KR20220007311A

KR20220007311A - 모터 구동 제어 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20220007311A
Application number: KR1020200085392A
Authority: KR
Inventors: 강민수; 이동훈; 김주연; 류창석; 김성도
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2020-07-10
Publication date: 2022-01-18

Abstract

고속용 모터의 저속 구동 구간에서 인버터의 스위칭 손실 및 전류 리플 손실 저감을 통해 모터의 효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 모터 구동 제어 방법 및 시스템이 개시된다. 상기 모터 구동 제어 방법은, 속도 지령값에 기반하여 상기 모터를 구동하되, 상기 모터에서 토크가 발생하는 온-구간과 상기 모터에서 토크가 발생하지 않는 오프-구간을 일정 주기로 반복하여 상기 모터를 구동하는 단계를 포함하며, 상기 구동하는 단계는, 상기 온-구간에서 상기 모터의 복수의 상 중 하나의 제어 기준상에만 상전압을 인가하되, 직전 온-구간에 상전압이 인가된 상과는 다른 상으로 상기 제어 기준상을 결정할 수 있다.

Description

모터 구동 제어 방법 및 시스템{CONTROL METHOD AND SYSTEM FOR MOTOR DRIVING}

본 발명은 모터 구동 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 고속용 모터의 저속 구동 구간에서 인버터의 스위칭 손실 및 전류 리플 손실 저감을 통해 모터의 효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 모터 구동 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.

연료전지 차량은 고온 등판 운전과 같이 연료전지 스택이 고출력으로 운전되는 경우와 같이 냉각성능이 떨어지는 운전 조건에서 연료전지 스택의 운전 온도가 상승하여 공급 연료의 습도 하락이 발생하고 이로 인해 연료전지 스택이 드라이(dry)되어 동일 전류에서의 스택 운전 전압이 강하하게 된다. 이러한 경우 스택 전압 강하에 의해 연료전지 스택의 발열량이 증가하면서 연료전지 운전 온도가 더욱 상승하게 되는 악순환이 발생할 수 있다.

이러한 연료전지 운전 온도가 상승하는 악순환을 방지하기 위해 최근 차량용 연료전지 시스템에서는 공기극(캐소드(cathode))로 공급하는 공기의 압력을 상승시켜 공기극 측의 상대습도를 높이는 제어기술을 적용 중에 있다. 이에, 연료전지 스택의 공기극 측에 공기를 공급하는 공기 압축기의 압축비를 더욱 증가시켜야 할 필요가 있다.

연료전지 스택의 공기극 측으로 공급되는 공기의 압축비를 더욱 증가시켜야 하는 필요성으로 인해 공기 압축기의 압축비를 더욱 증대 시키면서 최대 압력 운전점에서 최대 효율점이 나타나도록 공기 압축기를 설계하게 된다. 이러한 설계는 고유량 고압축비 구간에서 압축기 효율은 상승하지만, 상대적으로 저유량 구간에서 효율이 저하하는 문제가 발생한다. 이에 따라 차량 도심 운전시 주 운전 영역인 저유량 구간에서 공기 압축기 소모 동력이 증가하여 차량 연비에 악영향을 끼치게 되었다.

더욱 구체적으로, 종래에 사용되던 상압형 공기 블로워에 비해 공기 압축비를 더욱 향상시킨 가압형 공기 압축기는 내장된 모터의 구동 속도를 더욱 확대해야 함에 따라 저유량 구간과 고유량 구간 간 모터의 구동속도 차이가 증가하여 공기압축기 자체의 효율 개선이 불리한 단점이 있다. 즉, 가압형 공기 압축기는 모터 회전속도 증가에 따라 고속 운전 영역에서 충분한 전압 마진 확보를 위해 모터 인덕턴스를 감소시키게 되고, 이러한 모터 인덕턴스 감소에 의해 3상 리플 전류가 증가하여 모터/인버터의 효율이 감소되는 것이다. 특히, 상대적으로 작은 출력을 요구하는 저유량 구간에서는 3상 전류가 작고 전류 리플 증가에 의해 효율 감소 효과가 현저하게 나타나게 된다. 즉, 3상 리플 전류는 2차 성분으로 모터 토크에 기여하지 못하며 모터 토크가 작은 저유량 구간에서 3상 사인파 전류 성분 대비 3상 리플 전류량이 상대적으로 크게 나타나기 때문에 고출력 구간 대비 모터/인버터 효율이 감소하게 된다.

또한, 고속 회전을 위해 공기 압축기의 모터 회전에는 에어포일 베어링이 적용되는데, 이 에어포일 베어링은 리프트 상태를 유지하기 위해 일정 속도 이상 회전이 요구된다. 따라서, 에어포일 베어링이 리프트 상태를 유지하기 위한 기준 속도 이하로 모터를 연속 구동하는 경우 에어포일 베어링이 모터 회전축과의 마찰로 소손될 수 있는 문제가 발생한다. 따라서, 이러한 에어포일 베어링의 소손을 방지하기 위해 공기 압축기는 최소 구동속도 제한을 두고 있으며, 이에 따라 연료전지를 저출력으로 운전하여야 하는 경우에도 최소 구동속도 이상 공기 압축기를 구동시켜 불필요한 공기 과급이 발생하게 되어 연료전지 시스템 자체의 효율도 감소하게 된다.

이러한 문제들을 해소하기 위해 저속 영역에서 모터의 토크를 온-오프 제어하는 기법이 한국등록특허 10-1988088호(출원인: 현대자동차 주식회사, 기아자동차 주식회사)가 제안되었다. 이 선행특허에 따르면, 모터의 구동토크 온 상태에서 인버터는, 모터의 3상 전압을 인가하기 위해 제어기에서 결정된 펄스폭 변조 듀티로 모터의 모든 상 스위치를 제어하여 모터의 전체 상에 상전압을 인가하는 제어방식을 의미한다. 선행 특허의 제어 방식은 항시 모터의 토크를 온 상태로 제어하는 통상의 방식에 비해 토크 오프 구간을 가지므로 인버터 스위칭 손실, 도통 손실 및 전류 리플 손실을 방지할 수 있어 효율 개선 효과를 얻을 수 있다.

한국등록특허 10-1988088호(출원인: 현대자동차 주식회사)의 모터 토크 온-오프 제어 기법을 더욱 개선한 발명으로, 모터 토크가 발생하는 온-구간과 모터 토크가 발생하지 않는 오프-구간이 반복되도록 제어함과 동시에, 온-구간에서 모터의 한 상에 해당하는 상전압만 인가되도록 인버터 스위칭 소자를 제어하여 인버터의 스위칭 손실 및 전류 리플 손실 저감을 극대화 할 수 있는 모터 구동 제어 방법 및 시스템이 동 출원인에 의해 한국출원특허 제10-2019-0146435호로 출원되었다.

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.

