KR20150075198A - 친환경 자동차의 구동모터 토크 보상장치 - Google Patents

친환경 자동차의 구동모터 토크 보상장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인버터에 입력되는 전류, 전압의 변동 및 구동모터의 속도에 따른 철손의 영향을 고려하여 구동모터의 토크 오차를 보상함으로 최적의 구동을 제공하는 친환경 자동차의 구동모터 토크 보상장치가 개시된다.
본 발명은 구동모터의 전압과 d축과 q축에 대한 전압명령, 속도에 따라 자속명령을 생성하는 제어부; 토크 요구명령과 자속명령에 따라 구동모터의 d축과 q축에 대한 전류명령을 생성하는 전류지령발생기; 구동모터의 d축과 q축에 대한 전류명령에 따라 전류 제어값을 생성하는 전류제어기; 전류제어기에서 생성된 전류 제어값을 축 좌표값으로 변환시키는 제1좌표변환부; 제1좌표변환부에서 인가되는 축 좌표값에 따라 PWM신호를 발생시켜 구동모터를 동작시키는 PWM발생기; 구동모터의 d축과 q축에 인가되는 실제전류를 검출하는 제2좌표변환부; 구동모터의 d축과 q축에 인가되는 실제전압을 검출하는 제3좌표변환부; 토크 요구명령과 자속명령, d축과 q축에 대한 전류명령, 구동모터의 d축과 q축에 인가되는 실제전류, d축과 q축에 인가되는 실제전압을 적용하여 구동모터의 토크 오차를 산출하고, 산출된 토크 오차에 따라 d축과 q축에 대한 토크 보정전류를 산출하는 토크보상부를 포함한다.

Description

친환경 자동차의 구동모터 토크 보상장치{MOTOR TORQUE COMPENSATION SYSTEM FOR ENVIRONMENTAL FRIENDLY VEHICLE}
본 발명은 친환경 자동차의 구동모터 토크 보상장치에 관한 것으로, 보다 더 상세하게는 인버터에 입력되는 전류, 전압의 변동 및 구동모터의 속도에 따른 철손의 영향을 고려하여 구동모터의 토크 오차를 보상함으로 최적의 구동을 제공할 수 있는 친환경 자동차의 구동모터 토크 보상장치에 관한 것이다.
차량에 대한 끊임없는 연비 향상의 요구와 각 나라의 배출가스 규제의 강화에 따라 전기자동차, 연료전지 자동차, 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 등을 포함하는 다양한 형태의 친환경 자동차가 제공되고 있다.
친환경 자동차는 하나 이상의 배터리가 구비되고, 배터리에 저장된 에너지가 자동차의 구동력으로 사용되는 자동차를 지칭한다.
친환경 자동차는 동력원으로 엔진과 구동모터가 적용될 수 있으며, 주행상황에 따라 엔진과 구동모터로 구성되는 두 개의 동력원을 어떻게 조화롭게 동작시키느냐에 따라 최적의 출력토크가 제공될 수 있고, 연비 향상과 배기가스 절감이 제공될 수 있다.
친환경 자동차는 구동모터를 제어하기 위해 자속 기반 모델 알고리즘을 사용한다.
이는 구동모터의 일정한 속도 기반으로 모델을 구축하는 것으로, 구동모터의 속도에 의한 철손 영향으로 토크 부족이 발생되므로 토크지령 대비 오차가 발생할 수 있는 단점이 있다.
또한, 인버터의 입력 전압 사용 영역이 넓을 경우 MTPA(Maximum Torque Per Ampere)운전(입력전압이 높을 경우) 및 약자속(Flux Weakening)운전(입력전압이 낮은 경우)영역의 천이로 인해 발생 토크오차가 발생한다.
