KR20200061215A - 엔진 진동 저감을 위한 모터제어장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엔진 진동 저감을 위한 모터제어장치 및 방법에 관한 것으로, 엔진 정보 및 모터 정보를 수집하는 데이터 수집부, 및 상기 엔진 정보 및 상기 모터 정보를 이용하여 엔진 토크 진동크기를 확인하며 엔진의 실린더 내 피스톤 위치, 점화시기, 엔진 각가속도 및 엔진 속도를 확인하여 가중치를 결정하고, 결정된 가중치를 상기 엔진 토크 진동크기에 반영하여 모터 역위상 토크를 연산하고, 엔진 토크 진동을 상쇄시키기 위해 상기 모터 역위상 토크를 토대로 모터를 제어하는 처리부를 포함한다.

Description

엔진 진동 저감을 위한 모터제어장치 및 방법{MOTOR CONTROL APPARATUS AND METHOD FOR DAMPING ENGINE VIBRATION}
본 발명은 엔진 진동 저감을 위한 모터제어장치 및 방법에 관한 것이다.
엔진에서 발생하는 진동에는 연소 시 엔진의 본체에 발생하는 진동, 피스톤(piston), 커넥팅 로드(connecting rod) 및 크랭크샤프트(crankshaft)의 왕복 및 회전 운동 시 관성력에 의해 발생하는 진동 및 밸브장치의 동작에 의한 진동 등이 있다.
이러한 엔진 진동을 저감시키기 위해, 종래에는 엔진 피스톤 상사점(Top Dead Center, TDC)을 기준으로 모터 역위상 토크 제어 시점을 판단하고 엔진 토크 및 엔진 속도를 이용하여 모터 역위상 토크의 진폭 및 주기를 결정하여 모터를 제어한다. 모터 제어를 통한 엔진 진동 저감 기술은 엔진 진동 저감 성능을 향상시켰으나, 엔진 진동과 동일한 모터 역 위상 토크를 발생시키기 위한 인버터 스위칭 손실(전기적 손실)이 증가하는 문제를 가지고 있다. 또한, 종래에는 엔진 속도가 변화(transition)하는 과도조건에서 엔진 토크 변동(엔진진동 크기)을 예측하기 어렵다.
US 7633257 B2
Ochiai, S. and Ohnuki, Y., "Description of the Hybrid Technology Mounted to Production Model," SAE Technical Paper 2001-01-3418, 2001, https://doi.org/10.4271/2001-01-3418. Ito, Yoshiaki, Shuji Tomura, and Kazunari Moriya, "Vibration-reducing motor control for hybrid vehicles." R&D Review of Toyota CRDL 40.2 (2005): 37-43. Liu, D., Rodrigues, L., Brace, C., Akehurst, S. et al., "A Study on Dynamic Torque Cancellation in a Range Extender Unit," SAE Technical Paper 2016-01-1231, 2016, https://doi.org/10.4271/2016-01-1231.
본 발명은 엔진 속도, 엔진 토크, 점화시기 및 댐퍼(damper) 감쇄율을 고려하여 엔진 진동을 상쇄하기 위한 모터 역위상 토크를 예측하여 모터 제어하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어장치 및 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 점화시기, 엔진 속도 및 엔진 각가속도에 근거하여 모터 역위상 토크 스텝(step)에 가중치를 부여하여 모터 제어를 수행하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어장치 및 방법을 제공하고자 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터제어장치는 엔진 정보 및 모터 정보를 수집하는 데이터 수집부, 및 상기 엔진 정보 및 상기 모터 정보를 이용하여 엔진 토크 진동크기를 확인하며 엔진의 실린더 내 피스톤 위치, 점화시기, 엔진 각가속도 및 엔진 속도를 확인하여 가중치를 결정하고, 결정된 가중치를 상기 엔진 토크 진동크기에 반영하여 모터 역위상 토크를 연산하고, 엔진 토크 진동을 상쇄시키기 위해 상기 모터 역위상 토크를 토대로 모터를 제어하는 처리부를 포함한다.
