KR20210027673A

KR20210027673A - 모터 제어 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20210027673A
Application number: KR1020190107520A
Authority: KR
Inventors: 정강호; 임종경; 임석현; 장지웅; 김범식; 신상철
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2021-03-11

Abstract

양단이 서로 개방된 복수의 권선을 갖는 모터; 상기 복수의 권선의 일단에 각각 연결된 복수의 모터 연결단 및 직류 전압원에 연결된 직류 연결단을 갖는 제1 인버터; 상기 복수의 권선의 타단에 연결된 복수의 모터 연결단 및 직류 연결단을 갖는 제2 인버터; 상기 제1 인버터의 직류 입력단과 상기 제2 인버터의 직류 입력단 사이에 연결된 절환 스위치; 및 상기 모터의 요구 출력에 기반하여 상기 절환 스위치의 연결 상태 및 상기 제1 인버터와 제2 인버터의 동작 상태를 결정하는 컨트롤러를 포함하는 모터 제어 시스템이 개시된다.

Description

모터 제어 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING MOTOR}

본 발명은 모터 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양단이 상호 개방된 복수의 권선을 갖는 모터를 더욱 효율적으로 구동시킬 수 있는 모터 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.

최근 환경 보호를 위한 친환경 차량에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지면서 친환경 차량의 동적 성능을 향상시키고 에너지 효율의 향상을 위한 노력이 이루어지고 있다.

주로 친환경 차량은 배터리와 같은 에너지 저장 장치에 저장된 에너지를 이용하여 전기 회전 기구인 모터를 구동하여 차량의 동력을 생산하는 차량으로 배터리와 모터 및 배터리의 전력을 모터 구동에 요구되는 전력으로 변환하는 전력 변환 장치가 필수적으로 구비된다.

여기서 전력 변환 장치는 배터리에 저장된 직류의 전력을 교류 모터에 요구되는 복수의 위상을 갖는 교류 전력으로 변환하기 위한 장치로서 복수의 스위칭 소자를 제어하여 교류 전력을 생산하는 인버터가 사용되고 있다.

차량의 동적 성능 향상이 요구됨에 따라 모터로 제공하는 구동 전류의 크기도 증대되어야 하지만 배터리의 전압 사양을 높이지 않고서는 구동 전류의 크기를 증대시키는데 한계가 있다. 이에, 한정된 배터리 전압을 이용하여 모터를 더욱 고출력으로 동작시키기 위한 방안으로서 모터 내 마련되는 복수의 권선의 양단을 상호 개방시키고 권선 양단에 각각 인버터를 하나씩 구비하여 모터를 구동하는 듀얼 인버터 시스템이 제안되었다.

그러나, 이러한 개방 권선형(Open End Winding: OEW) 모터를 구동하는 것은 모터의 고출력을 확보할 수 있는 장점이 있으나 저속 영역, 즉 모터의 출력이 낮은 경우에는 오히려 시스템 효율이 저하되어 차량의 연비를 저하시키는 문제점이 발생한다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

일본특허 제6329052호 일본공개특허 특개2006-149153호

이에 본 발명은, 상호 개방된 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하기 위해 복수의 권선 양단에 연결된 두 개의 인버터를 더욱 효율적으로 제어할 수 있는 모터 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

양단이 서로 개방된 복수의 권선을 갖는 모터;

상기 복수의 권선의 일단에 각각 연결된 복수의 모터 연결단 및 직류 전압원에 연결된 직류 연결단을 갖는 제1 인버터;

상기 복수의 권선의 타단에 연결된 복수의 모터 연결단 및 직류 연결단을 갖는 제2 인버터;

상기 제1 인버터의 직류 입력단과 상기 제2 인버터의 직류 입력단 사이에 연결된 절환 스위치; 및

상기 모터의 요구 출력에 기반하여 상기 절환 스위치의 연결 상태 및 상기 제1 인버터와 제2 인버터의 동작 상태를 결정하는 컨트롤러;

