KR20230119923A - 모터 구동 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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임현재
채영호
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Abstract

복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하는 모터 구동 장치가 개시된다. 상기 모터 구동 장치는, 상기 모터를 클로즈드 엔드 와인딩 모드 또는 오픈 엔드 와인딩 모드로 동작시키는 모드 절환 스위치와 복수의 인버터; 및 역자속 기반의 제1 모드 판단 결과 및 모드별 출력 제한 기반의 제2 모드 판단 결과를 기반으로 상기 모드 절환 스위치 및 상기 복수의 인버터를 제어하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.

Description

모터 구동 장치 및 그 제어 방법{MOTOR DRIVING APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 모터 구동 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구동 요소별 출력 제한을 고려하여 모터 구동 모드의 절환이 가능한 모터 구동 장치 및 그 제어 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 극대화 하는 것이 중요하다.
당 기술 분야에서는 하나의 모터로 저출력 및 고출력 구간을 모두 커버하면서도 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 모터 구동 기술이 요구됨에 따라, 최근에는 두 개의 인버터와 모드 절환 스위치를 이용하여 하나의 모터를 서로 다른 모드로 구동하는 기술이 도입되고 있다. 여기서, 서로 다른 모드 중 하나는 Y-결선 구조를 이용하며 하나의 인버터를 이용하는 클로즈드 엔드 와인딩 모드이고, 다른 하나는 두 개의 인버터를 함께 이용하는 오픈 엔드 와인딩 모드이다.
그런데, 이러한 모드 간의 절환을 수행하는 기준은 일반적으로 클로즈드 엔드 와인딩 모드에서 사용되는 인버터에서 모터의 토크과 역자속을 고려하여 약자속 제어에 진입하는 시점에 따르는 것이 보통이다.
그러나, 역자속만 고려하여 모드간 절환을 수행할 경우, 요구 토크가 높은 상황에서 모드 절환이 발생하면 해당 시점의 운전점에 따라서는 두 모드간 모터의 최대 출력 토크가 상이함에 따른 토크 급변이 발생하여 토크 제어성이 악화되는 문제점이 있다.
아울러, 일반적인 모터 구동 장치의 출력 제어에 있어서는 각 모드에서두 개의 인버터와 절환 스위치의 상태를 모두 고려하여, 일괄적으로 출력 제한을 설정하였기 때문에 해당 모드에 무관한 구동 요소의 상태에도 출력에 영향을 받는 문제점이 있어 왔다.
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, 모드 절환시 토크 제어성을 확보할 수 있는 모터 구동 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 보다 효과적으로 출력 제한을 설정할 수 있는 모터 구동 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은, 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터; 상기 모터를 클로즈드 엔드 와인딩 모드 또는 오픈 엔드 와인딩 모드로 동작시키는 모드 절환 스위치와 복수의 인버터; 및 역자속 기반의 제1 모드 판단 결과 및 모드별 출력 제한 기반의 제2 모드 판단 결과를 기반으로 상기 모드 절환 스위치 및 상기 복수의 인버터를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 모터 구동 장치를 제공한다.
예를 들어, 상기 제1 모드 판단 결과 또는 상기 제2 모드 판단 결과가 상기 오픈 엔드 와인딩 모드인 경우, 상기 컨트롤러는 상기 모터가 상기 오픈 엔드 와인딩 모드로 동작하도록 상기 모드 절환 스위치 및 상기 복수의 인버터를 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 모드 판단 결과 및 상기 제2 모드 판단 결과가 모두 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드인 경우, 상기 컨트롤러는 상기 모터가 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 동작하도록 상기 모드 절환 스위치 및 상기 복수의 인버터를 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 모드 판단 결과는, 토크별 역자속 값에 소정의 히스테리시스를 적용하여 현재 역자속 값과 비교한 결과를 기반으로 판단될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 모드 판단 결과는, 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드의 제1 출력 제한과 상기 오픈 엔드 와인딩 모드의 제2 출력 제한 각각과 현재 토크 지령을 비교하여 모드별로 상기 현재 토크 지령을 만족시킬 수 있는지 여부로 판단될 수 있다.
