KR20080102127A - 전기모터제어 - Google Patents

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KR20080102127A
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Abstract

본 발명은 전기모터용 제어시스템에 관한 것으로, 이 전기모터용 제어시스템은 위치측정알고리즘에 의하여 적어도 하나의 전기적인 파라메타로부터 모터의 위치를 측정할 수 있게 되어 있다. 또한 알고리즘에 의하여 한정된 적어도 하나의 알고리즘 파라메타를 모니터하여 만약 모니터된 파라메타가 사전에 결정된 장애조건에 부합하는 경우 장애표시를 발생할 수 있도록 구성된다.
Figure P1020087015191
전기모터, 제어시스템, 모터위치, 위치측정알고리즘, 진단체크.

Description

전기모터제어 {ELECTRIC MOTOR CONTROL}
본 발명은 전기모터에 관한 것으로, 특히 전기모터의 위치센서 없는 위치센서리스 제어에 관한 것이다.
모터위치를 측정하기 위하여 센서리스 위치알고리즘을 채택하는 경우, 위치센서를 갖춘 시스템에 일반적으로 이용되는 진단방법은 이용될 수 없다.
따라서, 본 발명은 전기모터를 위한 제어시스템을 제공하는 바, 이 제어시스템은 위치측정알고리즘에 의하여 적어도 하나의 전기적인 파라메타로부터 모터의 위치를 측정할 수 있게 되어 있고, 또한 알고리즘에 의하여 한정된 적어도 하나의 알고리즘 파라메타를 모니터하여 만약 모니터된 파라메타가 사전에 결정된 장애조건에 부합하는 경우 장애표시를 발생할 수 있도록 구성된다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 파워 스티어링 시스템을 보인 구성도.
도 2는 도 1의 시스템에서 전기모터의 속도제어기능을 보인 그래프.
도 3은 도 1의 시스템에서 전기모터의 구성을 보인 설명도.
도 4는 도 3에서 보인 모터의 구동회로도.
도 5는 도 3에서 보인 구동회로에서 여러 전기적인 상태를 보인 설명도.
도 6은 요구된 모터출력을 발생하는데 요구되는 구동회로의 상태를 측정하기 위하여 사용된 공간벡터 다이아그램.
도 7은 도 3의 모터에서 모터 상전압의 성분을 보인 설명도.
도 8은 도 1의 모터와 제어유니트의 기능블록다이아그램.
도 9는 모터위치센서를 이용하는 공지된 시스템의 모터와 제어유니트의 기능블록다이아그램.
도 10은 도 8의 센서리스 알고리즘의 입력과 출력을 보인 설명도.
도 11은 도 10의 센서리스 알고리즘의 별도 부분의 입력과 출력을 보인 설명도.
도 12는 도 8의 센서리스 알고리즘의 작동을 보인 타이밍 다이아그램
도 1에서, 전기-유압형의 파워 스티어링 시스템은 통상적인 방식으로 차량 앞바퀴의 조향각도를 제어하기 위하여 좌우로 이동될 수 있도록 구성된 조향래크(10)로 구성된다. 이러한 래크는 조향컬럼(14)에 의하여 조향래크(10)에 연결된 조향휠(12)에 가하여지는 운전자의 입력에 의하여 이동된다. 보조동력이 조향래크(10)에 착설되고 실린더(18)내에서 이동가능하게 되어 있는 양방향 피스턴(16)에 의하여 제공된다. 피스턴은 실린더를 두 유압챔버(20)(22)로 나눈다. 두 유압챔버(20)(22)내의 유압은 조향래크(10)에 가하여지는 보조동력의 방향과 크기를 제어 하기 위한 유압회로(24)에 의하여 제어된다.
유압회로는 저장조(28)로부터 압력하에 유압유체를 공급라인(30)측으로 펌핑하기 위하여 배치되는 펌프(26)로 구성된다. 공급라인은 도 1에서 기능블록으로만 보인 압력제어밸브(34)의 유입구(32)에 연결된다. 압력제어밸브(34)의 유출구(36)는 회수라인(38)을 통하여 저장조(28)에 연결된다. 압력제어밸브(34)는 조향토크가 조향휠(12)에 가하여지는 방향에 따라서 좌측 또는 우측의 유압챔버(20)(22)를 공급라인(30)에 연결하고 다른 챔버(20)(22)는 회수라인에 연결할 수 있도록 구성되어 있다. 또한 조향컬럼(14)을 통하여 조향휠(12)로부터 래크(10)에 전달되는 조향토크에 따라서 유압보조동력의 레벨을 제어할 수 있도록 구성된다. 유압챔버(20)(22)내의 압력은 압력제어밸브(34)의 상태와 함께 펌프(26)의 속도에 의하여 결정된다.
펌프(26)는 제어유니트(42)에 의하여 제어되는 모터(40)에 의하여 구동된다. 제어유니트(42)는 차량속도에 따라서 변화하는 차량속도센서(44)로부터의 입력신호와, 조향비, 즉, 조향휠(12)의 회전비에 따라서 변화하는 조향비센서(46)로부터의 입력신호를 수신한다. 제어유니트(42)는 이들 입력에 기초하여 펌프(26)의 속도를 제어한다. 따라서, 이 시스템은 속도제어형 시스템이라 한다.
