KR100616360B1

KR100616360B1 - 브러쉬레스 모터시스템의 위치감지

Info

Publication number: KR100616360B1
Application number: KR1020007001269A
Authority: KR
Inventors: 윌슨-존스러셀; 버튼안소니왈터; 윌리암스앤드류제임스스테펜; 아이론사이드존마이클
Original assignee: 티알더블유 루카스배리티 일렉트릭 스티어링 리미티드
Priority date: 1997-08-07
Filing date: 1998-08-04
Publication date: 2006-08-28
Also published as: DE69818833D1; KR20010022674A; EP1002362A1; US6597141B1; EP1002362B1; DE69818833T2; GB9716658D0; WO1999008374A1; BR9811073A; JP4248139B2; JP2001512960A; ES2206968T3

Abstract

본 발명은 예를 들어 파워 스티어링 시스템에서 모터(1)의 회전자 위치를 계산하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 출력축(2)(즉, 조향컬럼) 위치를 측정하는 단계와 평가된 모터회전자 위치값을 발생토록 측정된 값을 축척하는 단계로 구성된다. 이러한 평가된 값은 임의의 기준점에 대한 것이며, 이로써, 본 발명의 방법은 또한 모터에 제공된 홀효과 감지기를 이용하여 얻은 회전자 위치의 저해상도 측정값으로부터 유도된 오프셋트값을 가산하는 단계를 포함한다. 백러쉬와 컴플라이언스(제2 실시형태)를 보상하기 위한 오프셋트가 포함될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 방법은 출력축 감지기(예를 들어 위치 종속출력을 갖는 토크감지기)로부터의 고해상도 정보가 고해상도의 회전자 위치신호를 발생토록 홀효과 감지기로부터의 저해상도 출력에 조합될 수 있도록 한다. 회전자 속도를 모니터함으로서 오프셋트를 계산할 때 홀효과 감지기 출력의 "실효"에 대한 보정이 이루어질 수 있다.

Description

브러쉬레스 모터시스템의 위치감지 {POSITION SENSING IN BRUSHLESS MOTOR SYSTEMS}

본 발명은 전기모터에 관한 것으로, 특히 모터회전자의 각위치(角位置), 즉 전기위치를 측정하기 위한 개선된 방법에 관한 것이다.

브러쉬레스 영구 자석모터는 다수의 코일권선으로 구성되는 고정자 내에서 동심원 상으로 회전할 수 있게 된 다수의 자기요소를 지지하는 회전자로 구성된다. 모터는 회전자 자석을 끌어당기도록 일측 코일을 여자하는 동시에 자석을 밀어내도록 타측 코일을 여자함으로서 구동될 수 있다. 모터를 연속회전 시킬 수 있도록 하기 위하여, 코일을 통하여 흐르는 전류는 회전자 위치에 따라 전환되어야 한다. 이러한 전환이 정류로 알려져 있다.

모터전류의 정류를 제어하기 위하여, 회전자의 위치가 측정되어야 하고, 회전자 자석의 통과를 검출하기 위하여 홀효과 감지기와 같은 자기감지기를 제공하는 것이 잘 알려져 있다. 하나의 알려진 구성에 있어서, 3개의 홀효과 감지기가 고정자의 내주연 둘레에 배치되고 회전자의 전기위치를 나타내는 3-비트 디지털 코드를 발생한다. 이러한 구성은 모터구조에 따라 사전에 결정된 정밀한 위치에서 일어나는 정류의 제어에는 적합하나 감지기의 출력이 비교적 조악하고 해상도가 낮다.
상기 언급된 종류의 구성이 본 발명의 가장 근접한 종래기술인 것으로 고려되는 본원 출원인의 공개된 국제특허출원 WO 97/25767A로부터 알려져 있다.

본 발명의 제1 관점에 따라서, 중간수단을 통하여 출력축에 연결된 모터의 회전자의 시간 모멘트에서 위치를 계산하는 방법이 제공되는 바, 이 방법이 모터에 제공된 제1 감지수단을 이용하여 제1의 시간적 순간(a first instance in time)에서 각위치를 나타내는 측정된 회전자 위치의 제1 값을 얻는 단계, 출력축에 제공된 제2 감지수단을 이용하여 제2의 시간적 순간에서 출력축의 각위치를 나타내는 출력축 위치의 제2 값을 측정하는 단계, 시간 모멘트에서 회전자의 각위치의 평가값을 발생토록 상기 제1 및 제2 값을 조합하는 단계와, 회전자의 출력축 사이의 백러쉬를 나타내는 백러쉬값을 계산하는 단계로 구성된다.

이와 같이, 본 발명에 따라서, 회전자 위치의 개선된 측정값은 출력축에 제공된 감지수단으로부터의 정보를 이용하여 얻을 수 있다.

많은 시스템에 있어서, 적당한 감지수단이 이미 출력축에 제공되어 이러한 감지수단으로부터의 정보를 이용하여 개선된 방법이 모터에 고가이고, 부피가 큰 고해상도의 감지기를 부가함이 없이 고해상도의 위치정보를 계산할 수 있도록 한다.

제1 감지수단은 회전자의 각위치를 나타내는 출력신호를 발생할 수 있게 된 다수의 자기 홀효과 감지기로 구성된다. 이와 같이 본 발명에 사용된 모터 전기위치의 측정값은 이러한 출력신호를 샘플링하여 제공될 수 있다. 좋기로는 본 발명의 방법이 홀효과 감지기로부터의 출력값을 저장하는 단계와 홀효과 감지기로부터의 출력이 변화할 때 저장된 값을 업데이트 하는 단계를 포함하는 것이다.

제안된 한 실시형태에서, 본 발명의 방법은 출력축에 스티어링 보조토크를 제공하는 파워 스티어링 시스템의 모터와 함께 이용될 수 있다. 분리형 또는 조합형의 토크감지기 와/또는 위치감지기는 전형적으로 모터에 의하여 제공될 보조력의 크기를 평가하기 위하여 이러한 시스템의 출력축에 제공되며, 이러한 토크와 위치감지기는 출력축의 각위치의 측정값을 제공하기 위하여, 즉 본 발명의 방법에서 제 2 감지수단으로서 이용될 수 있다.

