KR20060045218A

KR20060045218A - 전동식 파워 스티어링 시스템에서의 모터 전류 검출회로

Info

Publication number: KR20060045218A
Application number: KR1020040092287A
Authority: KR
Inventors: 오희석
Original assignee: 주식회사 만도
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2006-05-17

Abstract

본 발명은 EPS 시스템에서의 모터 전류 검출회로에 관한 것으로, EPS 시스템의 모터 구동 제어회로내 모터 전류 검출회로가, DC 모터에 흐르는 전류를 검출하기 위한 션트 저항과, 션트 저항에 유기되는 검출전압과 기준전압을 비교하여 검출전압이 기준전압보다 크면 온동작하여 상기 검출전압과 이득이 곱해진 전류 검출전압을 출력하고, 검출전압이 기준전압보다 작으면 오프동작하는 비교기와, MCU에서 출력되는 PWM 신호의 온 듀티동안에 상기 비교기가 온동작하여 검출전압과 이득의 곱으로 증폭된 전류 검출전압이 충전되어, 이후 PWM 신호의 오프 듀티동안에 상기 비교기가 오프동작하는 경우 상기 충전된 전류 검출전압을 상기 MCU로 출력하는 캐패시터로 이루어진 것을 특징으로 하며, OP-앰프 대신에 비교기를 이용한 충방전에 의한 전류 증폭 방식을 적용하여 MCU에서 출력되는 PWM 신호의 듀티 주파수와 동기화하여 온 듀티동안은 모터의 전류를 검출하고, 오프 듀티동안은 기 검출된 전압을 유지함으로써 모터 전류 검출회로의 저전류 구간(0∼3A)을 포함한 전체 전류 구간에서 실제 모터 전류와 검출 전류간의 오차를 최소화하여 모터 전류 검출회로의 선형성을 개선시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

EPS, 모터 전류, 션트 저항, 비교기, 선형성

Description

전동식 파워 스티어링 시스템에서의 모터 전류 검출회로{DETECTION CIRCUIT OF MOTOR CURRENT IN EPS SYSTEM}

도 1은 종래 EPS 시스템에서의 모터 전류 검출회로를 상세히 보인 도면.

도 2는 종래 모터 전류 검출회로에 대한 시뮬레이션 결과를 보인 도면.

도 3은 종래 모터 전류 검출회로에 대한 실측 결과를 보인 도면.

도 4는 본 발명에 따른 모터 전류 검출회로를 구비한 EPS 시스템에서의 모터 구동 제어회로를 보인 도면.

도 5는 본 발명에 따른 EPS 시스템에서의 모터 전류 검출회로를 상세히 보인 도면.

도 6은 본 발명에 따른 모터 전류 검출회로에 대한 시뮬레이션 결과를 보인 도면.

도 7은 본 발명에 따른 모터 전류 검출회로에 대한 실측 결과를 보인 도면.

도 8은 종래와 본 발명에 따른 모터 전류 검출회로에 대한 실측 결과를 비교하기 위한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : MCU 20 : 게이트 구동회로

30 : H-브릿지 회로 40 : DC 모터

50 : 모터 전류 검출회로 51 : 비교기

Rs : 션트 저항 C1 : 캐패시터

본 발명은 전동식 파워 스티어링(Electric Power Steering ; 이하, 'EPS'라 칭함) 시스템에서의 모터 전류 검출회로에 관한 것으로, 특히 EPS 시스템의 모터 구동 제어회로에 있어서, 비교기(Comparator)를 이용한 충방전에 의한 전류 증폭 방식을 적용하여 모터 전류 검출회로의 저전류 구간을 포함한 전체 전류 구간에서 실제 모터 전류(Real Motor Current)와 검출 전류(Detected Motor Current)간의 오차를 최소화함으로써 모터 전류 검출회로의 선형성(Linearity)을 개선시킬 수 있도록 한 EPS 시스템에서의 모터 전류 검출회로에 관한 것이다.

