JP2006020418A - モータ制御装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータの熱破損及び騒音発生の可能性を低減する。
【解決手段】損失低減指令部１４が、インバータ３を構成するパワー素子の全損失量Ｐｔｏｔａｌをスイッチング損失Ｐｓｗと定常損失Ｐｓａｔの和として算出し、パワー素子の全損失量Ｐｔｏｔａｌが規定値以上である場合、電源電圧Ｖｄｃの低下に伴うスイッチング損失Ｐｓｗの低下量ΔＰｓｗと定常損失Ｐｓａｔの増加量ΔＰｓａｔを算出する。そして、損失低減指令部１４が、スイッチング損失Ｐｓｗの低下量ΔＰｓｗと定常損失Ｐｓａｔの増加量ΔＰｓａｔの大小関係に応じてパワー素子の全損失量Ｐｔｏｔａｌの低減方法を切り換える。
【選択図】図２

Description

本発明は、パルス幅変調方式でインバータを駆動することにより三相交流モータに交流電流を供給するモータ制御装置及びその制御方法に関する。

従来より、インバータを構成するパワー素子のオン／オフをＰＷＭ（Pulse Wide Modulation；パルス幅変調）方式で切り換えることにより、三相交流モータ（以下、モータと略記）に交流電流を供給するモータ制御装置が知られている。このようなモータ制御装置１においては、パワー素子の全損失はスイッチング損失と定常損失の和により表され、全損失の値が大きい場合には、パワー素子が発熱し、その状態が連続するとインバータが熱破損する可能性がある。このような背景から、パワー素子の全損失を低減するために、ＰＷＭ制御の際のキャリア（スイッチング）周波数を低減する方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

ところが、一般に、ＰＷＭ制御の際のキャリア周波数は、モータの電磁共鳴音を考慮して定められており、通常、この電磁共鳴音が可聴域に入らないような高周波数に設定されている。従って、キャリア周波数を低減することによりパワー素子の全損失の低減を図る場合、従来までは、騒音が発生することを防止するために、インバータ温度とトルク指令値の組み合わせに従ってキャリア周波数を低周波に切り換えるか否かを判定している。
特開２０００−１３４９９０号公報

しかしながら、一般に、パワー素子の損失は、トルク指令値により一意に決定されるものではなく、スイッチング損失であれば駆動周波数や電源電圧、定常損失であれば相電流，力率，及び変調率に依存する。従って、従来までのように、インバータ温度とトルク指令値の組み合わせに応じてキャリア周波数を低周波に切り換えるか否かを判定した場合には、パワー素子の損失を正確に評価していないことから、インバータの熱破損や騒音が発生することがある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、インバータの熱破損及び騒音発生の可能性を低減することが可能なモータ制御装置及びその制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るモータ制御装置及びその制御方法は、パワー素子の所定時間あたりの全損失量をスイッチング損失と定常損失の和として算出し、算出された全損失量が規定値以上である場合、電源電圧を降圧することに伴うスイッチング損失の低下量及び定常損失の増加量を予測し、スイッチング損失の低下量と定常損失の増加量の大小関係に応じて全損失量の低減方法を切り換える。

本発明に係るモータ制御装置及びその制御方法によれば、スイッチング損失の低下量と定常損失の増加量の大小関係に応じてスイッチング素子の全損失量の低減方法を切り換えるので、インバータの熱破損及び騒音発生の可能性を低減することができる。

本発明では、インバータの電源電圧を降圧する、若しくは、スイッチング周波数を低減することにより、パワー素子の全損失量を低減し、インバータの熱破損の可能性を低減させる。但し、一般に、電源電圧を降圧すると、パワー素子のスイッチング損失は減少するが、弱め界磁の必要な回転領域ではトルクを維持するために界磁電流を増加させる必要があることから、パワー素子の定常損失は増加する。一方、キャリア周波数を低減すると、パワー素子のスイッチング損失は減少するが、比例積分制御において同じ電流フィードバックゲインで制御できるモータ回転数が低下すると共に、キャリア周波数が可聴域に入った場合には騒音が生じてしまう。そこで、本発明の実施形態となるモータ制御装置は、以下に示すように動作することにより、インバータの熱破損及び騒音発生の双方の可能性を低減する。以下、図面を参照して、本発明の実施形態となるモータ制御装置の構成と動作について説明する。

