KR20220111194A - 3상 구동 전기 기계의 소음 저감 방법 - Google Patents

3상 구동 전기 기계의 소음 저감 방법 Download PDF

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독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은,
a. 전기 기계(1)로부터, 회전자(3)의 각도 상태(2)를 기록하는 단계;
b. 기록된 각도 상태(2)에 기반하여 기준 주파수(4, 5, 6)를 계산하는 단계;
c. 계산된 기준 주파수(4, 5, 6)의 사인값(7) 및 코사인값(8)을 형성하는 단계;
d. 형성된 사인값(7) 및 코사인값(8)을 이차 구간(9)에 의해 필터링하되, 이차 구간(9)에 의해 전달 함수를 이용하여 전기 기계(1)를 위한 제어 구간(10)이 모델링되고, 그에 따라 기준 신호 벡터(11)를 형성하는 단계;
e. 전기 기계(1)에서 음향 관련 피드백 변수(12)를 기록하는 단계;
f. 형성된 기준 신호 벡터(11) 및 기록된 피드백 변수(12)에 기반하여 가중치 벡터(13)를 형성하는 단계;
g. 가중치 벡터(13)로 가중된 사인값(7)과 코사인값(8)의 합으로부터 중첩 신호(14, 15, 16)를 형성하는 단계; 및
h. 중첩 신호(14, 15, 16)를 전기 기계(1)의 조작 변수(19)에 적용하는 단계를 포함하는, 3상 구동 전기 기계(1)의 소음 저감 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 회전자 또는 고정자의 여기 시, 3상 구동 전기 기계의 소음과 같은 방해성 소음의 유발을 미리 줄일 수 있는, 3상 구동 전기 기계의 소음 저감 방법이 제안된다.

Description

3상 구동 전기 기계의 소음 저감 방법{METHOD FOR NOISE REDUCTION OF A THREE-PHASE-DRIVEN ELECTRICAL MACHINE}
본 발명은 3상 구동 전기 기계의 소음 저감 방법, 이러한 방법을 수행하는 컴퓨터 보조 장치, 및 전기 자동차에 관한 것이다.
고출력 전기 기계의 사용이 증가함에 따라, 특히 자동차 분야에서, 바람직하지 않으며 종종 불쾌감을 주는 전기 기계의 소음 저감의 필요성이 대두하였다. 일반적으로 사용되는 차음은 대부분 이에 부적합하고, 그에 따라 사람, 예를 들어 상기 자동차의 탑승자의 성가심을 줄이려는 다양한 시도가 공지되어 있다. 예를 들어 소형 프로펠러 비행기에서 원활하게 대화를 나누거나 방해 없이 음악을 즐기기 위한 방음 헤드셋에 의해 공지된, 이른바 노이즈 캔슬링 방법(noise cancelling) 또는 능동 소음 저감(Active Noise Reduction; ANR)이 공지되어 있다. 이러한 목적으로, 차량의 객실에 대응하는 노이즈 캔슬링 시스템을 장착하는 방안이 있다. 그러나 이를 통해 환경적 폐해를 방지할 수는 없다. 이러한 시스템을 이용한 효과적인 소음 저감은 비용이 많이 든다는 점도 밝혀졌다. 나아가, 가청 및 간섭 범위 내에 있는 구성 부품들의 진동 여기로 인한 이차 음향 여기를 통제해야 하는 문제도 있다.
이에 기반하여, 본 발명의 과제는 종래 기술에서 알려진 단점을 적어도 부분적으로 극복하는 것이다. 본 발명에 따른 특징들은 독립항에 제시되어 있으며, 이들 독립항과 관련하여 유리한 구성들이 종속항들에 명시되어 있다. 청구범위의 특징들은 기술적으로 실현 가능한 임의의 방식으로 조합될 수 있고, 이를 위해 본 발명의 보완적인 구성들을 포함하는 도면의 특징들뿐만 아니라 하기 설명들도 채용될 수 있다.
본 발명은,
a. 전기 기계로부터 회전자의 각도 상태를 기록하는 단계;
b. 기록된 각도 상태에 기반하여 기준 주파수를 계산하는 단계;
c. 계산된 기준 주파수의 사인값 및 코사인값을 형성하는 단계;
d. 형성된 사인값 및 코사인값을 필터링하되, 이차 구간에 의해 전달 함수를 이용하여 전기 기계를 위한 제어 구간이 모델링되고, 그에 따라 기준 신호 벡터를 형성하는 단계;
e. 전기 기계에서 음향 관련 피드백 변수를 기록하는 단계;
f. 형성된 기준 신호 벡터 및 기록된 피드백 변수에 기반하여 가중치 벡터를 형성하는 단계;
g. 가중치 벡터로 가중된 사인값과 코사인값의 합으로부터 중첩 신호를 형성하는 단계; 및
h. 상기 중첩 신호를 전기 기계의 조작 변수에 적용하는 단계를 포함하는, 3상 구동 전기 기계의 소음 저감 방법에 관한 것이다.
달리 명시되지 않는 한, 상기 및 하기 설명에 사용되는 서수는 단지 명확한 구별의 역할을 할 뿐, 지칭된 구성요소들의 임의의 순서 또는 순위를 반영하지 않는다. 2 이상의 서수가 상기와 같은 구성요소가 반드시 추가로 존재해야 함을 의미하지는 않는다.
