JP5845115B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータに電力を供給するインバータを、ＰＷＭ信号によってスイッチング制御するモータ制御装置、これを含むモータ制御システム及び電気車システムに関する。

従来より、モータの駆動制御に、インバータが広く用いられている。すなわち、直流電力をインバータの正負母線間に供給し、インバータのスイッチングを制御することで、モータ駆動電流を制御する。そして、インバータによるモータ駆動電流の制御には、インバータのスイッチング素子をＰＷＭ信号によってオンオフするＰＷＭ制御が利用される場合が多い。

このＰＷＭ制御では、三角波キャリアの周波数と、電圧制御指令の周波数が近づいてくると、ビート現象が生じることがある。このため、三角波キャリアの周波数を電圧制御指令の周波数の整数倍として両者を同期させる同期ＰＷＭ制御が提案されている。

特許文献１では、スイッチング周波数の上限を定め、モータの回転周波数が所定値より高くなり、キャリアの周波数と、電圧制御指令の周波数（モータの回転周波数と一対一の関係がある）が近くなった場合に、同期ＰＷＭ制御を行う。そして、同期ＰＷＭ制御におけるパルス数は、スイッチング周波数が上限以下となるように決定される。従って、モータの回転数が高くなるに従って、パルス数が順次少なくなる。

なお、特許文献２には、ＰＷＭ信号を三角波と電圧指令の比較によって作成する場合において、パルス数切り換えタイミングをショックの発生しないタイミング（三角波の谷のタイミング）とすることが提案されている。

また、同期ＰＷＭ制御において、低次高調波を除去する低次高調波消去ＰＷＭ制御については、特許文献２などに記載がある。

特開２００６−２３０１９５号公報 特開２０１０−５１１２９号公報 特開２０１０−２００５３７号公報

特許文献１の同期ＰＷＭ制御のパルス数決定では、モータの回転周波数のみでパルス数を決定している。一方、実際のモータの駆動においては、同じ回転周波数でも、出力トルクが異なる場合もあり、モータ損失や、インバータ損失を考慮した場合に、適切なパルス数といえない場合もある。

本発明に係るモータ制御装置は、モータの回転周波数及びトルク指令に基づきＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段と、前記生成されたＰＷＭ信号をインバータに出力するＰＷＭ信号出力手段と、前記モータの回転周波数及びトルク指令に基づき、前記モータの１電気周期中のパルス数を算出するパルス数算出手段と、を備え、前記パルス数算出手段は、モータの回転周波数及びトルク指令に基づき定まる前記モータの電流歪み率が所定値以下となるようなパルス数を算出し、前記ＰＷＭ信号生成手段は、前記パルス数算出手段で算出されたパルス数に基づき前記ＰＷＭ信号を生成し、前記インバータは、前記ＰＷＭ信号に基づいた駆動電力を前記モータに出力する。

また、前記パルス数は、前記モータの回転周波数及びトルク指令に基づき定まる前記モータの電流歪み率が所定値以下になるパルス数のうち、最少のパルス数であることが好適である。

また、前記パルス数は、前記モータの回転周波数及びトルク指令に基づき定まる前記モータの電流歪み率が所定値以下になる複数の選択可能なパルス数のうち、最も小さなパルス数であることが好適である。

また、前記パルス数算出手段は、モータの回転周波数及びトルク指令に基づき算出された変調率に基づきパルス数を算出し、前記ＰＷＭ信号生成手段は、前記パルス数および前記変調率に基づき前記ＰＷＭ信号を生成することが好適である。

また、前記パルス数算出手段は、テーブルを用いて前記パルス数を算出することが好適である。

また、前記モータの回転周波数及びトルク指令に基づき電圧指令を生成する電圧指令生成手段、を備え、前記ＰＷＭ信号生成手段は、前記電圧指令と同期した前記ＰＷＭ信号を生成することが好適である。

