KR101776474B1 - 레졸버 신호를 이용하는 모터 고장 진단 장치 및 방법 - Google Patents

레졸버 신호를 이용하는 모터 고장 진단 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 레졸버 신호를 이용하여 모터 축 밀림 고장은 물론 모터 축 편심 고장을 함께 진단할 수 있는 모터 고장 진단 장치 및 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 레졸버가 여자신호를 인가받아 모터 회전자 절대각을 나타내는 신호를 출력하는 단계; 상기 레졸버에서 출력되는 레졸버 출력신호를 RDC(Resolver to Digital Converter)를 통해 모터 회전자 절대각을 나타내는 코사인 신호와 사인 신호로 변환하는 단계; 상기 RDC를 통해 변환된 코사인 신호와 사인 신호를 디지털화하여 디지털화된 각 신호로부터 정해진 샘플링 주기로 각 신호의 값들을 추출하는 단계; 정해진 시간 동안의 상기 추출된 코사인 값들과 사인 값들을 각각 평균하여 상기 코사인 신호와 사인 신호의 리사주(Lissajous) 중점 좌표값에 해당하는 코사인 평균값과 사인 평균값을 계산하는 연산 단계; 및 상기 코사인 평균값과 사인 평균값을 설정범위와 비교하여 모터 회전축 편심 고장 여부를 판단하는 고장 판단 단계를 포함하는 레졸버 신호를 이용하는 모터 고장 진단 방법, 및 이를 수행하는 모터 고장 진단 장치가 개시된다.

Description

레졸버 신호를 이용하는 모터 고장 진단 장치 및 방법{Motor failure diagnosis system and method using resolver signal}
본 발명은 모터 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레졸버 신호를 이용하여 모터 축 밀림 고장과 모터 축 편심 고장을 진단할 수 있는 모터 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 기존의 내연기관 자동차를 대체할 수 있는 순수 전기자동차(EV:Electric Vehicle)나 하이브리드 자동차(HEV:Hybrid Electric Vehicle), 연료전지 자동차(FCEV:Fuel Cell Electric Vehicle)와 같은 친환경자동차에서는 차량을 구동하기 위한 구동원으로 전기모터를 이용하고 있다.
또한, 친환경자동차는 모터 구동 및 제어를 위한 인버터 시스템을 탑재하고 있으며, 모터 제어에 사용되는 모터 회전자 절대각 위치(absolute angular position, θ)를 검출하기 위한 위치 센서로서 레졸버(resolver)를 이용하고 있다.
친환경자동차에서 모터의 벡터 제어를 위해서는 모터의 플럭스 위치에 동기화하여 좌표계를 설정해야 하고, 이를 위해 모터의 회전자에 대한 절대각 위치를 읽어낼 필요가 있다.
이에 모터 회전자의 절대각 위치를 검출하기 위한 레졸버를 이용하고 있으며, 레졸버를 통해 모터 회전자의 각 상을 정확히 센싱하여 친환경자동차의 주행에 필요한 모터 속도 제어와 토크 제어를 수행하고 있다.
일반적으로 레졸버는 회전자(rotor), 고정자(stator) 및 회전 트랜스를 구비하고 있으며, 레졸버의 회전자와 고정자에 권선된 코일은 자속 분포가 각도에 대하여 정현파가 되도록 권선되어 있다.
레졸버의 회전자에 권선된 1차측 코일(입력단)에 여자신호(M_REZ+,M_REZ-)가 인가된 상태로 레졸버의 회전자가 모터 회전축(모터 회전자)에 의해 회전되면 자기적 결합계수가 변화하여 레졸버의 고정자에 권선된 2차측 코일(출력단)에 각각 캐리어의 진폭이 변화한 신호가 발생하는데, 이 신호가 모터 및 레졸버 회전자의 회전각도(θ)에 따라 코사인(cos) 및 사인(sin) 형태로 변화하도록 코일이 권선되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 제어유닛(20)(예를 들면, PCU(Power Control Unit))의 여자전압 생성회로부(29)가 일정 진폭을 가지는 사인 형태의 전압신호, 즉 여자신호(U0:M_REZ+,M_REZ-)를 발생시켜 레졸버(10)의 회전자(11)에 권선되어 있는 1차측 코일(12)에 인가한다.
레졸버(10)의 1차측 코일(12)에 여자신호(U0)가 인가되면, 고정자(미부호)에 권선된 2차측 코일(14,15)로부터는 여자신호에 의해 코사인 형태의 전압신호(U1)인 REZS1 및 REZS3와, 사인 형태의 전압신호(U2)인 REZS2, REZS4가 출력된다.
