KR20190006562A - 자동차용 교류 기계의 로터의 위치 및 속도를 추정하는 방법, 및 대응 시스템 - Google Patents

자동차용 교류 기계의 로터의 위치 및 속도를 추정하는 방법, 및 대응 시스템 Download PDF

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KR20190006562A
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모아마드 꼬떼슈
압델말렉 말룸
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

자동차용 교류 기계의 로터의 위치 및 속도를 추정하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 이하의 단계들을 포함한다: 3상 기준 프레임에서의 기계의 스테이터 전류 그리고 3상 기준 프레임에서의 기계의 스테이터 전압의 수치를 결정하는 단계, 콩코르디아 변환에 의해 3상 기준 프레임에서의 스테이터 전류에 따라 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류의 성분을 결정하는 단계, 콩코르디아 변환에 의해 3상 기준 프레임에서의 스테이터 전압에 따라 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전압의 성분을 결정하는 단계, 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전압 그리고 조정 파라미터에 따라 로터 속도를 반복적으로 결정하는 단계, 로터 속도 및 제거 파라미터에 따라 2상 기준 프레임에서의 기계의 스테이터 플럭스를 결정하는 단계, 및 2상 기준 프레임에서의 스테이터 플럭스, 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류 그리고 등가 인덕턴스에 따라 로터 위치를 결정하는 단계.

Description

자동차용 교류 기계의 로터의 위치 및 속도를 추정하는 방법, 및 대응 시스템
본 발명의 기술 분야는 자동차를 위한 전기 기계의 제어, 그리고 더 구체적으로 그러한 제어에 관련된 양의 추정이다.
전기 기계를 위한 정교한 제어 전략은 로터의 위치 및/또는 속도의 정확한 정보를 요구한다. 이들 역학량은 전통적으로 측정된다.
그러한 제어 구조에서, 교류 기계의 동적 성능 수준은 직류 기계의 동적 성능 수준보다 양호하다. 한편, 강력한 디지털 컴퓨터, 높은 스위칭 주파수를 갖는 전동 부품 그리고 로터에 관련된 엔진 샤프트에 연결되는 일부의 추가적인 센서가 그러한 정교한 제어에 요구된다.
전기 기계의 제어 구조에서의, 로터의 위치 및/또는 속도를 측정하는, 기계 센서의 사용은 많은 제약조건을 생성하고, 그 중에서 센서 및 그 관련된 전자장치의 추가적인 비용, 센서 및 그 배선의 설치로 인한 대형화, 센서의 그 환경(온도, 노이즈, 기계 진동, 전자기 적합성 등)에 대한 민감성 그리고 센서 또는 그 연결부 중 하나의 고장의 가능성이 예시될 수 있고, 그것들은 상기 시스템의 신뢰성을 감소시킨다.
이들 제약조건은 일부의 적용분야에서, 센서의 사용을 제한하고, 심지어 그것을 불가능하게 한다. 그 때문에, 전류 및 전압의 측정치를 사용함으로써 이들 양을 추정하는 추정 알고리즘으로 로터의 위치 및 각속도를 측정하는 기계 센서를 대체하려는 움직임이 있다.
종래 기술로부터, 하기의 문서가 알려져 있다.
문서 제US 2013/0289934A1호는 기계의 전압 및 전류의 신호로부터 스테이터의 플럭스(flux)를 추정하는 방법을 개시하고, 상기 신호는 이어서 스테이터 플럭스로부터 기계의 로터 플럭스를 추정하는 데 사용된다. 상기 방법은 전기각 및 그 파생변수의 결정을 또한 포함한다. 이러한 방법은 동기식 기계에만 적용되고, 권선형 로터 기계로 이전될 수 없다.
문서 제US 2007/0194742A1호는 용어의 엄밀한 의미에서 관찰자와 관련되지 않고 대신에 오프셋 사인파 신호와 관련된 플럭스의 추정을 개시한다. 문서 제CN102983806호는 스테이터 플럭스를 추정하는 간단한 기술을 개시한다.
문서 제CN102437813호는 영구 자석 동기 기계에 대해, 로터 플럭스로부터 로터의 각도 및 속도로 반대로 작업하는 방법을 개시한다. 더욱이, 상기 문서의 교시내용은 로터의 전압 및 전류의 기초사항의 추출을 통한 물리적 필터링의 광범위한 사용을 포함한다.
