KR20100054995A - 부스트 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링 엔진 컨트롤 유니트 - Google Patents

부스트 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링 엔진 컨트롤 유니트 Download PDF

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KR20100054995A
KR20100054995A KR1020080113874A KR20080113874A KR20100054995A KR 20100054995 A KR20100054995 A KR 20100054995A KR 1020080113874 A KR1020080113874 A KR 1020080113874A KR 20080113874 A KR20080113874 A KR 20080113874A KR 20100054995 A KR20100054995 A KR 20100054995A
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현대모비스 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 부스트 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링(MDPS) 엔진 컨트롤 유니트(ECU)는, 마이크로 컨트롤러, 인터페이스 회로, 3상 하프 브리지 인버터, 모터, 전압 검출 회로, 전류 검출 회로가 구비된 전동식 파워 스티어링(MDPS) 엔진 컨트롤 유니트(ECU) 내에, 인덕터와 커패시터, 그리고 1 개의 FET와 1 개의 다이오드로 구성된 부스트 컨버터가 내장되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, MDPS ECU 시스템에 사용되는 모터의 크기를 줄일 수 있게 되어, 차량 패키지 설계 측면에서 편의성이 증대되고, 또한 전압을 부스트할 경우, 모터 측면에서 사이즈와 무게를 줄일 수 있기 때문에, 모터 측면에서의 중량 절감 효과가 있으며, 고출력이 필요한 중대형 승용차와, 하이브리드, 그리고 연료전지 차량 등에 보다 적합한 MDPS ECU를 제공할 수 있게 되는 효과가 있다.
Figure P1020080113874
내장형 부스트 컨버터, 전동식 파워 스티어링, 엔진 컨트롤 유니트, 3상 하프 브리지 타입 인버터

