KR20110109433A

KR20110109433A - 영구자석 동기모터의 제어방법

Info

Publication number: KR20110109433A
Application number: KR1020100029169A
Authority: KR
Inventors: 김범식; 이영국; 정진환
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-06
Also published as: CN102208890B; JP2011217589A; US20110241578A1; JP5715777B2; KR101628385B1; US8786221B2; CN102208890A; DE102010031176A1

Abstract

하이브리드 자동차 및 연료전지 자동차 등의 전기자동차에서 사용되는 영구자석 동기모터의 제어방법이 개시된다. 상기 영구자석 동기모터의 제어방법은, 영구자석 동기모터의 절대각 위치를 검출하는 단계; 상기 절대각 위치로부터 영구자석 동기모터의 회전속도를 산출하는 단계; 전력원인 배터리의 전압을 검출하는 단계; 토크지령과 영구자석 동기모터의 회전속도, 배터리 전압에 기초하여 배터리 전압 변동이 보상된 보상 속도를 산출하는 단계; 전류지령 맵을 이용하여 토크지령과 보상 속도에 대응하는 d축 전류지령과 q축 전류지령을 생성하는 단계; 절대각 위치에 기초하여 영구자석 동기모터로 유입되는 3상 전류를 d축 피드백 전류와 q축 피드백 전류로 변환하는 단계; d축 전압지령과 q축 전압지령을 산출하는 단계; 절대각 위치에 기초하여 d축 전압지령과 q축 전압지령을 3상 전압지령으로 변환하는 단계; 3상 전압지령에 기초하여 영구자석 동기모터의 구동을 제어하는 단계;를 포함한다.

Description

영구자석 동기모터의 제어방법{CONTROL METHOD FOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR}

본 발명은 모터 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 자동차 및 연료전지 자동차 등의 전기자동차에서 사용되는 영구자석 동기모터의 제어방법에 관한 것이다.

영구자석 동기모터(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)는 고출력 및 고효율의 특성을 가진 모터로, 산업용은 물론 하이브리드 자동차나 연료전지 자동차 등의 전기자동차용으로 광범위하게 사용되고 있다.

특히, 매입형 영구자석 동기모터(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)는 회전자 철심 내부에 영구자석이 삽입된 방식의 동기모터로, 고속 내구력 및 고속 운전성이 우수하여 전기자동차용 모터로 사용되기에 적합한 특성을 가진다.

종래의 영구자석 동기모터 제어방법에서는 도 1에 나타낸 바와 같이 전류지령 생성기(35)가 토크지령(T_e*)과 영구자석 동기모터의 회전속도(ω_rpm)를 입력받아 전류지령 맵 데이터(36a,36b)를 기초로 d축 전류지령(q-axis current command, i_d*), q축 전류지령(d-axis current command, i_q*)를 생성하게 된다.

이렇게 전류지령 생성기(35)가 d축, q축 전류지령(i_d*,i_q*)을 생성하여 출력하면, 전류제어기(미도시)에서 d축, q축 전류지령으로부터 d축, q축 전압지령(V_d*,V_q*)을 생성하고, 이후 3상 전압지령(V_u*,V_v*,V_w*) 생성, 인버터의 펄스폭 변조(PWM) 및 3상 전류 제어 과정을 통하여 영구자석 동기모터의 제어가 이루어진다.

그러나, 종래에는 모터의 전력원이 되는 배터리의 전압과 무관한 특정의 기준전압 맵, 즉 모터의 출력 사양을 만족시키는 최저 DC 링크단 전압에서 설정된 맵을 기초로 하여 토크지령과 모터의 회전속도에 따라 항상 특정한 전류지령을 생성하고 해당 모터 속도에서의 토크를 발생시킨다.

이에 배터리의 전압 변동을 실시간으로 반영하지 못하는 문제점이 있고, 이는 운전 중 배터리의 전압이 상승했을 때 인버터의 전압 이용률을 저하시키는 요인이 된다.

