JP2020018150A

JP2020018150A - 回転電機制御システム

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Publication number: JP2020018150A
Application number: JP2018141734A
Authority: JP
Inventors: 清隆松原; Kiyotaka Matsubara; 中村　誠; Makoto Nakamura; 誠中村; 大悟野辺; Daigo Nobe; 隆士小俣; Takashi Omata
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2020-01-30
Anticipated expiration: 2038-07-27
Also published as: JP7192291B2

Abstract

【課題】２つの電源と２つのインバータを備え、２つのインバータの出力が１つの回転電機に接続される構成の回転電機制御システムにおいて、２つのインバータの制御が可能であることを生かして性能向上を図ることである。【解決手段】回転電機制御システム１０において、制御装置６０は、回転電機３０に対するトルク指令に基づき、第１インバータ２０に対する第１三相電圧指令、及び第２インバータ２２に対する第２三相電圧指令を導出する三相電圧指令導出部７２を備える。また、キャリア周波数ｆｃを有する第１搬送波と第１三相電圧指令との比較を行う第１インバータ制御部７４を備える。そして、第１搬送波に対して同じキャリア周波数ｆｃで所定の位相差Δαを有する第２搬送波と第２三相電圧指令との比較を行う第２インバータ制御部７６を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、回転電機制御システムに係り、特に、２つの電源と２つのインバータを有し、２つのインバータの出力が１つの回転電機に接続された構成における回転電機制御システムに関する。

特許文献１には、２つの電源と、２つのインバータを有し、２つのインバータの出力で１つのモータを駆動するモータシステムが開示されている。このシステムでは、スター結線のモータの各相について、直列接続した２つの巻線で構成し、一方のインバータを各相の巻線端に接続し、他方のインバータを巻線同士の中間点に接続する。したがって、一方のインバータからの出力で、直列接続した２つの巻線（第１の駆動巻線）を使用してモータを駆動し、他方のインバータからの出力で中間点から内側の巻線（第２駆動巻線）を使用してモータを駆動することができる。

三相回転電機の駆動制御としてＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）技術を用いる場合には、トルク指令から導出される三相電圧指令と、所定のキャリア周波数を有する搬送波とが比較される。キャリア周波数は制御周波数と関連するので、制御性を維持するため、三相回転電機の回転数が高い場合にはキャリア周波数は高く設定される。キャリア周波数が高くなるにつれ、インバータにおけるスイッチング素子のスイッチング損失が増加し、インバータ温度が上昇する。一方でキャリア周波数が低い場合は、駆動電流に重畳するリップル成分の振幅が大きくなり、三相回転電機の動作時騒音が高くなり、場合によっては振動が大きくなる。また鉄心が用いられる場合には、リップル成分の振幅が大きくなると渦電流損等の鉄損が増加する。これらの兼ね合いで三相回転電機のＰＷＭ制御におけるキャリア周波数が設定される。

特開２０００−３２４８７１号公報

１つの電源と１つのインバータとを用いる三相回転電機では、制御性の維持のために回転数に応じてキャリア周波数が設定されあまり自由度がないので、動作時騒音、鉄損、スイッチング損失等の低減に限度がある。２つの電源と２つのインバータを備え、２つのインバータの出力が１つの回転電機に接続される構成においては、各インバータにそれぞれ搬送波が用いられるので、２つの搬送波について個別の制御が可能である。そこで、２つのインバータの制御が可能であることを生かして性能向上が図れる回転電機制御システムが要望される。

本開示に係る回転電機制御システムは、第１電源の正極側母線及び負極側母線に接続された第１インバータと、第２電源の正極側母線及び負極側母線に接続された第２インバータと、第１インバータおよび第２インバータに接続された三相回転電機と、制御装置と、を備え、制御装置は、三相回転電機に対する指令に基づき、第１インバータに対する三相電圧指令である第１三相電圧指令、及び第２インバータに対する三相電圧指令である第２三相電圧指令を導出する三相電圧指令導出部と、所定のキャリア周波数を有する第１搬送波と第１三相電圧指令との比較に従って第１インバータのスイッチング素子のオンオフ信号を生成する第１インバータ制御部と、第１搬送波に対して同じキャリア周波数で所定の位相差を有する第２搬送波と第２三相電圧指令との比較に従って第２インバータのスイッチング素子のオンオフ信号を生成する第２インバータ制御部と、を含む。

