JP7158573B2 - 電力変換装置およびそれを備えた電動車両システム - Google Patents

電力変換装置およびそれを備えた電動車両システム Download PDF

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Description

本発明は、電力変換装置およびそれを備えた電動車両システムに関する。
交流電動機に用いられる電力変換装置において、制御に用いるセンサ信号値の誤差や、インバータの出力電圧誤差などにより、電動機を流れる相電流に基本波周波数より遅い低周波成分が重畳する電流ビート現象が発生する。この現象は、電動機の出力トルクの脈動や効率の悪化の原因となる。
また、相電流が電流ビートによりオフセットされることで、相電流の振幅値より大きな電流が流れる。通常、インバータには過電流保護機能が実装されているため、電流ビートにより過電流保護が働き、インバータが停止してしまう問題もある。
特に、電動機に流れる電流の基本波周波数に対してインバータのスイッチング周波数が十分に高くない場合、インバータの正側出力と負側出力で電圧差が生じ、電流ビートが発生する。
高回転型の電動機を駆動する場合、電動機に流れる電流の基本波周波数が高く、電動機のインピーダンスが小さいため大きな電流ビートが発生する。
電流ビートに対する対策として、下記のような方法が提案されている。
特許文献１には、電流ビートの抑制装置として、ｄ－ｑ軸上での脈動成分をハイパスフィルタ（ＨＰＦ）で抽出し、それらを三相変換することで、三相各相の電流ビート成分を計算し、計算した電流ビート成分に対して比例積分演算（ＰＩ補償）を行うことによって三相電圧指令を補償する方法が記載されている。
特許文献２には、三相電流の実際値からｄ－ｑ軸電流指令値を三相変換した値を減算することで、電流ビート成分を抽出し、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）を用いて、電流ビート成分を振幅と位相に変換して電流ビートを抑制する方法が記載されている。
特許文献３には、回転座標系での脈動成分をハイパスフィルタ（ＨＰＦ）で抽出し、それらを三相変換することで、三相各相の電流ビート成分を計算し、電流ビート成分に対して比例演算（Ｐ補償）を行うことによって三相電圧指令を補償する方法が記載されている。
特許文献４には、インバータの直流電圧を電圧センサで検出し、検出した電圧信号からリプル周波数を演算し、そのリプル周波数成分のみを増幅する制御器を用いて、ｄ－ｑ軸電圧指令値を補償する方法が記載されている。
特開２０１０－０６３３３５号公報
特開２０１７－０１７８１７号公報
特開２００４－１０４８９８号公報
特開２０１８－１１３７７０号公報
しかしながら、特許文献１に記載の方式では、電流ビート成分の抽出にＨＰＦを使用することや、ＰＩ補償器を使用するため、ＨＰＦのカットオフ周波数やＰＩ補償器のゲインの適合作業が必要となる。これは、電力変換装置の開発工数増加の要因となっていた。また、電流ビートが発生しにくい低回転域で、想定している電流ビート成分の周波数と基本波周波数がほぼ等しい場合には、基本波成分を電流ビート成分として検出する可能性がある。この場合、電流ビート成分に対する補償動作を停止する必要があり、電動機のトルク制御に不可欠な電流制御系の動作に影響を与える可能性があった。
また、特許文献２に記載の方式では、ＰＬＬを用いて、電流ビート成分を振幅と位相に変換している。この方式では、電流ビート成分の周波数が未知の場合、応答が遅いという課題がある。
また、特許文献３に記載の方式では、Ｐ補償器を使用するため、原理的に電流ビート成分を完全に抑制することはできない。
さらに、特許文献４に記載の方式では、インバータの直流電圧の脈動による電流ビート現象を抑制することは可能であるが、それ以外の要因で発生する電流ビート現象については抑制することができない。
本発明の目的は、適合作業が不要であり、電動機がどのような運転状態にあっても電流ビートを抑制することが可能な電力変換装置およびそれを備えた電動車両システムを実現することである。
上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。
電力変換装置において、直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記インバータの出力電流の電流ビート成分を抑制するビート補償部と、三相電圧指令値を生成する三相電圧指令値生成部と、前記インバータを駆動する駆動信号を生成する制御信号生成部と、を備え、前記ビート補償部は、前記インバータの出力電流のビート成分を演算するビート抽出部と、前記ビート抽出部から出力される電流ビート成分から外乱推定電圧を演算する電動機逆モデル部、および前記電動機逆モデル部から出力される外乱推定電圧のノイズを除去するローパスフィルタを含み、前記ビート抽出部が演算したビート成分からビート補償電圧を推定するビート補償電圧演算部と、を有するビート補償電圧を出力するビート抑制制御部と、前記ビート抑制制御部から出力される前記ビート補償電圧を、前記三相電圧指令値生成部から出力される三相電圧指令値から減算し、前記制御信号生成部に出力するビート補償量減算部と、を有し、前記ビート補償電圧演算部が推定したビート補償電圧に基づいて、前記インバータの出力電流の電流ビート成分を抑制する。
