JP2020010474A - モータ駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】モータノイズを効果的に抑制する。【解決手段】制御装置２０には、前記高調波電流として、前記ロータの回転数に応じて、前記ステータの半径方向に作用する強制力および前記ステータの円周方向に作用する強制力について、これら強制力を低減するための位相の高調波電流がそれぞれ設定されている。制御装置２０は、前記ロータの回転数に基づき、前記設定された高調波電流の中から前記基本波電流に重畳する高調波電流を選択する。【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石型モータにおけるノイズの低減に関する。

従来、永久磁石型モータにおいて、永久磁石による電機子鎖交磁束の高調波成分に起因するトルクリプルが発生し、これに応じたモータノイズが発生する。特許文献１では、永久磁石による電機子鎖交磁束の高調波成分を演算算出し、これを打ち消す高調波電流を流すことでモータノイズを低減することが示されている。

特開２００４−０６４９０９号公報

ここで、高調波を重畳してモータノイズを低減する制御を実施した場合に、特定の周波数においてはノイズが改善できるが、別の特定の周波数においては改善がなかったり、逆に悪化する場合がある。従って、より効果的なノイズ低減が望まれる。

本発明は、コイルが巻回されたステータおよび複数の永久磁石が設けられたロータとを有する永久磁石型のモータと、前記コイルに駆動電流を供給するインバータと、前記駆動電流が、前記モータの駆動のための基本波電流に対し、モータノイズを低減するための高調波電流を重畳した電流となるように前記インバータを制御する制御装置と、を備えたモータ駆動システムであって、前記制御装置には、前記高調波電流として、前記ロータの回転数に応じて、前記ステータの半径方向に作用する強制力および前記ステータの円周方向に作用する強制力について、これら強制力を低減するための位相の高調波電流がそれぞれ設定されており、前記制御装置は、前記ロータの回転数に基づき、前記設定された高調波電流の中から前記基本波電流に重畳する高調波電流を選択する。

また、前記制御装置は、ロータ回転数に応じて、重畳すべき前記ステータの半径方向に作用する強制力および前記ステータの円周方向に作用する強制力を低減するための高調波電流についてのマップを持っており、ロータ回転数に応じて重畳する高調波を選択するとよい。

また、前記制御装置は、前記インバータを制御して、モータ回転に対する６次および１２次のモータノイズについて、位相が反転した前記高調波電流を生成するとよい。

本発明によれば、ノイズ発生の強制力の方向寄与度に応じて、適切な高調波電流をモータに印加できるため、モータノイズの発生を効果的に抑制できる。

実施形態に係るモータ駆動システムの全体構成を示すブロック図である。 ステータの構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 ステータに作用する強制力の方向を説明する図である。 ノイズおよび強制力の周波数特性を示す図である。 各周波数において重畳する高周波電流を示す図である。 高調波波形Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２を示す図である。 高調波対策の実施についてのフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

＜システム全体構成＞
図１は、実施形態に係るモータ駆動システムの全体構成を示すブロック図である。直流電源１０は、リチウムイオン電池などの二次電池などで構成される。また、昇圧コンバータなどで電池出力を昇圧したり、平滑用のコンデンサを含むことも好適である。

直流電源１０からの出力は、インバータ１２に供給される。インバータ１２は、直流電力を任意の３相交流のモータ駆動電流に変換する。インバータ１２は、２つのスイッチング素子の直列接続からなるアームを３本有する。インバータ１２には、モータ１４が接続される。このモータ１４は、３相の永久磁石型同期モータであり、３相のコイルが巻回されたステータと、複数の永久磁石を設けたロータを有する。インバータ１２の３本のアームの中点がステータの３相のコイルにそれぞれ接続される。そこで、インバータ１２のスイッチング素子のスイッチングによって、モータ１４のステータの３相のコイルに、３相のモータ駆動電流が流れ、これによって生じた回転磁界によって、ロータが回転する。

モータ１４の回転角は、回転角センサ１６によって検出され、また３相のモータ駆動電流は電流センサ１８によって検出され、検出信号は制御装置２０に供給される。

制御装置２０は、供給されてくるモータ１４についてのトルク指令に基づき、インバータ１２の各スイッチング素子のスイッチング信号を生成し、インバータ１２に供給することで、インバータ１２を制御し、モータ１４の出力を制御する。

制御装置２０は、トルク指令に基づき、ｄｑ軸のモータ駆動指令を作成し、検出されたモータ駆動電流、回転角に応じて算出されたモータ１４のｄｑ軸出力とを比較して、モータ１４の出力がトルク指令に合致するように各スイッチング素子のスイッチング制御信号を作成し、これによってインバータ１２のスイッチングを制御する。この制御によって、モータ１４には、トルク指令に基づくトルクが出力されるための基本波電流が流れる。