를 포함하는 모터 제어 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 요구출력이 사전 설정된 기준 출력보다 낮은 경우, 상기 절환 스위치를 개방시키고 상기 제2 인버터 내 복수의 스위칭 소자를 제어하여 상기 복수의 권선의 타단을 상호 접속시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 요구출력이 사전 설정된 기준 출력보다 낮은 경우, 상기 제2 인버터 내 스위칭 소자 중 상기 직류 연결단의 양단자와 상기 복수의 권선의 타단 사이에 연결된 스위칭 소자를 단락시키고 상기 직류 연결단의 음단자와 상기 복수의 권선의 타단 사이에 연결된 스위칭 소자를 개방시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 요구출력이 사전 설정된 기준 출력보다 낮은 경우, 상기 제1 인버터 내 스위칭 소자를 제어하여 상기 제1 인버터로부터 상기 모터로 구동 전력을 공급하게 할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 요구출력이 사전 설정된 기준 출력보다 크거나 같은 경우, 상기 절환 스위치를 단락시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 인버터 및 제2 인버터 내 스위칭 소자를 제어하여 상기 제1 인버터 및 제2 인버터로부터 상기 모터로 구동 전력을 공급하게 할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,

전술한 모터 제어 시스템을 이용한 모터 제어 방법에 있어서,

상기 컨트롤러가 상기 모터의 요구출력과 사전 설정된 기준 출력을 비교하는 단계; 및

상기 컨트롤러가 상기 모터의 요구출력과 상기 기준 출력의 비교 결과에 기반하여 상기 절환 스위치의 연결 상태 및 상기 제1 인버터와 제2 인버터의 동작 상태를 결정하는 단계;

를 포함하는 모터 제어 방법을 제공한다.

상기 결정하는 단계는, 상기 요구출력이 상기 사전 설정된 기준 출력보다 작은 경우, 상기 컨트롤러가 상기 절환 스위치를 개방시키고 상기 제2 인버터 내 복수의 스위칭 소자를 제어하여 상기 복수의 권선의 타단을 상호 접속시키는 단계 및 상기 컨트롤러가 상기 제1 인버터 내 스위칭 소자를 제어하여 상기 제1 인버터로부터 상기 모터로 구동 전력을 공급하게 하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 접속시키는 단계는, 상기 컨트롤러가 상기 제2 인버터 내 스위칭 소자 중 상기 직류 연결단의 양단자와 상기 복수의 권선의 타단 사이에 연결된 스위칭 소자를 단락시키고 상기 직류 연결단의 음단자와 상기 복수의 권선의 타단 사이에 연결된 스위칭 소자를 개방시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 결정하는 단계는, 상기 요구출력이 사전 설정된 기준 출력보다 크거나 같은 경우, 상기 컨트롤러가 상기 복수의 절환 스위치를 단락시키는 단계 및 상기 컨트롤러가, 상기 제1 인버터 및 제2 인버터 내 스위칭 소자를 제어하여 상기 제1 인버터 및 제2 인버터로부터 상기 모터로 구동 전력을 공급하게 하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 모터 제어 시스템 및 방법에 따르면, 모터에 요구되는 출력에 따라 낮은 출력이 요구되는 경우에는 모터의 일단이 상호 접속된 Y 결선 구조를 형성하게 한 후 하나의 인버터로 모터를 구동하고, 높은 출력이 요구되는 경우에는 모터의 양단이 모두 서로 개방된 개방 권선형 구조를 형성하게 한 후 권선 양단에 연결된 각각의 인버터를 모두 이용하여 모터를 구동함으로써, 낮은 출력이 요구되는 경우에 시스템 효율을 향상시킬 수 있으며 동시에 높은 출력이 요구되는 경우에도 모터의 출력을 충분히 발현할 수 있게 모터를 제어할 수 있다.

이에 따라, 상기 모터 제어 시스템 및 방법이 적용되는 친환경 차량의 경우 차량의 연비가 향상될 수 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 제어 시스템을 도시한 회로도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 제어 시스템에서 두가지 모드의 모터 구동 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 제어 시스템 및 방법에 따른 모터 구동 모드별 토크-속도 곡선을 도시한 도면이다.

