KR20230108609A - 모터 구동 장치 - Google Patents

모터 구동 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20230108609A
KR20230108609A KR1020220004226A KR20220004226A KR20230108609A KR 20230108609 A KR20230108609 A KR 20230108609A KR 1020220004226 A KR1020220004226 A KR 1020220004226A KR 20220004226 A KR20220004226 A KR 20220004226A KR 20230108609 A KR20230108609 A KR 20230108609A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
motor
current
phase component
zero
phase
Prior art date
Application number
KR1020220004226A
Other languages
English (en)
Inventor
이용재
정장윤
황재호
유정모
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사, 기아 주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020220004226A priority Critical patent/KR20230108609A/ko
Priority to US17/889,503 priority patent/US11784605B2/en
Priority to EP22191479.9A priority patent/EP4210217A1/en
Priority to CN202211113094.4A priority patent/CN116470819A/zh
Publication of KR20230108609A publication Critical patent/KR20230108609A/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/16—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring
    • H02P25/18—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring with arrangements for switching the windings, e.g. with mechanical switches or relays
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/175—Indicating the instants of passage of current or voltage through a given value, e.g. passage through zero
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R23/00—Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
    • G01R23/02—Arrangements for measuring frequency, e.g. pulse repetition rate; Arrangements for measuring period of current or voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0016—Control circuits providing compensation of output voltage deviations using feedforward of disturbance parameters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0025—Arrangements for modifying reference values, feedback values or error values in the control loop of a converter
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0038—Circuits or arrangements for suppressing, e.g. by masking incorrect turn-on or turn-off signals, e.g. due to current spikes in current mode control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output
    • H02M1/123—Suppression of common mode voltage or current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/493—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode the static converters being arranged for operation in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/539—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency
    • H02M7/5395—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency by pulse-width modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/0003—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/05—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation specially adapted for damping motor oscillations, e.g. for reducing hunting
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/06—Rotor flux based control involving the use of rotor position or rotor speed sensors
    • H02P21/08—Indirect field-oriented control; Rotor flux feed-forward control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/22—Current control, e.g. using a current control loop
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/0004—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H02P23/0027—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control using different modes of control depending on a parameter, e.g. the speed
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/16—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring
    • H02P25/22—Multiple windings; Windings for more than three phases
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H02P27/12—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation pulsing by guiding the flux vector, current vector or voltage vector on a circle or a closed curve, e.g. for direct torque control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2207/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/07—Doubly fed machines receiving two supplies both on the stator only wherein the power supply is fed to different sets of stator windings or to rotor and stator windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2209/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the waveform of the supplied voltage or current