ここで、制御装置２０は、高調波処理部２２を有している。この高調波処理部２２は、予め用意されているマップ２４を参照して、モータノイズを抑制するための高調波電流を発生するためのスイッチング信号を発生する。マップ２４には、ロータの回転数に応じて、ステータの半径方向に作用する強制力および円周方向に作用する強制力について、これら強制力を低減するための位相の高調波電流がそれぞれ設定されている。そして、発生したスイッチング信号を基本波発生のためのスイッチング信号に重畳することで、インバータ１２から出力されるモータ駆動電流の基本波にノイズ抑制のための高調波電流が重畳される。これによって、モータ１４によるノイズ発生を抑制することができる。

「モータ構成」
図２には、モータ１４のステータの構成を模式的に示してある。図２（ａ）は軸方向から見た平面図であり、図２（ｂ）は半径方向から内部を見た（ａ）のＡ−Ａ断面であり、両図においてロータは図示を省略してある。ステータ３０は、電磁鋼板を積層して形成されるステータコア３２と、ステータコア３２のティースに巻回される３相のコイル３６から構成される。図においてはコイル３６のステータコア３２から軸方向に突出したコイルエンドを示してある。ステータ３０は、モータケース３４内に収容され、３点でモータケース３４に固定される。

ステータコア３２には、その周囲に３つの半径方向の膨出部３２ａを有している。そして、この膨出部３２ａに軸方向に伸びるボルト３８が挿通され、ボルト３８の先端がケース３４の軸方向端面（底面）にねじ止めされることによって、ステータコア３２がケース３４に固定される。すなわち、ステータコア３２は、ケース３４の底面上に直置きされて、ボルト３８によってケース３４に片持ち固定される。このような片持ち固定では、半径方向、円周方向共に剛性が低く、振動が発生しやすい。

「モータの振動・ノイズ」
図２に示したようなモータ１４において、実際にノイズについて調査したところ、モータ回転についての６ｎ次、１２ｎ次の高調波によるノイズが発生しやすかった。なお、ｎはモータの極対数であり、本実施形態では、ｎ＝４のモータを用いた。

このようなモータ１４のノイズは、周波数によって、ノイズの基になる強制力の方向が異なる。すなわち、モータ１４のノイズの原因となる強制力には、図３に示すように、半径（ラジアル）方向に作用する強制力と、円周（トルク）方向に作用する強制力がある。そして、この強制力の方向寄与度が周波数により異なる。

「ノイズの抑制」
図４には、２４次（６ｎ次：ｎ＝４）ノイズの周波数特性を示してある。横軸が周波数で、縦軸が音圧である。図に示すように低周波数領域ではモータ半径方向の強制力の寄与が大きく、高周波数領域ではモータ円周方向の強制力の寄与が大きい。

例えば、図４の例において、実線で示した目標線以下にノイズを抑制するためには、円周方向の強制力を対象としてノイズを抑制すればよい。

ここで、同じ次数の高調波に基づく強制力であっても、半径方向と円周方向の強制力では、強制力の位相が異なる。このため、周波数に応じてノイズの次数および方向に基づいて適切な高調波波形を重畳する必要がある。すなわち、モータ１４に発生する強制力の方向に応じて重畳する高調波電流の位相を変更しなければならない。

図５の上図に、モータ回転数と、６ｎ次（２４次）、１２ｎ次（４８次）の高調波の周波数と、円周方向強制力が寄与大の領域、半径方向強制力が寄与大の領域を示す。このように、モータ回転数が高い領域で円周方向強制力が寄与が大きく、モータ回転数が低い領域で半径方向強制力が寄与が大きい。また、次数によっていずれの寄与が大きいかが異なる。

図５の中段には、２４（６ｎ）次ノイズ、４８（１２ｎ）次ノイズについてどの高調波波形を重畳すべきかを示してある。このように、モータ回転数に応じて、どの高調波波形を重畳すべきかが異なる。

図５の下段には、中段において指摘した、波形Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２を示してある。このように、波形Ａ１と波形Ａ２は位相が異なるだけであり、波形Ｂ１とＢ２も位相が異なるだけである。この例では、位相が１８０度程度異なっている。従って、方向が異なる強制力によるノイズを相殺するためにモータ電流に重畳する高調波波形も１８０度程度異なったものになる。

