KR20220026689A - 친환경 차량의 모터 소음 저감 제어 장치 및 방법 - Google Patents

친환경 차량의 모터 소음 저감 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 최대 모터효율 제어 적용 전류맵으로부터 내려지는 전류지령에 의하여 모터가 구동되거나, 운전자가 저소음 운전모드를 선택하는 경우 최소 토크리플 제어 적용 전류맵으로부터 내려지는 전류지령에 의하여 모터가 구동되도록 함으로써, 토크리플로 인한 모터 소음을 저감시켜 차량의 정숙성을 극대화할 수 있도록 한 친환경 차량의 모터 소음 저감 제어 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

친환경 차량의 모터 소음 저감 제어 장치 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR REDUCING MOTOR NOISE OF ECO-FRIENDLY VEHICLE}
본 발명은 친환경 차량의 모터 소음 저감 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 친환경 차량의 주행을 위한 모터 구동시 발생하는 소음을 저감시켜서 차량의 정숙성을 극대화할 수 있도록 한 친환경 차량의 모터 소음 저감 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 하이브리드 자동차 및 전기 자동차 등과 같은 친환경 차량에 탑재되는 주행용 구동모터로서, 고출력 및 고효율화의 추세에 맞추어 영구자석이 회전자의 내부에 매입된 형태인 매입형 영구자석 동기모터(IPMSM : Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)가 주로 사용되고 있다.
상기 친환경 차량에 탑재되는 주행용 구동모터의 경우, 모터의 효율과 함께 중요하게 생각해야 할 부분은 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 성능에 있으며, 그 이유는 모터의 소음이 심하면 운전자의 귀에 거슬릴 수 있어 상품성이 크게 떨어질 수 있기 때문이다.
상기 모터의 소음은 주로 코깅토크(Cogging Torque)나 토크리플(Torque Ripple)로부터 기인하는 것으로 알려져 있고, 상기 토크리플은 전기각(Electrical Angle)에 따라 소정의 크기로 반복되는 파형을 갖는다.
종래의 모터 구동 제어는 도 6에 도시된 바와 같이, 요구 토크 및 속도를 계산하는 단계와, 계산된 요구 토크 및 속도에 매칭되는 전류 지령을 최대 모터 효율 제어 적용 전류맵에서 내리는 단계로 진행됨에 따라, 모터의 최대 효율 제어가 이루어질 수 있지만, 모터의 토크리플을 전혀 고려하지 않음에 따라 운전자의 귀에 거슬리는 모터 소음이 발생하는 문제점이 있다.
상기 토크리플은 전류나 유기전압의 고조파(higher harmonic wave) 성분에 의해 발생하는 맥동 현상으로 실제 토크를 발생시키지 않는 무효한 성분이며, 일반적으로 3상 모터의 경우 전기적 6차 및 12차 고조파 성분으로 인하여 발생하는 것으로 알려져 있다.
특히, 상기 모터의 회생제동 시에는 엔진이 기동되지 않아 모터의 소음이 더욱 부각되어, 모터 소음을 저감할 수 있는 방안이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 최대 모터효율 제어 적용 전류맵으로부터 내려지는 전류지령에 의하여 모터가 구동되거나, 운전자가 저소음 운전모드를 선택하는 경우 최소 토크리플 제어 적용 전류맵으로부터 내려지는 전류지령에 의하여 모터가 구동되도록 함으로써, 토크리플로 인한 모터 소음을 저감시켜 차량의 정숙성을 극대화할 수 있도록 한 친환경 차량의 모터 소음 저감 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 고연비 운전모드와 저소음 운전모드 중 하나를 선택하기 위한 운전모드 선택부; 및 상기 고연비 운전모드가 선택되면 최대 모터효율 제어 적용 전류맵을 이용하여 모터 구동을 위한 전류지령을 내리거나, 상기 저소음 운전모드가 선택되면 최소 토크리플 제어 적용 전류맵을 이용하여 모터 구동을 위한 전류지령을 내리는 모터 제어부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 모터 소음 저감 제어 장치를 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 고연비 운전모드와 저소음 운전모드 중 하나를 선택하는 단계; 상기 고연비 운전모드가 선택되면, 최대 모터효율 제어 적용 전류맵으로부터 내려지는 전류지령에 의하여 모터가 구동되는 단계; 및 상기 저소음 운전모드가 선택되면, 최소 토크리플 제어 적용 전류맵으로부터 내려지는 전류지령에 의하여 모터가 구동되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 모터 소음 저감 제어 방법을 제공한다.
