KR102632755B1 - 모터시스템의 고장 검출 방법 및 장치 - Google Patents

모터시스템의 고장 검출 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전자의 이상 유무를 판정할 수 있는 모터시스템의 고장 검출 방법 및 장치를 제공하기 위하여, 모터의 회전 속도를 기준 속도까지 증가시키는 제1단계와, 고정자의 d축 전류 및 q축 전류를 각각 0으로 제어하고, 계자 권선에 기준 전류를 인가하는 제2단계와, 고정자의 d축 전류 및 q축 전류와 기준 전류에 따라 정해지는 고정자의 q축 전압을 기준 전압과 비교하는 제3단계와, 비교 결과에 따라 회전자의 이상 유무를 판정하는 제4단계를 포함하는 모터 시스템의 고장 검출 방법 및 장치를 제공한다.

Description

모터시스템의 고장 검출 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING FAILURE OF MOTOR SYSTEM}
본 발명은 회전자의 이상 유무를 판정할 수 있는 모터시스템의 고장 검출 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 친환경 자동차의 개발로 인해 모터의 연구 개발의 비중이 높아지고 있는 추세이다.
특히, 계자 권선형 모터는 영구자석을 사용하지 않기 때문에 탈희토류가 가능하고, 운전 영역이 넓다는 장점이 있어 영구자석 모터를 대체할 수 있는 대표적인 모터라고 할 수 있다.
한편, 모터의 고장을 간과하고 모터를 구동하게 되면 모터 및 모터를 제어하는 제어 시스템이 손상되기 때문에, 모터의 고장 여부를 판단하는 것은 매우 중요하며, 최근에 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히, 모터의 회전자는 고속으로 회전하기 때문에 고장에 가장 취약하다.
종래에는 전류 센서를 이용하여 모터의 고장 여부를 판단하였다. 즉, 전류센서에 의해 측정된 전류가 미리 설정된 기준 값 미만으로 일정시간 이상 지속 될 경우에 모터가 고장인 것으로 판단하였다.
그러나, 이와 같은 방법은 전류 센서에 의해 측정된 전류가 정확하다는 전제하에 모터의 고장 여부를 판단하는 것으로서, 전류 센서 내지 모터를 제어하는 제어 시스템에 이상이 발생한 경우에는 모터의 고장을 정확히 판단할 수 없는 문제점이 발생한다.
이에 따라, 모터 고장 여부에 대한 부정확한 판단으로 인해 모터 고장을 간과하고 모터를 구동함으로써, 모터 및 모터를 제어하는 제어 시스템이 손상되는 문제점이 발생한다.
본 발명은 회전자의 이상 유무를 판정할 수 있는 모터시스템의 고장 검출 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전류 센서의 이상을 미리 판정하여 모터 시스템의 손상을 방지할 수 있는 모터시스템의 고장 검출 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 모터의 회전 속도를 기준 속도까지 증가시키는 제1단계와, 고정자의 d축 전류 및 q축 전류를 각각 0으로 제어하고, 계자 권선에 기준 전류를 인가하는 제2단계와, 고정자의 d축 전류 및 q축 전류와 기준 전류에 따라 정해지는 고정자의 q축 전압을 기준 전압과 비교하는 제3단계와, 비교 결과에 따라 회전자의 이상 유무를 판정하는 제4단계를 포함하는 모터 시스템의 고장 검출 방법을 제공한다.
또한, 제3단계 및 제4단계를 반복 수행하여, 회전자의 이상 횟수를 카운트하는 제5단계와, 회전자의 이상 횟수가 기준 횟수 이상이면 모터 시스템의 고장으로 판정하는 제6단계를 더 포함한다.
또한, 회전자의 이상이 연속적으로 판정되는 경우 모터 시스템의 고장으로 판정한다.
또한, 기준 전류가 0보다 큰 경우, 고정자의 q축 전압이 기준 전압 보다 작으면 회전자의 이상으로 판정한다.
또한, 기준 전류가 0인 경우, 고정자의 q축 전압이 기준 전압 보다 크면 회전자의 이상으로 판정한다.
또한, 제1단계 내지 제4단계는 회전 중인 상기 모터의 출력이 0일 때 실행된다.
