KR20100090875A - 션트 저항을 이용한 전류 검출 장치 및 그를 이용한 전자제어장치 - Google Patents

션트 저항을 이용한 전류 검출 장치 및 그를 이용한 전자제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 션트 저항(Shunt Register)을 이용한 전류 검출 장치 및 그를 이용한 전자제어장치에 관한 것이다.
본 발명은 모터로 구동 전류를 공급하는 구동 전류 공급부; 션트 저항을 이용하여 모터에 흐르는 모터 전류를 검출하는 전류 검출부; 및 구동 전류 공급부로 하여금 구동 전류를 모터로 공급하도록 제어하되, 검출된 모터 전류를 이용하여 구동 전류를 조절하는 마이크로제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자제어장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 전류 센서가 아닌 션트 저항을 이용하여 저가이면서도 높은 정밀도로 모터 전류를 검출할 수 있으며, 그를 통해 저가의 고성능 전자제어장치를 구현할 수 있다.
모터 전류, 션트 저항, 오프셋, 앰프, 샘플링-홀딩

Description

션트 저항을 이용한 전류 검출 장치 및 그를 이용한 전자제어장치{Current Sensing Apparatus Using Shunt Register and Electronic Control Unit Using Same}
본 발명은 션트 저항(Shunt Register)을 이용한 전류 검출 장치 및 그를 이용한 전자제어장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 전류 센서가 아닌 션트 저항을 이용하여 저가이면서도 높은 정밀도로 모터 전류를 검출할 수 있는 전류 검출 장치 및 그를 이용한 전자제어장치에 관한 것이다.
통상적으로 자동차의 조향장치로는 유압 펌프의 유압을 이용한 유압식 동력 조향장치(Hydraulic Power Steering Apparatus)가 사용되고 있지만, 1990년대 이후 전기 모터를 이용한 전동식 조향장치(EPS: Electronic Power Steering Apparatus)가 점차 보편화하고 있다.
통상적인 전동식 조향장치는 발생 토크, 차속, 조향각 등을 이용하여 운전자의 조향 의도와 자동차의 운행 상황 등을 파악하고 종합적으로 고려하여 조향 보조력을 생성한 후, 조향 컬럼, 랙바, 랙앤 피니언 등으로 전달함으로써 운전자로 하여금 더욱 쉽게 운전할 수 있도록 하고, 자동차가 더욱 안전하게 운행할 수 있도록 한다.
전동식 조향장치는 많은 기계 부품과 전자 부품들로 구성되지만, 가장 핵심적인 구성으로서는 전자제어장치(ECU: Electronic Control Unit, 이하 'ECU'라 칭함)가 있다. ECU는 외부의 각종 센서로부터 전달되는 전기적인 신호를 분석하여 운전자의 조향 의도와 자동차의 주행 상황 등을 파악하고, 구비된 각종 로직(Logic)을 이용하여 모터를 제어하는 전동식 조향장치의 핵심 장치이다.
통상적으로 전동식 조향장치는 운전자가 조향휠을 조작하면 입력된 조향 토크를 토크 센서 등을 통해 검출하여 ECU로 전달하며, ECU는 조향 토크로 파악되는 운전자의 조향 의도를 파악하여 운전에 도움을 줄 수 있는 조향 보조력을 제공하기 위해 모터를 구동함으로써, 운전자가 쉽게 조향휠을 조작할 수 있도록 한다.
이때, 전동식 조향장치는 모터에 흐르는 모터 전류를 검출하여 ECU로 전달하고, ECU는 모터로 공급하는 구동 전류와 실제 모터에서 흐르는 모터 전류를 비교하여 구동 전류를 보정함으로써, 모터를 더욱 정밀하게 제어한다. 만약, 검출되는 모터 전류의 값의 오차가 큰 경우에는 모터의 제어가 정밀하지 않게 되어, 운전자가 의도하지 않은 조향 토크가 발생하거나 운전자가 조향휠을 조작할 때 진동이 발생할 수 있다.
도 1은 통상적인 ECU에서 모터 전류를 검출하기 위한 회로를 간략하게 나타낸 예시도이다.
통상적인 ECU는 MCU(110)에서 토크 센서 등을 통해 검출된 조향 토크를 이용하여 모터(116)를 구동하기 위한 구동 전류를 계산하고, 복수 개의 전력 스위 치(112)와 배터리(114)를 이용하여 계산된 구동 전류를 모터(116)로 공급한다. 이때, 복수 개의 스위치(112)와 모터(116) 사이에 전류 센서(118)를 연결하여, 모터(116)에 흐르는 모터 전류를 검출한다.
