KR102565333B1

KR102565333B1 - 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치

Info

Publication number: KR102565333B1
Application number: KR1020180160200A
Authority: KR
Inventors: 이용재; 황재호; 박주영; 배수현
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2023-08-16
Anticipated expiration: 2038-12-12
Also published as: US20200189409A1; KR20200075937A; CN111313790B; US11230200B2; CN111313790A

Abstract

배터리와, 모터 구동 시 상기 배터리에 저장된 직류 전력을 입력 받아 3상 교류로 변환하여 상기 모터로 출력하는 인버터와, 상기 인버터에서 출력되는 3상 교류 전력을 이용하여 회전력을 생성하는 상기 모터를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용하여 상기 모터의 중성 점으로 외부 충전 전류를 입력 받아 상기 배터리로 제공하는 충전 시스템의 제어 장치가 개시된다. 상기 제어 장치는, 상기 모터의 중성점의 전압 지령과 상기 모터의 중성점의 전압을 검출한 모터 중성점 전압을 비교하고, 상기 모터 중성점 전압이 상기 전압 지령을 추종하게 하는 중성점 전류 지령을 생성하는 전압 제어부; 및 상기 중성점 전류 지령과 상기 모터의 회전자 각도를 입력 받고, 상기 모터의 회전자 각도에 대응되는 abc 좌표의 위치에 기반하여 abc 삼상 전류 중 하나를 0으로 설정하고, 상기 모터의 토크를 0으로 만들기 위한 나머지 두 상전류를 연산하는 전류 지령 생성부를 포함한다.

Description

모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치{APPARATUS OF CONTROLLING CHARGING SYSTEM USING MOTOR DRIVING SYSTEM}

본 발명은 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 모터의 중성점으로 외부 충전 전류를 제공 받아 배터리를 충전하는 경우 모터의 토크 발생을 억제할 수 있는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치에 관한 것이다.

일반적으로 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차는 외부의 충전 설비에서 제공되는 전력을 차량 내 배터리 충전에 적합한 상태로 변환하여 배터리로 제공하여 배터리 충전을 실시하고 있다.

예를 들어, 종래에 급속 충전을 위한 충전 설비는 400V의 단일된 전압 규격을 출력하도록 제작되었으나, 차량 내에 사용되는 배터리는 효율, 주행 가능 거리 향상을 위해 800V 혹은 그 이상의 전압을 가지도록 배터리가 설계되는 추세이다. 따라서, 급속 충전 설비는 여전히 400V의 충전 전압을 제공하고 있으나 차량 내 사용되는 배터리는 800V 이상의 전압 사양을 가지므로, 배터리의 충전을 위해서는 외부의 충전 설비에서 제공된 전압을 승압하기 위한 승압 컨버터가 요구된다.

그러나, 400V의 전압을 800V 이상으로 승압하기 위한 대용량의 승압 컨버터는 무게와 부피가 매우 클 뿐만 아니라 가격 또한 고가로서 차량 내 구비하기 어려울 뿐만 아니라 차량의 가격을 상승시키는 원인이 될 수 있다.

이에 당 기술분야에는 기존 인프라로 구축되어 있는 상대적으로 낮은 전압의 충전 전압을 제공하는 충전 설비의 전압을 제공 받아 추가적 장치 및 추가적 비용 상승 없이 고전압으로 승압하여 배터리로 제공할 수 있는 모터 중성점을 이용한 배터리 충전 방법이 제안되었다.

모터 중성점을 이용한 배터리 충전 방법은 모터 중성점으로 외부 충전 전류를 인가 받으면서 모터의 코일과 인버터의 스위칭 소자를 이용하여 모터 중성점의 전압을 배터리 충전 가능 전압 레벨로 승압하는 충전 방식이다.

이러한 모터 중성점을 이용한 배터리 충전 방법은 모터에 토크가 발생하는 경우 충전 중인 차량이 이동하게 되어 주변 시설나 사람을 충격하는 사고가 발생할 수 있으므로 모터에서 토크가 발생하지 않도록 인버터를 제어하는 것이 매우 중요하다.

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.

