KR102440689B1 - 홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 홀 센서의 신호값을 이용하여 모터 위치를 검출함에 있어서 홀 센서의 신호 측정이 지연됨으로 인해 오산(誤算)되는 모터 위치값을 보다 정확하게 보상하여 계산함으로써 모터 위치의 산출 정밀도를 개선하고, 그에 따라 모터 제어기의 모터 전류 제어 성능 및 모터 속도 제어 성능을 향상할 수 있도록 하는 홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법을 제공하는데 목적이 있다.

Description

홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법 {Method for computating motor rotor position using hall sensor}
본 발명은 홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 홀 센서를 이용하여 모터 위치를 계산할 때 발생하는 오차 요소를 보상하여 모터 위치를 보다 정확하게 계산하기 위한 홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법에 관한 것이다.
연료전지 자동차의 경우 연료전지의 발전에 사용되는 공기 공급을 위해 공기압축기용 모터가 장착되며, 상기 모터의 정밀 제어를 위하여 모터의 회전자 위치 검출을 위한 센서를 이용한다.
상기 모터의 회전자 위치를 검출하는 센서로는 레졸버 센서, 홀 센서 등이 사용될 수 있는데, 상기 레졸버 센서의 경우 홀 센서 대비 정밀 검출이 가능하나 고가인 단점이 있으며, 상기 홀 센서의 경우 레졸버 센서 대비 저가이기는 하나 검출 정밀도가 낮은 단점이 있다.
한편, 모터의 고속 회전 시에는 토크 오실레이션(oscillation) 현상이 발생하기 때문에, 홀 센서를 이용하여 모터의 회전자 위치(이하, '모터 위치'라고 함)를 검출하는 경우 홀 센서의 신호값 측정에 대한 지연이 존재하게 되고, 홀 센서의 신호값 측정이 지연됨으로 인해 모터 위치의 산출 정밀도가 저하되고 결국 모터 속도의 제어 정밀도가 저하되는 문제가 발생한다.
한국등록특허 제10-1655537호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 홀 센서의 신호값을 이용하여 모터 위치를 검출함에 있어서 홀 센서의 신호 측정이 지연됨으로 인해 오산(誤算)되는 모터 위치값을 보다 정확하게 보상하여 계산함으로써 모터 위치의 산출 정밀도를 개선하고, 그에 따라 모터 제어기의 모터 전류 제어 성능 및 모터 속도 제어 성능을 향상할 수 있도록 하는 홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법을 제공하는데 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 모터에 설치된 홀 센서의 신호 변화가 발생하면 모터 위치(θHall)를 계산하는 단계; 상기 홀 센서의 신호 측정 지연에 따른 모터 위치 오차를 보상하기 위한 기본 보상값(θHall_delay)을 계산하는 단계; 상기 모터의 정속 운전을 위한 전류지령 조건이 만족되는지 여부를 판단하는 단계; 상기 전류지령 조건이 만족되면, 상기 기본 보상값(θHall_delay)을 추가 보상값(△θ)만큼 증가시킨 제1-up 보상값과 상기 기본 보상값(θHall_delay)을 추가 보상값(△θ)만큼 감소시킨 제1-down 보상값을 계산하는 단계; 상기 제1-up 보상값을 이용하여 모터 위치(θHall)를 보정한 경우 설정시간 동안 발생하는 d-q축 전류지령들 간에 편차의 평균값(Err_1-1)을 계산하는 단계; 상기 제1-down 보상값을 이용하여 모터 위치(θHall)를 보정한 경우 설정시간 동안 발생하는 d-q축 전류지령들 간에 편차의 평균값(Err_2-1)을 계산하는 단계; 상기 Err_1과 Err_2 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 미만이면 상기 기본 보상값(θHall_delay)을 이용하여 상기 모터 위치(θHall)를 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법을 제공한다.
여기서, 상기 기본 보상값(θHall_delay)은 θHall_delay = (ωr/2π)* THall_delay * 360°이고, 상기 ωr는 모터 각속도이고, 상기 THall_delay는 홀 센서의 신호 측정에 대한 지연시간이다. 또한, 상기 모터의 정속 운전을 위한 전류지령 조건은 d축 전류지령이 0이고 q축 전류지령이 일정값(constant value)으로 유지되는 것이다.
