KR102253674B1 - 차량용 펌프 모터의 초기구동 제어 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 펌프 모터에 사용되는 센서리스 BLDC 모터의 초기 구동 실패 후의 재기동시에 외부 부하에 적응하여 안정적으로 재기동하는 제어 기술로, 차량용 펌프 모터의 초기 구동 실패 발생시 다시 개루프 제어를 수행하도록 하되, 개루프 제어의 전류치를 통상 개루프 제어의 50%~70% 가량 낮은 수준으로 설정하고 모터가 기존에 설정해 둔 수준의 rpm에 도달하면 센서리스 모드(폐루프)로 재기동하도록 한다. 보다 구체적으로 본 발명은 1) 정렬 모드 및 개루프 모드 수행 후에 모터 기동실패가 발생했는지 판단하여, 기동실패인 경우, 개루프 전류치의 제한치를 설정하여 상기 정렬 모드 및 개루프 모드를 재차 수행하는 단계; 및 2) 상기 개루프 전류치의 제한치에 의해서 기동실패가 발생하지 않은 경우에 폐루프 제어를 수행하는 단계를 포함하는 차량용 펌프 모터의 초기 구동 제어 방법이 제공된다. 상기 개루프 전류치의 제한치는 정상적인 개루프 전류치의 50%~70%인 것이 바람직한데, 정상 개루프 전류치의 60%이면 더욱 바람직하다

Description

차량용 펌프 모터의 초기구동 제어 방법 및 장치 {Method and apparatus for cnotrol of initial driving of vehicle pump motor}

본 발명은 차량용 펌프 모터에 관한 것으로, 특히, 차량의 펌프용 센서리스 BLDC 모터의 초기 구동에 관한 것이다.

차량용 펌프 모터에 일반적으로 사용되는 센서리스 BLDC 모터의 제어 기법에 따르면, 초기 제어를 위해서 모터의 초기 위치 정렬(alignment) 후 강제로 구동하는 개루프(open loop) 제어가 이용되고, 이후 속도가 충분히 발생하여 위치를 추정할 수 있는 수준이 된다면 전류, Bemf(back-emf) 등 모터로부터의 센싱 정보를 이용한 위치 추정 알고리즘을 통해 모터의 위치를 파악하고 피드백 제어인 폐루프(closed loop) 제어로 전환하여 전반적인 모터 제어를 수행한다.

이러한 개루프 제어에서 폐루프 제어로의 전환 시점에서 모터 부하나 신호 외란 등으로 순간적인 위치 추정이 정확하게 이루어지지 않아 모터에 탈조가 발생할 수 있다. 이 경우에는 통상적으로 전류가 크게 발생하여 과전류보호장치(over current protection) 등에 의해 모터 구동이 정지되고, 다시 초기화 상태로 돌아가 모터를 재기동하게 된다. 즉, 모터의 정지 이후에 모터 재기동을 위하여 alignment - 개루프 제어 - 폐루프 제어의 시퀀스를 재시도한다.

과도한 외부 부하 등의 이유로 인한 구동실패 상황에서는 모터 기동 실패 상황과 동일 조건에서 재기동을 시도하게 되므로 이 재기동시에도 역시 모터 구동 실패가 발생할 확률이 높다. 따라서 본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여, 차량용 펌프 모터에 사용되는 센서리스 BLDC 모터의 초기 구동 실패 후의 재기동시에 외부 부하에 적응하여 안정적으로 재기동하는 제어 방법을 제안하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 차량용 펌프 모터의 초기 구동 실패 발생시 다시 개루프 제어를 수행하도록 하되, 개루프 제어의 전류치를 통상 개루프 제어의 50%~70% 가량 낮은 수준으로 설정하고 모터가 기존에 설정해 둔 수준의 RPM에 도달하면 센서리스 모드(폐루프)로 재기동하도록 한다.

