KR102294575B1 - 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템 - Google Patents

컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 컨버터(Converter)를 위한 센서 고장 진단 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회로의 파라미터(Parameter) 및 부하정보가 불확실한 컨버터에 설치된 인덕터(Inductor) 전류센서, 출력 전압센서 등의 센서에서 결함이 생겼을 때, 이를 진단할 수 있는, 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 컨버터의 전압 및 전류를 측정하는 센서부, 상기 전압 및 전류에 해당하는 상태 변수를 추정하는 상태 추정부, 상기 센서부에서 추정된 전압 및 전류와 상기 상태 추정부에서 추정된 상태 변수를 기초로 정규화된 잔차를 생성하고, 상기 잔차를 이용해 상기 센서부의 고장을 진단하는 고장 진단부를 포함하는, 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템을 개시한다.

Description

컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템 {Sensor fault diagnosis system for converter}
본 발명은 컨버터(Converter)를 위한 센서 고장 진단 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회로의 파라미터(Parameter) 및 부하정보가 불확실한 컨버터에 설치된 인덕터(Inductor) 전류센서, 출력 전압센서 등의 센서에서 결함이 생겼을 때, 이를 진단할 수 있는, 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템에 관한 것이다.
도 1은 PWM(Pulse-Width Modulation) 제어를 이용한 DC/DC 부스트 컨버터의 회로도를 도시하고 있다. 이러한 DC/DC 부스트 컨버터는 사용자가 원하는 출력 전압이 입력 전압보다 더 높을 때, 입력 전압보다 출력 전압을 높여 주는 승압형 컨버터로써, 통상 사용하는 승압은 AC로 입력된 전압을 사용자가 원하는 전압으로 높여서 AC 전압으로 출력하는 반면, DC/DC 부스트 컨버터는 DC로 입력된 전압을 사용자가 원하는 전압으로 높여서 DC로 출력하는 장치이다.
최근 DC/DC 부스트 컨버터는 태양열/풍력 발전 시스템, 전기 자동차 및 다양한 가전제품과 같이 DC 전압을 입력으로 받아 DC 전압을 출력해야 하는 다양한 산업 및 응용 분야에서 중요한 역할을 한다. 상기와 같은 기기들은 고품질의 DC 전압을 출력해야 하기 때문에, 출력 전압을 제어하기 위한 고성능/고신뢰성의 제어기가 반드시 필요하다. 그래서, DC/DC 부스트 컨버터의 출력 전압을 제어하기 위한 제어 방법으로 한 회로의 출력이 다음 회로의 입력이 되도록 연결하는 캐스케이드(Cascade) 제어를 따르는 비례-적분 제어기(PI Controller; Proportional-integral controller), 그리고 모델예측제어기(Model predictive controller)와 같은 진보된 기술이 제안되어 왔고, 이와 같은 제어기들은 전류 및 전압 신호의 피드백(Feedback)이 출력 전압의 조정 성능을 향상시킬 수 있다는 것이 증명되었다. 그러나 이러한 제어기에서 전자기 간섭(Noise), 진동, 충격, 급격한 온도변화와 같은 기기의 노후화 및 외부 영향으로 인해서 피드백을 수행해야 하는 전류 및 전압 센서에 예기치 않은 결함이 발생할 수 있고, 이 결함은 전체 제어 시스템의 정상적인 작동에 큰 영향을 줄 수 있다.
상기의 문제를 보완하기 위해, 전력변환장치의 센서 결함 진단 알고리즘에 대한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 종래에 연구가 진행되어 온 전력변환장치의 센서 결함 진단 알고리즘 중에서, 센서 값을 추정할 수 있는 상태 관측기를 설계하여 실제 센서 출력 값과의 잔차를 계산하여 고장 유무를 판단하는 방식이 대표적이다.
상기의 상태 관측기를 사용한 방식은 한국등록특허 제10-0666504호("벡터형 인버터 시스템의 전류센서 고장식별 및 오차보상을 위한 장치 및 방법", 선행기술 1)에서 개시하고 있다.
도 2는 선행기술 1의 전류센서 고장 식별기 및 오차 보상기를 가지는 인버터 제어 구성도를 도시하고 있으며, 도 3은 전류센서 고장 식별기 및 오차보상기의 상세도를 도시하고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 인버터 제어 구성도에 고장 식별기 및 보상기(Fault Identification and Compensation, 25)가 구성되어 있으며, 상기 고장 식별기 및 보상기(25)는 각 상에 설치되어 있는 전류센서(26a, 26b, 26c)에서 검출된 상전류
Figure 112019129005180-pat00001
값을 입력받게 된다. 상기 검출된 상전류
Figure 112019129005180-pat00002
값은 도 3에서 도시하고 있는 전류 선택부(Current Selection, 33)로 입력되어 전류 센서의 고장식별을 위해 상전류를 선택하고, 상기 전류 선택부의 출력 값인 각 상전류
Figure 112019129005180-pat00003
가 3상/2상 변환기(34)로 입력되어 전류 센서의 고장을 검출하기 위해 3상전류에서 2상전류
Figure 112019129005180-pat00004
로 변환된다.
그리고 도 2에서 도시하고 있는 모터 회전자의 속도-위치 검출기(Motor Rotation Speed-Position Detector, 29)에서 검출된 각속도
Figure 112019129005180-pat00005
및 전류 제어기(Current Controller, 22)의 출력인 자속전압 지령치
Figure 112019129005180-pat00006
와 토크 전압 지령치
Figure 112019129005180-pat00007
를 도 3에서 도시하고 있는 상태 관측기(State Observer, 35)에서 입력받아 추정 전류치
Figure 112019129005180-pat00008
을 출력한다.
상기 3상/2상 변환기(34)에서 변환된 2상전류
Figure 112019129005180-pat00009
와 상기 상태 관측기(35)에서 출력된 추정 전류치
Figure 112019129005180-pat00010
를 이용하여 잔차를 구하고, 도 3에서 도시하고 있는 고장식별 및 보상부(Fault Identifier and Compensator, 36)에서 고장 식별 및 전류보상 알고리즘을 수행하여 어느 상의 전류센서가 고장인지 식별하고, 고장난 전류센서에서 측정한 측정 전류치에 대한 전류 오프셋(Offset)을 행하여 전류값 오차를 보상한다.
상기 선행기술 1에서 개시된 일 실시예에 따르면, 상기 상태관측기를 이용하여 기준치를 얻고 상기 전류 센서의 실제 전류로부터 잔차를 얻는 방법을 사용함으로써, 상기 전류 센서의 고장검출 및 식별 능력을 개선시켰으며, 이에 따라 인버터의 신뢰성도 향상 시킬 수 있다는 장점이 있다.
하지만, 전동기 모델을 근거로 하여 구성을 했고, 상기 전동기 모델의 파라미터 정보나 부하 조건이 다양한 영향에 의해 변동되는 상황에 대해서는 고려하지 않았기 때문에, 상기 모델의 파라미터 정보나 부하 조건이 변동되는 상황에서는 상기 상태 관측기에서 센서 값을 추정하는 성능이 하락하여 오진단을 야기할 수 있고, 이는 전체 전력변환 시스템, 더 나아가서는 기기 구동 시스템의 성능 하락으로 이어질 수 있다.
상기 문제점은 선행기술 1에서 개시된 상기 상태 관측기 뿐만 아니라, 칼만 필터(Kalman Filter), 상태 방정식, 루엔버거 관측기(Luenberger Observer) 기반의 상태 관측기를 사용한 센서 고장 진단 알고리즘에서도 동일한 원인으로 인해 동일한 문제점이 발생될 수 있다.
1. 한국등록특허 제 10-0666504호(등록일 2007년 01월 03일)