그리고, 상기 모터 위치 계산 방법은, 상기 Err_1-1과 Err_2-1 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 이상인 경우 상기 Err_1-1보다 Err_2-1이 작으면, 상기 기본 보상값(θHall_delay)을 '추가 보상값(△θ)*n'만큼 증가시킨 제n-up 보상값을 계산하는 보상값 증가 단계; 상기 제n-up 보상값을 이용하여 모터 위치(θHall)를 보정한 경우 설정시간 동안 발생하는 d-q축 전류지령들 간에 편차의 평균값(Err_1-n)을 계산하는 평균값 계산 단계; 상기 Err_1-n과 Err_2-1 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 미만이 될 때까지 상기 보상값 증가 단계와 상기 평균값 계산 단계를 반복하는 단계; 상기 Err_1-n과 Err_2-1 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 미만이 될 때의 n값을 이용하여 최종 오차 보상값(θHall_delay')값을 계산하고, 상기 최종 오차 보상값(θHall_delay')을 이용하여 모터 위치(θHall)를 보정하는 단계;를 포함한다. 상기 최종 오차 보상값(θHall_delay')은 θHall_delay' = 기본 보상값(θHall_delay) + 추가 보상값(△θ) * (n-1)이고, 상기 n은 d-q축 전류지령들 간에 편차의 평균값(Err_1-n)을 계산한 누적 횟수이다.
또한, 상기 모터 위치 계산 방법은, 상기 Err_1-1과 Err_2-1 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 이상인 경우 상기 Err_1-1보다 Err_2-1이 크면, 상기 기본 보상값을 '추가 보상값(△θ)*(n-1)'만큼 감소시킨 제n-down 보상값을 계산하는 보상값 증가 단계; 상기 제n-down 보상값을 이용하여 모터 위치(θHall)를 보정한 경우 설정시간 동안 발생하는 d-q축 전류지령들 간에 편차의 평균값(Err_2-n)을 계산하는 평균값 계산 단계; 상기 Err_1-1과 Err_2-n 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 미만이 될 때까지 상기 보상값 증가 단계와 상기 평균값 계산 단계를 반복하는 단계; 상기 Err_1-1과 Err_2-n 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 미만이 될 때의 n값을 이용하여 최종 오차 보상값(θHall_delay')값을 계산하고, 상기 최종 오차 보상값(θHall_delay')을 이용하여 모터 위치(θHall)를 보정하는 단계;를 포함한다. 상기 최종 오차 보상값(θHall_delay')은 θHall_delay' = 기본 보상값(θHall_delay) - 추가 보상값(△θ) * (n-1)이고, 상기 n은 d-q축 전류지령들 간에 편차의 평균값(Err_2-n)을 계산한 누적 횟수이다.
본 발명에 의하면, 홀 센서를 이용하여 고속으로 회전하는 모터의 위치를 정확하게 보정하여 계산할 수 있으며, 이에 의해 모터 위치의 계산 정밀도가 개선됨에 따라 모터 제어기의 모터 전류 제어 성능 및 모터 속도 제어 성능을 향상할 수 있고, 또한 상대적으로 저렴한 홀 센서를 이용하여 고가의 레졸버 성능에 상당하는 모터 위치 측정 정밀도를 확보함으로써 원가 절감을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법을 수행하기 위한 시스템의 구성도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 표면부착형 영구자석 동기모터(SMPMSM)의 단면 구조를 일례로 보여주는 도면이다.
도 5의 (a)는 고정속도 운전구간에서 일반적인 SMPMSM의 최대 토크 운전점(Operating Point)(최대 토크가 발생하는 운전점)을 보여주는 도면이고, 도 5의 (b)는 홀 센서의 신호 측정 지연에 따른 오차를 보상하기 전과 후의 최대 토크 운전점을 비교하여 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
영구자석 동기모터(Permanent Magnetic Synchronous Motor) 등과 같이 영구자석을 이용한 회전자를 포함하는 모터의 경우, 홀 센서의 신호값을 이용하여 모터의 회전수를 검출할 수 있기는 하나, 고속 회전 시에 토크 오실레이션(oscillation) 현상이 발생한다. 따라서, 상기 모터는 홀 센서의 신호값을 이용하여 모터의 회전자 위치(이하, '모터 위치'라고 함)를 검출하는 경우 홀 센서의 신호값 측정에 대한 지연이 존재하게 되고, 홀 센서의 신호값 측정이 지연됨으로 인해 모터 위치의 산출 정밀도가 저하되고 결국 모터 속도의 제어 정밀도가 저하되는 문제가 발생한다.