また、本発明に係るモータ制御システムは、上述したモータ制御装置と、前記モータと、前記インバータと、を備える。

また、前記モータは三相モータであり、前記インバータは、三相のモータ駆動電力を前記モータに出力し、前記ＰＷＭ信号生成手段は、低次高調波消去ＰＷＭ制御を行うとともに、前記インバータの三相のスイッチング状態が変化しないタイミングで前記パルス数を切り換えることが好適である。

また、本発明に係る電気車システムは、上述したモータ制御システムを備える。

本発明によれば、パルス数をモータの回転周波数及びトルク指令から決定する。従って、高調波によるモータ損失を考慮して、適切なパルス数を設定することができる。

また、前記インバータの三相のスイッチング状態が変化しないタイミングで前記パルス数を切り換えることで、パルス数切り換えによる影響を小さくできる。

第１実施形態の構成を示すブロックである。 パルス数と電流歪み率の関係を示す図である。 変調率と、パルス数の関係を回転周波数−トルクマップ上で示す図である。 従来のパル数決定を示す図である。 パルス数決定方法を示す図である。 パルス数決定のフローチャートである。 第２実施形態の構成を示すブロック図である。 回転周波数とトルク指令でパルス数を決定することを示す図である。 ３パルスの波形及び変調率と切り換えタイミングの関係を示す図である。 ５〜９パルスの波形及び変調率と切り換えタイミングの関係を示す図である。 １１〜１９パルスの波形及び変調率と切り換えタイミングの関係を示す図である。 ３パルスと５パルスのパルス数切り換え時の波形を示す図である。 ５パルスと７パルスのパルス数切り換え時の波形を示す図である。 ９パルスと１１パルスのパルス数切り換え時の波形を示す図である。 １１パルスと１５パルスのパルス数切り換え時の波形を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

＜第１実施形態の装置構成＞
図１は、実施形態に係るモータ制御装置を含むモータ制御システムの構成を示すブロック図である。このモータ制御システムは、電気車に搭載され、モータ１０が電気車の駆動に用いられる。この例において、駆動対象となるモータ１０は、三相の交流モータであり、そのロータの回転位相（位相角）がレゾルバや、ホール素子などの回転検出器１２によって検出される。

モータの出力トルクについての目標値であるトルク指令と、回転検出器１２によって検出された回転位置が電圧指令生成部１４に供給される。電圧指令生成部１４では、トルク指令と回転位置から得た回転周波数（回転角速度ω／２π）に基づいて、電圧指令ｖｄ，ｖｑを生成する。この電圧指令ｖｄ，ｖｑは、ベクトル制御における励磁電圧指令ｖｄ，トルク電圧指令ｖｑである。なお、モータはポール数によって、電気周波数と機械周波数が異なる。そこで、本明細書においては、機械的な周波数は無視し、回転周波数は、電気周波数（モータ電流（電圧）の周波数）、周期は電気周期（モータ電流（電圧）の周期）をいう。

なお、通常の場合、モータ１０の三相のモータ電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを検出し、これを回転位相を参照してｄ，ｑ軸電流ｉｄ，ｉｑに変換して実際の電流値を得、これをトルク指令から計算した目標ｄ，ｑ軸電流ｉｄ＊，ｉｑ＊と比較して、ＰＩ制御による電圧指令ｖｄ，ｖｑを生成する。また、目標ｄ，ｑ軸電流ｉｄ＊，ｉｑ＊と、回転角速度ωから、電圧指令ｖｄ，ｖｑの計算は、次式によって行われる。

ここで、Ｒは抵抗、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Φはモータコイルに鎖交する磁束の大きさである。また、トルク指令をτとすると、τ＝Φｉｑ＊＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ＊・ｉｑ＊の関係があり、通常はモータの効率を最大にするようにｉｄ＊，ｉｑ＊を決定する。また、温度変化による抵抗値変化、デッドタイムによる電圧誤差等は除いてある。

