KR101273975B1 - 전기모터제어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기모터용 제어시스템에 관한 것이다. 본 발명의 전기모터용 제어시스템은 모터위치를 측정하기 위하여 모터의 운동에 의존하는 위치측정알고리즘에 의하여 적어도 하나의 전기적인 파라메타로부터 모터의 위치를 측정하고, 모터의 위치에 관계없는 전압을 모터에 인가함으로서 정지상태로부터 모터를 기동시킬 수 있게 구성됨을 특징으로 한다.

전기모터, 제어시스템, 모터위치, 위치측정알고리즘.

Description

전기모터제어 {ELECTRIC MOTOR CONTROL}

본 발명은 전기모터에 관한 것으로, 특히 전기모터의 위치센서없는 위치센서리스 제어에 관한 것이다.

위치센서를 이용하지 않고 모터위치를 추정하기 위한 알고리즘을 이용하는 모터제어방법을 이용하는 것이 알려져 있다. 그러나, 이들 대부분의 센서리스 알고리즘(sensorless algorithms)은 모터의 낮은 속도에서는 정확히 작동하지 않는다. 낮은 속도 또는 제로속도에서 작동할 수 있는 것은 높은 속도에서만 작동하는 것에 비하여 현저히 복잡하다. 그러나, 파워 스티어링 시스템용 유압펌프를 포함하는 펌프 및 팬과 같은 일부의 경우에 있어서, 고가의 위치센서를 사용하는 것을 피하고 알려진 제로속도 위치측정알고리즘의 복잡성을 피할 수 있는 비교적 저가의 시스템을 제조하는 것이 요구된다.

따라서, 본 발명은 비교적 낮은 속도로부터 비교적 높은 속도까지의 작동속도범위를 갖는 전기모터를 제어하기 위한 제어시스템을 제공하는 바, 이 제어시스템은 모터위치를 측정하기 위하여 모터의 운동에 의존하는 위치측정알고리즘에 의하여 적어도 하나의 전기적인 파라메타로부터 모터의 위치를 측정하고, 모터의 위치에 관계없는 전압을 모터에 인가함으로서 정지상태로부터 모터를 기동시킬 수 있게 구성된다.

위치측정알고리즘은 모든 속도에서 모터를 제어할 수 있으며, 실제로 제로속도로 낮아지는 속도에서도 작동한다. 이는 저속에서 수정되는 것이 좋다. 예를 들어 이는 모터가 회전하는 방향을 제어하도록 수정될 수 있으며, 또는 이는 알고리즘내의 시간이 제로속도에서 무한대를 향하는 것을 방지하도록 수정될 수 있다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 파워 스티어링 시스템을 보인 구성도.

도 2는 도 1의 시스템에서 전기모터의 속도제어기능을 보인 그래프.

도 3은 도 1의 시스템에서 전기모터의 구성을 보인 설명도.

도 4는 도 3에서 보인 모터의 구동회로도.

도 5는 도 3에서 보인 구동회로에서 여러 전기적인 상태를 보인 설명도.

도 6은 요구된 모터출력을 발생하는데 요구되는 구동회로의 상태를 측정하기 위하여 사용된 공간벡터 다이아그램.

도 7은 도 3의 모터에서 모터 상전압의 성분을 보인 설명도.

도 8은 도 1의 모터와 제어유니트의 기능블록다이아그램.

도 9는 모터위치센서를 이용하는 공지된 시스템의 모터와 제어유니트의 기능블록다이아그램.

도 10은 도 8의 센서리스 알고리즘의 입력과 출력을 보인 설명도.

도 11은 도 10의 센서리스 알고리즘의 별도 부분의 입력과 출력을 보인 설명 도.

도 12는 도 1의 시스템에서 위치보정계수의 극한을 보인 그래프.

도 13은 본 발명의 다른 실시형태에서 위치보정계수의 극한을 보인 그래프.

도 1에서, 전기-유압형의 파워 스티어링 시스템은 통상적인 방식으로 차량 앞바퀴의 조향각도를 제어하기 위하여 좌우로 이동될 수 있도록 구성된 조향래크(10)로 구성된다. 이러한 래크는 조향컬럼(14)에 의하여 조향래크(10)에 연결된 조향휠(12)에 가하여지는 운전자의 입력에 의하여 이동된다. 보조동력이 조향래크(10)에 착설되고 실린더(18)내에서 이동가능하게 되어 있는 양방향 피스턴(16)에 의하여 제공된다. 피스턴은 실린더를 두 유압챔버(20)(22)로 나눈다. 두 유압챔버(20)(22)내의 유압은 조향래크(10)에 가하여지는 보조동력의 방향과 크기를 제어하기 위한 유압회로(24)에 의하여 제어된다.

