KR20160123661A - 3상 모터의 상전류 분배 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3상 모터의 상전류를 분배하는 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 3상 모터의 상전류 또는 3상 모터의 위치를 검출하여 고 토크 유지상황인 경우 3상 모터의 상전류를 분배하는 방법에 관한 것으로서, 3상 모터의 상태를 모니터링하는 단계(S1); 상기 3상 모터가 고 토크 유지 제어상황인지 여부를 판단하는 단계(S3); 및 상기 3상 모터가 고 토크 유지 제어상황인 경우 3상 인버터에 변경된 PWM 듀티비(duty ratio)를 인가하는 단계(S7)를 포함하는 3상 모터의 상전류 분배 방법을 제공한다.

Description

3상 모터의 상전류 분배 방법{METHOD OF DISTRIBUTING PHASE CURRENT IN 3-PHASE MOTOR}

본 발명은 3상 모터의 상전류를 분배하는 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 3상 모터의 상전류 또는 3상 모터의 위치를 검출하여 고 토크 유지상황인 경우 3상 모터의 상전류를 분배하는 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 3상 모터를 적용하는 여러 어플리케이션에 적용이 가능하다.

일반적으로 차량에는 각종 입력센서에서 검출되는 전기적 신호를 입력받아 출력측의 각종 액츄에이터를 구동하기 위한 디지털 제어신호를 출력하는 차량용 전자 제어 장치(ECU Electronic Control Unit)가 구비되어 있다.

이러한 ECU를 구비하는 차량용 액츄에이터는 3상 모터를 이용하여 각종 제어를 수행한다. 전동식 파워 조향(EPS: Electric Power Steering) 시스템을 예로 들 수 있다. EPS 시스템의 동작 원리를 설명하면, 운전자가 핸들을 조작하면 핸들에 연동된 기어가 회전하고, 이 기어와 연동된 토크 센서가 스티어링 휠의 조향 토크를 검출한 신호인 토크 센서 출력값을 출력하여 ECU에 보내고, ECU는 토크 센서 출력값에 대응하는 EPS 모터의 적정 회전 방향과 적정 힘을 반영하여 조향에 필요한 모터 제어 전류를 EPS 모터에 공급하기 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 출력한다.

3상 인버터는 ECU에서 출력한 PWM 신호에 따라 다수의 FET(전계 효과 트랜지스터)로 구성되는 3쌍의 스위치를 턴 온/오프 동작하여 모터 제어 전류를 3상으로 출력하고, EPS 모터는 모터 제어 전류에 의해 구동되어 운전자가 적절한 스티어링 휠의 조작을 하도록 보조 조작력을 제공한다.

상술한 바와 같은 3상 모터를 이용한 시스템에서 3상 모터가 최대 토크 또는 높은 토크를 일정 시간 이상 유지할 경우, 특정 상(phase)의 스위치가 지속적으로 온(on) 되어 있게 된다. 이 경우 3상 모터 및 3상 인버터의 특정 상에는 큰 전류가 지속적으로 흐르게 되며, 특정 상의 모터 구동 소자 및 모터의 소손을 일으킬 수 있는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2011-0087454

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 3상 모터의 특정 상의 모터 구동 소자 및 모터의 소손을 방지할 수 있는 3상 모터의 상전류 분배 방법을 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 3상 모터가 고 토크 유지 제어상황일 경우 3상 인버터의 특정 상에 해당하는 스위치의 과열을 방지할 수 있는 3상 모터의 상전류 분배 방법을 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 3상 인버터의 각 상의 스위치에 인가되는 PWM 듀티비를 효율적으로 변경할 수 있는 3상 모터의 상전류 분배 방법을 제공함에 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 3상 모터의 상태를 모니터링하는 단계(S1); 상기 3상 모터가 고 토크 유지 제어상황인지 여부를 판단하는 단계(S3); 및 상기 3상 모터가 고 토크 유지 제어상황인 경우 3상 인버터에 변경된 PWM 듀티비(duty ratio)를 인가하는 단계(S7)를 포함하는 3상 모터의 상전류 분배 방법을 제공한다.