このように、最も回転数が低い範囲Ｉ（例：２５〜５０Ｈｚ等）においては波形Ａ１、次に回転数が低い範囲ＩＩにおいては波形Ａ１＋Ｂ１、範囲ＩＩより回転数が高い範囲ＩＩＩにおいては波形Ａ２＋Ｂ１、その上の範囲ＩＶにおいては波形Ｂ１、それより回転数が高い範囲Ｖ（８００Ｈｚ等）では波形Ｂ２を採用する。

このように、モータ回転数に応じて発生するノイズに対応して、それを相殺する高調波波形をモータ駆動電流に重畳することで、モータ回転数の変化に応じて好適なノイズ抑制が行える。

制御装置２０の高調波処理部２２において、上述したような重畳する高調波波形（振幅、位相）をマップとして記憶しておき、モータ回転数に基づいて、高調波波形を選択することによって、ノイズ除去に適切な高調波波形を得ることができる。そして、発生した高調波波形の高調波電流が得られるように、インバータ１２のスイッチングを制御することで、モータ駆動電流にノイズをキャンセルする高調波電流を重畳することができる。

ここで、ノイズはトルクリプルの共振として現れるものであり、モータトルクに応じて振幅が決まる。そこで、モータ１４の出力トルク（基本波の振幅）とノイズの関係を予め求めておくことで、基本波電流に重畳する高調波電流の振幅を決定することができる。また、重畳する高調波の位相はノイズの位相を反転したものである。ノイズの位相は、モータ駆動電流の位相によるので、重畳する高調波電流の位相はモータ駆動電流の位相などから決定することができる。

図６には、高調波波形Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２の波形を模式的に示してある。このように、波形Ａ１と、波形Ａ２は、位相が異なるだけであり、波形Ｂ１と、波形Ｂ２も位相が異なるだけである。例えば、モータ回転数が１０００ｒｐｍの場合、２４次ノイズは４００Ｈｚであり、半径方向の寄与が大きい。従って、波形Ｂ１が採用される。また、モータ回転数が１０００ｒｐｍの場合、４８次ノイズは８００Ｈｚであり、円周方向の寄与が大きい。従って、波形Ａ２が採用される。このため、Ａ２＋Ｂ１の高調波が重畳される。

なお、モータノイズは、モータのトルクが小さければ、小さくなる。そこで、モータ出力トルクが所定以上の場合にのみノイズ対策を行えばよい。

「処理フロー」
図７は、制御装置２０における高調波重畳処理のフローチャートを示す。まず、高調波対策実施対象トルク・回転数域かを判定する（Ｓ１１）。Ｓ１１の判定でＮＯであれば、処理を終了する。

Ｓ１１においてＹＥＳの場合、高調波重畳制御を開始する（Ｓ１２）。制御装置２０の高調波処理部２２、マップ２４に基づいて、重畳する高調波の波形を発生する（Ｓ１３）。すなわち、予め用意されているマップに基づいて、モータ回転数に応じて問題となるモータノイズの周波数毎の強制力の方向別の寄与を考慮し、回転数毎に重畳する波形を選択する。

そして、発生した高調波に応じて変調されたスイッチング信号を形成し、これによってインバータ１２のスイッチングを制御することで、高調波電流を重畳したモータ駆動電流がインバータ１２から出力され、モータ１４に入力される（Ｓ１４）。

このように、モータ駆動電流にノイズを操作する高調波が重畳されることで、ノイズを低減することができる。

１０ 直流電源、１２ インバータ、１４ モータ、１６ 回転角センサ、１８ 電流センサ、２０ 制御装置、２２ 高調波処理部、２４ マップ、３０ ステータ、３２ ステータコア、３４ モータケース、３６ コイル、３８ ボルト。

Claims (1)

1. コイルが巻回されたステータおよび複数の永久磁石が設けられたロータとを有する永久磁石型のモータと、
   前記コイルに駆動電流を供給するインバータと、
   前記駆動電流が、前記モータの駆動のための基本波電流に対し、モータノイズを低減するための高調波電流を重畳した電流となるように前記インバータを制御する制御装置と、
   を備えたモータ駆動システムであって、
   前記制御装置には、前記高調波電流として、前記ロータの回転数に応じて、前記ステータの半径方向に作用する強制力および前記ステータの円周方向に作用する強制力について、これら強制力を低減するための位相の高調波電流がそれぞれ設定されており、
   前記制御装置は、前記ロータの回転数に基づき、前記設定された高調波電流の中から前記基本波電流に重畳する高調波電流を選択する、
   モータ駆動システム。
   

Images