기존에는 토크 지령에 대한 실측 토크의 오차를 감소시키기 위해 자속 모델을 구축한 후 인버터의 입력전압에 대한 속도별 토크지령 보상테이블을 시험을 통해 구축하였다
상기 속도별 토크 지령 보상 테이블은 토크 지령, 구동모터 속도, 인버터 입력전압에 따라 수많은 데이터를 확보하여야 토크 오차를 줄일 수 있으므로, 구동모터의 속도 및 토크 영역이 많을 경우 토크 지령 보상테이블을 구축하는데 많은 개발 시간이 요구되는 단점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하고자 개발된 것으로, 그 목적은 구동모터의 온도 변화와 인버터 입력 전압의 변동 및 구동모터의 속도에 따른 철손 영향을 고려하여 구동모터의 토크 오차를 보상함으로써, 구동모터의 동작을 최적의 상태로 제어하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따르는 특징은 구동모터의 전압과 d축과 q축에 대한 전압명령, 속도에 따라 자속명령을 생성하는 제어부; 토크 요구명령과 자속명령에 따라 구동모터의 d축과 q축에 대한 전류명령을 생성하는 전류지령발생기; 구동모터의 d축과 q축에 대한 전류명령에 따라 전류 제어값을 생성하는 전류제어기; 전류제어기에서 생성된 전류 제어값을 축 좌표값으로 변환시키는 제1좌표변환부; 상기 제1좌표변환부에서 인가되는 축 좌표값에 따라 PWM신호를 발생시켜 구동모터를 동작시키는 PWM발생기; 구동모터의 d축과 q축에 인가되는 실제전류를 검출하는 제2좌표변환부; 구동모터의 d축과 q축에 인가되는 실제전압을 검출하는 제3좌표변환부; 토크 요구명령과 자속명령, d축과 q축에 대한 전류명령, 구동모터의 d축과 q축에 인가되는 실제전류, d축과 q축에 인가되는 실제전압을 적용하여 구동모터의 토크 오차를 산출하고, 산출된 토크 오차에 따라 d축과 q축에 대한 토크 보정전류를 산출하는 토크보상부를 포함하는 친환경 자동차의 구동모터 토크 보정장치가 제공된다.
상기 전류제어기는 상기 구동모터의 d축과 q축에 대한 전류명령, d축과 q축에 인가되는 실제전류, 토크보상부에서 제공되는 d축과 q축에 대한 토크 보정전류를 적용하여 구동모터의 토크 오차를 보정할 수 있다.
상기 토크보상부는 운전영역에서 구동모터에 인가되는 제어전류와 전압, 구동모터의 속도를 적용하여 d축과 q축의 자속을 산출하는 자속계산기; 상기 자속계산기에서 계산된 자속값과 구동모터의 속도, 전류지령, 인버터 전압을 적용하여 구동모터의 출력토크를 산출하는 토크계산기; 토크 요구명령과 토크계산기에서 계산된 현재 운전영역의 토크를 비교하여 토크 오차를 계산하는 토크오차계산부; 구동모터의 영구자석에 의해 토크 오차로 작용되는 철손전류를 계산하는 전류계산부; 상기 구동모터의 d축과 q축에 대한 전류명령, 토크 요구명령, 토크 오차, 철손전류를 적용하여 d축과 q축에 대한 토크 보정전류를 산출하는 지령계산부를 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 친환경 자동차의 운행에서 구동 모터 제어에 따른 토크 오차를 최소화로 제어할 수 있어 안전성 및 신뢰성이 제공되는 최적화 제어를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 친환경 자동차의 구동모터 토크 보상장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에서 토크 보상부의 상세 구성을 도시한 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성은 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 친환경 자동차의 구동모터 토크 보상장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 제어부(110)와 전류지령발생기(120)와 전류제어부(130), 제1좌표변환부(140), PWM발생기(150), 제2좌표변환부(160), 제3좌표변환부(170) 및 토크보상부(180)를 포함한다.
제어부(110)는 입력되는 전압(VDC)과 d축과 q축에 대한 전압명령(VdqRef), 구동모터(200)의 속도(Wr)에 따라 자속명령(1/λmax)을 생성하여 전류지령발생기(120)에 제공한다.
전류지령발생기(120)는 운전자의 토크 요구명령(Tref *)과 제어부(110)에서 제공되는 자속명령(1/λmax)을 적용하여 d축에 대한 전류명령(Idref)과 q축에 대한 전류명령(Iqref)을 생성하여 전류제어기(130)에 제공한다.
