JP2009303288A - インバータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ制御装置において、インバータの運転中に複数のキャリア周波数を切り替えながら、騒音を効果的に抑制して静粛性を向上させることである。
【解決手段】回転電機制御システム１０は、電源回路としての蓄電装置１２、電圧変換器１６、インバータ２０，２２と、２つの回転電機２４，２６と、制御装置４０とを備え、外部電源６０から蓄電装置１２を充電制御する。制御装置４０は、インバータ２０，２２の駆動制御に用いるキャリア周波数を複数種類設定し、各キャリア周波数の側帯波を含めた合成周波数分布特性が平坦となるように、各キャリア周波数の切替頻度をインバータの運転条件ごとに設定する切替頻度設定部５０と、設定された切替頻度に従って各キャリア周波数をインバータの運転中に順次切り替えるキャリア周波数切替部４８を含んで構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ制御装置に係り、特に、キャリア周波数を順次切り替えて駆動制御を行うインバータ制御装置に関する。

回転電機を駆動制御するインバータは、複数のスイッチング素子を高速度で切り替えて作動する。そのために、そのスイッチングに起因する騒音が発生し、場合によっては耳障りな周波数の騒音が大きくなることがある。

例えば、特許文献１には、ＰＷＭ波形生成装置として、キャリア波信号の周波数が可聴周波数に合って耳障りな騒音となることを避けるためにキャリア周波数を分散させることが開示されている。ここでは、３から４種類のキャリア周波数をＰＷＭ制御インバータ回路からの出力電圧の１周期よりも短い時間間隔の中で、３から４種類のキャリア周波数を予め定めた選択順序、あるいはランダム順序で切り換えること、キャリア周波数の切り換えに重み付けを行うこと、出力電力波形が予め定められた一定角度進むごとに切り換えを行うこと等が述べられている。

特開平９−４７０２６号公報

上記従来技術によれば、インバータの駆動制御に用いるキャリア周波数を複数用意して、これをインバータ運転中にランダム順序等によって順次切り替えることが述べられている。しかしながら、キャリア周波数には高次の側帯波成分があり、複数のキャリア周波数の切替に際し、これらの側帯波成分が重複すると、その重複する周波数近辺での騒音が大きくなることが生じ、切替によって却って静粛性が低下することにもなりかねない。

本発明の目的は、インバータの運転中に複数のキャリア周波数を切り替えながら、騒音を効果的に抑制して静粛性を向上させることができるインバータ制御装置を提供することである。

本発明に係るインバータ制御装置は、インバータの駆動制御に用いるキャリア周波数を複数種類設定するキャリア周波数設定手段と、複数のキャリア周波数を切り替えて用いる際に、各キャリア周波数の側帯波を含めた合成周波数分布特性が平坦となるように、各キャリア周波数の切替頻度をインバータの運転条件ごとに設定する頻度設定手段と、設定手段によって設定された切替頻度に従って各キャリア周波数をインバータの運転中に順次切り替える周波数切替手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係るインバータ制御装置において、頻度設定手段は、キャリア周波数の側帯波がインバータの駆動制御に用いられる出力周波数に依存することに基いて、出力周波数毎に各キャリア周波数の切替頻度を設定することが好ましい。

また、本発明に係るインバータ制御装置において、頻度設定手段は、キャリア周波数の側帯波がインバータの駆動制御に用いられる変調率に依存することに基いて、変調率毎に各キャリア周波数の切替頻度を設定することが好ましい。

また、本発明に係るインバータ制御装置において、頻度設定手段は、キャリア周波数の側帯波がインバータの駆動制御に用いられる出力周波数とインバータの変調率に依存することに基いて、出力周波数と変調率との組合せ毎に各キャリア周波数の切替頻度を設定することが好ましい。

また、本発明に係るインバータ制御装置において、インバータの電流波形の周波数分布特性を取得するＦＦＴ部を有し、頻度設定手段は、ＦＦＴ部の取得した周波数分布特性に基き、取得した周波数分布特性をさらに平坦化するように、各キャリア周波数の切替頻度を設定することが好ましい。

また、本発明に係るインバータ制御装置において、騒音測定装置の検出波形の周波数分布特性を取得するＦＦＴ部を有し、頻度設定手段は、ＦＦＴ部の取得した周波数分布特性に基き、取得した周波数分布特性をさらに平坦化するように、各キャリア周波数の切替頻度を設定することが好ましい。

また、本発明に係るインバータ制御装置において、振動測定装置の検出波形の周波数分布特性を取得するＦＦＴ部を有し、頻度設定手段は、ＦＦＴ部の取得した周波数分布特性に基き、取得した周波数分布特性をさらに平坦化するように、各キャリア周波数の切替頻度を設定することが好ましい。

また、本発明に係るインバータ制御装置において、頻度設定手段は、各キャリア周波数の中で、高周波数側のキャリア周波数の切替頻度と、低周波数側のキャリア周波数の切替頻度とを、中間の周波数に属するキャリア周波数の切替頻度よりも大きく設定することが好ましい。

また、本発明に係るインバータ制御装置において、頻度設定手段は、インバータの出力周波数が低くなるのに応じて、各キャリア周波数の切替頻度の間の差を小さく設定することが好ましい。

