KR20210014327A - 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치 - Google Patents

전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치가 개시된다. 본 발명의 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치는, 3상 전원으로 변환하여 구동모터를 구동시키는 인버터와 구동모터의 입력단 각 상별로 설치되는 상차단 스위치; 제어장치로부터 구동신호를 입력받아 상차단 스위치를 구동시키는 게이트 구동부; 및 게이트 구동부의 출력단과 상차단 스위치의 출력단에서 구동모터의 역기전력을 순환시키는 전류 순환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치{APPARATUS FOR OPERATING PHASE CUT SWITCH IN MOTOR DRIVEN POWER STEERING APPARATUS}
본 발명은 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전동식 조향장치의 이중화 구동 시 고장 난 플랫폼을 차단하기 위한 상차단(phase cut) 스위치의 안정적인 구동과 차단된 구동모터에 저장된 전류에 의한 소손을 방지하기 위한 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치에 관한 것이다.
일반적으로, 차량의 운전석 전방에는 조향휠이 설치되고, 조향휠의 회전축에는 조향축이 연결되어, 운전자가 조향휠을 회전시킴에 따라 조향휠의 회전축이 회전되면서 조향축이 회전 및 차량의 전륜이 좌우로 회동되어 차량의 주행방향을 전환시키는 조향시스템이 구비되어 있다.
이러한 조향시스템에 있어서, 운전자가 조향휠을 회전시키는 회전력을 조향축에 직접 전달하여 조향시킬 경우에 운전자가 조향휠을 회전시키는데 많은 힘이 요구된다.
이에, 운전자의 조향 조작 시에 드는 힘을 경감시키고자, 조향휠 조작 시의 유압 액츄에이터를 이용한 유압식 조향 시스템이 상용화되어 있다.
유압식 조향시스템을 포함하는 기존의 조향시스템은 조향휠과 타이어가 기계적으로 연결되어 있는 기계적인 시스템으로서, 차량 충돌 시 조향휠에 연결된 조향축이 돌출됨으로 인해 운전자의 상해 위험이 증가하며, 유압식 조향시스템의 유압 액추에이터가 엔진의 힘을 이용함으로써 엔진의 출력을 감소시키고 조향력을 증폭할 수 있는 힘이 제한적이며 유압기구와 부품수가 많아 그 구조가 복잡한 단점들이 있다.
이에, 최근에는 차량의 조향계통에 전동 액추에이터를 설치하고, 운전자가 조향휠을 회전시킴에 따라 전동 액추에이터가 구동되면서 차량의 전륜이 좌우로 회동되게 하여 차량의 주행방향을 조향시키는 전동식 조향장치(Motor Driven Power Steering, MDPS)가 적용되고 있다.
이러한, 전동식 조향장치는 조향휠에 입력되는 운전자의 조향토크를 측정하는 토크센서, 조향휠의 조향각을 측정하는 조향각 센서 및 차속을 측정하는 차속센서 등을 구비하여 차량의 주행 조건을 판단하여 모터와 같은 구동 액추에이터로 공급하는 전류를 조절하면서 조향한다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2011-0007766호(2011.01.25. 공개, 전동식 파워스티어링 시스템에서의 모터 릴레이 제어 장치 및 방법)에 개시되어 있다.
이러한 전동식 조향장치의 모터를 구동하거나 스위칭하기 위해서는 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)/IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 전력용 반도체 소자에 의한 인버터를 채용하고 있다.
최근에는 안정성을 강화하기 위해 전동식 조향장치의 경우에도 이중화(redundancy)로 구현되고 있어 두 개의 플랫폼 중 한 개의 플랫폼이 고장 날 경우, 고장 난 플랫폼을 완전히 차단하는 게 중요하게 된다. 이때 완전히 차단되지 않을 경우 고장 난 플랫폼의 역기전력이 발생하여 리던던시(redundancy) 플랫폼이 정상적으로 작동되지 않을 수 있다.
이때 고장 난 플랫폼을 차단하기 위해 일반적으로 MOSFET의 상차단(phase cut) 스위치를 사용하고 있으나, 긴급상황에서 상차단 스위치를 작동시켜 모터 코일 에너지를 차단시켰을 때 저장된 에너지에 의해 상차단 스위치가 소손될 수 있어 저장된 에너지를 순환시켜 상차단 스위치를 보호할 필요성이 있다.
