KR20110011441A - 하이브리드 자동차의 ｐｉｄ 피드백 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

엔진 시동 후 소정 시간 이내에 발생하는 엔진 마찰 토크의 외란(외부변동)에 대해 PID 피드백 제어 신호에 대한 강직성(Robustness)을 강화하여 응답성을 향상시킬 수 있도록 한 하이브리드 자동차의 PID 피드백 제어 시스템이 개시되어 있다. 본 발명에 의하면, 엔진 시동 후 모터 회전수와 엔진 회전수가 동기되는 상기 피드백 제어 시점에 도달한 경우 모터 회전수와 엔진 회전수 사이의 오차 값을 연산하는 오차값 연산부와, 상기 오차값 연산부의 오차값에 대한 각각의 제곱값 및 세제곱값에 비례 상수 이득을 곱해서 P 제어 신호를 발생하는 P 제어 신호 발생부와, 상기 오차값을 소정 수로 샘플링하는 샘플링부와, 상기 샘플링된 오차값 각각과 오차를 각각 적분하고 미분한 후 기 설정된 비례 계수의 곱으로부터 ID 제어 신호를 발생하는 ID 제어 신호 발생부와, 상기 P 제어 신호와 ID 제어 신호를 가산하는 합산부로 구비된다.

하이브리드 자동차, PID 피드백 제어, 샘플링, 유압 듀티값

Description

하이브리드 자동차의 ＰＩＤ 피드백 제어 시스템{SYSTEM FOR CONTROLLING PID FEEDBACK OF HYBRIDE VEHICLE}

본 발명은 변속 품질을 향상하기 위한 방안에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진 시동 후 소정 시간 이내에 발생하는 엔진 마찰 토코의 외란(외부변동)에 대해 PID 피드백 제어 신호에 대한 강직성(Robustness)을 강화하여 응답성을 향상시킬 수 있도록 한 하이브리드 자동차의 PID 피드백 제어 시스템에 관한 것이다.

일반적인 하이브리드 차(Hybrid Electric Vehicle, HEV)는 내연 엔진과 모터의 출력을 함께 사용하는 차량으로서, 내연 엔진만을 장착한 일반적인 자동차에 비해 유해 가스 배출량을 획기적으로 줄이는 것이 가능하여, 일반적으로 환경 자동차(echo-car)로 부른다.

종래의 하이브리드차는 차속에 따라 주행 모드가 다르게 선택되어 주행이 이루어지는 것이 가능하다.

하이브리드차는 차량은 출발 또는 저속 주행 시에는 배터리의 전원을 공급받는 전동모터에 의해 출력을 제공받아 구동 휠이 회전하며, 통상 주행 시에는 차속에 따라 내연 엔진과 전동모터를 조합하여 운행이 이루어지는 데, 특히 고속 운행시에는 전동모터에 동력이 내연 엔진의 동력을 보조하여 내연 엔진과 전동모터에 의한 동력이 함께 구동 휠(W)을 회전시킨다. 그리고 감속 시에는 전동 모터를 발전기로 이용하여 배터리를 충전시킴으로써 에너지를 회수하게 되며, 정지 시에는 자동적으로 정지하여 불필요한 연료 소비 및 배출 가스를 저감시키게 된다.

이러한 하이브리드 자동차는 엔진 회전수와 모터의 회전수의 오차값을 보정한 후 엔진 회전수를 보정하는 PID 피드백 제어 시스템이 구비되어 있다.

즉, 제어 변수와 기준 입력 사이의 오차에 근거하여 계통의 출력이 기준 전압을 유지하도록 하는 피드백 제어를 실행하는데 일종으로, 비례(Proportional) 제어와 비례 적분(Proportional-Integral) 제어, 비례 미분(Proportional-Derivative) 제어를 조합함으로써 실행된다.

즉 엔진 회전수와 모터 회전수 사이의 오차값에 기 설정된 비계 상수 이득을 곱해서 P 제어 신호를 발생하고, 또한, 오차값을 적분하여 I 제어 신호를 발생하며, 상기 오차값을 미분하여 D 제어 신호를 발생한 후 각각 P 제어 신호 및 I 제어 신호 및 D 제어 신호를 합산하여 산출된 제어 신호로 발전기의 엔진 회전수를 제어하여 시동 후 소정 시간(600 msec) 에서 발생하는 엔진 마찰 토크로 발생하는 외란이 제거된다.

