KR100598809B1 - 환경 차량의 전동기 제어방법 - Google Patents

환경 차량의 전동기 제어방법 Download PDF

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Abstract

환경 차량에 적용되는 매입형 영구 자석 동기 전동기의 정토크 영역에서 정파워 영역으로 모드 전환 제어에 있어 전동기의 토오크 및 효율 특성을 향상시키도록 하는 것으로,
전동기의 구동이 유지되는 상태에서 전원 전압과 상기 전동기의 구동 제어 전류를 검출하여 모드 전환을 결정하는 기준 속도를 산출하는 과정과, 현재의 전동기 속도와 상기 산출된 기준 속도와 비교하여 정토크 영역에서 정파워 영역으로의 모드 전환 조건을 만족하는지 판단하는 과정과, 모드 전환 조건을 만족하지 않으면, 현재의 토크 제어 명령에 따라 정토크 영역의 구동을 유지하고, 모드 전환 조건을 만족하면 정파워 영역의 제어모드로 진입하는 과정과, 정파워 영역의 제어모드에서 전동기 구동 요구의 토크 제어 명령과 이에 따라 결정되는 고정자 d축 및 q축의 제어 전류값과 인버터에서 출력되는 센싱 전류를 비교하여 전동기 구동을 위한 실질적인 전류 제어값을 산출하여 제어하는 과정을 포함한다.
환경 차량, 토크 제어, 모드전환, 기준속도

