KR20080030226A

KR20080030226A - 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20080030226A
Application number: KR1020060096034A
Authority: KR
Inventors: 문상현; 임형빈
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-04-04
Also published as: KR100837938B1

Abstract

본 발명은 속도지령을 생성하는 속도제어기와; 토크 및 속도 지령으로부터 d, q축 전류지령을 계산하여 산출하는 전류지령산출부와; q축 전류오차와 '0'을 비교하여 PI제어를 함으로써 오차를 최소화하는 PI제어기와; 상기 PI제어기의 PI제어출력을 d축 전류지령에 되먹임하는 제1되먹임부와; 상기 PI제어기의 PI제어출력을 q축 전류지령에 되먹임하는 제2되먹임부와; 상기 PI제어기의 PI제어출력을 q축 전류지령에 되먹할 때 토크의 손실을 방지하기 위해서 등토크 곡선을 따라 보상하는 보상부를 구비하는 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치를 제공한다.

하이브리드 자동차, 모터 제어, 약계자 제어

Description

하이브리드 자동차의 모터 제어 장치 및 방법 {Apparatus And Method For Controlling A Motor In A Hybrid Electric Vehicle}

도 1은 종래 하이브리드 자동차의 모터 제어구조를 도시한 도면,

도 2는 약계자 제어를 설명하기 위한 도면,

도 3은 종래 하이브리드 자동차의 모터 제어구조에서 전압제한과 전류제한을 설명하기 위한 특성도,

도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 모터 제어구조에서 전압제한(전류제어기 포화) 조건시 현상을 설명하기 위한 특성도,

도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치에서 약계자 제어 알고리즘을 설명하기 위한 특성도,

도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치의 기능 블록을 도시한 도면,

도 7은 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치에서 토크 및 속도 지령으로부터 d, q축 전류지령을 계산하여 산출하는 과정을 설명하기 위한 도면,

도 8은 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 모터 제어 방법을 설명하기 위 한 흐름도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 속도제어기 2 : 전류지령산출부

3 : PI제어기 4 : 제1되먹임부

5 : 제2되먹임부 6 : 보상부

본 발명은 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 하이브리드 자동차의 모터 제어에 있어서 전압변동에 따라 속도성분을 보상함으로써 약계자 제어를 수행할 수 있는 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle)의 모터 제어구조는 도 1에 도시한 바와 같다. 이러한 하이브리드 자동차의 모터 제어는 일반적으로 IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)의 제어 방식을 채택하고 있다. 이 IPMSM은 비선형성이 크므로 모터 등가 모델을 이용한 수학적 공식으로는 제어가 곤란하다. 따라서 현재는 시험을 통하여 토크-속도에 따른 전류지령을 추출하여 맵(MAP)을 구성하고 전류지령을 생성하는 맵 제어 방식을 사용하고 있다. IPMSM 모터 제어에서 맵 방식의 전류 지령 생성기를 사용하면 별도의 약계자 메커니즘이 없이도 매핑에 의해서 간접적으로 약계자가 수행된다.

여기서, 약계자 제어에 대하여 설명하기로 한다. 도 2에 도시한 바와 같은 모터의 경우 모터를 구동하기 위해서 전력원이 필요하다. 하지만 일단 모터가 회전을 하기 시작하면 모터에서 계자(자석)의 세기 및 회전수에 비례하여 전압이 인가된다(Faraday의 법칙). 수식으로 표현하면 역기전력(Vback.emf) = (계자의 세기) ㅧ (모터회전속도)로 된다. 따라서 영구자석모터의 경우 계자의 세기가 일정하다면 결국 회전속도가 증가할수록 역기전력이 높아지게 된다. 이때 역기전력(Vback.emf)이 배터리전원(Vbatt)보다 커지게 되면 전력원에서 전력이 공급되지 못하고, 이에 따라 모터의 제어가 불가능하게 된다. 따라서 모터의 제어를 위하여 계자의 세기를 줄여주게 되는데 이를 약계자 제어라고 한다.

