KR102431317B1 - 차량용 모터 제어장치 및 방법 - Google Patents

차량용 모터 제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

차량용 모터 제어장치 및 방법을 개시한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상위 제어기로부터 수신된 차량의 주행속도 정보, 차량의 배터리 충전량 정보 및 전기 부하량 정보 중 적어도 하나에 기초하여 모터의 제어모드를 속응토크 제어모드(quick-response torque control mode) 또는 최대효율 제어모드(maximum efficiency control mode)로 결정하는 제어모드 결정부; 상기 제어모드 결정부에 의해 결정된 상기 제어모드 및 상기 제어모드에 상응하는 전류맵(current map)을 기반으로 모터의 토크 응답성(torque responsiveness) 및 최대효율성 중 어느 하나를 우선적으로 고려한 전류 지령값(current reference)을 생성하는 전류지령 생성부; 및 상기 전류지령 생성부가 생성한 전류 지령값에 대응하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 고정자측 인버터(stator inverter) 및 계자측 인버터(field inverter)에 각각 인가하는 PWM제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어장치를 제공한다.

Description

차량용 모터 제어장치 및 방법{Method and Apparatus for Controlling Motor of Vehicles}
본 발명은 차량용 모터 제어장치 및 이를 이용한 전류 지령 생성 방법에 관한 것으로서, 특히, 계자 권선형 모터(wound rotor motor)를 제어하기 위한 차량용 모터 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
권선형 계자를 사용하는 모터(wound rotor motor, 이하, "계자 권선형 모터"라 함)를 제어하는 제어 시스템은 크게 계자 회로와 고정자 회로를 포함하도록 구성된다.
계자 회로(field circuit)는 크게 계자측 인버터(field inverter)와 이 계자측 인버터에 연결된 계자 코일(field coil)을 포함하도록 구성되고, 고정자 회로(stator circuit)는 크게 고정자측 인버터(stator inverter)와 이 고정자측 인버터에 연결된 고정자 코일(stator coil)을 포함하도록 구성된다.
그런데, 계자 회로의 계자 코일은 수백 턴(turn)으로 감겨진 형태이기 때문에, 그 인덕턴스(inductance)가 크고, 그로 인해 계자 회로 자체의 시정수(time constant, L/R)가 커서 전류 응답 특성이 느린 단점이 있다. 특히, 차량용 48 V 배터리 시스템에서는, DC 링크 전압(DC link voltage)이 낮을 경우에는 계자 회로에 인가할 수 있는 계자전압이 작기 때문에 전류 제어 응답 특성을 높이는 데 한계가 있다. 전류 제어 응답 특성을 높이기 위해서는 계자 코일의 턴수를 줄이고, 코일의 직경을 늘려야 하는데, 이 경우, 전류 크기가 커져서 계자측 인버터 내의 전력 반도체(power semiconductor) 크기도 커져야 하는 문제가 있다.
이와 같이, 계자 회로의 시정수가 크기 때문에 계자 코일에 흐르는 계자 전류는 수십 ms 내외로 느리게 제어되고, 이는 모터의 토크 응답 특성(torque response characteristics) 또한 느려진다. 이에 반해, 고정자 회로의 고정자 코일에 흐르는 d축 전류 및 q 축 전류는 수 ms 이내로 빠르게 제어할 수 있다.
이로 인해, 계자 권선형 모터가 최대효율로만 동작하도록 제어하는 경우, 도 1에 도시한 바와 같이, 토크의 과도 구간(t2-t3)에서 토크 응답성이 느리고, 계자 전류의 과도 구간(t2-t3)에서 모터가 높은 효율로 동작하지 못한다.
따라서, 본 발명의 목적은 모터의 토크 응답성과 효율을 모두 개선할 수 있는 차량용 모터 제어장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 상위 제어기로부터 수신된 차량의 주행속도 정보, 차량의 배터리 충전량 정보 및 전기 부하량 정보 중 적어도 하나에 기초하여 모터의 제어모드를 속응토크 제어모드(quick-response torque control mode) 또는 최대효율 제어모드(maximum efficiency control mode)로 결정하는 제어모드 결정부; 상기 제어모드 결정부에 의해 결정된 상기 제어모드 및 상기 제어모드에 상응하는 전류맵(current map)을 기반으로 모터의 토크 응답성(torque responsiveness) 및 최대효율성 중 어느 하나를 우선적으로 고려한 전류 지령값(current reference)을 생성하는 전류지령 생성부; 및 상기 전류지령 생성부가 생성한 전류 지령값에 대응하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 고정자측 인버터(stator inverter) 및 계자측 인버터(field inverter)에 각각 인가하는 PWM제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어장치를 제공한다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 상위 제어기로부터 수신된 차량의 주행속도 정보, 차량의 배터리 충전량 정보 및 전기 부하량 정보 중 적어도 하나에 기초하여 모터의 제어모드를 속응토크 제어모드(quick-response torque control mode) 또는 최대효율 제어모드(maximum efficiency control mode)로 결정하는 제어모드 결정과정; 상기 제어모드 결정과정에 의해 결정된 상기 제어모드 및 상기 제어모드에 상응하는 전류맵(current map)을 기반으로 모터의 토크 응답성(torque responsiveness) 및 최대효율성 중 어느 하나를 우선적으로 고려한 전류 지령값(current reference)을 생성하는 전류지령 생성과정; 및 상기 전류지령 생성과정에 의해 생성된 전류 지령값에 대응하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 고정자측 인버터(inverter) 및 계자측 인버터에 각각 인가하는 PWM제어과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어방법을 제공한다.
