CN110247610A - 电动机控制装置 - Google Patents

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Abstract

电动机控制装置通过脉冲宽度调制来驱动对电动机授受电力的逆变器。电动机控制装置设定载波的频率，以使得使用于脉冲宽度调制的载波的边频带分量的频率与电动机的规定旋转次数的频率不同。

Description

电动机控制装置
技术领域
本发明涉及电动机控制装置。
背景技术
以往，已知通过对驱动电动机的逆变器进行脉冲宽度调制(PWM：pulse widthmodulation)来进行控制的控制装置。在该控制装置中，若载波频率的前后的高次谐波分量(载波边频带的频率)与电动机的固有振动频率一致，则会产生电动机的共振所引起的噪声增大这样的问题。针对该问题，为了使载波边频带的频率与电动机的固有振动频率不一致，例如，在进行载波频率的高频化或者电动机的固有振动频率的变更的情况下，有可能需要进行对构成逆变器的开关元件的变更或者对电动机的结构的变更等这样繁杂的劳动。针对这些问题，为了不变更逆变器的结构或者电动机的结构而使载波边频带的频率与电动机的固有振动频率不一致，已知根据电动机的转速来切换载波频率的控制装置(例如，参照日本国特开2009-284719号公报)。
发明内容
上述以往技术所涉及的电动机在通电时，在与电动机的磁极数以及槽数相应的旋转次数(例如，磁极数以及槽数的最小公倍数等)中，除了径向的电磁激振力以外，还产生转矩波动(转矩脉动)。基于径向的电磁激振力的固有振动模式例如是在径向上同相振动的圆环0次模式等。与这样的电动机的固有振动频率同样地，即使在载波边频带的频率相对于转矩波动所产生的旋转次数的频率一致的情况下，也会产生噪声增大这样的问题。
本发明的方式提供一种能够抑制在电动机通电时产生的噪声增大的电动机控制装置。
(1)本发明的一方式所涉及的电动机控制装置是通过脉冲宽度调制来驱动对电动机授受电力的逆变器的电动机控制装置，其具备载波频率设定部，该载波频率设定部设定所述载波的频率，以使得使用于所述脉冲宽度调制的载波的边频带分量的频率与所述电动机的规定旋转次数的频率不同。
(2)在上述(1)记载的电动机控制装置中，所述规定旋转次数可以是与所述电动机的磁极数以及槽数相应地在所述电动机中产生转矩波动的旋转次数。
(3)在上述(2)记载的电动机控制装置中，所述载波频率设定部可以在使所述载波的频率与所述电动机的转速同步地变化的状态下，设定所述载波的频率，以使得所述边频带分量的频率与所述规定旋转次数的频率不同。
根据上述(1)的结构，能够抑制因载波的边频带分量的频率与电动机的规定旋转次数的频率一致而引起的噪声的增大。
在上述(2)的结构的情况下，能够抑制因与电动机的磁极数以及槽数相应地产生的转矩波动而引起的噪声的增大。
在上述(3)的结构的情况下，在载波的边频带分量的频率与电动机的规定旋转次数的频率容易一致的控制模式下，能够进一步有效地抑制噪声的增大。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的电动机控制装置的功能结构的一个例子的框图。
图2是表示图1所示的电压控制部的功能结构的一个例子的框图。
图3A是表示本发明的实施方式所涉及的电动机控制装置中的实施例的PWM模式的映射(map)的图。
图3B是表示比较例的PWM模式的映射的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一个实施方式所涉及的电动机控制装置进行说明。
图1是表示本发明的实施方式所涉及的电动机控制装置10的功能结构的一个例子的框图。
本实施方式的电动机控制装置10例如对在电动机11与电池12之间进行电力授受的逆变器13进行控制。电动机11、电池12以及逆变器13搭载于电动车辆等。电动车辆是电动汽车、混合动力车辆以及燃料电池车辆等。电动汽车搭载电池12作为动力源。混合动力车辆搭载电池12以及内燃机作为动力源。燃料电池车辆搭载燃料电池作为动力源。
电动机11例如是三相交流的无刷DC电动机(以下，简称为电动机11)。电动机11具备：转子，其具有励磁用的永久磁铁(省略图示)；以及定子(省略图示)，其具有产生使转子旋转的旋转磁场的三相(U相、V相以及W相)的定子绕组(省略图示)。
