JP2023096277A - 電力制御装置、電力制御方法、およびモータユニット - Google Patents

電力制御装置、電力制御方法、およびモータユニット Download PDF

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Kazuki Fukaya
大介 小笠原
Daisuke Ogasawara
哲広 仁田
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Abstract

Figure 2023096277000001
【課題】モータの制御性を確保しながら、騒音の低減とスイッチング損失の低減とを両立させることが可能な電力制御装置、電力制御方法及びモータユニットを提供する。
【解決手段】モータユニット1において、電力制御装置10は、直流電力を交流電力に変換してモータに供給する電力変換回路11と、電力変換回路に含まれる複数のスイッチQUH~QWLのスイッチング周波数を制御する制御部と、を備える。制御部は、モータの回転数及びトルクに基づいて周波数変動幅fwを決定し、所定の基準周波数f0を中心周波数とするf0±fwの周波数範囲内でスイッチング周波数を変動させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、電力制御装置、電力制御方法、およびモータユニットに関する。
特許文献1には、三相モータに三相交流電圧を供給するインバータ装置において、3種類の基本電圧ベクトルを用いて三相PWM(Pulse Width Modulation)信号を生成し、三相PWM信号に基づいてインバータ装置に含まれる少なくとも6つのスイッチング素子の夫々に供給されるスイッチング信号を生成する技術が開示されている。
特許第3447366号公報
上記のようなインバータ装置において、PWM制御時のスイッチング動作に起因して騒音が発生する。
本発明の電力制御装置における一つの態様は、直流電力を交流電力に変換してモータに供給する電力変換回路と、前記電力変換回路に含まれる複数のスイッチのスイッチング周波数を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記モータの回転数及びトルクに基づいて周波数変動幅fwを決定し、所定の基準周波数f0を中心周波数とするf0±fwの周波数範囲内で前記スイッチング周波数を変動させる。
本発明の電力制御方法における一つの態様は、直流電力を交流電力に変換してモータに供給する電力変換回路に含まれる複数のスイッチのスイッチング周波数を制御すること、を含み、前記スイッチング周波数を制御することは、前記モータの回転数及びトルクに基づいて周波数変動幅fwを決定することと、所定の基準周波数f0を中心周波数とするf0±fwの周波数範囲内で前記スイッチング周波数を変動させることと、をさらに含む。
本発明のモータユニットにおける一つの態様は、モータと、前記モータに電力を供給する上記態様の電力制御装置と、を備える。
本発明の上記態様によれば、モータの制御性を確保しながら、騒音の低減とスイッチング損失の低減とを両立させることが可能な電力制御装置、電力制御方法、およびモータユニットが提供される。
図1は、本発明の一実施形態におけるモータユニットの全体構成を模式的に示す図である。 図2は、本発明の一実施形態における電力制御装置の制御部が有する各機能を示す機能ブロック図である。 図3は、モータの回転数N及びトルクTを入力値とし、周波数変動幅fwを出力値とする周波数制御テーブルの一例を示す図である。 図4は、電力制御装置の制御部が三相電圧指令信号とキャリア信号とを比較することにより、各ハイサイドゲート信号を生成する様子を示すタイミングチャートである。 図5は、電力制御装置の制御部がプログラムに従って実行するスイッチング制御処理を示すフローチャートである。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本実施形態におけるモータユニット1の全体構成を模式的に示す図である。図1に示すように、モータユニット1は、電力制御装置10と、モータ20と、を備える。電力制御装置10は、モータ20に電力を供給する。一例として、モータ20は、インナーロータ型の3相ブラシレスDCモータである。また、モータ20は、例えば電動車両に搭載される駆動用モータ(トラクションモータ)である。