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 컨버터의 인덕터 전류 및 부하 전압을 측정하기 위한 전류 센서 및 전압 센서에 이상이 발생했을 시에 이를 정확하게 진단하고, 상기 전류 센서 및 전압 센서의 3가지의 고장 발생 유형에 대해서 확인 할 수 있으며, 외란 관측기를 구성하여 외부의 영향으로 인한 파라미터 및 부하 조건의 변동에도 강건하고, 정확한 고장 진단 시스템을 유지할 수 있는, 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템에 있어서, 상기 컨버터의 소정의 전압 및 전류를 측정하는 센서부(300), 상기 컨버터의 스위치 듀티를 입력 받고, 상기 전압 및 전류에 해당하는 상태 변수를 추정하는 상태 추정부(100) 및 상기 추정된 상태 변수, 상기 측정된 전압 및 전류를 기초로 상기 센서부의 고장을 진단하는 고장 진단부(200)를 포함하되, 상기 상태 추정부는 상기 상태 변수 추정의 강인성을 높이기 위해서 외란을 고려하여 상태를 추정하는 것을 특징으로 한다.
더 나아가, 상기 상태 추정부(100)는 상기 측정된 전압 및 전류와 상기 컨버터의 스위치 듀티를 기초로 외란을 산출하는 외란 관측기(110) 및 상기 컨버터의 스위치 듀티, 상기 산출된 외란, 및 상기 추정된 상태 변수와 상기 측정된 전압 및 전류간 오차를 기초로 상기 상태 변수를 추정하는 상태 관측기(120)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더 나아가, 상기 상태 관측기(120)는 상기 산출된 외란이 더해져서 상기 상태 변수의 변화 기울기가 설정되는 것을 특징으로 한다.
더 나아가, 상기 상태 관측기(120)는 상기 추정된 상태 변수와 상기 측정된 전압 및 전류간 오차에 소정의 관측 이득(L)이 곱해져서 상기 상태 변수의 변화 기울기가 설정되되, 상기 관측 이득(L)은 Linear matrix inequality를 통해 설정되는 것을 특징으로 한다.
더 나아가, 상기 컨버터 모델은 하기 수학식1과 같이 구성되고, 상기 상태 관측기(120)는 하기 수학식2와 같이 구성되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112019129005180-pat00011
Figure 112019129005180-pat00012
(이 때, 상수 벡터
Figure 112019129005180-pat00013
, 상기 컨버터 모델의 시변 시스템 행렬
Figure 112019129005180-pat00014
, 상기 컨버터 모델의 파라미터인 인덕턴스와 커패시턴스에 의한 외란 시변 벡터
Figure 112019129005180-pat00015
,
Figure 112019129005180-pat00016
,
Figure 112019129005180-pat00017
: 상기 컨버터 모델의 파라미터인 인덕턴스
Figure 112019129005180-pat00018
,커패시턴스
Figure 112019129005180-pat00019
의 공칭계수, 상태 변수 벡터
Figure 112019129005180-pat00020
,
Figure 112019129005180-pat00021
: 상태 변수 벡터
Figure 112019129005180-pat00022
시간
Figure 112019129005180-pat00023
에 대한 미분,
Figure 112019129005180-pat00024
: 듀티비,
Figure 112019129005180-pat00025
,
Figure 112019129005180-pat00026
: 상태 변수 벡터,
Figure 112019129005180-pat00027
: 입력 전압의 초기값,
Figure 112019129005180-pat00028
: 컨버터의 파라미터인 인덕턴스
Figure 112019129005180-pat00029
의 구동조건 변동에 대한 외란치,
Figure 112019129005180-pat00030
: 컨버터의 파라미터인 커패시턴스
Figure 112019129005180-pat00031
의 구동조건 변동에 대한 외란치)
Figure 112019129005180-pat00032
Figure 112019129005180-pat00033
(이 때,
Figure 112019129005180-pat00034
: 상기 상태 관측기(120)에 의해 추정된 상태 변수 벡터,
Figure 112019129005180-pat00035
: 상기 선형 행렬 부등식(LMI : Linear matrix inequality)을 통해 설정된 관측 이득 행렬,
Figure 112019129005180-pat00036
,
Figure 112019129005180-pat00037
: 상기 상태 관측기(120)에 의해 추정된 상태 변수 벡터의 시간
Figure 112019129005180-pat00038
에 대한 미분,
Figure 112019129005180-pat00039
: 상기 외란 관측기(110)에 의해 추정된 외란,
Figure 112019129005180-pat00040
: 상기 상태 관측기에 추정된 상태 변수 벡터)
더 나아가, 상기 외란 관측기(110)는 수학식3과 같이 구성되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112019129005180-pat00041
Figure 112019129005180-pat00042
(이 때,
Figure 112019129005180-pat00043
: 상기 외란 관측기(110)의 내부 파라미터 행렬,
Figure 112019129005180-pat00044
: 상기 외란 관측기(110)의 추정 이득,
Figure 112019129005180-pat00045
: 상기 외란 관측기(110)의 내부 파라미터 행렬의 시간
Figure 112019129005180-pat00046
에 대한 미분)
더 나아가, 상기 고장 진단부(200)는,
상기 추정된 상태 변수, 상기 측정된 전압 및 전류의 정규화 된 잔차값을 기초로 상기 센서부(300)의 고장을 진단하는 것을 특징으로 한다.
더 나아가, 상기 정규화된 잔차값은 수학식4에 의해서 산출되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112019129005180-pat00047
Figure 112019129005180-pat00048
(이 때,
Figure 112019129005180-pat00049
: 인덕터 전류에 대한 정규화 된 잔차,
Figure 112019129005180-pat00050
: 출력 전압에 대한 정규화 된 잔차,
Figure 112019129005180-pat00051
: 상기 센서부(300)에서 측정된 인덕터 전류,
Figure 112019129005180-pat00052
: 상기 센서부(300)에서 측정된 출력 전압,
Figure 112019129005180-pat00053
: 상기 상태 관측기(120)에서 추정된 인덕터 전류,
Figure 112019129005180-pat00054
: 상기 상태 관측기(120)에서 추정된 출력 전압,
Figure 112019129005180-pat00055
: 인덕터 전류 상태 기준 ,
Figure 112019129005180-pat00056
: 출력 전압 상태 기준,
Figure 112019129005180-pat00057
: 시간)
더 나아가, 상기 고장 진단부(200)는 상기 정규화된 잔차값을 기초로 상기 센서의 단선, 증폭비 변동, 및 비정상적 노이즈에 의한 고장 여부를 판별하는 것을 특징으로 한다.
더 나아가, 상기 고장 진단부(200)는 하기 수학식5와 같은 경우에 상기 센서가 단선된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112019129005180-pat00058
(이 때,
Figure 112019129005180-pat00059
: 정규화 된 잔차,
Figure 112019129005180-pat00060
: 인덕터 전류 및 출력 전압 상태 기준,
Figure 112019129005180-pat00061
,
Figure 112019129005180-pat00062
