JP2024043187A - 回転電機の制御装置、回転電機の制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】３レベルインバータを用いて回転電機を制御する制御装置において、複数通りの出力電圧のパルスパターンからその時に応じたパルスパターンを選択する方法を提供する。【解決手段】制御装置（４０）は、直流を３レベルの電位の交流相電圧に変換する３レベルインバータ（２０）を用いて回転電機（１０）を制御する。制御装置は、３レベルインバータから回転電機へ出力する出力電圧を、同一の変調率を実現可能な複数通りのパルスパターンに切り替え可能な変調部（４０ｉ）と、回転電機及び３レベルインバータの少なくとも一方の状態に応じて、変調部が切り替えるパルスパターンを選択する選択部（４０ｊ）と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、３レベルインバータを用いて回転電機を制御する制御装置に関する。

従来、直流を３レベルの電位の交流相電圧に変換する電力変換器を備え、電動機への出力電圧を発生する手段として、過変調モードと１パルスモードとを有する制御装置がある（特許文献１参照）。過変調モードでは、出力相電圧の基本波のゼロクロス付近でのみ変調を行い、変調を停止する部分では変調波に応じた極性の電圧を連続して出力している。１パルスモードでは、出力電圧の半周期内に単一極性の電圧パルスを１個出力している。そして、特許文献１に記載の制御装置は、特定の位相で１パルスモードと過変調モードの間の移行を行っている。

特許第２９２３７２７号公報

ところで、３レベルインバータを用いて回転電機を制御する制御装置では、中間レベルの出力電圧を出力することができるため、同一の変調率を実現可能な出力電圧のパルスパターンが複数通り存在する。特許文献１に記載の制御装置では、１パルスモードと過変調モードとの間の移行を行う位相を調整しているものの、同一の変調率を実現可能な複数通りのパルスパターンからその時に応じたパルスパターンを選択する方法について考慮していない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、３レベルインバータを用いて回転電機を制御する制御装置において、複数通りの出力電圧のパルスパターンからその時に応じたパルスパターンを選択する方法を提供することにある。

上記課題を解決するための第１の手段は、
直流を３レベルの電位の交流相電圧に変換する３レベルインバータ（２０）を用いて回転電機（１０）を制御する制御装置（４０）であって、
前記３レベルインバータから前記回転電機へ出力する出力電圧を、同一の変調率を実現可能な複数通りのパルスパターンに切り替え可能な変調部（４０ｉ）と、
前記回転電機及び前記３レベルインバータの少なくとも一方の状態に応じて、前記変調部が切り替える前記パルスパターンを選択する選択部（４０ｊ）と、
を備える。

上記構成によれば、回転電機の制御装置は、直流を３レベルの電位の交流相電圧に変換する３レベルインバータを用いて回転電機を制御する。

ここで、３レベルインバータを用いて回転電機を制御する制御装置では、中間レベルの出力電圧を出力することができるため、同一の変調率を実現可能な出力電圧のパルスパターンが複数通り存在する。変調部は、前記３レベルインバータから前記回転電機へ出力する出力電圧を、同一の変調率を実現可能な複数通りのパルスパターンに切り替え可能である。そして、選択部は、前記回転電機及び前記３レベルインバータの少なくとも一方の状態に応じて、前記変調部が切り替える前記パルスパターンを選択する。したがって、目標の変調率を実現する場合に、複数通りの出力電圧のパルスパターンからその時に応じたパルスパターンを選択することができる。

第２の手段では、前記回転電機及び前記３レベルインバータの少なくとも一方の状態は、前記回転電機の回転速度及びトルクで定まる状態である。こうした構成によれば、選択部は、前記回転電機の回転速度及びトルクで定まる状態に応じて、前記変調部が切り替える前記パルスパターンを適切に選択することができる。

第３の手段では、前記選択部は、前記回転電機のトルクが低トルクから中トルクの状態において、前記回転電機又は前記３レベルインバータの損失が他のパルスパターンでの前記損失よりも小さいパルスパターンを選択する。こうした構成によれば、複数通りのパルスパターンにより同一の変調率を実現可能な場合に、前記回転電機のトルクが低トルクから中トルクの状態においては、前記回転電機又は前記３レベルインバータの損失を減少させることを優先することができる。なお、回転電機のトルクは、相対的に低トルクから高トルクまでに分類することができる。

３レベルインバータを構成するスイッチング素子をオンオフする回数が少ないほど、スイッチング素子におけるスイッチング損失が減少する。しかし、出力電圧の半周期内に出力するパルス数を少なくすると、回転電機に流れる電流の歪が大きくなり回転電機における鉄損が大きくなる。一方、回転電機の回転速度が高いほど、回転電機に流れる電流に歪が生じにくくなり回転電機における鉄損が小さくなる。

そこで、第４の手段では、前記選択部は、前記回転電機のトルクが低トルクから中トルクの状態において、前記回転電機の回転速度が高いほど出力電圧の半周期内に出力するパルス数が少ないパルスパターンを選択する。こうした構成によれば、回転電機における鉄損を抑制しつつ、３レベルインバータを構成するスイッチング素子におけるスイッチング損失を減少させることができる。

出力電圧の５次高調波及び７次高調波が大きくなると、回転電機に流れる電流の歪が大きくなり回転電機における鉄損が大きくなる。一方、回転電機の回転速度が低いほど、回転電機に流れる電流に歪が生じやすくなり回転電機における鉄損が大きくなる。パルスパターンを変えることにより、同一の変調率であっても５次高調波及び７次高調波を小さくすることができる点に、本願発明者は着目した。

