KR102638440B1 - Hev/phev 2모터 시스템의 각도 추정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, HEV/PHEV 2모터 시스템의 각도 추정 방법에 관한 것으로서, 특히 레졸버 출력신호의 PWM on/off와 PWM에 따른 피크값의 동기화를 이용하여 추정 각도의 오차를 개선하는 각도 추정 방법에 관한 것이다. 본 발명은 제1모터 및 제2모터가 적용된 레졸버를 사용하여 각도를 추정하는 HEV/PHEV 2모터 시스템의 각도 추정 방법에 있어서, 제1모터 및 제2모터로 구동 전력을 제공하는 인버터가 레졸버 출력신호의 PWM 제어를 on/off 하는 경우 PWM 제어를 off하는 모터의 추정 각도를 선택하는 제1단계; 및 레졸버 출력신호의 PWM 제어가 on되는 경우 레졸버 출력신호의 피크 시점과 인버터의 PWM 시점이 동기화 되는지 판단하여 비동기화 되는 모터의 추정 각도를 선택하는 제2단계;를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 레졸버의 노이즈를 줄여 결과적으로 차량 NVH 개선, 모터 과전류 방지, 부품 소손 방지하고, H/W 변경 없이 SW 변경만으로 적용이 가능하여 추가 비용이 발생하지 않고, 기존 차량에 적용이 가능한 이점이 있다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 레졸버의 노이즈를 줄여 결과적으로 차량 NVH 개선, 모터 과전류 방지, 부품 소손 방지하고, H/W 변경 없이 SW 변경만으로 적용이 가능하여 추가 비용이 발생하지 않고, 기존 차량에 적용이 가능한 이점이 있다.
Description
본 발명은 HEV/PHEV 2모터 시스템의 각도 추정 방법에 관한 것으로서, 특히 레졸버 출력신호의 PWM on/off와 PWM에 따른 피크값의 동기화를 이용하여 추정 각도의 오차를 개선하는 각도 추정 방법에 관한 것이다.
전기자동차나 하이브리드 자동차에서 사용하는 동기전동기나 유도전동기와 같은 모터의 제어를 위해 모터 컨트롤 유닛(MCU : motor control unit)가 사용된다. 환경차(HEV/PHEV) 시스템은 모터를 구동력으로 사용하고, 모터는 고정밀 제어를 위해서 벡터 제어를 사용한다. 모터 컨트롤 유닛은 모터의 제어를 위해 모터의 자속(flux)의 위치에 따라서 좌표계를 설정하는 연산을 하게 되는데, 이러한 벡터 제어를 위해서는 모터의 각도를 알아야 하고, 각도센서는 환경에 강건한 레졸버 센서를 주로 사용한다.
레졸버는 일종의 변압기로 1차측 권선(입력)에 여자전압을 인가하고, 축을 회전시키면 자기적 결합계수가 변화하여 2차측 권선(출력)에 캐리어의 진폭이 변화하는 전압이 발생한다. 이 전압은 축의 회전각도에 대하여 사인 및 코사인 상태로 변화하도록 권선이 배열된다. 따라서, 사인출력과 코사인 출력의 캐리어 진폭비를 판독하는 것에 의해서 레졸버의 회전각도를 알 수 있다. 이와 같은 원리로 작동되는 레졸버는 모터의 속도정보와 위상을 검출하여 회전자의 위치정보를 모터 컨트롤 유닛으로 제공하고, 토크지령 및 속도지령생성을 위한 정보로 사용된다.
이와 관련, 종래의 한국등록특허 제10-1430186호(레졸버의 위상 검출방법 및 그 장치)는 회전 중심이 원점에 정렬되어 있는 회전자 코일의 적어도 한 주기의 회전 시에 제1 및 제2 고정자 코일에 여기된 전압들을 측정하여 제1 및 제2 전압 포락선을 획득하는 단계와, 상기 제1 및 제2 전압 포락선에 대한 제1 및 제2 진폭 값을 획득하는 단계 및 상기 회전자 코일의 임의 회전 각도에서 측정된 상기 제1 및 제2 고정자 코일의 전압과 상기 제1 및 제2 진폭값을 이용하여, 상기 임의 회전 각도를 연산하는 단계를 포함하는 레졸버의 위상 검출방법을 개시하고 있다.
