KR102142020B1 - 영구 자석 모터의 제어 방법 및 그 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 영구 자석 회전자 및 고정자를 구비하고 있는 모터를 포함하는 모터 추진 유닛을 제어하는 방법에 관한 것이며, 상기 모터 추진 유닛의 제어 방법은 상기 고정자의 전류들이 제어 신호들(Vd, Vq)에 의해 설정점 전류 값들을 획득하도록 상기 고정자의 전류들을 조정하는 단계(ER)로서, 상기 조정해야 할 전류들 및 상기 제어 신호들(Vd, Vq)은 복수의 축들을 포함하는 회전 좌표계로 표기되는, 단계;를 포함하고, 상기 조정 단계(ER)는 상기 복수의 축들 중 각각의 축에 대하여 상기 설정점 전류 값에 대한 상기 조정해야 할 전류의 값의 함수에 따라 다른 선형 연산자(linear operator)를 상기 축 상에서 조정해야 할 전류에 적용하는 단계(E3)를 포함하며, 상기 선형 연산자의 적용 결과는 상기 축 상의 제어 신호(Vd, Vq)이다.

Description

영구 자석 모터의 제어 방법 및 그 제어 시스템{Method of controlling a permanent magnet motor and corresponding system}
본 발명은 일반적으로 기술하면 전기 모터들을 제어하는 기술분야에 관한 것이고, 구체적으로 기술하면 동기식 영구 자석 전기 모터들을 제어하는 기술분야에 관한 것이다.
동기식 영구 자석 모터는 하나 이상의 영구 자석들을 지니는 회전자를 포함하며 또한 상기 모터에서 회전식 자기장을 생성하여 상기 회전자를 회전 상태로 구동시키도록 서로에 대해 위상 시프트된 전류들이 순환하게 되는 권선들을 포함하는 고정자를 포함한다. 상기 회전자의 회전 주파수가 상기 고정자에서 순환하는 전류들의 주파수와 동일하므로, 상기 모터 또는 전기 기계는 "동기식(synchronous)"이라 한다.
그러한 모터의 토크를 제어하기 위하여, 제어 시스템은 상기 고정자의 위상들 각각에 적합한 정현파 전압을 적용함으로써 상기 고정자에서 순환하는 전류들의 진폭을 조정한다. 상기 시스템에서 상기 토크의 제어 알고리즘을 단순화시키기 위해, 파크(Park) 변환이 일반적으로 상기 회전자와 연관된 회전 좌표계로 전류들 및 고정자 전압들을 나타내는데 사용된다. 따라서, 상기 Park 좌표계에서는 상기 고정자에 적용해야 할 고정자 전압들은 해당 고정자 전류들이 원하는 토크를 생성하도록 결정된다. 상기 Park 좌표계의 이러한 고정자 전압들은 제어 신호들로서 언급된다. Park 역변환을 수행함으로써 상기 제어 시스템은 이때 설정점 토크로서 언급되는 원하는 토크를 구하기 위해 상기 고정자의 서로 다른 위상들에 적용해야 할 정현파 전압들을 결정한다.
그러한 모터들을, 예를 들면 전기 또는 하이브리드 차량에서 구동 모터들로서 사용하려면 운전자의 토크 요구들에 의존하여 신속하게 응답하고 그러한 차량의 구동 배터리의 전압과 양립가능한 값의 범위에서 상기 토크를 제한하는 상기 토크의 신뢰성 있는 제어가 필요하다. 상기 모터의 토크가 이러한 값의 범위에서 벗어나게 되는 경우에, 상기 모터의 제어 시스템은 일반적으로 불안정하게 되는데, 이는 회피되어야 한다.
적분 비례 상관기(integral proportional corrector; IP corrector)들로서 언급되는 상관기들은 대개 그러한 모터의 고정자의 전류들을 조정하는데 사용된다. 그럼에도 불구하고, 이러한 보상기들은 특히 고속 시스템이 필요한 경우에 불안정 문제들을 야기한다. 이를 극복하기 위해, 이러한 상관기들의 매개변수들은 상기 모터에 의해 관측되어야 할 사양들에서 언급된 안정 여유(stability margin)를 보장하기 위해 계산된다. 그 외에도, 영구 자석 모터들의 내부 저항 또는 영구 자석 모터들의 인덕턴스와 같은, 영구 자석 모터들의 고유 매개변수들이 모터마다 다르기 때문에, 이러한 안정 여유들을 부가적으로 증가시키고 그럼으로써 동일 계열의 차량들에 내재하는 모든 모터들에 걸쳐 동일한 상관기를 사용할 수 있도록 상기 상관기의 성능을 부가적으로 감소시키는 것이 공지되어 있다.
적분 비례 상관기를 사용하지 않는 상관기의 다른 일 예는, 모터 부하의 변동들에 응답하여 동기식 영구 자석 기계의 속도를 제어하는 해결수단을 제안하는 문헌 EP0702451에 개시되어 있다. 그러한 해결수단에서는 일반적으로 상기 기계의 속도의 함수에 따른 상기 상관기의 이득의 교정, 또는 완벽하게 측정되는 것이 가능해야 하는 정전 결합 항(static coupling term)들의 보상이 필요하다.
