KR20230031066A - 모터 구동 장치 및 방법 - Google Patents

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정강호
임영설
심재훈
하정익
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Abstract

복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 모터의 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터; 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터; 상기 복수의 권선과 상기 복수의 제2 스위칭 소자가 연결된 노드에 일단이 각각 연결되고 타단이 서로 연결된 복수의 절환용 스위치; 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 개방 상태로 유지시키고 상기 복수의 제1 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동하는 제1 구동 모드 및 상기 복수의 제1 스위칭 소자 및 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동하는 제2 구동 모드 중 하나로 상기 모터를 구동하며, 상기 제1 구동 모드와 상기 제2 구동 모드의 상호 절환 시 상기 복수의 제2 스위칭 소자와 상기 복수의 절환용 스위치가 모두 오프된 상태를 사전 설정된 시간 동안 유지하는 데드타임을 적용하는 컨트롤러를 포함하는 모터 구동 장치가 개시된다.

Description

모터 구동 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DRIVING MOTOR}
본 발명은 모터 구동 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터의 권선 양단에 각각 연결된 두 인버터를 이용하여 모터를 구동하는 경우 하나의 인버터를 사용하는 구동 모드와 두 개의 인버터를 사용하는 구동 모드 간 절환 시 발생하는 다양한 제어적 충격을 억제할 수 있는 모터 구동 장치 및 방법에 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.
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.
전술한 것과 같은, Y-결선 구조의 모터 구동 모드와 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 모드를 선택적으로 사용할 수 있는 모터 구동 장치도 이미 개발되었다. 두 개의 모터 구동 모드를 적용하는 모터 구동 장치는 모터의 권선 일단에 모터의 권선 일단을 서로 접속시킬 수 있는 복수의 절환용 스위치를 구비한다.
Y-결선 구조의 모터 구동 모드에는 절환용 스위치를 모두 단락 시켜 일단에 Y-결선이 형성된 모터를 하나의 인버터를 제어함으로써 구동할 수 있으며, 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 시에는 절환용 스위치를 모두 개방 시키고 모터 내 권선 양단에 각각 연결된 두개의 인버터를 모두 제어하여 모터를 구동할 수 있다.
이러한 모터 구동 장치에서, 모터의 구동 중에 Y-결선 구조의 모터 구동 모드와 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 모드 간 절환이 필요한 경우, 절환용 스위치가 단락된 상태에서 절환용 스위치와 동일한 모터 권선의 일단에 공통으로 연결된 인버터가 동작함으로써 직류 링크의 쇼트 회로가 발생할 수 있다.
또한, 소프트웨어적인 측면에서는 모터의 구동 중에 Y-결선 구조의 모터 구동 모드와 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 모드 간 절환 시 제어의 충격이 발생하지 않도록 하는 것이 중요하다. 여기서 제어의 충격은 토크, 전류, 의도치 않은 제어 변수 등에 변동이 발생하는 것에 해당할 수 있다.
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, 모터의 권선 양단에 각각 연결된 두 인버터를 이용하여 모터를 구동하는 경우 하나의 인버터를 사용하는 구동 모드와 두 개의 인버터를 사용하는 구동 모드 간 절환 시 발생하는 직류 링크의 쇼트나 다양한 제어적 충격을 억제할 수 있는 모터 구동 장치 및 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 모터의 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터;
복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터;
상기 복수의 권선과 상기 복수의 제2 스위칭 소자가 연결된 노드에 일단이 각각 연결되고 타단이 서로 연결된 복수의 절환용 스위치;
상기 복수의 제2 스위칭 소자를 개방 상태로 유지시키고 상기 복수의 제1 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동하는 제1 구동 모드 및 상기 복수의 제1 스위칭 소자 및 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동하는 제2 구동 모드 중 하나로 상기 모터를 구동하며, 상기 제1 구동 모드와 상기 제2 구동 모드의 상호 절환 시 상기 복수의 제2 스위칭 소자와 상기 복수의 절환용 스위치가 모두 오프된 상태를 사전 설정된 시간 동안 유지하는 데드타임을 적용하는 컨트롤러;
를 포함하는 모터 구동 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 제1 샘플링 주기에서 상기 제1 구동 모드에서 상기 제2 구동 모드로 구동 모드를 절환하는 것으로 판단한 경우, 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 제2 샘플링 주기가 경과하고 상기 제2 샘플링 주기에 후속하는 상기 제3 샘플링 주기가 시작하는 시점에 상기 복수의 절환용 스위치를 온 상태에서 오프 상태로 제어하고 상기 복수의 절환용 스위치가 오프 상태가 된 이후 상기 데드타임이 경과하면 상기 제2 스위칭 소자의 펄스폭 변조를 시작할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제2 샘플링 주기에 상기 제2 구동 모드를 실행하기 위한 연산을 수행하며, 상기 제3 샘플링 주기에서, 상기 제2 샘플링 주기에 연산된 결과를 이용하여 상기 제2 인버터를 펄스폭 변조 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 제1 샘플링 주기에서 상기 제1 구동 모드에서 상기 제2 구동 모드로 구동 모드를 절환하는 것으로 판단한 경우, 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 제2 샘플링 주기가 경과하고 상기 제2 샘플링 주기에 후속하는 상기 제3 샘플링 주기가 시작하는 시점에 사전 설정된 딜레이를 적용한 이후 상기 복수의 절환용 스위치를 온 상태에서 오프 상태로 제어하고 상기 복수의 절환용 스위치가 오프 상태가 된 이후 상기 데드타임이 경과하면 상기 제2 스위칭 소자의 펄스폭 변조를 시작할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 딜레이에 해당하는 시간 간격과 상기 데드타임에 해당하는 시간 간격의 합은 한 샘플링 주기의 시간 간격에 해당하며, 상기 컨트롤러는 상기 제3 샘플링 주기에 후속하는 제4 샘플링 주기가 시작되는 시점에 상기 제2 스위칭 소자의 펄스폭 변조를 시작할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제3 샘플링 주기에 상기 제2 구동 모드를 실행하기 위한 연산을 수행하며, 상기 제4 샘플링 주기에서, 상기 제3 샘플링 주기에 연산된 결과를 이용하여 상기 제2 인버터를 펄스폭 변조 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 제1 샘플링 주기에서 상기 제2 구동 모드에서 상기 제1 구동 모드로 구동 모드를 절환하는 것으로 판단한 