そこで、第５の手段では、前記選択部は、前記回転電機のトルクが低トルクから中トルクの状態において、前記回転電機の回転速度が低いほど出力電圧の５次高調波及び７次高調波が小さいパルスパターンを選択する。こうした構成によれば、回転電機における鉄損が大きくなる時ほど出力電圧の５次高調波及び７次高調波が小さいパルスパターンを選択して、鉄損を減少させることができる。

回転電機の回転速度が低いほど回転電機で発生する騒音が目立ちやすくなる。一方、出力電圧の半周期内に出力するパルス数が多いほど、回転電機に流れる電流の歪が小さくなり回転電機で発生する騒音が小さくなる。

そこで、第６の手段では、前記選択部は、前記回転電機の回転速度が低いほど出力電圧の半周期内に出力するパルス数が多いパルスパターンを選択する。こうした構成によれば、回転電機で発生する騒音が目立ちやすくなる時ほど、回転電機で発生する騒音を小さくすることができる。

回転電機の回転速度が低いほど回転電機で発生する騒音が目立ちやすくなる。さらに、出力電圧の５次高調波及び７次高調波が大きくなると、回転電機に流れる電流の歪が大きくなり回転電機で発生する騒音が大きくなる。

そこで、第７の手段では、前記選択部は、前記回転電機の回転速度が低いほど出力電圧の５次高調波及び７次高調波が小さいパルスパターンを選択する。こうした構成によれば、回転電機で発生する騒音が目立ちやすくなる時ほど、回転電機で発生する騒音を小さくすることができる。

第８の手段では、前記回転電機及び前記３レベルインバータの少なくとも一方の状態は、前記３レベルインバータに印加される直流電圧又は前記３レベルインバータへ流れる直流電流である。こうした構成によれば、選択部は、前記３レベルインバータに印加される直流電圧又は前記３レベルインバータへ流れる直流電流に応じて、前記変調部が切り替える前記パルスパターンを適切に選択することができる。

電源から回転電機までの回路の特性により、回転電機の特定の回転速度帯において３レベルインバータへ流れる直流電流に共振が生じることがある。複数通りのパルスパターンにより同一の変調率を実現可能な場合に、回転電機の特定の回転速度帯においてパルスパターンを変えることにより直流電流に共振が生じることを避けることができる点に、本願発明者は着目した。

そこで、第９の手段では、前記選択部は、前記回転電機の各回転速度帯において、前記３レベルインバータへ流れる直流電流に共振が生じないパルスパターンを選択する。こうした構成によれば、３レベルインバータへ流れる直流電流に共振が生じることを避けつつ、目標の変調率を実現することができる。

出力電圧の５次高調波及び７次高調波が大きいほど、３レベルインバータへ流れる直流電流に共振が生じやすくなる。複数通りのパルスパターンにより同一の変調率を実現可能な場合に、パルスパターンを変えることにより５次高調波及び７次高調波を小さくすることができる点に、本願発明者は着目した。

そこで、第１０の手段では、前記選択部は、前記３レベルインバータへ流れる直流電流が閾値よりも大きい場合に、出力電圧の５次高調波及び７次高調波が他のパルスパターンでの前記５次高調波及び前記７次高調波よりも小さいパルスパターンを選択する。こうした構成によれば、３レベルインバータへ流れる直流電流に共振が生じて直流電流が閾値よりも大きくなる場合に、３レベルインバータへ流れる直流電流に共振が生じることを抑制することができる。

第１１の手段では、前記３レベルインバータ及び前記回転電機の少なくとも一方の状態は、前記３レベルインバータを構成するスイッチング素子の温度である。こうした構成によれば、選択部は、前記３レベルインバータを構成するスイッチング素子の温度に応じて、前記変調部が切り替える前記パルスパターンを適切に選択することができる。

第１２の手段では、前記選択部は、前記３レベルインバータを構成するスイッチング素子の温度が高いほど出力電圧の半周期内に出力するパルス数が少ないパルスパターンを選択する。こうした構成によれば、前記３レベルインバータを構成するスイッチング素子の温度が高いほどスイッチング素子におけるスイッチング損失を減少させることができ、スイッチング素子の温度が過剰に高くなることを抑制することができる。

モータジェネレータの制御装置及び周辺構成を示すブロック図。 パルスパターンを示す図。 変調マップを示す模式図。 バッテリ電流優先領域を示すＮＴ特性図。 素子温度優先領域を示すＮＴ特性図。 損失優先領域を示すＮＴ特性図。 騒音優先領域を示すＮＴ特性図。 パルスパターンの選択方法を示すフローチャート。

以下、車両（例えば、ハイブリッド車や電気自動車）の車載主機である３相回転電機（回転電機）を制御する制御装置に具現化した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、車両は、モータジェネレータ１０、インバータ２０、バッテリ（図示略）、及びモータジェネレータ１０を制御対象とする制御装置４０を備えている。３相回転電機としてのモータジェネレータ１０は、車載主機であり、図示しない駆動輪と動力伝達可能とされている。本実施形態では、モータジェネレータ１０として、Ｙ結線された永久磁石同期機を用いている。

モータジェネレータ１０には、インバータ２０を介してバッテリ（電源）が電気的に接続されている。バッテリは、例えば百Ｖ以上となる端子間電圧を有する蓄電池である。バッテリとしては、例えば、リチウムイオン蓄電池や、ニッケル水素蓄電池を用いることができる。

インバータ２０は、中性点クランプ型の周知の３レベルインバータである。インバータ２０は、スイッチング素子、コンデンサ、クランプダイオード等を備えている。スイッチング素子として、電圧制御形の半導体スイッチング素子を用いることができ、より具体的にはＩＧＢＴを用いることができる。