이때, 레졸버 회전자(11)의 회전에 의한 릴럭턴스(reluctance) 변화에 따른 쇄교자속이 주기적으로 변하는데, 레졸버 고정자의 2차측 코일(14,15)로부터 출력되는 전압신호(U1,U2)의 진폭이 모터 회전각(θ)에 따라 변화하게 된다.
또한, 제어유닛(20)에서는 레졸버(10)로부터 출력되는 전압신호(U1,U2)의 피크(peak)점을 RDC(Resolver to Digital Converter)(21)를 통해 엔빌로프(envelope)로 연결하여 모터의 절대각 위치(위치각,θ)을 나타내는 코사인 신호 및 사인 신호로 변환하게 된다.
한편, 도 3은 모터 고장의 예를 나타내는 단면도로서, 도면부호 2는 모터(1)의 회전자를, 도면부호 4는 모터(1)의 고정자를 나타내며, 도면부호 11은 레졸버의 회전자를, 도면부호 13은 레졸버의 고정자를 나타낸다.
(a)는 모터 정상 상태를 나타내고, (b)는 외부 충격 등에 의해 모터(1)의 회전축(3)이 축 방향으로 밀려 있는 축 밀림 상태를 나타내며, (c)는 외부 충격 등에 의해 모터(1)의 회전축(3)이 한쪽으로 기울어져 모터 중심 위치로부터 편심된 위치에 놓이게 된 축 편심 상태를 나타낸다.
도 3의 (b)에 예시된 축 밀림 상태나 (c)에 예시된 축 편심 등의 고장 상태로 모터가 계속해서 구동하게 되면, 모터 절대각 추정의 부정확성으로 인하여 모터 제어가 정상적으로 이루어지지 않는 것은 물론, 접촉면 간 마찰로 인하여 파손이 발생하게 되어 결국에는 운전자의 안전에 큰 위험이 될 수 있다.
특히, 모터 축 편심 상황이 지속되면 축을 지지하는 베어링에 손상을 주어 최종적으로는 모터 하우징의 파손이나 기타 하드웨어의 파손까지 초래될 수 있다.
따라서, 모터 고장 여부를 정해진 진단 로직을 통해 정확히 검출해 내는 것이 필요하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 레졸버 신호를 이용하여 모터 축 밀림 고장과 모터 축 편심 고장을 진단할 수 있는 모터 고장 진단 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 여자신호를 인가받아 모터 회전자 절대각을 나타내는 신호를 출력하는 레졸버; 상기 레졸버로부터 입력되는 레졸버 출력신호를 변환하여 모터 회전자 절대각을 나타내는 코사인 신호와 사인 신호를 출력하는 RDC(Resolver to Digital Converter); 상기 RDC로부터 입력되는 코사인 신호와 사인 신호를 디지털화하고, 디지털화된 각 신호로부터 정해진 샘플링 주기로 각 신호의 값들을 추출하여 출력하는 신호처리부; 상기 신호처리부로부터 입력되는 정해진 시간 동안의 코사인 값들과 사인 값들을 각각 평균하여 상기 코사인 신호와 사인 신호의 리사주(Lissajous) 중점 좌표값에 해당하는 코사인 평균값과 사인 평균값을 계산하여 출력하는 연산부; 및 상기 연산부로부터 입력된 코사인 평균값과 사인 평균값을 설정범위와 비교하여 모터 회전축 편심 고장 여부를 판단하는 고장판단부를 포함하는 레졸버 신호를 이용하는 모터 고장 진단 장치를 제공한다.
그리고, 본 발명에 따르면, 레졸버가 여자신호를 인가받아 모터 회전자 절대각을 나타내는 신호를 출력하는 단계; 상기 레졸버에서 출력되는 레졸버 출력신호를 RDC(Resolver to Digital Converter)를 통해 모터 회전자 절대각을 나타내는 코사인 신호와 사인 신호로 변환하는 단계; 상기 RDC를 통해 변환된 코사인 신호와 사인 신호를 디지털화하여 디지털화된 각 신호로부터 정해진 샘플링 주기로 각 신호의 값들을 추출하는 단계; 정해진 시간 동안의 상기 추출된 코사인 값들과 사인 값들을 각각 평균하여 상기 코사인 신호와 사인 신호의 리사주(Lissajous) 중점 좌표값에 해당하는 코사인 평균값과 사인 평균값을 계산하는 연산 단계; 및 상기 코사인 평균값과 사인 평균값을 설정범위와 비교하여 모터 회전축 편심 고장 여부를 판단하는 고장 판단 단계를 포함하는 레졸버 신호를 이용하는 모터 고장 진단 방법을 제공한다.
