KR20190067468A - 모터 제어방법 - Google Patents

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KR20190067468A
KR20190067468A KR1020170167426A KR20170167426A KR20190067468A KR 20190067468 A KR20190067468 A KR 20190067468A KR 1020170167426 A KR1020170167426 A KR 1020170167426A KR 20170167426 A KR20170167426 A KR 20170167426A KR 20190067468 A KR20190067468 A KR 20190067468A
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Abstract

홀센서 신호를 기반으로 모터 회전자의 이상적인 위치를 산출하는 단계; 모터 회전자의 회전속도를 기반으로 모터 회전자의 현재 위치를 산출하는 단계; 및 모터 회전자의 이상적인 위치와 모터 회전자의 현재 위치의 차이를 홀센서 옵셋각으로 산출하는 단계;를 포함하는 모터 제어방법이 소개된다.

Description

모터 제어방법{MOTOR CONTROL METHOD}
본 발명은 모터 제어방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 모터에 마련된 홀센서의 옵셋각을 보정하여 모터 회전자의 위치 및 속도를 정확하게 제어하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 전동식 파워 스티어링의 3상 브러시리스 모터를 제어하기 위해서는 모터 회전자의 위치를 정확하게 계산하여야 한다.
모터의 고정자는 3상의 코일에 전류를 흘려 형성하는 자기자를 사용하고, 회전자는 N극과 S극이 반복되어 형성된 영구자석을 사용한다. 모터가 연속적으로 회전하기 위해서는 모터의 연속적인 회전자계의 형성이 필요하며, 연속적인 회전자계를 형성하기 위해서는 전기자의 각 상의 코일에 흐르는 전류의 정류를 적절한 시점에 해야 하는데, 적절한 정류를 위해서는 회전자의 위치를 정확히 인식해야 한다. 여기서 정류란 회전자가 회전할 수 있도록 모터 고정자 코일의 전류 방향을 바꾸어 주는 것이다.
이러한 모터의 원활한 운전을 위해서는 회전자의 위치와 상전류의 전환시점을 정밀하게 일치시켜야 하며, 이를 위해 회전자의 위치를 검출하기 위한 장치가 요구되는데, 일반적으로는 회전자의 위치검출을 위해 자속의 변화에 따라 전위차가 달라지는 홀센서를 이용하거나 고정자의 각 상에 CT(Current Transformer)를 설치하고 있다.
특히, 연료전지의 공기공급계에 사용되는 블로워에는 영구자석을 회전자로 하는 영구자석 모터가 이용되고, 이러한 영구자석 모터를 제어하기 위해 회전자의 현재 위치를 센싱해야 하는데 패키징 및 원가를 고려하여 크기가 비교적 작고 저가형인 홀센서를 이용하여 회전자의 현재 위치를 센싱한다. 홀센서는 위치 센서를 회전자와 고정자에 부착하여 회전자의 위치를 판단하는데 위치센서를 부착하는 제작 편차에 의해 홀센서의 회전자 위치 센싱시 옵셋각이 존재한다.
또한, 모터의 사용 기간에 따라 홀센서의 위치가 틀어지는 문제가 발생할 수 있다. 이는 회전자 위치 센싱에 오차가 존재하게 되는 것이므로 인버터 전류제어의 정밀도 저하를 초래하여 인버터 효율을 떨어뜨리게 된다. 따라서, 전류 제어 전에 홀센서 옵셋각을 측정하여 보정할 필요가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1749522 B KR 10-2008-0097732 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 홀센서 각상(U상,V상,W상) 신호의 Rising, Falling edge에 대해 총 6개의 옵셋각을 산출하여 보상 제어하는 모터 제어방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모터 제어방법은 홀센서 신호를 기반으로 모터 회전자의 이상적인 위치를 산출하는 단계; 모터 회전자의 회전속도를 기반으로 모터 회전자의 현재 위치를 산출하는 단계; 및 모터 회전자의 이상적인 위치와 모터 회전자의 현재 위치의 차이를 홀센서 옵셋각으로 산출하는 단계;를 포함한다.
모터 회전자의 이상적인 위치를 산출하는 단계 이전에, 모터의 회전속도를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
모터의 회전속도를 산출하는 단계는 아래의 수식을 이용하여 모터의 회전 속도를 산출할 수 있다.
Figure pat00001
,
Figure pat00002
Figure pat00003
: 모터의 전기적 회전속도 [rad/s],
Figure pat00004
: 홀센서 값이 변화하는데 소요된 시간,
Figure pat00005
: 홀센서 값이 변화한 시간,
Figure pat00006
: 이전에 홀센서 값이 변화한 시간, N : 모터의 극 수
모터의 회전속도를 산출하는 단계 이후에, 모터 회전속도의 변화량이 기설정된 기준변화량 미만인지 판단하는 단계;를 더 포함하고, 모터 회전속도의 변화량이 기설정된 기준변화량 미만인 경우에 모터 회전자의 이상적인 위치 및 모터 회전자의 현재 위치를 산출할 수 있다.
