KR101542960B1

KR101542960B1 - 친환경 자동차의 모터 제어 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101542960B1
Application number: KR1020130119351A
Authority: KR
Inventors: 노정원; 김영준; 김성민
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2013-10-07
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2015-08-07
Also published as: KR20150040613A

Abstract

운전점을 적응적으로 선정하여 차량의 전기모터를 제어하는 방법 및 장치가 제공된다. 상기 전기모터 제어 장치는, 일정 모터 속도에서의 전류크기 및 전류각에 따라 D축 전압, Q축 전압, 그리고 토크를 측정하는 단계, 맵 추출 툴(tool)에서 측정된 D축 전압, Q축 전압, 그리고 토크를 이용하여 출력 데이터를 생성하는 단계, 출력 데이터 중 모터 속도의 크기에 따라 운전점을 선정하는 단계, 그리고 결정된 운전점에 따라 최종 전류지령 맵을 결정하는 단계를 통해 전기모터를 제어한다.

Description

친환경 자동차의 모터 제어 방법 및 장치{Method and apparatus for controlling motor of eco-friendly vehicle}

본 발명은 친환경 자동차의 전기 자동차(EV; Electric Vehicle) 모드 극저속 운전시 모터 시스템의 특성에 기인하는 토크리플을 저감할 수 있는 친환경 자동차의 모터 제어 시스템에 관한 것이다.

잘 알려져 있는 바와 같이, 친환경 자동차는 연료전지 자동차, 전기자동차, 플러그인 전기자동차, 하이브리드 자동차를 포괄하는 것으로, 통상적으로 구동력 발생을 위한 전기 모터와 엔진을 구비한다.

이러한 친환경 자동차는 일반적으로 도 1에 도시한 바와 같이 인버터와 모터장치로 구분되는 모터시스템(10)을 포함한다.

모터시스템(10)의 인터버는 직류단으로부터 입력되는 전압(DC)을 구동모터의 운전조건(제어신호)에 따라 교류(alternative current, AC) 전압으로 변환하여 출력하는 전력변환장치로서, 입/출력 신호를 처리하는 제어/게이트보드와 전력변환 스위칭소자인 파워모듈을 포함할 수 있다.

모터시스템(10)의 모터장치는 차량 구동을 목적으로 전기에너지를 기계(회전운동) 에너지로 변환하는 장치이다.

이와 같은 모터 시스템(10)은 도 2에 도시한 바와 같은 제어 시스템에 의해 제어될 수 있다.

도 2에 도시한 바와 같은 모터 제어 시스템은 모터를 제어하기 위해 일반적으로 전류지령 생성기, 전류제어기, 좌표변환기, 펄스폭변조(pulse-width modulation, PWM) 신호 생성기, PWM 인버터 등을 포함할 수 있다.

도 2의 제어 시스템의 동작 과정을 순차적으로 설명하면 아래와 같다.

1. 토크지령(T^*)과 모터속도(ω, 기준전압 Vdc 포함)를 입력으로 하는 2차원의 전류지령 생성기로부터 d/q축 전류지령(i_d ^*, i_q ^*)을 생성한다.

2. 전류제어기를 통해 d/q축 전압지령(v_d ^*, v_q ^*)을 생성하며, 이 전압지령은 좌표변환기에 의해 3상의 전압지령(V_a ^*,V_b ^*, V_c ^*)으로 좌표 변환된다.

3. 상기 3상의 전압지령은 PWM 신호 생성기에 의해 스위칭 신호(S_a,S_b,S_c)로 변환된다.

4. PWM 인버터는 상기 스위칭 신호가 입력되면, 3상의 전류 (i_a,i_b,i_c)를 생성하여 구동 모터를 구동한다.

그런데, 위와 같은 제어 시스템을 통해 친환경 자동차의 모터시스템을 제어하는 경우에도, 친환경 자동차의 EV 모드 극저속 운전(또는 발진)시 차량 서지 진동이 발생하여 운전성에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다.

특히, 경사로에서의 발진 시와 같은 극저속 고토크 운전조건 시 서지 진동은 평지에서 보다 크게 나타날 수 있다.

