KR20230108610A - 모터 구동 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

모터 구동 장치 및 그 제어방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20230108610A
KR20230108610A KR1020220004227A KR20220004227A KR20230108610A KR 20230108610 A KR20230108610 A KR 20230108610A KR 1020220004227 A KR1020220004227 A KR 1020220004227A KR 20220004227 A KR20220004227 A KR 20220004227A KR 20230108610 A KR20230108610 A KR 20230108610A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
motor
inverter
driving
limit table
torque limit
Prior art date
Application number
KR1020220004227A
Other languages
English (en)
Inventor
빈승현
박한희
김성민
최호림
이선미
박상우
유태일
장호선
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 KR1020220004227A priority Critical patent/KR20230108610A/ko
Priority to US17/868,245 priority patent/US11855568B2/en
Priority to DE102022207668.0A priority patent/DE102022207668A1/de
Priority to CN202211028159.5A priority patent/CN116470821A/zh
Publication of KR20230108610A publication Critical patent/KR20230108610A/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
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load
    • H02P29/028—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the motor continuing operation despite the fault condition, e.g. eliminating, compensating for or remedying the fault
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/20—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed
    • 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
    • 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
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/032—Preventing damage to the motor, e.g. setting individual current limits for different drive conditions
    • 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
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Abstract

복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하는 모터 구동 장치가 개시된다. 모터 구동 장치는, 복수의 제1스위칭소자를 포함하며 복수의 권선 각각의 제1단에 연결된 제1인버터; 복수의 제2스위칭소자를 포함하며 복수의 권선 각각의 제2단에 연결된 제2인버터; 복수의 권선 각각의 턴수를 사전 설정된 비율로 분할하는 지점을 선택적으로 상호 연결/차단하는 제3스위칭소자; 및 모터의 요구 출력을 기반으로 제1스위칭소자 내지 제3스위칭소자의 온/오프 상태를 제어하는 컨트롤러를 포함한다.

