KR101348338B1

KR101348338B1 - 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치

Info

Publication number: KR101348338B1
Application number: KR1020120121647A
Authority: KR
Inventors: 박병건; 김종무; 김지원; 서해용; 하현욱
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2014-01-16

Abstract

본 발명은 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일면에 따른 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치는 공간 벡터 펄스폭 변조 전압 전원 인버터(Space Vector PWM Voltage Source Inverter, SVPWM VSI)에 있어서 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치로서, 인버터의 출력측 상전류(i_a, i_b, i_c)와 인버터의 출력과 연결되어 동작하는 전동기의 회전자 위치각(θ_e)에 기초하여 고정 좌표계 3상을 정지 좌표계 2상으로 좌표변환하여 d축 전류(i_d) 및 q축 전류(i_q)를 출력하는 정지 좌표 변환부와, d축 전류(i_d), q축 전류(i_q) 및 전동기의 기설정된 극수(p)에 기초하여 전동기의 발생 토크(

)를 추정하는 토크 추정부와, 발생 토크(

) 및 전동기의 축에 연결된 속도센서로부터 측정되는 회전자 각속도(ω_m)에 기초하여 부하 토크(

)를 계산하는 부하 관측기와, 크(

)와 미리 계산된 슬립율(Slip rate)에 기초하여 기준토크 제한값(T_max)을 설정하도록하여 인버터의 구동을 위한 기준 토크(T^*)의 출력값을 제한하는 기준토크 제한부를 포함한다.

Description

부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치{APPARATUS FOR CONTROLLING ANTISLIP USING LOAD TORQUE OBSERVER}

본 발명은 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전기자동차의 초기 주행시 발생하는 슬립을 방지하기 위한 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치에 관한 것이다.

전기 자동차 등에 이용되는 전동기 구동용 인버터로서 전동기 구동 회로 구현의 용이함으로 인해 공간 벡터 펄스폭 변조(Space Vector PWM, SVPWM) 방식의 인버터가 널리 이용되고 있다.

공간 벡터 펄스폭 변조(Space Vector PWM, SVPWM) 방식의 인버터와 관련된 종래 기술은 대한민국 등록특허 "공간전압벡터 방식에 의한 펄스폭변조 방법", 등록번호 특0168807에 구체적으로 개시되어 있다.

한편, 이러한 종래 기술에 의해서는 자동차의 주행에 따라 슬립이 발생하더라도 토크를 제한할 수 없어 전기 자동차에 적용시 안전상의 문제와 주행중의 승차감이 떨어진다는 문제가 발생한다.

본 발명의 목적은, 전기자동차의 초기 주행 시 발생하는 슬립을 방지하기 위해 구동용 인버터 단에서 견인전동기의 부하토크를 부하관측기로 추정하여 견인전동기 구동을 위한 기준 토크를 제한함으로써 구동축 바퀴가 슬립되는 현상을 제거하기 위한 슬립방지장치를 제공함에 있다. 상기와 같은 목적을 실현하기 위해 본 발명은 인버터의 출력 전류와 속도를 입력으로 받아 견인전동기에서 발생하는 토크와 구동 중에 발생하는 부하 토크를 계산하여 차량의 구동을 위한 기준 토크 값에 적절한 기준 토크 제한값을 만들어 줌으로써 구동축 바퀴의 슬립을 제한하도록 작동한다

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일면에 따른 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치는 공간 벡터 펄스폭 변조 전압 전원 인버터(Space Vector PWM Voltage Source Inverter, SVPWM VSI)에 있어서 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치로서, 인버터의 출력측 상전류(i_a, i_b, i_c)와 인버터의 출력과 연결되어 동작하는 전동기의 회전자 위치각(θ_e)에 기초하여 고정 좌표계 3상을 정지 좌표계 2상으로 좌표변환하여 d축 전류(i_d) 및 q축 전류(i_q)를 출력하는 정지 좌표 변환부와, d축 전류(i_d), q축 전류(i_q) 및 전동기의 기설정된 극수(p)에 기초하여 전동기의 발생 토크(

)를 추정하는 토크 추정부와, 발생 토크(

)를 계산하는 부하 관측기와, 크(

본 발명에 따르면, 전기자동차의 초기 주행 시 발생하는 슬립을 방지하기 위해 구동용 인버터 단에서 견인전동기의 부하토크를 부하관측기로 추정하여 견인전동기 구동을 위한 기준 토크를 제한함으로써 구동축 바퀴가 슬립되는 현상을 제거할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치를 나타내는 블록도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치를 나타내는 블록도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치는 공간 벡터 펄스폭 변조 전압 전원 인버터(Space Vector PWM Voltage Source Inverter, SVPWM VSI)에 있어서 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치는 위치각 계산부(101), 정지 좌표 변환부(103), 토크 추정부(105), 토크 제어부(107), 자속 제어부(109), 고정 좌표 변환부(111), 3상 좌표 변환부(113), 공간 벡터 펄스폭 변조부(115), 전압 전원 인버터(117), 부하 관측기(121) 및 기준토크 제한부(123)를 포함한다.