상기 엔진 정보는, 최상위 제어장치로부터 출력되는 지령에 포함된 엔진 토크, 상사점 센서에 의해 검출되는 상사점 위치 및 엔진제어장치가 점화코일에 전송하는 지령에 포함된 점화명령을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 모터 정보는, 모터 위치 센서에 의해 측정되는 모터 위치각을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 처리부는, 상기 상사점 위치 및 상기 모터 위치각을 토대로 상기 피스톤 위치, 상기 엔진 각가속도 및 상기 엔진 속도를 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기 처리부는, 상기 모터 위치각을 기준으로 상기 상사점 위치를 재설정하고, 상기 엔진의 각 실린더에서 발생하는 토크 주기를 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 처리부는, 상기 점화명령 수신 시 상기 피스톤 위치가 상기 상사점 위치 도달 전후인지를 확인하여 점화시기를 판단하고 판단된 점화시기에 따라 제1가중치를 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 처리부는, 상기 엔진 각가속도의 증감에 따라 모터 토크 제어패턴 및 제2가중치를 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 처리부는, 상기 엔진 각가속도가 증가하면 상기 모터 토크 제어패턴을 충전 패턴으로 결정하고, 상기 엔진 각가속도가 감소하면 상기 모터 토크 제어패턴을 방전 패턴으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 처리부는, 상기 엔진 각가속도 및 상기 엔진 속도를 고려하여 제3가중치를 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 처리부는, 상기 엔진 속도가 하한 속도와 상한 속도 범위 내인지 여부에 따라 상기 제3가중치를 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 처리부는, 상기 모터 역위상 토크를 연산할 때 댐퍼 감쇄율을 추가로 고려하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터제어방법은 엔진 정보 및 모터 정보를 수집하는 단계, 상기 엔진 정보 및 상기 모터 정보를 이용하여 피스톤 위치, 엔진 각가속도, 엔진 속도 및 엔진 토크 진동크기를 확인하는 단계, 상기 엔진 정보 및 상기 피스톤 위치를 토대로 점화시기를 판단하는 단계, 상기 점화시기, 상기 엔진 각가속도 및 상기 엔진 속도를 기반으로 가중치를 결정하는 단계, 상기 엔진 토크 진동크기에 가중치를 반영하여 모터 역위상 토크를 연산하는 단계, 및 상기 엔진 토크 진동을 상쇄시키기 위해 상기 모터 역위상 토크를 토대로 모터를 제어하는 단계를 포함한다.
상기 엔진 정보는, 최상위 제어장치로부터 출력되는 지령에 포함된 엔진 토크, 상사점 센서에 의해 검출되는 상사점 위치 및 엔진제어장치가 점화코일에 전송하는 지령에 포함된 점화명령을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 모터 정보는, 모터 위치 센서에 의해 측정되는 모터 위치각을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 피스톤 위치, 엔진 각가속도, 엔진 속도 및 엔진 토크 진동크기를 확인하는 단계에서, 상기 상사점 위치 및 상기 모터 위치각을 토대로 상기 피스톤 위치, 상기 엔진 각가속도 및 상기 엔진 속도를 연산하는 것을 특징으로 한다.
상기 점화시기를 판단하는 단계는, 상기 점화명령 수신 시 상기 피스톤 위치가 상기 상사점 위치 도달 전후인지를 확인하는 것을 특징으로 한다.
상기 가중치를 결정하는 단계는, 상기 점화시기에 따라 제1가중치를 결정하는 단계, 상기 엔진 각가속도의 증감에 따라 제2가중치를 결정하는 단계, 및 상기 엔진 각가속도와 상기 엔진 속도를 기반으로 제3가중치를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2가중치를 결정하는 단계에서, 상기 엔진 각가속도의 증감에 따라 모터 토크 제어패턴을 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3가중치를 결정하는 단계는, 상기 엔진 속도가 하한 속도와 상한 속도 범위 내인지 여부에 따라 상기 제3가중치를 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 모터 역위상 토크를 연산하는 단계에서, 댐퍼 감쇄율을 추가로 고려하여 상기 모터 역위상 토크를 연산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 엔진 속도, 엔진 토크, 점화시기 및 댐퍼(damper) 감쇄율을 기반으로 모터 역위상 토크를 예측하여 모터를 제어하므로, 엔진에서 발생되는 진동을 저감시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 점화시기, 엔진 속도 및 엔진 각가속도에 근거하여 모터 역위상 토크 스텝(step)에 가중치를 부여하여 모터 제어를 수행하므로 제어 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔진 진동 저감 시스템의 블록도.
도 2는 도 1에 도시된 모터제어장치의 블록구성도.
도 3은 본 발명과 관련된 엔진 속도 연산 과정을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명과 관련된 모터 역위상 토크 제어 패턴을 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명과 관련된 엔진 각가속도 및 엔진 속도에 근거한 가중치 결정 방법을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔진 진동 저감 방법을 도시한 흐름도.
도 7a 및 7b는 도 6에 도시된 제3가중치 결정 단계를 도시한 흐름도.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 모터 역위상 토크 스텝 크기 및 시점을 가변하는 방법을 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 피드 포워드(feed-forward) 제어 기술을 적용하여 엔진토크 변동크기(엔진 진동 크기)를 예측하고 예측된 엔진토크 변동크기를 상쇄하기 위한 역위상의 모터 토크를 발생시키도록 모터를 제어하는 기술에 관한 것이다. 본 발명의 엔진 진동 저감 기술은 엔진과 1개 이상의 모터로 구성되는 하이브리드(hybrid) 구동계 시스템에 적용할 수 있으며, 엔진과 모터의 연결구조(예: 직결구조, 기어비를 가지는 구조 등)에 관계없이 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔진 진동 저감 시스템의 블록도, 도 2는 도 1에 도시된 모터제어장치의 블록구성도, 도 3은 본 발명과 관련된 엔진 속도 연산 과정을 설명하기 위한 도면, 도 4는 본 발명과 관련된 모터 역위상 토크 제어 패턴을 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면, 도 5는 본 발명과 관련된 엔진 각가속도 및 엔진 속도에 근거한 가중치 결정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 엔진 진동 저감 시스템은 차량내 네트워크(In-Vehicle Network, IVN)를 통해 연결되는 점화코일(10), 상사점(Top Dead Center, TDC) 센서(20), 모터 위치 센서(30), 최상위 제어장치(40), 엔진제어장치(Engine Control Unit, ECU)(50) 및 모터제어장치(Motor Control Unit, MCU)(60)를 포함한다. 차량내 네트워크는 CAN(Controller Area Network), MOST(Media Oriented Systems Transport) 네트워크, LIN(Local Interconnect Network), 및/또는 X-by-Wire(Flexray) 등으로 구현될 수 있다.
