JP5050395B2 - 電力制御装置及び電力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電源からの出力を変調することにより、任意の出力電圧波形を得ることができる電力制御装置及び電力制御方法に関する。

一般的に、入力電圧から所望する形態の出力電圧を得る電力変換装置が知られている。このような電力変換装置では、所望する形態の出力電圧の大きさに比例する電圧（以下、指令電圧と略記）と任意の出力波形を有する電圧（以下、搬送波と略記）との大小関係を比較し、その比較結果に基づいてオン動作又はオフ動作を行う制御信号をトランジスタ等のスイッチングデバイスに出力する。

そして、この制御信号に基づいて、スイッチングデバイスのオン動作又はオフ動作が行われることにより、所望する形態の出力電圧を得ることができる。

しかしながら、時間変化に対する搬送波の波形が一定、つまり、搬送波周波数が一定である場合、その搬送波周波数の高調波ノイズが発生し、電力変換機器を搭載している機器自体又は周囲の電子機器に悪影響を与えてしまう。

ここで、図９に示されるように、高調波ノイズの低減を行うために、指令電圧と正弦波状に搬送波周波数を変調（つまり、正弦波状になるように搬送波周波数を変化させている。なお、この変化分の周波数を変調周波数とする。）させた搬送波との大小関係を比較した結果に基づいて、スイッチング素子の開閉を行い、電源からモータに印加される電流の大きさと向きを制御して所望のモータ回転力を実現するステッピングモータ制御装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

そして、このようなステッピングモータ制御装置によれば、正弦波状に搬送波周波数を変調させているので、搬送波の波形が一定である場合に発生する高調波ノイズの帯域を広げることができ（つまり、ノイズのピーク値を下げる）、電子機器への高調波ノイズの影響を低減することができる。
特開平７−９９７９５号公報

しかしながら、上記従来のステッピングモータ制御装置は、搬送波周波数が一定であるときの高調波ノイズのピーク値を低減することはできるが、搬送波周波数を一定周期で変調させている、換言すれば、一定周期の変調周波数があらわれることになり、変調周波数に起因するノイズが新たに発生してしまう。

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、その目的は、変調周波数に起因して発生するノイズを低減することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る電力制御装置及び電力制御方法は、搬送波周波数の変調を行うときの変調周波数に対してさらに変調させて搬送波を生成する。

本発明に係る電力制御装置及び電力制御方法は、搬送波周波数の変調を行うときの変調周波数に対してさらに変調させた搬送波を生成するので、変調周波数に起因する高調波ノイズの帯域を広げることができ、変調周波数に起因して発生する高調波ノイズ低減することができる。

以下に本発明の実施形態について、図面とともに詳述する。

〔電力制御装置の全体構成〕始めに、図１を参照して、本発明の実施形態となる電力制御装置の構成について説明する。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態となる電力制御装置１は、主として、PWM（Pulse width modulation）インバータ２と、三相ブラシレスモータ（以下、モータと略記）３と、電流センサ４ａ〜４ｃと、電流指令生成部５と、PID（Proportion Integral Derivation）制御部６ａ〜６ｃと、三角波状搬送波信号生成部７と、比較器８a〜８ｃと、搬送波周波数可変部９と、これら各部を含む電力制御装置１を統括制御する制御部（図示しない）とを備える。

〔各構成部の詳細〕PWMインバータ２は、モータ３のU相、V相、W相の各電極に接続する６個のスイッチング素子Tu+、Tu-、Tv+、Tv-、Tw+、Tw-を備え、比較器８a〜８cから出力される制御信号に基づいて電池B及びキャパシタＣから成る直流電源の正極又は負極を選択する。なお、これらのスイッチング素子Tu+、Tu-、Tv+、Tv-、Tw+、Tw-は、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子により構成されている。

電流センサ４ａ〜４ｃは、PWMインバータ２からモータ３に供給されるU相、V相、W相の電流値を検出し、PID制御部６ａ〜６ｃに入力する。

電流指令生成部５は、電流センサ４ａ〜４ｃが検出した検出値のフィードバックを受け、電流指令値が正弦波状に変換されるように制御し、PID制御部６ａ〜６ｃに電流指令値を入力する。

