WO2022145721A1 - 모터 위치 검출 장치 - Google Patents

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이건민
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엘지이노텍 주식회사
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    • F16H2061/1284—Detecting malfunction or potential malfunction, e.g. fail safe; Circumventing or fixing failures characterised by the parts or units where malfunctioning was assumed or detected the failing part is a sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/17—Circuit arrangements for detecting position and for generating speed information

Definitions

  • the present invention relates to a motor position detection device, and more particularly, to a motor position detection device to which a heterogeneous sensor is applied.
  • a shift-by-wire system (SBW) applied to a vehicle consists of a switched reluctance motor (SRM) and an SBW control unit (SCU) that controls it.
  • SBW controls the four stages P, R, N, and D by rotating the motor according to the signal when the shift button is operated.
  • An external inhibitor switch is required to check that the detent structure is properly fastened to each stage, but this causes a problem of lack of space in the vehicle.
  • a design that detects a motor position using only two identical Hall sensors has a problem of being vulnerable to dependent failure.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide a motor position detection device to which a heterogeneous sensor is applied.
  • the motor position detection apparatus includes a rotor surrounding the rotation shaft of the motor; a substrate disposed to face the rotor; a Hall sensor disposed on one surface of the substrate to sense the rotation of the rotor; and an MR sensor disposed on the other surface of the substrate to sense the rotation of the rotor.
  • a rotation speed determination unit receiving a first signal from the MR sensor and determining the rotation speed of the motor; Receives the rotation speed signal of the motor from the rotation speed determination unit, receives a second signal from the hall sensor to determine the rotation position of the motor, using the rotation speed signal of the motor and the rotation position of the motor a position determination unit for generating an integrated motor position; and a control unit for outputting a control signal to the motor using the integrated motor position received from the position determination unit.
  • the control unit may control the motor driving by comparing the integrated motor position determined using the rotational position of the motor and the number of rotations of the motor in the position determining unit with a driver's shift command.
  • the controller may diagnose a failure based on whether the rotation speed of the motor calculated from the second signal and the rotation speed of the motor determined from the first signal are within a normal range.
  • the MR sensor includes a first MR sensor and a second MR sensor, the rotation speed determination unit receives a 1-1 signal from the first MR sensor to determine the rotation speed of the motor, and the position determination unit determines the rotation speed of the motor.
  • the number of rotations of the motor may be determined by receiving the 1-2 th signal from the second MR sensor.
  • the controller may diagnose a failure by comparing the rotation speed of the motor determined by the first MR sensor with the rotation speed of the motor determined by the second MR sensor.
  • the position determining unit may determine the number of rotations of the motor through the rotational position of the motor determined by the Hall sensor and the rotational position of the motor determined by the second MR sensor.
  • the Hall sensor may include first and second Hall sensors, and the first and second Hall sensors may be disposed on the one surface of the substrate by forming an angle of 90 degrees to overlap a radius of the rotor.
  • the MR sensor may be disposed on the other surface of the substrate to overlap a central region of the radius of the rotor.
  • the Hall sensor and the MR sensor may be disposed so as not to overlap on the substrate.
  • the rotational position of the motor can be detected in real time by a combination of the motor rotational position and the rotational speed output through different magnetic sensors on the substrate.
  • the design freedom of the detent-spring structure may be increased.
  • the inhibitor switch which is external verification hardware, can be eliminated, thereby securing space and reducing costs.
  • the effect according to the present invention is not limited by the contents exemplified above, and more various effects are included in the present specification.
  • FIG. 1 shows a conventional motor position detection device.
  • FIG. 2 illustrates a motor position detecting apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view showing the arrangement of each sensor of the motor position detection device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating an apparatus for detecting a motor position according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an operation flowchart of a motor position detecting apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a motor position detecting device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram of an apparatus for detecting a motor position according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an operation flowchart of an apparatus for detecting a motor position according to another embodiment of the present invention.
  • the singular form may also include the plural form unless otherwise specified in the phrase, and when it is described as "at least one (or more than one) of A and (and) B, C", it is combined as A, B, C It may include one or more of all possible combinations.
  • first, second, A, B, (a), (b), etc. may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and are not limited to the essence, order, or order of the component by the term.
  • a component when it is described that a component is 'connected', 'coupled', or 'connected' to another component, the component is directly 'connected', 'coupled', or 'connected' to the other component. In addition to the case, it may include a case of 'connected', 'coupled', or 'connected' due to another element between the element and the other element.
  • FIG. 1 shows a conventional motor position detection device.
  • a shift by wire SBW
  • the inhibitor switch measures the position of the shift stages (P, R, N, D) in the system and transmits it to the SCU (SBW Control Unit) as a PWM signal.
  • the motor transmits the motor position signal as a PWM signal to the SCU using a hall sensor (Encoder).
  • the motor control system consists of a separate type of motor, SCU, and inhibitor switch, and input/output of each signal is configured using a connector and a wiring harness.
  • the motor-SCU separation type structure occupies a lot of space compared to the motor-controller integrated type, which is a pain point for domestic and foreign automakers who are facing a space shortage as the vehicle E/E system increases. ) becomes
  • the need for a connector and a wire according to a separable structure causes an increase in cost due to a mold cost and the like.