上記構成により、インバータ制御装置は、インバータの駆動制御に用いるキャリア周波数を複数種類切り替えて用いる際に、各キャリア周波数の側帯波を含めた合成周波数分布特性が平坦となるように、各キャリア周波数の切替頻度をインバータの運転条件ごとに設定し、その設定された切替頻度に従って各キャリア周波数をインバータの運転中に順次切り替える。これにより、特定の周波数の騒音が大きくなることを抑制でき、静粛性の向上を図ることができる。

また、インバータ制御装置において、キャリア周波数の側帯波がインバータの駆動制御に用いられる出力周波数に依存することに基いて、出力周波数毎に各キャリア周波数の切替頻度を設定するので、インバータの運転条件に合わせて静粛性の向上を図ることができる。

また、インバータ制御装置において、キャリア周波数の側帯波がインバータの駆動制御に用いられる変調率に依存することに基いて、変調率毎に各キャリア周波数の切替頻度を設定するので、インバータの運転条件に合わせて静粛性の向上を図ることができる。

また、インバータ制御装置において、キャリア周波数の側帯波がインバータの駆動制御に用いられる出力周波数とインバータの変調率に依存することに基いて、出力周波数と変調率との組合せ毎に各キャリア周波数の切替頻度を設定するので、インバータの運転条件に合わせて静粛性の向上を図ることができる。

また、インバータ制御装置において、インバータの電流波形の周波数分布特性をＦＦＴ部によって取得し、取得された周波数分布特性をさらに平坦化するように、各キャリア周波数の切替頻度を設定するので、インバータの実際の運転状況に応じて静粛性の向上を図ることができる。

また、インバータ制御装置において、騒音測定装置の検出波形の周波数分布特性をＦＦＴ部によって取得し、取得された周波数分布特性をさらに平坦化するように、各キャリア周波数の切替頻度を設定するので、実際の騒音状況に応じて静粛性の向上を図ることができる。

また、インバータ制御装置において、振動測定装置の検出波形の周波数分布特性をＦＦＴ部によって取得し、取得された周波数分布特性をさらに平坦化するように、各キャリア周波数の切替頻度を設定するので、実際の振動状況に応じて静粛性の向上を図ることができる。

また、インバータ制御装置において、各キャリア周波数の中で、高周波数側のキャリア周波数の切替頻度と、低周波数側のキャリア周波数の切替頻度とを、中間の周波数に属するキャリア周波数の切替頻度よりも大きく設定する。これによって、騒音のピークとなる周波数領域を分散でき、特定の周波数の騒音が高くなることを抑制できる。

また、インバータ制御装置において、インバータの出力周波数が低くなるのに応じて、各キャリア周波数の切替頻度の間の差を小さく設定する。キャリア周波数ｆ_Cの側帯波は、インバータの出力周波数ｆ_Oに対し、ｆ_C±ｎｆ_Oで現れる。すなわち、出力周波数ｆ_Oが低くなるのに応じて、キャリア周波数ｆ_Cの側帯波の周波数帯が狭く干渉が少なくなり、高周波数側と低周波側のキャリア周波数の切替頻度を中間の周波数のキャリア周波数の切替頻度より高くすると、高周波数側と低周波側のキャリア周波数のところで騒音レベルが高くなる。したがって、高周波数側と低周波側のキャリア周波数の切替頻度を余り高くせず、各キャリア周波数の切替頻度の間の差を小さくし、切替頻度分布をほぼ同じとすることで、合成周波数分布特性の平坦化を図ることができ、静粛性を向上させることができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。なお以下において、インバータによって駆動制御される対象を回転電機とするときは、車両に搭載されるモータ・ジェネレータを説明するが、回転電機は、車両に搭載されるもの以外、例えば据置型のモータ・ジェネレータであってもよい。また、回転電機として、単にモータとしての機能を有するものでもよく、あるいは単に発電機としての機能を有するものであってもよい。また、電源回路の構成として、蓄電装置、電圧変換器、平滑コンデンサ、インバータを有するものとして説明するが、インバータを含む電源回路であれば、それ以外の要素を適宜省略してもよく、またその他の要素を適宜付加するものとしてもよい。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、車両に搭載される回転電機をインバータによって作動制御する回転電機制御システム１０の構成を示す図である。回転電機制御システム１０は、電源回路としての蓄電装置１２、平滑コンデンサ１４，１８、電圧変換器１６、インバータ２０，２２と、２つの回転電機２４，２６と、制御装置４０とを備えて構成される。ここでは、回転電機制御システム１０の構成要素ではないが、外部電源６０が図示されている。ここで示される回転電機制御システム１０は、特に、回転電機２４，２６とインバータ２０，２２を介して外部電源６０から蓄電装置１２に充電を行うことができる機能を有する。

外部電源６０は、商用交流電源であって、回転電機２４，２６をリアクトルとして用い、インバータ２０，２２の作動制御によって蓄電装置１２に充電するためのものである。具体的には、２つの回転電機２４，２６のそれぞれの中性点から引き出された２本のケーブルに適当な接続端子を設け、その接続端子を例えば、充電スタンドの充電端子、あるいは一般家庭の電源コンセントに接続することで、外部電源６０が回転電機２４，２６とインバータ２０，２２を含む回転電機制御システム１０に接続される。これによって、車両に搭載された蓄電装置１２の充電状態が低くなった場合に、適当な外部電源６０から充電を行うことができる。外部電源６０としては、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの１００Ｖ電源、あるいは２００Ｖ電源等を用いることができる。

