KR101865954B1

KR101865954B1 - 소음 저감을 위한 친환경 자동차의 인버터 제어 방법

Info

Publication number: KR101865954B1
Application number: KR1020120105455A
Authority: KR
Inventors: 성유현; 임성엽; 신정민
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2018-06-08
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: JP2014064448A; CN103683901B; DE102012224299A1; US9007005B2; KR20140038841A; US20140084829A1; CN103683901A

Abstract

본 발명은 소음 저감을 위한 친환경 자동차의 인버터 제어 방법에 관한 것으로서, 친환경 자동차의 인버터 스위칭 주파수에 따른 발생 소음의 주파수 영역을 변화시켜 인버터의 스위칭 주파수로 인한 소음 문제를 해결할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 현재의 모터 토크와 모터 속도를 실시간으로 모니터링하는 단계와; 모니터링되는 현재의 모터 토크와 모터 속도가 모두 현재의 스위칭 주파수에 설정된 소음 발생 영역에 해당하는지를 판단하는 단계와; 현재의 모터 토크와 모터 속도가 모두 소음 발생 영역에 해당하는 것으로 판단한 경우 현재의 모터 토크와 모터 속도에 해당하는 스위칭 주파수 변경 값을 산출하는 단계와; 상기 스위칭 주파수 변경 값으로 PWM 신호를 생성하여 인버터 구동을 제어하는 단계;를 포함하는 소음 저감을 위한 친환경 자동차의 인버터 제어 방법을 제공한다.

Description

소음 저감을 위한 친환경 자동차의 인버터 제어 방법{Inverter control method of eco-friendly vehicle for reducing noise}

본 발명은 친환경 자동차의 인버터 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 친환경 자동차의 인버터 스위칭 주파수에 따른 발생 소음의 주파수 영역을 변화시켜 인버터의 스위칭 주파수로 인한 소음 문제를 해결할 수 있는 방법에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 순수 전기자동차(EV), 하이브리드 자동차(HEV), 연료전지 자동차(FCEV) 등을 포함하는 친환경 자동차는 주행을 위한 구동원으로 전기모터를 이용한다.

즉, 차량의 메인 배터리에 저장된 직류전원을 인버터를 이용하여 3상 교류전원으로 변환시켜 모터를 구동하고, 모터의 구동력을 구동륜에 전달하여 차량 주행이 이루어지도록 하는 것이다.

또한 친환경 자동차에서는 감속시 회생제동을 통해 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리에 저장한 뒤 차량 주행시 배터리에 저장된 에너지를 모터를 구동하는데 재사용(회수된 전기에너지를 차량의 운동에너지로 재사용)함으로써 연비를 향상시킨다.

한편, 친환경 자동차의 구동원인 모터와 인버터를 포함하는 모터 시스템에서 구동/회생 운전 중 발생하는 고주파 소음은 인버터가 동작하면 항상 존재하며, 도 1은 모터 시스템에서 인버터의 스위칭 주파수가 4 kHz일 때 회생제동(도 1에서 모터 속도가 감속되는 구간에 해당함) 중 발생하는 소음을 예시한 것이다.

도 1에서와 같이 인버터의 스위칭 주파수가 4 kHz일 때 운전 중 발생하는 소음은 인간에게 가장 민감한 2 ~ 5 kHz 대역의 소음이며, 이러한 소음이 발생할 경우 운전자나 탑승자가 불쾌감을 느낄 수 있다.

도 1의 하측 소음 분석 도면에서 횡축(X축)은 시간을, 종축(Y축)은 주파수를 나타내며, 도면에서와 같이 2 ~ 5 kHz 대역(붉은 색 점선 영역) 내에 소음 발생 부분(녹색으로 표시된 부분)이 많음을 알 수 있다.

이에 필요한 경우 가장 민감한 주파수로 알려져 있는 2 ~ 5 kHz(통상 알려져 있는 등청감(Equal-Loudnes Contour) 곡선 참조) 대역 밖으로 소음의 주파수 영역을 이동시키는 방법이 필요하다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 친환경 자동차의 인버터 스위칭 주파수에 따른 발생 소음의 주파수 영역을 변화시켜 인버터의 스위칭 주파수로 인한 소음 문제를 해결할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 현재의 모터 토크와 모터 속도를 실시간으로 모니터링하는 단계와; 모니터링되는 현재의 모터 토크와 모터 속도가 모두 현재의 스위칭 주파수에 설정된 소음 발생 영역에 해당하는지를 판단하는 단계와; 현재의 모터 토크와 모터 속도가 모두 소음 발생 영역에 해당하는 것으로 판단한 경우 현재의 모터 토크와 모터 속도에 해당하는 스위칭 주파수 변경 값을 산출하는 단계와; 상기 스위칭 주파수 변경 값으로 PWM 신호를 생성하여 인버터 구동을 제어하는 단계;를 포함하는 소음 저감을 위한 친환경 자동차의 인버터 제어 방법을 제공한다.