車両は、電圧センサ（図示略）、相電流センサ５１、バッテリ電流センサ（図示略）、及び回転角センサ５２を備えている。電圧センサ（電圧検出部）は、バッテリの端子間電圧を電源電圧Ｖｈとして検出する。相電流センサ５１（相電流検出部）は、モータジェネレータ１０に流れる各相電流（３相固定座標系における電流）を検出する。バッテリ電流センサは、バッテリからインバータ２０へ流れるバッテリ電流を検出する。なお、相電流センサ５１は、３相の電流のうち少なくとも２相の電流を検出できればよい。回転角センサ５２（回転角検出部）は、モータジェネレータ１０の回転角θを検出し、例えばレゾルバを用いることができる。

各センサの検出値は、制御装置４０に入力される。制御装置４０（少なくとも１つの処理部）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インターフェース等を備えるコンピュータにより構成されており、制御装置４０が備える各部４０ｂ～４０ｊの各機能はＣＰＵが各部４０ｂ～４０ｊの各機能に対応するアプリケーション（制御プログラム）を実行することにより実現される。制御装置４０は、モータジェネレータ１０の制御量（本実施形態では、トルク）をその指令値（指令トルクＴ＊）に制御すべく、インバータ２０の各スイッチング素子を操作する。中性点の電位を０とすると、各スイッチング素子の操作により、インバータ２０は、互いに異なる３つの電位「Ｖｈ／２」，「０」，「－Ｖｈ／２」のいずれかをモータジェネレータ１０の各相に出力する。

速度検出部４０ｂは、回転角センサ５２によって検出された回転角θに基づき算出した電気角θｅに基づいて、モータジェネレータ１０の電気角速度ω（ひいてはモータジェネレータ１０の回転速度Ｎ）を算出する。

２相変換部４０ｃは、相電流センサ５１によって検出された相電流と、電気角θｅとに基づいて、３相固定座標系におけるＵ相電流，Ｖ相電流，Ｗ相電流を、２相回転座標系（ｄｑ座標系）におけるｄ軸電流Ｉｄｒ及びｑ軸電流Ｉｑｒに変換する。

指令電流設定部４０ｄは、指令トルクＴ＊に基づいて、指令トルクＴ＊を実現するためのｄ，ｑ軸指令電流Ｉｄ＊，Ｉｑ＊を設定する。

ｄ軸偏差算出部４０ｅは、ｄ軸指令電流Ｉｄ＊からｄ軸電流Ｉｄｒを減算した値として、ｄ軸電流偏差ΔＩｄを算出する。ｑ軸偏差算出部４０ｆは、ｑ軸指令電流Ｉｑ＊からｑ軸電流Ｉｑｒを減算した値として、ｑ軸電流偏差ΔＩｑを算出する。

電流制御器４０ｇは、ｄ軸電流偏差ΔＩｄに基づいて、ｄ軸電流Ｉｄｒをｄ軸指令電流Ｉｄ＊にフィードバック制御するための操作量として、ｄ軸指令電圧Ｖｄ＊を算出する。また、電流制御器４０ｇは、ｑ軸電流偏差ΔＩｑに基づいて、ｑ軸電流Ｉｑｒをｑ軸指令電流Ｉｑ＊にフィードバック制御するための操作量として、ｑ軸指令電圧Ｖｑ＊を算出する。なお、上記フィードバック制御は、例えば比例積分制御とすればよい。

指令電圧設定部４０ｈは、３相固定座標系におけるＵ，Ｖ，Ｗ相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を設定する。Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊は、電気角で位相が互いに１２０°ずつずれた波形となる。詳しくは、指令電圧設定部４０ｈは、まず、ｄ，ｑ軸指令電圧Ｖｄ＊，Ｖｑ＊、及び電圧センサによって検出された電源電圧Ｖｈに基づいて、変調率Ｍｒを算出する。変調率Ｍｒは、ｄｑ座標系におけるインバータ２０の出力電圧ベクトルの振幅である電圧振幅を、電源電圧Ｖｈで規格化した値である。本実施形態では、下式に基づいて、変調率Ｍｒを算出する。「＾」は、べき乗を表し、「Ｖｄ＾２」はＶｄの２乗である。

Ｍｒ＝｛√（２／３）√（Ｖｄ＾２＋Ｖｑ＾２）｝×１００／（Ｖｈ／２）
指令電圧設定部４０ｈは、変調率Ｍｒが第１規定値（本実施形態では、１００）以下であると判断した場合、正弦波駆動制御（ＰＷＭ変調）を行うためのＵ，Ｖ，Ｗ相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を設定する。この場合、Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊は、電気角で位相が互いに１２０°ずつずれた正弦波となる。なお本実施形態において、Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊は、電源電圧Ｖｈで規格化された値とする。このため、Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊の振幅は１となる。

指令電圧設定部４０ｈは、変調率Ｍｒが第１規定値よりも高いと判断した場合、過変調制御を行う。図２に示すように、過変調制御は、５パルスパターン等の複数パルスパターン、１’パルスパターン、及び１パルスパターンを含んでいる。詳しくは、指令電圧設定部４０ｈは、変調率Ｍｒが第１規定値よりも高くてかつ第２規定値（本実施形態では、１２７）よりも低いと判断した場合、複数パルスパターン又は１’パルスパターンを行うためのＵ，Ｖ，Ｗ相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を設定する。複数パルスパターン及び１’パルスパターンについては、後に詳述する。

指令電圧設定部４０ｈは、変調率Ｍｒが第２規定値であると判断した場合、１パルスパターンを行うためのＵ，Ｖ，Ｗ相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を設定する。１パルスパターンは、中性点の電位を０とすると、破線で示すように、１電気角周期において半周期にわたって「Ｖｈ／２」の１つのパルスを出力し、残り半周期にわたって「－Ｖｈ／２」の１つのパルスを出力する相電圧波形である。なお、相電圧（出力電圧）の「Ｖｈ／２」，「－Ｖｈ／２」に対応する各相指令電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗとして、「１」，「－１」を設定する。