上記構成によれば、第２搬送波は第１搬送波とキャリア周波数が同じで所定の位相差を有する。三相回転電機の各相コイルには第１搬送波を用いたＰＷＭ制御と第２搬送波を用いたＰＷＭ制御が同時に行われる。ここで、第１搬送波と第２搬送波との間に位相差があるので、三相電圧指令と第１搬送波との比較結果によるＰＷＭパターンと、三相電圧指令と第２搬送波との比較結果によるＰＷＭパターンとが異なってくる。例えば、第１搬送波及び第２搬送波の（１／４）周期に相当する９０度の位相差を設けると、実質的に２倍のキャリア周波数で動作していることになる。このように、第１搬送波と第２搬送波との間に位相差を設けることで、実質的にキャリア周波数を高めた状態で動作させることができ、騒音レベルが低下し、鉄心を用いた場合の鉄損が低減する。実質的にキャリア周波数を高めた状態で動作するということは、換言すれば、その分、キャリア周波数を低下させることが可能であるので、その場合には、スイッチング損失を低減することも可能になる。

上記構成の回転電機制御システムによれば、２つのインバータの制御が可能であることを生かして、性能向上を図ることができる。

実施の形態に係る回転電機制御システムの構成図である。図１における制御装置のブロック図である。参考例として、第１搬送波と第２搬送波との間に位相差が設けられない場合における搬送波である三角波と電圧指令との比較、及び比較結果としてのスイッチング素子のオン・オフパターンを示す図である。図３（ａ），（ｂ）は、第１インバータについての図であり、（ｃ），（ｄ）は、第２インバータについての図である。実施の形態に係る回転電機制御システムにおいて、第１搬送波と第２搬送波との間に９０度の位相差を設けた場合における三角波と電圧指令との比較、及び比較結果としてのスイッチング素子のオン・オフパターンを示す図である。図４（ａ），（ｂ）は、第１インバータについての図であり、（ｃ），（ｄ）は、第２インバータについての図である。第１搬送波と第２搬送波との間の位相差Δαの有無に関し、回転電機のＵ相コイルの両端電圧とコイル電流について高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行った結果を示す図である。図５（ａ），（ｂ）は、参考例としてΔα＝０の場合の結果を示す図で、（ｃ），（ｄ）は、Δα＝９０度の場合の結果を示す図である。これらの図において、（ａ），（ｃ）は、Ｕ相コイルの両端電圧についてのＦＦＴの結果を示す図であり、（ｂ），（ｄ）は、Ｕ相コイル電流についてのＦＦＴの結果を示す図である。参考例として、第１搬送波と第２搬送波との間に位相差が設けられない場合における回転電機の動作領域ごとのキャリア周波数の設定を示す図である。図６（ａ）は、回転電機の温度が通常温度範囲の場合を示す図で、（ｂ）は、回転電機の温度が高温の場合を示す図である。実施の形態に係る回転電機制御システムにおいて、第１搬送波と第２搬送波との間に位相差Δα＝９０度を設けた場合における回転電機の動作領域ごとのキャリア周波数の設定を示す図である。図７（ａ）は、回転電機の温度が通常温度範囲の場合を示す図で、（ｂ）は、回転電機の温度が高温の場合を示す図である。

以下に図面を用いて本開示に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、車両に搭載される回転電機制御システムを述べるが、これは説明のための例示であって、車両搭載以外の用途に用いられてもよい。以下では、車両として、ハイブリッド車両を述べるが、これは説明のための例示であって、二次電池の電力で回転電機を駆動して走行する二次電池式電動車両であればよい。例えば、内燃機関を備えず、二次電池の電力のみで走行する電気自動車であってもよい。以下では、全ての図面において対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、ハイブリッド車両に搭載される回転電機制御システム１０の構成図である。以下では、回転電機制御システム１０を、特に断らない限り、システム１０と呼ぶ。システム１０は、第１電源１２、第２電源１４、第１インバータ２０、第２インバータ２２、回転電機３０、及び制御装置６０を含む。

第１電源１２と第２電源１４とは、充放電が可能な二次電池である。二次電池としては、高電圧用のリチウムイオン組電池が用いられる。端子間電圧は、約２００Ｖから約３００Ｖである。リチウムイオン組電池は、単電池または電池セルと呼ばれる端子間電圧が１Ｖから数Ｖのリチウムイオン電池を複数個組み合わせたもので、上記の所定の端子間電圧を出力する。リチウムイオン組電池に代えて、ニッケル水素組電池等を用いてもよく、あるいは、電気二重層キャパシタ等の大容量コンデンサを用いてもよい。

第１インバータ２０は、第１電源１２側と回転電機３０側との間に配置される三相電力変換回路である。第２インバータ２２は、第２電源１４側と回転電機３０側との間に配置される三相電力変換回路である。第１電源１２と第１インバータ２０との間に設けられるコンデンサ１６と、第２電源１４と第２インバータ２２との間に設けられるコンデンサ１８は、平滑用コンデンサである。

