KR101495187B1

KR101495187B1 - 전기차량용 모터 제어 장치 및 이를 이용한 토크리플 저감 방법

Info

Publication number: KR101495187B1
Application number: KR20120095830A
Authority: KR
Inventors: 한승도; 임호경; 임준영; 김영붕
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2015-02-24
Also published as: US20140062350A1; EP2704306A3; KR20140028772A; CN103684132B; EP2704306A2; CN103684132A; US9106178B2; EP2704306B1

Abstract

전기차량용 모터 제어 장치 및 이를 이용한 토크 리플 저감 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예들에 의하면, 모터의 회전자의 위치별로 토크리플에 대한 역상 리플전류를 생성하여 회전자의 계자코일에 흐르는 계자전류를 제어함으로써 출력 토크의 저하없이 모터의 토크리플을 저감시킬 수 있다. 또한, 고토크 구간의 운전영역에서는 역상 리플전류의 교류성분을 증가시켜 계자전류를 제어하여 토크리플을 저감시키고, 저토크 구간의 운전 영역에서는 역상 리플전류의 교류성분을 감소시켜 계자전류를 제어하여 토크리플을 저감시키도록 구현함으로써, 고정자의 전기자 코일에 인가되는 출력전류의 위상은 제어할 필요 없이 계자전류만을 제어하여 모터의 토크리플을 저감시킬 수 있다.

Description

전기차량용 모터 제어 장치 및 이를 이용한 토크리플 저감 방법{MOTOR CONTROLLER FOR AN ELECTRIC VEHICLE AND TORQUE RIPPLE REDUCTION METHOD USING THE SAME}

본 발명은 전기차량 모터 제어 장치 및 이를 이용한 토크리플 저감 방법에 관한 것으로, 특히 회전자의 위치별로 생성되는 토크리플의 역상 리플전류로 모터의 계자전류를 제어하여 모터의 토크리플을 저감시키는 전기차량용 모터 제어 장치 및 이를 이용한 토크리플 저감 방법에 관한 것이다.

최근, 에너지 고갈과 환경 오염 문제로 전기자동차 및 하이브리드 자동차와 같은 친환경 자동차가 주목받고 있다. 친환경 자동차는 배터리에 저장된 전기를 이용하여 구동 동력을 발생시키는 모터를 포함하는데, 일반적으로 DC 모터를 사용한다.

일반적으로 DC 모터는 자석으로 이루어진 고정자와 계자권선으로 이루어진 회전자로 이루어진다. 회전자의 계자권선은 브러쉬를 통해 외부의 직류전원과 연결이 되는데, 회전자가 회전함에 따라 이 브러쉬와 외부의 전원이 연결되는 극성이 계속 바뀌고, 회전자에 발생하는 자장도 방향이 계속 바뀌게 된다. 즉, 회전자의 자장은 고정자의 자장에 대해 항상 일정한 극성으로 유지가 되어 모터의 회전력이 발생하게 된다.

한편, 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 사용되는 DC 모터의 경우, 높은 출력밀도와 고효율 및 저소음(저진동)을 달성하여 모터의 신뢰성을 확보하는 것이 중요하다. 이를 위해, 모터의 동작중에 소음/진동의 주원인이 되는 토크리플을 저감 내지 상쇄시키는 것이 중요하다.

DC모터의 토크리플을 저감시키기 위한 방안들로, 모터의 생산 및 조립시 형상을 최적화하여 코깅토크 리플을 줄이거나, 정현파 전류의 통전을 통해 토크리플을 저감시키는 방안 등이 있었다. 그러나 전류분포가 완전 정현파가 되도록 모터를 설계하는 것은 매우 복잡하고 정밀한 설계 공정을 요구하며, 코깅토크 리플의 저감을 위해 모터의 고정자 또는 회전자에 스큐(skew)를 적용하거나 정현파를 유지하기 위해 고정자 또는 회전자를 정현 형상, 예를 들어 원호상으로 제작하는 경우에는 대부분 출력 토크도 함께 저하되어 버려서 출력효율도 감소되는 문제가 있다.