본 발명은 상기와 같은 필요성에 의해 안출된 것으로, 일 측면에 따른 본 발명의 목적은 전동식 조향장치의 이중화 구동 시 고장 난 플랫폼을 차단하기 위한 상차단(phase cut) 스위치의 안정적인 구동과 차단된 구동모터에 저장된 전류에 의한 소손을 방지하기 위한 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치는, 3상 전원으로 변환하여 구동모터를 구동시키는 인버터와 구동모터의 입력단 각 상별로 설치되는 상차단 스위치; 제어장치로부터 구동신호를 입력받아 상차단 스위치를 구동시키는 게이트 구동부; 및 게이트 구동부의 출력단과 상차단 스위치의 출력단에서 구동모터의 역기전력을 순환시키는 전류 순환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상차단 스위치는, 입력단이 인버터와 연결되고, 출력단이 구동모터와 연결되며, 구동단이 게이트 구동부와 연결된 MOSFET 구조의 스위치인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 전류 순환부는, 상차단 스위치의 구동단과 구동모터의 입력단 사이에 매개되는 제1 저항; 상차단 스위치의 구동단과 게이트 구동부의 출력단 사이에 매개되는 제2 저항; 및 상차단 스위치의 구동단과 접지사이에 매개되는 프리휠링 다이오드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 게이트 구동부는, 제어장치로부터 입력되는 구동신호의 레벨을 상승시키는 레벨 쉬프트부; 레벨 쉬프트부로부터 구동신호를 입력받아 상차단 스위치에 구동전압을 공급하는 출력부; 및 배터리 전압을 입력받아 차지펌핑하여 출력부에 작동전압을 공급하는 차지펌핑부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 출력부는, 상차단 스위치의 출력단 전압에 대비하여 차지펌핑부의 작동전압을 입력받아 상차단 스위치에 구동전압을 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치는 전동식 조향장치의 이중화 구동 시 고장 난 플랫폼을 차단하기 위한 상차단(phase cut) 스위치의 안정적인 구동과 차단된 구동모터에 저장된 전류에 의한 소손을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치를 나타낸 회로 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치에서 전류순환 상태를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치를 나타낸 회로 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치에서 전류순환 상태를 나타낸 도면이다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치는, 상차단 스위치(20), 게이트 구동부(40) 및 전류 순환부(50)를 포함할 수 있다.
상차단 스위치(20)는 모터 구동전압을 3상 전원으로 변환하여 구동모터(30)를 구동시키는 인버터(10)와 구동모터(30)의 입력단 각 상별로 설치되어 인버터(10)의 불안정한 전류가 구동모터(30)에 공급되지 않도록 차단할 수 있다.
여기서, 상차단 스위치(20)는 입력단이 인버터(10)와 연결되고, 출력단이 구동모터(30)와 연결되며, 구동단이 게이트 구동부(40)와 연결된 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor) 구조의 스위치인 것이 바람직하다.
게이트 구동부(40)는 제어장치(미도시)로부터 구동신호를 입력받아 상차단 스위치(20)를 구동시킬 수 있다.
여기서, 게이트 구동부(40)는 레벨 쉬프트부(44), 출력부(46) 및 차지펌핑부(42)를 포함할 수 있다.
레벨 쉬프트부(44)는 제어장치로부터 입력되는 레벨이 낮은 구동신호의 레벨을 상승시켜 출력부(46)로 출력한다.
출력부(46)는 레벨 쉬프트부(44)로부터 레벨이 상승된 구동신호를 입력받아 상차단 스위치(20)에 구동전압을 공급하여 상차단 스위치(20)를 구동시킨다.
여기서, 출력부(46)는 상차단 스위치(20)의 출력단 전압에 대비하여 차지펌핑부(42)의 작동전압을 입력받아 상차단 스위치(20)에 구동전압을 공급할 수 있다.
차지펌핑부(42)는 배터리 전압(B+)을 입력받아 차지펌핑하여 출력부(46)에 작동전압을 공급하여 출력부(46)가 안정적으로 구동전압을 공급할 수 있도록 함으로써, 상차단 스위치(20)가 안정적으로 구동되도록 할 수 있다.
전류 순환부(50)는 게이트 구동부(40)의 출력단과 상차단 스위치(20)의 출력단에서 구동모터(30)의 역기전력을 순환시킴으로써, 상차단 스위치(20)가 구동모터(30)에 저장된 에너지에 의해 소손되는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 전류 순환부(50)는 상차단 스위치(20)의 구동단과 구동모터(30)의 입력단 사이에 매개되는 제1 저항(R1), 상차단 스위치(20)의 구동단과 게이트 구동부(40)의 출력단 사이에 매개되는 제2 저항(R2) 및 상차단 스위치(20)의 구동단과 접지사이에 매개되는 프리휠링 다이오드(D1)를 포함할 수 있다.
