CN112219351A - 载波频率设定方法、马达驱动系统以及载波频率设定装置 - Google Patents

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Abstract

使得能够以马达的损失和变换器的损失的合计损失变小的方式驱动马达。在合计损失成为最小的最佳载波频率与马达(M)的转矩的关系中，导出最佳载波频率的最低值，确定马达(M)的转矩与载波频率的关系，以使得在成为与最低的最佳载波频率对应的马达(M)的转矩以下的范围中，具有当马达(M)的转矩变大时、载波频率大致相同或者变小的部分，在成为与最低的最佳载波频率对应的马达(M)的转矩以上的范围中，具有当马达(M)的转矩变大时、载波频率大致相同或者变大的部分。

Description

载波频率设定方法、马达驱动系统以及载波频率设定装置
技术领域
本发明涉及载波频率设定方法、马达驱动系统以及载波频率设定装置，尤其适合于为了使用变换器驱动马达来进行使用。
本申请基于2018年7月2日于日本提出申请的特愿2018－126066号主张优先权，在此援用其内容。
背景技术
作为对电车、混合动力汽车、家电产品等的马达进行驱动的电源装置，使用了PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制方式的变换器(inverter)。该变换器通过载波(例如三角波)与电压指令信号的比较来决定脉冲信号的宽度(使脉冲为on的时间)，通过根据所生成的脉冲信号来使开关元件(例如IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极晶体管))导通(on)、断开(off)，将所输入的直流电力变换为具有马达的驱动所需要的频率的交流电力并供给至马达。在驱动马达时，需要降低马达的损失，并且，也需要降低变换器内的损失，作为马达驱动系统整体实现高效率化。
专利文献1公开了如下内容：准备设定了马达和变换器的合计损失成为最小的PWM控制的载波频率(载波的频率)与马达的电角频率的关系的表数据，以与马达的电角频率的检测值对应的PWM控制的载波频率使变换器运转来对马达进行驱动。
专利文献2、3记载了根据马达的转速和转矩来设定载波频率。
具体而言，在专利文献2中，在马达转速低、且马达的转矩大的第1区域中，将载波频率设定为最低的第1频率。另外，在马达的转速比在第1区域设定的转速高、且马达的转矩为与在第1区域设定的转矩相同程度的第2区域中，将载波频率设定为比第1频率高的第2频率。另外，在马达的转速比在第1区域和第2区域设定的转速高、且马达的转矩为比在第1区域和第2区域设定的转矩低的第2转矩的第3区域中，将载波频率设定为最高的第3频率。
另外，在专利文献3中，在马达的转速低、且马达的转矩小的区域中，设定低的载波频率，随着马达的转速变高，将载波频率设定得高。在专利文献3中，设为降低低转速区域中的非小转矩区域的载波频率是有效的。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007－282298号公报
专利文献2：日本特开2008－22671号公报
专利文献3：日本特开2009－171768号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
然而，在专利文献1所记载的技术中，没有提及马达的转矩变动的情况下的载波频率。另外，在专利文献2、3所记载的技术中设为在马达的转矩大时降低载波频率。在专利文献2中设为：转矩越大，则马达的驱动电流越增加，电流损失越大，因此，通过使载波频率降低来使电流损失降低。在专利文献3中设为：转矩越大，则电流越大，因此，开关元件的导通损失变大，在大转矩区域中，变换器的损失增大，另外，马达的转速越低，则在各相臂中集中地流动的电流量越多，因此，将低转速且非小转矩的区域的载波频率设定为低。本发明人不被这样见解所束缚，按马达的转速对马达的转矩与马达的损失和变换器的损失的合计损失之间的关系进行调查后，判明了当以专利文献2、3所记载的方法设定载波频率时，从根据马达的损失和变换器的损失的合计损失算出的综合效率的观点出发，存在不好的情况。
本发明是鉴于如以上那样的问题而完成的，目的在于能够以马达的损失和变换器的损失的合计损失变小的方式驱动马达。
用于解决问题的技术方案
本发明的载波频率设定方法是设定用于驱动马达的变换器中的载波频率的载波频率设定方法，其特征在于，包括：损失导出工序，分别使在所述马达中产生的转矩、所述马达的转速以及所述变换器中的载波频率不同来进行综合损失的导出，所述综合损失是使用所述变换器来使所述马达进行了驱动的情况下的所述变换器的损失与所述马达的损失之和；载波频率导出工序，基于通过所述损失导出工序导出的所述综合损失，在多个转矩和多个转速的各个组合中，导出所述综合损失成为最小时的载波频率来作为最佳载波频率；关系导出工序，基于通过所述载波频率导出工序导出的所述最佳载波频率，按所述马达的转速来导出所述马达的转矩与所述最佳载波频率的关系；关系存储工序，存储通过所述关系导出工序按所述马达的转速导出的关系；以及载波频率设定工序，在通过所述关系存储工序存储了所述关系之后，当对所述马达进行驱动时，基于该关系来设定与所述马达的转矩的指令值以及所述马达的转速的指令值相应的载波频率。
本发明的马达驱动系统的第1例是具有变换器、从所述变换器接受交流电力的供给来被进行驱动的马达以及对所述变换器的动作进行控制的控制装置的马达驱动系统，其特征在于，所述变换器具有使用宽带隙半导体构成的开关元件，所述控制装置具有载波频率设定单元，所述载波频率设定单元基于按所述马达的转速导出的所述马达的转矩与所述变换器中的载波频率的关系，设定所述变换器的载波频率，按所述马达的转速导出的所述马达的转矩与载波频率的关系具有当所述马达的转矩变大时、载波频率变高的部分。
本发明的马达驱动系统的第2例是具有变换器、从所述变换器接受交流电力的供给来被进行驱动的马达以及对所述变换器的动作进行控制的控制装置的马达驱动系统，其特征在于，所述变换器具有使用宽带隙半导体以外的半导体构成的开关元件，所述控制装置具有载波频率设定单元，所述载波频率设定单元基于按所述马达的转速导出的所述马达的转矩与所述变换器中的载波频率的关系来设定所述变换器的载波频率，按所述马达的转速导出的所述马达的转矩与载波频率的关系中，载波频率与所述马达的转矩无关地为大致相等的值。
本发明的载波频率设定装置是设定用于驱动马达的变换器的载波频率的载波频率设定装置，其特征在于，所述载波频率设定装置，作为所述马达的转矩与最佳载波频率的关系，在所述变换器具有使用宽带隙半导体构成的开关元件的情况下，按所述马达的转速导出如下关系，即在所述马达的转矩为与所述最佳载波频率成为最低值的载波频率对应的所述马达的转矩以上的范围中具有当所述马达的转矩变大时、所述最佳载波频率变高的部分，进一步在所述马达的转矩为与所述最佳载波频率成为最低值的载波频率对应的所述马达的转矩以下的范围中具有当所述马达的转矩变大时、所述最佳载波频率变低的部分，在所述变换器具有使用所述宽带隙半导体以外的半导体构成的所述开关元件的情况下，按所述马达的转速导出如下关系，即所述最佳载波频率与所述马达的转矩无关地为大致一定值，基于所述马达的转矩与所述最佳载波频率的关系来设定所述变换器的载波频率，所述最佳载波频率是综合损失成为最小时的载波频率，所述综合损失是使用所述变换器使所述马达进行了驱动的情况下的所述变换器的损失与所述马达的损失之和。
发明效果
根据本发明，能够以马达的损失和变换器的损失的合计损失变小的方式驱动马达。
附图说明
图1是表示马达驱动系统的概略构成的一个例子的图。
图2-1是表示第1实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为1.00时的损失的测定结果的第1图。
图2-2是表示第1实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为1.00时的损失的测定结果的第2图。
图3是表示第1实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为1.00时的综合效率比率与载波频率的关系的图。
图4-1是表示第1实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为1.00时的综合损失比率与载波频率的关系的第1图。
图4-2是表示第1实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为1.00时的综合损失比率与载波频率的关系的第2图。
