KR20110048979A - 전기자동차용 모터 위치 초기각 오프셋 보정 방법 - Google Patents

전기자동차용 모터 위치 초기각 오프셋 보정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기자동차용 모터 위치 초기각 오프셋 보정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모터 위치 및 속도 센서의 취부 환경에 의하여 모터의 회전자 초기 위치의 초기각 오프셋(Offset)이 발생이 발생하게 될 경우, 이 초기각 오프셋을 보정할 수 있도록 한 전기자동차용 모터 위치 초기각 오프셋 보정 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 엔진룸의 모터 축에 취부된 위치 및 속도센서가 인버터 시스템에 취부되는 과정 및 환경에 따라 센싱 정보의 변형이 발생할 수 있고, 회전자의 절대각 이동으로 인한 오차로 인하여 그 제어 성능이 저하되는 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 모터 위치 및 속도 센서의 취부 환경에 의하여 모터의 회전자 초기 위치의 초기각 오프셋(Offset)이 발생하게 될 경우, 오프셋을 감지하여 위치신호를 보정하는 제어기의 제어 알고리즘을 통하여 초기각 오프셋을 보정할 수 있도록 한 전기자동차용 모터 위치 초기각 오프셋 보정 방법을 제공하고자 한 것이다.
전기자동차, 모터, 위치 및 속도센서, 변형, 오프셋, 보정, 초기각

Description

전기자동차용 모터 위치 초기각 오프셋 보정 방법{Method for compensation motor position offset of HEV}
본 발명은 전기자동차용 모터 위치 초기각 오프셋 보정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모터 위치 및 속도 센서의 취부 환경에 의하여 모터의 회전자 초기 위치의 초기각 오프셋(Offset)이 발생이 발생하게 될 경우, 이 초기각 오프셋을 보정할 수 있도록 한 전기자동차용 모터 위치 초기각 오프셋 보정 방법에 관한 것이다.
산업용 인버터 시스템에서 고성능 고효율의 특성이 필요한 곳에 사용되는 벡터제어 기법이 하이브리드 전기자동차나 연료전지 전기자동차의 모터 제어 등에 사용되고 있다.
상기 벡터 제어는 직류전동기의 문제점을 보완함과 동시에 향상된 성능을 갖도록 교류전동기를 제어하는 기법이다.
첨부한 도 2는 고성능 벡터제어를 위한 일반적인 제어기 및 인버터가 모터와 배터리간에 연결된 구조를 나타낸다.
도 2에서 보는 바와 같이, 모터(10)와 배터리(12)간에 인버터(16)가 연결되어 있고, 모터(10)와 인버터(16)간의 연결라인에는 전류센서(18)가 위치되어 있으며, 모터(10)의 회전자측에 장착된 위치 및 속도센서(20)가 인버터(16)의 제어기(14)와 연결되어 있다.
상기 모터(10)의 벡터제어를 위해서는 모터의 회전자 자속의 위치를 알아야 하는데, 현재 많이 사용되는 방법이 위치 및 속도 센서(20)를 회전자측에 부착하여 회전자의 절대 혹은 상대 위치를 알아내는 방법이 있다.
일반적으로 회전자의 위치 및 속도 검출을 위한 센서로 레졸버(Resolver)나 회전식 엔코더(Rotary Encoder)와 같은 회전 변환기가 사용된다.
상기 회전식 엔코더에는 절대(Absolute) 엔코더와 증분형(Incremental) 엔코더가 있고, 상기 레졸버와 절대 엔코더는 회전자의 절대 위치를 항상 검출할 수 있다는 장점이 있지만, 높은 가격으로 인해 널리 쓰이지는 못하는 단점이 있다.
모터에 대한 고성능 벡터제어를 하기 위해서 인버터(16)의 제어기(14)는 위치 및 속도센서(20: 엔코더 혹은 레졸버)를 이용하여, 첨부한 도 3의 인버터 시스템의 제어기 구조에서 보는 바와 같이 전류제어 알고리즘을 위한 모터의 회전자 위치(θr)를 계산하게 된다.
또한, 제어기(14)의 구조에 따라 위치제어나 속도제어 알고리즘이 필요한 경우 측정된 위치(θr) 및 속도(ωrpm)값이 필요하게 된다.
하이브리드 전기자동차나 연료전지 전기자동차의 경우, 고성능 제어를 위한 인버터 시스템에서 모터는 내연기관을 대신하여 자동차의 엔진룸에 위치하게 되는데, 위치 및 속도 센서(엔코더 및 레졸버)는 모터의 뒤쪽 축에 일체로 취부되어 그 센싱(θr)정보를 제어기에 되먹임(Feedback)하여 안정된 제어를 하게 된다.
