KR100674539B1 - 차량 모터의 제어 장치 및 방법 - Google Patents

차량 모터의 제어 장치 및 방법 Download PDF

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나가야마가즈또시
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

차량에 설치된 전기 모터(1, 6)를 제어하기 위한 모터 제어 장치가 개시된다. 모터는 계자 권선(101, 601)을 갖는다. 모터 제어 장치는 제1 전압(Vb)의 전력으로 충전되는 배터리(4)와, 배터리로부터의 제1 전압을 증가시킬 수 있는 전압 증감 인버터(3)와, 계자 권선(101, 601)으로 여기 전류의 공급을 허용하거나 공급을 차단하는 여기 제어 회로(102, 106)와, 차량의 상태를 검출하는 센서(35, 41 내지 48)와, 제어부(8)를 포함한다. 제어부(8)는 센서(41 내지 48)로부터의 신호에 기초하여 모터(1, 6)를 시동할지 여부를 결정한다. 모터가 시동될 때, 제어부(8)는 여기 제어 회로(102, 106)에 의한 여기 전류의 공급을 허용하고, 제1 전압이 제1 전압(Vb)보다 높은 제2 전압으로 증가되도록 전압 증가 회로를 제어한다.
모터 제어 장치, 모터, 센서, 인버터, 전압 증가 회로

Description

차량 모터의 제어 장치 및 방법{CONTROL OF VEHICLE MOTOR}
도1은 본 실시예의 모터 제어 장치를 사용하는 하이브리드 차량의 개략도.
도2는 엔진 시동시 수행되는 제어 루틴을 도시한 플로우챠트.
도3은 4륜 구동 주행 모드에서 수행된 제어 루틴을 도시한 플로우챠트.
도4는 엔진 시동 모터가 배터리 전압에 의해서만 구동될 때의 시간 챠트.
도5는 엔진 시동 모터가 전압 증감 인버터를 사용하여 구동될 때의 시간 챠트.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 시동 모터
2: 엔진
3: 전압 증감 인버터
4: 배터리
5: 다이오드 회로
6: 구동 모터
7: 스위치
8: 제어부
본 발명은 차량의 전기 모터 제어에 관한 것이다.
하이브리드 차량의 한 유형은 연비 성능 또는 배기 성능을 개선하기 위한 목적으로 엔진을 자동으로 정지하고 시동하는 공운전 정지 제어를 수행한다. 2001년 일본 특허청에서 간행된 특허 공개 제2001-355480호는 이런 하이브리드 차량을 개시한다. 종래의 하이브리드 차량은 차량 정지 동안에 소정 조건이 충족될 때 공운전 정지를 수행하며 공운전 정지 해제 조건이 유지될 때 모터에 의해 자동으로 엔진을 시동한다.
그러나, 이러한 종래 기술에서는 계자 권선을 갖는 전기 모터가 엔진을 시동하는 데 사용된다. 엔진을 시동하기 위해서, 모터는 우선 계자 권선에 여기 전류를 공급함으로써 충분한 자속이 생성된 후 전기자 전류를 통과시킴으로써 토오크를 출력한다. 따라서, 여기 전류가 공급되기 시작한 후 자속이 충분히 생성될 때까지 필요한 모터 토오크가 출력되지 않음에 따라, 엔진은 공운전 정지 해제 조건이 충족됨에도 즉시 시동되지 않을 수 있다. 시동 시간 지체를 제거하기 위해서는 정상 전류가 모터 정지 동안에도 계자 권선으로 공급되는 것이 바람직하지만, 이 경우 전력 소모는 증가할 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 모터가 시동 요구에 대한 신속 응답과 함께 요구되는 구동 토오크를 생성함으로써 전력 소모의 증가를 방지할 수 있는 모터 제어 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 차량에 설치되고 계자 권선을 갖는 전기 모터를 제어하기 위한 모터 제어 장치를 제공하는 것이다. 모터 제어 장치는 제1 전압의 전력으로 충전되는 배터리와 배터리에 충전된 전력을 모터로 공급할 수 있는 인버터를 포함한다. 인버터는 배터리로부터 제1 전압을 증가시킬 수 있는 전압 증가 회로와, 증가된 전압을 공급할 수 있는 인버터 회로와, 전압 증가 회로 및 인버터 회로 사이의 연결부를 포함하며, 연결부는 연결부로부터 계자 권선으로 여기 전류의 통과를 허용하도록 계자 권선에 연결되는 것을 특징으로 한다. 모터 제어 장치는 계자 권선으로 여기 전류의 공급을 허용하거나 공급을 차단하는 여기 제어 회로와, 차량의 상태를 검출하는 센서와, 제어부를 추가로 포함한다. 제어부는 모터를 시동하기 위해 모터로 전력을 공급하도록 인버터를 제어한다. 또한, 제어부는 센서로부터의 신호에 기초하여 모터를 시동할 지 여부를 결정하고, 모터가 시동될 경우 여기 제어 회로에 의한 여기 전류의 공급을 허용하고, 모터가 시동될 경우 제1 전압이 제1 전압보다 높은 제2 전압으로 증가되도록 전압 증가 회로를 제어하도록 프로그램된다.
