JP2020058187A - モータ制御装置および電動車両システム - Google Patents

Abstract

【課題】キャリア周波数とモータの電気角周波数の比率が小さくなった場合に発生するビート電流を抑制することができない。【解決手段】ランダム値積算部１７５は、ランダム値生成部１７４の出力と拡散幅生成部１７３の出力との積により、拡散幅生成部１７３より出力された拡散幅Ｒａｎｄ内において、ランダム値生成部１７４より出力されたランダムな値を出力する。三角波信号生成部１７６は、キャリア周波数設定部１７１の出力である第１のキャリア周波数ｆｃ１にランダム値積算部１７５より出力されたランダムな値を足した第２のキャリア周波数ｆｃ２に応じた三角波信号を生成する。すなわち、第１のキャリア周波数ｆｃ１の拡散幅を広げて第２のキャリア周波数ｆｃ２とし、これをキャリア周波数として用いる。【選択図】図３

Description

本発明は、モータ制御装置および電動車両システムに関する。

一般にモータを駆動するには、直流電圧を任意の周波数と電圧に変換するインバータを備えたモータ制御装置が用いられる。モータ制御装置は、インバータを構成するスイッチング素子をパルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）することにより、モータへの印加電圧及び周波数を制御してモータを可変速駆動している。

近年、インバータのキャリア周波数は、ＳｉＣ半導体、ＧａＮ半導体などの高速なスイッチング素子の普及により増加傾向にある。一方で、モータの回転数が増加し、キャリア周波数とモータの電気角周波数の比率が小さくなった場合に低周波数のビート電流が発生する。

特許文献１には、インバータの出力電流における電流ビート成分の周波数および位相、振幅をＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）処理により推定し、推定した周波数および位相、振幅に基づきインバータへの電圧指令を補正することで電流ビート成分を低減することが記載されている。

特開２０１７−１７８１７号公報

特許文献１に記載の技術では、キャリア周波数とモータの電気角周波数の比率が小さくなった場合に発生するビート電流を抑制することができない。

本発明によるモータ制御装置は、直流電圧を三相の交流電圧に変換してモータを駆動するインバータと、キャリア周波数に基づいてＰＷＭ信号を前記インバータへ出力する制御部と、を備えたモータ制御装置において、前記制御部は、予め設定した第１のキャリア周波数と前記モータの電気角周波数の比率が第１の所定値以下の場合に、前記第１のキャリア周波数を中心に、前記キャリア周波数をランダムに変更する。
本発明によるモータ制御装置は、直流電圧を三相の交流電圧に変換してモータを駆動するインバータと、キャリア周波数に基づいてＰＷＭ信号を前記インバータへ出力する制御部と、を備えたモータ制御装置において、前記制御部は、予め設定した第１のキャリア周波数と前記モータの電気角周波数の比率が第１の所定値以下であり、前記直流電圧と前記交流電圧の比率が第２の所定値以上である場合に、前記第１のキャリア周波数を中心に、前記キャリア周波数をランダムに変更する。
本発明による電動車両システムは、モータ制御装置と、前記モータ制御装置によって駆動制御されるモータと、を備える。

本発明によれば、キャリア周波数とモータの電気角周波数の比率が小さくなった場合に発生するビート電流を抑制することができる。

モータ制御装置のブロック構成図である。 制御部の構成図である。 三角波生成部の構成図である。 ランダム値生成部の出力例を示す図である。 （Ａ）キャリア周波数とモータの電気角周波数の比率と、ビート電流との関係を示す図である。（Ｂ）キャリア周波数とモータの電気角周波数の比率と、拡散幅との関係を示す図である。 拡散幅生成部の構成図である。 （Ａ）（Ｂ）キャリア周波数の拡散を説明する図である。 第２の実施形態における三角波生成部の構成図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）キャリア三角波と電圧指令、ＵＶ相間の線間電圧を示す図である。 更新周期１／ｆｃ１の場合の電圧指令の更新タイミングを示す図である。 更新周期１／（２ｆｃ１）の場合の電圧指令の更新タイミングを示す図である。 「山」の更新タイミングで電圧指令を更新した時のｆｃ１周辺におけるｆｃ１／ｆ１とビート電流の関係を示す図である。 「山」の更新タイミングで電圧指令を更新した時の２ｆｃ１周辺におけるｆｃ１／ｆ１とビート電流の関係を示す図である。 「山谷」の更新タイミングで電圧指令を更新した時の２ｆｃ１周辺におけるｆｃ１／ｆ１とビート電流の関係を示す図である。 第２の実施形態における拡散幅生成部の構成図である。 モータ制御装置を適用した電動車両システムを示す図である。

［第１の実施形態]
以下、第１の実施形態について図１〜図７を参照して説明する。
図１は、本実施形態におけるモータ制御装置１００のブロック構成図である。モータ制御装置１００は、制御部１、モータ２、インバータ３を備えている。

制御部１には、外部の制御装置よりトルク指令Ｔ＊が入力される。また、モータ２の回転位置センサ４より回転位置検出器４１を介して回転位置θが入力される。さらに、電流検出回路７より、三相交流電流であるＵ相交流電流ＩｕとＶ相交流電流ＩｖとＷ相交流電流Ｉｗが入力される。制御部１は、これらの値を基にＰＷＭ信号を生成して出力する。

