KR102077362B1

KR102077362B1 - 모터제어기의 개선

Info

Publication number: KR102077362B1
Application number: KR1020157014355A
Authority: KR
Inventors: 크리스토퍼 데이빗 딕슨; 로버트 제임스 헉스포드
Original assignee: 티알더블유 리미티드
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2033-11-27
Also published as: EP2926091B1; US9455656B2; EP2926091A2; US20150340979A1; WO2014083338A2; KR20150103662A; WO2014083338A3; CN105190249B; CN105190249A

Abstract

본 발명은 전기모터의 회전자의 위치를 추정하는 방법에 관한 것으로, 이 방법이 검출기와 모터의 회전자와 함께 회전하고 다수의 인코딩영역을 포함하는 적어도 하나의 인코더를 포함하는 위치센서를 이용하여 모터위치를 나타내는 출력신호를 발생하는 단계와, 추정된 위치신호를 발생하기 위하여 스무딩 알고리즘을 통해 센서의 출력을 통과시키는 단계를 포함하고, 센서의 출력신호는 인코딩영역이 검출기를 통과할 때 단계적으로 변화하며, 알고리즘은 센서의 출력의 단계적인 변화에 이어서 추정된 위치신호가 센서의 출력 보다 지체되도록 센서의 출력의 단계 사이의 변환을 평활하게 하도록 함을 특징으로 한다.

Description

모터제어기의 개선 {IMPROVEMENTS IN MOTOR CONTROLLERS}

본 발명은 모터의 회전자의 위치를 추정하기 위한 방법과 모터제어장치에 관한 것이다.

전기모터는 광범위한 분야에서 사용되는 것으로 알려져 있는바, 그 독특한 도전의 한 분야가 전동식 스티어링 시스템이다. 이러한 시스템이 도 2에 도시되어 있다. 전형적인 시스템에서, 토크센서(10)는 조향휠(30)을 회전시키는 운전자에 의하여 스티어링축(20)에 가하여지는 토크를 측정한다. 이와 같이 측정된 토크측정값은 모터제어구동회로(40)로 보내지고 이 회로는 스티어링 시스템에 가하여져야 하는 보조토크량과 같은 보조요구신호를 발생한다. 이러한 요구신호는 기어박스(도시하지 않았음)를 통하여 스티어링축(20) 또는 스티어링 시스템의 다른 부분에 부착된 전기모터(50)의 상에 인가되는 전류를 발생토록 하는데 사용된다. 모터는 스티어링 시스템에 요구된 토크를 가하여 운전자가 조향휠을 쉽게 회전시킬 수 있도록 한다.

운전자는 조향휠(30)에 신체적으로 접촉하고 있으므로 모터에 의하여 스티어링축에 가하여진 토크의 효과를 느낄 수 있다. 운전자는 조향휠이 회전될 때 모터로부터 출력된 토크의 예상치 못한 변화를 느낄 수 있을 것이다. 이는 특히 조향휠의 회전속도가 느린 경우이다. 만약 모터로부터 출력된 토크가 모터 회전자의 각위치와 함께 급격히 변화되는 경우 이것은 운전자에 의하여 느낄 수 있을 것이다.

모터(50)의 정확한 작동이 이루어질 수 있도록 하기 위하여, 통상적으로 폐쇄루프제어방식을 이용하며, 여기에서 모터토크요구가 모터(50)에 인가된 전류의 실제측정값과 비교된다.모터에 의하여 가하여지는 토크는 각 상에 흐르는 전류에 따라 달라진다. 토크를 조절하기 위하여 PWM을 이용하는 대부분의 모터제어방식의 경우, 각 상에 대한 전류의 정확한 제어는 모터의 각위치를 아는 것을 요구하고, 특히 중요한 것은 펄스폭변조방식이 토크를 설정하기 위하여 어느 지점에서 사용되느냐는 것이다. 위치는 모터 회전자 또는 기어박스와 같이 모터가 회전할 때 회전하는 시스템의 부품에 부착된 센서(60)를 이용하여 직접 측정될 수 있다.

