KR20150078661A - 모터 감자 에러 감지 장치 및 방법 - Google Patents

모터 감자 에러 감지 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 모터 감자 에러 감지 장치는, 상위 제어기로부터의 토크 지령을 미리 설정된 전류맵 테이블에 따라 전류 지령값으로 변환하고 변환된 전류 지령값을 전압 지령값으로 변환하는 전류 제어기; 미리 설정된 오차 범위의 전압 지령값을 이용하여 산출되는 기준 전압 지령값과 상기 변환된 전압 지령값을 비교하여 감자 에러 상태를 판단하는 감자 감지 블록; 및 비교 결과, 감자 에러 상태가 아니면 상기 변환된 전압 지령값을 모터에 인가하는 인버터 파워 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

모터 감자 에러 감지 장치 및 방법{Apparatus and Method for sensing demagnetization of motor}
본 발명은 차량용 모터에 관한 것으로서, 더 상세하게는 모터의 감자 에러 감지를 통해 인버터의 기본 성능인 토크 출력 저하를 방지할 수 있는 모터 감자 에러 감지 장치 및 방법에 대한 것이다.
일반적으로 인버터 주된 기능은 상위 제어기로 받은 모터 토크 지령대로 모터가 출력하도록 제어하는 데 있다. 이를 위해 인버터는 크게 토크 지령 및/또는 속도에 따른 기준 전류 정보를 갖는 전류맵 테이블 블록, 전류 지령을 모터에 입력할 전압 지령으로 변환하는 전류 제어기 블록, 전압 지령을 실제 파워모듈의 스위칭을 통해 인가하는 인버터 파워 모듈 블록 등으로 구성되어 있다.
따라서, 상위 제어기로부터 토크 지령 수신하여 전류맵 테이블을 통해 지령 토크를 전류 지령으로 바꾸는 단계와, 모터 피드백 전류를 받아서 전류 제어를 수행하여 전류 지령을 모터로 입력할 전압 지령으로 바꾸는 단계와, 계산된 전압 지령을 실제 파워모듈에 스위칭을 통해 인가하는 단계로 모터 토크 제어를 수행한다.
그런데, 일반적인 영구자석을 사용하는 PMSM(Permanant Magnet Syncronous Motor) 모터를 제어하는 인버터의 토크(전류)제어 방식은 앞서 기술한 대로 미리 실험한 토크 지령 vs 전류 지령을 실험을 통해 테이블화한다.
이러한 테이블 기반으로 전류 제어기를 통해 토크 제어가 이루어지는데 실험시의 테이블이 운전중 이상현상 발생으로 특성이 바뀌게 되면 토크 성능이 크게 변화되어 인버터 기본성능에 악영향을 미친다는 문제점이 있었다.
부연하면, 이중 모터 설계시 반드시 고려하는 모터 감자이상 발생 시 토크 저하가 발생하여 실제 출력이 도 1에 도시된 바와 같은 실제 토크의 출력 저하로 이어지게 된다는 점이었다.
즉, 이는 PMSM 제어용 인버터의 주된 토크인 자기력 토크 저하로 인해 인버터 기본 성능인 토크 제어성능에 심각한 영향을 미쳤다.
1. 한국공개특허번호 제10-2013-0094894호 2. 한국공개특허번호 제10-2009-0045467호 3. 한국공개특허번호 제10-2009-0055321호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 모터의 감자 에러 감지를 통해 인버터의 기본 성능인 토크 출력 저하를 방지할 수 있는 모터 감자 에러 감지 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 모터의 감자 에러 감지를 통해 인버터의 기본 성능인 토크 출력 저하를 방지할 수 있는 모터 감자 에러 감지 장치를 제공한다.
