KR102333125B1 - 차량용 공기정화장치에 설치되는 모터 - Google Patents

Abstract

본발명은 차량용 공기정화장치에 설치되는 모터에 관한 것으로, 상기 차량용 공기정화장치에 설치되는 모터는 3상, 16극, 12 Slot 의 BLDC모터를 사용하는 것으로,
본발명은 IoT결합 상용/SUV용 차량 공기청정기에 설치되는 것으로, 저소음이고, 수명이 길며, 차량전자기기에 장애가 적으므로 안전하고, 수명이 긴 현저한 효과가 있다.

Description

차량용 공기정화장치에 설치되는 모터{Motor installed in vehicle air purifier}

본발명은 차량용 공기정화장치에 설치되는 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 IoT결합 상용/SUV용 차량 공기청정기에 설치되는 것으로, 저소음이고, 수명이 길며, 차량전자기기에 장애가 적으므로 안전하고, 수명이 긴 차량용 공기정화장치에 설치되는 모터에 관한 것이다.

일반적으로 대기의 오염물질과 차량 내 나쁜 물질들이 건강에 악영향을 미치므로 차량내에는 공기정화장치를 설치한다. 일례로서 종래기술인 등록특허공보 등록번호 10-0804663호에는 차량용 공조시스템에 설치된 공조용 도어의 개도를 제어하는 스테핑모터 제어방법에 있어서,

상기 차량용 공조시스템에 전원이 인가되면, 스테핑모터의 구동속도를 기 설정된 스테핑모터의 구동속도로 초기화시키는 제 1 단계;

상기 스테핑모터의 인가전압을 검출하는 제 2 단계;

상기 스테핑모터의 인가전압이 모터가 정상구동하는데 필요한 전압인가를 비교 판단하는 제 3 단계;

상기 스테핑모터의 인가전압이 모터의 정상구동을 위한 최저 인가전압 이하일 경우 상기 스테핑모터 인가전압에 따른 최적의 구동속도를 산출하는 제 4 단계; 및

상기 최적 구동속도를 산출한 결과 모터 구동속도를 재설정하여 상기 스테핑모터를 상기 재설정 한 구동속도로 제어하는 제 5 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 차량의 공조용 스테핑모터의 구동제어방법이 공개되어 있다.

등록특허공보 등록번호 10-0251789호에는 출력축(5)에 분할접점(A)(C)사이를 선택적으로 통전시키는 도전브러시(2)와일측에 아암(6)이 형성된 회동판(4)이 동축상으로 장착되고, 상기 아암(6)은 연결부재(7)를 개재하여 차량 공조장치의 도어(8)와 연결되어 도어(8)를 개폐시키도록 한 것에 있어서,

모터(M)의 (-)단자에 다이오드(D3)(D4)를 통하여 분할접점(B)(D)이 연결되고, 모터(M)의 (+)단자에는 다이오드(D1)(D2)를 통하여 분할접점(A)(C)이 연결됨과 함께 분할점점(E)이 연결되며, 상기 도전브러시(2) 회동시 동시에 도전 브러시(1)가 상기 분할접점(B)(D)에 선택적으로 접촉되도록 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 공조장치의 모터 구동 제어장치가 공개되어 있다.

그러나 이때 사용되는 종래의 일반 DC 모터는 효율 및 동작특성이 우수하여 동력용은 물론 서보 모터로서 널리 사용된다. 하지만 브러시와 정류자의 접촉에 의한 기계적인 스위칭으로 인하여 수명이 길지 못하고 정기적인 보수를 필요로 하며 브러시에서의 전기 및 자기적인 잡음 등이 발생하여 전기기기에 장애를 주는 일 등이 발생된다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, IoT결합 상용/SUV용 차량 공기청정기에 설치되는 것으로, 저소음이고, 수명이 길며, 차량전자기기에 장애가 적으므로 안전하고, 수명이 긴 차량용 공기정화장치에 설치되는 모터를 제공하고자 하는 것이다.

본발명은 차량용 공기정화장치에 설치되는 모터에 관한 것으로, 상기 차량용 공기정화장치에 설치되는 모터는 3상, 16극, 12 Slot 의 BLDC모터를 사용하는 것을 특징으로 한다.

따라서 본발명은 IoT결합 상용/SUV용 차량 공기청정기에 설치되는 것으로, 저소음이고, 수명이 길며, 차량전자기기에 장애가 적으므로 안전하고, 수명이 긴 현저한 효과가 있다.