  • the hall sensor has a problem in that the control precision of the motor is lowered due to limited sensitivity, and the motor control through this may cause an accident due to low response to shift level recognition and control, and the mechanism is fastened by the detent spring.
  • This embodiment is intended to solve the above problems, and is a motor position detection device to which a heterogeneous sensor is applied.
  • FIGS. 2 to 5 show a motor position detecting device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 shows the arrangement of the sensor of the motor position detecting device according to an embodiment of the present invention on a substrate
  • Figure 4 is the present invention is a block diagram of an apparatus for detecting a motor position according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating an operation of the apparatus for detecting a position of a motor according to an embodiment of the present invention.
  • the motor position detecting apparatus 100 has a structure in which the motor 110 and the controller are integrated.
  • the controller includes a sensor unit 120 , a control unit 130 , a position determination unit 140 , and a rotation speed determination unit 150 .
  • the sensor unit 120 may include a Hall sensor 122 and an MR sensor 123 disposed on a substrate 121 .
  • the sensor unit 120 may be disposed to face the rotor 111 surrounding the rotation shaft of the motor 110 to sense the rotation of the motor 110 .
  • the rotor 111 may be a single-sided two-pole magnetizing magnet to which one N pole and one S pole are attached.
  • the rotor 111 may be a disk-shaped circular magnet or a donut-shaped ring-shaped magnet.
  • the rotor 111 may be of an end shaft type attached to one end of a shaft inside the motor 110 , or a through shaft type fitted into one end of the shaft.
  • the sensor unit 120 may include a Hall sensor 122 and an MR sensor 123 . As such, since the sensor unit 120 detects the rotation of the motor 110 with a heterogeneous sensor, it is possible to improve accuracy, prepare for a dependent failure or increase failure coverage, and satisfy the ASIL rating requirements.
  • the dependent failure may mean a failure due to a common cause or a linked failure
  • the failure coverage may mean a probability of detecting a failure.
  • the Hall sensor 122 of the sensor unit 120 may be disposed on one surface of the substrate 121 , and the MR sensor 123 may be disposed on the other surface of the substrate.
  • the Hall sensor 122 may be disposed to face the rotor 111 , and the MR sensor 123 faces the same direction as the rotor 111 on the opposite side of the substrate 121 on which the Hall sensor 122 is disposed. can be arranged to do so.
  • the MR sensor 123 may be disposed to face the rotor 111 , and the hall sensor 122 is the same as the rotor 111 on the other surface of the substrate 121 on which the MR sensor 123 is disposed. It may be arranged to face the direction.
  • the Hall sensor 122 needs to be disposed relatively close to the rotor 111 in order to sense the rotation of the motor 110 , but the MR sensor 123 has lower sensing sensitivity than the Hall sensor 122 . Since it is high, it can be disposed relatively far from the rotor 111 .
  • the sensor unit 120 may partially overlap the rotation radius of the rotor 111 or may be disposed to be included in the inner region. Specifically, since two Hall sensors 122 sense as a set, the Hall sensors 122 may be disposed to overlap the rotation radius of the rotor 111 .
  • the Hall sensor 122 includes first and second Hall sensors 122-1 and 122-2, and the first and second Hall sensors 122-1 and 122-2 have a radius of the rotor 111. It may be arranged to form a 90 degree angle to overlap with the.
  • the second Hall sensor 122-2 may sense the cos value of the motor rotation.
  • the MR sensor 123 of the sensor unit 120 may be disposed to overlap the central region of the rotation radius of the rotor 111 .
  • the MR sensor 123 may be disposed to overlap the Hall sensor 122 disposed on the opposite side of the substrate 121 , and may be disposed not to overlap. Since the MR sensor 123 senses a change in the magnetic field of the rotor 111 , sensing sensitivity may be improved when it does not overlap with the Hall sensor 122 .
  • the rotation speed determining unit 150 may receive the first signal Sig 1 from the MR sensor 123 to determine the rotation speed of the motor 110 .
  • the rotation speed determination unit 150 may be a power supply unit, and may be configured as a power supply unit (PSU) or a power supply IC or a power management IC (PMIC) capable of diagnosing a self-failure.
  • PSU power supply unit
  • PMIC power management IC
  • the position determination unit 140 receives the rotation speed signal RPM 1 of the motor 110 from the rotation speed determination unit 150 and receives the second signal Sig 2 from the hall sensor 122 to receive the motor 110 . can determine the rotational position of In addition, an integrated position of the motor may be generated using the rotation speed signal of the motor 110 and the rotation position of the motor 110 .
  • the position determining unit 140 may be a microcontroller unit (MCU).
  • MCU microcontroller unit
  • the position determining unit 140 determines whether the motor 110 is operating normally based on the rotational position of the motor 110 sensed by the hall sensor 122 and the number of rotations of the motor 110 sensed by the MR sensor 123 in real time. may be determined, and the integrated position of the motor 110 may be determined by further comparing it with the driver's shift command.
  • the control unit 130 may output a control signal to the motor 110 using the integrated position of the motor 110 . have.