モータ20は、U相端子21uと、V相端子21vと、W相端子21wと、U相コイル22uと、V相コイル22vと、W相コイル22wと、位置センサ23と、を有する。図1では図示を省略するが、モータ20は、モータケースと、モータケースに収容されたロータ及びステータとを有する。ロータは、モータケースの内部において、ロータベアリング等の軸受け部品によって回転可能に支持される回転体である。ロータは、ロータの径方向内側を軸方向に貫通した状態でロータと同軸接合されるロータシャフトを有する。ステータは、モータケースの内部において、ロータの外周面を囲った状態で固定され、ロータを回転させるのに必要な電磁力を発生させる。
U相端子21u、V相端子21v及びW相端子21wは、それぞれモータケースの表面から露出する金属端子である。U相端子21uは、電力制御装置10のU相接続端子13uに接続される。V相端子21vは、電力制御装置10のV相接続端子13vに接続される。W相端子21wは、電力制御装置10のW相接続端子13wに接続される。U相コイル22u、V相コイル22v及びW相コイル22wは、それぞれステータに設けられた励磁コイルである。一例として、U相コイル22u、V相コイル22v及びW相コイル22wは、モータ20の内部でスター結線される。
U相コイル22uは、U相端子21uと中性点Nとの間に接続される。V相コイル22vは、V相端子21vと中性点Nとの間に接続される。W相コイル22wは、W相端子21wと中性点Nとの間に接続される。U相コイル22u、V相コイル22v及びW相コイル22wの通電状態が電力制御装置10によって制御されることにより、ロータを回転させるのに必要な電磁力が発生する。ロータが回転することにより、ロータシャフトもロータに同期して回転する。
位置センサ23は、ロータシャフトの回転位置θを検出し、検出した回転位置θを示す位置検出信号を電力制御装置10の制御部12に出力する。位置センサ23は、アブソリュート型エンコーダ、インクリメンタル型エンコーダ、或いは、ホールセンサなどである。
電力制御装置10は、電力変換回路11と、制御部12と、U相接続端子13uと、V相接続端子13vと、W相接続端子13wと、U相電流センサ14と、V相電流センサ15と、W相電流センサ16と、を備える。電力変換回路11は、モータ20及び直流電源50に接続され、直流電力と3相交流電力との相互変換を行う。例えば、電力変換回路11がインバータとして機能するとき、電力変換回路11は、直流電源50から供給される直流電力を3相交流電力に変換してモータ20に出力する。一例として、直流電源50は、電動車両に搭載される複数のバッテリの一つである。
電力変換回路11は、6個のスイッチを有する。電力変換回路11は、U相ハイサイドスイッチQUHと、V相ハイサイドスイッチQVHと、W相ハイサイドスイッチQWHと、U相ローサイドスイッチQULと、V相ローサイドスイッチQVLと、W相ローサイドスイッチQWLと、を有する。本実施形態において各スイッチは、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。
U相ハイサイドスイッチQUHのコレクタ端子、V相ハイサイドスイッチQVHのコレクタ端子、及びW相ハイサイドスイッチQWHのコレクタ端子は、それぞれ直流電源50の正極端子に接続される。U相ローサイドスイッチQULのエミッタ端子、V相ローサイドスイッチQVLのエミッタ端子、及びW相ローサイドスイッチQWLのエミッタ端子は、それぞれ直流電源50の負極端子に接続される。
U相ハイサイドスイッチQUHのエミッタ端子は、U相接続端子13uと、U相ローサイドスイッチQULのコレクタ端子とのそれぞれに接続される。つまり、U相ハイサイドスイッチQUHのエミッタ端子は、U相接続端子13uを介して、モータ20のU相端子21uに接続される。
V相ハイサイドスイッチQVHのエミッタ端子は、V相接続端子13vと、V相ローサイドスイッチQVLのコレクタ端子とのそれぞれに接続される。つまり、V相ハイサイドスイッチQVHのエミッタ端子は、V相接続端子13vを介して、モータ20のV相端子21vに接続される。
W相ハイサイドスイッチQWHのエミッタ端子は、W相接続端子13wと、W相ローサイドスイッチQWLのコレクタ端子とのそれぞれに接続される。つまり、W相ハイサイドスイッチQWHのエミッタ端子は、W相接続端子13wを介して、モータ20のW相端子21wに接続される。
U相ハイサイドスイッチQUHのゲート端子、V相ハイサイドスイッチQVHのゲート端子、及びW相ハイサイドスイッチQWHのゲート端子は、それぞれ制御部12に接続される。また、U相ローサイドスイッチQULのゲート端子、V相ローサイドスイッチQVLのゲート端子、及びW相ローサイドスイッチQWLのゲート端子も、それぞれ制御部12に接続される。