なお、ここでは、回転電機制御システム１０に外部電源６０を接続して電源回路の蓄電装置１２を充電するものとして説明するが、外部電源６０に代えて、交流で作動する電気機器を負荷として、２つの回転電機２４，２６の中性点に接続するものとできる。この場合には、２つの回転電機２４，２６をリアクトルとして用い、インバータ２０，２２の作動制御によって、蓄電装置１２の電力を負荷に供給するものとできる。これによって、車両に搭載された蓄電装置１２を用いて、適当な電源装置がない状況で、負荷を作動駆動することができる。

２つの回転電機２４，２６のうち、第１の回転電機（ＭＧ１）２４は、例えば、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（ＭＧ）であって、その場合には、図示されていないエンジンに接続され、エンジンの駆動力によって発電する機能を有する三相同期型回転電機である。第１の回転電機２４は、例えば、約６００Ｖの高電圧で作動する第１のインバータ（ＭＧ１インバータ）２０によって作動制御される。

第２の回転電機（ＭＧ２）２６は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（ＭＧ）であって、電力が供給されるときは電動機として機能し、制動時には発電機として機能する三相同期型回転電機である。車両に搭載される第２の回転電機２６は、図示されていない車両の車軸に伝達されるエンジンの動力を補助して、駆動力を高める機能を有する。第２の回転電機２６も、第１の回転電機２４と同様に、例えば、約６００Ｖ程度の高電圧で作動する第２のインバータ（ＭＧ２インバータ）２２によって作動制御される。

電源回路は、上記のように、蓄電装置１２、蓄電装置側の平滑コンデンサ１４、電圧変換器１６、インバータ側の平滑コンデンサ１８、２つのインバータ２０，２２を含んで構成される。

蓄電装置１２は、充放電可能な２次電池である。蓄電装置１２としては、例えば、約２００Ｖから約３００Ｖの端子電圧を有するリチウムイオン組電池あるいはニッケル水素組電池、またはキャパシタ等を用いることができる。

蓄電装置１２と電圧変換器１６との間に設けられる蓄電装置側の平滑コンデンサ１４は、電圧変換器１６の低電圧側の電圧変動を抑制する機能を有するコンデンサである。

電圧変換器１６は、リアクトルと、スイッチング素子とを含んで構成される昇降圧回路である。電圧変換器１６は、蓄電装置１２側の約２００Ｖから約３００Ｖ程度の低電圧を、リアクトルのエネルギ蓄積作用を利用して、例えば約６００Ｖの高電圧に昇圧する機能を有する回路で、昇圧コンバータとも呼ばれる。また、電圧変換器１６は双方向機能を有し、２つのインバータ２０，２２の側からの電力を蓄電装置１２側に充電電力として供給するときには、２つのインバータ２０，２２の側の高電圧を蓄電装置１２に適した低電圧に降圧する作用を有する。

電圧変換器１６とインバータ２０，２２の間に設けられるインバータ側の平滑コンデンサ１８は、電圧変換器１６の高電圧側の電圧変動を抑制する機能を有するコンデンサである。

２つのインバータ２０，２２は、いずれも、高圧直流電力を交流三相駆動電力に変換し、それぞれに接続される回転電機２４，２６に供給する機能と、逆にそれぞれの回転電機２４，２６からの交流三相回生電力を高圧直流充電電力に変換する機能とを有する回路である。上記のように、２つのインバータ２０，２２のうち、第１の回転電機（ＭＧ１）２４に接続され方を第１のインバータ（ＭＧ１インバータ）２０、第２の回転電機（ＭＧ２）２６に接続される方を第２のインバータ（ＭＧ２インバータ）２２と呼ぶことができる。

インバータ２０，２２は、図１に示されるように、それぞれの基本構成は互いに同じで、複数のスイッチング素子と複数のダイオードとを含んで構成される。それぞれのインバータ２０，２２は、三相同期型である回転電機２４，２６の三相コイルにそれぞれ対応して、２つのスイッチング素子を直列に接続したものをＵ相用、Ｖ相用、Ｗ相用に３つ並列に配置して構成される。各スイッチング素子には並列にダイオードがそれぞれ接続配置される。そして、各接続点がそれぞれ、回転電機２４，２６のＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルに接続される。

図１において、電流センサ２８は、ここでは回転電機２６の運転状態における相電流を検出する機能を有する電流検出手段である。図１においては、回転電機２６の１つの相について電流センサ２８が設けられているが、勿論、２つの相について電流センサを設け、これらから全部の相についての電流状態を取得できるようにしてもよい。また、回転電機２６に代えて回転電機２４の電流状態を取得するものとしてもよく、２つの回転電機２４，２６の電流状態を取得するものとしてもよい。電流センサ２８の検出データは、制御装置４０のＦＦＴ部５８に入力され、電流波形における周波数分布特性が演算により算出されその結果が、切替頻度設定部５０に伝達される。

騒音マイク３０は、回転電機２６の運転状態における騒音状態を検出する騒音検出装置である。なお、回転電機２６に代えて回転電機２４の騒音状態を取得するものとしてもよく、２つの回転電機２４，２６の騒音状態を取得するものとしてもよい。騒音マイク３０の検出データは、制御装置４０のＦＦＴ部５８に入力され、騒音における周波数分布特性が演算により算出されその結果が、切替頻度設定部５０に伝達される。