PID制御部６ａ〜６ｃは、電流指令生成部５が生成した電流指令値に、電流センサ４ａ〜４cが検出した検出値が従うように、PID制御により電圧指令値を生成する。

三角波搬送波生成部７は、三角波状搬送波を生成し、比較器８a〜８ｃに入力する。

比較器８a〜８cは、PID制御部６ａ〜６ｃから出力される出力電圧と三角波状搬送波信号生成部７から出力される三角波状搬送波との大小関係を比較し、その比較結果に基づいてPWMインバータ２のスイッチング素子Tu+、Tu-、Tv+、Tv-、Tw+、Tw-のオン／オフを制御する制御信号をPWMインバータ２に入力する。ここで、U相のスイッチング素子Tu+、Tu-の制御を例として比較器８a動作を具体的に説明すれば、比較器８aは、PID制御部６ａからの出力電圧が三角波状搬送波よりも大きい場合、Tu+、Tu-をそれぞれオン状態及びオフ状態に制御することにより正の電圧をモータのU相に印加し、逆にPID制御部６ａからの出力電圧が三角波状搬送波よりも小さい場合には、Tu+、Tu-をそれぞれオフ状態及びオン状態に制御することにより、負の電圧をモータのU相に印加する。

搬送波周波数可変部９は、三角波状搬送波生成部７から入力される三角波状搬送波周波数を一定周期で変化させるための変調信号を三角波状搬送波信号生成部７に入力する。

以下、本発明の実施形態である電力制御装置１の動作について詳述する。

始めに、図２〜図４を参照して、搬送波周波数を一定としたときに発生する高調波ノイズ、搬送波周波数を一定周期（ここでは、三角波状）で変化させて搬送波を発生しているときの高調波ノイズ、変化分の周波数を任意に変調して搬送波を発生しているときの高調波ノイズについて説明し、それぞれの電力制御装置における搬送波周波数の時間変化が他の機器に与える影響について説明する。

〔搬送波周波数を一定として搬送波を発生させた際の高調波ノイズ〕図２（a）は、搬送波周波数を一定としたときの出力波形を示している。図２（a）に示されるように、一般的な電力制御装置における搬送波周波数は、時間変化に対して一定の値であり、例えば、搬送波周波数が１０[kHz]という値をとる。

図２（ｂ）は、搬送波周波数を一定として搬送波を発生しているときの高調波ノイズを示しており、図２（ｂ）中に示される“N０”は搬送波周波数の高調波周波数に起因する高調波ノイズを示し、“a”は人の耳に聞が知覚できる可聴域を示し、“AM”はAMラジオの周波数帯を示している。搬送波周波数を一定としたときに、“N０”の高調波ノイズのレベルが高いために、ラジオノイズなどの障害が発生する可能性がある。

〔搬送波周波数を一定周期（三角波状）で変調させて搬送波を発生させた際の高調波ノイズ〕図３（ｂ）は、搬送波周波数を一定周期（三角波状）で変調させて搬送波を発生しているときの高調波ノイズを示している。

ここで、図３（a）の示されるように、搬送波周波数は、基本周波数を１０[kHz]とし、前後に２[kHz]の幅をもたせて５００[Hz]のステップ値（このステップ値を基本周波数に対する第１次変調周波数とする。）で変調を行っており、８[kHz]から１２[kHz]まで５００[Hz]ステップ値で増加し、１２[kHz]から８[kHz]まで５００[Hz]ステップ値で減少するまでを1周期とし、この一定周期で変化している。

図３（ｂ）に示されるように、基本周波数、つまり、図２（ｂ）で示される１０[kHz]の高調波ノイズのピークは、搬送波周波数を変調することによりその帯域が拡散され、“N０”の高調波ノイズのピークレベルが低減される。しかしながら、“N０”の高調波ノイズのピークレベルは低減されるが、第１次変調周波数を一定のステップ値で搬送波周波数を三角波状に変位させているので、例えば、第１次変調周波数の高調波ノイズ“N１”が可聴域”a”に新たに発生した場合、ラジオを聴いているユーザに第１次変調周波数に起因する音響ノイズが雑音として聞こえてしまう。

〔搬送波周波数の変調周波数をさらに変調して搬送波を発生させた際の高調波ノイズ〕図４（a）は、本発明の実施形態となる電力制御装置により、搬送波周波数の変調周波数をさらに変調して搬送波を発生させている際の高調波ノイズを示している。

ここで、第１次変調周波数を周期的に変調させることについて詳細に説明すると、図３（a）示される搬送波周波数は、基本周波数に対して第１次変調周波数をステップ状に増減させて搬送波周波数を三角波状に変化させているが、図４（a）に示される搬送波周波数は、第１次変調周波数を５００[Hz]を中心に前後に１００[Hz]の幅をもたせて１５[Hz]のステップ値（このステップ値を基本周波数に対する第２次変調周波数とする。）で三角波状に変化させている。

このように搬送波周波数を変化させることにより、図４（ｂ）に示されるように、前述した搬送波周波数の第１次変調周波数に起因するノイズのピークを拡散させることができる、ノイズレベルを低減させることができる。

