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Paramétrages

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1. KR1020090089299 - HARMONIC DISTURBANCE REGULATOR

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명 세 서
고조파 교란 조절기{HARMONIC DISTURBANCE REGULATOR}
기 술 분 야
토크 교란에 의한 속력 변화 없이 목표 속도로 모터를 작동하는 것이 요구되는 많은 분야들이 있다. 예를 들어, 엔진 특성은 선택된 속력에서의 작동을 요구한다. 냉각 엔진 테스트 시스템에서, 예를 들어 엔진 디자인 최적화, 엔진 실린더 누출 특성, 등의 목적들을 위해, 테스트 하에서 목표 속력으로 엔진을 회전시키는데 전자 모터 드라이브가 이용된다. 그러나, 테스트 하의 엔진은 엔진 실린더 압축/캠 링크 장치 상호 작용에 의해 모터 축 상에 원하지 않은 주기적 토크 교란을 나타낸다. 이러한 주기적 토크 교란들은 엔진 캠 축 및 크랭크 축의 회전 속력에 고조파적으로 관련되어, 실제 엔진 속력이 변화되어 상기 엔진 특성의 수행에 맞지 않게 된다. 주기적 기계적 토크 교란을 야기할 수 있는 다른 영역들은 롤링 밀, 회전 및 왕복 펌프, 권취기 및 비권취기 등을 포함한다. 주기적 토크 교란은 또한 예를 들어, 위상 레그 스위칭 이벤트들 사이의 무효 시간(dead time)으로부터 야기되는 전자 구동된 모터가 드라이브(drive)하는 동력에 의해 야기된 전기 디스토션(electrical distortion)에 의해 발생할 수 있다.
발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래기술
주기적 토크 교란의 효과를 감소시키기 위해 여러 가지의 기술들이 개발되어 오고 있다. 드라이브 속력 루프의 대역폭 상승은 결과 엔진 속력 변화를 저감시킬 수 있을 뿐, 이를 완전히 제거하지는 못한다. 속도 변화를 완화하거나 최소화하는 또 다른 기술은 속도 루프에 교란 토크 옵서버(torque observer)를 추가한다. 그러나, 옵서버의 가속 추정 기간의 에러는 종종 비 이상적인 완화와 속도 변화를 유발한다.
또 다른 기술이 문언적으로 반복 콘트롤러로서 언급된다. 이 기술은 몇가지 결점을 가지고 있다. 한 결점은 대상(interest)의 각 고조파의 위상(phase of each harmonic)을 보상하거나 기억(learn)하지 않는다는 것이다. 반복 콘트롤러는 대상 고조파의 매 배수(every multiple of the harmonic of interest)에서 무한 게인(infinite gain)(즉, 적분 동작(integral action))을 가지고, 그 크기를 "기억"한다. 동일 진폭(amplitude)의 보정이 대상 고조파 및 그 배수의 각각에 적용된다. 실제 시스템에서, 고조파의 각 배수는 그 보상을 위해 상이한 진폭을 요구할 수 있다. 상기 반복 콘트롤러가 적절히 동작하기 위해, 대상이 아닌 고조파 배수에 대한 보상은 제거되어야 한다. 한 방법은 고속 퓨리에 변환(FFT)를 수행하고, 대상이 아닌 배수를 포함하는 빈스(bins)를 제거하고, 번거로운 과정인 역 FFT를 수행하는 것이다. 또한, 반복 콘트롤러는 많은 예에서 불안정하여 고조파의 온라인 러닝(online learning)에서 제외된다.
고조파 조절의 다른 응용은 고조파 토크 교란을 시스템에 고의적으로 도입시키는 것이다. 이러한 응용은 예를 들어 트랜스 미션, 얼터네이터, 에어 컨디셔너, 펌프 및 기타 장치의 테스트 목적을 위해, 내부 연소 엔진에서 전기 모터가 고유한 토크 진동(pulsation)을 시뮬레이트 해야하는 시험대(test stand)를 포함한다. 통상적인 방법은 시뮬레이션된 엔진 크랭크의 위치에 대하여 맵핑된 토크 프로파일을 이용하는 것이다. 이러한 방법은 기초 조절 알고리즘의 제한된 대역폭에 의해 높은 주파수에서 조절이 우수하지 못한 단점을 가진다.
