KR20150057017A - 모터 위치 센서 오차 보상 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터에 관한 것으로서, 더 상세하게는 모터 제작 편차 및 센서 정밀도로 인해 발생하는 모터 토크 감소 현상 및/또는 토크 리플 증가 현상을 개선하는 위치 센서 오차 보상 장치 및 방법에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, Hall sensor에서 발생하는 오차를 없앨 수 있으며 알고리즘의 수행이 완료되어 offset을 계산한 후에는 더 이상 알고리즘을 수행하지 않으므로 알고리즘 추가에 의해 발생될 수 있는 연산시간 증가에 대한 부작용(side effect)는 고려하지 않아도 되는 장점이 있다.

Description

모터 위치 센서 오차 보상 장치 및 방법{Apparatus for compensating errors of position sensor for mortor, Method thereof}
본 발명은 모터에 관한 것으로서, 더 상세하게는 모터 제작 편차 및 센서 정밀도로 인해 발생하는 모터 토크 감소 현상 및/또는 토크 리플 증가 현상을 개선하는 위치 센서 오차 보상 장치 및 방법에 대한 것이다.
일반적으로 EPS(Electric Power Steering)에서는 90%이상 동기전동기(이하 PMSM)를 사용하고 있으며, PMSM(Permanent Magnet Synchronous Machine)은 그 특성상 회전자의 위치를 알아야 구동이 가능하다.
따라서 회전자의 위치를 판별하기 위해 위치센서를 사용하거나 혹은 센서리스 알고리즘을 이용하여 그 위치를 추정하여 모터를 제어하게 된다. 그러나 EPS의 경우 빠른 정/역방향 전환 및 조향감성 및 응답성 문제로 인하여 센서(sensored) 타입의 제어를 하고 있다.
그러나 모터제작 편차 및 센서 정밀도로 인하여 가격 및/또는 정확성에 대한 트레이드 오프 관계에 있어 낮은 가격에 높은 정밀도를 요구하기는 힘든 상황이다.
도 1은 8극(이하 Pole, P) 모터의 역기전력과 센서의 파형을 나타낸 것이다. 도 1과 같이 전기각 1회전당 센서의 오차가 발생할 경우(양산 MDPS(Motor Driven Power Steering) 모터의 경우 5도 수준 오차 발생) 정토크 영역에서는 sin(95deg)/sin(90deg) = 0.9962로 크게 문제되지 않는다.
그러나, 약자속(고속)영역(50deg)의 경우 sin(140deg)/sin(145deg) = 0.8923으로 10%이상 토크 감소현상이 생기며 모터를 고속으로 운전할수록 각도는 더 커지므로 토크 감소 현상은 더욱더 심해지게 된다.
도 2는 실제 모터 시작 위치에 따른 TN(토크-회전수) 커브 데이터이다.
부연하면, 기준각에서 엔코더 리셋이후 엔코더를 이용하여 각도를 계산한다. 이 경우, 모터의 기계각에 따라 ECU(Electronic Control Unit) ON될 경우 각도 오차가 생겨 위와 같은 토크 감소 및 좌우 토크 편차도가 발생한다는 문제점이 있었다.
또한, 도 3은 일반적인 전류 제어 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 홀센서로 모터 절대각을 확인하고, 홀 상태(Hall state)가 기준값으로 변경되는 여부에 따라 홀센서 및 엔코더 또는 엔코더만으로 모터 전기각을 계산하고 모터를 제어한다(S310 내지 S340).
부연하면, 또한, 기준각 마다 엔코더를 리셋하여 위치를 보정할 경우, 위치가 회전시마다 기준각에 따라 리셋되므로 각도의 오차는 줄어들지만 전류 고조파율 증가 및 리플 증가로 인한 토크 리플이 발생한다.
즉, 도 3과 같이 기존 알고리즘의 경우, 홀센서가 실제모터의 각도와 오차가 존재할 경우 홀센서에 의존하여 절대각을 확인하고 제어하므로 오차를 보정할 수 있는 방법이 없다.
1. 한국공개특허번호 제10-2006-0035877호 2. 한국공개특허번호 제10-2007-0096361호 3. 한국공개특허번호 제10-2005-0118228호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 모터 제작 편차 및 센서 정밀도로 인해 발생하는 모터 토크 감소 현상 및/또는 토크 리플 증가 현상을 개선하는 위치 센서 오차 보상 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 모터 제작 편차 및 센서 정밀도로 인해 발생하는 모터 토크 감소 현상 및/또는 토크 리플 증가 현상을 개선하는 위치 센서 오차 보상 장치를 제공한다.
상기 위치 센서 오차 보상 장치는,
모터;