Description

부스트 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링 엔진 컨트롤 유니트 {Motor driven power steering engine control unit having an inner type booster convertor}
본 발명은, 모터를 이용하는 전동식 파워 스티어링(MDPS: Motor Driven Power Steering) 엔진 컨트롤 유니트(ECU: Engine Control Unit)에 관한 것이다.
일반적으로 3상 모터를 이용하는 전동식 파워 스티어링(MDPS) 엔진 컨트롤 유니트(ECU)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 차량의 배터리 전압을 입력받는 3상 하프 브리지 타입 인버터(10)를 이용하여 모터(11)를 제어하는 데, 상기 제어 신호는, 인터페이스 회로(12)를 통해 접속된 마이크로 컨트롤러(13)에 의해 발생하게 된다.
한편, 유압 펌프를 없애고 모터의 회전력으로 직접 제어하는 전기 파워 스티어링(EPS: Electric Power Steering) 엔진 컨트롤 유니트(ECU)는, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 차량 배터리와 3상 하프 브리지 타입 인버터 사이에, 인덕터, 커패시터, FET 2 개 등을 이용한 부스트 컨버터가 사용된다.
예를 들어, 상기 부스트 컨버터는 12V의 차량 전압을 입력받아 3상 하프 브리지 인버터 전압을 24V 또는 그 이상의 전압으로 승압하는 역할을 하는 데, 예를 들어, 이와 같은 형태의 엔진 컨트롤 유니트는, L 자동차 업체의 차량에 이미 적용되어 있다.
한편, 상기 부스트 컨버터를 적용하여 입력 전압을 승압하면, 모터의 제어와, 패키지, 그리고 제작 측면에서 매우 유리하게 되는 데, 예를 들어, 종래의 차량에서는, 부스트 작용을 위하여 2 개의 FET를 사용하고 있기 때문에, 에너지의 양방향, 즉 배터리에서 전기 파워 스티어링으로, 또는 전기 파워 스티어링에서 배터리로의 에너지 수급이 가능하다는 장점이 있으나, 2 개의 FET를 사용하기 때문에, 제조 원가 등이 증가하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은, 1 개의 FET와 1 개의 다이오드를 이용하여, 간소화된 내장형 부스트 컨버터를 구성하고, 3상 하프 브리지 타입 인버터를 장착하여, 전동식 파워 스티어링(MDPS) 동작을 효율적으로 수행하는 부스트 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링(MDPS) 엔진 컨트롤 유니트(ECU)를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 부스트 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링 엔진 컨트롤 유니트는, 마이크로 컨트롤러, 인터페이스 회로, 3상 하프 브리지 인버터, 모터, 전압 검출 회로, 전류 검출 회로가 구비된 전동식 파워 스티어링(MDPS) 엔진 컨트롤 유니트(ECU) 내에, 인덕터와 커패시터, 그리고 1 개의 FET와 1 개의 다이오드로 구성된 부스트 컨버터가 내장되어 있는 것을 특징으로 하며,
또한, 상기 부스트 컨버터의 FET가 ON이면, 드레인과 소오스 간의 전압이, 상기 다이오드에 인가되는 전압과 일치하는 영(0) 전압이 되어, 배터리에서 인덕터를 통해서 전류가 흐르게 되는 것을 특징으로 하며,
또한, 상기 부스트 컨버터의 FET가 OFF이면, 상기 인덕터에 흐르고 있던 전류가, 상기 다이오드를 통해서 흘러나가게 되는 것을 특징으로 하며,
또한, 상기 마이크로 컨트롤러에서는, 상기 FET에 인가되는 제어신호의 시비율(Duty)을 가변 조절하여, 배터리 전압을 승압시키는 것을 특징으로 하며,
또한, 상기 마이크로 컨트롤러에서는, 차량 신호가 정상인 경우, 진단로직을 실행하여, 전압 제어기를 동작 제어한 후, 배터리 전압을 목표 전압 값에 일치하는 전압으로 승압시키는 것을 특징으로 하며,
또한, 상기 마이크로 컨트롤러에서는, 상기 전압 제어기가, 목표 전압 값의 5% 이내로 정상 동작하고 있으면, 모터 제어 주기인 지를 판별하여, 모터 제어 주기이면, 모터 제어 루틴을 실행하고, 모터 제어 주기가 아니면, 전압 제어 루틴을 실행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, MDPS ECU 시스템에 사용되는 모터의 크기를 줄일 수 있게 되어, 차량 패키지 설계 측면에서 편의성이 증대되고, 또한 전압을 부스트할 경우, 모터 측면에서 사이즈와 무게를 줄일 수 있기 때문에, 모터 측면에서의 중량 절감 효과가 있으며, 고출력이 필요한 중대형 승용차와, 하이브리드, 그리고 연료전지 차량 등에 보다 적합한 MDPS ECU를 제공할 수 있게 되는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 부스트 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링(MDPS) 엔진 컨트롤 유니트(ECU)에 대한 바람직한 실시예에 대해, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는, 본 발명에 따른 부스트 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링(MDPS) 엔진 컨트롤 유니트(ECU)에 대한 구성도를 도시한 것으로, 본 발명에는, 마이크로 컨트롤러(20), 인터페이스 회로(21), 3상 하프 브리지 인버터(22), 모터(23), 전압 검출 회로(24,25), 전류 검출 회로(26) 등이 포함 구성됨과 아울러, 부스트 컨버터(미부호)는, 인덕터(L1), 커패시터(C1), 그리고 1 개의 FET(Q1)와 1 개의 다이오드(D1)로 간소하게 구성된다.
한편, 차량의 상태가 정상이라고 가정하고 부스트 컨버터의 동작을 해석하면 다음과 같다. 우선 시비율 D(Duty)를 다음과 같이 정의한다. [시비율 D: 스위칭 주기 T에 대하여 FET가 ON 되어 있는 비율 (0~1.0)]
또한, 상기 FET(Q1)이 ON 이라고 가정하면, 이 때 상기 FET(Q1)의 드레인과 소오스 간의 전압은, 상기 다이오드에 인가되는 전압 Vdiode와 일치하는 영(0) 전압이 되므로, 배터리에서 인덕터(L1)를 통해서 전류 IL1이 흐르게 된다.
