KR20230089191A - 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법 및 시스템 - Google Patents

모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법 및 시스템 Download PDF

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KR20230089191A KR1020210177627A KR20210177627A KR20230089191A KR 20230089191 A KR20230089191 A KR 20230089191A KR 1020210177627 A KR1020210177627 A KR 1020210177627A KR 20210177627 A KR20210177627 A KR 20210177627A KR 20230089191 A KR20230089191 A KR 20230089191A
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현대모비스 주식회사
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Abstract

모터의 속도에 기반하여 모터의 dq 전류 벡터와 d축 사이의 각도인 위상각을 추정하는 단계; 상기 위상각을 추정하는 단계에서 추정된 위상각을 기반으로 상기 모터의 토크를 연산하고, 연산된 토크에 의해 결정되는 모터의 출력과 모터 저항에 의한 모터 손실 및 모터로 입력되는 모터의 직류 전압을 기반으로 모터로 입력되는 직류 전류를 추정하는 단계; 및 상기 직류 전류를 추정하는 단계에서 추정된 직류 전류와 사전 설정된 직류 전류 제한값의 차를 기반으로 상기 dq 전류 벡터의 크기를 감소시키면서 상기 위상각을 추정하는 단계 및 상기 직류 전류를 추정하는 단계를 반복하는 단계; 상기 반복하는 단계에서 추정된 직류 전류와 사전 설정된 직류 전류 제한값이 실질적으로 동일해지면, 반복을 중단하고 추정된 직류 전류와 사전 설정된 직류 전류 제한값이 실질적으로 동일해지는 시점의 모터의 속도 및 모터로 입력되는 직류 전압과 위상각 및 dq 전류 벡터의 크기 사이의 관계를 저장하는 단계를 포함하는 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법 및 시스템이 개시된다.

Description

모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR CREATING DATA MAP FOR FIELD WEAKENING CONTROL FOR MOTOR}
본 발명은 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터의 직류 전류를 원하는 크기로 제한한 상태로 모터의 약자속 제어가 가능하게 하는 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법 및 시스템에 관한 것이다.
모터의 고속 구동이 요구되는 경우, 모터의 토크를 상승시켜 속도를 증가시키는 데는 모터로 제공되는 전압의 크기에 한계가 있다. 이러한 한계를 해소할 수 있는 방법으로 모터의 자속을 감소시켜 모터의 속도를 증가시키는 약자속 제어 방식이 적용된다.
종래의 약자속 제어는, 모터의 속도와 모터 입력 전압에 따른 약자속 제어를 위한 고정자 전류 및 위상각을 사전에 저장해둔 데이터 맵을 이용하여 약자속 제어에 사용되는 전류 지령을 생성하는 방식이 적용되었다. 이러한, 종래의 약자속 제어 방식은 작업자가 시험을 통해 일일이 매뉴얼 튜닝을 수행하여 데이터 맵을 작성하였다. 이에 따라 일관성 있는 모터 제어가 어렵고 튜닝에 많은 시간이 소요되는 문제가 발생하였다.
KR 10-2013-0005190 A KR 10-1271732 B1
이에, 본 발명은 일관성 있는 약자속 제어가 가능하며 특히 약자속 제어 수행 시 요구되는 전류 제한을 일관성 있게 유지할 수 있는 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
모터의 속도에 기반하여 모터의 dq 전류 벡터와 d축 사이의 각도인 위상각을 추정하는 단계;
상기 위상각을 추정하는 단계에서 추정된 위상각을 기반으로 상기 모터의 토크를 연산하고, 연산된 토크에 의해 결정되는 모터의 출력과 모터 저항에 의한 모터 손실 및 모터로 입력되는 모터의 직류 전압을 기반으로 모터로 입력되는 직류 전류를 추정하는 단계; 및
상기 직류 전류를 추정하는 단계에서 추정된 직류 전류와 사전 설정된 직류 전류 제한값의 차를 기반으로 상기 dq 전류 벡터의 크기를 감소시키면서 상기 위상각을 추정하는 단계 및 상기 직류 전류를 추정하는 단계를 반복하는 단계;
상기 반복하는 단계에서 추정된 직류 전류와 사전 설정된 직류 전류 제한값이 실질적으로 동일해지면, 반복을 중단하고 추정된 직류 전류와 사전 설정된 직류 전류 제한값이 실질적으로 동일해지는 시점의 모터의 속도 및 모터로 입력되는 직류 전압과 위상각 및 dq 전류 벡터의 크기 사이의 관계를 저장하는 단계;
를 포함하는 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 위상각을 추정하는 단계는, 식
Figure pat00001
(
Figure pat00002
는 추정된 위상각,
Figure pat00003
는 모터의 저항,
Figure pat00004
는 모터의 인덕턴스,
