KR101194948B1 - 토크 리플 저감방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 토크 리플 저감방법에 관한 것으로, 3상 브러시리스 교류 전동기를 액츄에이터로 사용하는 MDPS 시스템에서,

을 적용하여, 모터 전기 각속도의 1 배 및 2 배 각 주파수 토크 리플을 저감하되, 상기 첫 번째 항 iqsr*는, 동기 좌표계 전류 지령이고, 상기 두 번째 항의 f1은, 모터의 동기 좌표계 전류 지령과 각속도 wr의 함수이며, sin 함수는, 모터의 위치 센서로부터 측정한 모터의 전기각(theta_r)과 전기각 보상분(theta_f1)의 합을 입력으로 취하고, 상기 세 번째 항의 f2는, 모터의 동기 좌표계 전류 지령과 각속도 wr의 함수이며, sin 함수는, 모터의 위치 센서로부터 측정한 모터의 전기각에 2를 곱하여 두 배 전기각을 취한 (2*theta_r)과 두 배 전기각 보상분 theta_f2의 합을 입력으로 취하는 것을 특징으로 하며, 조향 휠을 매우 천천히 조향할 때 발생되는 모터 전기각 주파수의 1 배 및 2 배 고조파 토크 리플을, 별도의 하드웨어를 추가하지 않고서도, 소프트웨어를 이용하여 효율적으로 저감할 수 있게 된다.

3상 브러시리스 교류 전동기, MDPS 시스템, 토크 리플, 기계적, 소프트웨어

Description

토크 리플 저감방법 {Torque ripple reduce method}

도 1은 일반적인 MDPS 시스템을 나타낸 도면,

도 2는 모터의 역기전력에 3%의 크기 오차가 있을 경우의 토크 리플 시뮬레이션 파형을 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 토크 리플 저감방법이 적용되는 블록도를 나타낸 도면,

도 4는 도 3의 f1과 f2의 구현 방법을 나태는 도면,

도 5는 본 발명의 토크 리플 저감방법이 적용된 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면,

도 6은 본 발명의 토크 리플 저감방법이 적용된 실험 결과를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 구동 모터 2 : 감속기

3 : ECU 4 : 토크 센서

본 발명은, 토크 리플 저감방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 3상 브러시리스(3 Phase Brushless) 교류 전동기를 액츄에이터로 사용하는 MDPS(Motor Driven Power Steering) 시스템에서의 토크 리플 저감방법에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 MDPS 시스템을 나타낸 도면으로, 상기 MDPS 시스템에는, 회전력을 발생시키는 구동 모터(1), 상기 구동 모터의 회전력을 감속시키는 감속기(2), 상기 구동 모터의 회전속도와 회전 방향 등을 제어하는 ECU(3), 운전자가 방향을 조절함에 따라 조향 휠에 가해지는 토크를 감지하는 토크 센서(4) 등이 포함된다.

한편, 상기와 같은 MDPS 시스템에는, 주로 직류 모터를 액츄에이터로 사용하였으나, 최근에는 신뢰성을 보장할 수 있는 3상 브러시리스 교류 모터를 액츄에이터로 사용하고 있는 데, 상기 3상 브러시리스 교류 모터는, 상기 직류 모터에 비해 출력, 수명, 신뢰도 등이 높은 장점이 있는 반면, 상기 직류 모터에 비해 토크 리플(Torque Ripple)이 더 크다는 단점이 있다.

그리고, 이러한 토크 리플의 원인에는, 제어적인 요소와 전기-기계적인 요소가 있는 데, 상기 제어적인 요소는, 보다 개선된 제어방식에 의해 해결이 가능하지만, 상기 전기-기계적인 요소 중 특히 기계적인 불완전성에 의해 발생되는 저주파 토크 리플은 저감하기가 상당히 어렵다.

한편, 상기와 같은 기계적인 요소에 의해 발생되는 저주파 토크 리플을 저감 하기 위한 방안으로는, 예를 들어 연성 커플링을 사용하는 방안이 있는 데, 이는 고무 등의 재질이 연한 것을 모터와 감속기 사이의 커플링으로 사용하여 모터의 토크 리플로 인해 발생되는 기계적인 진동을 저감시키는 것이다.

그리고, 모터의 토크 리플을 저감하기 위하여, 모터의 생산 및 조립시 기계적인 완성도를 높이는 방안이 있는 데, 이와 같은 방안들은 실용적인 범위 내의 특정 영역 대 주파수를 가지는 토크 리플을 비교적 효과적으로 저감할 수 있다.

