JP5353543B2 - 電力変換器の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチの開閉により電力変換を行う電力変換器の制御装置及び制御方法に関し、特に、スイッチを開閉するための制御信号のキャリア周波数を時間変化させることでスイッチの開閉により生じるＥＭＩ（電磁干渉）ノイズを抑制する技術に関する。

従来、電力変換器のスイッチ開閉により生じるＥＭＩノイズを抑制する技術として、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。この特許文献１に記載の技術は、電力変換器のスイッチを開閉するための制御信号のキャリア周波数を時間とともに変化させることで、例えばＡＭ周波数帯といった特定の周波数帯域の全域においてＥＭＩスペクトルを平坦化させてＥＭＩスペクトルのピークレベルを低減させるというものであり、特に、デジタル制御によりキャリア周波数を時間変化させる場合に用いるキャリア周波数の離散値を、各キャリア周波数の値の整数倍である高調波周波数が同一にならないような値とすることで、各キャリア周波数の高調波の重なりによる高レベルのピークが形成されるのを抑制するようにしている。

特開２００８−９９４７５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、例えばＡＭ周波数帯などの特定の周波数帯域全域といった広い帯域においてＥＭＩスペクトルを平坦化させるようにしているが、このような広い帯域に含まれる個々のチャンネル帯域に着目すると、それぞれのチャンネル帯域中のスペクトルは必ずしも平坦になっていないため、あるチャンネル帯域にキャリア周波数の整数倍周波数が含まれる場合、スペクトルにピークが発生し、そのピークに起因するノイズ音が発生するといった問題がある。

本発明は、以上の従来技術の問題点に鑑みて創案されたものであって、電力変換器のスイッチ開閉により生じるＥＭＩノイズをより効果的に抑制できる電力変換器の制御装置及び制御方法を提供することを目的としている。

本発明は、電力変換器のスイッチを開閉するための制御信号のキャリア周波数を、離散的な値を用いて変調周波数ｆｍにて周期的に時間変化させるとともに、キャリア周波数が変化するときの周波数変化量の平均値Δｆｃ＿ａｖｅと変調周波数ｆｍとの比を、制御信号の波形の周波数スペクトルのピークレベルが最小となるように決定することにより、上述した課題を解決する。

本発明によれば、キャリア周波数が変化するときの周波数変化量の平均値Δｆｃ＿ａｖｅと変調周波数ｆｍとの比を最適な値に決定することで、広い周波数帯域に含まれる個々のチャンネル帯域中においてもＥＭＩスペクトルを平坦にすることができるので、あるチャンネル帯域中にスペクトルのピークが発生することを有効に抑制して、このようなピークに起因したノイズ音の発生を抑制することができる。

本発明を適用した電動車両の駆動制御システムの構成を示す構成図である。 モータコントローラのキャリア周波数生成部が、キャリア周波数を離散的な値を用いて順次変化させた場合のキャリア周波数の時間変化の様子を示す図である。 駆動制御システムによりモータを駆動した際に測定されたＥＭＩスペクトルを示す図であり、（ａ）はｆｍ／Δｆｃ＿ａｖｅの値を２．５を越える値とした場合に測定されたＥＭＩスペクトル、（ｂ）はｆｍ／Δｆｃ＿ａｖｅの値を約２とした場合に測定されたＥＭＩスペクトル、（ｃ）はｆｍ／Δｆｃ＿ａｖｅの値を約１．５未満とした場合に測定されたＥＭＩスペクトルである。

以下、本発明の実施形態として、電動車両の駆動制御システムに本発明を適用した例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明を適用した電動車両の駆動制御システム１の構成を示す構成図である。本実施形態の駆動制御システム１は、バッテリＢやコンデンサＣからなる直流電源からの電力をＰＷＭインバータ２にて電力変換して電動車両の車輪を駆動する三相ブラシレス直流モータ（以下、モータと略記する。）３に供給するものであり、ＰＷＭインバータ２の動作をモータコントローラ１０によりデジタル制御することによって、モータ３を駆動制御するものである。

ＰＷＭインバータ２は、モータコントローラ１０から出力される制御信号に従ってオン／オフが制御される６個のスイッチング素子Ｔｕ＋，Ｔｕ−，Ｔｖ＋，Ｔｖ−，Ｔｗ＋，Ｔｗ−を備え、これら６個のスイッチング素子のオン／オフの切り替えにより、バッテリＢ及びコンデンサＣからなる直流電源の正極及び負極を、モータ３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各電極に選択的に接続する。このＰＷＭインバータ２が備えるスイッチング素子としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transister）等が用いられる。