이로써, 본 발명에 따른 모터 고장 진단 장치 및 방법에 의하면, 레졸버 신호를 이용하여 모터 회전축 밀림 고장과 회전축 편심 고장을 모두 진단할 수 있고, 나아가 레졸버 신호의 리사주 반지름과 중점 위치값을 설정 값과의 비교하는 등의 방법을 통하여 모터 회전축의 밀림 정도와 편심 정도를 정량화하는 수준의 진단 또한 구현이 가능해진다.
도 1은 통상의 레졸버 및 제어유닛을 나타내는 도면이다.
도 2는 통상의 레졸버 입력신호 및 출력신호를 나타내는 도면이다.
도 3은 모터 고장의 예를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모터 고장 진단을 위한 하드웨어 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모터 고장 진단 장치에서 RDC 출력신호를 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 모터 고장 진단 과정에서 모터 정상 상태 및 모터 고장 상태의 리사주 형태를 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모터 고장 진단 과정을 나타내는 순서도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 모터 속도를 관측하기 위해 장착된 레졸버의 신호를 이용하여 모터 회전축 밀림 고장(도 3의 (b) 참조)과 모터 회전축 편심 고장(도 3의 (c) 참조)을 진단할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 레졸버 신호의 리사주 중점 위치 및 크기를 이용하여 외부 환경 등으로 인해 발생할 수 있는 모터 회전축 밀림 고장과 회전축 편심 고장을 함께 진단할 수 있는 방법에 관한 것이다.
여기서, 리사주(Lissajous)란 평면 내에서 서로 수직인 2개의 단진동을 합성하여 얻어지는 2차원 운동의 자취로서, 모터 정상 상태에서는 레졸버 신호의 파형이 정상적이므로 레졸버 신호의 리사주 모양이 정원(正員)에 가깝다.
본 발명에서는 레졸버 신호, 특히 제어유닛의 RDC가 변환하여 출력하는 사인(sin) 신호와 코사인(cos) 신호를 이용하여 두 신호의 리사주 중점 좌표값에 해당하는 코사인 신호 평균값과 사인 신호 평균값, 그리고 리사주 크기(반지름)를 구하고, 상기 구해진 리사주 중점 좌표값 및 크기를 이용하여 모터 고장 여부를 판정하게 된다.
먼저, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모터 고장 진단을 위한 하드웨어 구성을 나타내는 블록도이다.
도시된 바와 같이, 모터 고장 진단 장치는 레졸버(10)에서 출력되는 레졸버 신호를 입력받도록 된 제어유닛(20) 내에 구비되는 RDC(Resolver to Digital Converter)(21), 신호처리부(22), 연산부(23), 고장판단부(24)를 포함하며, 여기서 신호처리부(22), 연산부(23), 고장판단부(24)는 마이컴에 의해 구현될 수 있다.
여기서, RDC(21)는 레졸버(10)로부터 입력되는 레졸버 출력신호를 변환하여 모터 회전자의 절대각(위치각,θ)을 나타내는 코사인 신호와 사인 신호를 출력한다.
상기 RDC(21)는 공지된 바와 같이 레졸버(10)가 출력하는 전압신호U1,U2)의 피크(peak)점을 엔빌로프(envelope)로 연결하여 생성한 코사인 신호와 사인 신호를 출력하도록 구성될 수 있다(도 2 참조).
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모터 고장 진단 장치에서 RDC 출력신호를 예시한 도면으로서, 도시된 바와 같이 RDC(21)에서는 레졸버(10)에서 입력받은 레졸버 신호를 변환한 두 개의 신호, 즉 모터 절대각을 나타내는 코사인 신호와 사인 신호를 출력한다.
도 5에서 평균값은 코사인 신호의 값들을 평균한 값과, 사인 신호의 값들을 평균한 값으로서, 예시된 바와 같이 모터와 레졸버가 모두 정상일 때의 코사인 신호 값들의 평균값과 사인 신호 값들의 평균값은 서로 동일한 특정 값이 될 수 있다.
