JP2011172303A - インバータの制御装置およびインバータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機のＰＷＭ制御によるインバータ駆動において、回転電機から発せられる騒音を抑制する。
【解決手段】電源からの直流電力を交流電力に電力変換を行い、回転電機をＰＷＭ制御により駆動制御するインバータの制御装置であって、インバータのＰＷＭ制御におけるキャリア周波数を、回転電機の固有振動数と一致するように設定するキャリア周波数設定手段を有するインバータの制御装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機をＰＷＭ制御により駆動制御するインバータの制御装置およびインバータの制御方法に関する。

近年、環境に配慮した自動車としてハイブリッド自動車（ＨＶ）および電気自動車（ＥＶ）等の電動機により推進される電動車が大きく注目されている。ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。すなわち、エンジンを駆動することにより動力源を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換された交流電圧によりモータを回転させることによって動力源を得るものである。また、電気自動車は、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。すなわち、これらの電動車では、二次電池等で構成された直流電源装置から、インバータ等の半導体電力変換器を介して、車両駆動用の交流モータへ電力供給する電気システムが備えられている。

インバータによるモータ駆動では、パワースイッチング素子のオン・オフ動作に起因する電流変動分がモータのコイルに供給されることで、モータ内の磁場に変動を生じさせる。ここで、インバータの一般的な制御方式としてパルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）が知られている。

ハイブリッド車や電気自動車では、エンジン音がほとんどなく静粛性が高いため、僅かなモータ音が車室内に聞こえ易い。モータを高効率で駆動するためにインバータによるＰＷＭ制御を行うと、ＰＷＭ制御のキャリア周波数に起因したモータ音が発生することがある。キャリア周波数に起因したモータ音の発生周波数はモータ回転と共に変化するが、モータ音の周波数がモータの固有振動数と一致すると（すなわち、あるモータ回転になると）、ステータ等に共振を生じさせ、モータから発せられる騒音が顕著になることがある。回転電機のキャリア周波数Ｆｃに起因する騒音は、キャリア周波数を挟んだ側帯波成分で発生し、回転電機の回転周波数をＦ０とすると、Ｆｃ±ｎ×Ｆ０で顕著となる（ｎ：制御方法で決まる整数）。なお、モータの固有振動数は、モータの構造上特定される固有振動数であり、主にステータコアの外径寸法に基づいて定められる。

従来はこのようなモータ騒音を回避するため、モータの固有振動数とＰＷＭ制御のキャリア周波数とを一致させない手段をとる場合があった。

例えば、特許文献１には、ステータコア外形寸法に対して共振を避けてインバータのキャリア周波数を設定することによって、モータの騒音を低減する電動モータの運転方法が記載されている。特許文献２には、モータ構造共振振動数とキャリア周波数の側帯波成分が重なる前後の回転数でキャリア周波数を切り替えることによって、モータ騒音の増大を抑制するインバータの制御装置が記載されている。特許文献３には、キャリア周波数をモータ回転数と負荷条件により変更することによって、高負荷時にも低騒音化の可能なインバータ制御装置が記載されている。

しかし、特許文献１の方法では、広帯域でモータを使用する場合に共振を完全に回避することは困難である。特許文献２，３の方法では、制御装置および制御方法が複雑になり、また、キャリア周波数の切り替え前後で騒音の音色変化が感知されることがある。

特開昭６３−１９０５９４号公報 特開平５−１８４１８２号公報 特開２００９−２８４７１９号公報

本発明は、回転電機のＰＷＭ制御によるインバータ駆動において、回転電機から発せられる騒音を抑制するインバータの制御装置およびインバータの制御方法である。

本発明は、電源からの直流電力を交流電力に電力変換を行い、回転電機をＰＷＭ制御により駆動制御するインバータの制御装置であって、前記インバータのＰＷＭ制御におけるキャリア周波数を、前記回転電機の固有振動数と一致するように設定するキャリア周波数設定手段を有するインバータの制御装置である。

また、本発明は、電源からの直流電力を交流電力に電力変換を行い、回転電機をＰＷＭ制御により駆動制御するインバータの制御方法であって、前記インバータのＰＷＭ制御におけるキャリア周波数と、前記回転電機の固有振動数とを一致させるインバータの制御方法である。