특히, 하이브리드 자동차나 연료전지 자동차 등과 같은 전기자동차에서 차량 구동용 모터(구동모터)의 운전 중 배터리의 전압은 맵이 만들어진 기준전압보다 높은 전압을 유지하므로, 상기 기준전압에서 생성한 맵 기반의 전류지령 생성은 전압 및 전류의 이용 측면에서 불리한 점으로 작용한다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 방법으로서, 차량 구동시 발생할 수 있는 최대 전압까지 각 전압 단계별 전류지령 맵을 구비하여 선형 보간하는 방법이 있으나, 이는 많은 시간과 노력, 큰 데이터 저장공간을 수반하는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 하이브리드 자동차 및 연료전지 자동차와 같은 전기자동차 등의 영구자석 동기모터를 제어함에 있어서 배터리의 전압 변동을 실시간으로 반영할 수 있는 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 배터리의 전압 변동을 실시간 보상하는 모터 제어를 수행함으로써 모터/인버터 시스템의 전압 이용률을 향상시키고 궁극적으로는 차량의 연비 향상을 도모할 수 있는 영구자석 동기모터의 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,

영구자석 동기모터의 절대각 위치를 검출하는 단계와;

상기 검출된 절대각 위치에 기초하여 영구자석 동기모터의 회전속도를 산출하는 단계와;

전력원인 배터리의 전압을 검출하는 단계와;

토크지령과 상기 영구자석 동기모터의 회전속도, 상기 배터리 전압에 기초하여 영구자석 동기모터의 회전속도에 대해 배터리 전압 변동이 보상된 보상 속도를 산출하는 단계와;

기설정된 전류지령 맵을 이용하여 상기 토크지령과 보상 속도에 대응하는 d축 전류지령과 q축 전류지령을 생성하는 전류지령 생성 단계와;

상기 검출된 절대각 위치에 기초하여 영구자석 동기모터로 유입되는 3상 전류를 d축 피드백 전류와 q축 피드백 전류로 변환하는 단계와;

상기 d축 전류지령 및 q축 전류지령, 상기 d축 피드백 전류 및 q축 피드백 전류에 기초하여 d축 전압지령과 q축 전압지령을 산출하는 단계와;

상기 검출된 절대각 위치에 기초하여 상기 d축 전압지령과 q축 전압지령을 3상 전압지령으로 변환하는 단계와;

상기 3상 전압지령에 기초하여 영구자석 동기모터의 구동을 제어하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기모터 제어방법을 제공한다.

여기서, 상기 보상 속도를 산출하는 단계는,

상기 영구자석 동기모터의 회전속도가 미리 설정된 가중치 적용 시작 속도 이상인지를 판별하는 단계와;

상기 영구자석 동기모터의 회전속도가 가중치 적용 시작 속도 이상이면 회전속도 및 토크지령에 대해 가중치를 적용하여 계산되는 연산 가중치를 구하는 단계와;

상기 연산 가중치와 배터리 전압, 전류지령 맵 설정시의 기준전압을 이용하여 상기 영구자석 동기모터의 회전속도로부터 배터리 전압 변동이 보상된 보상 속도를 산출하는 단계;

를 포함하여 구성될 수 있다.

또한 상기 연산 가중치는 미리 설정된 속도에 대한 가중치와 토크지령에 대한 가중치를 이용하여 하기 식(E1)에 의해 계산되는 것일 수 있다.

E1 :

(K_N: 연산 가중치, K_ω: 속도에 대한 가중치, ω_rpm: 영구자석 동기모터의 회전속도, ω₀: 가중치 적용 시작 속도, K_T: 토크지령에 대한 가중치, T_e*: 토크지령임)

여기서, 상기 영구자석 동기모터의 회전속도가 상기 가중치 적용 시작 속도 미만이면 연산 가중치를 0으로 한다.

또한 바람직한 실시예에서, 상기 보상 속도를 산출하는 단계는, 상기 배터리 전압이 미리 설정된 보상 시작 전압 이상인지를 판별하는 단계;를 더 포함할 수 있으며, 이때 상기 배터리 전압이 보상 시작 전압 이상이면 상기 보상 속도를 산출하여 전류지령 맵 데이터의 입력으로 사용하되, 상기 배터리 전압이 보상 시작 전압 미만이면 보상 속도 대신 상기 영구자석 동기모터의 회전속도를 전류지령 맵 데이터의 입력으로 사용한다.

여기서, 상기 보상 속도는 상기 연산 가중치와 배터리 전압, 영구자석 동기모터의 회전속도를 입력변수로 사용하는 모터 속도 정규화 식으로부터 계산되는 것일 수 있다.

또한 바람직하게는 상기 보상 속도는 하기 식(E2)의 모터 속도 정규화 식에 의해 계산되는 정규화된 모터 속도가 될 수 있다.

E2 :

(ω_rpm,NOM: 정규화된 모터 속도, K_N: 연산 가중치, V_DC _,MAP: 맵 설정시의 기준전압, V_DC: 배터리 전압, F = 1(V_DC≥V₀) 또는 0(V_DC<V₀)임, 여기서 V_DC는 배터리 전압이고 V₀는 보상 시작 전압임)

이에 따라, 상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 동기모터의 제어방법에 의하면, 영구자석 동기모터의 제어에 필요한 전류지령 산출 과정에 있어서 배터리 전압 변동을 실시간 반영하도록 구성됨으로써, 모터/인버터 시스템의 전압 이용률을 향상시키고, 궁극적으로는 모터/인버터 시스템의 효율 향상으로 차량 성능(동력 성능 및 연비 성능 등)의 향상을 도모할 수 있게 된다.

