KR20150047536A

KR20150047536A - 각 위치 센서들에서의 에러 정정을 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20150047536A
Application number: KR1020157007096A
Authority: KR
Inventors: 제임스 이. 월터스; 로날드 제이. 크레프타
Original assignee: 알리손 트랜스미션, 인크.
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2015-05-04
Also published as: CN104583043A; AU2013306382B2; IN2015KN00376A; EP2888141A1; CA2882529A1; US20160193941A1; AU2013306382A1; WO2014031166A1; CN104583043B; EP2888141B1; EP2888141A4; US20150158396A1; US9260036B2; KR102099075B1; CA2882529C; US9463713B2

Abstract

회전 E-기계를 제어하고 E-기계에 동작가능하게 접속된 각 위치 센서에 의해 출력된 회전 위치 신호를 센서 디지털 변환기와 결부하여 정정하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 관심 있는 각각의 각 동작 속도에 대해, 위치의 함수로서 신호들의 세트는, 위치 센서에 관련된 고조파들(또는 하위-고조파들)이 결정되어, 연관된 디지털 변환기로 인해 에러들로부터 격리될 수 있도록 취해진다. 이 정보로부터, 위치 센서 고조파들의 크기 및 위상이 결정된다. 센서 디지털 변환기(또는 다른 신호 처리 장비)의 효과들이 그 다음 결정되어, 제어 시스템이 E-기계를 제어하는데 이용하기 위해 정정된 위치 센서 신호를 결정하기 위해 총 위치 에러 신호를 위치 센서 출력 신호에 적용하는 것을 허용하도록 고려된다.

Description

각 위치 센서들에서의 에러 정정을 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR ERROR CORRECTION IN ANGULAR POSITION SENSORS}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2012년 8월 21일에 출원된 미국 가 특허 출원 번호 제 61/691,482호의 이득을 주장하고, 이에 의해 상기 가 출원은 본 명세서에 전체적으로 참조로서 통합된다.

본 발명은 일반적으로 회전 기계의 모니터링 및 제어에 관한 것이고 특히, 리졸버(resolver)들과 같은 각 위치 센서들로부터 수신된 회전자 위치 신호들에서의 에러 정정을 수행하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

전기 및 하이브리드 차량들에 존재하는 것들과 같은, 많은 차량 구동 시스템들은, 차량 변속기 및 휠(wheel)들에 전력을 전달하는데 도움을 주기 위해, 영구 자석(PM) 기계와 같은, 회전 전기 기계를 이용한다. 회전 전기 기계의 동적 토크 제어를 정확하게 및 효율적으로 수행하기 위해, 각 위치 센서는 회전자의 각 위치를 결정하기 위해 전형적으로 이용된다. 리볼버로서 공지된 회전 변압기 디바이스를 종종 포함하는 위치 센서는 전체적인 시스템 성능을 감소시킬 수 있는 다양한 에러 소스들에 민감하다. 예를 들면, 조립 동안 리졸버의 고정자에 관하여 그것의 회전자의 중심을 맞출 때, 기계적 에러들이 도입될 수 있다. 기계적 공차들에 더하여, 에러들은 아날로그-디지털 변환기의 유한한 대역폭이 신호들의 스펙트럼 거동을 변경시킬 때와 같은, 위치 센서 출력 신호들의 처리 동안 도입될 수 있다.

특정 애플리케이션들에서, 시스템은 이러한 에러를 수용하기 위해 설계되고 성능에서의 결과적인 감소가 용인된다. 성능에서의 감소가 허용가능하지 않으면, 디지털 필터링 기술들은 에러를 필터링하는 것을 시도하기 위해 이용될 수 있다. 그러나, 공지된 필터링 기술들은 종종 부적당하고 부가적인 원하지 않는 위상 변이 및 지연 효과들을 야기할 수 있다.

따라서, 시스템이 그것의 의도된 애플리케이션에서 이용될 때, 위치 센서와 연관된 위치 에러를 동적으로 학습하고 이러한 에러를 정정할, 위치 센서 출력에서의 에러들을 정정하기 위한 향상된 기술이 필요하다.

본 개시의 하나의 양태에 따라, 회전 E-기계를 제어하고 센서 디지털 변환기와 결부하여 E-기계에 동작가능하게 접속된 각 위치 센서에 의해 회전 위치 신호 출력을 정정하기 위한 시스템이 제공된다. 관심 있는 각각의 각 동작 속도에 대해, 위치의 함수로서 신호들의 세트는, 위치 센서에 관련된 고조파들(또는 하위-고조파들)이 연관된 디지털 변환기로 인해 에러들로부터 결정될 수 있고 격리될 수 있도록 취해진다. 이 정보로부터, 위치 센서 고조파들의 크기 및 위상이 결정된다. 센서 디지털 변환기(또는 다른 신호 처리 장비)의 효과들이 그 다음, 결정되고 설명되는데, 이는 제어 시스템이 E-기계를 제어하는데 이용하기 위해 정정된 위치 센서 신호를 결정하기 위해 총 위치 에러 신호를 위치 센서 출력 신호에 적용하도록 허용한다.

또 다른 양태에 따라, 차량 구동계를 제어하기 위한 시스템이 제공되고, 상기 차량 구동계는 차량 구동계에 동작가능하게 접속된 회전 E-기계, 회전 E-기계에 동작가능하게 접속되고 센서 출력 신호를 생성하는 각 위치 센서, 각 위치 센서에 동작가능하게 접속된 센서 디지털 변환기로서, 상기 센서 출력 신호를 수신하고 변환기 출력 신호를 생성하는, 상기 센서 디지털 변환기, 및 센서 디지털 변환기에 동작가능하게 접속된 제어기를 포함한다. 제어기는 제 1 각 속도로 E-기계를 동작시키고, 변환기 출력 신호에서의, 각 위치 센서로 인한 제 1 신호를 보상하고, 변환기 출력 신호에서의, 센서 디지털 변환기로 인한 제 2 신호를 추가로 보상한다.

