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KR101031778B1 - 토크 리플 보상을 위한 전동기의 토크 제어장치 - Google Patents

토크 리플 보상을 위한 전동기의 토크 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 토크 리플 보상을 위한 전동기의 토크 제어장치에 관한 것으로, 전동기의 구동을 위한 기준토크를 입력받아 이 기준토크에 해당하는 기준전류를 생성하는 기준전류 생성부와, 전동기에 인가되는 실제 인가전류를 피드백 전류로 입력받아 상기 기준전류 생성부에서 생성된 기준전류와의 전류차를 구하는 제1 감산기와, 상기 제1 감산기에서 구한 전류차를 이용하여 전동기의 구동을 위한 제어전압을 출력하는 제어부와, 상기 전동기의 발생토크를 구하여 출력하는 전동기 토크 출력부와, 상기 기준토크와 상기 전동기 토크 출력부에서 출력되는 전동기 발생토크와의 토크차를 구하는 제2 감산기와, 상기 제어부에서 출력되는 제어전압과 상기 제2 감산기에서 구한 토크차에 따른 전압을 가산하여 기준전압을 출력하는 가산기와, 상기 가산기에서 출력된 기준전압을 전동기의 구동을 위한 실제 인가전류로 변환하여 전동기로 출력하는 전력 변환부와, 상기 전력 변환부에서 출력되는 인가전류에 따라 구동하여 회전력을 발생하는 전동기로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 전동기의 발생토크를 기준토크와 비교하여 그 차이만큼 실제 전동기의 인가전류 명령치에 전향보상함으로써 전동기의 토크 리플을 제거 또는 보상할 수 있게 되는 효과가 있다.
전동기, 토크 제어, 토크 리플 보상

Description

토크 리플 보상을 위한 전동기의 토크 제어장치{TORQUE CONTROL APPARATUS OF MOTOR FOR TORQUE RIPPLE COMPENSATION}
도 1은 종래 전동기의 토크 제어장치의 블록 구성도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 토크 리플 보상을 위한 전동기의 토크 제어장치의 블록 구성도.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 토크 리플 보상을 위한 전동기의 토크 제어장치의 블록 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11 : 기준전류 생성부 12 : 제어부
13 : 전력 변환부 14 : 전동기
15 : 전동기 토크 출력부 16 : 기준토크 발생부
A1,A2 : 제1, 제2 감산기 B : 가산기
본 발명은 토크 리플 보상을 위한 전동기의 토크 제어장치에 관한 것으로, 특히 전동기의 발생토크를 기준토크와 비교하여 그 차이만큼 실제 전동기의 인가전 류 명령치에 전향보상함으로써 전동기의 토크 리플을 제거 또는 보상할 수 있도록 한 토크 리플 보상을 위한 전동기의 토크 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량에 구비된 전자 제어 장치(Electronic Control Unit ; 이하, 'ECU'라 칭함)를 이용하여 차량의 속도에 따라 운전자 핸들의 조작력을 줄여주어 가볍고 신속한 조향 조작이 가능하도록 한 스티어링 시스템은, 기존의 유압식 파워 스티어링 시스템에 유압을 조정하는 전자제어밸브가 추가되어 어시스트량을 조절하는 전자제어 파워 스티어링(Electronic Power Steering) 시스템과 순수한 전동기, 즉 모터의 구동에 의해 어시스트량을 조절하는 전동식 파워 스티어링(Electric Power Steering ; 이하, 'EPS'라 칭함) 시스템으로 구분된다.
