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KR101535036B1 - 구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상장치 및 방법 - Google Patents

구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상장치 및 방법 Download PDF

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KR101535036B1
KR101535036B1 KR1020140110942A KR20140110942A KR101535036B1 KR 101535036 B1 KR101535036 B1 KR 101535036B1 KR 1020140110942 A KR1020140110942 A KR 1020140110942A KR 20140110942 A KR20140110942 A KR 20140110942A KR 101535036 B1 KR101535036 B1 KR 101535036B1
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KR
South Korea
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current command
command
torque
current
drive motor
Prior art date
Application number
KR1020140110942A
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Inventor
김영운
노정원
임재상
Original Assignee
현대자동차주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 구동모터의 온도, 배터리 전압 및 구동모터의 속도에 대한 철손 토크 보상 기술로서, 전류 운전점(전류지령)에 따른 전류크기 및 구동모터의 속도에 따라 보상토크를 구하여 구동모터의 속도, 온도 및 배터리 전압에 대한 토크지령대비 실측토크 오차를 최소화할 수 있으며, 배터리 소모전류를 감소시켜 차량의 연비 향상을 할 수 있는 구동모터의 전류 지령에 대한 토크 보상장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상장치는 토크지령(Tref*)을 입력 받고, 생성된 운전점 비율(1/λmax)을 이용하여 자속 기반 전류지령 맵을 생성한 다음에 생성된 전류지령 맵을 이용하여 전류지령을 생성하는 전류지령 발생부 및 상기 전류지령과 상기 구동모터의 속도(Wrpm)에 대한 철손 토크 보상값을 추출하는 철손 토크 보상부를 포함한다.

Description

구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상장치 및 방법{Apparatus and Method for compensating torque about current order of driving motor}
본 발명은 구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전류 운전점(전류 지령)에 따른 전류 크기 및 구동모터의 속도에 따른 철손 토크 보상 기술에 관한 것이다.
하이브리드 차량용 구동모터의 인덕턴스 및 영구자석 자속은 주위온도(엔진룸)와 운전조건에 따라 발생되는 열로 인해 그 특성이 변하게 된다.
이는 제어특성(MTPA곡선, 약계자제어)에 영향을 주어, 결국 토크 제어 성능을 저하시키는 바, 그에 따라 하이브리드 차량의 최적 동력성능 및 운전성을 위해서는 구동모터의 온도변화에 따른 토크의 변화를 보상할 대책이 필요하다.
종래의 토크 변화에 대한 보상 방법으로는, 첫 번째 방법으로서 유도전동기를 대상으로 하여 로터 2차 저항을 추정한 후, 벡터제어 연산을 통하여 전류지령을 재생성하는 방법과, 두 번째 방법으로서 온도에 따른 n개의 전류제어 맵을 구성하여 이를 적절히 보간하는 방법이 있다.
첫 번째 방법에서의 제어대상 모터는 유도전동기이며, 온도변화에 따른 로터 2차 저항값을 추정하여 전류지령을 생성하는 것을 특징으로 한다.
두 번째 방법에서는 모터온도에 따른 n개의 전류제어맵을 구성한 후, 토크지령 인가 시 실제 모터온도와 근접한 2개의 기준온도에서의 전류지령을 보간하여 전류지령기에서 전류지령을 생성한다.
두 번째 방법 즉, 모터 온도에 따른 n개의 전류제어맵을 구성하여 전류지령을 보간하는 방법의 경우, 그 제어 방식의 구현을 위해서는 온도에 따른 n개의 전류제어맵 구성이 필요하고, 하나의 전류제어맵 구성을 위해서는 모든 운전영역에서 MCU에서 조합할 수 있는 전류지령을 모두 인가하여 실측토크를 측정한 후, MTPA 곡선 및 약계자 제어곡선을 구하는 것이 필수적이다.
그러나, 이러한 과정을 n번 반복하여 n개의 전류제어맵을 구성하기에는 많은 시간과 노력이 필요하다.