: 시간)
더 나아가, 상기 고장 진단부(200)는 하기 수학식6과 같은 경우에 상기 센서의 증폭비가 변동된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112019129005180-pat00063
(이 때,
Figure 112019129005180-pat00064
: 정규화 된 잔차,
Figure 112019129005180-pat00065
: 잔차 임계값,
Figure 112019129005180-pat00066
)
더 나아가, 상기 고장 진단부(200)는 하기 수학식7과 같은 경우에 비정상적 노이즈로 인한 고장 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112019129005180-pat00067
(이 때,
Figure 112019129005180-pat00068
: 고장 플래그값,
Figure 112019129005180-pat00069
: 정규화 된 잔차,
Figure 112019129005180-pat00070
,
Figure 112019129005180-pat00071
: 잔차 임계값,
Figure 112019129005180-pat00072
: 시간)
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템에 의하면, 상기 컨버터의 파라미터 불확실성과 구동 조건의 변화에 대해서도 강인하고, 정확한 성능을 가지는 센서 고장 진단 알고리즘이라는 장점이 있다. 보다 더 구체적으로는, 종래의 상태 관측기가 구성된 전력변환장치용 센서 고장 진단 알고리즘은 상기 전력변환장치의 내부 파라미터나 구동 조건이 변할 때, 상기 상태 관측기의 성능이 하락하기 때문에, 사전에 모델링(Modeling) 된 수학식이나 구동 조건에서만 적용이 가능했었지만, 본 발명에서는 외란 관측기(110)를 구성함으로써, 전력변환장치의 내부 파라미터와 구동 조건의 변화에도 강인하고, 정확하게 센서의 고장을 판별할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템에 의하면, 정규화 된 잔차 기준을 도입함으로써, 모든 구동 조건에서 동일한 고장 진단 기준이 사용될 수 있으며, 3가지 센서 고장 종류를 판별할 수 있다는 장점이 있다. 보다 더 구체적으로는, 종래의 전력변환장치용 센서 고장 진단 알고리즘은 단순히 센서의 고장 유무만을 판별하거나, 몇 가지의 고장을 판별할 수 있었으나, 명확한 판별 기준을 제시하지 않았고, 과도 상태에서의 상태 관측기의 오차에 대해 잔차 기준값 변경을 고려하지 않았다는 문제가 있었다. 그러나 본 발명에서는 과도 상태를 비롯한 모든 구동 상태의 상태 관측기(120)에 정규화 된 잔차 기준을 제시함으로써, 명확한 고장 진단 기준을 제시하였으며, 회로 개방 고장(Open-circuit fault), 증폭비 변동(Gain deviation), 비정상적 노이즈(Abnormal noise)와 같은 3가지 센서 고장 종류를 판별할 수 있는 실질적인 기준을 제시하여, 고장 유형에 따른 대처 방법을 즉시 마련할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 DC/DC 부스트 컨버터의 회로도이다.
도 2는 선행기술 1의 전류센서 고장 식별기 및 오차 보상기를 가지는 인버터 제어 구성도이다.
도 3은 선행기술 1의 전류센서 고장 식별기 및 오차보상기의 상세도이다.
도 4은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 전체 블록도이다.
도 5는 본 발명의 제 바람직한 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 상태 관측부이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 고장 진단부이다.
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 정상 상태에서 고장 진단 성능 실험의 실험값 조건 변화 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 정상 상태의 고장 진단 성능 실험에서 정규화 된 잔차 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 회로 개방 고장 상태의 고장 진단 성능 실험에서 정규화 된 잔차 및 플래그 그래프 이다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 증폭비 변동 고장 상태의 고장 진단 성능 실험에서 정규화 된 잔차 및 플래그 그래프 이다.
도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 비정상적 노이즈 고장 상태의 고장 진단 성능 실험에서 정규화 된 잔차 및 플래그 그래프 이다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 도시된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 실시예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 전체 블록도를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템은 상기 컨버터의 출력 전압
Figure 112019129005180-pat00073
과 전류
Figure 112019129005180-pat00074
를 측정하기 위해 설치된 전압 센서와 전류 센서를 통칭하는 센서부(300), 상기 컨버터의 스위치 듀티비(Duty ratio)
Figure 112019129005180-pat00075
를 입력 받고, 상기 전압과 전류에 해당하는 상태 변수를 추정하는 상태 추정부(100), 상기 상태 추정부(100)로부터 추정된 상태 변수, 상기 센서부(Sensor, 300)로부터 측정된 전압 및 전류를 기초로 상기 센서부(300)의 고장을 진단하는 고장 진단부(200)를 포함한다. 이 때, 상기 센서부(300)에 의해 측정된 전압 및 전류는 상태 변수 벡터
Figure 112019129005180-pat00076
로 재정의 될 수 있고, 상기 컨버터의 스위치 듀티비
Figure 112019129005180-pat00077
는 [0,1] 사이에 속하는, 즉
Figure 112019129005180-pat00078
인 자유도(degree of freedom)로 사용되어, 스위칭 제어를 위한 역할로 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 상태 추정부(100)를 도시하고 있다. 상기 상태 추정부(100)는 상기 센서부(300)에서 측정된전압 및 전류와 상기 컨버터의 스위치 듀티비
Figure 112019129005180-pat00079
를 기초로 외란 추정치
Figure 112019129005180-pat00080
를 산출하는 외란 관측기(DOB : Disturbance Observer, 110) 및 상기 컨버터의 스위치 듀티비
Figure 112019129005180-pat00081
, 상기 외란 관측기(110)로부터 산출된 외란 추정치
Figure 112019129005180-pat00082
, 상기 센서부(300)로부터 측정된 전압 및 전류와 상기 추정된 상태변수 간 오차
Figure 112019129005180-pat00083
를 제공받아 상기 상태 변수를 추정하는 상태 관측기(SO : State Observer, 120)를 포함한다. 상기 상태 관측기(120)는 기존에 설계된 모델에 상기 외란 관측기(110)로부터 제공 받은 외란 추정치 벡터
Figure 112019129005180-pat00084
가 더해짐으로써, 상기 상태 관측기(120)에서 산출하는 상기 상태 변수에 상기 외란 추정치라는 변화량만큼의 기울기가 설정될 수 있다.
또한, 상기 상태 관측기(120)로부터 추정된 상태 변수
Figure 112019129005180-pat00085
와 상기 센서부(300)에 의해 측정된 전압 및 전류 벡터
Figure 112019129005180-pat00086
간의 오차에
Figure 112019129005180-pat00087