이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 제어 시스템을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 제어 시스템을 도시한 회로도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 제어 시스템은, 양단이 서로 개방된 복수의 권선(51a, 51b, 51c)을 갖는 개방 권선형 모터(50)와, 복수의 권선(51a, 51b, 51c)의 일단에 각각 연결된 복수의 모터 연결단(31a, 31b, 31c)과 직류 전압원(10)에 연결된 직류 연결단(31p, 31c)를 갖는 제1 인버터(30)와, 복수의 권선(51a, 51b, 51c)의 타단에 각각 연결된 복수의 모터 연결단(41a, 41b, 41c)과 직류 연결단(41p, 41n)을 갖는 제2 인버터(40)와, 제1 인버터(30)의 직류 입력단(31p)과 제2 인버터(40)의 직류 입력단(41p) 사이에 연결된 절환 스위치(60) 및 모터(50)의 요구 출력에 기반하여 절환 스위치(60)의 연결 상태 및 제1 인버터(30)와 제2 인버터(40)의 동작 상태를 결정하는 컨트롤러(100)를 포함하여 구성될 수 있다.

개방 권선형 모터(50)는 복수의 상에 대응되는 복수의 고정자 권선(51a, 51b, 51c)을 포함할 수 있다. 3상 모터의 경우, a상에 대응되는 고정자 권선(51a), b상에 대응되는 고정자 권선(51b) 및 c상에 대응되는 고정자 권선(51c)를 포함할 수 있다. 통상적인 모터에서 복수의 고정자 권선은 상호 Y 결선 또는 △ 결선 구조로 상호 연결되나 본 발명에 적용되는 모터는 권선(51a, 51b, 51c)의 양단이 상호 개방되어 양단 각각이 서로 다른 인버터(30, 40)에 각각 연결된 구조를 가질 수 있다.

제1 인버터(30)와 제2 인버터(40)는 개방 권선형 모터(50)의 권선(51a, 51b, 51c)의 양단에 각각 연결되며, 모터(50)의 구동 시 모터(50)의 권선(51a, 51b, 51c)에 서로 다른 위상을 갖는 교류 전력을 제공하도록 그 내부의 스위칭 소자(Q1-Q12)가 제어될 수 있다.

더욱 구체적으로, 제1 인버터(30)는 직류 전력원인 배터리(10)에 저장된 직류 전력을 변환하여 모터(50) 내 권선(51a, 51b, 51c)의 일단에 서로 다른 위상의 교류 전력으로 제공할 수 있다. 제1 인버터(30)는 직류 전력원인 배터리(10)가 형성하는 직류 전압(직류 링크 커패시터(20)의 양단 전압)이 인가되는 직류 연결단(31p, 31n)과 이 직류 전압을 스위칭 소자(Q1-Q6)의 스위칭에 의해 서로 다른 위상의 교류 전압으로 변환하여 모터(50)의 타단으로 출력하는 모터 연결단(31a, 31b, 31c)를 가질 수 있다.

제1 인버터(30)는 제1 내지 제6 스위칭 소자(Q1-Q6)을 포함할 수 있다. 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)는 직류 연결단(31p, 31n) 사이에 서로 직렬 연결되고 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)의 연결노드는 모터 연결단 중 모터(10)의 a상 권선(51a)의 일단에 연결된 단자(31a)에 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제3 스위칭 소자(Q3)와 제4 스위칭 소자(Q4)는 직류 연결단(31p, 31n) 사이에 서로 직렬 연결되고 제3 스위칭 소자(Q3)와 제4 스위칭 소자(Q4)의 연결노드는 모터(50)의 b상 권선(51b)의 일단에 연결된 모터 연결단(41a)에 연결될 수 있다. 또한, 제5 스위칭 소자(Q5)와 제6 스위칭 소자(Q6)는 직류 연결단(31p, 31n) 사이에 서로 직렬 연결되고 제5 스위칭 소자(Q5)와 제6 스위칭 소자(Q6)의 연결노드는 모터(50)의 c상 권선(51c)의 일단에 연결된 모터 연결단(31c)에 연결될 수 있다.

