KR101827000B1 - 영구자석 동기모터 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량용 영구자석 동기모터 구동시, 약자속 영역에서의 전압위상제어를 통한 배터리 전압 이용을 극대화하고, 토크보상기를 통한 토크 오차 보상이 이루어질 수 있도록 한 영구자석 동기모터 제어 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 하이브리드 차량 및 전기자동차에 탑재된 매입형 영구자석 동기모터의 약자속 영역 운전시 토크지령과 모터속도/배터리출력전압을 입력으로 하는 자속 기반의 맵데이타를 활용한 전압위상제어를 통하여 최대 전압값 근방의 전압을 이용하도록 함으로써, 약자속 영역에서의 전압이용률을 극대화시킬 수 있고, 약자속 영역에서 주변환경 인자로 인한 모터상수 변화시 토크 보상용 필터를 이용하여 토크오차를 보상할 수 있도록 한 영구자석 동기모터 제어 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

영구자석 동기모터 제어 방법{Method for controlling interior permanent magnet synchronous motor}

본 발명은 영구자석 동기모터 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 차량용 영구자석 동기모터 구동시, 약자속 영역에서의 전압위상제어를 통한 배터리 전압 이용을 극대화하고, 토크보상기를 통한 토크 오차 보상이 이루어질 수 있도록 한 영구자석 동기모터 제어 방법에 관한 것이다.

통상적으로, 매입형 영구자석 동기모터(interior permanent magnet synchronous motor, IPMSM)는 회전자 철심 내부에 영구자석이 삽입된 방식의 동기모터로서, 고속 내구력 및 고속 운전성이 우수하여 산업용 및 하이브리드 전기자동차용 모터로 사용되기에 적합한 특성을 갖는다.

첨부한 도 6은 종래의 매입형 영구자석 동기모터(IPMSM)의 제어 방법을 설명하는 블록도이다.

동기모터(PMSM, 10)를 위한 제어 장치는 PWM 인버터에 최종 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vds^r*)과 최종 회전력-축(Q-축) 지령 전압값(Vqs^r*)을 제공하는 것으로서, 전류 지령 생성기(12), 전류 조정을 위한 전류제어기(14), 과변조기(미도시됨), 귀환 제어부(16)를 포함한다.

상기 전류 지령 생성기(12)는 지령 회전력(Te*)과 약자속 제어 결과의 최대자속 값(|λ|max)에 따라 자속-축(D-축) 지령 전류값(ids^r*)과 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqs^r*)을 생성한다.

상기 전류제어기(14)는 전류 지령 생성기(12)로부터의 자속-축(D-축) 지령 전류값(ids^r*)과 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqs^r*)에 따라 일차 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vds^r*)과 일차 회전력-축(Q-축) 지령전압값(Vqs^r*)을 생성한다.

또한, 상기 귀환 제어부(16)는 영구자석 동기 모터(10)에서의 자속 조절을 위한 PI 전류제어 기반의 약자속 제어를 수행하며, 전류제어기(14)로부터의 D-축 지령 전압값(Vds^r*)과 Q-축 지령 전압값(Vqs^r*)에 비례한 최대자속 공제 값을 생성하는 역할을 한다.

이때, 상기 전류제어기(14)로부터의 D-축 지령 전압값 Vds^r*과 Q-축 지령 전압값이 Vqs^r* 이 귀환되면, 귀환 제어부(16)의 제곱평균 생성부(16a)에서 아래와 같은 수학식 1과 같은 출력값을 출력하게 된다.

상기 귀환 제어부(16)의 감산기(16b)에 의하여 최대 합성 전압값(

)에서 수학식 1와 같은 출력값이 감산 처리되고, 여기서 Vdc는 PWM 인버터(18)에 인가되는 직류 링크 전압을 의미하며, 연이어 귀환 제어부(16)에서는 감산된 출력전압을 영구자석 동기모터의 회전자 각속도(

)로 출력하게 된다

첨부한 도 7은 영구자석 동기모터의 PI전류 제어 기반의 약자속 제어 및 약자속 제어시 최대전압 이용률을 보여주는 도면으로서, 참조부호 V1 내지 V6은 D-축 인가 전압(Vds^r*)과 Q-축 인가 전압(Vqs^r*)의 벡터 합의 전압들을 가리키고, 육각형의 영역에 내접하는 원의 영역은 선형적으로 전압 합성이 가능한 영역이며,

은 원의 영역에서 선형적으로 전압 합성이 가능한 최대 합성 전압값을 가리킨다.

