KR20210002264A - 오일펌프 모터 제어장치 및 그의 페일 세이프 방법 - Google Patents

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Abstract

오일펌프 모터 제어장치 및 그의 페일 세이프 방법에 관한 것으로, 3상 BLDC 모터를 구동하는 모터 구동수단 및 상기 모터에 설치된 홀 센서의 감지신호에 기초해서 상기 홀 센서의 고장 발생 여부를 진단하고 상기 모터 구동수단의 구동을 제어하는 PWM 제어신호를 발생하는 제어부를 포함하는 구성을 마련하여, 3상 BLDC 모터에 설치된 홀 센서의 감지신호를 이용해서 홀 센서의 고장을 진단하고, 고장 진단 결과에 따라 모터를 지속적으로 정상 구동하도록 제어하며, 강제 여자 방식으로 모터를 구동하는 과정에서 모터의 정상 동작 여부를 진단할 수 있다.

Description

오일펌프 모터 제어장치 및 그의 페일 세이프 방법{OIL PUMP MOTOR CONTROL APPARATUSN AND FAIL SAFE METHOD THEREOF}
본 발명은 오일펌프 모터 제어장치 및 그의 페일 세이프 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 더욱 상세하게는 하이브리드 자동 변속기에 적용되는 오일펌프의 모터 구동을 제어하는 오일펌프 모터 제어장치 및 그의 페일 세이프 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 3상 브러시리스 직류 모터(Brushless DC Motor, 이하 'BLDC 모터'라 함)는 컴팩트한 사이즈, 우수한 제어성능 및 높은 효율과 같은 장점을 가지고 있어 소비재 및 산업용 분야에서 널리 적용되고 있으며, 특히 자동차 산업 분야에서는 벨트 및 유압 시스템의 제거, 기능 추가 및 연비 향상을 위한 전략의 일환으로 각광받고 있다.
최근에는 BLDC 모터의 제어를 위한 전자 부품 가격의 지속적인 하락으로 인해, 그 응용분야와 함께 출력 수준도 지속적으로 확대되고 있다.
본 출원인은 BLDC 모터 및 그가 적용된 펌프의 구동을 제어하는 기술을 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2 등 다수에 개시하여 출원한 바 있다.
이러한 BLDC 모터는 일반적으로 전기적 여자(Excitation)가 회전자의 위치와 동기되어야 하기 때문에, 하나 이상의 회전자 위치 검출 센서(홀 센서)를 필요로 한다.
한편, 하이브리드 자동 변속기에서 클러치와 브레이크가 차량 작동에 필요한 토크를 전달할 수 있도록, 자동 변속기에는 각 부품에 오일을 공급하여 유압을 제공하고, 윤활 및 냉각하는 오일펌프가 마련된다.
종래의 1세대 하이브리드 차량에는 기계식 오일 펌프와 전동식 오일 펌프가 함께 적용됨에 따라, 전동식 오일 펌프에 홀 센서 고장과 같은 이상이 발생하더라도, 기계식 오일펌프로 대체가 가능하였다.
대한민국 특허 등록번호 제10-0649355호(2006년 11월 27일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1244844호(2013년 3월 19일 공고)
그러나 최근에 개발되고 있는 2세대 하이브리드 차량에서는 기계식 오일펌프가 삭제됨에 따라, 전동식 오일펌프의 신뢰성이 매우 중요한 항목이 되고 있다.
따라서 전동식 오일펌프를 구동하는 모터의 위치 검출 센서의 고장이 발생하는 경우, 이를 감지하고 위치 검출 센서 없이 모터를 구동시켜 신뢰성을 증대시키는 페일 세이프(Fail-safe) 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 변속기에 적용되는 오일펌프 모터의 위치 검출 센서 고장을 감지하고, 고장 발생시에도 모터를 구동할 수 있는 오일펌프 모터 제어장치 및 그의 페일 세이프 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 위치 검출 센서 고장시 차량의 주행 상태에 기초해서 모터를 강제 여자시켜 지속적으로 구동할 수 있는 오일펌프 모터 제어장치 및 그의 페일 세이프 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 모터의 위치 검출 센서로 마련된 홀센서가 모두 고장이 발생하는 경우, 모터의 정상 구동 여부를 진단할 수 있는 오일펌프 모터 제어장치 및 그의 페일 세이프 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 오일펌프 모터 제어장치는 3상 BLDC 모터를 구동하는 모터 구동수단 및 상기 모터에 설치된 홀 센서의 감지신호에 기초해서 상기 홀 센서의 고장 발생 여부를 진단하고 상기 모터 구동수단의 구동을 제어하는 PWM 제어신호를 발생하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 모터에 마련된 전체 홀 센서의 고장 진단시 차량의 주행 상태에 기초해서 상기 모터를 강제 여자시켜 지속적으로 구동하도록 제어하며, 상기 모터의 전류값을 이용해서 상기 모터의 정상 동작 여부를 진단하고, 진단 결과에 기초해서 상기 모터의 구동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 오일펌프 모터 제어장치의 페일 세이프 방법은 (a) 구동전원을 공급받아 3상 BLDC 모터를 구동하는 단계, (b) 홀 센서에서 상기 모터 내부에 마련된 회전자의 위치를 감지해서 감지신호를 발생하는 단계, (c) 제어부에서 상기 홀 센서의 감지신호를 이용해서 고장 발생 여부를 진단하는 단계 및 (d) 상기 (c)단계의 고장 진단결과, 전체 홀 센서의 고장 진단시 차량의 주행 상태에 기초해서 상기 모터를 강제 여자시켜 지속적으로 구동하도록 제어하는 단계를 포함하고, 상기 제어부는 상기 (d)단계에서 모터의 전류값을 이용해서 상기 모터의 정상 동작 여부를 진단하고, 진단 결과에 기초해서 상기 모터의 구동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 오일펌프 모터 제어장치 및 그의 페일 세이프 방법에 의하면, 3상 BLDC 모터에 설치된 홀 센서의 감지신호를 이용해서 홀 센서의 고장을 진단하고, 고장 진단 결과에 따라 모터를 지속적으로 정상 구동하도록 제어할 수 있다는 효과가 얻어진다.
