JP5440698B2 - 電動機の制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、電動機の制御装置および制御方法に関し、より特定的には、電動機制御に用いられるキャリア周波数の制御に関する。

従来より、交流電動機を駆動制御する電力変換器（インバータ）に、パルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）を適用することが行なわれている。

特開２００４−４８８４４号公報（特許文献１）には、パルス幅変調制御を適用したインバータでの、キャリア周波数と、ノイズの音量および電力損失との関係が記載されている。詳細には、キャリア周波数を低くすると、インバータに起因するノイズの音量が大きくなる一方で、スイッチング損失が低減する。これに対して、キャリア周波数を高くすると、ノイズの音量が小さくなる一方でスイッチング素子の損失が増大することが記載されている。特許文献１には、ハイブリッド車両の搭乗者の聴覚に違和感を与えずに燃費を向上するため、エンジン回転数が低いときにはキャリア周波数を高く設定する一方で、エンジン回転数が高いときにはキャリア周波数を低下する制御が記載されている。

また、特開２００５−２７８２８１号公報（特許文献２）には、車両の存在を歩行者に報知するための車両の制御装置として、歩行者などの障害物の検知時に、キャリア周波数を可聴周波数帯まで低下させる制御が記載されている。

一方、ＰＷＭ制御による騒音を低減するための技術として、特開２００７−２０３２０号公報（特許文献３）および特開２００８−９９４７５号公報（特許文献４）が存在する。

特許文献３には、損失を増加させることなく聴感上の騒音を低減するＰＷＭインバータ装置が記載されている。具体的には、ＰＷＭパルスの周波数を決めるキャリア周波数を、任意のキャリア周波数を中心として所定周波数範囲だけ周期的もしくはランダムに変動させることが記載されている。さらに、特許文献３では、このキャリア周波数の変動幅を、電動機電流値もしくは周波数指令値により変更することが記載されている。
また、特開２００８−９９４７５号公報（特許文献４）には、電力変換装置の制御において、所望の周波数帯におけるノイズスペクトルを平坦化するために、キャリア周波数を離散的かつ周期的に時間変化させることが記載されている。そして、変化させるキャリア周波数の値について、高調波周波数同士が重畳しないように決定することが記載されている。

特開２００４−４８８４４号公報 特開２００５−２７８２８１号公報 特開２００７−２０３２０号公報 特開２００８−９９４７５号公報

電動機からの駆動力により走行可能な、ハイブリッド車、燃料電池車および電気自動車等の電動車両では、電動機からの駆動力のみによって走行する場合に車両の発生音が小さいため、歩行者等が車両の接近を認識し難いことが指摘されている。
特許文献２によれば、警報音の発生装置等を新たに設けることなく、キャリア周波数の低下によって、可聴周波数帯の電磁騒音を付加的な作動音として発生できる。これにより、歩行者等に車両の接近を報知することが期待される。

一方、インバータから電動機へ供給される電流には、キャリア周波数に従う高調波電流（リップル電流）が重畳されることが知られている。このため、キャリア周波数が低くなると、リップル電流が大きくなることによって、磁界の変動が大きくなるため、ステータに生じる渦電流が大きくなる。この結果、鉄損の増加によって電力損失が増大するため電動機効率が低下する。特に、永久磁石型の電動機では渦電流の増大は、磁石温度の上昇、ひいては減磁の発生につながるため、さらに電動機効率が低下する虞がある。

このため、特許文献２によるキャリア周波数制御では、作動音の発生時には、キャリア周波数を固定的に低下させることになるため、その適用頻度が高いと、電動機効率の低下によって燃費の悪化が生じる虞がある。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、電動機の効率低下により燃費を悪化させることなく、電動機制御に用いるキャリア周波数の制御によって電動車両の作動音を大きくすることである。

この発明のある局面では、電動車両に搭載された電動機の制御装置は、電動機指令演算部、キャリア発生部、キャリア周波数制御部およびパルス幅変調部を備える。電動機指令演算部は、少なくとも１つのスイッチング素子を含むように構成された電力変換器から電動機に供給される電圧または電流の制御指令を発生するように構成される。キャリア発生部は、電力変換器の制御に用いられるキャリア信号を発生するように構成される。キャリア周波数制御部は、キャリア発生部が発生する複数のキャリア信号の周波数を、電動車両の車速が所定速度よりも高いときには所定周波数を中心とした第１の周波数範囲内で変動させる一方で、車速が所定速度よりも低いときには所定周波数を中心とした第２の周波数範囲内で変動させるように制御する。パルス幅変調部は、電動機指令演算部からの制御指令と、キャリア発生部からのキャリア信号との比較に基づいて、電力変換器のスイッチング素子のオンオフを制御するように構成される。電動車両の搭載機器は、キャリア信号に起因して生じる電磁振動により振動することによって音を発生する複数の機械振動系を形成する。そして、第１および第２の周波数範囲は、第２の周波数範囲内でキャリア周波数が変動される際における複数の機械振動系からの発生音が、第１の周波数範囲内でキャリア周波数が変動される際における複数の機械振動系からの発生音よりも大きくなるように設定される。

好ましくは、キャリア周波数制御部は、電動車両の車速が所定速度よりも高いときには、第１の変更周期に従って第１の周波数範囲内でキャリア信号の周波数を変動させる一方で、電動車両の車速が所定速度よりも低いときには、第２の変更周期に従って第２の周波数範囲内でキャリア信号の周波数を変動させる。第２の変更周期は、第１の変更周期よりも長い。