전부는 아니지만 대부분의 경우, 위치센서는 다수의 불연속상태를 갖는 출력을 발생하며 신호는 각 단(stage) 사이의 "단계(step)"에서 급격히 변화한다. 각 단계는 위치센서인코더의 배치와 위치센서검출기의 배열에 의하여 측정된 모터의 상이한 각위치에서 발생할 것이다. 고속에서는 센서의 해상도를 개선하기 위하여 단계사이에 보간법이 사용될 수 있으나, 본원 출원인은 보간법은 모터 회전자속도의 정보가 부정확한 저속에서는 이용할 수 없다는 것을 인식하였다, 따라서, 이로 인해 위치단계사이에서 급격한 점프가 일어나 모터로부터 출력되는 토크의 단계적인 변화가 일어나게 된다.

도 3의 (a)와 도 4의 (a)는 일정한 토크가 요구되나 위치측정에서의 에러가 모터제어에 사용될 때 일어나는 모터위치에 따른 토크의 변화를 보인 것이다. 굵은 선은 10도의 단계 사이의 해상도를 보인 것이고, 가는 선은 7.5도의 단계 사이의 해상도를 보인 것이다. 도 3b 와 도 4b는 위치신호가 단계 사이의 중간에서만 정확하거나 각 단계에서만 정확할 때에 일어나는 실제위치에 대한 아래의 위치에러의 실질적인 변화를 보인 것이다.

본 발명의 목적은 값의 급격한 단계적인 변화를 보이는 부정확한 위치신호에 의하여 야기되는 문제점을 개선하는데 있다.

제1관점에 따라서, 본 발명은 전기모터의 회전자의 위치를 추정하는 방법을 제공하는 바, 이 방법이

검출기와 모터의 회전자와 함께 회전하고 다수의 인코딩영역을 포함하는 적어도 하나의 인코더를 포함하는 위치센서를 이용하여 모터위치를 나타내는 출력신호를 발생하는 단계와, 추정된 위치신호를 발생하기 위하여 스무딩 알고리즘(smoothing algorithm)을 통해 센서의 출력을 통과시키는 단계를 포함하고, 센서의 출력신호는 인코딩영역이 검출기를 통과할 때 단계적으로 변화하며, 알고리즘은 센서의 출력의 단계적인 변화에 이어서 추정된 위치신호가 센서의 출력 보다 지체되도록 센서의 출력의 단계 사이의 변환을 평활하게 하도록 한다.

출력을 출력신호의 단계적인 변화의 급격한 변화보다는 센서의 실제출력 보다 지체할 수 있도록 함으로서, 신호의 급격한 변화가 평활하게 될 것이다. 이는 단계적 변화를 제거하는데, 이는 특히 위치신호가 모터제어수단의 일부로서 사용되는 경우에 유리한 것이다. 추정신호는 이러한 신호가 단계적 변화의 상부레벨로 증가할 때까지 지체할 것이다.

본 발명의 방법은 출력신호를 저역필터를 통과시킴으로써 센서의 출력신호를 평활화하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 방법은 검출기의 출력의 변화에 이어서 고정슬루율(fixed slew rate)을 출력신호에 적용함으로서 출력신호를 평활화하는 단계를 포함한다. 실제로 고정슬루율은 출력이 고정변화율(선형변화율일 것이다)에 대하여 실제위치신호에 이를 수 있는 비율을 제한한다.

슬루율이 고정될 수 있다는 것은 고정변화율이 허용됨을 의미하고, 또는 변화될 수 있다는 것은 허용되는 변화율이 변화함을 의미한다. 이는 출력신호에서 단계적 변화 사이의 경과시간의 함수로서 달라질 수 있다.

따라서 본 발명의 방법은 단계적 변화 사이의 경과시간을 측정하는 단계와, 경과시간의 함수로서 슬루율을 설정하는 단계를 포함한다. 경과시간은 가장 최근의 단계적 변화와 선행의 단계적 변화 사이의 시간을 포함한다. 본 발명의 방법은 모터의 일정한 속도 중에 추정위치신호가 위치신호에서 다음의 단계적 변화가 일어나는 순간에 실제위치신호에 이를 수 있도록 하기 위하여 필터상수 또는 슬루율을 최적화하는 단계를 포함하는 것이 좋다.