즉, 본 발명에 의하면, 홀 센서의 감지신호를 이용해서 홀 센서의 고장 발생 여부, 와이어의 단선 여부 및 홀 센서와 연결된 커넥터의 접촉 불량에 따른 고장 진단을 수행할 수 있다는 효과가 얻어진다.
그리고 본 발명에 의하면, 어느 하나 이상의 홀 센서의 고장 진단 시 나머지 홀 센서의 감지신호를 이용해서 홀 신호를 생성함으로써, 모터를 정상 구동할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 전체 홀 센서의 고장 진단시 차량의 주행 상태에 기초해서 강제 여자 신호를 발생해서 모터를 강제 여자 방식으로 지속적으로 구동함으로써, 오일펌프의 구동 중지로 인한 차량의 각 부품의 고장이나 손상을 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 강제 여자 방식으로 모터를 구동하는 과정에서 모터의 정상 동작 여부를 진단하고, 모터의 구동이 중지된 상태이면 강제 여자 방식에 의한 모터 구동을 중지하고, 오일펌프의 고장 상태를 통지하여 오일펌프의 고장으로 인한 변속기의 손상이나 고장을 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 홀 센서의 고장으로 인한 차량용 오일펌프의 구동 안정성을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 오일펌프 모터 제어장치의 블록 구성도,
도 2는 강제 여자 신호를 예시한 그래프,
도 3은 DC 모터에 대한 전기적인 등가회로를 보인 회로도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 오일펌프 모터 제어장치의 페일 세이프 방법을 단계별로 설명하는 흐름도,
도 5는 오일펌프 모터 제어장치의 타이밍 차트를 예시한 도면,
도 6은 모터의 구동사이클 1회 동안 제1 내지 제3 홀 센서의 감지신호 수신 여부에 따른 논리값을 예시한 도면,
도 7은 제3 홀 센서의 고장 진단시 오일펌프 모터 제어장치의 타이밍 차트를 예시한 도면,
도 8은 전체 홀 센서의 고장 상태시 모터의 구동을 제어하는 방법을 단계별로 설명하는 흐름도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 오일펌프 모터 제어장치 및 그의 페일 세이프 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 오일펌프 모터 제어장치는 하이브리드 차량의 변속기에 적용되는 오일펌프용 모터의 구동을 제어하는 것으로 설명한다.
그러나 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 3상 BLDC 모터가 적용되는 다양한 장치에 적용될 수 있음에 유의하여야 한다.
본 실시 예에서는 제1 내지 제3 홀 센서 중에서 어느 하나 이상의 고장 상태, BLDC 모터의 3상 와이어 중에서 어느 하나 이상의 단선 상태, 그리고 제1 내지 제3 홀 센서와 연결되는 커넥터의 접촉 불량 상태를 '홀 센서의 고장 상태'라 통칭한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 오일펌프 모터 제어장치의 블록 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 오일펌프 모터 제어장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 3상 BLDC 모터(10)를 구동하는 모터 구동수단(20), 모터(10)의 회전자 위치를 검출하는 위치 검출 센서(이하 '홀 센서'라 함)(11)의 감지신호에 기초해서 홀 센서(11)의 고장 발생 여부를 진단하고 모터 구동수단(20)의 구동을 제어하는 제어신호를 발생하는 제어부(30)를 포함한다.
제어부(30)는 모터(10)에 마련된 3개의 홀 센서(11)에 대해 각각 고장 발생 여부를 진단하고, 진단 결과에 따라 차량의 주행 상태에서 기초해서 모터(10)의 구동을 제어한다.
특히, 제어부(30)는 전체 홀 센서(11)의 고장으로 진단된 경우, 차량의 주행 상태에서 기초해서 모터(10)를 강제 여자시켜 모터(10)를 지속적으로 구동하도록 제어한다.