모터 회전자의 이상적인 위치를 산출하는 단계는 홀센서의 신호가 변화된 시점을 기준으로 모터 회전자의 이상적인 위치를 산출할 수 있다.
모터 회전자의 이상적인 위치를 산출하는 단계는 아래의 수식을 이용하여 모터 회전자의 이상적인 위치를 산출할 수 있다.
Figure pat00007
Figure pat00008
: 현재 홀센서의 위치 각도 [deg],
Figure pat00009
: 홀센서의 신호가 변화된 시점의 이상적인 위치 각도,
Figure pat00010
: 모터의 전기적 회전속도 [rad/s],
Figure pat00011
: 홀센서의 신호가 변화된 시점으로부터 경과시간
모터 회전자의 현재 위치를 산출하는 단계는 이전 PWM 스위칭 듀티 연산시의 모터 회전자의 위치로부터 모터 회전자가 회전한 각도로 산출할 수 있다.
모터 회전자의 현재 위치를 산출하는 단계는 아래의 수식을 이용하여 모터 회전자의 현재 위치를 산출할 수 있다.
Figure pat00012
Figure pat00013
: 현재 PWM 스위칭 듀티 연산시 모터 회전자의 위치 각도 [deg],
Figure pat00014
: 직전 PWM 스위칭 듀티 연산시 모터 회전자의 위치 각도 [deg]
Figure pat00015
: 모터의 전기적 회전속도 [rad/s],
Figure pat00016
: PWM 스위칭 듀티 연산 주기
모터의 회전속도를 산출하는 단계 이후에, 모터 회전속도가 기설정된 기준회전속도 이상인지 판단하는 단계;를 더 포함하고, 모터 회전속도가 기설정된 기준 회전속도 이상인 경우에 모터 회전자의 이상적인 위치 및 모터 회전자의 현재 위치를 산출할 수 있다.
모터 회전자의 이상적인 위치 및 모터 회전자의 현재위치를 산출하는 단계는 홀센서의 U상, W상 또는 V상의 신호 변화 시점을 기준 시점으로 모터 회전자의 이상적인 위치와 모터 회전자의 현재 위치를 산출할 수 있다.
모터 회전자의 이상적인 위치 및 모터 회전자의 현재위치를 산출하는 단계는 기준 시점이 되는 홀센서의 신호 변화 시점이 반복될 때마다 모터 회전자의 이상적인 위치와 모터 회전자의 현재 위치를 기준 시점이 되는 홀센서의 신호 변화 시점을 기준으로한 모터 회전자의 이상적인 위치로 동기화할 수 있다.
홀센서 옵셋각으로 산출하는 단계는 기준 시점이 되는 홀센서의 신호 변화 시점을 제외한 나머지 홀센서 신호 변화 시점의 홀센서 옵셋각을 산출할 수 있다.
홀센서 옵셋각으로 산출하는 단계 이전에, 기준 시점이 되는 홀센서의 신호 변화 시점의 홀센서 옵셋각을 산출하는 단계;를 더 포함하고, 기준 시점이 되는 홀센서의 신호 변화 시점의 홀센서 옵셋각을 산출하는 단계는 모터에 인가하는 전류를 차단하여 관성제동하고, 관성제동시의 동기좌표계 d축 전압 및 q축 전압을 기반으로 산출할 수 있다.
홀센서 옵셋각으로 산출하는 단계 이후에, 산출된 홀센서 옵셋각을 보상하여 산출된 실제 모터 회전자의 위치를 기반으로 모터를 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 모터 제어방법에 따르면, 홀센서 옵셋각을 산출하여 모터 회전자의 위치를 정확하게 산출할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 상대적으로 원가가 저렴한 홀센서를 이용하여 모터 제어의 정밀도 확보가 가능한 효과를 갖는다.
또한, 모터에 구동 전류를 공급하는 인버터를 정밀하게 제어하여 인버팅 효율이 높아지는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어시스템의 구성도이다.
도 2는 모터 홀센서의 옵셋각이 발생된 상태를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어방법의 순서도를 도시한 것이다.
도 4는 홀센서 신호가 변화하는 상태를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어방법을 적용하기 전과 후에 모터에 인가되는 3상 전류의 파형을 도시한 것이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
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 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명의 모터는 내부에 영구자석을 갖는 모터로 인버터에 의해 모터의 속도 또는 토크 등이 제어될 수 있다. 구체적으로 본 발명의 모터는 연료전지 시스템에 공기를 공급하는 공기 블로워에서 사용되는 모터일 수 있다.
