KR20130064186A - 친환경 차량의 레졸버 비정상 출력 보상 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 및 전기 차량의 모터를 제어하기 위해서는 모터 회전자의 위치를 정확히 알아야 하는 점을 고려하여, RDC의 AD 컨버젼 에러 또는 노이즈에 의해 모터 회전자 위치 정보가 누락이 되었을 때, 현재 모터 회전자 위치를 정확하게 보상함으로써, 하이브리드 기능과 전기차의 구동성에 대한 신뢰성 확보할 수 있도록 한 친환경 차량의 레졸버 비정상 출력 보상 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

친환경 차량의 레졸버 비정상 출력 보상 방법{METHOD FOR COMPENSATING ABNORMAL DATA OUTPUT OF RESOLVER FOR HEV OR EV}
본 발명은 친환경 차량의 레졸버 비정상 출력 보상 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 RDC의 비정상 AD 변환 오류로 인하여 모터의 회전자 위치각 및 속도관측 오차가 발생되는 것을 방지할 수 있도록 한 친환경 차량의 레졸버 비정상 출력 보상 방법에 관한 것이다.
친환경 차량인 하이브리드차, 전기차 및 수소연료전지차에는 공통적으로 전기에너지를 구동에너지로 변환하는 구동모터와, 구동모터의 구동을 제어하는 인버터가 탑재된다.
첨부한 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 인버터(100)는 배터리(110)와 영구자석동기모터(120, IPMSM: Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) 사이의 전기적 에너지를 전달하는 파워모듈(101: IGBT)과; 인버터 동작에 의한 직류 전압의 리플 성분을 흡수하여 배터리로 리플 성분이 전달되지 않도록 하는 직류단 커패시터(102)와; 인버터 직류 전압, 즉 직류 커패시터 양단 전압을 측정하여 인버터 제어에 사용될 수 있도록 한 직류단 전압 센서(103)와; 직류단 전압 센서(103)의 출력을 처리하여 아날로그/디지털 변환기에 입력 가능한 크기 범위로 조정하는 동시에 노이즈 등에 의하여 전압 측정 오차가 발생하지 않도록 하는 직류단 전압 센싱 회로(104)와; 인버터 교류 전류를 측정하여 인버터 제어에 사용될 수 있도록 한 전류 센서(105)와; 전류 센서 모듈 내의 전류 센서 출력을 처리하여 A/D 변환기에 입력 가능한 크기 범위로 조정하는 동시에 노이즈 등에 의하여 전류 측정 오차가 발생하지 않도록 한 전류 센싱 회로(106)와; 인버터 제어 소프트웨어가 탑재되어 있으며, 측정된 물리량을 사용하여 인버터의 동작을 총괄 제어하는 CPU(107)와; 각 회로 및 CPU 등 인버터 제어에 사용되는 부품이 장착되어 있는 제어/게이트 보드(108); 를 포함하여 구성되어 있다.
특히, 상기 동기모터(120)에는 모터 속도와 회전자 각도를 검출하기 위한 레졸버(122)가 채택되어 있는데, 이 레졸버의 센싱 및 고장 검출은 모터 제어에서 매우 중요한 인자중 하나이다.
현재, 레졸버의 고장 발생 판단 방법은 첨부한 도 4에 도시된 바와 같이, 레졸버(122)의 입력신호(여자신호, EXT+, EXT-) 또는 출력신호(속도센싱을 위한 기본 신호, S1-S3, S2-S4)에 이상이 발생할 경우, RDC(124: Resolver-to-Digital Converter)를 통해 폴트(FAULT)신호가 발생되고, 연이어 레졸버(122)의 속도 센싱 이상시 CPU(107)에 전달하는 디지털신호인 폴트 신호가 모터 제어기 등의 CPU로 입력됨에 따라, 레졸버가 고장 상태임을 판단할 수 있다.
그러나, 모터의 고온, 저속 최대토크 운전 및 과변조 기법의 사용으로 인한 전압 여유가 감소한 상황에서 RDC의 비정상 AD 변환 오류 발생은 모터제어에 사용되는 모터의 회전자 위치각 및 속도관측 오차를 유발하는 문제점이 있다.