本発明では、回転電機のＰＷＭ制御によるインバータ駆動において、電力変換器のＰＷＭ制御におけるキャリア周波数と回転電機の固有振動数とを一致させることによって、回転電機から発せられる騒音を抑制することが可能である。

本発明の実施形態に係るインバータの制御システムの一例を示す概略図である。 本発明の実施形態におけるキャリア周波数Ｆｃ、キャリア側帯波成分Ｆｓ、モータの固有振動数Ｆｍと、モータ回転数Ｎｍとの関係を示す図である。 従来のキャリア周波数Ｆｃ、キャリア側帯波成分Ｆｓ、モータの固有振動数Ｆｍと、モータ回転数Ｎｍとの関係を示す図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係るインバータの制御システムの一例の概略構成を図１に示し、その構成について説明する。インバータ制御システム１は、直流電源１６からの直流電力を交流電力に電力変換を行う電力変換器としてのインバータ１０と、インバータ１０を制御する制御部１２とを備える。インバータ１０は、モータジェネレータ１４等の回転電機等を制御する。

図１において、直流電源１６はインバータ１０に電気的に接続されている。インバータ１０は、Ｕ相アーム２０と、Ｖ相アーム２２と、Ｗ相アーム２４とを含む。Ｕ相アーム２０、Ｖ相アーム２２およびＷ相アーム２４は、直流電源１６の出力ライン間に並列に接続されている。

Ｕ相アーム２０は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２と、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。ダイオードＤ１のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ１のコレクタと接続され、ダイオードＤ１のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタと接続されている。ダイオードＤ２のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタと接続され、ダイオードＤ２のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ２のエミッタと接続されている。

Ｖ相アーム２２は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４と、ＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ３，Ｄ４とを含む。ダイオードＤ３のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ３のコレクタと接続され、ダイオードＤ３のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ３のエミッタと接続されている。ダイオードＤ４のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ４のコレクタと接続され、ダイオードＤ４のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ４のエミッタと接続されている。

Ｗ相アーム２４は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６と、ＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ５，Ｄ６とを含む。ダイオードＤ５のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ５のコレクタと接続され、ダイオードＤ５のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ５のエミッタと接続されている。ダイオードＤ６のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ６のコレクタと接続され、ダイオードＤ６のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ６のエミッタと接続されている。

Ｕ，Ｖ，Ｗ各相アームの中間点は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の電力ケーブルを介してモータジェネレータ１４の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータ１４は、３相の交流モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルは各々の一方端が中性点に共に接続されている。そして、Ｕ相コイルの他方端が、Ｕ相電力ケーブルを介してＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２の接続ノードに接続される。またＶ相コイルの他方端が、Ｖ相電力ケーブルを介してＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４の接続ノードに接続される。またＷ相コイルの他方端が、W相電力ケーブルを介してＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６の接続ノードに接続されている。

直流電源１６は、例えば、バッテリ等であり、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池、燃料電池等が挙げられる。直流電源１６は、直流電圧をインバータ１０へ供給するとともに、インバータ１０からの直流電圧によって充電されてもよい。

直流電源１６と、インバータ１０との間には、直流電源１６から供給された直流電圧を平滑化するコンデンサ１８を設けてもよい。また、コンデンサ１８と、インバータ１０との間には、平滑化された直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ１２等を設けてもよい。

回転電機は、モータ、またはモータおよびジェネレータの機能を併せ持つモータジェネレータ等である。モータジェネレータ１４は、例えば、３相交流同期電動発電機からなる。モータジェネレータ１４は、例えば、エンジン等によって駆動される発電機として動作するものとしてハイブリッド自動車等に組み込まれるものであってもよいし、ハイブリッド自動車の駆動輪を駆動する電動機としてハイブリッド自動車等に組み込まれるものであってもよい。モータは、ステータ（固定子）とロータ（回転子）とを備え、ステータとロータが電磁気的に相互作用することにより、ロータを回転させ、駆動力を発生させるものである。

