KR100986712B1 - 모터구동시스템의 제어장치 및 방법 - Google Patents

모터구동시스템의 제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

직사각형파전압제어모드에서, 직사각형파전압의 전압 위상(φv)이 토크지령값(Trqcom)과 토크추정값(Trq)과의 편차를 토대로 조정되는 토크피드백제어가 수행된다. 토크추정부(420)는 PWM제어모드의 경우에서와 같이, 전류센서(24) 및 회전위치센서(25)에 의해 검출되는 값들을 토대로 산출되는 모터 전류(Id, Iq)들을 이용하여 토크추정값(Trq)을 산출한다. 즉, 교류모터(M1)의 동일한 상태량(센서들에 의해 검출된 양)은 직사각형파전압제어모드 및 PWM제어모드 양자 모두에서의 모터 제어에 사용된다.

Description

모터구동시스템의 제어장치 및 방법{CONTROL APPARATUS AND METHOD FOR MOTOR DRIVE SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 모터구동시스템의 제어장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 교류모터를 구동 및 제어하기 위해 인버터를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 모터구동시스템의 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
3상교류모터를 구동 및 제어하도록 인버터를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 모터구동시스템이 공통으로 사용된다. 이러한 모터구동시스템에서 교류모터로부터 출력되는 토크를 목표 토크(토크지령값)로 적절하게 제어하기 위한 각종 제어모드들이 제안되어 있다.
예를 들어, 일본특허출원공보 제JP-A-2005-124359호에는 실제 속도와 추정 속도간의 오차를 보정하는 데 사용되는 보정항을 갖는 관측부에 의해 추정되는 전류 신호가 동기모터용 전류 제어의 전류 피드백에 사용되는 방법이 개시되어 있다. 전류 제어에서는, 토크전압지령이 토크전류지령값(d축 전류(Id)에 대한 공통값)과 전류피드백신호를 토대로 준비된다. 일본특허출원공보 제JP-A-2005-124359호에 따르면, 펄스폭변조(PWM)제어에 따라 인버터에서 수행되는 스위칭 동작에 의하여, 상 술된 전류 피드백에 따라 동기모터(교류모터)의 각각의 상에 인가되는 전압이 발생된다. 모터를 효율적으로 구동시키기 위해서는, PWM 제어가 보통 벡터 제어를 수행하여 수행된다.
하지만, PWM 제어에 의해서는 기본파의 제한된 라인전압만이 얻어진다. 그러므로, 일본특허출원공보 제JP-A-11-299297호는 PWM듀티비가 최대값으로 고정된 직사각형파전압이 모터에 인가되는 제어모드와 통상적인 PWM제어모드간에, 상기 모터로부터 출력되는 토크가 직사각형파전압의 위상을 제어하여 제어되는(직사각형파전압제어모드) 상황에 따라 모터제어모드를 스위칭하는 것을 개시하고 있다.
일본특허출원공보 제JP-A-2005-124359호에 개시된 모터제어모드에 따르면, 전류가 정확하게 추정되어 유도된 전압이 보상되기 때문에 상기 제어가 보다 효율적으로 수행될 수 있다. 하지만, 상기 모터제어모드는 PWM제어모드로 고정된다. 이에 따라, 모터의 운전 상태에 관계없이 항상 고출력을 얻기가 어렵게 된다.
이러한 불편함을 해결하기 위하여, 일본특허출원공보 제JP-A-11-299297호는 PWM제어모드와 직사각형파전압제어모드간에 모터제어모드를 스위칭하는 것을 개시하고 있다. 이러한 구성에 의하면, 제어모드가 스위칭될 때 모터로부터 출력되는 토크에 변동이 발생하지 않도록 소정의 대책이 취해져야 한다. 하지만, 제JP-A-11-299297호에는 이러한 대책에 관한 어떠한 설명도 되어 있지 않다.
본 발명은 상술된 사정을 감안하여 고안되었다. 그러므로, 본 발명은 제어모드가 펄스폭변조(PWM)제어모드와 직사각형파전압제어모드간에 스위칭되는 제어 구성을 구비한 모터구동시스템용 제어장치 및 방법으로서, 이를 통하여 제어모드가 스위칭될 때 출력 토크를 적절하게 제어할 수 있도록 하는 제어장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 제1실시형태는 교류모터를 구동시키는 인버터를 포함하는 모터구동시스템의 제어장치에 관한 것이다. 상기 제어장치는 전류검출기, 위치검출기, 제어모드선택수단, 제1모터제어수단, 및 제2모터제어수단을 포함한다. 상기 전류검출기는 상기 교류모터로 흐르는 모터 전류를 검출한다. 상기 위치검출기는 상기 교류모터의 회전 위치를 검출한다. 상기 제어모드선택수단은 상기 교류모터의 운전 상태를 토대로 상기 인버터에서 수행되는 전압 변환을 위한 제어모드를 선택한다. 상기 제어모드선택수단이 상기 교류모터에 직사각형파전압이 인가되는 제1제어모드를 선택하면, 상기 직사각형파전압의 위상이 토크지령값과 상기 교류모터로부터 출력되는 토크와의 편차를 토대로 조정되는 피드백 제어를 행하여 상기 제1모터제어수단이 토크 제어를 수행한다. 상기 제어모드선택수단이 상기 교류모터에 인가되는 전압이 펄스폭변조모드로 제어되는 제2제어모드를 선택하면, 상기 토크지령값에 대응하는 전류지령값을 토대로 상기 모터 전류에 대한 피드백 제어를 행하여 상기 제2모터제어수단이 토크 제어를 수행한다. 상기 제2모터제어수단은 상기 전류검출기 및 위치검출기로부터의 출력들을 토대로 모터 전류에 대한 피드백 제어를 수행한다. 상기 제1모터제어수단은 제1토크추정수단, 전압위상제어수단 및 제1전압제어수단을 포함한다. 상기 제1토크추정수단은 상기 전류검출기 및 위치검출기로부터의 출력들을 토대로, 교류모터로부터 출력되는 토크를 추정한다. 상기 전압위상제어수단은 상기 토크지령값과 상기 제1토크추정수단에 의해 추정되는 토크와의 편차를 토대로, 상기 직사각형파전압의 위상을 결정한다. 상기 제1전압제어수단은 상기 전압위상제어수단에 의해 결정되는 위상을 갖는 직사각형파전압이 상기 교류모터에 인가되도록, 상기 인버터에서 수행되는 전압 변환을 제어한다.
본 발명의 제2실시형태는 교류모터를 구동시키는 인버터를 포함하는 모터구동시스템의 제어방법에 관한 것이다. 상기 제어방법에 따르면, 상기 교류모터로 흐르는 모터 전류가 검출되고, 상기 교류모터의 회전 위치가 검출되며, 상기 교류모터의 운전 상태를 토대로 상기 인버터에서 수행되는 전압 변환을 위한 제어모드가 선택된다. 직사각형파전압이 상기 교류모터에 인가되는 제1제어모드가 선택되는 경우, 상기 직사각형파전압의 위상이 토크지령값과 상기 교류모터로부터 출력되는 토크와의 편차를 토대로 조정되는 피드백 제어를 행하여 토크 제어가 수행된다. 이 때, 상기 교류모터로부터 출력되는 토크는 상기 전류검출기 및 상기 위치검출기로부터의 출력들을 토대로 추정되고, 상기 직사각형파전압의 위상은 상기 토크지령값과 추정된 토크와의 편차를 토대로 결정되며, 상기 인버터에서 수행되는 전압 변환은 상기 결정된 위상을 갖는 직사각형파전압이 상기 교류모터에 인가되도록 제어된다. 상기 교류모터에 인가되는 전압이 펄스폭변조모드로 제어되는 제2제어모드가 선택되는 경우, 상기 토크지령값에 대응하는 전류지령값을 토대로 상기 모터 전류에 대한 피드백 제어를 행하여 토크 제어가 수행된다. 이 때, 상기 피드백 제어는 상기 검출된 모터 전류 및 상기 검출된 회전 위치를 토대로 상기 모터 전류에 대해 수행된다.
상술된 모터구동시스템의 제어장치 및 방법에 따르면, 직사각형파전압제어모드인 제1모터제어모드와 PWM제어모드인 제2모터제어모드 양자 모두에서, 모터상태량으로서 전류검출기와 위치검출기로부터의 출력들을 이용하여 피드백 제어를 수행함으로써 토크 제어가 수행된다. 이에 따라, 모터를 제어하는 데 사용되는 상태량(검출기로부터의 출력)이 제어모드들간에 변하지 못한다. 그러므로, 제어모드가 스위칭될 때 출력 토크가 적절하게 제어된다. 특히, 검출기에 의한 검출의 오차로 인한 단계별 토크 변동을 방지할 수 있게 된다.