본원에서는, 회전자 또는 고정자의 여기 시 3상 구동 전기 기계의 소음과 같은 방해성 소음의 유발을 미리 줄일 수 있는, 3상 구동 전기 기계의 소음 저감 방법이 제안된다. 먼저, 회전자의 각도 상태, 즉, 고정자 및 여기 코일 또는 자석에 대한 회전자의 상대 위치 또는 각속도가 기록된다. 이어서 대응 기준 주파수(fref)가 계산된다. 그런 다음, 기준값(fref)과 전회전(2π)의 곱의 사인값 및 코사인값이 형성된다. 사인값 및 코사인값은 바람직하게는 2차원 벡터로서 처리되어 이차 구간에서 필터링되며, 이때 이차 구간에 의해 제어 구간이 제어될 전기 기계로 모델링된다. 이를 위해, 예를 들어 디지털 필터의 범주에서 근사 함수 또는 제어 구간의 더 복잡한 시뮬레이션이 사용될 수 있다. 또한, 전기 기계에서 방해성 소음과 직접 관련이 있는 음향 관련 피드백 변수(e)가 기록된다. 기록된 피드백 변수(e)에 기반하여, 사인값 및 코사인값이 예를 들어 LMS 알고리즘(Least Mean Squares algorithm)에 의해 가중된다. 이어서, 상기 가중된 사인값과 코사인값, 즉, 사인 가중값(wsin)과 코사인 가중값(wcos)의 합으로부터 중첩 신호(y)가 생성된다. 이를 위해, 형성된 가중치 벡터 또는 이의 각각의 벡터값, 즉, 사인값에 대한 사인 가중값(wsin) 및 코사인에 대한 코사인 가중값(wcos)은 각각의 대응하는 (사인 또는 코사인)값과 곱해진다. 이러한 가중된 사인 곱과 코사인 곱의 합이 형성된다. 이는 예를 들어 노이즈 캔슬링 신호의 진폭(AANR)에 노이즈 캔슬링 신호의 상(φANR)과 기준 주파수(fref)의 합의 코사인값을 곱하는 것에 상응한다. 이제 상기 중첩 신호는 전기 기계의 조작 변수(들)(예를 들어, 고정자를 위한 파크 변환(Park transform)에 따른 전압값 vd 및 vq)에 적용된다. 그에 따라, 전기 기계에서 방해로 인식되는 소음의 발생이 미리 저감되고, 이러한 방법으로 예를 들어 16dB의 저감 또는 85%의 감소가 달성될 수 있다. 상기 설명을 하기에 공식으로 표현한다. 카운터 신호는 수학적으로 방정식 (1)에 따라 기술될 수 있다:
방정식 (1)
Figure pat00001
또한, 진폭 및 상은 방정식 (2) 및 (3)에 의해 결정될 수 있다.
방정식 (2)
Figure pat00002
방정식 (3)
Figure pat00003
작동 중에 적응형 필터의 안정성을 보장하기 위해, 이는 예를 들어 FIR 필터(Finite Impulse Response filter)로 구현된다. 일 실시예에서, 적응형 필터의 필터 계수(b)는 중첩 신호의 제곱이 최소가 되도록 LMS 알고리즘 형태의 반복 최적화 방법으로 최적화된다. 최소화될 신호(e)는 방정식 (4)에 의해 수학적으로 기술된다. 이 경우, 필터 계수는 가장 가파른 하강 방향으로 단계 폭(u)으로 조정된다. 이 경우, 단계 폭은 한편으로 수렴 속도에, 다른 한편으로 안정성에 영향을 미친다. 필터 가중값들(wsin, wcos)의 최적화가 방정식 (5)의 구배에 따라 반복 수행될 수 있다.
방정식 (4)
Figure pat00004
방정식 (5)
Figure pat00005
나아가 본원 방법의 한 유리한 실시예에서는, b 단계에서 기준 주파수가 미리 결정된 특성 서수와 기록된 각도 상태의 곱셈으로부터 계산된다.
이 실시예에서는, 기준 주파수(fref)를 계산하기 위해 전기 기계의 회전자의 각도 상태에 미리 결정된 특성 서수를 곱하는 것이 제안된다. 상기 서수는 예를 들어 고정자 자석 또는 고정자 코일의 수, 또는 3상 구동 전기 기계의 상(phase)의 수에 좌우된다. 예를 들어 3상 기계에서 이와 같은 서수는 6, 12, 또는 18이다.
또한, 본원 방법의 한 유리한 실시예에서, 본원 방법은 복수의 병렬 전달 구간을 포함하고, 각각의 전달 구간에서 b 단계 내지 g 단계는 각각 b 단계의 또 다른 특성 서수로 수행되며, g 단계에서는 전달 구간당 단일 중첩 신호가 형성되고, h 단계에서는 복수의 중첩 신호가 중첩에 의해 전기 기계의 고정자를 위한 조작 변수에 적용되는 것이 제안된다.
본원에서는, 본원 방법이 복수의 병렬 전달 구간을 포함하고, 각각의 전달 구간이 또 다른 서수로 구현되며, 바람직하게 그 외에는 전술한 방법과 동일하게 구현되는 것이 제안된다. 이어서, 병렬 계산되는 각각의 개별 중첩 신호들(y1a, y1b, y1c)이 서로 가산되어 전기 기계의 고정자를 위한 조작 변수(들)(예를 들어 vd, vq)에 적용된다.
또한, 본원 방법의 한 유리한 실시예에서, 각도 상태는 전기 기계의 전기적 또는 기계적 기준 시스템의 주파수 신호인 것이 제안된다
본원에서는, 각도 상태가 전기 기계의 전기적 기준 시스템 또는 기계적 기준 시스템의 주파수 신호(예를 들어, f　el)인 것이 제안된다. 이로써 각도 상태는 요청된 토크와 함께 회전 속도에 직접 좌우되며, 동시에 상기 방법에서 추가적인 예비 처리 없이 사용될 수 있는 신호이다.
또한, 본원 방법의 한 유리한 실시예에서, 피드백 변수는 하기의 값:
- 전기 기계에 의해 회전 구동되는 구성요소, 바람직하게는 고정자의 표면 가속도; 및
- 바람직하게는 전기 기계에 의해 구동되는 자동차의 객실의 내부에서 기록되는 음향 신호; 중 적어도 하나에 기반하는 것이 제공된다.