본 발명의 방법은 회전자 속도가 사전에 결정된 한계값 이상이어서 속도의 추정값이 유용할 때 위치센서로부터 출력신호의 내삽(interpolation)에 기초하여 대체위치추정값을 발생하는 단계를 더 포함한다. 이와 같이 본 발명의 방법은 저속에서 필터링/슬루율을 이용하는 한 수단과 고속에서 외삽(extrapolation)에 기초하는 다른 수단 사이의 변환단계를 포함한다.

제2관점에 따라서 본 발명은 모터위치센서로부터의 출력신호를 수신할 수 있게 된 신호처리수단과, 모터토크요구신호를 입력으로서 수신하고 출력 d-q 축으로서 모터전류요구신호를 발생하여 d-q 축 요구전류를 모터위치추정값과 조합함으로서 d-q 축 요구전류를 각 모터상전류로 변환시키는 전류제어회로를 포함하는 모터제어장치를 제공하는바, 신호처리수단이 스무딩 알고리즘을 포함하고, 모터위치추정값을 발생하기 위하여 스무딩 알로리즘을 통과시켜 모터위치센서로부터의 출력신호를 처리함을 특징으로 한다.

신호처리수단의 스무딩 알고리즘은 저역필터를 포함한다. 이는 1차필터일 수 있다. 또한 알고리즘은 신호의 실제변화율이 한계값을 초과할 때마다 고정슬루율을 신호에 적용하는 슬루율기능을 포함할 수 있다.

위치센서는 각 위치를 단계적으로 변화시키는 출력신호를 발생하고, 필터 또는 슬루율 필터는 위치추정값이 단계적 변화에 이은 출력신호 보다 지체될 수 있도록 한다.

위치센서의 인코더는 모터의 회전자에 대하여 고정될 수 있다. 이는 기어박스를 통하여 모터 회전자에 연결된 부품에 고정될 수 있다. 어느 경우에서나, 모터 회전자가 회전할 때 인코더가 전할 것이다. 이는 로터리 인코더를 포함할 수 있다. 이는 모터의 전기회전(electrical rotation) 내에서 반복되지 않는 출력신호로서 단계적인 값을 발생할 것이다. 단계적 변화는 모터의 완전 360°전기회전을 통하여 등간격으로 일어날 수 있다. 기어박스를 통하여 연결되어 있는 경우, 출력신호는 모터의 1 회전 이상의 전기회전 후에 반복할 수 있거나, 또는 1 전기회전내에서 수 회 반복할 수 있다.

다른 관점에 따라서, 본 발명은 모터, 위치센서 및 상기 업급된 관점의 모터제어장치의 조합을 제공한다.

모터는 전동식 스티어링 시스템의 일부를 포함한다.

본 발명에 따른 모터 회전자 위치를 추정하는 방법의 여러 예를 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명될 것이다.

도 1은 모터위치추정값이 결합된 전형적인 모터제어방법을 보인 블록다이아그램.
도 2는 도 1의 수단에 의하여 제어될 수 있는 전기모터를 포함하는 전동식 스티어링 시스템을 보인 설명도.
도 3 (a)는 실제의 위치가 인코더요소의 중심에 정렬된 두개의 상이한 모터에 대하여, 모터위치에 대한 모터토크의 좌표이고, (b)는 모터위치에 대한 위치에러를 보인 좌표.
도 4 (a)는 실제의 위치가 인코더요소의 일측 엣지에 정렬된 두개의 상이한 모터에 대하여, 모터위치에 대한 모터토크의 좌표이고, (b)는 모터위치에 대한 위치에러를 보인 좌표.
도 5는 고정코너주파수 1차필터를 포함하는 스무딩 알고리즘을 이용하는 방법을 위하여, 시간에 대한 평활화된 추정회전자위치의 좌표에 겹쳐 보인 시간에 대한 위치센서로부터의 출력신호의 좌표.
도 6은 고정슬루율을 포함하는 스무딩 알고리즘을 이용하는 방법을 위하여, 시간에 대한 평활화된 추정회전자위치의 좌표에 겹쳐 보인 시간에 대한 위치센서로부터의 출력신호의 좌표.
도 7은 가변슬루율을 포함하는 스무딩 알고리즘을 이용하는 방법을 위하여, 시간에 대한 평활화된 추정회전자위치의 좌표에 겹쳐 보인 시간에 대한 위치센서로부터의 출력신호의 좌표.