발명의 상세한 설명
이하, 기타 사항들과 함께 상기 언급된 문제점들을 최소화하고/거나 제거하기 위해 착안된 고조파 교란 조절기를 설명한다.
고조파 조절기는 주기 교란을 가지고/거나 요구하는 시스템에서 0을 포함하는 지시 값으로 복수개의 개별 고조파를 조절한다. 조절되는 각 고조파에 대해, 조절되는 고조파를 나타내는 피드백 신호가 조절되는 고조파의 소스 기준 프레임으로부터 고조파 기준 프레임으로 변환되어 qd 피드백 신호를 형성한다. qd 피드백 신호는 고조파에 대한 지시 값에서 차감되어 qd 에러 신호를 형성하고 조절된다. 조절된 qd 신호는 목표 기준 프레임으로 변환되어 보상 신호를 형성하고, 보상 신호는 조절 신호에 부가되어, 조절되는 각 고조파를 그 지시 값을 향해 드라이브하는 qd 조절 신호를 형성한다.
피드백 신호를 고조파 기준 신호로 변환하는 데 사용되는 각(angle)은 소스 프레임 내 피드백 신호의 위상을 조절되는 고조파의 고조파 수로 곱하고, 고조파 각을 결과 값의 모듈로(modulo) 2π 값으로 설정하는 것으로 유도된다. 유사하게, 조절된 신호를 목표 기준 프레임으로 변환하는데 이용되는 각도 목표 고조파 수 빼기 소스 고조파 수와 동일한 차이 값 만큼 차감된 고조파 수에 의해 곱해진 피드백 신호의 모듈로 2π 위상으로부터 유도된다.
한 실시예에서, 시스템은 속력 범위를 초과하여 회전되며, 엔진 속도가 기 설정된 값 미만일때, qd 신호를 조절하는데 이용된 PI 조절기가 래치(latch)되어 에러 신호를 제로로 하고, 그에 의해 엔진 속도가 기 설정된 값 미만으로 진행하기 이전의 값들에서 qd 신호의 q 와 d 값들을 유지하는 엔진을 구비한다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하는 하기의 구체적인 실시예에 대한 설명으로부터, 본 발명의 부가적인 특징 및 장점들이 명백하게 된다.
도면의 간단한 설명
명세서에 결합되고 그 일부를 이루는 첨부된 도면들은 여기에 개시된 본 발명의 고조파 조절기의 여러 측면들을 도시하며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 고조파 조절기의 원리를 설명하는데 이용된다.
도 1은 고조파 조절기가 작동할 수 있는 예시적 작동 환경의 블럭도이다.
도 2는 고조파 조절기가 도입될 수 있는 예시적 콘트롤러의 블럭도이다.
도 3은 복수개의 개별 고조파 조절기가 위치하는 고조파 조절기의 블럭도이다.
도 4는 본 발명에 따른 개별 고조파 조절기의 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 소스 고조파 프레임 변환 블럭(source to harmonic frame transformation block)의 블럭도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 고조파 선택 목표 프레임 변환 블럭(harmonic to selected destination frame transformation block)의 블럭도이다.
도 7은 하나 이상의 고조파를 조절하기 위해 수행되는 단계들을 도시하는 순서도이다.
도 8은 하나 이상의 고조파를 저속으로 조절하는 본 발명의 일 실시예에서 수행된 단계들을 도시하는 순서도이다.
도 9a 내지 도 9e는 제2 고조파와 함께 제1 고조파를 조절하는 예를 나타내는 시뮬레이션된 파형들이다.
도 10a 내지 도 10e는 도 9a 내지 도 9e의 파형들의 확대도들이다.
도 11a 내지 도 11e는 도 9a 내지 도 9e의 제1 고조파와 함께 제2 고조파를 조절하는 예를 나타내는 시뮬레이션된 파형들이다.
도 12a 내지 도 12e는 도 11a 내지 도 11e의 파형들의 확대도들이다.