또한, 모터의 회전 속도가 기준 속도까지 증가되면, 고정자의 d축 전류 및 q축 전류를 각각 0으로 제어하고, 계자 권선에 기준 전류를 인가하는 전류 인가부와, 고정자의 d축 전류 및 q축 전류와 기준 전류에 따라 정해지는 고정자의 q축 전압을 기준 전압과 비교하는 비교부와, 비교 결과에 따라 회전자의 이상 유무를 판정하는 제1판정부와, 회전자의 이상 횟수를 카운트하는 카운터와, 회전자의 이상 횟수가 기준 횟수 이상이면 모터 시스템의 고장으로 판정하는 제2판정부를 포함하는 모터 시스템의 고장 검출 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면 고정자의 q축 전압을 이용하여 회전자의 이상 유무를 판정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 전류 센서의 이상을 미리 판정하여 모터 시스템의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 전류 센서 또는 제어 시스템에 이상이 발생하지 않은 경우에는 전류 센서를 이용해 모터 시스템의 고장을 판정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 모터의 고장 검출 방법의 흐름도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 모터 시스템의 고장 검출 방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 모터시스템의 고장 검출 장치의 블록도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참고부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
<제 1 실시예>
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 모터의 고장 검출 방법의 흐름도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 모터의 고장 검출 방법은 모터 회전 중 모터의 계자 권선에 흐르는 계자 전류를 측정하고, 측정된 계자 전류를 기준 전류와 비교하는 제1단계(S110)와, 상기 비교 결과에 따라 회전자의 이상 유무를 판정하는 제2단계를 포함한다.
여기서, 계자 전류는 회전자의 계자 권선에 흐르는 전류로서, 전류 센서를 이용해 측정된다. 그리고, 기준 전류는 과전류로 인한 회전자의 이상 유무를 판단하는 기준으로서 모터 사양에 따라 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다.
이때, 계자 전류와 기준 전류를 비교하여 계자 전류가 기준 전류를 초과하면 과전류로 인한 회전자의 이상으로 판정할 수 있다.
본 발명의 제1실시예에 따른 모터의 고장 검출 방법은 상기 제1단계(S110) 및 제2단계를 반복 수행하여 회전자 이상 횟수를 카운트하는 제3단계(S130)와, 회전자 이상 횟수가 기준 횟수 이상이면 모터의 고장으로 판정하는 제4단계(S140)를 더 포함할 수 있다.
제3단계(S130) 및 제4단계(S140)는, 상기 제2단계에서 판정된 과전류로 인한 회전자 이상이 일시적 또는 단속적일 수 있기 때문에, 회전자 이상 유무의 정확한 판정을 위해 회전자 이상 횟수가 연속적으로 일정한 기준 횟수 이상인 경우에 한해 모터의 고장으로 판정할 수 있다. 한편, 이와 같은 기준 횟수는 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 모터의 고장 검출 방법은 전류 센서를 이용하여 계자 전류를 측정하고 이를 기준 전류와 비교하여 회전자의 이상 유무를 판정하기 때문에, 상기 전류 센서 또는 회전자의 이상 유무를 판정하는 제어 시스템에 이상이 발생했을 경우에는 회전자의 이상 유무를 판정할 수 없는 문제점이 발생할 수 있다.
<제 2 실시예>
모터의 고정자와 회전자는 서로 비접촉되는 상태로 구성되지만, 전자기 유도 방식에 의해 상호 영향을 미치게 된다. 이를 기초로, 본 발명의 제2실시예에 따른 모터 시스템의 고장 판정 방법은, 회전자의 이상 유무를 판정함에 있어 고정자의 q축 전압을 이용한다.
아래의 수학식 1 내지 5는 모터의 전압 방정식이다. 먼저, 고정자 3상 전압을 abc 좌표계에서 d-q 좌표계로 변환하면 고정자의 d축 전압(Vds) 및 고정자의 q축 전압(Vqs)에 관한 아래의 수학식 1 및 수학식 2가 전개된다.
여기서, Vds는 고정자의 d축 전압, Rs는 고정자의 저항, Ids는 고정자의 d축 전류, λds는 고정자의 d축 쇄교 자속, ωr은 회전자의 각속도, λqs는 고정자의 q축 쇄교 자속이다.
여기서, Vqs는 고정자의 q축 전압, Rs는 고정자의 저항, Iqs는 고정자의 q축 전류, λds는 고정자의 d축 쇄교 자속, ωr은 회전자의 각속도, λqs는 고정자의 q축 쇄교 자속이다.
