KR20210031741A - 영구자석에 의해 여기되는 동기전동기를 동작시키는 방법, 전자 제어 디바이스, 전동기 배열, 및 저장 매체 - Google Patents

영구자석에 의해 여기되는 동기전동기를 동작시키는 방법, 전자 제어 디바이스, 전동기 배열, 및 저장 매체 Download PDF

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콘티넨탈 테베스 아게 운트 코. 오하게
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Abstract

본 발명은 영구자석에 의해 여기되는 동기전동기를 동작시키는 방법에 관한 것이며, 여기서 토크 요건에 대한 최선의 가능한 고수 동안 전력 제한이 유지되도록 하는 방식으로 원하는 값을 갖는 원하는 전압 벡터가 계산된다. 본 발명은 또한 연관된 전자 제어 디바이스, 연관된 전동기 배열 및 연관된 저장 매체에 관한 것이다.

Description

영구자석에 의해 여기되는 동기전동기를 동작시키는 방법, 전자 제어 디바이스, 전동기 배열, 및 저장 매체
본 발명은 영구자석 동기전동기를 동작시키는 방법 및 그러한 방법을 수행하기 위한 제어 디바이스, 전동기 배열, 및 저장 매체에 관한 것이다.
영구자석 동기전동기는 자동차에서, 예를 들어 브레이크 시스템에서 압력을 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 그러한 전동기는 통상 각각의 전원 또는 전력 싱크를 나타내는 다수의 컴포넌트들이 존재하는, 자동차의 전기 시스템을 통해 공급된다. 그러한 차량 전기 시스템의 안정한 동작을 위해, 전력 발생 및 전력 소비 사이의 밸런스를 달성하는 것이 통상 필요하다. 이것은 소비되는 총 전력이 영구자석 동기전동기와 같은 전력 소비체들의 경우에 제한되는 것을 필요하게 할 수 있다. 그러한 전력은 예를 들어 차량 전기 시스템의 동작 전압을 최대 허용가능한 전류로 승산함으로써 계산될 수 있다. 특히, 그 최대 허용가능한 전류는 또한 차량 전기 시스템의 동작 상태에 따라 변할 수 있다.
이것은 영구자석 동기 전동기가 최대 허용가능한 전력보다 많이 소비하지 않도록 그것의 동작을 적응시키는 것을 필요하게 만들 수 있다. 종래 기술에서 알려져 있는, 이에 대한 여러 접근법들이 이미 존재한다. 예를 들어, 한가지 접근법은 측정 전력을 취하고 최대 허용가능한 전력이 초과되지 않도록 전동기 파라미터들을 적응시킨다. 다른 접근법은 미리 정의된 전동기 모델을 사용한다.
본 발명의 하나의 목적은 종래 기술과 비교하여 대안적으로 설계된, 예를 들어 더 간단하게 설계된 영구자석 동기전동기를 동작시키는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 연관된 전자 제어 디바이스, 연관된 전동기 배열 및 연관된 저장 매체를 제공하는 것이다.
이것은 각각의 주요 청구항들에 따른 방법, 전자 제어 디바이스, 전동기 배열 및 비휘발성 컴퓨터 판독가능 저장 매체에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 이로운 실시형태들이 예를 들어 각각의 종속 청구항들에서 발견될 수 있다. 청구범위의 내용은 명백한 참조에 의해 상세한 설명의 내용에 포함된다.
본 발명은 영구자석 동기전동기를 동작시키는 방법에 관한 것이며, 그 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
- 최대 전력을 설정하는 단계,
- dq 좌표 시스템에서 전류 벡터를 결정하는 단계,
- dq 좌표 시스템에서 출력 전압 벡터를 결정하는 단계,
- 최대 전력, 전류 벡터 및 출력 전압 벡터에 기초하여 설정포인트 전압 벡터에 대한 설정포인트 양을 계산하는 단계,
- 설정포인트 양을 갖는 설정포인트 전압 벡터를 생성하는 단계, 및 그 후
- 적어도 설정포인트 전압 벡터로 영구자석 동기전동기를 동작시키는 단계.