모터회전자와 출력축 사이에 변속기를 제공하고 출력축으로부터 모터를 분리하기 위한 클러치를 제공하는 것이 좋다. 이와 같이 중간수단은 적어도 변속기 와/또는 클러치로 구성된다.

중간수단이 변속기로 구성되는 경우, 본 발명의 방법은 축척(scale)된 출력축 위치값을 얻도록 출력축의 제 2 감지수단으로부터의 측정된 출력축 위치값에 변속비를 곱하는 승산단계를 포함한다. 예를 들어 변속기의 변속비가 모터가 출력축의 2회전에 대하여 1회전 하는 변속비인 경우 출력축의 위치감지기로부터의 출력은 축척된 출력축 위치값을 발생토록 반분되어야 한다.

축척값은 회전자 자극수의 반을 곱할 수 있다. 이와 같이, 위치감지기의 출력은 기계적인 위치 대신에 모터의 전기위치에 일치하게 축척될 수 있다.

이는 출력축 위치값이 회전자 위치에 대한 값이 되게 할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 방법은 또한 축척된 출력축 위치값에 의하여 주어진 회전자 위치와 실제 회전자 위치 사이에 존재하는 각도오프셋트를 나타내는 오프셋트값을 계산하는 단계를 포함한다.

또한 방법은 회전자 위치감지기의 출력에 응답하여 오프셋트값을 업데이트 하는 단계를 포함한다. 예를 들어 측정된 회전자 위치값이 모터의 홀효과 감지기(또한 정류시간을 제어한다)를 이용하여 얻는 경우, 회전자 위치의 고도로 정밀한 측정이 오프셋트값을 업데이트하기 위하여 축척된 출력축 위치값과 조합될 수 있는 홀효과 감지기 출력의 상태변화의 순간에 유효하게 된다.

오프셋트값은 홀효과 감지기의 상태변화시 순간적으로 업데이트될 수 있다. 이는 간단한 제어방법에서 일어나는 정류과정에 일치한다. 또한, 출력축 감지기로부터의 다음 판독값을 얻을 때 약간 늦은 시간에, 즉 축척된 출력축 위치값의 다음 업데이트시에 업데이트될 수 있다. 이와 같은 경우, 측정된 회전자 위치는 회전자의 속도와, 홀효과 감지기 출력의 변화와 축척된 출력축 위치값의 다음 업데이트 사이의 시간을 곱한 값에 따른 양을 가산하여 업데이트될 수 있다. 이는 본 발명의 방법이 이러한 시간간격중에 회전자의 운동을 고려할 수 있도록 한다. 모터회전자 속도감지기가 제공될 수 있다. 가장 바람직하기로는 회전자속도가 알려진 변속비와 조합된 출력축의 속도감지기로부터 계산될 수 있다는 점이다. 속도감지기는 조합형의 속도/토크/위치감지기의 일부일 수 있다.

또한 본 발명의 방법은 회전자의 각 회전방향에 대한 별도의 오프셋트값을 평가하는 단계를 포함한다. 이는 상이한 회전방향에서 시스템의 상이한 특성의 효과가 고려될 수 있도록 한다.

클러치가 중간수단의 일부로서 제공될 때, 축척된 출력축 위치값과 회전자 위치값 사이의 관계는 클러치가 분리되어 있는 동안에는 측정될 수 없다. 이러한 상태에서, 본 발명의 방법은 적용되지 않으므로 클러치의 상태를 측정하기 위한 추가단계가 포함되어야 한다. 클러치가 분리되었을 때, '방법유효' 플래그('method valid' flag)가 하강되어 방법의 결과가 무시될 수 있다. 마찬가지로, 클러치가 결합될 때, '방법유효' 플래그가 상승될 수 있다.

오프셋트는 회전자와 출력축 사이에 존재하는 백러쉬에 따른 조절값을 이용하여 개선될 수 있다. 백러쉬 조절값은 각 회전방향에 대한 오프셋트값 사이의 차이로부터 평가될 수 있다. 또한 오프셋트값은 회전자와 출력축 사이에 존재하는 기어셋트의 컴플리언스에 따른 조절값을 이용하여 개선될 수 있다. 컴플리언스가 평가되거나 사전에 설정된 고정값일 수 있다.

아울러, 모터 출력토크에 의한 중간수단에서의 토션에 의한 오프셋트의 일부가 감산될 수 있다.

오프셋트값으로부터 백러쉬를 평가하기 위하여, 평가된 백러쉬값을 얻도록 필터가 사용된다. 백러쉬값이 신속히 변화되는 것이 예상되지 않으므로 필터는 전진 또는 후진방향에 대한 오프셋트값이 업데이트될 때에만 업데이트된다.

백러쉬값은 전 시간에 걸쳐 사전에 평균된 백러쉬값보다 작은 비율로 변화하는 백러쉬값을 발생토록 전 시간에 걸처 평균될 수 있다. 그리고 이 평균값은 모든 계산에 이용된다. 이러한 평균화는 순환필터를 통하여 백러쉬값을 통과시킴으로서 수행된다.

시스템의 각 초기화시에, 이미 계산된 백러쉬의 값이 다시 사용된다. 따라서, 본 발명의 방법은 시스템의 전원이 차단될 때 예를 들어 백러쉬 평가값을 비휘 발성 메모리에 기록하고 전원이 인가시 판독하는 백러쉬 평가값을 저장하는 단계를 포함한다.