점화코일(Ignition Coil)(10)은 점화 장치에서 점화 플러그의 불꽃을 발생시키는 유도 코일이다. 점화코일(10)은 차량 배터리로부터 저전압의 직류(DC) 전원을 공급받아 높은 유도전압을 가지는 점화 펄스로 변환하여 점화플러그에 공급한다.
상사점 센서(20)는 엔진에서 피스톤(piston)이 실린더의 최상단에 도달했을 때의 위치 즉, 상사점(Top Dead Center, TDC) 위치를 검출하는 센서이다. 상사점 위치는 엔진의 실린더 내 피스톤 위치 및 모터 역위상 토크 제어의 시작점을 판단하는데 이용된다.
상사점 센서(20)는 점화코일(10)에 발생한 고전압을 순서대로 점화 플러그에 배전하는 디스트리뷰터(distributor) 내 내장된다. 상사점 센서(20)는 검출된 상사점 위치를 엔진제어장치(50) 및 모터제어장치(60)로 전송한다.
모터 위치 센서(30)는 모터측에 설치되어 모터 회전자의 위치(모터 위치각)를 검출한다. 모터 위치 센서(30)는 검출된 모터 위치각(회전각)을 모터제어장치(60)로 전송한다.
모터 위치 센서(30)는 리졸버(resolver)로 구현될 수 있다. 리졸버의 분해능은 0.1deg/pulse 이상으로 엔진 크랭크축(crankshaft) 센서(ex 60-2tooth/rev = 6deg/pulse)보다 우수하기 때문에 리졸버에 의해 측정된 데이터를 이용하여 피스톤 위치를 정확하게 판단할 수 있어 모터 토크의 정밀 제어가 가능하게 한다.
최상위 제어장치(40)는 차량의 주행상태를 모니터링하고 주행상태에 따라 엔진제어장치(50), 모터제어장치(60), 차체자세제어장치 및 배터리제어장치 등의 전자제어장치에 작동명령(지령)을 전송하여 차량의 동작을 제어한다. 최상위 제어장치(40)는 하이브리드 제어장치(Hybrid Control Unit, HCU)로 구현될 수 있다.
최상위 제어장치(40)는 가속페달센서(Accelerator Pedal Sensor)를 통해 운전자의 가속페달 조작을 감지한다. 최상위 제어장치(40)는 운전자의 가속페달 조작에 따른 차량 구동에 필요한 필요토크(요구토크)를 계산하여 엔진제어장치(50) 및 모터제어장치(60)로 전송한다. 다시 말해서, 최상위 제어장치(40)는 운전자의 가속페달 조작에 따라 요구되는 엔진 토크 및 모터 토크를 연산하고 연산된 엔진 토크 및 모터 토크를 지령(명령어)으로 엔진제어장치(50) 및 모터제어장치(60)에 전송한다. 이때, 최상위 제어장치(40)는 엔진 토크를 엔진제어장치(50)뿐만 아니라 모터제어장치(60)에도 전송한다.
엔진제어장치(50)는 엔진의 동작(예: 점화시기, 연료분사량 및 제어 엔진 노킹 제어 등)을 제어하는 전자제어장치이다. 엔진제어장치(50)는 센서들로부터 입력되는 엔진의 회전속도, 상사점 위치, 부하(흡기다기관 압력), 스로틀밸브 위치, 기관온도, 흡기온도 및 축전지전압 등의 입력정보를 토대로 점화시기를 결정한다. 엔진제어장치(50)는 결정된 점화시기에 따라 해당 점화시점에 점화(ignition, IGN)를 지시하는 지령 신호(IGN 신호) 즉, 점화명령을 점화코일(10)로 전송한다. 이때, 엔진제어장치(50)는 점화명령을 점화코일(10)뿐만 아니라 모터제어장치(60)로 전송한다. 여기서, 점화명령은 엣지 트리거(edge trigger)로 구현될 수 있으며, 상승 엣지 트리거(rising edge)와 하강 엣지 트리거(falling edge trigger)로 구분될 수 있다.
모터제어장치(60)는 엔진 축과 연결되는 모터의 동작을 제어하는 전자제어장치이다. 모터제어장치(60)는 엔진 정보 및 모터 정보를 토대로 엔진 진동(엔진토크 변동) 저감을 위한 모터 역위상 토크 제어를 수행한다.
도 2를 참조하면, 모터제어장치(60)는 통신부(61), 데이터 수집부(62), 메모리(63) 및 처리부(64)를 포함한다.
