KR20220007974A - Dc 연료펌프의 센서리스 제어장치 - Google Patents

Dc 연료펌프의 센서리스 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래의 DC 연료펌프의 제어장치보다 소형화할 수 있고, 상대적으로 저렴한 비용으로 동일한 동작을 구현할 수 있는 DC 연료펌프의 센서리스 제어장치에 관한 것으로, 모터의 전원단의 입력전압을 측정하는 측정부, 상기 측정부에서 측정된 입력전압에 포함된 DC성분을 제거한 제1전압을 출력하는 제1제거부, 상기 제1전압에서 스위칭 성분을 제거하고, 스위칭 성분이 제거된 신호를 증폭시켜 제2전압을 출력하는 제2제거부, 상기 제2전압을 일정정도 지연시킨 지연전압을 출력하는 지연부, 상기 제2전압과 상기 지연전압을 비교하여 구형파를 생성하는 구형파 생성부 및 상기 구형파의 주기를 카운팅하여 상기 모터의 RPM을 연산하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

DC 연료펌프의 센서리스 제어장치{Sensorless control device for DC fuel pump}
본 발명은 DC 연료펌프의 센서리스 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로 자동차에는 연료탱크 내의 연료를 압송하여 엔진측으로 공급할 수 있도록 연료펌프가 설치된다. 연료펌프는 연료탱크 내부에 수용된 연료에 잠기도록 설치될 수 있으며, 연료펌프에 구비된 임펠러를 구동시키기 위해, 임펠러와 DC모터가 결합되어 일체로 형성된다.
DC 연료펌프에 포함되는 DC모터의 RPM을 측정하는 방법으로, DC모터의 동작시 발생하는 리플(ripple)을 감지하는 방법이 있다. 보다 상세히, 종래 DC모터의 동작시 발생하는 리플은 소정 전압을 기준으로 상하로 반복되는 파형을 나타내는데, 종래 방법은 이 리플을 평활화 시키고, 리플이 기준 전압보다 커지거나 작아지는 횟수를 카운팅하여 DC모터의 RPM을 측정한다.
종래 이러한 DC모터의 RPM을 측정하는 방식은 리플을 평활화하는 회로 및 전류센서가 필요함으로써, DC 연료펌프가 상대적으로 복잡한 구조를 가지게 되고, 경제성 또한 저하되는 등의 문제점이 있었다.
한국 등록특허공보 제10-1975831호("영구자석형 동기모터 구동식 연료펌프". 공고일 2019.05.08.)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명에 의한 DC 연료펌프의 센서리스 제어장치의 목적은, 보다 간략화된 제어장치를 제공함으로써, 상대적으로 저비용으로 DC 모터의 RPM을 측정 및 제어할 수 있는 DC 연료펌프용 센서리스 제어장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 DC 연료펌프의 센서리스 제어장치는, DC 연료펌프에 포함되는 모터의 전원단의 입력전압을 측정하는 측정부, 상기 측정부에서 측정된 입력전압에 포함된 DC성분을 제거한 제1전압을 출력하는 제1제거부, 상기 제1전압에서 스위칭 성분을 제거하고, 스위칭 성분이 제거된 신호를 증폭시켜 제2전압을 출력하는 제2제거부, 상기 제2전압을 일정정도 지연시킨 지연전압을 출력하는 지연부, 상기 제2전압과 상기 지연전압을 비교하여 구형파를 생성하는 구형파 생성부 및 상기 구형파의 주기를 카운팅하여 상기 모터의 RPM을 연산하는 연산부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 연산부에서 연산된 상기 모터의 RPM과 목표 RPM을 비교하여, 상기 모터와 연결된 스위치들을 제어해, 상기 모터의 RPM을 상기 목표 RPM으로 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2제거부는 밴드 패스 필터(Band pass filter) 또는 하이 패스 필터(High pass filter)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2제거부는 상기 밴드 패스 필터 또는 상기 하이 패스 필터의 후단에 배치되어 입력되는 신호를 증폭하여 출력하는 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 지연부는, 비교기(Comparator)를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의한 DC 연료펌프의 센서리스 제어장치는, 제1제거부와 제2제거부 각각에서 입력전압에 포함되는 DC 성분과 스위칭 성분을 제거한 후, 제거한 신호를 이용하여 모터의 RPM을 측정하므로, 종래 리플을 평활화하는 회로가 필요하지 않아, 본 발명의 다양한 실시예에 의한 제어장치 소형화할 수 있고, 경제성 또한 개선할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 DC 연료펌프의 센서리스 제어장치의 블록도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 DC 연료펌프의 센서리스 제어장치의 측정부에서 측정된 입력전압과 제1제거부에서 DC성분이 제거된 상태로 출력되는 제1전압의 파형.