KR20210041712A - 공기압축기용 센서리스 모터 제어 방법 - Google Patents

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김성도
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 공기압축기의 센서리스 모터 제어 방법에 관한 것으로서, 공지의 센서리스 제어 방식이 가지는 문제점을 극복하고 제어 응답성을 향상시킬 수 있는 공기압축기용 센서리스 모터의 구동 초기 제어 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 모터 정지 상태가 판단된 시점에서 센서리스 제어 로직에 따라 마지막으로 추정된 로터 위치를 정렬 목표 위치로 결정하고, 상기 정렬 목표 위치로부터 미리 설정된 정렬 옵셋각을 이용하여 정렬 시작 위치를 결정하며, 상기 결정된 정렬 시작 위치로부터 상기 정렬 목표 위치까지 모터의 로터 위치를 변화시키기 위한 제어가 수행되는 단계를 포함하는 공기압축기용 센서리스 모터 제어 방법이 개시된다.

Description

공기압축기용 센서리스 모터 제어 방법{Control method for sensorless motor of air compressor}
본 발명은 공기압축기용 센서리스 모터를 위한 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공지의 센서리스 제어 방식이 가지는 문제점을 극복하고 제어 응답성을 향상시킬 수 있는 공기압축기용 센서리스 모터의 구동 초기 제어 방법에 관한 것이다.
친환경 자동차 중 하나인 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스(즉, 연료 가스인 수소와 산화제 가스인 산소)의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료 가스인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템, 그리고 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 제어기를 포함한다.
도 1은 공지의 연료전지 시스템을 도시한 구성도이다.
연료전지 시스템에서 수소공급장치(10)는 수소저장부(수소탱크)(미도시), 레귤레이터(미도시), 수소공급라인(11), 수소압력제어밸브(또는 '수소공급밸브'라 칭함)(12), 수소압력센서(13), 수소재순환장치(15) 등을 포함한다.
또한, 공기공급장치(20)는 공기공급라인(21), 필터(22), 공기블로워나 공기압축기(23), 가습기(24) 등을 포함하며, 열 및 물 관리 시스템(30)은 미도시된 전동물펌프(냉각수 펌프), 물탱크, 라디에이터, 3-웨이 밸브 등과 함께 워터트랩(31), 드레인 밸브(32) 등을 포함한다.
연료전지 스택(1)에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치(10)와 관련하여, 수소공급장치(10)에서 수소탱크로부터 공급되는 고압의 수소는 레귤레이터에서 일정 압력으로 감압된 뒤 연료전지 스택(1)에 공급된다.
레귤레이터에서 감압된 수소는 연료전지 스택(1)의 운전조건에 따라 압력 제어를 통해 공급량이 제어된 상태로 공급되는데, 수소공급라인(11)에 마련된 수소압력제어밸브(FSV:Fuel Supply Valve)(12)의 개도를 요구 출력에 따라 제어하여 연료전지 스택(1)에 필요한 양의 수소를 공급한다.
이때, 제어기(FCU:Fuel cell Control Unit)(미도시)가 수소 압력 및 수소량 제어를 위해 수소공급라인(11)에 설치된 수소압력센서(13)의 센싱값을 피드백 받아 수소압력제어밸브(12)의 개도를 제어한다.
또한, 연료전지 스택(1)에서 반응 후 남은 미반응 수소는 애노드(수소극, 연료극) 출구단을 통해 외부로 배출되거나 수소재순환장치(15)에 의해 스택 애노드 입구단으로 재순환된다.
수소재순환장치(15)는 미반응 수소의 재사용을 도모하기 위한 것으로, 연료전지 스택(1)의 애노드 출구측 배기라인(14)으로부터 애노드 입구측으로 연결되는 재순환라인(16)을 포함한다.
또한, 수소재순환장치(15)는 재순환라인(16)을 통해 미반응 수소를 흡입하여 연료전지 스택(1)에 공급하는 이젝터(17)나 재순환 블로워, 또는 이젝터와 재순환 블로워를 포함한다.
그리고, 연료전지 스택(1)의 애노드 출구측에 애노드측 퍼지(purge)를 위한 퍼지밸브(18)가 설치되고, 퍼지밸브(18)를 주기적으로 개폐작동시켜 연료전지 스택(1)의 애노드로부터 질소와 물 등의 이물질을 수소와 함께 배출 및 제거하고, 이를 통해 수소 이용률을 높이고 있다.
제어기(FCU)는 도면에 미도시되었지만 수소압력제어밸브(12)의 개도를 제어하여 수소 운전압력을 제어하는 것 외에, 공기압축기(23)나 공기블로워, 그 밖의 시스템 내 밸브(18,32)들을 제어한다.
한편, 최근 들어 연료전지 자동차의 성능이 더욱 향상됨에 따라 차량의 동력원이 되는 연료전지의 요구 출력이 높아지고 있는 상황이다.
이에 따라 연료전지에 공기를 공급하는 공기압축기(23)에서의 공기 압축비 및 요구 유량 또한 높아지고 있는 추세이고, 이를 위해 공기압축기에서 공기 압축을 위해 구동하는 모터의 최대 속도를 높여야 하는 상황이다.
그러나, 공기압축기(23)에서 모터의 최대 속도를 올리는 경우 다음과 같은 문제점을 야기할 수 있다.
공기압축기의 모터에서는 고속으로 구동할 때 많은 열이 발생하는데, 모터가 열에 취약하므로 모터 온도를 낮추기 위한 냉각이 필수적으로 필요하다.
하지만, 차량에서의 냉각 성능에 한계가 있으므로 공기압축기의 모터 온도를 냉각하는데에도 한계가 있을 수밖에 없다.
더욱이, 공기압축기에서는 모터의 위치 제어를 위해 위치센서인 홀 센서(hall sensor)를 구비하고 있는데, 이 홀 센서가 열에 취약하다.
결국, 전술한 바와 같이 공기압축기의 모터 속도가 상승함에 따라 모터에서의 발열이 증가하고, 모터 온도가 상승함에 따라 홀 센서의 사용에 있어 제약 상황이 발생할 수 있다.
이러한 이유로 홀 센서를 삭제하고 센서리스 제어 기술을 확보해야 할 필요가 있게 되었고, 홀 센서를 삭제하더라도 공기압축기의 구동이 가능하다면 냉각 성능을 고려한 설계 기준을 낮출 수 있으며, 이는 공기압축기의 원가 절감에도 기여할 수 있다.
센서리스 제어에 있어 종래에는 모터의 역기전력을 추정하여 모터의 위치와 각도, 속도를 추정하는 방법이 주로 이용되었다.
그러나, 종래 기술에서 모터가 초기에 구동을 시작할 때에는 역기전력이 형성되지 않으므로 모터의 초기 위치를 알 수 없다.
이에 모터 정지 후 구동 재개 시의 구동 초기에 수백 ms 정도로 오픈 루프(open-loop) 제어를 실시하여 모터 속도를 형성해주고, 이후 역기전력 기반의 센서리스 제어를 수행하도록 되어 있다.
그러나, 상기와 같이 수백 ms 동안 오픈 루프 제어를 실시하는 것은 응답성이 중요한 공기압축기의 구동 특성상 약점으로 작용한다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 종래의 센서리스 제어 방식이 가지는 문제점을 극복하고 제어 응답성을 향상시킬 수 있는 공기압축기용 센서리스 모터의 구동 초기 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 제어기에 의해, 공기압축기용 모터 정지를 위한 속도 제어가 실시되는 단계; 제어기에 의해, 상기 속도 제어가 실시되는 동안 센서리스 제어 로직에 따라 추정되는 모터 속도로부터 모터 정지 상태가 판단되는 단계; 제어기에 의해, 모터 정지 상태가 판단된 시점에서 센서리스 제어 로직에 따라 마지막으로 추정된 로터 위치를 정렬 목표 위치로 결정하는 단계; 제어기에 의해, 상기 정렬 목표 위치로부터 미리 설정된 정렬 옵셋각을 이용하여 정렬 시작 위치를 결정하는 단계; 제어기에 의해, 상기 결정된 정렬 시작 위치로부터 상기 정렬 목표 위치까지 모터의 로터 위치를 변화시키기 위한 제어가 수행되는 단계; 및 제어기에 의해, 모터의 로터 위치가 상기 정렬 목표 위치로 정렬된 상태에서, 모터 구동 요구 시 상기 정렬 목표 위치를 초기 위치로 하여 모터 구동을 위한 센서리스 제어가 시작되는 단계를 포함하는 공기압축기용 센서리스 모터 제어 방법을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 모터 정지 상태가 판단되는 단계에서, 상기 제어기는 상기 센서리스 제어 로직에 따라 추정되는 모터 속도가 정해진 기준속도에 도달하면 모터 정지 상태로 판단하도록 설정될 수 있다.
