KR20230159718A - 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 차량축과 연결되어 구동력을 제공하는 구동모터; 능동단락회로를 이용하여 상기 구동모터를 제어하고, 상기 구동모터시스템의 안전상태 요청 여부에 따라 능동단락회로를 동작시키는 구동모터시스템; 및 상기 능동단락회로가 동작될 경우 상기 능동단락회로가 과도상태인지의 여부에 따라 상기 구동모터의 전류정보와 속도정보를 이용하여 상기 구동모터시스템을 안정화시키기 위한 프리휠링비교값을 선택 생성하여 상기 구동모터시스템으로 출력하는 능동단락회로전류안정기;를 포함함으로써, 피크 상전류의 크기를 감소시키면서 진동시간을 단축하여 과전류와 진동 전류를 억제할 수 있다.

Description

전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치 및 그 방법{ACTIVE SHORT CIRCUIT CONTROL APPARATUS OF ELECTRIC MOTOR DRIVING SYSTEM AND ITS METHOD}
본 발명은 전기모터 구동 시스템에서 능동단락회로 운전 시 과도상태에서 발생하는 과전류와 진동 전류를 저감하기 위해 매우 짧은 시간동안 프리휠링을 능동단락회로 운전 사이에 출력 제어함으로써, 피크 상전류의 크기를 감소시키면서 진동시간을 단축하여 과전류와 진동 전류를 억제할 수 있는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 기후위기로 인한 위험이 커짐에 따라 전 세계적으로 많은 국가들이 탄소중립사회를 준비하고 있으며, 기존 내연기관 중심의 운송 산업이 큰 영향을 받고 있다.
이러한 미래 운송산업 변화의 큰 특징은 탄소 발생이 없는 전기모터의 적극적 이용으로 나타나고 있는데, 기존 내연기관을 사용하던 자동차와 비행기는 고효율의 전기모터 시스템을 사용하는 전기차와 전기 비행기로 전환되고 있을 뿐만 아니라, 앞에서 언급한 어플리케이션은 기존 산업에서 사용하던 전기모터보다 더 높은 신뢰성, 고효율, 그리고 고출력 밀도를 요구하고 있다.
따라서 고효율 고출력 밀도를 가지는 영구자석 동기모터(permanent magnet synchronous motor, PMSM)가 미래 운송산업 분야에서 많이 사용될 것으로 예상되고 있다.
한편, 최근에 기능안전(functional safety)이 전기차의 구동시스템에서 준수해야 하는 규격으로써 중요성이 높아지고 있는데, 이 규격은 자동차 부품에서 전기전자시스템의 오류(fault)에 의한 사고를 방지하기 위한 안전 규격을 의미하고, 각 부품이 전체 시스템에 미치는 영향을 분석하여 기능안전 등급을 부여하게 되며, 이 등급은 ASIL(Automotive Safety Integrity Level)이라 지칭하고 있다.
이러한 ASIL 등급은 QM(quality management)부터 ASIL D까지 있으며, 현재 전기차 시스템에서 구동모터 및 인버터 시스템에 부여한 등급은 ASIL C/D인데, 이는 매우 높은 수준이다. 예를 들면, 단일 오류(single point fault)인 경우 97-99%의 높은 오류커버러지비율(fault coverage ratio)을 가져야 한다.
상술한 바와 같은 기능 안전에 대응하기 위해서 전기차 구동시스템에 안전상태(safe state)를 정의해야 하는데, 전기차 구동시스템에 위험한 오류가 감지될 경우 시스템은 정의한 안전 목표(safe goal)를 준수하기 위하여 정상상태에서 천이(transition)를 하게 되며, 이때를 안전상태라 한다.
도 1 및 도 2는 종래에 영구자석 동기모터의 두 가지 안전 상태를 예시한 도면으로, 도 1에서는 모든 스위치가 꺼져있는 프리휠링(freewheeling) 상태를 보여주고 있는데, 모터 코어에 저장된 에너지가 IGBT의 환류 다이오드(freewheeling diode)를 통전시켜 DC링크전압을 충전시킬 수 있다.
또한, 도 2는 인버터의 아래상의 모든 스위치가 온(On)이 된 상태인 아래상(low-side, 로우사이드) 능동단락회로(ASC : active short circuit)를 나타내는데, 이 경우는 모터의 전류가 인버터의 DC링크전압으로 전혀 흐르지 않는 것을 볼 수 있고, 이는 능동단락회로 알고리즘의 가장 큰 장점이지만, 능동단락회로 동작 시 인버터에서 출력전압은 0이 되며, 더 이상 전류제어는 불가능해지는 문제점이 있다.
따라서, 역기전력 전압과 모터의 초기전류에 의해서 모터의 전류가 결정될 수 있고, 전류의 응답은 모터 속도에 따라서 변화할 수 있으며, 능동단락회로의 과도상태(transient state)에서 과전류와 진동 전류가 발생하는 문제점이 있다.
1. 한국공개특허 제10-2017-0005414호(2017.01.13.공개)
본 발명은 전기모터 구동 시스템에서 능동단락회로 운전 시 과도상태에서 발생하는 과전류와 진동 전류를 저감하기 위해 매우 짧은 시간동안 프리휠링을 능동단락회로 운전 사이에 출력 제어함으로써, 피크 상전류의 크기를 감소시키면서 진동시간을 단축하여 과전류와 진동 전류를 억제할 수 있는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 차량축과 연결되어 구동력을 제공하는 구동모터; 능동단락회로를 이용하여 상기 구동모터를 제어하고, 상기 구동모터시스템의 안전상태 요청 여부에 따라 능동단락회로를 동작시키는 구동모터시스템; 및 상기 능동단락회로가 동작될 경우 상기 능동단락회로가 과도상태인지의 여부에 따라 상기 구동모터의 전류정보와 속도정보를 이용하여 상기 구동모터시스템을 안정화시키기 위한 프리휠링비교값을 선택 생성하여 상기 구동모터시스템으로 출력하는 능동단락회로전류안정기;를 포함하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 구동모터시스템은, 안정상태 요청 여부에 따라 정상상태출력 또는 안전상태출력을 선택 제어하는 모터제어기를 포함하되, 상기 모터제어기는, 상기 구동모터의 전류 및 토크를 제어하되, 상기 구동모터의 전류 및 토크를 제어하되, 정상상태에서 상기 구동모터의 구동 제어를 위한 비교값을 출력하는 모터제어부; 상기 정상상태인 경우 상기 모터제어부에서 출력된 상기 비교값을 전달하고, 상기 구동모터시스템의 안전상태가 요청될 경우 능동단락회로로 동작하여 상기 능동단락회로전류안정기로부터 출력되는 상기 프리휠링비교값을 전달하는 절환부; 및 반송파와 상기 비교값 또는 프리휠링비교값을 이용하여 상기 구동모터의 구동 제어를 위한 PWM신호를 생성하여 출력하는 PWM생성부;를 포함하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 능동단락회로전류안정기는, 상기 능동단락회로의 정상상태전류를 계산하는 전류계산부; 상기 정상상태전류를 이용하여 상기 프리휠링비교값의 출력을 위해 프리휠링 시간과 듀티를 계산하는 프리휠링듀티계산부; 및 상기 프리휠링 시간과 듀티에 대응하는 상기 프리휠링비교값을 생성 및 출력하는 프리휠링비교값출력부;를 포함하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 프리휠링듀티계산부는, 상기 정상상태전류에 마진전류를 합하여 능동단락회로전류를 계산하고, 상기 계산된 능동단락회로전류를 통해 상기 능동단락회로가 상기 과도상태인지의 여부를 판단하며, 상기 과도상태일 경우 상기 능동단락회로전류의 크기에 대응하여 프리휠링시간과, a상프리휠링듀티, b상프리휠링듀티 및 c상프리휠링듀티를 각각 계산하는 프리휠링듀티계산블록; 상기 a상프리휠링듀티, b상프리휠링듀티 및 c상프리휠링듀티에서 맥스파인더함수를 통해 선택된 프리휠링듀티를 출력하는 프리휠링듀티선택블록; 및 상기 능동단락회로의 과전압 폴트를 방지하기 위해 상기 프리휠링듀티의 출력을 선택적으로 차단하는 프리휠링과전압보호블록;를 포함하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 프리휠링과전압보호블록은, 상기 능동단락회로에 대한 과전압폴트트립전압과 DC-링크전압을 비교하고, 비교 결과, 상기 DC-링크전압이 상기 과전압폴트트립전압만큼 높아진 경우 상기 프리휠링듀티의 