 상기 각 상의 코일이 각각 전기각 360×(2n+1), 360×(2n+1)+120, 360×(2n+1)+240 (n=0,1,2…n) 위치의 슬롯에 권선된 상기 제2코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 구동제어부는 상기 전류센서로부터 제1, 제2코일의 소손이 감지되지 않으면, 상기 제1, 제2코일에 대한 전류 패스가 선택되도록 상기 스위치부의 작동을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 구동제어부는 상기 전류센서로부터 제1, 제2코일 중 어느 하나의 코일의 소손이 감지되면, 소손이 감지된 코일을 바이패스 하도록 선택되고, 소손이 감지되지 않은 코일에 대한 전류 패스가 선택되도록 상기 스위치부의 작동을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 모터의 통전 제어 장치는 전기식 파워 스티어링(EPS) 시스템에 있어서, ECU에 결선 전환을 위한 스위치를 구비하여 스위치 제어를 통해 직렬로 권선되는 모터의 통전 상태가 변경되도록 전류 패스를 선택함으로써 모터 고장에 대한 페일 세이프가 확보되도록 할 수 있다.

또한, 본 발명은 권선 구조를 변경하여 3상 BLAC 모터에서 어느 하나의 슬롯에 코일 소손이 발생되더라도 스위치 제어를 통해 소손이 발생되지 않은 슬롯의 코일에만 전류가 통전되도록 전류 패스를 선택하여 모터에 지속적으로 토크가 발생되도록 할 수 있다.

또한, 본 발명은 페일 세이프 구현 시 모터 또는 ECU가 추가되지 않고 스위치 제어만으로 모터의 결선 전환이 가능하므로 원가가 절감되고 중량이 증가되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 BLAC모터 구동을 나타낸 회로구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 통전 제어 장치를 나타낸 블록구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 통전 제어 장치를 나타낸 회로구성도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 통전 제어 장치에서 모터의 권선 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 통전 제어 장치에서 모터 권선이 소손되지 않은 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 통전 제어 장치에서 모터 권선이 소손된 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 통전 제어 장치에서 모터 권선이 소손된 경우와 소손되지 않은 경우, 모터에 발생되는 토크를 비교한 그래프이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 통전 제어 장치를 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.

먼저, 도 1은 BLAC모터 구동을 나타낸 회로구성도이다.

일반적인 BLAC모터는 인버터스위치(Q1 ~ Q6)를 통해 6 스텝 구동을 하는데, 그 중 도 1은 첫 번째 스텝의 구동을 나타낸 것으로써, 제1 인버터스위치(Q1)와 제2 인버터스위치(Q2)를 제어하여 통전되도록 한 것이며, 본 발명의 일 실시예에 따른 동작 사례는 도 1에서와 같은 첫 번째 스텝을 기준으로 설명하기로 한다.

또한, 3상 BLAC모터의 경우 권선은 A,B,C상으로 각각 대칭적으로 결선되는데, 본 발명에서는 8극 12슬롯 A상 결선 조건을 예로 들어 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 통전 제어 장치를 나타낸 블록구성도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 통전 제어 장치를 나타낸 회로구성도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 통전 제어 장치에서 모터의 권선 구조를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 통전 제어 장치에서 모터 권선이 소손되지 않은 경우를 설명하기 위한 도면이며, 도 6 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 통전 제어 장치에서 모터 권선이 소손된 경우를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 통전 제어 장치에서 모터 권선이 소손된 경우와 소손되지 않은 경우, 모터에 발생되는 토크를 비교한 그래프이다.

도 2 내지 도 7에서와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 통전 제어 장치는, 모터(10), 모터구동부(20), 전류센서(30), 스위치부(40) 및 구동제어부(50)를 포함한다.

모터(10)는 다수의 슬롯이 방사형으로 구비되는 회전자와, 슬롯의 수가 3×(2n+4), (n=0,1,2…n)인 고정자에서 3상을 이루는 A, B, C 각 상의 코일이 각각 전기각 360×2n, 360×2n+120, 360×2n+240 (n=0,1,2…n) 위치의 슬롯에 권선된 제1코일 및 각 상의 코일이 각각 전기각 360×(2n+1), 360×(2n+1)+120, 360×(2n+1)+240 (n=0,1,2…n) 위치의 슬롯에 권선된 제2코일을 포함한다.