전류제어기(130)는 전류지령발생기(120)에서 인가되는 d축에 대한 전류명령(Idref)과 q축에 대한 전류명령(Iqref)에 따라 구동모터(200)를 동작시키는 전류 제어값을 생성하여 제1좌표변환부(140)에 제공한다.
상기 전류제어기(130)는 제2좌표변환부(160)에서 제공되는 d축에 인가되는 실제전류(IdAct)와 q축에 인가되는 실제전류(IqAct), 토크보상부(180)에서 제공되는 d축에 대한 토크 보정전류(Idadd1)와 q축에 대한 토크 보정전류(Iqadd1)를 적용하여 구동모터(200)를 동작시키는 전류 제어값을 보정하여 토크 오차가 발생되지 않도록 한다.
제1좌표변환부(140)는 전류제어기(130)에서 생성된 전류 제어값을 축 좌표값으로 변환시켜 PWM발생기(150)에 인가한다.
PWM발생기(150)는 상기 제1좌표변환부(140)에서 인가되는 축 좌표값에 따라 PWM신호를 발생시켜 구동모터(200)를 동작시킨다.
제2좌표변환부(160)는 구동모터(200)의 d축에 인가되는 실제전류(IdAct)와 q축에 인가되는 실제전류(IqAct)를 검출하여 전류제어기(130)에 피드백 정보로 제공함과 동시에 토크보상부(180)에 제공한다.
제3좌표변환부(170)는 상기 구동모터의 d축에 인가되는 실제전압(VdAct)과 q축에 인가되는 실제전압(VqAct)을 검출하여 토크보상부(180)에 제공한다.
토크보상부(180)는 운전자가 요구하는 토크 요구명령(Tref *)과 제어부(110)에서 출력되는 자속명령(1/λmax), 전류지령발생기(120)에서 출력되는 d축에 대한 전류명령(Idref)과 q축에 대한 전류명령(Iqref), 제2좌표변환부(160)에서 인가되는 구동모터(200)의 d축에 인가되는 실제전류(IdAct)와 q축에 인가되는 실제전류(IqAct), 제3좌표변환부(170)에서 인가되는 구동모터(200)의 d축에 인가되는 실제전압(VdAct)과 q축에 인가되는 실제전압(VqAct)을 적용하여 구동모터(200)의 토크 오차를 산출하고, 산출된 토크 오차에 따라 d축에 대한 토크 보정전류(Idadd1)와 q축에 대한 토크 보정전류(Iqadd1)를 산출한다.
도 2는 도 1에 도시된 토크보상부의 상세 구성을 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 토크보상부(180)는 자속계산기(181)와 토크계산기(182), 토크오차계산부(183), 전류계산부(184) 및 지령계산부(185)를 포함한다.
자속계산기(181)는 현재 운전영역에서 구동모터(200)의 인가되는 제어전류(Iq,Id)와 전압(Vd,Vq), 구동모터(200)의 속도(We)를 적용하여 d축의 자속(λd)과 q축의 자속(λq)을 하기의 수학식 1와 같이 산출할 수 있다.
Figure pat00001
토크계산기(182)는 상기 자속계산기(181)에서 계산된 자속값과 구동모터(200)의 속도, 전류지령, 인버터 전압을 적용하여 현재 운전영역에서의 구동모터(200)의 출력토크(Te)를 하기의 수학식 2를 적용하여 계산한다.
Figure pat00002
토크오차계산부(183)는 운전자의 토크요구명령(Tref)과 토크계산기(182)에서 계산된 현재 운전영역에서의 토크(Te)를 비교하여 하기의 수학식 3과 같이 토크 오차(Terror)를 계산한다.
Figure pat00003
전류계산부(184)는 구동모터(200)의 영구자석에 의해 토크 오차를 발생시키는 철손전류(Icq)를 하기의 수학식 4와 같이 계산한다.
Figure pat00004
상기 전류계산부(184)는 철손전류(Icq)를 계산할 때 구동모터(200)의 운전점 변동을 발생시키는 전류값을 대략 10A이내이므로, 릴렉턴스에 의한 토크 성분은 수십 마이크로 헨리값을 가지므로 오차 성분에 영향을 주지 않아 생략한다.
