KR20210053098A - 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치 - Google Patents

모터를 이용한 능동 소음 제거 장치 Download PDF

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Abstract

차량에 탑재된 모터를 제어하여 차량 실내의 소음을 상쇄시키기 위한 사운드를 발생시키는 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치가 개시된다. 상기 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치는, 차량의 소음원의 작동 정보를 센싱하는 기준 센서; 상기 차량의 실내 소음에 대응되는 정보를 센싱하는 오차 센서; 상기 기준 센서 및 상기 오차 센서에서 센싱된 센싱 신호를 기반으로 상기 차량의 실내 소음을 감소시키기 위한 필터링 값을 조정하며, 조정된 필터링 값을 적용하여 상기 모터를 구동 시키기 위한 전류 지령을 생성하는 적응 제어 회로부; 상기 전류 지령을 추종하도록 상기 모터를 구동을 제어하는 모터 제어부; 및 상기 모터의 구동에 의해 생성된 진동을 이용하여 상기 실내 소음을 상쇄키시기 위한 사운드를 발생시키는 방사음 발생부를 포함한다.

Description

모터를 이용한 능동 소음 제거 장치{ACTIVE NOISE CANCELING APPARATUS USING MOTOR}
본 발명은 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량에 다양하게 적용된 모터를 제어하여 차량 내 소음원에서 발생하는 소음을 능동적으로 제거할 수 있는 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치에 관한 것이다.
최근 차량에서는 실내에 부착된 스피커 또는 엔진 마운트 근방에 설치된 전동 액추에이터를 이용하여 엔진 소음이나 노면 소음을 상쇄 시킬 수 있는 사운드를 발생시키는 능동 소음 제거 기술이 적용되고 있다.
이러한 능동 소음 제거 기술은 능동적으로 소음을 제거하기 위한 사운드를 제어하기 위해 다수의 스피커나 전동식 액추에이터 및 고도의 연산 능력을 필요로 하는 칩셋을 내장한 외장앰프를 필요로 하므로 차량의 제작 비용과 차체 중량이 증가하게 되는 단점이 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1526602
이에 본 발명은, 별도의 액추에이터 및 외장 앰프의 추가 없이, 타 용도로 차량에 이미 내장된 모터를 제어하여 구조 전달음을 발생시키고 이를 이용하여 차량에서 발생하는 엔진 소음이나 노면 소음을 상쇄시켜 능동적으로 소음을 제거할 수 있는 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서 본 발명은,
차량에 탑재된 모터를 제어하여 차량 실내의 소음을 상쇄시키기 위한 사운드를 발생시키는 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치에 있어서,
차량의 소음원의 작동 정보를 센싱하는 기준 센서;
상기 차량의 실내 소음에 대응되는 정보를 센싱하는 오차 센서;
상기 기준 센서 및 상기 오차 센서에서 센싱된 센싱 신호를 기반으로 상기 차량의 실내 소음을 감소시키기 위한 필터링 값을 조정하며, 조정된 필터링 값을 적용하여 상기 모터를 구동 시키기 위한 전류 지령을 생성하는 적응 제어 회로부;
상기 전류 지령을 추종하도록 상기 모터를 구동을 제어하는 모터 제어부; 및
상기 모터의 구동에 의해 생성된 진동을 이용하여 상기 실내 소음을 상쇄키시기 위한 사운드를 발생시키는 방사음 발생부;를 포함하는 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 오차 센서는 상기 소음원에 의한 소음과 상기 방사음 발생부에서 발생한 사운드의 오차에 해당하는 정보를 센싱하여 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 적응 제어 회로부는, 상기 기준 센서의 센싱 신호를 필터링하여 상기 전류 지령에 대응되는 신호를 출력하는 적응 제어 필터; 및 상기 소음원과 상기 오차 센서간 음향 전달 함수를 추정한 추정 보상 필터에 의해 필터링된 상기 기준 센서의 센싱 신호와 상기 오차 센서의 센싱 신호를 기반으로 상기 적응 제어 필터의 필터값을 업데이트 하는 LMS(Least Mean Square) 제어기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 모터 제어부는, 상기 전류 센서에서 측정된 상기 모터의 3상 전류를 d축 및 q축 전류로 변환하는 d-q변환부; 상기 모터의 d축 및 q축의 역기전력을 보상해주는 d-q 보상부; 상기 적응 제어 회로부로부터 입력된 d축 또는 q축의 전류 지령 값, 상기 d-q 변환부에서 변환된 d축 및 q축의 실제 전류 값 및 상기 d-q 보상부를 통한 보상 값에 기반하여 상기 모터를 구동시키기 위한 d축 또는 q축 전압 지령을 생성하는 전압 지령 생성부; 상기 전압 지령 생성부에서 생성된 전압 지령 신호를 3상으로 변환하는 d-q 역변환부; 