第１インバータ２０と第２インバータ２２とは、基本構成が同じであるので、第１インバータ２０を主に述べる。第１インバータ２０の第１電源１２側は、第１電源１２の正極側母線４０と負極側母線４１の間に接続され、直流電力が入出力する側である。回転電機３０側は、三相電力線に接続され、三相交流電力が入出力する側である。第１インバータ２０は、回転電機３０を発電機として機能させるときは、回転電機３０からの交流三相回生電力を直流電力に変換し、第１電源１２側に充電電力として供給する交直変換機能を有する。また、回転電機３０をモータとして機能させるときは、第１電源１２側からの直流電力を交流三相駆動電力に変換し、回転電機３０に交流駆動電力として供給する直交変換機能を有する。かかる第１インバータ２０の動作は、制御装置６０の制御の下で行われる。

第１インバータ２０は、並列接続されたＵ相レグ４４、Ｖ相レグ４６、Ｗ相レグ４８の３つのレグを有する。各相レグはいずれも、直列接続された上アーム素子と下アーム素子とで構成される。例えば、Ｕ相レグ４４は、上アーム素子４４ａと下アーム素子４４ｂとが直列接続されて構成される。同様に、Ｖ相レグ４６は、上アーム素子４６ａと下アーム素子４６ｂとが直列接続され、Ｗ相レグ４８は、上アーム素子４８ａと下アーム素子４８ｂとが直列接続されて構成される。図1において下アーム素子４４ｂに代表させて示すように、各上アーム素子と下アーム素子は、いずれも、スイッチング素子５６と、スイッチング素子５６と逆方向に電流を流す整流素子５８とが並列接続されて構成される。スイッチング素子５６としては、例えばＩＧＢＴ等のトランジスタが用いられ、整流素子５８としては、例えば逆流ダイオードが用いられる。

同様に、第２インバータ２２の第２電源１４側は、正極側母線４２と負極側母線４３に接続され、直流電力が入出力する側であり、回転電機３０側は、三相電力線に接続され、三相交流電力が入出力する側である。第２インバータ２２は、並列接続されたＵ相レグ５０、Ｖ相レグ５２、Ｗ相レグ５４の３つのレグを有する。Ｕ相レグ５０は、上アーム素子５０ａと下アーム素子５０ｂとが直列接続され、Ｖ相レグ５２は、上アーム素子５２ａと下アーム素子５２ｂとが直列接続され、Ｗ相レグ５４は、上アーム素子５４ａと下アーム素子５４ｂとが直列接続されて、それぞれ構成される。

回転電機３０は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（ＭＧ）であって三相同期型回転電機である。回転電機３０は、第１インバータ２０及び第２インバータ２２を介して第１電源１２及び第２電源１４から電力が供給されるときはモータとして機能し、図示しないエンジンによる駆動時、あるいは車両の制動時には発電機として機能する。

回転電機３０は、Ｕ相コイル３０ｕ、Ｖ相コイル３０ｖ、Ｗ相コイル３０ｗを有する。Ｕ相コイル３０ｕ、Ｖ相コイル３０ｖ、Ｗ相コイル３０ｗのそれぞれの一端には、第１インバータ２０が接続され、Ｕ相コイル３０ｕ、Ｖ相コイル３０ｖ、Ｗ相コイル３０ｗのそれぞれの他端には、第２インバータ２２が接続される。Ｕ相コイル３０ｕの一端は、第１インバータ２０のＵ相レグ４４の上アーム素子４４ａと下アーム素子４４ｂの接続点に接続され、Ｕ相コイル３０ｕの他端は、第２インバータ２２のＵ相レグ５０の上アーム素子５０ａと下アーム素子５０ｂの接続点に接続される。Ｖ相コイル３０ｖの一端は、第１インバータ２０のＶ相レグ４６の上アーム素子４６ａと下アーム素子４６ｂの接続点に接続され、Ｖ相コイル３０ｖの他端は、第２インバータ２２のＶ相レグ５２の上アーム素子５２ａと下アーム素子５２ｂの接続点に接続される。Ｗ相コイル３０ｗの一端は、第１インバータ２０のＷ相レグ４８の上アーム素子４８ａと下アーム素子４８ｂの接続点に接続され、Ｗ相コイル３０ｗの他端は、第２インバータ２２のＷ相レグ５４の上アーム素子５４ａと下アーム素子５４ｂの接続点に接続される。

例えば、第１インバータ２０の上アーム素子のスイッチング素子５６をオンすることで回転電機３０の対応する相のコイルに向けて電流が流れ、下アーム素子のスイッチング素子５６をオンすることで回転電機３０の対応する相のコイルから電流が引き抜かれる。第２インバータ２２についても同様である。したがって、回転電機３０が力行の際には、第１電源１２からの電力が第１インバータ２０を介して回転電機３０に供給され、回生（発電）の際には回転電機３０からの電力が第１インバータ２０を介して第１電源１２に供給される。第２インバータ２２、第２電源１４についても、回転電機３０と同様の電力のやり取りを行う。