본 발명에서는 홀 센서의 신호값을 이용하여 모터 위치를 검출함에 있어서 홀 센서의 신호값 측정이 지연됨으로 인해 오산(誤算)되는 모터 위치값을 보다 정확하게 보상하여 계산함으로써 모터 위치의 산출 정밀도를 개선하고, 그에 따라 모터 제어기(혹은 '인버터 제어기'라고 함)의 모터 전류 제어 성능 및 모터 속도 제어 성능을 향상할 수 있도록 한다.
첨부된 도 1은 본 발명에 따른 홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법을 수행하기 위한 시스템의 구성도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법을 수행하기 위한 시스템의 경우, 모터에 위치검출센서로서 장착되는 홀 센서와, 상기 홀 센서의 신호를 입력받아 모터 구동전류 및 모터 회전속도를 제어하는 모터 제어기와, 3상 신호선을 매개로 상기 홀 센서와 연결되어 홀 센서의 신호 변화를 감지하는 모터 제어기내의 마이컴을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 모터 제어기는 3상 전류 출력을 제어하기 위한 3상 스위칭 회로를 가지며, 상기 3상 스위칭 회로내의 스위치들을 정해진 범위내의 주파수로 PWM 듀티 제어를 하여 모터 출력을 제어하기 위한 전류 제어를 실시한다.
또한, 상기 모터 제어기는 3상 스위칭 회로의 스위칭 주파수에 의하여 결정되는 PWM 듀티의 업데이트 주기마다 PWM 듀티 결정에 필요한 각종 연산(모터 위치 및 속도 계산, 3상 전류 센싱, 전류 제어, 다음 번 3상 전압출력값 결정, 다음 번 PWM 듀티 결정 등)을 수행한다,
상기 모터 제어기는 모터 구동전류를 제어하기 위한 전류제어기가 포함되며, 상기 전류제어기가 모터 구동전류의 정확한 제어를 수행할 수 있도록 하기 위해서는, 매 PWM 듀티 주기마다 정확한 모터 위치 정보가 필요하다.
위와 같은 시스템을 기반으로 이루어지는 본 발명의 홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법을 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 2는 홀 센서의 신호 변화 시에 모터 위치 오차를 고려하여 모터 최종 위치를 계산하는 과정을 계략적으로 나타낸 흐름도이고, 도 3은 모터 위치 오차 보상값의 정밀도를 높이기 위한 보상값 업데이트 과정을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 먼저 홀 센서의 신호 변화가 발생하는지 여부를 판단한다.
홀 센서의 경우 모터 위치 검출을 위하여 소정 각도 간격으로 모터의 소정 위치에 장착되고, 모터의 회전자가 회전함에 따라 각각의 홀 센서가 온 또는 오프의 디지털 신호를 발생하게 된다.
홀 센서의 신호(온 또는 오프)가 변하는 경우 마이컴이 홀 센서의 신호 변화에 의하여 트리거되는 이벤트(event)를 발생시키고, 발생된 이벤트에 의거 마이컴내의 소정 메모리에 홀 센서의 신호가 변화할 때의 시간 정보 즉, 홀 센서의 신호 변환 지점에서의 시간(THall)을 측정하기 위한 CPU의 내부 클럭 카운터(clock counter)값이 자동으로 기록된다. 상기 CPU는 모터 제어기에 포함되는 구성일 수 있다.
이렇게 마이컴의 소정 메모리에 홀 센서의 신호값이 변화할 때의 시간(THall)을 측정하기 위한 CPU의 내부 클럭 카운터값이 자동으로 기록됨에 따라, 기존과 달리 정확하게 홀 센서의 신호값이 변화했을 때의 시간을 알 수 있게 된다. 다만, 마이컴은 홀 센서의 신호값이 변화할 때의 시간(THall) 이후에 상기 홀 센서의 신호 변화를 인지하게 되며, 이에 마이컴이 홀 센서의 신호 변화를 인지하는 시간(THall')은 홀 센서의 신호값이 변화할 때의 시간(THall)과 시간차(THall' - THall= THall_delay)를 가지게 된다.
다시 말해, 홀 센서의 신호 변화가 발생할 때의 시간(THall)과 마이컴에 의해 상기 홀 센서의 신호 변화가 검출되는 시간(THall') 간에 시간차(THall' - THall= THall_delay) 즉, 홀 센서의 신호 측정에 대한 지연시간(THall_delay)이 존재하게 된다. 상기 지연시간(THall_delay)이 발생하는 것은 홀 센서의 신호를 PWM 듀티 주기에 따라 주기적으로 감지함에 따라 홀 센서의 신호 변화가 발생하는 시점에 신호를 측정하지 못하기 때문이다.
