KR101535744B1 - 다수의 모터를 이용하는 차량 구동 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 모터를 이용하는 차량의 구동을 제어하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 구동 제어 장치는, 제1 구동부에 동력을 전달하는 메인 모터, 제2 구동부에 동력을 전달하는 제1 서브 모터 및 제2 서브 모터 및 차량의 부하 토크에 따라 상기 메인 모터, 상기 제1 서브 모터 및 상기 제2 서브 모터의 구동을 선택적으로 제어하는 제어부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 차량의 속도 및 토크를 고려하여 차량에 장착된 다수의 모터를 효율적으로 제어할 수 있는 장점이 있다.

Description

다수의 모터를 이용하는 차량 구동 제어 장치{APPARATUS FOR DRIVING VEHICLE USING MULTIPLE MOTOR}

본 발명은 다수의 모터를 이용하는 차량의 구동을 제어하기 위한 장치에 관한 것이다.

오늘날 화석연료를 연료로 사용하는 가솔린 엔진과 디젤 엔진은 배기가스로 인한 환경오염, 이산화탄소로 인한 지구 온난화, 오존 생성 등으로 인한 호흡기 질환 유발 등과 같은 많은 문제점을 가지고 있다. 그리고, 지구 상에 존재하는 화석 연료는 한정되어 있기 때문에 언젠가는 고갈될 위기에 처해 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 구동 모터를 구동시켜 주행하는 순수 전기 자동차(Electric Vehicle, EV)나, 엔진과 구동 모터로 주행하는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 연료전지등에서 생성되는 전력으로 구동 모터를 구동시켜 주행하는 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 등과 같은 차량이 개발되고 있다.

특히 전기 자동차나 연료전지 자동차와 같이 다수의 모터를 이용하여 차량을 제어할 경우, 차량의 속도 및 요구되는 토크에 따라 각 모터의 구동을 보다 효율적으로 제어할 필요가 있다.

본 발명은 차량의 속도 및 토크를 고려하여 차량에 장착된 다수의 모터를 효율적으로 제어할 수 있는 차량 구동 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 차량 구동 제어 장치에 있어서, 제1 구동부에 동력을 전달하는 메인 모터, 제2 구동부에 동력을 전달하는 제1 서브 모터 및 제2 서브 모터 및 차량의 부하 토크에 따라 상기 메인 모터, 상기 제1 서브 모터 및 상기 제2 서브 모터의 구동을 선택적으로 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 차량의 속도 및 토크를 고려하여 차량에 장착된 다수의 모터를 효율적으로 제어할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 차량 구동 제어 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 의한 차량 구동 제어 장치의 동작 흐름도이다.
도 3은 일반적인 모터의 속도-토크 특성 곡선이다.
도 4는 본 발명에 의한 차량 구동 제어 장치의 제어에 따른 각 모터의 속도-토크 특성 곡선이다.
도 5는 본 발명에 의한 차량 구동 제어 장치의 제어에 따른 각 모터의 속도-파워 특성 곡선이다.
도 6은 본 발명에 의한 차량 구동 제어 방법에서 사용되는 벡터 모델을 나타낸다.
도 7은 종래 기술에 따라 2개의 모터를 1개의 인버터로 구동할 때의 토크 특성을 나타낸다.
도 8은 종래 기술에 따라 2개의 모터를 1개의 인버터로 구동할 때의 부하 특성을 나타낸다.
도 9는 종래 기술에 따라 2개의 모터를 1개의 인버터로 구동할 때의 속도 특성을 나타낸다.
도 10은 본 발명에 따라 2개의 모터를 1개의 인버터로 구동할 때의 토크 특성을 나타낸다.
도 11은 본 발명에 따라 2개의 모터를 1개의 인버터로 구동할 때의 부하 특성을 나타낸다.
도 12는 본 발명에 따라 2개의 모터를 1개의 인버터로 구동할 때의 속도 특성을 나타낸다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

도 1은 본 발명에 의한 차량 구동 제어 장치의 구성도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명에 의한 차량 구동 제어 장치는 차량에 설치된 제1 구동부(12, 14) 및 제2 구동부(16, 18)에 동력을 전달하여 차량의 움직임을 제어한다. 본 발명에 의한 차량 구동 제어 장치는 제어부(102), 메인 모터(106), 제1 서브 모터(110), 제2 서브 모터(112)를 포함한다. 또한 차량 구동 제어 장치는 제어부(102)와 메인 모터(106)를 연결하는 제1 인버터(104) 및 제어부(102)와 제1 서브 모터(110), 제2 서브 모터(112)를 연결하는 제2 인버터(108)를 포함한다.