문서 제EP3012962호는 플럭스의 추정치로부터, 권선형 로터 동기 기계에 대한 위치를 추정하는 방법을 개시한다. 이러한 방법에서, 위상 인덕턴스 그리고 스테이터와 로터 사이의 상호 인덕턴스를 알아낼 것이 필요하다.
임의의 타입의 교류 기계(동기 및 비동기)에 적용될 수 있고 기계의 파라미터에 대해 그리고 측정 노이즈에 대해 더 큰 강건성을 제공할 수 있는, 기존의 방법에 비해 개선된 전기 기계를 제어하는 방법에 대한 필요성이 있다.
본 발명의 특허대상은 자동차용 교류 기계의 로터의 위치 및 속도를 추정하는 방법이다. 상기 방법은,
3상 기준 프레임에서의 기계의 스테이터 전류 그리고 3상 기준 프레임에서의 기계의 스테이터 전압의 수치가 결정되고;
스테이터 전류의 성분이 콩코르디아 변환(Concordia transformation)에 의해 3상 기준 프레임에서의 스테이터 전류의 함수로서 2상 기준 프레임에서 결정되고;
스테이터 전압의 성분이 콩코르디아 변환에 의해 3상 기준 프레임에서의 스테이터 전압의 함수로서 2상 기준 프레임에서 결정되고;
로터의 속도가 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전압 그리고 설정 파라미터의 함수로서 반복적으로 결정되고;
기계의 스테이터 플럭스가 로터의 속도 그리고 제거 파라미터(rejection parameter)의 함수로서 2상 기준 프레임에서 결정되고;
로터의 위치가 2상 기준 프레임에서의 스테이터 플럭스, 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류 그리고 등가 인덕턴스의 함수로서 결정되는,
단계를 포함한다.
제거 파라미터는 스테이터 저항, 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류, 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전압 그리고 설정 파라미터의 함수로서 결정될 수 있다.
전기 기계가 동기 타입일 때에, 스테이터의 인덕턴스의 2차 성분과 동일하게 등가 인덕턴스를 설정하는 것이 가능하다.
전기 기계가 비동기 타입일 때에, 상호 인덕턴스, 스테이터 인덕턴스 및 로터 인덕턴스의 함수로서 등가 인덕턴스를 결정하는 것이 가능하다.
전자기 토크는 2상 기준 프레임에서의 스테이터 플럭스 그리고 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류의 함수로서 결정될 수 있다.
또한, 본 발명의 특허대상은 자동차용 교류 기계의 로터의 위치 및 속도를 추정하는 시스템이다. 상기 시스템은,
콩코르디아 변환에 의해 3상 기준 프레임에서의 스테이터 전류의 함수로서 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류의 성분을 결정하는 제1 수단;
콩코르디아 변환에 의해 3상 기준 프레임에서의 스테이터 전압의 함수로서 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전압의 성분을 결정하는 제2 수단;
2상 기준 프레임에서의 스테이터 전압의 함수로서 로터의 속도를, 반복에 의해, 결정하는 제3 수단;
로터의 속도, 및 측정 노이즈 및 편차 제거 파라미터의 함수로서 2상 기준 프레임에서의 스테이터 플럭스를 추정하는 수단으로서, 상기 제거 파라미터는 상기 파라미터를 결정하는 제4 수단으로부터 유도되는, 수단; 및
2상 기준 프레임에서의 스테이터 플럭스, 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류 그리고 등가 인덕턴스의 함수로서 로터의 위치를 결정하는 제5 수단
을 포함한다.
제4 수단은 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류, 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전압 그리고 로터의 회전 속도의 함수로서 측정 노이즈 및 편차 제거 파라미터를 결정할 수 있다.
전기 기계가 동기 타입일 때에, 등가 인덕턴스는 스테이터의 인덕턴스의 2차 성분과 동일하게 설정될 수 있다.
전기 기계가 비동기 타입일 때에, 등가 인덕턴스는 상호 인덕턴스, 스테이터 인덕턴스 및 로터 인덕턴스의 함수로서 결정될 수 있다.
추정 시스템은 2상 기준 프레임에서의 스테이터 플럭스 그리고 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류의 함수로서 전자기 토크를 결정하는 제6 수단을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 순수하게 비제한적인 예로서 주어지는, 하기의 상세한 설명을 읽을 때에 그리고 첨부된 도면을 참조하면 분명해질 것이다.