상기 전류검출기는 상기 교류모터의 각각의 위상들로 흐르는 전류들을 검출하기 위하여 제공될 수도 있다. 또한, 상기 제1토크추정수단은, 상기 전류검출기 및 상기 위치검출기로부터의 출력들을 토대로 산출되는 상기 교류모터에 대한 d축 전류 및 q축 전류를 기초로 하여, 상기 교류모터로부터 출력되는 토크를 추정할 수도 있다.
상기 교류모터로부터 출력되는 토크는 상기 교류모터에 대한 d축 전류 및 q축 전류를 토대로 추정될 수도 있다.
상술된 모터구동시스템의 제어장치 및 방법에 의하면, 직사각형파전압제어모드인 제1모터제어모드에서 교류모터로부터 출력되는 토크가 PWM제어모드인 제2제어모드에서 공통으로 사용되는 벡터 제어에서의 d축 전류(Id) 및 q축 전류(Iq)를 토대로 추정된다. 따라서, PWM제어가 수행되는 방식과 유사한 방식으로 직사각형파전압제어가 수행된다.
또한, 상기 제1토크추정수단은 상기 교류모터의 d축 전류와 q축 전류 및 모터 상수를 토대로 상기 교류모터로부터 출력되는 토크를 추정할 수도 있고, 상기 제어장치는 상기 d축 전류 및 상기 q축 전류를 토대로 상기 모터 상수를 보정하기 위한 상수보정수단을 더 포함할 수도 있다.
상기 교류모터로부터 출력되는 토크는 교류모터의 모터 상수와 d축 전류 및 q축 전류를 토대로 추정될 수도 있으며, 상기 모터 상수는 d축 전류 및 q축 전류를 토대로 보정될 수도 있다.
상술된 모터구동시스템의 제어장치 및 방법에 의하면, 교류모터로부터 출력되는 토크는 모터 전류(d축 전류 및 q축 전류)들의 변화로 인하여 모터 상수(보다 구체적으로는, d축 인덕턴스 및 q축 인덕턴스)의 변화가 보상된 후에 추정된다. 따라서, 직사각형파전압제어모드에서의 토크 추정 시의 정확성이 높아지고, 결과적으로 상기 토크가 보다 적절하게 제어된다.
본 발명의 제1실시형태에 따른 제어장치에 있어서, 제2모터제어수단이 제2토크추정수단, 토크지령값수정수단, 전류지령준비수단 및 제2전압제어수단을 포함할 수도 있다. 상기 제2토크추정수단은 상기 제1토크추정수단이 상기 교류모터로부터 출력되는 토크를 추정하는 방식과 유사한 방식으로 상기 전류검출기 및 상기 위치검출기로부터의 출력들을 토대로, 상기 교류모터로부터 출력되는 토크를 추정한다. 상기 토크지령값수정수단은 상기 토크지령값과 상기 제2토크추정수단에 의해 추정되는 토크와의 편차를 토대로, 상기 토크지령값을 수정한다. 상기 전류지령준비수단은 상기 토크지령값수정수단에 의해 수정되는 토크지령값을 토대로 전류지령값을 준비한다. 상기 제2전압제어수단은 상기 교류모터에 인가되는 전압이 상기 전류지령준비수단에 의해 준비된 전류지령값과 상기 전류검출기에 의해 검출되는 값에 기초한 모터 전류와의 편차를 토대로 제어되도록, 상기 인버터에서 수행되는 전압 변환을 제어한다.
상기 제2제어방법이 선택되면, 교류모터로부터 출력되는 토크가 상술된 토크 추정의 방식과 유사한 방식으로 상기 검출된 모터 전류 및 상기 검출된 회전 위치를 토대로 추정될 수도 있고, 상기 토크지령값은 토크지령값과 추정된 토크와의 편차를 토대로 수정될 수도 있다. 그 후, 전류지령값이 수정된 토크지령값을 토대로 준비될 수도 있고, 인버터에서 수행되는 전압 변환은 상기 교류모터로 인가되는 전압이 상기 준비된 전류지령값과 검출된 모터 전류와의 편차를 토대로 제어되도록 제어될 수도 있다.
상술된 모터구동시스템의 제어장치 및 방법에 의하면, PWM제어모드에서도, 직사각형파전압제어모드의 경우에서와 같이 토크 편차를 토대로 모터 전류에 대한 피드백 제어가 수행된다. 따라서, 온도의 변화로 인한 모터출력특성의 변화가 보상되도록 모터 전류가 제어된다. 그 결과, 온도 센서 등을 제공하지 않고도 토크 변동이 방지되게 된다. 또한, PWM제어모드와 직사각형파전압제어모드 양자 모두에서는, 이들 제어모드에 공통인 방법으로 추정되는 출력 토크를 이용하여 토크피드백제어가 수행된다. 그 결과, 제어모드가 스위칭될 때 발생하기 쉬운 토크 변동을 더욱 신뢰성 있게 방지할 수 있게 된다.
상기 제2제어모드는 변조율이 0 내지 0.61 범위 내에 있는 사인파펄스폭변조모드 및 상기 변조율이 0.61 내지 0.78 범위 내에 있도록 기본파 성분이 변형되는 과변조펄스폭변조모드를 포함할 수도 있다.
상술된 모터구동시스템의 제어장치 및 방법에 의하면, 교류모터의 운전 상태(통상적으로, 토크 및 회전 상태)를 토대로 공통 사인파펄스폭변조(PWM)제어모드, 과변조PWM제어모드 및 직사각형파전압제어모드간에 제어모드가 스위칭된다. 그 결과, 중간회전속도범위 및 고회전속도범위에서의 교류모터로부터의 출력이 증가되게 된다.
본 발명의 제3실시형태는 교류모터를 구동시키는 인버터를 포함하는 모터구동시스템의 제어장치에 관한 것이다. 상기 제어장치는 제어모드선택수단 및 다수모터제어수단을 포함한다. 상기 제어모드선택수단은 상기 교류모터의 운전 상태를 토대로 다수의 제어모드 가운데 상기 인버터에 대한 제어모드를 선택한다. 상기 다수모터제어수단은 다수의 제어모드 각각에 대응하도록 제공되어, 상기 제어모드선택수단에 의해 선택되는 제어모드에서 상기 교류모터로부터 출력되는 토크를 제어한다. 상기 추정된 출력토크는 상기 교류모터로부터 출력되는 토크를 제어하는 데 사용되고, 상기 모터제어수단에서의 다수의 제어모드에 공통인 방식으로 출력토크추정이 수행된다.
본 발명의 제4실시형태는 교류모터를 구동시키는 인버터를 포함하는 모터구동시스템의 제어방법에 관한 것이다. 상기 제어방법에 따르면, 인버터용 제어모드는 교류모터의 운전 상태를 토대로 다수의 제어모드들 가운데 선택되며, 상기 교류모터로부터 출력되는 토크는 상기 선택된 제어모드로 제어된다. 상기 추정된 토크는 교류모터로부터 출력되는 토크를 제어하는 데 사용되고, 상기 교류모터로부터 출력되는 토크는 다수의 제어모드들에 공통인 방식으로 추정된다.
상술된 모터구동시스템의 제어장치 및 방법에 의하면, 토크추정방법이 상기 추정된 출력 토크를 이용하여 토크제어가 수행되는 다수의 제어모드들에 공통이다. 이에 따라, 제어모드가 스위칭될 때 발생하기 쉬운 토크 변동을 방지할 수 있게 된다.
상기 교류모터는 영구자석이 회전자에 끼워지는 영구자석모터일 수도 있다.
상술된 모터구동시스템의 제어장치에 의하면, 크기 절감에 적합하고 효율이 높은 영구자석모터가 부하인 구성에 있어서, 영구자석의 온도의 변화로 인한 모터출력특성의 변화가 보상된다. 그 결과, 토크 변동이 방지된다.
본 발명은 제어모드가 펄스폭변조(PWM)제어모드와 직사각형파전압제어모드간에 스위칭되는 제어 구성을 갖는 모터구동시스템의 제어장치 및 방법을 제공하고, 이를 통해 상기 제어모드가 스위칭될 때 발생하기 쉬운 출력토크변동을 방지함으로써, 상기 토크를 적절하게 제어할 수 있게 된다.
