KR20080014977A - 직류 전압 공급 시스템에 의해 전압을 공급받는 전기모터의 제어 방법 - Google Patents

직류 전압 공급 시스템에 의해 전압을 공급받는 전기모터의 제어 방법

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KR20080014977A
KR20080014977A KR1020077027364A KR20077027364A KR20080014977A KR 20080014977 A KR20080014977 A KR 20080014977A KR 1020077027364 A KR1020077027364 A KR 1020077027364A KR 20077027364 A KR20077027364 A KR 20077027364A KR 20080014977 A KR20080014977 A KR 20080014977A
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 직류 전압 공급 시스템(14, 20)으로부터 전압을 공급받는 전기 모터(10)의 제어 방법, 특히 펄스 폭 변조 신호를 이용하여 차량 전기 시스템으로부터 전압을 공급받는 팬 모터의 제어 방법에 관한 것으로, 상기 팬 모터는 모터 전기 회로 내의 액추에이터(18)를 통해 직류 전압 공급 시스템에 접속될 수 있다. 이 경우, 모터(10)의 공급 전압(UM)은 실질적으로 직류 전압 공급 시스템의 공급 전압(UB)의 변동과 무관하게 미리 주어진 특성 곡선에 따라 시간제어된다.

Description

직류 전압 공급 시스템에 의해 전압을 공급받는 전기 모터의 제어 방법{Method for controlling an electric motor fed by a constant voltage supply system}
본 발명은 직류 전압 공급 시스템으로부터 전압을 공급받는 전기 모터, 특히 펄스 폭 변조에 의해 차량의 전기 시스템으로부터 전압을 공급받고, 모터 전기 회로 내의 액추에이터를 통해 직류 전압 공급 시스템에 접속될 수 있는 팬 모터의 제어 방법에 관한 것이다.
상기 방법에서, 일반적으로 반도체 스위칭 장치로 형성된, 모터 전기 회로의 액추에이터를 과부하로부터 보호하는 것이 공지되어 있다. 이를 위해, 예컨대 DE 34 33 538 C에는 과부하로부터 보호되는 소자 이외에도 파워 트랜지스터의 출력 손실을 제한하기 위해 부하 전류 회로 내의 분류기 및 추가 스위칭 소자를 구비한 회로 장치가 기술되어 있으며, 상기 추가 스위칭 소자는 허용되지 않은 높은 전류에서 파워 트랜지스터를 통해 도통되고, 전류를 감소시키기 위해 파워 트랜지스터의 제어 경로를 그 메인 전극을 통해 바이패스시킨다. 그러나 상기와 같은 회로 장치는, 특히 전류 측정 분류기로서 고가의 정밀한 저항기의 사용과 관련하여, 복잡하고 비용이 많이 든다.
또한 차량 기술에서, 모터의 공급 전압의 펄스 폭 비율의 변동에 의해 모터의 단자 전압이 제한됨으로써, 차량의 전기 시스템으로부터 전압을 공급받는 직류 모터의 전력 소비를 공급 전압의 클로킹(clocking)에 의해 바람직하게 대략 20 kHz 이상의 비가청 주파수 범위에서 제한하는 것이 공지되어 있다. 정상 작동에서 특정 모터의 전력 소비가 공지되어 있기 때문에, 직류 모터의 시동을 제어하기 위해 정지 상태로부터 모터의 최대 회전수에 도달할 때까지 출력 펄스 듀티 레이트의 시간 제어된 램프(ramp)도 구현될 수 있다. 이 경우, 모터의 시동을 보장하기 위해, 고정적으로 주어진 펄스 듀티 레이트에서 직류 전압 공급 시스템 내의 순시 전압의 레벨과 무관하게 출력 펄스 듀티 레이트가 시작된 다음, 상기 듀티 레이트는 모터의 소정의 가속에 따라 램프 형상으로 100 %의 펄스 듀티 레이트에 도달할 때까지, 그리고 그에 따라 모터의 최대 회전수에 도달할 때까지 상승되고, 상기 최대 속도로 모터가 계속 작동된다. 그러나, 상기 방식의 모터 제어는 한편으로는 낮은 공급 전압에서 모터의 확실한 시동을 보장하지 않고, 다른 한편으로는 높은 공급 전압에서 회로 장치의 전기 소자의 과부하, 특히 모터 전기 회로 내의 출력단의 과부하의 위험이 있다.