图5-1是表示第1实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为0.75时的损失的测定结果的第1图。
图5-2是表示第1实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为0.75时的损失的测定结果的第2图。
图5-3是表示第1实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为0.75时的损失的测定结果的第3图。
图6是表示第1实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.75时的综合效率比率与载波频率的关系的图。
图7-1是表示第1实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.75时的综合损失比率与载波频率的关系的第1图。
图7-2是表示第1实施方式的图，在以坐标图形式表示马达的转速比率为0.75时的综合损失比率与载波频率的关系的第2图。
图7-3是表示第1实施方式的图，在以坐标图形式表示马达的转速比率为0.75时的综合损失比率与载波频率的关系的第3图。
图8-1是表示第1实施方式的图，在以表形式表示马达的转速比率为0.50时的损失的测定结果的第1图。
图8-2是表示第1实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为0.50时的损失的测定结果的第2图。
图8-3是表示第1实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为0.50时的损失的测定结果的第3图。
图9是表示第1实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.50时的综合效率比率与载波频率的关系的图。
图10-1是表示第1实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.50时的综合损失比率与载波频率的关系的第1图。
图10-2是表示第1实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.50时的综合损失比率与载波频率的关系的第2图。
图10-3是表示第1实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.50时的综合损失比率与载波频率的关系的第3图。
图11-1是表示第1实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为0.25时的损失的测定结果的第1图。
图11-2是表示第1实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为0.25时的损失的测定结果的第2图。
图11-3是表示第1实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为0.25时的损失的测定结果的第3图。
图12是表示第1实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.25时的综合效率比率与载波频率的关系的图。
图13-1是表示第1实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.25时的综合损失比率与载波频率的关系的第1图。
图13-2是表示第1实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.25时的综合损失比率与载波频率的关系的第2图。
图13-3是表示第1实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.25时的综合损失比率与载波频率的关系的第3图。
图14是对按马达M的转速来导出马达M的转矩与载波频率的关系的方法的一个例子进行说明的流程图。
图15-1是表示第2实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为1.00时的损失的测定结果的第1图。
图15-2是表示第2实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为1.00时的损失的测定结果的第2图。
图16是表示第2实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为1.00时的综合效率比率与载波频率的关系的图。
图17-1是表示第2实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为1.00时的综合损失比率与载波频率的关系的第1图。
图17-2是表示第2实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为1.00时的综合损失比率与载波频率的关系的第2图。
图18-1是表示第2实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为0.75时的损失的测定结果的第1图。
图18-2是表示第2实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为0.75时的损失的测定结果的第2图。
图18-3是表示第2实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为0.75时的损失的测定结果的第3图。
图19是表示第2实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.75时的综合效率比率与载波频率的关系的图。
图20-1是表示第2实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.75时的综合损失比率与载波频率的关系的第1图。
图20-2是表示第2实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.75时的综合损失比率与载波频率的关系的第2图。
图20-3是表示第2实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.75时的综合损失比率与载波频率的关系的第3图。
图21-1是表示第2实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为0.50时的损失的测定结果的第1图。
图21-2是表示第2实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为0.50时的损失的测定结果的第2图。
图21-3是表示第2实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为0.50时的损失的测定结果的第3图。
图22是表示第2实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.50时的综合效率比率与载波频率的关系的图。
图23-1是表示第2实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.50时的综合损失比率与载波频率的关系的第1图。
图23-2是表示第2实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.50时的综合损失比率与载波频率的关系的第2图。
图23-3是表示第2实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.50时的综合损失比率与载波频率的关系的第3图。
图24-1是表示第2实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为0.25时的损失的测定结果的第1图。
图24-2是表示第2实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为0.25时的损失的测定结果的第2图。
图24-3是表示第2实施方式的图，是以表形式表示马达的转速比率为0.25时的损失的测定结果的第3图。