본 발명의 목적들 중 한 가지 목적은 영구 자석 모터의 속도와 관계없이 영구 자석 모터의 토크의 안정적이고 견고한 제어를 보장하고 동일 계열 내에서 대량 생산된 모터들에 대해 동일하고 일정한 이득들을 사용하는 모터 추진 유닛의 제어 방법 및 그 제어 시스템을 제공함으로써 선행기술의 단점들 중 적어도 몇 가지 단점들을 극복하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 영구 자석 회전자 및 고정자를 구비하고 있는 전기 모터를 포함하는 모터 추진 유닛을 제어하는 방법을 제안하며, 상기 방법은 상기 고정자의 전류들이 상기 전기 모터의 제어 신호들에 의해 설정점 전류 값들을 획득하도록 상기 고정자의 전류들을 조정하는 단계로서, 상기 조정해야 할 전류들 및 상기 제어 신호들은 복수의 축들을 포함하는 회전 좌표계로 표기되는, 단계;를 포함하고, 상기 모터 추진 유닛의 제어 방법은 조정 단계가 상기 복수의 축들 중 각각의 축에 대하여 상기 설정점 전류 값에 대한 상기 조정해야 할 전류의 값의 함수에 따라 다른 선형 연산자(linear operator)를 상기 축 상에서 조정해야 할 전류에 적용하는 단계를 포함하며, 상기 선형 연산자의 적용 단계는 상기 축 상에서 제어 신호 값을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 선형 연산자들은 상기 모터의 제어 신호들을 획득함으로써, 응답형 제어 방법이 필요하게 되는 즉시, 불안정을 종종 생성하는 적분 성분을 추가하지 않고 주어진 전류 설정점들을 추종하는 것을 가능하게 하는데 사용된다. 따라서, 본 발명에 따른 제어 방법은 심지어 가변 속도에서도 상기 모터의 토크를 제어하는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 제어 방법의 유리한 특징에 의하면, 상기 선형 연산자는,
- 상기 설정점 전류 값에 대한 상기 조정해야 할 전류의 값의 함수에 따라, 상기 조정해야 할 전류들, 상기 회전자의 속도, 및 상기 모터 추진 유닛의 특징들을 추정하는 값의 범위들의 한계 값들의 함수에 따라 상기 축 상에서 추정되는 제어 신호의 0차 성분(zero-order component)을 최소화하거나 최대화하는 첫 번째의 항; 및
- 수렴 인자(convergence factor)를 사용하여 상기 축 상에서 상기 조정해야 할 전류에 비례하는 두 번째의 항;
을 포함한다.
따라서, 상기 모터 추진 유닛의 특징들의 알려져 있는 변동 범위들이 본 발명에 따른 제어 방법의 견고성을 보장하는데 사용된다. 이러한 알려져 있는 변동 범위들의 사용과 아울러 상기 선형 연산자의 2 개의 부분으로의 형성으로 상기 조정해야 할 전류들을 설정점 전류 값으로 신속하게 수렴하는 것이 가능해진다.
부가적인 유리한 특징에 의하면, 상기 값의 범위들은,
- 상기 고정자의 등가 저항의 추정;
- 상기 축들 중 하나의 축 상에서의 상기 모터 추진 유닛의 인덕턴스의 추정; 및
- 상기 회전자의 영구 자석에 의해 생성된 자속의 추정;
을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 2 가지의 추정을 포함한다.
이러한 추정들의 사용으로 본 발명에 따른 방법을 사용하여 각각의 모터 추진 유닛에 대해 상기 모터 추진 유닛의 고유 특징들, 다시 말하면 상기 모터 추진 유닛의 내부 저항, 상기 모터 추진 유닛의 인덕턴스 또는 상기 회전자의 영구 자석들에 의해 생성된 자속을 측정해야 할 필요성을 근절하는 것이 가능해진다. 따라서, 본 발명은 전체 계열의 대량 생산된 모터 추진 유닛들에 대한 수정 없이 적용될 수 있다.
상기 모터 추진 유닛은 예를 들면 1/4 바퀴의 회전을 통한 모터 추진 유닛의 고유 특징들의 불변성을 지니는 전기 또는 하이브리드 차량의 모터 추진 유닛이다.
부가적인 유리한 특징에 의하면, 본 발명에 따른 방법은 상기 축들 중 하나의 축 상에서 조정해야 할 전류 및 설정점 전류 값 간의 절대값 차이가 사전에 결정된 임계값 미만인 즉시 상기 축들 중 하나의 축 상에서 상기 제어 신호를 평활화하는 단계를 포함한다.
이러한 평활화 단계는 일반 액추에이터들에 의한 본 발명에 따른 방법의 촉진된 구현을 허용한다.