이러한 서지 진동이 발생하는 경우 운전성 및 상품성에 악영향을 미칠 수 있어 상기 서지 진동을 감소하기 위한 대책이 지속적으로 강구되고 있다.

친환경 자동차에서 상기 서지 진동은 모터시스템의 특성에 의한 토크리플이 구동전달계(예; 감속기 등)의 공유진동수와 공진하여 발생할 수 있는데, 이를 해결하기 위한 기존기술은 다음과 같은 것이 있다.

즉, 기존에는 모터시스템의 토크리플을 감소시키기 위해 모터 형상 최적화 설계를 수행하였다. 예를 들면, 모터 고정자의 슬롯, 치(teeth) 단부 형상을 최적화하여 누설 자속을 감소시킴으로써 토크리플을 저감시킬 수 있고, 회전자 영구자석의 배치 형상을 최적화하여 토크리플을 저감할 수 있었다.

그런데, 상기와 같이 모터의 고정자 및/또는 회전자 구조를 변경하는 하드웨어적인 설계 변경 방법은, 시제품 제작 및 시험 확인 등이 필요하고, 시험 결과 불만족시 또 다시 설계 변경, 제작, 시험 확인 등을 반복해야 하기 때문에 기간 및 비용 경제적인 측면에서 문제점이 많았다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는, 차량이 극저속 고토크로 운행되는 구간에서도 서지 진동 없이 차량의 모터를 제어할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명의 한 실시 예에 따르면, 운전점을 적응적으로 선정하여 차량의 전기모터를 제어하는 방법이 제공된다. 상기 전기모터의 제어 방법은, 일정 모터 속도에서의 전류크기 및 전류각에 따라 D축 전압, Q축 전압, 그리고 토크를 측정하는 단계, 상기 측정된 D축 전압, Q축 전압, 그리고 토크를 이용하여 맵 추출 툴(tool)을 통해 출력 데이터를 생성하는 단계, 출력 데이터 중 모터 속도의 크기에 따라 운전점을 선정하는 단계, 그리고 결정된 운전점에 따라 최종 전류지령 맵을 결정하는 단계를 포함한다.

상기 전기모터의 제어 방법에서 운전점을 선정하는 단계는, 모터 속도의 크기를 이용하여 차량이 발진 운전영역에 포함되어 있는지 판단하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 전기모터의 제어 방법에서 판단하는 단계는, 출력 데이터 중 모터 속도가 미리 설정된 값보다 큰 경우, 차량이 발진 운전영역에 포함되어 있지 않은 것으로 판단하고, 모터 속도가 미리 설정된 값보다 작거나 같은 경우, 차량이 발진 운전영역에 포함되어 있는 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 전기모터의 제어 방법에서 판단하는 단계는, 차량이 발진 운전영역에 포함되어 있지 않은 경우, 단위 전류당 최대 토크(Maximum Torque Per Ampere, MTPA)를 제어하여 운전점을 선정하는 단계, 그리고 차량이 발진 운전영역에 포함되어 있는 경우, 고속 푸리에 변환(fast fourier transform, FFT)기법을 이용하여 운전점을 선정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 운전점을 적응적으로 선정하여 차량의 전기모터를 제어하는 장치가 제공된다. 상기 전기모터의 제어 장치는, 일정 모터 속도에서의 전류크기 및 전류각에 따라 D축 전압, Q축 전압, 그리고 토크를 측정하는 측정부, 측정된 D축 전압, Q축 전압, 그리고 토크를 이용하여 출력 데이터를 생성하는 맵 추출 부, 출력 데이터 중 모터 속도의 크기에 따라 운전점을 선정하는 운전점 선정부, 그리고 결정된 운전점에 따라 최종 전류지령 맵을 결정하는 전류지령 생성부를 포함한다.

상기 전기모터의 제어 장치에서 운전점 선정부는, 모터 속도의 크기를 이용하여 차량이 발진 운전영역에 포함되어 있는지 판단할 수 있다.