Figure pat00005
는 모터의 회전 속도,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
는 모터로 제공되는 직류 전력을 저장한 배터리 전압,
Figure pat00009
는 배터리에서 모터까지의 도선의 저항,
Figure pat00010
는 직류 전류로 기 설정된 초기값을 가짐, Is는 dq 전류 벡터의 크기,
Figure pat00011
는 모터의 계자자속)에 의해 상기 위상각을 추정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 직류 전류를 추정하는 단계는, 식
Figure pat00012
(
Figure pat00013
는 추정된 직류 전류,
Figure pat00014
,
Figure pat00015
),
Figure pat00016
는 상기 위상각을 추정하는 단계에서 추정된 위상각,
Figure pat00017
, kt는 모터의 토크 상수로서 모터 특성에 기반하여 사전에 결정될 수 있는 값,
Figure pat00018
는 모터의 회전 속도,
Figure pat00019
는 모터의 저항,
Figure pat00020
는 모터로 입력되는 직류 전압)에 의해 상기 직류 전류를 추정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 반복하는 단계는, 상기 직류 전류를 추정하는 단계에서 추정된 직류 전류의 크기가 상기 직류 전류 제한값 보다 큰 모터 속도 영역에 대해 추정된 직류 전류의 크기에 상기 직류 전류 제한값을 감산한 오차값을 구하고, 상기 오차값을 기반으로 상기 dq 전류 벡터의 크기를 감소시킨 후 감소된 dq 전류 벡터의 크기를 적용하여 상기 위상각을 추정하는 단계 및 상기 직류 전류를 추정하는 단계를 반복할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 반복하는 단계는, 상기 오차값에 사전 설정된 상수를 곱한 값을 상기 dq 전류 벡터의 크기에 감산하여 dq 전류 벡터의 크기를 감소시키고, 감소된 dq 전류 벡터의 크기를 적용하여 상기 위상각을 추정하는 단계 및 상기 직류 전류를 추정하는 단계를 반복할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 직류 전류를 추정하는 단계 이후, 모터 구동 시스템의 전체 전력을 기반으로 도출되는 ECU 전력 함수의 근을 찾기 위한 Newton-Raphson Method를 이용하여 상기 ECU 전력 함수의 근을 찾을 때까지 상기 위상각을 추정하는 단계 및 상기 직류 전류를 추정하는 단계를 반복하는 추정 정확도 향상 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 ECU 전력 함수는 식
Figure pat00021
(
Figure pat00022
는 상기 ECU 전력 함수,
Figure pat00023
는 모터로 입력되는 직류 전압,
Figure pat00024
는 추정된 직류 전류,
Figure pat00025
,
Figure pat00026
),
Figure pat00027
는 상기 위상각을 추정하는 단계에서 추정된 위상각,
Figure pat00028
는 모터의 저항,
Figure pat00029
, kt는 모터의 토크 상수로서 모터 특성에 기반하여 사전에 결정될 수 있는 값,
Figure pat00030
는 모터의 회전 속도,
Figure pat00031
는 모터로 제공되는 직류 전력을 저장한 배터리에서 모터까지의 도선의 저항)과 같이 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 추정 정확도 향상 단계는,
Figure pat00032
을 만족하는 근을 식
Figure pat00033
(
Figure pat00034
는
Figure pat00035
의 미분)에서
Figure pat00036
가 사전 설정된 기준값 보다 작아질 때까지 상기 위상각을 추정하는 단계 및 상기 직류 전류를 추정하는 단계를 반복할 수 있다.
상기 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법에 따르면, 사용자의 요구에 맞게 모터의 직류 전류를 제한할 수 있다.
특히, 상기 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법에 따르면, 매뉴얼 튜닝이 아니라 명확한 알고리즘을 적용한 컴퓨터 시스템을 이용하여 맵 작성이 가능하므로 모터의 성능을 최적화할 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 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법에 의해 작성된 데이터 맵을 적용하여 구동되는 모터 구동 시스템의 일례를 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법에 의해 작성된 데이터 맵이 적용되는 약자속 제어기를 도시한 블록 구성도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법을 구현하기 위한 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법의 흐름도이다.
도 5는 모터의 d축 전류와 q축 전류를 축으로 하는 좌표평면에서 표현되는 모터의 전류 제한 원과 모터의 회전 속도에 따른 전압 제한 원을 도시한 도면이다.