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 DC 연료펌프의 센서리스 제어장치의 제2제거부에서 스위칭 성분이 제거된 상태로 출력되는 제2전압, 지연부에서 출력되는 지연전압 및 구형파 생성부에서 출력되는 구형파의 파형.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 DC 연료펌프의 센서리스 제어장치의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 DC 연료펌프의 센서리스 제어장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 DC 연료펌프의 센서리스 제어장치는 차량에 설치되는 DC 연료펌프(Fuel pump)에 적용될 수 있다. DC 연료펌프는 연료를 토출시키는 펌프(20)와, 상기 펌프에 연결되어 상기 펌프를 동작시키는 DC모터(10)와, DC모터(10)에 직류 전원을 공급하는 전원(30)을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 DC 연료펌프의 센서리스 제어장치는 측정부(100), 제1제거부(210), 제2제거부(220), 지연부(300), 구형파 생성부(400), 연산부(500) 및 제어부(600)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 측정부(100)는 전원(30)에서 DC모터(10)(제어부(600)를 통해)로 인가되는 입력전압을 측정한다. 측정부(100)에서 측정하는 입력전압은 특정 파형의 신호로 출력될 수 있다. 측정부(100)는 입력전압을 검출하는 회로를 포함할 수 있으며, 도 1을 기준으로 P1지점에서 전원(30)에서 DC모터(10)로 인가되는 입력전압을 측정한다. P1지점에서의 입력전압에는 전원(30)에서 DC모터(10)로 인가되는 DC성분과 DC모터(10)의 구동에 따른 리플(ripple)과, DC모터(10)의 스위칭 성분(AC성분)이 혼합되어 있는 상태이며, 따라서 측정부(100)에서 측정되는 파형에는 직류전압, 리플 및 스위칭 성분(AC성분)이 함께 나타난다.
제1제거부(210)는 측정부(100)에서 측정된 입력전압에서 DC성분을 제거하여 출력한다. 본 발명의 일실시예에 의한 DC 연료펌프의 센서리스 제어장치에서 제1제거부(210)는 다양한 방법을 이용해 DC성분을 제거할 수 있다. 제1제거부(210)에서 DC성분의 제거를 위하여 사용하는 방법은, AC-커플링(AC-coupling)기법을 사용하거나, 특정 대역의 주파수 성분의 통과를 제한하는 방법을 사용할 수 있다.
제1제거부(210)는 AC-커플링 기법을 활용하기 위하여 커패시터를 포함하거나, 특정 대역의 주파수 성분의 통과를 제한하기 위해 로우 패스 필터(Low pass filter)를 포함할 수 있다. 또한, 제1제거부(210)는 상술한 AC-커플링 기법 및 특정 대역의 주파수 성분의 통과를 제한하는 방법 이외의 방법을 사용하기 위해 DC-피드백 회로를 포함할 수 있다. 설명의 편의상 제1제거부(210)에서 입력전압에 포함된 DC성분을 제거한 후, 출력하는 전압을 제1전압라고 한다.
도 2는 측정부(100)에서 측정한 입력전압(I)의 파형과, 제1제거부(210)에서 출력되는 제1전압(I1)의 파형을 각각 도시한 것이다.
이상적인 직류의 경우, 도 2에 도시된 그래프에서 일정한 높이의 직선으로 표현할 수 있기 때문에, 도 2에 도시된 바와 같이 제1제거부(210)가 입력전압(I)에서 DC성분을 제거한 제1전압(I1)의 경우, 입력전압(I)에서 일정 정도 낮아진 파형인 것을 확인할 수 있다. 제1제거부(210)가 입력전압(I)에서 DC성분만을 제거했기 때문에, 제1전압(I1)에는 리플 성분과 스위칭 성분만이 존재하는 상태이다.
제2제거부(220)는 제1전압(I1)에서 스위칭 성분을 제거한 후, 해당 전압을 증폭시킨다. 일반적으로 DC모터의 스위칭 성분의 경우 상대적으로 높은 주파수 대역을 가지므로, 제2제거부(220)는 제1전압(I1)에 포함된 스위칭 성분을 제거하기 위해, 밴드 패스 필터(Band pass filter) 및 하이 패스 필터(High pass filter) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 제2제거부(220)는 밴드 패스 필터 및 하이 패스 필터를 통해, 주파수가 15kHz~20kHz인 성분의 통과를 제한하는데, 이는 15kHz~20kHz 주파수가 모터의 스위칭 성분의 주파수이기 때문이다. 단, 본 발명은 제2제거부(220)에서 제거하는 스위칭 주파수 대역을 상술한 15kHz~20kHz에 한정하는 것은 아니며, 다른 주파수 대역의 스위칭 주파수 성분을 제거할 수 있다.
