KR101656591B1 - 전기차용 인버터 장치 - Google Patents

Abstract

전기차용 인버터 장치에는, 접속 부재를 통하여 차륜에 접속된 전동기를 제어하는 인버터 회로와, 전동기의 토크를 제어하는 제어부가 마련된다. 제어부는 전동기에 대한 q축 전류 지령 iq*가 전동기에 흐르는 전류와 일치하도록 제어하는 전류 제어부와, q축 전류 지령 iq*의 크기가, 미리 설정된 소정치 이하로 되지 않도록 제한하는 리미터부를 가진다.

Description

전기차용 인버터 장치{INVERTER DEVICE FOR ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 전기차 구동용의 전기차용 인버터 장치에 관한 것이다.

일반적으로 알려져 있는 대로, 종래 기술의 전기차용의 인버터 장치는, 전동차의 대차(臺車)에 탑재된 차륜에 톱니바퀴, 커플링(접속 부재) 등을 통하여 연결된 전동기가 생성하는 토크를 원하는 대로 제어하여 구동하는 구성으로 된 것이 일반적이다(예를 들면, 하기 특허 문헌 1). 또, 전동기로서는, 유도 전압기를 이용하는 것이 일반적이다.

특허 문헌 1: 일본국 특개 2011－173441호 공보

이러한 전기차용 인버터 장치에서 과제가 되는 것이, 토크가 작은 영역에서 전동기가 구동되는 경우이며, 전동기가 생성하는 토크의 극성이 특히 양음(positive and negative)으로 변동하는 경우에, 톱니바퀴나 커플링의 내부 구성부품이 여유에 의해 진동하여, 톱니바퀴나 커플링으로부터 기계음이 발생한다고 하는 현상을 들 수 있다. 이러한 현상은, 주위의 환경 소음이 작아지는 조건, 즉 전동기가 저속도 또한 저토크로 운전 중에 두드러지기 쉽기 때문에, 어떠한 개선이 요구되고 있었다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 톱니바퀴나 커플링으로부터 발생할 수 있는 불필요한 기계음을 억제 혹은 저감시킬 수 있는 전기차용 인버터 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 접속 부재를 통하여 차륜에 접속된 전동기를 제어하는 인버터 회로와, 상기 전동기의 토크를 제어하는 제어부를 가진 전기차용 인버터 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 전동기에 대한 토크 지령과 상기 전동기의 토크가 일치하도록 제어하던지, 혹은, 상기 전동기에 대한 전류 지령과 상기 전동기에 흐르는 전류가 일치하도록 제어하는 전류 제어부와, 상기 토크 지령의 크기, 혹은, 상기 전류 지령의 크기가, 미리 설정된 소정치 이하로 되지 않도록 제한하는 리미터부를 가진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 톱니바퀴나 커플링으로부터 발생할 수 있는 불필요한 기계음을 억제 혹은 저감시킬 수 있다고 하는 효과를 달성한다.

도 1은 본 실시 형태에 있어서의 전기차용 인버터 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 실시 형태에 있어서의 리미터부 및 하한치 생성부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 실시 형태에 있어서의 리미터부 및 하한치 생성부의 도 2와는 상이한 다른 구성예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 실시 형태에 따른 기술을 적용하지 않는 경우의 동작을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 실시 형태에 따른 기술을 적용했을 경우의 동작을 설명하는 도면이다.

이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 따른 전기차용 인버터 장치에 대해서 설명한다. 또한 이하에 나타내는 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

(실시 형태)

도 1은 본 실시 형태에 있어서의 전기차용 인버터 장치의 구성예를 나타내는 도면이다. 본 실시 형태의 전기차용 인버터 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 가선 등의 전원(1)으로부터 전력을 수전(受電)하여, 회전 구동력을 생성하는 전동기(3)를 구동하는 인버터 장치(10)에 의해 구성된다.

인버터 장치(10)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 회로(2)와, 인버터 회로(2)로부터 출력되는 도체의 전류를 계측하기 위한 전류 검출기(11)와, 인버터 회로(2)를 제어하는 제어부(20)를 가지고 구성된다.

인버터 회로(2)의 출력은, 전동기(3)에 접속되어, 전동기(3)로 교류 전력을 공급하여 전동기(3)를 구동시킨다. 전동기(3)는, 예를 들면 삼상(三相) 교류 전동기이다. 전동기(3)의 회전축에는, 접속 부재로서의 커플링(4)이 배치되어, 전동기측 톱니바퀴(5)와 접속된다.