この発明の他の局面では、電動車両に搭載された電動機の制御方法であって、少なくとも１つのスイッチング素子を含むように構成された電力変換器の制御に用いられる複数のキャリア信号の周波数を制御するステップと、制御するステップにより決められたキャリア周波数に従って、キャリア信号を発生するステップと、電力変換器から電動機に供給される電圧または電流の制御指令を発生するためのステップと、制御指令とキャリア信号との比較に基づいてスイッチング素子のオンオフ制御信号を発生するステップとを備える。制御するステップは、電動車両の車速が所定速度よりも高いときに、所定周波数を中心とした第１の周波数範囲内でキャリア周波数を変動させるステップと、車速が所定速度よりも低いときに、所定周波数を中心とした第２の周波数範囲内でキャリア周波数を変動させるステップとを含む。電動車両には、機械振動によって音源となる機構を有する複数の機器が搭載される。そして、第１および第２の周波数範囲は、第２の周波数範囲内でキャリア周波数が変動される際における複数の機械振動系からの発生音が、第１の周波数範囲内でキャリア周波数が変動される際における複数の機械振動系からの発生音よりも大きくなるように設定される。

好ましくは、制御するステップは、電動車両の車速が所定速度よりも高いときに、第１の変更周期に従って第１の周波数範囲内でキャリア周波数を変動させるステップと、車速が所定速度よりも低いときに、第２の変更周期に従って第２の周波数範囲内でキャリア周波数を変動させるステップとを含む。第２の変更周期は、第１の変更周期よりも長い。

好ましくは、第１および第２の周波数範囲は、複数の機械振動系のいずれかの共振周波数が、第１の周波数範囲の外側であって、かつ、第２の周波数範囲の内側となるように設定される。

この発明によれば、電動機の効率低下により燃費を悪化させることなく、電動機制御に用いるキャリア周波数の制御によって電動車両の作動音を大きくすることである。

本発明の実施の形態による電動機の制御装置が適用される電動車両の一例であるハイブリッド車の全体構成を説明する概略ブロック図である。 図１のハイブリッド車におけるエンジンおよびモータジェネレータ間の回転速度の関係を示す共線図である。 図１に示したモータジェネレータを駆動するための電気システムの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態による電動機の制御装置の機能ブロック図である。 図４に示したパルス幅変調部によるＰＷＭ制御を説明する波形図である。 各インバータでのキャリア周波数の制御を説明する概念図である。 図６に示したランダムキャリア制御における電磁騒音の音圧レベル分布を示す概念図である。 本発明の実施の形態によるランダムキャリア制御を説明する概念図である。 本発明の実施の形態による電動機の制御方法の処理手順を説明する第１のフローチャートである。 本発明の実施の形態による電動機制御の処理手順を説明する第２のフローチャートである。 本発明の実施の形態の変形例によるランダムキャリア制御を説明する概念図である。 本発明の実施の形態の変形例による電動機制御の処理手順を説明するフローチャートである。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。

図１は、本発明の実施の形態による電動機制御が適用される電動車両の一例であるハイブリッド車の全体構成を説明する概略ブロック図である。なお、電動車両は、ハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車等の、電気エネルギによる車両駆動力発生源（代表的には電動機）を備えた車両を総称するものとする。

図１を参照して、ハイブリッド車は、エンジン１００と、第１モータジェネレータ１１０（以下、単に「ＭＧ１」とも称する）と、第２モータジェネレータ１２０（以下、単に「ＭＧ２」とも称する）と、動力分割機構１３０と、減速機１４０と、バッテリ１５０とを備える。ＭＧ１およびＭＧ２の各々は、本発明の実施の形態による電動機制御の対象となる「電動機」に対応する。

図１に示すハイブリッド車は、エンジン１００およびＭＧ２のうちの少なくとも一方からの駆動力により走行する。エンジン１００、ＭＧ１およびＭＧ２は、動力分割機構１３０を介して接続されている。エンジン１００が発生する動力は、動力分割機構１３０により、２経路に分割される。一方は減速機１４０を介して駆動輪１９０を駆動する経路である。もう一方は、ＭＧ１を駆動させて発電する経路である。

ＭＧ１およびＭＧ２の各々は、代表的には三相の交流回転電機である。ＭＧ１は、動力分割機構１３０により分割されたエンジン１００の動力により発電する。ＭＧ１により発電された電力は、車両の走行状態や、バッテリ１５０のＳＯＣ（State Of Charge）に応じて使い分けられる。たとえば、通常走行時では、ＭＧ１により発電された電力はそのままＭＧ２を駆動させる電力となる。一方、バッテリ１５０のＳＯＣが予め定められた値よりも低い場合、ＭＧ１により発電された電力は、後述するインバータにより交流から直流に変換される。その後、後述するコンバータにより電圧が調整されてバッテリ１５０に蓄えられる。

ＭＧ１が発電機として作用している場合、ＭＧ１は負のトルクを発生している。ここで、負のトルクとは、エンジン１００の負荷となるようなトルクをいう。ＭＧ１が電力の供給を受けて電動機として作用している場合、ＭＧ１は正のトルクを発生する。ここで、正のトルクとは、エンジン１００の負荷とならないようなトルク、すなわち、エンジン１００の回転をアシストするようなトルクをいう。なお、ＭＧ２についても同様である。

ＭＧ２は、代表的には三相交流回転電機である。ＭＧ２は、バッテリ１５０に蓄えられた電力およびＭＧ１により発電された電力のうちの少なくとも一方の電力により駆動する。

ＭＧ２の駆動力は、減速機１４０を介して駆動輪１９０に伝えられる。これにより、ＭＧ２はエンジン１００をアシストしたり、ＭＧ２からの駆動力により車両を走行させたりする。

ハイブリッド車の回生制動時には、減速機１４０を介して駆動輪１９０によりＭＧ２が駆動され、ＭＧ２が発電機として作動する。これによりＭＧ２は、制動エネルギを電力に変換する回生ブレーキとして作動する。ＭＧ２により発電された電力は、バッテリ１５０に蓄えられる。