통신부(61)는 차량내 네트워크(IVN)를 통해 엔진 진동 저감 시스템을 구성하는 각 구성요소(10 내지 50)와의 통신을 수행한다. 통신부(61)는 상사점 센서(20), 모터 위치 센서(30), 최상위 제어장치(40) 및 엔진제어장치(50)와 데이터를 주고받는다.
데이터 수집부(62)는 엔진 정보 및 모터 정보를 수집한다. 데이터 수집부(62)는 통신부(61)를 통해 정보를 수집하거나 또는 상사점 센서(20), 모터 위치 센서(30), 최상위 제어장치(40) 및 엔진제어장치(50)로부터 제공되는 정보를 직접 수집할 수도 있다. 여기서, 엔진 정보는 엔진 지령 토크(엔진 토크), 모터 지령 토크(모터 토크), 상사점 위치 및 점화명령을 포함한다. 모터 정보는 모터 위치각을 포함한다.
다시 말해서, 데이터 수집부(62)는 최상위 제어장치(40)로부터 전송되는 지령에 포함된 엔진 토크 및 모터 토크를 수신하고, 엔진제어장치(50)로부터 전송되는 점화명령을 수신한다. 데이터 수집부(62)는 상사점 센서(20)로부터 상사점 위치 정보(상사점 정보)를 수신하고, 모터 위치 센서(30)로부터 모터 위치각을 수신한다.
데이터 수집부(62)는 수집된 입력 정보를 메모리(63)에 임시 저장할 수 있다. 다시 말해서, 데이터 수집부(62)는 수집된 엔진 토크, 모터 토크, 상사점 위치, 점화 명령 및 모터 위치각을 메모리(63)에 저장한다.
메모리(63)는 처리부(64)의 전반적인 동작을 제어하기 위한 프로그램을 저장한다. 메모리(63)는 처리부(64)의 입력 데이터 및/또는 출력 데이터를 임시 저장한다.
이러한 메모리(63)는 플래시 메모리(flash memory), 하드디스크(hard disk), SD 카드(Secure Digital Card), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read Only Memory, ROM), PROM(Programmable Read Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM), EPROM(Erasable and Programmable ROM), 레지스터, 착탈형 디스크 및 웹 스토리지(web storage) 등의 저장매체 중 적어도 하나 이상의 저장매체(기록매체)로 구현될 수 있다.
메모리(63)는 피스톤 위치 연산 알고리즘, 엔진 각가속도 및 엔진 속도 연산 알고리즘, 가중치 결정 알고리즘 및 모터 역위상 토크 연산 알고리즘 등을 저장할 수 있다. 또한, 메모리(63)는 댐퍼(damper) 감쇄율, 댐퍼에 의한 토크 위상 지연 및 룩업 데이블(lookup table)을 저장할 수 있다. 댐퍼 감쇄율 및 댐퍼에 의한 토크 위상 지연은 댐퍼를 구성하는 원판의 질량과 스프링 설계치(댐퍼 사양)에 의해 결정되는 고유한 값이다. 룩업 테이블은 차량에 탑재된 엔진에 대해 사전에 평가된 엔진 속도 및 엔진 토크에 따른 엔진토크 변동크기(엔진 진동 크기)를 포함한다.
처리부(64)는 모터제어장치(60)의 전반적인 동작을 제어한다. 처리부(64)는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit), DSP(Digital Signal Processor), PLD(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), CPU(Central Processing unit), 마이크로 컨트롤러(microcontrollers) 및 마이크로 프로세서(microprocessors) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
처리부(64)는 상사점 위치 및 모터 위치각을 이용하여 엔진 실린더 내 피스톤 위치를 판단한다. 다시 말해서, 처리부(64)는 상사점 위치 및 모터 위치각을 이용하여 피스톤의 절대 위치를 연산한다. 이때, 처리부(64)는 모터 위치각을 기준으로 상사점 위치를 재설정하고, 엔진의 각 실린더에서 발생하는 토크 주기를 결정한다. 예컨대, 4기통(실린더) 4행정 엔진인 경우, 처리부(64)는 1실린더당 토크 발생 주기를 180deg(=180CA)로 결정한다.
처리부(64)는 상사점 위치 및 모터 위치각을 이용하여 엔진 각가속도 및 엔진 속도를 연산한다. 처리부(64)는 엔진 각가속도 연산 알고리즘 및 엔진 속도 연산 알고리즘을 이용하여 실시간으로 엔진 각가속도를 연산하고, 매 주기(180deg)마다 엔진 속도(엔진 평균속도)를 산출한다. 엔진 각가속도 및 엔진 속도는 모터 역위상 토크 크기를 결정하는 가중치 및 피드백(feedback) 제어의 변수로 이용된다.
여기서, 엔진 각가속도는 시간에 따른 모터 속도변화 즉, 엔진 속도변화로, 각가속도 증가(+, 엔진 출력증가) 또는 각가속도 감소(-, 엔진 출력감소)로 표출된다. 엔진 속도는 1 사이클(cycle) 동안 엔진 실린더들의 엔진 평균속도이다. 예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이 4기통 4행정 엔진(기관)이고, 각 실린더별 180CA/1주기를 가지는 경우, 처리부(64)는 1주기(180CA) 동안 실린더별 엔진 평균속도를 계산하면 1 사이클(720CA) 동안 총 4개의 실린더별 엔진 평균속도를 도출한다. 처리부(64)는 4개의 실린더별 엔진 평균속도를 다시 평균화하여 1 사이클에 대한 엔진 평균속도를 연산하여 엔진 속도로 정의한다. 이와 같은 엔진 평균속도 연산 과정을 2 사이클 이상 수행하여 다시 평균화하여 엔진 속도로 정의할 수도 있다.