다만, 레졸버와 모터 사이의 조립 공차 및 레졸버 내부 코일의 위치의 부정확성 등 여러 가지의 원인으로 인해 레졸버의 출력에는 옵셋이 발생하고 이러한 옵셋으로 인해 정확한 절대 위치를 측정하는 것이 불가능하게 된다.
또한, 모터 제어를 위해서는 모터의 각도 정보가 중요하고, 종래 기술을 적용하는 경우 레졸버에 노이즈가 발생하면 추정 각도 오차가 발생한다. 결과적으로 전류 제어가 불안정해져서 NVH(Noise, Vibration, Harshness)가 악화되고, 과전류 발생 가능성도 존재하며 악조건의 경우는 부품 소손까지 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 레졸버에 노이즈가 발생하는 조건을 정의하고, 이러한 조건에서 노이즈가 발생하지 않는 모터의 각도를 사용함으로써 모터의 각도 추정을 강건화하는 HEV/PHEV 2모터 시스템의 각도 추정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1모터 및 제2모터가 적용된 레졸버를 사용하여 각도를 추정하는 HEV/PHEV 2모터 시스템의 각도 추정 방법에 있어서, 제1모터 및 제2모터로 구동 전력을 제공하는 인버터가 레졸버 출력신호의 PWM 제어를 on/off 하는 경우 PWM 제어를 off하는 모터의 추정 각도를 선택하는 제1단계; 및 레졸버 출력신호의 PWM 제어가 on되는 경우 레졸버 출력신호의 피크 시점과 인버터의 PWM 시점이 동기화 되는지 판단하여 비동기화 되는 모터의 추정 각도를 선택하는 제2단계;를 포함하는 HEV/PHEV 2모터 시스템의 각도 추정 방법을 제공하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게, 제1단계는, 인버터가 제1모터 및 제2모터의 레졸버 출력신호를 PWM off 제어하는 경우 각 모터의 ATO(Angle Tracking Observer) 출력을 제1모터 및 제2모터의 추정 각도로 선택하는 단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 제1단계는, 제1모터 또는 제2모터 중 어느 하나의 레졸버 출력신호가 PWM on 제어되는 경우 PWM off 제어되는 모터의 추정 각도를 선택하고 PWM on 제어되는 모터의 추정 각도를 보정하는 단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 제2단계는, 레졸버 출력신호의 피크 시점과 인버터의 PWM 시점이 비동기화 되는 경우 각 모터의 ATO(Angle Tracking Observer) 출력을 제1모터 및 제2모터의 추정 각도로 선택하는 단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 제2단계는, 제1모터 또는 제2모터 중 어느 하나의 레졸버 출력신호의 피크 시점과 인버터의 PWM 시점이 비동기화 되는 경우 비동기화로 제어되는 모터의 추정 각도를 선택하고 동기화 제어되는 모터의 추정 각도를 보정하는 단계;를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 레졸버의 노이즈를 줄여 결과적으로 차량 NVH 개선, 모터 과전류 방지, 부품 소손 방지하는 이점이 있다.
또한 본 발명은, H/W 변경 없이 SW 변경만으로 적용이 가능하여 추가 비용이 발생하지 않고, 기존 차량에 적용이 가능한 이점이 있다.
도 1은 출력 전압신호를 이용하여 각도 및 속도를 추정하는 종래의 레졸버 시스템의 모습을 나타낸다.
도 2는 종래의 레졸버 출력에 노이즈 유무에 따라 추정된 각도에 오차 발생 여부를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 HEV/PHEV 2모터 시스템의 각도 추정 방법을 기존 시스템에 적용하는 위치를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 HEV/PHEV 2모터 시스템의 각도 추정 방법의 순서도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 PWM on/off에 의한 모터 각도를 선택하는 순서도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 모터 속도와 모터 토크의 관계에서 PWM off 하는 구간을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 PWM on의 경우 레졸버 피크 시점의 동기화 여부에 따른 모터 각도를 선택하는 순서도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 PWM 시점이 레졸버 출력 피크와 동기화 되는 경우 추정각의 왜곡이 발생하는 모습을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 PWM 시점이 레졸버 출력 피크와 비동기화 되는 경우 추정각의 왜곡이 없는 모습을 나타낸다.
