KR20140049451A - 친환경 자동차의 인버터 제어 방법 - Google Patents

친환경 자동차의 인버터 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 친환경 자동차의 인버터 제어 방법에 관한 것으로서, 전 운전영역에서 하나의 고정된 스위칭 주파수와 샘플링 주파수를 사용하던 종래의 경우에 비해 스위칭 손실, 전자파 성능, NVH 성능, 제어 안정성 등 측면에서 두루 개선된 효과를 얻을 수 있는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 스위칭 주파수와 샘플링 주파수에 따라 PWM 신호를 생성하여 스위칭 소자의 온/오프 구동을 제어하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법에 있어서, 제어기가 현재의 모터 속도에 따라 스위칭 주파수를 가변하여 설정함과 더불어 상기 스위칭 주파수에 따라 샘플링 주파수를 가변하여 설정하고, 현재의 모터 속도에 해당하는 상기 스위칭 주파수와 샘플링 주파수에 따라 스위칭 소자의 온/오프 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법을 제공한다.

Description

친환경 자동차의 인버터 제어 방법{Inverter control method for eco-friendly vehicle}
본 발명은 친환경 자동차의 인버터 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전 운전영역에서 하나의 고정된 스위칭 주파수와 샘플링 주파수를 사용하던 종래의 경우에 비해 스위칭 손실, 전자파 성능, NVH 성능, 제어 안정성 등 측면에서 두루 개선된 효과를 얻을 수 있는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 순수 전기자동차(EV), 하이브리드 자동차(HEV), 연료전지 자동차(FCEV) 등을 포함하는 친환경 자동차에서는 차량 주행을 위한 구동원으로 전기모터를 이용한다.
즉, 차량의 메인 배터리에 저장된 직류전원을 인버터를 이용하여 3상 교류전원으로 변환시켜 모터를 구동하고, 모터의 구동력을 구동륜에 전달하여 차량 주행이 이루어지도록 하는 것이다.
또한 친환경 자동차에서는 감속시 회생제동을 통해 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리에 저장한 뒤 차량 주행시 배터리에 저장된 에너지를 모터를 구동하는데 재사용(회수된 전기에너지를 차량의 운동에너지로 재사용)함으로써 연비를 향상시킨다.
한편, 친환경 자동차의 구동원인 모터와 인버터를 포함하는 모터 시스템에서 구동/회생 운전 중 발생하는 소음 문제, 스위칭 손실에 의한 효율 저하, 전자파 성능 저하 등의 여러 문제점이 알려져 있다.
일반적으로 인버터의 스위칭 주파수를 높일 경우 소음은 감소하고, 스위칭 주파수를 낮출수록 인버터 효율 및 연비가 향상될 수 있다.
즉, 인버터 스위칭 주파수를 낮은 고정 주파수로 설정해두게 되면(예를 들어, 기본 스위칭 주파수를 4 kHz로 고정), 전자파 성능은 양호할 수 있으나, 소음 문제에 있어서는 불리해진다.
이러한 인버터 소음을 줄이기 위해 전 운전영역에서 기본 스위칭 주파수를 높게 설정하여 고정하면(예를 들어, 기본 스위칭 주파수를 8 kHz로 고정), NVH 성능은 좋아지나(PWM 전류 리플 경감), 전자파 성능이 나빠지고, 스위칭 손실이 증가하여(차량 구속조건에서 힐 홀드 성능 저하) 인버터 효율 및 연비가 나빠지게 된다.
전자파 성능과 관련하여 좀더 설명하면, 스위칭 주파수를 높일수록 방사되는 전자파 노이즈가 증가하고(그 결과의 예로, AM 라디오 수신 등이 불량해짐), 스위칭 주파수를 낮출 경우 방사 노이즈가 줄어 전자파 성능이 좋아진다.
종래의 친환경 자동차에서는 운전자나 탑승자가 민감하게 느끼는 불쾌한 인버터 소음 발생을 줄이기 위해 인버터 스위칭 주파수를 높게 설정하여 고정하고(예, 8 kHz), 인버터 제어를 위한 센싱 전류 및 모터 각 정보 등 정보 취득의 샘플링 주파수를 스위칭 주파수와 동일하게 설정(8 kHz)하고 있다(후술하는 싱글 샘플링 방식과 동일함).
여기서, 스위칭 주파수(스위칭 주기)는 인버터 내 개별 스위치의 온(ON)/오프(OFF)가 각각 1회씩 반복되는 주기로 정의될 수 있고, 샘플링 주파수는 인버터 전류제어에 있어서 제어주기에 해당하는 것으로, 제어주기는 전류/각 샘플, 전류제어 연산, 듀티(duty) 계산, 듀티 반영 사이클이 반복되는 주기로 정의될 수 있다.
그러나, 종래의 경우 모터 운전상황 등의 고려 없이 전 운전영역에서 하나의 스위칭 주파수를 고정 설정하여 사용하므로(즉, 고정 주파수 방식 적용) 스위칭 소자의 발열 등에 기인하는 스위칭 손실이 높고, 전자파 성능에 취약한 특성을 가진다.
또한 샘플링 주파수에 있어서도 샘플링 주파수가 높을 경우, 인버터 제어 안정성은 좋아지나, 마이컴에서 센싱 전류, 모터 각 정보 등의 제어변수를 보다 짧은 주기로 취득하여 보다 많은 제어값 계산을 수행해야 하므로 마이컴의 부하율이 커지는 문제가 발생한다.
이에 NVH 성능, 전자파 성능, 스위칭 손실 문제, 제어 안정성, 마이컴 부하율 등을 고려하여 스위칭 주파수와 샘플링 주파수를 운전상황에 따라 조절해주는 것이 필요하다.
즉, 종래의 경우 전 운전영역에서 스위칭 주파수가 높게 고정 설정됨에 따라 그로 인해 얻을 수 있는 이점과 더불어 전자파 성능 저하 및 스위칭 손실 증가 등의 분명한 단점도 가지는바, 성능 전반의 개선을 위해 운전상황에 따라 스위칭 주파수를 적절히 변경시키면서 변경된 스위칭 주파수에 따라 샘플링 주파수를 적절히 조절해주는 제어기술이 필요하다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 전 운전영역에서 하나의 고정된 스위칭 주파수와 샘플링 주파수를 사용하던 종래의 경우에 비해 스위칭 손실, 전자파 성능, NVH 성능, 제어 안정성 등 측면에서 두루 개선된 효과를 얻을 수 있는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 일 실시예로, 스위칭 주파수와 샘플링 주파수에 따라 PWM 신호를 생성하여 스위칭 소자의 온/오프 구동을 제어하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법에 있어서, 제어기가 현재의 모터 속도에 따라 스위칭 주파수를 가변하여 설정함과 더불어 상기 스위칭 주파수에 따라 샘플링 주파수를 가변하여 설정하고, 현재의 모터 속도에 해당하는 상기 스위칭 주파수와 샘플링 주파수에 따라 스위칭 소자의 온/오프 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법을 제공한다.
또한 본 발명은, 다른 실시예로, 스위칭 주파수와 샘플링 주파수에 따라 PWM 신호를 생성하여 스위칭 소자의 온/오프 구동을 제어하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법에 있어서, 제어기가 현재의 모터 속도에 따라 기본 스위칭 주파수를 결정한 뒤, 상기 기본 스위칭 주파수로부터 현재의 모터 운전상태에 해당하는 값으로 스위칭 주파수와 샘플링 주파수를 가변하여 설정하고, 현재의 모터 운전상태에 해당하는 상기 스위칭 주파수와 샘플링 주파수에 따라 스위칭 소자의 온/오프 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법을 제공한다.