본 발명에 따르면, 로터의 위치 및/또는 속도의 정확한 정보를 획득하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 추정 방법의 주요 단계를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 추정 시스템의 주요 요소를 도시한다.
전기 기계의 로터의 위치 및 속도의 결정을 가능케 하는 수학적 및 물리적 원리가 이제부터 설명될 것이다.
스테이터 전류(ia, ib, ic)가 측정된다. 전압(va, vb, vc)은 그 제어 수준에서 알려져 있다.
3상 전압(va, vb, vc)으로부터, 2상 전압(vα, vβ)이 하기의 방정식의 적용에 의해 계산된다.
Figure pct00001
(식 1)
다상 기계의 경우에, 2상 기준 프레임으로의 투영은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 기술의 일부를 형성한다.
3상 전류(ia, ib, ic)로부터, 2상 전류(iα, iβ)가 하기의 방정식의 적용에 의해 계산된다.
Figure pct00002
(식 2)
이들 변환은 일반적으로 스테이터에 통합된 3상 기준 프레임의, 또한 그 스테이터에 통합된 2상 기준 프레임으로의 콩코르디아 변환으로 알려져 있다는 것이 주목되어야 한다.
순간(k)에서의 속도(ω(k))는 하기의 알고리즘에 따라, 반복적으로 계산된다:
Figure pct00003
(식 3)
여기서:
mφ 및 mω: 설정 파라미터,
Ts: 샘플링 피치, 및
Φ(0): 속도를 추정하는 것을 가능케 하는 변수(0으로 초기화됨).
방정식(식 3)은 파라미터(mφ, mω)에 의해 설정될 수 있는 속도의 추정을 보증한다. 이들 파라미터의 수치가 높으면, 추정이 더 빠르지만 노이즈가 많다. 이들 수치가 낮으면, 추정이 덜 빠르게 수렴하지만, 노이즈가 또한 적다.
2개의 양(eα(k), eβ(k))은 하기의 방정식에 의해 정의된다:
Figure pct00004
(식 4)
여기서:
Figure pct00005
(식 5)
Rs: 스테이터 저항.
일반적으로, 하기의 수치는 2개의 양(eα(k), eβ(k))으로부터 선택된다:
mα=mβ=0.3 (식 6)
2상 기준 프레임에서의 스테이터 플럭스(
Figure pct00006
)는 하기의 방정식으로부터 추정된다:
Figure pct00007
(식 7)
방정식(식 7)을 사용함으로써, 플럭스의 추정은 센서에 의해 생성되는 노이즈 및 편차에 대해 강건하다는 것이 보증된다. 파라미터(mα, mβ)는 수렴의 속도 그리고 외란(노이즈, 편차 등)의 제거를 보증하도록 선택된다. 이들 2개의 파라미터가 0이면, 외란의 필터링이 수행되지 않고, 추정이 수렴하지 않을 위험성이 있다. 그것들이 1이면, 양호한 필터링 그리고 외란의 제거가 보증되지만 정적 오차가 발생하는 상황을 만날 위험성이 있다.
0.2와 0.7 사이에 놓인 수치가 양호한 추정 품질을 보증한다.
더욱이, 방정식(식 7)은 종래 기술에서 제안된 추정보다 안정적이다.
위치(
Figure pct00008
)는 하기의 방정식의 적용에 의해 추정되는 플럭스로부터 추정된다:
Figure pct00009
(식 8)
동기 기계에 대해, 등가 인덕턴스(Leq)는 스테이터의 인덕턴스의 2차 성분(Lq)에 의해 대체된다:
Figure pct00010
(식 9)
비동기 기계에 대해, 등가 인덕턴스(Leq)는 스테이터의 과도 인덕턴스에 의해 대체된다:
Figure pct00011
(식 10)
여기서:
Ls: 스테이터 인덕턴스,
Lr: 로터 인덕턴스, 및
M: 비동기 기계에서의 스테이터와 로터 사이의 상호 인덕턴스.
