KR20220077804A - 스위칭전류센싱시의 옵셋보상 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Rogowski 코일과 Op-Amp를 이용하여 개선된 방식으로써 스위칭전류 센싱시의 옵셋을 보상하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 모터 구동 인버터나 DC-DC 컨버터 등의 스위칭전류를 센싱하기 위하여 Rogowski 전류센서와 Op-Amp 적분기 이용시, 적분기 출력의 옵셋값은 PWM 제어신호의 Duty 값에 따라 변한다는 사실을 이용하여, 옵셋보상(Offset Calibration) 소프트웨어를 적용해 초기에 컨트롤러 시작 시점(power up)에 자동으로 옵셋값 테이블을 만들고 이 값을 참조하여 실시간으로 전류 센싱값을 보상하도록 한다. 이로써 종래의 매뉴얼 튜닝을 하지 않아도 된다.

Description

스위칭전류센싱시의 옵셋보상 장치 및 방법 {Apparatus and method for compensation for offset in switching current sensing}
본 발명은 모터 구동 인버터, DC-DC 컨버터 등의 전력반도체(e.g., MOSFET)의 스위칭전류를 센싱하는 기술 및 이때 발생하는 옵셋을 보상하는 기술에 관한 것이다.
모터(예를 들어, 전기자동차용) 구동 인버터, DC-DC 컨버터 등에서 스위칭 소자로 사용되는 전력반도체(e.g., MOSFET)의 스위칭전류를 센싱 또는 측정하기 위하여 종래에는 마그네트 철심(magnet core)이 사용된 자기 센서(e.g., Hall 센서)가 사용되고 있으나, 이러한 자기 센서의 경우에는 철심에 의한 자속 포화 문제가 일어나고 대전류 센싱시에는 Hall 센서의 사이즈가 커야 하며 그에 따라 가격이 상승한다.
또한 이러한 문제 때문에 종래에는 도 1에서와 같이 로고프스키(Rogowski) 코일(11, 13) 및 Op-Amp(연산증폭기) 적분기(15)를 이용한 스위칭전류 센싱 방식도 이용되고 있다. 이 방식은 철심을 사용하지 않기 때문에 자속 포화 문제가 없고, 이에 따라 대전류를 센싱할 때에도 기존의 Hall 센서 방식에 대비해 사이즈와 가격 측면에서 유리하다. 그러나 실제(non-ideal) Op-Amp에는 옵셋전압 및 바이어스 전류가 존재하며, 이들 때문에 Op-Amp의 적분 연산시 전류센싱 오차가 누적되어 적분기 출력에 옵셋이 나타나게 된다. 일반적으로는 옵셋 적분값이 누적되지 않도록 스위칭 주기마다 리셋을 적용하고 있지만, 그래도 여전히 적분이 실행되는 구간에서는 옵셋이 적분값에 포함된다.
도 1에 Op-Amp 적분기에 존재하는 바이어스 전류 Ib1(17), Ib2(19)와 옵셋전압 Vos(21)를 나타내었다. Vos 범위는 수백uV ~ 수mV로 Op-Amp에 따라 다르다. Op-Amp 적분기(15) 출력에서의 옵셋을 최소화하기 위하여 종래에는 옵셋보상회로(Offset Compensation Network)를 이용하여 매뉴얼 튜닝을 적용하였다. 도 1에 매뉴얼 튜닝을 위한 Offset Compensation Network(23)을 나타내었다. Rogowski 코일(11, 13)에서 온 적분기 입력전압 Vint_in을 분배저항 Rdiv1과 Rdiv2을 통해 일부 추출(e.g., Vcomp≒0.95mV)하여 Vp=+5V, Vn=-5V의 전압이 양단전극에 인가되는 가변저항 R_var(e.g., R=10kΩ)의 가동전극을 손으로 조절(manual tuning)하여 적분기(15)의 출력이 0이 되도록 세팅한다. 즉, 중첩의 원리를 이용하여 보상값을 계산하고, 파라미터 값을 설계한다. 그러나 이러한 매뉴얼 튜닝의 단점으로, 1) 인건비 상승, 2) 부품 열화에 의하여 옵셋이 변하는 경우 대응 불능을 들 수 있다.
