KR101916046B1

KR101916046B1 - 전압 센서 고장 감지 방법

Info

Publication number: KR101916046B1
Application number: KR1020130167832A
Authority: KR
Inventors: 이동훈; 류창석
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2018-11-07
Also published as: CN104753422B; CN104753422A; KR20150078460A

Abstract

실시 예에 따른 전압 센서 고장 감지 방법은, 인버터로부터 3상 출력이 정상적으로 나가고 있는지 판단하는 단계 상기 인버터로부터 3상 출력이 정상적으로 나가고 있을 때, 상전압 출력값을 확인하는 단계 모터 설계 파라미터, 3상 전류, 및 모터 회전수를 기초로 모터 전압 방정식을 통해 상전압 계산값을 산출하는 단계 및 상기 상전압 출력값과 상기 상전압 계산값 간의 오차와 소정의 오차 허용 기준값을 비교하는 단계를 포함한다.

Description

전압 센서 고장 감지 방법{VOLTAGE SENSOR DEFAULT DETECTING METHOD}

실시 예는 전압 센서 고장 감지 방법에 관한 것이다.

모터 구동용 인버터에는 일반적으로 구동 전원으로 DC 전압이 공급되며 이 전압값 측정을 위해 전압 센서를 장착하거나 기판에 센싱 회로를 구성한다. 구동중 DC 전압 센서가 고장나는 경우 전압 측정 불가로 인해 인버터의 모터 제어 성능이 감소하여 모터 출력 및 동특성이 나빠지고 심한 경우에는 구동을 정지시켜야 하는 문제까지 발생한다

전압 센서의 고장을 감지할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

그러면, 모터와 인버터 사이의 DC단 전압 센서의 고장 유무를 효과적으로 판정하여 잘못된 센서값을 이용한 제어로 인해 발생하는 위험성을 제거할 수 있다.

또한, 전압 센서의 단선 또는 단락 고장 감지뿐만 아니라 합리적 오류(Rationality fault)도 감지될 수 있다. 합리적 오류란 센서가 정상적인 범위의 센서값을 내고는 있지만 센서 고장으로 인해 실제로는 잘못된 측정값을 알려주는 오류를 의미한다.

그리고, DC단 전압 센서 고장이 실시 예를 통해 명확히 판정되어 정상적으로 DC 전압이 공급된 상태에서는 고장 안전(fail-safe) 운전 전략을 통해 모터의 구동이 가능하다. 아울러, 전압 센서 고장 판정을 통해 부품 교환 필요성을 운전자에게 알려줄 수 있어, 위험성이 경감된다.

도 1은 모터 구동 DC 전원, 인버터, 및 모터 사이의 연결 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 일반적인 센선 전압 출력과 DC 전압 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시 예에 따른 제어부가 토크 제어를 하는 모터 제어 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 실시 예에 따른 제어부가 속도 제어를 하는 모터 제어 방법을 나타낸 도면이다.
도 5는 실시 예에 따른 인버터를 나타낸 도면이다.
도 6은 실시 예에 따른 인버터 DC단 전압 센서의 고장을 판단하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은 실시 예에 따른 전류 제어기를 나타낸 도면이다.
도 8은 3상 좌표계와 D,Q축 고정좌표계간의 관계를 나타낸 도면이다.
도 9는 D,Q축 고정좌표계와 d,q축 회전 좌표계간의 관계를 나타낸 도면이다.
도 10은 실시 예에 따른 DC단 전압 센서의 고장 감지 이후의 비상 운전 전략(fail-safe)을 나타낸 순서도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

실시 예는 모터의 토크 및 속도를 제어하기 위해 인버터로부터 모터로 공급되는 3상 출력 전압, 모터 회전 속도, 3상 전류, 모터 설계 파라미터등을 바탕으로 전압 방정식을 이용한다. 실시 예는 이렇게 계산한 입력 전압 값의 오차에 기초하여 전압 센서의 고장 유무를 판정한다.

도 1은 모터 구동 DC 전원, 인버터, 및 모터 사이의 연결 구조를 나타낸 도면이다.

도 2는 일반적인 센선 전압 출력과 DC 전압 간의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 모터 구동 DC 전원(1)으로부터 인버터(2)로 DC 전압이 공급되고, 인버터(2)로부터 3상 전압 U(a), V(b), 및 W(c)가 모터(3)로 공급된다.

도 1에서 모터 구동 DC 전원(1)으로부터 인버터로의 전원 공급이 정상적인지 판단하고, 3상 전류 제어에 활용하기 위해 전압 센서(4)를 구비하고, 제어 보드에는 전압 센싱 회로(도시하지 않음)를 구성한다.