    • H02P2209/13—Different type of waveforms depending on the mode of operation

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 사전 설정된 상기 모터의 전류 지령을 기반으로 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭 듀티를 결정하기 위한 전압 지령을 생성하는 전류 제어기를 갖는 컨트롤러를 포함하며, 상기 전류 제어기는, 3 고조파 전향 보상을 적용하여 상기 전압 지령 중 0상 성분 전압 지령을 생성할 수 있다.

Description

모터 구동 장치{MOTOR DRIVING APPARATUS}
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 인버터에 공통의 직류 전원을 적용하는 경우 0상 성분 전압에 의한 공통 모드 전류가 발생하게 된다. 이 공통 모드 전류는 모터의 권선을 흐르면서 동손 및 철손과 같은 손실로 작용하여 모터 효율을 저하시키며, 심각한 경우 모터 시스템의 소손을 발생시킬 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, 모터 권선의 양단에 각각 인버터가 연결된 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 시 두 인버터 사이의 공통 모드 전류를 감소시켜 모터 효율을 향상시키고 모터의 소손을 방지할 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
사전 설정된 상기 모터의 전류 지령을 기반으로 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭 듀티를 결정하기 위한 전압 지령을 생성하는 전류 제어기를 포함하는 컨트롤러를 포함하며,
상기 전류 제어기는, 3 고조파 전향 보상을 적용하여 상기 전압 지령 중 0상 성분 전압 지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전류 제어기는, 상기 모터의 0상 성분 전류 지령과 상기 모터에 흐르는 0상 성분 전류를 비교하고 그 오차를 감소시키기 위한 0상 성분 전압값을 생성하는 전류 제어부; 상기 모터의 회전각과 상기 모터의 회전 속도와 상기 모터의 0상 성분 자속의 크기 및 상기 모터의 0상 성분 자속의 위상을 기반으로 3 고조파 성분을 계산하는 3 고조파 계산부; 및 상기 오차를 감소시키기 위한 0상 성분 전압값에 상기 3 고조파 성분을 합산하여 상기 0상 성분 전압 지령을 생성하는 합산기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전류 제어기는, 상기 모터의 dq축 전류 지령과 상기 모터에 흐르는 dq축 전류를 비교하고 그 오차를 감소시키기 위한 dq축 전압 지령을 생성하는 추가의 전류 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전류 제어기는, 상기 모터의 d축 전류 및 q축 전류에 대응되는 상기 모터의 0상 성분 자속의 크기를 사전에 저장한 제1 데이터 맵; 및 상기 모터의 d축 전류 및 q축 전류에 대응되는 상기 모터의 0상 성분 자속의 위상을 사전에 저장한 제2 데이터 맵을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 데이터 맵은, 상기 모터의 전류 지령 중 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령을 입력 받고, 입력 받은 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령에 대응되는 상기 모터의 0상 성분 자속의 크기를 상기 3 고조파 계산부로 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 데이터 맵은, 상기 모터의 전류 지령 중 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령을 입력 받고, 입력 받은 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령에 대응되는 상기 모터의 0상 성분 자속의 위상을 상기 3 고조파 계산부로 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 3 고조파 계산부는, 식 '', 또는 식 ''에 의해 상기 3 고조파 성분을 계산할 수 있다. 여기에서, 는 상기 3 고조파 성분이고, 는 상기 모터의 회전자의 회전 속도이며, 는 상기 모터의 회전각이고, 는 상기 모터의 0상 성분 자속의 크기이며, 는 상기 모터의 0상 성분 자속의 위상이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전류 제어부는 비례 공진 제어기로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전류 제어기는, 상기 모터의 0상 성분 전류 지령과 3배 동기 좌표계를 기반으로 상기 모터에 흐르는 0상 성분 전류를 비교하고 그 오차를 감소시키기 위한 0상 성분 전압 지령을 생성하는 전류 제어부; 및 상기 모터의 dq축 전류 지령과 상기 모터에 흐르는 dq축 전류를 비교하고 그 오차를 감소시키기 위한 dq축 전압 지령을 생성하는 추가의 전류 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전류 제어부는, 3상 전류를 기반으로 구해진 0상분 전류를 3배각의 회전 변환을 통해 DC 형태 전류로 추출하는 0상 전류 추출부; 상기 모터의 0상 성분 전류 지령과 상기 추출된 0상 성분 전류의 DC 형태 전류를 기반으로 오차 감소를 위한 전압 지령을 생성하는 제어부; 및 상기 오차 감소를 위한 전압 지령을 3배각의 역회전 변환을 통해 3차 고조파 형태의 상기 0상 성분 전압 지령으로 변환하는 역회전 변환부를 포함할 수 있다.
상기 모터 구동 장치에 따르면, 오픈 엔드 와인딩 방식에 적용되는 두 인버터 사이에 흐르는 공통 모드 전류를 억제할 수 있다.
특히, 상기 모터 구동 장치에 따르면, 3 고조파 전향 보상을 적용하여 3 고조파 성분을 원인으로 하는 0상 성분 전류의 노이즈를 감소시킴으로써 0상 성분 전류 오차(n축 전류 오차)를 현저하게 감소시킬 수 있다.
이에 더하여, 상기 모터 구동 장치는, 0상 성분 전류 오차 뿐만 아니라, d축 전류의 오차 및 모터의 출력을 개선할 수 있다.
상기 모터 구동 장치에 따르면, 3차 고조파 전류 리플의 저감을 통해 차량의 모터 또는 배터리 측의 3 고조파 진동 및 소음 저감 효과까지 기대할 수 있으며, 모터의 0상 성분 전류로 인한 과전류 발생도 개선할 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 오픈 엔드 와인딩 방식으로 모터를 제어하기 위한 통상적인 컨트롤러를 상세하게 도시한 블록 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 통상적인 컨트롤러에서 적용되는 모터 제어 기법을 설명하기 위한 전압 벡터도이다.
도 4는 도 2에 도시된 통상적인 컨트롤러에 의한 모터 제어 시 생성되는 각 인버터의 전압 출력을 도시한 파형도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치에 적용된 컨트롤러에 적용된 전류 제어기의 상세한 구성을 도시한 블록 구성도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치에 적용된 컨트롤러에 적용된 전류 제어기 내 0상 성분 전류를 제어하기 위한 제어부의 상세한 구성을 도시한 블록 구성도이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 0상 전류 추출부 구성의 일례를 나타낸다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치에 적용된 컨트롤러의 전류 제어기 내에 포함된 데이터 맵의 예를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치에 따라 3 고조파 전향 보상이 적용된 경우 제어 성능 개선 결과를 나타내는 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 구동 장치로서, 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 타단에 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.