및 상기 d-q 역변환부에서 변환된 3상 전압 지령 신호에 기반하여 PWM 신호를 제어하는 PWM 제어부 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 모터의 회전자의 위치를 센싱하는 위치센서; 및 상기 센싱된 회전자의 위치에 기반하여 상기 모터의 각속도를 추출하는 각속도 추출부를 더 포함하며, 상기 d-q 보상부는 상기 각속도 추출부에서 추출된 모터의 각속도, d축 및 q축의 인덕턴스, d축 및 q축의 전류 지령 값 및 모터의 자속에 기반하여 모터의 d축 및 q축의 역기전력을 보상할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 PWM 제어부는 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation) 또는 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 복수의 스위칭 소자를 포함하며, 상기 PWM 제어부로부터 출력되는 PWM 신호에 따라 상기 스위칭 소자가 온/오프됨으로써 교류 전력을 상기 모터에 제공하여 상기 모터를 구동시키는 인버터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 모터는 차량에 탑재된 스티어링휠 축과 연결되어 상기 스티어링휠의 조향을 보조하는 MDPS(Motor Driven Power Steering) 모터일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 방사음 발생부는, 상기 모터에 연결되어 상기 모터에서 발생한 진동을 전달하는 모터 지지 구조물; 상기 모터 지지 구조물을 고정하는 마운팅 브라켓; 및 상기 마운팅 브라켓을 통해 전달되는 상기 모터의 진동을 이용하여 상기 사운드를 발생시키는 방사음 발생 패널을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 방사음 발생부는, 상기 방사음 발생 패널에 부착되어 상기 방사음 발생 패널에서 발생하는 사운드의 주파수를 조정하는 주파수 튜닝용 구조물을 더 포함할 수 있다.
상기 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치에 따르면 기존 차량에 노이즈 제거를 위한 액추에이터 및 외장 앰프를 추가하지 않고 차량에 기 설치된 모터를 제어하여 소음을 능동적으로 제거할 수 있으며, 그에 따라 차량의 전체적인 중량 및 원가를 절감할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치에서 적응 제어 회로부의 신호 입출력 관계를 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치에서 적응 제어 회로부에 적용된 적응 제어 알고리즘의 일례를 도시한 블록도이다.
도 4는 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치에서 모터 제어부의 세부 구성을 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치의 방사음 발생부의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치의 방사음 발생부의 단면도이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시형에 따른 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치의 노이즈 제거 효과를 확인하기 위한 실험 결과를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치를 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석 되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치를 도시한 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치에서 적응 제어 회로부의 신호 입출력 관계를 도시한 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치는, 기준 센서(11), 오차 센서(12), 적응 제어 회로부(100), 전류 센서(200), 모터 제어부(300), 인버터(400), 모터(500) 및 방사음 발생부(600)를 포함할 수 있다.
기준 센서(11)는 차량(10)의 실내로 유입되는 소음을 발생시키는 소음원에 설치되어 소음원의 작동 정보를 센싱하는 센서이다. 예를 들어, 엔진 소음의 경우 기준 센서(11)는 엔진(700)의 회전수(rpm)를 검출하는 rpm 센서가 될 수 있다. 다른 예로 노면 소음의 경우 차륜 서스펜션의 가속도 신호를 검출하는 가속도 센서가 될 수 있다.
오차 센서(12)는 차량의 실내에서 소음을 직접 센싱하는 센서로서, 차 실내 음압 신호를 센싱하는 마이크로 폰 등이 될 수 있다. 오차 센서(12)에서 센싱되는 정보는 소음원으로부터 차량의 실내로 유입된 소음과 이 소음을 제거하기 위해 모터(500)를 제어하여 발생하는 진동에 의해 사운드를 발생시키는 방사음 발생부(600)에서 발생한 사운드의 오차에 해당할 수 있다.
