JP2008099475A - Power conversion device and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両に搭載されるモータに使用される電力変換装置および電力変換方法に関する。 The present invention relates to a power conversion device and a power conversion method used for a motor mounted on a vehicle.
従来、4つのスイッチをHブリッジ状に構成し、それらのスイッチを開閉させることで、直流電源からモータに印加される電流の大きさと向きをPWM制御して、所望のモータ回転力を実現する電流駆動ステッピングモータ制御装置が知られている。このステッピングモータ制御装置は、4つのスイッチの開閉によって発生するEMIノイズスペクトルを低減するために、PWM制御における搬送波周波数を周期的に正弦波状に変化させている。これにより、EMIノイズスペクトルにおいて、EMIノイズを広周波数帯域で拡散させることができ、EMIノイズスペクトルのピークレベルを低減している。このようにして、ラジオ受信や他の電子機器への障害を抑制するというものである。
しかしながら、上記のステッピングモータ制御装置は、デジタル制御により搬送波周波数を周期的に正弦波状に変化させているので、搬送波周波数の値は離散的な値しか取れないといった問題があった。搬送波周波数の値が離散的になると、搬送波周波数の値のm次高調波(m:整数)の周波数と、搬送波周波数の他の値のmq次高調波(mq:整数、q:1、2、・・、r)の周波数とが重畳する。上記m次高調波の周波数と上記mq次高調波の周波数とが重畳すると、上記m次高調波の周波数に対するノイズレベルの高いスペクトル成分と、上記mq次高調波の周波数に対するノイズレベルの高いスペクトル成分とが重畳するので、当該重畳した周波数に更に高いノイズレベルを有するスペクトル成分が形成され、ノイズスペクトルを平坦化できないといった問題があった。 However, since the above stepping motor control device periodically changes the carrier frequency into a sine wave by digital control, there is a problem that the carrier frequency can take only discrete values. When the value of the carrier frequency becomes discrete, the frequency of the m-th harmonic (m: integer) of the value of the carrier frequency and the mq-order harmonic of other values of the carrier frequency (mq: integer, q: 1, 2, .., and the frequency of r) are superimposed. When the frequency of the mth harmonic and the frequency of the mq harmonic are superimposed, a spectral component having a high noise level with respect to the frequency of the mth harmonic and a spectral component having a high noise level with respect to the frequency of the mq harmonic. Are superimposed on each other, a spectrum component having a higher noise level is formed at the superimposed frequency, and the noise spectrum cannot be flattened.
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、所望の周波数帯域におけるノイズスペクトルを平坦化することができる電力変換装置および電力変換方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these problems, and an object thereof is to provide a power conversion device and a power conversion method capable of flattening a noise spectrum in a desired frequency band.
上記目的達成のため、本発明に係る電力変換装置では、入力される電力を所望の形態に変換する開閉手段を開閉するための制御信号を生成するために出力する搬送波の周波数を、デジタル制御により離散的かつ周期的に時間変化させる搬送波周波数変化手段は、前記搬送波の周波数の値におけるm次高調波(m:整数)の周波数と、前記搬送波の周波数の他の値におけるmq次高調波(mq:整数、q:1、2、・・、r)の周波数とが、所望の周波数帯域内で重畳しないように、前記搬送波の周波数の各値を選択することを特徴としている。 To achieve the above object, in the power conversion device according to the present invention, the frequency of the carrier wave output for generating the control signal for opening and closing the opening / closing means for converting the input power into a desired form is digitally controlled. The carrier frequency changing means for changing time discretely and periodically includes the m-th harmonic (m: integer) frequency in the carrier frequency value and the mq-order harmonic (mq) in other values of the carrier frequency. : Integer, q: 1, 2,..., R) are selected such that each value of the frequency of the carrier wave is selected so as not to overlap within a desired frequency band.
本発明により、搬送波の周波数の値におけるm次高調波の周波数と、搬送波の周波数の他の値におけるmq次高調波の周波数とが、所望の周波数帯域内で重畳しないので、所望の周波数帯域におけるノイズスペクトルを平坦化することができる。 According to the present invention, the frequency of the m-th harmonic in the value of the carrier frequency and the frequency of the mq-order harmonic in the other values of the carrier frequency are not superimposed in the desired frequency band. The noise spectrum can be flattened.
本発明に係る電力変換装置の一例として、直流電源の出力をPWM変調することにより正弦波状の交流電力をモータに供給するインバータを備えるインバータシステムについて説明する。以下に、本発明の第1乃至第4の実施形態に係るインバータシステムについて、図1乃至図7を参照して説明する。 As an example of a power converter according to the present invention, an inverter system including an inverter that supplies sinusoidal AC power to a motor by PWM-modulating the output of a DC power supply will be described. Hereinafter, inverter systems according to first to fourth embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態となる電力変換装置1および電力変換装置1に用いられる電力変換方法を、図1乃至図5を参照して説明する。
(First embodiment)
A
(電力変換装置の構成)
以下、図1を参照して、インバータシステム1の構成と動作について説明する。図1は、本発明の第1の実施形態となるインバータシステム1の構成を示す図である。電力変換装置1であるインバータシステム1は、図1に示すように、PWMインバータ2、三相ブラシレス直流モータ(以下、モータとする。)3、電流センサ4a、4b、4cを含む電流検出部4、演算装置(以下、CPUとする。)を内蔵する制御手段である制御装置10、電池BおよびコンデンサCを主な構成要素として備える。また、制御装置10は、電流指令生成部5、PID制御部6a、6b、6c、搬送波出力手段であるキャリア信号生成部7、制御信号生成手段である比較器8a、8b、8cおよび搬送波周波数変化手段であるキャリア周波数生成部9を主な構成要素として備える。上記PWMインバータ2は、比較器8a、8b、8cの制御に従って電池BおよびコンデンサCから成る直流電源の正極又は負極を選択し、選択した電極をモータ3のU相、V相、W相の各電極に接続する6個の開閉手段であるスイッチング素子Tu+、Tu−、Tv+、Tv−、Tw+、Tw−を備え、これらのスイッチング素子はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体素子により構成されている。
(Configuration of power converter)
Hereinafter, the configuration and operation of the
上記電流センサ4a、4b、4cはそれぞれ、PWMインバータ2からモータ3に供給されるU相、V相、W相の電流値を検出し、上記電流指令生成部5は、電流センサ4a、4b、4cの電流検出値が正弦波状の交流電流に変換されるように、正弦波状の電流指令値を生成する。上記PID制御部6a、6b、6cは、電流センサ4a、4b、4cの電流検出値が、電流指令生成部5が生成した電流指令値に従うように、電流センサ4a、4b、4cの電流検出値をPID制御する。
The
また、キャリア周波数生成部9は、キャリア信号生成部7で生成されたキャリア信号の周波数(以下、キャリア周波数とする。)fc(後述する図2参照)を変化させる。そして、キャリア信号生成部7は、キャリア周波数fcを有する三角波状のキャリア信号を比較器8a、8b、8cに出力する。
The carrier
上記比較器8a、8b、8cは、PID制御部6a、6b、6cの出力値と三角波状のキャリア信号の大小関係を比較し、その大小関係に応じてPWMインバータ2のスイッチング素子Tu+、Tu−、Tv+、Tv−、Tw+、Tw−のオン/オフを制御する信号をPWMインバータ2に入力する。U相のスイッチング素子Tu+、Tu−の制御を例として比較器8aの動作を具体的に説明すれば、比較器8aは、PID制御部6aの出力値が三角波状のキャリア信号よりも大きい場合、Tu+、Tu−をそれぞれオン状態およびオフ状態に制御することにより正の電圧をモータ3のU相に印加し、逆にPID制御部の出力値6aが三角波状のキャリア信号よりも小さい場合には、Tu+、Tu−をそれぞれオフ状態およびオン状態に制御することにより、負の電圧をモータ3のU相に印加する。
The
(キャリア周波数の時間変化)
ここで、本発明の第1の実施形態に係るキャリア周波数fcの時間変化について、説明する。図2は、デジタル制御におけるキャリア周波数fcの正弦波状の時間変化を示す図である。なお、図2では、キャリア周波数fcの正弦波状の時間変化の1周期(以下、1変調周期とする。)を示している。
(Time change of carrier frequency)
Here, the time change of the carrier frequency fc according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a diagram illustrating a sine wave-like time change of the carrier frequency fc in digital control. Note that FIG. 2 shows one cycle of a sine wave-like time change of the carrier frequency fc (hereinafter referred to as one modulation cycle).