이에 따라, 본 발명의 인버터 제어 방법에 의하면, 모터 운전상태에 따라 스위칭 주파수를 적절히 가변시키면서 샘플링 주파수에 있어 더블 샘플링과 싱글 샘플링 간의 적절한 모드 절환이 이루어지므로, 전 운전영역에서 하나의 스위칭 주파수와 샘플링 주파수를 사용하던 종래의 경우에 비해 스위칭 손실, 전자파 성능, NVH 성능, 제어 안정성 등 측면에서 두루 개선된 효과를 얻을 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 인버터 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 인버터 제어 방법에서 스위칭 주파수가 가변 제어(연속 가변 제어)되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 인버터 제어 방법에서 샘플링 주파수의 절환 방식을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 인버터 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 인버터 제어 방법에서 스위칭 주파수가 가변 제어(스텝 절환 제어)되는 상태를 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 인버터 제어 방법에서 스위칭 주파수의 스텝 절환이 이루어짐에 따라 싱글 샘플링/더블 샘플링 절환이 이루어짐을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에서 기본 스위칭 주파수와 확산 주파수를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 인버터 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 인버터 제어 방법에서 샘플링 주파수의 절환 방식을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 인버터 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 인버터 제어 방법에서 스위칭 주파수가 가변 제어되는 상태와, 스위칭 주파수의 스텝 절환이 이루어짐에 따라 싱글 샘플링/더블 샘플링 절환이 이루어짐을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 제5실시예에 따른 인버터 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 13은 본 발명의 제5실시예에 따른 인버터 제어 방법에서 스위칭 주파수가 가변 제어되는 상태와, 스위칭 주파수의 스텝 절환이 이루어짐에 따라 싱글 샘플링/더블 샘플링 절환이 이루어짐을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에서 스위칭 주파수의 스텝 절환 영역을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 인버터 제어 방법을 나타내는 순서도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 인버터 제어 방법에서 스위칭 주파수(Fsw)가 가변 제어(연속 가변 제어)되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 2에는 종래에 고정 설정되는 스위칭 주파수 값(8 kHz)을 함께 나타내었다.
또한 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 인버터 제어 방법에서 샘플링 주파수(Fsamp)의 절환 방식을 나타내는 도면으로, 이는 스위칭 주파수(Fsw)에 따라 샘플링 주파수(Fsamp)를 변경하되, 특정 조건에서 절환(싱글 샘플링↔더블 샘플링)하는 방식을 나타내는 도면이다.
본 발명에서는 인버터 스위칭 주파수를 차량의 운전상황에 따라 가변 제어하고, 변경된 스위칭 주파수에 따라 샘플링 주파수를 적절히 조절하여 스위칭 손실 저감 및 전자파 성능 향상을 달성할 수 있도록 한 것에 주된 특징이 있다.
먼저, 제어기가 현재의 모터 속도(Wrpm)를 모니터링하되, 현재의 모터 속도에 따라 인버터 스위칭 주파수(Fsw)를 가변 제어한다.
여기서, 모터 속도(Wrpm)는 모터의 레졸버에 의해 검출되는 절대각 위치(θ)에 기초하여 속도계산기(미분기)에서 산출되는 모터 속도가 될 수 있다.
통상의 모터 및 인버터 제어에 있어서, 모터에 장착된 레졸버에 의해 절대각 위치(θ)가 검출되면, 이를 속도계산기가 입력받아 모터 속도(Wrpm)를 산출하여 제어에 이용하고 있는바, 본 발명에서 상기 제어기가 이러한 모터 속도(Wrpm)에 따라 스위칭 주파수(Fsw)를 가변 제어한다.
이때, 스위칭 주파수(Fsw)는 모터 속도(Wrpm)에 따라 변화되는 값으로 산출되는데, 모터 속도가 변화할 경우 그에 상응하여 스위칭 주파수도 변경된다.
도 1을 참조하면, 모터 속도(Wrpm)에 따른 값으로 스위칭 주파수(Fsw)가 산출되는 S11 단계에서, 스위칭 주파수(Fsw)가 모터 속도 절대값(｜Wrpm｜)의 함수로 결정됨을 나타내고 있다.
이와 같이 모터 속도에 따른 값으로 스위칭 주파수 변경 값이 결정되면, 이 변경된 스위칭 주파수를 적용하여 삼각파를 생성하고 PWM 신호를 생성하는 공지의 과정에 의해 직류전원을 모터 구동을 위한 삼상 교류전원으로 변환하는 인버터 내 스위칭 소자(IGBT 파워모듈의 IGBT)의 온/오프 구동이 제어되도록 한다.
도 2는 스위칭 주파수의 연속 가변 상태를 예시한 것으로, 모터 속도에 따라 스위칭 주파수를 연속 가변시키기 위해 도 2에서와 같이 모터 속도(Wrpm)에 따른 값으로 스위칭 주파수(Fsw)를 미리 정의해놓은 데이터 정보(또는 모터 속도와 스위칭 주파수의 관계를 정의한 함수식(산출식) 정보)가 이용될 수 있으며, 이 데이터 정보(이는 제어기에 미리 저장됨)를 이용하여 제어기가 현재의 모터 속도에 해당하는 스위칭 주파수를 산출하고 가변시킨다.
도 2를 참조하면, 모터 속도(Wrpm)의 증감 변화에 따라 스위칭 주파수(Fsw)의 연속적인 증감 변화 패턴이 나타나 있으며, 이와 같이 본 발명에서는 인버터 스위칭 주파수(Fsw)가 모터 속도(Wrpm)에 의해 결정되고, 모터 속도에 따라 스위칭 주파수가 연속 가변되는 패턴을 가지도록 제어된다.
또한 스위칭 주파수(Fsw)를 모터 속도(Wrpm)에 따라 결정 및 가변 제어함에 있어서, 도 2에서와 같이 모터 속도의 증감 변화에 따라 스위칭 주파수가 비례적으로 증감되도록 제어, 즉 모터 속도가 증가할수록 이에 비례하여 모터 속도에 해당하는 스위칭 주파수가 점차 높은 값으로 결정 및 제어된다(모터 속도가 감소할수록 스위칭 주파수는 점차 작아짐).
모터 속도(Wrpm)(보다 명확히는 모터 속도의 절대값임)가 증가할수록 스위칭 주파수(Fsw)가 높은 값이 되도록 도 2의 데이터 정보가 미리 설정되고, 실제 차량에서의 제어시 이를 이용하여 모터 속도 변화에 따라 스위칭 주파수가 비례적으로 연속 가변되도록 하는 것이다.
도 2에서 8 kHz는 종래에 고정 설정되는 기본 스위칭 주파수 값으로, 본 발명에서는 운전상황, 즉 모터 속도(Wrpm)에 따라 스위칭 주파수(Fsw)가 종래의 기본 스위칭 주파수 값 아래로 가변 제어되는바, 모터의 저속 영역에서는 스위칭 주파수를 적절히 낮추어줌으로써 종래에 비해 스위칭 손실 저감 및 전자파 성능 확보가 가능해진다.
한편, 샘플링 주파수(Fsamp)는 모터 속도(Wrpm)에 의해 결정된 스위칭 주파수(Fsw)에 따라 가변되어 정해지며, 스위칭 주파수(Fsw)를 미리 정해진 기준 주파수(FSD)와 비교하여(S12), 스위칭 주파수가 기준 주파수 이하이면, 스위칭 주파수의 두 배에 해당하는 주파수를 샘플링 주파수로 사용하는 더블 샘플링 모드(Fsamp=2×Fsw)로 인버터의 제어가 이루어진다(S13).