전압 센싱 회로의 경우, 일반적으로 도 2와 같이 0V~5V까지 센서 출력 전체 범위 모두를 전압 센싱용으로 사용하기 때문에 센서단에 단선 또는 단락과 같은 고장이 발생하여도 감지가 불가능하다.

인버터(2)의 DC단(DC 전원에 연결되어 있는 단)에 구동 가능 전압이 정상적으로 공급되었음에도 전압 센서(4)의 단선 또는 단락으로 인해 전압 값이 잘못 감지되어 구동 전압이 공급되지 않았거나(0V) 공급전압이 구동 가능 전압 범위를 초과(5V)한 것으로 제어 보드에서 판단될 수 있다. 즉, 정상적인 DC 전원 공급 조건에서 모터가 구동되지 않는 문제가 발생할 수 있다.

센서 감시부(5)는 전압 센서(4)의 고장 여부를 판단한다.

제어부(6)는 전류 지령을 수신하고, 인버터(2) 및 모터(3) 제어에 필요한 정보를 센싱하여 제어 출력을 생성한다. 제어 출력은 인버터(2) 및 모터(3)의 동작을 제어한다. 예를 들어, 제어부(6)는 DC단 전압을 전압 센서(4)로부터 수신하고, 3상 전류를 감지하며, 모터의 회전자 위치를 감지할 수 있다.

도 1에서는 센서 감시부와 제어부를 별도의 구성으로 도시하였으나, 센서 감시부가 제어부에 일 구성일 수 있다.

이하, 모터 제어 방법을 설명한다.

도 3은 실시 예에 따른 제어부가 토크 제어를 하는 모터 제어 방법을 나타낸 도면이다.

도 4는 실시 예에 따른 제어부가 속도 제어를 하는 모터 제어 방법을 나타낸 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전동차의 구동 모터에서는 일반적으로 토크 제어 구조를 사용한다.

토크 제어기(10)는 요구되는 토크 지령을 받고, 속도 및 토크에 따른 전류맵에서 전류 지령값을 추출한다. 토크 제어기(10)는 전류 제어기(11)로 추출된 전류 지령을 전달한다. 전류 제어기(11)는 전달 받은 전류 지령을 제어하기 위해 모터(3)의 3상 전류값을 네거티브 피드백(negative feedback) 받아서 3상 전압 출력값을 결정한다. 이 때, 모터(3)의 3상 전류를 측정하기 위해 전류 센서(도시하지 않음)가 이용될 수 있다. 실시 예에 따른 전류 센서는 3상 전류 중 적어도 2상 전류를 측정할 수 있다.

속도 제어기(12)는 요구되는 속도 지령과 속도 및 위치의 센싱값을 feedback 받아 모터 토크를 발생시키기 위한 전류 지령을 결정하고, 이를 전류 제어기(13)에 전달한다. 전류 제어기(13)는 전달 받은 전류 지령을 제어하기 위해 전류 센서로부터 전류값을 네거티브 피드백(negativefeedback) 받아서 3상 전압 출력값을 결정한다.

3상 전압 출력값은 각 상의 펄스폭 듀티로서, 인버터로 공급된다. 인버터는 펄스폭 듀티에 따라 스위칭 동작을 제어하여 모터에 전류를 공급한다.

도 5는 실시 예에 따른 인버터를 나타낸 도면이다.

도 6은 실시 예에 따른 인버터 DC단 전압 센서의 고장을 판단하는 방법을 나타낸 순서도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, DC단 전압(VDC)이 인버터(2)의 양단에 공급된다. 인버터(2)는 6개의 스위치(S1-S6)를 포함하고, 스위치(S1-S6)의 스위칭 동작을 통해 3상 부하(Z1-Z3)에 전력을 공급한다.

스위치(S1) 및 스위치(S4)는 DC단 전압(VDC)에 병렬 연결되어 있고, 스위치(S1)과 스위치(S4)가 서로 연결되는 노드(N1)은 부하(Z1)에 연결되어 있다. 스위치(S1)와 스위치(S4) 각각의 스위칭 동작은 서로 상보적으로, 스위치(S1)가 온 상태일 때, 스위치(S4)는 오프 상태이다. 스위치(S1)가 턴 온 되면, DC단 전압(VDC)의 그라운드를 기준으로 전압(VDC/2)이 부하(Z1)에 공급된다. 스위치(S4)가 턴 온 되면, DC단 전압(VDC)의 그라운드를 기준으로 전압(-VDC/2)이 부하(Z1)에 공급된다. 이와 같이, S1 및 S4의 스위칭 동작에 따라 노드(N1)의 전압 va은 교류 전압으로 부하(Z1)에 공급되고, 부하(Z1)에 흐르는 전류(ia)가 발생한다.