또한 고전압, 고속 운전영역에서 전류 제어의 안정성이 확보되며, 최대 전압까지 각 전압 단계별 전류지령 맵을 구비하여 선형 보간하는 종래의 방법에 비해 전류지령 생성을 위한 데이터 및 저장공간의 축소, 데이터 구축 및 검증에 소요되는 인력 및 시간의 절감이 가능해지는 장점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 전류지령 생성기의 전류지령 생성 방법을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 동기모터 제어과정을 수행하는 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전류지령 생성기의 전류지령 생성 방법을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 동기모터 제어방법을 나타내는 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명함에 앞서서 이하의 설명과 도면에 사용된 기호에 대하여 다음과 같이 정의하기로 한다.

T_e* : 토크지령 V_d* : d축 전압지령

V_q* : q축 전압지령 i_d* : d축 전류지령

i_q* : q축 전류지령 i_d : d축 피드백 전류

i_q : q축 피드백 전류 V_u*, V_v*, V_w* : 3상 전압지령

D_u, D_v, D_w : 인버터의 스위치 제어신호에 대한 듀티(Duty)

V_DC : 배터리 전압(직류단 전압) i_us, i_vs, i_ws : 3상 전류

ω_rpm : 모터 회전속도 ω₀ : 가중치 적용 시작 속도

ω_rpm,Nom : 정규화된 모터 속도 K_ω : 속도에 대한 가중치

K_T : 토크지령에 대한 가중치 K_N : 연산 가중치

V₀ : 보상 시작 전압 F : 전압 변동 플래그

V_DC _,MAP : 맵 설정 기준전압(맵핑시 직류 전압)

본 발명은 모터의 회전속도 및 요구토크(토크지령)에 따른 전류지령 생성시에 기존의 기준전압 맵, 즉 특정의 기준전압에서 설정된 전류지령 맵 데이터를 그대로 이용하되, 운전 중 전력원인 배터리의 전압 변동을 실시간 반영할 수 있는 모터 제어시스템 및 제어방법에 주된 특징이 있는 것으로, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제어과정을 수행하는 하이브리드/연료전지 자동차용 구동모터 제어시스템을 도시한 것이다.

도 2에서 도면부호 11은 영구자석 동기모터를 나타낸다. 예를 들어, 영구자석 동기모터는 매입형 영구자석 동기모터일 수 있다.

또한 도면부호 21은 영구자석 동기모터(11)의 전력원이 되는 배터리(고전압 배터리)를 나타내는 것으로, 이는 EV 모드 또는 HEV 모드에서 모터의 구동 전력을 제공하나, 회생제동(RB) 모드에서는 발전모드로 작동하는 모터에 의해 생성되는 전기에너지를 저장하게 된다. 또한 연료전지 자동차(연료전지-배터리 하이브리드 시스템)에서는 상기 배터리(21)가 주동력원인 연료전지 스택(미도시)과 함께 구비되어 모터의 구동 전력을 제공하는 보조동력원(회생제동시는 충전)이 된다.

또한 도면부호 13은 영구자석 동기모터(11)에 3상 교류 전류가 인가되도록 하는 PWM 인버터를 나타낸다. PWM 인버터는 모터에 인가되는 3상 전류(i_us,i_vs,i_ws)의 제어를 위해 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM)를 통한 모터 인가 전압(인버터 출력전압) 제어를 수행하며, 고속 스위칭이 가능한 반도체 스위치(예를 들면, IGBT)와 발전시 전류 루프를 형성하는 다이오드로 구성된 파워모듈(미도시)을 포함한다.

펄스폭 변조(PWM) 제어방식은 인버터에서 반도체 스위치를 스위칭하기 위한 스위칭 펄스의 폭을 변화시킴으로써 전압(또는 전류)을 제어하는 방식으로, 삼각파 비교 펄스폭 변조와 공간벡터 펄스폭 변조 방식이 널리 이용되고 있으며, 도 2는 공간벡터 펄스폭 변조 방식을 채용한 예를 나타내고 있다. 인버터의 펄스폭 변조 및 3상 전류 제어에 대해서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 공지의 기술이므로 상세한 설명을 생략하기로 한다.