다시말해, 다수의 슬롯이 방사형으로 구비되는 회전자와, 도 4와 같이 3×(2n+4) 슬롯에서 n=0인 12슬롯 고정자의 경우에 있어서, 슬롯 #1의 각도를 0라 정의하였을 때, A상은 360×2n (n=0,1) 전기각에 해당하는 슬롯 (#1, #7)에 권선되고, B상은 전기각 360×2n+120 (n=0,1) 전기각에 해당하는 슬롯(#2, #8)에 권선되고, C상은 전기각 360×2n+240 (n=0,1) 전기각에 해당하는 슬롯(#3, #9)에 권선된 제1코일과, 제1코일에 직렬로 연결되며 A상은 360×(2n+1) (n=0,1) 전기각에 해당하는 슬롯 (#4, #10)에 권선되고, B상은 전기각 360×2n+120 (n=0,1) 전기각에 해당하는 슬롯(#5, #11)에 권선되고, C상은 전기각 360×2n+240 (n=0,1) 전기각에 해당하는 슬롯(#6, #12)에 권선된 제2코일을 포함한다.

자세히는, 도 4에서와 같이, 슬롯 #1에 코일이 권선된 후 전기각 720도, 즉,기계적으로 180도(모터에서의 전기각 = 극수/2*기계각 관계에 있음, 따라서, 8극에서 전기각 720도이면 기계각은 180도임) 대칭 위치인 슬롯 #7에 권선을 실시하여 연결단자 Am을 통해 전류센서(30)와 연결되도록 하여 제1코일이 형성되도록 한다. 그리고 연속하여 슬롯 #4에 코일이 권선된 후 전기각 720도 즉, 기구적으로 180도 대칭 위치인 슬롯 #10에 권선을 실시하여 연결단자 Ae를 생성하여 제2코일이 형성되도록 한다. 따라서, 제1코일과 제2코일은 연결단자 Am과 Am'를 통해 직렬로 연결된다.

모터구동부(20)는 다수의 인버터스위치(Q1 ~ Q2)를 통해 모터(10)의 각 상별로 스위칭하여 모터(10)를 구동시킨다.

전류센서(30)는 제1, 제2코일에 인가되는 전류 상태를 감지한다.

스위치부(40)는 제1코일과 제2코일 중 어느 하나 이상의 코일에 대한 전류 패스가 선택되도록 작동하는 다수의 스위치(SW1 ~ SW5)들이 병렬로 연결된다.

구동제어부(50)는 전류센서(30)의 감지에 따라 스위치부(40)를 제어한다.

이때, 구동제어부(50)는 코일 소손에 따라 스위치부(40)를 제어하여 소손된 코일에 인가되는 전류를 제어하게 되는데, 본 발명에서는 예시로 3가지의 경우로 나누어 설명하고자 한다.

첫째, 전류센서(30)로부터 제1, 제2코일의 소손이 감지되지 않으면, 구동제어부(50)는 제1, 제2코일에 대한 전류 패스가 선택되도록 스위치부(40)의 작동을 제어한다. 따라서, 첫 번째 스텝에서 스위치부(40)의 SW1, SW3, SW4, S5를 오프시켜 Line #1 ~ Line #9에 연결된 단자는 Vs와 동일 전위 상태가 되어 전류가 통전되지 않고, SW2를 온시켜 도 5에서와 같은 통전 상태가 되도록 하여, 도 8의 CASE1 그래프와 같이 100%의 토크가 발생하게 된다.

둘째, 전류센서(30)로부터 제1코일의 소손이 감지되면, 구동제어부(50)는 제1코일을 바이패스하고, 제2코일에 대한 전류 패스가 선택되도록 스위치부(40)를 제어한다. 따라서, 첫 번째 스텝에서 스위치부(40)의 SW1, SW4를 오프시켜 Line #5 ~ Line #9에 연결된 단자는 Vs와 동일 전위 상태가 되어 전류가 통전되지 않고, SW2, SW3, SW5를 온시켜, 도 6에서와 같이 제1코일을 바이패스하고, 제2코일에만 통전되도록 함으로써 도 8의 CASE2 그래프와 같이 50%의 3상 평형토크가 발생하게 된다.