제2제거부(220)에 포함되는 필터를 통해 스위칭 성분을 제거하게 되면, 리플 성분만이 출력된다. 일반적으로 리플 성분은 매우 작은 진폭을 가지기 때문에, 리플을 카운팅하거나 리플을 이용하여 다른 신호를 만들어내는 것이 어려울 수 있다. 따라서 본 발명의 제2제거부(220)는 스위칭 주파수 성분이 제거되어 출력된 리플 성분을 증폭하여 출력한다. 설명의 편의상 제2제거부(220)에서 최종적으로 출력되는 전압을 제2전압(I2)라 한다. 제2제거부(220)는 필터에서 필터링된 리플 성분을 증폭시키기 위하여, 증폭기(Amplifier)를 더 포함할 수 있다.
지연부(300)는 제2제거부(220)에서 출력되는 제2전압(I2)를 일정정도 지연시킨 지연전압을 출력한다. 여기서 지연이란, 제2전압(I2)의 위상을 지연시켜, 제2전압(I2)와 지연전압이 서로 엇갈리도록 하는 것을 의미한다.
도 3은 제2전압(I2)와 지연전압(I_delay)의 파형을 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제2전압(I2)와 지연전압(I_delay)는 사인파와 같이 특정 파형이 반복되기 때문에, 제2전압(I2)의 1주기를 기준으로, 제1구간(W1)에서는 제2전압(I2)가 지연전압(I_delay)보다 높은 값을 가지고, 제2구간(W2)에서는 제2전압(I2)가 지연전압(I_delay)보다 낮은 값을 가지게 된다. 즉, 제1구간(W1)과 제2구간(W2)은 일정 주기를 기준으로 규칙적으로 반복적으로 나타나게 된다.
구형파 생성부(400)는 제2전압(I2)와 지연전압(I_delay)를 비교하여 구형파를 생성한다. 구형파 생성부(400)는 상술한 바와 같은 동작을 위해, 비교기(Comparator)를 포함할 수 있으며, 비교기를 포함하는 구형파 생성부(400)는 제2전압(I2)가 지연전압(I_delay)보다 높은 값을 가질 때에는 하이(High)를, 제2전압(I2)가 지연전압(I_delay)보다 낮은 값을 가질 때에는 로우(Low)를 출력함으로써, 구형파를 생성한다. 도 3의 지연전압(I_delay)의 하부에는 구형파 생성부(400)에 의해 형성된 구형파가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 구형파의 주기는 제2전압(I2)의 주기와 동일하므로, 기준시간(RPM의 경우 1분)동안 구형파가 몇 회 반복되는지를 카운팅하면, 현재 DC모터(10)의 RPM을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명의 연산부(500)는 기준시간동안 구형파의 주기를 카운팅하여, 현재 DC모터(10)의 RPM을 연산한다.
제어부(600)는 연산부(500)에서 연산된 RPM 정보를 통해 현재 동작중인 DC모터(10)의 RPM을 확인할 수 있으며, 연산된 RPM정보를 이용해 DC모터(10)의 RPM을 제어할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 의한 DC 연료펌프의 센서리스 제어장치에 의하면, 종래의 방식과 비교했을 때, 리플을 평활화하는 회로가 없어도 리플을 이용해 현재 모터의 RPM을 확인할 수 있으므로, 종래 방식의 제어장치보다 소형화할 수 있고, 경제성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10 : DC모터
20 : 펌프
30 : 전원
100 : 측정부
210 : 제1제거부
220 : 제2제거부
300 : 지연부
400 : 구형파 생성부
500 : 연산부
600 : 제어부

Claims (5)

  1. DC 연료펌프에 포함되는 DC모터의 전원단의 입력전압을 측정하는 측정부;
    상기 측정부에서 측정된 입력전압 포함된 DC성분을 제거한 제1전압을 출력하는 제1제거부;
    상기 제1전압에서 스위칭 성분을 제거하고, 스위칭 성분이 제거된 신호를 증폭시켜 제2전압을 출력하는 제2제거부;
    상기 제2전압을 일정정도 지연시킨 지연신호를 출력하는 지연부;
    상기 제2전압과 상기 지연신호를 비교하여 구형파를 생성하는 구형파 생성부; 및
    상기 구형파의 주기를 카운팅하여 상기 DC모터의 RPM을 연산하는 연산부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 연료펌프의 센서리스 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연산부에서 연산된 상기 모터의 RPM과 목표 RPM을 비교하여, 상기 모터와 연결된 스위치들을 제어해, 상기 모터의 RPM을 상기 목표 RPM으로 제어하는 제어부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 연료펌프의 센서리스 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2제거부는 밴드 패스 필터(Band pass filter) 또는 하이 패스 필터(High pass filter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 연료펌프의 센서리스 제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2제거부는 상기 밴드 패스 필터 또는 상기 하이 패스 필터의 후단에 배치되어 입력되는 신호를 증폭하여 출력하는 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 연료펌프의 센서리스 제어장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지연부는, 비교기(Comparator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 연료펌프의 센서리스 제어장치.
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