유압회로는 저장조(28)로부터 압력하에 유압유체를 공급라인(30)측으로 펌핑하기 위하여 배치되는 펌프(26)로 구성된다. 공급라인은 도 1에서 기능블록으로만 보인 압력제어밸브(34)의 유입구(32)에 연결된다. 압력제어밸브(34)의 유출구(36)는 회수라인(38)을 통하여 저장조(28)에 연결된다. 압력제어밸브(34)는 조향토크가 조향휠(12)에 가하여지는 방향에 따라서 좌측 또는 우측의 유압챔버(20)(22)를 공급라인(30)에 연결하고 다른 챔버(20)(22)는 회수라인에 연결할 수 있도록 구성되어 있다. 또한 조향컬럼(14)을 통하여 조향휠(12)로부터 래크(10)에 전달되는 조향토크에 따라서 유압보조동력의 레벨을 제어할 수 있도록 구성된다. 유압챔 버(20)(22)내의 압력은 압력제어밸브(34)의 상태와 함께 펌프(26)의 속도에 의하여 결정된다.

펌프(26)는 제어유니트(42)에 의하여 제어되는 모터(40)에 의하여 구동된다. 제어유니트(42)는 차량속도에 따라서 변화하는 차량속도센서(44)로부터의 입력신호와, 조향비, 즉, 조향휠(12)의 회전비에 따라서 변화하는 조향비센서(46)로부터의 입력신호를 수신한다. 제어유니트(42)는 이들 입력에 기초하여 펌프(26)의 속도를 제어한다. 따라서, 이 시스템은 속도제어형 시스템이라 한다.

도 2에서, 모터(40), 그리고 이에 따른 펌프(26)의 속도는 조향비와 함께 증가하고 증가하는 차량속도에 따라서 감소하도록 구성된다.

도 3에서, 모터(40)는 예를 들어 6개의 자석(104)이 착설된 회전자(102)로 구성되고 이와 같은 경우 회전자의 둘레에서 N극과 S극 사이에 교대로 배치된 6개의 자극이 제공될 수 있도록 구성된 3상의 전기정류형 정현파형 AC 브러쉬리스 영구자석 동기모터이다. 따라서, 회전자(102)는 이러한 회전자의 둘레에 등간격을 두고 배치되는 3개의 직축선, 즉, d 축선과 이러한 d 축선 사이에 배치되는 3개의 직각축선, 즉 q 축선을 정의한다. d 축선은 자석(104)의 자극과 일렬로 정렬되어 회전자로부터의 자속선이 방사상 방향으로 놓이고, q 축선은 d 축선 사이에 배치됨으로서 회전자로부터의 자속선이 접선방향으로 향한다. 회전자가 회전할 때, d 및 q 축선의 방향도 이와 함께 회전할 것이다.

이러한 특정 실시형태에서 고정자(106)는 예를 들어 9개의 슬롯을 갖는 구리제 권취부재로 구성되며, 이는 3개의 톱니를 하나의 그룹으로 하는 3개의 고정자톱 니 그룹(108A)(108B)(108C)을 가지고, 각 고정자톱니 그룹은 각 상을 형성하는 공통의 권선을 갖는다. 따라서, 회전자의 매 회전마다 3회의 전기적인 주기가 나타나고, 고정자톱니 그룹(108A)(108B)(108C)에서 어떠한 상의 3개 톱니는 항상 동일한 전기적 위치에 놓인다.

도 4에서, 상 A, B 및 C로 나타내는 3개의 모터권선(112)(114)(116)은 성형(星形) 네트워크로 연결된다. 다른 실시형태에서, 델타 네트워크형태의 다른 구성이 이용될 수 있다. 상권선을 구성하는 코일이 각각 고정자톱니(108A)(108B)(108C)의 둘레에 권취된다. 각 코일의 일측단부(112a)(114a)(116a)는 각 단자(112c)(114c)(116c)에 연결된다. 코일의 타측단부((112b)(114b)(116b)는 함께 연결되어 스타 센터(117)를 구성한다. 구동회로는 3개의 상브릿지(118)로 구성된다. 브릿지의 각 암(110, 122, 124)은 급전라인(130)과 접지라인(132) 사이에 직렬로 연결된 상부트랜지스터(126)와 하부트랜지스터(128)의 형태인 한쌍의 스위치로 구성된다. DC 링크 전압이 급전라인(130)과 접지라인(132) 사이에 인가된다. 모터권선(112)(114)(116)은 각 보완쌍의 트랜지스터(126)(128) 사이로부터 연장되어 있다. 트랜지스터(126)(128)는 제어유니트(42)내의 구동단 제어기(133)에 의하여 턴-온 및 턴-오프되어 제어됨으로서 각 단자(112c)(114c)(116c)에 인가되는 전압의 펄스폭변조(PWM)가 이루어지도록 하여 각 권선(112)(114)(116)에 인가된 전위차를 제어하고 권선을 통하여 흐르는 전류를 제어한다. 그리고 이는 권선에 의하여 발생된 자계의 강도와 방향을 제어하여 모터의 토크와 속도를 제어한다.

