KR100440166B1

KR100440166B1 - 레졸버 위상 측정장치 및 방법

Info

Publication number: KR100440166B1
Application number: KR10-2002-0043234A
Authority: KR
Inventors: 김상환
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2004-07-12
Anticipated expiration: 2022-07-23
Also published as: US6834244B2; KR20040009319A; US20040019446A1

Abstract

전기자동차에서 레졸버의 오차를 자동으로 측정하여 오프셋을 자동으로 보정하도록 함으로써 모터의 토크 제어 및 속도 제어에 정확성을 제공하도록 한 것으로,

모터의 구동속도와 회전자의 각도를 검출하는 레졸버가 구비되는 전기자동차에 있어서, 모터의 선간 역기전력을 제로 크로싱하여 구형파의 기준 펄스를 추출하는 기준위상 추출부와, 상기 레졸버에서 출력되는 sin파 신호와 cos파 신호의 캐리어 진폭비를 동기 정류한 다음 VCO 카운터에 비례하는 펄스를 출력하는 RDC와, 상기 기준위상 추출부에서 추출된 구형파의 기준 펄스 위상과 RDC에서 출력되는 펄스의 위상을 비교하여 위상차를 추출하는 위상차 측정부와, 상기 추출된 위상차에 따른 보정 위상의 옵셋값을 저장하는 메모리부 및, 상기 추출된 위상차에 따라 레졸버 장착 편차에 의한 위상의 옵셋을 보정하여 모터의 토크 및 속도를 제어하는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

레졸버 위상 측정장치 및 방법{RESOLVER PHASE CABLIBRATION SYSTEM OF ELECTRIC VEHICLE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 전기자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 레졸버(Resolver)의 오차를 자동으로 측정하여 오프셋(Offest)을 자동으로 보정하도록 함으로써 모터의 토크 제어 및 속도 제어에 정확성을 제공하도록 한 레졸버의 위상 측정장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전기자동차나 하이브리드 전기자동차에서 사용하는 동기 전동기나 유도 전동기의 벡터 제어를 위해서 MCU(Motor Vontrol Unit)는 자속(Flux)의 위치에 동기하여 좌표계를 설정하여야 하는데, 이를 위해서는 모터 회전자의 절대위치를 판독하는 레졸버가 사용된다.

레졸버는 일종의 변압기로 1차측 권선(입력측)에 여자 전압을 인가하고 축을 회전시키면 자기적 결합계수가 변화하여 2차측 권선(출력측)에 각각 캐리어의 진폭이 변화한 전압이 발생하는데, 이 전압은 축의 회전각도에 대하여 sin 및 cos 상태로 변화하도록 권선이 배열되어 있다.

따라서, sin 출력과 cos 출력의 캐리어 진폭비를 판독하는 것에 의해 레졸버의 회전 각도를 알 수 있게 된다.

상기와 같은 원리로 작동되는 레졸버는 모터의 속도정보와 위상을 센싱하여 회전자의 위치정보를 상기 MCU측에 토크지령 및 속도지령 생성을 위한 위한 정보로 제공하는 센서로 정확한 위치의 장착은 필수적이다.

그러나, 레졸버의 장착 조립중에 약간의 오차가 발생할 수 있고, 이 오차는 정확한 상을 센싱하지 못하게 되어 모터가 정상적인 성능을 발휘하지 못하게 하는 요인으로 작용한다.

따라서, 종래에는 이러한 센싱 오차를 보정하기 위한 방법으로 모터의 선간 역기전력과 레졸버의 파형을 오실로스코프와 같은 계측장비를 이용하여 분석한 한 다음 센싱 오차에 대한 오프셋으로 보정하였다.

전술한 바와 같이 종래의 전기자동차나 하이브리드 전기자동차에서 레졸버의 센싱 오차를 보정하는 방법은 작업자의 수동 조작에 의해 보정하고 있어 시간 소요와 작업량이 많고 양산차의 경우 모든 차마다 각각 보정을 하여야 하므로 많은 문제점이 발생한다.

또한, 작업자의 숙련도에 따라 센서 오차의 보정이 각각 상이하게 되어 모터의 성능이 차이가 발생하게 되는 문제점이 발생한다.