영구자석 모터는 영구자석이 내부에 장착되어 회전하는 회전자의 위치 및 속도를 측정하기 위해 홀센서를 포함할 수 있다. 고가의 구동계 모터에는 정밀도가 뛰어난 레졸버 센서를 사용할 수 있지만, 일반적인 펌프, 압축기 또는 블로워에 사용되는 모터에는 가격이 저렴한 홀센서가 장착된다.
홀센서 신호의 변화시점은 0에서 1로 변화하는 Rising edge와 1에서 0으로 변화하는 Falling edge가 있을 수 있다. 이러한 홀센서 신호를 수신하는 디지털 신호 수신부는 홀센서 신호 변화시점에서 정확히 CPU로 그 시점을 알려주기 위한 interrupt를 발생시킬 수 있다. CPU는 Clock을 통해 절대 시간 정보(연산 시간)를 수신 한다.
최근 고성능 마이컴(MCU)에서는 각종 로직 연산을 수행하는 CPU와 신호처리부, Clock 등이 물리적으로 하나로 구성될 수도 있다.
일반적으로, 홀센서 신호는 일반적인 모터에서는 전기적으로 120도 간극으로 장착된 U상, V상, W상의 3상으로 구성되나 경우에 따라 단상, 2상, 4상 등 다양한 구성이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어시스템은 모터(10)가 인버터(30)에 의해 제어되고 인버터(30)는 인버터 제어기(50)에 의해 제어된다. 인버터 제어기(50)는 상위 제어기인 연료전지 제어기(FCU, 40)로부터 속도 지령을 받아 인버터(30)에 3상 전류의 지령을 내리고, 인버터(30)는 3상 전류 지령에 따라 모터(10)에 3상 전류를 제공한다.
모터(10)에는 홀센서(20)가 장착되고, 홀센서(20)는 모터 회전자의 위치 및 속도 등을 측정한다. 측정된 홀센서(20) 신호는 인버터 제어기(50) 내부의 속도 제어기(51)에서 피드백 제어하는데 이용될 수 있다.
구체적으로, 인버터 제어기(50) 내부의 전류 제어기(52)는 속도 제어기(51)로부터 동기좌표계의 전류목표값(Id*, Iq*)을 입력받아, 동기좌표계의 전압목표값(Vd*, Vq*)을 좌표변환기(53)로 전달하고, 좌표변환기(53)는 동기좌표계의 전압목표값을 3상 전압목표값(a상, b상, c상)으로 환산하여 인버터(30)에 제공할 수 있다. 인버터(30)는 제공받은 3상 전압목표값(a상, b상, c상)을 기반으로 3상 스위칭 회로의 PWM 출력 duty를 통해 모터(10)에 3상의 전류를 제공할 수 있다.
특히, 표면 부착형 영구자석 동기 모터의 경우에는 인버터(30)에서 모터(10)로 제공하는 구동전류는 3상 전류이고, 이는 동기좌표계 q축 전류(Iq)에 비례할 수 있다. 여기서 동기좌표계 d축 전류(Id)는 0[A]일 수 있다.
인버터(30)가 모터(10)로 공급하는 구동 전류의 측정값이 목표값을 추종하도록 전류 제어기(52)가 인버터(30)로 제어값을 인가할 수 있다. 인버터(30)와 모터(10) 사이에는 인버터(30)에서 모터(10)로 공급하는 구동전류를 측정하는 전류센서(미도시)가 마련될 수 있다. 센서(미도시)는 3상의 구동전류 중 2개의 전류를 측정하여 다시 좌표변환기(53)를 거쳐 전류 제어기(52)로 피드백될 수 있다. 전류 제어기(52)는 실측된 구동전류의 측정값(Id, Iq)이 속도 제어기(51)으로부터 입력받은 전류목표값(Id*, Iq*)을 추종하도록 피드백 제어할 수 있다.
모터(10)로 제공되는 3상 전류를 센싱하는 전류센서(미도시)는 일반적으로 3상 전류 중 2개 상의 전류를 센싱하나, 경우에 따라서는 1개 상, 또는 3개 상 모두에 전류센서(미도시)가 장착되기도 한다.
도 2는 모터 홀센서의 옵셋각이 발생된 상태를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 영구자석 모터에는 3상 홀센서가 장착될 수 있고, 영구자석 모터, 홀센서 및 홀센서의 장착위치 등이 이상적으로 정확하게 제작되는 경우에는 3상의 홀센서 신호(U상, V상 및 W상)가 120[deg] 간격으로 변화하고, 각 홀센서 신호는 0에서 1로 변화하는 Rising Edge와 1에서 0으로 변화하는 Falling Edge가 180[deg] 간격이 될 것이다.
