JP2012239330A - インバータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ駆動用のインバータをパルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）によって制御する際に、インバータで生じる騒音を低減しつつ、モータの減磁を抑制する。
【解決手段】モータ駆動用のインバータをＰＷＭ制御によって制御する制御装置は、ＰＷＭ制御時にインバータで生じる騒音を低減させるために、ＰＷＭ制御に用いられるキャリア周波数を所定周期で任意に変動（拡散）させる拡散制御を実行する。この際、制御装置は、モータ温度の上昇に応じてキャリア周波数の拡散幅を狭める。これにより、モータ温度の上昇に応じて、モータの磁石損失の悪化が抑制される。そのため、モータＭ１の発熱量も低下され、モータＭ１の減磁が抑制される。
【選択図】図５

Description

この発明は、モータを駆動するためのインバータの制御に関し、より特定的には、インバータのパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、以下「ＰＷＭ」ともいう）制御に関する。

特開２０１０−２５９３２６号公報（特許文献１）には、モータ駆動用のインバータをＰＷＭ制御によって制御する際に、ＰＷＭ制御に用いられるキャリア周波数を変動（拡散）させることによって、インバータで生じる騒音（電磁音）を低減する技術が開示されている。

特開２０１０−２５９３２６号公報 特開２０００−８３３９６号公報 特開２００６−３３３５７２号公報

しかしながら、磁石を備えるモータに特許文献１の技術を適用すると、キャリア周波数の変動によってモータの磁石損失が悪化してしまい、熱によるモータの減磁を早期に生じさせてしまうおそれがある。

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って、その目的は、モータを駆動するためのインバータをパルス幅変調制御によって制御する際に、インバータで生じる騒音を低減しつつ、モータの減磁を抑制することである。

この発明に係る制御装置は、モータを駆動するためのインバータをパルス幅変調制御によって制御する。この制御装置は、モータの温度を取得する取得部と、パルス幅変調制御に用いられるキャリア周波数を変動させる周波数変動部とを備える。周波数変動部は、モータの温度に応じてキャリア周波数の変動幅を変更する。

好ましくは、周波数変動部は、モータの温度の上昇に応じてキャリア周波数の変動幅を狭くする。

本発明によれば、モータを駆動するためのインバータをパルス幅変調制御によって制御する際に、インバータで生じる騒音を低減しつつ、モータの減磁を抑制することができる。

モータ駆動制御システムの全体構成図である。 キャリア周波数と騒音の音圧レベルとの関係を示した図である。 拡散制御の態様を示す図である。 拡散制御によって磁石損失が生じる原理を模式的に示した図である。 モータ温度とキャリア周波数の拡散幅との対応関係の一例を示した図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお以下図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰り返さないものとする。

図１は、本発明の実施の形態に従う制御装置が適用されるモータ駆動制御システム１００の全体構成図である。

図１を参照して、モータ駆動制御システム１００は、直流電源Ｂと、コンバータ１２と、インバータ１４と、モータＭ１と、温度センサ２５と、制御装置３０とを備える。

直流電源Ｂは、代表的には、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電装置により構成される。

コンバータ１２は、リアクトルと、２つのスイッチング素子と、２つのダイオードとを含む。コンバータ１２の２つのスイッチング素子は、制御装置３０からの制御信号によってそれぞれ制御される。コンバータ１２は、昇圧動作時には、正極線６および負極線５の間の電圧（直流電源Ｂの電圧）を昇圧し、昇圧した電圧を正極線７および負極線５の間に出力する。また、コンバータ１２は、降圧動作時には、正極線７および負極線５の間の電圧を降圧して正極線６および負極線５の間に出力する。

インバータ１４は、正極線７および負極線５の間に並列に設けられる三相（Ｕ、Ｖ、Ｗ相）の各上下アーム（スイッチング素子）から成る。各相の上下アームのオン／オフは、制御装置３０からの制御信号によって制御される。インバータ１４は、コンバータ１２から供給される直流電力を交流電力に変換してモータＭ１に供給する。また、コンバータ１２は、モータＭ１が発生した回生電力（交流電力）を直流電力に変換してコンバータ１２に供給する。

モータＭ１は、永久磁石型同期電動機である。モータＭ１は、車両の駆動輪を駆動するためのトルク（車両駆動トルク）を発生する。ここでいう車両とは、通常のハイブリッド自動車、外部電源で車載バッテリを充電可能なハイブリッド自動車（いわゆるプラグインハイブリッド自動車）、電気自動車、燃料電池自動車など、電気エネルギによって車両駆動トルクを発生可能な自動車全般が含まれる。モータＭ１は、電動機および発電機の機能を併せ持つように構成される。モータＭ１は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中性点に共通接続されて構成される。さらに、各相コイルの他端は、インバータ１４の各相の上下アームの中間点と接続されている。

温度センサ２５は、モータ温度（モータＭ１の温度）を検出し、検出結果を制御装置３０に出力する。

制御装置３０は、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）およびメモリを内蔵した電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）により構成され、当該メモリに記憶されたデータに基づいて、モータ駆動制御システム１００の動作を制御する。