또한, 상기 기준속도는 0 rpm 보다 큰 속도로 제어기에 정해지는 것일 수 있다.
또한, 상기 정렬 시작 위치를 결정하는 단계에서, 상기 제어기는 상기 결정된 정렬 목표 위치로부터 로터 회전방향의 반대방향으로 상기 정렬 옵셋각을 뺀 값을 정렬 시작 위치로 결정하도록 설정될 수 있다.
또한, 상기 모터의 로터 위치를 변화시키기 위한 제어가 수행되는 단계에서, 상기 제어기는, 미리 설정된 로터 강제 회전 시간 동안, 모터의 로터 위치를 상기 정렬 시작 위치로부터 상기 정렬 목표 위치까지 변화시킬 수 있도록 로터 강제 회전을 위한 모터 인가 전류를 제어할 수 있다.
여기서, 상기 제어기는 모터의 로터 위치가 상기 로터 강제 회전 시간 동안 정렬 시작 위치로부터 정렬 목표 위치까지 변화할 수 있도록 모터에 인가되는 상전류의 위상을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어기는 모터의 로터 위치가 일정 변화율로 선형적으로 변화할 수 있도록 모터에 인가되는 상전류의 위상을 제어할 수 있다.
그리고, 상기 모터의 로터 위치를 변화시키기 위한 제어가 수행되는 단계에서, 상기 제어기는, 모터의 정지 상태가 판단된 시점부터 미리 설정된 위치 정렬 수행 시간 동안 모터의 로터 위치를 상기 정렬 시작 위치로부터 상기 정렬 목표 위치까지 이동시키기 위한 d축 전류를 인가하고, 상기 모터의 정지 상태가 판단된 시점부터 상기 로터 강제 회전 시간이 경과하면, 이후 위치 정렬 수행 시간이 경과할 때까지 d축 전류 인가 상태에서 상기 상전류 위상 제어는 중단할 수 있다.
또한, 상기 제어기는 모터의 로터 위치가 정렬 시작 위치로부터 정렬 목표 위치까지 일정 변화율로 선형적으로 변화할 수 있도록 모터에 인가되는 전류를 제어할 수 있다.
또한, 상기 모터의 로터 위치를 변화시키기 위한 제어가 수행되는 단계에서, 상기 제어기는 모터의 로터 위치를 상기 정렬 시작 위치로부터 상기 정렬 목표 위치까지 이동시키기 위한 d축 전류를 미리 설정된 위치 정렬 수행 시간 동안 인가할 수 있다.
또한, 상기 공기압축기는 연료전지 스택에 공기를 공급하는 연료전지 시스템용 공기압축기일 수 있다.
이로써, 본 발명에 따른 공기압축기의 센서리스 모터 제어 방법에 의하면, 공기압축기의 구동 초기 속도 제어 응답성이 향상될 수 있고, 결국 연료전지 스택의 공기 공급 응답성, 스택 출력 응답성 및 차량 가속 성능이 향상될 수 있게 된다.
또한, 모터 정지 후 구동 재개 시 구동 초기의 속도 제어 안정성을 확보할 수 있으므로 무의미한 위치의 토크 인가를 피할 수 있고, 이를 통해 모터 구동 효율 향상 및 차량 연비 개선의 효과를 기대할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 공기압축기의 센서리스 모터 제어 방법에 의하면, 모터 정지 시 센서리스 제어 로직의 최종 위치 추정값으로 모터의 로터 위치를 정렬하는 방식에서, 로터가 원하는 위치에 정렬되지 않는 로터 위치 정렬 실패의 문제를 해결할 수 있게 된다.
도 1은 공지의 연료전지 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 연료전지 자동차의 주행 시 일반적인 공기압축기의 속도 가감속 그래프를 예시한 도면이다.
도 3은 종래 기술에서 초기 오픈 루프 제어 및 구동 시의 모터 속도 그래프를 예시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 모터 구동 초기에 오픈 루프 제어를 생략한 경우 모터 속도 그래프를 예시한 도면이다.
도 5는 모터 정지 시 로터 위치를 정렬한 뒤 정렬된 위치에서 센서리스 제어를 실시하는 비교예의 방법을 설명하는 도면이다.
도 6과 도 7a는 센서리스 모터 제어를 위해 모터 정지 시에 수행되는 로터 위치 정렬 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7b는 d축 전류를 인가하지 않은 경우의 도면이다.
도 8은 모터 정지 동안 d축 전류를 인가하여 로터 위치를 최종 추정한 180°위치로 고정하였을 때, 모터 정지 동안 로터 위치를 측정한 결과를 보여주고 있다.
도 9a 및 도 9b는 위치 정렬을 성공하였을 때와 실패하였을 때 모터 거동의 예를 분석 및 비교한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 센서리스 모터 제어 과정을 수행하는 시스템의 개략적인 블록 구성도이다.
도 11은 본 발명에 따른 센서리스 모터 제어 과정에서 모터 정지 시 로터 위치 정렬 방법을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명에서 로터 위치 정렬 방법을 설명하기 위한 것으로, 로터와 스테이터, 스테이터 코일의 전류 인가 상태, 스테이터 유도자속을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명에서 모터 정지 시 수행되는 로터 위치 정렬을 위한 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 센서리스 모터의 전체 제어 과정을 나타낸 순서도이다.
도 15는 본 발명에 따른 센서리스 모터 제어 과정에서 제어기 내 위치 정렬 실시 플래그 및 로터 강제 회전 플래그의 설정 상태를 좀더 상세히 나타낸 순서도이다.
도 16은 본 발명에서 모터 정지 과정 동안 로터 위치가 추정되는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 17은 본 발명에서 제어기 내 위치 정렬 실시 플래그에 따라 d축 전류 및 q축 전류 지령이 결정되는 것을 보여주는 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 센서리스 모터(sensorless motor)의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 센서리스 제어 방식이 가지는 문제점을 극복하고 제어 응답성을 향상시킬 수 있는 센서리스 모터의 구동 초기 시 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 제어 방법은 공기압축기용 센서리스 모터를 제어하는데 이용될 수 있는 것으로, 여기서 공기압축기는 연료전지 시스템에서 연료전지 스택(도 1에서 도면부호 '1'임)에 공기를 공급하는 공기압축기(도 1에서 도면부호 '23'임)가 될 수 있다.
이하의 설명에서 모터는 공기압축기의 모터를 의미하고, 공기압축기의 속도는 모터 속도를 의미하며, 모터의 위치와 각도는 모터에서 로터(회전자)의 회전위치와 회전각도를 의미한다.
또한, 이하의 설명에서 제동은 모터를 정지시키는 모터 제동을 의미하고, 위치 정렬은 로터 위치를 정해진 위치로 정렬 및 고정하는 것을 의미한다.
[종래의 센서리스 제어 방법]
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위해 공지의 센서리스 제어에 대한 설명을 간략히 기술한다.
도 2는 연료전지 자동차의 주행 시 일반적인 공기압축기의 속도 가감속 그래프를 예시한 도면으로, 도시된 바와 같이 공기압축기의 속도는 운전자의 가감속 운전 패턴에 따라 급격한 가감속을 반복하게 된다.
또한, 공기압축기의 속도 제어 응답성에 따라 연료전지 스택의 공기 공급 응답성이 결정되고, 이는 스택 출력의 응답 성능에 중요한 요소로 작용하게 된다.
결국, 스택 출력의 응답 성능에 따라 차량의 가속 성능이 결정되므로 공기압축기의 속도 제어 응답성은 연료전지 자동차의 주행 동안 매우 중요한 요소가 된다.