특히 파워 트레인 시스템에 장착하는데 있어서는 매우 어려운 작업을 제공하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 모터가 회전하는 동안 레졸버의 출력과 역기전력을 비교하여 자동적으로 상의 차이를 보정하도록 함으로써 레졸버의 장착 작업에 편리성을 제공하고, 모터의 속도 및 토크 제어에 있어 신뢰성을 제공하여 모터의 정상적인 기능이 발휘될 수 있도록 한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 레졸버 위상 측정장치에 대한 구성 블록도.

도 2는 본 발명에 따른 레졸버 위상 측정장치에서 MCU의 상세 구성 블록도.

도 3은 본 발명에 따른 레졸버 위상 측정장치에서 RDC의 상세 구성 블록도.

도 4는 본 발명에 따른 레졸버 위상 측정장치에서 모터 기준 위상 추출부의 상세 구성도.

도 5는 상기 도 4에서 추출되는 기준 위상의 구형파 변환을 도시한 도면.

도 6은 본 발명에 따라 레졸버 위상 측정 및 그에 따른 위상 보정을 수행하는 일 실시예의 흐름도.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 배터리와 모터 및 상기 모터의 구동속도와 회전자의 각도를 검출하는 레졸버가 구비되는 전기자동차에 있어서, 상기 배터리의 제반적인 상태를 모니터링 한 다음 관리정보를 상위 제어기측에 제공하는 BMS와; PWM 스위칭을 통해 배터리의 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환시켜 모터를 구동시키는 인버터와; 시스템 부하의 급상승이나 시스템 오프시 상위 제어기에서 인가되는 제어신호에 따라 배터리의 전압/전류가 부하측으로 공급되는 것과 희생 제동 에너지가 배터리측으로 공급되는 것을 차단시키는 SDU와; 상기 인버터의 PWM 스위칭 제어와 레졸버의 장착 위치 편차를 자동 측정하여 옵셋값을 보정하는 MCU와; 상기 모터의 출력 회전수를 설정된 비로 감속시켜 출력하는 감속장치를 포함한다.

또한, 상기의 MCU는 모터의 선간 역기전력을 제로 크로싱하여 구형파의 기준 펄스를 추출하는 기준위상 추출부와; 상기 레졸버에서 출력되는 sin파 신호와 cos파 신호의 캐리어 진폭비를 동기 정류한 다음 VCO 카운터에 비례하는 펄스를 출력하는 RDC와; 상기 기준위상 추출부에서 추출된 구형파의 기준 펄스 위상과 RDC에서 출력되는 펄스의 위상을 비교하여 위상차를 추출하는 위상차 측정부와; 상기 추출된 위상차에 따른 보정 위상의 옵셋값을 저장하는 메모리부 및; 상기 추출된 위상차에 따라 레졸버 장착 편차에 의한 위상의 옵셋을 보정하여 모터의 토크 및 속도를 제어하는 프로세서를 포함한다.

또한, 본 발명은 모터의 선간 역기전력으로부터 구형파의 기준 펄스를 추출하는 과정과; 레졸버의 신호를 검출하여 전단계 샘플링에서 추출된 회전 위치와 현재의 회전 위치를 추출한 다음 그에 비례하는 펄스를 추출하는 과정과; 상기에서 추출된 기준 펄스와 현재 카운터되는 펄스를 비교하여 위상차를 추출하는 과정과; 상기에서 추출된 위상 차를 옵셋값으로 장착 위치 편차의 위상을 보정하는 과정을 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 레졸버 위상 측정장치는, 배터리(10)와, BMS(Battery Management System ; 20), 인버터(30), SDU(Safety Disconnect Unit : 40), MCU(50), 모터(60), 레졸버(70), 감속기(80), 차동장치(90) 및 구동휠(100)로 이루어진다.

상기에서 배터리(10)는 전기자동차에서 주 동력원으로 동작에 필요한 전기 에너지를 저장하고 이를 구동원인 모터(60)에 공급한다.

BMS(20)는 수동적인 하위 제어기로, 배터리(10)의 온도, 주변 온도, 충전상태(SOC), 전압/전류 등을 모니터링 한 다음 전류/전압 제한치의 정보, 충방전 제어정보 등의 관리정보를 상위 제어기측에 제공하며, 배터리(20)의 파손이 발생되지 않도록 관리한다.

인버터(30)는 MCU(50)의 제어에 따라 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭하여 배터리(10)에서 공급되는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환시켜 모터(60)측에 각 상 전원을 공급하여 준다.

