KR20180132191A - 센싱 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

센싱 시스템 및 방법이 개시된다. 상기 센싱 시스템은 검출된 물리량에 대응되는 크기의 전압을 출력하는 센서부; 상기 센서부의 출력의 크기를 일정한 이득으로 증폭하는 증폭부; 상기 증폭부에서 증폭된 출력에서 직류 오프셋을 제거하여 제1 검출신호를 생성하는 오프셋 제거부; 상기 제1 검출신호를 반전시켜 제2 검출신호를 생성하는 반전회로부; 및 상기 제1 검출신호 및 상기 제2 검출신호를 기반으로 상기 센서부에서 검출된 물리량을 도출하는 마이컴;을 포함한다.

Description

센싱 시스템 및 방법{SENSING SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 센싱 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 센서에서 출력되는 신호의 해상도(resolution)을 향상시켜 센서 검출값을 이용한 제어의 정밀도를 향상시킬 수 있는 센싱 시스템 및 방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량, 전기차량, 연료전지 차량을 포함한 친환경 차량의 파워트레인인 모터의 제어는 차량의 성능뿐만 아니라 사용자의 안전과도 직결되어 있다.
만약, 친환경 차량의 모터 시스템이 정상적인 동작조건에서 벗어날 경우, 차량 제어에 치명적인 악영향을 미치게 되어 모터가 오동작 할 수 있다.
안전이 최우선적으로 고려되어야 하는 차량 조건에서 센싱 신호를 잘못 판단 할 경우, 모터 시스템의 오동작을 유발하므로 중요한 센싱 신호의 효과적인 처리 방안이 요구된다.
모터의 제어를 위한 핵심부품인 인버터에서는 3상 전류의 센싱 시그널을 입력으로 받아 제어에 활용하고 있다.
따라서, 전류센싱에 이상이 생기면 정상적인 모터 제어가 힘들게 되므로 가장 중요하게 관리해야 할 신호 항목 중 하나이다.
모터 제어에 관련된 각종 연산 및 지령을 내리는 제어기인 자동차용 마이컴은 입력으로 제한된 범위의 레벨을 갖는 신호를 입력 받아 처리할 수 있는데, 전류를 검출하는 센서는 마이컴이 처리 가능한 범위의 레벨에 맞추어 검출한 전류의 크기를 제한된 레벨 내에서 출력하고 있다. 친환경 차량의 기술분야에서 지속적으로 요구되는 고출력/고성능의 구현을 위해서는 전류의 사양이 높아지는 경우, 전류 센서는 더 큰 검출 전류의 범위를 마이컴의 처리 가능한 범위의 레벨로 출력하게 되므로 검출 전류를 나타낼 수 있는 센서 출력 신호의 레졸루션은 더 감소하게 된다. 이렇게 센서가 출력하는 신호의 레졸루션이 감소하게 되면 더욱 정밀하고 효과적인 제어를 실시하기에는 어려움이 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2009-0009344
본 발명은 센서에서 출력되는 신호의 해상도(resolution)을 향상시켜 센서 검출값을 이용한 제어의 정밀도를 향상시킬 수 있는 센싱 시스템 및 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
검출된 물리량에 대응되는 크기의 전압을 출력하는 센서부;
상기 센서부의 출력의 크기를 일정한 이득으로 증폭하는 증폭부;
상기 증폭부에서 증폭된 출력에서 직류 오프셋을 제거하여 제1 검출신호를 생성하는 오프셋 제거부;
상기 제1 검출신호를 반전시켜 제2 검출신호를 생성하는 반전회로부; 및
상기 제1 검출신호 및 상기 제2 검출신호를 기반으로 상기 센서부에서 검출된 물리량을 도출하는 마이컴;을 포함하는 센싱 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 제1 검출신호 및 상기 제2 검출신호를 정류하여 상기 제1 검출신호 및 상기 제2 검출신호를 상기 마이컴이 인식 가능한 전압 범위로 변경하는 정류부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 증폭부의 증폭 이득은, 상기 센서부의 출력이 가질 수 있는 전압 범위 및 상기 마이컴이 인식 가능한 전압 범위에 기반하여 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 증폭부의 증폭 이득은, 상기 센서부의 출력이 가질 수 있는 전압 범위의 1/2에 해당하는 전압폭을 상기 마이컴이 인식 가능한 전압 범위의 전압폭만큼 증가시킬 수 있는 값으로 결정될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
센서부에서 물리량을 검출하고 그에 대응되는 크기의 전압을 출력하는 단계;
상기 센서부의 출력의 크기를 일정한 이득으로 증폭하는 단계;
상기 증폭된 출력에서 직류 오프셋을 제거하여 제1 검출신호를 생성하는 단계;
상기 제1 검출신호를 반전시켜 제2 검출신호를 생성하는 단계; 및
상기 제1 검출신호 및 상기 제2 검출신호를 기반으로 상기 센서부에서 검출된 물리량을 도출하는 단계;를 포함하는 센싱 방법을 제공한다.