예를 들어, 상기 컨트롤러는, 상기 현재 토크 지령을 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드와 상기 오픈 엔드 와인딩 모드 모두가 만족시킬 수 있을 경우, 상기 제2 모드 판단 결과를 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 판단할 수 있다.
예를 들어, 상기 컨트롤러는, 상기 현재 토크 지령을 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드와 상기 오픈 엔드 와인딩 모드 모두가 만족시킬 수 없을 경우, 상기 제2 모드 판단 결과를 현재 적용 중인 모드로 판단할 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 인버터는, 복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터 및 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 출력 제한은 상기 제1 인버터 및 상기 모드 절환 스위치의 상태를 기반으로 판단되고, 상기 제2 출력 제한은 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터의 상태를 기반으로 판단될 수 있다.
예를 들어, 상기 모드 절환 스위치는, 일단이 각각 상기 제2 단에 연결되고, 타단이 상호 연결된 복수의 제3 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 모드 절환 스위치와 복수의 인버터를 통해 구동시키는 모터 구동 장치의 제어 방법은, 역자속, 클로즈드 엔드 와인딩 모드에서의 제1 출력 제한 및 오픈 엔드 와인딩 모드에서의 제2 출력 제한을 판단하는 단계; 상기 판단된 역자속을 기반으로 한 제1 모드 판단과 상기 제1 출력 제한 및 상기 제2 출력 제한을 기반으로 한 제2 모드 판단을 수행하는 단계; 상기 제1 모드 판단의 제1 결과와 상기 제2 모드 판단의 제2 결과를 기반으로 상기 모터의 구동 모드를 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드 또는 상기 오픈 엔드 와인딩 모드로 결정하는 단계; 및 상기 결정된 구동 모드에 따라 상기 모드 절환 스위치 및 상기 복수의 인버터를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 결정하는 단계는, 상기 제1 결과 또는 상기 제2 결과가 상기 오픈 엔드 와인딩 모드인 경우, 상기 구동 모드를 상기 오픈 엔드 와인딩 모드로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 결정하는 단계는, 상기 제1 결과 및 상기 제2 결과가 모두 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드인 경우, 상기 구동 모드를 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 결과는 토크별 역자속 값에 소정의 히스테리시스를 적용하여 현재 역자속 값과 비교한 결과를 기반으로 판단되고, 상기 제2 결과는 상기 제1 출력 제한과 상기 제2 출력 제한 각각과 현재 토크 지령을 비교하여 모드별로 상기 현재 토크 지령을 만족시킬 수 있는지 여부로 판단될 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 인버터는 복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터 및 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터를 포함하고, 상기 제1 출력 제한은 상기 제1 인버터 및 상기 모드 절환 스위치의 상태를 기반으로 판단되고, 상기 제2 출력 제한은 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터의 상태를 기반으로 판단될 수 있다.
상기 모터 구동 장치에 따르면, 모터의 구동 모드를 상황에 따라 절환함으로써 CEW 모드에서는 높은 효율을 달성하고, OEW 모드에서는 높은 출력을 낼 수 있다.
또한, 모터 구동 모드의 판단에 있어서 모드별 출력 제한의 판단에 실질적으로 해당 모드의 동작에 관여하지 않는 요소를 배제시킴으로써 불필요한 출력 제한을 방지할 수 있다.
아울러, 기존의 역자속 기반의 모터 구동 모드 판단과 함께 출력 제한 기반의 모드 판단을 함께 수행함으로써 고토크 지령 상황에서 토크 급변을 방지하고 최대한 토크 지령을 추종할 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 실시예들에 적용될 수 있는 모터 구동 장치의 회로도이다.
