KR101771200B1 - 전기자동차용 모터 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기자동차용 모터 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상사하게는 모터와 스위칭부의 권선을 다상 독립 직병렬 권선형으로 구성하여 분산전력제어가 가능함은 물론, 내부 임피던스를 줄여 권선의 동손을 최소화할 수 있는 전기자동차용 모터 제어장치에 관한 것이다.
본 발명의 전기자동차용 모터 제어장치의 구성은, 다른 상의 영향을 받지 않고 독립적으로 구동하도록 다상 독립형으로 권선한 모터(100)와, 상기 모터(100)의 회전자의 위치를 감지하기 위한 엔코더(200) 및 상기 엔코더에서 감지한 회전자의 위치를 센서신호로 출력하기 위한 센서부(250)와, 상기 모터(100)의 속도 지령치 신호를 발생하는 입력부(300)와, 상기 속도 지령치 신호와 센서신호를 이용하여 상기 모터(100)를 구동하는 구동신호를 출력하는 드라이브모듈(360)을 갖는 메인보드부(350)와, 상기 메인보드부(350)로부터 상기 구동신호를 입력받아 상기 모터(100)를 구동하는 구동신호를 발생하는 스위칭부(400)와, 상기 스위칭부(400)와 메인보드부(350)에 전원을 공급하는 전원부(500)를 포함하고, 상기 모터(100)의 고정자 측의 결선구조는 직렬과 병렬을 혼합한 직병렬구조로 결선된 것을 특징으로 한다.

Description

전기자동차용 모터 제어장치{MOTOR CONTROL SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기자동차용 모터 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상사하게는 모터와 스위칭부의 권선을 다상 독립 직병렬 권선형으로 구성하여 분산전력제어가 가능함은 물론, 내부 임피던스를 줄여 권선의 동손을 최소화할 수 있는 전기자동차용 모터 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로 전기자동차는 충전식 전지를 구비하고 있어 외부로부터 전기에너지를 공급받고, 이렇게 공급받은 전기에너지를 서서히 방전시킴으로써 차륜과 결합된 모터를 구동시켜 기계적 에너지인 동력을 얻는다. 즉, 전기자동차에서는 대용량의 축전지로부터 공급되는 직류전원을 인버터에 공급하여 이를 가변주파수를 갖는 교류전원으로 변환함으로써 모터를 구동시키게 된다.
이러한 전기자동차의 동력을 발생시키기 위한 모터와 그 제어장치의 일 예가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 모터와 그 제어장치는 구동계에 동력을 전달시키기 위한 모터(1), 축전지(3)로부터 모터(1)에 공급되는 직류전원을 교류전원으로 변환하기 위한 인버터(2), 축전지(3)에서 인버터(2)로 공급되는 직류전원을 필요에 따라 차단하기 위한 개폐기(4), 개폐기(4)의 개폐동작을 제어하기 위한 스위칭부(5), 그리고 스위칭부(5)의 스위칭동작 및 인버터(2)에 마련된 스위칭부(5)의 스위칭동작을 제어하기 위한 제어기(6)를 포함하여 구성된다. 그리고 모터(1)의 작동에 있어서는 Y결선만을 이용한다.
도 2에는 도 1에 도시된 Y결선 3상 유도모터의 속도-토크 특성 곡선이 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 정출력 영역이 넓어질수록 모터(1)의 운전 영역이 넓어지게 되는데, 모터(1)가 고속영역에서 작동할 경우, 그에 상응하는 전류를 모터(1)에 인가하게 되므로 이를 위해서 전압을 높여 주어야 한다.
그러나 도 3에 도시된 바와 같이, DC 링크 콘덴서(7)의 전압에 의해 전압이 제한을 받게 되며, 모터(1)에 전류를 공급해주는 인버터(2)의 출력 전압 제한에 의해 일정 속도 이상에서는 출력을 낼 수 없게 되어 고속운전 영역이 좁아지며, 이로인해 부가장비의 설치가 불가피한 문제점이 있었다.