즉, 스위칭 주파수(Fsw)가 기준 주파수(FSD) 이하이면, 샘플링 주파수(Fsamp)가 스위칭 주파수의 두 배 값(2×Fsw)으로 결정되는 것이다.
반면, 스위칭 주파수(Fsw)가 기준 주파수(FSD)를 초과하는 영역에서는 샘플링 주파수(Fsamp)가 스위칭 주파수와 동일한 주파수로 결정되며(S14), 스위칭 주파수와 동일한 주파수를 샘플링 주파수로 사용하는 싱글 샘플링 모드(Fsamp=Fsw)로 인버터의 제어가 이루어진다.
여기서, 기준 주파수는 싱글 샘플링(Fsamp=Fsw)과 더블 샘플링(Fsamp=2×Fsw)의 절환 기준이 되는 주파수로, 동일 사양의 모터 시스템에 대해 선행 테스트를 거쳐 미리 정해지는 주파수 값이다.
도 3을 참조하면, 스위칭 주파수(Fsw)가 기준 주파수(FSD) 이하인 영역과 기준 주파수를 초과하는 영역에서 각각 더블 샘플링 모드(S13)와 싱글 샘플링 모드(S14)로 제어됨을 보여주고 있다.
물론, 위에서 스위칭 주파수가 모터 속도의 증감시에 변화되므로 샘플링 주파수 역시 모터 속도의 증감시마다 변화되며, 다만 스위칭 주파수가 기준 주파수 이하인지, 아니면 기준 주파수보다 높은 주파수인지에 따라 더블 샘플링, 싱글 샘플링이 결정되고, 기준 주파수를 기준으로 그 부근에서 스위칭 주파수의 증감이 있을 경우 샘플링 주파수의 불연속적인 변화, 즉 더블/싱글 샘플링의 모드 절환이 이루어지게 된다.
이와 같이 하여, 본 발명의 제1실시예에서는 스위칭 주파수를 모터 속도에 따라 연속적으로 가변시키고, 모터의 특정 속도를 기준으로 더블 샘플링과 싱글 샘플링 간의 모드 절환이 이루어질 수 있도록 한다.
즉, 모터의 저속 영역(모터 속도에 해당하는 스위칭 주파수가 기준 주파수 이하인 영역)에서는 샘플링 주파수를 스위칭 주파수의 두 배로 설정하는 더블 샘플링 모드로, 상대적으로 고속인 영역(스위칭 주파수가 기준 주파수를 초과하는 영역)에서는 샘플링 주파수를 스위칭 주파수와 동일한 주파수로 설정하는 싱글 샘플링 모드로 인버터 제어가 이루어지도록 하는 것이다.
본 발명에서 싱글 샘플링 모드는 스위칭 1주기 동안 제어주기가 1회 반복되는 디지털 제어 모드라 정의할 수 있고, 더블 샘플링 모드는 스위치 1주기 동안 제어주기가 2회 반복되는 디지털 제어 모드라 정의할 수 있으며, 더블 샘플링 모드에서 온 시퀀스(ON Sequence) 및 오프 시퀀스(OFF Sequence) 별 독립적 듀티 변경이 가능하다.
이와 같은 본 발명의 제어 방법에서는 모터의 저속 영역에서 종래에 비해 낮은 스위칭 주파수를 사용할 수 있게 되므로 스위칭 손실 저감, 전자파 성능 확보가 달성될 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명의 제2실시예에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 인버터 제어 방법을 나타내는 순서도이고, 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 인버터 제어 방법에서 스위칭 주파수가 가변 제어(스텝 절환 제어)되는 상태를 예시한 도면이다.
또한 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 인버터 제어 방법에서 스위칭 주파수의 스텝 절환이 이루어짐에 따라 싱글 샘플링/더블 샘플링 절환이 이루어짐을 개략적으로 예시한 도면이다.
먼저, 도 4에 나타낸 바와 같이, 제어기가 현재의 모터 속도(Wrpm)를 모니터링하면서 현재의 모터 속도(Wrpm)에 따라 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)를 결정한다(S11').
기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)는 모터 속도 절대값(｜Wrpm｜)의 함수로 결정되는데, 이때 모터 속도에 따른 값으로 기본 스위칭 주파수를 정의해놓은 데이터 정보(또는 모터 속도와 기본 스위칭 주파수의 관계를 정의한 함수식(산출식) 정보)가 이용될 수 있으며, 이 데이터 정보(이는 제어기에 미리 저장됨)를 이용하여 제어기가 현재의 모터 속도(Wrpm)에 해당하는 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)를 결정한다.
상기 데이터 정보는 도 2에 예시된 제1실시예의 것과 유사한 형태가 될 수 있으며, 여기서 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)는 모터 속도(Wrpm)가 증가할수록 점차 높은 주파수 값으로 설정된다.
즉, 상기 데이터 정보에서 모터 속도(모터 속도의 절대값)가 증가할수록 모터 속도에 해당하는 기본 스위칭 주파수가 비례적으로 높은 값으로 미리 설정되고, 실제 차량에서의 제어시에 모터 속도 변화에 따라 상기 데이터 정보로부터 기본 스위칭 주파수가 비례적으로 연속 가변되는 값으로 결정되도록 하는 것이다.
결국, 상기와 같이 모터 속도(Wrpm)에 따른 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)가 결정되면, 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)를 미리 정해진 기준 주파수(FSD)와 비교하고(S12'), 여기서 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)가 기준 주파수(FSD)를 초과하는 경우, 인버터 제어에 실제 사용되는 스위칭 주파수(Fsw)를 상기 기본 스위칭 주파수로 최종 결정한다(Fsw=Fsw _ base)(S14').
또한 제1실시예와 마찬가지로 샘플링 주파수(Fsamp)를 스위칭 주파수(Fsw)와 동일한 주파수로 결정하여 사용하는 싱글 샘플링 모드(Fsamp=Fsw)의 제어가 이루어지도록 한다(S14").
한편, 제2실시예에서는 제어기가 현재의 모터 운전상태가 구동 운전상태인지, 회생 운전상태인지를 판단하고, 구동 운전과 회생 운전을 구분하여 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)로부터 스위칭 주파수(Fsw)와 샘플링 주파수(Fsamp)를 결정하는 보다 세분화된 제어 로직이 포함되며, 더불어 현재의 인버터 입력 전압과, 모터 속도와, 토크 지령 또는 인버터 출력에 따라 스위칭 주파수의 스텝 절환 실시 여부를 결정하고, 싱글 샘플링 모드와 더블 샘플링 모드 중 하나를 선택 결정한다.
즉, 모터의 운전상태가 구동 운전인 경우에서, 인버터 입력 전압(VDC)이 미리 설정된 제1기준전압(VDC_cal1) 이상인 조건, 모터 속도(Wrpm)(모터 속도의 절대값)가 미리 설정된 제1속도범위 이내의 값(제1기준속도(Wrpm _ cal1)와 제2기준속도(Wrpm _ cal2) 사이의 값)인 조건, 토크 지령의 절대값(｜Te *｜)이 제1기준토크(Te _ cal1) 이상이거나 인버터 출력의 절대값(｜Power｜)이 제1기준출력(Power_cal1) 이상인 조건을 모두 만족하면, 스위칭 주파수(Fsw)를 기본 스위칭 주파수의 두 배값(2×Fsw_base)으로 최종 결정하여 인버터 제어에 사용하는 스위칭 주파수의 스텝 절환(Fsw=2×Fsw _ base)을 실시한다(S16,S17,S18,S19-1).