制御装置６０は、車両の動作等に関する車両情報、回転電機３０の動作等に関する回転電機情報等に基づいて、第１インバータ２０と第２インバータ２２のスイッチング信号の生成制御を行う。

図２は、制御装置６０において、スイッチング信号の生成制御に関する部分のブロック図である。制御装置６０は、車両制御部７０、三相電圧指令導出部７２、及び、第１インバータ制御部７４と第２インバータ制御部７６とを含む。制御装置６０は、第１インバータ制御部７４で用いられる搬送波である第１搬送波と第２インバータ制御部７６で用いられる搬送波である第２搬送波について、回転電機３０の動作領域ごとに予め定めた所定のキャリア周波数ｆｃを設定する。動作領域ごとに予め定めた所定のキャリア周波数ｆｃについては後述する。制御装置６０は、第２搬送波について、第１搬送波に対し所定の位相差Δαを設定する。位相差Δαの設定およびその作用効果については後述する。

車両制御部７０は、アクセルペダルの操作量、ブレーキペダルの操作量、車速等の車両走行に関する車両情報に基づき、回転電機３０の出力要求に関するトルク指令を算出する。なお、道路状況や、目的地等のナビゲーション情報等も車両制御部７０に供給されるとよい。

算出されたトルク指令は、三相電圧指令導出部７２の電流指令生成部８０に供給される。電流指令生成部８０は、トルク指令に基づいて、回転電機３０のベクトル制御における目標となる電流指令であるｄ軸電流指令ｉｄｃｏｍとｑ軸電流指令ｉｑｃｏｍとを算出する。三相／二相変換部８２には、回転電機３０におけるＵ相コイル３０ｕ、Ｖ相コイル３０ｖ、Ｗ相コイル３０ｗの現在の電流である三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが供給される。また、第１電源１２の第１電源電圧ＶＢ１、第２電源１４の第２電源電圧ＶＢ２、回転電機３０のロータ回転角θも三相／二相変換部８２に供給される。そして、三相／二相変換部８２は、各相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑとに変換する。電流指令生成部８０からのｄ軸電流指令ｉｄｃｏｍ及びｑ軸電流指令ｉｑｃｏｍと、三相／二相変換部８２からの現在のｄ軸電流ｉｄ及びｑ軸電流ｉｑとは、ＰＩ制御部８４に供給される。ＰＩ制御部８４は、Ｐ（比例）制御、Ｉ（積分）制御等のフィードバック制御により、回転電機３０に対する電圧指令である電圧ベクトルＶを算出する。電圧ベクトルＶは、ｄ軸電圧指令ｖｄとｑ軸電圧指令ｖｑとを含む。なお、予測制御等のフィードフォワード制御を組み合わせてもよい。上記ではトルク指令に基づいて三相電圧指令を導出するものとしたが、トルク指令以外の指令に基づいてもよい。例えば、パワーに基づいて三相電圧指令を導出してもよい。

算出された電圧ベクトルＶは、分配部８６に供給される。分配部８６は、電圧ベクトルＶを、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１と、第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２とに分配する。電圧ベクトルＶ１は、第１インバータ２０に対するｄ軸電圧指令ｖｄ１とｑ軸電圧指令ｖｑ１とを含み、電圧ベクトルＶ２は、第２インバータ２２に対するｄ軸電圧指令ｖｄ２とｑ軸電圧指令ｖｑ２とを含む。

分配部８６の電圧ベクトルの分配において、回転電機３０に対する電圧ベクトルＶを維持しつつ、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１及び第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２のそれぞれの大きさの変更を行うことができる。また、回転電機３０に対する電圧ベクトルＶを維持しつつ、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１及び第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２のそれぞれの位相の変更を行うことができる。位相の変更として電流ベクトルＩの位相との間を調整することで、力率の変更ができる。また、回転電機３０に対する電圧ベクトルＶを維持しつつ、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１及び第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２のそれぞれの正負の変更を行うことができる。電圧ベクトルの向きにより、力行か回生かは変わるので、回転電機３０に対する電圧ベクトルＶを維持しつつ、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１及び第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２の間で、力行と回生の分配を行うことが可能である。このように、電圧ベクトルＶの分配を通して、回転電機３０の動作制御の自由度が向上する。