적응 제어 회로부(100)는, 기준 센서(11) 및 오차 센서(12)로부터 센서 신호를 입력 받고, 입력 받은 센서 신호를 이용하여 사전 저장한 적응 제어 알고리즘을 적용하여 적응 제어 필터의 필터값을 업데이트 하고, 필터값이 업데이트된 적응 제어 필터로부터 모터(500)를 제어하는 모터 제어부(300)로 전류 지령 신호를 제공할 수 있다. 즉, 적응 제어 회로부(100)는 적응 제어 필터와 센서 신호를 이용하여 적응 제어 필터의 필터값을 업데이트하기 위한 적응 제어 알고리즘을 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 적응 제어 회로부(100)의 신호 입출력 과정은, 먼저 차량 실내에 부착된 마이크로 폰 등과 같은 오차 센서(12)에서 측정된 오차 신호(e(n))이 시그널 콘디셔너(14)과 아날로그/디지털(A/D) 컨버터(15)를 거쳐서 적응 제어 회로부(100)로 입력될 수 있다. 아울러 엔진(700)에 설치된 기준 센서(11)에서 센싱된 엔진(700)의 회전수(rpm) 신호는 정현파 생성기(13)를 통해 엔진(700)의 rpm에 해당하는 정현파 형태의 기준 신호(x(n))로 변환되어 적응 제어 회로부(100)에 입력된다.
적응 제어 회로부(100)에서는 내장한 적응 제어 알고리즘을 이용하여 능동 소음 제거를 위한 일련의 계산을 수행한 후(적응 제어 알고리즘을 통한 계산 기법에 대해서는 후술함), 계산 결과는 디지털/아날로그(D/A) 컨버터(16)를 거쳐서 모터 제어부(300)에 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령으로 제공된다. 모터 제어부(300)는 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령을 이용하여 인버터(400) 및 모터(500)를 구동하게 된다.
모터(500)가 구동되면서 모터(500)는 d축 혹은 q축 진동을 발생시키고 이 진동으로 인해 방사음 발생부(600)에서 능동 사운드가 발생한다. 이 능동 사운드는 기존의 엔진음을 상쇄시키며 실내로 전달되고, 오차 센서(12)에서는 상쇄되고 남은 성분을 센싱하여 다시 적응 제어 회로부(100)로 전달하고, 적응 제어 회로부(100)는 매 샘플링 마다 전술한 것과 같은 과정을 반복하여 차량의 실내에서 감지되는 엔진 소음을 점차 감소시키게 된다.
여기에서, 모터(500)의 진동을 발생시켜 능동 소음 제어에 활용할 축을 d축과 q축 중에 선정해야 한다. d축 및 q축은, 각각 모터(500)의 원심력 방향과 회전 방향의 축을 의미하며, 모터(500)에 구동 전력을 인가하는 3상 인버터의 3개 위상을 2개의 직교 좌표축으로 변환하여 제어하기 위한 것이다. 일반적으로 q축은 모터 토크를 제어하여 모터 본연의 기능을 사용하는 것이 필요하므로, 진동을 발생시켜 사운드를 생성하기 위해서는 d축을 사용하는 것이 더 바람직하다. 그러나, 진동을 발생시켜 사운드를 생성하는데 q축을 사용하는 것도 역시 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치에서 적응 제어 회로부에 적용된 적응 제어 알고리즘의 일례를 도시한 블록 선도이다.
적응 제어 회로부(100)에 적용될 수 있는 적응 제어 알고리즘에는, FxLMS(Filtered-input Least Mean Square), FxNLMS(Filtered-input Normalized Least Mean Square), FxRLS(Filtered-input Recursive Least Square), FxNRLS(Filtered-input Normalized Recursive Least Square) 등 다양한 알고리즘이 있는데 도 3에 도시된 예는 엔진 소음 저감을 위해 많이 사용되는 협대역 FxLMS 알고리즘에 관한 것이다.
기준 신호(x(n))은 엔진(700)에 설치된 기준 센서(11)인 rpm 센서에 의해 구할 수 있다. 도 2에서 설명한 것과 같이, rmp 센서에 의해 센싱된 신호에 정현파 생성기(13)를 적용함으로써 정현파 형태의 기준 신호(x(n))가 생성될 수 있다.
기준 신호(x(n))는 모터와 오차 센서(12) 사이의 전달 함수(S(z))의 추정 보상 필터(
Figure pat00001
)(110)을 거쳐서 LMS 제어기(120)에 입력이 된다. 또한, 엔진(700)에 의해 차량 실내로 유입된 소음과 방사음 발생부(600)에서 발생한 능동 사운드(y'(n)) 사이의 오차에 해당하는 오차 신호(e(n)) 역시 LMS 제어기(120)에 입력이 된다.
