KR20050017379A

KR20050017379A - 병렬형 하이브리드 전기자동차의 모터 구동시스템 및 그방법

Info

Publication number: KR20050017379A
Application number: KR1020030056194A
Authority: KR
Inventors: 오종한
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-08-13
Filing date: 2003-08-13
Publication date: 2005-02-22
Also published as: KR100559388B1

Abstract

병렬형 하이브리드 전기자동차에서 홀 센서의 고장이 발생되는 경우 모터에 직결되는 크랭크 샤프트의 회전 위치 정보를 검출하는 크랭크 샤프트 센서의 신호로부터 홀 센서의 신호를 모사하여 출력하도록 하는 것으로,

모터의 각 상별 회전자 위치를 검출하는 복수개의 홀 센서와, 크랭크 샤프트의 회전 위치를 검출하는 크랭크 샤프트 센서와, MCU로부터 인가되는 전류 제어명령에 따라 모터의 구동 속도 및 토크를 제어하는 각 상별 게이팅 신호를 출력하는 전류제어수단과, 전류제어수단의 게이팅 신호에 따라 직류 전원을 3상 전원으로 변환시켜 모터에 각 상 전압을 인가하며, 피드백 검출되는 홀 센서의 각 상별 회전자 위치 정보에 따라 모터 구동에 대한 게이팅을 수행하는 게이트 드라이버를 포함하며, 홀 센서의 고장시 상기 크랭크 샤프트 센서의 신호를 분석하여 모터의 각 상별 회전자 위치에 대한 전기각을 모사하여 출력하는 엔코더를 더 포함한다.

따라서, 모터 회전자의 각 상별 위치를 검출하는 홀 센서가 고장인지를 판단하여, 홀 센서가 정상적인 상태이면 통상 제어를 수행하고, 홀 센서의 고장이면 크랭크 샤프트 센서의 신호로부터 모터 회전자의 위치를 추출하며, 모터 회전자의 각 위치로부터 현재 위치에서의 상(相)을 검출하여 홀 센서의 신호로 모사 출력한다.

Description

병렬형 하이브리드 전기자동차의 모터 구동시스템 및 그 방법{MOTOR DRIVING SYSTEM OF PARALLEL TYPE HYBRID ELECTRIC VEHICLE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 병렬형 하이브리드 전기자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 모터의 회전자 위치를 검출하여 현재 전기각에 대한 위치 정보를 출력하는 홀 센서의 고장이 발생되는 경우 모터에 직결되는 크랭크 샤프트의 회전 위치 정보를 검출하는 크랭크 샤프트 센서의 신호로부터 홀 센서의 신호를 모사하여 출력하도록 하는 병렬형 하이브리드 전기자동차의 모터 구동시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 병렬형 하이브리드 전기자동차는 주동력원으로 배터리를 채용하고, 보조동력원으로 엔진을 채용하고 있는데, 이의 구동 시스템은 첨부된 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 도시되지 않은 MCU(Motor Control Unit)으로부터 인가되는 전류 명령에 따라 전류량을 제어하며, 각 상별(AH,AL,BH,BL,CH,CL) 게이팅 신호를 출력하는 전류 제어기(1)와, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 스위칭 소자로 이루어지며, 전류 제어기(1)에서 인가되는 각 상별(AH,AL,BH,BL,CH,CL) 게이팅 신호에 따라 스위칭되어 모터(3)의 구동을 드라이브하는 게이트 드라이버(2)와, 모터(3)의 구동에 따라 각 상(A,B,C)을 검출한 다음 게이트 드라이버(2)측에 피드백 신호로 인가하여, 각 섹터의 위치에 따라 스위칭을 하여 전류 제어가 수행되도록 하는 복수개의 홀 센서(4A-4C)와, 상기 모터(3)의 회전축과 크랭크 샤프트가 직결되는 엔진(5)과, 상기 엔진(5)의 구동에 따라 크랭크 샤프트의 회전 각도를 검출하여 점화시기 결정을 위한 신호로 ECU(7)에 인가하는 크랭크 샤프트 센서(6)로 이루어진다.

상기에서 복수개의 홀 센서(4A-4C)는 모터(3)의 구동을 위해 3개로 구성되며, 이 3개의 홀 센서(4A-4C)는 모터(3) 회전자의 위치를 전기각 60°단위로 검출하여 섹터를 결정하고, 그에 대한 회전자 위치를 게이트 드라이버(2)측에 피드백 입력하며, 게이트 드라이버(2)는 모터(3) 회전자의 각 섹터 위치에 따라 스위칭하여 모터(3)의 구동 및 전류를 제어한다.