바람직한 실시예에서, 현재의 모터 토크가 소음 발생 영역에 해당하는지를 판단하는 단계에서, 각 스위칭 주파수에 대해 소음이 발생하는 모터 토크 영역을 규정한 토크-스위칭 주파수 소음 영역 맵을 이용하여 현재의 모터 토크가 상기 모터 토크 영역에 해당하는지를 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한 현재의 모터 속도가 소음 발생 영역에 해당하는지를 판단하는 단계에서, 각 스위칭 주파수에 대해 소음이 발생하는 모터 속도 영역을 규정한 속도-스위칭 주파수 소음 영역 맵을 이용하여 현재의 모터 속도가 상기 모터 속도 영역에 해당하는지를 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 스위칭 주파수 변경 값을 산출하는 단계에서, 각 모터 토크와 모터 속도에 대해 스위칭 주파수 변경 값을 규정해놓은 속도-토크ㅡ스위칭 주파수 테이블을 이용하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 현재의 모터 토크와 모터 속도 중 어느 하나라도 현재의 스위칭 주파수에 설정된 소음 발생 영역을 벗어나면 스위칭 주파수를 미리 설정된 기본 스위칭 주파수로 복귀시키는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 인버터 제어 방법에 의하면, 실시간으로 모니터링되는 모터 토크와 모터 속도로부터 소음 발생 영역의 진입 여부 확인, 인버터 스위칭 주파수 실시간 가변 운전을 통한 소음 주파수 이동 과정을 통하여 운전자나 탑승자가 느끼는 인버터 소음을 최소화할 수 있게 된다.

특히, 소음/진동 방지 패드 혹은 소음/진동 방지를 위한 별도의 장치를 설치하거나 하드웨어 설계, 혹은 구조를 변경하지 않고도 간단한 제어 로직 추가만으로 운전자나 탑승자가 불쾌감을 느낄 수 있는 소음 문제를 크게 개선할 수 있게 된다.

또한 차량의 운전상황에 따라 최적의 스위칭 주파수로 가변 운전하므로 기본 스위칭 주파수를 높게 고정하는 경우에 비해 인버터 소음을 줄이면서 연비 극대화를 동시에 달성할 수 있는 큰 이점이 있게 된다.

도 1은 종래의 문제점을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에서 스위칭 주파수 변경을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 스위칭 주파수 가변 제어가 수행되는 제어 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제어 과정을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명에서 소음 발생 영역 진입 확인, 스위칭 주파수 변경, 삼각파 생성 및 PWM 신호 생성 과정을 순서대로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 제어 방법을 적용할 경우 소음 주파수 영역이 변화함을 보여주는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 친환경 자동차의 인버터 스위칭 주파수에 따른 소음 발생 문제를 해결하기 위한 것으로, 친환경 자동차의 운행 중 발생하는 인버터 소음을 제거하기 위해 소음/진동 방지 패드 부착 등의 하드웨어 추가 내지 변경의 방법이 아닌 제어 로직의 개선만으로 운전자나 탑승자가 민감하게 느끼는 소음 발생을 최소화할 수 있는 인버터 제어 방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명의 인버터 제어 방법은 현재의 모터 토크와 모터 속도를 실시간으로 모니터링하고, 모니터링된 모터 토크와 모터 속도로부터 소음 발생 영역의 진입 여부를 확인한 뒤, 소음 발생 영역으로 진입함을 확인한 경우 현재의 인버터 스위칭 주파수를 모터 토크와 모터 속도에 따라 설정된 값으로 변경해줌으로써 스위칭 주파수로 인한 발생 소음의 주파수 영역을 변화시키는 방식(인간에 민감한 소음 주파수 영역(예를 들면, 2 ~ 5 kHz) 밖으로 이동시킴)으로 종래의 소음 문제를 해결하는 것에 주된 특징이 있는 것이다.

인버터 스위칭 주파수가 변경되면 그에 따른 소음 특성이 바뀌게 되어 인버터 발생 소음의 주파수 영역이 변화하게 되는데, 본 발명에서는 이러한 원리를 이용하여 인버터 스위칭 주파수를 차량 운전상황에 따라 적절히 변경해줌으로써 운전자나 탑승자에게 불쾌감을 줄 수 있는 소음의 주파수를 변경하고, 이를 통해 운전자나 탑승자가 민감하게 느끼는 소음을 최소화한다.

