KR102636050B1 - 공기 압축기 모터의 홀 센서 신호지연의 보정 방법 - Google Patents

공기 압축기 모터의 홀 센서 신호지연의 보정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 공기 압축기 모터의 홀 센서 신호지연의 보정 방법에 관한 것으로서, 특히 고속 회전 시 속도 제어의 안정성을 향상시키기 위한 공기 압축기 모터의 홀 센서 신호지연의 보정 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 모터의 구동 중 관성 제동 구간 발생 시 영전류 제어를 실시하여 q축 전압 및 d축 전압이 적용된 전압방정식으로부터 옵셋각()을 산출하는 제1단계; 옵셋각()을 산출하는 식을 이용하여 관성 제동 구간에서 임의의 두 지점에서의 각속도(w)로 홀 센서의 기준옵셋각()과 지연시간(t)을 산출하는 제2단계; 및 기준옵셋각()과 지연시간(t)으로 보정된 영전류 제어를 통해 보정된 q축 전압 및 보정된 d축 전압을 산출하여 기준 오차와 비교하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 공기압축기 모터 고속 회전 시 모터 토크 오실레이션 저감으로 모터 전류 제어 안정성 및 속도 제어 안정성 향상되고, 모터 위치 오차가 최소화 됨에 따라 불필요한 d축 전류가 줄어들어 공기압축기 소모 전류가 저감되므로 차량 연비 향상에 기여하는 이점이 있다.