이에, 본 발명의 실시예들은 모터의 회전자의 위치별로 토크리플에 대한 역상 리플전류를 생성하여 회전자의 계자코일에 흐르는 계자전류를 제어함으로써, 출력토크의 저하없이 모터의 토크리플을 저감시킬 수 있도록 한 전기차량용 모터 제어 장치 및 이를 이용한 토크 리플 저감 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전기차량용 모터 제어 장치는, 전기자 코일을 갖는 고정자와 계자코일을 갖는 회전자를 포함하는 모터와; 상기 회전자의 위치를 검출하는 회전자위치검출수단과; 상기 계자코일에 흐르는 계자전류를 검출하는 계자전류검출수단과, 상기 검출된 계자전류를 피드백 제어하기 위한 피드백제어수단을 구비한 계자전류제어수단을 포함하고, 상기 계자전류제어수단은, 상기 회전자의 위치별로 검출되는 계자전류를 이용하여 운전 영역별로 역상 리플전류를 생성하고, 상기 생성된 역상 리플전류로 상기 계자전류를 제어하여 모터의 토크리플을 저감시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전기차량용 모터 제어 장치의 토크 리플 저감 방법은, 전기자 코일을 갖는 고정자와 계자코일을 갖는 회전자를 포함하는 모터를 구비한 전기차량용 모터 제어 장치의 토크리플 저감 방법으로서, 상기 회전자의 위치를 검출하는 단계와; 상기 계자코일에 흐르는 계자전류를 검출하는 단계와; 상기 회전자의 위치별로 발생되는 모터의 토크리플을 샘플링하는 단계와; 상기 회전자의 위치별로 검출되는 계자전류를 이용하여, 운전 영역별로 상기 토크리플의 역상 리플전류를 생성하는 단계와; 현재 운전 영역에 대응하는 역상 리플전류로 상기 계자전류를 피드백 제어하여 토크리플을 저감시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 전기차량용 모터 제어 장치 및 이를 이용한 토크 리플 저감 방법에 의하면, 모터의 회전자의 위치별로 토크리플에 대한 역상 리플전류를 생성하여 회전자의 계자코일에 흐르는 계자전류를 제어함으로써 출력 토크의 저하없이 모터의 토크리플을 저감시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전기차량용 모터 제어 장치 및 이를 이용한 토크 리플 저감 방법에 의하면, 고토크 구간의 운전영역에서는 역상 리플전류의 교류성분을 증가시켜서 계자전류를 제어함으로써 토크리플을 저감시키고, 저토크 구간의 운전 영역에서는 역상 리플전류의 교류성분을 감소시켜서 계자전류를 제어함으로써 토크리플을 저감시키도록 구현함으로써, 고정자의 전기자 코일에 인가되는 출력전류의 위상 제어 없이 계자전류만을 제어하여 모터의 토크리플을 저감시키는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기차량용 모터 제어 장치의 구성을 보인 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라, 역상 리플전류를 이용하여 회전자의 위치별로 발생된 토크리플을 상쇄시킨 결과 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라, 토크 및 모터 회전속도에 따른 운전 영역별로 토크리플을 저감시키기 위한 역상 리플전류에 대응하는 계자전류(If)의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 3의 회전자의 위치에 대한 토크리플의 주기 및 형상을 각 운전 영역별로 나타낸 그래프들이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라, 회전자의 위치별로 발생되는 모터의 토크리플을 릴럭턴스 토크, 마그네틱 토크, 코깅 토크별로 구별하여 분석한 그래프이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 실시예에 따라, 제1운전영역의 고토크 구간에서의 토크리플에 계자전류를 이용한 역상 리플전류를 적용하여 토크리플을 저감시키는 과정을 보인 도면이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 실시예에 따라, 제1운전영역의 저토크 구간에서의 토크리플에 계자전류를 이용한 역상 리플전류를 적용하여 토크리플을 저감시키는 과정을 보인 도면이다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 실시예에 따라, 제2운전영역의 고토크 구간에서의 토크리플에 계자전류를 이용한 역상 리플전류를 적용하여 토크리플을 저감시키는 과정을 보인 도면이다.
도 9a 및 9b는 본 발명의 실시예에 따라, 제2운전영역의 저토크 구간에서의 토크리플에 계자전류를 이용한 역상 리플전류를 적용하여 토크리플을 저감시키는 과정을 보인 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라, 회전자의 극 수와 고정자의 슬롯수에 따른 토크리플 및 코깅토크 리플의 파형을 보인 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라, 회전자의 극 수와 고정자의 슬롯수에 따른 토크리플 및 코깅토크 리플의 한 회전당 주기 수를 비교한 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 전기차량용 모터 제어 장치의 토크 리플 저감 방법의 예시 과정을 보인 흐름도들이다.

본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위해, 본 발명의 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이하에서는, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 전기차량용 모터 제어 장치 및 이를 이용한 토크 리플 저감 방법에 대하여 상세하게 기술한다.

하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

먼저, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기차량용 모터 제어 장치의 상세한 구성을 보인 회로도이다. 도시된 바와 같이, 전기차량용 모터 제어 장치는, 전기자코일(3)을 갖는 고정자 및 계자코일(4)을 갖는 회전자로 구성되는 모터(2), 계자전류를 제어하기 위한 계자전류제어수단(40) 및 계자전류제어회로(50), 모터의 회전자 위치 검출수단(20), 모터에 인가되는 3상 교류전류를 검출하기 위한 출력전류 검출수단(30), 충전된 배터리 전원을 공급하는 배터리(60), 및 배터리(60)의 직류전원을 교류전원으로 전환하여 모터(2)에 구동력을 제공하는 인버터(70)를 포함한다.

회전자 위치 검출수단(20)은 회전자의 회전위치를 계측하기 위한 것으로, 예를 들어 모터(2)의 전단에 구비되는 레졸버일 수 있다.

계자전류제어수단(40)은 계자전류 검출수단(42) 및 피드백 제어수단(45)을 포함한다. 계자전류 검출수단(42)은 예를 들어 MOSFET와 같은 스위칭 소자의 온-오프 비율로부터 계자코일(4)에 흐르는 계자전류(If)치를 검출한다. 한편, 피드백 제어수단(45)은 계자전류제어회로(50)에 구비된 스위칭 소자의 온/오프 동작을 위한 제어신호를 전달하여서 검출된 계자전류(If)를 피드백 제어한다.