상기 모터 감자 에러 감지 장치는,
차량용 모터의 감자를 감지하는 모터 감자 에러 감지 장치에 있어서,
상위 제어기로부터의 토크 지령을 미리 설정된 전류맵 테이블에 따라 전류 지령값으로 변환하고 변환된 전류 지령값을 전압 지령값으로 변환하는 전류 제어기;
미리 설정된 오차 범위의 전압 지령값을 이용하여 산출되는 기준 전압 지령값과 상기 변환된 전압 지령값을 비교하여 감자 에러 상태를 판단하는 감자 감지 블록; 및
비교 결과, 감자 에러 상태가 아니면 상기 변환된 전압 지령값을 모터에 인가하는 인버터 파워 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 감자 감지 블록은, 상기 변환된 전압 지령값과 기준 전압 지령값을 비교하는 비교부; 비교 결과에 따라 감자 상태이면 낮아진 역기전력 상수를 재계산하여 역기전력 평균값을 계산하는 평균값 계산부; 및 계산된 평균값을 이용하여 저하된 예측 토크량을 계산하는 예측 토크량 계산부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기준 전압 지령값은 수학식 정상 전압값 - 오차 범위 설정값에 의해 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 감자 감지 블록은, 상기 감자 에러 상태를 상위 제어기에 통지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 감자 감지 블록은, 상기 예측 토크량을 상기 제어기에 통지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 차량용 모터의 감자를 감지하는 모터 감자 에러 감지 방법에 있어서, 상위 제어기로부터의 토크 지령을 미리 설정된 전류맵 테이블에 따라 전류 지령값으로 변환하는 전류 지령값 변환 단계; 변환된 전류 지령값을 전압 지령값으로 변환하는 전압 지령값 변환 단계; 미리 설정된 오차 범위의 전압 지령값을 이용하여 기준 전압 지령값을 산출하는 기준 전압 지령값 산출 단계; 상기 변환된 전압 지령과 기준 전압 지령값을 비교하여 감자 에러 상태를 판단하는 감자 에러 상태 판단 단계; 및 비교 결과, 감자 에러 상태가 아니면 상기 변환된 전압 지령값을 모터에 인가하는 인가 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 감자 에러 감지 방법을 제공한다.
이때, 상기 감자 에러 상태 판단 단계는, 상기 변환된 전압 지령값과 기준 전압 지령값을 비교하는 단계; 비교 결과에 따라 감자 상태이면 낮아진 역기전력 상수를 재계산하여 역기전력 평균값을 계산하는 단계; 및 계산된 평균값을 이용하여 저하된 예측 토크량을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 감자 에러 상태 판단 단계는, 상기 감자 에러 상태를 상위 제어기에 통지하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 감자 에러 상태 판단 단계는, 상기 예측 토크량을 상기 제어기에 통지하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 모터 운전중 감자 현상의 감지를 통한 대응으로 토크 출력 저하가 방지되어 인버터 제어의 안정성 향상을 꾀할 수 있다.
도 1은 일반적인 인버터의 토크(전류)제어 방식에 따른 토크 저하의 예시를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 감자 에러 감지 장치(200)의 구성 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 감자 에러 감지를 통해 인버터의 기본 성능인 토크 출력 저하를 방지하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 도 2에 도시된 감자 감지 블록(230)의 구성도이다.
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 감자 에러 감지 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 감자 에러 감지 장치(200)의 구성 블럭도이다. 도 2를 참조하면, 상기 모터 감자 에러 감지 장치(200)는, 전류맵 테이블(210), 전류 지령을 모터에 입력할 전압 지령으로 변환하는 전류 제어기(220), 미리 설정된 오차 범위의 전압 지령값을 이용하여 산출되는 기준 전압 지령값과 상기 변환된 전압 지령값을 비교하여 감자 에러 상태를 판단하는 감자 감지 블록(230), 및 전압 지령을 실제 파워모듈의 스위칭을 통해 인가하는 인버터 파워 모듈(240), 감자 에러 상태가 아니면 상기 변환된 전압 지령값에 따라 구동하는 차량용 모터(250), 모터에 유입되는 전류를 측정하는 전류 센서(251), 구동되는 차량용 모터(250)의 회전속도를 감지하는 속도 센서(252) 등을 포함하여 구성된다.
전류맵 테이블(210)은 토크 지령 및/또는 회전 속도에 따른 기준 전류 정보를 갖는다. 따라서, 상위 제어기(미도시)로부터의 토크 지령 및/또는 회전 속도에 따라 미리 설정된 전류맵 테이블에 매칭하여 전류 지령값으로 변환한다.
전류 제어기(220)는 전류맵 테이블(210)에 의해 변환된 전류 지령값을 전압 지령값으로 변환한다. 물론, 이에 앞서, 전류 센서(251)로부터 전류 피드백을 받아, 전류맵 테이블(210)에 의해 변환된 전류 지령값에 반영한다.