이와 관련하여, 일 실시예에서 피드백 변수(e)는 회전 구동된 구성요소, 바람직하게는 바로 고정자, 또는 대안적으로 회전자 또는 회전자에 연결되는 구성요소의 표면 가속도인 것이 제안된다. 표면 가속도는 회전하는 시스템의 기계적 여기 및 그에 따른 방해성 소음의 발생과 직접적으로 연관된다. 예를 들어 증가된 토크가 갑자기 인가되면, 자기 여기에 대해 증가한 슬립이 발생하고, 그에 따라 고정자 또는 고정자 자석 또는 고정자 코일 또는 각각의 고정자 코어의 진동 여기가 초래된다. 회전자에도 동일하게 적용되지만, 회전으로 인해 검출하기가 더 복잡하다. 이는 다시 여기 자기장과 상호작용하며, 상황에 따라 고정자측에 (가청 또는 여기) 기계 진동을 야기할 수 있다. 본원에 제안된 방법의 매우 짧은 제어 구간으로 인해, 그러한 갑작스러운 이벤트에도 신속하게 반응할 수 있고, 예를 들어 심지어 0.5초 후에 최대 감쇠가 (안정적으로) 달성되며, 이미 상기 시간의 절반 이내에 상당한 저감, 예를 들어 50%의 저감이 달성된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 피드백 변수(e)로서 예를 들어 객실 내부에서 마이크에 의해 기록되는 음향 신호가 사용되는 것이 제안된다. 이 실시예의 한 장점은, 이 경우, 음향 전파도 고려될 수 있고, 기존 감쇠 효과로 인해 방해가 될 것으로 추정되는 소음의 처리가 생략될 수 있다는 것이다. 한 바람직한 실시예에서는 추가로, 기록된 음향 신호에 따라 더 강한 가중이 실시되는 한편, 그와 동시에, 즉, 간단히 말하면, 음향 신호의 음향 레벨이 얼마나 높은지 또는 각각의 주파수가 사람의 귀의 감도에 따라 얼마나 방해성으로 감지되는지에 따라, 표면 가속도가 기록된다.
또한, 본원 방법의 한 유리한 실시예에서, 전기 기계의 경우, 이차 구간의 전달 함수가 고정자를 위한 조작 변수에 적용되는 주파수 스윕의 전달 거동에 기반하여 경험적으로 결정되며, 상기 전달 함수는 바람직하게는 경험적으로 결정된 전달 거동의 근사 함수인 것이 제안된다.
이와 관련하여, 이제, 이차 구간의 전달 함수는 상응하는 주파수 스윕을 적용함으로써 경험적으로 결정되는 것이 제안된다. 이로부터 결정되는 진폭 및 상은 (주파수 스윕의) 주파수에 걸쳐 기록될 수 있다. 한 유리한 실시예에서, 근사된, 즉, 편차 최소화된 함수가 전달 함수로서 결정되어 이차 구간에서 사용된다.
또한, 본원 방법의 한 유리한 실시예에서, 이차 구간에 의해 물리적 제어 구간이 모델링되고, 이 제어 구간은 하기의 구성요소:
- 기계 제어부;
- 위상 변환기;
- 비선형 보상부;
- 펄스폭 변조;
- 인버터;
- 전기 기계의 동적 전기장; 및
- 측정값 획득; 중 적어도 하나를 포함하는 것이 제안된다.
일 실시예에서, 이차 구간은, 바람직하게는 단순화된 정도에 불과하지만, 물리적 제어 구간에 상응한다. 한 바람직한 실시예에서는, 제어 구간의 복잡하고 강한 비선형 전달 거동의 시뮬레이션을 위해 이차 구간을 개별 구성요소들로 세분화할 필요가 없다. 오히려, 여기에 제시된 정의는 단지 제어 구간의 어느 부분이 이차 구간에 의해 시뮬레이션되는지를 나타내며, 그에 따라 이 유리한 실시예에서 이차 구간이 국지화되거나(localized) 이의 입력 변수 및 출력 변수가 제어 구간과 연계된다.
또 다른 한 양태에 따르면, 적어도 상기 설명에 따른 일 실시예에 따른 방법을 수행하기 위한 프로세서 및 메모리를 포함하는 컴퓨터 보조 장치가 제안된다.
컴퓨터 보조 장치는 1개 이상의 프로세서, 예를 들어 다목적 프로세서(CPU) 또는 마이크로프로세서, RISC 프로세서, GPU 및/또는 DSP를 포함한다. 컴퓨터 보조 장치는 예를 들어 메모리 인터페이스와 같은 추가 요소를 구비한다. 선택적으로 또는 추가적으로, 상기 용어는, 바람직하게는 표준화된 프로그래밍 언어, 예를 들어 C++, JavaScript, 또는 Python으로 제공되거나 통합된 프로그램을 실행할 수 있고/있거나 데이터 저장 장치 및/또는 입력 인터페이스 및 출력 인터페이스와 같은 여타의 장치를 제어할 수 있고/있거나 이들에 액세스할 수 있는 장치와 관련이 있다. 컴퓨터 보조 장치라는 용어는, 서로 연결되고/되거나 다른 방식으로 통신하도록 연결되며, 가능하게는 하나 이상의 다른 리소스, 예를 들어 메모리를 함께 사용하는 복수의 프로세서 또는 복수의 (서브)컴퓨터를 가리킨다.
(데이터) 메모리는 예를 들어 하드 디스크(HDD, SSD, HHD)이거나, 또는 (비휘발성) 솔리드 스테이트 저장 장치(solid state storage), 예를 들어 ROM 메모리 또는 플래시 메모리(플래시 EEPROM)이다. 메모리는 종종 다수의 개별 물리 유닛을 포함하거나 복수의 개별 장치로 분산되어 있고, 그에 따라 이에 대한 액세스는 데이터 통신, 예를 들어 패키지 데이터 서비스에 의해 이루어진다. 후자는 분산형 솔루션으로, 여기서는 (단일 통합형) 중앙 온보드 컴퓨터 대신 또는 중앙 온보드 컴퓨터에 더하여, 복수의 별개의 컴퓨터 유닛의 메모리 및 프로세서가 사용된다.