이때, 샘플링 주파수(Fsamp)에 대해서는 싱글 샘플링 모드(Fsamp=Fsw)의 주파수, 즉 스위칭 주파수와 동일한 주파수로 설정되어 인버터 제어에 사용된다(S19-2).
반면, 상기한 세 가지 조건 중 어느 하나라도 만족하지 않을 경우, 스위칭 주파수의 스텝 절환 없이 스위칭 주파수를 기본 스위칭 주파수로 최종 결정하여 사용하며(Fsw=Fsw _ base)(S20-1), 이때 샘플링 주파수(Fsamp)에 대해서는 더블 샘플링 모드(Fsamp=2×Fsw)의 제어가 이루어진다(S20-2).
즉, 스위칭 주파수의 두 배에 해당하는 주파수를 샘플링 주파수로 결정하여 인버터 제어에 사용하는 것이다.
또한 모터의 운전상태가 회생 운전인 경우에서, 인버터 입력 전압(VDC)이 미리 설정된 제2기준전압(VDC_cal2) 이상인 조건, 모터 속도(Wrpm)(모터 속도의 절대값)가 미리 설정된 제2속도범위 이내의 값(제3기준속도(Wrpm _ cal3)와 제4기준속도(Wrpm _ cal4) 사이의 값)인 조건, 토크 지령의 절대값(｜Te *｜)이 제2기준토크(Te _ cal2) 이상이거나 인버터 출력의 절대값(｜Power｜)이 제2기준출력(Power_cal2) 이상인 조건을 모두 만족하면, 스위칭 주파수(Fsw)를 기본 스위칭 주파수의 두 배값(2×Fsw_base)으로 최종 결정하여 인버터 제어에 사용하는 스위칭 주파수의 스텝 절환(Fsw=2×Fsw _ base)을 실시한다(S16',S17',S18',S19'-1).
이때, 샘플링 주파수(Fsamp)에 대해서는 싱글 샘플링 모드(Fsamp=Fsw)의 주파수, 즉 스위칭 주파수와 동일한 주파수로 설정되어 인버터 제어에 사용된다(S19'-2).
또한 상기한 세 가지 조건 중 어느 하나라도 만족하지 않을 경우, 스위칭 주파수의 스텝 절환 없이 스위칭 주파수를 기본 스위칭 주파수로 최종 결정하여 사용하며(Fsw=Fsw _ base)(S20'-1), 이때 샘플링 주파수(Fsamp)에 대해서는 더블 샘플링 모드(Fsamp=2×Fsw)의 제어가 이루어진다(S20'-2)
상기와 같이 모터의 구동 운전과 회생 운전시를 구분하여 기본 스위칭 주파수로부터 스위칭 주파수와 샘플링 주파수를 결정할 수 있으며, 이때 모터 구동 운전시와 모터 회생 운전시에 적용하기 위한 상기 기준전압(각기 제1기준전압과 제2기준전압 사용), 속도범위(제1속도범위와 제2속도범위 사용), 기준토크(제1기준토크와 제2기준토크 사용), 기준출력(제1기준출력와 제2기준출력 사용)은 서로 다른 값으로 설정될 수 있다.
이와 같이 하여, 제2실시예에서는 구동 및 회생으로 구분되는 현재의 모터 운전상태 정보와, 인버터 입력 전압 및 모터 회전속도, 그리고 토크 지령 또는 인버터 출력 등을 포함하는 현재의 모터 운전상태 정보에 따라 스위칭 주파수 스텝 절환과 싱글/더블 샘플링 절환이 가변적으로 이루어진다.
도 5를 참조하면, 모터의 특정 속도 영역에서 위의 세 조건을 만족하여 스위칭 주파수(Fsw)의 스텝 절환이 이루어진 상태를 볼 수 있으며, 이때 스위칭 주파수는 불연속적으로 가변되는 제어 패턴을 가진다.
또한 제1실시예에서 도 3에서와 같이 불연속적인 싱글/더블 샘플링 절환이 이루어지는 것과 달리, 제2실시예에서는 상기한 방식의 싱글/더블 샘플링 절환 실시에 의해 도 6에 나타낸 바와 같이 연속적인 샘플링 패턴을 가지게 된다.
이러한 제2실시예에서도 모터 운전상태에 따라 스위칭 주파수를 적절히 가변시키면서 샘플링 주파수에 있어 더블 샘플링과 싱글 샘플링 간의 적절한 모드 절환이 이루어지므로, 전 운전영역에서 하나의 스위칭 주파수와 샘플링 주파수를 사용하던 종래의 경우에 비해 스위칭 손실, 전자파 성능, NVH 성능, 제어 안정성 등 측면에서 두루 개선된 효과를 얻을 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명의 제3실시예에 대해 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에서 기본 스위칭 주파수와 확산 주파수를 나타내는 도면이고, 도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 인버터 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 제3실시예에서 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)와 확산 주파수(Fsw _ inj)는 모두 현재의 모터 속도(Wrpm)로부터 구해지는 주파수 값으로서, 제3실시예에서는 확산 주파수 개념이 새로이 도입된다.
즉, 제3실시예의 경우, 현재의 모터 속도(Wrpm)에 상응하는 확산 주파수(Fsw _ inj)가 추가로 반영되어 스위칭 주파수가 구해지는 것이며, 이 스위칭 주파수는 모터 속도에 따라 결정되는 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)와 확산 주파수(Fsw _ inj)의 합으로 구해진다.
이에 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)와 확산 주파수(Fsw _ inj)의 합으로 구해지는 스위칭 주파수 역시 현재의 모터 속도에 따라 결정되는 값이 되며, 이하 본 명세서에서 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)와 확산 주파수(Fsw _ inj)의 합으로 구해지는 스위칭 주파수를 'Fsw _ nom'로 표기하기로 한다.
상기 스위칭 주파수(Fsw _ nom)를 구하기 위한 산출식은 하기 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.
Fsw _ nom = f1(｜Wrpm｜) + f2(｜Wrpm｜) = f(｜Wrpm｜) = Fsw _ base + Fsw _ inj (1)
여기서, Fsw _ base = f1(｜Wrpm｜)이고, Fsw _ inj = f2(｜Wrpm｜)이다.
상기 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)는 제1실시예의 도 2와 유사하게 모터 속도(Wrpm)에 따라 연속 가변 제어되는 스위칭 주파수로, 제어기가 현재의 모터 속도(Wrpm)로부터 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)를 결정하게 된다.
이때, 모터 속도에 따른 값으로 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)를 정의해놓은 데이터 정보(또는 모터 속도와 기본 스위칭 주파수의 관계를 정의한 함수식(산출식) 정보)가 이용될 수 있으며, 이 데이터 정보(이는 제어기에 미리 저장됨)를 이용하여 제어기가 현재의 모터 속도(Wrpm)에 해당하는 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)를 구하게 된다.
도 7의 (a)는 제3실시예의 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)가 모터 속도(Wrpm)에 따라 연속 가변 제어되는 상태를 나타내고 있으며, 도 7의 (a)에서 종래에 고정 설정되는 스위칭 주파수 값(8 kHz)을 함께 나타내었다.
도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)는 모터 속도(Wrpm)가 증가할수록 점차 높은 주파수 값으로 설정될 수 있다.
즉, 상기 데이터 정보에서 모터 속도(모터 속도의 절대값)가 증가할수록 모터 속도에 해당하는 기본 스위칭 주파수가 비례적으로 높은 값으로 미리 설정되고, 실제 차량에서의 제어시에 모터 속도 변화에 따라 상기 데이터 정보로부터 기본 스위칭 주파수가 비례적으로 연속 가변되는 값으로 결정되도록 하는 것이다.
