KR20140049638A - 전기자동차의 안티 저크 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터의 동력을 사용하는 전기자동차의 진동 저감을 위한 안티 저크(anti-jerk) 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은, 모터의 동력을 사용하는 전기자동차의 안티 저크 제어 방법에 있어서, 모터의 실제 속도를 산출하는 단계; 모터의 모델 속도를 산출하는 단계; 상기 산출된 모터 모델 속도와 실제 속도의 편차에 기초한 진동 성분을 구하는 단계; 상기 진동 성분에 포함된 오차 성분을 제거하기 위해 상기 진동 성분을 고주파 필터링(high pass filtering)하는 단계; 상기 고주파 필터링 시 발생된 위상 선행(phase antecedence)을 보상하기 위해 상기 필터링된 진동 성분을 설정시간 위상 지연시키는 단계; 및 상기 설정시간 위상 지연된 진동 성분에 설정된 게인(gain) 값을 적용하여 이를 기초로 안티 저크(anti-jerk) 보상 토크를 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

전기자동차의 안티 저크 제어 방법 및 시스템 {Method and system for controlling anti-jerk of electric vehicle}
본 발명은 모터의 동력을 사용하는 전기자동차의 진동 저감을 위한 안티 저크(anti-jerk) 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이 전기자동차(electric vehicle)는 배터리의 전원을 이용하여 주행이 가능한 자동차로서, 배터리만의 전원을 이용하여 주행하는 순수전기자동차(pure electric vehicle), 전통적인 내연기관 엔진(internal combustion engine)과 배터리 전원을 함께 사용하는 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle) 등을 포함한다.
상기 순수전기자동차는 배터리 전원에 의해 동작하는 모터의 동력 만으로 운행되며, 상기 하이브리드 전기자동차는 내연기관 엔진의 동력과 모터의 동력을 효율적으로 조합하여 운행된다.
상기 하이브리드 전기자동차는 일례로 도 1에 도시한 바와 같이, 엔진(10)과; 모터(20); 엔진(10)과 모터(20) 사이에서 동력을 단속하는 엔진클러치(30); 변속기(40); 차동기어장치(50); 배터리(60); 상기 엔진(10)를 시동하거나 상기 엔진(10)의 출력에 의해 발전을 하는 시동/발전 모터(70); 및 차륜(80)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 하이브리드 전기자동차는, 하이브리드 전기자동차의 전체 동작을 제어하는 하이브리드 제어기(HCU; hybrid control unit)(110); 배터리(60)를 관리 제어하는 배터리 제어기(BCU; battery control unit)(120); 및 모터(20)의 동작을 제어하는 모터 제어기(MCU; motor control unit)(200)를 포함할 수 있다. 배터리 제어기(120)는 배터리 관리 시스템(BMS; battery management system)으로 호칭될 수 있다.
상기한 하이브리드 전기자동차의 구성요소들은 당업자에게 자명하므로 더욱 상세한 개시는 생략한다.
상기 시동/발전 모터(70)는 자동차 업계에서 ISG(integrated starter & generator) 또는 HSG(hybrid starter & generator)라 호칭되기도 한다.
상기와 같은 하이브리드 전기자동차는 모터(20)의 동력만을 이용하는 순수 전기자동차 모드인 EV 모드(electric vehicle mode); 엔진(10)의 회전력을 주동력으로 하면서 모터(20)의 회전력을 보조동력으로 이용하는 HEV 모드(hybrid electric vehicle mode); 차량의 제동 혹은 관성에 의한 주행시 제동 및 관성 에너지를 상기 모터(20)의 발전을 통해 회수하여 배터리(60)에 충전하는 회생제동 모드(regenerative braking mode)(RB 모드); 등의 주행모드로 주행할 수 있다.
이와 같이 하이브리드 전기자동차에서는 엔진의 기계적 에너지와 배터리의 전기에너지를 함께 이용하고, 엔진과 모터의 최적 작동영역을 이용함은 물론 제동 시에는 모터로 에너지를 회수하므로 연비 향상 및 효율적인 에너지 이용이 가능해진다.
그런데, 상기와 같은 하이브리드 전기자동차에서는, 토크 컨버터 대신 엔진클러치를 이용하여 엔진과 자동변속기가 결합됨에 따라, 기존의 토크 컨버터가 갖는 기계적(passive) 댐핑 효과를 얻을 수 없는 단점이 있다.
이렇게 전기자동차에서는 별도의 댐핑수단이 배제되거나 또는 댐핑수단이 작아짐에 따라 변속시, 팁-인/아웃(Tip-in/out, 가속 페달을 밟거나 떼는 동작)시, 그리고 엔진클러치 결합시, 구동축의 진동 발생과 더불어 쇼크 및 저크(Shock & Jerk: 순간적인 급격한 움직임)와 같은 진동 현상이 발생되어 승차감 및 운전성의 저하를 초래하는 문제점이 있었다.
