KR102279041B1

KR102279041B1 - 자동차의 전기 모터의 회전 속도를 제어하기 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102279041B1
Application number: KR1020157015283A
Authority: KR
Inventors: 로랑 퐁비에이유; 에마뉘엘 뷔스; 페트뤼-다니엘 모로잔; 사뮈엘 프라트
Original assignee: 르노 에스.아.에스.
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2021-07-19
Also published as: US20150352977A1; JP6877873B2; WO2014108294A2; CN104853951A; JP2016512676A; CN104853951B; WO2014108294A3; US10106052B2; KR20150105305A; EP2943370B1; EP2943370A2; FR3000854A1; FR3000854B1

Abstract

The invention relates to a system and corresponding method for controlling the 회전 속도 of an 전기 모터 of an electric or hybrid 자동차 comprising a 피드백-based regulator for regulating the 토크 설정점 using a 제어 모델 (

), the input variable of the regulator (C설정점) being the 토크 설정점 as requested by the 운전자 and the regulator using a 순 지연(

).

Description

자동차의 전기 모터의 회전 속도를 제어하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND CORRESPONDING METHOD FOR CONTROLLING THE ROTATION SPEED OF AN ELECTRIC MOTOR OF A MOTOR VEHICLE}

본 발명은 자동차의 전기 모터의 회전 속도의 제어에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 상기 회전 속도의 동요(oscillation)의 감소에 관한 것이다.

전기 모터의 회전 속도를 제어함으로써 일반적으로, 양 또는 음의 토크 설정점을 발생시키는 악셀레이터(accelerator)와 브레이크 페달에 작용하는 운전자의 의도를 해석하는 것이 가능하게 된다. 이 토크 설정점은, 모터의 요망되는 토크와 궁극적으로는 회전 속도를 얻기 위하여 전기적 설정점들(전류 및 전압)을 발생시키는 전력 부품들(쵸퍼(chopper), 인버터(inverter), 등)로 전달된다.

일반적으로 "구동 트레인"이라 함은, 토크 설정점을 바퀴들로 전달함을 보장하는 전기기계적 요소들 모두(전력 전기 소자, 전기 모터, 엔진 서스펜션(engine suspension), 감속 기어, 등)을 지칭한다.

통상적으로, 0 으로부터 양의 값으로 변화하는 토크 설정점을 추종하기 위하여는, 상기 모터의 회전 속도가 상기 요망되는 토크에 대응되는 값으로 증가할 것이다. 이와 같은 증가는 일반적으로 선형적(이상적 응답)이지 않으며, 동요가 발생한다.

정상적으로 주행하는 때에 상기 토크 설정점은 변화를 겪는다. 이와 같은 변화는 일반적으로 모터의 속도에 의하여 완벽히 추종(follow)되지 않으며, 모터의 회전 속도의 추이에서는 감쇠되는 동요(damped oscillation)가 관찰된다. 이와 같은 동요는 자동차의 운전자에 대하여 바람직하지 못하다.

또한, 매우 짧은 지연(delay) 내에 매우 강한 토크 레벨을 발생시킬 수 있는 전기 기계의 경우에는, 열 엔진(heat engine)이 제공된 구동 트레인에 비하여, 위와 같은 현상이 증폭되는 경향이 있다.

엔진 속도(또는 자동차의 속도)의 측정치에 기초하여 토크 설정점을 보정함으로써 상기 동요를 저감시키는 방안이 제안된바 있다. 보다 구체적으로는, 엔진 속도를 두 번 추출하여 과격한 동요만을 추출하고, 상기 두 번 추출된 엔진 속도에 계수를 곱하고 최종적으로 그 결과값을 토크 설정점으로부터 빼는 방안이 제안되었었다.

상기 방안은 열 엔진을 구비한 자동차에서 발생하는 동요에 적합하다. 이 방안은 전기 또는 하이브리드 구동부를 구비한 자동차에서의 동요에 대해 대응하기에는 충분히 빠르지 못하다. 또한, 상기 방안은 예상되지 못하는 동요에 대해서 지연된다는 단점을 가지고 있기도 하다.