저항(134)의 형태인 전류측정장치가 모터(40)와 접지부 사이의 접지라 인(132)에 제공되어 제어기(42)가 모든 권선(112)(114)(116)을 통하여 흐르는 전체전류를 측정할 수 있도록 한다. 각 권선의 전류를 측정하기 위하여 권선의 각 단자에 인가되는 전압(그리고 특정 상의 전도상태)이 알려진 PWM 주기내에서 정확한 순간에 전체전류가 샘플링되어야 한다. 잘 알려진 바와 같이, 어느 한 PWM 주기에서 각 권선의 전류가 측정될 수 있도록 하기 위하여, 구동회로는 사전에 결정된 최소시간동안 적어도 두 개의 상이한 동작상태가 될 필요가 있다. 구동단 제어기(133)는 PWM 주기에서 상이한 시간에 측정된 저항(134) 양단의 전압으로부터 상전류를 측정할 수 있다.

DC 링크 전압센서(135)가 구동회로 양단, 즉 급전라인(130)과 접지라인(132) 사이의 DC 링크 전압을 측정하도록 배치된다. 구동단 제어기(133)는 이러한 전압센서(135)로부터의 입력을 수신한다. 제어기는 이러한 입력으로부터 모터의 상전압을 측정할 수 있도록 구성된다. 이를 위하여, 제어기(133)는 각 모터상의 변조듀티싸이클, 즉 상이 급전라인에 연결되는 각 PWM 주기의 일부분을 측정하고, 이를 측정된 DC 링크 전압에 곱한다. 이로써 각 상에 대한 상전압의 측정값을 얻을 수 있다.

제어유니트(42)는 요구된 모터전류를 발생할 모터의 상전압을 측정하고 이들 전압을 구동단 제어기(133)에 입력하도록 구성된다. 구동단 제어기(133)는 이후 상세히 설명되는 바와 같이 요구된 상전압을 발생하기 위하여 구동단의 트랜지스터를 제어할 수 있게 구성된다.

도 5에서, 3상 시스템에서 각 권선(102)(104)(106)은 급전라인(120) 또는 접지라인(122)에만 연결될 수 있으며 따라서 제어회로의 상태는 8가지가 될 것이다. 상의 하나가 양의 전압임을 나타내는 1 과 접지된 상을 나타내는 0 을 이용하여, 상태 1 은 상 A 가 1 이고, 상 B 가 0 이며, 상 C 가 0 일 때를 나타내는 [100] 으로 나타낼 수 있으며, 상태 2 는 [110], 상태 3 은 [010], 상태 4 는 [011], 상태 5 는 [001], 상태 6 은 [101], 상태 0 는 [000], 그리고 상태 7 은 [111] 로 나타낸다. 각 상태 1~6 은 전류가 모든 권선(102)(104)(106)을 통하여 흐르고, 이들 중의 하나를 통하여 일측방향으로 흐르며 다른 두 권선을 통하여 타측방향으로 흐르는 전도상태이다. 상태 0 는 모든 권선이 접지된 제로볼트상태이고 상태 7 은 모든 권선이 급전라인에 연결된 제로볼트상태이다.

여기에서, 상태 1, 2, 3, 4, 5 및 6은 각각 상태 +A, -C, +B, -A, +C 및 -B 라 할 수 있는 바, 그 이유는 이들이 각각 권선 양단에 인가된 전압이 상의 각 하나에 대하여 포지티브 또는 네거티브 방향인 상태를 나타내기 때문이다. 예를 들어, +A 상태에서 A 상은 급전라인에 연결되고 다른 두 상은 접지라인에 연결되며, -A 상태에서 이들의 연결은 바뀐다.

회로가 펄스폭변조가 이루어지도록 제어될 때, 각 상은 통상적으로 각 PWM 주기에서 한번씩 턴-온 및 턴-오프될 것이다. 각 상태에서 걸리는 시간의 상대적인 길이는 각 권선에서 발생된 자계의 크기와 방향, 그리고 회전자에 인가된 총토크의 크기와 방향을 결정할 것이다. 이들 시간길이, 즉 듀티비는 여러 변조알고리즘에 의하여 계산될 수 있으나 이 실시형태에서는 공간벡터변조기술이 이용된다.