여기에 기술된 방법은 본 출원의 발명자들이 인식했고 영구자석 동기전동기의 전력을 제한하는 간단한 방식으로 사용될 수 있는 간단한 관계들에 기초한다. 복잡한 전동기 모델들을 필요 없이 하는 것과 동일한 방식으로 전력을 측정하는 간접적인 접근법을 필요 없이 하는 것이 가능하다. 특히, 본 발명에 따른 방법의 경우, 설정포인트 전압 벡터는 최대 전력에 대한 준수 (compliance) 를 보장하는 설정포인트 양으로 생성된다.
dq 좌표 시스템은 일반적으로 영구자석 동기전동기를 제어하는 분야에서 잘 알려져 있고 그러한 전동기의 동작 파라미터들의 간단한 표현을 제공한다.
최대 전력은 바람직하게는 특정된 전압 및 특정된 최대 전류 세기의 곱으로서 설정될 수 있다. 특정된 전압은 이 경우에 특히 전기 시스템, 예를 들어 자동차의 전기 시스템의 동작 전압에 대응할 수 있다. 동작 전압은 이 경우 통상 정상 동작 시에 유지되도록 원해지는 전압이다. 특정된 최대 전류 세기는 일 실시형태에 따라 설정될 수 있지만, 대안적인 실시형태에 따라 또한 가변적으로 계산될 수 있다. 이것은 예를 들어 전력 발생기들의 이용가능성, 또는 다른 전력 소비체들의 동작 상태와 같은 여러 동작 상태들에 따라 발생할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 전류 벡터는 토크 요건에 기초하거나 전력 제한 및 토크 요건에 기초하여 결정된다. 토크 요건은 통상적으로 전동기가 특정의 시점에서 발생시켜야 하는 토크의 사양이다. dq 좌표 시스템에서의 전류 벡터는 통상적으로 이것으로부터 계산될 수 있으며, 이로 인해 전력 제한이 또한 필요한 경우 고려될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 전류 벡터는 영구자석 동기전동기를 통해 흐르는 측정 전류에 기초하여 결정된다. 이것은 전류 벡터를 획득하기 위한 추가의 가능성을 나타내며, 그러한 전류로부터 dq 좌표 시스템에서의 전류 벡터로 거꾸로 계산하는 것이 가능하다.
전류 벡터를 결정하기 위해 제시된 2 개의 가능성들이 또한 결합될 수 있지만, 예를 들어 상호 타당성 체크가 사용될 수 있거나, 그렇지 않으면 하나의 가능성 또는 다른 가능성이 동작 상태에 따라 사용될 수 있다.
바람직한 실시형태에 따르면, dq 좌표 시스템에서의 출력 전압 벡터는 토크 요건에 기초하여, 또는 전력 제한 및 토크 요건에 기초하여, 및/또는 전류 벡터에 기초하여 결정된다. 이들은 여기에 기술된 방법에서 특히 특정된 최대 전력 또는 전력 제한에 독립적으로, 또는 적어도 크게 독립적으로 바람직한 전압 벡터를 나타내는 출력 전압 벡터를 획득하기 위해 통상 사용되는 가능성들이다. 즉, 출력 전압 벡터는 전동기가 임의의 전력을 소비하도록 허용된다면 사용될 전압 벡터를 나타낸다.
바람직하게는, 설정포인트 전압 벡터의 각도는 출력 전압 벡터의 각도와 동일하게 설정된다. 이 것은 각각의 경우에 dq 좌표 시스템에서의 각도이다. 즉, 설정포인트 전압 벡터는 바람직하게는 출력 전압 벡터에 평행하게 설정된다. 이 것은 출력 전압 벡터의 양이 출력 전압 벡터를 계산할 때 아직 고려되지 않은 라인 제한에 기인하여 감소되어야 하는 경우, 출력 전압 벡터의 각도가 통상적으로 또한 유지되어야 한다는 사실을 허용한다.