또 다른 양태에 따르면, 적어도 1개의 컴퓨터가 상기 설명에 따른 일 실시예에 따른 방법을 수행하게 되도록 상기 적어도 1개의 컴퓨터에서 실행 가능한 컴퓨터 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램이 제안되고, 상기 컴퓨터 중 적어도 하나는
- 자동차의 온보드 컴퓨터에 통합되고/되거나;
- 자동차의 온보드 컴퓨터와 통신하도록 구성된다.
또 다른 양태에 따르면, 적어도 1개의 컴퓨터가 상기 설명에 따른 일 실시예에 따른 방법을 수행하게 되도록 상기 적어도 1개의 컴퓨터에서 실행 가능한 컴퓨터 프로그램 코드가 저장된 컴퓨터 제품이 제안되고, 상기 컴퓨터 중 적어도 하나는
- 자동차의 온보드 컴퓨터에 통합되고/되거나;
- 자동차의 온보드 컴퓨터와 통신하도록 구성된다.
컴퓨터 프로그램 코드를 가진 컴퓨터 프로그램 제품은 예를 들어 매체, 예를 들어 RAM, ROM, SD 카드, 메모리 카드, 플래시 메모리 카드 또는 디스크이다. 대안적으로, 컴퓨터 프로그램 제품은 서버상에 저장되며 다운로드될 수 있다. 컴퓨터 프로그램이 판독 유닛, 예를 들어 드라이브 및/또는 설치에 의해 판독 가능해지는 즉시, 포함된 컴퓨터 프로그램 코드 및 그 안에 포함된 방법은 예를 들어 상기 설명에 따라 컴퓨터에 의해 또는 다수의 컴퓨터 보조 장치와 통신하여 실행될 수 있다.
일 실시예에서, 다수의 데이터가 고려되고 제어 결과를 개선하기 위해 사용될 수 있는 학습 알고리즘이 통합된다. 이와 같은 학습 알고리즘(딥러닝 알고리즘)은 음성 인식 또는 음성 처리 및 얼굴 인식 분야에서 이미 공지되어 있고, 이러한 분야는 인간이 충분히 다룰 수 없는 데이터양 및/또는 불충분하게만 알려져 있거나 전혀 알려져 있지 않은 규칙에 기반하는 것을 특징으로 한다. 유한 요소 알고리즘에 비하면 이러한 딥러닝 알고리즘은 아주 사소하지만, 복잡도(이 경우, 무엇보다도 기본 데이터의 양)로 인해 인간이 해결할 수 없거나 용인 불가능한 시간을 들여야만 해결될 수 있는 작업이다. 공지된 딥러닝 알고리즘 또는 적용 가능한 프로그램 라이브러리는 예를 들어 TensorFlow®, Keras 및 Microsoft® Cognitive Toolkit이다. 여기서, 예를 들어 자동차의 가속 이벤트 또는 지형 데이터(내비게이션 시스템), 및 이로부터 초래되는 전기 기계 내 소음 발생이 학습 알고리즘에 의해 예상될 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 전기 자동차로서, 적어도 하기의 구성요소:
- 적어도 1개의 추진 휠;
- 자동차의 추진을 위해 적어도 1개의 추진 휠과 토크 전송 방식으로 연결되는 3상 구동 전기 기계;
- 전기 기계를 위한 적어도 1개의 전기 에너지 저장부;
- 적어도 1개의 전압원으로부터의 전기 전압을 전기 기계에 위상 제어 방식으로 공급하기 위한 인버터; 및
- 프로세서 및 메모리를 가진 적어도 1개의 온보드 컴퓨터로서, 전기 기계의 소음 저감을 위해 상기 설명에 따른 일 실시예에 따른 방법을 수행하도록 구성된 적어도 1개의 온보드 컴퓨터;를 구비한 전기 자동차가 제안된다.
자동차는 예를 들어 포르쉐 타이칸(Taycan)과 같은 전기 자동차이다. 추진 휠들은 차량의 추진을 위해 구성되며, 적어도 1개의 전기 기계에 의해 상응하는 토크를 공급받을 수 있다. 추진력을 측정하기 위해, 예를 들어 (통상적으로 가속 페달로 지칭되는) 속도 센서가 운전석에 제공된다. 속도 센서는 3상 구동 전기 기계를 제어하는 방법을 위한 제어값을 지정하고, 이 값에 의해 자동차의 가속도가 (바람직하게는 감속도도) 직관적으로 조절될 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어 차량 값 및/또는 교통 데이터가 고려되는 다른 입력값들이 제공된다.
상기에 설명된 본 발명은 하기에서 관련 기술 배경에 대해, 바람직한 구성들이 도시된 첨부 도면을 참조하여 하여 상세히 설명될 것이다. 본 발명은 순전히 개략적인 도면들에 의해 결코 제한되지 않으며, 도면은 정확한 비율로 그려진 것이 아니고 크기 비율을 정의하기에 적합하지 않다는 점에 유의해야 한다.
도 1은 3상 구동 전기 기계를 제어하기 위한 개략적인 제어 회로를 나타낸다.
도 2는 전달 구간의 개략적인 제어 회로를 나타낸다.
도 3은 3개의 병렬 전달 구간의 병렬 사용을 나타낸다.
도 4는 이차 구간의 전달 함수의 보드 선도(Bode plot)를 나타낸다.
도 5는 시스템의 반응과 관련된 측정 시리즈의 도표이다.
도 6은 시스템의 진동과 관련된 측정 시리즈의 도표이다.
도 7은 전기 기계를 구비한 자동차의 도면이다.
