KR101020823B1 - 환경차량의 모터 제어방법 - Google Patents

환경차량의 모터 제어방법 Download PDF

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Abstract

환경차량의 모터 구동을 제어함에 있어, 약계자 영역에서의 모터 손실을 최소화하고, 넓은 정출력 영역을 확보하여 고속 운전시에 안정된 출력과 높은 효율을 제공하도록 하는 것으로,
모터 회전자 코어의 각 코어 홈에 권선되며, 권선 방향은 서로 이웃하는 코어 홈에 대하여 반대의 방향으로 권선되는 감자 코일을 더 구성하며, 각 코어에 대응하는 중심방향 내측에 구성되는 영구자석과 서로 상반되는 자속이 형성되도록 권선하고, 모터의 구동이 정출력 영역에서 제어되는 상태에서 토크 및 속도의 관계가 정출력 영역의 확장이 요구되는 설정 영역에 진입된 상태이면 감자 코일에 전원을 공급하여 회전자의 자속을 감소시키는 제어를 통해 고속 운전성을 확보한다.

Description

환경차량의 모터 제어방법{MOTOR CONTROL METHOD OF GREEN CAR}
본 발명은 환경차량의 모터 제어방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 약계자 영역에서의 모터 손실을 최소화하고, 넓은 정출력 영역을 확보하여 고속 운전시에 안정된 출력과 높은 효율을 제공하도록 하는 환경차량의 모터 제어방법에 관한 것이다.
환경차량용 모터는 높은 기동 토크와 넓은 운전영역을 필요로 하는데, 보통 일반적인 모터로는 이 두 가지를 동시에 만족하지 못한다.
즉, 일반적인 모터의 경우 기동토크가 높으면 고속 운전이 불가능하고, 고속 운전을 하기 위해서는 기동토크의 감소가 발생하여야 하는 특성이 있다.
또한, 모터의 설계시에 설계자가 기저속도(ωb)를 설정하게 되면 일반적인 모터의 정출력 속도비(CPSR)가 2 이하인 점을 감안할 때 정출력 구간은 기저속도에서 최대 2배의 기저속도 이하가 된다.
환경차량에 적용되는 모터는 일반적인 모터와는 달리 차량 속도 유지 면에서 넓은 정출력 영역을 확보할 수 있다면 모터의 고속 영역에서도 운전자가 원하는 출력을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 전기기기의 효율 측면에서도 이점이 많게 된다.
따라서, 정출력 영역에서 약계자 제어를 하기 위하여 D축의 전류(Id)를 증가시켜 제어하고 있으나, 이의 경우 D축의 전류(Id)를 증가시키는 만큼 모터에 손실로 작용하며, 이에 따라 모터의 효율을 감소시키게 되는 단점이 발생한다.
모터의 특성에 대하여 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
모터의 각 운전영역별 특성으로는 정토크 영역(Ⅰ)과 정출력 영역(Ⅱ) 및 특성 영역(Ⅲ)으로 구분되는데, 정토크 영역(Ⅰ)에서는 일정한 자속이 흐르기 때문에 정토크가 유지되며, 설정된 기저속도(ωb)에 도달하게 되면 V=KΦω의 관계에 따라 모터의 속도를 증대시키려면 전압(V)이 일정하므로 자속(Φ)을 약화시켜야 한다.
즉, 약계자의 제어가 필요하게 된다.
정출력 영역(Ⅱ)은 자속(Φ)을 약화시켜 약계자 제어되는 구간으로, 자속(Φ)을 줄이기 위하여 D축 전류(Id)를 증가시켜 전류 제어함으로써, 고속 운전이 가능하도록 한다.
특성 영역(Ⅲ) 영역은 정전압 운전 영역으로 모터의 구동에 있어 사용 효율이 저하되는 영역이다.
상기한 바와 같이, 환경차량에 적용되는 모터를 제어함에 있어 정출력 영역에서 고속 운전을 제어하기 위하여 D축 전류(Id)를 증가시키는 방법으로 약계자 제어를 수행하고 있으나, 이의 경우 궁극적으로 모터의 손실로 작용하며, 이에 따라 모터의 효율이 저하되는 단점으로 작용한다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 환경차량에 적용되는 모터의 구동을 제어함에 약계자 영역에서의 모터 손실을 최소화하고, 넓은 정출력 영역을 확보하여 고속 운전시에 안정된 출력과 높은 효율을 얻을 수 있도록 한 것이다.