위치각 계산부(101)는 전동기(130)의 축에 연결된 속도센서인 레졸버(Resolver)(미도시) 등으로부터 측정되는 전동기 회전자 각속도(ω_m)를 획득하여 전동기 회전자 위치각(θ_e)을 계산한다.

전동기 회전자 위치각(θ_e)은 하기의 수학식 1에 따라 계산될 수 있다.

(수학식 1)

여기서, θ_e는 전동기 회전자 위치각, θ₀는 초기각,ω는 전동기 회전자 각속도, p는 전동기(130)의 극수이다. 여기서, θ₀ 및 p의 값은 기설정될 수 있다.

정지 좌표 변환부(103)는 인버터의 출력측 상전류(i_a, i_b, i_c)와 전동기 회전자 위치각(θ_e)을 획득하여 상전류(i_a, i_b, i_c)와 전동기 회전자 위치각(θ_e)에 기초하여 고정 좌표계 3상을 정지 좌표계 2상으로 좌표변환하여 정지좌표계의 d축 전류(i_d) 및 q축 전류(i_q)를 출력한다.

여기서, d축 전류(i_d)는 전동기의 자속을 발생하는 자속분 전류이고, q축 전류(i_q)는 전동기의 토크를 발생하는 토크분 전류이다.

한편, 고정 좌표계 3상을 정지 좌표계 2상으로 좌표변환하는 것은 공간 벡터 펄스폭 변조 전압 전원 인버터에 관한 기술분야의 당업자라면 쉽게 실시할 수 있는 것인바 자세한 설명은 생략한다.

토크 추정부(105)는 d축 전류(i_d) 및 q축 전류(i_q)를 입력 받으며, d축 전류(i_d), q축 전류(i_q) 및 기설정된 전동기의 극수(p)에 기초하여 전동기(130)의 발생 토크(

)를 추정한다.

한편, 발생 토크(

)는 하기의 수학식 2에 따라 추정될 수 있다.

(수학식 2)

여기서,

는 전동기 발생토크의 추정값, k는 샘플링 시점, i_q는 q축 전류, p는 전동기(130)의 극수, λ_f는 전동기의 영구자석 쇄교자속이다.

토크 제어부(107)는 발생 토크(

)와 기준 토크(T^*)를 입력받아 발생 토크(

)와 기준 토크(T^*)의 차분을 적분하여 토크분 기준전압(V^* _q)을 생성한다.

자속 제어부(109)는 기설정된 자속분 전류(i^* _d)와 d축 전류(i_d)를 입력받아 자속분 전류(i^* _d)와 d축 전류(i_d)의 차분을 적분하여 자속분 기준전압(V^* _d)을 생성한다.

고정 좌표 변환부(111)는 토크분 기준전압(V^* _q), 자속분 기준전압(V^* _d) 및 전동기 회전자 위치각(θ_e)에 기초하여 d축 전류(i_d) 및 q축 전류(i_q)로 표현되는 정지 좌표계 2상을 α축 전압(V^* _α) 및 β축 전압(V^* _β)으로 표현되는 고정 좌표계 2상으로 좌표 변환한다.

3상 좌표 변환부(113)는 α축 전압(V^* _α) 및 β축 전압(V^* _β)을 입력받아, α축 전압(V^* _α) 및 β축 전압(V^* _β)으로 표현되는 고정 좌표계 2상을 기준 상전압(V^* _a, V^* _b, V^* _c)으로 표현되는 고정 좌표계 3상으로 변환한다.

한편, 정지 좌표계 2상을 고정 좌표계 2상으로 좌표 변환하는 것과 고정 좌표계 2상을 고정 좌표계 3상으로 좌표 변환하는 것은 공간 벡터 펄스폭 변조 전압 전원 인버터에 관한 기술분야의 당업자라면 쉽게 실시할 수 있는 것인바 자세한 설명은 생략한다.

공간 벡터 펄스폭 변조부(115)는 기준 상전압(V^* _a, V^* _b, V^* _c)을 입력받아, 각각의 위상별 기준 상전압의 크기에 따라 위상별 기준 상전압 입력에 대응되는 각각의 내부 스위치들을 온 및 오프하여 펄스폭 변조신호를 생성한다.

전압 전원 인버터(117)는 펄스폭 변조신호에 기초하여 전동기(130)의 구동을 위한 전압 전원을 생성한다.

부하 관측기(121)는 발생 토크(

) 및 전동기 회전자 각속도(ω_m)를 입력받으며, 발생 토크(

)와 전동기 회전자 각속도(ω_m), 전동기(130)의 물리적 특성에 의한 전동기 관성(J) 및 마찰계수(B)와, 샘플링 주기(T_samp)에 기초하여 부하 토크(

)를 계산한다.

부하 토크(

)의 계산은 하기 수학식 3 및 수학식 4에 의해 이루어질 수 있다.

(수학식 3)

(수학식 4)

여기서,

는 부하토크,

는 발생 토크, k는 제1 시각, k+1은 제1 시각 이후의 제2 시각, L은 부하 관측기(121)의 이득값, B_m은 전동기(130)의 점성마찰계수, J는 전동기 회전자의 관성 모멘텀, T_samp는 샘플링 주기,

은 전동기 회전자 각속도이다.