도 2는 일반적인 자속 기반 모드 절환 기준을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일반적인 출력 제한 제어 형태의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 모드 제어 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모드 절환 함수 구성의 일례를 나타낸다
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어 방법의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 모터 제어기(MCU), 하이브리드 제어기(HCU) 등의 명칭에 포함된 유닛(Unit) 또는 제어 유닛(Control Unit)은 차량 특정 기능을 제어하는 제어 장치(Controller)의 명명에 널리 사용되는 용어일 뿐, 보편적 기능 유닛(Generic function unit)을 의미하는 것은 아니다. 예컨대, 각 제어기는 담당하는 기능의 제어를 위해 다른 제어기나 센서와 통신하는 통신 장치, 운영체제나 로직 명령어와 입출력 정보 등을 저장하는 메모리 및 담당 기능 제어에 필요한 판단, 연산, 결정 등을 수행하는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있는 모터 구동 장치의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 모터 구동 장치는, 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선(C1-C3)을 갖는 모터(30)로 구동 전력을 공급하는 모터 구동장치로서, 복수의 제1 스위칭 소자(S11-S16)를 포함하며 모터(30)의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터(10)와, 복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 포함하며 모터(30)의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터(20)와, 모터(30)의 권선 각각의 제2 단에 일단이 각각 연결되고 그 타단이 상호 연결된 복수의 제3 스위칭 소자(S31-S33) 및 모터(30)의 요구 출력을 기반으로 제1 스위칭 소자(S11-S16), 제2 스위칭 소자(S21-S26) 및 제3 스위칭 소자(S31-S33)의 온/오프 상태를 제어하는 컨트롤러(70)를 포함할 수 있다.
제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)는 배터리(50)에 저장된 직류 전력을 삼상의 교류 전력으로 변환하여 모터(30)로 제공하거나, 회생 제동 시 모터(30)의 회생 제동 토크 발생으로 인해 생성되는 회생 제동 에너지를 직류로 변환하여 배터리(50)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(50)의 양단 사이에 연결된 직류 링크 커패시터(60)에 형성된 직류 전압이 인가되는 복수의 레그(11-13)를 포함할 수 있다. 각 레그(11-13)는 모터(30)의 복수의 상에 각각 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다.
제2 인버터(20) 역시 제1 인버터(10)와 유사한 구성을 가질 수 잇다. 제2 인버터(20)는 배터리(50)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(30)의 복수의 상에 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다.
복수의 제3 스위칭 소자(40)는 모터(30)에 포함된 복수의 권선(C1-C3) 각각의 타단에 일단이 각각 연결되고 그 타단은 상호간에 연결될 수 있다.
이러한 연결구조에서, 제3 스위칭 소자(40)가 온되는 경우 모터(30)의 권선(C1-C3)의 타단은 상호 전기적인 접속을 형성하게 되어 모터(30)는 중성점을 갖는 Y-결선된 권선 구조를 갖게 된다. 따라서, 복수의 제3 스위칭 소자(40)가 온된 상태에서는 제2 인버터(20)를 비활성화 하고(복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26)을 모두 오프 시키고), 제1 인버터(10)의 제1 스위칭 소자(S11-S16)만 펄스폭 변조 제어를 통해 스위칭 함으로써 모터(30)를 구동할 수 있다.
제3 스위칭 소자(40)가 오프되는 경우에 모터(30)의 권선(C1-C3)의 양단은 각각 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 연결된 상태가 된다. 따라서, 복수의 제3 스위칭 소자(40)가 오프된 상태에서는 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)를 모두 활성화 하여 제1 스위칭 소자(S11-S16) 및 제2 스위칭 소자(S21-S26)을 모두 펄스폭 변조 제어를 통해 스위칭 함으로써 모터(30)를 구동할 수 있다.
당 기술 분야에서, 제3 스위칭 소자(40)를 온 시켜 모터(30)의 권선(C1-C3)의 타단을 결선시키고 제1 인버터(10)만 활성화 하여 모터(30)를 구동하는 모드를 클로즈드 엔드 와인딩(Closed End Winding: CEW) 모드 또는 Y-결선 모드라 하고, 제3 스위칭 소자(40)를 오프시키고 모터(30)의 권선(C1-C3)의 양단에 각각 연결된 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)를 모두 활성화 하여 모터(30)를 구동하는 모드를 오픈 엔드 와인딩(Open End Winding: OEW) 모드라 칭할 수 있다. 따라서, 복수의 제3 스위칭 소자(40)는 '모드 절환 스위치'라 칭할 수 있다.
제3 스위칭 소자(S31-S33)는 MOSFET, IGBT, 사이리스터, 릴레이 등과 같이 당 기술 분야에 알려진 다양한 스위칭 수단이 채용될 수 있다.