전동기측 톱니바퀴(5)에는, 차륜측 톱니바퀴(6)가 서로 맞물리도록 배치되고, 차륜측 톱니바퀴(6)는 차축(7)에 고정되어 있다. 또, 차축(7)에는 차륜(8)이 접속되어 있다. 이와 같이, 전동기(3)의 출력측에는, 기계 출력을 차축(7)을 경유하여 차륜(8)에 전하는 구성부가 마련되어 있다. 또, 차륜(8)은 레일(9)에 접해 있고, 차륜(8)을 회전시킴으로써 전기차를 주행시키는 구성으로 되어 있다.

다음으로, 제어부(20)의 구성에 대해서 설명한다. 제어부(20)는 리미터부(21), 하한치 생성부(22) 및 전류 제어부(23)를 가지고 구성된다.

제어부(20)에는 q축 전류 지령 iq*, d축 전류 지령 id*, 전동기(3)의 속도 신호 FM, 및 전류 검출기(11)가 검출한 전동기 전류 검출치 IM이 입력된다. 여기서, q축 전류 지령 iq*는, 전동기(3)가 출력하는 토크의 지령(전동기(3)에 대한 토크 지령)에 상당하는 신호이고, d축 전류 지령 id*는, 전동기(3) 내부의 자속(磁束)의 지령에 상당하는 신호이다. 전류 제어부(23)는, 후술하는 리미터 후의 q축 전류 지령(리미터 전의 q축 전류 지령과 구별하기 위해, 이하 「리미터 후 q축 전류 지령」이라고 칭함) iq1*와, d축 전류 지령 id*를 전류 지령으로 하여, 전동기 전류 검출치 IM의 q축 성분과 d축 성분이 각각의 전류 지령과 일치하도록 제어를 행한다.

도 2는 본 실시 형태에 있어서의 리미터부 및 하한치 생성부의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 2에 있어서, q축 전류 지령 iq*는 리미터부(21)에 입력되고, 속도 신호 FM은 하한치 생성부(22)에 입력된다. 하한치 생성부(22)는 속도 신호 FM에 기초하여, 소정치인 하한치 신호 DI를 생성하도록 구성된다.

리미터부(21)에는 q축 전류 지령 iq* 및 하한치 신호 DI가 입력된다. 하한치 생성부(22)는 속도 신호 FM이 작은 영역에 있어서, 하한치 신호 DI의 크기를 소정의 크기로 하도록 동작한다.

리미터부(21)의 출력은, 예를 들면 리미터부(21) 내의 그래프에서 나타내는 입출력 특성에 의해서 제어된다. 보다 상세하게 설명하면, 리미터부(21)에서는, 입력된 q축 전류 지령 iq*의 크기가 상기 하한치 신호 DI 이하로 되지 않도록 리미터 처리하여, 리미터 후 q축 전류 지령 iq1*를 생성해서 전류 제어부(23)에 출력한다. q축 전류 지령 iq*의 크기가 하한치 신호 DI이상이면, 리미터 후 q축 전류 지령 iq1*는 q축 전류 지령 iq*와 같은 값이 된다.

이와 같이 하여 생성한 리미터 후 q축 전류 지령 iq1*에 더하여, d축 전류 지령 id* 및 전동기 전류 검출치 IM이 전류 제어부(23)에 입력된다. 전류 제어부(23)는 전동기 전류 검출치 IM의 q축 성분, d축 성분이, 리미터 후 q축 전류 지령 iq1*, d축 전류 지령 id*과 각각 일치하도록 전류 제어를 행하고, 이 전류 제어에 따른 게이트 제어 신호(PWM 신호) GC를 생성하여 인버터 회로(2)에 출력한다. 인버터 회로(2)에서는, 게이트 제어 신호 GC에 의해 도시되지 않는 스위칭 소자가 제어되어, 필요한 전력이 전동기(3)에 공급된다.

이상의 제어에 의해, 전동기(3)는 리미터 후 q축 전류 지령 iq1*와 d축 전류 지령 id*으로 결정되는 전류에 의해 구동된다.

또한 도 2에서는, 하한치 생성부(22)가 속도 신호 FM에 기초하여 하한치 신호 DI를 생성하도록 구성했지만, 이 구성으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 3과 같이, 리미터부(21)에 있어서의 DI의 값을 고정치로 하고, q축 전류 지령 iq*의 크기가 소정치인 iq0* 이하인 경우에, 리미터부(21)의 출력인 리미터 후 q축 전류 지령 iq1*를 DI로 설정하여 출력하는 구성이어도 상관없다.