한편, BLDC(Brushless Direct Current) 모터는 고정자에 3상의 코일을 감아 회전자계를 형성하고, 회전자에는 영구자석을 부착하여 고정자에서 형성된 자계와 영구자석의 자계와의 상호작용에 의해 회전력을 얻는 직류모터의 일종으로서, 운전의 편의성과 회전수 조절의 용이성 등의 직류모터의 장점을 모두 포함하면서 직류모터의 단점인 브러시를 없애 소음과 유지비를 절감할 수 있어 최근 다양한 분야에 많이 사용되고 있다.
이러한 BLDC 모터는 회전자의 위치를 검출하여 검출된 회전자의 위치에 따라 파워구동모듈에 제어신호를 인가하여 적절한 전류를 고정자의 3상 코일에 흘려 줌으로써 회전자의 자계와 고정자에 인가된 전류에 의한 자계의 상호작용에 의해 회전력을 얻는다.
이때, BLDC 모터의 회전에 있어서 회전자의 위치의 검출이 필수적인데 회전자의 위치를 검출하기 위해 자속의 변화에 따라 전위차가 달라지는 홀센서를 사용하거나 각 상에 CT(Current Transfomer)를 설치하여 회전자의 위치를 파악한다. 이러한 일 예가 대한민국 등록특허공보 0725811호 등에 개시되어 있다. 상기 문헌에 있어서 도 4에 도시된 바와 같이, BLDC 모터의 구동장치는 AC전원(10)으로부터의 교류를 정류하는 정류부(11)와 복수의 스위칭부를 포함하여 구성되는 파워모듈(16)과 파워모듈(16) 스위칭부의 온, 오프신호를 출력하는 파워모듈 구동부(12)와 파워모듈 구동부(12)에 구동제어신호를 출력하는 제어부(13)를 포함하여 구성된다. 그리고 고정자에 유기되는 역기전력을 이용하여 회전자의 위치를 파악하기 위해 기준전압과 역기전력을 비교하여 제로크로싱포인트(Zero Crossing Point)검출신호를 출력하는 복수의 비교기로 구성되는 위치검출부(14)를 포함하여 구성된다.
이때, 도면부호(15a~15c)는 고정자의 3상코일을 나타내고, 도면부호(17a~17c)[0009] 는 3상코일에 더 권취된 회전자의 위치검출을 위한 보조권선을 나타내며, 상기 문헌은 보조권선을 이용하여 역기전력을 검출하고 위치검출기를 그대로 사용하여 벡터제어 등 복잡한 알고리즘을 이용하지 않고도 간편하게 비엘디시 모터를 구동제어하는 기술을 제시하고 있다.
그러나, 상기 문헌 등에 개시된 기술은 모터의 고정자에 3상 직렬권선을 채용함으로써 높은 코일 저항값으로 인한 전류제한으로 고속, 고 토크구동을 할 수 없다는 문제점이 있었다.
또한, 제어 통전방식에 있어서 사인파, 구형파 또는 사다리꼴 방식으로 기동시와 정지시에 역기전력이 발생하기 때문에 컨트롤러의 구성 및 제어가 어렵다는 문제점이 있었다.
이를 해결하기 위해, 등록특허공보 제10-1368211호, 제10-0752548호, 공개특허공보 제10-2012-0077175호가 개시되었다. 상기 특허들은 모터와 스위칭부의 권선을 다상 독립 병렬 권선형으로 구성하여 분산전력제어가 가능하도록 하면서, 저전압-고속, 고전압-고토크 모터를 실현할 수 있도록 한 기술이다.
그러나 기술들은 모두 모터의 고정자가 모두 병렬로 결선되도록 이루어져 있음으로써 큰 출력을 얻는데 한계가 있어 경사지나 노면이 불규칙한 곳에서의 차량주행시에는 원활한 기동을 하지 못하였다.