分配部８６からの第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１を構成するｄ軸電圧指令ｖｄ１とｑ軸電圧指令ｖｑ１は、第１インバータ２０用の二相／三相変換部８８に供給される。入力されたｖｄ１，ｖｑ１は、第１インバータ２０用の三相の電圧指令である第１三相電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１に変換されて出力される。同様に、第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２を構成するｄ軸電圧指令ｖｄ２とｑ軸電圧指令ｖｑ２は、第２インバータ２２用の二相／三相変換部９０に供給され、第２インバータ２２用の三相の電圧指令である第２三相電圧指令Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２に変換されて出力される。

第１インバータ２０用の二相／三相変換部８８からの三相の電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１は第１インバータ制御部７４に供給される。第１インバータ制御部７４は、ＰＷＭ用の搬送波である三角波と電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１の比較によって第１インバータ２０における各スイッチング素子５６のオンオフ信号であるスイッチング信号を生成し、これを第１インバータ２０に供給する。

同様に、第２インバータ２２用の二相／三相変換部９０からの三相の電圧指令Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２は第２インバータ制御部７６に供給される。第２インバータ制御部７６は、ＰＷＭ用の搬送波である三角波と電圧指令Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２の比較によって第２インバータ２２における各スイッチング素子５６のオンオフ信号であるスイッチング信号を生成し、これを第２インバータ２２に供給する。

このようにして、制御装置６０からの信号によって、第１インバータ２０、第２インバータ２２のスイッチングが制御され、所望の電流が回転電機３０に供給される。

上記では、ｄ軸電流指令ｉｄｃｏｍ、ｑ軸電流指令ｉｑｃｏｍ等に基づいてＰＩ演算することで、回転電機３０に対する電圧ベクトルＶを算出した。そして、これを分配して、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１と第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２を算出した。これに代えて、ＰＩ演算を行なわずに、直接的に、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１と第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２を生成してもよい。

上記では、三相電圧指令導出部７２は、車両制御部７０と別の構成とした。これに代えて、車両制御部７０が三相電圧指令導出部７２の機能を実行してもよい。あるいは、三相電圧指令導出部７２を下位のマイクロプロセッサ等で構成してもよい。三相電圧指令導出部７２の一部または全部をハードウェアで構成してもよい。また、三相電圧指令導出部７２を複数のマイクロプロセッサで構成することができ、この場合には、三相電圧指令導出部７２の機能を各マイクロプロセッサで分担して実行することができる。あるいは、複数のマイクロプロセッサで構成する場合、各マイクロプロセッサが、三相電圧指令導出部７２の全体の処理を実行できるように構成してもよい。また、回転電機制御システム１０において第１インバータ２０と第２インバータ２２の制御を２つのマイクロプロセッサを用いて制御してもよい。この構成によれば、１つのマイクロプロセッサが故障しても他のマイクロプロセッサのみで回転電機３０の動作制御が可能となる。

上記構成について、特に、第１インバータ制御部７４と第２インバータ制御部７６における搬送波の制御について、参考例を用いながら、図３から図７を用いてさらに詳細に説明する。

図３と図４は、搬送波である三角波と三相電圧指令との比較、及び比較結果としてのスイッチング素子５６のオン・オフパターンを示す図である。図３、図４において、（ａ），（ｂ）は、第１インバータ２０についての図であり、（ｃ），（ｄ）は、第２インバータ２２についての図である。図３、図４において、（ａ），（ｃ）は、搬送波である三角波と三相電圧指令との比較を示す図であり、（ｂ），（ｄ）は、スイッチング素子５６のオン・オフパターンを示す図である。これらの各図において、横軸は時間である。

ここでは、三相電圧指令として、第１インバータ２０のＶ_U1と第２インバータ２２のＶ_U2とを例に取る。オン・オフパターンとしては、第１インバータ２０のＵ相レグ４４の上アーム素子４４ａのスイッチング素子５６のオン・オフパターンと、第２インバータ２２のＵ相レグ５０の上アーム素子５０ａのスイッチング素子５６のオン・オフパターンとを述べる。

図３は、参考例として、第１インバータ２０用の搬送波と第２インバータ２２用の搬送波との間に位相差Δαが設けられない場合を示す図である。図３（ａ）は、第１インバータ２０用の搬送波である第１搬送波１００と、第１インバータ２０に対する三相電圧指令としてのＶ_U1との比較を示す図である。第１搬送波１００は、一周期がＴｃの三角波である。第１搬送波１００のキャリア周波数ｆｃは、２πｆｃ＝Ｔｃの関係からｆｃ＝（Ｔｃ／２π）である。三相電圧指令の制御周期は、搬送波の周期に関連付けて設定されるが、以下では、三角波の隣接する谷の間の時間である（Ｔｃ／２）を一制御周期Ｔｓとする。これは説明のための例示であって、回転電機制御システム１０の仕様に応じて、これと異なる長さの制御周期であってもよい。一制御周期Ｔｓの間で三相電圧指令であるＶ_U1は一定値であり、一制御周期Ｔｓ単位で、Ｖ_U1が変更される。図３（ａ）における曲線１０２は、一制御周期Ｔｓ単位で変化するＶ_U1を滑らかにつないだ曲線で、理想的には正弦波曲線である。