전형적으로 3상모터를 위한 전형적인 폐쇄루프형 모터제어시스템(100)은 도 1에서 보인 구조를 갖는다. 모터(110)는 3상 U, V, W 를 갖는 것으로 간주될 수 있으며 성형 또는 델타형 구성으로 연결될 수 있다. 각 상은 블록 "PWM" 에 의하여 도 1에서 보인 브릿지구동회로의 암에 연결된다. 각 암은 상을 양전원전압에 연결하는 상부스위치와 상을 음전원전압에 연결하는 하부스위치를 포함한다. 6개의 스위치가 잘 알려진 바와 같이 각 상에 펄스폭변조전압을 인가하기 위하여 턴-온 및 턴-오프된다. 수개의 PWM 수단이 사용될 수 있으며, 본 발명의 목적을 위하여 수단의 선택은 달리 제한되지 않는다.

모터상에 인가되는 PWM 신호는 폐쇄루프제어를 이용하여 유도되며, 제어로의 입력은 모터로부터의 요구된 토크 T*, 모터회전자의 측정된 각속도 w, 회전자위치 θ와, 전류센서에 의하여 측정되거나 또는 그밖에 추정된 각 상의 전류이다. 요구된 토크는 블록(130)에서 d 축 및 q 축 모터전류 Id 및 Iq 를 측정하는데 사용되고 이들로부터 각 상전류가 블록(140)에서 계산된다.

다음 실시예의 목적을 위한 위치센서(도시되지 않음)는 모터 회전자에 고정된 인코더 디스크와 일련의 검출기를 포함한다. 인코더 디스크에는 인코딩 영역의 사전에 결정된 패턴을 포함하는 원주방향 트랙과 같이 배열된 일련의 인코더 영역이 형성되어 있다. 인코딩 영역은 자석과 이들 자석 사이의 스페이스를 포함하거나 순차적으로 배열된 반사부와 비반사부를 포함할 수 있다. 디스크가 회전할 때 트랙이 검출기에 대하여 이동하여 트랙을 따라 여러 지점으로부터 트랙의 변화를 "본다". 인코딩 영역의 엣지가 검출기를 통과할 때 검출기의 출력의 변화가 센서의 해상도를 제공한다.

따라서, 해상도는 검출기의 인코딩 영역과 상대위치 사이의 간격의 함수이다. 인코더 영역 스스로에 의하여 제공된 해상도 보다 높은 해상도 위치신호를 얻기 위하여, 각 실시형태에서 회전자의 속도의 측정은 위치센서로부터 출력신호의 엣지 사이에 외삽하도록 하는데 사용된다. 그러나, 매우 느린 속도에서는 속도를 정확하게 측정할 수 없으며 외삽법을 사용할 수도 없고, 로우(raw) 단계적 출력신호해상도 θenc 의 해상도로 위치신호 해상도를 떨어뜨린다. 다음의 실시형태에서, 내삽법에 의존하지 않는 저속에서의 다른 새로운 위치추정방법이 제안된다.

각 제안된 방법에서, 새로운 엣지가 발생하였을 때 인코더 영역의 엣지가 검출기를 통과할 때 일어나는 단계적인 변화를 보이는 것보다 점진적으로 위치를 변화시키는 알고리즘을 구형하도록 제안된다. 3 가지의 해법이 제안되었다.