도 1에 나타난 바와 같이, 메인 모터(106)는 제1 구동부(12, 14)에 동력을 전달하고, 제1 서브 모터(110) 및 제2 서브 모터(112)는 각각 제2 구동부(16, 18)에 동력을 전달한다. 그리고 제어부(102)는 차량의 부하 토크에 따라 메인 모터(106), 제1 서브 모터(110) 및 제2 서브 모터(112)의 구동을 선택적으로 제어한다.

도 2는 본 발명에 의한 차량 구동 제어 장치의 동작 흐름도이다. 본 발명의 일 실시예에서, 제어부(102)는 도 2와 같은 시나리오에 따라 메인 모터(106), 제1 서브 모터(110) 및 제2 서브 모터(112)의 구동을 제어할 수 있다.

먼저 제어부(102)는 차량의 현재 속도를 센싱한다(202). 그리고 나서, 센싱된 차량의 현재 속도에 따른 차량의 부하 토크를 계산한다(204).

다음으로 제어부(102)는 계산된 부하 토크를 제1 기준 토크 및 제2 기준 토크와 비교(206)하여 어느 모터를 동작시킬 것인지 결정한다. (단, 제1 기준 토크<제2 기준 토크) 만약 차량의 부하 토크가 제1 기준 토크 이하이면(206), 제어부(102)는 제1 서브 모터(110) 및 제2 서브 모터(110)만을 구동시킨다(208). 만약 차량의 부하 토크가 제1 기준 토크보다 크고(206), 제2 기준 토크보다 작으면(210), 제어부(102)는 메인 모터(106)만을 구동시킨다(214). 만약 차량의 부하 토크가 제2 기준 토크 이상이면(210), 제어부(102)는 메인 모터(106), 제1 서브 모터(110) 및 제2 서브 모터(112)를 모두 구동시킨다(212).

본 발명의 차량 구동 제어 장치가 전술한 바와 같이 차량의 부하 토크에 따라 메인 모터(106), 제1 서브 모터(110) 및 제2 서브 모터(112)를 선택적으로 구동시키는 것은 일반적인 모터의 속도-토크 특성을 고려한 것이다.

도 3은 일반적인 모터의 속도-토크 특성 곡선을 나타낸다. 도 3에서 가로축은 모터의 회전속도를, 세로축은 모터에 발생하는 토크, 즉 발생 토크를 각각 나타낸다.

모터의 발생 토크가 부하 토크(Torque Load)보다 큰 경우 모터의 회전 속도는 증가하며, 반대로 발생 토크가 부하 토크보다 작은 경우, 모터의 회전 속도는 감소한다. 결국 모터는 발생 토크와 부하 토크가 동일하게 되는 속도에서 평형 상태를 유지한다.

도 3에 나타난 특성 곡선에서는 a와 b가 각각 평형 상태의 운전점을 나타낸다. 여기서 b는 안정한 운전점이지만, a는 불안정한 운전점이다. 만약 a에서 속도가 감소되면, 모터의 발생 토크는 a에서의 토크보다 작아지게 되며, 이에 따라 모터의 회전 속도는 감소한다. 이와 같이 속도가 저하되면 모터의 발생 토크는 부하 토크보다 더욱 작아지게 되므로 모터의 회전 속도는 더욱 감소하고, 결국 모터는 정지하게 된다. 반대로 a 지점에서 외란에 의해 모터의 속도가 약간 증가된다면 모터의 발생 토크는 부하 토크보다 커지게 되므로 모터의 회전 속도는 계속 증가하게 되어 다른 평형점(b)으로 이동하게 된다.

한편, b 지점에서는 모터의 회전 속도 변동이 발생하더라도 그로 인한 모터의 발생 토크가 b 지점으로 복귀하게 되므로 안정 상태가 계속 유지된다.

따라서 본 발명에서는 차량의 속도 센싱을 통해 검출되는 부하 토크에 따라 메인 모터, 제1 서브 모터 및 제2 서브 모터의 구동을 선택적으로 제어함으로써 도 3과 같은 모터의 속도-토크 특성 곡선에서 나타나는 불안정한 운전점(a)을 제거한다.