上記のように、電力変換回路11は、3つのハイサイドスイッチと3つのローサイドスイッチとを有する三相フルブリッジ回路によって構成される。このように構成された電力変換回路11は、制御部12によって各スイッチのスイッチング制御が行われることにより、直流電力と三相交流電力との相互変換を行う。
U相電流センサ14は、モータ20のU相に流れる電流をU相電流Iuとして検出し、検出したU相電流Iuを示すU相電流検出信号を制御部12に出力する。V相電流センサ15は、モータ20のV相に流れる電流をV相電流Ivとして検出し、検出したV相電流Ivを示すV相電流検出信号を制御部12に出力する。W相電流センサ16は、モータ20のW相に流れる電流をW相電流Iwとして検出し、検出したW相電流Iwを示すW相電流検出信号を制御部12に出力する。
制御部12は、不図示のメモリを内蔵するプロセッサである。一例として、制御部12は、MCU(Microcontroller Unit)である。制御部12は、メモリに予め記憶されたプログラムに従って、電力変換回路11を制御する。制御部12には、U相電流センサ14から出力されるU相電流検出信号と、V相電流センサ15から出力されるV相電流検出信号と、W相電流センサ16から出力されるW相電流検出信号と、位置センサ23から出力される位置検出信号とが入力される。制御部12は、これらの入力信号に基づいて、U相電流Iu、V相電流Iv、W相電流Iw、および回転位置θを取得する。
詳細は後述するが、制御部12は、トルク指令値Trefによって指示されるトルクでモータ20を回転させるために、トルク指令値Tref、U相電流Iu、V相電流Iv、W相電流Iw、および回転位置θに基づいて、電力変換回路11に含まれる各スイッチのスイッチングタイミングを制御するゲート信号を生成する。スイッチングタイミングとは、スイッチの状態がオフ状態からオン状態に切り替わるタイミングと、オン状態からオフ状態に切り替わるタイミングである。ゲート信号は、例えばパルス幅変調された矩形波信号である。
制御部12は、U相ハイサイドスイッチQUHのスイッチングタイミングを制御するU相ハイサイドゲート信号G1を生成し、生成したU相ハイサイドゲート信号G1をU相ハイサイドスイッチQUHのゲート端子に出力する。制御部12は、U相ローサイドスイッチQULのスイッチングタイミングを制御するU相ローサイドゲート信号G2を生成し、生成したU相ローサイドゲート信号G2をU相ローサイドスイッチQULのゲート端子に出力する。U相ローサイドゲート信号G2は、U相ハイサイドゲート信号G1の相補信号である。
制御部12は、V相ハイサイドスイッチQVHのスイッチングタイミングを制御するV相ハイサイドゲート信号G3を生成し、生成したV相ハイサイドゲート信号G3をV相ハイサイドスイッチQVHのゲート端子に出力する。制御部12は、V相ローサイドスイッチQVLのスイッチングタイミングを制御するV相ローサイドゲート信号G4を生成し、生成したV相ローサイドゲート信号G4をV相ローサイドスイッチQVLのゲート端子に出力する。V相ローサイドゲート信号G4は、V相ハイサイドゲート信号G3の相補信号である。
制御部12は、W相ハイサイドスイッチQWHのスイッチングタイミングを制御するW相ハイサイドゲート信号G5を生成し、生成したW相ハイサイドゲート信号G5をW相ハイサイドスイッチQWHのゲート端子に出力する。制御部12は、W相ローサイドスイッチQWLのスイッチングタイミングを制御するW相ローサイドゲート信号G6を生成し、生成したW相ローサイドゲート信号G6をW相ローサイドスイッチQWLのゲート端子に出力する。W相ローサイドゲート信号G6は、W相ハイサイドゲート信号G5の相補信号である。
なお、各ゲート信号には、同じ相のハイサイドスイッチとローサイドスイッチとが同時にオンに切り替わることを防止するためにデッドタイムが挿入される。
図2は、制御部12が有する各機能を示す機能ブロック図である。制御部12が有する各機能は、デジタル回路及びアナログ回路を含むハードウェアによって実現される機能であってもよいし、或いは、ソフトウェアによって実現される機能、すなわち制御部12がプログラムを実行することで実現される機能であってもよい。
図2に示すように、制御部12は、電流指令生成部30と、第1座標変換部31と、第1減算部32と、第2減算部33と、電圧指令生成部34と、第2座標変換部35と、周波数変動幅決定部36と、乱数生成部37と、乗算部38と、加算部39と、キャリア生成部40と、PWM変調部41と、を有する。