직접식 보정기(direct corrector) 및 피드백 기반의 보정기(feedback-based corrector)의 이용이 제안되어 있는 문헌 WO 2012/011521 도 참조할 만하다. 상기 문헌의 직접식 보정기는 구동 트레인의 공진 영역(resonance area)에서 주파수들이 과도하게 여기(excite)됨을 방지하기 위하여, 토크 설정점의 변화를 필터링시킨다. 상기 피드백 기반의 보정기는 상기 공진 영역에서 구동 트레인의 주파수 응답의 이득(gain)과 위상(phase)을 변형시킴으로써 상기 동요를 저감시킨다.

도 1 에는 문헌 WO 2012/011521의 직접식 보정기 및 피드백 기반의 보정기와 관련된 개략도가 도시되어 있다. 먼저, 토크 설정점(C_cons)은 예를 들어 자동차의 페달에 의하여 공급되는 정보로부터 발생되고, 운전자에 의하여 요망되는 토크 설정점에 대응된다. 상기 토크 설정점(C_cons)은 다음과 같은 전달 함수(transfer function)를 갖는 직접식 보정기(1)의 입력부에 적용되는바:

여기에서,

G_obj(s)는 목표 전달 함수(objective transfer function), 즉 동요가 없는 전달 함수이고,

는 제어 모델, 즉 구동 트레인의 모델이다.

가산기(adder; 2)는 제1 입력부에서 보정기(1)의 출력부에 연결된다. 상기 가산기(2)의 출력부는 다른 가산기(3)의 제1 입력부에 연결되는바, 상기 가산기(3)의 다른 입력부는 외란(disturbance; C_perturb)을 수신한다. 상기 가산기(3)의 출력부는 전달 함수 G(s)를 갖는 구동 트레인(4)와 교신(communication)한다. 상기 구동 트레인(4)에 의하여 모터의 회전 속도(ω_mot)가 얻어질 수 있다.

상기 문헌에 기술된 피드백 기반의 보정기는 전달 함수

를 갖는 보정기(5)를 포함하는데, 상기 보정기의 출력은 모터 속도(ω_mot)와 비교된다 (감산기(subtractor; 6)). 상기 감산기(6)의 출력부는 아래의 전달 함수를 갖는 추가 보정기(7)에 연결되는바:

여기에서 H(s)는 동요를 보정하기 위하여 선택된다.

제어 모델(

)은 위상 쉬프트(phase shift) 이전에 공진 영역을 나타내는 주파수 응답(frequency response)을 갖는다. 또한, 상기 제어 모델은 불완전한 것으로서, 실제 구동 트레인에 정확하게 대응되지 않으며, 하기의 관계가 확인되는 경우에만 작동하도록 의도된 것이다:

이와 같은 관계는 구동 트레인의 노화와 다수의 자동차들에 걸친 특성들 분산(dispersion)을 감안할 수 없게 만든다.

본 발명은 전기 자동차에 적합하게 동요를 감소시킴을 목적으로 하는바, 더 우수한 제어 모델을 제안하고 더 우수한 주파수 응답을 얻음을 목적으로 한다.

본 발명의 일 형태에 따르면, 전기 또는 하이브리드 추진기(electric or hybrid propulsion)를 구비한 자동차의 전기 모터의 회전 속도를 제어하기 위한 시스템이 제안되는바, 상기 시스템은 토크 설정점(torque setpoint)의 피드백 기반 보정기(feedback-based corrector)를 포함하고, 상기 보정기는 제어 모델을 이용하는 것이다.

일 특징에 따르면, 상기 보정기의 입력량은 운전자에 의해 요청되는 토크 설정점이고, 상기 보정기는 순 지연(pure delay)을 이용한다.

따라서, 종래 기술에서 제안되었던 방안과는 달리, 운전자에 의하여 요청되는 토크 설정점이 직접 보정기에 입력으로서 제공되고, 피드백 루프를 거친 후에 얻어지는 설정점이 보정기에 입력으로서 제공되는 것이 아니다. 따라서, 제어 모델의 개발이 용이하게 되고 보정도 단순화된다.