본 개시에 따르면, 계자 코일에 흐르는 계자 전류(또는 계자 전류값)의 크기를 고려하여, 전류 지령값을 생성하고, 이 전류 지령값을 이용하여 차량용 모터를 제어함으로써, 차량용 모터의 토크 응답 특성을 향상시키고, 동시에 모터를 최대효율로 동작시킬 수 있다.
또한 모터의 토크 응답 특성을 개선하기 위해 계자 코일의 턴수를 줄이고 계자 전류의 크기를 늘리기 위해, 계자측 인버터 내의 전력 반도체의 크기를 늘리는 설계가 요구되지 않는다.
도 1은 종래의 모터 제어 시스템의 문제점을 설명하기 위한 시간에 따른 토크 응답 특성과 계자전류를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 차량용 모터 제어장치를 간략히 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시한 전류 지령 생성부의 내부 구성을 간략히 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 8은 본 개시의 일 실시예에 따라 계자 전류값의 크기 별로 구분되는 고정자 전류맵을 3차원의 그래프로 나타낸 도면들이다.
도 9은 본 개시의 일 실시예에 따른 제2 고정자 전류맵에 포함된 d축 전류맵과 q축 전류맵을 각각 3차원 그래프로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 계자 전류맵을 3차원 그래프로 나타낸 도면이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따라 도 1에 도시한 차량용 모터 제어장치를 이용한 전류 지령 생성 방법을 나타낸 순서도이다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따라 속응토크 제어모드에서의 모터의 응답 특성과 모터가 최대효율 제어모드에서의 모터의 응답 특성을 각각 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명에 따른 예시적 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 차량용 모터 제어장치를 간략히 나타낸 도면이고, 도 3은 도 1에 도시한 전류 지령 생성부의 내부 구성을 간략히 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 차량용 모터 제어장치(100)는 차량용 모터(M)의 동작을 제어하는 장치로서, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 상기 차량용 모터(M)는 권선형 계자를 사용하는 클로-폴형 모터(claw-pole shaped motor) 또는 계자 권선형 모터(wound rotor motor)일 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 차량용 모터 제어장치(100)는 차량용 모터의 토크 응답성을 우선적으로 제어하는 속응토크 제어(quick-response torque control)와 차량용 모터의 최대효율을 우선적으로 제어하는 최대효율 제어(maximum efficiency control)를 적응적으로 수행한다.
이를 위해, 본 개시의 일 실시예에 따른 차량용 모터 제어장치(100)는 속응토크 제어와 최대효율 제어를 적응적으로(adaptively) 수행할 수 있는 계자 전류 지령(field-current reference) 및 고정자 전류 지령(stator-current reference)을 생성한다.
상기와 같은 계자 전류 지령 및 고정자 전류 지령에 따라 상기 속응토크 제어와 상기 최대효율 제어를 적응적으로 수행하기 위해, 상기 차량용 모터 제어장치(100)는 인버터(inverter, 110), 센서(sensor, 120), d-q 변환부(direct-quadrature converter 130), 제어 모드 결정부(140), 토크 지령 생성부(150), 자속 지령 생성부(160), 전류 지령 생성부(170), 전류 제어부(180: 182, 184) 및 PWM 제어부(Pulse Width Modulation controller, 190)를 포함한다. 이하, 각 구성들에 대해 상세히 기술한다.
인버터(110)
인버터(110)는 DC 링크 커패시터(C)에 의해 차량 배터리 전원(Vdc)과 전기적으로 연결되고, DC 링크 커패시터(C)를 통해 전달되는 차량 배터리 전원(Vdc)을 DC 링크 입력 전압으로서 입력받고, DC 링크 입력 전압의 크기 및 주파수가 변경된 모터 구동 전압을 상기 모터(M)에 인가한다.
인버터(110)는 DC 링크 커패시터(C)에 병렬 연결된 계자측 인버터(112)와 고정자측 인버터(114)를 포함한다.
계자측 인버터(112)는 모터(M) 내의 계자 코일(Lf)에 전기적으로 연결되어, 계자측 모터 구동 전압을 계자 코일(Lf)에 인가한다.
고정자측 인버터(114)는 모터(M) 내의 고정자 코일(La, Lb, Lc)에 전기적으로 연결되어, 고정자측 모터 구동 전압을 고정자 코일(La, Lb, Lc)에 인가한다.
본 개시는 각 인버터(112, 114)의 회로 구성에 특징이 있는 것이 아니므로, 이들에 대한 상세 설명은 생략한다.
센서(120)
센서(120)는 계자 코일(Lf)에 흐르는 계자 전류값(if)을 실시간으로 측정하는 계자 전류 센서(122), 고정자 코일(La, Lb, Lc)에 각각 흐르는 3상 고정자 전류값(ia, ib, ic)를 실시간으로 측정하는 고정자 전류 센서(124), 모터(M) 회전자의 회전 속도(Wr)를 실시간으로 측정하는 회전 속도 센서(126) 및 모터(M)의 위상각(θr)을 실시간으로 측정하는 위상 센서(128)를 포함한다.
d-q 변환부(130)
d-q 변환부(130)는 고정자 전류 센서(124)로부터의 3상 고정자 전류값(ia, ib, ic)과 위상 센서(128)로부터의 위상각(θr)을 수신하고, 수신된 3상 고정자 전류값(ia, ib, ic)과 위상각(θr)을 이용하여 3상 고정자 전류값(ia, ib, ic)을 d축 전류 성분(id, 이하, 'd축 전류값'이라 함)과 q축 전류 성분(iq, 이하, 'q축 전류값'이라 함)으로 변환한다.