〔モータ制御装置の構成〕
本発明の実施形態となるモータ制御装置１は、図１に示すように、車両を駆動する三相交流モータ（モータ）２と、インバータ（ＩＮＶ）３と、θ，ω演算部４と、３相→２相変換部５と、損失低減制御部６と、電圧昇降圧部７と、電流ＰＩ演算部８と、２相→３相変換部９とを主な構成要素として備える。

上記インバータ３は、電圧昇降圧部７の正極又は負極を選択し、選択した電極をモータ２のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各電極に接続する複数のパワー素子を備える。そして、インバータ３は、２相→３相変換部９から入力される電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に従って複数のパワー素子のオン／オフをＰＷＭ方式で切り換えることにより、電圧昇降圧部７の直流電圧を交流電圧に変換し、モータ２に三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを供給する。

上記θ，ω演算部４は、モータ２の回転角度θを演算すると共に、演算された回転角度θを利用してモータ２の回転速度ωｒｅを算出する。そして、θ，ω演算部４は、算出した回転角度θ及び回転速度ωｒｅをそれぞれ、３相→２相変換部５，２相→３相変換部９及び損失低減制御部６に入力する。上記３相→２相変換部５は、θ，ω演算部４から入力されたモータ２の回転角度θに基づいてモータ２の実電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗをｄ軸とｑ軸の実電流Ｉｄ，Ｉｑに変換し、電流ＰＩ演算部８に入力する。

上記損失低減制御部６は、図２に示すように、トルク指令調整部１１と、電源電圧−指令電流演算部１２と、損失演算部１３と、損失低減指令部１４と、キャリア周波数低減部１５とを備え、トルク指令値Ｔ＊’とモータ２の回転速度ωｒｅに従って、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を生成すると共に、電源電圧値Ｖｄｃ，キャリア周波数ｆｃ，及びトルク指令値Ｔ＊’を制御する。なお、この損失低減制御部６内の各部分の機能（動作）については後述する。

上記電圧昇降圧部７は、損失低減制御部６から入力された電圧指令値Ｖｄｃ＊に従ってインバータ３に供給する電源電圧（直流電圧）Ｖｄｃの大きさを調整する。なお、この実施形態では、電圧昇降圧部８は、モータ２やインバータ３の性能保証電圧下限まで電源電圧Ｖｄｃを降圧可能であるとする。

上記電流ＰＩ制御部８は、ｄ軸とｑ軸の実電流Ｉｄ，Ｉｑをそれぞれ損失低減制御部６から入力されたｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に一致させるようにＰＩ演算を行うことによりｄ軸とｑ軸の電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を生成し、２相→３相変換部９に入力する。上記２相→３相変換部９は、θ，ω演算部４が算出したモータの回転角度θに基づいて、電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を３相電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換し、インバータ３に入力する。

このような構成を有するモータ制御装置１では、損失低減制御部６が以下に示す損失制御処理を実行することにより、インバータの熱破損及び騒音発生の双方の可能性を低減する。以下、図３に示すフローチャートを参照して、損失制御処理を実行する際の損失低減制御部６の動作について詳しく説明する。

〔損失低減処理〕
図３に示すフローチャートは、車両のアクセルペダルがオン状態になるのに応じて開始となり、損失低減処理はステップＳ１の処理に進む。

ステップＳ１の処理では、トルク指令調整部１１が、エンジンコントローラ等の外部装置から入力されたトルク指令値Ｔ＊’からトルク指令値Ｔ＊を生成し、電源電圧−指令電流演算部１２が、トルク指令値Ｔ＊，電源電圧値Ｖｄｃ，及びモータ２の回転速度ωｒｅに基づいてｄ軸及びｑ軸の電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊を算出する。そして、電源電圧−指令電流演算部１２は、算出したｄ軸及びｑ軸の電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊を損失演算部１３に入力する。なお、詳しくは後述するが、損失低減指令部１４からトルク制限指令値Ｔ＊＿ｌｉｍが入力された場合には、トルク指令調整部１１は、トルク制限指令値Ｔ＊＿ｌｉｍに従ってトルク指令値Ｔ＊を生成する。これにより、このステップＳ１の処理は完了し、損失低減処理はステップＳ１の処理からステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、損失演算部１３が、ｄ軸及びｑ軸の電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊と電源電圧値Ｖｄｃを利用して、パワー素子のスイッチング損失Ｐｓｗ，定常損失Ｐｓａｔ，電源電圧値Ｖｄｃの降圧に伴うスイッチング損失Ｐｓｗの低下量ΔＰｓｗ，及び電源電圧Ｖｄｃの降圧に伴う定常損失Ｐｓａｔの増加量ΔＰｓａｔを算出し、損失低減指令部１４に入力する。これにより、このステップＳ２の処理は完了し、損失低減処理はステップＳ２の処理からステップＳ３の処理に進む。