상기 홀 센서(4A-4C)는 모터(3)의 고정자에 장착되어 회전자가 홀 센서(4A-4C)의 상부를 지나갈 때 발생하는 자속의 크기로부터 회전자의 위치를 검출하여, 도 7에서 알 수 있는 바와 같이 각 섹터(Sector)별 상태 신호를 출력한다.

즉, 홀 센서(4A-4C)는 모터(3)의 회전각을 측정하기 위한 센서로, 전기각 한바퀴에 한 펄스가 발생하며, 3개의 펄스가 서로 60°전기각의 위상차를 갖고 있으므로, 이 3개의 신호를 통해 60°단위의 위치를 인식할 수 있게 된다.

또한, 엔진(5)의 출력축인 크랭크 샤프트에 장착되는 크랭크 샤프트 센서는 엔진(5)의 회전각을 측정하기 위한 센서로, 엔진(5)의 1회전당 첨부된 도 6과 같이 한 주기의 사인파(Sine Wave)를 출력하며, 절대각을 알기 위해 도 6에서 같이, 파형에 홈을 형성하여 기준각을 설정한다.

따라서, 모터(3)와 엔진(5)이 직결되는 병렬형 하이브리드 전기자동차에서 엔진(3)이 한바퀴 회전하는 경우 크랭크 샤프트 센서(6)에서는 한 주기의 사인파를 출력하지만, 홀 센서(4A-4C)에서는 엔진(5)의 회전수와 모터(3)의 폴(Pole)수의 곱으로 출력하게 된다.

즉, 크랭크 샤프트 센서(6)는 기계각을 검출하는 것이고 홀 센서(4A-4C)는 전기각을 검출하기 위한 것이므로 기계각을 기준으로 볼 때 홀 센서(4A-4C)는 크랭크 샤프트 센서(6)에 대비하여 폴(Pole)수 만큼의 큰 응답성을 갖고 있게 된다.

전술한 바와 같이 병렬형 하이브리드 전기자동차에서 모터의 안정된 구동 제어를 위하여 모터의 회전자 위치를 검출하는 홀 센서의 역할이 아주 중요하나, 홀 센서의 경우 모터의 고정자에 장착됨으로 인하여 모터의 고속 구동 및 구동에 따라 발생되는 고온으로 인하여 파손이 발생되며, 이로 인하여 모터의 회전자 위치에 대한 섹터의 판별이 불가하여 하이브리드 모드의 전환이 불가능하게 되는 문제점과 모터의 안정된 제어가 불가능한 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 병렬형 하이브리드 전기자동차에서 모터의 회전자 위치를 검출하여 그에 대한 섹터정보를 출력하는 홀 센서의 고장이 발생되는 경우 모터의 회전축에 직결되는 크랭크 샤프트의 회전각도를 검출하는 크랭크 샤프트 센서의 신호로부터 홀 센서의 신호를 모사하여 회전자의 섹터 및 위치에 대한 정보를 출력하도록 함으로써, 모터의 구동에 안정성을 제공하고, 하이브리드 모드의 전환이 유지되도록 한 것이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 모터의 회전축과 엔진의 크랭크 샤프트가 직결되는 병렬형 하이브리드 전기자동차에 있어서, 상기 모터의 각 상별 회전자 위치를 검출하는 복수개의 홀 센서와; 상기 크랭크 샤프트의 회전 위치를 검출하는 크랭크 샤프트 센서와; MCU로부터 인가되는 전류 제어명령에 따라 모터의 구동 속도 및 토크를 제어하는 각 상별(AH,AL,BH,BL,CH,CL) 게이팅 신호를 출력하는 전류제어수단과; 상기 전류제어수단의 게이팅 신호에 따라 직류 전원을 3상 전원으로 변환시켜 모터에 각 상 전압을 인가하며, 피드백 검출되는 홀 센서의 각 상별 회전자 위치 정보에 따라 모터 구동에 대한 게이팅을 수행하는 게이트 드라이버를 포함하며, 상기 홀 센서의 고장시 상기 크랭크 샤프트 센서의 신호를 분석하여 모터의 각 상별 회전자 위치에 대한 전기각을 모사하여 출력하는 엔코더를 더 포함한다.

