JP2020092470A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、出力交流の周波数の６倍の周波数のリプル電流を抑制する。【解決手段】モータ制御装置は、第１インバータと第２インバータとコントローラを備えている。第１インバータは、直流電源の電力を三相交流型の第１モータを駆動するための三相交流に変換する。第２インバータは、第１インバータと並列に接続されており、直流電源の電力を三相交流型の第２モータを駆動するための三相交流に変換する。コントローラは、第１インバータ及び第２インバータの出力交流が、周波数が同じであって（３０＋６０×ｎ）度（ｎは整数）の位相差となるように第１インバータ及び第２インバータを制御する。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、モータ制御装置に関する。

直流電源を使って三相交流型のモータを制御（駆動）するにはインバータが用いられる。インバータは、直流電源の電力を交流に変換する。インバータでは電力変換に伴ってリプル電流が発生する。リプル電流が直流電源に伝わると、直流電源にダメージを与えることがある。特許文献１に、直流電源に対してインバータと並列に接続されている電力変換装置を使ってリプル電流を抑える技術が開示されている。電力変換装置は、トランスを用いて電圧を変圧する絶縁型電圧コンバータである。トランスを用いた絶縁型電圧コンバータは、入力される直流電力を交流に変換する。変換された交流をトランスに流し、トランスの二次側で変圧された交流を得る。変圧された交流を再び直流電力に戻す。特許文献１の技術では、インバータで発生するリプル電流を電流センサで検知し、電力変換装置での直流／交流変換において変換される交流がリプル電流に対して同周波数で逆相となるように制御する。直流／交流変換において直流側に同周波数で逆相のリプル電流が発生する。インバータ側のリプル電流は電力変換装置側のリプル電流によって相殺される。

特開２０１５−２１１６０８号公報

特許文献１の技術では、インバータで発生するリプル電流を正確に計測することのできるセンサが必要となる。本明細書は、２個のモータを駆動するために２個のインバータが並列に接続されているモータ制御装置に関し、センサを用いずに特定のリプル電流を低減する技術を開示する。直流電力を三相交流に変換するインバータでは、出力交流の周波数の６倍の周波数のリプル電流（以下、６次リプルと称する）が発生する。本明細書が開示する技術は、インバータが発生する６次リプルを低減する。２個のインバータが並列に接続されているモータ制御装置は、例えば、走行用に２個のモータを備えている電気自動車に応用される。

本明細書が開示するモータ制御装置は、２個のインバータ（第１インバータと第２インバータ）と、それらのインバータを制御するコントローラを備えている。第１インバータは、直流電源の電力を三相交流型の第１モータを駆動するための三相交流に変換する。第２インバータは、直流電源に対して第１インバータと並列に接続されている。第２インバータは、直流電源の電力を、三相交流型の第２モータを駆動するための三相交流に変換する。コントローラは、第１インバータ及び第２インバータの出力交流が、周波数が同じであって（３０＋６０×ｎ）度（ｎは整数）の位相差となるように第１インバータ及び第２インバータを制御する。

６次リプルの周波数は、インバータの出力交流の周波数の６倍である。出力交流の１周期を３６０度とすると、６次リプルの周期は出力交流の位相６０度に相当する。従って、第１インバータの出力交流と第２インバータの出力交流が３０度の位相差を有していれば、互いの６次リプルが相殺される。６次リプルが発生するメカニズムについては、発明を実施するための形態の欄にて説明する。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例のモータ制御装置を含む電気自動車のブロック図である。 ６次リプルを説明する図である。 モータ回転数とリプル電流周波数の関係、及び、モータ回転数とモータ最大出力／入力電流の関係を示すグラフである。

図面を参照して実施例のモータ制御装置１０を説明する。モータ制御装置１０は、走行用に２個のモータを有している電気自動車に搭載されている。図１に、モータ制御装置１０を含む電気自動車１００のブロック図を示す。図１における破線矢印線は、信号の流れを表している。

電気自動車１００は、バッテリ２６、モータ制御装置１０、走行用の２個のモータ（第１モータ２１ａ、第２モータ２１ｂ）を備えている。第１モータ２１ａと第２モータ２１ｂの出力軸は、ギアボックス２２とデファレンシャルギア２３を介して駆動輪２４に連結されている。ギアボックス２２により、第１モータ２１ａと第２モータ２１ｂの出力軸は機械的に連動し、同じ回転数で回転する。第１モータ２１ａと第２モータ２１ｂはいずれも三相交流モータである。

モータ制御装置１０は、バッテリ２６の出力電力（直流電力）を、第１モータ２１ａと第２モータ２１ｂそれぞれの駆動電力（三相交流）に変換し、それぞれのモータに出力する。モータ制御装置１０は、第１モータ２１ａと第２モータ２１ｂを制御する（駆動する）。