도 2를 참조하면, 공기압축기의 가감속이 운전 동안 매우 자주 발생함을 알 수 있고, 공기압축기의 모터 구동이 중단되었다가 다시 시작되는 상황이 계속해서 반복됨을 알 수 있다.
즉, 모터 구동이 중단된 뒤 다시 시작될 때의 짧은 순간이 모터의 구동 초기 상황이라 한다면, 이러한 모터의 구동 초기 상황이 운전 동안 매우 자주 발생하고 있는 것이다.
도 2에 나타낸 가감속 패턴으로 공기압축기의 모터 속도를 제어할 경우 모터 정지 및 구동 재개 상황이 자주 발생하고, 종래의 센서리스 제어에 따르면, 구동 재개 시의 구동 초기마다 오픈 루프(open-loop) 제어가 실시되어야 한다.
공지의 역기전력을 이용한 센서리스 제어를 실시할 경우 모터 구동 초기의 속도 제어는 도 3과 같이 나타난다.
도 3은 공지의 제어 과정에서 구동 초기 오픈 루프 제어 및 구동 시의 모터 속도 그래프를 예시한 도면으로, 홀 센서(위치센서)가 없는 공기압축기 및 그 제어 시스템에서 도 3에 나타낸 바와 같이 구동 초기에 정지 상태에서 모터에 대한 오픈 루프 제어가 시작된다.
모터 정지 상태에서 구동 재개 시의 구동 초기에 오픈 루프 제어가 실시되는 이유는, 모터가 정지된 상태일 경우 역기전력이 형성되지 않기 때문에 모터 위치를 검출하는 홀 센서가 없는 상태에서 기존 센서리스 제어 로직만으로는 모터의 초기 위치 추정이 불가능하기 때문이다.
즉, 모터의 역기전력을 이용하여 위치 및 속도를 추정하는 센서리스 제어 로직에서는, 모터를 구동시켜 일정 모터 속도에 도달해야만 이때 발생하는 모터의 역기전력으로 모터 위치 추정이 가능한 것이며, 따라서 모터 구동이 재개되면 구동 초기에 정지 상태에서 임의의 위치에 자장을 형성하여 모터의 로터가 자장에 의해 회전되도록 함으로써 일정 수준 이상의 모터 속도를 형성한다.
도 3에서 'A'는 구동 시작 구간의 시간을 나타내며, 'A' 구간은 구동이 시작되는 구간으로서, 모터에 대한 오픈 루프 제어 및 모터 초기 구동이 이루어지는 구간이고, 예시된 도 3에서는 모터 구동 초기에 안정성을 도모하고자 0.27초 동안 오픈 루프(open-loop) 제어를 실시하고 있다.
도 3을 참조하면, 'A' 구간 이후에는 모터 구동의 성공이 이루어져 모터 속도가 급격히 상승하는 것을 볼 수 있다.
이와 같이 센서리스 시스템의 정지 상태에서 공기압축기의 모터 구동이 시작될 때 초기의 짧은 순간이지만 일정 수준 이상의 모터 속도 형성을 위한 오픈 루프 제어가 수행된다.
예로서 정지 상태에서 평균 0.27초 동안의 오픈 루프 제어를 실시하므로, 모터 구동 명령이 있고 난 뒤부터 오픈 루프 제어 시간만큼의 구동 지연(delay)이 존재하게 된다.
공기압축기의 응답성 기준은 최고 속도(예, 100,000 rpm) 도달시까지의 시간이 1초 이내이므로 0.27초 동안의 오픈 루프 제어 및 구동 지연은 약 30%의 응답 성능을 저해하는 요소가 된다.
도 4a 내지 도 4d는 모터 구동 초기에 오픈 루프 제어를 생략한 경우 모터 속도 그래프를 예시한 도면으로, 오픈 루프 제어 생략 시의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4d에서는 응답성 저해 요소인 오픈 루프 제어를 생략하고 바로 센서리스 제어 로직을 동작시켜 모터 속도 제어를 수행하는 경우를 나타내고 있다.
도 4a 및 도 4b의 예와 같이, 구동 초기의 위치를 모르는 상태에서 바로 센서리스 제어 로직을 수행할 경우, 100ms 동안 속도 불안정성인 오실레이션이 발생할 수 있고, 짧은 시간 동안 속도 오실레이션이 발생한 뒤 원하는 속도 제어가 시작될 수 있다.
그 이유는, 로터 위치와 상관없는 위치부터 자장을 형성하여 토크를 인가하므로 로터 구동의 동기화에 실패하여, 자장이 한바퀴 도는 동안 로터가 구동하지 않고 센서리스 제어 로직에 의한 추정 속도가 노이즈성 값을 나타내기 때문이다.
테스트의 목적으로 별도의 홀 센서를 설치하여 홀 센서를 통해 초기 위치를 알고 있는 상태로 센서리스 제어 로직을 동작시켜 속도 제어를 실시하였을 때, 도 4c 및 도 4d의 예와 같이 속도 불안정성 없이 속도 제어가 바로 실시됨을 알 수 있다.
이 경우에서는 초기에 알고 있는 로터의 물리적 위치에서부터 자장을 형성하여 토크를 인가하기 때문에 바로 로터가 동기화되어 속도 제어가 시작될 수 있는 것이다.
따라서, 센서리스 제어 시 로터의 초기 위치를 추정하거나 알고 있는 것은 굉장히 중요하다.
[비교예의 방법]
전술한 바와 같이, 모터 정지 후 구동 초기 시 모터의 위치 및 속도 추정이 시작될 수 있도록 응답 성능 저해 요인인 오픈 루프 제어를 불가피하게 실시하여 일정 수준 이상의 모터 속도를 형성하였던 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 이전의 모터 정지 시 모터의 로터를 정해진 위치로 이동시켜 고정한 뒤, 이후의 모터 구동 재개 시점에서 상기 로터가 고정된 위치를 초기 위치로 이용하여 모터 구동을 위한 센서리스 제어를 시작하는 방법이 고려될 수 있다.
이와 같이 개선된 방법에 따르면, 이전 모터 정지 동안 로터를 고정시킨 위치를, 이후 모터 재개 시의 초기 위치로 이용하므로, 즉각적인 센서리스 제어가 시작될 수 있고, 종래와 같은 오픈 루프 제어가 불필요해지는 이점이 있게 된다.
이하의 설명에서는 이러한 개선된 방법에 대해 좀더 상세히 설명하기로 한다.
이하의 설명에서 공기압축기용 센서리스 모터 제어는 제어기에 의해 수행되며, 이하 설명되는 제어 과정 모두가 제어기에 의해 수행되는 것일 수 있다.
또한, 센서리스 모터 제어를 수행하는 제어기는 연료전지 시스템에서 공기압축기의 모터 제어를 수행하는 통상의 제어기가 될 수 있다.
또한, 센서리스 모터는 로터의 위치 및 속도를 검출하는 홀 센서가 부재한 모터를 의미한다.
센서리스 모터의 경우 홀 센서가 없기 때문에 구동 제어를 위해 로터의 위치 및 속도를 미리 정해진 방법으로 추정한 뒤 그 추정값을 이용하는 센서리스 제어가 수행되어야 한다.
센서리스 모터의 경우 홀 센서가 없기 때문에 모터 정지 상태에서 초기 위치를 알 수 없는데, 이를 극복하기 위한 개선된 방법을 도 5에 나타내었다.
종래의 문제점을 극복하기 위해, 도 5에 나타낸 바와 같이 모터를 정지하는 과정에서 로터가 정해진 각도 및 위치에 있을 수 있도록 로터 위치를 정렬(align)하는 과정이 수행된다.
그리고, 모터 정지 시 로터의 각도 및 위치를 정렬한 상태로 로터를 고정하고, 이후 모터 속도 제어가 다시 시작되는 구동 초기에 상기 정렬 후 고정된 로터의 각도 및 위치 정보를 초기 각도 및 위치로 이용하여, 그 위치부터 바로 센서리스 제어 및 속도/전류 제어를 실시한다.
도 5를 참조하여 좀더 설명하면, 도 5에서 'T1' 시점은 모터가 정지한 시점(이하 '모터 정지 시점'이라 칭함)이고, 'T2' 시점은 모터 구동이 다시 시작되고 다시 센서리스 제어가 시작되는 시점(이하 '구동 재개 시점'이라 칭함)이다.