즉, 상기한 하이브리드 전기자동차를 포함한 전기자동차는, 토크 소스(torque sorce)(엔진, 모터)와 구동계 사이에 존재하는 댐핑수단이 배제되거나 또는 댐핑수단이 작기 때문에 상기 토크 소스로부터의 진동이나 외부로부터의 진동이 잘 감쇄되지 않는 문제점이 있다.
따라서, 상기 전기자동차는 상기 토크 소스로부터의 진동이나 외부로부터의 진동을 효과적으로 저감시키지 않는 경우에 운전성 및 승차감이 좋지 않을 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 종래기술의 일례의 진동 억제 방법으로서 안티 저크(anti-jerk) 제어 방법은 모터의 모델 속도와 실제 속도의 편차(차이)를 진동으로 인식하여, 이들 두 속도 간의 편차에 일정 값을 곱하여 피드백 함으로써 진동을 억제한다.
이러한 종래기술의 일례의 안티 저크 제어 방법은 대한민국 공개특허 번호 10-2011-0049934 (출원번호 10-2009-0106707) 에 개시되어 있다.
그런데, 상기와 같이 모터의 모델 속도와 실제 속도 간의 편차를 통해 진동성분을 추출할 때, 도 2에 도시한 바와 같이 상기 추출된 진동 성분에 오차가 포함될 수 있다. 이와 같이 진동 성분에 오차가 포함되면, 실제 진동이 없는 상황에서도 진동이 존재하는 것으로 잘못 판단하여 진동 억제 토크를 인가할 수 있고, 이 때문에 운전성 및 승차감에 문제를 일으킬 수 있다.
본 명세서 전체에서 전기자동차라 함은 상기 순수전기자동차 및 하이브리드 전기자동차와 같이 모터의 동력을 사용하는 모든 자동차를 말한다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 전기자동차 모터의 모델 속도와 실제 속도에 기초한 진동 성분 추출시 상기 진동 성분에 포함되는 오차 성분을 거의 제거하여 오차 성분을 거의 제로(0)로 할 수 있는 전기자동차의 안티 저크 제어 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하려는 과제는, 전기자동차 모터의 모델 속도와 실제 속도 간의 편차에 기초한 진동 성분을 고주파 필터링(high pass filtering)하고, 상기 고주파 필터링된 진동 성분을 설정시간 지연시킴으로써 상기 고주파 필터링시 발생한 위상 선행(Phase Antecedence)을 보상하여 고주파 필터에 의해 발생하는 위상 오차의 영향을 최소화한 전기자동차의 안티 저크 제어 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 모터의 동력을 사용하는 전기자동차의 안티 저크 제어 방법은, 모터의 실제 속도를 산출하는 단계; 모터의 모델 속도를 산출하는 단계; 상기 산출된 모터 모델 속도와 실제 속도의 편차에 기초한 진동 성분을 구하는 단계; 상기 진동 성분에 포함된 오차 성분을 제거하기 위해 상기 진동 성분을 고주파 필터링(high pass filtering)하는 단계; 상기 고주파 필터링 시 발생된 위상 선행(phase antecedence)을 보상하기 위해 상기 필터링된 진동 성분을 설정시간 위상 지연시키는 단계; 및 상기 설정시간 위상 지연된 진동 성분에 설정된 게인(gain) 값을 적용하여 이를 기초로 안티 저크(anti-jerk) 보상 토크를 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 설정된 게인 값은, 상기 전기자동차의 주행모드, 변속단 정보 및 주행 상태에 기초하여 구할 수 있다.
상기 본 발명의 전기자동차의 안티 저크 제어 방법은, 상기 안티 저크(anti-jerk) 보상 토크가 하한 설정값 이하이면, 상기 안티 저크 보상 토크를 사용하지 않는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 전기자동차의 안티 저크 제어 방법은, 상기 안티 저크(anti-jerk) 보상 토크가 상한 설정값 이상이면, 상기 안티 저크 보상 토크를 정해진 값으로 제한하여 사용하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 전기자동차의 안티 저크 제어 방법은, 상기 안티 저크 보상 토크의 적용 여부를 판단하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 진동 성분을 고주파 필터링하는 단계는, 라플라스 변환에 근거하여 시간에 대한 다항 함수로 표현되는 오차 성분을 제거할 수 있다.
상기 진동 성분을 고주파 필터링하는 단계는, 보드플롯(bode plot)을 사용하여 상기 진동 성분의 통과 주파수를 선택할 수 있다.
상기 진동 성분을 고주파 필터링하는 단계는, 아래의 라플라스 변환 공식에 따라 상기 진동 성분을 고주파 필터링할 수 있다. 아래의 식에서 H(s)는 고주파 통과 필터를 의미하고 구조는 아래와 같다. 아래 필터에서의 설계 인자는 ai와 k이다.
Figure pat00001
그리고 다음 식에서의 u는 추출하고자 하는 진동 성분과 제어하고자 하는 오차 성분으로 구성되어 있고, 오차 성분은 시간에 대한 다항 함수라 가정하였다.
