KR20240044128A - 모터 구동 장치 및 이의 제어 방법 - Google Patents

모터 구동 장치 및 이의 제어 방법 Download PDF

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유태일
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현대자동차주식회사
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Abstract

모터 구동 장치는 복수의 권선을 가지는 모터; 상기 복수의 권선 각각의 일단에 연결되고, 상기 모터를 구동하는 제1 인버터; 상기 복수의 권선 각각의 타단에 연결되고, 모터 구동 모드에 따라 상기 모터를 선택적으로 구동하는 제2 인버터; 및 토크 지령 및 전압 이용률 제어 값에 따라 상기 모터에 대한 전류 지령을 생성하되, 상기 모터의 현재 역자속과 상기 모터 구동 모드에 대한 절환 기준 역자속을 기반으로 상기 전류 지령에 대한 선형화 제어의 수행 여부를 판단하고, 상기 선형화 제어를 수행하는 구간에서 상기 전류 지령의 값이 선형화되도록 상기 전압 이용률 제어 값을 조정하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.

Description

모터 구동 장치 및 이의 제어 방법{MOTOR DRIVING APPARATUS AND METHOD CONTROLLING FOR THE SAME}
본 발명은 모터 구동 장치 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터 구동 모드 절환 시 모터의 출력 토크에 발생되는 쇼크를 완화하는 모터 구동 장치 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
최근, 하나의 모터로 저출력 및 고출력 구간을 모두 커버하면서도 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 모터 구동 기술이 요구됨에 따라, 두 개의 인버터와 모드 절환 스위치를 이용하여 하나의 모터를 서로 다른 두 모드로 구동하는 기술이 도입되고 있다.
여기서, 서로 다른 모드 중 하나는 Y-결선 구조를 이용하여 하나의 인버터로 모터를 구동하는 클로즈드 엔드 와인딩(CEW, Closed End Winding) 모드이고, 다른 하나는 두 개의 인버터로 모터를 구동하는 오픈 엔드 와인딩 모드(OEW, Open End Winding)이다.
CEW 모드와 OEW 모드는 인버터의 전압이용률이 상이하므로, 약계자 제어(Field weakening control)의 진입 조건도 모드별로 상이할 수 있다. 이때, CEW 모드는 OEW 모드에 비해 낮은 RPM에서 약계자 제어를 수행할 수 있다. 여기서, 약계자 제어는 모터의 속도가 기저 분당 회전 수(base RPM) 이상인 영역에서, 모터의 자속을 낮추어 모터를 고속으로 제어하는 방식에 해당한다.
따라서, CEW 모드와 OEW 모드 간의 모드 절환 기준은 서로 다른 약계자 제어의 진입 조건을 고려하여 설정되어야 한다. 예컨대, 모드 절환 기준이 CEW 모드에서 약계자 제어를 수행하는 중에 모터 구동 모드가 절환되는 것을 허용할 경우, 전류 지령의 급격한 변화로 인해 모터의 출력 토크에 쇼크가 발생할 수 있다. 이와 달리, 모드 절환 기준이 CEW 모드에서 약계자 제어를 수행하기 전에 모터 구동 모드가 절환되도록 설정될 경우, 인버터-모터 시스템의 효율이 저하될 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.