また、騒音マイク３０に代えて、あるいは騒音マイク３０とともに、回転電機２６の振動状態を検出する振動センサ等の振動検出装置を配置するものとできる。この場合も、回転電機２６に代えて回転電機２４の振動状態を取得するものとしてもよく、２つの回転電機２４，２６の振動状態を取得するものとしてもよい。振動センサの検出データは、制御装置４０のＦＦＴ部５８に入力され、振動における周波数分布特性が演算により算出されその結果が、切替頻度設定部５０に伝達される。振動状態を騒音状態と共に検出する場合には、必要に応じ、複数のＦＦＴ部５８を用いるものとしてもよい。

制御装置４０は、回転電機制御システム１０を構成する各要素の作動を全体として制御する機能を有するが、ここでは特に、インバータ２０，２２の作動について、キャリア周波数の切替によって騒音を低減する制御を行う機能を有する。したがって、この機能については、制御装置４０は、インバータ制御装置として作用することになる。制御装置４０は、電圧指令演算部４２、ＭＧ１スイッチング信号発生部４４、ＭＧ２スイッチング信号発生部４６、キャリア周波数切替部４８、切替頻度設定部５０、記憶装置５２、ＦＦＴ部５８を含んで構成される。

電圧指令演算部４２は、外部電源６０からの交流電力を、回転電機２４，２６をリアクトルとして用いてインバータ２０，２２のスイッチング動作によって直流電力に変換するために、インバータ２０，２２に対する電圧指令を演算する機能を有する。なお、外部電源６０に代えて外部負荷が接続される場合には、これと逆で、蓄電装置１２から電圧変換器１６を介して変換された直流電力を、回転電機２４，２６をリアクトルとして用いてインバータ２０，２２のスイッチング動作によって交流電力に変換するために、インバータ２０，２２に対する電圧指令を演算する機能を有する。

電圧指令には、インバータ２０，２２の電圧振幅Ｖ^*と位相角度θが含まれる。電圧振幅Ｖ^*と位相角度θは、インバータ２０，２２を構成する各スイッチング素子に対する駆動信号の内容を示すものである。電圧指令は、インバータ２０，２２の運転条件、あるいは運転状況を表すものであり、別の観点から、インバータ２０，２２の駆動制御に用いられる出力周波数ｆ_Oと変調率γとして示すことができる。出力周波数ｆ_Oと変調率γの具体的内容については後述する。

ＭＧ１スイッチング信号発生部４４とＭＧ２スイッチング信号発生部４６とは、電圧指令演算部４２から出力される電圧振幅Ｖ^*と位相角度θに基いて、インバータ２０，２２を構成する各スイッチング素子に対する駆動信号を生成する機能を有する。各スイッチング素子に対する駆動信号は、電圧振幅とオンオフ比であるデューティとで与えられる。ＭＧ１スイッチング信号発生部４４からの信号は、ＭＧ１用のインバータ２０の６つのスイッチング素子にそれぞれ供給され、ＭＧ２スイッチング信号発生部４６からの信号は、ＭＧ２用のインバータ２２の６つのスイッチング素子にそれぞれ供給される。

キャリア周波数切替部４８は、ＭＧ１スイッチング信号発生部４４とＭＧ２スイッチング信号発生部４６においてスイッチング信号のデューティ比を形成するために用いられるキャリア信号を供給する機能を有する。すなわち、スイッチング信号のデューティ比は、インバータ２０，２２の駆動制御に用いられる出力周波数ｆ_Oを有する正弦波等の出力信号と、キャリア周波数ｆ_Cを有する三角波等のキャリア信号との間の信号の大小関係で生成される。一般的なインバータの駆動制御には、１種類のキャリア周波数が用いられるが、ここでは、キャリア周波数を複数種類設定する制御を行うので、このキャリア周波数切替部４８において、各キャリア周波数をインバータの運転中に順次切り替えてＭＧ１スイッチング信号発生部４４とＭＧ２スイッチング信号発生部４６にそれぞれ供給する。

切替に用いられるキャリア周波数は、予め記憶しておくことができる。記憶装置５２におけるキャリア周波数ファイル５４は、インバータ２０，２２の駆動制御に用いるキャリア周波数として複数種類設定されたものを記憶する機能を有する。したがって、キャリア周波数切替部４８は、記憶装置５２のキャリア周波数ファイル５４から切替に用いる複数種類のキャリア周波数を読み出して、これを順次切り替えることになる。

切替頻度設定部５０は、複数種類のキャリア周波数について、それらの間の切替の頻度をそれぞれ設定してキャリア周波数切替部４８に供給する機能を有する。各キャリア周波数の切替頻度の設定は、各キャリア周波数の側帯波を含めた合成周波数分布特性が平坦となるように、各キャリア周波数の切替頻度をインバータの運転条件あるいは運転状況ごとに設定される。切替頻度とは、複数のキャリア周波数を切り替えるときに、各キャリア周波数の実際に切替に用いられる頻度を示す値である。例えば、ある時間を設定しその時間内での第１のキャリア周波数への切替回数を基準にして、第２のキャリア周波数への切替回数が２倍であれば、第２のキャリア周波数の切替頻度は、第１のキャリア周波数の切替頻度の２倍である。