한편, 상기 EPS 시스템에서 전동기의 토크를 제어하기 위한 종래 전동기의 토크 제어장치는 도 1에 도시된 바와 같이 전동기의 구동을 위한 기준토크를 입력받아 이 기준토크에 해당하는 기준전류를 생성하는 기준전류 생성부(1)와, 전동기(4)에 인가되는 실제 인가전류를 피드백(Feedback) 전류로 입력받아 상기 기준전류 생성부(1)에서 생성된 기준전류와의 전류차를 구하는 감산기(A)와, 이 감산기(A)에서 구한 전류차를 이용하여 전동기(4)의 구동을 위한 기준전압을 출력하는 제어부(2)와, 이 제어부(2)에서 출력되는 기준전압을 전동기(4)의 구동을 위한 실제 인가전류로 변환하여 전동기(4)로 출력하는 전력 변환부(3)와, 이 전력 변환부(3)에서 출력되는 인가전류에 따라 구동하여 회전력을 발생하는 전동기(4)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 전동기의 토크 제어장치에 있어서, 전동기(4)의 발생토크는 상기 기준전류 생성부(1)에 의해 생성된 기준전류로부터 제어부(2)를 거쳐 생 성되는 전동기(4)의 인가전압에 의해 결정되고, 기본적으로 고정자의 자속과 상전류에 의해 결정되며, 부하토크와의 전체 관계식은 다음 수식 1과 같이 표현된다.
Te = K * flux * I = J(dw/dt) + Bw + TL
여기서, J, B는 각각 전동기의 관성 계수와 마찰 계수이고, w는 전동기의 속도이며, TL은 부하토크이다.
한편, 종래에는 상기와 같은 전동기(4)를 구동할 때 전류센싱의 오차나 MCU(MicroController Unit) 및 위치센서 등의 설계 제약으로 인하여 토크 리플이 발생하게 되는데, 이러한 토크 리플은 전체 시스템의 안정성 및 신뢰성을 감소시키는 요인으로 작용하게 된다.
즉, 종래 전동기의 토크 제어장치에서는 전동기(4)의 발생토크에 대한 피드백 정보가 없을 뿐만 아니라 리플 발생시 이를 보상 또는 제거할 수 없었다. 실제로 EPS 시스템에서와 같이 전동기(4)의 발생토크를 이용하여 조타력을 확보하는 경우 전동기의 토크 리플 성분은 그대로 스티어링 휠(Steering Wheel)로 전달되어 조타감을 현저히 떨어뜨리게 하고, 이 뿐만 아니라 전동기 자체의 내구성과 연결된 부하시스템의 안정성을 나쁘게 하는 요인으로도 작용하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 토크센서 또는 계산기를 통해 전동기의 발생토크를 검출 또는 계산하고, 이 전동기의 발생토크와 기준토크를 비교하여 그 차이만큼 실제 전동기의 인가전류 명령치에 전향 보상함으로써 전동기의 토크 리플을 제거 또는 보상하여 전체 시스템의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 한 토크 리플 보상을 위한 전동기의 토크 제어장치를 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 토크 리플 보상을 위한 전동기의 토크 제어장치는, 전동기의 토크 제어를 위한 전동기의 토크 제어장치에 있어서, 상기 전동기의 구동을 위한 기준토크를 입력받아 이 기준토크에 해당하는 기준전류를 생성하는 기준전류 생성부와, 상기 전동기에 인가되는 실제 인가전류를 피드백 전류로 입력받아 상기 기준전류 생성부에서 생성된 기준전류와의 전류차를 구하는 제1 감산기와, 상기 제1 감산기에서 구한 전류차를 이용하여 전동기의 구동을 위한 제어전압을 출력하는 제어부와, 상기 전동기의 발생토크를 구하여 출력하는 전동기 토크 출력부와, 상기 기준토크와 상기 전동기 토크 출력부에서 출력되는 전동기 발생토크와의 토크차를 구하는 제2 감산기와, 상기 제어부에서 출력되는 제어전압과 상기 제2 감산기에서 구한 토크차에 따른 전압을 가산하여 기준전압을 출력하는 가산기와, 상기 가산기에서 출력된 기준전압을 전동기의 구동을 위한 실제 인가전류로 변환하여 전동기로 출력하는 전력 변환부와, 상기 전력 변환부에서 출력되는 인가전류에 따라 구동하여 회전력을 발생하는 