상기 센싱 시스템 및 방법에 따르면, 특정 물리량을 검출하는 센서에서 검출된 결과값으로 출력하는 전압 신호의 해상도(resolution)을 향상시켜, 센서에 의해 검출된 값을 이용하는 제어의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
특히, 상기 센싱 시스템 및 방법이 차량의 구동모터 제어에 적용되는 경우, 구동 모터로 제공되는 전류를 검출하는 전류센서에서 출력되는 신호의 해상도를 증가시켜 구동 모터의 제어의 정밀성을 향상시키고, 차량 모터의 제어 정밀성 향상을 통해 차량 주행 성능 및 연비를 보다 효율적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 센싱 시스템 및 방법이 차량의 OBC(On Board Charger), 컨버터 등을 포함한 차량의 타 제어장치의 전류 센싱에 적용되는 경우에도 각 제어장치의 제어성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 센싱 시스템을 나타낸 회로도이다.
도 2 내지 도 5는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 센싱 시스템에서 변환된 신호를 나타낸 예시도이다.
도 6은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 센싱 시스템에 의한 센싱 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 센싱 시스템 및 방법을 더욱 상세하게 설명한다. 특히, 이하의 설명에서는, 차량의 구동 모터에 제공되는 전류를 검출하기 위한 센싱 시스템 및 방법을 본 발명의 일례로서 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 센싱 시스템을 나타낸 회로도이다.
도 1을 참조하면, 센싱 시스템(10)은 센서부(11), 증폭부(12), 오프셋 제거부(13), 반전회로부(14), 정류부(15) 및 마이컴(16)을 포함한다.
먼저, 센서부(11)는 특정 물리량(예를 들어, 전류, 온도, 압력 등의 크기)을 검출하고 검출된 물리량에 대응되는 크기의 전압을 출력할 수 있다. 차량의 인버터에서 구동모터로 출력되는 전류를 검출하는 전류 센서의 경우, 검출된 전류의 크기에 대응되는 크기의 전압을 출력하게 된다.
센서부(11)에서 출력 가능한 전압의 범위는 제한되어 있으며, 이 제한된 전압 범위를 이용하여 검출하여야 하는 물리량의 전체 범위를 표시하게 된다. 예를 들어, 대략 -500 내지 500 A 범위의 전류를 검출하여 대략 0 내지 5 V의 출력 전압 범위로 출력하는 전류 센서를 가정하면, 모터 사양의 변경되어 -1000 내지 1000 A 범위의 전류를 검출하여야 하는 경우 여전히 제한된 범위인 0 내지 5 V의 출력 전압 범위로 출력하게 되므로 검출 가능한 레졸루션이 절반으로 감소할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는 이러한 레졸루션 감소의 문제를 해소하기 위해 제안된 것이다.
증폭부(12)는 센서부(11)의 출력 크기를 일정한 이득(gain)으로 증폭한다. 예를 들어, 증폭부(12)는 도 1에 도시된 것과 같이 연산증폭기(OP)로 구현되는 증폭 회로의 형태를 가질 수 있다. 증폭부(12)는 연산증폭기(OP)의 반전입력단과 접지 사이에 연결된 저항(R1) 및 연산증폭기(OP)의 반전입력단과 연산증폭기(OP)의 출력단 사이에 연결된 저항(R2)의 값을 이용하여 증폭 이득(gain)을 조절하거나 사전에 설정된 크기로 증폭이득을 조절할 수 있다.