로 정의될 수 있는 상기 상태 관측기(120)의 관측 이득을 곱해준 값이 상기 상태 관측기(120)의 기존 설계 모델에 더해짐으로써, 상기 상태 변수에
Figure 112019129005180-pat00088
만큼의 변화 기울기가 설정된다. 이 때, 관측 이득
Figure 112019129005180-pat00089
은 선형 행렬 부등식(LMI : Linear matrix inequality)를 통해 설정되며, 상기 관측 이득 행렬의 각 요소가 실수를 갖는 2x2 행렬로 정의된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 고장 진단부(200)를 도시하고 있다. 상기 고장 진단부(200)는 상기 상태 관측기(120)에서 추정된 상태 변수
Figure 112019129005180-pat00090
와 상기 센서부(300)에 의해 측정된 전압 및 전류 벡터
Figure 112019129005180-pat00091
의 오차
Figure 112019129005180-pat00092
를 출력하는 연산기(Operator, 210)가 포함되고, 상기 오차
Figure 112019129005180-pat00093
를 입력으로 하여 정규화 된 잔차
Figure 112019129005180-pat00094
,
Figure 112019129005180-pat00095
를 생성하는 잔차 생성기(RG : Residual Generation, 220) 및 상기 정규화 된 잔차를 기준으로 상기 센서부(300)의 고장을 진단하고, 상기 센서부(300)의 고장 유형을 3가지로 구분하여 판단할 수 있는 고장 진단기(FD : Fault Diagnosis, 230)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 보다 더 자세한 설명을 위해 이하에서 상기 센서 고장 진단 시스템의 세부 구성 및 실시예를 개시한다.
상태 관측부
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 대상인 DC/DC 부스트 컨버터(DC/DC Boost Converter)의 모델은 비선형 미분 방정식인 하기 수학식 8 및 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112019129005180-pat00096
Figure 112019129005180-pat00097
(이 때,
Figure 112019129005180-pat00098
: 인덕턴스 ,
Figure 112019129005180-pat00099
: 커패시턴스,
Figure 112019129005180-pat00100
: 인덕터 전류,
Figure 112019129005180-pat00101
: 인덕터 전류의 시간
Figure 112019129005180-pat00102
에 대한 미분,
Figure 112019129005180-pat00103
: 출력 전압,
Figure 112019129005180-pat00104
: 출력 전압의 시간
Figure 112019129005180-pat00105
에 대한 미분,
Figure 112019129005180-pat00106
: 듀티비,
Figure 112019129005180-pat00107
,
Figure 112019129005180-pat00108
: 입력 전압,
Figure 112019129005180-pat00109
: 부하 전류)
이 때,
Figure 112019129005180-pat00110
와
Figure 112019129005180-pat00111
는 폐루프의 동작에 의해 상시 변동되어 출력될 수 있는 상태 변수이고, 인덕턴스
Figure 112019129005180-pat00112
과 커패시턴스
Figure 112019129005180-pat00113
는 상기 DC/DC 부스트 컨버터의 파라미터로써, 다양한 구동 조건에 따라 값이 크게 변동될 수 있다.
상기 컨버터의 파라미터와 부하에 대한 실질적인 제약 조건을 고려한다면, 상기 수학식 8과 수학식 9는 다음 수학식 10 및 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112019129005180-pat00114
Figure 112019129005180-pat00115
(이 때,
Figure 112019129005180-pat00116
: 인덕턴스
Figure 112019129005180-pat00117
의 공칭계수,
Figure 112019129005180-pat00118
: 커패시턴스
Figure 112019129005180-pat00119
의 공칭계수,
Figure 112019129005180-pat00120
: 입력 전압
Figure 112019129005180-pat00121
의 초기값 공칭계수,
Figure 112019129005180-pat00122
: 컨버터의 파라미터인 인덕턴스
Figure 112019129005180-pat00123
의 구동조건 변동에 대한 외란치,
Figure 112019129005180-pat00124
: 컨버터의 파라미터인 커패시턴스
Figure 112019129005180-pat00125
의 구동조건 변동에 대한 외란치)
상기 상태 변수
Figure 112019129005180-pat00126
와
Figure 112019129005180-pat00127
는 상태 변수 벡터
Figure 112019129005180-pat00128
와 같이 표현될 수 있으며, 상기 상태 변수 벡터를 기초로 하여 상기 DC/DC 부스트 컨버터의 모델인 수학식 10과 수학식 11을 다시 표현하면, 하기 수학식 12 및 수학식 13과 같은 선형 시변 시스템 방정식으로 표현될 수 있다.
Figure 112019129005180-pat00129
Figure 112019129005180-pat00130
(이 때,
Figure 112019129005180-pat00131
: 상태 변수 벡터, 상수 벡터
Figure 112019129005180-pat00132
, 상기 컨버터 모델의 시변 시스템 행렬
Figure 112019129005180-pat00133
, 상기 컨버터 모델의 파라미터인 인덕턴스와 커패시턴스에 의한 외란 시변 벡터
Figure 112019129005180-pat00134
)
상기 수학식 12와 수학식 13에 대해서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 제안된 상기 상태 관측기(120)는 다음 수학식 14및 수학식 15와 같다.
Figure 112019129005180-pat00135
Figure 112019129005180-pat00136
(이 때,
Figure 112019129005180-pat00137
: 상기 상태 관측기(120)에 의해 추정된 추정 상태 변수 벡터,
Figure 112019129005180-pat00138
: 상태 관측 이득 행렬,
Figure 112019129005180-pat00139
,
Figure 112019129005180-pat00140
: 상기 외란 관측기(110)에 의해 추정된 외란,
Figure 112019129005180-pat00141
: 상기 상태 관측기(120)에 추정된 상태 변수 벡터)
상기 상태 관측기(120)에 의해 추정된 상기 추정 상태 변수 벡터
Figure 112019129005180-pat00142
는 상기 상태 관측기(120)로부터 추정된 상태 변수 벡터
Figure 112019129005180-pat00143
와 상기 센서부(300)에 의해 측정된 상태 변수 벡터
Figure 112019129005180-pat00144
간의 오차에 상기 상태 관측기(120)의 상태 관측 이득
Figure 112019129005180-pat00145
을 곱해준 값이 상기 상태 관측기(120)의 기존 설계 모델에 더해짐으로써, 상기 상태 변수에
Figure 112019129005180-pat00146
만큼의 변화 기울기가 설정된다.
또한, 상기 상태 관측 이득
Figure 112019129005180-pat00147
