KR20060046198A - 직류 전자장치용 릴레이 제어장치 - Google Patents

직류 전자장치용 릴레이 제어장치 Download PDF

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미카엘 르부르쥬와
다미엥 가티엥
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본 발명에 따른 릴레이에 의해 제어되는 차량 윈도우 레귤레이터의 DC 모터와 같은 장치(10)의 스위칭을 전기적으로 제어하는 장치는 장치(10)의 스위치(3,4)의 스위칭을 작동시키는데 적합한 전자기계적 릴레이(1), 및 상기 릴레이(1)를 제어하는 마이크로컨트롤러(5)를 구비하고, 상기 마이크로컨트롤러는 장치의 단자에서의 전압을 주기적으로 측정하고, 동작동안 장치의 단자에서의 전압 스파이크가 소정의 임계값보다 클 때 상기 스위치를 개방하도록 상기 릴레이의 작동을 지연시킨다.
직류 전자장치용 릴레이 제어장치, 윈도우 레귤레이터

Description

직류 전자장치용 릴레이 제어장치{Relay Control Device For A Direct Current Electrical Apparatus}
도 1은 ISO 표준 7637-2.2에 따른 테스트에 해당하는 전기펄스의 그래프를 도시한 것이다; 그리고
도 2는 본 발명에 따른 장치의 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
1: 릴레이 3,4: 스위치
5: 마이크로컨트롤러 10: 전자장치
11,12: 단자
본 발명은 배터리에 의해 산출되는 공칭전압, 예를 들어, 12V, 42V 등의 직류 DC에서 동작하도록 설계된 장치와 연결된 전자 릴레이의 제어를 위한 장치에 관한 것이다.
오늘날 자동차의 배터리는 통상적으로 직류로 12V를 산출하고, 따라서 자동차에 배열된 전자장치도 통상적으로 12V DC로 동작한다. 일반적으로, 차량에 장착 된 전자장치 및 전자회로 모두를 "전자 시스템"이라 한다.
그런데, 차량에 장착된 전자회로가 유효하기 위해서는 다양한 테스트를 받아야만 한다. 이들 테스트는 표준 인증기관이나 제조업자 스스로에 의해 규정될 수 있다. 예를 들어, 차량에 장착된 전자부품에 대한 고유 테스트는 베터리가 단절될 때 그리고 엔진이 교류발전기를 동작시키거나 교류발전기를 구동하는 동안 다른 부품들 동작하는 것으로 구성된다. ISO 표준 7637-2.2에 의해 규정된 이 테스트는 "로드 덤프 펄스(load dump pulse)"로 알려져 있다. 교류 발전기가 동작하는 동안에 배터리를 단절시키는 것은 차량 공급 시스템에 비교적 가파른 상승 에지(rising edge)를 갖는, 이에 따라 "로드 덤프 펄스"라고 하는, 강한 전기펄스를 야기한다.
도 1에서의 그래프는 통상적으로 배터리에 의해 공급된 다양한 전자회로의 단자에서 발생할 수 있는 테스트에 의해 야기된 펄스를 나타낸 것이다. 전압 Ua는 차량 공급 시스템의 공칭 공급전압을 나타낸다. 엔진이 셧다운(shutdown)될 때, 배터리는 통상적으로 12V의 공칭전압 Ua를 제공하다. 엔진이 운행되어, 교류발전기를 구동할 때, 베터리에 의해 공급되는 공칭전압은 13.5V이다.
교류발전기가 구동되는 동안, 배터리를 단절시킴으로써 테스트가 수행되어질 때, 배터리에 의해 공급되는 다른 부품의 단자에 매우 가파른 상승 에지를 갖는 전압 스파이크(volatge spike)가 야기된다. 이 펄스는 10㎳ 미만의 상승 에지를 갖는 21.5V의 전압 스파이크 V를 초래할 수 있다. 따라서, 다른 부품의 단자에서의 전압은 35V에 달한다. 이러한 과전압이 줄어들어 13.5V의 공칭전압으로 복귀하기 위해서 대략 400㎳를 기다려야하는 것이 필요하다.