도 1 내지 도 3에는 3상 구동 전기 기계(1)를 제어하거나 이의 소음을 저감하는 방법의 개략적인 제어 회로 또는 그의 일부 섹션이 도시되어 있다. 여기서는 방법 단계들이 각각 블록으로 또는 수학 기호로 표현되어 있다. 도시 방식은 제어 공학에서 일반적인 다이어그램에 상응하고, 개별 블록은 별도의 하드웨어 컴포넌트로 구현될 필요가 없다. 즉, 하드웨어-구현 제어 회로의 요소일 필요가 없다. 오히려, 도시된 제어는 바람직하게 1개 이상의 프로세서(37) 및 1개 이상의 메모리(38)로 모든 방법 단계를 수행하도록 구성된 컴퓨터 보조 장치에서 수행된다. 컴퓨터 보조 장치는 측정 센서 및 제어값 센서와의 간접적인 그리고/또는 직접적인 통신을 위한 상응하는 인터페이스를 구비한다.
전기 기계(1)는 바람직하게는 동기 기계이다. 전기 기계(1)의 전기 공급을 위해, 전압, 바람직하게는 DC 전압을 제공하는 전압원(44)이 구비된다. DC 전압은 인버터(35)에 의해 3상 전류로 변환되고, 3상 전류는 전기 기계(1)의 회전자(3)의 회전을 야기하기 위해 전기 기계(1)의 고정자(86)의 코일에 공급된다. 전기 기계(1)의 구동 회로(46)의 각각의 상은 적어도 1개의 코일에 연결된다. 상이한 상의 전류가 각각 각도 오프셋된다. 3상 구동 회로(46)의 경우, 2개의 코일 사이의 각도 오프셋은 각각 120°이다.
도 1에 도시된 개략적인 제어 회로는 본원에 설명된 소음 저감 방법의 한 가능한 사용처를 보여주며, 상기 방법은 여기서 상세히 설명하지 않는다. 인버터(35)는 제어 장치(47)에 의해 제어된다. 제어 장치(47)는 인버터(35)로 제어 데이터 세트(48)를 공급한다. 도시된 실시예에 따른 제어 데이터 세트(48)는 전기 기계(1)의 구동 회로(46)의 3개의 위상 각각에 대해 각각 전압 신호를 포함한다. 이들 전압 신호는 상응하게, 각각의 상의 전류 유동에 영향을 미치기 위해 인버터(35)의 게이트로 인가된다.
이 실시예에서, 제어 장치(47)는 각도 추정을 수행한다. 이와 같은 각도 추정은 센서 없이 구동 회로(46)의 상들에서 전기각(electrical angle)(49)을 결정하는 것을 가능하게 한다. 이로부터 동기 기계에서 전기 기계(1)의 회전자 각도가 추론된다.
중첩 신호(14) 및 (기계 제어부(32)에서 처리되는) 조작 변수(19) 및 각도 상태(2)의 합이 조합 데이터 세트(50)에 의해 기술되고, 이는 (진폭 보정 블록(51)에서 처리된 후에) 가산 블록(52)의 출력 변수가 된다. 일부 실시예에서, 복수의 중첩 신호(14, 15, 16)는 1개 이상의 전달 구간(23, 24, 25)의 상이한 서수들에 따라 좌우되며, 합산 중첩 신호(53)로서 조작 변수(19)에 중첩된다(도 3 참조). 조합 데이터 세트(50)는 2개의 입력 변수로서 제어 계산 블록(54)에 유입되고, 이는 인버터(35)에서 제어 데이터로 사용하기 위한 데이터를 처리하여 이를 제어 데이터로서, 예를 들어 전압값으로서 인버터(35)로 보낸다.
이미 설명한 방법 단계들 외에도, 파일럿 제어 각도(55)가 파일럿 제어 각도 계산 블록(56)에서 계산된다. 파일럿 제어 각도(55)는 입력 변수로서 비선형성 보상부(34)에 유입되고, 그에 의해 시스템 에러가 보상되거나 변동이 평활화된다. 추가 입력 변수로서, 전압원(44)에 의해 제공되는 DC 전압 및 가능하게는 (예를 들어 라인 손실을 계산하기 위한) 추가 전압값을 포함하는 보정 전압(57), 시간 보정값(58), 및 추정된 향후의 각도(49)가 입력 변수로서 비선형성 보상부(34)에 유입된다.
도시된 실시예에서, 기계 제어부(32)는 사용된 회전자-고정 좌표계에 따른 2개의 기준 전류값을 갖는 기준 전류 벡터(59)를 계산한다(d/q 변환 또는 Park 변환). 이 기준 전류 벡터(59)로부터, 사용된 회전자-고정 좌표계에 따른 2개의 전류값을 포함하는 측정 전류 벡터(60)가 차감되며, 이때 전류값은 구동 회로(46)에서 측정되는 데이터로부터 결정된다. 도시된 실시예에서, 측정 전류 벡터(60)는 전류 데이터의 기록 데이터 세트에 상응한다. 기록 데이터 세트의 데이터는 좌표 변환기(61)로부터 출력된다. 상(u, v, w)을 기준 전류 벡터(59)의 기준 전류값(d, q)으로 변환하는 좌표 변환기(61)는 그 옆에 도시된 감산 블록과 함께 기록 블록(62)에 포함되어 있다. 즉, 좌표 변환기(61)에서는 구동 회로(46)의 시스템 응답(63)에 상응하는 전류 신호가 위상 특정 좌표계로부터 회전자-고정 좌표계로 변환된다.
기준 전류 벡터(59)와 측정 전류 벡터(60)의 차에서 얻어지는, 결정된 전류 벡터(64)는 비례 적분 제어기에 의해 전압 기준값을 갖는 기준 전압 벡터로 변환된다. 나아가 추가 제어 단계, 예를 들어 디커플링 제어가 수행된다. 이는 여기서 비례 적분(PI) 제어부(65) 및 진폭 보정 블록(51)에 의해 도시되어 있다.