이와 같이 제3실시예에서 샘플링 주파수를 결정하기 위한 스위칭 주파수(Fsw _ nom)는, 확산 주파수를 추가로 반영하여, 모터 속도에 따라 연속 가변 제어되는 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)에, 역시 모터 속도에 따라 결정되는 확산 주파수(Fsw _ inj)를 더하여 구해진다.
이와 같이 본 발명의 제3실시예에서는 확산 주파수를 반영하여 모터 속도에 따라 스위칭 주파수를 가변시킴으로써 주파수 확산을 통한 NVH 성능 개선을 달성할 수 있게 된다(실시간 스위칭 주파수 변경을 통해 소음원을 분산함).
제3실시예에서 확산 주파수(Fsw _ inj)는 미리 정해진 함수식, 예를 들어 하기 식(2)와 같이 변수 Minj를 포함하는 코사인 함수에 의해 구해질 수 있으며, 식(2)의 코사인 함수에서 Minj는 모터 속도에 따라 결정되는 값이다.
Fsw _ inj = MinjCOS(2πfinjt) (2)
여기서, finj는 미리 설정되는 상수값이며, t는 시간 변수를 나타낸다.
도 7의 (b)는 모터 속도(Wrpm)에 상응하는 값으로 Minj가 설정된 예를 나타내고 있으며, 본 발명의 제3실시예에서 도 7의 (b)과 같이 모터 속도(Wrpm)에 따른 값으로 Minj를 미리 설정해놓은 뒤, 실시간 변화되는 모터 속도(Wrpm)로부터 구해지는 Minj을 이용하여 식(2)로부터 확산 주파수(Fsw _ inj)를 구하게 된다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 인버터 제어 방법에서 샘플링 주파수(Fsamp)의 절환 방식을 나타내는 도면으로, 이에 나타낸 바와 같이 제3실시예에서는 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)와 확산 주파수(Fsw _ inj)의 합으로 구해지는 스위칭 주파수(Fsw _ nom)를 이용하여 샘플링 주파수(Fsamp)를 결정하게 된다.
이때, 스위칭 주파수(Fsw _ nom)에 따라 샘플링 주파수(Fsamp)를 변경하되, 특정 조건에서 절환(싱글 샘플링↔더블 샘플링)이 이루어지는 방식은 제1실시예와 비교하여 차이가 없으며, 다만 샘플링 주파수(Fsamp)를 결정함에 있어서 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)와 확산 주파수(Fsw _ inj)의 합으로 구해지는 스위칭 주파수(Fsw _ nom)를 이용하는 점에서만 차이가 있다.
도 8을 참조하여 본 발명의 제3실시예에 따른 인버터 제어 방법에서 모터 속도에 따라 싱글 샘플링과 더블 샘플링 간의 전환이 이루어지는 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제어기가 현재의 모터 속도(Wrpm)를 모니터링하되, 현재의 모터 속도에 따라 인버터 스위칭 주파수(Fsw _ nom)를 가변 제어한다.
이때, 스위칭 주파수(Fsw _ nom)는 전술한 바와 같이 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)와 확산 주파수(Fsw _ inj)의 합으로 구해지며, 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)와 확산 주파수(Fsw _ inj)가 모두 모터 속도(Wrpm)에 따라 변화되는 값으로 산출되므로, 모터 속도(Wrpm)가 변화할 경우 그에 상응하여 스위칭 주파수(Fsw _ nom)도 변경된다.
도 8을 참조하면, 모터 속도(Wrpm)에 따른 값으로 스위칭 주파수(Fsw _ nom)가 산출되는 S11 단계에서 스위칭 주파수(Fsw _ nom)가 모터 속도 절대값(｜Wrpm｜)의 함수로 결정됨을 나타내고 있다.
이와 같이 모터 속도에 따른 값으로 스위칭 주파수 변경 값이 결정되면, 이 변경된 스위칭 주파수를 적용하여 삼각파를 생성하고 PWM 신호를 생성하는 공지의 과정에 의해 직류전원을 모터 구동을 위한 삼상 교류전원으로 변환하는 인버터 내 스위칭 소자(IGBT 파워모듈의 IGBT)의 온/오프 구동이 제어되도록 한다.
샘플링 주파수(Fsamp)는 모터 속도(Wrpm)에 의해 결정된 스위칭 주파수(Fsw _ nom)에 따라 가변되어 정해지며, 스위칭 주파수(Fsw _ nom)를 미리 정해진 기준 주파수(FSD)와 비교하여(S12), 스위칭 주파수가 기준 주파수 이하이면, 스위칭 주파수의 두 배에 해당하는 주파수를 샘플링 주파수로 사용하는 더블 샘플링 모드(Fsamp=2×Fsw _ nom)로 인버터의 제어가 이루어진다(S13).
반면, 스위칭 주파수(Fsw _ nom)가 기준 주파수(FSD)를 초과하는 영역에서는 샘플링 주파수(Fsamp)가 스위칭 주파수와 동일한 주파수로 결정되며(S14), 스위칭 주파수와 동일한 주파수를 샘플링 주파수로 사용하는 싱글 샘플링 모드(Fsamp=Fsw _ nom)로 인버터의 제어가 이루어진다.
여기서, 기준 주파수는 싱글 샘플링(Fsamp=Fsw)과 더블 샘플링(Fsamp=2×Fsw)의 절환 기준이 되는 주파수로, 동일 사양의 모터 시스템에 대해 선행 테스트를 거쳐 미리 정해지는 주파수 값이다.
도 9를 참조하면, 스위칭 주파수(Fsw _ nom)가 기준 주파수(FSD) 이하인 영역과 기준 주파수를 초과하는 영역에서 각각 더블 샘플링 모드와 싱글 샘플링 모드로 제어됨을 보여주고 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 제3실시예에서는 스위칭 주파수를 모터 속도에 따라 연속적으로 가변시키고, 모터의 특정 속도를 기준으로(특정 스위칭 주파수를 기준으로) 더블 샘플링과 싱글 샘플링 간의 모드 절환이 이루어질 수 있도록 한다.
다음으로, 본 발명의 제4실시예에 대해 설명하기로 한다.
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 인버터 제어 방법을 나타내는 순서도이고, 도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 인버터 제어 방법에서 스위칭 주파수가 가변 제어(스텝 절환 제어)되는 상태와, 스위칭 주파수의 스텝 절환이 이루어짐에 따라 싱글 샘플링/더블 샘플링 절환이 이루어짐을 개략적으로 예시한 도면이다.
본 발명의 제4실시예에서도 제3실시예에서 설명한 모터 속도에 따른 스위칭 주파수, 즉 모터 속도(Wrpm)로부터 각각의 산출 방식에 의해 결정된 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)와 확산 주파수(Fsw _ inj)의 합으로 구해지는 스위칭 주파수(Fsw _ nom)가 이용된다.
제4실시예에서는, 제2실시예의 기본 스위칭 주파수 대신, 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)와 확산 주파수(Fsw _ inj)의 합으로 구해지는 스위칭 주파수(Fsw _ nom)가 동일하게 이용되는데, 이점을 제외하고는 제2실시예와 비교하여 전체적인 제어 방식에 있어서 차이가 없다.
먼저, 도 10에 나타낸 바와 같이, 제어기가 현재의 모터 속도(Wrpm)를 모니터링하면서 현재의 모터 속도(Wrpm)로부터 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)와 확산 주파수(Fsw _ inj)의 합인 스위칭 주파수(Fsw _ nom)를 결정한다(S11').
