KR20080078441A - 전동식 파워 스티어링 시스템의 dc 모터 각속도 추정장치 - Google Patents

전동식 파워 스티어링 시스템의 dc 모터 각속도 추정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전동식 파워 스티어링 시스템의 DC 모터 각속도 추정 장치에 관한 것이다.
본 발명은 DC 모터의 각속도를 추정하는 전동식 파워 스티어링(EPS: Electric Power Steering, 이하 'EPS'라 칭함) 시스템에 있어서, 모터 플러스 전압(Motor Plus Voltage), 모터 마이너스 전압(Motor Minus Voltage), 모터 전류(Motor Current) 및 모터 온도표(Motor Thermal Table)를 이용하여 상기 DC 모터의 상기 각속도를 추정하는 ECU(Electronic Control Unit)를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 모터의 각속도를 추정하는 EPS 시스템을 제공한다.
본 발명에 의하면, EPS 시스템의 ECU에서 온도에 따라 변화하는 모터의 특성을 고려하여 모터의 각속도를 추정함으로써, 비선형적인 모터의 구동 시 모터 각속도의 추정오차를 줄이고 비선형 구간에서도 모터의 실제 각속도에 근사한 값을 추정하며, 모터에 정확한 토크를 제공하는 효과가 있다.
EPS, 각속도, ECU, 추정

Description

전동식 파워 스티어링 시스템의 DC 모터 각속도 추정 장치{Apparatus for Estimating Angular Velocity of DC Motor for use in Electric Power Steering System}
도 1은 종래의 EPS 시스템에서 구동하는 DC 모터를 개략적으로 나타낸 구성도,
도 2는 종래의 EPS 시스템에서 DC 모터의 각속도를 추정하는 방법을 나타낸 동작 흐름도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 DC 모터의 각속도를 추정하는 전동식 파워 스티어링 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭 구성도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도에 따른 모터 내부 저항값의 변화를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도에 따른 모터의 역기전압 상수의 변화를 나타낸 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110, 112, 114, 116: FET 120: DC 모터
130: 션트저항 140: 증폭기
320: ECU 330: 감쇠 로직
332: 마찰 로직 334: 관성 로직
340: 전류 계산부 350: 모터 구동부
본 발명은 전동식 파워 스티어링 시스템의 DC 모터 각속도 추정 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 EPS 시스템에서 DC 모터의 각속도 추정에 정확성을 가하기 위하여 모터의 양단 전압, 모터 전류 이외에 온도에 따른 모터 내부 저항의 변화 값과 온도에 따른 모터 양단 전압의 특성 변화를 적용하고, 온도에 따라 변하는 모터의 특성을 고려하여 정확한 각속도의 추정식을 계산하는 전동식 파워 스티어링 시스템의 DC 모터 각속도 추정 장치의 제공에 관한 것이다.
종래의 전동식 파워 스티어링(EPS: Electric Power Steering, 이하 'EPS'라 칭함) 시스템에서는 DC 모터의 구동에 있어서 성능 향상을 위해 필요한 DC 모터의 각속도 추정을 별도의 센서 없이 수행하고 있었으며, 이러한 EPS 시스템 내 DC 모터의 구동 조향장치는 도 1에 도시된 바와 같이 4개의 FET(110, 112, 114, 116)로 구성된 H-브릿지(Bridge) 회로를 이용하여 DC 모터(120)를 구동하고, 션트(Shunt) 저항(130)을 접지와 H-브릿지 회로 사이에 위치시켜 이 션트저항(130)을 통해 검출된 양단 전압을 증폭기(140)로 증폭하여 DC 모터의 전류를 검출하였다.
이때, DC 모터(120)의 각속도를 추정하기 위해서는 모터 양단 전압과 모터의 전류를 이용하게 되는데, 수학식 1 및 수학식 2와 같은 각속도 추정식을 이용하며, 이 각속도 추정식은 모터 역기전력이 모터 각속도에 비례한다는 성질을 이용한 것이다.
Figure 112007016154301-PAT00001
Figure 112007016154301-PAT00002
여기서, E는 모터 양단 전압(Motor Supply Voltage), I는 모터 전류(Motor Current), R은 모터 저항값(Armature Resistance), R은 모터 각속도(Motor Angular Velocity), KE는 모터 역기전력 상수(Motor Back Emf Constant)이다.