도 1은 본발명의 BLDC 모터 구동 시스템 블록도
도 2는 본발명의 BLDC 모터 구동회로 기술표

본발명은 차량용 공기정화장치에 설치되는 모터에 관한 것으로, 상기 차량용 공기정화장치에 설치되는 모터는 3상, 16극, 12 Slot 의 BLDC모터를 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 모터 드라이브 쪽에서는 FOC 센서리스 정현파 제어 방식을 적용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 3상 제어를 위해 인버터 회로는 2CH 3개의 FET를 사용하여, 노이즈를 최소화 하는 것을 특징으로 한다.

본발명을 첨부도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본발명의 BLDC 모터 구동 시스템 블록도, 도 2는 본발명의 BLDC 모터 구동회로 기술표이다.

본발명은 상용 및 SUV 운전자&탑승자 환경 개선을 위한 공기질 변화인식 DB적용 IoT 차량용 공기청정기 개발에 관한 것이다.

곧, IoT 기술을 이용해 실내 공기질(온도, 습도, TVOC, 포름알데히드, 초미세공기정화장치의 모니터링 및 제어 시스템을 개발하고, 고성능 모터와 Fan 개발을 통해 제품의 성능을 향상 시키며, 항균 소재와 필터 개발로 차량 실내 공기질 향상 및 유지를 위한 공기정화 장치를 개발한다.

IoT 결합 차량용 공기청정기는 상용/SUV용 차량에 설치하여 사용 가능한 공기청정기로서,

먼지센서 및 VOCs 센서를 이용한 차량내부 공기질 평가 및 알람기능을 가지고 졸음의 원인인 이산화탄소의 농도를 측정하여 일정농도에서 환기 알람기능을 가진다.

그리고 운전자 안전을 고려한 외부공기 환기 가능 여부 알람기능을 가지는 것으로, 외부 공기질 자료를 활용하여 내부 공기질과 비교하고, 환기가능여부 판단하여 알람을 울리되, 알람 종류는 공기청정기 표시 및 운전자 핸드폰 전송을 한다.

본발명의 저소음 & 센서리스 BLDC에 대해 설명하되,

먼저 BLDC 모터에 대해 설명한다. DC 모터는 브러쉬 마모에 따라 수명이 모터의 수명을 좌우하게 되나, BLDC모터는 브러쉬 대신 인버터 회로를 통해 브러쉬의 역할을 대신하여, 기계적 마찰음이 발생하지 않으며, 이론적으로 영구적 사용이 가능하다.

그리고 브러쉬를 사용하지 않으므로, DC모터 대비해서 기계적 마찰음이 발생하지 않아 노이즈에 유리하다.

그리고 홀센서를 사용하는 BLDC는 기구적으로 디텍트 마그넷이 필하고, 경우에 따라서는 센싱을 위한 핀이 사용되기도 하고, 센서 보드를 별도로 만들어 사용하므로, 기구적 결합 방식에서 부피를 많이 차지하게 된다.

본발명의 센서리스 방식은 홀센서를 사용하지 않으므로 디텍트 마그넷이 필요없고, 그에 따른 부수적인 기구물이 필요 없으므로 보다 컴팩트한 모터를 구현하기에 적합한 방식이다.

특히 본발명의 차량용 저소음 BLDC 의 경우 이러한 DC 모터의 결점을 보완하기 위해서 브러시와 정류자 등의 기계적인 스위칭을 반도체 소자를 이용한 전자적인 스위칭을 하는 모터이다.

모터, 모터구동회로, 고전압 파워소자 구동회로, 고전압 파워소자로 구성된 모터구동시스템은 전기에너지를 기계에너지로 변환하여 다양한 전자기기에서 모터를 구동 및 제어하는 역할을 한다.

모터구동시스템 기술은 교류전원을 사용하는 교류 모터구동시스템에 비해 제어가용이 하고 저가격인 직류전원을 사용하는 직류 모터구동시스템으로 발전하고 있다

본발명의 BLDC 모터는 기존 직류모터에서 외부 전원을 공급하는 브러시와 직류모터의 극성을 바꿔주는 정류자 대신에 고전압 파워소자를 사용하므로 고전압 파워소자 기술, BLDC모터는 직류전원을 사용하는 직류모터이지만 교류모터 와 같은 교류전.원으로 구동해야 하므로 직류 전원을 교류전원으로 변환하기 위하여 고전압 파워소자를 구동하는 고전압 파워소자 자동회로 기술, BLDC 모터를 응용분야에 맞게 속도 혹은 토크를 제어하여 구동하는 모터구동회로 기술과 BLDC 모터 기술이 필요하다.