도 2는 본 발명에서 스위칭 주파수 변경을 설명하기 위한 개략도이고, 도 3은 본 발명에 따른 스위칭 주파수 가변 제어가 수행되는 제어 시스템의 구성도이다.

또한 도 4는 본 발명에 따른 제어 과정을 나타내는 순서도이고, 도 5는 본 발명에서 소음 발생 영역 진입 확인, 스위칭 주파수 변경, 삼각파 생성, 및 PWM 신호 생성 과정을 순서대로 나타낸 도면이다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 인버터 제어 방법에서는 차량의 EV 모드 주행 동안 소음 발생 구간의 인버터 스위칭 주파수를 변경하는 것에 의해 소음 주파수 영역을 변화시킨다.

특히, 인버터 스위칭 주파수를 차량의 운전상황(모터 토크 및 모터 속도)에 따라 가변 제어하여 인버터 발생 소음의 주파수 영역을 변화시키고, 이를 통해 인간에 민감한 소음 주파수 영역을 회피하게 된다.

도 2는 스위칭 주파수의 변경을 통해 인버터 소음 문제를 해결함을 간단히 예시한 도면으로, 회생제동 전 구간에 걸쳐 스위칭 주파수가 변경됨을 나타내고 있으나, 후술하는 바와 같이 모터 토크와 모터 속도로부터 소음 발생 영역에 해당함을 판단한 뒤 스위칭 주파수를 변경하므로, 도 2에 나타낸 바와 같이 회생제동 전 구간에서 반드시 스위칭 주파수가 변경되는 것은 아니며, 소음 발생 영역 조건에 해당하는 모터 토크 및 속도에서만 스위칭 주파수가 변경됨을 밝혀둔다.

도 3은 제어기 내 실시간 모니터링부(11)가 차량 운행 중 실시간으로 모터 토크(T_mot)와 모터 속도(ω_rpm)를 모니터링하는 과정, 토크-스위칭 주파수 소음 영역 맵(map)(21)과 속도-스위칭 주파수 소음 영역 맵(22)을 이용하여 현재의 모터 토크와 모터 속도로부터 소음 발생 영역임을 확인하는 과정, 그리고 소음 발생 영역에 해당할 경우 스위칭 주파수를 변경하는 과정, 변경된 스위칭 주파수를 적용하여 PWM 신호 생성기(15)에서 PWM 신호를 생성하는 과정 등을 도식화한 것이다.

이러한 본 발명의 제어 과정에 대해 도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 인버터 제어 방법에서는 차량 운행 중 EV 모드 주행시에 제어기(실시간 모니터링부)가 운전상황, 즉 현재의 모터 토크(T_mot)와 모터 속도(ω_rpm)를 실시간으로 모니터링한다(S11).

이어 인버터 온(ON)(S12) 이후 토크-스위칭 주파수 소음 영역 맵(21)과 속도-스위칭 주파수 소음 영역 맵(22)을 이용하여 현재의 모터 토크(T_mot)와 모터 속도(ω_rpm)가 소음 발생 영역에 해당하는 토크 및 속도인지를 판단하게 된다(S13,S14).

만약, 현재의 스위칭 주파수에서 모터 토크(T_mot)와 모터 속도(ω_rpm)가 모두 소음 발생 영역에 해당하는 것으로 판단한 경우 스위칭 주파수를 변경하고, 모터 토크와 모터 속도 중 어느 하나라도 규정된 소음 발생 영역을 벗어나면 기본 스위칭 주파수로 복귀한다.

상기 규정된 소음 발생 영역을 벗어난 경우에서, 현재의 스위칭 주파수가 해당 인버터 시스템에 설정되어 있는 기본 스위칭 주파수(예, 4 kHz)라면, 기본 스위칭 주파수를 그대로 유지한다.

다만, 이전에 스위칭 주파수가 기본 스위칭 주파수 이외의 주파수로 이미 가변 제어(본 발명의 스위칭 주파수 가변 제어)된 경우라면, 현재는 불쾌한 소음 발생 우려가 없는 상황이므로, 이전에 변경된 스위칭 주파수를 기본 스위칭 주파수로 복귀시킨다.

