KR20090130699A - 전기자동차의 구동모터 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기자동차의 구동모터 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 차량 및 연료전지 차량과 같은 환경 차량의 구동모터를 제어하기 위해 실험계획법을 통해 얻어진 구동모터의 운전조건과 모터 제어 맵 운전점 간의 근사 회귀모델(근사함수)을 이용하여 모터 제어 맵 운전점을 직접적으로 가감산하여 보상 제어하는 방식이 적용됨으로써, 구동모터의 제어 안정성 확보 및 효율 증대, 그로 인한 연비 향상의 효과를 제공하는 전기자동차의 구동모터 제어방법에 관한 것이다.

전기자동차, 환경 차량, 하이브리드 차량, 연료전지 차량, 구동모터, 근사 회귀모델, 근사함수, 운전점, 보상 제어

Description

전기자동차의 구동모터 제어방법{Method for motor control of electric vehicle}

본 발명은 전기자동차의 구동모터 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 차량 및 연료전지 차량과 같은 환경 차량에서 직류단(고전압 배터리/ 연료전지 스택 등) 전압 변동에 따른 구동모터의 최적 제어 방법에 관한 것이다.

최근 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 내연기관과 구동모터를 작동시켜 차량을 구동시키는 하이브리드 차량과, 연료전지를 동력원으로 하여 구동모터를 작동시켜 차량을 구동시키는 연료전지 차량 등 환경 차량에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.

여기서, 연료전지 차량의 경우 연료전지를 주동력원으로 하면서 슈퍼캡 또는 고전압 배터리를 보조동력원으로 사용하여 구동모터를 작동시킨다.

이와 같이 하이브리드 차량 및 연료전지 차량 모두 차량 구동을 위해 전력을 인가받아 작동하는 구동모터가 탑재되며, 연비 향상을 위해서는 구동모터의 제어 안정성 확보와 효율 증대가 중요하다.

환경 차량용 구동모터(매입형 영구자석 동기전동기)는 인버터(DC-AC 전력변환장치)에 입력되는 직류전압의 크기에 따라 그 운전영역이 변하게 된다.

직류단의 전압이 맵 기준 전압보다 작을 경우에는 맵에 의한 운전점이 전압 제한을 초과하게 되어 토크 제어 성능 저하 및 구동모터의 제어 불안정 상태를 야기하고, 직류단 전압이 맵 기준 전압보다 클 경우에는 더 작은 전류 운전점으로 전이가 가능하므로 모터 시스템의 효율을 증대시킬 수 있다.

따라서, 환경 차량의 최적 동력성능 확보 및 시스템 효율 증대에 따른 연비 향상을 위해서는 직류단(고전압 배터리/연료전지 스택 등) 전압 변동에 따른 보상 제어 대책이 필요하다.

직류단 전압 크기에 따라 n개의 운전점 맵을 구성할 경우, n개의 운전점 맵 구성을 위한 많은 업무 수행 소요 시간이 필요하며, 또한 구성 가능한 운전점 맵의 개수가 CPU 메모리 용량에 의해 제한되는 단점이 있다.

첨부한 도 1과 도 2는 종래기술의 문제점을 설명하기 위한 도면으로서, 직류단 전압 변동에 따른 구동모터 제어 운전영역을 보여준다. 도 1은 직류단 전압 < 맵 기준 전압인 경우를, 도 2는 직류단 전압 > 맵 기준 전압인 경우를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 직류단 전압이 맵 기준 전압보다 작을 경우, 맵에 의한 모터 제어 운전점이 전압 제한 타원(직류단 전압) 외부에 존재하고, 이에 토크 제어 성능 저하 및 구동모터의 제어 불안정 상태가 초래될 수 있다. 따라서, 전압 제한 타원 내부로 운전점을 보상하는 제어가 필요하다[i_d ^*: (-) 방향으로 증가, i_q ^*: (-) 방향으로 증가].

반면, 직류단 전압이 맵 기준 전압보다 클 경우, 맵에 의한 모터 제어 운전점이 전압 제한 타원(직류단 전압) 내부에 존재하고, 이때는 토크 제어 성능 유지 및 운전점 전이가 가능하다. 이에 효율이 높은 운전점으로 보상 제어가 필요하다[i_d ^*: (-) 방향으로 증가, i_q ^*: (-) 방향으로 증가].