도 13은 고조파 교란 조절기가 불능일때 300rpm에서 작동되는 엔진 시스템에서의 전기 토크 추정, qds 조절 신호, 모터 속도, 및 모터 속도의 고속 퓨리에 변환을 보여준다.
도 14는 고조파 교란 조절기가 작동될때, 도 13의 엔진 시스템에서의 전기 토크 추정, qds 조절 신호, 모터 속도, 및 모터 속도의 고속 퓨리에 변환을 보여준다.
도 15는 고조파 교란 조절기가 불능일때 600rpm에서 작동되는 엔진 시스템에서의 전기 토크 추정, 전기 토크 지시, 모터 속도, 및 모터 속도의 고속 퓨리에 변환을 보여준다.
도 16은 고조파 교란 조절기가 작동될 때, 도 15의 엔진 시스템에서의 전기 토크 추정, 전기 토크 지시, 모터 속도, 및 모터 속도의 고속 퓨리에 변환을 보여준다.
본 발명의 고조파 조절기는 몇몇 실시예를 통해 설명되나, 이러한 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 반대로, 본 발명의 고조파 조절기는 첨부된 특허청구범위에 의해 규정되는 본 발명의 고조파 조절기의 아이디어와 보호 범위 내에 포함되는, 모든 택일적 요소, 변형 및 균등물을 포함한다.
실 시 예
여기서 설명되는 고조파 조절기는 주기적 토크 교란을 야기하는 고조파를 조절하거나 제거한다. 먼저 도 1을 참조하여, 본 발명의 기술이 작동될 수 있는 예시적 시스템(100)을 도시한다. 시스템은 그 입력으로 삼상 전력을 수신하고, 이를 DC 링크로 전환하고, 전력 전자 스위치(도시하지 않음)를 통해 모터(104)를 조절하는 드라이브/콘트롤러(102)를 포함한다. 모터(104)는 커플링(108)을 통해 엔진(106)을 구동한다. 전술한 바와 같이, 엔진(106)은 엔진(106)의 회전 동안 실린더 압축/캠 링크 장치 상호 작용에 의해 모터 축(110)상에 주기적 토크 교란을 나타낸다.
드라이브/콘트롤러(102)는 임의의 형태일 수 있다. 드라이브/콘트롤러(102)는 대개 몇몇 형태의 컴퓨터 판독가능 매체를 포함한다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 드라이브/콘트롤러(102)에 의해 접속될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있으며, 휘발성 및 비휘발성 매체 둘다, 삭제 가능 및 삭제 불가능 매체 둘다를 포함할 수 있다. 후술되는 설명에서, 드라이브/콘트롤러(102)는 qd 형 콘트롤러 형태일 수 있으며, 여기서 주 조절 루프는 또한 dq 기준 프레임으로 알려진 qd 기준 프레임에서 사용된다. 이제 도 2를 참조하면, 주 콘트롤 루프 블럭(200)은 지시 속도, 모터 속도, 모터 가속 등과 같은 입력을 수신하고, qds 조절 신호를 출력한다. 여기서, qds 조절 신호는 직각 위상 축(quadrature axis) 조절 신호 및 직축(direct axis) 조절 신호를 포함한다. qds 조절신호는 qds to uvw 블럭(202)에 의해 uvw 조절 신호로 변환된다. uvw 조절 신호는 대개 서로 120도로 분리된 3 개의 위상들을 가지는 모터 내 각 위상에 대한 조절 신호를 포함한다. uvw 조절 신호는 uvw 조절 블럭(204)에 의해 이용되어 모터(104)를 구동한다. 일반적으로, uvw 조절 블럭(204)는 펄스폭 변조(PWM) 등을 통해 각 모터 위상에 전력을 공급하는 인버터로 구성된다.