한국공개특허 제10-2014-0073735호 한국공개특허 제10-2015-0026265호 한국등록특허 제10-1988088호 한국출원특허 제10-2019-0146435호

본 발명은 전술한 종래 기술을 더욱 개선하기 위해 제안된 것으로, 고속 회전 시 최대 효율이 발생하도록 설계된 모터를 저속에서 모터 토크가 발생하는 온-구간과 모터 토크가 발생하지 않는 오프-구간이 반복되도록 제어함에 있어 토크 온-구간에서 모터의 한 상에 해당하는 상전압만 인가되도록 인버터 스위칭 소자를 제어하는 경우 발생할 수 있는 특정 상의 모터 권선 및 특정 상의 인버터 스위칭 소자 피로 발생을 방지하고, 토크가 동일 지점에서 발생함으로 인한 모터 편심 발생을 방지할 수 있는 모터 구동 제어 방법 및 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

모터의 속도 실측값이 속도 지령값을 추종하도록 모터를 속도 제어하는 모터의 구동 제어 방법에 있어서,

상기 속도 지령값에 기반하여 상기 모터를 구동하되, 상기 모터에서 토크가 발생하는 온-구간과 상기 모터에서 토크가 발생하지 않는 오프-구간을 일정 주기로 반복하여 상기 모터를 구동하는 단계를 포함하며,

상기 구동하는 단계는, 상기 온-구간에서 상기 모터의 복수의 상 중 하나의 제어 기준상에만 상전압을 인가하되, 직전 온-구간에 상전압이 인가된 상과는 다른 상으로 상기 제어 기준상을 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 구동하는 단계는, 상기 온-구간에서, 상기 제어 기준상 이외의 상은 항시 온 또는 오프 상태가 되도록 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 온-구간의 시점과 종점은 상기 모터의 회전 좌표계에서의 q축이 고정 좌표계에서 상기 제어 기준상에 해당하는 축과 만나는 시점 전후에서 각각 결정될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 구동하는 단계는, 상기 모터의 복수의 상 중 상기 제어 기준상을 결정하는 단계; 상기 모터의 회전 좌표계에서의 q축이 고정 좌표계에서 상기 제어 기준상에 해당하는 축에 접근하는지 확인하는 단계; 및 상기 확인하는 단계에서 상기 모터의 회전 좌표계에서의 q축이 고정 좌표계에서 상기 제어 기준상에 해당하는 축에 사전 설정된 각도로 접근한 것으로 확인된 경우, 사전 설정된 상기 온-구간에 해당하는 시간 동안 상기 제어 기준상에만 상전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 인가하는 단계는, 상기 온-구간에 해당하는 시간 동안, 상기 제어 기준상을 제외한 나머지 상은 항시 온 또는 오프 상태가 되도록 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 결정하는 단계는, 상기 온-구간과 오프-구간이 반복되는 주기를 전기각 '120°×n'(n은 3의 배수가 아닌 자연수)으로 결정하고 모터의 회전 좌표계에서의 q축에 가장 근접한 상을 제어 기준상으로 결정할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 결정하는 단계는, 상기 속도 실측값과 상기 속도 지령값의 오차에 기반하여 상기 n의 값을 결정하되, 상기 오차가 클수록 상기 n의 값은 작은 값을 갖도록 결정할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 구동하는 단계는, 상기 오프-구간에서 상기 모터로 제공되는 구동전류를 실질적으로 0이 되도록, 상기 오프-구간에서 상기 구동 전류를 모터로 제공하는 인버터에 포함된 스위칭 소자를 오프 시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 구동하는 단계는, 상기 오프-구간에서 상기 모터로 제공되는 구동전류를 실질적으로 0이 되도록, 상기 오프-구간에서 상기 모터로 인가하는 구동 전압이 상기 모터의 역기전력과 실질적으로 동일해지게 상기 구동 전류를 모터로 제공하는 인버터에 포함된 스위칭 소자를 제어할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,

모터의 속도 실측값이 상기 모터에 대한 속도 지령값을 추종하도록 상기 모터를 구동하기 위한 구동 전류에 대한 전류 지령값을 결정하는 속도 제어부;

상기 모터로 실제 제공되는 인버터의 모터 구동 전류 실측값이 상기 전류 지령값을 추종하도록 상기 모터를 구동하기 위한 전압 지령값을 결정하는 전류 제어부;

상기 전압 지령값을 변환하며, 상기 전압 지령값에 기반하여 상기 모터로 구동 전류를 공급하는 인버터 내에 포함된 스위칭 소자의 온-오프를 제어하는 전압출력 변환부; 및

상기 모터에서 토크가 발생하는 온-구간과 상기 모터에서 토크가 발생하지 않는 오프-구간을 일정 주기로 반복하여 상기 모터를 구동하는 토크 온-오프 모드의 수행 여부를 판단하는 토크 온-오프 판단부를 포함하며,

상기 토크 온-오프 판단부가 상기 토크 온-오프 모드를 수행하는 것으로 판단한 경우, 상기 전압출력 변환부는 상기 온-구간에서 상기 모터의 복수의 상 중 하나의 제어 기준상에만 상전압을 인가하도록 상기 인버터를 제어하되, 직전 온-구간에서 상전압이 인가된 상과는 다른 상으로 상기 제어 기준상을 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 토크 온-오프 판단부가 상기 토크 온-오프 모드를 수행하는 것으로 판단한 경우, 상기 전압출력 변환부는 상기 온-구간에서, 상기 제어 기준상 이외의 상은 항시 온 또는 오프 상태가 되도록 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 토크 온-오프 판단부가 상기 토크 온-오프 모드를 수행하는 것으로 판단한 경우, 상기 전압출력 변환부는 고정 좌표계에서 상기 제어 기준상에 해당하는 축에 상기 모터의 회전 좌표계에서의 q축이 사전 설정된 각도로 접근하는 시점부터 사전 설정된 상기 온-구간에 해당하는 시간이 경과하는 동안 상기 제어 기준상에만 상전압을 인가하도록 상기 인버터에 포함된 스위칭 소자를 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 토크 온-오프 판단부가 상기 토크 온-오프 모드를 수행하는 것으로 판단한 경우, 상기 전압출력 변환부는 상기 온-구간과 오프-구간이 반복되는 주기를 전기각 '120°×n'(n은 3의 배수가 아닌 자연수)으로 결정하고 모터의 회전 좌표계에서의 q축에 가장 근접한 상을 제어 기준상으로 결정할 수 잇다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 토크 온-오프 판단부가 상기 토크 온-오프 모드를 수행하는 것으로 판단한 경우, 상기 전압출력 변환부는 상기 속도 실측값과 상기 속도 지령값의 오차에 기반하여 상기 n의 값을 결정하되, 상기 오차가 클수록 상기 n의 값은 작은 값을 갖도록 결정할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 토크 온-오프 판단부가 상기 토크 온-오프 모드를 수행하는 것으로 판단한 경우, 상기 전압출력 변환부는 상기 오프-구간에서 상기 모터로 제공되는 구동전류가 실질적으로 0이 되도록 상기 오프-구간에서 상기 인버터에 포함된 스위칭 소자를 오프 시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 토크 온-오프 판단부가 상기 토크 온-오프 모드를 수행하는 것으로 판단한 경우, 상기 전압출력 변환부는 상기 오프-구간에서 상기 모터로 제공되는 구동전류가 실질적으로 0이 되도록 상기 오프-구간에서 상기 모터로 인가되는 구동 전압이 상기 모터의 역기전력과 실질적으로 동일해지게 상기 인버터에 포함된 스위칭 소자를 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 토크 온-오프 판단부가 상기 토크 온-오프 모드를 수행하는 것으로 판단한 경우, 상기 전압출력 변환부는 상기 오프-구간에서 상기 모터로 제공되는 구동전류가 실질적으로 0이 되도록 상기 속도 제어부는 상기 오프-구간에서 상기 전류 지령값을 0으로 결정할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 토크 온-오프 판단부는 상기 속도 지령값 또는 상기 전류 지령값이 상기 사전 설정된 범위 이내인 경우, 상기 토크 온-오프 모드를 수행하는 것으로 판단할 수 있다.