1. 필터

2. 고정슬루율 한계

3. 가변슬루율 한계

모든 경우에 있어서, 상대적인 인코더 위치의 변화가 알고리즘을 구동시킨다.

1차 필터

제1 실시형태에서, 1차 필터가 위치센서로부터의 출력신호의 단계적인 변화를 평활화하는데 사용된다. 위치센서의 로우(raw) "단계적" 출력신호가 이 필터에 인가되고, 그 출력은 도 5에서 보인 바와 같은 응답을 발생한다. 설명을 명확히 하기 위하여 필터링된 신호를 로우 출력신호에 겹쳐 보였다. 그리고 이와 같이 필터링된 위치신호는 모터를 위한 제어루프에 의하여 위치의 추정값으로서 사용된다. 신호가 평활화되었으므로, 추정위치와 실제위치 사이의 에러값의 급격한 변화가 평활화되며, 이는 다른 평활화없이 발생될 수 있는 토크의 단계적 변화를 평활화한다.

모든 속도에 대하여 필터링은 예리한 단계적인 위치변화를 제거하고 이에 상응하게 모터에 의하여 가하여진 토크의 예리한 단계적인 변화를 제거할 것임을 알 수 있다. 그러나, 이러한 알고리즘은 필터주파수에 매칭되는 특정속도에서 가장 잘 작동한다. 속도가 너무 느리면 필터는 도면의 우측에서 보인 바와 같이 둥근 계단의 형태를 이루고, 너무 빠르면 필터는 작동한 기회를 얻지 못한다.

개선을 위해서는 시간상수가 두 인코더 엣지의 검출 사이에 경과된 시간의 함수로서 변화되어(효과적으로는 모터속도이나 너무 느리면 신뢰가능한 속도신호를 발생할 수 없다) 모터가 속도를 변경할 때 필터링이 이루어질 수 있다.

고정슬루율

다른 실시형태에서, 고정슬루율이 필터 대신에 사용된다. 로우 "단계적" 위치신호가 함수의 입력에 인가되어 슬루값이 로우 입력값에 이를 때까지 신호값이 고정변화율에서 선형방식으로 변화(증가 또는 감소)될 수 있도록 한다. 그 결과가 도 5에 보이고 있다.

1차 필터와는 다르게, 이 실시형태의 출력은 단계적 변화가 일어나기 전에 인코더 위치값을 취하고 이를 슬루부분을 나타내는 증분값에 가산함으로서 생성될 수 있으며, 이러한 증분값은 그 증분값이 단계적 변화의 크기에 도달할 때까지 시간에 대하여 선형으로 증가한다. 이러한 시점에서, 출력은 단계적 변화후에 "로우(raw)" 단계적 신호의 값과 같아지도록 설정될 수 있다.

1차 필터의 경우와 같이 슬루율은 정확한 속도에서 작용하도록 주의깊게 선택되어야 한다. 다시 슬루율은 인코더 엣지들 간의 시간에 맞추어질 수 있다.

가변슬루율

또 다른 실시형태에서, 가변슬루율이 필터 또는 고정슬루율 대신에 사용된다. 이는 도 6에서 보이고 있다. 슬루율은 최종 두개의 인코더 엣지로부터의 타이밍 정보를 이용하여 설정되어 출력이 이러한 시간 동안 단계적 변화를 종료할 것이다. 이러한 타이밍 정보는 경과된 시간이 짧을 때(고속모터속도) 슬루율을 증가시키고 경과된 시간이 긴 경우(저속모터속도) 슬루율을 증가시키도록 알고리즘에 의하여 사용된다.

이상적으로는 정속으로 운행할 때 슬루율은 다음 엣지가 수신될 때의 시간에 종료될 것이다. 일부의 경우에 있어서, 슬루율은 더 빠르게 최종값에 이르도록 슬루율을 높임이 바람직할 수 있다. 이를 허용하기 위하여 인코더 슬루율이득은 스케일 팩터만큼 슬루율 증분을 조절할 수 있도록 적용될 수 있다(인코더 슬루율이득 > 1 스피드 업 슬루, 인코더 슬루율이득 < 1 = 슬로우 다운 스루).