도시된 바와 같이, 모터를 정지시킬 때 로터가 정해진 위치에 고정되어 있도록 제어하는 로터 위치 정렬(alignment)을 수행한다.
이로써, 모터가 정지하고 난 뒤 로터가 위치 정렬된 상태로 정해진 위치에 고정되어 있게 된다.
여기서, 상기 정해진 위치는, 후술하는 바와 같이, 제어기가 미리 정해진 조건을 만족하는 모터 정지 상태를 판단한 시점에서 센서리스 제어 로직에 따라 마지막으로 추정한 로터 위치가 될 수 있다.
이렇게 모터가 정지되고 나면, 이후 모터 구동이 재개되기 전까지는 모터 정지 과정에서 정렬된 최종 위치에 로터가 고정되어 있게 된다.
이후 모터 구동이 다시 시작되면, 센서리스 제어가 다시 시작되는 시점의 로터 초기 위치는 상기 모터 정지 과정에서 정렬된 후 고정된 로터 최종 위치가 되고, 구동 재개 시점에서 상기 최종 위치에서부터 센서리스 제어가 시작된다.
즉, 이전의 모터 정지 과정에서 위치 정렬된(aligned) 로터의 위치인 상기 최종 위치를 초기 위치로 하여 다음의 모터 구동 및 센서리스 제어가 실시되는 것이다.
도 6과 도 7a는 개선된 방법에서 센서리스 모터 제어를 위해 모터 정지 시에 수행되는 로터 위치 정렬(alignment) 방법을 설명하기 위한 비교예의 도면이고, 도 7b는 d축 전류를 인가하지 않은 경우의 도면이다.
도 6에서 좌측의 도면은 모터 구동 시작 후 모터 속도를 상승(가속)시킨 뒤 일정 속도를 유지하였다가 모터 속도를 다시 하강(감속)시켜 정지 상태가 될 때까지 제어하는 동안의 모터 속도를 나타내고 있다.
제어기가 모터 정지를 위해 모터 속도를 정해진 속도까지 하강시키는 동안, 모터 속도가 미리 정해진 기준속도에 도달하면 모터 정지 상태인 것으로 판단하고, 모터 정지 상태임을 판단한 시점에서 센서리스 제어 로직에 의해 마지막으로 추정된 로터 위치를 고정 위치로 결정한다.
여기서, 기준속도는 0 rpm 보다 큰 양(+)의 속도로 정해질 수 있다.
이어, 도 6의 우측 도면에 나타낸 바와 같이, 모터 정지 판단 시 마지막으로 추정된 로터 위치에 모터의 로터가 고정되어 위치해 있을 수 있도록 로터 위치를 상기 고정 위치로 제어하기 위한 d축 상전류를 모터에 인가하고, 이로써 로터 위치를 상기 고정 위치로 고정한다.
이때, 로터를 고정 위치로 이동 및 고정하기 위한 d축 전류를 정해진 기준시간 동안 인가하며, 이러한 d축 전류 인가로 로터 위치가 자장에 의해 상기 고정 위치로 이동 및 고정된다.
로터 고정 후에는 제어기가 PWM 신호 생성 및 출력의 PWM 제어 과정을 모두 중단하여 이후 모터 구동이 다시 재개될 때까지 모터 정지 상태를 유지하게 된다.
도 7a는 로터 위치 정렬이 이루어진 상태를 예시하고 있고, 도 7b는 로터 위치 정렬이 이루어지지 않은 상태를 예시하고 있다.
도 7b에서 점선으로 도시된 사각형 부분은 관성에 의해 로터가 회전되는 상태를 나타내고 있는 것이다.
상기 개선된 방법(비교예의 방법)이 센서리스 모터에 적용되는 것이므로 모터에 실제로는 홀 센서(위치센서)가 없지만, 도 7a 및 도 7b에는 테스트 목적으로 별도 홀 센서의 신호로부터 얻어진 로터 각도('홀 센서 기반 각도')를 함께 나타내었다.
이와 같이 도 7a 및 도 7b에서 '홀 센서 기반 각도'는 로터의 실제 위치 및 각도를 나타내는 것으로 이해될 수 있다.
도 7a를 참조하면, 모터 정지 과정에서 d축 전류를 인가하여 로터 위치 정렬이 이루어지는 상태를 볼 수 있고, 모터 속도가 0 rpm에 도달하기 전의 정지 판단 시점에서 d축 전류를 인가함을 볼 수 있다.
또한, d축 전류가 인가되는 것에 의해, 모터 정지 후 로터의 위치 및 각도가 정해진 위치, 즉 센서리스 제어 로직에서 정지 판단 시점에 마지막으로 추정된 위치(고정 위치임)로 이동 및 고정됨을 볼 수 있다('홀 센서 기반 각도' 참조).
도 7a에 나타낸 바와 같이, 제어기가 모터 정지 시 PWM 신호를 바로 차단하지 않고 PWM 신호를 생성 및 출력하여 d축 전류 인가를 인가하면, 홀 센서 신호의 각도('홀 센서 기반 각도') 정보에서 알 수 있듯이, 모터 정지 시 센서리스 제어 로직에 의해 마지막으로 추정된 위치(고정 위치)로 로터 위치를 정렬할 수 있다.
반면, 도 7b를 참조하면, 모터 정지 과정에서 d축 전류를 인가하지 않았을 때 로터의 회전 거동이 있음을 볼 수 있다(점선의 사각형 부분 참조).
즉, 홀 센서(위치센서)의 신호로부터 취득된 각도 정보('홀 센서 기반 각도')에서 알 수 있듯이, PWM 차단 이후 전류 미인가시에도 로터가 관성에 의해 회전하여 로터의 위치가 변화함을 알 수 있고, 이러한 로터의 회전이 어느 정도 계속된 뒤 알수 없는 임의의 위치에서 로터가 정지한다.
이와 같이 모터 정지 과정에서 d축 전류를 인가하여 로터 위치 및 각도를 센서리스 제어 로직에 의해 모터 정지 시 마지막으로 추정된 로터 위치(고정 위치) 및 각도로 정렬하여, 이후 정지 상태에서 상기 정렬된 위치로 로터 위치가 고정되어 있도록 한다.
이후 모터 구동이 시작될 때, 구동 재개 시점(도 5에서 'T2' 시점임)에서 상기 정렬된 로터 위치, 즉 상기 고정 위치를 초기 위치로 하여 오픈 루프 제어 없이 센서리스 제어를 바로 시작하며, 이를 통해 종래와 같은 구동 지연을 없애고 모터 제어 및 구동의 응답성을 개선할 수 있다.
한편, 상기와 같이 모터 정지 동안 로터 위치를 센서리스 제어 로직에 따라 결정된 최종 위치 값으로 고정하는 초기 위치 정렬(alignment)을 수행하는 개선된 방안을 적용하였을 때, 모터 구동과 정지를 반복한 결과의 모터 속도와 로터 위치(각도)를 도 8에 나타내었다.
도 8은 모터 정지 동안 d축 전류를 인가하여 로터 위치를 최종 추정한 180°위치로 고정하였을 때, 로터가 실제로 원하는 위치(각도)에 고정되는지를 확인해보기 위하여, 로터 위치를 측정한 결과를 보여주고 있다.
도 8에서 로터 위치(각도)는 별도의 홀 센서를 이용하여 측정한 것으로, 사용된 홀 센서는 60°의 분해능(resolution)을 가지는 센서이며, 로터가 180°에 위치할 경우 150° 또는 210°를 나타내게 된다.
도 8에서와 같이 홀 센서에 의한 측정 결과를 보면, 로터 위치가 간헐적으로 180°위치를 벗어나 반대 위치에 도달하는 현상(위치 정렬 실패)이 나타남을 볼 수 있다.
따라서, 이와 같이 위치 정렬이 실패하는 현상을 극복하기 위한 개선 방법이 필요하다.