전자기 토크(Cm(k))는 하기의 방정식의 적용에 의해 추정된 플럭스 및 전류로부터 추정될 수 있다:
Figure pct00012
(식 11)
스테이터 전류(ia, ib, ic), 스테이터 전압(va, vb, vc), 스테이터 저항 그리고 등가 인덕턴스(Leq)의 정보로부터, 교류 기계의 로터의 위치 및 속도를 추정하는 방법의 주요 단계의 설명이 이제부터 후속된다. 이들 단계는 도 1에 의해 도시된다.
제1 단계 중에, 스테이터 전류 및 스테이터 전압이 3상 기준 프레임에서 결정된다. 스테이터 전압은 전기 기계의 제어 수단으로부터 직접적으로 수신될 수 있다는 것이 주목되어야 한다.
제2 단계(2) 중에, 스테이터 전류의 성분이 방정식 1의 적용에 의해 3상 기준 프레임에서의 스테이터 전류의 함수로서 2상 기준 프레임에서 결정되고, 스테이터 전압의 성분이 방정식 2의 적용에 의해 3상 기준 프레임에서의 스테이터 전압의 함수로서 2상 기준 프레임에서 결정된다.
제3 단계(3) 중에, 로터의 속도가 방정식 식 3의 적용에 의해 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전압의 함수로서 결정된다.
제4 단계(4) 중에, 스테이터 플럭스가 방정식 식 4 내지 식 6과 조합한 방정식 식 7의 적용에 의해 로터의 속도, 스테이터 저항, 및 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류 및 전압의 함수로서 2상 기준 프레임에서 결정된다. 이러한 추정은 방정식 식 4에 의해 정의되는 2개의 파라미터를 통해, 전류 센서에 대한 측정 노이즈 및 편차를 제거하는 것을 가능케 한다. 이러한 추정은 사용된 기계의 타입과 독립적이다.
제5 단계(5) 중에, 로터의 위치가 방정식 식 8의 적용에 의해 2상 기준 프레임에서의 스테이터 플럭스, 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류 그리고 등가 인덕턴스의 함수로서 결정된다.
전기 기계가 동기 타입이면, 등가 인덕턴스는 스테이터의 인덕턴스의 2차 성분과 동일하게 설정된다.
전기 기계가 비동기 타입이면, 등가 인덕턴스는 방정식 식 10의 적용에 의해 상호 인덕턴스, 스테이터 인덕턴스 및 로터 인덕턴스의 함수로서 결정된다.
마지막으로, 전자기 토크는 방정식 식 11의 적용에 의해 2상 기준 프레임에서의 스테이터 플럭스 그리고 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류의 함수로서 결정된다.
스테이터 전류(ia, ib, ic), 스테이터 전압(va, vb, vc), 스테이터 저항 그리고 등가 인덕턴스(Leq)의 정보로부터, 교류 기계의 로터의 위치 및 속도를 추정하는 시스템의 주요 요소의 설명이 이제부터 후속된다. 이들 요소는 도 2에 의해 도시된다.
제1 결정 수단(11)이 방정식 1의 적용에 의해 3상 기준 프레임에서의 스테이터 전류의 함수로서 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류의 성분을 결정한다.
제2 결정 수단(12)이 방정식 2의 적용에 의해 3상 기준 프레임에서의 스테이터 전압의 함수로서 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전압의 성분을 결정한다.
제3 결정 수단(13)이 방정식 식 3의 적용에 의해 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전압의 함수로서 로터의 속도를, 반복에 의해, 결정한다.
추정 수단(15)이 방정식 식 4 내지 식 6과 조합한 방정식 식 7의 적용에 의해 로터의 속도, 스테이터 저항 그리고 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류 및 전압의 함수로서 2상 기준 프레임에서의 스테이터 플럭스를 추정한다. 더 구체적으로, 제4 결정 수단(14)이 방정식 식 4 내지 식 6의 적용에 의해 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류, 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전압, 스테이터 저항 그리고 로터의 회전 속도의 함수로서 측정 노이즈 및 편차 제거 파라미터를 결정하고, 추정 수단(15)은 제4 결정 수단에 의해 결정되는 제거 파라미터의 함수로서, 그리고 제3 수단에 의해 결정되는 로터의 속도의 함수로서 스테이터 플럭스를 추정한다.
제5 결정 수단(16)이 방정식 식 8의 적용에 의해 2상 기준 프레임에서의 스테이터 플럭스, 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류 그리고 등가 인덕턴스의 함수로서 로터의 위치를 결정한다.