상기 모터 구동 제어 방법 및 시스템에 따르면, 모터의 소모동력 저감을 통해 모터가 적용된 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 모터가 적용된 공기 압축기를 포함하는 연료전지 차량에서 공기 압축기에 의한 소모동력 저감을 통해 연료전지 시스템 효율 및 차량 연비를 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 모터 구동 제어 방법 및 시스템에 따르면, 별도의 하드웨어 추가에 따른 비용이 발생하지 않으며 간단히 특정 속도 구간 또는 특정 토크 구간에서 모터 토크를 온-오프 제어함에 따라 용이하게 모터의 소모동력을 감소시킬 수 있다.

특히, 상기 모터 구동 제어 방법 및 시스템에 따르면, 모터 토크를 온-오프 제어할 때, 모터 토크가 발생하는 온-구간에서 모터의 복수의 상 중 하나의 상만을 이용하여 해당 상에서 최대 토크를 얻어 냄으로써 인버터의 스위칭 손실 및 전류 리플 손실 저감을 극대화 할 수 있다.

또한, 상기 모터 구동 제어 방법 및 시스템에 따르면, 모터의 정속 운전 상태 뿐만 아니라 가감속 운전 상태에서도 효율을 개선할 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 구동 제어 방법 및 시스템이 적용되는 연료전지 시스템의 일례를 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 제어 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법에 적용되는 모터 토크의 온-오프 제어 상태를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법에서, 토크 온-오프 모드가 수행되는 단계를 더욱 상세하게 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법 및 시스템에서 적용되는 모터 토크 온-구간 및 모터 토크 오프-구간에서 각 상의 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법 및 시스템에서 적용되는 모터 토크 온-구간의 모터 회전 좌표계의 q축과 펄스폭 변조 방식으로 상전압이 인가되는 선택된 삼상 축 중 하나의 관계를 도시한 그래프이다.

이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법 및 시스템을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법 및 시스템이 적용되는 연료전지 시스템의 일례를 간략하게 도시한 블록 구성도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 연료전지 시스템은 연료인 수소와 산화제인 공기를 공급받아 산화/환원 작용을 통해 전력을 생성하는 연료전지 셀을 포함하는 연료전지 스택(100)과, 연료전지 스택(100)의 공기극(캐소드(cathode))로 압축 공기를 공급하는 공기 압축기(10) 및 공기 압축기(10)의 압축 공기에 수분을 공급하여 연료전지 스택(100)으로 전달하는 가습기(200)를 포함할 수 있다. 여기서, 가습기(200)는 연료전지 스택(100)에서 배출되는 고습의 비반응 공기를 제공받아 연료전지 스택(100)으로 공급되는 공기에 수분을 제공하게 된다.

배경 기술에서 이미 설명한 바와 같이, 연료전지 스택(100)에서 고출력이 요구될 때 연료전지 스택의 발열에 의한 수소의 건조를 방지하기 위해, 연료전지 스택(100)으로 공급되는 공기의 압축비를 상승시키게 된다. 즉, 공기 압축기(10)를 더욱 고속으로 동작 시켜 공기의 유량을 증대 시킴에 의해 더욱 많은 가습 공기가 연료전지 스택(100)으로 제공되게 함으로써 건조 현상을 감소시키게 되는 것이다.

이와 같은 공기 압축기(10)의 제어를 구현하기 위해, 연료전지 시스템은 공기 압축기(10), 더욱 정확하게는 공기 압축기(10)에 포함된 모터를 제어하기 하기 위한 제어기(20)가 마련될 수 있다.

본 발명의 여러 실시형태에 대한 설명에서는, 연료전지 시스템에 포함된 공기 압축기(10)의 모터를 제어하기 위한 제어기(20)에서 구현되는 모터 제어 방법과, 공기 압축기(10) 및 제어기(20)를 포함하는 모터 제어 시스템을 임의의 적용예로 사용하고자 한다. 그러나, 이러한 적용예에 대한 설명이 본 발명을 연료전지 시스템의 공기 압축기로 국한시켜 한정하는 것은 아니며, 연료전지 분야 이외의 다른 기술 분야에 적용되는 다양한 모터의 제어에 본 발명이 광범위하게 적용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 제어 시스템을 도시한 블록 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 제어 시스템은, 속도 제어부(21), 전류 제어부(23), 전압출력 변환부(24), 인버터(27) 및 토크 온-오프 판단부(29)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 2에서, 모터는 도 1의 공기 압축기와 동일한 참조 부호('10')를 사용하기로 한다. 이는 본 발명의 여러 실시형태가 모터의 구동을 제어하기 위한 것이고 특히 연료전지 시스템에서는 공기 압축기에 포함된 모터의 구동을 제어하기 위한 것인 바, 공기 압축기를 제어한다는 의미는 공기 압축기의 모터를 제어한다는 것과 실질적으로 동일한 의미로 이해될 수 있기 때문이다. 또한, 본 명세서 전반에서 공기 압축기를 제어한다는 기재는 공기 압축기의 모터를 제어한다는 의미로 이해될 수 있다.

속도 제어부(21)는, 상위 제어기(미도시)로부터 모터의 속도를 제어하기 위한 속도 지령을 입력 받고 모터의 속도를 실제 검출한 모터 속도 실측값을 기반으로 모터를 구동하기 위한 구동 전류에 대한 전류 지령값(Id*, Iq*)을 생성하여 출력한다. 여기서, 상위 제어기는 연료전지 시스템을 제어하기 위한 제어기 또는 연료전지 시스템이 적용된 차량을 제어하기 위한 차량 제어기가 될 수 있다. 상위 제어기는 차량의 차속, 등판각도, 운전자에 의해 조작되는 액셀러레이터의 개도 등에 기반하여 연료전지 스택(100)의 출력을 결정할 수 있으며, 연료전지 스택(100)의 출력 및 온도 등을 고려하여 공기 압축기(10) 모터의 회전 속도를 결정할 수 있다. 상위 제어기는 이렇게 결정된 모터의 회전 속도를 속도 지령값으로 속도 제어부(21)에 제공한다. 속도 제어부(21)는 입력 받은 속도 지령값과 모터의 실제 회전 속도에 해당하는 모터 속도 실측값을 비교하여 모터의 회전 속도가 속도 지령값을 추종할 수 있는 전류 지령값(Id*, Iq*)을 생성하여 출력한다.

