KR20210137757A - 단일 전류 센서를 이용한 위치 센서리스 모터 제어 시스템 - Google Patents

단일 전류 센서를 이용한 위치 센서리스 모터 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터 제어 시스템에 관한 것으로, 명령에 기초하여 기준 전류를 생성하는 기준 전류 생성부, 상기 기준 전류, 고주파 전압 및 피드백 전류에 기초하여 상전압을 생성하고, 상기 상전압을 모터에 제공하는 모터 전압 제공부, 및 상기 기준 전류와 상기 피드백 전류에 기초하여 생성되는 전압의 크기에 대응하는 상기 고주파 전압을 생성하는 고주파 전압 생성부를 포함할 수 있다.

Description

단일 전류 센서를 이용한 위치 센서리스 모터 제어 시스템{POSITION SENSORLESS MOTOR CONTROL SYSTEM USING SINGLE CURRENT SENSOR}
본 발명은 모터의 제어 시스템에 관한 것으로, 특히 단일 전류 센서를 이용한 동기 전동기의 위치 센서리스 제어에 관한 것이다.
모터 제어 시스템에서 원가절감을 위하여, 위치센서를 제거한 위치센서리스 제어와 전류 센서를 하나만 사용한 단일 전류 센서 제어 관련 기술이 활발하게 개발되고 있다.
위치 센서리스 제어들 중 하나는 전동기에 고주파 전압 신호를 주입하여 유도된 고주파 전류로부터 전동기의 위치 정보를 추정하는 것이고, 단일 전류 센서 제어는 전동기의 DC-Link 전류로부터 3상 전류를 검출하기 위해 PWM 스위치 패턴을 변경시킨다.
원가 절감을 극대화하기 위해 개발된 종래의 단일 전류 센서를 이용한 위치 센서리스 모터 제어 시스템의 경우, 종래의 위치 센서리스 제어와 종래의 단일 전류 센서 제어 기술들에 대한 상호 영향에 대한 고려 없이 적용되어, 상용화할 만큼의 만족할 만한 제어 성능을 나타내지 못한다.
예를 들어, 종래의 단일 전류 센서를 이용한 위치 센서리스 모터 제어 시스템에서, 전류 제어기를 이용한 기준 전압 생성부의 출력전압 지령벡터와 고주파 전압벡터가 합성된 최종전압 지령벡터가 인버터의 공간벡터의 측정 불가능한 영역에 위치한 경우, 종래의 단일 전류 센서 제어가 일정한 DC-Link 전류를 확보하기 위해 PWM 스위치 패턴을 변경시키므로, 앞서 설명된 고주파 전압 신호가 제대로 주입되지 않는다. 따라서 위치 센서리스 제어 성능이 저하된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하여, 단일 전류 센서를 이용한 위치 센서리스 모터 제어 시스템에서 안정적인 제어 성능을 제공하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 제어 시스템은, 명령에 기초하여 기준 전류를 생성하는 기준 전류 생성부, 상기 기준 전류, 고주파 전압 및 피드백 전류에 기초하여 상전압을 생성하고, 상기 상전압을 모터에 제공하는 모터 전압 제공부, 및 상기 기준 전류와 상기 피드백 전류에 기초하여 생성되는 전압의 크기에 대응하는 상기 고주파 전압을 생성하는 고주파 전압 생성부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 모터 제어 시스템은, 기준 전류 및 피드백 전류에 기초하여 기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성부, 상기 기준 전압의 크기에 대응하는 고주파 전압을 생성하는 고주파 전압 생성부, 상기 기준 전압에 상기 고주파 전압을 주입시키는 제 1 좌표 변환부; 및 상기 제 1 좌표 변환부의 출력에 기초하여 상전압을 생성하고, 상기 상전압을 모터에 제공하는 인버터를 포함할 수 있다.
본 기술은 모터의 회전자 위치를 검출하는 위치 센서와 모터의 상전류를 검출하는 3개의 전류 센서 대신에 하나의 전류 센서만을 사용하기 때문에 제조 원가를 절감시킬 수 있다.
또한, 본 기술은 모터 제어 시스템의 최종전압 지령 벡터가 항상 측정 가능한 영역에 위치하므로, 종래의 단일 전류 센서 제어 기술에서 PWM 스위치 패턴의 변경 알고리즘을 제거할 수 있어, 제어 연산량을 감소시킬 수 있다.
또한, PWM 스위치 패턴의 변경이 발생하지 않으므로, 안정적인 고주파 전압 신호가 주입될 수 있어 안정적인 위치 센서리스 제어 성능을 구현할 수 있다.이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 제어 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 제어 시스템의 제 1 좌표 변환부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 제어 시스템의 제 2 좌표 변환부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 제어 시스템의 고주파 전압 생성부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 모터 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 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 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 4을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 제어 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 제어 시스템은 차량의 내부에 구현될 수 있다. 이때, 차량의 모터 제어 시스템은 차량의 내부 제어 유닛들과 일체로 형성될 수 있으며, 별도의 장치로 구현되어 별도의 연결 수단에 의해 차량의 제어 유닛들과 연결될 수도 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 제어 시스템은 기준 전류 생성부(100), 모터 전압 제공부(200), 고주파 전압 생성부(300) 및 모터(400)를 포함할 수 있다.