ＰＷＭインバータ２からモータ３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各電極に流れる電流は、電流センサ４ａ，４ｂ，４ｃによって検出される。これら電流センサ４ａ，４ｂ，４ｃによる電流検出値は、モータコントローラ１０に入力される。

モータコントローラ１０は、電流指令生成部５、ＰＩＤ制御部６ａ，６ｂ，６ｃ、キャリア信号生成部７、比較器８ａ，８ｂ，８ｃ、及びキャリア周波数生成部９を主な構成要素として備える。

電流指令生成部５は、電流センサ４ａ，４ｂ，４ｃの検出値が正弦波状の交流電流に変換されるように、正弦波状の電流指令値を生成する。ＰＩＤ制御部６ａ，６ｂ、６ｃは、電流センサ４ａ，４ｂ，４ｃの検出値が電流指令生成部５が生成した電流指令値に追従するように、電流センサ４ａ，４ｂ，４ｃの検出値をＰＩＤ制御する。キャリア信号生成部７は、三角波状のキャリア信号を生成して比較器８ａ，８ｂ，８ｃに出力する。キャリア周波数生成部９は、キャリア信号生成部７が生成するキャリア信号の周波数（キャリア周波数ｆｃ）を変化させる。なお、このキャリア周波数生成部９がキャリア周波数を変化させる具体的手法については、詳細を後述する。

比較器８ａ，８ｂ，８ｃは、ＰＩＤ制御部６ａ，６ｂ，６ｃの出力値とキャリア信号生成部７が生成した三角波状のキャリア信号との大小関係を比較し、その大小関係に応じて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生成してＰＷＭインバータ２に出力する。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の動作を具体的に説明すると、比較器８ａは、ＰＩＤ制御部６ａの出力値が三角波状のキャリア信号よりも大きい場合は、スイッチング素子Ｔｕ＋をオン状態とし、スイッチング素子Ｔｕ−をオフ状態とする制御信号を出力することにより、正の電圧をモータ３のＵ相に印加する。逆に、ＰＩＤ制御部の出力値６ａが三角波状のキャリア信号よりも小さい場合には、スイッチング素子Ｔｕ＋をオフ状態とし、スイッチングＴｕ−をオン状態とする制御信号を出力することにより、負の電圧をモータ３のＵ相に印加する。

以上のように構成される電動車両の駆動制御システム１においては、ＰＷＭインバータ２が備えるスイッチング素子のオン／オフ切り替えに伴う電磁干渉によって他の電子機器に障害（ＥＭＩノイズ）が発生することを防止するために、キャリア周波数生成部９によりキャリア周波数ｆｃを時間とともに変化させることでＥＭＩスペクトルを平坦化し、そのピークレベルを低減させるようにしている。つまり、キャリア周波数ｆｃを時間とともに変化させても、スイッチング素子のオン／オフ切り替え回数の時間平均が変わらないことから、そのときに形成されるＥＭＩスペクトルのエネルギの合計は変化しない。このため、ＥＭＩスペクトルが平坦になればなるほど、ＥＭＩスペクトルのピークレベルが低減されることになる。

ところで、上記構成の電動車両の駆動制御システム１は、モータコントローラ１０を用いたデジタル制御によりモータ３を駆動制御する構成であるため、モータコントローラ１０のキャリア周波数生成部９がキャリア周波数ｆｃを変化させる場合、キャリア周波数ｆｃは離散的な値で変化することになる。キャリア周波数ｆｃを離散的な値で時間とともに変化させた場合のＥＭＩスペクトルは、そのときに用いるキャリア周波数ｆｃの離散的な値をそれぞれ用いて、キャリア周波数ｆｃ一定の条件のもとで動作させた場合に形成される各ＥＭＩスペクトルを平均した値とほぼ一致する。ここで、キャリア周波数ｆｃを一定とした場合のＥＭＩスペクトルは、キャリア周波数ｆｃの整数倍の周波数にピークを示すスペクトルとなる。