상기 처리된 전류 벡터(64)에 (여기서는 디커플링 제어 블록(66) 직후 및 진폭 보정 블록(51) 직전에) 중첩 신호(14)가 가산된다(중첩된다). 이로부터 얻어지는 조합 데이터 세트(50)의 조합된 전압 벡터로부터 상(u, v, w)마다 각각 하나의 위상 특정 전압값이 계산된다. 출력 변수로서 위상 변환기(33)에서 얻어지는 위상 특정 전압값 각각에 비선형성 보상부(34)에 의해 결정된 보상 전압값(67, 68, 69)이 가산되고, 이렇게 결정된 값은 펄스폭 변조기(70)(PWM 변환기)의 펄스폭 변조에 의해 제어 데이터의 펄스폭 변조값으로 변환되며, 그에 따라 인버터(35)에 의해 처리될 수 있다.
비례 적분 제어부(65)(PI 제어기), 디커플링 제어 블록(66), 및 플러스 기호로 표현된 가산 기호는 언급한 가산 블록(52)에 포함된다. 위상 변환기(33), 각각의 상에서 위상 변환기(33)를 따르는 가산 기호, 비선형성 보상부(34), 및 펄스폭 변조기(70)(PWM 변환기)는 제어 계산 블록(54)에 포함된다.
피드백 변수(12)는 이 경우 전기 기계(1)의 고정자(86)에서 직접 측정값 획득(36)에 의해, 더 정확하게는 표면 가속도(27)로서 (예를 들어 한 번) 기록되며, (제1) 전달 구간(23)으로 전송된다.
도 2에는 예를 들어 전기 기계(1)의 소음 저감을 위해 도 1에 따른 제어 회로에 사용될 수 있는, (제1) 전달 구간(23)의 개략적인 제어 회로가 도시되어 있다. 회전자(3)의 기록된 각도 상태(2){여기서는 예를 들어 전기 주파수 신호(26)}에 기반하여, 선택된 (여기서는 제1) 서수(20)와의 곱셈에 의해 (제1) 기준 주파수(4)(fref)가 계산된다. 이어서, (제1) 기준 주파수(4)(fref)와 전회전(2π)의 곱의 사인값(7; 상단 경로) 및 코사인값(8; 하단 경로)이 형성된다. 사인값(7) 및 코사인값(8)은, 바람직하게는 2차원 벡터로서 처리되어, 이차 구간(9)에서 필터링되고, 기준 신호 벡터(11)(xf,ref)가 생성되며, 이차 구간(9)으로부터 제어될 전기 기계(1)로 제어 구간(10)이 (바람직하게는 전달 함수의 형태로) 모델링된다. 전기 기계(1)에서 기록된 음향 관련 피드백 변수(12)(e){예를 들어, 전기 기계(1)의 표면 가속도(27), 장비의 구성요소, 및/또는 (내부 공간(29)에 구비된) 마이크의 음향 신호(28)}에 기반하여, 처리 필터(71)에서의 처리{예를 들어, 아날로그/디지털 변환, 적응형 피크 필터 및/또는 안티 에일리어싱 필터(Anti-aliasing Filter)에 의한 해당 차수의 필터링) 후에, 사인값(7) 및 코사인값(8)이 가중치 벡터(13)의 관련 값에 의해 가중된다. 가중치 벡터(13)는 예를 들어 최소 평균 제곱 알고리즘(72)에 의해 기준 신호 벡터(11)(xf,ref)로부터 형성된다. 이어서 가중된 사인값(7)과 가중된 코사인값(8), 즉, 사인 가중값(17)(wsin)과 코사인 가중값(18)(wcos)의 합으로부터 중첩 신호(y)가 생성된다. 이를 위해, 형성된 가중치 벡터 또는 이의 각각의 벡터값, 즉, 사인값(7)에 대한 사인 가중값(17)(wsin) 및 코사인값에 대한 코사인 가중값(18)(wcos)에 각각 상응하는 (사인 또는 코사인)값이 곱해진다. 상기 가중된 사인 곱 및 코사인 곱으로부터 합(y)이 형성된다. 이는 예를 들어 노이즈 캔슬링 신호의 진폭(AANR)에 노이즈 캔슬링 신호의 상(φANR)과 기준 주파수(fref)의 합의 코사인값(8)을 곱하는 것에 상응한다. 상기 중첩 신호(14)는 이어서 전기 기계(1)의 고정자(86)를 위한 조작 변수(들)(19)에 적용된다(예를 들어 가산된다).
도 3에는, 예를 들어 각각 도 2에 도시된 바와 같이 구성된 3개의 병렬 전달 구간(23, 24, 25)의 병렬 적용이 도시되어 있다. 각각의 제1 기준 주파수(4, 5, 6)는 각도 상태(2) 및 각각의 서수(20, 21, 22)로부터 결정된다. 각도 상태(2) 및 피드백 변수(12)는 예를 들어 각각의 전달 구간(23, 24, 25)에서 동일하다. 바람직하게는 필터가 각각의 서수(20, 21, 22)에 맞게 조정된다. 각각의 전달 구간(23, 24, 25)은 출력값으로서, 서로 중첩되는(여기서는 가산되는) 중첩 신호(14, 15, 16)를 각각 출력하고, 그에 따라 합산 중첩 신호(53)가 형성된다. 이 합산 중첩 신호(53)는 이어서 전기 기계(1)의 고정자(86)를 위한 조작 변수(들)(19)에 적용된다(예를 들어 가산된다).
도 4에는 예시로서 이차 구간(9)의 가능한 전달 함수의 보드 선도가 도시되어 있다. 제1 세로축(73; 상단 도표)은 여기서 dB 단위로 표시된 진폭 축이다. 제2 세로축(74; 하단 도표)은 [360° 중] 도(°) 단위로 표시된 상(phase) 축이다. 가로축(75)은 헤르츠 단위의 주파수 축을 나타낸다. 전달 거동의 곡선(76; 두꺼운 선)은 예를 들어 경험적으로 특정 전기 기계(1)에 주파수 스윕을 적용함으로써 결정되었다. 전달 함수의 곡선(77; 가는 선)은 전달 거동의 곡선(76)에 근사된다.