インバータの運転条件としては、電圧指令演算部４２で説明したインバータ２０，２２の駆動制御条件があげられる。すなわち、代表的には、インバータ２０，２２の駆動制御に用いられる出力周波数ｆ_O、変調率γごとに各キャリア周波数の切替頻度が設定される。

このインバータの運転条件ごとの切替頻度は、予め記憶しておくことができる。記憶装置５２における頻度マップファイル５６は、例えば、出力周波数ｆ_Oに対するキャリア周波数ｆ_Cの切替頻度の対応関係を記憶するものである。また、変調率γに対するキャリア周波数ｆ_Cの切替頻度の対応関係を記憶する。また、出力周波数ｆ_Oと変調率γの組合せに対するキャリア周波数ｆ_Cの対応関係を記憶する。対応関係は、マップのような換算図の他に、換算テーブル、あるいは出力周波数ｆ_O、変調率γ、キャリア周波数ｆ_Cを入力値として切替頻度を出力値とする関数形で記憶されていてもよい。このように、頻度マップファイル５６を用いて、出力周波数ｆ_O、変調率γ、キャリア周波数ｆ_Cを検索キーとし、切替頻度を検索結果として出力することができる。

インバータの運転状態は、その結果として回転電機２４，２６の運転状態として現れる。したがって、電流センサ２８による電流波形の周波数分布特性、あるいは騒音マイク３０による騒音状態の周波数分布特性にインバータの運転状態が現れることになる。そこで、ＦＦＴ部５８は、これらのインバータ運転状態検出手段によって検出された電流波形、あるいは騒音状態を分析して周波数分布特性として演算し、その結果を切替頻度設定部５０に伝送する。

この場合に、切替頻度設定部５０は、記憶装置５２の頻度マップファイル５６を検索するのではなく、伝送された周波数分布特性に新たにキャリア周波数ｆ_Cの周波数分布特性を加えることで周波数分布特性を平坦化するように、複数のキャリア周波数ｆ_Cの切替頻度を設定する。例えば、伝送された周波数分布特性において、特別の周波数においてピークが現われているときには、そのピークを和らげるようなキャリア周波数ｆ_Cの切替頻度を多くする。このようにキャリア周波数ｆ_Cの切替頻度を設定することによって、インバータの運転状況に応じて周波数分布特性を平坦化することができる。

かかる制御装置４０としては、車両の搭載に適したコンピュータで構成することができる。これを独立のコンピュータとしてもよく、車両に搭載される他の制御装置の機能の一部に制御装置４０の機能を含めるものとしてもよい。例えば、車両の運行を全体として制御する統括制御部に制御装置４０の機能を含めるものとしてもよい。また、制御装置４０の上記の各構成要素の機能は、ハードウェアおよびソフトウェアによって実現することができる。特に、キャリア周波数切替部４８、切替頻度設定部５０の機能はソフトウェアで実現でき、具体的には、インバータ制御プログラムの中のキャリア周波数切替パートを実行することで実現することができる。

上記構成の作用を図２から図１２を用いて詳細に説明する。ここで、図２はキャリア周波数ｆ_Cを一定にしたときの回転電機２４，２６の騒音の周波数分布特性のモデルを示す図で、図３は回転電機２４，２６の実測騒音の周波数分布図である。図４は、インバータ２０，２２の駆動制御に用いられる電圧指令信号６２とキャリア信号６４とＰＷＭ信号６６の関係を示す図である。図５、図６は、キャリア周波数の切替頻度の２つの状態を示す図であり、図７は検証用として用いた２つの切替頻度の様子を示す図で、図８、図９はこの検証用の２つの切替頻度のキャリア周波数切替におけるそれぞれの実測騒音の周波数分布図である。図１０から図１２は、インバータ２０，２２の駆動制御に用いられる出力周波数ｆ_Oと変調率γに対する切替頻度の様子を説明する図であり、特に図１１、図１２は、頻度マップに相当するものである。

上記のように、図２は、キャリア信号としてキャリア周波数ｆ_Cを一定にしたときの回転電機２４，２６の騒音の周波数分布特性のモデルを示す図である。キャリア信号としては、キャリア周波数ｆ_Cについてその側帯波が現れるが、それはインバータ２０，２２の駆動制御に用いられる出力周波数ｆ_Oに応じて、ｆ_C±ｆ_O、ｆ_C±２ｆ_O、ｆ_C±３ｆ_O、ｆ_C±４ｆ_Oというように、ｎを整数としてｆ_C±ｎｆ_Oの周波数のところに現れ、その振幅は、ｎが大きくなるにつれて小さくなる。したがって、１つのキャリア周波数ｆ_Cにおけるキャリア信号に基く騒音の周波数分布特性は、キャリア周波数ｆ_Cをピークとして、概略、左右対称な山形の特性となる。図２では、説明のために、左右対称な山形の特性として示されているが、実際には、リアクトルの平滑作用、回転電機の振動周波数特性等により、完全な左右対称の山形にはならない。

図３は、１つのキャリア周波数ｆ_Cを用いてインバータ２０，２２を駆動制御したときの回転電機２４，２６の実測騒音の周波数分布特性であるが、周波数ｆ_Cにおいて鋭いピークを有する。これは、図２のモデルで説明したように、キャリア信号の騒音のピークがキャリア周波数ｆ_Cのところに現れるからである。このように、キャリア信号の周波数であるキャリア周波数ｆ_Cが一定であると、回転電機２４，２６の騒音は、キャリア周波数ｆ_Cの近辺に鋭いピークを持つ騒音スペクトラムとなり、例えばこれが可聴周波数帯域にあると、聴覚上、非常に耳障りな騒音となることがある。

