KR20200070846A - 차량 모터의 제어 방법 및 이를 이용한 인버터 장치 - Google Patents

차량 모터의 제어 방법 및 이를 이용한 인버터 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량 모터의 제어 방법 및 이를 이용한 인버터 장치에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 차량 모터의 제어 방법은, 차량의 모터를 SVPWM(Space Vector Plulse Width Modulation) 방식으로 제어하면서 스위칭소자의 온도를 모니터링하는 단계; 상기 스위칭소자의 온도가 기 설정된 임계온도 이상인지를 확인함에 따라, 상기 차량의 모터를 SVPWM 방식 대신 DPWM(Discrete Pulse Width Modulation) 방식으로 변경하여 제어하는 단계;를 포함한다.

Description

차량 모터의 제어 방법 및 이를 이용한 인버터 장치{METHOD FOR CONTROLLING OF VEHICLE MOTOR AND INVERTER DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 차량 모터의 제어 방법 및 이를 이용한 인버터 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 IGBT 소자의 온도에 따라 IGBT 소자의 제어 방식을 다르게 적용함으로써 스위칭 손실에 따른 IGBT 소자의 파괴를 방지하기 위한, 차량 모터의 제어 방법 및 이를 이용한 인버터 장치에 관한 것이다.
전기자동차를 비롯하여 하이브리드 차량 및 연료전지 차량 등과 같은 친환경 차량은 주행을 위한 모터를 채택하고, 모터 구동 제어를 위한 인버터 장치를 갖추고 있다.
특히, 모터를 이용하여 동력을 전달하는 차량들은 대형의 단일 모터를 사용하는 대신 각 차륜에 소형인 개별 모터를 장착하여 각 차륜마다 동력을 생성하는 인휠(In-wheel) 구동 시스템을 적용하는 시도가 이루어지고 있다.
일반적으로, 인버터 장치는 모터에 인가되는 전류를 변경하는 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 방식으로 제어하고 있다.
펄스폭 변조 방식은 최적 전압 변조(Optimal Voltage Modulation) 방식, 정현파 전압 변조(Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM) 방식, 공간 벡터 펄스 폭 변조(Space Vector Plulse Width Modulation, SVPWM)방식, 불연속 펄스 폭 변조(Discrete Pulse Width Modulation, DPWM) 방식 등이 있다.
그런데, 인버터 장치는 모터의 동작 특성을 고려하지 않고 펄스폭 변조 방식 중 어느 하나의 펄스폭 변조 방식을 선택하여 모터를 제어하였다. 이는 변조 주기 내에서 항상 3상의 모든 IGBT 소자가 스위칭하므로, 전구간에서 스위칭 손실과 전도 손실이 발생하여 효율에 영향을 미칠 수 있다. 특히, 이 경우에는 부하가 커서 IGBT 소자에 큰 전류가 흐르면, 열손실로 인해 온도가 상승하게 되어 IGBT 소자가 파괴될 수 있다.
따라서, 인버터 장치는 IGBT 소자의 스위칭 손실을 줄여 IGBT 소자의 파괴를 방지하고, 효율을 높이기 위해 모터를 제어할 필요가 있다.
한국 공개특허공보 제10-2014-0066063호
본 발명의 목적은 IGBT 소자의 온도에 따라 IGBT 소자의 제어 방식을 다르게 적용함으로써 스위칭 손실에 따른 IGBT 소자의 파괴를 방지하기 위한, 차량 모터의 제어 방법 및 이를 이용한 인버터 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 차량 모터의 제어 방법은, 차량의 모터를 SVPWM(Space Vector Plulse Width Modulation) 방식으로 제어하면서 스위칭소자의 온도를 모니터링하는 단계; 상기 스위칭소자의 온도가 기 설정된 임계온도 이상인지를 확인함에 따라, 상기 차량의 모터를 SVPWM 방식 대신 DPWM(Discrete Pulse Width Modulation) 방식으로 변경하여 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 제어하는 단계 이후에, 일정 시간이 경과하면 상기 스위칭 소자의 온도가 기 설정된 임계온도 이상인지를 다시 확인하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 다시 확인하는 단계를 일정 횟수 반복할 경우에, 상기 스위칭소자의 이상 상태를 외부로 알려주는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 스위칭 소자는, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 임계온도는, 상기 스위칭소자의 열화 온도를 고려하여 결정되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 인버터 장치로서, 적어도 하나 이상의 프로세서; 및 컴퓨터 판독 가능한 명령들을 저장하기 위한 메모리;를 포함하며, 상기 명령들은, 상기 적어도 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 인버터 장치로 하여금, 차량의 모터를 SVPWM(Space Vector Plulse Width Modulation) 방식으로 제어하면서 스위칭소자의 온도를 모니터링하게 하고, 상기 스위칭소자의 온도가 기 설정된 임계온도 이상인지를 확인함에 따라, 상기 차량의 모터를 SVPWM 방식 대신 DPWM(Discrete Pulse Width Modulation) 방식으로 변경하여 제어하게 하는 것일 수 있다.
상기 명령들은, 상기 적어도 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 인버터 장치로 하여금, 상기 차량의 모터를 DPWM 방식으로 변경하여 제어하게 하는 이후에, 일정 시간이 경과하면 상기 스위칭 소자의 온도가 기 설정된 임계온도 이상인지를 다시 확인하게 하는 것일 수 있다.
상기 명령들은, 상기 적어도 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 인버터 장치로 하여금, 상기 다시 확인하면서 일정 횟수 반복할 경우에, 상기 스위칭소자의 이상 상태를 외부로 알려주게 하는 것일 수 있다.
본 발명은 IGBT 소자의 온도에 따라 IGBT 소자의 제어 방식을 다르게 적용함으로써 스위칭 손실에 따른 IGBT 소자의 파괴를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 모터의 동작 특성을 고려하여 펄스폭 변조 방식 중 어느 하나를 선택하여 차량의 모터를 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인버터 장치를 나타낸 도면,