モータ２は、三相交流電圧の供給により回転駆動される三相同期モータである。モータ２には、モータ２の誘起電圧の位相に合わせて三相交流の印加電圧の位相を制御するために回転位置センサ４が取り付けられている。回転位置センサ４の信号は回転位置検出器４１へ入力され、回転位置検出器４１により回転位置θが検出され、回転位置θは制御部１へ入力される。ここで、回転位置センサ４には、鉄心と巻線とから構成されるレゾルバがより好適であるが、ＧＭＲセンサなどの磁気抵抗素子や、ホール素子を用いたセンサであってもよい。また、回転位置θをモータ２の三相電流や三相電圧を用いて推定してもよい。

インバータ３は、インバータ回路３１、ＰＷＭ信号駆動回路３２、平滑キャパシタ３３を備えている。インバータ回路３１は、スイッチング素子を用いて直流電圧と交流電圧を相互に変換する。ＰＷＭ信号駆動回路３２は、インバータ回路３１にＰＷＭ信号を出力してスイッチング素子を駆動する。平滑キャパシタ３３は、直流電力を平滑化する。

高圧バッテリ５は、モータ制御装置１００の直流電圧源である。高圧バッテリ５の直流電圧ＶＢは、インバータ３によって可変電圧および可変周波数のパルス状の三相交流電圧に変換され、モータ２に印加される。

電流検出回路７は、モータ２を通電する三相交流電流であるＵ相交流電流ＩｕとＶ相交流電流ＩｖとＷ相交流電流Ｉｗを検出する。ここでは、３つの電流検出器を具備する例で示しているが、電流検出器を２つとし、残る１相を三相電流の和が零であることから算出してもよい。また、インバータ３に流入するパルス状の直流母線電流を平滑キャパシタ３３とインバータ３の間に挿入されたシャント抵抗Ｒｓｈの両端の電圧（電流検出値Ｉｄｃ）として検出し、印加電圧に応じて直流電流を三相電流に再現してもよい。

図２は、制御部１の構成図である。
図２に示すように、制御部１は、電流指令生成部１１、三相／ｄｑ変換部１２、電流制御部１３、電圧指令生成部１４、ゲート信号生成部１５、速度算出部１６、三角波生成部１７を備えている。制御部１は、検出されたＵ相交流電流ＩｕとＶ相交流電流ＩｖとＷ相交流電流Ｉｗと、入力されたトルク指令Ｔ＊に対応して、ＵＶＷ変換した三相電圧指令値を出力し、インバータ３のインバータ回路３１を駆動する。

電流指令生成部１１は、トルク指令Ｔ＊と電源電圧Ｅに基づき、ｄ軸電流値Ｉｄとｑ軸電流値Ｉｑとモータトルクの関係式あるいはマップを用いて、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊とｑ軸電流指令Ｉｑ＊を決定する。

三相／ｄｑ変換部１２は、Ｕ相交流電流ＩｕとＶ相交流電流ＩｖとＷ相交流電流Ｉｗと回転位置θとからｄｑ変換したｄ軸電流値Ｉｄとｑ軸電流値Ｉｑを演算する。

電流制御部１３では、ｄ軸電流値Ｉｄとｑ軸電流値Ｉｑと、目標トルクに応じて作成されたｄ軸電流指令Ｉｄ＊とｑ軸電流指令Ｉｑ＊とがそれぞれ一致するように、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を演算する。

電圧指令生成部１４は、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令Ｖｑ＊と回転位置θとからＵＶＷ変換した三相電圧指令値であるＵ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、ＵＷ相電圧指令値Ｖｗ＊を演算して、三相電圧指令値をパルス幅変調したＰＷＭ信号を出力する。

速度算出部１６は、回転位置θの時間変化からモータ回転周波数ｆｒを演算して、三角波生成部１７へ出力する。三角波生成部１７は、モータ回転周波数ｆｒとモータ２のトルク指令Ｔ＊に基づき、所定のキャリア周波数の三角波信号（キャリア信号）Ｔｒを生成する。

ゲート信号生成部１５は、電圧指令生成部１４の出力であるＵ相電圧指令値Ｖｕ＊とＶ相電圧指令値Ｖｖ＊とＷ相電圧指令値Ｖｗ＊と三角波生成部１７の出力である所定のキャリア周波数の三角波信号Ｔｒを比較し、パルス状の電圧を生成する。すなわち、インバータ回路３１の上側アームのゲート信号Ｇｕｐ、Ｇｖｐ、Ｇｗｐと、インバータ回路３１の下側アームゲート信号Ｇｕｎ、Ｇｖｎ、Ｇｗｎを生成する。これらのゲート信号がＰＷＭ信号としてインバータ３へ出力される。

図３は、三角波生成部１７の構成図である。
三角波生成部１７は、キャリア周波数設定部１７１、比率演算部１７２、拡散幅生成部１７３、ランダム値生成部１７４、ランダム値積算部１７５、三角波信号生成部１７６より構成される。

キャリア周波数設定部１７１は、速度算出部１６の出力であるモータ回転周波数ｆｒとモータ２のトルク指令Ｔ＊に基づき、第１のキャリア周波数ｆｃ１を生成する。第１のキャリア周波数は、インバータの発熱による破壊保護、配線やキャパシタで生成される電気的共振の回避、モータ２やインバータ３などの機構共振による振動・騒音の悪化を避けるように設定される。