본 발명의 목적은 Rogowski 코일과 Op-Amp를 이용하여 개선된 방식으로써 스위칭전류 센싱시의 옵셋을 보상하는 장치 및 방법을 제안하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여 모터 구동 인버터나 DC-DC 컨버터 등의 스위칭전류를 센싱하기 위하여 Rogowski 전류센서와 Op-Amp 적분기 이용시, 적분기 출력의 옵셋값은 PWM 제어신호의 Duty 값에 따라 변한다는 사실을 이용하여, 옵셋보상(Offset Calibration) 소프트웨어를 적용해 초기에 컨트롤러 시작 시점(power up)에 자동으로 옵셋값 테이블을 만들고 이 값을 참조하여 실시간으로 전류 센싱값을 보상하도록 한다. 이로써 종래의 매뉴얼 튜닝을 하지 않아도 된다.
구체적으로, 본 발명의 한 측면에 따르면, 스위칭소자에 흐르는 스위칭전류를 감지하여 미분값을 출력하는 Rogowski 코일; 상기 Rogowski 코일로부터 받은 미분값을 적분하는 적분기; 상기 적분기의 적분시에 옵셋 적분값이 누적되지 않도록 스위칭 주기마다 리셋신호를 인가하는 리셋회로; 상기 적분기의 출력값을 받아 상전류 복원(Phase Current Reconstruction) 기능을 수행하여 상전류에 해당하는 전압값을 도출하여 전류센싱 신호로서 출력하는 뺄셈기; 및 상기 뺄셈기로부터 상기 전류센싱 신호를 받아 옵셋보상(Offset Calibration) 소프트웨어를 이용해 신호처리를 하여 실시간으로 상기 전류센싱 신호의 옵셋을 보상하는 컨트롤러를 포함하는 스위칭전류센싱시의 옵셋보상 장치가 제공된다.
또한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 스위칭소자에 흐르는 스위칭전류를 감지하여 미분값을 출력하는 Rogowski 코일과, 상기 Rogowski 코일로부터 받은 미분값을 적분하는 적분기와, 상기 적분기의 출력값을 받아 상전류 복원(Phase Current Reconstruction) 기능을 수행하여 상전류에 해당하는 전압값을 도출하여 전류센싱 신호로서 출력하는 상전류 복원기로부터 상기 전류센싱 신호를 받아 옵셋보상(Offset Calibration) 소프트웨어를 이용해 신호처리를 하여 실시간으로 상기 전류센싱 신호의 옵셋을 보상하는 것을 포함하는 스위칭전류센싱시의 옵셋보상 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 또다른 측면에 따르면, 상기 방법을 수행하도록 구성된 스위칭 컨트롤러 및 상기 옵셋보상 소프트웨어가 기록된 컴퓨터 기록매체가 제공된다.
본 발명의 구성 및 작용은 이후에 도면과 함께 설명하는 구체적인 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
1. 매뉴얼 튜닝을 하지 않아도 되므로 인건비가 절약된다.
2. 부품 열화 등에 의하여 Op-Amp의 옵셋 전압 및 바이어스 전류가 바뀌더라도 그에 따라 적분기의 옵셋 출력을 센싱 및 보상할 수 있다.
3. Magnetic Core를 사용하지 않기 때문에 전류센서 비용 절감(현재 대부분의 양산 적용중인 센서는 Hall Effect 타입임)
4. 사이즈 저감 효과: Magnetic Core를 사용하지 않기 때문에 모터 구동 인버터나 DC-DC 컨버터의 사이즈 저감에 효과적이다.
5. 스위칭전류 센싱을 통해 암숏(arm-short) 또는 과전류(overcurrent) 현상을 빠르고 정확하게 감지하여 전력반도체를 보호할 수 있다.