본 발명의 제2 관점에 따라서, 본 발명은 파워 스티어링 시스템을 제공하는 바, 이 시스템은 적어도 고정자와 회전자로 구성되는 전기모터, 중간수단을 통하여 회전자에 연결된 출력축, 회전자의 위치를 나타내는 출력을 발생할 수 있도록 모터에 제공된 제1 감지수단, 출력축의 위치를 나타내는 출력을 발생할 수 있도록 출력축에 제공된 제2 감지수단과 제1 및 제2 출력신호를 수신하고 본 발명의 제1 관점의 방법에 따른 회전자 위치의 평가값을 발생할 수 있게 된 전자처리수단으로 구성된다.

전자처리수단은 또한 회전자의 평가된 위치에 기초하여 전기모터의 작동을 제어할 수 있게 되어 있다.

제1 감지수단은 모터회전자에서 자석이 통과하는 것을 검출하는 다수의 홀효과 감지기로 구성된다. 제2 감지수단은 전용 각위치 감지기 또는 조합형의 토크감지기와 각위치 감지기로 구성될 수 있다.

시스템은 또한 클록신호를 발생하는 펄스발생수단으로 구성된다. 전자처리수단이 각 클록신호시에 제2 감지수단의 출력을 샘플링할 수 있게 되어 있다.

시스템은 또한 회전자와 변속기 사이 또는 변속기와 출력축 사이에 클러치를 포함한다. 클러치 상태 결정수단이 클러치가 결합되었을 때 "방법유효" 플래그를 발생토록 제공된다.

본 발명은 출력축에 제공된 감지기로부터의 정보를 모터회전자에 제공된 감 지기로부터의 해상도가 낮으나 정확성이 높은 정보에 조합함으로서 모터회전자 위치의 고해상도 측정값을 얻을 수 있도록 하는데 있다. 특히, 저해상도 정보는 출력축 감지기로부터 얻은 위치정보가 출력축과 모터회전자의 각위치 사이의 임의의 관계가 존재하는 회전자 위치에 상관될 수 있도록 하는 오프셋트값을 업데이트 하는데 이용될 수 있다. 이는 특히 클러치가 중간수단의 일부로서 제공되는 시스템이나 출력축 위치가 임의로 결정된 기준에 대하여 측정되는 시스템에 유리하다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 중간수단을 통하여 출력축에 연결된 전기모터로 구성된 시스템의 개략 사시도.

도 2는 홀효과 감지기에 의하여 발생된 정류자 상태코드에 일치하는 모터 회전자 위치의 도표.

도 3은 본 발명 방법을 수행하는 소프트웨어 루틴의 흐름도.

도 4는 모터전류에 대한 백러쉬를 보인 것으로 회전자와 출력축 사이의 백러쉬 효과를 보인 그래프.

도 5는 모터 회전자 위치를 계산하기 위한 소프트웨어 루틴의 다른 실시형태를 보인 흐름도.

본 발명의 방법에 이용하는데 적합한 본 발명에 따른 시스템이 도면의 도 1에 도시되어 있다.

본 발명에 따른 방법은 도 3에서 보인 바와 같이 소프트웨어 알고리즘의 형태로 구체화 된다. 이 방법에 있어서, 토크감지기가 출력축 각위치 및 회전자의 각위치 사이의 상관이 이루어질 수 있도록 사용된 홀효과 감지기로부터의 연속 샘플링 정보(103)를 제공한다.

이 시스템은 변속기(3)를 통하여 출력축(2)에 연결된 전기모터(1)로 구성된다. 출력축(2)에는 토크값, 출력속도값(101) 및 출력축의 토크, 속도 및 각위치를 나타내는 "측정된 출력축 위치값"(102)과 같은 출력신호를 제공토록 되어 있는 토크감지기(4)가 배치되어 있다. 전기모터에는 3 비트 디지털 코드의 형태인 출력(103)을 제공하는 3개의 직렬형 홀효과 감지기(5)가 구비되어 있다. 각 지수의 조합은 모터회전자에 대한 위치의 범위를 한정하고 이 지수는 회전자 자석이 홀감지기를 통과할 때 사전에 결정된 회전자 위치에서 한 조합으로부터 다른 조합으로 변화한다. 이들 변화포인트는 정류포인트와 일치한다. 3개의 감지기의 경우 각 지수조합은 상이한 6개의 코드가 가능하므로 60°회전자위치의 범위에 일치한다. 이는 도 2에 도시되어 있다.

홀효과 감지기는 이 홀효과 감지기 출력코드가 변할 때에만 정확한 위치정보를 제공한다. 다른 모든 회전자 위치에서, 홀효과 감지기는 회전자가 특정한 60° 전기범위(3개의 감지기의 경우) 내에 있는 상태가 될 것이다. 홀효과 감지기에 의하여 발생된 모터 위치값은 "측정된 절대 위치값"으로서 저장(104)된다. 이러한 해상도를 개선하기 위하여 본 발명의 방법은 토크감지기(4)로부터의 출력축 위치정보를 이용한다.

회전자와 출력축(2) 사이에 변속기(3)가 배치된 것은 출력축 위치의 측정값으로부터 모터의 각위치를 계산하기 위하여 "측정된 출력축 위치값"이 회전자 축위치에 정확히 일치하는 축척된 출력축 위치값을 얻기 위해 먼저 변속비로 곱해져야 한다. 이는 다음과 같이 계산(111)된다.

축척된 출력축 위치값 = (측정된 출력축 위치값×모터출력축비)mod 360°

여기에서, 모터출력축비 = 변속비×회전자 자극수의 반

"mod 360°"은 모듈로 -360°계산법의 이용을 포함하는 것이다. 예를 들어, 이 계산법하에서 -10°

350°, 380°

20°, 360°

0° 등.

"회전자 자극수의 반"은 위치값을 기계적인 각위치 보다는 전기모터 위치로 변환시킨다.

상기 등식은 출력축으로부터의 위치정보를 변속비를 고려한 회전자에 일치시킨다. 그러나, 이들은 어떠한 오프셋트의 존재도 고려하지 않는다. 도 1에서 보인 실제의 시스템에 있어서, "축척된 출력축 위치값"(0-360°범위에서)과 회전자의 위치(0-360°범위에서) 사이에 임의의 관계가 있다. 이와 같이, 회전자 위치를 측정하기 위하여 출력축의 위치에 관한 정보를 이용하기 위해 회전자와 출력축 사이의 오프셋트는 알려져야 한다. 오프셋트의 효과를 제거하기 위하여 다음의 계산(105)이 이용된다.