以上の点を考慮して、上述した特許文献１に記載されている従来の技術では、キャリア周波数ｆｃを時間変化させる場合に用いるキャリア周波数ｆｃの離散値として、各キャリア周波数ｆｃの高調波周波数が同一にならないような値を選択することで、各キャリア周波数ｆｃの高調波の重なりによる高レベルのピークが形成されるのを抑制するようにしている。このように、特許文献１に記載の技術では、キャリア周波数ｆｃの時間変化に用いる周波数値をうまく選択することで、例えばＡＭ周波数帯域の全域といった広い帯域においてＥＭＩスペクトルを平坦しているが、それはＡＭ周波数帯域に含まれる全チャンネル帯域中のＥＭＩスペクトルのエネルギをできる限り均一になるようにしているのであり、各チャンネル帯域毎に見るとＥＭＩスペクトルは必ずしも平坦になっていない。そのため、例えばＡＭ周波数帯域の中の或るチャンネル帯域にキャリア周波数ｆｃを変化させるのに用いる周波数値の整数倍の周波数が含まれる場合、そこにはＥＭＩスペクトルのピークが観測されることになり、そのピークに起因するノイズ音がＡＭラジオのスピーカから発生して、それがラジオ聴取に悪影響を及ぼす可能性がある。

そこで、本実施形態の駆動制御システムでは、モータコントローラ１０のキャリア周波数生成部９によりキャリア周波数ｆｃを時間とともに変化させる際に、キャリア周波数ｆｃ変化に用いる離散的な周波数値の整数倍の周波数に起因するピークのスペクトルを全てのチャンネル帯域中で平坦化できるように、キャリア周波数ｆｃを変化させるようにしている。特に本実施形態の駆動制御システムは、キャリア周波数ｆｃが変化するときの周波数変化量の平均値Δｆｃ＿ａｖｅとキャリア周波数ｆｃを時間変化させる際の変調周波数ｆｍとの比（ｆｍ／Δｆｃ＿ａｖｅ）がＥＭＩスペクトルの平坦性に相関を持つことに着目し、このｆｍ／Δｆｃ＿ａｖｅの値を制御信号の波形の周波数スペクトルのピークレベルが最小になるように決定してキャリア周波数ｆｃを変化させることで、例えばＡＭ周波数帯域といった広い周波数帯域に含まれる個々のチャンネル帯域の全てにおいてＥＭＩスペクトルを平坦化させるようにしている点を主要な特徴としている。以下、この本実施形態の駆動制御システムにおいて特徴的な制御の内容について、さらに詳しく説明する。

図２は、図１に示した構成の駆動制御システムにおいて、モータコントローラ１０のキャリア周波数生成部９が、キャリア周波数ｆｃをｆｃ１、ｆｃ２、ｆｃ３、ｆｃ４、ｆｃ５（ただし、ｆｃ１＜ｆｃ２＜ｆｃ３＜ｆｃ４＜ｆｃ５）の５つの値で順次変化させた場合のキャリア周波数ｆｃの時間変化の様子を示している。この図２の例において、ｆｃ１→ｆｃ２→ｆｃ３→ｆｃ４→ｆｃ５→ｆｃ５→ｆｃ４→ｆｃ３→ｆｃ２→ｆｃ１までのキャリア周波数ｆｃの変化が変調周期１周期Ｔｍである。変調周波数ｆｍは変調周期Ｔｍの逆数であり、ｆｍ＝１／Ｔｍである。

また、各キャリア周波数ｆｃの逆数であるキャリア周期Ｔｃを、Ｔｃ１＝１／ｆｃ１、Ｔｃ２＝１／ｆｃ２、Ｔｃ３＝１／ｆｃ３、Ｔｃ４＝１／ｆｃ４、Ｔｃ５＝／ｆｃ５とし、変調周期Ｔｍ中における各キャリア周波数ｆｃの継続時間を、各キャリア周期Ｔｃのｍ倍（ｍは整数）であるとすると、変調周期Ｔｍは、Ｔｍ＝２・ｍ・（Ｔｃ１＋Ｔｃ２＋Ｔｃ３＋Ｔｃ４＋Ｔｃ５）となる。

また、キャリア周波数ｆｃが変化するときの周波数変化量Δｆｃを、図２に示すように、Δｆｃ１２＝ｆｃ２−ｆｃ１、Δｆｃ２３＝ｆｃ３−ｆｃ２、Δｆｃ３４＝ｆｃ４−ｆｃ３、Δｆｃ４５＝ｆｃ５−ｆｃ４と定義すると、その平均値Δｆｃ＿ａｖｅは、Δｆｃ＿ａｖｅ＝（Δｆｃ１２＋Δｆｃ２３＋Δｆｃ３４＋Δｆｃ４５）／４となる。