상기 전기모터의 제어 장치에서 운전점 선정부는, 출력 데이터 중 모터 속도가 미리 설정된 값보다 큰 경우, 차량이 발진 운전영역에 포함되어 있지 않은 것으로 판단하고, 모터 속도가 미리 설정된 값보다 작거나 같은 경우, 차량이 발진 운전영역에 포함되어 있는 것으로 판단할 수 있다.

상기 전기모터의 제어 장치에서 운전점 선정부는, 차량이 발진 운전영역에 포함되어 있지 않은 경우, MTPA를 제어하여 운전점을 선정하고, 차량이 발진 운전영역에 포함되어 있는 경우, FFT 기법을 이용하여 운전점을 선정할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 한 실시 예에 따르면, 토크리플의 원인인 고조파 성분을 최소화할 수 있는 운전점을 선정함으로써, 전기자동차와 같은 친환경 차량을 운행할 때 고조파성분에 따른 소음 및 진동을 감소시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 친환경 자동차의 모터 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래기술의 실시 예에 따른 친환경 자동차의 모터 제어 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 전류 제한 조건을 나타낸 그래프이고, 도 2는 MTPA가 제어되는 영역을 표시한 그래프이다.
도 4는 모터 속도와 토크의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 발진 영역에서의 시험 파형 및 FFT 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 모터 제어를 위한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 맵 추출 툴의 동작을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 FFT 분석을 통해 선정된 운전점과 기존 MTPA 제어를 통해 선정된 운전점을 비교한 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 3은 전류 제한 조건을 나타낸 그래프이고, 도 4는 MTPA가 제어되는 영역을 표시한 그래프이다.

도 3을 참조하면, 전류 제한 곡선과, 전압 제한 타원, 일정 토크 쌍곡선이 만나는 지점에서 운전점이 형성될 수 있다. 즉, 기저속도 이하의 일정토크영역에서 모터시스템의 구동을 위한 d축 전류 및 q축 전류의 운전점을 선정할 때, 통상 단위 전류당 최대 토크(Maximum Torque Per Ampere, MTPA)를 제어하여 성능 효율이 가장 좋은 운전점을 선정한다.

도 4는 모터 속도와 토크의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 4에서, 출력이 일정하게 되는 속도를 기저속도라고 한다. 기저속도 이하의 일정토크영역에서 MTPA를 제어하여 운전점을 선정하게 되면, 기저속도 중에서도 모터 속도가 극히 낮은 영역(모터 속도 10rpm 이하의 극저속 영역)에서는 모터에 발진이 발생하여 운전자는 차량의 서지진동을 체험할 수 있다.

도 5는 발진 영역에서의 시험 파형 및 FFT 분석 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5의 (A)는 모터 속도 10rpm, 토크 135Nm의 발진 영역에서의 파형을 나타낸 그래프이고, (B)는 (A)의 한 주기를 확대한 그래프이며, (C)는 파형의 한 주기에 대해 FFT 분석을 수행한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5의 (C)를 참조하면, 극저속의 발진 운전 영역에서는 코깅(cogging) 토크(12차 고조파) 및 토크리플(6n차 고조파) 성분이 지배적으로 나타나고 있음을 알 수 있다. 모터시스템의 토크리플은 모터의 설계 특성에 의하여 역기전력 내부에 5차, 7차 고조파 성분이 존재한다. 이 5차 및 7차 고조파 성분은 d/q 좌표 변환 시 6차 고조파 성분으로 변환된다. 이후, 제어기 내부의 전류 지령은 기본파 성분만 고려하므로, 6차 고조파 성분의 전류제어 오차가 발생할 수 있고, 6차 고조파 성분의 토크리플이 발생하게 된다.

모터의 형상 설계(skew)를 수정할 경우, 코깅토크 성분은 감소시킬 수 있으나, 서지 진동 억제 효과는 미미하다. 반면, 차량의 발진시 서지 진동에 기여하는 부분은 토크리플(6차)이다. 토크리플은 차량 구동전달계에 속도 떨림을 유발시켜서 차량에 서지 진동을 발생시킬 수 있기 때문이다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 모터 발진 시에 차량의 서지 진동을 줄이기 위해서는 서지 진동에 취약한 극저속 고토크 운전영역(즉, 발진 운전영역)에서 6차 고조파의 토크리플 성분을 감소시킬 수 있는 운전점을 선정할 수 있는 모터 제어 시스템 및 방법을 제공한다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 모터 제어를 위한 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 먼저 해석을 통해 서지 진동이 심한 서지 진동영역이 선정된다(S401). 이때, 발진이 발생하는 서지 진동영역은 모터 속도 기준으로 0~A[rpm] 사이이다. 이후, 서지 진동을 억제하기 위한 운전점을 선정하기 위해 전류맵을 결정한다.