이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치에 대한 더욱 명확한 이해를 돕기 위해, 통상적인 오픈 엔드 와인딩 방식 모터 구동 장치의 제어기법에 대해 우선 설명하기로 한다.
도 2는 오픈 엔드 와인딩 방식으로 모터를 제어하기 위한 통상적인 컨트롤러를 상세하게 도시한 블록 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 통상적인 컨트롤러에서 적용되는 모터 제어 기법을 설명하기 위한 전압 벡터도이다. 또한, 도 4는 도 2에 도시된 통상적인 컨트롤러에 의한 모터 제어 시 생성되는 각 인버터의 전압 출력을 도시한 파형도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 모터 구동 장치의 컨트롤러는 전류지령 맵(41), 전류 제어부(42), 제1 듀티 생성부(43) 및 제2 듀티 생성부(44)를 포함할 수 있다.
전류 지령맵(41)은 운전자의 조작 등에 의해 생성된 모터 요구 출력(모터 요구 토크(Te *) 및 모터의 역기전력(λ-1)을 기반으로 그에 대응되는 전류 지령(Id *, Iq *)을 생성할 수 있다. 전류 지령맵(41)은 모터 요구 출력을 반영한 모터의 전류 지령을 생성하는 것으로 도 2의 예에서는 모터 요구 출력과 역기전력을 기반으로 한 맵이 도시되고 있으나, 다른 인자를 기반으로 모터의 전류 지령을 생성하는 맵이 적용될 수 있다.
전류 제어부(42)는 전류 지령(Id *, Iq *, I*(0))을 입력 받고 실제 모터에 제공되는 전류를 검출한 값과 비교하여 그 차이를 감소시킬 수 있는 전압 지령(Vd *, Vq *, Vn *)을 생성할 수 있다. 전압 지령은 d축 성분(Vd *), q축 성분(Vq *) 및 0 상(zero phase) 성분(Vn *)을 포함할 수 있다.
제1 듀티 생성부(43)는, 도 1에 도시된 제1 인버터(10) 내 스위칭 소자의 듀티를 생성하기 위한 요소로서, 전압 지령(Vd *, Vq *, Vn *)을 1/2 배 하여 제1 인버터(10)에 적용하기 위한 제1 인버터 전압 지령(Vd1 *, Vq1 *, Vn1 *)을 생성하는 배수부(431)와, 제1 인버터 전압 지령(Vd1 *, Vq1 *, Vn1 *)을 모터의 각 상에 대응되는 제1 인버터 상전압 지령(Vas1 *, Vbs1 *, Vcs1 *)으로 변환하는 좌표 변환부(432), 제1 인버터 상전압 지령(Vas1 *, Vbs1 *, Vcs1 *) 및 제1 인버터 전압 지령 중 0상 성분(Vn1 *)을 기반으로 공간 벡터 펄스폭 변조를 수행하여 제1 인버터(10) 내 스위칭 소자의 듀티를 생성하는 제1 공간 벡터 펄스폭 변조부(433)을 포함할 수 있다.
제1 듀티 생성부(43)와 유사하게, 제2 듀티 생성부(44)는, 도 1에 도시된 제2 인버터(20) 내 스위칭 소자의 듀티를 생성하기 위한 요소로서, 전압 지령(Vd *, Vq *, Vn *)을 -1/2 배 하여 제2 인버터(20)에 적용하기 위한 제2 인버터 전압 지령(Vd2 *, Vq2 *, Vn2 *)을 생성하는 배수부(441)와, 제2 인버터 전압 지령(Vd2 *, Vq2 *, Vn2 *)을 모터의 각 상에 대응되는 제2 인버터 상전압 지령(Vas2 *, Vbs2 *, Vcs2 *)으로 변환하는 좌표 변환부(442), 제2 인버터 상전압 지령(Vas2 *, Vbs2 *, Vcs2 *) 및 제2 인버터 전압 지령 중 0상 성분(Vn2 *)을 기반으로 공간 벡터 펄스폭 변조를 수행하여 제2 인버터(20) 내 스위칭 소자의 듀티를 생성하는 제2 공간 벡터 펄스폭 변조부(443)을 포함할 수 있다.