본 발명은 또한 영구 자석 회전자 및 고정자를 구비하고 있는 전기 모터를 포함하는 모터 추진 유닛을 제어하는 시스템에 관한 것이며, 상기 모터 추진 유닛의 제어 시스템은 상기 고정자의 전류들이 상기 전기 모터의 제어 신호들에 의해 설정점 전류 값들을 획득하도록 상기 고정자의 전류들을 조정하는 수단으로서, 상기 조정해야 할 전류들 및 상기 제어 신호들은 복수의 축들을 포함하는 회전 좌표계로 표기되는, 수단;을 포함하고, 본 발명에 따른 모터 추진 유닛의 제어 시스템은 상기 조정 수단이 상기 복수의 축들 중 각각의 축에 대하여 상기 설정점 전류 값에 대한 상기 조정해야 할 전류의 값의 함수에 따라 다른 선형 연산자(linear operator)를 상기 축 상에서 조정해야 할 전류에 적용하는 수단을 포함하며, 상기 선형 연산자의 적용 수단은 상기 축 상에서 제어 신호 값을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 모터 추진 유닛의 제어 시스템의 유리한 특징에 의하면, 상기 선형 연산자는,
- 상기 설정점 전류 값에 대한 상기 조정해야 할 전류의 값의 함수에 따라, 상기 조정해야 할 전류들, 상기 회전자의 속도, 및 상기 모터 추진 유닛의 특징들을 추정하는 값의 범위들의 한계 값들의 함수에 따라 상기 축 상에서 추정되는 제어 신호의 0차 성분(zero-order component)을 최소화하거나 최대화하는 첫 번째의 항; 및
- 수렴 인자(convergence factor)를 사용하여 상기 축 상에서 상기 조정해야 할 전류에 비례하는 두 번째의 항;
을 포함한다.
본 발명에 따른 모터 추진 유닛의 제어 시스템의 부가적인 유리한 특징에 의하면, 상기 값의 범위들은,
- 상기 고정자의 등가 저항의 추정;
- 상기 축들 중 하나의 축 상에서의 상기 모터 추진 유닛의 인덕턴스의 추정; 및
- 상기 회전자의 영구 자석들에 의해 생성된 자속의 추정;
을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 2 가지의 추정을 포함한다.
본 발명에 따른 모터 추진 유닛의 제어 시스템의 부가적인 유리한 특징에 의하면, 상기 모터 추진 유닛의 제어 시스템은 또한 상기 축들 중 하나의 축 상에서 조정해야 할 전류 및 설정점 전류 값 간의 절대값 차이가 사전에 결정된 임계값 미만인 즉시 상기 축들 중 하나의 축 상에서 상기 제어 신호를 평활화하는 수단을 포함한다.
본 발명은 또한 컴퓨터 프로그램에 관한 것이며, 상기 컴퓨터 프로그램은 상기 컴퓨터 프로그램이 하나 이상의 프로세서들 상에서 실행될 경우에 본 발명에 따른 제어 방법을 구현하기 위한 명령어들을 포함한다.
본 발명에 따른 제어 시스템과 아울러, 본 발명에 따른 컴퓨터 프로그램은 본 발명에 따른 제어 방법의 이점들과 유사한 이점들을 지닌다.
본 발명의 부가적인 이점들 및 특징들은 첨부도면들을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예를 이해하면 더 자명해질 것이다.
도 1은 영구 자석 모터를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 이러한 실시 예에서 본 발명에 따른 모터 추진 유닛을 제어하는 방법의 단계들을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 이러한 실시 예에서 본 발명에 다른 모터 추진 유닛을 제어하는 시스템을 보여주는 도면이다.
본 발명의 한 바람직한 실시 예에 의하면, 본 발명에 따른 제어 방법은 전기 차량의 모터 추진 유닛의 영구 자석 모터의 토크를 제어하는데 사용된다. 그러한 모터가 도 1에서는 단순화를 위해 단지 한 쌍의 극들만을 지니는 것으로 개략적으로 도시되어 있다. 실제로는, 상기 모터가 다수 쌍의 극들, 예를 들면 5 쌍의 극들을 포함할 수 있다.
상기 모터는 회전자(R) 주위에 3 개의 코일(Ba, Bb, Bc)이 감긴 고정자를 포함하며, 이러한 3 개의 코일은 고정자 전류(Ias, Ibs, Ics)에 의해 각각 에너지를 공급받고, 이러한 전류들은 정현파이며 2π/3 만큼 서로에 대해 위상 시프트된다. 이러한 전류들을 획득하기 위해 각각의 코일 양단 간에 걸리는 해당하는 정현파 고정자 전압들은 각각 Vas, Vbs 및 Vcs이다.
이러한 모터의 제어를 단순화하기 위해, 이러한 고정자 전류들 및 전압들이 상기 회전자에 대한 회전 좌표계, 즉 극축(d) 및 횡축(q)으로 표기된다. 상기 극축(d)은 고정자를 형성하는 자석의 남극(S)으로부터 북극(N)으로 향하는 방향으로 정렬되어 있으며 코일(Ba)과의 회전각(θ)을 지닌다. 회전자(R)의 다수 쌍의 극들에 의해 나눠진 상기 각(θ)의 도함수(derivative)는 rad/s 단위로 영구 자석 모터의 자기장의 회전 속도(
Figure 112015025078428-pct00001
)를 제공한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 제어 방법이 상기 영구자석 모터에 의해 제공되어야 하는 설정점 토크를 관측하기 위해 고정자 전류의 조정을 상위 단계(ER)의 단계들(E1 내지 E6)을 포함하는 알고리즘의 형태로 도시되어 있다.