图25是表示第2实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.25时的综合效率比率与载波频率的关系的图。
图26-1是表示第2实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.25时的综合损失比率与载波频率的关系的第1图。
图26-2是表示第2实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.25时的综合损失比率与载波频率的关系的第2图。
图26-3是表示第2实施方式的图，是以坐标图形式表示马达的转速比率为0.25时的综合损失比率与载波频率的关系的第3图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
(第1实施方式)
首先，对第1实施方式进行说明。
图1是表示马达驱动系统的概略构成的一个例子的图。
在本实施方式中，以马达M为在转子内置有永磁体的IPMSM(Interior PermanentMagnet Synchronous Motor，永磁体嵌入式同步电动机)的情况为例来进行说明。
在图1中，用于对这样的马达M进行驱动的马达驱动系统具有交流电源10、整流电路20、电解电容器30、电压传感器40、变换器50、电流传感器61～63以及对变换器50的动作进行控制的控制装置70。
交流电源10供给商用频率(50Hz/60Hz)的交流电力。
整流电路20例如是由4个二极管构成的全波整流电路，将交流电力变换为直流电力。
电解电容器30除去从整流电路20输出的直流电力的脉动电流。
电压传感器40测定被输入到变换器50的直流的输入电压Vi。
变换器50例如是具备构成三相全桥的6个开关元件的电路。变换器50通过基于从控制装置70输出并被输入到开关元件的PWM信号S来使开关元件导通、断开，将所输入的直流电力变换为具有为了驱动马达M所需要的频率的交流电力，并输出(供给)至马达M。在本实施方式中，以开关元件为使用宽带隙半导体(SiC、GaN等)构成的开关元件的情况为例来进行说明。
电流传感器61～63例如为CT(Current Transformer，电流互感器)，对在马达M的各相u、v、w的绕组中流动的交流的马达电流Iu、Iv、Iw进行测定。
控制装置70具有施加电压运算部71、载波产生部72、比较部73、PWM信号输出部74以及载波频率设定装置7A。控制装置70例如可以通过使用微型计算机、运算电路来实现。另外，控制装置70例如可以通过矢量控制来对马达M的动作进行控制。关于与载波频率有关的构成以外，可以由公知的技术来实现，因此，在此省略其详细的说明。
施加电压运算部71输入从外部输入的速度指令值(马达M的转速的指令值)、同样地从外部输入的转矩指令值(马达M的转矩的指令值)、由电压传感器40测定的输入电压Vi以及由电流传感器61～63测定的马达电流Iu、Iv、Iw，基于这些来运算施加于马达M的各相的电压，生成表示该电压的电压指令信号。载波频率设定装置7A具有载波频率设定部75。
载波产生部72产生PWM控制中的载波(被使用于生成PWM信号S的载波)。在本实施方式中，以载波是三角波的情况为例来进行说明。
比较部73对由施加电压运算部71生成的电压指令信号和由载波产生部72产生的三角波(载波)进行比较。
PWM信号输出部74将与比较部73的比较结果相应的脉冲信号作为PWM信号S输出至变换器50。如前述那样，变换器50基于该PWM信号S来使开关元件导通、断开，将所输入的直流电力变换为交流电力，并输出至马达M。
载波频率设定部75设定作为载波的频率的载波频率(变换器50的载波频率)。载波产生部72产生由载波频率设定部75设定的载波频率的三角波。在本实施方式中，载波频率设定部75设定与马达M的转速的指令值和马达M的转矩的指令值相应的载波频率。
如在发明要解决的技术问题一栏说明的那样，在专利文献2、3中，在马达的转矩小时提高载波频率(在马达的转矩大时降低载波频率)，但有时这样是不好的。为了对其进行证实，本发明人作为马达驱动系统的综合效率，从根据马达的损失和变换器的损失的合计损失算出的综合效率的观点出发，对用于设为高效率的马达驱动系统的载波频率进行了调查。以下对其结果进行说明。
在此，马达驱动系统的综合效率设为对马达M的输出(＝转矩×转速)除以向变换器50的输入电力而得到的值(综合效率＝输出÷输入电力)。
从向变换器50的输入电力减去马达M的输出而得到的值为在马达驱动系统中失去的能量(损失)。在此，设为该损失等于马达M的损失与变换器50的损失之和，对损失的详细内容进行了研究。除了铁损和铜损之外，马达M的损失还包括机械损失、风损以及轴承损失等。然而，若马达M的形状相同、转速相同，则即使变换器50的动作被变更，也可视为这些损失(机械损失、风损以及轴承损失等)为一定。因此，以下所示的铁损设为包含了这些损失。即使设为这样，也认为：若为同一转速，则在马达M的损失中包含一定量的这些损失(机械损失、风损以及轴承损失等)，但不会对马达驱动系统的损失相对于马达M的转矩变化的增减倾向的验证造成障碍。于是，在此设为马达M的损失由铁损(其中包含了机械损失、风损以及轴承损失等的损失)和铜损构成。另外，在此将载波频率的范围设为5kHz～50kHz。
如前述那样，在本实施方式中，评价对象的马达M为IPMSM。马达M的基本规格为以下那样。另外，作为构成变换器50的开关元件的半导体元件，使用了作为宽带隙半导体元件之一的SiC半导体元件。
·相数：3
·极数：12
·定子外径：135mm
·定子内径：87mm
·定子槽数：18(集中卷绕)
·定子(芯)材质：无方向性电磁钢板(35A300)
·转子外径：85mm
·转子(芯)层叠厚度：30mm
·转子内的永磁体的残留磁通量密度：1.1T
图2－1～图2－2是以表形式表示马达M的转速比率为1.00时的损失的测定结果的图。转速比率是马达M的测定时的转速相对于最大转速的比率。转速比率为1.00表示以与最大转速相同的转速进行了测定。图2－1的(a)、图2－1的(b)、图2－1的(c)、图2－2的(a)、图2－2的(b)分别表示转矩比率为0.05、0.125、0.25、0.375、0.5时的测定结果。转矩比率是马达M的测定时的转矩相对于最大转矩之比。转矩比率为0.5表示以最大转矩的50％的转矩进行了测定。在此，马达M的最大转速和最大转矩是根据马达M的用途来适当设计、决定的。
在图2－1和图2－2中，fc表示载波频率。在此，将马达M的输出电力相对于变换器50的输入电力之比称为综合效率。在图2－1和图2－2中，综合效率最高的是转矩比率为0.5、载波频率fc为40kHz时(图2－2(b)的fc＝40kHz)。在图2－1和图2－2中，综合效率比率为各载波频率fc下的综合效率相对于相同的转速比率中最大的综合效率之比。
另外，将马达M的铜损以及铁损和变换器50的损失之和称为综合损失。在图2－1和图2－2中，综合损失比率是各载波频率fc下的综合损失相对于相同的转速比率和相同的转矩比率中载波频率fc最低(在此为5kHz)时的综合损失之比。
另外，在图2－1和图2－2中，铜损比率是各载波频率fc下的马达M的铜损相对于相同的转速比率和相同的转矩比率中载波频率fc最低(在此为5kHz)时的综合损失之比。铁损比率是各载波频率fc下的马达M的铁损相对于相同的转速比率和相同的转矩比率中载波频率fc最低(在此为5kHz)时的综合损失之比。变换器损失比率是各载波频率fc下的变换器50的损失相对于相同的转速比率和相同的转矩比率中载波频率fc最低(在此为5kHz)时的综合损失之比。
图3是以坐标图形式表示图2－1和图2－2所示的综合效率比率与载波频率的关系的图。
如图2－1、图2－2以及图3所示，在转矩比率相对小的条件(转矩比率为0.05、0.125)下，当载波频率为40kHz时，综合效率比率成为了最大。与此相对，在转矩比率为0.25的条件下，当载波频率为20kHz时，综合效率比率成为了最大。在转矩比率更大的条件(转矩比率为0.375、0.5)下，分别在载波频率为30kHz、40kHz时，综合效率比率成为最大，转矩比率越大，则综合效率比率成为最大的载波频率越高。在以下的说明中，根据需要将相同的转矩比率中综合效率成为最大(综合损失最小)的载波频率称为最佳载波频率。此外，在图2－2的(b)中，载波频率为30kHz、40kHz时的综合效率比率都为1.000，但当计算到小数点第4位以后时，载波频率为40kHz时的综合效率比率(1.0000)变为了比载波频率为30kHz时的综合效率比率(0.9997)大。
