KR20010013251A - 브러시리스 모터를 이용한 피구동체의 변위검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 브러시리스 모터에 의해 구동되는 예를 들면 냉각수의 유량제어밸브의 구성을 단순화하고, 소형화 및 저가격화를 가능하게 하는 브러시리스 모터를 이용한 피구동체의 변위검출장치이다. 라디에이터측으로 보내는 냉각수의 양을 제어하는 유량제어밸브(15)는 브러시리스 모터(11)에 의해 그 개도가 제어되도록 이루어져 있다. 브러시리스 모터(11)를 구동하는 정류용 스위치 신호를 상순(相順)검출회로(22a)가 받아 업·다운 카운터(22b)를 제어한다. 카운터(22b)의 카운트값을 연산회로(22c)에서 연산함으로써, 상기 유량제어밸브(15)의 개도를 파악할 수 있고, 이것을 ECU에 피드백시켜 다른 운전 파라미터와 함께 연산함으로써 엔진의 이상적인 냉각제어장치를 실현한다.

Description

브러시리스 모터를 이용한 피구동체의 변위검출장치{Driven body displacement sensor comprising brushless motor}

자동차 등의 엔진에는 이것을 냉각하기 위해 일반적으로 라디에이터를 이용하는 수냉식 냉각장치가 사용되고 있다. 이러한 종류의 냉각장치에서는 엔진내의 물 재킷(water jacket)을 통과하여 승온된 냉각수를 라디에이터측으로 순환시키고, 라디에이터에 의한 방열에 의해 냉각된 냉각수를 다시 엔진의 물 재킷내로 보내도록 구성되어 있다.

그리고, 엔진의 냉각수 출구로부터 엔진의 냉각수 입구에 이르는 보조(bypass) 수로가 설치됨과 동시에, 엔진으로부터 라디에이터측에 이르는 수로에 냉각수의 유량제어밸브를 설치하고, 이 유량제어밸브의 개도를 조정함으로써 라디에이터측으로부터의 냉각수의 유입량을 제어하도록 이루어져 있다. 이에 따라 냉각효율을 조정하여 냉각수의 온도를 일정한 범위로 제어하여, 최종적으로 엔진을 최적의 온도에서 구동할 수 있도록 구성되어 있다.

최근, 이러한 종류의 냉각제어장치로서는 엔진의 부하정보 등의 각종 파라미터를 입력받아 유량제어밸브의 최적인 개도를 연산하는 제어 유닛(이하, ECU라 한다)과, 이 ECU에 의한 제어신호에 따라 구동되는 모터와, 이 모터의 동력에 의해 그 개도가 제어되는 유량제어밸브로서의 나비형 밸브(butterfly valve)를 구비한 것이 제안되어 있다.

이러한 냉각제어장치에 있어서는, 상기 나비형 밸브의 변위검출장치로서 그 개도를 검출하는 개도센서가 필수로 되어 있고, 이 개도센서에 의해 얻어진 나비형 밸브의 개도를 상기 ECU에 피드백(feedback)하면서, 운전상태에 따라 상기 나비형 밸브가 최적의 개도로 되게 제어되도록 구성되어 있다.

그러나, 상기와 같은 냉각제어장치에서는 그 시스템에 있어서 나비형 밸브의 변위검출수단으로서 그 개도를 검출하는 개도센서가 필요하고, 따라서 개도센서를 상기 나비형 밸브와 일체로 하여 유량제어 유닛을 구성하고 있었다.

따라서, 엔진 룸(engine room)에 배치되는 유량제어유닛을 대형화하지 않을 수 없어, 엔진 룸 내의 레이아웃을 고심하는 경우도 있다. 또, 부품개수도 많아져 비용상승을 피할 수 없는 등의 기술적 과제를 안고 있었다.