比率演算部１７２は、式（１）で示す数式により演算を行い、比率を求める。すなわち、速度算出部１６の出力であるモータ回転周波数ｆｒをモータ２の極対数ｐで除してモータ２の電気角周波数ｆ１を求め、第１のキャリア周波数ｆｃ１を、電気角周波数ｆ１で除する。
比率＝（第１のキャリア周波数ｆｃ１）／（ｆｒ／ｐ）
＝（第１のキャリア周波数ｆｃ１）／（ｆ１） ・・・ （１）

ランダム値生成部１７４は所定の時間でランダムな値を出力する。図４はランダム値生成部１７４の出力例を示す図である。図４に示すように、ランダムテーブルに基づいて、最大値１と最小値−１の間で１０００個のランダムな値を所定の時間毎に繰り返し出力する。なお、図４に示すランダムテーブルをマイコンのメモリ内に持たせてこれを参照して出力してもよい。また、特定のランダム関数の計算式に基づきランダムに出力してもよい。ランダム関数は常時計算でもマップ計算でもよい。

拡散幅生成部１７３は、比率演算部１７２より入力された比率、すなわち、第１のキャリア周波数ｆｃ１とモータ２の電気角周波数ｆ１の比率が第１の定数３、９、１５に近づくほど、後述するように拡散幅Ｒａｎｄを広げる。

ランダム値積算部１７５は、ランダム値生成部１７４の出力と拡散幅生成部１７３の出力との積により、拡散幅生成部１７３より出力された拡散幅Ｒａｎｄ内において、ランダムに変化する値を出力する。

三角波信号生成部１７６は、キャリア周波数設定部１７１の出力である第１のキャリア周波数ｆｃ１にランダム値積算部１７５より出力されたランダムな値を足した第２のキャリア周波数ｆｃ２に応じた三角波信号を生成する。本実施形態では三角波信号を用いた例を述べるが、鋸波を使用した場合も同様に実施できる。

次に、ビート電圧・電流について述べる。本実施形態では、モータ２の各相の線間電圧の実効値を直流電圧で除した直流電圧利用率が０．７０７以下（変調率が１．１５以下）の場合を対象とする。そのとき、第１のキャリア周波数ｆｃ１とモータ２の電気角周波数ｆ１の比率が２０よりも小さくなると、ビート電圧・ビート電流が発生し易くなり、第１のキャリア周波数ｆｃ１とモータ２の電気角周波数ｆ１の比率が３＊（２＊ｎ−１）（ｎは自然数）に近づいた時にビート電圧・電流は急激に増大する。

図５（Ａ）は、第１のキャリア周波数ｆｃ１とモータ２の電気角周波数ｆ１の比率と、ビート電流との関係を示す図であり、横軸は比率を、縦軸はビート電流を表す。図５（Ａ）の実線に示すように、比率が、３、９、１５の場合を中心にビート電流が大きくなっている。なお、図５（Ａ）の点線は本実施形態を適用した場合の例であり、ビート電流を抑えることができる。

また、図５（Ｂ）は、第１のキャリア周波数ｆｃ１とモータ２の電気角周波数ｆ１の比率と、拡散幅との関係を示す図であり、横軸は比率を、縦軸は拡散幅を表す。図５（Ｂ）に示す拡散幅は、拡散幅生成部１７３より出力された拡散幅の大きさである。図５（Ｂ）に示すように、本実施形態では、比率が、３、９、１５の場合を中心に拡散幅を大きくすることにより、図５（Ａ）の点線に示すように、ビート電流を抑えることができる。すなわち、本実施形態では、拡散幅生成部１７３は、第１のキャリア周波数ｆｃ１とモータ２の電気角周波数ｆ１の比率が第１の定数、３、９、１５に近づいたときに、比率と第１の定数との差の絶対値に反比例して、図５（Ｂ）に示すように拡散幅を広げる。

図６は、拡散幅生成部１７３の詳細な構成図である。
図６に示すように、３個の第１の定数記憶部１７３１は、それぞれ第１の定数である３つの定数３、９、１５を記憶する。３個の加減算部１７３２は、それぞれ、各定数と第１のキャリア周波数ｆｃ１とモータ２の電気角周波数ｆ１の比率との加減算を行う。この加減算結果はそれぞれ絶対値出力部１７３３を介して最小値出力部１７３４へ入力される。最小値出力部１７３４は、各定数と比率との差が最も小さい値を出力する。そして、この値に比例部１７３５でゲインをかけ、乗除算部１７３７で、一定値出力部１７３６の出力である１に対して、逆数を取る。これにより、第１の定数と、第１のキャリア周波数ｆｃ１とモータ２の電気角周波数ｆ１の比率との差の絶対値に反比例した拡散幅を設定する。比例部１７３５のゲインは数値解析よりビート電流を低減するように決めてもよいし、実験により最も大きい効果が得られるように決めてもよい。

図７は、キャリア周波数の拡散を説明する図である。図７（Ｃ）は、図５（Ｂ）と同様の図である。すなわち、図７（Ｃ）は、第１のキャリア周波数ｆｃ１とモータ２の電気角周波数ｆ１の比率と、拡散幅との関係を示す図であり、横軸は比率を、縦軸は拡散幅を表す。図７（Ｃ）のＡ点におけるキャリア周波数とビート電流の状態を図７（Ａ）に示す。図７（Ｃ）のＢ点におけるキャリア周波数とビート電流の状態を図７（Ｂ）に示す。