また、電力変換装置において、直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記インバータの出力電流の電流ビート成分を抑制するビート補償部と、電動機の角速度を演算する速度演算部と、前記速度演算部が演算した前記角速度に応じて前記ビート補償部によるビート成分の抑制動作を停止させる出力調整部と、を備え、前記ビート補償部は、前記インバータの出力電流のビート成分を演算するビート抽出部と、前記ビート抽出部が演算したビート成分からビート補償電圧を推定するビート補償電圧演算部と、を有し、前記出力調整部は、前記角速度が、第１角速度以下の場合と、第４角速度以上の場合は前記ビート成分抑制動作を停止させ、前記角速度が、前記第１角速度を越え、第２角速度以下の場合、前記第１角速度から前記第２角速度まで、前記ビート成分抑制動作を傾斜して増加させ、第３角速度を越え、前記第４角速度以下の場合、前記第３角速度から前記第４の角速度まで、前記ビート成分抑制動作を傾斜して減少させ、前記ビート補償電圧演算部が推定したビート補償電圧に基づいて、前記インバータの出力電流の電流ビート成分を抑制する。
電動車両システムにおいて、車両を駆動する電動機と、前記電動機を制御する電動機制御装置と、を備え、前記電動機制御装置は、電力変換装置を有し、前記電力変換装置は、直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記インバータの出力電流の電流ビート成分を抑制するビート補償部と、三相電圧指令値を生成する三相電圧指令値生成部と、前記インバータを駆動する駆動信号を生成する制御信号生成部と、を備え、前記ビート補償部は、前記インバータの出力電流のビート成分を演算するビート抽出部と、前記ビート抽出部から出力される電流ビート成分から外乱推定電圧を演算する電動機逆モデル部、および前記電動機逆モデル部から出力される外乱推定電圧のノイズを除去するローパスフィルタを含み、前記ビート抽出部が演算したビート成分からビート補償電圧を推定するビート補償電圧演算部と、を有するビート補償電圧を出力するビート抑制制御部と、前記ビート抑制制御部から出力される前記ビート補償電圧を、前記三相電圧指令値生成部から出力される三相電圧指令値から減算し、前記制御信号生成部に出力するビート補償量減算部と、を有し、前記ビート補償電圧演算部が推定したビート補償電圧に基づいて、記インバータの出力電流の電流ビート成分を抑制する。
また、電動車両システムにおいて、車両を駆動する電動機と、前記電動機を制御する電動機制御装置と、を備え、前記電動機制御装置は、電力変換装置を有し、前記電力変換装置は、直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、前記インバータの出力電流の電流ビート成分を抑制するビート補償部と、電動機の角速度を演算する速度演算部と、前記速度演算部が演算した前記角速度に応じて前記ビート補償部によるビート成分の抑制動作を停止させる出力調整部と、を備え、前記ビート補償部は、前記インバータの出力電流のビート成分を演算するビート抽出部と、前記ビート抽出部が演算したビート成分からビート補償電圧を推定するビート補償電圧演算部と、を有し、前記出力調整部は、前記角速度が、第１角速度以下の場合と、第４角速度以上の場合は前記ビート成分抑制動作を停止させ、前記角速度が、前記第１角速度を越え、第２角速度以下の場合、前記第１角速度から前記第２角速度まで、前記ビート成分抑制動作を傾斜して増加させ、第３角速度を越え、前記第４角速度以下の場合、前記第３角速度から前記第４の角速度まで、前記ビート成分抑制動作を傾斜して減少させ、前記ビート補償電圧演算部が推定したビート補償電圧に基づいて、前記インバータの出力電流の電流ビート成分を抑制する。

本発明によれば、適合作業が不要であり、電動機がどのような運転状態にあっても電流ビートを抑制することが可能な電力変換装置およびそれを備えた電動車両システムを実現することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
実施例１の電力変換装置の概略回路構成を示す図である。 実施例１のコントローラの処理を説明する処理ブロック図である。 インバータの正側出力と負側出力との電圧差により電流ビートが発生した際の三相電流波形（実験波形）を示す図である。 実施例１によるビート抑制制御部の処理内容を示す内部ブロック図である。 実施例２によるビート抑制制御部の処理内容を示す内部ブロック図である。 実施例２における出力調整処理部の処理を説明するグラフである。 実施例３による電動車両システムの概略構成図である。
以下、本発明の実施形態を、添付図面を参照して説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。
（実施例１）
図１は、本発明による実施例１の電力変換装置の概略回路構成を示す図である。
図１において、電動機２の電力変換装置は、主にインバータ１、バッテリ３、コントローラ４などから構成される。
インバータ１は三相電圧形２レベルインバータである。
電動機２は、後述する電動車両システムの駆動機構と接続されており、電動機２が回転することにより車両を推進させる。本実施例１の電動機２は交流電動機であり、三相埋込磁石形同期電動機（ＩＰＭＳＭ）である。電動機２は図示しない回転子に設けられた永久磁石から発生する磁束と、電機子に固定された三相巻線５、６、７に流れる電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗにより発生する磁界との相互作用により動作する。ｉｕ、ｉｖ、ｉｗはそれぞれＵ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流である。