그러나, 운전자가 조향 휠을 매우 저속으로 조향할 때나 또는 다른 기타 요인으로 인해 발생되어, 연성 커플링을 통과하는 극 저주파수의 토크 리플을 저감하는 데에는 효과가 없으며, 또한 기계적 완성도를 향상시키더라도, 토크 리플을 완전히 제거하기 어려우며, 이를 위해서는 복잡하고 정밀한 생상 공정이 요구되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 예를 들어 3상 브러시리스(3 Phase Brushless) 교류 전동기를 액츄에이터로 사용하는 MDPS(Motor Driven Power Steering) 시스템에서, 모터의 기계적인 불완전성에 의해 발생되는 모터 전기 각속도의 1 배 및 2 배 각 주파수 토크 리플을, 보다 효율적으로 저감시킬 수 있도록 하기 위한 토크 리플 저감방법을 제공하는 데, 그 목적이 있는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 토크 리플 저감방법은,

3상 브러시리스 교류 전동기를 액츄에이터로 사용하는 MDPS 시스템에서,

을 적용하여, 모터 전기 각속도의 1 배 및 2 배 각 주파수 토크 리플을 저감하되,
여기서, 아래 첨자인, qs는 초기 전류 지령값이며, qs_comp는 보정된 전류 지령값이고, 상기 첫 번째 항

는, 동기 좌표계 전류 지령이고,

상기 두 번째 항의 f1은, 모터의 동기 좌표계 전류 지령과 각속도(w_r)의 함수이며, sin 함수는, 모터의 위치 센서로부터 측정한 모터의 전기각(θ_r)과 전기각 보상분(θ_f1)의 합을 입력으로 취하고,
상기 세 번째 항의 f2는, 모터의 동기 좌표계 전류 지령과 각속도 wr의 함수이며, sin 함수는, 모터의 위치 센서로부터 측정한 모터의 전기각에 2를 곱하여 두 배 전기각을 취한 (2*θ_r)과 두 배 전기각 보상분(θ_f2)의 합을 입력으로 취하는 것을 특징으로 하며,

삭제

삭제

또한, 상기 동기 좌표계 지령인

를 입력받아서 보상하고자 하는 주파수 대역의 함수 크기를 정하는 것으로, 전류 지령이 클수록 함수의 크기가 커지게 되고, 전류 지령이 작을수록 함수의 크기가 작아지는 것을 특징으로 한다.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 토크 리플 저감방법은, 도 1에 나타낸 MDPS 시스템의 ECU(3)에 적용될 수 있는 것으로, 먼저 기계적인 불완전성이 모터의 토크 리플에 미치는 영향을 알아보기 위해 시뮬레이션을 실시하였다.

도 2는, 모터의 역기전력에 3%의 크기 오차가 있을 경우의 토크 리플 시뮬레이션 파형을 나타낸 도면으로, 도 2의 첫 번째 파형은, 모터의 발생 토크와 비례하는 동기 좌표계 q 축의 전류 응답이고, 두 번째 파형은, 모터의 3상전류를 나타낸 것이고, 세 번째 파형은 모터에서 발생하는 토크를 나타낸 것이다.

상기 도 2를 살펴보면, 모터의 토크 성분 전류 응답이 일정하게 유지되고 있음에도 불구하고, 기계적으로 발생되는 토크에 전기각 주파수에 비례하는 토크 리플이 발생하고 있음을 알 수 있으며, 또한 전기 및 제어 동작이 완벽하게 수행되고 있음에도 불구하고, 모터의 기계적인 불완전성에 의해 토크 리플이 발생하고 있음을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 토크 리플 저감방법에서는, 상기와 같이 기계적인 불완전성에 의해 발생하는 전기각 주파수의 1 배 및 2 배 고조파 토크 리플을 저감하기 위하여, 다음과 같은 수식을 도입 적용한다.

여기서, 아래 첨자인, qs는 초기 전류 지령값이며, qs_comp는 보정된 전류 지령값이고, 상기 첫 번째 항

는, 동기 좌표계 전류 지령을 나타내고, 두 번째 항의 f1은, 모터의 동기 좌표계 전류 지령과 각속도(w_r)의 함수이고, 두 번째 항의 sin 함수는, 모터의 위치 센서로부터 측정한 모터의 전기각(θ_r)과 전기각 보상분(θ_f1)의 합을 입력으로 취한다.

그리고, 세 번째 항의 f2는, 상기 f1과 마찬가지로 모터의 동기 좌표계 전류 지령과 각속도 wr의 함수이고, 세 번째 항의 sin 함수는, 모터의 위치 센서로부터 측정한 모터의 전기각에 2를 곱하여 두 배 전기각을 취한 (2*θ_r)과 두 배 전기각 보상분 (θ_f2)의 합을 입력으로 취한다.

즉, 본 발명의 토크 리플 저감방법에서는, 토크 리플을 저감하기 위하여, 동기 좌표계 전류 지령을 나타내는 첫 번째 항

이외에도, 두 번째 항과 세 번째 항을 추가로 적용시킴으로써, 전기각 주파수의 1 배 및 2 배 고조파 토크 리플을 저감하게 되는 데, 이때 기계적으로 발생하는 전기각 주파수 대역의 토크 리플을 상쇄할 수 있도록 반대 방향 (-)으로 토크를 발생시킨다.