스위치(S3) 및 스위치(S6)는 DC단 전압(VDC)에 병렬 연결되어 있고, 스위치(S3)과 스위치(S6)가 서로 연결되는 노드(N2)는 부하(Z2)에 연결되어 있다. 스위치(S3)와 스위치(S6) 각각의 스위칭 동작은 서로 상보적으로, 스위치(S3)가 온 상태일 때, 스위치(S6)는 오프 상태이다. 스위치(S3)가 턴 온 되면, DC단 전압(VDC)의 그라운드를 기준으로 전압(VDC/2)이 부하(Z2)에 공급된다. 스위치(S6)가 턴 온 되면, DC단 전압(VDC)의 그라운드를 기준으로 전압(-VDC/2)이 부하(Z2)에 공급된다. 이와 같이, S3 및 S6의 스위칭 동작에 따라 노드(N2)의 전압 vb은 교류 전압으로 부하(Z2)에 공급되고, 부하(Z2)에 흐르는 전류(ib)가 발생한다.

스위치(S5) 및 스위치(S2)는 DC단 전압(VDC)에 병렬 연결되어 있고, 스위치(S5)와 스위치(S2)가 서로 연결되는 노드(N3)는 부하(Z3)에 연결되어 있다. 스위치(S5)와 스위치(S2) 각각의 스위칭 동작은 서로 상보적으로, 스위치(S5)가 온 상태일 때, 스위치(S2)는 오프 상태이다. 스위치(S5)가 턴 온 되면, DC단 전압(VDC)의 그라운드를 기준으로 전압(VDC/2)이 부하(Z3)에 공급된다. 스위치(S2)가 턴 온 되면, DC단 전압(VDC)의 그라운드를 기준으로 전압(-VDC/2)이 부하(Z3)에 공급된다. 이와 같이, S5 및 S2의 스위칭 동작에 따라 노드(N3)의 전압 vc은 교류 전압으로 부하(Z3)에 공급되고, 부하(Z3)에 흐르는 전류(ic)가 발생한다.

부하(Z1)의 라인과 부하(Z2)의 라인 사이의 선간 전압 Vab, 부하(Z2)의 라인과 부하(Z3)의 라인 사이의 선간 전압 Vbc, 및 부하(Z3)의 라인과 부하(Z1)의 라인 사이의 선간 전압 Vca이 발생하고, 세 부하는 중립 노드에 연결되어 있다. 중립 노드의 전압은 vn이다.

스위치(S1, S3, S5) 간의 스위칭 동작은 120도의 위상 차가 있다. 예를 들어, 스위치(S1)의 스위칭 동작과 스위치(S3)의 스위칭 동작 간의 위상차가 120도이고, 스위치(S3)의 스위칭 동작과 스위치(S5)의 스위칭 동작 간의 위상차가 120도이며, 스위치(S5)의 스위칭 동작과 스위치(S1)의 스위칭 동작 간의 위상차가 120도이다. 그러면, 스위치(S4)의 스위칭 동작과 스위치(S6)의 스위칭 동작 간의 위상차가 120도이고, 스위치(S6)의 스위칭 동작과 스위치(S2)의 스위칭 동작 간의 위상차가 120도이며, 스위치(S2)의 스위칭 동작과 스위치(S4)의 스위칭 동작 간의 위상차가 120도이다.

센서 감시부(5)는 도 6에 도시된 방법에 따라 전압 센서(4)의 고장 여부를 판단한다. 이하 각 단계는 센서 감시부(5)에 의해 수행된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 인버터가 스위치(S1~S6)를 스위칭 동작시켜 3상 부하 Z1-Z3로 출력을 인가하고 있는지를 판단한다(STEP 10). 3상 부하가 모터의 a, b, c 3상인 경우, 부하 Z1-Z3 각각은 모터의 a상, b상, 및 c상이다.

만약, 인버터에서 모터 3상 a-c로 출력을 인가하지 않으면 모터 제어를 실행하지 않는 것이기 때문에 전류 제어기(11)에서 결정된 전압 제어 출력 지령과 전압 방정식을 통해 산출한 상전압 간의 비교가 필요 없다.

STEP 10의 판단 결과, 인버터(2)에서 3상 출력이 정상적으로 나가고 있다면 전류 제어기(11)에서 결정한 상전압 출력값(V_CC,out)을 확인한다(STEP20).

그리고, 모터 설계 파라미터(인덕턴스, 권선 저항, 쇄교자속의 세기 등), 3상 전류, 및 모터 회전수 등을 기초로 모터 전압 방정식을 통해 상전압 계산값(V_Est)을 산출한다(STEP30).