출력을 차단하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 PWM생성부는, 상기 모터제어시스템의 정상상태 운전모드일 경우 윗상스위치와 아랫상스위치는 서로 상보적으로 동작하는 반면에, 상기 모터제어시스템의 안전상태 운전모드일 경우 능동단락과 프리휠링으로 동작하도록 전환되는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 PWM생성부는, 상기 능동단락회로의 과도상태에서, 상기 능동단락회로가 로우사이드로 동작할 경우 아랫상스위치를 통해 상기 능동단락회로 또는 프리휠링으로 동작하거나, 혹은 상기 능동단락회로가 하이사이드로 동작할 경우 윗상스위치를 통해 상기 능동단락회로 또는 프리휠링으로 동작하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 구동모터시스템은, 상기 구동모터의 각도값을 측정하여 제공하는 각도센서; 상기 구동모터에 공급되는 전류값을 측정하여 제공하는 전류센서; 상기 구동모터에 구동전류를 공급 및 제어하는 파워모듈; PWM 노이즈와 기생인덕턴스 영향을 최소화하기 위해 고전압배터리와 상기 파워모듈의 사이에 구비되는 DC-링크 커패시터; 상기 고전압배터리와 모터제어시스템 사이의 전원 연결이 차단될 경우 기 설정된 시간 내에 상기 DC-링크 커패시터에 저장된 DC-링크 전압을 방전시키는 방전저항; 및 상기 DC-링크 커패시터에서 측정된 전압값을 제공하는 전압센서;를 더 포함하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 능동단락회로 제어 장치는, 상기 직류전압을 방전시켜 상기 DC-링크 커패시터에 공급하는 상기 고전압배터리; 상기 고전압배터리와 상기 DC-링크 커패시터의 사이를 하이사이드에서 선택 연결하는 하이사이드릴레이; 및 상기 고전압배터리와 상기 DC-링크 커패시터의 사이를 로우사이드에서 선택 연결하는 로우사이드릴레이;를 더 포함하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 구동모터시스템과 능동단락회로전류안정기에서 안전상태가 요청되는지 체크하는 단계; 상기 안전상태가 요청되지 않을 경우 상기 구동모터시스템에서 정상상태 운전모드로 구동모터를 제어하는 단계; 상기 안정상태가 요청될 경우 상기 구동모터시스템과 상기 능동단락회로전류안정기를 연결하여 능동단락회로를 동작시키는 단계; 상기 능동단락회로를 동작시키는 중에 상기 능동단말회로전류안정기에서 상기 능동단락회로가 과도상태인지의 여부를 체크하는 단계; 상기 능동단락회로가 상기 과도상태일 경우 상기 능동단말회로전류안정기에서 상기 구동모터의 전류정보 및 속도정보에 대응하는 프리휠링비교값을 출력하는 단계; 및 상기 구동모터시스템에서 반송파와 상기 프리휠링비교값을 이용하여 상기 구동모터의 구동 제어를 위한 PWM신호를 생성하여 출력하는 단계;를 포함하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 능동단락회로가 과도상태인지의 여부를 체크하는 단계는, 상기 능동단락회로의 정상상태전류에 마진전류를 합하여 능동단락회로전류를 계산하고, 상기 계산된 능동단락회로전류를 통해 상기 능동단락회로가 상기 과도상태인지의 여부를 판단하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 프리휠링비교값을 출력하는 단계는, 상기 정상상태전류를 이용하여 상기 프리휠링비교값의 출력을 위해 프리휠링 시간과 듀티를 계산하고, 상기 프리휠링 시간과 듀티에 대응하는 상기 프리휠링비교값을 생성 및 출력하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 PWM신호를 생성하여 출력하는 단계는, 상기 능동단락회로의 과도상태에서, 상기 능동단락회로가 로우사이드로 동작할 경우 아랫상스위치를 통해 상기 능동단락회로 또는 프리휠링으로 동작하거나, 혹은 상기 능동단락회로가 하이사이드로 동작할 경우 윗상스위치를 통해 상기 능동단락회로 또는 프리휠링으로 동작하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 능동단락회로의 능동단락 운전 사이에 상기 프리휠링 시간과 듀티에 대응하여 생성된 상기 프리휠링비교값에 따라 프리휠링 운전을 추가하여 동작하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 방법이 제공될 수 있다.
본 발명은 전기모터 구동 시스템에서 능동단락회로 운전 시 과도상태에서 발생하는과전류와 진동 전류를 저감하기 위해 매우 짧은 시간동안 프리휠링을 능동단락회로 운전 사이에 출력 제어함으로써, 피크 상전류의 크기를 감소시키면서 진동시간을 단축하여 과전류와 진동 전류를 억제할 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래에 영구자석 동기모터의 두 가지 안전 상태를 예시한 도면이고,
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치에서 영구자석 동기모터의 전류 응답 분석을 설명하기 위한 도면이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치의 블록구성도이고,
도 8 내지 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치의 세부 구성 및 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이며,
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따라 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로를 제어하는 과정을 나타낸 플로우차트이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치에서 영구자석 동기모터의 전류 응답 분석을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 3 내지 도 6을 참조하여 영구자석 동기모터의 전류 응답 분석에 대해 설명하면, 매입형 영구자석 동기모터(interior PMSM)의 dq축 전압 방정식은 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
여기에서, vd와 vq은 dq축 동기좌표계의 인버터 출력전압을 의미하고, id와 iq는 dq축 동기좌표계의 모터 상전류를 의미하며, rs는 모터 상저항을 의미하고, Ld와 Lq은 dq축 인덕턴스를 의미하고, ω은 모터의 전기 각속도를 의미하며, ψm은 모터의 자석상수를 의미한다.
그리고, 모터에서 생성하는 토크방정식은 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
여기에서, P는 모터의 극수를 나타낸다.
상기 수학식 1을 미분방적식의 표준형으로 변형할 경우 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
여기에서, 도 2에 도시한 바와 같은 아래상 능동단락회로에서 모터에 공급되는 인버터전압(vd, vq)은 0이 되고, 수식을 간략하게 유도하기 위해 초기조건 전류를 0이라고 가정한 상태에서 수학식 3을 라플라스변환(Laplace transform)을 적용할 경우 아래의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
또한, 모터의 속도가 일정한 것으로 가정할 경우 능동단락회로의 전류 응답을 계산하기 위해서 역행렬을 구할 경우 다음의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
다음에, 상기 수학식 5의 윗 식(즉, 역행렬)을 상기 수학식 4의 양변에 곱하고 정리할 경우 아래의 수학식 6을 유도할 수 있다.
이러한 상기 수학식 6에서 모터의 출력전류는 모터의 역기전력 전압(ωψm)에 의해 발생한 전류응답항이고, 전달함수 분모는 D(s)이며, D(s)의 해를 분석하게 될 경우 전달함수의 극점을 분석할 수 있다.
이를 위해 상기 수학식 6을 다음의 수학식 7과 같이 정의할 수 있다.