이에 본 발명은, 약계자 제어를 수행하는 중에 모터 구동 모드가 절환되더라도, 모터에 대한 전류 지령의 값이 선형화되도록 전압 이용률 제어 값을 조정하는 선형화 제어를 수행함으로써, 모터 구동 모드 절환 시 모터의 출력 토크에 발생되는 쇼크를 완화하는 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 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치는 복수의 권선을 가지는 모터; 상기 복수의 권선 각각의 일단에 연결되고, 상기 모터를 구동하는 제1 인버터; 상기 복수의 권선 각각의 타단에 연결되고, 모터 구동 모드에 따라 상기 모터를 선택적으로 구동하는 제2 인버터; 및 토크 지령 및 전압 이용률 제어 값에 따라 상기 모터에 대한 전류 지령을 생성하되, 상기 모터의 현재 역자속과 상기 모터 구동 모드에 대한 절환 기준 역자속을 기반으로 상기 전류 지령에 대한 선형화 제어의 수행 여부를 판단하고, 상기 선형화 제어를 수행하는 구간에서 상기 전류 지령의 값이 선형화되도록 상기 전압 이용률 제어 값을 조정하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
또한, 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어 방법은 토크 지령 및 전압 이용률 제어 값에 따라 상기 모터에 대한 전류 지령을 생성하는 단계; 상기 모터의 현재 역자속과 상기 모터 구동 모드에 대한 절환 기준 역자속을 기반으로 선형화 제어의 수행 여부를 판단하는 단계; 및 상기 선형화 제어를 수행하는 구간에서 상기 전류 지령의 값이 선형화되도록 상기 전압 이용률 제어 값을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 모터에 대한 전류 지령의 값이 선형화되도록 전압 이용률 제어 값을 조정하는 선형화 제어를 수행함으로써, 모터 구동 모드 절환 시 모터의 출력 토크에 발생되는 쇼크를 완화할 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 실시예에 따른 모터 구동 장치의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 모드 별 전압 이용률을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 모드 별 토크 제한 곡선을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 모드 별 약계자 제어 진입 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤러의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 이용률 제어부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 이용률 제어부가 토크 지령의 값을 기반으로 선형화 제어가 수행되는 영역을 설정하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 이용률 제어부가 모터 구동 모드 절환 시 선형화 제어를 통해 모터의 출력 토크에 발생되는 쇼크를 완화하는 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
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 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 모터 구동 장치는 제1 인버터(10), 제2 인버터(20), 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선(C1-C3)을 갖는 모터(30), 모드 절환부(40), 배터리(50) 및 컨트롤러(100)를 포함할 수 있다.
제1 인버터(10)는 복수의 권선(C1-C3) 각각의 일단에 연결되는 복수의 제1 스위칭 소자(S11-S16)를 포함하고, 제2 인버터(20)는 복수의 권선(C1-C3) 각각의 타단에 연결되는 복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 포함할 수 있다. 모드 절환부(40)는 복수의 권선(C1-C3) 각각의 타단 및 복수의 권선(C1-C3)에 대한 중성단 사이에 연결되는 복수의 모드 절환 스위치(S31-S33)를 포함할 수 있다. 컨트롤러(100)는 모터 요구 출력(즉, 모터에 대한 토크 지령), 직류 전압, 상전류 및 모터 각을 기반으로, 제1 스위칭 소자(S11-S16), 제2 스위칭 소자(S21-S26) 및 모드 절환 스위치(S31-S33)의 온/오프 상태를 제어할 수 있다.
제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)는 배터리(50)에 저장된 직류 전력을 삼상의 교류 전력으로 변환하여 모터(30)로 출력하거나, 회생 제동 시 모터(30)의 회생 제동 토크 발생으로 인해 생성되는 회생 제동 에너지를 직류로 변환하여 배터리(50)로 출력할 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(미도시)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)는 배터리(50)의 양단 사이에 연결된 직류 링크 커패시터(미도시)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.
컨트롤러(100)는 모터 구동 모드에 따라 모드 절환부(40)에 포함된 제3 스위칭 소자(S31-S33)의 온/오프 상태를 제어하고, 제2 인버터(20)를 통해 모터(30)를 구동할지 여부를 결정할 수 있다.
모터 구동 모드는 클로즈드 엔드 와인딩(CEW, Closed End Winding) 모드 및 오픈 엔드 와인딩(OEW, Open End Winding) 모드를 포함할 수 있다.
좀 더 구체적으로, CEW 모드는 컨트롤러(100)가 모드 절환 스위치(S31-S33)를 온 상태로 제어함으로써 복수의 권선(C1-C3) 각각의 타단과 복수의 권선(C1-C3)에 대한 중성단이 전기적으로 연결되고, 두 개의 인버터(10, 20) 중 제1 인버터(10)를 통해 모터(30)를 구동하는 모드에 해당할 수 있다.