인버터에서는 STEP20에서 산출된 상전압 출력값(V_CC,out)을 모터에 인가하기 때문에 정상적인 상태에서는 V_CC,out 와 V_Est두값이 일치해야 한다. 제어 오차, 센서값 계측 오차, 설계상의 오차로 인해 V_CC,out 와 V_Est사이에는 일정 수준의 오차 발생이 가능하기 때문에 α라는 오차 허용 기준값이 적용될 수 있다. α는 실험을 통해 통계적으로 산출 가능하다.

V_CC,out 와 V_Est간의 절대값 차가 오차 허용 기준값 α보다 큰지 판단한다(STEP40).

단계 STEP40의 판단 결과, V_CC,out 와 V_Est간의 절대값 차가 오차 허용 기준값 α보다 클 때, 그 기간을 카운트한다(STEP50). △T는 제어 기능 수행 시간 주기이다.

카운트 기간(T)이 소정의 임계 기간 T1을 초과하는지 판단한다(STEP60). 단계 STEP 60의 판단 결과, 카운트 기간(T)가 임계 기간 T1을 초과할 때, 전압 센서를 고장으로 판단한다.

단계 STEP 60의 판단 결과, 카운트 기간(T)가 임계 기간 T1 보다 작을 때, 단계 STEP 10부터 시작한다. 다시 시작한 후, 단계 STEP40의 판단 결과, V_CC,out 와 V_Est간의 절대값 차가 오차 허용 기준값 α보다 작을 때, 카운트 기간(T)을 영으로 리셋하고(STEP70), 단계 STEP 10 부터 시작한다.

실시 예는 V_CC,out 와 V_Est간의 절대값과 오차 허용 기준을 비교하는 방식을 차용하고 있으나, 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다. V_CC,out 와 V_Est간의 오차를 판정하기 위해 다양한 분석 기법(예를 들어, 표준편차)이 이용될 수 있다.

도 7은 실시 예에 따른 전류 제어기를 나타낸 도면이다.

도 8은 3상 좌표계와 D,Q축 고정좌표계간의 관계를 나타낸 도면이다.

3상 좌표계(a상, b상, c상)와 D,Q 고정좌표계(D축, Q축)간에는 도 8에 도시된 관계가 있다. 구체적으로, a상, b상, 및 c상 각각은 120도 간격으로 틀어져 있고, 고정좌표계는 모터의 고정자에 감긴 3상 권선을 기준으로한 좌표계이다. D축은 고정자 a상의 권선 방향이고, Q축은 고정자 a상의 권선에 전기각으로 수직인 방향이다.

도 9는 D,Q축 고정좌표계와 d,q축 회전 좌표계간의 관계를 나타낸 도면이다.

회전(동기)좌표계는 모터의 회전자 영구자석과 동기화되어 회전하는 좌표계이다. d축은 회전자 영구자석의 N극 방향이고, q축은 회전자 영구자석의 N극 방향에 전기각으로 수직인 방향이다.

도 7에서 도시된 바와 같이, 전류 제어기(11)와 인버터 사이에 PWM 출력 모듈(14)이 위치하고, 모터(3)에는 위치 센서(15)가 연결되어 있다.

PWM 출력 모듈(14)는 전류 제어기(11)으로부터 입력되는 상전압 출력(PWM duty)을 입력 받고, 인버터의 스위칭 동작을 제어하기 위한 게이트 전압들을 생성한다. 위치 센서(15)는 회전자의 위치를 감지한다.

전류 제어기(11)는 전압 지령 생성기(111) 및 좌표 변환기(112)를 포함한다.

전압 지령 생성기(111)는 d,q축 전류 지령(Iqr, Idr) 및 피드백 되는 d,q축 전류(Iqrf, Idrf)를 받아, 피드백 제어를 수행하여 d,q축 전압 지령(Vdr, Vqr)을 출력한다.

전압 지령 생성기(111)는 두 개의 PI 제어기(121,122)를 포함하고, PI 제어기(121)은 q축 전류 지령(Iqr) 및 피드백 되는 q축 전류 지령(Iqrf)을 받아, 피드백 제어를 수행하여 q축 전압 지령(Vqr)을 출력하고, PI 제어기(122)는 d축 전류 지령(Idr) 및 피드백 되는 d축 전류 지령(Idrf)을 받아, 피드백 제어를 수행하여 d축 전압 지령(Vdr)을 출력한다.

좌표 변환기(112)는 d,q축 전압 지령(Vdr, Vqr)을 2번의 좌표 변환(회전좌표계 [d,q] -> 고정좌표계[D,Q] -> 3상 좌표계[a,b,c])하여, 각 a,b,c 3상에 인가하는 전압을 결정하고, 각상의 전압 출력을 인가하기 위해 필요한 PWM duty값을 DC단 전압 센싱값을 근거로 결정한다.