Description

공기 압축기 모터의 홀 센서 신호지연의 보정 방법{CORRECTING METHOD FOR SIGNAL DELAY OF HOLE SENSOR OF AIR COMPRESSOR MOTOR}
본 발명은 공기 압축기 모터의 홀 센서 신호지연의 보정 방법에 관한 것으로서, 특히 고속 회전 시 속도 제어의 안정성을 향상시키기 위한 공기 압축기 모터의 홀 센서 신호지연의 보정 방법에 관한 것이다.
차량용 공기압축기의 경우 원가 및 패키지로 인하여 구동 모터에서 사용하는 레졸버를 사용하지 않고 저가의 홀 센서를 사용하여 100,000 rpm 이상의 고속 운전 제어를 구현해야 하며, 연비와 직결되는 고효율을 달성하기 위해 산업계의 홀 센서 장착 모터에서 쓰이지 않는 3상 PWM 벡터 제어를 통해 위 기능을 구현하고 있다. 마이컴을 활용하여 홀 센서 속도를 정밀하게 계산하여 고속에서의 모터 속도 오차를 대폭 저감하였고, 그에 따라 기존의 홀 센서 위치 측정에 영향을 주는 인자 (홀 센서 장착 위치 옵셋 편차 등의 H/W 제조 편차, 홀 센서 출력 및 센싱 회로의 필터 성분에 따른 시간 지연 요소, PCB 회로의 수동 소자가 갖는 오차, SW 필터링에 의한 시간 지연 요소 등)가 모터의 속도에 비례하여 그 영향이 커지게 되어, 그 효과가 매우 크며, 본 기술은 현재 연료전지 FE Proto BPCU SW에 적용되어 있다.
이와 관련, 종래의 한국공개특허 제10-2016-0036210호(홀센서를 이용한 모터의 위치 검출 및 속도 계산 방법)는 홀센서를 이용한 모터의 위치 검출 및 속도 계산 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 홀센서를 이용하여 고속으로 회전하는 모터속도 및 모터 회전자 위치 계산에 대한 정밀도를 향상시킬 수 있도록 한 홀센서를 이용한 모터의 위치 검출 및 속도 계산 방법에 관한 것이다.
하지만 모터 홀 센서 신호지연 요소에 대하여 설계 파라미터로 관리하기 때문에 대량 생산에서 발생하는 제조 편차에 의한 고속 운전 시 위치 오차가 발생할 수 있는 위험성이 있고, 모터 홀 센서 신호 지연 요소의 경우 모터 홀 센서 측정 회로에 기인하기 때문에 PCB 회로 상의 수동 오차, 필터 성분 오차 등의 공차를 관리하는 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2016-0036210호
본 발명은 위치 센서로 홀 센서 타입을 이용하여 고속 회전 수를 갖는 SMPMSM(Surface Mounted Permanent Magnetic Synchronous Motor, 표면부착형 영구자석 동기모터)의 고속 운전 제어에 있어서, 속도 정밀도에 영향을 주는 홀 센서 신호의 출력에 대한 측정 지연 요소를 보상하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 연료 전지차의 공기압축기 모터가 고속 회전하는 경우 토크 오실레이션의 속도 오차를 제어하는 공기 압축기 모터의 홀 센서 신호지연의 보정 방법에 있어서, 모터의 구동 중 관성 제동 구간 발생 시 영전류 제어를 실시하여 q축 전압 및 d축 전압이 적용된 전압방정식으로부터 옵셋각()을 산출하는 제1단계; 옵셋각()을 산출하는 식을 이용하여 관성 제동 구간에서 임의의 두 지점에서의 각속도(w)로 홀 센서의 기준옵셋각()과 지연시간(t)을 산출하는 제2단계; 및 기준옵셋각()과 지연시간(t)으로 보정된 영전류 제어를 통해 보정된 q축 전압 및 보정된 d축 전압을 산출하여 기준 오차와 비교하는 단계;를 포함하고, 기준 오차의 범위를 벗어나면 제1단계 내지 제3단계를 반복하여 홀 센서 신호지연을 보정하는 것을 특징으로 하는 공기 압축기 모터의 홀 센서 신호지연의 보정 방법을 제공한다.
바람직하게, 제1단계는, (: d축 전압 : q축 전압)을 이용하여 옵셋각()을 산출할 수 있다.
바람직하게, 제1단계는, 영전류 제어를 실시하는 경우 q축 전압은 역기전압이며 옵셋각 및 지연시간이 없으면 d축 전압은 0이 적용될 수 있다.
바람직하게, 제2단계는, (: 각속도 rad/s, : 홀센서의 지연 시간)의 수식을 적용하여 관성 제동 구간의 임의의 각속도 w1, w2 및 θ1, θ2를 대입하여 기준옵셋각()과 지연시간(t)을 산출할 수 있다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 공기압축기 모터 고속 회전 시 모터 토크 오실레이션 저감으로 모터 전류 제어 안정성 및 속도 제어 안정성 향상되는 이점이 있다.
또한 본 발명은, 공기압축기 모터 전류 제어 시 홀 센서 신호 측정 지연에 의한 모터 위치 오차가 최소화 됨에 따라 불필요한 d축 전류가 줄어들어 공기압축기 소모 전류가 저감되므로 차량 연비 향상에 기여하는 이점이 있다.
또한 본 발명은, 공기압축기 모터 홀 센서 위치 및 홀 센서 회로 신호 지연 영향 인자의 제조 편차를 줄이는 효과로 생산성 및 품질 향상에 기여하는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공기 압축기 모터의 홀 센서 신호지연의 보정 방법의 순서도를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공기 압축기 모터의 홀 센서 신호지연의 보정 방법의 순서도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 공기 압축기 모터의 홀 센서 신호지연의 보정 방법은, 제1단계(S10) 내지 제3단계(S50)로 구성될 수 있다.
제1단계(S10)는, 연료 전지차의 공기압축기 모터가 고속 회전하는 경우 토크 오실레이션의 속도 오차를 제어하는 공기 압축기 모터의 홀 센서 신호지연의 보정 방법에 있어서, 모터의 구동 중 관성 제동 구간 발생 시 영전류 제어를 실시하여 q축 전압 및 d축 전압이 적용된 전압방정식으로부터 옵셋각()을 산출한다.
제1단계(S10) 내지 제3단계(S50)는, 보상 제어에 있어서 홀 센서 신호 측정 지연 요소의 정확하고 빠른 보상을 위해 관성 제동 시의 영전류 제어에서 Vd이 0에서 얼마나 벗어나 있는지 계산해야 되는데, 이 때 홀 센서가 모터의 기준 위치 대비 얼마나 벗어나 있는가를 나타내는 홀 센서 기준 옵셋각 외에 홀 센서 신호 지연 시간에 의해 제어기가 인식하는 옵셋이 더 크게 나오는 현상을 수식화할 수 있다.
영전류 제어를 실시하는 관성 제동 구간의 속도1 지점(각속도 W1)에서의 옵셋각이 기준 옵셋각과 홀센서 시간 지연에 각속도를 곱한 값을 더하여 삼각함수 관계식을 이용하여 Vd, Vq 와의 관계를 풀어내는 1번 방정식과 속도 2 지점(각속도 W2)에서 마찬가지로 도출한 2번 방정식을 풀어서 기준 옵셋각과 홀 센서 신호 지연에 의한 시간을 구하여 이를 이용하여 홀 센서 기준 옵셋각과 홀 센서 신호 지연을 동시에 보상하는 제어를 할 수 있다.
제1단계(S10)에서, 옵셋각 계산은 아래의 수학식 1 및 수학식 2를 통해 계산될 수 있다. 모터 위치 기준 옵셋각 및 홀 센서 신호 지연 요소를 계산하는 방식은, 모터 구동 중 관성제동 구간 발생 시 영전류 제어를 실시하는 것으로, 계산 편의를 위해 아래 [수학식 1]을 이용한 d-q 변환 전압방정식으로 Transform 하여 실시할 수 있다.
(
)
제1단계(S10)는, (: d축 전압 : q축 전압)을 이용하여 옵셋각()을 산출할 수 있고, 영전류 제어를 실시하는 경우 q축 전압은 역기전압이며 옵셋각 및 지연시간이 없으면 d축 전압은 0이 적용될 수 있다.
옵셋각은 아래 수학식 3과 같이 기준옵셋각 오차와 홀 센서 지연 신호이 속도의 함수로 표현될 수 있다.
(:각속도(rad/s), : 홀센서 신호의 지연 시간)
제2단계(S30)는, 옵셋각()을 산출하는 식을 이용하여 관성 제동 구간에서 임의의 두 지점에서의 각속도(w)로 홀 센서의 기준옵셋각()과 지연시간(t)을 산출한다. 아래의 수학식 4를 참조하면,
제2단계(S30)는, (: 각속도 rad/s, : 홀센서의 지연 시간)의 수식을 적용하여 관성 제동 구간의 임의의 각속도 w1, w2 및 θ1, θ2를 대입(S301, S303)하여 기준옵셋각()과 지연시간(t)을 산출(S305)할 수 있다.
제2단계(S30)는, Vd1, Vq1의 측정값 정확도를 높이기 위해 W1의 ±a rpm 부터 Vd1, Vq1값을 계산한 값의 평균을 취하고, Vd2, Vq2의 측정값 정확도를 높이기 위해 W2의 ±a rpm 부터 Vd2, Vq2값을 계산한 값의 평균을 취할 수 있다(S301).
위 수학식 4를 이용하여 해를 구하게 되면 기준옵셋각 과 지연시간 를 구할 수 있다. 이후 관성 제동 구간에서 영전류 제어를 통해 값을 측정하여, 0에 가까운 기준 값(측정 오차 및 샘플링 오차 고려) 초과 시 위 보정을 재실시할 수 있다.
제3단계(S50)는, 기준옵셋각()과 지연시간(t)으로 보정된 영전류 제어를 통해 보정된 q축 전압 및 보정된 d축 전압을 산출하여 기준 오차와 비교하고, 기준 오차의 범위를 벗어나면 제1단계(S10) 내지 제3단계(S50)를 반복하여 홀 센서 신호지연을 보정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 공기 압축기 모터의 홀 센서 신호지연의 보정 방법이 적용되는 경우 연료전지 FE 차량의 경우 홀 센서 신호 측정 지연이 18us로 최고 속도 운전 시 위치 측정 오차 11˚발생하고, 기존에 제작된 LMFC 차량 대비 홀 센서 신호 측정 지연이 4us 증가, 최고속도 2.5배 증가로 위치 오차가 3배 증가하는 등 개선된 효과가 나타날 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