처리부(64)는 점화명령 및 피스톤 위치를 토대로 점화시기를 판단한다. 처리부(64)는 점화명령 수신 시 피스톤 위치가 상사점 위치 도달 전인지를 확인한다. 처리부(64)는 점화명령 수신 시 피스톤 위치를 토대로 점화시기가 상사점 전(before top dead center)인지 상사점 후(after top dead center)인지를 확인한다.
처리부(64)는 점화명령 수신 시 피스톤 위치가 상사점 위치 도달 전이면 점화시기 상사점 전으로 판정한다. 한편, 처리부(64)는 점화명령 수신 시 피스톤 위치가 상사점 위치 도달 후이면 점화시기 상사점 후로 판정한다.
처리부(64)는 점화시기(점화시점)에 따라 제1가중치를 부여(결정)한다. 처리부(64)는 점화시기가 상사점 전이면 제1가중치를 '1'로 결정한다. 한편, 처리부(64)는 점화시기가 상사점 후이면 제1가중치를 0보다 크고 1보다 작은 값으로 정한다. 이때, 처리부(64)는 피스톤 위치에 근거하여 0과 1 사이의 값으로 정한다.
여기서, 점화시점(점화시기)을 상사점 전과 후로 구분하여 가중치를 부여하는 이유는 엔진 연소에 의해 폭발력이 엔진 축으로 전달되기 시작하는 시점은 엔진 피스톤이 상사점을 지나는 점화시점인데, 동일한 엔진 속도에서 점화시점이 지연(retard) 될수록 엔진 최대 토크는 점점 감소하고 토크 유지 시간은 증가하기 때문이다.
처리부(64)는 엔진 각가속도에 근거하여 엔진 토크(엔진 속도) 증가 또는 감소를 판단한다. 엔진 축토크(엔진 토크)는 TDC 시점 이후 급격하게 증가하고, 이때, 엔진 속도도 증가하며, 일정 시간이 지나면 엔진 토크와 엔진 속도가 감소하는 경향을 가진다.
처리부(64)는 엔진 각가속도에 근거하여 모터 토크 제어패턴을 결정한다. 모터 토크 제어패턴은 모터 역위상 토크 제어를 위한 모터 제어 방향을 의미한다. 모터 토크 제어패턴은 충전패턴(충전방향) 및 방전패턴(방전방향)으로 구분된다. 처리부(64)는 엔진 토크 및 엔진 속도 증가 시 모터 토크 제어패턴을 충전패턴(-)로 결정하고, 엔진 토크 및 엔진 속도 감소 시 모터 토크 제어패턴을 방전패턴(+)로 결정한다.
예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 엔진 토크가 증가하면 엔진 각가속도가 양의 값을 가지므로 처리부(64)는 모터 토크 제어패턴을 충전패턴(-)로 결정한다. 한편, 엔진 토크가 감소하면 엔진 각가속도가 음의 값을 가지므로 처리부(64)는 모터 토크 제어패턴을 방전패턴(+)으로 결정한다. 또한, 처리부(64)는 결정된 모터 토크 제어패턴을 이용하여 1주기(180CA) 동안 모터 역위상 토크 패턴을 생성한다.
처리부(64)는 엔진 각가속도에 근거하여 제2가중치를 부여(결정)한다. 처리부(64)는 엔진 각가속도가 양의 값이면 제2가중치를 '-1'로 결정하고, 엔진 각가속도가 음의 값이면 제2가중치를 '1'로 결정한다.
처리부(64)는 엔진 각가속도와 엔진 속도에 근거하여 제3가중치를 결정한다. 이때, 엔진 속도에 임계치(threshold)를 적용하여 가중치를 세분한다. 처리부(64)는 엔진 속도가 하한 속도(α)와 상한 속도(β) 범위 내인지 여부에 따라 가중치를 결정한다. 여기서, 하한 속도(α)와 상한 속도(β)는 엔진 속도에 의해 결정된다. 예를 들어, 엔진 평균속도(엔진 속도)가 1500rpm이고 하한 속도(α) 및 상한 속도(β)가 엔진 속도의 10% 및 20%인 경우, 하한 속도(α)는 1350rpm(=1500×(1-0.1)), 상한 속도(β)는 1800rpm(=1500×(1+0.2))이 된다.
처리부(64)는 엔진 각가속도와 엔진 속도에 따라 제3가중치 W를 다음 [표 1]과 같이 결정할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, V는 현재 엔진 속도이다.