또한, 본 발명은 모터 회전자의 각 상별 위치를 검출하는 홀 센서가 고장인지를 판단하는 과정과; 상기 홀 센서가 정상적인 상태이면 통상의 제어를 수행하고, 홀 센서의 고장으로 판단되면 크랭크 샤프트 센서의 신호로부터 모터 회전자의 위치를 추출하는 과정과; 상기 추출되는 모터 회전자의 각 위치로부터 현재 위치에서의 상(相)을 검출하여 홀 센서의 신호로 모사 출력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 전기자동차의 모터 구동시스템은, 전류제어기(10)와 게이트 드라이버(20), 모터(30), 복수개의 홀 센서(40A-40C)와, 엔진(50), 크랭크 샤프트 센서(60), ECU(80) 및 엔코더(80)를 포함하여 구성된다.

전류 제어기(10)는 도시되지 않은 MCU로부터 인가되는 전류 제어명령에 따라 모터(30)의 구동 속도 및 토크를 제어하는 각 상별(AH,AL,BH,BL,CH,CL) 게이팅 신호를 출력한다.

또한, 모터(30)에 인가되는 A상 및 B상에 대한 전류량(Ia,Ib)을 피드백 검출하여 각 상별(AH,AL,BH,BL,CH,CL) 게이팅 신호를 보상한다.

게이트 드라이버(20)는 IGBT 스위칭 소자로 이루어지며, 상기 전류 제어기(20)에서 인가되는 각 상별(AH,AL,BH,BL,CH,CL) 게이팅 신호에 따라 스위칭되어 배터리의 직류 전원을 모터(30) 구동에 필요한 3상 전원으로 변환시켜 모터(30) 측에 각 상전압을 인가하며, 홀 센서(40A-40C)로부터 피드백 검출되는 모터(30)의 회전자 위치에 대한 섹터 정보에 따라 게이팅을 수행한다.

모터(30)는 BLDC 전동기로 이루어지며, 게이트 드라이버(20)에서 인가되는 3상 전원에 의해 동작되고, 회전축이 엔진(50)의 크랭크 샤프트와 직결된다.

홀 센서(40A-40C)는 모터(30) 회전자의 위치에 대한 전기각을 60°의 분해능을 갖기 위하여 3개로 구성되어, 모터(30)의 구동에 따른 회전자의 위치의 상(相) 정보를 출력한다.

크랭크 샤프트 센서(60)는 엔진(50)의 회전에 따른 크랭크 샤프트의 회전각을 검출하여 ECU(70)측에 점화시기 조정을 위한 신호로 출력한다.

엔코더(80)는 상기 홀 센서(40A-40C)의 파손이 발생하는 경우 크랭크 샤프트 센서(60)의 신호를 분석하여 모터(30)의 회전자 위치에 대한 전기각을 모사하여, 즉 홀 센서(40A-40C)의 출력을 모사하여 전기각 60°의 분해능에 대한 상(相) 정보를 출력한다.

상기의 엔코더(80)는 첨부된 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 크랭크 샤프트 센서(60)에서 사인파로 인가되는 크랭크 샤프트의 기계각 정보를 일측단에 설정되는 기준값(Rf1-Rfn)과 비교하여 그 결과를 출력하는 복수개의 비교기(81a-81n)와, 상기 각 비교기(81a-81n)의 출력을 미분하는 저항(R1-Rn) 및 콘덴서(C1-Cn)와, 상기 미분되어 인가되는 각 위치(Position) 신호에 모터(30)의 폴 수를 감안하여 회전자의 섹터별 위치를 검출하는 상 검출부(82)와, 상기 상 검출부(82)에서 인가되는 신호로부터 3개로 이루어지는 각 홀 센서의 신호를 모사하여 추출하는 홀 신호 추출부(83)로 이루어진다.

상기에서 각 비교기(81a-81n)의 일측단에 설정되는 기준값(Rf1-Rfn)은 크랭크 샤프트 센서(60)의 최고 출력전압(Max_Voltage)을 6개의 상(AH,AL,BH,BL,CH,CL)에 폴수를 곱한 값으로 나눈값에 분할한 각 위치값을 곱하여 추출되는 결과값을 최고 출력전압에서 차 연산하여 추출한다.

예를 들어, 제1비교기(81a)에 설정되는 기준값(Rf1)은 하기의 수학식 1과 같이 설정되고, 제n비교기(81n)에 설정되는 기준값(Rfn)은 하기의 수학식 2와 같이 설정된다.