그러나 실제 제작된 영구자석 모터는 영구자석 자체가 정확히 180[deg]로 형성되기 어렵고, 3상의 홀센서간 간격도 120[deg]로 조립되기 어렵다. 이에 따라 홀센서 신호도 제작 상의 오차로 인하여 180[deg] 간격으로 변화하지 않는다. 따라서 도면의 점선으로 도시한 바와 같이, 이상적인 홀센서 신호 변화와 실제 홀센서 신호 변화 사이의 오차를 의미하는 홀센서 옵셋각이 발생한다.
따라서, 도시한 바와 같이 3상의 홀센서 신호 각각에 대하여 Rising Edge와 Falling Edge에 대하여 홀센서 옵셋각이 존재하므로 총 6개의 홀센서 옵셋각이 존재한다.
각각의 홀센서 옵셋각을 구하기 위해서는 먼저 어느 하나의 이상적인 홀센서 신호 변화 시점을 기준 시점으로 잡을 수 있다. 여기서는 U상 홀센서 신호의 Rising Edge를 0[deg]로 정의하여 기준 시점으로 잡았다. 이에 따라, W상 Rising edge 60[deg], V상 Rising edge 120[deg], U상 Falling Edge 180[deg], W상 Falling Edge 240[deg], V상 Falling Edge 300[deg]와 같이 60도 간격으로 정의될 수 있다. 기준 시점은 6개의 홀센서 신호 변화 중 어느 것이나 기준 시점으로 할 수 있다.
홀센서의 U상, W상 또는 V상의 신호 변화 시점를 기준 시점으로 모터 회전자의 이상적인 위치와 모터 회전자의 현재 위치를 산출할 수 있다. 따라서, 이하에서 U상 홀센서 신호의 Rising Edge를 기준 시점으로 나머지 5개의 홀센서 옵셋각을 산출하는 방법을 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어방법의 순서도를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 홀센서 U,V,W 3상 Rising Edge, Falling Edge의 옵셋각 중에서 U상 홀센서 신호의 Falling Edge의 옵셋각 계산 방법에 대하여만 순서도에 도시하였다. 나머지 홀센서 신호에 대한 옵셋각 계산 방식까지 순서도에 포함할 경우 순서도가 지나치게 복잡해지기 때문에 생략하였다. 나머지 옵셋각들에 대해서도 동일한 방식으로 산출할 수 있고, U상 홀센서 신호 Falling Edge의 옵셋각 계산을 진행하면서 병행하여 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어방법은 홀센서 신호를 기반으로 모터 회전자의 이상적인 위치를 산출하는 단계(S400); 모터 회전자의 회전속도를 기반으로 모터 회전자의 현재 위치를 산출하는 단계(S500); 및 모터 회전자의 이상적인 위치와 모터 회전자의 현재 위치의 차이를 홀센서 옵셋각으로 산출하는 단계(S600);를 포함한다.
모터 회전자의 이상적인 위치를 산출하는 단계(S400) 이전에, 모터의 회전속도를 산출하는 단계(S110)를 더 포함할 수 있다.
모터의 회전속도는 아래의 수식을 이용하여 산출할 수 있다.
Figure pat00017
,
Figure pat00018
Figure pat00019
: 모터의 전기적 회전속도 [rad/s],
Figure pat00020
: 홀센서 값이 변화하는데 소요된 시간,
Figure pat00021
: 홀센서 값이 변화한 시간,
Figure pat00022
: 이전에 홀센서 값이 변화한 시간
실제 모터의 회전속도는 모터의 극 수에 따라 모터의 전기적 회전속도의 N배가 될 수 있다.
도 4는 홀센서 신호가 변화하는 상태를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 도시한 것과 같이,
Figure pat00023
는 홀센서 값이 변화한 시간과 이전의 홀센서 값이 변화한 시간 사이에 소요된 시간으로 산출할 수 있다.
여기서,
Figure pat00024
는 U상, V상 또는 W상 모두가 될 수 있지만, 기준 시점이 되는 U상으로 산출하는 것이 더 정확할 수 있다. 더 구체적으로, Rising Edge에서 Falling Edge 사이 시간으로 도시되어 있지만, Rising Edge에서 다음 Rising Edge 사이의 시간을 측정하여 2로 나눈 것이 홀셋서 옵셋각의 영향을 받지 않는 점에서 더 정확할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 모터 회전자의 이상적인 위치를 산출하는 단계(S400)는 홀센서의 신호가 변화된 시점을 기준으로 모터 회전자의 이상적인 위치를 산출할 수 있다. 구체적으로, 아래의 수식을 이용하여 모터 회전자의 이상적인 위치를 산출할 수 있다.