이와 달리, OEW 모드는 컨트롤러(100)가 모드 절환 스위치(S31-S33)를 오프 상태로 제어함으로써 복수의 권선(C1-C3) 각각의 타단과 복수의 권선(C1-C3)에 대한 중성단이 전기적으로 분리되고, 두 개의 인버터(10, 20)를 통해 모터(30)를 구동하는 모드에 해당할 수 있다.
즉, 제1 인버터(10)는 모터 구동 모드에 상관없이 모터(30)를 구동하는 반면, 제2 인버터(20)는 모터 구동 모드에 따라 모터(30)를 선택적으로 구동할 수 있다.
컨트롤러(100)는 모터(30)에 대한 토크 지령 및 토크 지령에 따른 모터(30)의 역자속을 기반으로, 인버터에 대한 서로 다른 전압 이용률(MI)을 가진 CEW 모드와 OEW 모드를 포함한 모터 구동 모드를 절환함으로써, 운전점에 따른 모터 구동 장치의 효율을 극대화할 수 있다.
한편, CEW 모드와 OEW 모드는 서로 다른 인버터의 전압 이용률(MI)로 인해 서로 다른 약계자(Field Weakening) 제어의 진입 조건을 가지게 됨으로써, 모터 구동 모드가 절환될 때 모터(30)의 출력 토크에 쇼크가 발생할 수 있다. 이는 도 2 내지 도 4를 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 모드 별 전압 이용률(MI)을 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, D축(Direct axis) 전압(Vd)과 Q축(Quadrature axis) 전압(Vq)으로 나타낸 CEW 모드와 OEW 모드 각각의 전압 벡터 육각형이 도시되어 있다. OEW 모드는 CEW 모드의 전압 벡터 육각형에 비해 크기가 큰 전압 벡터 육각형을 가질 수 있다. 이에 따라, OEW 모드는 CEW 모드의 전압 이용률(MI)보다 높은 전압 이용률(MI)을 가질 수 있다. 예컨대, OEW 모드는 CEW 모드의 전압 이용률(MI)에 비해 배 높은 전압 이용률(MI)을 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 모드 별 토크 제한 곡선을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 모드 별 약계자 제어 진입 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, CEW 모드와 OEW 모드 각각에 대한 단위 전류당 최대 토크(MTPA, Maximum Torque Per Ampere) 제어 영역 및 약계자 제어 영역이 도시되어 있다. 여기서, MTPA 제어는 모터의 속도가 기저(base) RPM보다 낮은 영역에서, D축(Direct axis) 전류와 Q축(Quadrature axis) 전류의 조합에 따라 모터의 고정자에 흐르는 전류를 최소화하되, 모터의 토크는 최대로 출력되도록 제어하는 방식에 해당할 수 있다. 이때, 모터의 출력 토크는 MTPA 제어가 수행되는 구간 동안 일정할 수 있다. 약계자 제어는 모터의 속도가 기저(base) RPM보다 높은 영역에서, D축(Direct axis) 전류를 모터에 인가하여 모터의 자속을 낮춤으로써, 모터를 고속으로 제어하는 방식에 해당할 수 있다. 이때, 모터의 출력 토크는 약계자 제어가 수행되는 구간 동안 RPM이 높을수록 낮아지나, 모터의 출력 파워는 일정하게 출력될 수 있다.
CEW 모드와 OEW 모드는 서로 다른 전압 이용률(MI)로 인해 기저(base) RPM이 상이하게 설정되므로, 약계자 제어의 진입 조건은 모터 구동 모드 별로 서로 다를 수 있다.
도 4를 참조하면, CEW 모드와 OEW 모드 각각에 대한 D축(Direct axis) 전류의 변화가 도시되어 있다. CEW 모드와 OEW 모드는 서로 다른 RPM에서 D축(Direct axis) 전류를 음(-) 방향으로 증가시킴으로써, 약계자 제어를 수행할 수 있다.
