KR101855774B1 - 하이브리드 차량의 진동 제어 장치 및 방법 - Google Patents

하이브리드 차량의 진동 제어 장치 및 방법 Download PDF

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hybrid vehicle
torque
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김성재
어정수
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현대자동차 주식회사
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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 진동 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 진동 제어 장치는, 엔진의 위치를 검출하는 엔진 위치 검출부; 상기 엔진으로 유입되는 공기량을 검출하는 공기량 검출부; 가속 페달의 위치값을 검출하는 가속 페달 위치 검출부; 하이브리드 차량의 속도를 검출하는 차속 검출부; 및 상기 엔진의 위치, 공기량, 가속 페달의 위치값, 및 하이브리드 차량의 속도를 기초로 모터의 작동을 제어하도록 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 제어기;를 포함할 수 있다.

Description

하이브리드 차량의 진동 제어 장치 및 방법{METHOD AND APPRATUS FOR CONTROLLING VIBRATION FOR HYBRID ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 차량의 진동 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이 하이브리드 차량(hybrid electric vehicle)은 내연기관(internal combustion engine)과 배터리 전원을 함께 사용한다. 즉, 하이브리드 차량은 내연기관의 동력과 모터의 동력을 효율적으로 조합하여 사용한다. 상기 하이브리드 차량은 엔진의 기계적 에너지와 배터리의 전기 에너지를 함께 이용하고, 엔진과 모터의 최적 작동영역을 이용함은 물론 제동시에는 에너지를 회수하므로 연비 향상 및 효율적인 에너지 이용이 가능하다.
상기 하이브리드 차량은 엔진 클러치를 접합하거나 해제하여, 모터의 토크만을 이용하는 EV 모드(electric vehicle mode); 엔진의 토크를 주토크로 하면서 모터의 토크를 보조 토크로 이용하는 HEV 모드(hybrid electric vehicle mode); 하이브리드 차량의 제동 혹은 관성에 의한 주행시 제동 및 관성 에너지를 상기 모터의 발전을 통해 회수하여 배터리를 충전하는 회생제동 모드(regenerative braking mode); 등의 주행모드의 운행을 제공한다.
하이브리드 차량의 동력계에서 유발되는 진동은 여러가지 요인이 있으며 대부분 주파수 분석 방법을 이용하여 진동 성분을 추출한다. 종래의 주파수 분석에는 대역통과필터를 이용한 아날로그 방법이 사용되어 왔으며, 이는 주파수 대역에서의 각 포인트의 진폭을 기초로 진동 성분을 추출하였다. 그러나, 엔진 고유의 진동 성분과 노이즈 성분의 구분이 명확하지 않고, 필요이상의 과도한 진동 억제 제어로 인하여 제어 효율성 및 에너지 관리 측면에서 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 또한, 특정 주파수 성분에 대해서만 기준 신호를 생성하고, 상기 기준 신호를 기초로 상기 특정 주파수 성분에 대응하는 진동 신호와 동기화된 동기 신호만을 생성할 수 있어, 추가로 유발될 수 있는 타 주파수 성분에 대한 능동적인 진동 제어를 할 수 없다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 이산 월시 푸리에 변환(WDFT; Walsh-based Discrete Fourier Transform)을 이용하여 제어기의 연산 부하를 절감하고 제어 대상 주파수를 선정함으로써 효율적인 진동 제어를 할 수 있는 하이브리드 차량의 진동 제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 차량의 진동 제어 방법은, 엔진의 위치를 기초로 엔진 속도를 계산하는 단계; 상기 엔진의 위치를 기초로 기준각을 설정하는 단계; 상기 기준각을 기초로 이산 월시 푸리에 변환(WDFT; Walsh-based Discrete Fourier Transform)을 수행하기 위한 윈도우를 설정하는 단계; 상기 엔진 속도, 기준각, 및 윈도우를 기초로 상기 이산 월시 푸리에 변환을 수행하여 진폭 스펙트럼 및 위상 스펙트럼을 계산하는 단계; 상기 진폭 스펙트럼을 기초로 제어 대상 주파수를 선정하는 단계; 상기 제어 대상 주파수에 스케일 팩터를 적용하여 제어 대상 주파수의 진폭을 보상하는 단계; 상기 제어 대상 주파수의 진폭 및 위상을 기초로 역 이산 월시 푸리에 변환(IWDFT; Inverse Walsh-based discrete Fourier Transform)을 수행하여 기준 신호를 생성하는 단계; 상기 엔진 속도 및 엔진 부하를 기초로 상기 기준 신호의 진폭비를 결정하는 단계; 상기 기준 신호에 상기 진폭비 및 엔진 토크를 반영하여 지령토크를 계산하는 단계; 상기 지령토크의 역위상 토크를 계산하는 단계; 상기 엔진 부하를 기초로 상기 역위상 토크를 보정하는 단계; 및 상기 보정된 역위상 토크를 발생시키도록 모터의 작동을 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 역위상 토크를 보정하는 단계는, 엔진 부하가 설정된 부하 보다 크면, 상기 역위상 토크에 설정된 옵셋을 적용하여 역위상 토크를 감소시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제어 대상 주파수를 선정하는 단계는, 상기 엔진 속도 및 엔진 부하를 기초로 기준 스펙트럼을 설정하는 단계; 및 상기 기준 스펙트럼과 상기 진폭 스펙트럼을 비교하여 제어 대상 주파수를 선정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 기준 스펙트럼은 주파수별 기준값들의 집합이고, 특정 주파수에 대응하는 기준값 보다 상기 특정 주파수에 대응하는 진폭이 큰 경우 상기 특정 주파수가 상기 제어 대상 주파수로 선정될 수 있다.