고조파 조절기(206)는 스위치(208)가 활성화 되었을때, qds 조절 신호에 부가되는 조절 신호를 출력하여, 하나 이상의 선택된 고조파를 특정 값(0일 수 있음)으로 조절한다. 스위치(208)이 보여지는(shown) 동안, 한 실시예에서 고조파 조절기(206)는 덧셈 계수기(summer: 210)에 직접 연결된다. 고조파 조절기(206)는 복수개의 개별 고조파 조절기(300n)을 포함한다(도 3 참조). 고조파 조절기(206)는 복수개의 개별 고조파 조절기들에 대하여 공통적인 fqds 입력, x 입력, 및 dn 입력을 가진다. fqds 입력은 주 콘트롤 루프에서 사용되며, 주기적 토크 교란에 의한 고조파 요소를 가지는 백터 피드백 변수를 수신한다. 예를 들어, 기계적 토크 교란(예를 들어, 주기적 토크 교란)을 조절하는 응용에서, fqds 입력은 소스 프레임에서 q축 크기만을 가지는 모터 가속일 수 있으며, 또는 전압 교란 억제(예를 들어 인버터 무효 시간(dead time) 디스토션에 의한 주파수 의존 전류 고조파 제거)를 위한 응용에서, fqds 입력은 정지 기준 프레임에서 잠재적으로 q 와 d 축 크기 둘 다를 가지는 전류 피드백일 수 있다. x 입력은 고조파가 기준이 되는 fdqs 입력의 각 위치 추정이며, 고조파에 대하여 기본적인 기준 프레임을 설정한다. dn 입력은 출력을 위한 "목표 빼기 소스(destination minus source)" 고조파 차이 수로서 사용된다. 예를 들어, 소스가 고정 프레임일 때, 1에 대한 dn 설정은 출력이 제1 고조파 기준 프레임(즉, 동기 기본 기준 프레임)이 되도록 설정하고, 0에 대한 dn 설정은 출력이 고정 기준 프레임이 되도록 설정한다. 잔존하는 배수 고조파 조절기 입력 h 1 내지 h n, 및 fqdcmd 1 내지 fqdcmd n은 조절되는 고조파 수 및 고조파가 각각 조절되는 qd 벡터 크기이다. 이러한 벡터들의 크기에 대한 0 값은 콘트롤러가 연결된 고조파를 0으로 조절하게 한다. 조절되는 고조파 h 1 내지 h n은 조절되는 시스템 특성의 이해 또는 고속 퓨리에 변환을 이용하는 교란의 분석, 또는 기타 실험적 방법에 의해 결정될 수 있다. 개별 고조파 조절기의 각각의 출력은 덧셈 계수 블럭(302)에서 합해진다(도 3 참조). 그리고 합해진 출력 fddncomp은 덧셈 계수기(210)에서 qds 조절 신호와 합해진다. fqds 신호가 q 축 크기를 가지는 경우에, 출력의 q 축 크기 요소만이 합쳐지고, d 축 요소는 0으로 고정된다.
이제 도 7과 함께 도 4를 참조하여, 한 실시예의 고조파 조절기(300)를 설명한다. 블럭(400)에서 블럭(402) 까지, x 입력 및 조절되는 고조파 수 h는 곱해지고(블럭(400)), 모듈로 2π가 유도되어(블럭(402)) 각 θ(세타)를 취득한다. 이 각에서 조절되는 고조파는 고정 기준 프레임에 관련된다(단계 700). 각 θ는 소스에서 사용된 사인 및 코사인 함수를 고조파 변환 블럭(406)(도 5 참조)로 유도하는데 이용되어((블럭(404))), fqds 벡터 피드백 변수를 고조파 프레임의 고조파 수 h로 변환한다(단계 702). 예를 들어, 5th 고조파가 고조파 조절기(300)에서 조절되면, fqds 피드백 변수는 고조파 프레임의 5th 고조파로 변환된다. 결과 qdh 변수들은 필터 블럭(408)을 통해 로우 패스 필터되어 qdh 변수에 존재하는 기타 주파수들을 제거하거나 감소시켜, 고조파 조절기(300)가 주로 대상 고조파를 조절하게 한다(단계 704). 택일적으로, 밴드 패스 필터가 고조파 기준 프레임으로의 변환 이전에 소스 기준 프레임에 제공될 수 있다. 결과 필터된 qdh 값은 덧셈 계수기(410)에서 지시된 qd 값에서 차감된다(단계 706). 결과 에러는 qd PI 조절기(블럭 412)에 의해 조절되고(단계 708), dn 입력을 통해 선택된 기준 프레임으로 변환된다(블럭 414-도 6 참조)(단계 710). 블럭(414)에 사용되는 사인 및 코사인 함수는, 고조파 수 빼기 dn 입력값에 의해 곱해진(블럭(402)에서) x 입력의 모듈로 2π(블럭 (418))로부터 유도된 입력 각을 가지는, 블럭(416)에 의해 유도된다. 선택된 고조파에 대한 fqddncomp 값은 기타 값과 계수 블럭(302)(도 3)에서 합하여져, 고조파 조절기(206)의 fqddncomp 출력 값을 생성한다.