정렬오프셋트값 = 측정된 절대모터 위치값 - 축척된 출력축 위치값

"측정된 절대모터 위치값"의 값은 홀효과 감지기 출력코드로부터 얻으며 이는 모터가 회전함에 따라 변화할 것이다. 출력코드의 변화순간의 값만이 매우 정확하다. 따라서, 상기 등식은 실제 모터 회전자 위치값과 축척된 출력축 위치값 사이의 각오프셋트를 나타내는 오프셋트값을 발생한다. 이 등식은 측정된 절대모터 위치값과 축척된 출력축 값이 동일 순간에 얻는 경우에만 유효하다. 그러나, 실제로 이는 불가능하다. 본문에 기술된 실시형태에서, 토크감지기로부터의 출력축 위치값은 값의 샘플을 트리거하는 클록신호를 이용하여 일정한 시간간격을 두고 측정된다. 그러나, 홀효과 감지기 코드의 변화는 불확실한 시간에 일어나 클록펄스와는 정확히 일치하지 않을 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 측정된 절대모터 위치값이 다음의 등식을 이용하여 보정된다.

보정된 절대모터 위치값 = 측정된 절대모터 위치값 + (모터속도×측정된

절대모터 위치값의 최종 값변화 이후 시간)

그리고 "보정된 절대모터 위치값"은 정렬 오프셋트값을 계산시 측정된 값에 대입된다. 이는 정류와 오프셋트의 업데이트 사이의 시간간격중에 모터에 의하여 이동된 거리가 고려되고 정류가 일어날 때 출력위치의 순간측정값을 얻을 필요가 없도록 한다. 출력축 위치값이 각 클록펄스시 측정되는 시스템에 있어서, 이러한 시간간격은 정류로부터 다은 클록펄스까지의 시간에 일치할 것이다.

오프셋트가 계산되고 업데이트될 수 있도록 하는 상기 방법의 단계에 부가하여 정렬 오프셋트가 각 모터방향에 대하여 요구된다. 이와 같이, 소프트웨어는 각 모터방향(정방향 및 역방향)에서 정렬 오프셋트값을 계산하고 이들 두 값을 저장한다. 이들 두 오프셋트는 모터위치의 급격한 변화를 방지하기 위하여 필터링된다. 필터는 간단한 회전율 제한필터 또는 순환필터일 수 있으며, 다음의 소프트웨어 알고리즘(105)이 이용된다.

IF (모터전류 > 0)

THEN 필터링된 정방향 정렬 오프셋트 = FILTER (정렬 오프셋트값)

삭제

ELSE IF (모터전류 < 0)

THEN 필터링된 역방향 정렬 오프셋트 = FILTER (정렬 오프셋트값)

필터링된 두 오프셋트값의 해상도는 필터링되지 않은 오프셋트값보다 이상적으로 양호하여야 한다.

삭제

정방향 및 역방향 정렬 오프셋트값을 얻었을 때, 최종모터 정렬 오프셋트는 다음과 같이 계산(107)된다.

최종모터 정렬 오프셋트 = (필터링된 정방향 오프 셋트값 +

필터링된 역방향 오프셋트값) ÷ 2

출력축 위치정보에 조합하여 홀효과 감지기 정보를 이용한 정렬 오프셋트의 업데이트값을 제공하기 위하여, 두 필터링된 오프셋트값이 다음과 같이 회전자와 출력축 사이에 존재하는 백러쉬를 계산(110)토록 사용된다.

평가된 변속기 백러쉬 크기 = FILTER(필터링된 정방향 오프셋트값 -

필터링된 역방향 오프셋트값) ÷ 2

다시, 필터(109)는 백러쉬 평가값이 신속히 변하지 않고 실제로 백러쉬 크기의 점진적인 변화가 일어날 수 있도록 사용된다.

백러쉬 보상계수는 모터의 전류, 즉 모터 출력토크에 따라 달라진다. 특징은 항상 제로전류를 중심으로 하여 대칭이고, 히스테리시스 이득값과 반폭값에 의하여 정의될 수 있다. 도 4는 이득(21)과 반폭(22)이 표시된 모터전류에 대한 백러쉬의 좌표이다.

축척된 출력축 위치값, 최종모터 오프셋트값 및 백러쉬 보정값이 계산되었을 때, 최종평가 회전자 위치는 다음 등식을 이용하여 계산(108)된다.

최종평가 회전자 위치값 = (축척된 출력축 위치값 + 모터 오프셋트+

백러쉬값)mod 360°

이 값은 모터회전자와 출력축이 결합되어 있는 경우 유효하다. 그러나, 모터와 출력축 사이의 클러치가 분리되었을 때 상기 등식은 유효하지 않다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여, 소프트웨어 알고리즘은 클러치 결합상태를 체크하는 단계(106)를 포함하며, 이는 클러치가 분리되었음이 통보되고, "방법유효" 플래그가 하강되어 이 등식이 유효하지 않다는 것이 경고된다. 이와 같은 경우 모터위치는 다음 등식으로부터 용이하게 평가될 수 있다.

최종평가 회전자 위치값 = 정류 중심 위치값(도 2에서 보인 바와 같음)

최종평가 회전자 위치와 모터 회전자 속도의 값은 전기모터를 구동시키기 위한 제어입력으로서 이용될 수 있다. "방법유효" 플래그가 하강되었을 때 모터의 제어는 '표준'정류 DC제어에 따른다. 출력축 감지기로부터의 보다 정확한 정보가 이용될 때, 보다 정확한 모터제어 알고리즘이 사용될 수 있다. 예를 들어 공칭정류 포인트의 부근에서 정류포인트의 작은 변화가 유효하게 될 수 있다.