도 1은 종래의 로고프스키(Rogowski) 코일(11, 13) 및 Op-Amp(연산증폭기) 적분기(15)를 이용한 스위칭전류 센싱 회로도
도 2는 본 발명에 따른 스위칭전류 센싱시 옵셋보상 장치의 일 실시예의 간략 구성도
도 3은 도 2에 나타낸 본 발명의 스위칭전류센싱시 옵셋보상 장치가 3상 인버터의 3개 레그(leg)마다 설치된다는 것을 설명하기 위한 도면
도 4는 본 발명에 따른 스위칭전류센싱시 옵셋보상 장치의 세부 구성도
도 5는 상전류 복원 기능을 설명하기 위한 동작 타이밍챠트
도 6은 본 발명에 따른 옵셋보상 소프트웨어의 전체 처리 순서도
도 7은 Duty가 증가할수록 DSP 입력 전압(Rogowsky 전류센서의 출력 전압 Vrcs)가 증가하고 이에 따라 스케일링 후의 전류 Iraw가 감소하는 특성을 나타내는 그래프
도 8은 도 6의 처리 과정 중 옵셋테이블 생성 단계(S30)를 상세하게 나타낸 순서도
도 9는 본 발명의 옵셋보상 소프트웨어(47)의 실시간 보상 작용을 수행하는 것을 구체적으로 보여주는 도면
도 10은 도 9에 나타낸 모터 시스템에서 실시간으로 옵셋이 보상되고 있음을나타내는 본 발명의 검증 결과
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 이하 첨부된 도면과 함께 상세하게 기술된 바람직한 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에 기술된 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 다른 형태로 구현될 수 있다. 실시예는 단지 본 발명을 완전하게 개시하며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명은 청구항의 기재 내용에 의해 정의되는 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한 명세서에 사용된 '포함한다(comprise, comprising 등)'라는 용어는 언급된 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용된 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 실시예의 설명에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명에 따른 스위칭전류 센싱시 옵셋보상 장치의 일 실시예의 간략 구성도이다. 이하의 실시예 설명에서 스위칭전류 센싱의 대상은 3상 모터의 구동을 위한 3상 인버터임을 전제로 한다. 먼저 도 2에서 각 구성요소에 대해 개략적으로 설명한다.
(1) 1조의 Rogowski 코일(25, 25')은 각각, 인버터의 상부(top) 스위치와 하부(bottom) 스위치를 지나는 스위칭전류를 감지하여 그 미분값(vdidt=M*disw/dt)을 전달한다.
(2) 1조의 적분기(Integrator)(27, 27') 및 리셋회로(Reset)(29, 29')는 각각 Op-Amp를 이용한 적분기와 리셋신호 발생회로로, 상기 Rogowski 코일(25, 25')로부터 받은 미분값을 적분하고, 적분시에 옵셋 적분값이 누적되지 않도록 스위칭 주기마다 리셋을 적용한다.
(3) 뺄셈기(Subtractor)(33)는 Op-Amp를 이용한 뺄셈 회로로, 상전류 복원(Phase Current Reconstruction) 기능을 수행하여 상전류에 해당하는 전압값을 도출하여 전류센싱 신호(34)를 출력한다(아날로그 신호임). 이 상전류 복원에 대한 상세한 작용은 추후에 설명한다. 이상의 (1), (2), (3)의 구성, 즉, Rogowski 코일(25, 25'), 적분기(27, 27'), 뺄셈기(33)는 본 발명의 스위칭전류 센싱부(100)를 이룬다.
(4) 디지털신호처리기 DSP(35)는 상기 스위칭전류 센싱부(100)의 상전류 복원기, 즉, 뺄셈기(33)로부터 아날로그 전류센싱 신호(전압값)를 받아 본 발명에 따른 옵셋보상(Offset Calibration) 소프트웨어를 이용해 신호처리를 하여 실시간으로 옵셋을 보상한다. 즉, DSP(35)는 본 발명의 옵셋보상부(200)를 이룬다.
이제 상기 각 구성요소에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 도 2에 나타낸 본 발명의 스위칭전류센싱시 옵셋보상 장치가 3상 인버터의 3개 레그(leg)마다 설치된다는 것을 설명하기 위한 것이다. 도 3에서, 3상 인버터의 레그들 중 한 레그(37)의 상부 스위치(39)와 하부 스위치(39')를 지나는 스위칭전류를 감지하여 미분값을 출력하는 Rogowski 코일(25, 25')이 있고, 이들 각 Rogowski 코일(25, 25')에서 미분값을 받아 처리하는 적분기(27, 27'), 리셋회로(29, 29'), 뺄셈기(33)가 있다. 뺄셈기(33)의 출력값, 즉, 스위칭전류 센싱부(100)에서 최종 출력되는 전류센싱 신호 Vrcs(t)는 옵셋보상부(200)인 DSP(35)로 입력되어 옵셋보상된다.