도 2는 종래의 EPS 시스템에서 DC 모터의 각속도를 추정하는 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 2를 참고하여 종래 DC 모터의 각속도 추정방법을 설명하면, 먼저 모터 양단 전압(E)은 모터 인가 전압 발생을 위한 PWM 파형을 평활화한 모터 단자(M+ , M-) 각각의 전압(VM +, VM -)을 검출하여 구해진 차이 값(E = VM + - VM -)이 되는데, 이 차이 값을 통해 모터 양단 전압(E)의 크기와 모터에 인가된 전압 방향을 추정한다.
이때, 모터 전류(I)는 모터의 전류 방향을 알 수 없으므로 모터 양단 전압(E)의 부호로써 판단하고, 전류 크기는 검출된 션트저항(130)의 양단 전압을 증 폭하여 인식하게 된다.
즉, 모터 양단 전압(E)의 측정이 가능한 지 판단하여(S210), 측정이 가능하다면, 모터 양단 전압(E)이 0보다 크거나 같은 지 판단하여(S220), 모터 양단 전압(E)이 0보다 크거나 같으면 수학식 1의 각속도 추정식을 통해 DC 모터의 각속도를 구하고(S230), 모터 양단 전압(E)이 0보다 작은 경우에는, 수학식 2를 이용하여 DC 모터의 각속도를 구하며(S240), 모터 양단 전압(E)의 측정이 불가능한 경우에는 DC 모터의 각속도를 0으로 추정한다(S250).
그러나 이와 같은 종래의 DC 모터 각속도 추정방법을 이용하여 각속도를 추정하면 이상적인 경우에는 DC 모터의 각속도 발생 전 구간에 대하여 추정할 수 있지만, 션트저항(130) 및 증폭기(140)로 이루어진 모터 전류 검출회로의 비선형적인 특성과 순수 외부 역기전력만 발생될 경우에는 모터의 전류 검출이 불가능하게 된다.
전술한 바와 같이 종래의 EPS 시스템에서의 DC 모터 각속도 추정 방법은 모터의 역기전압 추정에 의한 추정 방식을 적용하고 있다. 모터의 역기전압은 모터의 속도와 비례 관계이고, 또한 모터의 역기전압과 속도의 비례 정수는 모터의 유기 전압 정수로 이미 알고 있으므로, 모터의 역기전압을 추정하는 것은 모터 속도를 추정하는 것과 같다. 모터의 전압 및 전류에 관계되는 수학식 1 및 수학식 2로부터 모터의 각속도를 계산하는 것이 가능하며 모터의 역기전압은 모터의 단자전압 및 구동 전류에서 연산이 가능하다. 그러나 미분연산이 필요하기 때문에, 특히 고주파에서는 노이즈 영향이 커진다.
이에 따라, DC 모터 각속도의 크기가 미세한 작은 구간에서는 추정된 각속도의 오차가 클 뿐만 아니라 부정확할 수 있는 문제점이 있었다.
또한, DC 모터의 속도가 높아짐에 따른 온도의 상승과 이에 따른 모터 저항값과 역기전압 값의 변화를 고려하지 않아 오차가 발생하는 문제점이 있었다.
전술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, EPS 시스템에서 DC 모터의 각속도 추정에 정확성을 가하기 위하여 모터의 양단 전압, 모터 전류 이외에 온도에 따른 모터 내부 저항의 변화 값과 온도에 따른 모터 양단 전압의 특성 변화를 적용하고, 온도에 따라 변하는 모터의 특성을 고려하여 정확한 각속도의 추정식을 계산하는 전동식 파워 스티어링의 DC 모터 각속도 추정 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, DC 모터의 각속도를 추정하는 전동식 파워 스티어링(EPS: Electric Power Steering, 이하 'EPS'라 칭함) 시스템에 있어서, 모터 플러스 전압(Motor Plus Voltage), 모터 마이너스 전압(Motor Minus Voltage), 모터 전류(Motor Current) 및 모터 온도표(Motor Thermal Table)를 이용하여 상기 DC 모터의 상기 각속도를 추정하는 ECU(Electronic Control Unit)를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 모터의 각속도를 추정하는 EPS 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 목적에 의하면, 전동식 파워 스티어링(EPS: Electric Power Steering, 이하 'EPS'라 칭함) 시스템에서 DC 모터의 각속도 추정 장치에 있 어서, 모터 플러스 전압(Motor Plus Voltage), 모터 마이너스 전압(Motor Minus Voltage), 모터 전류(Motor Current) 및 모터 온도표(Motor Thermal Table)를 이용하여 상기 DC 모터의 상기 각속도를 추정하는 ECU(Electronic Control Unit); 수방 안정성 증대를 