그리고, 고유진동수(natural frequency)는 다음의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있고, 감쇠비(damping ratio)는 아래의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
여기에서, 만약 감쇠비 ζ가 라고 한다면, D(s)의 극점은 복소수의 형태를 가질 수 있으며, 실근 성분인 α와 허근 성분인 β는 아래의 수학식 10과 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
다음에, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로에서 모터 속도에 따른 극점의 변화를 나타내며, 모터 속도가 증가할수록, 감쇠비 ζ가 감소할 수 있고, d축 인덕턴스와 q축 인덕턴스가 도일한 모터일 경우 상기 수학식 11을 통해 허근 성분 β가 모터의 전기각속도와 동일하게 된다(β=ω).
그리고, 상기 수학식 6을 라플라스 역변환을 통해 일반해를 도출할 경우 아래의 수학식 12와 같이 유도할 수 있다.
다음에, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로에서 정상상태 전류를 해석하면, 상기 수학식 12에서 가 붙은 항은 지수로 감소하게 되며, 가 붙은 항은 모두 과도상태에 관련된 항이라는 것을 알 수 있다.
그리고, 가 없는 항만 고려할 경우 정상상태 능동단락 dq축 전류를 아래의 수학식 13과 수학식 14와 같이 계산할 수 있다.
여기에서, tf는 정상상태 도달시간을 의미하고, 지수로 감소하기 때문에 수학적으로 최종시간은 무한대의 시간을 의미한다(tf=∞). 따라서, 와 은 능동단락회로에서 도달하는 최종 정상상태 전류값이라고 할 수 있으며, 상기 수학식 13과 상기 수학식 14에서는 모터의 속도에 따라 정상상태 dq축 전류값이 변화하는 것을 알 수 있다.
그리고, 상기 수학식 13과 상기 수학식 14를 제곱할 경우 능동단락회로에서 발생하는 정상상태 상전류 크기를 아래의 수학식 15와 같이 계산할 수 있다.
상기 수학식 15에서 모터의 속도가 무한하게 증가할 경우 전류의 크기는 로 수렴하게 된다.
또한, 상기 수학식 13을 보면 분모와 분자에 모두 모터속도의 제곱항이 존재하기 때문에, 모터의 속도증가에 따라 능동단락 시 d축 전류는 계속 증가하게 되며, 무한대의 모터속도를 가질 경우 최대 d축 전류의 크기는 아래의 수학식 16과 같이 나타낼 수 있다.
한편, 상기 수학식 14를 통해 모터속도에 따라 q축 정상상태 전류가 변화한다는 것을 확인할 수 있는데, 가장 다른 점은 d축 전류는 분모의 속도항이 제곱의 형태를 가지고 있는 반면에, q축 전류는 분모의 속도항이 비례의 형태를 가지고 있는 것이다.
따라서, 능동단락회로에서 q축 전류의 정상상태 최대전류는 특정 모터속도값을 가지게 되고, 상기 수학식 14를 모터의 전기속도에 따라 미분할 경우 다음의 수학식 17과 같이 나타낼 수 있다.
여기에서, 상기 수학식 17이 0을 만족하는 해를 계산할 경우 다음의 수학식 18과 같이 나타낼 수 있다.
그리고, 상기 수학식 18은 능동단락회로에서 q축 전류의 크기가 최대가 되는 모터의 전기각속도를 의미하며, 상기 수학식 18을 상기 수학식 14에 대입할 경우 능동단락회로에서 최대 q축 전류크기를 다음의 수학식 19와 같이 획득할 수 있다.
또한, 상기 수학식 13과 상기 수학식 14를 모터의 토크수식인 상기 수학식 3에 대입할 경우 능동단락회로의 정상상태 토크는 다음의 수학식 20과 같이 나타낼 수 있다.
다음에, 상기 수학식 13, 수학식 14, 수학식 16 및 수학식 19를 고려할 경우 속도에 따른 정상상태 dq축 전류의 궤적은 도 4에 도시한 바와 같이 나타낼 수 있는데, 속도가 0일 때 원점에서 시작하고, 속도가 증가될 경우 타원의 궤적으로 전류의 궤적이 나타나며, 모터의 속도가 무한대가 될 경우 q축 전류는 0이 되고, d축 전류는 이 되며, 돌극성(saliency)이 없는 표면 부착형 영구자석 동기모터(SPMSM : surface mounted PMSM)인 경우 q축 전류가 최대일 때 최대 제동(braking) 토크가 발생할 수 있다.
한편, 능동단락회로의 과도상태 전류 해석에 대해 설명하면, 도 5에는 모터속도에 따른 감쇠비(damping ratio)의 변화와 모터의 파라미터를 나타내는데, 상기 수학식 9를 이용하여 계산하였고, 모터의 속도 증가에 따라 전류의 감쇠크기가 감소하기 때문에, 높은 모터속도에서 능동단락회로의 운전 시 과도상태에서 매우 높은 오버슛(overshoot) 전류가 발생할 수 있다.
그리고, 도 6은 상기 수학식 13을 이용하여 속도에 따른 dq축 전류의 궤적을 나타내는데, 모터의 속도가 각각 500, 1000, 2000, 3000 rev/min일 때 초기 모터전류가 0인 상태에서 능동단락을 실시할 경우의 전류파형을 나타낸다.
여기에서, 가장 중점적인 점은 전류의 진동이 모터속도에 다라 변화한다는 점인데, 정상상태 전류는 상기 수학식 13 및 수학식 14에 의해 결정되지만, 과도상태의 전류는 상기 수학식 12의 항까지 모두 포함될 수 있다.
그리고, 모터 구동 시 전류 제한원을 정상상태 전류가 넘지 않도록 제어하지만, 2000과 3000 rev/min일 때는 dq축 전류가 과도상태에서 모터의 전류 제한원을 넘어가게 되며, 이는 인버터 및 모터에 추가적인 고장을 유발시킬 수 있고, 인버터에는 탈포화폴트(desaturation fault), 과전류폴트(overcurrent fault) 등과 같은 추가적인 폴트를 발생시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로가 동작할 때, 과전류 발생을 저감시키기 위해 다른 안전상태인 프리휠링(freewheeling)을 사용하되, 영구자석 및 고정자 인덕턴스에 저장된 에너지가 인버터 DC-링크 전압으로 회생되어 인버터의 과전압이 유도되는 것을 방지하기 위해 최소한의 프리휠링 상태를 사용하는 본 발명의 실시예에 대해 이하에서 상세하게 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치의 블록구성도이고, 도 8 내지 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치의 세부 구성 및 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 내지 도 18을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치는 구동모터(100), 구동모터시스템(200), 능동단락회로전류안정기(300), 고전압배터리(400) 등을 포함할 수 있다.
구동모터(100)는 차량축과 연결되어 구동력을 제공할 수 있다.
구동모터시스템(200)은 구동모터(100)를 제어하고, 구동모터시스템(200)의 안전상태 요청 여부에 따라 능동단락회로를 동작시키는 것으로, 각도센서(210), 전류센서(220), 파워모듈(230), DC-링크 커패시터(240), 방전저항(250), 전압센서(260), 모터제어기(270) 등을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 구동모터시스템(200)의 안전상태 요청은 내부와 외부로 나눌 수 있는데, 외부인 경우 VCU(Vehicle control unit), BMS(Batter manage system) 등에서 안전상태를 요청할 수 있다. 즉, 내부 또는 외부에 심각한 고장이 나서 정상적인 모터 제어를 못할 경우 구동모터시스템(200)의 안전상태를 요청할 수 있다.
