KR102260078B1 - 매입형 영구자석 구동모터의 초기위치 자동 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 매입형 영구자석 구동모터의 초기위치 자동 측정방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 매입형 영구자석 구동모터의 초기 위치 자동 측정방법으로서, (a) 매입형 영구자석 구동모터의 작동 모드 선택을 진행하며, 초기위치측정을 진행해야 할 경우 사용자의 입력에 따라 초기위치 자동 측정모드로 진입하는 단계; (b) 오픈루프 제어알고리즘에 따라 상기 매입형 영구자석 구동모터를 구동시켜 회전방향이 시계방향일 경우 모터 제어기는 매입형 영구자석 구동모터가 정상적으로 동작함을 확인하여 매입형 영구자석 구동모터의 초기 위치를 각도 측면에서 모터 설정 값을 검증하게 하여 오픈루프 제어알고리즘의 정확성 문제를 1차적으로 제거하고, 회전방향이 반시계방향일 경우 모터 제어기는 에러 발생에 따라 매입형 영구자석 구동모터의 초기 위치 측정모드의 실행을 중지시키도록 하는 단계; (c) 상기 오픈루프 제어알고리즘으로 문제를 제거한 후 초기위치 측정알고리즘의 일정 전압 지령을 입력으로 초기위치 자동측정을 실시하는 단계; (d) 상기 초기위치 측정알고리즘의 측정 결과에 따라 측정된 초기위치의 합을 계산하고 합산된 초기위치 측정값을 저장하는 단계; (e) 상기 초기위치 합으로부터 초기위치 평균을 계산하여 평균값을 도출하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

매입형 영구자석 구동모터의 초기위치 자동 측정방법{ALIGN METHOD OF MOTOR}

본 발명은 매입형 영구자석 구동모터의 초기위치 자동 측정방법에 관한 것이다.

매입형 영구자석을 사용하는 친환경 자동차용(EV, HEV) 구동용 모터는 정확한 제어를 위해 벡터 제어 기법이 흔히 이용된다. 이 벡터제어를 수행하기 위해서는 정밀한 회전자의 초기 극 위치를 고려해야한다. 최대토크가 이상적인 경우, 계자(영구자석)와 전기자(고장자)에 의해 초기기동시 형성되는 자극이 서로 직각일 때 발생한다.

즉 매입형 영구자석 모터의 경우 정확한 회전자의 초기 위치 정보가 필요하며, 초기 기동시 초기 위치정보를 잘못 판단한 경우, 잘못된 방향으로 회전하거나 토크량이 충분치 않게 되고, 과전류가 흘러 모터 및 인버터의 전력소자가 소손될 우려가 많다. 또한, 초기 위치정보의 정확도가 충분치 않을경우 모터가 고속으로 회전할 때 정확한 제어를 하지 못해(약자속 제어), 이 또한 모터의 토크량이 충분치 않거나 모터 및 인버터가 소손될 우려가 있다.

이러한 회전자의 초기 위치를 검출하기 위해, 먼저 레졸버를 위치센서로 사용하는데, 모터와 레졸버의 조립 공차로 인한 초기각 오프셋(offset)이 발생하고, 레졸버의 각 교체시에 큰 오프셋이 발생할 수 있다.

종래 기술로는 모터를 다이나모와 같은 회전체에 장착 후 회전시켜 역기전력을 발생시키고 그 역기전력을 측정하여 회전자의 위치정보 중 초기 위치에 맞도록 매칭시키는 기술이 있으며, 또한 회전자의 위치에 따라 전류를 제어하여 전류 크기를 비교하는 기술, 캐리어파 주입을 통한 회전자 초기 위치 추정하는 기술이 있고, 회전자에 강제로 인입 전류를 특정상에 공급하여 회전자를 초기위치에 고정시켜 초기각을 찾는 기술이 있다.

