KR20030050454A

KR20030050454A - 하이브리드 전기 자동차의 모터 제어장치 및 방법

Info

Publication number: KR20030050454A
Application number: KR1020010080884A
Authority: KR
Inventors: 김상환
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2001-12-18
Filing date: 2001-12-18
Publication date: 2003-06-25

Abstract

하이브리드 전기 자동차에서 구동모터로 사용되는 BLDC 전동기의 구동 제어를 각 상(相)의 전류(轉流)를 직접 검출한 다음 히스테리시스 전류 제어를 통해 저속 영역에서의 토크 맥동을 저감시키도록 한 것이다.

본 발명은 MCU로부터 모터 기동을 위한 전류 제어 신호가 인가되면 전류 제어값과 피드백 되는 실제 전류값을 연산하여 그 편차를 추출하는 과정과, 상기 추출된 편차를 설정된 히스테리시스 밴드와 비교하여 실제 전류가 기준 전류 이하이면 상전류를 크게 형성하고, 실제 전류가 기준 전류 이상이면 상전류를 작게 형성하는 과정과, 게이트 스위칭을 통해 각 상전류의 전기각 120°중에서 하반부 60°구간에 대하여 PWM 신호로 형성하여 인버터 구동신호로 출력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 전기 자동차의 모터 제어장치 및 방법{APPARATUS FOR MOTOR CONTROLLING ON HYBRID ELECTRIC VEHICLE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 하이브리드 전기 자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 하이브리드 전기 자동차에서 구동모터로 사용되는 BLDC(Brushless Direct Current) 전동기의 구동 제어를 각 상(相)의 전류(轉流)를 직접 검출한 다음 히스테리시스 전류 제어를 통해 저속 영역에서의 토크 맥동을 저감시키도록 한 하이브리드 전기 자동차의 모터 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 하이브리드 전기 자동차의 모터 구동을 제어하기 위해서는 펄스 폭 변조(PWM ; Pulse Width Modulation) 신호를 통한 인버터의 스위칭으로 3상 AC모터의 구동을 제어하는데, 일 예로 인버터 스위칭을 수행하는 PWM 신호는 첨부된 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 3상 2여자 방식의 모터를 제어하기 위해서는 제1상(A_H)에 대해서는 120°동안 온 상태를 유지하고, 제2상(C_L)에서 대해서는 120°동안 온/오프 스위칭을 반복하여 출력하며, 제3상(B_H)에 대해서는 120°동안 온 신호를 출력하는 방식으로 하며, 각 상은 60°를 기점으로 중첩되도록 함으로써 모터의 1회전 360°를 6상에 대한 제어로써 구동되도록 제어한다.

이와 같은 종래의 PWM 제어방법은 각 상의 전압이나 전류의 평균치를 제어하는 것으로 전류(轉流) 맥동에 의한 토크 맥동과 전류(轉流) 맥동 토크 저감시킬 수 없다.

상기한 바와 같은 PWM 신호의 제어방식의 경우 BLDC 전동기를 사용하는 하이브리드 전기 자동차에서 BLDC 전동기의 전류(轉流)동작이 BLDC 전동기 내부 고정자에 권선된 권성저항과 인덕턴스 성분으로 인해 발생되는 역기전력으로 인하여 즉시 이루어지지 않아 구형파의 전기자 전류(電流)를 얻을 수 없으며, 이것은 전류(電流) 맥동의 원인이 되어 전류(轉流) 맥동 토크를 발생시키며 이러한 전류(轉流) 맥동 토크는 속도의 안정성을 저하시켜 승차감을 저하시키게 되는 문제점으로 작용한다.

따라서, BLDC 전동기를 하이브리드 전기 자동차에 응용시 이러한 맥동 전류(轉流)를 저감시키기 위하여 별도로 프로그래밍된 특별한 알고리즘이 필요하게 되고, 이로 인하여 BLDC 전동기의 구동 제어가 복잡하게 되는 문제점으로 발생된다.