모터의 탈조가 발생한 경우, 외부 부하가 과도한 상황 등에 기인한 경우(예를 들어, 저온의 오일, 점도가 큰 상태 등)에 모터 제어 정렬 - 개루프 기동 제어를 다시 수행하는 경우, 개루프 전류 제어 수준을 작은 전류부터 인가하며 전류 증가폭(모터 가속 기울기)을 낮게 하여(가속을 천천히) 제어모드를 변환한 뒤 재가속을 수행한다.

보다 구체적으로 본 발명의 한 측면에 따르면, 센서리스 모터의 초기 구동 방법으로서, 1) 정렬 모드 및 개루프 모드 수행 후에 모터 기동실패가 발생했는지 판단하여, 기동실패인 경우, 개루프 전류치의 제한치를 설정하여 상기 정렬 모드 및 개루프 모드를 재차 수행하는 단계; 및 2) 상기 개루프 전류치의 제한치에 의해서 기동실패가 발생하지 않은 경우에 폐루프 제어를 수행하는 단계를 포함하는 차량용 펌프 모터의 초기 구동 제어 방법이 제공된다.

이 방법은 1) 모터 구동 상황이 기동실패 후 재기동 상황인지 판단하는 단계; 2) 기동실패 후 재기동 상황인 것으로 판단된 경우, 개루프 제어를 수행하되, 개루프 전류치의 제한치를 설정하여 개루프를 수행하는 단계; 및 3) 기동실패 발생 여부를 감지하여, 기동실패가 발생하지 않은 경우에는 폐루프 제어를 수행하는 단계를 포함하도록 변형 실시 가능하다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 센서리스 모터를 초기 기동하는 장치로서, 정렬 모드 및 개루프 모드 수행 후에 모터 기동실패가 발생했는지 판단하여, 기동실패인 경우, 개루프 전류치의 제한치를 설정하여 상기 정렬 모드 및 개루프 모드를 재차 수행하는 수단; 및 상기 개루프 전류치의 제한치에 의해서 기동실패가 발생하지 않은 경우에 폐루프 제어를 수행하는 수단을 포함하는 차량용 펌프 모터의 초기 구동 제어 장치가 제공된다.

이 장치는, 모터 구동 상황이 기동실패 후 재기동 상황인지 판단하는 수단; 기동실패 후 재기동 상황인 것으로 판단된 경우, 개루프 제어를 수행하되, 개루프 전류치의 제한치를 설정하여 개루프를 수행하는 수단; 기동실패 발생 여부를 감지하여, 기동실패가 발생하지 않은 경우에는 폐루프 제어를 수행하는 수단을 포함하도록 변형 실시 가능하다.

상기 개루프 전류치의 제한치는 정상적인 개루프 전류치의 약 50%~70%인 것이 바람직한데, 정상 개루프 전류치의 약 60%이면 더욱 바람직하다.

이상에서 소개한 본 발명의 구성 및 작용은 이후에 도면과 함께 설명하는 구체적인 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.

종래기술은 모터의 초기 구동 실패가 발생하면 모터 정지를 기다리고 정지 이후에는 동일 제어 상태로 재기동을 하는 반면, 본 발명은 초기 구동 실패 발생 시 재기동 모드(약전류 제어)로 진입하여 외부 부하에 적응하여 안정적으로 재기동하는 점에서 재실패의 가능성을 낮추고 안정적인 초기 구동을 수행할 수 있다.

도 1은 일반적인 개루프 제어의 간략 불록도(a)와 폐루프 제어의 간략 블록도(b)
도 2는 센서리스 BLDC 모터의 구동 단계에 따른 시간별 회전속도(a)와 구동전류 파형(b)
도 3은 센서리스 모드 진입시에 탈조가 발생한 경우의 모터 구동전류 파형
도 4는 본 발명에 따른 차량용 펌프 모터의 초기 구동 제어 방법의 프로세스 순서도
도 5는 발명의 한 실시예에 따른 개루프 전류치 제한에 관한 설명도

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 기술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가급적 동일한 부호를 부여하고 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

이하에서는 본 발명을 방법 측면의 구성요소 명칭인 '...단계'로 설명하겠지만, 이러한 방법적 측면의 설명으로도 본 발명의 장치적 측면에 대한 설명은 커버될 수 있을 것이다.