제 2 제어수단이 도 5에 개략적으로 도시되어 있다.

이 실시형태에서, 출력축 속도 측정값은 알려진 상수에 의하여 모터 전기속도 단위로 초기에 축척된다. 마찬가지로 출력축 위치 측정값은 모터 전기위치 단위로 축척되고, 본래의 측정값의 실효를 보상하기 위하여 모터속도 신호를 이용하여 현재시간에 대하여 외삽된다. 평가된 정렬 오프셋트가 모터회전자에 대하여 축척된 출력축 위치값을 재참조 하기 위하여 부가된다. 그리고 백러쉬와 컴플라이언스를 보상하기 위하여 조합된 기어셋트 보상신호가 부가된다.

기어셋트 보상신호는 두 성분, 즉 기어셋트 토션(즉 컴플라이언스)와 백러쉬보정 오프셋트로 이루어진다. 일부 기어셋트는 톱니가 마모시 매우 느리게 증가하는 백러쉬를 가지나 EPAS 시스템의 전 사용수명 동안에 거의 변하지 않는 컴플라이언스를 갖는 것이 발견되기도 하였다. 따라서, 규정된 기어셋트 컴플라이언스는 기어셋트 토션을 얻기 위하여 모터토크(모터전류의 측정값으로부터 추정될 수 있다)로 곱하여진다. 백러쉬 보상 오프셋트는 모터토크외 이후 설명되는 소프트웨어에서 유도되는 백러쉬 크기의 평가값에 따라 달라진다.

결과의 모터 전기위치 신호는 모터제어 궤환신호로서 이용되고 보다 양호한 제어가 이루어질 수 있도록 한다.

모터 전기속도와 모터토크는 기어셋트의 파라메타 평가값을 업데이트할 것인지를 결정하는데 이용될 수 있다. 모터토크가 결합된 기어셋트와 일치할 때 모델이 업데이트 되고 모터속도는 정확한 측정을 위하여 너무 빠르거나 너무 느리지 않다.

이들 조건이 성립되었을 때 모터회전자 위치감지기(통상 2진상태 홀효과 프 로우브)로부터의 신호가 먼저 부호화 되고, 측정값의 실효에 대하여 보정된다. 모터 전기위치 신호와 보정된 회전자 위치 측정값 사이의 차이는 "모터 오프셋트" 모델의 에러이다. 이 모델은 두 출력파라메타, 즉 "평가된 정렬 오프셋트"와 "평가된 백러쉬 크기"를 갖는다. 이들은 제로에 가까운 평균모터 오프셋트를 유지하기 위하여 조절된다.

평가된 백러쉬 크기는 두 위치 오프셋트, 즉 정방향 및 역방향의 위치 오프셋트 사이의 차이를 저역 필터링함으로서 유도된다. 정방향 오프셋트는 모터토크가 포지티브일 때 제로에 근접한 평균모터 오프셋트 모델에러를 유지하도록 조절되고 역방향 오프셋트는 모터토크가 네거티브일 때 조절된다. 이와 같이 두 오프셋트는 기어셋트의 일측면이 결합되거나 타측면이 결합될 때 평균 컬럼/모터의 불일치를 고려하여 조절된다. 두 오프셋트의 차이는 기어셋트의 면이 마모됨에 따라 시스템의 전 수명을 통하여 약간 증가할 수 있다. 백러쉬 크기 파라메타는 제 1 실시형태의 경우와 같이 허용할 수 없는 마모를 나타낼 수 있도록 한계값과 비교된다. 백러쉬크기는 매우 느리게 변화하므로 이는 각 작동시간의 종료시에 비휘발성 메모리(NVM)에 저장될 수 있다. 저역필터가 작동이 다시 시작할 때 NVM값으로 다시 초기화될 수 있으며, 예를 들어 파워 스티어링 시스템에 있어서 이는 각 과정의 초기에 이루어질 수 있다.

평가된 정렬 오프셋트는 두 위치 오프셋트의 중간점을 한정하는 회전율로부터 계산된다. 컬럼위치가 통상적으로 완전히 임의의 기준점(파워업 값)에 참조되므로 두 위치 오프셋트의 중간점은 시작시에 완전히 임의의 값이며 NVM에 평균값을 저장하는 것으로부터 어떠한 이점은 없다.

제어방법이 도 5의 구성으로 구체화 되는 여러 단계를 설명하는 다음의 설명에서 보다 상세히 기술된다.

먼저, 제어방법은 컬럼감지기(즉, 조합형의 토크 및 위치감지기)(201)를 이용하여 출력축 속도(202)와 절대 출력축 위치(203)의 값을 계산하거나 얻는다.

다음으로, 제 1 실시형태의 경우와 같이 사전에 설정된 변속비(204)를 이용하여 값(202)(203)에 변속비를 곱하여 다음에 따른 모터전기 속도값(205)과 보정된 축척 출력축 위치값(206)를 얻는다.

보정된 축척 출력축 위치값=[(측정된 출력축 위치값×모터 출력축 비)+(모터속도×절대 출력축 위치값의 최종 측정후 시간)]mod 360°

모터전기속도=(측정된 출력축 속도×모터 출력축 비)

보정된 축척 출력축 위치값은 출력축 위치의 값의 변화 사이에서 회전자의 운동을 위한 보정값과 통합된다. 이는 이러한 보정이 수행되지 않는 제 1 실시형태와는 상이하다. 물론 제 1 실시형태는 이러한 보정이 이루어지도록 수정될 수 있다.

보정된 축척 출력축 위치의 값으로부터 "정렬된 모터 전기위치"값이 다음과 같이 계산될 수 있다.

정렬된 모터전기위치 = MOD 360 (보정된 축척 출력축 위치+평가된 정렬 오프셋트)

"평가된 정렬 오프셋트"는 출력축 위치와 모터회전자 위치의 측정값을 얻고, 이후 상세히 설명되는 바와 같이 계산되는 기준점 사이의 차이에 의한 에러를 나타내는 출력값이다. 이와 같이 정렬된 모터 전기위치는 이러한 기준점 오정렬의 효과를 보상한다.