상기 모터의 절대각을 확인하기 위한 센서부;
상기 절대각이 확인됨에 따라 상기 모터의 모터 전기각을 계산하고, 계산된 전기각을 이용하여 상기 모터의 모터 회전수(RPM: Revolution Per Minute)를 산출하는 계산부;
산출된 모터 회전수가 미리 설정된 기준 모터 회전수 이상인지를 확인하여 특정 알고리즘을 수행하고 상기 모터의 추정 전기각을 생성하는 알고리즘 수행부;
생성된 추정 전기각을 이용하여 현재 모터의 전기각에 대한 오프셋을 계산하여 초기 각도 오차를 보정하는 보정부; 및
보정된 제어 정보에 따라 상기 모터를 제어하는 제어부;
를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 센서부는, 상기 모터의 절대각을 확인하기 위한 위치 센서; 및
상기 모터 전기각을 계산하기 위한 엔코더;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 계산부는, 상기 모터가 회전함에 따라 상기 절대각으로부터 기준각이 변경되면 상기 엔코더를 이용하여 모터 전기각을 계산하고, 기준각이 변경되지 않으면 상기 엔코더 및 위치 센서를 이용하여 모터 전기각을 계산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 위치 센서는 홀센서인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 특정 알고리즘은 센서리스 알고리즘인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 보정이후 센서 제어 방식을 이용하여 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 센서부를 이용하여 모터의 절대각을 확인하는 절대각 확인 단계; 상기 절대각이 확인됨에 따라 상기 모터의 모터 전기각을 계산하는 모터 전기각 계산 단계; 계산된 전기각을 이용하여 상기 모터의 모터 회전수(RPM: Revolution Per Minute)를 산출하는 모터 회전수 계산 단계; 산출된 모터 회전수가 미리 설정된 기준 모터 회전수 이상인지를 확인하는 확인 단계; 확인 결과, 기준 모터 회전수 이상이면 특정 알고리즘을 수행하고 상기 모터의 추정 전기각을 생성하는 알고리즘 수행 단계; 생성된 추정 전기각을 이용하여 현재 모터의 전기각에 대한 오프셋을 계산하여 초기 각도 오차를 보정하는 보정 단계; 및 보정된 제어 정보에 따라 상기 모터를 제어하는 모터 제어 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 위치 센서 오차 보상 방법을 제공한다.
여기서, 상기 모터 전기각 계산 단계는, 상기 모터가 회전함에 따라 상기 절대각으로부터 기준각이 변경되면 상기 엔코더를 이용하여 모터 전기각을 계산하는 단계; 및 기준각이 변경되지 않으면 상기 엔코더 및 위치 센서를 이용하여 모터 전기각을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 모터 제어 단계는, 보정이후 센서 제어 방식을 이용하여 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, Hall sensor에서 발생하는 오차를 없앨 수 있으며 알고리즘의 수행이 완료되어 offset을 계산한 후에는 더 이상 알고리즘을 수행하지 않으므로 알고리즘 추가에 의해 발생될 수 있는 연산시간 증가에 대한 부작용(side effect)는 고려하지 않아도 되는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 저가의 센서를 이용하여도 고가의 센서 수준의 정밀도를 기대할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 EPS(Electronic Power Steering) 모터 외에 다른 모터에도 적용하여 정밀 제어가 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 8극 모터의 역기전력과 센서의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 2는 실제 모터 시작 위치에 따른 TN(Torque-Number) 커브 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 3은 일반적인 전류 제어를 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 위치 센서 오차 보상 장치(400)의 구성 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 위치 센서 오차를 보상하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 계산된 전기각 θ, 모터의 역기전력, 센서의 파형, 및 센서로 계산된 전기각 θ을 나타내는 파형도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 모터 위치 센서 오차 보상 장치 및 방법, 그리고 그 방법을 실행하는 프로그램 코드를 저장하는 저장 매체를 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 위치 센서 오차 보상 장치(400)의 구성 블럭도이다. 