Description

환경 차량의 전동기 제어방법{A MOTOR CONTROL METHOD OF GREEN CAR}
도 1은 본 발명에 따른 환경 차량의 전동기 제어장치에 대한 개략적 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 환경 차량에서 전동기 제어를 실행에 대한 일 실시예의 흐름도.
도 3은 전동기에서 속도 대 토오크의 특성에 따른 특성 영역을 도시한 그래프.
도 4는 종래의 환경 차량에서 전원 전압 변화에 따른 속도 대 토오크 특성 변화를 도시한 그래프.
본 발명은 환경 차량에 관한 것으로, 더 상세하게는 환경 차량에 적용되는 매입형 영구 자석 동기 전동기를 정토크 영역에서 정파워 영역으로 모드 전환 제어에 있어 전동기의 토오크 및 효율 특성을 향상시키도록 하는 환경 차량의 전동기 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 하이브리드 전기자동차나 연료전지 전기자동차 등의 환경 차량에 적용되는 전동기로로 매입형 영구 자석 동기 전동기가 사용되고 있으며, 이 전동기 의 구동을 제어하기 위해서 산업용 인버터 시스템에서 고성능 고효율의 특성이 필요한 곳에 사용되는 벡터 제어 기법이 사용되고 있다.
그러나, 하이브리드 전기자동차나 연료전지 전기자동차 등의 환경 차량에서 사용되는 인버터 시스템은 상용전원이 아닌 배터리 시스템 혹은 연료전지 등의 보조 전원장치에 의해 전원을 공급받기 때문에 과부하로 인한 전동기의 열손실, 풍손 및 동손에 의하여 효율을 저하시키기 때문에 인버터 시스템의 효율이 더욱 중요하게 된다.
또한, 일반적으로 정격 속도 영역에서 운전되는 산업용 인버터 시스템과 달리 하이브리드 전기자동차나 연료전지 전기자동차 등의 환경 차량에 사용되는 인버터 시스템은 운전 속도 제어 영역 및 토오크 제어 영역의 넓은 분포가 요구된다.
전동기는 설계된 성능에 따라 도 3에 도시된 바와 같이, 다양한 속도 대 토오크 특성을 갖게 되므로, 환경 차량에 전동기를 적용함에 있어 속도 대 토오크 특성에 따라 여러 가지 전동기가 선정될 수 있는데, 유도전동기는 내구성 측면에서 우수한 특성을 가지고 있으나 고속 영역에서 토오크 특성이 다른 전동기에 비하여 저하되는 단점을 갖고 있다.
따라서, 환경 차량에서는 속도 대 토오크 영역이 넓은 특성을 갖는 매입형 영구자석 동기 전동기를 적용하고 있다.
이와 같이 환경 차량에 적용되고 있는 매입형 영구자석 동기 전동기는 정격속도(ωbase) 이하의 영역에서 운전될 때 계자(Field)를 설계치의 값으로 제어하면, 토오크 특성 및 효율이 좋으나, 정격속도(ωbase) 이상의 영역에서 운전하게 되는 경우 역기전력의 크기가 증가되어 전류 제어 성능의 저하가 초래되는 문제점이 발생된다.
따라서, 매입형 영구자석 동기 전동기를 설계하는 과정에서 정격속도(ωbase) 이하의 영역에서 운전되는 것을 감안하여 계자의 크기에 제한을 주고 있다.
종래의 환경 차량에서 인버터 시스템은 전동기를 제어함에 있어 정토오크 영역에서 정파워 영역으로의 모드 전환을 정격속도(ωbase)를 기준으로 제어하고 있다.
그러나, 차량은 운행함에 있어 각종 부하 및 배터리 시스템 또는 연료전지로 이루어지는 전원장치의 전압 상태가 가변되어 인버터 시스템에 공급되며, 이에 따라 전동기의 속도 및 토오크의 특성이 변화하게 된다.
전원 전압 및 부하상황에 의하여 정상전압 보다 하강하게 되면 원하는 토오크 지령에 대하여 제어기가 원하는 제어값을 충분히 출력하지 못함으로 인하여 자동차의 성능 저하를 초래하는 단점이 발생한다.
또한, 정상 전압 보다 상승하는 경우 모드전환을 하지 안아도 되는 구간이 발생하게 되는데, 도 4에 도시된 바와 같이, 정격속도(ωbase)를 기준으로, 이 보다 느린 속도(ωLow) 혹은 빠른 속도(ωHigh)에서 정토크 영역에서 정파워 영역으로 모드 전환을 하게 되면 실제 전동기의 토오크 특성이 저하되게 되어 차량의 성능 저하 및 효율 저하가 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 환경 차량에 적용되는 매입형 영구 자석 동기 전동기를 제어함에 있어 전원 전압의 변동에 따라 모드 전환을 위한 전동기의 기준 속도를 산출하고, 이를 기준으로 정토크 영역의 제어를 유지할 것인지 정파워 영역의 제어를 유지할 것인지를 판단하여 모드 전환이 이루어지도록 함으로써, 전동기의 토오크 및 효율을 향상시키도록 한 것이다.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 매입형 영구 자석 동기 전동기가 적용되는 환경 차량에 있어서, 상기 전동기의 구동이 유지되는 상태에서 전원 전압과 상기 전동기의 구동 제어 전류를 검출하여 모드 전환을 결정하는 기준 속도를 산출하는 과정과; 현재의 전동기 속도와 상기 산출된 기준 속도와 비교하여 정토크 영역에서 정파워 영역으로의 모드 전환 조건을 만족하는지 판단하는 과정과; 상기에서 모드 전환 조건을 만족하지 않으면, 현재의 토크 제어 명령에 따라 정토크 영역의 구동을 유지하고, 모드 전환 조건을 만족하면 정파워 영역의 제어모드로 진입하는 과정과; 상기 정파워 영역의 제어모드에서 전동기 구동 요구의 토크 제어 명령과 이에 따라 결정되는 고정자 d축 및 q축의 제어 전류값과 인버터에서 출력되는 센싱 전류를 비교하여 전동기 구동을 위한 실질적인 전류 제어값을 산출하여 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 환경 차량의 전동기 제어방법을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 환경 차량의 전동기 제어장치는 지령 생성부(10)와, 전류 제어기(20), 인버터(30), 전동기(40) 및 감속기(50)로 구성된다.
지령 생성부(10)는 도시되지 않은 상위 제어기에서 입력되는 토크 제어 명령(T*)에 따라 전동기(40) 구동을 위한 고정자 d축의 전류값(
Figure 112006026645148-pat00001
)과 고정자 q축의 전류값(
Figure 112006026645148-pat00002
)을 생성하여 전류 제어기(20)에 인가한다.
삼상 교류 전동기의 a, b, c상(Phase) 변수들을 적절한 좌표 변환을 통해 d,q,n으로 이루어지는 세 개의 직교 좌표계 상의 변수 중에서 여자 자속도가 존재하는 직축의 정지 좌표계를 고정자 d축이라 하고, 정지 좌표계에서 d축과 직각을 이루는 축을 고정자 q축이라 한다.
전류 제어기(20)는 상기 지령 생성부(10)에서 인가되는 전동기(40) 구동을 위한 고정자 d축의 전류값(
Figure 112004029875346-pat00003
)과 고정자 q축의 전류값(