또 다른 양태에 따라, 차량 구동계를 제어하기 위한 방법이 제공되고, 상기 방법은 E-기계를 회전시키는 단계로서, E-기계는 각 위치 센서에 동작가능하게 접속되는, 상기 회전시키는 단계, E-기계에 동작가능하게 접속된 각 위치 센서에 의해 생성된 제 1 신호를 측정하는 단계, 적어도 하나의 전기 사이클에 걸쳐 제 1 신호를 표현하는 데이터를 저장하는 단계, 및 각 위치 센서로 인한 제 1 에러 및 각 위치 센서에 동작가능하게 접속된 센서 디지털 변환기의 효과들로 인한 제 2 에러 둘 모두의 효과들을 위해 출력 신호를 보상하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 형태들, 목적들, 특징들, 양태들, 이득들, 장점들, 및 실시예들은 상세한 설명 및 그에 제공된 도면들로부터 명백해질 것이다.

도 1은 본 개시의 하나의 실시예에 따른 하이브리드 구동 제어 시스템의 개략적인 도면.
도 2는 본 개시의 하나의 실시예에 따른 디지털 변환기에 대한 리졸버의 전달 함수의 이득 구성요소를 도시하는 도면.
도 3은 본 개시의 하나의 실시예에 따른 디지털 변환기에 대한 리졸버의 전달 함수의 위상 변이 구성요소를 도시하는 도면.
도 4는 속도의 다양한 고조파들에 대한 모터 속도와 속도 에러 사이의 관계를 도시하는 도면.
도 5는 하나의 실시예에 따른 도 1의 시스템에서의 위치 센서 에러들을 정정하는데 관련된 스테이지들을 도시하는 도면.

본 발명의 원리들의 이해를 촉진하는 목적을 위해, 도면들에 도시된 실시예들에 대한 참조가 이제 행해질 것이고, 특정 언어가 상기 실시예들을 설명하기 위해 이용될 것이다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 범위의 어떠한 제한도 그에 의해 의도되지 않음이 이해될 것이다. 설명된 실시예들에서의 임의의 변경들 및 또 다른 수정들 및 본 명세서에서 설명된 바와 같은 본 발명의 원리들의 또 다른 적용들은 본 발명이 관련되는 당업자에게 정상적으로 발생할 것으로서 고려된다. 본 발명에 관련되지 않은 일부 특징들이 명료성을 위해 도시되지 않을 수 있음이 관련 분야의 당업자들에게 명백할지라도, 본 발명의 하나의 실시예는 더 상세하게 도시된다.

도 1은 본 개시의 하나의 실시예들에 따른 차량 하이브리드 드라이브 제어 시스템(100)의 개략적인 도면을 도시한다. 본 명세서에서 설명된 제어 방법들은 회전 전기 기계(E-기계)를 통합시키는 임의의 유형의 전기 또는 하이브리드 차량 구동에 적용가능하다. 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 인버터(110), 에너지 저장 시스템(ESS)(112), E-기계(120), 본 명세서에서 리졸버(130)로서 도시된 각 위치 센서, 본 명세서에서 리졸버-디지털 변환기(RDC)(140)로서 언급된 센서 디지털 변환기, 에러 정정 제어기(150), 및 모터 제어기(160)를 포함한다.

E-기계(120)의 적절한 제어를 제공하기 위해, 모터 제어기(160)는 (RDC(140)를 통해) 리졸버(130)로부터 정확한 각 위치 신호들을 수신해야 한다. RDC(140)는 리졸버를 여기시키는 신호들을 생성하고 리졸버의 출력 신호들을 복조하도록 요구되어 위치 추정이 동적으로 추적되어, 리졸버(130)에 의해 출력된 가공되지 않은 리졸버 포맷 위치 신호 출력으로 변환될 수 있게 한다. 각각의 구성요소의 특성들이 상이할지라도, 리졸버(130) 및 RDC(140)는 각각 전체적인 에러에 대한 별개의 구성요소에 기여한다. 대부분의 리졸버-기반 에러들은 사실상 고조파이고, 각각의 위치 구성요소의 크기는 속도에 무관하며, 결과적인 속도 에러는 속도에 비례하고, 이는 중요한 속성이다. 한편, 대부분의 RDC 에러들은 속도에 의존하지만, 속도에 따라 비례적으로 달라지지 않는다. 다수의 샘플들이 다양한 속도들에 걸쳐 위치 신호들로부터 취해지면, 결과들은 속도에 따라 비례적으로 달라지는 그들 고조파들 및 달라지지 않는 고조파들을 결정하기 위해 분석될 수 있다. 속도에 따라 달라지지 않거나 속도에 따라 비례적으로 달라지는 고조파들은 리졸버에 관련되도록 결정될 수 있고, 이는 리졸보-관련 에러 신호에 대한 수학식이 결정되도록 허용한다. 마찬가지로, RDC 에러에 대한 별개의 수학식이 결정될 수 있고 리졸버-관련 에러 수학식과 조합하여 예상된 에러에 대한 전체적인 수학식을 결정한다. 이 정보는 그 다음, 모터 제어기(160)에 의해 수신된 신호에서의 에러들을 보상하기 위해 이용될 수 있다.

일반적인 동작에서, 모터 제어기(160)는 연산자 스로틀 제어(operator throttle control)와 같은, 외부 제어 시스템으로부터 원하는 토크 명령어(162)를 수신한다. 에러 정정 제어기(150)로부터 수신된 신호들을 포함하는, 다양한 입력들에 기초하여, 모터 제어기(160)는 게이트 신호들(163)을 인버터(110)로 출력한다. 인버터(110)는 ESS(112)로부터의 DC 전력을 E-기계(120)를 구동시키는 AC 전력 신호들(114)로 변환한다.