逆变器13将电池12作为直流电源，与电动机11的三相的定子绕组连接。逆变器13具备由桥接的多个开关元件形成的桥电路、平滑电容器等。
例如，开关元件是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)或者MOSFET(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)等晶体管。在桥电路中，成对的高侧臂以及低侧臂U相晶体管UH、UL、成对的高侧臂以及低侧臂V相晶体管VH、VL、成对的高侧臂以及低侧臂W相晶体管WH、WL分别被桥接。
桥电路基于从电动机控制装置10输入到各开关元件的栅极的开关指令(栅极信号)，对各相中成对的开关元件的接通(导通)/断开(断路)状态进行切换。桥电路通过各开关元件的接通/断开的切换，将从电池12供给的直流电力变换为三相交流电力，使向三相的定子绕组的通电依次换流，由此对各相的定子绕组分别施加交流的U相电压Vu、V相电压Vv以及W相电压Vw。
平滑电容器连接在电池12的正极以及负极的端子间。平滑电容器使伴随着桥电路的各开关元件的接通/断开的切换动作而产生的电压变动平滑化。
电动机控制装置10具备：多个(例如，三个)电流传感器14、传感器I/F(接口)15、旋转角传感器16、以及控制单元17。
多个电流传感器14在逆变器13与电动机11之间检测三相的各相电流，即U相电流Iu、V相电流Iv以及W相电流1w。
传感器I/F(接口)15与多个电流传感器14连接，基于从各电流传感器14输出的检测信号向控制单元17输入各相的电流检测值。另外，传感器I/F(接口)15也可以基于从检测三相中的至少任意两相的相电流(例如，U相电流Iu以及V相电流Iv)的两个电流传感器14输出的检测信号，来计算其他一相的相电流(例如，W相电流Iw)的电流值。
旋转角传感器16检测电动机11的旋转角θe，即从规定的基准旋转位置起的转子的磁极的旋转角度(电角)。
控制单元17控制逆变器13的动作。例如，控制单元17是通过由CPU(CentralProcessing Unit：中央处理器)等处理器执行规定的程序而起作用的软件功能部。软件功能部是具备CPU等处理器、存储程序的ROM(Read Only Memory：只读存储器)、暂时存储数据的RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)、以及计时器等电子电路的ECU(Electronic Control Unit：电子控制单元)。另外，控制单元17的至少一部分也可以是LSI(Large Scale Integration：大规模集成电路)等集成电路。
例如，控制单元17执行使用电流传感器14的电流检测值和与针对电动机11的转矩指令值Tc相应的电流目标值的电流的反馈控制，生成向逆变器13输入的控制信号。控制信号是与对逆变器13的各开关元件进行接通/断开驱动的定时以及占空比相应的脉冲宽度调制(PWM)信号。
如后所述，控制单元17基于从旋转角传感器16输出的电动机11的旋转角θe，在构成电动机11的旋转正交坐标的d-q坐标上进行电流的反馈控制(矢量控制)。控制单元17生成与转矩指令值Tc相应的d轴电流指令值Idc以及q轴电流指令值Iqc，基于各电流指令值Idc、Iqc来计算U相、V相以及W相电压指令值Vuc、Vvc、Vwc。控制单元17基于各电压指令值Vuc、Vvc、Vwc生成PWM信号。控制单元17基于从各电流传感器14输出的检测信号，将实际上从逆变器13供给到电动机11的各相电流Iu、Iv、Iw变换到d-q坐标上，得到d轴电流Id以及q轴电流Iq。控制单元17进行反馈控制，以使得d轴电流Id以及q轴电流Iq与d轴电流指令值Idc以及q轴电流指令值Iqc的各偏差成为零。
控制单元17具备：三相-dq变换部21、角速度运算部22、转矩控制部23、电流控制部24、dq-三相变换部25、以及电压控制部26。
三相-dq变换部21使用从旋转角传感器16输出的电动机11的旋转角θe，基于从传感器I/F15输出的电流检测值，将各相电流Iu、Iv、Iw变换为d-q坐标上的d轴电流Id以及q轴电流Iq。
