KR20140072545A - 전동식 파워 스티어링 제어장치 - Google Patents

전동식 파워 스티어링 제어장치 Download PDF

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KR20140072545A
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Abstract

전동식 파워 스티어링(MDPS : Moter Driven Power Steering) 제어장치가 제공된다. 본 전동식 파워 스티어링 제어장치는 승압부를 이용하여 전압을 가변 승압함으로써 약자속 영역을 MDPS 구동의 고속 영역으로 쉬프트 시킴으로써 모터의 과열을 방지함과 동시에 효율을 극대화 할 수 있게 된다.

Description

전동식 파워 스티어링 제어장치 {Moter Driven Power Steering Electronic Control Unit}
본 발명은 전동식 파워 스티어링 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 DC링크 전압의 승압을 이용하는 전동식 파워 스티어링 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로 3상 모터를 이용하는 전동식 파워 스티어링(MDPS : Moter Driven Power Steering) 전자식 컨트롤 유니트(ECU : Electronic Control Unit)는, 차량의 배터리 전압을 입력받는 3상 하프 브리지 타입 인버터를 이용하여 모터를 제어한다.
종래의 기술은 배터리의 DC Link 값을 MDPS ECU의 DC 전압으로 그대로 사용하는 방법으로서 ECU 내의 인버터의 전압 단자가 물리적으로 배터리의 +, - 양 단자에 직접 연결되는 구조이다.
이와 같은 구조에 따르면, 차량용 배터리의 SOC 감소, 또는 충방전의 반복에 따른 성능저하, 내부 저항 및 온도변화에 따라 MDPS의 성능변화가 크게 된다. 특히나 내부저항에 의한 출력 제한에 의해 MDPS와 같은 대용량의 ECU에서 순간적인 전류를 끌어 들일때, DC Link 값은 임계점까지 떨어지는 결과를 낳게 된다.
종래의 기술에서는 이에 대한 보완책이 없으며, 배터리의 특성에 따라 MDPS ECU 자체가 강제 shut down 되거나 배터리의 전압에 종속된 제어를 하게 된다.
따라서, 배터리 전압이 떨어졌을 경우, 상대적으로 일정한 출력을 낼 수 없으므로 MDPS는 낮은 performance를 가지게 되며, 이는 운전감을 떨어뜨리거나 이질감을 유발시키는 요인으로 작동한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 인버터와 연결되어 배터리에서 인가된 전압을 승압하는 승압부를 포함하는 전동식 파워 스티어링 제어장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 전동식 파워 스티어링(MDPS : Moter Driven Power Steering) 제어장치는, 배터리와 연결되고, 배터리에서 인가된 전압을 승압하는 승압부; 및 상기 승압부와 연결되고, 상기 승압부에서 공급된 전압을 교류로 변환하여 모터에 공급하는 인버터;를 포함한다.
그리고, 상기 승압부는; 적어도 2개의 상(phase)을 가질 수도 있다 .
또한, 상기 승압부는, 복수개의 인덕터, 복수개의 다이오드 및 복수개의 FET(Field Effect Transistor)를 포함할 수도 있다.
그리고, 상기 승압부는, 적어도 2개의 상이 일정 시간 간격으로 번갈아 작동하는 인터리브(interleave) 방식으로 동작할 수도 있다.
또한, 상기 모터는 3상 모터이고, 상기 승압부도 3상을 가질 수도 있다.
그리고, 상기 승압부는, 복수개의 인덕터, 복수개의 스위치 및 복수개의 FET(Field Effect Transistor)를 포함할 수도 있다.
또한, 상기 배터리와 상기 승압부 사이에 배치되어 DC 링크를 형성하며, 고속 주파수 특성을 가지는 캐패시터(capacitor);를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 전동식 파워 스티어링 장치는 승압부를 이용하여 전압을 가변 승압함으로써 약자속 영역을 MDPS 구동의 고속 영역으로 쉬프트 시킴으로써 모터의 과열을 방지함과 동시에 효율을 극대화 할 수 있게 된다.
이를 통해, 배터리의 특성에 영향을 받지 않고 항상 일정한 MDPS 구동 특성을 확보할 수 있고, 승압에 따른 전류 감소로 모터 및 ECU의 발열 내량을 획기적으로 개선하여 사이즈 축소가 가능하게 된다. 그리고, 배터리 양단의 리플 전류감소로 인해 배터리수명을 극대화할 수 있다. 또한, 인버터단 전류피크 감소로 소자 특성이 개선된다. 그리고, 다상의 인터리브드 방식의 부스트 스위치를 배열함으로써 승압 효율을 향상시킬 수 있으며, 부품의 사이즈를 축소시킴으로서 패키지 성능을 향상할 수 있다. 또한, 승압비는 모터의 속도, 출력에 따른 함수로 조절함으로써, 운전영역 전 구간에서 효율 향상 및 연비 개선을 할 수 있다. 그리고, 다상의 승압메커니즘을 적용함으로써 배터리단의 리플을 개선할 수 있으며, 이는 배터리의 수명을 극대화 할 수 있게 된다.