変調器４０ｉ（変調部）は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいて、各スイッチング素子の操作信号を生成する。例えば、指令電圧の０を基準として、０～１の範囲をとる第１キャリア信号Ｓｉｇ１（具体的には、三角波信号）と、－１～０の範囲をとる第２キャリア信号Ｓｉｇ２（具体的には、三角波信号）とが搬送波として用いられる。各キャリア信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２は、周波数が同一である。また、各キャリア信号Ｓｉｇ１，Ｓｉｇ２は、最小値となるタイミングが同期しており、最大値となるタイミングも同期している。そして、第１キャリア信号Ｓｉｇ１又は第２キャリア信号Ｓｉｇ２との大小比較により、各スイッチング素子の操作信号が生成される。

続いて、複数パルスパターン及び１’パルスパターンについて説明する。複数パルスパターン及び１’パルスパターンは、相電圧として、「Ｖｈ／２」、「０」、及び「－Ｖｈ／２」を含んでいる。１’パルスパターンは、１電気角周期において半周期内に「Ｖｈ／２」の１つのパルスと「０」を出力し、残り半周期内に「－Ｖｈ／２」の１つのパルスと「０」を出力する相電圧波形である。５パルスパターンは、１電気角周期において半周期内に「Ｖｈ／２」の５つのパルスと「０」を出力し、残り半周期内に「－Ｖｈ／２」の５つのパルスと「０」を出力する相電圧波形である。すなわち、ｎ（ｎは複数）パルスパターンは、１電気角周期において半周期内に「Ｖｈ／２」のｎ個のパルスと「０」を出力し、残り半周期内に「－Ｖｈ／２」のｎ個のパルスと「０」を出力する相電圧波形である。図２に示す５（複数）パルスパターン及び１’パルスパターンでは、前半周期のパルスパターンと後半周期のパルスパターンとが点対称になっている。これらのパルスパターンを実現する方法は、例えば特許文献１、特開２０１６－２２０３２５号公報等に記載された方法を援用することができる。

さらに、変調器４０ｉは、１’パルスパターンにおいて、「Ｖｈ／２」の１つのパルスの位相、及び「－Ｖｈ／２」の１つのパルスの位相を変更することにより、同一の変調率を実現可能な複数通りの１’パルスパターンに切り替え可能である。例えば、「Ｖｈ／２」の１つのパルスと「－Ｖｈ／２」の１つのパルスとを同位相ずらしたり、「Ｖｈ／２」の１つのパルスと「－Ｖｈ／２」の１つのパルスとを互いに反対位相に同じ量ずらしたりすることができる。

また、変調器４０ｉは、半周期内のパルス数ｎとしてパルス数ｎ＝３，５，７，・・・（３以上の奇数の自然数）に切り替えつつ、同一（目標）の変調率を実現可能である。

さらに、変調器４０ｉは、ｎパルスパターンにおいて、「Ｖｈ／２」のｎ個のパルスの位相及び幅、並びに「－Ｖｈ／２」のｎ個のパルスの位相及び幅を変更することにより、同一の変調率を実現可能な複数通りのｎパルスパターンに切り替え可能である。例えば、「Ｖｈ／２」のｎ個のパルスと「－Ｖｈ／２」のｎ個のパルスとを同位相ずらしたり、「Ｖｈ／２」のｎ個のパルスと「－Ｖｈ／２」のｎ個のパルスとを互いに反対位相に同じ量ずらしたりすることができる。「Ｖｈ／２」のｎ個のパルスのうち一部のパルスの位相と「－Ｖｈ／２」のｎ個のパルスのうち一部のパルスの位相とを同位相ずらしたり、「Ｖｈ／２」のｎ個のパルスのうち一部のパルスの位相と「－Ｖｈ／２」のｎ個のパルスのうち一部のパルスの位相とを互いに反対位相に同じ量ずらしたりすることもできる。「Ｖｈ／２」のｎ個のパルスのうち一部のパルスの位相のみをずらしたり、「－Ｖｈ／２」のｎ個のパルスのうち一部のパルスの位相のみをずらしたりすることもできる。また、「Ｖｈ／２」のｎ個のパルスのうち一部のパルスの幅を広げ、パルスの幅を広げた合計と残りのパルスの幅を狭めた合計とを等しくすることができる。「－Ｖｈ／２」のｎ個のパルスのうち一部のパルスの幅を広げ、パルスの幅を広げた合計と残りのパルスの幅を狭めた合計とを等しくすることもできる。それらの際に、「Ｖｈ／２」のｎ個のパルスと「－Ｖｈ／２」のｎ個のパルスとを同様に変更したり、一方のみを変更したりすることができる。

上記のように、変調器４０ｉは、同一の変調率を実現しつつ、１’パルスパターンにおいて、「Ｖｈ／２」の１つのパルスの位相及び「－Ｖｈ／２」の１つのパルスの位相を変更したり、ｎパルスパターンにおいて、パルス数ｎを変更したり、「Ｖｈ／２」のｎ個のパルスの位相及び幅、並びに「－Ｖｈ／２」のｎ個のパルスの位相及び幅を変更したりすることにより、出力電圧の５次高調波及び７次高調波を小さくすることができる。バッテリからモータジェネレータ１０までの回路特性、及びその時のモータジェネレータ１０及びインバータ２０の状態において、どのパルスパターンにより出力電圧の５次高調波及び７次高調波を小さくすることができるかは、予め実験やシミュレーションにより取得しておくことができる。そして、出力電圧の５次高調波及び７次高調波を小さくすることにより、バッテリからインバータ２０までの回路においてＬＣ共振が生じにくくすることができる。