또한, 상기 3상 모터가 고 토크 유지 제어상황이 아닌 경우 3상 인버터에 기존의 PWM 듀티비를 인가하는 단계(S6)를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 모니터링 단계(S1)는 상기 3상 모터의 상전류를 검출하여 이루어지고, 상기 고 토크 유지 제어상황 여부의 판단 단계(S3)는 상기 검출된 상전류에 의해 이루어질 수 있다.

또한, 상기 모니터링 단계(S1)는 상기 3상 모터의 상전류 및 위치를 검출하여 이루어지고, 상기 고 토크 유지 제어상황 여부의 판단 단계(S3)는 상기 검출된 상전류 및 위치에 의해 이루어질 수 있다.

또한, 상기 변경된 PWM 듀티비는 PWM 모듈의 입력각을 변경함으로써 산출될 수 있다.

또한, 상기 PWM 모듈의 입력각 변경은 기존의 입력각으로부터 120°범위 내에서 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 3상 모터가 고 토크 유지 제어상황인지 여부를 판단함으로써, 3상 모터의 특정 상의 모터 구동 소자 및 모터의 소손을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 3상 모터가 고 토크 유지 제어상황인 경우 3상 인버터에 인가하는 PWM 듀티비(duty ratio)를 변경함으로써, 3상 인버터의 특정 상에 해당하는 스위치의 과열을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, PWM 모듈의 입력각을 기존의 입력각으로부터 120° 범위 내에서 변경함으로써, PWM 듀티비를 효율적으로 변경할 수 있는 3상 모터의 상전류 분배 방법을 제공함에 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 모터의 상전류 분배 시스템을 도시한 블록도.
도 2는 본 발의 일 실시예에 따른 3상 모터의 상전류 분배 방법을 나타내는 흐름도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 모듈의 입력각 변경 방법을 나타내는 그래프.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 3상 모터의 상전류 분배 방법의 바람직한 실시예들을 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 모터의 상전류 분배 시스템을 도시한 블록도이다.

도 1에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 3상 모터의 상전류 분배 시스템은 메인 제어 장치(100), 3상 모터 구동장치(200), 3상 모터(300), 전류 센서(400), 및 위치 센서(500)를 포함한다.

메인 제어 장치(100)는 고 토크 유지 제어상황 판단 제어로직(110), 3상 모터 제어상태 판단 제어로직(120), 3상 모터 구동 제어로직(130), 및 전압 듀티비 계산 제어로직(140)을 포함한다.

고 토크 유지 제어상황 판단 제어로직(110)은 3상 인버터(220)의 특정 상에 일정값 이상의 전류가 지속적으로 흐르고, 모터가 높은 토크를 유지해야 하는 고 토크 유지 제어상황을 판단할 수 있다.

3상 모터 제어상태 판단 제어로직(120)은 3상 모터(300)의 상태를 판단할 수 있다. 3상 모터(300)의 상태를 판단하기 위해 3상 모터(300)의 상 전류를 모니터링하거나, 3상 모터(300)의 위치를 모니터링 할 수 있다.

3상 모터 구동 제어로직(130)은 3상 모터(300)의 구동을 제어할 수 있다.

전압 듀티비 계산 제어로직(140)은 PWM 모듈(전압 변조 모듈)을 포함할 수 있다. PWM 모듈은 3상 모터(300)의 구동을 제어하기 위하여 인가된 Reference 신호를 3상 인버터(220)의 게이팅(gating) 신호로 인가하기 위한 전압 듀티비(duty ratio)로 계산할 수 있다.

3상 모터 구동장치(200)는 전원(210), 및 3상 인버터(220)를 포함한다.

전원(210)은 PWM 모듈에 의해 계산된 전압 듀티비를 이용하여 상 전압을 인가할 수 있다.

전류 센서(400)는 3상 인버터(220)의 스위치(미도시)와 3상 모터(300) 사이에 전류를 전달하는 모터 위상 배선에 직접 연결된 전류 변환기 또는 홀 효과(Hall effect) 센서를 통해 위상 전류를 직접 감지할 수 있다.

