KR20180086678A - 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 칠러에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량은, 모터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터와, 인버터를 제어하는 인버터 제어부와, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부와, 모터의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서를 포함하고, 인버터 제어부는, 출력 전류 검출부에서 검출되는 제1 상 검출 전류에 기초하여, 제2 상 전류를 추정하고, 출력 전류 검출부에서 검출되는 제2 상 검출 전류와, 추정된 제2 상 추정 전류를 비교하여, 출력 전류 검출부의 고장 유무를 판단한다. 이에 기초하여, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부의 고장을 간편하게 검출할 수 있게 된다.

Description

모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량{Motor driving apparatus and electric vehicle including the same}
본 발명은 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부의 고장을 간편하게 검출할 수 있는 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량에 관한 것이다.
내연기관의 발명에 의해 출현하게 된 차량은 인류의 생활에 없어서는 안될 필수품이나, 환경오염의 주범 및 막대한 에너지의 소비에 의한 에너지 고갈 문제를 초래하게 되었으며, 내연기관을 동력으로 하는 차량 대신에 전기를 동력으로 하는 전기 차량이나, 내연기관과 이들을 조합한 하이브리드 차량이 개발되어 사용되고 있는 추세에 있다.
한편, 이러한 전기 차량 또는 하이브리드 차량 등은, 모터 및 배터리 등을 이용하여 그 출력을 발생시키고 있다.
한편, 모터 구동시, 모터 구동부 내부의 회로 소자의 고장이 발생할 수 있으며, 이러한 경우, 모터 구동이 안정적으로 수행되지 못하게 된다.
본 발명의 목적은, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부의 고장을 간편하게 검출할 수 있는 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부의 고장을 신속하게 검출할 수 있는 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량은, 모터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터와, 인버터를 제어하는 인버터 제어부와, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부와, 모터의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서를 포함하고, 인버터 제어부는, 출력 전류 검출부에서 검출되는 제1 상 검출 전류에 기초하여, 제2 상 전류를 추정하고, 출력 전류 검출부에서 검출되는 제2 상 검출 전류와, 추정된 제2 상 추정 전류를 비교하여, 출력 전류 검출부의 고장 유무를 판단한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량은, 모터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터와, 인버터를 제어하는 인버터 제어부와, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부와, 모터의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서를 포함하고, 인버터 제어부는, 출력 전류 검출부에서 검출되는 제1 상 검출 전류에 기초하여, 회전 좌표계인 q축 전류를 추정하고, 위치 검출 센서에서 검출된 자극 위치에 기초하여, q축 전류 지령치를 생성하고, q축 전류 지령치와, 추정된 q축 추정 전류를 비교하여, 출력 전류 검출부의 고장 유무를 판단한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량은, 모터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터와, 인버터를 제어하는 인버터 제어부와, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부와, 모터의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서를 포함하고, 인버터 제어부는, 출력 전류 검출부에서 검출되는 제1 상 검출 전류, 및 제2 상 검출 전류에 기초하여, 인버터의 출력 전력, 및 추정 전력을 연산하고, 인버터의 출력 전력과, 추정 전력을 비교하여, 출력 전류 검출부의 고장 유무를 판단한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량은, 모터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터와, 인버터를 제어하는 인버터 제어부와, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부와, 모터의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서를 포함하고, 인버터 제어부는, 출력 전류 검출부에서 검출되는 제1 상 검출 전류에 기초하여, 제2 상 전류를 추정하고, 출력 전류 검출부에서 검출되는 제2 상 검출 전류와, 추정된 제2 상 추정 전류를 비교하여, 출력 전류 검출부의 고장 유무를 판단함으로써, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부의 고장을 간편하게 검출할 수 있게 된다.
또한, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부의 고장을, 상 전류 파형의 1/2 주기 내 또는 1/4 주기 내에, 신속하게, 검출할 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 2 개의 출력 전류 검출부중 하나의 출력 전류 검출부고장 등에 의한 모터 전류 검출에 이상이 발생한 경우에도 모터 구동을 적절하게 계속시킬 수 있다.
1 단계의 검출 전류와 적어도 2 상 출력 전압과 입력 또는 출력에서 검출 전류 고장 발생의 유무를 판단할 수 있고, 간편한 방법으로 결함이 있는 상을 정확하게 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 과도적으로도 전류를 정밀하게 추정할 수 있다.
이로 인해 모터 구동장치에 있어서 높은 신뢰성을 제공할 수 있게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량은, 모터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터와, 인버터를 제어하는 인버터 제어부와, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부와, 모터의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서를 포함하고, 인버터 제어부는, 출력 전류 검출부에서 검출되는 제1 상 검출 전류에 기초하여, 회전 좌표계인 q축 전류를 추정하고, 위치 검출 센서에서 검출된 자극 위치에 기초하여, q축 전류 지령치를 생성하고, q축 전류 지령치와, 추정된 q축 추정 전류를 비교하여, 출력 전류 검출부의 고장 유무를 판단함으로써, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부의 고장을 간편하게 검출할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 의해, 출력 전류 검출부의 고장시, 검출 전류값의 이상을 간편한 방법으로 단시간에 검출할 수 있게 됨과 동시에 이상이라고 판단 한 후, 추정 전류를 이용하여 모터의 구동을 계속할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량은, 모터와, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터와, 인버터를 제어하는 인버터 제어부와, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부와, 모터의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서를 포함하고, 인버터 제어부는, 출력 전류 검출부에서 검출되는 제1 상 검출 전류, 및 제2 상 검출 전류에 기초하여, 인버터의 출력 전력, 및 추정 전력을 연산하고, 인버터의 출력 전력과, 추정 전력을 비교하여, 출력 전류 검출부의 고장 유무를 판단함으로써, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부의 고장을 간편하게 검출할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 의해, 출력 전류 검출부의 고장시, 검출 전류값의 이상을 간편한 방법으로 단시간에 검출할 수 있게 됨과 동시에 이상이라고 판단 한 후, 추정 전류를 이용하여 모터의 구동을 계속할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 차량의 차체를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 도 1의 전기 차량의 내부 블록도의 일예이다.
도 3은 도 2의 모터 구동장치의 내부 블록도의 일예를 예시한다.
도 4는 도 3의 모터 구동장치의 내부 회로도의 일예이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 모터 구동장치의 내부 블록도이다.
도 6은 도 5의 축변환부의 내부 블록도의 일예이다.
도 7 내지 도 8은 도 5의 모터 구동장치의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 모터 구동장치의 내부 블록도이다.
도 10은 도 9의 축변환부의 내부 블록도의 일예이다.
도 11은 도 9의 모터 구동장치의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 모터 구동장치의 내부 블록도이다.
도 13은 도 12의 축변환부의 내부 블록도의 일예이다.
도 14는 도 12의 모터 구동장치의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 차량의 차체를 나타내는 개략적인 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전기 차량(100)는, 전원을 공급하는 배터리(205), 배터리(205)로부터 전원을 공급받는 모터 구동장치(200), 모터 구동장치(200)에 의해 구동되어 회전하는 모터(250), 모터(250)에 의해 회전되는 앞바퀴(150) 및 뒷바퀴(155), 노면의 진동이 차체에 전달되는 것을 차단하는 전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165), 차체의 경사각을 검출하는 경사각 검출부(190)를 포함할 수 있다. 한편, 한편 모터(250)의 회전속도를 기어비에 기초하여, 변환하는 구동기어(미도시)가 추가적으로 구비될 수 있다.