図３は、変調マップを示す模式図である。変調選択部４０ｊ（選択部）は、同図の変調マップを備えており、変調率Ｍｒに応じて変調方式を選択する。変調選択部４０ｊは、指令トルクＴ＊、モータジェネレータ１０の電気角速度ω、及び検出されたバッテリ電流を入力する。上述したように、変調選択部４０ｊは、変調率Ｍｒが第１規定値（本実施形態では、１００）以下であると判断した場合、正弦波駆動制御（ＰＷＭ変調）を選択する。

変調選択部４０ｊは、変調率Ｍｒが第１規定値よりも高くてかつ第２規定値（本実施形態では、１２７）よりも低いと判断した場合、１’パルスパターン又はｎパルスパターンを選択する。１’パルスパターンにより同一（目標）の変調率を実現する際に、「Ｖｈ／２」の１つのパルスの位相及び「－Ｖｈ／２」の１つのパルスの位相が異なる複数通りの１’パルスパターンから、いずれか１つの１’パルスパターンを選択することができる。また、ｎパルスパターンにより同一（目標）の変調率を実現する際に、パルス数ｎの異なる複数通りのｎパルスパターンから、いずれか１つのｎパルスパターンを選択することができる。また、パルス数ｎが等しい複数のｎパルスパターンにより同一（目標）の変調率を実現する際に、「Ｖｈ／２」のｎ個のパルスの位相及び幅、並びに「－Ｖｈ／２」のｎ個のパルスの位相及び幅が異なる複数通りのｎパルスパターンから、いずれか１つのｎパルスパターンを選択することができる。例えば、３パルスパターンにより同一（目標）の変調率を実現する際に、「Ｖｈ／２」の３個のパルスの位相及び幅、並びに「－Ｖｈ／２」の３個のパルスの位相及び幅が異なる複数通りの３パルスパターン（１），（２），（３）・・・（ｎ）から、いずれか１つの３パルスパターンを選択することができる。

変調選択部４０ｊは、変調率Ｍｒが第２規定値である場合、１パルスパターンを選択する。

図４～７に示すように、変調選択部４０ｊは、その時のモータジェネレータ１０及びインバータ２０の状態に応じて、変調器４０ｉが切り替えるパルスパターンを選択する。

図４に示すように、変調選択部４０ｊは、一点鎖線で示す電源電圧Ｖｈが低い場合は実線で示す電源電圧Ｖｈが高い場合よりも低い回転速度Ｎで、過変調制御を実行する（図５～７も同様）。バッテリからモータジェネレータ１０までの回路の特性により、モータジェネレータ１０の特定の回転速度帯においてインバータ２０へ流れる直流電流に共振が生じることがある。複数通りのパルスパターンにより同一の変調率を実現可能な場合に、モータジェネレータ１０の特定の回転速度帯においてパルスパターンを変えることにより直流電流に共振が生じることを避けることができる点に、本願発明者は着目した。具体的には、出力電圧の５次高調波及び７次高調波が大きいほど、インバータ２０へ流れる直流電流に共振が生じやすくなる。複数通りのパルスパターンにより同一の変調率を実現可能な場合に、パルスパターンを変えることにより５次高調波及び７次高調波を小さくすることができる点に、本願発明者は着目した。

そこで、矩形の枠（バッテリ電流優先領域）で示すように、バッテリからインバータ２０までの回路のＬＣ共振によりトルクＴ（バッテリ電流）が急増する（閾値よりも大きい）場合に、変調選択部４０ｊは、出力電圧の５次高調波及び７次高調波が他のパルスパターンでの５次高調波及び７次高調波よりも小さいパルスパターンを選択する。また、変調選択部４０ｊは、モータジェネレータ１０の各回転速度帯において、インバータ２０へ流れる直流電流に共振が生じない（生じにくい）パルスパターンを選択してもよい。この選択は、インバータ２０へ流れる直流電流に共振が生じることを予測して行ってもよいし、共振が生じる兆候が生じた場合に行ってもよい。

図５に示すように、インバータ２０を構成するスイッチング素子の温度が所定温度よりも高い場合、矩形の枠（素子温度優先領域）で示すように、変調選択部４０ｊは全領域においてパルス数が少ないパルスパターンを選択する。具体的には、変調選択部４０ｊは、スイッチング素子の温度が高いほどパルス数が少ないパルスパターンを選択する。

出力電圧の５次高調波及び７次高調波が大きくなると、モータジェネレータ１０に流れる電流の歪が大きくなりモータジェネレータ１０における鉄損が大きくなる。一方、モータジェネレータ１０の回転速度Ｎが低いほど、モータジェネレータ１０に流れる電流に歪が生じやすくなりモータジェネレータ１０における鉄損が大きくなる。パルスパターンを変えることにより、同一の変調率であっても５次高調波及び７次高調波を小さくすることができる点に、本願発明者は着目した。

そこで、図６に矩形の枠（損失優先領域）で示すように、変調選択部４０ｊは、モータジェネレータ１０のトルクＴが低トルクから中トルクの状態において、モータジェネレータ１０の回転速度Ｎが低いほど出力電圧の５次高調波及び７次高調波が小さいパルスパターンを選択する。なお、モータジェネレータ１０のトルクＴは、相対的に低トルクから高トルクまでに分類することができる。

また、インバータ２０を構成するスイッチング素子をオンオフする回数が少ないほど、スイッチング素子におけるスイッチング損失が減少する。しかし、出力電圧の半周期内に出力するパルス数を少なくすると、モータジェネレータ１０に流れる電流の歪が大きくなりモータジェネレータ１０における鉄損が大きくなる。一方、モータジェネレータ１０の回転速度Ｎが高いほど、モータジェネレータ１０に流れる電流に歪が生じにくくなりモータジェネレータ１０における鉄損が小さくなる。

