KR20180090567A - 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, 모터의 회전자의 위치를 감지하는 위치 감지부를 포함하고, 인버터 제어부는, 위치 감지부로부터의 위치 신호에 기초하여, 모터의 속도를 모니터링하고, 모터의 속도 변화 범위가 소정 범위 이내인 경우, 인버터의 스위칭 주파수를 고정하고, 모터의 속도 변화 범위가 소정 범위를 벗어난 경우, 인버터의 스위칭 주파수를 가변한다. 이에 기초하여, 모터의 속도 변화에 따라, 인버터를 효율적으로 구동할 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, 모터의 속도 변화에 따라, 인버터를 효율적으로 구동할 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, 전기 차량 또는 하이브리드 차량에서는 모터 속도 변화가 심하며, 이에 따라, 모터 구동을 안정적으로 수행하는 것이 중요하게 된다.
본 발명의 목적은, 모터의 속도 변화에 따라, 인버터를 효율적으로 구동할 수 있는 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 모터의 속도에 따라, 펄스폭 변조 방식을 가변하여, 소음을 저감할 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, 모터의 회전자의 위치를 감지하는 위치 감지부를 포함하고, 인버터 제어부는, 위치 감지부로부터의 위치 신호에 기초하여, 모터의 속도를 모니터링하고, 모터의 속도 변화 범위가 소정 범위 이내인 경우, 인버터의 스위칭 주파수를 고정하고, 모터의 속도 변화 범위가 소정 범위를 벗어난 경우, 인버터의 스위칭 주파수를 가변한다.
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, 모터의 회전자의 위치를 감지하는 위치 감지부를 포함하고, 인버터 제어부는, 위치 감지부로부터의 위치 신호에 기초하여, 모터의 속도를 모니터링하고, 모터의 속도 변화 범위가 소정 범위 이내인 경우, 인버터의 스위칭 주파수를 고정하고, 모터의 속도 변화 범위가 소정 범위를 벗어난 경우, 인버터의 스위칭 주파수를 가변함으로써, 모터의 속도 변화에 따라, 인버터를 효율적으로 구동할 수 있게 된다.
특히, 모터의 속도 변화 범위가 소정 범위를 벗어난 상태에서, 모터의 속도가 증가하는 경우, 인버터의 스위칭 주파수가 커지도록 제어함으로써, 전력 소비를 저감하면서, 인버터를 효율적으로 구동할 수 있게 된다.
한편, 모터의 속도 변화 범위가 소정 범위 이내인 경우, 인버터의 스위칭 주파수를 고정함으로써, 과도한 인버터의 스위칭 주파수 가변을 방지할 수 있게 된다.
한편, 모터의 속도가 제1 속도 이하인 경우, 3상 펄스폭 변조 방식으로 구동하도록 제어하고, 모터의 속도가 제1 속도 초과인 경우, 2상 펄스폭 변조 방식으로 구동하도록 제어함으로써, 고속에서 모터의 회전에 따른 소음을 저감할 수 있게 된다.
한편, 모터의 속도 변화 범위가, 소정 범위를 벗어난 경우, 모터의 속도를 제1 주기 보다 작은 제2 주기 마다 모니터링하며, 인버터의 스위칭 주파수를 가변함으로써, 모터 속도 가변에 신속하게, 인버터의 스위칭 주파수를 가변할 수 있게 된다.
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 도 4의 인버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도 6a는 도 4의 인버터 제어부의 내부 블록도의 다른 예이다.
도 6b는 도 6a의 PWM 선택부에 따른 펄스폭 변조 방식을 예시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치의 동작 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도 9 내지 도 13b는 도 8의 동작 방법 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 제어부(170)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 감지부(231)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 도 4의 인버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도면을 참조하면, 인버터 제어부(430)는, 축변환부(310), 위치 속도 연산부(320), 전류 지령 생성부(330), 전압 지령 생성부(340), 축변환부(350), 및 스위칭 제어신호 출력부(360)를 포함할 수 있다.
축변환부(310)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 출력 전류(ia,ib,ic)를, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)로 변환할 수 있다.
한편, 축변환부(310)는, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)를 회전좌표계의 2상 전류(id,iq)로 변환할 수 있다.