일반적으로 차량에 구비된 전자 제어 장치(Electronic Control Unit ; 이하, 'ECU'라 칭함)를 이용하여 차량의 속도에 따라 운전자 핸들의 조작력을 줄여주어 가볍고 신속한 조향 조작이 가능하도록 한 스티어링 시스템은, 기존의 유압식 파워 스티어링 시스템에 유압을 조정하는 전자제어밸브가 추가되어 어시스트량을 조절하는 전자제어 파워 스티어링(Electronic Power Steering) 시스템과 순수한 모터의 구동에 의해 어시스트량을 조절하는 EPS 시스템으로 구분된다.

상기 EPS 시스템에서 모터의 구동을 제어하기 위한 모터 구동 제어회로는 크게 MCU(MicroController Unit), 게이트 구동회로, 제1~제4 FET로 이루어진 H-브릿 지 회로, DC 모터, 션트 저항(Shunt Resistor) 및 OP-앰프(Amp)를 이용하여 상기 DC 모터의 전류를 검출하는 모터 전류 검출회로로 구성된다.

한편, 상기와 같이 구성된 종래 모터 구동 제어회로에서는, 능동 소자로 구성되어 정밀하고 고가인 전류 센서 대신에 저가의 수동 소자인 션트 저항을 이용하여 DC 모터의 전류를 검출하고 있으며, 이때 모터 전류 검출회로의 선형성 문제가 매우 중요한 설계 요소가 되고 있다.

도 1은 종래 모터 전류 검출회로를 상세히 보인 도면으로서, 전류 검출 저항인 션트 저항(Rs)에 흐르는 전류 Im으로 OP-앰프(1)를 이용하여 모터 전류 I를 추정하고, H-브릿지 회로의 작동 패턴에 의해 션트 저항(Rs)에 유기되는 검출전압 Vrs를 결정한다.

아래 수식 1로 표현되는 션트 저항(Rs)에 흐르는 전류 Im으로부터 발생되는 검출전압 Vrs는 MCU에서 출력되는 PWM 신호의 온 듀티동안의 포지티브(Positive) 신호에 대해서만 증폭되어 Vamp로 마크된 노드의 출력전압과 같다. 여기서, Vamp는 아래 수식 3과 같이 검출전압 Vrs와 아래 수식 2로 표현된 OP-앰프(1)의 이득 A(s)의 곱으로 증폭된 전류 검출전압이다. 따라서, 모터 전류의 추정값은 아래 수식 4와 같다.

한편, 도 1에 도시된 모터 전류 검출회로에 있어서, 전류 검출용으로 사용된 OP-앰프(1)는 MC33272A라고 하는 단전원용의 증폭기로서, 검출전압 Vrs가 (+)부호를 가지는 PWM 신호의 온 듀티동안의 포지티브 신호에 대해서만 증폭되고, 검출전압 Vrs가 (-)부호를 가지는 PWM 신호의 오프 듀티동안은 전류 증폭을 할 수 없다.

이에 따라, 종래에는 PWM 신호의 오프 듀티동안에 비선형적인 모터 전류가 검출되어 실제 모터 전류와 검출 전류간의 오차가 비선형구간인 PWM 신호의 오프 듀티동안에 크게 나타나는 문제점이 있었다.

또한, 상기 MC33272A라고 하는 OP-앰프(1)의 특성중 출력 전압 스윙 범위(Output Voltage Swing Range ; 이하 'OVSR'이라 칭함)는 0.2∼3.7V(Vcc=5V인 경우)이다.

그러므로, 상기와 같은 특성에 따라 OP-앰프(1)의 출력이 선형적으로 동작하기 위해서는 입력 신호와, 이득 조건에 따른 증폭기 출력이 최소 OVSR인 0.2V 이상 나올 수 있어야 한다.

그러나, 종래 모터 전류 검출회로의 경우에는 저전류 영역의 입력 조건과 OP-앰프(증폭기)의 이득을 고려한 증폭기 출력을 살펴볼 때, 아래 예에서와 같이 MC33272A의 최소 OVSR인 0.2V 이상 나오지 않게 된다. 그러므로, 저전류 구간(O∼ 3A)에서는 OP-앰프의 출력이 비선형적으로 동작하고, 이후 비선형적인 모터 전류가 검출되게 된다.