如上所述可知：在马达M的转速比率为1.00时，在最佳载波频率与马达M的转矩的关系中，最佳载波频率存在最低值。进一步，可知与最低值的载波频率对应的转矩的范围仅为一个(仅为转矩比率0.250)。并且，可知在马达M的转矩成为与最低的最佳载波频率对应的马达M的转矩以上的范围中，当马达M的转矩变大时，最佳载波频率相同或者变高。另一方面，可知在马达M的转矩成为与最低的最佳载波频率对应的马达M的转矩以下的范围中，当马达M的转矩变大时，最佳载波频率相同或者变低。如前述那样，在专利文献2、3所记载的技术中，当马达M的转矩变大时降低载波频率。与此相对，本发明人第一次发现如下见解：在按马达的转速导出的最佳载波频率与马达M的转矩的关系中，最佳载波频率存在最低值，在成为与最低的最佳载波频率对应的马达M的转矩以上的范围中，当马达M的转矩变大时，需要使得最佳载波频率相同或者变高，进一步，在成为与最低的最佳载波频率对应的马达M的转矩以下的范围中，当马达M的转矩变大时，使得载波频率相同或者变低，由此能够提高马达驱动系统整体的效率。
于是，本发明人对在马达M的转矩大的条件下提高载波频率时能够提高马达驱动系统的效率的原因进行了研究。
图4－1和图4－2是以坐标图形式表示图2－1和图2－2所示的综合损失比率与载波频率的关系的图。图4－1的(a)、图4－1的(b)、图4－1的(c)、图4－2的(a)、图4－2的(b)分别表示转矩比率为、0.05、0.125、0.25、0.375、0.5(图2－1的(a)、图2－1的(b)、图2－1的(c)、图2－2的(a)、图2－2的(b))时的结果。
如图4－1的(a)和图4－1的(b)所示，在转矩比率为0.05、0.125的条件(以下称为低负荷条件)下，马达M的铁损相对于综合损失的比率大。因此，通过提高载波频率，能够降低马达M的铁损。另一方面，当提高载波频率时，变换器50的损失变大。另外，当载波频率变高时，铁损比率和铜损比率之和在逐渐变小的同时接近一定的值。通过兼顾如以上那样的马达M损失的降低和变换器50损失的增加，确定综合损失成为最小的载波频率。因此，认为在转矩比率为0.05、0.125时，最佳载波频率成为40kHz。
接着，如图4－1的(c)所示，在转矩比率为0.25的条件(以下称为中负荷条件)下，与图4－1的(a)和图4－2的(b)所示的低负荷条件时相比，马达M的铜损相对于综合损失的比率变大。另外，与低负荷条件时同样地，当载波频率变高时，铁损比率与铜损比率之和在逐渐变小的同时接近一定的值，但铁损比率与铜损比率之和大致成为一定的载波频率为20kHz，与低负荷条件时相比变低。另外，与低负荷条件时同样地，当提高载波频率时，变换器50的损失变大。但是，当载波频率成为20kHz以上时，与低负荷条件(的载波频率为40kHz以上时)相比，相对于载波频率的增加的、变换器50的损失的增加量变大(变换器50的损失的增加方式成为急剧)。通过兼顾如以上那样的马达M损失的降低和变换器50损失的增加，确定综合损失成为最小的载波频率，该载波频率与低负荷条件时相比变低。因此，认为在转矩比率为0.25时，最佳载波频率成为了20kHz。
接着，如图4－2的(a)和图4－2的(b)所示，在转矩比率为0.375、0.5的条件(以下称为高负荷条件)下，与图4－1的(c)所示的中负荷条件时相比，马达M的铜损相对于综合损失的比率也变大。另外，在高负荷条件下，也与低负荷条件和中负荷条件时同样地，当载波频率变高时，铁损比率与铜损比率之和在逐渐变小的同时接近一定的值，相对于此，变换器损失比率增加。另外，马达M的转矩越大，各载波频率下的变换器损失比率越大。
当马达M的转矩变大时(即成为高负荷时)，为了产生该转矩所需要的马达电流变大。因此，为了通过PWM控制来高精度地进行波形控制，需要更高的载波频率。即，在高负荷条件下，由于马达电流变大，相比于中负荷条件，马达M的铜损变大，另外，在载波频率低的条件下，磁通量密度的波形会失真，会产生较多的高次谐波成分，因此，相比于中负荷条件，马达M的铁损会增大。
通过兼顾如以上那样的马达M的损失降低和变换器50的损失增加，确定综合损失成为最小的载波频率，该载波频率成为比中负荷条件时的载波频率高。另外，该载波频率随着马达M的转矩变大而变高。因此，在转矩比率为0.375、0.5时，认为最佳载波频率分别成为了30kHz、40kHz。
如上所述，在马达M的转速比率为1.00的情况下，在马达M的转矩成为与最低的最佳载波频率对应的马达M的转矩以下的范围中，当马达M的转矩变大时，使得最佳载波频率为相同或者变低，在马达M的转矩成为与最低的最佳载波频率对应的马达M的转矩以上的范围中，当马达M的转矩变大时，使得最佳载波频率为相同或者变高，由此能够使马达驱动系统整体的效率最大化(使损失最小化)。
接着，本发明人确认了：无论马达M的转速如何，在最佳载波频率与马达M的转矩的关系中，最佳载波频率存在最低值，在成为与最低的最佳载波频率对应的马达M的转矩以上的范围中，当马达M的转矩变大时，需要使得最佳载波频率为相同或者变高。将其表示于图5－1～图13－3。图5－1～图5－3、图8－1～图8－3和图11－1～图11－3的表的项目的内容与图2－1和图2－2所示的表的项目的内容相同。
“图5－1～图5－3”、“图8－1～图8－3”、“图11－1～图11－3”分别是以表形式表示马达M的转速比率为0.75、0.50、0.25时的损失测定结果的图。“图5－1的(a)、图8－1的(a)、图11－1的(a)”、“图5－1的(b)、图8－1的(b)、图11－1的(b)”、“图5－1的(c)、图8－1的(c)、图11－1的(c)”、“图5－2的(a)、图8－2的(a)、图11－2的(a)”、“图5－2的(b)、图8－2的(b)、图11－2的(b)”、“图5－2的(c)、图8－2的(c)、图11－2的(c)”、“图5－3的(a)、图8－3的(a)、图11－3的(a)”、“图5－3的(b)、图8－3的(b)、图11－3的(b)”、“图5－3的(c)、图8－3的(c)、图11－3的(c)”分别表示转矩比率为0.05、0.125、0.25、0.375、0.5、0.625、0.75、0.875、1.0时的测定结果。此外，在马达M的转速比率为0.75以下时，能够将马达M的转矩提供到最大转矩。
另外，图6、图9、图12分别是以坐标图形式表示图5－1～图5－3、图8－1～图8－3、图11－1～图11－3所示的综合效率比率与载波频率的关系的图。图6的(b)是放大表示图6的(a)的综合效率比率为0.980～1.005的区域的图。图9的(b)是放大表示图9的(a)的综合效率比率为0.95～1.01的区域的图。图12的(b)是放大表示图12的(a)的综合效率比率为0.90～1.00的区域的图。
图7－1～图7－3、图10－1～图10－3、图13－1～图13－3分别是以坐标图形式表示图5－1～图5－3、图8－1～图8－3、图11－1～图11－3所示的综合损失比率与载波频率的关系的图。“图7－1的(a)、图10－1的(a)、图13－1的(a)”、“图7－1的(b)、图10－1的(b)、图13－1的(b)”、“图7－1的(c)、图10－1的(c)、图13－1的(c)”、“图7－2的(a)、图10－2的(a)、图13－2的(a)”、“图7－2的(b)、图10－2的(b)、图13－2的(b)”、“图7－2的(c)、图10－2的(c)、图13－2的(c)”、“图7－3的(a)、图10－3的(a)、图13－3的(a)”、“图7－3的(b)、图10－3的(b)、图13－3的(b)”、“图7－3的(c)、图10－3的(c)、图13－3的(c)”分别表示转矩比率为0.05、0.125、0.25、0.375、0.5、0.625、0.75、0.875、1.0时的结果。
如图5－1～图13－3所示可知：在马达M的转速比率为0.25、0.50以及0.75时，也与1.00时同样地，关于最佳载波频率与马达M的转矩的关系，最佳载波频率存在最低值，在马达M的转矩成为与最低的最佳载波频率对应的马达M的转矩以上的范围中，当马达M的转矩变大时，最佳载波频率相同或者变高。此外，在图5－2的(b)中，载波频率为10kHz、15kHz时的综合效率比率都为0.999，但当计算到小数点第4位以后时，载波频率为10kHz时的综合效率比率变为了比载波频率为15kHz时的综合效率比率大。另外，在图5－3的(b)、(c)中，载波频率为10kHz、15kHz时的综合效率比率分别为0.995、0.991，但当计算到小数点第4位以后时，载波频率为15kHz时的综合效率比率变为了比载波频率为10kHz时的综合效率比率大。另外，在图8－1的(c)、图11－2的(c)中，载波频率为5kHz、10kHz时的综合效率比率分别为0.977、0.983，但当计算到小数点第4位以后时，载波频率为10kHz时的综合效率比率变为了比载波频率为5kHz时的综合效率比率大。