モータ制御装置１０は、平滑コンデンサ１１、２個のインバータ（第１インバータ１２ａと第２インバータ１２ｂ）、コントローラ１４を備えている。第１インバータ１２ａと第２インバータ１２ｂは、バッテリ２６に対して並列に接続されている。平滑コンデンサ１１は、第１インバータ１２ａと第２インバータ１２ｂに共通の直流端の正極と負極の間に接続されている。以下では、第１インバータ１２ａと第２インバータ１２ｂをインバータ１２と総称する場合がある。また、第１モータ２１ａと第２モータ２１ｂをモータ２１と総称する場合がある。

コントローラ１４は、不図示の上位コントローラから、モータ２１の目標出力の指令を受ける。コントローラ１４は、目標出力が実現されるようにインバータ１２を制御する。第１インバータ１２ａの交流出力側には電流センサ１３ａが備えられており、第２インバータ１２ｂの交流出力側には電流センサ１３ｂが備えられている。コントローラ１４は、電流センサ１３ａ（１３ｂ）の計測値をモニタしており、モータ２１ａ（２１ｂ）の実際の出力が目標出力に追従するようにインバータ１２ａ（１２ｂ）を制御する。なお、先に述べたように、第１モータ２１ａと第２モータ２１ｂは同じ回転数で回転するので、第１インバータ１２ａと第２インバータ１２ｂの出力する交流の周波数も同じになる。

車軸には回転数センサ２５が取り付けられており、コントローラ１４は、駆動輪の回転数もモニタしている。なお、駆動輪の回転数は走行速度と等価であるとともにモータの回転数とも等価である。

インバータ１２が発する高周波ノイズ（リプル電流）は、バッテリ２６（図１参照）に悪影響を及ぼすおそれがある。平滑コンデンサ１１は、バッテリ２６とインバータ１２の間に流れる電流（電圧）の脈動を抑えるために挿入されている。バッテリ２６とモータ制御装置１０の間の電力線の寄生インダクタンスと平滑コンデンサ１１で構成されるＬＣフィルタがインバータ１２からバッテリ２６へ伝わるリプル電流を低減する。しかしながら、インバータ１２が発する高周波ノイズ（リプル電流）を完全に除去することはできない。コントローラ１４は、第１インバータ１２ａと第２インバータ１２ｂが同じ周波数の三相交流を出力することを利用してリプル電流を抑制することができる。

インバータ１２は、出力交流の周波数の６倍の周波数のリプル電流（６次リプル）を発生する。図２を参照しつつ６次リプルが発生する理由を説明する。

図２（Ａ）は、インバータ１２が出力する三相交流を位相で表したグラフである。理解を助けるため、図２では、正弦波を三角波で模式的に表してある。図２の横軸は位相を示しており、縦軸は電流を示している。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれ相互の位相差は１２０度である。

リプル電流は振幅のピークで表れるので、各相の波のボトムもリプル電流のピークとなる。それゆえ、リプル電流の波は、図２（Ａ）の縦軸のマイナス側をプラス側に折り返したグラフとなる（図２（Ｂ））。図２（Ｃ）は、図２（Ｂ）のリプル電流の成分だけを示したグラフである。リプル電流の１周期は、インバータ１２の出力交流における６０度の位相に相当する。すなわち、リプル電流の周期は出力交流の周期の１／６となる。別言すれば、リプル電流の周波数は、インバータ１２の出力交流の周波数の６倍となる。

第１インバータ１２ａと第２インバータ１２ｂは同じ周波数の交流を出力するので、それぞれが発するリプル電流は図２（Ｃ）のようになる。従って、一方のインバータ（例えば第１インバータ１２ａ）の出力交流に対する他方のインバータ（第２インバータ１２ｂ）の出力交流の位相差が３０度であれば、互いのリプル電流の波形が逆位相となって相殺されることがわかる。なお、位相差が９０度、１５０度、２１０度、２７０度であっても互いに逆位相となるので６次リプルが相殺される。すなわち、コントローラ１４は、第１インバータ１２ａ及び第２インバータ１２ｂの出力交流が、周波数が同じであって（３０＋６０×ｎ）度（ｎは整数）の位相差となるようにそれぞれのインバータを制御する。そのような制御によって、６次リプルが相殺される。実施例のモータ制御装置１０は、電流センサの計測値を用いることなく、６次リプルを抑制することができる。なお、ｎが６以上は位相差が３６０度を超えるので意味がない。

６次リプルを相殺することの効果を、図３を参照して説明する。図３（Ａ）はモータ２１の回転数とインバータ１２が発するリプル電流の周波数の関係を示している。横軸はモータの回転数を示しており、縦軸はリプル電流の周波数を示している。図３（Ａ）の実線のグラフは６次リプルの周波数を示している。インバータ１２の出力交流の周波数はモータ２１の回転数に比例する。６次リプルはインバータ１２の出力交流の周波数の６倍の周波数である。従って、６次リプルの周波数はモータ２１の回転数に比例する。図３（Ａ）の点線のグラフは、６次リプルの３倍の周波数を有するノイズ（第３高調波）の周波数とモータの回転数の関係を示している。インバータなどの電気機器では、基本波（本件の場合は６次リプル）の３倍の周波数のノイズが基本波の次に大きいノイズであるといわれている。基本波の３倍の周波数を有するノイズは、第３高調波と呼ばれる。６次リプルの周波数が周波数ｆｎ１のとき、第３高調波の周波数ｆｎ２は、ｆｎ２＝ｆｎ１×３となる。