즉, CEW 모드와 OEW 모드는 서로 다른 약계자 제어의 진입 조건을 가지므로, 모터 구동 모드 절환 시 급격한 D축(Direct axis) 전류의 변화로 인해 모터의 출력 토크에 쇼크가 발생할 수 있다. 일 예로, 모터 구동 모드가 CEW 모드(약계자 제어 영역)에서 OEW 모드(MTPW 제어 영역 또는 약계자 제어 영역)로 절환될 경우, D축(Direct axis) 전류는 급격하게 감소됨으로써, 모터의 출력 토크에 쇼크가 발생할 수 있다. 다른 예로, 모터 구동 모드가 OEW 모드(MTPW 제어 영역 또는 약계자 제어 영역)에서 CEW 모드(약계자 제어 영역)로 절환될 경우, D축(Direct axis) 전류는 급격하게 증가됨으로써, 모터의 출력 토크에 쇼크가 발생할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에서는 약계자 제어를 수행하는 중에 모터 구동 모드가 절환되더라도, 모터에 대한 D축(Direct axis) 전류 지령의 값이 선형화되도록 전압 이용률 제어 값을 조정하는 선형화 제어를 수행함으로써, 모터 구동 모드 절환 시 발생되는 토크 쇼크를 완화하는 것을 제안한다. 이를 위한 구조가 도 5에 도시된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤러의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(100)는 전류 지령 생성부(110), 전압 지령 생성부(120) 및 전압 이용률 제어부(130)를 포함할 수 있다.
전류 지령 생성부(110)는 토크 지령(TeRef) 및 전압 이용률 제어 값(miRef) 등을 기반으로 모터의 현재 역자속에 대한 PI 제어를 통해 역자속 지령()을 산출하는 약자속 제어기(111) 및 전류맵을 참조하여 토크 지령(TeRef)과 역자속 지령()의 조합에 대응하는 모터에 대한 전류 지령(IdqRef)을 출력하는 전류맵 판단부(112)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 전류 지령 생성부(110)는 토크 지령(TeRef) 및 전압 이용률 제어 값(miRef)에 따라 전류 지령(IdqRef)을 생성할 수 있다.
이때, 전압 이용률 제어 값(miRef)은 인버터의 전압 이용률을 조정하기 위한 기준 값에 해당하며, 전류 지령(IdqRef)은 D축(Direct axis) 전류 지령과 Q축(Quadrature) 전류 지령을 포함할 수 있다.
전압 지령 생성부(120)는 전류 지령(IdqRef)으로부터 DQ 전압 지령(VdqnRef)을 생성하는 전류 제어기(121) 및 DQ 전압 지령(VdqnRef)을 입력받아 펄스폭 변조 제어를 통해 인버터의 교류단에 대한 상전압 지령(VabcnRef)을 출력하는 PWM 변조부(122)를 포함할 수 있다.
전압 이용률 제어부(130)는 모터의 속도(예컨대, RPM) 별로 인버터의 최대 전압 이용률에 대한 정보를 포함하는 테이블을 참조하여 모터의 현재 속도에 대응하는 최대 전압 이용률을 판단하고, 최대 전압 이용률을 기반으로 전압 이용률 제어 값(miRef)을 설정할 수 있다.
또한, 전압 이용률 제어부(130)는 모터의 현재 역자속과 모터 구동 모드에 대한 절환 기준 역자속을 기반으로 D축(Direct axis) 전류 지령에 대한 선형화 제어의 수행 여부를 판단하고, 선형화 제어를 수행하는 구간에서 D축(Direct axis) 전류 지령의 값이 선형화되도록 전압 이용률 제어 값(miRef)을 조정할 수 있다. 이때, 모터의 현재 역자속은 인버터의 직류단 전압 대비 모터의 현재 속도의 비율에 해당할 수 있다. 또한, 모터 구동 모드는 모터의 현재 역자속이 절환 기준 역자속에 도달할 경우, 절환될 수 있다.