図４は、インバータ２０，２２の駆動制御の様子を示す図で、上段には、電圧指令信号６２とキャリア信号６４とが示され、下段には、上段の作用の結果としてのパルス幅変調信号（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ信号：ＰＷＭ信号）の様子が示されている。電圧指令信号は、模擬的には正弦波となる出力信号に相当するもので、その周波数が出力周波数ｆ_Oで、キャリア信号６４のピークの大きさに対する出力信号のピークの大きさの比が変調率γである。例えば、キャリア信号６４の振幅の大きさと、出力信号の振幅の大きさが同じであれば、変調率γは１である。変調率γが所定の値以下のときには、ＰＷＭ方式の変調が用いられ、所定の値を超えると、過変調方式の変調、あるいは矩形波方式の変調が用いられる。

ＰＷＭ信号６６は、キャリア信号６４と電圧指令信号６２とがクロスするところでゼロから１に変化する信号で、図４の場合は、キャリア信号６４が電圧指令信号６２よりも大きな信号値の範囲がＰＷＭ信号６６の１となる範囲、すなわち、パルス幅となる範囲となっている。このＰＷＭ信号６６の実効振幅は、電圧指令信号６２の振幅と実質的に同じとなる。

ここで、図４においては、キャリア信号６４は三角波が用いられているが、勿論それ以外の波形の信号をキャリア信号として用いることができる。図４における三角波の周期、すなわちキャリア信号６４の周波数ｆ_Cは、キャリア信号６４の谷のところで切替が行われている。場合によって、これをキャリア信号６４の山のところで切替を行うものとしてもよい。このように、この例では、インバータ２０，２２の運転中において、キャリア信号６４の一周期ごとに、キャリア周波数ｆ_Cの切替が行われている。これ以外に、キャリア信号６４の数周期ごとにキャリア周波数ｆ_Cの切替を行うものとすることができる。なお、図４においては、複数のキャリア周波数ｆ_Cの間での切替が高周波から低周波に規則的に行われている様子が示されているが、勿論、複数のキャリア周波数ｆ_Cの間での切替をランダムに行うものとしてよい。

このように、キャリア信号６４の谷のタイミングでキャリア周波数ｆ_Cの切替が行われるので、あるキャリア周波数についての切替頻度とは、この切替タイミングにおいてそのキャリア周波数に何回切り替えられて使用されるかの相対的頻度である。例えば、ある時間を設定しその時間内での第１のキャリア周波数への切替回数を基準にして、第２のキャリア周波数への切替回数が２倍であれば、第２のキャリア周波数の切替頻度は、第１のキャリア周波数の切替頻度の２倍である。

電圧指令信号６２は、制御装置４０の電圧指令演算部４２の機能によって、回転電機２４，２６に対する要求指令に基いて算出されたものであり、キャリア信号６４は、キャリア周波数切替部４８の機能によって複数のキャリア周波数ｆ_Cがそれぞれに対応する切替頻度で供給される信号である。キャリア周波数切替部４８は、図４に示されるように、キャリア信号６４が谷のところのタイミングでキャリア周波数ｆ_Cを切り替える。複数のキャリア周波数ｆ_Cのそれぞれについて、どの頻度で切り替えるかは、切替頻度設定部５０から供給される頻度マップに従って行われることになる。

図５と図６は、キャリア周波数の種類として５種類のものを用い、その切替頻度を異ならせた場合に、それぞれの騒音の周波数分布特性がどのように変化するかをモデル的に示した図である。キャリア周波数が１つのキャリア信号は、図２で模式的に示すように、キャリア周波数を中心とするほぼ左右対称の山形の騒音周波数分布特性を有する。複数種類のキャリア周波数を用いると、それぞれのキャリア周波数を中心とする左右対称の山形の騒音周波数特性を合成した周波数分布特性を有することになる。

図５は、５種類のキャリア周波数を同じ頻度で切り替えた場合である。この場合には、それぞれのキャリア周波数を中心とする左右対称の５つの山形の騒音周波数特性が同じピークの大きさを有する。したがって、合成された騒音周波数特性は、大きなピークを有するものとなる。つまり、同じ切替頻度で複数種類のキャリア周波数を切り替えると、著しく大きなピークを有する騒音スペクトラムとなる。

図６は、５種類のキャリア周波数のうち、最も高い周波数のものと最も低い周波数のものの切替頻度を大きくし、その中間の周波数のものの切替頻度を小さくして切替を行った場合である。このときには、中間の周波数のキャリア信号の切替頻度を小さくした分、中間の周波数における合成騒音レベルが低下し、合成された騒音周波数特性が全体として平坦化されたものとできる。このように、各キャリア周波数の中で、高周波数側のキャリア周波数の切替頻度と、低周波数側のキャリア周波数の切替頻度とを、中間の周波数に属するキャリア周波数の切替頻度よりも大きく設定することで、平坦化した騒音スペクトラムとすることができる。