이미 언급된 바와 같이, 기어셋트의 효과에 대한 보상이 요구된다. 이러한 에러성분은 두 성분, 즉 컴플라이언그의 효과와 백러쉬의 효과로 이루어진다. 일부 기어셋트는 톱니가 마모시 매우 느리게 증가하는 백러쉬를 가지나 시스템의 전 사용수명 동안에 거의 변하지 않는 컴플라이언스를 갖는 것이 발견되기도 하였다. 따라서, 규정된 기어셋트 컴플라이언스(208)(예를 들어, 비휘발성 메모리에 저장됨)는 다음과 같이 기어셋트 토션값(209)을 얻기 위하여 모터토크(207)의 값으로 곱하여진다.

기어셋트 토션=변속기 컴플라이언스×모터토크

모터토크값이 측정되거나 추정될 수 있다.

사전에 결정된 컴플라이언스의 값이 성공적으로 사용될 수 있는 반면에 계산된 백러쉬의 값이 톱니의 마모에 의한 변화를 고려하는 것이 바람직하다.

도 5의 방법은 기어셋트 모델(210)을 이용하여 모터토크에 따라서 달라지는 "백러쉬 보정 오프셋트값"(211)을 발생하는 백러쉬 보정 알고리즘을 이용한다.

모터토크에 대한 백러쉬 좌표의 특성은 항상 제로에 대하여 대칭이고 도 4에서 보인 바와 같이 백러쉬보정 히스테리시스 이득(BACKLASH CORRECTION HYSTERESIS GAIN) 및 백러쉬보정 히스테리시스 반폭(BACKLASH CORRECTION HYSTERESIS HALF WIDTH)에 의하여 정의되어야 한다.

백러쉬보정 오프셋트(211)의 값은 그 크기가 평가된 백러쉬 크기÷2를 넘지않아야 한다. 이들 계산은 다음과 같이 모든 반복에서 이루어진다.

IF
백러쉬보정 히스테리시스 이득*(모터토크-백러쉬보정 히스테리시스 반폭) >
종전 백러쉬 보정 오프셋트

삭제

THEN
백러쉬보정 오프셋트 = 백러쉬보정 히스테리시스 이득 *
(모터토크-백러쉬 보정 히스테리시스 반폭)

ELSE IF
백러쉬보정 히스테리시스 이득*(모터토크-백러쉬보정 히스테리시스 반폭) <
종전 백러쉬 보정 오프셋트

삭제

THEN
백러쉬보정 오프셋트 = 백러쉬보정 히스테리시스 이득 *
(모터토크 + 백러쉬보정 히스테리시스 반폭)

ELSE

백러쉬 보정 오프셋트 = 종전 백러쉬 보정 오프셋트

END

백러쉬 보정 오프셋트 = MIN ( MAX ( 백러쉬 보정 오프셋트, - 평가된 백러쉬크기/2), + 평가된 백러쉬크기/2 )

삭제

종전 백러쉬 보정 오프셋트 = 백러쉬 보정 오프셋트

여기에서 MIN(x,y,z)는 x, y, z의 대수 최소값

MAX(x,y,z)는 x,y,z의 대수 최대값.

기어셋트 토션(209)과 "백러쉬 보정 오프셋트"(211)는 다음과 같이 "최종 평가된 모터회전자 위치값"(213)을 얻도록 정렬된 모터위치의 값과 조합될 수 있는 "기어마모 효과값"(212)을 얻도록 조합될 수 있다.

최종 평가된 모터회전자 위치값 = MOD 360 (정렬된 모터전기위치 +

조합된 기어 마모효과)

여기에서,

조합된 기어 마모효과 = 백러쉬 보정 오프셋트 + 기어셋트 토션

또한 파워업시, 즉 신뢰가능하지 못한 결과를 얻을 때 다음 등식이 이용될 수 있다.

최종 평가된 모터회전자 위치 = 정류 중심위치

변속기가 충분히 결합되었을 때(즉, 백러쉬 영역에 놓여 있지 않을 때)를 연속적으로 검출하기 위하여 부가적인 기능이 제공될 수 있다. 모터위치와 컬럼위치 사이의 관계는 모터 오프셋트 모델을 업데이트 하는데 이용될 수 있다.

또한 최소속도 한계값이 "너무 오래된" 홀효과 감지기 변환으로부터 절대 모터위치와 기어셋트 모델을 업데이트 하는 것을 방지하기 위하여 충분히 높게 설정되어 제공될 수 있다.

변속기 완전결합 플래그는 변속기가 다음의 모든 조건을 만족할 때 완전히 결합됨을 나태내도록 설정될 수 있다.

ABS (모터 전기속도) > MOTOR MESH MIN VELOCITY THRESHOLD

ABS (모터 전기속도) < MOTOR MESH MAX VELOCITY THRESHOLD

ABS (모터토크) > MOTOR MESH MIN TORQUE THRESHOLD

SIGN(모터토크) = SIGN (모터 전기속도)

상기 조건의 어느 하나라도 유지되지 않으면 플래그가 리셋트될 것이다.

평가된 정렬 오프셋트를 계산하는 방법이 이제 설명될 것이다.

기어셋트 모델(210)의 제 1 단계에서, "모터 전기속도"(205)는 다음과 같이 측정후 경과된 시간을 보상하는 보정된 절대 모터 위치값(240)을 발생토록 위치감지기로부터 얻은 "측정된 절대 모터 위치값"(230)과 조합된다(220).

보정된 절대 모터위치 = MOD 360 (측정된 절대 모터 위치값 +

[모터 전기속도×(현재시간 - 측정시간)])

이와 같이, 홀효과 감지기가 절대 모터위치를 측정하는데 사용되는 경우, 이 알고리즘은 정확성을 높이기 위하여 홀효과 감지기 상태의 변화후 모터의 운동을 보상한다.