도 6에서, 상태벡터 변조시스템에서, 각 상태에 소요된 PWM 주기의 시간은 공간벡터변조(SVM) 다이아그램에서 상태벡터로 나타낼 수 있다. 이러한 형태의 다 이아그램에서, 단일상태벡터들은 벡터 S1~S6 의 방향에 놓인 것들이며, 이들 각 방향에서 벡터의 길이는 각 상태에서 소요된 각 PWM 주기에서의 시간의 양을 나타낸다. 이는 권선에서 어떠한 요구된 전압이 전압의 크기와 방향을 나타내는 전압벡터에 일치하는 다이아그램상의 점으로 나타낼 수 있으며, 상태벡터 S1, S2 등의 조합에 의하여 발생될 수 있고, 그 길이는 이러한 상태에 소요된 각 PWM 주기에서의 시간을 나타낸다. 예를 들어, 요구된 상전압벡터 V₁은 벡터 S3과 S4의 합으로서 나타낼 수 있다. 모터가 회전할 때 요구된 벡터의 방향이 변하며, 벡터는 다이아그램의 중앙을 중심으로 하여 회전할 것이며 또한 벡터의 길이는 모터로부터의 요구된 토크가 변화함에 따라서 변화할 것이다.

도 7에서, 고정자권선으로부터의 요구된 전압은 두개의 직각방향 α,β에 하나씩 두개의 성분으로 나타낼 수 있다. 도 3으로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 모터는 회전자(102)의 매회전 마다 3회의 전기적인 주기를 갖는다. 각 전기적인 주기에서, 요구된 전압벡터는 한번씩 고정자 벡터 다이아그램을 중심으로 회전할 것이다. 따라서 α와 β 성분의 방향은 d 축선과 q 축선이 이루는 동일한 각도만큼 간격을 두게 되며, α와 β 성분은 고정자에 대한 전압벡터를 나타내고 d와 q 성분은 회전자에 대한 전압벡터를 나타낸다. 회전자 위치가 알려진 경우, d/q, α/β 또는 A/B/C 성분의 어느 하나로 나타내는 전압은 다른 어느 하나로 변환될 수 있다.

도 8에서 제어유니트(42)의 작동이 보다 상세히 설명될 것이다. 도 2의 좌표 로부터 유도된 바와 같이, 모터의 요구된 회전속도가 비교기(203)에 의하여 측정된 회전속도와 비교된다. 이들 둘 사이의 차이가 PI 제어기(205)에 입력되고 이 제어기는 이러한 차이를 줄이기 위하여 요구된 모터전류를 계산하고 이에 상응하는 전류요구 I_dq 를 출력한다. 요구된 전류성분 I_dq 는 측정된 d 및 q 축선 전류와 비교되고 그 차이가 비교기(201)에 의하여 측정된다. 두개의 PI(비례/적분) 제어기(200)(단 하나만 보임)가 요구된 d 및 q 축선 전압 U_dq 를 측정하기 위하여 측정된 d 및 q 축선 전류와 요구된 d 및 q 축선 전류 사이의 차이를 이용하도록 구성된다. dq/αβ 변환기(202)는 입력으로서 모터위치를 이용하여 d 및 q 축선 전압을 α 및 β 축선 전압 U_αβ 으로 변환시킨다. 모터위치는 이후 설명되는 바와 같이 센서리스 알고리즘을 이용하여 측정된다. 다른 변환기(204)가 3개의 모터 상에 대하여 α 및 β 축선 전압을 요구된 상전압 U_abc 로 변환시킨다. 이들 상전압은 요구된 상전압을 얻기 위하여 상기 언급된 바와 같이 구동단(118)을 제어하는 구동단 제어기(133)에 입력된다.

단일전류센서(134)를 이용하여 측정된 3개의 상전류 I_abc 는 제1전류변ㄹ한기(206)로 입력되어 α 및 β 축선 전류 I_αβ 로 변환된다. 그리고 이들은 모터위치와 함께 제2전류변환기(208)로 입력되며, 제2전류변환기(208)는 이들을 d 및 q 축선 전류 I_dq 로 변환한다. 이들 측정된 d 및 q 축선 전류는 상기 언급된 바와 같이 요구된 d 및 q 축선 전류와의 비교를 위하여 사용된다.

참고로, 모터위치센서가 위치측정알고리즘 대신에 사용되는 시스템이 도 9에 도시되어 있다.

도 10에서, 센서리스 모터위치측정알고리즘(210)은 α 및 β 축선 전압의 형태인 인가전압과 α 및 β 축선 전류의 형태인 측정전류를 입력으로서 수신할 수 있도록 되어 있다. 센서리스 알고리즘은 모터의 모델로 구성되며, 입력으로부터 모터위치 및 모터속도의 추정값을 발생한다.