Description

모터 구동 장치 및 그 제어방법 {MOTOR DRIVING APPARATUS AND CONTROL METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 모터 구동 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로써, 시스템 요구 출력에 따라 모터를 Y-결선 모터 구동모드 및 오픈 엔드 와인딩 모터 구동모드로 전환하고, 인버터의 고장시에도 안전한 대응이 가능한 모터 구동 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 3상 교류 모터에 포함된 U,V,W 각 상의 권선은 그 일단이 하나의 인버터에 연결되고 타단이 서로 연결되어 Y-결선 중성단을 형성한다.
이러한 3상 모터의 구동 시, 인버터 내의 스위칭소자는 펄스폭 변조 제어(PWM)에 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 극대화 하는 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 증가 시킬수록 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.
따라서, 하나의 모터로 저출력 및 고출력 구간을 모두 커버하면서도 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 모터 구동 기술이 요구되고 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
본 발명은 모터의 요구 출력에 따라 모터 구동모드를 Y-결선 모터 구동모드 및 오픈 엔드 와인딩 모터 구동모드로 전환하여 모터 구동을 위한 인버터 효율을 향상시킬 수 있고, 인버터의 고장시에도 안정적으로 모터를 제어할 수 있도록 하는 모터 구동 장치 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것이다.
과제의 해결을 위한본 발명의 모터 구동 장치는, 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하는 모터 구동 장치로서, 복수의 제1스위칭소자를 포함하며 복수의 권선 각각의 제1단에 연결된 제1인버터; 복수의 제2스위칭소자를 포함하며 복수의 권선 각각의 제2단에 연결된 제2인버터; 제2인버터와 모터를 연결하거나 차단하는 제3스위칭소자; 및 제3스위칭소자의 제어를 통해 제1인버터만로 모터를 구동하는 제1구동모드 및 제1인버터와 제2인버터로 모터를 구동하는 제2구동모드를 구현하며, 각각의 구동모드에 대응되는 토크제한테이블을 구비하고, 제2구동모드에서 제2인버터의 고장시 토크제한테이블을 제1구동모드 토크제한테이블로 전환하는 컨트롤러;를 포함한다.
제3스위칭소자는 복수의 권선의 제2단과 제2인버터의 사이에 마련될 수 있다.
컨트롤러는 제1구동모드시 제3위칭소자를 ON하여 제3스위칭소자가 Y결선의 중성단으로 작용하도록 하고, 제2구동모드시 제3위칭소자를 OFF하여 제1인버터 및 제2인버터를 통해 모터를 구동할 수 있다.
컨트롤러는 제2구동모드에서 제2인버터의 고장시 토크제한테이블을 제1구동모드 토크제한테이블로 전환한 후 제3스위칭소자를 제어하여 제2인버터와 모터를 차단할 수 있다.
토크제한테이블은 모터의 회전속도와 인버터측 입력전압을 입력으로 하고 모터의 최대제어토크를 출력으로 하는 데이터 테이블일 수 있다.
컨트롤러는 제2구동모드에서 제2인버터의 고장시 제2인버터의 펄스폭 변조 제어가 불능인 경우 토크제한테이블을 제1구동모드 토크제한테이블로 전환할 수 있다.
컨트롤러는 모터의 요구 출력이 사전 설정된 기준값 보다 작은 경우 모터를 제1구동모드로 제어하고, 모터의 요구 출력이 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우 모터를 제2구동모드로 제어할 수 있다.
이러한 모터 구동 장치를 제어하는 방법은, 컨트롤러가 제2구동모드에서 제2인버터의 고장을 감지하는 단계; 컨트롤러가 제2인버터의 고장시 토크제한테이블을 제1구동모드 토크제한테이블로 전환하는 단계; 및 컨트롤러가 제1구동모드 토크제한테이블에 따라 제1인버터를 통하여 모터를 구동하는 단계;를 포함한다.
제1인버터를 통하여 모터를 구동하는 단계에서는 컨트롤러가 토크제한테이블을 제1구동모드 토크제한테이블로 전환한 후 제3스위칭소자를 제어하여 모터가 제1인버터를 통하여 구동되도록 할 수 있다.
본 발명의 모터 구동 장치 및 그 제어방법에 따르면, 종래의 일반적인 Y-결선 모터를 하나의 인버터로 구동하는 것에 비해 전체 토크 구간에서 효율을 향상시킬 수 있어 차량 전비 향상에 기여할 수 있다.