이어, LMS 제어기(120)는 적응 제어 필터(W(z))(130)의 필터값을 업데이트 하여 적응 제어 필터(W(z))(130)가 전류 지령치에 해당하는 신호(y(n))를 계산하여 출력하게 하고, 이 내보내고 이 신호는 D/A 컨버터(16)를 거쳐서 모터 제어부(300)에 입력이 된다. 이때, LMS 제어기(120)에 의해 이루어지는 필터값 업데이트 식은 다음과 같다.
[식 1]
Figure pat00002
한편, 전술한 적응 제어 알고리즘에서, 모터와 에러센서간 전달함수(S(z))를 추정하는 보상 필터(
Figure pat00003
)(110)를 모델링 하는 기법은 다음과 같다.
오차 센서(12)로서 차량 실내 마이크로 폰을 사용하는 경우, 모터(500)에서 발생한 가진력이 방사음 발생부(600)에 진동을 발생시키고, 이것이 차량의 구조와 공기를 통해 오차 센서(12)까지 소음으로 전달되는 2차 경로를 추정해서 보상 필터를 모델링 해야 하는데, 이를 위해 '실내 음압(A)/모터 가진력(F)'을 구해야 한다. 만약, 오차 센서(12)로서 가속도계를 사용하는 경우는 2차 경로 전달함수 보상 필터로서 '방사음 발생 구조물의 진동(V)/모터가진력(F)'을 이용할 수 있다.
한편, 위 두가지 경우 모두 출력(t)/입력(t)의 충격 응답 함수(Impulse Response Function)인 h(t)을 모델링 하는 것이 필요한데, 이를 모델링하는 데는 다음과 같은 다양한 방법이 있다.
먼저, 입력과 출력의 주파수 응답 함수를 계산한 뒤, FFT(Fast Fourier Transform) 역변환을 통해 h(t)를 구할 수 있다. 여기서, 입력과 출력의 주파수 응답함수, H(f)는 입력과 출력의 어느 부분에 노이즈 성분이 많으냐에 따라서 몇 가지 수식으로 유도가 가능하다.
이러한 방법 외에, h(t)는 입력과 출력의 전달함수의 분자와 분모를 다항함수 형태로 구성한 후, 폴(pole)과 제로(zero) 개수를 가정하여 커브 피팅을 한 후 이를 FFT 역변환하여 구할 수도 있다.
이러한 방법들은 결국 입력과 출력의 노이즈를 제거하고 실제 시스템의 물리적인 현상을 가장 잘 설명하도록 모델링 하기 위한 것으로서 당 기술 분야의 기술자가 적정한 방법을 선택하여 모델링함으로써 구현될 수 있다.
전류 센서(200)는 모터(500)의 각 상의 전류를 센싱하는 역할을 한다. 또한, 전류 센서(200)에서 센싱된 각 상의 전류는 d-q변환부(310)에 입력되어 d축 및 q축 전류로 변환될 수 있다.
모터 제어부(300)는 적응 제어 회로부(100)에서 생성된 전류 지령, 전류 센서(200)에서 센싱된 모터(500)의 실제 전류 정보 및 모터(500)의 역기전력 보상값에 기반하여 사운드가 발생되도록 모터(500)를 구동시키기 위한 전압 지령을 생성하고 모터(500)의 구동을 제어할 수 있다.
도 4는 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치에서 모터 제어부의 세부 구성을 도시한 블록도이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 모터 제어부(300)는 d-q 변환부(310), d-q 보상부(320), 전압 지령 생성부(330), d-q 역변환부(340) 및 PWM 제어부(350) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 아울러, 모터 제어부(300)는 모터(500)의 회전자의 위치를 센싱하는 위치센서(360) 및 센싱된 회전자의 위치에 기반하여 모터(500)의 각속도를 추출하는 각속도 추출부(370)를 더 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 회전자의 위치를 센싱하는 위치센서(360)로 홀센서, 엔코더 또는 레졸버 등이 사용될 수 있다.