또한, 상기 육각형 영역은 공간 벡터 PWM(Pulse Width Modulation) 방식에 의하여 전압 합성이 가능한 영역을 가리키고, 육각형 영역의 안쪽 원의 영역이 제외된 빗금 영역은 비선형 전압변조 영역이다.

이와 같은 종래의 영구자석 동기모터의 구성에 있어서, 전류제어 안정화를 위해 전압 선형 구간인 전압 제한원(원의 영역) 즉, 선형적으로 전압 합성이 가능한 최대 합성 전압값인

안에서 전압을 생성하여 토크제어를 함에 따라 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 전류제어 안정화를 위해 도 2에서와 같이 약자속 기준 전압을 육각형에 내접하는 원의 영역을 사용함에 따라, 전압이용률이 육각형 이용시보다 약 10% 감소하는 단점이 있다.

둘째, 전압변조시 최대 합성 전압값이 전압제한원(원의 영역)에서 최대

이상으로 육각형의 내접원(원의 영역)을 벗어나는 경우, 인버터에서 그 전압을 정확하게 생성할 수 없어 출력전압(최대 합성 전압값)의 선형성이 깨지게 되고, 그에 따라 토크제어 불안정 현상이 유발되는 문제점이 있고, 결국 동기모터의 고속 운전시에 안정적인 제어가 어려워지는 문제점이 따르게 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 하이브리드 차량 및 전기자동차에 탑재된 매입형 영구자석 동기모터의 약자속 영역 운전시 토크지령과 모터속도/배터리출력전압을 입력으로 하는 자속 기반의 맵데이타를 활용한 전압위상제어를 통하여 최대 전압값 근방의 전압을 이용하도록 함으로써, 약자속 영역에서의 전압이용률을 극대화시킬 수 있고, 약자속 영역에서 주변환경 인자로 인한 모터상수 변화시 토크 보상용 필터를 이용하여 토크오차를 보상할 수 있도록 한 영구자석 동기모터 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 토크지령(Te^*)과 모터속도/배터리출력전압(

)을 입력으로 하는 자속 기반의 맵 데이타부를 사용하여 전류지령(Idq^*)을 생성하는 단계와; 동기모터의 정토크 영역에서 전류제어모드인 CVC 제어모드로 절환되거나, 동기모터의 약자속 영역에서 전압위상제어인 MVSC 제어모드로 절환되는 단계; 를 통하여, MVSC 제어모드로부터 출력된 지령 전압(

)을 약자속 영역에서의 모터 토크 제어에 사용할 수 있도록 한 영구자석 동기모터 제어 방법을 제공한다.

바람직하게는, 본 발명의 제어 방법은 토크 오차보상용 필터(120)에서 IPMSM(110)의 전류 출력값과 전압발생부(108)의 전압 출력값을 입력받아 토크 보상용 전압을 출력하고, 출력된 토크 보상용 전압이 인버스 모델 맵에서 출력된 전압값에 더해져 인버스 모델 맵에 의한 토크 오차가 전압 형태로 보상되는 단계; 를 더 포함한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 동기모터의 약자속 영역에서도 최대전압 사용이 가능하고, 모터 동손 감소를 실현할 수 있으며, 결과적으로 동기모터의 약자속 영역에서도 하이브리드 차량 및 전기차의 연비 향상 및 최대 출력를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 영구자석 동기모터의 제어 방법을 구현하기 위한 제어 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 영구자석 동기모터의 제어 방법에서, 토크 오차 보상 을 구현하기 위한 제어 블록도,
도 3은 본 발명에 따른 영구자석 동기모터의 제어 방법으로서, 전압 이용률 향상 기법 및 토크 오차 보상 기법을 함께 나타낸 제어 블록도,
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 영구자석 동기모터의 제어 방법에 대한 시험예 결과를 보여주는 파형도,
도 6 및 도 7은 종래의 매입형 영구자석 동기모터의 제어 장치 및 방법을 나타낸 개략도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 1 및 도 3에서 보듯이, 토크지령(Te^*)과 모터속도/배터리출력전압(

)을 입력으로 하는 자속 기반의 맵 데이타부(100)를 사용하여 전류지령(Idq^*)을 생성한다.