기준 전류 생성부(100)는 명령(CMD)에 기초하여 기준 전류(I_r)를 생성하고 출력할 수 있다. 이때, 기준 전류 생성부(100)는 명령(CMD)에 대응하는 모터(400)의 토크를 발생시킬 수 있는 전류량을 갖는 기준 전류(I_r)를 출력할 수 있다.
모터 전압 제공부(200)는 기준 전류 생성부(100)로부터 출력되는 기준 전류(I_r) 및 고주파 전압 생성부(300)로부터 출력되는 고주파 전압(V_a)에 기초하여 상전압(V_p)을 생성하고, 생성된 상전압(V_p)을 모터(400)에 제공할 수 있다.
예를 들어, 모터 전압 제공부(200)는 기준 전류(I_r)와 피드백 전류(I_fb)에 기초하여 기준 전압(V_r)을 생성하고, 기준 전압(V_r)과 고주파 전압(V_a)에 기초하여 상전압(V_p)을 생성할 수 있다. 이때, 피드백 전류(I_fb)는 모터가 소모한 전류량에 대응되는 전류량을 가질 수 있으며, 모터 전압 제공부(200)가 포함하는 인버터(230)의 내부에 흐르는 DC-link 전류(I_dc)에 기초하여 생성되는 전류를 의미할 수 있다.
모터 전압 제공부(200)는 기준 전압 생성부(210), 제 1 좌표 변환부(220), 인버터(230), 전류 재구축부(240) 및 제 2 좌표 변환부(250)를 포함할 수 있다.
기준 전압 생성부(210)는 기준 전류(I_r) 및 피드백 전류(I_fb)에 기초하여 기준 전압(V_r)을 생성할 수 있다.
예를 들어, 기준 전압 생성부(210)는 기준 전류(I_r)와 피드백 전류(I_fb)의 전류량 차이에 대응되는 전압 레벨을 갖는 기준 전압(V_r)을 생성할 수 있다.
제 1 좌표 변환부(220)는 기준 전압(V_r)과 고주파 전압(V_a)에 기초하여 변환 전압(V_c)을 생성할 수 있다. 이때, 기준 전압(V_r)은 회전자 기준 좌표계를 기준으로 레벨이 제어되는 전압이고, 고주파 전압(V_a)은 고정자 기준 좌표계를 기준으로 레벨이 제어되는 전압이며, 변환 전압(V_c)는 3상 좌표계를 기준으로 레벨이 제어되는 전압일 수 있다.
예를 들어, 제 1 좌표 변환부(220)는 회전자 기준 좌표계의 기준 전압(V_r)을 고정자 기준 좌표계로 변환하고, 고정자 기준 좌표계로 변환된 기준 전압(V_r)에 고정자 기준 좌표계의 고주파 전압(V_a)을 주입시켜 변환 전압(V_c)을 생성할 수 있다. 이때, 고주파 전압(V_a)은 고정자 기준 좌표계로 변환된 기준 전압(V_r)의 크기에 대응되는 전압 레벨일 수 있다. 즉, 고주파 전압(V_a)은 고정자 기준 좌표계로 변환된 기준 전압(V_r)의 크기에 비례하는 전압일 수 있다.
인버터(230)는 변환 전압(V_c)을 제공받아 상전압(V_p)을 생성할 수 있다. 이때, 인버터(230)는 하나의 DC-Link 커패시터와 복수의 스위치로 구현될 수 있고, 각 스위치의 스위칭 동작에 의해 상전압(V_p)이 생성될 수 있다. 상전압(V_p)은 서로 120도의 위상차를 갖는 3개의 상을 갖는 전압들을 포함할 수 있다. 인버터(230)를 구성하는 DC-Link 커패시터의 상단 또는 하단에 흐르는 전류를 DC-link 전류(I_dc)라고 할 수 있다.
전류 재구축부(240)는 유효 전압벡터와 DC-link 전류(I_dc)에 기초하여 상전류(I_p)를 생성할 수 있다. 즉, 전류 재구축부(240)는 DC-link 전류(I_dc)의 전류량에 대응하는 값을 갖는 상전류(I_p)를 생성할 수 있다. 이때, 상전류(I_p)는 3상 좌표계를 기준으로 레벨이 제어되는 전류일 수 있다.
제 2 좌표 변환부(250)는 상전류(I_p)를 피드백 전류(I_fb)로 변환시킬 수 있다. 이때, 제 2 좌표 변환부(250)는 3상 좌표계의 상전류(I_p)를 고정자 기준 좌표계의 전류로 변환하고, 변환된 고정자 기준 좌표계의 전류를 회전자 기준 좌표계의 전류로 변환시켜 피드백 전류(I_fb)로서 출력할 수 있다. 피드백 전류(I_fb)를 구성하는 전류 성분 즉, 회전자 기준 좌표계의 좌표 값에는 모터(400)의 회전자 위치 정보가 포함될 수 있다.
고주파 전압 생성부(300)는 회전자 기준 좌표계로 표현되는 기준 전압(V_r)의 기본파 크기에 대응하는 고주파 전압(V_a)을 생성하여 제 1 좌표 변환부(220)에 제공할 수 있다.