다음, 고정자 3상 쇄교 자속을 abc 좌표계에서 d-q 좌표계로 변환하면 고정자의 고정자의 d축 쇄교 자속(λds) 및 고정자의 q축 쇄교 자속(λqs)에 관한 아래의 수학식 3 및 수학식 4가 전개된다.
여기서, λds는 고정자의 d축 쇄교 자속, Lds는 고정자의 d축 인덕턴스, Ids는 고정자의 d축 전류, φf는 계자 자속이다.
여기서, λqs는 고정자의 q축 쇄교 자속, Lqs는 고정자의 q축 인덕턴스, Iqs는 고정자의 q축 전류이다.
여기서, φf는 계자 자속, Lf는 계자 인덕턴스, If는 계자 전류이다.
이때, 모터가 정상 상태이고, 고정자의 d축 전류(Ids) 및 q축 전류(Iqs)가 0으로 제어되면, 상기 수학식 3 내지 수학식 5에 의해 수학식 1 및 수학식 2는 아래의 수학식 6 및 수학식 7로 간소화 될 수 있다.
상기 수학식 7에 의하면, 고정자의 q축 전압(Vqs)은 계자 전류(If)에 비례하는 관계가 성립함을 알 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 모터 시스템의 고장 검출 방법의 흐름도이다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 모터 시스템의 고장 검출 방법은 모터의 회전 속도를 기준 속도까지 증가시키는 제1단계(S210, S310)와, 고정자의 d축 전류(Ids) 및 q축 전류(Iqs)를 각각 0으로 제어하고, 계자 권선에 기준 전류를 인가하는 제2단계(S220, S320)와, 고정자의 q축 전압(Vqs)을 기준 전압과 비교하는 제3단계(S230, S330)와, 상기 비교 결과에 따라 회전자의 이상 유무를 판정하는 제4단계를 포함한다.
먼저, 제1단계(S210, S310)는 모터의 회전 속도를 기준 속도 예를 들면, 1000rpm까지 증가시켜 정상 상태를 만든다.
다음, 제2단계(S220, S320)는 상기 수학식 7이 적용될 수 있도록 고정자의 d축 전류(Ids) 및 q축 전류(Iqs)를 각각 0으로 제어한다. 이에 따라, 고정자의 q축 전압(Vqs)은 계자 전류(If)에 비례하는 관계가 성립하게 된다.
그리고, 계자 권선에 흐르는 계자 전류(If)로서 기준 전류를 인가하면, 기준 전류에 비례하는 고정자의 q축 전압(Vqs)을 산출할 수 있다. 이 때, 기준 전류는 회전자의 이상 유무를 판단하는 기준으로서 모터 사양에 따라 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다. 한편, 도 2에서는 기준 전류를 10A로 설정하였다.
다음, 제3단계(S330, S340)는 고정자의 d축 전류(Ids) 및 q축 전류(Iqs)와 상기 기준 전류에 따라 정해지는 고정자의 q축 전압(Vqs)을 기준 전압과 비교하고, 제4단계는 상기 비교 결과에 따라 회전자의 이상 유무를 판정한다.
여기서, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 기준 전류를 0보다 크게 설정하여 계자 권선에 인가한 경우, 측정된 고정자의 q축 전압(Vqs)과 기준 전압을 비교한 결과, 고정자의 q축 전압(Vqs)이 상기 기준 전압 보다 작으면 회전자의 이상으로 판정한다.
이 때, 상기 기준 전압은 상기 수학식 7에 의해 정해질 수 있으며, 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다.
구체적으로, 계자 인덕턴스(Lf)는 상수이고 기준 전류(계자 전류(If))는 0보다 큰 일정한 값이기 때문에, 고정자의 q축 전압(Vqs)은 회전자의 각속도(ωr)에 비례하는 일정한 값으로 산출된다. 이 때, 회전자가 정상일 때의 회전자의 각속도(ωr)를 상기 수학식 7에 적용하여 산출된 고정자의 q축 전압(Vqs)을 기준 전압으로 설정할 수 있다. 한편, 기준 전압은 앞서 설정된 기준 전류 10A에 대응되는 2V로 설정될 수 있다.