그러나, 엔진룸의 모터 축에 취부된 엔코더 즉, 위치 및 속도센서는 기계적인 충격으로부터 손상받기 쉬운 구조이기 때문에 인버터 시스템이 처한 환경에 따라 그 신뢰성이 떨어질 수 있고, 그에 따라 센싱(θr)정보의 변형이 발생할 수 있고, 결국 고성능 벡터제어를 위한 위치 및 속도의 계산에 오류가 발생할 수 있는 문제점이 있다.
또한, 상기 위치 및 속도 센서가 인버터 시스템에 취부되는 과정에서 발생할 수 있는 절대각의 이동으로 인한 오차로 인하여, 그 제어 성능이 저하되는 문제점이 있다.
이와 같이, 전동기 구동 시스템이 제어 신뢰성을 갖기 위해서는 중요 신호인 위치(θr) 혹은 속도(ωrpm)의 변형(오프셋(Offset) 등)을 감지하는 것이 무엇보다 중요하다 할 수 있다.
상기 변형(이하, 오프셋이라 칭함)을 감지하기 위한 여러가지 방법들이 연구되어 왔으며, 종래의 방법중 하나로서 일반적인 궤환(Feedback) 제어 시스템에서 기준치(Reference) 값과 전동기의 실제값을 비교하여 오차가 발생하게 되면, 그 오차 만큼을 보정하는 제어를 수행하는 방법이 주로 사용되고 있다.
이러한 일반적인 궤환 제어 시스템의 경우, 실제 시스템의 스텝응답(Step response)에 대한 오버슛(Overshoot)등의 발생으로 인한 오차 값을 결정하는데 문제가 발생하는 단점이 있다.
또 다른 종래의 방법은 모델링에 기초해서 실제 모터의 출력값과 모델의 출력값을 비교하는 것인데, 이 모델링 비교 방법은 모터의 파라메터나 제어기의 적분기(Integrator)의 포화 등과 같은 문제에 따른 오차 범위를 설정하는 문제가 발생하는 단점이 있다.
또한, 종래의 제어 방법중 고급 제어이론을 통한 추정기(Observer)를 설계하여 오차 범위를 판단하는 기법이 사용되기도 하였으나, 실제 제어기 구현이 복잡하여 제어기의 제어 수행시간이 길어지는 단점이 있다.
본 발명은 엔진룸의 모터 축에 취부된 위치 및 속도센서가 인버터 시스템에 취부되는 과정 및 환경에 따라 센싱 정보의 변형이 발생할 수 있고, 회전자의 절대각 이동으로 인한 오차로 인하여 그 제어 성능이 저하되는 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 모터 위치 및 속도 센서의 취부 환경에 의하여 모터의 회전자 초기 위치의 초기각 오프셋(Offset)이 발생하게 될 경우, 오프셋을 감지하여 위치신호를 보정하는 제어기의 제어 알고리즘을 통하여 초기각 오프셋을 보정할 수 있도록 한 전기자동차용 모터 위치 초기각 오프셋 보정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전동기의 회전자의 위치(θr)를 위치 및 속도센서에서 센싱하는 단계와; 전류센서에서 d-q축 전류인 삼상 전류(ias,ibs,ics)를 센싱하고, 센싱된 삼상 전류를 벡터 제어를 하기 위한 변환을 하여 d-q축 전류를 계산하는 단계와; 위치 및 속도 센서의 오프셋을 감지하여 각오차(θerr) 오프셋량을 계산하는 단계와; 각오차(θerr)에 의한 보정 제어를 하여, 전동기에 각오차로 인하여 발생한 전압 및 전류를 보상하는 전류제어기의 제어값들이 오프셋된 후의 값들로 변경되는 단계와; 위치 보정된 상태에서 전류제어기의 출력전압(
Figure 112009067720410-PAT00001
,
Figure 112009067720410-PAT00002
)및 출력상전압(
Figure 112009067720410-PAT00003
,
Figure 112009067720410-PAT00004
,
Figure 112009067720410-PAT00005
) 변환 단계가 이루어진 후,인버터에 전압을 인가하여 원하는 토크를 얻는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 모터 위치 초기각 오프셋 보정 방법을 제공한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 위치 및 속도센서가 인버터 시스템에 취부되는 과정 및 환경에 따라 센싱 정보의 변형이 발생할 수 있고, 이 변형 즉, 모터 위치 및 속도 센서의 회전자 초기 위치의 초기각 오프셋(Offset)이 발생하게 될 경우, 오프셋을 감지하여 위치 신호를 보정할 수 있다.