본 발명은 구동모터의 온도, 배터리 전압 및 구동모터의 속도에 대한 철손 토크 보상 기술로서, 전류 운전점(전류지령)에 따른 전류 크기 및 구동모터의 속도에 따라 보상 토크를 구하여 구동모터의 속도, 온도 및 배터리 전압에 대한 토크지령대비 실측토크 오차를 최소화할 수 있으며, 배터리 소모전류를 감소시켜 차량의 연비 향상을 할 수 있는 구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상장치는 토크지령(Tref*)을 입력 받고, 생성된 운전점 비율(1/λmax)을 이용하여 자속 기반 전류지령 맵을 생성한 다음에 생성된 전류지령 맵을 이용하여 전류지령을 생성하는 전류지령 발생부 및 상기 전류지령과 상기 구동모터의 속도(Wrpm)에 대한 철손 토크 보상값을 추출하는 철손 토크 보상부를 포함한다.
또한, 상기 전류지령은 D축 전류지령(idref)과 Q축 전류지령(iqref)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전류지령으로부터 전압지령을 생성하는 전류 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 운전점 비율은 배터리의 출력전압(Vdc), 전기 각속도(Wr) 및 전압(Vdqref)를 제공받는 자속 생성부로부터 생성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상방법은 상기 구동모터의 구동전원을 제공하는 배터리의 출력전압(Vdc)과 상기 구동모터의 전기각속도(Wr) 및 토크지령(Tref*)을 입력 받는 단계, 상기 배터리 출력전압과 상기 구동모터의 전기각속도로부터 운전점 비율(1/λmax)을 생성하는 단계, 상기 토크지령과 운전점 비율을 가지고 자속 기반 전류지령 맵을 이용하여 전류지령을 생성하는 단계 및 상기 전류지령과 상기 구동모터의 속도(Wrpm)을 이용하여 보상토크지령(Tcomp)을 생성하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 전류지령으로부터 전압지령을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전압지령은 피드백하여 상기 운전점 비율(1/λmax)의 생성에 반영하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전류지령은 d축 전류지령과 q축 전류지령을 포함하고, 전류 크기에 따라 계산될 수 있다.
또한, 상기 보상토크지령을 생성한 후, 상기 보상토크지령과 운점점 비율을 가지고 자속 기반 전류지령 맵을 이용하여 전류지령을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 기술은 구동모터 속도, 온도 및 배터리 전압에 대한 토크지령 대비 실측토크 오차를 최소화할 수 있다.
아울러, 본 기술은 속도에 따라 토크보상 테이블을 구비하는 시간을 줄일 수 있다.
아울러, 본 기술은 구동모터의 온도 및 배터리 전압에 대한 실측토크 오차를 최소화하여 배터리 소모전류 감소시키고 차량의 연비 향상이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상장치 및 방법을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구동모터의 속도 및 전류 운전점에 대한 토크보상을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전류위상각, 전류크기, 구동모터의 속도에 따른 토크보상을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 구동모터의 속도 및 전류크기에 따른 토크 보상 전과 후의 실측토크의 차이를 비교하는 도면이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상장치 및 방법을 설명하기 위한 구성도이다.
도 1을 참조하면, d축, q축 전류지령(Idref, Idref)을 생성하는 전류지령 발생부(100), 전류지령 발생부에서 생성된 d축, q축 전류지령(Idref, Idref)과 구동모터의 속도(Wrpm)에 대한 철손토크 보상값을 추출하는 철손토크 보상부(110), d축, q축 전압지령(Vdref, Vqref)을 생성하는 전류 제어부(120), 3상 전압지령이 구해지는 2/3 좌표 변환부(130), PWM 제어부(140) 및 d축 피드백 전류(Id)와 q축 피드백 전류(Iq)가 구해지는 3/2 좌표 변환부(150)로 구성된다.
전류지령 발생부(100)는 토크지령(Tref*)을 입력 받고, 생성된 자속을 이용하여 자속 기반 전류지령 맵을 생성한다. 자속 기반 전류지령 맵을 이용하여 전류지령을 생성한다.
