KR101655548B1

KR101655548B1 - 모터 위치 검출용 홀 센서의 위치 오차 보정 방법

Info

Publication number: KR101655548B1
Application number: KR1020140140461A
Authority: KR
Inventors: 김성도; 강민수; 이동훈
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-10-17
Filing date: 2014-10-17
Publication date: 2016-09-07
Also published as: US20160109531A1; US9927495B2; KR20160045250A; DE102015218119A1

Abstract

본 발명은 모터 위치 검출용 홀 센서의 위치 오차 보정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모터의 회전자 위치에 대한 검출 오차를 방지할 수 있도록 한 모터 위치 검출용 홀 센서의 위치 오차 보정 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 제어기에 저속의 회전 자계를 인가하는 제어 모드를 추가하여 회전자를 천천히 회전시키면서 3개의 홀 센서의 출력값이 변화하는 순간의 위치를 기록하고, 고정자 권선의 3상 좌표계 U상 위치와 각 홀 센서와의 위치 옵셋(각도)를 추출 및 저장하여, 이후 정상 운전 모드에서 회전자 자석의 위치 오차의 영향을 최대한 배제하여 회전자 속도 및 위치를 정확히 측정할 수 있도록 한 모터 위치 검출용 홀 센서의 위치 오차 보정 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

모터 위치 검출용 홀 센서의 위치 오차 보정 방법{OFFSET COMPENSATION METHOD OF HALL SENSOR IN MOTOR}

본 발명은 모터 위치 검출용 홀 센서의 위치 오차 보정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모터의 회전자 위치에 대한 검출 오차를 방지할 수 있도록 한 모터 위치 검출용 홀 센서의 위치 오차 보정 방법에 관한 것이다.

연료전지 자동차, 전기자동차, 하이브리드 자동차, 플러그인 전기자동차 등을 포함하는 친환경 차량에는 발전 및 주행을 위한 복수개의 모터가 장착되고, 이들 모터의 구동을 보다 정밀하게 제어하기 위하여 각 모터의 회전수를 검출하는 홀 센서가 장착된다.

각 모터의 소정 위치에 홀 센서가 소정의 각도 간격으로 장착되어 모터의 회전자가 회전함에 따라 각 홀 센서는 온 또는 오프의 디지털 신호를 발생하여 회전자의 위치 정보를 출력하고, 이 위치 정보를 기반으로 일련의 모터 구동제어(모터속도 계산 등)가 실행될 수 있다.

한편, 연료전지 시스템의 공기 공급을 위한 블로워 즉, 모터에 공력부 기구물이 추가된 형태인 에어 블로워는 표면 부착형 영구 자석 동기 모터(SMPMSM, Surface Mounted Permanent Magnetic Synchronous Motor)이며, 회전자(Rotor) 위치 판별 및 속도 측정을 위하여 위치 센서의 일종인 홀 센서(Hall Sensor)를 포함하고 있다.

상기 홀 센서는 원통형 모터하우징의 엔드 플레이트(End-Plate) 측에 장착되며, 수만 RPM 이상의 회전 속도를 측정하기 위해 120˚ 등간격으로 3개가 배치된다.

상기 에어 블로워와 연결된 제어기(3상 전압형 인버터, 이하 인버터)에서는 고전압 단의 직류전원을 공간벡터 펄스 폭 변조방식(Space Vector Pulse Width Modulation, 이하 SVPWM)을 이용하여 3상 교류 전원으로 변환하여 전기모터를 회전시키고, 그에 따라 동축의 임펠러(Impeller)가 회전하면서 공기를 밀어줌으로써, 연료전지 시스템에 공기가 공급된다.

영구자석형 모터의 SVPWM 제어를 통해 생성된 회전자계와 회전자(영구자석) 간에 발생하는 인력과 척력을 이용하여 회전자를 회전시키기 위해서 회전자 자석의 위치를 정확히 측정해야 한다.

그러나, 모터하우징에 장착된 홀 센서 배치에 따른 출력값에 의해 회전자 자석의 위치가 측정되므로, 홀 센서 장착 시 발생할 수 있는 제작 오차는 회전자의 위치 오차와 속도 오차를 결정하는 원인이 되는 문제점이 있다.