경사각 검출부(190)는, 차체의 경사각을 검출하며, 검출된 경사각은 후술하는 전자 제어부(310)에 입력된다. 경사각 검출부(190)는, 자이로 센서 또는 수평 게이지 센서 등으로 구현될 수 있다.
한편, 도면에서는 경사각 검출부(190)가 배터리(205) 상에 배치되는 것으로 도시하나 이에 한정되지 않으며, 앞바퀴(150), 뒷바퀴(155) 또는 앞바퀴(150)와 뒷바퀴(155) 모두에 배치될 수 있다.
배터리(205)는 모터 구동장치(200)에 전원을 공급한다. 특히, 모터 구동장치 내(200)의 커패시터(C)에 직류 전원을 공급한다.
이러한 배터리(205)는, 복수개의 단위셀의 집합으로 형성될 수 있다. 복수개의 단위셀은 일정한 전압을 유지하기 위해 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)에 의해 관리될 수 있으며, 배터리 관리 시스템에 의해 일정한 전압을 방출할 수 있다.
예를 들어, 배터리 관리 시스템은, 배터리(205)의 전압(Vbat)을 검출하고, 이를 전자 제어부(미도시), 또는 모터 구동장치(200) 내의 인버터 제어부(250)에 전달할 수 있으며, 배터리 전압(Vbat)이 하한치 이하로 하강하는 경우, 모터 구동장치(200) 내의 커패시터(C)에 저장된 직류 전원을 배터리로 공급할 수 있다. 또한, 배터리 전압(Vbat)이 상한치 이상으로 상승하는 경우, 모터 구동장치(200) 내의 커패시터(C)에 직류 전원을 공급할 수도 있다.
배터리(205)는 충전 및 방전이 가능한 2차 전지로 구성됨이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
모터 구동장치(200)는 배터리(205)로부터 전원입력케이블(120)에 의해서 직류전원을 공급받는다. 모터 구동장치(200)는 배터리(205)로부터 받는 직류전원을 교류전원으로 변환하여 모터(250)에 공급한다. 변환되는 교류전원은 삼상교류전원이 바람직하다. 모터 구동장치(200)는 모터 구동장치(200)에 구비된 삼상출력케이블(125)을 통하여 모터(250)에 삼상 교류전원을 공급한다.
도 1의 모터 구동장치(200)는 세 개의 케이블로 구성된 삼상 출력케이블(125)을 도시하였으나, 단일의 케이블 내에 세 개의 케이블이 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)에 대해서는 도 3 이하에서 후술한다.
모터(250)는, 회전하지 않고 고정되는 고정자(130)와, 회전하는 회전자(135)를 포함한다. 모터(250)는 입력케이블(140)이 구비되어 모터 구동장치(200)에서 공급되는 교류전원을 인가 받는다. 모터(250)는, 예를 들어, 삼상 모터일 수 있으며, 각상의 고정자의 코일에 전압 가변/주파수 가변의 각상 교류 전원이 인가되는 경우, 인가되는 주파수에 기초하여, 회전자의 회전 속도가 가변하게 된다.
모터(250)는, 유도 모터(induction motor), BLDC 모터(blushless DC motor), 릴럭턴스 모터(reluctance motor) 등 다양한 형태가 가능하다.
한편, 모터(250)의 일측에는 구동기어(미도시)가 구비될 수 있다. 구동기어는 모터(250)의 회전에너지를 기어비에 기초하여, 변환시킨다. 구동기어에서 출력되는 회전에너지는 앞바퀴(150) 및/또는 뒷바퀴(155)에 전달되어 전기 차량(100)가 움직이도록 한다.
전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165)는 차체에 대하여 각각 앞바퀴(150) 및 뒷바퀴(155)를 지지한다. 전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165)의 상하방향은 스프링 또는 감쇠기구에 의해 지지하여, 노면의 진동이 차체에 닿지 않도록 한다.
앞바퀴(150)에는 조향장치(미도시)가 더 구비될 수 있다. 조향장치는 전기 차량(100)를 운전자가 의도하는 방향으로 주행시키기 위하여 앞바퀴(150)의 방향을 조절하는 장치이다.
한편, 도면에서는 도시하지 않았지만, 전기 차량(100)는, 전기 차량 전반의 전자 장치들의 제어를 위한 전자 제어부(Electronic Controller)를 더 포함할 수 있다. 전자 제어부(미도시)는, 각 장치들이 동작, 표시 등을 할 수 있도록 제어한다. 또한, 상술한 배터리 관리 시스템을 제어할 수도 있다.
또한, 전자 제어부(미도시)는, 전기 차량(100)의 경사각 검출하는 경사각 검출부(미도시), 전기 차량(100)의 속도를 검출하는 속도 검출부(미도시), 브레이크 페달의 동작에 따른 브레이크 검출부(미도시), 악셀 페달의 동작에 따른 악셀 검출부(미도시) 등으로부터의 검출 신호에 기초하여, 다양한 운전 모드(주행 모드, 후진 모드, 중립 모드, 및 주차 모드 등)에 따른 운전 지령치치를 생성할 수 있다. 이때의 운전 지령치치는, 예를 들어, 토크 지령치치 또는 속도 지령치치일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전기 차량(100)는, 배터리 및 모터를 이용한 순수 전기 차량은, 물론, 엔진을 사용하면서, 배터리 및 모터를 이용하는 하이브리드 전기 차량을 포함하는 개념일 수 있다. 이때, 하이브리드 전기 차량은, 배터리와 엔진 중 적어도 어느 하나를 선택 가능한 절환 수단, 및 변속기를 더 구비할 수도 있다. 한편, 하이브리드 전기 차량은, 엔진에서 출력되는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하여 모터를 구동하는 직렬 방식과, 엔진에서 출력되는 기계 에너지와 배터리에서의 전기 에너지를 동시에 이용하는 병렬 방식으로 나뉠 수 있다.
도 2는 도 1의 전기 차량의 내부 블록도의 일예이다.
전기 차량(100)은, 입력부(120), 통신부(130), 메모리(140), 제어부(170), 구동부(220)를 구비할 수 있다.
입력부(120)는, 조작 버튼, 키 등을 구비하며, 전기 차량(100)의 전원 온/오프, 동작 설정 등을 위한 입력 신호를 출력할 수 있다.
통신부(130)는, 주변 기기, 예를 들어, 원격제어장치 또는 이동 단말기(600)와, 유선 또는 무선으로 데이터를 교환하거나, 원격지의 서버 등과, 무선으로 데이터를 교환할 수 있다. 예를 들어, 4G 또는 5G 등의 이동 통신, 적외선(IR) 통신, RF 통신, 블루투스 통신, 지그비 통신, WiFi 통신 등을 수행할 수 있다.
한편, 전기 차량(100)의 메모리(140)는, 전기 차량(100)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 구동부(220)의 동작시의 동작 시간, 동작 모드 등에 대한 데이터를 저장할 수 있다.