여기서, 전류전류 지령값(Id*, Iq*)은 모터(10)의 구동 전류에 대한 지령값이다. 일반적으로 모터를 제어하는데 있어서, 모터의 목표 토크를 설정하고 모터가 이 목표 토크를 추종하도록 모터의 구동 전류를 제어한다. 본 발명은 모터의 속도를 제어하는데 적용되는 것이므로, 속도 제어부(21)는 목표 속도인 속도 지령값을 추종하도록 모터를 제어하기 위해 속도 실측값과 속도 지령값을 기반으로 속도 실측값이 속도 지령값을 추종할 수 있는 목표 토크를 결정하고 목표 토크에 대응되는 전류 지령값을 생성하는 것이다. 더욱 상세하게는, 속도 제어부(21)에서 출력되는 전류전류 지령값(Id*, Iq*)은 모터의 D축 및 Q축 전류 지령값이 될 수 있다.

속도 제어부(21)는 통상 비례적분(Proportional Integral: PI) 제어기와 같이 지령값과 실측값의 오차를 적분하는 과정을 통해 누적하여 제어량에 반영하는 제어 기법이 적용될 수 있다. 즉, 속도 제어부(21)는 속도 지령과 모터(10)의 실제 속도의 오차를 적분하여 반영하는 제어 기법이 적용될 수 있다. 속도 제어부(21)는 PI 제어 기법 이외에, PID (Proportional Integral Differential) 제어, IP(Integral Proportional) 제어, IP-PI 혼합 제어 등의 기법이 적용될 수도 있다.

한편, 모터(10)에는 모터 회전자의 위치를 검출하기 위한 홀센서나 레졸버와 같은 센서(13)가 구비되며, 이러한 센서(13)에 의해 실제 모터(10)의 회전 속도를 검출한 속도 실측값을 속도 제어부(21)에 제공함으로써 전류 지령값을 생성할 수 있게 된다.

전류 제어부(23)는, 인버터(27)에서 모터로 제공되는 전류가 전류 지령값(Id*, Iq*)을 추종하도록 제어를 실시하여 D축 및 Q축 전압 지령값(Vd*, Vq*)을 출력한다. 전류 제어부(23)는 인버터(27)에서 모터(10)로 제공되는 각 상의 전류 중 일부 또는 전부를 검출하여 D축 전류 및 Q축 전류로 변환한 구동 전류 실측값을 피드백 받고 구동 전류 실측값이 전류 지령값, 즉 D축 및 Q축 전류 지령값(Id*, Iq*)을 추종하도록 제어할 수 있다.

전술한 속도 제어부(21)와 마찬가지로, 전류 제어부(23)는 PI 제어, PID 제어, IP 제어, IP-PI 혼합 제어 등과 같이, 인버터(27)에서 모터로 제공되는 실제 전류와 전류 지령값(Id*, Iq*)의 오차를 누적하기 위한 적분 과정을 포함하는 제어 기법을 사용할 수 있다.

전압출력 변환부(25)는 좌표 변환(DQ <-> 삼상(abc))을 통해 D축 Q축 전압 지령값(Vd*, Vq*)을 3상의 전압 지령값으로 변환하며, 변환된 3상의 전압 지령값을 기반으로 인버터(27) 내의 스위칭 소자를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하여 인버터(27)로 제공한다. 이 구동 신호에 의해 인버터(27) 내의 스위칭 소자의 스위칭이 제어되면서 인버터(27)는 모터(10)를 구동하기 위한 3상의 전류를 출력하게 된다

또한, 전압출력 변환부(25)는 전류 제어부(21)에서 이루어지는 제어를 위해 피드백 되는 인버터(27)의 3상 구동 전류를 실측한 값을 다시 DQ 전류로 변환하여 전류 제어부(23)로 제공할 수도 있다.

특히, 전압출력 변환부(25)는, 모터(10)의 토크가 발생하는 온-구간과 토크가 발생하지 않는 오프-구간을 일정 주기로 반복하는 토크 온-오프 모드로 모터(10)를 제어할 필요가 있는 것으로 판단된 경우, 사전 설정된 온-구간 및 오프-구간의 시간 간격이 반복되도록 모터(10)를 제어할 수 있다. 토크 온-오프 모드 진입 여부는 토크 온-오프 판단부(29)에 의해 수행될 수 있다.

토크 온-오프 판단부(29)는 속도 제어부(21)로 제공되는 속도 지령값 또는 속도 제어부(21)에서 생성된 전류 지령값(Id*, Iq*)을 입력 받고, 이 속도 지령값 또는 전류 지령값(Id*, Iq*)이 사전 설정된 범위 이내인 경우 토크 온-오프가 수행되는 것으로 판단할 수 있다.

토크 온-오프 판단부(29)에서 모터(10)의 토크를 반복적으로 온-오프 구동해야 하는 것으로 판단한 경우, 토크 온-오프 판단부(29)에 의한 판단 결과는 전압출력 변환부(25) 및 전류 제어부(23)로 제공될 수 있다. 토크 온-오프 판단부(29)의 판단 결과를 수신한 전압출력 변환부(25)는 모터(10)의 토크가 온-오프 되도록 인버터(27) 내의 스위칭 소자를 제어하기 위한 신호를 인버터(27)로 제공할 수 있다. 또한, 토크 온-오프 판단부(29)에서 지시를 수신한 전류 제어부(23)는 토크 오프 구간에 적절한 제어가 이루어지게 할 수 있다

이러한 모터의 토크 온-오프 제어에 대한 내용은 후술하는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법에 대한 설명을 통해 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법을 도시한 흐름도이다. 도 3에 도시된 실시형태는 모터의 속도 지령값 또는 전류 지령값이 사전 설정된 범위 내인 경우 모터 토크를 온-오프 제어하는 일례에 관한 것이다. 모터의 토크가 발생하는 온-구간과 모터의 토크가 발생하지 않는 오프-구간을 일정 주기로 반복하는 토크 온-오프 모드를 적용하는 본 발명의 특징은 도 3에 도시된 본 발명의 일례에서 사용된 특정 조건에 한정되어 적용되는 것이 아니며, 속도 지령값 또는 전류 지령값의 크기에 상관없이 모터 구동에 적용될 수 있다.

도 3을 참조하면, 먼저, 모터(10)가 정지 상태에서(S11), 0이 아닌 속도 지령값이 속도 제어부(21)로 입력되면(S12) 모터의 토크를 발생시키는 제어가 시작된다.

속도 지령값이 속도 제어부(21)로 입력되면 속도 제어부(21)는 모터(10)의 회전 속도 실측값이 속도 지령값을 추종할 수 있도록 제어하기 위한 전류 지령값(Id*, Iq*)을 도출하여 전류 제어부(23)로 출력한다. 전류 제어부(23)는 인버터(27)에서 모터(10)로 제공되는 구동 전류를 직접 검출한 값에 해당하는 전류 실측값이 전류 지령값(Id*, Iq*)을 추종하기 위한 전압 지령값(Vd*, Vq*)을 도출하여 출력하고, 전압출력 변환부(25)는 DQ 좌표의 전압 지령값(Vd*, Vq*)을 3상(u상, v상, w상) 전압으로 변환하고 각 3상 전압을 출력할 수 있도록 인버터(27) 내부의 스위칭 소자를 제어하기 위한 PWM 스위칭 신호를 생성하여 인버터(27)로 출력한다.