도 3에 나타낸 하나의 레그(37)에서 출력되는 전류 Iph(상전류)는 3상 모터(41)의 한 상으로 전달되어 모터를 구동시킨다. 따라서 도 3에서, 본 발명의 스위칭전류센싱시 옵셋보상 장치는 인버터의 레그를 흐르는 스위칭전류를 센싱하여 옵셋을 보상하는 작용을 한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 스위칭전류센싱시 옵셋보상 장치의 세부 구성도이다. 도 3에 나타낸 것과 같이 파워 모듈(즉, 인버터)의 상부 스위치(39)와 하부 스위치(39')의 선로에 흐르는 전류(24, 24')를 각각 Rogowski 코일(25, 25')이 검출하여 미분값(26, 26')을 출력하면 적분기(27, 27')는 적분을 수행하여 적분값(28, 28')을 출력한다. 리셋회로(29, 29')는 적분기(27, 27')의 적분시에 옵셋 적분값이 누적되지 않도록 스위칭 주기마다 리셋을 적용하기 위하여, 컨트롤러(e.g., 마이컴)로부터의 상부/하부 PWM 스위칭신호(32)를 받아 상부측(top-side) 및 하부측(bot-side) 리셋신호(30, 30')를 생성하여 각 적분기(27, 27')에 제공한다. 뺄셈기(33)는 앞에서 언급한 것과 같이 Op-Amp를 이용한 뺄셈 회로로써 상전류 복원을 하여 Rogowski 전류센싱 신호(34)를 출력한다.
스위칭전류센싱부(100)의 출력값인 이 Rogowski 전류센싱 신호(34)는 아날로그 전압값이므로 이 신호를 수신한 옵셋보상부(200), 즉, DSP(35)는 먼저 디지털 신호처리를 위해 AD변환기(43)를 이용해 상기 전류센싱 신호를 샘플링하여 디지털 신호로 변환하고, 스케일러(45)로 스케일링한다. 스케일링은 적분기(27, 27')의 출력값(Vint-t, Vint-b)을 전류값으로 환산하는 기능이다. 이어서 옵셋보상(Offset Calibration) 소프트웨어(47)를 이용하여 옵셋테이블을 만들고 이 테이블을 이용하여 옵셋을 실시간으로 보상해준다.
한편, 도 4에서 스위칭전류센싱부(100)의 적분기(27, 27')와 뺄셈기(33) 사이에 필터(31, 31')가 추가되어 있다. 필터(31, 31')는 노이즈 제거를 위한 것이다.
도 4와 도 5를 참조하여 스위칭전류센싱부(100)의 뺄셈기(33)의 Phase Current Reconstruction(상전류 복원)에 대해 설명하면 다음과 같다. 도 5는 상전류 복원 기능을 설명하기 위한 동작 타이밍챠트이다. 뺄셈기(33)는, 상부/하부 스위치(39, 39')에 흐르는 전류를 전류센서(25, 25')가 감지하여 적분처리한 적분기(27, 27')의 출력을 Op-Amp를 이용하여 뺄셈 연산하여 상전류에 해당하는 전압값을 도출한다. 뺄셈 연산의 결과값은
Figure pat00001
이다(여기서, RCS는 Rogowski coil Current Sensor임).
도 5의 타이밍챠트를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다. 도 5는 3상 인버터의 u, v, w상의 레그들 중 하나의 레그에 포함된 두 개의 스위칭 소자(상부 스위치, 하부 스위치. 도 3 참조)의 스위칭 신호, 스위치 전류(적분기 출력), 모터 상전류의 타이밍 관계도이다.
PWM 주기(도 5의 경우 Ts=100μsec=10kHz) 동안에 컨트롤러가 PWM 캐리어(a)에 실어 출력하는 상부측 PWM 스위칭신호(b)와 하부측 PWM 스위칭신호(c)에 따른 각각 (도 3 참조) 상부측 스위치 전류(적분기 출력)(d)와 하부측 스위치 전류(적분기 출력)(e)의 파형이 도시되어 있다. 여기서, 하부측 PWM 스위칭신호(c)는 상부측 PWM 스위칭신호(b)와 상보적으로 출력되는데 상부측 PWM 스위칭신호(b)의 ON 구간(D*Ts)과 소정의 데드타임(deat time)이 지난 후에 (1-D)*Ts 구간 동안 ON 된다. 또한 이들 PWM 스위칭 신호에 따라 상부측 스위칭소자(도 3의 39)에 흐르는 스위치 전류(적분기 출력)(d)는
Figure pat00002
이고, 하부측 스위칭소자(도 3의 39')에 흐르는 스위치 전류(적분기 출력)(e)는
Figure pat00003
이다. 그리고 최종적으로, 복원된 모터 상전류(f)(=도 3의 Iph)
Figure pat00004
가 해당 레그에서 출력된다.