상기 방법은 모터 추진 유닛의 하나 이상의 프로세서들에서 구현된다.
단계(E1)는 측정 수단(MM)에 의해 제공되는, 상기 모터의 고정자 전류 및 상기 모터의 자기장의 회전 속도(
Figure 112015025078428-pct00002
)의 측정의 본 발명에 따른 제어 시스템을 보여주는 도 3에 도시된, 제어 장치(DC)에 의한 수신이다. 상기 단계(E1)는 또한 테이블들에 의해 제공되고 설정점 토크에 해당하는 설정점 고정자 전류들의 상기 제어 장치(DC)에 의한 수신을 포함한다.
다음 단계(E2)는 상기 좌표계 변환 수단(MCR)에 의해 수행되는, 측정된 고정자 전류 및 단계(E1)에서 수신된 설정점 고정자 전류들의 파크(Park) 변환이다. 한 변형 예에서는, (종종 Park 변환으로서 언급되는) 파크-콘코디아(Park-Concordia) 변환과는 다른 변환들, 예를 들면 파크-클라키(Park-Clarke) 변환이 사용될 수 있다.
상기 좌표계 변환 수단(MCR)은 상기 제어 장치(DC)에 이하의 값들,
- amp 단위로 Park 좌표계의 축(d) 상에서 측정된 고정자 전류의 값에 해당하는 Id;
- amp 단위로 Park 좌표계의 축(q) 상에서 측정된 고정자 전류의 값에 해당하는 Iq;
- amp 단위로 Park 좌표계의 축(d) 상에서 고정자 전류 설정점에 해당하는 Idref; 및
- amp 단위로 Park 좌표계의 축(q) 상에서 고정자 전류의 값에 해당하는 Iqref.
여기서 유념해야 할 점은 도 3을 단순화하기 위해, 도 3의 제어 장치(DC)가 Park 좌표계로 표기된 전류의 값들을 직접 수신한다는 점이다.
다음 단계(E3)는 Park 좌표계의 축들 각각 상에서의 선형 연산자의, 측정되고 조정해야 할 고정자 전류들(Id, Iq)에 대한 적용이고, 상기 선형 연산자는 상기 설정점 전류 값에 대한 이러한 축 상에서 조정해야 할 전류의 값의 함수에 따라 다르다. 이러한 단계(E3)는 이하에서 제공되는 이론에 기반하여 이루어진다.
상기 모터의 제어 신호는 이하의 수학식 1의 형태로 표기되고,
Figure 112015025078428-pct00003
상기 수학식 1에서는,
-
Figure 112015025078428-pct00004
및
Figure 112015025078428-pct00005
가 각각 볼트 단위의, Park 좌표계의 축들(d, q) 상의 고정자 전압들이고,
-
Figure 112015025078428-pct00006
가 오옴 단위의, 상기 모터의 고정자의 등가 저항을 나타내며,
-
Figure 112015025078428-pct00007
및
Figure 112015025078428-pct00008
는 헨리 단위의, Park 좌표계의 각각의 축(d, q) 상의 인덕던스들이고,
-
Figure 112015025078428-pct00009
는 Wb 단위의, 상기 회전자의 자석들에 의해 생성된 자속을 나타내며, 그리고
- 상기 연산자(
Figure 112015025078428-pct00010
)는 변수(x)로부터 도출된 연산자이다.
상기 목적은 상기 축(d) 및 상기 축(q) 간에 커플링(coupling)이 존재함(0 속도에서는 어떠한 커플링(coupling)도 존재하지 않음, 수학식 1 참조)에도 불구하고 그리고 상기 자속(
Figure 112015025078428-pct00011
), 인덕턴스들(
Figure 112015025078428-pct00012
,
Figure 112015025078428-pct00013
), 및 저항(
Figure 112015025078428-pct00014
)의 정확한 값들의 지식이 없음에도 불구하고 설정점 토크를 획득하는 것이다. 상기 모터에 의해 제공된 토크는 이하의 수학식 2와 같이 표기되며,
Figure 112015025078428-pct00015
상기 수학식 2에서는,
-
Figure 112015025078428-pct00016
이 상기 모터에 의해 생성된 전자기 토크이고;
-
Figure 112015025078428-pct00017
는 상기 회전자의 다수 쌍의 극들이며; 그리고
-
Figure 112015025078428-pct00018
및
Figure 112015025078428-pct00019
는 Park 좌표계의 축들(d, q) 상에서 생성된 자속을 나타낸다. 좀더 정확하게 기술하면, 이하의 수학식 3과 같다.
Figure 112015025078428-pct00020
일반적으로, 상기 영구 자석 모터들은 축들(d, q) 간에 완전한 대칭을 이루는데, 이것이 의미하는 것은 이하의 수학식 4가 표기될 수 있음을 의미하고,
Figure 112015025078428-pct00021
그러므로, 수학식 2 및 3을 결합함으로써, 상기 모터에 의해 제공되는 토크는 이하의 수학식 5로 표기된다.