낮은 엔진 속력에서, 낮은 속력에서 시스템의 낮은 기본 주파수에 의해 고조파의 "뭉침(crowding)" 때문에, 고조파가 식별되기 어려울 수 있다. 한 실시예에서, 엔진 속력이 기 결정된 속력 미만으로 떨어지면, PI 블럭은 래치되고, qd 값은 기 결정된 속력 이상인 값으로 유지된다(단계 712-도 8참조). 테스트는 래치된 값에 의한 고조파의 조절이 고조파 교란 조절기가 완전히 불능으로 된 경우보다 우수함을 보여준다.
이제 도 9a 내지 도 12e를 참조하여, 두개의 고조파를 조절하는 시뮬레이션 예를 설명한다. 도 10a 내지 도 10e 및 도 12a 내지 도 12e는 도 9a 내지 도 9e 및 도 11a 내지 도 11e 각각의 파형의 확대도들이다. 도 9a 및 도 11a는 증분(incremental) 엔코더가 사용될 때 신호의 형태에 유사하게 양자화된 qd 가속 피드백 신호이며, 도 10a 및 도 12a는 도 9a 및 도 11a 각각의 확대도이다. 도 9b 및 도 11b 는 고조파 기준 프레임의 고조파 h1 및 h2로 각각 변환된 후, 변환된 qd 가속 신호이다. 도 10b 및 도 12b는 도 9b 및 도 11b 각각의 확대도이다. 도 9c 및 도 11c 는 필터되고 변환된 qd 가속신호이다. 두 고조파(즉, 본 실시예에서 가속 에러들)에 대한 필터 기간이 PI 조절기 출력에 의해 어떻게 0으로 강제되는지를 확인할 수 있다. 도 10c 및 도 12c는 도 9c 및 도 11c 각각의 확대도이다. 도 9d 및 도 11d 는 PI 조절 후, 필터되고 변환된 qd 가속 신호이다. 도 10d 및 도 12d는 도 9d 및 도 11d 각각의 확대도이다. 고조파 프레임에서 각 PI 조절기 출력이 각 고조파에 대한 상이한 크기 및 위상에 어떻게 대응하는지를 확인할 수 있다. 도 9e 및 도 11e는 도 9a 및 도 11a의 기준 프레임으로 다시 변환된 후, PI 조절된 qd 가속 신호이다. 도 10e 및 도 12e는 도 9e 및 도 11e 각각의 확대도이다.
도 13 및 도 14를 참조하여, 300rpm에서 작동되는 4개의 실린더, 4 사이클 엔진의 테스트 시스템에서 고조파를 조절하는 실시예가 설명된다. 파형(1300)은 전기 토크 추정이고, 파형(1302)는 qds 콘트롤 신호(도 2) 이고, 파형(1304)은 모터 속도이고, 파형(1306)은 모터 속도의 FFT이다. 도 13은 불능화된 고조파 교란 조절기에 의한 파형을 도시한다. 몇개의 고조파에서 큰 피크 값들이 속도의 FFT에서 명확히 도시될 수 있다. 고조파 교란 조절기가 2nd, 4th, 6th, 8th, 12th 및 16th 고조파에 대하여 0 값으로 설정된 조절 설정점으로 기능하게 되면, 조절된 고조파들이 시스템에서 완화되고, 모터 속도가 파문을 거의 가지지 않음이 도 14에서 확인될 수 있다. 그 결과, 주기적 토크 교란 효과가 감소되고 또는 제거된다.
