KR100801611B1 - 모터구동장치 - Google Patents

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도요다 지도샤 가부시끼가이샤
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Abstract

외부 ECU로부터의 토크명령값(TR)이 소정의 변동폭 이내에 있는 경우, 제어유닛(64a)은 신호(Uc)를 발생시켜 상기 신호를 전압명령계산유닛(61a)으로 출력함으로써, 캐패시터 내에 저장된 정전기 에너지가 소정의 임계값 이상으로 유지되도록 한다. 상기 신호(Uc)를 토대로, 상기 전압명령계산유닛(61a)은 상기 캐패시터의 단자-대-단자 전압에 대응하는 승압컨버터(12)의 목표전압(Vdc_com)을 결정한다. 이와는 대조적으로, 토크명령값(TR)이 소정의 변동폭을 벗어나는 경우에는, 상기 제어유닛(64a)은 전력이 DC 전원으로부터가 아닌 상기 캐패시터로부터 우세하게 공급되도록 하기 위하여 상기 DC 전원으로부터 인버터로 공급될 전력을 결정하고, 신호(Pb)를 출력한다. 상기 신호(Pb)를 토대로, 상기 전압명령계산유닛(61a)은 목표전압(Vdc_com)을 결정한다.

Description

모터구동장치{MOTOR DRIVE APPARATUS}
본 발명은 모터를 구동하기 위한 모터구동장치에 관한 것으로, 특히 부하에 갑작스런 변화가 발생할 때에도 모터를 안정하게 구동할 수 있는 모터구동장치에 관한 것이다.
최근들어, 환경친화적인 자동차로서 하이브리드 자동차와 전기 자동차가 큰 관심을 끌고 있다. 하이브리드 자동차는 그 동력원으로 종래의 엔진 이외에, DC(직류)전원, 인버터 및 상기 인버터에 의해 구동되는 모터를 구비한다. 보다 구체적으로는, 동력원을 보장(secure)하기 위해 엔진이 구동되고, DC 전원으로부터의 DC 전압이 인버터에 의해 모터를 회전시키는데 사용될 AC(교류)전압으로 변환되어, 상기 동력원도 보장하게 된다.
전기 자동차는 그 동력원으로 DC 전원, 인버터 및 상기 인버터에 의해 구동되는 모터를 구비하는 자동차를 말한다.
하이브리드 자동차 또는 전기 자동차에 관해서는, 승압컨버터에 의해 DC 전원으로부터의 DC 전압을 상승시켜, 상승된 DC 전압을 모터를 구동하는 인버터에 공급하는 것이 제안되어 있다(예를 들면, 일본 특허공개공보 제09-240560호, 일본특허 제2879486호, 일본특허공개공보 제2000-050401호 및 제08-240171호).
예를 들어, 일본 특허공개공보 제09-240560호는 전력보조자동차용 전력공급장치를 개시하고 있는데, 이는 구동차륜에 페달력(pedaling force)을 공급하는 인력구동시스템, 전기모터로부터 구동차륜으로 보조력을 공급하는 전력구동시스템 및 상기 페달력과 차량속도에 따라 상기 보조력을 가변적으로 제어하기 위한 보조력제어수단을 포함하고, 상기 보조력제어수단에 의해 요청되는 보조력에 따른 전압으로 배터리 전압을 올리기 위한 승압수단 및 승압된 전압을 평활시켜 이 평활된 전압을 전기모터에 공급하기 위한 평활수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 상기 승압수단은 목표보조력을 달성하기 위해 필요한 전압까지 배터리 전압을 상승시키는데 사용된다. 이에 따라, 배터리 중량 뿐만 아니라 배터리 비용이 감소될 수 있다.
상기 승압수단에 의해 승압된 전압은 또한 평활수단에 의해 평활된다. 따라서, 배터리로부터의 출력전류값들이 평균화되고, 이에 따라 배터리 수명이 연장될 수 있다.
종래의 모터구동장치는 일반적으로 필요한 보조력에 따른 전압으로 배터리 전압을 올리기 위한 승압수단으로서 DC-DC 스위칭 전원을 이용한다. 상기 DC-DC 스위칭 전원은 그 스위칭 동작을, 원하는 전압까지 전압을 올려 승압된 전압을 출력하기 위하여 제어회로로부터 입력되는 전압명령신호에 응답하여 수행한다. 여기서, 상기 스위칭 전원으로 입력되는 전압명령신호는 제어회로에 의해, 페달력센서 및 차량속도센서로부터의 검출신호들을 토대로 전력구동시스템에 의해 발생될 보조력을 계산하여 발생됨으로써, 상기 보조력을 얻기 위해 필요한 목표전류값을 결정하 고, 전기모터를 통해 흐르는 전류가 목표전류값에 있도록 요청된 전압을 가변적으로 제어하게 된다.
따라서, 필요한 보조력의 갑작스런 증감은 상기 스위칭 전원에 의해 즉시 해결되어야만 한다. 그래서, 제어회로는 부하의 갑작스런 변화를 해결하기에 충분한 고속의 성능을 가질 필요가 있다. 이러한 요구사항을 충족하기 위해서는, 보다 정확하고 보다 큰 제어회로가 필수불가결한데, 이는 장치의 크기 및 비용면에서 새로운 문제를 초래하게 된다.
본 발명은 상술된 문제점을 해결하고자 고안되었으며, 본 발명의 목적은 부하에 갑작스런 변화가 발생하는 경우에도 간단하면서도 안정된 방식으로 전력을 공급할 수 있는 모터구동장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 모터구동장치는: 모터를 구동하는 구동회로; 스위칭소자를 포함하여, 상기 구동회로와 전원간의 DC 전압을 변환하기 위해 상기 스위칭소자의 스위칭 동작을 이용하는 전압컨버터; 평활된 DC 전압을 상기 구동회로에 입력하도록 상기 변환된 DC 전압을 평활하기 위해 상기 전압컨버터와 상기 구동회로 사이에 제공되는 캐패시터소자; 및 상기 모터의 필요한 출력의 크기를 토대로 상기 스위칭 동작을 제어하는 제어회로를 포함하여 이루어진다. 상기 구동회로에는 상기 모터의 필요한 출력에 따라, 상기 전원으로부터 그리고 상기 캐패시터소자로부터 전력이 공급된다. 상기 제어회로는, 상기 필요한 출력의 크기가 소정의 변동폭을 벗어나는 경우, 상기 캐패시터소자로부터 공급되는 전력이 상기 전원으로부터 공급되는 전력보다 크도록 상기 스위칭 동작을 제어한다.
상기 제어회로는 상기 필요한 출력의 크기가 상기 소정의 변동폭의 범위 이내에 있는 지를 판정하여, 상기 판정의 결과에 따라 상기 스위칭 동작의 목표전압을 결정하는 것이 바람직하다.
상기 제어회로는 상기 스위칭 동작의 목표전압의 소정의 제어폭을 가지며, 상기 필요한 출력의 크기가 상기 소정의 변동폭의 범위를 벗어나는 경우, 상기 스위칭 동작의 목표전압을 상기 소정의 제어폭의 범위 이내의 보다 낮은 전압레벨로 설정하는 것이 바람직하다.
상기 스위칭 동작의 목표전압의 상기 소정의 제어폭은 그 상한을 가지며, 상기 상한에 대응하는 전압레벨은 상기 필요한 출력의 크기의 상기 소정의 변동폭의 상한에 대응하는 전압레벨보다 높은 것이 바람직하다.
상기 모터구동장치는 상기 캐패시터소자의 단자-대-단자 전압을 검출하는 전압센서를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 전압센서에 의해 검출되는 상기 캐패시터소자의 단자-대-단자 전압이 상기 스위칭 동작의 목표전압보다 낮은 경우, 상기 제어회로는 상기 캐패시터소자의 단자-대-단자 전압이 상기 스위칭 동작의 목표전압과 같도록 상기 스위칭 동작을 제어한다.