모터 상전류(f) Iph는 이후 DSP(35)에 의한 옵셋보상을 위해 A/D 변환(43) 및 스케일링(45)된다. DSP(35)에서 AD 변환(43)을 하기 위해 샘플링이 이루어지는데, 도 5에 상전류 샘플링 파형을 함께 도시하였다.
한편, 도 5에는, 상부/하부측 적분기(27, 27')에 옵셋 적분값이 누적되지 않도록 스위칭 주기마다 리셋회로(29, 29')에 의해 리셋을 적용하는 동작이 표시되어 있다. 상부측 리셋신호(도 4의 30)는 하부측 PWM 스위칭신호(c)의 ON 구간에 맞추어 상부측 적분기(27)에 제공되고, 하부측 리셋신호(도 4의 30')는 상부측 PWM 스위칭신호(b)의 ON 구간에 맞추어 하부측 적분기(27')에 제공되고 있음을 도 5에서 볼 수 있다.
다음, 옵셋보상부(200)인 DSP(35)에서 Offset Calibration S/W(전류센서 옵셋 테이블을 만들고 실시간으로 적분기의 출력값 옵셋을 보상하는 옵셋보상 소프트웨어)에 대해 설명한다.
소프트웨어에 의한 옵셋보상을 위해 DSP(35)는 상기 스위칭전류 센싱부(100)에서 출력되는 아날로그의 전류센싱 신호(34)를 디지털로 변환(43)하고 스케일링(45)을 하여 전류값
Figure pat00005
,
Figure pat00006
을 생성한다(도 4 참조). 앞에서 Scaling은 적분기 출력값을 전류값으로 환산하는 작업이라고 언급한 바 있다.
도 6은 본 발명에 따른 옵셋보상 소프트웨어의 전체 처리 순서도이다.
개괄적으로, 컨트롤러 또는 마이컴(DSP)의 Power On 시점에 Rogowski 전류센서의 옵셋을 센싱하여 옵셋테이블을 만들고, ADC를 통해 읽은 전류 센서값(Iraw)에서 옵셋값(Ios)을 빼서 보상 전류(Ireal)를 계산하는 처리를 수행한다. 이 보상 전류는 모터 구동용 인버터의 PWM 제어에 실시간으로 반영된다.
구체적으로, 컨트롤러, 즉, DSP(35)에 전원이 인가되면(S10), PWM 신호의 최소듀티(Dmin)에서부터 최대듀티(Dmax)까지(여기서 듀티는 0~1 사이의 값임) 전류에 포함된 옵셋 전류(Ios)를 계산한다(S20). 그리고 PWM 신호의 듀티별 옵셋 전류가 매핑된 옵셋테이블을 생성한다(S30). 여기서 옵셋테이블을 PWM 신호의 듀티를 기준으로 생성하는 것의 근거는 옵셋 전류(Ios)가 PWM 신호의 듀티의 함수이기 때문이다. 이에 대해 도 7을 참조한다. 도 7은 Duty가 증가할수록 DSP 입력 전압(Rogowsky 전류센서의 출력 전압 Vrcs)가 증가하고 이에 따라 스케일링 후의 전류 Iraw가 감소하는 특성을 나타내는 그래프이다. 이러한 특성을 이용하여 PWM 신호의 Duty를 기준으로 옵셋테이블을 생성하는 것이다. DSP(35)의 하드웨어에서 옵셋보상 소프트웨어가 옵셋테이블을 생성하는 데에는 약 30msec 내외의 짧은 시간이 소요되므로, 컨트롤러, 즉, DSP(35)에 전력이 공급될 때에 기본적으로 옵셋테이블 생성이 이루어지도록 한 것이다.
이와 같이 옵셋테이블을 생성하여(S30) 저장해 두고, 전류센싱부(100)로부터 Vrcs를 받아서 보상전 전류 Iraw를 계산하고, 상기 생성된 옵셋테이블에서 듀티값을 이용하여 실시간으로 옵셋 전류 Ios(D)를 산출한다. 이 때 보간법(interpolation)이 사용된다. 그리고 최종적으로 옵셋 보상된 전류 Ireal을 계산한다. 즉, Ireal = Iraw ―Ios로 계산할 수 있다.