종래의 모터를 다이나모와 같은 회전체에 장착 후 회전시켜 역기전력을 발생시키고 그 역기전력을 측정하여 위치센서 신호의 초기위치를 조정하는 방법은 다이나모와 같은 회전체가 반드시 필요하여 시간, 비용등이 발생하고, 장비가 따로 필요하며, 측정방법에 따라 오차가 발생하는 문제가 있다. 회전자 전류크기 비교, 캐리어파 주입을 통한 위치 추정의 경우, 동일 사양의 각각의 모터를 사용하여 위치추정을 할 경우 오차가 1도 이내로 정밀하거나 고속주행을 하는 구동모터의 제어에는 부적합한 기술이다.

또한, 회전자에 강제로 인입 전류를 특정상에 공급하는 기술은 간단하나, 모터 내부의 자석의 위치에 따른 오차, 큰 코깅토크를 갖는 모터의 경우 역시 초기 위치 측정이 부정확하여 많은 경우 강제로 모터를 다이나모와 같은 회전체에 장착시키고, 고가의 정밀 측정 장치를 사용하는데 모터를 강제로 차량 등의 모든 장착부위에서 해체시키거나, 장착 전 측정해야 한다는 점에서 어려움이 있다.

그래서 비용을 절감하고, 간단하게 모터가 차량에서 장착된 상태에서도 정밀성을 확보할 수 있는 방법이 요구된다.

한국공개특허공보 제10-2012-0024554호

본 발명은 매입형 영구자석 구동모터의 초기 위치를 자동으로 측정하는 알고리즘을 적용하여 원가 및 시간을 절감하고 신뢰성을 확보할 수 있는 매입형 영구자석 구동모터의 초기위치 자동 측정방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 매입형 영구자석 구동모터의 초기 위치 자동 측정방법으로서, (a) 매입형 영구자석 구동모터의 작동 모드 선택을 진행하며, 초기위치측정을 진행해야 할 경우 사용자의 입력에 따라 초기위치 자동 측정모드로 진입하는 단계; (b) 오픈루프 제어알고리즘에 따라 상기 매입형 영구자석 구동모터를 구동시켜 회전방향이 시계방향일 경우 모터 제어기는 매입형 영구자석 구동모터가 정상적으로 동작함을 확인하여 매입형 영구자석 구동모터의 초기 위치를 각도 측면에서 모터 설정 값을 검증하게 하여 오픈루프 제어알고리즘의 정확성 문제를 1차적으로 제거하고, 회전방향이 반시계방향일 경우 모터 제어기는 에러 발생에 따라 매입형 영구자석 구동모터의 초기 위치 측정모드의 실행을 중지시키도록 하는 단계; (c) 상기 오픈루프 제어알고리즘으로 문제를 제거한 후 초기위치 측정알고리즘의 일정 전압 지령을 입력으로 초기위치 자동측정을 실시하는 단계; (d) 상기 초기위치 측정알고리즘의 측정 결과에 따라 측정된 초기위치의 합을 계산하고 합산된 초기위치 측정값을 저장하는 단계; (e) 상기 초기위치 합으로부터 초기위치 평균을 계산하여 평균값을 도출하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

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본 발명은 다른 고가의 측정 장비를 사용하지 않고, 차량에 장착된 상태에서 측정이 가능하므로 비용 및 시간을 절감할 수 있으며, 정밀성을 확보하기 위해 기존의 간단한 측정방식을 개선하여 모터 자체가 가진 위치 오차와 코깅 특성을 반영하여 자동으로 측정할 수 있는 방법을 사용하여 초기 위치가 정밀하게 측정되지 못할 경우 발생할 수 있는 모터 및 인버터의 소손을 방지하고, 고속 주행에서의 토크 신뢰성을 확보할 수 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 도크와 위상각의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매입형 영구자석 구동모터의 초기위치 자동 측정방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 오픈루프 제어알고리즘 및 초기위치 측정알고리즘을 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 기존의 초기위치 측정방법의 실험결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 초기위치 측정방법의 실험결과를 나타내는 그래프이다.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로 이에 의해 본 발명의 권리범위가 축소되거나 한정되는 것은 아니다.