전동기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 토크 리플 보상을 위한 전동기의 토크 제어장치의 구성 및 동작을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 토크 리플 보상을 위한 전동기의 토크 제어장치의 블록 구성도로서, 전동기의 구동을 위한 기준토크를 입력받아 이 기준토크에 해당하는 기준전류를 생성하는 기준전류 생성부(11)와, 후술될 전동기(14)에 인가되는 실제 인가전류를 피드백 전류로 입력받아 상기 기준전류 생성부(11)에서 생성된 기준전류와의 전류차를 구하는 제1 감산기(A1)와, 이 제1 감산기(A1)에서 구한 전류차를 이용하여 전동기(14)의 구동을 위한 제어전압을 출력하는 제어부(12)와, 상기 전동기(14)의 발생토크를 구하여 출력하는 전동기 토크 출력부(15)와, 상기 기준토크와 상기 전동기 토크 출력부(15)에서 출력되는 전동기 발생토크와의 토크차를 구하는 제2 감산기(A2)와, 상기 제어부(12)에서 출력되는 제어전압과 상기 제2 감산기(A2)에서 구한 토크차에 따른 전압을 가산하여 기준전압을 출력하는 가산기(B)와, 이 가산기(B)에서 출력된 기준전압을 전동기(14)의 구동을 위한 실제 인가전류로 변환하여 전동기(14)로 출력하는 전력 변환부(13)와, 이 전력 변환부(13)에서 출력되는 인가전류에 따라 구동하여 회전력을 발생하는 전동기(14)로 구성된다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 토크 리플 보상을 위한 전동기의 토크 제어장치의 블록 구성도로서, 도 2에 도시된 블록 구성에 있어서 상기 기준전류 생성부(11)에서 생성된 기준전류를 입력받아 기준토크1을 계산하여 발생하는 기준토크 발생부(16)를 더 포함하여 구성되고, 이때 제2 감산기(A2)는 상기 기준토크 발생부(16)에서 발생된 기준토크1과 상기 전동기 토크 출력부(15)에서 출력되는 전동기 발생토크와의 토크차를 구하여 상기 가산기(B)로 출력한다.
상기 전동기 토크 출력부(15)는 전동기(14)의 발생토크를 피드백하기 위한 구성으로, 전동기(14)의 발생토크를 검출 및 측정할 수 있는 토크센서(Torque Sensor) 또는 전동기(14)의 관성 계수, 마찰 계수 등의 기계적 상수에 대한 정보와 속도 및 위치정보를 이용하여 토크를 계산하는 계산기(Estimator)로 구현할 수 있다.
상기와 같이 구성된 토크 리플 보상을 위한 전동기의 토크 제어장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 기준전류 생성부(11)에서 전동기의 구동을 위한 기준토크를 입력받아 이 기준토크에 해당하는 기준전류를 생성하여 제1 감산기(A1)에 출력하면, 제1 감산기(A1)는 전력 변환부(13)에서 전동기(14)로 인가되는 실제 인가전류를 피드백 전류로 입력받아 상기 기준전류 생성부(11)에서 생성된 기준전류와의 전류차를 구한 후 이를 제어부(12)에 출력한다.
이어, 제어부(12)는 상기 제1 감산기(A1)에서 구한 전류차를 이용하여 전동기(14)의 구동을 위한 제어전압을 발생한 후 가산기(B)로 출력한다.
이때, 전동기 토크 출력부(15)는 토크센서 또는 계산기를 이용하여 전동기 (14)의 발생토크를 구한 후 이를 제2 감산기(A2)로 출력한다.
그러면, 제2 감산기(A2)는 상기 기준전류 생성부(11)에 입력되는 기준토크와 상기 전동기 토크 출력부(15)에서 출력되는 전동기 발생토크와의 토크차를 구하여 상기 가산기(B)로 출력한다.
이에 따라, 가산기(B)는 상기 제어부(12)에서 출력되는 제어전압과 상기 제2 감산기(A2)에서 구한 토크차에 따른 전압을 가산하여 기준전압을 전력 변환부(13)로 출력한다.
즉, 기준토크와 전동기(14)의 발생토크와의 토크차만큼 실제 전동기(14)의 구동을 위한 기준전압에 전향보상함으로써 전동기(14)에서 발생되는 토크 리플을 제거하거나 보상하도록 하는 것이다.