본 발명의 특징, 장점 및 기술적사상과 산업상이용가능성은 첨부도면들과 연계하여 고려할 때 본 발명의 예시적인 실시예의 후술하는 상세한 설명을 통해 보다 이해하기 쉬울 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터구동시스템의 전체 구성을 도시한 도면;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모터구동시스템에 사용되는 제어모드들을 도시한 테이블;
도 3은 제어모드를 선택하기 위한 흐름도;
도 4는 모터의 운전 상태를 토대로 제어모드가 스위칭되는 방식을 도시한 그래프;
도 5는 PWM제어모드(사인파PWM제어모드 및 과변조PWM제어모드)가 본 발명의 실시예에 따른 모터구동시스템에 사용될 때의 제어블럭도;
도 6은 직사각형파전압제어모드가 본 발명의 실시예에 따른 모터구동시스템에 사용될 때의 제어블럭도;
도 7은 토크산출부의 구성의 일례를 도시한 제1블럭도;
도 8은 토크 산출 수학식에서 모터 전류에 대한 모터 상수의 변화를 도시한 그래프;
도 9는 토크산출부의 구성의 또다른 예시를 도시한 제2블럭도;
도 10은 비교예로서 사용되는 직사각형파전압제어모드를 도시한 제어블럭도;
도 11은 제어모드가 스위칭될 때 출력 토크가 변하는 방식을 도시한 그래프; 및
도 12는 본 발명의 실시예의 변형예에 따른 모터구동시스템에서 PWM제어모드가 사용될 때의 제어블럭도이다.
후술하는 설명과 첨부도면들에 있어서, 예시적인 실시예를 참조하여 본 발명이 보다 상세히 기술될 것이다. 동일하거나 대응하는 부분들은 동일한 참조 부호들 로 표시되며, 기본적으로 한 번만 기술하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터구동시스템의 전체 구성을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 모터구동시스템(100)은 직류전압발생부(10#), 평활캐패시터(C0), 인버터(14) 및 교류모터(M1)를 포함한다.
상기 교류모터(M1)는 하이브리드자동차 또는 전기자동차의 구동차륜을 구동시키기 위한 토크를 발생시키는 구동모터이다. 대안적으로, 교류모터(M1)는 엔진에 의해 구동되는 발전기로서의 역할을 하도록 구성될 수도 있다. 상기 교류모터(M1)는 전동기와 발전기 양자 모두로서의 역할을 하도록 구성될 수도 있다. 상기 교류모터(M1)는 엔진용 전동기로서의 역할을 할 수도 있고, 엔진을 기동시킬 수 있는 구성요소로서 하이브리드자동차에 탑재될 수도 있다.
상기 직류전압발생부(10#)는 전력에 의해 충전될 수 있는 직류전원(B), 시스템릴레이(SR1, SR2), 평활캐패시터(C1) 및 승압/감압 컨버터(12)를 포함한다.
상기 직류전원(B)은 니켈하이드리드전지 또는 리튬이온전지와 같은 2차전지로 형성될 수도 있다. 대안적으로, 직류전원(B)은 전기이중층 캐패시터와 같은 축전장치로 형성될 수도 있다. 직류전원(B)으로부터 출력되는 직류 전압(Vb)은 전압센서(10)에 의하여 검출된다. 상기 전압센서(10)는 직류 전압(Vb)을 나타내는 신호를 제어유닛(30)으로 출력한다.
상기 시스템릴레이(SR1)는 직류전원(B)의 양단자와 전력라인(6)간에 연결을 제공한다. 상기 시스템릴레이(SR2)는 직류전원(B)의 음단자와 접지케이블(5)간에 연결을 제공한다. 상기 시스템릴레이(SR1, SR2)는 제어유닛(30)으로부터의 신호(SE)에 응답하여 활성화/비활성화된다. 보다 구체적으로, 시스템릴레이(SR1, SR2)는 제어유닛(30)으로부터의 하이 로직 레벨에서의 신호(SE)에 응답하여 활성화되고, 제어유닛(30)으로부터의 로우 로직 레벨에서의 신호(SE)에 응답하여 비활성화된다. 상기 평활캐패시터(C1)는 전력라인(6)과 접지케이블(5) 사이에 배치되고, 전력라인(6)과 접지케이블(5)에 연결된다.
상기 승압/감압 컨버터(12)는 리액터(L1), 전력반도체스위칭소자(Q1, Q2) 및 다이오드(D1, D2)를 포함한다.
상기 전력반도체스위칭소자(Q1, Q2)는 전력라인(7)과 접지케이블(5) 사이에 배치되어, 전력라인(7)과 접지케이블(5)에 연결되고, 서로 직렬로 연결된다. 상기 전력반도체스위칭소자(Q1, Q2)는 각각 제어유닛(30)으로부터의 스위칭 신호(S1, S2)에 응답하여 활성화/비활성화된다.
본 발명의 실시예에 사용될 수도 있는 전력반도체스위칭소자(이하, 간단히 "스위칭소자"라고 함)의 예로는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), 전력 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터 및 전력 바이폴라 트랜지스터를 들 수 있다. 상기 스위칭소자(Q1, Q2)에 각각 대응하도록 역병렬 다이오드(D1, D2)가 배치된다.
상기 리액터(L1)는 스위칭소자(Q1, Q2)가 서로 연결되는 노드와 전력라인(6) 사이에 배치되고, 상기 노드와 전력라인(6)에 연결된다. 상기 평활캐패시터(C0)는 상기 전력라인(7)과 접지케이블(5) 사이에 배치되고, 전력라인(7)과 접지케이블(5) 에 연결된다.
상기 인버터(14)는 전력라인(7)과 접지케이블(5) 사이에 병렬로 배치되는 U상아암(15), V상아암(16) 및 W상아암(17)을 포함한다. 각각의 U상아암(15), V상아암(16) 및 W상아암(17)은 전력라인(7)과 접지케이블(5) 사이에 배치되어 서로 직렬로 연결되는 스위칭소자들로 형성된다. 예를 들어, U상아암(15)은 스위칭소자(Q3, Q4)로 형성되고, V상아암(16)은 스위칭소자(Q5, Q6)로 형성되고, W상아암(17)은 스위칭소자(Q7, Q8)로 형성된다. 역병렬 다이오드(D3 내지 D8)는 각각 스위칭소자(Q3 내지 Q8)에 연결된다. 상기 스위칭소자(Q3 내지 Q8)는 각각 제어유닛(30)으로부터 스위칭 신호(S3 내지 S8)에 응답하여 활성화/비활성화된다.
U상아암(15), V상아암(16) 및 W상아암(17)의 중간점은 각각 교류모터(M1)의 U상코일, V상코일 및 W상코일의 단부들에 연결된다. 보통, 교류모터(M1)는 3상영구자석모터이다. 교류모터(M1)에서, U상코일, V상코일 및 W상코일의 일 단부들은 중성점에서 서로 연결된다. U상코일, V상코일 및 W상코일의 타 단부들은 각각 U상아암(15), V상아암(16) 및 W상아암(17)의 중간점에 연결된다.
승압 동작 시, 승압/감압 컨버터(12)는 직류전원(B)으로부터 공급되는 직류 전압(Vb)을 증가시키고, 상기 증가된 직류 전압(이하, 인버터(14)에서 입력되는 전압에 대응하는 직류 전압을 "시스템 전압"이라고 하기도 함)을 인버터(14)로 공급한다. 보다 구체적으로는, 스위칭소자(Q1)가 활성화되는 기간과 스위칭소자(Q2)가 활성화되는 기간이 제어유닛(30)으로부터의 스위칭 제어 신호(S1, S2)에 응답하여 번갈아 설정된다. 압력증가비는 스위칭소자(Q1, Q2)가 전체 기간에 대해 활성화되 는 기간들의 비에 상응한다.
감압 동작 시에는, 승압/감압 컨버터(12)가 평활캐패시터(C0)를 통해 인버터(14)로부터 공급되는 직류 전압(시스템 전압)을 감소시키고, 상기 감소된 직류 전압을 직류전원(B)에 공급한다. 보다 구체적으로는, 스위칭소자(Q1)만이 활성화되는 기간과 스위칭소자(Q1, Q2) 양자 모두가 비활성화되는 기간이 제어유닛(30)으로부터의 스위칭 신호(S1, S2)에 응답하여 번갈아 설정된다. 압력증가비는 스위칭소자(Q1)가 전체 기간에 대해 활성화되는 기간의 비에 상응한다.
