KR102094859B1 - 슬립 검출을 통한 모터 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

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이재열
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Abstract

본 발명에 따른 슬립 검출을 통한 모터 제어 방법 및 시스템은 복수의 모터에 의해 구동되는 총륜 모빌리티 플랫폼에 있어서, 휠의 회전수, 모빌리티의 요레이트 및 각각의 구동모터의 전류값을 측정하여 슬립을 검출하고 슬립에 대한 보상으로 구동모터들을 제어하는 기술을 제공한다.
본 발명에 따른 일 실시예인 슬립 검출을 통한 모터 제어 방법은 각각의 구동모터에 장착된 슬립 검출 모듈이 구동모터가 회전시키는 휠의 회전수, 모빌리티의 요레이트 및 각각의 구동모터의 전류값을 측정하고, 측정된 회전수의 변화량, 요레이트의 변화량 및 전류값의 변화량에 따라 슬립을 검출하며, 검출된 슬립에 따라 토크 요소 및 전류 예측 보상값을 출력하고, 출력단계에서 출력된 전류 예측 보상값을 전류값에 더하여 pwm 신호값으로 출력하며, 토크요소를 pwm 신호값에 곱하여 출력토크로 출력하여 구동모터로 전달한다.
이를 통해 어느 하나 이상의 모터에서 슬립이 발생하더라도 슬립에 따라 나머지 모터에서 보상하여 모빌리티가 안정적으로 주행할 수 있는 제어방법 및 제어 시스템이 제공된다.

Description

슬립 검출을 통한 모터 제어 방법 및 시스템{Motor control method and system for slip detection}
본 발명은 슬립 검출을 통한 모터 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.
전 세계적으로 배출가스 규제 및 친환경에 대한 관심이 높아지는 가운데 환경과 가장 연관성이 있는 산업 중 하나인 농업에서는 오히려 작업의 효율 위주의 농기계를 제작 및 사용해 왔다. 따라서 친환경 농기계에 대한 요구와 필요성을 계속 증가하고 있으며 전기 트랙터 및 하이브리드형 트랙터와 같은 친환경 농기계가 등장하고 있다.
또한, 하이브리드형 농기계는 동력원으로 엔진과 전기 배터리가가 구비될 수 있으며, 주행 동력은 모터를 사용한다.
하이브리드형 트랙터는 친환경이라는 목적에 맞게 배기가스 절감의 효과를 얻을 수도 있다
최근 전기모터 기술의 발전으로 출력 대비 부피가 대폭 감소하여 모빌리티의 각 휠(wheel)에 모터를 장착하여 모빌리티를 구동시키는 방법이 연구되고 있다. 이와 같이 모빌리티의 각 휠에 모터를 장착하면, 엔진의 공간을 확보할 수 있어 모빌리티의 내부공간의 확보가 용이하며, 구동저항이 감소하여 더 큰 동력 효율을 얻을 수 있다.
하지만 각 휠에 분산되어 장착된 복수의 모터들을 제어해야 하므로 기존의 하나의 모터를 이용한 모빌리티보다 제어 회로 및 알고리즘의 복잡성이 증가한다.
모터 제어 방법에 대해서는 다양한 기술이 존재한다. 특히, 전기모터에 있어서 모터를 구동하는 모터 구동전류와 관계된 제어방법은 모터에 관한 연구에 있어서는 가장 핵심적인 개념에 해당하는바, 공개특허공보인 KR 2006-0092607 A "모터의 토크제어장치 및 방법"에서도 모터의 회전각 및 회전각속도를 이용하여 보상전류를 생성해 모터의 구동전류를 보정하는 모터 제어 방법을 제시하고 있다.
특히 주행 중 슬립이 발생할 경우, 각각의 모터의 움직임이 정밀하게 동기화되도록 보상을 하지 않으면 모빌리티의 동역학 특성에서 중요하게 작용하는 방향각(Yaw Angle) 제어의 안정성을 보장할 수 없으며 이는 도로에서 주행하는 모빌리티의 안전에 심각한 영향을 미치게 된다.
이에 따라 모빌리티에 슬립이 발생할 경우를 대비하여 다양한 각종 센서를 이용하여 슬립을 검출하고 이를 기반으로 모터를 제어하는 기술이 요구되어 왔다.
본 발명에 따른 슬립 검출을 통한 모터 제어 방법 및 시스템은 휠의 회전수, 모빌리티의 요레이트 및 각각의 구동모터의 전류값을 측정하여 슬립을 검출하고 슬립에 대한 보상으로 구동모터들을 제어하여 모빌리티가 안정적으로 주행할 수 있도록 하는 기술을 제공한다.