도 1은 주어진 특성 곡선에 따른 직류 모터의 공급 전압의 시간- 및 공급 전압에 따른 제어를 위한 회로 장치의 블록 회로도.
도 2는 직류 모터의 제어된 공급 전압의 그래프.
도 3은 도 2의 다이어그램에 따른 공급 전압의 제어시 모터 전류를 시간에 따라 나타낸 다이어그램.
본 발명의 목적은, 가능한 복잡하지 않은 회로로 한편으로는 모터의 확실한 시동을 보장하고, 다른 한편으로는 필요한 런 업 지속시간 및 직류 전압 공급 시스템의 공급 전압의 레벨이 상이할 때 발생하는 출력 손실과 관련하여, 모터의 최대 회전수까지 모터의 런 업(run-up)을 최적화하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 청구범위 제 1 항의 특징에 의해 달성된다. 이 경우, 전력 소비가 공지되면, 공지된 모터 데이터에 따라 그 크기가 고정적으로 미리 주어지는 시동 전압에 의해 소자의 과부하, 특히 부하 전류 회로 내의 출력단의 과부하가 방지되면서 모터의 확실한 시동이 이루어진다. 펄스 폭 변조된 모터 공급 전압의 펄스 듀티 레이트의 증가에 대한, 동안 공급 전압의 레벨과 무관한 시간 제어된 설정 특성 곡선에 의해, 상기 작동 단계 동안 모터의 최적 가속이 달성되고, 직류 전압 공급 시스템 내의 공급 전압이 높은 경우에 과부하가 방지된다.
모터의 시동 후에 공급 전압이 먼저 급상승하도록 제어된 다음, 모터의 최대 회전수에 도달될 때까지 약하게 상승하도록 제어되면, 모터의 가속 단계는 출력 손실의 감소에 더욱 개선될 수 있다. 따라서, 모터는 신속하게 높은 회전수에 도달하고, 동시에 모터의 후속 가속 범위에서 천천히 증가하는 공급 전압 및 상응하게 감소하는 전류 소비 증가에 의해 전체 출력 손실이 감소한다. 이 경우, 모터의 공급 전압의 제어에 대한 특성 곡선은 제어 유닛, 바람직하게 마이크로콘트롤러에 저장되고, 상기 마이크로콘트롤러는 추가로 직류 전압 공급 시스템의 공급 전압의 레벨을 결정하고, 모터의 공급 전압의 조정된, 시간 제어된 변동에 대한 미리 주어진 특성 곡선에 따라 모터 전기 회로 내의 액추에이터에 대한 보정된, 펄스 폭 변조된 제어 전압을 제공한다.
본 발명에 따른 방법의 다른 세부사항 및 바람직한 실시예는 상기 방법의 실시를 위한 회로 장치의 설명 및 해당 전압- 및 전류 곡선에 제시된다.
도 1에서 예컨대 차량에서 냉각기 환기를 위해 사용되는 것과 같은 팬에 결합된 전기 모터가 도면부호 10으로 도시된다. 모터(10)는 공급 라인(12)을 통해 직류 전압 공급 시스템, 이 경우 차량의 전기 시스템의 양극(14)에 연결된다. 전기 모터(10)의 제 2 접속부는 공급 라인(16) 및 실시예에서 센스(sense)-FET 형태의 액추에이터(18)를 통해 직류 전압 공급 시스템의 접지 단자(20)에 접속된다. 또한, 모터(10)는 프리휠 다이오드(22)를 통해 바이패스 되고, 상기 다이오드는 전기 모터의 공급 전기 회로 내의 전류 차단시 전압 피크를 억압하기 위해 모터 전류를 받는다. 모터에 인가된 공급 전압은 UM으로, 모터 공급 회로 내의 전류는 I로 표시된다.