  • the motor driving 302 is started according to the driver's shift request 301 .
  • the PMIC detects the rotation speed from the MR sensor (303), checks whether the rotation speed is within the normal range (304), and if it does not fall within the normal range, performs a fault diagnosis (310) and returns to the normal range. If applicable, it is checked (306) whether the response speed is within a normal range. If the response speed does not fall within the normal range, the fault diagnosis 310 is performed, and when the response speed is within the normal range, the rotational position detected from the MR sensor and the Hall sensor is compared with the driver's shift request position to additionally motor can be controlled.
  • the MCU detects a rotational position from the hall sensor (307) and calculates (308) the number of rotations. It is checked whether the calculated rotation speed is in the normal range (309), and if the rotation speed is in the normal range, whether the response speed is in the normal range (306), the rotation position detected from the MR sensor and the Hall sensor, and the driver's shift request position A comparison step 307 proceeds. If the rotation speed does not fall within the normal range, a fault diagnosis 310 is performed.
  • the failure diagnosis 310 If the number of revolutions detected by the MR sensor and the number of revolutions detected by the Hall sensor do not fall within the normal range, so that the failure diagnosis 310 is made, it is determined according to the detection of the failure sensor and the failure case (311), and the emergency operation mode (312) and operates in the safe state mode 313 .
  • the failure diagnosis 310 an operation mode for each failure case according to the failure diagnosis 310 will be described.
  • a method 311 for detecting a failure sensor according to the failure diagnosis 310 and determining the rotation position of the motor for each failure case is as follows.
  • Case 1 when the first Hall sensor 122-1 for detecting the cos value among the two Hall sensors 122 fails, the sin value of the second Hall sensor 122-2 and the sin value of the MR sensor 123 It judges the consistency of the values. When the two values match, the rotational position of the motor is determined using the sin value and the cos value of the MR sensor 123 .
  • a motor position detecting apparatus will be described with reference to FIGS. 6 to 8 .
  • the motor position detecting device is composed of one MR sensor 123 formed of a single die, whereas the motor position detecting device according to another embodiment of the present invention has a dual die ( It may be composed of two MR sensors 123 formed of a dual die). Safety can be improved by using the motor position information sensed by each of the two MR sensors 123 .
  • the two MR sensors 123 may be disposed in parallel on the substrate 121 to be connected to each other, and may be stacked on the substrate 121 .
  • Another embodiment of the present invention will be mainly described with reference to a configuration different from the one embodiment of the present invention described above, but redundant description will be omitted.
  • the MR sensor 123 may include a first MR sensor 123-1 and a second MR sensor 123-2.
  • the rotation speed determination unit 150 receives the 1-1 signal from the first MR sensor 123-1 to determine the rotation speed of the motor, and the position determination unit 140 receives the second MR sensor 123-2.
  • the number of rotations of the motor may be determined by receiving the 1-2 signals from the .
  • the position determination unit 140 receives the rotation speed signal RPM1 of the motor from the rotation speed determination unit 150 and the rotation speed signal of the motor from the 1-2 signal received from the second MR sensor 123-2. (RPM2) can be created.
  • the position determination unit 140 may generate an integrated position of the motor through the rotation speed signals RPM 1 and RPM 2 of the motor, the rotation position Sig 2 of the motor, and the driver shift command.
  • the controller 130 may control the motor using the integrated position of the motor generated by the position determining unit 140 .
  • the motor driving 402 is started according to the driver's shift request 401 .
  • the PMIC detects the rotation speed from the first MR sensor (403), checks whether the rotation speed is within the normal range (404), and if it does not fall within the normal range, diagnoses a malfunction (413) and performs normal operation If it is within the range, the rotation speed of the first MR sensor and the second MR sensor is compared ( 406 ). If the compared rotation speed does not fall within the normal range, a fault diagnosis (413) is performed, and if it is within the normal range, it is checked (407) whether the response speed is within the normal range.
  • fault diagnosis 413 is performed, and when the response speed is within the normal range, the rotational position detected from the two MR sensors and the two Hall sensors is compared with the driver's shift request position. (408) to further control the motor.
  • the MCU detects ( 409 ) the rotational position from the Hall sensor, detects ( 412 ) the rotational position from the second MR sensor, and calculates ( 410 ) the number of rotations.
  • step 406 a step of comparing whether the response speed is within a normal range (407) and the rotational position detected from the MR sensor and the Hall sensor and the driver's shift request position is performed (408). If the rotation speed does not fall within the normal range, a fault diagnosis (413) is performed.
  • a failure diagnosis (413) is made, such as the number of revolutions detected by the MR sensor and the number of revolutions detected from the hall sensor do not fall within the normal range, it is determined according to the failure sensor detection and failure case (414), and the emergency operation mode (415) ), and operates in a Safe State mode 416 .
  • a failure diagnosis (413) is made, such as the number of revolutions detected by the MR sensor and the number of revolutions detected from the hall sensor do not fall within the normal range, it is determined according to the failure sensor detection and failure case (414), and the emergency operation mode (415) ), and operates in a Safe State mode 416 .
  • an operation mode for each failure case according to the failure diagnosis 413 will be described.
