KR101822654B1 - 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 차량용 전동 조향 장치의 유도 전동기 제어 장치 - Google Patents

슬라이딩 모드 관측기를 이용한 차량용 전동 조향 장치의 유도 전동기 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따라 차량의 EPS용 유도 전동기 제어 장치가 개시되며, 이 장치는 슬라이딩 모드 기법을 사용하여, 3상 인버터로부터 출력되는 3상 전류 값을 변환하여 전류 추정치를 계산하는 슬라이딩 모드 관측기; 전류 제어를 위해 전류 기준 값과 상기 전류 추정치를 입력받아 비례 적분하여 전압 값을 출력하는 전류 제어기; 및 상기 전압 값을 처리하여 상기 3상 인버터의 구동 신호를 생성하는 변환기를 포함할 수 있다.

Description

슬라이딩 모드 관측기를 이용한 차량용 전동 조향 장치의 유도 전동기 제어 장치{AN APPARATUS FOR CONTROLLING AN INDUCTION MOTOR OF ELECTRONIC POWER STEERING FOR VEHICLE WITH SLIDING MODE OBSERVER}
본 발명은 차량용 전동 조향 장치(EPS; Electronic Power Steering)의 유도 전동기를 제어하기 위한 제어 장치에 관한 것으로, 상세하게는 보다 안정된 제어 응답을 피드백하기 위해 슬라이딩 모드 관측기를 적용한 차량용 EPS 유도 전동기 제어 장치에 관한 것이다.
전동 조향 장치(EPS; Electronic Power Steering)가 차량에 탑재되는 것이 일반화되고 있는 경향에 있어, EPS의 제어 방법 또는 장치에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이에 따라, 댐핑 성능이 양호하고 전류 소모가 낮으며, 안정성이 보장되는 EPS의 개발이 필요하다.
본 발명은 댐핑 성능이 양호하고 전류 소모가 낮으며, 안정성이 보장되는 EPS 제어 장치를 제안하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 EPS용 유도 전동기 제어 장치가 개시되며, 이 장치는 슬라이딩 모드 기법을 사용하여, 3상 인버터로부터 출력되는 3상 전류 값을 변환하여 전류 추정치를 계산하는 슬라이딩 모드 관측기; 전류 제어를 위해 전류 기준 값과 상기 전류 추정치를 입력받아 비례 적분하여 전압 값을 출력하는 전류 제어기; 및 상기 전압 값을 처리하여 상기 3상 인버터의 구동 신호를 생성하는 변환기를 포함할 수 있다.
상기 슬라이딩 모드 관측기는 상기 전류 기준 값과 상기 전류 추정치의 차가 미리 결정된 범위 내에 속하도록 상기 전류 추정치를 계산할 수 있다.
상기 슬라이딩 모드 관측기는 슬라이딩 모드 표면에 도달하도록 상기 전류 추정치를 계산할 수 있다. 상기 변환기는 상기 전압 값을 변환하여 3상 전압 값을 생성하고, 상기 3상 전압을 펄스 진폭 변조하여 상기 3상 인버터 구동 신호를 생성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치는 상기 3상 인버터 구동 신호를 입력받아 유도 전동기 구동 신호를 생성하는 3상 인버터를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치는 상기 3상 인버터로부터 유도 전동기 구동 신호를 입력받아 동작하는 유도 전동기를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치는 속도 제어를 위해 상기 유도 전동기로부터의 실제 속도 값과 기준 속도 값을 입력받아 비례 적분하여 상기 전류 기준 값을 생성하는 속도 제어기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어 장치에 따라, 기준 속도 값에 따라 추종 시 정상 상태에 도달하기 전에 발생하는 오버슈트(overshoot)가 감소하여 보다 안정된 제어 응답을 기대할 수 있고, 이와 동시에 소모되는 전류 값을 줄여 효율성일 제고할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 EPS용 유도 전동기 제어 장치의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 EPS용 유도 전동기 제어 장치의 블록도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 EPS용 유도 전동기 제어 장치에 따른 유도 전동기의 제어 응답 특성을 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 EPS용 유도 전동기 제어 장치에 따른 유도 전동기의 전류 소모를 도시한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 전동 조향 장치(EPS; Electronic Power Steering)용 유도 전동기 제어 장치의 개략적인 블록도를 도시한다. 유도 전동기 제어 장치는 3상 인버터(160)로부터 출력되는 3상의 유도 전동기 구동 신호(iu, iv, iw)를 처리하여 피드백 신호로 전류 제어기(120) 측으로 제공할 수 있다. 이러한 피드백 신호가 전달되는 경로에는 슬라이딩 모드 관측기(190)가 구비되어, 슬라이딩 모드 관측기(190)는 유도 전동기 구동 신호(iu, iv, iw) 중 2개의 상에 해당하는 전류 신호(ia, ib)를 이용하여 전류 추정치(
Figure 112011039242073-pat00001
,
Figure 112011039242073-pat00002
)를 계산할 수 있다. 또한, 슬라이딩 모드 관측기(190)는 전류 신호로부터 자속(flux)을 획득하여, 자속 추정치를 계산할 수 있다.