KR 10-2012-0047100 A

이에 본 발명은, 모터 구동을 위해 마련된 모터 구동 시스템에서 모터의 중성점으로 충전 전류를 제공 받아 배터리를 충전하는 경우, 모터의 토크 발생을 억제할 수 있는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

배터리와, 모터 구동 시 상기 배터리에 저장된 직류 전력을 입력 받아 3상 교류로 변환하여 상기 모터로 출력하는 인버터와, 상기 인버터에서 출력되는 3상 교류 전력을 이용하여 회전력을 생성하는 상기 모터를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용하여 상기 모터의 중성 점으로 외부 충전 전류를 입력 받아 상기 배터리로 제공하는 충전 시스템의 제어 장치에 있어서,

상기 모터의 중성점의 전압 지령과 상기 모터의 중성점의 전압을 검출한 모터 중성점 전압을 비교하고, 상기 모터 중성점 전압이 상기 전압 지령을 추종하게 하는 중성점 전류 지령을 생성하는 전압 제어부; 및

상기 중성점 전류 지령과 상기 모터의 회전자 각도를 입력 받고, 상기 모터의 회전자 각도에 대응되는 abc 좌표의 위치에 기반하여 abc 삼상 전류 중 하나를 0으로 설정하고, 상기 모터의 토크를 0으로 만들기 위한 나머지 두 상전류를 연산하는 전류 지령 생성부;

를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전류 지령 생성부는, 상기 abc 좌표의 a상의 양의 좌표축과 음의 좌표축, b상의 양의 좌표축과 음의 좌표축 및 c상의 양의 좌표축과 음의 좌표축으로 분리되는 복수의 섹터를 가지며, 상기 모터의 회전자 각도가 속하는 복수의 섹터별로 abc 삼상 전류 중 하나를 0으로 설정할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전류 지령 생성부는, 상기 b상의 음의 좌표축과 상기 c상의 음의 좌표축 사이에 상기 모터의 회전자 각도가 속하는 경우 a상의 상전류를 0으로 설정하고, 상기 a상의 음의 좌표축과 상기 c상의 음의 좌표축 사이에 상기 모터의 회전자 각도가 속하는 경우 b상의 상전류를 0으로 설정하고, 상기 a상의 음의 좌표축과 상기 b상의 음의 좌표 축 사이에 상기 모터의 회전자 각도가 속하는 경우 c상의 상전류를 0으로 설정할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전류 지령 생성부는, 상기 모터의 동기좌표계 상의 q축 전류를 0으로 만드는 상기 나머지 두 상전류를 연산할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전류 지령 생성부는, 식

을 이용하여, 상기 중성점 전류 지령(I_n)과 abc 각 상의 전류(I_as, I_bs, I_cs)와의 관계식과, 동기좌표계 상의 q축 전류를 0으로 만드는 정지 좌표계 상의 q축 전류(I_qs)와 abc 각 상의 전류와의 관계식을 이용하여 상기 나머지 두 상의 상전류를 연산할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전류 지령 생성부는, 상기 모터의 전류를 변경 시키면서 상기 모터의 동기좌표계 상의 d축 전류를 (λf: 상기 모터의 자속, Ld, Lq: 동기 좌표계 상에서 상기 모터의 d축 및 q축의 인덕턴스)로 만드는 상기 나머지 두 상전류를 연산할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전류 지령 생성부는, 식

을 이용하여, 상기 중성점 전류 지령(I_n)과 abc 각 상의 전류(I_as, I_bs, I_cs)와의 관계식과, 동기좌표계 상의 d축 전류를 로 만드는 정지 좌표계 상의 d축 전류(I_ds)와 abc 각 상의 전류와의 관계식을 이용하여 상기 나머지 두 상의 상전류를 연산할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전류 지령 생성부는, 상기 모터의 전류를 변경 시키면서 상기 모터의 회전자 각도가 변경되는 경우 변경된 회전자 각도에 대응되는 abc 좌표의 위치에 기반하여 0으로 설정되는 abc 삼상 전류 중 하나를 변경할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전류 지령 생성부는, 상기 모터의 토크를 0으로 만들기 위한 나머지 두 상전류를 연산한 후, 연산된 두 상전류와 0으로 설정된 하나의 상전류에 해당하는 동기 좌표계에서의 dq축 전류 및 중성점 전류를 전류 지령(Idqn*)으로 출력할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태는, 상기 전류 지령과 상기 모터의 각상의 검출 전류를 동기 좌표계 상의 dq축으로 변환한 검출 dqn 전류를 비교하여 상기 검출 dqn 전류가 상기 전류 지령을 추종하게 하기 위한 상전압 지령을 생성하는 전류 제어부; 및 상기 인버터와 상기 배터리가 서로 연결된 직류 링크단 전압과 상기 상전압 지령을 기반으로 사전 설정된 펄스폭 변조 방식을 적용하여 상기 인버터 내 스위칭 소자의 온/오프를 제어하기 위한 신호를 출력하는 펄스폭 변조 생성부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 펄스폭 변조 생성부는, 상전류가 0으로 설정된 상을 제외한 나머지 두 상의에 대응되는 상기 인버터 내 스위칭 소자를 상호 인터리브드 스위칭되도록 제어하는 신호를 출력할 수 있다.