도 5에는 특정 전기 기계(1), 예를 들어 도 1에 도시된 것과 같은 제어 장치(47)를 갖는 시스템의 반응에 대한 측정 시리즈의 도표가 도시되어 있다. (제3) 세로축(78) 상에는 한편으로 (여기서는 암페어 단위의) 전류 강도 및 다른 한편으로 (여기서는 초당 제곱 미터(m/s2) 단위의) 표면 가속도(27)가 기입되어 있다. 가로축(75)은 여기서는 초 단위의 시간을 나타낸다. 여기서, 소음 저감을 위한 제어가 교번적으로 온/오프되었고, 이 경우 소음 저감을 위한 제어는 (예를 들어, 0의 시점에) 2.5A와 3A 사이에 q 전류의 곡선(79)이 놓이는 곳에서 온되고, (예를 들어 6초의 시점에) q 전류의 곡선(79; 가는 선)이 0에 가까운 곳에서 오프된다. 표면 가속도(27)의 곡선(80; 굵은 선)은 높은 안정성 및 재현 가능한 소음 저감을 갖는 매우 신속하고 효율적인 조정 거동을 보여준다. 표면 가속도(27)는 약 3m/s2에서 최대 0.6m/s2로 감쇠된다(평균적으로 더 양호함). 그에 따라, 16dB 또는 85%의 저감이 달성된다. 0.5초 이내에 이미 (완전한) 조정이 달성된다.
도 6에는 특정 전기 기계(1), 예를 들어 도 1에 도시된 것과 같은 제어 장치(47)를 갖는 시스템의 진동에 대한 측정 시리즈의 도표가 도시되어 있다. (제3) 세로축(78; 좌측) 상에는, 도 5에서와 같이, 한편으로 (암페어 단위의) 전류 강도 및 다른 한편으로 (m/s2 단위의) 표면 가속도(27)가 기입되어 있다. (제4) 세로축(81; 우측) 상에는, 한편으로 진폭(볼트 단위) 및 다른 한편으로 능동 소음 저감의 상(° 단위)이 기입되어 있다. 가로축(75)은 시간(초 단위)을 나타낸다. 여기서는 외란 변수가 검사대 진동으로서 적용된다. (도 5에 온 상태로 도시된 바와 같이) q 전류의 곡선(79; 아래쪽 굵은 선)의 프로파일은 최대 0.6A 미만에서 안정적으로 유지되고, 표면 가속도(27)의 곡선(80; 가장 아래쪽 가는 파선)도 최대 0.8m/s2 미만에서 안정적으로 유지됨을 알 수 있다. (예를 들어 제1) 전달 구간(23)(도 2 참조)의 값들도 마찬가지로 안정적이며, 요컨대 약 50V 부근의 ANR 진폭의 곡선(82; 가는 선을 갖는 아래쪽 선들 중 상부) 및 약 90° 부근의 ANR 위상의 곡선(83; 가장 위쪽 선, 굵은 일점쇄선). ANR 진폭은 외란 변수를 보상하기 위해 약 14% 증가하고, 전달 구간(23)은 여기서 고려된 60초 이내에 동적으로 신뢰성 있게 반응한다.
도 7에는 자동차(31)의 개략적인 평면도가 도시되어 있다. (선택적으로) 후미 영역에 자동차(31)의 추진을 위해 변속기(84) 및 차동 장치(85)를 통해 좌측 후방 추진 휠(39) 및 우측 후방 추진 휠(40)에 연결된 (선택적으로 전기식) 기계(1)가 배치된다. 자동차(31)의 전방 영역에, 바람직하게는 조향 가능하게, (선택적으로 추가로 또는 대안으로) 추진을 위해서도 제2 (선택적으로 전기식) 기계(1)에 토크를 전송하도록 연결된 좌측 전방 추진 휠(41) 및 우측 전방 추진 휠(42)이 배치된다. 여기서는 이제 (선택적으로 후방 추진 휠들(39, 40)과 전방 추진 휠들(41, 42) 사이에) 전기 에너지 저장부(43)가 포함되며, 적어도 1개의 전기 기계(1)를 위한 전압원(44)으로서, 바람직하게는 트랙션 배터리로서 구성된다. 또한, (데이터) 메모리(38) 및 (데이터) 프로세서(37)를 포함하며 바람직하게는 전술한 실시예에 따른 방법에 따라 (여기서는 2개의) 전기 기계(1)의 공급을 제어하는 온보드 컴퓨터(45)가 도시되어 있다. 여기서는 본원 방법의 대안적인 또는 보완적인 실시예의 경우, 측정값 획득(36)을 위해 객실(30)의 내부 공간(29)에 온보드 컴퓨터(45)와 통신 가능하게 연결된 마이크가 제공된다.
본원에서는 회전자 또는 고정자의 여기 시 3상 구동 전기 기계의 소음과 같은 방해성 소음의 유발을 미리 줄일 수 있는, 3상 구동 전기 기계의 소음 저감 방법이 제안된다.