바람직한 실시형태에서, 설정포인트 양은 피제수 및 제수를 포함하는 몫과 팩터 2/3 의 곱으로서 계산된다. 피제수는 이 경우에 바람직하게는 최대 전력 및 출력 전압 벡터의 양의 곱이다. 제수는 바람직하게는 한편으로는 출력 전압 벡터 및 전류 벡터의 d 성분들의 곱 및 다른 한편으로는 출력 전압 벡터 및 전류 벡터의 q 성분들의 곱의 합이다. 이러한 절차는 설정포인트 양을 계산하는 간단하고 효과적인 방법인 것으로 판명되었다. 그것에 포함된 공식은 본 출원에서 이하에 도출된다. 수학적 규칙 “가산 및 감산 전에 승산 및 제산” 이 여기에 주어진 계산들에서 준수되어야 한다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 방법을 수행하도록 구성되는 전자 제어 모듈에 관한 것이다. 여기서 여기에 기술된 실시형태들 및 변형들 모두로 되돌아 가는 것이 가능하다.
본 발명은 또한 전동기 배열에 관한 것이다. 전동기 배열은 영구자석 동기전동기를 갖는다. 전동기 배열은 영구자석 동기전동기를 제어하는 인버터를 갖는다. 또한, 전동기 배열은 본 발명에 따른 전자 제어 디바이스를 갖는다. 여기서 여기에 기술된 실시형태들 및 변형들 모두로 되돌아 가는 것이 가능하다.
전동기 배열에 대해 이미 전술된 이점들이 본 발명에 따른 전동기 배열에 이해 달성될 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드를 포함하는 비휘발성 컴퓨터 판독가능 저장 매체에 관한 것이다. 여기서 여기에 기술된 실시형태들 및 변형들 모두로 되돌아 가는 것이 가능하다.
추가의 특징 및 이점이 첨부된 도면을 참조하여 이하에 기술된 예시적인 실시형태로부터 당업자에 의해 취해질 것이다.
도 1 은 전동기 배열을 도시한다.
도 2 는 흐름도를 도시한다.
도 1 은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 전동기 배열 (10) 을 보여준다. 전동기 배열 (10) 은 제어 디바이스 (20), 인버터 (30) 및 영구자석 동기전동기 (40) 를 갖는다. 제어 디바이스 (20) 는 인버터 (30) 를 제어하도록 설계되고, 인버터는 전동기 (40) 를 제어하며, 따라서 양자는 전동기에 전력을 공급하고 그것의 원하는 동작, 특히 원하는 토크를 특정한다.
제어 디바이스 (20) 는 특히 본 발명에 따른 방법을 수행하도록 구성된다. 이것은 다음의 고려들에 기초한다.
영구자석 동기전동기의 전력 소비는 원칙적으로 다음과 같이 계산된다:
Figure pct00001
여기서,
UDC: 특히 특정된 차량 전기 시스템 전압일 수 있는 인가 전압,
IDC: 특정된 최대 전류,
Ud: dq 좌표 시스템에서 실제로 사용된 전압 벡터의 d 성분,
Id: dq 좌표 시스템에서 실제로 사용된 전류 벡터의 d 성분,
Uq: dq 좌표 시스템에서 실제로 사용된 전압 벡터의 q 성분,
Iq: dq 좌표 시스템에서 실제로 사용된 전류 벡터의 q 성분.
이러한 공식은 d 및 q 성분들 대신에 벡터들의 양들 및 사잇각이 고려되는 경우 변형될 수 있다:
Figure pct00002
여기서,
Udq: 실제로 사용된 전압 벡터,
Idq: 실제로 사용된 전류 벡터,
phi: Udq 와 Idq 사이의 사잇각.
이러한 식은 전압에 대해 풀어질 수 있다:
Figure pct00003
이것은 UDC 와 IDC 의 곱에 의해 나타내는 특정된 최대 전력, 전류 벡터의 양, 각도 phi 및 전압 벡터의 양 사이의 간단한 관계를 제공한다. 이러한 관계가 전동기 제어에서 사용될 수 있는 방법이 이하에 논의된다.
영구자석 동기전동기의 제어에서, 예를 들어 전류 제어를 사용하거나 dq 전압을 설정하여 전동기 전류를 설정하기 위해 사전에 모델 기반 계산을 사용할 수 있다. 결과적으로, 전류 벡터는 예를 들어 측정 값을 기반으로 하거나 디폴트 값을 기반으로 할수 있다. 특히, 전력 제한을 고려하지 않고 바람직할 전압 벡터를 나타내는 출력 전압 벡터 U*dq 가 먼저 계산 될수 있다. 일반적으로 이러한 출력 전압 벡터 U*dq 는 토크 요건에 기초한다.