보다 구체적으로, d-q 변환부(310)는 전류 센서(200)에서 측정된 모터(500)의 3상 전류를 d축 및 q축 전류로 변환하는 역할을 한다. 모터(500)의 3상 전류를 d축 및 q축 전류로 상변환하는 것은 기 공지된 기술이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
d-q 보상부(320)는 모터(500)의 d축 및 q축의 역기전력을 보상해주는 역할을 한다. 구체적으로, d-q 보상부(320)는 각속도 추출부(370)에서 추출된 모터(500)의 각속도, d축 및 q축의 인덕턴스, d축 및 q축의 전류 지령 값 및 모터의 자속에 기반하여 모터(500)의 d축 및 q축의 역기전력을 보상해줄 수 있다.
구체적으로, d-q 보상부(320)는 전향보상기로서 모터(500)의 d축 및 q축의 역기전력을 보상해줄 수 있다. 여기서, d-q 보상부(320)는 d축 보상부(321) 및 q축 보상부(322)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 모터(500)의 d축 및 q축의 역기전력 보상값은 하기의 식 2를 통해 산출될 수 있다.
[식 2]
V d_ref_ff = - ω r L q i q_ref
V q_ref_ff = ω r (L d i d_ref + Ψpm )
여기서, Vd_ref_ff는 d축 전향 보상기의 전압 지령치, Vq_ref_ff는 q축 전향 보상기의 전압 지령치, ω r는 모터 각속도, L q , L d는 q축, d축 각각의 인덕턴스, i q_ref , i d_ref는 q축, d축 각각의 전류 지령치, Ψpm는 모터의 자속을 의미한다.
전압 지령 생성부(330)는 적응 제어 회로부(100)로부터 입력된 d축 또는 q축의 전류 지령 값, d-q 변환부(310)에서 변환된 d축 및 q축의 실제 전류 값 및 d-q 보상부(320)를 통한 보상 값에 기반하여 모터(500)를 구동시켜 사운드를 생성하기 위한 d축 또는 q축 전압 지령을 생성할 수 있다.
구체적으로, 전압 지령 생성부(330)는 적응 제어 회로부(100)로부터 입력된 d축 또는 q축의 전류 지령 값 및 d-q 변환부(310)에서 변환된 d축 및 q축의 실제 전류 값을 비례적분 제어하는 비례적분 제어부(331,332)를 포함할 수 있다. 이때, 전압 지령 생성부(330)는 d축 및 q축에 대한 비례적분 제어부(331,332)를 각각 포함할 수 있다.
아울러, 전압 지령 생성부(330)는, d축의 경우 도 4와 같이 d축 비례적분 제어부(331)의 출력 값에서 d-q 보상부(320)를 통해 도출된 d축의 역기전력 보상 값을 뺀 후 해당 값을 모터(500)의 RL 회로(333)에 입력하여 모터(500)를 구동시켜 사운드를 생성하기 위한 d축 전압 지령 신호를 생성할 수 있다.
더 나아가, 전압 지령 생성부(330)는 q축의 경우 도 4와 같이 q축 비례적분 제어부(332)의 출력 값에서 d-q 보상부(320)를 통해 도출된 q축의 역기전력 보상 값을 합한 후 해당 값을 모터(500)의 RL 회로(333)에 입력하여 모터(500)를 구동시켜 사운드를 생성하기 위한 q축 전압 지령 신호를 생성할 수 있다.
d-q 역변환부(340)는 전압 지령 생성부(330)에서 생성된 전압 지령 신호를 3상으로 변환하는 역할을 한다. d-q 역변환부(340)에서는 전압 지령 생성부(330)에서 생성된 2 상의 d축 또는 q축 전압 지령 신호를 모터(500)에 인가하기 위해 3상 좌표계의 신호로 역변환할 수 있다. 여기서, 2상의 d축 및 q축의 신호를 3상의 신호로 변환하는 것은 기 공지된 기술이므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
PWM 제어부(350)는 d-q 역변환부(340)에서 변환된 3상 전압 지령 신호에 기반하여 PWM 신호를 제어할 수 있다.
구체적으로, PWM 제어부(350)는 d-q 역변환부(340)에서 출력된 3상 전압 지령 신호에 기반하여 추후 설명할 인버터(400)에 포함된 스위칭 소자에 인가되는 PWM 신호를 생성 및 제어하여 모터(500)에 원하는 전류가 입력되도록 할 수 있다. 실시예에 따라, PWM 제어부(350)는 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation) 또는 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)일 수 있다. SVPWM 또는 SPWM에서 PWM 신호를 생성 및 제어하는 것은 기 공지된 기술이므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
인버터(400)는 복수의 스위칭 소자를 포함하여 구성되며, PWM 제어부(350)로부터 출력되는 PWM 신호에 따라 스위칭 소자가 온/오프됨으로써 교류 전력을 모터(500)에 제공하여 모터(500)가 구동되도록 할 수 있다.