이러한 일련을 과정을 통해 모터의 구동이 개시되는데, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법은 모터(10)의 구동이 개시된 이후 토크 온-오프 판단부(29)에서 속도 지령값 또는 전류 지령값을 모니터링하여 토크 온-오프 모드를 수행할 것인지를 판단할 수 있다(S131, S132). 즉, 토크 온-오프 판단부(29)는 속도 지령값이 사전 설정된 범위(도 3에서는 0 보다 크고 A(양수)보다 작은 범위)이거나(S131), 전류 지령값이 사전 설정된 범위(도 3에서는 0보다 크고 B(양수)보다 작은 범위)인 경우(S132) 토크 온-오프 모드를 수행하는 것으로 판단할 수 있다. 이러한 범위들은 배경기술에서 설명한 것과 같이, 고속용 공기 압축기가 낮은 회전 속도 또는 낮은 토크 구간에서 효율이 급격히 저하된다는 점을 고려하여 효율이 저하되는 낮은 회전 속도 또는 낮은 토크 구간에 해당하는 사전 설정 범위들이다. 그러나 본 발명의 다른 실시형태는 전술한 범위들에 상관없이 모터가 구동 가능한 전체 토크 및 속도 범위에서 모터의 토크를 온-오프 제어할 수도 있다.

토크 온-오프 판단부(29)에 의해 토크 온-오프 모드를 수행하여야 하는 것으로 판단된 경우, 토크 온-오프 판단부(29)는 인버터(27)에 포함된 스위칭 소자의 온-오프를 제어하는 구동 신호를 출력하는 전압출력 변환부(25)로 토크 온-오프 모드를 수행하도록 지시하고, 전압출력 변환부(25)는 이 지시에 따라 인버터(27) 내의 스위칭 소자를 제어할 수 있다(S14).

도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법에 적용되는 모터 토크의 온-오프 제어 상태를 도시한 그래프이다.

도 4에 도시한 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 단계(S14)에서는 모터 토크가 발생하는 온-구간(D1)과 모터 토크가 발생하지 않는 오프-구간(D2)가 일정 주기로 반복되는 토크 온-오프 모드가 수행될 수 있다. 온-구간(D1)의 시간 간격과 오프-구간(D2)의 시간 간격 및 온-구간(D1)과 오프-구간(D2)가 반복되는 주기는 모터의 속도 별로 인버터 소모 동력이 최소이면서 운전 안정성이 확보 가능한 값으로 사전에 실험적인 방법을 통해 결정될 수 있다.

이와 같은 토크 온-오프 모드는, 모터(10)에 영향을 주는 부하가 작아서 모터(10)가 관성에 의해 구동되더라도 속도 변화가 크지 않은 조건에서 적용 하는 것이 바람직하다. 모터(10)의 부하가 큰 경우에는 토크가 오프 되는 구간에서 감속이 크게 발생하기 때문에 토크 온-오프 반복에 의한 모터 속도 가감속이 크게 발생하면서 불필요한 에너지 손실이 발생할 수 있다. 따라서, 모터 부하가 큰 경우에는 토크 온-오프 반복 제어의 효용성이 현저하게 감소하게 되고 특히 토크 온-오프 제어에 의한 모터 속도의 가감속량이 일정 수준을 초과하면 오히려 모터(10)의 소모동력이 증가하는 문제가 발생할 수도 있다.

또한, 모터(10)의 회전 관성 모멘텀이 클수록 모터 토크의 온-오프 제어의 효과가 증대할 수 있다. 즉, 모터(10)의 회전 관성 모멘텀이 큰 경우 토크 오프 구간에서도 속도 변동이 작기 때문에 토크 온-오프 제어의 효율이 증가할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 모터 토크를 온-오프 반복 제어하는 구체적인 기법으로, 모터 토크가 발생하는 온 구간(D1)에서 모터(10)의 복수의 상 중 하나의 상에만 상전압을 펄스폭 변조 방식으로 인가하는 기법이 적용될 수 있다. 온-구간(D1)에서 모터의 복수의 상으로 상전압을 모두 인가하는 방법 대신 하나의 상에만 상전압을 인가하면 상대적으로 인버터(27) 내 스위칭 소자의 스위칭 회수를 감소시킬 수 있다. 대신, 하나의 상만 이용하여 모터를 구동하는 것이므로 해당 상에서 최대의 토크가 발생하도록 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 실시형태에서는, 온-오프 제어 수행 시 상전압이 인가되는 하나의 상을 온-구간 마다 변경할 수 있다. 온-오프 제어 수행 시 온 구간에서 하나의 상에만 계속 상전압이 인가되는 경우, 해당 상의 모터 권선 및 해당 상의 인버터 스위칭 소자에 피로가 발생하고, 토크가 동일 지점에서 발생함으로 인해 모터 편심이 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하고자, 본 발명의 일 실시형태는 모터의 토크 온-오프 제어 수행 시, 온 구간에서 상전압이 인가되는 상을 변경하여 전체 상에 균등하게 상전압이 인가되게 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법에서, 토크 온-오프 모드가 수행되는 단계를 더욱 상세하게 도시한 흐름도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법 및 시스템에서 적용되는 모터 토크 온-구간 및 모터 토크 오프-구간에서 각 상의 상태를 도시한 도면이다. 또한, 도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법 및 시스템에서 적용되는 모터 토크 온-구간의 모터 회전 좌표계의 q축과 펄스폭 변조 방식으로 상전압이 인가되는 선택된 삼상 축 중 하나의 관계를 도시한 그래프이다.

도 5 내지 도 7의 설명을 통해 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법의 토크 온-오프 모드가 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 5를 참조하면, 토크 온-오프 모드로 모터를 제어하는 단계(S14)는, 모터(10)의 복수의 상(u상, v상, w상) 중 온-구간(D1)에서 상전압을 인가할 하나의 상인 제어 기준상을 결정하는 단계(S141)와, 모터의 회전 좌표계에서의 q축이 고정 좌표계에서 제어 기준상에 해당하는 축에 접근하는지 확인하는 단계(S142) 및 모터의 회전 좌표계에서의 q축이 고정 좌표계에서 상기 제어 기준상에 해당하는 축에 사전 설정된 각도로 접근한 것으로 확인된 경우, 사전 설정된 온-구간(D1)에 해당하는 시간(Δt) 동안 제어 기준상에만 펄스폭 변조 방식으로 상전압을 인가하는 단계(S143) 및 시간(Δt) 경과 후 오프-구간(D2)로 진입하는 단계(S145)를 포함할 수 있다.

도 3에 도시된 단계(S131) 또는 단계(S132)에서 모터 토크의 온-오프 제어를 수행하기 위한 요건이 충족되면, 전압 출력 변환부(25)는 온-구간(D1)에서 모터의 복수의 상 중 하나의 제어 기준상에만 펄스폭 변조 방식으로 상전압을 인가하도록 인버터(27)를 제어하기 위해 상전압을 인가하기 위한 하나의 상인 제어 기준상을 결정할 수 있다(S141). 특히, 단계(S141)에서, 전압출력 변환부(25)는 제어 기준상을 결정함에 있어 직전 온-구간에서 상전압이 인가된 상과는 다른 상을 제어 기준상으로 결정할 수 있다.