動力分割機構１３０は、サンギヤと、ピニオンギヤと、キャリアと、リングギヤとを含む遊星歯車から構成される。ピニオンギヤは、サンギヤおよびリングギヤと係合する。キャリアは、ピニオンギヤが自転可能であるように支持する。サンギヤはＭＧ１の回転軸に連結される。キャリアはエンジン１００のクランクシャフトに連結される。リングギヤはＭＧ２の回転軸および減速機１４０に連結される。

エンジン１００、ＭＧ１およびＭＧ２が、遊星歯車からなる動力分割機構１３０を介して連結されることで、エンジン１００、ＭＧ１およびＭＧ２の回転速度は、図２に示すように、共線図において直線で結ばれる関係になる。

図１に示すハイブリッド車は、発進時や低車速時等のエンジン１００の効率が悪い運転領域では、基本的には、エンジン１００を停止してＭＧ２の駆動力のみによって走行する。そして、通常走行時には、エンジン１００を効率の高い領域で作動させるとともに、動力分割機構１３０によりエンジン１００の動力を２経路に分ける。一方の経路に伝達された動力は、駆動輪１９０を駆動する。他方の経路に伝達された動力は、ＭＧ１を駆動して発電を行なう。このとき、ＭＧ２は、ＭＧ１の発電電力を用いて動力を出力することによって、駆動輪１９０の駆動補助を行なう。また、高速走行時には、さらにバッテリ１５０からの電力をＭＧ２に供給することでＭＧ２の動力を増大させることにより、駆動輪１９０に対して駆動力の追加を行なう。

一方、減速時には、駆動輪１９０により従動するＭＧ２が発電機として機能して回生制動による発電を行なう。回生発電によって回収された電力は、バッテリ１５０に充電される。なお、ここで言う回生制動とは、ハイブリッド自動車を運転するドライバによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両減速（または加速の中止）させることを含む。

図１に戻って、バッテリ１５０は、複数の二次電池セル（図示せず）により構成された組電池である。バッテリ１５０の電圧は、たとえば２００Ｖ程度である。バッテリ１５０には、ＭＧ１およびＭＧ２が発電した電力の他、車両の外部電源から供給される電力によって充電されてもよい。

エンジン１００、ＭＧ１およびＭＧ２は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１７０により制御される。なお、ＥＣＵ１７０は複数のＥＣＵに分割するようにしてもよい。

ＥＣＵ１７０は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを内蔵した電子制御ユニットにより構成され、当該メモリに記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、各センサによる検出値を用いた演算処理を行なうように構成される。あるいは、ＥＣＵの少なくとも一部は、電子回路等のハードウェアにより所定の数値・論理演算処理を実行するように構成されてもよい。

図３には、図１に示したＭＧ１，ＭＧ２を駆動するための電気システムの構成が示される。

図３を参照して、ハイブリッド車には、コンバータ２００と、ＭＧ１に対応する第１インバータ２１０と、ＭＧ２に対応する第２インバータ２２０と、ＳＭＲ（System Main Relay）２５０とが設けられる。

コンバータ２００は、リアクトルと、直列接続された２個の電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」とも称する）と、各スイッチング素子に対応して設けられた逆並列ダイオードと、リアクトルとを含む。電力用半導体スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ、電力用バイポーラトランジスタ等を適宜採用することができる。リアクトルは、バッテリ１５０の正極側に一端が接続され、２つのスイッチング素子の接続点に他端が接続される。各スイッチング素子のオンオフは、ＥＣＵ１７０により制御される。

バッテリ１５０から放電された電力をＭＧ１もしくはＭＧ２に供給する際、電圧がコンバータ２００により昇圧される。逆に、ＭＧ１もしくはＭＧ２により発電された電力をバッテリ１５０を充電する際、電圧がコンバータ２００により降圧される。

コンバータ２００と、第１インバータ２１０および第２インバータ２２０との間のシステム電圧ＶＨは、電圧センサ１８０により検出される。電圧センサ１８０の検出結果は、ＥＣＵ１７０に送信される。

第１インバータ２１０は、一般的な三相インバータで構成され、並列接続されたＵ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームを含む。Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームは、各々、直列に接続された２個のスイッチング素子（上アーム素子および下アーム素子）を有する。各スイッチング素子には、逆並列ダイオードが接続される。

ＭＧ１は、星型結線されたＵ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルを固定子巻線として有する。各相コイルの一端は、中性点１１２で互いに接続される。各相コイルの他端は、第１インバータ２１０の各相アームのスイッチング素子の接続点とそれぞれ接続される。

第１インバータ２１０は、車両走行時には、車両走行に要求される出力（車両駆動トルク、発電トルク等）を発生するために設定される動作指令値（代表的にはトルク指令値）に従ってＭＧ１が動作するように、ＭＧ１の各相コイルの電流または電圧を制御する。第１インバータ２１０は、バッテリ１５０から供給される直流電力を交流電力に変換してＭＧ１に供給する電力変換動作と、ＭＧ１により発電された交流電力を直流電力に変換する電力変換動作との双方向の電力変換を実行可能である。

第２インバータ２２０は、第１インバータ２１０と同様に、一般的な三相インバータで構成される。ＭＧ２は、ＭＧ１と同様に、星型結線されたＵ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルを固定子巻線として有する。各相コイルの一端は、中性点１２２で互いに接続される。各相コイルの他端は、第２インバータ２２０の各相アームのスイッチング素子の接続点とそれぞれ接続される。

第２インバータ２２０は、車両走行時には、車両走行に要求される出力（車両駆動トルク、回生制動トルク等）を発生するために設定される動作指令値（代表的にはトルク指令値）に従ってＭＧ２が動作するように、ＭＧ２の各相コイルの電流または電圧を制御する。第２インバータ２２０についても、バッテリ１５０から供給される直流電力を交流電力に変換してＭＧ２に供給する電力変換動作と、ＭＧ２により発電された交流電力を直流電力に変換する電力変換動作との双方向の電力変換を実行可能である。