제어 모드 결정부 (140)
제어 모드 결정부(140)는 도면에 도시하지 않은 상위 제어기로부터 수신된 차량 상태 정보를 기반으로 모터의 제어하기 위한 제어 모드를 결정한다. 여기서, 제어 모드 결정부(140)와 상위 제어기는 CAN 통신(Controller Area Network)을 이용하여 상호 통신 연결될 수 있으며, CAN 통신으로 상기 차량 상태 정보를 수신할 수 있다.
제어 모드는 모터(M)의 토크 응답성을 우선적으로 고려하여 모터(M)를 제어하는 속응토크 제어모드와 모터(M)의 효율을 우선적으로 고려하여 모터(M)를 제어하는 최대효율 제어모드를 포함한다.
즉, 제어 모드 결정부(140)는 상위 제어기로부터 수신된 차량 상태 정보를 분석하여, 모터(M)의 제어 모드를 속응토크 제어모드 또는 최대효율 제어모드로 결정한다. 여기서, 차량 상태 정보는 차량의 주행 상태 정보, 차량 배터리(Vdc)의 충전량 정보 및 전기 부하량 정보 등을 포함할 수 있다. 여기서, 주행 상태 정보는 차량이 현재 기준 속도 이상으로 주행하는 고속 주행 중인지 아니면 기준 속도 미만으로 주행하는 주행 중인지를 나타내는 속도 정보일 수 있다.
제어 모드 결정부(140)는 차량이 고속 주행 중인 경우, 토크 응답성을 우선적으로 고려하는 것이 바람직하므로, 현재의 모드가 상기 최대효율 운전 모드인 경우, 최대효율 제어모드를 속응토크 제어모드로 변경한다. 차량 배터리의 충전량이 충분하지 않은 상태인 경우, 모터의 효율을 우선적으로 고려하는 것이 바람직하므로, 현재의 모드가 속응토크 제어모드인 경우, 속응토크 제어모드를 최대효율 제어모드로 변경한다.
여기서 속응토크 제어모드는 자동차 제어 공학 또는 차량 설계자에 따라 다이나믹 운전 모드(Dynamic Drive Mode: DDM)로 정의될 수 있고, 최대효율 제어모드는 경제 운전 모드(Eco Drive Mode: EDM)로 정의될 수 있다.
제어 모드 결정부(140)는 현재 제어모드를 속응토크 제어모드 또는 최대효율 제어모드로 변경하면, 변경된 제어 모드를 지시하는 플래그(flag) 신호를 생성하고, 생성한 플래그 신호를 상기 전류 지령 생성부(170)로 출력한다. 여기서, 플래그 신호는 속응토크 제어모드를 지시하는 제1 플래그 신호(Flag_DDM)와 최대효율 제어모드를 지시하는 제2 플래그 신호(Flag_EDM)를 포함한다. 즉, 제어 모드 결정부(140)는 차량 상태 정보에 따라 현재 제어 모드를 속응토크 제어모드로 변경한 경우, 제1 플래그 신호(Flag_DDM)를 전류 지령 생성부(170)로 출력하고, 현재 제어 모드를 최대효율 제어모드로 변경한 경우, 제2 플래그(Flag_EDM)를 전류 지령 생성부(170)로 출력한다.
토크 지령 생성부(150)
토크 지령 생성부(150)는 상위 제어기(도시하지 않음)로부터 CAN 통신을 통해 수신된 차량 상태 정보를 기반으로 토크 지령값(Te *)을 생성하고, 생성한 토크 지령(Te *)을 상기 전류 지령 생성부(170)로 출력한다. 여기서, 상위 제어기가 상기 토크 지령값(Te *)을 상기 전류 지령 생성부(170)로 직접 제공할 수 있다. 이 경우, 차량용 모터 제어장치(100)는 토크 지령 생성부(150)를 포함하지 않을 수 있다.
자속 지령 생성부(160)
자속 지령 생성부(160)는 회전 속도 센서(126)로부터 수신한 상기 모터(M)의 회전 속도(Wr)와 DC 링크 입력 전압(Vdc)을 이용하여 자속 지령값(λ*)을 생성하고, 생성된 자속 지령값(λ*)을 전류 지령 생성부(170)로 출력한다. 여기서, 자속 지령값(λ*)은 Vdc/Wr 에 의해 계산될 수 있다.
전류 지령 생성부(170)
전류 지령 생성부(170)는 계자 전류 센서(122)로부터의 현재의 계자 전류값(if), 제어 모드 결정부(140)로부터의 플래그 신호, 토크 지령 생성부(150)로부터의 토크 지령값(Te *) 및 자속 지령 생성부(160)로부터의 자속 지령값(λ*)을 이용하여 고정자 전류 지령값(id * , iq *) 및 계자 전류 지령값(if *)을 포함하는 전류 지령값을 생성하는 구성으로서, 특히 전류 지령 생성부(170)는 플래그 신호가 지시하는 제어 모드에 따라 모터(M)의 토크 응답성 또는 최대효율을 선택적으로 또는 적응적으로 개선하는 데 매우 유용한 전류 지령값을 생성한다.