상기 지연시간(THall_delay)이 발생함에 따른 모터 위치 오차(θHall_delay)는 아래 식 1과 같이 계산할 수 있으며, 이러한 모터 위치 오차(θHall_delay)에 대한 보상값 즉, 기본 보상값(θHall_delay)은 아래 식 1과 동일하게 계산할 수 있다. 다시 말해, 상기 기본 보상값(θHall_delay)은 지연시간(THall_delay)에 따른 모터 위치 오차(θHall_delay)와 동일 값을 가진다.
식 1 : θHall_delay = (ωr/2π)* THall_delay * 360°
여기서, 상기 ωr은 모터의 전기각(electrical angle) 회전속도 즉, 모터 각속도이다.
상기 기본 보상값(θHall_delay)은 도 3과 같은 과정을 거쳐 증감 변경될 수 있으며, 이에 대해서는 도 3을 참조하여 후술하도록 한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 홀 센서의 신호 변화가 검출되면 모터 각속도(ωr) 및 모터 위치(θHall)를 계산한다.
상기 모터 각속도(ωr)는 모터 회전자의 회전속도로서 홀 센서의 신호가 변화할 때의 시간 정보(THall)와 그 이전의 홀 센서의 신호 변화가 발생할 때의 시간 정보(THall_old)를 바탕으로 계산할 수 있고, 상기 모터 위치(θHall)는 PWM 스위칭 듀티를 결정하기 위한 연산이 시작될 때의 시간 정보(Tcurrent)와 홀 센서의 신호가 변화할 때의 시간 정보(THall) 간의 시간차(△T)를 바탕으로 계산할 수 있다. 상기 Tcurrent는 CPU의 내부 클럭 카운터값을 읽어들여 확인할 수 있다.
상기 모터 각속도(ωr)(혹은 모터 속도라고 함)와 모터 위치(θHall)는 등록특허 제10-1655537호에 개시되어 있는 홀 센서를 이용한 모터 위치 검출 및 속도 계산 방법에 의거 계산할 수 있으나, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 모터 각속도(ωr)와 모터 위치(θHall)는 상기 등록특허에 개시되어 있는 방법과 다른 방법으로도 계산 가능하다.
상기 모터 위치(θHall)는 홀 센서의 신호 측정 지연으로 인한 오차(즉, 모터 위치 오차)가 미보정된 값이며, 상기 오차가 보정된 모터 위치 즉, 모터 최종 위치(θHall_Final)(혹은 '모터 실제 위치'라고 함)는 아래 식 2와 같이 계산할 수 있다.
식 2 : θHall_Final = θHall + θHall_delay
여기서, 상기 θHall_delay는 홀 센서의 신호 측정 지연으로 인한 모터 위치 오차를 보상하기 위한 기본 보상값이다.
한편, 알려진 바와 같이, 모터 구동전류의 제어를 위한 전류지령은 d축 전류지령과 q축 전류지령의 벡터 합으로 이루어진다.
연료전지 차량에 탑재되는 공기압축기용 모터와 같이 고속 운전이 발생하는 모터의 경우, 고정속도 운전구간(즉, 정속 운전모드)에서 q축 전류만이 모터 출력 토크에 기여하므로, 모터 위치 오차가 존재하는 경우 d축 전류지령과 q축 전류지령의 벡터합인 전체 전류지령값(Is)(혹은 '모터 전류지령(Is)'이라고 함)들 간에 편차가 발생하게 된다.
이에 상기 편차가 감소되도록 하기 위해, 추가 보상값(△θ)을 이용하여 기본 보상값(θHall_delay)을 증감시킨 모터 오차 보상값으로서 최종 오차 보상값(θHall_delay')을 산출하고, 상기 최종 오차 보상값(θHall_delay')을 모터 위치 오차를 더욱 정확하게 보정할 수 있도록 업데이트된 모터 오차 보상값으로서 결정하도록 한다.