제1 인버터(30)와 유사하게, 제2 인버터(40)는 배터리(10)에 저장된 직류 전력을 변환하여 모터(50) 내 권선(51a, 51b, 51c)의 타단에 서로 다른 위상의 교류 전력으로 제공할 수 있다. 제2 인버터(40)는 직류 전력원인 배터리(10)가 형성하는 직류 전압(직류 링크 커패시터(20)의 양단 전압)이 인가되는 직류 연결단(41p, 41n)과 이 직류 전압을 스위칭 소자(Q7-Q12)의 스위칭에 의해 서로 다른 위상의 교류 전압으로 변환하여 모터(50)의 타단으로 출력하는 모터 연결단(41a, 41b, 41c)를 가질 수 있다. 본 발명의 여러 실시형태에서, 제2 인버터(40)는 절환 스위치(60)가 단락되는 경우에 한해 직류 연결단(41p, 41n)으로 직류 전력원의 전압이 인가될 수 있다. 절환 스위치(60)는 모터(50)의 요구출력에 따른 구동 모드 판단 결과에 의해 단락 및 개방 상태가 결정될 수 있다. 절환 스위치(60)의 상태 결정에 대해서는 이후 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

제2 인버터(23)는 제7 내지 제12 스위칭 소자(Q7-Q12)를 포함할 수 있다. 제7 스위칭 소자(Q7)와 제8 스위칭 소자(Q8)는 직류 연결단(41p, 41n) 사이에 서로 직렬 연결되고 제7 스위칭 소자(Q7)와 제8 스위칭 소자(Q8)의 연결노드는 모터(50)의 a상 권선(51a)의 타단에 연결된 모터 연결단(41a)에 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제9 스위칭 소자(Q9)와 제10 스위칭 소자(Q10)는 직류 연결단(41p, 41n) 사이에 서로 직렬 연결되고 제9 스위칭 소자(Q9)와 제10 스위칭 소자(Q10)의 연결노드는 모터(50)의 b상 권선(51b)의 타단에 연결된 모터 연결단(41b)에 연결될 수 있다. 또한, 제11 스위칭 소자(Q11)와 제12 스위칭 소자(Q12)는 직류 연결단(41p, 41n) 사이에 서로 직렬 연결되고 제11 스위칭 소자(Q11)와 제12 스위칭 소자(Q12)의 연결노드는 모터(50)의 c상 권선(51c)의 타단에 연결된 모터 연결단(41c)에 연결될 수 있다.

이러한 제1 인버터(30) 및 제2 인버터(40)의 스위칭 소자 연결 구조에서, 각 인버터의 직류 연결단의 양단자(31p, 41p)와 모터 연결단(31a, 31b, 31c / 41a, 41b, 41c) 사이에 배치된 스위칭 소자들(Q1, Q3, Q5 / Q7, Q9, Q11)을 윗상 스위치 그룹 또는 탑(top) 스위치 그룹(T1, T2)이라 하고, 각 인버터의 직류 연결단의 음단자(31n, 41n)와 모터 연결단(31a, 31b, 31c / 41a, 41b, 41c) 사이에 배치된 스위칭 소자들(Q2, Q4, Q6 / Q8, Q10, Q12)을 아랫상 스위치 그룹 또는 바텀(bottom) 스위치 그룹(B1, B2)이라 할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 제1 인버터(30)는 상대적으로 제2 인버터(40) 보다 낮은 출력을 갖는 연비 운전용인 인버터로서 제1 인버터(30)에 포함되는 제1 내지 제6 스위칭 소자(Q1-Q6)는 내압 특성 등이 비교적 낮은 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 채용될 수 있다. 제2 인버터(40)는 고출력 운전용 인버터로서 제2 인버터(40)에 포함되는 제7 내지 12 스위칭 소자(Q7-Q12)는 높은 내압 특성 및 고속 스위칭이 가능한 고성능 IGBT 또는 SiC 기반 FET 등이 채용될 수 있다.