구체적으로 전류지령은 D축 전류지령(Idref)과, Q축 전류지령(Iqref)으로 나뉘어서 생성된다. 여기서, 자속은 운전점 비율(1/λmax)이라 명명할 수 있다. 또한, λmax는 출력전압(Vdc)과 전기 각속도(Wr)의 비율이며, 최대자속을 의미한다.
구체적으로, 자속 생성부(105, MI 제어회로부)를 통해 모터의 구동 전원을 제공하는 배터리의 출력전압(Vdc), 전기 각속도(Wr) 및 인버터에서 피드백된 전압(Vd-qref)으로부터 운전점 비율(1/λmax)을 생성할 수 있다.
종래기술의 경우 모터의 속도와 토크지령의 2가지 변수만으로 전류지령 맵을 생성하였으나, 본 발명의 경우, 모터의 전기 각속도(Wr)와 토크지령(Tref*) 및 배터리 출력전압(Vdc)의 3가지 변수를 입력 받아 이를 이용하여 자속 기반 전류지령 맵을 생성한다.
여기서, 자속 기반 전류지령 맵을 생성하는 과정을 살펴보면, Id, Iq 영역과 토크 관계를 이용할 수 있다.
하나 또는 다수의 실시예에서 모터를 일정 속도로 제어한 상태에서 전류크기와 각도에 따라 d축과 q축의 전압 및 토크를 측정한다. 이 데이터를 맵 추출 툴에 입력하여 최종 결과물로 운전점의 토크 및 운전점 비율(1/λmax)을 구하여 이로부터 d축과 q축의 전류지령 값을 추출한다.
그리고 맵 추출 툴을 사용하여 각 운전점 비율에 따른 Id, Iq 영역을 추출하게 되고, 각 토크 곡선이 만나는 Id, Iq 값 중에서 전류 제한식을 만족하는 최소 전류 크기를 가지는 Id, Iq 값을 전류지령 생성부의 테이블 값으로 사용한다. 이러한 과정을 통해 자동으로 맵을 추출하여 자속 기반 전류지령 맵을 생성할 수 있다.
따라서, 배터리의 출력전압이 전류지령 맵 입력에 반영되므로, 차량의 상태를 실시간으로 반영하여 토크 제어를 실시할 수 있고, 이를 통해 최적의 전류지령 값이 생성된다.
철손토크 보상부(110)는 생성된 d축, q축 전류지령(Idref, Iqref)과 구동모터의 속도(Wrpm)에 대한 철손토크 보상값을 추출한다. 즉, 입력변수 3개를 이용하여 보상토크(Tcomp)를 생성한다. 철손토크 보상값을 추출하는 구체적인 방법은 도 2에서 자세하게 설명한다.
전류 제어부(120, Current Controller)는 D축 전류지령(Idref)과, Q축 전류지령(Iqref)이 D축 전압지령(Vdref)과 Q축 전압지령(Vqref)으로 변환한다.
2/3 좌표 변환부(130)는 전류 제어부(120)와 PWM 제어부(140) 사이에 배치되고, 회전자의 위치로부터 추정된 위상값에 근거하여 동기좌표계 전압지령을 정지좌표계 전압지령으로 변환한다. 여기서, 2/3 좌표 변환부(130)는 동기좌표 역변환부 또는 d-q/3상 좌표 변환부로 명명할 수 있다.
또한, 2/3 좌표 변환부(130)는 정지좌표계의 전압지령을 구동하고자 하는 모터 형태에 맞게 변환하여 출력한다. 예를 들어, 3상 모터의 경우에, 2/3 좌표 변환부(130)는 정지좌표계의 전압지령을 3상의 전압지령으로 변환하여 PWM 제어부(140)로 출력한다.
PWM 제어부(140)는 제어주기(Ts) 동안 인버터에서 출력 가능한 유효 전압 벡터들을 합성하여 전압지령을 추종하도록 제어 신호를 생성하여 인버터로 출력한다. 인버터가 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor, 이하 'IGBT'라 함)와 같은 스위칭 소자로 되어 있는 경우에, 제어 신호는 게이트 입력 신호(Gate Signal)가 된다.