계산된 전류 추정치(
Figure 112011039242073-pat00003
,
Figure 112011039242073-pat00004
)는 S-R(stationary to rotating) 변환기(180)에 의해 q축 전류 및 d축 전류 추정치(iq, id)로 변환될 수 있다. 다시 말하면, 3상 고정 좌표계에서 회전 좌표계로의 변환을 수행할 수 있다. 이 전류 추정치(iq, id)는 전류 기준 값(iqref, idref)과 함께 전류 제어기(120)로 입력될 수 있다.
전류 제어기(120)는 입력된 전류 기준 값(iqref, idref)과 전류 추정치(iq, id)를 입력받아 비례 적분(PI; Proportional Integral) 제어를 통해 전압 값(uq, ua)를 계산할 수 있다. R-S(rotating to stationary) 변환기(130)는 직류인 전류 추정치를 3상 교류 신호 중 2개의 상에 해당하는 교류 전압 값(ua, ub)을 획득할 수 있다. 2-3상 변환기(140)는 3상 교류 신호 중 2개의 신호를 이용하여 나머지 하나의 1개의 신호를 계산하여 총 3개의 3상 교류 신호를 모두 출력할 수 있다. 펄스 진폭 변조기(150)는 3상 교류 신호를 입력받아 3상 인버터(160)의 구동을 위한 신호를 출력하고, 이에 의해 3상 인버터(160)는 구동되어 유도 전동기(195)를 구동시킬 수 있다.
3상 인버터(160)는 유도 전동기(195)의 구동을 위한 신호(iu, iv, iw)를 생성하여 유도 전동기 측으로 출력하며, 또한 유도 전동기 구동 신호(iu, iv, iw)는 피드백 신호로 3-2상 변환기(170)로 제공될 수 있다. 3-2상 변환기(170)는 3상 중 2개의 상에 해당하는 전류 값(ia, ib)을 출력하며, 이 전류 값(ia, ib)은 슬라이딩 모드 관측기(190)로 입력될 수 있다. 슬라이딩 모드 관측기(190)는 슬라이딩 모드 기법을 이용하여 전류 추정치(
Figure 112011039242073-pat00005
,
Figure 112011039242073-pat00006
)를 계산할 수 있다.
슬라이딩 모드 기법은 미지의 변수를 추정하는데 유용하게 사용되는 방법이다. 자속 오차 및 전류 오차를 0으로 수렴하도록 변수를 추정할 수 있다. 슬라이딩 모드 기법은 슬라이딩 모드 면(sliding mode surface)을 다음의 수학식으로 정의할 수 있다.
Figure 112011039242073-pat00007
추정치가 위의 s(x;t)=0(즉, s=0)이 되도록 그 추정치를 계산할 수 있다. 이러한 슬라이딩 모드 면은 추정치들로 이루어진 함수로 가정할 수 있다. s(x;t)가 0이 되려면,
Figure 112011039242073-pat00008
가 0이 되도록 제어해야 하고,
Figure 112011039242073-pat00009
는 다음과 같다.
Figure 112011039242073-pat00010
x(t)는 유도 전동기의 구동 신호를 3-2상 변환한 신호(ia, ib)로 볼 수 있으므로,
Figure 112011039242073-pat00011
가 0이라는 것은 추정치 xd(t)가 유도 전동기의 구동 신호와 동일함을 의미한다.
