KR102026601B1 - Ｍｄｐｓ 모터 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 MDPS 모터에 유도전동기를 적용함에 있어서, 조향각센서를 이용하여 모터의 회전 속도를 보다 정확히 추종할 수 있도록 하는 MDPS 모터 제어 방법에 관한 것으로써, MDPS제어부가 모터의 구동신호를 이용하여 제1 회전자속도를 연산하고, 조향각센서를 이용하여 제2 회전자속도를 연산하는 단계; 설정된 모터회전속도에 따라 상기 제1, 제2 회전자속도의 적용률을 결정하는 단계; 및 상기 결정된 적용률에 따라 제1, 제2 회전자속도로부터 최종 회전자속도를 산출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하여 주파수 응답 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

ＭＤＰＳ 모터 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING MOTOR OF MOTOR DRIVEN POWER STEERING}

본 발명은 MDPS 모터 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 MDPS 모터에 유도전동기를 적용함에 있어서, 조향각센서를 이용하여 모터의 회전 속도를 보다 정확히 추종할 수 있도록 하는 MDPS 모터 제어 방법에 관한 것이다.

차량의 전동식 조향장치(Motor Driven Power Steering, 이하 MDPS)는 차량 조향시 운전자가 핸들에 가해야 하는 조향 토크의 일부를 보조 동력원을 이용하여 제공함으로서 조향을 용이하게 하는 장치이다.

이를 위하여 조향휠에 직결된 토크센서를 통해서 운전자의 조향 의도를 감지하고, 이 신호를 MDPS가 전달받아 현재 차량의 속력 등을 고려하여 알맞은 힘을 제공하도록 모터를 구동 제어함으로써 조향력을 보조한다.

일례로 MDPS는 주정차 때나 저속운전 때는 큰 힘을 보조해 운전자의 힘을 덜고, 고속주행 때는 작은 힘만을 보조하도록 해 차체의 안정성을 유지할 수 있도록 한다.

즉, MDPS는 동력을 제공하기 위해서 기존의 유압으로 작동되는 유압식 조향장치 대신에 전기 모터를 이용하는 조향장치로서, 속도별 최적 조향력을 제공하여 친환경, 연비 저감 등의 장점을 갖는다.

일반적으로 MDPS의 모터에는 보다 정밀한 위치 연산을 위해 고분해능의 엔코더가 사용되는데, 이러한 엔코더는 최근들어 희토류 가격의 상승으로 인해 그 단가가 급등하고 있고 모터의 제작 및 구동에 있어서도 기계적인 결함을 유발할 수 있다는 결점이 도출됨에 따라 센서리스(sensorless) 구동에 대한 기술 개발의 필요성이 절실하다.

이와 관련된 선행기술로는 대한민국 공개특허 10-2012-0029219호 "이에스씨 및 엠디피에스 통합제어장치 및 방법"(2012.03.26)이 있다.