또한, 전기 차량(100)의 메모리(140)는, 전기 차량의 소비 전력 정보, 추천 운전 정보, 현재 운전 정보, 관리 정보를 포함하는 관리 데이터를 저장할 수 있다.
또한, 전기 차량(100)의 메모리(140)는, 전기 차량의 동작 정보, 운전 정보, 에러 정보를 포함하는 진단 데이터를 저장할 수 있다.
제어부(170)는, 전기 차량(100) 내의 각 유닛을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(170)는, 입력부(120), 통신부(130), 메모리(140), 구동부(220) 등을 제어할 수 있다.
구동부(220)는, 모터(250)를 구동하기 위해, 내부에, 도 3에 도시되는, 인버터(420), 인버터 제어부(430), 모터(230)를 구비할 수 있다.
도 3은 도 2의 모터 구동장치의 내부 블록도의 일예를 예시한다.
도 3의 모터 구동장치(200) 내의 모터 구동장치(200)는, 메모리(270), 인버터 제어부(430), 인버터(430) 등을 구비할 수 있다.
모터 구동장치(200)의 자세한 동작에 대해서는, 도 4를 참조하여 보다 상세히 기술한다.
도 4는 도 3의 모터 구동장치의 내부 회로도의 일예이다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는,인버터(420), 인버터 제어부(430), 출력전류 검출부(E), 및 위치 검출 센서(105)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, 컨버터(410), dc 단 전압 검출부(B), 평활 커패시터(C), 출력전류 검출부(E)를 포함할 수 있다. 또한, 구동부(200)는, 입력 전류 검출부(A), 리액터(L) 등을 더 포함할 수도 있다.
리액터(L)는, 입력 전원(405, Vs)과 컨버터(410) 사이에 배치되어, 역률 보정 또는 승압동작을 수행한다. 또한, 리액터(L)는 컨버터(410)의 고속 스위칭에 의한 고조파 전류를 제한하는 기능을 수행할 수도 있다.
여기서, 입력 전원(405)은, 배터리(205)로부터의 직류 전원일 수 있다.
입력 전류 검출부(A)는, 입력 전원(405)으로부터 입력되는 입력 전류(is)를 검출할 수 있다. 이를 위하여, 입력 전류 검출부(A)로, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다. 검출되는 입력 전류(is)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
컨버터(410)는, 리액터(L)를 거친 입력 전원(405)의 레벨을 변환하여 출력할 수 있다.
한편, 컨버터(410)는, 스위칭 소자 없이 다이오드 등으로 이루어져, 별도의 스위칭 동작 없이, 레벨 변환 동작을 수행할 수도 있다.
예를 들어, 단상 교류 전원인 경우, 4개의 다이오드가 브릿지 형태로 사용될 수 있으며, 삼상 교류 전원인 경우, 6개의 다이오드가 브릿지 형태로 사용될 수 있다.
한편, 컨버터(410)는, 예를 들어, 2개의 스위칭 소자 및 4개의 다이오드가 연결된 하프 브릿지형의 컨버터가 사용될 수 있으며, 삼상 교류 전원의 경우, 6개의 스위칭 소자 및 6개의 다이오드가 사용될 수도 있다.
컨버터(410)가, 스위칭 소자를 구비하는 경우, 해당 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해, 직류전원 변환을 수행할 수 있다.
평활 커패시터(C)는, 입력되는 전원을 평활하고 이를 저장한다. 도면에서는, 평활 커패시터(C)로 하나의 소자를 예시하나, 복수개가 구비되어, 소자 안정성을 확보할 수도 있다.
한편, 평활 커패시터(C) 양단은, 직류 전원이 저장되므로, 이를 dc 단 또는 dc 링크단이라 명명할 수도 있다.
dc 단 전압 검출부(B)는 평활 커패시터(C)의 양단인 dc 단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc 단 전압 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
인버터(420)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원(Va,Vb,Vc)으로 변환하여, 삼상 동기 모터(250)에 출력할 수 있다.
인버터(420)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&S'a,Sb&S'b,Sc&S'c)로 연결된다. 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)에는 다이오드가 역병렬로 연결된다.
인버터(420) 내의 스위칭 소자들은 인버터 제어부(430)로부터의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여 각 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 하게 된다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 삼상 교류 전원이 삼상 동기 모터(250)에 출력되게 된다.
인버터 제어부(430)는, 센서리스 방식을 기반으로, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 이를 위해, 인버터 제어부(430)는, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(io)를 입력받을 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 인버터(420)에 출력한다. 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(io)을 기초로 생성되어 출력된다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(420)와 삼상 모터(250) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 즉, 모터(250)에 흐르는 전류를 검출한다. 출력전류 검출부(E)는 각 상의 출력 전류(i,ib,ic 또는 iu, iv, iw)를 모두 검출할 수 있으며, 또는 삼상 평형을 이용하여 두 상의 출력 전류를 검출할 수도 있다.
출력전류 검출부(E)는 인버터(420)와 모터(250) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
션트 저항이 사용되는 경우, 3개의 션트 저항이, 인버터(420)와 동기 모터(250) 사이에 위치하거나, 인버터(420)의 3개의 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)에 일단이 각각 접속되는 것이 가능하다. 한편, 삼상 평형을 이용하여, 2개의 션트 저항이 사용되는 것도 가능하다. 한편, 1개의 션트 저항이 사용되는 경우, 상술한 커패시터(C)와 인버터(420) 사이에서 해당 션트 저항이 배치되는 것도 가능하다.
검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 인버터 스위칭 제어신호(Sic)가 생성된다. 이하에서는 검출된 출력전류(io)가 삼상의 출력 전류(ia,ib,ic)인 것으로 병행하여 기술할 수도 있다.
한편, 삼상 모터(250)는, 고정자(stator)와 회전자(rotar)를 구비하며, 각상(a,b,c 상)의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다.
이러한 모터(250)는, 예를 들어, 표면 부착형 영구자석 동기전동기(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM), 및 동기 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor; Synrm) 등을 포함할 수 있다. 이 중 SMPMSM과 IPMSM은 영구자석을 적용한 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)이며, Synrm은 영구자석이 없는 것이 특징이다.
한편, 상술한 삼상의 a,b,c 상은, 이하에서 기술하는 u, v, w 상에 대응할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 모터 구동장치의 내부 블록도이다.
도면을 참조하면, 도 5의 모터 구동장치(200)는, 모터(250)와, 인버터(420)와, 인버터(420)의 제어를 통해 모터(250)의 회전을 제어하는 인버터 제어부(430)와, 모터(250)에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부(104u,104v)와, 모터(250)의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서(105)를 구비할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른, 인버터 제어부(430)는, 출력 전류 검출부(104)에서 검출되는 제1 상 검출 전류(iu)에 기초하여, 제2 상 전류를 추정(ivest)하고, 출력 전류 검출부(104)에서 검출되는 제2 상 검출 전류(iv)와, 추정된 제2 상 추정 전류(ivest)를 비교하여, 출력 전류 검출부(104)의 고장 유무를 판단할 수 있다. 이에 따라, 모터(250)에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부(104)의 고장을 간편하게 검출할 수 있게 된다.
한편, 인버터 제어부(430)는, 전압 지령 생성부(340)와 축변환부(310)를 구비할 수 있다.