또한, 종래 기술의 경우에는 순 지연이 이용되지 않았지만, 여기에서는 순 지연을 이용하는 보정이 수행된다. 따라서 공진 주파수보다 더 높은 주파수에 있어서 더 우수한 구동 트레인의 표현(representation)이 얻어진다.

상기 순 지연은 페이드 근사일 수 있는바, 예를 들면 두 개의 다항식들의 비율 형태로 제공될 수 있는 유리 함수이다. 상기 페이드 근사는 순 지연의 근사화에 적합하다.

상기 제어 모델은, 전기기계적 시간 상수(electromechanical time constant)에 대응되는 제1 시간 상수(first time constant)를 가진 제1 저역통과 필터(first low-pass filter)를 포함할 수 있는데, 상기 시간 상수는 전기기계적 시스템들 모두에 대해 특정적인 것이다. 이와 같은 저역통과 필터는 구동 트레인의 응답에 대한 보다 가까운 근사를 가능하게 한다.

상기 제어 모델은, 상기 제1 시간 상수보다 낮은, 예를 들어 제1 시간 상수보다 훨씬 더 낮은 제2 시간 상수(T_p2)를 갖는 제2 저역통과 필터를 포함할 수 있다. 이로써, 주파수 응답의 위상 쉬프트에 대한, 구동 트레인의 보다 우수한 표현이 얻어진다.

상기 시스템은: 모터의 회전 속도를 얻기 위하여, 운전자에 의하여 요청되는 토크 설정점과, 자동차 구동 트레인(vehicle drive train)과 교신하는 피드백에 의해 얻어지는 토크 설정점의 합(sum)을 계산하는 수단; 제어 모델과 순 지연을 이용하는 상기 보정기의 출력과 상기 모터의 회전 속도 간의 차를 계산하는 수단; 및 피드백에 의해 얻어지는 상기 토크 설정점을 얻기 위하여 상기 차를 보정하는 추가 보정기;를 더 포함할 수 있다.

상기 시스템은 피드백에 의하여 얻어지는 상기 토크 설정점을 출력하기에 적합한, 상기 추가 보정기의 출력을 필터링하기에 적합한 고역통과 필터(high-pass filter)를 포함할 수 있다. 특히, 고역통과 필터를 사용함으로써, 상기 보정기와 구동 트레인 간의 정적 에러(error)들 모두의 영향을 약화시킬 수 있다.

본 발명의 다른 일 형태에 따르면, 전기 또는 하이브리드 추진기를 구비한 자동차의 전기 모터의 회전 속도를 제어하는 방법이 제안되는바, 상기 방법은 제어 모델을 이용하는 피드백 기반의 보정을 포함한다.

상기 방법의 일 특징에 따르면, 운전자에 의해 요청되는 토크 설정점은 순 지연을 이용함으로써 피드백에 의하여 보정된다.

상기 순 지연은 페이드 근사일 수 있다.

상기 보정은, 전기기계적 시간 상수에 대응되는 제1 시간 상수를 가진 제1 저역통과 필터링을 포함할 수 있다.

상기 제어 모델은, 상기 제1 시간 상수보다 낮은 제2 시간 상수를 가진 제2 저역통과 필터링을 포함한다.

상기 방법은: 모터의 회전 속도를 얻기 위하여, 운전자에 의하여 요청되는 토크 설정점과, 자동차 구동 트레인과 교신하는 피드백에 의해 얻어지는 토크 설정점의 합을 계산함; 제어 모델과 순 지연을 이용하는 상기 보정의 결과와 상기 모터의 회전 속도 간의 차(difference)를 계산함; 및 피드백에 의해 얻어지는 상기 토크 설정점을 얻기 위하여 상기 차의 결과를 추가 보정함;을 더 포함할 수 있다.

상기 방법은, 피드백에 의하여 얻어지는 상기 토크 설정점을 얻기 위한 고역통과 필터링을 포함한다.

