KR20230013947A - 모터 구동 장치 - Google Patents

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KR20230013947A
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신상철
하정익
최현규
심재훈
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하는 모터 구동 장치가 개시된다. 상기 모터 구동 장치는, 복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터; 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터; 및 상기 제1 인버터의 공통 모드 전압과 상기 제2 인버터의 공통 모드 전압의 차를 0이 되게 하는 스위칭 벡터를 사용하여 상기 모터의 전압 지령에 해당하는 벡터를 합성하고, 합성된 벡터를 기반으로 상기 복수의 제1 스위칭 소자 및 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 펄스폭 변조 방식으로 제어하는 컨트롤러를 포함한다.

Description

모터 구동 장치{MOTOR DRIVING APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 모터 구동 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터의 권선의 양단에 각각 인버터가 연결된 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 모터에 포함된 각 상의 권선은 그 일단이 하나의 인버터에 연결되고 타단이 서로 연결되어 Y-결선을 형성한다.
모터의 구동 시, 인버터 내의 스위칭 소자는 펄스폭 변조 제어에 의해 온/오프 되면서 Y-결선된 모터의 권선에 선간 전압을 인가하여 교류 전류를 생성함으로써 토크를 발생시키게 된다.
이와 같은 모터에 의해 발생하는 토크를 동력으로 이용하는 전기차 등과 같은 친환경 차량의 연비(또는 전비)는 인버터-모터의 전력 변환 효율에 의해 결정되므로, 연비 향상을 위해서는 인버터의 전력 변환 효율과 모터의 효율을 극대화하는 것이 중요하다.
인버터-모터 시스템의 효율은 주로 인버터의 전압 이용률에 의해 결정되는데, 전압 이용율이 높은 구간에서 모터 속도와 토크의 관계에 의해 결정되는 차량의 운전점이 형성되는 경우 차량의 연비가 향상될 수 있다.
그러나, 모터의 최대 토크를 증가시키기 위해 모터의 권선수를 증가시킬수록 전압 이용율이 높은 구간은 차량의 주요 운전점인 저토크 영역과 멀어지게 되어 연비가 나빠지는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 연비의 관점에서 전압 이용율이 높은 구간에 주요 운전점을 포함하도록 설계하는 경우 모터의 최대 토크에 제약이 있어 차량의 가속 발진 성능이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 당 기술분야에서는 모터의 권선 일단을 Y 결선을 통해 단락 시키는 대신 모터의 권선 양단에 각각 인버터를 연결하여 두 개의 인버터를 구동하는 오픈 엔드 와인딩(Open End Winding: OEW) 방식의 모터 구동 기법이 제안되었다.
이러한 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 기법은 통상적인 Y 결선 구조의 모터를 구동하는 방식에 비해 상전압을 증가시켜 전압 이용율을 향상시킬 수 있고 고출력이 가능한 장점을 갖는다.
그러나, 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 기법은 모터의 권선 양단에 각각 연결되는 인버터의 공통 모드 전압의 차이로 인해 순환 전류가 발생할 수 있다. 이 순환 전류는 모터의 권선을 흐르면서 동손 및 철손과 같은 손실로 작용하여 모터 효율을 저하시키는 문제를 발생시킨다.
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.