모터(250)는, 회전자(미도시)와, u 상, v 상 및 w 상의 전기자 권선을 갖춘 고정자(미도시)를 갖는 삼상 영구 자석 동기 모터일 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 인버터(420)를 제어하며, 직류 전압 펄스 폭 변조를 실시함으로써 얻은, 삼상 교류 전압이 모터(250)에 공급되도록 제어할 수 있다.
인버터(420)에 의해 모터(250)에 공급되는 삼상 교류 전압은, u 상, v 상 및 w 상 전기자 권선에 인가 전압을 나타내는 u 상, v 상 및 w 상 전압으로 구성된다.
u 상, v 상 및 w 상 전압의 합성 전압인 모터(250)로의 전체 인가 전압을, 모터 전압이라 명명할 수 있다.
모터 전압의 인가에 의해, 모터(250)에 공급되는 전류의 u 상 성분, v 상 성분 및 w 상 성분, 즉 u 상, v 상 및 w 상 전기자 권선에 흐르는 전류를 각각, u 상, v 상 및 w 상 전류라 명명할 수 있다.
u 상, v 상 및 w 상 전류의 합성 전류인 모터(250)로 전체 공급 전류를 모터 전류라 명명할 수 있다.
출력 전류 검출부(104)는, u 상, v 상 및 w 상 전류 중 2 상 분의 전류의 전류값을 검출할 수 있다.
도 5에서는, 제1 출력 전류 검출부(104u)에서 u 상 전류(iu)가 검출되고, 제2 출력 전류 검출부(104v)에서 v 상 전류(iv)가 검출되는 것을 예시한다.
한편, u 상 또는 v 상 전류값 대신에 w 상 전류가 검출되어도 상관없다.
한편, 위치 검출 센서(105)는, 모터(250)의 회전자의 자극 위치(θ)를 검출할 수 있다. 즉, 위치 검출 센서(105)는, 모터(250)의 회전자의 위치를 검출할 수 있다.
이를 위해, 위치 검출 센서(105)는, 인코더(encoder)나 리졸버(resolver) 등을 포함할 수 있다.
다음의 설명에서 사용 좌표계와 좌표축에 대해 여기에서 정의한다.
αβ 좌표계는, 고정축인 α와 β 축을 축으로 하는 이차원 고정 좌표계이다. α 및 β 축은 서로 직교하며, β 축은 α 축으로부터 전기각 90˚ 만큼 앞선다. α 축은 u 상 권선에 대응하는 축 (U 축)과 일치하는 축이다.
dq 좌표계는 회전축인 d와 q축 축으로 하는 이차원 회전 좌표계이다. 모터(250)의 영구 자석이 만드는 자속의 회전 속도와 같은 속도로 회전하는 회전 좌표계에서 영구 자석이 만드는 자속의 방향에 따른 축이 d축이며, d축에서 전기각 90˚ 위상이 앞선 축이 q축이다. 자극 위치(θ)는 U 축에서 본 d축 이동 각도이다.
전압 지령 생성부(340)는, 위치 검출 센서(105)에서 검출된 자극 위치(θ)와, 후술하는 축변환부(310)에서 출력되는 정지 좌표게 기반의 2 상 전류 (iα과 iβ)에 기초하여, 모터(250)에 인가해야할 전압 지령치 (vu*, vv*, vw*)을 생성하여 출력한다.
인버터(420)는, 모터(250)에 실제로 적용되는 u 상, v 상 및 w 상 전압의 전압 값이 각각 전압 지령치 (vu*, vv*, vw*)와 일치하도록, 펄스 폭 변조를 이용하여 모터(250)에 삼상 교류 전압을 생성하고, 생성된 삼상 교류 전압을 모터(250)에 인가한다.
한편, 도 5에서는, 위치 검출 센서(105)를 사용하였지만, 위치 검출 센서를 사용하지 않는 소위 위치 센서리스 제어 기술을 이용하는 것도 가능하다.
축변환부(310)는, 출력 전류 검출부(104)에서 검출된 제1 상 검출 전류인, u 상 전류(iu)와, 제2 상 검출 전류인 v 상 전류(iv)에 기초하여, 정지 좌표계 기반의 2 상 전류 (iα과 iβ)를 생성할 수 있다.
즉, 축변환부(310)는, 출력 전류 검출부(104)에서 검출된 제1 상 및 제2 상 검출 전류를 이용하여, 축변환을 수행하고, 축변환된, 정지 좌표계 기반의 2 상 전류 (iα과 iβ)를 생성할 수 있다.
한편, 축변환부(310)는, 제1 상 검출 전류인, u 상 전류(iu)와, 제2 상 검출 전류인, v 상 전류(iv)의, 이상 유무를 판단하고, 이상 유무를 나타내는 에러 신호(E)를 출력할 수 있다. 에러 신호(E)는, 이상시 대응하기 위한 처리에 이용된다.
축변환부(310)에 대한 내부 구성을 나타낸 도 6을 이용하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 6은 도 5의 축변환부의 내부 블록도의 일예이다.
도면을 참조하면, 축변환부(310)는, 전류 추정기(121a), 고장 판정부(122a), 3 상 2 상 변환부(123a)를 구비할 수 있다.
전류 추정기(121a)는, 도면과 같이, 제1 상 검출 전류인, u 상 전류(iu)에 기초하여, 제2 상 전류인 v 상 전류를 추정하고, 추정된 제2 상 전류(ivest)를 연산하여 출력할 수 있다.
특히, 전류 추정기(121a)는, 아래의 수학식 1을 이용하여, 추정된 제2 상 전류(ivest)를 연산하여 출력할 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서, ivest는, 추정된 제2 상 전류를 나타내며, iu는 검출된 제1 상 전류인, u 상 전류를 나타내며, F(s)는, 제2 상인, v 상 전류를 추정하기 위한 필터를 나타낸다.
F(s)는, 하기의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00002
여기서, s는 라플라스 연산자이며, ωn은 삼상 교류 전기각 주파수를 나타낸다. ωn은 모터의 회전수 지령치(ω*)와, 자극 위치(θ)를 미분한 값 등을 사용할 수 있다.
한편, 수학식 2에서는, 1차 필터를 예시하나, 이에 한정되지 않으며, 2차 이상의 고차 필터도 가능하다.
고장 판정부(122a)는, 제2 상인, v 상 추정 전류값(ivest)와, 제2 상인, v 상 검출 전류(iv)를 비교하여, 에러 신호(E)를 출력한다.
고장 판정부(122a)는, v 상 추정 전류값(ivest)와, v 상 검출 전류(iv)의 차이가, 소정치 이하의 경우에는, 정상으로 판정하여, '0'의 값을 가지는 에러 신호(E)를 출력하고, 소정치 초과인 경우에는, 에러로 판정하여, '1'의 값을 가지는 에러 신호를 출력할 수 있다.
이와 같이, 고장 판정부(122a)에서 출력되는, 에러 신호(E)의 레벨에 기초하여, 출력 전류 검출부(104)에서 검출한 검출 전류값 iu 또는 iv에 이상이 있는지 여부를 판정할 수 있다. 즉, 이와 같은, 간편한 방법으로 출력 전류 검출부의 이상 유무를 판정할 수 있다.