Figure 112015025078428-pct00022
따라서, 최대 허용 범위까지 손실들을 제한함으로써 상기 토크를 제어하기 위해, 상기 축(d) 상에서의 고정자 전류(
Figure 112015025078428-pct00023
)가 가능한 한 0에 근접하게 되는 결과를 초래하는 배치를 형성하는 것이 필요하다. 설정점 토크를 제공하기 위하여, 고정자 전류(
Figure 112015025078428-pct00024
)는 이때 상기 축(q) 상에 제공되고, 이러한 토크에 대한 전류들의 최소 진폭, 결과적으로는 최소 철손(minimal iron loss)들을 획득하기 위하여, 0인 고정자 전류(
Figure 112015025078428-pct00025
)가 상기 축(d) 상에 제공된다.
그 외에도, 상기 제어 장치(DC)에서는, 각각의 매개변수(
Figure 112015025078428-pct00026
,
Figure 112015025078428-pct00027
,
Figure 112015025078428-pct00028
)에 대한 예상가능한 변동 범위 또는 값의 범위들을 포함하는 테이블(TAB)이 다음과 같이 제공되며,
Figure 112015025078428-pct00029
,
Figure 112015025078428-pct00030
, 그리고
Figure 112015025078428-pct00031
이며, 이러한 간격들의 최소 또는 최대 값들 각각은 본 발명에 따라 제어되는 영구 자석 모터의 대량 생산에 기인하는 예상가능한 분산들 및 상기 전류들의 변동들을 고려한다. 한 변형 예에서는, 상기 테이블(TAB)이 값의 범위를 지니지 않는 각각의 매개변수에 대하여 추정 값, 예컨대 평균 값과 아울러,
Figure 112015025078428-pct00032
,
Figure 112015025078428-pct00033
및
Figure 112015025078428-pct00034
로부터 선택되는 하나 또는 2개의 매개변수에 해당하는 단지 하나 또는 2개의 값의 범위만을 포함한다.
지금부터는 단계(E3)의 설명이 다시 참조하게 된다. 이러한 단계(E3)에서는, 상기 제어 장치(DC)의 비교 수단(MCOMP)이 먼저 설정점 전류 값들(Idref, Iqref)에 대하여 측정된 고정자 전류들(Id, Iq)을 비교한다. 상기 비교 수단(MCOMP)에 의해 제공되는, 상기 조정해야 할 이러한 전류들 각각 및 상기 설정점 전류 값 간의 차이의 부호에 의존하여, 적용 수단(MAPP)은 이러한 전류들 각각에 선형 연산자를 적용함으로써, 이러한 부호의 함수에 따라 상기 축들(d, q) 각각 상의 2개의 예상가능한 고정자 전압 값을 제공한다. 따라서,
- Id ≥ Idref 일 경우에, 상기 선형 연산자(OP1D)가 상기 전류(Id)에 적용되고 고정자 전압이 다음과 같이 구해지며,
Figure 112015025078428-pct00035
여기서 min(x)는 변수(x)의 최소 연산자이고
Figure 112015025078428-pct00036
는 수렴 인자로서의 역할을 하는 포지티브 계수(positive coefficient)이다. 실제로, 이러한 계수가 낮을수록, 상기 전류(Id)가 상기 설정점 전류 값(Idref)을 향해 더 느리게 수렴하게 된다. 항(
Figure 112015025078428-pct00037
)은 상기 저항(
Figure 112015025078428-pct00038
)에 대하여, 상기 전류(Id)가 포지티브인 경우에 상기 저항(
Figure 112015025078428-pct00039
)의 값의 범위의 최소값(
Figure 112015025078428-pct00040
)을 취하거나, 또는 상기 전류(Id)가 네거티브인 경우에 상기 저항(
Figure 112015025078428-pct00041
)의 값의 범위의 최대값(
Figure 112015025078428-pct00042
)을 취하고, 상기 인덕턴스(
Figure 112015025078428-pct00043
)에 대하여, 상기 전류(Iq)가 포지티브인 경우에 상기 인덕턴스(
Figure 112015025078428-pct00044
)의 값의 범위의 최대값(
Figure 112015025078428-pct00045
)을 취하거나, 또는 상기 전류(Iq)가 네거티브인 경우에 상기 인덕턴스(
Figure 112015025078428-pct00046
)의 값의 범위의 최소값(
Figure 112015025078428-pct00047
)을 취함으로써 상기 제어 신호(Vd)의 0차 성분을 최소화시킨다.
- Id < Idref 인 경우에, 상기 선형 연산자(OP2D)는 상기 전류(Id)에 적용되고 고정자 전압이 다음과 같이 구해지고,
Figure 112015025078428-pct00048
여기서,
max(x)는 변수(x)의 최대 연산자이며 항(
Figure 112015025078428-pct00049
)은
Figure 112015025078428-pct00050
및
Figure 112015025078428-pct00051
에 대하여 Id ≥ Idref 인 경우와 마찬가지로 해당하는 값의 범위들의 적합한 한계 값들을 선택함으로써 상기 제어 신호(Vd)의 0차 성분을 최대화시킨다.
