KR20190057896A - 레졸버에 입/출력되는 신호간 위상차를 자동으로 보정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

레졸버에 입/출력되는 신호간 위상차를 자동으로 보정하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

차량용 레졸버를 제어하는 방법은 차량 내 포함된 레졸버에 입력되는 여자 전압(勵磁電壓)의 최대값을 전달하는 단계, 여자 전압의 최대값이 발생한 제1시점과 레졸버에서 출력되는 출력 신호의 최대값이 발생한 제2시점의 시간차이를 결정하는 단계, 출력 신호에 시간차이를 적용하여, 출력 신호의 비교 시점을 보정하는 단계, 및 보정된 비교 시점에서의 출력 신호 간 위상차를 바탕으로 각도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

레졸버에 입/출력되는 신호간 위상차를 자동으로 보정하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR AUTOMATICALLY COMPENSATING PHASE DIFFERENCE BETWEEN SIGNALS INPUTED TO AND OUTPUTTED FROM RESOLVER}
본 발명은 레졸버(resolver)에 입/출력되는 신호간 위상차를 자동으로 보정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레졸버의 정밀도 향상을 위해 임피던스 차이로 인하여 발생하는 입/출력되는 신호간 위상차를 자동으로 보정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
내연기관 자동차를 대체할 수 있는 순수 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브 리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)와 같은 친환경자동차에서는 차량을 구동하기 위한 구동원으로 전기모터를 이용하고 있다. 친환경자동차는 모터 구동 및 제어를 위한 인버터 시스템을 탑재하고 있으며, 모터 제어에 사용되는 모터 회전자 절대각 위치(absolute angular position, θ)를 검출하기 위한 위치 센서로서 레졸버(resolver)를 이용하고 있다.
레졸버는 모터 회전자의 위치를 측정하기 위한 센서로서 사용된다. 레졸버(resolver)는 엔코더(encoder)에 비해 기계적 강도가 높고 내구성이 우수하여 전기자동차와 같이 고성능, 고정밀 구동이 필요한 분야에서 구동 모터의 위치 센서로 사용될 수 있다. 특히, 영구자석 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)의 경우 절대 위치 검출을 통해 모터를 구동시켜야 하기 때문에 레졸버 사용이 요구될 수 있다. 구체적으로, 차량 내 구동모터 레졸버는 회전자 자석의 절대 위치 검출하는 역할을 수행한다.
도1은 영구자석 전동기의 구조의 예를 설명한다.
도1을 참조하면, 영구자석 전동기(10)는 모터제어기의 벡터제어에 사용될 수 있다. 예를 들어, 모터 토크를 제어할 때 모터제어기에서 인가하는 도시된 d축 전류지령(벡터값)의 방향을 결정함으로써 최적의 전류제어가 가능할 수 있다.
레졸버 신호는 샘플별 기계적 조립편차와 샘플별 인피던스 차이를 이유로 신호 오차가 발생할 수 있다. 레졸버의 제조 과정에서 레졸버의 도면과 실제 스펙(외형)의 차이가 발생할 수 있고, 이로 인한 임피던스 오차는 ±10% 내에서 일어날 수 있다. 뿐만 아니라, 구동모터 및 인버터 회로 구성에 의한 장치별 임피던스 편차가 발생할 수도 있다. 레졸버의 기계적 조립편차에 따른 입/출력 신호 오차 자동보정 제어 방법은 제안되어 왔으나, 정밀도의 향상을 위해 장치별 임피던스 차이에 의한 레졸버 신호 오차 보정을 위한 방법과 장치가 필요하다.
KR 10-2012-0059956 A KR 10-2015-0142322 A KR 10-2016-0006056 A KR 10-2016-0046181 A KR 10-1776474 B1
본 발명은 차량 제조 후 모터 제어기를 통하여 레졸버(resolver)의 입력되는 여자 전압(勵磁電壓)과 변압비(Transformation ratio)에 대응하여 출력되는 리사쥬(Lissajous)의 최대값이 여자 전압과 변압비의 곱과 동등하거나 가장 근접한 값에 대응하는 시간을 탐색하여 탐색된 시간만큼을 보정하여 임피더스 편차에 의해 레졸버의 출력 신호의 변형되는 것을 보상할 수 있는 방법과 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 구동모터 및 인버터 회로의 구성 및 조립과정에서 발생할 수 있는 임피던스의 차이로 인한 레졸버의 출력 차이를 제어 모듈 또는 검사 모듈을 통해 감지하고, 감지된 값을 보정할 수 있어 모터 제어의 정밀도를 높일 수 있는 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 레졸버를 제어하는 방법은 차량 내 포함된 레졸버에 입력되는 여자 전압(勵磁電壓)에 대응하는 기준 신호를 전달하는 단계; 상기 기준 신호에서 상기 여자 전압의 최대값이 발생한 제1시점과 상기 레졸버에서 출력되는 출력 신호의 최대값이 발생한 제2시점의 시간차이를 결정하는 단계; 상기 출력 신호에 상기 시간차이를 적용하여, 상기 출력 신호의 비교 시점을 보정하는 단계; 및 보정된 비교 시점에서의 상기 출력 신호 간 위상차를 바탕으로 각도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 여자 전압은 기 설정된 주파수를 가지는 사인파를 포함하고, 상기 출력 신호는 상기 레졸버 내 회전자의 회전에 따라 발생하는 쇄교자속(鎖交磁束, magnetic flux interlinkage)에 의해 발생한 사인파와 코사인파를 포함할 수 있다.