여기서, 측정된 고정자의 q축 전압(Vqs)이 상기 기준 전압 보다 작으면, 회전자의 각속도(ωr)는 회전자가 정상일 때의 회전자의 각속도(ωr) 보다 느린 것을 알 수 있으며, 이는 회전자의 물리적 구속 즉, 회전자의 이상을 나타낸다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 기준 전류가 0으로 설정하여 계자 권선에 인가한 경우, 고정자의 q축 전압(Vqs)과 기준 전압을 비교한 결과, 고정자의 q축 전압(Vqs)이 상기 기준 전압 보다 크면 회전자의 이상으로 판정한다.
여기서, 회전자가 정상일 때의 고정자의 q축 전압(Vqs)은, 기준 전류(계자 전류(If))가 0이기 때문에 상기 수학식 7에 의해 0으로 산출된다.
그리고, 기준 전압은 회전자가 정상일 때의 고정자의 q축 전압(Vqs)인 0으로 정해지거나 이에 일정한 오차값을 부가하여 정해질 수 있으며, 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다.
이 때, 측정된 고정자의 q축 전압(Vqs)이 상기 기준 전압 보다 크면, 회전자 또는 회전자의 이상 유무를 판정하는 제어 시스템에 이상이 발생한 것으로 판정할 수 있다.
본 발명의 제2실시예에 따른 모터 시스템의 고장 검출 방법은 상기 제3단계 및 제4단계를 반복 수행하여 회전자의 이상 횟수를 카운트하는 제5단계(S250, S350)와, 회전자의 이상 횟수가 기준 횟수 이상이면 모터 시스템의 고장으로 판정하는 제6단계(S260, S360)를 더 포함할 수 있다.
제5단계 및 제6단계((S250, S350), (S260, S360))는, 제4단계에서 판정된 회전자 이상이 일시적 또는 단속적일 수 있기 때문에, 회전자 이상 유무의 정확한 판정을 위해 회전자 이상 횟수가 연속적으로 일정한 기준 횟수 이상인 경우에 한해 모터 시스템의 고장으로 판정한다. 한편, 이와 같은 기준 횟수는 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다.
상기 제1단계 내지 제6단계는 회전 중인 모터의 출력이 0일 때 실행될 수 있다. 즉, 모터의 출력 패턴을 분석해 보면 전력을 흡수하는 모터링(Motoring) 구간과 전력을 공급하는 리제너레이팅(Regenerating) 구간이 반복된다. 이 때, 모터링 구간과 리제너레이팅 구간 경계는 모터의 출력이 0이 되고, 모터의 출력이 0이 되면 고정자의 d축 전류(Ids) 및 q축 전류(Iqs)도 0이 된다. 이에 따라, 고정자의 q축 전압(Vqs)과 계자 전류(If)는 비례하는 관계가 성립됨으로써, 회전자의 이상 유무를 판정함에 있어 고정자의 q축 전압(Vds)을 이용할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 모터시스템의 고장 검출 방법은 고정자의 q축 전압(Vqs)을 이용하여 회전자의 이상 유무를 판정할 수 있다. 또한, 전류 센서의 이상을 미리 판정하여 모터 시스템의 손상을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 제2실시예는 제1실시예를 배제하는 것은 아니며, 제1실시예 및 제2실시예를 함께 적용하여 모터 시스템의 고장을 판정할 수 있다. 즉, 전류 센서를 이용해 모터 시스템의 고장을 판정하고, 고정자의 q축 전압(Vqs)을 이용하여 모터 시스템의 고장을 판정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 모터시스템의 고장 검출 장치의 블록도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 모터시스템의 고장 검출 장치는 전류 인가부(110), 비교부(120), 제1 및 제2판정부(130, 150), 및 카운터(140)를 포함한다.
여기서, 전류 인가부(110)는 모터(100)의 회전 속도가 기준 속도까지 증가되면, 고정자의 d축 전류(Ids) 및 q축 전류(Iqs)를 각각 0으로 제어하고, 계자 권선에 기준 전류를 인가한다.
구체적으로, 모터(100)의 회전 속도를 기준 속도 예를 들면, 1000rpm까지 증가시켜 정상 상태를 만든다. 그리고, 상기 수학식 7이 적용될 수 있도록 고정자의 d축 전류(Ids) 및 q축 전류(Iqs)를 각각 0으로 제어한다. 이에 따라, 고정자의 q축 전압(Vqs)은 계자 전류(If)에 비례하는 관계가 성립하게 된다.