US 2009-0033253 A1 JP 6285256 B2
이에 본 발명은, 모터 권선의 양단에 각각 인버터가 연결된 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 시 두 인버터 사이의 공통 모드 전압 차에 의해 발생하는 순환 전류를 제거하여 모터 효율을 향상시킬 수 있는 모터 구동 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하는 모터 구동 장치에 있어서,
복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터;
복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터; 및
상기 제1 인버터의 공통 모드 전압과 상기 제2 인버터의 공통 모드 전압의 차를 0이 되게 하는 스위칭 벡터를 사용하여 상기 모터의 전압 지령에 해당하는 벡터를 합성하고, 합성된 벡터를 기반으로 상기 복수의 제1 스위칭 소자 및 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 펄스폭 변조 방식으로 제어하는 컨트롤러;
를 포함하는 모터 구동 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [100]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [011]인 스위칭 벡터, 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [110]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [001]인 스위칭 벡터, 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [010]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [101]인 스위칭 벡터, 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [001]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [100]인 스위칭 벡터 및 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [001]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [110]인 스위칭 벡터를 상기 전압 지령에 해당하는 벡터를 합성하는데 사용하지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 공통 모두 전압의 차를 0이 되게 하는 스위칭 벡터는, 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [100]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [010]인 스위칭 벡터; 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [100]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [001]인 스위칭 벡터; 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [110]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [011]인 스위칭 벡터; 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [110]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [101]인 스위칭 벡터; 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [010]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [001]인 스위칭 벡터; 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [010]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [100]인 스위칭 벡터; 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [011]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [101]인 스위칭 벡터; 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [011]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [110]인 스위칭 벡터; 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [001]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [100]인 스위칭 벡터; 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [001]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [010]인 스위칭 벡터; 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [101]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [110]인 스위칭 벡터; 및 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [101]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [011]인 스위칭 벡터를 포함할 수 있다.
여기서, 스위칭 상태를 나타내는 숫자 중 첫번째 자리는 상기 제1 인버터 및 제2 인버터 내 a상, 두번째 자리는 b상, 세번째 자리는 c상의 스위칭 소자의 스위칭 상태를 나타내며, 숫자 '1'은 해당 상의 상부 스위칭 소자가 온 상태이고 하부 스위칭 소자가 오프 상태임을 나타내며, 숫자 '0'은 해당 상의 상부 스위칭 소자가 오프 상태이고 하부 스위칭 소자가 온 상태임을 나타낸다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 공통 모드 전압 차를 0이 되게 하는 스위칭 벡터 중 상기 모터의 전압 지령 벡터에 인접한 두 개의 스위칭 벡터를 이용하여 상기 전압 지령 벡터를 합성할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 전압 지령 벡터를 상기 모터의 전압 지령 벡터에 인접한 두 개의 스위칭 벡터에 각각 일정 계수를 곱한 값들의 합으로 표현하고 상기 계수에 기반하여 공간 벡터 펄스폭 변조의 듀티를 결정할 수 있다.
상기 모터 구동 장치에 따르면, 오픈 엔드 와인딩 방식에 적용되는 두 인버터의 공통 모드 전압 차를 제거함으로써 두 인버터 간에 순환 전류가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 순환 전류에 의해 모터 상전류가 왜곡되는 것을 방지하여 모터 전류의 제어를 용이하게 하며, 순환 전류에 의해 발생하는 모터의 철손 및 동손과 같은 손실을 방지하여 모터의 구동 효율을 현저히 향상시킬 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 장치의 회로도이다.
도 2는 공간 벡터 펄스폭 변조 방식을 사용하여 오픈 엔드 와인딩 모터를 제어하는 경우, 두 인버터 각각의 전압 벡터를 도시한 도면이다.
도 3은 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 시 두 인버터에 의해 합성되는 전압 벡터를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 벡터도에서 두 인버터의 공통 모드 전압 차를 발생시키는 전압 벡터를 제외하고 간략히 도시한 벡터도이다.
도 5 및 도 6은 공통 모드 전압 차를 갖는 스위칭 벡터를 이용하여 공간 벡터 펄스폭 변조를 수행한 경우의 인버터 상전류 및 공통 모드 전압 차가 제거되는 스위칭 벡터를 이용하여 공간 벡터 펄스폭 변조를 수행한 경우의 인버터 상전류를 각각 도시한 도면이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 모터 구동 장치를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 복수의 상에 대응되는 복수의 권선(L1-L3)을 갖는 모터(100)로 구동 전력을 공급하는 모터 구동장치로서, 복수의 제1 스위칭 소자(S11-S16)를 포함하며 모터(100)의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터(10)와, 복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 포함하며 모터(100)의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터(20)와, 모터(100)의 요구 출력을 기반으로 제1 스위칭 소자(S11-S16) 및 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 펄스폭 변조 제어하는 컨트롤러(30)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)는 배터리(200)에 저장된 직류 전력을 삼상의 교류 전력으로 변환하여 모터(100)로 제공하거나, 회생 제동 시 모터(100)의 회생 제동 토크 발생으로 인해 생성되는 회생 제동 에너지를 직류로 변환하여 배터리(200)로 제공할 수 있다. 이러한 직류 전력과 교류 전력 사이의 변환은 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 각각 구비된 복수의 제1 스위칭 소자(S11-S16) 및 복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26)의 펄스폭 변조 제어에 의해 수행될 수 있다.