Claims (4)

  1. 연료 전지차의 공기압축기 모터가 고속 회전하는 경우 토크 오실레이션의 속도 오차를 제어하는 공기 압축기 모터의 홀 센서 신호지연의 보정 방법에 있어서,
    상기 모터의 구동 중 관성 제동 구간 발생 시 영전류 제어를 실시하여 q축 전압 및 d축 전압이 적용된 (: d축 전압 : q축 전압)의 전압방정식으로부터 옵셋각()을 산출하는 제1단계;
    상기 옵셋각()을 산출하는 식을 이용하여 상기 관성 제동 구간에서 임의의 두 지점에서의 각속도(w)로 홀 센서의 기준옵셋각()과 지연시간(t)을 산출하는 제2단계; 및
    상기 기준옵셋각()과 상기 지연시간(t)으로 보정된 영전류 제어를 통해 보정된 q축 전압 및 보정된 d축 전압을 산출하여 기준 오차와 비교하는 제 3 단계;를 포함하고,
    상기 기준 오차의 범위를 벗어나면 상기 제1단계 내지 제3단계를 반복하여 상기 홀 센서 신호지연을 보정하고,
    상기 제1단계는,
    상기 영전류 제어를 실시하는 경우 상기 q축 전압은 역기전압이며 상기 옵셋각 및 상기 지연시간이 없으면 d축 전압은 0이 적용되는 것을 특징으로 하는 공기 압축기 모터의 홀 센서 신호지연의 보정 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2단계는,
    (: 각속도 rad/s, : 홀센서의 지연 시간)의 수식을 적용하여 상기 관성 제동 구간의 임의의 각속도 w1, w2 및 θ1, θ2를 대입하여 기준옵셋각()과 지연시간(t)을 산출하는 것을 특징으로 하는 공기 압축기 모터의 홀 센서 신호지연의 보정 방법.
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