다음으로, 오프셋 제거부(13)는 증폭부(12)에서 증폭된 출력에서 직류(DC) 오프셋을 제거하여 제1 검출신호를 생성한다. 여기서, 오프셋 제거부(13)는 적어도 하나 이상의 커패시터를 구비하거나 도 1에 도시된 바와 같이, 서로 병렬 연결된 복수의 커패시터를 구비하면 커패시터의 용량이 증가되어 임피턴스가 감소하고 이로 인해 주파수 범위가 확장되어 주파수 특성(응답)이 향상될 수 있다.
다음으로, 반전회로부(14)는 직류 오프셋이 제거된 출력, 즉 제1 검출신호를 반전시켜 제2 검출신호를 생성한다. 여기서, 반전회로부(14)는 비반전 입력단이 접지된 연산증폭기로 구현되는 반전 증폭 회로로 구현될 수 있다.
다음으로, 정류부(15)는 제1 검출신호 및 제2 검출신호를 정류하여 제1 검출신호 및 제2 검출신호를 마이컴(16)이 인식 가능한 전압 범위로 변경할 수 있다. 예를 들어, 정류부(15)는 도 1에 도시된 바와 같이 오프셋 제거부(13)와 마이컴(16) 사이 및 반전회로부(14)와 마이컴(16) 사이에 순방향으로 연결된 다이오드를 포함할 수 있다. 이 다이오드에 의해 제1 및 제2 검출신호 각각은 음의 전압값이 제거된 후 마이컴(16)으로 제공될 수 있다.
정류부(15)는 제1 검출신호 및 제2 검출신호에서 노이즈 성분(주로 고주파 성분)을 제거할 수 있는 로우패스필터(LPF: Low Pass Filter)를 선택적으로 구비할 수 있다.
다음으로, 마이컴(16)은 제1 검출신호 및 제2 검출신호를 기반으로 센서부(11)에서 검출된 물리량을 도출할 수 있다. 예를 들어, 마이컴(16)은 제1 검출신호 및 제2 검출신호가 갖는 전압 크기에 해당하는 물리량, 즉 검출 전류의 크기를 도출해 내고, 도출된 검출 전류의 크기에 기반하여 모터 등을 제어하기 위한 연산 등을 수행할 수 있다.
도 2 내지 5는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 센싱 시스템에서 변환된 신호를 나타낸 예시도이다.
먼저, 도 2는 도 1의 노드(N1)에서의 신호를 나타낸 것이다. 노드(N1)는 센서부(11)의 출력 파형에 해당한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 센서부(11)는 전류를 센싱하고 센싱된 전류의 크기에 해당하는 전압을 예를 들어 0 내지 5 V의 전압으로 출력할 수 있다.
다음으로, 도 3은 도 1의 노드(N2)에서의 신호를 나타낸 것이다. 노드(N2)는 증폭부(12)의 출력 파형에 해당된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 증폭부(12)는 센서부에서 센싱된 전류의 크기에 해당하는 전압을 예를 들어 0 내지 10 V의 전압으로 증폭할 수 있다.
여기서, 증폭부(12)의 증폭 이득은 센서부(11)의 출력이 가질 수 있는 전압 범위 및 마이컴(16)이 인식 가능한 전압 범위에 기반하여 결정될 수 있다. 더욱 상세하게, 증폭부(12)의 증폭 이득은, 센서부(11)의 출력이 가질 수 있는 전압 범위의 1/2에 해당하는 전압폭과 마이컴(16)이 인식 가능한 전압 범위의 전압폭이 실질적으로 동일하게 만들 수 있는 값으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 센서부(11)에서 센싱된 출력 전압이 0 내지 5 V 이고, 사전에 설정된 마이컴(16)이 인식 가능한 전압 범위가 0 내지 5 V 이면, 증폭부(12)의 증폭 이득은 센서부(11)의 출력이 가질 수 있는 전압 범위의 1/2에 해당하는 2.5 V의 전압폭을, 마이컴(16)이 인식할 수 있는 전압 범위의 전압폭 즉, 0 내지 5 V에 해당하는 5V의 전압폭이 될 수 있도록 증폭시키는 값으로 결정될 수 있다. 따라서, 이때 증폭 이득은 2가 될 수 있다.