상기 진동 제어 방법은, 상기 제어 대상 주파수의 위상에 보상 위상을 적용하여 상기 제어 대상 주파수의 위상을 보상하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 윈도우는 상기 엔진의 기통수 및 행정수에 따라 결정될 수 있다.
상기 엔진 부하는 엔진으로 유입되는 공기량을 기초로 계산될 수 있다.
상기 엔진 토크는 가속 페달의 위치값 및 하이브리드 차량의 속도를 기초로 계산될 수 있다.
상기 엔진은 2기통 4행정 엔진일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 차량의 진동 제어 방법은, 모터의 위치를 기초로 모터 속도를 계산하는 단계; 상기 모터의 위치를 기초로 기준각을 설정하는 단계; 상기 기준각을 기초로 이산 월시 푸리에 변환(WDFT; Walsh-based Discrete Fourier Transform)을 수행하기 위한 윈도우를 설정하는 단계; 상기 모터 속도, 기준각, 및 윈도우를 기초로 상기 이산 월시 푸리에 변환을 수행하여 진폭 스펙트럼 및 위상 스펙트럼을 계산하는 단계; 상기 진폭 스펙트럼을 기초로 제어 대상 주파수를 선정하는 단계; 상기 제어 대상 주파수에 스케일 팩터를 적용하여 제어 대상 주파수의 진폭을 보상하는 단계; 상기 제어 대상 주파수의 진폭 및 위상을 기초로 역 이산 월시 푸리에 변환(IWDFT; Inverse Walsh-based discrete Fourier Transform)을 수행하여 기준 신호를 생성하는 단계; 상기 엔진 속도 및 엔진 부하를 기초로 상기 기준 신호의 진폭비를 결정하는 단계; 상기 기준 신호에 상기 진폭비 및 엔진 토크를 반영하여 지령토크를 계산하는 단계; 상기 지령토크의 역위상 토크를 계산하는 단계; 상기 엔진 부하를 기초로 상기 역위상 토크를 보정하는 단계; 및 상기 보정된 역위상 토크를 발생시키도록 모터의 작동을 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 역위상 토크를 보정하는 단계는, 엔진 부하가 설정된 부하 보다 크면, 상기 역위상 토크에 설정된 옵셋을 적용하여 역위상 토크를 감소시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제어 대상 주파수를 선정하는 단계는, 상기 엔진 속도 및 엔진 부하를 기초로 기준 스펙트럼을 설정하는 단계; 및 상기 기준 스펙트럼과 상기 진폭 스펙트럼을 비교하여 제어 대상 주파수를 선정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 기준 스펙트럼은 주파수별 기준값들의 집합이고, 특정 주파수에 대응하는 기준값 보다 상기 특정 주파수에 대응하는 진폭이 큰 경우 상기 특정 주파수가 상기 제어 대상 주파수로 선정될 수 있다.
상기 진동 제어 방법은, 상기 제어 대상 주파수의 위상에 보상 위상을 적용하여 상기 제어 대상 주파수의 위상을 보상하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 윈도우는 상기 엔진의 기통수 및 행정수에 따라 결정될 수 있다.
상기 엔진 부하는 엔진으로 유입되는 공기량을 기초로 계산될 수 있다.
상기 엔진 토크는 가속 페달의 위치값 및 하이브리드 차량의 속도를 기초로 계산될 수 있다.
상기 엔진은 2기통 4행정 엔진일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 차량의 진동 제어 장치는, 엔진의 위치를 검출하는 엔진 위치 검출부; 상기 엔진으로 유입되는 공기량을 검출하는 공기량 검출부; 가속 페달의 위치값을 검출하는 가속 페달 위치 검출부; 하이브리드 차량의 속도를 검출하는 차속 검출부; 및 상기 엔진의 위치, 공기량, 가속 페달의 위치값, 및 하이브리드 차량의 속도를 기초로 모터의 작동을 제어하도록 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 제어기;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 차량의 진동 제어 장치는, 엔진의 위치를 검출하는 엔진 위치 검출부; 모터의 위치를 검출하는 모터 위치 검출부; 상기 엔진으로 유입되는 공기량을 검출하는 공기량 검출부; 가속 페달의 위치값을 검출하는 가속 페달 위치 검출부; 하이브리드 차량의 속도를 검출하는 차속 검출부; 및 상기 엔진의 위치, 모터의 위치 공기량, 가속 페달의 위치값, 및 하이브리드 차량의 속도를 기초로 모터의 작동을 제어하도록 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 제어기;를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 이산 월시 푸리에 변환(WDFT; Walsh-based Discrete Fourier Transform)을 이용하여 제어기의 연산 부하를 절감할 수 있다. 또한, 제어 대상 주파수를 선정함으로써 효율적인 진동 제어를 할 수 있다. 더 나아가, 엔진 고부하시 역위상 토크에 설정된 옵셋을 적용하여 역위상 토크를 감소시킴으로써 하이브리드 차량의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 차량을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 차량의 진동 제어 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 차량의 진동 제어 방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 기준각 및 윈도우를 설정하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 월시 함수를 도시한 그래프이다.