이어 현재의 모터 속도(Wrpm)에 해당하는 상기 스위칭 주파수(Fsw _ nom)가 결정되면, 스위칭 주파수(Fsw _ nom)를 미리 정해진 기준 주파수(FSD)와 비교하고(S12'), 여기서 기본 스위칭 주파수(Fsw _ nom)가 기준 주파수(FSD)를 초과할 경우, 인버터 제어에 실제 사용되는 스위칭 주파수(Fsw)를 상기 스위칭 주파수(Fsw _ nom)로 최종 결정한다(Fsw=Fsw _ nom)(S14').
또한 샘플링 주파수(Fsamp)를 스위칭 주파수(Fsw)와 동일한 주파수로 결정하여 사용하는 싱글 샘플링 모드(Fsamp=Fsw)의 제어가 이루어지도록 한다(S14").
또한 제4실시예는, 제2실시예와 마찬가지로 제어기가 현재의 모터 운전상태가 구동 운전상태인지, 회생 운전상태인지를 판단하고, 구동 운전과 회생 운전을 구분하여, 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)와 확산 주파수(Fsw _ inj)의 합인 스위칭 주파수(Fsw _ nom)로부터 최종의 스위칭 주파수(Fsw)와 샘플링 주파수(Fsamp)를 결정하는 보다 세분화된 제어 로직을 포함한다.
이와 더불어 현재의 인버터 입력 전압과, 모터 속도와, 토크 지령 또는 인버터 출력에 따라 스위칭 주파수의 스텝 절환 실시 여부를 결정하고, 싱글 샘플링 모드와 더블 샘플링 모드 중 하나를 선택 결정한다.
즉, 모터의 운전상태가 구동 운전인 경우에서, 인버터 입력 전압(VDC)이 미리 설정된 제1기준전압(VDC_cal1) 이상인 조건, 모터 속도(Wrpm)(모터 속도의 절대값)가 미리 설정된 제1속도범위 이내의 값(제1기준속도(Wrpm _ cal1)와 제2기준속도(Wrpm _ cal2) 사이의 값)인 조건, 토크 지령의 절대값(｜Te *｜)이 제1기준토크(Te _ cal1) 이상이거나 인버터 출력의 절대값(｜Power｜)이 제1기준출력(Power_cal1) 이상인 조건을 모두 만족하면, 스위칭 주파수(Fsw)를 스위칭 주파수(Fsw _ nom)의 두 배값(2×Fsw_nom)으로 최종 결정하여, 인버터 제어에 사용하는 스위칭 주파수의 스텝 절환(Fsw=2×Fsw _ nom)을 실시한다(S16,S17,S18,S19-1).
이때, 샘플링 주파수(Fsamp)에 대해서는 싱글 샘플링 모드(Fsamp=Fsw)의 주파수, 즉 스위칭 주파수(Fsw)와 동일한 주파수로 설정되어 인버터 제어에 사용된다(S19-2).
반면, 상기한 세 가지 조건 중 어느 하나라도 만족하지 않을 경우, 스위칭 주파수의 스텝 절환 없이 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)와 확산 주파수(Fsw _ inj)의 합인 스위칭 주파수(Fsw _ nom)를 스위칭 주파수(Fsw)로 최종 결정하여 사용하며(Fsw=Fsw _ nom)(S20-1), 이때 샘플링 주파수(Fsamp)에 대해서는 더블 샘플링 모드(Fsamp=2×Fsw)의 제어가 이루어진다(S20-2).
또한 모터의 운전상태가 회생 운전인 경우에서, 인버터 입력 전압(VDC)이 미리 설정된 제2기준전압(VDC_cal2) 이상인 조건, 모터 속도(Wrpm)(모터 속도의 절대값)가 미리 설정된 제2속도범위 이내의 값(제3기준속도(Wrpm _ cal3)와 제4기준속도(Wrpm _ cal4) 사이의 값)인 조건, 토크 지령의 절대값(｜Te *｜)이 제2기준토크(Te _ cal2) 이상이거나 인버터 출력의 절대값(｜Power｜)이 제2기준출력(Power_cal2) 이상인 조건을 모두 만족하면, 스위칭 주파수(Fsw)를 스위칭 주파수(Fsw _ nom)의 두 배값(2×Fsw_base)으로 최종 결정하여 인버터 제어에 사용하는 스위칭 주파수의 스텝 절환(Fsw=2×Fsw _ nom)을 실시한다(S16',S17',S18',S19'-1).
이때, 샘플링 주파수(Fsamp)에 대해서는 싱글 샘플링 모드(Fsamp=Fsw)의 주파수, 즉 스위칭 주파수와 동일한 주파수로 설정되어 인버터 제어에 사용된다(S19'-2).
또한 상기한 세 가지 조건 중 어느 하나라도 만족하지 않을 경우, 스위칭 주파수의 스텝 절환 없이 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)와 확산 주파수(Fsw _ inj)의 합인 스위칭 주파수(Fsw _ nom)를 스위칭 주파수(Fsw)로 최종 결정하여 사용하며(Fsw=Fsw _ nom)(S20'-1), 이때 샘플링 주파수(Fsamp)에 대해서는 더블 샘플링 모드(Fsamp=2×Fsw)의 제어가 이루어진다(S20'-2)
상기와 같이 모터의 구동 운전과 회생 운전시를 구분하여 기본 스위칭 주파수로부터 스위칭 주파수와 샘플링 주파수를 결정할 수 있으며, 이때 모터 구동 운전시와 모터 회생 운전시에 적용하기 위한 상기 기준전압(각기 제1기준전압과 제2기준전압 사용), 속도범위(제1속도범위와 제2속도범위 사용), 기준토크(제1기준토크와 제2기준토크 사용), 기준출력(제1기준출력와 제2기준출력 사용)은 서로 다른 값으로 설정될 수 있다.
또한 제4실시예의 제1기준전압 및 제2기준전압, 제1속도범위 및 제2속도범위, 제1기준토크 및 제2기준토크, 그리고 제1기준출력 및 제2기준출력은 제2실시예의 그것과 같은 값이거나 다른 값이 될 수 있다.
이와 같이 하여, 제4실시예에서는 구동 및 회생으로 구분되는 현재의 모터 운전상태 정보와, 인버터 입력 전압 및 모터 회전속도, 그리고 토크 지령 또는 인버터 출력 등을 포함하는 현재의 모터 운전상태 정보에 따라 스위칭 주파수 스텝 절환과 싱글/더블 샘플링 절환이 가변적으로 이루어진다.
도 11의 (a)를 참조하면, 모터의 특정 속도 영역에서 위의 세 조건을 만족하여 스위칭 주파수(Fsw)의 스텝 절환이 이루어진 상태를 볼 수 있으며, 이때 스위칭 주파수는 불연속적으로 가변되는 제어 패턴을 가진다.
또한 제3실시예에서 도 9에서와 같이 불연속적인 싱글/더블 샘플링 절환이 이루어지는 것과 달리, 제4실시예에서는 상기한 방식의 싱글/더블 샘플링 절환 실시에 의해 도 11의 (b)에 나타낸 바와 같이 연속적인 샘플링 패턴을 가지게 된다.
한편, 도 12 및 도 13은 본 발명의 제5실시예를 나타내는 도면으로, 도 12는 본 발명의 제5실시예에 따른 인버터 제어 방법을 나타내는 순서도이고, 도 13은 본 발명의 제5실시예에 따른 인버터 제어 방법에서 스위칭 주파수가 가변 제어(스텝 절환 제어)되는 상태와, 스위칭 주파수의 스텝 절환이 이루어짐에 따라 싱글 샘플링/더블 샘플링 절환이 이루어짐을 개략적으로 예시한 도면이다.