図７は、上記の図５、図６のモデルを検証する実験に用いた切替頻度マップである。この場合には、１１．９ｋＨｚ、１２．５ｋＨｚ、１３．２ｋＨｚ、１３．９ｋＨｚ、１４．７ｋＨｚの５種類のキャリア周波数を用い、１つは各キャリア周波数の切替頻度を等分頻度、すなわち同じ切替頻度とし、もう１つは、上限の１４．７ｋＨｚと下限の１１．９ｋＨｚのキャリア周波数についての切替頻度を、他の１２．５ｋＨｚ、１３．２ｋＨｚ、１３．９ｋＨｚのキャリア周波数についての切替頻度よりも大きく設定した。前者の切替頻度の様子は、白抜きの棒グラフで示し、後者の切替頻度については斜線を付した棒グラフで示してある。

図８は、前者、各キャリア周波数についての切替を等分頻度とした場合の騒音周波数分布特性であり、図９は、後者、つまり上限と下限のキャリア周波数のキャリア信号の切替頻度を中間のキャリア周波数のキャリア信号の切替頻度よりも大きくした騒音周波数分布特性である。図８では鋭い騒音ピークが現れているが、図９では騒音レベルの高い部分が平坦化した周波数分布となっていることが分かる。これを実際の聴覚で見ると、前者はかなり耳障りな騒音として知覚されるが、後者は余り耳障りとならない。

図１で説明したように、キャリア周波数ｆ_Cについての側帯波は、インバータ２０，２２の駆動制御に用いられる出力周波数ｆ_Oに応じて、ｆ_C±ｎｆ_Oの周波数のところに現れる。したがって、出力周波数ｆ_Oが高いと、キャリア周波数ｆ_Cの側帯波の裾野が広がり、左右対称の山形の周波数帯域が広がる。複数のキャリア周波数のキャリア信号を用いると、同じキャリア周波数間隔であれば、出力周波数ｆ_Oが高いほど、相互の干渉が強くなり、出力周波数ｆ_Oが低いほど、相互の干渉が弱くなる。

図１０は、出力周波数ｆ_Oが小さい場合に、上限と下限のキャリア周波数のキャリア信号の切替頻度を中間のキャリア周波数のキャリア信号の切替頻度よりも大きくした騒音周波数分布を示す図である。これを図６と比較すると、中間の周波数のところの騒音レベルが低くなり、両端の周波数における騒音のピークが目立ってくることが分かる。これと反対に出力周波数ｆ_Oが高い場合は、中間の周波数のところの騒音レベルが相互干渉によって高くなり、両端の周波数における騒音のピークが目立たなくなり、より平坦な騒音周波数分布特性となる。

図１１は、そのような出力周波数ｆ_Oに基く側帯波の干渉の特性を考慮した切替頻度マップの例を示す図である。図１１において、横軸には切替に用いられるキャリア信号のキャリア周波数ｆ_Cをとり、パラメータとしてインバータ２０，２２の運転条件の１つである出力周波数ｆ_Oとしたときの切替頻度が縦軸に示されている。図１１に示されるように、インバータの出力周波数ｆ_Oが高くなるに応じて、各キャリア周波数の切替頻度の間の差が大きくなるように設定され、出力周波数ｆ_Oが低くなるに応じて、各キャリア周波数の切替頻度の間の差が小さくなるように設定される。このようにすることで、出力周波数ｆ_Oに応じて、騒音の周波数分布特性を平坦化して静粛性が向上する。

図１２は、インバータ２０，２２の駆動制御に用いられる変調率γと切替頻度とを関連づけるマップの一例である。変調率γによってもキャリア信号における側帯波の現れ方が変化する。変調率γが大きくなると、インバータの駆動制御に用いられる出力信号は正弦波から矩形波に変化するため、複数のキャリア周波数の間の干渉は変調率γの変化によって複雑に変化する。したがって、インバータ２０，２２の運転条件の範囲で、変調率γと、出力周波数ｆ_Oと、切替頻度との関係を予め求めておき、これを記憶装置５２の頻度マップファイル５６に記憶しておくことが好ましい。そして、実際のインバータ２０，２２の運転条件における出力周波数ｆ_O、変調率γを検索キーとして頻度マップファイル５６を検索し、その運転条件の下での切替頻度を読み出すことで、その値を切替頻度として設定することができる。

上記では、外部電源６０が２つの回転電機２４，２６の中性点に接続される場合について説明した。上記のように、外部電源６０に代えて交流で作動する電気機器を負荷として
２つの回転電機２４，２６の中性点に接続される場合でも同様の騒音静粛性の作用を行うことができる。この他に、図１３に示すように、三相回転電機７０を作動させる場合にも同様の騒音静粛性の作用を行うことができる。また、図１４に示すようにリアクトル７２を介した外部電源７４を接続するときにも同様の騒音静粛性の作用を行うことができる。この場合の外部電源７４としては、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの１００Ｖ電源、あるいは２００Ｖ電源等を用いることができる。この外部電源７４に代えて、交流で作動する電気機器を負荷として接続する場合にも同様の騒音静粛性の作用を行わせることができる。また、図１５に示すように三相用リアクトル７６を介した外部電源７８を接続するときにも同様の騒音静粛性の作用を行うことができる。この場合の外部電源７８としては、三相電源等を用いることができる。この外部電源７８に代えて、三相で作動する電気機器を負荷として接続する場合にも同様の騒音静粛性の作用を行わせることができる。