상기 모터구동장치는: 상기 전원으로/으로부터 입력/출력되는 전원전류를 검출하는 제1전류센서; 상기 모터를 구동하기 위한 모터구동전류를 검출하는 제2전류센서; 및 상기 캐패시터소자의 단자-대-단자 전압을 검출하는 전압센서를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 필요한 출력의 크기가 상기 소정의 변동값의 범위를 벗어나는 경우, 상기 제어회로는 상기 제1전류센서 및 상기 제2전류센서에 의해 각각 검출되는 상기 전원전류 및 상기 모터구동전류 뿐만 아니라 상기 전압센서에 의해 검출되는 상기 캐패시터소자의 단자-대-단자 전압을 토대로 상기 캐패시터소자로부터 공급되는 전력을 계산하고, 상기 전원으로부터 공급되는 전력이 상기 캐패시터소자로부터 공급되는 상기 계산된 전력보다 작도록 상기 전원으로부터 공급되는 전력을 결정하며, 상기 결정된 전력이 상기 전원으로부터 공급될 때의 상기 캐패시터소자의 단자-대-단자 전압으로 상기 스위칭 동작의 목표전압을 결정한다.
상기 필요한 출력의 크기가 상기 소정의 변동폭의 범위 이내에 있는 경우, 상기 제어회로는 상기 전압센서에 의해 검출되는 상기 캐패시터소자의 단자-대-단자 전압을 토대로 상기 캐패시터소자 내에 저장되어 있는 저장된 전력을 계산하여, 상기 계산된 저장된 전력이 최소한 소정의 임계값이 되도록 상기 스위칭 동작의 목표전압을 결정하는 것이 바람직하다.
상기 제어회로는, 상기 저장된 전력이 상기 소정의 임계값보다 작은 경우, 상기 저장된 전력이 상기 소정의 임계값과 같을 때의 상기 캐패시터소자의 단자-대-단자 전압으로 상기 스위칭 동작의 목표전압을 결정하는 것이 바람직하다.
상기 필요한 출력의 크기가 상기 소정의 변동폭을 벗어나는 경우, 상기 소정의 임계값은, 상기 캐패시터소자로부터 상기 구동회로로 전력이 공급되도록 하는 레벨의 저장된 전력을 가지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 모터구동장치에 필요한 소요 출력이 갑작스럽게 변하는 경우, 전원보다는 오히려 캐패시터소자로부터 우세하게 인버터로 전력이 공급된다. 이에 따라, 전압컨버터용 제어회로가 높은 정밀도와 큰 크기를 가질 필요가 없으며, 여하한의 필요한 출력도 양호한 응답으로 간단하면서도 안정하게 이루어질 수 있다.
또한, 최소한 소정의 임계값의 정전기 에너지를 저장하기 위한 캐패시터소자에 대해서는, 전압컨버터의 스위칭 동작의 목표전압이 결정된다. 이에 따라, 상기 캐패시터소자가 여하한의 필요한 출력에 응답하여 전력의 공급을 보장하는 상태로 유지될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 모터구동장치의 개략적인 블럭도;
도 2는 도 1의 제어장치의 블럭도;
도 3은 도 2의 인버터제어회로의 블럭도;
도 4는 도 2의 컨버터제어회로의 블럭도;
도 5는 제1실시예의 컨버터제어회로의 동작을 예시한 흐름도;
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 모터구동장치 상에 장착된 컨버터제어회로의 제어동작의 원리를 예시한 도면;
도 7은 도 6에 도시된 승압컨버터의 목표전압을 제어하기 위한 컨버터제어회로의 구성예를 도시한 블럭도; 및
도 8은 제2실시예의 컨버터제어회로의 동작을 예시한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 면에는, 동일한 구성요소들이 동일한 도면부호들로 표시되어 있고, 그 상세한 설명을 반복하지는 않을 것이다.
제1실시예
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 모터구동장치의 개략적인 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 모터구동장치(100)는 DC 전원(B), 전압센서(10, 13), 전류센서(18, 24), 캐패시터(C2), 승압컨버터(12), 인버터(14) 및 제어장치(30)를 포함한다.
AC 모터(M1)는 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차의 구동차륜들을 구동하기 위한 토크를 발생시키는 구동모터이다. AC 모터(M1)는 예컨대 엔진에 의해 구동되는 전기 제너레이터로서 그리고 엔진을 시동하기 위한 엔진용 전기모터로서의 역할도 한다.
승압컨버터(12)는 리액터(L1), NPN 트랜지스터(Q1, Q2) 및 다이오드(D1, D2)를 포함한다.
리액터(L1)의 일 단부는 DC 전원(B)의 전원선에 연결되고, 그 타 단부는 NPN 트랜지스터(Q1)와 NPN 트랜지스터(Q2) 사이, 즉 NPN 트랜지스터(Q1)의 이미터와 NPN 트랜지스터(Q2)의 콜렉터 사이의 중간지점에 연결되어 있다.
NPN 트랜지스터(Q1, Q2)는 전원선과 접지선 사이에 직렬로 연결되어 있다. NPN 트랜지스터(Q1)의 콜렉터는 전원선에 연결되어 있는 한편, NPN 트랜지스터(Q2)는 접지선에 연결되어 있다. 각각의 NPN 트랜지스터(Q1, Q2)의 콜렉터들과 이미터들 사이에는, 이미터로부터 콜렉터로 전류가 흐르도록 하기 위한 다이오드(D1, D2) 들이 각각 제공되어 있다.
인버터(14)는 U상아암(15), V상아암(16) 및 W상아암(17)을 포함한다. U상아암(15), V상아암(16) 및 W상아암(17)은 상기 전원선과 상기 접지선 사이에 병렬로 제공된다.
U상아암(15)은 직렬 연결된 NPN 트랜지스터(Q3, Q4)로 구성되어 있다. V상아암(16)은 직렬 연결된 NPN 트랜지스터(Q5, Q6)로 구성되고, W상아암(17)은 직렬 연결된 NPN 트랜지스터(Q7, Q8)로 구성되어 있다. NPN 트랜지스터(Q3 내지 Q8)의 각각의 콜렉터들과 이미터들 사이에는, 이미터로부터 콜렉터로 전류를 흐르게 하기 위한 다이오드(D3 내지 D8)가 각각 연결되어 있다.
각각의 상아암(phase arm)의 중간지점은 AC 모터(M1)의 상코일 중 하나에 대응하는 일 단부에 연결되어 있다. 구체적으로는, AC 모터(M1)는 삼상영구자석모터로서, U상코일의 일 단부, V상코일의 일 단부 및 W상코일의 일 단부들이 공통 중앙 접합에 연결되는 한편, U상코일의 타 단부는 NPN 트랜지스터(Q3, Q4) 사이의 중간지점에 연결되고, V상코일의 타 단부는 NPN 트랜지스터(Q5, Q6) 사이의 중간지점에 연결되며, W상코일의 타 단부는 NPN 트랜지스터(Q7, Q8)의 중간지점에 연결되어 있다.
DC 전원(B)은 예컨대 니켈 하이브리드 및 리튬 이온의 2차전지 또는 재충전가능한 전지(들)로 구성되어 있다. 전압센서(10)는 DC 전원(B)으로부터 출력되는 전압(Vb)을 검출하여, 상기 검출된 전압(Vb)을 제어장치(30)로 출력하게 된다.
승압컨버터(12)는 DC 전원(B)으로부터 공급되는 DC 전압을 승압시켜 캐패시 터(C2)에 승압된 전압을 제공하게 된다. 보다 구체적으로는, 제어장치(30)로부터 신호(PWC)를 받아, NPN 트랜지스터(Q2)가 신호(PWC)에 응답하여 턴온되고 있는 시간 주기에 따라 승압컨버터(12)가 DC 전압을 승압시키고, 상기 승압된 전압을 캐패시터(C2)로 공급하게 된다.
또한, 상기 승압컨버터(12)는, 제어장치(30)로부터의 신호(PWC)를 받아, 캐패시터(C2)를 통해 인버터(14)로부터 공급되는 DC 전압을 강압시켜 그 결과적인 전압을 DC 전원(B)에 제공하게 된다.
캐패시터(C2)는 승압컨버터(12)로부터의 DC 전압을 평활시켜, 상기 평활된 DC 전압을 인버터(14)로 공급하게 된다. 캐패시터(C2)는 예컨대 캐패시턴스가 큰 캐패시터(전기이중층캐패시터)를 포함한다.