電流指令生成部30は、上位制御装置から入力されるトルク指令値Trefに基づいて、d軸電流指令値Idrefと、q軸電流指令値Iqrefとを生成する。例えば、上位制御装置は、電動車両に搭載される複数のECU(Electronic Control Unit)の一つである。制御部12のメモリには、トルク指令値Trefに対応するd軸電流指令値Idref及びq軸電流指令値Iqrefを示すテーブルである電流指令テーブルが予め保存されている。電流指令生成部30は、入力されるトルク指令値Trefに対応するd軸電流指令値Idref及びq軸電流指令値Iqrefを、メモリに保存されている電流指令テーブルから読み出す。
第1座標変換部31は、U相電流センサ14から取得したU相電流Iuと、V相電流センサ15から取得したV相電流Ivと、W相電流センサ16から取得したW相電流Iwとをクラーク変換することにより、固定座標系における二相電流Iα及びIβを算出する。
さらに、第1座標変換部31は、式(1)及び式(2)に基づくパーク変換により、固定座標系における二相電流Iα及びIβを、回転座標系におけるd軸電流Idとq軸電流Iqとに変換する。すなわち、第1座標変換部31は、上記のように算出した二相電流Iα及びIβと、位置センサ23から取得した回転位置θとを、式(1)及び式(2)に代入することにより、d軸電流Id及びq軸電流Iqを算出する。
Id=Iα・cosθ+Iβ・sinθ …(1)
Iq=-Iα・sinθ+Iβ・cosθ …(2)
第1減算部32は、d軸電流指令値Idrefからd軸電流Idを減算することにより、d軸電流偏差ΔIdを算出する。第2減算部33は、q軸電流指令値Iqrefからq軸電流Iqを減算することにより、q軸電流偏差ΔIqを算出する。
電圧指令生成部34は、d軸電流偏差ΔIdがゼロとなるd軸電圧指令値VdrefをPI演算によって算出するとともに、q軸電流偏差ΔIqがゼロとなるq軸電圧指令値VqrefをPI演算によって算出する。
第2座標変換部35は、式(3)及び式(4)に基づく逆パーク変換により、回転座標系におけるd軸電圧指令値Vdref及びq軸電圧指令値Vqrefを、固定座標系における二相電圧Vα及びVβに逆変換する。すなわち、第2座標変換部35は、回転位置θ、d軸電圧指令値Vdref、およびq軸電圧指令値Vqrefを、式(3)及び式(4)に代入することにより、二相電圧Vα及びVβを算出する。さらに、第2座標変換部35は、空間ベクトル変換により、二相電圧Vα及びVβを三相電圧指令信号に変換する。第2座標変換部35は、三相電圧指令信号として、U相電圧指令信号Vu、V相電圧指令信号Vv、およびW相電圧指令信号Vwを生成する。
Vα=Vdref・cosθ-Vqref・sinθ …(3)
Vβ=Vdref・sinθ+Vqref・cosθ …(4)
周波数変動幅決定部36は、モータ20の回転数N及びトルクTに基づいて周波数変動幅fwを決定する。制御部12のメモリは、モータ20の回転数N及びトルクTを入力値とし、周波数変動幅fwを出力値とするテーブルを予め記憶している。以下の説明では、このテーブルを、周波数制御テーブルと呼称する場合がある。
図3は、周波数制御テーブルの一例を示す図である。図3に示すように、周波数制御テーブルは、回転数N〔rpm〕を横軸とし、トルクT〔Nm〕を縦軸とする2次元マップデータである。周波数制御テーブルは、第1の周波数変動幅fw1が周波数変動幅fwの出力値として定められた第1の領域W1と、第1の周波数変動幅fw1よりも小さい第2の周波数変動幅fw2が周波数変動幅fwの出力値として定められた第2の領域W2と、第1の領域W1と第2の領域W2との間に設けられた第3の領域W3と、を含む。図3において、Tmaxは、トルクTの上限値であり、Tminは、トルクTの下限値である。
第3の領域W3において定められた周波数変動幅fwの出力値は、第1の領域W1から第2の領域W2に向かうにつれて、第1の周波数変動幅fw1から第2の周波数変動幅fw2に向かって連続的または段階的に変化する。一例として、第1の周波数変動幅fw1は、500〔Hz〕であり、第2の周波数変動幅fw2は、0〔Hz〕である。
周波数変動幅決定部36は、各センサから得られる、U相電流Iu、V相電流Iv、W相電流Iw、および回転位置θに基づいて、回転数N及びトルクTを算出する。周波数変動幅決定部36は、算出した回転数N及びトルクTを周波数制御テーブルに入力したときに周波数制御テーブルから得られる出力値を周波数変動幅fwとして決定する。