은 이중 선형 행렬 부등식(BMI : Bilinear matrix inequality) 기반의 최적화 과정을 거쳐 도출된다. 보다 더 자세하게는, 상기 상태 관측 이득의 최적화 과정을 수행하기 위해 상기 선형 행렬 부등식의 방법을 사용하고, 수학식 16과 같은 안정성 판별 조건에 부합하는 행렬
Figure 112019129005180-pat00148
,
Figure 112019129005180-pat00149
에 대하여 상기 이중 선형 행렬 부등식은 다음 수학식 17과 같은 제약 조건이 설정될 수 있다.
Figure 112019129005180-pat00150
Figure 112019129005180-pat00151
(이 때,
Figure 112019129005180-pat00152
: 상기 컨버터 모델의 시변 시스템 벡터,
Figure 112019129005180-pat00153
일 때,
Figure 112019129005180-pat00154
,
Figure 112019129005180-pat00155
,
Figure 112019129005180-pat00156
: 최적 관측 이득
Figure 112019129005180-pat00157
을 도출하기 위한 Positive definite 행렬,
Figure 112019129005180-pat00158
: 고정된 상수,
Figure 112019129005180-pat00159
)
상기 수학식 16의 제약 조건은 이중 선형 행렬 부등식의 제약 조건에 해당되고, 최적화 과정이 프로그래밍에 의해 반복적으로 수행되어 산출된 행렬
Figure 112019129005180-pat00160
,
Figure 112019129005180-pat00161
가 최적 관측 이득
Figure 112019129005180-pat00162
을 도출하기 위해 사용되며, 최적 관측 이득은
Figure 112019129005180-pat00163
Figure 112019129005180-pat00164
을 통해 산출될 수 있다.
또한, 외란 관측기(110)으로부터 추정된 외란 추정치 벡터
Figure 112019129005180-pat00165
는 하기 수학식 18 및 수학식 19와 같다.
Figure 112019129005180-pat00166
Figure 112019129005180-pat00167
(이 때,
Figure 112019129005180-pat00168
: 외란 관측기(110)의 내부 파라미터 행렬,
Figure 112019129005180-pat00169
: 외란 관측기(110)의 추정 이득,
Figure 112019129005180-pat00170
: 상기 외란 관측기(110)의 내부 파라미터 행렬의 시간
Figure 112019129005180-pat00171
에 대한 미분)
상기 상태 관측기(120)는 상기 외란 관측기(110)로부터 제공 받은 외란 추정치 벡터
Figure 112019129005180-pat00172
가 더해짐으로써, 상기 상태 관측기(120)에서 산출하는 상기 상태 변수에 상기 외란 추정치라는 변화량만큼의 기울기가 설정될 수 있다.
상기 상태 관측기(120)에서 추정된 추정 상태 변수 벡터
Figure 112019129005180-pat00173
와 상기 센서부(300)에서 측정된 상태 변수 벡터
Figure 112019129005180-pat00174
를 기초로 상태 추정 오차
Figure 112019129005180-pat00175
와 상기 상태 추정 오차의 미분
Figure 112019129005180-pat00176
은 연산기(210)를 통해 출력되고, 다음 수학식 20 및 수학식 21를 통해 산출된다.
Figure 112019129005180-pat00177
Figure 112019129005180-pat00178
(이 때,
Figure 112019129005180-pat00179
Figure 112019129005180-pat00180
,
Figure 112019129005180-pat00181
)
고장 진단부
상기 연산기(210)에서 산출된 상태 추정 오차
Figure 112019129005180-pat00182
는 상기 전류 센서 및 전압 센서의 고장을 판별하기 위해 하기 수학식 22 및 수학식 23과 같이 표현 될 수 있다.
Figure 112019129005180-pat00183
Figure 112019129005180-pat00184
상기 수학식 22와 수학식 23은 상기 DC/DC 부스트 컨버터의 구동 조건을 고려하지 않은 오차이므로, 상기 DC/DC 부스트 컨버터가 정상 상태 구동을 하지 않고, 이상 구동을 할 때에는 내부 파라미터인 인덕턴스와 커패시턴스에 의해 상기 오차들이 크게 변동될 수 있는 문제점이 있다. 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 제 2 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 알고리즘에서는 DC/DC 부스트 컨버터의 구동 조건을 고려하기 위해 상기 잔차 생성기(220)에서 인덕터 전류 상태 기준
Figure 112019129005180-pat00185
, 출력 전압 상태 기준
Figure 112019129005180-pat00186
를 도입하여, 상기 DC/DC 부스트 컨버터의 구동 조건과 관계없는, 정규화 된 잔차가 산출될 수 있고, 상기 인덕터 전류와 출력 전압에 대한 상기 정규화 된 잔차는 각각 수학식 24 및 수학식 25와 같다.
Figure 112019129005180-pat00187
Figure 112019129005180-pat00188
(이 때,
Figure 112019129005180-pat00189
: 인덕터 전류에 대한 정규화 된 잔차,
Figure 112019129005180-pat00190
: 출력 전압에 대한 정규화 된 잔차,
Figure 112019129005180-pat00191
: 상기 센서부에서 측정된 인덕터 전류,
Figure 112019129005180-pat00192
: 상기 센서부에서 측정된 출력 전압,
Figure 112019129005180-pat00193
: 상기 상태 관측기에서 추정된 인덕터 전류,
Figure 112019129005180-pat00194
: 상기 상태 관측기에서 추정된 출력 전압,
Figure 112019129005180-pat00195
: 인덕터 전류 상태 기준 ,
Figure 112019129005180-pat00196
: 출력 전압 상태 기준,
Figure 112019129005180-pat00197
: 시간)
상기 수학식 24 및 수학식 25와 같은 정규화 된 잔차를 사용하여 상기 DC/DC 부스트 컨버터의 작동 조건과 관계없이 동일한 기준의 고장 진단 임계값
Figure 112019129005180-pat00198
과 비교하여 상기 전류 센서 및 전압 센서의 고장을 진단할 수 있다. 또한, 상기 산출된 잔차의 수치에 따라 상기 전류 센서 및 전압 센서의 고장 유형을 하기 표 1과 같이 세 가지 유형으로 구분할 수 있다. 그리고 하기 표 1의 센서 고장 진단 기준을 기초로 상기 고장 진단기(FD : Fault Diagnosis, 230)에서 센서의 고장을 판별하고, 하기 표 1의 센서 고장 신호
Figure 112019129005180-pat00199
를 산출하게 된다.
고장 플래그,
Figure 112019129005180-pat00200
 고장 유형 진단 기준
0 고장 없음
(No fault)
Figure 112019129005180-pat00201
1 회로 개방
(Open-circuit)
Figure 112019129005180-pat00202
2 증폭비 변동
(Gain deviation)
Figure 112019129005180-pat00203
3 비정상적 노이즈
(Abnormal noise)
Figure 112019129005180-pat00204
(이 때,
Figure 112019129005180-pat00205
)
상기 표 1에서 도시하고 있는 바와 같이, 진단 기준에 대한 고장 유형이 3가지로 구분되고, 상기 고장 진단기(230)에서 고장 플래그를 제공함으로써, 고장난 센서의 종류와 고장 유형에 대해 바로 파악할 수 있기 때문에, 즉각 대처하여 수리가 가능하다는 장점이 있다.
제 1 실시예