- 마찬가지로, Iq ≥ Iqref 인 경우에, 상기 선형 연산자(OP1Q)는 상기 전류(Iq)에 적용되고 고정자 전압은 다음과 같이 구해지며,
Figure 112015025078428-pct00052
여기서
Figure 112015025078428-pct00053
는 수렴 인자로서의 역할을 하는 포지티브 계수이다. 실제로는, 이러한 계수가 낮을수록, 상기 전류(Iq)가 상기 설정점 전류 값(Iqref)을 향해 더 느리게 수렴하게 된다. 항(
Figure 112015025078428-pct00054
)은
Figure 112015025078428-pct00055
,
Figure 112015025078428-pct00056
, 및
Figure 112015025078428-pct00057
에 대하여 이전의 연산자들에 대한, 해당 값의 범위들의 적합한 한계 값들을 선택함으로써 상기 제어 신호(Vq)의 0차 성분을 최소화시킨다.
- 마지막으로, Iq < Iqref 인 경우에, 상기 선형 연산자(OP2Q)는 상기 전류(Iq)에 적용되고 고정자 전압이 다음과 같이 구해지고,
Figure 112015025078428-pct00058
여기서 항(
Figure 112015025078428-pct00059
)은
Figure 112015025078428-pct00060
,
Figure 112015025078428-pct00061
, 및
Figure 112015025078428-pct00062
에 대하여 이전의 연산자들에 대한, 해당 값의 범위들의 적합한 한계 값들을 선택함으로써 상기 제어 신호(Vq)의 0차 성분을 최대화시킨다.
이러한 단계(E3)에서의, 측정된 고정자 전류들(Id, Iq)에 대한 이러한 선형 연산자들의 적용은 이러한 전류들을 개별 설정점 전류 값들을 향해 수렴하는 것을 가능하게 한다. 실제로는, 상기 고정자 전압들(
Figure 112015025078428-pct00063
,
Figure 112015025078428-pct00064
,
Figure 112015025078428-pct00065
,
Figure 112015025078428-pct00066
)을 정의하는 수학식들과 결합하게 되는 수학식(수학식 1)은 Id < Idref 인 경우에 상기 전류(Id)의 도함수의 포지티브 부호를 획득하고 Id ≥ Idref 인 경우에 상기 전류(Id)의 도함수의 네거티브 부호를 획득하며, 또한 Iq < Iqref 인 경우에 상기 전류의 도함수(Iq)의 포지티브 부호를 지니고 Iq ≥ Iqref 인 경우에 상기 전류(Iq)의 도함수의 네거티브 부호를 지니는 것을 가능하게 한다.
다음 단계(E4)는 단계(E3)에서 획득되는,
Figure 112015025078428-pct00067
및
Figure 112015025078428-pct00068
간에 스위칭하는 상기 고정자 전압(
Figure 112015025078428-pct00069
)의 평활화 단계로서, 상기 전류(Id) 및 설정점 전류 값(Idref) 간의 절대값의 차이가 사전에 결정된 임계값(
Figure 112015025078428-pct00070
) 미만인 즉시 이루어지는, 단계, 및 단계(E3)에서 획득되는,
Figure 112015025078428-pct00071
및
Figure 112015025078428-pct00072
간에 스위칭하는 상기 고정자 전압(
Figure 112015025078428-pct00073
)의 평활화 단계로서, 상기 전류(Iq) 및 상기 설정점 전류 값(Iqref) 간의 절대값의 차이가 사전에 결정된 임계값(
Figure 112015025078428-pct00074
) 미만인 즉시 이루어지는, 단계이다.
따라서, 단계(E4)의 종료시에서의 제어 신호들(Vd, V q)은 다음과 같다.
Figure 112015025078428-pct00075
선형 보간에 의해 평활화하는 이러한 단계(E4)는 상기 평활화 수단(MLIS)에 의해 수행된다. 상기 고정자 전류들에 대한 개별 설정점 전류 값들이 본 발명에 따른 제어 방법을 수행하는 프로세서의 주파수에서의 설정점 전류 값들 주위로 발진하지 않을 정도로 상기 고정자 전류들이 충분히 근접해 있는 경우가 필요하다.
매개변수들(
Figure 112015025078428-pct00076
,
Figure 112015025078428-pct00077
,
Figure 112015025078428-pct00078
,
Figure 112015025078428-pct00079
)은 사양들을 고려함으로써 그리고 본 발명에 따른 방법의 견고성을 보장하도록 교정 단계 후에, 그리고 본 발명의 제어 방법의 사용 전에 결정된다.
다음 단계(E5)는 상기 좌표계 변환 수단(MCR)에 의한 3-상 시스템에서의 제어 신호들(Vd, Vq)의 결정이며, 이는 상기 신호들에 대한 Park 역변환을 수행한다.
