KR102494391B1 - 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법 - Google Patents

모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터 위치센서 고장 진단 및 보상방법에 관한 것으로서, 특히 모터 제어기의 입출력 DC전류 센서를 통해 취득되는 DC전류 정보를 통해 현재 모터 운전점에서의 출력이 정상상태인지 여부를 진단하고, 출력 저하 발생 시 이를 보상하는 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법에 관한 것이다. 구성은 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법으로서, (a) 모터제어기(MCU)의 정상 상태 여부를 확인하는 단계와; (b) 모터 위치센서 고장 진단 시작을 위한 운전점을 확인하는 단계와; (c) 모터의 속도와 토크를 이용한 모터 출력값을 산출하는 단계와; (d) 고장 진단 운전점에서의 DC 전류 기준값을 산출하는 단계와; (e) 모터제어기의 DC 전류 평균값을 획득하는 단계와; (f) 모터제어기의 DC 전류 평균값과 기준값을 비교하여 출력 저하 여부를 확인하는 단계와; (g) 출력 저하 발생 시 위치센서 오프셋을 보상하는 단계와; (h) 위치센서 오프셋 보상 후 출력 정상화 여부를 확인하는 단계; 를 포함 한다.

Description

모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법{Motor Position Sensor Fault Finding and Compensation Method}
본 발명은 모터 위치센서 고장 진단 및 보상방법에 관한 것으로서, 특히 모터 제어기의 입출력 DC전류 센서를 통해 취득되는 DC전류 정보를 통해 현재 모터 운전점에서의 출력이 정상상태인지 여부를 진단하고, 출력 저하 발생 시 이를 보상하는 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량을 구동하기 위한 차량용 구동모터는 구동모터의 속도와 회전자의 각도를 검출하기 위해 고정자와 회전자에 각각 2상(相)권선을 가진 리졸버(resolver)와 같은 각도 센서를 이용한다.
그리고, 리졸버에 의해 검출된 회전자 위치 신호는 모터제어기(MCU)의 리졸버-디지털 변환기를 통해 마이크로컴퓨터로 전달되고, 이러한 위치신호 데이터를 통해 모터제어기(MCU)는 각 모터의 구동을 제어한다.
이와 같은 모터 위치센서는 조립 오차 등으로 인해 위치신호 오프셋이 발생하므로 모터제어기(MCU)에 해당 위치신호 오프셋 데이터를 입력하여 모터 구동 시 이를 보상하고 있다.
그러나, 종래에는 모터제어기(MCU)에 위치신호 오프셋 데이터가 미 입력되거나 장착불량에 의한 변형으로 인해 모터 위치신호 오프셋이 변동된 경우, 이를 진단 및 보상하기 어렵기 때문에 모터 출력 저하가 발생하는 문제점이 있었다.
뿐만 아니라, 이러한 모터 출력저하는 친환경 자동차의 주행성능 및 충전성능을 포함한 차량의 전반적인 성능을 저하시킬 수 있으며, 심화될 경우 주행 불가나 배터리 손상 발생과 같은 치명적인 문제점이 있다.
공개번호 제10-2017-0068783호
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 모터의 구동 및 회생 작동 시 모터제어기의 입출력 DC전류 센서를 통해 취득되는 DC전류 정보를 통해 현재 모터 운전점에서의 출력이 정상상태인지 여부를 진단하고, 모터 위치센서의 오프셋 미 입력 및 변형에 의한 출력 저하 발생 시 이를 보상토록 하는 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법으로서, (a) 모터제어기(MCU)의 정상 상태 여부를 확인하는 단계와; (b) 모터 위치센서 고장 진단 시작을 위한 운전점을 확인하는 단계와; (c) 모터의 속도와 토크를 이용한 모터 출력값을 산출하는 단계와; (d) 고장 진단 운전점에서의 DC 전류 기준값을 산출하는 단계와; (e) 모터제어기의 DC 전류 평균값을 획득하는 단계와; (f) 모터제어기의 DC 전류 평균값과 기준값을 비교하여 출력 저하 여부를 확인하는 단계와; (g) 출력 저하 발생 시 위치센서 오프셋을 보상하는 단계와; (h) 위치센서 오프셋 보상 후 출력 정상화 여부를 확인하는 단계; 를 포함한다.