또, 계자전류제어수단(40)은 회전자의 위치별로 검출된 계자전류를 이용하여 운전 영역별로 발생하는 토크리플에 대한 역상 리플전류를 생성한다.

여기서, 운전 영역은 모터(2)의 회전속도에 따라 일정토크를 갖는 제1운전영역과 모터(2)의 회전속도에 따라 토크가 감소하는 제2운전영역으로 나누어진다.

도 3을 참조하면, 도 3의 그래프에서 A영역 및 B영역이 일정 토크를 갖는 제1운전영역에 해당하며, C영역 및 D영역이 회전속도가 증가함에 따라 토크가 감소하는 제2운전영역에 해당한다. 또, 현재 운전 영역은, 운전자의 악셀 각도에 따라 입력받은 토크 지령과 상기 회전자 위치 검출수단(20)으로부터 수신된 신호에 따라 산출되는 모터의 회전속도에 근거하여 결정된다.

역상 리플전류는 계자전류 검출수단(42)을 통해 검출된 DC 계자전류를 이용하여 생성될 수 있다. 구체적으로, 회전자 위치 검출수단(20)을 통해 검출된 회전자의 회전위치별로, 토크리플을 추출하여 스켈링한 다음, 해당 회전위치에서의 DC 계자전류로 추출된 토크리플과 크기는 같고 위상이 반대인 역상 리플전류를 생성한다.

계자전류제어수단(40)은 이와 같이 생성된 역상 리플전류로 검출된 계자전류(If)의 크기 및 위상을 제어함으로써 모터(2)의 토크리플을 저감시킨다.

보다 구체적으로, 상기 계자전류제어수단(40)은 토크지령 및 모터의 회전속도에 근거한 운전 영역이 일정 토크를 갖는 제1운전영역의 저토크 구간에서 고토크 구간으로 갈수록 계자전류(If)의 크기가 증가하도록 제어한다. 또, 상기 계자전류제어수단(40)은 운전 영역이 모터의 회전속도가 증가함에 따라 토크가 감소하는 제2운전영역의 저토크 구간에서 고토크 구간으로 갈수록 계자전류(If)의 크기가 증가하도록 계자전류회로(50)에 구비된 스위칭 소자의 듀티비를 제어한다.

한편, 상기 계자전류제어수단(40)은 입력받은 토크지령 및 모터의 회전속도에 따른 운전 영역이 일정 토크를 갖는 제1운전영역의 고토크 구간에서 토크가 감소하는 제2운전영역의 고토크 구간으로 이동하는 경우에는 계자전류(If)의 크기가 감소하도록 계자전류회로(50)를 제어한다. 또, 상기 계자전류제어수단(40)은 운전 영역이 일정 토크를 갖는 제1운전영역의 저토크 구간에서 토크가 감소하는 제2운전영역의 저토크 구간으로 이동하는 경우에도 계자전류(If)의 크기가 감소하게끔 계자전류회로(50)를 제어한다.

또한, 상기 계자전류제어수단(40)은 입력받은 토크지령과 모터의 회전속도에 근거한 현재 운전 영역이, 제1운전영역 또는 제2운전영역의 고토크 구간이면, 생성된 역상 리플전류의 교류성분을 크게 증가시켜서 모터의 토크리플을 저감시킨다.

또한, 상기 계자전류제어수단(40)은 토크지령 및 모터의 회전속도에 근거한 현재 운전 영역이 제1운전영역 또는 제2운전영역의 저토크 구간이면, 생성된 역상 리플전류의 교류성분을 감소시켜서 모터의 토크리플을 저감시킨다.

모터의 총 출력토크는 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크 및 코깅토크의 합으로 이루어진다. 이중 마그네틱 토크는 계자전류(If) 성분과 출력전류의 토크발생전류(Iq) 성분을 모두 포함하므로 계자전류를 이용하여 생성되는 역상 리플전류의 크기는 검출된 토크발생전류(Iq)의 크기에 비례하는 특성을 갖는다. 이에, 계자전류제어수단(40)은 출력전류검출수단(30)을 통해 검출된 출력전류로부터 2상 동기좌표계상의 전류로 변환된 토크발생전류(Iq)의 크기에 비례하는 역상 리플전류를 생성하여, 상기 계자전류의 크기를 제어할 수 있다.

또한, 상기 계자전류제어수단(40)은 저장모듈(47) 및 계자전류보정모듈(49)를 포함한다.

저장모듈(47)은 운전 영역별로 토크리플을 저감시키기 위한 역상 리플전류에 대응하는 회전자의 위치와 계자전류의 크기를 미리 룩업테이블 형태로 저장한다. 룩업테이블의 데이터값은 운전 영역별로 발생하는 토크리플의 경향을 실험 및 분석하여 얻어질 수 있다. 또, 계자전류보정모듈(49)은 입력받은 토크지령 및 산출된 모터의 회전속도에 따라 결정된 현재 운전 영역에 대응하는 회전자의 위치와 계자전류의 크기를 저장모듈(47)에 저장된 룩업테이블로부터 독출하여 계자전류의 크기를 보정한다. 이와 같이 독출된 계전전류의 크기를 계자전류 지령치로 하여 검출된 계자전류를 보정함으로써 모터의 토크리플을 저감시킬 수 있다.