상기한 과제의 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
고연비 운전모드를 선택하면 최대 모터효율 제어 적용 전류맵으로부터 내려지는 전류지령에 의하여 모터가 구동되고, 반면 저소음 운전모드를 선택하면 최소 토크리플 제어 적용 전류맵으로부터 내려지는 전류지령에 의하여 모터가 구동되도록 함으로써, 토크리플로 인한 모터 소음을 저감시켜 차량의 정숙성을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 친환경 차량의 모터 소음 저감 제어 장치를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 친환경 차량의 모터 소음 저감 제어 방법을 도시한 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 친환경 차량의 모터 소음 저감 제어를 위한 최소 토크리플 제어 적용 전류맵의 일 구축예를 도시한 순서도,
도 4는 본 발명에 따른 친환경 차량의 모터 소음 저감 제어를 위한 최소 토크리플 제어 적용 전류맵의 다른 구축예를 도시한 전류 운전점 다이어그램,
도 5는 모터의 전류 위상각별 운전점에서의 토크 파형 한 주기를 FFT 기법으로 분석하여 얻어진 6차 고조파 성분과 12차 고조파 성분을 비교한 파형도,
도 6은 종래의 모터 구동 제어예를 도시한 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 요구토크를 만족하는 모터의 전류 위상각별 운전점을 도출하고, 각 운전점에서의 토크 파형 한 주기를 고속 푸리에 변환(fast fourier transform, FFT)기법으로 분석하여 얻어진 6차 고조파 성분과 12차 고조파 성분을 비교해 보면, 특정 토크에서 토크리플을 최소로 하는 전류 위상각이 존재하는 것을 확인할 수 있다.
이에, 본 발명은 모터의 구동 제어를 위한 모터 제어부에 최대 모터효율 제어 적용 전류맵 외에 최소 토크리플 제어 적용 전류맵을 적용하여, 최소 토크리플 제어 적용 전류맵으로부터 내려지는 전류지령에 의하여 모터가 구동되도록 함으로써, 토크리플로 인한 모터 소음을 저감시켜 차량의 정숙성을 극대화할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 본 발명의 모터 소음 저감 제어 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 고연비 운전모드와 저소음 운전모드 중 하나를 선택하기 위한 운전모드 선택부(10)와, 상기 운전모드 선택부(10)를 통해 고연비 운전모드가 선택되면 최대 모터효율 제어 적용 전류맵을 이용하여 모터 구동을 위한 전류지령을 내리거나, 상기 저소음 운전모드가 선택되면 최소 토크리플 제어 적용 전류맵을 이용하여 모터 구동을 위한 전류지령을 내리는 모터 제어부(20)를 포함하여 구성된다.
통상적으로, 상기 최대 모터효율 제어 적용 전류맵은 도 3에 도시된 바와 같이, 모터 해석 데이터들을 전류맵 맵핑부(30)에 입력하는 단계(S101)와, 모터에 시작 속도 및 시작 토크를 인가한 후 동손, 철손, 와전류손, 기계손을 포함하는 모터 손실을 계산하는 단계(S102)와, 모터의 속도, 토크, 전압, 전류, 위상각, 효율을 포함하는 모터 파라미터들을 계산하는 단계(S103)와, 상기 모터 손실 및 모터 파라미터들을 기반으로 최대 모터효율 운전점을 도출하는 단계(S104)와, 도출된 최대 모터효율 운전점에 따른 토크 및 속도가 최대기준토크 및 최대기준속도를 만족하는지 여부를 확인하는 단계(S105,106) 등을 통하여 구축되어, 상기 모터 제어부(20)에 저장될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 최대 모터효율 제어 적용 전류맵을 구축할 때, 최소 토크리플 제어 적용 전류맵을 함께 구축할 수 있다.