도 7과 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 고장 진단 성능을 실험하기 위해서 정상 상태의 조건에서 종래의 상태 관측기 설계 방법의 일종인 비례 적분형 상태 관측기와의 비교 실험을 진행한 결과 그래프를 도시하고 있다.
이 때, 실험을 진행하기 위해서 설정된 DC/DC 부스트 컨버터의 회로도의 파라미터 설정 값은 하기 표 2와 같다. 그리고 상기 비례 적분형 상태 관측기의 상태 이득은
Figure 112019129005180-pat00206
와 같고, 본 발명의 제안된 외란 관측기(110) 기반 비례형 상태 관측기(120)의 상태 이득은 LMI 기법에 의해
Figure 112019129005180-pat00207
로 산출되었다.
파라미터 설정값
인덕턴스 L 500μH
커패시턴스 C 700μF
공칭 인덕턴스
Figure 112019129005180-pat00208
 0.7L μH
공칭 커패시턴스
Figure 112019129005180-pat00209
 1.2C μF
초기 입력 전압
Figure 112019129005180-pat00210
 50V
외란 관측기 이득
Figure 112019129005180-pat00211
 1750
도 7은 시간
Figure 112019129005180-pat00212
=1s에서 출력 전압 기준
Figure 112019129005180-pat00213
가 100V에서 150V로 가변되고, 부하 저항 값
Figure 112019129005180-pat00214
이 시간
Figure 112019129005180-pat00215
=2s 20Ω에서 15Ω, 50Ω에서 40Ω, 100Ω에서 80Ω으로 가변되는 변화 조건을 도시하고 있고, 상기 출력 전압 기준
Figure 112019129005180-pat00216
와 상기 부하 저항 값
Figure 112019129005180-pat00217
이 변경되었을 때, 상기 인덕터 전류 및 출력 전압에 대한 정규화 된 잔차 그래프를 도 8에서 도시하고 있다.
도 8의 ⒜와 ⒝ 그래프가 본 발명에서 제안된 상기 외란 관측기(110) 기반 상태 관측기(120)를 사용하여 정규화 된 잔차를 산출한 그래프로써, 고장으로 판단하는 임계값은
Figure 112019129005180-pat00218
=0.2로 설정되었다. 도시된 바와 같이,
Figure 112019129005180-pat00219
=1s에서
Figure 112019129005180-pat00220
가 가변되었을 때와
Figure 112019129005180-pat00221
=2s에서 부하 저항 값
Figure 112019129005180-pat00222
이 가변 되었을 때, 즉, 내부 파라미터와 부하 조건이 변동 되었을 때, 상기 표 1의 고장 없음으로 설정된 진단 기준 내에서 인덕터 전류 및 출력 전압에 대한 잔차값이 산출되었다.
반면, 도 8의 ⒞와 ⒟ 그래프는 상기 비례 적분형 상태 관측기를 사용하여 정규화 된 잔차를 산출한 그래프로써, 상기 출력 전압에 대한 잔차는 상기 표 1의 고장 없음으로 설정된 진단 기준 내에서 잔차가 산출되었지만,
Figure 112019129005180-pat00223
=1s에서 출력 전압 기준
Figure 112019129005180-pat00224
가 100V에서 150V로 가변되었을 때, 즉, 파라미터 조건이 변동되었을 때, 인덕터 전류에 대한 정규화 된 잔차는 고장 없음으로 진단될 수 있는 임계값을 초과하여 고장으로 진단될 수 있는 값으로 산출되었다.
상기 비례 적분형 상태 관측기를 사용했을 때, 정상 상태의 조건에서 고장으로 오진단 된 것은 상기 비례 적분형 상태 관측기가 파라미터의 변동에 따라 센서의 결함에 대해 잘못 진단될 수 있다는 단점을 보여주고 있다.
반면, 상기 외란 관측기(110) 기반 상태 관측기(120)를 사용했을 때, 파라미터와 부하 조건의 변동에도 정상 상태의 잔차 값이 산출된 것은 파라미터 또는 부하 조건의 변동에 관계없이 강인하게 센서의 결함을 진단할 수 있다는 장점을 보여 주고 있다.
제 2 실시예
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 회로 개방 고장 상태의 고장 진단 성능 실험에서 산출된 정규화 된 잔차 및 플래그 그래프이고, 도 10은 본 발명의 제 바람직한 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 증폭비 변동 고장 상태의 고장 진단 성능 실험에서 산출된 정규화 된 잔차 및 플래그 그래프이며, 도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 비정상적 노이즈 고장 상태의 고장 진단 성능 실험에서 산출된 정규화 된 잔차 및 플래그 그래프이다.
이 때, 상기 회로 개방, 증폭비 변동, 비정상적 노이즈 고장 상태에 대한 신호가
Figure 112019129005180-pat00225
=1s에서 주입되었고, 상기 DC/DC 부스트 컨버터의 구동 조건은
Figure 112019129005180-pat00226
= 100V,
Figure 112019129005180-pat00227
= 50Ω으로 고정되었다.
도 9의 (b)에서 도시하고 있는 바와 같이, 상기 전류 센서에 회로 개방 고장이 발생했을 때, 상기 정규화 된 잔차값은
Figure 112019129005180-pat00228
= -1이 산출되었고, 고장 플래그는
Figure 112019129005180-pat00229
= 1이 산출되었다. 상기 표 1의 진단 조건에 의해 회로 개방 고장으로 판단될 수 있는 값이 산출 되었고, 상기 전압 센서에 회로 개방 고장이 발생했을 때 또한, 도 9의 (f)에서 도시하고 있는 바와 같이, 상기 정규화 된 잔차값은
Figure 112019129005180-pat00230
= -1, 고장 플래그는
Figure 112019129005180-pat00231
= 1이 산출되어 상기 전압 센서부의 회로 개방 고장이 발생된 것으로 판단될 수 있다.
또한, 도 10의 (b)에서 도시하고 있는 바와 같이, 상기 전류 센서에 증폭비 변동 고장이 발생했을 때, 상기 표 1의 증폭비 변동 고장 진단 기준에 해당하는 상기 정규화 된 잔차가 산출되었고, 고장 플래그
Figure 112019129005180-pat00232
= 2 가 산출되어, 전류 센서에서 증폭비 변동 고장이 발생했음을 알 수 있다. 그리고 상기 전압 센서에 증폭비 변동 고장이 발생했을 때에도 도 10의 (f)에서 도시하고 있는 바와 같이, 상기 표 1의 증폭비 변동 고장 진단 기준에 해당하는 상기 정규화 된 잔차와 고장 플래그 값이 산출되었고, 상기 전압 센서에 증폭비 변동 고장이 발생된 것으로 판단될 수 있다.
마찬가지로, 도 11의 (b)에서 도시하고 있는 바와 같이, 상기 전류 센서에 비정상적 노이즈 고장이 발생했을 때, 상기 표 1의 비정상적 노이즈 고장 진단 기준에 해당하는 상기 정규화 된 잔차 및 고장 플래그 값이 산출 되었고, 상기 전압 센서에 비정상적 노이즈 고장이 발생했을 때, 상기 표 1의 비정상적 노이즈 고장 진단 기준에 해당하는 상기 정규화 된 잔차 및 고장 플래그 값이 산출되어, 상기 전류 센서 및 전압 센서에 비정상적 노이즈 고장이 발생된 것으로 판단될 수 있다.
상기 제 2 실시예에 따른 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템의 상기 센서의 고장 유형을 세 가지로 분류하여 고장 진단 기준을 설정함으로써, 상기 전류 센서 또는 전압 센서 중 고장난 센서의 종류 및 고장 유형을 빠르게 파악할 수 있기 때문에, 결함에 대한 대처 방법을 신속하게 결정하여, 상기 결함이 있는 센서를 신속하게 정상화 시킬 수 있다는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 상태 추정부
110 : 외란 관측기 (DOB : Disturbance Observer)
120 : 상태 관측기 (SO : State Observer)
200 : 고장 진단부
210 : 연산기 (Operator)
220 : 잔차 생성기 (RG : Residual Generator)
230 : 고장 진단기 (FD : Fault Diagnosis)
300 : 센서부(Sensor)