  • a method for detecting a fault sensor according to the fault diagnosis 413 and determining the rotation position of the motor for each fault case 414 is as follows.
  • Case 1 when the first Hall sensor 122-1 for detecting the cos value among the two Hall sensors 122 fails, the sin value of the second Hall sensor 122-2 and the sin value of the MR sensor 123 It judges the consistency of the values. When the two values match, the rotational position of the motor is determined using the sin value and the cos value of the MR sensor 123 .

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Abstract

본 실시예에 따른 모터 위치 검출 장치는 모터의 회전축을 감싸는 회전자; 상기 회전자를 마주보도록 배치되는 기판; 상기 기판의 일면에 배치되어 상기 회전자의 회전을 센싱하는 홀센서; 및 상기 기판의 타면에 배치되어 상기 회전자의 회전을 센싱하는 MR센서를 포함할 수 있다.

Description

모터 위치 검출 장치
본 발명은 모터 위치 검출 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 이종 센서를 적용한 모터 위치 검출 장치에 관한 것이다.
차량에 적용되는 시프트 바이 와이어 시스템(SBW)은 스위치 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor, SRM) 및 이를 제어하는 SBW 컨트롤 유닛(SCU)로 구성된다. SBW는 변속 버튼 조작 시 신호에 따라 모터를 회전시켜 P, R, N, D의 4가지 단수를 제어한다.
디텐트 구조가 각 단수에 제대로 체결되었는지 확인하기 위하여 외부 인히비터 스위치를 필요로 하나 이는 차량 공간 부족 문제를 야기한다. 또한, 동일 홀센서 2개만을 이용하여 모터 위치 검출하는 설계는 종속 고장에 취약한 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 이종센서를 적용한 모터 위치 검출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 위치 검출 장치는 모터의 회전축을 감싸는 회전자; 상기 회전자를 마주보도록 배치되는 기판; 상기 기판의 일면에 배치되어 상기 회전자의 회전을 센싱하는 홀센서; 및 상기 기판의 타면에 배치되어 상기 회전자의 회전을 센싱하는 MR센서를 포함한다.
상기 MR센서로부터 제1 신호를 수신하여 상기 모터의 회전수를 판단하는 회전수 판단부; 상기 회전수 판단부로부터 상기 모터의 회전수 신호를 수신하고, 상기 홀센서로부터 제2 신호를 수신하여 상기 모터의 회전 위치를 판단하고, 상기 모터의 회전수 신호 및 상기 모터의 회전 위치를 이용하여 모터 통합 위치를 생성하는 위치판단부; 및 상기 위치판단부로부터 수신한 모터 통합 위치를 이용하여 상기 모터에 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 위치판단부에서 상기 모터의 회전 위치 및 상기 모터의 회전수를 이용하여 판단된 모터 통합 위치와 운전자 변속 지령을 비교하여 모터 구동을 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제2 신호로부터 계산되는 상기 모터의 회전수와 상기 제1 신호로부터 판단되는 상기 모터의 회전수가 정상 범위인지 여부를 통해 고장을 진단할 수 있다.
상기 MR센서는 제1 MR센서 및 제2 MR센서를 포함하고, 상기 회전수 판단부는 상기 제1 MR센서로부터 제1-1 신호를 수신하여 상기 모터의 회전수를 판단하고, 상기 위치판단부는 상기 제2 MR센서로부터 제1-2 신호를 수신하여 상기 모터의 회전수를 판단할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제1 MR센서로부터 판단한 상기 모터의 회전수와 상기 제2 MR센서로부터 판단한 상기 모터의 회전수를 비교하여 고장을 진단할 수 있다.
상기 위치판단부는 상기 홀센서로부터 판단한 상기 모터의 회전 위치와 상기 제2 MR센서로부터 판단한 상기 모터 회전 위치를 통해 상기 모터의 회전수를 판단할 수 있다.
상기 홀센서는 제1 및 제2 홀센서를 포함하고, 상기 제1 및 제2 홀센서는 상기 회전자의 반경과 오버랩되도록 90도 각을 형성하여 상기 기판의 상기 일면에 배치될 수 있다.
상기 MR센서는 상기 회전자의 반경의 중심 영역에 오버랩되도록 상기 기판의 상기 타면에 배치될 수 있다.
상기 홀센서와 상기 MR센서는 상기 기판 상에서 오버랩되지 않도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 기판에 서로 다른 자기 센서를 통해 모터 회전 위치와 회전수 출력의 조합으로 모터의 회전 위치를 실시간으로 검출할 수 있다.
또한, 실시간으로 모터 위치를 판단하므로 디텐트-스프링 구조의 설계 자유도가 증가할 수 있다.
또한, 홀센서 및 MR센서를 통한 이종센서를 통하여 모터 회전위치를 검출하므로 종속 고장을 대비할 수 있고, 높은 고장 커버리지를 확보할 수 있다.