위한 소프트웨어 로직으로서, 상기 ECU가 추정한 상기 DC 모터의 상기 각속도와 차속을 입력 변수로 하여 상기 DC 모터의 구동에 필요한 전류를 계산하는 감쇠 로직(Damping Logic); 상기 DC모터의 마찰 토크 보상을 위한 소프트웨어 로직으로서, 상기 ECU가 추정한 상기 DC 모터의 상기 각속도와 상기 차속을 입력 변수로 하여 상기 DC 모터의 구동에 필요한 상기 전류를 계산하는 마찰 로직(Friction Logic); 상기 DC 모터의 관성 보상을 위한 소프트웨어 로직으로서, 입력 변수로는 각가속도 및 상기 차속을 이용하는 관성 로직(Inertia Logic); 상기 ECU가 추정한 상기 DC 모터의 상기 각속도를 근거로 상기 감쇠 로직, 상기 마찰 로직 및 상기 관성 로직이 계산한 값들을 이용하여 상기 DC 모터의 구동에 필요한 상기 전류를 계산하는 전류 계산부; 및 상기 전류 계산부가 계산한 상기 전류로 상기 DC 모터를 구동시키는 모터 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 모터의 온도를 고려하여 각속도를 추정하는 장치를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경 우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 DC 모터의 각속도를 추정하는 전동식 파워 스티어링 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링(EPS: Electric Power Steering, 이하 'EPS'라 칭함) 시스템은 모터 플러스 전압(Motor Plus Voltage)(310), 모터 마이너스 전압(Motor Minus Voltage)(312), 모터 전류(Motor Current)(314) 및 모터 온도표(Motor Thermal Table)(316)의 변수를 이용하여 모터의 각속도를 추정한다.
모터 플러스 전압(310)은 모터에서 (+) 단자의 전압이 MCU(Mission Control Unit)에서 A/D(Analog/Digital)로 변환된 전압 값이다.
모터 마이너스 전압(312)은 모터에서 (-) 단자의 전압이 MCU에서 A/D로 변환된 전압 값이다.
모터 전류(314)는 전류 센서를 이용하여 측정하며, MCU에서 A/D로 변환된 전류 값이다.
모터 온도표(316)는 모터의 각속도를 추정하기 위한 입력 변수로서, 모터의 온도에 따른 저항값의 변화를 나타낸 표이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터 온도표(316)는 모터의 역기전압 추정에 의한 모터 각속도의 추정 과정에서, 온도에 따라서 특성이 변하는 모터의 내부 저항값과 모터의 역기전압 상수를 고려하여 온도에 따른 내부 저항값의 변화를 측정하여 나온 결과 값을 도시한 표이다.
모터 온도표(316)는 도 4 및 도 5를 이용하여 설명한다.
ECU(320)(Electronic Control Unit)는 모터 플러스 전압(310), 모터 마이너스 전압(312), 모터 전류(314) 및 모터 온도표(316)를 변수로 이용하여 모터의 역기전압에 의한 각속도를 추정한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ECU(320)는 모터의 온도를 모니터링 하면서 모터 내부의 온도가 변하면 모터 온도표(316)에 도시된 내부 저항값과 역기전압 상수도 변화시켜 모터 각속도를 추정한다.
감쇠 로직(Damping Logic)(330)은 수방 안정성 증대를 위한 소프트웨어 로직으로서, ECU(320)가 추정한 모터의 각속도와 차속을 입력 변수로 하여 모터의 구동에 필요한 전류를 계산한다.
마찰 로직(Friction Logic)(332)은 모터의 마찰 토크 보상을 위한 소프트웨어 로직으로서, 역시, ECU(320)가 추정한 모터의 각속도와 차속을 입력 변수로 하여 모터의 구동에 필요한 전류를 계산한다.
관성 로직(Inertia Logic)(334)은 모터의 관성 보상을 위한 소프트웨어 로직으로서, 입력 변수로는 각가속도 및 차속을 이용한다.
감쇠 로직(330), 마찰 로직(332) 및 관성 로직(334)은 ECU(320)가 구한 모터의 각속도를 이용하여 모터의 구동에 필요한 전류를 구하기 위한 계산을 수행한다.
전류 계산부(340)는 ECU(320)가 모터 온도표(316)를 포함하는 입력 변수들을 이용하여 추정한 모터의 각속도를 근거로 감쇠 로직(330), 마찰 로직(332) 및 관성 로직(334)이 계산한 값들을 이용하여 모터의 구동에 필요한 요구 전류를 계산한다.