절환 스위치(60)는 제1 인버터(30)의 직류 연결단(특히, 양단자(31p))과 제2 인버터(40)의 직류 연결단(특히, 양단자(41p))에 각각 양단이 연결되어 개방/단락 상태에 따라 두 인버터의 직류 연결단을 상호 전기적으로 접속 또는 차단시킬 수 있다.

절환 스위치(60)는 컨트롤러(100)의 제어에 의해 개방/단락 상태가 제어될 수 있다. 절환 스위치(60)가 개방되는 경우 제2 인버터(40)에는 직류 전력 공급이 차단되고 제1 인버터(30)의 구동에 의해 모터(50)가 작동할 수 있다. 또한, 절환 스위치(60)가 단락되는 경우 제2 인버터(40)에 직류 전력이 공급되며 제1 인버터(30)와 제2 인버터(40)를 함께 구동하여 모터(50)를 작동시킬 수 있다.

절환 스위치(60)는 Si, SiC 등의 소재로 제작되는 전력 반도체 소자, 사이리스터, 릴레이 등과 같이 당 기술 분야에 알려진 다양한 스위칭 수단을 채용하여 구현될 수 있다.

컨트롤러(100)는 모터(10)에 요구되는 요구출력(또는 요구토크 및 요구속도)을 입력 받고 모터(10)가 요구출력을 출력할 수 있도록 인버터(30, 40) 내 스위칭 소자들(Q1-Q12)의 온/오프 상태를 제어하거나 펄스폭 변조 제어할 수 있다. 통상적인 모터 제어는, 모터로 제공되는 전류를 센서를 통해 피드백 받고 요구 출력에 대응되는 전류 지령과 센서를 통해 피드백된 모터 전류를 서로 비교하여 비교된 두 값의 차이를 0으로 수렴시키기 위한 모터의 각 상 전압 지령을 생성한 후 전압 지령에 대응되는 펄스폭 변조 신호를 생성하여 인버터 내 스위칭 소자의 게이트단에 입력함으로써 스위칭 소자를 펄스폭 제어하는 방식으로 달성될 수 있다. 인버터의 스위칭 소자를 펄스폭 변조하여 모터 출력 제어하는 기법은 당 기술 분야에 알려진 공지의 기술을 적용할 수 있으므로 스위칭 소자들(Q1-Q12)의 구체적인 펄스폭 변조 제어에 대한 추가적인 설명은 생략하기로 한다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 제어 시스템에서 두가지 모드의 모터 구동 방식을 설명하기 위한 도면이다.

먼저 도 2를 참조하면, 컨트롤러(100)가 상위 제어기 등으로부터 제공받은 모터(50)의 요구출력이 사전 설정된 기준 출력보다 작은 경우, 컨트롤러(100)는 절환 스위치(60)을 개방시켜 제2 인버터(40)의 직류 연결단에 직류 전력이 인가되는 것을 차단하고, 제2 인버터(40)의 탑 스위치 그룹(T2)의 스위칭 소자(Q7, Q9, Q11)를 단락시키고 제2 인버터(40)의 바텀 스위치 그룹(B2)의 스위칭 소자(Q8, Q10, Q12)를 개방시켜 모터(50)의 권선(51a, 51b, 51c) 타단이 탑 스위치 그룹(T2)의 스위칭 소자(Q7, Q9, Q11)를 통해 상호 접속되게 함으로써 모터(50)를 Y 결선형 모터와 동일한 구조가 되게 할 수 있다.