또한 본 발명에 따른 제어시스템은 모터 회전자의 절대각 위치(absolute angular position, θ)를 검출하는 위치검출부(17)를 포함하며, 절대각 위치(θ)는 영구자석 동기모터(11)로 전류가 인가되는 각 위치(angular position)를 의미한다. 상기 위치검출부는 레졸버(resolver)가 될 수 있다.

또한 도면부호 19는 PWM 인버터(13)의 출력전압에 의해 영구자석 동기모터(11)로 유입되는 각 상 전류(i_us,i_vs,i_ws)를 검출하기 위한 전류검출부로서, 이에 의해 검출되는 상 전류가 인버터 제어에 사용할 수 있도록 한다.

또한 본 발명에 따른 제어시스템은 배터리 전압 변동을 실시간 보상하기 위하여 배터리 전압 변동을 모니터링하고 이를 모터 제어에 반영하는 바, 배터리 전압 변동을 모티터링하기 위한 전압값으로 인버터의 직류단(DC 링크단) 전압(V_DC)을 검출하여 사용한다.

즉, 본 발명은 배터리 전압으로서 직류단 전압(V_DC)을 검출하기 위한 전압검출부(23)를 포함하며, 이는 인버터 동작으로 인한 직류 전압의 고주파 리플 성분을 흡수하고 직류 전압을 평활화하는 직류단 커패시터(미도시)의 양단 전압을 측정하도록 구비될 수 있다. 본 발명에서 기준전압 맵(도 3에서 도면부호 36a, 36b임)으로 모터의 출력 사양을 만족시키는 최저 DC 링크단 전압(V_DC _,MAP)에서의 설정된 맵을 이용하므로, 상기 전압검출부(23)를 통해 직류단 전압, 즉 DC 링크단 직류전압(V_DC)을 검출한 뒤 이를 전압 변동을 보상하는데 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 제어시스템은, 위치검출부(17)의 신호에 기초하여 모터 회전속도(ω_rpm)를 산출하는 속도계산기(31)와; 위치검출부(17)의 신호와 전류검출부(19)의 신호에 기초하여 d축 피드백 전류(i_d)와 q축 피드백 전류(i_q)를 산출하는 삼상/d-q 좌표 변환기(33)와; 상위 제어기로부터 인가되는 토크지령(T_e*), 속도계산기(31)에서 입력되는 모터 회전속도(ω_rpm), 및 전압검출부(23)의 신호를 기초로 전압 변동이 보상된 d축 전류지령(i_d*)과 q축 전류지령(i_q*)을 생성하는 전류지령 생성기(35)와; d축 전압지령(V_d*)과 q축 전압지령(V_q*)을 각각 산출하는 전류제어기(37)와; 위치검출부(17)의 신호와 전류제어기(37)에서 입력되는 d축 전압지령(V_d*) 및 q축 전압지령(V_q*)을 기초로 3상 전압지령(V_u*,V_v*,V_w*)을 산출하는 d-q/삼상 좌표 변환기(39)를 더 포함한다.

여기서, 속도계산기(angular velocity calculator)(31)는 위치검출부(17), 즉 레졸버에 의해 검출되는 절대각 위치(θ)를 입력받아 이를 기초로 모터 회전속도(ω_rpm)를 산출한다. 예를 들어, 속도계산기는 미분기(differentiator)를 포함한 구성이 될 수 있다.

상기 삼상/d-q 좌표 변환기(three phase/d-q coordinate converter)(33)는 위치검출부(17)에 의해 검출되는 절대각 위치(θ)와 전류검출부(19)에 의해 검출되는 상 전류(i_us,i_vs,i_ws)를 입력받아, 절대각 위치를 이용하여 상 전류를 d축 피드백 전류(i_q)와 q축 피드백 전류(i_q)로 좌표 변환한다.

그리고, 본 발명에서 전류지령 생성기(current command generator)(35)는 상위 제어기에서 인가되는 토크지령(T_e*), 속도계산기(31)에 의해 계산되는 모터 회전속도(ω_rpm), 전압검출부(23)에 의해 검출되는 직류단 전압(V_DC)을 입력받으며, 이를 기초로 기설정된 전류지령 데이터를 이용하여 전압 변동이 보상된 d축 전류지령(i_d*)과 q축 전류지령(i_q*)을 생성한다. 여기서, 상기 상위 제어기는 토크지령을 생성하여 출력하는 통상의 차량 제어기(Hybrid Control Unit, HCU)가 될 수 있다.