본 발명에 따른 실시예에서, 토크리플의 크기는 회전자의 극(pole) 수에 반비례하는 특성을 갖는다. 즉, 회전자의 극(pole) 수가 많을수록 토크리플은 감소하는 특성을 갖는다. 이와 관련하여, 도 10을 참조하면, 예를 들어 회전자의 극 수가 가장 적은 4일때 토크리플이 가장 심하고, 회전자의 극 수가 가장 많은 10일때 발생되는 토크리플은 비교적 안정적임을 알 수 있다.

한편, 회전자의 회전위치에 따라 주기적으로 나타나는 코깅토크의 리플의 한 회전당 주파수 주기 수는 회전자의 극(pole) 수와 고정자의 슬롯 수의 최소공배수 값으로 나타내진다. 이와 관련하여 도 11을 참조하면, 회전자의 극 수와 고정자의 슬롯 수의 최소공배수 값이 적은 경우, 예를 들어 4극/6슬롯, 에는 한 회전당 산출되는 주파수 주기가 길고 리플은 크다. 반면, 회전자의 극 수와 고정자의 슬롯 수의 최소공배수 값이 가장 큰 경우, 예를 들어 10극/60슬롯, 에는 한 회전당 산출되는 주파수 주기가 짧고 리플은 적다. 또한, 모터의 총 출력토크는 마그네틱 토크, 릴럭턱스 토크, 및 코깅토크의 합으로 이루어지므로, 회전자의 극 수에 따른 코깅 토크의 리플 변화는 토크리플의 변화에 비례한다. 도 10을 참조하면, 회전자의 극 수와 고정자의 슬롯수에 따른 코깅토크의 파형 변화가 토크리플의 파형 변화에 비례함을 알 수 있다.

인버터(70)는 배터리(60)의 직류전원을 차량의 운전 조건에 따른 3상 교류전류로 전환하고, 3상 교류전류를 모터의 전기자 코일(3)에 공급하여 모터(2)를 구동한다. 이를 위해, 인버터(70)는 도 1에 도시된 바와 같이, 캐패시터, CPU, PWM 제어수단, 및 RDC 회로와 접속된다. 여기서, RDC 회로는 회전자 위치 검출수단(20)로부터 모터의 회전자 위치에 대한 신호를 입력받아 모터의 속도를 계산하여 CPU에 인가한다.

또한, 인버터(70)는 MOSFET 등의 스위칭 소자로 이루어진 인버터회로와 각 스위칭 소자에 병렬연결된 다이오드로 이루어진 정류회로로 구성된다. 인버터(70)는 도 1에 도시된 바와 같이, U상의 상암 및 하암, V상의 상암 및 하암, W상의 상암 및 하암을 형성하며, 각 상의 상암 및 하암은 모터(2)의 전기자 코일(3)에 접속된다. 또한, 회전자 위치 검출수단(20)으로부터 검출된 회전위치와 출력전류 검출수단(30)으로부터 검출된 3상 교류전류에 대응하는 PWM 신호가 인버터(70)의 스위칭 소자에 인가되어 듀티비를 제어한다.

본 발명에 따른 실시예에서는, 모터의 회전속도 변화에 따라 보다 안정적으로 토크리플을 저감시키기 위해 회전자 코일에 인가되는 계자전류(If)만을 제어하고 인버터(70)의 펄스폭 변조 패턴은 제어하지 않는다. 따라서, 출력전류 검출 수단(30)에서 검출된 3상 출력전류로부터 변환된 자속발생전류(Id)와 토크발생전류(Iq)는 토크리플을 분석하기 위해서만 사용되며, 토크리플을 저감시키기 위해 U, V, W 상의 전류에 대한 위상 제어는 수행되지 않는다.

출력전류 검출수단(30)은 전기자 코일(3)의 출력전류를 검출한다. 검출된 출력전류는 2상 동기좌표계 상의 전류인 자속발생전류(Id)와 토크발생전류(Iq)로 변환될 수 있는데, 본 발명의 실시예에 따른 역상 리플전류의 크기는 이중 토크발생전류(Iq)의 크기에 비례한다.

도 2는 상기 기술한 전기차량용 모터 제어 장치에 의해, 회전자의 위치별로 발생된 토크리플을 역상 리플전류를 이용하여 상쇄시킨 결과를 보인 그래프이다. 도 2에 도시된 바와 같이 계자전류를 이용하여 생성된 역상 리플전류는 토크리플과 크기는 같고 위상이 반대이므로 토크리플에 역상 리플전류를 적용하면 토크리플이 저감 또는 상쇄됨을 알 수 있다. 그에 따라 출력토크의 저하 없이 토크리플이 저감된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라, 토크 및 모터 회전속도에 따른 운전 영역별로 토크리플을 저감시키기 위한 역상 리플전류에 대응하는 계자전류(If)의 크기를 나타낸 것이다. 운전 영역은 운전자의 악셀 각도에 따라 입력받은 토크 지령과 회전자위치검출수단으로부터 수신된 신호에 따라 산출된 모터의 회전속도에 따라 결정된다.