본 발명의 다른 특징들과 장점들 뿐 아니라 그 상세한 내용은 이하의 상세한 설명과 첨부 도면에 개시되어 있다.
이하, 도1을 참조하여 본 실시예를 사용하는 하이브리드 차량의 구조를 먼저 설명하기로 한다.
하이브리드 차량은 엔진(2)에서 출력된 토오크에 의해 구동되는 전륜과, 구동 모터(6)에서 출력된 토오크에 의해 회전되는 후륜을 갖는다. 후륜은 주로 시동 가속 동안 그리고 전륜 미끄럼시 구동된다. 하이브리드 차량은 소정 조건이 충족될 때(예컨대, 교통 신호 정지 동안에) 엔진을 자동으로 정지시키는 공운전 정지 기능을 갖는다.
하이브리드 차량은 시동 모터(1), 엔진(2), 전압 증감 인버터(3), 배터리(4), 다이오드 회로(5), 구동 모터(6), 스위치(7) 및 제어부(8)를 갖는다. 시동 모터(1)는 계자 권선 및 전기자를 갖는다. 계자 권선은 여기 전류를 공급받음으로써 자속(자계)을 생성한다. 시동 모터(1)의 전기자에는 전기자 전류로서 교류가 공급된다. 시동 모터(1)의 회전자는 자속과 전기자 전류의 상호 작용으로 인해 회전한다. 시동 모터(1)는 엔진(2)을 시동하기 위해 엔진(2)을 크랭크 연결하는 전기 모터이며, 몇몇 경우, 전력을 생성하기 위해 엔진(2)에 의해 구동된다.
시동 모터(1)와 엔진(2)은 시동 모터(1)의 모터 샤프트 상에서 벨트 풀리(1a)와 엔진(20)의 크랭크 샤프트 상의 벨트 풀리(2a) 둘레에서 루프를 형성하는 벨트(9)를 거쳐 연결된다.
전압 증감 인버터(3)는 인버터 회로(3a)와, 전압 증감 회로(3b)와, 커패시터(3c)와, 전압 증감 회로(3b) 및 인버터 회로(3a) 사이의 연결부(3d)를 포함한다. 전압 증감 회로(3b)는 강압 컨버터 또는 승압 컨버터로서 기능할 수 있는 강-승압 컨버터이다. 연결부(3d)는 커패시터(3c)를 포함할 수 있다. 인버터 회로(3a)는 복수개의 절환 소자(전력 트랜지스터)와 복수개의 다이오드를 포함하며, 제어부(8) 의 명령 신호(상세하게는 온/오프(ON/OFF) 명령 신호)에 따라 시동 모터(1)에 전기자 전류로서 교류 전류를 공급한다. 배터리(4)는 시동 모터(1)에 전력을 공급할 수 있는 12 V 배터리이며, 시동 모터(1)에 의해 생성되는 전력만큼 충전된다. 배터리(4)로부터의 전압이 전압 증감 회로(3b)에 의해 증가된 후, 이 전압은 커패시터(3c)와 연결부(3d)를 거쳐 인버터 회로(3a)로 인가된다. 시동 모터(1)가 전력을 생성하면, 전력은 배터리(4)로 공급되고 전압 증감 회로는 인버터 회로(3a)로부터 공급된 전압(커패시터(3c)의 전압)을 감소시킨다.
다이오드 회로(5)는 차량 구동 모터(6)로 전기자 전류를 출력하는 정류 회로이다. 차량 구동 모터(6)는 계자 권선 및 전기자를 포함하는 전기 모터이다. 차량 구동 모터(6)의 전기자에는 시동 모터(1)에 의해 생성되는 전력이 다이오드 회로(5)를 거쳐 공급된다. 차량 구동 모터(6)는 차동 기어(10)를 거쳐 후륜을 구동시킨다. 경우에 따라서, 배터리(4)로부터의 전력은 인버터 회로(3a)를 거쳐 차량 구동 모터(6)의 전기자로 공급될 수 있다. 본 실시예에서는 비록 차량 구동 모터(6)가 직류(DC) 모터로서 도시되어 있지만, 차량 구동 모터는 인버터가 구비된 교류(AC) 모터일 수 있다. 스위치(7)는 차량 구동 모터(6)로의 전력을 온 또는 오프로 절환한다.
제어부(8)는 시동 모터(1)와, 구동 모터(6)와, 전압 증감 인버터(3)와, 스위치(7)의 작업을 제어한다. 제어부(8)는 중앙 연산 유닛(CPU)과, 판독 전용 메모리(ROM)와, 임의 접근 메모리(RAM)와, 입/출력 인터페이스(I/O 인터페이스)를 갖는 마이크로프로세서를 포함한다.