또한, 환경차량에 적용되는 모터의 로터 구조를 변형시켜, 로터의 영구자석에서 발생하는 자속과 반대방향의 자속이 발생되도록 감자 코일을 더 권선함으로써, 총 자속의 크기가 최소화되는 약계자 제어로 정출력 영역을 확장하며, 고속 운전 및 높은 효율을 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따르면, 환경차량용 모터의 구동이 정출력 영역에서 제어되는 상태에서 토크 및 속도를 검출하는 과정과; 상기 토크 및 속도의 관계가 정출력 영역의 확장이 요구되는 설정 영역에 진입되었는지를 판단하는 과정; 모터의 토크 및 속도가 정출력 영역의 확장이 요구되는 설정 영역에 진입된 상태이면 감자 코일에 전원을 공급하는 과정; 감자코일은 회전자에 구성되는 영구자석의 자속 방향과 서로 반대 방향을 갖는 자속을 발생시켜 자속의 상쇄를 통해 회전자 자속을 감소시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 환경차량용 모터의 제어방법을 제공한다.
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이와 같이 본 발명에 따르면, 환경차량에 적용되는 모터를 제어함에 있어 보다 넓은 정출력 영역을 확보함으로써, 차량의 고속 운행에 안정된 출력이 확보되며, 약계자 제어를 위한 전류제어가 수반되지 않아 불필요한 손실이 발생되지 않는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 환경차량용 모터의 제어장치에 대한 일 실시예의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 환경차량용 모터의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 환경차량용 모터의 제어를 실행하는 개략적인 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 환경차량용 모터의 제어를 통해 취득되는 모터 특성 곡선을 도시한 도면이다.
도 5는 종래의 환경차량용 모터의 구동 특성을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
도 1은 본 발명에 따른 환경차량용 모터의 제어장치에 대한 일 실시예의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 배터리(10)와 인버터(20), 모터(30), MCU(40), 전류 제어기(50), 슬립 컨텍터(60) 및 감자코일(70)을 포함하여 구성된다.
배터리(10)는 메인 동력원으로 환경차량에 적용되는 모터(30)에 구동 전원을 공급한다.
인버터(20)는 복수개의 IGBT(Insulated Gate bipolar Transistor) 스위치 소자로 이루어지며, PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의한 스위칭으로 배터리(10)에서 공급되는 DC 전압을 3상(U,V,W) 전압으로 변환시켜 모터(30)의 구동을 위한 상 전압으로 공급한다.
MCU(40)는 모터 제어기(Motor Control Unit)로 HCU(Hybrid Control Unit)에서 인가되는 모터 거동 제어의 신호와 BMS(Battery Management System)에서 인가되는 배터리(10)의 상태정보, TCU(Torque Control Unit)에서 인가되는 모터(30)의 거동 토크 제어신호에 따라 모터(30)의 거동을 제어하기 위한 PWM 신호를 출력하여 인버터(20)의 상 변환 동작을 제어한다.
전류제어기(50)는 모터(30)의 구동이 약계자 제어되는 정출력 영역에서 정출력 영역의 확장이 요구되는 시점에 상기 MCU(40)에서 인가되는 제어신호에 따라 동작되어 배터리(10)의 전압을 모터(30)의 감자코일(70)에 공급하여 준다.
슬립 컨텍터(60)는 상기 전류 제어기(50)를 통해 공급되는 전원을 모터(30)의 회전자에 권선되는 감자코일(70)에 안정되게 전달하여 준다.
슬립 컨텍터(60)는 감자코일(70)과 전원 단자가 슬리이딩 접촉된다.
감자코일(70)는 모터(30)의 회전자에 권선되며, 회전자내의 영구자석에서 발생되는 자속과 반대방향의 자속이 발생되도록 하여, 정출력 영역에서 자속의 상쇄로 총 자속의 크기가 최대한 작은 값을 갖도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 환경차량용 모터의 구조를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하여 감자코일(70)의 결선에 대하여 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
감자코일(70)은 회전자 코어(100)의 각 코어 홈(110)에 권선되며, 권선방향은 서로 이웃하는 코어 홈(110)에 대하여 반대의 방향으로 권선된다.