즉, 부하 관측기(121)는 발생 토크(

) 및 전동기 회전자 각속도(

)를 입력 받아, 기설정된 부하 관측기의 이득값(L), 전동기의 점성마찰계수(B_m), 전동기 회전자의 관성 모멘텀(J), 샘플링 주기(T_samp)의 값들을 이용하여 수학식 3 및 수학식 4 따라 제1 시각(k) 및 제2 시각(k+1)에 있어서의 부하 토크(

)를 계산할 수 있다.

기준토크 제한부(123)는 하기의 수학식 5에 따라 자동차의 속도 및 바퀴의 속도를 이용하여 자동차의 슬립율(Slip rate)을 계산하고, 슬립율(slip)이 기설정된 문턱값을 초과하는 경우 부하토크와 슬립율에 기초하여 기준토크 제한값(T_max)을 설정하도록하여 기준토크 제한값(Tmax)에 기초한 출력이 제한되는 범위(-Tmax, +Tmax) 이내에서 기준 토크(T^*)가 출력되도록 하여 기준 토크(T^*)의 출력값을 제한한다.

(수학식 5)

s_r은 슬립율이고, V_vehicle은 자동차의 속도이며, V_wheel은 자동차 바퀴의 속도이다. 한편, V_vehicle은 GPS 등을 통해 획득될 수 있으며 자동차의 전자제어장치(Electronic Control Unit, ECU) 또는 속도 센서 등으로부터 획득되는 값일 수 있다. 또한, V_wheel은 전동기 회전자 각속도(ω_m)로부터 계산될 수 있다.

한편, 기준토크의 출력값을 제한은 하기의 수학식 6에 따라 계산된 기준토크 제한값(T_max)을 설정함에 따라 이루어질 수 있다.

(수학식 6)

여기서, T_max는 기준토크 제한값,

은 부하 토크, S_r은 슬립율이다.

전술한 바에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치는 전기자동차의 초기 주행 시 발생하는 슬립을 방지하기 위해 전동기의 부하토크를 부하관측기로 추정하여 전동기 구동을 위한 기준 토크를 제한함으로써 구동축 바퀴가 슬립되는 현상을 제거할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

공간 벡터 펄스폭 변조 전압 전원 인버터(Space Vector PWM Voltage Source Inverter, SVPWM VSI)에 있어서 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치로서,
인버터의 출력측 상전류(i_a, i_b, i_c)와 인버터의 출력과 연결되어 동작하는 전동기의 회전자 위치각(θ_e)에 기초하여 고정 좌표계 3상을 정지 좌표계 2상으로 좌표변환하여 d축 전류(i_d) 및 q축 전류(i_q)를 출력하는 정지 좌표 변환부;
상기 d축 전류(i_d), 상기 q축 전류(i_q) 및 상기 전동기의 기설정된 극수(p)에 기초하여 상기 전동기의 발생 토크(
)를 추정하는 토크 추정부;
상기 발생 토크(
) 및 상기 전동기의 축에 연결된 속도센서로부터 측정되는 회전자 각속도(ω_m)에 기초하여 부하 토크(
)를 계산하는 부하 관측기; 및
상기 부하토크(
)와 미리 계산된 슬립율(Slip rate)에 기초하여 기준토크 제한값(T_max)을 설정하도록하여 인버터의 구동을 위한 기준 토크(T^*)의 출력값을 제한하는 기준토크 제한부;
를 포함하는 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치.
제 1 항에 있어서, 상기 부하 관측기는,
수학식 I 및 수학식 II에 따라 제1 시각(k) 및 상기 제1 시각 이후의 제2 시각(k+1)에 있어서의 부하 토크(
)를 계산하는 것인 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치.
(수학식 I)

(수학식 II)

여기서,
는 부하토크,
는 발생 토크, k는 제1 시각, k+1은 제1 시각 이후의 제2 시각, L은 상기 부하 관측기의 이득값, B_m은 전동기의 점성마찰계수, J는 전동기 회전자의 관성 모멘텀, T_samp는 샘플링 주기,
은 전동기 회전자 각속도이다.
제 1 항에 있어서, 상기 기준토크 제한부는,
수학식 III 및 수학식 IV에 따라 기준토크 제한값(T_max)을 설정하는 것인 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치.
(수학식 III)

여기서, T_max는 기준토크 제한값,
은 부하 토크, S_r은 슬립율이다.
(수학식 IV)

s_r은 슬립율이고, V_vehicle은 자동차의 속도이며, V_wheel은 자동차 바퀴의 속도이다.
제 1 항에 있어서, 상기 토크 추정부는,
수학식 V에 따라 상기 발생 토크(
)를 추정하는 것인 부하관측기를 이용한 슬립방지 제어장치.
(수학식 V)

여기서,
는 전동기 발생토크의 추정값, k는 샘플링 시점, i_q는 q축 전류, p는 전동기의 극수, λ_f는 전동기의 영구자석 쇄교자속이다.