또한, 3자 검증을 통한 보증 위치 검출할 수 있으므로 외부 검증 하드웨어인 인히비터 스위치를 제거할 수 있고, 이를 통해 공간 확보 및 비용이 감소될 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 기존 모터 위치 검출 장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 위치 검출 장치를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 위치 검출 장치의 각 센서 배치를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 위치 검출 장치의 블록도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 위치 검출 장치의 동작 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 위치 검출 장치를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 위치 검출 장치의 블록도를 도시한 것이다.
도 8는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 위치 검출 장치의 동작 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합 또는 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예의 구성 요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 '연결', '결합', 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위)" 또는 "하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, "상(위)" 또는 "하(아래)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우 뿐만 아니라, 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위)" 또는 "하(아래)"로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함될 수 있다.
도 1은 기존 모터 위치 검출 장치를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 운전자의 변속 버튼 조작시 SBW(Shift By Wire)는 전기적 신호를 이용하여 모터를 회전시켜 P, R, N, D의 4가지 단수를 제어할 수 있다. 인히비터 스위치는 해당 시스템에서 변속단(P, R, N, D)의 위치를 측정하여 PWM신호로 SCU(SBW Control Unit)로 전달한다. 모터는 홀센서(Encoder)를 이용하여 모터 위치 신호를 PWM신호로 SCU로 전달한다. 이와 같은 경우, 모터 제어 시스템은 모터, SCU, 인히비터 스위치가 분리형으로 구성되고, 각 신호의 입출력은 커넥터와 와이어링 하네스를 이용하여 구성된다.
이와 같은 기존의 모터 제어 시스템에서 모터-SCU 분리형 구조는 모터-제어기 일체형 대비 많은 공간을 차지하며 이는 차량 E/E 시스템이 증가하는 추세에 따라 공간 부족에 직면한 국내외 완성차 업체의 페인 포인트(Pain Point)가 된다. 또한, 분리형 구조에 따른 커넥터, 와이어의 필요성은 금형비 등에 의한 비용 증대를 야기하는 문제가 있다. 또한, 홀센서는 제한적인 감도로 모터의 제어 정밀도가 떨어지는 문제가 있으며, 이를 통한 모터 제어는 변속 레벨 인식 및 제어에 낮은 응답성으로 사고를 야기할 수 잇으며, 디텐트 스프링에 의해 기구 체결된 구성이 노면의 요철 등의 왜란으로 탈락시 빠른 인지 및 제어 불가능으로 인해 사고를 야기할 수 있다. 또한, 각 신호의 입출력에 이용되는 분리형 와이어는 상대적 물리적 거리 증가와 그 저항에 의한 불필요한 신호 손실 및 외부 노이즈에 의한 신호 왜곡 현상 발생을 야기할 수 있다. 또한, 동일한 홀센서 2개를 이용하는 설계는 종속 고장에 취약하여 안전 등급이 낮아지는 문제가 있다. 또한, 변속단의 위치를 측정하기 위하여 외부 인히비터 스위치가 필요한데, 외부 인히비터 스위치 고장시 기어 위치를 판단할 수 없어 차량 주행이 불가능한 문제가 있다.
본 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이종 센서를 적용한 모터 위치 검출 장치이다.
이하에서는, 도 2 내지 도 5를 통하여 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 위치 검출 장치를 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 위치 검출 장치를 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 위치 검출 장치의 센서의 기판상 배치를 나타낸 것이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 위치 검출 장치의 블록도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 위치 검출 장치의 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모터 위치 검출 장치(100)는 모터(110)와 제어기가 일체형으로 통합된 구조이다. 제어기는 센서부(120), 제어부(130), 위치판단부(140) 및 회전수 판단부(150)로 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 센서부(120)는 기판(121)에 배치되는 홀센서(122) 및 MR센서(123)로 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 센서부(120)는 모터(110)의 회전축을 감싸는 회전자(111)와 마주보도록 배치되어 모터(110)의 회전을 센싱할 수 있다. 회전자(111)는 하나의 N극과 하나의 S극이 붙어 있는 단면 2극 착자 마그넷으로 일 수 있다. 회전자(111)는 디스크(disk) 형상의 원형 마그넷 또는 도넛(donut) 형상의 링형 마그넷일 수 있다. 회전자(111)는 모터(110) 내부에 있는 샤프트의 일단 끝에 부착되는 엔드 샤프트 타입(end shaft type) 이거나, 샤프트의 일단에 끼워지는 스루샤프트 타입(through shaft type)일 수 있다.
센서부(120)는 홀센서(122)와 MR센서(123)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 센서부(120)는 이종 센서로 모터(110)의 회전을 감지하므로 정확도를 향상시킬 수 있고, 종속 고장에 대비하거나 고장 커버리지를 높일 수 있고, ASIL 등급 요구사항을 만족할 수 있다. 여기서, 종속 고장은 공통 원인에 의한 고장 혹은 연계 고장을 의미하고, 고장 커버리지는 고장을 검출하는 확률을 의미할 수 있다.