예를 들어, 고주파 전압 생성부(300)는 제 1 좌표 변환부(220)에서 고정자 기준 좌표계로 변환된 기준 전압(V_i)을 입력받고, 입력받은 기준 전압(V_i)의 기본파 크기를 산출하고, 산출된 기본파 크기에 대응하는 고주파 전압(V_a)을 생성할 수 있다. 고주파 전압 생성부(300)는 생성된 고주파 전압(V_a)을 제 1 좌표 변환부(220)에 제공할 수 있다.
이때, 화전 좌표계의 기준 전압(V_r)을 고정자 기준 좌표계로 변환하고, 변환된 고정자 기준 좌표계의 전압을 3상 좌표계의 변환 전압(V_c)으로 변환하는 제 1 좌표 변환부(220)에서 기준 전압(V_r)이 고정자 기준 좌표계의 전압으로 변환되었을 때의 전압을 입력 전압(V_i)이라 명칭할 수 있다. 고주파 전압 생성부(300)는 입력 전압(V_i)의 크기를 산출하고, 산출된 값에 대응되는 고주파 전압(V_a)을 생성할 수 있다.
모터(400)는 인버터(230)로부터 제공되는 상전압(V_p)에 제공받아 회전할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 제어 시스템의 제 1 좌표 변환부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 제 1 좌표 변환부(220)는 제 1-1 좌표 변환부(221), 전압 주입부(222) 및 제 1-2 좌표 변환부(223)를 포함할 수 있다.
제 1-1 좌표 변환부(221)는 기준 전압 생성부(210)으로부터 제공되는 회전자 기준 좌표계에 따른 기준 전압(V_r)을 고정자 기준 좌표계에 따른 전압으로 변환시킬 수 있다. 이때, 제 1-1 좌표 변환부(221)에서 변환된 전압은 입력 전압(V_i)으로 고주파 전압 생성부(300)에 제공될 수 있다.
전압 주입부(222)는 제 1-1 좌표 변환부(221)에서 변환된 전압에 고주파 전압 생성부(300)에서 생성된 고주파 전압(V_a)를 주입시킬 수 있다.
제 1-2 좌표 변환부(223)는 고주파 전압(V_a)이 주입된 고정자 기준 좌표계의 전압을 3상 좌표계에 따른 변환 전압(V_c)으로 변환시킬 수 있다.
이때, 제 1 좌표 변환부(220)가 회전자 기준 좌표계를 바로 3상 좌표계로 변환시키지 않고, 회전자 기준 좌표계를 고정자 기준 좌표계로 변환한 이후 3상 좌표계로 다시 변환하는 이유는 다른 좌표계보다 고정자 기준 좌표계에서의 전압 제어가 쉽기 때문이다. 즉, 고정자 기준 좌표계로 변환된 기준 전압(V_r)의 크기를 산출하는 것은 다른 좌표계로 변환된 기준 전압의 크기를 산출하는 것보다 용이하기 때문에 고주파 전압(V_a)의 크기 및 레벨 제어가 용이할 수 있다.
정리하면, 제 1 좌표 변환부(220)에서 전압 주입부(222)가 고정자 기준 좌표계 영역에서 동작하는 이유는 상전압(V_c)이 항상 측정 가능한 영역에 위치하도록 고주파 전압(V_a)의 크기를 산출하기가 다른 좌표계에서 연산한 것에 비해 용이하기 때문이다. 즉, 고정자 기준 좌표계에서는 고주파 전압(V_a)의 제어가 용이할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 제어 시스템의 제 2 좌표 변환부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 제 2 좌표 변환부(250)는 제 2-1 좌표 변환부(251), 밴드패스 필터(252), 위치 추정부(253), 제 2-2 좌표 변환부(254) 및 로우패스 필터(255)를 포함할 수 있다.
제 2-1 좌표 변환부(251)는 상전류(I_p)를 고정자 기준 좌표계에 따른 전류로 변환시킬 수 있다. 이때, 제 2-1 좌표 변환부(251)는 3상 전류 좌표계에 따른 상전류(I_p)를 전류 재구축부(240)로부터 제공받을 수 있다.
밴드패스 필터(252)는 기설정된 주파수 성분만을 통과시키는 필터로서, 제 2-1 좌표 변환부(251)로부터 출력되는 전류 성분 중 고주파 성분만을 통과시켜 위치 추정부(253)에 제공할 수 있다. 이때, 밴드패스 필터(252)는 고주파 패스 필터로 구현될 수 있다.
위치 추정부(253)는 밴드패스 필터(252)로부터 제공되는 고주파 성분에 기초하여 모터(400)의 회전자 위치를 추정하고, 추정된 결과를 위치 정보(M_p)로서 출력할 수 있다. 이때, 위치 정보(M_p)는 모터(400)의 회전자 위치에 대한 각도 정보를 포함할 수 있다.
제 2-2 좌표 변환부(254)는 제 2-1 좌표 변환부(251)에서 변환된 고정자 기준 좌표계에 따른 전류를 회전자 기준 좌표계에 따른 전류로 변환할 수 있다. 이때, 제 2-1 좌표 변환부(254)는 위치 정보(M_p)에 기초하여 회전자 기준 좌표계에 따른 전류를 직류 성분(DC, Direct Current)으로 변환할 수 있다.
