KR102074972B1

KR102074972B1 - 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102074972B1
Application number: KR1020180142616A
Authority: KR
Inventors: 박원용
Original assignee: 현대오트론 주식회사
Priority date: 2018-11-19
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2020-02-07

Abstract

본 발명은 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치 및 방법에 관한 것으로서, 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 야기하는 환경 변수가 설정 범위 내에서 복수의 값으로 정의되어 있는 환경 변수 데이터베이스부, 환경 변수 데이터베이스부에 정의된 환경 변수의 복수의 값으로부터 난수를 발생시키는 난수 발생부, 및 환경 변수를 입력받아 모터의 출력 토크를 산출하도록 정의된 모터 제어기의 플랜트 모델에 난수 발생부에 의해 발생되는 난수를 적용하여 복수의 출력 토크를 획득하고, 획득된 복수의 출력 토크를 분석하여 환경 변수에 따른 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 예측하는 변동성 예측부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치 및 방법{APPARATUS FOR SIMULATING PERFORMANCE TEST OF MOTOR CONTROLLER AND METHOD THEREOF}

본 발명은 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 예측하는 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치 및 방법에 관한 것이다.

모터가 원하는 지령의 속도와 토크로 동작하기 위해서는 모터 자체의 성능뿐만 아니라 모터를 제어하는 모터 제어기가 설계된 알고리즘에 따라 모터의 상태를 적시에 파악하고 제어하는 모터의 제어기의 성능도 매우 중요하기 때문에, 모터 제어기의 생산 공정에서 모터 제어기의 성능 시험이 진행된다.

모터 제어기의 생산 공정의 최종 단계에서는 악조건에서 모터 제어기의 성능이 보장되는지 여부를 판단하기 위한 에이징 테스트가 진행되며, 일정 시간(예: 20분) 동안 일정 듀티에 따른 전류(예: 3A)가 모터에 흐르는 상태에서 모터 제어기의 에이징 테스트가 진행된다.

그러나, 모터의 전류 특성은 모터의 상태 및 온도에 의해 변하며, 이러한 모터의 상태 및 온도 등의 외부 요인은 고정값이 아닌 일정 산포를 가지고 있다. 따라서, 모터의 상태 및 온도 등의 외부 요인의 변동성은 에이징 테스트 결과의 변동을 야기하기 때문에 테스트 결과의 신뢰성이 저하되어 결과적으로 모터 제어기의 결함을 야기할 수 있다.

본 발명의 배경기술은 일본 공개특허공보 제2009-284637호(2009.12.03. 공개)에 개시되어 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 모터의 상태 및 온도 등의 외부 요인이 모터 제어기의 에이징 테스트 결과에 야기하는 변동성을 시뮬레이션을 통해 예측하고 실제 에이징 테스트에 반영함으로써 모터 제어기의 에이징 테스트 결과의 신뢰성을 확보할 수 있는 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치는 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 야기하는 환경 변수가 설정 범위 내에서 복수의 값으로 정의되어 있는 환경 변수 데이터베이스부, 상기 환경 변수 데이터베이스부에 정의된 환경 변수의 복수의 값으로부터 난수를 발생시키는 난수 발생부, 및 상기 환경 변수를 입력받아 모터의 출력 토크를 산출하도록 정의된 상기 모터 제어기의 플랜트 모델에 상기 난수 발생부에 의해 발생되는 난수를 적용하여 복수의 출력 토크를 획득하고, 상기 획득된 복수의 출력 토크를 분석하여 상기 환경 변수에 따른 상기 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 예측하는 변동성 예측부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어 상기 환경 변수는 상기 모터의 상태 및 온도에 대한 파라미터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어 상기 환경 변수는 미리 설정된 최대값 및 최소값에 따른 상기 설정 범위 내에서 일정한 산포도를 갖도록 복수의 값으로 상기 환경 변수 데이터베이스부에 정의되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어 상기 변동성 예측부는, 상기 획득된 복수의 출력 토크가 상기 모터의 설계 조건을 불충족하는 비율을 판단하여 상기 환경 변수에 따른 상기 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 예측하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 방법은 난수 발생부가, 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 야기하는 환경 변수가 설정 범위 내에서 복수의 값으로 정의되어 있는 환경 변수 데이터베이스부를 이용하여, 상기 환경 변수의 복수의 값으로부터 난수를 발생시키는 단계, 변동성 예측부가, 상기 환경 변수를 입력받아 모터의 출력 토크를 산출하도록 정의된 상기 모터 제어기의 플랜트 모델에 상기 난수 발생부에 의해 발생되는 난수를 적용하여 복수의 출력 토크를 획득하는 단계, 및 상기 변동성 예측부가, 상기 획득된 복수의 출력 토크를 분석하여 상기 환경 변수에 따른 상기 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 예측하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 모터의 상태 및 온도 등의 외부 요인이 모터 제어기의 에이징 테스트 결과에 야기하는 변동성을 시뮬레이션을 통해 예측하고 실제 에이징 테스트에 반영함으로써 모터 제어기의 에이징 테스트 결과의 신뢰성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치를 설명하기 위한 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치에서 플랜트 모델을 정의하기 위한 모터의 등가 회로를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치에서 플랜트 모델을 통해 산출되는 모터의 출력 토크의 시뮬레이션 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치에서 모터의 출력 토크의 설계 조건 충족 여부를 통계적으로 도시한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치 및 방법의 실시예를 설명한다. 이 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 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치를 설명하기 위한 블록구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치에서 플랜트 모델을 정의하기 위한 모터의 등가 회로를 나타낸 예시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치에서 플랜트 모델을 통해 산출되는 모터의 출력 토크의 시뮬레이션 결과이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치에서 모터의 출력 토크의 설계 조건 충족 여부를 통계적으로 도시한 예시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치는 환경 변수 데이터베이스부(100), 난수 발생부(200) 및 변동성 예측부(300)를 포함할 수 있다.