도 6는 모터의 속도-토크 관계 및 속도-직류 전류의 관계를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법에서 적용되는 직류 전류 제한의 예를 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법에 의한 dq 전류 벡터 및 모터 직류 전류의 변화를 도시한 도면이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 다양한 실시 형태에 따른 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법에 의해 작성된 데이터 맵을 적용하여 구동되는 모터 구동 시스템의 일례를 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법에 의해 작성된 데이터 맵을 적용하여 구동되는 모터 구동 시스템은, 에너지 저장 장치(10)와 인버터(20)와 모터(30)와 회전각 센서(31) 및 컨트롤러(100)를 포함하여 구성될 수 있다.
에너지 저장 장치(10)는 배터리 등과 같이 모터(30) 구동을 위한 전기 에너지를 직류의 형태로 저장하는 요소로서 인버터(13)의 입력단에 직류 전력을 제공할 수 있다.
인버터(13)는 에너지 저장 장치(10)에 저장되어 제공되는 직류 전력을 모터 구동을 위한 교류 전력으로 변환하기 위한 요소로서 컨트롤러(100)에서 제공되는 펄스폭 변조 신호에 의해 온/오프 상태가 제어되는 복수의 스위칭 소자(S1 내지 S6)를 포함할 수 있다.
모터(30)는 인버터(20)로부터 제공되는 삼상 교류전력을 입력 받아 회전력을 발생시키는 요소로서, 당 기술분야에 알려진 다양한 종류의 모터가 채용될 수 있다. 예를 들어, 모터(30)는 차량 내 MDPS(Motor Driven Power Steering) 시스템에 적용되는 스티어링 구동용 모터 또는 친환경 차량의 구동 휠에 회전력을 제공하는 모터 등으로 적용될 수 있다.
회전각 센서(31)는 모터의 회전자의 위치 즉 모터 회전자의 회전각을 검출하는 요소로서, 모터(30)의 회전자의 각도를 검출하고, 검출된 회전자의 회전각에 대한 정보를 포함하는 회전각 검출 신호를 연속적으로 출력할 수 있다. 예를 들어, 회전각 센서(31)는 레졸버 등으로 구현될 수 있다.
컨트롤러(100)는 기본적으로 모터(30)의 토크를 원하는 값으로 제어하기 위해 인버터(20)의 스위칭 소자(S1-S6)의 듀티 사이클(듀티 비)를 적절하게 조정하는 펄스폭 변조 방식의 제어를 수행할 수 있다. 이러한 제어를 위해, 컨트롤러(100)는 회전각 센서(31)에서 제공되는 신호 및 모터(30)로 제공되는 전류를 검출한 값(Iu, Iv)들을 특정 시점에서 샘플링하고 샘플링된 값들을 기반으로 현재 구동 중인 모터(30)의 토크 관련 정보를 도출한다.
또한, 컨트롤러(100)는 외부에서 입력되는 모터(30)에 대한 토크 지령치(모터(30)를 통해 얻고자 하는 토크 목표치와 샘플링된 값들을 기반으로 도출한 현재 구동중인 모터(30)의 토크 관련 정보를 비교한 결과를 기반으로, 모터(30)가 토크 지령치에 대응되는 값을 출력할 수 있도록 인버터(20) 내의 스위칭 소자(S1-S6) 들을 제어한다.
특히, 컨트롤러(100)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법에 의해 작성된 데이터 맵을 이용하여 모터의 고속 구동 영역에서 모터의 약자속 제어를 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법에 의해 작성된 데이터 맵이 적용되는 약자속 제어기를 도시한 블록 구성도이다.
도 2에 도시된 약자속 제어기는 도 1의 컨트롤러(100) 내에 구비될 수 있다. 약자속 제어기는 모터의 속도(
Figure pat00037
)와 모터로 제공되는 직류 전압(도 1의 인버터 입력 전압에 대응됨)(
Figure pat00038
)를 입력 받고 입력된 값에 대응되는 위상각(
Figure pat00039
)과 dq 전류 벡터의 크기(Is)를 출력하는 데이터 맵(110, 120)을 포함한다.
데이터 맵(110, 120)에는 모터의 속도(
Figure pat00040
)와 직류 전압(
Figure pat00041
)에 따른 위상각(
Figure pat00042
)과 dq 전류 벡터의 크기(Is)가 저장되어 있으며, 실제 모터 구동 시 약자속 제어가 실시되는 경우 실측된 모터의 속도(
Figure pat00043
)와 직류 전압(
Figure pat00044
)을 입력 받고, 그에 대응되는 위상각(
Figure pat00045
)과 dq 전류 벡터의 크기(Is)를 찾아 출력할 수 있다.