Claims (12)

  1. 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템에 있어서,
    상기 컨버터의 소정의 전압 및 전류를 측정하는 센서부;
    상기 컨버터의 스위치 듀티를 입력 받고, 상기 전압 및 전류에 해당하는 상태 변수를 추정하는 상태 추정부;
    상기 추정된 상태 변수, 상기 측정된 전압 및 전류를 기초로 상기 센서부의 고장을 진단하는 고장 진단부;를 포함하되,
    상기 상태 추정부는,
    상기 상태 변수 추정의 강인성을 높이기 위해서 외란을 고려하여 상태를 추정하는 것;
    상기 상태 추정부는,
    상기 측정된 전압 및 전류와 상기 컨버터의 스위치 듀티를 기초로 외란을 산출하는 외란 관측기; 및
    상기 컨버터의 스위치 듀티
    Figure 112021089803049-pat00306
    , 상기 산출된 외란
    Figure 112021089803049-pat00307
    을 입력받고, 추정된 상태변수
    Figure 112021089803049-pat00308
    와 상기 측정된 전압 및 전류와의 오차
    Figure 112021089803049-pat00309
    를 피드백 받아 상태변수를 추정해 출력하는 상태 관측기;
    를 포함하고,
    상기 컨버터의 모델은 하기 수학식과 같이 구성되고,