도 6은 이산 푸리에 변환을 수행한 경우의 진폭 스펙트럼 및 위상 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 이산 월시 푸리에 변환을 수행한 경우의 진폭 스펙트럼 및 위상 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 이산 월시 푸리에 변환과 이산 푸리에 변환의 수행 결과를 비교한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 기준 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 역위상 토크를 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 제어 대상 주파수의 진폭이 저감된 상태를 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 차량의 진동 제어 방법의 흐름도이다.
이하에서는 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 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성은 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 차량을 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 다른 하이브리드 차량은 엔진(10), 모터(20), 엔진 클러치(30), 변속기(40), 배터리(50), HSG(hybrid starter & generator)(60), 차동기어장치(70), 휠(80), 및 제어기(100)를 포함한다.
엔진(10)은 연료를 연소하여 동력을 생성하는 것으로, 가솔린 엔진, 디젤 엔진 등 다양한 엔진이 사용될 수 있다. 상기 엔진(10)은 2기통 4행정 엔진일 수 있다. 2기통 엔진은 엔진(10)의 크기를 줄여 연비 향상이 가능하나, 진동이 과다한 문제가 있어 후술하는 본 발명의 실시예에 따른 진동 제어 방법이 수행될 수 있다.
모터(20)는 변속기(40)와 배터리(50) 사이에 배치되고, 배터리(50)의 전기를 이용하여 동력을 생성한다.
엔진 클러치(30)는 엔진(10)과 모터(20) 사이에 배치되고, 엔진(10)과 모터(20)를 선택적으로 연결한다.
상기 하이브리드 차량은 엔진 클러치(30)를 접합하거나 해제하여, 모터(20)의 토크만을 이용하는 EV 모드(electric vehicle mode); 엔진(10)의 토크를 주토크로 하면서 모터(20)의 토크를 보조 토크로 이용하는 HEV 모드(hybrid electric vehicle mode); 하이브리드 차량의 제동 혹은 관성에 의한 주행시 제동 및 관성 에너지를 상기 모터(20)의 발전을 통해 회수하여 배터리(50)를 충전하는 회생제동 모드(regenerative braking mode); 등의 주행모드의 운행을 제공한다.
하이브리드 차량의 동력 전달은 엔진(10)과 모터(20)에서 발생된 동력이 변속기(40)의 입력축에 선택적으로 전달되고, 변속기(40)의 출력축으로부터 출력된 동력이 차동기어장치(70)를 경유하여 차축에 전달된다. 차축이 휠(80)을 회전시킴으로써 엔진(10) 및/또는 모터(20)에서 발생된 동력에 의해 하이브리드 차량이 주행하게 된다.
배터리(50)는 EV 모드(electric vehicle mode) 및 HEV 모드(hybrid electric vehicle mode)에서 모터(20)에 전기를 공급하고, 회생제동 모드에서 모터(20)를 통해 회수되는 전기를 통해 충전될 수 있다.
HSG(60)는 상기 엔진(10)을 기동하거나 엔진(10)의 출력에 의해 발전할 수 있다.
제어기(100)는 엔진(10), 모터(20), 엔진 클러치(30), 변속기(40), 배터리(50), 및 HSG(60)의 작동을 제어한다. 제어기(100)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 후술하는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 진동 제어 방법에 포함된 각 단계를 수행하기 위한 일련의 명령을 포함하는 것으로 할 수 있다.
여기에서 설명한 하이브리드 차량은 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 하이브리드 차량의 한 예를 설명한 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 도 1에 도시된 하이브리드 차량뿐만 아니라 다양한 하이브리드 차량에 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 차량의 진동 제어 장치를 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량의 진동 제어 장치는 데이터 검출부(90), 제어기(100), 및 모터(20)를 포함할 수 있다.
데이터 검출부(90)는 엔진 위치 검출부(91), 모터 위치 검출부(92), 공기량 검출부(93), 가속 페달 위치 검출부(94), 및 차속 검출부(95)를 포함할 수 있다. 상기 데이터 검출부(90)는 하이브리드 차량을 제어하기 위한 검출부들(예를 들어, 브레이크 페달 위치 검출부 등)을 더 포함할 수 있다.
엔진 위치 검출부(91)는 엔진(10)의 위치를 검출하고, 이에 대한 신호를 제어기(100)에 전달한다. 상기 엔진 위치 검출부(91)는 크랭크 샤프트의 회전 각도를 검출하는 크랭크 샤프트 위치 센서(crankshaft position sensor)일 수 있다. 제어기(100)는 상기 엔진(10)의 위치를 기초로 엔진 속도(engine speed)를 계산할 수 있다.