ここで、一般に、スイッチング素子の開閉によって発生するEMIノイズは、キャリア信号の所定の周波数fcのm次高調波(m:整数)の周波数m×fcに対して、ノイズレベルの高いスペクトル成分を有している。そこで、キャリア周波数fcを時間変化させることで、所定のキャリア周波数fcのm次高調波の周波数m×fcに発生していたノイズレベルの高いスペクトル成分を、キャリア周波数fcの時間変化の周波数帯域(例えば、図2ではfc1〜fcN)のm次高調波の周波数帯域(例えば、図2ではm×fc1〜m×fcN)で拡散させて、EMIノイズスペクトルを平坦化し、ピークレベルを低減させている。しかし、デジタル制御におけるキャリア周波数fcの時間変化は、図2に示すように、fc1、・・、fcNの離散的な値しか用いることができない。また、キャリア周波数fcを時間変化させても、スイッチング回数/時間の平均値が変化しないことから、上記の周波数帯域fc1、・・、fcNのm次高調波の周波数m×fc1、・・、m×fcNに発生するノイズレベルの合計、すなわち、EMIノイズのエネルギの合計は変化しない。そのため、上記のEMIノイズのエネルギは、上記のm次高調波の周波数帯域m×fc1〜m×fcNで十分に拡散されず、キャリア周波数fcの離散的な値fc1・・fcNのm次高調波の周波数、すなわち、m×fc1、・・、m×fcNに集中する。よって、キャリア周波数fcの離散的な値fc1、・・、fcNのm次高調波の周波数m×fc1、・・、m×fcNに対するノイズレベルは、キャリア周波数fcを時間変化させない場合に、所定のキャリア周波数fcのm次高調波の周波数m×fcに発生していたノイズレベルを離散的な値で分散したレベルに等しくなる。 Here, in general, the EMI noise generated by opening and closing of the switching element has a spectral component having a high noise level with respect to the frequency m × fc of the m-th harmonic (m: integer) of the predetermined frequency fc of the carrier signal. is doing. Therefore, by changing the carrier frequency fc with time, the spectral component having a high noise level generated at the m-order harmonic frequency m × fc of the predetermined carrier frequency fc is changed to a frequency band (time change of the carrier frequency fc). For example, the EMI noise spectrum is flattened and the peak level is reduced by spreading in the frequency band (for example, m × fc1 to m × fcN in FIG. 2) of m-order harmonics of fc1 to fcN in FIG. . However, as the time change of the carrier frequency fc in the digital control, only discrete values of fc1,..., FcN can be used as shown in FIG. Further, even if the carrier frequency fc is changed with time, the average value of the number of times of switching / time does not change. Therefore, the frequency m × fc1,..., M of the m-th harmonic of the frequency band fc1,. The total noise level generated in xfcN, that is, the total energy of EMI noise does not change. Therefore, the energy of the EMI noise is not sufficiently diffused in the frequency band m × fc1 to m × fcN of the m-th harmonic, and the m-th harmonic of the discrete value fc1 ·· fcN of the carrier frequency fc. , That is, m × fc1,..., M × fcN. Therefore, the noise level with respect to the m-th harmonic frequency m × fc1,..., M × fcN of the discrete values fc1,..., FcN of the carrier frequency fc is predetermined when the carrier frequency fc is not changed over time. The noise level generated at the m-th harmonic frequency m × fc of the carrier frequency fc is equal to a level obtained by dispersing discrete values.
また、キャリア周波数fcを離散的な値で時間変化させた場合、キャリア周波数fcのある値(例えば、fc1)のm次高調波の周波数(例えば、m1×fc1)と、キャリア周波数fcの他の値(例えば、fc2、・・、fcN)のmq次高調波(mq:整数、q:1、2、・・、r)の周波数(例えば、m2×fc2、・・、mN×fcN)とが重畳する場合もある。上記のm次高調波の周波数(例えば、m1×fc1)と上記mq次高調波の周波数(例えば、m2×fc2、・・、mN×fcN)とが重畳すると、上記m次高調波の周波数(例えば、m1×fc1)に対するノイズレベルの高いスペクトル成分と、上記mq次高調波の周波数(例えば、m2×fc2、・・、mN×fcN)に対するノイズレベルの高いスペクトル成分とが重畳し、更に高いノイズレベルを有するスペクトル成分が形成されるので、ノイズスペクトルを平坦化することができない。そこで、本発明の第1の実施形態では、後述するように、キャリア周波数fcを離散的な値fc11、fc12およびfc13で時間変化させた場合、離散的な値fc11(図5参照)のm11次高調波の周波数m11×fc11と、他の値fc12(図5参照)のm12次高調波の周波数m12×fc12および他の値fc13(図5参照)のm13次高調波の周波数m13×fc13とが、制御装置10に内蔵されたCPUのクロック周波数F(図3参照)より低い周波数で重畳しないように、各値fc11、fc12およびfc13を選択している。
In addition, when the carrier frequency fc is changed with a discrete value over time, the m-th harmonic frequency (for example, m1 × fc1) of a certain value (for example, fc1) of the carrier frequency fc and other carrier frequencies fc The frequency (eg, m2 × fc2,..., MN × fcN) of the mq order harmonic (mq: integer, q: 1, 2,..., R) of the value (eg, fc2,..., FcN) There are also cases where they overlap. When the m-order harmonic frequency (for example, m1 × fc1) and the mq-order harmonic frequency (for example, m2 × fc2,..., MN × fcN) are superimposed, the m-order harmonic frequency ( For example, a spectral component having a high noise level with respect to m1 × fc1) and a spectral component having a high noise level with respect to the frequency of the mq-order harmonics (for example, m2 × fc2,..., MN × fcN) are superimposed and further increased. Since a spectral component having a noise level is formed, the noise spectrum cannot be flattened. Therefore, in the first embodiment of the present invention, as will be described later, when the carrier frequency fc is changed with time by the discrete values fc11, fc12, and fc13, the m11th order of the discrete value fc11 (see FIG. 5). The harmonic frequency m11 × fc11, the m12th harmonic frequency m12 × fc12 of another value fc12 (see FIG. 5), and the m13th harmonic frequency m13 × fc13 of another value fc13 (see FIG. 5). The values fc11, fc12, and fc13 are selected so that they are not superimposed at a frequency lower than the clock frequency F (see FIG. 3) of the CPU built in the
(キャリア周波数とクロック周波数との関係)
ここで、キャリア周波数fcとクロック周波数Fとの関係について説明する。上記キャリア信号の周期(以下、キャリア周期とする。)Tcは、CPUのクロック周期Δtの整数倍になることが知られている。なお、キャリア周期Tcの逆数は、キャリア周波数fcとなる。同様に、クロック周期Δtの逆数は、クロック周波数Fとなる。また、デジタル制御においては、図2に示したように、キャリア周波数fcの時間変化は、離散的な値しか用いることができないので、キャリア周期Tcも同様に離散的な値しか用いることができない。そこで、キャリア周期Tcの離散的な値Tci(i=1、2、・・、N)は、クロック周期Δtを使用して、
Tc1=K1×Δt
Tc2=K2×Δt
Tc3=K3×Δt
・
・
・
TcN−1=KN−1×Δt
TcN =KN×Δt
で表すことができる。ここで、Kiは整数値である。これより、キャリア周波数fcの離散的な値fciは、キャリア周期Tciの逆数より、