도 9a 및 도 9b는 위치 정렬을 성공하였을 때와 실패하였을 때 모터 거동의 예를 분석 및 비교한 것으로, 도 9a는 모터 정지 동안 로터 위치를 목표로 하는 정렬 위치로 위치시켜 고정한 성공의 예를, 도 9b는 로터 위치를 목포로 하는 정렬 위치와 180°의 오차를 두고 잘못 위치시킨 실패의 예를 나타낸다.
도 9a 및 도 9b에서 '현재 속도'는 모터 속도를 나타내고, '추정 각도'는 모터 정지 시 모터 속도가 정해진 기준속도에 도달했을 때 센서리스 제어 로직에 따라 최종 추정한 각도를 의미한다.
또한, 도 9a 및 도 9b에서 '홀 센서 각도'는 별도의 홀 센서를 추가하여 측정한 로터 각도(위치)이며, 실제 센서리스 모터에는 홀 센서가 없지만 비교를 위해서 홀 센서를 추가하여 로터 각도를 측정하였다.
홀 센서 각도가 실제 로터 위치를 나타내며, 홀 센서 각도가 추정 각도에 근접하게 되면 로터가 원하는 위치에 정렬되었음을 의미한다.
로터의 위치 정렬에 성공한 경우, 센서리스 제어 로직에 따라 추정한 추정 각도의 위치에 고정으로 전류를 인가하여 유도자속이 형성되고, 결국 로터의 영구자석에 의한 자속방향과 일치되는 위치로 로터의 위치가 고정되며, 도 9a에 나타낸 바와 같이 실제 로터 각도(홀 센서 각도)가 추정 각도에 근접하게 된다.
로터의 위치 정렬이 실패한 경우, 도 9b에 나타낸 바와 같이 추정 각도와 홀 센서 각도가 약 180°의 오차를 보이게 된다.
이는 모터 구동을 멈추는 시점에 로터 위치를 고정하고자 하면 로터가 관성력에 의해 원하는 위치에 바로 멈추지 않고 더 회전하기 때문이며, 이 상태에서 계속 특정 위치에 전류를 인가하면 간헐적으로 로터가 원하는 위치보다 180°정도 더 회전하여 멈추는 현상이 발생할 수 있다.
예를 들어, 스테이터 유도자속과 반대 방향으로 로터가 정렬되면 미는 힘과 끄는 힘이 같아져 로터가 어느 방향으로도 회전하지 않고 반대 위치에 고정되는 현상이 발생할 수 있다.
[본 발명]
따라서, 본 발명에서는 모터 정지 후 구동 재개 시 구동 초기에 오픈 루프 제어를 실시해야 했던 종래의 센서리스 제어 방법의 문제점과, 모터 정지 시 센서리스 제어 로직의 최종 위치 추정값으로 모터의 로터 위치를 고정 및 정렬하는 센서리스 제어 방법이 가지는 문제점을 모두 해결할 수 있는 개선된 방법을 제공하고자 한다.
특히, 본 발명에서는 모터 정지 시 최종 위치 추정값으로 로터 위치 정렬을 수행할 때 로터가 원하는 위치에 정렬되지 않는 로터 위치 정렬 실패의 문제점을 해결할 수 있는 공기압축기용 센서리스 모터의 제어 방법을 제공하고자 한다.
본 발명에서 모터를 정지시킬 때 로터가 목표로 하는 정렬 위치에 고정되어 있도록 제어하는 로터 위치 정렬을 수행하는 점은, 도 5, 도 6 및 도 7a를 참조로 설명한 방법과 비교하여 차이가 없다.
여기서, 목표로 하는 정렬 위치(이하 '정렬 목표 위치'라 칭함)는, 제어기가 미리 정해진 조건을 만족하는 모터 정지 상태를 판단한 시점에서 센서리스 제어 로직에 따라 마지막으로 추정한 로터 위치가 될 수 있다.
또한, 모터가 정지되고 나면, 이후 모터 구동이 재개되기 전까지는 모터 정지 과정에서 정렬된 위치(즉, 정렬 목표 위치)에 로터가 고정되어 있게 된다.
이후 모터 구동이 다시 시작되면, 센서리스 제어가 다시 시작되는 시점의 로터 초기 위치는 상기 모터 정지 과정에서 정렬된 후 고정된 로터 최종 위치(정렬 목표 위치)가 되고, 구동 재개 시점에서 상기 최종 위치에서부터 센서리스 제어가 시작된다.
즉, 이전의 모터 정지 과정에서 위치 정렬된 로터의 위치인 상기 최종 위치를 초기 위치로 하여 다음의 모터 구동 및 센서리스 제어가 실시되는 것이다.
도 6을 참조하면, 좌측의 도면에서 모터 구동 시작 후 모터 속도를 상승(가속)시킨 뒤 일정 속도를 유지하였다가 모터 속도를 다시 하강(감속)시켜 정지 상태가 될 때까지 제어하는 동안의 모터 속도를 볼 수 있다.
제어기가 모터 정지를 위해 모터 속도를 정해진 속도까지 하강시키는 동안 모터 속도가 미리 정해진 기준속도에 도달하면 모터 정지 상태인 것으로 판단하고, 모터 정지 상태임을 판단한 시점에서 센서리스 제어 로직에 의해 마지막으로 추정된 로터 위치를 정렬 목표 위치(고정 위치)로 결정한다.
여기서, 기준속도는 0 rpm 보다 큰 양(+)의 속도로 정해질 수 있다.
이어, 도 6의 우측 도면에 나타낸 바와 같이, 모터 정지 판단 시의 최종 로터 위치 추정값인 정렬 목표 위치에 모터의 로터가 고정되어 위치해 있을 수 있도록 로터 위치를 상기 정렬 목표 위치로 제어하기 위한 d축 전류를 모터에 인가하고, 이로써 로터를 상기 정렬 목표 위치까지 회전시켜 고정한다.
이때, 로터를 정렬 목표 위치로 이동(회전) 및 고정하기 위한 d축 전류를 정해진 기준시간 동안 인가하며, 이러한 d축 전류 인가로 로터 위치가 자장에 의해 상기 정렬 목표 위치로 이동 및 고정된다.
로터 고정 후에는 제어기가 PWM 신호 생성 및 출력의 PWM 제어 과정을 모두 중단하여 이후 모터 구동이 다시 재개될 때까지 모터 정지 상태를 유지하게 된다.
한편, 본 발명에서는 로터 위치 정렬을 위해 정렬 시작 위치를 결정한 뒤, 로터 위치가 상기 결정된 정렬 시작 위치에 있게 될 때 위치 정렬을 위한 d축 전류를 모터에 인가한다.
즉, 정렬 시작 위치라는 개념을 새로이 도입하여 적용하는 것이다.
도 10은 본 발명에 따른 센서리스 모터 제어 과정을 수행하는 시스템의 개략적인 블록 구성도이고, 도 11은 본 발명에 따른 센서리스 모터 제어 과정에서 모터 정지 시 로터 위치 정렬 방법을 나타내는 도면이다.
또한, 도 12는 본 발명에서 로터 위치 정렬 방법을 설명하기 위한 것으로, 로터와 스테이터, 스테이터 코일의 전류 인가 상태, 스테이터 유도자속을 나타낸 도면이다.
도면에서 위치와 각도는 모터(121)에서 로터(회전자)의 회전위치와 회전각도를 의미한다.
본 발명에서 공기압축기용 모터(121)의 정지 시 로터 위치 정렬 과정에 대해 좀더 상세히 설명하면, 모터 정지를 위해 모터 속도가 감속되어 정해진 기준속도에 도달하면, 제어기(110)는, 모터 정지 상태인 것으로 판단하고, 이어 모터 정지 상태임을 판단한 시점에서 센서리스 제어 로직에 의해 마지막으로 추정된 로터 위치, 즉 최종 위치 추정값을 정렬 목표 위치로 결정한다.
이어, 제어기(110)가 로터 회전방향의 반대방향으로 정렬 목표 위치(각도임)로부터 미리 정해진 정렬 옵셋각을 뺀 값으로 정렬 시작 위치를 결정하고, 상기 정렬 시작 위치에서부터 로터 위치 정렬을 위한 제어를 시작한다.
즉, 상기 정렬 시작 위치로부터 로터 위치 정렬을 위한 d축 전류를 인버터(111)를 통해 공기압축기(120)의 모터(121)에 인가한다.