도 15 및 도 16는 600rpm 에서 작동되는 동일한 엔진 시스템에서 고조파를 조절하는 실시예를 제공한다. 파형(1500)은 전기 토크 추정이고, 파형(1502)는 qds 콘트롤 신호(도 2) 이고, 파형(1504)은 모터 속도이고, 파형(1506)은 모터 속도의 FFT이다. 도 15은 불능화된 고조파 교란 조절기에 의한 파형을 도시한다. 몇개의 고조파에서 큰 피크 값들이 속도의 FFT에서 명확히 보여질 수 있다. 고조파 교란 조절기가 조절되는 2nd, 4th, 8th, 및 12th 고조파에 대하여 0 값으로 설정된 조절 설정점으로 기능하게 되면, 조절된 고조파들이 시스템에서 완화되고, 모터 속도가 파문을 거의 가지지 않음이 도 16에서 확인될 수 있다. 그 결과, 주기적 토크 교란 효과가 감소되고 또는 제거된다.
전술한 내용으로부터, 주기적 토크 교란이 여기에 개시된 고조파 교란 조절기로 조절될 수 있음이 확인된다. 고조파 기준 프레임으로의 변환은 콘트롤러가 효과적으로 시간에 따라 변이되는 신호(time variant signal) 대신에 dc 상으로 작동되도록 한다. 이는 콘트롤러를 시간에 따라 변이되는 신호로부터 분리하므로, 콘트롤러 주파수 반응의 제한 및 토크 및 속도 상에서의 위상 이동을 최소화한다.
본 발명의 명세서에서의 단수로 표현된 부분(특히 후술되는 청구범위의 표현중에서)은 특별히 반대 언급이 없다면, 단수 및 복수를 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다. 본 발명의 명세서에서 "구성됨", "포함", "구비", 및 "함유"는 반대 언급이 없다면 개방적인 용어로 해석된다(즉, "포함하나 그것으로 제한되지 않음"으로 해석). 여기서, 값들의 인용 범위는, 여기서 반대로 지시되지 않는 한, 범위 내의 각 구별되는 수치 값에 개별적으로 인용하는 약칭 방법으로서 사용되는 의도일 뿐이며, 각 구별되는 수치 값은 여기서 개별적으로 인용된 바와 같이 본 명세서에 결합된다. 여기에 개시된 모든 방법들은 여기에 반대로 개시되어 있거나 본문 중에 명백히 반대 기재가 되어 있지 않은 한, 적당한 순서로 수행될 수 있다. 임의의 그리고 모든 실시예 또는 여기에 제공되는 대표 언어(예를 들어, ~와 같은)의 사용은 단지 본 발명을 보다 잘 설명하기 위한 것이며, 반대 언급이 없는 한 본 발명의 보호 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 표현은 본 발명의 실시에 필수적이며, 본 발명의 특허 청구범위의 구성 요소들을 지시하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명을 수행하는 발명자들에게 가장 잘 알려진 최선 실시예를 포함하는 본 발명의 바람직한 실시예들이 앞서 개시되었다. 이러한 바람직한 실시예들의 변형은 앞서 개시한 설명에 기초한다면 본 기술 분야의 평균적인 기술자에 의해 명확해 질 것이다. 본 발명자들은 기술자가 상기 변형을 적절히 채택할 수 있을 것으로 기대하며, 본 발명자들은 본 발명이 여기서 구체적으로 개시된 바와 같이 실시될 것으로 기대한다. 따라서, 본 발명은 적용가능한 법에 따라 허용되는 한, 여기에 첨부된 특허 청구범위에서 개시된 주된 구성요소의 모든 변형 및 균등물을 포함한다. 게다가, 여기서 모든 가능한 변형에서 상술한 구성 요소들의 임의의 조합은 여기서 반대로 개시되거나, 명백히 반대 기재가 되어 있지 않은 한, 본 발명에 포함될 것이다.