(예)

1. 모터 전류 1A, 션트 전압 0.004V, 이득 25인 경우 ---> 증폭기 출력 0.1V

2. 모터 전류 2A, 션트 전압 0.008V, 이득 25인 경우 ---> 증폭기 출력 0.2V

상기와 같이, 종래 모터 전류 검출회로에서는 PWM 신호의 오프 듀티동안에 비선형적인 모터 전류가 검출되는가 하면, 단전원용의 OP-앰프(1), 즉 MC33272A를 사용함에 따라 저전류 구간(0∼3A)에서의 모터 전류 출력의 비선형성으로 인하여 실제 모터 전류와 검출 전류간의 오차가 크게 나타나는 문제점이 있었다.

특히, 도 2는 종래 모터 전류 검출회로에 대한 시뮬레이션 결과를 보인 도면으로서, 종래 모터 전류 검출회로를 PSpice 9.2에서 시뮬레이션 한 결과이고, 도 3은 종래 모터 전류 검출회로에 대한 실측 결과를 보인 도면으로서, 실제 회로를 구성하여 실측한 데이터 결과이다. 이에 도시된 바와 같이 저전류 구간(0∼3A)에서는 OP-앰프(1)의 OVSR 특성에 따른 출력의 비선형성으로 인하여 실제 모터 전류와 검출 전류간의 오차가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 OP-앰프 대신에 비교기를 이용한 충방전에 의한 전류 증폭 방식을 적용하여 MCU에서 출력되는 PWM 신호의 듀티 주파수와 동기화하여 온 듀티동안은 모터의 전류를 검출하고, 오프 듀티동안은 기 검출된 전압을 유지함으로써 모터 전류 검출회로의 저전류 구간(0∼3A)을 포함한 전체 전류 구간에서 실제 모터 전류와 검출 전류간의 오차를 최소화하여 모터 전류 검출회로의 선형성을 개선시킬 수 있도록 한 EPS 시스템에서의 모터 전류 검출회로를 제공하는 데에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 EPS 시스템에서의 모터 전류 검출회로는, PWM 신호를 출력하는 MCU와, 상기 MCU에서 출력되는 PWM 신호에 따라 게이트 구동 신호를 출력하는 게이트 구동회로와, 상기 게이트 구동회로에서 출력되는 게이트 구동신호에 따라 턴 온/오프 동작하여 모터를 구동시키는 제1~제4 FET로 이루어진 H-브릿지 회로와, 상기 H-브릿지 회로의 제1~제4 FET의 동작에 따라 인가되는 전류에 의해 구동하는 DC 모터와, 상기 DC 모터의 전류를 검출하는 모터 전류 검출회로로 구성된 EPS 시스템의 모터 구동 제어회로에 있어서, 상기 모터 전류 검출회로가, 상기 DC 모터에 흐르는 전류를 검출하기 위한 션트 저항과, 상기 션트 저항에 유기되는 검출전압과 기준전압을 비교하여 검출전압이 기준전압보다 크면 온동작하여 상기 검출전압과 이득이 곱해진 전류 검출전압을 출력하고, 검출전압이 기준전압보다 작으면 오프동작하는 비교기와, 상기 PWM 신호의 온 듀티동안에 상기 비교기가 온동작하여 검출전압과 이득의 곱으로 증폭된 전류 검출전압이 충전되어, 이후 PWM 신호의 오프 듀티동안에 상기 비교기가 오프동작하는 경우 상기 충전된 전류 검출전압을 상기 MCU로 출력하는 캐패시터로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 EPS 시스템에서의 모터 구동 제어회로의 구성 및 동작을 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 모터 전류 검출회로를 구비한 EPS 시스템에서의 모터 구동 제어회로를 보인 도면으로서, 모터의 구동을 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 출력하는 MCU(10)와, 이 MCU(10)에서 출력되는 PWM 신호의 듀티에 따라 게이트 구동 신호를 출력하는 게이트 구동회로(20)와, 배터리(BAT)의 전압을 인가받아 상기 게이트 구동회로(20)에서 출력되는 게이트 구동신호에 따라 턴 온/오프(Turn On/Off) 동작하여 모터를 구동시키는 제1~제4 FET(Q1~Q4)로 이루어진 H-브릿지(Bridge) 회로(30)와, 이 H-브릿지 회로(30)의 제1~제4 FET(Q1~Q4)의 동작에 따라 인가되는 전류에 의해 구동하는 DC 모터(40)와, 이 DC 모터(40)에 흐르는 전류를 검출하기 위한 션트 저항(Rs), 이 션트 저항(Rs)에 유기되는 검출전압과 기준전압을 비교하여 검출전압이 기준전압보다 크면 온동작하여 상기 검출전압과 이득이 곱해진 전류 검출전압을 출력하고, 검출전압이 기준전압보다 작으면 오프동작하는 비교기(51), 상기 PWM 신호의 온 듀티동안에 상기 비교기(51)가 온동작하여 검출전압과 이득의 곱으로 증폭된 전류 검출전압이 충전되어, 이후 PWM 신호의 오프 듀티동안에 상기 비교기(51)가 오프동작하는 경우 상기 충전된 전류 검출전압을 출력하는 캐패시터(C1)로 이루어져, 상기 DC 모터(40)의 전류를 검출하고 이 검출된 전류 검출전압을 유지하여 상기 MCU(10)로 출력하는 모터 전류 검출회로(50)로 구성된다.