電動機２は磁極位置センサ８を備える。磁極位置センサ８は電動機２の回転子の磁極位置を回転角度として検出する機能を有する。磁極位置センサ８は磁極位置信号９（θ）を出力し、コントローラ４に入力される。磁極位置信号９（θ）についてのコントローラ４における処理は図２を用いて後述する。
電流センサ１０は巻線５、６、７を流れる電流を検出し、それに基づいてＵ相電流センサ信号１１（電流ｉｕを示す信号）、Ｖ相電流センサ信号１２（電流ｉｖを示す信号）、Ｗ相電流センサ信号１３（電流ｉｗを示す信号）を出力し、コントローラ４に入力する。
電流センサ信号１１、１２、１３のコントローラ４における処理も図２を用いて後述する。
インバータ１は、スイッチング素子１４、１５、１６、１７、１８、１９と還流ダイオード２０、２１、２２、２３、２４、２５を含む。本実施例１のスイッチング素子１４～１９は、Ｓｉ－ＩＧＢＴであり、ゲート端子、コレクタ端子、エミッタ端子を含む。還流ダイオード２０～２５はスイッチング素子１４～１９のそれぞれのコレクタ端子とエミッタ端子の間に接続される。
還流ダイオード２０～２５はスイッチング素子１４～１９のコレクタ端子がエミッタ端子より高電位となる場合、還流ダイオード２０～２５を通じて電流を流し、スイッチング素子１４～１９に高い逆電圧がかかることを防止する。スイッチング素子１４～１９のオンとオフの切替えは、それぞれのスイッチング素子１４～１９のゲート端子に接続されるゲートドライブ信号２６、２７、２８、２９、３０、３１によって行われる。
それぞれのゲートドライブ信号２６～３１の元になる６本から成るゲート信号３２はコントローラ４により生成されゲートドライブ回路３５に出力される。ゲートドライブ回路３５は、ゲート信号３２をスイッチング素子１４、１５、１６、１７、１８、１９のオンとオフの切り替えに必要な電位に変換してゲートドライブ信号２６、２７、２８、２９、３０、３１を出力する。コントローラ４におけるゲート信号３２の生成は図２を用いて後述する。
スイッチング素子１４のエミッタ端子とスイッチング素子１５のコレクタ端子は互いに接続され、その接続点は巻線５に接続され電流ｉｕを流す。スイッチング素子１６のエミッタ端子とスイッチング素子１７のコレクタ端子は互いに接続され、その接続点は巻線６に接続され電流ｉｖを流す。スイッチング素子１８のエミッタ端子とスイッチング素子１９のコレクタ端子は互いに接続され、その接続点は巻線７に接続され電流ｉｗを流す。スイッチング素子１４、１６、１８のコレクタ端子は互いに接続されて高電位ＤＣ配線３３に接続される。また、スイッチング素子１５、１７、１９のエミッタ端子は互いに接続されて低電位ＤＣ配線３４に接続される。
これによりコントローラ４は、生成したゲート信号３２をもとにスイッチング素子１４、１５、１６、１７、１８、１９のオンとオフを適切なタイミングで行い、巻線５、６、７に流れる電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを制御し電動機２の回転制御を実現する。ゲート信号３２は電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが互いに１２０度位相の異なる正弦波状の信号になるようＰＷＭ（パルス幅変調)信号の形態を成す。
電圧センサ３６は高電位ＤＣ配線３３と低電位ＤＣ配線３４に接続され、これらの電位差を検出する。高電位ＤＣ配線３３と低電位ＤＣ配線３４の電位差は通常例えば１００Ｖ以上の高電圧であるため、電圧センサ３６はコントローラ４が検出可能な低電圧に変換したＤＣ電圧センサ信号３７（Ｖｄｃ）を生成しコントローラ４に入力する。
インバータ１に含まれる平滑コンデンサ３８は高電位ＤＣ配線３３と低電位ＤＣ配線３４の間に接続される。平滑コンデンサ３８は、スイッチング素子１４～１９のスイッチング動作により発生するＤＣ電圧の脈動を抑制する働きがある。
バッテリ３は、バッテリ３の高電位側の端子と高電位ＤＣ配線３３とが接続され、バッテリ３の低電位側の端子と低電位ＤＣ配線３４とが接続される。これにより、インバータ１や電動機２に電力を供給する直流電源として働く。
コントローラ４には、例えばＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）などの車両の上位コントローラから与えられるトルク指令３９（Ｔ＊）が入力される。このトルク指令３９（Ｔ＊）をもとにコントローラ４は電動機２のトルク制御を行う。
図２は、本発明に係る実施例１のコントローラ４の処理を説明する処理ブロック図である。
図２において、コントローラ４の処理ブロックは、電流指令演算部４０、三相二相変換部４１、電流制御部４２、二相三相変換部４３、速度演算部４４、ＰＷＭゲート制御信号生成部（制御信号生成部）４５、ビート抑制制御部４６、偏差算出器４７、偏差算出器４８を含む。電流指令演算部４０、三相二相変換部４１、電流制御部４２、二相三相変換部４３、偏差算出器４７及び偏差算出器４８により、三相電圧指令値生成部が形成される。
コントローラ４は、電動機２に三相の電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを流して回転制御を行うが、コントローラ４の内部では三相の固定座標からｄ軸とｑ軸で表される二相の回転座標に変換した座標系にて処理する、いわゆる電流ベクトル制御方式の手法が用いられる。