図７（Ｃ）に示すように、Ａ点では、第１のキャリア周波数ｆｃ１とモータ２の電気角周波数ｆ１の比率が第１の定数の１つである９に近い。このとき、図７（Ａ）の下の図の実線で示すように、ビート電流の周波数が０Ｈｚ近傍となる。そのため、インダクタンスによる電流リプルの低減効果が得られないため、ビート電流は増大する。本実施形態では、図７（Ａ）の上の図に示すように、第１のキャリア周波数ｆｃ１を中心に拡散幅を広げ、キャリア周波数の値を第１のキャリア周波数ｆｃ１の前後で幅広く変化させる。これにより、図７（Ａ）の下の図の点線で示すように、ビート電流の周波数を拡散し、ビート電流を低減できる。すなわち、第１のキャリア周波数ｆｃ１の拡散幅を広げて第２のキャリア周波数ｆｃ２とし、これをインバータ３のキャリア周波数として用いる。

一方、図７（Ｃ）に示すように、Ｂ点では、第１のキャリア周波数ｆｃ１とモータ２の電気角周波数ｆ１の比率が第１の定数の１つである９から離れる。このとき、図７（Ｂ）の下の図の実線で示すように、ビート電流の周波数が０Ｈｚから離れる。そのため、インダクタンスによる電流リプルの低減効果が得られ、第１のキャリア周波数ｆｃ１とモータ２の電気角周波数ｆ１の比率が第１の定数に近いときの拡散幅よりも拡散幅を小さくしてもビート電流は低減する。本実施形態では、図７（Ｂ）の上の図に示すように、第１のキャリア周波数ｆｃ１の拡散幅を若干広げる。これにより、図７（Ｂ）の下の図の点線で示すように、ビートを発生させる正弦波１周期の電圧誤差に起因したビート電流の周波数を拡散できる。これにより、モータ２の全速域でビート電流を分散させて、制御性の向上が計れ、また低周波数の電磁騒音を低減できる。

さらに、第１のキャリア周波数ｆｃ１とモータ２の電気角周波数ｆ１の比率に応じて、この比率が２０以下の場合には連続的に拡散幅を変更することで、第１のキャリア周波数ｆｃ１を中心に、第２のキャリア周波数ｆｃ２をランダムに変化させる。これにより、モータ２の回転数を連続的に変更した時に、ビート電流の振幅の連続性を確保することができる。

なお、モータ制御装置１００は、モータ２とインバータ３とが一体化したモータ駆動システムであっても、モータ２とインバータ３とが分離したシステムであってもよい。

［第２の実施形態]
第２の実施形態について図８〜図１５を参照して説明する。なお、本実施形態におけるモータ制御装置１００のブロック構成図は、第１の実施形態で示した図１と同様であるので図示及び説明を省略する。さらに、本実施形態における制御部１の構成図は、三角波生成部１７の構成を除いて、第１の実施形態で示した図２と同様である。本実施形態では、この異なる部分について主に説明する。

図８は、三角波生成部１７’の構成図である。三角波生成部１７’は、キャリア周波数設定部１７１、比率演算部１７２、拡散幅生成部１７７、ランダム値生成部１７４、ランダム値積算部１７５、三角波信号生成部１７６により構成される。三角波生成部１７’は、図３に示した第１の実施形態における三角波生成部１７と比較して、拡散幅生成部１７７の構成が異なるが、他の構成は同様であるので説明を省略する。拡散幅生成部１７７の構成については、図１５を参照して後述する。

第１の実施形態では、モータ２の各相の線間電圧の実効値を直流電圧で除した直流電圧利用率、すなわち、直流電圧と交流電圧の比率が０．７０７以下（変調率が１．１５以下）の場合を述べた。本実施形態では、直流電圧利用率が０．７０７より大きい（変調率が１．１５より大きい）場合を対象とする。この場合のビート電圧・電流について以下に述べる。この場合は、ＰＷＭ信号は第１の実施形態の場合よりも更に減少する。

図９（Ａ）は、直流電圧利用率が０．７０７の場合の所定のキャリア周波数の三角波信号（図中の点線）とＵ相電圧指令（図中の実線）を、図９（Ｂ）は、直流電圧利用率が０．７０７の場合のＵＶ相間の線間電圧を示す。図９（Ｃ）は、直流電圧利用率が０．７４８の場合の三角波信号（図中の点線）とＵ相電圧指令（図中の実線）を、図９（Ｄ）は、直流電圧利用率が０．７４８の場合のＵＶ相間の線間電圧を示す。

直流電圧利用率が０．７０７の場合は、図９（Ａ）（Ｂ）に示すように、Ｕ相電圧指令のピーク付近でもＵＶ相間の線間電圧のパルスが消失することはない。しかし、直流電圧利用率が０．７４８の場合は、図９（Ｃ）（Ｄ）に示すように、Ｕ相電圧指令のピーク付近ではＵＶ相間の線間電圧のパルスが消失してしまう。なお、直流電圧利用率を向上させ高出力化する制御として矩形波制御があるが、矩形波制御によってマイコンの負荷が増大する欠点がある。

また、ビート電流は電圧指令の更新タイミングによって異なる。以下に、電圧指令の更新タイミングについて説明する。
図１０は、電圧指令Ｖｕの更新周期Ｔ１が１／ｆｃ１のときの電圧指令Ｖｕと三角波信号Ｔｒを示す図である。図１０において、Ａ部分の図は、ａ部分の図の拡大図である。図１０では、電圧指令Ｖｕの更新タイミングが三角波信号Ｔｒの１周期（１／ｆｃ１）の１倍となっており、キャリア信号である三角波信号Ｔｒの１周期で三角波信号Ｔｒの「山側・谷側」が連続に来る。制御部１は、キャリア信号の山側又は谷側においてのみインバータ３への電圧指令を更新する。これを以下では、「山」の更新タイミングと略す。