여기서, 모터 전류를 검출하는 데 이용되는 전류 센서는 통상적으로 홀 효과를 이용하는 홀 센서(Hall Sensor)와 같은 IC(Integrated Circuit) 소자의 센서가 사용되는데, IC 소자의 전류 센서는 가격이 비싸서 ECU의 제조 단가를 상승시키는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 고장 등으로 인하여 모터 전류 검출의 정밀도가 저하되는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 전류 센서가 아닌 션트 저항을 이용하여 저가이면서도 높은 정밀도로 모터 전류를 검출하는 데 주된 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 모터로 구동 전류를 공급하는 구동 전류 공급부; 션트 저항을 이용하여 모터에 흐르는 모터 전류를 검출하는 전류 검출부; 및 구동 전류 공급부로 하여금 구동 전류를 모터로 공급하도록 제어하되, 검출된 모터 전류를 이용하여 구동 전류를 조절하는 마이크로제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자제어장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 목적에 의하면, 모터로 구동 전류를 공급하는 구동 전류 공급부의 부하 전류에 의해 인가되는 션트 전압을 검출하는 션트 저항; 검출되 는 션트 전압을 증폭하여 증폭된 전류 신호를 출력하는 연산 증폭기; 마이크로제어장치로부터 출력되는 스위치 구동 신호와 동기하여 증폭된 전류 신호를 스위칭하여 출력하는 스위치; 스위치 구동 신호의 샘플링 시간을 조절하는 샘플링 저항; 및 스위칭된 전류 신호를 충전하여 모터 전류로서 출력하는 샘플링 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 검출 장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 전류 센서가 아닌 션트 저항을 이용하여 저가이면서도 높은 정밀도로 모터 전류를 검출할 수 있으며, 그를 통해 저가의 고성능 전자제어장치를 구현할 수 있다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 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 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자제어장치를 간략하게 나타낸 블록 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자제어장치(ECU: Electronic Control Unit, 210)는 마이크로제어장치(MCU: Micro Conto Unit, 이하 'MCU라 칭함, 212), 구동 전류 공급부(214) 및 전류 검출부(216)를 포함하여 구성될 수 있다.
MCU(212)는 구동 전류 공급부(214)로 하여금 구동 전류를 모터(220)로 공급하도록 제어하되, 전류 검출부(216)에 의해 검출된 모터 전류를 이용하여 구동 전류를 조절한다. 이러한 MCU(212)는 전자제어장치(210)에서 주제어를 담당하는 제어장치로서, 주 제어와 검출된 모터 전류를 이용하여 구동 전류를 조절하고 조절된 구동 전류가 모터(220)로 공급되도록 하기 위한 제어를 수행하기 위한 데이터 및 소프트웨어를 저장하는 메모리와 소프트웨어를 실행하는 마이크로프로세서를 포함할 수 있다.
구동 전류 공급부(214)는 모터(220)로 구동 전류를 공급한다. 즉, 구동 전류 공급부(214)는 MCU(212)의 제어에 따라 MCU(212)에 의해 계산된 구동 전류값에 해당하는 구동 전류를 생성하여 모터(220)로 공급한다. 이러한 구동 전류 공급부(214)는 컨버터, 인버터 등과 같이 배터리 또는 상용 전원을 모터(220)를 구동하기 위한 전원으로 변환하는 다양한 전원 공급기(Power Supply)로 구현될 수 있다.
전류 검출부(216)는 션트 저항(Shunt Register)을 이용하여 모터(220)에 흐르는 모터 전류를 검출한다. 즉, 전류 검출부(216)는 모터(220)에 전류가 흐를 때 션트 저항에 인가되는 전압을 이용하여 모터(220)에 흐르는 모터 전류를 검출한다. 전류 검출부(216)의 구현 예에 대해서는 도 3을 통해 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 검출부의 내부 회로를 간략하게 나타낸 회로도이다.
도 1을 통해 전술한 통상적인 전류 센서를 이용하여 모터 전류를 검출하는 전자제어장치와는 달리, 본 발명의 일 실시예에 따라 션트 저항을 이용하여 모터 전류를 검출하는 전자제어장치(210)는 구동 전류 공급부(214)와 모터(220) 사이에 홀 센서와 같은 IC(Integrated Circuit) 소자로 구현되는 전류 센서를 구비하여 모터 전류를 검출하지 않고, 구동 전류 공급부(214)에서 전력 스위치(112)와 배터리(114) 사이에 전류 검출부(216)를 연결하여 구동 전류 공급부(214)의 부하 전류에 의해 인가되는 션트 전압을 이용하여 모터 전류를 검출한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 전류 검출부(216)는 션트 저항(310), 연산 증폭기(320), 오프셋 회로부(330) 및 샘플링-홀딩 회로부(340)를 포함하여 구성될 수 있다.
