JP2011055651A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ制御装置において、モータの動作制御により、ステータの振動に基づく騒音の発生を抑制する。
【解決手段】 モータ制御装置１０は、ロータの回転速度Ｒを算出する回転速度算出部３０と、その回転速度Ｒと、ステータの固有振動数Ｆとに基づいて、インバータ２０への変調率Ｄを調整する変調率調整部３２とを有する。この構成により、高調波成分の周波数と、ステータが有する固有振動数Ｆとによる共振現象の発生を防ぎ、ステータの振動に基づく騒音の発生を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明はモータ制御装置に関する。

モータは、駆動力を発生させるために様々な用途に用いられる。例えば、電気自動車などの原動機としてモータが用いられる。このような車両用モータには、従来から埋込磁石型モータが知られており、このモータは、ロータの内部に磁石を備え、コイルを有するステータで発生する回転磁界とロータとの間に働く電磁的作用によりロータを回転させる。

上述の車両用モータにおいては、インバータからコイルに電力が供給されると、電磁力がステータに発生する。この電磁力が有する高調波成分の周波数と、ステータが有する固有振動数とが一致すると、共振現象によりステータの振動が発生し、ステータを収容するハウジングを介して、車室内に騒音が発生してしまうという問題がある。

下記特許文献１には、車両に搭載される電動パワーステアリング用ブラシレスモータであって、有底円筒形状に形成されたステータのケースを有するブラシレスモータが記載されている。このようなモータにおいては、一般的に、通電によりステータが振動すると、その振動が円筒の底板に伝わり増幅または共振して、車室内に騒音が発生してしまう。そこで、下記特許文献１では、底板に放射性ビードを設け、このビードが底板の振動を抑制して振動の増幅または共振を抑制する技術が開示されている。

特開２００７−８２３７１号公報

上記特許文献１のモータのように、ステータに振動を抑制する振動抑制部材を設けることにより、車室内の騒音を低減することができる。しかし、モータの部品点数が増加するので、組み立て工数が多くなるとともに、コストも増加してしまうという問題がある。

本発明の目的は、モータに新規の部品を追加することなく、モータの動作制御により、ステータの振動に基づく騒音の発生を抑制することができるモータ制御装置を提供することにある。

本発明は、ロータと、このロータの周囲に配置され、コイルが巻回されたステータとを有するモータを、このモータに電力を供給するインバータを介して制御するモータ制御装置において、ロータの回転速度を算出する回転速度算出部と、回転速度算出部により算出された回転速度と、ステータの固有振動数とに基づいて、インバータへの変調率を調整する変調率調整部と、を有することを特徴とする。

本発明のモータ制御装置によれば、モータに新規の部品を追加することなく、モータの動作制御により、ステータの振動に基づく騒音の発生を抑制することができる。

本実施形態の電気自動車の構成を示す図である。 高調波成分の周波数とロータの回転速度との関係を示す図である。 高調波成分の周波数と変調率との関係を示す図である。

以下、本発明に係るモータ制御装置の実施形態について、図に従って説明する。なお、一例として、電気で駆動する電気自動車を挙げ、この自動車に搭載されるモータを制御するモータ制御装置について説明する。なお、本発明は、電気自動車に限らず、内燃機関と電動機との出力で走行する車両、すなわちハイブリッド車両に搭載されるモータを制御するモータ制御装置、または車両以外の用途に使用されるモータを制御するモータ制御装置にも適用できる。

まず、本実施形態に係るモータ制御装置１０を搭載する電気自動車１２の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る電気自動車１２の概略構成を示す図である。

電気自動車１２は、原動機としてモータ１４を有する。モータ１４には、動力伝達機構１６を介して駆動輪１８が接続されている。動力伝達機構１６は、モータ１４の出力軸の回転速度を減速する減速機構（図示せず）と、左右の駆動輪１８の回転差を吸収する差動機構（図示せず）を含む。モータ１４の動力は、動力伝達機構１６を介して、駆動輪１８に伝達され、電気自動車１２が走行する。