在马达M的转速比率为0.25、0.50以及0.75时，与马达M的转速比率为1.00时相比，励磁基本频率低，因此，由提高载波频率而实现的铜损比例与铁损比例之和的降低效果变小(在一部分上，由于测定的偏差等的影响，随着载波频率变高，铜损比例与铁损比例之和变大)。因此，在马达M的转速比率为0.25、0.50以及0.75时，如马达M的转速比率为1.00时那样，不存在马达M的转矩比与最低的最佳载波频率对应的马达M的转矩小的范围，当马达M的转矩变大时，通过使得最佳载波频率为相同或者变高，能够使马达驱动系统整体的效率最大化(使损失最小化)。
[表1]
Figure BDA0002803897050000171
将以上的结果表示于表1。表1表示根据图2－1～图13－2所示的结果得到的转矩比率以及马达M的各转速比率的最佳载波频率。此外，在此以使对转矩比率进行变更的间隔为0.125(或者0.075)的情况为例来进行了表示。当使对转矩比率进行变更的间隔比图2－1～图2－2、图5－1～图5－3、图8－1～8－3和图11－1～图11－3所示的间隔小时，由于测定的偏差等，在表1中即使是最佳载波频率成为相同的转矩比率的范围，最佳载波频率也有可能(稍稍)增减。例如，在马达的转速比率为0.25时，在转矩比率为0.05～0.125的范围中，最佳载波频率为5kHz，但在转矩比率为0.05～0.125的期间，最佳载波频率有可能相对于5kHz增减。因此，在前述的说明中，不需要为了使马达驱动系统整体的效率最大化，在导出了即使马达M的转矩变化、最佳载波频率也为相同的值这一关系的转矩比率的范围中将载波频率设定为与最佳载波频率成为完全相同，而是设为大致相等即可。
载波频率的5％左右的差异对综合损失成为最小的最佳载波频率的值带来的影响小。因此，本说明书中的“大致相等”意味着“载波频率的差异为5％以下”。
如根据表1可明确的那样，无论在马达M的转速比率是什么样的情况下，马达M的转矩与最佳载波频率的关系都具有当马达M的转矩变大时、最佳载波频率变高的部分。例如，在马达M的转速比率为0.75的情况下，当转矩比率从0.125变化为0.250而马达M的转矩变大时，最佳载波频率因从5kHz变化为10kHz而变高。另外，当转矩比率从0.625变化为0.750而马达M的转矩变大时，最佳载波频率因从10kHz变化为15kHz而变高。另外，在马达M的转速比率为1.00的情况下，当转矩比率从0.250变化为0.375、从0.375变化为0.500而马达M的转矩变大时，最佳载波频率分别因从20kHz变化为30kHz、从30kHz变化为40kHz而变高。另外，在马达M的转速比率为1.00的情况下，具有当马达M的转矩变大时、最佳载波频率变低的部分。具体而言，当转矩比率从0.125变化为0.250而马达M的转矩变大时，最佳载波频率因从40kHz变化为20kHz而变低。
进一步可知：无论在马达M的转速比率是什么样的情况下，与最低值的最佳载波频率对应的转矩比率的范围都仅存在一个范围。例如，在马达M的转速比率为0.75的情况下，在转矩比率为0.05～0.125的范围中，最佳载波频率成为最低值的5kHz，在其他转矩比率的范围中，最佳载波频率的值比5kHz高。另外，在马达M的转速比率为1.00的情况下，当转矩比率为0.250时，最佳载波频率成为最低值的20kHz，在其他转矩比率的范围中，最佳载波频率的值比20kHz高。由此，在马达M的转矩比率比与最低的最佳载波频率对应的转矩比率的范围小的范围中，当马达M的转矩比率变大时，使得最佳载波频率为相同或者变低，或者在马达M的转矩比率比与最低的最佳载波频率对应的转矩比率的范围大的范围中，当马达M的转矩比率变大时，使得最佳载波频率为相同或者变高，由此能够使马达驱动系统整体的效率最大化(使损失最小化)。
本发明人确认到了即使在其他IPMSM、变换器50中也存在如下转矩范围，该转矩范围为：当马达M的转矩变大时，通过使得最佳载波频率成为大致相等或者变高，能够使马达驱动系统整体的效率最大化(使损失最小化)。
另外，认为：变换器损失比率、铁损比率以及铜损比率之和的值本身根据变换器、马达M的种类而不同，但相对于载波频率的变化的、变换器损失比率、铁损比率以及铜损比率之和的变化的行为不会根据马达M的种类而较大地不同。因此，当马达M的转矩变大时，通过使得载波频率成为大致相等或者变高，能够使马达驱动系统整体的效率最大化(使损失最小化)，这不限于IPMSM，认为即使是其他种类的马达M，也是相同的。
如前述那样，载波频率设定部75设定与马达M的转速的指令值和马达M的转矩的指令值相应的载波频率。因此，预先存储马达M的转速以及转矩与最佳载波频率的关系。参照图14的流程图，对按马达M的转速来导出马达M的转矩与最佳载波频率的关系的方法的一个例子进行说明。图14的流程图为马达M向实际设备(例如电车、混合动力汽车、家电产品等)的使用之前进行的准备工序的一个例子。
首先，在步骤S1401中，控制装置70指定对控制装置70预先设定的马达M的转速的多个候选中的、一个未选择的候选。
接着，在步骤S1402中，控制装置70指定对控制装置70预先设定的马达M的转矩的多个候选中的、一个未选择的候选。
接着，在步骤S1403中，控制装置70指定对控制装置70预先设定的载波频率的多个候选中的、一个未选择的候选。
接着，在步骤S1404中，控制装置70基于在步骤S1401～S1403中指定的内容来生成PWM信号S，并输出给变换器50。变换器50基于该PWM信号S来使马达M进行动作。此时，施加电压运算部71将在步骤S1401中指定的转速作为马达M的转速的指令值，将在步骤S1402中指定的转矩作为马达M的转矩的指令值，运算向马达M的各相施加的电压，生成表示该电压的电压指令信号。另外，载波产生部72产生在步骤S1403中指定的载波频率的三角波。
接着，在步骤S1405中，对在步骤S1404中使马达M进行动作时的综合损失(使用变换器50使马达M进行了驱动的情况下的综合损失)进行测定。如前述那样，综合损失是马达M的铜损以及铁损和变换器50的损失之和。综合损失作为从向变换器50的输入电力减去马达M的输出而得到的值来进行导出。马达M的铜损根据在马达M的各相u、v、w的绕组中流动的电流和绕组电阻来被作为焦耳损失进行导出。马达M的铁损被作为从向马达M的输入电力减去马达M的输出和铜损而得到的值来进行导出。变换器50的损失被作为从向变换器50的输入电力减去变换器的输出电力(向马达M的输入电力)而得到的值来进行导出。
接着，在步骤S1406中，控制装置70判定是否指定了全部的对控制装置70预先设定的载波频率的多个候选。该判定的结果，在未指定全部的载波频率的多个候选的情况下，处理返回步骤S1403。并且，反复执行步骤S1403～S1406的处理，直到载波频率的多个候选全部被指定。也即是，对于步骤S1405中的综合损失的测定(导出)，使变换器50中的载波频率不同来进行。
在步骤S1406中判定为指定了全部的载波频率的多个候选的情况下，在反复执行了的步骤S1405中得到了使用载波频率的全部候选各自的三角波生成将在步骤S1401中指定的转速和在步骤S1402中指定的转矩作为指令值的PWM信号S来对马达M进行了驱动时的综合损失。然后，处理进入步骤S1407。
在步骤S1407中，控制装置70确定成为最小的综合损失的载波频率来作为最佳载波频率(也即是，基于在步骤S1405中导出的综合损失，导出综合损失成为最小时的载波频率来作为最佳载波频率)，该最小的综合损失是生成将在步骤S1401中指定的马达M的转速和在步骤S1402中指定的马达M的转矩作为指令值的PWM信号S来对马达M进行了驱动的情况下的综合损失中的最小的综合损失。
此时，也可以如以下那样确定最佳载波频率。在处理进入到了步骤S1407的阶段中，得到了载波频率的候选的数量的、在步骤S1403中指定的载波频率的候选和指定了该载波频率的情况下在步骤S1405中测定得到的综合损失的组。控制装置70基于这些载波频率的候选和综合损失的组，通过最小二乘法等公知的方法导出表示载波频率与综合损失的关系的式子。控制装置70在该式子中将综合损失成为最小的载波频率确定为最佳载波频率。
接着，在步骤S1408中，控制装置70判定是否指定了全部的对控制装置70预先设定的马达M的转矩的多个候选。该判定的结果，在未指定全部的马达M的转矩的多个候选的情况下，处理返回步骤S1402。并且，反复执行步骤S1402～S1408的处理，直到马达M的转矩的多个候选全部被指定。也即是，对于步骤S1405中的综合损失的测定(导出)，使在马达M产生的转矩不同来进行。另外，关于多个转矩分别进行步骤S1407中的最佳载波频率的导出。