전기 모터(10)의 제어는 마이크로콘트롤러 형태의 제어 유닛(24)에 의해 이루어진다. 도 1에 따른 블록 회로도에는 상기 제어 유닛 중, 아날로그/디지털변환기(26), 특성 곡선 메모리(28), 및 클록 주파수 발생기를 포함하는 펄스폭 변조기(30)만이 도시된다. 제어 유닛(24)은 직류 전압 공급 시스템의 양극(14)과 접지 단자(20) 사이에 접속되고 동시에 직류 전압(UB)의 레벨을 모니터링 한다. 제어 유닛(24)은 제어 입력부(32)를 통해 모터의 시동을 위한 스타트 신호(33)를 수신하고, 제어 출력부(34)는 PWM-제어부(30)에 의해 발생된 액추에이터(18)용 제어 신호를 전달한다. 상기 액추에이터는 실시예에서 추가 측정 전극을 가진 센스-FET로 형성되고, 상기 측정 전극에 의해 모터 전류(I)의 레벨이 검출되어 제어 유닛(24)의 입력부(36)에 전달된다. 특히 모터의 차단시 또는 모터의 원활하지 못한 작동시 모터 전류를 모니터링하기 위한 상기 장치는 DE 103 26 785 A에 설명되어 있으므로 여기에서 상세히 설명될 필요가 없다.
도 1에 따른 블록회로도에 도시된 본 발명에 따른 방법의 실시를 위한 회로 장치는 하기와 같이 작동한다.
접속부들(14, 20)에 예컨대 차량 전기 시스템에서 발생하는 것과 같은 가변 직류 전압(UB)이 인가된다. 12 V의 정격 직류 전압을 가진 상기 전기 시스템의 전압 변동폭은 접속된 배터리의 충전 - 및 보존 상태에 따라 그리고 그 밖의 작동- 및 주변 조건에 따라 작동 전압값 9 V 내지 16 V 사이이다. 이러한 전압 변동폭은 본 발명에 따라 가능한 보상 되어야 한다. 이를 위해 정격 직류 전압(UB)은 제어 유닛(24)의 2개의 접속부들(38, 40) 사이에서 텝(tap) 되고, 계속해서 사용하기 위해 A/D-변환기(26)에서 디지털 신호로 변환된다. 모터(10)의 시동은 제어 유닛의 제어 입력부(32)에서의 스타트 신호(33)에 의해 개시된다. 상기 스타트 신호에 의해 제어 유닛(24)의 출력부(34)에 제 1 짧은 주기(0 - t1) 동안 모터(10)의 시동을 위한 고정적으로 미리 주어진 시동 전압이 나타난다. 시동 전압 및 액추에이터(18)를 위한 후속 제어 전압의 레벨은 PWM-제어부(30)의 펄스 듀티 레이트에 의해 결정된다. 따라서, 이는 액추에이터(18)의 스위치 온 지속 시간 및 모터 전류(I)의 크기를 결정한다. 특성 곡선의 시간에 따른 경과는 도 2 및 도 3을 참고로 더 상세히 설명된다.
모터(10)에 일정한 전압을 공급하는 제 1 짧은 주기(0 - t1)의 종료 후에 제어 전압의 펄스 듀티 레이트는 바람직하게 선형으로 증가되고, 이러한 증가는 제 2 주기(t1 - t2) 후에 모터(10)의 작동 전압(U3)에 훨씬 못 미치는, 모터(10)의 공급 전압(UB)의 미리 주어진 레벨이 달성되도록, 공급 직류 전압의 측정된 레벨에 따라 선택된다.