이를 위해, 전류 지령 생성부(170)는 고정자 전류 지령 생성부(172)와 계자 전류 지령 생성부(174)를 포함한다.
고정자 전류 지령 생성부(172)
고정자 전류 지령 생성부(172)는 모터(M)의 토크 응답성을 우선적으로 고려한 고정자 전류 지령값(id * , iq *) 또는 모터(M)의 최대효율을 우선적으로 고려한 고정자 전류 지령값(id * , iq *)를 생성한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 고정자 전류 지령 생성부(172)는 경로 생성부(172-1), 저역통과 필터부(172-3, LPF), 제1 고정자 전류맵(172-5) 및 제2 고정자 전류맵(172-7)을 포함한다. 본 실시예에서는, 경로 생성부(172-1)와 저역통과 필터부(172-3, LPF)가 고정자 전류 지령 생성부(172)의 내부에 설계된 것으로 설명하지만, 이들 구성들(172-1, 172-3)은 고정자 전류 지령 생성부(172)의 외부에 설계될 수도 있다.
경로 생성부(172-1)는 제어 모드 결정부(140)로부터의 플래그 신호에 응답하여 토크 지령 생성부(150)로부터의 토크 지령값(Te *)을 제1 고정자 전류맵(172-5)에 전달하는 제1 경로(R1), 또는 제2 고정자 전류맵(172-7)에 전달하는 제2 경로(R2)를 생성한다. 구체적으로, 경로 생성부(172-1)는 속응토크 제어모드를 지시하는 제1 플래그 신호(Flag_DDM)에 응답하여 제1 경로(R1)를 생성하고, 최대효율 제어모드를 지시하는 제2 플래그 신호(Flag_EDM)에 응답하여 제2 경로(R2)를 생성한다.
저역통과 필터부(172-3, LPF)는 제2 경로(R2)를 통해 전달되는 토크 지령값(Te *)을 필터링하고, 필터링된 토크 지령값(Te1 *)을 생성한다. 이러한 저역통과 필터부(172-3, LPF)는 계자 코일(Lf)을 포함하는 계자 회로의 응답 특성을 고려하여 토크 지령값(Te *)을 저역통과 필터링한 토크 지령값(Te1 *)으로 변경함으로써, 변경된 토크 지령값(Te1 *)을 기반으로 생성된 고정자 전류 지령값은 모터(M)의 최대효율을 개선한다.
제1 고정자 전류맵(172-5)은 속응토크 제어를 위해 사용되는 전류 맵(current map)으로서, 제1-1 d축 전류맵(172-5A)과 속응토크 제어에 사용되는 제1-2 q축 전류맵(172-5B)을 포함한다.
제1-1 d축 전류맵(172-5A)은, 현재의 계자 전류값(if)의 크기 별로 구분되는 다수의 d축 전류맵을 포함하며, 다수의 d축 전류맵 각각은 현재 입력되는 토크 지령값(Te *)과 현재 입력되는 자속 지령값(λ*)에서 모터(M)의 손실이 최소가 되도록 사전에 학습된 다수의 d축 전류 지령값(id *)을 저장한다. 즉, 다수의 d축 전류 지령값(id *) 각각은 계자 전류의 크기 별로 모터 효율이 가장 높은 값들로 선정된다.
이러한 제1-1 d축 전류맵(172-5A)은 계자 전류 센서(122)로부터 전달되는 현재의 계자 전류값(if), 제1 경로(R1)를 통해 토크 지령 생성부(150)로부터 전달되는 현재의 토크 지령값(Te *) 및 자속 지령 생성부(160)로부터 전달되는 현재의 자속 지령값(λ*)을 입력 변수들로 입력받고, 입력 변수들에 매핑되는 d축 전류 지령값(id *)을 출력(계산 또는 추출)한다.
제1-2 q축 전류맵(172-5B)은, 현재의 계자 전류값(if)의 크기 별로 구분되는 다수의 q축 전류맵을 포함하고, 다수의 q축 전류맵 각각은 현재 입력되는 토크 지령값(Te *)과 현재 입력되는 자속 지령값(λ*)에서 모터(M)의 손실이 최소가 되도록 사전에 학습된 다수의 q축 전류 지령값(iq *) 저장한다. 즉, 다수의 q축 전류 지령값(iq *) 각각은 계자 전류의 크기 별로 모터 효율이 가장 높은 값들로 선정된다.
제1-2 q축 전류맵(172-5B)은 계자 전류 센서(122)로부터 전달되는 현재의 계자 전류값(if), 제1 경로(R1)를 통해 토크 지령 생성부(150)로부터 전달되는 현재의 토크 지령값(Te *) 및 자속 지령 생성부(160)로부터 전달되는 현재의 자속 지령값(λ*)을 입력 변수들로 입력받고, 입력 변수들에 매핑되는 q축 전류 지령값(iq *)을 출력한다.
제2 고정자 전류맵(172-7)은 최대효율 제어를 위해 사용되는 전류맵으로서, 제2-1 d축 전류맵(172-7A) 및 제2-2 q축 전류맵(172-7B)을 포함한다.