환경 변수 데이터베이스부(100)에는 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 야기하는 환경 변수가 설정 범위 내에서 복수의 값으로 정의되어 있을 수 있다. 즉, 전술한 것과 같이 모터의 상태 및 온도 등의 환경 변수의 변동성은 성능 시험 결과의 변동을 야기하기 때문에, 환경 변수에 따른 성능 시험 결과의 변동성을 예측하기 위한 전제로서, 환경 변수 데이터베이스부(100)에는 환경 변수가 설정 범위 내에서 복수의 값으로 정의되어 있을 수 있다. 모터 제어기의 성능 시험은 전술한 에이징 테스트를 의미할 수 있으며, 환경 변수는 모터의 상태 및 온도에 대한 파라미터를 포함할 수 있다. 모터의 상태 및 온도에 대한 파라미터로는 모터의 회전자 저항, 인덕턴스 및 고정자 동손이 해당할 수 있으며, 구체적인 설명은 후술한다.

또한, 환경 변수는 미리 설정된 최대값 및 최소값에 따른 설정 범위 내에서 일정한 산포도를 갖도록 복수의 값으로 환경 변수 데이터베이스부(100)에 정의되어 있을 수 있다. 설정 범위의 최대값 및 최소값은 모터 및 모터 제어기의 설계 스펙(Spec.)에 따라 미리 설정되어 있을 수 있으며, 상기 산포도는 설계자의 의도에 기초하여 다양하게 선택될 수 있다.

난수 발생부(200)는 환경 변수 데이터베이스부(100)에 정의된 환경 변수의 복수의 값으로부터 난수를 발생시켜 후술하는 변동성 예측부(300)로 전달할 수 있다.

변동성 예측부(300)는 환경 변수를 입력받아 모터의 출력 토크를 산출하도록 정의된 모터 제어기의 플랜트 모델에 난수 발생부(200)에 의해 발생되는 난수를 적용하여 복수의 출력 토크를 획득하고, 획득된 복수의 출력 토크를 분석하여 환경 변수에 따른 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 예측할 수 있다.

난수 발생부(200) 및 변동성 예측부(300)의 구체적인 설명에 앞서, 전술한 플랜트 모델에 대하여 설명한다.

도 2는 플랜트 모델을 정의하기 위한 모터의 등가 회로를 도시하고 있으며(도 2는 DC 모터를 예시로서 도시하였으며, 실시예에 따라서는 BLDC 모터 등 다양한 방식의 모터가 적용될 수도 있다), 도 2의 등가 회로에 따라 플랜트 모델은 하기 수학식 1에 따라 표현될 수 있다.

수학식 1에서 R_a는 모터의 회전자 저항, L은 모터의 인덕턴스, T_e는 모터의 출력 토크, K_t는 토크 상수, P_cu는 모터의 고정자 동손을 의미한다. 참고로 R_a, P_cu는 하기 수학식 2에 따라 계산될 수 있다.

수학식 2에서 b는 권선 저항 계수, R_b는 권선 저항, C_i는 기생 커패시턴스, T는 성능 시험 진행 총 시간, R₀는 회전자 저항 계수, α는 저항 온도 계수, t는 현재 시간, T₀는 성능 시험 개시의 초기 시간을 의미한다.