상기 기설정된 전류지령 데이터는 토크지령과 회전속도를 입력으로 하는 기존의 전류지령 데이터가 그대로 이용될 수 있으며, 토크지령과 회전속도에 대응하는 d축 전류지령(i_d*)을 생성하기 위한 기설정된 d축 전류지령 데이터와, q축 전류지령(i_q*)을 생성하기 위한 기설정된 q축 전류지령 데이터를 포함한다.

상기 d축 전류지령 데이터와 q축 전류지령 데이터는 토크지령과 회전속도로부터 전류지령을 산출할 수 있는 맵 데이터로서, 특정의 기준전압에서 생성한 기존의 d축 전류지령 맵(도 3에서 도면부호 36a임)과 q축 전류지령 맵(도 3에서 도면부호 36b임)이 그대로 이용될 수 있다.

상기 기설정된 d축 전류지령 맵(36a)은 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 d축 전류지령값을 포함하고, 또한 기설정된 q축 전류지령 맵(36b)은 복수의 토크값과 복수의 회전속도에 대해서 각각 맵핑되어 있는 복수의 최적 q축 전류지령값을 포함한다.

상기와 같은 d축 전류지령 맵과 q축 전류지령 맵은 선행된 실험을 통해서 얻어진 데이터를 이용하여 설정할 수 있는데, 예를 들어 양방향 다이나모미터(dynamometer)를 사용하여 토크 및 회전속도별로 최적 d축 전류지령과 q축 전류지령을 실험을 통해 산출한 뒤 이들 값들을 맵핑하여 생성할 수 있다.

본 발명에서 전류지령 생성기(35)는, 전술한 바와 같이 전압 변동 보상을 수행하기 위하여, 상위 제어기에서 인가되는 토크지령(T_e*), 속도계산기(31)에 의해 계산되는 모터 회전속도(ω_rpm), 전압검출부(23)에 의해 검출되는 직류단 전압(배터리 전압)(V_DC)을 입력받아 이를 기초로 전압 변동이 보상된 모터 회전속도(ω_rpm,Nom)를 산출하는 전압변동보상부(35a)를 더 포함한다(도 3 참조).

즉, 본 발명에서의 전류지령 생성기(35)는 상기한 d축, q축 전류지령 맵(36a,36b)을 이용하여 전류지령(i_d*,i_q*))을 생성하되, 배터리 전압 변동을 보상하기 위하여 실시간 검출되는 직류단 전압(V_DC)을 추가로 입력받으며, 또한 상기 전압변동보상부(35a)가 토크명령값(T_e*)과 검출값인 모터 회전속도(ω_rpm) 및 직류단 전압(배터리 전압)(V_DC)값을 이용하여 전압 변동이 보상된 모터 회전속도(ω_rpm,Nom)를 산출하고, 보상된 모터 회전속도(이하, 보상 속도라 칭함)(ω_rpm,Nom)를 토크명령(T_e*)과 함께 전류지령 생성을 위한 d축 전류지령 맵(36a)과 q축 전류지령 맵(36b)의 입력으로 사용하게 된다.

결국, 본 발명에서는 d축 전류지령 맵(36a)과 q축 전류지령 맵(36b)에서 토크명령(T_e*)과 더불어 보상 속도(ω_rpm,Nom)를 입력으로 하여 d축 전류지령(i_d*)과 q축 전류지령(i_q*)을 생성하므로 생성된 각각의 전류지령은 전압 변동이 보상된 전류지령이 된다.

전류지령 생성기(35)의 전압변동보상부(35a)가 직류단 전압(V_DC)을 이용하여 수행하는 보상 속도 산출 과정, 즉 모터 회전속도(ω_rpm)에 대해 전압 변동을 보상하는 상세한 과정에 대해서는 도 3과 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.

다음으로, 전류제어기(current controller)(37)는 전류지령 생성기(35)에서 출력되는 d축 전류지령(i_d*) 및 q축 전류지령(i_q*), 삼상/d-q 좌표 변환기(33)에서 출력되는 d축 피드백 전류(i_d) 및 q축 피드백 전류(i_q)를 입력받아 이를 기초로 d축 전압지령(V_d*)과 q축 전압지령(V_q*)을 산출한다. 상기 d축 전압지령과 q축 전압지령의 산출시 속도계산기(31)에서 출력되는 모터 회전속도(ω_rpm)가 추가로 이용될 수도 있다.

상기 d-q/삼상 좌표 변환기(d-q/three phase coordinate converter)(39)는 위치검출부(17)로부터 입력되는 절대각 위치(θ)를 이용하여 전류제어기(37)로부터 입력되는 d축 전압지령(V_d*)과 q축 전압지령(V_q*)을 3상 전압지령(V_u*,V_v*,V_w*)으로 좌표 변환한다.