그리고, 신호처리부(22)는 RDC(21)에서 아날로그 전압신호로 입력되는 코사인 신호와 사인 신호를 각각 디지털 신호로 변환하고, 디지털화된 코사인 신호와 사인 신호로부터 정해진 샘플링 주기로 각 신호의 값들을 샘플링하여 출력하도록 구비된다.
일례로, 신호처리부(22)가 코사인 및 사인의 아날로그 전압신호 값들을 12비트(bit)로 디지털화하도록 구비된 것이라면, 0V ~ 5V의 전압값들은 십진수 0 ~ 4096의 값을 가지는 디지털값(이진수값)으로 변환될 수 있다(12비트의 경우 212 = 4096).
이때, 모터와 레졸버의 정상 상태에서 12 비트 디지털값으로 변환된 코사인 신호의 값들과 사인 신호의 값들의 각 평균값이 도 5에서와 같이 십진수 2048의 값이 될 수 있고, 이러한 코사인 평균값과 사인 평균값을 좌표값(2048,2048)으로 하는 점이 레졸버 리사주의 중점이 될 수 있다.
이하 본 명세서에서 디지털화된 코사인 신호로부터 정해진 샘플링 주기마다 추출한 신호 값을 '코사인(cos) 값'이라 칭하기로 하고, 마찬가지로 디지털화된 사인 신호로부터 동일 시점 및 샘플링 주기로 추출한 신호 값을 '사인(sin) 값'이라 칭하기로 한다.
요컨대, 상기 코사인 값과 사인 값은 각각 디지털화된 코사인 신호와 사인 신호로부터 설정된 샘플링 주기(예, 10ms)마다 추출되는 신호 값들이다.
상기 연산부(23)는 신호처리부(22)로부터 두 신호에 대한 샘플링 값, 즉 코사인 값들과 사인 값들을 입력받아 그 평균값을 구하게 되는데, 미리 정해진 시간 동안의 코사인 값들과 사인 값들의 각 평균값을 구하게 된다.
즉, 상기 연산부(23)가 정해진 시간(예, 10초(s)) 동안의 코사인 값들을 평균하여 구한 평균값(이하 '코사인 평균값'이라 칭함)과, 동일한 시간 동안의 사인 값들을 평균하여 구한 평균값(이하 '사인 평균값'이라 칭함)을 계산하도록 되어 있는 것이다.
일례로서, 샘플링 주기가 10ms로 설정되고, 10초(s) 동안의 평균값이 구해지도록 설정된다면, 코사인 평균값과 사인 평균값을 구하는데 사용되는 코사인 값과 사인 값은 각각 총 1000개가 된다.
이와 같이 구해지는 코사인 평균값과 사인 평균값은 레졸버 신호의 리사주에서 중점의 좌표값(중점 위치값)이 되는 것으로, 코사인 평균값이 중점의 X축(가로축) 좌표값이 되고, 사인 평균값이 Y축(세로축) 좌표값이 된다.
결국, 상기 연산부(23)는 코사인 평균값과 사인 평균값을 각각 구하는 것에 의해 이들 평균값을 각각 X축 좌표값과 Y축 좌표값으로 하는 리사주 중점의 위치값을 구할 수 있게 되는 것이다.
또한, 상기 연산부(23)는 상기 중점의 X축 좌표값(코사인 평균값임)과 Y축 좌표값(사인 평균값임)을 이용하여 리사주의 크기, 즉 리사주의 반지름(R)을 구하는데, 이때 중점의 X축 및 Y축 좌표값과 함께 코사인 값과 사인 값을 함께 이용하여 반지름을 구하게 된다.
리사주의 반지름(R)은 신호처리부(22)로부터 입력되는 코사인 값과 중점의 X축 좌표값인 코사인 평균값의 차이의 제곱과, 사인 값과 중점의 Y축 좌표값인 사인 평균값의 차이의 제곱의 합에 제곱근을 적용한 값으로 구해질 수 있다.
이를 수학식으로 표현하면, 리사주의 반지름(R)은 코사인 값과 중점의 Y 좌표값(= 코사인 평균값), 그리고 사인 값과 중점의 X축 좌표값(= 사인 평균값)으로부터 아래의 수학식 1에 의해 구해질 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016026676479-pat00001
도 6은 모터 정상 상태 및 모터 고장 상태의 리사주 형태를 예시한 도면으로, 정상 상태의 모터와 고장 상태의 모터(축 밀림 및 축 편심)에 대하여 구해진 리사주의 예를 나타낸 것이다.