수학식 1 및 2에 따른 플랜트 모델에서, 환경 변수는 모터의 회전자 저항, 인덕턴스 및 고정자 동손이며(보다 세부적으로는, 모터의 회전자 저항, 인덕턴스 및 고정자 동손를 계산하기 위한 수학식 2의 각 파라미터가 환경 변수에 해당할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의상 환경 변수가 모터의 상태 및 온도가 반영되어 계산되는 모터의 회전자 저항, 인덕턴스 및 고정자 동손인 것으로 설명한다), 플랜트 모델은 이러한 환경 변수를 입력받아 최종 출력으로서 모터의 출력 토크를 산출하도록 변동성 예측부(300)에 정의되어 있을 수 있다.

전술한 것과 같이 환경 변수는 최대값 및 최소값에 따른 설정 범위 내에서 일정한 산포도를 갖도록 복수의 값으로 환경 변수 데이터베이스부(100)에 정의되어 있을 수 있다. 즉, 모터의 회전자 저항값이 최대값 및 최소값 사이에서 일정한 산포도를 갖는 복수의 값으로 정의되어 있을 수 있고, 모터의 인덕턴스가 최대값 및 최소값 사이에서 일정한 산포도를 갖는 복수의 값으로 정의되어 있을 수 있으며, 고정자 동손이 최대값 및 최소값 사이에서 일정한 산포도를 갖는 복수의 값으로 정의되어 있을 수 있다.

그리고, 난수 발생부(200)는 환경 변수 데이터베이스부(100)에 정의된 환경 변수의 복수의 값으로부터 난수를 발생시켜 변동성 예측부(300)로 전달할 수 있다. 환경 변수의 복수의 값으로부터 난수를 발생시키는 것은, 환경 변수의 복수의 값 전수에 대하여 시뮬레이션을 수행할 경우 발생하는 시간적, 비용적 소모를 제거하기 위한 것이다. 예를 들어, 환경 변수 데이터베이스부(100)에 정의된 모터 회전자 저항의 모든 값에 대하여 모터 제어기 성능 시험 결과의 변동성 예측을 수행할 경우 방대한 시간이 소요되며, 모터의 인덕턴스 및 고정자 동손까지 함께 고려하여 모터 제어기 성능 시험 결과의 변동성 예측을 수행할 경우 시간 소요가 가중되기 때문에, 본 실시에에서는 환경 변수의 복수의 값 전수가 아닌, 복수의 값으로부터 난수를 발생시키는 방식을 통해 모터 제어기 성능 시험 결과의 변동성 예측을 수행하는 구성을 채용한다.

이에 따라, 변동성 예측부(300)는 난수 발생부(200)에 의해 발생되는 난수를 플랜트 모델에 적용하여 복수의 출력 토크를 획득하고, 획득된 복수의 출력 토크를 분석하여 환경 변수에 따른 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 예측할 수 있다.

구체적으로는, 변동성 예측부(300)는 획득된 복수의 출력 토크가 모터의 설계 조건을 불충족하는 비율을 판단하여 환경 변수에 따른 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 예측할 수 있다. 모터의 설계 조건은, 설계 스펙에 따라 모터 출력 토크가 설정 토크 이상인 조건을 의미한다.

도 3은 플랜트 모델을 통해 산출되는 모터의 출력 토크의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이고(세로축은 모터의 출력 토크를 나타낸다), 도 4는 모터의 출력 토크의 모터 설계 조건에 대한 충족 여부를 통계적으로 나타낸 것이다(가로축 및 세로축은 각각 모터의 출력 토크 및 분포(획득 횟수)를 나타낸다). 도 4는 모터 설계 조건에 따른 설정 토크 이하인 출력 토크의 비율(즉, 모터의 출력 토크가 모터의 설계 조건을 불충족하는 비율)이 10.55%로 분석된 예시를 도시하고 있다. 이러한 시뮬레이션 분석을 통해 변동성 예측부(300)는 모터 제어기의 실제 성능 시험(즉, 실제 에이징 테스트)를 수행하기 전, 환경 변수가 야기하는 모터 제어기 성능 시험 결과의 변동성을 사전에 예측할 수 있다. 이러한 예측 결과를 기반으로, 모터 제어기의 실제 성능 시험 진행 시 환경 변수를 최적 설정함으로써 모터 제어기의 성능 시험 결과의 신뢰성을 확보할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 방법을 설명하면, 먼저 난수 발생부(200)는 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 야기하는 환경 변수가 설정 범위 내에서 복수의 값으로 정의되어 있는 환경 변수 데이터베이스부(100)를 이용하여, 환경 변수의 복수의 값으로부터 난수를 발생시킨다(S100). 전술한 것과 같이 환경 변수는 모터의 상태 및 온도에 대한 파라미터를 포함할 수 있으며, 또한 미리 설정된 최대값 및 최소값에 따른 설정 범위 내에서 일정한 산포도를 갖도록 복수의 값으로 환경 변수 데이터베이스부(100)에 정의되어 있을 수 있다.