図１１は、電圧指令Ｖｕの更新周期Ｔ１が１／（２ｆｃ１）のときの電圧指令Ｖｕと三角波信号Ｔｒを示す図である。図１１において、Ｂ部分の図は、ｂ部分の図の拡大図である。図１１では、電圧指令Ｖｕの更新タイミングが三角波信号Ｔｒの１周期（１／ｆｃ１）の１／２倍となっており、キャリア信号である三角波信号Ｔｒの１／２周期で三角波信号Ｔｒの「山側」と「谷側」とが交互に来る。制御部１は、キャリア信号の山側及び谷側の双方においてインバータ３への電圧指令を更新する。これを以下では、「山谷」の更新タイミングと略す。

図１２（Ａ）〜（Ｄ）は、「山」の更新タイミングで電圧指令を更新した時のｆｃ１周辺におけるｆｃ１／ｆ１とビート電流の関係を示す図である。各図において横軸はｆｃ１／ｆ１を、縦軸はビート電流を表す。図１２（Ａ）は、ｆｃ１−１９ｆ１の絶対値におけるビート電流を計測したグラフである。ｆｃ１／ｆ１が大きくなるとビート電流も増加し、図示省略したが、ｆｃ１／ｆ１が１８．５、および１９で大きくなる。図１２（Ｂ）は、ｆｃ１−１７ｆ１の絶対値におけるビート電流を計測したグラフである。ｆｃ１／ｆ１が１７でビート電流が最大になることが分かる。図１２（Ｃ）は、ｆｃ１−１３ｆ１の絶対値におけるビート電流を計測したグラフである。ｆｃ１／ｆ１が１３でビート電流が最大になることが分かる。図１２（Ｄ）は、ｆｃ１−１１ｆ１の絶対値におけるビート電流を計測したグラフである。ｆｃ１／ｆ１が１１でビート電流が最大になることが分かる。

図１３（Ａ）〜（Ｆ）は、「山」の更新タイミングで電圧指令を更新した時の２ｆｃ１周辺におけるｆｃ１／ｆ１とビート電流の関係を示す図である。図１３（Ａ）は、２ｆｃ１−３５ｆ１の絶対値におけるビート電流を計測したグラフである。ｆｃ１／ｆ１が１７.５でビート電流が最大になることが分かる。図１３（Ｂ）は、２ｆｃ１−３１ｆ１の絶対値におけるビート電流を計測したグラフである。ｆｃ１／ｆ１が１５.５でビート電流が最大になることが分かる。図１３（Ｃ）は、２ｆｃ１−２９ｆ１の絶対値におけるビート電流を計測したグラフである。ｆｃ１／ｆ１が１４.５でビート電流が最大になることが分かる。図１３（Ｄ）は、２ｆｃ１−２５ｆ１の絶対値におけるビート電流を計測したグラフである。ｆｃ１／ｆ１が１２.５でビート電流が最大になることが分かる。図１３（Ｅ）は、２ｆｃ１−２３ｆ１の絶対値におけるビート電流を計測したグラフである。ｆｃ１／ｆ１が１１.５でビート電流が最大になることが分かる。図１３（Ｆ）は、２ｆｃ１−１９ｆ１の絶対値におけるビート電流を計測したグラフである。ｆｃ１／ｆ１が９.５でビート電流が最大になることが分かる。なお、図示省略するが、２ｆｃ１−１７ｆ１の絶対値におけるビート電流はｆｃ１／ｆ１が８.５でビート電流が最大になる。

すなわち、「山」の更新タイミングでは、ｆｃ１／ｆ１が、８．５、９．５、１１、１１．５、１２．５、１３、１４．５、１５．５、１７、１７．５、１８．５、１９のいずれかになるとビート電流が発生することが分かる。

図１４は、「山谷」の更新タイミングで電圧指令を更新した時の２ｆｃ１周辺におけるｆｃ１／ｆ１とビート電流の関係を示す図である。図１４（Ａ）は、２ｆｃ１−３５ｆ１の絶対値におけるビート電流を計測したグラフである。ｆｃ１／ｆ１が１７.５でビート電流が最大になることが分かる。図１４（Ｂ）は、２ｆｃ１−３１ｆ１の絶対値におけるビート電流を計測したグラフである。ｆｃ１／ｆ１が１５.５でビート電流が最大になることが分かる。図１４（Ｃ）は、２ｆｃ１−２９ｆ１の絶対値におけるビート電流を計測したグラフである。ｆｃ１／ｆ１が１４.５でビート電流が最大になることが分かる。図１４（Ｄ）は、２ｆｃ１−２５ｆ１の絶対値におけるビート電流を計測したグラフである。ｆｃ１／ｆ１が１２.５でビート電流が最大になることが分かる。図１４（Ｅ）は、２ｆｃ１−２３ｆ１の絶対値におけるビート電流を計測したグラフである。ｆｃ１／ｆ１が１１.５でビート電流が最大になることが分かる。図１４（Ｆ）は、２ｆｃ１−１９ｆ１の絶対値におけるビート電流を計測したグラフである。ｆｃ１／ｆ１が９.５でビート電流が最大になることが分かる。なお、図示省略するが、２ｆｃ１−１７ｆ１の絶対値におけるビート電流はｆｃ１／ｆ１が８.５でビート電流が最大になり、２ｆｃ１−３７ｆ１の絶対値におけるビート電流はｆｃ１／ｆ１が１８.５でビート電流が最大になる。