예컨대, 도 5를 참조하면, 처리부(64)는 엔진 각가속도가 양의 값(+)인 경우 현재 엔진 속도가 하한 속도(α) 미만이면 제3가중치를 0 초과 1 이하의 값으로 결정하고, 현재 엔진 속도가 하한 속도(α)와 상한 속도(β) 범위 내이면 제3가중치를 1로 결정하고, 현재 엔진 속도가 상한 속도(β) 이상이면 제3가중치를 1 이상의 값으로 결정한다. 한편, 처리부(64)는 엔진 각가속도가 음의 값(-)인 경우, 현재 엔진 속도가 하한 속도(α) 미만이면 제3가중치를 1 이상의 값으로 결정하고, 현재 엔진 속도가 하한 속도(α)와 상한 속도(β) 범위 내이면 제3가중치를 1로 결정하고, 현재 엔진 속도가 상한 속도(β) 이상이면 제3가중치를 0 초과 1 이하의 값으로 결정한다.
처리부(64)는 엔진토크 진동크기에 제1가중치 내지 제3가중치를 반영하여 모터 역위상 토크를 연산한다. 다시 말해서, 처리부(64)는 엔진토크 변동크기에 제1가중치 내지 제3가중치를 반영하여 엔진토크 변동크기를 상쇄하기 위한 역위상의 모터 토크 크기(진폭)을 결정한다.
처리부(64)는 모터 역위상 토크를 연산할 때 댐퍼 감쇄율을 추가로 고려하여 모터 역위상 토크를 연산할 수 있다. 댐퍼는 엔진의 축 토크(진동)를 기계적으로 감쇄시키는 역할을 한다. 댐퍼는 특정 질량을 가지는 원판과 스프링으로 구성된다. 댐퍼에 의해 엔진 토크 변동(엔진 진동)이 감소하면 토크의 위상 지연이 발생하여 엔진 최대 토크 위치가 지연된다. 따라서, 모터 역위상 토크 제어 시점 또한 상사점 및 댐퍼에 의한 지연을 고려하여 제어해야 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔진 진동 저감 방법을 도시한 흐름도, 도 7a 및 7b는 도 6에 도시된 제3가중치 결정 단계를 도시한 흐름도이다.
모터제어장치(60)는 엔진 정보 및 모터 정보를 수신한다(S110). 엔진 정보는 엔진 지령 토크, 모터 지령 토크, 점화명령, 상사점 위치 및 모터 위치각 정보를 포함한다. 모터제어장치(60)는 최상위 제어장치(40)로부터 엔진 지령 토크(엔진 토크) 및 모터 지령 토크(모터 토크)를 수집하고, 엔진제어장치(30)로부터 점화명령을 수신한다. 모터제어장치(60)는 상사점 센서(20) 및 모터 위치 센서(30)로부터 상사점 위치 및 모터 위치각을 각각 수신한다.
모터제어장치(60)는 엔진 정보 및 모터 정보를 이용하여 엔진의 실린더 내 피스톤 위치, 엔진 각가속도 및 엔진 속도를 연산한다(S120). 모터제어장치(60)는 상사점 위치 및 모터 위치각을 이용하여 피스톤 위치, 엔진 각가속도 및 엔진 속도를 연산한다.
모터제어장치(60)는 엔진 속도 및 엔진 지령 토크(엔진 토크)를 기반으로 엔진출력 변동크기를 결정한다(S130). 이때, 모터제어장치(60)는 메모리(63)에 저장된 룩업 테이블을 참조하여 엔진토크 변동크기(엔진토크 진동크기)를 결정한다.
모터제어장치(60)는 점화명령 및 상사점 위치에 근거하여 점화시기가 상사점 전인지를 확인한다(S140). 모터제어장치(60)는 점화명령을 수신한 시점에 피스톤 위치가 상사점 전인지를 확인한다.
모터제어장치(60)는 점화시기의 상사전 전후에 근거하여 제1가중치를 결정한다(S150). 모터제어장치(60)는 점화시기가 상사점 전이면 제1가중치를 1로 결정한다(S151). 한편, 모터제어장치(60)는 점화시기가 상사점 후이면 제1가중치를 0초과 1미만으로 결정한다(S152).
모터제어장치(60)는 엔진 각가속도가 양의 값을 갖는지를 확인한다(S160). 이때, 모터제어장치(60)는 엔진 각가속도를 토대로 엔진 토크 및 엔진 속도의 증가여부를 판단할 수 있다. 모터제어장치(60)는 엔진 각가속도가 양의 값을 가지면 엔진 토크 및 엔진 속도 증가로 판단하고, 엔진 각가속도가 음의 값을 가지면 엔진 토크 및 엔진 속도 감소로 판단한다. 또한, 모터제어장치(60)는 엔진 각가속도에 근거하여 모터 토크 제어패턴(충전패턴 또는 방전패턴)을 결정한다.
모터제어장치(60)는 엔진 각가속도를 기반으로 제2가중치를 결정한다(S170).
모터제어장치(60)는 엔진 각가속도가 0을 초과하면 제2가중치를 -1로 결정한다(S171). 한편, 모터제어장치(60)는 엔진 각가속도가 0을 초과하지 않으면 제2가중치를 1로 결정한다(S172). 다시 말해서, 모터제어장치(60)는 엔진 각가속도가 양의 값을 가지면 제2가중치에 -1을 부여하고, 엔진 각가속도가 음의 값을 가지면 제2가중치에 1을 부여한다.