종래에는 전류 지령 맵을 추출할 때 모터링 또는 발전모드에 따른 차등의 맵을 추출하여 적용하고 있다. 이때 통상적으로 전압은 한 포인트를 고정하여 추출하게 된다. 가령 예를 들면 모터링은 130V, 발전모드는 160V의 전압에서 전류지령 맵을 추출하는 것이다. 따라서 정상적인 전압에서는 모터 속도 증가에 따른 역기전력의 증대에 따라 계자를 줄여주는 약계자 제어가 전류 지령 맵에 포함되어 있다. 그러나, 직류전압 또는 모터 온도의 변화 등에 의해서 모터 전기특성에 변동이 발생하면 전류 지령점이 전압 제한의 외부에 위치하게 될 수 있고, 이는 전류제어기 포화 및 전류 추종 실패로 이어지고 결국 과전류 페일(Fail)이 발생할 수 있다.

즉, 도 3에 도시한 바와 같이, 모터 속도가 증가함에 따라 전압제한 타원[f(ω)]은 점점 작아지게 되는데, 이 타원 밖에 제어점이 존재할 경우에는 제어가 불 가능하게 되는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 하이브리드 자동차의 모터 제어에 있어서 전압변동에 따라 속도성분을 보상하여 약계자 제어를 수행함으로써 안정적인 모터 제어를 수행할 수 있는 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치 및 방법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치는, 속도지령을 생성하는 속도제어기와; 토크 및 속도 지령으로부터 d, q축 전류지령을 계산하여 산출하는 전류지령산출부와; q축 전류오차와 '0'을 비교하여 PI제어를 함으로써 오차를 최소화하는 PI제어기와; 상기 PI제어기의 PI제어출력을 d축 전류지령에 되먹임하는 제1되먹임부와; 상기 PI제어기의 PI제어출력을 q축 전류지령에 되먹임하는 제2되먹임부와; 상기 PI제어기의 PI제어출력을 q축 전류지령에 되먹할 때 토크의 손실을 방지하기 위해서 등토크 곡선을 따라 보상하는 보상부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 모터 제어 방법은, 현재의 제어모드가 토크제어모드인지를 확인하는 제1단계와; 상기 제1단계에서 토크제어모드라고 판단되면 토크지령을 입력받아 이 토크지령과 속도지령 으로부터 전류지령을 산출하는 제2단계와; 실제 측정된 측정전류값을 입력받고 PI제어를 통한 전류제어를 수행하는 제3단계와; 상기 제3단계의 전류제어에 따른 목표 전류값과 실제 측정전류값을 비교하여 전류제어오차가 없는지를 판단하는 제4단계와; 상기 제4단계에서 전류제어오차가 있는 것으로 판단되면 PI 제어를 통하여 전류 오차 감소 제어를 수행하고, 전류 오차 감소 제어 수행중에 전류 제한값을 산출하며, 이 산출된 산출전류제한값이 등토크라인상에 존재하도록 보상한 후에 모터 전류 제어를 수행하는 제5단계를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치 및 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 4에는 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 모터 제어구조에서 전압제한(전류제어기 포화) 조건시 현상을 설명하기 위한 특성이 도시되어 있다.

동 도면에서 전류지령이 전압제한 타원의 외측을 가리키는 경우에는 d, q축 전류지령이 부족하게 된다. 여기서, d축 전압제어기가 (+)측으로 포화상태가 되면 q축 전류를 (-) 방향으로 증가시켜 d축 전압을 정상상태로 만들어야 하며, q축 전압제어기가 (+)측으로 포화상태가 되면 d축 전류를 (-) 방향으로 증가시켜 q축 전압을 정상상태로 만들어야 한다.

이러한 제어에 의한 정상상태 전류는 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.

즉,

상기 식에서 전압제한에 걸리는 경우 모터에는 직류전압을 초과하는 역기전력분에 대한 단락전류가 흐르게 됨을 알 수 있고, 만약 전압제한 타원이 과전류 조건을 초과하는 경우 전류제어기 포화가 발생하면 과전류 페일(fail)까지 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 약계자 제어 알고리즘이 필요하게 된다.

도 5에는 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치에서 약계자 제어 알고리즘을 설명하기 위한 특성이 도시되어 있다.