그리고 제어부(30)는 각 홀 센서(11)의 정상 상태시에는 홀 센서(11)의 감지신호에 따라 회전자의 위치를 판단하고, 판단된 회전자 위치에 따라 모터 스위칭 신호의 입력주기를 변동해서 모터(10)의 3상 중에서 2상을 순차적으로 여자시켜 구동하고, 전체 홀 센서(10)의 고장 진단시 모터(10)의 3상을 강제 여자시키도록 모터 구동수단(20)을 제어하는 총 6개의 PWM 제어신호를 발생할 수 있다.
또한, 제어부(30)는 전체 홀 센서(11)의 고장 상태시, 모터(10)를 강제 여자 방식으로 지속적으로 구동하고, 모터(10)의 전기자 전류를 이용해서 모터(10)의 정상 동작 여부를 진단한다.
그래서 제어부(30)는 모터(10)의 구동 상태를 진단한 결과를 차량에 메인 제어부로 전달하고, 만약 모터(10)의 구동이 중지된 상태인 경우에는 오일펌프 구동이 불가능한 상태임을 통지하고, 강제 여자 방식을 이용한 모터(10)의 구동을 중지하도록 제어할 수 있다.
본 실시 예에서 모터(10)는 2세대 하이브리드 차량에 마련되는 외장형 오일펌프(external oil pump) 구동용 모터로 마련될 수 있다.
따라서 상기 오일펌프는 전자식 오일펌프로 마련되고, 상기 2세대 하이브리드 차장에는 기계식 및 전자식 오일펌프가 함께 마련되는 기존 1세대 하이브리드 차량과 달리, 전자식 오일펌프만이 적용된다.
모터(10)에는 모터(10) 내부에 구비된 회전자(rotro)의 위치를 검출하는 제1 내지 제3 홀 센서(H1 내지 H3)가 설치된다.
제1 내지 제3 홀 센서(H1 내지 H3)는 각각 전기적으로 120°각도로 배치되고, 회전자의 위치에 따른 자기장의 변화를 감지하여 감지신호를 출력한다.
모터 구동수단(20)은 제어부(30)의 제어신호에 따라 상기 모터 스위칭 신호를 출력하는 게이트 드라이버(21) 및 상기 모터 스위칭 신호에 의해 구동전원을 스위칭하여 모터(10)를 구동하는 모터 구동부(22)를 포함할 수 있다.
즉, 본 실시 예에서는 홀 센서(11)의 정상 상태시 모터(10)를 구동하기 위한 2상 여자와 전체 홀 센서(11)의 고장 진단시 모터(10)를 구동하기 위한 3상 여자를 동시에 수행할 수 있도록, 종래의 모터 컨트롤러를 제거하고, 제어부(30)에서 홀 센서(11)의 고장 진단 여부에 따라 총 6개의 제어신호를 발생하여 모터(10)를 구동할 수 있다.
게이트 드라이버(21)는 상기 제어신호가 출력 또는 단속되도록 구비되는 스위칭 회로이다.
모터 구동부(22)는 3상 풀 브리지 회로(3-phase full bridge)로 구성되며, 하이 사이드(HIGH SIDE) 및 로우 사이드(LOW SIDE)에 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal-Oxid-Semiconductor Field Effect transistor)나 절연 게이트 쌍극성 트랜지스터(Insulaeed Gate Bipolar Transistor)로 구비되는 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
제어부(30)는 차량에 마련된 메인 제어부(도면 미도시)로부터 차량 엔진의 현재 RPM 및 모터(10)의 목표 RPM을 입력받아 모터(10)의 구동을 제어하는 PWM 제어신호로 출력할 수 있다.
그리고 제어부(30)는 제1 내지 제3 홀 센서(H1 내지 H3)로부터 감지신호를 전달받아 고장 발생 여부를 진단하고, 진단결과에 기초해서 모터(10)의 구동을 제어하는 PWM 제어신호를 출력할 수 있다.
이를 위해, 제어부(30)는 제1 내지 제3 홀 센서(H1 내지 H3)로부터 전달되는 감지신호를 이용해서 제1 내지 제3 홀 센서(H1 내지 H3)의 고장 발생 여부를 진단하는 고장 진단부(31) 및 제1 내지 제3 홀 센서(H1 내지 H3) 중에서 어느 하나 이상의 고장 발생시 나머지 홀 센서의 감지신호를 이용해서 홀 신호를 발생하며, 전체 홀 센서(11)의 고장 진단시 강제 여자 신호를 발생하는 신호 발생부(32)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 고장 진단부(31)는 제어부(30) 내부에 마련된 제1 타이머(33)를 업 카운팅(up counting)시켜 60°시간을 측정하고, 제1 타이머(33)의 값을 제2 타이머(34)에 복사해서 제2 타이머(34)를 다운 카운팅(down counting)해서 60°시간을 측정함으로써 제1 내지 제3 홀 센서(H1 내지 H3)의 고장 발생 여부를 진단할 수 있다.