상기의 회전자 코어(100)에 권선되는 감자코일(70)은 각 코어에 대응하는 중심방향 내측에 구성되는 영구자석과 서로 상반되는 자속이 형성되도록 권선된다.
상기 회전자 내의 영구자석이 'N'의 극성을 갖는 경우 감자코일(70)의 권선방향은 반시계방향으로 권선되고, 회전자 내의 영구자석이 'S'의 극성을 갖는 경우 감자코일(70)의 권선방향은 시계 방향으로 권선되어 영구자석(N극,S극)에서 발생되는 자속과 감자코일(70)에서 발생되는 자속은 서로 반대되도록 하여 두 개의 자속이 상쇄되도록 권선된다.
전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명에서 모터 구동을 제어하는 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다.
MCU(40)가 HCU에서 인가되는 환경차량의 거동 제어신호, BMS에서 인가되는 배터리(10)의 상태 정보, TCU에서 인가되는 토크 제어신호에 따라 PWM 신호를 출력하여 인버터(20)의 상변환 스위칭을 제어함으로써, 모터(30)의 구동을 제어한다.
상기 모터(30)의 구동이 정출력 영역을 제어하고 있는 상태이면(S101) 모터(30)의 토크 및 속도를 검출하여(S102) 설정 영역, 즉 도 4에 도시된 바와 같이 'Ta'의 토크와 'ωa'의 관계가 형성되는 ① 지점에 도달되었는지를 판단한다(S103).
상기 S103의 판단에서 ① 지점에 도달되지 않은 상태이면 현재의 정출력 영역으로 제어를 유지하고, 토크와 속도의 관계가 ① 지점에 도달된 것으로 판단되면 정출력 영역의 확장이 요구되는 상태로 판단하여 MCU(40)는 감자코일(70)에 전류 공급을 제어하기 위한 제어신호를 전류 제어기(50)에 출력한다.
따라서, 전류 제어기(50)는 인가되는 제어신호에 따라 배터리(10)의 전압을 모터(30)의 회전자에 권선되는 감자코일(70)에 전류를 공급한다(S104).
이에 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 모터(30)의 회전자 코어에 시계방향 혹은 반시계 방향으로 권선되어지는 감자코일(70)은 회전자내에 구성되는 영구자석에서 발생되는 자속과 반대되는 방향의 자속을 발생시켜 서로 상쇄시킴으로써, 모터(30) 회전자에서 발생되는 전체 자속을 감소시킨다(S105).
그러므로, 모터(30)의 회전자와 고정자 사이에서 발생되는 자속이 실질적으로 약화되는 약계자 제어가 수행되어 보다 넓은 정출력 영역이 확보되며, 이에 따른 모터 손실이 발생되지 않고 고속 운전이 확보된다(S106).
즉, 도 4에 도시된 바와 같이 전류(Id) 제어를 통한 약계자 제어의 경우 정출력 영역이 "A"와 같이 기저속도와 그에 대한 최대의 속도(ω1)에서 특성영역으로 천이되나, 감자코일(70)을 이용한 약계자의 제어의 경우 'B'와 같이 정출력 영역이 'ωc'의 영역으로 확장되어, 고속 운행에서 안정된 출력이 확보된다.
이상에서는 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 추가, 삭제 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10 : 배터리 20 : 인버터
30 : 모터 40 : MCU
50 : 전류제어기 60 : 슬립 컨텍터
70 : 감자코일

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 환경차량용 모터의 구동이 정출력 영역에서 제어되는 상태에서 토크 및 속도를 검출하는 과정과;
    상기 토크 및 속도의 관계가 정출력 영역의 확장이 요구되는 설정 영역에 진입되었는지를 판단하는 과정;
    모터의 토크 및 속도가 정출력 영역의 확장이 요구되는 설정 영역에 진입된 상태이면 감자 코일에 전원을 공급하는 과정;
    감자코일은 회전자에 구성되는 영구자석의 자속 방향과 서로 반대 방향을 갖는 자속을 발생시켜 자속의 상쇄를 통해 회전자 자속을 감소시키는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 환경차량용 모터의 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 회전자 자속의 감소 제어에 의해 약계자 제어가 수반되어, 고속 운전성을 제공하는 것을 특징으로 하는 환경차량용 모터의 제어방법.
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