본 발명에 따른 약계자 제어 알고리즘에서는 속도보상에 따른 약계자 제어를 수행하게 된다. 즉, 속도가 증가할수록 전압제한 타원의 크기가 줄어들게 된다. 이때 전류지령이 타원 바깥에 존재할 경우, 전류제어기는 포화상태로 되고 제어는 불가능해진다. 전류지령 맵을 사용하는 제어의 경우, 약계자 성분이 맵 상에 존재하게 되지만, 통상 한 점(1-point)에서 맵핑을 수행함으로써 부하변동에 따른 전압변동시 별도의 약계자 제어를 수행하지 않을 경우 제어가 불안정하게 된다.

본 발명에서는 도 5에 도시한 바와 같이 전압변동에 따라 속도성분을 보상함으로써 약계자 제어를 수행하게 된다.

도 6에는 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치의 기능 블록이 도시되어 있다.

즉, 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치는, 속도제어기(1), 전류지령산출부(2), PI제어기(3), 제1되먹임부(4), 제2되먹임부(5), 보상부(6)를 구비한다.

상기 속도제어기(1)는 속도지령을 생성하고, 상기 전류지령산출부(2)는 토크 및 속도 지령으로부터 d, q축 전류지령을 계산하여 산출한다. 상기 PI제어기(3)는 q축 전류오차와 '0'을 비교하여 PI제어를 함으로써 오차를 최소화한다. 상기 제1되먹임부(4)는 상기 PI제어기(3)의 PI제어출력을 d축 전류지령에 되먹임하게 된다. 상기 제2되먹임부(5)는 상기 PI제어기(3)의 PI제어출력을 q축 전류지령에 되먹임하게 되고 이때 모터링/발전에 의해 다른 부호가 적용된다. 상기 보상부(6)는 상기 PI제어기(3)의 PI제어출력을 q축 전류지령에 되먹할 때 토크의 손실을 방지하기 위해서 등토크 곡선을 따라 보상해주게 된다.

도 7에는 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치에서 토크 및 속도 지령으로부터 d, q축 전류지령을 계산하여 산출하는 과정을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.

즉, 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치는 토크 및 속도 지령으로부터 d, q축 전류지령을 계산하여 산출하는데, 2D 맵구조의 토크지령과 모터속도를 입력받아 d축 및 q축의 전류지령을 만들어준다. 여기서, 모터링과 리제너레이션(Regeneration)의 별도 맵이 필요하므로, 총 4개의 2-D맵이 필요하다. 상기 4개의 2-D맵은 도 7에 도시한 바와 같고 각 인덱스는 선형보간 처리하여 지령을 산출한다.

도 8에는 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치에서의 제어 흐름이 도시되어 있다.

먼저, 제어장치는 현재의 제어모드가 토크제어모드인지를 판단한다(단계 S1). 여기서 토크 제어모드가 아니면, 제어는 단계 S2로 진행하여 속도제어모드라고 판단하고 속도지령을 입력받아(단계 S3), PI제어를 통하여 토크지령을 산출한 후(단계 S4), 단계 S5로 진행하여 상기 단계 S4에서 산출한 토크지령을 입력으로 하여 후술하는 단계 S6~S14의 제어를 수행한다.

한편, 제어장치는 상기 단계 S1에서 제어모드가 토크제어모드라고 판단되면 토크지령을 입력받는다(단계 S5). 그후, 제어장치는 상기 단계 S5에서 입력받은 토크지령과, 속도지령으로부터 전류지령을 산출한다(단계 S6). 여기서 상기 전류지령은 2D 전류지령맵으로부터 산출한다.

그 후, 제어장치는 실제 측정된 측정전류값을 입력받고(단계 S7), PI제어를 통한 전류제어를 수행한다(단계 S8).

이어, 제어장치는 상기 전류제어에 따른 목표 전류값과 실제 측정전류값을 비교하여 전류제어오차가 "0"인지(즉, 오차가 없는지)를 판단한다(단계 S9).

여기서, 상기 단계 S9에서 전류제어오차가 "0"인 것(즉, 오차가 없는 것)으로 판단되면 PI제어를 통한 전류를 모터 전류로서 출력하여 모터 제어를 수행한다(단계 S14).