상기 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치에 따르면, 모터 중성점으로 충전 전류를 제공 받아 배터리를 충전하는 중에 모터에서 토크가 발생하는 것을 억제할 수 있어, 모터를 구비한 차량이 충전 중에 이동하거나 움직이는 것을 예방할 수 있으며, 이에 따라 차량 주변의 시설이나 사람을 충격하는 사고를 미연에 방지할 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 실시형태가 적용되는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치를 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치에서 모터의 토크를 0으로 제어하기 위한 케이스를 설명하기 위한 좌표를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치에서 모터의 토크를 0으로 제어하는데 사용되는 abc 좌표 및 상 전류가 속하는 섹터의 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치에서 모터의 토크를 0으로 제어하는데 사용되는 abc 좌표의 각 섹터 별 적용 상전류의 예를 도시한 표이다.

이하, 첨부의 도면을 참조하여 다양한 실시 형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 회로도이다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태가 적용되는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 회로도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태가 적용되는 충전 시스템은, 모터(20)의 구동을 위해 마련된 시스템을 통해 에너지 저장 장치인 배터리(40)를 충전하는 시스템이다.

일반적으로, 모터(20)를 구동하기 위한 시스템은, 모터(20)를 구동하기 위한 전력을 저장하는 에너지 저장 장치인 배터리(40)와 배터리(40)에 저장된 직류 전력을 3상의 교류로 변환하여 모터(20)로 제공하는 인버터(30)를 포함할 수 있다. 더하여, 모터(20)의 회전자의 각도를 검출하는 홀센서 또는 레졸버와 같은 회전자 각도 센서(50)를 포함할 수 있다.

인버터(30)는 배터리(40)의 양단에 상호 병렬 관계로 연결되는 세 개의 레그(L1-L3)를 가지며, 각 레그(L1-L3)에는 두 개의 스위칭 소자(S1 내지 S6 중 두 개)가 서로 직렬 연결되고 두 스위칭 소자의 연결 노드에서 모터(20)로 한 상의 구동 전력이 제공된다. 이와 같이, 모터(20)를 구동하기 위한 에너지 흐름은 도 1의 배터리(40)에서 모터(20) 방향으로 이루어진다.

따라서, 모터(20)의 3 상 코일 하나와 그에 연결된 인덕터(30)의 레그(L1-L3) 내 스위칭 소자(S1-S6)는 하나의 승압회로를 구성할 수 있다. 다시 말해, 3상 모터와 3상 인버터에 의해 총 세 개의 승압회로가 모터(20)의 중성점(N)과 배터리(20) 사이에 병렬로 연결된 것과 같은 회로가 구성된다.

본 발명의 여러 실시형태가 적용되는 시스템은 전술한 모터 구동을 위한 에너지 흐름과는 달리, 외부 충전 설비(예를 들어, EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment))(10)로부터 모터(20)의 중성점(N)으로 제공되는 외부 충전 전력을 인버터(30)의 각 상에 대응되는 레그로 제공받고, 각 레그의 스위칭 소자를 제어하여 승압한 후 배터리(40)로 제공하여 배터리(40)의 충전이 이루어지게 하는 것이다.

즉, 본 발명의 여러 실시형태가 적용되는 시스템에서는, 인버터(30)의 모터(20) 측 연결단이 인버터(30)의 입력단이 되고, 인버터(30)의 배터리(40) 측 연결단이 인버터(30)의 출력단이 된다.