도 2는 종래의 레졸버 출력에 노이즈 유무에 따라 추정된 각도에 오차 발생 여부를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 HEV/PHEV 2모터 시스템의 각도 추정 방법을 기존 시스템에 적용하는 위치를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 HEV/PHEV 2모터 시스템의 각도 추정 방법의 순서도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 PWM on/off에 의한 모터 각도를 선택하는 순서도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 모터 속도와 모터 토크의 관계에서 PWM off 하는 구간을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 PWM on의 경우 레졸버 피크 시점의 동기화 여부에 따른 모터 각도를 선택하는 순서도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 PWM 시점이 레졸버 출력 피크와 동기화 되는 경우 추정각의 왜곡이 발생하는 모습을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 PWM 시점이 레졸버 출력 피크와 비동기화 되는 경우 추정각의 왜곡이 없는 모습을 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 출력 전압신호를 이용하여 각도 및 속도를 추정하는 종래의 레졸버 시스템의 모습을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 레졸버는 모터에 장착되어 중심축의 위치, 속도를 예측하기 위해 사용된다. 구조는, Reference coil/Output coil로 구성되고, Reference coil에 여자입력 신호를 인가 하고, Output coil에서 나오는 출력 전압신호를 이용하여 각도, 속도를 추정하는 원리이다. 따라서 정확한 각도, 속도를 추정하기 위해서 출력신호의 피크점에서 노이즈를 최소화해야 한다
도 2는 종래의 레졸버 출력에 노이즈 유무에 따라 추정된 각도에 오차 발생 여부를 나타낸다. 도 1에 이어 도 2를 참조하면, 레졸버 출력에 노이즈의 포함 여부에 따라 추정 각도의 오차가 발생 여부가 결정될 수 있다. 레졸버 출력신호는 ADC(Analog Digital Converter)와 ATO(Angle Tracking Observer)를 거치게 되며, 이상적인 각도가 추정되기 위해서는 레졸버 출력에 노이즈가 없어야 되는 것을 보여준다.
레졸버 출력 신호는 전압 신호(아날로그 신호)이다. 이러한 아날로그 신호를 마이크로프로세서에서 처리하기 위하여 ADC를 사용하여 신호를 디지털화하는데, 이 경우, ATO라는 소프트웨어를 이용하여 각도를 추정한다.
레졸버 출력 신호에 노이즈가 있는 경우 ATO로 추정한 각도에 실제 각도와 차이가 있는 각도로 추정하게 되는데, 각도의 추정 오차는 모터 벡터 제어에서 전류 리플, 과전류 등의 원인이 되고 NVH 악화, 과전류로 인한 부품 소손등의 결과로 나타날 수 있다.
표 1은 HEV/PHEV의 환경차의 경우 구동 모터의 사용을 나타낸다. 환경차의 경우 구동 모터를 1개 사용하는 경우도 있지만, 많은 시스템에서 모터 2개를 사용한다. 2모터를 사용하는 경우 제1모터는 운전점 제어, 엔진 시동 등을 담당하고 출력이 작다. 제2모터의 경우 주요 구동력으로 사용하고 있어 모터도 대용량이고 사용빈도가 높다.
HEV/PHEV 모터는 고정밀 제어를 위해서 벡터 제어를 사용하고 있고 이러한 벡터 제어는 모터의 자석의 위치(각도)를 알아야 한다. 따라서, 제1모터와 제2모터에 각각 위치를 알 수 있는 레졸버를 많이 사용한다.
레졸버는 외부 환경에 강건하지만 전계, 자계에 의한 노이즈가 발생이 가능하다. 노이즈 발생을 최소화하는 방안들이 존재하지만, 본 발명은 노이즈가 없는 부분의 레졸버 출력을 이용하여 모터를 제어하는 방법이다. 또한 제1모터와 제2모터가 동시 구동의 경우는 기계적으로 연결되어 있으므로 아래와 같이 기어 비 차이 만큼의 속도, 각도 변화를 공유한다.