도 2에서, 모터(40), 그리고 이에 따른 펌프(26)의 속도는 조향비와 함께 증가하고 증가하는 차량속도에 따라서 감소하도록 구성된다.
도 3에서, 모터(40)는 예를 들어 6개의 자석(104)이 착설된 회전자(102)로 구성되고 이와 같은 경우 회전자의 둘레에서 N극과 S극 사이에 교대로 배치된 6개 의 자극이 제공될 수 있도록 구성된 3상의 전기정류형 정현파형 AC 브러쉬리스 영구자석 동기모터이다. 따라서, 회전자(102)는 이러한 회전자의 둘레에 등간격을 두고 배치되는 3개의 직축선, 즉, d 축선과 이러한 d 축선 사이에 배치되는 3개의 직각축선, 즉 q 축선을 정의한다. d 축선은 자석(104)의 자극과 일렬로 정렬되어 회전자로부터의 자속선이 방사상 방향으로 놓이고, q 축선은 d 축선 사이에 배치됨으로서 회전자로부터의 자속선이 접선방향으로 향한다. 회전자가 회전할 때, d 및 q 축선의 방향도 이와 함께 회전할 것이다.
이러한 특정 실시형태에서 고정자(106)는 예를 들어 9개의 슬롯을 갖는 구리제 권취부재로 구성되며, 이는 3개의 톱니를 하나의 그룹으로 하는 3개의 고정자톱니 그룹(108A)(108B)(108C)을 가지고, 각 고정자톱니 그룹은 각 상을 형성하는 공통의 권선을 갖는다. 따라서, 회전자의 매 회전마다 3회의 전기적인 주기가 나타나고, 고정자톱니 그룹(108A)(108B)(108C)에서 어떠한 상의 3개 톱니는 항상 동일한 전기적 위치에 놓인다.
도 4에서, 상 A, B 및 C로 나타내는 3개의 모터권선(112)(114)(116)은 성형(星形) 네트워크로 연결된다. 다른 실시형태에서, 델타 네트워크형태의 다른 구성이 이용될 수 있다. 상권선을 구성하는 코일이 각각 고정자톱니(108A)(108B)(108C)의 둘레에 권취된다. 각 코일의 일측단부(112a)(114a)(116a)는 각 단자(112c)(114c)(116c)에 연결된다. 코일의 타측단부((112b)(114b)(116b)는 함께 연결되어 스타 센터(117)를 구성한다. 구동회로는 3개의 상브릿지(118)로 구성된다. 브릿지의 각 암(110, 122, 124)은 급전라인(130)과 접지라인(132) 사이에 직렬로 연결된 상부트랜지스터(126)와 하부트랜지스터(128)의 형태인 한쌍의 스위치로 구성된다. DC 링크 전압이 급전라인(130)과 접지라인(132) 사이에 인가된다. 모터권선(112)(114)(116)은 각 보완쌍의 트랜지스터(126)(128) 사이로부터 연장되어 있다. 트랜지스터(126)(128)는 제어유니트(42)내의 구동단 제어기(133)에 의하여 턴-온 및 턴-오프되어 제어됨으로서 각 단자(112c)(114c)(116c)에 인가되는 전압의 펄스폭변조(PWM)가 이루어지도록 하여 각 권선(112)(114)(116)에 인가된 전위차를 제어하고 권선을 통하여 흐르는 전류를 제어한다. 그리고 이는 권선에 의하여 발생된 자계의 강도와 방향을 제어하여 모터의 토크와 속도를 제어한다.
저항(134)의 형태인 전류측정장치가 모터(40)와 접지부 사이의 접지라인(132)에 제공되어 제어기(42)가 모든 권선(112)(114)(116)을 통하여 흐르는 전체전류를 측정할 수 있도록 한다. 각 권선의 전류를 측정하기 위하여 권선의 각 단자에 인가되는 전압(그리고 특정 상의 전도상태)이 알려진 PWM 주기내에서 정확한 순간에 전체전류가 샘플링되어야 한다. 잘 알려진 바와 같이, 어느 한 PWM 주기에서 각 권선의 전류가 측정될 수 있도록 하기 위하여, 구동회로는 사전에 결정된 최소시간동안 적어도 두 개의 상이한 동작상태가 될 필요가 있다. 구동단 제어기(133)는 PWM 주기에서 상이한 시간에 측정된 저항(134) 양단의 전압으로부터 상전류를 측정할 수 있다.
DC 링크 전압센서(135)가 구동회로 양단, 즉 급전라인(130)과 접지라인(132) 사이의 DC 링크 전압을 측정하도록 배치된다. 구동단 제어기(133)는 이러한 전압센서(135)로부터의 입력을 수신한다. 제어기는 이러한 입력으로부터 모터의 상전압을 측정할 수 있도록 구성된다. 이를 위하여, 제어기(133)는 각 모터상의 변조듀티싸이클, 즉 상이 급전라인에 연결되는 각 PWM 주기의 일부분을 측정하고, 이를 측정된 DC 링크 전압에 곱한다. 이로써 각 상에 대한 상전압의 측정값을 얻을 수 있다.
