KR20100054996A

KR20100054996A - 강압형 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링 엔진 컨트롤 유니트

Info

Publication number: KR20100054996A
Application number: KR1020080113875A
Authority: KR
Inventors: 조영훈
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2008-11-17
Publication date: 2010-05-26

Abstract

본 발명에 따른 강압형 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, 1 개의 FET와 다이오드, 그리고 인덕터와 커패시터로 구성된 강압형 컨버터가 내장되며, 상기 강압형 컨버터는, 220Vdc ~ 490Vdc의 변동하는 전압을 입력 받아, 실시간으로 42Vdc의 전압을 출력하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 연료 전지 차량의 배터리 출력 220Vdc~490Vdc를 입력받아 일정한 42V의 출력으로 MDPS 시스템을 제어할 수 있기 때문에, MDPS의 안정적인 동작이 보장되며, 또한, 운전자의 손이 직접 접촉하더라도, 고전압 감전의 위험이 줄어들게 되어 절연 패키지 측면에서 유리하며, 또한, MDPS ECU 대부분을 일반적인 저압형 소자를 그대로 적용할 수 있기 때문에 제조 원가의 상승을 최소화시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

강압형 컨버터, 전동식 파워 스티어링, 엔진 컨트롤 유니트, 3상 하프 브리지 타입 인버터

Description

강압형 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링 엔진 컨트롤 유니트 {Motor driven power steering engine control unit having an inner type buck 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, 상기와 같은 일반적인 MDPS ECU의 경우, 직류 링크의 입력 전압 범위가 16V 미만이기 때문에, 그 보다 높은 전압의 배터리는 적용할 수가 없었는데, 최근에는 개발하고 있는 연료전지 자동차용 MDPS 시스템은, 배터리 입력 전압이 220Vdc ~ 490Vdc 까지 변동 가능하다.

그러나, 차량용 연료 전지 스택에서는 220Vdc ~ 490Vdc 까지 전압이 실시간으로 변하게 되므로, 이러한 전압 변동은 MDPS 용 모터 설계의 기준으로 삼기에 부적합하다.

더욱이, 220Vdc ~ 490Vdc와 같은 높은 전압은, 작은 노이즈에도 민감하고, 또한 절연 처리를 하지 않을 경우 운전자의 손이 직접 맞닿는 부분이므로 자칫 감전사고로 이어질 수 있기 때문에, 배터리 전압을 일정 수준으로 유지해주는 장치가 시급히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은, 1 개의 FET와 다이오드, 그리고 인덕터와 커패시터를 이용하여, 간소화된 강압형 컨버터를 구성하고, 전동식 파워 스티어링(MDPS) 엔진 컨트롤 유니트(ECU)에 내장형으로 적용시켜, 배터리 전압을 일정 수준으로 안정화시킬 수 있도록 하기 위한 강압형 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링(MDPS) 엔진 컨트롤 유니트(ECU)를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 강압형 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링 엔진 컨트롤 유니트는, 마이크로 컨트롤러, 인터페이스 회로, 3 상 하프 브리지 인버터, 모터, 전 압 검출 회로, 전류 검출 회로가 구비된 전동식 파워 스티어링(MDPS) 엔진 컨트롤 유니트(ECU) 내에, 1 개의 FET와 다이오드, 그리고 인덕터와 커패시터로 구성된 강압형 컨버터가 내장되어 있는 것을 특징으로 하며,

또한, 상기 강압형 컨버터는, 220Vdc ~ 490Vdc의 변동하는 전압을 입력 받아, 실시간으로 42Vdc의 전압을 출력하는 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, 연료 전지 차량의 배터리 출력 220Vdc~490Vdc를 입력받아 일정한 42V의 출력으로 MDPS 시스템을 제어할 수 있기 때문에, MDPS의 안정적인 동작이 보장되며, 또한, 운전자의 손이 직접 접촉하더라도, 고전압 감전의 위험이 줄어들게 되어 절연 패키지 측면에서 유리하며, 또한, MDPS ECU 대부분을 일반적인 저압형 소자를 그대로 적용할 수 있기 때문에 제조 원가의 상승을 최소화시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 강압형 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링(MDPS) 엔진 컨트롤 유니트(ECU)에 대한 바람직한 실시예에 대해, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

우선, 본 발명은, 예를 들어 220Vdc ~ 490Vdc의 변동하는 전압을 강압형 컨버터의 입력으로 받고, 상기 강압형 컨버터는 실시간으로 출력 전압이 42Vdc가 되도록 제어하며, 상기 42Vdc 전압은, 다시 3상 하프 브리지 인버터의 DC 링크 전압으로 입력되어 MDPS 모터의 제어 전원으로 사용하게 된다.