Figure pat00002
상기 식의 첫 번째 줄, 괄호 안의 첫 번째 항은 제거하고자 하는 시간에 대한 다항 함수 형식의 오차 성분이고, 두 번째 항은 추출하고자 하는 댐핑(damping) 계수가 ζ이고 ωn인 진동 성분이다. 여기서 필터의 설계 인자인 ai는 ζ와 ωn에 의해서 설계된다. 즉, 통과시키고자 하는 진동의 주파수에 의해서 ai는 결정한다. 또 다른 인자인 k는 제거하고자 하는 오차 성분의 차수, 즉 다항 함수의 차수에 의해서 결정된다. 일반적으로 다항 함수의 차수가 2이하이므로, k는 3정도이면 충분하나, 상황에 따라서는 그 이상일 수 있다.
상기 필터링된 진동 성분을 위상 지연, 즉 시간을 지연시키는 단계는, 아래의 공식을 사용하여 위상 지연을 구할 수 있다.
위상 혹은 시간을 지연하는 이유는 고주파 필터링에 의해서 위상 앞섬이 생기기 때문이다. 하기의 식에서 ω와 f는 추출하고자 하는 진동의 각속도 및 주파수이고, δT는 하기의 공식을 통해 구하고자 하는 위상 앞섬을 보상하기 위한 시간 지연이다. 하기의 식에서 첫 번째 줄에서 마지막 항은 H(s)가 각속도 ω에서의 위상 앞섬을 나타낸다.
Figure pat00003
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터의 동력을 사용하는 전기자동차의 안티 저크 제어 시스템은, 상기 모터의 구동 전원을 제공하는 배터리; 상기 배터리의 충방전 상태를 관리 제어하는 배터리 제어기(BCU; battery control unit); 및 상기 모터의 구동을 제어하는 모터 제어기(MCU; motor control unit);을 포함하되, 상기 모터 제어기는 상기한 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 안티 저크 제어 방법을 수행하기 위한 명령을 실행할 수 있다.
상기 모터 제어기는, 상기 모터의 실제 속도를 산출하는 실제 속도 산출부; 상기 모터의 모델 속도를 산출하는 모델 속도 산출부; 상기 모터의 모델 속도와 실제 속도의 편차에 기초한 진동 성분을 산출하는 진동 성분 산출부; 상기 진동 성분 산출부에서 산출된 상기 진동 성분에 포함된 오차 성분을 제거하기 위해 상기 진동 성분을 고주파 필터링(high pass filtering)하는 하이패스 필터; 상기 진동 성분이 상기 하이패스 필터에서 필터링 시 발생된 위상 선행(phase antecedence)을 보상하기 위해 상기 하이패스 필터링된 진동 성분을 설정시간 위상 지연시키는 위상 지연부; 및 상기 설정시간 위상 지연된 진동 성분에 설정된 게인(gain) 값을 적용하여 이를 기초로 안티 저크(anti-jerk) 보상 토크를 생성하는 안티 저크 보상 토크 생성부;를 포함할 수 있다.
상기 설정된 게인 값은, 상기 전기자동차의 주행모드, 변속단 정보 및 주행 상태에 기초하여 구할 수 있다.
상기 본 발명의 전기자동차의 안티 저크 제어 시스템은, 상기 안티 저크(anti-jerk) 보상 토크가 하한 설정값 이하이면, 상기 안티 저크 보상 토크를 사용하지 않도록 하는 데드 밴드부(dead band);를 더 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 전기자동차의 안티 저크 제어 시스템은, 상기 안티 저크(anti-jerk) 보상 토크가 상한 설정값 이상이면, 상기 안티 저크 보상 토크를 정해진 값으로 제한하여 사용하도록 하는 안티 저크 보상 토크 제한부;를 더 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 전기자동차의 안티 저크 제어 시스템은, 상기 안티 저크 보상 토크의 적용 여부를 판단하는 안티 저크 보상 토크 적용 판단부;를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 전기자동차 모터의 모델 속도와 실제 속도에 기초한 진동 성분 추출시 상기 진동 성분에 포함되는 오차 성분을 제거하여 안티 저크 제어를 함으로써 전기자동차에서 발생하는 진동을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 전기자동차 모터의 모델 속도와 실제 속도 간의 편차에 기초한 진동 성분을 고주파 필터링하고, 상기 고주파 필터링된 진동 성분을 설정시간 지연시킴으로써 상기 고주파 필터링시 발생한 위상 선행(Phase Antecedence)을 보상하여 고주파 필터에 의해 발생하는 위상 오차에 의한 영향을 최소화함으로써 전기자동차의 운전성 및 승차감을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 하이브리드 전기자동차의 개략적인 구성도이다.