도 3은 본 발명의 HEV/PHEV 2모터 시스템의 각도 추정 방법을 기존 시스템에 적용하는 위치를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 각도 추정 방법은 제1모터와 제2모터에서 추정된 각도를 피드백 받아 제어될 수 있고, 레졸버 출력신호에 적용되어 모터 벡터 제어 로직을 수행하기 전에 각도 추정 방법을 적용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 HEV/PHEV 2모터 시스템의 각도 추정 방법의 순서도를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 제1모터 및 제2모터가 적용된 레졸버를 사용하여 각도를 추정하는 HEV/PHEV 2모터 시스템의 각도 추정 방법은 두 단계로 구성될 수 있다.
제1단계(S10)는 제1모터 및 제2모터로 구동 전력을 제공하는 인버터가 레졸버 출력신호의 PWM 제어를 on/off 하는 경우 PWM 제어를 off하는 모터의 추정 각도를 선택한다(S30).
제2단계(S20)는 레졸버 출력신호의 PWM 제어가 on되는 경우 레졸버 출력신호의 피크 시점과 인버터의 PWM 시점이 동기화 되는지 판단하여 비동기화 되는 모터의 추정 각도를 선택할 수 있다(S30).
본 발명은 레졸버 출력 신호의 노이즈가 없는 모터를 선택하여 각도를 추정하는 방법이다. 모터의 레졸버에서 노이즈가 발생하는 경우는 PWM on하는 경우 발생한다. PWM on하는 경우도 레졸버 출력 신호의 피크 시점과 PWM 시점이 동일한 시점에만 노이즈가 발생한다(정확히는 노이즈는 PWM시 발생하지만, 각도 추정은 레졸버 출력 신호의 피크치 값만 사용하므로 각도의 왜곡은 없다.)
표 2와 같이 본 발명은, PWM on/off 여부와 레졸버 출력 신호의 피크시점에서 PWM 동기화 여부에 따라 제1모터와 제2모터의 각도를 선택적으로 사용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 PWM on/off에 의한 모터 각도를 선택하는 순서도를 나타낸다. 도 5를 참조하면 제1단계(S10)의 세부적인 단계를 나타낸다.
표 3을 참조하면, 제1단계(S10)는 제1모터 또는 제2모터 중 어느 하나의 레졸버 출력신호가 PWM on 제어되는 경우 PWM off 제어되는 모터의 추정 각도를 선택하고 PWM on 제어되는 모터의 추정 각도를 보정할 수 있다.
제1단계(S10)는, 인버터가 제1모터 및 제2모터의 레졸버 출력신호를 PWM off 제어하는 경우 각 모터의 ATO(Angle Tracking Observer) 출력을 제1모터 및 제2모터의 추정 각도로 선택할 수 있다.
제1모터와 제2모터의 PWM off 인지 판단하고(S11), 만약 그렇다면 제1모터 추정 각도와 제2모터 추정 각도는 그대로 선택하여 사용하면 된다. 두 모터 중 어느 하나의 PWM off 인지 판단하고(S12, S13), 레졸버 출력신호를 PWM off 제어하는 경우 각 모터의 ATO(Angle Tracking Observer) 출력을 제1모터 및 제2모터의 추정 각도로 선택할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 모터 속도와 모터 토크의 관계에서 PWM off 하는 구간을 나타낸다. 도 6을 참조하면 모터 속도에 따라 달라지는 모터 토크 영역을 나타내고, PWM off가 되는 구간 영역을 도시한다.
인버터의 경우 PWM on 시에는 스위칭 손실이 발생하는데, 저부하 영역(차량의 구동력에 효과가 없는 저부하)에서는 PWM을 off 하여 인버터 손실을 줄이는 제어 로직을 주로 사용한다. 이 경우 제1모터와 제2모터 중에서 PWM off 하는 모터의 각도를 사용하면 각도 추정 값의 왜곡을 줄일 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 PWM on의 경우 레졸버 피크 시점의 동기화 여부에 따른 모터 각도를 선택하는 순서도를 나타낸다. 도 7을 참조하면 제2단계(S20)의 세부적인 단계를 나타낸다.
표 4를 참조하면, 제2단계(S20)는, 제1모터 또는 제2모터 중 어느 하나의 레졸버 출력신호의 피크 시점과 인버터의 PWM 시점이 비동기화 되는 경우 비동기화로 제어되는 모터의 추정 각도를 선택하고 동기화 제어되는 모터의 추정 각도를 보정 할 수 있다.