인버터(110)는 ESS(112)로부터의 DC 전력을 E-기계(120)를 구동시키기 위한 AC 전력으로 변환하는 DC-AC 인버터를 포함할 수 있다. E-기계(120)는 차량을 추진하고, 차량에 전력을 공급하거나, 차량을 멈추게 하는데 도움을 주기 위해 이용된 전기 모터, 발전기, 영구 자석 기계, 또는 임의의 다른 유형의 전기 회전 기계를 포함할 수 있다.

리졸버(130)는 바람직하게 고정자 권선들 및 선택적인 회전자 권선들을 갖고 여기 신호를 공급받을 때, 전자기화된 고정자 및 회전자 권선들의 상대적인 각 위치에 기초하여 위치 신호들을 출력하도록 구성된 회전 변압기와 같은, 회전식 각 위치 센서를 포함한다. RDC(140)는 여기 신호(131)를 리졸버(130)에 공급하고 그 응답으로 위치 신호를 포함하는 변조된 아날로그 신호들(132)을 수신하는 사인파 생성기를 포함한다. RDC(140)는 신호들(132)을 복조하고 위치 신호(142)를 동적으로 생성한다. 리졸버(130) 및 RDC(140)가 단일 유닛으로서 또는 별개의 구성요소들로서 제공될 수 있음이 이해될 것이다. 특정 실시예들에서, RDC(140)의 기능은 에러 정정 제어기(150) 또는 모터 제어기(160) 내에 포함될 수 있다.

모터 제어기(160)는 인버터(110) 및 에러 정정 제어 유닛(150)을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 차량 전력트레인에서의 다양한 센서들, 액추에이터(actuator)들, 변압기들, 및 제어기들과 동작가능한 통신을 한다. 게다가, 모터 제어기(160)는 시스템(100)의 효과적인 제어를 위한 전압, 전류, 위상, 온도, 위치, 및/또는 다른 변수들과 같은, 부가적인 신호들을 수신할 수 있다.

에러 정정 제어기(150)는 RDC(140) 및 모터 제어기(160)와 동작가능한 통신을 하고 리졸버 위치에서의 에러들 및 RDC 출력 신호들을 결정하고 이들을 보상하도록 구성된다. 특정 실시예들에서, 에러 정정 제어기(150)는 모터 제어기(160) 내에 통합될 수 있다.

전형적인 일 실시예에서, 에러 정정 제어기(150) 및 모터 제어기(160)는 각각 처리기, 메모리, 및 입력/출력 접속부들을 가지는 컴퓨터를 포함할 수 있다. 부가적인 요소들이 특정한 애플리케이션에 의해 요구된 바와 같이 모터 제어기(160) 및 에러 정정 제어 유닛(150)에 포함될 수 있음이 이해될 것이다. 에러 정정 제어기(150)가 처리기 및 저장장치를 모터 제어기(160)와 선택적으로 공유할 수 있고/있거나 별개의 물리적 하우징에서 제공될 수 있거나 단일 유닛으로서 통합될 수 있음이 추가로 이해될 것이다.

리졸버(130)는, 리졸버(130)의 회전자가 E-기계(120)의 각 위치를 감지하기 위해 E-기계(120)의 회전자(122)와 일체형으로 회전하도록 E-기계(120)에 동작가능하게 실장되는 반면에, 리졸버(130)의 고정자는 고정된 상태로 유지된다. 아래에 더 상세하게 설명될 바와 같이, 리졸버(130)의 출력(132)은 RDC(140)에 공급되고, 상기 RDC(140)는 리졸버 신호들을 각 위치의 디지털 표현으로 변환한다. RDC(140)의 출력(142)은 그 다음, 에러 정정 제어기(150)에 공급되고, 상기 에러 정정 제어기(150)는 리졸버 에러 신호(155)를 결정하기 위해 리졸버 에러 정정 블록(154)을 이용한다. 리졸버 에러 신호(155)는 그 다음, 반전되고 블록(156)에서 원래의 신호(142)와 조합되며, 적절한 게이트 신호들(163)을 결정하는데 이용하기 위해 모터 제어기(160)에 정정된 위치 신호(158)로서 출력된다.

리졸버(130) 및 RDC(140)에 관련된 에러 신호들의 분석이 이제 제공될 것이다. 리졸버(130)로부터의 에러들로 시작하면, 리졸버 출력 신호들(132)은 각 속도의 고조파들인 에러들을 전형적으로 포함할 것이다. 이들 에러들은 리졸버 권선 고조파들을 포함하는 다양한 소스들 및 동심도의 부족과 돌출(run out)과 같은 기계적 효과들로부터 발생한다. 그러나, 근본적인 위치 에러 진폭은 각 속도, 아래에서 추가로 설명된 바와 같이 이용될 수 있는 속성에 일반적으로 무관하다.

(각 위치로부터 결정되는) 각 속도, 또는 주파수는 dq 교차-축 및 자속 결합해제(flux decoupling)과 같은 고차 모터 제어 기능을 위한 제어 변수로서 이용된다. 따라서, 리졸버 위치 에러는 E-기계 제어들에 대해 상당한 문제들을 야기할 수 있다.

회전자 기준 프레임에서의 영구 자석 기계(E-기계(120))의 단자 전압, 전류, 및 자속에 관한 일반적인 수학식들은 수학식들((1) 및 (2))로서 아래에 도시된다.

여기서:

V_qs ^r=q-축 전압

V_ds ^r=d-축 전압

I_qs ^r=q-축 전류

I_ds ^r=d-축 전류

L_qs=q-축 인덕턴스

L_ds=d-축 인덕턴스

r_s=고정자 저항

λ_magnet=자석의 자속 결합

ω_e=라디안/초 단위의 전기 주파수

p=시간 미분 연산자이다.