도 11에서, 이 경우의 알고리즘은 프레딕터-보정기(predictor-corrector) 또는 관측기(observer) 형 알고리즘이다. 이는 프레딕터(212)와 보상기(compensator) 또는 관측기(214)를 포함한다. 프레딕터(212)는 모터의 모델과, 저항 및 인덕턴스와 같은 모터의 전기적인 파라메타와 관성 및 제동과 같은 물리적인 파라메타의 정의를 포함하는 시스템의 선택적인 다른 부분을 포함한다. 모델은 모델입력으로부터 모델출력을 유도해낼 수 있는 일련의 등식으로 정의된다. 모델은 입력으로서 인가된 전압을 수신할 수 있게 되어 있다. 이는 출력으로서 모터의 여러 파라메타 또는 상태, 특히 모터위치와 모터속도 그리고 모터의 전류에 대한 추정값을 발생한다. 추정전류가 비교비(216)에서 측정전류와 비교되며 이들 둘 사이의 차이가 비교기(214)에 오차신호로서 입력된다. 비교기(214)는 각 모터상태에 대하여 이러한 오차로부터 전류오차를 최소화하여 위치추정값의 오차를 줄일 수 있도록 하는 보정율을 유도한다. 비교기(214)에 의하여 출력된 보정값은 이에 따라서 상태를 보정하는 프레딕트(212)에 입력된다. 따라서, 비교기(214)는 예를 들어 모델에 의하여 정의된 위치와 속도의 상태가 보정될 수 있도록 하는 프레딕트에 대한 폐쇄형 루프 피드백을 제공한다. 이는 측정 및 모델오차에 대하여 센서리스 알고리즘이 확고하도록 한다.

다음의 등식은 일반적인 관측기의 작동을 보인 것으로, 이 경우에 있어서 관측기는 모터의 모델에서 비선형항을 적응시키는 비선형 관측기이다. 상태추정값(모터의 상전류, 회전자 위치 및 회전자 속도)은

이고 측정된 상전압은 u 이다. 모터와 시스템 다이나믹스는 비선형 함수 A 와 B 이다. 실제 상태는 x로 나타내므로 오차는

로 나타내며 보정값은 비선형 함수 C 로 나타낸다.

이 예에서 비선형 관측기에 대한 등식은 다음과 같다.

다음의 보정항이 관측기에 이용된다.

여기에서,

이들 등식의 항은 다음과 같이 정의된다.

(α,β) = 고정자(고정됨) 기준프레임

(d , q) = 회전자 기준프레임

i_α, i_β = 모터전류

u_α, u_β = 모터전압

θ_e = 모터의 전기각(라디안 전기각)

ω_m = 모터의 기계적인 각속도(초당 라디안 기계각)

R = 모터 상저항

L = 모터 인덕턴스(상의 자기인덕턴스 + 상호인덕턴스)

B = 모터의 기계적인 점성

J = 모터의 기계적인 관성

k_e = 모터의 역기전력 상수(아래에 정의됨)

k_i = 모터의 토크 상수(아래에 정의됨)

p = 모터의 자극쌍의 수

g_i, g_w, g_θ = 관측기 이득(조정가능한 파라메타)

모터의 역기전력과 토크 상수는 다음과 같이 정의된다.

k_e = 선간피크전압/기계적인 각속도

k_i = 평균모터토크/모터피크전류

양을 나타내는 부호의 상부에 붙인 기호 "＾"는 측정값이 아닌 추정값을 나타낸다.

각 변수에 대한 값은 다음과 같이 얻는다.

i_α, i_β는 상기 언급된 바와 같이 측정된 상전류로부터 유도된다.

u_α, u_β는 측정된 상전압으로부터 유도된다.

θ_e 는 알고리즘으로부터 결정되는 변수이다.

는 관측기의 초기상태이다. 관측기의 외부에서, 각속도는 관측기의 모터위치상태 θ_e 를 미분하여 결정된다.

R, L, B 및 J는 일정한 것으로 정의된다.

k_e 와 k_i 는 상기 언급된 바와 같이 정의되고 오프-라인 측정을 이용하여 결 정된다.

p 는 알려진 상수로서 모터의 자극쌍의 수이다.

제어기가 추정된 위치의 차이로부터 모터속도를 유도할 수 있도록 구성된 것은 회전자가 회전하고 시스템이 안정된 평형상태에 이르른 경우에 모터의 속도제어를 위한 속도신호의 정확성이 알고리즘을 실행하는 제어기에서 마이크로프로세서의 클록의 정확성에 의하여서만 결정된다는 잇점을 갖는다.

상기 언급된 센서리스 위치측정 알고리즘은 회전위치에 따라서 변화하는 모터의 전기적인 파라메타를 모니터함으로서 회전자 위치를 측정한다. 특히 이는 회전자 자속의 도함수로서 모터의 회전위치에 따라서 변화하는 회전자 역기전력의 위상각을 추정한다. 회전자 역기전력의 크기는 제로모터속도에서는 제로이므로 관측기는 제로모터속도에서 위치를 추정할 수 없다. 제로속도에서 알고리즘의 다른 문제점은 위치보정항 corr_θ 이 모터각속도의 역수를 포함하는 것이다. 따라서 이러한 항은 제로모터속도에서는 무한대가 된다. 그러나, 낮은 모터속도에서 센서리스 알고리즘을 수정함으로서, 비록 일반적으로는 효율적으로 작동하지는 않지만, 모터를 충분히 기동시킬 수는 있을 것이다. 이는 이 실시형태에서 유압펌프의 경우와 같이 모터가 저속에서 높은 토크를 발생하는 것을 요구하지 않는 경우, 그리고 펌프나 팬을 포함하는 경우에는 허용될 수 있다. 비록 실제의 모터위치가 알려지지 않은 경우에도 기동알고리즘을 제공하기 위한 센서리스 알고리즘의 수정은 모터가 정확한 방향으로 회전할 수 있도록 한다. 속도가 증가함에 따라서, 센서리스 알고리즘 은 그 정상적인 작동으로 변화될 것이다.