특히, 2개의 인버터를 모두 펄스폭 변조 제어하는 오픈 엔드 와인딩 구동 모드에서 일측 인버터의 고장시에도 안정적으로 하나의 인버터로 모터를 구동함으로써 시스템 안정성과 주행 편의성을 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 1 내지 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 회로도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 컨트롤러의 구성도.
도 4 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 컨트롤러의 토크제한테이블을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치 제어방법의 순서도.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 모터 구동 장치를 상세하게 설명한다.
도 1 내지 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 회로도이다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 복수의 상에 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터(400)로 구동 전력을 공급하는 모터 구동장치로서, 복수의 제1스위칭소자(S11-S16)를 포함하며 모터(400)의 권선 각각의 제1단에 연결된 제1인버터(210)와, 복수의 제2스위칭소자(S21-S26)를 포함하며 모터(400)의 권선 각각의 제2단에 연결된 제2인버터(220)가 구비된다.
그리고 모터(400)와 제2인버터(220)를 상호 연결/차단하는 제3스위칭소자(240) 및 모터(400)의 요구 출력을 기반으로 제1스위칭소자(S11-S16), 제2스위칭소자(S21-S26) 및 제3스위칭소자(240)의 온/오프 상태를 제어하는 컨트롤러(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 컨트롤러는 차량의 다양한 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 알고리즘 또는 상기 알고리즘을 재생하는 소프트웨어 명령어에 관한 데이터를 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리(도시되지 않음) 및 해당 메모리에 저장된 데이터를 사용하여 이하에 설명되는 동작을 수행하도록 구성된 프로세서(도시되지 않음)를 통해 구현될 수 있다. 여기서, 메모리 및 프로세서는 개별 칩으로 구현될 수 있다. 대안적으로는, 메모리 및 프로세서는 서로 통합된 단일 칩으로 구현될 수도 있으며, 프로세서는 하나 이상의 프로세서의 형태를 취할 수도 있다.
제1인버터(210)와 제2인버터(220)는 배터리(230)에 저장된 직류 전력을 삼상의 교류 전력으로 변환하여 모터(400)로 제공하거나, 회생 제동 시 모터(400)의 회생 제동 토크 발생으로 인해 생성되는 회생 제동 에너지를 직류로 변환하여 배터리(230)로 제공할 수 있다. 이러한 직류 전력과 교류 전력 사이의 변환은 제1인버터(210)와 제2인버터(220)에 각각 구비된 복수의 제1스위칭소자(S11-S16) 및 복수의 제2스위칭소자(S21-S26)의 펄스폭 변조 제어에 의해 수행될 수 있다.
제1인버터(210)는 배터리(230)의 양단 사이에 연결된 직류 링크 커패시터에 형성된 직류 전압이 인가되는 복수의 레그를 포함할 수 있다. 각 레그는 모터(400)의 복수의 상에 각각 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로 제1레그는 직류 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭소자(S11, S12)를 포함하며, 두 스위칭소자(S11, S12)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(400) 내 한 상의 권선의 일단에 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2레그는 직류 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭소자(S13, S14)를 포함하며, 두 스위칭소자(S13, S14)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(400) 내 한 상의 권선의 일단에 연결될 수 있다. 또한, 제3레그는 직류 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭소자(S15, S16)를 포함하며, 두 스위칭소자(S15, S16)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(400) 내 한 상의 권선의 일단에 연결될 수 있다.