그러나, 이러한 외란을 극복하기 위해 상기 I 제어 신호의 게인을 크게 하면 도 1에 도시된 바와 같이, 목표 회전수 근처에서 진동이 발생하고, 이러한 진동을 회피하기 위해 I 제어 신호의 게인을 줄이면 도 2에 도시된 바와 같이, 스태틱 에러(Steady-state error)가 발생하게 되며, 이러한 진동 및 스태틱 에러로 인해 응 답성이 지연되는 문제점이 발생하였다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 시동 개시 후 소정 시간 내에 발생하는 외란을 제거하기 위해 PID 피드백 제어 신호를 조절함에 따라 목표 회전수에서 진동 및 스태틱 에러로 인해 지연된 응답성을 향상하여 나아가 변속 품질 및 내구성을 더욱 향상할 수 있도록 한 하이브리드 자동차의 PID 피드백 제어 시스템을 제공하고자 함에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 과제에 따라,

엔진 제어부 및 엔진, 발전기 제어부 및 발전기(ISG: Integrated Start and Generator), TCU(Transmission Control Unit), 및 전동 모터 제어부(MCU) 및 전체적인 동작을 제어하는 HCU(Hybrid Control Unit) 을 포함하는 하이브리드 자동차에 있어서,

상기 HCU는,

엔진 시동 후 모터 회전수와 엔진 회전수가 동기되는 상기 피드백 제어 시점에 도달한 경우 엔진 회전수와 모터 회전수 간의 차인 오차값에 대한 비례 상수, 적분 제어값 및 미분 제어값을 근거하여 PID 피드백 제어 신호를 산출하는 비례-적분-미분(PID) 피드백 제어 시스템을 포함하되,

상기 PID 피드백 제어 시스템은,

엔진 시동 후 엔진 클러치의 조작에 따라 모터 회전수와 엔진 회전수가 동기되는 상기 피드백 제어 시점에 도달한 경우 모터 회전수와 엔진 회전수 사이의 오차 값을 연산하는 오차값 연산부와,

상기 오차값 연산부의 오차값에 대한 각각의 제곱값 및 세제곱값에 비례 상수 이득을 곱해서 P 제어 신호를 발생하는 P 제어 신호 발생부와,

상기 오차값을 소정 수로 샘플링하는 샘플링부와,

상기 샘플링된 오차값 각각과 오차를 각각 적분하고 미분한 후 기 설정된 비례 계수의 곱으로부터 ID 제어 신호를 발생하는 ID 제어 신호 발생부와,

상기 P 제어 신호와 ID 제어 신호를 가산하는 합산부로 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 P 제어 신호는 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 하고,

P 제어 신호= Ko dN + K1 dN² + K2 dN³

여기서, 상기 Ko-K2는 비례 상수 이득 dN은 오차값이다.

또한 상기 ID 제어 신호는 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

ID 제어 신호 = KID*(dN(k)+dN(k-1)+(dN(k-2))

여기서, KID는 비례 적분 및 비례 미분 제어값이고, dN(k), dN(k-1), 및 dN(k-2)는 주기적으로 소정 수의 샘플링된 오차값들이다.

본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 PID 피드백 제어 방법은, 엔진 시동 후 소정 시간 이내에서 발생하는 엔진 마찰 토크에 의한 외란을 제거하기 위한 비례 적분 미분(PID) 피드 백 제어에서 PID 제어에 대한 강직성(robustness)을 강화하도록 PID 피드백 제어 신호를 조절하여 목표 회전수에서 발생하는 진동 및 안정 상태의 에러를 제거할 수 있고 응답성을 향상시켜 나아가 하이브리드 자동차의 내구성을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 구성을 보인 도면으로서, 본 발명에 따른 자동 변속기의 전반적인 작동을 제어하는 하이브리드 자동차는, 모터 회전수 및 엔진 회전수를 근거로 PID 피드백 제어 신호를 발생하는 HCU(10)와, 상기 HCU(10)의 유압 듀티 패턴에 따라 결합측 요소 및 해방측 요소를 구동하여 해방 변속단으로 변속 실행하는 TCU(20)와, 상기 HCU(10)의 제어에 따라 엔진(40) 토오크를 제어하는 엔진 제어부(30)와, 상기 HCU(10)의 제어에 따라 전동 모터(60)의 토오크를 제어하는 전동 모터 제어부(50)를 포함하고, 그에 더하여, 회생 제동 시 발전기로 사용하여 베터리 전압을 충전 제어하는 발전기 제어부(70) 및 ISG(80)를 포함한다.