제어부(8)는 가속기 페달 스트로크 센서(41)와, 브레이크 페달 스트로크 센서(42)와, 차속 센서(43)와, 배터리 전압 센서(44)와, 배터리 전류 센서(45)와, 엔진 회전 속도 센서(46)로부터 각각 차량 운전자에 의한 가속기 페달 스트로크(APS) 및 브레이크 페달 스트로크(BPS)와, 차속(VSP)과, 배터리(4)의 상태[즉, 배터리의 전압(Vb)과 전류(Ib)]와, 엔진 회전 속도(Neng)를 지시하는 검출 신호를 수신한다. 이들 검출 신호에 기초하여, 제어부(8)는 공운전 정지 모드, 자동 시동 모드, 4륜 구동(4WD) 주행 모드 또는 배터리(4)의 충전 모드를 선택하고, 제어 모드에 따라서 자계 제어, 전압 증감 제어 및 스위치(7)의 제어를 수행한다. 제어부(8)는 또한 제1 여기 전류 센서(47)와, 제2 여기 전류 센서(48)와 커패시터 전압 센서(49)로부터 각각 계자 권선(101)을 거쳐 흐르는 여기 전류(Ifmg)와, 계자 권선(601)을 거쳐 흐르는 여기 전류(Ifm)와, 커패시터(3c)의 전압(Vc)을 지시하는 검출 신호를 수신한다. 커패시터(3c)의 전압(Vc)은 연결부(3d)로 인가되는 전압과 동일하다.
차량 구동 모터(6)는 4WD 주행 모드에서 작동한다. 4WD 주행 모드는 차속이 차량 시동으로부터 소정 속도(예컨대, 26 km/시)에 도달할 때까지 선택될 수 있다.
4WD 주행 모드는 전륜의 미끄럼이 검출될 때(예컨대, 눈이 내린 도로와 같이 미끄러운 노면 상에서 주행할 때) 선택될 수 있다. 이 경우, 제어부(8)는 전륜의 미끄럼 값 또는 미끄럼 속도를 연속으로 계산하며, 미끄럼 값이 소정 값을 초과할 때 전륜이 미끄러졌다고 결정한다. 제어부(8)는 전륜의 미끄럼 값을 연속으로 계산한다. 미끄럼 값은 전륜 및 후륜 원주 속도 사이의 차이로서 정의된다. 예컨대, 소정 값은 3 km/시이다. 제어부(8)는 전륜 및 후륜 회전 속도, 즉 전륜 및 후 륜 원주 속도를 차륜 반경으로 나눈 값을 검출하는 다중 차륜 회전 속도 센서(35)를 이용함으로써 미끄럼 값을 계산할 수 있다. 다중 차륜 회전 속도 센서(35) 중 하나는 차속 센서(43)로서 사용될 수 있다.
따라서, 차륜 회전 속도 센서(35)는 차량 상태(차륜 미끄럼 상태)를 검출하는 센서로서 기능한다. 제어부(8)는 차륜 회전 속도 센서(35)로부터 차량의 상태를 지시하는 신호에 기초하여 차량 구동 모터(6)가 시동되어야 하는지 여부(즉, 4WD 주행이 요구되는지 여부)를 검출한다.
전압 증감 인버터(3)는 상술한 바와 같이, 인버터 회로(3a), 전압 증감 회로(3b), 커패시터(3c) 및 연결부(3d)를 포함한다. 전력은 배터리(4)로부터 시동 모터(1)로 공급되며, 몇몇 경우에, 전력은 시동 모터(1)로부터 배터리(4)로 공급되어서 배터리를 재생한다. 전력은 전압 증감 회로(3b)로부터 연결부(3d)를 거쳐 시동 모터(1) 및 차량 구동 모터(6)의 계자 권선(101, 601)으로 공급된다.
전압 증가 모드에서, 제어부(8)는 듀티 인자(duty factor)를 변경하기 위해 전압 증감 회로(3b)의 절환 소자(T1)(전력 트랜지스터)를 온 및 오프로 절환한다.
이런 방식에서, 전압 증감 회로(3b)는 커패시터(3c)의 단자 전압(Vc)을 12 V보다 높게 증가시키며, 전력은 시동 모터(1)의 계자 권선(101) 및 전기자 권선과, 차량 구동 모터(6)의 계자 권선(601)로 12 V보다 높은 전압으로 공급된다.
한편, 배터리(4)의 충전량이 고갈되는 경우, 전압 증감 회로(3b)는 전압 감소 모드로 변경된다. 전압 감소 모드에서, 제어부(8)는 전압 증감 회로(3b)의 절환 소자(T2)를 온 또는 오프로 절환시키고, 듀티 인자를 변경한다. 따라서, 시동 모터에 의해 생성된 전력으로 배터리를 충전하기 위해, 전압 증감 회로(3b)는 시동 모터의 전력 생성 전압을 감소시키고 배터리(4)로 전력을 공급한다.
제어부(8)는 여기 제어 회로(102)(상세하게는, 여기 제어 회로(102)의 절환 소자)를 온 및 오프로 절환함으로써 전압 증감 인버터(3)의 연결부(3d)로부터 시동 모터(1)의 계자 권선(101)으로의 여기 전류를 제어한다. 제어부(8)는 여기 제어 회로(602)(상세하게는, 여기 제어 회로(602)의 절환 소자)를 온 및 오프로 절환함으로써 전압 증감 인버터(3)의 연결부(3d)로부터 차량 구동 모터(6)의 계자 권선(601)으로 공급된 여기 전류를 제어한다. 여기 제어 회로가 온으로 절환되면 여기 전류가 공급될 수 있으며, 여기 제어 회로가 오프로 절환되면 여기 전류는 공급될 수 없다.