아울러, 종래의 12V 구동에서 항상 문제가 되던 약자속 제어 특성이 DC Link의 전압 증가로 인해 크게 개선되게 된다. 또한, 약자속에 따른 과도한 D축 전류사용을 하지 않게됨으로 인해 고속에서 효율이 개선되며 제어 편의성이 증가된다.
또한, 모터의 사이즈 축소에 따른 경량화를 실현시킬수 있으며, MDPS의 상간 전류 크기 감소로 인해 선간전압 손실이 감소하게 되어 모터의 사이즈를 축소시킬 수 있게 되어, MDPS의 가장 고가 부품인 모터의 원가 절감을 유도하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 자동차에 포함되는 전동식 파워 스티어링(MDPS : Moter Driven Power Steering) 제어장치의 구조가 도시된 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전동식 파워 스티어링(MDPS : Moter Driven Power Steering) 제어장치의 회로도를 도시한 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 승압부(120)가 인터리브 방식으로 동작하는 과정을 그래프로 표시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전동식 파워 스티어링 제어장치 내의 모터의 속도(rpm)에 따른 DC 링크의 전압을 도시한 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2를 참고하여 전동식 파워 스티어링(MDPS : Moter Driven Power Steering) 제어장치(100)의 구조에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 자동차에 포함되는 전동식 파워 스티어링(MDPS : Moter Driven Power Steering) 제어장치(100)의 구조가 도시된 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전동식 파워 스티어링(MDPS : Moter Driven Power Steering) 제어장치(100)의 회로도를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전동식 파워 스티어링 제어장치(100)는 배터리(110), 캐패시터(capacitor)(115), 승압부(120), 인버터(130), 모터(140), 및 제어부(150)를 포함한다.
배터리(110)는 자동차의 동작에 필요한 전원을 공급한다. 구체적으로, 배터리(110)는 전동식 파워 스티어링 제어장치(100)의 모터(140)의 작동에 필요한 전원을 공급하게 된다.
캐패시터(115)는 배터리(110)와 승압부(120) 사이에 배치되어 DC 링크를 형성한다. 또한, 캐패시터(115)는 고속 주파수 특성을 가진다. 이는, 인덕터(130) 뒷단의 종단으로 연결된 스위치들이 고속으로 운전하며 파워의 크기에 따라 다상 인터리브드(interleaved) 방식으로 운전하게 되어, 이로 인해 승압된 전압이 고속의 전류리플을 가지게 되므로, 이 주파수 특성을 보완하기 위해 DC 링크에 사용되는 캐패시터(115)는 필름 캐패시터, 또는 이에 준하는 고속 주파수 특성을 가지는 캐패시터가 사용된다.
승압부(120)는 배터리(110)와 인버터(130)에 연결되도록 배치되는 부스팅(boosting) 회로이다. 그리고, 승압부(120)는 배터리(110)에서 인가된 전압을 승압하게 된다.
구체적으로, 승압부(120)는 적어도 2개의 상(phase)을 가진다. 이를 위해, 승압부(120)에는 복수개의 인덕터, 복수개의 다이오드 및 복수개의 FET(Field Effect Transistor)가 포함된다. 그리고 승압부(120)는 적어도 2개의 상이 일정 시간 간격으로 번갈아 작동하는 인터리브(interleave) 방식으로 동작하게 된다. 이 때, 승압부(120)는 ZVS(Zero Voltage Switching)을 이루어 인터리브 방식으로 동작하게 된다.
구체적으로, 도 1 및 도 2에서 모터(140)는 3상 모터이고, 승압부(120)도 3상을 가지고 있다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 승압부(120)는 제1 인덕터(211), 제2 인덕터(212) 및 제3 인덕터(213)를 포함하는 3개의 인덕터를 포함하고, 제1 다이오드(221), 제2 다이오드(222), 및 제3 다이오드(223)를 포함하는 3개의 다이오드를 포함하며, 3개의 FET(230)를 포함하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 승압부(230)는 도 2에 도시된 것과 달리, 복수개의 다이오드들 대신 복수개의 스위치를 포함할 수도 있다. 즉, 승압부(230)는 복수개의 인덕터, 복수개의 스위치 및 복수개의 FET(Field Effect Transistor)를 포함하는 형태로 구현될 수도 있다. 이 경우, 승압부(230)는 풀 브릿지 인버터를 구현할 수 있게 되어 모터(140) 쪽의 에너지와 배터리(110)의 에너지를 상호 교환할 수 있는 양방향 부스팅 장치를 구현할 수 있게 된다.
인버터(130)는 승압부(120)와 연결되고, 승압부(120)에서 공급된 전압을 교류로 변환하여 모터(140)에 공급하게 된다.
모터(140)는 인버터(130)를 통해 공급된 전원을 이용하여 동작하게 된다.