이 실시형태의 비선형 관측기를 포함하는 많은 센서리스 위치 관측기는 위치추정에 대한 두가지 가능한 해법, 즉, 정확한 추정값과 위상이 180°벗어난 부정확한 추정값을 갖는다. 기동알고리즘의 한 목적은 관측기가 부정확한 상태에서 수렴되지 않도록 하는 것이다. 만약 이것이 부정확한 상태에서 수렴한다면 180°의 위치오차가 나타나 모터의 부정확한 작동이 이루어질 것이다. 모터는 역방향으로 회전하거나, 정확한 방향으로 회전하겠지만 출력토크 및 효율이 매우 낮게 될 것이다(180°오차에서의 실제작동은 모터 제어기의 설계에 의하여 결정된다).

이를 방지하기 위하여, 등식(8)에서 위치보정계산은 다음과 같이 대체된다.

여기에서

는

의 역수를 계산하고 무한대가 되는 것을 방지하기 위하여 값을 제한하는 함수이다.

는 다음과 같이 계산된다.

만약

이면

endif

만약

이면

endif

이는

의 크기를 제한하여 부호에 영향을 주지 않고 항상

보다 크거나 같도록 한다.

는 충분히 높게 선택되어 그 역수가 제어유니트의 프로세서에 의하여 충분히 다루어질 수 있을 정도로 작아진다.

일 때

의 작용이 여러 가지 방법, 예를 들어

이 제로보다 크거나 작게 조건을 설정하여 이루어질 수 있으며, 또는

가 조정가능한 상수 F₀ 으로 설정된다.

이는 위치보정항에 사용된 속도추정값이 제로가 되는 것을 방지하여 보정항이 무한대가 되는 것을 방지한다. 알고리즘의 나머지 부분에 사용된 속도추정값의 항은 영향을 주지 않는다.

이러한 수정을 통하여, 알고리즘은 불안정하게 됨이 없이 제로속도에 이르기 까지 실행될 수 있다. 회전자가 정지하였을 때, 알고리즘은 안정하게 될 것이다. 위치추정값은 비록 이러한 값이 임의의 값일 수는 있으나 일정하여 ±180°까지 어떠한 값의 오차를 가질 것이다.

속도추정상태의 역수를 제한하기 위한 위치측정알고리즘에 대한 이러한 수정으로, 관측기에 의하여 제공된 모터제어를 위한 회전자위치신호로 모터를 기동시킬 수 있다.

모터를 정지상태에서 기동시키기 위하여, 제어기(42)는 다음과 같이 작동된다.

1. 회전자가 정지되어 있는 상태에서, 모터 제어기(42)가 작동한다. 위치신호가 관측기(214)에 의하여 제공될 때, 모터 위치신호는 거의 일정하나 ±180°까지의 임의오차를 가질 것이다.

2. 적당히 높은 크기의 토크요구가 발생된다. 이는 전압제어형 시스템의 경우 전압요구의 형태이고 순수전류제어형의 시스템인 경우 전류요구가 될 것이다. 이 실시형태에서, 이는 도 2의 그래프에서 얻을 수 있는 속도요구이다. 이와 같은 경우 관측기가 수렴하도록 고정시간동안 일정하게 유지된다.

3. (a) 만약 위치신호의 초기값이 실제회전자위치의 ±90°내에 있다면 모터는 정확한 방향으로 회전할 것이다. 모터속도가 증가할 때, 센서리스 알고리즘에 의하여 발생된 위치신호는 더욱 더 정확하게 될 것이며, 속도가 정상작동을 위하여 충분히 높아질 때까지 토크의 발생은 더욱 더 효율적으로 이루어진다.

(b) 만약 위치신호의 초기값이 실제회전자위치의 ±90°보다 큰 경우, 모터는 부정확한 방향으로 회전할 것이다. 모터속도가 증가할 때, 위치신호는 올바른 회전자위치로부터 180°에 가까운 안정된 위치오차로 수렴할 것이다.

(c) 만약 위치신호의 초기값이 ±90°에 가까운 경우, 모터에 의하여 발생된 초기토크는 제로에 가깝거나 같을 것이다. 그러나, 위치신호는 위치오차가 모터를 회전시키는데 충분한 토크를 발생하기 위하여 ±90°로부터 크게 벗어날 때까지 일 측방향으로 매우 신속하게 경사질 것이다. 그리고 모터는 상기 (a) 및 (b)의 경우와 같이 진행할 것이다.