なお、この実施形態では、損失演算部３は、図４に示す領域Ａ１，Ａ２，Ａ３の面積をそれぞれ、１パルスあたりのパワー素子オン時のスイッチング損失，定常損失，及びパワー素子オフ時のスイッチング損失とし、以下に示す数式１，２のように、ｎパルスあたり（図５参照）、つまり所定時間Ｔあたり（例えば交流電流の１／２周期あたり）のパワーオン時のスイッチング損失とパワー素子オフ時のスイッチング損失の和をパワー素子のスイッチング損失Ｐｓｗとして算出する。

また、この実施形態では、損失演算部３は、図６に示すように、パワー素子オン時及びパワー素子オフ時のコレクタ電流Ｉｃ１，Ｉｃ２と、パワー素子オン時の定常状態におけるコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ）と、パワー素子のオン時間ｔｗとを以下に示す数式３に代入し、数式４を用いて、パワー素子のｎパルスあたり（図５参照）、つまり所定時間Ｔあたり（例えば交流電流の１／２周期あたり）の定常損失Ｐｓａｔを算出する。

ステップＳ３の処理では、損失低減指令部１４が、パワー素子のスイッチング損失Ｐｓｗと定常損失Ｐｓａｔを以下に示す数式５に代入することによりパワー素子のｎパルスあたり（すなわち、所定時間Ｔあたり）の全損失Ｐｔｏｔａｌを算出し、全損失が規定値以上であるか否かを判別する。そして、判別の結果、全損失が規定値以上でない場合、損失低減指令部１４は、インバータ３の熱破損の可能性はないと判断し、一連の損失低減処理を終了する。一方、全損失が規定値以上である場合には、損失低減指令部１４は損失低減処理をステップＳ４の処理に進める。

なお、以下では、特に断りがない限り、スイッチング損失Ｐｓｗ及び定常損失Ｐｓａｔは、図５に示すように、１パルスあたりのスイッチング損失Ｅｓｗ及び定常損失Ｅｓａｔの所定パルス数（所定時間）あたりの合計を表すものとし、全損失Ｐｔｏｔａｌは、所定パルス数（所定時間）あたりの全損失を表すものとする。

ステップＳ４の処理では、損失低減指令部１４が、電源電圧Ｖｄｃの降圧に伴うスイッチング損失Ｐｓｗの低下量ΔＰｓｗ及び定常損失Ｐｓａｔの増加量ΔＰｓａｔの大小関係を判別し、低下量ΔＰｓｗが増加量ΔＰｓａｔより大きい場合、損失低減指令部１４は損失低減処理をステップＳ５の処理に進める。一方、低下量ΔＰｓｗが増加量ΔＰｓａｔより小さい場合には、損失低減指令部１４は損失低減処理をステップＳ７の処理に進める。なお、低下量ΔＰｓｗと増加量ΔＰｓａｔが同じである場合には、損失低減指令部１４はステップＳ５の処理とステップＳ７の処理のどちらの処理に損失低減処理を進めてもよい。

ステップＳ５の処理では、損失低減指令部１４は、現在の電源電圧Ｖｄｃがモータ２やインバータ３の性能保証電圧下限以上であるか否かを判別することにより、電源電圧Ｖｄｃを降圧可能であるか否かを判断する。そして、電源電圧Ｖｄｃが降圧可能でない場合、損失低減指令部１４は損失低減処理をステップＳ７の処理に進める。一方、電源電圧Ｖｄｃが降圧可能である場合には、損失低減指令部１４は損失低減処理をステップＳ６の処理に進める。