교차 결합 항들(

및

) 및 자속 결합 항(

)은 전체적인 제어기 성능을 향상시키기 위해 제어기(160)에 의해 일반적으로 결합해제된다. 전기 주파수 항(ω_e)은 E-기계 회전 주파수에 기초하고 속도의 정확한 측정을 갖는 것을 필요로 한다.

리졸버(130) 주파수에 대한 E-기계(120) 기계적 회전 주파수의 관계는 아래의 수학식 (3)에 도시된다. E-기계(120) 기계적 회전 주파수에 대한 E-기계(120) 전기 주파수의 대응하는 관계는 수학식 (4)에 도시된다.

여기서:

θ_RotorMech=E-기계 기계적 각 위치

θ_MachineElec=E-기계 전기적 위치

θ_ResolverElec=리졸버 전기적 위치

P_resolver=리졸버의 전극(electric pole)들의 수

P_motor=E-기계의 전극들의 수이다.

분석을 단순화하기 위해, 이것이 요구조건이 아닐지라도, P_resolver는 P_motor와 같다고 가정될 수 있다.

리졸버 위치 에러의 고조파들은 일반적으로 가장 큰 우려가 되는데, 이는 그들이 속도 추정에서의 큰 변동들을 야기하기 때문이다. 예를 들면, 리졸버(130)의 정확도가 +/-4도이고, 위치 에러가 리졸버 주파수의 5번째 고조파에 있다고 가정하자. 측정된 위치 신호는 다음과 같을 것이고:

여기서:

θ_meas(t)=시간(t)에서 전기 라디안 단위의 측정된 리졸버 위치 신호

θ(t)=시간(t)에서의 이상적인 리졸버 위치 신호

ω_e=라디안/초 단위의 리졸버 주파수

φ₅=리졸버 주파수 신호의 5번째 고조파의 위상이다.

마찬가지로, 전기 라디안/초 단위의 리졸버(130)의 측정된 속도 신호는:

일 것이고, 여기서:

θ_meas(t)=시간(t)에서 전기 라디안/초 단위의 측정된 리졸버 각 속도 신호

ω_e(t)=시간(t)에서의 이상적인 리졸버 각 속도 신호

φ₅=리졸버 주파수 신호의 5번째 고조파의 위상이다.

게다가, 분 당 회전수(RPM)에 대한 전기 라디안/초 단위의 리졸버 속도의 관계는:

로서 표현될 수 있고, 여기서:

ω_e=전기 라디안/초 단위의 리졸버 속도

P_motor=모터 극들의 수

RPM=분 당 기계적 회전수 단위의 리졸버 속도이다.

따라서, 수학식((6) 및 (7))은 그 다음, 다음으로서 속도 에러와 리졸버-관련 위치 사이의 관계를 표현하기 위해 조합될 수 있다:

여기서:

RPM_error=분 당 회전수 단위의 속도 에러

θ_error=전기적 각도 단위의 리졸버 위치 에러

N=에러의 고조파 차수

P=(리졸버 극 수와 같다고 가정된) E-기계의 극 수이다.

3,000 RPM으로 회전하는 20 극 E-기계의 5번째 고조파에서의 4도 리졸버 위치 에러에 대해, 수학식 (8)을 적용하면, 결과적인 속도 에러는 +/-1,047 RPM이 될 것이다. 이러한 큰 에러는, 그것이 중요한 제어 문제점들 및 불안정성을 야기할 것이기 때문에 수용가능하지 않을 것이다. 게다가, 기본적인 위치 에러는 인버터(110)로 하여금 보고된 위치 변동을 추적하도록 할 것이고, 적절할 모터 제어 처리에서 I_d 및 I_q 전류들을 조정한다. 추적에서의 이 편차는 전압 및 전류에서의 문제적 변동들에 더하여, 원하지 않는 토크 맥동들을 야기한다.

그러나, 리졸버(130) 그 자신으로부터 발생하는 에러들에 더하여, 또 다른 에러가 리졸버(130)와 결부하여 이용되는 RDC(140)에 의해 도입될 수 있다. RDC(140)는 리졸버(130)로부터 위치 신호들(132)을 복조하고 위치 신호들(132)의 디지털 추정(142)를 생성하도록 요구된다. RDC(140)의 출력은 모터 제어기(160)에 실질적으로 전달되고 토크를 제어하기 위해 이용된다. 상기 언급된 바와 같이, RDC(140)는 에러가 최소화되어야 하는지가 또한 설명되어야 하는 스펙트럼 특성들의 고유한 세트를 갖는다.

도 2 및 도 3은 그의 위치가 미국 메사추세츠 02062-9106 노우드 피.오. 박스 9106 원 테크놀로지 웨이인, 아날로그 디바이스 주식회사(Analog Devices, Inc.)에 의해 제조된 모델 AD2S1205 리졸버-디지털 변환기와 같은, 전형적인 RDC의 이득 및 위상에 대한 단순한 전달 함수들을 각각 도시한다. 도 2는 이득 함수를 보여주고 도 3은 위상 변이 함수(306)를 보여준다. 전달 함수들(206 및 306)은 상이한 주파수들이 RDC(140)의 특성들에 의해 수정되는 방법을 도시한다. 고정된 RPM에서 발생하는 DC 신호들(0 Hz)에 대해, 이득은 1(지점 210)이고 위상 변이는 0이다(지점 310). 그러나, 리졸버 고조파 에러에 존재하는 것들과 같은, 고차 고조파들에 대해, 중요한 이득 및 위상 변이가 존재한다. 예를 들면, 지점들(220 및 320) 각각은 2×10³ Hz의 주파수에서 대략 0.6의 이득 및 대략 -120 전기적 정도의 위상 변이를 도시한다.