결국, d-q/삼상 좌표 변환기(39)에서 출력되는 3상 전압지령(V_u*,V_v*,V_w*)이 공간벡터 펄스폭 변조 알고리즘 모듈(15)로 입력되어 스위치 제어신호에 대한 듀티(D_u,D_v,D_w)가 생성되고, 이 듀티를 기초로 PWM 인버터(13)가 영구자석 동기모터(11)에 인가되는 3상 전류를 제어하게 된다.

상기한 전압지령 산출 과정과 더불어 각 좌표 변환기의 좌표 변환 과정, 공간벡터 펄스폭 변조를 이용한 듀티 생성 및 3상 전류 제어 과정에 대해서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지 기술이므로 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.

다음으로, 도 3과 도 4를 참조하여 전류지령 생성기의 전압변동보상부가 수행하는 보상 속도 산출 과정에 대해 상술하기로 한다.

우선, 도 3을 참조하면, 전류지령 생성기(35)는 전술한 바와 같이 토크지령(T_e*)과 모터 회전속도(ω_rpm) 및 배터리 전압(V_DC)을 입력받으며, 이들을 입력으로 하여 전압 변동이 보상된 모터 회전속도, 즉 보상 속도(ω_rpm,Nom)를 산출하는 전압변동보상부(35a)를 구비한다.

본 발명에서는 운전 중 배터리 전압 변동을 반영하기 위하여 전류지령 생성기(35)의 전압변동보상부(35a)가 전압검출부에 의해 검출되는 배터리 전압(직류단 전압)(V_DC)을 이용하여 전류지령 맵 데이터(36a,36b)의 입력값에 대해 전압 변동을 보상하게 되는데, 이때 전류지령 맵 데이터의 입력값인 모터 회전속도(ω_rpm)에 대해 전압 변동을 보상하도록 구성될 수 있다.

특히, 전압 변동에 따른 모터 속도 정규화 방식을 채용하며, 모터 회전속도, 토크지령, 배터리 전압에 가중치를 적용한 모터 속도 정규화 방식을 통하여 배터리 전압 변동을 보상하게 된다. 이하, 본 발명에서 배터리 전압 변동은 맵핑시 직류 전압, 즉 전류지령 맵이 설정되는 기준전압을 기준으로 운전 중에 발생하는 배터리 전압의 변동을 의미한다. 상기 전류지령 맵 설정에 있어서 상기 기준전압(이하, 맵 설정 기준전압이라 칭함)은 통상 모터 출력 사양을 만족시키는 최저 DC 링크단 전압으로 정해진다.

도 4를 참조하여 전압변동보상부가 보상 속도를 산출하는 과정을 살펴보면, 우선 필요한 파라미터 값이 미리 설정되어 있어야 한다.

본 발명에서 로직에 필요한 파라미터 값으로는 가중치 적용 시작 속도(ω₀), 속도에 대한 가중치(K_ω), 토크지령에 대한 가중치(K_T), 연산 가중치(K_N), 보상 시작 전압(V₀)이 있으며, 이들 파라미터 값은 다양한 조건의 선행된 실험을 통해 구해져 저장된다.

상기와 같이 파라미터 값이 설정된 상태에서, 영구자석 동기모터의 작동 중 검출되는 모터 회전속도(ω_rpm)를 속도계산기를 통해 입력받고, 현재의 직류단 전압을 전압검출부(V_DC)로부터 입력받으며, 상위 제어기로부터는 토크지령(T_e*)을 입력받는데(S11), 먼저 모터 회전속도(ω_rpm)가 가중치 적용이 필요한 조건인지를 판별하게 된다(S12).

즉, 검출된 모터 회전속도(ω_rpm)를 미리 설정된 가중치 적용 시작 속도(ω₀)와 비교하여 가중치 적용 속도에 해당하는지를 판별하며, 상기 모터 회전속도(ω_rpm)가 가중치 적용 시작 속도(ω₀) 이상이면 가중치 적용 속도인 것으로 판정하여 하기 식(1)로부터 회전속도 및 토크지령에 대해 각각 가중치(Kω,K_T)를 적용하여 계산되는 연산 가중치(K_N)를 구하게 된다(S13).

(1)

만약, 모터 회전속도(ω_rpm)가 가중치 적용 시작 속도(ω₀) 미만인 상태, 즉 가중치 적용 조건이 아닌 상태로 판정되면, 연산 가중치는 0(K_N = 0)이 된다(S13').