fci=1/Tci=1/(Ki×Δt)
=(1/Ki)×(1/Δt)
=(1/Ki)×F
で表すことができる。上記の関係式から、キャリア周波数fcの離散的な値fciをKi倍した値、すなわち、Ki次高調波の周波数Ki×Fciは、必ず、CPUのクロック周波数Fに等しくなる。これは、キャリア周波数fcの離散的な各値fciをどのような値に選択しても、キャリア周波数fcの離散的な各値fciにおけるKi次高調波の周波数Ki×fci=Fに対するノイズレベルの高いスペクトル成分が、クロック周波数Fで必ず重畳することを示している。なお、CPUのクロック周波数Fは、CPUの性能で一意に決まっており、任意の値に変更することは現実的でない。また、キャリア周波数fcの離散的な値fciの選択によっては、離散的な各値fciにおけるmq次高調波の周波数mq×fciに対するノイズレベルの高いスペクトル成分が、クロック周波数Fより低い周波数で重畳する場合もある。
(Relationship between carrier frequency and clock frequency)
Here, the relationship between the carrier frequency fc and the clock frequency F will be described. It is known that the cycle of the carrier signal (hereinafter referred to as carrier cycle) Tc is an integral multiple of the CPU clock cycle Δt. Note that the reciprocal of the carrier period Tc is the carrier frequency fc. Similarly, the reciprocal of the clock period Δt is the clock frequency F. Further, in the digital control, as shown in FIG. 2, since only a discrete value can be used for the time change of the carrier frequency fc, only a discrete value can be used for the carrier cycle Tc as well. Therefore, the discrete value Tci (i = 1, 2,..., N) of the carrier period Tc is obtained by using the clock period Δt,
Tc1 = K1 × Δt
Tc2 = K2 × Δt
Tc3 = K3 × Δt
・
・
・
TcN-1 = KN-1 * [Delta] t
TcN = KN × Δt
Can be expressed as Here, Ki is an integer value. From this, the discrete value fci of the carrier frequency fc is the reciprocal of the carrier period Tci,
fci = 1 / Tci = 1 / (Ki × Δt)
= (1 / Ki) × (1 / Δt)
= (1 / Ki) x F
Can be expressed as From the above relational expression, the value obtained by multiplying the discrete value fci of the carrier frequency fc by Ki, that is, the frequency Ki × Fci of the Ki-order harmonic is always equal to the clock frequency F of the CPU. This means that no matter what value each discrete value fci of the carrier frequency fc is selected, the noise level of the Ki-order harmonic frequency Ki × fci = F at each discrete value fci of the carrier frequency fc It shows that high spectral components are necessarily superimposed at the clock frequency F. Note that the CPU clock frequency F is uniquely determined by the CPU performance, and it is not realistic to change it to an arbitrary value. Further, depending on the selection of the discrete value fci of the carrier frequency fc, a spectral component having a high noise level with respect to the mq-order harmonic frequency mq × fci at each discrete value fci is superimposed at a frequency lower than the clock frequency F. In some cases.
以下、具体的に説明すると、例えば、AM帯域(531kHz〜1602kHz)に、キャリア周波数fcの離散的な各値fciにおけるmq次高調波の周波数mq×fciに対するノイズレベルの高いスペクトル成分を重畳させたくない場合、まず、クロック周波数FがAM帯域外となるように、CPUを選択する必要がある。更に、クロック周波数FがAM帯域外、例えば、2MHz(Δt=500nsec)のCPUを選択しても、キャリア周波数fcの離散的な値fc1、fc2およびfc3の3つの値を、
fc1=18.52kHz=1/(500nsec×108)=1/(Δt×K1)
fc2=20.00kHz=1/(500nsec×100)=1/(Δt×K2)
fc3=21.74kHz=1/(500nsec×92)=1/(Δt×K3)
と選択した場合、離散的な値fc1、fc2およびfc3は、
fc1=1/(500nsec×4×27)=1/(2μsec×m1)
fc2=1/(500nsec×4×25)=1/(2μsec×m2)
fc3=1/(500nsec×4×23)=1/(2μsec×m3)
と表すことができる。すなわち、クロック周期2μsec、クロック周波数1/2μsec=500kHzのCPUを選択した場合と同様に、離散的な値fc1におけるm1=27次高調波の周波数27×fc1に対するノイズレベルの高いスペクトル成分、離散的な値fc2におけるm2=25次高調波の周波数25×fc2に対するノイズレベルの高いスペクトル成分および離散的な値fc3におけるm3=23次高調波の周波数23×fc3に対するノイズレベルの高いスペクトル成分が、500kHzの整数倍の周波数で重畳する。したがって、上記のスペクトル成分が、クロック周波数F=2MHzより低い周波数500kHz、1000kHz、1500kHzで重畳する。よって、上記の周波数500kHzの整数倍の周波数に、更に高いノイズレベルを有するスペクトル成分が形成される。
More specifically, for example, it is desired to superimpose a spectral component having a high noise level with respect to the frequency mq × fci of the mq-order harmonic at each discrete value fci of the carrier frequency fc in the AM band (531 kHz to 1602 kHz). If not, it is necessary to first select the CPU so that the clock frequency F is outside the AM band. Furthermore, even if a CPU whose clock frequency F is outside the AM band, for example, 2 MHz (Δt = 500 nsec) is selected, three values of the discrete values fc1, fc2 and fc3 of the carrier frequency fc are obtained.
fc1 = 18.52 kHz = 1 / (500 nsec × 108) = 1 / (Δt × K1)
fc2 = 20.00 kHz = 1 / (500 nsec × 100) = 1 / (Δt × K2)
fc3 = 21.74 kHz = 1 / (500 nsec × 92) = 1 / (Δt × K3)
The discrete values fc1, fc2 and fc3 are
fc1 = 1 / (500 nsec × 4 × 27) = 1 / (2 μsec × m1)
fc2 = 1 / (500 nsec × 4 × 25) = 1 / (2 μsec × m 2)
fc3 = 1 / (500 nsec × 4 × 23) = 1 / (2 μsec × m3)
It can be expressed as. That is, as in the case where a CPU having a clock period of 2 μsec and a clock frequency of ½ μsec = 500 kHz is selected, a spectral component having a high noise level with respect to a frequency 27 × fc1 of m1 = 27th harmonic at a discrete value fc1, discrete A spectral component having a high noise level with respect to a frequency 25 × fc2 of m2 = 25th harmonic at a low value fc2 and a spectral component having a high noise level with respect to a frequency 23 × fc3 of m3 = 23rd harmonic at a discrete value fc3 are 500 kHz. Superimpose at an integer multiple of. Therefore, the above spectral components are superimposed at frequencies of 500 kHz, 1000 kHz, and 1500 kHz that are lower than the clock frequency F = 2 MHz. Therefore, a spectral component having a higher noise level is formed at a frequency that is an integral multiple of the above frequency of 500 kHz.