제2인버터(220) 역시 제1인버터(210)와 유사한 구성을 가질 수 잇다. 제2인버터(220)는 배터리(230)의 양단 사이에 연결된 직류 링크 커패시터에 형성된 직류 전압이 인가되는 복수의 레그를 포함할 수 있다. 각 레그는 모터(400)의 복수의 상에 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로 제1레그는 직류 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭소자(S21, S22)를 포함하며, 두 스위칭소자(S21, S22)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(400) 내 한 상의 권선의 타단에 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2레그는 직류 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭소자(S23, S24)를 포함하며, 두 스위칭소자(S23, S24)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(400) 내 한 상의 권선의 타단에 연결될 수 있다. 또한, 제3레그는 직류 커패시터의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭소자(S25, S26)를 포함하며, 두 스위칭소자(S25, S26)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(400) 내 한 상의 권선의 일단에 연결될 수 있다.
제1인버터(210)는 모터(400)의 권선의 일단에 연결되고 제2인버터(220)는 모터(400)의 권선의 타단에 연결된다. 즉, 모터(400)의 권선의 양단은 제1인버터(210)와 제2인버터(220)에 각각 연결되는 오픈 엔드 와인딩 방식의 전기적 연결이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제3스위칭소자(240)는 모터(400)와 제인버터의 사이에 각 상마다 연결되도록 마련될 수 있다. 도 1의 실시예의 경우는 전자적 스위치의 예시를 나타내면, 도 2의 경우는 제3스위칭소자(240)가 기계적 스위치인 경우를 나타낸다.
제3스위칭소자(240)가 오프(OFF)되는 경우에는 모터(400)가 오픈 엔드 와인딩(OEW) 모드로 구동되어 높은 출력을 구현할 수 있고, 제3스위칭소자(240)가 온(ON)되는 경우에 모터(400)의 권선은 제3스위칭소자(240)가 연결된 위치에서 상호 Y-결선을 형성하며 중성단을 구성하게 된다. 예를 들어, 제3스위칭소자(240)가 온되고 제2인버터(220) 내의 복수의 스위칭소자(S21-S26)가 모두 오프되어 동작하지 않는 상태이고 제1인버터(210)가 모터(400) 구동을 위해 동작하는 경우, 모터(400)는 단일의 인버터를 통해 구동될 수 있다.
제3스위칭소자(240)는 MOSFET, IGBT, 사이리스터, 릴레이 등과 같이 당 기술 분야에 알려진 다양한 스위칭 수단이 채용될 수 있다.
컨트롤러(120)는 기본적으로는 모터(400)에 요구되는 요구 출력을 기반으로 모터(400)가 구동될 수 있도록 제1인버터(210)와 제2인버터(220)에 포함된 스위칭소자(S11-S16, S21-S21)를 펄스폭 변조 제어하는 요소이다. 특히, 본 발명의 여러 실시형태에서, 컨트롤러(120)는 모터(400)의 요구 출력을 기반으로 모터 구동에 사용되는 인버터를 결정하고 그에 따라 제3스위칭소자(240)의 온/오프 상태를 결정하며 구동이 결정된 인버터의 스위칭소자를 펄스폭 변조 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 컨트롤러(120)의 구성도이다. 운전자의 요구출력은 VCU(100)를 통해 입력되고, 이는 토크지령으로써 제1인버터의 입력단 전압과 모터회전수와 함께 토크제한테이블(202)에 입력된다. 토크제한테이블(202)에서는 제한토크 하에서의 토크지령이 출력되고 이는 자속과 함께 자속기반 전류지령 맵(206)에 입력되어 요구전류(IdqRef)가 도출된다. 자속의 경우는 입력전압, 모터속도, 토크지령, 요구전압(VdqRef)이 자속 제어기(204)에 입력되어 도출된다.
도출된 요구전류(IdqRef)와 피드백된 출력전류(IdqAct)는 전류 제어기(200)에 입력되어 요구전압(VdqRef)이 출력되고, 이는 좌표변환 및 SVPWM 지령(302)으로 생성되어 최소거리과변조(304)를 통해 인버터에 입력되는 것이다. 그리고 이를 통해 출력전류(IdqAct)로 모터(400)가 구동되고, 출력전류는 다시 좌표변환(306)되어 전류제어기(200)로 피드백되는 것이다.