그리고, 계자 권선에 흐르는 계자 전류(If)로서 기준 전류를 인가하면, 기준 전류에 비례하는 고정자의 q축 전압(Vqs)을 산출할 수 있다. 이 때, 기준 전류는 회전자의 이상 유무를 판단하는 기준으로서 모터 사양에 따라 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다.
비교부(120)는 고정자의 d축 전류(Ids) 및 q축 전류(Iqs)와 상기 기준 전류에 따라 정해지는 고정자의 q축 전압(Vqs)을 기준 전압과 비교하고, 제1판정부(130)는 상기 비교 결과에 따라 회전자의 이상 유무를 판정한다.
여기서, 상기 기준 전류를 0보다 크게 설정하여 계자 권선에 인가한 경우, 측정된 고정자의 q축 전압(Vqs)과 기준 전압을 비교한 결과, 고정자의 q축 전압(Vqs)이 상기 기준 전압 보다 작으면 회전자의 이상으로 판정할 수 있다.
그리고, 상기 기준 전류가 0으로 설정하여 계자 권선에 인가한 경우, 고정자의 q축 전압(Vqs)과 기준 전압을 비교한 결과, 고정자의 q축 전압(Vqs)이 상기 기준 전압 보다 크면 회전자의 이상으로 판정할 수 있다.
카운터(140)는 회전자의 이상 횟수를 카운트하고, 제2판정부(150)는 회전자의 이상 횟수가 기준 횟수 이상이면 모터 시스템의 고장으로 판정한다.
구체적으로, 카운터(140) 및 제2판정부(150)는 제1판정부(130)에서 판정된 회전자 이상이 일시적 또는 단속적일 수 있기 때문에, 회전자 이상 유무의 정확한 판정을 위해 회전자 이상 횟수가 연속적으로 일정한 기준 횟수 이상인 경우에 한해 모터 시스템의 고장으로 판정한다. 한편, 이와 같은 기준 횟수는 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 모터시스템의 고장 검출 장치는 고정자의 q축 전압(Vqs)을 이용하여 회전자의 이상 유무를 판정할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100 : 모터
110 : 전류 인가부
120 : 비교부
130, 150 : 제1판정부, 제2판정부
140 : 카운터

Claims (7)

  1. 모터의 회전 속도를 기준 속도까지 증가시키는 제1단계;
    고정자의 d축 전류 및 q축 전류를 각각 0으로 제어하고, 계자 권선에 기준 전류를 인가하는 제2단계;
    상기 기준 전류에 비례하는 상기 고정자의 q축 전압을 기준 전압과 비교하는 제3단계; 및
    상기 비교 결과에 따라 회전자의 이상 유무를 판정하는 제4단계
    를 포함하는 모터 시스템의 고장 검출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3단계 및 제4단계를 반복 수행하여, 상기 회전자의 이상 횟수를 카운트하는 제5단계; 및
    상기 회전자의 이상 횟수가 기준 횟수 이상이면 상기 모터 시스템의 고장으로 판정하는 제6단계
    를 더 포함하는 모터 시스템의 고장 검출 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 회전자의 이상이 연속적으로 판정되는 경우 상기 모터 시스템의 고장으로 판정하는
    모터 시스템의 고장 검출 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 전류가 0보다 큰 경우, 상기 고정자의 q축 전압이 상기 기준 전압 보다 작으면 상기 회전자의 이상으로 판정하는
    모터 시스템의 고장 검출 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 전류가 0인 경우, 상기 고정자의 q축 전압이 상기 기준 전압 보다 크면 상기 회전자의 이상으로 판정하는
    모터 시스템의 고장 검출 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1단계 내지 제4단계는 회전 중인 상기 모터의 출력이 0일 때 실행되는
    모터 시스템의 고장 검출 방법.
  7. 모터의 회전 속도가 기준 속도까지 증가되면, 고정자의 d축 전류 및 q축 전류를 각각 0으로 제어하고, 계자 권선에 기준 전류를 인가하는 전류 인가부;
    상기 기준 전류에 비례하는 상기 고정자의 q축 전압을 기준 전압과 비교하는 비교부;
    상기 비교 결과에 따라 회전자의 이상 유무를 판정하는 제1판정부;
    상기 회전자의 이상 횟수를 카운트하는 카운터; 및
    상기 회전자의 이상 횟수가 기준 횟수 이상이면 모터 시스템의 고장으로 판정하는 제2판정부
    를 포함하는 모터 시스템의 고장 검출 장치.
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