電流指令演算部４０は、ｄ軸電流指令値iｄ＊及びｑ軸電流指令値iｑ＊を算出する。電流指令演算部４０にはトルク指令３９（Ｔ＊）と、回転角速度ωと、ＤＣ電圧センサ信号３７（Ｖｄｃ）とが入力され、これら入力からｄ軸電流指令値iｄ＊及びｑ軸電流指令値iｑ＊が演算される。回転角速度ωは磁極位置信号９（θ）をもとに速度演算部４４で演算される。
ＩＰＭＳＭなどの磁気突極性を有する同期電動機ではトルクＴは次式（１）のようにあらわされ、電流に依存する。
Ｔ＝Ｐｐ・｛Φ＋（Ｌｄ－Ｌｑ）iｄ｝・iｑ ・・・（１）
ただし、式（１）において、ｉｄはｄ軸電流、ｉｑはｑ軸電流、Ｐｐは極対数、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Φは磁石磁束である。
磁極位置信号９（θ）は三相二相変換部４１と二相三相変換部４３に入力され、ｄ軸ｑ軸の二相座標と三相座標との間の変換に使用される。
三相二相変換部４１は、電流センサ信号１１（ｉｕ）、１２（ｉｖ）１３（ｉｗ）について、磁極位置信号９（θ）の情報をもとにｄ軸及びｑ軸への座標変換を行い、ｄ軸検出電流ｉｄとｑ軸検出電流ｉｑを出力する。
偏差算出器４７は、電流指令演算部４０から出力されるｄ軸電流指令値ｉｄ＊と三相二相変換部４１から出力されるｄ軸検知電流ｉｄとの偏差を演算し、ｄ軸電流偏差Δｉｄを電流制御部４２に出力する。
偏差算出器４８は、電流指令演算部４０から出力されるｑ軸電流指令値ｉｑ＊と三相二相変換部４１から出力されるｑ軸検知電流ｉｑの偏差を演算し、ｑ軸電流偏差Δｉｑを電流制御部４２に出力する。
電流制御部４２は、目標値である指令値と出力値である測定値との偏差を示すｄ軸差分電流Δｉｄとｑ軸電流偏差Δｉｑとがゼロになるようにフィードバック制御を行い、出力値を更新するために電圧指令であるｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を演算し出力する。電流制御部４２におけるフィードバック制御は例えばＰＩ制御で行われる。
電流制御部４２から出力されるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊は、二相三相変換部４３に入力され、磁極位置信号９（θ）をもとに三相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算し出力する。
ビート抑制制御部４６とビート補償量減算部４９が本発明に関係する処理であり、通常の電流ベクトル制御では用いられない。
したがって、通常の電流ベクトル制御では、ＰＷＭゲート制御信号生成部４５には二相三相変換部４３の出力である三相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊が何ら処理されることなく入力される。
そして、通常の電流ベクトル制御では、ＰＷＭゲート制御信号生成部（制御信号生成部）４５は、三相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊と図示しないキャリア搬送波との比較により、ＰＷＭ信号である６本のゲート信号３２を生成しゲートドライブ回路３５に出力する。
本実施例１ではインバータ１のスイッチング周波数は電動機２の速度（周波数）に応じて連続的に変化しない、いわゆる非同期ＰＷＭを採用する。したがって、キャリア搬送波の周波数（キャリア周波数）も速度に応じて連続的には変化しない。
以上がコントローラ４の通常の制御処理である。
次に、本発明における課題である、電流ビート現象の発生原理について整理する。
電流ビートが発生する要因としては、下記のものが挙げられる。
（１）インバータの入力直流電圧の脈動によるもの。
（２）電流ベクトル制御に用いる電流検出値の誤差や磁極位置信号・推定値の誤差、電動機の電気的・機械的構造によるもの。
（３）インバータの正側出力と負側出力との電圧差によるもの。
（１）については、主に交流の電力系統に接続されたシステムで発生しやすく、系統電力を整流器によって直流に整流した際の電力脈動が、インバータの交流電流のビートを引き起こす現象である。電流ビートの周波数は直流電圧の脈動周波数とインバータの基本波周波数との関係により一意に求まる。特許文献２、特許文献３、特許文献４に記載の技術は、この現象を対象としている。
（２）については、インバータの変調率が大きい、特に過変調領域や矩形波駆動領域において、高速な電流ベクトル制御が行えない場合に発生すると特許文献１に記載がある。
（１）に記載の現象とは異なり、電流ビートの周波数を解析的に求めることができない。
特許文献１は、この現象を対象としている。
本発明は（３）による電流ビート現象を対象としている。（３）はキャリア周波数が基本波周波数に対して十分ではないときに発生する。特に非同期ＰＷＭかつ、電圧指令値の更新タイミングをキャリア周期毎に行うシステムでは顕著に発生する。（２）の現象と同様に、電流ビートの周波数を解析的に求めることができない。
次に、本発明の実施例１に係るビート抑制処理と制御系の構成を説明する。
上述したように、コントローラ４にビート抑制制御部４６とビート補償量減算部４９とが加えられている。