제2단계(S20)는, 레졸버 출력신호의 피크 시점과 인버터의 PWM 시점이 비동기화 되는 경우 각 모터의 ATO(Angle Tracking Observer) 출력을 제1모터 및 제2모터의 추정 각도로 선택할 수 있다.
제1모터 레졸버 피크와 PWM 스위칭 시점이 동기화 되는지 판단하고(S21,S22, S23), 만약 그렇다면 비동기화로 제어되는 모터의 추정 각도를 선택하고, 동기화 제어되는 모터의 추정 각도는 비동기화로 제어되는 모터를 통해 보정계수(a)를 이용하여 보정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 PWM 시점이 레졸버 출력 피크와 동기화 되는 경우 추정각의 왜곡이 발생하는 모습을 나타낸다. 도 8을 참조하면, 레졸버 출력 신호는 ADC 샘플링 하는 시점의 신호만 유효하다(ADC 샘플링 시점만 마이크로프로세서에서 사용). 이 경우 PWM 시점이 레졸버 출력 피크와 동기화 되면 추정각도 왜곡이 발생한다. 결과적으로 레졸버 출력 신호의 피크점 왜곡으로 추정 각도의 오차가 발생하고 각도가 왜곡된 추정 값이 출력으로 나타나게 된다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 PWM 시점이 레졸버 출력 피크와 비동기화 되는 경우 추정각의 왜곡이 없는 모습을 나타낸다. 도 9를 참조하면, PWM 시점이 레졸버 출력 신호의 피크점이 아닌 경우, 레졸버 출력 신호에 노이즈는 발생하지만, 노이즈 발생시점에서 ADC를 하지 않으므로, 마이크로프로세서에서 사용하는 값은 노이즈를 포함하지 않은 값이 사용된다. 이 경우 추정 각도의 왜곡은 없기 때문에, 이 원리를 이용하여 PWM시점과 레졸버 출력 신호의 피크점이 일치하지 않는 경우의 모터 각도를 사용할 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 (5)
- 제 1 모터 및 제 2 모터에 각각 장착된 레졸버를 사용하여 각도를 추정하는 HEV/PHEV 2모터 시스템의 각도 추정 방법에 있어서,
상기 제 1 모터 및 제 2 모터로 구동 전력을 제공하는 인버터가 상기 레졸버의 출력신호의 PWM 제어를 on/off 하는 경우 상기 PWM 제어를 off하는 모터의 추정 각도를 선택하는 제 1 단계; 및
상기 레졸버의 출력신호의 PWM 제어가 on되는 경우 상기 레졸버의 출력신호의 피크 시점과 상기 인버터의 PWM 시점이 동기화 되는지 판단하여 비동기화 되는 모터의 추정 각도를 선택하는 제 2 단계;를 포함하고,
상기 제 1 단계는,
상기 제 1 모터 또는 제 2 모터 중 어느 하나의 모터에 장착된 레졸버의 출력신호가 PWM on 제어되는 경우 PWM off 제어되는 모터의 추정 각도를 선택하고 PWM on 제어되는 모터의 추정 각도를 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 HEV/PHEV 2모터 시스템의 각도 추정 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 단계는,
상기 인버터가 상기 제 1 모터 및 제 2 모터의 레졸버의 출력신호를 PWM off 제어하는 경우 각 모터의 ATO(Angle Tracking Observer) 출력을 상기 제 1 모터 및 제 2 모터의 추정 각도로 선택하는 단계;를 포함하는 HEV/PHEV 2모터 시스템의 각도 추정 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 단계는,
상기 제 1 모터 및 제 2 모터의 레졸버의 출력신호의 피크 시점과 상기 인버터의 PWM 시점이 비동기화 되는 경우 각 모터의 ATO(Angle Tracking Observer) 출력을 상기 제 1 모터 및 제 2 모터의 추정 각도로 선택하는 단계;를 포함하는 HEV/PHEV 2모터 시스템의 각도 추정 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 단계는,
상기 제 1 모터 또는 제 2 모터 중 어느 하나의 모터에 장착된 레졸버의 출력신호의 피크 시점과 상기 인버터의 PWM 시점이 비동기화 되는 경우 비동기화로 제어되는 모터의 추정 각도를 선택하고 동기화 제어되는 모터의 추정 각도를 보정하는 단계;를 포함하는 HEV/PHEV 2모터 시스템의 각도 추정 방법.
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