위치 속도 연산부(320)는, 출력전류 검출부(E)에서 검출된 출력 전류(ia,ib,ic), 및 위치 감지부(231)에서 감지된 위치 신호(H)에 기초하여, 위치(
Figure pat00001
)를 추정하고, 추정된 위치를 미분하여, 속도(
Figure pat00002
)를 연산할 수 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 연산 속도(
Figure pat00003
)와 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, 전류 지령치(i* q)를 생성한다. 예를 들어, 전류 지령 생성부(330)는, 연산 속도(
Figure pat00004
)와 속도 지령치(ω* r)의 차이에 기초하여, PI 제어기(335)에서 PI 제어를 수행하며, 전류 지령치(i* q)를 생성할 수 있다. 도면에서는, 전류 지령치로, q축 전류 지령치(i* q)를 예시하나, 도면과 달리, d축 전류 지령치(i* d)를 함께 생성하는 것도 가능하다. 한편, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 전류 지령치(i* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
다음, 전압 지령 생성부(340)는, 축변환부에서 2상 회전 좌표계로 축변환된 d축, q축 전류(id,iq)와, 전류 지령 생성부(330) 등에서의 전류 지령치(i* d,i* q)에 기초하여, d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성한다. 예를 들어, 전압 지령 생성부(340)는, q축 전류(iq)와, q축 전류 지령치(i* q)의 차이에 기초하여, PI 제어기(344)에서 PI 제어를 수행하며, q축 전압 지령치(v* q)를 생성할 수 있다. 또한, 전압 지령 생성부(340)는, d축 전류(id)와, d축 전류 지령치(i* d)의 차이에 기초하여, PI 제어기(348)에서 PI 제어를 수행하며, d축 전압 지령치(v* d)를 생성할 수 있다. 한편, 전압 지령 생성부(340)는, d 축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
한편, 생성된 d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)는, 축변환부(350)에 입력된다.
축변환부(350)는, 위치 속도 연산부(320)에서 연산된 위치(
Figure pat00005
)와, d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)를 입력받아, 축변환을 수행한다.
먼저, 축변환부(350)는, 2상 회전 좌표계에서 2상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이때, 위치 속도 연산부(320)에서 연산된 위치(
Figure pat00006
)가 사용될 수 있다.
그리고, 축변환부(350)는, 2상 정지 좌표계에서 3상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이러한 변환을 통해, 축변환부(1050)는, 3상 출력 전압 지령치(v*a,v*b,v*c)를 출력하게 된다.
스위칭 제어 신호 출력부(360)는, 3상 출력 전압 지령치(v*a,v*b,v*c)에 기초하여 펄스폭 변조(PWM) 방식에 따른 인버터용 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 출력한다.
출력되는 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)는, 게이트 구동부(미도시)에서 게이트 구동 신호로 변환되어, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자의 게이트에 입력될 수 있다. 이에 의해, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자들(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)이 스위칭 동작을 하게 된다.
도 6a는 도 4의 인버터 제어부의 내부 블록도의 다른 예이다.
도면을 참조하면, 도 6a의 인버터 제어부(430x)는, 도 5의 인버터 제어부 내부와 유사하나, PWM 선택부(345x)가 더 구비되는 것에 그 차이가 있다.
즉, 도 6a의 인버터 제어부(430x)는, 축변환부(310x), 위치 속도 연산부(320x), 전류 지령 생성부(330x), 전압 지령 생성부(340x), PWM 선택부(345x), 축변환부(350x), 및 스위칭 제어신호 출력부(360x)를 포함할 수 있다.
PWM 선택부(345x)는, 정현파 변조 방식 또는 연속 전압 변조 방식의 SVPWM인, 3상 펄스폭 변조 방식과, 불연속 전압 변조 방식의 DPWM인 2상 펄스폭 변조 방식 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
특히, PWM 선택부(345x)는, 모터(250)에 흐르는 실제 상 전류와 상 전압 지령과의 위상을 참조하여, 정현파 변조 방식의 3상 펄스폭 변조 방식과, 불연속 전압 변조 방식의 2상 펄스폭 변조 방식 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
이에 따라, 스위칭 제어신호 출력부(360x)는, 3상 펄스폭 변조 방식의 스위칭 제어 신호(Sicx) 또는 불연속 전압 변조 방식의 2상 펄스폭 변조 방식의 스위칭 제어 신호(Sicx)를 출력할 수 있다.