한편, 3 상 2 상 변환부(123a)는, 하기의 수학식 3을 이용하여, 제1 상인, u 상 전류(iu)와 제2 상인 v 상 전류(iv)에 기초하여, 정지 좌표계 기반의 2 상 전류 (iα과 iβ)을 생성하여 출력한다.
Figure pat00003
도 7은, u 상 전류(iu)가 제로가 되었을 때의, 제2 상인 v 상 추정 전류값(ivest), 제2 상인 v 상 검출 전류(iv), 및 에러 신호(E)를 도시한 도면이다.
예를 들어, u 상 전류의 출력 전류 검출부(104u)가 단선 등으로 고장인 경우, u 상 전류의 출력 전류 검출부(104u)에서 검출되는 u 상 전류(iu)의 레벨은 제로가 될 수 있다.
이러한 경우, 검출되는 u 상 전류(iu)의 파형(130a), 제2 상인 v 상 추정 전류값(ivest)의 파형(131a), 제2 상인 v 상 검출 전류(iv)의 파형(132a), 제2 상인 v 상 추정 전류(iv)의 파형(133a), 및 에러 신호(E)의 파형(134a)은, 도면과 같이 예시될 수 있다.
도면을 참조하면, 시간축 0.15 지점 부근에서 단선된 이후, 1/4주기 이내에, 에러 신호(E)의 레벨이 0에서 1로 가변하는 것을 알 수 있다.
한편, 도 7은, u 상에 이상이 있는 경우이지만, v 상에 이상이 있는 경우에도 v 상 추정 전류값(ivest)와 v 상 검출 전류(iv) 사이에 편차가 발생하므로, 이를 이용하여, 이상 판단을 수행할 수 있다.
한편, 단선 등의 고장에 한정하지 않고, 출력 전류 검출부(104)의 증폭률 및 배선의 접촉 저항의 변화 등에 의해 신호의 크기가 변화할 때도 이상의 발생을 판정할 수 있다.
한편, 도 8은, u 상 출력 전류 검출부(104v)의 증폭률이 급변했을 때의, v 상 추정 전류값(ivest) 및 v 상 검출 전류(iv) 및 에러 신호(E)를 나타낸다.
이러한 경우, 검출되는 u 상 전류(iu)의 파형(130b), 제2 상인 v 상 추정 전류값(ivest)의 파형(131b), 제2 상인 v 상 검출 전류(iv)의 파형(132b), v 상 추정 전류값(ivest)와 v 상 검출 전류(iv)와의 편차의 실효치의 파형(133b), 및 에러 신호(E)의 파형(1344)은, 도면과 같이 예시될 수 있다.
도면을 참조하면, 시간축 0.15 지점 부근에서 증폭률이 급변된 이 후 1/2주기 이내에, 에러 신호(E)의 레벨이 0에서 1로 가변하는 것을 알 수 있다.
한편, 도 8은 u 상에 이상이 있는 경우이지만, v 상에 이상이 있는 경우에도 v 상 추정 전류값(ivest)와 v 상 검출 전류(iv) 사이에 편차가 발생뿐만 아니라 이상과 판단할 수 있다.
한편, 도 7과 도 8은 주파수가 50Hz 일 때의 결과를 보여주지만, 주파수가 다른 경우, 예를 들어, 저속 회전 및 고속 회전의 경우에도, 마찬가지로 1 / 4 ~ 1 / 2주기 이내에, 에러 검출이 가능하다.
이와 같이, 도 5 내지도 도 8, 및 그에 따른 설명에 의하면, 출력 전류 검출부(104)의 고장으로 인한, 검출 전류값의 이상을 간편한 방법으로 단시간에 검출할 수 있게 된다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 모터 구동장치의 내부 블록도이다.
도면을 참조하면, 도 9의 모터 구동장치(200b)는, 도 5의 모터 구동장치(200)와 유사하나, 위치 검출 센서(105)로부터의 자극 위치(θ)가, 전압 지령 생성부(340b) 외에, 추가로, 축변환부(310b)에 인가되는 것에 그 차이가 있다.
또한, 도 5의 모터 구동장치(200)와 달리, 전압 지령 생성부(340b)가 q축 전류 지령치(iq*)를 축변환부(310b)로 출력하는 것에 그 차이가 있다.
도 9의 모터 구동장치(200b)는, 모터(250)와, 인버터(420)와, 인버터(420)의 제어를 통해 모터(250)의 회전을 제어하는 인버터 제어부(430b)와, 모터(250)에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부(104u,104v)와, 모터(250)의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서(105)를 구비할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른, 인버터 제어부(430b)는, 출력 전류 검출부(104)에서 검출되는 제1 상 검출 전류(iu)에 기초하여, 회전 좌표계인 q축 전류를 추정(iqest)하고, 위치 검출 센서(105)에서 검출된 자극 위치(θ)에 기초하여, q축 전류 지령치(iq*)를 생성하고, q축 전류 지령치(iq*)와, 추정된 q축 추정 전류(iqest)를 비교하여, 출력 전류 검출부(104)의 고장 유무를 판단할 수 있다. 이에 따라, 모터(250)에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부(104)의 고장을 간편하게 검출할 수 있게 된다.
한편, 인버터 제어부(430b)는, 전압 지령 생성부(340b)와 축변환부(310b)를 구비할 수 있다.
전압 지령 생성부(340b)는, 위치 검출 센서(105)에서 검출된 자극 위치(θ)와, 후술하는 축변환부(310b)에 출력되는 정지 좌표계 기반의 2 상 전류 (iα과 iβ)과에 기초하여, 모터(250)에 인가해야할 전압 지령치 (vu*, vv*, vw*) 및 q축 전류 지령치(iq*) 또는 토크 지령치를 생성하여 출력할 수 있다.
축변환부(310b)는, 출력 전류 검출부(104)에서 검출된 제1 상인, u 상 검출전류(iu), 제2 상인 v 상 검출 전류(iv), 전압 지령 생성부(340b)로부터 출력되는 q축 전류 지령치(iq*)에 기초하여, 정지 좌표계 기반의 2 상 전류 (iα과 iβ)을 생성하여 출력한다.
축변환부(310b) 대한 내부 구성을 나타낸 도 10을 이용하여보다 구체적으로 설명한다.
도 10은 도 9의 축변환부의 내부 블록도의 일예이다.
도면을 참조하면, 축변환부(310b)는, 전류 추정기(121b), 고장 판정부(122b), 3 상 2 상 변환부(123b)를 구비할 수 있다.
전류 추정기(121b)는, 도면과 같이, 제1 상 검출 전류인, u 상 전류(iu)에 기초하여, 회전 좌표계인 q축 전류를 추정하고, 추정된 q축 전류(iqest)를 연산하여 출력할 수 있다.
특히, 전류 추정기(121a)는, 아래의 수학식 4 내지 5를 이용하여, q축 추정 전류값(iqest)을 연산할 수 있다.
Figure pat00004
Figure pat00005
수학식 4, 5에서, iqest는, 추정된 q축 전류를 나타내며, iu는 검출된 제1 상 전류인, u 상 전류를 나타내며, F(s)는, iβest는, 추정된 β축 전류를 나타내며, θ는 모터의 자극 위치를 나타내며, Fβ(s)는 β축 전류를 추정하기 위한 필터를 나타낸다.