본 발명의 실시예에서 이용되는 PI 제어, R-S 변환, S-R 변환, 2-3상 변환 및 3-2상 변환은 당해 기술 분야에서 널리 사용되는 방법이므로, 본 발명의 핵심 사항이 흐려지는 것을 방지하기 위해 자세히 설명하지 않기로 한다. 또한,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 EPS용 유도 전동기 제어 장치(200)의 블록도를 도시한다. 장치(200)는 슬라이딩 모드 기법을 사용하여, 3상 인버터로부터 출력되는 3상 전류 값을 변환하여 전류 추정치를 계산하는 슬라이딩 모드 관측기(210); 전류 제어를 위해 전류 기준 값과 상기 전류 추정치를 입력받아 비례 적분하여 전압 값을 출력하는 전류 제어기(220); 상기 전압 값을 처리하여 상기 3상 인버터의 구동 신호를 생성하는 변환기(230); 및 상기 구동 신호를 입력받아 유도 전동기를 구동시키는 3상 인버터(240)를 포함할 수 있다.
슬라이딩 모드 관측기(210)는 슬라이딩 모드 기법을 이용하여 자속 추정치 또는 전류 추정치를 계산할 수 있다. 슬라이딩 모드 기법은 미지의 변수를 추정하기 위한 방법으로서, 자속 오차 또는 전류 오차를 0으로 수렴하도록 제어하여 전류 추정치를 계산할 수 있다. 슬라이딩 모드 관측기(210)는 슬라이딩 모드 표면에 도달하도록 상기 전류 추정치를 계산할 수 있다.
전류 제어기(220)는 비례 적분 제어기로서, 기준 전류 값을 입력받아 3상 인버터(240)에 입력될 전압 값을 출력할 수 있다. 전류 제어기(220)의 출력인 전압 값이 직접 3상 인버터(240)에 입력되는 것은 아니다. 전류 제어기(220)로부터 출력된 전압 값은 변환기(230)로 입력되어, 변환기(230)는 이 출력 전압 값을 처리하여 3상 인버터의 구동 신호를 생성할 수 있다.
변환기(230)는 R-S 변환, 2-3상 변환 및 펄스 진폭 변조(PWM)를 수행할 수 있다. 또한, 변환기(230)가 R-S 변환을 수행하는 경우에, 슬라이딩 모드 관측기(210)에 의해 계산된 전류 추정치(
Figure 112011039242073-pat00012
,
Figure 112011039242073-pat00013
)를 이용할 수 있다.
도시되지는 않았지만, 본 장치(200)는 상기 3상 인버터(240)로부터 유도 전동기 구동 신호를 입력받아 동작하는 유도 전동기를 더 포함할 수 있다. 또한, 속도 제어를 위해 상기 유도 전동기로부터의 실제 속도 값과 기준 속도 값을 입력받아 비례 적분하여 상기 전류 기준 값을 생성하는 속도 제어기를 더 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 EPS용 유도 전동기 제어 장치에 따른 유도 전동기의 제어 응답 특성을 도시한다. 도 3의 (a) 내지 (c)는 슬라이딩 모드 기법을 이용하지 않은 경우의 응답 특성이고, 도 3의 (d) 내지 (f)는 슬라이딩 모드 기법을 이용한 경우의 응답 특성이다.
도 3의 (a)는 EPS의 속도에 따른 응답 특성을 나타낸 그래프이다. 도 3의 (a)에 표시된 A 및 B 구역을 상세히 확대한 그래프가 각각 도 3의 (b) 및 (c)이다. 도 3의 (a)에 도시된 그래프는 마치 하나의 선으로 이루어진 것으로 도시되었으나, 실제론 사용자에 의한 속도 입력, 즉 속도 지령에 따른 직선과, 그를 추종하는 본 발명의 실시예의 장치에 따른 응답 특성의 직선이 도시되어있다. 도 3의 (b) 및 (c)를 참조하면 명확히 알 수 있다.
도 3의 (b) 및 (c)는 도 3의 (a)의 A, B 구역을 확대한 것이다. 실제 속도 출력 값(W)이 속도 지령(Wref)을 추종해야 하는 것이 이러한 제어의 목표이나, 도 3의 (b)에서 약 1.20초 내지 1.25초 구간에서 오버슈팅이 발생하는 것이 관측되며, 오버슈팅의 피크 값은 17rpm정도 되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 3의 (c)에서 약 3.40초 내지 3.48초 구간에서 오버슈팅이 발생하는 것이 관측되며, 오버 슈팅의 피크 값은 16rpm정도 되는 것을 확인할 수 있다.