本発明に係る実施の形態のインバータ制御装置を含む回転電機制御システムの構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態を説明するために、キャリア周波数を一定にしたときの回転電機の騒音の周波数分布特性のモデルを示す図である。 本発明に係る実施の形態を説明するために、回転電機の実測騒音の周波数分布を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、インバータの駆動制御に用いられる電圧指令信号とキャリア信号とＰＷＭ信号の関係を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、キャリア周波数の切替頻度の１つの状態を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、キャリア周波数の切替頻度の他の１つの状態を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、検証用として用いた２つの切替頻度の様子を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、図８の検証用の２つの切替頻度のうちの一方のキャリア周波数切替における実測騒音の周波数分布図である。 本発明に係る実施の形態において、図８の検証用の２つの切替頻度のうちの他方のキャリア周波数切替における実測騒音の周波数分布図である。 本発明に係る実施の形態において、インバータの駆動制御に用いられる出力周波数が低い場合の周波数分布特性を説明する図である。 本発明に係る実施の形態において、インバータの駆動制御に用いられる出力周波数に関する頻度マップの例を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、インバータの駆動制御に用いられる変調率出力周波数に関する頻度マップの例を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、三相回転電機を作動させる場合を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、リアクトルを介した外部電源を接続する場合を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、三相用リアクトルを介した外部電源を接続する場合を示す図である。

符号の説明

１０ 回転電機制御システム、１２ 蓄電装置、１４，１８ 平滑コンデンサ、１６ 電圧変換器、２０，２２ インバータ、２４，２６ 回転電機、２８ 電流センサ、３０ 騒音マイク、４０ （インバータ）制御装置、４２ 電圧指令演算部、４４ ＭＧ１スイッチング信号発生部、４６ ＭＧ２スイッチング信号発生部、４８ キャリア周波数切替部、５０ 切替頻度設定部、５２ 記憶装置、５４ キャリア周波数ファイル、５６ 頻度マップファイル、５８ ＦＦＴ部、６０，７４，７８ 外部電源、６２ 電圧指令信号、６４ キャリア信号、６６ ＰＷＭ信号、７０ 三相回転電機、７２ リアクトル、７６ 三相用リアクトル。

Claims (9)

1. インバータの駆動制御に用いるキャリア周波数を複数種類設定するキャリア周波数設定手段と、
   複数のキャリア周波数を切り替えて用いる際に、各キャリア周波数の側帯波を含めた合成周波数分布特性が平坦となるように、各キャリア周波数の切替頻度をインバータの運転条件ごとに設定する頻度設定手段と、
   設定手段によって設定された切替頻度に従って各キャリア周波数をインバータの運転中に順次切り替える周波数切替手段と、
   を有することを特徴とするインバータ制御装置。
2. 請求項１に記載のインバータ制御装置において、
   頻度設定手段は、
   キャリア周波数の側帯波がインバータの駆動制御に用いられる出力周波数に依存することに基いて、出力周波数毎に各キャリア周波数の切替頻度を設定することを特徴とするインバータ制御装置。
3. 請求項１に記載のインバータ制御装置において、
   頻度設定手段は、
   キャリア周波数の側帯波がインバータの駆動制御に用いられる変調率に依存することに基いて、変調率毎に各キャリア周波数の切替頻度を設定することを特徴とするインバータ制御装置。
4. 請求項３に記載のインバータ制御装置において、
   頻度設定手段は、
   キャリア周波数の側帯波がインバータの駆動制御に用いられる出力周波数とインバータの変調率に依存することに基いて、出力周波数と変調率との組合せ毎に各キャリア周波数の切替頻度を設定することを特徴とするインバータ制御装置。
5. 請求項１に記載のインバータ制御装置において、
   インバータの電流波形の周波数分布特性を取得するＦＦＴ部を有し、
   頻度設定手段は、
   ＦＦＴ部の取得した周波数分布特性に基き、取得した周波数分布特性をさらに平坦化するように、各キャリア周波数の切替頻度を設定することを特徴とするインバータ制御装置。
6. 請求項１に記載のインバータ制御装置において、
   騒音測定装置の検出波形の周波数分布特性を取得するＦＦＴ部を有し、
   頻度設定手段は、
   ＦＦＴ部の取得した周波数分布特性に基き、取得した周波数分布特性をさらに平坦化するように、各キャリア周波数の切替頻度を設定することを特徴とするインバータ制御装置。
7. 請求項１に記載のインバータ制御装置において、
   振動測定装置の検出波形の周波数分布特性を取得するＦＦＴ部を有し、
   頻度設定手段は、
   ＦＦＴ部の取得した周波数分布特性に基き、取得した周波数分布特性をさらに平坦化するように、各キャリア周波数の切替頻度を設定することを特徴とするインバータ制御装置。
8. 請求項１に記載のインバータ制御装置において、
   頻度設定手段は、
   各キャリア周波数の中で、高周波数側のキャリア周波数の切替頻度と、低周波数側のキャリア周波数の切替頻度とを、中間の周波数に属するキャリア周波数の切替頻度よりも大きく設定することを特徴とするインバータ制御装置。
9. 請求項８に記載のインバータ制御装置において、
   頻度設定手段は、
   インバータの出力周波数が低くなるのに応じて、各キャリア周波数の切替頻度の間の差を小さく設定することを特徴とするインバータ制御装置。

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