그러나, 차량의 전자 시스템의 부품들에 따라, 이러한 전압 스파이크 Vs는 해로울 수 있다. 이러한 전압 스파이크가 장치의 연속동작동안 발생한다면 반드시 유해한 영향을 끼치지는 않는다. 그러나, 다른 전자장치의 제어 릴레이는 상기 제어 릴레이가 이러한 전기 스파이크동안 개방하도록 동작되는 경우 손상될 수 있다.
전자장치는 종종, 예를 들어, 윈도우 레귤레이터의 모터와 같은 장치의 스위치를 전환하는데 적합한 릴레이에 의해 제어된다. 릴레이는 전기회로를 온 또는 오프로 스위칭하도록 동작되는 전자기 제어장치이다. 통상적으로, 릴레이는 스위치에 연결된 자석과 결합된 코일을 구비한다. 제어전압이 코일에 인가되면, 생성된 자기장이 스위치의 스위칭을 야기한다. 더욱이, 릴레이는 또한 전기 전원이 스위치의 개방에 의해 차단될 때 장치의 단자에서 과전압에 의해 발생된 전기아크의 흡수를 가능하게 한다. 전기아크는 전류가 단자를 통해 흐르는 동안 단자들이 서로 이격되어 있을 때 스위치의 단자 사이의 방전에 해당한다. 장치에 공급하는 전류는 장치의 용량 또는 유도부하 때문에 스위치가 개방될 때 바로 영이 되지 않는다. 이러한 방전은 릴레이의 접점들 사이에서 방출된다.
12V DC가 제공되는 장치용 스위칭 릴레이는 자동차 산업에서 통상적으로 사용되는 부품이다. 이러한 릴레이는 유해한 스위치 개방에 의해 야기된 전자아크 없이 16V까지 지원할 수 있다.
그러나, 상술한 "로드 덤프 펄스"와 같은 테스트의 경우, 장치에서 전력 덤프의 경우에 야기된 전압 스파이크의 문제가 두드러진다. 특히, 이러한 상황에서 발생된 전기 아크는 접점들 사이에서 방출될 수 없다; 아크는 여전히 오프되지 않고 부품들은 불이 붙거나 스위치 접점들이 접합된다.
따라서, 고도의 국부적인 과전압에 대하여 릴레이를 보호할 수 있는 장치의 스위칭의 전자제어용 장치를 제공할 필요성이 있다.
이러한 목적으로, 본 발명은 소정 전압에서 직류로 동작하는 장치의 스위칭 전자제어장치로서, 상기 장치의 스위치의 스위칭을 작동시키는데 적합한 전자기계적 릴레이; 상기 장치의 동작의 셧다운을 위한 제어수단; 및 상기 릴레이의 제어에 적합한 마이크로컨트롤러를 구비하고, 상기 마이크로컨트롤러는 동작동안 장치 단자에서의 전압 스파이크가 소정의 임계값보다 클 때 상기 스위치의 개방을 작동시키는 상기 릴레이의 제어를 지연시키는데 적합한 스위칭 전자제어장치를 제안한다.
일실시예에 따르면, 상기 마이크로컨트롤러는 소정의 임계값보다 더 크거나 같은 전압 스파이크 기울기를 검출하는데 적합하다.
일실시예에 따르면, 상기 마이크로컨트롤러는 공급 전압보다 더 크거나 공급전압의 2배인 전압 스파이크 값를 검출하는데 적합하다.
한가지 특징에 따르면, 상기 마이크로컨트롤러는 장치 단자에서 전압의 주기적 측정을 위한 수단을 구비한다.
한가지 특징에 따르면, 상기 마이크로컨트롤러는 입력으로서 과전압값 및 출력으로서 소정 전압으로의 복귀에 대한 고유 시간값을 갖는 스파이크 참조표(lookup table)를 구비한다.
한가지 특징에 따르면, 상기 전자장치는 차량의 개방요소를 작동하기 위한 모터이다.