본 발명에 따른 슬립 검출을 통한 모터 제어 방법은 모빌리티의 각각의 구동모터에 장착된 슬립 검출 모듈이 상기 구동모터가 회전시키는 휠의 회전수, 모빌리티의 요레이트 및 상기 구동모터의 전류값을 측정하는 측정단계; 슬립 검출 모듈이 상기 측정단계에서 측정된 회전수와 관련된 변수, 상기 요레이트의 변화량 및 상기 전류값의 변화량에 따라 슬립을 검출하는 검출단계 ― 상기 회전수와 관련된 변수는 슬립 검출 모듈이 장착된 해당 구동모터의 회전수와 모빌리티의 각 구동모터의 회전수 평균과의 차이, 그리고 해당 구동모터의 회전수 변화량을 포함함 ―; 슬립 검출 모듈이 상기 검출단계에서 검출된 슬립에 따라 토크 요소 및 전류 예측 보상값을 출력하는 출력단계; 슬립 검출 모듈과 전기적으로 연결된 제어모듈이 상기 출력단계에서 출력된 상기 전류 예측 보상값을 상기 전류값에 더하여 pwm 신호값으로 출력하며, 상기 토크요소를 상기 pwm 신호값에 곱하여 출력토크로 출력하여 상기 구동모터로 전달하는 제어단계;를 포함하며, 상기 각 단계는 상기 구동모터의 슬립을 검출하는 슬립 검출 모듈 및 상기 구동모터를 제어하는 제어모듈을 포함하는 슬립 검출을 통한 모터 제어 시스템에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다,
본 발명에 따른 슬립 검출을 통한 모터 제어 시스템은 모빌리티의 각각의 휠에 장착되어 휠을 회전시키는 복수개의 구동모터; 각각의 구동모터에 장착되어 슬립을 검출하는 슬립 검출 모듈; 및 상기 슬립 검출 모듈과 전기적으로 연결되며, 상기 슬립 검출 모듈로부터 측정된 슬립에 따라 상기 구동모터를 제어하는 제어신호를 생성하여 상기 구동모터의 작동을 제어하는 제어모듈;을 포함하며, 상기 슬립 검출 모듈은, 상기 구동모터의 회전수를 측정하는 회전센서; 모빌리티의 요레이트를 측정하는 자세인식센서; 상기 구동모터의 전류값을 측정하는 전류센서; 및 상기 회전수의 변화량, 상기 요레이트의 변화량 및 상기 전류값의 변화량에 따라 슬립을 검출하는 슬립 디텍터 ― 상기 회전수와 관련된 변수는 슬립 검출 모듈이 장착된 해당 구동모터의 회전수와 모빌리티의 각 구동모터의 회전수 평균과의 차이, 그리고 해당 구동모터의 회전수 변화량을 포함함 ―;를 포함하며, 검출된 슬립에 따라 토크 요소 및 전류 예측 보상값을 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어모듈은, 상기 전류 예측 보상값이 상기 전류값에 더하여 입력되면 pwm 신호로 출력하는 전류제어기; 및 상기 토크 요소를 상기 전류제어기로부터 전달받은 pwm 신호값에 곱하여 출력토크 신호로 출력하며, 상기 출력토크 신호를 상기 구동모터에 전달하는 토크제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 슬립 검출을 통한 모터 제어 방법 및 시스템은 복수의 모터에 의해 구동되는 총륜 모빌리티 플랫폼에 있어서, 어느 하나 이상의 모터에서 슬립이 발생하더라도 슬립에 따라 나머지 모터에서 보상하여 모빌리티가 안정적으로 주행할 수 있는 제어방법 및 제어 시스템을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 슬립 검출을 통한 모터 제어 방법의 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 슬립 검출을 통한 모터 제어 시스템의 블록도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지된 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
<슬립 검출을 통한 모터 제어 방법에 대한 설명>
본 발명에 따른 슬립 검출을 통한 모터 제어방법 및 시스템은 총륜 형태의 모빌리티에 있어서 복수의 휠 각각에 설치된 모터를 제어할 때 적용될 수 있다.
일반적으로 모빌리티가 거친 지형 등에서 주행할 때 지형 환경에 의해 휠의 회전에 저항하는 최대 저항 토크(Tmax)의 감소가 유발된다. "슬립"이란 휠을 구동시키는 모터의 토크가 타이어와 지면의 저항력인 상술한 최대 저항 토크를 초과하면 나타나는 미끄러짐 현상이며 이때 휠의 회전속도가 증가한다.
도 1에서 보이는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 슬립 검출을 통한 모터 제어방법은 측정단계, 검출단계, 출력단계 및 제어단계를 포함한다.
측정단계는 모빌리티의 각각의 구동모터에 장착된 슬립 검출 모듈이 각각의 구동모터가 회전시키는 휠의 회전수(n), 모빌리티의 요레이트(yP) 및 상기 각각의 구동모터의 전류값(Ia)을 측정한다.