ビート抑制制御部４６には、電流センサ１０から相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが供給され、電流指令演算部４０からｄ軸電流指令値ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値iｑ＊が供給される。
また、ビート電流抑制制御部４６には、磁極位置センサ８から磁極位置信号９（θ）が供給され、速度演算部４４から角速度ωが供給される。そして、ビート抑制制御部４６は、三相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗのビート成分を検出し、ビート補償電圧ΔＶｕ＊＊、ΔＶｖ＊＊、ΔＶｗ＊＊をビート補償量減算部４９に出力する。
ビート補償量減算部４９は、二相三相変換部４３から出力される三相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊から、ビート抑制制御部４６から出力されるビート補償電圧ΔＶｕ＊＊、ΔＶｖ＊＊、ΔＶｗ＊＊を減算し、ＰＷＭゲート制御信号生成部４５に入力する新しい三相電圧指令値（補償三相電圧指令値）Ｖｕ＊＊、Ｖｖ＊＊、Ｖｗ＊＊を算出する。算出した補償三相電圧指令値Ｖｕ＊＊、Ｖｖ＊＊、Ｖｗ＊＊は、ＰＷＭゲート制御信号生成部４５に出力される。そして、ＰＷＭゲート制御信号生成部４５によりゲート信号３２が生成され、ゲートドライブ回路３５に出力される。
図３は、本実施例１の図１で示した電力変換装置において、上記（３）の現象、つまり、インバータの正側出力と負側出力との電圧差により電流ビートが発生した際の三相電流波形（実験波形）を示し、基本周波数５００Ｈｚの場合の例を示す図である。
図３の（Ａ）に示した波形が電流ビート抑制前の波形を示し、図３の（Ｂ）が本発明の実施例１によって電流ビートが抑制された後の波形を示す。そして、図３の（Ａ）及び（Ｂ）において、上からＵ相、Ｖ相、Ｗ相電流を示している。
図３の（Ａ）に示すように、電流の基本波周波数が５００Ｈｚであるのに対し、約４０Ｈｚの電流ビートが生じていることが確認できる。
一方、図３の（Ｂ）に示すように、基本周波数５００Ｈｚの電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗから、電流ビートが抑制されていることが確認できる。
本発明の実施例１は、上記（３）の要因によって発生する電流ビート現象を対象としているが、上記（１）及び（２）の要因で発生するものであっても、電流ビートを抑制することができる。
図４は、本発明の実施例１によるビート抑制制御部４６の処理内容を示す内部ブロック図である。
図４において、ビート抑制制御部４６は、二相三相変換部５０、磁極位置補正部５１、減算器５２、電動機逆モデル部５３、ローパスフィルタ５４、フィードバックループ５５を含む。二相三相変換部５０と、磁極位置補正部５１と、減算器５２とによりビート抽出部が形成される。このビート抽出部により、インバータ１の出力電流の電流ビート成分が演算される。
相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに電流ビート現象が発生した際、ビート抑制制御部４６は、その電流ビートを発生させる外乱電圧を推定し、ビート補償電圧（外乱推定電圧）ΔＶｕ＊＊、ΔＶｖ＊＊、ΔＶｗ＊＊を出力する。
二相三相変換部５０は、電流指令演算部４０からのｄ軸電流指令値ｉｄ＊とｑ軸電流指令値ｉｑ＊を、磁極位置補正部５１から出力される補正後磁極位置θ‘をもとに三相の電流指令値ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊を演算する。
磁極位置補正部５１は、速度演算部４４から出力される角速度ωから角度補正ゲインＫωを用いて磁極位置補正角度Δθを演算し、磁極位置センサ８から出力される磁極位置信号９（θ）に加算し補正後磁極位置θ‘を演算して出力する。角度補正ゲインＫωは時間の次元であり、電流センサ１０の検出遅れなどによる相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗと相電流指令値ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊の位相差を補正する。
減算器５２は、相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗから相電流指令値ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊を減算し、電流ビート成分Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗを抽出する。
電動機逆モデル部５３は、減算器５２から電流ビート成分Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗが入力され、電流ビートを発生させる外乱推定電圧ΔＶｕ＊、ΔＶｖ＊、ΔＶｗ＊を出力する。電動機逆モデル部５３の機能は、次式（２）の伝達関数Ｇ１（ｓ）で表される。
Ｇ１（ｓ）＝Ｋ１ｓ／（Ｔｄｓ＋１）＋Ｋ０ ・・・（２）
ただし、上記式（２）において、ｓはラプラス演算子、Ｔｄは疑似微分器時定数、Ｋ１及びＫ０は制御ゲインである。
なお、純粋な逆モデルには微分演算が含まれるため、上記式（２）の右辺第一項目は疑似微分器（ハイパスフィルタ）の構成となっている。
ローパスフィルタ５４は、電動機逆モデル部５３から出力される外乱推定電圧ΔＶｕ＊、ΔＶｖ＊、ΔＶｗ＊に重畳したノイズを除去し、ビート補償電圧ΔＶｕ＊＊、ΔＶｖ＊＊、ΔＶｗ＊＊を出力する。電動機逆モデル部５３によりノイズ成分が増幅されることがあるため、ローバスフィルタ５４によりノイズ成分を除去する。