상기 모터 전류지령(Is)들 간에 편차 크기에 따라 상기 최종 오차 보상값(θHall_delay')은 '기본 보상값(θHall_delay)'으로 결정되거나 또는 '기본 보상값(θHall_delay) ± (n-1) * 추가 보상값(△θ)'으로 결정될 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 먼저 모터가 속도 변경 없이 고정된 일정 속도로 운전되는 고정속도 운전구간에 진입하는지 여부를 판단한다. 즉, 모터 전류 제어를 위한 전류지령 중 d축 전류지령이 0이고 q축 전류지령이 모터 속도에 종속하여 변동없이 일정값으로 유지되는 모터 운전 조건이 만족되는지 여부를 판단한다. 이때 모터 속도가 변동없이 일정 속도인 조건과 q축 전류지령이 변동없이 일정값인 조건은 모터 속도와 q축 전류지령이 운전 모드에 따라 결정되는 값으로 고정된다는 의미일 뿐 설정된 값으로 고정된다는 것은 아니다.
상기 모터 운전 조건이 만족되면, 아래 식 3과 같이 모터 위치 오차에 대한 기본 보상값(θHall_delay)을 추가 보상값(△θ)만큼 증가시킨 제1-up 보상값과 상기 기본 보상값(θHall_delay)을 추가 보상값(△θ)만큼 감소시킨 제1-down 보상값을 계산한다.
식 3 : 제1-up 보상값 = θHall_delay + △θ
제1-down 보상값 = θHall_delay - △θ
상기 기본 보상값(θHall_delay)은 앞서 설명한 식 1과 같이 계산할 수 있고, 상기 추가 보상값(△θ)은 사전 실험 등을 통해 도출된 값으로서 설정될 수 있다.
상기 제1-up 보상값을 이용하여 모터 위치(θHall)를 보정한 경우, 설정시간(t) 동안 모터 제어기의 전류제어기에서 모터 전류 제어를 위해 출력되는 모터 전류지령(Iscmd)들 즉, 모터 구동전류에 대한 d-q축 전류지령(Iscmd)들 간에 편차의 평균값(Err_1-1)을 아래 식 4와 같이 계산할 수 있다. 그리고, 상기 제1-down 보상값을 이용하여 모터 위치(θHall)를 보정한 경우, 설정시간(t) 동안 상기 전류제어기에서 출력되는 복수의 d-q축 전류지령(Iscmd)들 간에 편차의 평균값(Err_2-1)을 아래 식 4와 같이 계산할 수 있다.
식 4 : Err_1-1 = Avg{Abs(Iscmd - Iqcmd)}
Err_2-1 = Avg{Abs(Iscmd - Iqcmd)}
상기 식 4에 의하면, 상기 Err_1-1과 Err_2-1은 d-q축 전류지령(Iscmd)에서 q축 전류지령(Iqcmd)을 차감한 값 즉, d축 전류지령(Idcmd)들 간에 편차의 평균값이다.
상기 식 4에서 보듯이, 상기 Err_1-1 과 Err_2-1를 계산하는 방식은 동일하나 상기 Err_1-1 의 계산에 사용되는 d-q축 전류지령 값들과 상기 Err_2-1의 계산에 사용되는 d-q축 전류지령 값들에 따라 다른 값으로서 계산되게 된다.
상기 Err_1-1과 Err_2-1 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 미만인 경우, 기본 보상값(θHall_delay)을 최종 오차 보상값(θHall_delay')으로서 결정하여 모터 위치(θHall)를 보정한다. 여기서, 상기 기준 평균값(Iso)은 사전 실험 등을 통해 도출된 값으로서 설정될 수 있다.
그리고, 상기 Err_1-1과 Err_2-1 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 이상인 경우에는, 상기 Err_1-1과 Err_2-1 간에 차이가 작아지도록 추가 보상값(△θ)을 이용하여 기본 보상값(θHall_delay)을 변경시킨다.
구체적으로, 상기 Err_1-1과 Err_2-1 간에 대소를 비교하여 상기 Err_1-1이 Err_2-1 보다 작은 경우, 제1-up 보상값[기본 보상값(θHall_delay)+추가 보상값(△θ)]에 추가 보상값(△θ)을 더하여 상기 제1-up 보상값을 추가 보상값(△θ)만큼 증가시킨 제2-up 보상값[기본 보상값(θHall_delay)+추가 보상값(△θ)*2]을 계산하고, 상기 제2-up 보상값을 이용하여 모터 위치를 보정함에 따라 변경되는 모터 전류지령(Iscmd)들 즉, d-q축 전류지령(Iscmd)들 간에 편차의 평균값(Err_1-2)을 다시 계산한다.