션트 저항(Rshunt, 310)은 구동 전류 공급부(214)의 부하 전류에 의해 인가되는 션트 전압을 검출한다. 이를 위해, 션트 저항(310)은 구동 전류 공급부(214)의 복수 개의 전력 스위치(112)와 배터리(114) 사이에 연결될 수 있다.
연산 증폭기(320)는 션트 저항(310)에 의해 검출되는 션트 전압을 증폭하여 증폭된 전류 신호를 출력한다. 이를 위해, 연산 증폭기(320)는 션트 저항(310)과 병렬로 연결되어 션트 저항(310)의 양 단자를 반전 및 비반전 전압으로 입력받아 션트 전압을 증폭할 수 있다. 연산 증폭기(320)는 반전 증폭기로 구현될 수 있으며 도시한 바와 같이 귀환 저항(RA, 322)을 구비할 수 있다. 또한, 도 3에는 도시하지 않았지만, 연산 증폭기(320)와 스위치(342) 사이에는 저항이 직렬로 연결될 수 있다.
오프셋 회로부(330)는 션트 저항(310)에 의해 검출된 션트 전압의 노이즈를 감소시키는데, 전류 검출부(216)에 반드시 포함되는 것은 아니며, 구현에 따라 선택적으로 포함될 수 있다.
샘플링-홀딩 회로부(340)는 연산 증폭기(320)에 의해 증폭된 전류 신호를 MCU(212)로부터 출력되는 스위치 구동 신호와 동기하여 샘플링하고 홀딩하여 모터 전류로서 출력한다. 이를 위해, 샘플링-홀딩 회로부(340)는 연산 증폭기(320)와 MCU(212) 사이에 연결되어, MCU(212)로부터 PWM(Pulse Width Modulation) 신호와 같은 스위치 구동 신호를 입력받고, 모터 전류를 MCU(212)로 출력할 수 있다.
샘플링-홀딩 회로부(340)는 스위치 구동 신호가 입력되면 그와 동기하여 입력되는 신호를 샘플링하고 홀딩하여 출력하는 다양한 회로로 구현될 수 있지만, 구현 방식에 따라 도시한 바와 같이, 스위치(342), 샘플링 저항(344) 및 샘플링 캐패시터(346)를 포함하여 구성될 수 있다.
스위치(342)는 연산 증폭기(320)에 의해 증폭된 전류 신호를 MCU(212)로부터 입력되는 스위치 구동 신호와 동기하여 스위칭한다. 이러한 스위치(342)는 트랜지스터로 구현될 수 있지만 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 다양한 스위치로 구현될 수도 있으며, 연산 증폭기(320)와 MCU(212) 사이에 연결될 수 있다.
샘플링 저항(Rn, 344)은 스위치 구동 신호의 샘플링 시간을 조절한다. 샘플링 캐패시터(Co, 346)는 생플링한 전류 신호를 충전하여 홀딩하고 홀딩된 전류 신호를 모터 전류로서 출력한다. 이를 위해, 샘플링 저항(344)과 샘플링 캐패시터(346)는 MCU(212)와 스위치(342) 사이에 연결될 수 있는데, 서로 병렬로 연결될 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 전류 검출부(216)를 구현하는 데 있어서, 스위치(342)와 MCU(212) 사이에 샘플링 저항(344)과 샘플링 캐패시터(336)를 병렬로 연결함으로써, 추가적인 버퍼 증폭기(Buffer Amplifier)와 MCU(212)의 스위칭 구동 신호에 따라 스위치(342)를 스위칭하기 위한 추가적인 회로가 없이도, 연산 증폭기(320)에 의해 증폭된 전류 신호를 샘플링하고 홀딩하기 위한 샘플링-홀딩 회로를 구현할 수 있으므로, 샘플링-홀딩 회로의 구현을 간소화하면서도 안정된 전류 신호가 출력되도록 할 수 있다.