데이터 맵(110, 120)은 이산 데이터를 저장하므로 입력된 전압에 정확 대응되는 값을 출력하지 못한다. 따라서, 데이터 맵(11, 120)은 입력된 전압에 가장 근접한 상하값의 인덱스에 각각 대응되는 두 개의 위상각(
Figure pat00046
)과 dq 전류 벡터의 크기(Is)를 출력할 수 있다. 이 두 개의 위상각(
Figure pat00047
)과 dq 전류 벡터의 크기(Is)를 선형 보간(120)하여 입력된 모터의 속도(
Figure pat00048
)와 직류 전압(
Figure pat00049
)에 대응되는 위상각(
Figure pat00050
)과 dq 전류 벡터의 크기(Is)을 결정한 후 dq 전류 지령과 위상각을 이용한 연산을 통해 q축 전류 지령의 최대값(
Figure pat00051
)을 결정할 수 있다(130).
또한, 약자속 제어부는 모터에 대한 토크 지령을 기반으로 결정되는 q축 전류 지령(
Figure pat00052
)을 연산된 q축 전류 지령의 최대값(
Figure pat00053
)으로 제한하여 최종적인 q축 전류 지령을 출력하고(140), 최종적으로 결정된 q축 전류 지령에 위상각을 적용하여 d축 전류 지령(
Figure pat00054
)을 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법은 약자속 제어에 사용되는 데이터 맵(110, 120)을 작성하기 위한 것이라 할 수 있다.
도 3는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법을 구현하기 위한 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 3을 참조하면, 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법을 구현하기 위한 시스템은 데이터 맵 작성을 위해 필요한 여러 연산이나 판단을 수행하는 프로세서(200)와, 프로세서(200)의 연산이나 판단에 요구되는 여러 데이터를 저장하는 메모리(300)를 포함하여 구성될 수 있다.
프로세서(200)는 데이터 맵 작성에 필요한 연산 및 판단을 수행하기 위해 약자속 제어의 대상이 되는 모터에 대해 사전에 결정된 여러 파라미터를 제공받고 필요에 따라 메모리(300)에 이 파라미터를 저장하거나 저장된 파라미터를 읽어 들일 수 있다.
또한, 프로세서(200)는 데이터 맵 작성에 요구되는 연산 및 판단의 결과 데이터를 메모리(300)에 저장할 수 있고, 최종적으로 메모리(300)에 작성된 데이터 맵을 저장할 수도 있다.
도 4은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법의 흐름도이다.
도 4을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법은,
먼저, 약자속 제어에 적용되는 위상각을 추정하는 단계(S11)는 프로세서(10)가 입력 받은 모터의 각종 파라미터들을 이용하여 약자속 제어에 적용되는 위상각을 도출하는 단계일 수 있다.
도 5는 모터의 d축 전류와 q축 전류를 축으로 하는 좌표평면에서 표현되는 모터의 전류 제한 원과 모터의 회전 속도에 따른 전압 제한 원을 도시한 도면이다.
도 5에 나타난 것과 같이, 벡터 전류를 나타내는 d축과 q축을 갖는 좌표평면에서 모터의 스테이터 전류, 즉 벡터 전류(Is)는 원(C)로 표시된 것과 같은 제한을 가지며, 모터의 전압은 원(O1, O2)로 표시된 것과 같은 제한을 가질 수 있다. 특히, 모터 전압은 모터의 회전 속도가 커질수록 전압 제한 원의 사이즈가 감소하게 된다.
모터의 토크 제어는 통상 MTPA(Maximum Torque Per Ampere)라 알려진 곡선 상에서 모터의 전류를 추정하는 방식으로 이루어지는데, 모터의 회전 속도가 저속인 경우 전압 제한 원이 충분히 크기 때문에 MTPA 곡선이 전압 제한 원의 내에 형성되므로 토크 제어가 가능하게 된다. 그러나 모터의 회전 속도가 증가하여 전압 제한 원의 사이즈가 감소함에 따라 전압 제한 원의 외부에 MPTA 곡선이 위치하게 되면 원하는 토크로 원하는 속도를 출력하도록 모터를 제어하는 것이 불가능하게 되므로, 약자속 제어를 시작하게 된다.