제1 인버터(10)는 배터리(200)의 양단 사이에 연결된 직류 링크 커패시터(300)에 형성된 직류 전압이 인가되는 복수의 레그(11-13)를 포함할 수 있다. 각 레그(11-13)는 모터(100)의 복수의 상에 각각 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다.
더욱 구체적으로 제1 레그(11)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S11, S12)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S11, S12)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(L1)의 일단에 연결될 수 있다.
마찬가지로, 제2 레그(12)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S13, S14)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S13, S14)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(L2)의 일단에 연결될 수 있다.
또한, 제3 레그(13)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S15, S16)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S15, S16)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(L3)의 일단에 연결될 수 있다.
제2 인버터(20) 역시 제1 인버터(10)와 유사한 구성을 가질 수 잇다. 제2 인버터(20)는 배터리(200)의 양단 사이에 연결된 직류 링크 커패시터(300)에 형성된 직류 전압이 인가되는 복수의 레그(21-23)를 포함할 수 있다. 각 레그(21-23)는 모터(100)의 복수의 상에 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다.
더욱 구체적으로 제1 레그(21)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S21, S22)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S21, S22)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(L1)의 타단에 연결될 수 있다.
마찬가지로, 제2 레그(22)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S23, S24)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S23, S24)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(L2)의 타단에 연결될 수 있다.
또한, 제3 레그(23)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S25, S26)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S25, S26)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(L3)의 일단에 연결될 수 있다.
제1 인버터(10)는 모터(100)의 권선(L1-L3)의 일단에 연결되고 제2 인버터(20)는 모터(100)의 권선(L1-L3)의 타단에 연결된다. 즉, 모터(100)의 권선(L1-L3)의 양단은 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 각각 연결되는 오픈 엔드 와인딩 방식의 전기적 연결이 형성될 수 있다.
컨트롤러(30)는 기본적으로는 모터(100)에 요구되는 요구 출력을 기반으로 모터(100)가 구동될 수 있도록 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 포함된 스위칭 소자(S11-S16, S21-S21)를 펄스폭 변조 제어하는 요소이다.
컨트롤러(30)는 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)에 인가되는 직류 전압(Vdc)과 전류 센서(미도시)에서 검출되는 모터(100)로 제공되는 상전류 및 모터(100)에 설치된 모터 회전자 센서(미도시)에 검출된 모터의 전기각 등을 입력 받아 제1 인버터(10)의 제1 스위칭 소자(S11-S16) 및 제2 인버터(20)의 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 펄스폭 변조 방식으로 스위칭 하여 모터(100)를 구동할 수 있다. 특히, 컨트롤러(30)는 제1 스위칭 소자(S11-S16) 및 제2 인버터(20)의 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 펄스폭 변조 방식으로 제어할 때, 공간 벡터 펄스폭 변조(Space Vector Pulse Width Modulation: SVPWM) 방식을 적용할 수 있다.
도 2는 공간 벡터 펄스폭 변조 방식을 사용하여 오픈 엔드 와인딩 모터를 제어하는 경우, 두 인버터 각각의 전압 벡터를 도시한 도면이고, 도 3은 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 시 두 인버터에 의해 합성되는 전압 벡터를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 회로 구조에서, 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)는 모터의 각 상에 대응되는 레그에 한 쌍의 스위칭 소자(S11-S12 쌍, S11-S12 쌍, S13-S14 쌍, S15-S16 쌍, S21-S22 쌍, S23-S24 쌍, S25-S26 쌍)를 포함하며, 각 레그 내의 스위칭 소자는 상호 상보적으로 동작할 수 있다. 각 레그에서 직류 전압(Vdc)의 고전위 단에 연결된 스위칭 소자를 상부 스위칭 소자라 하고 직류 전압(Vdc)의 저전위 단에 연결된 스위칭 소자를 하부 스위칭 소자라 하기로 한다.