本実施形態におけるモータ１４は、シャフト（図示せず）に固定され、これと一体に回転するロータ（図示せず）と、ロータの周囲に配置されたステータ（図示せず）とを有する。ロータには、永久磁石が設けられ、ステータにはコイルが巻回されている。このように構成されるモータ１４においては、コイルの通電より、ステータに回転磁界が発生し、この回転磁界に吸引される力が、永久磁石を有するロータに発生して、ロータが回転する。本実施形態においては、永久磁石を用いた永久磁石界磁式同期モータについて説明したが、この構成に限定されず、誘導モータであってもよい。

モータ１４は、インバータ２０を介してバッテリ２２に電気的に接続される。モータ１４とインバータ２０とは、三相交流用のケーブル２４を介して接続される。一方、インバータ２０とバッテリ２２とは、直流用のケーブル２６を介して接続される。

バッテリ２２は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリ、リチウムイオンバッテリなどで構成される。もちろん、バッテリ２２に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いることもできる。

バッテリ２２に蓄えられた電力は、インバータ２０により直流から交流に変換された後に、モータ１４に供給され、モータ１４を駆動する。また、回生時にモータ１４により発電された電力は、インバータ２０により交流から直流に変換された後に、バッテリ２２に送られて蓄えられる。

電気自動車１２はモータ制御装置１０を有する。モータ制御装置１０は、インバータ２０をＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御して、モータ１４を制御する装置である。モータ制御装置１０は、一つの態様では、ハードウェア資源とソフトウェアとの協働により実現され、例えば電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）である。具体的には、モータ制御装置１０の機能は、記録媒体に記録された制御プログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵ（Central Processing Unit）により実行されることによって実現される。制御プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されて提供されることも可能であるし、データ信号として通信により提供されることも可能である。ただし、モータ制御装置１０は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。また、モータ制御装置１０は、物理的に１つの装置により実現されてもよいし、複数の装置により実現されてもよい。

モータ制御装置１０には、別のＥＣＵ（図示せず）が接続されている。このＥＣＵは、モータ１４のトルク指令値をモータ制御装置１０へ出力する。

また、モータ制御装置１０には、対象機器の状態を検出する各種センサが接続されている。具体的には、モータ制御装置１０には、モータ１４のロータの回転角度を検出する回転角度センサ２８が接続される。このセンサ２８は、例えばレゾルバであり、モータ１４のシャフトに取り付けられる。また、モータ制御装置１０には、ケーブル２４を流れる電流を検出する電流センサ（図示せず）が接続されている。これらのセンサは、検出値をモータ制御装置１０へ出力する。

モータ制御装置１０は、別のＥＣＵから入力されたトルク指令値、回転角度センサ２８から入力された回転角度、電流センサから入力された電流に基づいてインバータ２０に設けられたスイッチング素子を制御するための信号を生成し、その生成した信号をインバータ２０に出力する。そして、モータ制御装置１０からインバータ２０に入力された信号によりスイッチング素子が動作し、この動作により発生した電力がモータ１４に供給されて、モータ１４が駆動する。

従来技術で述べたように、モータの起動により、コイルに通電すると、電磁力がステータに発生する。この電磁力が有する高調波成分の周波数と、ステータが有する固有振動数とが一致すると、共振現象により、高調波成分のトルクリップルが増大してステータの振動が発生する。そうすると、ステータを収容するハウジングを介してモータの外部に騒音が発生してしまうという問題があった。