乱数生成部37は、-1から+1までの数値範囲から数値αをランダムに抽出する。以下の説明では、-1から+1までの数値範囲からランダムに抽出された数値αをランダム係数と呼称する場合がある。乗算部38は、乱数生成部37から得られたランダム係数αを、周波数変動幅決定部36によって決定された周波数変動幅fwに乗算することにより、ランダム周波数frを算出する。例えば、ランダム係数αは、所定の周期を有するM系列(Maximum Length Sequence)などの疑似ランダム信号(Pseudo Random Bit Sequence)の値である。すなわち、乱数生成部37は、-1から+1までの数値範囲に含まれる数値の系列からなる疑似ランダム信号を生成する。疑似ランダム信号の周期は、所定の閾値以上の値に設定される。一例として、所定の閾値は、車両の速度が100〔km/h〕に到達するまでの加速時間である。
加算部39は、乗算部38によって算出されたランダム周波数frを所定の基準周波数f0に加算することにより、スイッチング周波数fsを算出する。制御部12のメモリは、基準周波数f0を予め記憶している。基準周波数f0は固定値である。一例として、基準周波数f0は、8000〔Hz〕である。加算部39は、メモリから基準周波数f0を読み出し、読み出した基準周波数f0とランダム周波数frとを加算することで得られた周波数をスイッチング周波数fsとして決定する。
キャリア生成部40は、加算部39によって算出されたスイッチング周波数fsと一致するキャリア周波数を有するキャリア信号CSを生成する。一例として、キャリア信号CSは、三角波信号である。スイッチング周波数fsは、基準周波数f0を中心周波数とするf0±fwの周波数範囲内でランダムに変動する。従って、キャリア信号CSのキャリア周波数も、基準周波数f0を中心周波数とするf0±fwの周波数範囲内でランダムに変動する。
PWM変調部41は、第2座標変換部35によって生成された三相電圧指令信号と、キャリア生成部40によって生成されたキャリア信号CSとを比較することにより、各ゲート信号を生成する。具体的には、図4に示すように、PWM変調部41は、V相電圧指令信号Vvがキャリア信号CSよりも大きいときに、V相ハイサイドゲート信号G3をハイレベルにセットする。また、PWM変調部41は、W相電圧指令信号Vwがキャリア信号CSよりも大きいときに、W相ハイサイドゲート信号G5をハイレベルにセットする。図4では図示を省略しているが、PWM変調部41は、U相電圧指令信号Vuがキャリア信号CSよりも大きいときに、U相ハイサイドゲート信号G1をハイレベルにセットする。
また、図4では図示を省略しているが、PWM変調部41は、U相電圧指令信号Vuがキャリア信号CSよりも大きいときに、U相ローサイドゲート信号G2をローレベルにセットする。同様に、PWM変調部41は、V相電圧指令信号Vvがキャリア信号CSよりも大きいときに、V相ローサイドゲート信号G4をローレベルにセットする。同様に、PWM変調部41は、W相電圧指令信号Vwがキャリア信号CSよりも大きいときに、W相ローサイドゲート信号G6をローレベルにセットする。各ゲート信号には、同じ相のハイサイドスイッチとローサイドスイッチとが同時にオンに切り替わることを防止するためにデッドタイムが挿入される。
上記のような制御部12の機能によって生成された各ゲート信号が、制御部12から電力変換回路11に出力されることにより、電力変換回路11に含まれる各スイッチのスイッチングタイミングが制御される。その結果、トルク指令値Trefによって指示されるトルクでモータ20を回転させる三相交流電力が電力変換回路11からモータ20に供給される。
上記の説明から理解されるように、制御部12は、電力変換回路11に含まれる複数のスイッチのスイッチング周波数fs(すなわちキャリア周波数)を制御する機能を有する。より詳細には、制御部12は、モータ20の回転数N及びトルクTに基づいて周波数変動幅fwを決定し、所定の基準周波数f0を中心周波数とするf0±fwの周波数範囲内でスイッチング周波数fsをランダムに変動させる機能を有する。
また、制御部12は、-1から+1までの数値範囲からランダムに抽出された数値α(ランダム係数)を周波数変動幅fwに乗算することによりランダム周波数frを算出し、ランダム周波数frと基準周波数f0とを加算することで得られた周波数をスイッチング周波数fsとして決定する機能を有する。さらに、制御部12は、回転数N及びトルクTを入力値とし、周波数変動幅fwを出力値とするテーブル(周波数制御テーブル)を予め記憶しており、回転数N及びトルクTをテーブルに入力したときに周波数制御テーブルから得られる出力値を周波数変動幅fwとして決定する機能を有する。