이를 위해, 상기 최소 토크리플 제어 적용 전류맵은 상기 최대 모터효율 제어 적용 전류맵을 구축하는 단계 중 모터 해석 데이터들을 전류맵 맵핑부(30)에 입력할 때 모터 토크파형 데이터를 더 입력하는 단계(S201)와, 토크리플을 FFT 기법을 이용하여 계산하는 단계(S202)와, 계산된 토크리플을 기초로 6차 및 12차의 고조파가 최소화되는 최소 토크리플 전류 운전점을 도출하는 단계(S203)와, 도출된 최소 토크리플 전류 운전점에 따른 토크 및 속도가 최대기준토크 및 최대기준속도를 만족하는지 여부를 확인하는 단계를 통하여 구축될 수 있다.
다시 말해서, 상기 최소 토크리플 제어 적용 전류맵은, 모터 해석 데이터 외에 모터 토크파형 데이터를 전류맵 맵핑부(30)에 입력하는 단계(S201)와, 모터에 시작 속도 및 시작 토크를 인가한 후 동손, 철손, 와전류손, 기계손을 포함하는 모터 손실을 계산하는 단계(S102)와, 모터의 속도, 토크, 전압, 전류, 위상각, 효율을 포함하는 모터 파라미터들을 계산하는 단계(S103)와, 토크리플을 FFT 기법을 이용하여 계산하는 단계(S202)와, 계산된 토크리플을 기초로 6차 및 12차의 고조파가 최소화되는 최소 토크리플 전류 운전점을 도출하는 단계(S203)를 통하여 구축되어, 상기 모터 제어부(20)에 저장될 수 있다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 친환경 차량의 모터 소음 저감 제어 방법을 도시한 순서도이다.
먼저, 모터 운전모드가 고연비 운전모드와 저소음 운전모드로 설정되어, 운전자가 운전석 주변에 스위치 형태로 장착될 수 있는 운전모드 선택부(10)를 이용하여 고연비 운전모드와 저소음 운전모드 중 하나를 선택한다(S10).
이어서, 상기 모터 제어부(20)에서 모터 운전모드가 고연비 운전모드 또는 저소음 운전모드로 선택되었는지를 확인한다(S20).
이에, 상기 모터 제어부(20)에서 모터 운전모드가 고연비 운전모드로 선택된 것으로 확인되면, 최대 모터효율 제어 적용 전류맵을 이용하여 모터에 전류지령을 내리게 된다(S30,S50).
따라서, 모터 효율이 최대가 되는 운전점으로 모터 구동이 이루어지게 된다.
반면, 상기 모터 제어부(20)에서 모터 운전모드가 저소음 운전모드로 선택된 것으로 확인되면, 최소 토크리플 제어 적용 전류맵을 이용하여 모터에 전류지령을 내리게 된다(S40,S50).
따라서, 6차 및 12차의 고조파가 최소화되는 최소 토크리플 전류 운전점에 의하여 모터 구동이 이루어지게 된다.
한편, 고연비 운전모드의 선택에 의하여 최대 모터효율 제어 적용 전류맵으로 모터가 구동될 때 발생하는 토크리플(6차 고조파 및 12차 고조파)과, 저연비 운전모드의 선택에 의하여 최소 토크리플 제어 적용 전류맵으로 모터가 구동될 때 발생하는 토크리플(6차 고조파 및 12차 고조파)을 비교 시험하였는 바, 그 결과는 아래의 표 1에 기재된 바와 같다.