상기 HCU(10)는 운전자의 가속 의지에 따라 엔진 시동을 요구하고, 엔진 시동 요구를 받은 엔진 제어부(30)는 엔진(40) 시동 후 상기 엔진 시동 신호를 상기 TCU(20) 및 HCU(10)로 제공한다.

이때 엔진 시동 신호를 수신한 상기 TCU(20)는 각 엔진 제어부(30)와 전동 모터 제어부(50)를 구동하여 전동 모터에서 발생한 구동력으로 전동 모터 토오크가 증가된다. 이때 상기 엔진 회전수는 증가하게 되어 차속과 동기된다.

또한, 상기 HCU(10)는 전동 모터 제어부(50)의 제어를 통해 전동 모터 토오크를 감소한 후 엔진 토오크 요구 신호를 발생하여 TCU(20)로 제공한다.

상기 TCU(20)는 엔진 토오크 요구 신호에 따라 엔진 클러치를 직결하고, 이러한 엔진 클러치에 따라 엔진 토오크는 증가하게 된다.

여기서, 상기 HCU(10)은 엔진 시동 후 모터 회전수와 엔진 회전수가 동기되는 상기 피드백 제어 시점에 도달한 경우 PID 피드백 제어를 실행하는 PID 피드백 제어 시스템을 포함한다.

도 4는 도 3의 HCU(10)의 PID 피드백 제어 시스템의 구성을 보인 도면으로서, 상기 PID 피드백 제어 시스템은, 엔진 시동 후 엔진 클러치의 조작에 따라 모터 회전수와 엔진 회전수가 동기되는 상기 피드백 제어 시점에 도달한 경우 모터 회전수와 엔진 회전수 사이의 오차 값을 연산하는 오차 연산부(11)와, 상기 오차 연산부(11)의 오차값에 대한 각각의 제곱값 및 세제곱값에 비례 상수 이득을 곱해서 P 제어 신호를 발생하는 P 제어 신호 발생부(12), 오차값을 소중 수로 샘플링하는 샘플링부(13)와, 상기 샘플링된 오차값 각각과 오차를 각각 적분하고 미분한 후 기 설정 된 비례 계수의 곱으로부터 I 제어 신호를 발생하는 I 제어 신호 발생부(14)와, 상기 P 제어 신호와 ID 제어 신호를 가산하는 합산부(15)로 구비된다.

이어 상기 P 제어 신호와 ID 제어 신호를 근거로 ISG 제어부(70) 및 ISG(80)로 공급되고, 상기 ISG 제어부(70)는 상기 HCU(10)로부터 공급되는 PID 제어 신호를 근거로 ISG(80)의 엔진 회전수를 제어한다.

이러한 구성에 의하면, 상기 변속 제어부(17)는 엔진 시동 후 소정 시간 경과 후 PID 피드백 제어 시점에 도달하는 지를 판단하고 판단 결과 피드백 제어 시점에 도달한 경우 모터 회전수와 엔진 회전수를 제공받은 오차값 연산부(11)는 모터 회전수와 엔진 회전수의 차에 대한 오차값(dN)을 산출한다.

상기 오차값(dN)은 P 제어 신호 발생부(12)로 제공된다. 상기 P 제어 신호 발생부(12)는 수신된 오차값(dN)의 제곱값 및 세제곱값을 근거로 발생된다. 즉, 목표 회전수에 발생하는 진동 즉 오차값은 0으로 수렴하므로, 오차값이 대한 제곱값 및 세제곱값은 결국 0으로 수렴하게 된다.

따라서, P 제어 신호는 다음 식을 만족하게 된다.

P 제어 신호= Ko dN + K1 dN² + K2 dN³

여기서, 상기 Ko-K2는 비례 상수 이득 dN은 오차값이다.

한편, 상기 오차값(dN)은 샘플링부(13)에 제공되고, 상기 샘플링부(13)는 수신된 오차값(dN)를 소정 수로 샘플링하고 샘플링된 오차값(dN(k), dN(k-1), dN(k-2))을 출력한다.

상기 샘플링부(13)의 소정 수의 오차값들은 ID 제어 신호 발생부(14)로 제공되며, 상기 ID 제어 신호 발생부(14)는 샘플링된 오차값과 오차값에 대한 미분값 및 적분값과 비례 상수의 곱으로 ID 제어 신호를 발생한다.