SDU(40)는 안전장치로, 갑작스런 시스템 부하의 급상승이나 시스템 일부 부품의 고장으로 인한 시스템 오프시 도시되지 않은 상위 제어기에서 인가되는 제어신호에 따라 도시되지 않은 내부의 접점을 오프시켜 배터리(10)의 전압/전류가 부하측으로 공급되는 것과 희생 제동 에너지가 배터리(10)측으로 공급되는 것을 차단시킨다.

MCU(50)는 인버터(30)의 PWM 스위칭 제어를 통해 모터(60)의 구동 토크와 구동 속도 및 회생 제동 토크 등에 대한 전반적인 동작을 제어한다.

모터(60)는 인버터(30)를 통해 3상으로 변환되어 공급되는 배터리(10)의 전압에 의해 구동되어 구동력을 발생시킨다.

레졸버(70)는 상기 모터(50)의 구동 속도와 회전자의 각도(위치정보)을 검출하여 그에 대한 위상 신호를 상기 MCU(50)측에 피드백 정보로 제공한다.

감속기(80)는 모터(50)의 출력 회전수를 설정된 비로 감속시켜 출력한다.

차동장치(90)는 상기 감속기(80)를 통해 전달되는 모터(60)의 구동력을 구동휠(100)측에 전달한다.

상기한 구성 이외에 전기자동차에서 최적의 제어와 다양한 기능들을 수행하기 위한 운전자 인터페이스 장치, 차량의 운전 및 상태정보를 표시하는 클러스터, 운행중에 발생되는 이상 여부를 자기 진단하는 진단장치 등의 다양한 구성요소가 구비되는바, 구체적인 구성 및 기능에 대한 설명은 본 발명과 관련이 없는 관계로 생략한다.

상기에서 MCU(50)는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 모터(60)로부터 검출되는 선간 역기전력을 제로 크로싱(Zero Crossing)을 통해 구형파 펄스를 추출하며, 기준 전압 0V를 지나는 점을 원점으로 하는 기준위상 추출부(51)와, 레졸버(70)에서 출력되는 sin과 cos의 캐리어 진폭비를 동기 정류한 다음 VCO 카운터에 비례하는 펄스를 출력하는 RDC(Resolver Digital Converter ; 52)와, 상기 기준위상 추출부(51)에서 추출되는 구형파의 기준 위상과 RDC(52)에서 출력되는 펄스의 위상을 비교하여 위상차를 추출하는 위상차 측정부(53)와, 상기 추출된 위상차에 따른 보정 위상의 옵셋값을 저장하는 메모리부(54) 및 상기 추출된 위상차에 따라 위상의 옵셋을 보정하여 모터(60)의 토크 및 속도를 제어하는 프로세서(55)로 구성된다.

상기에서 RDC(52)는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 레졸버(70)에서 인가되는 sin출력의 캐리어 진폭비에 디지털 출력값(φ)에 의해 생성되는 cosφ를 곱 연산하는 제1연산부(52A)와, 상기 레졸버(70)에서 인가되는 cos 출력의 캐리어 진폭비에 디지털 출력값(φ)에 의해 생성되는 sinφ를 곱 연산하는 제2연산부(52B)와, 상기 제1연산부(52A)와 제2연산부(52B)의 출력을 감산하는 제3연산부(52C)와, 상기 제3연산부(52C)의 출력을 동기 정류하는 동기 정류부(52D)와, 상기 동기 정류된 레졸버(70)의 위상을 전압제어 발진하여 현재의 위치와 이전 위치 차 값에 비례하는 주파수를 갖는 펄스파를 출력하는 VCO(52E)와, 상기 VCO(52E)의 발진을 카운터하여 디지털 출력하는 카운터(52F)로 구성된다.

상기에서 기준위상 추출부(51)는 도 4에 도시된 바와 같이, 일측단자(-)에 0V의 기준전압(Vref)이 설정되고, 다른 일측단자(+)에 모터(60)에서 출력되는 선간 역기전력이 연결되어, 제로 크로싱을 수행하여 구형파 펄스를 추출하는 비교기(CP)로 구성된다.

상기한 구성을 갖는 본 발명을 통해 레졸버 위상을 측정 보정하는 동작은 다음과 같다.