이때, 측정부는, 서지 진동을 억제하기 위한 운전점 선정을 위해서 일정 모터 속도에서의 전류크기와 전류각에 따라 d축 및 q축 전압과, 토크를 측정한다(S402). d축, q축, 토크의 측정은 속도, 직류전압, 그리고 온도가 고정된 상태에서 다이나모 측정 데이터를 기반으로 한다. 이때, 이후, 측정된 d축 전압, q축 전압, 그리고 토크를 맵 추출 툴(tool)에 입력한다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 맵 추출 툴의 동작을 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 맵 추출 툴(500)은 전류크기 및 전류각에 따른 d축, q축, 토크정보 등의 입력 데이터(501)를 받아서 출력 데이터(502)를 생성한다(S403). 종래, 전류지령 생성기(510)에서는 맵 추출 툴(500)에서 생성한 출력 데이터(502)에 따라 D축 전류 지령 및 Q축 전류 지령을 생성할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면 맵 추출 툴(500)에서 생성한 출력 데이터(502)를 바탕으로 운전점 선정부가 아래 단계를 통해 운전점을 선정한 후, 전류지령 생성기(510)에서 최종 전류 지령 맵을 결정하여 D축 전류 지령 및 Q축 전류 지령을 생성할 수 있다.

이후, 본 발명의 실시 예에 따른 운전점 선정부에서는 맵 추출 툴의 출력 데이터 중에서 모터 속도(ω_rpm) 데이터에 따라서 운전점을 선정한다(S404). 즉, 모터 속도가 미리 설정된 값(A)보다 크다면(ω_rpm > A), 종래 방식대로 MTPA 제어를 통해 운전점을 선정한다(S405). 하지만, 모터 속도가 A 보다 작거나 같다면(ω_rpm ≤ A), FFT 분석을 통해 6차 토크리플을 가장 작게 하는 운전점을 선정한다(S406). 즉, 맵 추출 툴에서 생성한 출력 데이터 중 모터 속도에 따라서 발진 운전영역에 포함되는지 결정하고, 발진 운전영역에 포함되는 경우 FFT 분석을 통해 서지 진동을 최대한 억제할 수 있는 운전점을 선정한다. 본 발명의 실시 예에 따른 운전점 선정부는, 전류지령 생성기에 부가될 수도 있고, 전류지령 생성기와 별도로 부착된 모듈일 수 있다.

이후, 전류지령 생성기에서는 최종 전류지령 맵을 결정하고(S407), 결정된 전류지령 맵을 차량 운전점에 적용한다(S408).

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 FFT 분석을 통해 선정된 운전점과 기존 MTPA 제어를 통해 선정된 운전점을 비교한 도면이다.

도 8을 참조하면, 기존 MTPA 제어를 통해 선정된 운전점은 273A_P -∠130°이지만, FFT 분석을 통해 변경된 운전점은 337A_P ∠91°임을 알 수 있다. 즉, 전류벡터의 각도가 130°에서 91°로 감소하면서, 전류벡터의 크기는 23% 증가하였다. 따라서, 전류크기 증가로 인한 효율이 다소 감소할 수 있다.

변경된 운전점에 따르면, 토크 파형은 도 8의 (A)와 같이 변화되고, 1주기에 대한 FFT 분석 결과가 도 8의 (B)와 같이 도시된다. 도 8의 (B)를 참조하면, 고조파의 주파수는 0.7Hz이고, 6차 고조파(4.2Hz)의 토크리플이 3.7에서 1.8로 51% 감소되었음을 알 수 있다. 하지만, 직류 성분에 의한 토크는 137.4에서 137.6으로 거의 변화가 없기 때문에, 같은 토크를 출력하더라도 6차 고조파의 토크리플이 줄어들 수 있는 운전점이 존재함을 알 수 있다.