마지막으로, 단계(E6)는 상기 제어 장치(DC)에 의한 이러한 3-상 시스템에서 표기된 제어 신호들의 PWM 인버터로의 발송이며, 상기 PWM 인버터는 이러한 신호들을 핸들링하고 요구된 토크를 제공하도록 상기 영구 자석 모터에 상기 신호들을 전송한다.
여기서 유념해야 할 점은 도 3을 단순화하기 위해, 도 3의 PWM 인버터가 상기 Park 좌표계로 표기된 제어 신호를 직접 수신한다는 점이다.
본 발명에 따른 제어 방법은 결과적으로 한 매개변수에 걸친 대규모 에러의 경우에 다를 수 있는, 적분 항을 사용하지 않고 상기 전류의 신뢰성 있는 변동을 보장한다. 물론, 상기 제어 동작을 보장하기 위하여는 상기 매개변수들의 변동 범위를 추정하는 것이 필요하다.
이러한 조정 방식은 상기 모터의 실제 매개변수들이 선택된 범위에 있도록 설정점의 방향으로 전류들을 항상 변경하는 이점을 제공한다. 따라서 상기 매개변수들의 분산들을 고려하지 않은 종래의 조정기들의 경우보다 큰 안정성이 보장된다. 그 외에도, 상기 조정이 항상 최악의 경우를 고려하고 있기 때문에 상기 조정이 더 신속하다. 평균 매개변수들을 추정하는 것이 더 이상 필요하지 않지만, 이러한 매개변수들에 한계 값들을 제공하는 것이 필요한데, 이는 훨씬 더 단순하다.
여기서 유념해야 할 점은 본 발명의 이러한 실시예에서, 상기 모터가 상기 기계의 제어 신호들의 표기를 단순화하는 상기 축들(d, q) 간의 대칭을 이루지만, 이러한 실시예가 상기 모터가 상기 축들(d, q) 간의 비대칭인 경우로 당업자에 의해 쉽게 변형될 수 있다는 점이다. 마찬가지로. 본 발명의 한 변형 예에서는, 상기 영구 자석 모터가 비대칭 타입을 지닌다.

Claims (10)

  1. 영구 자석 회전자(R) 및 고정자를 구비하고 있는 전기 모터를 포함하는 모터 추진 유닛을 제어하는 방법에 있어서, 상기 모터 추진 유닛의 제어 방법은 상기 고정자의 전류들(Id, Iq)이 상기 전기 모터의 제어 신호들(Vd, Vq)에 의해 설정점 전류 값들(Idref, Iqref)을 획득하도록 상기 고정자의 전류들(Id, Iq)을 조정하는 단계(ER)로서, 상기 조정해야 할 전류들(Id, Iq) 및 상기 제어 신호들(Vd, Vq)은 복수의 축들(d, q)을 포함하는 회전 좌표계로 표기되는, 단계;를 포함하고,
    상기 조정 단계(ER)는 상기 복수의 축들(d, q) 중 각각의 축에 대하여 상기 설정점 전류 값(Idref, Iqref)에 대한 상기 조정해야 할 전류(Id, Iq)의 값의 함수에 따라 다른 선형 연산자(linear operator)(OP1D, OP2D, OP1Q, OP2Q)를 상기 축 상에서 조정해야 할 전류(Id, Iq)에 적용하는 단계(E3)를 포함하며, 상기 선형 연산자의 적용 단계는 상기 축 상에서 제어 신호 값(Vd, Vq)을 제공하는 것을 특징으로 하는, 모터 추진 유닛의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 선형 연산자(OP1D, OP2D, OP1Q, OP2Q)는,
    - 상기 설정점 전류 값(Idref, Iqref)에 대한 상기 조정해야 할 전류(Id, Iq)의 값의 함수에 따라, 상기 조정해야 할 전류들(Id, Iq), 상기 회전자의 속도(
    Figure 112020025014019-pct00080
    ), 및 상기 모터 추진 유닛의 특징들을 추정하는 값의 범위들의 한계 값들(
    Figure 112020025014019-pct00081
    ,
    Figure 112020025014019-pct00082
    ,
    Figure 112020025014019-pct00083
    ,
    Figure 112020025014019-pct00084
    ,
    Figure 112020025014019-pct00085
    ,
    Figure 112020025014019-pct00086
    )의 함수에 따라 상기 축 상에서 추정되는 제어 신호의 0차 성분(zero-order component)을 최소화하거나 최대화하는 첫 번째의 항; 및
    - 수렴 인자(convergence factor)(
    Figure 112020025014019-pct00087
    ,
    Figure 112020025014019-pct00088
    )를 사용하여 상기 축(d, q) 상에서 상기 조정해야 할 전류(Id, Iq)에 비례하는 두 번째의 항;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 모터 추진 유닛의 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 값의 범위들은,
    - 상기 고정자의 등가 저항(
    Figure 112015025078428-pct00089
    )의 추정;
    - 상기 축들(d, q) 중 하나의 축 상에서의 상기 모터 추진 유닛의 인덕턴스(
    Figure 112015025078428-pct00090
    )의 추정; 및
    - 상기 회전자(R)의 영구 자석들에 의해 생성된 자속(
    Figure 112015025078428-pct00091
    )의 추정;
    을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 2 가지의 추정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 모터 추진 유닛의 제어 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터 추진 유닛의 제어 방법은 상기 축들(d, q) 중 하나의 축 상에서 조정해야 할 전류(Id, Iq) 및 설정점 전류 값(Idref, Iqref) 간의 절대값 차이가 사전에 결정된 임계값(
    Figure 112015025078428-pct00092
    ,
    Figure 112015025078428-pct00093
    ) 미만인 즉시 상기 축들(d, q) 중 하나의 축 상에서 상기 제어 신호(Vd, Vq)를 평활화하는 단계(E4)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 모터 추진 유닛의 제어 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터 추진 유닛은 1/4 바퀴의 회전을 통한 모터 추진 유닛의 고유 특징들의 불변성을 지니는 전기 또는 하이브리드 차량의 모터 추진 유닛인, 모터 추진 유닛의 제어 방법.