전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명의 구성을 통해 홀 센서의 고장시 크랭크 샤프트 센서의 신호로부터 홀 센서의 신호를 모사하여 출력하는 동작은 다음과 같다.

먼저, 모터(30)와 엔진(50)의 크랭크 샤프트를 직결할 시에 크랭크 샤프트 센서(60)의 절대각을 이용하여 홀 센서(40A)의 0°기준각을 인식하기 위하여 크랭크 샤프트 센서(60)의 절대각 위치와 홀 센서(40A)의 전기각 0°를 일치시킨다.

그리고, 모터(30) 회전자의 각 섹터별 위치를 검출하는 홀 센서(40A-40C)가 정상적인 상태를 유지하는 경우 통상적인 동작이 수행되므로, 이에 대한 설명은 생략한다.

병령형 하이브리드 전기자동차가 주행하는 상태에서 도시되지 않은 MCU는 모터(30) 회전자의 각 섹터별 위치를 검출하는 홀 센서(40A-40C)의 상태가 고장으로 검출되는지를 판단한다(S101)(S102).

이때, 홀 센서(40A-40C)가 정상적인 상태를 유지하는 것으로 판단되면, 통상적인 제어를 수행하고(S103), 홀 센서(40A-40C)의 고장으로 판단되면 엔코더(80)는 MCU로부터 인가되는 제어신호에 따라 홀 센서(40A-40C)의 신호를 모사하기 위하여 크랭크 샤프트 센서(60)의 신호를 검출한다(S104).

이후, 엔코더(80)는 첨부된 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 크랭크 샤프트 센서(60)에서 검출되는 사인파 신호의 각 위치에 대하여 일측단에 설정되는 기준값(Rf1-Rfn)과 비교하여 각 위치 정보를 추출하여 상 검출부(82)에 인가한다(S105).

이후, 상 검출부(82)는 각 비교기(81a-81n)에서 인가되는 상 위치 정보로부터 모터(30)의 회전자 위치에 대한 상(相)을 검출하여(S106) 홀 신호 추출부(83)에 인가한다(S106).

즉, 크랭크 샤프트 센서(60)의 입력이 일측단에 설정되는 기준값(Rf1-Rfn)을 초과하는 경우 비교기(81a-81n)의 출력 비트는 '하이'가 되며, 크랭크 샤프트의 각이 증가함에 따라 출력 비트의 값도 점점 증가하게 된다.

상기 비교기(81a-81n)의 출력 비트를 '로우' 비트에서부터 '하이' 비트 순으로 정렬하게 되면 하나의 변수로 형성되며, 이 변수의 위치에서 상(相)의 수로 나눈 몫을 빼면 홀 센서(40A-40C)의 상(相)이 추출된다.

예를 들어, 위치 변수가 20이라 하면, 6으로 나눈 몫이 3이므로 모터(30)의 회전자가 위치하고 있는 상(相)은 20 - 3 × 6 = 2가 된다.

따라서, 홀 신호 추출부(83)는 인가되는 회전자 위치에 대한 상(相) 정보에 따라 홀 센서(40A-40C)의 신호를 첨부된 도 3과 같이 모사하여 게이트 드라이버(20)측에 인가함으로써(S107), 모터(30)의 구동 제어가 안정되게 유지하여 준다(S108).

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 병렬형 하이브리드 전기자동차에서 홀 센서의 고장이 발생되더라도 모터와 직결되는 크랭크 샤프트의 위치를 검출하는 크랭크 샤프트 센서의 신호를 이용하여 홀 센서의 신호를 모사 함으로써 모터의 구동에 안정성 및 신뢰성이 제공되며, 하이브리드 모드의 전환에 안정성이 제공된다.

도 1은 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 전기자동차의 모터 구동시스템에 대한 개략적인 구성도.

도 2는 도 1에 도시된 엔코더에 대한 상세 구성도.

도 3은 본 발명에 다른 병렬형 하이브리드 전기자동차의 모터 구동시스템에서 엔코더를 통해 모사되어 출력되는 홀 센서 신호에 대한 상태도.

도 4는 본 발명에 따른 병렬형 하이브리드 전기자동차에서 모터 구동제어를 수행하는 일 실시예의 흐름도.