図3は、キャリア周波数fcを変化させた場合に形成されるEMIノイズスペクトルの理論的説明図である。図3(a)は、上述した具体例において、キャリア周波数fcの離散的な値fc1=18.52kHz、fc2=20.00kHzおよびfc3=21.74kHzで時間変化させた場合に、離散的な値fc1のみによって発生するノイズスペクトルを示している。図3(b)は、上記の場合に、離散的な値fc2のみによって発生するノイズスペクトルを、図3(c)は離散的な値fc3のみによって発生するノイズスペクトルを、図3(d)は離散的な値fc1、fc2およびfc3によって発生するEMIノイズスペクトルを示している。上述した具体例において、クロック周波数F=2MHzであることから、上述のように、K1=108、K2=100およびK3=92となる。また、Mはfc1、fc2およびfc3の最大公約数を示している。よって、上記の場合、M=4である。 FIG. 3 is a theoretical explanatory diagram of an EMI noise spectrum formed when the carrier frequency fc is changed. FIG. 3A shows a discrete value when the carrier frequency fc is discretely changed with time at fc1 = 18.52 kHz, fc2 = 20.00 kHz, and fc3 = 21.74 kHz in the specific example described above. The noise spectrum generated only by fc1 is shown. 3B shows a noise spectrum generated only by the discrete value fc2 in the above case, FIG. 3C shows a noise spectrum generated only by the discrete value fc3, and FIG. The EMI noise spectrum generated by the discrete values fc1, fc2 and fc3 is shown. In the specific example described above, since the clock frequency F = 2 MHz, as described above, K1 = 108, K2 = 100, and K3 = 92. M represents the greatest common divisor of fc1, fc2, and fc3. Therefore, in the above case, M = 4.
これから、図3(d)に示したように、キャリア周波数fcを離散的な値fc1、fc2およびfc3で時間変化させた場合、離散的な値fc1における(K1/M)=m1=27次高調波の周波数27×fc1に対するノイズレベルの高いスペクトル成分、離散的な値fc2における(K2/M)=m2=25次高調波の周波数25×fc2に対するノイズレベルの高いスペクトル成分および離散的な値fc3における(K3/M)=m3=23次高調波の周波数23×fc3に対するノイズレベルの高いスペクトル成分が、クロック周波数Fより低い周波数F/M=500kHzで重畳し、更に高いノイズレベルを有するスペクトル成分が形成されることがわかる。これから、上記の各スペクトル成分は、周波数F/M=500kHzの整数倍の周波数で重畳し、更に高いノイズレベルを有するスペクトル成分が形成される。一方、周波数F/M=500kHzの整数倍の周波数以外の周波数では、上記の各スペクトル成分は重畳せず、更に高いノイズレベルを有するスペクトル成分は形成されていない。なお、上述したように、クロック周波数F=Ki×fciである。また、kiとmqの関係は、mq=ki/Mである。 From this, as shown in FIG. 3 (d), when the carrier frequency fc is changed over time with discrete values fc1, fc2 and fc3, (K1 / M) = m1 = 27th order harmonic at the discrete value fc1 Spectral component with high noise level for wave frequency 27 × fc1, (K2 / M) = m2 = 25th harmonic frequency at discrete value fc2 Spectral component with high noise level and discrete value fc3 (K3 / M) = m3 = A spectral component having a high noise level is superimposed at a frequency F / M = 500 kHz lower than the clock frequency F with respect to the frequency 23 × fc3 of the 23rd-order harmonic in FIG. It can be seen that is formed. From this, each of the above spectral components is superimposed at a frequency that is an integral multiple of the frequency F / M = 500 kHz, and a spectral component having a higher noise level is formed. On the other hand, at frequencies other than a frequency that is an integral multiple of frequency F / M = 500 kHz, the above-described spectral components are not superimposed, and spectral components having a higher noise level are not formed. As described above, the clock frequency F = Ki × fci. The relationship between ki and mq is mq = ki / M.
図4は、図3に示すキャリア周波数fcの離散的な各値fc1、fc2およびfc3におけるEMIノイズスペクトルを実測した波形を示す図である。図4では、キャリア周波数fcを、図3に示した離散的な値fc1一定とした場合に発生するノイズスペクトル(細線)と、fc2一定とした場合に発生するノイズスペクトル(細線)と、fc3一定とした場合に発生するノイズスペクトル(細線)と、キャリア周波数fcをfc1、fc2およびfc3で時間変化させた場合のノイズスペクトル(太線)を示している。図4より、キャリア周波数fcをfc1一定とした場合、クロック周波数F/M=500kHzでノイズレベルの高いスペクトル成分が現れている。同様に、キャリア周波数fcをfc2一定とした場合も、500kHzでノイズレベルの高いスペクトル成分が現れている。また、キャリア周波数fcをfc3一定とした場合も、500kHzでノイズレベルの高いスペクトル成分が現れている。そのため、キャリア周波数fcをfc1、fc2およびfc3で時間変化させても、図4に示すように、500kHzにおけるノイズレベルは十分に低減しない。ここで、キャリア周波数fcをfc1、fc2およびfc3で時間変化させた場合のノイズレベルは、fc1一定とした場合に発生するm1次高調波の周波数m1×fc1に対するノイズレベルと、fc2一定とした場合に発生するm2次高調波の周波数m2×fc2に対するノイズレベルと、fc3一定とした場合に発生するm3次高調波の周波数m3×fc3に対するノイズレベルの平均値に近い値になる。 FIG. 4 is a diagram showing waveforms obtained by actually measuring EMI noise spectra at discrete values fc1, fc2, and fc3 of the carrier frequency fc shown in FIG. In FIG. 4, the noise spectrum (thin line) generated when the carrier frequency fc is constant as shown in FIG. 3, the noise spectrum (thin line) generated when fc2 is constant, and the fc3 constant. And a noise spectrum (thick line) when the carrier frequency fc is changed over time at fc1, fc2 and fc3. From FIG. 4, when the carrier frequency fc is constant fc1, a spectral component having a high noise level appears at the clock frequency F / M = 500 kHz. Similarly, when the carrier frequency fc is constant fc2, a spectral component with a high noise level appears at 500 kHz. Even when the carrier frequency fc is constant fc3, a spectral component having a high noise level appears at 500 kHz. Therefore, even if the carrier frequency fc is changed with time by fc1, fc2, and fc3, the noise level at 500 kHz is not sufficiently reduced as shown in FIG. Here, when the carrier frequency fc is changed with time at fc1, fc2 and fc3, the noise level for the frequency m1 × fc1 of the m1st harmonic generated when fc1 is constant, and when fc2 is constant It becomes a value close to the average value of the noise level for the frequency m2 × fc2 of the m2 order harmonic generated at the frequency m3 × fc3 of the m3 order harmonic generated when the frequency fc3 is constant.