도 2에 도시된 벡터도에서, 육각형의 꼭지점과 원점은 각 인버터의 스위칭 소자의 상태에 따른 전압 벡터를 나타낸다. 예를 들어, 인덱스 A로 표시된 점은 제1 인버터(10)의 [100]의 전압 벡터를 나타낸다. 여기서 [100]은 제1 인버터의 a 상에 해당하는 레그에 포함된 스위칭 소자(S11, S12) 중 상부 스위칭 소자(S11)가 온 상태이고 하부 스위칭 소자(S12)가 오프 상태이며, 나머지 상에 해당하는 레그에 포함된 스위칭 소자 중 상부 스위칭 소자(S13, S15)가 오프이고 하부 스위칭 소자(S14, S16)이 온 상태임을 의미하며, 한다.
또한, 육각형의 중심은 [000] 또는 [111] 벡터에 해당하며, 이는 인버터의 각 레그의 상부 스위치가 모두 오프이거나 모두 온인 상태를 의미한다.
도 2에 도시한 것과 같이, 각 인버터에 의해 합성 가능한 전압 벡터는 여섯 개의 스위칭 소자의 온/오프 상태의 조합에 의해 총 8개가 될 수 있다.
일반적인 Y 결선 모터를 구동하는 경우, 도 2에 도시된 것과 같은 하나의 인버터에 해당하는 육각형을 이용하여 전압 지령에 해당하는 전압 벡터를 합성하여 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어할 수 있다. 즉, 스위칭 상태를 나타내는 기준 벡터(도 2에서 인덱스 A 내지 F 또는 A' 내지 F'에 해당하는 벡터)를 이용한 벡터 합으로 전압 지령이 나타나는 경우 각각의 기준 벡터에 승산되는 계수의 비율이 듀티 비로 표현될 수 있다. 예를 들어, 전압 지령이 인덱스 A에 해당하는 벡터 및 인덱스 B에 해당하는 기준 벡터를 각각 0.2 배 및 0.5배 하여 합산한 벡터에 해당하는 경우, 전압 변조 주기 동안 2:5의 비율로 [100] 상태와 [110] 상태가 나타내도록 인버터의 스위칭 소자들이 제어될 수 있다.
모터(100)를 오픈 엔드 와인딩 방식으로 구동하는 경우, 모터(100)의 각 상에 해당하는 모터 코일 양단에 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)의 각 레그가 연결된 구조를 가지므로 모터에 인가되는 각 상의 상전압은 제1 인버터와 제2 인버터의 상전압 차이로 인가된다. 또한, 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)는 각각 독립적으로 제어되므로, 실제 모터에 인가되는 전압 벡터는 제1 인버터(10)가 합성할 수 있는 전압 벡터 8가지와 제2 인버터(20)가 합성할 수 있는 전압 벡터 8가지의 조합에 의해 도 3에 도시한 것과 같이 총 64 가지의 전압 벡터를 형성할 수 있다.
도 3의 벡터도에서, 각 선이 만나는 점에 표시된 숫자 중 앞의 숫자는 도 2에 도시된 것과 같은 제1 인버터의 전압 벡터도에서 스위칭 상태에 해당하며, 작은 따옴표가 표시된 뒤의 숫자는 도 2에 도시된 것과 같은 제2 인버터의 전압 벡터도에서 스위칭 상태에 해당한다. 다만, 도 3의 벡터도에서는 상부 스위치가 모두 오프 상태인 [000] 상태는 숫자 '8'로 표시된다.