본 발명은 상기와 같은 필요성에 따라 창작된 것으로서, MDPS 모터에 유도전동기를 적용함에 있어서, 역기전력이 낮아지는 저속 영역에서 정확도가 저하되는 문제점을 보완하기 위하여 조향각센서를 이용함으로써 모터의 회전속도를 보다 정확히 추종할 수 있는 MDPS 모터 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 MDPS 모터의 속도 계측용으로 사용되던 엔코더 대신 유도전동기에 인가되는 전류 및 전압 정보와, 조향각센서로부터 측정되는 조향각 신호를 통해 회전자 속도를 산출하도록 하는 MDPS 모터 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 MDPS 모터 제어 방법은, MDPS제어부가 모터의 구동신호를 이용하여 제1 회전자속도를 연산하고, 조향각센서를 이용하여 제2 회전자속도를 연산하는 단계; 설정된 모터회전속도에 따라 상기 제1, 제2 회전자속도의 적용률을 결정하는 단계; 및 상기 결정된 적용률에 따라 제1, 제2 회전자속도로부터 최종 회전자속도를 산출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 제1 회전자속도를 연산하는 단계는 상기 모터에 인가하는 전압 및 상기 모터의 전류값을 이용하여 역기전력 적분연산을 통해 고정자 쇄교자속을 얻는 단계; 상기 고정자 쇄교자속을 이용하여 모터 파라미터 연산을 통해 회전자 쇄교자속을 얻는 단계; 및 상기 회전자 쇄교자속을 이용하여 벡터모드의 자속 성분으로 분리하고, 위치정보를 얻은 후 미분연산을 통해 상기 제1 회전자속도를 산출하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 제2 회전자속도를 연산하는 단계는 상기 조향각센서로부터 입력된 조향각 신호를 필터링한 후 미분연산과 증폭연산을 통해 상기 제2 회전자속도를 산출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 설정된 모터회전속도에 따라 상기 제1, 제2 회전자속도의 적용률을 결정하는 단계는 상기 설정된 모터회전속도가 제1 지점 이하인 경우에는 상기 제2 회전자속도의 적용률을 최대로하여 결정하고, 상기 제1 지점 초과 제2 지점 미만인 경우에는 상기 제2 회전자속도의 적용률이 감소되는 만큼 상기 제1 회전자속도의 적용률을 증가시켜 결정하고, 상기 제2 지점 이상인 경우에는 상기 제1 회전자속도의 적용률을 최대로하여 결정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 산출된 최종 회전자속도에 모터 슬립(slip)속도를 가산하여 상기 모터의 고정자 입력 주파수를 산출하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 설정된 모터회전속도는 상기 제1, 제2 회전자속도 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 모터는 유도전동기인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 MDPS 모터에 유도전동기를 적용함에 있어서, 역기전력이 낮아지는 저속 영역에서 정확도가 저하되는 문제점을 보완하기 위하여 조향각센서를 이용함으로써 모터의 회전속도를 보다 정확히 추종할 수 있고 이에 따라 주파수 응답 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 MDPS 모터에 유도전동기를 적용함에 따라 MDPS의 급조타시 떨림이 줄어들어 사용자 이질감을 개선할 수 있으며 조타 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 MDPS 모터의 속도 계측용으로 사용되던 엔코더 대신 유도전동기에 인가되는 전류 및 전압 정보와, 조향각센서로부터 측정되는 조향각 신호를 통해 회전자 속도를 산출하도록 함으로써 엔코더 부재에 따른 다음과 같은 이득을 얻을 수 있다.

첫째, 엔코더 신호를 사용하지 않아 모터와의 신호 결선에 따른 페일 세이프(fail safe) 요소가 획기적으로 줄어들고, 연산을 통해 속도를 얻게 되므로 엔코더 엣지 신호 검출에 따른 CPU 타이머 및 주변기기 할당이 줄어들어 CPU 연산 효율이 증대되는 효과가 있다.

둘째, 엔코더에 연결된 각종 하네스 및 커넥터, 회로 소자들이 불필요하여 회로기판의 SMT 공정이 개선되며 조립 시간이 단축될 뿐만 아니라, 이러한 소자들에 대한 기능 테스트 시간이 줄어들어 엔코더의 사양에 해당하는 만큼의 원가가 절감되어 제작 단가를 낮출수 있는 효과가 있다.

셋째, 엔코더 및 이와 관련된 부품 일체를 모두 제거할 수 있으므로 차량의 패키징이 획기적으로 개선됨에 따라 경량화 실현이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MDPS 모터 제어 장치를 나타낸 블록구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MDPS 모터 제어 방법의 동작 흐름을 도시한 순서도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MDPS 모터 제어 방법에 따른 회전자속도 연산 알고리즘 구성도,
도 4는 도 3의 회전자속도 연산 알고리즘 구성도로부터 고정자 입력 주파수를 산출하기 위한 신호처리 블록도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 MDPS 모터 제어 방법에 따라 연산된 회전자속도의 적용률을 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 MDPS 모터 제어 방법의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MDPS 모터 제어 장치를 나타낸 블록구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명은, 조향각센서(10), 토크센서(20), 차속센서(30), MDPS제어부(40) 및 모터(50)를 포함한다.

조향각센서(10)는 운전자의 조향휠 조작에 따라 조향이 이루어진 각도를 측정한다.

토크센서(20)는 조향휠 회전토크를 측정한다.

차속센서(30)는 차량의 속도를 측정한다.

MDPS제어부(40)는 조향각센서(10)로부터 조향각 정보를 입력받고, 토크센서(20)로부터 조향 토크정보를 입력받고, 차속센서(30)로부터 차량의 속도정보를 입력받아 모터(50)에 전압을 인가하여 토크 어시스트를 한다.

모터(50)는 MDPS제어부(40)의 구동신호에 따라 구동된다.

이때, 모터(50)는 유도전동기(Induction Motor)가 적용된다.