아울러, PWM 제어부(140)는 전압지령 및 DC 링크 전압으로부터 전압변조지수를 연산하고, 연산된 전압변조지수와 기설정된 기준변조지수를 비교한다.
또한, PWM 제어부(140)는 비교결과에 따라 복수의 변조 방식 중 어느 하나를 선택하고, 선택된 변조 방식에 따라 제어 신호를 생성한다.
3/2 좌표 변환부(150)는 도시되지는 않았지만, 전류 검출 유닛(unit)에서 검출된 전류를 동기 d축 전류 및 동기 q축 전류로 변환한다. 여기서, 3/2 좌표 변환부(150)는 동기좌표 상변환부 또는 3상/d-q 좌표 변환부로 명명할 수 있다.
상기에 언급된 전류 제어부(120), 2/3 좌표 변환부(130), PWM 제어부(140) 또는 인버터(inverter), 3/2 좌표 변환부(150) 등은 널리 알려진 공지의 기술적 사항이므로 본 명세서에서는 상기와 같이 간략하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구동모터의 속도 및 전류 운전점에 대한 토크보상을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 철손토크 보상부(110)는 생성된 d축, q축 전류지령(Idref, Iqref)과 구동모터의 속도(Wrpm)에 대한 철손토크 보상값을 추출한다. 여기서, 전류지령(Idref, Iqref)은 전류 운전점으로 명명할 수 있다. 아울러, 철손토크 보상값은 보상토크(Tcomp)를 의미한다.
구체적으로, 철손토크 보상부(110)에서는 전류 크기(d축 전류 지령의 제공과 q축 전류 지령의 제곱의 합)에 따라 계산된 전류 지령(전류 운전점)을 생성한 다음에, 전류 크기에 따른 전류 운전점과 구동모터의 속도에 대응하는 다수의 철손토크 보상값을 추출할 수 있다.
예를 들어, X축이 구동모터의 속도 크기를 나타내고, Y축이 전류 운전점별 전류 크기를 나타낸다. 즉, 전류 운전점의 크기(ex. Is_ref1, Is_ref2, Is_ref3 등)와 구동모터의 속도(ex. Wrpm1, Wrpm2, Wrpm3 등)에 따라 다수의 철손토크 보상값을 추출할 수 있다(철손토크 보상값 1 내지 9)
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전류위상각, 전류크기, 구동모터의 속도에 따른 토크 보상을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 도 3의 (i)은 전류위상각에 따른 철손토크 보상값을 개시하고 있으며, X축은 전류위상각을 나타내고, Y축은 부하철손토크를 나타낸다.
즉, X축 및 Y축에 따른 전류 크기(Is_ref1, Is_ref2, Is_ref3, Is_ref4)의 차이가 거의 없다.
도 3의 (ii)는 전류 크기에 따른 철손토크 보상값을 개시하고 있으며, X축은 전류지령의 전류크기를 나타내고, Y축은 부하철손토크를 나타낸다.
즉, X축 및 Y축에 따른 전류위상각의 차이가 거의 없다.
도 3의 (iii)은 구동모터의 속도에 따른 철손토크 보상값을 개시하고 있으며, X축은 전류지령의 전류크기를 나타내고, Y축은 부하철손토크를 나타낸다.
여기서, 도 3의 (iii)을 확대한 B와 같이, 철손토크 보상값은 구동모터의 속도 및 전류지령의 전류크기에 따라 구할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 철손토크 보상부에서의 구동모터의 속도 및 전류크기에 따른 토크 보상 전과 후의 실측토크의 차이를 비교하는 도면이다.
도 4의 (a)의 좌측 도면을 참조하면, 철손토크 보상 전의 배터리 전압의 증가 시에 실측토크 값과 토크지령 값의 오차를 나타내는 그래프로써, 실측토크 값이 토크지령 값보다 더 크다.