이어, 컨트롤러(100)는 제1 인버터(30) 내 스위칭 소자(Q1-Q6)를 펄스폭 변조 제어하여 모터(50)로 구동 전력을 공급함으로써 모터(50)를 구동할 수 있다. 이 때, 모터(50)는 Y 결선형 모터와 동일한 구조를 갖게 되므로 제1 인버터(30)의 스위칭 소자(Q1-Q6)만 펄스폭 변조 방식으로 스위칭 제어하여 모터(10)를 구동할 수 있으며, 전술한 것과 같이 제2 인버터(40)의 탑 스위치 그룹(T2)의 스위칭 소자(Q7, Q9, Q11)는 계속 단락 상태를 유지시키고 제2 인버터(40)의 바텀 스위치 그룹(B2)의 스위칭 소자(Q8, Q10, Q12)는 계속 개방 상태를 유지시킬 수 있다.

한편, 컨트롤러(100)가 제공받은 모터의 요구출력이 사전 설정된 기준 출력보다 크거나 같은 경우에, 컨트롤러(100)는 절환 스위치(60)을 단락시켜 제2 인버터(40)의 직류 연결단에 직류 전력원의 직류 전압이 인가되게 하고, 모터(50)의 권선(51a, 51b, 51c)의 양단에 각각 서로 다른 인버터가 연결된 듀얼 인버터 시스템을 이용한 개방 권선형 모터를 제어하기 위해 제1 인버터(30) 및 제2 인버터(40) 내의 스위칭 소자(Q1-Q12)를 모두 펄스폭 변조 방식으로 제어하여 모터(50)를 구동할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 제어 시스템은 절환 스위치(60)와 인버터 내 스위칭 소자의 상태를 제어하여 모터(50)에 큰 출력이 요구되지 않는 경우에는 개방 권선형 모터(50)의 권선(51a, 51b, 51c) 일단을 상호 접속시켜 개방 권선형 모터(10)를 Y 결선형 모터의 구조로 변경하여 하나의 인버터만 제어하여 모터를 구동할 수 있으므로, 저출력 영역에서 모터(50) 구동을 위한 시스템 효율을 향상시킬 수 있으며, 모터(50)를 적용한 차량의 연비 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 제어 시스템은, 모터(50)의 고출력 영역에서 개방 권선형 모터의 권선 양단에 각각 연결된 각각의 제1 인버터(30) 및 제2 인버터(40)를 모두 구동함으로써, 모터(50) 출력을 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명은 전술한 것과 같은 모터 제어 시스템을 이용한 모터 제어 방법을 제공한다.

도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 제어 방법을 도시한 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 제어 방법은, 모터의 구동이 시작되면 컨트롤러(100)가 외부의 상위 제어기 등으로부터 모터(10)의 요구출력(요구토크 및 요구속도)를 입력 받고(S11) 요구출력과 사전 설정된 기준 출력을 비교하여 모터 구동 모드를 판단하는 단계(S12)를 수행할 수 있다.

이어, 컨트롤러(100)는 단계(S12)에서 요구출력과 사전 설정된 기준 출력을 비교한 결과에 따라 절환 스위치(60)의 연결 상태 및 제1 인버터(30)와 제2 인버터(40) 내 스위칭 소자(Q1-Q12)의 동작을 제어할 수 있다(S21, S22, S31, S32).

더욱 구체적으로, 컨트롤러(100)는 단계(S12)에서 요구출력이 사전 설정된 기준 출력보다 작은 경우 모터(50)를 제1 인버터(30) 만 펄스폭 변조 제어하여 구동하는 Y 결선 구동 모드로 결정할 수 있다.

Y 결선 구동 모드에서, 컨트롤러(100)는 컨트롤러(100)는 절환 스위치(60)을 개방시켜 제2 인버터(40)의 직류 연결단에 직류 전력이 인가되는 것을 차단하고, 제2 인버터(40)의 탑 스위치 그룹(T2)의 스위칭 소자(Q7, Q9, Q11)를 단락시키고 제2 인버터(40)의 바텀 스위치 그룹(B2)의 스위칭 소자(Q8, Q10, Q12)를 개방시켜 모터(50)를 Y 결선형 모터와 동일한 구조가 되게 할 수 있다(S21).