즉, 제 2-2 좌표 변환부(254)는 제 2-1 좌표 변환부(251)에서 변환된 고정자 기준 좌표계에 따른 전류를 회전자 기준 좌표계로 표현되는 직류 성분을 포함하는 전류로 변환할 수 있다.
로우패스 필터(255)는 제 2-1 좌표 변환부(254)로부터 출력되는 전류의 저주파 성분만을 피드백 전류(I_fb)로서 출력할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 제어 시스템의 고주파 전압 생성부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전압 크기 산출부(310), 입력 제어부(320), 입력 선택부(330) 및 복수의 전압 생성부(341, 342, 343, 344, 345, 346)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 복수의 전압 생성부는 제 1 내지 제 6 전압 생성부(341, 342, 343, 344, 345, 346)를 개시하였지만, 전압 생성부의 개수를 한정하는 것이 아님을 밝혀둔다.
전압 크기 산출부(310)는 제 1 좌표 변환부(220)로부터 제공받은 입력 전압(V_i)의 크기를 산출하는 구성으로서, 보다 상세하게는 입력 전압(V_i)의 절대 크기를 산출할 수 있다.
예를 들어, 전압 크기 산출부(310)는 고정자 기준 좌표계에 따른 입력 전압(V_i) 즉, 두 개의 축에 대한 좌표로 나타내어지는 입력 전압(V_i)의 크기를 다음과 같은 공식에 의해 산출할 수 있다.
만약, 입력 전압(V_i)의 고정자 기준 좌표계에 따른 좌표가 (a, b)라면 전압 산출부(310)는
Figure pat00001
의 값을 연산함으로써, 입력 전압(V_i)의 크기를 산출하고, 그 결과를 연산 전압 정보(VL_c)로서 출력할 수 있다.
입력 제어부(320)는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 시스템의 샘플링 주기에 기초하여 입력 제어 코드(In_c)를 생성할 수 있다. 이때, 입력 제어 코드(In_c)는 복수의 비트를 포함할 수 있으며, 입력 제어부(320)는 카운터를 포함할 수 있다.
예를 들어, 입력 제어부(320)는 샘플링 주기마다 입력 제어 코드(In_c)의 코드 값을 증가시키고, 입력 제어 코드(In_c)의 코드 값이 기설정된 최대 값에 도달하면 다시 기설정된 최소 값의 코드 값으로 복귀시킬 수 있다.
더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
입력 제어 코드(In_c)는 최대 값으로 6, 최소 값으로 1이 기설정되고, 샘플링 주기마다 입력 제어 코드(In_c)의 코드 값이 1씩 증가될 수 있다고 가정한다.
입력 제어부(320)는 샘플링 주기마다 1부터 6까지 입력 제어 코드(In_c)의 코드 값을 증가시키고, 입력 제어 코드(In_c)의 코드 값이 최대 값인 6에 도달하면 다음 샘플링 주기에 입력 제어 코드(In_c)의 코드 값을 최소 값인 1로 복귀시킬 수 있다.
입력 선택부(330)는 연산 전압 정보(VL_c)를 제 1 내지 제 6 전압 생성부(341, 342, 343, 344, 345, 346) 중 입력 제어 코드(In_c)의 코드 값에 대응하는 전압 생성부에 입력시킬 수 있다.
예를 들어, 입력 선택부(330)는 입력 제어 코드(In_c)의 코드 값이 1일 경우 제 1 내지 제 6 전압 생성부(341, 342, 343, 344, 345, 346) 중 제 1 전압 생성부(341)을 선택하고, 선택된 제 1 전압 생성부(341)에 연산 전압 정보(VL_c)를 출력할 수 있다.
입력 선택부(330)는 입력 제어 코드(In_c)의 코드 값이 2일 경우 제 1 내지 제 6 전압 생성부(341, 342, 343, 344, 345, 346) 중 제 2 전압 생성부(342)을 선택하고, 선택된 제 2 전압 생성부(342)에 연산 전압 정보(VL_c)를 출력할 수 있다.
입력 선택부(330)는 입력 제어 코드(In_c)의 코드 값이 3일 경우 제 1 내지 제 6 전압 생성부(341, 342, 343, 344, 345, 346) 중 제 3 전압 생성부(343)을 선택하고, 선택된 제 3 전압 생성부(343)에 연산 전압 정보(VL_c)를 출력할 수 있다.
입력 선택부(330)는 입력 제어 코드(In_c)의 코드 값이 4일 경우 제 1 내지 제 6 전압 생성부(341, 342, 343, 344, 345, 346) 중 제 4 전압 생성부(344)을 선택하고, 선택된 제 4 전압 생성부(344)에 연산 전압 정보(VL_c)를 출력할 수 있다.
입력 선택부(330)는 입력 제어 코드(In_c)의 코드 값이 5일 경우 제 1 내지 제 6 전압 생성부(341, 342, 343, 344, 345, 346) 중 제 5 전압 생성부(345)을 선택하고, 선택된 제 5 전압 생성부(345)에 연산 전압 정보(VL_c)를 출력할 수 있다.
