KR20040087762A - 2 상한 쵸퍼를 이용한 다이나모메터 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정밀한 제어가 가능하고 오작동 등의 오류시에 장비를 보호할 수 있는 2 상한 쵸퍼를 이용한 다이나모메터 장치에 관한 것이다. 이를 위해, 교류전원을 직류로 변환하기 위한 정류부, 상기 정류부의 출력을 스위칭하기 위한 직류링크부, 상기 직류링크부와 연결되고 엔진과 연결되는 복수의 IGBT로 구성된 IGBT부로 구성되는 전력변환부; CPU, 메모리, AD변환기, DA변환기, PWM 생성기가 내장되고, 상기 엔진과 IGBT 사이의 출력전류가 입력되는 프로세서부; 상기 PWM 생성기의 출력신호에 기초하여 상기 IGBT를 구동하기 위한 구동신호를 출력하는 게이트 구동부; 상기 엔진의 스로틀 밸브의 개폐하기 위한 밸브 액츄에이터; 상기 밸브 액츄에이터의 동작 위치를 제어하기 위한 위치제어기; 및 상기 위치제어기로 기준위치값을 명령하기 위한 엔진제어기;가 제공된다.

Description

2 상한 쵸퍼를 이용한 다이나모메터 장치{A dynamometer system using 2 quadrant choppers}

본 발명은 엔진 시험에 사용되는 다이나모메터 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정밀한 제어가 가능하고 오작동 등의 오류시에 장비를 보호할 수 있는 2 상한 쵸퍼를 이용한 다이나모메터 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 실리콘 제어 정류기(Silicon Controlled Rectifier, SCR)로 구성된 다이나모메터는 스위칭 소자의 스위칭 제한조건에 의하여 다이나모메터의 토크를 조절하는 전류제어기의 대역폭을 높일 수 없다는 단점이 있었다. 따라서, 자동차 주행 시뮬레이션을 할 때 차량의 바람에 의한 주행저항 및 마찰 저항 등 비교적 작은 토크를 제어하는 시험에 있어서는 양호한 효과를 기대할 수 없었다.

또한 메인 회로로서 쵸퍼를 이용할 경우 급격한 명령 전류의 감소시 다이나모메터에 접속된 리액터의 인덕턴스와 내부저항에 의한 전기적 시정수에 의해 전류응답 속도가 지연되는 현상이 나타나기 때문에 속응제어가 어려웠다.

아울러, 엔진 시험시 전력변환기의 고장 또는 제어의 오동작이 일어날 경우 큰 사고로 이어질 수 있다. 그런데 이러한 사고의 대부분을 차지하는 것이 전력변환기의 오동작이다. 그러나, 종래의 장치에서는 적절한 보호장치가 존재하지 않아 많은 위험이 도사리고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 본 발명의 제 1 목적은 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)를 이용한 2 상한 쵸퍼로 구성된 다이나모메터 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 2 목적은, 실험중 발생하는 오류 또는 사고에 대처가 용이하도록 보호기능을 부가하여 시스템의 안정도를 높인 다이나모메터 장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 교류전원을 직류로 변환하기 위한 정류부, 상기 정류부의 출력을 스위칭하기 위한 직류링크부, 상기 직류링크부와 연결되고 엔진과 연결되는 복수의 IGBT로 구성된 IGBT부로 구성되는 전력변환부;

CPU, 메모리, AD변환기, DA변환기, PWM 생성기가 내장되고, 상기 엔진과 IGBT 사이의 출력전류가 입력되는 프로세서부;

상기 PWM 생성기의 출력신호에 기초하여 상기 IGBT를 구동하기 위한 구동신호를 출력하는 게이트 구동부;

상기 엔진의 스로틀 밸브의 개폐하기 위한 밸브 액츄에이터;

상기 밸브 액츄에이터의 동작 위치를 제어하기 위한 위치제어기; 및

상기 위치제어기로 기준위치값을 명령하기 위한 엔진제어기;로 구성되는 것을 특징으로 하는 2 상한 쵸퍼를 이용한 다이나모메터 장치에 의하여 달성될 수 있다.

그리고, 상기 IGBT부는 직렬로 연결된 한 쌍의 IGBT 2개가 병렬로 연결되어 2 상한 쵸퍼를 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 프로세서부는 8채널의 AD변환기, 4채널의 DA 변환기 및 시리얼포트를 포함하고,

상기 시리얼포트와 연결되는 컴퓨터를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.