이어, 컨트롤러(100)는 제1 인버터(30) 내 스위칭 소자(Q1-Q6)를 펄스폭 변조 제어하여 모터를 구동할 수 있다(S22).

한편, 컨트롤러(100)는 단계(S12)에서 요구출력이 사전 설정된 기준 출력보다 크거나 같은 경우 절환 스위치(60)을 단락시켜 제2 인버터(40)의 직류 연결단에 직류 전력원의 직류 전압이 인가되게 한다(S31).

이어, 컨트롤러(100)는 모터(50)의 권선(51a, 51b, 51c)의 양단에 각각 연결된 제1 인버터(30) 및 제2 인버터(40) 내의 스위칭 소자(Q1-Q12)를 모두 펄스폭 변조 방식으로 제어하여 모터(50)를 구동할 수 있다(S32). 제1 인버터(30) 및 제2 인버터(40) 내의 스위칭 소자(Q1-Q12)를 모두 펄스폭 변조 방식으로 제어하여 모터(50)의 권선(51a, 51b, 51c) 양단으로 구동 전력을 인가하는 모터 구동 모드를 개방 권선 구동 모드라 하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 제어 시스템 및 방법에 따른 모터 구동 모드별 토크-속도 곡선을 도시한 도면이다.

도 5에서 참조부호 'L1'은 개방 권선 구동 모드 시 모터의 토크-속도 곡선이고, 참조부호 'A1'은 개방 권선 구동 모드 시 고효율 영역이다. 또한, 'L2'는 Y 결선 구동 모드 시 토크-속도 곡선이고 'A2'는 Y 결선 구동 모드 시 고효율 영역이다. 'P1', 'P2'는 각각 도심 주행 시 주요 연비점이고 고속 주행 시 주요 연비점이다.

단순히 Y 결선 구동 모드로만 동작하는 종래의 모터의 경우 'L1'과 같은 곡선을 따르도록 기저 속도, 모터의 턴수, 역기전력 등을 고려하여 모터의 설계가 이루어지며 그에 따라 모터의 고효율 영역(A1)과 주요 연비점(P1, P2)가 다른 지점에서 형성될 수 있다. 따라서 종래의 모터는 차량의 연비 측면에서 효율성이 매우 떨어진다.

이에 반해, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 제어 시스템 및 방법은, 개방 권선 구동 모드에서 'L1'을 따르고 Y 결선 구동 모드에서 'L1' 보다 낮은 출력 특성을 갖는 'L2'를 따르도록 모터를 설계할 수 있다. 개방 권선 구동 모드는 동일 턴수에서 Y 결선에 비해 약 1.73 배 큰 전압을 모터에 인가할 수 있어 적은 턴수로도 모터가 상대적으로 큰 출력을 발현할 수 있게 한다.

또한, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 제어 시스템 및 방법은, 저출력 고효율 운전이 필요한 경우, 절환 스위치(60)와 제2 인버터(40)의 탑 스위치 그룹의 스위칭 소자를 이용하여 모터(50)를 Y 결선 구동 모드, 즉'L2'를 따르도록 구동함으로써 모터의 고효율 구간을 'A2'로 변경하여 주요 연비점(P1, P2)이 고효율 구간 내 형성되게 함으로써 모터(50) 구동 효율 향상시키고 연비를 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10: 직류 전압원(배터리) 20: 직류 링크 커패시터
30: 제1 인버터 31p, 31n: 직류 연결단
31a, 31b, 31c: 모터 연결단 40: 제2 인버터
41p, 41n: 직류 연결단 41a, 41b, 41c: 모터 연결단
50: 모터 51a, 51b, 51c: 모터 3상 권선
60: 절환 스위치 100: 컨트롤러
Q1-Q6: 제1 인버터 내 스위칭 소자
T1: 제1 인버터 내 탑(top) 스위치 그룹
B1: 제1 인버터 내 바텀(bottom) 스위치 그룹
Q7-Q12: 제2 인버터 내 스위칭 소자
T2: 제2 인버터 내 탑(top) 스위치 그룹
B2: 제2 인버터 내 바텀(bottom) 스위치 그룹