여기에서, 좌표 변환부(432, 442)에 의한 좌표 변환은 dq 좌표를 모터 삼상에 해당하는 abc 좌표로 변환하는 당 기술분야에 공지된 변환 기법을 이용하여 수행될 수 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 통상적인 오픈 엔드 와인딩 방식 모터 제어 기법은, 모터의 전압 지령을 제1 인버터와 제2 인버터에 동일하게 분배하는 방식으로 이루어질 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 것과 같이, 오픈 엔드 와인딩 구조의 모터 제어에서, 제1 인버터에 대한 스위칭 벡터도와 제2 인버터에 대한 스위칭 벡터도를 합성한 벡터도 상에 나타난 모터 전압(VMOT)은 제1 인버터에 의한 전압(VINV1)과, 제1 인버터에 의한 전압(VINV1)과 동일한 크기를 갖고 방향이 반대인 제2 인버터에 의한 전압(VINV2)의 차의 형태로 나타낼 수 있다. 각각의 벡터도는 dq 평면 상에 나타난 것으로 dq 평면과 공간 벡터 펄스폭 변조를 위한 벡터도 등은 당 기술분야에 기공지된 사항으로 그에 대한 별도의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이와 같이, 동일한 크기를 갖고 반대 방향을 갖는 제1 인버터 전압과 제2 인버터 전압을 공간 벡터 펄스폭 변조를 통해 구현하게 되면 도 4에 도시된 것과 같은 인버터 출력 전압 파형을 얻을 수 있다. 도 4에서 TSW는 인버터 내 스위칭 소자의 스위칭 주기이며, Va1, Vb1, Vc1, Vn1은 제1 인버터의 각 상 전압 및 0상 성분 전압을 나타내고, Va2, Vb2, Vc2, Vn2은 제2 인버터의 각 상 전압 및 0상 성분 전압을 나타내고, Vn은 제1 인버터의 0상 성분 전압과 제2 인버터의 0상 성분 전압의 차를 나타낸 것으로 제1 인버터 및 제2 인버터에 의해 모터에 인가되는 0상 성분 전압을 나타낸 것이다.
도 4에 나타난 것과 같이, 제1 인버터 전압과 제2 인버터 전압은 dq평면 상에서의 전압 크기가 동일함에도 불구하고 위상이 다르기 때문에 서로 다른 0상분 전압을 가지게 된다. 따라서, 모터에 인가되는 0상 성분 전압(Vn)의 크기는 0이 될 수 없으며 그에 따라 0상분 전류가 발생하게 된다.
모터(100)의 권선(L1, L2, L3) 양단에 각각 인버터(10, 20)를 연결하고 인버터(10, 20)의 펄스폭 변조 제어에 의해 모터(100)를 구동하는 오픈 엔드 와인딩 구조에서 모터 구동 시스템 전체를 모델링 하는 경우 d축 전압, q축 전압 및 0상 성분 전압은 다음의 식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[식 1]
상기 식 1에서 Vd, Vq, Vn은 모터 구동 시스템 전체의 d축 전압, q축 전압 및 0상 성분 전압을 각각 나타내며, Vd1, Vq1, Vn1은 제1 인버터의 d축 전압, q축 전압 및 0상 성분 전압을 각각 나타내고, Vd2, Vq2, Vn2는 제2 인버터의 d축 전압, q축 전압 및 0상 성분 전압을 각각 나타내며, id, iq, in은 모터의 d축 전류, q축 전류 및 0상 성분 전류를 각각 나타낸다. 또한, Rs는 모터의 등가 저항을 나타내며, Ld, Lq, Llk는 모터의 d축 인덕턴스, q축 인덕턴스 및 0상 성분에 의한 누설 인덕턴스를 각각 나타내고, 는 모터의 고정자의 쇄교 자속을 나타내며, 은 0상 성분 자속을 나타내고, 와 는 각각 모터의 회전자의 회전각과 각속도를 나타낸다.
상기 식 1 중 0상 성분 전압(Vn)에 대한 식에 나타난 바와 같이, 0상 성분 전압은 3 고조파 형태의 고조파를 가지게 된다. 오픈 엔드 와인딩 구조에서는 이러한 0상 성분 전압에 의한 0상 성분 전류가 발생하므로 0상 성분 전류는 3 고조파 형태 나타내어 심각한 노이즈 성분으로 작용할 수 있다.
따라서, 본 발명의 여러 실시형태는 3 고조파의 전향 보상을 통해 0상분 전류에 의한 모터 효율 감소 등의 문제를 제거하고자 하는 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치에 적용된 컨트롤러에 적용된 전류 제어기의 상세한 구성을 도시한 블록 구성도이다.
컨트롤러(30) 내 전류 제어기(42)는, 제1 전류 제어부(421)와, 제2 전류 제어부(422)와, 제1 데이터 맵(423)과, 제2 데이터 맵(424), 3 고조파 계산부(425) 및 합산기(426)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 전류 제어부(421)는 전류 지령맵(41)에 의해 결정된 dq축 전류 지령(Idq *)과 모터(100)에 흐르는 dq축 전류(Idq)를 비교하고 그 오차를 감소시키기 위한 모터의 dq축 전압 지령(Vdq *)을 생성할 수 있다.