좌표 변환기(112)는 회전-고정 좌표 변환기(131), 고정-3상 좌표 변환기(132), 3상-고정 좌표 변환기(133), 및 고정-회전 좌표 변환기(134)를 포함한다.

위치 센서(15)는 모터의 회전자 위치를 감지하고, 감지 결과를 회전-고정 좌표 변환기(131) 및 고정-회전 좌표 변환기(134)에 전달한다.

회전-고정 좌표 변환기(131)는 회전자 위치를 고려하여 d,q축 전압 지령(Vdr, Vqr)을 고정좌표계인D,Q축 전압 지령(VDs, VQs)으로 변환한다.

고정-3상 좌표 변환기(132)는 고정좌표계인 D,Q축 전압 지령(VDs, VQs)을 3상 좌표계인 3상 전압 출력(Da, Db, Dc)으로 변환한다.

3상-고정 좌표 변환기(133)는 실측된 3상 전류(ia, ib, ic)를 입력 받고, 고정좌표계인 D,Q축 전류 지령(iQs, iDs)으로 변환한다.

고정-회전 좌표 변환기(134)는 회전자 위치를 고려하여 D,Q축 전류 지령(iDs, iQs)을 d,q축 전류 지령(Idrf, Iqrf)을 고정좌표계인 D,Q축 전압 지령(VDs, VQs)로 변환한다.

센서 감시부(5)는 단계 STEP30에서 [수학식1] 및 [수학식 2]를 이용하여 상전압을 산출한다. 수학식 1은 d,q 좌표계 기준 모터 전압 방정식이고, 수학식 2는 3상 좌표계 기준 모터 전압 방정식이다.

[수학식 1]

[수학식 2]

는 각 축의 인덕턴스이고,

는 전기자 권선 저항이며,

는 영구자석에 의한 전기자 쇄교자속이고,

는 각 상의 자기 인덕턴스이며,

는 상간의 상호 인덕턴스이고,

는 전기각속도이고,

는 회전자계 d축과 a상과의 사이각이며,

는 시간에 대한 미분 연산자(d/dt)인이다.

수학식 1 및 2에 사용되는 인덕턴스, 영구자석에 의한 쇄교자속, 권선 저항 등은 설계 파라미터로 실험을 통해 확인이 가능한 값이다. 3상 전류는 전류 센서를 이용하여 측정 가능하다.

및

는 위치센서(15)를 통해 측정된다.

수학식 1에서 사용되는 회전좌표계 d,q축 전류값은 전류센서를 3상중 적어도2상의 전류값들이 측정되고, 도 7을 참조로 한 앞서 설명에 따라, 2번의 좌표 변환(3상 좌표계 [a,b,c] -> 고정좌표계[D,Q] -> 회전좌표계 [d,q])을 통해 3상 전류값의 산출이 가능하다.

수학식 1에서

및

은 회전자 영구자석에서 발생한 자속이 모터가 회전할때 고정자 권선을 통과하면서 발생하는 역기전력 성분이다. 모터에서 권선 저항과 인덕턴스 성분이 작고 3상에 흐르는 전류와 전기적 각속도가 작은 경우에 역기전력 성분만이 지배적인 값으로 나타나기 때문에 역기전력 성분을 제외한 나머지 값들을 무시하고 역기전력 성분만을 계산하여 3상 전압을 계산하는 것도 가능하다. 이와 같이, 단계 STEP 30에서 산출하는 상전압은 위의 수학식 1 및 2를 통해 계산하는 것도 가능하다.

또는, 모터의 설계적인 문제나 설계 파라미터값들의 비선형성 등의 문제로 인해 실험적으로 각 운전 영역에서의 상전압값을 확인한 결과가 수학식 1 및 2의 결과와 오차가 발생할 경우, 상전압 값을 전기 각속도와 d,q축 전류에 대한 맵으로 처리하는 방법도 사용 가능하다.

도 6을 참조로 설명한 DC단 전압 센서의 고장 판정 방법은 STEP 20 및 30 단계를 통해 3상(a,b,c) 각각의 전압을 산출하여 비교하는 것에 한정되지 않는다. 고정좌표계 D,Q축의 전압을 산출할 수도 있으며, 편의를 위해 회전좌표계의 d,q축 전압을 산출하여 사용하는 것도 가능하다.