ＳＭＲ２５０は、バッテリ１５０とコンバータ２００との間に設けられる。ＳＭＲ２５０が開放されると、バッテリ１５０が電気システムから遮断される。一方、ＳＭＲ２５０が閉成されると、バッテリ１５０が電気システムに接続される。ＳＭＲ２５０の状態は、ＥＣＵ１７０により制御される。たとえば、ハイブリッド車のシステム起動を指示するパワーオンスイッチ（図示せず）のオン操作に応答して、ＳＭＲ２５０が閉成される一方で、パワーオンスイッチのオフ操作に応答して、ＳＭＲ２５０は開放される。

図４は、本発明の実施の形態による電動機の制御装置の機能ブロック図である。図４に示した各機能ブロックについては、当該ブロックに相当する機能を有する回路（ハードウェア）をＥＣＵ１７０に構成してもよいし、予め設定されたプログラムに従ってＥＣＵ１７０がソフトウェア処理を実行することにより実現してもよい。

図４を参照して、ＥＣＵ１７０は、電動機指令演算部３００，３０５と、パルス幅変調部３１０，３１５と、キャリア周波数制御部３５０と、キャリア発生部３６０，３６５とを含む。

電動機指令演算部３００は、ＭＧ１のフィードバック制御により、第１インバータ２１０の制御指令を演算する。ここで、制御指令は、各インバータ２１０，２２０によって制御される、ＭＧ１，ＭＧ２へ供給される電圧または電流の指令値である。以下では、制御指令として、ＭＧ１，ＭＧ２の各相の電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを例示する。たとえば、電動機指令演算部３００は、ＭＧ１の各相の電流Ｉｍｔ（１）のフィードバックにより、ＭＧ１の出力トルクを制御する。具体的には、電動機指令演算部３００は、ＭＧ１のトルク指令値Ｔｑｃｏｍ（１）に対応した電流指令値を設定するとともに、当該電流指令値と電動機電流Ｉｍｔ（１）との偏差に応じて電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを発生する。この際に、ＭＧ１の回転角θ（１）を用いた座標変換（代表的には、ｄｑ軸変換）を伴う制御演算を用いることが一般的である。

電動機指令演算部３０５は、電動機指令演算部３００と同様に、ＭＧ２のフィードバック制御によって、第２インバータ２２０の制御指令、具体的には、ＭＧ２の各相電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを発生する。すなわち、ＭＧ２の電動機電流Ｉｍｔ（２）、回転角θ（２）およびトルク指令値Ｔｑｃｏｍ（２）に基づいて、電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが生成される。

パルス幅変調部３１０は、キャリア発生部３６０からのキャリア信号１６０（１）と、電動機指令演算部３００からの電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗとに基づいて、第１インバータ２１０のスイッチング素子の制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６を発生する。制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６により、第１インバータ２１０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の上下アームを構成する６個のスイッチング素子のオンオフが制御される。

同様に、パルス幅変調部３１５は、キャリア発生部３６５からのキャリア信号１６０（２）と、電動機指令演算部３０５からの電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗとに基づいて、第２インバータ２２０のスイッチング素子の制御信号Ｓ２１〜Ｓ２６を発生する。制御信号Ｓ２１〜Ｓ２６により、第２インバータ２２０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の上下アームを構成する６個のスイッチング素子のオンオフが制御される。

パルス幅変調部３１０，３１５では、キャリア信号１６０（１６０（１）および１６０（２）を総称するもの）と、電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗとを比較するＰＷＭ制御が実行される。

図５は、パルス幅変調部３１０，３１５によるＰＷＭ制御を説明する波形図である。
図５を参照して、ＰＷＭ制御では、キャリア信号１６０と、電圧指令２７０（電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを総称するもの）との電圧比較に基づき、インバータの各相のスイチング素子のオンオフが制御される。この結果、ＭＧ１，ＭＧ２の各相コイル巻線には、各相に疑似正弦波電圧としてのパルス幅変調電圧２８０が印加される。キャリア信号１６０は、周期的な三角波やのこぎり波によって構成することができる。

再び図４を参照して、キャリア周波数制御部３５０は、第１インバータ２１０でのＰＷＭ制御に用いられるキャリア周波数ｆ１と、第２インバータ２２０のＰＷＭ制御に用いられるキャリア周波数ｆ２とを制御する。

キャリア発生部３６０は、キャリア周波数制御部３５０によって設定されたキャリア周波数ｆ１に従ってキャリア信号１６０（１）を発生する。キャリア発生部３６０は、キャリア周波数制御部３５０によって設定されたキャリア周波数ｆ２に従ってキャリア信号１６０（２）を発生する。

すなわち、キャリア信号１６０（１）および１６０（２）の周波数は、キャリア周波数制御部３５０によって設定されたキャリア周波数ｆ１およびｆ２に従って変化する。この結果、第１インバータ２１０および第２インバータ２２０での、ＰＷＭ制御によるスイッチング周波数が、キャリア周波数制御部３５０によって制御される。

インバータ２１０，２２０では、キャリア周波数に従って図示しないスイッチング素子がオンオフされる。このため、インバータ２１０，２２０からＭＧ１，ＭＧ２に供給される電流には、スイッチング周波数に従う高調波電流（リップル電流）が重畳される。これにより、ＭＧ１，ＭＧ２に作用する電磁力が、スイッチング周波数に従った周波数で変動する。

一方、ＭＧ１，ＭＧ２を始めとするハイブリッド車の搭載機器によって、質量要素およびばね要素の組み合わせによる機械振動系が複数形成される。たとえば、ＭＧ１，ＭＧ２では、ロータを質量要素とし、支持ベアリングをばね要素とする機械振動系や、ステータおよびケースによって構成される機械振動系が存在する。また、図示しないトランスミッションケース等によっても、機械振動系が構成される。これらの機械振動系は、外力の作用や、振動が伝達されることによって振動し、空気を振動させることによって音を発生する。