상기 Err_1-2과 상기 Err_2-1 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 이상이면 제3-up 보상값[기본 보상값(θHall_delay)+추가 보상값(△θ)*3]을 계산하고, 상기 제3-up 보상값을 이용하여 모터 위치를 보정함에 따라 변경되는 모터 전류지령(Iscmd)들 즉, d-q축 전류지령(Iscmd)들 간에 편차의 평균값(Err_1-3)을 다시 계산한다. 이때 상기 Err_1-2와 Err1_3은 위에 식 4의 Err_1-1과 동일하게 계산할 수 있다.
이와 같이 기본 보상값(θHall_delay)에 추가 보상값(△θ)을 더하는 과정을 반복하여 모터 오차 보상값을 증가시키고, 기본 보상값(θHall_delay)에 '추가 보상값(△θ)*n'을 합산한 모터 오차 보상값[즉, 기본 보상값(θHall_delay) + 추가 보상값(△θ)*n]을 이용하여 모터 위치를 보정함에 따라 변경되는 d-q축 전류지령(Iscmd)들 간에 편차의 평균값(Err_1-n)과 상기 Err_2-1 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 미만이 되는지 여부를 판단한다.
상기 Err_1-n과 상기 Err_2-1 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 미만이 되면, 그때의 n값을 기반으로 최종 오차 보상값(θHall_delay')을 계산하며, 상기 최종 오차 보상값(θHall_delay')은 아래 식 5와 같이 계산할 수 있다.
식 5 : 최종 오차 보상값(θHall_delay') = 기본 보상값(θHall_delay) + 추가 보상값(△θ) * (n-1)
상기 n은 d-q축 전류지령(Iscmd)들 간에 편차의 평균값(Err_1-n)을 산출한 누적 횟수이고, 초기값은 '1'이다.
또한, 상기 Err_1-1과 Err_2-1 간에 대소를 비교하여 상기 Err_1-1이 Err_2-1 보다 큰 경우, 제1-down 보상값[기본 보상값(θHall_delay)-추가 보상값(△θ)]에서 추가 보상값(△θ)을 차감하여 상기 제1-down 보상값을 추가 보상값(△θ)만큼 감소시킨 제2-down 보상값[기본 보상값(θHall_delay)-추가 보상값(△θ)*2]을 계산하고, 상기 제2-down 보상값을 이용하여 모터 위치를 보정함에 따라 변경되는 모터 전류지령(Iscmd)들 즉, d-q축 전류지령(Iscmd)들 간에 편차의 평균값(Err_2-2)을 다시 계산한다.
상기 Err_1-1과 상기 Err_2-2 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 이상이면 제3-down 보상값[기본 보상값(θHall_delay)-추가 보상값(△θ)*3]을 계산하고, 상기 제3-down 보상값을 이용하여 모터 위치를 보정함에 따라 변경되는 모터 전류지령(Iscmd)들 즉, d-q축 전류지령(Iscmd)들 간에 편차의 평균값(Err_2-3)을 다시 계산한다. 이때 상기 Err_2-2와 Err_2-3은 위에 식 4의 Err_2-1과 동일한 방식으로 계산할 수 있다.
이와 같이 기본 보상값(θHall_delay)에서 추가 보상값(△θ)을 차감하는 과정을 반복하여 기본 보상값(θHall_delay)을 감소시키고, 기본 보상값(θHall_delay)에서 '추가 보상값(△θ)*n'을 감소시킨 보상값[즉, 기본 보상값(θHall_delay) - 추가 보상값(△θ)*n]을 이용하여 모터 위치를 보정함에 따라 변경되는 d-q축 전류지령(Iscmd)들 간에 편차의 평균값(Err_2-n)과 상기 Err_1-1 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 미만이 되는지 여부를 판단한다.
상기 d-q축 전류지령(Iscmd)들 간에 편차의 평균값(Err_1-n,Err_2-n)은 모터 위치를 보정한 이후 전류제어기에서 설정시간(t) 동안 출력되는 d-q축 전류지령들 간에 편차의 평균값으로서 계산된다.
상기 Err_1-1과 상기 Err_2-n 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 미만이 되면, 그때의 n값을 기반으로 최종 오차 보상값(θHall_delay')을 계산하며, 상기 최종 오차 보상값(θHall_delay')은 아래 식 6과 같이 계산할 수 있다.