제2-1 d축 전류맵(172-7A)은, 저역통과 필터링된 현재의 토크 지령값(Te1 *)과 현재의 자속 지령값(λ*)에서 모터(M)가 최대효율로 동작하도록 사전에 학습된 다수의 d축 전류 지령값(id *)을 저장한다. 이러한 제2-1 d축 전류맵(172-7A)은 저역통과 필터부(127-3)에 의해 저역통과 필터링된 현재의 토크 지령값(Te1 *) 및 자속 지령 생성부(160)로부터 전달되는 현재의 자속 지령값(λ*)을 입력 변수들로 입력받고, 입력 변수들에 매핑되는 d축 전류 지령값(id *)을 출력한다.
제2-2 q축 전류맵(172-7B)은, 저역통과 필터링된 현재의 토크 지령값(Te1 *)과 현재의 자속 지령값(λ*)에서 모터(M)가 최대효율을 갖도록 사전에 학습된 다수의 q축 전류 지령값(iq *)을 저장한다. 이러한 제2-2 q축 전류맵(172-7B)은 저역통과 필터부(127-3)에 의해 저역통과 필터링된 현재의 토크 지령값(Te1 *) 및 자속 지령 생성부(160)로부터 전달되는 현재의 자속 지령값(λ*)을 입력 변수들로 입력받고, 입력 변수들에 매핑되는 q축 전류 지령값(iq *)을 출력한다.
계자 전류 지령 생성부(174)
계자 전류 지령 생성부(174)는 모터(M)의 토크 응답성을 우선적으로 고려한 계자 전류 지령값(if *) 또는 모터(M)의 최대효율을 우선적으로 고려한 고정자 전류 지령값(id * , iq *)을 생성한다.
이를 위해, 계자 전류 지령 생성부(174)는 도 3에 도시한 바와 같이, 속응토크 제어에 사용되는 제1 계자 전류맵(174-1)과 최대효율 제어에 사용되는 제2 계자 전류맵(174-2)을 포함한다.
제1 계자 전류맵(174-1)은 토크 지령값(Te *)과 자속 지령값(λ*)에서 모터(M)가 최대효율로 동작하도록 사전에 학습된 다수의 계자 전류 지령값(if *)을 저장한다.
이러한 제1 계자 전류맵(174-1)은 현재의 자속 지령값(λ*)과 경로 생성부(172-1)에 의해 생성된 제1 경로(R1)를 통해 전달되는 현재의 토크 지령값(Te *)을 입력 변수들로 입력받고, 이들 입력 변수들에 매핑(mapping)되는 계자 전류 지령값(if *)을 출력(추출)한다.
제2 계자 전류맵(174-2)은 저역통과 필터링된 현재의 토크 지령값(Te1 *)과 현재의 자속 지령값(λ*)에서 모터(M)가 최대효율로 동작하도록 사전에 학습된 다수의 계자 전류 지령값(if *)을 저장한다.
이러한 제2 계자 전류맵(174-2)은 저역통과 필터부(172-3)의 의해 필터링된 현재의 토크 지령값(Te1 *)과 현재의 자속 지령값(λ*)을 입력 변수로 입력받고, 이들 입력 변수들에 매핑되는 계자 전류 지령값(if *)을 출력 또는 추출한다.
전류 제어부( 180: 182 , 184)
다시 도 2를 참조하면, 전류 제어부(180)는 고정자 전류 제어부(182)와 계자 전류 제어부(184)를 포함한다.
고정자 전류 제어부(182)는 d축 전류 제어부(182A)와 q축 전류 제어부(182B)를 포함한다.
d축 전류 제어부(182A)는 고정자 전류 지령 생성부(172)로부터 출력되는 d축 전류 지령값(id *)과 d-q 변환부(130)로부터 출력되는 d축 전류값(id)을 이용하여 d축 전압 지령값(Vd *)을 생성한다. 여기서, d축 전압 지령값(Vd *)은, 예를 들면, PI 제어(Proportional-Integral control) 방식에 따라 d축 전류 지령값(id *)과 d축 전류값(id) 간의 편차로부터 계산될 수 있다.
q축 전류 제어부(182B)는 고정자 전류 지령 생성부(172)로부터 출력되는 q축 전류 지령값(iq *)과 d-q 변환부(130)로부터 출력되는 q축 전류값(iq)을 이용하여 q축 전압 지령값(Vq *)을 생성한다. 여기서, q축 전압 지령값(Vq *)은 예를 들면, PI 제어 방식에 따라 q축 전류 지령값(iq *)과 q축 전류값(iq) 간의 편차로부터 계산될 수 있다.
계자 전류 제어부(184)는 계자 전류 지령 생성부(174)로부터 출력되는 계자 전류 지령값(if *)과 계자 전류 센서(122)로부터 출력되는 계자 전류값(if)을 이용하여 계자 전압 지령값(Vf *)을 생성한다. 여기서, 계자 전압 지령값(Vf *)은 예를 들면, 계자 전류 지령값(if *)과 계자 전류값(if) 간의 편차로부터 계산될 수 있다.
PWM 제어부(190)
PWM 제어부(190)는 d축 전류 제어부(182A)로부터 출력되는 d축 전압 지령값에 대응하는 제1 PWM 듀티값(duty ratio)과 q축 전류 제어부(182B)로부터 출력되는 q축 전압 지령값(Vq *)에 대응하는 제2 PWM 듀티값을 생성하고, 모터(M)가 개선된 토크 응답성으로 동작하거나 모터(M)가 최대효율로 동작하도록 제1 및 제2 PWM 듀티값으로 고정자측 인버터(114) 내의 스위치들(도시하지 않음)을 제어한다.