도 2는 SVPWM 제어를 설명하는 도면,
도 3은 SVPWM 방식일 때 전압지령과 PWM 신호를 나타낸 도면,
도 4는 DPWM 방식일 때 전압 지령과 PWM 신호를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량 모터의 제어 방법에 대한 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인버터 장치를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 인버터 장치(100)는, 적어도 하나 이상의 프로세서(10)와 컴퓨터 판독 가능한 명령들을 저장하기 위한 메모리(20)를 포함한다.
이러한 인버터 장치(100)는 적어도 하나의 프로세서(10)에 의해 메모리(20)에 저장된 컴퓨터 판독 가능한 명령들이 실행될 때, 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 차량 모터의 제어 방법을 수행한다. 또한, 인버터 장치(100)는 스위칭소자 즉, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자의 온도를 측정 및 모니터링하기 위한 온도 측정부(30)를 더 포함할 수 있다. 여기서는 스위칭소자로 IGBT 소자에 대해 설명하나, 이에 한정되지 않고 예를 들어, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET), 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT) 등일 수 있다.
인버터 장치(100)는 IGBT 소자의 온도에 따라 IGBT 소자의 제어 방식을 다르게 적용함으로써 스위칭 손실에 따른 IGBT 소자의 파괴를 방지할 수 있다.
즉, 인버터 장치(100)는 IGBT 소자의 스위칭 동작을 SVPWM(Space Vector Plulse Width Modulation) 방식으로 제어하면서, IGBT 소자에 큰 전류가 흐를 경우 손실에 의해 IGBT 소자의 온도가 상승하여 기 설정된 임계온도 이상이면, IGBT 소자의 스위칭 동작을 제어하는 방식을 DPWM(Discrete Pulse Width Modulation) 방식으로 변경한다. 이는 IGBT 소자에 온도가 상승함에 따라 IGBT 소자에 과부하 구간이 발생할 경우 스위칭 동작을 수행하지 않는 구간을 형성하기 위해 SVPWM 방식 대신 DPWM 방식으로 IGBT 소자의 스위칭 동작을 제어하기 위함이다.
여기서는 도 2 내지 도 4을 참조하여 SVPWM 방식과 DPWM 방식에 대해 살펴보기로 한다. 도 2는 SVPWM 제어를 설명하는 도면이고, 도 3은 SVPWM 방식일 때 전압지령과 PWM 신호를 나타낸 도면이고, 도 4는 DPWM 방식일 때 전압 지령과 PWM 신호를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, SVPWM 방식은 대칭 옵센 전압 연속 변조 방식으로, 폴 전압을 전압 지령(V*an, V*bn, V*cn)으로 하고 삼각파와 비교하여 IGBT 소자의 스위칭 동작(즉, 온오프 동작)을 제어하는 PWM 신호(Sa, Sb, Sc)를 발생시킨다. 이때, 폴 전압은 상 전압(V*as, V*bs, V*cs)에 옵센 전압(V*sn)이 주입되어 생성된다.
도 3을 참조하면, 유효 벡터는 전압 변조 주기의 정중앙에 위치된다. 또한, 폴 전압의 최대치와 최소치는 절대값이 동일하다.
도 4를 참조하면, DPWM 방식은 30°, 60°, 120°의 불연속 변조 방식으로, 전압 지령인 폴전압을 변형시켜 한 주기(360°) 중 일정 구간(전류가 가장 큰 구간)에서 스위칭 동작을 하지 않는 구간을 가지는 방식이다. 도 4는 120°DPWM 방식을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량 모터의 제어 방법에 대한 도면이다.
도 5를 참조하면, 인버터 장치(100)는 기본적으로 차량의 모터를 SVPWM 방식으로 제어한다(S101).
이때, 인버터 장치(100)는 IGBT 소자의 온도를 모니터링하면서(S102), 기 설정된 임계온도 이상인지를 확인한다(S103). 여기서, 임계온도는 IGBT 소자의 열화 온도가 150℃∼170℃ 사이임을 고려하여 결정되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 임계온도는 130℃일 수 있다. 즉, 임계온도는 스위칭소자의 열화 특성을 고려하여 결정된다.
그리고, 인버터 장치(100)는 IGBT 소자의 온도가 기 설정된 임계온도 이상이 아니라면(S103), 차량의 모터를 제어하는 SVPWM 방식을 그대로 유지한다(S104).
반면에, 인버터 장치(100)는 IGBT 소자의 온도가 기 설정된 임계온도 이상이라면(S103), SVPWM 방식 대신에 DPWM 방식으로 변경하여 차량의 모터를 제어한다(S105).
이때, 인버터 장치(100)는 기 설정된 일정 시간(예, 30초 등)을 경과하면(S106), IGBT 소자 온도가 기 설정된 임계온도 이상인지를 다시 확인한다(S102, S103).
그런데, 인버터 장치(100)는 SVPWM 방식 대신 DPWM 방식으로 차량의 모터를 제어할 때, 일정 시간을 경과하여 IGBT 소자 온도가 기 설정된 임계온도 이상인지를 확인하는 과정(S106, S102, S103)을 기 설정된 일정 횟수(예, 3회 등)를 반복하는 경우(S107), IGBT 소자가 이상 상태임을 외부로 알려줄 수 있다.
일부 실시 예에 의한 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CDROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
비록 상기 설명이 다양한 실시예들에 적용되는 본 발명의 신규한 특징들에 초점을 맞추어 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙달된 기술을 가진 사람은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 상기 설명된 장치 및 방법의 형태 및 세부 사항에서 다양한 삭제, 대체, 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명에서보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 특허청구범위의 균등 범위 안의 모든 변형은 본 발명의 범위에 포섭된다.
10 ; 프로세서 20 ; 메모리
30 ; 온도 측정부 100 ; 인버터 장치