또한, 상기 특허들은 현재 드라이버와 모터의 상태를 체크하여 고장유무를 진단하는 기능이 없다.
그리고 상기 특허등록 제10-1368211호와 특허공개 제10-2012-0077175호에는 역기전력을 없애기 위해, 스위칭부의 상,하단 구동신호의 스위칭온 시간을 각각 상이하게 출력하도록 하고 있으나, 이는 단순히 상,하단 구동신호의 스위칭온 시작시점을 동일하게 하면서 스위칭온 종료시점만을 상이하게 출력하는 것임에 따라 상단신호의 스위칭온 시작시점에서 모터코일에 남아있는 잔류전력으로 인해 여전히 역기전력이 발생하게 되는 문제가 있었다.
등록특허공보 제10-1368211호(2014.02.21, 전기자동차용 BLDC모터와 제어장치 및 그 제어방법) 공개특허공보 제10-2012-0077175호(2012.07.10, NEV용 10KW급 BLDC모터와 그를 이용한 제어시스템 및 제어방법) 등록특허공보 제10-0752548호(2007.08.21, 하이브리드 전동기의 제어 장치 및 그 제어 방법)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명은 모터와 스위칭부의 권선이 독립된 분산구조로 형성하여 분산전력제어가 가능하도록 하며, 특히 고정자의 결선을 직렬과 병렬을 혼합한 직병렬구조로 결선함으로써 권선의 동손을 줄이면서도 고출력이 나오도록 함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 드라이버와 모터의 상태를 주기적으로 체크하여 고장유무를 진단하도록 함으로써 안전하게 구동되도록 하는 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 스위칭부의 상단 구동신호를 하단 구동신호보다 스위칭온 시작시점과 종료시점을 각각 설정된 시간만큼 늦게 시작하고 빨리 종료하도록 하여 모터에서의 역기전력 발생을 방지하도록 하는 또 다른 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기자동차용 모터 제어장치의 구성은, 다른 상의 영향을 받지 않고 독립적으로 구동하도록 다상 독립형으로 권선한 모터(100)와, 상기 모터(100)의 회전자의 위치를 감지하기 위한 엔코더(200) 및 상기 엔코더에서 감지한 회전자의 위치를 센서신호로 출력하기 위한 센서부(250)와, 상기 모터(100)의 속도 지령치 신호를 발생하는 입력부(300)와, 상기 속도 지령치 신호와 센서신호를 이용하여 상기 모터(100)를 구동하는 구동신호를 출력하는 드라이브모듈(360)을 갖는 메인보드부(350)와, 상기 메인보드부(350)로부터 상기 구동신호를 입력받아 상기 모터(100)를 구동하는 구동신호를 발생하는 스위칭부(400)와, 상기 스위칭부(400)와 메인보드부(350)에 전원을 공급하는 전원부(500)와, 상기 스위칭부(400)의 전단에 설치되어 각 상으로 인가되는 전류를 감지하는 상 전류센서(450)와, 상기 상 전류센서(450)에서 감지된 전류신호를 전달받아 그 전류신호의 이상유무를 검출하고 상기 모터의 동작에 따른 모터의 이상 유무를 검출하여 상기 메인보드부(350)로 그 결과값을 전달하는 검출부(550)를 포함하고, 상기 모터(100)의 고정자 측의 결선구조는 직렬과 병렬을 혼합한 직병렬구조로 결선되고, 상기 드라이브모듈(360)은, 상기 스위칭부(400)의 상단 구동신호의 스위칭온 시작시점과 종료시점이 하단 구동신호보다 각각 설정된 시간만큼 늦게 시작하고 빨리 종료되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