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 하이브리드 차량 및 연료전지 차량과 같은 환경 차량에서 직류단(고전압 배터리/ 연료전지 스택 등) 전압 변동에 따른 구동모터의 최적 제어 방법을 제공함으로써, 구동모터의 제어 안정성 확보 및 효율 증대, 그로 인한 연비 향상을 목적으로 하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 구동모터의 운전조건과 모터 제어 맵 운전점 간의 최적 근사 회귀모델을 구한 뒤 이를 운전점 결정부의 모터 제어 로직에 입력하여 구비하는 단계와;

차량 구동을 위한 구동모터의 제어 과정에서 운전점 결정부가 현재 구동모터의 운전조건을 입력받아 이들 모터 제어 파라미터를 입력변수로 하여 상기 최적 근사 회귀모델을 이용해 반응치인 모터 제어 맵 운전점 보상치를 연산하는 단계와;

모터 제어 맵으로부터 추출된 운전점을 상기 보상치만큼 보상하여 새로운 운전점을 생성하는 단계와;

상기 새로운 운전점에 따라 모터 구동이 제어되는 단계;

를 포함하는 전기자동차의 구동모터 제어방법을 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 최적 근사 회귀모델을 구하는 과정은,

구동모터의 운전조건과 관련된 설계변수인 모터 제어 파라미터를 선정한 후 각 설계변수의 운전범위를 설정하는 단계와;

실험계획법 중 반응표면법을 이용하여 실험계획을 수립하고, 이후 실험을 실시하여 계획된 실험점에서 상기 설계변수인 모터 제어 파라미터와 반응변수인 모터 제어 맵 운전점 간의 반응치를 측정하는 단계와;

상기 설계변수와 반응변수 간의 근사 회귀모델을 생성하는 단계와;

상기 근사 회귀모델에 대해 분산 분석을 실시하여 적합성을 검증하고, 적합성이 검증된 근사 회귀모델에 한해 미리 정해진 기준의 토크 제어 정도를 적용하여 최적 근사 회귀모델 여부를 판별하는 단계와;

상기 기준의 토크 제어 정도를 만족할 경우 구동모터의 운전조건과 모터 제어 맵 운전점 간의 최적 근사 회귀모델로 선정하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 구동모터 제어방법.

그리고, 상기 모터 제어 파라미터는 직류단 전압, 토크 지령 및 모터 지령이고, 상기 운전점은 D축 및 Q축 전류 지령이며, 상기 반응치는 D축 및 Q축 전류 지령 반응치인 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명의 구동모터 제어방법에서는 실험계획법을 통해 얻어진 구동모터의 운전조건과 모터 제어 맵 운전점 간의 근사 회귀모델(근사함수)을 이용하여 직류단 전압 변동에 따라 모터 제어 맵 운전점을 직접적으로 가감산하여 보상 제어하는 방식을 적용함으로써, 다음과 같은 효과가 있게 된다.

1) 실험계획법(반응표면법)을 통해 최적의 근사 회귀모델을 생성한 후, 이를 이용하여 맵 운전점(전류 지령)을 보상함으로써, 직류단 전압 변동에 대한 운전점 전이를 최적화할 수 있다.

2) 실험계획법에 의해 얻어진 근사 회귀모델을 모터 구동 제어 로직에 추가 입력하여 적용함으로써, 직류단 전압 변동에 따른 보상 제어 알고리즘을 용이하게 구현할 수 있다[알고리즘 구현의 간소화].

3) 추가 맵 운전점 구성이 불필요하여 CPU 메모리 용량 로드를 줄일 수 있으며, 업무 수행 소요 시간을 현저히 단축시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 하이브리드 차량 및 연료전지 차량과 같은 환경 차량에서 직류단(고전압 배터리/ 연료전지 스택 등) 전압 변동에 따른 구동모터의 최적 제어 방법에 관한 것으로서, 구동모터의 제어 안정성 확보 및 효율 증대, 그로 인한 연비 향상을 목적으로 하는 것이다.

본 발명에서는 추가 운전점 맵을 구성하지 않고 실험을 통해 얻어진 반응치들을 이용하여 구동모터의 운전조건과 맵 운전점 간의 최적 근사 회귀모델을 생성한 후, 이 회귀모델(근사함수)을 이용하여 직류단 전압 변동에 따라 모터 제어 운 전점(i_d ^*, i_q ^*)을 직접적으로 가감산하여 보상하는 제어 방식을 개시한다. 이를 통해 직류단 전압 변동에 따른 운전점 보상 제어를 용이하게 구현할 수 있으며, 환경 차량의 최적 동력성능 확보 및 연비 향상을 도모할 수 있다.