すなわち、「山谷」の更新タイミングでは、ｆｃ１／ｆ１が、８．５、９．５、１１．５、１２．５、１４．５、１５．５、１７．５、１８．５のいずれかになるとビート電流が発生することが分かる。

そこで、本実施形態では電圧指令の更新タイミングによって、キャリア周波数ｆｃ１とモータの電気角周波数ｆ１の比率が予め定めた第１の定数の近傍になった場合に、キャリア周波数ｆｃ１をランダムに変更する拡散幅を変化させる。

図１５は、本実施形態における拡散幅生成部１７７の詳細な構成図である。この拡散幅生成部１７７に基づいて「山谷」の更新タイミングで電圧指令を更新した時のビート電流を低減する。

図１５に示すように、８個の第１の定数記憶部１７７１は、それぞれ第１の定数である８つの定数８．５、９．５、１１．５、１２．５、１４．５、１５．５、１７．５、１８．５を記憶する。８個の加減算部１７７２は、それぞれ、各定数と第１のキャリア周波数ｆｃ１とモータ２の電気角周波数ｆ１の比率との加減算を行う。この加減算結果はそれぞれ絶対値出力部１７７３を介して最小値出力部１７７４へ入力される。なお、図１５においては、第１の定数記憶部１７７１、加減算部１７７２、絶対値出力部１７７３をそれぞれ３個図示して、他の５個は省略して記載した。

最小値出力部１７７４は、各定数と比率との差が最も小さい値を出力する。そして、この値に比例部１７７５でゲインをかけ、乗除算部１７７７で、一定値出力部１７７６の出力である１に対して、逆数を取る。これにより、第１の定数と、第１のキャリア周波数ｆｃ１とモータ２の電気角周波数ｆ１の比率との差の絶対値に反比例した拡散幅を設定する。比例部１７７５のゲインは数値解析よりビート電流を低減するように決めてもよいし、実験により最も大きい効果が得られるように決めてもよい。

以降、図８を参照して説明すると、ランダム値生成部１７４はランダム関数もしくはランダムテーブルに基づきランダムな値を出力する。ランダム値積算部１７５は、ランダム値生成部１７４の出力と拡散幅生成部１７７の出力との積により、拡散幅生成部１７７より出力された拡散幅Ｒａｎｄ内において、ランダム値生成部１７４より出力されたランダムな値を出力する。三角波信号生成部１７６は、キャリア周波数設定部１７１の出力である第１のキャリア周波数ｆｃ１にランダム値積算部１７５より出力されたランダムな値を足した第２のキャリア周波数ｆｃ２に応じた三角波信号を生成する。

なお、「山」の更新タイミングで電圧指令を更新した時のビート電流を低減するためには、図１５において、１２個の第１の定数記憶部１７７１に、それぞれ第１の定数である１２個の定数８．５、９．５、１１、１１．５、１２．５、１３、１４．５、１５．５、１７、１７．５、１８．５、１９を記憶する。この拡散幅生成部１７７に基づいて「山」の更新タイミングで電圧指令を更新した時のビート電流を低減することができる。

更に、モータ２の回転数が、ビート電流の周波数と、モータ、インバータなどの機構との共振周波数に近づいた場合に、キャリア周波数の拡散幅を本実施形態で示した拡散幅よりも増加させ、ビート電流を低減してもよい。すなわち、制御部１は、キャリア周波数ｆｃ１とモータの電気角周波数ｆ１の比率によって定められる周波数の絶対値がモータ制御装置の機構との共振周波数の近傍にある場合に、拡散幅を広げる。このようにすることで、機構との共振を回避して、モータ２の全速度領域で低振動・低騒音なモータ制御装置を提供できる。

なお、モータ制御装置１００は、モータ２とインバータ３とが一体化したモータ駆動システムであっても、モータ２とインバータ３とが分離したシステムであってもよい。

［第３の実施形態]
図１６は、第１もしくは第２の実施形態に係るモータ制御装置１００を適用した電動車両システムを示す図である。図１６では、モータ２をモータ／ジェネレータとして適用したハイブリッド自動車の例で説明する。

図１６に示す電動車両システムにおいて、車体７００内にモータ制御装置１００を備える。車体７００のフロント部には、前輪車軸７０１が回転可能に軸支されており、前輪車軸７０１の両端には、前輪７０２、７０３が設けられている。車体７００のリア部には、後輪車軸７０４が回転可能に軸支されており、後輪車軸７０４の両端には後輪７０５、７０６が設けられている。

前輪車軸７０１の中央部には、動力分配機構であるデファレンシャルギア７１１が設けられており、エンジン７１０から変速機７１２を介して伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸７０１に分配する。

エンジン７１０とモータ２とは、エンジン７１０のクランクシャフトに設けられたプーリー７１０ａと、モータ２の回転軸に設けられたプーリー７２０ａとがベルト７３０を介して機械的に連結されている。

これにより、モータ２の回転駆動力がエンジン７１０に、エンジン７１０の回転駆動力がモータ２にそれぞれ伝達される。モータ２は、制御部１およびインバータ３によって制御された三相交流電力がステータのステータコイルに供給されることによって、ロータが回転し、三相交流電力に応じた回転駆動力を発生する。