전압 이용률 제어부(130)의 동작 방법은 도 6을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 이용률 제어부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 전압 이용률 제어부(130)는 선형화 제어를 수행하지 않을 경우, 아래 식 1와 같이 모터의 현재 속도에 따른 최대 전압 이용률(MImax)을 전압 이용률 제어 값(miRef)으로 설정할 수 있다.
식 1:
전압 이용률 제어부(130)는 모터 구동 모드가 OEW 모드로 설정되고, 모터의 현재 역자속()이 절환 기준 역자속()으로부터 기 설정된 값(MI_TransHys) 내에 있을 경우, 아래 식 2와 같이 최대 전압 이용률(MImax) 및 가용 전압 배수(a)를 기반으로 전압 이용률 제어 값(miRef)을 조정함으로써, D축 전류 지령에 대한 선형화 제어를 수행할 수 있다. 이때, 가용 전압 배수(a)는 CEW 모드의 가용 전압 대비 OEW 모드의 가용 전압의 비율에 해당할 수 있다. 예컨대, 가용 전압 배수는 으로 설정될 수 있다.
식 2 :
식 2를 참조하면, 전압 이용률 제어부(130)는 선형화 제어가 수행되는 구간에서, 모터의 현재 역자속()과 절환 기준 역자속()이 동일할 경우, 최대 전압 이용률(MImax)을 가용 전압 배수(a)로 나눈 값을 전압 이용률 제어 값(miRef)으로 설정할 수 있다.
이에 따라, 전압 이용률 제어부(130)는 모터 구동 모드가 CEW 모드에서 OEW 모드로 절환될 경우, 선형화 제어에 진입하는 시점에서 전압 이용률 제어 값(miRef)을 비선형적으로 'MImax'에서 'MImax/a'로 감소시킨 후, 선형화 제어가 종료되는 시점까지 전압 이용률 제어 값(miRef)을 선형적으로 'MImax/a'에서 'MImax'로 증가시킬 수 있다.
이와 달리, 전압 이용률 제어부(130)는 모터 구동 모드가 OEW 모드에서 CEW 모드로 절환될 경우, 선형화 제어에 진입하는 시점부터 전압 이용률 제어 값(miRef)을 선형적으로 'MImax'에서 'MImax/a'로 감소시키고, 선형화 제어가 종료되는 시점에서 전압 이용률 제어 값(miRef)을 비선형적으로 'MImax/a'에서 'MImax'로 증가시킬 수 있다.
한편, 모터의 고출력이 필요할 때(즉, 인버터의 높은 전압 이용률이 필요할 때), 선형화 제어가 수행되는 구간에서 전압 이용률 제어 값(miRef)을 낮추는 것은 모터의 출력 토크가 빠르게 상승되지 않은 문제를 유발할 수 있다.
이에 따라, 전압 이용률 제어부(130)는 선형화 제어의 수행 여부를 결정하기 위한 조건으로 모터 구동 모드 및 모터의 현재 역자속()뿐만 아니라 토크 지령(TeRef)의 값을 추가로 고려할 수 있다. 이는 도 7을 참조하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 이용률 제어부가 토크 지령의 값을 기반으로 선형화 제어가 수행되는 영역을 설정하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 모터에 대한 운전점 맵에서 CEW 모드와 OEW 모드에 대한 모드 절환 기준 선이 도시되어 있다. 전압 이용률 제어부(130)는 OEW 모드에서 모터의 현재 속도에 비례하는 모터의 현재 역자속이 모드 절환 기준 선에 대한 절환 기준 역자속으로부터 기 설정된 값 내에 있고, 토크 지령의 값이 기 설정된 토크 제한 값(Tq_Limit)보다 낮을 경우, 선형화 제어를 수행할 수 있다. 즉, 전압 이용률 제어부(130)는 토크 지령의 값이 기 설정된 토크 제한 값(Tq_Limit) 이상일 경우 선형화 제어의 수행을 차단함으로써, 모터의 고출력이 필요한 영역에서 선형화 제어로 인해 인버터의 전압 이용률이 낮아지는 것을 방지할 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 이용률 제어부가 모터 구동 모드 절환 시 선형화 제어를 통해 모터의 출력 토크에 발생되는 쇼크를 완화하는 동작을 설명하기 위한 도면들이다. 도 8은 모터 구동 모드 절환 시 전압 이용률 제어부(130)에 의해 선형화 제어가 수행되는 본 발명의 실시예에 해당하고, 도 9는 모터 구동 모드 절환 시 선형화 제어가 수행되지 않은 경우를 가정한 비교예에 해당한다.