Figure pat00025
Figure pat00026
: 현재 홀센서의 위치 각도 [deg],
Figure pat00027
: 홀센서의 신호가 변화된 시점의 이상적인 위치 각도,
Figure pat00028
: 모터의 전기적 회전속도 [rad/s],
Figure pat00029
: 홀센서의 신호가 변화된 시점으로부터 경과시간
U상의 Rising Edge를 기준 시점으로 하는 경우,
Figure pat00030
는 나머지 5개의 신호 변화 시점의 위치각도가 될 수 있다.
모터제어기는 수 kHz에서 수십 kHz까지의 스위칭 주파수를 사용하기 때문에 100us 내외의 시간 동안에 모터 제어와 관련한 복잡합 연산을 수행하여 PWM 듀티(duty)를 결정해야 하므로 연산 부하가 대단히 높다. 이에, 모터제어기의 연산부하 제약사항으로 인하여 홀센서의 신호 확인 주기를 무한정 짧게하는 것은 불가능하다.
인버터 제어기는 3상 출력을 제어하기 위한 3상 스위칭 회로를 가지고, 이 3상 스위칭 회로 내의 스위치 6개를 수 kHz 에서 수십 kHz까지의 주파수로 PWM 듀티 제어를 하여 모터 출력을 제어하기 위한 전류 제어를 실시한다. 인버터 제어기는 3상 스위칭 회로의 스위칭 주파수에 의하여 결정되는 PWM 듀티의 업데이트 주기(
Figure pat00031
)마다 PWM 듀티 결정에 필요한 각종 연산(모터 위치 및 속도 계산, 3상 전류 센싱, 전류 제어, 다음 3상 전압 출력값 결정, 다음 PWM 듀티 결정 등)을 수행한다.
이때, 인버터 제어기에 포함된 전류제어기의 정확한 전류 제어를 위하여, 매 PWM 듀티 주기마다 정확한 모터의 위치 및 속도 정보를 알아야만 한다. 따라서, PWM 스위칭 듀티 연산 주기(
Figure pat00032
)마다 홀센서의 신호를 측정하여 모터 회전자의 위치 각도를 산출할 수 있다. 즉, PWM 스위칭 듀티 연산 주기(
Figure pat00033
)는 모터 회전자의 위치각도 측정 주기와 같을 수 있다.
모터 회전자의 현재 위치를 산출하는 단계(S500)는 이전 PWM 스위칭 듀티 연산시의 모터 회전자의 위치로부터 모터 회전자가 회전한 각도로 모터 회전자의 현재 위치를 산출할 수 있다. 구체적으로, 아래의 수식을 이용하여 모터 회전자의 현재 위치를 산출할 수 있다.
Figure pat00034
Figure pat00035
: 현재 PWM 스위칭 듀티 연산시 모터 회전자의 위치 각도 [deg],
Figure pat00036
: 직전 PWM 스위칭 듀티 연산시 모터 회전자의 위치 각도 [deg]
Figure pat00037
: 모터의 전기적 회전속도 [rad/s],
Figure pat00038
: PWM 스위칭 듀티 연산 주기
모터의 회전속도를 산출하는 단계(S110) 이후에, 모터 회전속도의 변화량이 기설정된 기준변화량 미만인지 판단하는 단계(S120);를 더 포함하고, 모터 회전속도의 변화량이 기설정된 기준변화량 미만인 경우에 모터 회전자의 이상적인 위치 및 모터 회전자의 현재 위치를 산출할 수 있다. 만약, 모터 회전속도의 변화량이 기설정된 기준변화량 이상인 경우에는 측정하는 시간(T1) 및 홀센서 옵셋각 계산횟수(COUNT1)을 0으로 리셋할 수 있다(S130).
즉, 모터 회전속도의 변화량이 기준변화량보다 작은 경우에 모터가 정속으로 구동되는 것으로 가정할 수 있다. 추가로, 모터 회전속도의 변화량이 기준변화량보다 작은 시간이 일정 시간 이상동안 유지될 조건을 추가할 수도 있다.
홀센서 옵셋각 계산시 사용되는 속도 기반 로터 위치 계산 값의 정확도가 모터가 정속으로 구동될 때 높아지기 때문이다. 속도 기반 로터 위치 계산값의 정확도는 계산된 속도가 정확해야만 확보되는데 가감속 구간에서는 계측된 속도와 실제 속도간 오차가 존재하기 때문에 정밀도가 낮아질 우려가 있으나, 정속 구간에서는 계측된 속도와 실제 속도간의 오차가 거의 0에 가깝기 때문이다.