모터(500)는 영구자석동기모터(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)로서, 차량에 탑재된 스티어링휠 축(700)과 연결되어 스티어링휠의 조향을 보조하는 모터일 수 있다. 실시예에 따라, 모터(500)는 MDPS(Motor Driven Power Steering)일 수 있다.
방사음 발생부(600)는 모터 제어부(300)에 의해 구동되는 모터(500)로부터 발생한 진동을 이용하여 사운드를 발생시키는 역할을 한다.
본 발명의 여러 실시형태는, 모터(500)에 가진력을 발생시키고, 그 가진력이 모터(500)를 지지하는 마운팅을 거쳐 방사음 발생부(600)로 전달되어 방사음 발생부(600)에서 사운드를 증폭시킨 후, 적응 제어 회로부(100)에서 실내 소음을 센싱한 신호에 FxLMS 알고리즘과 같은 적응 제어 알고리즘 등을 적용하여 모터 가진력을 제어함으로써 차량의 엔진 소음 등을 저감하는 원리로 동작한다.
이 때, 가진력을 발생시키는 방향은 모터 회전방향 또는 원심력 방향 모두 가능한데, 모터 회전방향은 일반적으로 모터 고유의 기능을 위해 사용하는 것이 필요하므로, 모터 원심력 방향으로 가진력을 발생시키는 것이 좋다. 모터(500)에서 발생한 가진력은 구조 전달음 (structure borne sound)을 유발하고 이 구조 전달음에 의해 차량의 소음이 상쇄될 수 있다.
일례로, 차량의 스티어링 칼럼에 부착하는 MDPS(Motor Driven Power Steering)의 경우 공기 전달음의 기여가 매우 미약한 것을 확인하였고, 구조 전달음의 전달 경로는, 첫번째 기어박스를 통해 기어박스 마운팅 구조물로 전달되는 경로, 두번째 스티어링 칼럼을 통해 스티어링 휠로 전달되는 경로, 세번째 스티어링 칼럼 마운팅을 통해 방사음 발생 구조물로 전달되는 경로로 나뉠 수 있는데 이중 세번째 경로의 기여가 가장 큰 것을 실험으로 확인하였다. 본 발명의 일 실시형태에서는 세번째 경로를 이용하여 구조전달음을 최대화 할 수 있도록 방사음 발생부(600)의 구조를 설계할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치의 방사음 발생부의 사시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치의 방사음 발생부의 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 방사음 발생부(600)은, 모터(500)와 연결되어 모터(500)에서 발생한 진동을 전달하는 모터 지지 구조물(630)과, 모터 지지 구조물(630)을 고정하는 마운팅 브라켓(620)과, 마운팅 브라켓(620)이 고정되며 모터 지지 구조물(630) 및 마운팅 브라켓(620)을 통해 전달되는 모터(500)의 진동을 이용하여 방사음을 발생시키는 방사음 발생 패널(610)을 포함할 수 있다.
모터 지지 구조물(630) 및 마운팅 브라켓(620)을 거쳐 모터(500)의 진동이 전달되면, 방사음 발생 패널(610)이 진동함으로써 큰 음량의 사운드를 발생시키게 되는데, 방사음 발생 패널(610)은 패널의 두께 및 패널에 부착되는 형태의 주파수 튜닝용 구조물(640)을 활용하여 특정 주파수에서 진동-음향 감도가 높아 지도록 주파수가 튜닝될 수 있다. 주파수 튜닝용 구조물(640)은 부가하는 중량을 높일 수록 방사음 발생 패널의 진동-음향 감도가 저주파에서 증가하는 역할을 하고, 리브와 같은 형상으로 만들어 부착할 경우 패널의 강성을 높여서 방사음 발생 패널의 진동-음향 감도가 고주파에서 증가하는 역할을 할 수 있다. 아울러, 방사음 발생 패널 (54)이 제어 대상 소음을 상쇄할 수 있도록 충분한 음량의 사운드를 발생시키기 위해서는, 진동이 전달되는 마운팅 브라켓(52)에 비해 방사음 발생 구조물(5)의 다이나믹 임피던스가 낮도록 설계하는 것이 필요하다. 일반적으로 소음과 진동을 저감하기 위해서는, 진동의 수신측 다이나믹 임피던스를 높게 설계하는 것이 필요한데, 본 발명의 여러 실시형태에서는 오히려 소음과 진동을 크게 발생시키는 것이 요구되므로, 진동의 수신측 다이나믹 임피던스를 낮게 설계하고, 방사음이 커질 수 있도록, 방사음 발생부(600)의 표면 방사효율을 높게 설계하는 것이 필요하다. 이를 위해서는, 마운팅 브라켓(620)의 두께에 비하여 패널의 두께를 얇게 설계하고, 질량은 적으면서 비교적 단단한 재질을 사용하는 것이 좋으며, 아울러 주어진 레이아웃이 허용하는 한 표면적을 최대한 넓게 설계 하는 것이 바람직하다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시형에 따른 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치의 노이즈 제거 효과를 확인하기 위한 실험 결과를 도시한 그래프이다.