따라서 도 2에 도시된 바와 같이 제1 저항(R1)은 상차단 스위치(20)가 턴 온된 상태에서는 구동단과 출력단 사이의 전압을 유지하는 기능을 수행하며, 턴 오프된 상태에서는 구동단에 걸리는 전압이 출력단으로 빠져나가는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 인버터(10)에 문제가 발생하여 상차단 스위치(20)를 오프시켰을 경우에는 출력단의 전압이 (-) 전압으로 낮아지면서 접지로부터 프리휠링 다이오드(D1)와 제1 저항(R1)을 통해 전류패스가 형성되고, 상차단 스위치(20)의 구동단과 출력단이 턴 온되면서 전류를 순환시키게 된다.
여기서, 제2 저항(R2)은 상차단 스위치(20)가 턴 온/오프될 때 지연시켜주는 기능을 하여 노이즈를 감소시킬 수 있다.
이와 같은 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치는 정상상태인 경우, 제어장치에서 출력되는 구동신호에 의해 상차단 스위치(20)를 턴 온시켜 인버터(10)에서 출력되는 모터 구동전압을 통해 구동모터(30)가 구동될 수 있도록 한다.
반면, 인버터(10)에 고장이 발생하여 불완전 전류제어가 이루어질 경우, 제어장치는 구동신호를 통해 상차단 스위치(20)를 턴 오프시키기 위한 구동신호를 출력하게 된다.
이때 상차단 스위치(20)가 턴 오프되기 전 전류 흐름이 구동모터(30)에서 인버터(10) 방향으로 흐르던 상태인 경우에는, 구동모터(30)에 저장된 코일 에너지가 상차단 스위치(20)의 바디 다이오드를 통해 흐르게 되어 구동모터(30)의 코일에 남아있는 에너지가 소진된다.
한편, 상차단 스위치(20)가 턴 오프되기 전 전류 흐름이 인버터(10)에서 구동모터(30) 방향으로 흐르던 상태인 경우에는, 상차단 스위치(20)가 턴 오프되면서 상차단 스위치(20)의 출력단 전압이 감소하면서 전류 순환부(50)의 프리휠링 다이오드(D1)와 제1 저항(R1)을 통해 전류 패스가 형성되면서 상차단 스위치(20)의 구동단과 출력단 사이가 턴 온되면서 구동모터(30)의 코일에 남아있는 에너지가 소진되면서 상차단 스위치(20)의 소손을 방지하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치에 따르면, 전동식 조향장치의 이중화 구동 시 고장 난 플랫폼을 차단하기 위한 상차단(phase cut) 스위치의 안정적인 구동과 차단된 구동모터에 저장된 전류에 의한 소손을 방지할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 인버터 20 : 상차단 스위치
30 : 구동모터 40 : 게이트 구동부
42 : 차지 펌핑부 44 : 레벨 쉬프트부
46 : 출력부 50 : 전류 순환부

Claims (5)

  1. 3상 전원으로 변환하여 구동모터를 구동시키는 인버터와 구동모터의 입력단 각 상별로 설치되는 상차단 스위치;
    제어장치로부터 구동신호를 입력받아 상기 상차단 스위치를 구동시키는 게이트 구동부; 및
    상기 게이트 구동부의 출력단과 상기 상차단 스위치의 출력단에서 상기 구동모터의 역기전력을 순환시키는 전류 순환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 상차단 스위치는, 입력단이 상기 인버터와 연결되고, 출력단이 상기 구동모터와 연결되며, 구동단이 상기 게이트 구동부와 연결된 MOSFET 구조의 스위치인 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 전류 순환부는,
    상기 상차단 스위치의 구동단과 상기 구동모터의 입력단 사이에 매개되는 제1 저항;
    상기 상차단 스위치의 구동단과 상기 게이트 구동부의 출력단 사이에 매개되는 제2 저항; 및
    상기 상차단 스위치의 구동단과 접지사이에 매개되는 프리휠링 다이오드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 게이트 구동부는,
    상기 제어장치로부터 입력되는 상기 구동신호의 레벨을 상승시키는 레벨 쉬프트부;
    상기 레벨 쉬프트부로부터 상기 구동신호를 입력받아 상기 상차단 스위치에 구동전압을 공급하는 출력부; 및
    배터리 전압을 입력받아 차지펌핑하여 상기 출력부에 작동전압을 공급하는 차지펌핑부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 출력부는, 상기 상차단 스위치의 출력단 전압에 대비하여 상기 차지펌핑부의 작동전압을 입력받아 상기 상차단 스위치에 구동전압을 공급하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치에서의 상차단 스위치의 구동장치.
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