상기 ID 제어 신호는 다음 식을 만족한다.

ID 제어 신호 = KID*(dN(k)+dN(k-1)+(dN(k-2))

여기서, I는 비례 적분값 및 D는 비례 미분 제어값이고 및 K는 비례 상수값이며,, dN(k), dN(k-1), 및 dN(k-2)는 주기적으로 소정 수의 샘플링된 오차값들이다.

상기 P 제어 신호 발생부(12)의 P 제어 신호와 ID 제어 신호 발생부(14)의 ID 제어 신호는 합산부(15)에 공급되면, 상기 합산부(15)는 P 제어 신호와 ID 제어 신호를 가산한다.

즉, 상기 합산부(15)는 다음 식을 만족하는 PID 비례 제어를 만족하는 PID 피드백 신호를 출력한다.

PID 피드백 제어 신호= Ko dN + K1 dN² + K2 dN³ + KID*(dN(k)+dN(k-1)+(dN(k-2))를 만족한다.

상기 PID 피드백 제어 신호를 통해 ISG(80)의 엔진 회전수를 제어함에 따라 도 4에 도시된 바와 같이, 목표 회전수의 근처에서 발생한 진동 및 스태틱 에러가 제거된다.

이와 같이 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이 해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위 의해 나타내어지며, 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 일반적인 목표 회전수 근처에서 발생하는 진동을 보인 도이다.

도 2는 일반적인 스태틱 에러를 보인 도이다.

도 3은 본 발명에 의한 구성을 보인 도이다.

도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 자동차의 PID 피드백 제어 시스템의 구성을 보인 도이다.

도 5는 본 발명에 의한 목표 회전수를 보인 도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

11 : 오차값 연산부

12 : P 제어신호 발생부

13 : 샘플링부

14 : ID 제어 신호 발생부

15 : 합산부

Claims (3)

1. 엔진 제어부 및 엔진, 발전기 제어부 및 발전기, TCU(Transmission Control Unit), 및 전동 모터 제어부(MCU) 및 전체적인 동작을 제어하는 HCU(Integrated Powertrain Management) 을 포함하는 하이브리드 차의 브레이크 제어 장치에 있어서,

   상기 HCU는,

   엔진 시동 후 엔진 클러치의 조작에 따라 모터 회전수와 엔진 회전수가 동기되는 상기 피드백 제어 시점에 도달한 경우 엔진 회전수와 모터 회전수 간의 차인 오차값에 대한 비례 상수, 적분 제어값 및 미분 제어값을 근거하여 PID 피드백 제어 신호를 발생하는 비례-적분-미분(PID) 피드백 제어 시스템을 포함하되,

   상기 PID 피드백 제어 시스템은,

   엔진 시동 후 엔진 클러치의 조작에 따라 모터 회전수와 엔진 회전수가 동기되는 상기 피드백 제어 시점에 도달한 경우 모터 회전수와 엔진 회전수 사이의 오차 값을 연산하는 오차값 연산부와,

   상기 오차값 연산부의 오차값에 대한 각각의 제곱값 및 세제곱값에 비례 상수 이득을 곱해서 P 제어 신호를 발생하는 P 제어 신호 발생부와,

   상기 오차값을 소정 수로 샘플링하는 샘플링부와,

   상기 샘플링된 오차값 각각과 오차를 각각 적분하고 미분한 후 기 설정된 비례 계수의 곱으로부터 ID 제어 신호를 발생하는 ID 제어 신호 발생부와,

   상기 P 제어 신호와 ID 제어 신호를 가산하는 합산부로 구비되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 PID 피드백 제어 시스템.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 P 제어 신호는 다음 식 1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 PID 피드백 제어 시스템.

   P 제어 신호= Ko dN + K1 dN² + K2 dN³

   여기서, 상기 Ko-K2는 비례 상수 이득 dN은 오차값이다.
3. 청구항 1 또는 청구항 2중 한 항에 있어서, 상기 ID 제어 신호는 다음 식 2)을 만족하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 PID 피드백 제어 시스템.

   ID 제어 신호 = KID*(dN(k)+dN(k-1)+(dN(k-2))

   여기서, KID는 비례 적분 및 비례 미분 제어값이고, dN(k), dN(k-1), 및 dN(k-2)는 주기적으로 소정 수의 샘플링된 오차값들이다.

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