도 1은 도크와 위상각의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 1의 벡터도를 참조하면, q축으로 나타낸 y축이 결국 토크를 발생시키는 축으로 결국 벡터 제어시 3상 제어를 도 1의 벡터도-하기 수학식 2의 토크(Te)식과 같이 전류를 제어하여 토크를 발생시키는데, 이때 기준이 되는 초기각 위치는 d축(x축)이며, d축과 모터의 U상을 일치하는 절대 초기 위치를 확실하게 앎으로서 벡터제어를 할 수 있게된다.

수학식 1에서

및

는 도 1의 벡터 성분을 나타내며,

는 (_____)을 나타낸다.

수학식 2는 토크를 계산하는 수식으로 모터고유의 값 외 전류(Is)크기 뿐만 아니라,

(위상 각도)에 의해 토크가 결정되므로 모터의 초기위치의 중요성을 알 수 있다.

이하에서는 도 2 내지 도 를 참조하여 본 발명을 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매입형 영구자석 구동모터의 초기위치 자동 측정방법을 나타내는 순서도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 매입형 영구자석 구동모터의 초기위치 자동 측정방법은 매입형 영구자석 구동모터의 초기 위치를 자동으로 측정하는 초기위치 측정모드로 진입하는 단계(S100), 제어기가 오픈루프(Openloop) 제어알고리즘에 따라 매입형 영구자석 구동모터를 구동하는 단계(S200), 오픈루프 제어알고리즘으로 문제점을 제거한 후 초기위치 제어방법을 수행하는 단계(S300), 초기위치 측정알고리즘의 측정 결과에 따라 초기위치 합을 계산하는 단계(S400) 및 초기위치 합으로부터 초기위치 평균을 계산하여 평균값을 도출하는 단계(S500)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 단계 S100에서는 매입형 영구자석 구동모터의 작동 모드 선택을 진행하며, 초기위치측정을 진행해야 할 경우 사용자의 입력에 따라 초기위치 측정모드로 진입할 수 있다.

단계 S200에서는 현재 매입형 영구자석 구동모터의 초기 위치를 제어기가 모르는 상태이기 때문에 일반적인 오픈루프 제어알고리즘으로 매입형 영구자석 구동모터를 구동하여 문제가 없는지 파악할 수 있다. 이때, 매입형 영구자석 구동모터의 회전 방향을 판단하여(S210), 매입형 영구자석 구동모터의 회전방향이 정상적인 시계방향일 경우, 매입형 영구자석 구동모터 및 제어기가 정상적으로 동작함을 확인하여 전반적인 문제점을 확인하고, 매입형 영구자석 구동모터의 초기 위치를 각도 측면에서 어느 정도의 정확성을 가지도록 설정할 것인지 모터 설정값을 검증하게 하여 일반적인 알고리즘의 정확성 문제를 1차적으로 배제시킬 수 있다.

만약, 매입형 영구자석 구동모터의 회전 방향이 비정상적인 반시계방향일 경우, 제어기는 자동으로 초기 위치를 측정하는 의미가 없기 때문에 에러 발생에 따라 매입형 영구자석 구동모터의 초기위치 측정모드의 실행을 중지시킬 수 있다.

단계 S300에서는 오픈루프 제어알고리즘으로 문제점을 제거한 후 초기위치 측정알고리즘을 수행할 수 있다. 이때, 초기위치 측정알고리즘으로 초기 위치를 1회 측정할 수 있다.

여기서는, 도 3을 더 참조하여 오픈루프 제어알고리즘 및 초기위치 측정알고리즘을 설명한다.