또한, 인버터 직류 링크에 하나의 센서를 부착하여 전류 제어기의 동작을 제어할 수 있으나, 상전류(相轉流) 전환구간에서 모든 상전류(相轉流)에 대한 정보를 알 수 없기 때문에 상전류(相轉流) 전환에 의한 토크 맥동 저감에 많은 어려움이 수반되는 문제점으로 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 모터 구동 제어를 위한 기준 전류(轉流) 명령과 피드백 되는 실제 전류(轉流)를 뺀 오차를 설정된 히스테리시스 밴드와 비교하여 실제 전류(轉流)가 기준전류(轉流) 명령보다 작아지면 상전류(相轉流)를 크게 하는 방향으로 설정하고, 전류(轉流) 오차가 히스테리시스 밴드 위쪽으로 벗어나 실제 전류(轉流)가 기준 전류(轉流) 명령보다 커지게 되면 상전류(相轉流)를 작게 하는 방향으로 설정하며, 스위칭을 통해 전기각 120°중 하반부 60°구간만 PWM 신호로 인가되도록 함으로써 감쇄모드의 상전류(相轉流)와 상승모드의 상전류(相轉流) 파형에 대하여 감쇄 또는 상승 기울기를 변화시켜 저속 영역에서 토크 맥동을 감소시키도록 한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 모터 제어장치에 대한 구성 블록도.

도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 모터 제어장치에 의해 출력되는 PWM 신호의 분배 상태도.

도 3은 종래의 하이브리드 전기 자동차에 적용되는 PWM 신호의 분배 상태도.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 MCU의 기준 전류 명령에 따라 배터리 전압을 처리하여 3상 전류 신호로 출력하는 전압 처리부와; MCU의 기준 전류 명령과 피드백 되는 모터 구동 전기각에 따라 6상의 스위칭 신호를 발생시키는 스위칭 신호 발생부와; 전압 처리부에서 인가되는 기준 전류 신호와 피드백 되는 실제 전류를 연산한 다음 편차를 설정된 히스테리시스 밴드와 비교하여 상전류의 크기를 결정하는 히스테리시스 전류 제어기와; 상기 스위칭 신호 발생부에서 인가되는 게이팅 신호에 따라 히스테리시스 전류 제어기에서 결정되어 인가되는 PWM 신호를 스위칭하는 게이트 드라이브 및; 게이트 드라이브의 스위칭에서 따른 PWM 신호로 모터 구동을 수행시키는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 히스테리시스 전류 제어기는 인가되는 3상 기준 전류와 피드백 되는 실제 전류를 뺀 오차가 설정된 히스테리시스 밴드 아래쪽으로 벗어나 실제 전류가 기준전류보다 작은 상태이면 상전류를 크게 형성하고, 인가되는 3상 기준 전류와 피드백 되는 실제 전류를 뺀 오차가 설정된 히스테리시스 밴드 위쪽으로 벗어나 실제 전류가 기준전류보다 큰 상태이면 상전류를 작게 형성한다.

또한, 상기 PWM 신호는 전기각 120°중에서 후반부 60°구간에 대하여 온/오프 스위치를 위한 PWM 신호로 형성하고, 전반부 60°구간에 대해서는 온 상태로 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 특징은 MCU로부터 모터 기동을 위한 전류 제어 신호가 인가되면 전류 제어값과 피드백 되는 실제 전류값을 연산하여 그 편차를 추출하는 과정과; 상기 추출된 편차를 설정된 히스테리시스 밴드와 비교하여 실제 전류가 기준 전류 이하이면 상전류를 크게 형성하고, 실제 전류가 기준 전류 이상이면 상전류를 작게 형성하는 과정과; 게이트 스위칭을 통해 각 상전류의 전기각 120°중에서 하반부 60°구간에 대하여 PWM 신호로 형성하여 인버터 구동신호로 출력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차의 모터 제어장치는 전압 처리부(10)와 스위칭 신호 발생부(20), 히스테리시스 전류 제어기(30), 게이트 드라이브(40) 및 인버터(50)로 이루어지는데, 전압 처리부(10)는 도시되지 않은 MCU(Motor Control Unit)로부터 모터(M) 구동 제어를 위해 인가되는 기준 전류(轉流) 명령(Te)에 따라 배터리 전압(Vbatt)이 3상의 전류 신호(i_phase)로 출력되도록 처리한다.