そこで、第1の実施形態では、図5に示すように、キャリア周波数fcを離散的な値fc11、fc12およびfc13で時間変化させた場合に、離散的な値fc11のm11次高調波の周波数m11×fc11と、他の値fc12のm12次高調波の周波数m12×fc12および他の値fc13のm13次高調波の周波数m13×fc13とが、制御装置10に内蔵されたCPUのクロック周波数Fよりも低い周波数で重畳しないように、各値fc11、fc12およびfc13を選択している。以下、各値fc11、fc12およびfc13の選択方法について、具体的に説明する。
Therefore, in the first embodiment, as shown in FIG. 5, when the carrier frequency fc is changed with time by the discrete values fc11, fc12, and fc13, the frequency m11 of the m11th harmonic of the discrete value fc11. × fc11, m12 harmonic frequency m12 × fc12 of other value fc12 and m13 harmonic frequency m13 × fc13 of other value fc13 are more than the clock frequency F of the CPU built in
(キャリア周波数の離散的な値の選択方法)
図5は、第1の実施形態に係る離散的な値fc11、fc12およびfc13におけるEMIノイズスペクトルを実測した波形を示す図である。第1の実施形態では、上記と同様に、クロック周波数F=2MHz、クロック周期Δt=500nsecのCPUについて、キャリア周波数fcの離散的な値fc11、fc12およびfc13を
fc11=18.69kHz=1/(500nsec×107)
fc12=20.00kHz=1/(500nsec×100)
fc13=21.98kHz=1/(500nsec×91)
と選択しているので、離散的な値fc11、fc12およびfc13は、
fc11=1/(Δt×107(素数))=1/(Δt×K11)
fc12=1/(Δt×4×25)=1/(Δt×K12)
fc13=1/(Δt×7×13)=1/(Δt×K13)
と表すことができる。ここで、整数値K11=107、K12=4×25およびK3=7×13であり、最大公約数Mは1である。すなわち、m11=K11=107、m12=K12=100、m13=K13=91である。このように、第1の実施形態では、キャリア周波数fcの離散的な値fc11、fc12およびfc13は、各々最大公約数Mが1である各整数値K11、K12およびK13とクロック周期Δtとの積の逆数に選択している。これから、キャリア周波数fcを離散的な値fc11、fc12およびfc13で時間変化させた場合、離散的な値fc11におけるm11=K11=107次高調波の周波数107×fc11=Fに対するノイズレベルの高いスペクトル成分、離散的な値fc12におけるm12=K12=100次高調波の周波数100×fc12=Fに対するノイズレベルの高いスペクトル成分および離散的な値fc13におけるm13=K13=91次高調波の周波数91×fc13=Fに対するノイズレベルの高いスペクトル成分は、クロック周波数Fの整数倍でのみ重畳することがわかる。
(Selection method of discrete value of carrier frequency)
FIG. 5 is a diagram showing waveforms obtained by actually measuring EMI noise spectra at discrete values fc11, fc12, and fc13 according to the first embodiment. In the first embodiment, similarly to the above, for the CPU having the clock frequency F = 2 MHz and the clock period Δt = 500 nsec, the discrete values fc11, fc12, and fc13 of the carrier frequency fc are set to fc11 = 18.69 kHz = 1 / ( 500nsec × 107)
fc12 = 20.00kHz = 1 / (500nsec × 100)
fc13 = 21.98 kHz = 1 / (500 nsec × 91)
The discrete values fc11, fc12 and fc13 are
fc11 = 1 / (Δt × 107 (prime number)) = 1 / (Δt × K11)
fc12 = 1 / (Δt × 4 × 25) = 1 / (Δt × K12)
fc13 = 1 / (Δt × 7 × 13) = 1 / (Δt × K13)
It can be expressed as. Here, the integer values K11 = 107, K12 = 4 × 25 and K3 = 7 × 13, and the greatest common divisor M is 1. That is, m11 = K11 = 107, m12 = K12 = 100, m13 = K13 = 91. Thus, in the first embodiment, the discrete values fc11, fc12, and fc13 of the carrier frequency fc are the products of the integer values K11, K12, and K13, each having the greatest common divisor M of 1, and the clock period Δt. The reciprocal of is selected. From this, when the carrier frequency fc is changed with time by the discrete values fc11, fc12 and fc13, the spectral component having a high noise level with respect to the frequency 107 × fc11 = F of m11 = K11 = 107th harmonic in the discrete value fc11 M12 = K12 = 100th harmonic frequency at discrete value fc12 = 100 × fc12 = F spectral component having a high noise level with respect to F and m13 = K13 = 91st harmonic frequency at discrete value fc13 91 × fc13 = It can be seen that a spectral component having a high noise level with respect to F is superimposed only at an integer multiple of the clock frequency F.
図5では、キャリア周波数fcを、上記の離散的な値fc11一定とした場合に発生するノイズスペクトル(細線)と、fc12一定とした場合に発生するノイズスペクトル(細線)と、fc13一定とした場合に発生するノイズスペクトル(細線)と、キャリア周波数fcをfc11、fc12およびfc13で時間変化させた場合のノイズスペクトル(太線)を示している。図5より、キャリア周波数fcをfc11一定とした場合、500kHzでノイズレベルの高いスペクトル成分が現れている。しかし、キャリア周波数fcをfc12一定とした場合に、ノイズレベルの高いスペクトル成分が現れる周波数は500kHzではない。同様に、キャリア周波数fcをfc13一定とした場合、ノイズレベルの高いスペクトル成分が現れる周波数は500kHzではない。そのため、キャリア周波数fcをfc1、fc2およびfc3で時間変化させた場合、図5に示すように、fc11、fc12およびfc13の高調波の周波数に対するノイズレベルの高いスペクトル成分は異なった周波数に拡散し、ノイズスペクトルは平坦化する。よって、ノイズレベルを低減することができる。 In FIG. 5, when the carrier frequency fc is constant when the discrete value fc11 is constant, the noise spectrum (thin line) generated when the fc12 is constant, and when fc13 is constant. 2 shows a noise spectrum (thin line) generated when the carrier frequency fc is changed with time at fc11, fc12, and fc13. From FIG. 5, when the carrier frequency fc is constant fc11, a spectral component having a high noise level appears at 500 kHz. However, when the carrier frequency fc is constant at fc12, the frequency at which a spectral component having a high noise level appears is not 500 kHz. Similarly, when the carrier frequency fc is constant at fc13, the frequency at which a spectral component having a high noise level appears is not 500 kHz. Therefore, when the carrier frequency fc is changed with time by fc1, fc2, and fc3, as shown in FIG. 5, the spectral components having a high noise level with respect to the harmonic frequencies of fc11, fc12, and fc13 are spread to different frequencies, The noise spectrum is flattened. Therefore, the noise level can be reduced.
以上より、第1の実施形態では、最大公約数Mが1である整数値K11、K12およびK13とCPUのクロック周期Δtとの積の逆数に、キャリア周波数fcの離散的な値fc11、fc12およびfc13を選択しているので、fc11におけるm11次高調波の周波数m11×fc11と、fc12におけるm12次高調波の周波数m12×fc12と、fc13におけるm13次高調波の周波数m13×fc13とが、クロック周波数Fよりも低い周波数で重畳することがないことから、離散的な値fc11におけるm11次高調波の周波数m11×fc11に対するノイズレベルの高いスペクトル成分、離散的な値fc12におけるm12次高調波の周波数m12×fc12に対するノイズレベルの高いスペクトル成分および離散的な値fc13におけるm13次高調波の周波数m13×fc13に対するノイズレベルの高いスペクトル成分が、クロック周波数Fより低い周波数で重畳せず、更に高いノイズレベルを有するスペクトル成分の形成が抑制されるので、クロック周波数Fより低い周波数帯域におけるノイズスペクトルを平坦化することができる。 As described above, in the first embodiment, the discrete values fc11, fc12 and the carrier frequency fc are set to the reciprocal of the product of the integer values K11, K12 and K13 having the greatest common divisor M of 1 and the CPU clock period Δt. Since fc13 is selected, the frequency m11 × fc11 of the m11th harmonic in fc11, the frequency m12 × fc12 of the m12th harmonic in fc12, and the frequency m13 × fc13 of the m13th harmonic in fc13 are the clock frequencies. Since there is no superposition at a frequency lower than F, the spectral component having a high noise level with respect to the frequency m11 × fc11 of the m11th harmonic at the discrete value fc11, and the frequency m12 of the m12th harmonic at the discrete value fc12. A spectral component with a high noise level for xfc12 and discrete Since the spectral component having a high noise level with respect to the frequency m13 × fc13 of the m13th harmonic in fc13 is not superimposed at a frequency lower than the clock frequency F, the formation of the spectral component having a higher noise level is suppressed, so that the clock frequency F The noise spectrum in the lower frequency band can be flattened.