모터의 모든 속도에서 가중치를 적용할 경우 계산 효율 면에서 바람직하지 않으므로, 계산 효율과 전압 변동 보상에 기인하는 전압 이용률의 향상 효과 측면 등을 고려하여 가중치가 적용되어야 할 최적의 임계속도를 실험적으로 구한 뒤 이를 상기와 같이 가중치 적용 시작 속도(ω₀)로 설정해 놓고, 이를 기초로 가중치 적용 조건에 해당되는 경우에만 가중치가 적용될 수 있도록 한다.

이어 상기와 같이 연산 가중치(K_N)가 구해지면, 연산 가중치(K_N)와 더불어 배터리 전압(V_DC), 전류지령 맵 설정시의 기준전압(V_DC _,MAP)을 이용하여 모터 회전속도(ω_rpm)로부터 배터리 전압 변동이 보상된 보상 속도(ω_rpm,Nom)를 산출한다.

바람직한 실시예에서, 배터리 전압, 즉 전압검출부에 의해 검출된 직류단 전압(V_DC)에 따라 전압 변동 보상이 필요한지의 여부를 판별하며(S14), 직류단 전압(V_DC)이 전압 변동 보상이 필요한 상태로 판정되면 소정의 계산식으로부터 전압 변동에 따른 보상 속도(ω_rpm,Nom)를 계산하게 된다(S15,S16).

즉, 직류단 전압(V_DC)을 미리 설정된 보상 시작 전압(V₀)과 비교하여 전압 변동 보상이 필요한 전압 상태인지를 판별하는 것으로, 상기 직류단 전압(V_DC)이 보상 시작 전압(V₀) 이상이면 전압 변동 보상이 필요한 전압 상태로 판정하여(S15), 소정의 계산식으로부터 전압 변동에 따른 보상 속도(ω_rpm,Nom)를 구하게 된다(S16).

예를 들어, 상기 계산식은 전압 변동에 따른 모터 속도 정규화 식이 될 수 있으며, 모터 속도 정규화 식은 다음의 식(2)와 같이 나타낼 수 있다.

(2)

여기서, V_DC _,MAP은 맵 설정시 기준전압을 나타낸다.

상기 식(2)의 F는 보상 적용 여부를 나타내는 로직 내 플래그(flag) 값으로, 전압 변동 보상이 필요한 직류단 전압 상태인 경우 F = 1(S15), 전압 변동 보상이 불필요한 직류단 전압 상태인 경우 F = 0(S15')이 된다.

상기 식(2)는 식(1)로부터 계산되는 연산 가중치(K_N)와 검출된 직류단 전압(V_DC), 모터 회전속도(ω_rpm)를 입력변수로 하여 정규화된 모터 속도(ω_rpm,Nom)를 계산하는 계산식으로, 식(2)에 의해 계산되는 정규화된 모터 속도(ω_rpm,Nom)가 전류지령 맵의 입력이 되는 보상 속도가 되며, 이는 속도계산기로부터 입력되는 모터 회전속도(ω_rpm)에 대해서 전압 변동을 보상한 속도값이 된다.

단, 직류단 전압(V_DC)이 보상 시작 전압(V₀) 미만인 경우는 상기 식(2)에서 F = 0이므로 보상 속도 대신 현재의 모터 회전속도(ω_rpm)가 전류지령 맵 데이터의 입력으로 그대로 사용된다(ω_rpm,Nom=ω_rpm).

상기의 보상 시작 전압(V₀)은 전압 변동 보상에 기인하는 전압 이용률의 향상 효과 측면 등을 고려하여 선행된 실험으로부터 보상 필요 여부 결정을 위한 최적의 임계전압을 구하여 설정한다.

결국, 본 발명에서는 전압 변동이 보상된 모터 회전속도(ω_rpm,Nom)를 토크지령(T_e*)과 함께 d축 전류지령 맵(36a)과 q축 전류지령 맵(36b)의 입력으로 사용하여 d축, q축 전류지령을 구하며(도 3 참조), 전압 변동이 반영된 d축, q축 전류지령이 얻어지면 이를 영구자석 동기모터의 제어에 사용하게 된다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 영구자석 동기모터 제어방법에서는 영구자석 동기모터의 제어에 있어서 배터리 전압 변동을 반영할 수 있게 되며, 이는 모터/인버터 시스템의 전압 이용률을 향상시키고, 궁극적으로는 모터/인버터 시스템의 효율 향상으로 차량 성능(동력 성능 및 연비 성능 등)의 향상을 가능하게 한다.