다른 목적, 구성, 및 장점들은 하기의 첨부 도면들을 참조로 하여 비제한적인 예로서 제공되는 아래의 상세한 설명으로부터 명확히 이해될 것이다.
이미 설명된 도 1 은, 종래 기술에 따른 모터의 회전 속도의 제어를 개략적으로 도시하는 개략도이고,
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 회전 속도의 제어를 도시하는 개략도이고,
도 3 에는 본 발명에 따른 제어 모델의 주파수 응답이 도시되어 있다.

도 2 에는 제어 시스템(10)이 도시되어 있는데, 여기에서는 페달을 통하여 운전자에 의해 요구되는 토크 설정점(C_cons)이 가산기(11)의 제1 입력부와 보정기(12)로 공급된다. 상기 가산기(11)의 출력부는 외란(C_perturb)을 가산하는 가산기(13)에 연결된다. 상기 가산기(13)의 출력인 토크 설정점은 전달 함수 G(s) 를 갖는 구동 트레인(14)으로 공급되고, 이것은 응답으로서 회전 속도(ω_mot)가 얻어지도록 전기 모터를 제어한다.

상기 보정기(12)는 전달 함수

x

를 갖는데, 여기에서

는 순 지연(pure delay)으로서, 예를 들어 페이드 근사(

approximation)이다. 상기 보정기(12)의 출력부는 감산기(15)에 연결되는데, 상기 감산기는 상기 순 지연과 제어 모델에 의하여 모델링되는 회전 속도와 상기 모터의 실제 속도(ω_mot) 간의 차(difference)를 계산한다.

상기 감산기(15)의 출력부는 추가 보정기(16)의 입력부와 교신하는바, 상기 추가 보정기(16)는 동요를 약화(attenuation)시키도록 의도된 것으로서, 하기의 전달 함수를 갖는다:

상기 추가 보정기(16)의 출력부는 고역통과 필터(17)와 교신하며, 상기 고역통과 필터는 보정된 설정점을 가산기(11)의 다른 입력부에 공급한다. 상기 고역통과 필터는 컷오프 맥동(cut-off pulsation; ω_HP)에 의하여 정의되는 하기의 전달 함수를 가질 수 있다:

페이드 근사는 지연(delay)의 근사값을 구함에 있어서 특히 적합한 것으로서, 다음과 같은 유리 함수(rational function) 형태로 제시될 수 있는데:

여기에서 P_m(s) 및 Q_n(s)은 다음 두 개의 등식들에 의하여 정의되는 다항식(polynomial)이다.

n 을 m 과 같은 값으로 선택함이 가능하고, 차수(order)를 2로 제한함이 가능하다(n=m=2). 그러면 순 지연(τ)의 전달 함수

는 다음과 같은 등식으로 표현된다.

또한, 제어 모델

은 두 개의 저역통과 필터들을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어 모델

은 전기기계적 시스템들 모두에 대해 특화된 제1 시간 상수(T_p1)를 가진 제1 저역통과 필터를 포함할 수 있다. 이 제1 저역통과 필터는 다음과 같은 전달 함수를 가질 수 있다.

또한, 제어 모델

은 제1 시간 상수(T_p1)보다 훨씬 더 낮도록 선택된 제2 시간 상수(T_p2)를 갖는 다른 저역통과 필터를 포함할 수 있다(T_p1<<T_p2). 상기 제2 저역통과 필터는 다음과 같은 전달 함수를 가질 수 있다.

이로써, 주파수 응답의 위상 쉬프트와 관련하여 더 우수한 결과가 얻어질 수 있는 제어 모델을 갖는 것이 가능하게 된다.

따라서, 다음과 같은 형태인 두 개의 저역통과 필터들을 포함하는 제어 모델을 선택하는 것이 가능한데:

여기에서,

b₂, b₁ 및 b₀ 는 전달 함수의 영점(zero)들에 해당되고, b₂ 는 정적 이득(static gain)이며,

ω_p 는 공진 주파수이고,

ζ 는 공진 주파수에서의 감쇠율(damping factor)이다.

위로부터 알 수 있는 바와 같이, 종래 기술(WO 2012/011521)에서 사용된 제어 모델의 경우와는 달리 적분기(integrator), 즉 1/s 항이 없으며, 두 개의 저역통과 필터들이 존재한다. 적분기가 없는 모델이 구동 트레인의 응답에 더 잘 대응된다.