제어유니트(42)는 요구된 모터전류를 발생할 모터의 상전압을 측정하고 이들 전압을 구동단 제어기(133)에 입력하도록 구성된다. 구동단 제어기(133)는 이후 상세히 설명되는 바와 같이 요구된 상전압을 발생하기 위하여 구동단의 트랜지스터를 제어할 수 있게 구성된다.
도 5에서, 3상 시스템에서 각 권선(102)(104)(106)은 급전라인(120) 또는 접지라인(122)에만 연결될 수 있으며 따라서 제어회로의 상태는 8가지가 될 것이다. 상의 하나가 양의 전압임을 나타내는 1 과 접지된 상을 나타내는 0 을 이용하여, 상태 1 은 상 A 가 1 이고, 상 B 가 0 이며, 상 C 가 0 일 때를 나타내는 [100] 으로 나타낼 수 있으며, 상태 2 는 [110], 상태 3 은 [010], 상태 4 는 [011], 상태 5 는 [001], 상태 6 은 [101], 상태 0 는 [000], 그리고 상태 7 은 [111] 로 나타낸다. 각 상태 1~6 은 전류가 모든 권선(102)(104)(106)을 통하여 흐르고, 이들 중의 하나를 통하여 일측방향으로 흐르며 다른 두 권선을 통하여 타측방향으로 흐르는 전도상태이다. 상태 0 는 모든 권선이 접지된 제로볼트상태이고 상태 7 은 모든 권선이 급전라인에 연결된 제로볼트상태이다.
여기에서, 상태 1, 2, 3, 4, 5 및 6은 각각 상태 +A, -C, +B, -A, +C 및 -B 라 할 수 있는 바, 그 이유는 이들이 각각 권선 양단에 인가된 전압이 상의 각 하나에 대하여 포지티브 또는 네거티브 방향인 상태를 나타내기 때문이다. 예를 들 어, +A 상태에서 A 상은 급전라인에 연결되고 다른 두 상은 접지라인에 연결되며, -A 상태에서 이들의 연결은 바뀐다.
회로가 PWM이 이루어지도록 제어될 때, 각 상은 통상적으로 각 PWM 주기에서 한번씩 턴-온 및 턴-오프될 것이다. 각 상태에서 걸리는 시간의 상대적인 길이는 각 권선에서 발생된 자계의 크기와 방향, 그리고 회전자에 인가된 총토크의 크기와 방향을 결정할 것이다. 이들 시간길이, 즉 듀티비는 여러 변조알고리즘에 의하여 계산될 수 있으나 이 실시형태에서는 공간벡터변조기술이 이용된다.
도 6에서, 상태벡터 변조시스템에서, 각 상태에 소요된 PWM 주기의 시간은 공간벡터변조(SVM) 다이아그램에서 상태벡터로 나타낼 수 있다. 이러한 형태의 다이아그램에서, 단일상태벡터들은 벡터 S1~S6 의 방향에 놓인 것들이며, 이들 각 방향에서 벡터의 길이는 각 상태에서 소요된 각 PWM 주기에서의 시간의 양을 나타낸다. 이는 권선에서 어떠한 요구된 전압이 전압의 크기와 방향을 나타내는 전압벡터에 일치하는 다이아그램상의 점으로 나타낼 수 있으며, 상태벡터 S1, S2 등의 조합에 의하여 발생될 수 있고, 그 길이는 이러한 상태에 소요된 각 PWM 주기에서의 시간을 나타낸다. 예를 들어, 요구된 상전압벡터 V1은 벡터 S3과 S4의 합으로서 나타낼 수 있다. 모터가 회전할 때 요구된 벡터의 방향이 변하며, 벡터는 다이아그램의 중앙을 중심으로 하여 회전할 것이며 또한 벡터의 길이는 모터로부터의 요구된 토크가 변화함에 따라서 변화할 것이다.
도 7에서, 고정자권선으로부터의 요구된 전압은 두개의 직각방향 α,β에 하 나씩 두개의 성분으로 나타낼 수 있다. 도 3으로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 모터는 회전자(102)의 매회전 마다 3회의 전기적인 주기를 갖는다. 각 전기적인 주기에서, 요구된 전압벡터는 한번씩 고정자 벡터 다이아그램을 중심으로 회전할 것이다. 따라서 α와 β 성분의 방향은 d 축선과 q 축선이 이루는 동일한 각도만큼 간격을 두게 되며, α와 β 성분은 고정자에 대한 전압벡터를 나타내고 d와 q 성분은 회전자에 대한 전압벡터를 나타낸다. 회전자 위치가 알려진 경우, d/q, α/β 또는 A/B/C 성분의 어느 하나로 나타내는 전압은 다른 어느 하나로 변환될 수 있다.