도 5는 본 발명에 따른 EPS 시스템에서의 모터 전류 검출회로를 상세히 보인 도면으로서, 본 발명의 모터 전류 검출회로(50)에서는 기존의 OP-앰프 대신에 LM2903이라 하는 비교기(51)를 이용하여 캐패시터(C801)의 충방전에 의한 전류 증폭 방식을 적용으로써 PWM 신호의 오프 듀티동안에도 비교기(51)에서 증폭 출력된 전류 검출전압이 유지되어 출력되도록 하고, 기존의 OP-앰프의 OVSR 특성을 벗어나 저전류(0∼3A) 구간에서도 실제 모터 전류와 검출 전류간의 오차를 최소화함으로써 모터 전류 검출회로(50)의 선형성을 개선시킬 수 있도록 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 모터 전류 검출회로의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 모터 전류 검출회로(50)를 포함한 모터 구동 제어회로에 있어서, MCU(10)에서 출력되는 PWM 신호의 펄스폭, 즉 듀티를 이용하여 DC 모터(40)를 구동하는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 PWM 신호의 온 듀티동안에는 일정한 모터 시정수를 가지고 I1의 모터 전류가 흐르고, PWM 신호의 오프 듀티동안에는 DC 모터(40)의 인덕턴스 성질 때문에 제2,제3 FET(Q2,Q3)의 다이오드를 통해 I2의 모터 전류가 흐르게 된다.

따라서, 션트 저항(Rs)에 흐르는 전류 Im으로 모터 전류 I를 추정하고, 션트 저항(Rs)에 유기되는 검출전압 Vrs는 모터 구동을 위해 구성된 H-브릿지 회로(30)의 작동 패턴에 의해 결정된다.

이후, 모터 전류 검출회로(50)에서는 MCU(10)에서 출력되는 PWM 신호의 듀티 주파수와 동기화하여 PWM 신호의 온 듀티동안은 비교기(51)가 온동작하여 DC 모터(40)의 전류를 검출하고, PWM 신호의 오프 듀티동안은 비교기(51)가 오프동작하고 기 검출된 전압을 유지한다.

즉, 상기 비교기(51)는 MCU(10)에서 출력되는 PWM 신호의 온 듀티동안에 상기 션트 저항(Rs)에 유기되는 검출전압 Vrs와 기준전압을 비교하여 검출전압 Vrs가 기준전압보다 크면 온동작함으로써 상기 검출전압 Vrs와 이득 A(s)가 곱해진 전류 검출전압 Vamp를 MCU(10)로 출력하고, 이때 캐패시터(C1)에 상기 전류 검출전압 Vamp가 충전되도록 하며, 이후 비교기(51)가 MCU(10)에서 출력되는 PWM 신호의 오프 듀티동안에 상기 션트 저항(Rs)에 유기되는 검출전압 Vrs가 기준전압보다 작으면 오프동작하여 상기 캐패시터(C1)에 충전된 전류 검출전압 Vamp를 MCU(10)로 출력함으로써 저전류 구간(0∼3A)을 포함한 전체 전류 구간에서의 전류에 대한 선형성을 확보하도록 한다.