도 3의 (d)는 슬라이딩 모드 기법을 이용한 경우의 응답 특성을 나타낸 그래프이다. 도 3의 (d)의 그래프도 마치 하나의 직선으로 도시된 것으로 보이나, 실제론 2개의 직선(속도 지령, 그에 따른 출력 속도 값)으로 도시된 것이다. 도 3의 (d)에 표시된 A' 및 B' 구역을 확대한 그래프가 각각 도 3의 (e) 및 (f)이다. 도 3의 (e) 및 (f)는 속도 지령(Wref)과 본 발명의 실시예에 따른 장치의 제어에 따른 출력 값(W)을 도시한다. 도 3의 (e) 및 (f)에서는 응답 특성이 오버슈팅이 발생하지 않으며, 미미하지만 도 3의 (b) 및 (c)의 경우와 비교했을 때 더 짧은 시간 내에 출력이 안정되는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 EPS용 유도 전동기 제어 장치에 따른 유도 전동기의 전류 소모를 도시한다. 도 4의 (a) 및 (b)는 슬라이딩 모드를 이용하지 않은 경우의 전류 값(iq, id)을 도시하며, 도 4의 (c) 및 (d)는 슬라이딩 모드를 이용한 경우의 전류 값(iq, id)를 도시한다. 슬라이딩 모드 기법의 효과를, 도 4의 (b) 및 (d)를 비교하면 명확해진다. 슬라이딩 모드 기법을 이용하지 않은 경우(도 4의 (b))엔 전류가 약 8.15A가 소모되지만, 슬라이딩 모드 기법을 이용하는 경우(도 4의 (a))엔 전류가 약 6.19A가 소모되는 것을 확인할 수 있다.
이처럼, 도 3 및 4를 통해 차량의 EPS용 유도 전동기 제어 시에 슬라이딩 모드 관측기를 이용하는 경우에 오버슈팅이 발생하지 않으며, 빠른 안정 속도 그리고 전류 소모량이 적은 것을 확인할 수 있다.
위에서 본 발명의 실시예들이 설명되었으며, 당해 기술 분야에 속한 통상의 지식을 가진 자는 이러한 실시예들은 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 예시적인 것임을 인식할 수 있고, 본 발명의 범위 또는 사상을 벗어나지 않고 변형, 수정 등이 가능함을 인식할 것이다.
200: 차량의 EPS용 유도 전동기 제어 장치
210: 슬라이딩 모드 관측기 220: 전류 제어기
230: 변환기 240: 3상 인버터

Claims (7)

  1. 차량의 전동 조향 장치(EPS; electronic power steering) 용 유도 전동기 제어 장치로서,
    3상 인버터로부터 유도 전동기 구동신호를 입력받아 동작하는 유도 전동기;
    전류 제어를 위해 전류 기준 값과 전류 추정치를 입력받아 비례 적분하여 전압 값을 출력하는 전류 제어기;
    상기 전압 값을 처리하여 상기 3상 인버터의 구동 신호를 생성하는 변환기;
    상기 3상 인버터로부터 출력되는 3상의 유도 전동기 구동신호를 처리하여 상기 전류 제어기로 피드백하는 피드백 신호의 전달경로에 설치되며, 슬라이딩 모드 기법을 사용하여, 상기 3상 인버터로부터 출력되는 3상 전류 값을 변환하여 상기 전류 추정치를 계산하는 슬라이딩 모드 관측기; 및
    속도 제어를 위해 상기 유도 전동기로부터의 실제 속도 값과 기준 속도 값을 입력받아 비례 적분하여 상기 전류 기준 값을 생성하는 속도 제어기를 포함하며,
    상기 속도 제어기는 상기 실제 속도 값과 상기 기준 속도 값을 입력받아 1차적으로 비례 적분하고, 상기 전류 제어기는 상기 전류 기준 값과 상기 전류 추정치를 입력받아 2차적으로 비례 적분하는 유도전동기 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 슬라이딩 모드 관측기는,
    상기 전류 기준 값과 상기 전류 추정치의 차가 미리 결정된 범위 내에 속하도록 상기 전류 추정치를 계산하는, 유도전동기 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 슬라이딩 모드 관측기는 슬라이딩 모드 면(surface)을 정의하고, 상기 슬라이딩 모드 관측기는 전류 추정치가 상기 슬라이딩 모드 면에 도달하도록 제어하는, 유도전동기 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 변환기는,
    상기 전압 값을 변환하여 3상 전압 값을 생성하고, 상기 3상 전압을 펄스 진폭 변조하여 상기 3상 인버터 구동 신호를 생성하는, 유도전동기 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 3상 인버터 구동 신호를 입력받아 유도 전동기 구동 신호를 생성하는 3상 인버터를 더 포함하는, 유도전동기 제어 장치.


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