ステップＳ６の処理では、損失低減指令部１４が、電源電圧値Ｖｄｃを降圧することを指示する電圧指令値Ｖｄｃ＊を電圧昇降圧部７に入力することにより、電源電圧Ｖｄｃを降圧させ、パワー素子の全損失Ｐｔｏｔａｌを低減させる。これにより、このステップＳ６の処理は完了し、損失低減処理はステップＳ６の処理からステップＳ１の処理に戻る。

ステップＳ７の処理では、損失低減指令部１４が、現在のモータ２の回転速度ωｒｅに対するキャリア周波数ｆｃの下限値を算出する。なお、モータ２の回転数ωｒｅに対するキャリア周波数の下限値は、キャリア周波数が可聴域に入るか否かに基づいて予め実験により求められ、損失低減指令部１４がテーブルとして保持しているものとする。これにより、このステップＳ７の処理は完了し、損失低減処理はステップＳ７の処理からステップＳ８の処理に進む。

ステップＳ８の処理では、損失低減指令部１４が、現在のキャリア周波数ｆｃがステップＳ７の処理により算出された下限値以上であるか否かを判別することにより、キャリア周波数を低減可能であるか否かを判断する。そして、キャリア周波数ｆｃが低減可能でない場合、損失低減指令部１４は損失低減処理をステップＳ９の処理に進める。一方、キャリア周波数ｆｃが低減可能である場合には、損失低減指令部１４は損失低減処理をステップＳ１０の処理に進める。

ステップＳ９の処理では、損失低減指令部１４が、トルク出力を制限することを指示するトルク制限値Ｔ＊＿ｌｉｍをトルク指令調整部１１に入力し、トルク指令調整部１１にトルク指令値Ｔ＊’を変更させることにより、モータ２のトルク出力を制限し、パワー素子の全損失Ｐｔｏｔａｌを低減させる。これにより、このステップＳ９の処理は完了し、損失低減処理はステップＳ９の処理からステップＳ１の処理に戻る。

ステップＳ１０の処理では、損失低減指令部１４が、キャリア周波数ｆｃを低減することを指示するキャリア周波数指令値ｆｃ＊をキャリア周波数低減部１５に入力し、キャリア周波数低減部１５にキャリア周波数ｆｃを低減させることにより、パワー素子の全損失Ｐｔｏｔａｌを低減させる。これにより、このステップＳ１０の処理は完了し、損失低減処理はステップＳ１０の処理からステップＳ１の処理に戻る。

なお、本実施形態においては、スイッチング損失Ｐｓｗ，定常損失Ｐｓａｔ，及び全損失Ｐｔｏｔａｌは、交流電流の１／２周期あたりの損失であるとしたが、これに限らず、任意の時間あたりの損失であってもよい。但し、交流電流の１／２周期以上の時間あたりの損失であることが望ましい。

以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態となるモータ制御装置１によれば、損失低減指令部１４が、インバータ３を構成するパワー素子の全損失量Ｐｔｏｔａｌをスイッチング損失Ｐｓｗと定常損失Ｐｓａｔの和として算出し、パワー素子の全損失量Ｐｔｏｔａｌが規定値以上である場合、電源電圧Ｖｄｃの低下に伴うスイッチング損失Ｐｓｗの低下量ΔＰｓｗと定常損失Ｐｓａｔの増加量ΔＰｓａｔを算出し、スイッチング損失Ｐｓｗの低下量ΔＰｓｗと定常損失Ｐｓａｔの増加量ΔＰｓａｔの大小関係に応じて全損失量Ｐｔｏｔａｌの低減方法を切り換える。これにより、キャリア周波数を一律に低減させることによりインバータの熱破損を防止する従来までの方法と比較して、騒音発生の可能性を低減することができる。また、キャリア周波数と電源電圧の最適化を図ることができるので、インバータ３の発熱量を抑えつつ、同一トルクで制御可能な範囲を拡大することができる。

また、本発明の実施形態となるモータ制御装置１によれば、スイッチング損失Ｐｓｗの低下量ΔＰｓｗが定常損失Ｐｓａｔの増加量ΔＰｓａｔより大きい場合、損失低減指令部１４が、現在の電源電圧Ｖｄｃが降圧可能であるか否かを判別し、電源電圧Ｖｄｃが降圧可能である場合、電源電圧Ｖｄｃを降圧することによりパワー素子の全損失量Ｐｔｏｔａｌを減少させるので、インバータ３の熱破損を防止することできる。