본 발명은 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법에 있어서, 상기 (a) 단계에서, 모터제어기의 현재 동작 상태가 정상인지 아닌지 판단하기 위해 고장코드가 존재하는지 여부를 확인하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법에 있어서, 상기 (b) 단계에서, 모터 위치센서의 지정된 고장진단 운전점은 시스템 효율맵 상에서 효율 변화가 가장 작은 영역을 선택하여 고장 진단의 정확성을 향상시키도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법에 있어서, 상기 (c) 단계에서 모터의 출력값을 산출하기 위해 아래의 계산식,
모터출력 = 모터속도 × 1/60 × 2π × 모터토크
를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법에 있어서, 상기 (d) 단계에서 DC 전류 기준값의 산출은 아래의 계산식,
Figure 112021049454777-pat00001
을 통해 산출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법에 있어서, 상기 (f) 단계에서, 출력 저하 여부를 확인시, 상기 (e) 단계에서 측정한 DC 전류와 모터 출력으로부터 산출된 DC 전류 기준값을, 아래와 같이
| i_dc | ≤ | i_ref x 0.95 | 비교하여 현재 출력이 정상인지 여부를 확인하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법에 있어서, 상기 (h) 단계에서, 위치신호 오프셋을 보상한 이후의 모터 출력이 정상인지 여부를 확인하기 위해 DC 전류 측정값과 DC 전류 기준값 비교를 재 수행하는 것을 특징으로 한다.
이상에서와 같이 본 발명은 모터의 제작 과정에서 발생하는 위치센서 오프셋이 미입력되거나 위치센서의 장착이 불량하여 위치센서 오프셋이 변동된 경우에 발생하는 모터 출력저하를 보상할 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명은 모터에 별도의 토크센서를 장착하지 않고도 모터제어기(MCU)에 입력되는 DC 전류를 이용하여 현재 모터의 출력이 정상인지 여부를 판별할 수 있기 때문에 추가 비용이 발생하지 않아 비용절감을 이루는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 출력 저하 정도에 따라 그 심각성을 차량의 운전자에게 알려주어 주행 불가에 따른 사고를 예방할 수 있으며, 모터제어기(MCU)의 잘못된 회생 동작으로 인한 고전압 배터리의 소손을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터제어기에서의 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법에 대한 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 일반적인 모터제어시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 모터의 위치센서 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 모터 출력 정상화를 위한 위치센서 오프셋 보상 테이블이다.
도 6은 본 발명에 따른 위치신호 오프셋 보상 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.
여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법은, (a) 모터제어기(MCU)의 정상 상태 여부를 확인하는 단계와; (b) 모터 위치센서 고장 진단 시작을 위한 운전점을 확인하는 단계와; (c) 모터의 속도와 토크를 이용한 모터 출력값을 산출하는 단계와; (d) 고장 진단 운전점에서의 DC 전류 기준값을 산출하는 단계와; (e) 모터제어기의 DC 전류 평균값을 획득하는 단계와; (f) 모터제어기의 DC 전류 평균값과 기준값을 비교하여 출력 저하 여부를 확인하는 단계와; (g) 출력 저하 발생 시 위치센서 오프셋을 보상하는 단계와; (h) 위치센서 오프셋 보상 후 출력 정상화 여부를 확인하는 단계; 를 포함하여 이루어진다.
한편, 상기와 같은 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법을 위해서는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 모터 제어시스템(100)이 사용된다.
즉, 상기 모터 제어시스템(100)은 모터제어기(110)와, 상기 모터 제어기(110)의 양측으로 위치하는 좌측 전류센서(120) 및 우측 전류센서(130)와, 상기 좌측 전류센서(120)의 일측으로 위치하는 고전압배터리(140) 및 상기 우측 전류센서(130)의 일측으로 위치하는 위치센서(151)를 갖는 모터(150)를 포함하여 이루어진다.
그리고, 상기 위치센서(151)는 도 4에 도시된 바와 같이 오프셋(offset)을 보상할 수 있도록 구성된다.
상기 (a) 단계는, 모터제어기(MCU)의 정상 상태 여부를 확인한다.(S10)
즉, 모터제어기(motor controller unit)의 현재 동작 상태가 정상인지 아닌지 판단하기 위해 고장코드가 존재하는지 여부를 확인한다.
현재 시판되고 있는 대부분의 자동차에는 각종 센서로부터의 감지신호를 입력받아 차량을 제어하는 여러 전자제어유닛(ECU)들을 가지고 있다.
그리고, 상기와 같은 전자제어유닛(ECU)들은 각각의 마이크로컴퓨터를 이용한 자기 진단 기능(self diagnosis function)을 가지고 있어 각종 센서나 모터 등의 기능에 대한 상태를 검출한 다음 고장이 발생한 부품에 대해서는 그에 대응하는 진단고장코드를 내부의 메모리에 저장하고, 메모리에 저장되어 있는 진단고장코드는 다양한 방법에 의해 외부장치로 출력되도록 되어 있다.