전압센서(13)는 캐패시터(C2)의 단자-대-단자 전압(Vm)을 검출하고, 이렇게 검출된 전압(Vm)을 제어장치(30)로 출력시킨다.
캐패시터(C2)로부터 공급되는 DC 전압을 받으면, 인버터(14)는 제어장치(30)로부터의 신호(PWM)를 토대로 DC 전압을 AC 전압으로 변환하여 AC 모터(M1)를 구동하게 된다. 이에 따라, AC 모터(M1)는 토크명령값(TR)에 의해 지정된 토크를 생성하도록 구동된다.
모터구동장치(100)가 장착된 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차의 회생제동모드(regenerative braking mode)에서는, 인버터(14)가 AC 모터(M1)에 의해 발생되는 AC 전압을 제어장치(30)로부터의 신호(PWM)를 토대로 DC 전압으로 변환하여, 그 결과적인 DC 전압을 캐패시터(C2)를 통해 승압컨버터(12)로 공급하게 된다.
여기서의 회생제동은 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차의 운전자가 풋 브레이크를 밟을 때 실행되는 회생 전력 발생에 의해 수반되는 제동 뿐만 아니라, 운전자가 풋 브레이크를 작동시키지 않고 액셀러레이터 페달을 해제시킬 때 실행되는 회생 전력 발생에 의해 수반되는 감속(또는 가속 중단)을 포함한다.
전류센서(18)는 리액터(L1)를 통해 흐르는 리액터 전류(IL)를 검출하여 상기 검출된 리액터 전류(IL)를 제어장치(30)로 출력하게 된다.
전류센서(24)는 AC 모터(M1)를 통해 흐르는 모터전류(MCRT)를 검출하고, 이렇게 검출된 모터전류(MCRT)를 제어장치(30)로 출력하게 된다.
제어장치(30)는 외부 ECU(Electrical Control Unit)로부터 토크명령값(TR) 및 모터회전수(모터의 회전수)(MRN)를 수신하고, 전압센서(13)로부터 전압(Vm)을 수신하며, 전류센서(18)로부터 리액터 전류(IL)를 수신하고, 전류센서(24)로부터 모터전류(MCRT)를 수신한다. 또한, 제어장치(30)는 전압(Vm), 토크명령값(TR) 및 모터전류(MCRT)를 토대로, 후술하는 방법에 따라 인버터(14)가 AC 모터(M1)를 구동할 때, 인버터(14)의 NPN 트랜지스터(Q3 내지 Q8)의 스위칭을 제어하기 위한 신호(PWM)를 생성하고, 상기 생성된 신호(PWM)를 인버터(14)로 출력한다.
또한, 인버터(14)가 AC 모터(M1)를 구동시킬 때, 제어장치(30)는 전압(Vb, Vm), 토크명령값(TR) 및 모터회전수(MRN)를 토대로, 후술하는 방법에 따라 승압컨버터(12)의 NPN 트랜지스터(Q1, Q2)의 스위칭을 제어하기 위한 신호(PWC)를 생성하고, 상기 생성된 신호(PWC)를 승압컨버터(12)로 출력한다.
나아가, 모터구동장치(100)가 장착된 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차의 회생제동모드에서, 제어장치(30)는 전압(Vm), 토크명령값(TR) 및 모터전류(MCRT)를 토대로, AC 모터(M1)에 의해 발생되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하기 위한 신호(PWM)를 생성하고, 이렇게 생성된 신호(PWM)를 인버터(14)로 출력한다. 이 경우, 인버터(14)의 NPN 트랜지스터(Q3 내지 Q8)의 스위칭은 신호(PWM)에 의해 제어된다. 이에 따라, 인버터(14)는 AC 모터(M1)에 의해 발생되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 상기 DC 전압을 승압컨버터(12)로 공급한다.
또한, 회생제동모드에서는, 제어장치(30)가 전압(Vb, Vm), 토크명령값(TR) 및 모터회전수(MRN)를 토대로, 인버터(14)로부터 공급되는 DC 전압을 강압시키기 위한 신호(PWC)를 생성하고, 이렇게 생성된 신호(PWC)를 승압컨버터(12)로 출력한다. 따라서, AC 모터(M1)에 의해 발생되는 AC 전압이 DC 전압으로 변환되어, DC 전원(B)에 공급되도록 강압된다.
도 2는 도 1의 제어장치(30)의 블럭도이다.
도 2를 참조하면, 제어장치(30)는 인버터제어회로(301) 및 컨버터제어회로(302a)을 포함한다.
인버터제어회로(301)는 토크명령값(TR), 모터전류(MCRT) 및 전압(Vm)을 토대로, AC 모터(M1)가 구동될 때 인버터(14)의 NPN 트랜지스터(Q3 내지 Q8)를 턴온/턴오프하기 위한 신호(PWM)를 생성하고, 이렇게 생성된 신호(PWM)를 인버터(14)로 출력한다.
또한, 모터구동장치(100)가 장착된 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차의 회생제동모드에서, 인버터제어회로(301)는 토크명령값(TR), 모터전류(MCRT) 및 전 압(Vm)을 토대로, AC 모터(M1)에 의해 발생되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하기 위한 신호(PWM)를 생성하고, 이렇게 생성된 신호(PWM)를 인버터(14)로 출력한다.
컨버터제어회로(302a)는 토크명령값(TR), 전압(Vb, Vm) 및 모터회전수(MRN)를 토대로, AC 모터(M1)가 구동될 때 승압컨버터(12)의 NPN 트랜지스터(Q1, Q2)를 턴온/턴오프하기 위한 신호(PWC)를 생성하고, 이렇게 생성된 신호(PWC)를 승압컨버터(12)로 출력한다.
또한, 컨버터제어회로(302a)는, 모터구동장치(100)가 장착된 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차의 회생제동모드에서, 토크명령값(TR), 전압(Vb, Vm) 및 모터회전수(MRN)를 토대로, 인버터(14)로부터의 DC 전압을 강압시키기 위한 신호(PWC)를 생성하고, 이렇게 생성된 신호(PWC)를 승압컨버터(12)로 출력한다.
승압컨버터(12)는 또한 전압을 강압시키기 위하여 DC 전압을 강압시키기 위한 신호(PWC)를 사용할 수도 있고, 따라서 양방향 컨버터의 기능을 가진다.
도 3은 도 2의 인버터제어회로(301)의 블럭도이다.
도 3을 참조하면, 인버터제어회로(301)는 모터제어용 상전압계산유닛(이하, 상전압계산유닛)(41) 및 인버터PWM신호변환유닛(42)을 포함한다.
상전압계산유닛(41)은 승압컨버터(12)의 출력전압(Vm)을 전압센서(13)로부터 수신하고, 즉 인버터(14)로 입력될 입력전압을 수신하고, AC 모터(M1)의 각각의 상을 통해 흐르는 모터전류(MCRT)를 전류센서(24)로부터 수신하며, 토크명령값(TR)을 외부 ECU로부터 수신한다. 토크명령값(TR), 모터전류(MCRT) 및 전압(Vm)을 토대로, 상전압계산유닛(41)은 AC 모터(M1)의 각각의 상의 코일에 인가될 전압을 계산하고, 이렇게 계산된 전압을 인버터PWM신호변환유닛(42)으로 출력하게 된다.
상전압계산유닛(41)으로부터 제공되는 계산 결과를 토대로, 인버터PWM신호변환유닛(42)은 각각의 인버터(14)의 NPN 트랜지스터(Q3 내지 Q8)를 실제로 턴온/턴오프하는 신호(PWM)를 생성하여, 이렇게 생성된 신호(PWM)를 NPN 트랜지스터(Q3 내지 Q8)로 출력하게 된다.
이에 따라, 인버터(14)의 NPN 트랜지스터(Q3 내지 Q8)의 스위칭이 제어되어, AC 모터(M1)의 각각의 상을 통해 흐르게 될 전류가 제어됨으로써, AC 모터(M1)가 특정 토크를 출력하게 된다. 이러한 방식으로, 모터전류(MCRT)가 제어되고, 토크명령값(TR)에 따라 모터토크가 출력된다.
도 4는 도 2의 컨버터제어회로(302a)의 블럭도이다.