"보정된 절대 모터위치"(240)의 값은 다음과 같이 주어지는 "모터 오프셋트 모델 에러"값(250)을 발생토록 최종 평가된 모터회전자 위치의 값(213)과 조합된다.

모터 오프셋트 모델 에러 = MOD 360 (보정된 절대 모터위치 -

최종 평가된 모터회전자 위치 + 180°) - 180°

이러한 식은 원의 어느 방향에서나 모터 전기위치로부터 절대 모터위치까지의 최단거리를 나타내며 모터 오프셋트 모델 에러가 -180°로부터 +180°까지의 범위에 놓이도록 한다. 만약 과정중에 보정된 절대 모터위치가 포지티브 방향으로 구동시 예를 들어, 10°만큼 측정된 모터 절대위치를 일관되게 앞선 경우 이 식은 측정된 절대 모터 전기위치가 아직 350°로부터 360°로 오르는 동안 보정된 절대 모터위치가 360°로부터 0°로 순환될 때에도 일관된 +10°의 결과를 발생할 것이다. "모터 오프셋트 모델 에러"도 마찬가지로 모터 구동방향에 관계없이 네거티브와 같이 포지티브가될 것이다.

"모터 오프셋트 모델 에러"(250)가 계산되었을 때, 모터위치 오프셋트가 정방향(260) 및 역방향(270)의 구동방향에 대하여 계산된다. 이들 각 "모터위치 오프셋트"는 낮은 모터 오프셋트 모델 에러를 발생하는 목표값(과정의 초기에는 미지임)을 향하여 적분작용에 의하여 강조된다. 낮은 평균값을 갖는 에러신호로부터 이들 오프셋트의 발생은 예를 들어, 정방향 및 역방향 구동중 변속기내 웜과 (축척된)웜휠의 상대위치의 차이를 나타내도록 실질적인 DC이득(예를 들어, 적분작용)을 요구한다.

이들 두 오프셋트값 중의 하나는 모터토크의 방향에 따라 업데이트 된다.

IF
(모터토크 > 0)
THEN
정방향 모터위치 오프셋트 = (정방향 모터위치 오프셋트 + 모터 오프셋트 모델 에러 * 모터위치 오프셋트 에러이득)

삭제

ELSE

역방향 모터위치 오프셋트 = (역방향 모터위치 오프셋트 + 모터 오프셋트 모델 에러 * 모터위치 오프셋트 에러이득)

삭제

ENDIF

정방향 및 역방향 오프셋트값은 제1 모터 오프셋트 모델에러(250)가 계산될 때 모두 초기화 된다. "모터 오프셋트 초기화 플래그"는 모터 오프셋트 모델 에러(250)가 아직 유효함을 나타내도록 설정될 수 있다. 오프셋트값은 모터토크의 방향에 따라 초기화될 수 있다.

IF
(모터토크 > 0)
THEN

정방향 모터위치 오프셋트=보정된 절대모터위치-보정된 축척 출력축 위치 -

기어셋트 토션

역방향 모터위치 오프셋트=정방향 모터위치 오프셋트-평가된 백러쉬 크기

ELSE

역방향 모터위치 오프셋트=보정된 절대 모터위치-보정된 축척 출력축 위치 -

기어셋트 토션

정방향 모터위치 오프셋트=역방향 모터위치 오프셋트+평가된 백러쉬 크기

ENDIF

모터위치 오프셋트의 두 값(260)(270)은 백러쉬 크기의 평가값(280)과 정렬 오프셋트의 평가값(290)을 발생토록 조합될 수 있다.

백러쉬 크기(280)는 이들 두 모터위치 오프셋트(260)(270) 사이의 차이로부터 평가될 수 있다.

측정된 백러쉬 크기 = min(max(정방향 모터위치 오프셋트-역방향 모터위치 오프셋트, 0°), MAX ESTIMATED BACKLASH)

삭제

평가된 백러쉬 크기 = [측정된 백러쉬 크기 + (백러쉬 필터상수-1) * 평가된 백러쉬 크기] / 백러쉬 필터상수

평가된 백러쉬 크기는 각 과정의 시작시에 비휘발성 메모리(NVM)로부터 회복될 수 있고 파워 다운시 NVM에 다시 저장된다. 평가된 백러쉬 크기를 NVM에 저장시 짧은 과정중 수집된 에러성 데이터가 시스템 성능에 장기영향을 주는 것으로부터 방지하기 위하여 다른 필터가 적용될 수 있다. 이 필터는 파워 싸이클 당 최대 ±NVM BACKLASH MAX CHANGE로 변화를 제한할 것이다.

백러쉬 크기 평가값(280)은 이미 언급된 바와 같이 "최종 평가된 모터회전자 위치"값(213)을 발생토록 정렬된 모터 전기위치값에 가산(302)되는 조합된 기어 마모효과(212)의 값을 발생하기 위하여 기어셋트 토션값(209)에 조합될 수 있는 백러쉬 보정 오프셋트값(300)을 계산하는데 이용된다.

따라서, 백러쉬 보정 알고리즘은 모터토크에 따른 위치보정성분을 발생한다.

초기 EPAS 유니트 시험중 최초 시스템 파워다운시 평가된 백러쉬크기(280)의 값이 필터링 없이 NVM에 저장될 수 있다.

정방향 및 역방향 오프셋트가 계산되었을 때, 정렬 오프셋트(290)의 평가값이 계산될 수 있다. 이 값은 두 모터위치 오프셋트의 중간점을 향하여 일정하게 업데이트될 수 있다.

측정된 정렬 오프셋트 = (역방향 모터위치 오프셋트+

정방향 모터위치 오프셋트)÷2

정렬 오프셋트 변화 = 측정된 정렬 오프셋트 - 평가된 정렬 오프셋트

정렬 오프셋트 변화 = min(max(정렬 오프셋트 변화, - ALIGNMENT OFFSET MAX CHANGE), + ALIGNMENT OFFSET MAX CHANGE)

삭제

평가된 정렬 오프셋트 = 평가된 정렬 오프셋트 + 정렬 오프셋트 변화

초기화시에 다음 평가의 정렬 오프셋트가 이용될 수 있다.