경우, 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 제2 샘플링 주기가 경과하고 상기 제2 샘플링 주기에 후속하는 상기 제3 샘플링 주기가 시작하는 시점에 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 오프 상태로 제어하고, 상기 복수의 제2 스위칭 소자가 오프 상태가 된 이후 상기 데드타임이 경과하면 상기 복수의 절환용 스위치를 오프 상태에서 온 상태로 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제2 샘플링 주기에 상기 제1 구동 모드를 실행하기 위한 연산을 수행하며, 상기 제3 샘플링 주기에서, 상기 제2 샘플링 주기에 연산된 결과를 이용하여 상기 제1 인버터를 펄스폭 변조 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 제1 샘플링 주기에서 상기 제2 구동 모드에서 상기 제1 구동 모드로 구동 모드를 절환하는 것으로 판단한 경우, 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 제2 샘플링 주기가 경과하고 상기 제2 샘플링 주기에 후속하는 상기 제3 샘플링 주기가 시작하는 시점에 사전 설정된 딜레이를 적용한 이후 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 오프 상태로 제어하고, 상기 복수의 제2 스위칭 소자가 오프 상태가 된 이후 상기 데드타임이 경과하면 상기 복수의 절환용 스위치를 오프 상태에서 온 상태로 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 딜레이에 해당하는 시간 간격과 상기 데드타임에 해당하는 시간 간격의 합은 한 샘플링 주기의 시간 간격에 해당하며, 상기 컨트롤러는 상기 제3 샘플링 주기에 후속하는 제4 샘플링 주기가 시작되는 시점에 상기 복수의 절환용 스위치를 오프 상태에서 온 상태로 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제3 샘플링 주기에 상기 제1 구동 모드를 실행하기 위한 연산을 수행하며, 상기 제4 샘플링 주기에서, 상기 제3 샘플링 주기에 연산된 결과를 이용하여 상기 제1 인버터를 펄스폭 변조 제어할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
전술한 모터 구동 장치에 의해 구현되는 모터 구동 방법에 있어서,
상기 컨트롤러가, 제1 샘플링 주기에서 상기 제1 구동 모드에서 상기 제2 구동 모드로 절환이 요구되는 것으로 판단하는 단계;
상기 컨트롤러가, 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 일 샘플링 주기에 상기 복수의 절환용 스위치를 온 상태에서 오프 상태로 제어하는 단계;
상기 복수의 절환용 스위치가 오프 상태가 된 이후 상기 데드타임이 경과하면 상기 제2 스위칭 소자의 펄스폭 변조를 시작하는 단계;
를 포함하는 모터 구동 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 오프 상태로 제어하는 단계는, 상기 컨트롤러가 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 제2 샘플링 주기가 경과하고 상기 제2 샘플링 주기에 후속하는 상기 제3 샘플링 주기가 시작하는 시점에 상기 복수의 절환용 스위치를 온 상태에서 오프 상태로 제어하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 컨트롤러가, 상기 제2 샘플링 주기에 상기 제2 구동 모드를 실행하기 위한 연산을 수행하는 단계를 더 포함하며, 상기 시작하는 단계는, 상기 제3 샘플링 주기에서, 상기 제2 샘플링 주기에 연산된 결과를 이용하여 상기 제2 인버터를 펄스폭 변조 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 오프 상태로 제어하는 단계는, 상기 컨트롤러가 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 제2 샘플링 주기가 경과하고 상기 제2 샘플링 주기에 후속하는 상기 제3 샘플링 주기가 시작하는 시점에 사전 설정된 딜레이를 적용한 이후 상기 복수의 절환용 스위치를 온 상태에서 오프 상태로 제어하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 딜레이에 해당하는 시간 간격과 상기 데드타임에 해당하는 시간 간격의 합은 한 샘플링 주기의 시간 간격에 해당하며, 상기 시작하는 단계는, 상기 컨트롤러가 상기 제3 샘플링 주기에 후속하는 제4 샘플링 주기가 시작되는 시점에 상기 제2 스위칭 소자의 펄스폭 변조를 시작하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 컨트롤러가, 상기 제3 샘플링 주기에 상기 제2 구동 모드를 실행하기 위한 연산을 수행하는 단계를 더 포함하며, 상기 시작하는 단계는, 상기 제4 샘플링 주기에서, 상기 제3 샘플링 주기에 연산된 결과를 이용하여 상기 제2 인버터를 펄스폭 변조 제어할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서,
전술한 모터 구동 장치에 의해 구현되는 모터 구동 방법에 있어서,
상기 컨트롤러가, 제1 샘플링 주기에서 상기 제2 구동 모드에서 상기 제1 구동 모드로 절환이 요구되는 것으로 판단하는 단계;
상기 컨트롤러가, 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 일 샘플링 주기에 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 오프 상태로 제어하는 단계; 및
상기 복수의 절환용 스위치가 오프 상태가 된 이후 상기 데드타임이 경과하면 상기 복수의 절환용 스위치를 오프 상태에서 온 상태로 제어하는 단계;
를 포함하는 모터 구동 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 오프 상태로 제어하는 단계는, 상기 컨트롤러가 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 제2 샘플링 주기가 경과하고 상기 제2 샘플링 주기에 후속하는 상기 제3 샘플링 주기가 시작하는 시점에 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 오프 상태로 제어하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 컨트롤러가, 상기 제2 샘플링 주기에 상기 제1 구동 모드를 실행하기 위한 연산을 수행하는 단계를 더 포함하며, 상기 온 상태로 제어하는 단계는, 상기 제3 샘플링 주기에서, 상기 제2 샘플링 주기에 연산된 결과를 이용하여 상기 제1 인버터를 펄스폭 변조 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 오프 상태로 제어하는 단계는, 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 제2 샘플링 주기가 경과하고 상기 제2 샘플링 주기에 후속하는 상기 제3 샘플링 주기가 시작하는 시점에 사전 설정된 딜레이를 적용한 이후 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 오프 상태로 제어하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 딜레이에 해당하는 시간 간격과 상기 데드타임에 해당하는 시간 간격의 합은 한 샘플링 주기의 시간 간격에 해당하며, 상기 온 상태로 제어하는 단계는, 상기 컨트롤러가 상기 제3 샘플링 주기에 후속하는 제4 샘플링 주기가 시작되는 시점에 상기 복수의 절환용 스위치를 오프 상태에서 온 상태로 제어하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 제3 샘플링 주기에 상기 제1 구동 모드를 실행하기 위한 연산을 수행하는 단계를 더 포함하며, 상기 온 상태로 제어하는 단계는, 상기 제4 샘플링 주기에서 연산된 결과를 이용하여 상기 제1 인버터를 펄스폭 변조 제어할 수 있다.