상기 평활캐패시터(C0)는 승압/감압 컨버터(12)로부터의 직류 전압을 평활화하고, 상기 평활화된 직류 전압을 인버터(14)로 공급한다. 상기 전압센서(13)는 평활캐패시터(C0)의 양 단부간의 전압, 즉 시스템 전압을 검출하고, 상기 검출값(VH)을 나타내는 신호를 제어유닛(30)으로 출력한다.
교류모터(M1)에 대한 토크지령값이 양의 값인 경우(Trqcom > 0), 직류 전압이 평활캐패시터(C0)로부터 인버터(14)로 공급되면, 상기 인버터(14)는 제어유닛(30)으로부터의 각각의 스위칭 제어 신호(S3 내지 S8)에 응답하여 스위칭소자(Q3 내지 Q8)를 활성화/비활성화시켜 직류 전압을 교류 전압으로 변환시키고, 교류모터(M1)가 양의 토크를 출력하도록 상기 교류모터(M1)를 구동시킨다. 대안적으로, 교류모터(M1)에 대한 토크지령값이 제로인 경우(Trqcom = 0)에는, 상기 인버터(14)가 각각의 스위칭 제어신호(S3 내지 S8)에 응답하여 스위칭소자(Q3 내지 Q8)를 활성화/비활성화시켜 직류 전압을 교류 전압으로 변환시키고, 상기 교류모터(M1)로부터 출력되는 토크가 제로가 되도록 상기 교류모터(M1)를 구동시킨다. 따라서, 교류 모터(M1)가 토크지령값(Trqcom)으로 지정되는 제로 또는 양의 토크와 같은 토크를 발생시키도록 구동된다.
회생제동동작이 모터구동시스템(100)을 포함하는 하이브리드자동차 또는 전기자동차에서 수행되면, 교류모터(M1)에 대한 토크지령값(Trqcom)이 음의 값으로 설정된다(Trqcom < 0). 이 경우, 인버터(14)는 교류모터(M1)에 의해 발생되는 교류 전압을 각각의 스위칭 제어신호(S3 내지 S8)에 응답하여 스위칭소자(Q3 내지 Q8)를 활성화/비활성화시켜 직류 전압으로 변환시키고, 상기 직류 전압(시스템 전압)을 평활캐패시터(C0)를 통해 승압/감압 컨버터(12)로 공급한다. 이 경우의 회생제동동작의 예로는 하이브리드자동차 또는 전기자동차를 구동시키는 운전자가 풋브레이크를 조작하여 수행되는 회생발전과 함께 하는 제동 동작, 상기 풋브레이크의 조작 대신에 차량의 주행 중 액셀러레이터페달의 해제로 인한 회생발전과 함께 하는 차량의 감속(또는 가속 취소)을 들 수 있다.
전류센서(24)는 교류모터(M1)로 흐르는 모터 전류를 검출하고, 상기 검출된 모터 전류를 나타내는 신호들을 제어유닛(30)으로 출력한다. 3상전류 iu, iv 및 iw의 순간적인 값들의 합은 0 이다. 이에 따라, 교류모터(M1)의 2개의 상으로 흐르는 모터 전류(예컨대, V상 전류 iv 및 W상 전류 iw)들을 검출하기 위해서는 2개의 전류센서(24)를 제공하는 것으로 충분하다.
회전각센서(리졸버)(25)는 교류모터(M1)의 회전자의 회전각(θ)을 검출하고, 상기 회전각(θ)을 나타내는 신호를 제어유닛(30)으로 전달한다. 상기 제어유닛(30)은 회전각(θ)을 토대로 교류모터(M1)의 회전속도를 산출한다.
상기 제어유닛(30)은 외부 전자제어유닛(보다 높은 레벨의 ECU, 도시안됨)으로부터 수신되는 신호로 표시되는 토크지령값(Trqcom), 전압센서(10)에 의해 검출되는 배터리 전압(Vb), 상기 전압센서(13)에 의해 검출되는 시스템 전압(VH), 전류센서(24)로부터의 신호들로 표시되는 모터 전류 iv, iw 및 회전속도센서(25)로부터의 신호로 표시되는 회전각(θ)을 토대로, 승압/감압 컨버터(12) 및 인버터(14)의 동작들을 제어하여, 상기 교류모터(M1)가 후술하는 방법에 따라 토크지령값(Trqcom)에 대응하는 토크를 출력하도록 한다. 다시 말해, 상기 제어유닛(30)은 상술된 방식으로 승압/감압 컨버터(12)를 제어하기 위한 스위칭제어신호(S1, S2) 및 상술된 방식으로 인버터(14)를 제어하기 위한 스위칭제어신호(S3 내지 S8)를 준비하고, 상기 제어신호(S1, S2)를 승압/감압 컨버터(12)로 출력하고, 상기 제어신호(S3 내지 S8)를 인버터(14)로 출력한다.
승압/감압 컨버터(12)에 의해 수행되는 승압 동작 시, 상기 제어유닛(30)은 피드백 방식으로 평활캐패시터(C0)로부터의 출력 전압(VH)을 제어하고, 상기 스위칭제어신호(S1, S2)를 준비하여, 이를 토대로 출력 전압(VH)을 전압지령값과 일치시킨다.
하이브리드자동차 또는 전기자동차가 회생제동모드에 있는 것을 나타내는 신호 RGE를 외부 ECU로부터 수신하면, 상기 제어유닛(30)은 스위칭제어신호(S3 내지 S8)를 준비하여, 이를 토대로 교류모터(M1)에 의해 발생되는 교류 전압이 직류 전압으로 변환되고, 상기 스위칭제어신호(S3 내지 S8)를 인버터(14)로 출력한다. 그 후, 상기 인버터(14)는 교류모터(M1)에 의해 발생되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환시키고, 상기 직류 전압을 승압/감압 컨버터(12)로 공급한다.
하이브리드자동차 또는 전기자동차가 회생제동모드에 있는 것을 나타내는 신호 RGE를 외부 ECU로부터 수신하면, 상기 제어유닛(30)은 스위칭제어신호(S1, S2)를 준비하여, 이를 토대로 인버터(14)로부터 공급되는 직류 전압이 감소되고, 상기 스위칭제어신호(S1, S2)를 승압/감압 컨버터(12)로 출력한다. 그 후, 상기 교류모터(M1)에 의해 발생되는 교류 전압이 직류 전압으로 변환되어 감소된 다음, 직류전원(B)으로 공급된다.
또한, 상기 제어유닛(30)은 시스템릴레이(SR1, SR2)를 활성화/비활성화하기 위한 신호(SE)를 준비하고, 상기 신호(SE)를 상기 시스템릴레이(SR1, SR2)로 출력한다.
다음으로, 인버터(14)에서 수행되어 제어유닛(30)에 의해 제어되는 전력 변환을 상세히 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 모터구동시스템(100)에서는, 인버터(14)에서 수행되는 전압 변환을 위한 제어모드가 3가지 제어모드들, 즉 사인파PWM제어모드, 과변조PWM제어모드 및 직사각형파전압제어모드 가운데 스위칭된다.
상기 사인파PWM제어모드는 공통 PWM제어모드로 사용된다. 사인파PWM제어모드에서는, 각각의 U상아암, V상아암 및 W상아암에서의 스위칭소자들의 활성화/비활성화가 사인파전압지령값과 반송파(통상적으로, 삼각파)간의 전압의 비교를 토대로 제어된다. 그 결과, 듀티비가 제어되어, 상부아암소자가 활성화되는 기간에 대응하 는 고레벨 기간의 파형과 하부아암소자가 활성화되는 기간에 대응하는 저레벨 기간의 파형을 통합시켜 얻어지는 통합 파형의 기본파 성분이 소정 기간에 사인파가 되도록 한다. 잘 알려진 바와 같이, 사인파PWM제어에서는, 기본파 성분의 진폭이 인버터에서 입력되는 전압의 0.61 배까지만 증가된다.
다른 한편으로, 직사각형파전압제어에서는, 고레벨 기간과 저레벨 기간간의 비가 상기 PWM듀티비가 최대값으로 유지될 때의 비에 대응하는 1:1 인 직사각형파의 하나의 펄스가 소정의 기간에 교류모터(M1)로 인가된다. 따라서, 변조율이 0.78 로 증가된다.
과변조PWM제어에서는, 기본파 성분이 변형되어 반송파의 진폭을 감소시키게 된 다음, 사인파PWM제어와 유사한 PWM제어가 수행된다. 변조율은 기본파 성분을 변형시켜 0.61 내지 0.78 범위의 값으로 증가된다. 본 발명의 실시예에 있어서는, 정상적인 PWM제어모드인 사인파PWM제어모드와 과변조PWM제어모드 양자 모두가 PWM제어모드로 분류된다.