위와 같이 본 발명의 실시 예에 따르면, 토크리플의 원인인 고조파 성분을 최소화할 수 있는 운전점을 선정함으로써, 전기자동차와 같은 친환경 차량을 운행할 때 고조파성분에 따른 소음 및 진동을 감소시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

운전점을 적응적으로 선정하여 차량의 전기모터를 제어하는 방법으로서,
일정 모터 속도에서의 전류크기 및 전류각에 따라 D축 전압, Q축 전압, 그리고 토크를 측정하는 단계
상기 측정된 D축 전압, Q축 전압, 그리고 토크를 이용하여 맵 추출 툴(tool)을 통해 출력 데이터를 생성하는 단계,
상기 출력 데이터 중 모터 속도의 크기에 따라 운전점을 선정하는 단계, 그리고
상기 선정된 운전점에 따라 최종 전류지령 맵을 결정하는 단계
를 포함하는 전기모터 제어 방법.
제1항에서,
상기 운전점을 선정하는 단계는,
상기 모터 속도의 크기를 이용하여 상기 차량이 발진 운전영역에 포함되어 있는지 판단하는 단계
를 포함하는 전기모터 제어 방법.
제2항에서,
상기 판단하는 단계는,
상기 출력 데이터 중 모터 속도가 미리 설정된 값보다 큰 경우, 상기 차량이 상기 발진 운전영역에 포함되어 있지 않은 것으로 판단하고, 상기 모터 속도가 미리 설정된 값보다 작거나 같은 경우, 상기 차량이 상기 발진 운전영역에 포함되어 있는 것으로 판단하는 단계
를 포함하는 전기모터 제어 방법.
제3항에서,
상기 판단하는 단계는,
상기 차량이 상기 발진 운전영역에 포함되어 있지 않은 경우, 단위 전류당 최대 토크(Maximum Torque Per Ampere, MTPA)를 제어하여 운전점을 선정하는 단계, 그리고
상기 차량이 상기 발진 운전영역에 포함되어 있는 경우, 고속 푸리에 변환(fast fourier transform, FFT)기법을 이용하여 운전점을 선정하는 단계
를 더 포함하는 전기모터 제어 방법.
운전점을 적응적으로 선정하여 차량의 전기모터를 제어하는 장치로서,
일정 모터 속도에서의 전류크기 및 전류각에 따라 D축 전압, Q축 전압, 그리고 토크를 측정하는 측정부,
상기 측정된 D축 전압, Q축 전압, 그리고 토크를 이용하여 출력 데이터를 생성하는 맵 추출 부,
상기 출력 데이터 중 모터 속도의 크기에 따라 운전점을 선정하는 운전점 선정부, 그리고
상기 선정된 운전점에 따라 최종 전류지령 맵을 결정하는 전류지령 생성부
를 포함하는 전기모터 제어 장치.
제5항에서,
상기 운전점 선정부는,
상기 모터 속도의 크기를 이용하여 상기 차량이 발진 운전영역에 포함되어 있는지 판단하는 전기모터 제어 장치.
제6항에서,
상기 운전점 선정부는,
상기 출력 데이터 중 모터 속도가 미리 설정된 값보다 큰 경우, 상기 차량이 상기 발진 운전영역에 포함되어 있지 않은 것으로 판단하고, 상기 모터 속도가 미리 설정된 값보다 작거나 같은 경우, 상기 차량이 상기 발진 운전영역에 포함되어 있는 것으로 판단하는 전기모터 제어 장치.
제7항에서,
상기 운전점 선정부는,
상기 차량이 상기 발진 운전영역에 포함되어 있지 않은 경우, 단위 전류당 최대 토크(Maximum Torque Per Ampere, MTPA)를 제어하여 운전점을 선정하고,
상기 차량이 상기 발진 운전영역에 포함되어 있는 경우, 고속 푸리에 변환(fast fourier transform, FFT)기법을 이용하여 운전점을 선정하는 전기모터 제어 장치.