도 3을 더 참조하면, 매입형 영구자석 구동모터의 코깅 토크 상쇄 및 초기위치 평균 연산을 위한 오픈루프 제어알고리즘(100)의 경우, 일정 전압 및 주파수를 입력받아 매입형 영구자석 구동모터의 회전자의 초기 위치를 모르는 상태에서도 입력값으로 제어가 가능하다.

예를 들면, Vq =Vout에 입력시키고 Vd =0로 입력하되, 주파수의 입력값을 그대로 제어 속도에 반영시켜서 오픈루프 제어알고리즘을 진행할 수 있다.

또한, 초기위치 측정알고리즘(200)은 일정 전압 지령을 입력으로 시작할 수 있다. 여기서, 주파수가 0인(Fre=0) 이유는 초기 위치를 측정하기 위하여 매입형 영구자석 구동모터가 회전하지 않기 때문이다. 또한, 일정 공급 전압을 기준으로 초기 위치의 기준인 'a'상(U상)이 +1곱, 나머지 두 상이 -0.5곱으로 지령이 입력될 수 있다. 이때, 매입형 영구자석 구동모터는 3상이 평형이기 때문에 a상, b상, c상의 합은 총 '0'이 되도록 제어할 수 있다.

그 이후에는 스페이스 벡터, 펄스폭변조(PWM) 등의 기본적인 제어 부분은 기존에 널리 공개된 일반적인 제어와 동일하므로, 상세한 설명을 생략한다.

한편, 도 3의 선택기(300)는 오픈루프 제어알고리즘(100) 및 초기위치 측정알고리즘(200) 중 어느 하나로 일정 전압과 주파수를 선택적 입력시킬 수 있다.

단계 S400에서는 초기위치 측정알고리즘의 실시에 따라 측정된 초기위치의 합을 계산하고, 합산된 초기위치 측정값을 메모리에 저장할 수 있다. 이때, 메모리에는 몇 회 초기위치 측정알고리즘을 실시했는지 자동으로 기록할 수 있다.

단계 S500에서는 초기위치 합으로부터 초기위치 평균을 계산하여 평균값을 도출하되, 초기위치 측정 횟수가 신뢰성을 확보할 수 있도록 설정된 기준 횟수, 예컨대 시험결과: 20회, 초기위치 0.01도 이내의 정확도에 도달하지 못했다면 단계 S200으로 이동할 수 있다.

이는, 단계 S200의 실행없이 초기위치 측정알고리즘만 계속 반복할 경우, 매입형 영구자석 구동모터가 10극인 것으로 가정할 때(친환경 차량의 구동모터의 경우 6극 ~ 16극) 5개의 3상 극 쌍을 가지게 되는데, 매입형 영구자석 구동모터 자체가 가진 코깅 성분으로 인해 같은 극 쌍만 초기위치 측정시 같은 값만 산출하게 되고, 5개의 극쌍마다의 자석의 미세한 삽입 공차(약 1도 이상)에 따른 초기위치 측정을 반영할 수 없기 때문에 초기 위치가 계속 1도 이상으로 바뀔 수 있다.

다음, 약 20회의 초기위치 측정을 거친 후 측정된 초기위치의 합산값으로부터 평균을 계산하여 평균값을 도출할 수 있다. 이처럼 약 20회의 초기위치 측정 결과를 평균내면 약 0.01도의 위치 오차를 나타내게 되어 정밀한 초기위치 결과를 산출할 수 있다.

마지막으로, 평균값으로 산출한 초기위치를 결과로 출력시켜 자동 초기위치 측정모드의 실행을 마칠 수 있다.

상술한 과정을 통해, 본 발명은 다른 고가의 측정 장비를 사용하지 않고, 차량에 장착된 상태에서 측정이 가능하므로 비용 및 시간을 절감할 수 있으며, 정밀성을 확보하기 위해 기존의 간단한 측정방식을 개선하여 모터 자체가 가진 위치 오차와 코깅 특성을 반영하여 자동으로 측정할 수 있는 방법을 사용하여 초기 위치가 정밀하게 측정되지 못할 경우 발생할 수 있는 모터 및 인버터의 소손을 방지하고, 고속 주행에서의 토크 신뢰성을 확보할 수 있다.