즉, 전압 출력 변환부(25)는 온-오프 제어의 첫번째 온-구간에서 상전압이 인가되는 제어 기준상을 임의로 결정한 후 후속하는 온-구간에서 상전압이 인가되는 제어 기준상은 해당 온-구간 마다 그 직전 온-구간에서 상전압이 인가된 상과는 다른 상으로 제어 기준상을 결정할 수 있다.

예를 들어, 전압 출력 변환부(25)는 연속된 온-구간마다 u상, v상, w상의 순서로 제어 기준상을 변경하거나 u상, w상, v상의 순서로 제어 기준상을 변경할 수 있다.

이러한 제어 기준상을 결정하기 위해서, 본 발명의 일 실시형태에서는 온-오프 제어의 주기를 전기각을 기반으로 결정하는 방식을 적용할 수 있다. u상, v상, w상을 상호 120°의 전기각 위상차를 갖는다. 따라서, 도 4에 도시된 것과 같은 온-구간과 오프-구간이 반복되는 주기를 전기각 '120°×n'으로 결정하면 각 상마다 번갈아 온-구간 마다 상전압이 인가되는 상이 될 수 있다. 여기서, n은 3의 배수가 아닌 자연수 일 수 있다. n이 3의 배수인 경우 계속 동일한 상이 제어 기준상으로 결정될 수 있기 때문이다.

예를 들어, 직전 제어 기준상이 u상이고 n이 1인 경우, 전기각 120°가 경과한 이후에는 전기각 위상차에 따라 v상이 모터의 q축에 근접한 축이 되어 제어 기준상으로 결정될 수 있다. 즉, 전압 출력 변환부(25)는 온-구간과 오프-구간이 반복되는 주기를 전기각 '120°×n'(n은 3의 배수가 아닌 자연수)으로 결정하고, 모터의 회전 좌표계에서의 q축에 가장 근접한 상을 제어 기준상으로 결정하는 방식을 통해 온-구간 마다 상전압이 인가되는 제어 기준상을 변경할 수 있다.

또한, 전압 출력 변환부(25)는 온-구간과 오프-구간이 반복되는 주기인 전기각 '120°×n'에서 n의 크기를 조정하여 속도 제어 추종성을 조정할 수 있다. 예를 들어, 모터의 속도 실측값과 속도 지령값의 오차가 큰 경우 온-구간의 회수를 증가시켜 빠르게 모터의 속도 실측값이 속도 지령값을 추종하게 할 필요가 있다면, n의 값을 감소시켜 제어 기준상이 번갈아 변경되면서도 자주 온-구간이 발생하게 할 수 있다. 반대로, 모터의 속도 실측값과 속도 지령갑의 오차가 미소한 경우 n의 값을 증가시켜 온-구간이 발생하는 회수를 감소시킴으로써 스위칭 손실, 도통 손실 및 전류 리플 등을 감소시킬 수도 있다.

한편, 모터의 제어를 위해 사용되는 공간 벡터 펄스폭 변조 제어를 실시 하는 경우, 모터의 회전 좌표계의 q축이 가장 큰 토크가 발생되는 지점이고 d축은 토크가 발생되지 않는 지점이다. 이러한 모터 특성을 이용하여, 도 6에 도시된 것과 같이, 단계(S143)에서는, 모터 회전 좌표계의 q축이 3상 고정 좌표계 u, v, w상 중 선택된 하나의 상인 제어 기준상(도 6에서는 u상)에 해당하는 축 근처에서 모터 토크가 발생하는 온-구간(D1)이 설정되게 하고, 이 온-구간(D1)에서 선택된 한 상에 대한 펄스폭 변조 제어를 수행하여 선택된 한 상으로 가능한 최대의 토크가 발생하게 할 수 있다.

이 때, 선택된 하나의 상 이외에 나머지 상은 항시 온 또는 항시 오프 상태가 되도록 제어될 수 있다.

즉, 도 7에 도시된 것과 같이, 온-구간(D1)이 시작되는 시점은 회전 좌표계의 q축이 회전하여 선택된 고정 좌표계의 삼상 축 중 하나의 상에 해당하는 축에 사전 설정된 각도까지 접근하는 시점이 될 수 있으며, 온-구간(D1)이 종료되는 시점은 회전 좌표계의 q축이 회전하여 선택된 고정 좌표계의 삼상 축 중 하나의 상에 해당하는 축을 지나 사전 설정된 각도까지 벗어나는 시점이 될 수 있다. 따라서, 온-구간(D1)이 시작되는 시점과 종료하는 시점은, 모터(10)의 회전 좌표계에서의 q축이 고정 좌표계에서 제어 기준상에 해당하는 축과 만나는 시점 전후에서 각각 결정될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에서는, 온-구간에서 하나의 상에 해당하는 상전압이 발생하도록 하나의 제어 기준상에 대해서만 사전 결정된 펄스폭 변조 듀티에 따른 인버터의 스위칭 제어를 실시하고, 나머지 상은 스위칭 제어를 미실시 하여 인버터 스위칭 손실, 도통 손실 및 전류 리플 손실을 방지할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시형태는, 온-구간(D1)에서 모터의 복수의 상전압을 모두 스위칭 제어하는 방식에 비해 효율을 현저히 개선할 수 있다. 또한, 제어 기준상의 스위칭 제어 시점을 모터의 회전 좌표계의 q축에 제어 기준상의 축을 동기화되도록 제어함으로써 제어 기준상으로 구현 가능한 최대 토크를 만들어 속도 추종 성능의 저하를 방지할 수 있다.

다시, 도 3을 참조하면, 모터 토크가 오프로 설정되는 구간에서 인버터(27)에 포함된 스위칭 소자를 모두 오프 상태(100% 오프 듀티)로 결정하여 모터로 제공되는 구동 전류를 차단하는 방식이 적용될 수 있다. 즉, 모터 토크가 오프 상태를 유지하여야 하는 구간에서 전압출력 변환부(25)는 스위칭 소자를 모두 오프 시키기 위한 제어신호를 인버터(27)로 출력할 수 있다.

3상 모터를 구동하기 위한 토크(구동전류)를 제공하는 인버터(27)는 통상 6 개의 스위칭 소자(예를 들어, IGBT 등)을 이용하여 3 상 스위칭 풀 브릿지 회로로 구현된다. 전류 제어부(23)는 전류 지령값과 실측된 모터 구동 전류의 차이를 비교하고 그 오차를 감소시킬 수 있는 전압 지령값(DQ좌표)을 출력한다. 전압출력 변환부(25)는 전압 지령값을 3상 전압으로 변환하고 변환된 3상 전압이 모터(10)로 인가될 수 있도록 스위칭 소자의 듀티를 결정하여 각 상의 스위칭 소자를 온-오프 제어하는 것이다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법에서, 토크의 온-오프 제어는 사전 설정된 온-구간과 오프-구간을 일정 주기로 반복하되 토크가 온으로 설정되는 구간에서는 전술한 것과 같이 모터의 복수의 상 중 하나의 상에 상 전압을 인가하는 인버터 스위칭 소자의 제어가 수행되고, 토크가 오프로 설정된 구간에서는 인버터 스위칭 소자를 모두 오프 시킴으로써 토크 온-오프 모드를 실시할 수 있다.