예를 들어, 도 3에서 인덱스 B에 해당하는 점은 총 여섯 개의 스위칭 상태의 조합으로 표현될 수 있다. 인덱스 B에 해당하는 28'는 제1 인버터의 [110] 벡터와 제2 인버터의 [000] 벡터의 조합에 해당한다는 의미이다. 또한, 16'는 제1 인버터의 [100] 벡터와 제2 인버터의 [101] 벡터의 조합에 해당한다는 의미로, 제1 인버터의 전압과 제2 인버터의 전압의 차로 모터 전압이 표시되므로 제1 인버터의 [100] 벡터에 해당하는 위치에서 제2 인버터의 [101] 벡터의 역방향에 해당하는 점이 인덱스 B에 해당하는 점이 된다. 나머지 숫자들도 앞서 설명한 것과 같이 각 점들을 제1 인버터의 스위칭 상태 벡터와 제2 인버터의 스위칭 상태 벡터의 조합으로 표시한 것으로 이해될 수 있다.
한편, 각 인버터(10, 20)에서 공통 모드 전압은 각 상의 극전압의 평균으로 정의되는 값으로 복수의 상을 갖는 인버터 출력 전압의 평균값에 해당하는 값이다. 3상 모터의 경우 각 상의 극전압의 합을 3으로 나눈 값이 공통 모드 전압이 될 수 있다. 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 시 각 상의 평형이 이루어지기 위해서는 두 인버터의 출력 전압 평균값이 0이 되는 것이 바람직하다. 두 인버터의 출력 전압 평균값이 0이라는 의미는 모터의 전류의 합이 0이라는 의미로 두 인버터의 공통 모드 전압의 차이가 0이 되도록 함으로써 달성 가능하다.
따라서, 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 시 전압 지령 벡터를 합성하는데 두 인버터의 공통 모드 전압의 차가 0이 아닌 값으로 만드는 기준 전압 벡터는 사용하지 않는 것이 바람직하다.
도 3에서 참조부호 '51' 내지 '56'으로 지시된 전압 벡터는 두 인버터의 공통 모드 전압의 차가 0이 아닌 전압 벡터이다.
예를 들어, 도 3에서 OS 벡터(13'벡터)는 제1 인버터의 스위칭 상태가 [100]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [010]이므로, 제1 인버터의 공통 모드 전압은 "{(Vdc/2) + 0 + 0}/3 = Vdc/6"과 같이 연산될 수 있으며, 제2 인버터의 공통 모드 전압은 "{0 + (Vdc/2) + 0}/3 = Vdc/6"과 같이 연산될 수 있다. 따라서, 두 공통 모드 전압의 차는 0이 된다.
반면, 도 3에서 OG 벡터(14' 벡터)는 제1 인버터의 스위칭 상태가 [100]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [011]이므로, 제1 인버터의 공통 모드 전압은 "{(Vdc/2) + 0 + 0}/3 = Vdc/6"과 같이 연산될 수 있으며, 제2 인버터의 공통 모드 전압은 "{0 + (Vdc/2) + (Vdc/2)}/3 = Vdc/3"과 같이 연산될 수 있다. 따라서, 두 공통 모드 전압의 차는 "- Vdc/6"이 된다.
여기서, Vdc는 인버터 직류 입력 전압, 즉 배터리(200) 전압일 수 있다.
위 예시와 같은 방식으로 두 인버터의 공통 모드 전압의 차를 연산하면 도 3에서 '51' 내지 '56'의 참조부호로 지시된 전압 벡터는 두 인버터의 공통 모드 전압의 차가 0이 아닌 전압 벡터임을 확인할 수 있다.
더욱 구체적으로, 제1 인버터의 공통 모드 전압과 제2 인버터의 공통 모드 전압의 차가 0이 되지 않게 하는 스위칭 벡터는, 제1 인버터의 스위칭 상태가 [100]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [011]인 스위칭 벡터, 제1 인버터의 스위칭 상태가 [110]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [001]인 스위칭 벡터, 제1 인버터의 스위칭 상태가 [010]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [101]인 스위칭 벡터, 제1 인버터의 스위칭 상태가 [001]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [100]인 스위칭 벡터 및 제1 인버터의 스위칭 상태가 [001]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [110]인 스위칭 벡터이다.