약자속 제어를 수행하는 경우 전류 제한 원(C)과 전압 제한 원(O1, O2)가 만나는 점에서 전류 지령이 추정될 수 있고, 모터의 회전 속도가 빠를수록 d축 전류가 음의 방향으로 커지게 되므로 유효자속이 더 감소한다는 점을 확인할 수 있다.
위상각(γ)은 벡터 전류를 나타낸 dq 좌표 평면에서 원점에서 전압 제한 원과 전압 제한 원이 만나는 점까지 이은 곡선이 q축과 이루는 각도를 나타낸다.
단계(S11)에서 위상각(γ)는 다음과 같이 이론적으로 추정될 수 있다.
모터의 전압 방정식은 다음의 식 1 및 식 2와 같이 표현될 수 있다.
[식 1]
Figure pat00055
[식 2]
Figure pat00056
여기서,
Figure pat00057
및
Figure pat00058
는 각각 모터의 d축 전압 및 q축 전압,
Figure pat00059
는 모터의 저항,
Figure pat00060
는 모터의 인덕턴스,
Figure pat00061
는 모터의 회전 속도,
Figure pat00062
및
Figure pat00063
는 각각 모터의 d축 전압 및 q축 전류,
Figure pat00064
는 모터의 계자자속이다.
상기 식 1과 식 2에서, 모터의 상태가 정상 상태(일정한 출력인 상태)인 경우 전류의 변화가 없으므로
Figure pat00065
항 및
Figure pat00066
항이 0(zero)이 되므로, 식 1과 식 2는 다음의 식 3과 식 4와 같이 다시 쓸 수 있다.
[식 3]
Figure pat00067
[식 4]
Figure pat00068
그리고, 모터의 dq 전압과 모터의 입력 전압(vL)과의 관계는 다음의 식 5와 같으므로, 식 5에 식 3 및 식 4를 대입하여 정리하면 식 6이 도출될 수 있다.
[식 5]
Figure pat00069
여기서,
Figure pat00070
이고, Vdc는 모터로 제공되는 직류 전압으로, 통상적으로 모터로 제공되는 직류 전력을 저장한 배터리 전압(Vbatt)에 모터로 제공되는 직류 전류(ib)와 배터리에서 모터까지의 도선의 저항(Rc)의 곱을 차감한 값으로 결정도리 수 있다(
Figure pat00071
). 여기에서,
Figure pat00072
는 초기값이 사전에 설정될 수 있다.
식 3 및 식 4를 식 5에 대입하여 정리하면 다음 식 6과 같다.
[식 6]
Figure pat00073
그리고, dq축 전류는 모터의 고정자 전류(Is)의 d축 및 q축 성분에 해당하므로
Figure pat00074
와
Figure pat00075
로 표현될 수 있으며, 이를 식 6에 대입하면 다음의 식 7이 되고 식 7을 위상각에 대해 정리하면 최종적으로 식 8과 같은 식을 얻을 수 있다. 여기에서, Is는 dq 전류 벡터의 크기로서 모터의 설계 시 그 최대값이 결정되는 사양이다.
[식 7]
Figure pat00076
[식 8]
Figure pat00077
위상각(
Figure pat00078
)을 모터 속도(
Figure pat00079
)의 함수로 표현한 상기 식 8에 나타난 것과 같이, 위상각을 추정하는 단계(S11)은 모터 속도에 따라 위상각을 추정하는 것이라 할 수 있다.
이어, 위상각을 추정하는 단계(S11)가 종료되면 프로세서(10)에 의해 직류 전류를 추정하는 단계(S12)가 실행될 수 있다.
도 6는 모터의 속도-토크 관계 및 속도-직류 전류의 관계를 도시한 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 모터의 속도가 일정한 니포인트(knee-point) 보다 낮은 경우에는 전술한 것과 같이 MTPA(Maximum Torque Per Ampere)라 알려진 곡선 상에서 모터의 전류를 결정하는 모터 구동이 이루어지며, 모터의 속도가 니포인트 이상인 경우 토크로 원하는 속도를 출력하도록 모터를 제어하는 것이 불가능하여 약자속 제어를 수행하게 되며 이 영역에서는 입력되는 직류 전류(ib)는 일정하게 유지된다.
모터의 회전 속도가 이러한 니포인트 보다 낮은 영역에서는 모터의 d축 전류가 0이고 q축 전류가 Is와 동일한 값이 되며, 모터의 회전 속도가 니포인트 이상인 영역(약자속 제어 영역)에서는 다음의 식 9와 같이 모터의 d축 전류와 q축 전류가 결정될 수 있다.