만일, 상기 FET(Q1)이 OFF 되면, 물리적인 성질에 의하여, 상기 인덕터(L1)에 흐르고 있던 전류 IL1이 자연스럽게 다이오드 D1을 통해서 흘러나가게 된다.
따라서 상기 FET(Q1)의 드레인과 소오스 간의 전압은, Vdiode와 일치하는 C1 전압이 되고, 만약 필터로 작용하는 C1이 이상적이라고 가정하면 전압의 리플을 무시할 수 있게 되는 데, 예를 들어, 이 때 출력 전압의 평균값을 Vdc 라고 정의하고, 상기 인덕터(L1)의 양단에 인가되는 전압 VL1을 구해보면 다음과 같다.
상기 FET(Q1)이 ON 되어 있는 구간에서는, 배터리 전압 Vbatt가 걸리게 되고, 상기 FET(Q1)이 OFF 되어 있는 구간에서는 배터리 전압 Vbatt에서 Vdc를 감산한 (Vbatt-Vdc) 전압이 됨을 알 수 있다.
한편, 이를 시비율 D와 연관시켜서 나타내면, VL1 = Vbatt*D + (Vbatt - Vdc)*(1-D)로 나타낼 수 있는 데, 물리적인 성질에 의하여, 인덕터 전압의 한 주기 평균이 영(0)이 되어야 하기 때문에, 전압 VL1을 평균적으로 영(0)이라 가정하고 Vdc/Vbatt를 구해보면, Vdc/Vbatt = 1/(1-D)이 된다.
따라서, 상기 시비율 D를 조절함으로써, 입력 전압 Vbatt 보다 높은 전압 Vdc를 얻을 수 있게 되는 데, 이와 같은 방식으로 승압된 전압은, 3상 하프 브리지 인버터(22)의 DC 링크 전압으로 이용하게 되며, 또한 모터(23)에는 입력 전압 보다 큰 전압을 인가할 수 있게 된다.
즉, 동일한 출력을 얻는다고 가정할 경우, 저전압일 때보다 전류의 크기를 줄일 수 있어 동손(Ploss = R*I^2)을 줄일 수 있는 등의 장점이 있으며, 특히 모터에서 발생하는 대부분의 손실이 동손임을 감안할 경우, 이와 같은 승압형 컨버터는 매우 효과적으로 효율을 올리게 된다.
한편, 도 5는 본 발명에 따른 부스트 컨버터 내장형 MDPS ECU의 제어 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것으로, 상기 ECU의 마이크롤 컨트롤러(20)에서는, 항상 차량 신호의 정상 유무를 판단하여(S11), 신호가 정상이 아니라고 판단되면, 시동 OFF 조건인지를 판단하게 된다(S12).
그리고, 상기 판단결과, 시동 OFF 조건이 아니면 다시 초기화 루틴을 실행하게 되고(S10), 만일, 시동 OFF 조건일 경우에는, MDPS 동작을 OFF 시킨 후(S20), MDPS 동작이 OFF 되었음이 확인하여, 모든 실행 동작을 마치게 된다(S21).
반면, 차량 신호가 정상이면 MDPS ECU의 진단로직을 실행하게 되는 데(S13), 상기 진단로직은, 토크 센서 신호 이상 유무와, 모터 전류 신호 이상 유무와, 인버터 전류 신호 이상 유무와, ECU 내부 전압 신호 이상 유무 등을 진단하는 것으로, MDPS ECU가 정상일 경우 전압 제어기를 동작시키게 된다(S15).
한편, 상기 전압 제어기는 필요에 따라 P 제어기, PI 제어기, 히스테리시스 제어기 등과 같이 다양하게 구성할 수 있으며, 최종적으로 FET(Q1)을 ON/OFF 하는 역할을 수행하게 되는 데, 상기 전압 제어기의 입력 요소로서는, 입력 전압과, 출력 전압, 그리고 입출력 전류가 된다.
그리고, 상기 전압 제어기의 동작 후에는, Fail 유무를 확인하게 되는 데(S16), 그 요소로서, 입력 전압과 출력 전압이 정상범위에 있는 지, 그리고 입/출력 전류가 정상 범위에 있는 지 등을 확인하고, 만일, 상기 전압 제어기가 정상으로 동작한 경우, 목표 전압 값인지를 확인하여(S17), 정상상태에서 목표 전압 값 기준(예: 본 발명이 적용된 차종에서는 36V)의 5% 이내 전압 변동일 경우에는, 정상으로 판별하고 그 범위를 초과할 경우에는 비정상으로 판별하여 전압 제어기를 다시 동작시키게 된다.
한편, 상기와 같은 경우, 총 10회의 전압을 재 측정하여 이상이 있으면, Fail 로 간주하여 경고등을 점등하고 동작을 OFF시키는 반면, 상기 목표 전압 값 5% 이내로 정상 동작하고 있으면, 모터 제어 주기인 지를 판별하여(S18) 모터 제어 주기라고 판별되면 모터 제어 루틴을 실행하고(S19) 그렇지 않다면 다시 부스트 컨버터의 전압 제어 루틴을 실행하게 된다.
그리고, 상기와 같은 부스트 컨버터의 제어 주기를, 100kHz 이상으로 선정하고, 상기 모터 제어 주기는 20kHz이상으로 선정하게 되는 데, 참고로, MDPS 의 차량 상위 제어 로직은 수백 Hz 이상으로 제어주기를 선정하게 된다.
이에 따라, 종래의 12V 배터리 전압을 36V 또는 그 이상으로 승압하여 손실을 줄이고 효율을 향상시킴으로써 MDPS 시스템의 순간 조향 거부감(Catch-up)과, 휠을 좌우로 연속해서 조향하며 조향 성능 측정하는 Lock-To-Lock 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
이상, 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는, 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면, 이하 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상과 그 기술적 범위 내에서, 또다른 다양한 실시예들을 개량, 변경, 대체 또는 부가 등이 가능할 것이다.
도 1은 종래의 MDPS ECU의 구성을 도시한 도면,
도 2는 종래의 EPS ECU의 구성을 도시한 도면,
도 3은 종래의 부스터 컨버터의 구성을 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 부스트 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링(MDPS) 엔진 컨트롤 유니트의 구성을 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 부스트 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링(MDPS) 엔진 컨트롤 유니트의 제어 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 도면이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 3상 하드 브리지 인버터 11 : 모터
12 : 인터페이스 회로 13 : 마이크로 컨트롤러
20 : 마이크로 컨트롤러 21 : 인터페이스 회로
22 : 3상 하프 브리지 인버터 23 : 모터
24,25 : 전압 검출회로 26 : 전류 검출회로