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상기의 구성으로 이루어진 전기자동차용 모터 제어장치에 따르면, 모터와 스위칭부의 권선을 독립된 분산구조로 형성하면서 고정자의 결선을 직렬과 병렬을 혼합한 직병렬구조로 결선함으로써 다른 상에 영향을 미치지 않은 채로 고출력을 낼 수 있도록 하며, 드라이버와 모터의 상태를 주기적으로 체크하여 고장유무의 진단이 가능함에 따라 보다 안전하게 구동되도록 하며, 스위칭부의 상단 구동신호를 하단 구동신호보다 스위칭온 시작시점과 종료시점을 각각 설정된 시간만큼 늦게 시작하고 빨리 종료하도록 함으로써 코일에 남아있는 잔류전력을 해소에서 모터에서의 역기전력 발생을 억제 또는 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 전기자동차의 동력을 발생시키기 위한 개략적인 모터 제어장치의 전기 결선도,
도 2는 종래의 Y형으로 결선된 3상 유도모터의 속도-토크 특성 곡선을 나타낸 도면,
도 3은 종래의 DC 링크 콘덴서가 채용된 상태를 나타내 보인 회로도,
도 4는 종래의 BLDC 모터 구동장치의 개략도,
도 5는 본 발명에 따른 전기자동차용 모터 제어장치의 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 전기자동차용 모터 제어장치에서 스위칭부와 모터의 결선상태를 보인 회로도,
도 7은 본 발명에 따른 상 전류센서의 설치상태를 보인 개략적인 회로도,
도 8은 본 발명에 따른 스위칭부의 상단 구동신호와 하단 구동신호의 스위칭 신호를 나타낸 타임차트,
도 9는 본 발명에 따른 전기자동차용 모터 제어방법의 순서도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기자동차용 모터 제어장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 모터 제어장치는 다른 상의 영향을 받지 않고 독립적으로 구동하도록 다상 독립형으로 권선한 모터(100)와, 상기 모터(100)의 회전자의 위치를 감지하기 위한 엔코더(200) 및 상기 엔코더에서 감지한 회전자의 위치를 센서신호로 출력하기 위한 센서부(250)와, 상기 모터(100)의 속도 지령치 신호를 발생하는 입력부(300)와, 상기 속도 지령치 신호와 센서신호를 이용하여 상기 모터(100)를 구동하는 구동신호를 출력하는 드라이브모듈(360)을 갖는 메인보드부(350)와, 상기 메인보드부(350)로부터 상기 구동신호를 입력받아 상기 모터(100)를 구동하는 구동신호를 발생하는 스위칭부(400)와, 상기 스위칭부(400)와 메인보드부(350)에 전원을 공급하는 전원부(500)를 포함하여 구성되고, 상기 모터(100)의 고정자 측의 결선구조가 직렬과 병렬을 혼합한 직병렬구조로 결선된 것을 특징으로 한다.
상기 모터(100)는 고정자를 전기자로 회전자를 영구자석으로 구성한 IPM(Interior Permanant Magnet Motor) 모터로 구성되는 다상 독립형 구조로 된 모터로서, 분산전력제어가 가능하며, 1상 이상만 구동되면 나머지 상이 고장나더라도 비상운전이 가능하여 안정성이 탁월한 모터이다.
상기 전원부(500)는 상기 모터를 구동시키기 위한 모터구동전원을 공급하고, 상기 메인보드부(350)에는 로직전원을 컨버터를 통하여 공급하게 된다. 즉 상기 메인보드부에 공급되는 전원은 DC/DC 컨버터로 직류전원을 입력받아 DC +15V와 DC +12V 및 DC +5V로 변환하여 메인보드부로 입력되는 것이다.
여기서, 상기 DC +15V는 스위칭소자 및 센서 전원으로 사용되고, 상기 DC +12V는 후술되는 검출부(550) 등의 전원으로 사용되며, DC +5V는 드라이버모듈 및 MCU 전원으로 사용될 수 있다.
본 발명에서 상기 센서부(250), 입력부(300), 메인보드부(350), 스위칭부(400) 및 전원부(500)의 구성은 공지의 특허등록 제1368211호, 공개특허공보 제10-2012-0077175호에 개시된 대응구성들과 유사하다.