F(s)는, 하기의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00006
여기서, s는 라플라스 연산자이며, ωn은 삼상 교류 전기각 주파수를 나타낸다.
한편, 수학식 6에서는, 1차 필터를 예시하나, 이에 한정되지 않으며, 2차 이상의 고차 필터도 가능하다.
고장 판정부(122b)는, q축 전류 지령치(iq*)와, q축 추정 전류(iqest)를 비교하여, 에러 신호(E)를 출력한다.
고장 판정부(122b)는, q축 전류 지령치(iq*)와, q축 추정 전류(iqest)의 차이가, 소정치 이하의 경우에는, 정상으로 판정하여, '0'의 값을 가지는 에러 신호(E)를 출력하고, 소정치 초과인 경우에는, 에러로 판정하여, '1'의 값을 가지는 에러 신호를 출력할 수 있다.
이와 같이, 고장 판정부(122b)에서 출력되는, 에러 신호(E)의 레벨에 기초하여, 출력 전류 검출부(104)에서 검출한 검출 전류값 iu 또는 iv에 이상이 있는지 여부를 판정할 수 있다. 즉, 이와 같은, 간편한 방법으로 출력 전류 검출부의 이상 유무를 판정할 수 있다.
한편, 3 상 2 상 변환부(123b)는, 하기의 수학식 7을 이용하여, 제1 상인, u 상의 추정전류(iuest)와 제2 상인 v 상 전류(iv)에 기초하여, 정지 좌표계 기반의 2 상 전류 (iα과 iβ)을 생성하여 출력한다.
Figure pat00007
한편, u 상의 추정전류(iuest)는, 하기의 수학식 8을 이용하여, v 상 검출 전류(iv)에 기초하여, 추정된다.
Figure pat00008
즉, 3 상 2 상 변환부(123a)는, 하기의 수학식 7, 8을 이용하여, 2 상인 v 상 전류(iv)에 기초하여, 정지 좌표계 기반의 2 상 전류 (iα과 iβ)을 생성하여 출력할 수 있다.
한편, 상술한 바에 따르면, 정지 좌표계의 α축 전류와 β축 전류 중 β 축 전류를 추정(iβest)했지만, v 상 추정 전류(ivest)을 추정 전류로 사용하여 q축 추정 전류값(iqest)을 연산하는 것도 가능하다. 즉, 수학식 9와 같이 연산하는 것도 가능하다.
Figure pat00009
한편, 본 실시예에서는 전압 지령 생성부(340b)의 출력을 q축 전류 지령치 iq*로 했지만, iq* 대신 토크 지령치(T*)를 출력하여, 고장 판정부(122b)가, 토크 지령치(T*)에 기반하여, 고장 판단을 수행하는 것도 가능하다.
이러한 경우에는, q축 전류 추정기(121b)에서 q축 추정 전류(iqest) 대신에, 추정 토크(Test)가 출력되면 된다.
예를 들어, 수학식 4 내지 6과, 수학식 10, 11을 이용하여 추정 토크(Test)를 추정할 수 있다.
Figure pat00010
Figure pat00011
한편, 본 실시예에서는 u 상 전류(iu)의 이상을 판정하는 예를 나타냈지만, 마찬가지로 v 상 전류(iv)의 이상을 판정하는 것도 가능하다. 또한, w 상에 적용하는 것도 가능하다.
한편, 고장 판정부(122b)의 출력은, 정지 좌표계 기반의 αβ 축 2 상 전류에 한정되지 않는다.
본 실시예에서는 축변환부(310b)의 출력을, 정지 좌표계 기반의 αβ 축 2 상 전류(iα과 iβ)로 했지만, 최전 좌표계 기반의 dq축 2 상 전류(id와 iq)도 가능하다.
한편, αβ 좌표에서 dq 좌표로의 좌표 변환은 하기의 수학식 12를 이용하면 된다.
Figure pat00012
도 11은, u 상 전류(iu)가 제로가 되었을 때의, 제1 상인 u 상 전류(iu), u 상 추정 전류값(iuest), v 상 검출 전류(iv), q축 전류 지령치(iq*), q축 추정 전류값(iqest), 및 에러 신호(E)를 도시한 도면이다.
예를 들어, u 상 전류의 출력 전류 검출부(104u)가 단선 등으로 고장인 경우, u 상 전류의 출력 전류 검출부(104u)에서 검출되는 u 상 전류(iu)의 레벨은 제로가 될 수 있다.
이러한 경우, 검출되는 u 상 전류(iu)의 파형(1140), u 상 추정 전류값(iuest)의 파형(1141), v 상 검출 전류(iv)의 파형(1142), q축 전류 지령치(iq*)의 파형(1143), q축 추정 전류값(iqest)의 파형(1144), 및 에러 신호(E)의 파형(1145)은, 도면과 같이 예시될 수 있다.
도면을 참조하면, 시간축 0.15 지점 부근에서 단선된 이후, 1/4주기 이내에, 에러 신호(E)의 레벨이 0에서 1로 가변하는 것을 알 수 있다.
한편, u 상 추정 전류값(iuest)은, 단선 후에도 양호한 전류값을 추정할 수 있으며, 모터의 제어에 이용 가능하다는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의해, 출력 전류 검출부의 고장시, 검출 전류값의 이상을 간편한 방법으로 단시간에 검출할 수 있게 됨과 동시에 이상이라고 판단 한 후, 추정 전류(iuest)를 이용하여 모터의 구동을 계속할 수 있다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 모터 구동장치의 내부 블록도이다.
도면을 참조하면, 도 12의 모터 구동장치(200c)는, 도 5의 모터 구동장치(200)와 유사하나, 도 5의 모터 구동장치(200)와 달리, 전압 지령 생성부(340b)가 인버터 출력 전력(Pout)를 축변환부(310b)로 출력하는 것에 그 차이가 있다.
도 12의 모터 구동장치(200c)는, 모터(250)와, 인버터(420)와, 인버터(420)의 제어를 통해 모터(250)의 회전을 제어하는 인버터 제어부(430c)와, 모터(250)에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부(104u,104v)와, 모터(250)의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서(105)를 구비할 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에 따른, 인버터 제어부(430c)는, 출력 전류 검출부(104)에서 검출되는 제1 상 검출 전류(iu), 및 제2 상 검출 전류(iv)에 기초하여, 인버터의 출력 전력(Pout), 및 추정 전력(Pu)을 연산하고, 인버터의 출력 전력(Pout)과, 추정 전력(Pu)을 비교하여, 출력 전류 검출부(104)의 고장 유무를 판단할 수 있다. 이에 따라, 모터(250)에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부(104)의 고장을 간편하게 검출할 수 있게 된다.
한편, 인버터 제어부(430c)는, 전압 지령 생성부(340c)와 축변환부(310c)를 구비할 수 있다.
전압 지령 생성부(340c)는, 위치 검출 센서(105)에서 검출된 자극 위치(θ)와, 후술하는 축변환부(310b)에 출력되는 정지 좌표계 기반의 2 상 전류 (iα과 iβ)과에 기초하여, 모터(250)에 인가해야할 전압 지령치 (vu*, vv*, vw*)와, 인버터 출력 전력(Pout)을 생성하여 출력할 수 있다.