上記のようなPWM制御時のスイッチング動作に起因して、電力変換回路11において騒音とスイッチング損失とが発生する。スイッチング周波数fsが高いほど、騒音は小さくなるが、スイッチング損失は大きくなる。一方、スイッチング周波数fsが低いほど、スイッチング損失は小さくなるが、騒音は大きくなる。このように、スイッチング周波数fsに依存して発生する騒音とスイッチング損失とはトレードオフの関係にあることが知られている。
本実施形態では、制御部12が、モータ20の動作状態(回転数N及びトルクT)に基づいて周波数変動幅fwを決定し、基準周波数f0を中心周波数とするf0±fwの周波数範囲内でスイッチング周波数fsをランダムに変動させる。これにより、モータ20の制御期間中において、騒音が大きく且つスイッチング損失が小さい低周波数領域と、騒音が小さく且つスイッチング損失が大きい高周波領域とのいずれか一方の周波数領域にスイッチング周波数fsが偏ることを抑制しながら、モータ20の動作状態に応じた適切な周波数範囲内でスイッチング周波数fsをまんべんなく分散させることができる。その結果、モータ20の制御期間中に発生する騒音とスイッチング損失とが、モータ20の動作状態に応じた適切な周波数範囲内で平均化されるため、モータ20の制御性を確保しながら、騒音の低減とスイッチング損失の低減とを両立させることが可能となる。
図5は、制御部12がプログラムに従って実行するスイッチング制御処理を示すフローチャートである。制御部12は、図5に示すスイッチング制御処理を所定の周期で繰り返し実行する。制御部12が図5に示すスイッチング制御処理を実行することにより、本実施形態の電力制御方法が実現される。
図5に示すように、制御部12は、モータ20の回転数N及びトルクTに基づいて周波数変動幅fwを決定する(ステップS1)。具体的には、制御部12は、各センサから得られる、U相電流Iu、V相電流Iv、W相電流Iw、および回転位置θに基づいて、回転数N及びトルクTを算出する。そして、制御部12は、算出した回転数N及びトルクTを上記の周波数制御テーブルに入力したときに周波数制御テーブルから得られる出力値を周波数変動幅fwとして決定する。
続いて、制御部12は、ランダム周波数frを算出する(ステップS2)。具体的には、制御部12は、-1から+1までの数値範囲からランダムに抽出された数値α(つまりランダム係数)を、ステップS1で決定された周波数変動幅fwに乗算することにより、ランダム周波数frを算出する。
続いて、制御部12は、ステップS2で算出されたランダム周波数frを所定の基準周波数f0に加算することにより、スイッチング周波数fsを算出する(ステップS3)。具体的には、制御部12は、メモリから基準周波数f0を読み出し、読み出した基準周波数f0とランダム周波数frとを加算することで得られた周波数をスイッチング周波数fsとして決定する。
続いて、制御部12は、ステップS3で算出されたスイッチング周波数fsと一致するキャリア周波数を有するキャリア信号CSを生成する(ステップS4)。スイッチング周波数fsは、基準周波数f0を中心周波数とするf0±fwの周波数範囲内でランダムに変動するので、キャリア信号CSのキャリア周波数も、基準周波数f0を中心周波数とするf0±fwの周波数範囲内でランダムに変動する。
制御部12は、上位制御装置から入力されるトルク指令値Trefと、各センサから得られる、U相電流Iu、V相電流Iv、W相電流Iw、および回転位置θとに基づいて、U相電圧指令信号Vu、V相電圧指令信号Vv、およびW相電圧指令信号Vwを三相電圧指令信号として生成する(ステップS5)。三相電圧指令信号の生成方法は、既に説明した通りである。
制御部12は、ステップS5で生成された三相電圧指令信号と、ステップS4で生成されたキャリア信号CSとを比較することにより、各ゲート信号を生成する(ステップS6)。ゲート信号の生成方法は、既に説明した通りである。
制御部12が上記のスイッチング制御処理を所定の周期で繰り返し実行することで生成された各ゲート信号が、制御部12から電力変換回路11に出力されることにより、電力変換回路11に含まれる各スイッチのスイッチングタイミングが制御される。その結果、トルク指令値Trefによって指示されるトルクでモータ20を回転させる三相交流電力が電力変換回路11からモータ20に供給される。