도 4를 참조하면, 컨버터제어회로(302a)는 전압명령계산유닛(61a), 컨버터듀티비계산유닛(62), 컨버터PWM신호변환유닛(63) 및 제어유닛(64a)을 포함한다.
제어유닛(64a)은 승압컨버터(12)의 출력전압(Vm)을 전압센서(13)로부터 수신하고, 즉 인버터(14)로 입력될 입력전압을 수신하고, AC 모터(M1)의 각각의 상을 통해 흐르는 모터전류(MCRT)를 전류센서(24)로부터 수신하며, 리액터(L1)를 통해 흐르는 리액터 전류(IL)를 전류센서(18)로부터 수신하고, 토크명령값(TR)을 외부 ECU로부터 수신한다.
토크명령값(TR)을 수신하면, 제어회로(64a)는 필요한 토크의 크기에 따라 2가지 상이한 신호(Uc, Pb) 중 하나를 생성하고, 이렇게 생성된 신호를 전압명령계산유닛(61a)으로 출력한다.
구체적으로, 제어회로(64a)는 토크명령값(TR)에 관한 소정의 변동폭을 가지고, 외부 ECU로부터의 토크명령값(TR)이 상기 변동폭의 범위 이내에 있는 지를 판정한다. 상기 소정의 변동폭은 정상작동모드에서 모터구동장치(100)에 필요한 소요 토크의 변동들을 커버하도록 정의된다. 그러므로, 정상작동모드에서, 제어유닛(64a)은 토크명령값(TR)이 상기 변동폭의 범위 이내에 있다고 판정한다.
이와는 달리, 소요 토크가 증감하여 정상작동모드에서의 변동폭을 벗어나게 되면, 토크명령값(TR)은 최소한 상기 변동폭의 상한을 나타내는 임계값 또는 기껏해야 상기 변동폭의 하한을 나타내는 임계값이다. 이 경우, 제어유닛(64a)은 토크명령값(TR)이 상기 변동폭의 범위를 벗어난 것으로 판정한다.
이하, 토크명령값(TR)이 소정의 변동폭 이내에 있거나 소정의 변동폭을 벗어나 있는지의 판정 결과에 따라 제어유닛(64a)에 의해 발생되는 신호(Uc, Pb)에 대해 후술한다.
토크명령값(TR)이 소정의 변동폭 이내에 있다고 제어유닛(64a)이 판정하면, 제어유닛(64a)은 캐패시터(C2)에 축적된 전력인 정전기 에너지(Uc)를 결정한다. 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)는 다음과 같은 수학식으로 표현된다.
Uc = CVm2/2
여기서, C는 캐패시터(C2)의 캐패시턴스이고, Vm은 캐패시터(C2)의 단자-대-단자 전압이다.
제어유닛(64a)은 또한 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)에 관한 소정의 임계값(Pcstd)을 가지며, 상기 결정된 정전기 에너지(Uc)가 최소한의 임계값(Pcstd)인 값으로 유지되도록 승압컨버터(12)를 제어한다. 소정의 임계값(Pcstd)은 후술하는 바와 같이, 부하에 갑작스런 변화가 발생하는 경우에도 캐패시터(C2)가 전력을 인버터(14)로 공급할 수 있는 축적된 전력량에 대응한다.
구체적으로는, 정전기 에너지(Uc)가 캐패시터(C2)의 단자-대-단자 전압(Vm)에 의해서만 결정된다는 것을 수학식 1로부터 알 수 있다. 따라서, 캐패시터(C2)의 단자-대-단자 전압(Vm)은, 정전기 에너지(Uc)가 최소한의 임계값(Pcstd)인 값을 갖도록 제어된다. 이를 위하여, 캐패시터(C2)의 단자-대-단자 전압(Vm)이 승압컨버터(12)의 출력전압에 대응한다는 사실의 관점에서, 승압컨버터(12)의 출력전압(Vm)의 목표전압(Vdc_com)은 다음과 같은 관계를 만족하도록 결정될 수도 있다.
Uc = C(Vdc_com)2 / 2 ≥ Pcstd
여기서, 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)는 다음과 같은 이유로 소정의 임계값(Pcstd)을 가진다.
정상작동 시, 승압컨버터(12)는 DC 전원(B)으로부터 공급되는 DC 전압을 승압하여 이렇게 승압된 전압을 캐패시터(C2)에 제공한다. 캐패시터(C2)는 승압컨버터(12)로부터 출력되는 DC 전압을 평활시켜 상기 평활된 DC 전압을 인버터(14)에 제공한다.
이 때, 승압턴버터(12)는, NPN 트랜지스터(Q2)가 제어장치(30)로부터의 신호(PWC)에 응답하여 턴온되는 시간 주기에 따라 DC 전압을 승압시킨다.
하지만, 필요한 토크가 갑작스럽게 변하여 토크명령값(TR)의 변동폭을 초과하게 된다면, 승압컨버터(12)에는 빠른 스위칭 제어가 필요하다. 빠른 스위칭 제어를 위하여, 고정밀 컨버터 제어회로가 필요하다.
그래서, 필요한 토크의 갑작스런 변화를 해결하기 위해서는, 여하한의 부하 요건에 응답해서도 쉽고도 안정하게 전력을 공급하기 위하여 DC 전원(B)보다는 오히려 캐패시터(C2)로부터 우세하게 전력이 공급될 수도 있다.
이에 따라, 상기 실시예에서는, 임계값(Pcstd)이 부하가 갑작스럽게 변하는 경우에도 캐패시터(C2)가 전력을 공급하도록 하는 레벨의 전력으로 정의된다. 그러면, 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)가 항상 최소한의 임계값(Pcstd)이 되도록 하기 위하여, 승압컨버터(12)의 목표전압(Vdc_com)이 결정된다.
승압컨버터(12)의 목표전압(Vdc_com)을 결정할 때, 제어유닛(64a)은 수학식 1에 의해 결정된 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)가 임계값(Pcstd)보다 크거나 작은 지를 비교한다. 정전기 에너지(Uc)가 적어도 임계값(Pcstd)이면, 정전기 에너지(Uc)의 결정된 값은 전압명령계산유닛(61a)으로 출력될 신호(Uc)로서 사용된다. 신호(Uc)를 수신하면, 전압명령계산유닛(61a)은 토크명령값(TR) 및 모터회전수(MRN)를 토대로 목표전압(Vdc_com)을 계산한다.
이와는 대조적으로, 캐패시터(C2)의 정전기 에너지가 임계값(Pcstd)보다 작으면, 정전기 에너지(Uc)는 임계값(Pcstd)으로 설정되고, 이렇게 설정된 값은 전압 명령계산유닛(61a)으로 출력된 신호(Uc)로서 사용된다. 신호 Uc(=Pcstd)를 수신하면, 전압명령계산유닛(61a)은 다음과 같은 관계를 만족하는 목표전압(Vdc_com)을 계산한다.
Uc = C(Vdc_com)2 / 2 = Pcstd
신호(Uc)는 상술된 바와 같이 생성되지만, 신호(Pb)는 다음과 같은 방식으로 제어유닛(64a)에 의해 생성된다.
토크명령값(TR)이 소정의 변동폭을 벗어난 것으로 제어유닛(64a)이 판정하면, 즉 변동폭을 초과하는 여하한의 토크가 필요하면, 제어유닛(64a)은 전력이 DC 전원(B)보다는 오히려 캐패시터(C2)로부터 인버터(14)로 우세하게 공급되도록 승압컨버터(12)의 목표전압(Vdc_com)을 결정한다.
보다 구체적으로는, 승압컨버터(12)의 목표전압(Vdc_com)은 캐패시터(C2)로부터 인버터(14)로 공급되는 전력(Pc)이 승압컨버터(12)를 통해 DC 전원(B)으로부터 인버터(14)로 공급되는 전력(Pb)보다 크도록 결정된다(= Pc > Pb).
여기서, 캐패시터(C2)로부터 인버터(14)로 공급되는 전력(Pc)은 다음과 같은 식으로 표현된다.