MCU(50)의 PWM 제어에 따라 인버터(30)가 배터리(10)에서 공급되는 직류 전원을 3상의 교류 전원으로 변화시켜 모터(60)를 구동하게 되면 모터(60)에 장착되어 있는 레졸버(70)의 1차측(입력측) 코일에는 여자 전압이 인가되고, 모터(60)의구동에 따라서 레졸버(70)의 축이 회전하게 되면 2차측(출력측) 코일에서는 각각 캐리어의 진폭이 변화한 전압으로서, sin 및 cos 신호가 출력되어 RDC(52)로 입력된다.

즉, 레졸버(70)에서는 입력된 신호 sinωt에 동기되어 두 고정자 권선에서 회전자의 회전각도에 따라 sinθ 및cosθ 만큼 시프트(Shift)된 두개의 출력 전압인 kEsinωt ·sinθ와 kEsinωt ·cosθ신호가 RDC(52)로 입력된다.

이때, 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, RDC(52)내의 제1연산부(52A)는 입력되는 kEsinωt ·sinθ에 현재의 디지털 출력값(φ)에 의해서 생성된 cosφ와 곱 연산하여 kEsinωt ·sinθcosφ의 신호를 제3연산부(52C)측에 출력하여 고, 제2연산부(52B)는 입력되는 kEsinωt ·cosθ에 현재의 디지털 출력값(φ)에 의해서 생성된 sinφ와 곱 연산하여 kEsinωt ·cosθsinφ의 신호를 제3연산부(52C)에 출력한다.

제3연산부(52C)는 상기 제1,제2연산부(52A)(52B)에서 인가되는 신호를 감산하여 하기의 수학식 1의 신호를 동기정류부(52D)측에 인가한다.

kEsint(sinθcosφ-cosθsinφ) = kEsinωtsin(θ-φ)

상기의 수학식 1에서 θ-φ는 속도에 비례하는 항으로, θ는 현재의 회전자 각도를 의미하고, φ는 전단계 샘플링에서 얻어진 회전자의 위치이다.

상기 동기 정류부(52D)는 상기의 수학식 1로 인가되는 신호를 동기 정류한 다음 VCO(52E)에 인가하게 되면 VCO(52E)에서는 θ-φ에 비례하는 주파수를 갖는펄스파를 발생시켜 카운터(52F)를 통해 카운터 출력한다.

이와 동시에 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 기준위상 추출부(51)에는 모터(60)로부터 선간 역기전력이 인가되는데, 선간 역기전력은 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 일측단자에 기준전압 Vref이 설정되어 있는 비교기(CP)의 다른 일측단자(+)에 입력되어 그 출력 파형이 도 5와 같이 출력되어 진다.

따라서, 기준위상 추출부(51)는 기준전압 0V를 원점으로 상한값(+Vsat)과 하한값(-Vsat)을 제로 크로싱하여 구형파 펄스를 추출한다.

상기와 같이 기준위상 추출부(51)에 의해 모터(60)의 선간 역기전력에 대한 구형파 펄스가 추출되고 RDC(52)에서 θ-φ에 비례하는 주파수의 펄스가 위상차 측정부(53)에 인가되면 위상차 측정부(53)는 상기의 두 신호에 대한 위상차를 비교한 다음 보정 펄스를 카운터하여 보정 위상값을 하기의 수학식 2를 통해 계산한 다음 메모리부(54)에 옵셋 보정값으로 저장한다.

상기에서 Pulse_보정은 보정하여야 할 펄스의 갯수이고, 2¹⁰은 10비트의 카운터이다.

따라서, MCU(50)내의 프로세서(55)는 상기의 수학식 2를 통해 계산되는 위상 보정값에 따라 레졸버(70)의 위상 차에 대한 옵셋을 자동으로 보정하여 모터(60)의 토크 및 속도 제어를 수행한다.

상기한 동작에 대하여 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

MCU(50)내의 기준 위상 검출부(51)는 모터(60)의 선간 역기전력을 검출한 다음(S101), 설정된 기준전압과 비교하여 0V를 원점으로 제로 크로싱을 수행하여 구형파 펄스를 추출한다(S102).

또한, 레졸버(70)에서 출력되는 각각의 캐리어 진폭비에 대한 신호를 동기정류한 다음 이전 샘플링 위상값과 현재의 위상값에 비례하는 펄스를 추출하여(S103), 구형파 펄스와 비교한다(S104).