본 발명은 상기의 기술적 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 브러시리스 모터에 의해 구동되는 상기의 나비형 밸브로 대표되는 피구동체의 변위, 즉 개도를 전기적으로 검출할 수 있도록 구성하고, 소형으로 하여 비용을 저감할 수 있는 피구동체의 변위검출장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명은 브러시리스 모터를 구동원으로 한 피구동체의 변위검출장치에 관한 것으로, 예를 들면 자동차용 엔진의 냉각수를 라디에이터측으로 보내는 유량제어밸브의 개도(開度)를 전기적으로 검출할 수 있도록 한 피구동체의 변위검출장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 관한 변위검출장치를 엔진의 냉각제어장치에 이용한 실시예를 도시한 구성도,

도 2는 본 발명에서 사용되는 브러시리스 모터의 일부의 구성을 도시한 구성도,

도 3은 도 2에 도시한 브러시리스 모터에서 생성되는 자전변환신호와 구동용 구형파신호의 관계를 도시한 타이밍도,

도 4는 본 발명에 관한 변위검출장치를 엔진의 냉각제어장치에 이용한 제어회로를 도시한 블록도,

도 5는 도 4에 도시한 회로에서 이루어지는 작용을 도시한 흐름도이다.

상기의 목적을 해결하기 위해 이루어진 본 발명에 관한 피구동체의 변위검출장치는, 브러시리스 모터와, 이 브러시리스 모터의 동력에 의해 구동되는 피구동체와, 상기 브러시리스 모터에서의 마그넷 로터(magnet rotor)의 회전에 따라 자전(磁電)변환소자로부터 얻어지는 파형신호의 수를 카운트하는 카운터 수단과, 상기 카운터 수단에 의한 카운트값에 따라 상기 피구동체의 변위를 연산하는 연산수단으로 구성된다.

이 경우, 바람직하게는 상기 브러시리스 모터에는 회전하는 마그넷 로터에 대치(對峙)하도록 배치된 적어도 세 개의 자전변환소자가 구비되고, 또 상기 카운터 수단에는 각각의 자전변환소자에서 발생하는 파형신호의 위상상태를 검출하여 업·다운정보를 추출하고 업·다운 정보에 따라 상기 파형신호의 수를 가역적으로 카운트하는 업·다운 카운터가 구비된다.

그리고, 바람직한 실시형태에 있어서는 상기 피구동체는 브러시리스 모터의 회전에 의해 감속기구를 통해 그 개도가 제어되는 냉각수의 유량제어밸브이고, 상기 업·다운 카운터를 포함하는 카운터 수단에 의한 출력에 따라 상기 연산수단에 의해 유량제어밸브의 개도를 연산하도록 구성된다.

이 경우, 상기 연산수단은 적어도 상기 카운터 수단으로부터 얻어지는 카운트 값과 상기 감속기구의 감속비로부터 유량제어밸브의 개도를 연산하도록 구성된다.

이렇게 구성된 본 발명에 관한 피구동체의 변위검출장치에 의하면, 카운터 수단에서 브러시리스 모터에서의 마그넷 로터의 회전에 따라 자전변환소자로부터 얻어지는 파형신호의 수를 카운트한다. 그리고, 연산수단에서 상기 카운터 수단에 의해 카운트된 카운트값에 따라 피구동체로서의 예를 들면 나비형 밸브의 개도가 연산된다.

따라서, 나비형 밸브의 개도는 브러시리스 모터로부터 얻어지는 파형신호에 의해 이를테면 전기적으로 구할 수 있다.

그리고, 브러시리스 모터의 정류 스위칭 작용에 사용되고 있는 자전변환소자로서의 예를 들면 홀(Hall) 소자를 그대로 이용하고, 홀 소자의 출력파형신호를 카운터 수단에 의해 카운트 함으로써 피구동체의 변위, 즉 나비형 밸브의 개도를 연산할 수 있다.

이하, 본 발명에 관한 브러시리스 모터를 이용한 피구동체의 변위검출장치에 대해서, 이것을 엔진에서의 냉각수의 유량제어장치에 이용하여 실시하기 위한 최적의 형태에 대해서 도면을 따라 설명한다.