Claims

양단이 서로 개방된 복수의 권선을 갖는 모터;
상기 복수의 권선의 일단에 각각 연결된 복수의 모터 연결단 및 직류 전압원에 연결된 직류 연결단을 갖는 제1 인버터;
상기 복수의 권선의 타단에 연결된 복수의 모터 연결단 및 직류 연결단을 갖는 제2 인버터;
상기 제1 인버터의 직류 입력단과 상기 제2 인버터의 직류 입력단 사이에 연결된 절환 스위치; 및
상기 모터의 요구 출력에 기반하여 상기 절환 스위치의 연결 상태 및 상기 제1 인버터와 제2 인버터의 동작 상태를 결정하는 컨트롤러;
를 포함하는 모터 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 요구출력이 사전 설정된 기준 출력보다 낮은 경우, 상기 절환 스위치를 개방시키고 상기 제2 인버터 내 복수의 스위칭 소자를 제어하여 상기 복수의 권선의 타단을 상호 접속시키는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 요구출력이 사전 설정된 기준 출력보다 낮은 경우, 상기 제2 인버터 내 스위칭 소자 중 상기 직류 연결단의 양단자와 상기 복수의 권선의 타단 사이에 연결된 스위칭 소자를 단락시키고 상기 직류 연결단의 음단자와 상기 복수의 권선의 타단 사이에 연결된 스위칭 소자를 개방시키는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 요구출력이 사전 설정된 기준 출력보다 낮은 경우, 상기 제1 인버터 내 스위칭 소자를 제어하여 상기 제1 인버터로부터 상기 모터로 구동 전력을 공급하게 하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 요구출력이 사전 설정된 기준 출력보다 크거나 같은 경우, 상기 절환 스위치를 단락시키는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 제1 인버터 및 제2 인버터 내 스위칭 소자를 제어하여 상기 제1 인버터 및 제2 인버터로부터 상기 모터로 구동 전력을 공급하게 하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
청구항 1의 모터 제어 시스템을 이용한 모터 제어 방법에 있어서,
상기 컨트롤러가 상기 모터의 요구출력과 사전 설정된 기준 출력을 비교하는 단계; 및
상기 컨트롤러가 상기 모터의 요구출력과 상기 기준 출력의 비교 결과에 기반하여 상기 절환 스위치의 연결 상태 및 상기 제1 인버터와 제2 인버터의 동작 상태를 결정하는 단계;
를 포함하는 모터 제어 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 결정하는 단계는,
상기 요구출력이 상기 사전 설정된 기준 출력보다 작은 경우, 상기 컨트롤러가 상기 절환 스위치를 개방시키고 상기 제2 인버터 내 복수의 스위칭 소자를 제어하여 상기 복수의 권선의 타단을 상호 접속시키는 단계; 및
상기 컨트롤러가 상기 제1 인버터 내 스위칭 소자를 제어하여 상기 제1 인버터로부터 상기 모터로 구동 전력을 공급하게 하는 단계를 포함하는 모터 제어 방법.
청구항 8에 있어서, 상기 접속시키는 단계는,
상기 컨트롤러가 상기 제2 인버터 내 스위칭 소자 중 상기 직류 연결단의 양단자와 상기 복수의 권선의 타단 사이에 연결된 스위칭 소자를 단락시키고 상기 직류 연결단의 음단자와 상기 복수의 권선의 타단 사이에 연결된 스위칭 소자를 개방시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 결정하는 단계는,
상기 요구출력이 사전 설정된 기준 출력보다 크거나 같은 경우, 상기 컨트롤러가 상기 복수의 절환 스위치를 단락시키는 단계; 및
상기 컨트롤러가, 상기 제1 인버터 및 제2 인버터 내 스위칭 소자를 제어하여 상기 제1 인버터 및 제2 인버터로부터 상기 모터로 구동 전력을 공급하게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법.