모터(100)에 흐르는 dq축 전류(Idq)는 모터의 각 상의 권선에 흐르는 전류를 전류 센서등을 통해 검출한 값을 모터의 회전각(θ)를 dq 좌표로 변환함으로써 dq축 전류의 형태로 변환하여 획득될 수 있다. 모터의 각 상에 해당하는 a축, b축, c축을 갖는 abc 좌표를 d축 및 q축 좌표로 변환하는 기법(회전 변환(Clarke/Park Transformation)) 및 그 반대 방향으로 변환하는 기법(역회전 변환(Inverse Clarke/Park Transformation))은 당 기술분야에서 공지의 기술이므로 별도의 설명은 생략하기로 한다.
제1 전류 제어부(421)는 비례 적분(PI) 제어기, 비례(P) 제어기, 적분(I) 제어기 등 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 바람직하게는 PI 제어기로 구현될 수 있다.
제2 전류 제어부(422)는 모터의 0상 성분 전류 지령(In *)과 모터(100)에 흐르는 0상 성분 전류(In)를 비교하고 그 오차를 감소시키기 위한 전압값(Vn0 *)을 생성할 수 있다.
모터의 0상 성분 전류는 0이 되는 것이 이상적이므로 모터의 0상 성분 전류 지령(In *)은 0으로 설정될 수 있다.
모터(100)에 흐르는 0상 성분 전류(In)는 모터의 각 상의 권선에 흐르는 전류를 전류 센서등을 통해 검출한 값을 회전 변환을 이용하여 변환함으로써 획득될 수 있다.
제2 전류 제어부(422)는 비례 적분(PI) 제어기, 비례(P) 제어기, 적분(I) 제어기 등 다양한 형태로 구현될 수 있다.
특히, 제2 전류 제어부(422)는 고조파 성분을 보상하는데 적절한 비례 공진(Proportional Resonant: PR) 제어기로 구현될 수 있다.
3 고조파 계산부(425)는 모터의 회전각(θ)과 모터의 회전 속도()와 모터의 0상 성분 자속의 크기() 및 모터의 0상 성분 자속의 위상()을 기반으로 모터의 0상 성분 전압에 포함된 3 고조파 성분을 연산할 수 있다.
3 고조파 계산부(425)는 상기 식 1의 0상 성분 전압에 나타난 것과 같은 3 고조파 성분을 연산하기 위해 하기 식 2 또는 식 3과 같이 3 고조파 성분을 연산할 수 있다.
[식 2]
[식 3]
3 고조파 계산부(425)에 의해 계산된 3 고조파 성분은 합산기(426)에 의해 제2 전류 제어부(422)의 출력값(Vn0 *)에 합산됨으로써 전향 보상이 이루어지게 된다. 즉, 합산기(426)에 의해 연산된, 제2 전류 제어부(422)의 출력값(Vn0 *)과 2 고조파 계산부(425)의 출력값(Vn,FF)의 합산값은 모터의 펄스폭 변조 제어에 사용되는 0상 성분 전압 지령값(Vn *)이 될 수 있다.
식 2와 식 3 중 어느 식이 적용되는지는 0상 성분 자속의 위상()을 도출한 방식(즉, cos 함수 기준으로 위상을 추출하였는지, sin함수 기준으로 위상을 추출하였는지 여부)에 따라 결정될 수 있다.
전향 보상이 이루어진 0상 성분 전압 지령값(Vn *)은 도 2에 도시된 것과 같은 듀티 생성부(43, 44)로 제공되어 펄스폭 변조를 위한 듀티를 생성하는데 사용될 수 있다.
한편, 0상 성분 자속의 크기() 및 모터의 0상 성분 자속의 위상()은 데이터 맵(423, 424)에 의해 결정될 수 있다.
전류 제어기의 다른 예로, 도 6a에 도시된 것과 같이 전류 제어기(42')는 3배 동기 좌표계를 활용한 구조로 구현될 수 있다.
도 6a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치에 적용된 컨트롤러에 적용된 전류 제어기 내 0상 성분 전류를 제어하기 위한 제어부의 상세한 구성을 도시한 블록 구성도이다.