또한, 상기 시간차이를 결정하는 단계는 상기 차량의 제조 후 점검 과정에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 시간차이에 대한 정보는 상기 차량의 점검 과정에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 시간차이를 결정하는 단계는 상기 차량의 시동 직후마다 수행될 수 있다.
또한, 차량용 레졸버를 제어하는 방법은 상기 시간차이에 대한 결정된 값은 상기 차량 내 저장 장치에 저장되는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 각도를 산출하는 단계는 상기 차량의 주행 중 지속적으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 출력 신호의 최대값은 상기 출력 신호의 리사쥬 곡선(Lissajous curve)의 최대값이며, 상기 최대값은 순차선형계획법(Sequential/Successive linear programming, SLP) 또는 미분벡터투영법(Gradient projection method/algorithm)을 통해 탐색될 수 있다.
또한, 상기 여자 전압(勵磁電壓)은 상기 차량 내 포함된 모터 제어기를 통해 전달될 수 있다.
또한, 상기 시간차이에 대한 결정된 값은 상기 차량에 탑재된 구동 모터와 인버터 회로 사이에 존재하는 임피던스의 위상을 보상할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 응용 프로그램은 프로세서에 의해 실행되는 것을 통하여, 청구항 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 차량용 레졸버를 제어하는 방법을 실현하도록 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 기록될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 컴퓨터 판독 가능한 기록매체는 프로세서에 의해 실행되는 것을 통하여, 청구항 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 차량용 레졸버를 제어하는 방법을 실현하는 응용 프로그램을 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 장치마다 임피던스 차이에 의한 입/출력 신호간 위상차를 보정하므로써, 레졸버(resolver) 내 회전자(자석)의 절대위치를 정확히 검출할 수 있다.
또한, 본 발명은 회전자의 위치를 정확히 검출함으로써 모터의 출력/토크 제어 정밀도를 높여 줄 수 있으므로, 모터시스템의 효율 향상 및 소음과 진동, 마찰(noise, vibration, harshness, NVH)을 감소시킬 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도1은 영구자석 전동기의 구조의 예를 설명한다.
도2는 차량용 레졸버(resolver)의 동작을 설명한다.
도3은 차량용 레졸버의 출력 신호를 통해 얻을 수 있는 회전자의 각도 변화를 설명한다.
도4a 및 4b는 차량용 레졸버에서 임피던스로 인한 왜곡을 설명한다.
도5는 차량용 레졸버를 제어하는 방법을 설명한다.
도6a 내지 도6c는 차량용 레졸버의 출력 신호의 조정을 설명한다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
차량용 레졸버는 차량용 모터와 유사한 구조를 가질 수 있으며, 고정자(stator), 회전자(rotor) 및 회전트랜스로 구성될 수 있다.. 예를 들어, 도1에서 설명한 바와 같이, 고정자와 회전자의 권선은 자속분포가 각도에 대하여 정현파가 되도록 분포되어 있어, 회전자의 움직임에 의한 쇄교자속(鎖交磁束, magnetic flux interlinkage)이 변동할 수 있다. 있다. 예를 들어, 여자권선에 있는 고정자의 권선은 전기적으로 90°위상차가 나고 2상 구조로 되어 있으며, 출력 권선의 회전자는 단권선이나 2상 권선이 용도에 따라 감겨져 있을 수 있다.
도2는 차량용 레졸버의 동작을 설명한다.
도시된 바와 같이, 차량용 레졸버의 회전자의 움직임에 따른 출력 신호의 변화는 여자전압(Excitation voltage)이 인가되는 경우, 회전자의 회전에 의해 역기전력에 의해 1차와 2차측 쇄교자속이 주기적으로 변화하면서 사인파와 코사인파의 출력 신호가 출력될 수 있다. 구체적으로, 기준신호(ER)은 아래와 같이 가정할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, E는 여자전압(Excitation voltage), ω는 여자주파수(Excitation Frequency), t는 시간일 수 있다.