RDC(140)와 연관된 이득 크기 및 위상 변이(상기 도 2)를 리졸버(130)의 위상 변이(상기 수학식 (8))와 조합함으로써, 고조파 차수의 함수로서 위치 또는 속도 에러에 대한 조합된 리졸버/RDC 시스템의 효과가 결정될 수 있다. 도 4는 주파수의 함수로서 속도(RPM) 에러 크기에 대한 결과들을 도시한다.

리졸버-기반 에러들과 다르게, RDC-기반 에러들은 속도에 의존한다(그러나 속도에 비례하지는 않는다). 5번째 고조파 리졸버 에러의 영향이 전체적인 시스템이 고려될 때 감소되도록 보여질지라도, 그것은 이제 또한 바람직하지 않은 속도의 함수이다.

RDC(140)의 효과가 초기에 무시되면, 리졸버로 인한 근본적인 위치 에러는 이상화된 RDC(140)에 의해 보고된 속도 신호의 스펙트럼 속성들을 고려함으로써 발견될 수 있다. 고정된 속도의 및 어떠한 에러도 존재하지 않는 이상적인 경우에, 리졸버(130)로부터의 속도 신호의 스펙트럼 콘텐트는 단지 DC 또는 0 Hz에서만 존재해야 한다. 실제로, 에러는 동적인 부하(펌프) 또는 소스(엔진)를 가질 수 있는 시스템에서 발견되어야 한다.

600 RPM으로 회전하는 엔진의 경우에서, 시스템으로부터 예상된 스펙트럼 콘텐트는 다음과 같을 것이다:

주파수 소스

0 Hz(DC) 이상적인 속도 콘텐트

10 Hz 기계적 회전 주파수

30 내지 40 Hz 엔진 점화 기본(6 내지 8 실린더)

100 Hz 전기(10 극 쌍인 경우 기계 및 리졸버)

200 Hz 리졸버 2번째 전기 고조파

240 Hz ` 리졸버 24번째 기계적 고조파

도 5는 하나의 실시예에 따라 위치 센서 출력 신호들을 정정하기 위한 방법(500)을 도시한다. 단계(510)로 시작되고, 제어기(160)는 다수의 전기적 사이클들에 걸쳐 상이한 속도들로 회전하도록 (인버터(110)를 통해) E-기계(120)에 지시한다. 특정 실시예들에서, E-기계(120)는 리졸버(130) 회전자에 또한 접속되는 엔진과 같은, 부가적인 외부 동력 디바이스에 의해 회전될 수 있다. 단계(520)에서, 얻어진 리졸버 위치 및 속도 데이터가 저장된다.

단계(530)로 전환하면, 샘플링된 데이터에 대한 푸리에 분석(Fourier analysis)이 수행된다. 충분한 수의 위치 및 속도 샘플들을 가정하면, 에러 신호의 다양한 구성요소들을 분리시키는 것을 허용할 이산 푸리에 변환의 적절한 분해능이 획득될 수 있다. 위치 또는 속도 중 하나(또는 둘 모두)가 분석을 위해 이용될 수 있지만, 속도는 그것이 이상적인 경우에서 DC 신호이기 때문에 더 편리한 변수이다. 게다가, 각도-기반 신호들은 또한 더 바람직한데(시간-기반 신호들과는 반대로), 이는 정정되어야 하는 에러가 시간이 아닌, 위치의 함수이기 때문이다. 리졸버가 상대적으로 일정한 레이트로 회전되면, RDC(140) 위치 및 속도 신호들의 고속 샘플링이 수행될 수 있다. 회전 당 고정된 정수의 샘플들, 또는 대안적으로 임의의 윈도우잉 효과(windowing effect)들을 최소화하기 위한 충분하게 많은 수의 샘플들이 그 다음, 취해질 수 있어서, 대략 고정된 각 샘플링이 결과로 발생한다. 속도와 위치 사이의 관계는 아래의 수학식 (9)에 도시된다.

여기서:

ω=각 속도

Δθ=각 위치의 변화

Δt=시간의 변화

따라서, 속도가 상대적으로 고정됨을 가정하면, 고정된 시간-기반 샘플 레이트는 거의 일정한 각 샘플 레이트를 또한 제공한다. 고정된 속도가 보장될 수 없으면, 선형 가속과 같은, 기본적인 에러들은 또한 용이하게 정정될 수 있다. 다른 외란(disturbance)들이 리졸버(130) 에러의 효과와 비교하여 충분하게 적으면, 상기 다른 외란들로 인한 일부 속도 변동은 용인될 수 있다. 이상화된 RDC로부터 취해진 속도 샘플들은 그 다음, 다음과 같이 단계(50)에서 푸리에 주파수 도메인으로 변환될 수 있다.

기본적인 이산 푸리에 변환(DFT) 수학식들은 다음과 같다:

여기서:

k=고조파 순차의 수

N=샘플들의 총 수

n=샘플들의 세트 내의 특정한 샘플

j=허수 단위

x(n)=샘플링된-각도 도메인에서의 속도 파형

A(k)=k번째 고조파 순차에 대한 크기 및 위상을 나타내는 복소수이다.

리졸버(130)와 같은, 전형적인 위치 센서는 예상된 고조파 에러 패턴을 가져야 한다. 예를 들면, 리졸버의 구성 및 실장 배치로 인해, 상기 리졸버는 리졸버 주파수의 특정 고조파들에서 스펙트럼 콘텐트를 가질 것이다. 이들 고조파들의 크기 및 위상을 결정함으로써, 특정한 속도에서의 에러가 추정될 수 있다. 리졸버 관련 속도 고조파 진폭이 이상화된 RDC(140)에 대한 속도에 비례해야 하기 때문에, 상이한 속도들에서의 다수의 판독들이 속도에 의존하는 진폭들을 가지는 (엔진을 위한 정화 고조파들과 같은) 다른 소스들과 연관된 콘텐트를 삭제하기 위해 취해질 수 있다. 따라서, 속도에 비례하여 달라지지 않는 고조파들은 리졸버(130)에 관련 없도록 결정될 수 있다.