본 발명의 일 실시형태가 적용되는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템은, 배터리(40)와, 모터 구동 시 배터리(40)에 저장된 직류 전력을 입력 받아 3상 교류로 변환하여 모터(20)로 출력하는 인버터(30)와, 인버터(30)에서 출력되는 3상 교류 전력을 이용하여 회전력을 생성하는 모터(20)를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템으로서, 모터(20)의 중성점으로 외부 충전 전류가 제공되는 경우 인버터(30) 내 스위칭 소자를 PWM 제어하여 모터(20)의 중성점 전압 레벨을 승압하여 배터리(40)로 출력하도록 인버터(30)를 제어하는 제어 장치(100)를 포함하여 구성될 수 있다.

통상 모터 구동 시스템에서는 모터(20)로 제공되는 전류를 입력 받고 모터로 제공되는 입력 전류가 모터의 토크 지령에 따라 결정되는 전류 지령을 충족하도록 인버터(30)의 입력단의 직류 링크 전압(V_dc)을 고려하여 인버터(30) 내 스위칭 소자의 온/오프를 제어하기 위한 펄스폭 변조 신호를 생성한다. 모터 구동 시스템(30)에서는 에너지의 흐름이 배터리에서 모터로 전달되므로 인버터에서 모터로 전류가 흐르게 된다.

반면, 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 경우 모터 구동 시스템과 반대로 에너지의 흐름이 발생한다. 즉, 모터 구동 시스템에서 인버터에 모터로 흐르는 전류의 방향을 양(+)의 방향이라고 한다면, 충전 시스템에서는 전류의 방향이 음(-)이 된다. 따라서, 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템은 전류 지령이나 검출되는 상전류 등을 음의 값으로 결정하고 모터 구동 시스템과 유사하게 인버터(30) 내 스위칭 소자(S1-S6)를 제어할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치를 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도이다.

도 2에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치(100)를 구성하는 각 요소들은 모터(20)를 구동하기 위해 인버터(30)를 제어하는 시스템 내 요소들과 거의 일치한다. 다만, 충전 시스템에서는 충전 전류가 제공되는 중성점(N)의 전압을 안정적으로 제어하는 것이 중요하므로 중성점(N)의 전압에 대한 지령을 제공받아 인버터(30)를 제어한다.

도 2를 참조하면, 제어 장치(100)는 상위 제어기로부터 제공되거나 사용자 설정에 의해 제공되는 전압 지령(Vn^*)과 모터 중성점(N)의 전압을 검출한 모터 중성점 전압(Vn)을 서로 비교하고, 모터 중성점 전압(Vn)이 전압 지령(Vn^*)을 추종하게 하는 중성점 전류 지령(In^*)을 생성하는 전압 제어부(110)와, 중성점 전류 지령(In^*)과 모터(20)의 회전자 각도(θr)에 기반하여 모터(300)의 토크를 0으로 만들기 위한 dqn 전류 지령(I_dqn ^*)을 생성하는 전류지령 생성부(130)와, dqn 전류 지령(I_dqn ^*)과 모터(20)의 각상의 검출 전류(I_abc)를 dq축으로 변환한 검출 dqn 전류(I_dqn)을 비교하여 dqn 전류(I_dqn)가 dqn 전류 지령(I_dqn ^*)을 추종하게 하기 위한 상전압 지령(V_abc*)을 생성하는 전류 제어부(150)와 인버터(30)와 배터리(40)가 서로 연결된 직류 링크단 전압(V_DC)과 상전압 지령(V_abc ^*)을 기반으로 사전 설정된 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 방식을 적용하여 인버터(30) 내 스위칭 소자를 PWM 제어하기 위한 신호를 출력하는 PWM 생성부(170)를 포함할 수 있다.

물론, 제어 장치(100)는 전류 제어부(150)로 모터(20)의 각 상전류를 검출한 결과를 동기좌표계 상의 dq축 전류로 변환하여 dqn 전류를 생성하는 좌표 변환부(190)를 더 포함할 수 있다.

제어 장치(100)는, 물리적으로 사전 설정된 연산 및 제어 알고리즘을 실행하는 프로세서와 연산에 필요한 정보 및 제어 알고리즘을 구현한 프로그램 등을 저장하는 메모리를 포함하는 형태로 구현될 수 있다. 후술하는 제어 장치를 구성하는 전압 제어부(110), 전류 지령 생성부(130), 전류 제어부(150), PWM 생성부(170) 및 좌표 변환부(190)는 각각의 제어 알고리즘을 구현하기 위한 프로그램의 형태로 메모리에 저장되고, 프로세서는 프로그램을 실행하여 각각의 제어 알고리즘을 구현할 수 있다.