모터 구동부(350)는 전류 계산부(340)가 계산한 전류로 모터를 구동시킨다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도에 따른 모터 내부 저항값의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 4는 모터의 온도가 증가함에 따라 모터의 내부저항도 비례하여 증가하는 것을 나타낸다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ECU(320)는 모터의 온도에 따라 변화하는 모터의 내부 저항값을 반영하여 모터의 각속도를 추정한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도에 따른 모터의 역기전압 상수의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 5는 모터의 온도가 증가하여 모터의 내부 저항이 증가하면, 모터의 양단에 걸리는 전압이 감소하여 역기전압이 감소하는 것을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ECU(320)는 모터의 온도에 따라 변화하는 역기전압 값을 반영하여 모터의 각속도를 추정한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, EPS 시스템의 ECU에서 온도에 따라 변화하는 모터의 특성을 고려하여 모터의 각속도를 추정함으로써, 비선형적인 모터의 구동 시 모터 각속도의 추정오차를 줄이고 비선형 구간에서도 모터의 실제 각속도에 근사한 값을 추정하며, 모터에 정확한 토크를 제공하는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. DC 모터의 각속도를 추정하는 전동식 파워 스티어링(EPS: Electric Power Steering, 이하 'EPS'라 칭함) 시스템에 있어서,
    모터 플러스 전압(Motor Plus Voltage), 모터 마이너스 전압(Motor Minus Voltage), 모터 전류(Motor Current) 및 모터 온도표(Motor Thermal Table)를 이용하여 상기 DC 모터의 상기 각속도를 추정하는 ECU(Electronic Control Unit)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 모터의 각속도를 추정하는 EPS 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 ECU는 상기 DC 모터의 온도를 모니터링 하면서 상기 DC 모터의 상기 온도가 변하면 상기 모터 온도표에 따라 변화하는 내부 저항값과 역기전압 상수도 변화시켜 모터 각속도를 추정하는 것을 특징으로 하는 DC 모터의 각속도를 추정하는 EPS 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 모터 온도표는 상기 DC 모터의 변화하는 상기 온도에 따른 상기 DC 모터의 상기 내부 저항값의 변화 및 상기 DC 모터의 변화하는 상기 온도에 따른 상기 DC 모터의 양단 전압의 변화에 따른 역기전압 값의 변화를 도시하는 것을 특징으로 하는 DC 모터의 각속도를 추정하는 EPS 시스템.
  4. 전동식 파워 스티어링(EPS: Electric Power Steering) 시스템에서 DC 모터의 각속도 추정 장치에 있어서,
    모터 플러스 전압(Motor Plus Voltage), 모터 마이너스 전압(Motor Minus Voltage), 모터 전류(Motor Current) 및 모터 온도표(Motor Thermal Table)를 이용하여 상기 DC 모터의 상기 각속도를 추정하는 ECU(Electronic Control Unit);
    수방 안정성 증대를 위한 소프트웨어 로직으로서, 상기 ECU가 추정한 상기 DC 모터의 상기 각속도와 차속을 입력 변수로 하여 상기 DC 모터의 구동에 필요한 전류를 계산하는 감쇠 로직(Damping Logic);
    상기 DC모터의 마찰 토크 보상을 위한 소프트웨어 로직으로서, 상기 ECU가 추정한 상기 DC 모터의 상기 각속도와 상기 차속을 입력 변수로 하여 상기 DC 모터의 구동에 필요한 상기 전류를 계산하는 마찰 로직(Friction Logic);
    상기 DC 모터의 관성 보상을 위한 소프트웨어 로직으로서, 입력 변수로는 각가속도 및 상기 차속을 이용하는 관성 로직(Inertia Logic);
    상기 ECU가 추정한 상기 DC 모터의 상기 각속도를 근거로 상기 감쇠 로직, 상기 마찰 로직 및 상기 관성 로직이 계산한 값들을 이용하여 상기 DC 모터의 구동에 필요한 상기 전류를 계산하는 전류 계산부; 및
    상기 전류 계산부가 계산한 상기 전류로 상기 DC 모터를 구동시키는 모터 구동부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 모터의 온도를 고려하여 각속도를 추정 하는 장치.
KR1020070018584A 2007-02-23 2007-02-23 전동식 파워 스티어링 시스템의 dc 모터 각속도 추정장치 KR20080078441A (ko)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US10924046B2 (en) 2018-03-27 2021-02-16 Hyundai Mobis Co., Ltd. Motor driven power steering apparatus and control method therefor

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