도 8은 도 6의 처리 과정 중 옵셋테이블 생성 단계(S30)를 상세하게 나타낸다. 도 8의 과정을 설명하기 전에 각 파라미터의 정의를 먼저 설명하면 다음과 같다.
- Dmin, Dmax: 듀티의 최소/최대값 (범위: 0~1)
- Dk: Dmin과 Dmax 사이의 임의의 듀티. Dmin < Dk < Dmax
- ND: PWM 신호의 듀티수. 따라서 1≤ k ≤ ND
- ΔD: 옵셋테이블 생성시의 듀티 간격.
Figure pat00007
- CNTmax: 평균값 계산을 위한 샘플 수
- 예: Dmin=0.01, Dmax=0.99, ND=20, D=4.9
먼저, S31에 나타낸 것과 같이, 스위칭소자의 게이트에 구동신호를 제공하는 드라이버가 꺼져있는지 확인한다. 반도체 스위칭소자에 전류가 흐르지 않을 때에 옵셋테이블을 생성하기 위한 조치이다. 이 상태에서 듀티 Dk에서의 옵셋전류 Ios(Dk)의 전류센서 옵셋 평균치를 샘플 수 CNTmax 에 대해서 계산한다. 이에 Ios의 평균값
Figure pat00008
이 계산된다.
이상의 과정은 지수 k≤ND가 될 때까지 진행된다(S32). k≤ND가 되면 k를 1 증가시키고(k=k+1) 다시 S31의 단계를 진행하여 최종적으로 옵셋테이블
Figure pat00009
를 생성한다.
도 9는 본 발명의 옵셋보상부(200), 즉, DSP(35) 내의 옵셋보상 소프트웨어(47)가 3상 인버터(300)와 이에 의해 구동되는 모터(400)로 이루어지는 시스템에서 실시간 보상 작용을 수행하는 것을 구체적으로 보여주고 있다.
3상 인버터(300)의 각 레그에 흐르는 스위칭전류를 검출하는 전류센싱부(100)의 출력값(3상)은 옵셋보상부(200)의 ADC(43)를 거쳐 스케일링(45)되어 전류 i_Rog-uvw(k)로 된다. 한편, 옵셋보상 소프트웨어(47)가 앞에서 설명한 것과 같이 PWM 신호의 Duty를 이용하여 생성한 옵셋테이블(49)을 이용하여 옵셋전류를 산출하는데, 이때, 옵셋테이블에 1스텝 이전의, 즉, 1개 샘플을 지연하여(48) PWM Duty값(1-D)을 입력하여, 옵셋전류 Ios-uvw(k)를 계산한다. 그리고 앞에서 언급한 것과 같이, 스케일링(45)된 전류에서 상기 옵셋전류를 빼서, Ireal(= Iraw ―Ios)을 계산하여 3상 인버터(300)의 PWM 신호에 반영한다. 도 9에서 '310'번 블록은 인버터(300)의 PWM 제어에 일반적으로 사용되는 구성이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
도 10은 도 9에 나타낸 모터 시스템에서 실시간으로 옵셋이 보상되고 있음을나타내는 본 발명의 검증 결과를 나타낸다.