[식 9]
Figure pat00080
Figure pat00081
)
상기 식 9에서 위상각(γ)는 단계(S11)에서 추정된 위상각이 적용될 수 있다.
한편, 모터의 토크(
Figure pat00082
)는 니포인트 보다 큰 모터 회전 속도 영역에서 상기 식 9에 의해 연산된 q축 전류를 이용하여 다음의 식 10과 같이 연산될 수 있다.
[식 10]
Figure pat00083
여기에서,
Figure pat00084
는 모터의 토크 상수로서 모터 특성에 기반하여 사전에 결정될 수 있는 값이다.
모터의 전력은 입력되는 직류 전압과 직류 전류의 곱으로 표현될 수 있으므로, 직류 전류는 모터의 전체 전력을 직류 전압으로 나눈 값과 같다. 여기서, 모터의 전력은 모터의 출력과 모터의 손실을 합산한 것과 같으므로 직류 전류는 다음의 식 11과 같이 추정될 수 있다.
[식 11]
Figure pat00085
여기서, Poutput은 모터의 출력이고 Pml은 모터의 손실이다. 모터의 출력은 토크에 모터 속도를 곱한 값과 같고, 모터의 손실은
Figure pat00086
로 표현될 수 있음이 알려져 있다.
단계(S11)과 단계(S12)에서 각각 식 8과 식 11을 이용하여 추정된 약자속 제어의 위상각(γ)과 직류 전류(ib)는 정확하지 않을 수 있다. 이 추정된 값들의 정확도를 높이기 위해, 본 발명의 일 실시형태에서는 Newton-Raphson Method를 이용하여 ECU(Electronic Control Unit)의 전력 함수
Figure pat00087
의 근
Figure pat00088
를 찾는 방식으로 그 정확도를 일정 수준 이상 높인 후 추정을 종료하는 단계(S13)를 수행할 수 있다.
ECU 전력 함수(
Figure pat00089
) 아래와 같이 구할 수 있다.
[식 12]
Figure pat00090
식 12는 모터 구동 시스템의 전체 전력(
Figure pat00091
) 나타낸 식으로,
Figure pat00092
는 모터 구동 시스템의 ECU의 전력 함수이고,
Figure pat00093
는 모터 구동 시스템 내 케이블에서 발생하는 전력 손실에 해당하며,
Figure pat00094
은 모터 자체의 손실에 해당하고,
Figure pat00095
은 모터 출력에 해당한다. 각각의 항들은 다음의 식 13와 같이 표현될 수 있다.
[식 13]
Figure pat00096
식 13을 ECU 전력 함수(
Figure pat00097
)로 정리하면 다음의 식 14가 된다.
[식 14]
Figure pat00098
위 식 14에 대해 Newton-Raphson Method를 적용하여
Figure pat00099
을 만족하는 근을 다음의 식 15와 같이 근을 찾을 수 있다.
[식 15]
Figure pat00100
식 15에서,
Figure pat00101
는
Figure pat00102
의 미분을 의미한다.
상기 식 15에서 오차에 해당하는
Figure pat00103
가 충분히 작아질 때까지(사전 설정된 기준값 보다 작아질 때까지) 단계(S11 내지 S13)을 반복하여 약자속 제어를 위한 위상값의 추정 및 dc 전류의 추정의 정확도를 높일 수 있다.
단계(S13)에서 식 15의
Figure pat00104
항이 사전 설정된 기준값 보다 작아지면, 위상각 및 직류 전류에 대한 추정을 종료하고 직류 전류의 제한값을 적용하는 단계(S14)가 수행될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법에서 적용되는 직류 전류 제한의 예를 도시한 도면이다.
도 7를 참조하면, 모터의 약자속 제어 시 차량 소모 전력을 최적화 하고 사용자의 요구에 따라 설계 기준에 맞춰 직류 전류를 제한할 필요가 있다. 즉, 도 7에 도시된 것과 같이, 모터로 제공될 수 있는 직류 전류(ib)의 크기 보다 더 작은 값을 갖는 직류 전류(iblimit)갖도록 모터의 직류 전류를 제한할 필요가 있다.
단계(S14)에서는, 추정된 직류 전류(ib)과 직류 전류 제한값(iblimit) 사이의 차이에 기반하여 dq 전류 벡터의 크기(Is)를 감소시키면서 단계(S11) 내지 단계(S13)을 반복할 수 있다.
더욱 상세하게, 단계(S14)에서는, 단계(S11 내지 S13)을 통해 추정된 직류 전류(ib)의 크기가 직류 전류 제한값(iblimit) 보다 큰 모터 속도 영역에 대해 다음의 식 16과 같이 두 값의 차이인
Figure pat00105
를 구할 수 있다.