여기서 유도전동기는 교류전원을 입력받아 구동되는 교류전동기의 일종으로서, 회전하지 않는 고정자와 회전할 수 있는 회전자로 이루어지며, 고정자권선에 전류를 인가하여 회전자계가 발생되면, 전자유도작용에 의하여 회전자권선에 유도전류가 흘러서 토크가 발생되고, 이 토크에 의하여 회전자가 회전하도록 되어 있다.

이러한 유도전동기는 목표로 하는 회전속도를 설정하고, 설정된 회전속도에 상응하는 주파수 및 전압레벨의 교류전원이 인가되도록 전원공급장치를 제어함으로써 속도를 제어할 수 있다.

이하, 본 발명의 구체적인 동작은 본 발명의 일 실시예에 따른 MDPS 모터 제어 방법에 의해서 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MDPS 모터 제어 방법의 동작 흐름을 도시한 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MDPS 모터 제어 방법에 따른 회전자속도 연산 알고리즘 구성도이며, 도 4는 도 3의 회전자속도 연산 알고리즘 구성도로부터 고정자 입력 주파수를 산출하기 위한 신호처리 블록도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 MDPS 모터 제어 방법에 따라 연산된 회전자속도의 적용률을 나타낸 그래프로써, 이를 참조하여 본 발명의 구체적인 동작을 설명한다.

먼저, MDPS제어부(40)가 모터(50)의 구동신호를 이용하여 제1 회전자속도를 연산하고, 조향각센서(10)를 이용하여 제2 회전자속도를 연산한다(S10).

이때, 모터(50)는 유도전동기가 적용된다.

또한, 제1 회전자속도는 도 3 내지 도 4에서와 같이 모터(50)의 기본 전압 및 전류값 정보로부터 다음의 방법으로 연산된다.

먼저, 모터(50)에 인가하는 전압 및 모터(50)의 전류값을 이용하여 역기전력 적분기블록(

)을 거치게 되면 고정자 쇄교자속(magnetic flux interlinkage, 도 4에서의 λs)을 얻는다.

그 다음, 고정자 쇄교자속을 이용하여 모터 파라미터 연산(

)을 통해 회전자 쇄교자속(도 4에서의 λr)을 얻는다.

이는 벡터모드의 d, q 자속 성분으로 분리하여 위치 정보를 얻은 후 미분연산자(

)를 취하면 최종적으로 제1 회전자속도가 산출된다.

그리고, 제2 회전자속도는 도 3 내지 도 4에서와 같이 조향각센서(10)를 통해 측정된 조향각 신호로부터 다음의 방법으로 연산된다.

먼저, 조향각센서(10)로부터 입력된 조향각 신호를 회로적인 전처리 필터 및 CPU 내의 로직 필터를 거쳐 안정된 디지털신호로 변환한 후 미분 연산자(d/dt)와 증폭 연산자(K)를 거쳐 제2 회전자속도가 산출된다.

위와같이 제1, 제2 회전자속도가 연산되면, 설정된 모터(50)회전속도에 따라 제1, 제2 회전자속도의 적용률을 결정한다(S20).

일반적으로 유도전동기의 센서리스(sensorless) 제어시에는 회전자 속도에 비례하여 고정자권선에 발생하는 역기전력 정보를 기반으로 제어하는데, 역기전력이 낮아지는 저속 영역에서는 그 정확도가 떨어진다.

또한, 조향각센서(10)로부터 측정되는 조향각 정보를 이용하여 모터회전속도를 산출하는 경우, 저속에서는 이산적인 속도와 변화량이 무시되어 특성에 문제가 없으나 고속 영역에서는 모터(50)의 회전수가 급격이 변화함에 따라 정확도가 떨어진다.

따라서 이러한 상호 단점을 보완하기 위해 본 발명은 유도전동기를 통해 산출된 제1 회전자속도는 고속영역에서, 조향각센서(10)를 통해 산출된 제2 회전자속도는 저속영역에서 큰 비율로 적용되도록 적용률을 결정한다.

이때, 적용률 결정시 기준이 되는 설정된 모터(50)회전속도는 설계자의 선택에 따라 제1, 제2 회전자속도 중 어느 하나로 설정될 수 있다.

즉, 도 5를 참고하였을 때, 설정된 모터회전속도가 제1 회전자속도(①)인 경우, 모터회전속도가 제1 지점(a지점) 이하인 경우에는 제2 회전자속도(②)의 적용률을 최대로하고 제1 회전자속도(①)의 적용률을 최소로하여 최종 회전자속도(Wr)를 산출한다.