한편, 상기 단계 S9에서 전류제어오차가 "0"이 아닌 것으로 판단되면, 제어장치는 단계 S10으로 진행하여 PI 제어를 통하여 전류 오차 감소 제어를 수행한다. 여기서, 전류 오차 감소 제어 수행중에 전류 제한값이 산출되며, 이 산출된 산출전류제한값이 등토크라인상에 존재하는지를 판단한다(단계 S11).

그 후, 상기 제어장치는 상기 단계 S11에서 산출전류제한값이 등토크라인상에 존재하는 것으로 판단되면, 상기 산출전류제한값을 전류제한값으로 선정하고(단계 S13), 단계 S14로 진행하여 모터로 PI제어를 통한 전류를 출력하여 모터 제어를 수행한다. 한편, 상기 제어장치는 상기 단계 S11에서 산출전류제한값이 등토크라인상에 존재하지 않는 것으로 판단되면, 등토크 라인으로 전류제한값을 조정하고(단계 S12), 이 조정된 산출전류제한값을 전류제한값으로 선정하며(단계 S13), 단계 S14로 진행하여 모터로 PI제어를 통한 전류를 출력하여 모터 제어를 수행한다.

한편, 본 발명은 상기한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 변형 및 수정하여 실시할 수 있는 것이다. 이러한 변형 및 수정이 첨부하는 특허청구범위에 속하는 것이라면 본 발명에 포함되는 것임은 자명할 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 하이브리드 자동차의 모터 제어에 있어서 모터의 속도가 증가함에 따라 전압제한 타원이 점점 작아지게 되고 이 전압제한 타원 밖에 제어점이 존재할 경우에도 전압변동에 따른 속도성분을 보상하여 약계자 제어를 수행하도록 함으로써 제어점을 전압제한 타원 안으로 끌어들여 안정적인 모터 제어를 수행할 수 있게 된다.

Claims

속도지령을 생성하는 속도제어기와;

토크 및 속도 지령으로부터 d, q축 전류지령을 계산하여 산출하는 전류지령산출부와;

q축 전류오차와 '0'을 비교하여 PI제어를 함으로써 오차를 최소화하는 PI제어기와;

상기 PI제어기의 PI제어출력을 d축 전류지령에 되먹임하는 제1되먹임부와;

상기 PI제어기의 PI제어출력을 q축 전류지령에 되먹임하는 제2되먹임부와;

상기 PI제어기의 PI제어출력을 q축 전류지령에 되먹할 때 토크의 손실을 방지하기 위해서 등토크 곡선을 따라 보상하는 보상부를 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 제2되먹임부는 모터링/발전에 의해 다른 부호가 적용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치.
현재의 제어모드가 토크제어모드인지를 확인하는 제1단계와;

상기 제1단계에서 토크제어모드라고 판단되면 토크지령을 입력받아 이 토크지령과 속도지령으로부터 전류지령을 산출하는 제2단계와;

실제 측정된 측정전류값을 입력받고 PI제어를 통한 전류제어를 수행하는 제3단계와;

상기 제3단계의 전류제어에 따른 목표 전류값과 실제 측정전류값을 비교하여 전류제어오차가 없는지를 판단하는 제4단계와;

상기 제4단계에서 전류제어오차가 있는 것으로 판단되면 PI 제어를 통하여 전류 오차 감소 제어를 수행하고, 전류 오차 감소 제어 수행중에 전류 제한값을 산출하며, 이 산출된 산출전류제한값이 등토크라인상에 존재하도록 보상한 후에 모터 전류 제어를 수행하는 제5단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치.
제3항에 있어서,

상기 제1단계에서 제어모드가 토크제어모드가 아닌 속도제어모드인 것으로 판단되면, 속도지령을 입력받아 PI제어를 통하여 토크지령을 산출한 후, 이 토크지령과 속도지령으로부터 전류지령을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치.
제3항 또는 제4항에 있어서,

상기 전류지령은 2D 전류지령맵으로부터 산출하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 모터 제어 장치.