  6. 영구 자석 회전자(R) 및 고정자를 구비하고 있는 전기 모터를 포함하는 모터 추진 유닛을 제어하는 시스템에 있어서, 상기 모터 추진 유닛의 제어 시스템은 상기 고정자의 전류들(Id, Iq)이 상기 전기 모터의 제어 신호들(Vd, Vq)에 의해 설정점 전류 값들(Idref, Iqref)을 획득하도록 상기 고정자의 전류들(Idref, Iqref)을 조정하는 수단으로서, 상기 조정해야 할 전류들(Id, Iq) 및 상기 제어 신호들(Vd, Vq)은 복수의 축들(d, q)을 포함하는 회전 좌표계로 표기되는, 수단;을 포함하고,
    상기 조정 수단은 상기 복수의 축들(d, q) 중 각각의 축에 대하여 상기 설정점 전류 값(Idref, Iqref)에 대한 상기 조정해야 할 전류(Id, Iq)의 값의 함수에 따라 다른 선형 연산자(linear operator)(OP1D, OP2D, OP1Q, OP2Q)를 상기 축 상에서 조정해야 할 전류(Id, Iq)에 적용하는 수단(MAPP)을 포함하며, 상기 선형 연산자의 적용 수단은 상기 축 상에서 제어 신호 값(Vd, Vq)을 제공하는 것을 특징으로 하는, 모터 추진 유닛의 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 선형 연산자(OP1D, OP2D, OP1Q, OP2Q)는,
    - 상기 설정점 전류 값(Idref, Iqref)에 대한 상기 조정해야 할 전류(Id, Iq)의 값의 함수에 따라, 상기 조정해야 할 전류들(Id, Iq), 상기 회전자의 속도(
    Figure 112015025078428-pct00094
    ), 및 상기 모터 추진 유닛의 특징들을 추정하는 값의 범위들의 한계 값들(
    Figure 112015025078428-pct00095
    ,
    Figure 112015025078428-pct00096
    ,
    Figure 112015025078428-pct00097
    ,
    Figure 112015025078428-pct00098
    ,
    Figure 112015025078428-pct00099
    ,
    Figure 112015025078428-pct00100
    )의 함수에 따라 상기 축 상에서 추정되는 제어 신호(Vd, Vq)의 0차 성분(zero-order component)을 최소화하거나 최대화하는 첫 번째의 항; 및
    - 수렴 인자(convergence factor)(
    Figure 112015025078428-pct00101
    ,
    Figure 112015025078428-pct00102
    )를 사용하여 상기 축(d, q) 상에서 상기 조정해야 할 전류에 비례하는 두 번째의 항;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 모터 추진 유닛의 제어 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 값의 범위들은,
    - 상기 고정자의 등가 저항(
    Figure 112015025078428-pct00103
    )의 추정;
    - 상기 축들(d, q) 중 하나의 축 상에서의 상기 모터 추진 유닛의 인덕턴스(
    Figure 112015025078428-pct00104
    )의 추정; 및
    - 상기 회전자(R)의 영구 자석들에 의해 생성된 자속(
    Figure 112015025078428-pct00105
    )의 추정;
    을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 2 가지의 추정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 모터 추진 유닛의 제어 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 모터 추진 유닛의 제어 시스템은 상기 축들(d, q) 중 하나의 축 상에서 조정해야 할 전류(Id, Iq) 및 설정점 전류 값(Idref, Iqref) 간의 절대값 차이가 사전에 결정된 임계값(
    Figure 112015025078428-pct00106
    ,
    Figure 112015025078428-pct00107
    ) 미만인 즉시 상기 축들(d, q) 중 하나의 축 상에서 상기 제어 신호(Vd, Vq)를 평활화하는 수단(MLIS)을 또 포함하는 것을 특징으로 하는, 모터 추진 유닛의 제어 시스템.
  10. 컴퓨터 프로그램이 수록된 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체로서, 상기 컴퓨터 프로그램은 상기 컴퓨터 프로그램이 하나 이상의 프로세서들 상에서 실행될 경우에 청구항 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같은 모터 추진 유닛의 제어 방법을 구현하기 위한 명령어들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
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