상기 모터 구동 장치 및 방법에 따르면, 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 모터 구동 중 오픈 엔드 와인딩 모드로 구동 모드를 절환할 때 또는 오픈 엔드 와인딩 모드로 모터 구동 중 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 구동 모드를 절환할 때, 활성화 상태가 절환 되는 인버터 내의 스위칭 소자와 절환용 스위치가 모두 오프되는 데드타임이 나타나게 함으로써 모드 절환 시 발생할 수 있는 직류 링크 전압의 쇼트에 의한 동작 오류나 고장 및 소프트웨어 적인 제어 충격의 발생을 방지할 수 있다.
이에 따라, 상기 모터 구동 장치 및 방법에 따르면, 두 개의 인버터를 모터의 권선 양단에 연결하여 모터를 구동하는 모터 구동 기법에서 하드웨어 및 소프트웨어적으로 안정적인 모터 구동을 가능하게 할 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 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치 및 방법에서, 컨트롤러에 의해 이루어지는 클로즈드 엔드 와인딩 모드에서 오픈 엔드 와인딩 모드로의 모드 절환 제어 기법의 일례를 도시한 타이밍도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치 및 방법에서, 컨트롤러에 의해 이루어지는 클로즈드 엔드 와인딩 모드에서 오픈 엔드 와인딩 모드로의 모드 절환 제어 기법의 다른 예를 도시한 타이밍도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치 및 방법에서, 컨트롤러에 의해 이루어지는 오픈 엔드 와인딩 모드에서 클로즈드 엔드 와인딩 모드로의 모드 절환 제어 기법의 일례를 도시한 타이밍도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치 및 방법에서, 컨트롤러에 의해 이루어지는 오픈 엔드 와인딩 모드에서 클로즈드 엔드 와인딩 모드로의 모드 절환 제어 기법의 다른 예를 도시한 타이밍도이다.
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 제1 스위칭 소자(S11-S16)를 포함하며 모터(40)의 권선(C1-C3) 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터(10)와, 복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 포함하며 모터(40)의 권선(C1-C3) 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터(20)와, 모터(40)의 권선(C1-C3) 각각의 제2 단과 제2 스위칭 소자(S21-S26)가 연결된 노드에 각각 그 일단이 연결되고 타단이 상호 접속된 절환용 스위치(S31-S33)와, 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)의 구동 모드에 따라 복수의 제1 스위칭 소자(S11-S16), 복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26) 및 절환용 스위치(S31-S33)의 스위칭 상태를 제어하는 컨트롤러(100)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)는 배터리(200)에 저장된 직류 전력을 삼상의 교류 전력으로 변환하여 모터(40)로 제공하거나, 회생 제동 시 모터(40)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(40)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(40) 내 한 상의 권선(C1)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(40) 내 한 상의 권선(C2)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(40) 내 한 상의 권선(C3)의 일단에 연결될 수 있다.
제2 인버터(20) 역시 제1 인버터(10)와 유사한 구성을 가질 수 있다. 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(40)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(40) 내 한 상의 권선(C1)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(40) 내 한 상의 권선(C2)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(40) 내 한 상의 권선(C3)의 일단에 연결될 수 있다.
이러한 각 인버터(10, 20)에 포함된 스위칭 소자들 중 배터리(200)의 고전위 측(+ 단자)에 연결된 스위칭 소자를 탑(top)상 스위칭 소자라 칭하고 저전위 측(- 단자)에 연결된 스위칭 소자를 바텀(bottom)상 스위칭 소자라 칭할 수 있다.
제1 인버터(10)는 모터(40)의 권선(C1-C3)의 일단에 연결되고 제2 인버터(20)는 모터(40)의 권선(C1-C3)의 타단에 연결된다. 즉, 모터(40)의 권선(C1-C3)의 양단은 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 각각 연결되는 오픈 엔드 와인딩 방식의 전기적 연결이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 절환용 스위치(30)는 총 3개의 스위칭 소자(S31-S33)으로 구성될 수 있으며, 각 절환용 스위치(S31-S33)의 일단은 복수의 권선(C1-C3)과 제2 스위칭 소자가 연결되는 노드에 연결되고 각 스위칭 소자(S31-S33)의 타단은 상호 연결될 수 있다.
이러한 연결구조에서, 상기 절환용 스위치(30)가 오프 되는 경우(개방 상태가 되는 경우)에 모터(40)의 권선(C1, C2, C3)의 양단은 각각 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 각각 연결되어 모터(40)를 오픈 엔드 와인딩 구조로 구동할 수 있다.
절환용 스위치(30)가 온 되는 경우(단락 상태가 되는 경우)는 모터(40)의 권선(C1-C3)의 일단은 상호 접속되어 Y-결선을 형성하게 된다. 이 경우에는, 제2 인버터 회로(20)를 활용하지 않고 제1 인버터(10)만 구동하여 클로즈드 엔드 와인딩 구조로 모터를 구동할 수 있다.
오픈 엔드 와인딩 구조가 적용된 경우에는 두 개의 인버터를 이용하여 모터의 고출력 구동이 가능하며, 클로즈드 엔드 와인딩 구조는 고효율 스위칭 소자(예를 들어, SiC)를 적용한 제1 인버터(10)만 구동하여 고효율의 모터 구동이 가능하게 된다.
절환용 스위치(S31-S33)는 MOSFET 또는 IGBT 등과 같이 당 기술 분야에 알려진 다양한 스위칭 수단이 채용될 수 있다.
컨트롤러(100)는 외부에서 입력되는 모터 요구 출력에 기반하여 인버터(10, 20)를 구동할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(100)는 상위 제어기 등과 같은 외부 요소에서 입력되는 모터 요구 출력 기반으로 모터의 전류 지령을 생성하고, 실제 모터로 제공되는 모터의 상전류를 피드백 받아 모터의 전류 지령과 비교하여 그 오차를 상쇄시킬 수 있는 전압 지령을 생성하고, 인버터에 인가되는 직류 전압과 전압 지령을 기반으로 인버터(10, 20) 내 스위칭 소자들(S11-S16, S21-S26)을 펄스폭 변조 제어하기 위한 스위칭 듀티를 결정할 수 있다. 컨트롤러(100)가 인버터를 제어하는 과정에서 필요한 좌표 변환 등을 수행하기 위해 모터의 회전각(모터각)을 입력 받을 수 있다.