상기 BLDC 모터구동시스템 블록도로 모터구동회로는 모터구동시스템의 제어 알고리즘에 따라 BLDC모터 제어 및 구동 역할을 하고, 파워소자 구동회로는 모터구동회로의 출력신호에 의해 혼성신호처리로 고전압 파워소자를 구동하는 역할을 하고, 고전압 파워소자는 BLDC 모터 교류전원으로 변환하여 전달하는 역할을 한다.

BLDC 모터구동시스템에서는 모터구동회로, 고전압 파워소자 구동회로, 고전압 파워소자 및 BLDC모터 기술개발이 요구된다.

본발명의 차량용 BLDC 모터제어 기술의 주된 목적은 현재 구동 시간에서의 모터 위치정보 신호기반으로 다음 구동시 간에서의 정확한 모터 위치정보 신호로 제어하여 BLDC 모터를 제어 알고리즘에 따라 정확하고 정밀하게 구동을 하는 것이다.

곧, BLDC 모터의 위치정보 신호를 검출하는 기술에 따라 홀센서 혹은 엔코드, 레조버 등 위치센서를 사용하여 모터의 위치정보 신호를 검출하는 센서드 BLDC 모터 위치검출기술과 센서드 BLDC 모터 위치검출 기술의 위치센서와 같은 역할을 하는 모터의 BEMF(Back Electromotive Force, 역기전력) 신호로 모터의 위치정보 신호를 검출하는 센서리스 BLDC 모터 위치검출 기술이 있다.

센서드 BLDC 모터 위치검출 기술에서 위치센서는 가격이 저렴한 홀센서가 가장 많이 사용되고 있지만 본발명의 홀센서리스 BLDC 모터 위치검출 기술에서는 고정밀 위치검출을 위해 정확한 3상 상전류 및 상전압 검출과 위치검출 알고리즘 및 구현회로 기술이 필요하다.

그리고 다양한 BLDC 모터 위치검출 알고리즘 중에 가장 많이 사용되는 위치검출 알고리즘은 SMO(Sliding Mode Observer)이다. SMO 위치검출 알고리즘은 실측 3상 전류/전압을 이용하여 축변환하여 실측 2상 전류와 실측 2상 전압에 의한 추정 2상 전류로 모터의 위치정보 신호를 검출하여 모터의 위치정보 신호를 검출한다.

센서리스 모터의 정확한 위치를 검출하기 위하여 모터의 실측 전류가 필요하며 이를 위해서 고전압 파워소자 전류 검출이 필요하며, 고전압 파워소자에 직렬 저항을 추가하여 저항에 흐르는 전류를 검출하는 기술이 가장 일반적이지만 대전류 검출 시 매우 손실이 발생하는 단점이 있어서 고전압 파워소자의 전류 미러 형태의전류 센싱 소자를 이용하여 전류를 검출하는 기술이 필요하다.

상기 표와 같이, BLDC 모터의 역기전력 전압 모양에 따라 구형파 혹은 정현파로 구분되고 BLDC 모터 구동 시 3상 중 2상만 구동 혹은 3상 모두 구동하는 120도, 180도, 벡터로 구분된다.

BLDC 모터 제어기 기술개발은 Package 기술개발로 여러 개의 칩들을 On-Board하는 oard Level 모듈에서 Chip Level로 집적화 가능한 Chip Level 모듈 형태로 발전하는 추세로 파워소자, 파워소자 구동회로, 모터구동회로 각각의 3칩 3패키징 모터구동 모듈에서 파워소자와 파워소자구동회로가 집적화되어 2칩 1패키징 모터구동 모듈로 발전되어 왔고, 향후 부품/시스템의 지능화, 다기능화, 고기능화, 고집적화 요구에 부응하기 위하여 집적화된 파워모듈로 발전한다.

본발명의 실리콘 기반 대전류 모터구동 모듈을 위해서는 여러 개의 칩들을 전기적으로 연결하기 위하여 멀티 칩 본딩 기술, 엑폭시딩 기술, EMI(Electro Magnetic Interference) 감소 등의 기술개발이 요구되어지며, 실리콘 기반 대전류 모터구동 모듈용 패키징 기술은 소형화, 고신뢰성화, 저가격화및 고생산성으로 발전하고 있고, 가격경쟁력을 갖춘 신소재의 개발이 가속화되면서 파워밀도가 더욱 높아지게되면서 기존의 와이어본딩 인터커넥션 방식이 한계에도달하여 본딩 와이어를 Flex 기판이나 반도체 제조에서 사용하는 방법과 유사한 Plana 방식으로 대체하여 모듈 내부의 인터커넥션 집적도와 신뢰성을 높이기 위한 기술개발이 진행된다.