상대적인 고조파들에서의 결과적인 크기 및 위상은 조합된 시스템 효과를 표현한다. 도 2 및 도 3의 RDC(140) 고조파 이득 및 위상의 반전을 이용하여, RDC(140)의 효과가 삭제될 수 있다. 상이한 고조파들에서의 남아 있는 크기 및 위상은 단지 리졸버(130)와 연관된 에러 패턴을 표현하고 상기 수학식 (8)과 일치한다. 또한, 도 4는 다양한 고조파들이 시스템에 가장 큰 영향을 미칠 속도 범위들을 나타내고, 이는 최대 민감도를 위해 다양한 속도들에서의 측정들을 수행하기 위한 필요성을 다시 설명한다.

각각의 고조파 차수(N)에 대한 위치 에러에 대해 수학식 (8)을 풂으로써, 근본적인 위치 에러가 추출될 수 있다. 또한, 위상 변이 정보는 푸리에 분석으로부터 90도 만큼 조정될 수 있어서 속도를 위치에 관련시키는 적분 관계를 설명한다. 이것은 아래에 도시된 근본적인 위치 에러 신호의 형성을 허용한다.

여기서:

θ=각 위치

A_N=N번째 고조파에서의 위치 에러(θ_error)의 크기

φ_N=N번째 고조파에서의 위치 에러의 위상이다.

이 방식으로 리졸버 에러를 뷰잉(viewing)함으로써, 리졸버(130)로 인한 위치 에러 정보를 포함하는 단순한 수학식은 에러 정정 제어기(150)에 저장될 수 있다.

일단, 근본적인 리졸버 에러가 발견되어 상이한 고조파들에 대한 이득 및 위상 조정들로서 저장되었으면, 처리는 단계(540)로 진행하고, 여기서 위치 에러 수학식은 아래의 수학식 (13)에서 도시된 바와 같이 RDC(140)에 연관된 부가적인 이득 및 위상 변이를 통합하도록 수정된다.

여기서:

RDC_N(RPM)=특정 속도에서의 N번째 고조파와 연관된 RDC 이득

φ_RDCN(RPM)=특정 속도에서의 N번째 고조파와 연관된 RDC 위상

상기 예에서, RPM은 정정된 위치로부터 계산될 수 있거나 정정된 RDC 속도 정보로부터 취해질 수 있다. 도 2 및 도 3에서 보여질 수 있는 바와 같이, 보통의 에러가 용인될 수 있다.

시스템의 선형 본질로 인해, 수학식 (13)으로부터의 에러(θ_error(θ,RPM))는 원래의 RDC 위치 신호로부터 감산될 수 있어서 정정 위치 측정치를 형성할 수 있다. 속도 신호는 그 다음, 위치 신호로부터 얻어질 수 있다. 속도 에러에 대한 수학식은 아래의 수학식 (14)로서 또한 생성될 수 있다.

단계(550)에서, 수학식들((13) 및 (14))로부터의 정보는 각각의 측정된 위치(θ)에서 에러 정정 제어기(150)에 의해 결정되어 손상되지 않은 위치 신호를 발견하기 위해 감산되어야 하는 적절한 위치 에러(θ_error) 뿐만 아니라, 측정된 속도로부터 감산되어야 하는 속도 에러(ω_error)를 결정한다.

단계(560)에서, 단계(550)로부터의 에러 정보는 특정한 애플리케이션의 필요성들에 의존하여, 개별적인 수학식들로서 저장될 수 있거나 데이터 테이블에 저장될 수 있다. 동작 동안, 에러 정정 제어기는 저장된 정보를 참조할 수 있어서 예상된 위치 에러를 정정하기 위해 모터 제어기(160)에 보고되는 신호(158)를 조정한다.

하위-고조파들이 동일한 방법론을 이용하여 또한 검출되고 정정될 수 있음이 이해될 것이다. 다수의 전기 사이클들이 저장되도록 요구되고 일부 형태의 절대 위치 추적(회전 당 한번 - 엔진 크랭크 센서에 의해 제공된 것과 같은)은 그 경우에 필요하다. 이 추적은 센서, 처리기가 파워 온될 때마다 구동하는 알고리즘 또는 처리기 전력이 사이클링될 때마다 가정된 절대 위치 값의 타당성을 저장하고 동적으로 확인하는 알고리즘의 형태일 수 있다.

특정 실시예들에서, 부가적인 신호들은 E-기계(120)의 구동 속도에서의 실제 변형을 정정하기 위해 측정될 수 있다. d-축 및 q-축 전류들이 0이거나, 0으로 조절되면, 위상 기전력(EMF)은 직접적으로 또는 간접적으로 측정될 수 있다. EMF 신호의 푸리에 변환은 그 다음, (엔진 점화 고조파들과 같은) 애플리케이션에서 실제로 발생하고 있는 특정 고조파들을 결정하기 위해 취해질 수 있고, 리졸버 에러로부터의 실제 속도 변동을 식별하기 위해 이용될 수 있다. 본 명세서에서 이용된 바와 같이, 용어 "실제"는 E-기계의 동작으로부터 발생하고 리졸버(130) 또는 RDC(140)에 의해 유도되지 않는 신호 콘텐트를 참조하도록 해석될 것이다. 예를 들면, EMF의 크기에서의 변형이 엔진 점화 기본 주파수(ω_N)에서 관측되면, 실제 속도 변동은 다음과 같이 EMF의 고조파 크기 및 위상으로부터 결정될 수 있다:

N번째 고조파에서의 속도 변동을 고려할 때,

이고, 여기서:

t=시간

N=고조파 차수

ω₀=모터의 평균 속도

ω=고조파 변동을 갖는 엔진 속도

α=N번째 고조파 위치 크기(라디안들)

φ_N=N번째 고조파 속도 위상(라디안들)이다.