본 발명의 여러 실시형태의 특징과 관련하여, 컨트롤러(100)는 인버터의 동작 모드를 결정할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(100)는 외부에서 입력되는 모터 요구 출력이 사전 설정된 기준값 보다 작은 경우에 모터(40)의 구동 모드를 하나의 인버터만 이용하여 모터(40)를 구동하는 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 결정할 수 있다. 반대로, 컨트롤러(100)는 외부에서 입력되는 모터 요구 출력이 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우 모터(40)의 구동 모드를 두 인버터를 모두 사용하여 모터(40)를 구동하는 오픈 엔드 와인딩 모드로 결정할 수 있다.
제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)에 각각 포함된 스위칭 소자 및 절환용 스위치(30)의 단락/개방 상태를 기준으로 모터의 구동 모드별 스위칭 상태를 정리하면 다음의 표와 같다.
[표]
Figure pat00001
상기 표에 나타난 것과 같이, 클로즈드 엔드 와인딩(Closed End Winding: CEW) 모드로 모터(40)를 구동하는 경우, 제1 인버터(10) 내의 제1 스위칭 소자(S11-S16)는 온 상태가 될 수 있다. 모터(40)를 구동 중에 제1 스위칭 소자(S11-S16)가 온 상태가 될 수 있다는 의미는 펄스폭 변조 제어에 의해 스위칭함에 따라 온 상태가 되는 경우가 발생할 수 있다는 의미로 이해될 수 있다. 또한, 제2 인버터(20) 내의 제2 스위칭 소자(S21-S26)는 모두 오프 상태가 되어야 하며 절환용 스위치(S31-S33)은 모두 온 상태로 유지되어야 한다.
오픈 엔드 와인딩(Open End Winding: OEW) 모드로 모터(40)를 구동하는 경우, 제1 인버터(10) 내의 제1 스위칭 소자(S11-S16)와 제2 인버터(20) 내의 제2 스위칭 소자(S21-S26)는 펄스폭 변조 제어에 의해 스위칭함에 따라 온 상태가 될 수 있으며, 절환용 스위치(S31-S33)은 모두 오프 상태로 유지되어야 한다.
한편, 상기 표의 절환 중 상태는, 제1 인버터(10) 내의 제1 스위칭 소자(S11-S16)는 펄스폭 변조 제어되는 상태에서, 제2 인버터(20) 내의 제2 스위칭 소자(S21-S26)와 절환용 스위치(S31-S33)가 모두 오프가 되는 상태를 의미한다. 이러한 절환 중 상태는, 오픈 엔드 와인딩 모드와 클로즈드 엔드 와인딩 모드의 구동 모드 절환 시 제2 인버터(20) 내의 제2 스위칭 소자(S21-S26)와 절환용 스위치(S31-S33)가 모두 온 되는 상태에서 발생할 수 있는 직류 링크의 쇼트를 방지하기 위한 것으로 구동 모드 절환 시 매우 짧은 시간 동안 나타날 수 있다.
모터(40)의 각 구동 모드는 디지털적으로 제어되는 이산(discrete) 제어가 수행되는 경우 샘플링 주기(또는 제어 주기) 동안 하나의 제어 모드를 유지해야 한다. 이는 모터(40)에 인가하는 전압과 각 인버터의 전압을 일치시켜야 하기 때문이다. 모터(40)의 구동 모드를 절환하는 경우 위에서 설명한 절환 중 상태는 한 샘플링 주기가 시작하는 시점 또는 한 샘플링 주기가 끝나기 직전의 시점에서 매우 짧은 시간 간격 동안 발생할 수 있다.
결국 절환 중 상태의 스위치 제어는 모드 절환 중에 매우 짧은 시간 동안 발생하는 데드타임에 해당한다. 모드 절환의 상태, 즉 클로즈드 엔드 와인딩 모드에서 오픈 엔드 와인딩 모드로 절환하는 지 혹은 오픈 엔드 와인딩에서 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 절환하는 지에 따라 절환용 스위치 및 제2 인버터의 제2 스위칭 소자 중 어느 것이 먼저 오프되는 지의 차이만 있을 뿐, 컨트롤러(100)가 절환용 스위치 및 제2 인버터의 제2 스위칭 소자가 모두 오프되는 구간을 구동 모드 절환 중 발생시키는 것이 본 발명의 특징이 될 수 있다.
이하에서는, 더 구체적인 스위치 제어 기법에 대해서 설명하기로 한다. 이하의 설명에서는 첨부 도면을 참조하여 컨트롤러(100)에서 수행되는 모드 절환 기법이 시간 순서에 따라 설명된다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 방법은 컨트롤러에 의해 이루어지는 모터 구동 모드의 절환 방법에 대한 것으로, 이하의 설명에서 참조되는 도면 등에 의해 명확하게 이해될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 방법에 대해서는 별도의 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치 및 방법에서, 컨트롤러에 의해 이루어지는 클로즈드 엔드 와인딩 모드에서 오픈 엔드 와인딩 모드로의 모드 절환 제어 기법의 일례를 도시한 타이밍도이다.
도 2는, 컨트롤러(100)가 클로즈드 엔드 와인딩 모드, 즉 제1 인버터(10)가 활성화 되어 제1 스위칭 소자(S11-S16)가 펄스폭 변조 제어되고, 제2 인버터(20)는 비활성화 되어 제2 스위칭 소자(S21-S26)는 모두 오프 상태이고 절환용 스위치(S31-S33)이 온 상태인 모드로 제어를 수행하고 있는 중에, 샘플링 주기(T1)에서 오픈 엔드 와인딩 모드로 모드 절환이 이루어져야 하는 것으로 판단하는 경우를 도시한다.
샘플링 주기(T1)에서, 컨트롤러는 클로즈드 엔드 와인딩 모드를 위한 다양한 연산을 수행하게 되며, 샘플링 주기(T1)에서 연산된 결과에 기반하여 그 다음 샘플링 주기(T2)에서 실제 모터가 제어될 수 있다. 즉, 샘플링 주기(T2)에서 모터는 샘플링 주기(T1)에서 연산된 결과에 의해 모터의 제어가 이루어지게 되므로 샘플링 주기(T2)에서는 여전히 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 구동될 수 있다.