図３は、図１に示した構成の駆動制御システムによりモータ３を駆動した際に測定されたＥＭＩスペクトルを示している。ここでは、モータコントローラ１０のキャリア周波数生成部９が、キャリア周波数ｆｃを複数の離散的な値を用いて図２に示すように最小値から最大値まで変化させ、その後、最大値から最小値まで変化させるという周期的な変化をさせている。図３（ａ）〜（ｃ）のうち、（ｂ）に示すＥＭＩスペクトルは、変調周波数ｆｍと周波数変化量Δｆｃの平均値Δｆｃ＿ａｖｅとの比（ｆｍ／Δｆｃ＿ａｖｅ）の値が約２となるようにキャリア周波数ｆｃを周期的に変化させた場合に測定されたＥＭＩスペクトルであり、（ａ）に示すＥＭＩスペクトルは、ｆｍ／Δｆｃ＿ａｖｅの値が（ｂ）の場合よりも大きな値、具体的には２．５を越える値となるようにキャリア周波数ｆｃを周期的に変化させた場合に測定されたＥＭＩスペクトルであり、（ｃ）に示すＥＭＩスペクトルは、逆にｆｍ／Δｆｃ＿ａｖｅの値が（ｂ）の場合よりも小さな値、具体的には１．５未満となるようにキャリア周波数ｆｃを周期的に変化させた場合に測定されたＥＭＩスペクトルである。なお、図３（ａ）〜（ｃ）のＥＭＩスペクトルを測定した際のキャリア周波数ｆｃ変化に用いた周波数値及び変化の順序は同一である。つまり、Δｆｃ＿ａｖｅは同一であり、各キャリア周波数の繰返し回数、すなわち図２の説明で示した整数ｍをそれぞれ異なる値とすることで変調周期ｆｍを変化させて、ｆｍ／Δｆｃ＿ａｖｅの値を異ならせるようにしている。

図３（ａ）〜（ｃ）に示した各ＥＭＩスペクトルを比較すると、（ａ）に示したスペクトルと（ｂ）に示したスペクトルでは、ともに変調周期ｆｍの値の間隔の細かいピークが観測されるが、（ａ）よりも（ｂ）の方が変調周期ｆｍが短いため、ピークの間隔が狭くなっている。スペクトルのエネルギの合計は同一であるから、（ｂ）の方がピークの間隔が狭くなっている分、各ピークレベルが低減されて、スペクトルが平坦化されている。一方、（ｃ）に示したスペクトルでは、変調周期ｆｍ間隔での細かなピークではなく、キャリア周波数ｆｃ変化に用いた周波数値の高調波周波数（ｆｃ値の整数倍の周波数）にピークが目立っており、このピークによりスペクトルの平坦化が阻害されている。

以上のことから、ｆｍ／Δｆｃ＿ａｖｅの値とＥＭＩスペクトルの平坦性には相関があり、ｆｍ／Δｆｃ＿ａｖｅの値を最適化しながらキャリア周波数ｆｃを変化させることで、制御信号の波形の周波数スペクトルのピークレベルを効果的に低く抑えて、ＥＭＩスペクトルを平坦化できることが分る。具体的には、ｆｍ／Δｆｃ＿ａｖｅの値が１．５〜２．５の範囲内となるようにキャリア周波数ｆｃを変化させることにより、制御信号の波形の周波数スペクトルのピークレベルを最小として、例えばＡＭ周波数帯域といった広い周波数帯域に含まれる個々のチャンネル帯域の全てにおいてＥＭＩスペクトルを平坦化させることが可能となる。

ｆｍ／Δｆｃ＿ａｖｅの値の最適化は、例えば、上述したようにΔｆｃ＿ａｖｅを固定とし、整数ｍの値を調整することにより変調周期ｆｍを変化させて、Δｆｃ＿ａｖｅに対して下記式（１）の関係を満足する値となるようにすることで、容易に実現することができる。
１．５×Δｆｃ＿ａｖｅ≦ｆｍ≦２．５×Δｆｃ＿ａｖｅ ・・・（１）
また、キャリア周波数ｆｃ変化に用いる周波数値を調整してΔｆｃ＿ａｖｅを変化させることにより、ｆｍ／Δｆｃ＿ａｖｅの値を最適化するようにしてもよい。