なお、ラジオ聴取の際に、第２次変調周波数に起因するノイズの発生が再度懸念される。しかしながら、上記のように、第１次変調周波数を４００[Hz]から６００[Hz]の範囲で１５[Hz]の第２次変調周波数で変調させているので、１５[Hz]の高調波ノイズは人の耳の可聴周波数帯域よりも低い帯域（図４（ｂ）中の可聴域“a”）にあるので、耳障りな音として聞こえることはない。換言すれば、第２次変調周波数を可聴域“a”の外側になるように設定すればよい。

[インバータ制御のPWM演算処理]次に、PWMインバータ２のPWM演算処理の動作について詳述する前に以下の定義をしておく。搬送波周波数の最小値(以下、fcminとする)から最大値(以下、fcmaxとする)まで第１次変調周波数fc１ずつ加算した後、fcmaxからfcminまで第１次変調周波数fc１ずつ減算させるルーチンを第一ルーチンと定義する。なお、各回の第一ルーチンにおいて、搬送波周波数に対する第１次変調周波数fc１の変化幅の絶対値は変化しない。

次に、第１次変調周波数fc１の最小値(以下、fc１min)から最大値(以下、fc１max)まで第２次変調周波数fc２ずつ加算した後、fc１maxからfc１minまで第２次変調周波数fc２ずつ減算させるルーチンを第二ルーチンと定義する。すなわち、PWM演算処理が１回行われるごとに第１次変調周波数fc１ずつ変化させ、第１次変調周波数fc１は、第１ルーチンが１回行われるごとに、第２次変調周波数fc２ずつ変化させている。

次に、図５に示すフローチャートを参照して本発明に係る電力制御装置のインバータ制御のPWM演算処理について説明する。

ステップS１の処理では、PID制御部６ａ〜６ｃが、搬送波周波数、第１次変調周波数fc１、第２次変調周波数fc２の初期値をそれぞれfcmin、fc１min、fc２const(＞０)と設定し、ステップS２に処理を進める。

ステップS２の処理では、PWMインバータ２が、PWM演算処理を1回行う。このPWM演算処理は、電流指令生成部５から入力される電流指令値と電流センサ４ａ〜４ｃから入力される電流検出値に基づいてＰＷＭ制御においてインバータのスイッチをオン・オフさせる信号を生成する。PWMインバータ２がオン・オフ信号を生成するとステップS３に処理を進める。

ステップS３の処理では、搬送波周波数可変部９が、搬送波周波数に第１次変調周波数fc１(>0)分を加算する。搬送波周波数可変部９が、搬送波周波数に第１次変調周波数fc１(>0)分を増加させるとステップS４に処理を進める。

ステップS４の処理では、搬送波周波数可変部９が、搬送波周波数の値が以下の数式１から数式３のいずれに該当するか判断する。

搬送波周波数が以下の数式１を満たす場合は、PID制御部６ａ〜６ｃがステップS２に処理を進め、ステップS２からステップS３の処理を経て搬送波周波数を変化させる。

搬送波周波数が以下の数式２を満たす場合は、PID制御部６ａ〜６ｃがステップS５に処理を進める。

搬送波周波数が以下の数式３を満たす場合は、PID制御部６ａ〜６ｃがステップS６に処理を進める。

ステップS５の処理では、搬送波周波数可変部９が、搬送波周波数に加算していた第１次変調周波数fc１を減算するように変更する(この場合は正から負)。第１変調周波数fc１を加算から減算に変更すると、搬送波周波数可変部９が次のステップS２に処理を進め、PWMインバータ２がPWM演算を行った後、ステップS３の処理に進める。ステップS３の処理では、搬送波周波数発生部９が、搬送波周波数を第１次変調周波数fc１分だけ減算する。

ステップS６の処理では、搬送波周波数可変部９が、搬送波周波数をfcminに設定し、第１次変調周波数fc１を第２次変調周波数fc２(＞０)分加算し、ステップS７の処理に進める。

ステップS７の処理では、PID制御部６ａ〜６ｃが、第１次変調周波数fc１が以下の数式４から数式６のいずれに該当するか判断する。

第１次変調周波数fc１が、以下の数式４を満たす場合はPID制御部６ａ〜６ｃがステップS２に処理を進める。上記のように搬送波周波数がfcmaxまで増大した後、fcminまで減少する。