이어서, 동기모터의 정토크 영역 및 약자속 영역에 따라 전류제어모드(Mode CC)와 VPC 제어 모드(Mode VPC)로의 모드절환이 이루어진다.

보다 상세하게는, 동기모터의 정토크 영역에서는 전류제어모드로서 전류 벡터 제어(current vector control) 모드(102 : 이하 CVC 제어모드라 칭함)로 절환되고, 약자속 영역에서는 전압위상제어로서 변조 전압 스케일 제어(MVSC: modulating voltage scaled controller) 모드(104: 이하, MVSC 제어모드라 칭함)로 절환된다.

이때, 상기 MVSC 제어모드에서는 맵데이타부(100)로부터 생성된 전류지령을 이용하여 인버스 모델 맵(106)에서 전압지령(Vdq^*)을 생성하는 단계가 이루어지고, 생성된 전압 지령에 임의의 게인[KH(>2)]를 곱하여 전압발생부(108)에서 육각형으로 제한되는 전압이 발생되도록 한다.

본 발명은 광범위 작동 영역 이상의 전력 밀도 달성을 위하여 하이브리드 차량용 최대전압 사용 제어기를 구축하고자 한 것이며, 전류 벡터 제어(CVC: current vector control) 타입의 단위 전류당 최대 토크(Maximum Torque Per Ampere, 이하 MTPA 라 칭함) 제어가 기준 속도 조건에서 최소 동 손실(minimum copper loss)을 이룰 수 있게 채택되고, 동기모터의 약자속 영역에서는 MVSC 제어모드에 의하여 모터 제어가 이루어지도록 한다.

즉, 본 발명은 매입형 영구자석 동기전동기를 사용하는 하이브리드 및 전기차에 사용되는 모터제어 알고리즘을 제공하고자 한 것으로서, 첫째 약자속 영역운전시 토크지령과 모터속도/배터리출력전압을 입력으로 하는 자속 기반의 맵 데이타(Map Data)를 활용하는 동시에 전압위상제어인 MVSC 제어모드을 통해 최대전압값 근방의 전압을 이용하도록 함으로써, 약자속 영역에서 전압이용율을 향상시킬 수 있도록 한 점, 그리고 약자속 영역에서 온도 및 다른 영향인자에 따른 모터상수 변화시 토크 오차보상용 필터를 활용하여 토크오차를 보상할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

첨부한 도 1 및 도 3은 본 발명에 따른 영구자석 동기모터 제어 방법을 나타내는 블록도로서, 매입형 영구자석 동기모터(interior permanent magnet synchronous motor, 이하 IPMSM 라 칭함)를 위한 복합형의 최대 전압 사용 제어예를 나타낸다.

먼저, 지령 토크(

) 및 인버스 지령 플럭스(

)가 약자속 영역 및 MTPA를 위하여 구축된 룩업 테이블인 맵 데이타부(100)에 입력되고, 맵 데이타부(100)에서 전류지령(Idq^*)을 생성한다.

이때, 상기 CVC 제어 모드에서는, 맵 데이타부(100)가 전류 벡터 제어(CVC)를 위한 선형 전압 제한에 관하여 맵핑을 하게 되고, 피드백 전류(

)가 PI(proportional-integral) 전류 조정기에 의하여 지령 전류 벡터(

)를 추종하도록 제어된다.

이어서, 전류 제어에 의한 지령 전압 벡터(

)가 전압 제한내에서 IPMSM에 전송된다.

반면, 상기 MVSC 제어 모드에서는 지령 전압(

)이 동기화 참조 프레임-기반의 전압 모델 즉, 인버스 모델 맵(106,

)을 이용하여 계산되며, 그 계산식은 아래의 수학식 2 및 3에 나타낸 바와 같다.

위의 수학식 2에서,

는 d-q축 인덕턴스, (

)은 영구자석(PM)의 링케이지 플럭스(linkage flux), (

)은 로터 각속도를 나타내며, "^"는 변수이다.

또한, 상기 지령 전압(

)은 항상 선형 전압 한계치 범위내에 있으며, 그 이유는 CVC-기반의 지령 전류(

)로부터 계산되기 때문이다.