도 6b는 도 6a의 PWM 선택부에 따른 펄스폭 변조 방식을 예시한다.
먼저, 도 6b의 (a)는, SPWM 방식에 의해 모터(250)에 인가되는 극전압(pole voltage) 파형을 나타내며, 도 6b의 (b)는, SVPWM 방식에 의해 모터(250)에 인가되는 극전압(pole voltage) 파형을 나타내며, 도 6b의 (c)는, 60도 기반의 DPWM 방식에 의해 모터(250)에 인가되는 극전압(pole voltage) 파형을 나타내며, 도 6b의 (d)는, 60도(+30도) 기반의 DPWM 방식에 의해 모터(250)에 인가되는 극전압(pole voltage) 파형을 나타내며, 도 6b의 (e)는, 60도(-30도) 기반의 DPWM 방식에 의해 모터(250)에 인가되는 극전압(pole voltage) 파형을 나타내며, 도 6b의 (f)는, 30도 기반의 DPWM 방식에 의해 모터(250)에 인가되는 극전압(pole voltage) 파형을 나타내며, 도 6b의 (g)는, 120도 max 기반의 DPWM 방식에 의해 모터(250)에 인가되는 극전압(pole voltage) 파형을 나타내며, 도 6b의 (h)는, 120도 min 기반의 DPWM 방식에 의해 모터(250)에 인가되는 극전압(pole voltage) 파형을 나타낸다.
이러한 방식에 의하면, PWM 변조 방식을, 다르게 하므로, 인버터(420)에서의 손실을 저감할 수 있는 장점이 있다. 다만, 모터 속도의 변화가 심한 차량용 모터 구동장치에서, 인버터가 효율적으로 구동되지 못하는 단점이 있다.
이에 따라, 본 발명에서는, 모터의 속도 변화에 따라, 인버터를 효율적으로 구동하는 방안을 제시한다. 이에 대해서는, 도 7 이하를 참조하여 기술한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도면을 참조하면, 도 7의 인버터 제어부(430)는, 도 5의 인버터 제어부 내부와 유사하나, PWM 선택부(345), 모드 선택부(347), 스위칭 주파수 변경부(349), 축변환부(350b)가 더 구비되는 것에 그 차이가 있다.
즉, 도 7의 인버터 제어부(430)는, 축변환부(310), 위치 속도 연산부(320), 전류 지령 생성부(330), 전압 지령 생성부(340), PWM 선택부(345), 축변환부(350), 및 스위칭 제어신호 출력부(360)를 포함할 수 있다.
PWM 선택부(345)는, 정현파 변조 방식 또는 연속 전압 변조 방식의 SVPWM인, 3상 펄스폭 변조 방식과, 불연속 전압 변조 방식의 DPWM인 2상 펄스폭 변조 방식 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
특히, PWM 선택부(345)는, 모터(250)의 속도에 따라, 정현파 변조 방식의 3상 펄스폭 변조 방식과, 불연속 전압 변조 방식의 2상 펄스폭 변조 방식 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
보다 구체적으로, PWM 선택부(345)는, 모터(250)의 속도가 제1 속도 이하인 경우, 3상 펄스폭 변조 방식으로 구동하도록 선택하고, 모터(250)의 속도가 제1 속도 초과인 경우, 2상 펄스폭 변조 방식으로 구동하도록 선택할 수 있다.
다음, 모드 선택부(347)는, 모터(250)의 속도 변화 범위에 기초하여, 인버터(420)의 스위칭 주파수 가변 모드를 선택할 수 있다.
예를 들어, 모드 선택부(347)는, 모터(250)의 속도 변화 범위(Δv)가 소정 범위(Δvth) 이내인 경우, 인버터(420)의 스위칭 주파수를 고정하고, 모터(250)의 속도 변화 범위(Δv)가 소정 범위(Δvth)를 벗어난 경우, 인버터(420)의 스위칭 주파수를 가변하도록 제어할 수 있다.