도 8의 좌측은 모터의 속도가 시간이 지남에 따라 증가하는 경우에 해당하며, 모터 구동 모드는 CEW 모드에서 OEW 모드로 절환될 수 있다. 이때, D축 전류 지령(IdRef)은 CEW 모드가 수행되는 구간에서 MTPA 제어 영역이 약계자 제어 영역으로 전환됨에 따라, 음(-) 방향으로 증가할 수 있다. 이후, 전압 이용률 제어부(130)는 모터 구동 모드가 CEW 모드에서 OEW 모드로 절환될 경우, 선형화 제어가 수행되는 구간 동안 D축 전류 지령(IdRef)이 선형화되도록 전압 이용률 제어 값(도 5의 miRef)을 조정할 수 있다. 이에 따라, 전압 이용률 제어부(130)는 CEW 모드의 약계자 제어 영역이 OEW 모드의 MTPA 제어 영역으로 전환될 때, 모터의 출력 토크에 발생되는 쇼크를 완화할 수 있다.
도 8의 우측은 모터의 속도가 시간이 지남에 따라 감소하는 경우에 해당하며, 모터 구동 모드는 OEW 모드에서 CEW 모드로 절환될 수 있다. 이때, 전압 이용률 제어부(130)는 모터 구동 모드가 OEW 모드에서 CEW 모드로 절환되기 전에, 선형화 제어가 수행되는 구간 동안 D축 전류 지령(IdRef)이 선형화되도록 전압 이용률 제어 값(도 5의 miRef)을 조정할 수 있다. 이에 따라, 전압 이용률 제어부(130)는 OEW 모드의 MTPA 제어 영역이 CEW 모드의 약계자 제어 영역으로 전환될 때, 모터의 출력 토크에 발생되는 쇼크를 완화할 수 있다.
도 9의 좌측은 도 8의 좌측과 같이 모터의 속도가 시간이 지남에 따라 증가하는 경우에 해당하고, 도 9의 우측은 도 8의 우측과 같이 모터의 속도가 시간이 지남에 따라 감소하는 경우에 해당한다. 도 9와 같이 모터 구동 모드 절환 시 선형화 제어가 수행되지 않을 경우, D축 전류 지령(IdRef)의 값은 급격하게 변화하므로, 모터의 출력 토크에 쇼크가 발생할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 10을 참조하면, 컨트롤러(100)는 인버터(10, 20)에 포함된 스위칭 소자를 스위칭함으로써, 모터(30)를 구동할 수 있다(S101). 이때, 전류 지령 생성부(110)는 토크 지령(TeRef) 및 전압 이용률 제어 값(miRef)에 따라 모터(30)에 대한 전류 지령을 생성할 수 있다.
이후, 전압 이용률 제어부(130)는 모터 구동 모드가 OEW 모드로 설정되었는지 여부(S102), 모터의 현재 역자속()이 절환 기준 역자속()으로부터 기 설정된 값(MI_TransHys) 내에 있는지 여부(S103), 토크 지령(TeRef)이 기 설정된 토크 제한 값(Tq_Limit)보다 낮은지 여부(S104)를 순차적으로 판단함으로써, D축 전류 지령에 대한 선형화 제어의 수행 여부를 결정할 수 있다.
이때, 전압 이용률 제어부(130)는 S102, S103 및 S104의 판단 조건 중 적어도 하나가 만족되지 않을 경우, 선형화 제어를 수행하지 않을 수 있다(S105). 이때, 전압 이용률 제어부(130)는 전술한 식 1과 같이 모터의 현재 속도에 따른 최대 전압 이용률(MImax)을 전압 이용률 제어 값(miRef)으로 설정할 수 있다.