식 6 : 최종 오차 보상값(θHall_delay') = 기본 보상값(θHall_delay) - 추가 보상값(△θ) * (n-1)
상기 n은 d-q축 전류지령(Iscmd)들 간에 편차의 평균값(Err_2-n)을 산출한 누적 횟수이고, 초기값은 '1'이다.
상기와 같이 결정되는 최종 오차 보상값(θHall_delay')을 이용하여 모터 위치(θHall)의 오차를 보상하여 모터 최종 위치(θHall_Final)를 계산할 수 있으며, 앞서 설명한 식 2의 기본 보상값(θHall_delay)을 추가 보상값(△θ)을 이용하여 업데이트한 값으로서 상기 최종 오차 보상값(θHall_delay')을 결정하여 아래 식 7과 같이 모터 최종 위치(θHall_Final)를 계산할 수 있다.
식 7 : θHall_Final = θHall + θHall_delay'
이와 같은 본 발명의 모터 위치 계산 방법에 의하면, 홀 센서를 이용하여 모터 위치를 계산할 시에 발생하는 오차(홀 센서의 신호 측정 지연에 따른 오차)를 정밀하게 보상할 수 있으며, 따라서 기존에 홀 센서를 이용하여 정밀하게 모터 위치를 계산하는 것이 어려운 고속 운전이 발생하는 모터, 예를 들어 연료전지 차량의 공기압축기용 모터로서 사용되는 표면부착형 영구자석 동기모터(SMPMSM, Surface Mounted Permanent Magnetic Synchronous Motor)의 100,000 rpm 이상의 고속 운전 시에도 홀 센서의 신호값을 이용하여 모터 위치를 정밀하게 계산하는 것이 가능하게 된다.
아울러, 차량의 제작 시 또는 모터의 교체 후에 상기와 같이 결정되는 최종 오차 보상값(θHall_delay')을 최초 1회 산출하고 모터제어기의 NVRAM(Non-volatile memory)에 저장하여 홀 센서의 신호 변화 발생 시마다 모터 오차 보상값으로서 이용할 수 있다. 또는 모터의 동력을 이용하는 장치(예를 들어, 연료전지의 공기압축기)의 제어 패턴에 따라 모터 정속 운전구간이 차량 시동 시마다 매번 발생하는 경우, 차량 시동 시마다 모터 정속 운전구간에서 홀 센서의 신호 측정 지연에 따른 오차(모터 위치 오차)를 보정할 수 있도록 최종 오차 보상값(θHall_delay')을 산출하여 갱신할 수 있다.
한편, 도 4는 표면부착형 영구자석 동기모터(SMPMSM)의 단면 구조를 일례로 보여주는 도면이고, 도 5의 (a)는 고정속도 운전구간에서 일반적인 SMPMSM의 최대 토크 운전점(Operating Point)(최대 토크가 발생하는 운전점)을 보여주는 도면이고, 도 5의 (b)는 홀 센서의 신호 측정 지연에 따른 모터 위치 오차를 보상하기 전과 후의 최대 토크 운전점을 비교하여 보여주는 도면이다.
본 발명의 모터 위치 계산 방법이 적용되는 모터의 경우, 예를 들어 도 4에 나타낸 바와 같은 SMPMSM의 경우, 복수의 홀 센서(H)가 등간격으로 고정자(S)에 배치되고, 홀 센서(H)의 장착 위치 및 모터 회전자(R)의 회전위치에 따라 홀 센서(H)의 신호 변화가 발생하게 된다.