구체적으로, 운전 영역은 도 3에 도시된 바와 같이, 모터의 회전속도에 따라 일정 토크를 갖는 제1운전영역인 A, B 영역과, 모터의 회전속도에 따라 토크가 감소하는 제2운전영역인 C, D 영역으로 구별된다. 입력받은 토크지령이 저토크 구간에서 고토크 구간으로 이동할수록, 즉 B -> A 영역으로 천이하거나 또는 D -> C 영역으로 천이하는 경우 계자전류(If)의 크기가 증가하도록 제어하는 것이 바람직하다. 또, 각 영역에서 계자전류(If)의 크기는 인버터의 3상 출력전류를 2상 동기좌표계상의 전류로 변환한 토크발생전류(Iq) 성분의 크기에 비례함을 알 수 있는데, 이는 마그네틱 토크가 계자전류(If)와 토크발생전류(Iq)의 성분을 모두 포함하기 때문이다.

이와 같이, 각 운전 영역별로 검출된 계자전류(If)의 크기와 토크발생전류(Iq)의 크기에 기초하여, 토크리플의 경향을 실험적으로 분석한 다음, 검출된 계자전류(If)를 이용하여 상기 토크리플을 저감 또는 상쇄시키기 위한 역상 리플전류를 생성한다. 이를 위해, 각 운전 영역별로 발생되는 토크리플을 저감하기 위한 역상 리플전류의 위상각, 즉 해당 회전자의 위치를 검출하여 룩업 테이블 형태로 작성한다. 즉, 각 운전 영역별로 토크리플에 대한 역상 리플전류에 대응하는 계자전류(If)의 크기와 회전자의 위치 쌍을 미리 룩업테이블 형태로 저장해둔다.

그런 다음, 운전자의 악셀 각도에 따른 토크지령 값과 회전자위치검출수단으로부터 수신되는 신호에 따른 모터의 회전속도 값에 따라 현재 운전 영역이 도 3의 A,B,C,D 중 어느 영역에 해당하는지를 결정하고, 결정된 현재 운전 영역에 대응하는 토크리플에 대한 역상 리플전류에 대응하는 계자전류(If)의 크기와 회전자의 위치를 미리저장된 룩업테이블로부터 독출하여 계자전류(If)를 제어한다.

한편, 일정 토크를 갖는 제1운전영역의 고토크 구간에 해당하는 A영역과 모터의 회전속도가 증가함에 따라 감소하는 토크를 갖는 제2운전영역의 고토크 구간에 해당하는 C영역에서는 상기에서 생성된 역상 리플전류의 교류성분을 크게 증가시켜서 모터의 토크리플을 저감시킨다. 이와 같이, 고토크 구간에서는 출력토크 중 마그네틱 토크가 차지하는 비중이 크기 때문에 계자전류(If)의 제어를 통한 토크리플의 저감이 보다 용이하다.

반면, 일정 토크를 갖는 제1운전영역의 저토크 구간에 해당하는 B영역과 모터의 회전속도가 증가함에 따라 감소하는 토크를 갖는 제2운전영역의 저토크 구간에 해당하는 D영역에서는 생성된 역상 리플전류의 교류성분을 감소시켜서 모터의 토크리플을 저감시킬 수 있다.

주의할 점은, 본 발명의 실시예에서는, 계자전류(If)의 제어만으로 토크리플이 저감 또는 상쇄되므로, 인버터측의 3상 출력전류나 이로부터 변환된 2상 동기좌표계상의 전류인 자속발생전류(Id) 및 토크발생전류(Iq)에 대한 위상 제어는 수행되지 않는다.

도 4는 도 3의 각 운전 영역별로 회전자의 위치에 대한 토크리플의 주기 및 형상을 나타낸 그래프들이다. POINT 1은 일정 고토크 구간인 A영역에서 발생되는 토크리플의 주기 및 형상을 보인 것이다. POINT 2는 일정 저토크 구간인 B영역에서 발생되는 토크리플의 주기 및 형상을 보인 것이다. POINT 3은 감소하는 고토크 구간인 C영역에서 발생되는 토크리플의 주기 및 형상을 보인 것이다. 또, POINT 4는 감소하는 저토크 구간인 D영역에서 발생되는 토크리플의 주기 및 형상을 보인 것이다. 도시된 바와 같이, 각 운전 영역별로 발생되는 토크리플의 주기 및 형상은 모두 상이하므로 이들을 저감 또는 상쇄시키기 위한 역상 리플전류의 주기 및 형상도 그에 따라 다르게 생성된다.

도 6a 및 6b는 본 발명의 실시예에 따라, 제1운전영역의 고토크 구간, 즉 POINT 1에서 발생되는 토크리플에 계자전류를 이용한 역상 리플전류를 적용하여 토크리플을 저감시키는 과정을 보인 도면이다. 도 6a에 도시된 바와 같이, POINT 1이 속하는 A영역에서 발생되는 토크리플을 추출하여 스켈링한 다음 DC 계자전류를 적용하여 역상의 리플전류를 생성한다. A영역에서는 토크리플 중 마그네틱 토크의 리플이 차지하는 비중이 크므로 계자전류(If)를 이용한 토크리플의 저감 효과가 크다. 생성된 역상의 리플전류로 계자전류(If)를 제어한 결과가 도 6b에 도시되었다. 계자전류(If)를 이용한 제어후의 토크리플은 제어전 토크리플에 비해 약 1/4의 크기로 저감되었음을 알 수 있다.