ローパスフィルタ５４の機能は、次式（３）の伝達関数で表される。
Ｇ２（ｓ）＝１／（ＴＬｓ＋１） ・・・（３）
ただし、上記式（３）において、ＴＬはローパスフィルタ時定数である。通常、時定数は、ＴＬ＞＞Ｔｄとして設定する。
フィードバックループ５５は、ビート補償電圧ΔＶｕ＊＊、ΔＶｖ＊＊、ΔＶｗ＊＊をローパスフィルタ５４の入力へフィードバックする。このフィードバックループにより、ビート抑制制御によってビート電流が完全に抑制され、ΔＶｕ＊、ΔＶｖ＊、ΔＶｗ＊が０となってもビート補償電圧ΔＶｕ＊＊、ΔＶｖ＊＊、ΔＶｗ＊＊は出力を保持するため、補償をし続けることができる。
以上のように、本発明の実施例１においては、電流センサ１０で検出した三相電流信号ｉｕ、ｉｖ、ｉｗから、ビート抽出部が電流ビート成分Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗを抽出し、抽出した電流ビート成分Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗを電動機逆モデル部５３により外乱推定電圧ΔＶｕ＊、ΔＶｖ＊、ΔＶｗ＊に変換してローパスフィルタ５４でノイズを除去し、ビート補償電圧ΔＶｕ＊＊、ΔＶｖ＊＊、ΔＶｗ＊＊を推定する。そして、推定したビート補償電圧ΔＶｕ＊＊、ΔＶｖ＊＊、ΔＶｗ＊＊をビート補償量減算部４９で三相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊から減算して補償し、インバータ１をドライブするＰＷＭゲート制御信号生成部４５に供給する。ＰＷＭゲート制御信号生成部４５からゲート信号３２がゲートドライブ回路３５に供給され、電動機２を駆動するインバータ１にゲートドライブ信号２６～３１が出力される。
よって、実施例１によれば、適合作業が不要であり、電動機がどのような運転状態にあっても電流ビートを抑制することが可能な電力変換装置を実現することができる。
（実施例２）
次に、本発明の実施例２について説明する。
図５は、本発明の実施例２によるビート抑制制御部４６の処理内容を示す内部ブロック図である。
図５に示した例は、実施例１の図４に示したビート抑制制御部４６の内部ブロックに、出力調整処理部５６及び出力調整乗算器５７を追加している。実施例２におけるその他の構成は、実施例１と同様であるので、図示及びその詳細な説明は省略する。
ビート抑制制御部４６は、電動機２の速度が低く、想定している電流ビート成分の周波数と相電流の基本波周波数が近い場合に正しくビート補償電圧を演算できなくなる可能性がある。
また、電動機２の速度が非常に高く、三相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの検出遅れや演算遅れの影響が大きくなり、減算器５２で正しいビート電流を抽出できなくなる。このような場合には電流制御部４２の動作に影響を及ぼし、電動機２の出力トルクを正しく制御できなくなる可能性がある。
出力調整処理部５６により、上記したビート抑制制御部４６の動作に問題が発生する可能性のある速度領域でビート補償を停止することで、この誤動作による影響を排除することができる。つまり、速度演算部４４が演算した角速度ωに応じてビート成分の抑制動作を停止させる。
図５において、出力調整処理部５６は、絶対値処理を施した電動機２の角速度ωを入力し、電動機２の角速度に応じて、ローパスフィルタ５４から出力されるビート補償電圧ΔＶｕ＊＊、ΔＶｖ＊＊、ΔＶｗ＊＊を調整する。
図６は実施例２における出力調整処理部５６の処理を説明するグラフである。
図６において、縦軸は、出力調整処理部５６の出力値を示し、横軸は出力調整処理部５６に入力される速度演算部４４からの角速度ωを示す。
電動機２が角速度ωｍｉｎ１からωｍａｘ１の角速度で運転されている場合、ビート抑制制御部４６はビート補償を実施する。つまり、出力調整処理部５６の出力値は１であり、出力調整乗算器５７に供給され、ローパスフィルタ５４からの出力に１を乗算することにより、ローパスフィルタ５４からの出力がビート補償量減算部４９に出力される。
電動機２が角速度ωｍｉｎ０（最低速度（第１角速度））以下もしくはωｍａｘ０（最大速度（第４角速度））以上の角速度の場合、ビート補償を停止する。つまり、出力調整処理部５６の出力値は０であり、出力調整乗算器５７に供給され、ローパスフィルタ５４からの出力に０を乗算することにより、ローパスフィルタ５４からの出力はビート補償量減算部４９に出力されない。
角速度ωｍｉｎ０（第１角速度）を越えてωｍｉｎ１（第２角速度）以下の速度では、出力調整処理部５６の出力値は０から１に任意の勾配で傾斜して増加する。
また、角速度ωｍａｘ１（第３角速度）以上からωｍａｘ０（第４角速度）までの速度では、出力調整処理部５６の出力値は１から０に任意の勾配で傾斜して減少する。
このようにして、角速度ωｍｉｎ０からωｍｉｎ１までの角速度および角速度ωｍａｘ１からωｍａｘ０までの角速度では、任意の勾配でビート補償量を増減させる。
以上のように、本発明の実施例２によれば、実施例１と同様に、適合作業が不要であり、電動機がどのような運転状態にあっても電流ビートを抑制することが可能な電力変換装置を実現することができる。