본 발명에서 상기 토크-스위칭 주파수 소음 영역 맵(21)과 속도-스위칭 주파수 소음 영역 맵(22)은 각각 동일 사양의 모터에 대해 선행 테스트를 실시한 뒤 그로부터 획득된 데이터를 이용하여 작성 및 저장되는 맵으로서, 각 스위칭 주파수에 대해 인간에 민감한 영역(예, 2 ~ 5 kHz)의 소음이 발생할 수 있는 토크 영역과 속도 영역을 규정해놓은 데이터가 된다.

이와 같이 특정 주파수 대역(예, 2 ~ 5 kHz)의 소음이 발생하는 모터 토크 영역과 모터 속도 영역이 규정된 상기 두 맵(21,22)을 이용하여 모터 토크(T_mot)와 모터 속도(ω_rpm)가 현재 스위칭 주파수의 모터 토크 영역과 모터 속도 영역에 해당하는지를 판단하게 된다.

위의 설명에서 제어기가 모니터링하는 모터 토크(T_mot)는 실시간 모터 제어를 위해 전류지령 생성기(d축, q축 전류지령 생성)에 입력되는 토크지령(T_e*)이 될 수 있고, 또는 모터에서 센서를 통해 실측되는 모터 토크 값이 될 수 있다.

또한 제어기가 모니터링하는 모터 속도(ω_rpm)는 속도검출부에 의해 실시간으로 검출되는 모터 속도가 될 수 있는데, 예컨대 도 3에 나타낸 바와 같이 모터(17)의 레졸버(R)에 의해 검출되는 절대각 위치(θ)에 기초하여 속도계산기(19)에서 산출되는 모터 속도가 될 수 있다.

통상의 모터 제어에 있어서, 모터(17)에 장착된 레졸버(R)에 의해 절대각 위치(θ)가 검출되고, 이를 속도계산기(19)(미분기)가 입력받아 모터 속도(ω_rpm)를 산출하는바, 본 발명에서는 이러한 모터 속도(ω_rpm)가 상술한 바와 같이 현재의 스위칭 주파수에서 소음 발생 영역의 진입을 판단하는데 이용되고, 더불어 후술하는 바와 같이 제어기에서 스위칭 주파수를 가변시키는데 이용된다.

한편, 상기와 같이 현재의 모터 토크(T_mot)와 모터 속도(ω_rpm)가 모두 소음 발생 영역에 해당하는 것으로 판단한 경우, 도 4에 나타낸 바와 같이 스위칭 주파수를 변경하는 과정이 진행된다(S15).

상기 스위칭 주파수 변경 과정에서는 도 5에 나타낸 바와 같은 속도-토크-스위칭 주파수 테이블(table)(23)로부터 현재의 모터 토크(T_mot)와 모터 속도(ω_rpm)에 해당하는 스위칭 주파수가 구해지는 과정을 포함한다.

이와 같이 인버터 스위칭 주파수가 현재의 모터 토크와 모터 속도에 따라 설정된 스위칭 주파수로 변경되고 나면, 변경된 스위칭 주파수가 PWM 신호 생성기(15)에 전달되어 변경된 스위칭 주파수 값으로 삼각파(triangle-wave oscillator signal)가 생성되고, PWM 신호가 생성된다(도 5 참조).

여기서, 스위칭 주파수에 따라 삼각파 및 PWM 신호를 생성하는 내용에 대해서는 공지의 기술이므로 상세한 설명을 생략한다.

다만, 본 발명에서는 상기 테이블(23)을 이용하여 현재의 모터 토크(T_mot)와 모터 속도(ω_rpm)에 따라 스위칭 주파수를 가변시키고, 변경된 스위칭 주파수 값으로 PWM 신호를 생성하며, 이때 생성된 PWM 신호에 따라 PWM 인버터 내 스위칭 소자의 온/오프 구동이 제어된다.

위에서 속도-토크-스위칭 주파수 테이블(23)은 실시간 스위칭 주파수 가변을 위해 제어기에 미리 저장되는 데이터로서, 동일 사양의 모터에 대해 실시한 선행 테스트로부터 구해지는 데이터이며, 각 모터 토크 및 모터 속도에 대해 스위칭 주파수 변경 값을 규정해놓은 데이터가 된다.