감자 감지 블록(230)은 미리 설정된 오차 범위의 전압 지령값을 이용하여 산출되는 기준 전압 지령값과 상기 변환된 전압 지령값을 비교하여 감자 에러 상태를 판단한다. 물론, 이러한 기준 전압 지령값을 산출하기 위해서, 정상 전압값이 요구된다. 정상 전압값은 다음 Vd축 전압식 및 Vq축 전압식을 이용하여 산출된다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, Vq: q축 전압
Vd: d축 전압
Iq: q축 전류
Id: d축 전류
Ld: d축 인덕턴스
Lq: q축 인덕턴스
ω: 모터 속도
Ke: 역기전력 상수
d(Iq)/dt: q축 전류 미분
d(Id)/dt: d축 전류 미분
위 수학식의 경우 IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchonous Motor) 또는 PMSM(Permanent Magnet Synchonous Motor)에서 d-q축 전압 모델식으로 널리 알려져 있다. 또한, 위 수학식에서 감자가 발생하는 경우 Vq 및 Ke는 그 값이 감소된다.
위 수학식을 이용하여 q축 정상 전압값(Vq)이 산출되면 이 정상 전압값(Vq)로부터 오차 범위 설정값을 감산하여 기준 전압 지령값을 산출한다. 여기서, 오차 범위 설정값은 실험 결과를 통하여 미리 설정된 값이 된다.
기준 전압 지령값이 산출되면, 이 기준 전압 지령값과 실제 전압값을 비교하여 모터에서 감자 에러가 발생하였는지를 확인한다.
즉, 실제 전압값이 기준 전압 지령값보다 작으면 이는 감자 에러가 발생한 상태를 의미하므로 역기전력 상수(Ke)를 재계산한다. 부연하면, 감자 현상에 의한 역기전력 상수(Ke)의 감소 발생시 전류 제어기(도 2의 220)의 q축 전압 지령값(Vq)이 작아진다. d축 전압 지령값(Vd)은 q축 전압 지령값(Vq) 대비 큰 상관 관계가 없다. 따라서, Vq 전압식으로부터 전개하면 역기전력 상수(Ke)가 다음 식과 같이 산출된다.
Figure pat00003
위 수학식으로부터 재계산된 감자 에러 상태의 역기전력 상수의 평균값을 계산하여 이로부터 저하된 토크를 재계산할 수 있다. 따라서, 저하 예측 토크량을 산출하는 것이 가능하게 된다.
감자 감지 블록(230)에 대한 상세 구성을 보여주는 도면이 도 4에 도시된다. 도 4에 대하여는 후술하기로 한다.
도 2를 계속 참조하여 설명하면, 인버터 파워 모듈(240)은 전압 지령을 실제 파워모듈의 스위칭을 통해 차량용 모터(250)에 인가한다. 즉, 실제 q축 전압 지령값(Vq)이 기준 전압 지령값보다 크면 실제 q축 전압 지령값(Vq)으로 스위칭을 통해 차량용 모터(250)를 동작한다.
차량용 모터(250)는 PMSM 모터 또는 IPMSM 모터가 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것을 아니며, 다른 3상 교류 모터도 사용가능하다.
전류 센서(251)는 차량용 모터(250)로 입력되는 전류를 감지하여 감지된 전류값을 전류 제어기(220)에 피드백하는 전류 피드백 용도로 사용된다.
속도 센서(252)는 차량용 모터(250)의 회전자가 회전하는 속도(즉, RPM: Revolutions Per Minute)를 감지하여 전류맵 테이블(210)에 전달하는 기능을 수행한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 감자 에러 감지를 통해 인버터의 기본 성능인 토크 출력 저하를 방지하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 상위 제어기로부터의 토크 지령을 미리 설정된 전류맵 테이블에 따라 전류 지령값으로 변환하고, 변환된 전류 지령값을 qd 전압 지령값(Vqd)으로 변환한다(단계 S310).
qd 전압 지령값(Vqd)으로부터 q축 정상 전압 지령값(Vq)을 산출하고 산출된 정상 전압 지령값(Vq)로부터 오차범위 설정값을 빼서 기준 전압 지령값을 산출한다(단계 S320). 즉, 기준 전압 지령값은 다음식과 같다.
Figure pat00004
기준 전압 지령값이 산출되면, 실제 전압 지령과 기준 전압 지령값을 비교하여 감자 에러 상태를 판단한다(단계 S330).
판단 결과, 실제 전압 지령값이 기준 전압 지령값보다 크면, 기준 전압 지령값을 q축 기준 전압으로 계산한다(단계 S331).
이와 달리, 단계(S330)에서, 실제 전압 지령값이 기준 전압 지령값보다 작으면, 감자 에러로 판단하고, 에러 카운터를 증가시켜 미리 설정된 설정값과 비교한다(단계 S332).
비교 결과, 에러 카운터가 설정값보다 크면, 변경된 역기전력 상수를 계산하여 평균값을 구하고, 이러한 평균값으로부터 저하된 토크를 계산하여 예측 토크량을 산출한다(단계 S350,S360).