도 2는 종래기술의 안티 저크 제어 방법에 따라 추출되는 진동 성분에 포함되는 오차 성분을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 안티 저크 제어 방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기자동차의 안티 저크 제어 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 안티 저크 제어 시스템의 구성도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 안티 저크 제어 동작을 설명하기 위한 그래프 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
더불어서, 명세서 전체에서 사용된 다양한 공식의 변수, 기호 및 상수 등과 관련하여 당업자에게 자명한 것들은 설명의 단순 명료화를 위해 그 구체적인 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 안티 저크 제어 시스템이 적용되는 하이브리드 전기자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 안티 저크 제어 시스템이 적용되는 하이브리드 전기자동차는, 엔진(10)과; 모터(20); 엔진(10)과 모터(20) 사이에서 동력을 단속하는 엔진클러치(30); 변속기(40); 차동기어장치(50); 배터리(60); 상기 엔진(10)를 시동하거나 상기 엔진(10)의 출력에 의해 발전을 하는 시동/발전 모터(70); 차륜(80); 하이브리드 전기자동차의 전체 동작을 제어하는 하이브리드 제어기(HCU; hybrid control unit)(110); 배터리(60)를 관리 제어하는 배터리 제어기(BCU; battery control unit)(120); 및 모터(20)의 동작을 제어하는 모터 제어기(MCU; motor control unit)(200)를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 안티 저크 제어 시스템을 도시한 블록도이다.
도 5에 도시한 안티 저크 제어 시스템은, 도 1의 모터 제어기(200) 내에 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 안티 저크 제어 시스템은, 엔진(10) 및/또는 모터(20)와 같은 토크 소스로부터의 진동이나 외부로부터의 진동을 억제하거나 감쇄하는 안티 저크 시스템이다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 안티 저크 시스템은, 모터(20)의 실제 속도를 산출하는 실제 속도 산출부(210)와; 모터(20)의 모델 속도를 산출하는 모델 속도 산출부(220); 모터(20)의 모델 속도와 실제 속도의 편차에 기초한 진동 성분을 산출하는 진동 성분 산출부(230); 상기 진동 성분 산출부(230)에서 산출된 상기 진동 성분에 포함된 오차 성분을 제거하기 위해 상기 진동 성분을 고주파 필터링(high pass filtering)하는 하이패스 필터(240); 상기 진동 성분이 상기 하이패스 필터(240)에서 필터링 시 발생된 위상 선행(phase antecedence)을 보상하기 위해 상기 하이패스 필터링된 진동 성분을 설정시간 위상 지연시키는 위상 지연부(250); 및 상기 설정시간 위상 지연된 진동 성분에 설정된 게인(gain) 값을 적용하여 이를 기초로 안티 저크(anti-jerk) 보상 토크를 생성하는 안티 저크 보상 토크 생성부(260);를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 안티 저크 시스템은, 상기 안티 저크(anti-jerk) 보상 토크가 하한 설정값 이하이면, 상기 안티 저크 보상 토크를 사용하지 않도록 하는 데드 밴드부(dead band)(270); 상기 안티 저크(anti-jerk) 보상 토크가 상한 설정값 이상이면, 상기 안티 저크 보상 토크를 정해진 값으로 제한하여 사용하도록 하는 안티 저크 보상 토크 제한부(280); 상기 안티 저크 보상 토크의 적용 여부를 판단하는 안티 저크 보상 토크 적용 판단부(290);를 포함할 수 있다.
상기 모터 제어기(200)에 포함되는 본 발명의 실시예에 따른 안티 저크 제어 시스템의 각 구성요소들은 마이크로프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어 프로그램 모듈로 구성될 수 있다.
즉, 모터 제어기(200)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 마이크로프로세서로서, 상기 설정된 프로그램은 후술할 본 발명의 실시예에 따른 안티 저크 제어 방법을 수행하기 위한 일련의 명령으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 안티 저크 제어는 모터 제어기(200)에서 이루어지며, 모터 제어기(200)는 일례로 EV모드 주행중 팁-인/아웃 조작, 또는 크리프(creep) 주행, HEV 모드중 변속시, 엔진클러치 해제시 등과 같은 상황에서 구동축에 진동이 발생하는 것을 방지하는 제어를 하게 된다.
모터 제어기(200)의 실제 속도 산출부(210)는 공지된 기술을 통해 모터의 실제 속도를 산출할 수 있다. 예를 들어, 실제 속도 산출부(210)는 종래기술의 일례로 언급된 대한민국 공개특허 10-2011-0049934(이하, "공개특허"라 칭함)에서와 같이 모터의 실제 속도를 산출할 수 있다.
모터 제어기(200)의 모델 속도 산출부(210)는 예를 들어 진동이 없는 상태에서의 모터 속도인 모델 속도를 산출한다.
또한, 상기 모델 속도 산출부(210)는 모터 토크 지령, 부하 토크, 변속단 정보, 주행 상태, 휠 속도, 변속기 입출력 속도 및 차량 모드 등을 기초로 모터의 모델 속도를 산출할 수 있다.
상기 부하 토크에는 도로 경사, 공기저항 드래그 등이 포함되고; 상기 주행 상태에는 팁-인/팁-아웃, 브레이크, 변속 등이 포함되고; 상기 차량 모드에는 EV 모드, HEV 모드, 엔진 클러치 슬립 등이 포함될 수 있다.
상기 모델 속도 산출부(210)는 공개특허에 개시된 바와 같이 모터 토크 지령치에서 드래그 토크를 포함한 부하 토크를 차감한 후, 다시 구동축 총토크를 차감한 것을 적분하여 모터 모델 속도를 계산할 수 있다.