또한 PWM 제어부(190)는 계자 전류 제어부(184)로부터 출력되는 계자 전압 지령값(Vf *)에 대응하는 제3 PWM 듀티값을 생성하고, 모터(M)가 최대효율로 동작하도록 제3 PWM 듀티값으로 계자측 인버터(112) 내의 스위치들(도시하지 않음)을 제어한다.
이하, 본 개시의 일 실시예에 따라 속응토크 제어에 사용하는 제1 고정자 전류맵, 최대효율 제어에 사용하는 제2 고정자 전류맵 및 최대효율 제어에 사용하는 계자 전류맵의 생성 방법에 대해 설명한다.
속응토크 제어에 사용하는 제1 고정자 전류맵(172-5)의 생성
먼저, 실험을 통하여 계자 전류와 고정자 d축 전류에 해당하는 토크 및 자속값 그리고, q축 전류에 해당하는 토크 및 자속값을 측정한다.
이어, 계자 전류값의 크기 별로(예: 0 A ~ 10 A, 2 A) 토크 지령값(torque reference)과 자속 지령값(magnetic flux reference)을 만족하는 고정자 전류맵(172-5)을 생성한다. 이 때 d축 전류 지령값들과 q축 전류 지령값들은 모터 손실이 최소가 되고, 동시에 토크 응답성을 고려하여 토크 지령을 빠르게 추종하는 값으로 선정된다. 모터 손실(Wloss)은 수학식 1과 같다.
Figure 112020077151412-pat00001
여기서, Rs는 고정자 저항, Rf는 계자 저항, id는 고정자 d축 전류값, iq는 고정자 q축 전류값이다. 그리고, if는 계자 전류값이다.
이와 같이, 고정자 전류와 계자 전류는 작지만, 상전압(Vs)은 큰 운전점(Sub-maximal efficiency Operating Point)을 확인하고, 확인한 운전점에 해당하는 d축 전류 지령값들을 제1 고정자 전류맵(172-5)의 제1-1 d축 전류맵(172-5A)으로 생성하고, 확인한 운전점에 해당하는 q축 전류 지령값들을 제1 고정자 전류맵(172-5)의 제1-2 q축 전류맵(172-5B)으로 생성한다.
이러한 고정자 전류맵(172-5)은 동일한 토크 지령값 및 자속 지령값에 대하여 계자전류 크기 별로 다른 고정자 전류 지령값들을 저장하며, 이 고정자 전류 지령값들은 계자전류 크기 별로 모터 효율이 가장 높은 값들로 구성된다.
수학식 2는 제1-1 d축 전류맵(172-5A)을 이용하여 d축 전류 지령값의 계산 과정을 나타낸 식이고, 수학식 3은 제1-2 d축 전류맵(172-5B)을 이용하여 q축 전류 지령값의 계산 과정을 나타낸 식이다.
Figure 112020077151412-pat00002
여기서, idk *는 k 번째 d축 전류 지령값이고, Table()은 d축 전류맵을 나타내는 함수이고, Te *은 토크 지령값이고, λ*은 Table()에 입력되는 자속 지령값이다. 그리고, ifk는 k 번째 계자 전류값이다.
Figure 112020077151412-pat00003
여기서, iqk *는 k 번째 q축 전류 지령값이고, Table()은 q축 전류맵을 나타내는 함수이고, Te *은 토크 지령값이고, λ*은 자속 지령값이다. 그리고, ifk는 k 번째 계자 전류값이다.
도 4 내지 도 8은 본 개시의 일 실시예에 따라 계자 전류값의 크기 별로 구분되는 고정자 전류맵을 3차원의 그래프로 나타낸 도면들이다. 도 4는 8 A의 계자 전류값(if)에서 생성된 d축 전류맵과 q축 전류맵을 포함하는 고정자 전류맵이고, 도 5는 6 A의 계자 전류값(if)에서 생성된 d축 전류맵과 q축 전류맵을 포함하는 고정자 전류맵이고, 도 6은 4 A의 계자 전류값(if)에서 생성된 d축 전류맵과 q축 전류맵을 포함하는 고정자 전류맵이고, 도 7은 2 A의 계자 전류값(if)에서 생성된 d축 전류맵과 q축 전류맵을 포함하는 고정자 전류맵이다. 그리고, 도 8은 0 A의 계자 전류값(if)에서 생성된 d축 전류맵과 q축 전류맵을 포함하는 고정자 전류맵이다.
최대효율 제어에 사용하는 제2 고정자 전류맵(172-7)의 생성
최대효율 제어에 사용하는 제2 고정자 전류맵(172-7)에서는, 자속 지령값과
계자 전류의 응답특성을 고려하여 저역통과 필터링된 토크 지령값(Te1 *)을 만족하면서 모터(M)가 최대효율로 동작하는 d축 전류 지령치와 q축 전류 지령치가 선정한다. 즉, 제2 고정자 전류맵(172-7)의 생성 과정은 계자 전류, d축 전류 및 q축 전류를 모두 고려하여 최대효율 동작점(Maximum-efficiency Operating Point)에 해당하는 d축 전류 지령치와 q축 전류 지령치를 찾는 과정이다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 제2 고정자 전류맵에 포함된 d축 전류맵과 q축 전류맵을 각각 3차원 그래프로 나타낸 도면이다.