따라서, 만약 모터제어가 위치-센서리스 관측기를 이용하여 기동되는 경우, 비록 관측기가 제로속도에서 정확한 위치를 측정할 수는 없어도 모터는 회전을 시작할 것이고 위치신호는 수렴할 것이다. 그러나, 관측기가 정위치로부터 180°근접한 위치로 수렴할 기회는 50%이며, 모터는 올바르지 않은 방향으로 회전할 것이다.

모터제어가 이루어지는 순간에 이러한 실시형태에서 수렴문제를 극복하기 위하여, 매우 큰 토크요구가 모터에 가하여져 모터가 상기 언급된 바와 같이 기동되도록 한다. 도 12에서, 동일한 모멘트에서, 위치상태에 가하여지는 보정항이 제한되어 모터가 회전하려는 방향으로 위치를 보정하도록 하는 보정이 가하여진다. 예를 들어, 만약 토크요구가 양의 방향인 경우, 위치보정항은 양수, 즉, 0 과 +∞ 사이로 제한된다. 만약 토크요구가 음의 방향인 경우, 위치보정항은 음수, 즉, 0 과 -∞ 사이로 제한된다.

초기의 위치오차에 관계없이 위치보정항은 인가된 전압이 요구된 방향으로 회전할 수 있도록 한다. 따라서 위치는 요구된 방향으로 회전하고 모터는 이러한 방향으로 기동하고 회전할 것이다.

제어유니트(42)는 모터속도를 모니터하고, 그 속도가 위치의 미분으로부터 결정되는 것과 같이 사전에 결정된 속도에 이르렀을 때, 극한치는 위치보정항으로부터 제거되고 관측기가 정상적으로 작동한다. 수정된 저속형 센서리스 알고리즘은 최적효율을 제공하지 않고, 정상 알고리즘이 저속에서 효과적인 기능을 수행하지 않으므로, 전환이 이루어지는 속도가 최저가 되도록 선택되어 정상 알고리즘이 신뢰가능하게 기능을 수행할 수 있도록 한다.

두 상황사이의 전환은 단일 속도한계값에서 수행될 수 있으나, 도 12에서 보인 바와 같은 이 실시형태에서, 보다 양호한 수행을 위하여 히스테리시스가 도입되어 속도가 증가할 때 저속으로부터 고속상황으로의 전환은 속도가 감소되어 전환이 고속으로부터 저속으로 이루어질 때의 속도 ω₂ 보다는 더 높은 속도 ω₁ 에서 일어난다. 도 13에서 보인 바와 같은 다른 실시형태에서, 요구된 방향과는 반대인 "역"방향으로 위치보정에 대한 극한치는 경사질 것이며, 모터속도의 증가로 크기가 증가할 것이다.

다른 실시형태에서, 제어기는 모터가 정확한 방향으로 기동할 수 있도록 하는 다른 방법을 이용한다. 이 실시형태에서, 제어기는 상기 언급된 바와 같이 일전한 토크요구를 가함으로서 모터를 기동시킬 수 있도록 구성되고 모터속도가 증가할 때 모터가 요구된 방향으로 회전하는 지의 여부를 체크한다. 회전방향은 모터속도를 측정하기 위한 센서리스 알고리즘에 의하여 측정되는 바와 같이 모처위치를 미분하여 측정된다. 이러한 알고리즘은 알고리즘에 의하여 측정되는 바와 같이 모터가 다른 방향으로 회전하는 동안에 위치가 일측방향으로 회전하는 것이 불가능하여, 미분된 위치는 모터가 역방향으로 회전하고 있는지의 여부를 나타내도록 할 것이다.

만약 어느 시점에서, 제어유니트가 모터의 역회전을 검출하는 경우, 모터제 어는 이루어지지 않고 모터는 정지하게 될 것이다. 모터가 정지되었음이 확인되었을 때, 모터의 정지시간이 충분히 지났거나 정지된 것으로 검출되므로 모터제어는 다시 시작되고 토크요구가 다시 가하여진다. 위치신호의 미분이 사전에 결정된 한계값 이하일 때에 모터는 정지된 것으로 검출될 수 있다. 이러한 과정은 모터가 정확한 방향으로 회전하는 것으로 검출될 때까지 반복한다.