도시하지는 않았지만, 다른 실시예에 따른 본 발명의 모터 제어방법은 모터의 회전속도를 산출하는 단계(S110) 이후에, 모터 회전속도가 기설정된 기준회전속도 이상인지 판단하는 단계(미도시);를 더 포함하고, 모터 회전속도가 기설정된 기준 회전속도 이상인 경우에 모터 회전자의 이상적인 위치 및 모터 회전자의 현재 위치를 산출할 수 있다.
정속 구동 상태인지를 확인하는 단계(S120) 대신, 모터의 회전 속도가 기설정된 기준회전속도 이상인지를 확인한 후 정속상태와 동일한 방식으로 홀센서 옵셋각 계산을 수행할 수 있다.
기준회전속도 이상인지를 확인하는 이유는 저속에서는 홀센서 신호의 변화가 느리기 때문에 속도 업데이트가 안되며, 이로 인해 실제 속도와 계산 속도간 오차가 증가하기 때문이다. 기준 속도 이상인 조건 만족하면 가변 속도 조건에서도 홀센서 옵셋각의 계산이 가능하다. 여러차례 반복 계산하여 평균한 값으로 홀센서 옵셋각을 도출하면 속도가 가변되는 구간에서 발생된 오차는 감쇄될 수 있다.
모터 회전자의 이상적인 위치 및 모터 회전자의 현재위치를 산출하는 단계(S400, S500)는 홀센서의 U상, W상 또는 V상의 신호 변화 시점을 기준 시점으로 모터 회전자의 이상적인 위치와 모터 회전자의 현재 위치를 산출할 수 있다. 즉, 기준시점은 홀센서의 U상, W상 또는 V상 각각의 Rising Edge와 Falling Edge으로 총 6개의 시점 중 하나일 수 있다. 본 명세서에서는 U상의 Rising Edge를 기준 시점으로 설명하였다.
홀센서 옵셋각으로 산출하는 단계(S600)는 기준 시점이 되는 홀센서의 신호 변화 시점을 제외한 나머지 홀센서 신호 변화 시점의 홀센서 옵셋각을 산출할 수 있다. 여기서는 U상의 Falling Edge의 홀센서 옵셋각을 산출하는 방법에 대해 대표적으로 설명하고 있다. V상 및 W상 각각의 Rising Edge 및 Falling Edge의 홀센서 옵셋각도 동일하게 산출할 수 있다.
모터 회전자의 이상적인 위치 및 모터 회전자의 현재위치를 산출하는 단계(S400, S500)는 기준 시점이 되는 홀센서의 신호 변화 시점이 반복될 때마다 모터 회전자의 이상적인 위치 모터 회전자의 이상적인 위치와 모터 회전자의 현재 위치를 기준 시점이 되는 홀센서의 신호 변화 시점을 기준으로한 모터 회전자의 이상적인 위치로 동기화할 수 있다(S400', S500').
U상의 Rising Edge를 기준 시점으로 정한 경우에는 U상의 Rising Edge가 반복될 때마다 반복된 U상의 Rising Edge를 기준으로 아래의 동일한 수식으로 산출된 모터 회전자의 이상적인 위치로 동기화할 수 있다.
Figure pat00039
Figure pat00040
: 현재 홀센서의 위치 각도 [deg],
Figure pat00041
: 현재 PWM 스위칭 듀티 연산시 모터 회전자의 위치 각도 [deg],
Figure pat00042
: 모터의 전기적 회전속도 [rad/s],
Figure pat00043
: 홀센서의 신호가 변화된 시점으로부터 경과시간
Figure pat00044
는 속도 기반으로 연산시간 동안의 회전각을 계산하고 이를 적분하여 위치 각도가 계산되기 때문에 연산 횟수가 증가할수록 속도 오차에서 기인한 위치 각도의 오차가 증가하게 된다.
따라서, 기준 시점이 되는 U상 홀센서 신호의 Rising Edge (모터 회전자의 이상적인 위치 기준)를 기점으로
Figure pat00045
과
Figure pat00046
의 산출 값을 동기화시켜 회전수 증가에 따라 속도 기반 위치값의 적분 오차로 인해 발생할 수 있는
Figure pat00047
의 각 오차를 해소해줄 수 있다. 1회전마다 0[deg]인 U상 홀센서 신호의 Rising Edge를 기점으로 초기화 및 동기화를 동시에 실시할 수 있다.
더 정확도를 높이기 위해서는 홀센서 옵셋각의 계산 횟수를 카운팅하고(S610), 카운팅한 계산 횟수가 기준 횟수 이상인지 판단하여(S620), 기준 횟수 미만이면 이상 측정 및 산출한 복수 개의 홀센서 옵셋각을 평균하여 최종 홀센서 옵셋각을 산출할 수 있다(S630).