상기 모터 제어기(200)의 진동 성분 산출부(230)는, 일례로 모터 모델 속도 산출부(220)에서 산출된 모터 모델 속도에서 상기 모터 실제 속도 산출부(210)에서 산출된 모터 실제 속도를 차감하여 진동 성분을 산출할 수 있다. 상기 진동 성분 산출부(230)에서 산출된 진동 성분에는 도 2에 도시한 바와 같은 오차 성분이 포함될 수 있다.
상기 모터 제어기(200)의 하이패스 필터(240)은 상기 진동 성분 산출부(230)에서 산출된 진동 성분에 포함된 오차 성분을 제거하도록 구성된다. 상기 하이패스 필터(240)는 상기 진동 성분에 포함된 오차 성분을 제거하여 도 6과 같이 이상적인 진동 성분이 되도록 한다.
이를 위해 하이패스 필터(240)는 라플라스 변환에 근거하여 1차 함수 이상의 함수로 표현되는 오차 성분을 제거한다. 상기 하이패스 필터(240)에 의해 1차 함수 이상의 함수로 표현되는 오차 성분을 제거하기 위한 라플라스 변환 공식의 일례는 아래와 같은 공식일 수 있다. 아래 공식에서 변수, 기호 및 상수는 일반적인 라플라스 변환 공식에서 통상적으로 다루어지는 것들이고 당업자에게 자명한 것이므로 본 명세서에서 이들에 대한 설명은 생략한다.
Figure pat00004
Figure pat00005
상기한 라플라스 변환 공식에서 k는 오차 성분에 의해 결정된다. 즉, 상기 오차 성분은 상수 및 1차 함수 이상의 함수로 이루어진다. 따라서, 상기 오차 성분이 라플라스 변환 공식에 기초한 하이패스 필터(240)를 통과하면, 상기 오차 성분이 제로(0)로 수렴하도록 k 값을 설정할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예의 하이패스 필터(240)를 라플라스 변환 공식을 이용하여 오차 성분이 하이패스 필터(240)를 통과시 제로(0)로 수렴하도록 상기 k 값을 설정함으로써 진동 성분을 도 6에 도시한 바와 같이 만들 수 있다.
상기 하이패스 필터(240)의 통과 주파수(cutoff frequency)는 도 7에 도시한 바와 같이 보드플롯을 사용하여 선택할 수 있다. 도 7에서 ω1은 통과 주파수이고, ω2는 진동 성분의 주파수이다.
상기 진동 성분의 주파수 ω2 =
Figure pat00006
로 구할 수 있다. 그리고, 진동 성분의 주파수를 고려한 하이패스 필터(H(s))(240)를 아래 공식과 같이 설정할 수 있다.
Figure pat00007
상기 모터 제어기(200)의 위상 지연부(250)는 하이패스 필터(240)를 통과한 진동 성분을 도 8에 도시한 바와 같이 위상 지연시킨다. 이와 같이 위상을 지연시키는 이유는, 상기 오차 성분이 포함된 진동 성분이 하이패스 필터(240)를 통과하면서 이상적인 진동 성분만 출력될 때, 상기 이상적인 진동 성분의 위상은 하이패스 필터(240)의 특성상 위상이 선행되기 때문에 이를 보상하기 위함이다. 하이패스 필터(240)에 의한 위상 선행은 아래 공식에 따를 수 있다.
Figure pat00008
따라서, 상기 위상 지연부(250)에 의한 위상 지연 각도(∠θ)는 아래 공식에 의해 구할 수 있다.
Figure pat00009
만약 H(s)를 상기의 식 중에서 Hτ(s)와 같이 설계한다면 아래 식과 같이 지연 각도 혹은 지역 시간을 구할 수 있다.
Figure pat00010
상기 안티 저크 보상 토크 생성부(260)는 위상 지연부(250)를 통과한 상기 진동 성분에 설정된 게인(gain) 값을 적용하여 이를 기초로 안티 저크(anti-jerk) 보상 토크를 생성하도록 형성된다.
상기 안티 저크 보상 토크 생성부(260)는 상기 게인 값을 설정하기 위해 상기 전기자동차의 주행모드, 변속단 정보 및 주행 상태 등을 참조할 수 있다.
상기 데드 밴드부(dead band)(270)는 상기 안티 저크 보상 토크 생성부(260)에서 출력된 안티 저크 보상 토크가 설정된 하한값 이하이면, 상기 안티 저크 보상 토크를 사용하지 않도록 형성된다. 상기 데드 밴드부(dead band)(270)는 상기 하한 값 설정을 위해 주행 모드, 변속단 정보 및 주행 상태 등을 참조할 수 있다.
상기 안티 저크 보상 토크 제한부(280)는 상기 안티 저크(anti-jerk) 보상 토크가 설정된 상한값 이상이면, 상기 안티 저크 보상 토크를 정해진 값으로 제한하여 사용하도록 형성된다. 상기 안티 저크 보상 토크 제한부(280)는 상기 상한 값 설정을 위해 주행 모드, 변속단 정보 및 주행 상태 등을 참조할 수 있다.