입력 선택부(330)는 입력 제어 코드(In_c)의 코드 값이 6일 경우 제 1 내지 제 6 전압 생성부(341, 342, 343, 344, 345, 346) 중 제 6 전압 생성부(346)을 선택하고, 선택된 제 6 전압 생성부(346)에 연산 전압 정보(VL_c)를 출력할 수 있다.
제 1 내지 제 6 전압 생성부(341, 342, 343, 344, 345, 346) 각각은 입력되는 연산 전압 정보(VL_c)에 대응하는 레벨을 갖는 고주파 전압(V_a)을 생성할 수 있다.
예를 들어, 제 1 내지 제 6 전압 생성부(341, 342, 343, 344, 345, 346) 각각은 연산 전압 정보(VL_c)를 입력으로 하는 기설정된 공식에 따라 고주파 전압(V_a)을 생성할 수 있다. 이때, 고주파 전압(V_a)은 고정자 기준 좌표계에 따른 전압이므로 2개의 축 좌표로 나타내어질 수 있다. 즉, 고주파 전압(V_a)은 제 1 축 좌표 값과 제 2 축 좌표 값으로 나타낼 수 있다.
제 1 내지 제 6 전압 생성부(341, 342, 343, 344, 345, 346) 각각은 고주파 전압(V_a)의 제 1 축 및 제 2 축 좌표 값 각각을 A*(VL_c의 크기)+ B*C로 나타날 수 있다. 이때, A, B, C 값은 기설정된 상수일 수 있고, A, B는 각 전압 생성부에 따라 값이 변할 수 있으나 C는 모든 전압 생성부에 동일한 값이 적용될 수 있다.
제 1 내지 제 6 전압 생성부(341, 342, 343, 344, 345, 346) 각각에서 생성되는 고주파 전압(V_a)의 제 1 축 좌표 값과 제 2 축 좌표 값을 개시하면 다음의 표와 같을 수 있다.
제 1 축 좌표 값 제 2 축 좌표 값
제 1 전압 생성부
Figure pat00002
*(VL_c의 크기)+
Figure pat00003
*상수		 (VL_c의 크기) +
Figure pat00004
*상수
제 2 전압 생성부 0 2*(VL_c의 크기)+
Figure pat00005
*상수
제 3 전압 생성부 -(
Figure pat00006
*(VL_c의 크기)+
Figure pat00007
*상수)		 (VL_c의 크기) +
Figure pat00008
*상수
제 4 전압 생성부 -(
Figure pat00009
*(VL_c의 크기)+
Figure pat00010
*상수)		 -{(VL_c의 크기) +
Figure pat00011
*상수}
제 5 전압 생성부 0 -{2*(VL_c의 크기)+
Figure pat00012
*상수}
제 6 전압 생성부
Figure pat00013
*(VL_c의 크기)+
Figure pat00014
*상수		 -{(VL_c의 크기) +
Figure pat00015
*상수}
상기 표 1의 상수는 모두 동일한 값일 수 있다. 제 1 전압 생성부(341)에서 제 1 축 좌표 값의 상수 A는
Figure pat00016
일 수 있고, B는
Figure pat00017
일 수 있으며, 제 2 축 좌표 값의 상수 A는 1일 수 있고 B는
Figure pat00018
일 수 있다.
제 2 전압 생성부(342)에서 제 1 축 좌표 값의 상수 A와 B는 0일 수 있고, 제 2 축 좌표 값의 상수 A는 2일 수 있고 B는
Figure pat00019
일 수 있다.
제 3 전압 생성부(343)에서 제 1 축 좌표 값의 상수 A는 -
Figure pat00020
일 수 있고, B는 -
Figure pat00021
일 수 있으며, 제 2 축 좌표 값의 상수 A는 1일 수 있고 B는
Figure pat00022
일 수 있다.
제 4 전압 생성부(344)에서 제 1 축 좌표 값의 상수 A는 -
Figure pat00023
일 수 있고, B는 -
Figure pat00024
일 수 있으며, 제 2 축 좌표 값의 상수 A는 -1일 수 있고 B는 -
Figure pat00025
일 수 있다.
제 5 전압 생성부(345)에서 제 1 축 좌표 값의 상수 A와 B는 0일 수 있고, 제 2 축 좌표 값의 상수 A는 -2일 수 있고 B는
Figure pat00026
일 수 있다.
제 6 전압 생성부(346)에서 제 1 축 좌표 값의 상수 A는
Figure pat00027
일 수 있고, B는
Figure pat00028
일 수 있으며, 제 2 축 좌표 값의 상수 A는 -1일 수 있고 B는
Figure pat00029
일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 제어 시스템의 고주파 전압 생성부(300)는 명령에 따라 레벨이 결정되는 기준 전압(V_r)의 크기에 비례하고, PWM 스위칭 주파수의 1/6의 주파수를 갖는 고주파 전압(V_a)을 생성할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어 시스템은 기준 전압(V_r)에 고주파 전압(V_a)을 주입시켜 생성된 상전압(V_p)을 인버터(230)에 제공함으로써, 고주파 전압(V_a)을 모터(400)에 제공할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어 시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.