インバータ１０は、直流電源からの直流電力を交流電力に電力変換を行う電力変換器である。インバータ１０は、例えばハイブリッド自動車、電気自動車等の車輪を駆動するモータジェネレータ１４等の回転電機に対して直流電源１６からの直流電圧を３相交流等の交流電圧に変換して出力する。モータジェネレータ１４は、インバータ１０から受ける３相交流電圧によって車両等の駆動トルクを発生する。また、モータジェネレータ１４は、車両等の回生制動時、３相交流電圧を発生してインバータ１０へ出力し、インバータ１０は、モータジェネレータ１４が発電した交流電圧を直流電圧に変換して直流電源１６を充電してもよい。すなわち、インバータ１０は、直流電源１６によって供給される直流電力と、モータを駆動制御する交流電力およびジェネレータによって発電される交流電力との間で電力変換を行なう「電力変換器」として設けられている。インバータ１０は、回生制動に伴い、モータジェネレータ１４で発電された電力を昇圧コンバータ等に戻してもよい。このとき昇圧コンバータは降圧回路として動作するように制御装置等によって制御される。

制御部１２は、インバータ１０の「制御装置」としての機能を有するものであり、制御回路として構成される。制御部１２は、モータジェネレータ１４の各相コイルに供給される電流（以下「モータ電流」という。）を検出し、これに基づいてＩＧＢＴ素子Ｑ１〜Ｑ６等のスイッチング素子のオン・オフ動作を制御するためのスイッチング制御信号を設定し、出力する。具体的には、例えば、制御部１２は、モータジェネレータ１４の各相コイルに供給されるモータ電流を検出する電流センサにより検出されたモータ電流、およびモータジェネレータ１４のトルク指令値に基づいてスイッチング制御信号を設定し、出力する。制御部１２は、モータジェネレータ１４を構成するロータの回転角を検出する回転角センサ等により検出されたロータの回転角（ロータ回転角）に基づいてモータジェネレータ１４の回転数（モータ回転数）を算出する。モータジェネレータ１４がハイブリッド車等の電動車両の駆動源を構成する場合には、モータジェネレータ１４のトルク指令値は、運転者のアクセル操作量等に基づいて算出することができる。制御部１２による電圧変換は、パルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）により行われる。

インバータ１０は、予め設定されたキャリア周波数ＦｃによりＰＷＭ制御を行い、直流電源１６の直流電圧を交流電圧に変換し、モータジェネレータ１４に印加する。具体的には、例えば、キャリア波の電圧信号Ｖｃと制御指令値の電圧信号Ｖａとを比較し、制御指令値の電圧信号ＶａがＶｃ以上である期間において、スイッチング制御信号Ｓａとして理論値１を出力する一方、ＶａがＶｃよりも小さい期間において、理論値０を出力する。キャリア波としては一般的には三角波が採用される。制御部１２は、モータジェネレータ１４のトルク指令値に応じた制御指令値を設定し、キャリア波の電圧信号Ｖｃと制御指令値の電圧信号Ｖａとを比較して、その比較結果に応じたスイッチング制御信号Ｓａを出力する。スイッチング制御信号Ｓａは、電圧信号に変換され、インバータ１０のＩＧＢＴ素子Ｑ１〜Ｑ６に印加される。ＩＧＢＴ素子Ｑ１〜Ｑ６は、理論値１であるスイッチング制御信号Ｓａに対してオン動作し、理論値０であるスイッチング制御信号Ｓａに対してオフ動作する。このようなオン・オフ動作の結果、直流電圧がインバータ出力Ｖｏｕｔである交流電圧に変換される。

インバータ１０からの出力である駆動電圧Ｖｏｕｔには、キャリア周波数（基本波成分）Ｆｃ以外に、パルス幅変調の結果として生じる側帯波成分Ｆｓが重畳する。インバータ出力におけるキャリア側帯波成分Ｆｓは、キャリア周波数Ｆｃに対して次式（１）により表される。なお、キャリア波の波形等、パルス幅変調方式に応じて定められる係数をｎとし、モータ回転数Ｎｍに応じたモータの回転周波数をＦ０とする。式（１）から明らかなように、キャリア側帯波成分Ｆｓは、モータ回転数Ｎｍに応じて変化し、モータ回転数Ｎｍの増大に対してキャリア周波数Ｆｃからのずれが大きくなる。

Ｆｓ＝Ｆｃ±ｎ×Ｆ０ （１）

ここで、キャリア側帯波成分Ｆｓがモータジェネレータ１４の騒音を増大させる原因となる。具体的には、キャリア側帯波成分Ｆｓがモータの固有振動数Ｆｍに合致することによってステータ等に共振を生じさせ、モータ騒音を増大させる。なお、モータジェネレータ１４等のモータの固有振動数Ｆｍは、モータの構造上特定される固有振動数であり、主にステータコアの外形寸法に基づいて定められる。