EMF는 다음과 같이 계산될 수 있고:

여기서:

EMF1=속도(ω₀)에서의 EMF의 기본 구성요소이다.

EMF에 대한 상기 표현은 주파수 도메인으로 해석될 수 있고 2개의 고조파 차수들(N-1, 및 N+1)에서 EMF의 구성요소들을 갖도록 도시된다. N-1 차수에서 발생하는 구성요소는 다음의 크기를 가질 것이다:

마찬가지로, N+1 차수 고조파에 대한 EMF는 다음의 크기를 가질 것이다:

실제 속도 크기는 다음이 되도록 수학식 ((17) 및 (18))로부터 발견될 수 있다:

속도 고조파의 위상 각도는 그 다음, 다음과 같이 N-1 및 N+1 차수 고조파들의 각각의 위상 각도들로부터 발견될 수 있고:

여기서:

φ_N= 속도의 N번째 고조파의 위상 각도

=기본 EMF의 위상 각도

=EMF의 N-1번째 고조파의 위상 각도

=EMF의 N+1번째 고조파의 위상 각도이다.

리졸버 고조파 에러가 E-기계에서 실제로 발생하고 있는 고조파에 대한 고조파 수에 상관될 때, 상기 방법론은 E-기계의 실제 속도 변동과 리졸버 고조파 에러로 인한 실제 속도 변동을 구별하기 위해 이용될 수 있다.

이것은 복소 형태로 수학식 ((19) 및 (20))을 표현함으로써 및 ω_Nactual으로서 실제 E-기계 속도 변동을 정의함으로써 행해질 수 있다. 리졸버 고조파 위치 에러로 인한, 고조파 속도 에러는 아래의 수학식 (21)에 따라 측정된 속도 에러 및 ω_Nactual로부터 발견될 수 있다.

여기서:

ω_Nmeasured=리졸버로부터의 복소 측정된 N번째 고조파 속도 변동

ω_Nerror=리졸버 에러로 인한 복소 실제 N번째 고조파 속도 변동이다.

상기 방법론은, 일정한 속도로 동작하는 동안, EMF 데이터가 별개의 시간 간격들로 샘플링될 때 최상으로 효과가 있도록 발견될 수 있다. 그러나, 상기 방법론은, 엔진 속도가 데이터가 수집되는 시간에 걸쳐 가속 및 감속을 보여줄 때 측정된 고조파 속도 데이터를 정정하기 위해 또한 이용될 수 있다. 첫번째 및 마지막 측정치에서 EMF를 언급함으로써, 정수의 회전들을 통해, 값들은 동일한 것으로 가정될 수 있다(측정치 에러의 한도들 내에서). 그들이 상이한 범위까지, 선형 피트(linear fit)는 속도에 적용될 수 있고, 푸리에 변환에서 이용된 속도 데이터는 수학식 (22)에 따라 데이터를 일정한 속도로 정규화하기 위해 스케일링될 수 있다.

여기서:

t=시간

T=M 정수 기계적 회전들의 기간

EMF_final=마지막 지점에서 측정된 EMF

EMF_initial=초기 지점에서 측정된 EMF이다.

샘플링 시작 및 종료 지점들은, EMF의 전압 레벨이 정확성을 향상시키기 위해 측정 잡음에 대해 충분히 큰 시간들에서 발생하도록 또한 선택될 수 있다. 게다가, 데이터의 피트들이 가능하고 본 개시에 의해 고려될 수 있음이 이해될 것이다.

상기 방법론은 위상 EMF에 대한 리졸버(130)의 각 오프셋을 정정하기 위해 또한 확장될 수 있다. 오프셋은, E-기계의 회전자에 실장될 때 리졸버의 오정렬에 의해 전형적으로 야기된다. 위상 EMF 푸리에 변환이 시간 0에서 리졸버 위치 신호로 참조되면, 위치 펄스에 대한 EMF의 위상 에러가 계산될 수 있고 리졸버 각 오정렬을 정정하기 위해 이용될 수 있다.

속도(ω)의 형태는 RPM, 초 당 라디안 단위들일 수 있거나, 리졸버(130) 및 RDC(140)로부터 수신된 회전 속도 신호의 임의의 다른 스케일링된 형태일 수 있다.

본 발명이 도면들 및 상기 설명에 상세하게 도시되었고 설명되었을지라도, 상기 설명은 예시적이고 특성에서 제한적이지 않은 것으로서 고려되어야 하고, 단지 바람직한 실시예가 도시되고 설명되었으며 다음의 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상 내에 있는 모든 변경들, 등가물들, 및 수정들이 보호되도록 요구됨이 이해된다. 각각의 개별적인 공보, 특허, 또는 특허 출원이 참조로서 통합되도록 구체적으로 및 개별적으로 표현되고 본 명세서에서 전체적으로 제시된 것처럼, 본 명세서에 나열된 모든 공보들, 특허들, 및 특허 출원들은 참조로서 본 명세서에 통합된다.