계자 권선을 구비한 시동 모터(1) 및 차량 구동 모터(6)에서, 모터 토오크는 계자 권선에 의해 생성된 자속과 자속에 직교하는 전기자 전류의 곱에 기초하여 결정된다. 따라서, 여기 전류가 흐르지 않는 모터 정지 상태로부터 토오크를 생성하기 위해, 여기 전류는 우선 계자 권선의 자속을 생성하도록 우선 계자 권선으로 공급되어야만 한다.
다음의 수학식 1에 의해 도시된 바와 같이, 여기 전류(Ife)는 계자 권선에 연결된 전원의 전압에 대해 1차 지연되어 흐른다. 다음의 수학식 2에 도시된 바와 같이 여기 전류(Ife)로 인한 자속(φ)은 여기 전류(Ife)에 비례한다.
[수학식 1]
Ife = V/(R + sL)
여기에서, R은 계자 권선의 전기 저항이고 L은 계자 권선의 인덕턴스(sL: 라플라스 변환후의 인덕턴스)이다.
[수학식 2]
φ ∝ Ife
여기 전류(Ife)는 계자 권선의 인덕턴스(L)와 저항(R)에 의해 결정된 시간 상수 T (= L/R)와 함께 증가한다.
따라서, 여기 전류가 전압(Vb)을 갖는 배터리(4)를 이용하여 Vb/R까지 증가되면, 여기 전류(Ife)가 영에서 Vb/R까지 증가하는 데 걸리는 시간(발현 시간)이 특유하게 결정된다. 계자 권선의 인덕턴스(L)의 값이 클 수록 발현 시간은 길어 짐으로써, 모터가 토오크를 생성하는 데 걸리는 시간은 길어진다. 긴 발현 시간은 운전자에게 불편감을 준다.
발현 시간을 단축시키기 위해, 여기 전류(Ife)는 모터 정지 동안에 계속 통과될 수 있다. 그러나, 손실은 항상 발생하고 효율은 떨어질 것이다. 따라서, 본 실시예에서는 여기 전류의 발현 시간을 줄이고 모터 토오크를 신속하게 생성하도록 제어가 수행된다.
우선, 도2를 참조하여 시동 모터(1)의 제어에 대해 설명하기로 한다. 도2의 플로우챠트는 엔진 시동 모드의 제어 루틴을 도시한다. 제어부(8)는 이런 제어 루틴을 도시한다. 공운전 정지 상태에서, 공운전 정지 해제 조건이 충족될 때, 제어부(8)는 엔진(2)을 자동으로 시동하는 엔진 시동 모드로 전환된다.
예컨대, 교통 신호 변경(빨간색 신호등에서 파란색 신호등으로)을 대기할 때 , 엔진을 자동으로 정지시키는 공운전 정지 조건이 충족되며, 엔진(2)은 정지된다. 공운전 정지 조건은 다음의 모든 조건이 유지될 때이다.
(a) 차속 센서(43)에 의해 검출된 차속이 소정의 차속보다 작을 것.
(b) 가속기 페달 스트로크 센서(41)에 의해 검출된 가속기 페달 스트로크가 소정량보다 작을 것.
(c) 브레이크 페달 스트로크 센서(42)에 의해 검출된 브레이크 페달 스트로크가 소정량보다 클 것.
(d) 배터리 전압 센서(44) 및 배터리 전압 센서(45)에 의해 검출된 배터리(4)의 전압과 전류에 기초하여 계산된 배터리(4)의 충전량이 소정 충전량보다 클 것.
엔진(2)을 공운전 정지 상태에서 자동으로 시동시키는 공운전 정지 해제 조건은 다음 조건 중 어느 하나가 유지될 때이다.
(a) 차속이 소정의 차속보다 클 것.
(b) 가속기 페달 스트로크가 소정량보다 클 것.
(c) 브레이크 페달 스트로크가 소정량보다 작을 것.
(d) 배터리(4)의 충전량이 소정의 충전량보다 작을 것.
따라서, 가속기 페달 스트로크 센서(41)와, 브레이크 페달 스트로크 센서(42)와, 차속 센서(43)와, 배터리 전압 센서(44)와, 배터리 전류 센서(45)는 차량 상태를 검출하기 위한 센서들로서 기능하며, 제어부(8)는 이들 센서 중 적어도 하나에서 나온 차량 상태를 지시하는 신호에 기초하여 시동 모터를 시동하는 것이 필 요한지 여부(공운전 정지 해제가 요구되는지 여부)를 결정한다.
단계(S10)에서, 시동 모터(1)로 공급되는 목표 여기 전류(Ifmg*)는 Vb/Rfmg로 설정된다(Ifmg* = Vb/Rfmg). 이 때, Vb는 12 V의 최대 배터리 전압이며, Rfmg는 시동 모터(1)의 계자 권선 저항이다. Vb/Rfmg는 여기 전류를 공급하는 전원의 전압이 배터리 전압일 때 흐르는 여기 전류이다.