제 3 주기(t2 - t3) 동안 액추에이터(18)용 제어 전압의 펄스 듀티 레이트는 바람직하게 마찬가지로 선형으로, 선행 주기에 비해 감소된 기울기로, 모터(10)의 연속 작동을 위한 작동 전압(U3)에 도달할 때까지 증가된다. 연속 작동시 상기 전압의 레벨은 액추에이터(18)의 제어 전압의 펄스 듀티 레이트의 선택에 의해 바람직하게 고정값으로, 예컨대 차량의 12 V-전기 시스템에서 14 V 전압값으로 제한된다. 더 낮은 공급 전압(UB) 때문에 상기 값이 달성되지 않으면, 100%의 펄스 듀티 레이트는 모터(10)의 공급 전압의 레벨을 결정한다. 그러나 선택적으로, 모터의 더 큰 파워 출력을 달성하고자 하면, 충분히 높은 공급 전압(UB)에서 모터(10)의 더 높은 연속 작동 전압도 허용될 수 있다.
지금까지 설명된 형태의 직류 모터(10)의 전압 변동폭을 보상하는 시간 제어된 제어를 위한 본 발명에 따른 방법은, 공급 전압의 상승의 크기에 의해서만 모터 전류의 레벨에 영향을 미친다. 예컨대 모터의 차단시 또는 모터의 원활하지 못한 작동시 나타날 수 있는 것과 같은 허용되지 않은 높은 전류 상승은 고려되지 않는다. 그러나, 이러한 문제점은 기본적으로 공지되어 있고, 예컨대 DE 103 26 785 A1에 기술된 회로 장치에 의해 해결되고, 액추에이터(18)로서 사용된 센스-FET에 의해서도 모터 전류의 상승 및 그 절대 레벨이 모니터링되고, 필요한 경우에 제한될 수 있다. 이러한 전류 제한은 본 발명이 대상에서도 본 발명에 따른 제어에 추가하여 이용될 수 있고, 상기 전류 제한은 과부하시 또는 차단시 적어도 모터 전류의 모니터링을 위해 센스-FET에서 달성될 수 있는 측정 정확성으로 충분하다. 또한, 모터(10)의 전술한 정상 작동에서 모터의 공급 전압의 변화도가 미리 주어지고, 미리 주어진 시점(t1, t2, t3)에 특정 전압값(U1, U2, U3)이 달성된다. 그 대신에, 본 발명에 따른 방법에서는 액추에이터로서 센스-FET를 이용해서 모터 전류의 측정에 의해, 특정 시점에 또는 지속적으로 모터 전류(I)의 측정에 따라 공급 전압의 변화도를 조정하는 것도 가능하다.
도 2에 전기 모터(10)에 인가된 공급 전압(UM)의 곡선이 시간의 함수로 도시된다. 모터 전압은 제어 유닛(24)의 특성 곡선 메모리(28)에 저장된, 액추에이터(18)의 제어 전압에 대한 특성 곡선에 상응한다. 다이어그램은 차량의 12 V- 전기 시스템으로부터 팬 모터에 전압을 공급하기 위한 특성 곡선을 도시한다. 이 경우, 모터(10)의 공급 전압(UM)은 시점(t1)까지 0.25 초의 지속 시간 동안 2.6 V의 값(U1)으로 일정하게 유지된다. 그리고 나서, 모터(10)에서의 전압(UM)은 시점(t2)까지 4초 이내에 선형으로 10 V의 값(U2)으로 증가하고, 10초 후 시점(t3)까지 선형으로 감소된 기울기로 14 V의 미리 주어진 작동 전압(U3)에 도달된다. 후속하여 상기 작동 전압은 일정하게 유지된다.