전압 제어부(110)와 전류 제어부(150)는 입력되는 두 값 중 검출값이 지령을 추종할 수 있도록 하기 위한 출력을 생성하는 비례 적분(PI), 비례 적분 미분(PID) 등 통상의 제어 방식을 적용하는 제어기로 구현될 수 있다. 또한, PWM 생성부(170) 역시 직류 링크 전압(V_DC) 및 상전압 지령(V_abc ^*)을 기반으로 사전 설정된 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 방식(예를 들어, 공간 벡터 PWM 등)의 방식으로 PWM 제어 신호를 생성하여 출력할 수 있다. 전압 제어부(110)와 전류 제어부(150), PWM 생성부(170) 및 좌표 변환부(190)는 당 기술분야에서 통상의 기술자가 이미 인지하고 있거나 본 발명의 상세한 설명을 통해 충분히 이해할 수 있는 것이므로 이에 대한 추가의 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 일 실시형태는, 전압 제어부(110)가 모터 중성점 전압(Vn)이 모터 중성점 전압 지령(Vn^*)을 추종하도록 생성한 중성점 전류 지령(In^*)을 입력 받은 전류 지령 생성부(130)가 입력 받은 중성점 전류 지령(In^*)을 적용하여 모터(20)의 토크를 0으로 조정하기 dqn 전류 지령(I_dqn ^*)을 생성하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 전류 지령 생성부(130)에서 수행되는 제어 동작을 더욱 상세하게 설명한다.

모터, 특히 매입형 영구자석 동기 모터의 토크는 다음 식으로 결정될 수 있음이 알려져 있다.

[식 1]

상기 식 1에서 Te는 모터의 토크를 나타내고 λ_f는 모터의 자속을 나타내며, L_d, L_q는 각각 모터의 동기 좌표계 상의 d축 및 q축의 인덕턴스를 나타내며, I_d, I_q는 각각 동기 좌표계에서 모터의 d축 및 q축의 전류를 나타내며, P는 모터(20)의 폴(pole)의 개수를 나타낸다. 상기 식 1에서 λ_f, L_d, L_q 및 P는 모터의 제작 시 결정되어지는 상수이다.

상기 식 1에 따르면 모터의 토크를 0으로 조정하기 위해서는 또는 의 조건이 만족되어야 한다. 이하에서는, 전자를 제1 조건 후자를 제2 조건이라고 하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치에서 모터의 토크를 0으로 제어하기 위한 케이스를 설명하기 위한 좌표를 도시한 도면이다.

dq 좌표(동기 좌표계)의 d축은 abc 좌표의 양(+)의 a축의과 모터(20)의 회전자 각도(θ_r) 만큼 회전하여 위치한다. 제1 조건은 q축 전류가 0인 위치로 도 3에서 참조부호 'C1'으로 지시된 부분에 해당한다. 또한, 제2 조건은 d축 전류가 일정한 값()을 갖는 위치로 도 3에서 참조부호 'C2'로 지시된 부분에 해당한다.

제어 장치(100) 내의 전류 지령 생성부(130)는 도 3에 도시된 것과 같은 조건을 만족하도록 dqn 전류지령(I_dqn ^*)을 생성한다.

제1 조건을 만족하도록 하기 위한 제어

전류 지령 생성부(130)는 모터(20)에 구비된 회전자 각도 센서(50)로부터 회전자의 각도(θ_r)를 알고 있으므로 동기 좌표계에서 q축 전류가 0이 되는 점들이 abc 좌표 상의 어떤 섹터에 존재하는지 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치에서 모터의 토크를 0으로 제어하는데 사용되는 abc 좌표 및 상 전류가 속하는 섹터의 예를 도시한 도면이다.

도 4에 도시된 abc 좌표에서 참조 부호 'S1-S6'은 abc 좌표의 a상의 양의 좌표축과 음의 좌표축, b상의 양의 좌표축과 음의 좌표축, c상의 양의 좌표축 및 음의 좌표축으로 분리되는 섹터를 도시한다. 도 3을 통해 설명한 바와 같이, 모터(20)의 회전자 각도(θ_r)는 a상의 좌표축에서 반시계 방향 만큼 회전한 각도를 나타내므로 전류 지령 생성부(130)는 모터(20)에 구비된 회전자 각도 센서(50)로부터 회전자의 각도(θ_r)에 의해 abc 좌표 상의 섹터 조건을 알 수 있게 되는 것이다.