홀센서 옵셋각으로 산출하는 단계(S600) 이전에, 기준 시점이 되는 홀센서의 신호 변화 시점의 홀센서 옵셋각을 산출하는 단계(미도시);를 더 포함하고, 기준 시점이 되는 홀센서의 신호 변화 시점의 홀센서 옵셋각을 산출하는 단계는 모터에 인가하는 전류를 차단하여 관성제동하고, 관성제동시의 동기좌표계 d축 전압 및 q축 전압을 기반으로 산출할 수 있다.
여기서는 기준 시점이 되는 홀센서의 U상 Rising Edge의 홀센서 옵셋각을 산출할 수 있다. 먼저, 모터가 관성제동 여부를 확인하여 모터가 관성제동에 진입했다고 판단되면 홀센서 옵셋각 계산을 시작한다. 구체적으로 아래의 수식을 이용하여 관성제동시의 동기좌표계 d축 전압 및 q축 전압를 산출하고, 이에 따라 홀센서 옵셋각을 산출할 수 있다.
Figure pat00048
Figure pat00049
각도계산단계는, id=0, iq=0으로 가정하여 오프셋 각도를 계산한다.
Figure pat00050
홀센서 옵셋각이 발생하지 않는 경우에는, 위의 전압방정식에 의해 Vd는 0이 되어
Figure pat00051
도 0이 된다. 홀센서 옵셋각은 상기 수식을 통해 산출한
Figure pat00052
로 산출할 수 있다.
이에 따라, 기준이 되는 신호 변화인 U상 Rising Edge의 홀센서 옵셋각과 나머지 5개의 신호 변화의 홀센서 옵셋각을 모두 산출할 수 있다.
홀센서 옵셋각으로 산출하는 단계(S600) 이후에, 산출된 홀센서 옵셋각을 보상하여 산출된 실제 모터 회전자의 위치를 기반으로 모터를 제어하는 단계(S700);를 더 포함할 수 있다.
U상, V상 및 W상 각각의 Rising Edge와 Falling Edge가 발생하는 위치 각도에 홀센서 옵셋각을 더해줌으로써 실제 홀센서의 신호 변화가 발생하는 각도를 산출할 수 있다. 구체적으로 아래와 같이 보상할 수 있다.
실제 U상 홀센서 Falling Edge 위치 각도 = U상 홀센서 Falling Edge의 이상적인 위치 각도 + 홀센서 옵셋각
U상 Falling Edge 뿐만 아니라, 모든 홀센서 신호 변화 시점을 동일한 방식으로 보상할 수 있다.
홀센서 신호 변화 시점의 홀센서 옵셋각을 보정함에 따라, 실제 모터 회전자의 위치 각도를 정확하게 산출할 수 있다. 실제 값에 가깝게 산출된 실제 모터 회전자의 위치를 기반으로 모터를 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어방법을 적용하기 전과 후에 모터에 인가되는 3상 전류의 파형을 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 홀센서 옵셋각을 보상하기 전의 3상 전류와 본 발명의 홀센서 옵셋각을 보상한 후의 3상 전류를 나타낸 것이다. 도시한 것과 같이, 3상 전류의 리플 전류가 크게 감소한 것을 알 수 있다.
즉, 홀센서 옵셋각 보상 전에는 위치 각도의 오차가 발생하여 이로 인해 전류 제어가 흔들리면서 3상 전류가 오실레이션하는 문제가 발생하였다. 반면, 홀센서 옵셋각 보상 후에는 전류 제어가 안정되는 효과가 발생한다.
3상 전류의 제어가 안정화되면서 모터의 회전속도 정밀도 및 모터의 구동토크 정밀도가 향상되고, 오실레이션이 억제됨에 따라 노이즈 및 진동이 감소되어 모터의 소모 동력이 감소되어 구동 효율이 향상되며, 모터의 내구성이 향상되는 효과를 갖는다.
특히, 모터의 회전 속도, 위치 등을 제어하거나 모터의 토크를 제어함에 있어서 레졸버 수준의 모터 회전자의 위치 계산 정밀도 확보가 가능하여, 구동계 모터와 같이 정밀 토크 제어를 실시해야하는 모터에서도 레졸버에 비해 상대적으로 가격이 저렴한 홀센서를 적용하여 동등 수준의 토크 제어 정밀도 확보가 가능한 효과를 갖는다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 모터 20 : 홀센서
30 : 인버터 40 : 연료전지 제어기(FCU)
50 : 인버터 제어기

Claims (14)

  1. 홀센서 신호를 기반으로 모터 회전자의 이상적인 위치를 산출하는 단계;
    모터 회전자의 회전속도를 기반으로 모터 회전자의 현재 위치를 산출하는 단계; 및
    모터 회전자의 이상적인 위치와 모터 회전자의 현재 위치의 차이를 홀센서 옵셋각으로 산출하는 단계;를 포함하는 모터 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    모터 회전자의 이상적인 위치를 산출하는 단계 이전에, 모터의 회전속도를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    모터의 회전속도를 산출하는 단계는 아래의 수식을 이용하여 모터의 전기적 회전 속도를 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 제어방법.