이로 인하여, 레졸버 위치정보 누락으로 인한 모터 온도 상승과 더불어, 모터전류 제어성 저하 및 모터 과전류 발생 등을 초래하여, 하이브리드 자동차의 하이브리드 기능 불능, 그리고 전기자동차 및 하이브리드 자동차의 구동 불능 현상이 발생할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 하이브리드 및 전기 차량의 모터를 제어하기 위해서는 모터 회전자의 위치를 정확히 알아야 하는 점을 고려하여, RDC의 AD 컨버젼 에러 또는 노이즈에 의해 모터 회전자 위치 정보가 누락이 되었을 때, 현재 모터 회전자 위치를 정확하게 보상함으로써, 하이브리드 기능과 전기차의 구동성에 대한 신뢰성 확보할 수 있도록 한 친환경 차량의 레졸버 비정상 출력 보상 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 보상 전의 모터 현재 위치각(θn,ORG)을 현재 모터 위치각(θn[rad])으로 설정하는 단계와; RDC 출력에 따른 현재 샘플링[n]과 이전 샘플링[n-1]과의 모터 위치(회전자 위치) 변위량(Δθn[rad])과, 이전 샘플링[n-1]과 그 이전 샘플링[n-2]과의 모터 위치(회전자 위치) 변위량(Δθn-1[rad])을 구하는 단계와; 현재 샘플링[n]과 이전 샘플링[n-1]과의 위치 변위량(Δθn[rad])과, 이전 샘플링[n-1]과 그 이전 샘플링[n-2]과의 위치 변위량(Δθn-1[rad]) 간의 차이로 표현되는 변수(A)를 산출하는 단계와; 산출된 변수(A)를 보정(Calibration)변수(K)와 비교하여 보상 여부를 판단하는 단계와; 보상용 모터 현재 위치각(θn[rad])이 산출되는 단계와; 모터 회전자 위치 정보가 누락된 것이 산출된 보상용 모터 현재 위치각(θn[rad])으로 보상되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 레졸버 비정상 출력 보상 방법을 제공한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, RDC의 AD 컨버젼 에러 또는 노이즈에 의해 회전자 위치 정보가 누락이 되었을 때, 본 발명의 보상 방법을 통하여 현재 모터 회전자 위치를 정확하게 추정함으로써, 모터의 전류 및 토크 제어 성능을 확보할 수 있다.
또한, 본 방법의 보상 방법을 적용할 경우, 모터/인버터 시스템 안정성 및 하이브리드 기능과 전기차의 구동성에 대한 신뢰성 확보를 통하여, 레졸버 신호 신뢰성 확보를 위한 제반 비용 절감을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 친환경 차량의 레졸버 비정상 출력 보상 방법을 설명하는 순서도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 친환경 차량의 레졸버 비정상 출력 보상 방법의 적용 전 및 적용 후의 시뮬레이션 결과를 나타내는 파형도,
도 3은 친환경 차량용 인버터 시스템 구성도,
도 4는 모터의 속도 및 회전자 각도를 검출하는 레졸버의 신호 전달 구성을 설명하는 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 이해를 돕기 위하여, 먼저 레졸버의 구성 및 역할을 간략하게 설명하면 다음과 같다.
하이브리드 차량(HEV) 또는 순수 전기자동차(EV)에 사용되는 동기 전동기나 유도 전동기의 벡터 제어를 위해서는 전동기의 플럭스(Flux) 위치에 동기하여 좌표계를 설정해야 하고, 이를 위해 전동기의 회전자에 대한 절대위치를 읽어낼 필요가 있으며, 이에 회전자의 절대 위치(회전각 각도)를 검출하기 위해 레졸버를 사용한다.
이렇게, 상기 레졸버를 사용해 회전자의 각 상을 정확히 센싱하여, 그 센싱값을 정류하는 동기 정류부와, 동기 정류된 전압을 원하는 발진 주파수를 출력하는 VCO(전압제어 발진기) 등을 포함하는 RDC에서 CPU로 전송함으로써, HEV와 EV에 필요한 정확한 모터 속도제어와 토크제어를 수행할 수 있다.
이러한 역할을 하는 레졸버의 출력신호인 차동신호(S1-S3, S2-S4)는 정상 상황에서 10kHz주파수를 가지며, 1V~4V사이의 AC 전압값을 나타내지만, 이 범위를 벗어나는 경우 즉, 레졸버의 입력신호(여자신호, EXT+, EXT-) 또는 출력신호(속도센싱을 위한 기본 신호, S1-S3, S2-S4)에 이상이 발생할 경우에는 RDC(Resolver-to-Digital Converter)를 통해 폴트(FAULT)신호가 발생되고, CPU에 전달하는 디지털신호인 상기 폴트 신호가 CPU로 입력됨에 따라, 레졸버의 회전자 위치 검출에 이상이 있는 것으로 판단하게 된다.
본 발명은 RDC의 AD 컨버젼 에러 또는 노이즈에 의해 모터 회전자 위치 정보가 누락이 되었을 때, 이전 샘플링의 모터속도 및 회전자 위치정보로부터 현재 회전자 위치정보를 추정함으로써, 하이브리드 기능과 전기차의 구동성에 대한 신뢰성 확보할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
여기서, 본 발명에 따른 친환경 차량의 레졸버 비정상 출력 보상 방법을 첨부한 도 1을 참조로 설명하면 다음과 같다.