컨트롤러(70)는 기본적으로는 모터(30)에 요구되는 요구 출력을 기반으로 모터(30)가 구동될 수 있도록 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 포함된 스위칭 소자(S11-S16, S21-S21)를 펄스폭 변조 제어를 통해 스위칭 하는 요소이다. 특히, 본 발명의 여러 실시형태에서, 컨트롤러(70)는 모터(30)의 요구 출력을 기반으로 모터의 구동 모드를 결정하고 그에 따라 제3 스위칭 소자(40)의 온/오프 상태를 결정하며 모드에 따라 활성화 되는 컨버터의 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어를 통해 스위칭 할 수 있다.
도 1을 참조하여 상술한 모터 구동 장치는 역자속을 고려하여 설정된 기준에 따라 모드간 절환을 수행할 수 있다. 이를 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 일반적인 자속 기반 모드 절환 기준을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 그래프에서 가로축은 모터의 속도를, 세로축은 모터의 토크를 각각 나타낸다. 도 2를 참조하면, 제1 인버터(10)를 이용하는 CEW 모드 대비 두 인버터(10, 20)를 함께 이용하는 OEW 모드에서 더 큰 출력을 낼 수 있음을 알 수 있다. 한편, 그래프의 중앙 부근에는 모드 절환 기준선이 설정된다. 모드 절환 기준선은 모터의 역자속을 고려하여, CEW 모드에서 제1 인버터(10)에 대한 약자속 진입 제어가 시작되는 운전점을 연결한 것이다. 일반적으로 모터 구동 장치를 제어함에 있어서는 이러한 모드 절환 기준선을 기준으로 하여, 그 좌측의 운전점 영역에서는 CEW 모드로 모터가 구동되고, 그 우측의 운전점 영역에서는 OEW 모드로 모터가 구동된다.
그러나, 이와 같이 역자속만 고려하게 되면 높은 요구 토크(즉, 토크 지령)가 유지되는 상황에서는 토크 제어성 문제가 발생한다. 예컨대, 차량이 정지상태에서 최대 가용 토크 수준의 토크 지령에 의해 가속하게 될 경우, CEW 모드에서 발진을 시작하여 도 2에 도시된 화살표로 표시된 CEW 출력 제한선을 따라 최대 토크를 유지하며 모터의 RPM이 증가할 것이다. RPM이 증가하면서 CEW 모드에 설정된 출력 제한에 따라 최대 토크도 감소하기 시작하나, 모드 절환 기준선과 만나기 전까지는 CEW 모드가 유지된다. 그러나, 현재 운전점이 모드 절환 기준선과 만나는 지점(210)에서는 OEW 모드로 절환될 것이다. 이때, 절환 시점의 속도에서 OEW 모드의 최대 토크가 크고, 높은 요구 토크도 그대로 유지되므로 모드 절환과 함께 요구 토크 만족을 위해 OEW 모드의 출력 제한선 내에서 최대 토크가 출력될 것이다. 결국, 해당 RPM에서 CEW 모드의 출력 제한에 따른 최대 토크와 OEW 모드의 출력 제한에 따른 최대 토크의 차분만큼 순간적인 토크 급변이 발생하므로 토크 제어성이 불안정해질 수 있다.