角速度运算部22根据从旋转角传感器16输出的电动机11的旋转角θe，计算角速度ωe即旋转速度(电角)。
转矩控制部23根据从外部输入的转矩指令值Tc，运算q轴电流指令值Iqc以及d轴电流指令值Idc。另外，转矩指令值Tc例如可以通过使用从外部输入的旋转速度指令值以及从角速度运算部22输出的角速度ωe的闭环控制等来运算。
电流控制部24计算从转矩控制部23输出的d轴电流指令值Idc与从三相-dq变换部21输出的d轴电流Id的偏差ΔId，计算从转矩控制部23输出的q轴电流指令值Iqc与从三相-dq变换部21输出的q轴电流Iq的偏差ΔIq。而且，通过使用从角速度运算部22输出的角速度ωe的PI(比例/积分)动作等，对偏差ΔId进行控制放大来计算d轴电压指令值Vdc，对偏差ΔIq进行控制放大来计算q轴电压指令值Vqc。
dq-三相变换部25使用从旋转角传感器16输出的电动机11的旋转角θe，将d-q坐标上的d轴电压指令值Vdc以及q轴电压指令值Vqc变换为静止坐标即三相交流坐标上的电压指令值、即U相电压指令值Vuc、V相电压指令值Vvc以及W相电压指令值Vwc。
图2是表示图1所示的电压控制部26的功能结构的一个例子的框图。
电压控制部26主要具备载波周期计算部37(载波频率设定部)以及PWM信号生成部38。
逆变器13的输入电压Vs是从电池12施加到逆变器13的桥电路的电压，例如，是没有升压动作的情况下的电池12的输出电压。电池12的输出电压例如由连接在电池12的正极以及负极的端子间的电压传感器(省略图示)检测。
正弦波PWM控制以及过调制PWM控制通过针对电动机11的电流的反馈控制来控制对电动机11施加的电压的振幅以及相位。
正弦波PWM控制通过在正弦波状的电压指令值的振幅为载波的振幅以下的状态下进行脉冲宽度调制，从而维持电压指令值与PWM信号的线性度，使电动机11的线间电压成为正弦波状。
过调制PWM控制通过在正弦波状的电压指令值的振幅比载波的振幅大的状态下进行脉冲宽度调制，从而允许电压指令值与PWM信号的非线性度，使电动机11的线间电压发生变形而从正弦波状接近于矩形波状，使电压利用率增大。
另外，在正弦波PWM控制以及过调制PWM控制中，即使在电动机11的相电压波形上叠加3n次高次谐波(n为任意的自然数)，也对线间电压没有影响，因此也可以为了增大电压利用率而在正弦波状的电压指令值上叠加3n次高次谐波。
载波周期计算部37基于从角速度运算部22输出的角速度ωe，参照预先存储的PWM模式的映射，判断脉冲宽度调制(PWM)的控制模式是同步PWM控制以及非同步PWM控制中的哪一个。载波周期计算部37根据控制模式的判断结果，从PWM模式的映射中取得逆变器13的输出电压值中的每个电角周期的载波的脉冲数P以及载波的频率fc等。
PWM模式的映射例如是表示同步PWM控制以及非同步PWM控制各自中的电动机11的转速与载波的频率fc的对应关系的映射。同步PWM控制根据电动机11的转速(同步地)控制载波的频率fc。非同步PWM控制与电动机11的转速无关地(不同步地)控制载波的频率fc。
例如，非同步PWM控制在电动机11的转速为规定转速以下的速度相对低的低速区域执行，同步PWM控制在电动机11的转速大于规定转速的速度相对中/高的中/高速区域执行。
在非同步PWM控制中，例如，为了确保低速区域中的响应性以及降低波动分量，将载波的频率fc设定为相对高的值(例如，数kHz等)，并且为了防止伴随载波的脉冲数P的切换的音色变化，将载波的频率fc固定为恒定值。
在同步PWM控制中，例如，伴随着电动机11的转速的增大，使载波的频率fc以增大倾向进行变化，并且将载波的脉冲数P切换为减少倾向，使得载波的频率fc不超过与逆变器13的开关损耗以及温度上升相关联的规定上限值。
图3A是表示本发明的实施方式所涉及的电动机控制装置10中的实施例的PWM模式的映射的图。图3B是表示比较例的PWM模式的映射的图。