다음으로, 도 4는 도 1의 노드(N3)에서의 신호를 나타낸 것이다. 노드(N3)는 오프셋 제거부(13)의 출력 파형에 해당된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 오프셋 제거부(13)는 증폭부(12)에서 증폭된 전압에 대해 직류 성분에 해당하는 오프셋을 제거하면, 0 V를 기준으로 양(+)의 방향 및 음(-) 방향으로 동일한 진폭을 갖는 신호가 생성될 수 있다. 예를 들어, 도 3과 같이 0 내지 10 V 사이를 스윙하는 신호에서 5 V에 해당하는 직류 오프셋 성분을 제거하게 되면, 0 V를 기준으로 -5 내지 5 V의 전압 사이를 스윙하는 신호가 생성될 수 있다. 여기서, 도 4의 신호는 제1 검출신호에 해당된다.
다음으로, 도 5는 도 1의 노드(N4) 및 노드(N5)에서의 신호를 나타낸 것이다. 도 5에서 참조부호 'V1'은 노드(N4)에서의 신호를 나타내고 참조부호 'V2'는 노드(N5)에서의 신호를 나타낸다.
도 5에 도시된 바와 같이, 노드(N4)의 신호의 형태는 도 4에 도시된 신호에서 순방향으로 연결된 다이오드에 의해 음의 성분이 차단된 형태를 갖는다. 즉, 노드(N4)의 출력 파형은 주기적으로 나타나는 0 내지 5 V의 전압으로 형태가 될 수 있다.
또한, 노드(N5)의 출력 파형은 반전회로부(14)에 의해 제1 검출신호가 반전된 제2 검출신호를 다이오드를 통해 정류하여 생성된 신호이다. 제2 검출신호는 제1 검출 신호를 반전시킨 신호이므로 제1 검출신호가 양의 값을 갖는 범위에서 그와 동일한 절대값을 갖는 음의 값이 나타나고 제1 검출신호가 음의 값을 갖는 범위에서 그와 동일한 절대값을 갖는 양의 값이 나타나게 된다. 따라서, 제2 검출신호를 정류하면 제1 검출신호의 음의 값에 해당하는 부분이 양의 값으로 나타나게 된다.
마이컴(16)은 두 개의 검출신호를 제공받아 해당 검출신호의 전압 레벨에 대응되는 검출값을 도출하여 필요한 연산 및 제어를 수행하게 된다. 마이컴(16)은 두 개 입력단을 통해 두 개의 검출신호를 각각 입력받지만, 두 검출신호는 동일한 시점에 전압레벨을 가질 수 없기 때문에 각각으로 입력되는 검출신호의 전압레벨에 따라 연산이나 제어를 수행하면 된다.
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 센싱 시스템(10)은 센서가 출력하는 신호에 증폭, 오프셋 제거, 반전 등의 신호변환 과정을 적용하여 센서가 출력하는 전압 레벨의 폭을 증가시킴으로써 마이컴(16)에 입력되는 검출신호의 레졸루션을 증가시킬 수 있다. 다시 말하면, 센서부(11)에서 검출되는 물리량의 범위가 증가하더라도 이를 검출하여 표시하는 전압의 폭을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시형태에 따른 센싱 시스템(10)을 적용하는 경우 레졸루션 향상에 따라 더욱 정밀한 검출량을 마이컴에 제공함으로써 제어의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 센싱 시스템에 의한 센싱 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 센싱 방법은 먼저, 센서부(11)는 특정 물리량(예를 들어, 전류, 온도, 압력 등의 크기)을 검출하고 검출된 물리량에 대응되는 크기의 전압을 출력한다(S1).
이후, 증폭부(12)는 센서부(11)의 출력 크기를 일정한 이득으로 증폭한다(S2). 여기서, 증폭부(12)의 증폭 이득은 센서부(11)의 출력이 가질 수 있는 전압 범위 및 마이컴(16)이 인식 가능한 전압 범위에 기반하여 결정될 수 있다. 더욱 상세하게, 증폭부(12)의 증폭 이득은, 센서부(11)의 출력이 가질 수 있는 전압 범위의 1/2에 해당하는 전압폭과 마이컴(16)이 인식 가능한 전압 범위의 전압폭이 실질적으로 동일하게 만들 수 있는 값으로 결정될 수 있다.