여기서, 종래의 인버터 장치의 구성을 설명한다. 예를 들면, 도 1에 있어서, 종래의 인버터 장치에서는, 리미터부(21) 및 하한치 생성부(22)가 존재하지 않는다. 즉, 종래의 인버터 장치는, q축 전류 지령 iq* 및 d축 전류 지령 id*가 전류 제어부(23)에 입력되고, 입력된 q축 전류 지령 iq* 및 d축 전류 지령 id*에 의해 결정되는 전류로 구동되는 구성이다.

다음으로, 본 실시 형태에 따른 기술을 적용했을 경우와 적용하지 않은 경우(종래의 구성)의 동작을 설명한다. 도 4는 본 실시 형태에 따른 기술을 적용하지 않은 경우의 동작을 설명하는 도면이다.

도 4에 있어서, 상단의 도면은 q축 전류 지령 iq*, 중단의 도면은 리미터 후 q축 전류 지령 iq1*(상술한 대로, 종래 구성에서는 「q축 전류 지령 iq*」= 「리미터 후 q축 전류 지령 iq1*」이 됨), 하단의 도면은 전동기 전류 iq(전동기 전류 검출치 IM의 q축 성분, 토크에 상당함)를 각각 나타내고 있다.

동 도면의 예에서는, q축 전류 지령 iq*=100A로 운전 중에 전류 지령을 억제하여 전동기(3)가 생성하는 토크를 감소시키고 있다. 또, q축 전류 지령 iq*는 램프 모양으로 감소된 후, 0A로 되어 있다. 이때, 전동기 전류 iq는 인버터 장치의 제어 성능의 제약(예를 들면, 제어부(20)의 연산 지연 등)에 의해, 과도 변동이 생기거나, 제어 오차에 의한 변동이 생기거나 하여 정확히 제로로 유지되지 못하고, 제로를 경계로 변동한다. 즉, 전동기(3)의 토크의 크기의 극성이 변화하게 된다.

이러한 상태가 되면, 전동기(3)의 회전축으로부터 출력되는 힘(토크)의 방향이 변동하게 되므로, 커플링이나 톱니바퀴의 구성부품에서 진동이 발생하여, 상술한 기계음을 생성한다. 이 기계음은, 주위 환경의 소음이 작은 조건, 즉 전기차가 저속으로 운전 중에 전동기(3)의 속도 신호 FM이 작은 영역에서 두드러지게 된다.

한편, 도 5는, 본 실시 형태에 따른 기술을 적용했을 경우의 동작을 설명하는 도면이다. 상단의 도면은 q축 전류 지령 iq*, 중단의 도면은 리미터 후 q축 전류 지령 iq1*, 하단의 도면은 전동기 전류 iq(전동기 전류 검출치 IM의 q축 성분, 토크에 상당함)를 각각 나타내고 있다.

도 5의 예에서는, 도 4와 마찬가지로, q축 전류 지령 iq*=100A로 운전 중에 전류 지령을 억제하여 전동기(3)가 생성하는 토크를 감소시켜, q축 전류 지령 iq*는 램프 모양으로 감소된 후에 0A로 되어 있다(도 5의 상단부 참조). 한편, 하한치 생성부(22)와 리미터부(21)의 동작에 의해, 리미터 후 q축 전류 지령 iq1*가 0A까지 감소했을 경우에도, 하한치 신호 DI 만큼이 남아, 이 성분이 출력된다(도 5의 중단부 참조).

여기서, 전동기 전류 iq가 인버터 장치의 제어 성능(제어부(20)의 제어 연산 지연 등)의 제약에 의해, 과도 변동이 생기거나, 제어 오차에 의한 변동이 생기거나 하는 것은 종래의 경우와 마찬가지이다. 그렇지만, 본 실시 형태에 따른 기술을 적용했을 경우에는, 이 변동분에 상당하는 하한치 신호 DI가 생성되어, 이 성분에 상당하는 전동기 전류 iq가 더해져 올라가므로, 전동기 전류 iq가 제로를 경계로 변동하는 것을 회피할 수 있다(도 5의 하단부 참조). 그 결과, 전동기(3)의 토크의 크기의 극성이 변화하는 것을 회피하는 것이 가능해진다.

이상 설명한 것처럼, 본 실시 형태의 전기차용 인버터 장치에 의하면, q축 전류 지령 iq*의 크기가, 미리 설정된 소정치 이하로 되지 않도록 제한하는 것으로 했으므로, 전동기(3)의 회전축에 의해 출력되는 힘(토크)의 방향이 변동하는 것을 회피할 수 있고, 커플링이나 톱니바퀴의 구성부품의 진동을 발생시키는 일이 없어, 톱니바퀴나 커플링으로부터 발생할 수 있는 불필요한 기계음을 억제 혹은 저감시킬 수 있다.