도 6a에서 3배 동기 좌표계를 활용한 전류 제어기 구조에서도 dq축 전류 지령(Idq *)과 모터(100)에 흐르는 dq축 전류(Idq)를 비교하고 그 오차를 감소시키기 위한 모터의 dq축 전압 지령(Vdq *)을 생성하는 제1 전류 제어부(421)는 도 5와 유사한 구성을 가질 수 있다. 따라서, 제1 전류 제어부의 설명은 생략하고 제2 전류 제어부(4221, 4222, 4223)를 위주로 설명하기로 한다.
도 6a를 참조하면, 제2 전류 제어부는 3상 전류(Iabc)를 기반으로 구해진 0상분 전류를 3배각의 회전 변환을 통해 DC 형태 전류(In,d3, In,q3)로 추출하는 0상 전류 추출부(4221), 모터의 0상 성분 전류 지령(In *(0))과 모터(100)에 흐르는 0상 성분 전류의 DC 형태를 비교하여 그 오차를 감소시키기 위한 전압 지령(Vn,d3 *, Vn,q3 *)을 생성하는 제어부(4222) 및 제어부(4222)의 출력값을 다시 3배각의 역회전 변환을 통해 3차 고조파 형태의 전압 지령(Vn *)으로 변환하는 역회전 변환부(4223)를 포함할 수 있다.
보다 상세히, 0상 성분 전류(In)를 DC의 형태로 제어하기 위해서는 0상 성분 전류를 DC의 형태로 추출하여야 한다. 이 때, 0상 성분 전류의 주된 성분은 3고조파이므로 3차 성분을 DC로 추출하는 것이 바람직하다. AC 성분을 DC로 추출하기 위해, 본 실시형태에서는 APF(All-pass filter)를 사용하여 3차 성분을 DC의 형태로 변환하는 방법이 활용될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로 AC 성분을 DC로 추출할 수 있다면 어떠한 방식에도 한정되지 아니함은 당업자에 자명하다.
APF를 활용한 0상 전류 추출부의 예시적 형태는 도 6b에 도시된다.
도 6b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 0상 전류 추출부 구성의 일례를 나타낸다.
도 6b를 참조하면, 먼저 0상분 전류(In)를 3상 전류(Iabc)의 평균값(Average)으로 계산한 뒤, 3ωr의 차단주파수를 가지는 APF를 이용하여 원 신호(In)와 90도의 위상차를 가지는 신호(In,β)를 생성한다. In과 In,β를 3배각에 대해서 변환(Park’s Transformation)을 취하면 DC 형태의 0상 전류(In,d3, In,q3)가 획득될 수 있다.
다시 도 6a로 돌아와서, 제어부(4222)는 DC 형태의 값을 제어하는 것이므로 PI 제어기를 활용하여 설계할 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 제어부(4222)의 연산 결과로 출력되는 오차 감소를 위한 전압 지령(Vn,d3 *, Vn,q3 *)을 다시 3배각의 역회전 변환을 통해 3차 고조파 형태로 역회전 변환부(4223)가 변환한 전압 지령(Vn *)은 전류 제어기(42')에서 PWM을 통해 출력될 수 있다.
이하에서는 도 5를 참조하여 전술한 데이터 맵(423, 424)을 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치에 적용된 컨트롤러의 전류 제어기 내에 포함된 데이터 맵의 예를 도시한 도면이다.
보다 상세히, 도 7은 d축과 q축 전류에 따른 0상 성분 역자속의 크기()를 결정하기 위한 데이터 맵을, 도 8은 d축과 q축 전류에 따른 0상 성분 역자속의 위상()을 결정하기 위한 데이터 맵을 각각 나타낸다.
여기서, Z축의 값은 도 7의 경우 크기, 도 8의 경우 위상의 축 값이고, 컬러(음영차)는 해당 (x,y)좌표에서의 Z값을 상대 비교하기 위한 보조 지표일 수 있다.
참고로, 도 7에서 0상 성분 역자속의 크기()의 경우, d축(Iq=0에 해당하는 축)을 기준으로 좌우 대칭의 형태를 가진다. 또한, 도 8에서 0상 성분 자속의 위상()의 경우, d축(Iq=0에 해당하는 축)에 대하여 역대칭 형태를 가진다. 여기서, 역대칭의 형태를 가진다고 함은 Iq=0선을 기준으로 대칭이기는 하나 특정 Id값에 대해서 평면을 잘라서 생각해볼 때, Iq=0 값에 대해서 원점대칭과 같은 형태로 대칭성이 나타나게 됨을 의미할 수 있다.
이를 수식으로 표현하면 아래와 같다.