이 경우, 사잇각 phi 는 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure pct00004
여기서,
U*d: 출력 전압 벡터의 d 성분, 및
U*q: 출력 전압 벡터의 q 성분.
사잇각 phi 의 코사인에 대한 이러한 공식이 앞서 언급 한 전압 벡터의 설정포인트 양을 계산하는 방정식에 사용되면 다음 공식이 얻어진다:
Figure pct00005
이것은 계산되거나 측정 된 전류 벡터 Idq 및 계산 된 출력 전압 벡터 U*dq 에 기초하고 동시에 위에서 이미 특정된 전력 제한을 고려하는 전압 벡터의 양의 계산을 허용한다. 이러한 설정포인트 양 |Udq| 는 특히 위의 공식에 따라 계산 된 각도 phi 가 동일하게 남아있는 경우에 사용될 수 있다. 이것은 특정된 최대 전력을 충족하기 위해 절대적으로 필요한 정도로만 변경되는 전동기 파라미터에 대한 최소의 개입을 야기한다.
도 1 에 도시 된 예시적인 실시형태로 돌아가서, 제어 디바이스 (20) 는 따라서 사잇각 phi 뿐만 아니라 출력 전압 벡터 U*dq 및 방금 표시된 전압 벡터의 설정포인트 양을 계산하는 반면, 여기서 계산되거나 측정 된 전류 벡터 Idq 로 되돌리는 것이 가능하다. 출력 전압 벡터 U*dq 는 그런 다음 그것의 각도 측면에서 일정하게 유지되지만 필요한 경우 그것의 양이 설정포인트 양 |Udq| 에 대응하는 정도로 변경된다. 이러한 방식으로, 인버터 (30) 및 궁극적으로 또한 전동기 (40) 가 제어된다. 따라서 전력 제한과 관련하여 일반적으로 외부에서 특정된 토크 요건이 가능한 한 충족되지만, 라인 제한에 대한 준수가 보장된다.
도 2 는 설정포인트 전압 벡터 또는 그것의 양을 계산하는 절차를 개략적 개요로 보여준다. 특히 출력 전압 벡터 Udq_rec 는 왼쪽 상단에 포함된다. 또한 d 및 q 좌표들을 갖는 전류 벡터 Idq 가 왼쪽 하단에 포함된다. 그 사이에 최대 전력이 전압 UDC 및 최대 전류 Ibmax 의 형태로 포함되어 있음을 알수 있다. 도 2 의 도시의 오른쪽에서, 전압 벡터의 제한된 값이 출력되는 것을 볼수 있다.
본 발명에 따른 방법의 언급된 단계들은 표시된 순서로 수행될 수도 있다. 하지만, 이러한 단계들은 또한 이것이 기술적으로 적절하다면 상이한 순서로 실행될 수 있다. 예를 들어, 단계들의 특정 조합으로, 그 실시형태들 중 하나에서, 본 발명에 따른 방법은 어떠한 추가의 단계들도 수행되지 않는 방식으로 수행될 수도 있다. 하지만, 원칙적으로, 추가의 단계들은, 언급되지 않은 단계들 조차도, 또한 수행될 수 있다.
본 출원의 일부를 형성하는 청구항들은 추가의 보호의 달성의 포기를 나타내지 않는다.
절차 동안에 특징 또는 특징들의 그룹이 절대적으로 필요하지는 않다고 밝혀지면, 출원인은 이미 더이상 특징 또는 특징들의 그룹을 갖지 않는 적어도 하나의 독립 청구항의 워딩을 달성하기를 목적하기를 원하지 않는다. 이것은 예를 들어 출원일에 존재하는 청구항의 서브조합일 수도 있거나, 또는 추가의 특징들에 의해 한정되는 출원일에 존재하는 청구항의 서브조합일 수도 있다. 이러한 종류의 요구되는 리워딩의 특징들의 조합들 또는 청구항들은 또한 본출원의 개시에 의해 커버되는 것으로 이해되도록 의도된다.