[식 16]
Figure pat00106
이 영역에서, dq 전류 벡터(
Figure pat00107
)에 적용하기 위해 충분히 작은 값으로 설정된 상수인 k를
Figure pat00108
에 곱한 후, 다음의 식 17과 같이
Figure pat00109
적용한다.
[식 17]
Figure pat00110
Figure pat00111
는 반복 연산 시 그 직전 사이클에 결정된 dq 전류 벡터의 크기를 의미한다.
식 17에 의해 결정된 dq 전류 벡터의 크기를 적용하여 단계(S11 내지 단계(S13)을 반복할 수 있다(S15). 이러한 반복에 의해 추정되는 모터 직류 전류의 값은 점차 직류 전류 제한값(iblimit)에 접근하게 되고, 결국 모터 직류 전류의 값이 직류 전류 제한값(iblimit)과 실질적으로 동일해질 수 있다.
단계(S14)와 단계(S15)에 의하여 직류 전류 추정값이 직류 전류 제한값(iblimit) 이하가 되면 전류 제한을 적용하기 위한 단계(S11) 내지 단계(S13)의 반복을 중단한후(S15), 중단 시의 모터 속도(
Figure pat00112
) 및 모터 직류 전압(Vdc)에 따른 전류 벡터의 크기(Is)의 관계와 중단 시의 모터 속도(
Figure pat00113
) 및 모터 직류 전압(Vdc)에 따른 전류 벡터의 크기(Is), 위상각 추정값(γ)의 관계를 맵으로 작성할 수 있다(S16).
도 8 및 도 9은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법에 의한 dq 전류 벡터 및 모터 직류 전류의 변화를 도시한 도면이다.
도 8에 나타난 것과 같이, 본 발명의 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법에 의하면 모터의 직류 전류 제한에 따라 dq 전류 벡터의 크기가 점차 감소시도록 결정될 수 있으며, 이에 의해 도 9에 나타난 것과 같이, 모터의 직류 전류(ib)의 크기는 주어진 전류 제한값(iblimit)에서 제한 될 수 있다.
이상에서 설명한 바와, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법은, 사용자의 요구에 맞게 모터의 직류 전류를 제한할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법은, 매뉴얼 튜닝이 아니라 명확한 알고리즘을 적용한 컴퓨터 시스템을 이용하여 맵 작성이 가능하므로 모터의 성능을 최적화할 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: 에너지 저장 장치 20: 인버터
30: 모터 31: 회전각 센서
100: 컨트롤러 200: 프로세서
300: 메모리

Claims (9)

  1. 모터의 속도에 기반하여 모터의 dq 전류 벡터와 d축 사이의 각도인 위상각을 추정하는 단계;
    상기 위상각을 추정하는 단계에서 추정된 위상각을 기반으로 상기 모터의 토크를 연산하고, 연산된 토크에 의해 결정되는 모터의 출력과 모터 저항에 의한 모터 손실 및 모터로 입력되는 모터의 직류 전압을 기반으로 모터로 입력되는 직류 전류를 추정하는 단계; 및
    상기 직류 전류를 추정하는 단계에서 추정된 직류 전류와 사전 설정된 직류 전류 제한값의 차를 기반으로 상기 dq 전류 벡터의 크기를 감소시키면서 상기 위상각을 추정하는 단계 및 상기 직류 전류를 추정하는 단계를 반복하는 단계;
    상기 반복하는 단계에서 추정된 직류 전류와 사전 설정된 직류 전류 제한값이 실질적으로 동일해지면, 반복을 중단하고 추정된 직류 전류와 사전 설정된 직류 전류 제한값이 실질적으로 동일해지는 시점의 모터의 속도 및 모터로 입력되는 직류 전압과 위상각 및 dq 전류 벡터의 크기 사이의 관계를 저장하는 단계;
    를 포함하는 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 위상각을 추정하는 단계는, 식
    Figure pat00114

    (
    Figure pat00115
    는 추정된 위상각,
    Figure pat00116
    는 모터의 저항,
    Figure pat00117
    는 모터의 인덕턴스,
    Figure pat00118
    는 모터의 회전 속도,
    Figure pat00119
    ,
    Figure pat00120
    ,
    Figure pat00121
    는 모터로 제공되는 직류 전력을 저장한 배터리 전압,
    Figure pat00122
    는 배터리에서 모터까지의 도선의 저항,
    Figure pat00123
    는 직류 전류로 기 설정된 초기값을 가짐, Is는 dq 전류 벡터의 크기,
    Figure pat00124
    는 모터의 계자자속)에 의해 상기 위상각을 추정하는 것을 특징으로 하는 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 직류 전류를 추정하는 단계는, 식