하기와 같이 보상용 모터 현재 위치각(θn[rad])을 구하기 위하여, 보상 전의 모터 현재 위치각(θn,ORG)을 현재 모터 위치각(θn[rad])으로 설정한다(S101).
참고로, 보상용 모터 현재 위치각을 θn으로 표현하고, 모터 현재 위치각도 θn으로 표현한 이유는 소프트웨어적인 흐름에 따라 서로 다르게 표현하지 못함을 밝혀둔다.
다음으로, 위와 같이 설정된 모터 현재 위치각(θn)을 기반으로, RDC 출력에 따른 현재 샘플링[n]과 이전 샘플링[n-1]과의 모터 위치(회전자 위치) 변위량(Δθn[rad])을 구하고, 동시에 이전 샘플링[n-1]과 그 이전 샘플링[n-2]과의 모터 위치(회전자 위치) 변위량(Δθn-1[rad])을 구한다(S102).
즉, 현재 샘플링[n]과 이전 샘플링[n-1]과의 모터 위치(회전자 위치) 변화량(Δθn[rad])은 모터 현재 위치각(θn)에서 모터 이전 위치각(θn-1)을 차감하여 구해지고, 이전 샘플링[n-1]과 그 이전 샘플링[n-2]과의 모터 위치(회전자 위치) 변위량(Δθn-1[rad])은 모터 이전 위치각(θn-1)에서 모터 이전전 위치각(θn-2)을 차감하여 구해진다.
이렇게, RDC에서 출력되는 레졸버의 모터 위치각 센싱 신호를 주기적으로 샘플링하여, 현재 샘플링[n]과 이전 샘플링[n-1]과의 모터 위치(회전자 위치) 변위량(Δθn[rad])은 모터 현재 위치각(θn)에서 모터 이전 위치각(θn-1)을 차감하여 구해지고, 이전 샘플링[n-1]과 그 이전 샘플링[n-2]과의 모터 위치(회전자 위치) 변위량(Δθn-1[rad])은 모터 이전 위치각(θn-1)에서 모터 이전전 위치각(θn-2)을 차감하여 구해진다.
다음으로, 변수(A) 즉, 현재 샘플링[n]과 이전 샘플링[n-1]과의 위치 변위량(Δθn[rad])과, 이전 샘플링[n-1]과 그 이전 샘플링[n-2]과의 위치 변위량(Δθn-1[rad]) 간의 차이가 아래의 수학식 1에 의하여 산출되는 단계가 진행된다(S103).
Figure pat00001
위의 수학식 1에서, "| |" 함수는 입력의 절대값을 출력하는 함수이고, "Bound2PI" 함수는 입력을 0~2π(rad) 로 제한하는 함수이다.
이때, 상기 변수(A)는 샘플링 주기를 시간으로 보면, 시간에 따른 위치 변화를 나타내는 모터(회전자)위치 변화량 Δθn[rad])과 Δθn-1[rad] 간의 차이는 현재 샘플링 속도에서 이전 샘플링 속도와의 차이로 볼 수 있고, 이를 순시 가속도의 변화량으로 표현할 수 있다.
다음으로, 상기와 같이 산출된 변수(A)를 보정(Calibration)변수(K)와 비교하여 보상 여부를 판단하는 단계가 진행된다(S104).
상기 보정변수(K)는 상수값으로서, 물리적인 한계치를 나타낸다.
따라서, 순시 가속도의 변화량 즉, 변수(A)가 보정변수(K) 값 이상 및 (2π-K) 값 이하의 조건을 만족하면, 모터 회전자 위치에 대한 보상이 결정된다.
다시 말해서, 상기 변수(A)가 보정변수(K)보다 크고, 동시에 변수(A)가 (2π-K)가 작으면 모터 회전자 위치 정보가 누락된 것으로 보고, 모터 회전자 위치에 대한 보상이 결정된다.
이에 따라, 보상용 모터 현재 위치각(θn[rad])이 아래의 수학식 2에 의하여 산출된다(S105).
Figure pat00002
위의 수학식 2에서, ωrEstOld 는 이전 샘플링에서의 속도 관측값(이전 샘플링 속도에 따른 위치변위량)이고, TS 는 제어주기[us]를 나타내며, "Bound2PI" 함수는 보상용 모터 현재 위치각을 0~2π(rad) 로 제한하는 함수이다.
결국, 보정값 즉, 보상용 모터 현재 위치각(θn[rad])은 이전 샘플링 위치값(θn-1 )과 이전 샘플링 속도에 따른 위치변위량(ωrEstOld)과 합이 된다.
이에 따라, RDC 출력시 특정 샘플링 주기에서 모터 회전자 위치 정보가 누락된 것을 수학식 2에 의하여 산출된 보상용 모터 현재 위치각(θn[rad])으로 보상됨으로써, 모터의 전류 및 토크 제어 성능을 지속적으로 확보할 수 있다.