모터 위치 검출부(92)는 모터(20)의 위치를 검출하고, 이에 대한 신호를 제어기(100)에 전달한다. 상기 모터 위치 검출부(92)는 모터(20)의 회전자의 회전 각도를 검출하는 레졸버(resolver)일 수 있다. 제어기(100)는 상기 모터(20)의 위치를 기초로 모터 속도(motor speed)를 계산할 수 있다.
공기량 검출부(93)는 엔진(10)으로 유입되는 공기량을 검출하고, 이에 대한 신호를 제어기(100)에 전달한다. 제어기(100)는 상기 공기량을 기초로 엔진 부하(engine load)를 계산할 수 있다.
가속 페달 위치 검출부(94)는 가속 페달의 위치값(가속 페달이 눌린 정도)을 검출하고, 이에 대한 신호를 제어기(100)에 전달한다. 가속 페달이 완전히 눌린 경우에는 가속 페달의 위치값이 100 %이고, 가속 페달이 눌리지 않은 경우에는 가속 페달의 위치값이 0 %이다.
차속 검출부(95)는 하이브리드 차량의 속도를 검출하고, 이에 대한 신호를 제어기(100)에 전달한다. 제어기(100)는 상기 가속 페달의 위치값 및 하이브리드 차량의 속도를 기초로 엔진 토크(engine torque)를 계산할 수 있다.
제어기(100)는 상기 데이터 검출부(90)에 의해 검출된 데이터를 기초로 모터(20)의 작동을 제어함으로써 엔진(10)의 진동을 제어할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 11을 참고로, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 차량의 진동 제어 방법을 자세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 차량의 진동 제어 방법의 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 기준각 및 윈도우를 설정하는 방법을 설명하기 위한 그래프이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 월시 함수를 도시한 그래프이고, 도 6은 이산 푸리에 변환을 수행한 경우의 진폭 스펙트럼 및 위상 스펙트럼을 도시한 그래프이며, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 이산 월시 푸리에 변환을 수행한 경우의 진폭 스펙트럼 및 위상 스펙트럼을 도시한 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 이산 월시 푸리에 변환과 이산 푸리에 변환의 수행 결과를 비교한 그래프이며, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 기준 스펙트럼을 도시한 그래프이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 역위상 토크를 도시한 그래프이며, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 제어 대상 주파수의 진폭이 저감된 상태를 도시한 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제어기(100)는 엔진(10)의 위치를 기초로 엔진 속도를 계산한다(S101). 제어기(100)는 상기 엔진 위치 검출부(91)에 의해 검출된 엔진(10)의 위치를 수신하고, 상기 엔진(10)의 위치를 미분함으로써 엔진 속도를 계산할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 엔진(10)이 2기통 4행정 엔진인 경우 엔진(10)이 2회전하는 동안 전체 실린더에서 한 번씩 폭발이 발생한다.
제어기(100)는 상기 엔진(10)의 위치를 기초로 기준각(reference angle)을 설정한다(S102). 상기 기준각은 후술하는 이산 월시 푸리에 변환(WDFT; Walsh-based Discrete Fourier Transform)을 수행하기 위한 시작 시점을 의미한다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 제어기(100)는 1번 실린더(10a)의 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이의 각도를 상기 기준각으로 설정할 수 있다. 이와 달리, 2번 실린더(10b)의 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이의 각도를 상기 기준각으로 설정할 수도 있다.
제어기(100)는 상기 기준각을 기초로 상기 이산 월시 푸리에 변환을 수행하기 위한 윈도우(window)를 설정한다(S103). 상기 윈도우는 엔진(10)의 제원(기통수 및 행정수)에 따라 결정될 수 있다. 엔진(10)이 2기통 4행정 엔진인 경우 엔진(10)이 2회전하는 동안 전체 실린더에서 한 번씩 폭발이 발생하므로, 상기 윈도우는 720 도로 설정될 수 있다. 주파수 측면에서 보면, 상기 윈도우 내에서 두 번의 피크(peak)가 있으므로, 엔진(10)이 2회전하는 동안 두 번의 폭발은 주파수 2 Hz로 나타낼 수 있다. 즉, 상기 주파수 2 Hz에 대응하는 1차 진동 성분(당 업계에서는 "C1"이라 한다)이 엔진(10)의 폭발에 의해 발생하는 진동의 주요 성분이 될 수 있다. 상기 1차 진동 성분의 하모닉 성분(C0.5, C1.5, C2, C2.5, C3, 및 C3.5) 또한 진동의 원인이 될 수 있다. 본 명세서에서는 하모닉 성분(C0.5, C1.5, C2, C2.5, C3, 및 C3.5)이 고려된 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 엔진(10)의 진동을 제어하기 위하여 다른 하모닉 성분(C4, C4.5, 및 C5 등)이 더 고려될 수 있다.
제어기(100)는 상기 엔진 속도, 상기 기준각, 및 상기 윈도우를 기초로 상기 이산 월시 푸리에 변환을 수행하여 진폭 스펙트럼(amplitude spectrum)(M(C0.5) 내지 M(C3.5)) 및 위상 스펙트럼(phase spectrum)(θ(C0.5) 내지 θ(C3.5))을 계산한다(S104).