図３（ｂ）は、図３（ａ）の比較結果としての第１インバータ２０のＵ相レグ４４の上アーム素子４４ａのスイッチング素子５６のオン・オフパターンである。図３（ｂ）においてレベル＝１の期間が上アーム素子４４ａのスイッチング素子５６のオン期間であり、レベル＝０の期間が上アーム素子４４ａのスイッチング素子５６のオフ期間である。第１インバータ２０のＵ相レグ４４の下アーム素子４４ｂのスイッチング素子５６のオン・オフパターンは、図３（ｂ）の反転パターンである。その際に、上アーム素子４４ａのスイッチング素子５６のオン期間と下アーム素子４４ｂのスイッチング素子５６のオン期間とが重ならないように、デッドタイム期間が設けられる。

図３（ｃ）は、第２インバータ２２用の搬送波である第２搬送波１０４と、第２インバータ２２に対する三相電圧指令としてのＶ_U2との比較を示す図である。第２搬送波１０４は、第１搬送波１００とキャリア周波数が同じｆｃで、位相差Δα＝０であるので、図３（ｃ）は図３（ａ）と全く同じである。一制御周期Ｔｓ単位で変化するＶ_U2を滑らかにつないだ曲線１０６も図３（ａ）の曲線１０２と全く同じである。図３（ｄ）は、（ｃ）の比較結果としての第２インバータ２２のＵ相レグ５０の上アーム素子５０ａのスイッチング素子５６のオン・オフパターンであるが、図３（ｂ）と全く同じである。このように、図３（ｃ），（ｄ）は、図３（ａ），（ｂ）と全く同じ内容であるので、これ以上の説明を省略する。

図４は、第１インバータ２０用の搬送波と第２インバータ２２用の搬送波との間に位相差Δαを設ける場合を示す図である。ここでは、位相差Δα＝９０度とした場合を示す。２つの搬送波の位相差Δα＝９０度とは、搬送波の一周期をＴｃとして、（Ｔｃ／４）の時間差に相当し、一制御周期Ｔｓについていえば、（Ｔｓ／２）の時間差に相当する。

図４（ａ）は、第１インバータ２０用の搬送波である第１搬送波１００と、第１インバータ２０に対する三相電圧指令としてのＶ_U1との比較を示す図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の比較結果としての第１インバータ２０のＵ相レグ４４の上アーム素子４４ａのスイッチング素子５６のオン・オフパターンである。図４（ａ），（ｂ）は、それぞれ、図３（ａ），（ｂ）と同じ内容であるので、詳細な説明を省略する。

図４（ｃ）は、第２インバータ２２用の搬送波である第２搬送波１０８と、第２インバータ２２に対する三相電圧指令としてのＶ_U2との比較を示す図である。第２搬送波１０８は、第１搬送波１００とキャリア周波数が同じｆｃで、位相差Δα＝９０度であるので、図４（ｃ）は、一制御周期Ｔｓ単位で変化するＶ_U2を滑らかにつないだ曲線１１０も含めて、図４（ａ）を時間軸に沿って（Ｔｃ／４）＝（Ｔｓ／２）ずれている。図４（ｄ）は、図４（ｃ）の比較結果としての第２インバータ２２のＵ相レグ５０の上アーム素子５０ａのスイッチング素子５６のオン・オフパターンである。図４（ｂ）と比較すると、位相差Δα＝９０度が設けられていることに対応し、オン・オフパターンも、図４（ｂ）のオン・オフパターンを時間軸に沿って（Ｔｃ／４）＝（Ｔｓ／２）ずれている。

図３、図４を比べて、次のことが分かる。図３においては、第１搬送波１００と第２搬送波１０４との間の位相差Δα＝０であるので、第１インバータ２０の三相電圧指令Ｖ_U1が出力される一制御周期Ｔｓと、第２インバータ２２の三相電圧指令Ｖ_U2が出力される一制御周期Ｔｓとは同じタイミングである。つまり、図３においては、一制御周期ＴｓごとにＶ_U1とＶ_U2が共に変更される。

これに対し、図４においては、第１搬送波１００と第２搬送波１０８との間の位相差Δα＝９０度であるので、第１インバータ２０の三相電圧指令としてのＶ_U1が出力される一制御周期Ｔｓと、第２インバータ２２の三相電圧指令としてのＶ_U2が出力される一制御周期Ｔｓとは、（１／２）制御周期である（Ｔｓ／２）だけずれている。したがって、図４においては、（１／２）制御周期である（Ｔｓ／２）ごとに、Ｖ_U1またはＶ_U2が変更される。