여기서, 종래의 홀센서를 이용한 모터 회전자 위치 검출 동작을 살펴보면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 모터 고정자 및 회전자, 그리고 홀센서 간의 배치 구조를 나타낸

연료전지 시스템의 공기 공급을 위한 에어 블로워 제작 시, 홀 센서 A, B, C 3개가 120˚ 등간격으로 하우징에 장착되며, 이 하우징은 고정자 및 권선을 포함한다.

따라서, 3상 좌표계의 U상 전류 인가 시, 도 1에서 보듯이 자계가 생성되는 위치(이하, U상 위치)와 홀 센서 A와의 틀어진 각도 차이가 '회전자 위치 옵셋'이며, 이 회전자 위치 옵셋을 제어기에 저장하여 회전자의 위치 측정 시 이용하게 된다.

이러한 회전자 위치 측정시, 상기 홀 센서 A, B, C가 정확히 120˚ 간격으로 배치된다는 가정과, 상기 홀 센서 A와 U상 위치가 정확한 각도 차이(angle offset)을 갖는다는 가정이 전제된다.

첨부한 도 2는 회전자계의 이동에 따라 회전자의 회전방향이 결정된 상태에서 홀 센서의 측정 과정을 도시한 도면이며, 모터의 회전자계의 이동에 따라 회전자의 회전 방향이 결정된다.

이때, 상기 회전자의 위치는 홀 센서의 출력값을 이용하여 측정하게 된다.

상기 홀 센서는 자석의 N극 방향에서 하이(high), S극 방향에서 로우(low)를 출력한다.

또한, 상기 홀 센서 A, B, C는 120˚ 간격으로 배치되므로 회전자의 1회전 시 총 6번의 홀 센서 출력 변화가 발생하며, 이때의 홀 센서 출력값은 아래의 표 1에 기재된 바와 같다.

위의 표 1에 기재된 바와 같이, 홀 센서 출력값에 따라 회전자의 N극이 향하는 섹션을 판단할 수 있고, 또한 각 홀 센서가 변화하는 순서에 따라 방향을 판단할 수 있다.

그러나, 도 2에 도시된 홀 센서 위치에 따른 섹션과 회전자계에 의한 회전자(Rotor) 위치는 홀센서의 장착 위치가 틀어진 경우, 회전자의 실제 위치와 다른 위치로 감지될 수 있다.

다시 말해서, 상기 고정자 권선의 U상 위치에 허용오차 범위 내에 옵셋을 갖는 홀 센서 A를 장착하는 과정에서 발생하는 위치 오차, 즉 홀 센서 A에 대해 120˚, 240˚ 간격으로 홀 센서 B, 홀 센서 C를 장착하는 과정에서 발생하는 위치 오차는 홀 센서의 출력값 변화에 영향을 주게 되고, 결국 회전자의 속도 및 위치 계산 오차로 이어지는 문제점이 있다.

또한, 상기 회전자 속도 오차는 속도 제어기의 출력 전류 지령에 대해 리플을 발생시켜서, 전류 제어기 안정성을 떨어뜨린다.