이와 함께, 제어기(110)는 로터 위치를 상기와 같이 결정된 정렬 시작 위치로부터 정렬 목표 위치에 도달할 때까지 미리 정해진 시간동안 선형적으로 변화시키기 위한 제어를 실시한다.
이때, 제어기(110)는 로터 위치가 정렬 시작 위치로부터 정렬 목표 위치까지 선형적으로 변화될 수 있도록 d축 전류 인가 시 인가되는 상전류(U상, V상, W상)의 위상을 제어한다.
본 발명에서 로터 위치를 변화시킨다는 것은 로터를 추가로 회전시킨다는 것을 의미하고, 로터 위치를 선형적으로 변화시킨다는 것은 정렬 시작 위치로부터 정렬 목표 위치까지 로터 위치를 일정 변화율(기울기)로 변화시킨다는 것을 의미한다.
또한, 본 발명에서 정렬 시작 위치와 정렬 목표 위치 사이의 각도가 되는 정렬 옵셋각은 시스템에 따라 최적 각도로 튜닝 및 변경 가능한 각도이고, 정렬 시작 위치로부터 정렬 목표 위치까지의 로터 회전시간 또한 적용을 위해 미리 튜닝 및 변경 가능한 시간이다.
이와 같이 본 발명에서는 제어기(110)에서 정렬 목표 위치와 정렬 시작 위치가 결정되면, 로터가 정렬 시작 위치에 위치할 때 제어기(110)에 의해 모터(121)에 대한 d축 전류 인가가 시작되고, 이후 로터가 정렬 목표 위치에 도달할 때까지 d축 전류를 연속적으로 인가한다.
이때, 제어기(110)는 정렬 시작 위치부터 로터를 회전시켜 정렬 목표 위치에 도달할 때까지 전류 위상을 제어하여 로터 위치가 정해진 변화율(각도 변화 기울기)로 선형적으로 변화할 수 있도록 한다.
이러한 모터 정지 과정 동안, 스테이터(고정자) 코일에 인가되는 전류에 따라 형성되는 유도자속에 의해 로터의 위치가 연속적으로 변화되면서 위치 정렬이 수행된다.
또한, 로터 위치가 연속적으로 변화하는 동안, 로터의 회전관성이 지속적으로 감쇄하여 유도자속의 위치가 정렬 목표 위치에 도달하게 되면 로터의 회전관성이 유도자속에 의한 제동력보다 작게 되어 원하는 위치에 로터가 고정되게 된다.
앞에서 도 5, 도 6 및 도 7a를 참조로 설명한 방법의 경우, 센서리스 제어 로직에 따라 추정된 모터 속도가 기준속도에 도달하면, 그 시점부터 로터 위치를 정렬 목표 위치로 이동(회전)시키기 위한 d축 전류를 인가하되, 로터 위치를 정렬 목표 위치까지 전류 위상 제어를 통해 정해진 시간 동안 일정 변화율로 연속적으로 변화시키는 것이 아닌, 기준속도 도달 시점부터 전류 위상 제어 없이 고정으로 정해진 위치(정렬 목표 위치임) 하나를 목표로 로터 위치를 제어하기 위한 d축 전류를 인가한다.
결국, 이와 같은 방법에서는 간헐적으로 로터 회전관성이 유도자속에 의한 제동력보다 더 크게 형성되어 로터가 반바퀴를 더 회전하게 되고, 결국 뜻하지 않게 유도자속의 반대방향으로 로터가 위치하게 되면, 미는 힘과 끄는 힘이 일치하는 위치로 로터가 정렬되면서 그대로 멈춰버리는 문제가 나타난다.
반면, 본 발명에서는 로터 위치를 정렬 시작 위치로부터 정렬 목표 위치까지 연속적으로 계속 변화시키는 전류 제어, 즉 정해진 시간 동안 로터 위치가 선형적으로 변화하도록 로터를 강제 회전시키는 전류 위상 제어를 수행한다.
이때, 로터는 정렬 시작 위치에서 정렬 목표 위치까지 계속해서 강제 회전되어 유도자속의 반대방향에 위치하게 되어도 유도자속 위치가 계속 움직이게 되므로, 미는 힘과 끄는 힘이 일치하는 방향에 머무르지 않고 로터가 계속해서 움직일 수 있고, 결국에는 로터가 정렬 목표 위치에 정확히 고정될 수 있게 된다.
도 13은 본 발명에서 모터 정지 시 수행되는 로터 위치 정렬을 위한 제어 방법을 나타내는 도면으로, 로터의 위치 정렬 실시 여부를 설정하기 위해 도시된 바와 같이 ①의 위치 정렬 실시 플래그(flag)를 정의한다.
또한, 위치 정렬을 위한 로터의 강제 회전 여부를 설정하기 위해 도 13과 같이 ②의 로터 강제 회전 플래그를 정의한다.
상기 ①과 ②의 각 유지 시간은 미리 정해져 제어기(110)에 설정되며, 이는 시스템에 따라 튜닝 가능한 시간이다.
도 13에서 ①의 플래그를 유지하는 시간인 ⓐ는 위치 정렬을 수행하도록 설정되는 위치 정렬 수행 시간이다.
그리고, 도 13에서 ②의 플래그를 유지하는 시간인 ⓑ는 로터를 강제로 회전시키는 시간으로서, 정렬 시작 위치에서 정렬 목표 위치까지 로터 위치를 선형적으로 연속 변화시키도록 설정되는 로터 강제 회전 시간이다.
도 13에 예시된 바와 같이, ①의 위치 정렬 실시 플래그가 'TRUE'로 설정되어 있는 동안에는, 제어기(110)가 ③과 같이 d축 전류 지령을 ⓐ의 위치 정렬 수행 시간 동안 계속해서 생성 및 출력하여 인버터(111)를 통해 공기압축기(120)의 모터(121)에 일정한 d축 전류가 연속적으로 인가될 수 있도록 한다.
또한, ②의 로터 강제 회전 플래그가 'TRUE'로 설정되어 있는 동안에는, 제어기(110)가 ⓑ의 로터 강제 회전 시간동안 정렬 시작 위치로부터 정렬 목표 위치까지 로터를 연속적으로 강제 회전시켜, 로터 위치를 나타내는 각도를 도 13과 같이 선형적으로 증가시킨다.
그리고, ②의 로터 강제 회전 플래그가 'FALSE'로 설정되고 나면, ①의 위치 정렬 실시 플래그가 'TRUE'인 동안에는 로터의 위치(각도)를 일정하게 유지한다.
도 13을 참조하면, ⓐ의 위치 정렬 수행 시간이 위치 정렬 종료 시점을 정의함을 알 수 있는데, ⓐ의 위치 정렬 수행 시간이 경과하고 나면, ①의 위치 정렬 실시 플래그가 'FALSE'로 전환되고, 결국 종료 시점에서 로터 위치 정렬이 모두 종료된다.
한편, 도 14는 본 발명에 따른 센서리스 모터의 전체 제어 과정을 나타낸 순서도이고, 도 15는 본 발명에 따른 센서리스 모터 제어 과정에서 제어기(110) 내 위치 정렬 실시 플래그 및 로터 강제 회전 플래그의 설정 상태를 좀더 상세히 나타낸 순서도이다.
이를 참조하여 설명하면, 공기압축기(120)의 모터(121)가 구동된 이후, 제어기(110)에서 모터 속도지령이 모터 정지를 위한 지령 값, 예컨대 0 rpm의 지령 값으로 설정되었는지를 판단한다(S1).
여기서, 속도지령이 0 rpm의 지령 값으로 설정됨을 판단한 경우, 제어기(110)는 모터 정지를 위한 통상의 센서리스 감속 제어를 수행하여 모터 속도를 하강시킨다(S2).
이후, 제어기(110)에서 센서리스 제어 로직에 의해 추정되는 모터 속도를 미리 정해진 기준속도(rpm)와 비교하고(S3), 모터 속도가 기준속도에 도달하여 그 이하가 된 경우 모터 정지 상태에 도달한 것으로 판단한다(S4).