다음으로, 단계(S20)에서, 전압 증감 인버터(3)의 전압 증감 회로(3b)의 전압 증가 작업은 여기 제어 회로(102)가 온으로 절환됨과 동시에 배터리(4)로부터의 전압을 승압시키도록 수행된다. 절환 소자(T1)의 온/오프는 커패시터(3c)의 단자 전압(Vc)이 필요한 발현 시간에 기초하여 설정되는 소정의 제1 전압(E1)(E1 > Vb)이 되도록 다음의 수학식 3에 따라 제어된다.
[수학식 3]
E1 = Vb×(t_sw1/t_off1)
여기에서, t_sw1은 절환 소자(T1)의 절환 주기이며, t_off1은 절환 소자(T1)의 오프 시간이다.
다음으로, 단계(S30)에서, 제1 여기 전류 센서(47)에 의해 검출된 실제 여기 전류(Ifmg)가 목표 여기 전류(Ifmg*)(=Vb/Rfmg)에 도달했는지 여부에 대한 결정이 수행된다. 목표 여기 전류(Ifmg*)가 실제 여기 전류(Ifmg)보다 클 때, 루틴은 단계(S20)로 복귀한다. 목표 여기 전류(Ifmg*)가 실제 여기 전류(Ifmg)보다 작을 때, 루틴은 단계(S40)로 진행한다.
단계(S40)에서, 전압 증감 회로(3b)의 전압 증가 제어는 배터리(4)로부터의 전압을 승압하는 것을 정지하도록 중지되며, 여기 전류의 전원 전압은 배터리(4)의 전압(Vb)이다. 이때 여기 제어 회로(102)는 온이기 때문에, 실제 여기 전류(Ifmg)는 Vb/Rfmg이다.
다음으로, 단계(S50)에서, 전압 증감 인버터(3)의 인버터 회로(3a)는 엔진 시동 토오크에 기초하여 작동되며, 전기자 전류(교류)가 시동 모터(1)의 전기자 권선으로 공급된다. 따라서, 시동 모터(1)는 엔진을 시동하기 위한 토오크를 생성하고 엔진(2)을 시동한다.
다음으로, 단계(S60)에서, 엔진 회전 속도(Neng)가 목표 회전 속도(Neng*)에 도달했는지 여부에 대한 결정이 수행된다. 엔진 회전 속도가 목표 속도에 도달하지 않았다면 루틴은 단계(S50)로 복귀하며, 엔진 회전 속도가 목표 속도에 도달했다면 엔진 시동 모드의 제어 루틴은 종료된다.
상술한 바와 같이, 전압 증감 회로(3b)는 전계 전압을 증가시키기 위해 엔진 시동 동안 사용되기 때문에, 자속 발현 시간은 감소되며, 시동 모터(1)에 필요한 토오크(즉, 엔진 시동 토오크)가 생성되는 시간은 감소된다. 따라서, 시동 지연에 의해 운전자에게 가해지는 불편감은 억제될 수 있다.
이하, 도4 및 도5를 참조하여 전압 증감 인버터(3)가 사용되는 경우와 전압 증감 인버터(3)가 사용되지 않는 경우 사이의 차이를 설명하기로 한다. 도4 및 도5의 그래프는 시간에 따른 여기 전류, 모터 토오크 및 엔진 회전 속도의 변경을 도시한다. 도4는 전압 증감 회로가 사용되지 않는 경우를 도시하며 도5는 전압 증감 인버터가 사용되는 경우를 도시한다.
도4에서, 공운전 정지가 시간(t10)에서 해제될 때, 여기 전류(Ife)는 시동 모터(1)를 구동시키기 위해 증가하기 시작한다. 전압은 배터리 전압(Vb)으로 일정[도4의 실선(V12v)]하기 때문에, 여기 전류(Ife)는 상술한 바와 같이 시간 상수(L/R)(L은 인덕턴스이고 R은 계자 권선 전기 저항)에 의해 결정된 경사도로 증가한다.
여기 전류(Ife)가 시간(t11)에서 Vb/R과 효과적으로 동일하게 될 때, 시동 모터(1)는 토오크를 생성할 수 있다. 시간(t12)에서, 시동 모터(1)에 의해 구동된 엔진(2)은 목표 회전 속도(N*)에 도달한다.
도5에서, 공운전 정지가 시간(t20)에서 해제될 때, 전압 증감 인버터(3)의 전압 증감 회로(3b)는 전압을 증가시키기 시작한다. 커패시터(3c)의 단자 전압(Vc)은 배터리 전압(Vb)으로부터 소정의 제1 전압(E1)[도5의 실선(Vin)]으로 증가한다. 따라서, 여기 전류(Ifmg 또는 Ife)는 전압(Vb)(배터리의 최대 전압)이 유지되는 경우에 비해 급격하게 상승한다. 여기 전류(Ifmg)는 t21[도5의 실선(Ifin)]에서 목표 여기 전류(Ifmg*)에 도달한다. 따라서, 시동 모터는 t21에서 엔진(2)을 구동시키기 위해 토오크를 생성하며, 엔진 회전은 t22에서 목표 엔진 회전 속도(N*)에 도달한다[도5의 실선(EREVin)].