교류모터(M1)에서는, 유도된 전압이 회전속도와 출력 토크의 증가와 함께 증가되고, 이는 또한 필요 전압을 증가시킨다. 컨버터(12)에 의해 달성되는 증가된 전압, 즉 시스템 전압(VH)은 모터에 의해 요구되는 전압(이하, "모터요구전압"이라고 함)(유도 전압)보다 높게 되어야 한다. 한편, 컨버터(12)에 의해 달성되는 증가된 전압, 즉 시스템 전압의 제한값(VH최대전압)이 있게 된다.
이에 따라, 모터요구전압(유도 전압)이 시스템 전압의 최대값(VH최대전압)보다 낮은 범위에서는, PWM제어모드, 즉 사인파PWM제어모드 또는 과변조PWM제어모드 가 사용되고, 벡터 제어를 수행하여 행해지는 모터전류제어에 의하여 토크지령값(Trqcom)으로 출력 토크가 제어된다.
모터요구전압(유도 전압)이 시스템 전압의 최대값(VH최대전압)에 도달하면, 시스템 전압(VH)이 유지되고, 직사각형파전압제어모드, 즉 일종의 약장제어모드(weak field control mode)가 사용된다. 직사각형파전압제어에서는, 기본파 성분의 진폭이 고정된다. 이에 따라, 전력 산출로 얻어지는 토크지령값과 실제 토크값과의 편차를 토대로 직사각형파펄스의 전압 위상을 제어함으로써 토크가 제어되게 된다.
도 3의 흐름도에 도시된 바와 같이, 보다 높은 레벨의 ECU(도시안됨)는 액셀러레이터페달조작량에 따라 차량에 요구되는 출력 등을 토대로 교류모터(M1)에 대한 토크지령값(Trqcom)을 산출한다(단계 S100). 그 후, 제어유닛(30)은 소정의 맵을 이용하여 교류모터(M1)의 회전속도 및 교류모터(M1)에 대한 토크지령값(Trqcom) 등을 토대로 모터요구전압(유도 전압)을 산출한다(단계 S110). 그 후, 제어유닛(30)은 시스템 전압의 최대값(VH최대전압)과 모터요구전압간의 관계를 토대로, 직사각형파전압제어모드 또는 PWM제어모드(사인파PWM제어모드 또는 과변조PWM제어모드)가 모터를 제어하는 데 사용되는 지의 여부를 판정한다(단계 S120). PWM제어모드가 사용되는 것으로 판정되면, 사인파PWM제어모드 또는 과변조PWM제어모드가 사용되는 지의 여부가 벡터 제어에 따라 전압지령값에 대한 변조율의 범위를 토대로 판정된다. 흐름도에 따르면, 교류모터(M1)의 운전 상태를 토대로, 도 2에 도시된 다수의 제어모드들로부터 적절한 제어모드가 선택된다.
그 결과, 도 4에 도시된 바와 같이, 사인파PWM제어모드가 저회전속도범위 A1에서 사용되어, 토크 변동을 줄이게 된다. 과변조PWM제어모드는 중간회전속도범위 A2에서 사용된다. 직사각형파전압제어모드는 고회전속도범위 A3에서 사용된다. 특히, 상기 교류모터(M1)로부터의 출력은 과변조PWM제어모드 및 직사각형파전압제어모드를 이용하여 증가된다. 지금까지 설명한 바와 같이, 도 2의 다수의 제어모드로부터 어떠한 제어모드가 선택되는 지는 성취가능한 변조율에 대한 범위를 토대로 판정된다.
도 5는 PWM제어가 제어유닛(30)에 의해 수행될 때의 제어블럭도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, PWM제어블럭(200)은 전류지령준비부(210), 좌표변환부(220, 250), 회전속도산출부(230), PI산출부(240), PWM신호준비부(260) 및 제어모드결정부(270)를 포함한다.
상기 전류지령준비부(210)는 예컨대 사전에 미리 준비된 테이블을 이용하여, 토크지령값(Trqcom)에 대응하는 d축 전류지령값(Idcom) 및 q축 전류지령값(Iqcom)을 준비한다.
상기 좌표변환부(220)는 회전각센서(25)에 의해 검출되는 교류모터(M1)의 회전각(θ)을 이용하여, 좌표 변환(3상에서 2상으로)을 수행함으로써 전류센서(24)에 의하여 검출되는 V상 전류 iv 및 W상 전류 iw를 토대로 d축 전류(Id) 및 q축 전류(Iq)를 산출한다. 상기 회전속도산출부(230)는 회전각센서(25)로부터의 출력을 토대로 교류모터(M1)의 회전속도(Nmt)(또는 회전각속도 ω)를 산출한다.
상기 PI산출부(240)는 지령값(Idcom)과 d축 전류(Id)와의 편차(△Id)(△Id = Idcom - Id)와 지령값(Iqcom)과 q축 전류(Iq)와의 편차(△Iq)(△Iq = Iqcom - Iq)를 나타내는 신호들을 수신한다. 상기 PI산출부(240)는 소정의 게인을 이용하여, d축 전류 편차(△Id) 및 q축 전류 편차(△Iq)에 대한 PI 산출을 수행함으로써 제어 편차를 획득한다. 상기 PI산출부(240)는 그 후에 제어 편차에 대응하여 d축 전압지령값(Vd#) 및 q축 전압지령값(Vq#)을 준비한다.
상기 좌표변환부(250)는 d축 전압지령값(Vd#) 및 q축 전압지령값(Vq#)을 교류모터(M1)의 회전각(θ)을 이용하여 좌표 변환(2상에서 3상으로)을 수행함으로써, 각각의 U상, V상 및 W상에 대한 전압지령값 Vu, Vv 및 Vw로 변환시킨다. 상기 시스템 전압(VH)은 d축 전압지령값(Vd#)과 q축 전압지령값(Vq#)으로부터 각각의 U상, V상 및 W상에 대한 전압지령값 Vu, Vv 및 Vw로의 변환에 대해 반영된다.
PWM제어모드(사인파PWM제어모드 또는 과변조PWM제어모드)가 도 3의 흐름도에 따라 선택된다면, 상기 제어모드결정부(270)는 후술하는 방식으로 변조율을 계산하여 사인파PWM제어모드와 과변조PWM제어모드 중 하나를 선택한다.
상기 제어모드결정부(270)는 PI산출부(240)에 의해 준비된 d축 전압지령값(Vd#) 및 q축 전압지령값(Vq#)을 이용하여, 하기 수학식 (1), (2)에 따라 라인전압진폭(Vamp)을 산출한다.
Vamp = │Vd#│× cosφ + │Vq#│× sinφ
tanφ = Vq# / Vd#
그 후, 상기 제어모드결정부(270)는 상술된 수학식에 따라 얻어진 시스템 전압(VH)에 대한 라인전압진폭(Vamp)의 비인 변조율(Kmd)을 산출한다.
Kmd = Vamp / VH#
상기 제어모드결정부(270)는 상술된 수학식에 따라 얻어진 변조율(Kmd)을 토대로 사인파PWM제어모드와 과변조PWM제어모드 중 하나를 선택한다. 상술된 바와 같이, 제어모드결정부(270)에 의해 선택된 제어모드는 PWM신호준비부(260)에서 수행되는 반송파의 스위칭에 반영된다. 즉, 과변조PWM제어모드가 선택되면, PWM신호준비부(260)에서 수행되는 PWM변조에 사용되는 반송파가 사인파PWM제어모드에 사용되는 공통 반송파로부터 스위칭된다.
수학식 (3)에 의해 획득한 변조율(Kmd)이 PWM제어모드에서 달성될 수 있는 변조율의 상한을 초과하면, 상기 제어모드결정부(270)는 직사각형파전압제어모드로의 제어모드의 변경을 촉진하기 위한 신호를 보다 높은 레벨 ECU(도시안됨)로 전달할 수도 있다.
상기 PWM신호준비부(260)는 각각의 U상, V상 및 W상에 대한 각각의 전압지령값 Vu, Vv 및 Vw간의 소정의 반송파와의 비교를 토대로 도 1에 도시된 스위칭제어신호(S3 내지 S8)를 준비한다. 인버터(14)가 PWM제어블럭(200)에 의해 준비된 스위칭신호(S3 내지 S8)에 따라 제어되는 경우, 상기 전류지령준비부(210)에 입력되는 토크지령값(Trqcom)에 대응하는 토크를 교류모터(M1)가 출력하도록 교류전압이 인가된다.