이렇게, 전동기의 회전자 위치 및 속도센서의 변형(Offset)을 감지하여 표면 부착형 영구자석 동기 전동기의 성능 저하를 막을 수 있고, 이로 인하여 하이브리드 전기자동차 및 연료전지 전기 자동차의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 표면 부착형 영구자석 동기 전동기 구동 시스템에서 새로운 위치 및 속도 센서의 오프셋(변형,Offset)을 감지하는 알고리즘을 제안하고자 한 것이다.
즉, 본 발명은 표면 부착형 영구자석 동기 전동기 구동 시스템이 정상적으로 동작 중에 내부 혹은 외부 요인에 의하여 위치 및 속도 센서의 취부 위치가 바뀌어서 실제각(θr)과 제어각(
Figure 112009067720410-PAT00006
)의 각 오차(θerr)로 인한 오프셋이 발생할 경우, 이 오프셋을 감지 하여 보정하는 방법을 제공하고자 한 것이다.
상기 표면 부착형 영구자석 동기 전동기는 아래의 수학식 1과 같이 모델링되고, 그 토오크는 수학식 2로부터 구해질 수 있다.
Figure 112009067720410-PAT00007
상기 수학식 1에서,
Figure 112009067720410-PAT00008
및
Figure 112009067720410-PAT00009
는 각각 동기 좌표계 상에서 고정자측 d축 및 q축 전압이고,
Figure 112009067720410-PAT00010
및
Figure 112009067720410-PAT00011
는 d축 및 q축 전류, ωr은 회전자 속도, P는 전동기 극수, rs 및 Ls는 인덕턴스, Ke는 역기전력 상수를 각각 나타낸다.
Figure 112009067720410-PAT00012
이러한 표면 부착형 영구자석 동기 전동기의 토오크(Te)는 영구자석에 의한 역기전력상수(λf)와 q축 전류(
Figure 112009067720410-PAT00013
)에 의하여 발생된다.
일반적으로 표면 부착형 영구자석 동기전동기는 최대 토오크를 얻기 위하여 d축 전류를 0으로 제어하여 토오크를 제어하며, 이 토오크는 고속에서 역기전력을 감소시키기 위하여 음의 전류값으로 제어된다.
첨부한 도 3은 전동기의 위치 및 속도센서를 이용한 인버터 시스템의 제어기로서, 이 제어기를 기초한 전류제어기의 전압 방정식은 아래의 수학식 3 및 4와 같다.
Figure 112009067720410-PAT00014
Figure 112009067720410-PAT00015
도 3에서 보듯이, 전류제어기는 비례적분제어기(Proportional & Integral Control)로 구성하였고, 또한 전류제어기 대역폭(Bandwidth)을 넓게하기 위하여 전향보상(Feedforward) 전압(
Figure 112009067720410-PAT00016
)을 더하게 된다.
상기한 수학식 3 및 4를 기초로 하면, 전류제어기의 출력전압은 수학식 5와 같이 표현된다.
Figure 112009067720410-PAT00017
상기 전류제어기의 출력전압은 전동기의 위치 및 속도센서에 의하여 각변환하고 인버터의 스위치에 전압을 결정하여, 표면 부착형 영구자석 동기 전동기에 삼상 전압이 인가된다.
상기 전류제어기에 궤환(Feedback)되는 위치 정보가 엔코더의 취부 위치가 바뀌게 되면 아래의 수학식 6과 같이 오차를 발생하게 되고, 이로 인하여 제어기는 아래의 수학식 7과 같이 각오차(θerr)에 의한 제어를 하게 됨으로써, 전동기에 각오차로 인하여 발생한 전압 및 전류를 보상하기 위하여 전류제어기의 제어값들이 변하게 된다.
Figure 112009067720410-PAT00018
Figure 112009067720410-PAT00019
즉, 전류제어기의 적분기에 아래의 수학식 8 및 9와 같이 각오차(θerr)로 인한 전압값(
Figure 112009067720410-PAT00020
,
Figure 112009067720410-PAT00021
)이 반영되게 되고, 이 전압값을 이용하여 위치 및 속도센서(엔코더 혹은 레졸버)의 오프셋(Offset)을 감지해 낼 수 있다.
Figure 112009067720410-PAT00022
Figure 112009067720410-PAT00023
수학식 8 및 9에서 각오차(θerr)가 작은 값일 경우,
Figure 112009067720410-PAT00024
이다.
따라서, 아래의 수학식 10에 의거, 되먹임(Feedback)된 전압값을 이용하는 알고리즘으로 위치 및 속도센서의 취부 위치가 바뀌어서 실제각(θr)과 제어각()의 각 오차(θerr)로 인한 오프셋이 발생할 경우, 이 오프셋(Offset)을 보정하는 알고리즘이 진행되어진다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 전기자동차용 모터 위치 초기각 오프셋 보정 방법을 설명하는 순서도이다.