상기 안티 저크 보상 토크 적용 판단부(290)는, 상기 안티 저크 보상 토크 생성부(260) 또는 상기 안티 저크 보상 토크 제한부(280)에서 출력된 안티 저크 보상 토크의 적용 여부를 판단하도록 형성된다.
상기 안티 저크 보상 토크 적용 판단부(290)는 상기 안티 저크 보상 토크의 적용 금지 상황을 판단하기 위해 상기 전기자동차의 주행모드, 변속단 정보 및 주행 상태 등을 참조할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 안티 저크 제어 방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 안티 저크 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 모터 제어기(200)의 모터 실제 속도 산출부(210) 및 모터 모델 속도 산출부(220)는 각각, 일례로 공개특허에 개시된 기술 또는 공지 기술에 따라 모터의 실제 속도 및 모터의 모델 속도를 산출한다(S100).
상기 모터 모델 속도 산출부(220)가 상기 모델 속도를 산출할 때, 모터 토크 지령 및 부하 토크 등을 참조하는 것은 전술한 바와 같다.
상기와 같이 모터의 실제 속도와 모델 속도가 산출되었으면, 모터 제어기(200)의 진동 성분 산출부(230)는 상기 산출된 모터 모델 속도와 실제 속도의 편차에 기초한 진동 성분을 산출한다(S120).
상기 산출된 모터 모델 속도와 모터 실제 속도의 편차는, 일례로 상기 산출된 모터 모델 속도에서 상기 모터 실제 속도를 차감한 속도일 수 있으나, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다.
S120 단계에서 산출된 진동 성분에는 도 2에 도시한 바와 같은 오차 성분이 포함되어 있을 수 있다.
따라서, 도 6에 도시한 바와 같이 오차 성분이 제거된 진동 성분 만을 추출하기 위해 S120 단계에서 산출된 진동 성분은 모터 제어기(200)의 하이패스 필터(240)를 통과하게 된다(S130).
S120 단계에서 산출된 진동 성분이 하이패스 필터(240)를 통과하면, 공개특허의 로우패스 필터를 상기 진동 성분이 통과시 제거되지 않았던 오차 성분을 제거할 수 있다.
즉, 공개특허의 로우패스 필터는 버터워스(butterworth) 형식의 로우패스 필터를 사용하기 때문에 상기 오차 성분을 제거할 수 없는데, 그 이유는 아래와 같다.
공개특허에서 사용하는 로우패스 필터(L(s))의 구조는 아래와 같은 공식에 따른다.
Figure pat00011
상기 공식의 구조를 갖는 공개특허의 로우패스를 사용하여 상기 진동 성분(?ω)을 (1-L(s))에 통과시키면, 그 결과 상기 진동 성분(?ω)이 시간에 대해서 1차, 2차 혹은 그 이상의 차수일 경우에 필연적으로 진동 성분에 오차가 존재하게 됨을 아래 공식을 통해 알 수 있다.
Figure pat00012
상기 공식에서
Figure pat00013
은 진동 성분(?ω)에서 제거할 오차 성분이고,
Figure pat00014
은 순수한 진동 성분이다.
즉, 상기 공식에서 i=1일 경우에만 , t→∞에 따라
Figure pat00015
가 0으로 수렴하고, i>1이면 0으로 수렴하지 않고 오차 성분이 생긴다. 이러한 것은 역 라플라스 변환을 해보면 알 수 있다는 것은 당업자에게 자명하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
따라서, 공개특허의 로우패스 필터의 경우, 1차 이상의 성분이 들어올 경우, 오차 성분이 진동 성분에 포함되게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 아래와 같은 공식 구조를 갖는 하이패스 필터(H(s))(240)를 사용할 경우, 진동 성분(?ω)에 포함된 1차 및 2차 그리고 그 이상 차수의 오차 성분을 제거할 수 있는데, 그 이유는 다음과 같다.
Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00018
상기 공식에서 분모의 근(
Figure pat00019
)의 실수부(real part)가 모두 음수가 되도록 ai를 선정할 수 있다.
그리고 상기 공식에서 k≥n을 만족하도록 k를 설정하면,
Figure pat00020
가 t→∞에 따라 0으로 수렴하게 되고 결과적으로 진동 성분만이 남게 된다. 그 이유는 하이패스 필터(H(s))의 설계 시에 해당 진동 성분의 해당 진동수를 통과시키도록 보드플롯 방법을 사용하여 ai를 선정할 수 있기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 보드플롯을 사용하여 하이패스 필터(H(s))가 아래와 같이 동작되도록 설계할 수 있다.
도 7에 도시한 보드플롯에서 ω1은 코너 주파수(corner frequency)로서 하이패스 필터의 차단 주파수이고, ω2는 진동 성분의 진동 주파수(=
Figure pat00021
)이다. 보드플롯에서 ω2>ω1 가 만족되도록 하이패스 필터(H(s))를 설계할 수 있다.