아울러, 상기 게이트 구동부는 상기 IGBT가 한정전압 이상이 될 때 상기 PWM을 차단하는 차단수단; 및 과전류 검출시 상기 IGBT를 소프트 턴오프하기 위한 턴오프수단;을 더 포함하는 것이 가장 바람직하다.

이와 같은 구성으로 인해 시험시 다이나모메터의 리액터에 축적된 에너지에 의한 전기적 시정수에 따른 전류 지연현상을 리액터에 축적되어 있는 에너지를 직류링크단의 캐패시터에 충전하여 빠른 전류응답이 가능하게 된다. 또한, 부가적으로는 에너지의 손실을 줄일 수도 있다.

그리고, 기존의 SCR에 비해 스위칭 속도가 빠르고 제어가 용이하여 전류제어기의 대역폭을 높일 수 있다. 아울러, 다이나모메터가 갖춰야 할 조건으로 사고시 대처가 용이하도록 하여 시스템의 안전성을 높일 수 있다.

본 발명의 다른 목적들, 분명한 장점들 및 신규한 특징들은 이하의 상세한 설명 및 첨부된 도면들에 따른 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 2 상한 쵸퍼를 이용한 다이나모메터 장치의 전체 블럭도,

도 2는 도 1의 다이나모메터의 출력전류를 검출받는 회로의 회로도,

도 3은 과전류 검출시 트립신호를 발생하기 위한 회로의 회로도,

도 4는 전압검출부의 회로도,

도 5는 초기충전저항을 단락시킬 때 필요한 마그네틱 스위치를 조작하는 절연 및 전원확보 회로의 회로도,

도 6은 게이트 구동부의 회로도,

도 7은 정상 운전과 사고조건 및 재설정에 대한 게이트 구동부의 각부 파형을 도시한 파형도,

도 8은 스위칭 모드 전원장치(SMPS)의 전원 입력회로의 회로도,

도 9는 IGBT의 게이트 신호를 위한 절연된 전원을 공급하는 다중출력 SMPS 의 회로도이다.

<도면의 주요번호에 대한 설명>

1, 2, 3, 4 : IGBT, 10 : 자동차엔진,

12 : 스로틀 밸브, 14 : 밸브 액츄에이터,

16 : 위치제어기, 20 : 엔진제어기,

30 : 컴퓨터, 40 : 게이트 구동부,

50 : PWM 생성기 52 : CPU,

53 : 디지털 I/O포트, 55 : AD변환기,

57 : 시리얼 포트, 59 : 메모리,

60 : DA변환기.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2 상한 쵸퍼를 이용한 다이나모메터 장치의 구성에 대해 상세히 설명하도록 한다.

우선, 도 1은 본 발명에 따른 2 상한 쵸퍼를 이용한 다이나모메터 장치의 전체 블럭도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 시스템은 대략 자동차 엔진(10), 전력변환부, 프로세서부, 게이트 구동부(40), 퍼스널 컴퓨터(30) 등으로 구성되어 있다.

자동차 엔진(10)에는 공급되는 연료량을 조절하기 위한 스로틀 밸브(12)가 설치되어 있다. 밸브 액츄에이터(14)는 상기 스로틀 밸브(12)의 개방 정도를 기계적으로 조절함으로서 엔진(10)의 출력을 조절하도록 한다.

위치제어기(16)는 밸브 액츄에이터(14)가 원하는 동작 위치에 맞춰지도록 하며, 이를 위해 현재 밸브 액츄에이터(14)의 위치를 피드백 신호로 사용한다.

엔진 제어기(20)는 위치제어기(16)와 연결되어 희망하는 엔진 회전속도를 명령할 수 있는 구성이다.

또한, 전력변환부는 크게 정류부와 직류링크부 및 IGBT부로 구성되어 있다.

정류부는 3상 교류전원을 직류전원으로 변환하며, 직류링크부는 상기 정류부의 출력을 스위칭하도록 저항과 스위치 및 콘덴서로 구성되어 있다. 또한, IGBT부는 4개의 IGBT(1, 2, 3, 4)로 구성되어 있다. 즉, 2개의 IGBT가 직렬로 연결되어 한쌍을 구성하고, 2개의 쌍이 각각 병렬로 연결되어 있으며, 엔진(10)의 출력전류가 각각 입력되도록 연결되어 있다.

이러한 IGBT의 동작은 IGBT(1, 4)에 의해 스위칭 듀티(Duty)비율을 조절하여 전류제어를 가능하게 하였다. 그리고 명령 전류의 감소시 리액터에 축적된 에너지를 IGBT의 역병렬 다이오드를 통하여 직류링크부에 축적함으로서 속응 전류제어를 가능하게 하였다.