このように、回転位相から回転角速度ωを求め、トルク指令からｉｄ＊，ｉｑ＊を求めることで、電圧指令ｖｄ，ｖｑが算出される。

また、この電圧指令生成部１４には、インバータの入力電圧（正負母線間電圧）ＶＨも供給されており、電圧指令の振幅をＶＨで除算することで変調率を計算する（下式）。

このように、電圧指令生成部１４では、電圧指令ｖｄ，ｖｑと、変調率を計算し、これをＰＷＭ信号生成部１６に供給するが、変調率をパルス数生成部１８に供給する。このパルス数生成部１８では、供給される変調率に基づいて非同期ＰＷＭ制御とするか、同期ＰＷＭ制御とするか、及び同期ＰＷＭ制御の際のパルス数を決定し、これをＰＷＭ信号生成部１６に供給する。なお、このパルス数生成部１８によるパルス数の生成については、後述する。

電圧指令生成部１４からの電圧指令ｖｄ，ｖｑと、変調率と、パルス数生成部１８からのパルス数（非同期ＰＷＭについての指令も含む）は、ＰＷＭ信号生成部１６に供給される。なお、ＰＷＭ信号生成部１６には、回転位置の信号も供給されている。そこで、ＰＷＭ信号生成部１６では、モータ１０を駆動するためにインバータ２０の各スイッチング素子をオンオフするＰＷＭ信号を生成する。

すなわち、回転位置を参照して電圧指令ｖｄ,ｖｑについて、ｄｑ軸→３相変換するとともに、変調率に基づきＰＷＭ波形を決定し、さらにパルス数により同期ＰＷＭ制御の際のパルス数を決定して、各スイッチング素子をオンオフするＰＷＭ信号を生成する。

ここで、このＰＷＭ信号生成部１６においては、三角波と電圧指令の比較に基づきＰＷＭ信号を発生するのではなく、低次高調波消去ＰＷＭによりＰＷＭ信号を生成する。この低次高調波消去ＰＷＭ制御では、各パルス数の低次高調波を消去できるＰＷＭ波形を予め記憶しておき、このＰＷＭ波形を用いて同期ＰＷＭ制御が行われる。

すなわち、ＰＷＭ信号生成部１６では、同期ＰＷＭ制御を行う場合に、供給されてくるパルス数に応じて、ＰＷＭ信号の波形を決定し、変調率に応じてその波形のデューティー比を変更する。これによって、低次高調波を消去できるとともに、所期のモータの同期ＰＷＭ制御を行うことができる。

インバータ２０は、正負母線間に２つのスイッチング素子の直列接続からなるレグを３本有し、これらレグの中点を三相のモータ１０の各相コイル端に接続している。そして、６つのスイッチング素子をＰＷＭ信号生成部１６からのＰＷＭ信号でそれぞれスイッチング制御することで、モータ１０の３相のコイルに三相のモータ駆動電流を供給する。

なお、インバータ２０の正負母線間には、バッテリなどの直流電源から電圧ＶＨの直流電力が供給される。

このようにして、インバータ２０のスイッチングを制御することで、モータ１０にトルク指令に応じた駆動電流を供給して、モータ１０の駆動を制御することが可能となる。

例えば、電気自動車や、ハイブリッド自動車などでは、アクセルの踏み込み量などからトルク指令が決定され、これに応じて走行用モータの駆動が制御される。

＜パルス数の生成＞
ここで、パルス数生成部１８におけるパルス数の生成について説明する。図２には、変調率と、電流歪み率の関係を示してある。電流歪み率は、モータ電流をＦＦＴ（高速フーリエ変換）解析して得た周波数成分について、電流歪み率＝（高周波成分／基本波）で計算したものである。このように、パルス数が多いほど電流歪み率が小さくなる。このような関係は、モータの構成とＰＷＭ制御におけるパルス波形を決定することで計算ができる。