在步骤S1408中判定为指定了全部的马达M的转矩的多个候选的情况下，在反复执行了的步骤S1407中得到了使用载波频率的全部候选各自的三角波生成将在步骤S1401中指定的马达M的转速和马达M的转矩的全部候选的各个候选作为指令值的PWM信号S来对马达M进行了驱动时的最佳载波频率。然后，处理进入步骤S1409。
在步骤S1409中，控制装置70导出关于在步骤S1401中指定的马达M的转速的、马达M的转矩与最佳载波频率的关系。对导出马达M的转矩与最佳载波频率的关系的方法的具体例进行说明。首先，控制装置70关于在反复执行的步骤S1402中指定的马达M的转矩分别进行提取在步骤S1402中指定的马达M的转矩下的最佳载波频率的处理。由此，关于在步骤S1401中指定的马达M的转速，得到马达M的转矩的候选的数量的、马达M的转矩和该马达M的转矩下的最佳载波频率的组。控制装置70导出如上所述得到的马达M的转矩和该马达M的转矩下的最佳载波频率的组来作为马达M的转矩与最佳载波频率的关系。
接着，在步骤S1410中，控制装置70判定是否指定了全部的对控制装置70预先设定的马达M的转速的多个候选。该判定的结果，在未指定全部的马达M的转速的多个候选的情况下，处理返回步骤S1401。并且，反复执行步骤S1401～S1410的处理，直到马达M的转速的多个候选全部被指定。也即是，对于步骤S1405中的综合损失的测定(导出)，使马达M的转速不同来进行。另外，关于多个转速分别进行步骤S1407中的最佳载波频率的导出。
在步骤S1410中判定为指定了全部的马达M的转速的多个候选的情况下，关于马达M的转速的全部候选的各个候选，在反复执行了的步骤S1409中得到了马达M的转矩与最佳载波频率的关系。然后，处理返回步骤S1411。
在步骤S1411中，控制装置70基于在步骤S1407中导出的最佳载波频率，按马达M的转速来导出并存储马达M的转矩与最佳载波频率的关系。该关系成为如表1所示那样的关系。
此时，基于参照表1进行了说明的见解，由控制装置70按马达M的转速导出的马达M的转矩与最佳载波频率的关系(在步骤S1411中导出的关系)在马达M的转矩成为与在步骤S1407中确定出的多个最佳载波频率(在马达M的转速共同、且马达M的转矩互不相同的条件下确定出的多个最佳载波频率)中的最低的最佳载波频率对应的马达M的转矩以上的范围中，具有当马达M的转矩变大时、载波频率变高的部分(第1部分)。
在表1所示的例子中，在马达M的转速比率为0.25、0.50、0.75、1.00的情况下，最低的最佳载波频率分别为5kHz、5kHz、5kHz、20kHz，与该最低的最佳载波频率对应的转矩比率分别为0.050以及0.125、0.050以及0.125、0.050以及0.125、0.250。并且，在马达M的转速比率为0.25、0.50、0.75、1.00的情况下，在作为与最低的最佳载波频率对应的转矩比率以上的转矩比率的范围的、0.125～0.250、0.125～0.250、0.125～0.250、0.250～0.500的范围中，当转矩比率分别从0.125变化为0.250、从0.125变化为0.250、从0.125变化为0.250、从0.250变化为0.375以及从0.375变化为0.500而变大时，最佳载波频率分别从5至10、从5至10、从5至10、从20至30以及30～40分别变化而变高。通过控制装置70按马达M的转速来导出的马达M的转矩与最佳载波频率的关系成为这样的关系。
在表1的马达M的转速比率为“0.25”的例子中，在步骤S1411中导出的关系在马达M的转矩比率成为在步骤S1407中导出的与马达M的多个转速比率(“0.25”、“0.50”、“0.75”、“1.00”)中的一个转速比率“0.25”对应的最佳载波频率(“5”、“10”)中的最低的载波频率“5”对应的马达M的转矩比率(“0.050”、“0.125”)以上的范围中，具有当马达M的转矩比率变大时、最佳载波频率变高的第1部分(马达M的转矩比率为0.050以上且1.000以下的部分)。
也可以在“当马达M的转矩比率变大时、最佳载波频率变高的第1部分”包含“即使马达M的转矩比率变大、最佳载波频率也大致相等的部分”。
在表1的马达M的转速比率为“0.25”的例子中，在第1部分(马达M的转矩比率为0.050以上且1.000以下的部分)包含“即使马达M的转矩比率变大、最佳载波频率也大致相等的部分(马达M的转矩比率为0.050以上且0.125以下的部分、以及马达M的转矩比率为0.250以上且1.000以下的部分)”。
在表1的马达M的转速比率为“0.50”的例子中，在步骤S1411中导出的关系在马达M的转矩比率成为与在步骤S1407中导出的最佳载波频率(“5”、“10”)中的最低的载波频率“5”对应的马达M的转矩比率(“0.050”、“0.125”)以上的范围中，具有当马达M的转矩比率变大时、最佳载波频率变高的第1部分(马达M的转矩比率为0.050以上且1.000以下的部分)。
在表1的马达M的转速比率为“0.50”的例子中，在第1部分(马达M的转矩比率为0.050以上且1.000以下的部分)包含“即使马达M的转矩比率变大、最佳载波频率也大致相等的部分(马达M的转矩比率为0.050以上且0.125以下的部分、以及马达M的转矩比率为0.250以上且1.000以下的部分)”。
在表1的马达M的转速比率为“0.75”的例子中，在步骤S1411中导出的关系在马达M的转矩比率成为与在步骤S1407中导出的最佳载波频率(“5”、“10”、“15”)中的最低的载波频率“5”对应的马达M的转矩比率(“0.050”、“0.125”)以上的范围中，具有当马达M的转矩比率变大时、最佳载波频率变高的第1部分(马达M的转矩比率为0.050以上且0.750以下的部分)。
在表1的马达M的转速比率为“0.75”的例子中，在第1部分(马达M的转矩比率为0.050以上且0.750以下的部分)包含“即使马达M的转矩比率变大、最佳载波频率也大致相等的部分(马达M的转矩比率为0.050以上且0.125以下的部分、以及马达M的转矩比率为0.250以上且0.625以下的部分)”。
在表1的马达M的转速比率为“1.00”的例子中，在步骤S1411中导出的关系在马达M的转矩比率成为与在步骤S1407中导出的最佳载波频率(“20”、“30”、“40”)中的最低的载波频率“20”对应的马达M的转矩比率(“0.250”)以上的范围中，具有当马达M的转矩比率变大时、最佳载波频率变高的第1部分(马达M的转矩比率为0.250以上且0.500以下的部分)。
另外，在具有马达M的转矩成为与如前述那样确定出的多个最佳载波频率中的最低的最佳载波频率对应的马达M的转矩以下的范围的情况下，在该范围中，通过控制装置70按马达M的转速来导出的马达M的转矩与最佳载波频率的关系具有当马达M的转矩变大时、载波频率变低的部分(第2部分)。
在表1所示的例子中，在马达M的转速比率为1.00的情况下，最低的最佳载波频率为20kHz，与该最低的最佳载波频率对应的转矩比率为0.250，具有该转矩比率(＝0.250)以下的转矩比率(＝0.250、0.125、0.050)。并且，在作为与该最低的最佳载波频率对应的转矩比率的0.250以下的转矩比率的范围即0.125～0.250的范围中，当转矩比率从0.125变化为0.250而变大时，最佳载波频率从40变化为20而变低。通过控制装置70导出的马达M的转矩与最佳载波频率的关系成为这样的关系。
在表1的马达M的转速比率为“1.00”的例子中，在步骤S1411中导出的关系在马达M的转矩比率成为与在步骤S1407中导出的最佳载波频率(“20”、“30”、“40”)中的最低的载波频率“20”对应的马达M的转矩比率(“0.250”)以下的范围中，具有当马达M的转矩比率变大时、最佳载波频率变低的第2部分(马达M的转矩比率为0.050以上且0.250以下的部分)。
也可以在“当马达M的转矩比率变大时、最佳载波频率变低的第2部分”包含“即使马达M的转矩比率变大、最佳载波频率也大致相等的部分”。
在表1的马达M的转速比率为“1.00”的例子中，在第2部分(马达M的转矩比率为0.050以上且0.250以下的部分)包含“即使马达M的转矩比率变大、最佳载波频率也大致相等的部分(马达M的转矩比率为0.050以上且0.125以下的部分)”。