Figure pat00001
위의 표 1에서 보듯이, 저연비 운전모드의 선택에 의하여 최소 토크리플 제어 적용 전류맵으로 모터가 구동될 때 발생하는 토크리플(6차 고조파 및 12차 고조파)이 고연비 운전모드의 선택에 의하여 최대 모터효율 제어 적용 전류맵으로 모터가 구동될 때 발생하는 토크리플(6차 고조파 및 12차 고조파)에 비하여 크기 감소함을 알 수 있다.
예를 들어, 위의 표 1을 참조하면 모터 속도 1400rpm, 토크 30Nm에서 고연비 운전모드의 선택에 의하여 최대 모터효율 제어 적용 전류맵으로 모터가 구동될 때 발생하는 토크리플(6차 고조파 및 12차 고조파)은 각각 6.6, 1.8이지만, 이와 달리 저연비 운전모드의 선택에 의하여 최소 토크리플 제어 적용 전류맵으로 모터가 구동될 때 발생하는 토크리플(6차 고조파 및 12차 고조파)은 5.5, 1.0으로 감소함을 알 수 있었다.
따라서, 운전자가 저소음 운전모드를 선택하면 최소 토크리플 제어 적용 전류맵으로부터 내려지는 전류지령에 의하여 모터가 구동하여, 토크리플로 인한 모터 소음을 저감시키는 동시에 차량의 정숙성을 극대화할 수 있다.
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 친환경 차량의 모터 소음 저감 제어를 위한 최소 토크리플 제어 적용 전류맵의 다른 구축예를 도시한 전류 운전점 다이어그램이다.
상기 최소 토크리플 제어 적용 전류맵이 다른 방법으로 구축되어 모터 제어부(20)에 저장된 후, 도 4에 도시된 전류 운전점으로 모터 구동을 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 최소 토크리플 제어 적용 전류맵의 다른 구축예는 모터의 최대 모터효율 제어 적용 전류맵을 매핑할 때, 모터의 속도 및 토크에 따른 소음 크기를 측정하는 NVH 평가를 실시하는 단계와; NVH 평가 결과 즉, 소음 크기 측정 결과로부터 모터의 운전 영역 중 고소음이 발생하는 고소음 영역을 산정하는 단계와; 상기 고소음 영역에 해당하는 전류 운전점 중 6차 및 12차의 고조파가 최소화되는 전류 운전점을 선택하는 단계로 진행된 후, 상기 모터 제어부(20)에 저장될 수 있다.
이에, 운전자가 저소음 운전모드를 선택하면 도 4에 도시된 바와 같이 최대 모터효율 제어 적용 전류맵에 의한 본래의 전류 운전점이 최소 토크리플 제어 적용 전류맵에 의한 제1전류 운전점 또는 제2전류 운전점으로 선택되어 모터가 구동될 수 있다.
이때, 상기 제1전류 운전점 또는 제2전류 운전점은 상기 고소음 영역에 해당하는 전류 운전점 중 6차 및 12차의 고조파가 최소화되는 전류 운전점을 말한다.
따라서, 도 4에서 보듯이 본래의 전류 운전점으로 모터가 구동됨에 따른 토크리플(6차 고조파 및 12차 고조파)이 6.6, 1.8이지만, 상기 제1전류 운전점으로 모터가 구동됨에 따른 토크리플(6차 고조파)는 0.4, 상기 제2전류 운전점으로 모터가 구동됨에 따른 토크 리플(12차 고조파)은 1.0으로 감소함을 알 수 있었다.
이상에서 본 바와 같이, 고연비 운전모드를 선택하면 최대 모터효율 제어 적용 전류맵으로부터 내려지는 전류지령에 의하여 모터가 구동되고, 반면 저소음 운전모드를 선택하면 최소 토크리플 제어 적용 전류맵으로부터 내려지는 전류지령에 의하여 모터가 구동되도록 함으로써, 토크리플로 인한 모터 소음을 저감시켜 차량의 정숙성을 극대화할 수 있다.