프로세서부는 대략 PWM 생성기(50), CPU(52), 디지털 I/O포트(53), AD변환기(55), 시리얼 포트(57), 메모리(59), DA변환기(60)로 구성되어 있다.

PWM 생성기(50)는 PWM을 생성하여 추후 설명될 게이트 구동부(40)로 전송하는 구성을 갖는다.

CPU(52)는 TMS320F240 소자를 채택함으로서 주변회로를 간소화하였으며, 시스템의 동작은 주전원공급에 의해서만 동작하도록 하여 시스템을 기동하는데 조작의 번거로움을 줄일 수 있도록 구성하였다.

그 밖에 디지털 I/O포트(53), 8채널의 AD변환기(55), 컴퓨터(30)와 연결되는 시리얼 포트(57), 메모리(59), 4채널의 DA변환기(60)가 구성되어 있다.

도 2는 도 1의 다이나모메터의 출력전류를 검출받는 회로의 회로도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 검출된 입력전류에 대해 노이즈 영향을 줄일 수 있도록 차동입력을 받는 구조를 구성하였다. 또한 CPU(52)의 AD변환기(55)에 알맞은 크기가 될 수 있도록 스케일을 조절하는 회로도 구성되어 있다. 과전류 검출시 빠른 응답을 할 수 있도록 과전류, 과전압 그리고 구동 사고에 대해 속응처리할 수 있도록 인터럽트로 처리하는 구성이다.

도 3은 과전류 검출시 트립신호를 발생하기 위한 회로의 회로도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 2 상한 쵸퍼의 전류검출 신호를 전파 정류하여 OCT(Over Current Trip)신호를 발생시켜 과전류 검출시 빠른 대처가 가능하도록 구성하였다. 과전류에 트립신호 발생은 개방 콜렉터 형태의 비교기(LM319)를 사용하여 과전류 한계치로 설정된 크기와 비교되어 한계치 이상의 전류 검출시 신호를 5V 신호로 변환하여 프로세서의 인터럽트 포트에서 처리하도록 하였다.

도 4는 전압검출부의 회로도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 전원이 인가되면 돌입 전류에 의해 시스템 손상을 막기 위하여 초기 충전저항을 통하여 직류링크부 전압을 확립하며, 정격전압의 90% 이상 상승시 초기충전저항을 단락시켜 저항에 의한 전력소비를 줄이도록 구성되어 있다. 또한, 전압 강하시 프로세서의 오동작을 막기 위하여 정격 전압의 80% 이하가 되면 PWM 출력을 차단하여 오동작이 없도록 하며 주회로 접점을 개방하여 재충전시 소프트 스타트를 할 수 있도록 구성되었다. 이러한 기능에 적합하도록 구성된 AD202를 전압검출기로 사용하여 외부 커먼 노이즈에 강인하며 비교적 정확한 검출이 가능하도록 하였다.

도 5는 초기충전저항을 단락시킬 때 필요한 마그네틱 스위치를 조작하는 절연 및 전원확보 회로의 회로도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 초기 충전저항을 단락시킬 때 필요한 마그네틱 스위치를 조작하기 위하여 절연 및 전원확보가 가능하도록 구성하였다. 도 5의 회로에서 기계적 스위치는 턴-온 및 턴-오프시 체터링 및 노이즈에 대하여 강인한 회로를 형성할 수 있도록 구성되었다.

도 6은 게이트 구동부의 회로도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 전력 구동회로의 구동시 회로의 이상조건에 의해 회로에 과전류가 흘러 IGBT를 손상시킬 수 있다. 이 때 경우에 따라 화재, 폭발 등의 큰 사고로 이어질 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 위험에 대해 보다 신속하고 안전하게 대처할 수 있도록 도 6에서 지능형 구동회로에 적용될 수 있는 HCPL316J를 적용하였다. 이러한 소자가 갖는 기능으로서는 저전압출력 방지기능, 회로의 과전류차단기능 및 전력구동부와의 절연기능 등을 예로 들 수 있다.

도 6의 게이트 회로부에서 과전류 차단기능을 살펴보면 PWM 턴온시 IGBT의 콜렉터와 에미터 사이의 과전류에 의한 소자 양단간의 전압상승을 검지한다. 그리고, IGBT의 한정전압(예를 들어, 7V) 이상이 되면 PWM을 차단하게 되는데, 이 때, 과도한 전류차단은 주회로에 흐르는 전류와 주회로의 리액턴스에 의해소자 양단에 과전압을 유발시키게 된다.