이하, 이산 월시 푸리에 변환을 이산 푸리에 변환(DFT; Discrete Fourier Transform)과 비교하여 설명한다.
주파수 스펙트럼 계산시 이산 푸리에 변환(DFT; Discrete Fourier Transform)이 사용될 수 있다.
N개의 이산신호 x[n] (n=1, 2, …, 및 N)가 주어질 때 x[n]의 이산 푸리에 변환은 수학식 1과 같이 정의된다.
[수학식 1]
Figure 112016122127590-pat00001
여기서,
Figure 112016122127590-pat00002
이고, k는 주파수이다(k=1, 2, …, 및 N).
또한, 상기 수학식 1은 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112016122127590-pat00003
여기서,
Figure 112016122127590-pat00004
이고,
Figure 112016122127590-pat00005
이라고 정의한다.
상기 이산 푸리에 변환을 이용하여 분석 대상 신호 x[n]에 대하여 특정 주파수(k)에 대한 주파수 스펙트럼 분석을 수행하면 특정 주파수(k)의 크기는 수학식 3과 같이 계산된다.
[수학식 3]
Figure 112016122127590-pat00006
또한, 특정 주파수(k)의 위상은 수학식 4와 같이 계산된다.
[수학식 4]
Figure 112016122127590-pat00007
주파수 스펙트럼 분석시 상기 이산 푸리에 변환을 이용하는 경우, 삼각함수를 제어기(100)에서 처리하려면 연산 부하가 커지고, 특히 연속적인 신호를 실시간으로 고속 처리하기 위해서는 많은 자원이 소모된다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 차량의 진동 제어 장치는 제어기(100) 연산 부하를 절감할 수 있도록 이산 월시 푸리에 변환을 이용하여 주파수 스펙트럼을 분석을 할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 월시 함수(Walsh function)는 단위 시간당 영점교차(zero crossing) 수의 증가 순서대로 배열된다. 월시 함수는 m = 2n (n = 1, 2, 3, …) 개의 함수로 하나의 집합을 이룬다. 도 5에는 m = 8 인 경우의 월쉬 함수를 나타내고 있다. 월시 함수는 푸리에 함수처럼 정현대칭과 여현대칭의 특성을 갖는 두 개의 함수로 구성되어 있으며, 정현대칭의 월쉬 함수의 집합을 SAL 함수라 하고 여현 대칭의 월쉬 함수의 집합을 CAL 함수라 한다. 즉, 상기 수학식 2의 정현파 성분을 SAL 함수로 대체하고, 여현파 성분을 CAL 함수로 대체할 수 있다. x[n]의 이산 월시 푸리에 변환은 수학식 5와 같이 정의된다
[수학식 5]
Figure 112016122127590-pat00008
상기 월시 함수는 1 또는 -1의 값만을 가지므로, 단순한 덧셈 연산 및 뺄셈 연산으로 주파수 스펙트럼 분석을 수행할 수 있다.
예를 들어, 주파수 1 Hz 성분에 대한 이산 월시 푸리에 변환은 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112016122127590-pat00009
여기서,
Figure 112016122127590-pat00010
이고,
Figure 112016122127590-pat00011
이다.
즉, 이산 월시 푸리에 변환을 이용하여 분석 대상 신호 x[n]에 대하여 특정 주파수(k)에 대한 주파수 스펙트럼 분석을 수행하면 특정 주파수(k)의 크기는 수학식 7과 같이 계산된다.
[수학식 7]
Figure 112016122127590-pat00012
또한, 특정 주파수(k)의 위상은 수학식 8과 같이 계산된다.
[수학식 8]
Figure 112016122127590-pat00013
도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 이산 푸리에 변환을 수행하여 계산된 진폭 스펙트럼 및 위상 스펙트럼과 이산 월시 푸리에 변환을 수행하여 계산된 진폭 스펙트럼 및 위상 스펙트럼이 서로 거의 유사함을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 진동 제어 방법은 상기 이산 푸리에 변환 대신에 이산 월시 푸리에 변환을 수행하여 진폭 스펙트럼 및 위상 스펙트럼을 계산한다. 상기 이산 푸리에 변환을 수행하여 진폭 스펙트럼 및 위상 스펙트럼을 계산하기 위해서는 제어기(100)의 연산 부하가 커지지만, 상기 이산 월시 푸리에 변환을 수행하는 경우 진폭 스펙트럼 및 위상 스펙트럼을 빠르게 계산할 수 있다.
제어기(100)는 상기 엔진 속도 및 엔진 부하를 기초로 기준 스펙트럼(reference spectrum)(Ref(C0.5) 내지 Ref(C3.5))을 설정한다(S105). 제어기(100)는 상기 엔진 위치 검출부(91)의 신호를 기초로 엔진 속도를 계산할 수 있고, 상기 공기량 검출부(93)의 신호를 기초로 엔진 부하를 계산할 수 있다. 상기 기준 스펙트럼은 특정 주파수를 제어 대상 주파수(control target frequency)로 선정할지 여부를 판단하기 위한 주파수별 기준값들(Ref(C0.5) 내지 Ref(C3.5))의 집합이다. 예를 들어, 제어기(100)는 상기 엔진 속도 및 엔진 부하에 따른 기준 스펙트럼이 설정되어 있는 맵 테이블을 이용하여 상기 기준 스펙트럼을 설정할 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 1차 진동 성분에 대응하는 기준값(Ref(C1))과 2차 진동 성분에 대응하는 기준값(Ref(C2))이 서로 다르게 설정될 수 있다.