상기 SMPMSM의 경우 고정속도 운전구간에서 홀 센서의 신호 측정 지연에 따른 모터 위치 오차가 발생하지 않는 경우 도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이 최대 토크 운전점에서 q축 전류지령만 발생하는 것이 정상이다. 그러나, 고정속도 운전구간에 진입한 상태이더라도 홀 센서의 신호 측정 지연이 발생하는 경우, '0'이 아닌 d축 전류지령이 발생하게 되고, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 홀 센서의 신호 측정 지연에 따른 각 오차가 발생하게 되며, 그에 따라 모터 위치 오차가 발생하게 되는데, 앞서 설명한 바와 같이 본 발명에 따라 최종 오차 보상값(θHall_delay')을 결정하고 상기 최종 오차 보상값(θHall_delay')을 이용하여 모터 위치(θHall)의 오차를 보상함으로써 홀 센서의 신호 측정 지연에 따른 각 오차가 보정된 모터 최종 위치(θHall_Final)를 계산할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

Claims (7)

  1. 모터에 설치된 홀 센서의 신호 변화가 발생하면 모터 위치(θHall)를 계산하는 단계;
    상기 홀 센서의 신호 측정 지연에 따른 모터 위치 오차를 보상하기 위한 기본 보상값(θHall_delay)을 계산하는 단계;
    상기 모터의 정속 운전을 위한 전류지령 조건이 만족되는지 여부를 판단하는 단계;
    상기 전류지령 조건이 만족되면, 상기 기본 보상값(θHall_delay)을 추가 보상값(△θ)만큼 증가시킨 제1-up 보상값과 상기 기본 보상값(θHall_delay)을 추가 보상값(△θ)만큼 감소시킨 제1-down 보상값을 계산하는 단계;
    상기 제1-up 보상값을 이용하여 모터 위치(θHall)를 보정한 경우 설정시간 동안 발생하는 d-q축 전류지령들 간에 편차의 평균값(Err_1-1)을 계산하는 단계;
    상기 제1-down 보상값을 이용하여 모터 위치(θHall)를 보정한 경우 설정시간 동안 발생하는 d-q축 전류지령들 간에 편차의 평균값(Err_2-1)을 계산하는 단계;
    상기 Err_1과 Err_2 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 미만이면 상기 기본 보상값(θHall_delay)을 이용하여 상기 모터 위치(θHall)를 보정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 Err_1-1과 Err_2-1 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 이상인 경우 상기 Err_1-1보다 Err_2-1이 작으면, 상기 기본 보상값(θHall_delay)을 '추가 보상값(△θ)*n'만큼 증가시킨 제n-up 보상값을 계산하는 보상값 증가 단계;
    상기 제n-up 보상값을 이용하여 모터 위치(θHall)를 보정한 경우 설정시간 동안 발생하는 d-q축 전류지령들 간에 편차의 평균값(Err_1-n)을 계산하는 평균값 계산 단계;
    상기 Err_1-n과 Err_2-1 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 미만이 될 때까지 상기 보상값 증가 단계와 상기 평균값 계산 단계를 반복하는 단계;
    상기 Err_1-n과 Err_2-1 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 미만이 될 때의 n값을 이용하여 최종 오차 보상값(θHall_delay')값을 계산하고, 상기 최종 오차 보상값(θHall_delay')을 이용하여 모터 위치(θHall)를 보정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법.
    상기 n은 d-q축 전류지령들 간에 편차의 평균값(Err_1-n)을 계산한 누적 횟수이다.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 Err_1-1과 Err_2-1 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 이상인 경우 상기 Err_1-1보다 Err_2-1이 크면, 상기 기본 보상값을 '추가 보상값(△θ)*(n-1)'만큼 감소시킨 제n-down 보상값을 계산하는 보상값 증가 단계;
    상기 제n-down 보상값을 이용하여 모터 위치(θHall)를 보정한 경우 설정시간 동안 발생하는 d-q축 전류지령들 간에 편차의 평균값(Err_2-n)을 계산하는 평균값 계산 단계;
    상기 Err_1-1과 Err_2-n 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 미만이 될 때까지 상기 보상값 증가 단계와 상기 평균값 계산 단계를 반복하는 단계;
    상기 Err_1-1과 Err_2-n 간에 차이가 기준 평균값(Iso) 미만이 될 때의 n값을 이용하여 최종 오차 보상값(θHall_delay')값을 계산하고, 상기 최종 오차 보상값(θHall_delay')을 이용하여 모터 위치(θHall)를 보정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법.
    상기 n은 d-q축 전류지령들 간에 편차의 평균값(Err_2-n)을 계산한 누적 횟수이다.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기본 보상값(θHall_delay)은 θHall_delay = (ωr/2π)* THall_delay * 360°이고, 상기 ωr는 모터 각속도이고, 상기 THall_delay는 홀 센서의 신호 측정에 대한 지연시간인 것을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 최종 오차 보상값(θHall_delay')은 θHall_delay' = 기본 보상값(θHall_delay) + 추가 보상값(△θ) * (n-1)인 것을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 최종 오차 보상값(θHall_delay')은 θHall_delay' = 기본 보상값(θHall_delay) - 추가 보상값(△θ) * (n-1)인 것을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터의 정속 운전을 위한 전류지령 조건은 d축 전류지령이 0이고 q축 전류지령이 일정값으로 유지되는 것임을 특징으로 하는 홀 센서를 이용한 모터 위치 계산 방법.
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