마지막으로, 상기 보정기의 전달 함수는 다음과 같이 기재될 수 있다.

도 3 에는, 초당 라디안(radians per second)으로 표시된 모터의 회전 속도의 함수인 보정기

·

의 데시벨 이득(decibel gain)의 추이(trend)가 연속선으로서 도시되어 있다 (곡선 C1). 이 도면에 있어서, 자동차의 구동 트레인에서 측정된 이득은 불연속 선으로 도시되어 있다 (곡선 C2). 또한 도 3 에는, 상기 모델

·

의 각도 위상이 도시되어 있고(곡선 C3), 자동차의 구동 트레인에서 측정된 위상이 불연속선으로 도시되어 있다.

얻어진 위상 쉬프트가 측정된 것과 특히 근사하다는 것에 유의해야 할 것이다. 그러므로, 전달 함수

·

를 갖는 제어 모델에 의하여 더 우수한 주파수 응답을 얻을 수 있게 된다.

본 발명에 의하여 더 우수한 안정성 마진(stability margin)이 얻어질 수 있다는 점에도 유의해야 할 것인바, 특히 이득 마진, 위상 마진, 및 지연 마진의 경우에 있어서 그러하다.

상기 마진들을 판별하기 위해서는, 상기 시스템의 전달 함수들의 획득이 필요하며, 보다 구체적으로는 이상적인 경우(G(s)=

·

)를 상정하여 다음과 같은 모터 속도와 외란 간의 전달 함수를 고려함이 필요하다.

상기 전달 함수에서는, 기재된 바와 같이, 상기 보정기의 함수 H(s)가 동요를 감소시킨다. H(s) 는 다음과 같은 형태를 가질 수 있는데:

여기에서 p₁ 및 p₀ 은 하기의 해(solution)를 구함으로써 계산된다.

여기에서, 항목 β는 보정기 H(s) 의 시간 상수를 상기 제어 모델의 공진 주파수의 함수로서 파라미터화(parameterize)함을 가능하게 한다. 이 등식은 단일의 해를 가지며, 파라미터들 q₂,　q₁, q₀, p₁, 및 p₀은 β, ω₀, 및 ζ의 함수로서 표현된다.

전술된 바와 같은 2차의 페이드 근사를 이용함으로써, 계수들 p₁ 및 p₀ 는 다음의 등식에 의하여 계산된다.

그러면, 모터의 회전 속도와 외란 간의 전달 함수는 다음과 같이 된다.

동요 인자(oscillator)가 없다는 것을 알 수 있을 것인바, 즉

항이 사라진다.

최종적으로, 피드백에 의한 보정기의 안정성 마진을 계산할 수 있게 되는바, 여기에서 고역통과 필터가 있는 경우에는 다음과 같은 전달 함수가 얻어진다.

그와 같은 전달(transfer)(도 2 참조)의 개방 루프(open loop) 전달 함수 H_bo(s) 는 다음과 같이 얻어진다.

본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 위와 같은 전달 함수의 상기 마진을 계산할 수 있을 것이다. 여기에서, 4.16 데시벨(decibel)의 이득 마진, 122.16　도(degree)의 위상 마진, 49.8 밀리초(millisecond)의 지연 마진이 얻어진다. 필터링(filtering)의 컷오프 맥동은 5xω₀이다.

상기 분산(dispersion)에 대해 우수한 강인성(robustness), 더 우수한 안정성, 및 더 우수한 지연이 얻어진다는 것을 알 수 있다.

본 발명에 의하면, 우수한 주파수 응답을 가진 우수한 제어 모델을 사용함으로써, 전기 자동차에 적합한 동요의 감소가 얻어질 수 있다.