한편, 오픈 엔드 와인딩 모드로 모드 절환 판단이 발생하였으므로, 샘플링 주기(T2)에서는 오픈 엔드 와인딩 모드로 모터를 구동하기 위한 연산을 수행할 수 있다. 예를 들어, 샘플링 주기(T1)에서는 제1 인버터(10)만 활성화 된 구동 모드이므로 제1 스위칭 소자(S11-S16)의 펄스폭 변조 제어를 위한 듀티 연산만 수행될 수 있으나, 샘플링 주기(T2)에서는 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)를 함께 사용하여 모터를 구동하는 모드인 오픈 엔드 와인딩 모드의 모터 구동을 위한 제1 스위칭 소자(S11-S16) 및 제2 스위칭 소자(S21-S26)의 듀티 연산을 수행할 수 있다.
이어, 컨트롤러(100)는 후속하는 샘플링 주기(T3)가 시작하는 경우 절환용 스위치(S31-S33)을 오프 시키고 그 이후 사전 설정된 데드타임이 경과하면 제2 인버터(20)를 활성화 시켜 제2 스위칭 소자(S21-S26)에 대한 펄스폭 변조 제어를 수행할 수 있다. 여기에서, 절환용 스위치(S31-S33)이 오프되는 시점은 샘플링 주기(T3)가 시작된 이후 약간의 딜레이를 적용한 한 이후가 될 수도 있다.
사전 설정된 데드타임에 대응되는 시간 간격 동안 상기 표에 기재된 절환 중 상태에 해당하는 스위치 상태가 나타나게 된다. 즉, 데드타임 동안 제2 인버터(20)의 제2 스위칭 소자(S21-S26)와 절환용 스위치(S31-S33)가 모두 오프 상태를 유지하는 절환 중 상태가 나타나게 된다.
발명의 이해를 돕기 위해 도 2에서는 데드타임이 매우 크게 도시되고 있으나, 실제 모터 제어 적용 시 데드타임은, 데드타임에 의해 발생할 수 있는 여러 인자들에 대한 오차가 무시될 수 있을 정도로 샘플링 주기에 비해 매우 짧은 시간에 해당하도록 설정될 수 있다.
도 2의 예에 의하면, 모터(40)는 샘플링 주기(T2)가 종료되는 시점까지 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 동작하고 샘플링 주기(T3)부터 오픈 엔드 와인딩 모드로 동작할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치 및 방법에서, 컨트롤러에 의해 이루어지는 클로즈드 엔드 와인딩 모드에서 오픈 엔드 와인딩 모드로의 모드 절환 제어 기법의 다른 예를 도시한 타이밍도이다.
도 2와 유사하게 도 3은, 컨트롤러(100)가 클로즈드 엔드 와인딩 모드, 즉 제1 인버터(10)가 활성화 되어 제1 스위칭 소자(S11-S16)가 펄스폭 변조 제어되고, 제2 인버터(20)는 비활성화 되어 제2 스위칭 소자(S21-S26)는 모두 오프 상태이고 절환용 스위치(S31-S33)이 온 상태인 모드로 제어를 수행하고 있는 중에, 샘플링 주기(T1)에서 오픈 엔드 와인딩 모드로 모드 절환이 이루어져야 하는 것으로 판단하는 경우의 예를 도시한다.
샘플링 주기(T1)에서, 컨트롤러는 클로즈드 엔드 와인딩 모드를 위한 다양한 연산을 수행하게 되며, 샘플링 주기(T1)에서 연산된 결과에 기반하여 그 다음 샘플링 주기(T2)에서 실제 모터가 제어될 수 있다. 즉, 샘플링 주기(T2)에서 모터는 샘플링 주기(T1)에서 연산된 결과에 의해 모터의 제어가 이루어지게 되므로 샘플링 주기(T2)에서는 여전히 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 구동될 수 있다.
한편, 오픈 엔드 와인딩 모드로 모드 절환 판단이 발생하였으므로, 샘플링 주기(T2)에서는 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 모터를 구동하기 위한 연산을 수행하고 그에 이은 샘플링 주기(T3)에서 오픈 엔드 와인딩 모드로 모터를 구동하기 위한 연산을 수행할 수 있다. 예를 들어, 샘플링 주기(T1) 및 샘플링 주기(T2)에서는 제1 인버터(10)만 활성화 된 구동 모드이므로 제1 스위칭 소자(S11-S16)의 펄스폭 변조 제어를 위한 듀티 연산만 수행하고, 샘플링 주기(T3)에서는 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)를 함께 사용하여 모터를 구동하는 모드인 오픈 엔드 와인딩 모드의 모터 구동을 위한 제1 스위칭 소자(S11-S16) 및 제2 스위칭 소자(S21-S26)의 듀티 연산을 수행할 수 있다.
이어, 컨트롤러(100)는 후속하는 샘플링 주기(T3)가 시작되면 하나의 샘플링 주기에 해당하는 시간보다 짧은 딜레이를 적용한 이후 절환용 스위치(S31-S33)을 오프 시키고 그 이후 사전 설정된 데드타임이 경과하면 제2 인버터(20)를 활성화 시켜 제2 스위칭 소자(S21-S26)에 대한 펄스폭 변조 제어를 수행할 수 있다. 여기에서, 제2 인버터(20)가 활성화 되어 제2 스위칭 소자(S21-S26)에 대한 펄스폭 변조 제어가 개시되는 시점은 샘플링 주기(T4)의 시작과 실질적으로 일치되게 하기 위해, 딜레이에 해당하는 시간과 데드타임에 해당하는 시간을 합산한 것이 하나의 샘플링 주기에 해당하는 시간이 되게 할 수 있다.
사전 설정된 데드타임에 대응되는 시간 간격 동안 상기 표에 기재된 절환 중 상태에 해당하는 스위치 상태가 나타나게 된다. 즉, 데드타임 동안 제2 인버터(20)의 제2 스위칭 소자(S21-S26)와 절환용 스위치(S31-S33)가 모두 오프 상태를 유지하는 절환 중 상태가 나타나게 된다.
도 2와 마찬가지로, 발명의 이해를 돕기 위해 도 3에서는 데드타임이 매우 크게 도시되고 있으나, 실제 모터 제어 적용 시 데드타임은, 데드타임에 의해 발생할 수 있는 여러 인자들에 대한 오차가 무시될 수 있을 정도로 샘플링 주기에 비해 매우 짧은 시간에 해당하도록 설정될 수 있다.
도 3의 예에 의하면, 모터(40)는 샘플링 주기(T3)가 종료되는 시점까지 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 동작하고 샘플링 주기(T4)부터 오픈 엔드 와인딩 모드로 동작할 수 있다.