자동차의 상위 제어 장치로부터 모터 제어 시스템의 기준 전류 생성부(100)에 명령(CMD)이 제공될 수 있다.
기준 전류 생성부(100)는 명령(CMD)에 대응되는 모터(400)의 토크를 발생시키기 위한 전류 값을 갖는 기준 전류(I_r)를 생성할 수 있다.
모터 전압 제공부(200)는 기준 전류(I_r), 고주파 전압(V_a) 및 피드백 전류(I_fb)에 기초하여 상전압(V_p)을 생성하고, 생성된 상전압(V_p)을 모터(400)에 제공함으로써, 모터(400)를 구동시킬 수 있다.
모터 전압 제공부(200)의 동작을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
기준 전압 생성부(V_r)은 기준 전류(I_r)와 피드백 전류(I_fb)의 전류량 차이에 대응하는 기준 전압(V_r)을 생성할 수 있다.
제 1 좌표 변환부(220)는 기준 전압(V_r)에 고주파 전압(V_a)을 주입시켜 변환 전압(V_c)을 생성할 수 있다. 이때, 고주파 전압(V_a)은 고주파 전압 생성부(300)로부터 제공될 수 있으며, 고주파 전압(V_a)은 기준 전압(V_r)의 절대 크기에 대응될 수 있다.
인버터(230)는 변환 전압(V_c)에 기초하여 상전압(V_p)을 생성할 수 있다.
전류 재구축부(240)는 인버터(230)의 DC-link 전류(I_dc)를 제공받고, DC-link 전류(I_dc)에 기초하여 상전류(I_p)를 생성할 수 있다.
제 2 좌표 변환부(250)는 상전류(I_p)를 기초하여 피드백 전류(I_fb)를 생성할 수 있다. 이때, 제 2 좌표 변환부(250)는 상전류(I_p)에 포함된 고주파 성분을 추출하여 모터(400)의 회전자 위치 정보(M_p)를 산출할 수 있으며, 회전자 위치 정보(M_p)와 상전류(I_p)를 기초하여 피드백 전류(I_fb)를 생성할 수 있다. 따라서, 제 2 좌표 변환부(250)에서 출력되는 피드백 전류(I_fb)에는 모터(400)의 회전자 위치 정보(M_p)가 포함될 수 있다.
상기에 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 모터 제어 시스템은 전류 센서를 하나만 사용하여, 인버터(230)의 DC-Link 전류(I_dc)로부터 3상의 상전류(I_p)를 생성하고, 모터(400)에 회전자 위치를 센싱하는 센서 없이도, 모터(400)의 회전자 위치 정보(M_p)를 상전류(I_p)로부터 추정하고, 모터(400)의 제어에 이용할 수 있다.
또한, 모터(400)의 정확한 상전류(I_p)를 측정하기 위한 일정량의 DC-link 전류(I_dc)를 확보하기 위하여 명령(CMD)에 따른 기준 전압(V_r)의 크기에 비례하는 고주파 전압(V_a)을 생성하고, 생성된 고주파 전압(V_a)을 인버터(230)에 제공하기 때문에, 본 발명에 따른 모터 제어 시스템은 모터의 회전자 위치를 항상 추정할 수 있다.
본 발명에 따른 모터 제어 시스템은 전류 센서를 하나만 사용하고, 모터 회전자 센서 없이도 모터의 회전자 위치를 항상 추정할 수 있어, 모터 제어 시스템의 원가 절감과 모터 제어 효율을 높일 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단일 전류 센서를 이용한 위치 센서리스 모터 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 전류 센서를 이용한 위치 센서리스 모터 제어 방법은 명령 수신 단계(S1), 전류 지령 생성 단계(S2), 전압 지령 생성 단계(S3), 제 1 좌표 변환 단계(S4), 고주파 전압 생성 단계(S5), 상전압 지령 생성 단계(S6), 상전압 생성 단계(S7), 전류 재구축 단계(S8) 및 제 2 좌표 변환 단계(S9)를 포함할 수 있다.
명령 수신 단계(S1)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 전류 센서를 이용한 센서리스 모터 제어 시스템의 외부 또는 내부에서 제공되는 명령(CMD)를 수신하는 단계일 수 있다. 이때, 명령(CMD)은 모터(400)의 구동에 관한 명령일 수 있다.
전류 지령 생성 단계(S2)는 명령 수신 단계(S1)에서 수신된 명령(CMD)에 대응하는 모터의 토크를 발생시킬 수 있는 전류 지령 벡터(I_r)를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
전류 지령 생성 단계(S2)는 도 1의 기준 전류 생성부(100)에서 수행되는 기능일 수 있다.
전압 지령 생성 단계(S3)는 전류 지령 벡터(I_r) 및 피드백 전류벡터(I_fb)에 기초하여 전압 지령 벡터(V_r)를 생성할 수 있다.
예를 들어, 전압 지령 생성 단계(S3)는 전류 지령 벡터(I_r)와 피드백 전류 벡터(I_fb)의 차이에 대응하는 벡터량을 갖는 전압 지령 벡터(V_r)를 생성할 수 있다. 이때, 전압 지령 생성 단계(S3)는 도 1의 기준 전압 생성부(210)에서 수행되는 기능일 수 있다.