뿐만 아니라, 일반적인 모터 구동 장치의 제어에 있어서는 CEW 모드와 OEW 모드 모두에서 제1 인버터(10), 제2 인버터(20) 및 제3 스위칭 소자(40) 전체의 상태를 고려하여, 어느 하나에만 고장이나 디레이팅(De-rating)이 발생하면 일괄적으로 출력 제한이 적용되었다. 일례로, CEW 모드에서는 제1 인버터(10)와 제3 스위칭 소자(40)가 정상 동작한다면 제2 인버터(20)가 고장나더라도 CEW 모드의 수행에 실질적인 문제가 발생하지 아니하나, 제2 인버터(20)가 고장나면 CEW 모드에 출력 제한이 적용되었다. 다른 예로, 제3 스위칭 소자(40)의 과온으로 디레이팅이 발생한 경우, CEW 모드에는 출력 제한이 적용되는 것이 바람직하나 OEW 모드에서는 제3 스위칭 소자(40)가 오프되므로 디레이팅이 문제되지 않음에도 제3 스위칭 소자(40)의 이상에 의해 OEW 모드에 출력 제한이 적용되었다. 이를 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 일반적인 출력 제한 제어 형태의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 제3 스위칭 소자(40)의 디레이팅으로 인해 일반적인 제어 방법에 따라 OEW 모드와 CEW 모드 각각에 일괄적으로 출력 제한이 적용된 상황이 도시된다. 이러한 경우, OEW 모드에는 실질적으로 영향이 없음에도 OEW 모드까지 출력 제한이 적용되어, 토크 지령(310)을 만족시키지 못하고 출력 제한에 따른 최대 토크(320)만 출력될 수 있는 문제점이 있다. 다시 말해, 제3 스위칭 소자(40)의 디레이팅 상황에서 CEW 모드에서는 해당 토크 지령(310)의 만족이 어려우나, OEW 모드의 정상 동작은 가능하므로 OEW 모드에 불필요한 출력 제한이 걸리지 않는다면 토크 지령(310)의 만족이 가능하게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 모드 절환을 수행함에 있어 역자속뿐만 아니라 요구 토크까지 고려하며, 모터 구동 모드별로 제한 출력의 조건을 상이하게 설정할 것을 제안한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 모드 제어 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 컨트롤러(70)는 현재 자동 모드 절환 설정 여부를 판단하여(S410), 자동 절환으로 설정된 경우(S410의 Yes), 역자속 및 출력 제한을 판단할 수 있다(S420).
여기서 역자속의 판단은 효율을 고려한 운전을 위한 것으로, 토크별로 역자속이 정의된 1차원 맵을 참조하는 형태가 될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 출력 제한의 판단은 구동 모드별 출력을 최대로 하며 요구 토크(토크 지령)를 만족시키기 위한 것으로, 전압과 속도별로 출력 제한이 미리 정의된 2차원 맵을 참조하는 형태가 될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 출력 제한은 CEW 모드와 OEW 모드 각각에 대하여 판단될 수 있으며, CEW 모드에서는 제1 인버터(10)의 상태에 따른 출력 제한값과 제3 스위칭 소자(40)의 상태에 따른 출력 제한값 중 낮은 값이 적용될 수 있다. 이때, 제2 인버터(20)를 가동하지 않으므로 제2 인버터(20)의 상태에 따른 출력 제한은 적용되지 않을 수 있다.
예컨대, CEW 모드의 출력 제한 값은 'Min(INV1, SPL)'와 같이 결정될 수 있으며, 여기서 INV1은 제1 인버터(10)의 상태에 따른 출력 제한 값이고, SPL은 절환(SPLit)의 의미로 제3 스위칭 소자(40)의 상태에 따른 출력 제한 값을 의미할 수 있다.
OEW 모드에서는 제1 인버터(10)의 상태에 따른 출력 제한값과 제2 인버터(20)의 상태에 따른 출력 제한값 중 낮은 값이 적용될 수 있다. 이때, 제3 스위칭 소자(40)를 가동하지 않으므로 제3 스위칭 소자(40)의 상태에 따른 출력 제한은 적용되지 않을 수 있다.
예컨대, OEW 모드의 출력 제한 값은 'Min(INV1, INV2)'와 같이 결정될 수 있으며, 여기서 INV2는 제2 인버터(20)의 상태에 따른 출력 제한 값을 의미할 수 있다.
상술한 바와 같이 출력 제한을 판단함에 있어 각 모드별로 실질적으로 모드 구현에 필요한 요소의 상태만 참조하므로, 불필요한 출력 제한 적용이 방지될 수 있다.
역자속 및 출력 제한이 판단되면, 모드 절환 함수가 호출되어 역자속 및 출력 제한을 기반으로 모터 구동 모드가 결정될 수 있다(S430). 모드 절환 함수의 구체적인 형태는 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.