도 6은 스위칭부와 모터의 결선상태를 보인 도면으로서, n상(n=2,3,4…)이 가능한 모터 중 1상 모터구동 H형 브릿지 회로도이며, 6상일 경우 6개의 H형 브릿지 드라이브가 구성된다.
여기에서, 이러한 스위칭부(400)는 저항이 적은 트랜지스터, GTO 또는 IGBT 중 어느 하나 이상으로 구성되는 것이 바람직하며, 메인보드부(350)의 구동신호(G1, G2, G3, G4)에 의하여 입력된 스위칭신호에 따라 모터(100)를 구동하게 된다.
이때, 본 발명에서는 모터(100)의 고정자 측 결선구조가 직병렬구조로 결선되어 있는 것이다.
상기와 같이 직병렬구조로 모터가 결선됨으로써, 권선의 동손을 줄이면서도 고출력이 나오도록 할 수 있는 것이다. 이에 따라 노면이 불규칙한 곳에서의 차량주행시에도 원활하게 주행할 수 있음은 물론, 정차 후 출발하더라도 종래의 모터에 비해 원활한 주행성능을 발휘할 수 있는 것이다.
한편, 본 발명의 모터 제어시스템에는 상기 스위칭부(400)의 전단에 위치되게 설치되어 각 상으로 인가되는 전류를 감지하도록 상 전류센서(450)가 구비되고, 상기 상 전류센서(450)에서 감지된 전류신호를 전달받아 그 전류신호의 이상유무를 검출함은 물론 상기 모터의 동작에 따른 모터의 이상 유무를 검출하여 상기 메인보드부(350)로 그 결과값을 전달하는 검출부(550)를 더 포함하여 구성된다.
상기 상 전류센서(450)는 상 전류를 감지하여 현재의 드라이버와 모터의 상태를 체크할 수 있도록 함으로써 고장 진단을 하며 구동할 수 있도록 한 것이며, 상기 검출부(550)는 모터의 동작시 과전류, 과전압, 저잔압, 온도 등을 체크하여 상기 메인보드부(350)에 그 결과값을 전달함으로써 안전하게 구동할 수 있도록 하여 시스템의 신뢰성을 높여주는 구성이다.
여기서, 상기 드라이브모듈(360)은 상기 스위칭부(400)의 상단 구동신호와 하단 구동신호를 각각 스위칭온 시간이 서로 상이하게 출력하는 것이 바람직하다. 이때 상기 스위칭부(400)의 상단 구동신호의 스위칭온 시작시점 및 종료시점을 하단 구동신호의 스위칭온 시작시점 및 종료시점보다 각각 설정된 시간만큼 늦게 시작되게 하고 빨리 종료되도록 출력한다.
이렇게 하는 이유는, 모터의 기동시와 정지시에 사인파, 구형파 또는 사다리꼴 형태로 역기전력이 발생하게 됨에 따라 이러한 사인파나 구형파 또는 사다리꼴 형태의 입측과 출측신호와 겹치지 않도록 하여 잔류전력을 제거할 수 있도록 한 것이며, 이에 따라 모터코일에 남아있는 잔류전력에 의한 역기전력 발생을 없앨 수 있는 것이다.
구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 스위칭부의 상단 구동신호 G1, G3라 하고, 하단 구동신호를 G2, G4라 하였을 때, G1과 G4가 스위칭되고 G2와 G3가 스위칭된다. 이때 상단 구동신호 G2는 하단 구동신호 G4보다 스위칭온 시작시점을 늦게 하고 스위칭온 종료시점을 빠르게 하여 모터코일에 남아있는 잔류전력을 빼주도록 함으로써 히스테리시스(Hysteresis) 현상을 제거할 수 있는 것이고, 이로써 종래의 모터에서 발생되는 역기전력을 없앨 수 있는 것이며, 이로써 열손실을 줄일 수 있고 효율을 높일 수 있는 것이다.