제 1 좌표 변환 단계(S4)는 회전자 기준 좌표계에 따른 전압 지령 벡터(V_r)를 고정자 기준 좌표계에 따른 전압 벡터로 변환시킬 수 있다.
예를 들어, 제 1 좌표 변환 단계(S4)는 도 1의 제 1 좌표 변환부(220)에서 수행되는 기능일 수 있다.
고주파 전압 생성 단계(S5)는 제 1 좌표 변환 단계(S4)에서 변환된 고정자 기준 좌표계에 따른 전압 벡터(V_i)의 크기에 대응하는 크기를 갖는 고주파 전압벡터(V_a)를 생성할 수 있다. 고주파 생성 단계(S5)에서 고주파 전압벡터(V_a)가 고정자 기준 좌표계에 따른 벡터로 생성되는 이유는 다른 좌표계보다 고정자 기준 좌표계에서 고주파 전압벡터(V_a)를 연산하는 것이 용이하기 때문이다.
예를 들어, 고주파 전압 생성 단계(S5)는 도 1의 고주파 전압 생성부(300)에서 수행되는 기능일 수 있다.
상전압 지령 생성 단계(S6)는 제 1 좌표 변환 단계(S4)에서 변환된 고정자 기준 좌표계에 따른 전압 벡터와 고주파 전압 생성 단계(S5)에서 생성된 고주파 전압 벡터(V_a)를 합성시키고, 합성된 전압 벡터를 3상 좌표계에 따른 상전압 지령벡터(V_c)로 변환할 수 있다.
예를 들어, 상전압 지령 생성 단계(S6)는 도 2의 전압 주입부(222) 및 제 1-2 좌표 변환부(223)에서 수행되는 기능일 수 있다.
상전압 생성 단계(S7)는 상전압 지령 생성 단계(S6)에서 생성된 상전압 지령벡터(V_c)에 기초하여 상전압(V_p)을 생성할 수 있다. 이때, 상전압(V_p)은 모터(400, 도 1)에 제공되는 전압일 수 있다.
예를 들어, 상전압 생성 단계(S7)는 도 1의 인버터(230)에서 수행되는 기능일 수 있다.
전류 재구축 단계(S8)는 인버터(230, 도1)의 DC-link 전류(I_dc)와 유효 전압벡터에 기초하여 상전류(I_p)를 생성할 수 있다. 이때, 상전류(I_p)는 3상 좌표계에 따른 전류벡터일 수 있다.
예를 들어, 전류 재구축 단계(S8)는 도 1의 전류 재구축부(240)에서 수행되는 기능일 수 있다.
제 2 좌표 변환 단계(S9)는 전류 재구축 단계(S8)에서 생성된 3상 좌표계에 따른 상전류(I_p)를 고정자 기준 좌표계에 따른 전류벡터로 변환하고, 변환된 고정자 기준 좌표계의 전류벡터를 다시 회전자 기준 좌표계에 따른 전류벡터로 변환하여 피드백 전류벡터(I_fb)로서 출력할 수 있다.
예를 들어, 제 2 제 2 좌표 변환 단계(S9)는 도 1의 제 2 좌표 변환부(250)에서 수행되는 기능일 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 단일 전류 센서를 이용한 위치 센서리스 모터 제어 방법은 명령(CMD)에 대응하는 크기를 갖는 전압 지령벡터(V_r)를 생성하고, 전압 지령벡터(V_r)의 크기에 대응하는 고주파 전압벡터(V_a)를 생성하며, 인버터(230)에 고주파 전압벡터(V_a)와 전압 지령벡터(V_r)이 합성된 상전압 지령(V_c)을 제공함으로써, 모터(400)를 구동시킬 수 있다. 더불어, 인버터(230)의 DC-link 전류(I_dc)로부터 3상의 상전류(I_p)를 구축하고, 상전류(I_p)를 기초하여 피드백 전류벡터(I_fb)를 생성하며, 생성된 피드백 전류벡터(I_fb)를 다시 전압 지령(V_r)을 생성하는데 이용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 단일 전류 센서를 이용한 위치 센서리스 모터 제어 방법은 정확한 상전류(I_p)를 측정하기 위하여 전압 지령벡터(V_r)의 크기에 비례하는 고주파 전압벡터(V_a)를 생성하여 인버터(230)에 제공하기 때문에 모터(400)의 회전자 위치를 항상 추적할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 명령에 기초하여 기준 전류를 생성하는 기준 전류 생성부;
    상기 기준 전류, 고주파 전압 및 피드백 전류에 기초하여 상전압을 생성하고, 상기 상전압을 모터에 제공하는 모터 전압 제공부; 및
    상기 기준 전류와 상기 피드백 전류에 기초하여 생성되는 전압의 크기에 대응하는 상기 고주파 전압을 생성하는 고주파 전압 생성부;
    를 포함하는 모터 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터 전압 제공부는,
    상기 기준 전류와 상기 피드백 전류에 기초하여 기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성부,
    상기 기준 전압에 상기 고주파 전압을 주입시켜 변환 전압을 생성하는 제 1 좌표 변환부,
    상기 변환 전압에 기초하여 상기 상 전압을 생성하는 인버터,
    상기 인버터의 DC-link 전류에 기초하여 상전류를 생성하는 전류 재구축부, 및
    상기 상전류에 기초하여 상기 피드백 전류를 생성하는 제 2 좌표 변환부
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 기준 전압 생성부는,