(a)에서 u, v, w 각 상별 실시간 옵셋 계산값 Ios-u, Ios-v, Ios-w의 파형이 나타나 있고, (b)에 옵셋 보상 전의 전류 Iraw와 옵셋 보상 후의 전류 Ireal의 각 상별 파형이 나타나 있다. 그리고 (c)에서, 본 발명에 의해 계산된 각 상별 옵셋보상 전류 Ireal(Iu-SW, Iv-SW, Iw-SW)이 전류프로브(CT probe)에 의해 측정된 전류 Iu-CT, Iv-CT, Iw-CT와 일치하는 것을 확인할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명은 장치 측면 및 방법적 측면으로 실시가능한데, 특히 본 발명의 각 구성요소의 기능(function) 또는 과정(process)은 DSP(digital signal processor), 프로세서, 컨트롤러, ASIC(application-specific IC), 프로그래머블 로직소자(FPGA 등), 기타 전자소자 중의 적어도 하나 그리고 이들의 조합이 포함되는 하드웨어 요소로써 구현 가능하다. 또한 하드웨어 요소와 결합되어 또는 독립적으로 소프트웨어(즉, 상기 옵셋보상 소프트웨어)로 구현 가능한데, 이 소프트웨어는 컴퓨터 기록매체에 저장 가능하다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다. 또한 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술한 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (16)

  1. 스위칭소자에 흐르는 스위칭전류를 감지하여 미분값을 출력하는 Rogowski 코일;
    상기 Rogowski 코일로부터 받은 미분값을 적분하는 적분기;
    상기 적분기의 적분시에 옵셋 적분값이 누적되지 않도록 스위칭 주기마다 리셋신호를 인가하는 리셋회로;
    상기 적분기의 출력값을 받아 상전류 복원(Phase Current Reconstruction) 기능을 수행하여 상전류에 해당하는 전압값을 도출하여 전류센싱 신호로서 출력하는 뺄셈기; 및
    상기 뺄셈기로부터 상기 전류센싱 신호를 받아 옵셋보상(Offset Calibration) 소프트웨어를 이용해 신호처리를 하여 실시간으로 상기 전류센싱 신호의 옵셋을 보상하는 컨트롤러를 포함하는 스위칭전류센싱시의 옵셋보상 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위칭소자는 3상 인버터의 레그 중 한 레그의 상부(top) 스위치와 하부(bottom) 스위치이고,
    상기 Rogowski 코일은 상기 상부(top) 스위치와 하부(bottom) 스위치를 지나는 스위칭전류를 감지하여 그 미분값을 출력하는 제1 Rogowski 코일 및 제2 Rogowski 코일을 포함하고,
    상기 적분기는 상기 제1, 제2 Rogowski 코일로부터 받은 미분값을 적분하는 제1 적분기 및 제2 적분기를 포함하고,
    상기 리셋회로는 상기 제1, 제2 적분기의 적분시에 옵셋 적분값이 누적되지 않도록 스위칭 주기마다 각 적분기에 리셋을 적용하는 제1 리셋회로 및 제2 리셋회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭전류센싱시의 옵셋보상 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적분기와 뺄셈기 사이에 위치하여 노이즈를 제거하는 필터를 추가로 포함하는 스위칭전류센싱시의 옵셋보상 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 리셋회로는 PWM 스위칭신호의 ON 구간에 일치하여 상기 적분기에 리셋신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 스위칭전류센싱시의 옵셋보상 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제1 리셋회로는 상기 하부측 PWM 스위칭신호의 ON 구간에 일치하여 제1 적분기에 리셋신호를 제공하고, 상기 제2 리셋회로는 상기 상부측 PWM 스위칭신호의 ON 구간에 일치하여 제2 적분기에 리셋신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 스위칭전류센싱시의 옵셋보상 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는
    상기 전류센싱 신호를 샘플링하여 디지털 신호로 변환하는 AD변환기;
    상기 샘플링된 적분기 출력값을 전류값으로 환산하는 스케일러; 및
    전류센서 옵셋 테이블을 만들고 실시간으로 적분기의 출력값 옵셋을 실시간으로 보상하는 옵셋보상 소프트웨어를 포함하는 스위칭전류센싱시의 옵셋보상 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러의 옵셋보상 소프트웨어는
    PWM 신호의 최소듀티에서부터 최대듀티까지의 옵셋 전류를 계산하여 PWM 신호의 듀티별 옵셋 전류가 매핑된 옵셋테이블을 생성하고,
    상기 전류센싱 신호로부터 보상전 전류를 계산하고,
    상기 생성된 옵셋테이블에서 듀티값을 이용하여 실시간으로 옵셋 전류를 산출하고,
    [(상기 보상 전 전류) ― (상기 옵셋 전류)]를 계산하여 옵셋 보상 전류를 산출하도록 구성되는 스위칭전류센싱시의 옵셋보상 장치.
  8. 스위칭소자에 흐르는 스위칭전류를 감지하여 미분값을 출력하는 Rogowski 코일과, 상기 Rogowski 코일로부터 받은 미분값을 적분하는 적분기와, 상기 적분기의 출력값을 받아 상전류 복원(Phase Current Reconstruction) 기능을 수행하여 상전류에 해당하는 전압값을 도출하여 전류센싱 신호로서 출력하는 상전류 복원기로부터 상기 전류센싱 신호를 받아 옵셋보상(Offset Calibration) 소프트웨어를 이용해 신호처리를 하여 실시간으로 상기 전류센싱 신호의 옵셋을 보상하는 것을 포함하는 스위칭전류센싱시의 옵셋보상 방법.