도 7에 도시한 보드플롯은 이상적인 경우이므로 실제 설계 시에는 ω2 > γω1 (γ>1)가 되도록 γ를 설정할 수 있다.
하이패스 필터(H(s))의 설계를 용이하게 하기 위해서 하이패스 필터(H(s))를 아래 공식와 같이 설정할 수 있다.
Figure pat00022
상기 하이패스 필터(240)에서 오차 성분이 제거되어 진동 성분만이 출력되면, 위상 지연부(250)는 상기 하이패스 필터(240)를 통과할 때 발생한 위상 선행을 보상하기 위해 상기 진동 성분의 위상을 지연 설정값에 따라 위상 지연시킨다(S140).
하이패스 필터(240)에 의한 위상 선행은 아래 공식에 따를 수 있다.
Figure pat00023
따라서, 상기 위상 지연부(250)에 의한 위상 지연 각도(∠θ)는 아래 공식에 의해 구할 수 있다.
Figure pat00024
만약 H(s)를 상기 Hτ(s)로 설계한다면 위상 지연 각도는 다음과 같다.
Figure pat00025
Figure pat00026
상기 위상 지연부(250)를 통과한 진동 성분이 상기 안티 저크 보상 토크 생성부(260)에 입력되면, 상기 안티 저크 보상 토크 생성부(260)는 상기 위상 지연부(250)를 통과한 상기 진동 성분에 설정된 게인(gain) 값을 적용하여 이를 기초로 안티 저크(anti-jerk) 보상 토크를 생성하여 출력한다(S150).
상기 상기 안티 저크 보상 토크 생성부(260)에서 생성된 안티 저크 보상 토크는 안티 저크 토크로 이용될 수 있음은 물론이다.
한편, 상기 안티 저크 보상 토크 생성부(260)에서 생성된 안티 저크 보상 토크는 데드 밴드부(dead band)(270)에 입력될 수 있다.
상기 데드 밴드부(dead band)(270)는 상기 입력된 안티 저크 보상 토크가 설정된 하한값 이하인지 확인하여, 상기 입력된 안티 저크 보상 토크가 설정된 하한값 이하이면, 상기 안티 저크 보상 토크를 사용하지 않도록 한다(S200)(S250).
상기 설정된 하한값은 일례로 안티 저크 보상 토크를 적용하여도 운전성 및 승차감에 영향을 미치지 못하는 경우의 값으로 할 수 있다.
상기 데드 밴드부(270)에 입력된 안티 저크 보상 토크가 설정된 하한값을 초과하면, 안티 저크 보상 토크 제한부(280)에서 상기 안티 저크 보상 토크가 설정된 상한값 이상인지 판별된다(S210).
상기 안티 저크 보상 토크가 설정된 상한값 이상이면, 상기 안티 저크 보상 토크를 정해진 값으로 제한한다(S220).
상기 설정된 상한값은 일례로 상기 안티 저크 보상 토크 적용시 운전성 및 승차감에 악영향을 미치는 경우의 값으로 할 수 있다.
상기 안티 저크 보상 토크가 설정된 상한값 미만이면, 모터 제어기(200)는 안티 저크 보상 토크 적용 판단부(290)를 통해 현재 차량의 상황이 안티 저크를 금지해야 할 상황인지를 판단하고(S230), 안티 저크를 금지해야 할 상황이 아니면, 상기 안티 저크 보상 토크를 적용하여 차량의 진동을 저감함으로써 차량의 운전성 및 승차감이 좋게 한다(S240).
만일, 현재 차량의 상황이 안티 저크를 금지해야 할 상황이면, 상기 안티 저크 보상 토크의 적용을 보류한다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
200: 모터 제어기
210: 모터 실제 속도 산출부
220: 모터 모델 속도 산출부
230: 진동 성분 산출부
240: 하이패스 필터
250: 위상 지연부
260: 안티 저크 보상 토크 생성부
270: 데드 밴드부(dead band)
280: 안티 저크 보상 토크 제한부
290: 안티 저크 보상 토크 적용 판단부

Claims (15)

  1. 모터의 동력을 사용하는 전기자동차의 안티 저크 제어 방법에 있어서,
    모터의 실제 속도를 산출하는 단계;
    모터의 모델 속도를 산출하는 단계;
    상기 산출된 모터 모델 속도와 실제 속도의 편차에 기초한 진동 성분을 구하는 단계;
    상기 진동 성분에 포함된 오차 성분을 제거하기 위해 상기 진동 성분을 고주파 필터링(high pass filtering)하는 단계;
    상기 고주파 필터링 시 발생된 위상 선행(phase antecedence)을 보상하기 위해 상기 필터링된 진동 성분을 설정시간 위상 지연시키는 단계; 및
    상기 설정시간 위상 지연된 진동 성분에 설정된 게인(gain) 값을 적용하여 이를 기초로 안티 저크(anti-jerk) 보상 토크를 생성하는 단계;
    를 포함하는 전기자동차의 안티 저크 제어 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 설정된 게인 값은 상기 전기자동차의 주행모드, 변속단 정보 및 주행 상태에 기초하여 구하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 안티 저크 제어 방법.