셋째, 전류센서(30)로부터 제2코일의 소손이 감지되면, 구동제어부(50)는 제2코일을 바이패스하고, 제1코일에 대한 전류 패스가 선택되도록 스위치부(40)를 제어한다. 따라서, 첫 번째 스텝에서 스위치부(40)의 SW2 ~ SW5를 오프시켜 Line #1 ~ Line #6, Line #10 ~ Line #12에 연결된 단자는 Vs와 동일 전위 상태가 되어 전류가 통전되지 않고, SW1을 온시켜, 도 7에서와 같이 제2코일을 바이패스하고, 제1코일에만 통전되도록 함으로써 도 8의 CASE3 그래프와 같이 50%의 3상 평형토크가 발생하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 통전 제어 장치는 전기식 파워 스티어링(EPS) 시스템에 있어서, ECU에 결선 전환을 위한 스위치를 구비하여 스위치 제어를 통해 직렬로 권선되는 모터의 통전 상태가 변경되도록 전류 패스를 선택함으로써 모터 고장에 대한 페일 세이프가 확보되도록 할 수 있다.

또한, 권선 구조를 변경하여 3상 BLAC 모터에서 어느 하나의 슬롯에 코일 소손이 발생되더라도 스위치 제어를 통해 소손이 발생되지 않은 슬롯의 코일에만 전류가 통전되도록 전류 패스를 선택하여 모터에 지속적으로 토크가 발생되도록 할 수 있다.

또한, 페일 세이프 구현 시 모터 또는 ECU가 추가되지 않고 스위치 제어만으로 모터의 결선 전환이 가능하므로 원가가 절감되고 중량이 증가되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

10 : 모터 20 : 모터구동부
30 : 전류센서 40 : 스위치부
50 : 구동제어부

Claims

각 상별로 제1코일과, 상기 제1코일에 직렬로 연결된 제2코일을 포함하는 모터;
다수의 인버터스위치를 통해 상기 각 상별로 스위칭하여 상기 모터를 구동시키는 모터구동부;
상기 제1코일과 제2코일에 인가되는 전류 상태를 감지하는 전류센서;
상기 제1코일과 제2코일 중 어느 하나 이상의 코일에 대한 전류 패스가 선택되도록 작동하는 다수의 스위치들이 직렬로 연결되는 스위치부; 및
상기 전류센서의 감지에 따라 상기 스위치부의 작동을 제어하는 구동제어부; 를 포함하되,
상기 구동제어부는,
상기 전류센서로부터 제1, 제2코일 중 어느 하나의 코일의 소손이 감지되면, 소손이 감지된 코일을 바이패스 하도록 선택되고, 소손이 감지되지 않은 코일에 대한 전류 패스가 선택되도록 상기 스위치부의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 모터의 통전 제어 장치.
제 1항에 있어서, 상기 모터는
다수의 슬롯이 방사형으로 구비되는 회전자, 상기 슬롯의 수가 3×(2n+4), (n=0,1,2…n)인 고정자에서 3상을 이루는 A, B, C 각 상의 코일이 각각 전기각 360×2n, 360×2n+120, 360×2n+240 (n=0,1,2…n) 위치의 슬롯에 권선된 상기 제1코일 및 상기 각 상의 코일이 각각 전기각 360×(2n+1), 360×(2n+1)+120, 360×(2n+1)+240 (n=0,1,2…n) 위치의 슬롯에 권선된 상기 제2코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 통전 제어 장치.
제 1항에 있어서, 상기 구동제어부는
상기 전류센서로부터 제1, 제2코일의 소손이 감지되지 않으면, 상기 제1, 제2코일에 대한 전류 패스가 선택되도록 상기 스위치부의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 모터의 통전 제어 장치.
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