本実施形態では、制御部１２は、インバータ１０のＰＷＭ制御におけるキャリア周波数を、回転電機の固有振動数と一致するように設定するキャリア周波数設定手段を含む。本実施形態では、ハイブリッド自動車、電気自動車用トランスミッション（Ｔ／Ｍ）等のモータジェネレータ１４等の回転電機を、ＰＷＭ制御でインバータ駆動し、回転電機のＰＷＭ制御によるインバータ駆動におけるキャリア周波数（Ｆｃ）を、モータの固有振動数（Ｆｍ）と一致させる。

キャリア周波数をモータの固有振動数と一致させることにより、キャリア周波数に起因するモータ騒音（モータから発音するキャリア周波数騒音）を抑制できる。従来はキャリア周波数に起因するモータ騒音を回避するため、モータの固有振動数Ｆｍとキャリア周波数Ｆｃとを一致させない手段をとる場合があったが、広帯域でモータを使用する場合は完全に回避することが難しかった。なお、モータ回転数がゼロの場合はモータを駆動することがなく（駆動する場合も発熱抑制でキャリア周波数を変更するため）、モータの固有振動数における騒音は発生しない。

図２は、本実施形態におけるキャリア周波数Ｆｃ、キャリア側帯波成分Ｆｓ、モータの固有振動数Ｆｍと、モータ回転数Ｎｍとの関係を示している。モータのキャリア周波数に起因する騒音はキャリア周波数Ｆｃと同じ周波数ではほとんど発生せず、図２に示すようにキャリア周波数Ｆｃを挟む周波数Ｆｃ±ｎ×Ｆ０で発生する。従来の構成では、図３に示すように、キャリア側帯波成分Ｆｓは、キャリア周波数Ｆｃに対して低周波数側でモータの固有振動数Ｆｍに合致し、騒音が発生する。また、キャリア周波数Ｆｃの設定条件によっては高周波数側で合致する場合もある。

本実施形態では、キャリア周波数Ｆｃを、モータの固有振動数Ｆｍと一致させることにより、モータの回転中にキャリア側帯波成分Ｆｓとモータの固有振動数Ｆｍとが合致することが回避される。したがって、キャリア側帯波成分Ｆｓによりステータ等に共振が生じるのを回避して、モータ騒音の増大を抑制することができ、広い回転数領域にわたって静粛性の高いモータ作動を実現することが可能となる。

モータの固有振動数Ｆｍは既知なため、制御部１２により、予めキャリア周波数Ｆｃ＝固有振動数Ｆｍに設定されればよい。したがって、モータジェネレータ１４の動作状態等に応じてキャリア周波数Ｆｃを制御する必要がない。

本実施形態における動力装置は、交流の回転電機と、回転電機の電源である直流電源と、直流電源からの直流電力を交流電力に電力変換を行い、回転電機をＰＷＭ制御により駆動制御し、直流電源および回転電機に接続されたインバータと、インバータのＰＷＭ制御におけるキャリア周波数を回転電機の固有振動数と一致するように設定するキャリア周波数設定手段を含むインバータ制御装置と、を含む。本実施形態に係る動力装置は、内燃機関と組み合わせてハイブリッド車の駆動源を構成してもよく、電気自動車等の電動車の駆動源を構成してもよく、また、電源として燃料電池を採用することにより燃料電池車の駆動源を構成してもよい。

１ インバータ制御システム、１０ インバータ、１２ 制御部、１４ モータジェネレータ、１６ 直流電源、１８ コンデンサ、２０ Ｕ相アーム、２２ Ｖ相アーム、２４ Ｗ相アーム、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６ ＩＧＢＴ素子、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６ ダイオード。

Claims (2)

1. 電源からの直流電力を交流電力に電力変換を行い、回転電機をＰＷＭ制御により駆動制御するインバータの制御装置であって、
   前記インバータのＰＷＭ制御におけるキャリア周波数を、前記回転電機の固有振動数と一致するように設定するキャリア周波数設定手段を有することを特徴とするインバータの制御装置。
2. 電源からの直流電力を交流電力に電力変換を行い、回転電機をＰＷＭ制御により駆動制御するインバータの制御方法であって、
   前記インバータのＰＷＭ制御におけるキャリア周波数と、前記回転電機の固有振動数とを一致させることを特徴とするインバータの制御方法。

Images