또한, 내부에서 폴트가 발생하는 경우는 예를 들면, 인버터에서 6상 스위치 중 하나 이상이 폴트 신호를 출력하는 경우, 전류센서(220)에서 이상이 발생한 경우 등이 있는데, 예를 들면, 인버터(모터제어기, 전력변환 장치)의 6개의 스위치 중 a상에 윗상스위치가 오픈(Open)으로 고장이 날 경우 더 이상 전기모터를 정상적으로 제어할 수 없으며, 이 경우 아래상 능동단락회로를 통하여 안전상태에 도달 할 수 있다.
한편, 각도센서(210)는 구동모터(100)의 각도값(즉, 각도정보)을 측정하여 제공할 수 있고, 전류센서(220)는 구동모터(100)에 공급되는 전류값(즉, 전류정보)을 측정하여 제공할 수 있으며, 파워모듈(230)은 전력반도체(power semiconductor)를 포함하여 구동모터(100)에 구동전류를 공급 및 제어할 수 있다.
또한, DC-링크 커패시터(240)는 고전압배터리(400)와 파워모듈(230) 사이에 구비되어 전류제어를 위해 사용하는 PWM(pulse-width modulation) 노이즈와 고전압케이블에서 발생하는 기생인덕턴스(parasitic/stay inductance) 영향을 최소화하기 위해 구비될 수 있고, 방전저항(250)은 고전압배터리(400)와 모터제어시스템(200) 사이의 전원 연결이 하이사이드 릴레이(410)와 로우사이드 릴레이(420)를 통해 차단될 경우 기 설정된 시간 내에 수동적으로 DC-링크 커패시터(240)에 저장된 DC-링크 전압을 방전시킬 수 있으며, 전압센서(260)는 DC-링크 커패시터(240)에서 측정된 전압값(즉, 전압정보)을 제공할 수 있다.
한편, 모터제어기(270)는 구동모터(100)의 각도값과, 구동모터(100)로 공급되는 전류값과, DC-링크 커패시터(240)에서 측정된 전압값을 제공받으며, 안정상태(safe state) 요청 여부에 따라 정상상태출력 또는 안전상태출력을 선택 제어할 수 있는데, 모터제어부(271), 절환부(transition part, 272), PWM생성부(273) 등을 포함할 수 있다.
여기에서, 모터제어부(271)는 구동모터(100)의 전류 및 토크를 제어하되, 정상상태(normal state)에서 구동모터(100)의 구동 제어를 위한 비교값을 출력할 수 있다.
그리고, 절환부(272)는 모터제어시스템(200)이 정상상태인 경우 모터제어부(271)와 PWM생성부(273)를 연결하여 모터제어부(271)에서 출력된 비교값을 PWM생성부(273)로 전달하고, 구동모터시스템(200)의 안전상태가 요청될 경우 능동단락회로로 동작하여 능동단락회로전류안정기(300)와 PWM생성부(273)를 연결하여 능동단락회로전류안정기(300)로부터 출력되는 프리휠링비교값을 전달할 수 있다.
또한, PWM생성부(273)는 반송파와 비교값 또는 프리휠링비교값을 이용하여 구동모터(100)의 구동 제어를 위한 PWM신호를 생성하여 출력할 수 있는데, 모터제어시스템(200)의 정상상태 운전모드일 경우 윗상스위치와 아랫상스위치는 서로 상보적(complementary)으로 동작하는 반면에, 모터제어시스템(200)의 안전상태 운전모드일 경우 능동단락과 프리휠링으로 동작하도로 전환될 수 있다. 여기에서, 모터제어시스템(200)에서 아랫상 능동단락회로와 프리휠링으로 동작하는 경우 위상 스위치들은 모두 오프(off)되도록 설정(세팅)될 수 있다.
그리고, PWM생성부(273)는 모터제어시스템(200)이 안전상태로 동작할 경우 능동단락회로가 동작하되, 능동단락회로가 로우사이드로 동작하는 경우 윗상스위치를 항상오프시킬 수 있으며, PWM 안전상태모드에서 아랫상스위치가 온될 경우 능동단락회로가 동작할 수 있고, 아랫상스위치가 오프될 경우 프리휠링으로 동작할 수 있다.
한편, PWM생성부(273)는 모터제어시스템(200)이 안전상태로 동작할 경우 능동단락회로가 동작하되, 능동단락회로가 하이사이드로 동작하는 경우 아랫상스위치를 항상 오프시킬 수 있으며, PWM 안전상태모드에서 윗상스위치가 온될 경우 능동단락회로가 동작할 수 있고, 윗상스위치가 오프될 경우 프리휠링으로 동작할 수 있다.
예를 들어 모터제어기(270)에 대해 설명하면, 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이 정상상태에서 구동모터(100)를 제어할 경우 PWM 형태로 출력할 수 있고, PWM은 반송파(Carrier wave)와 비교레지스터값(Compx)을 이용하여 생성할 수 있는데, 모터제어부(271)는 A상, B상 및 C상에 각각 대응하는 A상비교값(CompA'), B상비교값(CompB') 및 C상비교값(CompC')을 반송파와 비교하여 각각 생성할 수 있고, 절환부(272)는 구동모터시스템(200)이 정상상태일 경우 모터제어부(271)에서 생성된 A상비교값(CompA'), B상비교값(CompB') 및 C상비교값(CompC')을 PWM생성부(273)에 전달하고, PWM생성부(273)는 A상비교값(CompA'), B상비교값(CompB') 및 C상비교값(CompC')과 반송파를 비교하여 PWM을 출력할 수 있다.
하지만, 능동단락회로전류안정기(300)로부터 모터제어기(270)에 능동단락회로의 안전상태가 요청될 경우 능동단락회로전류안정기(300)를 통해 생성된 프리휠링비교값(CompFre)을 절환부(272)에서 PWM생성부(273)에 전달하고, PWM생성부(273)는 이러한 프리휠링비교값과 반송파를 이용하여 PWM을 출력할 수 있다.
한편, PWM생성부(273)는 도 10에 도시한 바와 같이 능동단락회로의 정상 운전 시 반송파와 비교레지스터값(Compx)을 비교하고, 반송파가 비교레지스터값(Compx)보다 상대적으로 큰 경우 위상스위치()가 켜지며(on), 아랫상스위치()는 서로 상보적(complementary)으로 동작하여 꺼지게(off) 되는데, 능동단락회로전류안정기(300)로부터 안전상태모드로의 전환을 요청받을 경우 PWM동작모드가 PWM 정상상태모드에서 PWM 안전상태모드로 전환될 수 있다.
여기에서, 로우사이드(low-side) 능동단락회로(ASC)로 동작하는 경우 PWM 안전상태모드에서는 윗상스위치를 항상 끄도록(off) 설정할 수 있고(예를 들면, 실제 컨트롤러에서 구현하는 경우 위상스위치출력포트를 PWM동작에서 GPIO로 변경하도록 설정할 수 있음), 도 10에 도시한 바와 같이 비교레지스터값(Compx)은 위상스위치 출력()에 영향을 주지 않고, 아랫상스위치 출력()에만 영향을 주게 된다.
그리고, 아랫상스위치가 켜진 경우(on) 능동단락회로(ASC)로 동작할 수 있고, 아랫상스위치가 꺼진 경우(off) 프리휠링으로 동작할 수 있다.
한편, 하이사이드(high-side) 능동단락회로(ASC)로 동작하는 경우에는 로우사이드(low-side) 능동단락회로(ASC)와는 반대로 동작할 수 있다.
능동단락회로전류안정기(300)는 구동모터시스템(200)의 안전상태 요청에 따라 능동단락회로로 동작할 경우 능동단락회로가 과도상태인지의 여부에 따라 구동모터의 전류정보와 속도정보를 이용하여 구동모터시스템(200)을 안정화시키기 위한 프리휠링비교값을 선택 생성하여 구동모터시스템(200)으로 출력할 수 있는데, 전류계산부(310), 프리휠링듀티계산부(320), 프리휠링비교값출력부(330) 등을 포함할 수 있다.