본 발명에서는 실험계획법을 이용한 근사 회귀모델 생성 과정이 선행되며, 이를 첨부한 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 우선, 설계변수(모터 제어 파라미터) 설계공간 배치의 과정(S11)으로서, 구동모터 운전조건 변수 및 운전범위를 설정한다. 여기서, 구동모터 운전조건과 관련된 설계변수, 즉 모터 제어 파라미터[예컨대, 직류단 전압(V_dc), 토크 지령(T_q ^*), 모터속도(ω)]를 선정한 후 각 설계변수의 운전범위를 설정한다.

다음으로 실험계획법 중 반응표면법을 이용하여 실험계획을 수립하는 과정(S12)을 수행하며, 이후 실험을 실시하여 계획된 실험점에서 설계변수(모터 제어 파라미터; V_dc, T_q ^*, ω)와 반응변수(모터 제어 맵 운전점; i_d ^*, i_q ^*) 간의 반응치(D축 및 Q축 전류 지령 반응치; i_dΔ, i_qΔ)를 측정한다(S13).

다음으로 설계변수와 반응변수 간의 근사 회귀모델을 생성하는데(근사함수 관계 생성), 통계 프로그램, 예컨대 MINITAB을 이용하여 설계변수와 반응변수 간의 근사 회귀모델을 생성한다(S14).

다음 과정으로 최적 근사 회귀모델을 선정하는 과정을 수행하며, 이를 첨부한 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 우선, 실험계획법(반응표면법)에 의 해 생성된 근사 회귀모델의 적합성 여부를 검증하기 위해 분산 분석을 실시한다(S21,S22).

분산 분석 과정에서 적합성이 검증되고 나면, 적합성이 검증된 근사 회귀모델에 한해 미리 정해진 기준의 토크 제어 정도를 적용하여 최적 근사 회귀모델 여부를 판별한다(S23).

여기서, 정해진 기준의 토크 제어 정도를 만족할 경우 최적 근사 회귀모델로 선정하고, 만족하지 않을 경우 새로운 근사 회귀모델을 생성한 뒤 분산 분석, 최적 근사 회귀모델 여부 판별 등 앞의 과정을 반복한다(S24).

다음으로 구동모터 운전점 보상 제어 과정이 수행된다. 이를 첨부한 도 5를 참조하여 설명하면, 상기한 과정을 통해 얻어진 구동모터의 운전조건과 모터 제어 맵 운전점 간의 최적 근사 회귀모델을 구동모터의 제어 로직에 적용하기 위해서, 우선 운전점 결정부의 모터 구동 제어 로직에 상기의 최적 근사 회귀모델을 입력하여 구비한다.

이후 차량 구동을 위해 구동모터를 제어하는 과정에서, 구동모터의 운전점 보상 제어 과정, 즉 운전점 결정부가 직류단 전압 변동에 따라 맵 운전점(i_d ^*, i_q ^*)을 직접적으로 가감산하여 보상하고 이때 구해진 새로운 운전점을 기초로 하는 모터 제어 과정이 수행이 수행된다.

보다 상세하게는, 우선 운전점 결정부(14)가 현재의 구동모터 운전조건, 즉 모터 제어기(MCU)(11)에서 직접 측정된 직류단 전압(V_dc), 상위 제어기(예, 차량 제 어기인 HCU)(12)에서 차량 운전조건에 따라 연산된 토크 지령(T_q ^*), 그리고 모터 레졸버(13)에서 측정된 모터속도(ω) 값을 각각 입력받은 뒤, 이들 모터 제어 파라미터를 이용하여 반응치, 즉 모터 제어 맵 운전점 보상치(i_dΔ, i_qΔ)를 결정한다(S31,S32). 이때, 모터 제어 파라미터를 입력변수로 하여 최적 근사 회귀모델을 이용하는 연산 과정을 통해 모터 제어 맵 운전점 보상치를 결정한다(S32).

상기와 같이 모터 제어 맵 운전점 보상치가 결정되면, 운전점 결정부(14)는 상기 보상치를 이용하여 모터 제어 맵으로부터 추출된 운전점(D축 및 Q축 전류 지령) 값을 보상하는 과정을 수행한다(S33). 이때, 모터 레졸버로부터 입력되는 모터속도를 기초로 하여 D축 전류 지령 맵과 Q축 전류 지령 맵으로부터 구해진 모터 제어 운전점, 즉 D축 전류 지령(i_d ^*)과 Q축 전류 지령(i_q ^*)을 상기 운전점 보상치(i_dΔ, i_qΔ)만큼 보상하여 새로운 운전점(i_d ^* _new , i_q ^* _new )을 생성한다.