1 전기 기계
2 각도 상태
3 회전자
4 제1 기준 주파수
5 제2 기준 주파수
6 제3 기준 주파수
7 사인값
8 코사인값
9 이차 구간
10 제어 구간
11 기준 신호 벡터
12 피드백 변수
13 가중치 벡터
14 제1 중첩 신호
15 제2 중첩 신호
16 제3 중첩 신호
17 사인 가중값
18 코사인 가중값
19 조작 변수
20 제1 서수
21 제2 서수
22 제3 서수
23 제1 전달 구간
24 제2 전달 구간
25 제3 전달 구간
26 주파수 신호
27 표면 가속도
28 음향 신호
29 내부
30 객실
31 전기 자동차
32 기계 제어부
33 위상 변환기
34 비선형성 보상부
35 인버터
36 측정값 획득
37 프로세서
38 메모리
39 좌측 후방 추진 휠
40 우측 후방 추진 휠
41 좌측 전방 추진 휠
42 우측 전방 추진 휠
43 에너지 저장부
44 전압원
45 온보드 컴퓨터
46 구동 회로
47 제어 장치
48 제어 데이터 세트
49 추정된 미래 각도
50 조합 데이터 세트
51 진폭 보정 블록
52 가산 블록
53 합산 중첩 신호
54 제어 계산 블록
55 파일럿 제어 각도
56 파일럿 제어 각도 계산 블록
57 보정 전압
58 시간 보정값
59 기준 전류 벡터
60 측정 전류 벡터
61 좌표 변환기
62 기록 블록
63 시스템 응답(전류 신호)
64 전류 벡터
65 비례 적분(PI) 제어부
66 디커플링 제어 블록
67 u 보상 전압값
68 v 보상 전압값
69 w 보상 전압값
70 펄스폭 변조기(PWM 변환기)
71 준비 필터
72 최소 평균 제곱 알고리즘
73 제1 세로축
74 제2 세로축
75 가로축
76 전달 거동의 곡선
77 전달 함수의 곡선
78 제3 세로축
79 q 전류의 곡선
80 표면 가속도의 곡선
81 제4 세로축
82 ANR 진폭의 곡선
83 ANR 상의 곡선
84 변속기
85 차동 장치
86 고정자

Claims (9)

  1. 3상 구동 전기 기계(1)의 소음 저감 방법으로서,
    a. 전기 기계(1)로부터, 회전자(3)의 각도 상태(2)를 기록하는 단계;
    b. 상기 기록된 각도 상태(2)에 기반하여 기준 주파수(4, 5, 6)를 계산하는 단계;
    c. 상기 계산된 기준 주파수(4, 5, 6)의 사인값(7) 및 코사인값(8)을 형성하는 단계;
    d. 상기 형성된 사인값(7) 및 코사인값(8)을 이차 구간(9)에 의해 필터링하되, 상기 이차 구간(9)에 의해 전달 함수를 이용하여 전기 기계(1)를 위한 제어 구간(10)이 모델링되고, 그에 따라 기준 신호 벡터(11)를 형성하는 단계;
    e. 상기 전기 기계(1)에서 음향 관련 피드백 변수(12)를 기록하는 단계;
    f. 상기 형성된 기준 신호 벡터(11) 및 상기 기록된 피드백 변수(12)에 기반하여 가중치 벡터(13)를 형성하는 단계;
    g. 상기 가중치 벡터(13)로 가중된 상기 사인값(7)과 코사인값(8)의 합으로부터 중첩 신호(14, 15, 16)를 형성하는 단계; 및
    h. 상기 중첩 신호(14, 15, 16)를 전기 기계(1)의 조작 변수(19)에 적용하는 단계를 포함하는, 3상 구동 전기 기계의 소음 저감 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 b 단계에서, 기준 주파수(4, 5, 6)는 미리 결정된 특성 서수(20, 21, 22)와 기록된 각도 상태(2)의 곱셈으로부터 계산되는, 3상 구동 전기 기계의 소음 저감 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 방법은 복수의 병렬 전달 구간(23, 24, 25)을 포함하고, 각각의 전달 구간(23, 24, 25)에서 상기 b 단계 내지 g 단계가 각각 상기 b 단계의 또 다른 특성 서수(20, 21, 22)로써 실행되며, 상기 g 단계에서 전달 구간(23, 24, 25)당 단일 중첩 신호(14, 15, 16)가 형성되고, 상기 h 단계에서 복수의 중첩 신호(14, 15, 16)가 중첩에 의해 전기 기계(1)의 고정자(86)를 위한 조작 변수(19)에 적용되는, 3상 구동 전기 기계의 소음 저감 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 각도 상태(2)는 전기 기계(1)의 전기적 또는 기계적 기준 시스템의 주파수 신호(26)인, 3상 구동 전기 기계의 소음 저감 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 피드백 변수(12)는 하기의 값:
    - 전기 기계(1)에 의해 회전 구동되는 구성요소, 바람직하게는 고정자(86)의 표면 가속도(27); 및
    - 바람직하게는 전기 기계(1)에 의해 구동되는 자동차(31)의 객실(30)의 내부(29)에서 기록되는 음향 신호(28); 중 적어도 하나에 기반하는, 3상 구동 전기 기계의 소음 저감 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 기계(1)의 경우, 이차 구간(9)의 전달 함수는 고정자(86)를 위한 조작 변수(19)에 적용되는 주파수 스윕의 전달 거동에 기반하여 경험적으로 결정되며,
    상기 전달 함수는 바람직하게는 상기 경험적으로 결정된 전달 거동의 근사 함수인, 3상 구동 전기 기계의 소음 저감 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 이차 구간(9)에 의해 물리적 제어 구간(10)이 모델링되고, 상기 제어 구간(10)은 하기의 구성요소:
    - 기계 제어부(32);
    - 위상 변환기(33);
    - 비선형 보상부(34);
    - 펄스폭 변조;
    - 인버터(35);
    - 전기 기계(1)의 동적 전기장; 및
    - 측정값 획득(36); 중 적어도 하나를 포함하는, 3상 구동 전기 기계의 소음 저감 방법.
  8. 적어도 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 프로세서(37) 및 메모리(38)를 구비한 컴퓨터 보조 장치.
  9. 전기 자동차(31)로서, 적어도 하기의 구성요소:
    - 적어도 1개의 추진 휠(39, 40, 41, 42);
    - 상기 자동차(31)의 추진을 위해 상기 적어도 1개의 추진 휠(39, 40, 41, 42)과 토크 전송 방식으로 연결되는 3상 구동 전기 기계(1);
    - 상기 전기 기계(1)를 위한 적어도 1개의 전기 에너지 저장부(43);
    - 적어도 1개의 전압원(44)으로부터의 전기 전압을 상기 전기 기계(1)에 위상 제어 방식으로 공급하기 위한 인버터(35); 및
    - 프로세서(37) 및 메모리(38)를 가진 적어도 1개의 온보드 컴퓨터(45);를 구비하고,
    상기 적어도 1개의 온보드 컴퓨터(45)는, 상기 전기 기계(1)의 소음 저감을 위해 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 구성되는, 전기 자동차(31).
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