すなわち、モータ２は、制御部１およびインバータ３によって制御されて電動機として動作する一方、エンジン７１０の回転駆動力を受けてロータが回転することによって、ステータのステータコイルに起電力が誘起され、三相交流電力を発生する発電機として動作する。

インバータ３は、高電圧（４２Ｖあるいは３００Ｖ）系電源である高圧バッテリ５から供給された直流電力を三相交流電力に変換する電力変換装置であり、運転指令値に従ってロータの磁極位置に応じた、モータ２のステータコイルに流れる三相交流電流を制御する。

モータ２によって発電された三相交流電力は、インバータ３によって直流電力に変換されて高圧バッテリ５を充電する。高圧バッテリ５にはＤＣ−ＤＣコンバータ７２４を介して低圧バッテリ７２３に電気的に接続されている。低圧バッテリ７２３は、自動車の低電圧（１４Ｖ）系電源を構成するものであり、エンジン７１０を初期始動（コールド始動）させるスタータ７２５、ラジオ、ライトなどの電源に用いられている。

車両が信号待ちなどの停車時（アイドルストップモード）にあるとき、エンジン７１０を停止させ、再発車時にエンジン７１０を再始動（ホット始動）させる時には、インバータ３でモータ２を駆動し、エンジン７１０を再始動させる。尚、アイドルストップモードにおいて、高圧バッテリ５の充電量が不足している場合や、エンジン７１０が十分に温まっていない場合などにおいては、エンジン７１０を停止せず駆動を継続する。また、アイドルストップモード中においては、エアコンのコンプレッサなど、エンジン７１０を駆動源としている補機類の駆動源を確保する必要がある。この場合、モータ２を駆動させて補機類を駆動する。

加速モード時や高負荷運転モードにある時にも、モータ２を駆動させてエンジン７１０の駆動をアシストする。逆に、高圧バッテリ５の充電が必要な充電モードにある時には、エンジン７１０によってモータ２を発電させて高圧バッテリ５を充電する。すなわち、車両の制動時や減速時などには回生モードとなる。

第１もしくは第２の実施形態に係るモータ制御装置１００を用いた電動車両システムでは、制御部（マイコン）の演算負荷を軽減しながら、ビート電流の発生を抑制することができる。そのため、電磁騒音が低減されるので、車体に貼り付ける防振材、防音材、遮音材などを削減できる。また、これら材料を削減することで、車両の軽量化を計り燃費を向上することができる。

本実施形態では、第１もしくは第２のモータ制御装置１００をハイブリッド自動車に適用した場合について説明したが、電気自動車においても同様な効果が得られる。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）モータ制御装置１００は、直流電圧を三相の交流電圧に変換してモータ２を駆動するインバータ３と、キャリア周波数に基づいてＰＷＭ信号をインバータ３へ出力する制御部１と、を備え、制御部１は、予め設定した第１のキャリア周波数ｆｃ１とモータ２の電気角周波数ｆ１の比率が第１の所定値以下の場合に、第１のキャリア周波数ｆｃ１を中心に、キャリア周波数をランダムに変更する。これにより、キャリア周波数とモータの電気角周波数の比率が小さくなった場合に発生するビート電流を抑制することができる。

（２）モータ制御装置１００は、直流電圧を三相の交流電圧に変換してモータ２を駆動するインバータ３と、キャリア周波数に基づいてＰＷＭ信号をインバータ３へ出力する制御部１と、を備え、制御部１は、予め設定した第１のキャリア周波数ｆｃ１とモータ２の電気角周波数ｆ１の比率が第１の所定値以下であり、直流電圧と交流電圧の比率が第２の所定値以上である場合に、第１のキャリア周波数を中心に、前記キャリア周波数をランダムに変更する。これにより、キャリア周波数とモータの電気角周波数の比率が小さくなった場合に発生するビート電流を抑制することができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１…制御部、２…モータ、３…インバータ、４…回転位置センサ、５…高圧バッテリ、６…モータ駆動装置、７…電流検出回路、１１…電流指令生成部、１２…三相／ｄｑ変換部、１３…電流制御部、１４…電圧指令生成部、１５…ゲート信号生成部、１６…速度算出部、１７…三角波生成部、３１…インバータ回路、３２…ＰＷＭ信号駆動回路、３３…平滑キャパシタ、４１…回転位置検出器、１７１…キャリア周波数設定部、１７２…比率演算部、１７３、１７７…拡散幅生成部、１７４…ランダム値生成部、１７５…ランダム値積算部、１７６…三角波信号生成部、７００…車体、７０１…前輪車軸、７０２…前輪、７０３…前輪、７０４…後輪車軸、７０５…後輪、７０６…後輪、７１０…エンジン、７１０ａ…プーリー、７１１…デファレンシャルギア、７１２…変速機、７２０ａ…プーリー、７２３…低圧バッテリ、７２４…ＤＣ−ＤＣコンバータ、７２５…スタータ、７３０…ベルト、ｆｒ…モータ回転周波数、ｆ１…電気角周波数、ｆｃ１…第１のキャリア周波数、ｆｃ２…第２のキャリア周波数、Ｒａｎｄ…拡散幅、Ｇｕｐ…上側アームのＵ相ゲート信号、Ｇｖｐ…上側アームのＶ相ゲート信号、Ｇｗｐ…上側アームのＷ相ゲート信号、Ｇｕｎ…下側アームのＵ相ゲート信号、Ｇｖｎ…下側アームのＶ相ゲート信号、Ｇｗｎ…下側アームのＷ相ゲート信号、Ｉｄ…ｄ軸電流値、Ｉｄｃ…電流検出値、Ｉｄ＊…ｄ軸電流指令、Ｉｑ…ｑ軸電流値、Ｉｑ＊…ｑ軸電流指令、Ｉｕ…Ｕ相交流電流、Ｉｖ…Ｖ相交流電流、Ｉｗ…Ｗ相交流電流、Ｔｒ…三角波信号、Ｒｓｈ…シャント抵抗、Ｔ＊…トルク指令、ＶＢ…直流電圧、Ｖｄ＊…ｄ軸電圧指令、Ｖｑ＊…ｑ軸電圧指令、Ｖｕ＊…Ｕ相電圧指令値、Ｖｖ＊…Ｖ相電圧指令値、Ｖｗ＊…Ｗ相電圧指令値、θ…回転位置。