모터제어장치(60)는 엔진 각가속도 및 엔진 속도에 근거하여 제3가중치를 결정한다(S180). 이때, 엔진 속도에 임계치를 적용하여 가중치를 세분화한다.
먼저, 엔진 각가속도가 0 초과(증가)을 가지는 경우, 엔진 속도에 따라 제3가중치를 결정하는 것을 설명한다.
모터제어장치(60)는 엔진 속도가 하한 속도(α) 미만이면 제3가중치를 0과 1사이의 값으로 결정한다(S1811, S1812). 모터제어장치(60)는 엔진 속도가 하한 속도(α)이상 상한 속도(β)미만이면 제3가중치를 1로 결정한다(S1813, S1814). 모터제어장치(60)는 엔진 속도가 상한 속도(β)를 초과하는 경우, 제3가중치를 1 초과 값으로 결정한다(S1813, S1815).
다음, 엔진 각가속도가 0 이하(감소)인 경우, 엔진 속도에 따라 제3가중치를 결정하는 것을 설명한다.
모터제어장치(60)는 엔진 속도가 하한 속도 α 미만이면 제3가중치를 1 초과 값으로 결정한다(S1821, S1822). 모터제어장치(60)는 엔진 속도가 하한 속도(α)이상 상한 속도(β)미만이면 제3가중치를 1로 결정한다(S1823, S1824). 모터제어장치(60)는 엔진 속도가 상한 속도(β)를 초과하는 경우, 제3가중치를 0과 1 사이의 값으로 결정한다(S1823, S1825).
모터제어장치(60)는 엔진토크 변동크기(엔진출력 변동크기)에 제1가중치, 제2가중치 및 제3가중치를 반영하여 모터 역위상 토크를 연산한다(S190). 이때, 모터제어장치(60)는 댐퍼 감쇄율을 추가로 고려하여 모터 역위상 토크(모터 역위상 토크 크기)를 연산할 수도 있다.
모터제어장치(60)는 연산된 모터 역위상 토크를 토대로 모터를 제어한다(S200). 모터제어장치(60)는 피스톤 위치에 따라 결정된 모터 역위상 토크(=엔진토크 변동크기×제1가중치×댐퍼 감쇄율×제2가중치×제3가중치)에 최상위 제어장치(40)로부터 전송되는 모터 지령 토크를 추가하여 최종 모터 토크(=모터 지령 토크 + 모터 역위상 토크)를 연산한다.
모터제어장치(60)는 모터 역위상 토크 패턴 인가 시작 시점을 결정하기 위해 상사점 위치 및 피스톤 위치를 이용하여 엔진 피스톤 폭발 주기별로 모터 역위상 토크 패턴을 생성한다. 모터제어장치(60)는 모터 역위상 토크 패턴을 기존 모터토크 지령에 통합하여 모터 최종토크를 발생시킨다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 모터 역위상 토크 스텝 크기 및 시점을 가변하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 모터 역위상 토크 스텝 변경 시 모터 역위상 토크가 특정 변화율(기울기)로 변화하는 경우 모터 역위상 토크 스텝을 추가로 세분화하여 제어해야 한다.
이때, 엔진 평균속도를 기준으로 설정되는 하한 속도(α)와 상한 속도(β)를 가변적으로 범위를 설정하고 세분화하면, 모터 역위상 토크 스텝(step)이 증가하게 된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 하한 속도(α)와 상한 속도(β)의 범위를 하한 속도(α')와 상한 속도(β')로 추가 설정하여 모터 역위상 토크 스텝을 추가로 세분화할 수 있다.
예를 들어, 엔진 토크 변동이 큰 경우(엔진속도 감소할수록, 엔진토크 증가할 수록) 모터 역위상 토크 크기를 세분화하여 제어할 필요성이 증가하고, 반대로 엔진 토크 변동이 작은 경우에는 세분화하여 제어할 필요성이 감소한다. 따라서, 엔진 속도 및 엔진 토크에 근거하여 하한 속도(α)와 상한 속도(β)의 범위 및 세분화를 가변적으로 설정해야 한다.
상기한 실시 예들과 같이, 엔진 진동을 모터로 제어하면 엔진 댐퍼의 축소 또는 삭제를 통해 차량의 재료비 감소 및 무게 축소로 인한 연비를 개선할 수 있으며, 엔진과 모터 사이의 공간 확보로 패키지가 유리해 진다.
또한, 본 발명은 모터 토크를 단계적으로 제어하여 엔진 진동을 감쇄시키며 전기적 손실을 최적화할 수 있어 제어 동작을 단순화할 수 있다.