여기에서, 전류계산부(310)는 능동단락회로의 정상상태전류를 계산할 수 있다.
예를 들면, 능동단락회로전류안정기(300)는 구동모터(100)의 각도정보 없이 전류정보와 속도정보만을 이용하여 프리휠링비교값을 생성하여 출력할 수 있는데, 도 11에 도시한 바와 같이 전류계산부(310)는 능동단락회로의 정상상태에서 능동단락회로전류(Imag)를 아래의 수학식 21과 같이 계산할 수 있다. 여기에서, 능동단락회로전류(Imag)는 룩업테이블(Lookup table)로 대체할 수 있다.
그리고, 프리휠링듀티계산부(320)는 정상상태전류를 이용하여 프리휠링비교값의 출력을 위해 프리휠링 시간과 듀티(duty)를 계산할 수 있는데, 프리휠링듀티계산블록(321), 프리휠링듀티선택블록(322), 프리휠링과전압보호블록(323) 등을 포함할 수 있다.
여기에서, 프리휠링듀티계산블록(321)은 정상상태전류에 마진전류를 합하여 능동단락회로전류를 계산하고, 계산된 능동단락회로전류를 통해 능동단락회로가 상기 과도상태인지의 여부를 판단하며, 과도상태일 경우 능동단락회로전류의 크기에 대응하여 프리휠링시간과, a상프리휠링듀티, b상프리휠링듀티 및 c상프리휠링듀티를 각각 계산할 수 있다.
예를 들면, 도 12에 도시한 바와 같이 프리휠링듀티계산블록(321)은 전류계산부(310)에서 계산된 능동단락회로전류(Imag)와 마진전류(Im)를 더해서 능동단락회로전류(IASC)를 계산()할 수 있고, 능동단락회로전류(IASC)를 이용하여 구동모터(100)의 현재전류가 과도상태(또는 오버슛상태)인지의 여부를 판단할 수 있으며, 그 크기를 계산하여 프리휠링시간을 결정할 수 있고, 능동단락회로전류(IASC)와 abc 각 상의 전류의 크기를 빼주어 다음의 수학식 22와 같이 프리휠링듀티를 계산할 수 있다.
또한, 도 12에서 kd는 알고리즘의 게인을 의미하며, 은 리미터로서 역할하기 위한 비선형함수를 의미하며, 그 결과 각 상에서의 프리휠링듀티()를 계산할 수 있고, 이러한 프리휠링듀티는 프리휠링듀티선택블록(322)으로 출력될 수 있다.
그리고, 프리휠링듀티선택블록(322)은 a상프리휠링듀티, b상프리휠링듀티 및 c상프리휠링듀티에서 맥스파인더함수(Max. Finder)를 통해 선택된 프리휠링듀티를 출력할 수 있다.
예를 들면, 도 12에 도시한 바와 같이 프리휠링듀티선택블록(322)은 프리휠링듀티계산부(321)로부터 출력되는 프리휠링듀티() 중에서 가장 높은 듀티를 찾기 위해 맥스파인더함수를 이용하여 최종 프리휠링듀티()를 검출하여 출력할 수 있다.
한편, 프리휠링과전압보호블록(323)은 능동단락회로의 과전압 폴트를 방지하기 위해 프리휠링듀티의 출력을 선택적으로 차단할 수 있는데, 능동단락회로에 대한 과전압폴트트립전압과 DC-링크전압을 비교하고, 비교 결과, DC-링크전압이 과전압폴트트립전압만큼 높아진 경우(즉, DC-링크전압이 과전압폴트트립전압보다 상대적으로 더 큰 값을 가진 경우) 프리휠링듀티의 출력을 차단할 수 있다.
예를 들면, 도 12에 도시한 바와 같이 프리휠링과전압보호블록(323)은 프리휠링 때문에 발생할 수 있는 인버터의 과전압폴트를 방지하기 위해 과전압폴트트립전압()과 현재 인버터 DC-링크전압()을 비교할 수 있고, 비교 결과 과전압폴트트립전압()보다 인버터 DC-링크전압()이 상대적으로 더 큰 값인 경우(즉, 과전압 상태인 경우) 프리휠링 동작을 금지할 수 있다.
즉, 프리휠링과전압보호블록(323)은 과전압폴트트립전압()보다 인버터 DC-링크전압()이 상대적으로 더 큰 값인 경우 프리휠링듀티선택블록(322)로부터 입력되는 최종 프리휠링듀티()의 출력을 차단할 수 있으며, 과전압폴트트립전압()보다 인버터 DC-링크전압()이 상대적으로 더 작은 값인 경우(즉, 과전압 상태가 아닌 경우) 프리휠링듀티를 결정()하여 출력할 수 있다.
프리휠링비교값출력부(330)는 프리휠링 시간과 듀티에 대응하는 프리휠링비교값을 생성 및 출력할 수 있는데, 프리휠링과전압보호블록(323)으로부터 출력되는 프리휠링듀티를 프리휠링비교값으로 생성한 후 모터구동제어기(200)의 모터제어기(270)에 구비되는 절환부(272)로 출력하여 PWM생성부(273)에 전달할 수 있다.
고전압배터리(400)는 직류전압을 방전시켜 DC-링크 커패시터(240)에 공급할 수 있고, 고전압배터리(400)와 DC-링크 커패시터(240)의 사이를 하이사이드에서 선택 연결하는 하이사이드릴레이(410)가 구비될 수 있으며, 고전압배터리(400)와 DC-링크 커패시터(240)의 사이를 로우사이드에서 선택 연결하는 로우사이드릴레이(420)가 구비될 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치의 시뮬레이션 결과에 대해 도 13 내지 도 18을 참조하여 설명하면, 먼저 시뮬레이션에서 사용된 모터의 파라미터는 도 5의 표에 나타낸 바와 같고, 마진전류(Im)는 1A로 설정하였는데, 이 마진전류는 프리휠링 시간 주입이 과도상태인 경우에만 동작하도록 하는 역할을 수행할 수 있다.
여기에서, 작은 마진전류는 프리휠링 상태가 정상상태에도 동작할 수 있게 하여 인버터에 고전압을 유발할 수 있고, 큰 마진전류는 본 발명의 일 실시예에서 제안한 알고리즘(즉, 능동단락회로 제어 기법)의 동작 범위를 제한시켜 동작 성능이 떨어지게 한다.
한편, 모든 시뮬레이션은 모터의 속도를 1200 rev/min으로 고정하여 수행하였고, 프리휠링 여부를 결정하는 경계전류값(IASC)은 상기 수학식 15와 마진전류를 고려하여 선정하였으며, 게인값(kd)의 선정은 허용 가능한 최대전류값과 밀접하고, 계자전류()는 약 40A이며, 전류제한(Imax)은 45A이다.
또한, 상전류를 45A 이내로 동작하기 위해서 을 이용하여 계산하였고, 그 게인(kd)은 0.2로 산출될 수 있다.
한편, 도 13은 본 발명의 일 실시예에서 제안한 알고리즘을 적용하지 않은 경우 능동단락회로가 동작할 때 모터의 a상, b상, c상 전류와 dq축 전류를 나타내는데, 능동단락회로가 동작할 경우 인버터에서 출력전압이 0이 되고, 상기 수학식 12와 같이 전류가 발생될 수 있으며, 낮은 감쇠비(ζ) 때문에 과도상태에서 모터의 b상 전류는 49A까지 오버슛과 진동이 발생한 것을 확인할 수 있다.