도 4는 도 3에 도시된 벡터도에서 두 인버터의 공통 모드 전압 차를 발생시키는 전압 벡터를 제외하고 간략히 도시한 벡터도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 두 인버터의 공통 모드 전압 차를 발생시키는 전압 벡터를 제외하고 두 인버터의 공통 모드 전압 차를 발생시키지 않는 최외곽의 전압 벡터를 서로 연결하면 육각형의 형태로 나타낼 수 있다.
두 인버터의 공통 모드 전압 차를 발생시키지 않는 벡터, 다시 말해 공통 모드 전압 차를 0이 되게 하는 스위칭 벡터는, 제1 인버터의 스위칭 상태가 [100]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [010]인 스위칭 벡터, 제1 인버터의 스위칭 상태가 [100]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [001]인 스위칭 벡터, 제1 인버터의 스위칭 상태가 [110]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [011]인 스위칭 벡터, 제1 인버터의 스위칭 상태가 [110]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [101]인 스위칭 벡터, 제1 인버터의 스위칭 상태가 [010]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [001]인 스위칭 벡터, 제1 인버터의 스위칭 상태가 [010]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [100]인 스위칭 벡터, 제1 인버터의 스위칭 상태가 [011]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [101]인 스위칭 벡터, 제1 인버터의 스위칭 상태가 [011]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [110]인 스위칭 벡터, 제1 인버터의 스위칭 상태가 [001]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [100]인 스위칭 벡터, 제1 인버터의 스위칭 상태가 [001]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [010]인 스위칭 벡터, 제1 인버터의 스위칭 상태가 [101]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [110]인 스위칭 벡터, 제1 인버터의 스위칭 상태가 [101]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [011]인 스위칭 벡터가 될 수 있다.
컨트롤러(30)는 위의 공통 모드 전압 차를 0이 되게 하는 스위칭 벡터 중 두 개를 이용하여 전압 지령에 대응되는 벡터를 합성할 수 있다.
예를 들어, 전압 지령 벡터(Vref)가 벡터도 상에 도 4와 같이 도시된다고 하면, 컨트롤러(30)는 전술한 공통 모드 전압 차를 0이 되게 하는 스위칭 벡터 중 전압 지령 벡터(Vref)가 인접한 두 개의 스위칭 벡터를 이용하여 전압 지령 벡터를 합성할 수 있다. 즉, 컨트롤러(30)는 전압 지령 벡터를 두 개의 스위칭 벡터에 일정 계수를 곱한 값들의 합으로 표현할 수 있으며, 두 개의 스위칭 벡터에 곱하여 진 계수의 비율은 공간 벡터 펄스폭 변조 시 각 스위칭 상태의 듀티 비로 나타날 수 있다.
도 5 및 도 6은 공통 모드 전압 차를 갖는 스위칭 벡터를 이용하여 공간 벡터 펄스폭 변조를 수행한 경우의 인버터 상전류 및 공통 모드 전압 차가 제거되는 스위칭 벡터를 이용하여 공간 벡터 펄스폭 변조를 수행한 경우의 인버터 상전류를 각각 도시한 도면이다.
도 5에 도시된 것과 같이, 공통 모드 전압 차를 갖는 스위칭 벡터를 이용하여 공간 벡터 펄스폭 변조 방식으로 모터를 구동한 경우 공통 모드 전압 차에 의한 순환 전류가 유입되어 상 전류의 왜곡이 심해짐을 확인할 수 있다. 이에 따라 모터 전류의 제어가 어려워지고 모터의 손실이 증가하게 됨을 예상할 수 있다.
반면, 도 6에 도시된 것과 같이, 공통 모드 전압 차를 발생시키기 않는 스위칭 벡터를 이용하여 공간 벡터 펄스폭 변조 방식으로 모터를 구동한 경우 공통 모드 전압 차에 의한 순환 전류가 유입되어 상 전류의 왜곡이 감소됨을 확인할 수 있다. 이에 따라 모터 전류의 제어가 용이해지고 모터의 손실을 감소시킬 수 있게 된다.