컨트롤러(120)는 모터(400)에 요구되는 출력이 사전 설정된 기준값 보다 작은 경우, 컨트롤러(120)는 제2인버터(220)를 작동시키지 않고 제1인버터(210)의 스위칭소자(S11-S16)를 펄스폭 변조 제어하여 모터(400)를 구동시킬 수 있다(설명의 편의를 위해 '제1구동모드'라 함). 이 때, 컨트롤러(120)는 제3스위칭소자(240)을 온 상태가 되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, Y-결선을 형성하고 모터가 구동되는 것이다. 이와 같이, 하나의 인버터를 펄스폭 변조 제어하여 모터(400)를 구동하기 위한 다양한 기법은 해당 기술 분야에 이미 공지되어 있으므로, 제1구동모드에서 이루어지는 인버터의 펄스폭 변조 제어 기법에 대해서는 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 모터(400)에 요구되는 출력이 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우, 컨트롤러(120)는 제1인버터(210)와 제2인버터(220)를 모두 작동시켜 모터(400)를 구동시킬 수 있다(설명의 편의를 위해 '제2구동모드'라 함). 이 때, 컨트롤러(120)는 제3스위칭소자(240)을 오프 상태가 되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 모터(400)의 일단은 제1인버터(20)와 연결되며 그 타단은 제2인버터(220)와 연결된다. 즉, 제2구동모드에서 모터(400)는 권선의 양단이 모두 개방된 상태인 오픈 엔드 와인딩 모터가 되며 권선의 양단에 각각 연결된 두 개의 인버터(10, 20)를 펄스폭 변조 제어하여 구동될 수 있다.
제2구동모드에서의 모터 구동은, 컨트롤러(120)가 제1인버터(210) 및 제2인버터(220)의 직류 전압과 전류 센서(50)에서 검출되는 모터(400)로 제공되는 상전류 및 모터(400)에 설치된 모터 회전자 센서(미도시)에 검출된 모터각 등을 입력 받아 제1인버터(210)의 제1스위칭소자(S11-S16) 및 제2인버터(220)의 제2스위칭소자(S21-S26)를 펄스폭 변조 제어하여 달성될 수 있다. 오픈 엔드 와인딩 모터의 권선의 양단에 연결된 두 개의 인버터를 펄스폭 변조 제어하여 모터를 구동하기 위한 다양한 기법은 해당 기술 분야에 이미 공지되어 있으므로, 제2구동모드에서 이루어지는 인버터의 펄스폭 변조 제어에 대해서는 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 제1구동모드에서 Y-결선 모터를 제1인버터(210)를 제어하여 구동하게 되고, 제2구동모드에서 오픈 엔드 와인딩 모터를 제1인버터(210) 및 제2인버터(220)의 제어를 통해 구동하게 된다. 모터(400)가 차량의 구동에 적용되는 경우, 주요 차량 운전점은 도심 주행 시의 운전점과 고속도로 주행 시의 운전점과 같이 나타나고, 모터-인버터 시스템의 효율이 높은 영역에 이 운전점들이 포함되도록 하는 것이 바람직하다.
제2구동모드는 오픈 엔드 와인딩 모터를 구동하는 모드이고, 오픈 엔드 와인딩 구동에서는 동일 턴수를 갖는 Y-결선된 권선의 모터를 단순히 하나의 인버터로 구동하는 경우에 비해 인버터의 출력을 대략 배 높게 설정하는 것이 가능한 것으로 알려져 있다. 즉, 제2구동모드인 오픈 엔드 와인딩 구동을 적용하는 경우 모터의 턴수를 배 증가시키는 것이 가능해지며 이에 따라 모터가 동일 출력을 내기 위한 전류 출력을 배 감소시킬 수 있다.
이와 같이, 오픈 엔드 와인딩 구동 방식을 적용하는 경우에는, 동일 출력을 내기 위해 Y-결선 모터의 구동에 비해 인버터의 전류를 감소시킬 수 있어 효율을 증대 시킬 수 있고 스위칭소자로 적용되는 전력 반도체의 사용량 감소로 재료비를 절감할 수 있게 된다.
한편, 제2구동모드를 적용하는 경우에는, 모터 출력이 증가함에 따라 모터-인버터 시스템의 전압 이용률이 우수한 것으로 판단할 수 있는 사전 설정된 기준값 이상인 영역이 주요 운전점들을 포함하기 어렵다. 따라서, 주요 운전점이 속하는 저토크 영역에서는 제1구동모드로 모터(400)를 구동하고 효율을 향상시키고, 고출력이 필요한 구간에서는 제2구동모드로 모터(400)를 구동하여 상대적으로 인버터 출력 전류를 감소시키고 전력 반도체 사용량을 감소시키는 운전을 수행하는 것이 바람직하다.
더하여, 주요 운전점이 속하는 저토크 영역에서 수행되는 제1구동모드의 효율을 더욱 향상시키기 위해 제1인버터(210)에 적용되는 스위칭소자(S11-S16)는 상대적으로 스위칭 손실이 적은 재료인 SiC로 제작된 MOSFET가 채용되는 것이 더욱 바람직하다. 반면, 고출력 영역에서 작동하는 제2인버터(220)에 적용되는 스위칭소자(S21-S26)는 저렴한 재료인 Si로 제작된 IGBT가 채용되는 것이 바람직하다.