그리고, 도 14는 본 발명의 일 실시예에서 제안한 알고리즘을 적용한 경우 능동단락회로가 동작할 때 모터의 a상, b상, c상 전류와 dq축 전류를 나타내는데, b상 전류의 최대전류는 39.8A이며, 도 13과 비교해 보면 피크전류가 약 9.2A 감소한 것을 알 수 있다.
또한, 도 15에 도시한 바와 같은 dq축 전류의 궤적을 통해 본 발명의 일 실시예에서 제안한 알고리즘 성능의 유효성을 분석하면, 제안된 알고리즘을 적용하지 않은 경우 과도상태에서 dq축 전류는 전류제한원 밖으로 나가게 되지만, 제안된 알고리즘을 적용할 경우 dq축 전류는 전류제한원 내부로 들어오게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서 제안한 알고리즘을 검증하기 위해서 다음과 같은 실험을 수행하였는데, 마이크컨트롤러는 TMS28377D를 사용하였으며, 스위칭 주파수는 5 kHz로 선정하였고, 시뮬레이션과 동일하게 알고리즘 게인(kd)은 0.2이며, 마진전류(Im)는 1A로 설정하였으며, 다이나모용 모터에서 1200 rev/min으로 속도제어를 하고 있고, 알고리즘을 수행한 시료모터는 토크제어 모드로 동작시켰으며, 시료모터는 자체 제작한 3상 인버터에 의해서 제어되었고, 파워모듈로는 PM100RL1A060을 사용하였다.
그리고, 도 10은 실제 로우사이드 능동단락회로(Low-side ASC)와 프리휠링 모드를 혼합하여 PWM을 출력하는 기법에 대해 나타내고 있는데, 정상운전 시, 반송파와 비교 레지스터값인 CompA와 비교하여 반송파가 CompA보다 큰 경우 윗상스위치()가 켜지며(on), 아랫상 스위치()는 서로 상보적으로 동작하여 꺼지게 된다(off).
다음에, 안전상태모드 전환을 요청 받을 경우 PWM 동작모드는 정상에서 안전상태모드로 전환되는데, 로우사이드 능동단락회로(Low-side ASC)로 동작하는 경우 안전상태에서는 윗상 스위치를 항상 끄도록 설정(예를 들면, 실제 마이크로 컨트롤러에서 구현할 경우 위상 스위치 출력포트를 PWM 동작에서 GPIO로 변경하도록 설정함)할 수 있고, 도 10에 도시한 바와 같이 CompA는 윗상스위치 출력에 영향을 주지 않고 오로지 아랫상 PWM에만 영향을 주게 되며, 아랫상이 켜진 경우는 ASC로 동작할 수 있고, 아랫상이 꺼지면 프리휠링으로 동작할 수 있다.
따라서 기존 인버터 시스템에서 마이크로 컨트롤러의 세팅만을 변경하여서 능동단락회로(ASC)와 프리휠링의 시간을 자유롭게 제어할 수 있다.
한편, 도 16 내지 도 18에는 본 발명의 일 실시예에서 제안한 알고리즘 실험결과 파형을 나타내는데, 모터는 1200 rev/min으로 동작 중이며, 능동단락회로의 운전 시 a상, b상, c상 및 dq축 모터 전류를 나타내고 있다.
여기에서, 도 16은 본 발명의 일 실시예에서 제안한 알고리즘을 적용하지 않은 상태로 능동단락회로(ASC)를 동작할 경우를 나타내는데, 도 13에 도시한 바와 같은 시뮬레이션 결과와 유사하게 능동단락회로(ASC)가 동작하고, 과도상태에서 큰 전류가 발생하게 되며, 최대 약 52 A까지 b상에 큰 전류가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 토크성분이 생성되는 q축 전류에서는 능동단락회로(ASC) 동작 시 최소 q축 전류는 ??33 A이며, 그 이후 진동전류의 크기는 약 23 A 진폭으로 흔들리게 되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 17은 본 발명의 일 실시예에서 제안한 알고리즘을 적용한 상태에서 능동단락회로(ASC)의 동작할 경우를 나타내는데, 그 전류 파형은 도 16에 도시한 바와 같은 전류파형에 대비하여 본 발명의 일 실시예에서 제안된 알고리즘을 사용함에 따라 프리휠링듀티가 능동단락회로(ASC) 동작 사이에 들어가게 됨으로써, 그 결과 a상, b상, c상 전류의 크기가 모두 약 40A 이내로 제한되었음을 확인할 수 잇다.
또한, q축 전류진동의 진폭이 도 16에 도시한 바와 같은 진폭에 비해 감소한 것을 확인할 수 있으며, 도 14에 도시한 바와 같은 시뮬레이션 결과와 비교하면 상전류와 dq전류는 매우 동일한 결과를 나타내고 있음을 알 수 있지만, 프리휠링듀티값은 약간에 차이가 존재하며, 그 이유는 모터의 비선형성에 의해서 발생한 모터 모델에 차이와 인버터의 내부에 존재하는 기생인덕턴스(stray Inductance)때문이다.
그리고, 도 18은 본 발명의 일 실시예에서 제안된 알고리즘 사용유무에 따른 dq전류의 궤적에 대한 실험결과를 내고 있는데, 도 18의 (a)는 기존 방법으로 능동단락회로(ASC)를 동작한 경우이며, 그 dq전류는 전류제한원을 벗어나는 것을 확인할 수 있는 반면에, 본 발명의 일 실시예에서 제안된 알고리즘을 사용하는 경우 도 18의 (b)에 도시한 바와 같이 dq축 전류의 궤적이 전류제한원 안으로 들어오는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치에서는 모터의 안전상태 중 하나인 프리휠링을 사용하되, 프리휠링 주입시간을 결정하고, 프리휠링 듀티를 능동단락 회로 운전 시 과도상태에 주입함으로써, 그 결과 과전류를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 진동시간도 감소시킬 수 있으며, 결과적으로 최대 모터 상전류의 감소를 통하여 모터의 전류가 전류제한원 안으로 운전이 가능하도록 제어할 수 있고, 프리휠링 듀티를 결정하는 과정에서 상전류만을 사용함으로써, 모터의 각도나 다른 추가적인 센싱정보 없이도 능동단락회로의 안전상태를 실행할 수 있으며 이는 센서폴트에 대한 알고리즘의 강인성(robustness)을 증가시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 전기모터 구동 시스템에서 능동단락회로 운전 시 과도상태에서 발생하는 과전류와 진동 전류를 저감하기 위해 매우 짧은 시간동안 프리휠링을 능동단락회로 운전 사이에 출력 제어함으로써, 피크 상전류의 크기를 감소시키면서 진동시간을 단축하여 과전류와 진동 전류를 억제할 수 있다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따라 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로를 제어하는 과정을 나타낸 플로우차트이다.
도 19를 참조하면, 구동모터시스템(200)과 능동단락회로전류안정기(300)에서는 구동모터시스템(200)의 안전상태가 요청되는지를 체크한다(단계1910).
여기에서, 구동모터시스템(200)의 안전상태 요청은 내부와 외부로 나눌 수 있는데, 외부인 경우 VCU(Vehicle control unit), BMS(Batter manage system) 등에서 안전상태를 요청할 수 있다. 즉, 내부 또는 외부에 심각한 고장이 나서 정상적인 모터 제어를 못할 경우 구동모터시스템(200)의 안전상태를 요청할 수 있다.
또한, 내부에서 폴트가 발생하는 경우는 예를 들면, 인버터에서 6상 스위치 중 하나 이상이 폴트 신호를 출력하는 경우, 전류센서(220)에서 이상이 발생한 경우 등이 있는데, 예를 들면, 인버터(모터제어기, 전력변환 장치)의 6개의 스위치 중 a상에 윗상스위치가 오픈(Open)으로 고장이 날 경우 더 이상 전기모터를 정상적으로 제어할 수 없으며, 이 경우 아래상 능동단락회로를 통하여 안전상태에 도달 할 수 있다.