이 때, 전자제어유닛(ECU)은 일정한 규약 예컨대, DTC(Diagnostic Trouble Codes) 체계에 따라 진단고장코드를 출력하게 된다.
이와 같이, 본 발명은 차량용 부품의 하나인 모터제어기의 고장 코드가 존재하는지 여부를 확인하여 현재 동작 상태가 정상인지 아닌지 고장 원인 분석에 중요한 정보로 이용하는 것이 바람직하다.
상기 (b) 단계는, 모터 위치센서 고장 진단 시작을 위한 운전점을 확인한다.(S20)
즉, 모터 위치센서의 고장 진단 운전점을 확인하기 위해 현재 모터의 속도와 모터 권선의 온도가 지정한 운전점에 존재하는지를 판별한다.
구체적으로, 모터 위치센서의 지정된 고장진단 운전점은 현재 모터의 속도와 모터 권선의 온도가 지정한 운전점에 존재하는지를 판별하여 시스템 효율맵 상에서 효율 변화가 가장 작은 영역을 선택하여 고장 진단의 정확성을 향상시킨다.
A ≤ 모터 속도(RPM) ≤ B
F ≤ 모터 온도(℃) ≤ G
예컨대, 상기 A의 모터 속도는 3000rpm이고, 상기 B의 모터속도는 4000rpm 즉, 3000rpm ≤ 모터 속도 ≤ 4000rpm이다.
그리고, 상기 F의 모터 온도는 80℃이고, G의 모터 온도는 120℃ 즉, 80℃ ≤ 모터 온도 ≤ 120℃ 이다.
여기서, 상기 모터 제어기는 3상 스위칭 회로의 스위칭 주파수에 의하여 결정되는 PWM 듀티의 업데이트 주기마다 PWM 듀티 결정에 필요한 모터 위치 및 속도 계산 등을 수행하는 것과, 모터의 온도를 측정하는 센서(미도시)의 출력 신호에 따라서, 회전자의 회전 주기 중 운전구간이 시작되는 운전점과, 비운전구간이 시작되는 비운전점이 변경되는 것으로부터 확인할 수 있는 것이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기 (c) 단계는, 모터의 속도와 토크를 이용한 모터 출력값을 산출한다.(S30)
즉, 상기 (b) 단계에서 확인된 모터 위치센서의 고장 진단 운전점에서 모터의 출력값을 산출하기 위해 아래의 계산식을 이용한다.
모터 토크의 경우 차량 제어기에서 모터제어기로 요청한 값을 사용한다.
모터출력 = 모터속도 × 1/60 × 2π × 모터토크
예컨대, 모터출력 80㎾ = 모터속도 3475rpm × 1/60 × 2π × 220Nm
상기 (d) 단계는, 고장 진단 운전점에서의 DC 전류 기준값을 산출한다.(S40)
즉, 모터 위치센서의 고장 진단 운전점에서의 DC전류 기준값(i_ref)은 아래의 계산식을 통해 산출되며, 모터제어기(MCU) DC 링크 전압(DC_Link)의 경우 일정한 시간(t) 동안의 평균값을 이용한다.
여기서, 아래의 계산식에서 시스템 효율(S_Eff)은 모터제어기와 모터 전체의 효율을 말하며, 그 값은 시험을 통해 획득된 효율맵에서 해당하는 값을 가져온다.
Figure 112021049454777-pat00002
예컨대, DC 전류는 127A = 모터출력 80000W/(DC 링크 전압 700V×시스템 효율 0.9)
상기 (e) 단계는, 모터제어기의 DC 전류 평균값을 획득한다.(S50)
즉, 상기 (e) 단계의 모터제어기(MCU)의 DC전류(i_dc)는 고전압 배터리로부터 입력되는 전류를 일정한 시간(t) 동안의 평균값을 이용하여 측정한다.
Figure 112021049454777-pat00003
예컨대, DC 전류 평균값(Average(i_dc)) = 115A(t=1ms)
상기 (f) 단계는, 모터제어기의 DC 전류 평균값과 기준값을 비교하여 출력 저하 여부를 확인한다.(S60)
즉, 상기 (e) 단계에서 측정한 DC 전류(i_dc)와 모터 출력으로부터 산출된 DC 전류 기준값(i_dc)을 하기와 같이 비교하여 현재 출력이 정상인지 여부를 확인한다.