한편, 자동 절환이 설정되지 않은 경우(S410의 No), 컨트롤러(70)는 모터 구동 모드를 설정하기 위한 명령의 수신을 대기할 수 있으며, 명령이 수신되면 해당 명령에 대응되는 모터 구동 모드를 결정할 수 있다(S440). 모터 구동 모드를 설정하기 위한 명령은 전용의 조작 수단(예컨대, 물리/가상 키버튼이나 다이얼 등)의 조작을 통해 입력될 수도 있고, 사용자 설정 메뉴(USM: User Setting Menu)를 통한 설정을 통해 입력될 수도 있으나 이는 예시적인 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
컨트롤러(70)는 모터 구동 모드가 결정되는 경우, 현재 모드와 결정된 모드가 동일하면 현재 모드를 유지하고, 그렇지 않은 경우 모드 절환을 수행할 수 있다(S450). 모드 절환을 수행하는 구체적인 형태는 도 1을 참조하여 전술한 바와 같으므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이후 컨트롤러(70)는 결정된 모드에 따라 제1 스위칭 소자 내지 제3 스위칭 소자에 대한 펄스폭 변조 제어를 통해 모터를 구동할 수 있다(S460).
만일, 컨트롤러(70)나 모터 구동 장치가 장착되는 차량에서 수동 모드 설정을 지원하지 않도록 구현된 경우, S410 단계 및 S440 단계는 생략될 수 있다.
이하에서는 도 5를 참조하여 모드 절환 함수를 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모드 절환 함수 구성의 일례를 나타낸다
도 5를 참조하면, 모터 구동 모드를 판단하기 위해 역자속 조건 기반 모드 판단(S431A)과 출력 제한 조건 기반 모드 판단(S431B)이 독립적으로 각각 수행될 수 있다.
역자속 조건 기반 모드 판단(S431A)은 S420 단계에서 판단된 현재 역자속 값이 토크별 역자속 테이블 값에 소정의 히스테리시스를 더한 값보다 큰 경우 OEW 모드로 판단하도록 수행될 수 있으며, 그렇지 않은 경우 CEW 모드로 판단하도록 수행될 수 있다. 또는 CEW 모드로의 판단에 '현재 역자속 값 < 토크별 역자속 테이블 값 - 히스테리시스'와 같은 조건을 만족할 것을 요구할 수도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 역자속 조건 기반 모드 판단(S431A)은 현재 운전점과 도 2에 도시된 모드 절환 기준선의 상대적 위치를 기반으로 수행될 수도 있다.
한편, 출력 제한 조건 기반 모드 판단(S431B)은 현재 토크 지령을 각 모드별 출력 제한값에 상응하는 토크와 비교하여, i) CEW 모드와 OEW 모드 모두 토크 지령을 만족시킬 수 없으면 현재 모드를 유지하도록 하며, ii) OEW 모드와 CEW 모드 모두 토크 지령을 만족시킬 수 있는 경우 효율을 고려하여 CEW 모드로 판단하며, iii) CEW 모드와 OEW 모드 중 어느 하나만 토크 지령을 만족시킬 수 있는 경우 만족 가능한 해당 모드로 판단하도록 수행될 수 있다.
이후, 역자속 조건 기반 모드 판단(S431A)과 출력 제한 조건 기반 모드 판단(S431B)의 결과, OEW 모드가 존재하면(S432의 Yes) OEW 모드가 모드 절환 함수의 판단 결과로 결정될 수 있다(S433A). 이와 달리, OEW 모드가 존재하지 않는 경우(S432의 No) CEW 모드가 모드 절환 함수의 판단 결과로 결정될 수 있다(S433B).
결론적으로, 모드 절환 함수에서는 ['역자속 조건 기반 모드 판단(S431A)결과가 OEW 모드' OR '출력 제한 조건 기반 모드 판단(S431B)가 OEW 모드']인 경우 OEW 모드로 결정하게 된다.