    Figure pat00125

    (
    Figure pat00126
    는 추정된 직류 전류,
    Figure pat00127
    ,
    Figure pat00128
    ),
    Figure pat00129
    는 상기 위상각을 추정하는 단계에서 추정된 위상각,
    Figure pat00130
    , kt는 ~~~,
    Figure pat00131
    는 모터의 회전 속도,
    Figure pat00132
    는 모터의 저항,
    Figure pat00133
    는 모터로 입력되는 직류 전압)에 의해 상기 직류 전류를 추정하는 것을 특징으로 하는 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 반복하는 단계는,
    상기 직류 전류를 추정하는 단계에서 추정된 직류 전류의 크기가 상기 직류 전류 제한값 보다 큰 모터 속도 영역에 대해 추정된 직류 전류의 크기에 상기 직류 전류 제한값을 감산한 오차값을 구하고, 상기 오차값을 기반으로 상기 dq 전류 벡터의 크기를 감소시킨 후 감소된 dq 전류 벡터의 크기를 적용하여 상기 위상각을 추정하는 단계 및 상기 직류 전류를 추정하는 단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 반복하는 단계는,
    상기 오차값에 사전 설정된 상수를 곱한 값을 상기 dq 전류 벡터의 크기에 감산하여 dq 전류 벡터의 크기를 감소시키고, 감소된 dq 전류 벡터의 크기를 적용하여 상기 위상각을 추정하는 단계 및 상기 직류 전류를 추정하는 단계를 반복 하는 것을 특징으로 하는 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 직류 전류를 추정하는 단계 이후,
    모터 구동 시스템의 전체 전력을 기반으로 도출되는 ECU 전력 함수의 근을 찾기 위한 Newton-Raphson Method를 이용하여 상기 ECU 전력 함수의 근을 찾을 때까지 상기 위상각을 추정하는 단계 및 상기 직류 전류를 추정하는 단계를 반복하는 추정 정확도 향상 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 ECU 전력 함수는 식
    Figure pat00134

    (
    Figure pat00135
    는 상기 ECU 전력 함수,
    Figure pat00136
    는 모터로 입력되는 직류 전압,
    Figure pat00137
    는 추정된 직류 전류,
    Figure pat00138
    ,
    Figure pat00139
    ),
    Figure pat00140
    는 상기 위상각을 추정하는 단계에서 추정된 위상각,
    Figure pat00141
    는 모터의 저항,
    Figure pat00142
    , kt는 ~~~,
    Figure pat00143
    는 모터의 회전 속도,
    Figure pat00144
    는 모터로 제공되는 직류 전력을 저장한 배터리에서 모터까지의 도선의 저항)과 같이 결정되는 것을 특징으로 하는 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 추정 정확도 향상 단계는,
    Figure pat00145
    을 만족하는 근을 식
    Figure pat00146

    (
    Figure pat00147
    는
    Figure pat00148
    의 미분)에서
    Figure pat00149
    가 사전 설정된 기준값 보다 작아질 때까지 상기 위상각을 추정하는 단계 및 상기 직류 전류를 추정하는 단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 방법.
  9. 모터의 속도에 기반하여 모터의 dq 전류 벡터와 d축 사이의 각도인 위상각을 추정하고, 추정된 위상각을 기반으로 모터의 토크를 연산하고, 연산된 토크에 의해 결정되는 모터의 출력과 모터 저항에 의한 모터 손실 및 모터로 입력되는 모터의 직류 전압을 기반으로 모터로 입력되는 직류 전류를 추정하며, 추정된 직류 전류와 사전 설정된 직류 전류 제한값의 차를 기반으로 dq 전류 벡터의 크기를 감소시키면서 위상각을 추정하며, 직류 전류를 반복하여 추정하고, 반복하여 추정된 직류 전류와 사전 설정된 직류 전류 제한값이 실질적으로 동일해지면, 직류 전류의 추청 반복을 중단하고 추정된 직류 전류와 사전 설정된 직류 전류 제한값이 실질적으로 동일해지는 시점의 모터의 속도 및 모터로 입력되는 직류 전압과 위상각 및 dq 전류 벡터의 크기 사이의 관계를 저장하는 모터의 약자속 제어를 위한 데이터 맵 작성 시스템.
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