Figure 112004029875346-pat00004
)에 따라 인버터(30)내의 전력변환소자인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 스위칭 제어를 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 출력한다.
또한, 상기 전류 제어기(20)는 상기 지령 생성부(10)에서 인가되는 고정자 d축의 전류값(
Figure 112006026645148-pat00005
)과 고정자 q축의 전류값(
Figure 112006026645148-pat00006
)에 인버터(30)에서 출력되는 실질적인 고정자 d축의 전류값(
Figure 112006026645148-pat00027
) 및 고정자 q축의 전류값(
Figure 112006026645148-pat00028
)을 적용한 보상 제어값을 출력한다.
인버터(30)는 상기 전류 제어기(20)에서 인가되는 PWM 신호에 따라 스위칭되어 배터리 시스템 혹은 연료전지로 이루어지는 전원장치에서 공급되는 DC 전류를 3 상 교류로 상변환시켜 각각의 상 전류를 전동기(40)에 인가한다.
전동기(40)는 매입형 영구자석 동기 전동기로, 상기 인버터(30)에서 인가되는 상전압에 의해 구동된다.
감속기(50)는 상기 전동기(40)의 회전축에 직결되어 전동기(40)의 출력을 설정된 기어비로 감속시켜, 차동기어를 통해 휠에 전달한다.
전술한 구조를 갖는 본 발명에 따른 환경 차량에 적용되는 매입형 영구 자석 동기 전동기의 모델링은 하기의 수학식 1과 같이 결정된다.
Figure 112006026645148-pat00009
상기의 수학식 1에서 Vr ds 는 고정자 d축의 전압값 이고, Vr qs는 고정자 q축의 전압값이고, P는 파워를 의미하고, Lds는 고정자 d축의 인덕턴스이며, ωr은 회전자의 각속도이고, Lqs는 고정자 q축의 인덕턴스이며, ir ds는 고정자 d축의 전류값이며, ir qs는 고정자 q축의 전류값이며, Φf는 전동기의 역기전력 상수이다.
따라서, 지령 생성부(10)에서는 전동기(40)를 제어함에 있어, 상기한 수학식 1의 모델링에 의하여 원하는 속도 및 토오크 특성을 갖는 토오크 지령을 출력하여, 인버터(30)를 제어한다.
삭제
그러나, 인버터(30)는 하기의 수학식 2와 같이 전원 전압과 전류에 의하여 성능이 제한되고, 부하 상황에 의하여 인버터(30)에 공급되는 전원 전압(Vsmax)가 변하게 된다.
Figure 112006026645148-pat00010
상기의 수학식 2에서 Vr ds 는 고정자 d축의 전압값 이고, Vr qs는 고정자 q축의 전압값이고, ir ds는 고정자 d축의 전류값이며, ir qs는 고정자 q축의 전류값이며, Vsmax는 공급되는 전원 전압의 최대값이고, Ismax는 공급되는 전원 전류의 최대값을 의미한다.
따라서, 본 발명에서는 전동기(30)에 인가되는 전류와 전압을 센싱하여 정토오크 영역에서 정파워 영역으로 모드 전환을 위한 기준 속도를 계산하여 이를 적용한다.
그러므로, 상기의 수학식 1과 수학식 2를 이용하여 모드 전환을 위한 기준 속도의 계산은 하기의 수학식 3과 같이 결정된다.
Figure 112004029875346-pat00011
상기의 수학식 3에서 Vsmax는 전동기(30)에 인가되는 센싱 전압이고,
Figure 112006026645148-pat00012
는 고정자 d축의 전류값이며,
Figure 112006026645148-pat00013
는 고정자 q축의 전류값이다.
그리고, φf는 전동기의 역기전력 상수이고, Lds 는 고정자 d축의 인덕턴스이며, Lqs는 고정자 q축의 인덕턴스이고, ωmod-change는 모드 전환을 위한 기준 속도이다.
따라서, 전동기(40)의 구동을 제어하는 과정에서 상기한 수학식 3으로 산출되는 기준 속도에 따라 정토크 영역에서 정파워 영역으로의 모드 전환 여부를 결정하며, 모드 전환이 이루어지는 경우 그에 따른 전류 제어값을 산출하여 전동기(30)의 구동을 제어하게 된다.
이에 대하여 도 2를 참조하여 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
환경 차량의 주행이 유지되는 상태에서 전류 제어기(20)는 인버터(30)에서 전동기(40)에 인가되는 전압(Vsmax)과 고정자 d축에 인가되는 전류값(
Figure 112006026645148-pat00014
), 고정자 q축의 인가되는 전류값(
Figure 112006026645148-pat00015
), 전동기의 역기전력 상수(φf ), 고정자 d축의 인덕턴스(Lds), 고정자 q축의 인덕턴스(Lqs)를 판독한다(S101).
이후, 상기와 같이 판독되는 전압 및 전류값을 전술한 수학식 3의 적용으로 모드 전환을 위한 기준속도(ωmod-change)를 계산한다(S102).
그리고, 전동기(30)의 속도를 검출하여 현재의 속도(ωrpm)가 상기 모드 전환을 위한 기준 속도(ωmod-change) 이상을 유지하여 정토크 영역에서 정파워 영역으로의 모드 전환 조건을 만족하는지 판단한다(S103).
상기에서 모드 전환 조건을 만족하지 않으면, 현재의 상태로 정토오크 영역의 제어 모드를 유지하고(S105), 모드 전환 조건을 만족하면 전류 제어기(20)는 전동기(40)의 운전속도와 계자에 의해서 발생하는 역기전력을 줄이기 위해서 약계자 제어를 실행하는 정파워 영역 제어모드로 진입한다(S104).
이후, 상위 제어기로부터 인가되는 전동기(30)의 구동 제어에 대한 토크 제어 명령(T*)에 따라 지령 생성부(10)에서 출력되는 고정자 d축의 전류값(
Figure 112006026645148-pat00029
)과 고정자 q축의 전류값(
Figure 112006026645148-pat00030
)을 판독한다(S106)(S106).
상기 판독된 d축 및 q축의 전류값을 연산한 다음 센서 전류와 지령치를 비교하여 전동기(40)의 고정자 d축 및 q축에 대한 전류 제어값을 추출한 다음(S108), 추출된 제어값으로 전동기(30)의 구동을 제어함으로써, 전원 전압의 변화에 관계없이 속도 및 토오크 성능이 안정되게 제어된다(S109).
삭제
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 매입형 영구 자석 동기 전동기가 적용되는 환경 차량에서 전원 전압의 변환에 따른 전동기의 기준 속도를 연산하여 정토크 영역에서 정파워 영역으로의 모드 전환을 판정하고, 이에 따라 센싱 전류와 토크 제어 명령을 비교하여 제어값을 추출함으로써, 전동기의 구동에 있어 속도 및 토오크의 성능 향성을 제공한다.
또한, 전동기의 안정된 제어를 통해 인버터의 과출력이 배제되므로, 배터리의 수명이 향상된다.