전기 기계가 동기 타입이면, 등가 인덕턴스는 스테이터의 인덕턴스의 2차 성분과 동일하게 설정된다.
전기 기계가 비동기 타입이면, 도 2에 도시되지 않은 결정 수단이 방정식 식 10의 적용에 의해 상호 인덕턴스, 스테이터 인덕턴스 및 로터 인덕턴스의 함수로서 등가 인덕턴스를 결정한다.
마지막으로, 제6 결정 수단(17)이 방정식 식 11의 적용에 의해 2상 기준 프레임에서의 스테이터 플럭스 그리고 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류의 함수로서 전자기 토크를 또한 결정한다.

Claims (10)

  1. 자동차용 교류 기계의 로터의 위치 및 속도를 추정하는 방법에 있어서,
    이하의 단계들:
    3상 기준 프레임에서의 기계의 스테이터 전류 그리고 3상 기준 프레임에서의 기계의 스테이터 전압의 수치가 측정되는 단계,
    스테이터 전류의 성분이 콩코르디아 변환에 의해 3상 기준 프레임에서의 스테이터 전류의 함수로서 2상 기준 프레임에서 결정되는 단계,
    스테이터 전압의 성분이 콩코르디아 변환에 의해 3상 기준 프레임에서의 스테이터 전압의 함수로서 2상 기준 프레임에서 결정되는 단계,
    로터의 속도가 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전압 그리고 설정 파라미터의 함수로서 반복적으로 결정되는 단계,
    기계의 스테이터 플럭스가 로터의 속도 그리고 제거 파라미터의 함수로서 2상 기준 프레임에서 결정되는 단계,
    로터의 위치가 2상 기준 프레임에서의 스테이터 플럭스, 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류 그리고 등가 인덕턴스의 함수로서 결정되는 단계,
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제거 파라미터는 스테이터 저항, 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류, 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전압 그리고 설정 파라미터의 함수로서 결정되는, 추정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전기 기계가 동기 타입일 때에, 등가 인덕턴스는 스테이터의 인덕턴스의 2차 성분과 동일하게 설정되는, 추정 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전기 기계가 비동기 타입일 때에, 등가 인덕턴스는 상호 인덕턴스, 스테이터 인덕턴스 및 로터 인덕턴스의 함수로서 결정되는, 추정 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 전자기 토크는 2상 기준 프레임에서의 스테이터 플럭스 그리고 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류의 함수로서 결정되는, 추정 방법.
  6. 자동차용 교류 기계의 로터의 위치 및 속도를 추정하는 시스템에 있어서,
    콩코르디아 변환에 의해 3상 기준 프레임에서의 스테이터 전류의 함수로서 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류의 성분을 결정하는 제1 수단,
    콩코르디아 변환에 의해 3상 기준 프레임에서의 스테이터 전압의 함수로서 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전압의 성분을 결정하는 제2 수단(12),
    2상 기준 프레임에서의 스테이터 전압의 함수로서 로터의 속도를, 반복에 의해, 결정하는 제3 수단(13),
    로터의 속도, 및 측정 노이즈 및 편차 제거 파라미터의 함수로서 2상 기준 프레임에서의 스테이터 플럭스를 추정하는 수단(15)으로서, 편차 제거 파라미터는 상기 파라미터를 결정하는 제4 수단으로부터 유도되는, 수단(15), 및
    2상 기준 프레임에서의 스테이터 플럭스, 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류 그리고 등가 인덕턴스의 함수로서 로터의 위치를 결정하는 제5 수단(16)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 추정 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 제4 결정 수단(14)은 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류, 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전압 그리고 로터의 회전 속도의 함수로서 측정 노이즈 및 편차 제거 파라미터를 결정할 수 있는, 추정 시스템.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 전기 기계가 동기 타입일 때에, 등가 인덕턴스는 스테이터의 인덕턴스의 2차 성분과 동일하게 설정되는, 추정 시스템.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 전기 기계가 비동기 타입일 때에, 결정 수단이 상호 인덕턴스, 스테이터 인덕턴스 및 로터 인덕턴스의 함수로서 등가 인덕턴스를 결정하는, 추정 시스템.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 2상 기준 프레임에서의 스테이터 플럭스 그리고 2상 기준 프레임에서의 스테이터 전류의 함수로서 전자기 토크를 결정하는 제6 수단(17)을 포함하는, 추정 시스템.
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