도5의 엔진 시동 시간(t20 내지 t22)은 도4의 엔진 시동 시간(t10 내지 t12)보다 짧다. 즉, 본 실시예에서와 같이 엔진 시동을 위해 전압을 증가하도록 전압 증가 회로를 사용함으로써, 엔진(2)이 시동될 때까지의 시간은 감소될 수 있다.
다음으로, 도3을 참조하여 후륜을 구동하는 차량 구동 모터(6)의 제어에 대 해 설명하기로 한다. 도3의 플로우챠트는 4WD 주행 모드에서 제어부(8)에 의해 수행되는 제어 루틴을 도시한다.
차량 구동 모터(6)는 4WD 주행 모드에서 구동된다. 2WD 주행 모드에서 4WD 주행 모드로의 전환이 있을 때 차량 구동 모터(6)의 토오크가 즉시 상승하지 않는 경우, 전륜 미끄럼의 발생과 후륜 회전 사이에는 시간 지체가 있게 되고, 운전자는 불편감을 느끼게 된다.
따라서, 2WD 주행 모드에서 4WD 주행 모드로 전환할 때, 도3의 플로우챠트에 도시된 제어는 후륜이 즉시 토오크를 생성하도록 수행된다.
단계(S110)에서, 차량 구동 모터(6)로 공급되는 목표 여기 전류(Ifm*)는 Vb/Rfm로 설정된다.
다음으로, 단계(S120)에서, 커패시터(3c)의 단자 전압(Vc)이 소정의 제2 전압(E2)보다 큰지 여부가 결정된다. 소정의 제2 전압(E2)은 요구되는 여기 전류 발현 시간에 기초하여 설정되며, 소정의 제2 전압(E2)은 Vb보다 크다(E2 > Vb). 여기에서, 시동 모터(1)의 전력 생성 전압이 엔진 주행 때문에 커패시터(3c)의 단자로 인가됨에 따라, 커패시터(3c)의 단자 전압(Vc)은 배터리 전압보다 크다.
단자 전압(Vc)이 소정의 제2 전압(E2)보다 크면(Vc ≥ E2), 루틴은 단계(S130)로 진행한다. 여기에서, 전압 증감 회로(3b)는 (절환 소자의 절환이 수행되지 않는) 비작동 상태에 있다. 계자 권선(601)으로 인가되는 평균 전압을 소정의 제2 전압(E2)에 일치시키기 위해, 여기 제어 회로(602)의 온/오프는 다음의 수학식 4에 의해 도시된 온 시간(On time)으로 제어된다. 이어서, 루틴은 단계(S150)로 진행한다.
[수학식 4]
t_on2 = (E2/Vc) × t_sw2
여기에서, t_on2는 여기 제어 회로(602)의 온 시간이며, t_sw2는 여기 제어 회로(602)의 절환 주기이다.
한편, 단자 전압(Vc)이 소정의 제2 전압(E2)보다 작으면(Vc < E2), 루틴은 단계(S140)로 진행한다. 여기에서, 여기 제어 회로(602)는 온으로 절환되어 온으로 유지되며, 전압 증감 회로(3b)는 배터리(3)로부터의 전압을 승압시키기 위해 전압 증가 작동을 개시한다. 커패시터(3c)의 단자 전압을 소정의 제2 전압(E2)에 일치시키기 위해, 절환 소자(T1)의 온/오프는 다음의 수학식 5에 의해 도시된 온 시간(On time)으로 제어된다. 따라서, 계자 권선(601)으로 인가되는 평균 전압도 또한 소정의 제2 전압(E2)이다. 이어서, 루틴은 단계(S150)로 진행한다.
[수학식 5]
t_on1 = t_sw1 × (E2-Vc)/E2 (E2 ≠ 0)
여기에서, t_on1은 절환 소자(T1)의 온 시간이다.
다음으로, 단계(S150)에서, 실제 여기 전류(Ifm)가 목표 여기 전류(Ifm*)까지 증가했는 여부가 결정된다. Ifm* > Ifm이면, 루틴은 단계(S120)로 복귀하며, Ifm* ≤ Ifm이면, 루틴은 단계(S160)로 진행한다.
다음으로, 단계(S160)에서, 전압 증감 회로(3b)가 전압 증가 작업을 수행하면, 전압 증감 회로(3b)의 작업은 정지된다. 여기 제어 회로(602)는 다음의 수학 식 6에 따라 작동되며, 여기 전류는 Ifm*에서 고정되며, 루틴은 단계(S170)로 진행한다.
[수학식 6]
t_on2 = (Vb/Vc) × t_sw2
다음으로, 단계(S170)에서, 스위치(7)는 온으로 절환되며 시동 모터(1)의 생성된 전력은 차량 구동 모터(6)의 전기자 권선으로 공급된다. 차량 구동 모터(6)는 모터 토오크를 생성하고 후륜을 구동시킨다.