以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の電動車両の駆動制御システムによれば、モータコントローラ１０のキャリア周波数生成部９が、ＰＷＭインバータ２が備えるスイッチング素子のオン／オフを制御する制御信号のキャリア周波数ｆｃを時間とともに変化させる際に、キャリア周波数ｆｃが変化するときの周波数変化量の平均値Δｆｃ＿ａｖｅとキャリア周波数ｆｃを時間変化させる際の変調周波数ｆｍとの比（ｆｍ／Δｆｃ＿ａｖｅ）の値を、制御信号の波形の周波数スペクトルのピークレベルが最小になるように決定してキャリア周波数ｆｃを変化させるようにしている。これにより、本実施形態の駆動制御システムによれば、広い周波数帯域に含まれる個々のチャンネル帯域、具体的には、例えばＡＭラジオ放送の１チャンネル分の帯域中においてもＥＭＩスペクトルを平坦化させることができ、ラジオ放送を聴取する際にラジオ受信機のスピーカからＥＭＩによるノイズ音が発生するといった不都合を有効に抑制することができる。

また、本実施形態の駆動制御システムによれば、Δｆｃ＿ａｖｅと変調周波数ｆｍとが、１．５×Δｆｃ＿ａｖｅ≦ｆｍ≦２．５×Δｆｃ＿ａｖｅの関係を満足するように、キャリア周波数ｆｃを時間変化させる構成とすることで、整数ｍを調整して変調周期ｆｍを変化させるといった極めた簡単な制御によりｆｍ／Δｆｃ＿ａｖｅの値を最適化して、上述した効果を発揮させることができる。

また、本実施形態の駆動制御システムによれば、キャリア周波数ｆｃとして用いる離散的な値を、最小値から最大値まで増加させた後、最大値から最小値まで減少させる周期的な変化によりキャリア周波数ｆｃを時間変化させる構成とすることで、ｆｍ／Δｆｃ＿ａｖｅの変化を最小限にすることができ、ｆｍ／Δｆｃ＿ａｖｅの最適値に対するズレを抑制して、上述した効果を有効に発揮させることができる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の一適用例を例示的に示したものであり、本発明の技術的範囲が以上の実施形態として開示した内容に限定されることを意図するものではない。つまり、本発明の技術的範囲は、上述した実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、この開示から容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。

１ 駆動制御システム
２ ＰＷＭインバータ
１０ モータコントローラ
７ キャリア信号生成部
８ａ，８ｂ，８ｃ 比較器
９ キャリア周波数生成部

Claims (4)

1. スイッチの開閉により、入力される電力を所望の形態に変換する電力変換器の制御装置において、
   前記電力変換器のスイッチを開閉するための制御信号を生成する制御信号生成手段と、
   前記制御信号のキャリア周波数を、離散的な値を用いて変調周波数ｆｍにて周期的に時間変化させるキャリア周波数変更手段とを備え、
   前記キャリア周波数変更手段は、前記キャリア周波数が変化するときの周波数変化量の平均値Δｆｃ＿ａｖｅと前記変調周波数ｆｍとの比を、前記制御信号の波形の周波数スペクトルのピークレベルが最小となるように決定して、前記キャリア周波数を変化させることを特徴とする電力変換器の制御装置。
2. 前記キャリア周波数変更手段は、前記キャリア周波数が変化するときの周波数変化量の平均値Δｆｃ＿ａｖｅと前記変調周波数ｆｍとが、
   １．５×Δｆｃ＿ａｖｅ≦ｆｍ≦２．５×Δｆｃ＿ａｖｅ
   の関係を満足するように、前記キャリア周波数を変化させることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器の制御装置。
3. 前記キャリア周波数変更手段は、前記キャリア周波数として用いる離散的な値を、最小値から最大値まで増加させた後、最大値から最小値まで減少させる周期的な変化により前記キャリア周波数を変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換器の制御装置。
4. スイッチの開閉により、入力される電力を所望の形態に変換する電力変換器に対して、前記スイッチを開閉するための制御信号を出力して前記電力変換器を制御する制御方法であって、
   前記制御信号のキャリア周波数を、離散的な値を用いて変調周波数ｆｍにて周期的に時間変化させるとともに、前記キャリア周波数が変化するときの周波数変化量の平均値Δｆｃ＿ａｖｅと前記変調周波数ｆｍとの比を、前記制御信号の波形の周波数スペクトルのピークレベルが最小となるように決定することを特徴とする電力変換器の制御方法。

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