위치 센서(500)는 3상 모터(300)의 회전자에 장착될 수 있다. 위치 센서(500)를 통해 3상 모터(300)의 회전자의 위치를 알 수 있다. 3상 모터(300)에 흐르는 전류를 토크 및 자속 생성 성분(isd, isq)으로 분해하기 위해서는 3상 모터(300) 자화 자속(flux)의 위치를 알아야 한다. 이를 구현하기 위해, 3상 모터(300)의 회전자에 장착된 위치 센서(500)를 통해 정밀한 속도 정보를 감지할 수 있다. 증분 인코더 또는 리졸버가 벡터 제어 드라이브의 위치 변환기로 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 모터의 상전류 분배 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 2에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 3상 모터의 상전류 분배 방법은 모터 상 전류 또는 모터 위치 모니터링 단계(S1), 모터 전류 제어를 통한 목표 전압 출력 단계(S2), 고 토크 유지 제어상황 여부 판단 단계(S3), 전압 변조 모듈의 입력각 변경 단계(S4), 전압 변조 수행 단계(S5), 및 PWM 듀티 인가 단계(S7)를 포함한다.

우선, 3상 모터(300)의 상태를 모니터링한다(S1). 3상 모터의 상태는 전류 센서(400), 위치 센서(500)를 통해 모니터링 될 수 있다.

전류 센서(400)는 3상 모터(300)의 세 가지 상 전류 중에 어느 두 가지 상에 대한 전류만 검출하면, 전체 상전류의 합은 0이므로, 나머지 상의 전류를 알 수 있다. 따라서, 전류 센서(400)는 2개만 설치하여도 충분하다.

다음, 모니터링된 3상 모터(300)의 상 전류 및 위치에 따라 모터 전류를 제어하여 목표 전압을 출력한다(S2).

다음, 3상 모터(300)가 고 토크 유지 제어상황인지 여부를 판단한다(S3).

고 토크 유지 제어상황 판단 기준은 시스템에 따라 가변적이나, 예를 들면, 모니터링한 3상 모터(300)의 상 전류가 일정 크기 이상으로 일정 시간 이상 지속될 경우, 3상 모터(300)에서 토크 성분 전류(q축 전류)의 크기가 일정 크기 이상으로 일정 시간 이상 지속되는 경우, 3상 모터(300)에 토크 센서가 존재할 경우 토크가 일정 크기 이상으로 일정 시간 이상 유지되는 경우 등이 있다.

모니터링 단계(S1)에서 3상 모터(300)의 상전류를 검출하여 이루어질 경우, 고 토크 유지 제어상황 여부의 판단은 검출된 상전류의 크기를 통해 이루어질 수 있다. 예를 들면, 모니터링한 3상 모터(300)의 상전류가 일정 크기 이상으로 일정 시간 이상 지속되는 경우가 있다.

또한, 모니터링 단계(S1)에서 3상 모터의 상전류 및 위치를 검출하여 이루어질 경우, 고 토크 유지 제어상황 여부의 판단은 검출된 상전류 및 위치에 의해 이루어질 수 있다. 예를 들면, 3상 모터(300)에서 토크 성분 전류(q축 전류)의 크기가 일정 크기 이상으로 일정 시간 이상 지속되는 경우가 있다.

다음, 3상 모터(300)가 고 토크 유지 제어상황인 경우 PWM 모듈의 입력각을 변경한다(S4).

다음, 변경된 입력각에 따른 PWM 듀티비(duty ratio)를 산출하기 위해 전압 변조를 수행한다(S5).

다음, 3상 인버터에 변경된 PWM 듀티비(duty ratio)를 인가한다(S7).

상술한 바와 같이, 고 토크 유지 제어시 PWM 모듈의 입력각을 변경하여 3상 인버터(220)의 각 상의 스위치에 인가되는 듀티비를 계산한 후, 일정 시간 이후 입력각을 원위치시킨다. 그 후, 일정 시간 이후 입력각을 다시 기존의 입력각으로 변경한다. 상기와 같은 과정은 고 토크 제어상태가 종료될 때까지 반복한다.