상기 단계(1910)에서의 체크 결과, 구동모터시스템(200)의 안전상태가 요청되지 않을 경우 구동모터시스템(200)에서는 정상상태의 운전모드로 구동모터(100)를 제어할 수 있다(단계1920)
예를 들면, 모터제어기(270)의 모터제어부(271)에서는 정상상태에서 구동모터(100)의 구동 제어를 위한 비교값을 출력할 수 있고, 절환부(272)에서는 모터제어부(271)와 PWM생성부(273)를 연결하여 모터제어부(271)에서 출력된 비교값을 PWM생성부(273)로 전달하며, PWM생성부(273)에서는 반송파와 비교값을 이용하여 구동모터(100)의 구동 제어를 위한 PWM신호를 생성하여 출력할 수 있다.
여기에서, 모터제어시스템(200)의 정상상태 운전모드일 경우 윗상스위치와 아랫상스위치는 서로 상보적(complementary)으로 동작할 수 있다.
한편, 상기 단계(1910)에서의 체크 결과, 구동모터시스템(200)의 안전상태가 요청될 경우 구동모터시스템(200)에서는 구동모터제어기(270)의 절환부(272)를 통해 능동단말회로전류안정기(300)와 PWM생성부(273)를 연결함으로써, 능동단락회로를 동작시킬 수 있다(단계1930).
그리고, 구동모터시스템(200)에서 능동단락회로를 동작시키는 중에 능동단말회로전류안정기(300)에서 능동단락회로가 과도상태인지의 여부를 체크할 수 있다(단계1940).
상기 능동단락회로가 과도상태인지의 여부를 체크하는 단계(1920)에서는, 능동단락회로의 정상상태전류에 마진전류를 합하여 능동단락회로전류를 계산하고, 계산된 능동단락회로전류를 통해 능동단락회로가 과도상태인지의 여부를 판단할 수 있다.
예를 들면, 프리휠링듀티계산블록(321)에서는 전류계산부(310)에서 계산된 능동단락회로전류(Imag)와 마진전류(Im)를 더해서 능동단락회로전류(IASC)를 계산()할 수 있고, 능동단락회로전류(IASC)를 이용하여 구동모터(100)의 현재전류가 과도상태(또는 오버슛상태)인지의 여부를 판단할 수 있다.
다음에, 상기 단계(1940)의 체크 결과, 능동단락회로가 과도상태일 경우 능동단말회로전류안정기(300)에서 구동모터(100)의 전류정보 및 속도정보에 대응하는 프리휠링비교값을 출력할 수 있다(단계1950).
상기 프리휠링비교값을 출력하는 단계(1950)에서는, 정상상태전류를 이용하여 프리휠링비교값의 출력을 위해 프리휠링 시간과 듀티를 계산하고, 프리휠링 시간과 듀티에 대응하는 프리휠링비교값을 생성 및 출력할 수 있다.
예를 들면, 구동모터(100)의 현재전류가 과도상태(또는 오버슛상태)일 경우 프리휠링듀티계산블록(321)에서는 현재전류 크기를 계산하여 프리휠링시간을 결정할 수 있고, 능동단락회로전류(IASC)와 abc 각 상의 전류의 크기를 빼주어 프리휠링듀티를 계산할 수 있다.
그리고, 프리휠링듀티선택블록(322)에서는 프리휠링듀티계산부(321)로부터 출력되는 프리휠링듀티 중에서 가장 높은 듀티를 찾기 위해 맥스파인더함수를 이용하여 최종 프리휠링듀티를 검출하여 출력할 수 있다.
또한, 프리휠링과전압보호블록(323)에서는 과전압폴트트립전압보다 인버터 DC-링크전압이 상대적으로 더 큰 값인 경우 프리휠링듀티선택블록(322)로부터 입력되는 최종 프리휠링듀티의 출력을 차단할 수 있으며, 과전압폴트트립전압보다 인버터 DC-링크전압이 상대적으로 더 작은 값인 경우(즉, 과전압 상태가 아닌 경우) 프리휠링듀티를 결정하여 출력할 수 있다.
다음에, 구동모터시스템(200)에서 반송파와 프리휠링비교값을 이용하여 구동모터의 구동 제어를 위한 PWM신호를 생성하여 출력할 수 있다(단계1960).
상기 PWM신호를 생성하여 출력하는 단계(1960)에서는, 능동단락회로의 과도상태에서, 능동단락회로가 로우사이드로 동작할 경우 아랫상스위치를 통해 능동단락회로 또는 프리휠링으로 동작하거나, 혹은 능동단락회로가 하이사이드로 동작할 경우 윗상스위치를 통해 능동단락회로 또는 프리휠링으로 동작할 수 있다.
예를 들면, PWM생성부(273)에서는 능동단락회로의 정상 운전 시 반송파와 비교레지스터값을 비교하고, 반송파가 비교레지스터값보다 상대적으로 큰 경우 위상스위치가 켜지며(on), 아랫상스위치는 서로 상보적으로 동작하여 꺼지게(off) 되는데, 능동단락회로전류안정기(300)로부터 안전상태모드로의 전환을 요청받을 경우 PWM동작모드가 PWM 정상상태모드에서 PWM 안전상태모드로 전환될 수 있다.
여기에서, 로우사이드(low-side) 능동단락회로(ASC)로 동작하는 경우 PWM 안전상태모드에서는 윗상스위치를 항상 끄도록(off) 설정할 수 있고(예를 들면, 실제 컨트롤러에서 구현하는 경우 위상스위치출력포트를 PWM동작에서 GPIO로 변경하도록 설정할 수 있음), 비교레지스터값은 위상스위치 출력에 영향을 주지 않고, 아랫상스위치 출력에만 영향을 주게 된다.
그리고, 아랫상스위치가 켜진 경우(on) 능동단락회로(ASC)로 동작할 수 있고, 아랫상스위치가 꺼진 경우(off) 프리휠링으로 동작할 수 있다.
한편, 하이사이드(high-side) 능동단락회로(ASC)로 동작하는 경우에는 로우사이드(low-side) 능동단락회로(ASC)와는 반대로 동작할 수 있다.
즉, 상술한 바와 같은 모터제어시스템(200)의 안전상태모드에서는 능동단락회로의 능동단락 운전 사이에 프리휠링비교값에 대응하는 프리휠링 운전을 추가하여 동작할 수 있으며, 이러한 프리휠링은 인버터에 과전압을 유발할 수 있기 때문에 매우 짧은 시간으로 추가할 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에서는 전기모터 구동 시스템에서 능동단락회로 운전 시 과도상태에서 발생하는 과전류와 진동 전류를 저감하기 위해 매우 짧은 시간동안 프리휠링을 능동단락회로 운전 사이에 출력 제어함으로써, 피크 상전류의 크기를 감소시키면서 진동시간을 단축하여 과전류와 진동 전류를 억제할 수 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.