そこで、この問題を解決するために、本発明に係るモータ制御装置１０は、ロータの回転速度Ｒを算出する回転速度算出部３０と、その回転速度Ｒと、ステータの固有振動数Ｆとに基づいて、インバータ２０への変調率Ｄを調整する変調率調整部３２とを有することを特徴とする。この構成により、高調波成分の周波数と、ステータが有する固有振動数Ｆとによる共振現象の発生を防ぎ、ステータの振動に基づく騒音の発生を抑制することができる。以下、本発明に係るモータ制御装置１０について、具体的に説明する。ここで、変調率Ｄとは、キャリア周波数の振幅に対する、モータのコイルに印加する電圧操作量がＰＷＭ変調される際の振幅の割合である。

回転速度算出部３０は、回転角度センサ２８により検出された回転角度からロータの回転速度Ｒを算出する。なお、本実施形態はこの構成に限定されず、回転速度算出部３０が、電流センサにより検出された電流からロータの回転速度Ｒを算出することもできる。

高調波成分の周波数とロータの回転速度Ｒとの関係について、図２を用いて説明する。一般的に、図２に示されるように、ロータの回転速度Ｒは、高調波成分の周波数に依存する。具体的には、ロータの回転速度Ｒが高くなるにつれて高調波成分の周波数が高くなる。このような関係から、図２の破線Ａに示されるように、ロータの回転速度Ｒには、ステータの固有振動数Ｆに一致する高調波成分の周波数に対応する回転速度Ｒｆが存在することになる。

次に、高調波成分の周波数と変調率Ｄとの関係について、図３を用いて説明する。一般的に、図３に示されるように、高調波成分の周波数は変調率Ｄに依存する。具体的には、高調波成分の周波数が高くなるにつれて変調率Ｄが大きくなる。このような関係から、図３の破線Ｂに示されるように、変調率Ｄには、ステータの固有振動数Ｆに一致する高調波成分の周波数に対応する変調率Ｄｆが存在することになる。

上述の関係を用いて、変調率調整部３２は、ロータの回転速度Ｒと、ステータの固有振動数Ｆとに基づいて、インバータ２０への変調率Ｄを調整する。具体的には、変調率調整部３２は、ステータの固有振動数Ｆに対応するロータの回転速度Ｒｆを予め記憶しており、この値と、回転速度算出部３０により算出された回転速度Ｒとを比較する。そして、これらの値が一致する場合は、共振現象が生じると判断し、変調率Ｄを調整する。変調率Ｄを調整することにより、高調波成分の周波数が調整される、言い換えれば固有振動数Ｆに一致する周波数から外れる。これにより、共振現象の発生を防ぐことができ、結果として、ステータの振動に基づく騒音の発生を抑制することができる。

変調率調整部３２は、変調率Ｄを調整するとき、変調率Ｄを下げることが好適である。変調率Ｄを下げると、高調波成分のトルクリップルが小さくなるので、ステータの振動の抑制になるからである。

本実施形態においては、変調率調整部３２が、ステータの固有振動数Ｆに対応する回転速度Ｒｆと、回転速度算出部３０により算出された回転速度Ｒとが一致したとき、変調率Ｄを調整する場合について説明したが、この構成に限定されない。共振現象は、ステータの固有振動数Ｆと高調波成分の周波数が完全に一致しなくても生じる。このため、変調率調整部３２は、ステータの固有振動数Ｆに対応する回転速度Ｒｆに所定の範囲を持たせ、この範囲に、回転速度算出部３０により算出された回転速度Ｒが含まれる場合、変調率Ｄを調整するようにしてもよい。

１０ モータ制御装置、１２ 電気自動車、１４ モータ、２０ インバータ、２８ 回転角度センサ、３０ 回転速度算出部、３２ 変調率調整部。

Claims (1)

1. ロータと、このロータの周囲に配置され、コイルが巻回されたステータとを有するモータを、このモータに電力を供給するインバータを介して制御するモータ制御装置において、
   ロータの回転速度を算出する回転速度算出部と、
   回転速度算出部により算出された回転速度と、ステータの固有振動数とに基づいて、インバータへの変調率を調整する変調率調整部と、
   を有することを特徴とするモータ制御装置。

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