또한, 상기 회전자 위치 오차는 전류 제어기에 이용되는 회전자 위치 각도의 오차로 작용하여 3상 모터 출력 전류의 리플을 야기하여, 전기적 효율 저하 및 모터 측 발열을 촉진할 뿐만 아니라 모터 회전 속도의 흔들림으로 초래한다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 제어기에 저속의 회전 자계를 인가하는 제어 모드를 추가하여 회전자를 천천히 회전시키면서 3개의 홀 센서의 출력값이 변화하는 순간의 위치를 기록하고, 고정자 권선의 3상 좌표계 U상 위치와 각 홀 센서와의 위치 옵셋(각도)를 추출 및 저장하여, 이후 정상 운전 모드에서 회전자 자석의 위치 오차의 영향을 최대한 배제하여 회전자 속도 및 위치를 정확히 측정할 수 있도록 한 모터 위치 검출용 홀 센서의 위치 오차 보정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은: ⅰ) 홀 센서의 위치 오차(offset) 보정이 완료된 상태인지를 확인하는 단계와; ⅱ) 홀 센서의 위치 오차 보정이 완료되지 않은 상태이면 저속 회전 자계를 인가하는 제어 모드로 진입하는 단계와; ⅲ) 모터에 대한 입력 전압이 생성되면, 회전자의 현재 위치를 파악하기 위하여 홀 센서의 출력 초기값을 저장하는 단계와; ⅳ) 모터의 회전자를 저속으로 회전시키면서 홀 센서의 출력값 변화를 관찰하는 단계와; ⅴ) 상기 홀 센서의 출력값이 변화할 때, U상 위치와 홀 센서 간의 위치 오차값을 측정하여 저장하는 단계와; ⅵ) 저속 회전 자계를 인가하는 제어 모드를 종료하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 위치 검출용 홀 센서의 위치 오차 보정 방법을 제공한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, U상 위치로부터 3개의 홀 센서 위치 오차를 파악하기 위한 제어 모드를 실행하여 홀 센서의 간격 오차 및 U상 위치와의 오차 정보를 검출함으로써, 제어기의 PWM 제어 시 회전자 자석 방향을 판단할 때 오차 정보를 이용하여 회전자 위치를 정확하게 검출할 수 있다.

둘째, 회전자 위치 오차에 따른 속도 리플과 잘못된 회전자 위치에서 불필요하게 소모되는 전류 손실을 저감하고, 궁극적으로 모터 속도 정밀도 향상 및 효율 개선을 도모할 수 있다.

또한, 회전자 속도 오차가 감소하여 속도 제어기 출력 지령을 안정화시키는 동시에 인버터 출력 전류, 즉 모터 상전류 리플을 저감하여 모터 효율 향상을 도모할 수 있다.

도 1은 도 1은 모터 고정자 및 회전자, 그리고 홀센서 간의 배치 구조를 나타낸
도 2는 회전자계의 이동에 따라 회전자의 회전방향이 결정된 상태에서 홀 센서의 측정 과정을 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 모터 위치 검출용 홀 센서의 위치 오차 보정 방법을 설명하기 위한 모터 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 모터 위치 검출용 홀 센서의 위치 오차 보정 방법을 설명하기 위한 제어 순서도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 저속 회전 자계를 인가하는 제어 모드 즉, 회전자를 천천히 회전시키면서 3개의 홀 센서의 출력값이 변화하는 순간의 위치를 기록하기 위한 제어 모드를 이용하여, 3상 좌표계의 기준이 되는 U상 위치와 각 홀 센서 A, B, C의 위치 차이를 미리 파악하여 홀 센서의 위치 오차를 보정할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 모터 위치 검출용 홀 센서의 위치 오차 보정 방법을 설명하기 위한 모터 구성도이고, 도 4는 제어 순서도이다.

먼저, 제어기에서 홀 센서의 위치 오차(offset) 보정이 완료된 상태인지를 확인한다(S101).

홀 센서의 위치 오차 보정이 완료된 상태이면, 모터의 회전자 위치를 홀 센서에서 측정하는 정상 운전 모드로 진입한다(S108).

반면, 홀 센서의 위치 오차 보정이 완료되지 않은 상태이면 제어기는 저속 회전 자계를 인가하는 제어 모드 진입을 실행한다.

상기 저속 회전 자계를 인가하는 제어 모드의 첫번째 단계로서, 연료전지에 공기를 공급하기 위한 에어블로워 즉, 모터에 대한 입력 전압이 생성될 때까지 대기한다(S102).

이어서, 모터에 대한 입력 전압이 생성되면, 회전자의 현재 위치를 파악하기 위하여 홀 센서의 출력 초기값을 저장한다(S103).

연이어, 모터의 회전자를 천천히 회전시키면서 홀 센서의 출력값 변화를 관찰한다.

즉, 3상 좌표계의 U상 위치에 자계가 생성되도록 제어기에서 PWM 스위칭 제어를 시작함으로써, U상 위치에 인가한 자계가 θm 단위로 이동될 수 있고, 이때의 홀 센서의 출력값 변화를 관찰한다(S104).