図３（Ｂ）における実線のグラフは、モータ２１の回転数とモータの最大出力の関係を示している。モータの最大出力は、電力で表してもトルクで表しても等価である。図３（Ｂ）における破線のグラフは、モータ２１が最大出力のときにインバータ１２に入力される電流（最大入力電流）と回転数の関係を示している。図３（Ｂ）の実線のグラフは、いわゆるＴＮ線図である。

図３（Ａ）においてグレーで示した範囲は、バッテリ２６とモータ制御装置１０の間の電力線の寄生インダクタンスと平滑コンデンサ１１で構成されるＬＣフィルタの共振周波数帯を示している。共振周波数帯の中心周波数を記号ｆｒで表す。モータ２１の回転数が回転数Ｒ１のときに６次リプルの周波数がＬＣフィルタの共振周波数ｆｒに一致するとする。

６次リプルが抑制できた場合、次に大きいノイズは６次リプルの３倍の周波数を有する第３高調波である。モータ２１の回転数が回転数Ｒ１のときに６次リプルの周波数が共振周波数ｆｒに一致する場合、第３高調波は回転数Ｒ２＝Ｒ１／３で共振周波数ｆｒに一致する。図３（Ｂ）に示すように、回転数Ｒ３以下では、モータ２１が最大出力を出し続けているときには、モータの回転数とインバータ１２への入力電流（最大入力電流）は比例する（図３（Ｂ）の破線のグラフ参照）。従って、モータ２１の回転数が１／３になればインバータ１２への入力電流も１／３になる。

６次リプルを抑制できた場合、第３高調波の影響がどの程度残るかを検討する。第３高調波の周波数は、６次リプルの周波数の３倍である。周波数が３倍になるとリプル電流のエネルギは１／９（＝１／３^２）になる。また、６次リプルは回転数Ｒ１のときにその周波数が共振周波数ｆｒに一致する。第３高調波は、回転数Ｒ２＝Ｒ１／３のときにその周波数が共振周波数ｆｒに一致する。モータ回転数が１／３になるとインバータ１２の入力電流が１／３になり、リプル電流のエネルギも１／３になる。結局、第３高調波のエネルギは、６次リプルのエネルギの１／２７（＝１／３^３）になる。すなわち、コントローラ１４の制御（２個のインバータの出力交流の位相差を（３０＋６０×ｎ）にする制御）によって６次リプルが抑制でき、リプル電流のエネルギを１／２７にすることができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。本明細書が開示する技術では、第１インバータ１２ａと第２インバータ１２ｂが同じ周波数の交流を出力する。すなわち、第１インバータ１２ａから交流の供給を受ける第１モータ２１ａと、第２インバータ１２ｂから交流の供給を受ける第２モータ２１ｂが同じ回転数で回転することが重要である。実施例の場合、第１モータ２１ａの出力軸と第２モータ２１ｂの出力軸はギアボックス２２を介して係合しており、同じ回転数で回転するように物理的に拘束されている。

２個のモータが車両に搭載されており、車輪と連動して回転する場合には、２個のモータが道路を介して同じ回転数で回転するように拘束を受けていてもよい。例えば、第１モータ２１ａが前輪を駆動するモータであり、第２モータ２１ｂが後輪を駆動するモータであり、両者は同じ回転数で回転するように道路を介して物理的に拘束を受けている場合にも、本明細書が開示するモータ制御装置が適用可能である。

あるいは、第１モータ２１ａと第２モータ２１ｂがそれぞれ別の車輪に取り付けられているインホイールモータであり、両者は同じ回転数で回転するように道路を介して物理的に拘束を受けている場合にも、本明細書が開示するモータ制御装置が適用可能である。本明細書が開示するモータ制御装置は、三相交流型の２個の独立したモータの制御（駆動）に特に適している。

第１モータ２１ａと第２モータ２１ｂは、それぞれ、磁石を使った三相交流型のモータであってもよいし、磁石を使わない三相交流型のモータであってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：モータ制御装置
１１：平滑コンデンサ
１２ａ、１２ｂ：インバータ
１３ａ、１３ｂ：電流センサ
１４：コントローラ
２１ａ、２１ｂ：第１モータ
２２：ギアボックス
２５：回転数センサ
２６：バッテリ
１００：電気自動車

Claims (1)

1. 直流電源の電力を三相交流型の第１モータを駆動するための三相交流に変換する第１インバータと、
   前記直流電源に対して前記第１インバータと並列に接続されており、前記直流電源の前記電力を、三相交流型の第２モータを駆動するための三相交流に変換する第２インバータと、
   前記第１インバータ及び前記第２インバータの出力交流が、周波数が同じであって（３０＋６０×ｎ）度（ｎは整数）の位相差となるように前記第１インバータ及び前記第２インバータを制御するコントローラと、
   を備えている、モータ制御装置。

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