인버터(2)에서 모터(3) 제어를 위해 벡터 제어 방식을 사용하는 경우 수학식1 및 2에서도 알 수 있듯이 계산의 편의를 위해서 회전좌표계의 d,q축 전압을 비교하는 것이 가장 효율적이다. 앞서 설명한 3상(a,b,c) 각각의 전압을 산출하여 비교 하거나, 고정좌표계 D,Q축의 전압을 산출하여 비교하는 방식 모두 사용 가능하다.

전압을 비교하는 경우에, 3상(a,b,c) 및 고정좌표계(D,Q)는 각상 및 축의 전압 값이 시간에 따라 sin파 형태로 나타나기 때문에 DC단 전압 센서에 문제가 발생하여도 STEP 20 및 30 에서 계산한 전압값의 오차가 지속적으로 α이상을 유지할 수 없다.

그렇기 때문에 이 경우에는 상전압 출력값의 벡터합과 산출된 전압에 따른 상전압 계산값의 벡터합을 비교하거나 상전압 출력값과 산출된 전압에 따른 상전압 계산값의 sin파 전압값이 0을 통과하는 주변 구간을 제외한 나머지 구간에서 STEP 20 및 30 전압간 오차를 비교해야 올바른 판단이 가능하다.

회전좌표계 d,q에서는 좌표축이 회전자와 동기화되어 회전하기 때문에 d,q축 전압이 sin파 형태로 나타나지 않기 때문에 각각의 전압을 직접 비교하는 것이 가능하다.

DC단 전압 센서 고장시 STEP 20 및 30 에서 산출한 상전압 간의 오차가 발생하는 이유는 다음과 같을 수 있다. 전류제어기에서 결정된 상전압 출력은 좌표변환 과정을 통해 a,b,c 3상에 인가해야 하는 전압값으로 계산된다. 이때 전류 제어기에서는 DC단 전압 입력값을 바탕으로 요구되는 3상 전압을 인가하는데 필요한 각상의 PWM duty값을 결정한다. 만약 전압 센서의 고장으로 인해 전압 센서값이 실제값 보다 낮게 전압을 측정하는 경우 STEP 20에서의 전압 출력 또한 작아지고 반대의 경우에는 커지게 된다. 이 경우 STEP 30에서 이론적으로 산출한 상전압값과 STEP 20의 상전압간의 오차가 커지게 된다. 그러면, 도 6에 도시된 바와 같이 DC 전압 센서의 이상 유무 확인이 가능하다.

도 10은 실시 예에 따른 DC단 전압 센서의 고장 감지 이후의 비상 운전 전략(fail-safe)을 나타낸 순서도이다.

도 6과 중복되는 STEP10-STEP70 단계는 설명되었으므로, 그 설명을 생략한다.

단계 STEP 60통해, DC단 전압 센서 고장이 감지된 경우, DC단 전압 센싱값(VDCS)과 전압센서(4)로 감지 가능한 최소 전압 기준값(Vlow)을 비교한다(STEP80).

단계 STEP 80에서, 전압 센싱값(VDCS)이 최소 전압 기준값(Vlow) 보다 작은 경우, DC단 센서 와이어가 단선되었거나 GND와 단락된 것으로 판단한다(STEP100). 최소 전압 기준값(Vlow)은 실험적으로 DC단 전압 센서 와이어가 단선 또는 GND 단락 상태에서 나타나는 전압 센서(4)의 출력 값을 기준으로 고장 판정이 가능한 값으로 선정한다.

단계 STEP 80에서 전압 센싱값(VDCS)이 최소 전압 기준값(Vlow) 보다 큰 경우, 전압 센싱값(VDCS)을 전압 센서가 읽을 수 있는 최대 전압 기준치(Vhigh)와 비교한다(STEP90).

단계 STEP 90에서, 전압 센싱값(VDCS)이 최대 전압 기준치(Vhigh)을 초과하는 경우에는 전압센서 와이어가 전원선과 단락된 것으로 판단한다(STEP110). 최대 전압 기준치(Vhigh)도 최소 전압 기준값(Vlow)와 마찬가지로 실험을 통해 센서 와이어가 전원선과 단락이 발생할 때의 전압을 기준으로 하여 선정한다.

단계 STEP 90에서, 전압 센싱값(VDCS)이 최대 전압 기준치(Vhigh)을 초과하지 않는 경우 즉, 전압 센싱값(VDCS)이 최대 전압 기준치(Vhigh)와 최소 전압 기준값(Vlow) 사이의 정상값인 경우에는 Rationality fault 상태로 판단한다(STEP 120). Rationality fault 상태는 센서가 정상적인 범위의 값을 나타내고는 있지만 정합성에 문제가 있다는 의미이다. 즉, 실제값과 센서값 사이에 오차가 존재하는 고장을 의미한다. 이렇게 판단된 고장은 A/S 편의성을 위해 사용자에게 알려줄 수 있는 수단(각종 통신 수단 또는 표시 수단 등)을 통해 관련 정보를 전달한다.