토크 오프-구간(D2)에 인버터(27)의 스위칭 소자를 제어하는 다른 방법으로서, 모터(10)에서 발생하는 역기전력과 실질적으로 동일한 전압 크기를 갖는 구동 전압이 생성되도록 인버터(27) 내 각 상의 스위칭 소자를 온-오프 제어하는 방식이 채용될 수 있다. 모터(10)의 역기전력과 인버터(27)의 3상 구동 전압이 동일한 경우, 전위차가 발생하지 않으므로 인버터(27)에서 모터(10)로 전류가 제공되지 않는 영전류 제어 상태, 즉 모터 토크가 발생하지 않는 상태가 될 수 있다.

모터 토크의 온-오프 제어, 즉 토크 온-오프 모드가 실시된 경우(S14), 모터 토크가 오프로 설정되는 구간에서는(S15) 전류 제어부(23)에 의해 수행되는 적분 제어를 중단하는 것이 바람직하다(S161). 모터 토크가 오프인 구간에서 전류 제어부(23)에서 지령값과 실측값의 오차를 적분하는 것을 허용하는 경우, 토크를 다시 온 시키는 시점에서 각 제어부로부터 적분된 오차로 인해 큰 출력이 인가되면서 시스템의 불안정을 야기할 수 있으며, 이는 속도 지령값 및 전류 지령값의 흔들림으로 오히려 토크 온-오프 제어의 효과를 현저하게 저해할 수 있다. 물론, 모터 토크가 온으로 설정되는 구간에서는(S15) 전류 제어부(23)에 의해 수행되는 적분 제어가 수행되는 것이 바람직하다(S162).

다른 예로, 모터 토크 오프 구간에서 전류 제어부(23)의 적분 제어를 중지하는 방법 대신 속도 제어부(21)에서 모터 토크를 온에서 오프로 변경하는 순간 전체 제어 연산을 중지하고 모터 토크 오프 구간에서는 전류 지령값을 0으로 출력하는 방식을 적용할 수도 있다. 즉, 속도 제어부(21)가 전류 지령을 0으로 출력하게 함으로써 3상 출력이 차단되어 토크와 출력이 발생하지 않는 모터 토크 오프 구간에서 전류 제어부(23)에 전류 지령값과 실측 전류간 오차에 의한 적분을 차단하게 되는 것이다. 따라서, 모터 토크를 다시 온으로 설정하는 시점에서 누적된 오차에 의해 과도한 출력이 발생하는 것을 막을 수 있다. 물론, 모터 토크가 다시 오프 상태에서 온 상태로 변경되면 통상적인 속도 제어기 연산을 재개할 수 있다. 모터 토크가 오프인 구간 동안 속도 제어부(21)의 연산이 중지되었기 때문에 다시 모터 토크가 온 되는 시점에서 속도 제어부(21)측 출력은 모터 토크가 오프되기 직전의 출력값을 유지하게 되어 불필요한 가감속 없이 속도 제어 안정성 확보가 가능하다.

한편, 모터 속도가 사전 설정된 범위를 벗어 나거나 전류 제어부(23)에서 출력되는 전류 지령이 사전 설정된 범위를 벗어나는 경우, 토크 온-오프 판단부(29)는 토크 온-오프 모드를 수행하지 않고 전류 지령값에 따라 인버터(27)의 3상 구동 전류가 결정되는 통상적인 제어 방법이 적용될 수 있게 한다(S17). 전술한 바와 같이, 모터(10)의 속도가 일정 속도 이상인 경우 일반적으로 모터측 부하 토크가 증가하여(예를 들어, 연료전지 시스템에서, 공기 압축기는 속도가 증가하면 유량, 압력 증가로 인해 부하 토크가 증가하게 됨) 모터(10)의 토크가 오프인 구간에서 발생한 감속량을 토크가 온인 구간에서 보상해야 함으로 인해 불필요한 가감속이 발생하게 되고, 이로 인한 손실이 토크 온-오프 제어에 의해 저감한 스위칭 손실 및 3상 전류 리플 손실을 초과하기 때문이다. 전류 지령값이 일정 값 이상인 경우 급가속 구간이나 고속 회전 상태로 볼 수 있어 모터 토크 온-오프 반복제어를 실시하는 것이 통상적인 연속 토크 인가 방식 대비 효율이 낮게 나타날 수 있다.

전술한 전류 지령이 사전 설정된 범위를 벗어나는 경우 중 하나로서, 모터에 회생제동 토크가 인가된 상황이 있을 수 있다. 회생제동이 이루어지는 경우는 토크가 회전 방향의 반대로 인가되는 경우로서 토크가 음인 상태로 간주할 수 있으므로, 도 3에서 단계(S132)에서 전류 지령값이 0보다 크고 B(양수)보다 작은 범위를 벗어난 경우로 볼 수 있을 것이다. 모터가 감속하여 회생제동이 이루어지는 경우에도 모터 토크의 온-오프 제어를 중지하는 것이 바람직하다. 이는 회생제동 상태에서 연속적인 모터 토크 온 제어를 통해 에너지를 회수하는 것이 효율 측면에서 유리하기 때문이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법 및 시스템은, 모터의 소모동력 저감을 통해 모터가 적용된 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 모터가 적용된 공기 압축기를 포함하는 연료전지 차량에서 공기 압축기에 의한 소모동력 저감을 통해 연료전지 시스템 효율 및 차량 연비를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법 및 시스템은 별도의 하드웨어 추가에 따른 비용이 발생하지 않으며 간단히 특정 속도 구간 또는 특정 토크 구간에서 모터 토크를 온-오프 제어함에 따라 용이하게 모터의 소모동력을 감소시킬 수 있다.

특히, 상기 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법 및 시스템은, 모터 토크를 온-오프 제어할 때, 모터 토크가 발생하는 온-구간에서 모터의 복수의 상 중 하나의 상만을 이용하여 해당 상에서 최대 토크를 얻어 냄으로써 인버터의 스위칭 손실 및 전류 리플 손실 저감을 극대화 하고 효율을 현저히 향상시킬 수 있다.

더욱이, 상기 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 제어 방법 및 시스템은, 온-구간에서 상전압이 인가되는 제어 기준상을 연속된 온-구간 마다 서로 다른 상이 되게 함으로써 인버터의 스위칭 손실, 도통 손실 및 전류 리플 손실을 더욱 감소 시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10: 공기 압축기/모터 21: 속도 제어부
23: 전류 제어부 25: 전압출력 변환부
27: 인버터 29: 토크 온-오프 판단부