전압 지령치 (vu*,vv*,vw*)와 인버터 출력 전력(Pout)의 값은, 이전 제어주기에서, 전압 지령 생성부(340b)에서 연산 한 값을 사용하면 된다.
축변환부(310c)는, 출력 전류 검출부(104)에서 검출된 제1 상인, u 상 검출전류(iu), 제2 상인 v 상 검출 전류(iv), 전압 지령 생성부(340c)로부터 출력되는 인버터 출력 전력(Pout)에 기초하여, 정지 좌표계 기반의 2 상 전류 (iα과 iβ)을 생성하여 출력한다.
한편, 도면에서는, 축변환부(310c)에, 3상의 전압 지령치(vu*,vv*,vw*)가 입력되는 것을 도시하나, 이와 달리, 2상의 전압 지령치(vu*, vv*)가 입력되고, 다른 한 상의 전압 지령치는, 연산되는 것도 가능하다.
축변환부(310c)에 대한 내부 구성을 나타낸 도 13를 이용하여보다 구체적으로 설명한다.
도 13은 도 10의 축변환부의 내부 블록도의 일예이다.
도면을 참조하면, 축변환부(310c)는, 전류 추정기(121a), 고장 판정부(122c), 3 상 2 상 변환부(123c)를 구비할 수 있다.
전류 추정기(121a)는 도 5의 전류 추정기(121a)와 동일하게, 수학식 1을 이용하여 v 상 추정 전류값(ivest)을 연산할 수 있다.
즉, 전류 추정기(121a)는, 출력 전류 검출부(104)에서 검출되는 제1 상 검출 전류에 기초하여, 제2 상 추정 전류를 추정할 수 있다.
다음, 고장 판정부(122c)는, 제1 상 검출 전류(iu)와 제2 상 추정 전류(ivest)에 기초하여, 추정 전력(Pu)을 연산하고, 인버터의 출력 전력(Pout)과 추정 전력(Pu)을 비교하여, 에러 신호(E)를 출력할 수 있다.
특히, 고장 판정부(122c)는, 하기의 수학식 13을 이용하여, 추정 전력(Pu)를 연산하고, 인버터 출력 전력(Pout)과 추정 전력(Pu)을 비교하여 에러 신호(E)를 출력한다.
Figure pat00013
고장 판정부(122c)는, 인버터 출력 전력(Pout)과 추정 전력(Pu)의 차이가, 소정치 이하의 경우에는, 정상으로 판정하여, '0'의 값을 가지는 에러 신호(E)를 출력하고, 소정치 초과인 경우에는, 에러로 판정하여, '1'의 값을 가지는 에러 신호를 출력할 수 있다.
한편, 인버터 출력 전력(Pout)은, 하기의 수학식 14, 및 15 등의 방법으로 연산될 수 있다.
Figure pat00014
Figure pat00015
여기서 id*, iq* , vd*, vq*는 d축 전류 지령치 q축 전류 지령치, d축 전압 지령치 q축 전압 지령치를 나타내며, ωm* 는 모터의 기계 각속도 지령치를 나타내며, T* 토크 지령치를 나타낸다.
한편, 수학식 15를 사용하는 경우, 모터 손실을 고려하여, 수학식 15에, 모터 손실 항목을 추가하여, 인버터 출력 전력(Pout)을 계산하여도 좋다.
한편, 모터 손실이 비교적 작은 경우에는 모터 손실을 무시해도 좋다.
한편, 수학식 15에서, 지령치 값 대신 검출 값과 추정치를 이용하는 것도 가능하다.
3 상 2 상 변환부(123c)는, 에러 신호(E)가 0의 경우, 수학식 3을 이용하여, u 상 전류(iu)와 v 상 전류(iv)에 기초하여, 정지 좌표계 기반의 2 상 전류 (iα과 iβ)를 생성하여 출력한다.
한편, 3 상 2 상 변환부(123c)는, 에러 신호(E)가 1의 경우, u 상 전류(iu)가 이상하다고 판정하고, 하기의 수학식 16, 및 17을 이용하여, 정지 좌표계 기반의 2 상 전류 (iα과 iβ)을 생성하여 출력한다.
Figure pat00016
Figure pat00017
즉, 3 상 2 상 변환부(123c)는, 출력 전류 검출부(104)에서 검출되는 제1 상의 추정 전류(iuest), 및 제2 상 검출 전류(iv)에 기초하여, 정지 좌표계 기반의 2상 전류(iα과 iβ)를 생성하여 출력할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 전압 지령 생성부(340c)의 출력을 인버터 출력 전력(Pout)으로 했지만, 인버터 출력 전력(Pout) 대신에, 인버터 입력 전력(Pin)을 출력하여, 고장 판정부(122c)에서 사용하여도 좋다.
이러한 경우에는, 하기의 수학식 18을 이용하여 인버터 입력 전력(Pin)을 연산할 수 있다.
Figure pat00018
여기서, Vdc, Idc 는, 인버터의 DC 전압 및 DC 전류의 검출 값이다. 또는 dc단 커패시터 양단의 dc 전압, 및 dc 전류의 검출값일 수 있다.
한편, 고장 판정부(122c)는, 인버터 손실은 비교적 작기 때문에, 인버터 입력 전력(Pin) 및 추정 전력(Pu)을 비교하여, u 상 전류(iu) 이상을 판정할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 u 상 전류(iu) 이상을 판정하는 예를 나타냈지만, 마찬가지로 v 상 전류(iv)의 이상을 판정하는 것도 가능하다. 모두 결합도 가능하다. 또한, 당연히 w 상에 적용하는 것도 가능하다.
한편, 고장 판정부(122c)의 출력은, 정지 좌표계 기반의 αβ 축 2 상 전류에 한정되지 않는다.
본 실시예에서는 고장 판정부(122c)의 출력을 αβ 축 2 상 전류 (iα과 iβ)했지만, 고장 판정부(122c)에 자극 위치(θ)가 입력되어, 회전 좌표계 기반의 dq축 2 상 전류 (id와 iq)를 출력해도 좋다. αβ 좌표에서 dq 좌표로의 좌표 변환은, 수학식 12를 이용하면 된다.
도 14는, u 상 전류(iu)가 제로가 되었을 때의, 제1 상인 u 상 전류(iu), u 상 추정 전류값(iuest), v 상 검출 전류(iv), 인버터 출력 전력(Pout), 추정 전력(Pu), 및 에러 신호(E)를 도시한 도면이다.
예를 들어, u 상 전류의 출력 전류 검출부(104u)가 단선 등으로 고장인 경우, u 상 전류의 출력 전류 검출부(104u)에서 검출되는 u 상 전류(iu)의 레벨은 제로가 될 수 있다.
이러한 경우, 검출되는 u 상 전류(iu)의 파형(1150), u 상 추정 전류값(iuest)의 파형(1151), v 상 검출 전류(iv)의 파형(1152), 인버터 출력 전력(Pout)의 파형(1153), 추정 전력(Pu)의 파형(1154), 및 에러 신호(E)의 파형(1155)은, 도면과 같이 예시될 수 있다.