상기에서 비교된 결과에 따라 위상차를 추출하여(S105), 위상차를 보정 위상의 옵셋으로 메모리에 저장하고(S106), 레졸버의 장착 위치의 셋팅에 따른 옵셋값을 보정한 다음 벡터 제어를 통해 모터의 토크 및 회전속도를 제어한다(S107).

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전기자동차에서 모터의 회전 위치를 검출하는 레졸버의 장착 위치에 대한 위상 편차를 자동으로 추출하여 옵셋값을 보정함으로써 레졸버의 장착에 있어 편리성을 제공하고, 모터의 벡터 제어에 있어 신뢰성이 제공되어 모터의 성능이 최적의 상태를 유지한다.

Claims

배터리와 모터 및 상기 모터의 구동속도와 회전자의 각도를 검출하는 레졸버가 구비되는 전기자동차에 있어서,

상기 배터리의 제반적인 상태를 모니터링 한 다음 관리정보를 상위 제어기측에 제공하는 BMS와;

PWM 스위칭을 통해 배터리의 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환시켜 모터를 구동시키는 인버터와;

시스템 부하의 급상승이나 시스템 오프시 상위 제어기에서 인가되는 제어신호에 따라 배터리의 전압/전류가 부하측으로 공급되는 것과 희생 제동 에너지가 배터리측으로 공급되는 것을 차단시키는 SDU와;

상기 인버터의 PWM 스위칭 제어와 레졸버의 장착 위치 편차를 자동 측정하여 옵셋값을 보정하는 MCU와;

상기 모터의 출력 회전수를 설정된 비로 감속시켜 출력하는 감속장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 레졸버 위상 측정장치.
제1항에 있어서,

상기 MCU는 모터의 선간 역기전력을 제로 크로싱하여 구형파의 기준 펄스를 추출하는 기준위상 추출부와;

상기 레졸버에서 출력되는 sin파 신호와 cos파 신호의 캐리어 진폭비를 동기정류한 다음 VCO 카운터에 비례하는 펄스를 출력하는 RDC와;

상기 기준위상 추출부에서 추출된 구형파의 기준 펄스 위상과 RDC에서 출력되는 펄스의 위상을 비교하여 위상차를 추출하는 위상차 측정부와;

상기 추출된 위상차에 따른 보정 위상의 옵셋값을 저장하는 메모리부 및;

상기 추출된 위상차에 따라 레졸버 장착 편차에 의한 위상의 옵셋을 보정하여 모터의 토크 및 속도를 제어하는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 레졸버 위상 측정장치.
제2항에 있어서,

상기의 RDC는 상기 레졸버에서 인가되는 sin파 신호의 캐리어 진폭비에 디지털 출력값(φ)에 의해 생성되는 cosφ를 곱 연산하는 제1연산부와;

상기 레졸버에서 인가되는 cos 파 신호의 캐리어 진폭비에 디지털 출력값(φ)에 의해 생성되는 sinφ를 곱 연산하는 제2연산부와;

상기 제1,제2연산부의 출력을 감산하는 제3연산부와;

상기 제3연산부의 출력을 동기 정류하는 동기 정류부와;

상기 동기 정류된 위상을 전압제어 발진하여 현재의 위치와 이전 위치의 차에 비례하는 주파수 펄스를 출력하는 VCO와;

상기 VCO의 발진을 카운터 하여 디지털 출력하는 카운터로 구성되는 것을 특징으로 하는 레졸버 위상 측정장치.
제2항에 있어서,

상기의 기준위상 추출부는 일측 단자(-)에 기준전압(Vref)이 설정되고, 다른 일측 단자(+)에 모터의 선간 역기전력이 연결되어, 제로 크로싱을 통해 구형파 펄스를 추출하는 비교기(CP)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레졸버의 위상 측정장치.
(a).모터의 선간 역기전력으로부터 구형파의 기준 펄스를 추출하는 과정과;

(b).레졸버의 신호를 검출하여 전단계 샘플링에서 추출된 회전 위치와 현재의 회전 위치를 추출한 다음 그에 비례하는 펄스를 추출하는 과정과;

(c). 상기 (a)에서 추출된 기준 펄스와 (b)에서 추출되는 펄스를 비교하여 위상차를 추출하는 과정과;

(d). 상기 (c)에서 추출된 위상 차를 옵셋값으로 장착 위치 편차의 위상을 보정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레졸버 위상 측정방법.