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態となる電力変換装置および電力変換装置に用いられる電力変換方法について、第1の実施形態の電力変換装置1および電力変換方法と異なる点を中心に図6を参照して説明する。また、第2の実施形態について、第1の実施形態と同様の構成には同じ番号を付し、説明を省略する。なお、第2の実施形態の電力変換装置の構成は、第1の実施形態の電力変換装置1とほぼ同じである。第2の実施形態が、第1の実施形態と異なる点は、キャリア周波数fcの離散的な値fc21、・・、fc2Nの選択方法が異なるだけである。
(Second Embodiment)
Next, the power conversion device and the power conversion method used in the power conversion device according to the second embodiment will be described with reference to FIG. 6 focusing on differences from the
第2の実施形態では、キャリア周波数fcの離散的な値として、fc21、・・、fc2Nを用いている。そして、各値fc21、・・、fc2Nは、クロック周期Δt=500nsecとすると、
fc21=17.70kHz=1/(Δt×113)=1/(Δt×K21)
fc22=19.80kHz=1/(Δt×101)=1/(Δt×K22)
・
・
・
fc2N=22.47kHz=1/(Δt×89)=1/(Δt×K2N)
と選択している。ここで、K21=113、K22=101、・・、K2N=89は素数である。すなわち、各整数値K21、・・、K2Nの最大公約数Mは1となる。このように、キャリア周波数fcの離散的な値fc21、・・、fc2Nを選択することで、第2の実施形態においても、第1の実施形態と同様の効果を取得できる。
In the second embodiment, fc21,..., Fc2N are used as discrete values of the carrier frequency fc. Each value fc21,..., Fc2N is assumed to be a clock cycle Δt = 500 nsec.
fc21 = 17.70 kHz = 1 / (Δt × 113) = 1 / (Δt × K21)
fc22 = 19.80 kHz = 1 / (Δt × 101) = 1 / (Δt × K22)
・
・
・
fc2N = 22.47 kHz = 1 / (Δt × 89) = 1 / (Δt × K2N)
Is selected. Here, K21 = 113, K22 = 101,..., K2N = 89 are prime numbers. That is, the greatest common divisor M of each integer value K21,..., K2N is 1. Thus, by selecting the discrete values fc21,..., Fc2N of the carrier frequency fc, the same effects as in the first embodiment can be obtained in the second embodiment.
図6は、第2の実施形態に係る離散的な値fc21、・・、fc2Nにおけるキャリア周波数fcの時間変化を実現するフローチャートである。図6(a)は、第2の実施形態におけるキャリア周波数fcの離散的な値fc21、・・、fc2Nを自動的に算出し、当該離散的な値fc21、・・、fc2Nを用いたキャリア周波数fcの時間変化を実現する制御処理の流れを示し、図6(b)は、図6(a)に用いられる素数マップを示している。ここで、素数マップとは、第2の実施形態におけるキャリア周波数fcの離散的な値fc21、・・、fc2Nを算出する制御処理に用いられる整数値K1、・・、K2Nを並べた配列を含むデータベースである。そして、当該データベースは、キャリア周波数fcの時間変化の順番を表す配列番号fc(0)〜fc(N−1)に対応させて上記の配列の整数値K1、・・、K2Nが予め格納されている。 FIG. 6 is a flowchart for realizing the time change of the carrier frequency fc in the discrete values fc21,..., Fc2N according to the second embodiment. FIG. 6A automatically calculates the discrete values fc21,..., Fc2N of the carrier frequency fc in the second embodiment, and uses the discrete values fc21,. The flow of the control process which implement | achieves the time change of fc is shown, FIG.6 (b) has shown the prime number map used for Fig.6 (a). Here, the prime number map includes an array in which integer values K1,..., K2N used for control processing for calculating discrete values fc21,..., Fc2N of the carrier frequency fc in the second embodiment are arranged. It is a database. In the database, the integer values K1,..., K2N of the above array are stored in advance corresponding to the array element numbers fc (0) to fc (N-1) indicating the order of time change of the carrier frequency fc. Yes.
第2の実施形態のキャリア周波数fcの離散的な値fc21、・・、fc2Nにおけるキャリア周波数fcの時間変化を実現する制御処理は、図6(a)に示すように、まず、初期のカウンタのカウント値jを0に設定する。これにより、整数値kの値として、配列番号fc(0)の整数値K21が設定される(ステップS1)。次に、整数値kを用いて離散的な値fc21が算出される(ステップS2)。離散的な値fc21を用いてPWM演算処理を実行する(ステップS3)。その後、カウント値jを1増加させる(ステップS4)。次に、カウント値jがキャリア周波数fcの離散的な値の個数、すなわち、素数マップの配列の個数Nを超過したか否か判断する(ステップS5)。カウント値jが個数Nを超過していなければ(ステップS5でNo)、整数値kの値として、図6(b)に示した素数マップから配列番号fc(j)に対応する整数値を読み込む(ステップS6)。その後、ステップS2の制御処理に戻り、配列番号fc(j)に対応する整数値を用いて、離散的な値が算出される。以下、ステップS2〜ステップS6の制御処理を繰り返し実行する。これにより、キャリア周波数fcの離散的な値fc21、・・、fc2Nが、配列番号fc(0)に対応する整数値K21から配列番号fc(N−1)に対応する整数値K2Nに基づいて算出される。一方、ステップS5の制御処理において、カウント値jが素数マップの配列の個数Nを超過した場合(ステップS5でYes)、ステップS1の制御処理に戻り、カウント値jを0に設定する。これにより、整数値kの値として、配列番号fc(0)の整数値K21が設定される(ステップS1)。このようにして、キャリア周波数fcの離散的な値fc21、・・、fc2Nを、素数マップに配列された整数値K21、・・、K2Nとから容易に自動的に算出することが可能となる。 As shown in FIG. 6 (a), the control process for realizing the temporal change of the carrier frequency fc at the discrete values fc21,..., Fc2N of the carrier frequency fc of the second embodiment is as follows. The count value j is set to 0. Thereby, the integer value K21 of the array element number fc (0) is set as the value of the integer value k (step S1). Next, a discrete value fc21 is calculated using the integer value k (step S2). PWM calculation processing is executed using the discrete value fc21 (step S3). Thereafter, the count value j is incremented by 1 (step S4). Next, it is determined whether or not the count value j exceeds the number of discrete values of the carrier frequency fc, that is, the number N of prime map arrays (step S5). If the count value j does not exceed the number N (No in step S5), the integer value corresponding to the array number fc (j) is read from the prime map shown in FIG. 6B as the value of the integer value k. (Step S6). Thereafter, the process returns to the control process in step S2, and a discrete value is calculated using an integer value corresponding to the array element number fc (j). Thereafter, the control process of steps S2 to S6 is repeatedly executed. Thereby, discrete values fc21,..., Fc2N of the carrier frequency fc are calculated based on the integer value K2N corresponding to the array element number fc (N−1) from the integer value K21 corresponding to the array element number fc (0). Is done. On the other hand, when the count value j exceeds the number N of the prime map arrays in the control process of step S5 (Yes in step S5), the process returns to the control process of step S1 and the count value j is set to zero. Thereby, the integer value K21 of the array element number fc (0) is set as the value of the integer value k (step S1). In this way, the discrete values fc21,..., Fc2N of the carrier frequency fc can be easily and automatically calculated from the integer values K21,..., K2N arranged in the prime number map.