ＭＧ１，ＭＧ２では、ステータおよびロータ間に作用する電磁力がキャリア周波数に従って周期的に変動すると、ロータおよびステータの機械振動系に、キャリア周波数による振動が発生する。この振動は、さらに他の機械振動系へも伝達されるので、これら機械振動系の振動によって、音（いわゆる、電磁騒音）が生じることになる。

ここで各機械振動系には、固有の共振周波数が存在する。共振周波数による振動は減衰しにくくなるので、振動の振幅が大きくなる結果、発生音も大きくなる。共振周波数は、当該機械振動系を構成する機器の形状、質量、剛性等によって決まる固有値である。共振周波数は、実機実験やＣＡＥ（Computer Aided Engineering）による設計シミュレーションによって求めることができる。また、機器の形状、質量、剛性等の設計により、共振周波数をある程度調整することも可能である。

このように、ハイブリッド車を始めとする電動車両には、その搭載機器によって複数の機械共振系が形成されており、その少なくとも一部は、キャリア周波数に起因して生じる振動（電磁振動）によって振動することにより、騒音（電磁騒音）を発生する。この騒音は、電動車両の作動音として、車両外部へ出力されることになる。

図６は、本発明の実施の形態による電動機の制御装置による各インバータ２１０，２２０でのキャリア周波数制御（以下、「ランダムキャリア制御」とも称する）を説明する概念図である。図６には、インバータ２１０のキャリア周波数ｆ１の制御が例示される。

図６を参照して、キャリア周波数制御部３５０は、キャリア周波数ｆ１を、所定の周波数範囲４２０内で、時間経過に応じて一定周期あるいはランダム周期で変化させる。周波数範囲４２０の中心値はｆａであり、上限値ｆ１ｍａｘはｆａ＋Δｆａであり、下限値ｆ１ｍｉｎはｆａ−Δｆａである。キャリア周波数ｆ１は、変更周期Ｔｒが経過するごとに変更される。Ｔｒが固定値であるときには、キャリア周波数は一定周期で変動することなり、Ｔｒを変化させるとキャリア周波数はランダムな周期で変化する。

図７は、図６に示したランダムキャリア制御における電磁騒音の音圧レベル分布を示す概念図である。

図７を参照して、符号４００は、キャリア周波数ｆ１＝ｆａに固定した場合の音圧レベルの周波数分布が示される。この場合には、中心周波数ｆａに対応した固定周波数の音圧レベルが高くなるため、当該周波数の騒音がユーザに感知されやすくなる。

一方で、符号４１０は、図６に示したようにキャリア周波数ｆ１を下限値ｆ１ｍｉｎから上限値ｆ１ｍａｘの周波数範囲で変動させた場合の音圧レベルの周波数分布である。各キャリア周波数で発生する電磁騒音のレベルが一定であれば、キャリア周波数を変更する周期を短くすることにより（たとえば、Ｔｒ＝２〜１０［ｍｓ］程度）、人間の聴覚には、当該周波数範囲で一様な強度の音として認識される。この結果、符号４１０に示すように、当該周波数領域内で音圧レベルを分散することができるため、騒音の音圧レベルを低減することが可能となる。

このように、一般的には、ランダムキャリア制御によって、インバータによる電動機制御によって発生する電磁騒音を低減することができる。なお、ランダムキャリア制御の実行時には、キャリア周波数の平均値が中心周波数ｆａとなるように、周波数の変動パターンが予め設定される。

図８は、本発明の実施の形態によるランダムキャリア制御を説明する概念図である。
図８を参照して、キャリア周波数制御部３５０は、通常時には、キャリア周波数ｆ１を、周波数ｆａを中心とする所定周波数範囲４２０（ｆ１ｍｉｎ〜ｆ１ｍａｘ）内で周期的あるいはランダムに変更する。

一方、低車速時には、キャリア周波数制御部３５０は、キャリア周波数ｆ１を、周波数ｆａを中心とする所定周波数範囲４３０内で周期的あるいはランダムに変更する。周波数範囲４３０の最小周波数はｆ１ｍｉｎ♯（ｆ１ｍｉｎ♯＜ｆ１ｍｉｎ）であり、最大周波数はｆ１ｍａｘ♯（ｆ１ｍａｘ♯＞ｆ１ｍａｘ）である。

このように、周波数範囲４３０は、周波数範囲４２０よりも広く、かつ、その中心周波数ｆａは周波数範囲４２０と実質的に等しく設定される。好ましくは、周波数範囲４２０および４３０の間で、中心周波数ｆａは共通である。この結果、周波数範囲４３０（低車速時）によってランダムキャリア制御を行なうときのキャリア周波数ｆ１の平均値は、周波数範囲４２０（通常時）によってランダムキャリア制御を行なうときと同等である。

上述のように、ハイブリッド車（電動車両）には複数の機械共振系が存在しており、かつ、それぞれの機械共振系は、その機械的構造（形状、質量、剛性等）に依存した固有の共振周波数を有する。

このため、周波数範囲４２０から周波数範囲４３０に拡大してランダムキャリア制御を行なうことによって、キャリア周波数が、より多数の共振周波数を横切って変動することが期待される。すなわち、当該共振周波数での電磁振動を引き起こすことによって、トータルでの電磁騒音（発生音）の増大が期待できる。この結果、通常時には電磁騒音を軽減するようにランダムキャリア制御を行なう一方で、低車速時には、電磁騒音によって車両作動音が増大するようにランダムキャリア制御を実行することができる。