Claims (19)

1. 直流電圧を三相の交流電圧に変換してモータを駆動するインバータと、
   キャリア周波数に基づいてＰＷＭ信号を前記インバータへ出力する制御部と、を備えたモータ制御装置において、
   前記制御部は、予め設定した第１のキャリア周波数と前記モータの電気角周波数の比率が第１の所定値以下の場合に、前記第１のキャリア周波数を中心に、前記キャリア周波数をランダムに変更するモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置において、
   前記制御部は、前記第１のキャリア周波数と前記モータの電気角周波数の比率が予め定めた第１の定数の近傍になった場合に、前記キャリア周波数をランダムに変更する拡散幅を変化させるモータ制御装置。
3. 請求項２に記載のモータ制御装置において、
   前記制御部は、前記第１のキャリア周波数と前記モータの電気角周波数の比率と前記第１の定数との差の絶対値に反比例して前記拡散幅を設定するモータ制御装置。
4. 請求項２または請求項３に記載のモータ制御装置において、
   前記第１の定数は、３、９、１５のいずれかであるモータ制御装置。
5. 請求項１に記載のモータ制御装置において、
   前記第１の所定値は、２０であるモータ制御装置。
6. 請求項１に記載のモータ制御装置において、
   前記制御部は、ランダム関数もしくはランダムテーブルに基づき前記キャリア周波数をランダムに変更するモータ制御装置。
7. 請求項２に記載のモータ制御装置において、
   前記第１のキャリア周波数と前記モータの電気角周波数の比率に応じて連続的に前記拡散幅を変更するモータ制御装置。
8. 直流電圧を三相の交流電圧に変換してモータを駆動するインバータと、
   キャリア周波数に基づいてＰＷＭ信号を前記インバータへ出力する制御部と、を備えたモータ制御装置において、
   前記制御部は、予め設定した第１のキャリア周波数と前記モータの電気角周波数の比率が第１の所定値以下であり、前記直流電圧と前記交流電圧の比率が第２の所定値以上である場合に、前記第１のキャリア周波数を中心に、前記キャリア周波数をランダムに変更するモータ制御装置。
9. 請求項８に記載のモータ制御装置において、
   前記制御部は、前記第１のキャリア周波数と前記モータの電気角周波数の比率が前記第１の所定値以下の予め定めた第１の定数の近傍になった場合に、前記キャリア周波数をランダムに変更する拡散幅を変化させるモータ制御装置。
10. 請求項９に記載のモータ制御装置において、
    前記制御部は、前記キャリア周波数を有するキャリア信号の山側又は谷側においてのみ前記インバータへの電圧指令を更新するモータ制御装置。
11. 請求項１０に記載のモータ制御装置において、
    前記予め定めた第１の定数は、８．５、９．５、１１、１１．５、１２．５、１３、１４．５、１５．５、１７、１７．５、１８．５、１９であるモータ制御装置。
12. 請求項９に記載のモータ制御装置において、
    前記制御部は、前記キャリア周波数を有するキャリア信号の山側及び谷側の双方において前記インバータへの電圧指令を更新するモータ制御装置。
13. 請求項１２に記載のモータ制御装置において、
    前記予め定めた第１の定数は、８．５、９．５、１１．５、１２．５、１４．５、１５．５、１７．５、１８．５であるモータ制御装置。
14. 請求項９に記載のモータ制御装置において、
    前記制御部は、前記第１のキャリア周波数と前記モータの電気角周波数の比率と前記第１の定数との差の絶対値に反比例して前記拡散幅を設定するモータ制御装置。
15. 請求項９に記載のモータ制御装置において、
    前記制御部は、前記第１のキャリア周波数と前記モータの電気角周波数の比率によって定められる周波数の絶対値が前記モータ制御装置の機構との共振周波数の近傍にある場合に、前記拡散幅を広げるモータ制御装置。
16. 請求項８に記載のモータ制御装置において、
    前記第１の所定値は、２０、前記第２の所定値は、０．７０７であるモータ制御装置。
17. 請求項８に記載のモータ制御装置において、
    前記制御部は、ランダム関数もしくはランダムテーブルに基づき前記キャリア周波数をランダムに変更するモータ制御装置。
18. 請求項９に記載のモータ制御装置において、
    前記第１のキャリア周波数と前記モータの電気角周波数の比率に応じて連続的に前記拡散幅を変更するモータ制御装置。
19. 請求項１から請求項３までのいずれか一項、または請求項５から請求項１８までのいずれか一項に記載のモータ制御装置と、
    前記モータ制御装置によって駆動制御される前記モータと、を備える電動車両システム。

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