도 1은 브러시리스 모터에 의하여, 냉각수의 유량을 제어하기 위한 나비형 밸브의 개구검출을 행하는 구성을 도시한 것이다. 이 도면에 도시한 바와 같이 브러시리스 모터(11)의 구동축(11a)에는 클러치(clutch) 기구(12)를 구성하는 제1 클러치판(12a)이 장착되어 있다. 여기에서, 모터(11)의 구동축(11a)은 다각기둥 형상으로 이루어져 있고, 한편 제1 클러치판(12a)측은 상기 구동축(11a)을 둘러싸도록 다각형의 구멍이 형성되어 있다. 이에 따라, 제1 클러치판(12a)은 구동축(11a)의 회전방향으로 결합되고, 또 축방향으로 미끄러져 움직일 수 있도록 구성되어 있다.

또, 상기 제1 클러치판(12a)의 원주측 면에는 고리형상의 홈부(12b)가 형성되어 있고, 이 홈부(12a)에는 전자기 플런저(plunger)(13)의 작동자(13a)의 선단부가 유동가능하게 끼워져 있다. 또, 플런저(13)에는 코일 스프링(13b)이 장착되어 있고, 이 코일 스프링(13b)의 넓힘 작용에 의해, 플런저(13)에 통전되지 않는 상태에서는 도 1에 도시한 바와 같이 제1 클러치판(12a)을 모터(11)측으로 잡아당기도록 이루어져 있다.

또, 상기 제1 클러치판(12a)에 대향하도록 제2 클러치판(12c)이 배치되어 있고, 이 제2 클러치판(12c)은 감속기구(14)를 구성하는 입력측 회전축(14a)에 고착되어 있다.

상기 감속기구(14)는 피니온(pinion) 및 평기어(spur gear)의 조합에 의해 구성되어 있고, 이들에 의해 감속된 출력축(14b)은 유량제어밸브(15)를 구동하도록 구성되어 있다. 이 유량제어밸브(15)는 도면에 도시한 예에서는 원형 평판형상의 나비형 밸브(15a)로 구성되어 있고, 감속기구(14)의 출력축(14b)은 나비형 밸브(15a)를 장착한 밸브축(15b)에 결합되어 있다. 이 나비형 밸브(15a)는 주지의 것과 같이 냉각수의 유통방향에 대한 그 평면방향의 각도가 상기 밸브축에 의해 조정(개도 조정)됨으로써 냉각수의 유량이 제어된다.

그리고, 상기 밸브축(15b)에는 통형상체(15c)가 장착되어 있고, 이 통형상체(15c)에 세워진 핀부재(15d)와, 유량제어밸브(15)의 케이스(15e)의 사이에 각각의 단부가 걸어 맞춰진 코일형상의 리턴 스프링(return spring)(15f)에 의해 상기 나비형 밸브(15a)가 열리는 방향으로 힘이 가해져 있다.

따라서, 상기 클러치 기구(12)가 개방된 상태에서는 리턴 스프링(15f)의 작용에 의해 나비형 밸브(15a)는 열린 상태로 된다.

다음에, 도 2는 상기 나비형 밸브의 열린 상태를 제어하는 브러시리스 모터의 일부의 구성을 도시한 것이다. 이 브러시리스 모터(11)에는 주지의 것과 같이 마그넷 로터(11b)가 배치되어 있고, 이 마그넷 로터(11b)에 대치하여 자전변환소자로서의 세 개의 홀 소자(Ha, Hb, Hc)가 배치되어 있다. 이 홀 소자(Ha, Hb, Hc)는 마그넷 로터(11b)에 분극(polarize)된 자극을 따라 60도마다 배치되어 있다. 즉, 제1 홀 소자(Ha)를 기점으로 하여 θ1이 60도인 위치에 제2 홀 소자(Hb)가 배치되고, 또 제1 홀 소자(Ha)를 기점으로 하여 θ2가 120도인 위치에 제3 홀 소자(Hc)가 배치되어 있다. 이에 따라, 마그넷 로터(11b)의 화살표(R)방향으로의 회전에 따라 도 3에 (a), (b), (c)로 도시한 바와 같이 전기각(電氣角)에서 60도의 위상관계를 가진 각 파형신호를 얻도록 되어 있다. 이 각 파형신호는 후술하는 파형정형회로에 의하여 도 3의 (d), (e), (f)에 도시한 A상, B상, C상의 구형파 신호로 변환되고, 이 구형파 신호를 이용하여 브러시리스 모터(11)에 배치된 고정자(stator)측, 구동 코일에 대해 구동신호를 공급하도록 구성되어 있다.