이때, DC 전류(i_dc)의 측정오차를 고려하여 DC 전류 기준값(i_dc)에 오차범위(5%)를 뺀 나머지와 절대값으로 비교하며, 오차범위의 경우 시스템마다 상이하다.
| i_dc | ≤ | i_ref x 0.95 |
예컨대, DC 전류| 115A | ≤ | DC 전류 기준값 127A × 0.95 | 이면, 출력 이상 상태이다.
상기 (g) 단계는, 출력 저하 발생 시 위치센서 오프셋을 보상한다.(S70)
즉, DC 전류 측정값(i_dc)과 DC 전류 기준값(i_ref) 비교 결과 출력 저하가 발생할 경우, 시험을 통해 획득한 위치센서 오프셋 보상테이블에서 해당 비율(%)의 오프셋 보상값 'α'(rad)을 가져와서 현재 위치신호 오프셋(Theta)에 합산하여 재입력한다.
Theta_comp = Theta ± α
예컨대, DC 전류 기준값(i_ref) 대비 DC 전류 측정값(i_dc)이 90%일 경우
Theta_comp = 0.01 + 0.48 = 0.49 rad
상기 (h) 단계는, 위치센서 오프셋 보상 후 출력 정상화 여부를 확인한다.(S80)
즉, 위치신호 오프셋을 보상한 이후의 모터 출력이 정상인지 여부를 확인하기 위해 DC 전류 측정값(i_dc)과 DC 전류 기준값(i_ref) 비교를 재 수행한다.
만약, 위치신호 오프셋을 보상했음에도 불구하고 여전히 모터의 출력저하가 발생한다면 위치센서 고장을 확정하고 고장코드를 발생시켜 모터제어를 중단한다.
반대로 모터 출력이 정상상태로 확인되면 "위치센서 오프셋 확인"이라는 경고 메세지를 차량 제어기로 전달하고 모터 위치센서 고장진단을 종료한다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 방법을 지속적으로 반복함으로써 현재 모터의 출력이 정상인지 여부를 판별하여 모터 출력저하를 보상할 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
100 : 모터 제어시스템 110 : 모터제어기
120 : 좌측 전류센서 130 : 우측 전류센서
140 : 고전압배터리 150 : 모터
152 : 위치센서

Claims (7)

  1. 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법으로서,
    (a) 모터제어기(MCU)의 정상 상태 여부를 확인하는 단계와;
    (b) 모터 위치센서 고장 진단 시작을 위한 운전점을 확인하는 단계와;
    (c) 모터의 속도와 토크를 이용한 모터 출력값을 산출하는 단계와;
    (d) 고장 진단 운전점에서의 DC 전류 기준값을 산출하는 단계와;
    (e) 모터제어기의 DC 전류 평균값을 획득하는 단계와;
    (f) 모터제어기의 DC 전류 평균값과 기준값을 비교하여 출력 저하 여부를 확인하는 단계와;
    (g) 출력 저하 발생 시 위치센서 오프셋을 보상하는 단계와;
    (h) 위치센서 오프셋 보상 후 출력 정상화 여부를 확인하는 단계; 를 포함하는 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서, 모터제어기의 현재 동작 상태가 정상인지 아닌지 판단하기 위해 고장코드가 존재하는지 여부를 확인하는 것을 특징으로 하는 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 모터 위치센서의 지정된 고장진단 운전점은 시스템 효율맵 상에서 효율 변화가 가장 작은 영역을 선택하여 고장 진단의 정확성을 향상시키도록 하는 것을 특징으로 하는 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 모터의 출력값을 산출하기 위해 아래의 계산식,
    모터출력 = 모터속도 × 1/60 × 2π × 모터토크
    을 사용하는 것을 특징으로 하는 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 DC 전류 기준값의 산출은 아래의 계산식,
    Figure 112021049454777-pat00004

    을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (f) 단계에서, 출력 저하 여부를 확인시, 상기 (e) 단계에서 측정한 DC 전류와 모터 출력으로부터 산출된 DC 전류 기준값을, 아래와 같이
    | i_dc | ≤ | i_ref x 0.95 |
    비교하여 현재 출력이 정상인지 여부를 확인하는 것을 특징으로 하는 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (h) 단계에서, 위치신호 오프셋을 보상한 이후의 모터 출력이 정상인지 여부를 확인하기 위해 DC 전류 측정값과 DC 전류 기준값 비교를 재 수행하는 것을 특징으로 하는 모터 위치센서 고장 진단 및 보상 방법.
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