전술한 바와 같이, 전류 검출부(216)는 ECU(210) 내부의 구성 요소로소 구현될 수도 있지만, ECU(210)와는 독립적으로 구현되어 기타 다른 장치에서 모터 전류를 검출하는 전류 검출 장치로서 구현될 수도 있다. 전류 검출부(216)가 독립적으로 구현되는 경우, 전류 검출부(216)는 모터(220)로 구동 전류를 공급하는 구동 전류 공급부(214)의 부하 전류에 의해 인가되는 션트 전압을 검출하는 션트 저 항(310), 션트 저항(310)에 의해 검출되는 션트 전압을 증폭하여 증폭된 전류 신호를 출력하는 연산 증폭기(320), MCU(212)로부터 출력되는 스위치 구동 신호와 동기하여 연산 증폭기(320)에 의해 증폭된 전류 신호를 스위칭하여 출력하는 스위치(342), 스위치 구동 신호의 샘플링 시간을 조절하는 샘플링 저항(344) 및 스위칭된 전류 신호를 충전하여 모터 전류로서 출력하는 샘플링 캐패시터(346)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 전류 검출부(216)는 션트 저항(310)에 의해 검출된 션트 전압의 노이즈를 감소시키는 오프셋 회로부(330)를 추가로 포함할 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
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.
도 1은 통상적인 ECU에서 모터 전류를 검출하기 위한 회로를 간략하게 나타낸 예시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자제어장치를 간략하게 나타낸 블록 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 검출부의 내부 회로를 간략하게 나타낸 회로도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
210: ECU 220: 모터
212: MCU 214: 구동 전류 공급부
216: 전류 검출부 310: 션트 저항
320: 연산 증폭기 330: 오프셋 회로부
340: 샘플링-홀딩 회로부

Claims (5)

  1. 모터로 구동 전류를 공급하는 구동 전류 공급부;
    션트 저항을 이용하여 상기 모터에 흐르는 모터 전류를 검출하는 전류 검출부; 및
    상기 구동 전류 공급부로 하여금 상기 구동 전류를 상기 모터로 공급하도록 제어하되, 상기 검출된 모터 전류를 이용하여 상기 구동 전류를 조절하는 마이크로제어장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 전류 검출부는,
    상기 구동 전류 공급부의 부하 전류에 의해 인가되는 션트 전압을 검출하는 션트 저항;
    상기 검출되는 션트 전압을 증폭하여 증폭된 전류 신호를 출력하는 연산 증폭기; 및
    상기 증폭된 전류 신호를 상기 마이크로제어장치로부터 출력되는 스위치 구동 신호와 동기하여 샘플링하고 홀딩하여 상기 모터 전류로서 출력하는 샘플링-홀딩 회로부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자제어장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 샘플링-홀딩 회로부는,
    상기 증폭된 전류 신호를 상기 스위치 구동 신호와 동기하여 스위칭하는 스위치;
    상기 스위치 구동 신호의 샘플링 시간을 조절하는 샘플링 저항; 및
    상기 생플링한 전류 신호를 충전하여 홀딩하고 상기 홀딩된 전류 신호를 상기 모터 전류로서 출력하는 샘플링 캐패시터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자제어장치.
  4. 모터로 구동 전류를 공급하는 구동 전류 공급부의 부하 전류에 의해 인가되는 션트 전압을 검출하는 션트 저항;
    상기 검출되는 션트 전압을 증폭하여 증폭된 전류 신호를 출력하는 연산 증폭기;
    마이크로제어장치로부터 출력되는 스위치 구동 신호와 동기하여 상기 증폭된 전류 신호를 스위칭하여 출력하는 스위치;
    상기 스위치 구동 신호의 샘플링 시간을 조절하는 샘플링 저항; 및
    상기 스위칭된 전류 신호를 충전하여 모터 전류로서 출력하는 샘플링 캐패시터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 검출 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전류 검출 장치는,
    상기 션트 전압의 노이즈를 감소시키는 오프셋 회로부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 검출 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170092904A (ko) * 2016-02-04 2017-08-14 주식회사 만도 조향모터제어장치 및 조향모터제어방법
US10539623B2 (en) 2016-03-07 2020-01-21 Lg Chem, Ltd. Charging/discharging current estimation device
KR20220082379A (ko) * 2020-12-10 2022-06-17 한국항공우주연구원 전동기 구동용 인버터에서 전류 센서의 고장 판별 방법 및 전동기 구동용 인버터에서 전류 센서의 고장 판별 장치
KR20230120852A (ko) 2022-02-10 2023-08-17 스마트전자 주식회사 전류 센싱 장치

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