다양한 실시형태 또는 모범적인 실시형태에서 설명되고/되거나 도면에 도시되는 본발명의 개선들, 특징들 및 변형들이 임의의 원하는 방식으로 서로 조합될 수 있다는 것에 또한 주목하여야 한다. 단일의 또는 다수의 특징들은 임의의 원하는 방식으로 서로 교환될 수 있다. 그로부터 발생되는 특징들의 조합들이 또한 본출원의 개시 내용에 포함되는 것으로 이해되도록 의도된다.
종속 청구항들에서의 역참조들은, 역참조된 종속 청구항들의 특징들에 대한 독립적인 실질적 보호의 달성의 포기로서 이해되도록 의도되지 않는다. 이들 특징들은 또한 임의의 원하는 방식으로 다른 특징들과 조합될 수 있다.
오직 상세한 설명에서만 개시된 특징들 또는 상세한 설명 또는 청구항에서 오직 다른 특징들과 함께 개시된 특징들은 기본적으로 본발명에 필수적인 독립적인 중요성을 가질 수도 있다. 이에 따라서, 이들은 또한 선행 기술과의 구별을 위해 청구항들에 개별적으로 포함될 수 있다.

Claims (10)

  1. 영구자석 동기전동기 (40) 를 동작시키기 위한 방법으로서,
    - 최대 전력을 설정하는 단계,
    - dq 좌표계에서 전류 벡터를 결정하는 단계,
    - 상기 dq 좌표계에서 출력 전압 벡터를 결정하는 단계,
    - 상기 최대 전력, 상기 전류 벡터 및 상기 출력 전압 벡터에 기초하여 설정포인트 전압 벡터에 대한 설정포인트 양을 계산하는 단계,
    - 상기 설정포인트 양을 갖는 상기 설정포인트 전압 벡터를 생성하는 단계, 및 그 후
    - 적어도 상기 설정포인트 전압 벡터로 상기 영구자석 동기전동기 (40) 를 동작시키는 단계를 포함하는, 영구자석 동기전동기를 동작시키기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    - 상기 최대 전력은 특정된 전압과 특정된 최대 전류 세기의 곱으로 설정되는, 영구자석 동기전동기를 동작시키기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    - 상기 전류 벡터는 토크 요건에 기초하여 또는 전력 제한 및 토크 요건에 기초하여 결정되는, 영구자석 동기전동기를 동작시키기 위한 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    - 상기 전류 벡터는 상기 영구자석 동기전동기를 통해 흐르는 측정된 전류들에 기초하여 결정되는, 영구자석 동기전동기를 동작시키기 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 dq 좌표계의 상기 출력 전압 벡터는 토크 요건에 기초하여, 또는 전력 제한 및 토크 요건에 기초하여, 및/또는 상기 전류 벡터에 기초하여 결정되는, 영구자석 동기전동기를 동작시키기 위한 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 설정포인트 전압 벡터의 각도는 상기 출력 전압 벡터의 각도와 동일하게 설정되는, 영구자석 동기전동기를 동작시키기 위한 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 설정포인트 양은 피제수와 제수를 포함하는 몫과 팩터 2/3 의 곱으로 계산되고,
    - 상기 피제수는 상기 최대 전력과 상기 출력 전압 벡터의 양의 곱으로 계산되며,
    - 상기 제수는 한편으로는 상기 출력 전압 벡터 및 상기 전류 벡터의 d 성분들의 곱과 다른 한편으로는 상기 출력 전압 벡터 및 상기 전류 벡터의 q 성분들의 곱의 합으로 계산되는, 영구자석 동기전동기를 동작시키기 위한 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 영구자석 동기전동기를 동작시키기 위한 방법을 수행하도록 구성되는 전자 제어 디바이스 (30).
  9. 전동기 배열 (10) 로서,
    - 영구자석 동기전동기 (40),
    - 상기 영구자석 동기전동기 (40) 를 제어하는 인버터 (30), 및
    - 상기 인버터 (30) 를 제어하기 위한 제 8 항에 기재된 전자 제어 디바이스 (20) 를 포함하는, 전동기 배열.
  10. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드를 포함하는 비휘발성 컴퓨터 판독가능 저장 매체.





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