따라서, 이러한 현상을 막기 위해 HCPL316J는 과전류 검출시 IGBT를 소프트 턴-오프 하여, 회로의 과전압 유발을 막으며, 재가동을 막기 위해서 사고(Fault)신호를 프로세서로 전달하여 시스템을 보호하도록 동작한다.

도 7은 정상 운전과 사고조건 및 재설정에 대한 게이트 구동부의 각부 파형을 도시한 파형도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 정상운전과 사고조건 및 재가동에 대한 HPCL316J의 각부파형을 나타낸다. V_DESAT는 턴-온시 IGBT의 드레인과 소스의 양단간 전압을 나타내며, 사고조건은 과전류 발생시 PWM 출력의 크기변화를 나타낸다.

도 8은 스위칭 모드 전원장치(SMPS)의 전원 입력회로의 회로도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 전원 인가시 돌입전류를 막기 위해 NTC를 캐패시커와 직렬로 구성하였고, SMPS 회로동작시 SMPS의 스위칭에 의한 전자파가 입력라인에 흘러들어가는 것을 방지하도록 구성되었다.

도 9는 IGBT의 게이트 신호를 위한 절연된 전원을 공급하는 다중출력 SMPS 의 회로도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 주된 스위치 소자는 SMPS 전용 집적회로칩을 이용하여 제어회로를 간단하게 구성하였다. 그리고 제어는 직류 5V를 제어하게 됨으로 게이트는 회로의 출력전압이 직류 5V의 소비 전력에 따라서 15V 내외에서 동작하게 된다. 5V 제어는 포토-커플러와 TL431을 이용하여 정전압 제어를 하도록 구성하였다.

상기와 같은 본 발명에 따른 2 상한 쵸퍼를 이용한 다이나모메터 장치에 의하면, 종래의 SCR을 이용한 것에 비하여 속응 제어응답과 시험시 요구되는 전력을 대폭 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 전력변환부에서 발생할 수 있는 고장 즉 인버터 스위칭시에 발생하는 과전압 및 과전류를 억제하여 단락사고 등과 같은 IGBT 소자의 파손을 미연에 방지할 수 있는 안전성이 있다.

또한 인버터 스위칭시 노이즈에 의해 발생하는 고주파 발생에 기인한 스위칭 오동작을 최소화하여 시스템의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

비록 발명이 상기에서 언급된 바람직한 실시예에 관해 설명되어졌으나, 발명의 요지와 범위를 벗어남이 없이 많은 다른 가능한 수정과 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위는 발명의 진정한 범위내에서 속하는 이러한 수정과 변형을 포함할 것으로 예상된다.

Claims (4)

1. 교류전원을 직류로 변환하기 위한 정류부, 상기 정류부의 출력을 스위칭하기 위한 직류링크부, 상기 직류링크부와 연결되고 엔진과 연결되는 복수의 IGBT로 구성된 IGBT부로 구성되는 전력변환부;

   CPU, 메모리, AD변환기, DA변환기, PWM 생성기가 내장되고, 상기 엔진과 IGBT 사이의 출력전류가 입력되는 프로세서부;

   상기 PWM 생성기의 출력신호에 기초하여 상기 IGBT를 구동하기 위한 구동신호를 출력하는 게이트 구동부;

   상기 엔진의 스로틀 밸브의 개폐하기 위한 밸브 액츄에이터;

   상기 밸브 액츄에이터의 동작 위치를 제어하기 위한 위치제어기; 및

   상기 위치제어기로 기준위치값을 명령하기 위한 엔진제어기;로 구성되는 것을 특징으로 하는 2 상한 쵸퍼를 이용한 다이나모메터 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 IGBT부는 직렬로 연결된 한 쌍의 IGBT 2개가 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 2 상한 쵸퍼를 이용한 다이나모메터 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 프로세서부는 8채널의 AD변환기, 4채널의 DA 변환기및 시리얼포트를 포함하고,

   상기 시리얼포트와 연결되는 컴퓨터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2 상한 쵸퍼를 이용한 다이나모메터 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 게이트 구동부는,

   상기 IGBT가 한정전압 이상이 될 때 상기 PWM을 차단하는 차단수단; 및

   과전류 검출시 상기 IGBT를 소프트 턴오프하기 위한 턴오프수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2 상한 쵸퍼를 이용한 다이나모메터 장치.