스위칭 주파수 변경부(349)는, 모드 선택부(347)에서 인버터(420)의 스위칭 주파수를 가변하는 것으로 선택되는 경우, 인버터(420)의 스위칭 주파수를 가변할 수 있다.
특히, 스위칭 주파수 변경부(349)는, 모터(250)의 속도가 증가하는 경우, 인버터(420)의 스위칭 주파수가 커지도록 제어할 수 있다.
이와 같이, 스위칭 주파수 가변되는 경우, 축변환부(350b)에 의해, 전압 지령치가 축변환되고, 스위칭 제어 신호 출력부(360)를 통해, 인버터 스위칭 제어 신호(Sicx)가 출력되게 된다.
한편, 모터(250)의 속도 변화 범위(Δv)가 소정 범위(Δvth) 이내인 경우, 스위칭 주파수가 변경되지 않으면서, 축변환부(350)에 의해, 전압 지령치가 축변환되고, 스위칭 제어 신호 출력부(360)를 통해, 인버터 스위칭 제어 신호(Sicx)가 출력되게 된다.
이와 같이, 모터(250)의 속도 변화 범위(Δv)가 소정 범위(Δvth)를 벗어난 경우에, 인버터(420)의 스위칭 주파수를 가변함으로써, 인버터(420)를 효율적으로 구동할 수 있게 된다.
또한, 모터(250)의 속도 변화 범위(Δv)가 소정 범위(Δvth)를 벗어난 경우에만, 인버터(420)의 스위칭 주파수를 가변함으로써, 잦은 스위칭 주파수 변경이 수행되지 않아도 되므로, 인버터(420)를 안정적으로 구동할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치의 동작 방법을 나타내는 순서도이고, 도 9 내지 도 13b는 도 8의 동작 방법 설명에 참조되는 도면이다.
먼저, 도 8을 참조하면, 인버터 제어부(430)는, 모터 속도를 제1 주기 마다 모니터링한다(S810).
위치 감지부(231)는, 모터(250)의 회전자의 위치를 감지하며, 인버터 제어부(430)는, 위치 감지부(231)로부터의 위치 신호(H)에 기초하여, 모터 속도를 모니터링할 수 있다.
특히, 인버터 제어부(430)는, 제어 주기, 또는 인버터 스위칭 주기 마다, 모터 속도를 모니터링할 수 있다.
다음, 인버터 제어부(430)는, 모터 속도가 제1 속도(v1) 이하인 지 여부를 판단하고(S820), 해당하는 경우, 도 7의 PWM 선택부(345)를 통해, 펄스폭 변조 방식을 선택할 수 있다.
즉, 인버터 제어부(430), 특히 PWM 선택부(345)는, 모터 속도가 제1 속도(v1) 이하인 경우, 3상 펄스폭 변조 방식으로 모터를 구동하도록 제어하고(S830), 모터 속도가 제1 속도(v1)를 초과하는 경우, 2상 펄스폭 변조 방식으로 모터를 구동하도록 제어한다(S832).
도 10b는, 모터 속도가 제1 속도(v1) 이하인 경우, 3상 펄스폭 변조 방식에 의해 모터가 구동됨에 따른, 전압 지령치(v*ay,v*by,v*cy)를 예시한다.
한편, 도 11b, 도 12b, 도 13b는, 모터 속도가 제1 속도(v1) 초과인 경우, 2상 펄스폭 변조 방식에 의해 모터가 구동됨에 따른, 전압 지령치(v*aa,v*ab,v*ac,v*ad,v*ae,v*af)를 예시한다.
특히, 도 11b, 도 12b, 도 13b의 각각 (a)는, 120도 max 기반의 DPWM 방식에 따른 전압 지령치(v*aa)를 나타내며, (b)는, 120도 min 기반의 DPWM 방식에 따른 전압 지령치(v*ab)를 나타내며, (c)는, 30도 기반의 DPWM 방식에 따른 전압 지령치(v*ac)를 나타내며, (d)는, 30도 기반의 DPWM 방식에 따른 전압 지령치(v*ad)를 나타내며, (e)는, 60도(-30도) 기반의 DPWM 방식에 따른 전압 지령치(v*ae)를 나타내며, (f)는, 60도(+30도) 기반의 DPWM 방식에 따른 전압 지령치(v*af)를 나타낸다.