여기서, 고장 진단부(31)는 제1 내지 제3 홀 센서(H1 내지 H3) 중에서 어느 하나 이상의 감지신호가 미리 설정된 구동 사이클(driving cycle) 동안 에러 발생 횟수가 미리 설정된 횟수, 예컨대 3회 감지되면 해당 홀 센서의 고장 진단을 확정할 수 있다.
또는, 고장 진단부(31)는 미리 설정된 시간, 예컨대 약 150msec 동안 연속적으로 에러가 감지되면 해당 홀 센서의 고장 진단을 확정할 수도 있다.
신호 발생부(32)는 고장 진단부(31)에서 전체 홀 센서(11)의 정상 상태로 진단되면, 전체 홀 센서(11)의 감지신호를 이용해서 모터(10)의 구동을 제어하도록 PWM 제어신호를 발생할 수 있다.
반면, 신호 발생부(32)는 고장 진단부(31)에서 제1 내지 제3 홀 센서(H1 내지 H3) 중에서 어느 하나 이상의 고장 진단이 확정되면, 나머지 홀 센서(11)의 감지신호를 이용해서 모터(10)의 구동을 제어하도록 PWM 제어신호를 발생할 수 있다.
한편, 제어부(30)는 제1 내지 제3 홀 센서(H1 내지 H3) 전체의 고장으로 진단되면, 차량의 주행 상태에 기초해서 모터(10)를 강제 여자시키도록 제어신호를 발생한다.
예를 들어, 상기 차량의 주행상태는 차량의 메인 제어부로부터 전달되는 오일펌프의 목표 RPM이나 부하 상태를 포함할 수 있다.
따라서 제어부(30)는 상기 목표 RPM이나 부하 상태에 따라 모터(10)의 고정자 코일에 공급되는 전류나 전압 레벨을 조절하여 모터(10)의 RPM을 가변하도록 제어할 수 있다.
이를 위해, 제어부(30)는 메모리에 목표 RPM이나 부하별로 제어신호의 전류나 전압 레벨을 매핑시켜 저장하고, 목표 RPM이나 부하에 대응되는 전류나 전압 레벨의 제어신호를 발생할 수 있다.
예를 들어, 도 2는 강제 여자 신호를 예시한 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(30)는 모터(10)를 강제 여자시켜 구동하는 경우, 3상의 정현파(SINE) 형태의 전압 레벨을 갖는 강제 여자 신호를 출력할 수 있다.
여기서, 상기 강제 여자 신호의 레벨과 주파수에 따라 모터(10)의 토크와 회전수가 결정된다.
일반적으로, RPM을 피드백 받는 시스템은 RPM이 부족한 경우, 전압 출력을 높이는 폐루프 시스템으로 구성된다.
그러나 전체 홀 센서(11)가 고장 상태인 경우에는 RPM을 피드백 받을 수 없기 때문에, 본 실시 예에서는 개루프 시스템 구성을 이용해서 모터(10)를 강제 여자시키도록 구성될 수 있다.
그리고 모터(10)와 연결된 오일펌프의 부하를 알지 못하는 상황에서 낮은 전압을 출력할 경우, 모터(10)가 회전하지 못한다.
이러한 문제점으로 인해, 대부분의 일반적인 시스템에서는 최대 전압으로 출력해서 모터(10)를 구동한다.
따라서 본 실시 예에서 제어부(10)는 차량의 메인 제어부로부터 목표 RPM이 수신되면, 아래의 수학식 1을 이용해서 모터(10)를 강제 여자시키기 위한 제어신호의 주파수를 계산하고, 계산된 주파수를 갖는 사인파 형태의 제어신호를 출력하도록 제어한다.
[수학식 1]
RPM = 60*(2/N)*f, f = RPM/(60*(2/N))
여기서, N은 모터의 극 수이다.
표 1은 전체 홀 센서 고장 시 목표 RPM과 오일 온도별 강제 여자 신호의 전압 테이블이다.
목표 RPM 오일 온도
-40℃ -30℃ -20℃ -10℃ -0℃ 10℃ 20℃ 30℃ 40℃
1000rpm 100V 90V 80V 70V 60V 50V 40V 30V 20V
2000rpm 110V 98V 86V 75V 65V 54V 44V 33V 22V
3000rpm 120V 106V 92V 80V 70V 58V 48V 36V 24V
4000rpm 140V 114V 98V 85V 75V 62V 52V 39V 26V
5000rpm 160V 122V 104V 90V 80V 66V 56V 42V 28V
모터(10)에 인가되는 전압이 클수록, 모터(10)의 토크는 커지나, 모터(10)의 RPM이 상승하면 동일한 전압이라도 토크는 떨어지게 된다. 그리고 오일펌프의 토크는 오일의 점도에 의해 결정되며, 오일의 점도는 오일의 온도와 유관하다.
따라서 제어부(30)는 상기한 오일펌프의 토크와 오일의 점도 및 온도의 관련성을 이용해서 표 1에 기재된 바와 같이, 모터(10)의 목표 RPM과 오일의 온도별 강제 여자 신호의 전압을 매핑한 테이블을 메모리에 저장하고, 저장된 테이블에 따라 강제 여자 신호를 출력해서 모터(10)의 구동을 제어한다.