Claims

전기 또는 하이브리드 추진기(electric or hybrid propulsion)를 구비한 자동차의 전기 모터의 회전 속도를 제어하기 위한 시스템으로서,
상기 시스템은 토크 설정점(torque setpoint)의 피드백 기반 보정기(feedback-based corrector)를 포함하고, 상기 보정기는 제어 모델(
) 을 이용하며,
운전자에 의해 요청되는 토크 설정점이 전달 함수(
)를 거치지 않고서 보정기의 입력량(C_cons)으로서 상기 보정기에 입력되고, 상기 보정기는 순 지연(pure delay;
)을 이용하며, 상기 전달 함수의 G_obj(s)는 목표 전달 함수(objective transfer function)이고,
상기 시스템은:
모터의 회전 속도(ω_mot)를 얻기 위하여, 운전자에 의하여 요청되는 토크 설정점(C_cons)과, 자동차 구동 트레인(vehicle drive train)(G(s))과 교신하는 피드백에 의해 얻어지는 토크 설정점의 합(sum)을 계산하는 수단(11);
제어 모델과 순 지연을 이용하는 상기 보정기의 출력과 상기 모터의 회전 속도 간의 차(difference)를 계산하는 수단(15); 및
피드백에 의해 얻어지는 상기 토크 설정점을 얻기 위하여 상기 차(difference)를 보정하는 추가 보정기(16);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차의 전기 모터의 회전 속도를 제어하기 위한 시스템.
제1항에 있어서,
상기 순 지연은 페이드 근사(
approximation;
)인 것을 특징으로 하는, 자동차의 전기 모터의 회전 속도를 제어하기 위한 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제어 모델은, 전기기계적 시간 상수(electromechanical time constant)에 대응되는 제1 시간 상수(first time constant; T_p1)를 가진 제1 저역통과 필터(first low-pass filter)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차의 전기 모터의 회전 속도를 제어하기 위한 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제어 모델은, 상기 제1 시간 상수보다 낮은 제2 시간 상수(T_p2)를 갖는 제2 저역통과 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차의 전기 모터의 회전 속도를 제어하기 위한 시스템.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 시스템은, 피드백에 의하여 얻어지는 상기 토크 설정점을 출력하기 위한 고역통과 필터(high-pass filter; 17)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차의 전기 모터의 회전 속도를 제어하기 위한 시스템.
전기 또는 하이브리드 추진기를 구비한 자동차의 전기 모터의 회전 속도를 제어하는 방법으로서,
상기 방법은 제어 모델(
)을 이용하는 피드백 기반의 보정기를 포함하고,
운전자에 의해 요청되는 토크 설정점(C_cons)이 전달 함수(
)를 거치지 않고서 보정기의 입력량(C_cons)으로서 상기 보정기에 입력되고 또한 순 지연(
)을 이용함으로써 피드백에 의하여 보정되며, 상기 전달 함수의 G_obj(s)는 목표 전달 함수이고,
상기 방법은:
모터의 회전 속도(ω_mot)를 얻기 위하여, 운전자에 의하여 요청되는 토크 설정점(C_cons)과, 자동차 구동 트레인(G(s))과 교신하는 피드백에 의해 얻어지는 토크 설정점의 합을 계산함;
제어 모델과 순 지연을 이용하는 상기 보정의 출력과 상기 모터의 회전 속도 간의 차(difference)를 계산함; 및
피드백에 의해 얻어지는 상기 토크 설정점을 얻기 위하여 상기 차(difference)를 추가 보정함;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차의 전기 모터의 회전 속도를 제어하는 방법.
제7항에 있어서,
상기 순 지연은 페이드 근사(
)인 것을 특징으로 하는, 자동차의 전기 모터의 회전 속도를 제어하는 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 보정은, 전기기계적 시간 상수에 대응되는 제1 시간 상수(T_p1)를 가진 제1 저역통과 필터링을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차의 전기 모터의 회전 속도를 제어하는 방법.
제9항에 있어서,
상기 제어 모델은, 상기 제1 시간 상수보다 낮은 제2 시간 상수(T_p2)를 가진 제2 저역통과 필터링을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차의 전기 모터의 회전 속도를 제어하는 방법.
삭제
제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 방법은, 피드백에 의하여 얻어지는 상기 토크 설정점을 출력하기 위하여 고역통과 필터링(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차의 전기 모터의 회전 속도를 제어하는 방법.