第１次変調周波数fc１が、以下の数式５を満たす場合はPID制御部６ａ〜６ｃがステップS１に処理を進める。

第１次変調周波数fc１が、以下の数式６を満たす場合はPID制御部６ａ〜６ｃがステップS８に処理を進める。

ステップS８の処理では、搬送波周波数可変部９が、第１次変調周波数fc１に加算していた第２次変調周波数fc２を加算から減算に変更する(この場合は正から負)。

ステップS9の処理では、搬送波周波数可変部９が、第１次変調周波数fc１を第２次変調周波数fc２だけ変化（減少）させて、ステップS２の処理に進める。

このような処理を行うことにより、搬送波周波数を時間とともに変化させることができ、また搬送波周波数の変化の周期までも時間とともに変化させることができるので、搬送波周波数及び第２次変調周波数に起因するノイズレベルを低減することができる。

なお、本実施例では、搬送波周波数を三角波状に第１次変調周波数fc１で変調し、さらに第１次変調周波数fc１を第２次変調周波数fc２で変調しているが、例えば、第n次変調周波数(n=1,2,3,‥‥)のスペクトルのピークを低減したい場合はさらに変調を行えばよく、また波形も三角波状に限られず、例えば、正弦波状にしてもよい。

また、第１次変調周波数fc１は搬送波周波数よりも低く、第２次変調周波数fc２は第１次変調周波数fc１より低く設定する、すなわち、第n次変調周波数(n=１、２、３,‥‥)の次数が高くなるにつれて変調周波数は低くなるので、次数の最も高い変調周波数（本実施例では、搬送波周波数）を可聴域よりも低い帯域に設定することで、人の耳に聞こえるノイズを最も抑制することができる。一例として、図６に搬送波周波数を３回変調を行った場合の高調波ノイズについて示す。

また、搬送波周波数の変化の１周期（図４中のL）毎の時間が一定であれば、搬送波周波数の変化の周期を周期的に変化させる必要は無く、１周期中で第ｎ次変調周波数を自由に変化させてもよい。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、従来技術と同様のHブリッジ構成のモータ駆動装置やDC-DCコンバータ、その他、元の電源からスイッチングにより異なる形態の電力に変換する電力変換装置において適用することが可能であることは勿論であることを付け加えておく。

本発明に係る電力変換装置のブロック図。 搬送波周波数を一定とした場合に発生する高調波ノイズを示す図。 変調周波数を一定にして搬送波周波数を三角波状に変化させた場合に発生する高調波ノイズを示す図。 変調周波数を可変にして搬送波周波数を三角波状に変化させた場合に発生する高調波ノイズを示す図。 本発明に係る電力変換装置のPWM演算処理のフローチャート図。 搬送波周波数を３回変調行った場合に発生する高調波ノイズを示す図。 従来技術に係る電流駆動ステッピングモータの駆動回路を示す図 従来技術に係る電流駆動ステッピングモータの駆動回路内のスイッチグ素子構成を示す図。 従来技術に係る電流駆動ステッピングモータの駆動回路における搬送波周波数の変化を示す図。

符号の説明

１：電力制御装置
２：PWMインバータ
３：三相ブラシレスモータ
４ａ〜４c：電流センサ
５：電流指令生成部
６ａ〜６ｃ：PID制御部
７：三角波状搬送波信号生成部７
８a〜８c：比較器
９：搬送波周波数生成部
a：可聴域
AM：AMラジオ周波数帯
p：搬送波周波数が一定とした場合の高調波ノイズの平均値
N０：搬送波周波数が一定の場合の高調波ノイズ
N１：第１次変調周波数の高調波ノイズ
N２：第２次変調周波数の高調波ノイズ
L：搬送波周波数の1周期

Claims (4)

1. 所望の出力電圧となるように指令値を出力する指令値出力手段と、
   搬送波を出力する搬送波出力手段と、
   搬送波の周波数を所定周期で変更する搬送波波形変更手段と、
   前記所定周期に対して変調を行う搬送波周期変調手段と、
   前記指令値と前記搬送波を比較し、該比較結果に基づいた制御信号を生成する比較制御信号生成手段と、
   前記制御信号に基づいてスイッチングが行われる制御手段と、
   を備え、
   前記搬送波周期変調手段は、前記所定周期の１周期中に周期性をもって変調することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１記載の電力変換装置において、
   前記所定周期は、三角波状又は正弦波状であることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置において、
   前記搬送波周期変調手段は、人間の可聴域周波数よりも低い周波数で前記所定周期の１周期中に周期性をもって変調することを特徴とする電力変換装置。
4. 所望の出力電圧となるように指令値を出力するステップと、
   搬送波を出力するステップと、
   搬送波の周波数を所定周期で変更するステップと、
   前記所定周期に対して変調を行う変調ステップと、
   前記指令値と前記搬送波を比較し、該比較結果に基づいた制御信号を生成するステップと、
   前記制御信号に基づいてスイッチングを行うステップと、
   を有し、
   前記変調ステップは、前記所定周期の１周期中に周期性をもって変調する
   ことを特徴とする電力変換制御方法。

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