Claims (3)

  1. 매입형 영구 자석 동기 전동기가 적용되는 환경 차량에 있어서,
    상기 전동기의 구동이 유지되는 상태에서 전원 전압과 상기 전동기의 구동 제어 전류를 검출하여 모드 전환을 결정하는 기준 속도를 산출하는 과정과;
    현재의 전동기 속도와 상기 산출된 기준 속도와 비교하여 정토크 영역에서 정파워 영역으로의 모드 전환 조건을 만족하는지 판단하는 과정과;
    상기에서 모드 전환 조건을 만족하지 않으면, 현재의 토크 제어 명령에 따라 정토크 영역의 구동을 유지하고, 모드 전환 조건을 만족하면 정파워 영역의 제어모드로 진입하는 과정과;
    상기 정파워 영역의 제어모드에서 전동기 구동 요구의 토크 제어 명령과 이에 따라 결정되는 고정자 d축 및 q축의 제어 전류값과 인버터에서 출력되는 센싱 전류를 비교하여 전동기 구동을 위한 실질적인 전류 제어값을 산출하여 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 환경 차량의 전동기 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모드 전환을 결정하는 기준 속도는 하기의 수학식 4에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 환경 차량의 전동기 제어방법.
    Figure 112006026645148-pat00019
    상기에서, Vsmax 는 전동기에 인가되는 전압이고,
    Figure 112006026645148-pat00020
    는 고정자 d축에 인가되는 전류값이며,
    Figure 112006026645148-pat00021
    는 고정자 q축의 인가되는 전류값이고, φf 는 전동기의 역기전력 상수이며, Lds는 고정자 d축의 인덕턴스이고, Lqs는 고정자 q축의 인덕턴스이다.
  3. 삭제
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