そして、電流歪み率について、モータ１０の駆動において許容される上限である、閾値を設定し、その中でなるべくパルス数が小さくなるようにしてパルス数を決定する。このようにして、パルス数が少ないことで、スイッチング損失を低くし、電流歪み率が小さいことでモータ損失を小さくできる。

図２の例において、各パルス数の電流歪み率が閾値と交わる点の変調率は、おおむね次のようになっている。３パルス：０．６、５パルス：０．５３、７パルス：０．４１、１１パルス：０．３、１５パルス：０．２４。従って、変調率に応じて、パルス数を次のように決定することで、電流歪み率を閾値以下に維持しつつ、パルス数をなるべく少なくすることが可能となる。なお、変調率は０．７８が上限であり、それ以上は１パルスの矩形波制御となる。そこで、変調率０．７８〜０．６（ａ１）以上：３パルス、０．６（ａ１）〜０．５３（ａ２）：５パルス、０．５３（ａ２）〜０．４１（ａ３）：７パルス、０．４１（ａ４）〜０．３（ａ５）：１１パルス、０．３（ａ５）〜０．２４（ａ６）：１５パルスとなる。

この変調率とパルス数の関係を、モータ回転周波数と、モータ出力トルク（トルク指令）の関係とともに図３に示す。図において、１ｐ〜１９ｐは、パルス数を示す。

このように、本実施形態では、変調率によりパルス数を決定するため、単に回転周波数Ｎによってパルス数が決定されるのではなく、出力トルクによってもパルス数が変化する。すなわち、出力トルク及び回転周波数によって変調率が決定され、そのときのパルス数が決定される。図３からわかるように、同じ回転周波数であっても出力トルクが大きくなるとパルス数が少なくなり、これによって電流歪み率を所定値以下に抑制しつつパルス数を少なくすることができる。

なお、図４には、従来の回転周波数に応じたパルス数の決定方法を示している。このように、基本的に回転周波数のみにより、パルス数を決定し、その時の出力トルクにはよらない。従って、電流歪み率が大きくなり、モータ損失が大きくなる場合が生じる。

パルス数生成部１８では、変調率とパルス数の関係をテーブルとして持っておいたり、判定処理を行うなどの方法で、電圧指令生成部１４から供給される変調率に対し、パルス数を決定することができる。

図５には、パルス数生成部１８におけるパルス数の決定法を示してある。この例では、パルス数の変更にヒステリシスを持たせている。すなわち、変調率の切り換えポイントａｎ（ｎは添え字ナンバー）に対し、若干小さな値ａ１ｎをそれぞれ設定しておき、変調率が下がってパルス数を増加する場合には、ａ１ｎを用い、変調率が上がってパルス数を減少する場合には、ａｎを用いる。これによって、パルス数の制御を安定することができる。

図６には、図５のパルス数決定方法を実行するフローチャートを示す。このように、変調率Ａの値によって、パルス数Ｓを決定することができる。

＜第２実施形態の構成＞
図７には、第２実施形態の構成を示してある。この例では、パルス数生成部１８には、回転検出器１２によって検出された回転位置から得られた回転周波数と、トルク指令が供給される。

パルス数生成部１８では、供給される回転周波数、トルク指令からパルス数を決定する。上述したように、トルク指令、回転周波数と変調率には一定の関係があり、変調率を用いなくても、同様のパルス数の決定が行える。例えば、図８に示すような回転周波数と出力トルク（トルク指令）に応じてパルス数が決定されるように２入力に対しパルス数を出力するテーブル１８ａを用意しておき、パルス数を決定するとよい。

これによっても、同様の効果が得られる。

＜パルス数切り換えタイミング＞
図９〜図１１に各パルス数の波形と、変調率に対するパルスの変化タイミングを示してある。

図９には、３パルスの場合を示してある。図９の左図に示されるように、３６０度に３つのパルスがあり、１８０度ずつで正負が反対の形になっている。全ての波形において、０〜９０度と９０度〜１８０度は９０度を境に対称である。そこで、パルスの状態が変化するタイミング（スイッチングのタイミング）は、０〜９０度を考えればよい。