100: 차량 하이브리드 구동 제어 시스템 110: 인버터
112: 에너지 저장 시스템 120: E-기계
130: 리졸버
140: 리졸버-디지털 변환기 150: 에러 정정 제어기
160: 모터 제어기

Claims

차량 구동계를 제어하기 위한 시스템에 있어서:
상기 차량 구동계에 동작가능하게 접속된 회전 E-기계;
상기 회전 E-기계에 동작가능하게 접속되고 센서 출력 신호를 생성하는 각 위치 센서;
상기 각 위치 센서에 동작가능하게 접속된 센서 디지털 변환기로서, 상기 센서 출력 신호를 수신하고 변환기 출력 신호를 생성하는, 상기 센서 디지털 변환기; 및
상기 센서 디지털 변환기에 동작가능하게 접속된 제어기를 포함하고,
상기 제어기는 제 1 각 속도로 상기 E-기계를 동작시키고,
상기 제어기는 상기 변환기 출력 신호에서의, 상기 각 위치 센서로 인한 제 1 에러를 보상하고,
상기 변환기 출력 신호에서의, 상기 센서 디지털 변환기로 인한 제 2 에러를 추가로 보상하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 에러는 상기 각 속도의 다수의 고조파 주파수들에서 존재하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 제 1 에러의 크기 및 위상을 결정하기 위해 상기 변환기 출력 신호에 대한 스펙트럼 분석을 수행하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 스펙트럼 분석은 푸리에 분석(Fourier analysis)을 포함하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 시스템.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각 위치 센서로 인한 상기 제 1 에러는 속도에 무관한 센서 위치 에러를 포함하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 시스템.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각 위치 센서로 인한 상기 제 1 에러는 속도에 비례적으로 의존하는 센서 속도 에러를 포함하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 시스템.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서 디지털 변환기로 인한 제 2 에러는 속도에 의존하고 속도에 따라 비례적으로 달라지지 않는, 차량 구동계를 제어하기 위한 시스템.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어기는 조합된 에러 보상 신호를 결정하기 위해 상기 제 1 에러 및 상기 제 2 에러를 조합하고, 상기 제어기는 상기 E-기계의 측정된 각 속도 및 위치를 보상하기 위해 상기 조합된 보상 신호를 인가하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 시스템.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 E-기계의 위상 EMF를 측정하고, 상기 제어기는 EMF 신호의 스펙트럼 분석을 수행하여 상기 E-기계에서의 실제 속도 변동으로 인한 특정 고조파들을 결정하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 시스템.
제 9 항에 있어서,
상기 스펙트럼 분석은 푸리에 분석을 포함하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 시스템.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 E-기계의 실제 속도 변동과 상기 제 1 에러를 구별하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 시스템.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 E-기계는 회전 전기 모터 발전기인, 차량 구동계를 제어하기 위한 시스템.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 차량은 하이브리드 전기 차량인, 차량 구동계를 제어하기 위한 시스템.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각 위치 센서는 리졸버(resolver)인, 차량 구동계를 제어하기 위한 시스템.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 E-기계의 각 속도가 시간에 따라 변하고 있을 때 상기 변환기 출력 신호로부터 결정된 속도 데이터를 정규화하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 시스템.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 각 위치 센서의 각 오프셋을 추가로 보상하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 시스템.
차량 구동계를 제어하기 위한 방법에 있어서:
E-기계를 회전시키는 단계로서, 상기 E-기계는 각 위치 센서에 동작가능하게 접속되는, 상기 회전시키는 단계;
상기 E-기계에 동작가능하게 접속된 각 위치 센서에 의해 생성된 제 1 신호를 측정하는 단계;
적어도 하나의 전기 사이클에 걸쳐 상기 제 1 신호를 표현하는 데이터를 저장하는 단계; 및
상기 각 위치 센서로 인한 제 1 에러 및 상기 각 위치 센서에 동작가능하게 접속된 센서 디지털 변환기의 효과들로 인한 제 2 에러 둘 모두의 효과들을 위해 출력 신호를 보상하는 단계를 포함하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 방법.
제 17 항에 있어서,
상기 각 위치 센서로 인한 상기 에러의 크기 및 위상을 결정하기 위해 수신된 데이터에 대해 스펙트럼 분석을 수행하는 단계를 추가로 포함하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 방법.
제 18 항에 있어서,
상기 스펙트럼 분석은 푸리에 분석을 포함하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 방법.
제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각 위치 센서로 인한 상기 제 1 에러는 속도에 무관한, 차량 구동계를 제어하기 위한 방법.
제 17 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각 위치 센서로 인한 상기 제 1 에러는 속도에 비례적으로 의존하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 방법.
제 17 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서 디지털 변환기로 인한 제 2 에러는 속도에 의존하고 속도에 따라 비례적으로 달라지지 않는, 차량 구동계를 제어하기 위한 방법.
제 17 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어기는 조합된 에러 보상 신호를 결정하기 위해 상기 제 1 에러 및 상기 제 2 에러를 조합하고, 상기 제어기는 상기 E-기계의 측정된 각 속도 및 위치를 보상하기 위해 상기 조합된 보상 신호를 인가하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 방법.
제 17 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 E-기계의 위상 EMF를 측정하고, 상기 제어기는 EMF 신호의 스펙트럼 분석을 수행하여 상기 E-기계의 실제 속도 변동으로 인한 특정 고조파들을 결정하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 스펙트럼 분석은 푸리에 분석을 포함하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 방법.
제 17 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 E-기계의 실제 속도 변동과 리졸버 에러를 구별하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 방법.
제 17 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 E-기계는 회전 전기 모터 발전기인, 차량 구동계를 제어하기 위한 방법.
제 17 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 차량은 하이브리드 전기 차량인, 차량 구동계를 제어하기 위한 방법.
제 17 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각 위치 센서는 리졸버인, 차량 구동계를 제어하기 위한 방법.
제 17 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 E-기계의 각 속도가 시간에 따라 변하고 있을 때 상기 센서 디지털 변환기의 출력으로부터 결정된 속도 데이터를 정규화하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 방법.
제 17 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 리졸버의 각 오프셋을 보상하는, 차량 구동계를 제어하기 위한 시스템.