도 7a 및 7b는 본 발명의 실시예에 따라, 제1운전영역의 저토크 구간, 즉 POINT 2에서 발생되는 토크리플에 계자전류를 이용한 역상 리플전류를 적용하여 토크리플을 저감시키는 과정을 보인 도면이다. 도 7a에 도시된 바와 같이, POINT 2가 속하는 B영역에서 발생되는 토크리플을 추출하여 스켈링한 다음 DC 계자전류를 적용하여 역상의 리플전류를 생성한다. B영역에서는 토크리플 중 마그네틱 토크의 리플이 차지하는 비중이 크고 토크발생전류(Iq)의 크기는 비교적 작기 때문에 계자전류(If)를 이용한 토크리플의 저감 효과가 크며, 역상 리플전류의 교류성분을 감소시켜서 토크리플을 저감시키는 것이 가능하다. 생성된 역상의 리플전류로 계자전류(If)를 제어한 결과가 도 7b에 도시되었다.

도 8a 및 8b는 본 발명의 실시예에 따라, 제2운전영역의 고토크 구간, 즉 POINT 3에서 발생되는 토크리플에 계자전류를 이용한 역상 리플전류를 적용하여 토크리플을 저감시키는 과정을 보인 도면이다. 도 8a에 도시된 바와 같이, POINT 3이 속하는 C영역에서 발생되는 토크리플을 추출하여 스켈링한 다음 DC 계자전류를 적용하여 역상의 리플전류를 생성한다. C영역에서는 토크리플 중 릴럭턴스 토크의 리플이 차지하는 비중이 증가되므로, 역상 리플전류의 교류성분을 증가시켜서 토크리플을 저감시킨다. 생성된 역상의 리플전류로 계자전류(If)를 제어한 결과가 도 8b에 도시되었다.

도 9a 및 9b는 본 발명의 실시예에 따라, 제2운전영역의 저토크 구간, 즉 POINT 4에서 발생되는 토크리플에 계자전류를 이용한 역상 리플전류를 적용하여 토크리플을 저감시키는 과정을 보인 도면이다.도 9a에 도시된 바와 같이, POINT 4가 속하는 D영역에서 발생되는 토크리플을 추출하여 스켈링한 다음 DC 계자전류를 적용하여 역상의 리플전류를 생성한다. D영역에서는 C영역에 비해 인버터의 3상 출력전류를 2상 동기좌표계상의 전류로 변환한 자속발생전류(Id)의 크기가 상대적으로 감소되므로, 역상 리플전류의 교류성분을 감소시켜서 토크리플을 저감시키는 것이 가능하다. 생성된 역상의 리플전류로 계자전류(If)를 제어한 결과가 도 9b에 도시되었다. 마찬가지로, 계자전류(If)를 이용한 제어후의 토크리플은 제어전 토크리플에 비해 약 1/4의 크기로 저감되는 효과가 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라, 회전자의 위치별로 발생되는 모터의 총 토크리플을 릴럭턴스 토크, 마그네틱 토크, 코깅 토크별로 분석한 그래프이다. 모터의 출력 토크는 이하의 수식과 같이 릴럭턴스 토크, 마그네틱 토크, 및 코깅 토크의 합으로 이루어진다.

여기서, 마그네틱 토크는 계자전류(if)와 토크발생전류(iq) 성분을 포함하며, 릴럭턴스 토크는 자속발생전류(Id)와 토크발생전류(Iq) 성분을 포함한다. 본 발명에 따른 실시예에서는, 토크리플을 운전영역별로 분석하고 그에 따라 마그네틱 토크의 계자전류(if)를 제어함으로써 모터의 토크리플을 저감시킨다.

여기서, 코깅 토크는 릴럭턴스 토크 또는 마그네틱 토크보다 훨씬 작은 크기를 갖고, 모터의 설계 또는 제작시 회전자의 극수와 고정자의 슬롯수에 따라 값이 결정되므로, 총 토크리플에서 차지하는 부분 또한 비중이 작다. 그러나, 본 발명의 실시예에서, 계자전류 제어수단(40)은 코깅토크의 리플이 반영된 토크리플에 대한 역상 리플전류를 생성하여 계자전류를 제어함으로써 보다 정밀하게 토크리플을 저감시킬 수 있다.

이하에서는, 도 12 및 도 13을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 전기차량용 모터 제어 장치의 토크 리플 저감 방법을 기술한다.

먼저, 도 12를 참조하면, 레졸버 등을 이용하여 모터의 회전자의 위치를 검출한다(S10). 그리고 모터의 계자코일에 흐르는 계자전류를 검출한다(S20).

검출된 회전자의 회전위치별로 모터의 토크리플을 샘플링한다(S30). 실시예에서, 모터의 토크리플을 샘플링하는 단계(S30)는, 전기자 코일의 출력전류, 즉 3상 교류전류를 검출하는 과정과, 단계(S20)에서 검출한 계자전류와 상기 검출된 3상 교류전류의 크기에 근거하여, 회전자의 회전위치별로 발생되는 모터의 총 토크리플을 3상 교류전류로 성분을 포함하는 릴럭턴스 토크와 계자전류 성분을 포함하는 마그네틱 토크별로 분석하는 과정을 포함할 수 있다.