Pc = Vm x (MCRT - ib)
여기서, ib는 전류센서(18)에 의해 검출되는 리액터 전류(IL)와 동일한 DC 전원(B)을 통해 흐르는 전류이다. 또한, 캐패시터(C2)를 통해 흐르는 전류는, DC 전원(B)을 통해 흐르는 전류(ib)를 모터구동전류(MCRT)로부터 감산하여 결정되는 차이와 같다. 캐패시터(C2)를 통해 흐르는 전류는 전류센서(24)에 의해 검출되는 모터구동전류(MCRT) 및 전류센서(18)에 의해 검출되는 리액터 전류(IL)를 이용하여 결정될 수도 있다.
수학식 4에 의해 결정되는 캐패시터(C2)로부터 인버터(14)로 공급되는 공급 전력(Pc)은 상기 관계 Pc > Pb 에 적용된다. 그러면, DC 전원(B)으로부터 인버터(14)로 공급되는 공급 전력(Pb)은 다음의 관계로 표현된다.
Pb < Vm x (MCRT - ib)
따라서, Pb가 결정된다. 이렇게 결정된 Pb는 신호(Pb)로서 전압명령계산유닛(61a)에 제공된다. 따라서, DC 전원(B)으로부터 인버터(14)로 공급된 전력(Pb)은 다음의 식으로 표현된다.
Pb = ib x Vdc_com
이에 따라, 전압명령계산유닛(61a)은 상기 결정된 전력(Pb)을 공급하기 위한 승압컨버터(12)의 목표전압(Vdc_com)을 계산한다.
상술된 바와 같이, 토크명령값(TR)의 크기에 따라, 제어유닛(64a)은 다수의 패턴들의 신호(Uc, Pb)를 생성한다. 그 후, 신호(Uc, Pb)에 따라, 전압명령계산유닛(61a)이 다수의 패턴들의 승압컨버터(12)의 목표전압(Vdc_com)을 계산한다.
상술된 형태에 따르면, 토크명령값(TR)이 소정의 변동폭 이내에 있으면, 캐패시터(C2)가 최소한의 임계값(Pcstd)의 정전기 에너지(Uc)를 저장한다. 또한, 토크명령값(TR)이 소정의 변동값을 벗어나게 변하면, DC 전원(B)보다는 캐패시터(C2)가 우세하게 전력을 인버터(14)로 공급한다. 따라서, 승압컨버터(12)에 대해서는, 부하가 갑작스럽게 변하는 경우에도 고정밀 스위칭 제어가 필요없게 된다. 그러므로, 전력이 양호한 응답으로 간단하면서도 안정하게 인버터(14)로 공급될 수 있게 된다.
그 후, 전압명령계산유닛(61a)에 의해 계산되는 목표전압(Vdc_com)은 컨버터듀티비계산유닛(62)으로 출력된다. 컨버터듀티비계산유닛(62)은 전압센서(10)로부터 전압(Vb)을 수신하고, 전압센서(13)로부터 전압(Vm = 인버터입력전압)을 수신하며, 전압명령계산유닛(61a)으로부터 목표전압(Vdc_com)을 수신한다. 전압(Vb)을 토대로, 컨버터듀티비계산유닛(62)은 인버터입력전압(Vm)을 목표전압(Vdc_com)으로 설정하기 위한 듀티비(DRU 또는 DRD)를 계산하고, 이렇게 계산된 듀티비(DRU 또는 DRD)를 컨버터PWM신호변환유닛(63)으로 출력한다.
따라서, 전압(Vb)은 인버터입력전압(Vm)이 목표전압(Vdc_com)이 되도록 하기 위해 승압되어야 한다. 인버터입력전압(Vm)이 목표전압(Vdc_com)보다 낮으면, 컨버터듀티비계산유닛(62)은 DC 전류를 DC 전원(B)으로부터 인버터(14)로 흐르게 하기 위한 듀티비(DRU)를 계산하여, 인버터입력전압(Vm)이 목표전압(Vdc_com)과 같도록 하고, 이렇게 계산된 듀티비를 컨버터PWM신호변환유닛(63)으로 출력한다. 인버터입력전압(Vm)이 목표전압(Vdc_com)보다 높으면, 컨버터듀티비계산유닛(62)은 DC 전류 를 인버터(14)로부터 DC 전원(B)으로 흐르게 하기 위한 듀티비(DRD)를 계산하여, 인버터입력전압(Vm)이 목표전압(Vdc_com)과 같도록 하고, 이렇게 계산된 듀티비를 컨버터PWM신호변환유닛(63)으로 출력한다. 따라서, 컨버터제어회로(302a)는 인버터입력전압(Vm)이 목표전압(Vdc_com)과 같도록 하는 피드백제어를 수행한다.
컨버터듀티비계산유닛(62)으로부터의 듀티비(DRU 또는 DRD)를 토대로, 컨버터PWM신호변환유닛(63)은 승압컨버터(12)의 NPN 트랜지스터(Q1, Q2)를 턴온/턴오프하기 위한 신호(PWC)를 생성하고, 이렇게 생성된 신호(PWC)를 승압컨버터(12)로 출력한다.
도 5는 제1실시예의 컨버터제어회로(302a)의 동작을 예시한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 외부 ECU로부터 토크명령값(TR)을 수신하여, 토크명령값(TR)의 크기(=|TR|)가 사전에 미리 설정된 토크명령값(TR)의 변동폭(=|TR 임계값|) 이내에 있는 지의 여부를 제어유닛(64a)이 판정한다(단계 S01).
단계 S01에서, 토크명령값(TR)이 소정의 변동폭을 벗어난 것으로 판정되면, 제어유닛(64a)은 캐패시터(C2)로부터 인버터(14)로 공급될 공급 전력(Pc)을 계산한다(단계 S02). 구체적으로는, 전압센서(13)에 의해 검출되는 캐패시터(C2)의 단자-대-단자 전압(Vm) 뿐만 아니라 전류센서(24, 18)에 의해 각각 검출되는 모터구동전류(MCRT) 및 리액터 전류(IL)(=ib)가 캐피시터(C2)로부터 인버터(14)로 공급될 공급 전력(Pc)를 결정하도록 수학식 4에 대입된다.
그 후, 캐패시터(C2)로부터 인버터(14)로 공급될 계산된 전력(Pc)을 토대로, 제어유닛(64a)은 DC 전원(B)으로부터 인버터(14)로 공급될 공급 전력(Pb)을 결정한 다(단계 S03). 이 때, DC 전원(B)으로부터 인버터(14)로 공급될 공급 전력(Pb)은, 전력(Pb)이 캐패시터(C2)로부터 인버터(14)로 공급될 전력(Pc)보다 작도록 결정된다. 이렇게 결정된 DC 전원(B)으로부터 인버터(14)로 공급될 전력(Pb)은 신호(Pb)로서 전압명령계산유닛(61a)으로 출력된다(단계 S04).
이렇게 결정된 DC 전원(B)으로부터 인버터(14)로 공급될 전력(Pb)을 수신하면, 전압명령계산유닛(61a)은 상기 검출된 리액터 전류(IL)(=ib)를 수학식 6에 대입하여, 목표전압(Vdc_com)을 계산하게 된다(단계 S05).
단계 S01로 되돌아가, 토크명령값(TR)이 소정의 변동폭 이내에 있다고 판정되면, 제어유닛(64a)은 캐패시터(C2) 내에 저장된 정전기 에너지(Uc)를 계산한다(단계 S06). 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)는 캐패시터(C2)의 캐패시턴스(C) 및 단자-대-단자 전압(Vm)을 수학식 1에 대입하여 결정된다.
그 후, 제어유닛(64a)은 상기 결정된 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)를 소정의 임계값(Pcstd)과 비교하여 보다 큰 것을 결정하게 된다(단계 S07).
단계 S07에서, 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)가 적어도 임계값(Pcstd)이면, 상기 결정된 정전기 에너지(Uc)는 신호(Uc)로서 전압명령계산유닛(61a)으로 출력된다(단계 S08).
신호(Uc)를 수신하면, 전압명령계산유닛(61a)은 외부 ECU로부터의 토크명령값(TR) 및 모터회전수(MRN)를 토대로 목표전압(Vdc_com)을 계산한다(단계 S09).
단계 S07에서, 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)가 임계값(Pcstd)보다 작으면, 임계값(Pcstd)이 신호(Uc)로서 전압명령계산유닛(61a)으로 출력된다(단계 S10).