제어부(150)는 전동식 파워 스티어링 제어장치(100)의 전반적인 동작을 제어하는 ECU(Electronic Control Unit)이다.
이와 같은 구조의 전동식 파워 스티어링 제어장치(100)는 인버터(130) 전단에 승압부(120)를 포함하게 되어 승압(부스팅) 기능이 추가되게 된다. 즉, 승압 기능이 추가된 전동식 파워 스티어링 제어장치(100)는 배터리(110)의 전압이 인버터단(130)에 바로 보이지 않고 승압부(120)의 인덕터와 다이오드를 거친 전원이 보이게 된다. 이때, 제어부(150)가 인덕터(130) 뒷단의 스위치를 고속으로 ON-OFF 스위칭을 반복하게 되면, 승압부(120)의 인덕터에 쌓인 에너지가 다이오드를 통해 인버터(130)에 전달되기 때문에, 결국, 배터리(110)의 전압에 승압부(120)의 인덕터의 전압이 더해진 합전압(배터리 전압+인덕터 전압)이 인덕터(130)에 인가되게 된다.
이를 통해, 운전 모드는 일정 파워가 아니므로 승압 전압은 운전 조건에 따라 가변시키게 되면 전 운전 구간에서 전동식 파워 스티어링의 구동 효율을 극대화 하게 된다. 즉, 저속구간에서는 15V의 전압을 이용하며, knee point 이상에서는 승압 전압을 선형적으로 올려 감으로써 정출력 구간을 향상시키게 되는 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 승압부(120)가 인터리브 방식으로 동작하는 과정을 그래프로 표시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 승압부(120)가 Nphase개의 상을 가질 경우, 각각의 상이 T/Nphase의 시간간격씩 동작하게 되는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 승압부(120)가 3상일 경우, 각 상들이 T/3씩 시분할 형태로 동작하게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전동식 파워 스티어링 제어장치(100) 내의 모터(140)의 속도(rpm)에 따른 DC 링크의 전압을 도시한 그래프이다.
기존의 ECU에서는 저속 구간 이후 약자속 구간이 시작되어 과도한 D축 전류를 사용함과 동시에 전압 부족 및 배터리 전압 변동으로 인한 출력감소, 소음의 영향이 두드러졌다, 하지만, 본 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치(100)는 승압부(120)를 이용하여 전압을 가변 승압함으로써 약자속 영역을 MDPS 구동의 고속 영역으로 쉬프트 시킴으로써 모터의 과열을 방지함과 동시에 효율을 극대화 할 수 있게 된다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : 전동식 파워 스티어링 제어장치 110 : 배터리
120 : 승압부 130 : 인버터
140 : 모터 150 : 제어부

Claims (7)

  1. 전동식 파워 스티어링(MDPS : Moter Driven Power Steering) 제어장치에 있어서,
    배터리와 연결되고, 배터리에서 인가된 전압을 승압하는 승압부; 및
    상기 승압부와 연결되고, 상기 승압부에서 공급된 전압을 교류로 변환하여 모터에 공급하는 인버터;를 포함하는 전동식 파워 스티어링 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 승압부는;
    적어도 2개의 상(phase)을 가지는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 승압부는,
    복수개의 인덕터, 복수개의 다이오드 및 복수개의 FET(Field Effect Transistor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 제어장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 승압부는,
    적어도 2개의 상이 일정 시간 간격으로 번갈아 작동하는 인터리브(interleave) 방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 제어장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 모터는 3상 모터이고,
    상기 승압부도 3상을 가지는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 제어장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 승압부는,
    복수개의 인덕터, 복수개의 스위치 및 복수개의 FET(Field Effect Transistor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 제어장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리와 상기 승압부 사이에 배치되어 DC 링크를 형성하며, 고속 주파수 특성을 가지는 캐패시터(capacitor);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 제어장치.
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