모터(10)에 공급 전압(UM)이 생길 때 도 2에 따라 조절되는 모터 전류(I)는 도 3에 도시된다. 상기 도면에서 나타나는 바와 같이, 모터 전류(I)는 휴지 상태에서 약 28 A의 값(I0)에서부터, 일정한 공급 전압(U1)을 갖는 스타트 단계 동안 시점(t1)까지 약 22 A의 값(I1)까지 감소된 후, 시점 (t2)에 약 36 A의 값(I2)로 지수적으로 증가한다. 후속해서 모터 전류(I)는 공급 전압(UM)의 기울기 감소시 모터에 저장된 운동 에너지로 인해 약간 감소한 후, 시점(t3)까지 작동 전압에 도달시 약 48 A의 값(I3)으로 상승한다. 연속 작동시 흐르는 모터 전류(In)는 가속 단계의 종료 후에 약간 더 낮은 약 45 A이다. 차량용 상기 팬 모터의 정격 회전수는 약 3000 내지 4000 rpm이다. 상기 회전수는 14 V의 시스템의 정격 전압에서 10초 후에 달성된다. 이 경우, 도 2에 따라 꺾인 특성 곡선을 갖는 공급 전압(UM)의 인가시 모터의 전체 출력 손실은 시동 전압(U1)과 작동 전압(U3) 사이에서 변함없는 기울기를 갖는 공급 전압(UM)의 선택시보다 낮은데, 그 이유는 더 높은 모터 전류 및 전압의 범위에서 손실은 현저히 감소되기 때문이다.
직류 전압 공급 시스템으로부터 변하는 전압(UB)이 공급되는 전기 모터(10)를 위한 본 발명에 따른 제어 방법을 실시하기 위한 모터 제어부의 도 1에 도시된 블록 회로도에는 예컨대 직류 전압 공급 시스템에 에러 접속시 극성 반전을 방지하는 회로 조치 또는 간섭 제거를 위한 초크 코일 및 커패시터가 생략된다. 또한, 제어 유닛(24), 예컨대 펄스폭 변조기(30) 또는 그와 같은 것을 위한 클록 주파수를 발생시키기 위한 공진기의 공지된 어셈블리와 같이, 차단시 또는 원활하지 않은 작동시 모터(10)의 보호를 위한 공지된 조치들은 명확성을 위해 도시되지 않는다.
상기 방식의 전기 모터는 특정 최소 전압에서야 비로소 시동되기 때문에, 상기 최소 전압을 시동시 즉시 모터에 인가하는 것이 공지되어 있다. 그러나, 공지된 제어와 달리, 본 발명에 따른 방법에서는 모터의 확실한 시동에 필요한 최소 전압은 순시 공급 전압과 무관하게 규정된다. 상기 최소 전압은, 적어도 공급 전압(UM)의 시간 제어된, 바람직하게 선형의 램프가 공급 직류 전압(UB)의 순시 레벨에 의존하는 제어 전압의 펄스 듀티 레이트에 따라 모터에 인가되기 전에, 미리 주어진 주기 동안 일정하게 유지된다. 모터(10)의 이러한 공급 전압(UM)은 마이크로콘트롤러-제어 유닛(24)에 의해 소프트웨어를 이용해서 덜 복잡하게 펄스 듀티 레이트를 변동시킴으로써 이루어질 수 있다.
즉, 먼저 공급 전압(UB)의 측정 및 이에 따른 액추에이터(18)용 제어 전압의 펄스 듀티 레이트의 조절에 의해 시동 전압은 주기(0-t1) 동안 일정한 레벨로 제공된다. 초기 전압이 증가되지 않는 상기 주기에서 차단 검출을 위해 에러 검출 및 에러 반응을 위한 잠재기가 허용된다. 액추에이터(18)의 출력단에 대해 허용된 값을 초과하지 않는, 경우에 따라서 발생하는 공지된 레벨의 차단 전류는 허용될 수 있다. 다른 한편으로, 모터(10)의 시동시 공급 전압(U1)의 주어진 레벨 및 지속 시간에 의해 시동시 나타나는 정지 마찰이 확실하게 극복된다. 또한, 공급 전압이 작은 경우, 더 신속한 모터 런 업이 이루어질 수 있다. 이로써, 모터(10)의 공급 전압(U2 - U2)이 큰 경우, 주어진 런 업 시간에서 모터 전류(I) 및 출력단 부하가 너무 커지는 것이 방지된다. t2 내지 t3의 범위에 있는 제 2 램프가 t1 내지 t2 범위의 제 1 램프보다 작은 기울기를 갖는, 공급 전압(UM)의 2개의 상승 램프가 제공됨으로써, 모터 전류는 비교적 작은 변동폭 및 선형 기울기와의 편차를 가질 수 있고, 특히 높은 전류 및 전압 범위에서 전류 곡선의 급격한 상승이 방지되고, 따라서 출력 손실이 전체적으로 감소된다.