이 섹터 조건은 abc 세 개의 상 중 하나의 상전류를 0으로 설정하기 위한 것으로 도 4에 나타난 것과 같이 제1 섹터(S1)에 회전자 각도(θ_r)가 위치한 경우 해당 위치는 c상의 음의 좌표와 b상의 음의 좌표로 표시할 수 있으므로 a상 전류를 0으로 설정할 수 있게 된다. 본 발명의 여러 실시형태는 모터(20)에서 배터리(40)로 전류를 제공하는 것이므로 abc 상의 음의 좌표축을 기준으로 abc 상 중 하나를 0으로 설정할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치에서 모터의 토크를 0으로 제어하는데 사용되는 abc 좌표의 각 섹터 별 적용 상전류의 예를 도시한 표이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 여러 실시형태에서는 전력이 제공되는 방향이 모터(20)의 중성점(N)에서 배터리(40)가 연결된 DC 링크 방향인 경우에 해당하는 값들을 사용할 수 있다.

제1 조건에서, 모터 회전자의 각도에 의해 하나의 abc 상 중 하나의 상을 0으로 설정할 수 있으므로, 전류 지령 생성부(130)는 나머지 두 상의 전류를 결정하여 모터 토크가 0이 되도록 조정할 수 있다.

더욱 상세하게, 전류 지령 생성부(130)는 다음 식 2를 이용하여 두 상의 전류를 결정할 수 있다.

[식 2]

상기 식 2에서, I_ds, I_qs는 각각 정지 좌표계에서 모터의 d축 전류 및 q축 전류이며, I_n는 모터의 중성점 전류이다.

전술한 것과 같이, 제1 조건에서는 회전자 각도(θ_r)에 의해 abc 좌표 상에서 q축 전류가 0이 되는 점들이 존재하는 섹터가 이미 결정되므로 도 5에 도시된 것과 같은 섹터 조건에 따라 한 상의 전류를 0으로 설정하면 나머지 두 상의 전류만 결정하여 동기 좌표계에서 q축 전류를 0으로 만드는 전류 지령을 생성할 수 있다.

식 2에서 중성점 전류(I_n)는 전압 제어부(110)에서 입력되는 중성점 전류 지령이 되므로 중성점 전류와 두 상의 전류와의 관계식이 하나 도출된다. 또한, 동기 좌표계에서 q축 전류가 0이므로 이를 정지 좌표계로 변환한 값과 두 상의 전류와의 관계식이 식 2로부터 도출될 수 있다.

동기 좌표계와 정지 좌표계의 관계는 다음의 식 3과 같다.

[식 3]

식 3에 의하면, 제1 조건에서 동기 좌표계에서 q축 전류가 0 이어야 하므로, 다음의 식 4의 조건이 성립하여야 한다.

[식 4]

전술한 것과 같이 세개의 상전류(I_as, I_bs, I_cs) 중 하나는 0으로 설정되므로, 식 2에 의해 도출된 도출된 정지 좌표계에서의 dq축 전류(I_ds, I_qs)에 대한 식을 식 4에 대입하여 도출된 하나의 식과 식 2에서 중성점 전류(I_n)에 대한 또 하나의 식을 포함하는 두 식을 통해 미지수인 나머지 두 개의 상전류를 연산할 수 있게 된다.

전류 지령 생성부(130)는 0으로 설정한 한 상의 전류와 전술한 것과 같이 제1 조건을 만족하는 두 상의 전류를 포함하는 abc 3상의 전류를 찾고 이 3상의 전류에 해당하는 동기 좌표계에서의 dq축 전류 및 중성점 전류를 전류 지령(I_dqn ^*)으로 전류 제어부(150)에 출력한다.

제2 조건을 만족하도록 하기 위한 제어

전술한 제1 조건을 만족하는 상전류를 찾지 못한 경우, 전류 지령 생성부(130)는 의 조건이 만족되는 상전류를 찾는다.

전술한 제1 조건을 만족하는 상전류를 찾는 방식과 유사하게, 전류 지령 생성부(130)는 상기 식 2를 이용하여, 한 상의 전류는 0으로 설정하고 나머지 두 상의 전류를 찾을 수 있다.