또한 이런 종류의 기계음은, 주위 환경의 소음이 작은 조건, 즉 전기차가 저속으로 운전 중에 전동기(3)의 속도 신호 FM이 작은 영역에서 두드러지게 된다. 이 때문에, 하한치 생성부(22)에서는 전동기의 속도 신호 FM이 작은 영역만 하한치 신호 DI를 생성하도록 하고, 속도 신호 FM이 어느 정도의 속도이고, 상기 기계음이 주위 소음과 섞여 신경 쓰이지 않는 상태에서는 하한치 신호 DI=0으로 하는 것을 가능하게 하고 있다. 이와 같이 함으로써, q축 전류 지령 iq*에 대해서 불필요한 제한을 계속 가하는 것을 회피할 수 있으므로, 전동기(3)의 제어 성능의 열화를 최소한으로 할 수 있다.

또한 하한치 신호 DI의 값으로서는, 전동기(3)의 최대 토크(전류)의 10%이하 정도로 설정하는 것이 전기차의 용도에서는 바람직하다. 10%이하 정도로 설정하고 있으면, 실용상의 문제는 없다. 너무 크게 하면 작은 토크가 필요한 가벼운 가속 감속의 경우에 부적당하게 된다. 너무 작게 하면 전술한 제어 오차나 제어 연산 지연에 의한 과도 변동에 의해 전동기 전류 iq가 제로를 경계로 변동하는 상태가 되어 효과가 생기지 않는다.

따라서 하한치 신호 DI는, 적어도 당해 제어부(20)의 제어 오차나 제어 연산 지연에 기인하여 생기는 전동기 전류 iq의 변동치(=전동기(3)의 토크의 변동치에 상당하는 전동기 전류의 변동치)보다도 큰 값으로 하여 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 하한치 신호 DI는 리미터 후 q축 전류 지령 iq1*가 전동기(3)가 출력하는 토크의 극성이 양음으로 변동하지 않는 상태를 유지 가능한 값으로 설정하는 것이 바람직하다.

또한 본 실시 형태에서는, q축 전류 지령 iq*에 대해서 리미터 처리를 실시하는 구성으로서 설명했지만, q축 전류 지령에 상당하는 토크 지령(도시하지 않음)에 대해서 리미터 처리를 실시하는 구성으로 해도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 즉, 전류 지령에 대해서 리미터 처리를 행하는 구성을 대신하여, 토크 지령에 대해서 리미터 처리를 행하는 구성으로 해도 상관없다. 또한 토크 지령과 전류 지령(q축 전류 지령)의 환산은, 당업자에게 있어서 공지이다.

또, 이상의 실시 형태에 나타낸 구성은, 본 발명의 내용의 일례이며, 다른 공지의 기술과 조합하는 것도 가능하고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 일부를 생략하는 등 변경하여 구성하는 것도 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.

[산업상의 이용 가능성]

이상과 같이, 본 발명은 톱니바퀴나 커플링으로부터 발생할 수 있는 불필요한 기계음을 억제 혹은 저감시킬 수 있는 전기차용 인버터 장치로서 유용하다.

1: 전원
2: 인버터 회로
3: 전동기
4: 커플링
5: 전동기측 톱니바퀴
6: 차륜측 톱니바퀴
7: 차축
8: 차륜
9: 레일
10: 인버터 장치
11: 전류 검출기
20: 제어부
21: 리미터부
22: 하한치 생성부
23: 전류 제어부

Claims (3)

1. 접속 부재를 통하여 차륜에 접속된 전동기를 제어하는 인버터 회로와, 상기 전동기의 토크를 제어하는 제어부를 가진 전기차용 인버터 장치에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 전동기에 대한 토크 지령과 상기 전동기의 토크가 일치하도록 제어하던지, 혹은, 상기 전동기에 대한 전류 지령과 상기 전동기에 흐르는 전류가 일치하도록 제어하는 전류 제어부와,
   상기 토크 지령의 크기, 혹은, 상기 전류 지령의 크기가, 미리 설정된 소정치 이하로 되지 않도록 제한하는 리미터부를 가지고,
   상기 소정치는, 상기 토크 지령 혹은 상기 전류 지령의 크기가 상기 소정치보다 작은 영역에 있어서, 상기 전동기가 출력하는 토크의 극성이 양음으로 변동하지 않는 값으로 해서 설정된 것을 특징으로 하는 전기차용 인버터 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 전동기의 속도에 상당하는 신호에 기초하여, 상기 소정치를 생성하는 하한치 생성부를 가진 것을 특징으로 하는 전기차용 인버터 장치.
3. 삭제

Images