따라서, 모터 전류가 토크지령값(Trqcom)에 대응하는 전류지령값(Idcom, Iqcom)으로 제어되는 폐쇄루프가 형성된다. 그 결과, 교류모터(M1)로부터 출력되는 토크가 토크지령값(Trqcom)을 토대로 제어된다.
다음으로, 직사각형파전압제어모드의 제어블럭도를 도 6을 참조하여 설명하기로 한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 직사각형파전압제어블럭(400)은 PWM제어모드에 사용되는 것과 동일한 좌표변환부(220), 토크추정부(420), PI산출부(430), 직사각형파발생부(440) 및 신호준비부(450)를 포함한다.
상기 좌표변환부(220)는, 상기 전류센서(24)에 의해 검출되는 V상 전류 iv 및 W상 전류 iw를 토대로 얻어진 U상 전류, V상 전류 및 W상 전류가 상기 PWM제어모드의 경우에서와 같이 d축 전류(Id) 및 q축 전류(Iq)로 변환되도록 좌표 변환을 수행한다.
상기 토크추정부(420)는 상기 좌표변환부(220)에 의해 얻어진 d축 전류(Id) 및 q축 전류(Iq)를 이용하여 교류모터(M1)로부터 출력되는 토크를 추정한다.
상기 토크추정부(420)는 예컨대 도 7에 도시된 바와 같이, 독립변수로서 d축 전류(Id) 및 q축 전류(Iq)를 이용하여, 토크추정값(Trq)을 출력하는 토크산출맵(422)으로 형성된다.
상기 맵을 이용하는 대신에, 교류모터(M1)의 특성 수식인 하기 수학식 (4)에 따라 토크추정부(420)에 의하여 토크추정값(Trq)이 산출될 수도 있다.
Trq = Kt×Iq + p×(Ld - Lq)×Id×Iq
수학식 (4)에서, "Kt"는 토크 상수(Nm/A)이고, "p"는 폴 로그(pole logarithm)이며, "Ld"는 d축 인덕턴스(H)이고, "Lq"는 q축 인덕턴스(H)이다. "Kt", "Ld" 및 "Lq"는 교류모터(M1)의 구성을 토대로 모터의 회로 상수(모터 상수)로서 독자적으로 결정된다.
수학식 (4)의 모터 상수인 d축 인덕턴스(Ld) 및 q축 인덕턴스(Lq)는 각각 도 8에 도시된 바와 같이 d축 전류(Id) 및 q축 전류(Iq)의 증가에 따라 상대적으로 감소한다고 알려져 있다. 그러므로, 토크추정부(420)는 도 9에 도시된 바와 같이 구성될 수도 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 토크추정부(420)는 모터상수보정부(424) 및 토크산출부(426)를 포함한다.
상기 모터상수보정부(424)는 통상적으로 독립변수로서 d축 전류(Id) 및 q축 전류(Iq)를 이용하여 d축 인덕턴스(Ld#) 및 q축 인덕턴스(Lq#)를 출력하는 맵으로 형성된다. 상기 맵은 도 8에 도시된 특성을 반영하기 위하여 준비된다. 상기 토크산출부(426)는 모터상수보정부(424)에 의해 보정되는 모터 상수들인 d축 인덕턴스(Ld#) 및 q축 인덕턴스(Lq#)를 이용하여, 수학식 (5)에 따라 토크추정값(Trq)을 산출한다.
Trq = Kt×Iq + p×(Ld# - Lq#)×Id×Iq
모터 상수는 모터 전류 Id 및 Iq를 토대로 보정되고, 상기 토크는 보정된 모터 상수들을 이용하여 추정된다. 그 결과, 토크 추정의 정확성이 향상되고, 결과적 으로 출력 토크가 보다 적절하게 제어되게 된다.
도 6을 다시 참조하면, PI산출부(430)는 토크지령값(Trqcom)과 토크추정값(Trq)과의 편차 △Trq(△Trq = Trqcom - Trq)를 나타내는 신호를 수신한다. 상기 PI산출부(430)는 소정의 게인을 이용하여 토크 편차 △Trq에 대한 PI 산출을 수행함으로써 제어 편차를 획득하고, 상기 획득한 제어 편차를 토대로 직사각형파전압의 위상 φv을 설정한다. 보다 구체적으로는, 토크지령값(Trqcom)이 양의 값(Trqcom > 0)인 경우, 토크가 불충분하다면, 전압위상이 진각이 된다. 다른 한편으로, 토크가 초과된다면, 전압위상이 지각이 된다. 토크지령값(Trqcom)이 음의 값(Trqcom < 0)인 경우, 토크가 불충분하다면, 전압위상이 지각이 된다. 다른 한편으로, 토크가 초과된다면, 전압위상이 진각이 된다.
상기 직사각형파발생부(440)는 상기 PI산출부(430)에 의해 설정되는 전압위상 φv을 토대로 위상전압지령값(직사각형파펄스) Vu, Vv 및 Vw를 준비한다. 상기 신호준비부(450)는 위상전압지령값(Vu, Vv, Vw)을 토대로 스위칭제어신호(S3 내지 S8)를 준비한다. 인버터(14)가 스위칭제어신호(S3 내지 S8)를 토대로 스위칭 동작들을 수행하면, 전압위상 φv을 토대로 발생되는 직사각형파펄스가 모터의 각각의 위상전압으로서 인가된다.
도 6에 도시된 직사각형파전압제어블럭(400)에서는, 토크피드백제어에 사용되는 토크추정값(Trq)이, 도 5에 도시된 PWM제어의 경우에서와 같이, 전류센서(24) 및 위치센서(24)로부터의 출력만을 토대로 산출된다. 이에 따라, 제어모드가 PWM제어모드와 직사각형파전압제어모드간에 스위칭되는 경우에도, 상기 모터제어에 사용 되는 교류모터의 상태량(센서에 의해 검출되는 양)이 변하지 않는다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 직사각형파전압제어블럭(400)과 비교되는 일례로서 사용된 직사각형파전압제어블럭(400#)을 보여준다. 상기 직사각형파전압제어블럭(400#)은 직사각형파전압제어블럭(400)(도 6)에 포함된 좌표변환부(220) 및 토크추정부(420) 대신에, 전력산출부(460) 및 토크추정부(470)를 포함한다. 즉, 직사각형파전압제어블럭(400, 400#) 양자 모두는 피드백 방식으로 교류모터(M1)로부터의 토크를 제어한다. 하지만, 직사각형파전압제어블럭(400, 400#)은 출력 토크를 추정하기 위한 방법이 서로 상이하다.
상기 전력산출부(460)는 전압센서(13)에 의해 검출되는 값을 토대로 각각의 U상, V상 및 W상의 상전압 Vu, Vv 및 Vw와 전류센서(24)에 의해 검출되는 V상 전류 iv 및 W상 전류 iw를 토대로 얻어지는 상전류를 이용하여, 하기 수학식 (6)에 따라 모터공급전력(Pmt)을 산출한다.
Pmt = iu×Vu + iv×Vv + iw×Vw
상기 토크추정부(470)는 회전각센서(25)에 의해 검출되는 교류모터(M1)의 회전각(θ)과 전력산출부(460)에 의해 얻어진 모터공급전력(Pmt)을 토대로 산출되는 각속도 ω를 이용하여, 수학식 (7)에 따라 토크추정값(Trq)을 산출한다.
Trq = Pmt / ω
토크추정값(Trq)이 산출된 후의 토크피드백제어의 구성은 도 6의 직사각형파 제어블럭(400)의 것과 동일하다. 이에 따라, 토크추정값(Trq)이 산출된 이후의 토크피드백제어의 구성에 관한 상세한 설명을 아래에 제공하지는 않기로 한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 비교예에 따른 직사각형파전압제어블럭(400#)에서는, 전류센서(24) 및 위치센서(25)로부터의 출력들 이외에도 전압센서(13)로부터의 출력이 요구된다. 이에 따라, 제어모드가 PWM제어모드와 직사각형파전압제어모드간에 스위칭되면, 모터제어에 사용되는 교류모터(M1)의 상태량(센서에 의해 검출되는 양)이 변한다.
도 11은 직사각형파전압제어블럭(400)(도 6)과 직사각형파전압제어블럭(400#)(도 8)간에 제어모드가 스위칭될 때 출력토크가 변하는 방식의 차이를 도시한 그래프이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 토크지령값(500)이 증가함에 따라, 교류모터(M1)에 대한 제어모드는 고출력을 얻기 위하여 점진적으로 사인파PWM제어모드에서 과변조PWM제어모드로 변한 다음, 과변조PWM제어모드에서 직사각형파전압제어모드로 변한다.