100: 폐쇄루프 모터제어시스템, 110: 모터

Claims

전기 모터의 회전자의 위치를 추정하는 방법에 있어서,
검출기와, 상기 전기 모터의 회전자와 함께 회전하고 다수의 인코딩영역을 포함하는 하나 이상의 인코더를 포함하는 위치센서를 이용하여 모터 위치를 나타내는 출력신호를 발생하되, 상기 위치센서의 출력신호는 상기 인코딩영역이 상기 검출기를 지날 때 단계적으로 변화하는 단계와;
평활화(smoothing) 알고리즘을 통해 상기 위치센서의 출력을 통과시킴으로써 추정 위치신호를 생성하되, 상기 평활화 알고리즘은 상기 위치센서의 출력의 단계적 변화에 이어서 상기 추정 위치신호가 상기 위치센서의 출력보다 지체되도록 함으로써 상기 위치센서의 출력에서의 단계들 간의 천이를 평활화하도록 하는 것을 특징으로 하는 전기모터 회전자의 위치추정방법.
제1항에 있어서,
상기 출력신호를 저역필터를 통과시킴으로써 상기 위치센서의 출력신호를 평활화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기모터 회전자의 위치추정방법.
제1항에 있어서,
상기 위치센서의 출력변화에 이어서 고정슬루율을 상기 출력신호에 적용함으로써 상기 출력신호를 평활화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기모터 회전자의 위치추정방법.
제3항에 있어서,
상기 슬루율은 고정되거나 상기 출력신호에서의 단계적 변화들 간의 경과시간의 함수로서 달라지는 것을 특징으로 하는 전기모터 회전자의 위치추정방법.
제4항에 있어서,
상기 단계적 변화들 간의 경과시간을 측정하고, 상기 경과시간의 함수로서 상기 슬루율을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기모터 회전자의 위치추정방법.
제2항에 있어서,
상기 전기 모터의 일정한 속도 중에 상기 추정 위치신호가 위치신호에서 다음의 단계적 변화가 일어나는 순간에 실제 위치신호에 이를 수 있도록 필터 상수 또는 슬루율을 최적화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기모터 회전자의 위치추정방법.
제1항에 있어서,
상기 회전자의 속도가 사전에 결정된 한계값 이상이어서 속도의 추정값이 유용할 때 상기 위치센서로부터의 상기 출력신호의 내삽을 기반으로 하여 대체 위치추정값을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기모터 회전자의 위치추정방법.
모터위치센서로부터의 출력신호를 수신할 수 있게 된 신호처리수단과, 모터토크요구신호를 입력으로서 수신하고 출력 d-q 축으로서 모터전류요구신호를 발생하고 d-q 축 요구전류를 모터위치추정값과 조합함으로써 상기 d-q 축 요구전류를 각 모터상전류로 변환하는 전류제어회로를 포함하는 모터제어장치에 있어서,
상기 신호처리수단은 평활화(smoothing) 알고리즘을 포함하고, 상기 모터위치센서로부터의 출력신호를 상기 평활화 알고리즘을 통과시켜 처리함으로써 상기 모터위치추정값을 생성하는 것을 특징으로 하는 모터제어장치.
제8항에 있어서,
상기 신호처리수단의 상기 평활화 알고리즘은 저역필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터제어장치.
제8항에 있어서,
상기 신호처리수단의 상기 평활화 알고리즘은 상기 출력신호의 실제변화율이 한계값을 초과할 때마다 고정 슬루율 또는 가변 슬루율을 상기 출력신호에 적용하는 슬루율기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터제어장치.
제8항에 있어서,
사용중의 상기 모터위치센서는 각 위치를 단계적으로 변화시키는 출력신호를 발생하고, 필터 또는 슬루율 필터가 상기 모터위치추정값이 단계적 변화에 이어 상기 출력신호보다 지체되도록 하는 것을 특징으로 하는 모터제어장치.
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