종래 DC단 전압센서 고장 감지 기능이 없는 경우, 센서 단선 또는 단락 고장 발생시 DC단에 전원이 공급되지 않았거나, 지나치게 높은 전압이 인가된 것으로 판단하여 모터 구동을 정지하였다. 또한, 센서 Rationality fault가 발생한 경우에도 진단이 불가하여 잘못된 DC단 전압 정보를 통해 제어가 이루어지면서 제어 불안정성이 발생하는 문제가 있었다. 그러나 실시 예를 통해 DC단 전압 센서의 고장 발생 및 고장 발생 원인 진단이 가능하다.

고장이 발생한 경우(STEP 100, 110, 120) 모터 비상 운전을 위해, 전압 센싱값(VDCS)을 구동 가능한 전압 범위내의 특정값 (VNOR)으로 고정하고 비상 운전을 실시한다(STEP130). 이 경우 속도 제어 성능이나 토크 발생에 있어 센서가 정상적일 때에 비해 성능이 떨어질 수는 있으나 모터 구동은 가능하다. 이때 안전을 위해 최대 운전 가능 속도 및 토크를 제한하여 운전하는 전략도 사용 가능하다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

1: 모터 구동 DC 전원
2: 인버터
3: 모터
4: 전압 센서
5: 센서 감시부
6: 제어부

Claims

인버터로부터 3상 출력이 정상적으로 나가고 있을 때, 상전압 출력값을 확인하는 단계;
모터 설계 파라미터, 3상 전류, 및 모터 회전수를 기초로 모터 전압 방정식을 통해 상전압 계산값을 산출하는 단계;
상기 상전압 출력값과 상기 상전압 계산값 간의 오차와 소정의 오차 허용 기준값을 비교하는 단계;
상기 비교 결과 상기 상기 상전압 출력값과 상기 상전압 계산값 간의 오차가 상기 오차 허용 기준값을 초과하는 기간을 카운트 하는 단계;
상기 카운트된 기간이 소정의 임계 기간을 초과할 때, DC 단의 전압 센서를 고장으로 판단하는 단계;
상기 전압 센서 고장이 감지된 경우, 전압 센싱값과 상기 전압 센서로 감지 가능한 최소 전압 기준값을 비교하는 단계; 및
상기 전압 센싱값이 상기 최소 전압 기준값 보다 작은 경우, 상기 전압 센서 와이어가 단선되었거나 GND와 단락된 것으로 판단하는 단계를 포함하는
전압 센서 고장 감지 방법.
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제1항에 있어서,
상기 카운트된 기간이 소정의 임계 기간보다 작을 때, 상기 상전압 출력값을 확인하는 단계부터 다시 시작하는 전압 센서 고장 감지 방법.
제4항에 있어서,
상기 상전압 출력값과 상기 상전압 계산값 간의 오차와 상기 오차 허용 기준값을 비교한 결과 상기 상전압 출력값과 상기 상전압 계산값 간의 오차가 상기 오차 허용 기준값 이하인 경우 상기 카운트된 기간을 영으로 리셋하는 단계를 더 포함하는 전압 센서 고장 감지 방법.
제1항에 있어서,
상기 모터 전압 방정식은 d,q 좌표계 기준 모터 전압 방정식과 3상 좌표계 기준 모터 전압 방정식을 포함하고,
상기 d,q 좌표계 기준 모터 전압 방정식은,

이고,
상기 3상 좌표계 기준 모터 전압 방정식은,

이며,
Ld 및 Lq는 각 축의 인덕턴스이고,
는 전기자 권선 저항이며,
는 영구자석에 의한 전기자 쇄교자속이고, La, Lb, 및 Lc는 각 상의 자기 인덕턴스이며, Mab, Mbc, 및 Mca는 상간의 상호 인덕턴스이고,
는 전기각속도이고,
는 회전자계 d축과 a상과의 사이각이며,
는 시간에 대한 미분 연산자(d/dt)인 전압 센서 고장 감지 방법.
제6항에 있어서,
상기 상전압 계산값을 산출하는 단계는,
전류 센서를 통해 3상 좌표계[a, b, c] 전류값이 측정되는 단계
상기 측정된 전류값을 고정좌표계[D,Q]로 변환하는 단계 및
상기 고정좌표계의 전류값을 회전좌표계 d,q축 으로 변환하는 단계를 더 포함하는 전압 센서 고장 감지 방법.
제6항에 있어서,