そこで、図６に矩形の枠（損失優先領域）で示すように、変調選択部４０ｊは、モータジェネレータ１０のトルクが低トルクから中トルクの状態において、モータジェネレータ１０の回転速度Ｎが低いほどパルス数が多いパルスパターンを選択してもよい、すなわちモータジェネレータ１０の回転速度Ｎが高いほどパルス数が少ないパルスパターンを選択してもよい。

このように、変調選択部４０ｊは、モータジェネレータ１０のトルクが低トルクから中トルクの状態において、モータジェネレータ１０又はインバータ２０の損失が他のパルスパターンでの損失よりも少ないパルスパターンを選択する。

また、モータジェネレータ１０の回転速度Ｎが低いほどモータジェネレータ１０で発生する騒音が目立ちやすくなる。一方、出力電圧の半周期内に出力するパルス数が多いほど、モータジェネレータ１０に流れる電流の歪が小さくなりモータジェネレータ１０で発生する騒音が小さくなる。そこで、図７に示すように、変調選択部４０ｊは、モータジェネレータ１０の回転速度Ｎが低いほどパルス数が多いパルスパターンを選択する。

また、モータジェネレータ１０の回転速度Ｎが低いほどモータジェネレータ１０で発生する騒音が目立ちやすくなる。さらに、出力電圧の５次高調波及び７次高調波が大きくなると、モータジェネレータ１０に流れる電流の歪が大きくなりモータジェネレータ１０で発生する騒音が大きくなる。そこで、図７に示すように、変調選択部４０ｊは、モータジェネレータ１０の回転速度Ｎが低いほど出力電圧の５次高調波及び７次高調波が小さいパルスパターンを選択してもよい。

また、モータジェネレータ１０のトルクＴが大きいほどバッテリ電流が大きくなり、モータジェネレータ１０に流れる電流に歪みが生じた場合に騒音が大きくなる。そこで、図７に示すように、変調選択部４０ｊは、モータジェネレータ１０のトルクＴが大きいほど、パルス数が多いパルスパターンを選択してもよい。また、変調選択部４０ｊは、モータジェネレータ１０のトルクＴが大きいほど、出力電圧の５次高調波及び７次高調波が小さいパルスパターンを選択してもよい。

図８は、パルスパターンの選択方法を示すフローチャートである。この一連の処理は、制御装置４０の変調選択部４０ｊにより所定の周期で繰り返し実行される。

まず、バッテリ電流優先領域であるか否か判定する（Ｓ１０）。バッテリ電流優先領域は、図４に矩形の枠で示す領域である。この判定において、バッテリ電流優先領域であると判定した場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、図４を参照して説明したようにバッテリ電流優先の処置を行う（Ｓ１１）。

Ｓ１０の判定において、バッテリ電流優先領域でないと判定した場合（Ｓ１０：ＮＯ）、インバータ２０を構成するスイッチング素子の温度が所定温度よりも高いか否か判定する（Ｓ１２）。この判定において、スイッチング素子の温度が所定温度よりも高いと判定した場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、図５を参照して説明したように素子温度優先の処置を行う（Ｓ１３）。

Ｓ１２の判定において、スイッチング素子の温度が所定温度よりも高くないと判定した場合（Ｓ１２：ＮＯ）、損失優先領域であるか否か判定する（Ｓ１４）。損失優先領域は、図６に矩形の枠で示す領域である。この判定において、損失優先領域であると判定した場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、図６を参照して説明したように損失優先の処置を行う（Ｓ１５）。

Ｓ１４の判定において、損失優先領域でないと判定した場合（Ｓ１４：ＮＯ）、図７を参照して説明したように騒音優先の処置を行う（Ｓ１６）。その後、この一連の処理を終了する。すなわち、同一（目標）の変調率を実現する際の優先順位が高い順に、バッテリ電流優先の処置、素子温度優先の処置、損失優先の処置、騒音優先の処置になっている。

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。

・インバータ２０を用いてモータジェネレータ１０を制御する制御装置４０では、中間レベルの出力電圧を出力することができるため、同一の変調率を実現可能な出力電圧のパルスパターンが複数通り存在する。変調器４０ｉは、インバータ２０からモータジェネレータ１０へ出力する出力電圧を、同一の変調率を実現可能な複数通りのパルスパターンに切り替え可能である。そして、変調選択部４０ｊは、モータジェネレータ１０及びインバータ２０の少なくとも一方の状態に応じて、変調器４０ｉが切り替えるパルスパターンを選択する。したがって、目標の変調率を実現する場合に、複数通りの出力電圧のパルスパターンからその時に応じたパルスパターンを選択することができる。

・モータジェネレータ１０及びインバータ２０の少なくとも一方の状態は、モータジェネレータ１０の回転速度Ｎ及びトルクＴで定まる状態である。こうした構成によれば、変調選択部４０ｊは、モータジェネレータ１０の回転速度Ｎ及びトルクＴで定まる状態に応じて、変調器４０ｉが切り替えるパルスパターンを適切に選択することができる。

・変調選択部４０ｊは、モータジェネレータ１０のトルクＴが低トルクから中トルクの状態において、モータジェネレータ１０又はインバータ２０の損失が他のパルスパターンでの損失よりも小さいパルスパターンを選択する。こうした構成によれば、複数通りのパルスパターンにより同一の変調率を実現可能な場合に、モータジェネレータ１０のトルクＴが低トルクから中トルクの状態においては、モータジェネレータ１０又はインバータ２０の損失を減少させることを優先することができる。