  9. 제8항에 있어서, PWM 스위칭신호의 ON 구간에 일치하여 상기 적분기에 리셋신호를 제공하는 것을 추가로 포함하는 스위칭전류센싱시의 옵셋보상 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 옵셋보상 소프트웨어는
    PWM 신호의 최소듀티에서부터 최대듀티까지의 옵셋 전류를 계산하여 PWM 신호의 듀티별 옵셋 전류가 매핑된 옵셋테이블을 생성하고,
    상기 전류센싱 신호로부터 보상전 전류를 계산하고,
    상기 생성된 옵셋테이블에서 듀티값을 이용하여 실시간으로 옵셋 전류를 산출하고,
    [(상기 보상 전 전류) ― (상기 옵셋 전류)]를 계산하여 옵셋 보상 전류를 산출하도록 구성되는 스위칭전류센싱시의 옵셋보상 방법.
  11. 스위칭소자에 흐르는 스위칭전류를 감지하여 미분값을 출력하는 Rogowski 코일과, 상기 Rogowski 코일로부터 받은 미분값을 적분하는 적분기와, 상기 적분기의 출력값을 받아 상전류 복원(Phase Current Reconstruction) 기능을 수행하여 상전류에 해당하는 전압값을 도출하여 전류센싱 신호로서 출력하는 상전류 복원기로부터 상기 전류센싱 신호를 받아 신호처리를 하는 디지털신호처리기를 포함하여 실시간으로 상기 전류센싱 신호의 옵셋을 보상하도록 구성된 스위칭 컨트롤러.
  12. 제11항에 있어서, PWM 스위칭신호의 ON 구간에 일치하여 상기 적분기에 리셋신호를 제공하는 것을 추가로 포함하는 스위칭 컨트롤러.
  13. 제11항에 있어서, 상기 디지털신호처리기는
    PWM 신호의 최소듀티에서부터 최대듀티까지의 옵셋 전류를 계산하여 PWM 신호의 듀티별 옵셋 전류가 매핑된 옵셋테이블을 생성하고,
    상기 전류센싱 신호로부터 보상전 전류를 계산하고,
    상기 생성된 옵셋테이블에서 듀티값을 이용하여 실시간으로 옵셋 전류를 산출하고,
    [(상기 보상 전 전류) ― (상기 옵셋 전류)]를 계산하여 옵셋 보상 전류를 산출하도록 구성되는 스위칭 컨트롤러.
  14. 스위칭소자에 흐르는 스위칭전류를 감지하여 미분값을 출력하는 Rogowski 코일과, 상기 Rogowski 코일로부터 받은 미분값을 적분하는 적분기와, 상기 적분기의 출력값을 받아 상전류 복원(Phase Current Reconstruction) 기능을 수행하여 상전류에 해당하는 전압값을 도출하여 전류센싱 신호로서 출력하는 상전류 복원기로부터 상기 전류센싱 신호를 받아 디지털신호처리기를 수행하여 실시간으로 상기 전류센싱 신호의 옵셋을 보상하도록 구성된 옵셋보상(Offset Calibration) 소프트웨어가 기록된 컴퓨터 기록매체.
  15. 제14항에 있어서, 상기 옵셋보상 소프트웨어는 PWM 스위칭신호의 ON 구간에 일치하여 상기 적분기에 리셋신호를 제공하도록 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기록매체.
  16. 제14항에 있어서, 상기 옵셋보상 소프트웨어는
    PWM 신호의 최소듀티에서부터 최대듀티까지의 옵셋 전류를 계산하여 PWM 신호의 듀티별 옵셋 전류가 매핑된 옵셋테이블을 생성하고,
    상기 전류센싱 신호로부터 보상전 전류를 계산하고,
    상기 생성된 옵셋테이블에서 듀티값을 이용하여 실시간으로 옵셋 전류를 산출하고,
    [(상기 보상 전 전류) ― (상기 옵셋 전류)]를 계산하여 옵셋 보상 전류를 산출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 기록매체.
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