例如，控制装置70能够根据关于马达M的转速的全部候选的各个候选的、马达M的转矩与最佳载波频率的关系(马达M的转矩和该马达M的最佳载波频率的组)，按马达M的转速导出将马达M的转速、马达M的转矩以及最佳载波频率相互关联地进行存储的表来作为马达M的转矩与最佳载波频率的关系。另外，控制装置70也能够根据关于马达M的转速的全部候选的各个候选的、马达M的转矩与最佳载波频率的关系(马达M的转矩和该马达M的最佳载波频率的组)，通过最小二乘法等公知的方法按马达M的转速来导出对马达M的转矩与最佳载波频率的关系进行表示的式子。然后，图14的流程图的处理结束。
通过图14的流程图，在按马达M的转速存储了马达M的转矩与最佳载波频率的关系之后(准备工序结束之后)实施实际使用工序，该实际使用工序是如下工序：按马达M的转速使用马达M的转矩与最佳载波频率的关系来进行实际设备中的马达M的驱动。在实际使用工序中，例如执行以下的处理。
在对马达M进行驱动时，载波频率设定部75从马达M的转矩与最佳载波频率的按马达M的各转速的关系，提取与马达M的转矩的指令值以及马达M的转速的指令值对应的最佳载波频率来作为变换器50中的载波频率(也即是，基于上述的关系，设定与马达M的转矩的指令值以及马达M的转速的指令值相应的载波频率)。
例如在根据表1所示的马达M的转速比率为1.00下的马达M的转矩比率与最佳载波频率的关系设定变换器50中的载波频率的情况下，载波频率设定部75在马达M的转矩成为与最低的最佳载波频率(20kHz)对应的马达M的转矩以上的范围(马达M的转矩比率为0.250～0.500的范围)中，将当马达M的转矩变大时、从20kHz变高为40kHz的最佳载波频率设定为变换器50中的载波频率。另外，载波频率设定部75在马达M的转矩成为与最低的最佳载波频率(20kHz)对应的马达M的转矩以下的范围(马达M的转矩比率为0.050～0.250的范围)中，将当马达M的转矩变大时、从40kHz变低为20kHz的最佳载波频率设定为变换器50中的载波频率。
在将该关系设为了表的情况下，有时在该表中不存在与指令值(马达M的转速、转矩)相同的值的数据。在该情况下，载波频率设定部75例如通过基于该指令值来对保存于该表的值进行内插处理或者外推处理，能够导出同与指令值相同的值(马达M的转速、转矩)对应的最佳载波频率来作为变换器50中的载波频率。
载波产生部72产生这样通过载波频率设定部75设定的载波频率的三角波。此外，如上所述，马达M的转矩与最佳载波频率的按马达M的各转速的关系中的最佳载波频率的值是被作为应用于变换器50的载波频率来使用的值。因此，马达M的转矩与最佳载波频率的按马达M的各转速的关系和马达M的转矩与应用于变换器50的载波频率的按马达M的各转速的关系是同义的。
如上所述，在本实施方式中，在使用具有用宽带隙半导体构成的开关元件的变换器50来作为变换器50的情况下，在马达M的转矩成为最佳载波频率为最低的转矩以上的区域中，以马达M的转矩变大时、最佳载波频率成为大致相等或者变高的方式按马达M的转速来确定马达M的转矩与最佳载波频率的关系。因此，能够考虑马达M的铁损以及铜损和变换器50内的开关损失来设定载波频率以使得马达驱动系统整体的效率提高。由此，能够对马达M进行驱动，以使得马达M的损失和变换器50的损失的合计损失变小。
在本实施方式中，以通过进行实际的测定来按马达M的转速导出马达M的转矩与最佳载波频率的关系的情况为例来进行了说明。然而，马达的转矩与最佳载波频率的关系不需要一定这样按马达M的转速来进行导出。例如，也可以使用数值解析导出通过变换器50对马达M进行了励磁时的马达驱动系统的整体损失。
另外，在本实施方式中，以在控制装置70中按马达M的转速导出马达M的转矩与最佳载波频率的关系的情况为例来进行了说明。然而，马达M的转矩与最佳载波频率的关系也可以在与控制装置70不同的信息处理装置中按马达M的转速来进行导出。例如，在使用数值解析导出通过变换器50对马达M进行了励磁时的马达驱动系统整体的损失的情况下，这样进行处理是优选的。另外，在这样的情况下，控制装置70取得在该信息处理装置中按马达M的转速来导出的马达M的转矩与最佳载波频率的关系。此时，马达M的转矩与最佳载波频率的关系既可以按马达M的转速来存储于控制装置70的内部，也可以按马达M的转速来存储于控制装置70的外部。
另外，在本实施方式中，以使用交流电源10和整流电路20生成向变换器50的输入电力的情况为例来进行了说明。然而，不需要一定这样。例如，可以使用直流电源来作为交流电源10和整流电路20的代替。进一步，所述直流电源也可以设为具有升降压功能的电源。或者，直流电源也可以设为具有蓄电功能、储存从马达M的再生电力的结构。
(第2实施方式)
接着，对第2实施方式进行说明。在第1实施方式中，以构成变换器50的开关元件是使用宽带隙半导体构成的开关元件的情况为例进行了说明。与此相对，在本实施方式中，对构成变换器50的开关元件为使用宽带隙半导体以外的半导体(具有一般的带隙的半导体)来构成的开关元件的情况进行说明。这样，本实施方式和第1实施方式主要是由构成变换器50的开关元件不同带来的结构不同。因此，在本实施方式的说明中，关于与第1实施方式相同的部分，赋予与在图1～图14中标记的标号相同的标号等，省略详细的说明。
除了使用作为具有一般的带隙的半导体之一的Si半导体元件来作为构成变换器50的开关元件的半导体元件、和将载波频率的范围设为了5kHz～40kHz之外，本发明人在与第1实施方式中说明过的相同的条件下对用于设为高效率的马达驱动系统的载波频率进行了调查。以下对其结果进行说明。
图15－1～图15－2是以表形式表示马达M的转速比率为1.00时的损失的测定结果的图。图15－1的(a)、(b)、图15－2的(a)、(b)分别是与图2－1的(a)、(b)、图2－2的(a)、(b)对应的图。图16是以坐标图形式表示图15－1和图15－2所示的综合效率比率与载波频率的关系的图。图16是与图3对应的图。图17－1和图17－2是以坐标图形式表示图15－1和图15－2所示的综合损失比率与载波频率的关系的图。图17－1的(a)、(b)、(c)、图17－2的(a)、(b)分别是与图4－1的(a)、(b)、(c)、图4－2的(a)、(b)对应的图。
图18－1～图18－3、图21－1～图21－3、图24－1～图24－3分别是以表形式表示马达M的转速比率为0.75、0.50、0.25时的损失的测定结果的图。图18－1的(a)、(b)、(c)～图18－3的(a)、(b)、(c)、图21－1的(a)、(b)、(c)～图21－3的(a)、(b)、(c)、图24－1的(a)、(b)、(c)～图24－3的(a)、(b)、(c)分别是与图5－1的(a)、(b)、(c)～图5－3的(a)、(b)、(c)、图8－1的(a)、(b)、(c)～图8－3的(a)、(b)、(c)、图11－1的(a)、(b)、(c)～图11－3的(a)、(b)、(c)对应的图。
图19、图22、图25分别是以坐标图形式表示图18－1～图18－3、图21－1～图21－3、图24－1～图24－3所示的综合效率比率与载波频率的关系的图。
图20－1～图20－3、图23－1～图23－3、图26－1～图26－3分别是以坐标图形式表示图18－1～图18－3、图21－1～图21－3、图24－1～图24－3所示的综合损失比率与载波频率的关系的图。图20－1的(a)、(b)、(c)～图20－3的(a)、(b)、(c)、图23－1的(a)、(b)、(c)～图23－3的(a)、(b)、(c)、图26－1的(a)、(b)、(c)～图26－3的(a)、(b)、(c)分别是与图7－1的(a)、(b)、(c)～图7－3的(a)、(b)、(c)、图10－1的(a)、(b)、(c)～图10－3的(a)、(b)、(c)、图13－1的(a)、(b)、(c)～图13－3的(a)、(b)、(c)对应的图。
如图17－1～图17－2、图20－1～图20－3、图23－1～图23－3以及图26－1～图26－3所示，与使用了宽带隙半导体来作为变换器50的开关元件的情况(图4－1～图4－2、图7－1～图7－3、图10－1～图10－3以及图13－1～图13－3)相比，变换器损失比率变大。这是由于使用了宽带隙半导体来作为开关元件的情况下的开关元件的开关损失比使用了宽带隙半导体以外的一般的半导体来作为开关元件的情况下的开关元件的开关损失小。存在载波频率越高、则该开关损失越大的倾向。