・変調選択部４０ｊは、モータジェネレータ１０のトルクＴが低トルクから中トルクの状態において、モータジェネレータ１０の回転速度Ｎが高いほど出力電圧の半周期内に出力するパルス数が少ないパルスパターンを選択する。こうした構成によれば、モータジェネレータ１０における鉄損を抑制しつつ、インバータ２０を構成するスイッチング素子におけるスイッチング損失を減少させることができる。

・変調選択部４０ｊは、モータジェネレータ１０のトルクＴが低トルクから中トルクの状態において、モータジェネレータ１０の回転速度Ｎが低いほど出力電圧の５次高調波及び７次高調波が小さいパルスパターンを選択する。こうした構成によれば、モータジェネレータ１０における鉄損が大きくなる時ほど出力電圧の５次高調波及び７次高調波が小さいパルスパターンを選択して、鉄損を減少させることができる。

・変調選択部４０ｊは、モータジェネレータ１０の回転速度Ｎが低いほど、またモータジェネレータ１０のトルクＴが大きいほど、出力電圧の半周期内に出力するパルス数が多いパルスパターンを選択する。こうした構成によれば、モータジェネレータ１０で発生する騒音が目立ちやすくなる時ほど、モータジェネレータ１０で発生する騒音を小さくすることができる。

・変調選択部４０ｊは、モータジェネレータ１０の回転速度Ｎが低いほど、またモータジェネレータ１０のトルクＴが大きいほど、出力電圧の５次高調波及び７次高調波が小さいパルスパターンを選択する。こうした構成によれば、モータジェネレータ１０で発生する騒音が目立ちやすくなる時ほど、モータジェネレータ１０で発生する騒音を小さくすることができる。

・モータジェネレータ１０及びインバータ２０の少なくとも一方の状態は、インバータ２０へ流れるバッテリ電流（直流電流）である。こうした構成によれば、変調選択部４０ｊは、インバータ２０へ流れるバッテリ電流に応じて、変調器４０ｉが切り替えるパルスパターンを適切に選択することができる。

・変調選択部４０ｊは、モータジェネレータ１０の各回転速度帯において、インバータ２０へ流れるバッテリ電流に共振が生じないパルスパターンを選択する。こうした構成によれば、インバータ２０へ流れるバッテリ電流に共振が生じることを避けつつ、目標の変調率を実現することができる。

・変調選択部４０ｊは、インバータ２０へ流れるバッテリ電流が閾値よりも大きい場合に、出力電圧の５次高調波及び７次高調波が他のパルスパターンでの５次高調波及び７次高調波よりも小さいパルスパターンを選択する。こうした構成によれば、インバータ２０へ流れるバッテリ電流に共振が生じてバッテリ電流が閾値よりも大きくなる場合に、インバータ２０へ流れるバッテリ電流に共振が生じることを抑制することができる。

・インバータ２０及びモータジェネレータ１０の少なくとも一方の状態は、インバータ２０を構成するスイッチング素子の温度である。こうした構成によれば、変調選択部４０ｊは、インバータ２０を構成するスイッチング素子の温度に応じて、変調器４０ｉが切り替えるパルスパターンを適切に選択することができる。

・変調選択部４０ｊは、インバータ２０を構成するスイッチング素子の温度が高いほど出力電圧の半周期内に出力するパルス数が少ないパルスパターンを選択する。こうした構成によれば、インバータ２０を構成するスイッチング素子の温度が高いほどスイッチング素子におけるスイッチング損失を減少させることができ、スイッチング素子の温度が過剰に高くなることを抑制することができる。

・上記のようにパルスパターンを適切に選択することにより、モータジェネレータ１０の高効率化、機器や回路の破損抑制、騒音低減等を図ることができる。

なお、上記実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。上記実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

・バッテリ電流優先の処置、素子温度優先の処置、損失優先の処置、及び騒音優先の処置において、同一（目標）の変調率を実現する際の優先順位を変更することもできる。

・バッテリからインバータ２０までの回路のＬＣ共振によりバッテリに印加される直流電圧が急増する（閾値よりも大きい）場合に、変調選択部４０ｊは、出力電圧の５次高調波及び７次高調波が他のパルスパターンでの５次高調波及び７次高調波よりも小さいパルスパターンを選択してもよい。

・変調選択部４０ｊは、制御装置４０の処理負荷を低減させることを目的として、モータジェネレータ１０の回転速度Ｎが高いほど出力電圧の半周期内に出力するパルス数が少ないパルスパターンを選択してもよい。

・変調選択部４０ｊは、モータジェネレータ１０の目標回転速度及び目標トルクの少なくとも一方が変化した時等の応答性が要求される時に、出力電圧の半周期内に出力するパルス数が他のパルスパターンでのパルス数よりも多いパルスパターンを選択してもよい。こうした構成によれば、モータジェネレータ１０の応答性が要求される場合に、応答性を向上させることができる。

・変調選択部４０ｊは、モータジェネレータ１０及びインバータ２０のＥＭＣ（ElectroMagnetic Compatibility）の悪化を抑制することを目的として、出力電圧のパルスパターンを選択してもよい。

・特許文献１に記載された方法により、パルスパターンを切り替える位相（タイミング）を調整してもよい。

・インバータ２０は、中性点クランプ型の３レベルインバータに限らず、Ｔ型の３レベルインバータ等を採用することもできる。

・制御装置４０が制御する回転電機として、モータジェネレータ１０に代えて、モータを採用することもできる。制御装置４０が制御する回転電機は、車両の車載主機（Ｅアクスル、インホイールモータ等）に用いられるモータに限らず、車載補機（電動パワーステアリング、電動ファン、ポンプ）に用いられるモータであってもよい。また、制御装置４０が制御する回転電機は、車両に搭載されるモータに限らず、電動飛行機、電動船舶、鉄道、ロボット、エレベータ等に搭載されるモータであってもよい。