첨부한 도 3을 참조하면, 홀 센서 간의 섹션 변경이 발생하는 경우 홀 센서의 출력값 변화가 발생하게 되며, U상 위치에서 자계가 이동한 만큼의 θm 를 합산하면 U상 위치와 홀 센서와의 오차(Offset) 값을 정확히 파악할 수 있고, 단위각 θm 이 작을수록 홀 센서의 정확한 위치를 파악할 수 있다.

따라서, 상기 홀 센서 A,B,C 중 그 출력값이 변화할 때, 자계를 θm 단위로 이동시키는 것을 이용하여 U상 위치와 홀 센서 간의 위치 오차값을 측정할 수 있고, 측정된 오차값은 제어기에 저장된다(S105).

이때, 상기 자계의 이동시 360/θm 위치가 U상 위치가 되면, 제어기에서 모터 회전자의 회전을 중지시키고, 저속 회전 자계를 인가하는 제어 모드를 종료한다(S106).

또한, 상기와 같이 제어기의 특정 메모리 영역에 U상 위치에 대한 홀 센서 A, B, C의 위치 오차(Offset)값이 저장되고, 저속 회전 자계를 인가하는 제어 모드가 종료된 후, 제어기는 홀 센서 A,B,C 위치를 오차값을 감안한 수준으로 업데이트한다(S107).

따라서, U상 위치와 홀센서 A 간의 오차(Offset) 각도, U상 위치와 홀센서 B 간의 오차(Offset) 각도, U상 위치와 홀센서 C 간의 오차(Offset) 각도 등의 오차 정보가 제어기의 메모리에 저장됨으로써, 정상 운전 모드 전환 후 제어기의 PWM 제어 시 회전자 자석 방향을 판단할 때 오차 정보를 이용하게 되므로, 회전자 위치를 정확하게 알 수 있게 된다.

이와 같이, 제어기의 저속 회전 자계를 인가하는 제어 모드에 의하여, 모터 제작시 홀 센서가 틀어져 장착된 오차 정보를 알 수 있고, 이러한 오차 정보를 이용하여 회전자의 정확한 위치 파악이 가능하다.

Claims

ⅰ) 홀 센서의 위치 오차(offset) 보정이 완료된 상태인지를 확인하는 단계와;
ⅱ) 홀 센서의 위치 오차 보정이 완료되지 않은 상태이면 저속 회전 자계를 인가하는 제어 모드로 진입하는 단계와;
ⅲ) 모터에 대한 입력 전압이 생성되면, 회전자의 현재 위치를 파악하기 위하여 홀 센서의 출력 초기값을 저장하는 단계와;
ⅳ) 모터의 회전자를 저속으로 회전시키면서 홀 센서의 출력값 변화를 관찰하는 단계와;
ⅴ) 상기 홀 센서의 출력값이 변화할 때, U상 위치와 홀 센서 간의 위치 오차값을 측정하여 저장하는 단계와;
ⅵ) 저속 회전 자계를 인가하는 제어 모드를 종료하는 단계;
를 포함하고,
상기 ⅳ) 단계에서, 3상 좌표계의 U상 위치에 자계가 생성되도록 제어기에서 PWM 스위칭 제어를 시작함으로써, U상 위치에 인가한 자계가 θm 단위로 이동될 때, 홀 센서의 출력값 변화를 관찰하는 것을 특징으로 하는 모터 위치 검출용 홀 센서의 위치 오차 보정 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 ⅰ) 단계에서, 홀 센서의 위치 오차 보정이 완료된 상태이면, 모터의 회전자 위치를 홀 센서에서 측정하는 정상 운전 모드로 진입하는 것을 특징으로 하는 모터 위치 검출용 홀 센서의 위치 오차 보정 방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 ⅴ) 단계에서, 홀 센서의 출력값 변화가 발생할 때, U상 위치에서 자계가 이동한 만큼의 θm 를 합산하여, U상 위치와 홀 센서와의 위치 오차값이 측정되는 것을 특징으로 하는 모터 위치 검출용 홀 센서의 위치 오차 보정 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 ⅵ) 단계에서, 자계의 이동시 360/θm 위치가 U상 위치가 되면, 저속 회전 자계를 인가하는 제어 모드를 종료하는 것을 특징으로 하는 모터 위치 검출용 홀 센서의 위치 오차 보정 방법.