도 4를 참조하면, 모터 위치 센서 오차 보상 장치(400)는 모터(410), 센서부(420), 계산부(440), 알고리즘 수행부(450), 보정부(460), 제어부(470) 등을 포함하여 구성된다.
여기서, 모터(410)는 EPS(Electronic Power Steering) 모터이며, 회전자와 고정자(미도시)로 구성된다.
센서부(420)는 위치 센서(421)는 모터(410)의 절대각을 확인하기 위해 사용되며, 엔코더(423)는 위치 센서(421)와 함께 모터(410)의 전기각을 센싱하기 위해 사용된다. 즉, 위치 센서(421)는 절대각을 확인하고, 절대각이 확인된 이후 전기각의 정밀 각도를 측정하기 위해 사용된다. 위치 센서(421)의 예로서는 홀센서 등이 될 수 있다.
계산부(440)는 위치 센서(421) 또는 위치 센서(421)와 엔코더(423) 둘 다를 이용하여 모터 전기각을 계산하는 기능을 수행한다.
알고리즘 수행부(450)는 스티어링을 일정 속도 이상 조타하는 조타 조건이 발생하는 경우 모터의 역기전력을 추정하여 모터의 각도를 추정하는 기능을 수행한다.
보정부(460)는 역기전력으로부터 추정된 각도를 기반으로 현재 엔코더(423)에서 읽은 각도의 오프셋을 계산하여 모터 전기각을 보정하는 기능을 수행한다.
제어부(470)는 보정된 전기각을 이용하여 모터를 제어하는 기능을 수행한다.
부연하면, 본 발명의 일실시예에서는 위치 센서(421)의 오차를 개선하기 위한 별도의 상태(state)를 추가하게 된다.
이를 도 5를 참조하여 설명하기로 한다. 즉, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 위치 센서 오차를 보상하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 초기 구동에서는 모터(410)의 실제 각도 및/또는 센서각의 오차를 알 수 없기 때문에 일반적인 방식과 유사하게 위치 센서(421)를 이용하여 모터(410)의 절대각을 확인한다(단계 S510).
위치가 회전시마다 기준각에 따라 리셋되므로 홀 상태(Hall state)가 기준값으로 변경되는 지를 확인한다(단계 S520). 부연하면, 위치 센서(421)가 홀 센서인 경우 모터가 1회전하면 60도 간격으로 상태(state)가 천이한다.
확인 결과, 변경이 있으면 엔코더(423)를 이용하여 전기각을 계산한다(단계 S530). 일반적으로 전기각(Electrical Angle)이란 기계각(Mechanical angle)과 달리 모터(410)의 고정자와 같은 원통 둘레에 배치되는 자석의 서로 다른 극 사이를 180도로 한다. 따라서, 8극의 경우 전기각은 8
Figure pat00001
가 된다.
이러한 전기각을 이용하면 모터 RPM이 산출되는데, 이러한 모터 RPM이 센서리스 기준 RPM 보다 큰지를 확인하게 된다(단계 S540).
단계 S540에서 모터 RPM이 센서리스 기준 RPM보다 크면 센서리스 알고리즘을 수행한다(단계 S550,S560). 이러한 센서리스 알고리즘은 다음과 같다.
동기 전동기(PMSM) 모터의 전압 방정식은 다음식과 같이 표현된다.
[수학식 1]
Figure pat00002
[수학식 2]
Figure pat00003
여기서, Rs는 고정자 저항, Ls는 고정자 인덕턴스,
Figure pat00004
는 추정 기계 각속도, q는 q축, d는 d축, V는 전압, i는 전류를 각각 나타낸다.
이때, 현재 모터에 인가되는 전류의 전기각(홀센서에서 받은 각도)과 실제 전기각(모터가 가지고 있는 각도)의 차이가 발생하게 될 경우 전압 방정식은 다음식과 같이 표현된다.
[수학식 3]
Figure pat00005
[수학식 4]
Figure pat00006
여기서,
Figure pat00007
는 실제 각속도를 나타내며,
Figure pat00008
는 전기각 오차를 나타내며,
Figure pat00009
는 자속에 의한 플럭스를 나타낸다.
위 방정식으로부터 전류를 상태변수로 하는 상태 공간 방정식은 다음식과 같이 표현된다.
[수학식 5]
Figure pat00010