먼저, 본 발명에 따른 차량용 펌프 모터의 초기 구동 제어 방법의 이해를 돕기 위하여 일반적인 개루프 및 폐루프 제어 기법과 센서리스 모터의 제어 방식에 대하여 개략적으로 설명한다.

도 1은 일반적인 개루프 제어의 간략 불록도(a)와 폐루프 제어의 간략 블록도(b)이다.

개루프 동작을 수행하는 경우 ω(속도) 및 θ(위치)를 임의로 발생시켜 모터의 회전자 위치를 모르는 상태에서 모터 구동을 수행한다. 폐루프(feedback 제어)에서는 추정 속도와 위치 값 ω_EST 및 θ_EST 데이터를 FOC(자속기준 제어: field-oriented control) 알고리즘을 통해 추정하여 이 데이터를 기반으로 모터 구동을 수행한다.

개루프 제어에서의 가속이 충분히 이루어지고 기존 튜닝값인 목표 RPM에 모터 구동속도가 도달하는 시점이 개루프 제어 → 폐루프 제어로 전환이 일어나는 시점이며, 전환이 되면 임의의 속도 및 위치값을 사용하지 않고 추정값을 사용하여 PWM 방식의 제어를 한다. 즉, 폐루프로 제어 전환이 이루어지면 모터 제어기의 개루프 기동(openloop startup) 데이터는 더 이상 사용되지 않는다('Disabled' 처리됨)

도 2는 차량용 펌프 모터로 사용되는 센서리스 BLDC 모터의 구동 단계에 따른 시간별 회전속도(a)와 구동전류 파형(b)을 나타낸다.

모터의 구동 단계는, 1) 초기구동시 정렬모드(align mode)를 통해 모터의 초기 위치 정렬을 수행한다, 2) 개루프 모드(open loop mode)에서 모터 구동 전류를 강제로 인가하여 회전시킨다, 3) 충분한 회전이 발생한 경우 센서리스 모드(sensorless mode)(=폐루프 모드)로 제어 전환을 한다, 4) 탈조가 없다면 정상적인 피드백 제어, 즉, 폐루프 제어를 수행한다.

도 3은 센서리스 모드 진입시에 탈조가 발생, 즉, 제어 실패의 경우의 모터 구동전류 파형이다. 1) 정렬 구간과 2) 개루프 구간은 도 2의 경우와 대체로 같은 파형을 나타내지만 3) 탈조가 발생한 시점에서는 전류가 불안정해지며 급격하게 피크가 발생하여 피크전류 Ip가 6[A]에 이르게 된다. 모터의 탈조가 발생하게 되면 통상적으로 전류가 불안정해지므로 OC 센싱으로 이를 판단하여 모터를 정지시킨다. 정지된 모터의 재기동은 모터 정지 후 수 초 후에 수행하도록 설정하는 것이 보통이며, 이때의 기동 제어는 다시 처음부터 정렬 → 개루프 → 폐루프 모드로 수행된다.

도 4는 본 발명에 따른 차량용 펌프 모터의 초기 구동 제어 방법의 프로세스 순서도이다.

110: 일반적인 제어에서처럼 모터 제어기(예컨대, 모터 DRIVER)는 초기화 연산을 하고 모터제어장치(예컨대, ECU, MCU 등)로부터 모터구동 지령 신호를 기다리며 대기한다.