さらに、実施例２によれば、電動機２の速度が最低速度以下の速度領域と、最大速度以上の速度領域では、ビート補償を停止するように構成したので、電動機２の速度が低く、想定している電流ビート成分の周波数と相電流の基本波周波数が近い場合や、電動機２の速度が非常に高く、三相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの検出遅れや演算遅れの影響が大きくなる場合であっても、電動機２の出力トルクを正しく制御することができる。
なお、角速度ωｍｉｎ０からωｍｉｎ１までの角速度および角速度ωｍａｘ１からωｍａｘ０までの速度では、任意の勾配でビート補償量を増減させるように構成したが、任意の勾配でビート補償量を増減させるのではなく、出力調整処理部５６の出力値を、速度ωｍｉｎ１以上となると１とし、角速度ωｍａｘ１以上となると１から０とし、速度ωｍｉｎ１未満の場合は、０となるように構成することもできる。
（実施例３）
次に、本発明の実施例３について説明する。
実施例３は、電力変換装置を備えた電動車両システムの例である。
図７は、本発明の実施例３による電動車両システムの概略構成図である。
なお、ここでは、実施例１又は実施例２のいずれかの電力変換装置を搭載した電動車両システムの一例について説明する。
図７に示すように、電動車両システム５８は、車体に一対の車軸５９、６０が軸支されている。一方の車軸５９の両端には車輪６１と車輪６２が固定され、他方の車軸６０の両端には車輪６３と車輪６４が固定されている。一方の車軸５９には電動機２が連結されており、電動機２の回転動力は車軸５９を介して車輪６１と車輪６２に伝達される。
電動機駆動装置（電動機制御装置）６５は、ＥＣＵ等の上位システムで生成された指令トルクＴ＊を受け、電動機２を駆動する。電動機駆動装置６５は、実施例１又は２の電力変換装置を備えている。
本発明を電動車両システム５８に適用した場合、電流ビートにより過電流保護が働き、インバータが停止してしまう問題を回避できる。
したがって、電動車両システム５８の動作品質を向上させることができ、信頼性を向上させることができる。
また、本発明により電流ビート現象による電動機効率の悪化を抑制できる。これにより電動車両システム５８においては電費向上が期待できる。
上述した実施例において、図２にて、ビート抑制制御部４６と、ビート補償量減算部４９とが別箇に設けられているが、ビート補償量減算部４９をビート抑制制御部４６が備えるように構成し、二相三相変換部４３からの三相電圧指令値を、ビート補償量減算部４９に出力するように構成することも可能である。ビート抑制制御部４６がビート補償量減算部４９を備える構成をビート補償部と定義する。
また、上述した実施例において、図４にて、電動機逆モデル部５３と、ローパスフィルタ５４とが別個に設けられているが、電動機逆モデル部５３とローパスフィルタ５４とを一体として一つの機能ブロックで構成することも可能である。電動機逆モデル部５３とローパスフィルタ５４とを一つの機能ブロックとしたものをビート補償電圧演算部と定義する。このビート補償電圧演算部により、インバータ１の電流ビート成分を発生させる電圧が推定される。
また、出力調整処理部５６と出力調整乗算器５７とを、一つの機能ブロックとすることも可能である。出力調整処理部５６と出力調整乗算器５７とを一つの機能ブロックとしたものは、出力調整部と定義することができる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。下記にその一例を示す。
インバータ１に用いるスイッチング素子はＳｉ－ＩＧＢＴに限らない。スイッチング素子はＳｉ－ＩＧＢＴからＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴに置き換えてもよい。
また、電動機２については、ＩＰＭＳＭに限らない。例えば、表面磁石形同期電動機や誘導電動機に置き換えてもよい。
さらに、インバータ１の直流電圧源はバッテリに限らない。交流電力系統に接続されたシステムで、系統の交流電力を整流器によって直流に整流し、直流電圧源を得てもよい。
１・・・インバータ、２・・・電動機、３・・・バッテリ、４・・・コントローラ、５、６、７・・・三相巻線、８・・・磁極位置センサ、９（θ）・・・磁極位置信号、１０・・・電流センサ、１１、１２、１３・・・相電流センサ信号、１４～１９・・・スイッチング素子、２０～２５・・・還流ダイオード、２６～３１・・・ゲートドライブ信号、３２・・・ゲート信号、３３・・・高電位ＤＣ配線、３４・・・低電位ＤＣ配線、３５・・・ゲートドライブ回路、３６・・・電圧センサ、３７・・・ＤＣ電圧センサ信号、３８・・・平滑コンデンサ、３９・・・トルク指令、４０・・・電流指令演算部、４１・・・三相二相変換部、４２・・・電流制御部、４３、５０・・・二相三相変換部、４４・・・速度演算部、４５・・・ＰＷＭゲート制御信号生成部（制御信号生成部）、４６・・・ビート抑制制御部、４７、４８・・・偏差算出器、４９・・・ビート補償量減算部、５１・・・磁極位置補正部、５２・・・減算器、５３・・・電動機逆モデル部、５４・・・ローパスフィルタ、５５・・・フィードバックループ、５６・・・出力調整処理部、５７・・・出力調整乗算器、５８・・・電動車両システム、５９、６０・・・車軸、６１～６４・・・車輪、６５・・・電動機駆動装置（電動機制御装置）

Claims (4)

  1. 直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、