동기모터의 약자속 영역에서의 전압 이용율을 향상시키기 위하여, 토크 불연속성을 최소화시키면서 지령 전압(

)에 스칼라 게인(KH)을 곱함으로써, 지령 전압(

)이 육각형에 내접하는 원의 영역의 바깥쪽까지 확장된 후, 최소 크기-에러 과변조를 이용한 육각형 전압 한계치로 조절되어 지령 전압(

)으로 출력된다.

이렇게 육각형 상에 생성된 지령 전압(

)은 전류 벡터 제어(CVC)가 비활성될 때 약자속 영역에서의 모터 토크 제어에 사용되며, 이러한 전압 선택과 함께 최대 전압 사용이 약자속 영역에서 달성될 수 있다.

첨부한 도 7을 참조하면, 육각형 영역에 내접하는 원의 영역은 선형적으로 전압 합성이 가능한 영역이며,

은 원의 영역에서 선형적으로 전압 합성이 가능한 최대 합성 전압값을 가리키는 바, 기존에는 약자속 기준 전압을 육각형에 내접하는 원의 영역을 사용함에 따라 전압이용률이 육각형 이용시보다 약 10% 감소하는 단점이 있다.

이와 달리, 동기모터의 약자속 영역에서의 전압 이용율을 향상시키기 위하여, 약자속 영역에서 MVSC 제어 모드로 절환함으로써, 지령 전압(

)이 육각형에 내접하는 원의 영역의 바깥쪽까지 확장된 후, 최소 크기-에러 과변조를 이용한 육각형 전압 한계치로 조절되어 지령 전압(

)으로 출력되므로, 약자속 영역에서의 최대 전압 사용이 이루어질 수 있다.

실제로, 정확한 토크 조절은 MVSC 제어 모드에서 실행되지 않으며, 그 이유는 고포화습도 및 온도에 따른 영구자석(PM) 플럭스 변화와 같은 인자들이 존재하기 때문이며, 스테이터 저항 에러가 고속에서 토크 제어에 충격을 주는 것을 고려해야 하기 때문이다.

이를 위해, 모터 전압, 전류, dc-링크 전압, 로터 속도, 실제 토크에 대한 정상 상태 측정값을 기반으로 하는 룩업 테이블을 구축하고, MVSC 제어 모드 실행시 정확한 토크 제어를 위하여 보상 모델을 구축한다.

예를 들어, 전압 변동 기반의 필터 즉, 토크오차를 보상할 수 있는 토크 오차보상용 필터(120, 본 발명자에 의하여 state-filter 로 불려짐)가 첨부한 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 구축된다.

보다 상세하게는, 상기 토크 오차보상용 필터(120)의 입력측에 IPMSM(110)의 출력측과 전압발생부(108)의 출력측이 연결되고, 토크 오차보상용 필터(120)의 출력측이 MVSC 제어 모드(104)의 인버스 모델 맵(106)쪽으로 연결된다.

상기 토크 오차 보상용 필터(120)는 모터의 고속에서 d-q축 인덕턴스 변화값(

) 및 영구자석(PM)의 링케이지 플럭스(linkage flux) 변화값(

)을 포함하는 전압을 다음의 수학식 3과 같이 출력한다.

위의 수학식 3에서,

는 d-q축 인덕턴스 변화값,

는 링케이지 플럭스(linkage flux) 변화값,

은 로터 각속도, "^"는 변수이다.

이렇게 출력된 d-q축 인덕턴스 변화값(

) 및 링케이지 플럭스(linkage flux) 변화값(

)은 인버스 모델 맵(106)에서 출력된 전압값에 더해져 인버스 모델 맵(106)에 의한 토크 오차가 전압 형태로 보상되어진다.

첨부한 도 5는 본 발명의 시험 결과로서, CVC 제어모드 및 MVSC 제어모드 간을 성능을 나타낸 것으로서, 위에서 부터 아래쪽으로 로터 속도, d-축 전류, 토크 센서에 의하여 측정된 토크를 각각 나타낸다.

이러한 시험예에서, 상기 CVC 제어모드에서의 d-축 전류를 모터 링케이지 플럭스를 감소시키도록 점차 떨어뜨리고, MVSC 제어모드에서 스테이터 전압이 육각형 경계로 증가되기 때문에 모드 스위칭 순간 갑자기 증가시켰다.