100 : 구동모터
200 : 구동모터시스템
210 : 각도센서
220 : 전류센서
230 : 파워모듈
240 : DC-링크 커패시터
250 : 방전저항
260 : 전압센서
270 : 모터제어기
271 : 모터제어부
272 : 절환부
273 : PWM생성부
300 : 능동단락회로전류안정기
310 : 전류계산부
320 : 프리휠링듀티계산부
321 : 프리휠링듀티계산블록
322 : 프리휠링듀티선택블록
323 : 프리휠링과전압보호블록
330 : 프리휠링비교값출력부
400 : 고전압배터리
410 : 하이사이드릴레이
420 : 로우사이드릴레이

Claims (14)

  1. 차량축과 연결되어 구동력을 제공하는 구동모터;
    상기 구동모터를 제어하고, 상기 구동모터시스템의 안전상태 요청 여부에 따라 능동단락회로를 동작시키는 구동모터시스템; 및
    상기 능동단락회로가 동작될 경우 상기 능동단락회로가 과도상태인지의 여부에 따라 상기 구동모터의 전류정보와 속도정보를 이용하여 상기 구동모터시스템을 안정화시키기 위한 프리휠링비교값을 선택 생성하여 상기 구동모터시스템으로 출력하는 능동단락회로전류안정기;
    를 포함하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동모터시스템은, 안정상태 요청 여부에 따라 정상상태출력 또는 안전상태출력을 선택 제어하는 모터제어기를 포함하되,
    상기 모터제어기는,
    상기 구동모터의 전류 및 토크를 제어하되, 정상상태에서 상기 구동모터의 구동 제어를 위한 비교값을 출력하는 모터제어부;
    상기 정상상태인 경우 상기 모터제어부에서 출력된 상기 비교값을 전달하고, 상기 구동모터시스템의 안전상태가 요청될 경우 능동단락회로로 동작하여 상기 능동단락회로전류안정기로부터 출력되는 상기 프리휠링비교값을 전달하는 절환부; 및
    반송파와 상기 비교값 또는 프리휠링비교값을 이용하여 상기 구동모터의 구동 제어를 위한 PWM신호를 생성하여 출력하는 PWM생성부;
    를 포함하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 능동단락회로전류안정기는,
    상기 능동단락회로의 정상상태전류를 계산하는 전류계산부;
    상기 정상상태전류를 이용하여 상기 프리휠링비교값의 출력을 위해 프리휠링 시간과 듀티를 계산하는 프리휠링듀티계산부; 및
    상기 프리휠링 시간과 듀티에 대응하는 상기 프리휠링비교값을 생성 및 출력하는 프리휠링비교값출력부;
    를 포함하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 프리휠링듀티계산부는,
    상기 정상상태전류에 마진전류를 합하여 능동단락회로전류를 계산하고, 상기 계산된 능동단락회로전류를 통해 상기 능동단락회로가 상기 과도상태인지의 여부를 판단하며, 상기 과도상태일 경우 상기 능동단락회로전류의 크기에 대응하여 프리휠링시간과, a상프리휠링듀티, b상프리휠링듀티 및 c상프리휠링듀티를 각각 계산하는 프리휠링듀티계산블록;
    상기 a상프리휠링듀티, b상프리휠링듀티 및 c상프리휠링듀티에서 맥스파인더함수를 통해 선택된 프리휠링듀티를 출력하는 프리휠링듀티선택블록; 및
    상기 능동단락회로의 과전압 폴트를 방지하기 위해 상기 프리휠링듀티의 출력을 선택적으로 차단하는 프리휠링과전압보호블록;
    를 포함하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 프리휠링과전압보호블록은,
    상기 능동단락회로에 대한 과전압폴트트립전압과 DC-링크전압을 비교하고, 비교 결과, 상기 DC-링크전압이 상기 과전압폴트트립전압만큼 높아진 경우 상기 프리휠링듀티의 출력을 차단하는
    전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 PWM생성부는,
    상기 모터제어시스템의 정상상태 운전모드일 경우 윗상스위치와 아랫상스위치는 서로 상보적으로 동작하는 반면에, 상기 모터제어시스템의 안전상태 운전모드일 경우 능동단락과 프리휠링으로 동작하도록 전환되는
    전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 PWM생성부는,
    상기 능동단락회로의 과도상태에서,
    상기 능동단락회로가 로우사이드로 동작할 경우 아랫상스위치를 통해 상기 능동단락회로 또는 프리휠링으로 동작하거나, 혹은
    상기 능동단락회로가 하이사이드로 동작할 경우 윗상스위치를 통해 상기 능동단락회로 또는 프리휠링으로 동작하는
    전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동모터시스템은,
    상기 구동모터의 각도값을 측정하여 제공하는 각도센서;
    상기 구동모터에 공급되는 전류값을 측정하여 제공하는 전류센서;
    상기 구동모터에 구동전류를 공급 및 제어하는 파워모듈;
    PWM 노이즈와 기생인덕턴스 영향을 최소화하기 위해 고전압배터리와 상기 파워모듈의 사이에 구비되는 DC-링크 커패시터;
    상기 고전압배터리와 모터제어시스템 사이의 전원 연결이 차단될 경우 기 설정된 시간 내에 상기 DC-링크 커패시터에 저장된 DC-링크 전압을 방전시키는 방전저항; 및
    상기 DC-링크 커패시터에서 측정된 전압값을 제공하는 전압센서;
    를 더 포함하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 능동단락회로 제어 장치는,
    상기 직류전압을 방전시켜 상기 DC-링크 커패시터에 공급하는 상기 고전압배터리;
    상기 고전압배터리와 상기 DC-링크 커패시터의 사이를 하이사이드에서 선택 연결하는 하이사이드릴레이; 및
    상기 고전압배터리와 상기 DC-링크 커패시터의 사이를 로우사이드에서 선택 연결하는 로우사이드릴레이;
    를 더 포함하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 장치.
  10. 구동모터시스템과 능동단락회로전류안정기에서 안전상태가 요청되는지 체크하는 단계;
    상기 안전상태가 요청되지 않을 경우 상기 구동모터시스템에서 정상상태 운전모드로 구동모터를 제어하는 단계;
    상기 안정상태가 요청될 경우 상기 구동모터시스템과 상기 능동단락회로전류안정기를 연결하여 능동단락회로를 동작시키는 단계;
    상기 능동단락회로를 동작시키는 중에 상기 능동단말회로전류안정기에서 상기 능동단락회로가 과도상태인지의 여부를 체크하는 단계;
    상기 능동단락회로가 상기 과도상태일 경우 상기 능동단말회로전류안정기에서 상기 구동모터의 전류정보 및 속도정보에 대응하는 프리휠링비교값을 출력하는 단계; 및
    상기 구동모터시스템에서 반송파와 상기 프리휠링비교값을 이용하여 상기 구동모터의 구동 제어를 위한 PWM신호를 생성하여 출력하는 단계;
    를 포함하는 전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 능동단락회로가 과도상태인지의 여부를 체크하는 단계는,
    상기 능동단락회로의 정상상태전류에 마진전류를 합하여 능동단락회로전류를 계산하고, 상기 계산된 능동단락회로전류를 통해 상기 능동단락회로가 상기 과도상태인지의 여부를 판단하는
    전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 방법.
  12. 청구항 제11에 있어서,
    상기 프리휠링비교값을 출력하는 단계는,
    상기 정상상태전류를 이용하여 상기 프리휠링비교값의 출력을 위해 프리휠링 시간과 듀티를 계산하고, 상기 프리휠링 시간과 듀티에 대응하는 상기 프리휠링비교값을 생성 및 출력하는
    전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 방법.
  13. 청구항 제12에 있어서,
    상기 PWM신호를 생성하여 출력하는 단계는,
    상기 능동단락회로의 과도상태에서,
    상기 능동단락회로가 로우사이드로 동작할 경우 아랫상스위치를 통해 상기 능동단락회로 또는 프리휠링으로 동작하거나, 혹은
    상기 능동단락회로가 하이사이드로 동작할 경우 윗상스위치를 통해 상기 능동단락회로 또는 프리휠링으로 동작하는
    전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 방법.
  14. 청구항 제13에 있어서,
    상기 PWM신호를 생성하여 출력하는 단계는,
    상기 능동단락회로의 능동단락 운전 사이에 상기 프리휠링 시간과 듀티에 대응하여 생성된 상기 프리휠링비교값에 따라 프리휠링 운전을 추가하여 동작하는
    전기모터 구동 시스템의 능동단락회로 제어 방법.
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