또한 고전압, 고속 운전영역에서 전류 제어 안정성이 확보될 수 있으며, 전류지령 생성을 위한 데이터 및 저장공간의 축소, 데이터 구축 및 검증에 소요되는 인력 및 시간의 절감이 가능해지는 장점이 있게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

11 : 영구자석 동기모터 13 : PWM 인버터
15 : 공간벡터 펄스폭 변조 알고리즘 모듈 17 : 위치검출부
19 : 전류검출부 21 : 배터리
23 : 전압검출부 31 : 속도계산기
33 : 삼상/d-q 좌표 변환기 35 : 전류지령 생성기
35a : 전압변동보상부 37 : 전류제어기
39 : d-q/삼상 좌표 변환기

Claims

영구자석 동기모터의 절대각 위치를 검출하는 단계와;
상기 검출된 절대각 위치에 기초하여 영구자석 동기모터의 회전속도를 산출하는 단계와;
전력원인 배터리의 전압을 검출하는 단계와;
토크지령과 상기 영구자석 동기모터의 회전속도, 상기 배터리 전압에 기초하여 영구자석 동기모터의 회전속도에 대해 배터리 전압 변동이 보상된 보상 속도를 산출하는 단계와;
기설정된 전류지령 맵을 이용하여 상기 토크지령과 보상 속도에 대응하는 d축 전류지령과 q축 전류지령을 생성하는 단계와;
상기 검출된 절대각 위치에 기초하여 영구자석 동기모터로 유입되는 3상 전류를 d축 피드백 전류와 q축 피드백 전류로 변환하는 단계와;
상기 d축 전류지령 및 q축 전류지령, 상기 d축 피드백 전류 및 q축 피드백 전류에 기초하여 d축 전압지령과 q축 전압지령을 산출하는 단계와;
상기 검출된 절대각 위치에 기초하여 상기 d축 전압지령과 q축 전압지령을 3상 전압지령으로 변환하는 단계와;
상기 3상 전압지령에 기초하여 영구자석 동기모터의 구동을 제어하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기모터 제어방법.
청구항 1에 있어서,
상기 보상 속도를 산출하는 단계는,
상기 영구자석 동기모터의 회전속도가 미리 설정된 가중치 적용 시작 속도 이상인지를 판별하는 단계와;
상기 영구자석 동기모터의 회전속도가 가중치 적용 시작 속도 이상이면 회전속도 및 토크지령에 대해 가중치를 적용하여 계산되는 연산 가중치를 구하는 단계와;
상기 연산 가중치와 배터리 전압, 전류지령 맵 설정시의 기준전압을 이용하여 상기 영구자석 동기모터의 회전속도로부터 배터리 전압 변동이 보상된 보상 속도를 산출하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기모터의 제어방법.
청구항 2에 있어서,
상기 연산 가중치는 미리 설정된 속도에 대한 가중치와 토크지령에 대한 가중치를 이용하여 하기 식(E1)에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기모터의 제어방법.
E1 :

(K_N: 연산 가중치, K_ω: 속도에 대한 가중치, ω_rpm: 영구자석 동기모터의 회전속도, ω₀: 가중치 적용 시작 속도, K_T: 토크지령에 대한 가중치, T_e*: 토크지령임)
청구항 2에 있어서,
상기 영구자석 동기모터의 회전속도가 상기 가중치 적용 시작 속도 미만이면 연산 가중치를 0으로 하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기모터의 제어방법.
청구항 2에 있어서,
상기 보상 속도를 산출하는 단계는, 상기 배터리 전압이 미리 설정된 보상 시작 전압 이상인지를 판별하는 단계;를 더 포함하고,
상기 배터리 전압이 보상 시작 전압 이상이면 상기 보상 속도를 산출하여 전류지령 맵 데이터의 입력으로 사용하되, 상기 배터리 전압이 보상 시작 전압 미만이면 보상 속도 대신 상기 영구자석 동기모터의 회전속도를 전류지령 맵 데이터의 입력으로 사용하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기모터의 제어방법.
청구항 2 또는 청구항 5에 있어서,
상기 보상 속도는 상기 연산 가중치와 배터리 전압, 영구자석 동기모터의 회전속도를 입력변수로 사용하는 모터 속도 정규화 식으로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기모터의 제어방법.
청구항 6에 있어서,
상기 보상 속도는 하기 식(E2)의 모터 속도 정규화 식에 의해 계산되는 정규화된 모터 속도인 것을 특징으로 하는 영구자석 동기모터의 제어방법.
E2 :

(ω_rpm,Nom: 정규화된 모터 속도, K_N: 연산 가중치, V_DC _,MAP: 맵 설정시의 기준전압, V_DC: 배터리 전압, F = 1(V_DC≥V₀) 또는 0(V_DC<V₀)임, 여기서 V_DC는 배터리 전압이고 V₀는 보상 시작 전압임)