Claims (6)

  1. 마이크로 컨트롤러, 인터페이스 회로, 3 상 하프 브리지 인버터, 모터, 전압 검출 회로, 전류 검출 회로가 구비된 전동식 파워 스티어링(MDPS) 엔진 컨트롤 유니트(ECU) 내에,
    인덕터와 커패시터, 그리고 1 개의 FET와 1 개의 다이오드로 구성된 부스트 컨버터가 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링 엔진 컨트롤 유니트.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터의 FET가 ON이면, 드레인과 소오스 간의 전압이, 상기 다이오드에 인가되는 전압과 일치하는 영(0) 전압이 되어, 배터리에서 인덕터를 통해서 전류가 흐르게 되는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링 엔진 컨트롤 유니트.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터의 FET가 OFF이면, 상기 인덕터에 흐르고 있던 전류가, 상기 다이오드를 통해서 흘러나가게 되는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링 엔진 컨트롤 유니트.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로 컨트롤러에서는, 상기 FET에 인가되는 제어신호의 시비율(Duty)을 가변 조절하여, 배터리 전압을 승압시키는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링 엔진 컨트롤 유니트.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로 컨트롤러에서는, 차량 신호가 정상인 경우, 진단로직을 실행하여, 전압 제어기를 동작 제어한 후, 배터리 전압을 목표 전압 값에 일치하는 전압으로 승압시키는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링 엔진 컨트롤 유니트.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 마이크로 컨트롤러에서는, 상기 전압 제어기가, 목표 전압 값의 5% 이내로 정상 동작하고 있으면, 모터 제어 주기인 지를 판별하여, 모터 제어 주기이면, 모터 제어 루틴을 실행하고, 모터 제어 주기가 아니면, 전압 제어 루틴을 실행하는 것을 특징으로 하는 부스트 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링 엔진 컨트롤 유니트.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103199497A (zh) * 2012-01-06 2013-07-10 中国北车股份有限公司大连电力牵引研发中心 机车变流器的控制电路
CN105137376A (zh) * 2015-06-30 2015-12-09 株洲南车时代电气股份有限公司 一种机车牵引变流器的中间电压传感器故障诊断方法

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