한편, 상기와 같은 수식은, 도 3과 같은 블록도로 나타낼 수 있는 데, 이때 도 3의 f1과 f2의 구현 방법은, 도 4에 나타낸 바와 같이 구현될 수 있다. 즉 도 4의 좌측 첫 번째 블록은, 동기 좌표계 지령인

를 입력받아서 보상하고자 하는 주파수 대역의 함수 크기를 정하는 것으로, 전류 지령이 클수록 함수의 크기가 커지게 되고, 전류 지령이 작을수록 함수의 크기가 작아지게 된다.

그리고, 우측 블록은, 모터의 각속도가 일정속도 이상이 되면, 서서히 크기를 줄이다가 어느 한계점에 이르면 이득을 0으로 하여 보상을 하지 않게 하는 데, 이때 보상을 중지하는 시점은, Wr_bw로 표현하며, 이 시점의 주파수는, 모터의 전 류 제어기의 대역폭으로 선정한다.

즉, 전류 제어기의 대역폭 보다 낮은 주파수에서는, 토크 리플을 보상하지만 그 이상의 주파수에서는 전류 제어기가 추종할 수 없으므로, 오차를 오히려 만들어내기 때문에 주파수 보상을 중지할 필요가 있다.

그러나, 본 발명은, 토크 리플을 민감하게 감지할 수 있는 느린 조향시에 발생하는 토크 리플을 저감하는 것이므로, 제어 대역 폭 이상에서 동작할 필요가 없다. 따라서, 실용적인 면에서 상기와 같이 구현하는 것은, 시스템 전체 성능을 향상시키는 데, 이때 상기 f1과 f2 블록의 파라미터 값과 θ_f1, θ_f2 값은 실험적으로 결정할 수 있다.

한편, 도 5는 본 발명의 토크 리플 저감방법이 적용된 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 토크 리플 저감방법이 적용된 실험 결과를 나타낸 도면으로, 도 5를 살펴보면, 동기 좌표계 q 축 전류 지령에는, 모터의 전기적 각속도에 비례하는 리플이 섞여있지만, 세 번째 파형에서 보듯이, 모터에서 발생하는 토크는 일정함을 알 수 있다.

그리고, 도 6을 살펴보면, (a)은 전기각 주파수의 2 배 토크 리플을 저감하기 위한 지령이고, (b)는 전기각 주파수의 1 배 토크 리플을 저감하기 위한 지령이고, (c)는 토크 센서로 측정한 모터의 실제 토크로서, 본 발명을 적용하기 이전에는 3.5Nm 기준으로 최대 0.4Nm의 토크 리플이 있으나. 본 발명을 적용한 이후에는 토크 리플이 0.2Nm 이내로 줄어든 것을 알 수 있다.

본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예들에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 운전자가 조향 휠을 매우 천천히 조향할 때 발생되는 모터 전기각 주파수의 1 배 및 2 배 고조파 토크 리플을, 별도의 하드웨어를 추가하지 않고서도, 소프트웨어를 이용하여 효율적으로 저감할 수 있게 되며, 또한, 토크 리플을 저감하기 위한 복잡한 정밀 제작 공정 등이 불필요하게 되는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 3상 브러시리스 교류 전동기를 액츄에이터로 사용하는 MDPS 시스템의 토크 리플 저감 방법에 있어서,

   

   을 적용하여, 모터 전기 각속도의 1 배 및 2 배 각 주파수 토크 리플을 저감하되,

   여기서, 아래 첨자인, qs는 초기 전류 지령값이며, qs_comp는 보정된 전류 지령값이고, 상기 첫 번째 항

   

   는, 동기 좌표계 전류 지령이고,

   상기 두 번째 항의 f1은, 모터의 동기 좌표계 전류 지령과 각속도(w_r)의 함수이며, sin 함수는, 모터의 위치 센서로부터 측정한 모터의 전기각(θ_r)과 전기각 보상분(θ_f1)의 합을 입력으로 취하고,

   상기 세 번째 항의 f2는, 모터의 동기 좌표계 전류 지령과 각속도 wr의 함수이며, sin 함수는, 모터의 위치 센서로부터 측정한 모터의 전기각에 2를 곱하여 두 배 전기각을 취한 (2*θ_r)과 두 배 전기각 보상분(θ_f2)의 합을 입력으로 취하는 것을 특징으로 하는 토크 리플 저감방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 f1과 f2의 구현은, 상기 동기 좌표계 지령인

   

   를 입력받아서 보상하고자 하는 주파수 대역의 함수 크기를 정하는 것으로, 전류 지령이 클수록 함수의 크기가 커지게 되고, 전류 지령이 작을수록 함수의 크기가 작아지는 것을 특징으로 하는 토크 리플 저감방법.

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