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態となる電力変換装置および電力変換装置に用いられる電力変換方法について、第1の実施形態の電力変換装置1および電力変換方法と異なる点を中心に図7を参照して説明する。また、第3の実施形態について、第1の実施形態と同様の構成には同じ番号を付し、説明を省略する。なお、第3の実施形態の電力変換装置の構成は、第1の実施形態の電力変換装置1とほぼ同じである。第3の実施形態が、第1の実施形態と異なる点は、キャリア周波数fcの離散的な値fc31、fc32およびfc33の選択方法が異なるだけである。
(Third embodiment)
Next, a power conversion device and a power conversion method used in the power conversion device according to the third embodiment will be described with reference to FIG. 7 focusing on differences from the
図7は、第3の実施形態に係る離散的な値fc31、fc32およびfc33におけるEMIノイズスペクトルを示す図である。図7に示すように、第3の実施形態では、クロック周波数F=5MHzより低い周波数の全域のノイズスペクトルを平坦化するわけでなく、所望の周波数帯域2〜3MHzのみノイズスペクトルを平坦化している。ここで、第3の実施形態のキャリア周波数fcの離散的な値fc31、fc32およびfc33は、クロック周期Δt=200nsecであることから、
fc31=15.02kHz=1/(Δt×333)=1/(Δt×3×111)
fc32=19.84kHz=1/(Δt×252)=1/(Δt×3×84)
fc33=24.88kHz=1/(Δt×201)=1/(Δt×3×67)
と選択している。すなわち、離散的な値fc31、fc32およびfc33は、
fc31=1/(Δt×K31)=1/(Δt×M×m31)
fc32=1/(Δt×K32)=1/(Δt×M×m32)
fc33=1/(Δt×K33)=1/(Δt×M×m33)
と表すことができる。上記より、各整数値K31、K32およびK33の最大公約数Mは3となる。これから、クロック周波数F=5MHzより低い周波数F/M=5MHz/3=1.667MHzの整数倍の周波数で、fc31、fc32およびfc33のmq次高調波の周波数が重畳する。すなわち、クロック周波数F未満の周波数範囲では、m31次高調波の周波数m31×fc31(=1.667MHz)に対するノイズレベルの高いスペクトル成分と、m32次高調波の周波数m32×fc32に対するノイズレベルの高いスペクトル成分と、m33次高調波の周波数m33×fc33に対するノイズレベルの高いスペクトル成分とが重畳する。また、2×m31次高調波の周波数2×m31×fc31(=3.333MHz)に対するノイズレベルの高いスペクトル成分と、2×m32次高調波の周波数2×m32×fc32に対するノイズレベルの高いスペクトル成分と、2×m33次高調波の周波数2×m33×fc33に対するノイズレベルの高いスペクトル成分とが重畳する。しかし、fc31、fc32およびfc33のmq次高調波の周波数が重畳する周波数1.667MHzおよび3.333MHzは、第3の実施形態において所望する周波数帯域2〜3MHz範囲に含まれないので、第1の実施形態と同様に、所望の周波数帯域2〜3MHzにおけるノイズスペクトルを平坦化することができる。このような場合には、クロック周波数Fより低い周波数F/Mの整数倍の周波数で、fc31、fc32およびfc33のmq次高調波の周波数が重畳しても問題とならない。
FIG. 7 is a diagram illustrating an EMI noise spectrum at discrete values fc31, fc32, and fc33 according to the third embodiment. As shown in FIG. 7, in the third embodiment, the noise spectrum in the entire frequency range lower than the clock frequency F = 5 MHz is not flattened, but the noise spectrum is flattened only in a desired frequency band of 2 to 3 MHz. . Here, since the discrete values fc31, fc32, and fc33 of the carrier frequency fc of the third embodiment are the clock period Δt = 200 nsec,
fc31 = 15.02 kHz = 1 / (Δt × 333) = 1 / (Δt × 3 × 111)
fc32 = 19.84 kHz = 1 / (Δt × 252) = 1 / (Δt × 3 × 84)
fc33 = 24.88 kHz = 1 / (Δt × 201) = 1 / (Δt × 3 × 67)
Is selected. That is, the discrete values fc31, fc32, and fc33 are
fc31 = 1 / (Δt × K31) = 1 / (Δt × M × m31)
fc32 = 1 / (Δt × K32) = 1 / (Δt × M × m32)
fc33 = 1 / (Δt × K33) = 1 / (Δt × M × m33)
It can be expressed as. From the above, the greatest common divisor M of the integer values K31, K32, and K33 is 3. From this, the frequencies of the mq-order harmonics of fc31, fc32, and fc33 are superimposed at a frequency that is an integral multiple of the frequency F / M = 5 MHz / 3 = 1.667 MHz, which is lower than the clock frequency F = 5 MHz. That is, in the frequency range lower than the clock frequency F, a spectrum component having a high noise level with respect to the frequency m31 × fc31 (= 1.667 MHz) of the m31st harmonic and a spectrum having a high noise level with respect to the frequency m32 × fc32 of the m32th harmonic. A component and a spectral component having a high noise level with respect to the frequency m33 × fc33 of the m33th harmonic are superimposed. Further, a spectral component having a high noise level for the
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態となる電力変換装置および電力変換装置に用いられる電力変換方法について、第1の実施形態の電力変換装置1および電力変換方法と異なる点を中心に説明する。また、第4の実施形態について、第1の実施形態と同様の構成には同じ番号を付し、説明を省略する。なお、第4の実施形態の電力変換装置の構成は、第1の実施形態の電力変換装置1とほぼ同じである。第4の実施形態が、第1の実施形態と異なる点は、キャリア周波数fcの離散的な値fc41、・・、fc4Nの選択方法が異なるだけである。
(Fourth embodiment)
Next, a power conversion device and a power conversion method used in the power conversion device according to the fourth embodiment will be described focusing on differences from the
第4の実施形態では、クロック周波数F=2MHz、クロック周期Δt=500nsecにおいて、キャリア周波数fcの離散的な値fc41、・・、fc4Nの範囲が15kHz以上25kHz以下と規定されている。この場合、離散的な値fc41、・・、fc4Nは、最大値fcmax=25kHzおよび最小値fcmin=15kHzの範囲で選択される必要がある。そこで、最大値fcmaxおよび最小値fcminは、
fcmax=15.00kHz=1/(Δt×133.3)
=(1/b)×(1/Δt)=(1/133.3)×(1/Δt)
fcmin=25.00kHz=1/(Δt×80)
=(1/a)×(1/Δt)=(1/80)×(1/Δt)
と表すことができる。これから、各整数値Kiは80以上133.3以下の範囲で選択する必要がある。よって、第4の実施形態では、離散的な値fc41、・・、fc4Nを、80以上133.3以下の範囲で、最大公約数Mが1となるように選択された整数値Kiから算出している。これから、第4の実施形態においても、第1の実施形態と同様の効果を取得できる。更に、キャリア周波数fcの離散的な値fc41、・・、fc4Nの範囲が限定された場合でも、離散的な値fc41、・・、fc4Nを容易に選択することができる。
In the fourth embodiment, the range of discrete values fc41,..., Fc4N of the carrier frequency fc is defined as 15 kHz or more and 25 kHz or less at the clock frequency F = 2 MHz and the clock period Δt = 500 nsec. In this case, the discrete values fc41,..., Fc4N need to be selected in the range of the maximum value fcmax = 25 kHz and the minimum value fcmin = 15 kHz. Therefore, the maximum value fcmax and the minimum value fcmin are
fcmax = 15.00 kHz = 1 / (Δt × 133.3)
= (1 / b) × (1 / Δt) = (1 / 133.3) × (1 / Δt)
fcmin = 25.00 kHz = 1 / (Δt × 80)
= (1 / a) × (1 / Δt) = (1/80) × (1 / Δt)
It can be expressed as. From this point, it is necessary to select each integer value Ki within a range of 80 to 133.3. Therefore, in the fourth embodiment, the discrete values fc41,..., Fc4N are calculated from the integer value Ki selected so that the greatest common divisor M is 1 in the range of 80 to 133.3. ing. From this, also in 4th Embodiment, the effect similar to 1st Embodiment is acquirable. Furthermore, even when the range of discrete values fc41,..., Fc4N of the carrier frequency fc is limited, the discrete values fc41,..., Fc4N can be easily selected.