먼저, 표면부착형 영구자석동기 전동기의 회전자의 위치(θr)를 위치 및 속도센서에서 센싱한다(S101).
다음으로, 전류센서에서 d-q축 전류인 삼상 전류(ias,ibs,ics)를 센싱하고(S102), 센싱된 삼상 전류를 벡터 제어를 하기 위한 변환(Conversion)을 하여 d-q축 전류를 계산해 낸다(S103).
이어서, 토오크 지령을 추종하기 위한 전류제어기의 전류제어가 실시되고(S104), 이 전류제어기의 적분제어기를 감시함으로써, 위치 및 속도 센서의 변형 즉, 오프셋(Offset)을 감지해 낼 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 전류제어기에 궤환(Feedback)되는 위치 정보가 엔코더의 취부 위치가 바뀌게 되면 상기한 수학식 6과 같이 오차를 발생하게 되고, 이로 인하여 제어기는 위의 수학식 7과 같이 각오차(θerr)에 의한 제어를 하게 됨으 로써, 전동기에 각오차로 인하여 발생한 전압 및 전류를 보상하기 위하여 전류제어기의 제어값들이 변하게 된다.
이렇게 인버터 제어기가 위치 및 속도 센서의 고장을 감지하게 되면, 위치 오프셋량 계산 단계(S105) 및 위치 변경 보정 단계(S106) 즉, 수학식 7과 같이 각오차(θerr)에 의한 제어를 하여 전동기에 각오차로 인하여 발생한 전압 및 전류를 보상하는 전류제어기의 각 제어값들이 오프셋된 후의 값들로 변하게 되는 단계에 의하여 전동기에 각오차로 인하여 발생한 전압 및 전류를 보상하기 위한 전류제어기의 제어값들이 변하게 됨으로써, 위치 및 속도 센서의 변형 즉, 오프셋(Offset)이 용이하게 보정되어진다.
이에, 위치 보정된 상태에서 전류제어기의 출력전압(
Figure 112009067720410-PAT00025
,
Figure 112009067720410-PAT00026
)및 출력상전압(
Figure 112009067720410-PAT00027
,
Figure 112009067720410-PAT00028
,
Figure 112009067720410-PAT00029
) 변환 단계(S107, S108)가 이루어진 후, 도 3의 T(θ-1)를 이용하여 인버터에 전압을 인가하여 원하는 토크를 정확하게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기자동차용 모터 위치 초기각 오프셋 보정 방법을 설명하는 순서도,
도 2는 고성능 벡터제어를 위한 일반적인 제어기 및 인버터가 모터와 배터리간에 연결된 상태의 구조도,
도 3은 전동기의 위치 및 속도센서를 이용한 인버터 시스템의 제어기의 제어도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 모터
12 : 배터리
14 : 제어기
16 : 인버터
18 : 전류센서
20 : 위치 및 속도센서

Claims (3)

  1. 전동기의 회전자의 위치(θr)를 위치 및 속도센서에서 센싱하는 단계와;
    전류센서에서 d-q축 전류인 삼상 전류(ias,ibs,ics)를 센싱하고, 센싱된 삼상 전류를 벡터 제어를 하기 위한 변환을 하여 d-q축 전류를 계산하는 단계와;
    위치 및 속도 센서의 오프셋을 감지하여 각오차(θerr) 오프셋량을 계산하는 단계와;
    각오차(θerr)에 의한 보정 제어를 하여, 전동기에 각오차로 인하여 발생한 전압 및 전류를 보상하는 전류제어기의 제어값들이 오프셋된 후의 값들로 변경되는 단계와;
    위치 보정된 상태에서 전류제어기의 출력전압(
    Figure 112009067720410-PAT00030
    ,
    Figure 112009067720410-PAT00031
    )및 출력상전압(
    Figure 112009067720410-PAT00032
    ,
    Figure 112009067720410-PAT00033
    ,
    Figure 112009067720410-PAT00034
    ) 변환 단계가 이루어진 후,인버터에 전압을 인가하여 원하는 토크를 얻는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 모터 위치 초기각 오프셋 보정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    전류제어기에 궤환되는 위치 정보가 엔코더의 취부 위치가 바뀌게 되면
    Figure 112009067720410-PAT00035
    에 의하여 오프셋량이 결정되는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 모터 위치 초기각 오프셋 보정 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 각오차에 의한 제어는
    Figure 112009067720410-PAT00036
    에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 모터 위치 초기각 오프셋 보정 방법.
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