검출단계는 슬립 검출 모듈이 측정단계에서 측정된 회전수와 관련된 변수(△Nm : 해당 모터의 회전수와 모빌리티의 각 모터의 회전수 평균과의 차이(△Nm = nw(k)-nm(k))) ,△Nw : 해당 모터의 회전수 변화량(△Nw = nw(k)-nw(k-1)),k=1, 2, ,3 ... ), 상기 요레이트의 변화량(△YP, △YP=yp(k)-yp(k-1), k=1, 2, ,3 ...) 및 전류값의 변화량(△Ia, △Ia=Ia(k)- Ia(k-1), k=1, 2, ,3 ... )에 따라 슬립을 검출한다.
구체적으로 슬립이 없다고 판단되는 경우(s(슬립) = 0)는 △Nm , △YP , △Ia 이 모두 대응하는 임계값(T_△Nm , T_△YP , T_△Ia )보다 작을 때이다.
슬립이 증가하는 경우는 (절대값 s > 0), △Nw >0, △Nm > T_△Nm , △Ia >T_△Ia , △YP > T_△YP 를 말한다.
슬립이 감소하는 경우는 (절대값 s > 0), △Nw <0, △Nm > T_△Nm , △Ia >T_△Ia , △YP > T_△YP 를 말한다.
출력단계는 슬립 검출 모듈이 검출단계에서 검출된 슬립에 따라 토크 요소(δ) 및 전류 예측 보상값(γ△Ia)을 출력한다.
구체적으로 슬립이 증가하는 경우로 검출되면 토크요소는 1보다 작고, 그렇지 않으면 1과 동일하며, γ(예측 보상인수)은 0보다 작다. 슬립이 없거나 감소하는 경우에는 γ는 0과 같아져 현재 미분 예측 보상이 0임을 나타낸다.
제어단계는 슬립 검출 모듈과 전기적으로 연결된 제어모듈이 출력단계에서 출력된 전류 예측 보상값을 전류값에 더하여 pwm 신호값(α)으로 출력하며, 토크요소를 pwm 신호값에 곱하여 출력토크로 출력하여 모터로 전달한다.
구체적으로 특정 구동모터에 슬립이 검출되면 음수인 전류 예측 보상값이 전류값에 더해져 pwm 신호값으로 출력되고 여기에 토크요소가 곱해져 출력토크로 출력되어 나머지 다른 구동모터의 구동토크로써 전달된다. 이렇게 다른 구동모터의 구동토크가 감소함에 따라 최대 저항토크를 초과하지 않도록 제한될 수 있어 슬립이 발생한 특정 구동모터에 의해 전체 모빌리티의 주행 안정성이 무너지더라도 슬립이 발생하지 않은 나머지 구동모터의 구동토크를 감소시켜 모빌리티의 주행을 다시 안정적으로 할 수 있다.
즉, 상술한 각 단계는 각각의 구동모터의 슬립을 검출하는 슬립 검출 모듈 및 구동모터를 제어하는 제어모듈을 포함하는 슬립 검출을 통한 모터 제어 시스템에 의해 수행된다.
<슬립 검출을 통한 모터 제어 시스템에 대한 설명>
상술한 슬립 검출을 통한 모터 제어 방법을 수행하는 슬립 검출을 통한 모터 제어 시스템은 도 2를 참고하여 설명한다.
본 발명에 따른 일실시예인 슬립 검출을 통한 모터 제어 시스템은 구동모터(100), 슬립 검출 모듈(110) 및 제어모듈(120)을 포함한다.
구동모터(100)는 모빌리티의 각각의 휠에 장착되어 휠을 회전시키며 복수개로 마련될 수 있다.
슬립 검출 모듈(110)은 각각의 구동모터(100)에 장착되어 슬립을 검출한다.
슬립 검출 모듈(110)은 회전센서(111), 자세인식센서(112), 전류센서(113) 및 슬립 디텍터(114)를 포함한다.
회전센서(111)는 구동모터(100)의 회전수를 측정한다.
자세인식센서(112)는 모빌리티의 요레이트를 측정한다.
전류센서(113)는 구동모터(100)의 전류값을 측정한다.
슬립 디텍터(114)는 회전수와 관련된 변수(슬립 검출 모듈이 장착된 해당 구동모터의 회전수와 모빌리티의 각 구동모터의 회전수 평균과의 차이, 그리고 해당 구동모터의 회전수 변화량을 포함함), 상기 요레이트의 변화량 및 상기 전류값의 변화량에 따라 슬립을 검출한다.
제어모듈(120)은 전류제어기(121) 및 토크제어기(122)를 포함한다.