특히, 제어모드가 과변조PWM제어모드와 직사각형파전압제어모드간에 스위칭되는 경우, 상기 제어블럭은 PWM제어블럭(200)(도 5)에서 직사각형파전압제어블럭(400)(도 6) 또는 직사각형파전압제어블럭(400#)(도 10)으로 변경된다.
비교예로 도시된 직사각형파전압제어블럭(400#)(도 10)을 이용하는 토크제어에서는, 전류센서(24)와 위치센서(25)에 의해 검출되는 값들 이외에도, 전압센서(13)에 의해 검출되는 값이 출력토크제어에 사용된다. 그러므로, 예컨대 전압센 서(13)에 의한 검출의 오차로 야기되는 토크추정부(420)에 의해 획득하는 토크추정값(Trq)의 오차로 인하여 참조 부호 510으로 도시된 단계별 방식으로 출력 토크가 변동될 수도 있다.
이와는 대조적으로, 본 발명의 실시예에 따른 직사각형파전압제어블럭(400)(도 6)를 이용하는 출력토크제어에서는, 제어모드가 스위칭되더라도, 피드백제어에서 사용되는 모터상태량(센서에 의해 검출되는 양)이 변하지 않는다. 이에 따라, 참조 부호 520으로 도시된 바와 같이, 제어모드가 스위칭될 때 발생하기 쉬운 출력 토크의 단계별 변동을 방지할 수 있게 된다. 따라서, 제어모드가 PWM제어모드와 직사각형파전압제어모드간에 스위칭될 때 야기되기 쉬운 출력토크제어의 효율 저하를 피할 수 있게 된다. 보다 구체적으로는, 예컨대 전압센서(13)에 의한 검출 시의 오차로 야기되는 추정된 토크의 오차로 인한 토크의 단계별 변동을 방지할 수 있게 된다.
본 실시예에 도시된 구성에서는, 전류센서(24) 및 회전각센서(25)가 각각 본 발명의 "전류검출기" 및 "위치검출기"에 대응한다. 도 3의 단계 S120은 본 발명의 "제어모드선택수단"에 대응한다. PWM제어블럭(200)(도 5)은 본 발명의 "제2모터제어수단"에 대응하고, 직사각형파전압제어블럭(400)(도 6)은 본 발명의 "제1모터제어수단"에 대응한다. 도 6의 토크추정부(420), PI산출부(430) 및 직사각형파발생부(400)/신호준비부(450)는 각각 본 발명의 "제1토크추정수단", "전압위상제어수단" 및 "제1전압제어수단"에 대응한다. 도 9의 모터상수보정부(424)는 본 발명의 "상수보정수단"에 대응한다.
다음으로, 본 발명의 실시예의 수정예를 설명하기로 한다. 도 12는 본 발명의 실시예의 수정예에 따른 PWM제어모드에 대한 제어블럭을 보여준다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예의 수정예에 따른 모터구동시스템에 있어서는, PWM제어모드에서, 토크추정부(420') 및 토크지령값수정부(320)를 추가로 제공하여 도 6에 도시된 모터전류피드백제어에 토크피드백제어루프가 부가된다.
상기 토크추정부(420')는 직사각형파전압제어모드의 경우에서와 같이, d축 전류(Id) 및 q축 전류(Iq)를 토대로 토크추정값(Trq)을 산출한다. 상기 토크지령값수정부(320)는 부가지점(322, 324) 및 PI산출부(325)를 포함한다. 부가지점(322)에서는, 교류모터(M1)에 대한 토크지령값(Trqcom)과 토크추정부(420')에 의해 추정되는 토크추정값(Trq)과의 토크 편차 △Trq(△Trq = Trqcom - Trq)가 얻어진다. 상기 PI산출부(325)는 소정의 게인을 이용하여 상기 토크 편차 △Trq에 대한 PI 산출을 수행함으로써 제어 편차를 획득한다. 상기 PI산출부(325)에 의해 얻어진 제어 편차는 토크수정량 △Trqc으로 사용되고, 상기 토크수정량 △Trqc은 부가지점(324)에서 토크지령값(Trqcom)으로부터 감산되어, 토크피드백제어에 의해 수정되는 토크지령값(Trqcom#)이 얻어지게 된다.
토크지령값(Trqcom#)이 산출된 후, 교류모터(M1)로부터 출력되는 토크는 도 6에 도시된 토크지령값(Trqcom)을 토대로 수행되는 모터전류제어와 동일한 피드백제어에 의해 토크지령값(Trqcom#)을 토대로 제어된다.
이러한 구성에 의하면, 토크지령값(Trqcom)과 직사각형파전압제어모드의 토 크추정값(Trq)과의 편차가 전류지령준비부(210)에 의하여 준비된 d축 전류지령값(Idcom) 및 q축 전류지령값(Iqcom)에 반영된다. 이에 따라, 동일한 토크 추정을 토대로 PWM제어모드와 직사각형파전압제어모드 양자 모두에 토크피드백루프가 형성된다. 그러므로, 제어모드가 스위칭될 때 발생하기 쉬운 출력 토크의 변동을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
교류모터(M1)가 영구자석모터로 형성되는 경우, 자석의 온도가 모터로 공급되는 전력에 의해 발생되는 열로 인하여 증가한다면, 상기 출력 토크는 소자기(demagnetization)에 의해 감소될 수도 있다. 이에 따라, 토크피드백루프가 추가되는 모터전류피드백제어를 수행함으로써, 자석의 온도의 변화로 인한 모터 특성의 변화가 자석의 온도를 검출하여 그것을 피드백 제어에 반영하지 않고도 오프셋된다. 그 결과, 출력 토크가 보다 적절하게 제어되게 된다.
도 12의 토크추정부(420'), 토크지령수정부(320) 및 전류지령준비부(210)는 각각 본 발명의 "제2토크추정수단", "토크지령값수정수단" 및 "전류지령준비수단"에 대응한다. 상기 PI산출부(240), 좌표변환부(250) 및 PWM신호준비부(260)는 본 발명의 "제2전압제어수단"에 대응한다.
본 발명의 실시예에서는, 구동모터로서 하이브리드자동차 또는 전기자동차에 탑재된 전동기를 구동 및 제어하는 모터구동시스템이 기술되어 있다. 하지만, 본 발명의 출원이 이것으로 국한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명은 제어될 전동기의 종류와 탑재될 장치 및 시스템에 독립적으로, 제어모드가 PWM제어모드와 직사각형파전압제어모드간에 스위칭되는 제어 구성을 갖는 모터구동시스템에서 수행되는 출력 토크제어에 적용될 수도 있다.
지금까지 본 발명을 그 예시적인 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 예시적인 실시예 또는 구성예들로 국한되는 것은 아니라는 점은 자명하다. 이와는 달리, 본 발명은 각종 변형예와 등가 형태들을 커버하도록 의도되어 있다. 또한, 예시적인 실시예의 각종 요소들이 예시적인 각종 조합 및 구성으로 도시되어 있지만, 단 하나의 요소만을 포함하거나 또는 많거나 적은 요소를 포함하는 기타 조합 및 구성 또한 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에 있다.