도 8에서 제어유니트(42)의 작동이 보다 상세히 설명될 것이다. 도 2의 좌표로부터 유도된 바와 같이, 모터의 요구된 회전속도가 비교기(203)에 의하여 측정된 회전속도와 비교된다. 이들 둘 사이의 차이가 PI 제어기(205)에 입력되고 이 제어기는 이러한 차이를 줄이기 위하여 요구된 모터전류를 계산하고 이에 상응하는 전류요구 Idq 를 출력한다. 요구된 전류성분 Idq 는 측정된 d 및 q 축선 전류와 비교되고 그 차이가 비교기(201)에 의하여 측정된다. 두개의 PI(비례/적분) 제어기(200)(단 하나만 보임)가 요구된 d 및 q 축선 전압 Udq 를 측정하기 위하여 측정된 d 및 q 축선 전류와 요구된 d 및 q 축선 전류 사이의 차이를 이용하도록 구성된다. dq/αβ 변환기(202)는 입력으로서 모터위치를 이용하여 d 및 q 축선 전압을 α 및 β 축선 전압 Uαβ 으로 변환시킨다. 모터위치는 이후 설명되는 바와 같이 센서리스 알고리즘을 이용하여 측정된다. 다른 변환기(204)가 3개의 모터 상에 대하여 α 및 β 축선 전압을 요구된 상전압 Uabc 로 변환시킨다. 이들 상전압은 요구된 상전압을 얻기 위하여 상기 언급된 바와 같이 구동단(118)을 제어하는 구동단 제어기(133)에 입력된다.
단일전류센서(134)를 이용하여 측정된 3개의 상전류 Iabc 는 제1전류변환기(206)로 입력되어 α 및 β 축선 전류 Iαβ 로 변환된다. 그리고 이들은 모터위치와 함께 제2전류변환기(208)로 입력되며, 제2전류변환기(208)는 이들을 d 및 q 축선 전류 Idq 로 변환한다. 이들 측정된 d 및 q 축선 전류는 상기 언급된 바와 같이 요구된 d 및 q 축선 전류와의 비교를 위하여 사용된다.
참고로, 모터위치센서가 위치측정알고리즘 대신에 사용되는 시스템이 도 9에 도시되어 있다.
도 10에서, 센서리스 모터위치측정알고리즘(210)은 α 및 β 축선 전압의 형태인 인가전압과 α 및 β 축선 전류의 형태인 측정전류를 입력으로서 수신할 수 있도록 되어 있다. 센서리스 알고리즘은 모터의 모델로 구성되며, 입력으로부터 모터위치 및 모터속도의 추정값을 발생한다.
도 11에서, 이 경우의 알고리즘은 프레딕터-코렉터(predictor-corrector) 또는 관측기형 알고리즘이다. 이는 프레딕터(212)와 보상기 도는 관측기(2140를 포함한다. 프레딕터(212)는 모터의 모델과, 저항 및 인덕턴스와 같은 모터의 전기적인 파라메타와 관성 및 제동과 같은 물리적인 파라메타의 정의를 포함하는 시스템의 선택적인 다른 부분을 포함한다. 모델은 모델입력으로부터 모델출력을 유도해낼 수 있는 일련의 등식으로 정의된다. 모델은 입력으로서 인가된 전압을 수신할 수 있게 되어 있다. 이는 출력으로서 모터의 여러 파라메타 또는 상태, 특히 모터위치와 모터속도 그리고 모터의 전류에 대한 추정값을 발생한다. 추정전류가 비교비(216)에서 측정전류와 비교되며 이들 둘 사이의 차이가 비교기(214)에 오차신호로서 입력된다. 비교기(214)는 각 모터상태에 대하여 이러한 오차로부터 전류오차를 최소화하여 위치추정값의 오차를 줄일 수 있도록 하는 보정율을 유도한다. 비교기(214)에 의하여 출력된 보정값은 이에 따라서 상태를 보정하는 프레딕트(212)에 입력된다. 따라서, 비교기(214)는 예를 들어 모델에 의하여 정의된 위치와 속도의 상태가 보정될 수 있도록 하는 프레딕트에 대한 폐쇄형 루프 피드백을 제공한다. 이는 측정 및 모델오차에 대하여 센서리스 알고리즘이 확고하도록 한다.
다음의 등식은 일반적인 관측기의 작동을 보인 것으로, 이 경우에 있어서 관측기는 모터의 모델에서 비선형항을 적응시키는 비선형 관측기이다. 상태추정값(모터의 상전류, 회전자 위치 및 회전자 속도)은
Figure 112008044595908-PCT00001
이고 측정된 상전압은 u 이다. 모터와 시스템 다이나믹스는 비선형 함수 A 와 B 이다. 실제 상태는 x로 나타내므로 오차는
Figure 112008044595908-PCT00002
로 나타내며 보정값은 비선형 함수 C 로 나타낸다.
Figure 112008044595908-PCT00003
이 예에서 비선형 관측기에 대한 등식은 다음과 같다.
Figure 112008044595908-PCT00004
다음의 보정항이 관측기에 이용된다.
Figure 112008044595908-PCT00005
Figure 112008044595908-PCT00006
여기에서,
Figure 112008044595908-PCT00007
Figure 112008044595908-PCT00008
이들 등식의 항은 다음과 같이 정의된다.