레졸버 신호의 리사주를 나타내고 있는 도 6의 좌표 평면에서 좌표축의 가로축(X축)이 코사인 값을, 세로축(Y축)이 사인 값을 나타낸다.
즉, 리사주의 각 점에서의 X축 좌표값은 코사인 값이 되고, 각 점에서의 Y축 좌표값은 사인 값이 되며, 한 점에서의 X축 좌표값과 Y축 좌표값은 동일 시간에서의 코사인 값과 사인 값이 된다.
도 6에서 알 수 있듯이, 모터 정상 상태의 리사주 형태는 정원에 가까우며, 모터에 회전축 밀림 고장이 발생한 경우에는 레졸버 회전자와 고정자 사이의 회전자 쇄교자속이 감소하게 되어 결과적으로 리사주의 반지름(R)이 정상 모터와 비교하여 작아진다.
모터 정상 상태와 비교하여 모터 회전축 밀림 고장 상태인 경우 반지름이 축소된 리사주 형태를 나타내게 되는 것이다.
따라서, 현재의 모터 상태에서 레졸버 신호를 이용하여 구해진 리사주 반지름의 크기를 설정값(도 7의 순서도에서 'k'임)과 비교하여 설정값보다 작은 경우 모터 축 밀림 고장이 발생한 것으로 판정할 수 있다.
또한, 회전축 편심 고장이 발생한 모터의 경우 리사주 중점의 좌표 위치값, 즉 중점의 X축 좌표값과 Y축 좌표값이 모터 정상시 리사주 중점의 좌표값과 비교하여 크게 달라짐을 알 수 있다.
모터 회전축 편심 고장이 발생한 경우에는 모터 회전축 밀림시와 마찬가지로 쇄교자속이 변화하나, 리사주 형태가 모터 회전축 밀림시와 다른 양상을 나타내는데, 리사주 반지름(R)의 크기는 정상 모터와 비교하여 비슷한 수준이지만, 리사주 중점 자체가 도 6에 나타낸 바와 같이 어느 한쪽으로 이동하게 된다.
따라서, 현재의 모터 상태에서 레졸버 신호를 이용하여 구해진 리사주 중점의 좌표 위치, 즉 중점의 X축 좌표값과 Y축 좌표값 중 어느 하나라도 정상값 범위로 설정된 설정범위를 벗어난 경우 모터 회전축 편심 고장이 발생한 것으로 판정할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 모터 고장 진단 장치에서 고장판단부(24)는, 연산부(23)로부터 입력된 코사인 평균값인 리사주 중점의 X축 좌표값과, 연산부(23)로부터 입력된 사인 평균값인 리사주 중점의 Y축 좌표값을 상기 설정범위와 비교하여 모터 회전축 편심 고장이 발생하였는지를 판단하게 된다.
이때, 리사주 중점의 X축 좌표값과 Y축 좌표값 모두가 상기 설정범위 이내인 경우 모터 회전축 편심 고장은 아닌 것으로 판단하게 되지만(i≤좌표값≤j), 리사주 중점의 X축 좌표값과 Y축 좌표값 중 어느 하나가 상기 설정범위를 벗어난 경우 모터 회전축 편심 고장이 발생한 것으로 판단하도록 설정될 수 있다.
또한, 고장판단부(24)는 연산부(23)에서 수학식 1에 의해 계산되어 구해진 리사주 반지름(R)이 설정값(k)보다 작은 경우라면(R<k) 모터 회전축 밀림 고장이 발생한 것으로 판단하게 된다.
도 6에서 알 수 있듯이, 모터 회전축 편심 고장 상태의 레졸버 리사주의 형태는 정원이 아니므로, 리사주 중점의 의미가 원의 중점과는 정확히 일치하지는 않으나, 본 발명에서 리사주 중점의 X축 좌표값으로 코사인 평균값을 사용하고, Y축 좌표값으로 사인 평균값을 사용하여, 중점의 X축 좌표값과 Y축 좌표값이 모두 상기 설정범위 이내의 값인지(회전축 편심 고장은 아님), 아니면 중점의 X축 좌표값과 Y축 좌표값 중 어느 하나라도 상기 설정범위를 벗어났는지(회전축 편심 고장 상태임)를 판단하게 된다.