120: 모터제어장치(예컨대, ECU)로부터 모터구동 지령 신호가 수신될 때까지 계속해서 110의 단계를 유지하고 있다가, 모터구동 지령 신호가 수신되면 아래의 130 단계로 간다. 모터구동 지령이 입력되면 정렬(Alignment) 기동 수행을 통해 모터는 초기 위치를 고정하게 된다(즉, 로터 위치: 0도)

130: 이 모터구동 지령 신호에 의한 모터 구동 상황이 기동실패 후 재기동 상황인지 확인한다. 재기동 상황이 아니라면, 모터의 최초 구동 상황인 것이므로 150 단계의 개루프 제어 단계로 진입한다. 만약 재기동 상황인 것으로 확인하였다면 다음의 140 단계로 간다.

140: 기동 실패후 재기동 상황이므로, 일반적인 기동처럼 개루프 제어를 시작하지 않고, 개루프 전류 제한치를 설정한 후에 150 단계의 개루프 제어를 한다.

개루프 전류 제한치를 설정하는 이유는 재기동시에 재차 기동이 실패할 것을 방지하기 위한 것이다. 모터의 탈조가 발생한 이유가 저온의 오일, 점도가 큰 상태 등 외부 부하가 큰 상황 때문일 수가 있다. 이러한 상황에서 모터제어 정렬 - 개루프 제어를 다시 실행하는 대신에, 개루프 제어 전류의 수준을 낮춰서 작은 전류부터 먼저 인가하는 것이다. 개루프의 전류치 제한은 임의적이지만, 한 실시예에 따르면, 도 5에 나타낸 것과 같이, 통상의 개루프 전류치의 약 50% ~ 70%의 수준으로 설정한다. 70%보다 높으면 구동관련 부품 및 회로 동작값들의 산포(허용오차)와 근접하게 되어 전류치 제한의 의미가 없어지고, 50%보다 낮으면 모터의 기동 자체가 안 될 수 있을 것이다. 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 목적을 달성하면서 큰 성능 저하가 일어나지 않도록 하기 위해서 상기 개루프 전류의 제한치는 정상 개루프 전류의 약 60%로 설정한다.

150: 앞서 언급한 것과 같이, 앞의 130 단계에서 재기동 상황이 아닌 것으로 판단된 경우에는 모터의 최초 구동 상황인 것이므로 통상적인 개루프 제어를 수행하지만, 130 단계에서 재기동 상황인 것으로 판단된 경우에는 140 단계에서 설정된 개루프 전류 제한치로 개루프 제어를 한다.

개루프 제어는 Alignment 모드 후에 모터제어장치로부터 개루프 명령을 수신시에 모터 구동을 수행하는 것이며 이에 의해 모터 속도가 상승하게 된다.

160: 모터 속도가 상승하면서 탈조 발생(즉, 기동 실패) 여부를 판단한다. 탈조가 발생한 것이 감지된 경우에는 모터 제어를 멈추고 정지 구동을 하고, 제어 프로세스는 다시 초기 단계(110)로 돌아간다.

170: 앞의 160 단계에서 탈조가 발생하지 않은 것으로 판단되면 정상적으로 기동 또는 재기동이 수행된 것이므로, 본격적인 폐루프 제어를 수행한다.

즉, 설정된 RPM에서의 폐루프로의 제어 전환이 이루어지는 것이다(이때의 모터 속도는 충분히 높아야 한다. 그리고 모터 회전시 발생하는 전류 등의 정보로 위치를 추정하게 된다. 따라서 이를 센서리스 제어 방식이라고 한다). 폐루프 모드에서는 모터의 실제 속도/위치를 알고리즘을 통해 추정하며 이 추정 정보(즉, Feed back 신호)를 토대로 모터 제어 신호를 발생시키고 모터 구동을 수행하게 된다.