이와 같이 공기압축기(120)의 모터(121)가 정지 상태에 도달한 것으로 판단하면, 제어기(110)는, 도 15에 나타낸 바와 같이. 위치 정렬을 시작하여, 위치 정렬 실시 플래그(도 13의 ① 임)를 'TRUE'로 설정하고, 동시에 로터 강제 회전 플래그(도 13의 ② 임)를 'TRUE'로 설정한다.
이어, 제어기(110)는 상기와 같이 모터 정지 상태에 도달한 것으로 판단하면, 그리고 위치 정렬 실시 플래그와 로터 강제 회전 플래그를 'TRUE'로 설정하고 나면, 도 15에 나타낸 바와 같이, 시간을 카운트 하기 시작한다.
이후, 상기와 같이 위치 정렬 시작 시점부터 카운트 되는 시간이 정해진 로터 강제 회전 시간(도 13의 ⓑ 임)에 도달할 때까지는 제어기(110)에서 로터 강제 회전 플래그(②)를 'TRUE' 상태로 유지한다.
만약, 카운트 되는 시간이 정해진 로터 강제 회전 시간에 도달하면, 제어기(110) 내 로터 강제 회전 플래그(②)는 'FALSE'로 설정된다.
또한, 제어기(110)는 카운트 되는 시간이 정해진 위치 정렬 수행 시간(도 13의 ⓐ임)에 도달할 때까지는, 로터 강제 회전 시간(ⓑ)이 경과하여 로터 강제 회전 플래그(②)가 'FALSE'로 설정되더라도, 위치 정렬 실시 플래그(도 13의 ①임)는 'TRUE' 상태로 유지한다.
하지만, 도 15에 나타낸 바와 같이, 로터 강제 회전 시간(ⓑ)이 경과하여 로터 강제 회전 플래그(②)가 'FALSE'로 설정된 상태에서, 카운트 되는 시간이 정해진 위치 정렬 수행 시간에 도달하면, 제어기(110) 내 위치 정렬 실시 플래그(①)는 'FALSE'로 설정된다.
다시 도 14를 참조하여 설명하면, 모터 속도가 기준속도에 도달하여 모터 정지 상태에 도달한 것으로 판단하면, 제어기(110)는 모터 정지 상태 판단 시점에서 센서리스 제어 로직에 의해 마지막으로 추정된 로터 위치, 즉 최종 위치 추정값을 정렬 목표 위치로 결정한다(S5).
또한, 제어기(110)는 정렬 목표 위치가 결정되면, 정렬 목표 위치로부터 로터 회전방향의 반대방향으로 정해진 정렬 옵셋각을 뺀 값으로 정렬 시작 위치를 결정한다(S6).
이후, 제어기(110)는 위치 정렬 실시 플래그(①)와 로터 강제 회전 플래그(②)가 동시에 'TRUE'로 설정되었을 때, 인버터(111)를 통해 공기압축기(120)의 모터(121)에 로터 위치 정렬을 위한 d축 전류, 즉 로터 위치를 정렬 목표 위치로 이동시키기 위한 d축 전류를 인가하기 시작한다(S7).
이후, 제어기(110)는 위치 정렬 실시 플래그(①)가 'TRUE' 상태를 유지하는 동안(즉, 정해진 위치 정렬 수행 시간(ⓐ) 동안)에는 d축 전류를 계속해서 인가하며(PWM 신호를 생성하여 출력함), 모터 정지 상태 판단 시점부터 위치 정렬 수행 시간(ⓐ)이 경과하여 위치 정렬 실시 플래그(①)가 'FALSE'로 전환될 때(즉, 도 13의 '위치 정렬 종료 시점'에서) d축 전류 인가를 중지한다.
또한, 위치 정렬 실시 플래그(①)와 로터 강제 회전 플래그(②)가 동시에 'TRUE' 상태가 되어 d축 전류를 인가할 때, 제어기(110)는, 로터 강제 회전 플래그(②)가 'TRUE' 상태를 유지하는 동안에는 로터 위치를 정렬 시작 위치부터 정렬 목표 위치까지 선형적으로 변화시키기 위한 전류 위상 제어를 실시한다(S7).
즉, 모터 정지 상태 판단 시점부터 정해진 로터 강제 회전 시간(ⓑ) 동안, 로터 위치가 선형적으로 변화하도록(도 13에서 로터의 정렬 각도가 선형적으로 연속 증가하도록) 인버터(111)를 통해 모터(121)에 인가되는 U상, V상, W상의 상전류 위상을 제어하는 것이다.
이로써, 로터 강제 회전 플래그(②)가 'TRUE' 상태를 유지하는 로터 강제 회전 시간(ⓑ) 동안, 로터가 정렬 시작 위치로부터 정렬 목표 위치까지 강제로 회전되며(S7), 이러한 강제 회전 시 로터 위치는 정렬 목표 위치에 도달할 때까지 일정 변화율(도 13에서 일정한 각도 상승 기울기)로 변화하게 된다.
여기서, 정렬 시작 위치로부터 정렬 목표 위치까지의 로터 위치 변화율은 아래의 식 (1)과 같이 정의될 수 있다.
로터 위치 변화율 = (정렬 옵셋각)/(로터 강제 회전 시간) (1)
식 (1)에서 정렬 옵셋각과 로터 강제 회전 시간은 제어기(110)에서 이미 알고 있는 값이며, 따라서 식 (1)과 같이 정의되는 로터 위치 변화율 역시 제어기(110)에서 이미 알고 있거나 계산되는 값이 될 수 있다.
또한, 정렬 시작 위치에서 정렬 목표 위치에 도달할 때까지 로터 위치는 상기 변화율에 따라 변화하므로, 모터 정지 상태 판단 시점인 로터 강제 회전 시작 시점(두 플래그가 모두 'TRUE'로 설정되는 시점)부터 로터 강제 회전이 종료되는 시점(로터 강제 회전 플래그가 'FALSE'로 변경되는 시점)까지, 로터 위치는 상기 정렬 시작 위치와 상기 로터 위치 변화율로부터 추정될 수 있다.
즉, 정렬 시작 위치와 정렬 목표 위치 사이의 로터 위치가 아래의 식 (2)와 같이 추정될 수 있는 것이다.
추정 위치 = 정렬 시작 위치 + (변화율 × 카운트 되는 시간) (2)
여기서, '추정 위치'는 정렬 시작 위치로부터 정렬 목표 위치까지 변화하는 로터 위치의 추정값이고, '변화율'은 식 (1)로 정의되는 로터 위치 변화율이다.
또한, 상기 '카운트 되는 시간'은 제어기(110)에서 모터 정지 상태에 도달한 것으로 판단되어, 상기 두 플래그, 즉 위치 정렬 실시 플래그(①) 및 로터 강제 회전 플래그(②)가 모두 'TRUE'로 설정된 시점부터 카운트 되는 시간을 의미한다.
본 발명에서 상기 식 (2)에 따라 추정되는 로터 위치가 제어기(110)에서 로터 위치를 제어하는데 이용될 수도 있다.
도 16은 본 발명에서 모터 정지 과정 동안 로터 위치가 추정되는 방법을 나타내는 순서도로서, 도시된 바와 같이 모터(121)의 구동 동안 정지 상태 도달 전까지는 위치 정렬 실시 플래그(①)와 로터 강제 회전 플래그(②)가 모두 'TRUE' 상태가 아니며, 이때 로터 추정 위치는 센서리스 제어 로직에 따른 위치 추정값이 된다.
또한, 모터(121)가 정지 상태에 도달하여 위치 정렬 실시 플래그(①)와 로터 강제 회전 플래그(②)가 동시에 'TRUE'로 설정되면, 제어기(110)가 인버터(111)를 통해 공기압축기(120)의 모터(121)에 인가되는 전류의 위상을 제어하여 로터가 정렬 시작 위치로부터 정렬 목표 위치까지 강제 회전되고, 이때 로터 위치가 일정 변화율로 선형적으로 변화하도록 전류의 위상을 제어한다.
따라서, 두 플래그가 모두 'TRUE' 상태일 때에는, 도 16에 나타낸 바와 같이, 로터의 위치가 식 (2)와 같이 '정렬 시작 위치 + (변화율 × 카운트 되는 시간)'의 값으로 추정된다.