그런 다음, 회전자의 회전위치별로 검출된 계자전류를 이용하여 운전 영역별로 샘플링된 토크리플에 대한 역상 리플전류를 생성한다(S40). 여기서, 운전 영역은 모터의 회전속도에 따라 일정 토크를 갖는 제1운전영역과 모터의 회전속도에 따라 토크가 감소하는 제2운전영역으로 나뉠 수 있다.

그리고, 현재 운전 영역에 대응하는 역상 리플전류로 계자전류를 피드백 제어하여 토크리플을 저감시킨다(S50). 구체적으로, 현재 운전 영역이, 상기 제1운전영역의 저토크 구간에서 고토크 구간으로 갈수록 또는 상기 제2운전영역의 저토크 구간에서 고토크 구간으로 갈수록 계자전류의 크기가 증가하도록 상기 계자전류를 피드백 제어하여 토크리플을 저감시킨다. 또한, 현재 운전 영역은 운전자의 악셀 각도에 따라 입력받은 토크 지령과 회전자의 위치 검출 수단으로부터 수신되는 신호에 따라 산출된 모터의 회전속도로부터 결정될 수 있다.

이하, 역상 리플전류로 계자전류를 피드백 제어하여 토크리플을 저감시키기 위한 보다 상세한 과정이 도 13에 도시된다.

먼저, 운전 영역별로 역상 리플전류에 대응하는 회전자의 위치와 계자전류의 크기를 미리 룩업테이블 형태로 저장한다(S51). 그런 다음, 입력받은 토크지령과 회전자의 위치 검출 수단을 통해 산출되는 모터의 회전속도에 근거하여 현재 운전 영역을 결정한다(S52). 결정된 현재 운전 영역에 대응하는 회전자의 위치와 계자전류의 크기를 룩업테이블로부터 독출하여 계자전류(If)를 피드백 제어한다(S53).

그런 다음, 결정된 현재 운전 영역이 고토크 구간인지 저토크 구간인지를 판단한다(S54). 판단 결과, 현재 운전 영역이 고토크 구간이면, 역상 리플전류의 교류성분을 크게 증가시켜서 토크리플을 저감시킨다(S55). 한편, 단계(S54)의 판단 결과, 현재 운전 영역이 저토크 구간이면, 역상 리플전류의 교류성분을 감소시켜서 토크리플을 저감시킨다(S56).

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 전기차량용 모터 제어 장치 및 이를 이용한 토크 리플 저감 방법에 의하면, 모터의 회전자의 위치별로 토크리플에 대한 역상 리플전류를 생성하여 회전자의 계자코일에 흐르는 계자전류를 제어함으로써 출력 토크의 저하없이 모터의 토크리플을 저감시킬 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

2 - 모터 3 - 고정자의 전기자코일
4 - 회전자의 계자코일 20 - 회전자 위치 검출수단
30 - 출력 전류 검출수단 40 - 계자전류 제어수단
42 - 계자전류 검출 수단 45 - 피드백 제어수단
47 - 저장모듈 49 - 계자전류 보정모듈
60 - 배터리 70 - 인버터