또한, X축 좌표값과 Y축 좌표값이 도 5에서의 코사인 평균값과 사인 평균값에 해당되므로 중점에서 X축 좌표값과 Y축 좌표값이 서로 일치할 수도 있지만, 도 6에 나타낸 바와 같이 정상 수준의 모터인 경우에서 X축 좌표값과 Y축 좌표값이 약간의 차이를 가질 수도 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모터 고장 진단 과정을 나타내는 순서도로서, 이를 참조하여 설명하면, 차량의 IG 온(On) 상태에서(S11), 먼저 센서에 의해 검출된 인버터 온도가 고장 진단 로직을 수행할 수 있는 설정 온도범위 이내인 조건인지를 판단하는 과정이 먼저 수행될 수 있다(S12).
즉, 인버터 온도가 설정 온도범위 이내인 조건, 즉 인버터 온도가 설정온도 a 이상이면서 설정온도 b 이하인 조건(a≤인버터 온도≤b)일 경우에만 레졸버 출력신호를 이용하는 고장 진단 로직이 수행되도록 설정될 수 있는 것이다.
이는 인버터 온도에 따라 여자신호의 전압 크기가 달라질 수 있음을 고려한 것으로, 여자신호가 달라질 경우 레졸버(10)를 통해 발생한 코사인 신호 및 사인 신호의 전압 크기 또한 달라지므로, 인버터 온도로 인해 진단 오차가 발생하는 것을 막기 위한 것이다.
이를 위해, 실시예에 따른 모터 고장 진단 장치는 인버터 온도를 검출하는 센서(30)를 더 포함할 수 있고, 상기 센서(30)에 의해 검출된 인버터 온도를 제어유닛(20)이 입력받아 인버터 온도가 설정 온도범위 이내일 경우 신호처리부(22)에서의 신호 값 샘플링 및 샘플링 값(코사인 값 및 사인 값) 출력, 연산부(23)에서의 리사주 중점 위치값(X축 좌표값 및 Y축 좌표값) 및 반지름(R) 계산과 그 출력 등의 모터 고장 진단 과정이 수행되도록 한다.
이때, 제어유닛(20)의 구성에서 신호처리부(22)가 센서(30)의 신호를 입력받아 인버터 온도가 설정 온도범위 이내인지를 판단하여, 만약 인버터 온도가 설정 온도범위를 벗어난 경우에는 신호 값 샘플링 및 샘플링 값(코사인 값 및 사인 값) 출력을 중단함과 더불어 연산부(23)에 고장 진단 중단을 요청하도록 구성될 수 있다.
또한, 신호처리부(22)는 인버터 온도가 설정 온도범위 이내일 경우 신호 값 샘플링 및 샘플링 값(코사인 값 및 사인 값) 출력의 과정을 수행함과 더불어, 연산부(23)와 고장판단부(24)에 고장 진단 과정의 수행을 요청하게 된다.
또는 연산부(23)가 센서 신호를 입력받아 인버터 온도가 설정 온도범위 이내인지를 판단하고, 만약 인버터 온도가 설정 온도범위를 벗어난 경우에는 리사주 중점 위치값 및 반지름 계산 과정을 중단하도록 구성될 수 있다.
물론, 연산부(23)는 인버터 온도가 설정 온도범위 이내일 경우 고장 진단을 위한 정상적인 작동을 수행한다.
또는 고장판단부(24)가 센서 신호를 입력받아 인버터 온도가 설정 온도범위 이내인지를 판단하고, 만약 인버터 온도가 설정 온도범위를 벗어난 경우 리사주 중점 위치값 및 반지름으로부터 모터 고장 여부를 판단하는 고장 판단 과정을 중단하도록 구성될 수도 있다.
물론, 고장판단부(24)는 인버터 온도가 설정 온도범위 이내일 경우 정상적인 고장 여부 판단 과정을 수행한다.
인버터 온도가 설정 온도범위 이내인 조건을 만족한 경우에 수행되는 모터 고장 진단 과정에 대해 설명하면, 신호처리부(22)가 RDC(21)로부터 입력되는 코사인 신호와 사인 신호를 각각 디지털화하고, 더불어 디지털화된 코사인 신호와 사인 신호의 값들로부터 정해진 샘플링 주기(예, 10ms)로 신호 값들을 샘플링하여 샘플링된 값(코사인 값 및 사인 값)들을 출력하게 된다.
이에 연산부(23)는 신호처리부(22)에서 정해진 시간(예, 10초) 동안 입력된 상기 샘플링 값(예, 총 1000개의 샘플링 값), 즉 코사인 값과 사인 값들을 각각 평균하여 코사인 평균값과 사인 평균값을 계산한다.