好ましくは、周波数範囲４２０，４３０は、共振周波数での発生音が大きい、特定の機械振動系の共振周波数ｆｒｍに着目して、周波数範囲４２０が共振周波数ｆｒｍを含まない一方で、周波数範囲４３０が共振周波数ｆｒｍを含むように、予め設定される。これにより、より効果的に、ランダムキャリア制御による低車速時の電磁騒音（発生音）を、通常時よりも大きくすることができる。

なお、この特定の機械振動系については、ハイブリッド車（電動車両）の構成によって異なるが、たとえば、キャリア周波数による電磁力変動によって振動源となる、ＭＧ１，ＭＧ２のロータにおける機械振動系や、振動が伝達されるステータおよびモータケースからなる機械振動系が該当する。すなわち、これらの機械振動系の共振周波数に基づいて、周波数範囲４２０，４３０を決めることができる。

あるいは、複数存在する機械振動系の共振周波数（ｆｒｍを含む）を正確に把握することが困難である点を考慮すれば、実際にランダムキャリア制御を行なった際の作動音の測定結果に基づいて、すなわち実機実験によって、周波数範囲４２０，４３０を決めることも可能である。

また、周波数範囲４３０（低車速時）によってランダムキャリア制御を行なうときのキャリア周波数ｆ１の平均値は、周波数範囲４２０（通常時）によってランダムキャリア制御を行なうときと同等である。したがって、ハイブリッド車（電動車両）の作動音を増大されるためのキャリア周波数制御によって、特許文献２のようにキャリア周波数を固定的に低下させることがないので、電動機効率の低下および燃費の悪化が生じることを回避できる。

なお、以上では、キャリア周波数ｆ１の制御を説明したが、キャリア周波数ｆ２についても、キャリア周波数ｆ１と同様のランダムキャリア制御を適用できる。なお、キャリア周波数ｆ１およびキャリア周波数ｆ２は、同じ周波数であってもよく、異なる周波数であってもよい。また、周波数範囲４２０（通常時）および周波数範囲４３０（低車速時）のそれぞれについても、キャリア周波数ｆ１およびｆ２の間で、同じであってもよく、異なっていてもよい。

図９は、本発明の実施の形態による電動機の制御方法の処理手順を説明する第１のフローチャートである。

図９を参照して、ＥＣＵ１７０は、ステップＳ１００により、インバータ２１０，２２０でのキャリア周波数を決定するためのランダムキャリア制御を行なう。

図１０は、図９のステップＳ１００による制御処理手順の詳細を説明するフローチャートである。

図１０を参照して、ＥＣＵ１７０は、ステップＳ１１０により、ハイブリッド車（電動車両）の車速が所定速度Ｖ１よりも低いかどうかを判定する。車速がＶ１よりも低い低車速時（Ｓ１１０のＹＥＳ判定時）には、ＥＣＵ１２０は、ステップＳ１３０により、周波数範囲４３０（図８）をキャリア周波数の変動幅に設定する。一方で、Ｓ１１０がＮＯ判定となる通常時には、ＥＣＵ１７０は、ステップＳ１３０により、図８の周波数範囲４２０をキャリア周波数の変動幅に設定する。この結果、低車速時には、ランダムキャリア制御による周波数変化範囲が、通常時よりも拡大される。

ＥＣＵ１７０は、ステップＳ１６０では、キャリア周波数の変更周期（図６のＴｒ）が経過したかどうかを判定する。ＥＣＵ１７０は、キャリア変更周期が経過するまでは（Ｓ１６０のＮＯ判定時）、ステップＳ１７０により現在のキャリア周波数を維持するとともに、ステップＳ１８０によりカウンタ値をインクリメントする。そして、カウンタ値が、キャリア変更周期Ｔｒに相当する値に達すると、ＥＣＵ１７０は、ステップＳ１６０をＹＥＳ判定する。

ＥＣＵ１７０は、キャリア変更周期が経過すると（Ｓ１６０のＹＥＳ判定時）、ステップＳ１９０により、ステップＳ１１０〜Ｓ１３０によって決められた周波数範囲４２０または４３０内でキャリア周波数が変動するように、キャリア周波数を変更する。この際にステップＳ１８０でのカウンタ値はクリアされる。

このように、ステップＳ１００（Ｓ１１０〜Ｓ１８０）によって、第１インバータ２１０のキャリア周波数ｆ１および第２インバータ２２０のキャリア周波数ｆ２が決定される。すなわち、ステップＳ１００（Ｓ１１０〜Ｓ１８０）による処理は、図４のキャリア周波数制御部３５０の機能に対応する。

ＥＣＵ１７０は、ステップＳ２００では、ステップＳ１００で決定されたキャリア周波数ｆ１，ｆ２に従って、キャリア信号１６０（１），１６０（２）を発生する。すなわち、ステップＳ２００による処理は、図４のキャリア発生部３６０，３６５の機能に対応する。

ＥＣＵ１７０は、ステップＳ３００では、第１インバータ２１０および第２インバータ２２０の制御指令を演算する。代表的には、制御指令として、インバータ各相の電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが演算される。すなわち、ステップＳ３００による演算は、図４の電動機指令演算部３００，３０５と同様に実行できる。

ＥＣＵ１７０は、ステップＳ４００では、第１インバータ２１０の制御指令とキャリア信号１６０（１）とを比較するＰＷＭ制御によって、第１インバータ２１０のスイッチング素子のオンオフ制御信号を発生する。ステップＳ４００では、さらに、第２インバータ２２０の制御指令とキャリア信号１６０（２）とを比較するＰＷＭ制御によって、第２インバータ２２０のスイッチング素子のオンオフ制御信号が発生される。すなわち、ステップＳ４００による処理は、図４のパルス幅変調部３１０，３１５と同様に実行できる。