도 2 및 도 3을 통해 설명된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치 및 방법은 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 모터 구동 중 오픈 엔드 와인딩 모드로 구동 모드를 절환할 때, 제2 인버터(20)의 제2 스위칭 소자(S21-S26)와 절환용 스위치(S31-S33)가 모두 오프되는 절환 중 상태에 해당하는 데드타임이 나타나게 함으로써 모드 절환 시 발생할 수 있는 직류 링크 전압의 쇼트에 의한 동작 오류나 고장 및 소프트웨어 적인 제어 충격의 발생을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치 및 방법에서, 컨트롤러에 의해 이루어지는 오픈 엔드 와인딩 모드에서 클로즈드 엔드 와인딩 모드로의 모드 절환 제어 기법의 일례를 도시한 타이밍도이다.
도 4는, 컨트롤러(100)가 오픈 엔드 와인딩 모드, 즉 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)가 활성화 되어 제1 스위칭 소자(S11-S16) 및 제2 스위칭 소자(S21-S26)가 모두 펄스폭 변조 제어되고 절환용 스위치(S31-S33)가 모두 오프 상태인 모드로 제어를 수행하고 있는 중에, 샘플링 주기(T1)에서 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 모드 절환이 이루어져야 하는 것으로 판단하는 경우를 도시한다.
샘플링 주기(T1)에서, 컨트롤러는 오픈 엔드 와인딩 모드를 위한 다양한 연산을 수행하게 되며, 샘플링 주기(T1)에서 연산된 결과에 기반하여 그 다음 샘플링 주기(T2)에서 실제 모터가 제어될 수 있다. 즉, 샘플링 주기(T2)에서 모터는 샘플링 주기(T1)에서 연산된 결과에 의해 모터의 제어가 이루어지게 되므로 샘플링 주기(T2)에서는 여전히 오픈 엔드 와인딩 모드로 구동될 수 있다.
한편, 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 모드 절환 판단이 발생하였으므로, 샘플링 주기(T2)에서 컨트롤러(100)는 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 모터를 구동하기 위한 연산을 수행할 수 있다. 예를 들어, 샘플링 주기(T1)에서는 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)가 모두 활성화 된 구동 모드이므로 제1 스위칭 소자(S11-S16) 및 제2 스위칭 소자(S21-S26)의 펄스폭 변조 제어를 위한 듀티 연산만 수행될 수 있으나, 샘플링 주기(T2)에서는 제1 인버터(10)만 이용하여 모터 구동을 위한 제1 스위칭 소자(S11-S16)의 듀티 연산이 수행될 수 있다.
이어, 컨트롤러(100)는 후속하는 샘플링 주기(T3)가 시작하는 경우 제2 인버터(20)를 비활성화 시켜 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 모두 오프 상태로 제어하고, 그 이후 사전 설정된 데드타임이 경과하면 절환용 스위치(S31-S33)를 온 상태로 제어할 수 있다. 여기에서, 제2 스위칭 소자(S21-S26)가 모두 오프 상태로 제어되는 시점은 샘플링 주기(T3)가 시작된 이후 약간의 딜레이를 적용한 한 이후가 될 수도 있다.
사전 설정된 데드타임에 대응되는 시간 간격 동안 상기 표에 기재된 절환 중 상태에 해당하는 스위치 상태가 나타나게 된다. 즉, 데드타임 동안 제2 인버터(20)의 제2 스위칭 소자(S21-S26)와 절환용 스위치(S31-S33)가 모두 오프 상태를 유지하는 절환 중 상태가 나타나게 된다.
발명의 이해를 돕기 위해 도 4에서는 데드타임이 매우 크게 도시되고 있으나, 실제 모터 제어 적용 시 데드타임은, 데드타임에 의해 발생할 수 있는 여러 인자들에 대한 오차가 무시될 수 있을 정도로 샘플링 주기에 비해 매우 짧은 시간에 해당하도록 설정될 수 있다.
도 4의 예에 의하면, 모터(40)는 샘플링 주기(T2)가 종료되는 시점까지 오픈 엔드 와인딩 모드로 동작하고 샘플링 주기(T3)부터 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 동작할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치 및 방법에서, 컨트롤러에 의해 이루어지는 오픈 엔드 와인딩 모드에서 클로즈드 엔드 와인딩 모드로의 모드 절환 제어 기법의 다른 예를 도시한 타이밍도이다.
도 4와 유사하게 도 5는, 오픈 엔드 와인딩 모드, 즉 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)가 활성화 되어 제1 스위칭 소자(S11-S16) 및 제2 스위칭 소자(S21-S26)가 모두 펄스폭 변조 제어되고 절환용 스위치(S31-S33)가 모두 오프 상태인 모드로 제어를 수행하고 있는 중에, 샘플링 주기(T1)에서 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 모드 절환이 이루어져야 하는 것으로 판단하는 경우를 도시한다.
샘플링 주기(T1)에서, 컨트롤러는 오픈 엔드 와인딩 모드를 위한 다양한 연산을 수행하게 되며, 샘플링 주기(T1)에서 연산된 결과에 기반하여 그 다음 샘플링 주기(T2)에서 실제 모터가 제어될 수 있다. 즉, 샘플링 주기(T2)에서 모터는 샘플링 주기(T1)에서 연산된 결과에 의해 모터의 제어가 이루어지게 되므로 샘플링 주기(T2)에서는 여전히 오픈 엔드 와인딩 모드로 구동될 수 있다.
한편, 오픈 엔드 와인딩 모드로 모드 절환 판단이 발생하였으므로, 샘플링 주기(T2)에서는 오픈 엔드 와인딩 모드로 모터를 구동하기 위한 연산을 수행하고 그에 이은 샘플링 주기(T3)에서 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 모터를 구동하기 위한 연산을 수행할 수 있다. 예를 들어, 샘플링 주기(T1) 및 샘플링 주기(T2)에서는 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)가 모두 활성화 된 구동 모드이므로, 컨트롤러(100)는 제1 스위칭 소자(S11-S16) 및 제2 스위칭 소자(S21-S26)의 펄스폭 변조 제어를 위한 듀티 연산을 수행하고, 샘플링 주기(T3)에서는 제1 인버터(10)만 사용하여 모터를 구동하는 모드인 클로즈드 엔드 와인딩 모드의 모터 구동을 위해 컨트롤러(100)는 제1 스위칭 소자(S11-S16)의 듀티 연산을 수행할 수 있다.