도 4는 상기 브러시리스 모터(11)의 구동회로 및 이 구동회로로부터 얻어지는 상기 A상, B상, C상의 구형파 신호를 이용하여 나비형 밸브의 개도를 연산하는 연산수단의 구성을 도시한 것이다. 즉, 부호 21은 브러시리스 모터(11)의 구동회로의 기본구성을 나타내고 있고, 그 파형정형회로(21a)에는 각 홀소자(Ha, Hb, Hc)로부터 얻어지는 도 3에 (a), (b), (c)로 도시한 각 파형신호가 공급된다. 이 각 파형신호는 파형정형회로(21a)에서 소정의 임계치전압과 비교되어, 동 도 (d), (e),(f)에 도시한 A상, B상, C상의 구형파 신호로 변환된다.

이들 각 구형파 신호는 모터제어회로(21b)로 공급되고, 이 모터제어회로(21b)에 의해 스위칭된 전류를 브러시리스 모터(11)에 구비된 각 고정자 코일(11c)에 흐르도록 작용한다.

따라서, 고정자 코일(11c)에 의해 순차적으로 회전 자계가 발생하여, 마그넷 로터(11b)가 회전구동되게 된다.

부호 22는 변위검출회로를 나타내고, 이것은 상기 구동회로(21)에서의 파형정형회로(21a)로부터 얻어진 도 3의 (d), (e), (f)로 도시한 A상, B상, C상의 구형파 신호를 받는 카운터 회로와 연산회로로 구성되어 있다. 상기 A상, B상, C상의 구형파 신호는 상순(相順 : phase sequence)검출회로(22a)에 공급되도록 구성되어 있고, 이 상순검출회로(22a)에 의해 생성되는 업·다운 지령신호는 업·다운 카운터(22b)로 공급된다.

이 업·다운 카운터(22b)에는 상기 A상, B상, C상 중의 하나, 예를 들면 A상의 구형파 신호가 공급되도록 구성되어 있고, 업·다운 카운터(22b)는 A상의 구형파 신호의 상승 횟수를 카운트함과 동시에, 상순검출회로(22a)로부터 공급되는 업·다운 지령신호에 따라 상기 상승 횟수를 가감산함으로써, 그 카운트값을 연산회로(22c)에 공급하도록 구성되어 있다.

상기 연산회로(22c)는 업·다운 카운터(22b)에 의한 카운트값을 받아 피구동체로서의 나비형 밸브의 변위, 즉 밸브의 개도를 연산하는 것이다. 이것에는 적어도 업·다운 카운터(22b)로부터 얻어지는 카운트값 “n”과, 상기 감속기구(14)의 감속비로부터 나비형 밸브의 개도를 연산한다. 여기에서, 상기 A상의 신호는 도 3에 도시한 바와 같이 모터의 1회전에 대해 2회의 상승(2펄스 수)이 발생한다. 그리고, 감속기구(14)의 감속비를 예를 들어 “100”으로 한 경우, 나비형 밸브의 개도(θv)는 다음과 같은 연산에 의해 구할 수 있다.