도 5는 일반적인 병렬형 하이브리드 전기자동차의 모터 구동시스템에 대한 에 대한 개략적인 구성도.

도 6은 일반적인 병렬형 하이브리드 전기자동차에서 크랭크 센서의 출력신호에 대한 파형도.

도 7은 일반적인 병렬형 하이브리드 전기자동차에서 홀 센서의 출력신호에 대한 상태도.

Claims

모터의 회전축과 엔진의 크랭크 샤프트가 직결되는 병렬형 하이브리드 전기자동차에 있어서,

상기 모터의 각 상별 회전자 위치를 검출하는 복수개의 홀 센서와;

상기 크랭크 샤프트의 회전 위치를 검출하는 크랭크 샤프트 센서와;

MCU로부터 인가되는 전류 제어명령에 따라 모터의 구동 속도 및 토크를 제어하는 각 상별(AH,AL,BH,BL,CH,CL) 게이팅 신호를 출력하는 전류제어수단과;

상기 전류제어수단의 게이팅 신호에 따라 직류 전원을 3상 전원으로 변환시켜 모터에 각 상 전압을 인가하며, 피드백 검출되는 홀 센서의 각 상별 회전자 위치 정보에 따라 모터 구동에 대한 게이팅을 수행하는 게이트 드라이버를 포함하며, 상기 홀 센서의 고장시 상기 크랭크 샤프트 센서의 신호를 분석하여 모터의 각 상별 회전자 위치에 대한 전기각을 모사하여 출력하는 엔코더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬형 하이브리드 전기자동차의 모터 구동시스템.
제1항에 있어서,

상기 크랭크 샤프트 센서의 절대각 위치와 A상을 검출하는 홀 센서의 전기각 0°는 모터와 크랭크 샤프트의 직결시 일치시키는 것을 특징으로 하는 병렬형 하이브리드 전기자동차의 모터 구동시스템.
제1항에 있어서,

상기 엔코더는 사인파로 인가되는 크랭크 샤프트의 기계각 정보를 일측단에 설정되는 기준값과 비교하여 회전자의 위치 정보를 출력하는 복수개의 비교기와;

상기 복수개 비교기의 출력을 미분하는 저항 및 콘덴서와;

상기 미분되어 인가되는 회전자의 각 위치 신호에 모터의 폴 수를 감안하여 회전자의 상별 위치를 검출하는 상 검출부와;

상기 상 검출부에서 인가되는 신호로부터 홀 센서의 3상 신호를 모사하여 추출하는 홀 신호 추출부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 병렬형 하이브리드 전기자동차의 모터 구동시스템.
제3항에 있어서,

상기 각 비교기의 일측단에 설정되는 기준값은 크랭크 샤프트 센서의 최고 출력전압을 6개의 상에 폴수를 곱한 값으로 나눈값에 분할한 각 위치값을 곱하여 결과값을 추출하고, 이 결과값을 최고 출력전압에서 차 연산하여 추출하는 것을 특징으로 하는 병렬형 하이브리드 전기자동차의 모터 구동시스템.
제3항에 있어서,

상기 상 검출부는 상기 비교기의 출력 위치에 대한 비트를 낮은 값에서 높은 값의 순으로 정렬하여 하나의 변수로 생성하고, 이 변수를 상의 수로 나눈 값의 나머지 값으로 회전자 위치에 대한 상(相)을 추출하는 것을 특징으로 하는 병렬형 하이브리드 전기자동차의 모터 구동시스템.
모터 회전자의 각 상별 위치를 검출하는 홀 센서가 고장인지를 판단하는 과정과;

상기 홀 센서가 정상적인 상태이면 통상의 제어를 수행하고, 홀 센서의 고장으로 판단되면 크랭크 샤프트 센서의 신호로부터 모터 회전자의 위치를 추출하는 과정과;

상기 추출되는 모터 회전자의 각 위치로부터 현재 위치에서의 상(相)을 검출하여 홀 센서의 신호로 모사 출력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬형 하이브리드 전기자동차의 모터 구동방법.
제 6항에 있어서,

상기 크랭크 샤프트 센서의 신호로부터 모터 회전자의 위치는 사인파의 크랭크 샤프트 센서의 신호를 각 영역으로 분할하고, 분할된 각 영역의 신호와 설정된 기준값과 비교하여 각 영역에 대한 위치 값을 추출하는 것을 특징으로 하는 병렬형 하이브리드 전기자동차의 모터 구동시스템.