이때, 회전자가 회전하면서 역기전력에 의해 쇄교자속이 주기적으로 변화하면서 출력될 수 있는 사인파와 코사인파의 출력 신호, 즉, 제1출력신호(ES1-S2) 및 제2출력신호(ES3-S4)는 아래와 같이 설명할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, K는 변환비(Transformation ratio)이다.
제1출력신호(ES1-S2) 및 제2출력신호(ES3-S4)를 이용하여 회전자의 움직임 각도(θ)는 아래와 같이 설명할 수 있다.
Figure pat00003
도3은 차량용 레졸버의 출력 신호를 통해 얻을 수 있는 회전자의 각도 변화를 설명한다.
전술한 바와 같이, 레졸버의 출력 신호인 제1출력신호와 제2출력신호의 위상 차이가 발생하고, 제1출력신호와 제2출력신호에 역탄젠트(arctangent)를 이용하여 각도를 구할 수 있다. 이렇게 산출되는 각도는 도시된 바와 같이 지속적으로 변화하는 값을 가지며, 특정 시점에서의 회전자 위치를 인지할 수 있다.
하지만, 레졸버의 출력 신호간의 불균형이나 신호에 유입되는 노이즈, 오프셋, 인덕턴스의 영향 등의 다양한 요소로 인해 위치 및 속도 정보를 정확하게 추정하지 못하는 경우가 많다.
도4a 및 4b는 차량용 레졸버에서 임피던스로 인한 왜곡을 설명한다.
구체적으로, 도4a는 레졸버의 입출력 신호인 여자전압과 제1출력신호 및 제2출력신호의 위상차이가 없는 경우를 설명하고, 도4b는 레졸버의 입출력 신호인 여자전압과 제1출력신호 및 제2출력신호의 위상차이로 인해 위치 및 속도 정보를 정확하게 산출되지 못하는 경우를 설명한다.
도4a와 도4b를 비교하면, 레졸버의 입출력 신호의 위상 차이가 발생하는 경우와 위상 차이가 발생하지 않는 경우의 리사쥬 커브(Lissajous Curve)를 비교할 수 있다. 위상차가 없을 때의 리사쥬 커브는 여자전압(Excitation voltage, E)과 변환비(Transformation ratio, K)의 곱과 동일할 수 있는 반면, 위상차가 발생한 경우 리사쥬 커브는 여자전압(Excitation voltage, E)과 변환비(Transformation ratio, K)의 곱(KE)과 달라진다.
실시예에 따라, 이러한 현상을 극복하기 위해, 차량 제작 후 모터제어기를 통하여 리사쥬 최대값을 생성하는 α(시간)를 탐색하여 보정할 수 있다. 탐색시 KE과 동일하거나 가장 근접한 값을 찾을 수 있다. 이때, 리사쥬 커브의 값(KE)은 2차원 함수이므로 순차선형계획법(Sequential/Successive linear programming, SLP) 또는 미분벡터투영법(Gradient projection method/algorithm)을 통해 용이하게 최적값을 찾을 수 있다.
도5는 차량용 레졸버를 제어하는 방법을 설명한다.
도시된 바와 같이, 차량용 레졸버를 제어하는 방법은 차량 내 포함된 레졸버에 입력되는 여자 전압(勵磁電壓)에 대응하는 기준 신호를 전달하는 단계(32), 기준 신호에서 여자 전압의 최대값이 발생한 제1시점과 레졸버에서 출력되는 출력 신호의 최대값이 발생한 제2시점의 시간차이를 결정하는 단계(34), 출력 신호에 시간차이를 적용하여, 출력 신호의 비교 시점을 보정하는 단계(36), 및 보정된 비교 시점에서의 출력 신호 간 위상차를 바탕으로 각도를 산출하는 단계(38)를 포함할 수 있다. 레졸버에 입출력되는 신호로서, 여자 전압은 기 설정된 주파수를 가지는 사인파를 포함하고, 출력 신호는 상기 레졸버 내 회전자의 회전에 따라 발생하는 쇄교자속(鎖交磁束, magnetic flux interlinkage)에 의해 발생한 사인파와 코사인파를 포함할 수 있다.
시간 차이를 감지하기 위해 레졸버에 입력되는 여자 전압(勵磁電壓)은 차량 내 포함된 모터 제어기를 통해 전달될 수 있다. 실시예에 따라, 시간차이를 결정하는 단계는 차량의 제조 후 점검 과정에서 수행될 수도 있고, 차량의 점검 과정에서 수행될 수 있고, 차량의 시동 직후마다 수행될 수 있다. 이러한 시간차이를 인지하면, 시간차이에 대해 결정된 값은 차량 내 저장 장치에 저장될 수 있다.