θv = [ n × (1/2) / 100 ] × 360° ……(식 1)

이렇게 하여 얻어진 나비형 밸브의 개도(θv)는 연산회로(22c)로부터 엔진의 제어유닛(ECU)(23)으로 공급된다. 그리고, ECU(23)는 엔진의 운전상태를 나타내는 다른 파라미터를 입력받아 나비형 밸브의 개도(θv)를 다시 열 것인지 또는 닫을 것인지의 판단을 하여, 그 제어신호를 상기 모터 제어회로(21b)에 공급하여 브러시리스 모터(11)의 구동을 제어하도록 구성되어 있다.

또, 상기 ECU(23)로부터는 클러치 기구(12)를 제어하는 상기 플런저(13)에도 제어신호를 송출하도록 구성되어 있고, 엔진의 시동시에 ECU(23)로부터 제어신호를 보내 플런저(13)를 작동시켜 클러치 기구(12)를 접속시킴으로써 모터(11)에 의해 나비형 밸브(15a)의 개도를 조정할 수 있도록 구성되어 있다.

도 5는 도 4에 도시한 변위검출회로(22)의 작용을 설명하기 위한 흐름도이다. 먼저, 엔진이 시동된 때, 상기 변위검출회로(22)에서의 카운터(22b)는 스텝 S1에서 그 카운트값이 클리어된다.

이 경우, 도 1에 도시한 구성에 있어서는 엔진정지시에는 나비형 밸브(15a)가 리턴 스프링(15f)에 의해 열린 상태로 되어 있고, 이 열린 상태가 기준위치로 정해진다.

그리고, 엔진의 시동에 따라 상기한 바와 같이 플런저(13)가 ECU로부터의 지령에 따라 동작하고, 클러치 기구(12)가 접속되어 모터(11)에 의해 나비형 밸브(15a)의 개폐동작이 가능하게 된다.

상순검출회로(22a)는 스텝 S2에서 도 3에 도시한 각 구형신호(A, B, C)의 상승을 감시하고 있고, 신호(A, B, C)의 어느 하나에 상승이 발생한 경우(“예”의 경우)에는 스텝 S3에서 최초로 상승한 신호의 유형을, 상순검출회로(22a)내에 구축된 하나 전의 신호상태를 격납하는 도시하지 않은 격납 영역[프리 펄스(Pre Pulse)]에 격납한다.

이어서, 스텝 S4에서 상순검출회로(22a)는 각 구형신호(A, B, C)의 상승을 감시하고 있고, 신호(A, B, C)의 어느 하나에 상승이 발생한 경우(“예”의 경우)에는 스텝 S5에서 다음에 상승한 신호의 유형을, 상순검출회로(22a)내에 구축된 현 상태의 신호상태를 격납하는 도시하지 않은 격납 영역[리얼 펄스(Real Pulse)]에 격납한다.

그리고, 스텝 S6에서 상기 격납 영역에 격납된 신호의 유형을 비교하여 업 카운트 또는 다운 카운트의 지령신호를 생성한다. 즉, 스텝 S6에 도시한 바와 같이상순(相順)이 A→B, B→C, C→A의 어느 하나인 경우에는 예를 들면 닫는 방향으로의 구동인 것을 의미하고, 열린 상태를 기준으로 한 업·다운 카운터(22b)에 업 카운트를 지시하는 제어신호를 송출한다. 또 상순이 C→B, B→A, A→C의 어느 하나인 경우에는 예를 들면 열린 방향으로의 구동인 것을 의미하고, 업·다운 카운터(22b)에 다운 카운트를 지시하는 제어신호를 송출한다.

업·다운 카운터(22b)는 상기 A상의 구형파 신호의 상승을 감시하고, 그 상승에 있어서 상순검출회로(22a)로부터 도래하는 업 카운트 지령 또는 다운 카운트 지령에 의해 카운트값의 가감산을 실행한다.

그리고, 스텝 S7에서는 현 상태의 신호상태를 격납한 격납 영역(리얼 펄스)의 데이터를 하나 전의 신호상태를 격납하는 격납 영역(프리 펄스)으로 이동하는 조작(즉, 치환)이 이루어진다. 이어서 스텝 S8에서 연산회로(22c)는 업·다운 카운터(22b)로부터 공급된 카운트 값 “n”에 따라 나비형 밸브(15a)의 개도(θv)를 연산한다. 이 경우의 연산은 상기한 식 1에 의해 이루어진다.