한편, 본 발명의 모터 권선시에는 집중권과 분포권을 함께 사용하는 것으로, 이에 따라 토크가 높은 저속운전영역에서는 집중권의 장점을 이용할 수 있고, 자속밀도변화가 큰 영역에서는 분포권의 장점을 이용할 수 있게 된다.
도 9는 본 발명에 따른 전기자동차용 모터 제어방법의 순서도로서, 전원을 ON하여 전원부에서 모터구동 전원을 스위칭부에 인가하고, 로직전원을 메인보드부에 인가하게 되고(S10), 입력부는 모터의 속도 지령치 신호를 입력하여 메인보드부에 인가한다(S20). 상기 메인보드부는 입력받은 상기 속도 지령치 신호를 디지털 신호로 변환하여 센서부의 센서신호와 동기화시키고, 메인보드부의 MCU에서 동기화된 신호를 연산하여 모터의 상단 구동신호와 하단 구동신호를 드라이브모듈로 출력한다(S30).
출력된 신호를 상기 드라이브모듈에서 드라이빙하여 스위칭부를 구동하기 위한 신호로 출력하고(S40), 상기 스위칭부는 출력된 신호를 수신하여 모터를 구동하기 위한 구동신호를 인가하여 모터를 구동시킨다(S50).
모터가 동작되면 전압, 전류 등을 검출부에서 체크하여 메인보드부에 전달하게 되고, 메인보드부에서는 전달받은 값을 토대로 모터의 이상유무를 판단하여 모터에 이상이 발생한 것으로 판단되면 상기 S20단계로 이동되어 상기와 같은 단계를 거치고(S60), 모터에 이상이 발생하지 않은 것으로 판단되면 모터에 부착된 센서부에서 모터의 회전자 위치를 감지한 센서신호를 출력하게 되며(S70), 모터의 속도 지령치가 0인가를 판단하여 0이면 모터를 정지시키고(S80), 속도 지령치가 0이 아니면 상기 S20단계로 이동되어 모터 회전이 계속된다.
100: 모터 200: 엔코더
250: 센서부 300: 입력부
350: 메인보드부 360: 드라이브모듈
400: 스위칭부 450: 상 전류센서
500: 전원부 550: 검출부

Claims (4)

  1. 다른 상의 영향을 받지 않고 독립적으로 구동하도록 다상 독립형으로 권선한 모터(100)와, 상기 모터(100)의 회전자의 위치를 감지하기 위한 엔코더(200) 및 상기 엔코더에서 감지한 회전자의 위치를 센서신호로 출력하기 위한 센서부(250)와, 상기 모터(100)의 속도 지령치 신호를 발생하는 입력부(300)와, 상기 속도 지령치 신호와 센서신호를 이용하여 상기 모터(100)를 구동하는 구동신호를 출력하는 드라이브모듈(360)을 갖는 메인보드부(350)와, 상기 메인보드부(350)로부터 상기 구동신호를 입력받아 상기 모터(100)를 구동하는 구동신호를 발생하는 스위칭부(400)와, 상기 스위칭부(400)와 메인보드부(350)에 전원을 공급하는 전원부(500)와, 상기 스위칭부(400)의 전단에 설치되어 각 상으로 인가되는 전류를 감지하는 상 전류센서(450)와, 상기 상 전류센서(450)에서 감지된 전류신호를 전달받아 그 전류신호의 이상유무를 검출하고 상기 모터의 동작에 따른 모터의 이상 유무를 검출하여 상기 메인보드부(350)로 그 결과값을 전달하는 검출부(550)를 포함하고,
    상기 모터(100)의 고정자 측의 결선구조는 직렬과 병렬을 혼합한 직병렬구조로 결선되고,
    상기 드라이브모듈(360)은, 상기 스위칭부(400)의 상단 구동신호의 스위칭온 시작시점과 종료시점이 하단 구동신호보다 각각 설정된 시간만큼 늦게 시작하고 빨리 종료되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 모터 제어장치.
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