여기서, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명을 기존의 초기위치 측정방법과 비교할 수 있다.

도 4 및 도 5에서 가로축은 측정 횟수이고, 세로축은 초기위치 측정값이다.

도 4의 초기위치 측정결과를 보면, 일정하지 않고, 각도가 분산되는 것을 확인할 수 있다. 여기서, 분산 사유는 코깅토크에 의한 분산, 원래 매입형 영구자석 구동모터가 가진 자석 공차에 의한 차이(극쌍의 수마다 차이)로 인한 것이다. 정밀, 고속, 약자속제어, 영역 넓음 등의 특성을 갖는 친환경 자동차용 구동모터의 특성에 의해 도 3의 분포와 본 발명의 갖는 차이는 토크 불확실성 및 제어 불안정성 등의 결과를 초래할 수 있다. 도 3의 결과에서의 가장 큰 초기위치 차이양은 약 0.3374이며, 각도로 환산하면 약 1.93도로 약 0.1도 이하 수준이어야 하는 초기위치 정밀도에서 큰 차이를 나타낸다.

도 5는 본 발명의 자동 초기위치 측정모드를 통해 진행한 결과이며, 측정결과의 평균값의 경우 최대 오차각은 각도로 환산했을 때 약 0.070도의 오차를 보여 같은 설계로 제작된 매입형 영구자석 구동모터의 기존 초기위치 측정결과를 비교했을 때보다 약 2757.1% 오차가 적다. 이는, 단순히 정확도 증가량의 비율만 비교할 것이 아니라 목표 초기위치 정확도인 약 0.1도 이하 정밀도라는 목표량을 초과 달성하여 본 발명의 유효성을 증명한다.

도 4 및 도 5의 실험결과를 정리하면, 도 4에서 본 발명이 미적용된 시험의 경우 약 40회의 초기 위치 측정값 중 최대, 최소값의 오차가 전기각상으로 약 1.934도 발생하고(약 0.1도 이하 목표 미달), 도 5에서 본 발명의 적용된 시험의 경우 총 6번의 자동 초기위치 측정 평균값의 오차는 6번 중 전기각상으로 최대 0.070도 정확도를 보여 목표를 달성한 것을 알 수 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (7)

1. 매입형 영구자석 구동모터의 초기 위치 자동 측정방법으로서,
   (a) 매입형 영구자석 구동모터의 작동 모드 선택을 진행하며, 초기위치측정을 진행해야 할 경우 사용자의 입력에 따라 초기위치 자동 측정모드로 진입하는 단계;
   (b) 오픈루프 제어알고리즘에 따라 상기 매입형 영구자석 구동모터를 구동시켜 회전방향이 시계방향일 경우 모터 제어기는 매입형 영구자석 구동모터가 정상적으로 동작함을 확인하여 매입형 영구자석 구동모터의 초기 위치를 각도 측면에서 모터 설정 값을 검증하게 하여 오픈루프 제어알고리즘의 정확성 문제를 1차적으로 제거하고, 회전방향이 반시계방향일 경우 모터 제어기는 에러 발생에 따라 매입형 영구자석 구동모터의 초기 위치 측정모드의 실행을 중지시키도록 하는 단계;
   (c) 상기 오픈루프 제어알고리즘으로 문제를 제거한 후 초기위치 측정알고리즘의 일정 전압 지령을 입력으로 초기위치 자동측정을 실시하는 단계;
   (d) 상기 초기위치 측정알고리즘의 측정 결과에 따라 측정된 초기위치의 합을 계산하고 합산된 초기위치 측정값을 저장하는 단계;
   (e) 상기 초기위치 합으로부터 초기위치 평균을 계산하여 평균값을 도출하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 매입형 영구자석 구동모터의 초기위치 자동 측정방법.
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