以下、制御装置３０が行なう、インバータ１４のＰＷＭ制御について説明する。ＰＷＭ制御では、キャリア信号と相電圧指令との電圧比較に基づきインバータ１４の各相のスイッチング素子のオンオフを制御することによって、疑似正弦波電圧としてのパルス幅変調電圧をモータＭ１の各相に印加させる。したがって、各スイッチング素子の単位時間あたりのスイッチング動作の回数（以下、「スイッチング周波数」ともいう）は、キャリア信号の周波数（以下「キャリア周波数」ともいう）に依存する。

このＰＷＭ制御時のスイッチング動作に起因して、インバータ１４において騒音（電磁音）が発生することが知られている。

図２は、キャリア周波数と騒音の音圧レベルとの関係を示した図である。図２に示すように、キャリア周波数を予め定められた基準値（以下「中心キャリア」という）に固定した場合の音圧レベルαよりも、キャリア周波数を所定範囲で拡散した場合の音圧レベルβのほうが低い。すなわち、キャリア周波数を固定するよりも拡散したほうが、騒音は低減される。

そこで、制御装置３０は、モータＭ１の制御性を維持可能な範囲で、キャリア周波数を任意に変動（拡散）させる「拡散制御」を実行することによって、モータＭ１の制御性を低下させることなくＰＷＭ制御時の騒音低減を図る。

図３は、拡散制御の態様を示す図である。図３に示すように、制御装置３０は、キャリア周波数を中心キャリア（一点鎖線）に固定するのではなく、所定の拡散幅内で所定周期ごとにキャリア周波数を任意に変動させる。このような拡散制御によって、ＰＷＭ制御時にインバータ１４で生じる騒音を低減させることができる。

しかしながら、この拡散制御によって、モータＭ１に備えられる永久磁石で生じる損失（以下、単に「磁石損失」という）が悪化するという背反が生じる。

図４は、拡散制御によって磁石損失が生じる原理を模式的に示した図である。一般的に、キャリア周波数が増加すると磁石損失そのものは減少するが、その磁石損失の減少率は徐々に小さくなる傾向にある。すなわち、キャリア周波数と磁石損失との相関線は、直線的ではなく、図４に示すように緩やかな曲線となる。そのため、キャリア周波数を所定の拡散幅内で変動させた場合の磁石損失（図４の直線ＡＢ、曲線ＢＣ、直線ＣＤ、直線ＡＤで囲まれる面積に相当）は、同じ時間だけキャリア周波数を中心キャリアで固定した場合の磁石損失（図４の長方形ＡＥＦＤ＝台形ＡＧＨＤの面積に相当）よりも悪化する。すなわち、図４に示す斜線部分の面積が磁石損失の悪化分に相当する。磁石損失が悪化すると、その悪化に応じてモータＭ１で生じる損失熱も増加するため、その熱に起因してモータＭ１の減磁が早期に生じてしまうおそれがある。

そこで、制御装置３０は、温度センサ２５が検出したモータ温度を監視（取得）し、モータ温度に応じて拡散制御によるキャリア周波数の拡散幅を変更する。具体的には、制御装置３０は、モータ温度の上昇に応じてキャリア周波数の拡散幅を狭くする。

図５は、モータ温度とキャリア周波数の拡散幅との対応関係の一例を示した図である。たとえば、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間にモータ温度が温度Ｗ１から温度Ｗ２（＞Ｗ１）に上昇した場合、制御装置３０は、キャリア周波数の拡散幅を幅Ｈ１から幅Ｈ２（＜Ｈ１）に狭めるように変更する。すなわち、制御装置３０は、モータ温度の上昇量ΔＷ（＝｜Ｗ１−Ｗ２｜）に比例させて、キャリア周波数の拡散幅ΔＨ（＝｜Ｈ１−Ｈ２｜）を狭める。これにより、モータ温度の上昇に応じて、磁石損失の悪化が抑制される（図４に示す斜線部分の面積が小さくなる）。そのため、モータＭ１の発熱量も低下され、モータＭ１の減磁を抑制することができる。

以上のように、本実施の形態に係る制御装置３０は、ＰＷＭ制御時にインバータで生じる騒音を低減させるために、キャリア周波数を固定するのではなく所定周期で任意に変動（拡散）させる拡散制御を実行する。この際、制御装置３０は、拡散制御よって磁石損失が悪化しモータＭ１の発熱量が増加してしまうことを考慮して、モータ温度の上昇に応じてキャリア周波数の拡散幅を狭くする。これにより、モータ温度の上昇に応じて、磁石損失の悪化が抑制され、モータＭ１の発熱量も低下される。そのため、インバータ１４をＰＷＭ制御によって制御する際に、インバータ１４で生じる騒音を低減しつつ、モータＭ１の減磁を抑制することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１２ コンバータ、１４ インバータ、２５ 温度センサ、３０ 制御装置、１００ モータ駆動制御システム、Ｍ１ モータ。

Claims (2)

1. モータを駆動するためのインバータをパルス幅変調制御によって制御する制御装置であって、
   前記モータの温度を取得する取得部と、
   前記パルス幅変調制御に用いられるキャリア周波数を変動させる周波数変動部とを備え、
   前記周波数変動部は、前記モータの温度に応じて前記キャリア周波数の変動幅を変更する、インバータの制御装置。
2. 前記周波数変動部は、前記モータの温度の上昇に応じて前記キャリア周波数の変動幅を狭くする、請求項１に記載のインバータの制御装置。

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