上記の説明から理解されるように、本実施形態の電力制御方法は、直流電力を交流電力に変換してモータ20に供給する電力変換回路11に含まれる複数のスイッチのスイッチング周波数fsを制御すること(ステップS1からS6)、を含む。スイッチング周波数fsを制御することは、モータ20の回転数N及びトルクTに基づいて周波数変動幅fwを決定すること(ステップS1)と、所定の基準周波数f0を中心周波数とするf0±fwの周波数範囲内でスイッチング周波数fwを変動させること(ステップS2及びS3)と、をさらに含む。
以上説明したように、本実施形態の電力制御装置は、直流電力を交流電力に変換してモータ20に供給する電力変換回路11と、電力変換回路11に含まれる複数のスイッチのスイッチング周波数を制御する制御部12と、を備え、制御部12は、モータ20の回転数N及びトルクTに基づいて周波数変動幅fwを決定し、所定の基準周波数f0を中心周波数とするf0±fwの周波数範囲内でスイッチング周波数fsを変動させる。
これにより、モータ20の制御期間中において、騒音が大きく且つスイッチング損失が小さい低周波数領域と、騒音が小さく且つスイッチング損失が大きい高周波領域とのいずれか一方の周波数領域にスイッチング周波数fsが偏ることを抑制しながら、モータ20の動作状態に応じた適切な周波数範囲内でスイッチング周波数fsを分散させることができる。その結果、モータ20の制御期間中に発生する騒音とスイッチング損失とが、モータ20の動作状態に応じた適切な周波数範囲内で平均化されるため、モータ20の制御性を確保しながら、騒音の低減とスイッチング損失の低減とを両立させることが可能となる。
本実施形態において、制御部12は、上記のf0±fwの周波数範囲内でスイッチング周波数fsをランダムに変動させる。
これにより、モータ20の動作状態に応じた適切な周波数範囲内でスイッチング周波数fsをまんべんなく分散させることができる。その結果、モータ20の制御期間中に発生する騒音とスイッチング損失とが、モータ20の動作状態に応じた適切な周波数範囲内でより均等に平均化されるため、モータ20の制御性を確保しながら、騒音の低減とスイッチング損失の低減とを両立させる効果が増す。
本実施形態において、制御部12は、-1から+1までの数値範囲からランダムに抽出された数値α(ランダム係数)を周波数変動幅fwに乗算することによりランダム周波数frを算出し、ランダム周波数frと基準周波数f0とを加算することで得られた周波数をスイッチング周波数fsとして決定する。
これにより、制御部12は、f0±fwの周波数範囲内で容易にスイッチング周波数fsをランダムに決定することができるので、制御部12の処理負荷を低減でき、制御部12として安価なMCUを使用することができる。
本実施形態において、ランダム係数αは、所定の周期を有する疑似ランダム信号の値である。
このように、ランダム係数αとして疑似ランダム信号の値を使用することにより、不規則性がより高いランダム係数αを容易に得ることができる。
本実施形態において、制御部12は、回転数N及びトルクTを入力値とし、周波数変動幅fwを出力値とするテーブル(周波数制御テーブル)を予め記憶しており、回転数N及びトルクTをテーブルに入力したときに周波数制御テーブルから得られる出力値を周波数変動幅fwとして決定する。
このように、制御部12が周波数制御テーブルを使って周波数変動幅fwを決定することにより、制御部12の処理負荷を低減できるので、制御部12として安価なMCUを使用することができる。
本実施形態において、周波数制御テーブルは、第1の周波数変動幅fw1が周波数変動幅fwの出力値として定められた第1の領域W1と、第1の周波数変動幅fw1よりも小さい第2の周波数変動幅fw2が周波数変動幅fwの出力値として定められた第2の領域W2と、第1の領域W1と第2の領域W2との間に設けられた第3の領域W3と、を含み、第3の領域W3において定められた周波数変動幅fwの出力値は、第1の領域W1から第2の領域W2に向かうにつれて、第1の周波数変動幅fw1から第2の周波数変動幅fw2に向かって連続的または段階的に変化し、第2の周波数変動幅fw2はゼロである。
このような周波数制御テーブルを用いることにより、モータ20の動作状態に応じた周波数変動幅fwをよりきめ細かく決定することができる。
本実施形態の電力制御方法は、直流電力を交流電力に変換してモータ20に供給する電力変換回路11に含まれる複数のスイッチのスイッチング周波数fsを制御すること、を含み、スイッチング周波数fsを制御することは、モータ20の回転数N及びトルクTに基づいて周波数変動幅fwを決定することと、所定の基準周波数f0を中心周波数とするf0±fwの周波数範囲内でスイッチング周波数fwを変動させることと、をさらに含む。