另外，如图16、图19、图22以及图25所示，即使对马达M的转速比率和转矩比率进行变更，最佳载波频率也为5kHz。即使使用宽带隙半导体以外的半导体来作为开关元件，如在第1实施方式中说明过的那样，在载波频率低的区域中，当载波频率变高时，铁损比率与铜损比率之和也逐渐变大，然后，接近一定的值。另一方面，如前述那样，当使用宽带隙半导体以外的半导体来作为开关元件时，与使用宽带隙半导体来作为开关元件的情况相比，变换器50的损失(以及变换器损失比率)变大，进一步，变换器50的损失(以及变换器损失比率)相对于载波频率的增加的增加量也变大(变换器50的损失(以及变换器损失比率)的增加方式成为急剧)。
根据以上，当使用宽带隙半导体以外的半导体来作为开关元件时，最佳载波频率与马达M的转速和转矩无关地成为大致相等。
此外，如在第1实施方式中说明过的那样，当使对转矩比率进行变更的间隔比图15－1～图15－2、图18－1～图18－3、图21－1～图21－3、图24－1～图24－3所示的间隔小时，由于测定的偏差等，最佳载波频率有可能增减。因此，不需要使最佳载波频率为完全相等，设为大致相等即可。
如上所述，本发明人第一次发现了如下见解：作为变换器50的开关元件，在使用宽带隙半导体以外的一般的半导体来作为开关元件的情况下，最佳载波频率与马达M的转速以及转矩无关地成为大致相等。另外，如在第1实施方式中说明过的那样，确认到了：通过在其他马达M和变换器50中也同样地进行处理，能够使马达驱动系统整体的效率最大化(使损失最小化)。
另外，对于以上的最佳载波频率，例如能够通过在图14的流程图中进行步骤S1401～S1408、S1410的处理来进行导出。在最佳载波频率根据马达M的转矩而(稍稍)不同的情况下，既可以按马达M的转速来导出那些代表值(例如平均值、最频值、中央值、最低值或者最高值)中的一个来作为最佳载波频率，也可以如在图14的流程图中说明过的那样，按马达M的转速来导出马达M的转矩与最佳载波频率的关系(与马达M的转矩以及转速无关地，最佳载波频率成为大致相等的值的关系)。无论在哪种导出方法中，与马达M的转速和转矩无关，通过载波频率设定部75按马达M的转速设定的载波频率都成为大致相等的值(例如与最佳载波频率的最低值大致相等的值)。
也即是，在本实施方式中，在实际使用工序中，载波频率设定部75与马达M的转矩和转速无关地，基于最佳载波频率成为大致相等的值的关系，按马达M的转速设定最佳载波频率来作为变换器50中的载波频率。
如上所述，在本实施方式中，作为变换器50，在使用具有用宽带隙半导体以外的半导体构成的开关元件的变换器50的情况下，与马达M的转速和转矩无关地，使载波频率为大致相等。因此，即使使用用宽带隙半导体以外的一般的半导体构成的开关元件，也能得到与在第1实施方式中说明过的同样的效果。
在本实施方式中，也能够采用在第1实施方式中说明过的各种变形例。
上述的马达M的转速比率的值不过是一个例子，本发明也可以应用于上述的马达M的转速比率的值以外的值。
此外，以上说明过的本发明的实施方式中的控制装置70的结构可以通过计算机执行程序来实现。另外，记录有所述程序的计算机可读的记录介质和所述程序等的计算机程序产品也可以作为本发明的实施方式来进行应用。作为记录介质，例如可以使用软盘、硬盘、光盘、光磁盘、CD－ROM、磁带、非易失性的存储卡、ROM等。
另外，以上说明过的本发明的实施方式都不过是对实施本发明时的具体化的例子进行了表示的实施方式，不得通过这些实施方式对本发明的技术范围进行限定性的解释。即，本发明能够以不脱离其技术思想或者其主要的特征的方式以各种各样的形态来进行实施。
标号说明
10：交流电源、20：整流电路、30：电解电容器、40：电压传感器、50：变换器、61～63：电流传感器、70：控制装置、71：施加电压运算部、72：载波产生部、73：比较部、74：PWM信号输出部、75：载波频率设定部

Claims (9)

1.一种载波频率设定方法，设定用于驱动马达的变换器中的载波频率，其特征在于，包括：
损失导出工序，分别使在所述马达中产生的转矩、所述马达的转速以及所述变换器中的载波频率不同来进行综合损失的导出，所述综合损失是使用所述变换器来使所述马达进行了驱动的情况下的所述变换器的损失与所述马达的损失之和；
载波频率导出工序，基于通过所述损失导出工序导出的所述综合损失，在多个转矩和多个转速的各个组合中，导出所述综合损失成为最小时的载波频率来作为最佳载波频率；
关系导出工序，基于通过所述载波频率导出工序导出的所述最佳载波频率，按所述马达的转速来导出所述马达的转矩与所述最佳载波频率的关系；
关系存储工序，存储通过所述关系导出工序按所述马达的转速导出的关系；以及
载波频率设定工序，在通过所述关系存储工序存储了所述关系之后，当对所述马达进行驱动时，基于该关系来设定与所述马达的转矩的指令值以及所述马达的转速的指令值相应的载波频率。
2.根据权利要求1所述的载波频率设定方法，其特征在于，
所述变换器具有使用宽带隙半导体构成的开关元件，
在所述关系导出工序中按所述马达的转速导出的所述马达的转矩与所述最佳载波频率的关系在所述马达的转矩成为与通过所述载波频率导出工序导出的所述最佳载波频率中的最低的载波频率对应的所述马达的转矩以上的范围中，具有当所述马达的转矩变大时、所述最佳载波频率变高的第1部分。
3.根据权利要求2所述的载波频率设定方法，其特征在于，
在所述关系导出工序中按所述马达的转速导出的所述马达的转矩与所述最佳载波频率的关系在所述马达的转矩成为与通过所述载波频率导出工序导出的所述最佳载波频率中的最低的载波频率对应的所述马达的转矩以下的范围中，具有当所述马达的转矩变大时、所述最佳载波频率变低的第2部分。
4.根据权利要求2或者3所述的载波频率设定方法，其特征在于，
在所述关系导出工序中按所述马达的转速导出的所述马达的转矩与所述最佳载波频率的关系仅具有一个所述马达的转矩与通过所述载波频率导出工序导出的所述马达的最佳载波频率中的最低的载波频率对应的所述马达的转矩的范围。
5.根据权利要求1所述的载波频率设定方法，其特征在于，
所述变换器具有使用宽带隙半导体以外的半导体构成的开关元件，
在所述关系导出工序中按所述马达的转速导出的所述马达的转矩与所述最佳载波频率的关系中，所述最佳载波频率与所述马达的转矩无关地为大致相等的值。
6.一种马达驱动系统，具有变换器、从所述变换器接受交流电力的供给来被进行驱动的马达以及对所述变换器的动作进行控制的控制装置，其特征在于，
所述变换器具有使用宽带隙半导体构成的开关元件，
所述控制装置具有载波频率设定单元，所述载波频率设定单元基于按所述马达的转速导出的所述马达的转矩与所述变换器中的载波频率的关系，设定所述变换器的载波频率，
按所述马达的转速导出的所述马达的转矩与载波频率的关系具有当所述马达的转矩变大时、载波频率变高的部分。
7.根据权利要求6所述的马达驱动系统，其特征在于，
按所述马达的转速导出的所述马达的转矩与载波频率的关系在所述马达的转矩成为与当所述马达的转矩变大时、载波频率变高的部分的最低的载波频率对应的所述马达的转矩以下的范围中，具有当所述马达的转矩变大时、载波频率变低的部分。
8.一种马达驱动系统，具有变换器、从所述变换器接受交流电力的供给来被进行驱动的马达以及对所述变换器的动作进行控制的控制装置，其特征在于，
所述变换器具有使用宽带隙半导体以外的半导体构成的开关元件，
所述控制装置具有载波频率设定单元，所述载波频率设定单元基于按所述马达的转速导出的所述马达的转矩与所述变换器中的载波频率的关系来设定所述变换器的载波频率，
按所述马达的转速导出的所述马达的转矩与载波频率的关系中，载波频率与所述马达的转矩无关地为大致相等的值。
9.一种载波频率设定装置，设定用于驱动马达的变换器的载波频率，其特征在于，
所述载波频率设定装置，
作为所述马达的转矩与最佳载波频率的关系，
在所述变换器具有使用宽带隙半导体构成的开关元件的情况下，按所述马达的转速导出如下关系，即在所述马达的转矩为与所述最佳载波频率成为最低值的载波频率对应的所述马达的转矩以上的范围中具有当所述马达的转矩变大时、所述最佳载波频率变高的部分，进一步在所述马达的转矩为与所述最佳载波频率成为最低值的载波频率对应的所述马达的转矩以下的范围中具有当所述马达的转矩变大时、所述最佳载波频率变低的部分，
在所述变换器具有使用所述宽带隙半导体以外的半导体构成的所述开关元件的情况下，按所述马达的转速导出如下关系，即所述最佳载波频率与所述马达的转矩无关地为大致一定值，
基于所述马达的转矩与所述最佳载波频率的关系来设定所述变换器的载波频率，
所述最佳载波频率是综合损失成为最小时的载波频率，所述综合损失是使用所述变换器使所述马达进行了驱动的情况下的所述变换器的损失与所述马达的损失之和。
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