본 발명은 또한 소정 전압에서 직류로 동작하는 장치의 스위칭을 위한 전기제어 작동방법으로서, 상기 장치를 스위치 오프하기 위해, 동작동안 상기 장치 단자에서 전압 스파이크의 검출단계; 상기 장치의 동작의 셧다운을 위한 제어의 검출단계; 및 전압 스파이크가 검출되면, 상기 장치의 스위치를 개방상태로 스위칭하기 위해 시간 td 후에 릴레이를 작동시키는 단계를 포함하는, 스위칭을 위한 전기제어 작동방법에 관한 것이다.
일실시예에 따르면, 상기 전압 스파이크의 검출단계는 펄스의 상승 에지 구간의 측정을 포함한다.
일실시예에 따르면, 상기 전압 스파이크의 검출단계는 펄스의 전압값의 측정을 포함한다.
한가지 특성에 따르면, 상기 시간 td는 300㎳ 내지 400㎳ 사이에 포함된다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은, 첨부도면을 참조로 예로서 주어진, 아래의 본 발명의 실시예의 상세한 설명으로부터 명백해진다.
본 발명에 따른 스위칭의 전기제어용 장치는 소정 전압의 직류로 동작하는 장치의 스위치의 스위칭을 작동시키는데 적합한 전자기계적 릴레이를 구비한다. 상기 장치는 또한 릴레이를 제어하는데 적합한 마이크로컨트롤러를 구비한다. 마이크로컨트롤러는 특히 동작동안 장치의 단자 전압이 소정의 임계값보다 더 큰 경우 스 위치의 개방을 작동시키기 위한 릴레이 제어를 지연시키는데 적합하다. 따라서, 장치는 전압 스파이크(voltage spike)동안 스위치를 개방하기 때문에, 예를 들어, 전기 시스템 회로의 전기 테스트로 인해 릴레이에 대한 손상을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 릴레이 스위치의 개방상태와 폐쇄상태는 장치를 지나는 공급전류의 통과 및 상기 장치를 지나는 상기 전류 통과의 차단에 각각 해당하는 상태로서 정의된다. 장치에서 공급전류 통과의 차단은 장치 자체를 단락시키거나 회로를 개방함으로써 얻어질 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 장치를 제조하기 위한 가능한 전기회로를 개략적으로 도시한 것이다.
차량의 개방 요소를 작동시키기 위한 모터로서, 예를 들어, 윈도우 레귤레이터의 모터와 같은 장치(10)에는 일반적으로 차량 베터리에 의해 산출된 전압에 해당하는 소정의 공급전압 Ua의 직류가 제공되어야 한다.
도 2에서, 모터(10)가 셧다운되어 있고, 스위치(3 및 4)에 각각 연결된 모터의 단자(11 및 12)는 동일한 전위로 연결되어 있다. 따라서, 모터는 단락되고, 스위치(3 및 4)는 각각 앞서 주어진 정의에 따른 소위 개방 상태에 있다.
모터(10)를 시동시키기 위해, 즉, 모터의 한 단자(11)를 공급 전위 Ua에 그리고 타 단자(12)를 접지에 연결시키기 위해, 스위치 중 하나(4)는 공급 단자상에서 폐쇄 상태로 스위칭되어야 한다. 모터(10)의 회전방향은 모터의 어떤 단자(11 또는 12)가 해당하는 스위치(3 또는 4)의 폐쇄 상태로 스위칭됨으로써 공급전위 Ua에 연결되고, 상기 모터의 어떤 타 단자(12 또는 11)가 접지에 연결되는지에 따라 결정된다.
스위치(3,4)의 스위칭은 릴레이(1)에 의해 보장된다. 그 자체로 공지된 바와 같이, 릴레이(1)는 2개의 코일을 구비하고 각 코일은 스위치(3,4) 중 하나에 연결된 자석과 결합된다. 스위칭 트랜지스터는 자석 중 하나에 의해 스위치(3,4) 중 하나를 작동시키는데 적합한 자기장을 만들기 위해 한 코일 또는 다른 코일에 전류가 흐르게 한다.
릴레이(1)의 스위칭 제어는 마이크로컨트롤러(5)에 의해 보장될 수 있다. 마이크로컨트롤러(5)는 릴레이(1)에 연결된 스위칭 트렌지스터 중 하나를 작동시키도록 의도된 제어전압 S1을 인가하여 전류가 코일 중 한 코일이나 다른 코일을 통해 흐르도록 하여 스위치(3,4) 중 한 스위치나 다른 스위치의 스위칭을 작동시킨다.