つまり、第１搬送波１００と第２搬送波１０８との間に位相差Δα＝９０度を設けると、位相差Δα＝０の場合と比較して、実質的に、三相電圧指令の変更周期が２倍になる。このことは、実質的に、キャリア周波数が２倍になったことと等価である。キャリア周波数が大きくなると、各相電流に重畳するリップル電流の周波数が高くなり、リップル電流の振幅が減少することが知られている。

図５は、第１搬送波と第２搬送波との間の位相差Δαの有無に関し、回転電機３０のＵ相コイル３０ｕの両端電圧と、Ｕ相コイル３０ｕに流れる電流ｉｕとについて高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行った結果を示す図である。これらの図において、横軸は周波数であり、縦軸は、ＦＦＴ出力としてのパワースペクトルである。

図５（ａ），（ｂ）は、参考例として位相差Δα＝０の場合の結果を示す図で、（ａ）は、Ｕ相コイル３０ｕの両端電圧についてのＦＦＴ解析結果であり、（ｂ）は、電流ｉｕについてのＦＦＴ解析結果である。これらの図には、１次から６次の周波数成分が示される。図５（ａ），（ｂ）の例では、１次周波数は、約３〜４ｋＨｚである。

図５（ｃ），（ｄ）は、位相差Δα＝９０度の場合の結果を示す図である。（ｃ）は、（ａ）に対応する図で、（ｄ）は（ｂ）に対応する図である。ここでは、１次周波数が約７〜８ｋＨｚで、（ａ），（ｂ）の２次周波数に相当し、２次周波数が約１４〜１６ｋＨｚで、（ａ），（ｂ）の４次周波数に相当し、３次周波数が約２２〜２３ｋＨｚで、（ａ），（ｂ）の６次周波数に相当する。このように、（ａ），（ｂ）の１次、３次、５次の周波数成分が消滅している。

図５の結果から、位相差Δα＝９０度を設けることで、位相差Δα＝０の場合と比較して、ＦＦＴ解析のパワースペクトル分布の周波数軸が２倍に延びていることが示される。このことからも、位相差Δα＝９０度を設けることで、位相差Δα＝０の場合と比較して実質的に、キャリア周波数が２倍になることが分かる。キャリア周波数が大きくなると、各相電流に重畳するリップル電流の周波数が高くなり、リップル電流の振幅が減少し、回転電機３０の騒音や振動が抑制される。また、回転電機３０が鉄心を用いる構造の場合に、キャリア周波数が大きくなることで、渦電流等の鉄損が抑制される。

さらに、位相差Δα＝９０度を設けることで、位相差Δα＝０の場合と比較して実質的に、キャリア周波数が２倍になるので、位相差Δα＝９０度を設ける場合のキャリア周波数を、位相差Δα＝０で動作させるキャリア周波数の（１／２）にできる。例えば、回転電機３０の電圧ベクトルＶにおける動作を位相差Δα＝０においてキャリア周波数ｆｃで実行するのと同じ動作を、位相差Δα＝９０度においてキャリア周波数を（ｆｃ／２）で実現できる。これによって、第１インバータ２０及び第２インバータ２２のスイッチング損失を低減できる。

上記では、位相差Δα＝９０度について述べたが、９０度以外の位相差Δα≠０度を設けることで、位相差Δα＝０度の場合と比較して、実質的なキャリア周波数が大きくなる。これを利用して、回転電機３０の動作点におけるキャリア周波数を位相差Δα＝０の場合のキャリア周波数ｆｃから変更して、回転電機制御システム１０の騒音、鉄損、スイッチング損失を抑制することが可能である。

図６、図７は、回転電機３０の動作領域におけるキャリア周波数の設定の一例を示す特性マップである。図６は、参考例として、位相差Δα＝０の場合における特性マップであり、図７は、位相差Δα＝９０度の場合における特性マップである。これらの図において、特性マップの横軸は、回転電機３０の回転数であり、縦軸は回転電機３０のトルクである。これらの図において、（ａ）は、回転電機３０の温度が通常の場合のキャリア周波数の設定を示す図で、（ｂ）は、回転電機３０の温度が高温の場合のキャリア周波数の設定を示す図である。

位相差Δα＝０の場合の図６において、通常温度下における（ａ）では、低回転数高トルクの動作領域Ａから、中回転数中トルクの動作領域Ｂを経て、高回転数低トルクの動作領域Ｃへ向かうにつれ、キャリア周波数は、高周波数になる。これは、制御性維持等のためである。なお、動作領域Ｄは、トルクが０〜（−１０Ｎｍ）の範囲の回生領域で、車両が停止状態で回転電機３０を発電機として用いる場合の動作領域である。動作領域Ｄのキャリア周波数は、９．５５ｋＨｚと最も高く設定される。