제어기(100)는 상기 기준 스펙트럼과 상기 진폭 스펙트럼을 비교하여 제어 대상 주파수를 선정한다(S106). 특정 주파수에 대응하는 기준값(Ref) 보다 특정 주파수에 대응하는 진폭(M)가 큰 경우, 상기 특정 주파수가 제어 대상 주파수로 선정될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, C1에 대응하는 기준값(Ref(C1)) 보다 상기 C1에 대응하는 진폭(M(C1))이 큰 경우, C1이 제어 대상 주파수로 선정된다. C2에 대응하는 기준값(Ref(C2)) 보다 상기 C2에 대응하는 진폭(M(C1)) 이하인 경우, 상기 C2는 제어 대상 주파수로 선정되지 않는다. C3에 대응하는 기준값(Ref(C3)) 보다 상기 C3에 대응하는 진폭(M(C3))이 큰 경우, 상기 C3는 제어 대상 주파수로 선정된다.
제어기(100)는 상기 제어 대상 주파수의 진폭 및 위상을 보상할 수 있다(S107). 상술한 바와 같이, 이산 월시 푸리에 변환과 이산 푸리에 변환의 수행 결과가 서로 유사하지만 동일하지는 않으므로, 제어기(100)는 제어 대상 주파수의 진폭에 스케일 팩터(scale factor)(F(C0.5) 내지 F(C3.5))을 적용하여 상기 제어 대상 주파수의 진폭을 보상할 수 있다. 또한, 제어기(100)는 제어 대상 주파수의 위상에 보상 위상(P(C0.5) 내지 P(C3.5))를 적용하여 상기 제어 대상 주파수의 위상을 보상할 수 있다. 상기 스케일 팩터(scale factor)(F(C0.5) 내지 F(C3.5)) 및 보상 위상(P(C0.5) 내지 P(C3.5))은 이산 월시 푸리에 변환과 이산 푸리에 변환의 수행 결과를 고려하여 당업자가 바람직하다고 판단되는 값으로 미리 설정할 수 있다. 상기 S106 단계에서 상기 2 Hz 및 6 Hz가 제어 대상 주파수로 선정되었으므로, 2 Hz의 보상된 진폭은 (F(C1)×M(C1))이 되고, 보상된 위상은 (θ(C1)+P(C1))이 된다. 또한, 6 Hz의 보상된 진폭은 (F(C3)×M(C3))이 되고, 보상된 위상은 (θ(C3)+P(C3))이 된다.
제어기(100)는 상기 제어 대상 주파수의 진폭 및 위상을 기초로 역 이산 월시 푸리에 변환(IWDFT; Inverse Walsh-based Discrete Fourier Transform)을 수행하여 기준 신호(Sy)를 생성한다(S108).
제어기(100)는 상기 엔진 속도 및 엔진 부하를 기초로 상기 기준 신호의 진폭비(Ay)를 결정한다(S109). 예를 들어, 제어기(100)는 상기 엔진 속도 및 엔진 부하에 따른 진폭비가 설정되어 있는 맵 테이블을 이용하여 상기 진폭비를 결정할 수 있다. 상기 맵 테이블에는 상기 엔진(10)의 진동을 저감하기 위한 진폭비가 미리 설정되어 있다.
제어기(100)는 상기 기준 신호(Sy)에 상기 진폭비(Ay) 및 상기 엔진 토크(TEng)를 반영하여 지령토크(command torue)(TMot= Ay×Sy×TEng)를 계산한다(S110).
제어기(100)는 상기 지령토크의 역위상 토크(-TMot)를 계산한다(S111). 제어기(100)는 상기 역위상 토크(-TMot)를 발생시키도록 모터(20)의 작동을 제어하여 엔진(10)의 진동을 제어할 수 있다.
한편, 제어기(100)는 상기 엔진 부하를 기초로 상기 역위상 토크(-TMot)를 보정할 수 있다(S112). 구체적으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 제어기(100)는 엔진 부하가 설정된 부하 보다 크면, 상기 역위상 토크에 설정된 옵셋(offset)을 적용하여 역위상 토크를 감소시킬 수 있다. 즉, 엔진 고부하시에는 저부하시와 비교하여 엔진(10)의 진동이 차량에 미치는 영향이 작아지는 경향이 있으므로, 역위상 토크를 감소시키고, 역위상 토크 감소에 따라 남는 에너지를 배터리(50)의 충전에 사용하여 하이브리드 차량의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 설정된 옵셋은 상기 엔진 부하를 기초로 당업자가 바람직하다고 판단되는 값으로 설정할 수 있다. 이에 따라, 보정된 역위상 토크를 발생시키도록 모터(20)의 작동을 제어하여 엔진(10)의 진동을 제어하고 하이브리드 차량의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 도 11에 도시된 바와 같이, 제어 대상 주파수(예를 들어, C1 및 C3)의 진폭이 저감된 것을 확인할 수 있다.