ステップＳ１００〜Ｓ４００の処理を所定周期で繰返すことによって、図６，図８のランダムキャリア制御に従ったキャリア周波数を用いて、ＭＧ１，ＭＧ２を制御する第１インバータ２１０および第２インバータ２２０でのＰＷＭ制御を実行できる。

以上説明したように、本発明の実施の形態による電動機制御によれば、車両の発進、停止の際を含む低車速時に、ランダムキャリア制御の周波数範囲を拡大することによって、電磁騒音を大きくできる。これにより、車両外部へ出力される作動音を大きくすることができるので、電動車両の周囲に対する車両接近の報知効果を、低車速時に高めることができる。そして、この際にキャリア周波数の平均値が低下することがないため、特許文献２のように電動機の効率低下により燃費を悪化させることなく、作動音を大きくすることができる。

なお、特許文献２では、ミリ波レーダ、赤外線センサや超音波センサ等の障害物センサによって、歩行者等の障害物を検知したときに限って、電磁騒音を増大するためにキャリア周波数を低下させている。これにより、特許文献２では、キャリア周波数の低下に伴う燃費の悪化を軽減できるものと理解される。これに対して、本発明の実施の形態による電動機制御によれば、電磁騒音（車両作動音）を増大するための制御（ランダムキャリア制御の周波数範囲拡大）によって、燃費が悪化することがない。したがって、当該制御の適用頻度を高めても燃費の悪化が懸念されることがないので、特許文献２のような障害物センサを必要とすることなく、電動車両の周囲に対する車両接近の報知効果を高めることが好ましい低車速時に、電動車両の作動音を大きくすることができる。

なお、エンジン１００を搭載するハイブリッド車では、ステップＳ１１０（図１０）の判定において、エンジン１００の作動／停止をさらに反映してもよい。具体的には、エンジン１００の作動時には、車外への作動音がある程度大きいため、低車速時であっても、Ｓ１１０をＮＯ判定としてもよい。

（変形例）
図１１は、本発明の実施の形態の変形例に従うランダムキャリア制御を説明する概念図である。

図１１を参照して、本発明の実施の形態による変形例では、低車速時におけるランダムキャリア制御は、図８に示したようにキャリア周波数範囲（ｆ１ｍｉｎ♯〜ｆ１ｍａｘ♯）を拡大するとともに、キャリア変更周期Ｔｒ♯を通常時（図６のＴｒ）よりも拡大する。すなわち、ランダムキャリア制御において、固定または変化されるキャリア変更周期Ｔｒ♯（Ｔｒ♯＞Ｔｒ）は、通常時よりも長くなる。

図１２は、本発明の実施の形態の変形例による電動機の制御方法の処理手順を説明するフローチャートである。

本発明の実施の形態の変形例では、図９のステップＳ１００の構成が、図１０から図１２へ変更される。ハイブリッド車の構成および電動機制御のその他の点については、上述のとおりであるので、詳細な説明は繰返さない。

図１２を参照して、ＥＣＵ１７０は、通常時（ステップＳ１１０のＮＯ判定時）には、ステップＳ１２０によりランダムキャリア制御の周波数変化幅を周波数範囲４２０に設定するとともに、キャリア変更周期を通常値Ｔｒに従って設定する。

これに対して、ＥＣＵ１７０は、低車速時（Ｓ１１０のＹＥＳ判定時）には、ステップＳ１３０により、ランダムキャリア制御の周波数変化幅を周波数範囲４３０に拡大するとともに、ステップＳ１５０により、キャリア変更周期を通常時よりも拡大する。すなわち、キャリア変更周期をＴｒからＴｒ♯に拡大する。

そして、ＥＣＵ１７０は、ステップＳ１６０〜Ｓ１７０により、ステップＳ１４０（通常時）あるいはステップＳ１５０（低車速時）によって設定されたキャリア変更周期ＴｒまたはＴｒ♯に従って、キャリア周波数を変動させる。

このように、キャリア周波数の変更周期を長くすることにより、図７に示した、ランダムキャリア制御による電磁騒音の軽減効果が弱められる。この結果、低車速時における電磁騒音をさらに大きくすることによって、車両外部へ出力される作動音をさらに大きくすることができる。

なお、本実施の形態では、本発明による電動機制御が適用される電動車両として図１の構成のハイブリッド車を例示したが、本発明の適用はこのような例に限定されるものではない。すなわち、キャリア周波数制御を伴って制御される駆動系の電動機（モータジェネレータ）が搭載される限り、図１とは異なる駆動系の構成を有するハイブリッド車や、エンジンを搭載しない電気自動車、燃料電池車等の任意の電動車両に対して、本発明を適用可能である。

また、電動機（モータジェネレータ）の個数についても特に限定されることはなく、電動機が１個、あるいは３個以上搭載される電動車両に対して、本発明は適用可能である点について確認的に記載する。

また、本実施の形態では、ＰＷＭ制御される電力変換器としてインバータを例示したが、本発明の適用はこのような場合に限定されるものではない。すなわち、コンバータ等のインバータ以外の電力変換器をＰＷＭ制御する構成にも、本実施の形態によるスイッチング周波数制御を同様に適用することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、電動車両に搭載された電動機に対するキャリア信号用いた制御に適用できる。

１００ エンジン、１１０ モータジェネレータ（ＭＧ１）、１１２，１２２ 中性点、１２０ モータジェネレータ（ＭＧ２）、１３０ 動力分割機構、１４０ 減速機、１５０ バッテリ、１６０（１），１６０（２） キャリア信号、１８０ 電圧センサ、１９０ 駆動輪、２００ コンバータ、２１０ インバータ（ＭＧ１）、２２０ インバータ（ＭＧ２）、２７０，Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ 電圧指令（各相）、２８０ パルス幅変調電圧、３００，３０５ 電動機指令演算部、３１０，３１５ パルス幅変調部、３５０ キャリア周波数制御部、３６０，３６５ キャリア発生部、４２０ 周波数範囲（通常時）、４３０ 周波数範囲（低車速時）、Ｉｍｔ（１），Ｉｍｔ（２） 電動機電流、Ｓ１１〜Ｓ１６，Ｓ２１〜Ｓ２６ 制御信号（インバータ）、Ｔｑｃｏｍ トルク指令値、Ｔｒ キャリア変更周期（通常時）、Ｔｒ♯ キャリア変更周期（低車速時）、Ｖ１ 所定速度、ＶＨ システム電圧、ｆ１，ｆ２ キャリア周波数、ｆａ 中心周波数、ｆｒｍ 共振周波数（特定の機械振動系）。