    [수학식]
    Figure 112021089803049-pat00310

    Figure 112021089803049-pat00311

    (이 때, 상수 벡터
    Figure 112021089803049-pat00312
    , 상기 컨버터의 모델의 시변 시스템 행렬
    Figure 112021089803049-pat00313
    , 상기 컨버터의 모델의 파라미터인 인덕턴스와 커패시턴스에 의한 외 란 시변 벡터
    Figure 112021089803049-pat00314
    ,
    Figure 112021089803049-pat00315
    ,
    Figure 112021089803049-pat00316
    : 상기 컨버터 모 델의 파라미터인 인덕턴스
    Figure 112021089803049-pat00317
    ,커패시턴스
    Figure 112021089803049-pat00318
    의 공칭계수, 상태 변수 벡터
    Figure 112021089803049-pat00319
    ,
    Figure 112021089803049-pat00320
    : 상태 변수 벡터
    Figure 112021089803049-pat00321
    시간
    Figure 112021089803049-pat00322
    에 대한 미분,
    Figure 112021089803049-pat00323
    : 듀티비,
    Figure 112021089803049-pat00324
    ,
    Figure 112021089803049-pat00325
    : 상태 변수 벡터,
    Figure 112021089803049-pat00326
    : 입력 전압의 초기값,
    Figure 112021089803049-pat00327
    : 컨버터의 파라미터인 인덕턴스
    Figure 112021089803049-pat00328
    의 구동조건 변동에 대한 외란치,
    Figure 112021089803049-pat00329
    : 컨버터의 파라미터인 커패시턴스
    Figure 112021089803049-pat00330
    의 구동조건 변동에 대한 외란치)
    상기 상태 관 측기는 하기 수학식과 같이 구성되는 것
    을 특징으로 하는 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템.
    [수학식]
    Figure 112021089803049-pat00331

    Figure 112021089803049-pat00332

    (이 때,
    Figure 112021089803049-pat00333
    : 상기 상태 관측기에 의해 추정된 상태 변수 벡터,
    Figure 112021089803049-pat00334
    : 선형 행렬 부등식(LMI : Linear matrix inequality)을 통해 설정된 관측 이득 행 렬,
    Figure 112021089803049-pat00335
    ,
    Figure 112021089803049-pat00336
    : 상기 상태 관측 기에 의해 추정된 상태 변수 벡터의 시간
    Figure 112021089803049-pat00337
    에 대한 미분,
    Figure 112021089803049-pat00338
    : 상기 외 란 관측기에 의해 추정된 외란,
    Figure 112021089803049-pat00339
    : 상기 상태 관측 기에 추정된 상태 변수 벡터)
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 상태 관측기는,
    상기 산출된 외란이 더해져서 상기 상태 변수의 변화 기울기가 설정되는 것
    을 특징으로 하는 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 상태 관측기는,
    상기 추정된 상태 변수와 상기 측정된 전압 및 전류간 오차에 소정의 관측 이득(L)이 곱해져서 상기 상태 변수의 변화 기울기가 설정되되,
    상기 관측 이득(L)은 선형 행렬 부등식(Linear matrix inequality)을 통해 설정되는 것
    을 특징으로 하는 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 외란 관측기는 하기 수학식과 같이 구성되는 것
    을 특징으로 하는 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템.
    [수학식]
    Figure 112021052935090-pat00263

    Figure 112021052935090-pat00264

    (이 때,
    Figure 112021052935090-pat00265
    : 상기 외란 관측기의 내부 파라미터 행렬,
    Figure 112021052935090-pat00266
    : 상기 외란 관측기의 추정 이득,
    Figure 112021052935090-pat00267
    : 상기 외란 관측기의 내부 파라미터 행렬의 시간
    Figure 112021052935090-pat00268
    에 대한 미분)
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 고장 진단부는,
    상기 추정된 상태 변수, 상기 측정된 전압 및 전류의 정규화 된 잔차값을 기초로 상기 센서부의 고장을 진단하는 것
    을 특징으로 하는 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 정규화된 잔차값은 하기 수학식에 의해서 산출되는 것
    을 특징으로 하는 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템.
    [수학식]
    Figure 112019129005180-pat00269

    Figure 112019129005180-pat00270

    (이 때,
    Figure 112019129005180-pat00271
    : 인덕터 전류에 대한 정규화 된 잔차,
    Figure 112019129005180-pat00272
    : 출력 전압에 대한 정규화 된 잔차,
    Figure 112019129005180-pat00273
    : 상기 센서부에서 측정된 인덕터 전류,
    Figure 112019129005180-pat00274
    : 상기 센서부에서 측정된 출력 전압,
    Figure 112019129005180-pat00275
    : 상기 상태 관측기에서 추정된 인덕터 전류,
    Figure 112019129005180-pat00276
    : 상기 상태 관측기에서 추정된 출력 전압,
    Figure 112019129005180-pat00277
    : 인덕터 전류 상태 기준 ,
    Figure 112019129005180-pat00278
    : 출력 전압 상태 기준,
    Figure 112019129005180-pat00279
    : 시간)
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 고장 진단부는,
    상기 정규화된 잔차값을 기초로 상기 센서의 단선, 증폭비 변동, 및 비정상적 노이즈에 의한 고장 여부를 판별하는 것
    을 특징으로 하는 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 고장 진단부는,
    하기 수학식와 같은 경우에 상기 센서가 단선된 것으로 판단하는 것
    을 특징으로 하는 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템.
    [수학식]
    Figure 112019129005180-pat00280

    (이 때,
    Figure 112019129005180-pat00281
    : 정규화 된 잔차,
    Figure 112019129005180-pat00282
    : 인덕터 전류 및 출력 전압 상태 기준,
    Figure 112019129005180-pat00283
    ,
    Figure 112019129005180-pat00284
    : 시간)
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 고장 진단부는,
    하기 수학식과 같은 경우에 상기 센서의 증폭비가 변동된 것으로 판단하는 것
    을 특징으로 하는 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템.
    [수학식]
    Figure 112019129005180-pat00285

    (이 때,
    Figure 112019129005180-pat00286
    : 정규화 된 잔차,
    Figure 112019129005180-pat00287
    : 잔차 임계값,
    Figure 112019129005180-pat00288
    )
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 고장 진단부는,
    하기 수학식과 같은 경우에 비정상적 노이즈로 인한 고장 여부를 판단하는 것
    을 특징으로 하는 컨버터를 위한 센서 고장 진단 시스템.
    [수학식]
    Figure 112019129005180-pat00289

    (이 때,
    Figure 112019129005180-pat00290
    : 고장 플래그값,
    Figure 112019129005180-pat00291
    : 정규화 된 잔차,
    Figure 112019129005180-pat00292
    ,
    Figure 112019129005180-pat00293
    : 잔차 임계값,
    Figure 112019129005180-pat00294
    : 시간)
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S. Zhuo 외 5인, Active disturbance rejection voltage control of a floating interleaved DC-DC boost converter with switch fault consideration, IEEE Trans. on Power Electronics, 2019.3.17., vol.34, no.12.*

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