본 발명의 제5실시예에서도 제4실시예와 마찬가지로 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)와 확산 주파수(Fsw _ inj)의 합으로 구해지는 스위칭 주파수(Fsw _ nom)가 이용된다.
다만, 제5실시예에서는 제4실시예와 비교할 때 S19-1 단계 및 S19'-1 단계의 스텝 절환 실시와, S20-1 단계 및 S20'-1 단계의 스텝 절환 미실시를 결정함에 있어서 토크 및 출력 조건에 차이가 있으며, 이 점을 제외하고는 제4실시예와 차이가 없다.
또한 제5실시예에서 S16, S16', S17, S17', S18, S18' 단계에 사용되는 각 기준전압과 속도범위, 기준토크, 기준출력은 제4실시예의 그것과 같은 값이거나 다른 값이 될 수 있으며, 도 12에서는 다른 값이라는 가정하에 기호 표기를 달리하여 나타내었다(VDC_cal3, VDC_cal4, Wrpm _ cal5, Wrpm _ cal6, Wrpm _ cal7, Wrpm _ cal8, Te _ cal3, Te _ cal3, Power_cal3, Power_cal4 등으로 구분 표기함).
제5실시예에서는 S18 단계에서 토크 지령의 절대값(｜Te *｜)이 제3기준토크(Te _ cal3) 미만이거나 인버터 출력의 절대값(｜Power｜)이 제3기준출력(Power_cal3) 미만인 조건을 만족할 때, 스위칭 주파수(Fsw)를 스위칭 주파수(Fsw _ nom)의 두 배값(2×Fsw_ nom)으로 최종 결정하여, 인버터 제어에 사용하는 스위칭 주파수의 스텝 절환(Fsw=2×Fsw _ nom)을 실시한다(S19-1).
이때, 샘플링 주파수(Fsamp)에 대해서는 싱글 샘플링 모드(Fsamp=Fsw)의 주파수, 즉 스위칭 주파수(Fsw)와 동일한 주파수로 설정되어 인버터 제어에 사용된다(S19-2).
반면, S18 단계의 상기한 토크 조건 또는 인버터 출력 조건을 만족하지 않을 경우, 스위칭 주파수의 스텝 절환 없이 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)와 확산 주파수(Fsw _ inj)의 합인 스위칭 주파수(Fsw _ nom)를 스위칭 주파수(Fsw)로 최종 결정하여 사용하며(Fsw=Fsw _ nom)(S20-1), 이때 샘플링 주파수(Fsamp)에 대해서는 더블 샘플링 모드(Fsamp=2×Fsw)의 제어가 이루어진다(S20-2).
또한 S18' 단계에서 토크 지령의 절대값(｜Te *｜)이 제4기준토크(Te _ cal4) 미만이거나 인버터 출력의 절대값(｜Power｜)이 제4기준출력(Power_cal4) 미만인 조건을 만족할 때, 스위칭 주파수(Fsw)를 스위칭 주파수(Fsw _ nom)의 두 배값(2×Fsw_base)으로 최종 결정하여 인버터 제어에 사용하는 스위칭 주파수의 스텝 절환(Fsw=2×Fsw_nom)을 실시한다(S19'-1).
이때, 샘플링 주파수(Fsamp)에 대해서는 싱글 샘플링 모드(Fsamp=Fsw)의 주파수, 즉 스위칭 주파수와 동일한 주파수로 설정되어 인버터 제어에 사용된다(S19'-2).
반면, S18' 단계의 상기한 토크 조건 또는 인버터 출력 조건을 만족하지 않을 경우, 스위칭 주파수의 스텝 절환 없이 기본 스위칭 주파수(Fsw _ base)와 확산 주파수(Fsw _ inj)의 합인 스위칭 주파수(Fsw _ nom)를 스위칭 주파수(Fsw)로 최종 결정하여 사용하며(Fsw=Fsw _ nom)(S20'-1), 이때 샘플링 주파수(Fsamp)에 대해서는 더블 샘플링 모드(Fsamp=2×Fsw)의 제어가 이루어진다(S20'-2)
도 13의 (a)를 참조하면, 도 12의 과정에 따라 모터의 특정 속도 영역에서 스위칭 주파수(Fsw)의 스텝 절환이 이루어진 상태를 볼 수 있으며, 이때 스위칭 주파수는 불연속적으로 가변되는 제어 패턴을 가진다.
또한 제3실시예에서 도 9에서와 같이 불연속적인 싱글/더블 샘플링 절환이 이루어지는 것과 달리, 제5실시예에서 상기한 방식의 싱글/더블 샘플링 절환 실시에 의해 도 13의 (b)에 나타낸 바와 같이 연속적인 샘플링 패턴을 가지게 된다.
이와 같이 하여, 제4실시예와 제5실시예에 대해 설명하였는 바, 본 발명의 인버터 제어 과정에서, 도 10에 나타낸 S18 단계의 조건과, 도 12에 나타낸 S18 단계의 조건 중 어느 하나를 만족할 경우 S19-1, S19-2 단계가 진행되고, 도 10에 나타낸 S18 단계의 조건과, 도 12에 나타낸 S18 단계의 조건 모두를 만족하지 않을 경우 S20-1, S20-2 단계가 진행되도록 설정될 수도 있다.
이때, 상기와 마찬가지로, 도 10에 나타낸 S18' 단계의 조건과, 도 12에 나타낸 S18' 단계의 조건 중 어느 하나를 만족할 경우 S19'-1, S19'-2 단계가 진행되고, 도 10에 나타낸 S18' 단계의 조건과, 도 12에 나타낸 S18' 단계의 조건 모두를 만족하지 않을 경우 S20'-1, S20'-2 단계가 진행되도록 설정된다.
도 14는 본 발명의 실시예에서 스위칭 주파수의 스텝 절환 영역을 나타내는 도면이다.
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.

Claims (27)

  1. 스위칭 주파수와 샘플링 주파수에 따라 PWM 신호를 생성하여 스위칭 소자의 온/오프 구동을 제어하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법에 있어서,
    제어기가 현재의 모터 속도에 따라 스위칭 주파수를 가변하여 설정함과 더불어 상기 스위칭 주파수에 따라 샘플링 주파수를 가변하여 설정하고, 현재의 모터 속도에 해당하는 상기 스위칭 주파수와 샘플링 주파수에 따라 스위칭 소자의 온/오프 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭 주파수가 모터 속도 변화에 비례하여 가변 설정되는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 스위칭 주파수는 모터 속도가 증가할수록 높은 주파수 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭 주파수를 미리 정해진 기준 주파수와 비교하여 기준 주파수 이하이면 현재의 모터 속도에 따라 설정된 스위칭 주파수의 두 배에 해당하는 주파수를 샘플링 주파수로 사용하는 더블 샘플링 제어를 수행하고, 기준 주파수를 초과하면 스위칭 주파수와 동일한 주파수를 샘플링 주파수로 사용하는 싱글 샘플링 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭 주파수가 현재의 모터 속도에 따라 각각 결정되는 기본 스위칭 주파수와 확산 주파수의 합으로 구해지는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 기본 스위칭 주파수는 모터 속도 변화에 따라 연속적으로 가변하여 설정되는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 기본 스위칭 주파수는 모터 속도가 증가할수록 높은 주파수 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 확산 주파수는 현재의 모터 속도에 따라 결정되는 변수 Minj를 포함하는 하기 함수식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
    함수식: Fsw_inj = MinjCOS(2πfinjt)
    여기서, Fsw _ inj는 확산 주파수, Minj는 모터 속도에 따라 상응하는 값이 미리 설정된 변수, finj는 미리 설정된 상수, t는 시간 변수임.