식 1:
이와 달리, 전압 이용률 제어부(130)는 S102, S103 및 S104의 판단 조건이 모두 만족될 경우, 선형화 제어를 수행할 수 있다(S106). 이때, 전압 이용률 제어부(130)는 선형화 제어가 수행되는 구간 동안 D축 전류 지령의 값이 선형화되도록 전술한 식 2와 같이 전압 이용률 제어 값(miRef)을 조정할 수 있다.
식 2 :
한편, 전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
10 : 제1 인버터
20 : 제2 인버터
30 : 모터
40 : 모드 절환부
50 : 배터리
100 : 컨트롤러
110 : 전류 지령 생성부
120 : 전압 지령 생성부
130 : 전압 이용률 제어부

Claims (16)

  1. 복수의 권선을 가지는 모터;
    상기 복수의 권선 각각의 일단에 연결되고, 상기 모터를 구동하는 제1 인버터;
    상기 복수의 권선 각각의 타단에 연결되고, 모터 구동 모드에 따라 상기 모터를 선택적으로 구동하는 제2 인버터; 및
    토크 지령 및 전압 이용률 제어 값에 따라 상기 모터에 대한 전류 지령을 생성하되, 상기 모터의 현재 역자속과 상기 모터 구동 모드에 대한 절환 기준 역자속을 기반으로 상기 전류 지령에 대한 선형화 제어의 수행 여부를 판단하고, 상기 선형화 제어를 수행하는 구간에서 상기 전류 지령의 값이 선형화되도록 상기 전압 이용률 제어 값을 조정하는 컨트롤러를 포함하는, 모터 구동 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 모터 구동 모드는,
    모드 절환 스위치를 통해 상기 복수의 권선 각각의 타단과 상기 복수의 권선에 대한 중성단이 전기적으로 연결되고, 상기 제1 및 제2 인버터 중 상기 제1 인버터를 통해 상기 모터를 구동하는 클로즈드 엔드 와인딩 모드; 및
    상기 모드 절환 스위치를 통해 상기 복수의 권선 각각의 타단과 상기 중성단이 전기적으로 분리되고, 상기 제1 및 제2 인버터를 통해 상기 모터를 구동하는 오픈 엔드 와인딩 모드를 포함하는, 모터 구동 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 모터 구동 모드가 오픈 엔드 와인딩 모드로 설정되었는지 여부 및 상기 모터의 현재 역자속이 상기 절환 기준 역자속으로부터 기 설정된 값 내에 있는지 여부를 기반으로, 상기 선형화 제어의 수행 여부를 판단하는, 모터 구동 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 토크 지령의 값이 기 설정된 토크 제한 값보다 낮은지 여부를 기반으로, 상기 선형화 제어의 수행 여부를 판단하는, 모터 구동 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 모터 구동 모드가 클로즈드 엔드 와인딩 모드에서 오픈 엔드 와인딩 모드로 절환될 경우, 상기 선형화 제어에 진입하는 시점에서 상기 전압 이용률 제어 값을 비선형적으로 감소시킨 후, 상기 선형화 제어가 종료되는 시점까지 상기 전압 이용률 제어 값을 선형적으로 증가시키는, 모터 구동 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 모터 구동 모드가 상기 오픈 엔드 와인딩 모드에서 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 절환될 경우, 상기 선형화 제어에 진입하는 시점부터 상기 전압 이용률 제어 값을 선형적으로 감소시키고, 상기 선형화 제어가 종료되는 시점에서 상기 전압 이용률 제어 값을 비선형적으로 증가시키는, 모터 구동 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    테이블을 참조하여 상기 모터의 현재 속도에 대응하는 최대 전압 이용률을 판단하되,
    상기 선형화 제어가 수행되지 않을 때 상기 최대 전압 이용률을 상기 전압 이용률 제어 값으로 설정하고,
    상기 선형화 제어가 수행되는 구간에서 상기 최대 전압 이용률 및 가용 전압 배수를 기반으로 상기 전압 이용률 제어 값을 조정하는, 모터 구동 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 선형화 제어가 수행되는 구간에서 상기 모터의 현재 역자속과 상기 절환 기준 역자속이 동일할 경우, 상기 최대 전압 이용률을 상기 가용 전압 배수로 나눈 값을 상기 전압 이용률 제어 값으로 설정하는, 모터 구동 장치.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 모터 구동 모드는,
    클로즈드 엔드 와인딩 모드 및 오픈 엔드 와인딩 모드를 포함하되,
    상기 가용 전압 배수는,
    상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드의 가용 전압 대비 상기 오픈 엔드 와인딩 모드의 가용 전압의 비율에 해당하는, 모터 구동 장치.