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: 제1 인버터 20: 제2 인버터
30: 제3 스위칭 소자 40: 컨트롤러
50: 전류 센서 100: 모터
200: 배터리 300: 직류 링크 커패시터
S11-S16: 제1 스위칭 소자 S21-S26: 제2 스위칭 소자
S31-S33: 제3 스위칭 소자 L1-L3: 권선

Claims (5)

  1. 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하는 모터 구동 장치에 있어서,
    복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터;
    복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터; 및
    상기 제1 인버터의 공통 모드 전압과 상기 제2 인버터의 공통 모드 전압의 차를 0이 되게 하는 스위칭 벡터를 사용하여 상기 모터의 전압 지령에 해당하는 벡터를 합성하고, 합성된 벡터를 기반으로 상기 복수의 제1 스위칭 소자 및 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 펄스폭 변조 방식으로 제어하는 컨트롤러;
    를 포함하는 모터 구동 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [100]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [011]인 스위칭 벡터, 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [110]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [001]인 스위칭 벡터, 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [010]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [101]인 스위칭 벡터, 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [001]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [100]인 스위칭 벡터 및 상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [001]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [110]인 스위칭 벡터를 상기 전압 지령에 해당하는 벡터를 합성하는데 사용하지 않되,
    스위칭 상태를 나타내는 숫자 중 첫번째 자리는 상기 제1 인버터 및 제2 인버터 내 a상, 두번째 자리는 b상, 세번째 자리는 c상의 스위칭 소자의 스위칭 상태를 나타내며, 숫자 '1'은 해당 상의 상부 스위칭 소자가 온 상태이고 하부 스위칭 소자가 오프 상태임을 나타내며, 숫자 '0'은 해당 상의 상부 스위칭 소자가 오프 상태이고 하부 스위칭 소자가 온 상태임을 나타내는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 공통 모두 전압의 차를 0이 되게 하는 스위칭 벡터는,
    상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [100]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [010]인 스위칭 벡터;
    상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [100]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [001]인 스위칭 벡터;
    상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [110]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [011]인 스위칭 벡터;
    상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [110]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [101]인 스위칭 벡터;
    상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [010]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [001]인 스위칭 벡터;
    상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [010]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [100]인 스위칭 벡터;
    상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [011]이고 상기 제2 인버터의 스위칭 상태가 [101]인 스위칭 벡터;
    상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [011]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [110]인 스위칭 벡터;
    상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [001]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [100]인 스위칭 벡터;
    상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [001]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [010]인 스위칭 벡터;
    상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [101]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [110]인 스위칭 벡터; 및
    상기 제1 인버터의 스위칭 상태가 [101]이고 제2 인버터의 스위칭 상태가 [011]인 스위칭 벡터를 포함하되,
    스위칭 상태를 나타내는 숫자 중 첫번째 자리는 상기 제1 인버터 및 제2 인버터 내 a상, 두번째 자리는 b상, 세번째 자리는 c상의 스위칭 소자의 스위칭 상태를 나타내며, 숫자 '1'은 해당 상의 상부 스위칭 소자가 온 상태이고 하부 스위칭 소자가 오프 상태임을 나타내며, 숫자 '0'은 해당 상의 상부 스위칭 소자가 오프 상태이고 하부 스위칭 소자가 온 상태임을 나타내는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 공통 모드 전압 차를 0이 되게 하는 스위칭 벡터 중 상기 모터의 전압 지령 벡터에 인접한 두 개의 스위칭 벡터를 이용하여 상기 전압 지령 벡터를 합성하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 전압 지령 벡터를 상기 모터의 전압 지령 벡터에 인접한 두 개의 스위칭 벡터에 각각 일정 계수를 곱한 값들의 합으로 표현하고 상기 계수에 기반하여 공간 벡터 펄스폭 변조의 듀티를 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
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