位相差Δα＝０の場合の高温下における（ｂ）では、回転数のみに依存させて、低回転数の動作領域Ｅから、中回転数の動作領域Ｆを経て、高回転数の動作領域Ｇへ向かうにつれ、制御性の維持等のため、キャリア周波数は高周波数になる。

位相差Δα＝９０度の場合は、回転電機制御システム１０において、制御性等の観点からキャリア周波数の変更に適した動作領域において、キャリア周波数を下げることができる。

図７において、通常温度下における（ａ）では、動作領域Ｃと動作領域Ｄについて、図６の位相差Δα＝０に比較して、キャリア周波数は低周波数側に設定される。これによって、動作領域Ａと動作領域Ｂでは、位相差Δα＝９０度の作用効果によって、騒音が抑制され、鉄損が抑制される。動作領域Ｃと動作領域Ｄでは、キャリア周波数の低減によって、スイッチング損失が抑制される。高温下における（ｂ）では、動作領域Ｇについて、図６の位相差Δα＝０に比較して、キャリア周波数は低周波数側に設定される。これによって、動作領域Ｅと動作領域Ｆでは、位相差Δα＝９０度の作用効果によって、騒音が抑制され、鉄損が抑制される。動作領域Ｇでは、キャリア周波数の低減によって、スイッチング損失が抑制される。

上記では、回転電機３０の動作領域におけるキャリア周波数の設定について特性マップを用いて行うものとしたが、これに代えて、予め計算式を求めておき、回転電機３０の動作状態である回転数とトルクを代入してキャリア周波数の設定を行ってもよい。特性マップ、計算式は、位相差Δαごとに設けられる。特性マップや計算式は、制御装置６０の記憶部に予め格納される。

上記構成によれば、第１インバータ２０用の第１搬送波１００と、第２インバータ２２用の第２搬送波１０８との間に位相差Δαを設けることで、実質的にキャリア周波数を高めた状態で動作させることができ、騒音レベルが低下する。回転電機３０において鉄心を用いた場合には鉄損が低減する。実質的にキャリア周波数を高めた状態で動作するということは、換言すれば、その分、キャリア周波数を低下させることが可能であるので、その場合には、スイッチング損失を低減することが可能である。

１０（回転電機制御）システム、１２第１電源、１４第２電源、１６，１８コンデンサ、２０第１インバータ、２２第２インバータ、３０回転電機、３０ｕＵ相コイル、３０ｖＶ相コイル、３０ｗＷ相コイル、４０，４２正極側母線、４１，４３負極側母線、４４，５０Ｕ相レグ、４４ａ，４６ａ，４８ａ，５０ａ，５２ａ，５４ａ上アーム素子、４４ｂ，４６ｂ，４８ｂ，５０ｂ，５２ｂ，５４ｂ下アーム素子、４６，５２Ｖ相レグ、４８，５４Ｗ相レグ、５６スイッチング素子、５８整流素子、６０制御装置、７０車両制御部、７２三相電圧指令導出部、７４第１インバータ制御部、７６第２インバータ制御部、８０電流指令生成部、８２三相／二相変換部、８４ＰＩ制御部、８６分配部、８８第１インバータ用の二相／三相変換部、９０第２インバータ用の二相／三相変換部、１００第１搬送波、１０２，１０６，１１０滑らかにつないだ曲線、１０４，１０８第２搬送波。

Claims

第１電源の正極側母線及び負極側母線に接続された第１インバータと、
第２電源の正極側母線及び負極側母線に接続された第２インバータと、
前記第１インバータ及び前記第２インバータに接続された三相回転電機と、
制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記三相回転電機に対する指令に基づき、前記第１インバータに対する三相電圧指令である第１三相電圧指令、及び前記第２インバータに対する三相電圧指令である第２三相電圧指令を導出する三相電圧指令導出部と、
所定のキャリア周波数を有する第１搬送波と前記第１三相電圧指令との比較に従って前記第１インバータのスイッチング素子のオンオフ信号を生成する第１インバータ制御部と、
前記第１搬送波に対して同じ前記キャリア周波数で所定の位相差を有する第２搬送波と前記第２三相電圧指令との比較に従って前記第２インバータのスイッチング素子のオンオフ信号を生成する第２インバータ制御部と、
を含む、回転電機制御システム。
前記所定の位相差を与えることで、前記キャリア周波数の設定を下げる機能を有する、請求項１に記載の回転電機制御システム。