여기서, 코사인 평균값과 사인 평균값은 레졸버 리사주의 중점 위치값이 되는 것으로, 전술한 바와 같이 코사인 평균값은 리사주 중점의 X축 좌표값이 되고, 사인 평균값은 리사주 중점의 Y축 좌표값이 된다.
또한, 상기 코사인 값들과 사인 값들, 그리고 코사인 평균값과 사인 평균값을 이용하여 수학식 1로부터 반지름(R)을 연산한다(S13).
이어 고장판단부(24)는 연산부(23)로부터 입력된 반지름(R)을 설정값(k)과 비교하여(S14), 반지름이 설정값보다 작은 경우(R<k) 모터의 축 밀림 고장 상태로 판정하고, 축 밀림 고장 상태를 나타내는 고장 진단 코드를 발생시킨다(S16).
또한, 고장판단부(24)는 반지름이 설정값 이상인 경우 연산부(23)에서 입력된 코사인 평균값으로 결정된 리사주 중점의 X축 좌표값과 사인 평균값으로 결정된 Y축 좌표값이 설정범위 이내의 값인지를 판단하고(S15), X축 좌표값과 Y축 좌표값이 모두 설정범위 이내의 값이라면(i≤좌표값≤j) 모터 정상 상태인 것으로 판단한다.
반면, X축 좌표값과 Y축 좌표값 중 적어도 하나가 설정범위를 벗어난 경우 모터의 축 편심 고장 상태로 판정하고, 축 편심 고장 상태를 나타내는 고장 진단 코드를 발생시킨다(S17).
도 7의 순서도에서 S14 단계의 설정값 'k'는 모터 파손을 발생시킬 수 있는 축 밀림 정도의 최소값으로 설정될 수 있고, S15 단계의 i와 j는 모터 회전축 편심 정도를 정상으로 판단할 수 있는 리사주 중점 범위를 고려하여 설정된다.
상기한 모터 축 편심이 발생할 경우 모터 절대각 추정의 부정확성으로 인하여 모터 제어가 정상적으로 이루어지지 않는 것은 물론, 축 편심 상황이 지속되면 축을 지지하는 베어링에 손상을 주어 최종적으로는 모터 하우징의 파손 및 기타 하드웨어의 파손까지 초래될 수 있다.
따라서, 본 발명을 적용하여 파손 상황이 일어나기 전에 모터 회전축 편심 고장을 정확히 진단해냄으로써 미연의 사고를 예방하는 것이 매우 중요하다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 모터 고장 진단 장치 및 방법에 따르면, 레졸버 신호를 이용하여 모터 회전축 밀림 고장과 회전축 편심 고장을 모두 진단할 수 있고, 나아가 레졸버 신호의 리사주 반지름과 중점 위치값을 설정 값과의 비교하는 등의 방법을 통하여 모터 회전축의 밀림 정도와 편심 정도를 정량화하는 수준의 진단 또한 구현이 가능해진다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 모터 2 : 모터의 회전자
3 : 회전축(모터 축) 4 : 모터의 고정자
10 : 레졸버 11 : 레졸버의 회전자
12 : 1차측 코일 13 : 레졸버의 고정자
14, 15 : 2차측 코일 20 : 제어유닛
21 : RDC 22 : 신호처리부
23 : 연산부 24 : 고장판단부
29 : 여자전압 생성회로부 30 : 인버터 온도 센서

Claims (12)

  1. 여자신호를 인가받아 모터 회전자 절대각을 나타내는 신호를 출력하는 레졸버;
    상기 레졸버로부터 입력되는 레졸버 출력신호를 변환하여 모터 회전자 절대각을 나타내는 코사인 신호와 사인 신호를 출력하는 RDC(Resolver to Digital Converter);
    상기 RDC로부터 입력되는 코사인 신호와 사인 신호를 디지털화하고, 디지털화된 각 신호로부터 정해진 샘플링 주기로 각 신호의 값들을 추출하여 출력하는 신호처리부;
    상기 신호처리부로부터 입력되는 정해진 시간 동안의 코사인 값들과 사인 값들을 각각 평균하여 상기 코사인 신호와 사인 신호의 리사주(Lissajous) 중점 좌표값에 해당하는 코사인 평균값과 사인 평균값을 계산하여 출력하는 연산부; 및
    상기 연산부로부터 입력된 코사인 평균값과 사인 평균값을 설정범위와 비교하여 모터 회전축 편심 고장 여부를 판단하는 고장판단부를 포함하는 레졸버 신호를 이용하는 모터 고장 진단 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고장판단부는 코사인 평균값과 사인 평균값 중 적어도 하나가 상기 설정범위를 벗어난 경우 모터 회전축 편심 고장 상태로 판단하도록 설정된 것을 특징으로 하는 레졸버 신호를 이용하는 모터 고장 진단 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연산부는 신호처리부로부터 입력되는 코사인 값들과 사인 값들, 그리고 상기 리사주 중점 좌표값에 해당하는 코사인 평균값과 사인 평균값을 이용하여 리사주 반지름에 해당하는 리사주 크기값을 더 계산하여 출력하고,
    상기 고장판단부가 연산부로부터 입력된 리사주 크기값을 설정값과 비교하여 모터 회전축 밀림 고장 여부를 더 판단하도록 된 것을 특징으로 하는 레졸버 신호를 이용하는 모터 고장 진단 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 연산부에서 리사주 크기값(R)은 하기 식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 레졸버 신호를 이용하는 모터 고장 진단 장치.