여기서, 상기 테이블은 모터(10)와 연결된 오일펌프의 토크 특성을 최적화하기 위한 맵핑 작업을 수행하여 구성되고, 본 발명은 상기한 매핑 작업에 의해 구성된 테이블을 통해 최적화된 강제 여자 신호를 출력함에 따라, 홀 센서의 감지신호에 따라 모터를 구동하는 경우와 유사한 효율 성능을 얻을 수 있다. 물론, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기한 테이블을 이용하는 방식 이외에 다양한 방법으로 모터(10)를 강제 여자시키도록 변경될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 홀 센서의 감지신호를 제어부로 전달해서 홀 센서의 고장 발생 진단을 수행하고, 3개의 홀센서 모두 정상 상태이면, 홀 센서의 감지신호를 이용해서 모터의 회전속도 및 회전수를 산출하여 모터의 구동을 정밀하게 제어할 수 있다.
그리고 본 발명은 3개의 홀 센서 중에서 어느 하나 이상의 홀 센서의 고장 발생시 제어부에서 나머지 홀 센서의 감지신호를 이용해서 모터를 지속적으로 정상 구동하도록 제어할 수 있다.
이를 위해, 본 발명은 제어부에서 직접 모터를 구동하는 6개의 PWM 제어신호를 출력하여 모터 제어의 자유도를 높임으로써, 모터를 정상적으로 구동할 수 있다.
또한, 본 발명은 전체 홀 센서의 고장 상태인 경우, 차량의 주행 상태에 기초해서 강제 여자 신호를 이용해서 모터를 강제 여자시켜 지속적으로 구동함으로써, 모터의 구동 중단으로 인해 차량에 마련된 각 장치의 고장 및 손상을 방지할 수 있다.
한편, 아래의 수학식 1은 모터 전압 방정식이고, 도 3은 DC 모터에 대한 전기적인 등가회로를 보인 회로도이다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, V는 인가전압, L은 코일의 인덕턴스, R은 권선 저항, Ia는 정상 상태의 전기자 전류, i는 전기자 순시전류이다.
도 3에서, 모터의 역기전력 e는 아래의 수학식 2와 같이, 역기전력 상수(ke)와 자속(Φ) 및 각속도(ωr)의 곱으로 구성된다.
[수학식 2]
Figure pat00002
따라서, 동일한 전압을 공급하는 상황에서 각속도 성분이 없는 경우, 모터의 역기전력 e는 0이 되고, 동일한 권선 저항을 가진 상태이기 때문에 전류는 상승하게 된다.
이에 따라, 본 실시 예에서는 수학식 2를 응용해서 모터 강제 여자 방식으로 모터 구동 시 모터가 멈추면 각속도 성분이 없어지고, 전류는 상승하는지 여부를 이용해서 모터의 정상 동작 여부를 진단할 수 있다.
즉, 오일 펌프가 구동되는 환경에서 모터의 전류에 영향을 미치는 요소는 모터에 인가되는 전압, 회전 속도, 오일 온도가 있다.
여기서, 오일은 온도에 따라 점도가 변화되는 성질을 가지고, 오일의 점도 변화는 오일펌프의 토크 성분으로 작용한다.
이와 같이, 모터의 전류에 영향을 미치는 3가지 요소를 가변하는 실험을 통해, 각 영역별 최소 전류와 최대 전류를 3차원 맵으로 구성할 수 있다.
표 2 내지 표 4는 각각 오일 온도가 0 ℃ , 30℃, 120℃에서 최소 및 최대 전류 기준 테이블이다.
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
이와 같이, 본 발명은 모터 강제 여자 방식으로 모터 구동 시 실험치에 의해 3차원 맵으로 구성된 최소 및 최대 전류 기준을 이용하여 모터의 정상 동작 여부를 진단할 수 있다.
다음, 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 오일펌프 모터 제어장치의 페일 세이프 방법을 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 오일펌프 모터 제어장치의 페일 세이프 방법을 단계별로 설명하는 흐름도이다.
도 4의 S10단계에서, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 오일펌프 모터 제어장치는 차량의 이그니션 키(도면 미도시)가 온 조작되어 전원공급부(도면 미도시)로부터 구동전원을 공급받으면서 시작된다(S10).
제어부(30)는 차량의 오일펌프용 3상 BLDC 모터(10)를 구동하도록 PWM 제어신호를 발생하여 모터 구동수단(20)로 전달하고(S12), 모터 구동수단(20)는 PWM 제어신호에 따라 모터(10)에 인가되는 구동전원을 스위칭하여 모터(10)를 구동한다(S14).
이때, 모터(10)에 설치된 제1 내지 제3 홀 센서(H1 내지 H3)는 회전자의 위치에 따른 자기장의 변화를 감지하여 감지신호를 출력한다(S16).