도 7 내지 도 10의 결과를 도출한 실험은, 차량에 있는 모터 중의 하나로서 스티어링 휠 조타 기능을 수행하는 칼럼 부착식 MDPS(Motor Driven Power Steering) 모터를 사용하여 능동 소음 제거 장치를 제작하여 진행된 실험이다.
실험 장치의 후방 이격된 위치에 스피커를 설치한 후 임의의 소음을 발생시키고, 원 소음의 주파수를 기준 신호로 입력하면서 실험 장치 전방에 설치된 마이크로 폰에서 오차 신호를 받아서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 적응 제어 회로부와 모터 제어 회로부를 이용하여 MDPS 모터를 구동하고, MDPS 모터에 의해 가진된 진동에 의해 방사음 발생부에서 사운드를 발생시킴으로써 원 소음을 상쇄시키는 실험을 수행하였다. 이 때, 원 소음은 임의로 50Hz 사인파로 설정하였고, 제어회로의 샘플링 주파수는 500Hz로 설정하였으며, 적응제어 필터의 갯수는 50Hz 사인파의 크기와 위상을 제어하기 위해 2개(W1, W2)로 설정하였다.
도 7에 나타난 W1(n) 및 W2(n), 도 8에 나타난 y(n), 도 9에 나타난 e(n)의 x축은 매 샘플링 횟수에 해당하고 총 1초 동안 제어를 수행한 결과를 보이고 있다. 도 7 내지 도 10에 각각 결과를 보면, 도 7에 나타난 필터값 W1(n)과 W2(n)은 매회 업데이트 되어 샘플링 횟수 약 200회 이후 변화가 감소하고 있고, 도 8에 나타난 제어 출력(y(n)) 역시 샘플링 횟수 약 200회 이후 변화가 감소하며, 도 9에 나타난 오차 신호(e(n))은 초기에는 약 2 정도의 크기에서 점차 감소하다가 샘플링 횟수 약 200회 이후 0.2~0.6의 값으로 수렴하는 것을 볼 수 있다. 더 이상 오차가 줄지 않는 것은 제어 대상 소음 외 존재하는 잡음 영향으로 판단된다. 아울러, 도 10은 제어 초기와 제어 후기의 오차 신호(e(n)) 50개 데이터를 FFT 변환하여, 주파수 영역에서 오차 신호를 제어 초기와 후기에 대하여 비교한 결과를 나타낸 것으로, 본 발명의 일 실시형태를 통해 제어 대상 소음인 50Hz 소음의 크기가 1.26에서 0.44로 약 65% 저감된 것으로 나타났다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치는, 노이즈 제거를 위한 별도의 액추에이터 및 외장 앰프를 추가하지 않고 차량에 기 설치된 모터를 제어하여 소음을 능동적으로 제거할 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치는, 차량의 전체적인 중량 및 원가를 절감하면서도 차량 실내 소음을 능동적으로 제거할 수 있다.