제어모듈(120)은 슬립 검출 모듈과 전기적으로 연결되며, 슬립 검출 모듈로부터 측정된 슬립에 따라 각각의 구동모터를 제어하는 제어신호를 생성하여 각각의 구동모터의 작동을 제어한다.
전류제어기(121)는 전류 예측 보상값이 상기 전류값에 더하여 입력되면 pwm 신호로 출력한다.
토크제어기(122)는 토크 요소를 전류제어기(121)로부터 전달받은 pwm 신호값에 곱하여 출력토크 신호로 출력하며, 출력토크 신호를 각각의 구동모터(100)에 전달한다.
즉, 본 발명에 따른 슬립 검출을 통한 모터 제어 방법 및 시스템은 복수의 모터에 의해 구동되는 총륜 모빌리티 플랫폼에 있어서, 어느 하나 이상의 모터에서 슬립이 발생하더라도 슬립에 따라 나머지 모터에서 보상하여 모빌리티가 안정적으로 주행할 수 있는 제어방법 및 제어 시스템을 제공한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 대한 구체적인 설명은 실시예에 의해 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시예에만 국한되는 것으로 이해되어서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.
100 : 구동모터
110 : 슬립 검출 모듈
111 : 회전회전센서
112 : 자세인식센서
113 : 전류센서
114 : 슬립 디텍터
120 : 제어모듈
121 : 전류제어기
122 : 토크제어기

Claims (3)

  1. 모빌리티의 각각의 구동모터에 장착된 슬립 검출 모듈이 상기 구동모터가 회전시키는 휠의 회전수, 모빌리티의 요레이트 및 상기 구동모터의 전류값을 측정하는 측정단계;
    슬립 검출 모듈이 상기 측정단계에서 측정된 회전수와 관련된 변수, 상기 요레이트의 변화량 및 상기 전류값의 변화량에 따라 슬립을 검출하는 검출단계 ― 상기 회전수와 관련된 변수는 슬립 검출 모듈이 장착된 해당 구동모터의 회전수와 모빌리티의 각 구동모터의 회전수 평균과의 차이, 그리고 해당 구동모터의 회전수 변화량을 포함함 ― ;
    슬립 검출 모듈이 상기 검출단계에서 검출된 슬립에 따라 토크 요소 및 전류 예측 보상값을 출력하는 출력단계;
    슬립 검출 모듈과 전기적으로 연결된 제어모듈이 상기 출력단계에서 출력된 상기 전류 예측 보상값을 상기 전류값에 더하여 pwm 신호값으로 출력하며, 상기 토크 요소를 상기 pwm 신호값에 곱하여 출력토크로 출력하여 상기 구동모터로 전달하는 제어단계;를 포함하며,
    상기 각 단계는 상기 구동모터의 슬립을 검출하는 슬립 검출 모듈 및 상기 구동모터를 제어하는 제어모듈을 포함하는 슬립 검출을 통한 모터 제어 시스템에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는
    슬립 검출을 통한 모터 제어 방법.
  2. 모빌리티의 각각의 휠에 장착되어 휠을 회전시키는 복수개의 구동모터;
    각각의 구동모터에 장착되어 슬립을 검출하는 슬립 검출 모듈; 및
    상기 슬립 검출 모듈과 전기적으로 연결되며, 상기 슬립 검출 모듈로부터 측정된 슬립에 따라 상기 구동모터를 제어하는 제어신호를 생성하여 상기 구동모터의 작동을 제어하는 제어모듈;을 포함하며,
    상기 슬립 검출 모듈은,
    상기 구동모터의 회전수를 측정하는 회전센서;
    모빌리티의 요레이트를 측정하는 자세인식센서;
    상기 구동모터의 전류값을 측정하는 전류센서; 및
    상기 회전수와 관련된 변수, 상기 요레이트의 변화량 및 상기 전류값의 변화량에 따라 슬립을 검출하는 슬립 디텍터 ― 상기 회전수와 관련된 변수는 슬립 검출 모듈이 장착된 해당 구동모터의 회전수와 모빌리티의 각 구동모터의 회전수 평균과의 차이, 그리고 해당 구동모터의 회전수 변화량을 포함함 ―;를 포함하며, 검출된 슬립에 따라 토크 요소 및 전류 예측 보상값을 출력하는 것을 특징으로 하는
    슬립 검출을 통한 모터 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어모듈은,
    상기 전류 예측 보상값이 상기 전류값에 더하여 입력되면 pwm 신호로 출력하는 전류제어기; 및
    상기 토크 요소를 상기 전류제어기로부터 전달받은 pwm 신호값에 곱하여 출력토크 신호로 출력하며, 상기 출력토크 신호를 상기 구동모터에 전달하는 토크제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는
    슬립 검출을 통한 모터 제어 시스템.
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