Claims (10)

  1. 직류 전압 공급 시스템으로부터 전압을 공급받는 전기 모터, 특히 차량의 전기 시스템으로부터 펄스 폭 변조에 의해 공급받고 모터 전기 회로 내의 액추에이터를 통해 직류 전압 공급 시스템에 접속될 수 있는 팬 모터의 제어 방법으로서,
    모터(10)의 공급 전압(UM)은 실질적으로 직류 전압 공급 시스템(14, 20)의 공급 전압(UB)의 변동폭과 무관하게, 미리 주어진 특성 곡선에 따라 시간 제어되는 것을 특징으로 하는 팬 모터의 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공급 전압(UM)은 상기 모터(10)의 시동시 제 1 짧은 주기(t1) 동안 미리 주어진 값(U1)으로 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 팬 모터의 제어 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 공급 전압(UM)은 상기 모터(10)의 시동 후에 제 2 주기(t1 - t2) 동안 바람직하게는 선형으로 상승하면서, 상기 모터(10)의 상기 공급 전압(UM)의 작동 값(U3) 미만으로 미리 주어진 제 2 값(U2)에 도달할 때까지 제어되는 것을 특징으로 하는 팬 모터의 제어 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터(10)의 상기 공급 전압(UM)은 선행하는 주기 섹션(t2 - t3)에 비해 감소된, 바람직하게 선형의 기울기로, 미리 주어진 제 2 값(U2)에 도달한 후에 상기 모터(10)의 작동 전압값(U3)에 도달할 때까지 계속 증가된 후 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 팬 모터의 제어 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터(10)의 상기 공급 전압(UM)에 대한 특성 곡선은 제어 유닛(24)에 저장되고, 상기 제어 유닛은 직류 전압 공급 시스템(14, 20)의 공급 전압(UB)의 레벨을 모니터링 하여 상기 특성 곡선(UM = f(t))에 따라 모터 전기 회로 내의 액추에이터(18)를 위한 보정된, 펄스 폭 변조된 제어 전압을 공급하는 것을 특징으로 하는 팬 모터의 제어 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터 전기 회로 내의 상기 액추에이터(18)로서 센스-FET가 사용되는 것을 특징으로 하는 팬 모터의 제어 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급 전압(UM)의 특성 곡선 구간의 기울기 및 지속 시간(t1 - t2 - t3)은, 미리 주어질 수 있는 주기(t3) 내에 상기 모터(10)의 미리 주어질 수 있는 작동 전압 및/또는 작동 회전수가 얻어지도록 설정되는 것을 특징으로 하는 팬 모터의 제어 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터(10)의 상기 공급 전압(UM)의 펄스 폭 변조(PWM)의 펄스 듀티 레이트의 제어는 소프트웨어에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 팬 모터의 제어 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터(10)의 상기 공급 전압(UM)의 변화도는 상기 공급 전압(UB)의 각각의 레벨과 무관하게, 고정된 최대값(U2, t2;U3, t3)에 맞게 설계되는 것을 특징으로 하는 팬 모터의 제어 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터 전류(I)의 크기는 미리 주어질 수 있는 시점에 측정되고 상기 전류(I)의 측정 값에 따라 상기 모터(10)의 상기 공급 전압(UM)의 변화도가 조정되는 것을 특징으로 하는 팬 모터의 제어 방법.
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