11: 기준 센서 12: 오차 센서
13: 정현파 생성기 14: 시그널 콘디셔너
15: A/D 컨버터 16: D/A 컨버터
100: 적응 제어 회로부 200: 전류 센서
300: 모터 제어부 310: d-q 변환부
320: d-q 보상부 330: 전압 지령 생성부
331: d축 비례적분 제어부 332: q축 비례적분 제어부
333: 모터 RL 회로 340: d-q 역변환부
350: PWM 제어부 360: 위치센서
370: 각속도 추출부 400: 인버터
500: 모터 600: 방사음 발생부
610: 방사음 발생 패널 620: 마운팅 브라켓
630: 모터 지지 구조물 640: 주파수 튜닝용 구조물
700: 엔진

Claims (10)

  1. 차량에 탑재된 모터를 제어하여 차량 실내의 소음을 상쇄시키기 위한 사운드를 발생시키는 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치에 있어서,
    차량의 소음원의 작동 정보를 센싱하는 기준 센서;
    상기 차량의 실내 소음에 대응되는 정보를 센싱하는 오차 센서;
    상기 기준 센서 및 상기 오차 센서에서 센싱된 센싱 신호를 기반으로 상기 차량의 실내 소음을 감소시키기 위한 필터링 값을 조정하며, 조정된 필터링 값을 적용하여 상기 모터를 구동 시키기 위한 전류 지령을 생성하는 적응 제어 회로부;
    상기 전류 지령을 추종하도록 상기 모터를 구동을 제어하는 모터 제어부; 및
    상기 모터의 구동에 의해 생성된 진동을 이용하여 상기 실내 소음을 상쇄키시기 위한 사운드를 발생시키는 방사음 발생부;
    를 포함하는 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 오차 센서는 상기 소음원에 의한 소음과 상기 방사음 발생부에서 발생한 사운드의 오차에 해당하는 정보를 센싱하여 출력하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제거 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 적응 제어 회로부는,
    상기 기준 센서의 센싱 신호를 필터링하여 상기 전류 지령에 대응되는 신호를 출력하는 적응 제어 필터; 및
    상기 소음원과 상기 오차 센서간 음향 전달 함수를 추정한 추정 보상 필터에 의해 필터링된 상기 기준 센서의 센싱 신호와 상기 오차 센서의 센싱 신호를 기반으로 상기 적응 제어 필터의 필터값을 업데이트 하는 LMS(Least Mean Square) 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제거 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 모터 제어부는,
    상기 전류 센서에서 측정된 상기 모터의 3상 전류를 d축 및 q축 전류로 변환하는 d-q변환부;
    상기 모터의 d축 및 q축의 역기전력을 보상해주는 d-q 보상부;
    상기 적응 제어 회로부로부터 입력된 d축 또는 q축의 전류 지령 값, 상기 d-q 변환부에서 변환된 d축 및 q축의 실제 전류 값 및 상기 d-q 보상부를 통한 보상 값에 기반하여 상기 모터를 구동시키기 위한 d축 또는 q축 전압 지령을 생성하는 전압 지령 생성부;
    상기 전압 지령 생성부에서 생성된 전압 지령 신호를 3상으로 변환하는 d-q 역변환부; 및
    상기 d-q 역변환부에서 변환된 3상 전압 지령 신호에 기반하여 PWM 신호를 제어하는 PWM 제어부 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 모터의 회전자의 위치를 센싱하는 위치센서; 및
    상기 센싱된 회전자의 위치에 기반하여 상기 모터의 각속도를 추출하는 각속도 추출부를 더 포함하며,
    상기 d-q 보상부는 상기 각속도 추출부에서 추출된 모터의 각속도, d축 및 q축의 인덕턴스, d축 및 q축의 전류 지령 값 및 모터의 자속에 기반하여 모터의 d축 및 q축의 역기전력을 보상하는 것을 특징으로 하는 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 PWM 제어부는 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation) 또는 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)인 것을 특징으로 하는 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치.
  7. 청구항 4에 있어서,
    복수의 스위칭 소자를 포함하며, 상기 PWM 제어부로부터 출력되는 PWM 신호에 따라 상기 스위칭 소자가 온/오프됨으로써 교류 전력을 상기 모터에 제공하여 상기 모터를 구동시키는 인버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터는 차량에 탑재된 스티어링휠 축과 연결되어 상기 스티어링휠의 조향을 보조하는 MDPS(Motor Driven Power Steering) 모터인 것을 특징으로 하는 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 방사음 발생부는,
    상기 모터에 연결되어 상기 모터에서 발생한 진동을 전달하는 모터 지지 구조물;
    상기 모터 지지 구조물을 고정하는 마운팅 브라켓; 및
    상기 마운팅 브라켓을 통해 전달되는 상기 모터의 진동을 이용하여 상기 사운드를 발생시키는 방사음 발생 패널을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 방사음 발생부는,
    상기 방사음 발생 패널에 부착되어 상기 방사음 발생 패널에서 발생하는 사운드의 주파수를 조정하는 주파수 튜닝용 구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터를 이용한 능동 소음 제거 장치.
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