이에 따라, 본 발명의 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 종래의 일반적인 Y-결선 모터를 하나의 인버터로 구동하는 것에 비해 전체 토크 구간에서 효율을 향상시킬 수 있어 차량 연비 향상에 기여할 수 있다.
도 4 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 컨트롤러의 토크제한테이블을 설명하기 위한 도면이다. 앞서 도 3에서 설명한 것과 같이, 컨트롤러에는 토크제한테이블이 구비되고, 운전자의 요구출력은 요구토크로써 제1인버터의 입력단 전압과 모터회전수(또는 속도)와 함께 토크제한테이블에 입력된다. 토크제한테이블에서는 제한토크 하에서의 토크지령이 출력된다.
도 4와 같이, 특정 속도에서 모터시스템이 선형 제어 가능한 토크의 최대 크기는 속도와 인버터 입력 DC전압 크기에 의해 결정되는 전압 제한 타원에 의해 좌우된다. 모터의 Base rpm 이후 영역에서는 모터시스템 벡터제어구조에서 전압/속도별 토크제한 테이블에 따른 출력토크지령 T를 입력받았을 때 자속기반 전류지령맵을 통해 T에 해당하는 등토크 곡선 상에서 전압 제한 타원 내에서의 전류 지령을 형성한다.
도 4에서 볼 수 있듯이 OEW 모드(제2구동모드)에서 정상 주행 중일 때는 제어가능한 최대 토크값은 타원에서의 가장 상위점인 T1이나, 도 5와 같이 제2인버터의 PWM제어 OFF 후 CEW 모드(제1구동모드) 동작시에는 타원의 가장 상위점이 T2로 더 작아진다. 그리고 이는 이론상 모드별 제어가능한 토크제한 값으로서, 구동시 토크 떨림 등의 부작용을 고려하여 토크제한테이블에는 이론 제한 값보다 더 낮은 T2, T3 값으로 제한한다.
따라서, OEW 모드일 때에 비해 CEW 모드 동작시 이론상 제어가능한 토크제한 값이 작고 그에 따라 토크제한테이블도 더 낮은 값으로 제한하기 때문에 주행은 계속 가능하나 동일 속도에서 낼 수 있는 출력의 크기는 작아지는 것이다.
한편, 고출력을 위해 컨트롤러가 모터를 제2구동모드로 동작 구현 중 제2인버터의 고장이 발생되거나, 또는 제2구동모드로 천이하는 과정에서 제2인버터가 고장나거나 고장이 발견되는 경우가 발생할 수 있다.
이러한 경우 토크제한테이블을 도 4의 제2구동모드 토크제한테이블로 유지하고 제2인버터를 제어하려고 할 경우 제어불능의 상태로 되어 차량의 주행이 정지될 수 있고 다른 연관 구성들의 연속적인 고장이 발생할 수 있다.
따라서, 컨트롤러는 제2인버터의 고장시에는 먼저 토크제한테이블을 도 5의 제1구동모드 토크제한테이블로 전환하고, 제3스위칭소자를 제어함으로써 모터를 제1구동모드로 동작하도록 함으로써 운전자의 요구에는 미치지 못하지만 최소한의 주행은 가능하도록 하여 주행안정성과 부품의 내구성을 유지하도록 한다. 그리고 운전자에게는 별도의 경고 등을 통해 차량의 정비를 유도함이 바람직할 것이다.
구체적으로, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치 제어방법의 순서도로서, 본 발명의 모터 구동 장치를 제어하는 방법은, 컨트롤러가 제2구동모드에서 제2인버터의 고장을 감지하는 단계(S100); 컨트롤러가 제2인버터의 고장시 토크제한테이블을 제1구동모드 토크제한테이블로 전환하는 단계(S300); 및 컨트롤러가 제1구동모드 토크제한테이블에 따라 제1인버터를 통하여 모터를 구동하는 단계(S400);를 포함한다.
그리고 제1인버터를 통하여 모터를 구동하는 단계(S400)에서는 컨트롤러가 토크제한테이블을 제1구동모드 토크제한테이블로 전환한 후 제3스위칭소자를 제어하여 모터가 제1인버터를 통하여 구동되도록 할 수 있다.
운전자의 출력요구가 높아 모터를 제2구동모드로 제어할 경우에 있어서 제2인버터의 고장시에는 먼저 컨트롤러에서 제2인버터의 고장과 제1인버터의 정상동작 여부를 확인한다(S100). 만약 제1인버터는 정상이나 제2인버터가 고장인 경우라면, 제2인버터의 고장이 PWM 제어 불능인지를 파악한다(S200). 그리고 최종적으로 제2인버터가 PWM 제어 불능이라면, 우선적으로 토크제한테이블을 제1구동모드 토크제한테이블로 전환한다(S300).
그리고 전환이 완료된 후 제3스위칭소자를 ON하여 제1구동모드로 전환하고 모터 제어를 수행하는 것이다(S400).
이를 통해, 2개의 인버터를 모두 펄스폭 변조 제어하는 오픈 엔드 와인딩 구동 모드에서 일측 인버터의 고장시에도 안정적으로 하나의 인버터로 모터를 구동함으로써 시스템 안정성과 주행 편의성을 향상시키고 내구성을 유지할 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.
210: 제1인버터 220: 제2인버터
400 : 모터 240 : 제3스위칭소자
120 : 컨트롤러