・本開示に記載の制御装置４０及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能（命令）を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御装置４０及びその手法は、一つ以上の専用ハードウエア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御装置４０及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーと一つ以上のハードウエア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。

なお、上記の各変更例を組み合わせて実施することもできる。

以下、上述した実施形態及び変更例から抽出される特徴的な構成を記載する。
［構成１］
直流を３レベルの電位の交流相電圧に変換する３レベルインバータ（２０）を用いて回転電機（１０）を制御する制御装置（４０）であって、
前記３レベルインバータから前記回転電機へ出力する出力電圧を、同一の変調率を実現可能な複数通りのパルスパターンに切り替え可能な変調部（４０ｉ）と、
前記回転電機及び前記３レベルインバータの少なくとも一方の状態に応じて、前記変調部が切り替える前記パルスパターンを選択する選択部（４０ｊ）と、
を備える回転電機の制御装置。
［構成２］
前記回転電機及び前記３レベルインバータの少なくとも一方の状態は、前記回転電機の回転速度及びトルクで定まる状態である、構成１に記載の回転電機の制御装置。
［構成３］
前記選択部は、前記回転電機のトルクが低トルクから中トルクの状態において、前記回転電機又は前記３レベルインバータの損失が他のパルスパターンでの前記損失よりも少ないパルスパターンを選択する、構成１又は２に記載の回転電機の制御装置。
［構成４］
前記選択部は、前記回転電機のトルクが低トルクから中トルクの状態において、前記回転電機の回転速度が高いほど出力電圧の半周期内に出力するパルス数が少ないパルスパターンを選択する、構成１～３のいずれか１つに記載の回転電機の制御装置。
［構成５］
前記選択部は、前記回転電機のトルクが低トルクから中トルクの状態において、前記回転電機の回転速度が低いほど出力電圧の５次高調波及び７次高調波が小さいパルスパターンを選択する、構成１～３のいずれか１つに記載の回転電機の制御装置。

１０…モータジェネレータ、２０…インバータ、４０…制御装置、４０ｉ…変調器、４０ｊ…変調選択部。

Claims (13)

1. 直流を３レベルの電位の交流相電圧に変換する３レベルインバータ（２０）を用いて回転電機（１０）を制御する制御装置（４０）であって、
   前記３レベルインバータから前記回転電機へ出力する出力電圧を、同一の変調率を実現可能な複数通りのパルスパターンに切り替え可能な変調部（４０ｉ）と、
   前記回転電機及び前記３レベルインバータの少なくとも一方の状態に応じて、前記変調部が切り替える前記パルスパターンを選択する選択部（４０ｊ）と、
   を備える回転電機の制御装置。
2. 前記回転電機及び前記３レベルインバータの少なくとも一方の状態は、前記回転電機の回転速度及びトルクで定まる状態である、請求項１に記載の回転電機の制御装置。
3. 前記選択部は、前記回転電機のトルクが低トルクから中トルクの状態において、前記回転電機又は前記３レベルインバータの損失が他のパルスパターンでの前記損失よりも少ないパルスパターンを選択する、請求項１又は２に記載の回転電機の制御装置。
4. 前記選択部は、前記回転電機のトルクが低トルクから中トルクの状態において、前記回転電機の回転速度が高いほど出力電圧の半周期内に出力するパルス数が少ないパルスパターンを選択する、請求項１又は２に記載の回転電機の制御装置。
5. 前記選択部は、前記回転電機のトルクが低トルクから中トルクの状態において、前記回転電機の回転速度が低いほど出力電圧の５次高調波及び７次高調波が小さいパルスパターンを選択する、請求項１又は２に記載の回転電機の制御装置。
6. 前記選択部は、前記回転電機の回転速度が低いほど出力電圧の半周期内に出力するパルス数が多いパルスパターンを選択する、請求項１又は２に記載の回転電機の制御装置。
7. 前記選択部は、前記回転電機の回転速度が低いほど出力電圧の５次高調波及び７次高調波が小さいパルスパターンを選択する、請求項１又は２に記載の回転電機の制御装置。
8. 前記回転電機及び前記３レベルインバータの少なくとも一方の状態は、前記３レベルインバータに印加される直流電圧又は前記３レベルインバータへ流れる直流電流である、請求項１に記載の回転電機の制御装置。
9. 前記選択部は、前記回転電機の各回転速度帯において、前記３レベルインバータへ流れる直流電流に共振が生じないパルスパターンを選択する、請求項１又は８に記載の回転電機の制御装置。
10. 前記選択部は、前記３レベルインバータへ流れる直流電流が閾値よりも大きい場合に、出力電圧の５次高調波及び７次高調波が他のパルスパターンでの前記５次高調波及び前記７次高調波よりも小さいパルスパターンを選択する、請求項１又は８に記載の回転電機の制御装置。
11. 前記３レベルインバータ及び前記回転電機の少なくとも一方の状態は、前記３レベルインバータを構成するスイッチング素子の温度である、請求項１に記載の回転電機の制御装置。
12. 前記選択部は、前記３レベルインバータを構成するスイッチング素子の温度が高いほど出力電圧の半周期内に出力するパルス数が少ないパルスパターンを選択する、請求項１又は１１に記載の回転電機の制御装置。
13. 直流を３レベルの電位の交流相電圧に変換する３レベルインバータを用いて回転電機を制御する制御プログラムであって、
    少なくとも１つの処理部（４０）に、
    前記３レベルインバータから前記回転電機へ出力する出力電圧を、同一の変調率を実現可能な複数通りのパルスパターンに切り替え可能とさせ、
    前記回転電機及び前記３レベルインバータの少なくとも一方の状態に応じて、切り替える前記パルスパターンを選択させる、回転電機の制御プログラム。

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