마이크로컨트롤러(5)는 또한 공급전압 Ua의 값을 측정한다. 그 자체로 공지된 바와 같이, 전압의 아날로그 측정을 위한 수단이 제공되고, 실행된 측정은 상기 마이크로컨트롤러에 의해 사용될 수 있는 디지털 값으로 변환된다. 바람직하기로, 상기 측정 수단은, 적절하다면, 마이크로컨트롤러가 전기 펄스의 상승 에지의 기울기를 결정할 수 있도록 전압 Ua의 주기적 측정을 실행한다. 예를 들어, 마이크로컨트롤러는 매 3㎳ 마다 전압측정을 수신한다; 따라서, 마이크로컨트롤러는 그 상승 에지가 10㎳의 차수인 "로드 덤프(load dump)" 펄스를 검출할 수 있다. 대조적으로, 예를 들어, 100V까지의 높은 과전압값을 가질 수 있는 펄스를 검출하는데는 유용하지 않으나, 1 내지 2㎳ 차수의 매우 짧은 주기시간에 걸쳐서는 유용하다. 이러 한 펄스는 3㎳ 차수의 반응시간을 갖는 릴레이에 실제로 해롭지 않다. 또한, 전원에 연결된 필터링 소자는 이러한 짧은 기간의 펄스의 제거 또는 적어도 감쇠를 가능하게 한다.
또한, 마이크로컨트롤러(5)는 모터(10)의 동작 상태를 감시한다. 특히, 릴레이(1)에 의해 제어되는 스위치(3,4)의 폐쇄상태 또는 개방상태가 마이크로컨트롤러에 의해 알려진다.
따라서, 마이크로컨트롤러(5)가, 예를 들어, 윈도우 레귤레이터의 제어 버튼상의 압력이 완화되는 경우 장치의 동작의 셧다운을 위한 제어를 수신하면, 스위치를 개방하기 위한 제어전압 S1이 릴레이(1)에 전송되어야 한다. 그러나, 본 발명에 따르면, 마이크로컨트롤러가 또한 장치(10) 단자에서 소정의 임계값 보다 더 큰 전압 스파이크를 검출하면, 기간 td동안 제어 S1의 전송을 지연시킨다. 이러한 지연 td는 전기 펄스가 실질적으로 공칭전압으로 복귀되도록 조절될 수 있다.
실시예에 따르면, 마이크로컨트롤러(5)에 의해 검출된 과전압은 소정의 임계값 보다 더 큰 전압값, 예를 들어 공칭 공급전압 Ua의 2배일 수 있거나, 소정의 기울기 값보다 더 큰 펄스의 상승 에지의 기울기일 수 있다. 마이크로컨트롤러가 기울기의 측정을 사용하여 전압 스파이크를 검출하면, 특히 릴레이에 해로운 전압값이 도달되기 전에 과전압펄스를 검출할 수 있다.
상기 실시예는 릴레이에 적용하기 위한 보호정도에 따르고, 릴레이에 대한 위험에 따른 마이크로컨트롤러의 프로그래밍에 좌우된다. 특히, 마이크로컨트롤러 는 장치 단자에 주어진 전압값, 주어진 과전압값, 주어진 과전압값 더하기 기울기 또는 이들 요소들의 조합을 검출하도록 프로그램될 수 있다. 이러한 프로그래밍은 요건 및 보호되는 릴레이 모델의 기능으로서 당업자에게 보장될 수 있다.
과전압 펄스의 하강 시간의 차수 td 후에, 마이크로컨트롤러는 개방상태로부터 스위치(3,4)의 스위칭을 작동시키는 릴레이(1)에 제어전압 S1을 전송한다. 그런 후, 모터의 단자에서의 전류는 이 스위칭 시간에서 공칭값으로 복귀하고 전기아크가 종래방식으로 방출될 수 있다. 시간 td는 300㎳ 내지 400㎳ 차수일 수 있다.