예측 토크량이 산출되면, 전류 제어기(도 2의 220)는 저하된 예측 토크량 및/또는 감자 에러 상태를 상위 제어기에 전송한다(단계 S370).
단계 S332에서, 에러 카운터가 설정값보다 작으면, 변경된 역기전력 상수를 계산하여 평균값을 구한다(단계 S340).
단계 S370 및/또는 단계 S340가 수행되면, 단계 S310 내지 단계 S332가 반복 수행된다.
도 4는 도 2에 도시된 감자 감지 블록(230)의 구성도이다. 도 4를 참조하면, 감자 감지 블록(230)은, 변환된 전압 지령값과 기준 전압 지령값을 비교하는 비교부(410)와, 비교 결과에 따라 감자 에러 상태이면 낮아진 역기전력 상수를 재계산하여 역기전력 평균값을 계산하는 평균값 계산부(420)와, 계산된 평균값을 이용하여 저하된 예측 토크량을 계산하는 예측 토크량 계산부(430) 등을 포함하여 구성된다.
200: 모터 감자 에러 감지 장치
210: 전류맵 테이블
220: 전류 제어기
230: 감자 감지 블록
240: 인버터 파워 모듈
250: 차량용 모터
251: 전류 센서
252: 속도 센서
410: 비교부
420: 평균값 계산부
430: 토크 예측량 계산부

Claims (10)

  1. 차량용 모터의 감자를 감지하는 모터 감자 에러 감지 장치에 있어서,
    상위 제어기로부터의 토크 지령을 미리 설정된 전류맵 테이블에 따라 전류 지령값으로 변환하고 변환된 전류 지령값을 전압 지령값으로 변환하는 전류 제어기;
    미리 설정된 오차 범위의 전압 지령값을 이용하여 산출되는 기준 전압 지령값과 상기 변환된 전압 지령값을 비교하여 감자 에러 상태를 판단하는 감자 감지 블록; 및
    비교 결과, 감자 에러 상태가 아니면 상기 변환된 전압 지령값을 모터에 인가하는 인버터 파워 모듈;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 감자 에러 감지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 감자 감지 블록은,
    상기 변환된 전압 지령값과 기준 전압 지령값을 비교하는 비교부;
    비교 결과에 따라 감자 상태이면 낮아진 역기전력 상수를 재계산하여 역기전력 평균값을 계산하는 평균값 계산부; 및
    계산된 평균값을 이용하여 저하된 예측 토크량을 계산하는 예측 토크량 계산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 감자 에러 감지 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기준 전압 지령값은 수학식, 정상 전압값 - 오차 범위 설정값에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 모터 감자 에러 감지 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 감자 감지 블록은, 상기 감자 에러 상태를 상위 제어기에 통지하는 것을 특징으로 하는 모터 감자 에러 감지 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 감자 감지 블록은, 상기 예측 토크량을 상기 제어기에 통지하는 것을 특징으로 하는 모터 감자 에러 감지 장치.
  6. 차량용 모터의 감자를 감지하는 모터 감자 에러 감지 방법에 있어서,
    상위 제어기로부터의 토크 지령을 미리 설정된 전류맵 테이블에 따라 전류 지령값으로 변환하는 전류 지령값 변환 단계;
    변환된 전류 지령값을 전압 지령값으로 변환하는 전압 지령값 변환 단계;
    미리 설정된 오차 범위의 전압 지령값을 이용하여 기준 전압 지령값을 산출하는 기준 전압 지령값 산출 단계;
    상기 변환된 전압 지령과 기준 전압 지령값을 비교하여 감자 에러 상태를 판단하는 감자 에러 상태 판단 단계; 및
    비교 결과, 감자 에러 상태가 아니면 상기 변환된 전압 지령값을 모터에 인가하는 인가 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 감자 에러 감지 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 감자 에러 상태 판단 단계는,
    상기 변환된 전압 지령값과 기준 전압 지령값을 비교하는 단계;
    비교 결과에 따라 감자 상태이면 낮아진 역기전력 상수를 재계산하여 역기전력 평균값을 계산하는 단계; 및
    계산된 평균값을 이용하여 저하된 예측 토크량을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 감자 에러 감지 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 기준 전압 지령값은 수학식 정상 전압값 - 오차 범위 설정값에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 모터 감자 에러 감지 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 감자 에러 상태 판단 단계는, 상기 감자 에러 상태를 상위 제어기에 통지하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 감자 에러 감지 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 감자 에러 상태 판단 단계는, 상기 예측 토크량을 상기 제어기에 통지하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 감자 에러 감지 방법.
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