이하, 도 12를 참고로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 차량의 진동 제어 방법을 설명하기로 한다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 차량의 진동 제어 방법의 흐름도이다.
도 12를 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 차량의 진동 제어 방법의 경우, 엔진(10)의 위치 대신에 모터(10)의 위치를 이용하는 것을 제외하고는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 차량의 진동 제어 방법과 유사하다.
도 12에 도시된 바와 같이, 제어기(100)는 모터(20)의 위치를 기초로 모터 속도를 계산한다(S201). 제어기(100)는 상기 모터 위치 검출부(92)에 의해 검출된 모터(20)의 위치를 수신하고, 상기 모터(20)의 위치를 미분함으로써 모터 속도를 계산할 수 있다.
제어기(100)는 상기 모터(20)의 위치를 기초로 기준각을 설정한다(S202). 제어기(100)는 모터(20)의 극수에 따라 모터 위치 검출부(92)의 신호를 분주할 수 있다. 예를 들어, 모터(20)가 16극 모터인 경우, 모터 위치 검출부(92)의 신호를 8 분주하여 특정 시점을 상기 기준각으로 설정할 수 있다.
상기 엔진(10)과 모터(20)가 엔진 클러치(30)에 의해 연결된 상태에서 상기 엔진(10)의 회전에 따라 모터(20) 또한 회전하므로, S203 내지 S212 단계는 S103 내지 S112 단계와 동일하므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 이산 월시 푸리에 변환(WDFT; Walsh-based Discrete Fourier Transform)을 이용하여 제어기(100)의 연산 부하를 절감할 수 있다. 또한, 제어 대상 주파수를 선정함으로써 효율적인 진동 제어를 할 수 있다. 더 나아가, 엔진 고부하시 역위상 토크에 설정된 옵셋을 적용하여 역위상 토크를 감소시킴으로써 하이브리드 차량의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 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.
10: 엔진 20: 모터
30: 엔진 클러치 40: 변속기
50: 배터리 60: HSG
70: 차동기어장치 80: 휠
90: 데이터 검출부 100: 제어기

Claims (20)

  1. 엔진의 위치를 기초로 엔진 속도를 계산하는 단계;
    상기 엔진의 위치를 기초로 기준각을 설정하는 단계;
    상기 기준각을 기초로 이산 월시 푸리에 변환(WDFT; Walsh-based Discrete Fourier Transform)을 수행하기 위한 윈도우를 설정하는 단계;
    상기 엔진 속도, 기준각, 및 윈도우를 기초로 상기 이산 월시 푸리에 변환을 수행하여 진폭 스펙트럼 및 위상 스펙트럼을 계산하는 단계;
    상기 진폭 스펙트럼을 기초로 제어 대상 주파수를 선정하는 단계;
    상기 제어 대상 주파수에 스케일 팩터를 적용하여 제어 대상 주파수의 진폭을 보상하는 단계;
    상기 제어 대상 주파수의 진폭 및 위상을 기초로 역 이산 월시 푸리에 변환(IWDFT; Inverse Walsh-based discrete Fourier Transform)을 수행하여 기준 신호를 생성하는 단계;
    상기 엔진 속도 및 엔진 부하를 기초로 상기 기준 신호의 진폭비를 결정하는 단계;
    상기 기준 신호에 상기 진폭비 및 엔진 토크를 반영하여 지령토크를 계산하는 단계;
    상기 지령토크의 역위상 토크를 계산하는 단계;
    상기 엔진 부하를 기초로 상기 역위상 토크를 보정하는 단계; 및
    상기 보정된 역위상 토크를 발생시키도록 모터의 작동을 제어하는 단계;
    를 포함하는 하이브리드 차량의 진동 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 역위상 토크를 보정하는 단계는,
    엔진 부하가 설정된 부하 보다 크면, 상기 역위상 토크에 설정된 옵셋을 적용하여 역위상 토크를 감소시키는 단계;
    를 포함하는 하이브리드 차량의 진동 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 대상 주파수를 선정하는 단계는,
    상기 엔진 속도 및 엔진 부하를 기초로 기준 스펙트럼을 설정하는 단계; 및
    상기 기준 스펙트럼과 상기 진폭 스펙트럼을 비교하여 제어 대상 주파수를 선정하는 단계;
    를 포함하는 하이브리드 차량의 진동 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기준 스펙트럼은 주파수별 기준값들의 집합이고,
    특정 주파수에 대응하는 기준값 보다 상기 특정 주파수에 대응하는 진폭이 큰 경우 상기 특정 주파수가 상기 제어 대상 주파수로 선정되는 하이브리드 차량의 진동 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 대상 주파수의 위상에 보상 위상을 적용하여 상기 제어 대상 주파수의 위상을 보상하는 단계;
    를 더 포함하는 하이브리드 차량의 진동 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 윈도우는 상기 엔진의 기통수 및 행정수에 따라 결정되는 하이브리드 차량의 차량의 진동 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 엔진 부하는 엔진으로 유입되는 공기량을 기초로 계산되는 하이브리드 차량의 진동 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 엔진 토크는 가속 페달의 위치값 및 하이브리드 차량의 속도를 기초로 계산되는 하이브리드 차량의 진동 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 엔진은 2기통 4행정 엔진인 하이브리드 차량의 진동 제어 방법.