이렇게 하여 얻어진 나비형 밸브의 개도 정보(θv)는 상기 한 바와 같이 ECU(23)에 공급되고, ECU(23)는 엔진의 운전상태를 나타내는 다른 파라미터를 입력받아 나비형 밸브의 개도(θv)를 조정하는 제어신호를 상기 모터 제어회로(21b)에 공급한다.

그리고, 다시 스텝 S4으로 돌아가 마찬가지의 루틴(routine)을 순회한다. 즉 루틴을 일순(一巡)할 때마다 카운터(22b)는 구형파의 상순을 파악하여 업 또는 다운 카운트하여, 나비형 밸브의 개도에 대응한 카운트 값 “n”을 발생한다.

이렇게 하여, 브러시리스 모터에서 스위칭 구동시키기 위한 제어신호를 그대로 이용함으로써 나비형 밸브의 개도를 파악할 수 있다. 그리고, 이것을 ECU에 피드백시켜 다른 운전 파라미터와 함께 연산함으로써 엔진의 이상적인 냉각제어를 실현할 수 있다.

또, 이상의 설명은 본 발명의 변위검출장치를 엔진의 냉각제어장치에 이용한 일예에 기초한 것이며, 본 발명은 이러한 특정의 장치에 한정하지 않고, 본 발명의 정신을 일탈하지 않는 범위에서 그 이외의 장치에도 이용할 수 있다.

이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 관한 브러시리스 모터를 이용한 피구동체의 변위검출장치에 의하면, 브러시리스 모터의 정류작용에 이용되는 스위칭 신호를 그대로 이용하여 피구동체의 변위를 검출하도록 하고 있으므로, 피구동체의 변위를 검출하기 위한, 예를 들면 개도 센서 등을 불필요하게 할 수 있다. 따라서, 실시예와 같이 엔진의 냉각제어장치에 이용한 경우에 있어서는 엔진 룸에 배치되는 유량제어유닛을 소형화하는 것이 가능하고, 엔진 룸 내의 레이아웃에 여유를 갖게 할 수 있다. 또, 부품개수도 작게 구성할 수 있기 때문에 저가격의 장치를 제공할 수 있다.

Claims (4)

1. 브러시리스 모터와, 이 브러시리스 모터의 동력에 의해 구동되는 피구동체와, 상기 브러시리스 모터에서의 마그넷 로터의 회전에 따라 자전(磁電)변환소자로부터 얻어지는 파형신호의 수를 카운트하는 카운터 수단과, 상기 카운터 수단에 의한 카운트값에 따라 상기 피구동체의 변위를 연산하는 연산수단을 구비한 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터를 이용한 피구동체의 변위검출장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 브러시리스 모터에는 회전하는 마그넷 로터에 대치하도록 배치된 적어도 세 개의 자전변환소자가 구비되고, 또 상기 카운터 수단에는 각각의 자전변환소자에서 발생하는 파형신호의 위상상태를 검출하여 업·다운 정보를 추출하고 업·다운 정보에 따라 상기 파형신호의 수를 가역적으로 카운트하는 업·다운 카운터가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터를 이용한 피구동체의 변위검출장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 피구동체는 브러시리스 모터의 회전에 의해 감속기구를 통해 그 개도가 제어되는 냉각수의 유량제어밸브이고, 상기 업·다운 카운터를 포함하는 카운터 수단에 의한 출력에 따라 상기 연산수단에 의해 유량제어밸브의 개도를 연산하도록 구성한 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터를 이용한 피구동체의 변위검출장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 연산수단은 적어도 상기 카운터 수단으로부터 얻어진 카운트값과 상기 감속기구의 감속비로부터 유량제어밸브의 개도를 연산하도록 구성한 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터를 이용한 피구동체의 변위검출장치.