만약, 3상 모터(300)가 고 토크 유지 제어상황이 아닌 경우 상기와 같은 과정은 종료되고, 3상 인버터(220)에 기존의 PWM 듀티비를 인가한다(S6).

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 모듈의 입력각 변경 방법을 나타내는 그래프이다.

도 3에서 알 수 있듯이, 원래의 SVM(Space Vector Modulation)의 출력 듀티 상태가 120 °인 경우에, 본 발명에 따른 PWM 입력각의 변경(shifting)은 좌우 120°의 범위에서 이루어질 수 있다.

일반적으로 3상 모터를 제어하는 알고리즘은 스칼라 제어 방식과 벡터 제어 방식으로 분류할 수 있다. 벡터 제어 방식은 스칼라 제어 방식에 비해 높은 구동 성능을 제공하는데, 구체적으로 높은 효율, 전범위 토크 제어, 자속 및 토크의 개별 제어, 역학 성능 개선 등의 장점이 있다. 본 발명의 실시예에서는, 벡터 제어 방식에 따른 공간 벡터 변조(SVM)을 사용하여 3상 출력 전압을 생성할 수 있다.

PWM 입력각은 각 상의 전류 상태 뿐만 아니라 PWM 입력각 변경 후 전체 토크값 등을 고려하여 적절한 값으로 변경될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 3상 인버터의 특정 상에 일정값 이상의 전류가 지속적으로 흐르는 고 토크 유지 제어상황으로 판단되면, 3상 인버터에 인가하는 스위치에 인가되는 듀티비를 변화시켜 스위치를 골고루 온/오프하게 하여 특정 상에 흐르는 큰 전류를 분배함으로써 모터 및 모터 구동 소자를 보호하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 PWM 듀티비를 계산하는 전압 변조 모듈에서 사용되는 입력각을 변경하여 인가하여 스위치에 흐르는 전류를 골고루 분배한다.

본 발명에 따르면 3상 모터가 최대 토크 또는 높은 토크를 일정 시간 이상 유지하더라도 3상 모터 구동 소자 및 3상 모터의 소손을 방지하여 제어 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 메인 제어 장치 110: 고 토크 유지 제어상황 판단 제어로직
120: 3상 모터 제어상태 판단 제어로직 130: 3상 모터 구동 제어로직
140: 전압 듀티비 계산 제어로직 200: 3상 모터 구동장치
210: 전원 220: 3상 인버터
300: 3상 모터 400: 전류 센서
500: 위치 센서

Claims (6)

1. 3상 모터의 상태를 모니터링하는 단계(S1);
   상기 3상 모터가 고 토크 유지 제어상황인지 여부를 판단하는 단계(S3); 및
   상기 3상 모터가 고 토크 유지 제어상황인 경우 3상 인버터에 변경된 PWM 듀티비(duty ratio)를 인가하는 단계(S7)를 포함하는 3상 모터의 상전류 분배 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 3상 모터가 고 토크 유지 제어상황이 아닌 경우 3상 인버터에 기존의 PWM 듀티비를 인가하는 단계(S6)를 더 포함하는 3상 모터의 상전류 분배 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 모니터링 단계(S1)는 상기 3상 모터의 상전류를 검출하여 이루어지고,
   상기 고 토크 유지 제어상황 여부의 판단 단계(S3)는 상기 검출된 상전류에 의해 이루어지는 3상 모터의 상전류 분배 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 모니터링 단계(S1)는 상기 3상 모터의 상전류 및 위치를 검출하여 이루어지고,
   상기 고 토크 유지 제어상황 여부의 판단 단계(S3)는 상기 검출된 상전류 및 위치에 의해 이루어지는 3상 모터의 상전류 분배 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 변경된 PWM 듀티비는 PWM 모듈의 입력각을 변경함으로써 산출되는 3상 모터의 상전류 분배 방법.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 PWM 모듈의 입력각 변경은 기존의 입력각으로부터 120°범위 내에서 이루어지는 3상 모터의 상전류 분배 방법.

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