센서부(120)의 홀센서(122)는 기판(121)의 일면에 배치되고 MR센서(123)는 기판의 타면에 배치될 수 있다. 홀센서(122)는 회전자(111)와 마주보도록 배치될 수 있고, MR센서(123)는 홀센서(122)가 배치된 기판(121)의 반대편에서 회전자(111)와 동일 방향을 마주하도록 배치될 수 있다. 이와 반대로, MR센서(123)는 회전자(111)와 마주보도록 배치될 수 있고, 홀센서(122)는 MR센서(123)가 배치된 기판(121)의 타면에서 회전자(111)와 동일 방향을 마주하도록 배치될 수 있다. 일반적으로, 홀센서(122)는 모터(110)의 회전을 센싱하기 위해 회전자(111)와 비교적 근거리에 배치될 필요가 있으나, MR센서(123)는 홀센서(122)에 비해 센싱 감도가 높으므로 회전자(111)와 비교적 원거리에 배치될 수 있다.
센서부(120)는 회전자(111)의 회전 반경에 일부 오버랩되거나 내부 영역에 포함되도록 배치될 수 있다. 구체적으로, 홀센서(122)는 2개가 한 세트로 센싱하기 때문에 홀센서(122)는 회전자(111)의 회전 반경과 오버랩되도록 배치될 수 있다. 홀센서(122)는 제1 및 제2홀센서(122-1, 122-2)를 포함하고, 제1 및 제2홀센서(122-1, 122-2)는 회전자(111)의 반경과 오버랩되도록 90도 각을 형성하여 배치될 수 있다. 제1 홀센서(122-1)가 모터 회전의 sin 값을 센싱하는 경우, 제2 홀센서(122-2)는 모터 회전의 cos 값을 센싱할 수 있다.
센서부(120)의 MR센서(123)는 회전자(111)의 회전 반경의 중심 영역에 오버랩되도록 배치될 수 있다. MR센서(123)는 기판(121)의 반대편에 배치된 홀센서(122)와 오버랩되도록 배치될 수 있고, 오버랩되지 않도록 배치될 수 있다. MR센서(123)는 회전자(111)의 자기장 변화를 센싱하기 때문에 홀센서(122)와 오버랩되지 않는 경우에 센싱 감도가 향상될 수 있다.
도 4를 참조하면, 회전수 판단부(150)는 MR센서(123)로부터 제1 신호(Sig 1)를 수신하여 모터(110)의 회전수를 판단할 수 있다. 회전수 판단부(150)는 전원공급부일 수 있고, 자체 고장을 진단할 수 있는 PSU(Power Supply Unit) 또는 Power Supply IC 또는 PMIC(Power Management IC)로 구성될 수 있다. 여기서, MR센서(123)가 모터의 회전수를 센싱하는 동작 원리는 당업자에게 자명한 사항이므로 자세한 설명은 생략한다.
위치판단부(140)는 회전수 판단부(150)로부터 모터(110)의 회전수 신호(RPM 1)를 수신하고 홀센서(122)로부터 제2 신호(Sig 2)를 수신하여 모터(110)의 회전 위치를 판단할 수 있다. 또한, 모터(110)의 회전수 신호 및 모터(110)의 회전 위치를 이용하여 모터의 통합 위치를 생성할 수 있다. 위치판단부(140)는 MCU(Microcontroller Unit)일 수 있다. 여기서, 홀센서(122)가 모터의 회전 위치를 센싱하는 동작 원리는 당업자에게 자명한 사항이므로 자세한 설명은 생략한다.
위치판단부(140)는 실시간으로 홀센서(122)로부터 센싱한 모터(110)의 회전 위치와 MR센서(123)로부터 센싱한 모터(110)의 회전수를 통하여 모터(110)의 정상 동작 여부를 판단할 수 있고, 운전자의 변속 지령과 추가 비교하여 모터(110)의 통합 위치를 판단할 수 있다. 위치판단부(140)에서 생성된 모터(110)의 통합 위치가 제어부(130)로 송신되면 제어부(130)는 모터(110)의 통합 위치를 이용하여 모터(110)에 제어 신호를 출력할 수 있다.
다음은 도 5를 참조하여, 모터 위치 검출 장치(100)를 통한 고장 진단 및 동작에 대해 설명한다.
먼저, 운전자 변속 요청(301)에 따라 모터 구동(302)이 시작된다. 모터 구동에 따라 회전자가 회전하면 PMIC는 MR센서로부터 회전수를 검출(303)하고 회전수가 정상 범위인지 여부를 확인(304)하여 정상범위에 해당하지 않으면 고장 진단(310)을 하고, 정상범위에 해당하는 경우 응답 속도가 정상 범위인지 여부를 확인(306)한다. 응답 속도가 정상 범위에 해당하지 않은 경우 고장 진단(310)을 하고, 응답 속도가 정상 범위에 해당하는 경우, MR 센서와 홀센서로부터 검출한 회전위치와 운전자의 변속 요청 위치를 비교하여 추가로 모터 제어될 수 있다. 또한, 모터 구동에 따라 회전자가 회전하면 MCU는 홀센서로부터 회전 위치를 검출(307)하고, 회전수를 계산(308)한다. 계산된 회전수가 정상 범위인지 여부(309)를 확인하고, 회전수가 정상 범위인 경우 앞서 설명한 응답 속도 정상 범위인지 여부(306)와 MR센서와 홀센서로부터 검출한 회전 위치와 운전자의 변속 요청 위치를 비교하는 단계(307)를 진행한다. 회전수가 정상 범위에 해당하지 않는 경우, 고장 진단(310)을 한다. MR센서에서 검출된 회전수와 홀센서로부터 검출된 회전수가 정상 범위에 해당하지 않아 고장 진단(310)이 된 경우, 고장 센서 검출 및 고장 Case에 따라 판단(311)하고, 긴급 동작 모드(312)로 진행하고, 안전 상태 모드(313)로 동작한다. 이하에서, 고장 진단(310)에 따른 고장 case 별 동작 모드를 설명한다.