Claims (6)

1. 電動車両に搭載された電動機（ＭＧ１，ＭＧ２）の制御装置であって、
   少なくとも１つのスイッチング素子を含むように構成された電力変換器（２１０，２２０）から前記電動機に供給される電圧または電流の制御指令（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）を発生するための電動機指令演算部（３００，３０５）と、
   前記電力変換器の制御に用いられるキャリア信号を発生するためのキャリア発生部（３６０，３６５）と、
   前記キャリア発生部が発生する複数のキャリア信号（１６０（１），１６０（２））の周波数を、前記電動車両の車速が所定速度よりも高いときには所定周波数を中心とした第１の周波数範囲（４２０）内で変動させる一方で、前記車速が前記所定速度よりも低いときには前記所定周波数を中心とした第２の周波数範囲（４３０）内で変動させるように制御するためのキャリア周波数制御部（３５０）と、
   前記電動機指令演算部からの前記制御指令と、前記キャリア発生部からの前記キャリア信号との比較に基づいて、前記電力変換器の前記スイッチング素子のオンオフを制御するためのパルス幅変調部（３１０，３１５）とを備え、
   前記電動車両の搭載機器は、前記キャリア信号に起因して生じる電磁振動により振動することによって音を発生する複数の機械振動系を形成し、
   前記第１および前記第２の周波数範囲は、前記第２の周波数範囲内で前記キャリア信号の周波数が変動される際における前記複数の機械振動系からの発生音が、前記第１の周波数範囲内で前記キャリア信号の周波数が変動される際における前記複数の機械振動系からの発生音よりも大きくなるように設定される、電動機の制御装置。
2. 前記キャリア周波数制御部（３５０）は、前記電動車両の車速が所定速度よりも高いときには、第１の変更周期（Ｔｒ）に従って前記第１の周波数範囲内で前記キャリア信号の周波数を変動させる一方で、前記電動車両の車速が所定速度よりも低いときには、第２の変更周期（Ｔｒ♯）に従って前記第２の周波数範囲内で前記キャリア信号の周波数を変動させ、
   前記第２の変更周期は、前記第１の変更周期よりも長い、請求の範囲第１項に記載の電動機の制御装置。
3. 前記第１および前記第２の周波数範囲は、前記複数の機械振動系の少なくともいずれかの共振周波数（ｆｒｍ）が、前記第１の周波数範囲（４２０）の外側であって、かつ、前記第２の周波数範囲（４３０）の内側となるように設定される、請求の範囲第１項または第２項に記載の電動機の制御装置。
4. 電動車両に搭載された電動機（ＭＧ１，ＭＧ２）の制御方法であって、
   少なくとも１つのスイッチング素子を含むように構成された電力変換器（２１０，２２０）の制御に用いられる複数のキャリア信号（１６０（１）、１６０（２））の周波数を制御するステップ（Ｓ１００）と、
   前記制御するステップにより決められたキャリア周波数に従って、前記キャリア信号を発生するステップ（Ｓ２００）と、
   前記電力変換器から前記電動機に供給される電圧または電流の制御指令（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）を発生するためのステップ（Ｓ３００）と、
   前記制御指令と前記キャリア信号との比較に基づいて前記スイッチング素子のオンオフ制御信号を発生するステップ（Ｓ４００）とを備え、
   前記制御するステップ（Ｓ１００）は、
   前記電動車両の車速が所定速度よりも高いときに、所定周波数を中心とした第１の周波数範囲（４２０）内で前記キャリア周波数を変動させるステップ（Ｓ１２０）と、
   前記車速が前記所定速度よりも低いときに、前記所定周波数を中心とした第２の周波数範囲（４３０）内で前記キャリア周波数を変動させるステップ（Ｓ１３０）とを含み、
   前記電動車両には、機械振動によって音源となる機構を有する複数の機器が搭載され、
   前記第１および前記第２の周波数範囲は、前記第２の周波数範囲内で前記キャリア周波数が変動される際における前記複数の機器からの発生音が、前記第１の周波数範囲内で前記キャリア周波数が変動される際における前記複数の機械振動系からの発生音よりも大きくなるように設定される、電動機の制御方法。
5. 前記制御するステップ（Ｓ１００）は、
   前記電動車両の車速が所定速度よりも高いときに、第１の変更周期（Ｔｒ）に従って前記第１の周波数範囲（４２０）内で前記キャリア周波数（ｆ１，ｆ２）を変動させるステップ（Ｓ１４０）と、
   前記車速が前記所定速度よりも低いときに、第２の変更周期（Ｔｒ♯）に従って前記第２の周波数範囲（４３０）内で前記キャリア周波数を変動させるステップ（Ｓ１５０）とを含み、
   前記第２の変更周期は、前記第１の変更周期よりも長い、請求の範囲第４項に記載の電動機の制御方法。
6. 前記第１および前記第２の周波数範囲は、前記複数の機器の少なくともいずれかの共振周波数（ｆｒｍ）が、前記第１の周波数範囲（４２０）の外側であって、かつ、前記第２の周波数範囲（４３０）の内側となるように設定される、請求の範囲第４項または第５項に記載の電動機の制御方法。

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