Claims

모터의 속도 실측값이 속도 지령값을 추종하도록 모터를 속도 제어하는 모터의 구동 제어 방법에 있어서,
상기 속도 지령값에 기반하여 상기 모터를 구동하되, 상기 모터에서 토크가 발생하는 온-구간과 상기 모터에서 토크가 발생하지 않는 오프-구간을 일정 주기로 반복하여 상기 모터를 구동하는 단계를 포함하며,
상기 구동하는 단계는, 상기 온-구간에서 상기 모터의 복수의 상 중 하나의 제어 기준상에만 상전압을 인가하되, 직전 온-구간에 상전압이 인가된 상과는 다른 상으로 상기 제어 기준상을 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 구동하는 단계는,
상기 온-구간에서, 상기 제어 기준상 이외의 상은 항시 온 또는 오프 상태가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 온-구간의 시점과 종점은 상기 모터의 회전 좌표계에서의 q축이 고정 좌표계에서 상기 제어 기준상에 해당하는 축과 만나는 시점 전후에서 각각 결정되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 구동하는 단계는,
상기 모터의 복수의 상 중 상기 제어 기준상을 결정하는 단계;
상기 모터의 회전 좌표계에서의 q축이 고정 좌표계에서 상기 제어 기준상에 해당하는 축에 접근하는지 확인하는 단계; 및
상기 확인하는 단계에서 상기 모터의 회전 좌표계에서의 q축이 고정 좌표계에서 상기 제어 기준상에 해당하는 축에 사전 설정된 각도로 접근한 것으로 확인된 경우, 사전 설정된 상기 온-구간에 해당하는 시간 동안 상기 제어 기준상에만 상전압을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 방법.
청구항 4에 있어서, 상기 인가하는 단계는,
상기 온-구간에 해당하는 시간 동안, 상기 제어 기준상을 제외한 나머지 상은 항시 온 또는 오프 상태가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 온-구간의 시점과 종점은 상기 모터의 회전 좌표계에서의 q축이 고정 좌표계에서 상기 제어 기준상에 해당하는 축과 만나는 시점 전후에서 각각 결정되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 방법.
청구항 4에 있어서, 상기 결정하는 단계는,
상기 온-구간과 오프-구간이 반복되는 주기를 전기각 '120°×n'(n은 3의 배수가 아닌 자연수)으로 결정하고 모터의 회전 좌표계에서의 q축에 가장 근접한 상을 제어 기준상으로 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 결정하는 단계는,
상기 속도 실측값과 상기 속도 지령값의 오차에 기반하여 상기 n의 값을 결정하되, 상기 오차가 클수록 상기 n의 값은 작은 값을 갖도록 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 구동하는 단계는,
상기 오프-구간에서 상기 모터로 제공되는 구동전류를 실질적으로 0이 되도록, 상기 오프-구간에서 상기 구동 전류를 모터로 제공하는 인버터에 포함된 스위칭 소자를 오프 시키는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 구동하는 단계는,
상기 오프-구간에서 상기 모터로 제공되는 구동전류를 실질적으로 0이 되도록, 상기 오프-구간에서 상기 모터로 인가하는 구동 전압이 상기 모터의 역기전력과 실질적으로 동일해지게 상기 구동 전류를 모터로 제공하는 인버터에 포함된 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 방법.
모터의 속도 실측값이 상기 모터에 대한 속도 지령값을 추종하도록 상기 모터를 구동하기 위한 구동 전류에 대한 전류 지령값을 결정하는 속도 제어부;
상기 모터로 실제 제공되는 인버터의 모터 구동 전류 실측값이 상기 전류 지령값을 추종하도록 상기 모터를 구동하기 위한 전압 지령값을 결정하는 전류 제어부;
상기 전압 지령값을 변환하며, 상기 전압 지령값에 기반하여 상기 모터로 구동 전류를 공급하는 인버터 내에 포함된 스위칭 소자의 온-오프를 제어하는 전압출력 변환부; 및
상기 모터에서 토크가 발생하는 온-구간과 상기 모터에서 토크가 발생하지 않는 오프-구간을 일정 주기로 반복하여 상기 모터를 구동하는 토크 온-오프 모드의 수행 여부를 판단하는 토크 온-오프 판단부;를 포함하며,
상기 토크 온-오프 판단부가 상기 토크 온-오프 모드를 수행하는 것으로 판단한 경우, 상기 전압출력 변환부는 상기 온-구간에서 상기 모터의 복수의 상 중 하나의 제어 기준상에만 상전압을 인가하도록 상기 인버터를 제어하되, 직전 온-구간에서 상전압이 인가된 상과는 다른 상으로 상기 제어 기준상을 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 시스템.
청구항 11 있어서,
상기 토크 온-오프 판단부가 상기 토크 온-오프 모드를 수행하는 것으로 판단한 경우, 상기 전압출력 변환부는 상기 온-구간에서, 상기 제어 기준상 이외의 상은 항시 온 또는 오프 상태가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 시스템.
청구항 11 있어서,
상기 온-구간의 시점과 종점은 상기 모터의 회전 좌표계에서의 q축이 고정 좌표계에서 상기 제어 기준상에 해당하는 축과 만나는 시점 전후에서 각각 결정되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 시스템.
청구항 11에 있어서,
상기 토크 온-오프 판단부가 상기 토크 온-오프 모드를 수행하는 것으로 판단한 경우, 상기 전압출력 변환부는 고정 좌표계에서 상기 제어 기준상에 해당하는 축에 상기 모터의 회전 좌표계에서의 q축이 사전 설정된 각도로 접근하는 시점부터 사전 설정된 상기 온-구간에 해당하는 시간이 경과하는 동안 상기 제어 기준상에만 상전압을 인가하도록 상기 인버터에 포함된 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 시스템.
청구항 11에 있어서,
상기 토크 온-오프 판단부가 상기 토크 온-오프 모드를 수행하는 것으로 판단한 경우, 상기 전압출력 변환부는 상기 온-구간과 오프-구간이 반복되는 주기를 전기각 '120°×n'(n은 3의 배수가 아닌 자연수)으로 결정하고 모터의 회전 좌표계에서의 q축에 가장 근접한 상을 제어 기준상으로 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 시스템.
청구항 15에 있어서,
상기 토크 온-오프 판단부가 상기 토크 온-오프 모드를 수행하는 것으로 판단한 경우, 상기 전압출력 변환부는 상기 속도 실측값과 상기 속도 지령값의 오차에 기반하여 상기 n의 값을 결정하되, 상기 오차가 클수록 상기 n의 값은 작은 값을 갖도록 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 토크 온-오프 판단부가 상기 토크 온-오프 모드를 수행하는 것으로 판단한 경우, 상기 전압출력 변환부는 상기 오프-구간에서 상기 모터로 제공되는 구동전류가 실질적으로 0이 되도록 상기 오프-구간에서 상기 인버터에 포함된 스위칭 소자를 오프 시키는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 시스템.
청구항 11에 있어서,
상기 토크 온-오프 판단부가 상기 토크 온-오프 모드를 수행하는 것으로 판단한 경우, 상기 전압출력 변환부는 상기 오프-구간에서 상기 모터로 제공되는 구동전류가 실질적으로 0이 되도록 상기 오프-구간에서 상기 모터로 인가되는 구동 전압이 상기 모터의 역기전력과 실질적으로 동일해지게 상기 인버터에 포함된 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 시스템.
청구항 14에 있어서,
상기 토크 온-오프 판단부가 상기 토크 온-오프 모드를 수행하는 것으로 판단한 경우, 상기 전압출력 변환부는 상기 오프-구간에서 상기 모터로 제공되는 구동전류가 실질적으로 0이 되도록 상기 속도 제어부는 상기 오프-구간에서 상기 전류 지령값을 0으로 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 시스템.
청구항 11에 있어서,
상기 토크 온-오프 판단부는 상기 속도 지령값 또는 상기 전류 지령값이 상기 사전 설정된 범위 이내인 경우, 상기 토크 온-오프 모드를 수행하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 시스템.