このような電力制御方法によれば、モータ20の制御期間中に発生する騒音とスイッチング損失とが、モータ20の動作状態に応じた適切な周波数範囲内で平均化されるため、モータ20の制御性を確保しながら、騒音の低減とスイッチング損失の低減とを両立させることが可能となる。
本実施形態のモータユニット1は、モータ20と、モータ20に電力を供給する本実施形態の電力制御装置10とを備える。
このような本実施形態によれば、モータ20の制御性を確保しながら、騒音の低減とスイッチング損失の低減とを両立させることが可能なモータユニット1を提供できる。
本発明は上記実施形態に限定されず、本明細書において説明した各構成は、相互に矛盾しない範囲内において、適宜組み合わせることができる。
例えば、上記実施形態では、3相モータであるモータ20に電力を供給する電力制御装置10を例示したが、制御対象のモータは3相モータに限定されず、n相モータ(nは3以上の整数)であればよい。
また、上記実施形態では、電力変換回路11に含まれる各アームスイッチとしてIGBTを例示したが、各アームスイッチは例えばMOS-FETなどのIGBT以外の大電力用スイッチング素子でもよい。
1…モータユニット、10…電力制御装置、11…電力変換回路、12…制御部、20…モータ、30…電流指令生成部、31…第1座標変換部、32…第1減算部、33…第2減算部、34…電圧指令生成部、35…第2座標変換部、36…周波数変動幅決定部、37…乱数生成部、38…乗算部、39…加算部、40…キャリア生成部、41…PWM変調部、50…直流電源、QUH…U相ハイサイドスイッチ、QVH…V相ハイサイドスイッチ、QWH…W相ハイサイドスイッチ、QUL…U相ローサイドスイッチ、QVL…V相ローサイドスイッチ、QWL…W相ローサイドスイッチ

Claims (8)

  1. 直流電力を交流電力に変換してモータに供給する電力変換回路と、
    前記電力変換回路に含まれる複数のスイッチのスイッチング周波数を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記モータの回転数及びトルクに基づいて周波数変動幅fwを決定し、所定の基準周波数f0を中心周波数とするf0±fwの周波数範囲内で前記スイッチング周波数を変動させる、電力制御装置。
  2. 前記制御部は、前記周波数範囲内で前記スイッチング周波数をランダムに変動させる、請求項1に記載の電力制御装置。
  3. 前記制御部は、-1から+1までの数値範囲からランダムに抽出された数値αを前記周波数変動幅fwに乗算することによりランダム周波数を算出し、前記ランダム周波数と前記基準周波数f0とを加算することで得られた周波数を前記スイッチング周波数として決定する、請求項2に記載の電力制御装置。
  4. 前記数値αは、所定の周期を有する疑似ランダム信号の値である、請求項3に記載の電力制御装置。
  5. 前記制御部は、前記回転数及び前記トルクを入力値とし、前記周波数変動幅fwを出力値とするテーブルを予め記憶しており、前記回転数及び前記トルクを前記テーブルに入力したときに前記テーブルから得られる出力値を前記周波数変動幅fwとして決定する、請求項1から4のいずれか一項に記載の電力制御装置。
  6. 前記テーブルは、第1の周波数変動幅fw1が前記周波数変動幅fwの出力値として定められた第1の領域と、前記第1の周波数変動幅fw1よりも小さい第2の周波数変動幅fw2が前記周波数変動幅fwの出力値として定められた第2の領域と、前記第1の領域と前記第2の領域との間に設けられた第3の領域と、を含み、
    前記第3の領域において定められた前記周波数変動幅fwの出力値は、前記第1の領域から前記第2の領域に向かうにつれて、前記第1の周波数変動幅fw1から前記第2の周波数変動幅fw2に向かって連続的または段階的に変化し、
    前記第2の周波数変動幅fw2はゼロである、
    請求項5に記載の電力制御装置。
  7. 直流電力を交流電力に変換してモータに供給する電力変換回路に含まれる複数のスイッチのスイッチング周波数を制御すること、
    を含み、
    前記スイッチング周波数を制御することは、
    前記モータの回転数及びトルクに基づいて周波数変動幅fwを決定することと、
    所定の基準周波数f0を中心周波数とするf0±fwの周波数範囲内で前記スイッチング周波数を変動させることと、
    をさらに含む、電力制御方法。
  8. モータと、
    前記モータに電力を供給する請求項1から6のいずれか一項に記載の電力制御装置と、
    を備える、モータユニット。
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