스위칭 신호 발생부(20)는 도시되지 않은 MCU(Motor Control Unit)로부터 모터(M) 구동 제어를 위해 인가되는 기준 전류(轉流) 명령(Te)과 모터(M) 구동에 따라 홀 센서로부터 검출되는 모터(M) 구동 각도인 전기각에 대응하는 6상의 스위칭 신호(AH,BH,CH,AL,BL,CL)를 발생하여 게이트 드라이브에 인가한다.

히스테리시스 전류 제어기(30)는 전압 처리부(10)를 통해 인가되는 3상 기준 전류(轉流) 명령 신호(i_phase)와 전류센서로부터 피드백 되는 실제 전류(轉流)를 뺀 오차를 이미 정해진 히스테리시스 밴드와 비교하여 히스테리시스 밴드 아래쪽으로 벗어나 실제 전류(轉流)가 기준전류(轉流) 명령보다 작은 상태이면 상전류(相轉流)를 크게 하는 방향으로 설정하고, 전압 처리부(10)를 통해 인가되는 3상 기준 전류(轉流) 명령 신호(i_phase)와 전류센서로부터 피드백 되는 실제 전류(轉流)를 뺀 오차를 이미 정해진 히스테리시스 밴드와 비교하여 히스테리시스 밴드 위쪽으로 벗어나 실제 전류(轉流)가 기준전류(轉流) 명령보다 큰 상태이면 상전류(相轉流)를 작게 하는 방향으로 설정하여 각 상(相)의 신호를 출력한다.

게이트 드라이브(40)는 스위칭 신호 발생부(20)의 게이팅 신호에 따라 스위칭 동작되어 히스테리시스 전류 제어기(30)에서 결정되어 인가되는 3상의 신호를 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 전기각 120°중에서 후반부 60°의 구간에 대해서만 PWM 신호로 형성하여 인버터(50)의 스위칭 신호로 출력한다.

인버터(50)는 게이트 드라이브(40)의 스위칭에서 따라 인가되는 6상 PWM 신호에 따라 모터(M)의 구동을 수행한다.

상기 모터(M)에는 회전 각도를 검출하는 홀 센서(61)가 내부에 구비되며, 회전에 따른 각도 정보를 도시되지 않은 MCU 및 스위칭 신호 발생부(20)측에 피드백 신호로 제공한다.

또한, 모터(M)의 내부에 온도 검출수단이 장착되어 모터(M)의 구동에 따라 발생되는 온도의 정보를 검출하여 도시되지 않은 MCU측에 피드백 신호로 인가한다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에서 저속 영역에서 토크 맥동을 제어하는 PWM 신호 제어 동작은 다음과 같이 수행된다.

도시되지 않은 MCU로부터 모터(M)의 저속 영역 구동을 제어하기 위한 기준 전류(轉流) 명령(Te)이 전압 처리부(10)에 인가되면 전압 처리부(10)는 인가되는 기준 전류(轉流) 명령(Te)에 따라 배터리에서 공급되는 전압(Vbatt)을 3상 전류 신호(i_phase)로 처리하여 히스테리시스 전류 제어기(30)에 인가한다.

동시에 스위칭 신호 발생부(20)는 MCU로부터의 모터(M) 구동 제어 기준 전류(轉流) 명령(Te)과 모터(M) 구동에 따라 홀 센서(61)로부터 검출되는 구동각을분석하여 각 상을 스위칭하기 위한 신호(AH,BH,CH,AL,BL,CL)를 발생하여 게이트 드라이브(40)에 인가한다.

히스테리시스 전류 제어기(30)는 전압 처리부(10)를 통해 인가되는 3상 기준 전류(轉流) 명령 신호(i_phase)와 전류센서로부터 피드백 되는 실제 전류(轉流)를 뺀 오차를 이미 정해진 히스테리시스 밴드와 비교한 다음 오차가 히스테리시스 밴드 의 아래쪽을 벗어나 실제 전류(轉流)가 기준전류(轉流) 명령보다 작은 상태로 검출되면 상전류(相轉流)를 크게 하는 방향으로 형성하고, 상기 산출된 오차가 히스테리시스 밴드 위쪽으로 벗어나 실제 전류(轉流)가 기준전류(轉流) 명령보다 큰 상태로 검출되면 상전류(相轉流)를 작게 하는 방향으로 형성하여 게이드 드라이브(40)측에 인가한다.