(α,β) = 고정자(고정됨) 기준프레임
(d , q) = 회전자 기준프레임
iα, iβ = 모터전류
uα, uβ = 모터전압
θe = 모터의 전기각(라디안 전기각)
ωm = 모터의 기계적인 각속도(초당 라디안 기계각)
R = 모터 상저항
L = 모터 인덕턴스(상의 자기인덕턴스 + 상호인덕턴스)
B = 모터의 기계적인 점성
J = 모터의 기계적인 관성
ke = 모터의 역기전력 상수(아래에 정의됨)
ki = 모터의 토크 상수(아래에 정의됨)
p = 모터의 자극쌍의 수
gi, gw, gθ = 관측기 이득(조정가능한 파라메타)
모터의 역기전력과 토크 상수는 다음과 같이 정의된다.
ke = 선간피크전압/기계적인 각속도
ki = 평균모터토크/모터피크전류
양을 나타내는 부호의 상부에 붙인 기호 "＾"는 측정값이 아닌 추정값을 나 타낸다.
각 변수에 대한 값은 다음과 같이 얻는다.
iα, iβ는 상기 언급된 바와 같이 측정된 상전류로부터 유도된다.
uα, uβ는 측정된 상전압으로부터 유도된다.
θe 는 알고리즘으로부터 결정되는 변수이다.
Figure 112008044595908-PCT00009
는 관측기의 초기상태이다. 관측기의 외부에서, 각속도는 관측기의 모터위치상태 θe 를 미분하여 결정된다.
R, L, B 및 J는 일정한 것으로 정의된다.
ke 와 ki 는 상기 언급된 바와 같이 정의되고 오프-라인 측정을 이용하여 결정된다.
p 는 알려진 상수로서 모터의 자극쌍의 수이다.
제어기가 추정된 위치의 차이로부터 모터속도를 유도할 수 있도록 구성된 것은 회전자가 회전하고 시스템이 안정된 평형상태에 이르른 경우에 모터의 속도제어를 위한 속도신호의 정확성이 알고리즘을 실행하는 제어기에서 마이크로프로세서의 클록의 정확성에 의하여서만 결정된다는 잇점을 갖는다.
상기 언급된 센서리스 위치측정 알고리즘은 회전위치에 따라서 변화하는 모터의 전기적인 파라메타를 모니터함으로서 회전자 위치를 측정한다. 특히 이는 회전자 자속의 도함수로서 모터의 회전위치에 따라서 변화하는 회전자 역기전력의 위 상각을 추정한다.
프레딕트/보상기형의 센서리스 알고리즘을 이용하는 잇점은 이것이 위치추정값의 정확성에 영향을 줄 수도 잇는 다수의 가변파라메타를 보상하는 것이다. 알고리즘 등식에 사용된 일부 파라메타는 모터 마다 다를 수 있다. 이들 파라메타는 예를 들어 모터 상저항 R, 모터 인덕턴스 L, 모터의 기계적인 점성 B, 모터의 기게적인 관성 J, 그리고 모터의 역기전력과 토크상수 ke 와 kt 를 포함한다. 만약 프레딕터/보상기 시스템이 사용되지 않은 경우, 이들 파라메타는 발생되어 각각 센서리스 알고리즘에 입력될 때 각 모터에 대하여 측정될 수 있다. 그러나, 이는 시간이 많이 걸리고 불편하다. 일부 파라메타는 R, L 및 B 와 같이 온도에 따라서 달라질 수 있다. 다시, 프레딕터/보상기 시스템이 사용되지 않은 경우, 온도가 모니터되고 알고리즘 등식은 이러한 온도를 고려할 수 있도록 수정된다. 그러나, 이는 모델이 매우 복잡하게 되도록 하여 계산비용이 증가하도록 할 것이다.
참고로, 모터위치센서가 위치측정알고리즘 대신에 사용되는 시스템이 도 9에 도시되어 있다.
상기 언급된 위치측정알고리즘에서 일어날 수 있는 장애는 다수가 있다. 이러한 장애의 하나가 부정확한 수렴이다. 많은 다른 것과 마찬가지로 알고리즘은 두개의 솔루션을 가지며, 그 하나는 정확한 것이고 다른 하나는 180°벗어난 것이다. 만학 부정확한 솔루션이 도달하는 경우 모터는 요구된 것과는 반대의 방향으로 회전토록 구동될 것이다. 일부의 경우에 있어서, 만약 알고리즘이 불완전하게 조정되 었다면 이는 정위치로부터 일정량 만큼 벗어난 위치로 수렴할 것이며, 여기에서 일정량은 180°이하이다. 다른 가능성 있는 장애는 모터의 정위치와 알고리즘에 의하여 측정된 위치 사이의 오프셋트로 나타나는 DC 오프셋트와 같은 시스템 파라메타의 변화로부터 나타날 수 있다. 다른 가능성 있는 장애는 회전자가 고정되어 움직일 수 있는 것이다. 이는 요구된 속도로 거의 경사진 위치출력을 발생하는 알고리즘에 의하여 나타난다. 다른 가능성 있는 장애는 알고리즘이 불안정하게 실행되어 부정확한 위치추정의 결과를 가져오는 것이다. 불안정성은 한정되어 위치추정이 특정 위치로부터 진동하거나 한정되지 않아 위치추정이 무한대가 될 수 있도록 한다.