Claims (9)

  1. 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하는 모터 구동 장치로서,
    복수의 제1스위칭소자를 포함하며 복수의 권선 각각의 제1단에 연결된 제1인버터;
    복수의 제2스위칭소자를 포함하며 복수의 권선 각각의 제2단에 연결된 제2인버터;
    제2인버터와 모터를 연결하거나 차단하는 제3스위칭소자; 및
    제3스위칭소자의 제어를 통해 제1인버터만로 모터를 구동하는 제1구동모드 및 제1인버터와 제2인버터로 모터를 구동하는 제2구동모드를 구현하며, 각각의 구동모드에 대응되는 토크제한테이블을 구비하고, 제2구동모드에서 제2인버터의 고장시 토크제한테이블을 제1구동모드 토크제한테이블로 전환하는 컨트롤러;를 포함하는 모터 구동 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제3스위칭소자는 복수의 권선의 제2단과 제2인버터의 사이에 마련된 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    컨트롤러는 제1구동모드시 제3위칭소자를 ON하여 제3스위칭소자가 Y결선의 중성단으로 작용하도록 하고, 제2구동모드시 제3위칭소자를 OFF하여 제1인버터 및 제2인버터를 통해 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    컨트롤러는 제2구동모드에서 제2인버터의 고장시 토크제한테이블을 제1구동모드 토크제한테이블로 전환한 후 제3스위칭소자를 제어하여 제2인버터와 모터를 차단하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    토크제한테이블은 모터의 회전속도와 인버터측 입력전압을 입력으로 하고 모터의 최대제어토크를 출력으로 하는 데이터 테이블인 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    컨트롤러는 제2구동모드에서 제2인버터의 고장시 제2인버터의 펄스폭 변조 제어가 불능인 경우 토크제한테이블을 제1구동모드 토크제한테이블로 전환하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    컨트롤러는 모터의 요구 출력이 사전 설정된 기준값 보다 작은 경우 모터를 제1구동모드로 제어하고, 모터의 요구 출력이 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우 모터를 제2구동모드로 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
  8. 청구항 1의 모터 구동 장치를 제어하는 방법으로서,
    컨트롤러가 제2구동모드에서 제2인버터의 고장을 감지하는 단계;
    컨트롤러가 제2인버터의 고장시 토크제한테이블을 제1구동모드 토크제한테이블로 전환하는 단계; 및
    컨트롤러가 제1구동모드 토크제한테이블에 따라 제1인버터를 통하여 모터를 구동하는 단계;를 포함하는 모터 구동 장치 제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    제1인버터를 통하여 모터를 구동하는 단계에서는 컨트롤러가 토크제한테이블을 제1구동모드 토크제한테이블로 전환한 후 제3스위칭소자를 제어하여 모터가 제1인버터를 통하여 구동되도록 하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치 제어방법.
KR1020220004227A 2022-01-11 2022-01-11 모터 구동 장치 및 그 제어방법 KR20230108610A (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220004227A KR20230108610A (ko) 2022-01-11 2022-01-11 모터 구동 장치 및 그 제어방법
US17/868,245 US11855568B2 (en) 2022-01-11 2022-07-19 Motor driving device and method for controlling same
DE102022207668.0A DE102022207668A1 (de) 2022-01-11 2022-07-27 Motoransteuerungsvorrichtung und verfahren zum steuern derselben
CN202211028159.5A CN116470821A (zh) 2022-01-11 2022-08-25 电机驱动装置及其控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220004227A KR20230108610A (ko) 2022-01-11 2022-01-11 모터 구동 장치 및 그 제어방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230108610A true KR20230108610A (ko) 2023-07-18