상기와 같이 본 발명에 따른 모터 전류 검출회로(50)에 있어서는, 비교기(51)를 이용한 증폭기를 구성하여 샘플 & 홀드(Sample & Hold)의 홀드 기능을 수행하도록 함으로써 PWM 신호의 오프 듀티동안에도 기 검출된 전압 Vamp, 즉 비교기(51)에서 증폭 출력된 전류 검출전압이 캐패시터(C1)를 통해 유지되어 출력됨에 따라 전류의 선형성을 개선시킬 수 있게 되는 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 모터 전류 검출회로에 대한 시뮬레이션 결과를 보인 도면으로서, 모터 전류 검출회로를 PSpice 9.2에서 시뮬레이션 한 결과이고, 도 7은 본 발명에 따른 모터 전류 검출회로에 대한 실측 결과를 보인 도면으로서, 실제 회로를 구성하여 실측한 데이터 결과이다. 이에 도시된 바와 같이 저전류 구간(0∼3A)을 포함한 전체 전류 구간에서 실제 모터 전류와 검출 모터 전류간의 오차가 크게 줄어들었음을 확인할 수 있다.

특히, 도 8은 종래와 본 발명에 따른 모터 전류 검출회로에 대한 실측 결과를 비교하기 위한 도면으로서, 저전류 구간(0∼3A)에 있어서 도 8A의 종래에 비해 도 8B의 본 발명의 오차 폭이 좁게 나타나는 것을 알 수 있으며, 따라서 종래에 비해 본 발명에서 선형성이 현저하게 개선되었음을 확인할 수 있다.

이상, 상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 EPS 시스템의 모터 구동 제어회로에 있어서, OP-앰프 대신에 비교기를 이용한 충방전에 의한 전류 증폭 방식을 적용하여 MCU에서 출력되는 PWM 신호의 듀티 주파수와 동기화하여 온 듀티동안은 모터의 전류를 검출하고, 오프 듀티동안은 기 검출된 전압을 유지함으로써 모터 전류 검출회로의 저전류 구간(0∼3A)을 포함한 전체 전류 구간에서 실제 모터 전류와 검출 전류간의 오차를 최소화하여 모터 전류 검출회로의 선형성을 개선시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims

PWM 신호를 출력하는 MCU와, 상기 MCU에서 출력되는 PWM 신호에 따라 게이트 구동 신호를 출력하는 게이트 구동회로와, 상기 게이트 구동회로에서 출력되는 게이트 구동신호에 따라 턴 온/오프 동작하여 모터를 구동시키는 제1~제4 FET로 이루어진 H-브릿지 회로와, 상기 H-브릿지 회로의 제1~제4 FET의 동작에 따라 인가되는 전류에 의해 구동하는 DC 모터와, 상기 DC 모터의 전류를 검출하는 모터 전류 검출회로로 구성된 EPS 시스템의 모터 구동 제어회로에 있어서,

상기 모터 전류 검출회로가,

상기 DC 모터에 흐르는 전류를 검출하기 위한 션트 저항과,

상기 션트 저항에 유기되는 검출전압과 기준전압을 비교하여 검출전압이 기준전압보다 크면 온동작하여 상기 검출전압과 이득이 곱해진 전류 검출전압을 출력하고, 검출전압이 기준전압보다 작으면 오프동작하는 비교기와,

상기 PWM 신호의 온 듀티동안에 상기 비교기가 온동작하여 검출전압과 이득의 곱으로 증폭된 전류 검출전압이 충전되어, 이후 PWM 신호의 오프 듀티동안에 상기 비교기가 오프동작하는 경우 상기 충전된 전류 검출전압을 상기 MCU로 출력하는 캐패시터로 이루어진 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템에서의 모터 전류 검출회로.
제 1 항에 있어서,

상기 모터 전류 검출회로가 상기 MCU에서 출력되는 PWM 신호의 듀티 주파수와 동기화하여 PWM 신호의 온 듀티동안은 DC 모터의 전류를 검출하고, PWM 신호의 오프 듀티동안은 기 검출된 전압을 유지하여 DC 모터의 전류에 대한 선형성을 확보하도록 하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 시스템에서의 모터 전류 검출회로.