이어서, 변동성 예측부(300)는 환경 변수를 입력받아 모터의 출력 토크를 산출하도록 정의된 모터 제어기의 플랜트 모델에 난수 발생부(200)에 의해 발생되는 난수를 적용하여 복수의 출력 토크를 획득한다(S200).

이어서, 변동성 예측부(300)는 S200 단계에서 획득된 복수의 출력 토크를 분석하여 환경 변수에 따른 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 예측한다(S300). S300 단계에서 변동성 예측부(300)는 복수의 출력 토크가 모터의 설계 조건을 불충족하는 비율을 판단하여 환경 변수에 따른 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 예측할 수 있다.

이와 같이 본 실시예는 모터의 상태 및 온도 등의 외부 요인이 모터 제어기의 에이징 테스트 결과에 야기하는 변동성을 시뮬레이션을 통해 예측하고 실제 에이징 테스트에 반영함으로써 모터 제어기의 에이징 테스트 결과의 신뢰성을 확보할 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 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

100: 환경 변수 데이터베이스부
200: 난수 발생부
300: 변동성 예측부

Claims

모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 야기하는 환경 변수가 설정 범위 내에서 복수의 값으로 정의되어 있는 환경 변수 데이터베이스부;
상기 환경 변수 데이터베이스부에 정의된 환경 변수의 복수의 값으로부터 난수를 발생시키는 난수 발생부; 및
상기 환경 변수를 입력받아 모터의 출력 토크를 산출하도록 정의된 상기 모터 제어기의 플랜트 모델에 상기 난수 발생부에 의해 발생되는 난수를 적용하여 복수의 출력 토크를 획득하고, 상기 획득된 복수의 출력 토크를 분석하여 상기 환경 변수에 따른 상기 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 예측하는 변동성 예측부;
를 포함하고,
상기 변동성 예측부는, 상기 획득된 복수의 출력 토크가 상기 모터의 설계 조건을 불충족하는 비율을 판단하여 상기 환경 변수에 따른 상기 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 예측하되, 상기 모터의 설계 조건은 모터 출력 토크가 설정 토크 이상인 조건인 것을 특징으로 하는 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치.
제1항에 있어서,
상기 환경 변수는 상기 모터의 상태 및 온도에 대한 파라미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치.
제1항에 있어서,
상기 환경 변수는 미리 설정된 최대값 및 최소값에 따른 상기 설정 범위 내에서 일정한 산포도를 갖도록 복수의 값으로 상기 환경 변수 데이터베이스부에 정의되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 장치.
삭제
난수 발생부가, 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 야기하는 환경 변수가 설정 범위 내에서 복수의 값으로 정의되어 있는 환경 변수 데이터베이스부를 이용하여, 상기 환경 변수의 복수의 값으로부터 난수를 발생시키는 단계;
변동성 예측부가, 상기 환경 변수를 입력받아 모터의 출력 토크를 산출하도록 정의된 상기 모터 제어기의 플랜트 모델에 상기 난수 발생부에 의해 발생되는 난수를 적용하여 복수의 출력 토크를 획득하는 단계; 및
상기 변동성 예측부가, 상기 획득된 복수의 출력 토크를 분석하여 상기 환경 변수에 따른 상기 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 예측하는 단계;
를 포함하고,
상기 예측하는 단계에서, 상기 변동성 예측부는,
상기 획득된 복수의 출력 토크가 상기 모터의 설계 조건을 불충족하는 비율을 판단하여 상기 환경 변수에 따른 상기 모터 제어기의 성능 시험 결과의 변동성을 예측하되, 상기 모터의 설계 조건은 모터 출력 토크가 설정 토크 이상인 조건인 것을 특징으로 하는 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 방법.
제5항에 있어서,
상기 환경 변수는 상기 모터의 상태 및 온도에 대한 파라미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 방법.
제5항에 있어서,
상기 환경 변수는 미리 설정된 최대값 및 최소값에 따른 상기 설정 범위 내에서 일정한 산포도를 갖도록 복수의 값으로 상기 환경 변수 데이터베이스부에 정의되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 제어기의 성능 시험 시뮬레이션 방법.
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