    식:
    Figure 112016026676479-pat00002

  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 고장판단부는 리사주 크기값이 설정값보다 작을 경우 모터 회전축 밀림 고장 상태로 판단하도록 설정된 것을 특징으로 하는 레졸버 신호를 이용하는 모터 고장 진단 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    인버터 온도를 검출하는 센서를 더 포함하고,
    상기 신호처리부, 연산부, 및 고장판단부는 상기 인버터 온도가 설정범위 이내인 경우 모터 고장 진단을 위한 작동을 수행하도록 설정되고, 상기 인버터 온도가 설정범위를 벗어난 경우 모터 고장 진단을 위한 작동을 중단하도록 설정된 것을 특징으로 하는 레졸버 신호를 이용하는 모터 고장 진단 장치.
  7. 레졸버가 여자신호를 인가받아 모터 회전자 절대각을 나타내는 신호를 출력하는 단계;
    상기 레졸버에서 출력되는 레졸버 출력신호를 RDC(Resolver to Digital Converter)를 통해 모터 회전자 절대각을 나타내는 코사인 신호와 사인 신호로 변환하는 단계;
    상기 RDC를 통해 변환된 코사인 신호와 사인 신호를 디지털화하여 디지털화된 각 신호로부터 정해진 샘플링 주기로 각 신호의 값들을 추출하는 단계;
    정해진 시간 동안의 상기 추출된 코사인 값들과 사인 값들을 각각 평균하여 상기 코사인 신호와 사인 신호의 리사주(Lissajous) 중점 좌표값에 해당하는 코사인 평균값과 사인 평균값을 계산하는 연산 단계; 및
    상기 코사인 평균값과 사인 평균값을 설정범위와 비교하여 모터 회전축 편심 고장 여부를 판단하는 고장 판단 단계를 포함하는 레졸버 신호를 이용하는 모터 고장 진단 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 고장 판단 단계에서 코사인 평균값과 사인 평균값 중 적어도 하나가 상기 설정범위를 벗어난 경우 모터 회전축 편심 고장 상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 레졸버 신호를 이용하는 모터 고장 진단 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 연산 단계에서 추출된 코사인 값들과 사인 값들, 그리고 상기 리사주 중점 좌표값에 해당하는 코사인 평균값과 사인 평균값을 이용하여 리사주 반지름에 해당하는 리사주 크기값을 더 계산하고,
    상기 고장 판단 단계에서 리사주 크기값을 설정값과 비교하여 모터 회전축 밀림 고장 여부를 더 판단하는 것을 특징으로 하는 레졸버 신호를 이용하는 모터 고장 진단 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 리사주 크기값(R)은 하기 식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 레졸버 신호를 이용하는 모터 고장 진단 방법.
    식:
    Figure 112016026676479-pat00003

  11. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    상기 리사주 크기값이 설정값보다 작을 경우 모터 회전축 밀림 고장 상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 레졸버 신호를 이용하는 모터 고장 진단 방법.
  12. 청구항 7에 있어서,
    센서에 의해 검출된 인버터 온도가 설정범위 이내인지를 판단하는 단계를 더 포함하고,
    상기 인버터 온도가 설정범위 이내인 경우 상기 연산 단계 및 고장 판단 단계를 포함하는 모터 고장 진단 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 레졸버 신호를 이용하는 모터 고장 진단 방법.
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