본발명은 대전류 파워소자에서 발생하는 손실 예측의 정확도를 높여 모터구동 모듈 내에서의 열적 및 기구적인 스트레스 최소화 설계를 가능하게 함으로써 모터구동 모듈의 고신뢰성을 위해 설계된 모듈의 형태로부터 전기적인 기생 RLC(Resistor Inductor Capacitor) 모델을 추출하여 이를 바탕으로 과전압 및 노이즈 감소 설계가 가능한 파워 집적화 모듈설계 기술 적용이 된다.

본발명의 소음 BLDC 모터 개발 사양은 다음표와 같다.

모터개발 정량적 사양 @ DC 12V FANLoad	항목	내용	비고
	회전수 (RPM)	4000
	전류 (A)	MAX 0.65

표 1 : 소음 BLDC 모터 개발 사양

-BLDC 모터, CASE 및 제어기 성능 및 특성 분석

-BLCD 모터 설계 파라미터 도출 : 회전수(RPM) 및 전류(A)

-Proto 제작

본발명의 모터는 제품의 차별화 및 우월성 위해 기구적으로 3Phase BLDC모터, 16극 12 Slot를 적용하고,

모터 드라이브 쪽에서는 고급제어 기술인 FOC 센서리스 정현파 제어 방식을 적용하고,

3상 제어를 위해 인버터 회로는 2CH 3개의 FET를 사용하여, 기존 제품대비 노이즈를 최적화한다.

또한 기존 홀센서 방식에서 각상의 실제 전류를 측정하여 위상을 추적하는 방식인 센서리스 방식을 적용한 것이다.

BLDC 드라이브 제작 에 대해 설명하면,

Speed Feed Back를 통한 Speed Control(정속 RPM 제어)하고, 센서리스 FOC 제어 알고리즘을 적용하며( 진동, 노이즈 우수함.), Space Vector Modulation(Sine Wave)을 이용한 정현파 제어를 하고, Inverter회로는 MOSFET를 이용하여 구현한다.

SoftWare 설계는 FOC 제어(센서리스 정현파 제어)를 하며, FOC 제어 알고리즘을 사용한다.

\3상 교류 성분을 Clark 변환과 Park 변환 변환을 거처 최종적으로 DC 성분으로 만들고, 속도 및 전류 목표 입력값 대비 PI 제어를 거쳐 만들어진 목표값을 다시 역변환 과정을 거쳐 출력시킴. 출력은 SVM(Space Vector Modulation)을 이용하여 PWM 형태로 이루어진다.

따라서 본발명은 IoT결합 상용/SUV용 차량 공기청정기에 설치되는 것으로, 저소음이고, 수명이 길며, 차량전자기기에 장애가 적으므로 안전하고, 수명이 긴 현저한 효과가 있다.

Claims (3)

1. 차량용 공기정화장치에 설치되는 모터로서, 상기 모터는 3상, 16극, 12 Slot 의 BLDC모터를 사용하며, 모터 드라이브 쪽에서는 FOC 센서리스 정현파 제어 방식을 적용하며, 3상 제어를 위해 인버터 회로는 2CH 3개의 FET를 사용하여, 노이즈를 최소화 하는 차량용 공기정화장치에 설치되는 모터에 있어서,
   속도피드백(Speed Feed Back)을 통한 정속 RPM 제어를 하고, 센서리스 FOC 제어 알고리즘을 적용하며, 스페이스 벡터 모듀레이션{(Space Vector Modulation(Sine Wave)}을 이용한 정현파 제어를 하고, 인버터(Inverter)회로는 MOSFET를 이용하여 구현하며,
   소프트웨어 설계는 센서리스 정현파 제어인 FOC 제어를 하여, FOC 제어 알고리즘을 사용하며, 3상 교류 성분을 Clark 변환과 Park 변환을 거쳐 최종적으로 DC 성분으로 만들고, 속도 및 전류 목표 입력값 대비 PI 제어를 거쳐 만들어진 목표값을 다시 역변환 과정을 거쳐 출력시키되, 출력은 SVM(Space Vector Modulation)을 이용하여 PWM 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 공기정화장치에 설치되는 모터
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