평가된 정렬 오프셋트 = (역방향 모터위치 오프셋트+

정방향 모터위치 오프셋트)÷2

본 발명의 기술분야에 전문가라면 제2 실시형태가 백러쉬와 컴플라이언스의 효과를 고려하는 순간에 모터회전자의 위치를 계산하는 방법을 제공함을 이해할 것이다. 제2 실시형태는 시간이 지남에 따른 시스템의 마모를 보상하기 위하여 채택된 백러쉬 평가값을 리셋팅할 수 있다. 또한 제1 관점에 관련하여 언급된 많은 정확성이 제2 관점에도 적용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어 감지기의 정렬과 배치에 있어서도 동일하다.

또한 제2 실시형태는 제1 실시형태와 마찬가지로 동일한 모터위치의 출력 측정신호, 출력축 위치 및 토크를 이용하나, 시스템의 컴플라이언스에 대한 가정에 의하여 절대모터위치를 계산하는 개선된 방법을 제공함을 이해할 것이다.

Claims

중간수단(3)을 통하여 출력축(2)에 연결된 모터(1)의 회전자의 시간 모멘트에서 위치를 계산하는 방법에 있어서, 이 방법이 모터에 제공된 제1 감지수단을 이용하여 제1의 시간적 순간에서 회전자의 각위치를 나타내는 측정된 회전자 위치의 제1 값을 얻는 단계, 출력축(2)에 제공된 제 2 감지수단(4)을 이용하여 제2의 시간적 순간에서 출력축의 각위치를 나타내는 출력축 위치의 제2 값을 측정하는 단계, 시간 모멘트에서 회전자의 각위치의 평가값을 발생토록 상기 제1 및 제2 값을 조합하는 단계와, 회전자와 출력축 사이의 백러쉬를 나타내는 백러쉬값을 계산하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 모터회전자 위치 계산방법.
제1항에 있어서, 중간수단이 변속기(3)로 구성되고, 축척된 출력축 위치값을 얻도록 출력축의 제2 감지수단으로부터의 측정된 출력축 위치값에 변속비를 곱하는 승산단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서, 축척된 출력축 위치값에 의하여 주어진 회전자 위치와 실제 회전자 위치 사이의 오프셋트를 나타내는 오프셋트값을 계산하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서, 오프셋트값이 측정된 회전자 위치 제1 값을 축척된 출력축 위치값에 비교하여 계산됨을 특징으로 하는 방법.
제3항 또는 제4항에 있어서, 보정된 오프셋트값이 오프셋트값을 모터회전자 속도와 측정된 회전자 위치의 제1 값과 출력축 위치의 제2 값을 얻는 사이의 시간의 적과 동일한 양에 조합하여 계산됨을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서, 정방향 오프셋트값과 역방향 오프셋트값이 모터 출력토크의 방향에 따라 계산됨을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 백러쉬값이 전 시간에 걸처 사전에 평균된 백러쉬값 보다 작은 비율로 변화하는 백러쉬값을 발생토록 전 시간에 걸쳐 평균됨을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 백러쉬값이 순환필터를 통하여 통과함으로서 평균됨을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서, 중간수단의 모터 출력토크에 의한 토션에 따라 달라지는 오프셋트 부분을 감산하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
제9항에 있어서, 오프셋트와 백러쉬값이 회전자의 절대위치를 나타내는 평가된 회전자 위치값을 발생토록 축척된 회전자 위치값과 조합됨을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서, 오프셋트값이 측정된 회전자 위치의 제1 값이 변화할 때 재계산됨을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 측정된 출력축 위치의 제2 값이 클록신호에 응답하여, 제2 감지수단의 출력을 샘플링 하여 얻음을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 측정된 출력축 위치의 제1 값이 다수의 홀효과 감지기의 출력을 측정하여 얻음을 특징으로 하는 방법.
고정자와 회전자로 구성되는 전기모터(1), 중간수단(3)을 통하여 회전자에 연결된 출력축(2), 회전자의 위치를 나타내는 출력을 발생할 수 있도록 모터(1)에 제공된 제1 감지수단(5)과, 출력축의 위치를 나타내는 출력을 발생할 수 있도록 출력축(2)에 제공된 제2 감지수단(4)으로 구성되는 파워 스티어링 시스템에 있어서, 제1 및 제2 출력신호을 수신하며 제1의 시간적 순간에 제1 출력신호를 측정하고 제2의 시간적 순간에 제2 출력신호를 측정하여 시간 모멘트에서 평가값을 발생토록 상기 제1 및 제2 신호를 조합하고 회전자와 출력축 사이의 백러쉬를 나타내는 백러쉬값을 계산하여 회전자 위치의 평가값을 발생할 수 있게 된 전자처리수단이 구성되어 있음을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
제14항에 있어서, 전자처리수단이 또한 회전자의 평가된 위치에 기초하여 전기모터의 작동을 제어할 수 있게 되어 있음을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
제14항 또는 제15항에 있어서, 제1 감지수단이 모터회전자에서 자석이 통과하는 것을 검출하는 다수의 홀효과 감지기로 구성됨을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
제14항에 있어서, 제2 감지수단이 전용의 각위치 감지기 또는 조합형의 토크감지기와 각위치 감지기로 구성됨을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
제14항에 있어서, 클록신호를 발생하는 펄스 발생수단으로 구성되고, 전자처리수단이 각 클록신호시에 제2 감지수단의 출력을 샘플링할 수 있게 되어 있음을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
제14항에 있어서, 회전자와 변속기 사이 또는 변속기와 출력축 사이에 클러치를 포함하고, 클러치 상태 결정수단이 클러치가 결합되었을 때 "방법 유효" 플래그 또는 클러치가 분리되었을 때 "방법 무효" 플래그를 발생토록 제공됨을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
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