S18단계에서 제어부(30)는 제1 내지 제3 홀 센서(H1 내지 H3)의 감지신호를 전달받고, 제1 내지 제3 홀 센서(H1 내지 H3)의 고장 발생 여부를 진단한다.
도 5는 오일펌프 모터 제어장치의 타이밍 차트를 예시한 도면이고, 도 6은 모터의 구동사이클 1회 동안 제1 내지 제3 홀 센서의 감지신호 수신 여부에 따른 논리값을 예시한 도면이다.
도 4에는 제1 내지 제3 홀 센서(H1 내지 H3)의 감지신호와 모터(10)의 RPM, 제1 및 제2 타이머(33,34)의 타임 카운팅 그래프가 도시되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 고장 진단부(31)는 제어부(30) 내부에 마련된 제1 타이머(33)를 업 카운팅(up counting)시켜 60°시간을 측정한 후, 제1 타이머(33)의 값을 제2 타이머(34)에 복사해서 제1 타이머(33)를 업 카운팅함과 동시에 제2 타이머(34)를 다운 카운팅(down counting)하여 60°시간을 측정하는 과정을 반복함으로써 제1 내지 제3 홀 센서(H1 내지 H3)의 고장 발생 여부를 진단할 수 있다.
상세하게 설명하면, 제1 내지 제3 홀 센서(H1 내지 H3)는 각각 전기적으로 120°각도로 설치됨에 따라, 제1 홀 센서(H1)의 감지신호와 제2 홀 센서(H2)의 감지신호는 120°에서 180°사이와 480°에서 540°사이의 600°구간에서 중첩된다.
마찬가지로, 제 1 및 제3 홀 센서(H1,H3)의 감지신호와 제2 및 제3 홀 센서(H2,H3)의 감지신호는 각각 0°에서 60°사이 구간과 240°에서 300°사이 구간에서 각각 중첩된다.
그래서 고장 진단부(31)는 제1 내지 제3 홀 센서(H1 내지 H3)의 감지신호의 수신 여부에 따라 도 5에 도시된 바와 같이, 모터(10)의 구동 사이클 1회마다 각각 60°간격으로 '101', '100', '110', '010', '011', '001'의 논리값으로 인식할 수 있다.
이에 따라, 고장 진단부(31)는 제1 내지 제3 홀 센서(H1 내지 H3)의 감지신호에서 모터(10)의 구동 사이클 1회 동안 에러 발생 횟수가 3회 감지되거나, 약 150msec 동안 연속적으로 에러가 감지되면 해당 홀 센서의 고장 진단을 확정할 수 있다.
S18단계의 진단 결과 전체 홀 센서(11)의 정상 상태이면, 신호 발생부(32)는 전체 홀 센서(11)의 감지신호를 이용해서 회전자의 위치를 판단하여 모터 스위칭 신호의 입력주기를 변동하고, 모터의 3상 중에서 2상을 여자하도록 순차적으로 PWM 제어신호를 출력한다(S20).
그러면, 게이트 드라이버(21)와 모터 구동부(22)는 PWM 제어신호와 모터 스위칭 신호에 따라 구동 전원을 스위칭하여 모터(10)를 정상적으로 구동한다.
한편, S18단계의 진단 결과 제1 내지 제3 홀 센서(H1 내지 H3) 중에서 어느 하나의 고장 진단이 확정되면(S22), 신호 발생부(32)는 도 6에 도시된 바와 같이, 나머지 정상 진단된 2개의 홀 센서(11)의 감지신호를 이용해서 모터(10)를 구동하도록, PWM 제어신호를 출력한다(S24).
이에 따라, 게이트 드라이버(21)와 모터 구동부(22)는 PWM 제어신호와 모터 스위칭 신호에 따라 구동 전원을 스위칭하여 모터(10)를 정상적으로 구동한다.
도 7은 제3 홀 센서의 고장 진단시 오일펌프 모터 제어장치의 타이밍 차트를 예시한 도면이다.
도 7에는 제3 홀 센서의 고장 진단시, 제1 및 제2 홀 센서의 감지신호를 이용해서 전체 홀 센서의 홀 신호를 생성한 결과 그래프가 도시되어 있다.
그리고 S18단계의 진단결과 2개의 홀 센서(11)가 고장 진단되면(S26), 제어부(30) 나머지 1개의 홀 센서에서 감지된 감지신호를 이용해서 모터(10)를 구동하도록 제어한다(S28).
그래서 제어부(30)는 S20단계, S24단계 및 S28단계를 수행한 후, S30단계에서 모터 구동 중지 명령이 입력되는지를 검사하고, 모터 구동 중지 명령이 입력될 때까지 S16단계 내지 S30단계를 반복 수행하도록 제어한다.
만약, S30단계의 검사결과 모터 구동중지 명령이 입력되면, 제어부(30)는 모터(10)의 구동을 중지시키도록 모터 제어신호를 발생하고, 오일펌프 모터 제어장치의 구동을 중지시킨 후 종료한다.