지령계산부(185)는 구동모터(200)의 d축에 대한 전류명령(Idref)과 q축에 대한 전류명령(Iqref), 운전자의 토크요구명령(Tref)과 현재 운전영역의 토크(Te) 비교로 계산된 토크 오차(Terror), 구동모터(200)의 영구자석에 의한 철손전류(Icq)를 적용하여 d축에 대한 토크 보정전류(Idadd1)와 q축에 대한 토크 보정전류(Iqadd1)를 산출한다.
상기한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명의 동작은 다음과 같다.
본 발명이 적용되는 친환경 자동차의 운행이 개시되면 운전 요구토크에 제어부(110)는 입력되는 전압(VDC)과 d축과 q축에 대한 전압명령(VdqRef), 구동모터(200)의 속도(Wr)에 따라 자속명령(1/λmax)을 생성하여 전류지령발생기(120)에 제공한다.
전류지령발생기(120)는 운전자의 토크 요구명령(Tref *)과 자속명령(1/λmax)을 적용하여 d축에 대한 전류명령(Idref)과 q축에 대한 전류명령(Iqref)을 생성하여 전류제어기(130)에 제공한다.
전류제어기(130)는 전류지령발생기(120)에서 인가되는 d축에 대한 전류명령(Idref)과 q축에 대한 전류명령(Iqref)에 따라 구동모터(200)를 동작시키는 전류 제어값을 생성하여 제1좌표변환부(140)에 제공한다.
제1좌표변환부(140)는 전류제어기(130)에서 생성된 전류 제어값을 축 좌표값으로 변환시켜 PWM발생기(150)에 인가하면, PWM발생기(150)는 제1좌표변환부(140)에서 인가되는 축 좌표값에 따라 PWM신호를 발생시켜 구동모터(200)를 동작시킨다.
제2좌표변환부(160)는 구동모터(200)의 d축에 인가되는 실제전류(IdAct)와 q축에 인가되는 실제전류(IqAct)를 검출하여 전류제어기(130)에 피드백 정보로 제공함과 동시에 토크보상부(180)에 제공한다.
그리고, 제3좌표변환부(170)는 상기 구동모터(200)의 d축에 인가되는 실제 전압(VdAct)과 q축에 인가되는 실제전압(VqAct)을 검출하여 토크보상기(180)에 제공한다.
이때, 토크보상부(180)는 운전자가 요구하는 토크요구명령(Tref *)과 자속명령(1/λmax), d축에 대한 전류명령(Idref)과 q축에 대한 전류명령(Iqref), 구동모터(200)의 d축에 인가되는 실제전류(IdAct)와 q축에 인가되는 실제전류(IqAct), 구동모터(200)의 d축에 인가되는 실제전압(VdAct)과 q축에 인가되는 실제전압(VqAct)을 적용하여 구동모터(200)의 토크 오차를 산출하고, 산출된 토크 오차에 따라 d축에 대한 토크 보정전류(Idadd1)와 q축에 대한 토크 보정전류(Iqadd1)를 산출하여 전류제어기(130)에 제공한다.
따라서, 상기 전류제어기(130)는 d축에 대한 전류명령(Idref)과 q축에 대한 전류명령(Iqref), d축에 인가되는 실제전류(IdAct)와 q축에 인가되는 실제전류(IqAct), 토크보상부(180)에서 제공되는 d축에 대한 토크 보정전류(Idadd1)와 q축에 대한 토크 보정전류(Iqadd1)를 적용하여 구동모터(200)를 동작시키는 전류 제어값을 보정하여 토크 오차가 발생되지 않도록 한다.
상기 토크보상부(180)의 동작에 대하여 도 2를 참조하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
토크보상부(181)에 구성되는 자속계산기(181)는 현재 운전영역에서 구동모터(200)의 인가되는 제어전류(Iq,Id)와 전압(Vd,Vq), 구동모터(200)의 속도(We)를 적용하여 d축의 자속(λd)과 q축의 자속(λq)을 산출하여 토크계산기(182)에 인가한다.