또한, 제1 지점(a지점) 초과 제2 지점(b지점) 미만인 경우(상호보완구간)에는 제1 회전자속도(①)의 적용률이 증가하는 만큼 제2 회전자속도(②)의 적용률을 감소시켜 최종 회전자속도(Wr)를 산출한다.

또한, 제2 지점(b지점) 이상인 경우에는 제2 회전자속도(②)의 적용률을 최소로하고 제1 회전자속도(①)의 적용률을 최대로하여 최종 회전자속도(Wr)를 산출한다.

결정된 적용률에 따라 제1, 제2 회전자속도로부터 최종 회전자속도(Wr)를 산출한다(S30).

이때, 연산된 제1, 제2 회전자속도의 평균값을 필터 및 평균연산하는 방법을 통해 최종 회전자속도(Wr)를 산출할 수도 있다.

또한, 산출된 최종 회전자속도(Wr)에 모터(50) 슬립(slip)속도(Wsl)를 가산하여 고정자 입력 주파수(Ws)를 산출한다.

따라서, 산출된 최종 회전자속도(Wr)를 회전자에 인가하고 고정자 입력 주파수(Ws)를 고정자에 인가하여 모터(50)를 제어한다(S40).

따라서, 본 발명에 의한 MDPS 모터 제어 방법에 따르면 MDPS 모터에 유도전동기를 적용함에 있어서, 역기전력이 낮아지는 저속 영역에서 정확도가 저하되는 문제점을 보완하기 위하여 조향각센서를 이용함으로써 모터의 회전속도를 보다 정확히 추종할 수 있고 이에 따라 주파수 응답 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, MDPS 모터에 유도전동기를 적용함에 따라 MDPS의 급조타시 떨림이 줄어들어 사용자 이질감을 개선할 수 있으며 조타 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

10 : 조향각센서 20 : 토크센서
30 : 차속센서 40 : MDPS제어부
50 : 모터

Claims (7)

1. MDPS제어부가 모터의 구동신호를 이용하여 제1 회전자속도를 연산하고, 조향각센서를 이용하여 제2 회전자속도를 연산하는 단계;
   설정된 모터회전속도에 따라 상기 제1, 제2 회전자속도의 적용률을 결정하는 단계; 및
   상기 결정된 적용률에 따라 제1, 제2 회전자속도로부터 최종 회전자속도를 산출하는 단계; 를 포함하되,
   상기 설정된 모터회전속도에 따라 상기 제1, 제2 회전자속도의 적용률을 결정하는 단계는, 상기 설정된 모터회전속도가 제1 지점 이하인 경우에는 상기 제2 회전자속도의 적용률을 최대로하여 결정하고, 상기 제1 지점 초과 제2 지점 미만인 경우에는 상기 제2 회전자속도의 적용률이 감소되는 만큼 상기 제1 회전자속도의 적용률을 증가시켜 결정하며, 상기 제2 지점 이상인 경우에는 상기 제1 회전자속도의 적용률을 최대로하여 결정하는 것을 특징으로하는 MDPS 모터 제어 방법.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 제1 회전자속도를 연산하는 단계는
   상기 모터에 인가하는 전압 및 상기 모터의 전류값을 이용하여 역기전력 적분연산을 통해 고정자 쇄교자속을 얻는 단계;
   상기 고정자 쇄교자속을 이용하여 모터 파라미터 연산을 통해 회전자 쇄교자속을 얻는 단계; 및
   상기 회전자 쇄교자속을 이용하여 벡터모드의 자속 성분으로 분리하고, 위치정보를 얻은 후 미분연산을 통해 상기 제1 회전자속도를 산출하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MDPS 모터 제어 방법.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 제2 회전자속도를 연산하는 단계는
   상기 조향각센서로부터 입력된 조향각 신호를 필터링한 후 미분연산과 증폭연산을 통해 상기 제2 회전자속도를 산출하는 것을 특징으로 하는 MDPS 모터 제어 방법.
   
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 산출된 최종 회전자속도에 모터 슬립(slip)속도를 가산하여 상기 모터의 고정자 입력 주파수를 산출하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MDPS 모터 제어 방법.
   
6. 제 1항에 있어서, 상기 설정된 모터회전속도는
   상기 제1, 제2 회전자속도 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 MDPS 모터 제어 방법.
   
7. 제 1항에 있어서, 상기 모터는
   유도전동기인 것을 특징으로 하는 MDPS 모터 제어 방법.

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