이때, 게이트 드라이브(40)는 스위치 신호 발생부(20)에서 인가되는 각 상 제어를 위한 신호(AH,BH,CH,AL,BL,CL)에 따라 스위칭되어 히스테리시스 전류 제어기(30)에서 상전류(相轉流)가 처리되어 인가되는 3상의 신호를 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 전기각 120°중에서 후반부 60°구간에 대하여 PWM 신호로 형성시켜 인버터(50)측에 인가한다.

따라서, 인버터(50)는 게이트 드라이브(40)의 스위칭에서 인가되는 PWM 따라 모터(M)의 구동을 제어함으로써 저속 영역에서 토크 맥동의 발생없이 안정된 구동을 수행한다.

또한, 모터(M)내에서 설치되어 있는 홀 센서(61)는 회전에 다른 각도 변화를검출하여 MCU 및 스위칭 신호 발생부(20)측에 피드백 신호로 제공함으로써 각 상별 모터(M)의 구동 제어가 보다 안정되게 수행되도록 하며, 모터 온도 센서는 모터(M)의 구동에 따라 발생되는 온도의 정보를 검출하여 MCU측에 피드백 신호로 인가하여 모터(M)구동에 필요한 정보로 활용하도록 한다

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 히스테리시스 전류 제어방식을 통해 역기전력에 포함된 맥동 전류를 저감시키고, 상 제어를 위한 PWM 신호의 전기각 120°중에서 후반부 60°만을 펄스 형태로 구현함으로써 저속 영역에서 토크 맥동을 저감시켜 안정적인 출발과 정지 제어를 제공하여 하이브리드 전기 자동차의 주행에 신뢰성 및 안정성을 제공한다.

Claims

MCU의 기준 전류 명령에 따라 배터리 전압을 처리하여 3상 전류 신호로 출력하는 전압처리부와;

MCU의 기준 전류 명령과 피드백 되는 모터 구동 전기각에 따라 6상의 스위칭 신호를 발생시키는 스위칭 신호 발생부와;

전압 처리부에서 인가되는 기준 전류 신호와 피드백 되는 실제 전류를 연산한 다음 편차를 설정된 히스테리시스 밴드와 비교하여 상전류의 크기를 결정하는 히스테리시스 전류 제어기와;

상기 스위칭 신호 발생부에서 인가되는 게이팅 신호에 따라 히스테리시스 전류 제어기에서 결정되어 인가되는 PWM 신호를 스위칭하는 게이트 드라이브 및;

게이트 드라이브의 스위칭에서 따른 PWM 신호로 모터 구동을 수행시키는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 모터 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 히스테리시스 전류 제어기는 인가되는 3상 기준 전류와 피드백 되는 실제 전류를 뺀 오차가 설정된 히스테리시스 밴드 아래쪽으로 벗어나 실제 전류가 기준전류보다 작은 상태이면 상전류를 크게 형성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 모터 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 히스테리시스 전류 제어기는 인가되는 3상 기준 전류와 피드백 되는 실제 전류를 뺀 오차가 설정된 히스테리시스 밴드 위쪽으로 벗어나 실제 전류가 기준전류보다 큰 상태이면 상전류를 작게 형성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 모터 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 PWM 신호는 전기각 120°중에서 후반부 60°구간에 대하여 온/오프 스위치를 위한 PWM 신호로 형성하고, 전반부 60°구간에 대해서는 온 상태로 형성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 모터 제어장치.
MCU로부터 모터 기동을 위한 전류 제어 신호가 인가되면 전류 제어값과 피드백 되는 실제 전류값을 연산하여 그 편차를 추출하는 과정과;

상기 추출된 편차를 설정된 히스테리시스 밴드와 비교하여 실제 전류가 기준 전류 이하이면 상전류를 크게 형성하고, 실제 전류가 기준 전류 이상이면 상전류를 작게 형성하는 과정과;

게이트 스위칭을 통해 각 상전류의 전기각 120°중에서 하반부 60°구간에 대하여 PWM 신호로 형성하여 인버터 구동신호로 출력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 모터 제어방법.