따라서, 제어기는 가능한 한 정확히 작동하는지의 여부를 체크하기 위하여 위치측정알고리즘에서 다수의 진단체크를 수행할 수 있도록 구성된다.
한가지 진단체크는 전류오차를 이용하여 수행되는 것이다. 상기 언급된 바와 같이 센서리스 알고리즘에 의하여 결정된 모터전류와 측정된 전류 사이에는 차이가 있다. 이와 같은 경우, d 및 q 축선의 전류오차가 사용되나, α/β 또는 A/B/C 성분이 동일하게 이용될 수 있다. 이들 오차는 d 와 q 축선의 어느 하나가 사전에 결정된 극한값을 초과하는지의 여부를 결정하도록 모니터된다. 만약 오차의 하나가 극한값을 초과하는 경우 장애가 식별되고 장애표시신호가 발생된다.
이러한 실시형태의 수정형태에서, 오차는 모두 시간을 통하여 모니터되고, 만약 이들 중의 하나가 사전에 결정된 시간 이상의 시간동안 문제의 극한값을 초과하는 경우에만 장애가 확인된다. 다른 수정형태에서 d 및 q 축선 오차의 크기의 합이 결정되고 이러한 합이 사전에 결정된 한계 또는 사전에 결정된 시간을 초과하는 경우에만 장애가 확인된다.
상기 언급된 바와 같이, α 및 β 좌표 오차가 d 및 q 축선 오차를 대신하여 사용될 수 있다. 그러나, 이와 같은 경우 효과적인 체크가 이루어질 수 있도록 전류신호를 정류할 필요가 있다.
알고리즘이 올바르지 않은 솔루션으로 수렴하는지의 여부를 확인하는 다른 진단체크는 모터의 정위치와 일치하지 않는 위치신호를 발생한다. 상기 언급된 바와 같이 이 실시형태에서 알고리즘은 정확한 위치로부터 180°벗어난 솔루션으로 수렴할 수 있다. 이를 모니터하기 위하여, 제어기(42)는 모터각속도상태
Figure 112008044595908-PCT00010
를 각위치사태 θ의 시간을 비교하여 이들의 부호가 동일한지의 여부를 결정할 수 있게 되어 있다. 만약 각속도의 이들 두 추정값이 부호가 다르다면 이는 알고리즘이 부정확한 솔루션으로 수렴되어 장애표시가 발생됨을 나타낸다. 다시 제어기는 속도상태
Figure 112008044595908-PCT00011
와 위치상태 θ의 미분이 상이한 부호인 것으로 검출되는 경우 장애표시를 발생할 수 있도록 구성되거나, 또는 부호의 차이가 사전에 결정된 시간동안 유지되는 경우에만 장애표시를 발생할 수 있도록 구성될 수 있다.
모터가 정지상태에서 기동할 때에, 위치측정알고리즘이 장애가 있기 때문이 아니라 모터가 올바르지 않은 방향으로 회전하므로 각속도의 두 추정값은 상이한 부호를 가질 것이다. 따라서 이러한 진단테스트는 모터제어기의 작동 후, 즉, 제어기가 모터를 기동시키기 시작한 후 사전에 결정된 시간동안 기능하지 아니한다.
이용된 다른 진단체크는 모터속도의 두 측정값, 즉 속도상태
Figure 112008044595908-PCT00012
와 위치상태 θ의 미분 사이의 차이를 모니터하는 것이다. 만약 이들 두 측정값이 사전에 결정된 양 만큼 다른 경우, 장애표시가 발생된다. 이는 두 측정값 사이의 오차를 모니터하고 이러한 오차가 사전에 결정된 경계영역의 밖에 있는지의 여부를 결정함으로서 결정될 수 있다. 앞의 테스트와 같이, 이는 하나가 수정되어 두 측정값이 사전에 결정된 양 이상의 양 만큼 다른 경우, 즉, 오차가 사전에 결정된 시간동안 경계영역 밖에 있는 경우에만 장애표시가 발생된다.
다른 진단체크가 메인 센서리스 위치측정알고리즘과 동일한 입력으로부터 회전자위치를 추정할 수 있도록 구성된 체킹 알고리즘으로서의 다른 알고리즘을 이용하여 수행된다. 따라서 이러한 추정기는 α 및 β 축선 전압의 형태인 인가전압과, d 및 q 축선 전류의 형태인 측정전류를 입력으로서 수신할 수 있게 되어 있다. 추정기는 이들 입력으로부터 모터위치의 추정값을 발생한다. 체킹 알고리즘은 메인 위치측정알고리즘과는 상이하므로 상이한 장애모드를 갖는다. 이는 또한 메인 알고리즘 보다 간단하여 그만큼 장애가 적다. 그러나, 메인 알고리즘 만큼 정확하지 않으며 모터제어를 위하여 모터위치를 나타내는 1차표시를 제공하기 위하여 사용될 수 있을 정도로 충분히 정확하지 않다.
체킹 알고리즘은 모터의 역기전력을 측정하고 이로부터 회전자위치를 추정할 수 있도록 구성된다. 이는 다음 등식에 의하여 정의된다.