Claims

전기자 코일을 갖는 고정자와 계자코일을 갖는 회전자를 포함하는 모터;
상기 회전자의 위치를 검출하는 회전자위치검출수단; 및
상기 계자코일에 흐르는 계자전류를 검출하는 계자전류검출수단 및 상기 검출된 계자전류를 피드백 제어하기 위한 피드백제어수단을 포함하여, 회전자의 위치별로 검출되는 계자전류를 이용하여 운전 영역별로 토크리플에 대한 역상 리플전류를 생성하고, 상기 생성된 역상 리플전류로 상기 계자전류를 제어하여 모터의 토크리플을 저감시키는 계자전류제어수단을 포함하되,
상기 운전 영역은,
상기 모터의 회전속도에 따라, 일정 토크를 갖는 제1운전영역과 토크가 감소하는 제2운전영역으로 구분되고,
상기 계자전류제어수단은,
상기 제1운전영역 또는 상기 제2운전영역의 저토크 구간에서 고토크 구간으로 갈수록 계자전류의 크기가 증가하도록 제어하되,
현재 운전 영역이 상기 제1운전영역 또는 상기 제2운전영역의 고토크 구간이면, 생성된 역상 리플전류의 교류성분을 증가시켜서 모터의 토크리플을 저감시키는 것을 특징으로 하는,
전기차량용 모터 제어 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 전기자 코일의 출력전류를 검출하기 위한 출력전류검출수단;을 더 포함하고, 상기 출력전류는 자속발생전류(I_d) 및 토크발생전류(I_q)으로 구분되며,
상기 계자전류제어수단은, 상기 토크발생전류(I_q)의 크기에 비례하는 역상 리플전류를 생성하여 상기 계자전류의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는,
전기차량용 모터 제어 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
현재 운전 영역이 상기 제1운전영역 또는 상기 제2운전영역의 저토크 구간이면, 상기 계자전류제어수단은 생성된 역상 리플전류의 교류성분을 감소시켜서 모터의 토크리플을 저감시키는 것을 특징으로 하는,
전기차량용 모터 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
입력받은 토크지령과 모터의 회전속도에 따라,
상기 운전 영역이 상기 제1운전영역의 고토크 구간에서 상기 제2운전영역의 고토크 구간으로 이동하거나 또는 상기 제1운전영역의 저토크 구간에서 상기 제2운전영역의 저토크 구간으로 이동하면,
상기 계자전류제어수단은, 상기 계자전류의 크기가 감소하도록 제어하는 것을 특징으로 하는,
전기차량용 모터 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 운전 영역은,
운전자의 악셀 각도에 따라 입력받은 토크 지령과 상기 회전자위치검출수단으로부터 수신된 신호에 따라 산출되는 모터의 회전속도에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 하는,
전기차량용 모터 제어 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 계자전류제어수단은,
운전 영역별로, 상기 토크리플을 저감하기 위한 역상 리플전류에 대응하는 회전자의 위치와 계자전류의 크기를 룩업테이블 형태로 저장하고,
상기 결정된 운전 영역에 대응하는 회전자의 위치와 계자전류의 크기를 상기 룩업테이블로부터 독출하여 상기 검출된 계자전류의 크기를 보정하는 것을 특징으로 하는,
전기차량용 모터 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 토크리플은 코깅 토크의 리플을 합산한 것이고,
상기 계자전류제어수단은, 상기 코깅 토크의 리플이 합산된 토크리플을 저감하기 위한 역상 리플전류를 생성하는 것을 특징으로 하는,
전기차량용 모터 제어 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 토크리플의 크기는 상기 회전자의 극(pole) 수에 반비례하고,
상기 계자전류제어수단은, 상기 회전자의 극 수가 많을수록 상기 계자전류의 크기가 감소되도록 제어하는 것을 특징으로 하는,
전기차량용 모터 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
배터리와;
상기 배터리의 직류전원을 3상 교류전류로 전환하고, 상기 3상 교류전류를 상기 전기자 코일에 공급하여 상기 모터를 구동하는 인버터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
전기차량용 모터 제어 장치.
전기자 코일을 갖는 고정자와 계자코일을 갖는 회전자를 포함하는 모터를 구비한 전기차량용 모터 제어 장치의 토크리플 저감 방법으로서,
상기 회전자의 위치를 검출하는 단계;
상기 계자코일에 흐르는 계자전류를 검출하는 단계;
상기 회전자의 위치별로 발생되는 모터의 토크리플을 샘플링하는 단계;
상기 회전자의 위치별로 검출되는 계자전류를 이용하여, 운전 영역별로 상기 토크리플에 대한 역상 리플전류를 생성하는 단계; 및
현재 운전 영역에 대응하는 역상 리플전류로 상기 계자전류를 피드백 제어하여 토크리플을 저감시키는 단계;를 포함하되,
상기 운전 영역은,
상기 모터의 회전속도에 따라 일정 토크를 갖는 제1운전영역과 토크가 감소하는 제2운전영역을 포함하고,
상기 모터의 토크리플을 샘플링하는 단계는,
상기 전기자 코일의 출력전류를 검출하는 단계; 및
상기 검출된 계자전류 및 출력전류의 크기에 기초하여, 상기 회전자의 위치별로 발생되는 모터의 토크리플을 릴럭턴스 토크 및 마그네틱 토크별로 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
전기차량용 모터 제어 장치의 토크 리플 저감 방법.
삭제
제 12 항에 있어서,
상기 토크리플을 저감시키는 단계는,
현재 운전 영역이, 상기 제1운전영역의 저토크 구간에서 고토크 구간으로 갈수록 또는 상기 제2운전영역의 저토크 구간에서 고토크 구간으로 갈수록 계자전류의 크기가 증가하도록 상기 계자전류를 피드백 제어하여 토크리플을 저감시키는 단계인 것을 특징으로 하는,
전기차량용 모터 제어 장치의 토크 리플 저감 방법.
제 12 항에 있어서,
운전 영역별로, 상기 토크리플을 저감시키기 위한 역상 리플전류에 대응하는 회전자의 위치와 계자전류의 크기를 룩업테이블 형태로 저장하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
전기차량용 모터 제어 장치의 토크 리플 저감 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 토크리플을 저감시키는 단계는,
운전자의 악셀 각도에 따라 입력받은 토크 지령과 상기 회전자의 위치검출수단으로부터 수신되는 신호에 따라 산출되는 모터의 회전속도로부터 현재 운전 영역을 결정하는 단계;
결정된 현재 운전 영역에 대응하는 회전자의 위치와 계자전류의 크기를 상기 룩업테이블로부터 독출하여 상기 계자전류를 피드백 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
전기차량용 모터 제어 장치의 토크 리플 저감 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 토크리플을 저감시키는 단계는,
현재 운전 영역이 상기 제1운전영역 또는 상기 제2운전영역의 고토크 구간이면 역상 리플전류의 교류성분을 증가시켜서 상기 토크리플을 저감시키고,
현재 운전 영역이 상기 제1운전영역 또는 상기 제2운전영역의 저토크 구간이면 역상 리플전류의 교류성분을 감소시켜서 상기 토크리플을 저감시키는 것을 특징으로 하는,
전기차량용 모터 제어 장치의 토크 리플 저감 방법.