신호(Uc)를 수신하면, 전압명령계산유닛(61a)은 관계 Pcstd = C(Vdc_com)2 / 2 가 만족되도록 목표전압(Vdc_com)을 계산한다(단계 S11).
또한, 토크명령값(TR)의 크기에 따라 각각 단계 S05, S09, S11에서 계산된 목표전압(Vdc_com)이 컨버터듀티비계산유닛(62)으로 출력되면, 듀티비(DRU 또는 DRD)는 인버터입력전압(Vm)이 목표전압(Vdc_com)과 같도록 계산된다(단계 S12).
상기 계산된 듀티비(DRU 또는 DRD)가 컨버터PWM신호변환유닛(63)으로 출력되면, 상기 듀티비를 토대로 신호(PWC)가 생성된다(단계 S13). 이렇게 생성된 신호(PWC)는 승압컨버터(12)의 NPN 트랜지스터(Q1, Q2)로 출력된다.
또한, 도 5의 단계 S01에서, 갑작스런 변화를 보인 토크명령값(TR)이 현재 소정의 변동값 이내에서 변하는 것으로 확인되면, 최소한의 임계값(Pcstd)의 정전기 에너지(Uc)는 단계 S06 내지 S11을 통한 동작에 따라 캐패시터(C2)에 다시 저장된다. 이러한 방식으로, 후속 스테이지에서 발생할 수 있는 여하한의 토크명령값(TR)의 갑작스런 변화가 신속하게 해결될 수 있다.
지금까지 본 실시예를 토크명령값(TR)의 크기에 따라 전력을 부하에 공급하는 수단을 제어하기 위한 구성예와 연계하여 설명하였지만, 상기 전력을 공급하기 위한 수단은 필요한 출력(전력)에 따라 제어될 수도 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따르면, 모터구동장치(100)의 필요한 토크의 갑작스런 변화 발생 시, 전력이 전원보다는 오히려 캐패시터소자로부 터 우세하게 공급된다. 그러므로, 전압컨버터용 제어회로의 정밀도가 높고 크기가 클 필요가 없으므로, 여하한의 필요한 토크도 양호한 응답으로 간단하면서도 안정하게 해결될 수 있다.
또한, 캐패시터소자 내에 저장될 최소한의 소정의 임계값의 정전기 에너지를 위하여, 상기 전압컨버터의 스위칭 동작을 위한 목표전압이 결정된다. 이에 따라, 갑작스럽게 변하는 여하한의 필요한 토크에 응답하여 캐패시터소자로부터 확실하게 전력이 공급될 수 있다.
제2실시예
상기 제안된 제1실시예의 모터구동장치의 구조는 토크명령값(TR)의 크기에 따라 승압컨버터(12)의 목표전압(Vdc_com)을 제어하여, 부하의 갑작스런 변화에 응답하여 캐패시터(C2)로부터 우세하게 전력을 공급함으로써, 전력을 간단하면서도 안정하게 공급하는데 사용된다. 이 경우, 승압컨버터(12)의 목표전압(Vdc_com)은 소정의 관계가 만족되는 조건 하에서 가변적인 방식으로 제어된다. 본 실시예에서는, 승압컨버터(12)의 목표전압(Vdc_com)의 제어 방식이 추가로 기술되어 있다. 본 실시예의 모터구동장치는 기본적으로 도 1에 도시된 모터구동장치에 대한 구조와 동일하므로, 전체 장치의 구조에 대한 상세한 설명을 반복하지 않는다는 점에 유의한다.
도 6은 본 발명의 제2실시예의 모터구동장치 상에 장착된 승압컨버터(12)의 제어 동작의 원리를 예시하고 있다.
구체적으로는, 도 6은 승압컨버터(12)의 출력전압(Vm)과 토크명령값(TR)간의 관계를 보여준다. 도 6에 점선으로 표시된 바와 같이, 토크명령값(TR)은 차량의 상태에 따라 변하는 파형으로 표시된다. 도 6에서는, 상기 토크명령값(TR)의 소정의 변동폭이 설정된다. 소정의 변동폭은 제1실시예에서 행해진 바와 같이, 부하의 갑작스런 변화가 식별될 수 있도록 설정된다.
승압컨버터(12)는 DC 전원(B)으로부터의 DC 전압을 승압하여 이렇게 승압된 전압을 캐패시터(C2)로 출력한다. 여기서, 승압컨버터(12)의 승압 작업을 위하여, 승압된 전압에 의해 달성되어야 하는 레벨을 만족하는 목표전압(Vdc_com)이 후술하는 제어장치(30) 내의 컨버터제어회로(302b)에 의해 설정된다.
상기 실시예에서, 목표전압(Vdc_com)은 도 6에 도시된 바와 같이 소정의 제어폭을 가지고, 상기 목표전압(Vdc_com)은 이러한 범위 이내의 가변적인 값이다. 특히, 목표전압(Vdc_com)의 제어폭의 상한은 토크명령값(TR)의 임계값의 상한보다 높게 설정된다. 이는 다음과 같은 이유 때문이다. 승압컨버터(12)의 출력전압(Vm)이 캐패시터(C2)의 단자-대-단자 전압(Vm)이라는 사실의 관점에서, 상기 목표전압(Vdc_com)은 부하에서의 여하한의 갑작스런 변화를 해결하기 위해 캐패시터(C2) 내에 정전기 에너지(Uc)가 저장되도록 비교적 높게 설정된다. 여기서, 목표전압(Vdc_com)은 회생제동동작을 통한 전기충전을 고려하여 캐패시터(C2)의 항복전압에 대한 소정의 허용치를 갖도록 설정된다.
아래에는, 승압컨버터(12)의 목표전압(Vdc_com)의 제어가 기술되어 있다.
토크명령값(TR)이 소정의 변동폭 이내에 있으면, 목표전압(Vdc_com)은 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)가 최소한의 임계값(Pcstd)인 값으로 유지되도록 상 기 제1실시예에서 행해진 바와 같이 설정된다. 구체적으로는, 캐패시터(C2)의 정전기 에너지가 소정의 임계값(Pcstd) 이상으로 유지되도록 하기 위하여, 캐패시터(C2)의 단자-대-단자 전압(Vm)은 승압컨버터(12)의 목표전압(Vdc_com)이 설정될 때 결정된다.
이 때, 도 6에 도시된 바와 같이, 목표전압(Vdc_com)은 예컨대 제어폭의 상한과 같은 전압레벨로 설정될 수도 있다. 따라서, 목표전압(Vdc_com)은 승압컨버터(12)로부터 출력되는 DC 전압이 컨버터(14)로 공급되어 캐패시터(C2)를 충전하는데 사용되도록 토크명령값(TR)의 변동폭보다 높게 설정된다.
토크명령값(TR)이 갑작스럽게 변하여 도 6에 도시된 바와 같이 토크명령값(TR)의 변동폭의 상한인 임계값을 초과하게 되면, 목표전압(Vdc_com)은 상기 제어폭의 범위 이내의 보다 낮은 전압레벨로 설정된다. 도 6에서, 목표전압(Vdc_com)은 상기 제어폭의 하한의 레벨까지 낮아진다.
목표전압(Vdc_com)이 낮아지면, 승압컨버터(12)는 그 승압 동작을 억제하거나 정지된다. 다른 한편으로, 캐패시터(C2)에 저장된 정전기 에너지(Uc)는 인버터(14)로 공급되어, 필요한 토크가 생성되도록 한다. 목표전압(Vdc_com)이 낮아짐에 따라, 승압컨버터(12)의 스위칭 동작이 억제되거나 중단된다. 그 후, 도 6에서 실선으로 표시되어 있는 승압컨버터(12)의 출력전압(실제전압)이 감소한다.
토크명령값(TR)이 소정의 변동폭 이내에 다시 있으면, 목표전압(Vdc_com)은 도 6에 도시된 바와 같이 하한레벨로부터 상한레벨까지 증가된다. 목표전압(Vdc_com)이 실제전압보다 높게 되면, 승압컨버터(12)의 스위칭 제어가 개시되어 승압 동작을 재개하게 된다.
도 7은 도 6에 도시된 승압컨버터(12)의 목표전압(Vdc_com)을 제어하기 위한 컨버터제어회로의 구성예를 도시한 블럭도이다.