이상에서와 같이, 모터의 구동 실패가 발생한 뒤 다시 개루프를 수행하도록 하되 개루프의 전류치를 통상 개루프 전류치보다 낮은 수준으로 설정하여, 전류 증가폭(즉, 모터 가속 기울기)을 낮게 하여(즉, 가속을 천천히 하여) 가속도를 천천히 줌으로써 모터 부하를 최소화할 수 있다. 이후에 모터가 기존 설정해 둔 수준의 RPM에 도달하면(즉, 탈조가 일어나지 않으면) 폐루프 모드로 전환하여 재기동을 속행한다. 이러한 본 발명의 초기 구동 방식에 의해 모터의 외부 큰 부하 등의 상태에서도 안정적인 모터 재기동을 수행할 수 있다. 다만, 전류 제한으로 인해 구동 전류가 낮아져 모터의 회전 속도가 천천히 상승되어 모터의 정상상태 돌입 시간이 지연될 수는 있지만, 이러한 문제는, 탈조 후의 재기동 시의 기동 성공의 가치에 비하며 매우 작은 수준에 불과하다.

이상에서 설명한 본 발명의 재기동 개념은 장치 측면 또는 방법적 측면으로 실시가능한데, 특히 본 발명의 각 구성요소의 기능(function) 또는 과정(process)은 DSP(digital signal processor), 프로세서, 컨트롤러, ASIC(application-specific IC), 프로그래머블 로직소자(FPGA 등), 기타 전자소자 중의 적어도 하나 그리고 이들의 조합이 포함되는 하드웨어 요소로써 구현 가능하다. 또한 하드웨어 요소와 결합되어 또는 독립적으로 소프트웨어로써도 구현 가능한데, 이 소프트웨어는 기록매체에 저장 가능하다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술한 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 센서리스 모터의 초기 구동 방법으로서,
   1) 모터 구동 상황이 기동실패 후 재기동 상황인지 판단하는 단계;
   2) 기동실패 후 재기동 상황인 것으로 판단된 경우, 개루프 제어를 수행하되, 개루프 전류치의 제한치를 설정하여 개루프 제어를 수행하는 단계;
   3) 상기 개루프 제어에 의해 모터 속도가 상승하면서 탈조가 발생하는지 여부를 판단하는 단계; 및
   4) 상기 판단 결과, 모터 탈조가 발생한 것으로 판단된 경우에는 모터 제어를 멈추고 상기 단계 1)로 돌아가고, 모터 탈조가 발생하지 않은 것으로 판단되면 폐루프 제어를 수행하는 단계를 포함하는 차량용 펌프 모터의 초기 구동 제어 방법.
3. 제2항에서, 상기 개루프 전류치의 제한치는 정상적인 개루프 전류치의 50%~70%인 것을 특징으로 하는 차량용 펌프 모터의 초기 구동 제어 방법.
4. 제2항에서, 상기 개루프 전류치의 제한치는 정상적인 개루프 전류치의 60%인 것을 특징으로 하는 차량용 펌프 모터의 초기 구동 제어 방법.
5. 삭제
6. 센서리스 모터를 초기 기동하는 장치로서,
   모터 구동 상황이 기동실패 후 재기동 상황인지 판단하는 수단;
   기동실패 후 재기동 상황인 것으로 판단된 경우, 개루프 제어를 수행하되, 개루프 전류치의 제한치를 설정하여 개루프 제어를 수행하는 수단;
   상기 개루프 제어에 의해 모터 속도가 상승하면서 탈조가 발생하는지 여부를 판단하는 수단; 및
   상기 탈조 발생 판단 수단에 의해 모터 탈조가 발생한 것으로 판단된 경우에는 모터 제어를 멈추고, 모터 탈조가 발생하지 않은 것으로 판단되면 폐루프 제어를 수행하는 수단을 포함하는 차량용 펌프 모터의 초기 구동 제어 장치.
7. 제6항에서, 상기 개루프 전류치의 제한치는 정상적인 개루프 전류치의 50%~70%인 것을 특징으로 하는 차량용 펌프 모터의 초기 구동 제어 장치.
8. 제6항에서, 상기 개루프 전류치의 제한치는 정상적인 개루프 전류치의 60%인 것을 특징으로 하는 차량용 펌프 모터의 초기 구동 제어 장치.

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