하지만, 모터 정지 상태 판단 시점부터 카운트 되는 시간이 정해진 로터 강제 회전 시간에 도달하여 로터 강제 회전 플래그(②)가 'FALSE' 상태가 되면, 위치 정렬 실시 플래그(①)의 'TRUE' 상태에서 로터의 추정 위치는 정렬 목표 위치가 된다.
다음으로, 다시 도 14를 참조하면, 로터 강제 회전을 위한 전류 위상 제어가 시작되고 난 뒤, 제어기(110)는 모터 정지 상태 판단 시점부터 카운트 되는 시간이 정해진 로터 강제 회전 시간에 도달하는지를 판단하고(S8), 로터 강제 회전 시간에 도달하였다면, 로터 위치를 선형적으로 변화시키기 위한 전류 위상 제어를 중단하되, 로터 위치를 정렬 목표 위치로 고정 및 유지하기 위한 d축 전류 인가는 계속해서 유지한다(S9).
이때, 제어기(110) 내 로터 강제 회전 플래그(②)는 'FALSE'로 설정되고, 위치 정렬 실시 플래그(①)의 'TRUE' 상태를 유지한다.
이후, 제어기(110)는 모터 정지 상태 판단 및 d축 전류 인가 시작 후 카운트 되는 시간이 정해진 위치 정렬 수행 시간에 도달하는지 판단하고(S10), 만약 위치 정렬 수행 시간에 도달하였다면, d축 전류 인가 및 PWM 제어를 중단하여 로터 위치 정렬을 종료한다(S11).
이후, 제어기(110)는 모터 구동을 위한 속도지령을 생성하여 모터 구동을 재개하는 경우 정렬 목표 위치를 초기 위치로 하여 모터(121)에 대한 센서리스 제어를 시작한다(S12,S13).
도 17은 본 발명에서 제어기 내 위치 정렬 실시 플래그에 따라 d축 전류 및 q축 전류 지령이 결정되는 것을 보여주는 순서도로서, 제어기(110) 내에서 위치 정렬 실시 플래그(①)가 'TRUE' 상태일 때 d축 전류 지령이 생성되고, 제어기(110)에서 전류 지령에 따른 PWM 출력이 이루어지면서 d축 전류가 모터(121)에 인가될 수 있게 된다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 공기압축기의 센서리스 모터 제어 방법에 의하면, 공기압축기의 구동 초기 속도 제어 응답성이 향상될 수 있고, 결국 연료전지 스택의 공기 공급 응답성, 스택 출력 응답성 및 차량 가속 성능이 향상될 수 있게 된다.
또한, 모터 정지 후 구동 재개 시 구동 초기의 속도 제어 안정성을 확보할 수 있으므로 무의미한 위치의 토크 인가를 피할 수 있고, 이를 통해 모터 구동 효율 향상 및 차량 연비 개선의 효과를 기대할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 공기압축기의 센서리스 모터 제어 방법에 의하면, 모터 정지 시 센서리스 제어 로직의 최종 위치 추정값으로 모터의 로터 위치를 정렬하는 방식에서, 로터가 원하는 위치에 정렬되지 않는 로터 위치 정렬 실패의 문제를 해결할 수 있게 된다.
즉, 본 발명에서는 도 8에 나타낸 바와 같이 간헐적으로 나타날 수 있는 위치 정렬 실패의 문제가 발생하지 않도록 할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
110 : 제어기
111 : 인버터
120 : 공기압축기
121 : 모터

Claims (12)

  1. 제어기에 의해, 공기압축기용 모터 정지를 위한 속도 제어가 실시되는 단계;
    제어기에 의해, 상기 속도 제어가 실시되는 동안 센서리스 제어 로직에 따라 추정되는 모터 속도로부터 모터 정지 상태가 판단되는 단계;
    제어기에 의해, 모터 정지 상태가 판단된 시점에서 센서리스 제어 로직에 따라 마지막으로 추정된 로터 위치를 정렬 목표 위치로 결정하는 단계;
    제어기에 의해, 상기 정렬 목표 위치로부터 미리 설정된 정렬 옵셋각을 이용하여 정렬 시작 위치를 결정하는 단계;
    제어기에 의해, 상기 결정된 정렬 시작 위치로부터 상기 정렬 목표 위치까지 모터의 로터 위치를 변화시키기 위한 제어가 수행되는 단계; 및
    제어기에 의해, 모터의 로터 위치가 상기 정렬 목표 위치로 정렬된 상태에서, 모터 구동 요구 시 상기 정렬 목표 위치를 초기 위치로 하여 모터 구동을 위한 센서리스 제어가 시작되는 단계를 포함하는 공기압축기용 센서리스 모터 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터 정지 상태가 판단되는 단계에서, 상기 제어기는 상기 센서리스 제어 로직에 따라 추정되는 모터 속도가 정해진 기준속도에 도달하면 모터 정지 상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 공기압축기용 센서리스 모터 제어 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 기준속도는 0 rpm 보다 큰 속도로 제어기에 정해지는 것을 특징으로 하는 공기압축기용 센서리스 모터 제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 정렬 시작 위치를 결정하는 단계에서, 상기 제어기는 상기 결정된 정렬 목표 위치로부터 로터 회전방향의 반대방향으로 상기 정렬 옵셋각을 뺀 값을 정렬 시작 위치로 결정하는 것을 특징으로 하는 공기압축기용 센서리스 모터 제어 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터의 로터 위치를 변화시키기 위한 제어가 수행되는 단계에서, 상기 제어기는, 미리 설정된 로터 강제 회전 시간 동안, 모터의 로터 위치를 상기 정렬 시작 위치로부터 상기 정렬 목표 위치까지 변화시킬 수 있도록 로터 강제 회전을 위한 모터 인가 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 공기압축기용 센서리스 모터 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어기는 모터의 로터 위치가 상기 로터 강제 회전 시간 동안 정렬 시작 위치로부터 정렬 목표 위치까지 변화할 수 있도록 모터에 인가되는 상전류의 위상을 제어하는 것을 특징으로 하는 공기압축기용 센서리스 모터 제어 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어기는 모터의 로터 위치가 일정 변화율로 선형적으로 변화할 수 있도록 모터에 인가되는 상전류의 위상을 제어하는 것을 특징으로 하는 공기압축기용 센서리스 모터 제어 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 모터의 로터 위치를 변화시키기 위한 제어가 수행되는 단계에서,
    상기 제어기는,
    모터의 정지 상태가 판단된 시점부터 미리 설정된 위치 정렬 수행 시간 동안 모터의 로터 위치를 상기 정렬 시작 위치로부터 상기 정렬 목표 위치까지 이동시키기 위한 d축 전류를 인가하고,
    상기 모터의 정지 상태가 판단된 시점부터 상기 로터 강제 회전 시간이 경과하면, 이후 위치 정렬 수행 시간이 경과할 때까지 d축 전류 인가 상태에서 상기 상전류 위상 제어는 중단하는 것을 특징으로 하는 공기압축기용 센서리스 모터 제어 방법.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어기는 모터의 로터 위치가 정렬 시작 위치로부터 정렬 목표 위치까지 일정 변화율로 선형적으로 변화할 수 있도록 모터에 인가되는 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 공기압축기용 센서리스 모터 제어 방법.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 모터의 로터 위치를 변화시키기 위한 제어가 수행되는 단계에서, 상기 제어기는 모터의 로터 위치를 상기 정렬 시작 위치로부터 상기 정렬 목표 위치까지 이동시키기 위한 d축 전류를 미리 설정된 위치 정렬 수행 시간 동안 인가하는 것을 특징으로 하는 공기압축기용 센서리스 모터 제어 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터의 로터 위치를 변화시키기 위한 제어가 수행되는 단계에서, 상기 제어기는 모터의 로터 위치를 상기 정렬 시작 위치로부터 상기 정렬 목표 위치까지 이동시키기 위한 d축 전류를 미리 설정된 위치 정렬 수행 시간 동안 인가하는 것을 특징으로 하는 공기압축기용 센서리스 모터 제어 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기압축기는 연료전지 스택에 공기를 공급하는 연료전지 시스템용 공기압축기인 것을 특징으로 하는 공기압축기용 센서리스 모터 제어 방법.
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