    Figure pat00053
    ,
    Figure pat00054

    Figure pat00055
    : 모터의 전기적 회전속도 [rad/s],
    Figure pat00056
    : 홀센서 값이 변화하는데 소요된 시간,
    Figure pat00057
    : 홀센서 값이 변화한 시간,
    Figure pat00058
    : 이전에 홀센서 값이 변화한 시간
  4. 청구항 2에 있어서,
    모터의 회전속도를 산출하는 단계 이후에, 모터 회전속도의 변화량이 기설정된 기준변화량 미만인지 판단하는 단계;를 더 포함하고,
    모터 회전속도의 변화량이 기설정된 기준변화량 미만인 경우에 모터 회전자의 이상적인 위치 및 모터 회전자의 현재 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    모터 회전자의 이상적인 위치를 산출하는 단계는 홀센서의 신호가 변화된 시점을 기준으로 모터 회전자의 이상적인 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    모터 회전자의 이상적인 위치를 산출하는 단계는 아래의 수식을 이용하여 모터 회전자의 이상적인 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 제어방법.
    Figure pat00059

    Figure pat00060
    : 현재 홀센서의 위치 각도 [deg],
    Figure pat00061
    : 홀센서의 신호가 변화된 시점의 이상적인 위치 각도,
    Figure pat00062
    : 모터의 전기적 회전속도 [rad/s],
    Figure pat00063
    : 홀센서의 신호가 변화된 시점으로부터 경과시간
  7. 청구항 1에 있어서,
    모터 회전자의 현재 위치를 산출하는 단계는 이전 PWM 스위칭 듀티 연산시의 모터 회전자의 위치로부터 모터 회전자가 회전한 각도로 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 제어방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    모터 회전자의 현재 위치를 산출하는 단계는 아래의 수식을 이용하여 모터 회전자의 현재 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 제어방법.
    Figure pat00064

    Figure pat00065
    : 현재 PWM 스위칭 듀티 연산시 모터 회전자의 위치 각도 [deg],
    Figure pat00066
    : 직전 PWM 스위칭 듀티 연산시 모터 회전자의 위치 각도 [deg]
    Figure pat00067
    : 모터의 전기적 회전속도 [rad/s],
    Figure pat00068
    : PWM 스위칭 듀티 연산 주기
  9. 청구항 2에 있어서,
    모터의 회전속도를 산출하는 단계 이후에, 모터 회전속도가 기설정된 기준회전속도 이상인지 판단하는 단계;를 더 포함하고,
    모터 회전속도가 기설정된 기준 회전속도 이상인 경우에 모터 회전자의 이상적인 위치 및 모터 회전자의 현재 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 제어방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    모터 회전자의 이상적인 위치 및 모터 회전자의 현재위치를 산출하는 단계는 홀센서의 U상, W상 또는 V상의 신호 변화 시점 중 어느 하나를 기준 시점으로 모터 회전자의 이상적인 위치와 모터 회전자의 현재 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 제어방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    모터 회전자의 이상적인 위치 및 모터 회전자의 현재위치를 산출하는 단계는 기준 시점이 되는 홀센서의 신호 변화 시점이 반복될 때마다 모터 회전자의 이상적인 위치와 모터 회전자의 현재 위치를 기준 시점이 되는 홀센서의 신호 변화 시점을 기준으로한 모터 회전자의 이상적인 위치로 동기화하는 것을 특징으로 하는 모터 제어방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    홀센서 옵셋각으로 산출하는 단계는 기준 시점이 되는 홀센서의 신호 변화 시점을 제외한 나머지 홀센서 신호 변화 시점의 홀센서 옵셋각을 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 제어방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    홀센서 옵셋각으로 산출하는 단계 이전에, 기준 시점이 되는 홀센서의 신호 변화 시점의 홀센서 옵셋각을 산출하는 단계;를 더 포함하고,
    기준 시점이 되는 홀센서의 신호 변화 시점의 홀센서 옵셋각을 산출하는 단계는 모터에 인가하는 전류를 차단하여 관성제동하고, 관성제동시의 동기좌표계 d축 전압 및 q축 전압을 기반으로 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 제어방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    홀센서 옵셋각으로 산출하는 단계 이후에, 산출된 홀센서 옵셋각을 보상하여 산출된 실제 모터 회전자의 위치를 기반으로 모터를 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어방법.
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