在实施例以及比较例的各自中，分别以第1规定转速ω1以及第2规定转速ω2作为切换转速，在电动机11的转速为切换转速以下的区域设定非同步PWM控制，在电动机11的转速比切换转速大的区域设定同步PWM控制。在实施例的非同步PWM控制中，载波的频率fc(图3A的主载波fc)与电动机11的转速无关地被设定为恒定的第1频率f1。在比较例的非同步PWM控制中，载波的频率fc(图3B的主载波fc)与电动机11的转速无关地被设定为恒定的第2频率f2。在实施例以及比较例的各个同步PWM控制中，设定为伴随着电动机11的转速的增大，载波的频率fc以增大倾向进行变化，并且将载波的脉冲数P设定为依次以减少倾向切换成P＝15、P＝12、P＝9。
在实施例的PWM模式的映射中，设定载波的频率fc，使得载波边频带的频率与电动机11的规定旋转次数的频率不同。电动机11的规定旋转次数是与电动机11的磁极数以及槽数相应地产生转矩波动(转矩脉动)的旋转次数(例如，磁极数以及槽数的最小公倍数等)。例如，电动机11的规定旋转次数是图3A以及图3B所示的36次、72次以及108次等。
另一方面，在比较例的PWM模式的映射中，设定载波的频率fc，使得存在载波边频带的频率与电动机11的规定旋转次数的频率一致的区域。例如，在第1区域a1中，脉冲数P为P＝15的高频侧的载波边频带与电动机11的旋转次数的108次之间的频率一致。在第2区域a2中，脉冲数P为P＝15的低频侧的载波边频带与电动机11的旋转次数的72次之间的频率一致。在第3区域a3中，脉冲数P为P＝9的高频侧的载波边频带与电动机11的旋转次数的72次之间的频率一致。在第4区域a4中，脉冲数P为P＝9的低频侧的载波边频带与电动机11的旋转次数的36次之间的频率一致。
如该比较例那样，在电动机11的转矩波动(转矩脉动)所产生的旋转次数的频率与载波边频带的频率一致的情况下，会产生噪声增大这样的问题。相对于此，在实施例中，通过设定为电动机11的转矩波动(转矩脉动)所产生的旋转次数的频率与载波边频带的频率不同，从而可抑制噪声的增大。
载波周期计算部37根据控制模式的判断结果，进行同步PWM控制或者非同步PWM控制。
在同步PWM控制以及非同步PWM控制各自中，基于从旋转角传感器16输出的电动机11的旋转角θe、从角速度运算部22输出的角速度ωe、载波的脉冲数P以及载波的频率fc等，计算与各相电压指令值Vuc、Vvc、Vwc的相位同步的载波的周期Tc。
PWM信号生成部38基于与从载波周期计算部37输出的载波的周期Tc相应的三角波的载波等，生成PWM信号Pu1、Pu2、Pv1、Pv2、Pw1、Pw2。PWM信号Pu1、Pu2、Pv1、Pv2、Pw1、Pw2是对逆变器13的桥电路的各相中成对的开关元件(即，各相的高侧臂以及低侧臂的晶体管)分别进行接通/断开驱动的栅极信号。
如上所述，根据本实施方式的电动机控制装置10，能够抑制因载波的边频带分量的频率与电动机11的规定旋转次数的频率一致而引起的噪声的增大。进而，能够抑制因与电动机11的磁极数以及槽数相应地产生的转矩波动而引起的噪声的增大。进而，在载波的边频带分量的频率与电动机11的规定旋转次数的频率容易一致的同步PWM控制中，能够更有效地抑制噪声的增大。
另外，在上述的实施方式中，电动机控制装置10搭载于车辆，但并不局限于此，也可以搭载于其他设备。
本发明的实施方式是作为例子而提示的，意图并不在于限定发明的范围。这些实施方式能够以其他各种方式来实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包括在发明的范围、要旨中，同样地也包括在权利要求书所记载的发明及其均等的范围内。

Claims (3)

1.一种电动机控制装置，通过脉冲宽度调制来驱动对电动机授受电力的逆变器，该电动机控制装置的特征在于，
具备载波频率设定部，该载波频率设定部设定所述载波的频率，以使得使用于所述脉冲宽度调制的载波的边频带分量的频率与所述电动机的规定旋转次数的频率不同。
2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其中，
所述规定旋转次数是与所述电动机的磁极数以及槽数相应地在所述电动机中产生转矩波动的旋转次数。
3.根据权利要求1或者权利要求2所述的电动机控制装置，其中，
所述载波频率设定部在使所述载波的频率与所述电动机的转速同步地变化的状态下，设定所述载波的频率，以使得所述边频带分量的频率与所述规定旋转次数的频率不同。
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