이후, 전력 변환부(13)는 상기 가산기(B)에서 출력된 기준전압을 전동기(14)의 구동을 위한 실제 인가전류로 변환하여 전동기(14)로 출력하고, 이어 전동기(14)는 이 인가전류에 따라 토크가 제어되면서 구동하여 회전력을 발생하게 된다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이 기준전류 생성부(11)에 입력되는 기준토크 대신에 기준토크 발생부(16)의 기준토크1을 이용하는 경우, 먼저 기준토크 발생부(16)는 계산기를 이용하여 상기 기준전류 생성부(11)에서 발생된 기준전류로부터 기준토크1을 발생한 후 이를 제2 감산기(A2)에 출력한다.
이에 따라, 제2 감산기(A2)는 상기 기준토크 발생부(16)에서 발생된 기준토크1과 전동기 토크 출력부(15)에서 출력되는 전동기 발생토크와의 토크차를 구하여 가산기(B)에 출력한다.
이후, 상기와 마찬가지로, 가산기(B)는 상기 제어부(12)에서 출력되는 제어전압과 상기 제2 감산기(A2)에서 구한 토크차에 따른 전압을 가산하여 기준전압을 전력 변환부(13)로 출력하고, 이어 전력 변환부(13)는 상기 가산기(B)에서 출력된 기준전압을 전동기(14)의 구동을 위한 실제 인가전류로 변환하여 전동기(14)로 출력한다.
이상, 상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 토크센서 또는 계산기를 통해 전동기의 발생토크를 검출 또는 계산하고, 이 전동기의 발생토크와 기준토크를 비교하여 그 차이만큼 실제 전동기의 인가전류 명령치에 전향보상함으로써 전동기의 토크 리플을 제거 또는 보상하여 전체 시스템의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 전동기의 토크 제어를 위한 전동기의 토크 제어장치에 있어서,
    상기 전동기의 구동을 위한 기준토크를 입력받아 이 기준토크에 해당하는 기준전류를 생성하는 기준전류 생성부와,
    상기 전동기에 인가되는 실제 인가전류를 피드백 전류로 입력받아 상기 기준전류 생성부에서 생성된 기준전류와의 전류차를 구하는 제1 감산기와,
    상기 제1 감산기에서 구한 전류차를 이용하여 전동기의 구동을 위한 제어전압을 출력하는 제어부와,
    상기 전동기의 발생토크를 구하여 출력하는 전동기 토크 출력부와,
    상기 기준토크와 상기 전동기 토크 출력부에서 출력되는 전동기 발생토크와의 토크차를 구하는 제2 감산기와,
    상기 제어부에서 출력되는 제어전압과 상기 제2 감산기에서 구한 토크차에 따른 전압을 가산하여 기준전압을 출력하는 가산기와,
    상기 가산기에서 출력된 기준전압을 전동기의 구동을 위한 실제 인가전류로 변환하여 전동기로 출력하는 전력 변환부와,
    상기 전력 변환부에서 출력되는 인가전류에 따라 구동하여 회전력을 발생하는 전동기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 토크 리플 보상을 위한 전동기의 토크 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준전류 생성부에서 생성된 기준전류를 입력받아 계산기를 이용하여 기준토크1을 계산 및 발생하는 기준토크 발생부를 더 포함하여 구성하고,
    상기 제2 감산기가 상기 기준토크 발생부에서 발생된 기준토크1과 상기 전동기 토크 출력부에서 출력되는 전동기 발생토크와의 토크차를 구하여 상기 가산기로 출력하는 것을 특징으로 하는 토크 리플 보상을 위한 전동기의 토크 제어장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전동기 토크 출력부가, 전동기의 발생토크를 검출 및 측정할 수 있는 토크센서로 구현되는 것을 특징으로 하는 토크 리플 보상을 위한 전동기의 토크 제어장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전동기 토크 출력부가, 전동기의 관성 계수 및 마찰 계수를 포함하는 기계적 상수에 대한 정보와 속도 및 위치정보를 이용하여 토크를 계산하는 계산기로 구현되는 것을 특징으로 하는 토크 리플 보상을 위한 전동기의 토크 제어장치.
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