계자 전류맵(174-1, 174-2)의 생성
속응토크 제어에 사용되는 제1 계자 전류맵(174-1)을 생성하는 과정은, 토크 지령값과 자속 지령값을 만족하면서, 토크 지령을 빠르게 추종하면서, 동시에 최소화된 모터(M) 손실로 동작하는 계자 전류 지령치(if *)를 선정하는 과정이다. 즉, 제1 계자 전류맵(174-1)의 생성 과정은 계자 전류, d축 전류 및 q축 전류를 모두 고려하여 모터의 토크 응답성과 최대효율을 모두 만족하는 최대효율 동작Mkaximum-efficiency Operating Points)에 해당하는 d축 전류 지령치와 q축 전류 지령치를 찾는 과정이다.
최대효율 제어에 사용되는 제2 계자 전류맵(174-2)에서는, 자속 지령값과 계자 전류값(if)의 응답특성을 고려하여 토크 지령(Te *)에 저역통과 필터를 적용하여 변경된 토크 지령값(Te1 *)을 만족하면, 모터(M)가 최대효율로 동작하는 계자 전류 지령치(if *)가 선정된다.
도 10에서는 3차원 그래프로 나타낸 제1 계자 전류맵(174-1)이 도시된다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따라 도 1에 도시한 차량용 모터 제어장치를 이용한 전류 지령 생성 방법을 나타낸 순서도로서, 아래의 각 단계를 설명하는 과정에서 앞서 설명한 차량용 모터 제어장치에 대한 설명과 중복되는 부분은 생략하거나 간략히 기술하기로 한다.
도 11을 참조하면, 먼저, 제어 모드 결정부(140)가 상위기 제어기로부터 수신한 차량 상태 정보를 분석하는 과정(S110)이 수행된다.
이어서, 제어 모드 결정부(140)가 차량 상태 정보를 분석한 결과를 기반으로 모터(M)의 제어 모드를 속응토크 제어모드를 결정하는 과정(S120) 또는 모터(M)의 제어 모드를 최대효율 제어모드를 결정하는 과정(S150)이 수행된다.
이어서, 제어 모드 결정부(140)가 모터(M)의 제어 모드를 속응토크 제어모드로 결정한 경우, 모터(M)의 토크 응답 특성을 우선적으로 고려하여 사전에 학습된 제1 고정자 전류맵(172-5)을 이용하여, 토크 지령값(Te *), 자속 지령값(λ*) 및 현재의 계자 전류값(if)에 매핑되는 고정자 전류 지령값(id *, iq *)을 생성하는 과정(S130)과, 모터(M)의 토크 응답 특성을 우선적으로 고려하여 사전에 학습된 제1 계자 전류맵(174-1)을 이용하여 토크 지령값(Te *)과 자속 지령값(λ*)에 매핑되는 계자 전류 지령값(if *)을 생성하는 과정(S140)이 수행된다.
도면에서는 도시하지 않았으나, 고정자 전류 지령값(id *, iq *)과 계자 전류 지령값(if *)을 생성한 이후, 고정자 전류 지령값(id *, iq *)으로부터 고정자 전압 지령값(Vd *, Vq *)을 계산하고, 계자 전류 지령값(if *)으로부터 계자 전압 지령값(Vf *)을 계산하고, 고정자 전압 지령값(Vd *, Vq *)에 대응하는 PWM 듀티비로 고정자측 인버터(114)의 동작을 제어하고, 계자 전압 지령값(Vf *)에 대응하는 PWM 듀티비로 계자측 인버터(112)의 동작을 제어한다. 이에 의해, 모터(M)가 지령 토크를 빠르게 추종하여, 토크 응답 특성이 개선될 수 있다.
한편, 제어 모드 결정부(140)가 모터(M)의 제어 모드를 최대효율 제어모드로 결정한 경우, 모터(M)의 최대효율을 우선적으로 고려하여 사전에 학습된 제2 고정자 전류맵(172-7)을 이용하여 저역통과 필터링된 토크 지령값(Te1 *)과 자속 지령값(λ*) 및 현재의 계자 전류값(if)에 매핑되는 고정자 전류 지령값(id *, iq *)을 생성하는 과정(S150)과 모터(M)의 최대효율을 우선적으로 고려하여 사전에 학습된 제2 계자 전류맵(174-2)을 이용하여 토크 지령값(Te *)과 자속 지령값(λ*)에 매핑되는 계자 전류 지령값(if *)을 생성하는 과정(S160)이 수행된다.
도면에서는 도시하지 않았으나, 단계 S160 이후, 상기 고정자 전류 지령값(id *, iq *)으로부터 고정자 전압 지령값(Vd *, Vq *)계산하고, 계자 전류 지령값(if *)으로부터 계자 전압 지령값(Vf *)을 계산하고, 고정자 전압 지령값(Vd *, Vq *)에 대응하는 PWM 듀티비로 고정자측 인버터(114)의 동작을 제어하고, 계자 전압 지령값(Vf *)에 대응하는 PWM 듀티비로 계자측 인버터(112)의 동작을 제어한다. 이에 의해, 모터(M)가 최대효율 동작점(Maximum-efficiency Operating Points)에서 동작하여, 모터(M)의 효율이 개선될 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 개시의 차량용 모터 제어장치가 속응토크 제어모드에서 동작하는 경우, 과도 구간(t2-t3)에서 종래에 비해 토크 응답 특성보다 확실히 개선되었고, 동시에 모터의 효율이 개선되었음을 알 수 있다.