    상기 기준 전류와 상기 피드백 전류의 전류량 차이에 대응하는 전압 레벨을 갖는 상기 기준 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 좌표 변환부는,
    회전자 기준 좌표계의 상기 기준 전압을 고정자 기준 좌표계의 전압으로 변환하는 제 1-1 좌표 변환부,
    상기 1-1 좌표 변환부의 출력 전압에 상기 고주파 전압을 주입시키는 전압 주입부, 및
    상기 고주파 전압이 주입된 고정자 기준 좌표계의 전압을 3상 좌표계의 상기 변환 전압으로 변환하는 제 1-2 좌표 변환부를 포함하며,
    상기 제 1-1 좌표 변환부의 출력 전압이 상기 고주파 전압 생성부에 입력 전압으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 2 좌표 변환부는,
    3상 좌표계의 상기 상전류를 고정자 기준 좌표계의 전류로 변환하는 제 2-1 좌표 변환부,
    상기 제 2-1 좌표 변환부의 출력 전류 중 고주파 성분만을 통과시키는 밴드패스 필터,
    상기 밴드패스 필터의 출력에 기초하여 상기 모터의 회전자 위치 정보를 추정하는 위치 추정부,
    상기 제 2-1 좌표 변환부의 출력 전류 및 상기 회전자 위치 정보에 기초하여 회전자 기준 좌표계의 전류로 변환하는 제 2-2 좌표 변환부, 및
    상기 제 2-2 좌표 변환부의 출력 전류 중 저주파 성분만을 상기 피드백 전류로서 출력하는 로우패스 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 고주파 전압 생성부는,
    복수의 전압 생성부,
    상기 입력 전압의 크기를 산출하는 전압 크기 산출부,
    센싱 주기마다 입력 제어 코드의 코드 값을 증가시키는 입력 제어부 및
    상기 복수의 전압 생성부 중 상기 입력 제어 코드의 코드 값에 대응되는 하나의 전압 생성부를 선택하고, 선택된 전압 생성부에 상기 전압 크기 산출부의 출력을 입력시키는 입력 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
  7. 기준 전류 및 피드백 전류에 기초하여 기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성부;
    상기 기준 전압의 크기에 대응하는 고주파 전압을 생성하는 고주파 전압 생성부;
    상기 기준 전압에 상기 고주파 전압을 주입시키는 제 1 좌표 변환부; 및
    상기 제 1 좌표 변환부의 출력에 기초하여 상전압을 생성하고, 상기 상전압을 모터에 제공하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 인버터의 DC-link 전류를 기초로 하여 상전류를 생성하는 전류 재구축부 및
    상기 상전류에 기초하여 상기 피드백 전류를 생성하는 제 2 좌표 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 고주파 전압 생성부는,
    복수의 전압 생성부
    상기 기준 전압의 크기를 산출하는 전압 크기 산출부,
    센싱 주기에 기초하여 입력 제어 코드의 코드 값을 증가시키는 입력 제어부,
    상기 복수의 전압 생성부 중 상기 입력 제어 코드의 코드 값에 대응하는 하나의 전압 생성부를 선택하고, 선택된 전압 생성부에 상기 전압 크기 산출부의 출력을 입력시키는 입력 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 복수의 전압 생성부 각각은,
    상기 전압 크기 산출부에서 출력되는 결과에 비례하는 크기를 갖는 상기 고주파 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
  11. 명령에 대응하는 모터의 토크를 발생시키기 위한 전류 지령벡터를 생성하는 전류 지령 생성 단계;
    상기 전류 지령벡터 및 피드백 전류벡터에 기초하여 회전자 기준 좌표계에 따른 전압 지령벡터를 생성하는 전압 지령 생성 단계;
    상기 전압 지령벡터를 고정자 기준 좌표계에 따른 제 1 전압 벡터로 변환시키는 제 1 좌표 변환 단계;
    상기 제 1 전압벡터의 크기에 대응하는 크기를 갖는 고주파 전압벡터를 생성하는 고주파 전압 생성 단계;
    상기 제 1 전압벡터와 상기 고주파 전압벡터를 합성시켜 제 2 전압벡터를 생성하고, 상기 제 2 전압벡터를 3상 좌표계에 따른 상전압 지령벡터로 변환시키는 상전압 지령 생성 단계;
    상기 상전압 지령벡터에 기초하여 상전압을 생성하고, 상기 상전압을 상기 모터에 제공하는 상전압 생성 단계;
    상기 상전압을 제공하는 인버터의 DC-link 전류에 기초하여 3상 좌표계에 따른 상전류를 생성하는 전류 재구축 단계; 및
    상기 3상 좌표계에 따른 상기 상전류를 회전자 기준 좌표계에 따른 상기 피드백 전류벡터로 변환하는 제 2 좌표 변환 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법.

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