도면을 참조하면, 시간축 0.15 지점 부근에서 단선된 이후, 1/4주기 이내에, 에러 신호(E)의 레벨이 0에서 1로 가변하는 것을 알 수 있다.
한편, u 상 추정 전류값(iuest)은, 단선 후에도 양호한 전류값을 추정할 수 있으며, 모터의 제어에 이용 가능하다는 것을 알 수 있다.
u 상 추정 전류값(iuest)는 단선 후에도 양호한 전류값을 추정할 수 있으며, 모터의 제어에 이용 가능하다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량은, 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량의 동작방법은, 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량에 구비된 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 프로세서에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (16)

  1. 모터;
    복수의 스위칭 소자를 구비하고, 상기 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터;
    상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부;
    상기 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부;
    상기 모터의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서;를 포함하고,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 출력 전류 검출부에서 검출되는 제1 상 검출 전류에 기초하여, 제2 상 전류를 추정하고, 상기 출력 전류 검출부에서 검출되는 제2 상 검출 전류와, 상기 추정된 제2 상 추정 전류를 비교하여, 상기 출력 전류 검출부의 고장 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 위치 검출 센서에서 검출된 자극 위치에 기초하여, 상기 모터에 인가할 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부; 및
    상기 출력 전류 검출부에서 검출된 검출 전류를 이용하여, 축변환을 수행하고, 축변환된, 정지 좌표계 기반의 2상 전류를 생성하는 축변환부;를 포함하며,
    상기 축변환부는,
    상기 출력 전류 검출부에서 검출되는 상기 제1 상 검출 전류에 기초하여, 제2 상 전류를 추정하고, 상기 출력 전류 검출부에서 검출되는 상기 제2 상 검출 전류와, 상기 추정된 제2 상 추정 전류를 비교하여, 상기 출력 전류 검출부의 고장 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전압 지령 생성부는,
    상기 위치 검출 센서에서 검출된 자극 위치, 및 상기 축변환부에서 출력되는 정지 좌표게 기반의 상기 2상 전류에 기초하여, 상기 모터에 인가할 전압 지령치를 생성하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전압 지령 생성부는,
    상기 출력 전류 검출부에서 검출되는 상기 제1 상 검출 전류에 기초하여, 제2 상 전류를 추정하는 전류 추정기;
    상기 출력 전류 검출부에서 검출되는 상기 제2 상 검출 전류와, 상기 추정된 제2 상 추정 전류를 비교하여, 에러 신호를 출력하는 고장 판정부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전압 지령 생성부는,
    상기 출력 전류 검출부에서 검출되는 상기 제1 상 검출 전류, 및 상기 제2 상 검출 전류에 기초하여, 상기 정지 좌표계 기반의 상기 2상 전류를 생성하여 출력하는 3 상 2 상 변환부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  6. 모터;
    복수의 스위칭 소자를 구비하고, 상기 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터;
    상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부;
    상기 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부;
    상기 모터의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서;를 포함하고,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 출력 전류 검출부에서 검출되는 제1 상 검출 전류에 기초하여, 회전 좌표계인 q축 전류를 추정하고, 상기 위치 검출 센서에서 검출된 자극 위치에 기초하여, q축 전류 지령치를 생성하고, 상기 q축 전류 지령치와, 상기 추정된 q축 추정 전류를 비교하여, 상기 출력 전류 검출부의 고장 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 위치 검출 센서에서 검출된 자극 위치에 기초하여, 상기 모터에 인가할 전압 지령치, 및 상기 q축 전류 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부; 및
    상기 출력 전류 검출부에서 검출된 검출 전류, 및 상기 q축 전류 지령치를 이용하여, 축변환을 수행하고, 축변환된, 정지 좌표계 기반의 2상 전류를 생성하는 축변환부;를 포함하며,
    상기 축변환부는,
    상기 출력 전류 검출부에서 검출되는 상기 제1 상 검출 전류에 기초하여, 회전 좌표계인 q축 전류를 추정하고, 상기 위치 검출 센서에서 검출된 자극 위치에 기초하여, 상기 q축 전류 지령치를 생성하고, 상기 q축 전류 지령치와, 상기 추정된 상기 q축 추정 전류를 비교하여, 상기 출력 전류 검출부의 고장 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전압 지령 생성부는,
    상기 출력 전류 검출부에서 검출되는 상기 제1 상 검출 전류에 기초하여, 회전 좌표계인 상기 q축 추정 전류를 추정하는 전류 추정기;
    상기 q축 전류 지령치와, 상기 추정된 상기 q축 추정 전류를 비교하여, 에러 신호를 출력하는 고장 판정부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전압 지령 생성부는,
    상기 출력 전류 검출부에서 검출되는 상기 제1 상의 추정 전류, 및 제2 상 검출 전류에 기초하여, 상기 정지 좌표계 기반의 상기 2상 전류를 생성하여 출력하는 3 상 2 상 변환부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 고장 판단시, 추정되는 상기 제1 상의 추정 전류의 기초하여, 상기 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  11. 모터;
    복수의 스위칭 소자를 구비하고, 상기 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터;
    상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부;
    상기 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부;
    상기 모터의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서;를 포함하고,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 출력 전류 검출부에서 검출되는 제1 상 검출 전류, 및 제2 상 검출 전류에 기초하여, 인버터의 출력 전력, 및 추정 전력을 연산하고, 상기 인버터의 출력 전력과, 상기 추정 전력을 비교하여, 상기 출력 전류 검출부의 고장 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 위치 검출 센서에서 검출된 자극 위치에 기초하여, 상기 모터에 인가할 전압 지령치, 및 상기 인버터의 출력 전력을 생성하는 전압 지령 생성부; 및
    상기 출력 전류 검출부에서 검출된 검출 전류, 및 상기 인버터의 출력 전력에 기초하여, 축변환을 수행하고, 축변환된, 정지 좌표계 기반의 2상 전류를 생성하는 축변환부;를 포함하며,
    상기 축변환부는,
    상기 출력 전류 검출부에서 검출되는 상기 제1 상 검출 전류, 및 상기 제2 상 검출 전류에 기초하여, 상기 인버터의 출력 전력, 및 상기 추정 전력을 연산하고, 상기 인버터의 출력 전력과, 상기 추정 전력을 비교하여, 상기 출력 전류 검출부의 고장 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전압 지령 생성부는,
    상기 출력 전류 검출부에서 검출되는 상기 제1 상 검출 전류에 기초하여, 상기 제2 상 추정 전류를 추정하는 전류 추정기;
    상기 제1 상 검출 전류와 상기 제2 상 추정 전류에 기초하여, 상기 추정 전력을 연산하고, 상기 인버터의 출력 전력과 상기 추정 전력을 비교하여, 에러 신호를 출력하는 고장 판정부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전압 지령 생성부는,
    상기 출력 전류 검출부에서 검출되는 상기 제1 상의 추정 전류, 및 상기 제2 상 검출 전류에 기초하여, 상기 정지 좌표계 기반의 상기 2상 전류를 생성하여 출력하는 3 상 2 상 변환부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 고장 판단시, 추정되는 상기 제1 상의 추정 전류의 기초하여, 상기 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 모터 구동장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 차량.
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