Family

ID=86895430

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220004227A KR20230108610A (ko) 2022-01-11 2022-01-11 모터 구동 장치 및 그 제어방법

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11855568B2 (ko)
KR (1) KR20230108610A (ko)
CN (1) CN116470821A (ko)
DE (1) DE102022207668A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11784590B2 (en) 2021-06-04 2023-10-10 Hyundai Motor Company Motor driving apparatus and method of controlling same

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 (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2961972B1 (fr) 2010-06-25 2012-07-13 Valeo Sys Controle Moteur Sas Dispositif electrique d'entrainement d'un equipement mecanique et procede associe
JP6773365B2 (ja) 2016-12-21 2020-10-21 株式会社Ｓｏｋｅｎ 電力変換装置
JP7031180B2 (ja) 2017-09-05 2022-03-08 株式会社デンソー 交流電動機の制御装置
KR20210122343A (ko) * 2020-03-30 2021-10-12 현대자동차주식회사 모터 구동 장치
KR20220074210A (ko) * 2020-11-27 2022-06-03 현대자동차주식회사 모터 구동 장치 및 방법

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

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11784590B2 (en) 2021-06-04 2023-10-10 Hyundai Motor Company Motor driving apparatus and method of controlling same

Also Published As

Publication number Publication date
US11855568B2 (en) 2023-12-26
US20230223888A1 (en) 2023-07-13
CN116470821A (zh) 2023-07-21
DE102022207668A1 (de) 2023-07-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7612509B2 (en) Motor controller
US8639405B2 (en) Electric motor drive system for an electric vehicle
US10003295B2 (en) Inverter control device
KR20210122343A (ko) 모터 구동 장치
JP6477915B2 (ja) 電力変換装置
US10027271B2 (en) Rotating electrical machine control device
CN111201705B (zh) 旋转电机的控制装置
JP2008312398A (ja) 負荷駆動装置
KR20220031308A (ko) 모터 구동 장치
JP3312237B2 (ja) 電力変換装置
JP4784242B2 (ja) 電力変換システムおよびこれをを有する電動車両
US11855568B2 (en) Motor driving device and method for controlling same
JP3758059B2 (ja) 同期電動機の駆動制御装置
KR20210008974A (ko) 모터 제어 시스템 및 방법
JP5082495B2 (ja) 電動回転機の電源制御装置
JP2015164385A (ja) 可変速電気機械
CN114567230A (zh) 马达驱动装置及方法
JP7037473B2 (ja) 電力変換装置
US8148927B2 (en) Alternating-current motor control apparatus
JP7316194B2 (ja) 駆動システムの制御装置
JP5017529B2 (ja) 磁石式同期モータ用電力変換装置
KR20230131023A (ko) 모터 구동 장치
JPH05260757A (ja) 電動機駆動用インバータ装置
US20220352838A1 (en) Motor-driving apparatus
KR20230119440A (ko) 모터 구동 장치