다음으로, 단계(S180)에서, 4WD 주행 모드를 종료할 것인지 여부가 결정된다. 예컨대, 차량이 가속을 시작한 후 차속이 소정 속도에 도달했을 때 또는 미끄럼 값이 소정의 값보다 작아질 때, 4WD 주행은 종료된다.
단계(S180)에 있는 경우, 4WD 주행 모드는 종료되어서는 안되는 것으로 결정되며, 루틴은 단계(S170)로 복귀한다. 4WD 주행 모드가 종료되어야 한다고 결정되면, 루틴은 단계(S190)로 진행한다. 여기에서, 스위치(7) 및 여기 제어 회로(602)는 오프로 절환되며, 4WD 주행 모드는 종료된다.
4WD 주행 모드에서, 시동 모터(1)의 생성 전압이 작다면, 전압 증가 회로(3b)의 전압 증가로 인해, 커패시터(3c)의 단자 전압은 원하는 여기 전류 발현 시간에 기초하여 결정되는 소정의 제2 전압(E2)이 된다. 시동 모터(1)의 생성 전압이 크다면, 전압 증감 회로(3b)는 정지 상태에서 유지되며, 계자 권선(601)으로 인가되는 평균 전압은 여기 제어 회로(602)의 작업을 제어함으로써 소정의 제2 전압(E2)으로 설정된다. 이들 두 가지 경우 모두, 차량 구동 모터(6)로 전달되는 여기 전류는 즉시 증가함으로써, 구동 모터(6)가 구동 토오크를 생성할 때까지 시간은 저감될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전압 증감 인버터에 의해 모터의 계자 권선으로 인가되는 전압은 증가된다. 따라서, 모터의 자속 발현은 보다 초기 시간에 일어나며, 이에 따라 모터가 소정의 구동 토오크를 출력하는데 드는 시간은 저감될 수 있다. 영구 전류는 모터 정지 동안에 공급되지 않기 때문에, 전력 소모 증가가 방지된다.
(2003년 11월 4일 출원된) 일본 특허 출원 제2003-374270의 전체 내용은 인용되어 본 명세서에 편입되었다.
비록 상기에서 본 발명은 본 발명의 소정 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에 제한되지 않는다. 기술 분야의 당업자는 상술한 내용을 바탕으로 상술한 실시예에 대한 변경 및 개조를 할 수 있을 것이다. 본 발명의 내용은 다음의 청구범위를 참조하여 한정된다.
상기에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르는 모터 제어 장치는 모터가 시동 요구에 대한 신속 응답과 함께 요구되는 구동 토오크를 생성함으로써 전력 소모의 증가를 방지할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (17)

  1. 차량에 설치되고 계자 권선을 갖는 전기 모터를 제어하기 위한 모터 제어 장치이며,
    제1 전압의 전력으로 충전되는 배터리와,
    배터리에 충전된 전력을 모터로 공급할 수 있고, 배터리로부터 제1 전압을 증가시킬 수 있는 전압 증가 회로와 증가된 전압을 공급할 수 있는 인버터 회로와 전압 증가 회로 및 인버터 회로 사이의 연결부를 포함하는 인버터와,
    상기 계자 권선으로 여기 전류의 공급을 허용하거나 공급을 차단하는 여기 제어 회로와,
    차량의 상태를 검출하는 센서와,
    상기 모터를 시동하기 위해 상기 모터로 전력을 공급하도록 인버터를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 연결부는 상기 계자 권선에 연결되어 상기 연결부로부터 상기 계자 권선으로 여기 전류의 통과를 허용하도록 하고,
    상기 제어부는 상기 센서로부터의 신호에 기초하여 상기 모터를 시동할지 여부를 결정하고, 상기 모터가 시동될 때 상기 여기 제어 회로에 의한 여기 전류의 공급을 허용하고, 제1 전압이 제1 전압보다 높은 제2 전압으로 증가되도록 전압 증가 회로를 제어하도록 프로그램되는 모터 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 목표 여기 전류를 설정하고, 상기 계자 권선으로 공급되는 여기 전류가 목표 여기 전류에 도달할 때까지 제2 전압을 유지하는 모터 제어 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 목표 여기 전류는 사실상 배터리의 제1 전압을 상기 계자 권선의 전기 저항으로 나눔으로써 얻어진 값인 모터 제어 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 차량은 상기 모터에 의해 시동되고 차량 주행 조건에 따라 엔진을 자동으로 정지시키기 위한 기능을 갖는 엔진을 가지며,
    상기 제어부는 차량의 상태에 기초하여 엔진의 정지 상태에서 상기 모터를 시동할지 여부를 결정하도록 추가로 프로그램되는 모터 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 차량은 전륜 및 후륜을 가지며, 상기 모터는 전륜 및 후륜 중 하나를 구동하는 차량 구동 모터인 모터 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 차량은 엔진을 갖는 하이브리드 차량이며, 차량 전륜은 엔진에 의해 구동되고 차량 후륜은 상기 모터에 의해 구동되는 모터 제어 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 차속 센서를 추가로 포함하며, 상기 제어부는 상기 모터를 시동하도록 결정한 후, 차속 센서로부터의 신호에 의거하여 차속이 소정 차속에 도달할 때까지 여기 전류의 공급을 허용할 수 있게 상기 여기 제어 회로에 명령하도록 추가로 프로그램되는 모터 제어 장치.