  9. 스위칭 주파수와 샘플링 주파수에 따라 PWM 신호를 생성하여 스위칭 소자의 온/오프 구동을 제어하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법에 있어서,
    제어기가 현재의 모터 속도에 따라 기본 스위칭 주파수를 결정한 뒤, 상기 기본 스위칭 주파수로부터 현재의 모터 운전상태에 해당하는 값으로 스위칭 주파수와 샘플링 주파수를 가변하여 설정하고, 현재의 모터 운전상태에 해당하는 상기 스위칭 주파수와 샘플링 주파수에 따라 스위칭 소자의 온/오프 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 기본 스위칭 주파수가 모터 속도 변화에 비례하여 가변 설정되는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  11. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    상기 기본 스위칭 주파수는 모터 속도가 증가할수록 높은 주파수 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 기본 스위칭 주파수를 미리 정해진 기준 주파수와 비교하여 기준 주파수 이하이면 현재의 모터 운전상태 정보에 따른 값으로 스위칭 주파수와 샘플링 주파수를 가변하여 설정하는 상기 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  13. 청구항 9 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 기본 스위칭 주파수가 미리 정해진 기준 주파수를 초과하면 기본 스위칭 주파수와 동일한 주파수를 스위칭 주파수와 샘플링 주파수로 결정하여 사용하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 모터 운전상태 정보는 인버터 입력 전압과 모터 속도, 그리고 토크지령 또는 인버터 출력을 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    인버터 입력 전압이 기준전압 이상인 조건과, 모터 속도가 정해진 속도범위 이내인 조건과, 토크 지령의 절대값이 기준토크 이상이거나 인버터 출력의 절대값이 기준출력 이상인 조건을 모두 만족하면, 스위칭 주파수를 기본 스위칭 주파수의 두 배값으로 설정하고, 샘플링 주파수를 스위칭 주파수와 동일한 주파수로 설정하여 사용하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    인버터 입력 전압이 기준전압 이상인 조건과, 모터 속도가 정해진 속도범위 이내인 조건과, 토크 지령의 절대값이 기준토크 이상이거나 인버터 출력의 절대값이 기준출력 이상인 조건 중 어느 하나라도 만족하지 않을 경우, 스위칭 주파수를 기본 스위칭 주파수와 동일한 주파수로 설정하고, 샘플링 주파수를 상기 스위칭 주파수의 두 배값으로 설정하여 사용하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  17. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,
    모터 운전상태 정보가 모터의 구동/회생 운전상태를 더 포함하고,
    제어기는 현재의 모터 운전상태가 구동 운전상태인지, 회생 운전상태인지를 구분하여 해당 운전상태에서의 상기 조건을 만족하는지를 판단하며,
    모터 구동 운전시와 모터 회생 운전시에 적용하기 위한 상기 기준전압, 속도범위, 기준토크, 기준출력이 서로 다른 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  18. 청구항 9에 있어서,
    제어기가 현재의 모터 속도에 따른 확산 주파수를 더 결정하고, 상기 기본 스위칭 주파수와 확산 주파수의 합으로 구해지는 스위칭 주파수를 이용하여 현재의 모터 운전상태에 해당하는 값으로 스위칭 주파수와 샘플링 주파수를 가변하여 설정하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 확산 주파수는 현재의 모터 속도에 따라 결정되는 변수 Minj를 포함하는 하기 함수식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
    함수식: Fsw_inj = MinjCOS(2πfinjt)
    여기서, Fsw_inj는 확산 주파수, Minj는 모터 속도에 따라 상응하는 값이 미리 설정된 변수, finj는 미리 설정된 상수, t는 시간 변수임.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 기본 스위칭 주파수와 확산 주파수의 합으로 구해지는 스위칭 주파수를 미리 정해진 기준 주파수와 비교하여 기준 주파수 이하이면, 현재의 모터 운전상태 정보에 따른 값으로 스위칭 주파수와 샘플링 주파수를 가변하여 설정하는 상기 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  21. 청구항 18 또는 청구항 20에 있어서,
    상기 기본 스위칭 주파수와 확산 주파수의 합으로 구해지는 스위칭 주파수가 미리 정해진 기준 주파수를 초과하면, 기본 스위칭 주파수와 확산 주파수의 합으로 구해지는 스위칭 주파수와 동일한 주파수를 스위칭 주파수와 샘플링 주파수로 최종 결정하여 사용하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  22. 청구항 20에 있어서,
    상기 모터 운전상태 정보는 인버터 입력 전압과 모터 속도, 그리고 토크지령 또는 인버터 출력을 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  23. 청구항 22에 있어서,
    인버터 입력 전압이 기준전압 이상인 조건과, 모터 속도가 정해진 속도범위 이내인 조건과, 토크 지령의 절대값이 기준토크 이상이거나 인버터 출력의 절대값이 기준출력 이상인 조건을 모두 만족하면, 스위칭 주파수를 상기 기본 스위칭 주파수와 확산 주파수의 합으로 구해지는 스위칭 주파수의 두 배값으로 최종 결정하여 설정하고, 샘플링 주파수를 최종 결정된 스위칭 주파수와 동일한 주파수로 설정하여 사용하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  24. 청구항 22에 있어서,
    인버터 입력 전압이 기준전압 이상인 조건과, 모터 속도가 정해진 속도범위 이내인 조건과, 토크 지령의 절대값이 기준토크 이상이거나 인버터 출력의 절대값이 기준출력 이상인 조건 중 어느 하나라도 만족하지 않을 경우, 스위칭 주파수를 상기 기본 스위칭 주파수와 확산 주파수의 합으로 구해지는 스위칭 주파수와 동일한 주파수로 최종 결정하여 설정하고, 샘플링 주파수를 최종 결정된 스위칭 주파수의 두 배값으로 설정하여 사용하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  25. 청구항 22에 있어서,
    인버터 입력 전압이 기준전압 이상인 조건과, 모터 속도가 정해진 속도범위 이내인 조건과, 토크 지령의 절대값이 기준토크 미만이거나 인버터 출력의 절대값이 기준출력 미만인 조건을 모두 만족하면, 스위칭 주파수를 상기 기본 스위칭 주파수와 확산 주파수의 합으로 구해지는 스위칭 주파수의 두 배값으로 최종 결정하여 설정하고, 샘플링 주파수를 최종 결정된 스위칭 주파수와 동일한 주파수로 설정하여 사용하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  26. 청구항 22에 있어서,
    인버터 입력 전압이 기준전압 이상인 조건과, 모터 속도가 정해진 속도범위 이내인 조건과, 토크 지령의 절대값이 기준토크 미만이거나 인버터 출력의 절대값이 기준출력 미만인 조건 중 어느 하나라도 만족하지 않을 경우, 스위칭 주파수를 상기 기본 스위칭 주파수와 확산 주파수의 합으로 구해지는 스위칭 주파수와 동일한 주파수로 최종 결정하여 설정하고, 샘플링 주파수를 최종 결정된 스위칭 주파수의 두 배값으로 설정하여 사용하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
  27. 청구항 23 내지 청구항 26 중 어느 한 항에 있어서,
    모터 운전상태 정보가 모터의 구동/회생 운전상태를 더 포함하고,
    제어기는 현재의 모터 운전상태가 구동 운전상태인지, 회생 운전상태인지를 구분하여 해당 운전상태에서의 상기 조건을 만족하는지를 판단하며,
    모터 구동 운전시와 모터 회생 운전시에 적용하기 위한 상기 기준전압, 속도범위, 기준토크, 기준출력이 서로 다른 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
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