도 4의 (a)의 우측 도면을 참조하면, 철손토크 보상 후의 배터리 전압의 증가 시에 실측토크 값과 토크지령 값의 오차를 나타내는 그래프로써, 실측토크 값이 토크지령 값과 거의 같다.
도 4의 (b)의 좌측 도면을 참조하면, 철손토크 보상 전의 구동모터의 온도 감소 시에 실측토크 값과 토크지령 값의 오차를 나타내는 그래프로써, 실측토크 값이 토크지령 값보다 더 크다.
도 4의 (b)의 우측 도면을 참조하면, 철손토크 보상 후의 구동 터의 온도 감소 시에 실측토크 값과 토크지령 값의 오차를 나타내는 그래프로써, 실측토크 값이 토크지령 값과 거의 같다.
도 4의 (c)의 좌측 도면을 참조하면, 철손토크 보상 전의 구동모터의 속도 증가 시에 실측토크 값과 토크지령 값의 오차를 나타내는 그래프로써, 토크지령 값이 실측토크 값보다 더 크다.
도 4의 (c)의 우측 도면을 참조하면, 철손토크 보상 후의 구동모터의 속도 증가 시에 실측토크 값과 토크지령 값의 오차를 나타내는 그래프로써, 실측토크 값이 토크지령 값과 거의 같다.
전술한 바와 같이 본 기술은 구동모터 속도, 온도 및 배터리 전압에 대한 토크지령 대비 실측토크 오차를 최소화할 수 있고, 속도에 따라 토크보상 테이블을 구비하는 시간을 줄일 수 있으며, 구동모터의 온도 및 배터리 전압에 대한 실측토크오차를 최소화하여 배터리 소모전류 감소시키고 차량의 연비 향상이 가능하다.
이상, 본 발명은 비록 한정된 구성과 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명의 기술적 사상은 이러한 것에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 본 발명의 기술적 사상과 하기 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 실시가 가능할 것이다.

Claims (9)

  1. 구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상장치에 있어서,
    토크지령(Tref*)을 입력 받고, 생성된 운전점 비율(1/λmax)을 이용하여 자속 기반 전류지령 맵을 생성한 다음에 생성된 전류지령 맵을 이용하여 전류지령을 생성하는 전류지령 발생부; 및
    상기 전류지령과 상기 구동모터의 속도(Wrpm)에 대한 철손 토크 보상값을 추출하는 철손 토크 보상부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동모터의 전류지령에 대한 토크보상 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류지령은 D축 전류지령(idref)과 Q축 전류지령(iqref)을 포함하는 것을 특징으로 하는 구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류지령으로부터 전압지령을 생성하는 전류 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 운전점 비율은 배터리의 출력전압(Vdc), 전기 각속도(Wr) 및 전압(Vdqref)를 제공받는 자속 생성부로부터 생성되는 것을 특징으로 하는 구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상장치.
  5. 구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상방법에 있어서,
    상기 구동모터의 구동전원을 제공하는 배터리의 출력전압(Vdc)과 상기 구동모터의 전기각속도(Wr) 및 토크지령(Tref*)을 입력 받는 단계;
    상기 배터리 출력전압과 상기 구동모터의 전기각속도로부터 운전점 비율(1/λmax)을 생성하는 단계;
    상기 토크지령과 운전점 비율을 가지고 자속 기반 전류지령 맵을 이용하여 전류지령을 생성하는 단계; 및
    상기 전류지령과 상기 구동모터의 속도(Wrpm)을 이용하여 보상토크지령(Tcomp)을 생성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전류지령으로부터 전압지령을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 전압지령은 피드백하여 상기 운전점 비율(1/λmax)의 생성에 반영하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 전류지령은 d축 전류지령과 q축 전류지령을 포함하고, 전류 크기에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상방법.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 보상토크지령을 생성한 후, 상기 보상토크지령과 운전점 비율을 가지고 자속 기반 전류지령 맵을 이용하여 전류지령을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구동모터의 전류지령에 대한 토크 보상방법.
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