이어, 컨트롤러(100)는 후속하는 샘플링 주기(T3)가 시작되면 하나의 샘플링 주기에 해당하는 시간보다 짧은 딜레이를 적용한 이후 제2 인버터(20)를 비활성화 하도록 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 모두 오프 상태가 되게 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러(100)는 제2 인버터(20)의 비활성화 이후 사전 설정된 데드타임이 경과하면 절환용 스위치(S31-S33)를 온 시킬 수 있다. 여기에서, 절환용 스위치(S31-S33)가 모두 온 상태로 유지되도록 제어되는 시점이 샘플링 주기(T4)의 시작과 실질적으로 일치되게 하기 위해, 딜레이에 해당하는 시간과 데드타임에 해당하는 시간을 합산한 것이 하나의 샘플링 주기에 해당하는 시간이 되게 설정될 수 있다.
사전 설정된 데드타임에 대응되는 시간 간격 동안 상기 표에 기재된 절환 중 상태에 해당하는 스위치 상태가 나타나게 된다. 즉, 데드타임 동안 제2 인버터(20)의 제2 스위칭 소자(S21-S26)와 절환용 스위치(S31-S33)가 모두 오프 상태를 유지하는 절환 중 상태가 나타나게 된다.
도 4와 마찬가지로, 발명의 이해를 돕기 위해 도 5에서는 데드타임이 매우 크게 도시되고 있으나, 실제 모터 제어 적용 시 데드타임은, 데드타임에 의해 발생할 수 있는 여러 인자들에 대한 오차가 무시될 수 있을 정도로 샘플링 주기에 비해 매우 짧은 시간에 해당하도록 설정될 수 있다.
도 5의 예에 의하면, 모터(40)는 샘플링 주기(T3)가 종료되는 시점까지 오픈 엔드 와인딩 모드로 동작하고 샘플링 주기(T4)부터 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 동작할 수 있다.
도 4 및 도 5를 통해 설명된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치 및 방법은 오픈 엔드 와인딩 모드로 모터 구동 중 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 구동 모드를 절환할 때, 제2 인버터(20)의 제2 스위칭 소자(S21-S26)와 절환용 스위치(S31-S33)가 모두 오프되는 절환 중 상태에 해당하는 데드타임이 나타나게 함으로써 모드 절환 시 발생할 수 있는 직류 링크 전압의 쇼트에 의한 동작 오류나 고장 및 소프트웨어 적인 제어 충격의 발생을 방지할 수 있다.
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: 절환용 스위치 40: 모터
100: 컨트롤러 200: 배터리
300: 직류 링크 커패시터 S11-S16: 제1 스위칭 소자
S21-S26: 제2 스위칭 소자 S31-S33: 절환용 스위치
C1-C3: 모터 권선

Claims (23)

  1. 복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 모터의 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터;
    복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터;
    상기 복수의 권선과 상기 복수의 제2 스위칭 소자가 연결된 노드에 일단이 각각 연결되고 타단이 서로 연결된 복수의 절환용 스위치;
    상기 복수의 제2 스위칭 소자를 개방 상태로 유지시키고 상기 복수의 제1 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동하는 제1 구동 모드 및 상기 복수의 제1 스위칭 소자 및 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동하는 제2 구동 모드 중 하나로 상기 모터를 구동하며, 상기 제1 구동 모드와 상기 제2 구동 모드의 상호 절환 시 상기 복수의 제2 스위칭 소자와 상기 복수의 절환용 스위치가 모두 오프된 상태를 사전 설정된 시간 동안 유지하는 데드타임을 적용하는 컨트롤러;
    를 포함하는 모터 구동 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    제1 샘플링 주기에서 상기 제1 구동 모드에서 상기 제2 구동 모드로 구동 모드를 절환하는 것으로 판단한 경우, 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 제2 샘플링 주기가 경과하고 상기 제2 샘플링 주기에 후속하는 상기 제3 샘플링 주기가 시작하는 시점에 상기 복수의 절환용 스위치를 온 상태에서 오프 상태로 제어하고 상기 복수의 절환용 스위치가 오프 상태가 된 이후 상기 데드타임이 경과하면 상기 제2 스위칭 소자의 펄스폭 변조를 시작하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  3. 청구항 4에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제2 샘플링 주기에 상기 제2 구동 모드를 실행하기 위한 연산을 수행하며, 상기 제3 샘플링 주기에서, 상기 제2 샘플링 주기에 연산된 결과를 이용하여 상기 제2 인버터를 펄스폭 변조 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    제1 샘플링 주기에서 상기 제1 구동 모드에서 상기 제2 구동 모드로 구동 모드를 절환하는 것으로 판단한 경우, 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 제2 샘플링 주기가 경과하고 상기 제2 샘플링 주기에 후속하는 상기 제3 샘플링 주기가 시작하는 시점에 사전 설정된 딜레이를 적용한 이후 상기 복수의 절환용 스위치를 온 상태에서 오프 상태로 제어하고 상기 복수의 절환용 스위치가 오프 상태가 된 이후 상기 데드타임이 경과하면 상기 제2 스위칭 소자의 펄스폭 변조를 시작하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 딜레이에 해당하는 시간 간격과 상기 데드타임에 해당하는 시간 간격의 합은 한 샘플링 주기의 시간 간격에 해당하며,
    상기 컨트롤러는 상기 제3 샘플링 주기에 후속하는 제4 샘플링 주기가 시작되는 시점에 상기 제2 스위칭 소자의 펄스폭 변조를 시작하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제3 샘플링 주기에 상기 제2 구동 모드를 실행하기 위한 연산을 수행하며, 상기 제4 샘플링 주기에서, 상기 제3 샘플링 주기에 연산된 결과를 이용하여 상기 제2 인버터를 펄스폭 변조 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    제1 샘플링 주기에서 상기 제2 구동 모드에서 상기 제1 구동 모드로 구동 모드를 절환하는 것으로 판단한 경우, 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 제2 샘플링 주기가 경과하고 상기 제2 샘플링 주기에 후속하는 상기 제3 샘플링 주기가 시작하는 시점에 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 오프 상태로 제어하고, 상기 복수의 제2 스위칭 소자가 오프 상태가 된 이후 상기 데드타임이 경과하면 상기 복수의 절환용 스위치를 오프 상태에서 온 상태로 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제2 샘플링 주기에 상기 제1 구동 모드를 실행하기 위한 연산을 수행하며, 상기 제3 샘플링 주기에서, 상기 제2 샘플링 주기에 연산된 결과를 이용하여 상기 제1 인버터를 펄스폭 변조 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    제1 샘플링 주기에서 상기 제2 구동 모드에서 상기 제1 구동 모드로 구동 모드를 절환하는 것으로 판단한 경우, 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 제2 샘플링 주기가 경과하고 상기 제2 샘플링 주기에 후속하는 상기 제3 샘플링 주기가 시작하는 시점에 사전 설정된 딜레이를 적용한 이후 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 오프 상태로 제어하고, 상기 복수의 제2 스위칭 소자가 오프 상태가 된 이후 상기 데드타임이 경과하면 상기 복수의 절환용 스위치를 오프 상태에서 온 상태로 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 딜레이에 해당하는 시간 간격과 상기 데드타임에 해당하는 시간 간격의 합은 한 샘플링 주기의 시간 간격에 해당하며,