또한, 본 발명은 기통별 모터 역위상 토크를 단계적으로 변경하여 엔진 진동을 저감시키므로 엔진 댐퍼 사양 증대가 불필요하므로, D-EGR(Dedicated-Exhaust Gas Recirculation) 엔진에도 적용할 수 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 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 점화코일
20: 상사점 센서
30: 모터 위치 센서
40: 최상위 제어장치
50: 엔진제어장치
60: 모터제어장치
61: 통신부
62: 데이터 수집부
63: 메모리
64: 처리부

Claims (20)

  1. 엔진 정보 및 모터 정보를 수집하는 데이터 수집부, 및
    상기 엔진 정보 및 상기 모터 정보를 이용하여 엔진 토크 진동크기를 확인하며 엔진의 실린더 내 피스톤 위치, 점화시기, 엔진 각가속도 및 엔진 속도를 확인하여 가중치를 결정하고, 결정된 가중치를 상기 엔진 토크 진동크기에 반영하여 모터 역위상 토크를 연산하고, 엔진 토크 진동을 상쇄시키기 위해 상기 모터 역위상 토크를 토대로 모터를 제어하는 처리부를 포함하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔진 정보는,
    최상위 제어장치로부터 출력되는 지령에 포함된 엔진 토크, 상사점 센서에 의해 검출되는 상사점 위치 및 엔진제어장치가 점화코일에 전송하는 지령에 포함된 점화명령을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 모터 정보는,
    모터 위치 센서에 의해 측정되는 모터 위치각을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 상사점 위치 및 상기 모터 위치각을 토대로 상기 피스톤 위치, 상기 엔진 각가속도 및 상기 엔진 속도를 판단하는 것을 특징으로 하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 모터 위치각을 기준으로 상기 상사점 위치를 재설정하고, 상기 엔진의 각 실린더에서 발생하는 토크 주기를 결정하는 것을 특징으로 하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 점화명령 수신 시 상기 피스톤 위치가 상기 상사점 위치 도달 전후인지를 확인하여 점화시기를 판단하고 판단된 점화시기에 따라 제1가중치를 결정하는 것을 특징으로 하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 엔진 각가속도의 증감에 따라 모터 토크 제어패턴 및 제2가중치를 결정하는 것을 특징으로 하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 엔진 각가속도가 증가하면 상기 모터 토크 제어패턴을 충전 패턴으로 결정하고, 상기 엔진 각가속도가 감소하면 상기 모터 토크 제어패턴을 방전 패턴으로 결정하는 것을 특징으로 하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 엔진 각가속도 및 상기 엔진 속도를 고려하여 제3가중치를 결정하는 것을 특징으로 하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 엔진 속도가 하한 속도와 상한 속도 범위 내인지 여부에 따라 상기 제3가중치를 결정하는 것을 특징으로 하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 모터 역위상 토크를 연산할 때 댐퍼 감쇄율을 추가로 고려하는 것을 특징으로 하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어장치.
  12. 엔진 정보 및 모터 정보를 수집하는 단계,
    상기 엔진 정보 및 상기 모터 정보를 이용하여 피스톤 위치, 엔진 각가속도, 엔진 속도 및 엔진 토크 진동크기를 확인하는 단계,
    상기 엔진 정보 및 상기 피스톤 위치를 토대로 점화시기를 판단하는 단계,
    상기 점화시기, 상기 엔진 각가속도 및 상기 엔진 속도를 기반으로 가중치를 결정하는 단계,
    상기 엔진 토크 진동크기에 가중치를 반영하여 모터 역위상 토크를 연산하는 단계, 및
    상기 엔진 토크 진동을 상쇄시키기 위해 상기 모터 역위상 토크를 토대로 모터를 제어하는 단계를 포함하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 엔진 정보는,
    최상위 제어장치로부터 출력되는 지령에 포함된 엔진 토크, 상사점 센서에 의해 검출되는 상사점 위치 및 엔진제어장치가 점화코일에 전송하는 지령에 포함된 점화명령을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 모터 정보는,
    모터 위치 센서에 의해 측정되는 모터 위치각을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 피스톤 위치, 엔진 각가속도, 엔진 속도 및 엔진 토크 진동크기를 확인하는 단계에서,
    상기 상사점 위치 및 상기 모터 위치각을 토대로 상기 피스톤 위치, 상기 엔진 각가속도 및 상기 엔진 속도를 연산하는 것을 특징으로 하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 점화시기를 판단하는 단계는,
    상기 점화명령 수신 시 상기 피스톤 위치가 상기 상사점 위치 도달 전후인지를 확인하는 것을 특징으로 하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 가중치를 결정하는 단계는,
    상기 점화시기에 따라 제1가중치를 결정하는 단계,
    상기 엔진 각가속도의 증감에 따라 제2가중치를 결정하는 단계, 및
    상기 엔진 각가속도와 상기 엔진 속도를 기반으로 제3가중치를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제2가중치를 결정하는 단계에서,
    상기 엔진 각가속도의 증감에 따라 모터 토크 제어패턴을 결정하는 것을 특징으로 하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제3가중치를 결정하는 단계는,
    상기 엔진 속도가 하한 속도와 상한 속도 범위 내인지 여부에 따라 상기 제3가중치를 결정하는 것을 특징으로 하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 모터 역위상 토크를 연산하는 단계에서,
    댐퍼 감쇄율을 추가로 고려하여 상기 모터 역위상 토크를 연산하는 것을 특징으로 하는 엔진 진동 저감을 위한 모터제어방법.
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