여기서, v는 전압을 나타낸다.
위의 식으로부터 전기각 오차(
Figure pat00011
)로 인한 역기전력을 추가의 상태변수(e)로 정의하고, 관측기를 구성하면 다음식과 같다.
[수학식 6]
Figure pat00012
[수학식 7]
Figure pat00013
Figure pat00014

위식의 이득 행렬은 다음식과 같이 설정하며, 전체 관측기의 특성 방정식
Figure pat00015
에서 4중근을 갖도록 설정한다.
[수학식 8]
Figure pat00016
[수학식 9]
Figure pat00017
여기서, A는 시스템 행렬, C는 출력 행렬, L은 관측기 이득을 나타낸다.
위의 관측기 수식으로부터 추정된 역기전력 상태변수에 역탄젠트(arctangent)를 이용하여 전기각 오차를 다음식과 같이 계산한다.
[수학식 10]
Figure pat00018

부연하면, 스티어링을 일정 속도 이상 조타 조건 발생시(약 0.4 rev/s -> 모터 500rpm) 모터의 역기전력을 위에서 기술된 센서리스(sensorless) 알고리즘을 이용하여 모터의 각도를 추정한다.
이후, 역기전력으로부터 추정된 각도를 기반으로 현재 엔코더에서 읽는 각도의 offset을 계산하여 보정한다(단계 S570).
오프셋(offset)을 적용한 후 일반적인 센서(sensored) 제어 방식과 동일하게 제어한다(단계 S580). 즉 초기 각도 오차가 보정된다.
센서리스의 경우 모터의 속도가 일정속도 이상 가속될 경우 정밀도를 보장받을 수 있으므로 저속 조타시에는 오프셋(offset)을 계산하지 못할 수도 있다. 그러나 저속조타의 경우 요구되는 에포트 역시 크지 않기 때문에 크게 문제되지 않으며, 일정 조타 조건 발생하여 offset을 연산한 후에는 ECU(Electronic Control Unit)(미도시)의 전원이 차단되기 이전까지는 센서의 오차를 보상하여 모터제어가 가능하다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 계산된 전기각 θ, 모터의 역기전력, 센서의 파형, 및 센서로 계산된 전기각 θ을 나타내는 파형도이다. 도 6을 참조하면, 초기 각도 계산 위치에서의 오프셋(670), U상 역기전력(610), a상 홀 센서 출력(620), 엔코더(도 4의 423)로 계산된 전기각(630), 센서리스 알고리즘으로 계산된 전기각(640)의 파형이 도시된다.
400: 모터 위치 센서 오차 보상 장치
410: 모터 420: 센서부
421: 위치 센서 423: 엔코더
440: 계산부
450: 알고리즘 수행부 460: 보정부
470: 제어부

Claims (12)

  1. 모터;
    상기 모터의 절대각을 확인하기 위한 센서부;
    상기 절대각이 확인됨에 따라 상기 모터의 모터 전기각을 계산하고, 계산된 전기각을 이용하여 상기 모터의 모터 회전수(RPM: Revolution Per Minute)를 산출하는 계산부;
    산출된 모터 회전수가 미리 설정된 기준 모터 회전수 이상인지를 확인하여 특정 알고리즘을 수행하고 상기 모터의 추정 전기각을 생성하는 알고리즘 수행부;
    생성된 추정 전기각을 이용하여 현재 모터의 전기각에 대한 오프셋을 계산하여 초기 각도 오차를 보정하는 보정부; 및
    보정된 제어 정보에 따라 상기 모터를 제어하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 위치 센서 오차 보상 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서부는,
    상기 모터의 절대각을 확인하기 위한 위치 센서; 및
    상기 모터 전기각을 계산하기 위한 엔코더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 위치 센서 오차 보상 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 계산부는,
    상기 모터가 회전함에 따라 상기 절대각으로부터 기준각이 변경되면 상기 엔코더를 이용하여 모터 전기각을 계산하고,
    기준각이 변경되지 않으면 상기 엔코더 및 위치 센서를 이용하여 모터 전기각을 계산하는 것을 특징으로 하는 모터 위치 센서 오차 보상 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 위치 센서는 홀센서인 것을 특징으로 하는 모터 위치 센서 오차 보상 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 특정 알고리즘은 센서리스 알고리즘인 것을 특징으로 하는 모터 위치 센서 오차 보상 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 보정이후 센서 제어 방식을 이용하여 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 위치 센서 오차 보상 장치.
  7. 센서부를 이용하여 모터의 절대각을 확인하는 절대각 확인 단계;
    상기 절대각이 확인됨에 따라 상기 모터의 모터 전기각을 계산하는 모터 전기각 계산 단계;
    계산된 전기각을 이용하여 상기 모터의 모터 회전수(RPM: Revolution Per Minute)를 산출하는 모터 회전수 계산 단계;
    산출된 모터 회전수가 미리 설정된 기준 모터 회전수 이상인지를 확인하는 확인 단계;
    확인 결과, 기준 모터 회전수 이상이면 특정 알고리즘을 수행하고 상기 모터의 추정 전기각을 생성하는 알고리즘 수행 단계;
    생성된 추정 전기각을 이용하여 현재 모터의 전기각에 대한 오프셋을 계산하여 초기 각도 오차를 보정하는 보정 단계; 및
    보정된 제어 정보에 따라 상기 모터를 제어하는 모터 제어 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 위치 센서 오차 보상 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 모터의 절대각을 확인하기 위한 위치 센서; 및
    상기 모터 전기각을 계산하기 위한 엔코더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 위치 센서 오차 보상 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 모터 전기각 계산 단계는,
    상기 모터가 회전함에 따라 상기 절대각으로부터 기준각이 변경되면 상기 엔코더를 이용하여 모터 전기각을 계산하는 단계; 및
    기준각이 변경되지 않으면 상기 엔코더 및 위치 센서를 이용하여 모터 전기각을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 위치 센서 오차 보상 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 위치 센서는 홀센서인 것을 특징으로 하는 모터 위치 센서 오차 보상 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 특정 알고리즘은 센서리스 알고리즘인 것을 특징으로 하는 모터 위치 센서 오차 보상 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 모터 제어 단계는, 보정이후 센서 제어 방식을 이용하여 상기 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 위치 센서 오차 보상 방법.



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