    前記インバータの出力電流の電流ビート成分を抑制するビート補償部と、
    三相電圧指令値を生成する三相電圧指令値生成部と、
    前記インバータを駆動する駆動信号を生成する制御信号生成部と、
    を備え、
    前記ビート補償部は、
    前記インバータの出力電流のビート成分を演算するビート抽出部と、前記ビート抽出部から出力される電流ビート成分から外乱推定電圧を演算する電動機逆モデル部、および前記電動機逆モデル部から出力される外乱推定電圧のノイズを除去するローパスフィルタを含み、前記ビート抽出部が演算したビート成分からビート補償電圧を推定するビート補償電圧演算部と、を有するビート補償電圧を出力するビート抑制制御部と、
    前記ビート抑制制御部から出力される前記ビート補償電圧を、前記三相電圧指令値生成部から出力される三相電圧指令値から減算し、前記制御信号生成部に出力するビート補償量減算部と、
    を有し、前記ビート補償電圧演算部が推定したビート補償電圧に基づいて、前記インバータの出力電流の電流ビート成分を抑制することを特徴とする電力変換装置。
  2. 直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、
    前記インバータの出力電流の電流ビート成分を抑制するビート補償部と、
    電動機の角速度を演算する速度演算部と、
    前記速度演算部が演算した前記角速度に応じて前記ビート補償部によるビート成分の抑制動作を停止させる出力調整部と、
    を備え、
    前記ビート補償部は、
    前記インバータの出力電流のビート成分を演算するビート抽出部と、
    前記ビート抽出部が演算したビート成分からビート補償電圧を推定するビート補償電圧演算部と、
    を有し、
    前記出力調整部は、
    前記角速度が、第１角速度以下の場合と、第４角速度以上の場合は前記ビート成分抑制動作を停止させ、
    前記角速度が、前記第１角速度を越え、第２角速度以下の場合、前記第１角速度から前記第２角速度まで、前記ビート成分抑制動作を傾斜して増加させ、第３角速度を越え、前記第４角速度以下の場合、前記第３角速度から前記第４の角速度まで、前記ビート成分抑制動作を傾斜して減少させ、
    前記ビート補償電圧演算部が推定したビート補償電圧に基づいて、前記インバータの出力電流の電流ビート成分を抑制することを特徴とする電力変換装置。
  3. 車両を駆動する電動機と、
    前記電動機を制御する電動機制御装置と、
    を備え、
    前記電動機制御装置は、電力変換装置を有し、
    前記電力変換装置は、
    直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、
    前記インバータの出力電流の電流ビート成分を抑制するビート補償部と、
    三相電圧指令値を生成する三相電圧指令値生成部と、
    前記インバータを駆動する駆動信号を生成する制御信号生成部と、
    を備え、
    前記ビート補償部は、
    前記インバータの出力電流のビート成分を演算するビート抽出部と、前記ビート抽出部から出力される電流ビート成分から外乱推定電圧を演算する電動機逆モデル部、および前記電動機逆モデル部から出力される外乱推定電圧のノイズを除去するローパスフィルタを含み、前記ビート抽出部が演算したビート成分からビート補償電圧を推定するビート補償電圧演算部と、を有するビート補償電圧を出力するビート抑制制御部と、
    前記ビート抑制制御部から出力される前記ビート補償電圧を、前記三相電圧指令値生成部から出力される三相電圧指令値から減算し、前記制御信号生成部に出力するビート補償量減算部と、
    を有し、前記ビート補償電圧演算部が推定したビート補償電圧に基づいて、記インバータの出力電流の電流ビート成分を抑制することを特徴とする電動車両システム。
  4. 車両を駆動する電動機と、
    前記電動機を制御する電動機制御装置と、
    を備え、
    前記電動機制御装置は、電力変換装置を有し、
    前記電力変換装置は、
    直流電圧を交流電圧に変換して交流電動機を駆動するインバータと、
    前記インバータの出力電流の電流ビート成分を抑制するビート補償部と、
    電動機の角速度を演算する速度演算部と、
    前記速度演算部が演算した前記角速度に応じて前記ビート補償部によるビート成分の抑制動作を停止させる出力調整部と、
    を備え、
    前記ビート補償部は、
    前記インバータの出力電流のビート成分を演算するビート抽出部と、
    前記ビート抽出部が演算したビート成分からビート補償電圧を推定するビート補償電圧演算部と、
    を有し、
    前記出力調整部は、
    前記角速度が、第１角速度以下の場合と、第４角速度以上の場合は前記ビート成分抑制動作を停止させ、
    前記角速度が、前記第１角速度を越え、第２角速度以下の場合、前記第１角速度から前記第２角速度まで、前記ビート成分抑制動作を傾斜して増加させ、第３角速度を越え、前記第４角速度以下の場合、前記第３角速度から前記第４の角速度まで、前記ビート成分抑制動作を傾斜して減少させ、
    前記ビート補償電圧演算部が推定したビート補償電圧に基づいて、前記インバータの出力電流の電流ビート成分を抑制することを特徴とする電動車両システム。
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