また、本発明の実施形態となるモータ制御装置１によれば、スイッチング損失Ｐｓｗの低下量ΔＰｓｗが定常損失Ｐｓａｔの増加量ΔＰｓａｔより小さいと予測される場合、損失低減指令部１４が、現在の三相交流モータの回転数ωｒｅに対するキャリア周波数ｆｃの下限値を算出し、現在のキャリア周波数ｆｃが算出された下限値より大きいか否かを判別し、現在のキャリア周波数ｆｃが算出された下限値より大きい場合、現在のキャリア周波数ｆｃを低減することによりパワー素子の全損失量Ｐｔｏｔａｌを低減するので、インバータ３の熱破損を防止することができる。

さらに、本発明の実施形態となるモータ制御装置１によれば、現在のキャリア周波数ｆｃが算出された下限値より小さい場合、損失低減指令部１４が、三相交流モータのトルク出力を制限することにより損失量を低減するので、騒音を発生させることなく、インバータ３の熱破損を防止することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の実施形態となるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す損失低減制御部の内部構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態となる損失低減処理の流れを示すフローチャート図である。 インバータを構成するパワー素子のスイッチング損失の算出方法を説明するための図である。 インバータを構成するパワー素子のスイッチング損失及び定常損失の算出方法を説明するための図である。 インバータを構成するパワー素子の定常損失の算出方法を説明するための図である。

符号の説明

１：モータ制御装置
２：三相交流モータ（モータ）
３：インバータ（ＩＮＶ）
４：θ，ω演算部
５：３相→２相変換部
６：損失低減制御部
７：電圧昇降圧部
８：電流ＰＩ演算部
９：２相→３相変換部
１１：トルク指令調整部
１２：電源電圧−指令電流演算部
１３：損失演算部
１４：損失低減指令部
１５：キャリア周波数低減部

Claims (5)

1. インバータを構成する複数のパワー素子のオン／オフをパルス幅変調方式で切り換えることにより、電源電圧から三相交流モータに供給する交流電流を生成するモータ制御装置であって、
   前記パワー素子の所定時間あたりの全損失量をスイッチング損失と定常損失の和として算出し、当該全損失量が規定値以上である場合、前記電源電圧の降圧に伴うスイッチング損失の低下量及び定常損失の増加量を予測し、スイッチング損失の低下量と定常損失の増加量の大小関係に応じて全損失量の低減方法を切り換える損失低減指令部を備えること
   を特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、
   前記損失低減指令部は、スイッチング損失の低下量が定常損失の増加量より大きいと予測される場合、電源電圧が降圧可能であるか否かを判別し、電源電圧が降圧可能である場合、電源電圧を降圧することにより前記全損失量を低減させることを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のモータ制御装置であって、
   前記損失低減指令部は、スイッチング損失の低下量が定常損失の増加量より小さいと予測される場合、三相交流モータの回転数に対するキャリア周波数の下限値を算出し、現在のキャリア周波数が算出された下限値より大きいか否かを判別し、現在のキャリア周波数が算出された下限値より大きい場合、キャリア周波数を低減することにより前記全損失量を低減することを特徴とするモータ制御装置。
4. 請求項３に記載のモータ制御装置であって、
   前記損失低減指令部は、現在のキャリア周波数が算出された下限値より小さい場合、三相交流モータのトルク出力を制限することにより前記全損失量を低減することを特徴とするモータ制御装置。
5. インバータを構成する複数のパワー素子のオン／オフをパルス幅変調方式で切り換えることにより、電源電圧から三相交流モータに供給する交流電流を生成するモータ制御装置の制御方法であって、
   前記パワー素子の所定時間あたりの全損失量をスイッチング損失と定常損失の和として算出するステップと、
   前記全損失量が規定値以上である場合、前記電源電圧の降圧に伴うスイッチング損失の低下量及び定常損失の増加量を予測するステップと、
   前記スイッチング損失の低下量と定常損失の増加量の大小関係に応じて前記全損失量の低減方法を切り換えるステップと
   を有することを特徴とするモータ制御装置の制御方法。

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