Figure 112008044595908-PCT00013
여기에서;
eαβ(t)는 역기전력(알파 베타 좌표에서),
uαβ(t)는 입력전압(알파 베타 좌표에서),
iαβ(t)는 측정된 전류(알파 베타 좌표에서),
R은 모터저항,
L은 모터 인덕턴스,
θEMF(t)는 역기전력의 위치(전기적인 모터위치 θ(t)는 90°만큼 θEMF(t)를 지체시킨다).
도 12에서 보인 바와 같이, 제어기(42)는 일정한 간격을 두고 인가된 α 및 β 축선 전압, Vα(t) 및 Vβ(t)와, 측정된 α 및 β 축선 전류, iα(t) 및 iβ(t)를 샘플링할 수 있도록 구성되어 있다. 각 샘플링단계에서, 위치측정알고리즘이 실행되고 회전자위치를 나타내는 위치신호를 출력한다. 또한 선행단계로부터 현재단계까지 측정전류의 변화, Δiα(t) Δiβ(t)가 측정된다. 그리고 인가전압 Vα(t) 및 Vβ(t), 측정된 모터전류 iα(t) 및 iβ(t)와, 모터전류의 변화 Δiα(t) Δiβ(t)가 체킹 알고리즘으로 입력되고 이 알고리즘은 이들로부터 별도의 회전자위치의 추정값을 발생한다. 그리고 위치추정기는 두 알고리즘에 의하여 발생된 위치신호를 비교한다. 만약 이들 둘 사이의 차이가 사전에 결정된 한계값 보다 크면 장애표시가 발생된다. 또한 장애표시는 이들 두 위치측정값 사이의 차이가 적어도 사전에 결정된 시간동안 경계영역의 외부에 놓여 있는 경우에만 발생될 수 있도록 할 수 있다.
도 12로부터 보인 바와 같이, 위치추정기는 위치측정알고리즘 보다 낮은 빈도로 회전자위치를 측정한다. 이들 두 측정값을 정확히 비교하기 위하여, 위치측정알고리즘으로부터 출력된 위치신호의 경우와 같이, 인가된 α 및 β 축선 전압의 값 Vα(t) 및 Vβ(t), 측정된 α 및 β 축선 전류 iα(t) 및 iβ(t)와, 모터전류의 변화 Δiα(t) Δiβ(t)가 항상 샘플링된다. 따라서, 추정기는 동일한 시간에 측정된 측정값에 기초하여 두 위치추정값을 비교한다. 추정기의 낮은 빈도 때문에 진단기능의 계산비용이 현저히 증가하지 않는다.
만약 어떠한 진단기능이 장애표시의 발생을 가져왔다면, 제어기(42)는 모터를 정지시키고 위치측정알고리즘을 정지시킬 것이며 모터를 재기동시킬 것이다. 어느 경우에 있어서는 리셋팅이 장애를 제거할 수 있으며, 따라서 이러한 리셋팅으로 모터제어가 정상으로 진행될 수 있을 것이다. 만약 모터의 재기동시에 사전에 결정된 시간내에서 다른 장애표시가 발생되는 경우, 리셋팅이 장애를 제거하지 못할 수도 있어 다른 치료작업이 필요할 것이다. 따라서, 센서리스 위치측정알고리즘은 포기되고 대신에 모터제어에 추정기의 위치추정이 이용된다. 가능한 한 모터제어가 효과적으로 이루어질 수 있도록 하기 위하여, 추정기가 모터위치를 측정하는 빈도가 정상레벨로 증가된다. 이러한 경우에 있어서, 비록 일부의 경우 빈도의 증가가 적어도 충분하지만, 메인 센서리스 알고리즘의 빈도와 같게 증가된다.
체킹 알고리즘은 다양한 형태로 구성될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들어 이는 상기 언급된 바와 같이 개방루프형의 추정기 보다는 프레딕터/보상기형태의 알고리즘으로 구성될 수 있다. 또한 다른 실시형태에서 3개의 독립된 위치측정알고리즘이 이용되고 이들 3개 전부로부터의 결과가 비교된다. 만약 이들 3개중 하나가 다른 둘과는 다른 결과를 발생하는 경우, 3개중의 하나가 장애이고 다른 둘은 정확히 작동되는 것임을 명백히 표시할 것이다.
모터가 정지되었을 때, 이는 모터의 상에 전압을 인가하는 것을 단순히 중단하는 것으로 이루어지는 바, 이렇게 함으로서 구동토크를 제로로 감소시켜 모터가 정지하게 된다. 그러나, 이 실시형태에서, 모터제어는 모터권선에 전압을 인가하여 이들 권선이 제동토크를 발생케 함으로서 모터가 신속히 정지할 수 있도록 한다.
이상의 실시형태는 비선형 관측기를 이용하는 것인 반면에, 루엔버거 관측기(Luenberger observer) 또는 칼만 필터(Kalman filter)와 같은 다른 폐쇄루프형 관측기가 사용될 수 있다.