프레딕트/보상기(predictor/compensator)형의 센서리스 알고리즘을 이용하는 잇점은 이것이 위치추정값의 정확성에 영향을 줄 수도 잇는 다수의 가변파라메타를 보상하는 것이다. 알고리즘 등식에 사용된 일부 파라메타는 모터 마다 다를 수 있다. 이들 파라메타는 예를 들어 모터 상저항 R, 모터 인덕턴스 L, 모터의 기계적인 점성 B, 모터의 기게적인 관성 J, 그리고 모터의 역기전력과 토크상수 k_e 와 k_t 를 포함한다. 만약 프레딕터/보상기 시스템이 사용되지 않은 경우, 이들 파라메타는 발생되어 각각 센서리스 알고리즘에 입력될 때 각 모터에 대하여 측정될 수 있다. 그러나, 이는 시간이 많이 걸리고 불편하다. 일부 파라메타는 R, L 및 B 와 같이 온도에 따라서 달라질 수 있다. 다시, 프레딕터/보상기 시스템이 사용되지 않은 경우, 온도가 모니터되고 알고리즘 등식은 이러한 온도를 고려할 수 있도록 수정된다. 그러나, 이는 모델이 매우 복잡하게 되도록 하여 계산비용이 증가하도록 할 것이다.

이상의 실시형태는 비선형 관측기를 이용하는 것인 반면에, 루엔버거 관측기(Luenberger observer) 또는 칼만 필터(Kalman filter)와 같은 다른 폐쇄루프형 관측기가 사용될 수 있다.

Claims (22)

1. 비교적 낮은 속도로부터 비교적 높은 속도까지의 작동속도범위를 갖는 모터를 제어하기 위한 전기모터용 제어시스템에 있어서, 이 제어시스템이 모터위치를 측정하기 위하여 모터의 운동에 의존하는 위치측정알고리즘에 의하여 적어도 하나의 전기적인 파라메타로부터 모터의 위치를 측정하고, 모터의 위치에 관계없는 전압을 모터에 인가함으로서 정지상태로부터 모터를 기동시킬 수 있게 구성되어 있으며, 위치측정알고리즘이 모터위치상태를 포함하고 적어도 하나의 모델입력으로부터 모터 위치를 추정하는 모터의 모델을 정의하며, 위치측정알고리즘이 모델의 출력을 모니터하여 이를 측정된 파라메타와 비교함으로서 모델에 입력될 수 있는 보정계수를 결정하는 보정기를 포함하고, 보정계수가 모델의 모터위치상태를 보정할 수 있게 되어 있으며, 모터의 낮은 속도에서 보정계수를 제한하여 모터가 회전하는 방향을 제어함을 특징으로 하는 전기모터용 제어시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 모터의 모델이 비선형 항을 포함하고 관측기가 이러한 모델을 관측할 수 있게 되어 있으며, 알고리즘이 비선형인 관측기를 정의함을 특징으로 하는 시스템.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항 또는 제4항에 있어서, 기동 후에 모터의 회전방향을 모니터할 수 있게 되어 있고, 모터가 요구된 방향과 반대인 방향으로 회전하는 것이 검출되는 경우 모터를 정지시키고 이를 다시 기동시킴을 특징으로 하는 시스템.
9. 제1항에 있어서, 모델이 다수의 항으로 정의되는 하나 이상의 비선형 등식을 포함하고, 모터의 낮은 속도에서, 모터속도의 역수에 따라서 변화하는 알고리즘에서 항의 크기를 제한할 수 있게 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
10. 제9항에 있어서, 모터속도가 증가할 때 상기 크기의 제한값을 부분적으로 제거할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
11. 제1항에 있어서, 알고리즘에 의하여 측정된 모터위치의 표시자를 발생하고 이러한 표시자로부터 모터의 회전속도를 측정할 수 있게 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
12. 제11항에 있어서, 제어수단이 모터의 회전속도를 측정할 수 있도록 표시자를 미분할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
13. 제1항에 있어서, 제어수단이 DC 링크 전압이 인가되는 DC 링크와, 모터를 제어하기 위하여 DC 링크를 모터의 권선에 연결할 수 있도록 구성된 구동단을 포함하고, 제어수단이 DC 링크의 전기적인 파라메타로부터 권선의 전기적인 파라메타를 측정할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
14. 제13항에 있어서, 전기적인 파라메타가 전압임을 특징으로 하는 시스템.
15. 제14항에 있어서, 구동단이 펄스폭변조제어를 이용하여 권선을 DC 링크에 연결하고 DC 링크 전압과 PWM 제어의 듀티 싸이클로부터 상전압을 측정할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
16. 제13항에 있어서, 파라메타가 전류임을 특징으로 하는 시스템.
17. 제15항에 있어서, 각 권선과 DC 링크 사이의 연결을 개방하고 폐쇄하며 권선이 DC 링크에 연결되었을 때 DC 링크의 전류를 측정하여 권선 하나의 전류를 측정 할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
18. 제1항에 있어서, 차량의 작동에 관련된 차량파라메타를 나타내는 입력을 수신하고 차량 파라메타에 종속하는 요구된 모터속도를 측정하며 모터의 속도를 요구된 모터속도로 제어할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
19. 제18항에 있어서, 차량 파라메타가 차량속도 또는 조향비임을 특징으로 하는 시스템.
20. 모터와 청구항 제1항에 따른 제어시스템을 포함함을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
21. 삭제
22. 삭제

Images