이때, 토크 변동은 MVSC 및 CVC 제어모드로 전환될 때 발생되지 않았으며, 이는 토크 오차보상용 필터(120)의 토크 보상에 의하여 모터 파라미터 변화 조건에서도 토크가 일정하게 제어되는 것을 의미한다.

첨부한 도 6은 본 발명의 시험 결과로서, 로터 각속도를 0~2200 r/min로 변화시킬 때 측정된 로터 속도(

), d-축 전류, q-축 전류, 스테이터(stator) 전류를 각각 나타내며, (a) 도면은 CVC 제어모드일 경우를 나타내고, (b) 도면은 MVSC 제어모드일 경우를 나타낸다.

상기 MVSC 제어모드에서의 d-축 전류 크기는 최대 전압 사용으로 인하여 작고, 반면 q-축 전류는 CVC 제어모드와 거의 동일하며, 결론적으로 MVSC 제어모드에서는 CVC 제어모드에 비하여 스테이터 전류 크기를 약 33%로 감소시킬 수 있었다.

이러한 결과는 PI 타입의 전류 조정기에서의 적분기와 6단계의 변조에 대한 복잡한 게인 조절과 같은 제어 없이 인버터의 전력밀도를 향상시키는 동시에 dc-버스 전압을 최대화시킬 수 있음을 의미한다.

100 : 맵 데이타부
102 : CVC 제어모드
104 : MVSC 제어모드
106 : 인버스 모델 맵
108 : 전압발생부
110 : IPMSM
120 : 토크 오차보상용 필터

Claims (4)

1. 토크지령(Te^*)과 모터속도/배터리출력전압(

   

   )을 입력으로 하는 자속 기반의 맵 데이타부(100)를 사용하여 전류지령(Idq^*)을 생성하는 단계와;
   동기모터의 정토크 영역에서 전류제어모드인 CVC 제어모드(102)로 절환되거나, 동기모터의 약자속 영역에서 전압위상제어인 MVSC 제어모드(104)로 절환되는 단계;
   를 포함하고,
   상기 MVSC 제어모드(104)에서는: 상기 생성된 전류지령(Idq^*)을 인버스 모델 맵(106)에서 지령 전압(

   

   )으로 생성하고, 생성된 지령 전압(

   

   )에 스칼라 게인(KH)를 곱함으로써, 지령 전압(

   

   )이 육각형 전압 한계치로 조절되어 지령 전압(

   

   )으로 출력되는 단계가 진행되며,
   상기 MVSC 제어모드(104)로부터 출력된 지령 전압(

   

   )을 약자속 영역에서의 모터 토크 제어에 사용할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 영구자석 동기모터 제어 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 CVC 제어 모드는:
   피드백 전류(

   

   )가 PI(proportional-integral) 전류 조정기에 의하여 지령 전류 벡터(

   

   )를 추종하도록 제어되고, 전류 제어에 의한 지령 전압 벡터(

   

   )가 전압 제한내에서 IPMSM(110)에 전송되는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기모터 제어 방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 MVSC 제어 모드(104)에서는:
   인버스 모델 맵(106,

   

   )에서 상기 지령 전압(

   

   )이 아래의 수학식에 의하여 계산되는 단계가 진행되는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기모터 제어 방법.
   

   

   
   위의 수학식에서,

   

   는 d-q축 인덕턴스,

   

   은 영구자석(PM)의 링케이지 플럭스(linkage flux),

   

   은 로터 각속도를 나타내며, ^는 변수.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   토크 오차보상용 필터(120)에서 IPMSM(110)의 전류 출력값과 전압발생부(108)의 전압 출력값을 입력받아, 토크 보상용 전압을 아래의 수학식과 같이 출력하는 단계와;
   

   

   
   토크 보상용 전압을 인버스 모델 맵(106)에서 출력된 전압값에 더해져 인버스 모델 맵(106)에 의한 토크 오차가 전압 형태로 보상되는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기모터 제어 방법.
   위의 수학식에서,

   

   는 d-q축 인덕턴스 변화값,

   

   는 링케이지 플럭스(linkage flux) 변화값,

   

   은 로터 각속도, ^는 변수

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