크기 : f(x,-y) = f(x,y)
위상 : f(x,-y) = 2f(x,0) - f(x,y)
따라서 3고조파 자속 및 크기는 d축 전류 및 q축 전류에 대하여 하나의 사분면에 대한 맵으로만 구성해도 무방하다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치에 따라 3 고조파 전향 보상이 적용된 경우 제어 성능 개선 결과를 나타내는 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 3 고조파 전향 보상이 적용된 경우, 0상 성분 전류 오차(n축 전류 오차)가 현저하게 개선되는 것을 확인할 수 있다. 이는, 3 고조파 성분의 전향 보상으로 인해 3 고조파 성분을 원인으로 하는 0상 성분 전류의 노이즈가 감소됨에 의한 것이라 할 수 있다.
이에 더하여, 0상 성분 전류 오차 뿐만 아니라, d축 전류의 오차가 개선되는 것을 볼 수 있으며, 토크(출력)도 일부 개선되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 3 고조파 전향 보상을 통해 3차 고조파 전류 리플의 저감이 가능하게 하며, 이에 의해 차량의 모터 또는 배터리 측의 3 고조파 진동 및 소음 저감 효과까지 기대할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 제어적으로도 모터의 전류 리플이 감소하기 때문에, 0상 성분 전류로 인한 과전류 발생도 개선할 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: 컨트롤러 100: 모터
200: 배터리 42: 전류 제어기
421: 제1 전류 제어부 422: 제2 전류 제어부
423: 제1 데이터 맵 424: 제2 데이터 맵
425: 3 고조파 계산부 426: 합산기
S11-S16: 제1 스위칭 소자 S21-S26: 제2 스위칭 소자
L1-L3: 권선

Claims (10)

  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
    사전 설정된 상기 모터의 전류 지령을 기반으로 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭 듀티를 결정하기 위한 전압 지령을 생성하는 전류 제어기를 포함하는 컨트롤러를 포함하며,
    상기 전류 제어기는, 3 고조파 전향 보상을 적용하여 상기 전압 지령 중 0상 성분 전압 지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전류 제어기는,
    상기 모터의 0상 성분 전류 지령과 상기 모터에 흐르는 0상 성분 전류를 비교하고 그 오차를 감소시키기 위한 0상 성분 전압값을 생성하는 전류 제어부;
    상기 모터의 회전각과 상기 모터의 회전 속도와 상기 모터의 0상 성분 자속의 크기 및 상기 모터의 0상 성분 자속의 위상을 기반으로 3 고조파 성분을 계산하는 3 고조파 계산부; 및
    상기 오차를 감소시키기 위한 0상 성분 전압값에 상기 3 고조파 성분을 합산하여 상기 0상 성분 전압 지령을 생성하는 합산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 전류 제어기는,
    상기 모터의 dq축 전류 지령과 상기 모터에 흐르는 dq축 전류를 비교하고 그 오차를 감소시키기 위한 dq축 전압 지령을 생성하는 추가의 전류 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 전류 제어기는,
    상기 모터의 d축 전류 및 q축 전류에 대응되는 상기 모터의 0상 성분 자속의 크기를 사전에 저장한 제1 데이터 맵; 및
    상기 모터의 d축 전류 및 q축 전류에 대응되는 상기 모터의 0상 성분 자속의 위상을 사전에 저장한 제2 데이터 맵을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 제1 데이터 맵은,
    상기 모터의 전류 지령 중 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령을 입력 받고, 입력 받은 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령에 대응되는 상기 모터의 0상 성분 자속의 크기를 상기 3 고조파 계산부로 출력하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 제2 데이터 맵은,
    상기 모터의 전류 지령 중 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령을 입력 받고, 입력 받은 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령에 대응되는 상기 모터의 0상 성분 자속의 위상을 상기 3 고조파 계산부로 출력하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  7. 청구항 2에 있어서, 상기 3 고조파 계산부는,
    식 '', 또는
    식 ''에 의해 상기 3 고조파 성분을 계산하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치(: 상기 3 고조파 성분, : 상기 모터의 회전자의 회전 속도, : 상기 모터의 회전각, : 상기 모터의 0상 성분 자속의 크기, : 상기 모터의 0상 성분 자속의 위상).