한편, S18단계의 진단결과 전체 홀 센서(11)가 고장 진단되면, 제어부(30)는 아래에서 설명할 도 8의 S40단계로 진행해서 차량의 주행 상태에 기초해서 모터(10)를 강제 여자시켜 모터(10)를 지속적으로 구동하도록 제어한다.
도 8은 전체 홀 센서의 고장 상태에서 모터의 강제 여자 구동하고, 모터의 정상 동작 여부를 진단하는 방법을 단계별로 설명하는 흐름도이다.
도 8의 S40단계에서 제어부(30)는 전체 홀 센서(11)가 고장 상태인 경우, 상기의 표 1에 기재된 바와 같이, 차량의 메인 제어부로부터 수신된 목표 RPM과 오일의 온도에 따라 강제 여자 신호의 전압 레벨을 변경해서 모터(10)의 3상에 강제 여자 신호를 출력함으로써, 모터(10)를 강제 여자 방식으로 구동하도록 제어한다.
이와 같이 모터(10)를 강제 여자 방식으로 구동하는 과정에서, 제어부(30)는 모터(10)의 전기자에 흐르는 전류값(이하 '모터 전류'라 약칭함)과 표 2 내지 표 4에 기재된 오일 온도와 모터의 회전속도(RPM) 및 인가전압별 최소 및 최대 전류 기준 테이블을 비교해서 모터(10)의 정상 동작 여부를 진단한다.
즉, S42단계에서 제어부(30)는 상기 모터 전류가 최소 전류 기준보다 큰지를 검사한다.
만약, S42단계의 검사결과 모터 전류가 최소 전류 기준보다 크면, S44단계에서 제어부(30)는 모터 전류가 최대 전류 기준보다 작은지를 검사한다.
그래서 S44단계의 검사결과 모터 전류가 최대 전류 기준보다 작으면, 제어부(30)는 모터(10)의 정상 구동 상태로 판단하고, 모터 미구동 상태 시간을 감소시킨다(S46).
이때, 제어부(30)는 기존에 카운팅된 모터 미구동 상태 시간을 모터 전류를 모니터링하는 단위시간, 예컨대 약 10㎳만큼 감산할 수 있다.
반면, S42단계의 검사결과 모터 전류가 최소 전류 기준 이하이거나, S44단계의 검사결과 코너 전류가 최대 전류 기준 이상이면, 제어부(30)는 모터(10)의 구동이 중지된 고장 상태로 판단한다.
이때, 제어부(30)는 모터 미구동 상태 시간을 상기 단위시간, 즉 약 10㎳만큼 증가시킬 수 있다(S48).
S50단계에서 제어부(30)는 카운팅된 모터 미구동 상태시간이 미리 설정된 설정시간보다 큰지를 검사한다.
상기 설정시간은 오일펌프의 미구동으로 인해 트랜스미션을 정상적으로 구동하기 어려운 상태를 판단하기 위해 실험치에 의해 설정될 수 있다.
예를 들어, 상기 설정시간은 모터 전류를 모니터링하는 단위시간이 10㎳인 경우, 약 4s로 설정될 수 있다.
그래서 S50단계의 검사결과 모터 미구동 상태시간이 상기 설정시간 이하이면, 제어부(30)는 강제 여자 방식으로 모터를 구동하도록 유지하고(S52), 도 4의 S30단계로 진행한다.
반면, SS50단계의 검사결과 모터 미구동 상태시간이 상기 설정시간을 초과하면, 제어부(30)는 강제 여자 방식에 의한 모터(10) 구동을 중지하고, 오일펌프의 고장 상태를 차량의 메인 제어부로 통지한다.
그래서 메인 제어부는 변속기 및 오일펌프를 보호하기 위해, 엔진과 변속기 사이의 연결을 해제하여 중립 상태로 변경하도록 제어한다.
이에 따라, 운전자는 오일펌프의 고장으로 인한 변속기의 손상이나 고장을 방지하고, 회피 운전이 가능하게 된다.
상기한 바와 같은 과정을 통해, 본 발명은 모터에 설치된 홀 센서의 감지신호를 이용해서 홀 센서의 고장 진단을 수행하고, 홀 센서의 고장 진단 시 나머지 홀 센서의 감지신호를 이용해서 모터를 정상 구동하며, 전체 홀 센서의 고장 진단시 강제 여자 방식으로 모터를 지속적으로 구동하도록 제어할 수 있다.
그리고 본 발명은 강제 여자 방식으로 모터를 구동하는 과정에서 모터의 정상 동작 여부를 진단하고, 모터의 구동이 중지된 상태이면 강제 여자 방식에 의한 모터 구동을 중지하고, 오일펌프의 고장 상태를 통지하여 오일펌프의 고장으로 인한 변속기의 손상이나 고장을 방지할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 모터에 설치된 홀 센서의 감지신호를 이용해서 홀 센서의 고장 진단을 수행하고, 홀 센서의 고장 진단 시 나머지 홀 센서의 감지신호를 이용해서 모터를 정상 구동하며, 전체 홀 센서의 고장 진단시 강제 여자 방식으로 모터를 지속적으로 구동하고, 모터의 정상 동작 여부를 진단한 결과에 따라 모터의 구동을 제어하는 오일펌프 모터 제어장치 기술에 적용된다.