결국, 구동모터의 구동 제어시에 새로운 모터 제어 운전점이 전류제어기로 인가되고(S34), 최종적으로는 직류단 전압 변동에 따라 운전점이 보상된 전류가 구동모터로 인가된다(S35,S36).

이와 같이 하여, 본 발명에서는 구동모터의 구동 제어시에 실험계획법을 통해 얻어진 구동모터의 운전조건과 모터 제어 맵 운전점 간의 근사 회귀모델(근사함수)을 이용하여 직류단 전압 변동에 따라 모터 제어 맵 운전점을 직접적으로 가감산하여 보상 제어하는 방식을 적용한다. 즉, 직류단 전압이 맵 기준 전압보다 작 을 경우에는 맵에 의한 운전점인 i_d ^*, i_q ^* 값을 (-) 방향으로 증가시키고, 직류단 전압이 맵 기준 전압보다 클 경우에는 i_d ^*, i_q ^* 값을 (+) 방향으로 증가시킨다.

상기와 같이 모터 제어 맵 운전점 i_d ^*, i_q ^*에 대한 근사 회귀모델을 각각 생성하여 보상 제어에 적용함으로써, 직류단 전압 변동에 따른 맵 운전점의 보상 전이량을 최적화할 수 있으며, 이를 통해 환경 차량 내 모터 시스템의 제어 안정성 확보는 물론 효율 증대로 연비 향상이 가능해진다. 또한 근사 회귀모델을 모터 구동 제어 로직에 추가 입력하여 보상 제어 알고리즘을 구현할 수 있으므로 타 제어 방식에 비해 매우 용이하다.

도 1과 도 2는 종래기술의 문제점을 설명하기 위한 도면으로서, 직류단 전압 변동에 따른 구동모터 제어 운전영역을 보여주는 도면,

도 3은 본 발명에서 실험계획법을 이용한 근사 회귀모델 생성 과정을 보여주는 도면,

도 4는 본 발명에서 최적 근사 회귀모델을 선정하는 과정을 보여주는 도면,

도 5는 본 발명에서 구동모터 운전점의 보상 제어 과정을 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : MCU 12 : HCU

13 : 레졸버 14 : 운전점 결정부

Claims (3)

1. 구동모터의 운전조건과 모터 제어 맵 운전점 간의 최적 근사 회귀모델을 구한 뒤 이를 운전점 결정부의 모터 제어 로직에 입력하여 구비하는 단계와;

   차량 구동을 위한 구동모터의 제어 과정에서 운전점 결정부가 현재 구동모터의 운전조건을 입력받아 이들 모터 제어 파라미터를 입력변수로 하여 상기 최적 근사 회귀모델을 이용해 반응치인 모터 제어 맵 운전점 보상치를 연산하는 단계와;

   모터 제어 맵으로부터 추출된 운전점을 상기 보상치만큼 보상하여 새로운 운전점을 생성하는 단계와;

   상기 새로운 운전점에 따라 모터 구동이 제어되는 단계;

   를 포함하는 전기자동차의 구동모터 제어방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 최적 근사 회귀모델을 구하는 과정은,

   구동모터의 운전조건과 관련된 설계변수인 모터 제어 파라미터를 선정한 후 각 설계변수의 운전범위를 설정하는 단계와;

   실험계획법 중 반응표면법을 이용하여 실험계획을 수립하고, 이후 실험을 실시하여 계획된 실험점에서 상기 설계변수인 모터 제어 파라미터와 반응변수인 모터 제어 맵 운전점 간의 반응치를 측정하는 단계와;

   상기 설계변수와 반응변수 간의 근사 회귀모델을 생성하는 단계와;

   상기 근사 회귀모델에 대해 분산 분석을 실시하여 적합성을 검증하고, 적합성이 검증된 근사 회귀모델에 한해 미리 정해진 기준의 토크 제어 정도를 적용하여 최적 근사 회귀모델 여부를 판별하는 단계와;

   상기 기준의 토크 제어 정도를 만족할 경우 구동모터의 운전조건과 모터 제어 맵 운전점 간의 최적 근사 회귀모델로 선정하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 구동모터 제어방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 모터 제어 파라미터는 직류단 전압, 토크 지령 및 모터 지령이고, 상기 운전점은 D축 및 Q축 전류 지령이며, 상기 반응치는 D축 및 Q축 전류 지령 반응치인 것을 특징으로 하는 전기자동차의 구동모터 제어방법.

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