Claims (10)

  1. 차량의 모터를 SVPWM(Space Vector Plulse Width Modulation) 방식으로 제어하면서 스위칭소자의 온도를 모니터링하는 단계;
    상기 스위칭소자의 온도가 기 설정된 임계온도 이상인지를 확인함에 따라, 상기 차량의 모터를 SVPWM 방식 대신 DPWM(Discrete Pulse Width Modulation) 방식으로 변경하여 제어하는 단계;
    를 포함하는 차량 모터의 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계 이후에, 일정 시간이 경과하면 상기 스위칭 소자의 온도가 기 설정된 임계온도 이상인지를 다시 확인하는 단계;
    를 더 포함하는 차량 모터의 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다시 확인하는 단계를 일정 횟수 반복할 경우에, 상기 스위칭소자의 이상 상태를 외부로 알려주는 단계;
    를 더 포함하는 차량 모터의 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는,
    IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor) 중 어느 하나인 차량 모터의 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 임계온도는,
    상기 스위칭소자의 열화 온도를 고려하여 결정되는 것인 차량 모터의 제어 방법.
  6. 인버터 장치로서,
    적어도 하나 이상의 프로세서; 및
    컴퓨터 판독 가능한 명령들을 저장하기 위한 메모리;를 포함하며,
    상기 명령들은, 상기 적어도 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 인버터 장치로 하여금,
    차량의 모터를 SVPWM(Space Vector Plulse Width Modulation) 방식으로 제어하면서 스위칭소자의 온도를 모니터링하게 하고,
    상기 스위칭소자의 온도가 기 설정된 임계온도 이상인지를 확인함에 따라, 상기 차량의 모터를 SVPWM 방식 대신 DPWM(Discrete Pulse Width Modulation) 방식으로 변경하여 제어하게 하는 것인 인버터 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 명령들은, 상기 적어도 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 인버터 장치로 하여금,
    상기 차량의 모터를 DPWM 방식으로 변경하여 제어하게 하는 이후에, 일정 시간이 경과하면 상기 스위칭 소자의 온도가 기 설정된 임계온도 이상인지를 다시 확인하게 하는 것인 인버터 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 명령들은, 상기 적어도 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 인버터 장치로 하여금,
    상기 다시 확인하면서 일정 횟수 반복할 경우에, 상기 스위칭소자의 이상 상태를 외부로 알려주게 하는 것인 인버터 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는,
    IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor) 중 어느 하나인 인버터 장치.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 임계온도는,
    상기 스위칭소자의 열화 온도를 고려하여 결정되는 것인 인버터 장치.
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