３パルスの場合、変調率に従って図９の右図に示されるように、スイッチングのタイミングが変化する。すなわち、スイッチングタイミングは変調率０の場合には６０度、変調率０．７８で９０度となる。３パルスは変調率が大きい場合に利用されるものであり、例えば０度の切り換えタイミングを設定しておけば、これと１２０度ずつずれた他の相（１２０，２４０度）においてもスイッチングタイミングと重なることはない。

図１０には、５〜９パルスの場合を示してある。この場合、変調度は０．５以下程度を考慮すればよいので、４５度（１６５，２８５度）に設定すればよい。さらに、１１〜１９パルスにおいては、図１１に示すように、０（１２０，２４０）度に設定しておけばよい。

このように、変調率とパルス波形の関係を考慮しておくことで、パルス数の切り換えタイミングを各相のスイッチングタイミングと重ならないようにすることが可能となる。

図１２〜図１５には、パルス切り換えタイミングと、その際の各相スイッチング波形、モータ電流のｄ軸、ｑ軸電流波形を示す。このように、図９に示したタイミングでパルス数を変更することで、モータ電流に大きな変化を起こさずにパルス数を変更できることが理解される。

１０ モータ、１２ 回転検出器、１４ 電圧指令生成部、１６ ＰＷＭ信号生成部、１８ パルス数生成部、２０ インバータ。

Claims (9)

1. モータの回転周波数及びトルク指令に基づきＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段と、
   前記生成されたＰＷＭ信号をインバータに出力するＰＷＭ信号出力手段と、
   前記モータの回転周波数及びトルク指令に基づき、前記モータの１電気周期中のパルス数を算出するパルス数算出手段と、
   を備え、
   前記パルス数算出手段は、モータの回転周波数及びトルク指令に基づき定まる前記モータの電流歪み率が所定値以下となるようなパルス数を算出し、
   前記ＰＷＭ信号生成手段は、前記パルス数算出手段で算出されたパルス数に基づき前記ＰＷＭ信号を生成し、
   前記インバータは、前記ＰＷＭ信号に基づいた駆動電力を前記モータに出力する、
   モータ制御装置。
2. 前記パルス数は、前記モータの回転周波数及びトルク指令に基づき定まる前記モータの電流歪み率が所定値以下になるパルス数のうち、最少のパルス数である請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記パルス数は、前記モータの回転周波数及びトルク指令に基づき定まる前記モータの電流歪み率が所定値以下になる複数の選択可能なパルス数のうち、最も小さなパルス数である請求項１に記載のモータ制御装置。
4. 前記パルス数算出手段は、モータの回転周波数及びトルク指令に基づき算出された変調率に基づきパルス数を算出し、
   前記ＰＷＭ信号生成手段は、前記パルス数および前記変調率に基づき前記ＰＷＭ信号を生成する、
   請求項１乃至３のいずれかに記載のモータ制御装置。
5. 前記パルス数算出手段は、テーブルを用いて前記パルス数を算出する請求項１乃至４のいずれかに記載のモータ制御装置。
6. 前記モータの回転周波数及びトルク指令に基づき電圧指令を生成する電圧指令生成手段、
   を備え、
   前記ＰＷＭ信号生成手段は、前記電圧指令と同期した前記ＰＷＭ信号を生成する、
   請求項１乃至５のいずれか記載のモータ制御装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか記載のモータ制御装置と、
   前記モータと、
   前記インバータと、
   を備える、
   モータ制御システム。
8. 前記モータは三相モータであり、
   前記インバータは、三相のモータ駆動電力を前記モータに出力し、
   前記ＰＷＭ信号生成手段は、低次高調波消去ＰＷＭ制御を行うとともに、前記インバータの三相のスイッチング状態が変化しないタイミングで前記パルス数を切り換える、
   請求項７記載のモータ制御システム。
9. 請求項７または８記載のモータ制御システムを備える電気車システム。