도 4는 본 발명에 의한 차량 구동 제어 장치의 제어에 따른 각 모터의 속도-토크 특성 곡선이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에서는 차량의 부하 토크를 제1 기준 토크 및 제2 기준 토크(단, 제1 기준 토크<제2 기준 토크)와 비교하여 메인 모터(Motor 1)만을 구동시키거나, 제1 서브 모터 및 제2 서브 모터(Motor 2 + Motor 3)만을 구동시키거나, 메인 모터, 제1 서브 모터, 제2 서브 모터(Motor 1 + Motor 2 + Motor 3)를 모두 구동시킨다. 도 4에서 제1 서브 모터 및 제2 서브 모터(Motor 2 + Motor 3)의 특성 곡선을 보면 도 3에서 나타나던 불안정한 운전점(b)이 나타나지 않음을 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명에 의한 차량 구동 제어 장치의 제어에 따른 각 모터의 속도-파워 특성 곡선이다. 본 발명에 따르면 메인 모터, 제1 서브 모터 및 제2 서브 모터의 선택적 구동에 의해 차량이 요구하는 파워에 보다 빠르게 도달할 수 있으며 차량에 제공되는 최대 파워도 높아짐을 알 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제어부(102)가 하나의 인버터(108)를 통해 제1 서브 모터(110) 및 제2 서브 모터(112)의 구동을 제어하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

먼저 제어부(102)는 제1 서브 모터(110)에 흐르고 있는 제1 전류 및 제2 서브 모터(112)에 흐르고 있는 제2 전류를 각각 센싱하고, 차량의 현재 속도를 센싱한다. 그리고 나서, 제어부(102)는 다음과 같은 관계식을 이용하여 제1 서브 모터(110) 및 제2 서브 모터(112)의 평균 자속을 산출한다.

이 때 사용되는 벡터 모델은 도 6과 같으며, [수학식 1]에서 사용되는 각 변수는 다음과 같이 정의된다.

여기서 is는 모터의 고정자(stator)에 흐르는 전류를 의미하고,

는 모터의 회전자(rotor)의 자속을 의미한다. 또한 ω는 각주파수(angular frequency)를, ω_r은 회전자의 각속도(angular velocity)를 나타낸다. 또한 Rr은 회전자의 저항을, M은 상호 인덕턴스(mutual inductance)를, Ls는 고정자의 자체 인덕턴스(self-inductance)를, Lr은 회전자의 자체 인덕턴스를, e는 기준 회전 프레임의 값(value of the rotating frame of references)을 각각 나타낸다.

또한 [수학식 1]에서 I와 J는 각각 다음과 같이 정의되는 행렬이다.

또한

및

는 각각 제1 서브 모터(110) 및 제2 서브 모터(112)의 회전자 자속을 의미한다.

다음으로, 제어부(102)는 제1 서브 모터(110)의 현재 토크 값(제1 토크) 및 제2 서브 모터(112)의 현재 토크 값(제2 토크)를 센싱한다. 그리고 나서, 제어부(102)는 제1 토크 및 제2 토크의 평균 값 그리고 제1 토크 및 제2 토크의 차이 값을 이용하여 다음과 같이 목표 토크를 산출한다.

[수학식 2]에서 각 변수는 다음과 같이 정의된다.

이에 따라 목표 토크는 다음과 같이 정의된다.

다음으로, 제어부(102)는 산출된 평균 자속 및 목표 토크를 이용하여 다음과 같이 자속 제어 전류 및 토크 제어 전류를 계산한다. 즉, 제어부(102)는 [수학식 1]과 [수학식 3]으로부터 다음과 같이 자속 제어 전류(

) 및 토크 제어 전류(

)를 각각 계산한다.

여기서 *는 기준 값을 의미하고, ^는 추정 값을 의미한다.

제어부(102)는 이와 같이 산출된 자속 제어 전류 및 토크 제어 전류를 포함하는 제1 서브 모터(110) 및 제2 서브 모터(112)에 대한 구동 명령을 생성하고, 구동 명령에 의한 자속 제어 전류 및 토크 제어 전류는 인버터(108)를 통해 제1 서브 모터(110) 및 제2 서브 모터(112)에 전달된다.