  8. 제5항에 있어서, 차륜 회전 속도 센서를 추가로 포함하며, 상기 제어부는 연속해서 차륜 회전 속도 센서로부터의 신호에 기초하여 상기 모터를 구동하지 않는 차륜의 미끄럼 값을 계산하고 미끄럼 값이 소정값을 넘을 때 상기 모터를 시동하도록 결정하게 추가로 프로그램되는 모터 제어 장치.
  9. 제5항에 있어서, 상기 차량은 엔진을 시동시키는 엔진에 연결된 시동 모터를 추가로 포함하는 모터 제어 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 시동 모터는 엔진에 의해 회전됨으로써 전력을 생성하고, 차량 구동 모터의 전기자 전류가 시동 모터에 의해 공급되는 모터 제어 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 시동 모터는 제2 계자 권선을 가지며, 인버터의 연결부는 제2 계자 권선에 연결되어 제2 여기 전류가 전압 증가 회로로부터 제2 계자 권선으로 통과될 수 있도록 하는 모터 제어 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 시동 모터는 엔진에 의해 회전됨으로써 전력을 생성하며, 상기 시동 모터는 인버터를 거쳐서 차량 구동 모터의 계자 권선에 생성된 전력을 공급하는 모터 제어 장치.
  13. 제12항에 있어서, 전압 증가 회로와 인버터 회로 사이의 상기 연결부에서 생성된 전압을 검출하는 센서를 추가로 포함하며,
    상기 제어부는 시동 모터가 전력을 생성할 때 상기 연결부에서 생성된 전압과 소정 전압을 비교하고, 상기 연결부에서 생성된 전압이 소정 전압보다 작을 때, 배터리로부터의 전압을 증가시키도록 전압 증가 회로를 제어하도록 추가로 프로그램되는 모터 제어 장치.
  14. 제9항에 있어서, 상기 인버터는 배터리에 연결된 전압 감소 회로를 포함하며,
    상기 제어부는 시동 모터에서 인버터 회로를 거쳐 전압 감소 회로로 출력된 전압을 감소시키도록 전압 감속 회로를 제어함으로써 시동 모터에 의해 생성된 전력으로 배터리를 충전하도록 추가로 프로그램되는 모터 제어 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 인버터는 제어부로부터의 명령 신호에 따라 상기 모터를 구동하도록 전기자 전류를 공급하는 모터 제어 장치.
  16. 차량에 설치되고 계자 권선을 갖는 전기 모터를 제어하기 위한 모터 제어 방법이며,
    상기 차량은,
    제1 전압의 전력으로 충전되는 배터리와,
    배터리에 충전된 전력을 모터로 공급할 수 있고, 배터리로부터 제1 전압을 증가시킬 수 있는 전압 증가 회로와 증가된 전압을 공급할 수 있는 인버터 회로와 전압 증가 회로 및 인버터 회로 사이의 연결부를 포함하는 인버터와,
    상기 계자 권선으로 여기 전류의 공급을 허용하거나 공급을 차단하는 여기 제어 회로를 포함하며,
    상기 연결부는 상기 계자 권선에 연결되어 상기 연결부로부터 상기 계자 권선으로 여기 전류의 통과를 허용하도록 하고,
    모터 제어 방법은,
    차량의 상태를 검출하는 단계와,
    차량의 상태에 기초하여 상기 모터를 시동할지 여부를 결정하는 단계와,
    상기 모터가 시동될 때 상기 여기 제어 회로에 의한 여기 전류의 공급을 허용하는 단계와,
    상기 모터가 시동될 때, 제1 전압이 제1 전압보다 높은 제2 전압으로 증가되도록, 전압 증가 회로를 제어하는 단계를 포함하는 모터 제어 방법.
  17. 차량에 설치되고 계자 권선을 갖는 전기 모터를 제어하기 위한 모터 제어 장치이며,
    제1 전압의 전력으로 충전되는 배터리와,
    배터리에 충전된 전력을 모터로 공급할 수 있고, 배터리로부터 제1 전압을 증가시킬 수 있는 전압 증가 회로와 증가된 전압을 공급할 수 있는 인버터 회로와 전압 증가 회로 및 인버터 회로 사이의 연결부를 포함하는 인버터와,
    상기 계자 권선으로 여기 전류의 공급을 허용하거나 공급을 차단하는 여기 제어 회로와,
    차량의 상태를 검출하기 위한 수단과,
    차량 상태를 기초로 상기 모터를 시동할지 여부를 결정하기 위한 수단과,
    상기 모터가 시동될 때 상기 여기 제어 회로에 의한 여기 전류의 공급을 허용하기 위한 수단과,
    상기 모터가 시동될 때 제1 전압이 제1 전압보다 높은 제2 전압으로 증가되도록, 전압 증가 회로를 제어하기 위한 수단을 포함하며,
    상기 연결부는 상기 계자 권선에 연결되어 상기 연결부로부터 상기 계자 권선으로 여기 전류를 통과를 허용하도록 하는 모터 제어 장치.
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