제2 조건을 만족하도록 하기 위한 제어를 위해 전류 지령 생성부(130)는 모터 전류를 변화시키면서 제2 조건을 만족하는 상전류를 찾는다. 전류 지령 생성부(130)는 전류 지령을 사전 설정된 크기로 변경하여 회전자 위치의 각도(θ_r)를 변화시키면서 제2 조건이 만족되는 상전류를 찾는다.

전술한 제1 조건을 만족하는 상전류를 찾는 방식과 비슷하게, 전류 지령 생성부(130)는 회전자 위치의 각도(θ_r)에 대응되는 점이 속하는 섹터를 찾고 도 5에 도시된 것과 같이 해당 섹터에서 0이되는 상전류를 결정한다.

이어, 전류 지령 생성부(130)는 식 2 및 식 3에서 도출되는 관계식을 이용하여 두 상의 전류를 찾는다. 식 2에 의하면, 섹터 결정에 의해 0으로 결정된 하나의 상전류를 제외한 나머지 두 상전류를 이용하여 중성점 전류에 관한 하나의 식과, 정지 좌표계에서의 dq축 전류가 도출되고, 식 3에 의해 도출된 동기 좌표계에서의 d축 전류에 대한 식에 정지 좌표계에서의 dq축 전류를 대입하여 동기 좌표계의 d축 전류()와 두 상 전류와의 관계를 나타내는 다른 하나의 식을 포함하는 두 개의 식을 이용하여 0으로 설정된 상전류 이외의 두 상전류의 값을 연산한다. 즉, 두 개의 미지수인 두 상의 전류와 두 상의 전류의 관계를 나타내는 관계식이 두 개 도출되므로 두 상의 전류를 계산할 수 있게 된다.

전류 지령 생성부(130)는 0으로 설정한 한 상의 전류와 전술한 것과 같이 제2 조건을 만족하는 두 상의 전류를 포함하는 abc 3상의 전류를 찾고 이 3상의 전류에 해당하는 동기 좌표계에서의 dq축 전류 및 중성점 전류를 전류 지령(I_dqn ^*)으로 전류 제어부(150)에 출력한다.

전류 제어부(15)는, 전류 지령 생성부(130)에서 입력받은 dqn 전류 지령(I_dqn ^*)과 모터(20)의 각상의 검출 전류(I_abc)를 dq축으로 변환한 검출 dqn 전류(I_dqn)을 비교하여 dqn 전류(I_dqn)가 dqn 전류 지령(I_dqn ^*)을 추종하게 하기 위한 상전압 지령(V_abc*)을 생성한다.

PWM 생성부(170)는 직류 링크 전압(V_DC) 및 상전압 지령(V_abc ^*)을 기반으로 사전 설정된 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 방식(예를 들어, 공간 벡터 PWM 등)의 방식으로 PWM 제어 신호를 생성하여 출력할 수 있다. 특히, PWM 생성부(170)는 인버터(30)의 스위칭 소자들의 온/오프를 제어하되, 각 상에 대응되는 스위칭 소자들을 동상 스위칭으로 제어하거나 인터리브드 스위칭 되도록 제어할 수 있다. 본 발명의 여러 실시형태에서는, 한 상의 전류가 0으로 설정되므로 0으로 설정되지 않은 나머지 두 상을 결정하는 스위칭 소자들을 서로 인터리브드 스위칭 되도록 제어할 수 있다. 인터리브드 스위칭 방식을 적용하는 경우 0상분 전압 리플을 감소시키고 손실을 최소화할 수 있다.

이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10: 외부 충전 설비 20: 모터
30: 인버터 40: 배터리
100: 제어 장치 130: 전류 지령 생성부
150: 전류 제어부 170: PWM 생성부
190: 좌표 변환부