토크계산기(182)는 상기 자속계산기(181)에서 계산된 자속값과 구동모터(200)의 속도, 전류지령, 인버터 전압을 적용하여 현재 운전영역에서의 구동모터(200)의 출력토크(Te)를 계산하여 토크오차계산부(183)에 인가한다.
토크오차계산부(183)는 운전자의 토크요구명령(Tref)과 토크계산기(182)에서 계산된 현재 운전영역에서의 토크(Te)를 비교하여 토크 오차(Terror)를 계산하고, 전류계산부(184)는 구동모터(200)의 영구자석에 의한 철손전류(Icq)를 계산하여 지령계산부(185)에 인가한다.
따라서, 지령계산부(185)는 구동모터(200)의 d축에 대한 전류명령(Idref)과 q축에 대한 전류명령(Iqref), 운전자의 토크요구명령(Tref)과 현재 운전영역의 토크(Te) 비교로 계산된 토크 오차(Terror), 구동모터(200)의 영구자석에 의한 철손전류(Icq)를 적용하여 d축에 대한 토크 보정전류(Idadd1)와 q축에 대한 토크 보정전류(Iqadd1)를 산출한다.
이상에서 설명한 바와 같이 구동모터에 입력되는 전압, 전류의 변동, 구동모터의 속도에 따른 철손의 영향을 고려하여 구동모터의 토크 오차 보상함으로써, 구동모터의 동작을 최적의 상태로 제어할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
181 : 자속계산기 182 : 토크계산기
183 : 토크오차계산부 184 : 전류계산부
185 : 지령계산부

Claims (3)

  1. 구동모터의 전압과 d축과 q축에 대한 전압명령, 속도에 따라 자속명령을 생성하는 제어부;
    토크 요구명령과 자속명령에 따라 구동모터의 d축과 q축에 대한 전류명령을 생성하는 전류지령발생기;
    구동모터의 d축과 q축에 대한 전류명령에 따라 전류 제어값을 생성하는 전류제어기;
    전류제어기에서 생성된 전류 제어값을 축 좌표값으로 변환시키는 제1좌표변환부;
    상기 제1좌표변환부에서 인가되는 축 좌표값에 따라 PWM신호를 발생시켜 구동모터를 동작시키는 PWM발생기;
    구동모터의 d축과 q축에 인가되는 실제전류를 검출하는 제2좌표변환부;
    구동모터의 d축과 q축에 인가되는 실제전압을 검출하는 제3좌표변환부;
    토크 요구명령과 자속명령, d축과 q축에 대한 전류명령, 구동모터의 d축과 q축에 인가되는 실제전류, d축과 q축에 인가되는 실제전압을 적용하여 구동모터의 토크 오차를 산출하고, 산출된 토크 오차에 따라 d축과 q축에 대한 토크 보정전류를 산출하는 토크보상부;
    를 포함하는 친환경 자동차의 구동모터 토크 보정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류제어기는 상기 구동모터의 d축과 q축에 대한 전류명령, d축과 q축에 인가되는 실제전류, 토크보상부에서 제공되는 d축과 q축에 대한 토크 보정전류를 적용하여 구동모터의 토크 오차를 보정하는 친환경 자동차의 구동모터 토크 보정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 토크보상부는 운전영역에서 구동모터에 인가되는 제어전류와 전압, 구동모터의 속도를 적용하여 d축과 q축의 자속을 산출하는 자속계산기;
    상기 자속계산기에서 계산된 자속값과 구동모터의 속도, 전류지령, 인버터 전압을 적용하여 구동모터의 출력토크를 산출하는 토크계산기;
    토크 요구명령과 토크계산기에서 계산된 현재 운전영역의 토크를 비교하여 토크 오차를 계산하는 토크오차계산부;
    구동모터의 영구자석에 의해 토크 오차로 작용되는 철손전류를 계산하는 전류계산부;
    상기 구동모터의 d축과 q축에 대한 전류명령, 토크 요구명령, 토크 오차, 철손전류를 적용하여 d축과 q축에 대한 토크 보정전류를 산출하는 지령계산부;
    를 포함하는 친환경 자동차의 구동모터 토크 보정장치.
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