본 발명의 진단방법은 다른 분야에도 이용될 수 있다. 전기-유압형 파워 스티어링 시스템과 함께 이들은 전기모터가 조향래크에 직접 보조동력을 공급하는 전기 파워 스티어링 시스템에도 이용된다. 이들 시스템은 모터가 매우 낮은 속도로 떨어지는 모터속도의 전범위에서 매우 정확하게 제어된 레벨의 높은 토크를 발생하도록 요구한다.

Claims (29)

  1. 전기모터용 제어시스템에 있어서, 이 제어시스템이 위치측정알고리즘에 의하여 적어도 하나의 전기적인 파라메타로부터 모터의 위치를 측정할 수 있게 되어 있고, 또한 알고리즘에 의하여 한정된 적어도 하나의 알고리즘 파라메타를 모니터하여 만약 모니터된 파라메타가 사전에 결정된 장애조건에 부합하는 경우 장애표시를 발생할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 전기모터용 제어시스템.
  2. 제1항에 있어서, 위치측정알고리즘이 모터위치를 포함하는 다수의 모델상태를 한정하는 모터의 모델을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 위치측정알고리즘이 모델의 출력을 모니터하여 이를 측정된 파라메타와 비교함으로서 모델에 입력될 수 있는 보정계수를 결정할 수 있도록 구성된 관측기를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 관측기가 비선형 관측기임을 특징으로 하는 시스템.
  5. 전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 알고리즘 파라메타가 측정된 파라메타와 일치하고 시스템이 장애조건이 부합되는지의 여부를 결정하기 위하여 알고리즘 파라메타를 측정된 파라메타의 측정값과 비교할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 측정된 파라메타가 전류임을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제1항 내지 제4항의 어느 한 항에 있어서, 다른 알고리즘 파라메타를 모니터하고 두 알고리즘 파라메타 사이의 관계로부터 장애조건이 부합되는지의 여부를 결정하도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 두 알고리즘이 모터위치와 모터속도를 한정함을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 장애조건이 부합되는지의 여부를 결정하기 위하여 모터속도 파라메타를 모터위치 파라메타의 미분과 비교할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제1항 내지 제4항의 어느 한 항에 있어서, 체킹 파라메타를 한정하는 체킹 알고리즘을 실행하고, 장애조건이 부합되는지의 여부를 결정하기 위하여 체킹 파라메타를 위치측정알고리즘의 체킹 파라메타와 비교할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 체킹 파라메타가 모터위치를 한정함을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 체킹 알고리즘은 위치측정알고리즘이 체크된 파라메타의 값을 발생하는 것보다 낮은 빈도로 체킹 파라메타의 값을 발생할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 체킹 파라메타와 체크된 파라메타의 적어도 하나의 값이 시간샘플링되고 시스템이 실질적으로 동일한 시간에 체킹 파라메타와 체크된 파라메타의 값을 비교하도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제10항 내지 제13항에 있어서, 체킹 파라메타가 모터의 역기전력을 측정함으로서 결정됨을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 역기전력을 측정하기 위하여 전류의 변화율을 측정할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 전류의 변화율이 측정되는 시간을 확인하여 측정된 전류 변화율로부터 유도된 체킹 파라메타의 값에 시간을 결합시킬 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제10항 내지 제16항에 있어서, 만약 장애가 위치측정알고리즘에서 확인되는 경우, 모터를 제어하기 위한 위치측정알고리즘에 의하여 측정되는 것 대신에 체킹 알고리즘에 의하여 측정되는 모터위치를 이용할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 만약 장애가 위치측정알고리즘에서 확인되는 경우, 체킹 알고리즘이 모터위치를 측정하는 빈도를 증가시킬 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
  19. 전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 장애표시에 응답하여 모터를 정지시키고 모터를 재기동시킬 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
  20. 전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, DC 링크 전압이 인가되는 DC 링크와, 모터를 제어하기 위하여 DC 링크를 모터의 권선에 연결할 수 있도록 구성된 구동단을 포함하고, DC 링크의 전기적인 파라메타로부터 권선의 전기적인 파라메타를 측정할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 전기적인 파라메타가 전압임을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제20항에 있어서, 구동단이 펄스폭변조제어를 이용하여 권선을 DC 링크에 연결하고, DC 링크 전압과 PWM 제어의 듀티 싸이클로부터 상전압을 측정할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
  23. 제20항에 있어서, 파라메타가 전류임을 특징으로 하는 시스템.
  24. 구동단이 각 권선과 DC 링크 사이의 연결을 개방하고 폐쇄하며, 권선이 DC 링크에 연결되는 시간에 DC 링크의 전류를 측정함으로서 권선중의 한 권선의 전류를 측정할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
  25. 전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 차량의 작동에 관련된 차량 파라메타를 나타내는 입력을 수신하고, 차량 파라메타에 따른 요구된 모터속도를 측정하며, 모터의 속도를 요구된 모터속도로 제어할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 차량 파라메타가 차량속도 또는 조향비임을 특징으로 하는 시스템.
  27. 모터와 상기 청구항의 어느 하나에 따른 제어시스템을 포함함을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
  28. 하나 이상의 도면을 참조하여 본문에 상술한 바와 같은 모터제어시스템.
  29. 하나 이상의 도면을 참조하여 본문에 상술한 바와 같은 파워 스티어링 시스템.
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