고장 진단(310)에 따라 고장 센서를 검출하고 고장 Case 별 모터의 회전 위치 판단 방법(311)은 다음과 같다. Case 1에서, 2개의 홀센서(122) 중 cos값을 검출하는 제1 홀센서(122-1)가 고장인 경우 제2 홀센서(122-2)의 sin 값과 MR센서(123)의 sin값의 정합성을 판단한다. 2개의 값이 일치하는 경우, MR센서(123)의 sin값과 cos값을 이용하여 모터의 회전 위치를 판단한다.
Case 2에서, 2개의 홀센서(122) 중 sin 값을 검출하는 제2 홀센서(122-2)가 고장인 경우 제1 홀센서(122-1)의 cos값과 MR센서(123)의 cos값의 정합성을 판단한다. 2개의 값이 일치하는 경우, MR센서(123)의 sin값과 cos값을 이용하여 모터의 회전 위치를 판단한다.
Case 3에서, MR센서(123)가 고장인 경우, cos값을 검출하는 제1 홀센서(122-1)와 sin값을 검출하는 제2 홀센서(122-2)를 이용하여 모터의 회전 위치를 판단할 수 있다. 상기와 같이 긴급 동작(312)으로 모터를 제어한 뒤 제어부는 상위 제어기에 고장 사실을 알릴 수 있고, 이에 따라 안전 상태 모드(313)로 동작할 수 있다.
도 6 내지 도 8을 통하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 위치 검출 장치에 대해 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모터 위치 검출 장치는 싱글 다이(Single Die)로 형성되는 1개의 MR센서(123)로 구성되는 반면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 위치 검출 장치는 듀얼 다이(Dual Die)로 형성되는 2개의 MR센서(123)로 구성될 수 있다. 2개의 MR센서(123)를 통해 각각에서 센싱되는 모터 위치 정보를 이용하여 안전성을 높일 수 있다. 2개의 MR센서(123)는 기판(121) 상에 병렬로 배치되어 서로 연결될 수 있고, 기판(121) 상에 서로 적층되어 배치될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예는 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예와 다른 구성을 중심으로 설명하되 중복된 설명은 생략한다.
MR센서(123)는 제1 MR센서(123-1) 및 제2 MR센서(123-2)를 포함할 수 있다. 회전수 판단부(150)는 제1 MR센서(123-1)로부터 제1-1 신호를 수신하여 모터의 회전수를 판단하고, 위치판단부(140)는 제2 MR센서(123-2)로부터 제1-2 신호를 수신하여 모터의 회전수를 판단할 수 있다. 위치판단부(140)는 회전수 판단부(150)로부터 모터의 회전수 신호(RPM1)를 수신하고, 제2 MR센서(123-2)로부터 수신된 제1-2 신호로부터 모터의 회전수 신호(RPM2)를 생성할 수 있다. 위치판단부(140)는 모터의 회전수 신호(RPM 1, RPM 2), 모터의 회전 위치(Sig 2) 및 운전자 변속 지령을 통하여 모터의 통합 위치를 생성할 수 있다. 제어부(130)는 위치판단부(140)에서 생성된 모터의 통합 위치를 이용하여 모터를 제어할 수 있다.
다음은 도 8를 참조하여, 모터 위치 검출 장치()를 통한 고장 진단 및 동작에 대해 설명한다.
먼저, 운전자 변속 요청(401)에 따라 모터 구동(402)이 시작된다. 모터 구동에 따라 회전자가 회전하면 PMIC는 제1 MR센서로부터 회전수를 검출(403)하고 회전수가 정상 범위인지 여부를 확인(404)하여 정상범위에 해당하지 않으면 고장 진단(413)을 하고, 정상 범위에 해당하는 경우 제1 MR센서와 제2 MR센서의 회전수를 비교(406)한다. 비교한 회전수가 정상 범위에 해당하지 않는 경우 고장 진단(413)을 하고, 정상범위에 해당하는 경우 응답 속도가 정상 범위인지 여부를 확인(407)한다. 응답 속도가 정상 범위에 해당하지 않은 경우 고장 진단(413)을 하고, 응답 속도가 정상 범위에 해당하는 경우, 2개의 MR 센서와 2개의 홀센서로부터 검출한 회전위치와 운전자의 변속 요청 위치를 비교(408)하여 추가로 모터 제어할 수 있다. 또한, 모터 구동(402)에 따라 회전자가 회전하면 MCU는 홀센서로부터 회전 위치를 검출(409)하고, 제2 MR센서로부터 회전 위치를 검출(412)하여 회전수를 계산(410)한다. 계산된 회전수가 정상 범위인지 여부(411)를 확인하고, 회전수가 정상 범위인 경우 앞서 설명한 제1 MR센서와 제2 MR센서의 회전수를 비교(405)하고, 비교한 회전수가 정상 범위인지 확인(406)하고, 응답 속도 정상 범위인지 여부(407)와 MR센서와 홀센서로부터 검출한 회전위치와 운전자의 변속 요청 위치를 비교하는 단계(408)를 진행한다. 회전수가 정상 범위에 해당하지 않는 경우, 고장 진단(413)을 한다. MR센서에서 검출된 회전수와 홀센서로부터 검출된 회전수가 정상 범위에 해당하지 않는 등 고장 진단(413)이 된 경우, 고장 센서 검출 및 고장 case에 따라 판단(414)하고, 긴급 동작 모드(415)로 진행하고, 안전 상태(Safe State) 모드(416)로 동작한다. 이하에서, 고장 진단(413)에 따른 고장 case 별 동작 모드를 설명한다.