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 전류 제어부는 비례 공진 제어기로 구현되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류 제어기는,
    상기 모터의 0상 성분 전류 지령과 3배 동기 좌표계를 기반으로 상기 모터에 흐르는 0상 성분 전류를 비교하고 그 오차를 감소시키기 위한 0상 성분 전압 지령을 생성하는 전류 제어부; 및
    상기 모터의 dq축 전류 지령과 상기 모터에 흐르는 dq축 전류를 비교하고 그 오차를 감소시키기 위한 dq축 전압 지령을 생성하는 추가의 전류 제어부를 포함하는 모터 구동 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 전류 제어부는,
    3상 전류를 기반으로 구해진 0상분 전류를 3배각의 회전 변환을 통해 DC 형태 전류로 추출하는 0상 전류 추출부;
    상기 모터의 0상 성분 전류 지령과 상기 추출된 0상 성분 전류의 DC 형태 전류를 기반으로 오차 감소를 위한 전압 지령을 생성하는 제어부; 및
    상기 오차 감소를 위한 전압 지령을 3배각의 역회전 변환을 통해 3차 고조파 형태의 상기 0상 성분 전압 지령으로 변환하는 역회전 변환부를 포함하는 모터 구동 장치.
KR1020220004226A 2022-01-11 2022-01-11 모터 구동 장치 KR20230108609A (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220004226A KR20230108609A (ko) 2022-01-11 2022-01-11 모터 구동 장치
US17/889,503 US11784605B2 (en) 2022-01-11 2022-08-17 Motor driving apparatus
EP22191479.9A EP4210217A1 (en) 2022-01-11 2022-08-22 Motor driving apparatus
CN202211113094.4A CN116470819A (zh) 2022-01-11 2022-09-14 电机驱动装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220004226A KR20230108609A (ko) 2022-01-11 2022-01-11 모터 구동 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230108609A true KR20230108609A (ko) 2023-07-18

Family

ID=83006040

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220004226A KR20230108609A (ko) 2022-01-11 2022-01-11 모터 구동 장치

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11784605B2 (ko)
EP (1) EP4210217A1 (ko)
KR (1) KR20230108609A (ko)
CN (1) CN116470819A (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090033253A1 (en) 2007-07-30 2009-02-05 Gm Global Technology Operations, Inc. Electric traction system for a vehicle having a dual winding ac traction motor
JP6285256B2 (ja) 2014-04-02 2018-02-28 株式会社Ｓｏｋｅｎ 電力変換装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080067960A1 (en) * 2004-11-24 2008-03-20 Nsk, Ltd. Unconnected Motor, Drive Control Device Thereof, And Electric Power Steering Device Using Drive Control Device Of Unconnected Motor
US10236818B2 (en) * 2014-10-15 2019-03-19 Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial Systems Corporation Drive and control apparatus for multiple-winding motor
JP7074613B2 (ja) 2018-08-20 2022-05-24 株式会社東芝 オープン巻線モータ駆動装置及び冷凍サイクル装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090033253A1 (en) 2007-07-30 2009-02-05 Gm Global Technology Operations, Inc. Electric traction system for a vehicle having a dual winding ac traction motor
JP6285256B2 (ja) 2014-04-02 2018-02-28 株式会社Ｓｏｋｅｎ 電力変換装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN116470819A (zh) 2023-07-21
EP4210217A1 (en) 2023-07-12
US11784605B2 (en) 2023-10-10
US20230223883A1 (en) 2023-07-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6486632B2 (en) Control device for motor/generators
JP4844753B2 (ja) 電気自動車の制御装置
US7282886B1 (en) Method and system for controlling permanent magnet motor drive systems
JP6742393B2 (ja) 電力変換装置、発電電動機の制御装置、および、電動パワーステアリング装置
CN114567230A (zh) 马达驱动装置及方法
JP7070064B2 (ja) 回転電機の制御装置
JP7312065B2 (ja) モータ制御装置、機電一体ユニット、発電機システム、モータ駆動装置および電動車両システム
JP6705438B2 (ja) 回転電機の制御装置
KR20230108609A (ko) 모터 구동 장치
JP3980324B2 (ja) モータ駆動電流制御装置およびその方法
JP7211242B2 (ja) 変調方式切替装置
JP7413171B2 (ja) モータ制御装置、機電一体ユニット、発電機システム、昇圧コンバータシステム、および電動車両システム
JPH10117403A (ja) 電気車用ハイブリッド駆動システム
JP2000308368A (ja) 電力変換回路
US11936314B2 (en) Motor drive device
JP2023025672A (ja) モーター駆動装置
KR20230013946A (ko) 모터 구동 장치
RU2463699C1 (ru) Устройство преобразования мощности для возбуждения электродвигателя
US11784604B2 (en) Motor driving apparatus
KR101038302B1 (ko) 12상 교류 전동기의 제어방법
WO2022130731A1 (ja) モータ制御装置、機電一体ユニット、昇圧コンバータシステム、電動車両システム、およびモータ制御方法
KR20230013947A (ko) 모터 구동 장치
JP2004274806A (ja) モータ制御装置
WO2018216604A1 (ja) 回転電機の制御装置
JP4153778B2 (ja) モータ駆動システム