한편, 인버터 제어부(430)는, 모터의 속도 변화(Δv)가 소정 범위(Δvth) 이내인 지 여부를 판단하고(S835), 소정 범위(Δvth) 이내인 경우, 인버터의 스위칭 주파수를 고정한다.
한편, 모터의 속도 변화(Δv)가 소정 범위(Δvth)를 벗어나는 경우, 인버터 제어부(430)는, 모터(250)의 속도를 제1 주기 보다 작은 제2 주기 마다 모니터링하며(S840), 인버터 스위칭 주파수를 가변한다(S845).
특히, 인버터 제어부(430) 내의 모드 선택부(347)는, 모터의 속도 변화(Δv)가 소정 범위(Δvth) 이내인 지 여부를 판단하고, 스위칭 주파수 가변 여부를 선택할 수 있다.
특히, 인버터 제어부(430)는, 모터(250)의 속도 변화 범위가 커질수록, 모터(250) 속도의 모니터링 주기가 더 작아지도록 설정할 수 있다.
한편, 인버터 제어부(430) 내의 스위칭 주파수 변경부(349)는, 모터(250)의 속도 변화 범위가 소정 범위(Δvth)를 벗어난 상태에서, 모터(250)의 속도가 증가하는 경우, 인버터(420)의 스위칭 주파수가 커지도록 제어할 수 있다. 이와 같이, 모터의 속도 변화에 따라, 인버터의 스위칭 주파수를 가변함으로써, 모터의 속도 변화에 따라, 인버터를 효율적으로 구동할 수 있게 된다.
이때, 인버터 제어부(430)는, 인버터(420)의 스위칭 주파수를, 모터(250)의 전기 주파수(=기계주파수/모터의 극(pole)수)의 15 배 내지 20배로 설정할 수 있다.
도 9는 모터의 속도 변화를 예시한 도면이다.
도면을 참조하면, 차량 내의 모터(350)는, 초기 기동시, Pa1 구간 동안, 모터의 속도가 급격히 상승하며, V1 속도에 도달한 이후, Pa2 구간 동안, 완만하게 상승하다가, Pa3 구간 동안 다시 모터의 속도가 급격히 상승하다가, Pa4 구간 부터 대략 일정한 속도로 회전할 수 있다.
Pa1 구간 동안은, 모터(250)의 속도 변화 범위가 소정 범위(Δvth)를 벗어난 경우이므로, 인버터 제어부(430)는, 도 10a와 같이, 인버터(420)의 스위칭 주파수가 커지도록 제어할 수 있다.
도 10a는 Tm 구간 동안 fm의 스위칭 주파수를 가지나, Tm에 후속하는 Tn 구간 동안, fm 보다 큰 fn의 스위칭 주파수를 가지는 것을 예시한다.
한편, Pa1 구간 동안, 모터의 속도는 제1 속도(v1) 이하이므로, 도 10b와 같이, 3상 펄스폭 변조 방식에 의해 모터가 구동되는 것이 바람직하다.
다음, Pa2 구간 동안은, 모터(250)의 속도 변화 범위가 소정 범위(Δvth) 이내인 경우이므로, 인버터 제어부(430)는, 도 11a와 같이, 인버터(420)의 스위칭 주파수가 일정하도록 제어할 수 있다.
도 11a는 Tn 구간 동안 fn의 스위칭 주파수를 가지며, 후속하는 구간에도, fn의 스위칭 주파수를 가지는 것을 예시한다.
한편, Pa2 구간 동안, 모터의 속도는 제1 속도(v1)를 초과하므로, 도 11b와 같이, 2상 펄스폭 변조 방식에 의해 모터가 구동되는 것이 바람직하다.
다음, Pa3 구간 동안은, 모터(250)의 속도 변화 범위가 소정 범위(Δvth)를 벗어난 경우이므로, 인버터 제어부(430)는, 도 12a와 같이, 인버터(420)의 스위칭 주파수가 커지도록 제어할 수 있다.