각도를 산출하는 단계(38)는 상기 차량의 주행 중 지속적으로 수행될 수 있으며, 시간차이에 대한 결정된 값을 통해 차량에 탑재된 구동 모터와 인버터 회로 사이에 존재하는 임피던스의 위상을 보상할 수 있다.
도6a 내지 도6c는 차량용 레졸버의 출력 신호의 조정을 설명한다.
도6a를 참조하면, 리사쥬 곡선의 값이 여자전압(Excitation voltage, E)과 변환비(Transformation ratio, K)의 곱(KE)과 동일한 시점을 기준으로 비교 판단하여 레졸버 입/출력 신호간 위상차 없음을 알 수 있다. 제1출력 신호와 여자 전압의 인덕턴스의 영향 등으로 인해 왜곡되지 않은 경우다.
도6b를 참조하면, 리사쥬 곡선의 값이 여자전압(Excitation voltage, E)과 변환비(Transformation ratio, K)의 곱(KE)과 동일한 시점을 기준으로 비교 판단하여 레졸버 입/출력 신호간 일정한 위상차(Δt)가 존재함을 알 수 있다. 제1출력 신호와 여자 전압의 인덕턴스의 영향 등으로 인해 왜곡되어 있음을 알 수 있다.
도6c를 참조하면, 레졸버 입/출력 신호간 일정한 위상차(Δt)가 존재함을 감지하고 있는 상황에서 레졸버 입/출력 신호간 위상 차이(Δt+α)를 감지할 수 있다. 위상 차이(Δt+α)가 감지되더라도, 해당 장치에서 일정한 위상차(Δt)만큼의 왜곡이 있음을 알고 있는 경우, 위상 차이(Δt+α)에서 보정값인 위상차(Δt)를 제거하면 실제 회전자의 위치 변화에 따른 위상차(α)를 정확히 알 수 있다.
전술한 바와 같이, 장치별 임피던스 차이에 의한 입/출력 신호간 위상차를 보정하므로써, 회전자(자석)의 절대위치를 정확히 검출할 수 있다.
상술한 실시예에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 포함된다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상술한 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (12)

  1. 차량 내 포함된 레졸버에 입력되는 여자 전압(勵磁電壓)에 대응하는 기준 신호를 전달하는 단계;
    상기 기준 신호에서 상기 여자 전압의 최대값이 발생한 제1시점과 상기 레졸버에서 출력되는 출력 신호의 최대값이 발생한 제2시점의 시간차이를 결정하는 단계;
    상기 출력 신호에 상기 시간차이를 적용하여, 상기 출력 신호의 비교 시점을 보정하는 단계; 및
    보정된 비교 시점에서의 상기 출력 신호 간 위상차를 바탕으로 각도를 산출하는 단계
    를 포함하는, 차량용 레졸버를 제어하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 여자 전압은 기 설정된 주파수를 가지는 사인파를 포함하고, 상기 출력 신호는 상기 레졸버 내 회전자의 회전에 따라 발생하는 쇄교자속(鎖交磁束, magnetic flux interlinkage)에 의해 발생한 사인파와 코사인파를 포함하는, 차량용 레졸버를 제어하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 시간차이를 결정하는 단계는 상기 차량의 제조 후 점검 과정에서 수행되는, 차량용 레졸버를 제어하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시간차이에 대한 정보는 상기 차량의 점검 과정에서 수행되는, 차량용 레졸버를 제어하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시간차이를 결정하는 단계는 상기 차량의 시동 직후마다 수행되는, 차량용 레졸버를 제어하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 시간차이에 대한 결정된 값은 상기 차량 내 저장 장치에 저장되는 단계를 더 포함하는, 차량용 레졸버를 제어하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 각도를 산출하는 단계는 상기 차량의 주행 중 지속적으로 수행되는, 차량용 레졸버를 제어하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 출력 신호의 최대값은 상기 출력 신호의 리사쥬 곡선(Lissajous curve)의 최대값이며, 상기 최대값은 순차선형계획법(Sequential/Successive linear programming, SLP) 또는 미분벡터투영법(Gradient projection method/algorithm)을 통해 탐색되는, 차량용 레졸버를 제어하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 여자 전압(勵磁電壓)은 상기 차량 내 포함된 모터 제어기를 통해 전달되는, 차량용 레졸버를 제어하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 시간차이에 대한 결정된 값은 상기 차량에 탑재된 구동 모터와 인버터 회로 사이에 존재하는 임피던스의 위상을 보상하는, 차량용 레졸버를 제어하는 방법.
  11. 프로세서에 의해 실행되는 것을 통하여, 청구항 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 차량용 레졸버를 제어하는 방법을 실현하도록 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 기록되는 응용 프로그램.
  12. 프로세서에 의해 실행되는 것을 통하여, 청구항 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 차량용 레졸버를 제어하는 방법을 실현하는 응용 프로그램이 기록되는 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
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