2개 이상의 모터를 하나의 인버터로 제어하게 되면 외란에 취약하게 되고 각 모터의 자속과 토크 전류를 평균으로 계산하기 때문에 토크 명령에 신속하게 대응하기 어렵다. 그러나 본 발명과 같이 각 모터에 흐르는 전류의 평균값 및 차이값을 고려하여 자속 제어 전류 및 토크 제어 전류를 계산하면 각 모터가 보다 빠르게 토크 명령에 대응할 수 있고 목표점에 부드럽게 도달할 수 있다.

도 7은 종래 기술에 따라 2개의 모터를 1개의 인버터로 구동할 때의 토크 특성을 나타내고, 도 8은 종래 기술에 따라 2개의 모터를 1개의 인버터로 구동할 때의 부하 특성을 나타내며, 도 9는 종래 기술에 따라 2개의 모터를 1개의 인버터로 구동할 때의 속도 특성을 나타낸다.

종래 기술에 따라 2개의 모터를 1개의 인버터로 구동하면 도 7과 같이 제1 모터의 토크(Torque 1) 및 제2 모터의 토크(Torque 2)가 일정하게 유지되지 않으며, 그에 따라 도 8과 같이 제2 모터의 부하(Load 2) 대비 제1 모터의 부하(Load 1)도 낮게 측정된다. 또한 도 9와 같이 각 모터의 속도(Speed 1, Speed 2) 또한 불안정한 값을 나타내게 된다.

도 10은 본 발명에 따라 2개의 모터를 1개의 인버터로 구동할 때의 토크 특성을 나타내고, 도 11은 본 발명에 따라 2개의 모터를 1개의 인버터로 구동할 때의 부하 특성을 나타내며, 도 12는 본 발명에 따라 2개의 모터를 1개의 인버터로 구동할 때의 속도 특성을 나타낸다.

본 발명에 따라 2개의 모터를 1개의 인버터로 구동할 경우, 도 10과 같이 제1 서브 모터의 토크(Torque 1) 및 제2 서브 모터의 토크(Torque 2)가 안정적인 값을 나타내며, 제2 모터의 부하(Load 2) 대비 제1 모터의 부하(Load 1)도 정상적인 값을 나타낸다. 또한 도 12와 같이 각 모터의 속도(Speed 1, Speed 2) 또한 안정적으로 유지됨을 확인할 수 있다.

전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (6)

1. 제1 구동부에 동력을 전달하는 메인 모터;
   제2 구동부에 동력을 전달하는 제1 서브 모터 및 제2 서브 모터; 및
   차량의 부하 토크에 따라 상기 메인 모터, 상기 제1 서브 모터 및 상기 제2 서브 모터의 구동을 선택적으로 제어하는 제어부를 포함하되,
   상기 제어부는,
   상기 제1 서브 모터 및 상기 제2 서브 모터의 평균 자속 및 상기 차량의 목표 토크를 이용하여 자속 제어 전류 및 토크 제어 전류를 산출하고, 상기 자속 제어 전류 및 상기 토크 제어 전류를 통해 상기 제1 서브 모터 및 상기 제2 서브 모터의 구동을 제어하는
   차량 구동 제어 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는
   상기 차량의 부하 토크가 제1 기준 토크 이하이면 상기 제1 서브 모터 및 상기 제2 서브 모터만을 구동시키고,
   상기 차량의 부하 토크가 상기 제1 기준 토크보다 크고 제2 기준 토크보다 작으면 상기 메인 모터만을 구동시키고,
   상기 차량의 부하 토크가 상기 제2 기준 토크 이상이면 상기 메인 모터, 상기 제1 서브 모터 및 상기 제2 서브 모터를 구동시키는
   차량 구동 제어 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제어부와 연결되어 상기 제1 서브 모터 및 상기 제2 서브 모터에 구동 명령을 전달하는 인버터를 더 포함하는
   차량 구동 제어 장치.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는
   상기 차량의 현재 속도, 상기 제1 서브 모터에 흐르는 제1 전류 및 상기 제2 서브 모터에 흐르는 제2 전류를 이용하여 상기 평균 자속을 산출하는
   차량 구동 제어 장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는
   상기 제1 서브 모터의 제1 토크 및 상기 제2 서브 모터의 제2 토크의 평균 값 및 상기 제1 토크 및 상기 제2 토크의 차이 값을 이용하여 상기 목표 토크를 산출하는
   차량 구동 제어 장치.

Images