도 7을 참조하면, 컨버터제어회로(302b)는 전압명령계산유닛(61b), 컨버터듀티비계산유닛(62), 컨버터PWM신호변환유닛(63) 및 제어유닛(64b)을 포함한다.
제어유닛(64b)은 외부 ECU(도시안됨)로부터 토크명령값(TR)을 수신한다. 토크명령값(TR)을 수신하면, 제어회로(64b)는 필요한 토크의 크기에 따라 2가지 상이한 신호(OP, Uc) 중 하나를 생성한다. 이렇게 생성된 신호(OP, Uc) 중 하나는 전압명령계산유닛(61b)으로 출력된다.
구체적으로, 제어회로(64b)는 토크명령값(TR)에 관한 소정의 변동폭을 가지고, 외부 ECU로부터의 토크명령값(TR)이 상기 변동폭의 범위 이내에 있는 지를 판정한다. 상기 소정의 변동폭은 정상작동모드에서 모터구동장치(100)에 필요한 소요 토크의 변동들을 커버하도록 정의된다. 그러므로, 정상작동모드에서, 제어유닛(64b)은 토크명령값(TR)이 상기 변동폭의 범위 이내에 있다고 판정한다.
이와는 달리, 소요 토크가 증감하여 정상작동모드에서의 상기 변동들의 범위를 초과하게 되면, 토크명령값(TR)은 최소한 상기 변동폭의 상한을 나타내는 임계값 또는 기껏해야 상기 변동폭의 하한을 나타내는 임계값인 값이어야 한다. 이 경우, 제어유닛(64b)은 토크명령값(TR)이 상기 변동폭의 범위를 벗어난 것으로 판정한다.
이하, 토크명령값(TR)이 소정의 변동폭 이내에 있거나 소정의 변동폭을 벗어 나 있는지의 판정 결과에 따라 제어유닛(64b)에 의해 발생되는 신호(OP, Pc)에 대해 후술한다.
토크명령값(TR)이 소정의 변동폭 이내에 있다고 제어유닛(64b)이 판정하면, 제어유닛(64b)은 상술된 수학식 1에 따라 캐패시터(C2)에 축적된 전력인 정전기 에너지(Uc)를 결정한다.
제1실시예에서와 같이, 제어유닛(64b)은 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)에 관한 소정의 임계값(Pcstd)을 가지며, 정전기 에너지(Uc)가 최소한의 임계값(Pcstd)인 값으로 유지되도록 상기 정전기 에너지를 제어한다. 구체적으로는, 정전기 에너지(Uc)가 임계값(Pcstd) 이상이 되도록 캐패시터(C2)의 단자-대-단자 전압(Vm)이 제어된다. 다시 말해, 캐패시터(C2)의 단자-대-단자 전압(Vm)은 승압컨버터(12)의 출력전압에 대응하기 때문에, 승압컨버터(12)의 목표전압(Vdc_com)은 다음의 관계 Uc ≥ Pcstd 가 만족되도록 결정된다.
그 후, 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)가 적어도 임계값(Pcstd)이면, 제어유닛(64b)은 상기 결정된 정전기 에너지(Uc)를 신호(Uc)로서 전압명령계산유닛(61b)으로 출력한다. 이와는 대조적으로, 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)가 임계값(Pcstd)보다 작으면, 임계값(Pcstd)이 신호(Uc)로서 전압명령계산유닛(61b)으로 출력된다.
토크명령값(TR)이 소정의 변동폭을 벗어난 것으로 제어유닛(64b)이 판정하면, 상기 판정 결과를 나타내는 신호(OP)가 전압명령계산유닛(61b)으로 출력된다.
신호(Uc 또는 OP)를 수신하면, 전압명령계산유닛(61b)은 상기 신호에 적합한 목표전압(Vdc_com)을 계산한다. 보다 구체적으로는, 임계값(Pcstd)보다 큰 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)를 나타내는 신호(Uc)를 수신하면, 전압명령계산유닛(61b)은 토크명령값(TR) 및 모터회전수(MRN)를 토대로 목표전압(Vdc_com)을 계산한다.
임계값(Pcstd)과 같은 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)를 나타내는 신호(Uc)를 수신하면, 전압명령계산유닛(61b)은 수학식 3을 만족시키는 목표전압(Vdc_com)을 계산한다.
이와는 달리, 부하가 갑작스럽게 변한다는 것을 나타내는 신호(OP)를 수신하면, 전압명령계산유닛(61b)은 승압컨버터(12)의 목표전압(Vdc_com)을 하한레벨의 제어폭으로 설정하여, 전력이 DC 전원(B)보다는 캐패시터(C2)로부터 인버터(14)로 우세하게 공급되도록 한다.
상술된 바와 같이, 토크명령값(TR)의 크기에 따르면, 제어유닛(64b)은 다수의 패턴의 신호(Uc, OP)를 생성한다. 신호(Uc, OP)에 따르면, 전압명령계산유닛(61b)은 다수의 패턴들의 승압컨버터(12)의 목표전압(Vdc_com)을 계산한다. 따라서, 토크명령값(TR)이 소정의 변동폭 이내에 있으면, 최소한의 임계값(Pcstd)의 정전기 에너지(Uc)가 캐패시터(C2)에 저장된다. 토크명령값(TR)이 소정의 변동폭을 초과하도록 변하면, 전력이 캐패시터(C2)로부터 인버터(14)로 우세하게 공급된다. 따라서, 부하의 갑작스런 변화가 발생하는 경우에도, 전력이 간단하면서도 안정하게 인버터(14)로 공급된다. 전압명령계산유닛(61b)에 의해 계산되는 목표전압(Vdc_com)은 컨버터듀티비계산유닛(62)으로 출력된다.
컨버터듀티비계산유닛(62)은 전압센서(10)로부터 전압(Vb)을 수신하고, 전압센서(13)로부터 전압(Vm = 인버터입력전압)을 수신하며, 전압명령계산유닛(61b)으로부터 목표전압(Vdc_com)을 수신한다. 전압(Vb)을 토대로, 컨버터듀티비계산유닛(62)은 인버터입력전압(Vm)을 목표전압(Vdc_com)으로 설정하기 위한 듀티비(DRU 또는 DRD)를 계산하고, 이렇게 계산된 듀티비(DRU 또는 DRD)를 컨버터PWM신호변환유닛(63)으로 출력한다.
전압(Vb)은 인버터입력전압(Vm)이 목표전압(Vdc_com)이 되도록 하기 위해 승압되어야 한다. 인버터입력전압(Vm)이 목표전압(Vdc_com)보다 낮으면, 컨버터듀티비계산유닛(62)은 DC 전류를 DC 전원(B)으로부터 인버터(14)로 흐르게 하기 위한 듀티비(DRU)를 계산하여, 인버터입력전압(Vm)이 목표전압(Vdc_com)과 같도록 하고, 이렇게 계산된 듀티비를 컨버터PWM신호변환유닛(63)으로 출력한다. 인버터입력전압(Vm)이 목표전압(Vdc_com)보다 높으면, 컨버터듀티비계산유닛(62)은 DC 전류를 인버터(14)로부터 DC 전원(B)으로 흐르게 하기 위한 듀티비(DRD)를 계산하여, 인버터입력전압(Vm)이 목표전압(Vdc_com)과 같도록 하고, 이렇게 계산된 듀티비를 컨버터PWM신호변환유닛(63)으로 출력한다. 따라서, 컨버터제어회로(302b)는 인버터입력전압(Vm)이 목표전압(Vdc_com)과 같도록 하는 피드백제어를 수행한다.
컨버터듀티비계산유닛(62)으로부터의 듀티비(DRU 또는 DRD)를 토대로, 컨버터PWM신호변환유닛(63)은 승압컨버터(12)의 NPN 트랜지스터(Q1, Q2)를 턴온/턴오프하기 위한 신호(PWC)를 생성하고, 이렇게 생성된 신호(PWC)를 승압컨버터(12)로 출력한다.