なお、以上に述べた実施形態は、本発明の実施の一例であり、本発明の範囲はこれらに限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、他の様々な実施形態に適用可能である。例えば、第1乃至第4の実施形態では、直流電源の出力をPWM変調することにより正弦波状の交流電流をモータ3に供給するPWMインバータ2を備えるインバータシステム1を例に説明したが、特にこれに限定されるものではなく、スイッチングにより電力の形態を変換させる他のシステムに適用しても、同様の効果が得られる。例えば、従来技術に示されたHブリッジ構成にてモータを駆動する構成や、図8に示す指令値入力11からの信号に基づいて、キャリア周波数が可変されたキャリア信号を出力するCPU12と、単体スイッチ15の開閉を制御するスイッチング信号を単体スイッチ15に出力するドライブ回路13と、単体スイッチ15の開閉動作にて、電圧源+Vから電圧が印加される負荷14とからなる構成にも適用できる。
The embodiment described above is an example of the implementation of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto, and other various embodiments are within the scope described in the claims. It is applicable to. For example, in the first to fourth embodiments, the
また、第1および第3の実施形態では、キャリア周波数fcの離散的な値として、3つの値を説示したが、特にこれに限定されるものではなく、第2および第4の実施形態のように、複数個の離散的な値を有するキャリア周波数fcにも適用可能である。 In the first and third embodiments, three values have been explained as discrete values of the carrier frequency fc. However, the present invention is not particularly limited to this, as in the second and fourth embodiments. In addition, the present invention can be applied to a carrier frequency fc having a plurality of discrete values.
また、第1乃至第4の実施形態では、1変調周期内を正弦波状に時間変化するキャリア周波数fcの離散的な値を、当該値のmq次高調波の周波数が重畳しないように選択しているが、キャリア周波数fcの時間変化は正弦波状に限定されるものでなく、例えば、図9に示す三角波状、図10に示す鋸波状、図11に示す矩形波状、図12に示す周期波形状をはじめ、さまざまな波形に適用できる。 In the first to fourth embodiments, a discrete value of the carrier frequency fc that changes with time in a sinusoidal manner within one modulation period is selected so that the mq-order harmonic frequency of the value does not overlap. However, the time change of the carrier frequency fc is not limited to a sine wave shape. For example, the triangular wave shape shown in FIG. 9, the sawtooth wave shape shown in FIG. 10, the rectangular wave shape shown in FIG. 11, and the periodic wave shape shown in FIG. And can be applied to various waveforms.
また、第4の実施形態では、クロック周波数Fより低い周波数帯域で、離散的な各値fc41、・・、fc4Nのmq次高調波の周波数が重畳しないように、第1の実施形態と同様に最大公約数Mが1となる整数値Kiから、離散的な各値fc41、・・、fc4Nを算出しているが、特にこれに限定されるものではなく、第2の実施形態に示したように素数マップを用いても良い。また、第3の実施形態に示したように所望の周波数帯域内に、離散的な各値fc41、・・、fc4Nのmq次高調波の周波数が重畳しないように、当該各値を選択しても良い。 Further, in the fourth embodiment, in the frequency band lower than the clock frequency F, the frequency of mq-order harmonics of discrete values fc41,..., Fc4N is not superimposed, as in the first embodiment. Discrete values fc41,..., Fc4N are calculated from the integer value Ki where the greatest common divisor M is 1. However, the present invention is not particularly limited to this, as shown in the second embodiment. A prime number map may be used. Further, as shown in the third embodiment, each value is selected so that the frequency of the mq-order harmonics of discrete values fc41,..., Fc4N is not superimposed in a desired frequency band. Also good.
1 電力変換装置であるインバータシステム、2 PWMインバータ、
3 三相ブラシレス直流モータ、4 電流検出部、
4a、4b、4c 電流センサ、5 電流指令生成部、
6a、6b、6c PID制御部、
7 搬送波出力手段であるキャリア信号生成部、
8a、8b、8c 制御信号生成手段である比較器、
9 搬送波周波数変化手段であるキャリア周波数生成部、
10 制御手段である制御装置、
11 指令値入力、12 CPU、13 ドライブ回路、14 負荷、
15 スイッチ、
B 電池、C コンデンサ、fc、キャリア周波数、GND 接地、
Tu+、Tu−、Tv+、Tv−、Tw+、Tw− 開閉手段であるスイッチング素子、
+V 電圧源、
1 Inverter system that is a power converter, 2 PWM inverter,
3 Three-phase brushless DC motor, 4 current detector,
4a, 4b, 4c current sensor, 5 current command generator,
6a, 6b, 6c PID control unit,
7 Carrier signal generation unit which is carrier wave output means,
8a, 8b, 8c Comparator as control signal generating means,
9 Carrier frequency generation unit as carrier frequency changing means,
10 Control device which is control means,
11 command value input, 12 CPU, 13 drive circuit, 14 load,
15 switches,
B battery, C capacitor, fc, carrier frequency, GND ground,
Tu +, Tu−, Tv +, Tv−, Tw +, Tw− switching elements that are opening and closing means,
+ V voltage source,
Claims (5)
前記制御手段は、前記開閉手段を開閉するための制御信号を生成する制御信号生成手段と、
前記制御信号生成手段に搬送波を出力する搬送波出力手段と、
前記搬送波の周波数を、離散的かつ周期的に時間変化させる搬送波周波数変化手段とを備え、
前記搬送波周波数変化手段は、前記搬送波の周波数の値におけるm次高調波(m:整数)の周波数と、前記搬送波の周波数の他の値におけるmq次高調波(mq:整数、q:1、2、・・、r)の周波数とが、所望の周波数帯域内で重畳しないように、前記搬送波の周波数の各値を選択することを特徴とする電力変換装置。 An electric power conversion device comprising an opening / closing means for converting input power into a desired form, and a control means for digitally controlling the opening / closing operation of the opening / closing means,
The control means includes a control signal generating means for generating a control signal for opening and closing the opening and closing means,
Carrier wave output means for outputting a carrier wave to the control signal generating means;
Carrier frequency changing means for changing the frequency of the carrier wave discretely and periodically with time,
The carrier frequency changing means includes the frequency of the m-th harmonic (m: integer) in the frequency value of the carrier and the mq-order harmonic (mq: integer, q: 1, 2) in other values of the carrier frequency. ,..., R) frequency values of the carrier wave are selected so as not to overlap in a desired frequency band.
fcmin=(1/a)×(1/Δt)
fcmax=(1/b)×(1/Δt)
から算出され、
前記搬送波の周波数の各値は、前記整数値aおよびbの範囲内の整数値と前記クロック周期との積の逆数であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の電力変換装置。 When the maximum value of the carrier frequency is fcmax, the minimum value is fcmin, the clock period of the control means is Δt, and arbitrary integer values are a and b, the maximum value and the minimum value are:
fcmin = (1 / a) × (1 / Δt)
fcmax = (1 / b) × (1 / Δt)
Calculated from
4. The power conversion according to claim 1, wherein each value of the frequency of the carrier wave is a reciprocal of a product of an integer value within the range of the integer values a and b and the clock period. 5. apparatus.
制御手段によって前記開閉手段の開閉動作をデジタル制御する電力変換方法であって、
前記制御手段の制御信号生成手段により、前記開閉手段を開閉するための制御信号を生成し、
前記制御手段の搬送波出力手段により、前記制御信号生成手段に搬送波を出力し、
前記制御手段の搬送波周波数変化手段により、前記搬送波の周波数を離散的かつ周期的に時間変化させるとともに、前記搬送波の周波数の値におけるm次高調波(m:整数)の周波数と、前記搬送波の周波数の他の値におけるmq次高調波(mq:整数、q:1、2、・・、r)の周波数とが、所望の周波数帯域内で重畳しないように、前記搬送波の周波数の各値を選択することを特徴とする電力変換方法。 Convert the power input by the switching means to the desired form,
A power conversion method for digitally controlling an opening / closing operation of the opening / closing means by a control means,
The control signal generating means of the control means generates a control signal for opening and closing the opening and closing means,
The carrier wave output means of the control means outputs a carrier wave to the control signal generation means,
The carrier frequency changing means of the control means changes the frequency of the carrier wave discretely and periodically, and the frequency of the m-th harmonic (m: integer) in the value of the carrier wave frequency, and the frequency of the carrier wave Select each value of the carrier frequency so that the frequency of mq order harmonics (mq: integer, q: 1, 2,..., R) at other values does not overlap within the desired frequency band. A power conversion method characterized by:
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