도 3에서 d축, q축 전류지령(i_d*,i_q*)을 생성하는 전류지령 생성기(12), d축, q축 전압지령(V_d*,V_q*)을 생성하는 전류제어기(13), 3상 전압지령(V_a*,V_b*,V_c*)이 구해지는 d-q/삼상 좌표 변환기(14), d축 피드백 전류(i_d)와 q축 피드백 전류(i_q)가 구해지는 삼상/d-q 좌표 변환기(18) 등의 통상적인 시스템 구성이 함께 도시되었는바, 이에 대해서는 널리 알려진 공지의 기술적 사항이므로 본 명세서에서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 실시간으로 모니터링되는 모터 토크와 모터 속도로부터 소음 발생 영역의 진입 여부를 확인한 뒤, 소음 발생 영역으로 진입함을 확인한 경우 현재의 인버터 스위칭 주파수를 변경하여 인버터 스위칭 주파수에 따른 발생 소음의 주파수 영역을 변화시키는바, 이때 소음 주파수를 인간에 민감한 주파수 영역 밖으로 이동시키므로 운전자나 탑승자가 느끼는 소음이 최소화될 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따르면, 소음/진동 방지 패드 혹은 소음/진동 방지를 위한 별도의 장치를 설치하거나 하드웨어 설계, 혹은 구조를 변경하지 않고도 간단한 제어 로직 추가만으로 운전자나 탑승자가 불쾌감을 느낄 수 있는 소음 문제를 개선할 수 있게 된다.

또한 스위칭 주파수를 높일 경우 인버터 소음은 감소하고, 스위칭 주파수가 낮을수록 인버터 효율 및 연비가 향상되는데, 인버터 소음을 줄이기 위해 전 운전영역에서 기본 스위칭 주파수를 높게 설정하게 되면 인버터 효율 및 연비가 나빠지게 된다.

이에 본 발명에서와 같이 차량의 운전상황(현재의 모터 토크와 모터 속도)에 따라 실시간으로 최적의 스위칭 주파수로 가변 운전하게 되면 기본 스위칭 주파수를 높게 고정하는 경우에 비해 인버터 소음을 줄이면서 연비 극대화를 동시에 달성할 수 있는 큰 이점이 있게 된다.

도 6은 본 발명의 효과를 보여주는 도면으로, 이를 참조하면 본 발명을 적용할 경우 소음 주파수 영역이 변화되면서 인간에 민감한 2 ~ 5 kHz 영역(붉은 색 점선 영역) 내 소음 발생이 종래의 경우에 비해 크게 줄어드는 것을 알 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

11 : 실시간 모니터링부 12 : 전류지령 생성기
13 : 전류제어기 14, 18 : 좌표변환기
15 : PWM 신호 생성기 16 : PWM 인버터
17 : 모터 19 : 속도계산기
21 : 토크-스위칭 주파수 소음 영역 맵
22 : 속도-스위칭 주파수 소음 영역 맵
23 : 속도-토크-스위칭 주파수 테이블

Claims

현재의 모터 토크와 모터 속도를 실시간으로 모니터링하는 단계와;
모니터링되는 현재의 모터 토크와 모터 속도가 모두 현재의 스위칭 주파수에 설정된 소음 발생 영역에 해당하는지를 판단하는 단계와;
현재의 모터 토크와 모터 속도가 모두 소음 발생 영역에 해당하는 것으로 판단한 경우 현재의 모터 토크와 모터 속도에 해당하는 스위칭 주파수 변경 값을 산출하는 단계와;
상기 스위칭 주파수 변경 값으로 PWM 신호를 생성하여 인버터 구동을 제어하는 단계;
를 포함하는 소음 저감을 위한 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
현재의 모터 토크가 소음 발생 영역에 해당하는지를 판단하는 단계에서,
각 스위칭 주파수에 대해 소음이 발생하는 모터 토크 영역을 규정한 토크-스위칭 주파수 소음 영역 맵을 이용하여 현재의 모터 토크가 상기 모터 토크 영역에 해당하는지를 판단하는 것을 특징으로 하는 소음 저감을 위한 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
현재의 모터 속도가 소음 발생 영역에 해당하는지를 판단하는 단계에서,
각 스위칭 주파수에 대해 소음이 발생하는 모터 속도 영역을 규정한 속도-스위칭 주파수 소음 영역 맵을 이용하여 현재의 모터 속도가 상기 모터 속도 영역에 해당하는지를 판단하는 것을 특징으로 하는 소음 저감을 위한 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 스위칭 주파수 변경 값을 산출하는 단계에서,
각 모터 토크와 모터 속도에 대해 스위칭 주파수 변경 값을 규정해놓은 속도-토크ㅡ스위칭 주파수 테이블을 이용하는 것을 특징으로 하는 소음 저감을 위한 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 현재의 모터 토크와 모터 속도 중 어느 하나라도 현재의 스위칭 주파수에 설정된 소음 발생 영역을 벗어나면 스위칭 주파수를 미리 설정된 기본 스위칭 주파수로 복귀시키는 것을 특징으로 하는 소음 저감을 위한 친환경 자동차의 인버터 제어 방법.