보다 상세하게는, 첨부한 도 2a에 도시된 바와 같이, RDC 출력시 특정 샘플링 주기에서 모터 회전자 위치 정보가 누락되는 동시에 누락된 주기에서 레졸버 비정상 출력 지령전류(312Apk) 대비 과도 전류리플(350Apk)가 발생하게 되면, 첨부한 도 2b에 도시된 바와 같이 수학식 2에 의하여 산출된 보상용 모터 현재 위치각(θn[rad])으로 누락된 회전자 위치 정보가 보상됨으로써, 모터의 전류 및 토크 제어 성능을 지속적으로 확보할 수 있다.
한편, 이와 같은 RDC 출력시 특정 샘플링 주기에서 보상용 모터 현재 위치각(θn[rad])으로 보상이 이루어진 후, 다음 샘플링 주기에서 새로운 모터 회전자 위치 정보가 출력되므로, 소프트웨어적인 흐름을 고려하여 이전의 모터 현재 위치각(θn-1)을 그 이전의 모터 현재 위치각(θn-2)으로 할당하여 저장하는 과정(S106)과, 보상용 모터 현재 위치각(θn)을 이전의 모터 현재 위치각(θn-1)으로 할당하여 저장하는 과정 및 현재 샘플링[n]에서의 속도 관측값(ωrEst[rad/sec])을 이전 샘플링에서의 속도 관측값(ωrEstOld[rad/sec])으로 할당하여 저장하는 과정(S107)이 진행된다.
100 : 인버터
101 : 파워모듈
102 : 직류단 커패시터
103 : 직류단 전압 센서
104 : 직류단 전압 센싱 회로
105 : 전류 센서
106 : 전류 센싱 회로
107 : CPU
108 : 제어/게이트 보드
110 : 배터리
120 : 영구자석동기모터
122 : 레졸버
124 : RDC

Claims (6)

  1. 보상 전의 모터 현재 위치각(θn,ORG)을 현재 모터 위치각(θn)으로 설정하는 단계와;
    RDC 출력에 따른 현재 샘플링[n]과 이전 샘플링[n-1]과의 모터 위치(회전자 위치) 변위량(Δθn[rad])과, 이전 샘플링[n-1]과 그 이전 샘플링[n-2]과의 모터 위치(회전자 위치) 변위량(Δθn-1[rad])을 구하는 단계와;
    현재 샘플링[n]과 이전 샘플링[n-1]과의 위치 변위량(Δθn[rad])과, 이전 샘플링[n-1]과 그 이전 샘플링[n-2]과의 위치 변위량(Δθn-1[rad]) 간의 차이로 표현되는 변수(A)를 산출하는 단계와;
    산출된 변수(A)를 보정변수(K)와 비교하여 보상 여부를 판단하는 단계와;
    보상용 모터 현재 위치각(θn[rad])이 산출되는 단계와;
    모터 회전자 위치 정보가 누락된 것이 산출된 보상용 모터 현재 위치각(θn[rad])으로 보상되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 레졸버 비정상 출력 보상 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 현재 샘플링[n]과 이전 샘플링[n-1]과의 모터 위치(회전자 위치) 변위량(Δθn[rad])은 모터 현재 위치각(θn)에서 모터 이전 위치각(θn-1)을 차감하여 구해지고, 이전 샘플링[n-1]과 그 이전 샘플링[n-2]과의 모터 위치(회전자 위치) 변위량(Δθn-1[rad])은 모터 이전 위치각(θn-1)에서 모터 이전전 위치각(θn-2)을 차감하여 구해지는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 레졸버 비정상 출력 보상 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 변수(A)는 현재 샘플링[n]과 이전 샘플링[n-1]에서의 속도 차이인 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 레졸버 비정상 출력 보상 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 보상 여부를 판단하는 단계는:
    변수(A)가 보정변수(K) 값 이상 및 (2π-K) 값 이하의 조건을 만족하면, 모터 회전자 위치에 대한 보상이 결정되는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 레졸버 비정상 출력 보상 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 보상용 모터 현재 위치각(θn[rad])은 이전 샘플링 위치값(θn-1 )과 이전 샘플링 속도에 따른 위치변위량(ωrEstOld)과 합으로 정해지는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 레졸버 비정상 출력 보상 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    이전의 모터 현재 위치각(θn-1)을 그 이전의 모터 현재 위치각(θn-2)으로 할당하여 저장하는 단계와;
    보상용 모터 현재 위치각(θn)을 이전의 모터 현재 위치각(θn-1)으로 할당하여 저장하는 동시에 현재 샘플링[n]에서의 속도 관측값(ωrEst[rad/sec])을 이전 샘플링에서의 속도 관측값(ωrEstOld[rad/sec])으로 할당하여 저장하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 레졸버 비정상 출력 보상 방법.
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