Claims (13)

  1. 교류모터(M1)를 구동시키는 인버터(14)를 포함하는 모터구동시스템의 제어장치에 있어서,
    상기 교류모터(M1)로 흐르는 모터 전류를 검출하는 전류검출기(24);
    상기 교류모터(M1)의 회전 위치를 검출하는 위치검출기(25);
    상기 교류모터(M1)의 운전 상태를 토대로 상기 인버터(14)에서 수행되는 전압 변환을 위한 제어모드를 선택하는 제어모드선택수단(S120);
    상기 제어모드선택수단(S120)이 상기 교류모터(M1)에 직사각형파전압이 인가되는 제1제어모드를 선택할 때, 상기 직사각형파전압의 위상이 토크지령값(Trqcom)과 상기 교류모터(M1)로부터 출력되는 토크와의 편차를 토대로 조정되는 피드백 제어를 행하여 토크 제어를 수행하기 위한 제1모터제어수단(400); 및
    상기 제어모드선택수단(S120)이 상기 교류모터(M1)에 인가되는 전압이 펄스폭변조모드로 제어되는 제2제어모드를 선택할 때, 상기 토크지령값(Trqcom)에 대응하는 전류지령값을 토대로 상기 모터 전류에 대한 피드백 제어를 행하여 토크 제어를 수행하기 위한 제2모터제어수단(200)을 포함하여 이루어지고,
    상기 제1모터제어수단은,
    상기 전류검출기(24) 및 상기 위치검출기(25)로부터의 출력들을 토대로, 교류모터(M1)로부터 출력되는 토크를 추정하기 위한 제1토크추정수단(420);
    상기 토크지령값(Trqcom)과 상기 제1토크추정수단(420)에 의해 추정되는 토 크와의 편차를 토대로, 상기 직사각형파전압의 위상을 결정하기 위한 전압위상제어수단; 및
    상기 전압위상제어수단에 의해 결정되는 위상을 갖는 직사각형파전압이 상기 교류모터(M1)에 인가되도록, 상기 인버터(14)에서 수행되는 전압 변환을 제어하기 위한 제1전압제어수단을 포함하며,
    상기 제2모터제어수단(200)은, 상기 전류검출기(24) 및 상기 위치검출기(25)로부터의 출력들을 토대로, 상기 모터 전류에 대한 피드백 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 모터구동시스템의 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류검출기(24)는 상기 교류모터(M1)의 각각의 위상들로 흐르는 전류들을 검출하기 위하여 제공되고,
    상기 제1토크추정수단(420)은, 상기 전류검출기(24) 및 상기 위치검출기(25)로부터의 출력들을 토대로 산출되는 상기 교류모터(M1)에 대한 d축 전류(Id) 및 q축 전류(Iq)를 토대로, 상기 교류모터(M1)로부터 출력되는 토크를 추정하는 것을 특징으로 하는 모터구동시스템의 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1토크추정수단(420)은 상기 교류모터(M1)의 d축 전류(Id)와 q축 전류(Iq) 및 모터 상수를 토대로 상기 교류모터(M1)로부터 출력되는 토크를 추정하 고,
    상기 제어장치는 상기 d축 전류(Id) 및 상기 q축 전류(Iq)를 토대로 상기 모터 상수를 보정하기 위한 상수보정수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 모터구동시스템의 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2모터제어수단(200)은,
    상기 전류검출기(24) 및 상기 위치검출기(25)로부터의 출력들을 토대로, 상기 교류모터(M1)로부터 출력되는 토크를 추정하기 위한 제2토크추정수단(420');
    상기 토크지령값(Trqcom)과 상기 제2토크추정수단(420')에 의해 추정되는 토크(Trq)와의 편차를 토대로, 상기 토크지령값(Trqcom)을 수정하기 위한 토크지령값수정수단(320);
    상기 토크지령값수정수단(320)에 의해 수정되는 토크지령값(Trqcom#)을 토대로, 전류지령값을 준비하기 위한 전류지령준비수단(210); 및
    상기 교류모터(M1)에 인가되는 전압이 상기 전류지령준비수단(210)에 의해 준비된 전류지령값과 상기 전류검출기(24)에 의해 검출되는 값에 기초한 모터 전류와의 편차를 토대로 제어되도록, 상기 인버터(14)에서 수행되는 전압 변환을 제어하기 위한 제2전압제어수단(240, 240, 260)을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터구동시스템의 제어장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2제어모드는 변조율이 0 내지 0.61 범위 내에 있는 사인파펄스폭변조모드 및 상기 변조율이 0.61 내지 0.78 범위 내에 있도록 기본파 성분이 변형되는 과변조펄스폭변조모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터구동시스템의 제어장치.
  6. 교류모터(M1)를 구동시키는 인버터(14)를 포함하는 모터구동시스템의 제어장치에 있어서,
    상기 교류모터(M1)의 운전 상태를 토대로 다수의 제어모드 가운데 상기 인버터(14)에 대한 제어모드를 선택하기 위한 제어모드선택수단(S120); 및
    다수의 제어모드 각각에 대응하도록 제공되어, 상기 제어모드선택수단(S120)에 의해 선택되는 제어모드에서 상기 교류모터(M1)로부터 출력되는 토크를 제어하는 다수모터제어수단(200, 400)을 포함하여 이루어지고,
    추정된 출력토크(Trq)는 상기 교류모터(M1)로부터 출력되는 토크를 제어하는 데 사용되고, 상기 모터제어수단(200, 400)에서의 다수의 제어모드에 공통인 방식으로 출력토크추정이 수행되는 것을 특징으로 하는 모터구동시스템의 제어장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 교류모터(M1)는 영구자석이 회전자에 끼워지는 영구자석모터인 것을 특 징으로 하는 모터구동시스템의 제어장치.
  8. 교류모터(M1)를 구동시키는 인버터(14)를 포함하는 모터구동시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 교류모터(M1)로 흐르는 모터 전류를 검출하는 단계;
    상기 교류모터(M1)의 회전 위치를 검출하는 단계;
    상기 교류모터(M1)의 운전 상태를 토대로 상기 인버터(14)에서 수행되는 전압 변환을 위한 제어모드를 선택하는 단계; 및
    직사각형파전압이 상기 교류모터(M1)에 인가되는 제1제어모드가 선택될 때, 상기 직사각형파전압의 위상이 토크지령값(Trqcom)과 상기 교류모터(M1)로부터 출력되는 토크와의 편차를 토대로 조정되는 피드백 제어를 행하여 토크 제어를 수행하는 단계를 포함하되, 상기 교류모터(M1)로부터 출력되는 토크는 전류검출기(24) 및 위치검출기(25)로부터의 출력들을 토대로 추정되고; 상기 직사각형파전압의 위상은 상기 토크지령값(Trqcom)과 추정된 토크와의 편차를 토대로 결정되며; 상기 인버터(14)에서 수행되는 전압 변환은 결정된 상기 위상을 갖는 직사각형파전압이 상기 교류모터(M1)에 인가되도록 제어되고;
    상기 교류모터(M1)에 인가되는 전압이 펄스폭변조모드로 제어되는 제2제어모드가 선택될 때, 상기 토크지령값(Trqcom)에 대응하는 전류지령값을 토대로 상기 모터 전류에 대한 피드백 제어를 행하여 토크 제어를 수행하는 단계를 포함하되, 상기 피드백 제어는 검출된 상기 모터 전류 및 검출된 상기 회전 위치를 토대로 상 기 모터 전류에 대해 수행되는 것을 특징으로 하는 모터구동시스템의 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 교류모터(M1)로부터 출력되는 토크는 상기 교류모터(M1)에 대한 d축 전류(Id) 및 q축 전류(Iq)를 토대로 추정되는 것을 특징으로 하는 모터구동시스템의 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 교류모터(M1)로부터 출력되는 토크는 상기 교류모터(M1)의 모터 상수와 d축 전류(Id) 및 q축 전류(Iq)를 토대로 추정되고,
    상기 모터 상수는 상기 d축 전류(Id) 및 q축 전류(Iq)를 토대로 보정되는 것을 특징으로 하는 모터구동시스템의 제어방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제2제어모드가 선택되는 경우,
    상기 교류모터(M1)로부터 출력되는 토크는, 검출된 상기 모터 전류 및 검출된 상기 회전 위치를 토대로 추정되고,
    상기 토크지령값(Trqcom)은 상기 토크지령값(Trqcom)과 상기 추정된 토크(Trq)와의 편차를 토대로 수정되며,
    상기 전류지령값은 수정된 상기 토크지령값(Trqcom#)을 토대로 준비되고,
    상기 인버터(14)에서 수행되는 전압 변환은, 상기 교류모터(M1)에 인가되는 전압이 준비된 상기 전류지령값과 검출된 상기 모터 전류와의 편차를 토대로 제어되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 모터구동시스템의 제어방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제2제어모드는 변조율이 0 내지 0.61 범위 내에 있는 사인파펄스폭변조모드 및 상기 변조율이 0.61 내지 0.78 범위 내에 있도록 기본파 성분이 변형되는 과변조펄스폭변조모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터구동시스템의 제어방법.
  13. 교류모터(M1)를 구동시키는 인버터(14)를 포함하는 모터구동시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 교류모터(M1)의 운전 상태를 토대로 다수의 제어모드 가운데 상기 인버터(14)에 대한 제어모드를 선택하는 단계(S120); 및
    선택된 상기 제어모드에서 상기 교류모터(M1)로부터 출력되는 토크를 제어하는 단계를 포함하여 이루어지고,
    추정된 토크(Trq)는 상기 교류모터(M1)로부터 출력되는 토크를 제어하는 데 사용되고, 상기 교류모터(M1)로부터 출력되는 토크는 다수의 제어모드에 공통인 방식으로 추정되는 것을 특징으로 하는 모터구동시스템의 제어방법.
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