  10. 모터의 위치를 기초로 모터 속도를 계산하는 단계;
    상기 모터의 위치를 기초로 기준각을 설정하는 단계;
    상기 기준각을 기초로 이산 월시 푸리에 변환(WDFT; Walsh-based Discrete Fourier Transform)을 수행하기 위한 윈도우를 설정하는 단계;
    상기 모터 속도, 기준각, 및 윈도우를 기초로 상기 이산 월시 푸리에 변환을 수행하여 진폭 스펙트럼 및 위상 스펙트럼을 계산하는 단계;
    상기 진폭 스펙트럼을 기초로 제어 대상 주파수를 선정하는 단계;
    상기 제어 대상 주파수에 스케일 팩터를 적용하여 제어 대상 주파수의 진폭을 보상하는 단계;
    상기 제어 대상 주파수의 진폭 및 위상을 기초로 역 이산 월시 푸리에 변환(IWDFT; Inverse Walsh-based discrete Fourier Transform)을 수행하여 기준 신호를 생성하는 단계;
    엔진 속도 및 엔진 부하를 기초로 상기 기준 신호의 진폭비를 결정하는 단계;
    상기 기준 신호에 상기 진폭비 및 엔진 토크를 반영하여 지령토크를 계산하는 단계;
    상기 지령토크의 역위상 토크를 계산하는 단계;
    상기 엔진 부하를 기초로 상기 역위상 토크를 보정하는 단계; 및
    상기 보정된 역위상 토크를 발생시키도록 모터의 작동을 제어하는 단계;
    를 포함하는 하이브리드 차량의 진동 제어 방법
  11. 제10항에 있어서,
    상기 역위상 토크를 보정하는 단계는,
    엔진 부하가 설정된 부하 보다 크면, 상기 역위상 토크에 설정된 옵셋을 적용하여 역위상 토크를 감소시키는 단계;
    를 포함하는 하이브리드 차량의 진동 제어 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제어 대상 주파수를 선정하는 단계는,
    상기 엔진 속도 및 엔진 부하를 기초로 기준 스펙트럼을 설정하는 단계; 및
    상기 기준 스펙트럼과 상기 진폭 스펙트럼을 비교하여 제어 대상 주파수를 선정하는 단계;
    를 포함하는 하이브리드 차량의 진동 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 기준 스펙트럼은 주파수별 기준값들의 집합이고,
    특정 주파수에 대응하는 기준값 보다 상기 특정 주파수에 대응하는 진폭이 큰 경우 상기 특정 주파수가 상기 제어 대상 주파수로 선정되는 하이브리드 차량의 진동 제어 방법
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제어 대상 주파수의 위상에 보상 위상을 적용하여 상기 제어 대상 주파수의 위상을 보상하는 단계;
    를 더 포함하는 하이브리드 차량의 진동 제어 방법
  15. 제10항에 있어서,
    상기 윈도우는 상기 엔진의 기통수 및 행정수에 따라 결정되는 하이브리드 차량의 진동 제어 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 엔진 부하는 엔진으로 유입되는 공기량을 기초로 계산되는 하이브리드 차량의 진동 제어 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 엔진 토크는 가속 페달의 위치값 및 하이브리드 차량의 속도를 기초로 계산되는 하이브리드 차량의 진동 제어 방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 엔진은 2기통 4행정 엔진인 하이브리드 차량의 진동 제어 방법
  19. 엔진의 위치를 검출하는 엔진 위치 검출부;
    상기 엔진으로 유입되는 공기량을 검출하는 공기량 검출부;
    가속 페달의 위치값을 검출하는 가속 페달 위치 검출부;
    하이브리드 차량의 속도를 검출하는 차속 검출부; 및
    상기 엔진의 위치, 공기량, 가속 페달의 위치값, 및 하이브리드 차량의 속도를 기초로 모터의 작동을 제어하도록 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 제어기;를 포함하되,
    상기 설정된 프로그램은 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 일련의 명령을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 진동 제어 장치.
  20. 엔진의 위치를 검출하는 엔진 위치 검출부;
    모터의 위치를 검출하는 모터 위치 검출부;
    상기 엔진으로 유입되는 공기량을 검출하는 공기량 검출부;
    가속 페달의 위치값을 검출하는 가속 페달 위치 검출부;
    하이브리드 차량의 속도를 검출하는 차속 검출부; 및
    상기 엔진의 위치, 모터의 위치, 공기량, 가속 페달의 위치값, 및 하이브리드 차량의 속도를 기초로 모터의 작동을 제어하도록 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 제어기;를 포함하되,
    상기 설정된 프로그램은 제10항 내지 제18항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 일련의 명령을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 진동 제어 장치.
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