10 : 운전모드 선택부
20 : 모터 제어부
30 : 전류맵 맵핑부

Claims (6)

  1. 고연비 운전모드와 저소음 운전모드 중 하나를 선택하기 위한 운전모드 선택부;
    상기 고연비 운전모드가 선택되면 최대 모터효율 제어 적용 전류맵을 이용하여 모터 구동을 위한 전류지령을 내리거나, 상기 저소음 운전모드가 선택되면 최소 토크리플 제어 적용 전류맵을 이용하여 모터 구동을 위한 전류지령을 내리는 모터 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 모터 소음 저감 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 최소 토크리플 제어 적용 전류맵은:
    모터 해석 데이터 외에 모터 토크파형 데이터를 전류맵 맵핑부에 입력하는 단계; 모터에 시작 속도 및 시작 토크를 인가한 후 동손, 철손, 와전류손, 기계손을 포함하는 모터 손실을 계산하는 단계; 모터의 속도, 토크, 전압, 전류, 위상각, 효율을 포함하는 모터 파라미터들을 계산하는 단계; 토크리플을 FFT 기법을 이용하여 계산하는 단계; 및 계산된 토크리플을 기초로 6차 및 12차의 고조파가 최소화되는 최소 토크리플 전류 운전점을 도출하는 단계; 를 통하여 구축되어, 상기 모터 제어부에 저장된 것임을 특징으로 하는 친환경 차량의 모터 소음 저감 제어 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 최소 토크리플 제어 적용 전류맵은:
    모터의 최대 모터효율 제어 적용 전류맵을 매핑할 때, 모터의 속도 및 토크에 따른 소음 크기를 측정하는 단계; 측정 결과로부터 모터의 운전 영역 중 고소음이 발생하는 고소음 영역을 산정하는 단계; 및 상기 고소음 영역에 해당하는 전류 운전점 중 6차 및 12차의 고조파가 최소화되는 전류 운전점을 선택하는 단계; 를 통하여 구축되어, 상기 모터 제어부에 저장된 것임을 특징으로 하는 친환경 차량의 모터 소음 저감 제어 장치.
  4. 고연비 운전모드와 저소음 운전모드 중 하나를 선택하는 단계;
    상기 고연비 운전모드가 선택되면, 최대 모터효율 제어 적용 전류맵으로부터 내려지는 전류지령에 의하여 모터가 구동되는 단계; 및
    상기 저소음 운전모드가 선택되면, 최소 토크리플 제어 적용 전류맵으로부터 내려지는 전류지령에 의하여 모터가 구동되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 모터 소음 저감 제어 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 최소 토크리플 제어 적용 전류맵은:
    모터 해석 데이터 외에 모터 토크파형 데이터를 전류맵 맵핑부에 입력하는 단계;
    모터에 시작 속도 및 시작 토크를 인가한 후 동손, 철손, 와전류손, 기계손을 포함하는 모터 손실을 계산하는 단계;
    모터의 속도, 토크, 전압, 전류, 위상각, 효율을 포함하는 모터 파라미터들을 계산하는 단계;
    상기 토크리플을 FFT 기법을 이용하여 계산하는 단계; 및
    계산된 토크리플을 기초로 6차 및 12차의 고조파가 최소화되는 최소 토크리플 전류 운전점을 도출하는 단계;
    를 통하여 구축된 것임을 특징으로 하는 친환경 차량의 모터 소음 저감 제어 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 최소 토크리플 제어 적용 전류맵은:
    모터의 최대 모터효율 제어 적용 전류맵을 매핑할 때, 모터의 속도 및 토크에 따른 소음 크기를 측정하는 단계;
    측정 결과로부터 모터의 운전 영역 중 고소음이 발생하는 고소음 영역을 산정하는 단계; 및
    상기 고소음 영역에 해당하는 전류 운전점 중 6차 및 12차의 고조파가 최소화되는 전류 운전점을 선택하는 단계;
    를 통하여 구축된 것임을 특징으로 하는 친환경 차량의 모터 소음 저감 제어 방법.
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