또한 본 개시의 차량용 모터 제어장치가 최대효율 제어모드에서 동작하는 경우, 속응토크 제어모드에서 보여주는 토크 응답 특성만큼은 아니지만, 적어도 과도 구간(t2-t3)에서 보여주는 종래의 토크 응답 특성보다 개선되었고, 동시에 모터의 효율이 개선되었음을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (10)

  1. 상위 제어기로부터 수신된 차량의 주행속도 정보, 차량의 배터리 충전량 정보 및 전기 부하량 정보 중 적어도 하나에 기초하여 모터의 제어모드를 속응토크 제어모드(quick-response torque control mode) 또는 최대효율 제어모드(maximum efficiency control mode)로 결정하는 제어모드 결정부;
    상기 제어모드 결정부에 의해 결정된 상기 제어모드 및 상기 제어모드에 상응하는 전류맵(current map)을 기반으로 모터의 토크 응답성(torque responsiveness) 및 최대효율성 중 어느 하나를 우선적으로 고려한 전류 지령값(current reference)을 생성하는 전류지령 생성부; 및
    상기 전류지령 생성부가 생성한 전류 지령값에 대응하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 고정자측 인버터(stator inverter) 및 계자측 인버터(field inverter)에 각각 인가하는 PWM제어부를 포함하되,
    상기 제어모드 결정부는,
    상기 차량의 주행속도 정보 또는 상기 차량의 배터리 충전량을 기설정된 임계값과 비교하여 상기 모터의 제어모드를 결정하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어모드 결정부는,
    상기 차량의 속도가 기 설정된 임계값 이상인 경우, 상기 모터의 제어모드를 속응토크 제어모드로 결정하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어모드 결정부는,
    상기 차량의 배터리 충전량이 기 설정된 임계값 이하인 경우, 상기 모터의 제어모드를 최대효율 제어모드로 결정하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    계자 코일에 흐르는 계자 전류값(field current)을 측정하는 계자 전류 센서;
    상기 차량의 주행속도 정보를 기반으로 토크 지령값(torque reference)을 생성하는 토크 지령생성부; 및
    상기 모터의 회전속도 정보를 기반으로 자속 지령값(magnetic flux reference)을 생성하는 자속 지령생성부를 더 포함하되,
    상기 전류지령 생성부는 상기 계자 전류값, 상기 토크 지령값, 및 상기 자속 지령값 중 적어도 하나를 이용하여 상기 전류 지령값을 생성하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어장치
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전류지령 생성부는,
    상기 토크 지령생성부로부터 전달받은 토크 지령값을 저역통과 필터링(low-pass filtering)하는 저역통과 필터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어장치.
  6. 상위 제어기로부터 수신된 차량의 주행속도 정보, 차량의 배터리 충전량 정보 및 전기 부하량 정보 중 적어도 하나에 기초하여 모터의 제어모드를 속응토크 제어모드(quick-response torque control mode) 또는 최대효율 제어모드(maximum efficiency control mode)로 결정하는 제어모드 결정과정;
    상기 제어모드 결정과정에 의해 결정된 상기 제어모드 및 상기 제어모드에 상응하는 전류맵(current map)을 기반으로 모터의 토크 응답성(torque responsiveness) 및 최대효율성 중 어느 하나를 우선적으로 고려한 전류 지령값(current reference)을 생성하는 전류지령 생성과정; 및
    상기 전류지령 생성과정에 의해 생성된 전류 지령값에 대응하는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 고정자측 인버터(inverter) 및 계자측 인버터에 각각 인가하는 PWM제어과정을 포함하되,
    상기 제어모드 결정과정은,
    상기 차량의 주행속도 정보 또는 상기 차량의 배터리 충전량을 기설정된 임계값과 비교하여 상기 모터의 제어모드를 결정하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어모드 결정과정,
    상기 차량의 속도가 기 설정된 임계값 이상인 경우, 상기 모터의 제어모드를 속응토크 제어모드로 결정하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어모드 결정과정은,
    상기 차량의 배터리 충전량이 기 설정된 임계값 이하인 경우, 상기 모터의 제어모드를 최대효율 제어모드로 결정하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 전류지령 생성과정 이전에,
    계자 코일에 흐르는 계자 전류값(field current)을 측정하는 계자 전류 측정과정;
    상기 차량의 주행속도 정보를 기반으로 토크 지령값(torque flux reference)을 생성하는 토크 지령생성과정; 및
    상기 모터의 회전속도 정보를 기반으로 자속 지령값(magnetic flux reference)을 생성하는 자속 지령생성과정을 추가로 포함하되,
    상기 전류지령 생성과정은 상기 계자 전류값, 상기 토크 지령값, 및 상기 자속 지령값 중 적어도 하나를 이용하여 상기 전류 지령값을 생성하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전류지령 생성과정은,
    상기 계자 전류값, 상기 토크 지령값을 저역통과 필터링(low-pass filtering)한 값, 및 상기 자속 지령값 중 적어도 하나를 이용하여 상기 전류 지령값을 생성하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어방법.
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