    상기 컨트롤러는 상기 제3 샘플링 주기에 후속하는 제4 샘플링 주기가 시작되는 시점에 상기 복수의 절환용 스위치를 오프 상태에서 온 상태로 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제3 샘플링 주기에 상기 제1 구동 모드를 실행하기 위한 연산을 수행하며, 상기 제4 샘플링 주기에서, 상기 제3 샘플링 주기에 연산된 결과를 이용하여 상기 제1 인버터를 펄스폭 변조 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  12. 청구항 1의 모터 구동 장치에 의해 구현되는 모터 구동 방법에 있어서,
    상기 컨트롤러가, 제1 샘플링 주기에서 상기 제1 구동 모드에서 상기 제2 구동 모드로 절환이 요구되는 것으로 판단하는 단계;
    상기 컨트롤러가, 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 일 샘플링 주기에 상기 복수의 절환용 스위치를 온 상태에서 오프 상태로 제어하는 단계;
    상기 복수의 절환용 스위치가 오프 상태가 된 이후 상기 데드타임이 경과하면 상기 제2 스위칭 소자의 펄스폭 변조를 시작하는 단계;
    를 포함하는 모터 구동 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 오프 상태로 제어하는 단계는, 상기 컨트롤러가 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 제2 샘플링 주기가 경과하고 상기 제2 샘플링 주기에 후속하는 상기 제3 샘플링 주기가 시작하는 시점에 상기 복수의 절환용 스위치를 온 상태에서 오프 상태로 제어하는 단계인 것을 특징으로 하는 모터 구동 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 컨트롤러가, 상기 제2 샘플링 주기에 상기 제2 구동 모드를 실행하기 위한 연산을 수행하는 단계를 더 포함하며,
    상기 시작하는 단계는, 상기 제3 샘플링 주기에서, 상기 제2 샘플링 주기에 연산된 결과를 이용하여 상기 제2 인버터를 펄스폭 변조 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 오프 상태로 제어하는 단계는, 상기 컨트롤러가 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 제2 샘플링 주기가 경과하고 상기 제2 샘플링 주기에 후속하는 상기 제3 샘플링 주기가 시작하는 시점에 사전 설정된 딜레이를 적용한 이후 상기 복수의 절환용 스위치를 온 상태에서 오프 상태로 제어하는 단계인 것을 특징으로 하는 모터 구동 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 딜레이에 해당하는 시간 간격과 상기 데드타임에 해당하는 시간 간격의 합은 한 샘플링 주기의 시간 간격에 해당하며,
    상기 시작하는 단계는, 상기 컨트롤러가 상기 제3 샘플링 주기에 후속하는 제4 샘플링 주기가 시작되는 시점에 상기 제2 스위칭 소자의 펄스폭 변조를 시작하는 단계인 것을 특징으로 하는 모터 구동 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 컨트롤러가, 상기 제3 샘플링 주기에 상기 제2 구동 모드를 실행하기 위한 연산을 수행하는 단계를 더 포함하며,
    상기 시작하는 단계는, 상기 제4 샘플링 주기에서, 상기 제3 샘플링 주기에 연산된 결과를 이용하여 상기 제2 인버터를 펄스폭 변조 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  18. 청구항 1의 모터 구동 장치에 의해 구현되는 모터 구동 방법에 있어서,
    상기 컨트롤러가, 제1 샘플링 주기에서 상기 제2 구동 모드에서 상기 제1 구동 모드로 절환이 요구되는 것으로 판단하는 단계;
    상기 컨트롤러가, 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 일 샘플링 주기에 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 오프 상태로 제어하는 단계; 및
    상기 복수의 절환용 스위치가 오프 상태가 된 이후 상기 데드타임이 경과하면 상기 복수의 절환용 스위치를 오프 상태에서 온 상태로 제어하는 단계;
    를 포함하는 모터 구동 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 오프 상태로 제어하는 단계는, 상기 컨트롤러가 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 제2 샘플링 주기가 경과하고 상기 제2 샘플링 주기에 후속하는 상기 제3 샘플링 주기가 시작하는 시점에 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 오프 상태로 제어하는 단계인 것을 특징으로 하는 모터 구동 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 컨트롤러가, 상기 제2 샘플링 주기에 상기 제1 구동 모드를 실행하기 위한 연산을 수행하는 단계를 더 포함하며,
    상기 온 상태로 제어하는 단계는, 상기 제3 샘플링 주기에서, 상기 제2 샘플링 주기에 연산된 결과를 이용하여 상기 제1 인버터를 펄스폭 변조 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 방법.
  21. 청구항 18에 있어서,
    상기 오프 상태로 제어하는 단계는, 상기 제1 샘플링 주기에 후속하는 제2 샘플링 주기가 경과하고 상기 제2 샘플링 주기에 후속하는 상기 제3 샘플링 주기가 시작하는 시점에 사전 설정된 딜레이를 적용한 이후 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 오프 상태로 제어하는 단계인 것을 특징으로 하는 모터 구동 방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 딜레이에 해당하는 시간 간격과 상기 데드타임에 해당하는 시간 간격의 합은 한 샘플링 주기의 시간 간격에 해당하며,
    상기 온 상태로 제어하는 단계는, 상기 컨트롤러가 상기 제3 샘플링 주기에 후속하는 제4 샘플링 주기가 시작되는 시점에 상기 복수의 절환용 스위치를 오프 상태에서 온 상태로 제어하는 단계인 것을 특징으로 하는 모터 구동 방법.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 제3 샘플링 주기에 상기 제1 구동 모드를 실행하기 위한 연산을 수행하는 단계를 더 포함하며,
    상기 온 상태로 제어하는 단계는, 상기 제4 샘플링 주기에서 연산된 결과를 이용하여 상기 제1 인버터를 펄스폭 변조 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 방법.
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