도 2는, 본 발명에 따른 강압형 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, 강압형 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 강압형 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 시비율 D 동안 ON 이라고 가정하면, 상기 강압형 컨버터의 입력 전압은 한 주기 동안 D*Vbatt 가 되고, 상기 D*Vbatt 전압은 구형파 형태의 전압으로 들어가게 되며 이를 LC 필터를 통과하여 리플을 제거한 전압은 평균적으로 D*Vbatt 전압을 출력하게 된다.

즉, 입력 전압 Vbatt이 100V이고, 시비율 D가 0.4이면, 출력 전류를 무시한 경우, 출력 전압은 평균적으로 40V 가 되어, Vdc = D*Vbatt가 되는 데, 이와 같은 원리로 상기 FET(Q1)을 ON/OFF 함에 따라 출력 전압을 입력 전압 보다 낮은 값으로 제어할 수 있으며 그 값은 시비율 D에 따라 좌우된다는 것을 알 수 있다.

예를 들어, 입력 전압과 출력 전압의 크기를 측정하고 출력 전압이 일정하도록 제어를 실시한다면, 상기 입력 전압이 220Vdc ~ 490Vdc 까지 변할 경우 출력이 42Vdc 가 되도록 제어할 수 있다.

한편, 도 3은 본 발명에 따른 강압형 컨버터 내장형 MDPS ECU의 제어 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것으로, 상기 ECU의 마이크롤 컨트롤러(20)에서는, 항상 차량 신호의 정상 유무를 판단하여(S31), 신호가 정상이 아니라고 판단되면, 시동 OFF 조건인지를 판단하게 된다(S32).

그리고, 상기 판단결과, 시동 OFF 조건이 아니면 다시 초기화 루틴을 실행하게 되고(S30), 만일, 시동 OFF 조건일 경우에는, MDPS 동작을 OFF 시킨 후(S40), MDPS 동작이 OFF 되었음이 확인하여, 모든 실행 동작을 마치게 된다(S41).

반면, 차량 신호가 정상이면 MDPS ECU의 진단로직을 실행하게 되는 데(S33), 상기 진단로직은, 토크 센서 신호 이상 유무와, 모터 전류 신호 이상 유무와, 인버 터 전류 신호 이상 유무와, ECU 내부 전압 신호 이상 유무 등을 진단하는 것으로, MDPS ECU가 정상일 경우 전압 제어기를 동작시키게 된다(S35).

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(S36), 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(S37), 정상상태에서 목표 전압 값 기준(예: 본 발명이 적용된 차종에서는 42V)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(S38) 모터 제어 주기라고 판별되면 모터 제어 루틴을 실행하고(S39) 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 차 량 상위 제어 로직은 수백 Hz 이상으로 제어주기를 선정하게 된다.

이에 따라, 연료 전지 차량의 배터리 출력 220Vdc~490Vdc를 입력받아 일정한 42V의 출력으로 MDPS 시스템을 제어할 수 있기 때문에, MDPS의 안정적인 동작이 보장되며, 또한, 운전자의 손이 직접 접촉하더라도, 고전압 감전의 위험이 줄어들게 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 본 발명에 따른 강압형 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링(MDPS) 엔진 컨트롤 유니트의 구성을 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 강압형 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

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,

1 개의 FET와 다이오드, 그리고 인덕터와 커패시터로 구성된 강압형 컨버터가 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 강압형 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링 엔진 컨트롤 유니트.
제 1항에 있어서,

상기 강압형 컨버터는, 220Vdc ~ 490Vdc의 변동하는 전압을 입력 받아, 실시간으로 42Vdc의 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 강압형 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링 엔진 컨트롤 유니트.
제 1항에 있어서,

상기 마이크로 컨트롤러에서는, 상기 FET에 인가되는 제어신호의 시비율(Duty)을 가변 조절하여, 배터리 전압을 승압시키는 것을 특징으로 하는 강압형 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링 엔진 컨트롤 유니트.
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 강압형 컨버터 내장형 전동식 파워 스티어링 엔진 컨트롤 유니트.
제 4항에 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.