10: 모터 11: 홀 센서
20: 모터 구동수단 21: 게이트 드라이버
22: 모터 구동부
30: 제어부 31: 고장진단부
32: 신호 발생부 33,34: 제1, 제2 타이머
H1 내지 H3: 제1 내지 제3 홀 센서

Claims (6)

  1. 3상 BLDC 모터를 구동하는 모터 구동수단 및
    상기 모터에 설치된 홀 센서의 감지신호에 기초해서 상기 홀 센서의 고장 발생 여부를 진단하고 상기 모터 구동수단의 구동을 제어하는 PWM 제어신호를 발생하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 모터에 마련된 전체 홀 센서의 고장 진단시 차량의 주행 상태에 기초해서 상기 모터를 강제 여자시켜 지속적으로 구동하도록 제어하며, 상기 모터의 전류값을 이용해서 상기 모터의 정상 동작 여부를 진단하고, 진단 결과에 기초해서 상기 모터의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 오일펌프 모터 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 전체 홀 센서의 정상 상태 시, 각 홀 센서의 감지신호를 이용해서 회전자의 위치를 판단하여 모터 스위칭 신호의 입력 주기를 변동해서 상기 모터 구동수단의 모터 구동부로 전달하고,
    전체 홀 센서 중에서 어느 하나 이상의 고장 진단 시에는 나머지 홀 센서를 이용해서 모터를 구동하도록 상기 모터 구동부에 상기 모터 스위칭 신호를 출력하며,
    전체 홀 센서의 고장 진단시, 모터의 각 상에 강제 여자 신호를 출력해서 상기 모터 구동부로 전달하고,
    상기 강제 여자 방식으로 모터 구동시, 모터의 전기자에 흐르는 전류값과 미리 설정된 최소 및 최대 전류 기준 테이블을 비교하며, 비교 결과 상기 전류값이 정상 범위를 벗어난 경우, 상기 강제 여자 방식에 의한 모터 구동을 중지하고, 차량의 메인 제어부에 오일펌프의 고장 상태를 통지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 오일펌프 모터 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 테이블은 상기 전류값에 영향을 미치는 오일 온도와 모터의 회전속도 및 인가전압별로 실험치에 의해 설정되는 최소 및 최대 전류를 3차원 맵으로 구성되는 것을 특징으로 하는 오일펌프 모터 제어장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 홀 센서는 전기적으로 120°각도로 설치되는 제1 내지 제3 홀 센서로 마련되고,
    상기 제어부는 상기 제1 내지 제3 홀 센서로부터 전달되는 감지신호를 이용해서 제1 내지 제3 홀 센서의 고장 발생 여부를 진단하는 고장 진단부 및
    상기 제1 내지 제3 홀 센서 중에서 어느 하나의 고장 발생시 나머지 홀 센서의 감지신호를 이용해서 상기 PWM 제어신호를 발생하며, 전체 홀 센서의 고장 진단시 상기 강제 여자 신호를 발생하는 신호 발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 오일펌프 모터 제어장치.
  5. (a) 구동전원을 공급받아 3상 BLDC 모터를 구동하는 단계,
    (b) 홀 센서에서 상기 모터 내부에 마련된 회전자의 위치를 감지해서 감지신호를 발생하는 단계,
    (c) 제어부에서 상기 홀 센서의 감지신호를 이용해서 고장 발생 여부를 진단하는 단계 및
    (d) 상기 (c)단계의 고장 진단결과, 전체 홀 센서의 고장 진단시 차량의 주행 상태에 기초해서 상기 모터를 강제 여자시켜 지속적으로 구동하도록 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 (d)단계에서 모터의 전류값을 이용해서 상기 모터의 정상 동작 여부를 진단하고, 진단 결과에 기초해서 상기 모터의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 오일펌프 모터 제어장치의 페일 세이프 방법.
  6. 제항에 있어서, 상기 (d)단계는
    (d1) 상기 제어부에서 전체 홀 센서의 고장 진단시, 차량의 메인 제어부로부터 전달되는 오일펌프의 목표 RPM이나 부하 상태에 기초해서 상기 목표 RPM이나 부하별로 상기 강제 여자 신호의 전압 레벨을 매핑시킨 테이블을 메모리에 저장하고, 상기 목표 RPM이나 부하에 따라 대응되는 3상 정현파 형태의 전압 레벨을 갖는 강제 여자 신호를 발생하는 단계 및
    (d2) 상기 강제 여자 방식으로 구동되는 모터의 전기자에 흐르는 전류값과 미리 설정된 최소 및 최대 전류 기준 테이블을 비교한 결과 상기 전류값이 정상 범위를 벗어난 경우, 상기 강제 여자 방식에 의한 모터 구동을 중지하고, 차량의 메인 제어부에 오일펌프의 고장 상태를 통지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오일펌프 모터 제어방법.
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