마이크로컨트롤러(5)는 검출된 과전압의 타입에 대해 지연시간 td값을 적용할 수 있다. 과전압 또는 측정된 상승 에지의 기울기 값에 따라, 마이크로컨트롤러는 발생하는 펄스 타입을 유추할 수 있다. 그리고 나서 마이크로컨트롤러는 이러한 펄스에 대한 공칭전압으로 복귀하는 시간을 알 수 있고 발생하는 펄스에 고유한 시간함수로서 릴레이의 개방 제어를 지연시킬 수 있다. 과전압측정 입력을 구비하고 출력시간에서 공칭전압으로의 복귀 특성을 제공하는 이런 용도의 마이크로컨트롤러에 스파이크 참조표(lookup table)가 저장될 수 있다.
물론, 본 발명은 예로써 설명된 실시예에 국한되지 않는다; 따라서, 본 발명에 따른 스위칭 소자의 릴레이는 2개의 스위치 대신에 하나의 스위치만을 구비할 수 있다. 또한, 마이크로컨트롤러의 프로그래밍을 적용함으로써, 본 발명에 따른 제어장치는 다른 전압값 및 기울기 값을 갖는 다른 타입의 전기 펄스에 대하여 릴레이를 보호할 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명에 직류 전자장치용 릴레이 제어장치의 효과를 설명하면 다음과 같다.
첫째, 본 발명에 의하면, 고도의 국부적인 과전압에 대하여 릴레이를 보호할 수 있다는 이점이 있다.
둘째, 본 발명에 의하면, 마이크로컨트롤러의 프로그래밍을 적용함으로써, 다른 전압값 및 기울기 값을 갖는 다른 타입의 전기 펄스에 대하여 릴레이를 보호할 수 있다는 이점이 있다.

Claims (10)

  1. 소정 전압(Ua)에서 직류로 동작하는 장치(10)의 스위칭 전자제어장치로서,
    상기 장치(10)의 스위치(3,4)의 스위칭을 작동시키도록 구성되는 전자기계적 릴레이(1);
    상기 장치(10)의 동작의 셧다운을 위한 제어수단; 및
    상기 릴레이(1)의 제어를 위한 마이크로컨트롤러(5)를 구비하고,
    상기 마이크로컨트롤러는 동작동안 장치 단자에서의 전압 스파이크가 소정의 임계값보다 클 때 상기 스위치의 개방을 작동시키는 상기 릴레이의 제어를 지연시키도록 구성되는 스위칭 전자제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러(5)는 소정의 임계값보다 더 크거나 같은 전압 스파이크(Vs)를 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전자제어장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러(5)는 공급전압(Ua)보다 더 크거나 공급전압(Ua)의 2배인 전압 스파이크 값(Vs)를 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭 전자제어장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러(5)는 장치(10)의 단자에 전압의 주기적 측정을 위한 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전자제어장치.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러(5)는 입력으로서 과전압값 및 출력으로서 소정 전압으로의 복귀에 대한 고유 시간값을 갖는 스파이크 참조표(lookup table)를 구비하는 것을 특징으로 하는 스위칭 전자제어장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자장치(10)는 차량의 개방 요소를 작동하기 위한 모터인 것을 특징으로 하는 스위칭 전자제어장치.
  7. 소정 전압(U)에서 직류로 동작하는 장치(10)의 스위칭을 위한 전기제어 작동방법으로서, 상기 장치(10)를 스위치 오프하기 위해,
    동작동안 상기 장치(10) 단자에서 전압 스파이크의 검출단계;
    상기 장치(10)의 동작의 셧다운을 위한 제어의 검출단계; 및
    전압 스파이크가 검출되면, 상기 장치의 스위치(3,4)를 개방상태로 스위치하기 위해 시간 td 후에 릴레이(1)를 작동시키는 단계를 포함하는, 스위칭을 위한 전 기제어 작동방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전압 스파이크의 검출단계는 펄스의 상승 에지의 기간(tr)의 측정을 포함하는 스위칭을 위한 전기제어 작동방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 전압 스파이크의 검출단계는 펄스의 전압값(Vs)의 측정을 포함하는 스위칭을 위한 전기제어 작동방법.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시간(td)은 300㎳ 내지 400㎳ 사이에 포함되는 스위칭을 위한 전기제어 작동방법.
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