  3. 제2항에서,
    상기 안티 저크(anti-jerk) 보상 토크가 하한 설정값 이하이면, 상기 안티 저크 보상 토크를 사용하지 않는 단계;
    를 더 포함하는 전기자동차의 안티 저크 제어 방법.
  4. 제2항에서,
    상기 안티 저크(anti-jerk) 보상 토크가 상한 설정값 이상이면, 상기 안티 저크 보상 토크를 정해진 값으로 제한하여 사용하는 단계;
    를 더 포함하는 전기자동차의 안티 저크 제어 방법.
  5. 제1항에서,
    상기 안티 저크 보상 토크의 적용 여부를 판단하는 단계;
    를 더 포함하는 전기자동차의 안티 저크 제어 방법.
  6. 제1항에서,
    상기 진동 성분을 고주파 필터링하는 단계는, 라플라스 변환에 근거하여 1차 함수 이상의 함수로 표현되는 오차 성분을 제거하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 안티 저크 제어 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 진동 성분을 고주파 필터링하는 단계는, 보드플롯(bode plot)을 사용하여 상기 진동 성분의 통과 주파수를 선택하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 안티 저크 제어 방법.
  8. 제6항에서,
    상기 진동 성분을 고주파 필터링하는 단계는, 아래의 라플라스 변환 공식에 따라 상기 진동 성분을 고주파 필터링하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 안티 저크 제어 방법.
    H(s): 고주파 통과 필터
    ai, k: 설계 인자
    ζ: 댐핑(damping) 계수
    ωn: 진동 성분
    ω, f: 추출하고자 하는 진동의 각속도, 주파수
    δT: 위상 앞섬을 보상하기 위한 시간 지연
    Figure pat00027

    Figure pat00028

  9. 제1항에서,
    상기 필터링된 진동 성분을 설정시간 위상 지연시키는 단계는, 아래의 공식을 사용하여 위상 지연 각도(∠θ)을 구하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 안티 저크 제어 방법.
    Figure pat00029

    Figure pat00030

    Figure pat00031

  10. 모터의 동력을 사용하는 전기자동차의 안티 저크 제어 시스템에 있어서,
    상기 모터의 구동 전원을 제공하는 배터리;
    상기 배터리의 충방전 상태를 관리 제어하는 배터리 제어 유닛(BCU; battery control unit); 및
    상기 모터의 구동을 제어하는 모터 제어기(MCU; motor control unit);을 포함하되,
    상기 모터 제어기는 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 명령을 실행하는 전기자동차의 안티 저크 제어 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 모터 제어기는,
    상기 모터의 실제 속도를 산출하는 실제 속도 산출부;
    상기 모터의 모델 속도를 산출하는 모델 속도 산출부;
    상기 모터의 모델 속도와 실제 속도의 편차에 기초한 진동 성분을 산출하는 진동 성분 산출부;
    상기 진동 성분 산출부에서 산출된 상기 진동 성분에 포함된 오차 성분을 제거하기 위해 상기 진동 성분을 고주파 필터링(high pass filtering)하는 하이패스 필터;
    상기 진동 성분이 상기 하이패스 필터에서 필터링 시 발생된 위상 선행(phase antecedence)을 보상하기 위해 상기 하이패스 필터링된 진동 성분을 설정시간 위상 지연시키는 위상 지연부; 및
    상기 설정시간 위상 지연된 진동 성분에 설정된 게인(gain) 값을 적용하여 이를 기초로 안티 저크(anti-jerk) 보상 토크를 생성하는 안티 저크 보상 토크 생성부;
    를 포함하는 전기자동차의 안티 저크 제어 시스템.
  12. 제11항에서,
    상기 설정시간 위상 지연된 진동 성분에 상기 전기자동차의 주행모드, 변속단 정보 및 주행 상태에 기초하여 구한 게인(gain)을 적용하는 게인부;
    를 더 포함하는 전기자동차의 안티 저크 제어 시스템.
  13. 제11항에서,
    상기 안티 저크(anti-jerk) 보상 토크가 하한 설정값 이하이면, 상기 안티 저크 보상 토크를 사용하지 않도록 하는 데드 밴드부(dead band);
    를 더 포함하는 전기자동차의 안티 저크 제어 시스템.
  14. 제11항에서,
    상기 안티 저크(anti-jerk) 보상 토크가 상한 설정값 이상이면, 상기 안티 저크 보상 토크를 정해진 값으로 제한하여 사용하도록 하는 안티 저크 보상 토크 제한부;
    를 더 포함하는 전기자동차의 안티 저크 제어 시스템.
  15. 제11항에서,
    상기 안티 저크 보상 토크의 적용 여부를 판단하는 안티 저크 보상 토크 적용 판단부;
    를 더 포함하는 전기자동차의 안티 저크 제어 시스템.
KR1020120115635A 2012-10-17 2012-10-17 전기자동차의 안티 저크 제어 방법 및 시스템 KR101448746B1 (ko)

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