Claims

배터리와, 모터 구동 시 상기 배터리에 저장된 직류 전력을 입력 받아 3상 교류로 변환하여 상기 모터로 출력하는 인버터와, 상기 인버터에서 출력되는 3상 교류 전력을 이용하여 회전력을 생성하는 상기 모터를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용하여 상기 모터의 중성 점으로 외부 충전 전류를 입력 받아 상기 배터리로 제공하는 충전 시스템의 제어 장치에 있어서,
상기 모터의 중성점의 전압 지령과 상기 모터의 중성점의 전압을 검출한 모터 중성점 전압을 비교하고, 상기 모터 중성점 전압이 상기 전압 지령을 추종하게 하는 중성점 전류 지령을 생성하는 전압 제어부; 및
상기 중성점 전류 지령과 상기 모터의 회전자 각도를 입력 받고, 상기 모터의 회전자 각도에 대응되는 abc 좌표의 위치에 기반하여 abc 삼상 전류 중 하나를 0으로 설정하고, 상기 모터의 토크를 0으로 만들기 위한 나머지 두 상전류를 연산하는 전류 지령 생성부;
를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 전류 지령 생성부는,
상기 abc 좌표의 a상의 양의 좌표축과 음의 좌표축, b상의 양의 좌표축과 음의 좌표축 및 c상의 양의 좌표축과 음의 좌표축으로 분리되는 복수의 섹터를 가지며, 상기 모터의 회전자 각도가 속하는 복수의 섹터별로 abc 삼상 전류 중 하나를 0으로 설정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 전류 지령 생성부는,
상기 b상의 음의 좌표축과 상기 c상의 음의 좌표축 사이에 상기 모터의 회전자 각도가 속하는 경우 a상의 상전류를 0으로 설정하고, 상기 a상의 음의 좌표축과 상기 c상의 음의 좌표축 사이에 상기 모터의 회전자 각도가 속하는 경우 b상의 상전류를 0으로 설정하고, 상기 a상의 음의 좌표축과 상기 b상의 음의 좌표 축 사이에 상기 모터의 회전자 각도가 속하는 경우 c상의 상전류를 0으로 설정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 전류 지령 생성부는,
상기 모터의 동기좌표계 상의 q축 전류를 0으로 만드는 상기 나머지 두 상전류를 연산하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치.
청구항 4에 있어서, 상기 전류 지령 생성부는, 식

을 이용하여, 상기 중성점 전류 지령(I_n)과 abc 각 상의 전류(I_as, I_bs, I_cs)와의 관계식과, 동기좌표계 상의 q축 전류를 0으로 만드는 정지 좌표계 상의 q축 전류(I_qs)와 abc 각 상의 전류와의 관계식을 이용하여 상기 나머지 두 상의 상전류를 연산하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 전류 지령 생성부는,
상기 모터의 전류를 변경 시키면서 상기 모터의 동기좌표계 상의 d축 전류를 (λ_f: 상기 모터의 자속, L_d, L_q _:동기 좌표계 상에서 상기 모터의 d축 및 q축의 인덕턴스)로 만드는 상기 나머지 두 상전류를 연산하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치.
청구항 6에 있어서, 상기 전류 지령 생성부는, 식

을 이용하여, 상기 중성점 전류 지령(I_n)과 abc 각 상의 전류(I_as, I_bs, I_cs)와의 관계식과, 동기좌표계 상의 d축 전류를 로 만드는 정지 좌표계 상의 d축 전류(I_ds)와 abc 각 상의 전류와의 관계식을 이용하여 상기 나머지 두 상의 상전류를 연산하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치.
청구항 5에 있어서, 상기 전류 지령 생성부는,
상기 모터의 전류를 변경 시키면서 상기 모터의 회전자 각도가 변경되는 경우 변경된 회전자 각도에 대응되는 abc 좌표의 위치에 기반하여 0으로 설정되는 abc 삼상 전류 중 하나를 변경하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 전류 지령 생성부는,
상기 모터의 토크를 0으로 만들기 위한 나머지 두 상전류를 연산한 후, 연산된 두 상전류와 0으로 설정된 하나의 상전류에 해당하는 동기 좌표계에서의 dq축 전류 및 중성점 전류를 전류 지령(Idqn*)으로 출력하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 전류 지령과 상기 모터의 각상의 검출 전류를 동기 좌표계 상의 dq축으로 변환한 검출 dqn 전류를 비교하여 상기 검출 dqn 전류가 상기 전류 지령을 추종하게 하기 위한 상전압 지령을 생성하는 전류 제어부; 및
상기 인버터와 상기 배터리가 서로 연결된 직류 링크단 전압과 상기 상전압 지령을 기반으로 사전 설정된 펄스폭 변조 방식을 적용하여 상기 인버터 내 스위칭 소자의 온/오프를 제어하기 위한 신호를 출력하는 펄스폭 변조 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 펄스폭 변조 생성부는, 상전류가 0으로 설정된 상을 제외한 나머지 두 상의에 대응되는 상기 인버터 내 스위칭 소자를 상호 인터리브드 스위칭되도록 제어하는 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 제어 장치.