도 5에 도시된 모드 절환 함수의 호출은 일정 주기로 수행될 수 있다. 이러한 경우, 출력 제한 조건 기반 모드 판단(S431B)에서 의미하는 'i) 현재 모드의 유지'는 이전 주기의 판단 결과를 의미할 수 있다. 예컨대, 주기는 1ms일 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어 방법의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 6에서는 도 2와 유사한 상황을 가정한다. 즉, 차량이 정지 상태에서 CEW 모드로 발진하며, 요구 토크(토크 지령)가 높게 유지되는 상황이다. 이러한 경우, 일반적인 제어에서는 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이 운전점은 모드 절환 기준선과 접하는 지점(610)까지 CEW 모드의 출력 제한을 따라 이동하여 토크 급변이 발생했다. 그러나, 본 실시예에 따른 제어 방법에서는 CEW 모드가 요구 토크를 만족시키지 못하는 지점(620)에서 OEW 모드에서 요구 토크의 만족이 가능함에 따라, 즉, 출력 제한 조건 기반 모드 판단(S431B)에서 OEW 모드로 판단됨에 따라, 역자속 조건 기반 판단(S431A)의 결과와 무관하게 OR 조건에 따라 OEW 모드로의 절환이 수행될 수 있다. 결국, 본 실시예에 의하면 OEW 모드 절환에 따라 요구 토크가 최대한 만족됨은 물론 토크 급변도 방지될 수 있다.
다음으로, 도 7에서는 제3 스위칭 소자(40)에 디레이팅이 발생한 상황을 가정한다. 이러한 경우, 도 3을 참조하여 전술한 일반 제어 상황에서는 제3 스위칭 소자(40)의 상태에 대한 영향을 실질적으로 받지 않는 OEW 모드의 출력 제한도 CEW 모드와 같은 수준으로 저하되었다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, 제한 토크의 판단에 있어서 OEW 모드에서는 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)의 상태에 따른 영향이 고려되므로 OEW 모드의 출력 제한은 제3 스위칭 소자(40)의 상태와 무관하게 유지된다. 따라서, 토크 지령(710)에 해당하는 운전점이 역자속 조건 기반 모드 판단(S431A)에 의해서는 CEW 모드로 결정되더라도, 출력 제한 조건 기반 모드 판단(S431B)에 의해서는 OEW 모드로만 토크 지령이 만족되는 상황인 바 OEW 모드로 결정되어 OR 조건에 따라 OEW 모드가 적용될 수 있다. 따라서, 컨트롤러(70)는 OEW 모드로 모터를 구동하여 토크 지령을 만족시킬 수 있다.
지금까지 설명한 본 발명의 실시예들에 따른 모터 구동 장치의 제어 방법은 도 1에 도시된 모터 구동 장치를 가정하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 CEW 모드와 OEW 모드간 절환이 가능하다면 도 1에 도시된 모터 구동 장치와 상이한 구성을 갖는 모터 구동 장치에도 적용될 수 있음은 당업자에 자명하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 모터의 구동 모드를 상황에 따라 절환함으로써 CEW 모드에서는 높은 효율을 달성하고, OEW 모드에서는 높은 출력을 낼 수 있다.
뿐만 아니라, 모터 구동 모드의 판단에 있어서 모드별 출력 제한의 판단에 실질적으로 해당 모드의 동작에 관여하지 않는 요소를 배제시킴으로써 불필요한 출력 제한을 방지할 수 있다.
아울러, 기존의 역자속 기반의 모터 구동 모드 판단과 함께 출력 제한 기반의 모드 판단을 함께 수행함으로써 고토크 지령 상황에서 토크 급변을 방지하고 최대한 토크 지령을 추종할 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: 모터 40: 제3 스위칭 소자
50: 배터리 60: 직류 링크 커패시터
70: 컨트롤러
S11-S16: 제1 스위칭 소자 S21-S26: 제2 스위칭 소자
S31-S33: 제3 스위칭 소자 C1-C3: 권선

Claims (15)

  1. 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터;
    상기 모터를 클로즈드 엔드 와인딩 모드 또는 오픈 엔드 와인딩 모드로 동작시키는 모드 절환 스위치와 복수의 인버터; 및
    역자속 기반의 제1 모드 판단 결과 및 모드별 출력 제한 기반의 제2 모드 판단 결과를 기반으로 상기 모드 절환 스위치 및 상기 복수의 인버터를 제어하는 컨트롤러를 포함하는, 모터 구동 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 모드 판단 결과 또는 상기 제2 모드 판단 결과가 상기 오픈 엔드 와인딩 모드인 경우, 상기 컨트롤러는 상기 모터가 상기 오픈 엔드 와인딩 모드로 동작하도록 상기 모드 절환 스위치 및 상기 복수의 인버터를 제어하는, 모터 구동 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 모드 판단 결과 및 상기 제2 모드 판단 결과가 모두 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드인 경우, 상기 컨트롤러는 상기 모터가 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 동작하도록 상기 모드 절환 스위치 및 상기 복수의 인버터를 제어하는, 모터 구동 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 모드 판단 결과는,
    토크별 역자속 값에 소정의 히스테리시스를 적용하여 현재 역자속 값과 비교한 결과를 기반으로 판단되는, 모터 구동 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 모드 판단 결과는,
    상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드의 제1 출력 제한과 상기 오픈 엔드 와인딩 모드의 제2 출력 제한 각각과 현재 토크 지령을 비교하여 모드별로 상기 현재 토크 지령을 만족시킬 수 있는지 여부로 판단되는, 모터 구동 장치.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 현재 토크 지령을 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드와 상기 오픈 엔드 와인딩 모드 모두가 만족시킬 수 있을 경우, 상기 제2 모드 판단 결과를 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 판단하는, 모터 구동 장치.