고장 진단(413)에 따라 고장 센서를 검출하고 고장 Case 별 모터의 회전 위치 판단 방법(414)은 다음과 같다. Case 1에서, 2개의 홀센서(122) 중 cos값을 검출하는 제1 홀센서(122-1)가 고장인 경우 제2 홀센서(122-2)의 sin 값과 MR센서(123)의 sin값의 정합성을 판단한다. 2개의 값이 일치하는 경우, MR센서(123)의 sin값과 cos값을 이용하여 모터의 회전 위치를 판단한다.
Case 2에서, 2개의 홀센서(122) 중 sin 값을 검출하는 제2 홀센서(122-2)가 고장인 경우 제1 홀센서(122-1)의 cos값과 MR센서(123)의 cos값의 정합성을 판단한다. 2개의 값이 일치하는 경우, MR센서(123)의 sin값과 cos값을 이용하여 모터의 회전 위치를 판단한다.
Case 3에서, MR센서(123)가 고장인 경우, cos값을 검출하는 제1 홀센서(122-1)와 sin값을 검출하는 제2 홀센서(122-2)를 이용하여 모터의 회전 위치를 판단할 수 있다. 상기와 같이 긴급 동작(415)으로 모터를 제어한 뒤 제어부는 상위 제어기에 고장 사실을 알릴 수 있고, 이에 따라 안전 상태 모드(416)로 동작할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (10)

  1. 모터의 회전축을 감싸는 회전자;
    상기 회전자를 마주보도록 배치되는 기판;
    상기 기판의 일면에 배치되어 상기 회전자의 회전을 센싱하는 홀센서; 및
    상기 기판의 타면에 배치되어 상기 회전자의 회전을 센싱하는 MR센서를 포함하는 모터 위치 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 MR센서로부터 제1 신호를 수신하여 상기 모터의 회전수를 판단하는 회전수 판단부;
    상기 회전수 판단부로부터 상기 모터의 회전수 신호를 수신하고, 상기 홀센서로부터 제2 신호를 수신하여 상기 모터의 회전 위치를 판단하고, 상기 모터의 회전수 신호 및 상기 모터의 회전 위치를 이용하여 모터 통합 위치를 생성하는 위치판단부; 및
    상기 위치판단부로부터 수신한 모터 통합 위치를 이용하여 상기 모터에 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 모터 위치 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 위치판단부에서 상기 모터의 회전 위치 및 상기 모터의 회전수를 이용하여 판단된 모터 통합 위치와 운전자 변속 지령을 비교하여 모터 구동을 제어하는 모터 위치 검출 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제2 신호로부터 계산되는 상기 모터의 회전수와 상기 제1 신호로부터 판단되는 상기 모터의 회전수가 정상 범위인지 여부를 통해 고장을 진단하는 모터 위치 검출 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 MR센서는 제1 MR센서 및 제2 MR센서를 포함하고,
    상기 회전수 판단부는 상기 제1 MR센서로부터 제1-1 신호를 수신하여 상기 모터의 회전수를 판단하고,
    상기 위치판단부는 상기 제2 MR센서로부터 제1-2 신호를 수신하여 상기 모터의 회전수를 판단하는 모터 위치 검출 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 MR센서로부터 판단한 상기 모터의 회전수와 상기 제2 MR센서로부터 판단한 상기 모터의 회전수를 비교하여 고장을 진단하는 모터 위치 검출 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 위치판단부는 상기 홀센서로부터 판단한 상기 모터의 회전 위치와 상기 제2 MR센서로부터 판단한 상기 모터 회전 위치를 통해 상기 모터의 회전수를 판단하는 모터 위치 검출 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 홀센서는 제1 및 제2 홀센서를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 홀센서는 상기 회전자의 반경과 오버랩되도록 90도 각을 형성하여 상기 기판의 상기 일면에 배치되는 모터 위치 검출 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 MR센서는 상기 회전자의 반경의 중심 영역에 오버랩되도록 상기 기판의 상기 타면에 배치되는 모터 위치 검출 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 홀센서와 상기 MR센서는 상기 기판 상에서 오버랩되지 않도록 배치되는 모터 위치 검출 장치.
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