및
은 회전자 영구자석에서 발생한 자속이 모터가 회전할때 고정자 권선을 통과하면서 발생하는 역기전력 성분인 전압 센서 고장 감지 방법.
제8항에 있어서,
상기 모터에서 권선 저항과 인덕턴스 성분이 작고, 3상에 흐르는 전류와 전기적 각속도가 작은 경우, 상기 역기전력 성분만을 계산하여 상기 3상 전압 Va, Vb, Vc를 계산하는 단계를 더 포함하는 전압 센서 고장 감지 방법.
제1항에 있어서,
상기 상전압 계산값을 산출하는 단계는,
3 상(a,b,c) 각각의 전압을 산출하는 단계를 포함하고,
상기 상전압 출력값과 상기 상전압 계산값 간의 오차와 상기 오차 허용 기준값을 비교하는 단계는,
상기 상전압 출력값의 벡터합과 상기 산출된 전압에 따른 상전압 계산값의 벡터합을 비교하는 단계를 포함하는 전압 센서 고장 감지 방법.
제1항에 있어서,
상기 상전압 계산값을 산출하는 단계는,
3 상(a,b,c) 각각의 전압을 산출하는 단계를 포함하고,
상기 상전압 출력값과 상기 상전압 계산값 간의 오차와 상기 오차 허용 기준값을 비교하는 단계는,
상기 상전압 출력값과 상기 산출된 전압에 따른 상전압 계산값의 sin파 전압값이 0을 통과하는 주변 구간을 제외한 나머지 구간에서 비교하는 단계를 포함하는 전압 센서 고장 감지 방법.
제1항에 있어서,
상기 상전압 계산값을 산출하는 단계는,
고정좌표계 D,Q축의 전압을 산출하는 단계를 포함하고,
상기 상전압 출력값과 상기 상전압 계산값 간의 오차와 상기 오차 허용 기준값을 비교하는 단계는,
상기 상전압 출력값의 벡터합과 상기 산출된 전압에 따른 상전압 계산값의 벡터합을 비교하는 단계를 포함하는 전압 센서 고장 감지 방법.
제1항에 있어서,
상기 상전압 계산값을 산출하는 단계는,
고정좌표계 D,Q축의 전압을 산출하는 단계를 포함하고,
상기 상전압 출력값과 상기 상전압 계산값 간의 오차와 상기 오차 허용 기준값을 비교하는 단계는,
상기 상전압 출력값과 상기 산출된 전압에 따른 상전압 계산값의 sin파 전압값이 0을 통과하는 주변 구간을 제외한 나머지 구간에서 비교하는 단계를 더 포함하는 전압 센서 고장 감지 방법.
제1항에 있어서,
상기 상전압 계산값을 산출하는 단계는,
회전좌표계의 d,q축 전압을 산출하는 단계를 포함하고,
상기 상전압 출력값과 상기 상전압 계산값 간의 오차와 상기 오차 허용 기준값을 비교하는 단계는,
상기 상전압 출력값과 상기 산출된 전압에 따른 상전압 계산값을 비교하는 단계인 전압 센서 고장 감지 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 최소 전압 기준값은 실험적으로 상기 전압 센서 와이어가 단선 또는 상기 GND 단락 상태에서 나타나는 상기 전압 센서의 출력 값을 기준으로 설정되는 전압 센서 고장 감지 방법.
제1항에 있어서,
상기 전압 센싱값이 상기 최소 전압 기준값 보다 큰 경우, 상기 전압 센싱값을 상기 전압 센서가 읽을 수 있는 최대 전압 기준치와 비교하는 단계; 및
상기 전압 센싱값이 상기 최대 전압 기준치를 초과하는 경우에는 상기 전압센서 와이어가 전원선과 단락된 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는 전압 센서 고장 감지 방법.
제17항에 있어서,
상기 최대 전압 기준치는 실험을 통해 상기 전압 센서 와이어가 상기 전원선과 단락이 발생할 때의 전압을 기준으로 설정하는 전압 센서 고장 감지 방법.
제17항에 있어서,
상기 전압 센싱값이 상기 최대 전압 기준치 이하인 경우 Rationality fault 상태로 판단하는 전압 센서 고장 감지 방법.
제19항에 있어서,
상기 전압 센싱값이 상기 최소 전압 기준값과 상기 최대 전압 기준치 사이일때, 상기 전압 센싱값을 구동 가능한 전압 범위내의 특정값으로 고정하고 비상 운전을 실시하는 전압 센서 고장 감지 방법.
제1항에 있어서,
상기 인버터로부터 3상 출력이 정상적으로 나가고 있는지 판단하는 단계를 더 포함하는 전압 센서 고장 감지 방법.