도 8은 제2실시예의 컨버터제어회로(302b)의 동작을 예시하기 위한 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 외부 ECU로부터 토크명령값(TR)을 수신하여, 토크명령값(TR)의 크기(=|TR|)가 사전에 미리 설정된 토크명령값(TR)의 변동폭(=|TR 임계값|) 이내에 있는 지의 여부를 제어유닛(64b)이 판정한다(단계 S20).
단계 S20에서, 토크명령값(TR)이 소정의 변동폭을 벗어난 것으로 판정되면, 상기 판정 결과를 나타내는 신호(OP)가 전압명령계산유닛(61b)으로 출력된다. 신호(OP)에 따르면, 전압명령계산유닛(61b)은 목표전압(Vdc_com)을 하한레벨의 목표전압(Vdc_com)의 제어폭으로 설정한다(단계 S21).
단계 S20에서, 토크명령값(TR)이 소정의 변동폭 이내에 있는 것으로 판정되면, 제어유닛(64b)은 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)를 계산한다(단계 S22). 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)는 수학식 1을 이용하여 캐패시터(C2)의 캐패시턴스(C) 및 단자-대-단자 전압(Vm)으로부터 결정된다.
그 후, 제어유닛(64b)은 상기 결정된 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)를 소정의 임계값(Pcstd)과 비교하여 보다 큰 것을 결정하게 된다(단계 S23).
단계 S23에서, 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)가 적어도 임계값(Pcstd)이면, 상기 결정된 정전기 에너지(Uc)는 신호(Uc)로서 전압명령계산유닛(61b)으로 출력된다(단계 S24).
신호(Uc)를 수신하면, 전압명령계산유닛(61b)은 외부 ECU로부터의 토크명령값(TR) 및 모터회전수(MRN)를 토대로 목표전압(Vdc_com)을 계산한다(단계 S25).
단계 S23에서, 캐패시터(C2)의 정전기 에너지(Uc)가 임계값(Pcstd)보다 작으면, 임계값(Pcstd)이 신호(Uc)로서 전압명령계산유닛(61b)으로 출력된다(단계 S26).
신호(Uc)를 수신하면, 전압명령계산유닛(61b)은 관계 Pcstd = C(Vdc_com)2 / 2 가 만족되도록 목표전압(Vdc_com)을 계산한다(단계 S27).
또한, 토크명령값(TR)의 크기에 따라 각각 단계 S21, S25, S27에서 계산된 목표전압(Vdc_com)이 컨버터듀티비계산유닛(62)으로 출력되면, 듀티비(DRU 또는 DRD)는 인버터입력전압(Vm)이 목표전압(Vdc_com)과 같도록 계산된다(단계 S28).
상기 계산된 듀티비(DRU 또는 DRD)가 컨버터PWM신호변환유닛(63)으로 출력되면, 상기 듀티비를 토대로 신호(PWC)가 생성된다(단계 S29). 이렇게 생성된 신호(PWC)는 승압컨버터(12)의 NPN 트랜지스터(Q1, Q2)로 출력된다.
지금까지 논의된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따르면, 갑작스런 부하의 변화가 발생하는 경우에도 복잡한 회로 구성없이 간단하면서도 안정된 방식으로 전력을 공급할 수 있는 모터구동장치가 구현될 수 있다.
본 발명은 모터차량 상에 장착된 모터구동장치에 적용가능하다.

Claims (9)

  1. 모터구동장치에 있어서,
    모터(M1)를 구동하는 구동회로(14);
    스위칭소자를 포함하고, 상기 구동회로(14)와 전원(B)간의 DC 전압을 변환하기 위해 상기 스위칭소자의 스위칭 동작을 이용하는 전압컨버터(12);
    평활된 DC 전압을 상기 구동회로(14)에 입력하도록 상기 변환된 DC 전압을 평활하기 위해 상기 전압컨버터(12)와 상기 구동회로(14) 사이에 제공되는 캐패시터소자(C2); 및
    상기 모터(M1)의 필요한 출력의 크기를 토대로 상기 스위칭 동작을 제어하는 제어회로(30)를 포함하여 이루어지고,
    상기 구동회로(14)에는, 상기 모터(M1)의 필요한 출력에 따라, 상기 전원(B)으로부터 그리고 상기 캐패시터소자(C2)로부터 전력이 공급되며,
    상기 제어회로(30)는, 상기 필요한 출력의 크기가 소정의 변동폭을 벗어나는 경우, 상기 캐패시터소자(C2)로부터 상기 구동회로(14)로 공급되는 전력이 상기 전원(B)으로부터 상기 구동회로(14)로 공급되는 전력보다 크도록 상기 스위칭 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 모터구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어회로(30)는 상기 필요한 출력의 크기가 상기 소정의 변동폭의 범위 이내에 있는 지를 판정하여, 상기 판정의 결과에 따라 상기 스위칭 동작의 목표전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 모터구동장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어회로(30)는 상기 스위칭 동작의 목표전압의 소정의 제어폭을 가지며, 상기 필요한 출력의 크기가 상기 소정의 변동폭의 범위를 벗어나는 경우, 상기 스위칭 동작의 목표전압을 상기 소정의 제어폭의 범위 이내의 보다 낮은 전압레벨로 설정하는 것을 특징으로 하는 모터구동장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스위칭 동작의 목표전압의 상기 소정의 제어폭은 그 상한을 가지며, 상기 상한에 대응하는 전압레벨은 상기 필요한 출력의 크기의 상기 소정의 변동폭의 상한에 대응하는 전압레벨보다 높은 것을 특징으로 하는 모터구동장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 캐패시터소자(C2)의 단자-대-단자 전압을 검출하는 전압센서(13)를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 전압센서(13)에 의해 검출되는 상기 캐패시터소자(C2)의 단자-대-단자 전압이 상기 스위칭 동작의 목표전압보다 낮은 경우, 상기 제어회로(30)는 상기 캐패시터소자(C2)의 단자-대-단자 전압이 상기 스위칭 동작의 목표전압과 같도록 상 기 스위칭 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 모터구동장치.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전원(B)으로/으로부터 입력/출력되는 전원전류를 검출하는 제1전류센서(18);
    상기 모터(M1)를 구동하기 위한 모터구동전류를 검출하는 제2전류센서(24); 및
    상기 캐패시터소자(C2)의 단자-대-단자 전압을 검출하는 전압센서(13)를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 필요한 출력의 크기가 상기 소정의 변동값의 범위를 벗어나는 경우, 상기 제어회로(30)는 상기 제1전류센서(18) 및 상기 제2전류센서(24)에 의해 각각 검출되는 상기 전원전류 및 상기 모터구동전류 뿐만 아니라 상기 전압센서(13)에 의해 검출되는 상기 캐패시터소자(C2)의 단자-대-단자 전압을 토대로 상기 캐패시터소자(C2)로부터 공급되는 전력을 계산하고, 상기 전원(B)으로부터 공급되는 전력이 상기 캐패시터소자(C2)로부터 공급되는 상기 계산된 전력보다 작도록 상기 전원(B)으로부터 공급되는 전력을 결정하며, 상기 결정된 전력이 상기 전원으로부터 공급될 때의 상기 캐패시터소자(C2)의 단자-대-단자 전압으로 상기 스위칭 동작의 목표전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 모터구동장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 필요한 출력의 크기가 상기 소정의 변동폭의 범위 이내에 있는 경우, 상기 제어회로(30)는 상기 전압센서(13)에 의해 검출되는 상기 캐패시터소자(C2)의 단자-대-단자 전압을 토대로 상기 캐패시터소자(C2) 내에 저장되어 있는 저장된 전력을 계산하여, 상기 계산된 저장된 전력이 최소한 소정의 임계값이 되도록 상기 스위칭 동작의 목표전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 모터구동장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어회로(30)는, 상기 저장된 전력이 상기 소정의 임계값보다 작은 경우, 상기 저장된 전력이 상기 소정의 임계값과 같을 때의 상기 캐패시터소자(C2)의 단자-대-단자 전압으로 상기 스위칭 동작의 목표전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 모터구동장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 필요한 출력의 크기가 상기 소정의 변동폭을 벗어나는 경우, 상기 소정의 임계값은, 상기 캐패시터소자(C2)로부터 상기 구동회로(14)로 전력이 공급되도록 하는 레벨의 저장된 전력을 가지는 것을 특징으로 하는 모터구동장치.
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