이후, 오프셋 제거부(13)는 증폭부(12)에서 증폭된 출력에서 직류 오프셋을 제거하여 제1 검출신호를 생성한다(S3).
이후, 반전회로부(14)는 제1 검출신호를 반전시켜 제2 검출신호를 생성한다(S4).
이후, 정류부(15)는 제1 및 제2 검출신호를 정류하여 마이컴(16)의 입력 전압 범위로 변경하고, LPF를 통해 노이즈를 제거한 후, 마이컴(16) 2개의 포트에 각각 해당되는 신호를 제공한다(S5).
이후, 마이컴(16)은 제1 및 제2 검출신호를 기반으로 센서부(11)에서 검출된 물리량을 도출하고, 도출된 검출 전류의 크기에 기반하여 모터 등을 제어하기 위한 연산 등을 수행할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태는 특정 물리량을 검출하는 센서에서 검출된 결과값으로 출력하는 전압 신호의 레졸루션을 향상시켜, 센서에 의해 검출된 값을 이용하는 제어의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시형태는 차량의 구동모터 제어에 적용되는 경우, 구동 모터로 제공되는 전류를 검출하는 전류센서에서 출력되는 신호의 해상도를 증가시켜 구동 모터의 제어의 정밀성을 향상시키고, 차량 모터의 제어 정밀성 향상을 통해 차량 주행 성능 및 연비를 보다 효율적으로 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 센싱 시스템 11: 센서부
12: 증폭부 13: 오프셋 제거부
14: 반전회로부 15: 정류부
16: 마이컴

Claims (8)

  1. 검출된 물리량에 대응되는 크기의 전압을 출력하는 센서부;
    상기 센서부의 출력의 크기를 일정한 이득으로 증폭하는 증폭부;
    상기 증폭부에서 증폭된 출력에서 직류 오프셋을 제거하여 제1 검출신호를 생성하는 오프셋 제거부;
    상기 제1 검출신호를 반전시켜 제2 검출신호를 생성하는 반전회로부; 및
    상기 제1 검출신호 및 상기 제2 검출신호를 기반으로 상기 센서부에서 검출된 물리량을 도출하는 마이컴;을 포함하는 센싱 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 검출신호 및 상기 제2 검출신호를 정류하여 상기 제1 검출신호 및 상기 제2 검출신호를 상기 마이컴이 인식 가능한 전압 범위로 변경하는 정류부를 더 포함하는 센싱 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 증폭부의 증폭 이득은, 상기 센서부의 출력이 가질 수 있는 전압 범위 및 상기 마이컴이 인식 가능한 전압 범위에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 증폭부의 증폭 이득은, 상기 센서부의 출력이 가질 수 있는 전압 범위의 1/2에 해당하는 전압폭을 상기 마이컴이 인식 가능한 전압 범위의 전압폭만큼 증가시킬 수 있는 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 센싱 시스템.
  5. 센서부에서 물리량을 검출하고 그에 대응되는 크기의 전압을 출력하는 단계;
    상기 센서부의 출력의 크기를 일정한 이득으로 증폭하는 단계;
    상기 증폭된 출력에서 직류 오프셋을 제거하여 제1 검출신호를 생성하는 단계;
    상기 제1 검출신호를 반전시켜 제2 검출신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제1 검출신호 및 상기 제2 검출신호를 기반으로 마이컴이 상기 센서부에서 검출된 물리량을 도출하는 단계;를 포함하는 센싱 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 검출신호를 생성하는 단계 이후,
    상기 제1 검출신호 및 상기 제2 검출신호를 정류하여 상기 제1 검출신호 및 상기 제2 검출신호를 상기 마이컴이 인식 가능한 전압 범위로 변경하는 단계를 더 포함하는 센싱 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 증폭하는 단계는,
    상기 센서부의 출력이 가질 수 있는 전압 범위 및 상기 마이컴이 인식 가능한 전압 범위에 기반하여 증폭 이득이 결정되는 것을 특징으로 하는 센싱 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 증폭 이득은, 상기 센서부의 출력이 가질 수 있는 전압 범위의 1/2에 해당하는 전압폭을 상기 마이컴이 인식 가능한 전압 범위의 전압폭만큼 증가시킬 수 있는 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 센싱 방법.
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