  7. 제5 항에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 현재 토크 지령을 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드와 상기 오픈 엔드 와인딩 모드 모두가 만족시킬 수 없을 경우, 상기 제2 모드 판단 결과를 현재 적용 중인 모드로 판단하는, 모터 구동 장치.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 복수의 인버터는,
    복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터 및 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터를 포함하는, 모터 구동 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 출력 제한은 상기 제1 인버터 및 상기 모드 절환 스위치의 상태를 기반으로 판단되고,
    상기 제2 출력 제한은 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터의 상태를 기반으로 판단되는, 모터 구동 장치.
  10. 제5 항에 있어서,
    상기 모드 절환 스위치는,
    일단이 각각 상기 제2 단에 연결되고, 타단이 상호 연결된 복수의 제3 스위칭 소자를 포함하는, 모터 구동 장치.
  11. 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 모드 절환 스위치와 복수의 인버터를 통해 구동시키는 모터 구동 장치의 제어 방법에 있어서,
    역자속, 클로즈드 엔드 와인딩 모드에서의 제1 출력 제한 및 오픈 엔드 와인딩 모드에서의 제2 출력 제한을 판단하는 단계;
    상기 판단된 역자속을 기반으로 한 제1 모드 판단과 상기 제1 출력 제한 및 상기 제2 출력 제한을 기반으로 한 제2 모드 판단을 수행하는 단계;
    상기 제1 모드 판단의 제1 결과와 상기 제2 모드 판단의 제2 결과를 기반으로 상기 모터의 구동 모드를 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드 또는 상기 오픈 엔드 와인딩 모드로 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 구동 모드에 따라 상기 모드 절환 스위치 및 상기 복수의 인버터를 제어하는 단계를 포함하는, 모터 구동 장치의 제어 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는,
    상기 제1 결과 또는 상기 제2 결과가 상기 오픈 엔드 와인딩 모드인 경우, 상기 구동 모드를 상기 오픈 엔드 와인딩 모드로 결정하는 단계를 포함하는, 모터 구동 장치의 제어 방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는,
    상기 제1 결과 및 상기 제2 결과가 모두 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드인 경우, 상기 구동 모드를 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 결정하는 단계를 포함하는, 모터 구동 장치의 제어 방법.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 결과는,
    토크별 역자속 값에 소정의 히스테리시스를 적용하여 현재 역자속 값과 비교한 결과를 기반으로 판단되고,
    상기 제2 결과는,
    상기 제1 출력 제한과 상기 제2 출력 제한 각각과 현재 토크 지령을 비교하여 모드별로 상기 현재 토크 지령을 만족시킬 수 있는지 여부로 판단되는, 모터 구동 장치의 제어 방법.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 복수의 인버터는,
    복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터 및 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터를 포함하고,
    상기 제1 출력 제한은 상기 제1 인버터 및 상기 모드 절환 스위치의 상태를 기반으로 판단되고,
    상기 제2 출력 제한은 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터의 상태를 기반으로 판단되는, 모터 구동 장치의 제어 방법.
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