  10. 모터를 구동하는 제1 인버터 및 모터 구동 모드에 따라 상기 모터를 선택적으로 구동하는 제2 인버터를 포함하는 모터 구동 장치의 제어 방법에 있어서,
    토크 지령 및 전압 이용률 제어 값에 따라 상기 모터에 대한 전류 지령을 생성하는 단계;
    상기 모터의 현재 역자속과 상기 모터 구동 모드에 대한 절환 기준 역자속을 기반으로 선형화 제어의 수행 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 선형화 제어를 수행하는 구간에서 상기 전류 지령의 값이 선형화되도록 상기 전압 이용률 제어 값을 조정하는 단계를 포함하는, 모터 구동 장치의 제어 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 인버터는,
    상기 모터에 포함된 복수의 권선 각각의 일단에 연결되고,
    상기 제2 인버터는,
    상기 복수의 권선 각각의 타단에 연결되되,
    상기 모터 구동 모드는,
    모드 절환 스위치를 통해 상기 복수의 권선 각각의 타단과 상기 복수의 권선에 대한 중성단이 전기적으로 연결되고, 상기 제1 및 제2 인버터 중 상기 제1 인버터를 통해 상기 모터를 구동하는 클로즈드 엔드 와인딩 모드; 및
    상기 모드 절환 스위치를 통해 상기 복수의 권선 각각의 타단과 상기 중성단이 전기적으로 분리되고, 상기 제1 및 제2 인버터를 통해 상기 모터를 구동하는 오픈 엔드 와인딩 모드를 포함하는, 모터 구동 장치의 제어 방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 선형화 제어의 수행 여부를 판단하는 단계는,
    상기 모터 구동 모드가 오픈 엔드 와인딩 모드로 설정되었는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 모터의 현재 역자속이 상기 절환 기준 역자속으로부터 기 설정된 값 내에 있는지 여부를 판단하는 단계를 포함하는, 모터 구동 장치의 제어 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 선형화 제어의 수행 여부를 판단하는 단계는,
    상기 토크 지령의 값이 기 설정된 토크 제한 값보다 작은지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는, 모터 구동 장치의 제어 방법.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 전압 이용률 제어 값을 조정하는 단계는,
    상기 선형화 제어를 수행하는 구간에서, 상기 모터의 현재 속도에 따른 최대 전압 이용률 및 가용 전압 배수를 기반으로 상기 전압 이용률 제어 값을 조정하는 단계를 포함하되,
    상기 모터 구동 모드는,
    클로즈드 엔드 와인딩 모드 및 오픈 엔드 와인딩 모드를 포함하고,
    상기 가용 전압 배수는,
    상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드의 가용 전압 대비 상기 오픈 엔드 와인딩 모드의 가용 전압의 비율에 해당하는, 모터 구동 장치의 제어 방법.
  15. 제10 항에 있어서,
    상기 선형화 제어가 수행되지 않을 때, 상기 모터의 현재 속도에 따른 최대 전압 이용률을 상기 전압 이용률 제어 값으로 설정하는 단계를 더 포함하는, 모터 구동 장치의 제어 방법.
  16. 제10 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 따른 모터 구동 장치의 제어 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 해독 가능 기록 매체.
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