도 12a는 Tn 구간 동안 fn의 스위칭 주파수를 가지나, Tn에 후속하는 To 구간 동안, fn 보다 큰 fo의 스위칭 주파수를 가지는 것을 예시한다.
한편, Pa3 구간 동안, 모터의 속도는 제1 속도(v1)를 초과하므로, 도 12b와 같이, 2상 펄스폭 변조 방식에 의해 모터가 구동되는 것이 바람직하다.
다음, Pa4 구간 동안은, 모터(250)의 속도 변화 범위가 소정 범위(Δvth) 이내인 경우이므로, 인버터 제어부(430)는, 도 13a와 같이, 인버터(420)의 스위칭 주파수가 일정하도록 제어할 수 있다.
도 13a는 To 구간 동안 fo의 스위칭 주파수를 가지며, 후속하는 구간에도, fo의 스위칭 주파수를 가지는 것을 예시한다.
한편, Pa4 구간 동안, 모터의 속도는 제1 속도(v1)를 초과하므로, 도 13b와 같이, 2상 펄스폭 변조 방식에 의해 모터가 구동되는 것이 바람직하다.
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 (10)

  1. 모터;
    복수의 스위칭 소자를 구비하고, 상기 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터;
    상기 인버터를 제어하는 인버터 제어부;
    상기 모터의 회전자의 위치를 감지하는 위치 감지부;를 포함하고,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 위치 감지부로부터의 위치 신호에 기초하여, 상기 모터의 속도를 모니터링하고, 상기 모터의 속도 변화 범위가 소정 범위 이내인 경우, 상기 인버터의 스위칭 주파수를 고정하고, 상기 모터의 속도 변화 범위가 상기 소정 범위를 벗어난 경우, 상기 인버터의 스위칭 주파수를 가변하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 모터의 속도 변화 범위가 소정 범위를 벗어난 상태에서, 상기 모터의 속도가 증가하는 경우, 상기 인버터의 스위칭 주파수가 커지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 모터의 속도가 제1 속도 이하인 경우, 3상 펄스폭 변조 방식으로 구동하도록 제어하고, 상기 모터의 속도가 상기 제1 속도 초과인 경우, 2상 펄스폭 변조 방식으로 구동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 모터의 속도를 제1 주기 마다 모니터링하고, 상기 모터의 속도 변화 범위가, 소정 범위를 벗어난 경우, 상기 모터의 속도를 상기 제1 주기 보다 작은 제2 주기 마다 모니터링하며, 상기 인버터의 스위칭 주파수를 가변하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 모터의 속도 변화 범위가 커질수록, 상기 모터 속도의 모니터링 주기가 더 작아지도록 설정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 인버터의 스위칭 주파수를, 상기 모터의 전기 주파수의 15 배 내지 20배로 설정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부;를 더 포함하고,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 위치 감지부로부터의 위치 신호에 기초하여, 상기 모터의 속도를 연산하는 위치 속도 연산부;
    상기 위치 속도 연산부에서 연산된 상기 모터의 속도, 및 속도 지령치에 기초하여 전류 지령치를 생성하는 전류 지령 생성부;
    상기 출력 전류 검출부에서 검출된 상기 출력 전류와, 상기 전류 지령치에 기초하여 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부;
    상기 모터의 속도 변화 범위에 기초하여, 상기 인버터의 스위칭 주파수 가변 모드를 선택하는 모드 선택부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 전압 지령치 또는 상기 위치 속도 연산부에서 연산된 모터 속도에 기초하여, 3상 펄스폭 변조 방식과, 2상 펄스폭 변조 방식 중 어느 하나를 선택하는 펄스폭 변조 선택부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 모터의 속도 변화 범위가 상기 소정 범위를 벗어난 경우, 상기 인버터의 스위칭 주파수를 가변하는 스위칭 주파수 가변부;
    상기 가변된 스위칭 주파수에 기초하여, 상기 인버터를 제어하기 위한 스위칭 제어 신호를 출력하는 스위칭 제어 신호 출력부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 모터 구동장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 차량.
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