JP7095441B2

JP7095441B2 - インバータ制御装置

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Publication number: JP7095441B2
Application number: JP2018128064A
Authority: JP
Inventors: 直内堀
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-07-05
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2038-07-05
Also published as: JP2020010460A

Description

本発明は、インバータ制御装置の構成に関し、特に、キャリア信号の周波数の分散制御に関する。

ＰＷＭ制御により直流電源をインバータで交流電源に変換してモータを駆動することが行われている。この際、ＰＷＭ制御に用いるキャリア信号の周波数が人間の可聴帯域にあると騒音として認識される場合がある。このため、キャリア信号の周波数をランダムに分散させて騒音をホワイトノイズ化して聞こえにくくする方法が用いられている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００６－１７４６４５号公報国際公開第２０１１／１４８４８１号

ところで、近年、インバータの損失低減や小型化時の熱保護のために低い周波数のキャリア信号が用いられる場合がある。キャリア信号の周波数は、モータやケース等と共振しないような周波数に設定されているが、低周波域では、キャリア信号の周波数の近傍にモータやケース等との共振が発生する周波数が点在している。このため、キャリア信号の周波数を分散させた際に、共振により通常の音と異なる音が発生し、騒音として認識され易くなるという問題がある。

この点に関し、特許文献１に記載された従来技術では、キャリア信号の周波数が低く設定された場合には、周波数の分散の幅を狭めて共振が発生しないようにしている。しかし、この方法では、人間の可聴域の周波数の振動が十分にホワイトノイズ化されず、騒音として認識されてしまう場合があった。

そこで、本発明のインバータ制御装置は、キャリア信号により発生する音が騒音と認識されることを抑制することを目的とする。

本発明のインバータ制御装置は、複数のスイッチング素子を含むインバータの制御を行うインバータ制御装置であって、前記インバータからモータに供給する電圧または電流の制御指令を発生するモータ指令演算部と、キャリア信号を発生するキャリア信号発生部と、前記モータ指令演算部からの前記制御指令と、前記キャリア信号発生部からの前記キャリア信号とに基づいて、前記インバータの前記複数のスイッチング素子をＰＷＭ制御によってオン／オフ動作させるＰＷＭ部と、を含み、前記キャリア信号発生部は、前記モータの運転点に基づいて前記キャリア信号の基本周波数を設定すると共に、前記基本周波数を中心として所定の周波数範囲で前記キャリア信号の周波数を分散させ、前記基本周波数が低周波域にある時には、分散させる前記キャリア信号の各周波数の頻度が前記基本周波数を中心とした正規分布となるように前記キャリア信号の各周波数を分散させ、前記基本周波数が高周波域にある時には、分散させる前記キャリア信号の各周波数の頻度が前記基本周波数を中心とした矩形分布となるように前記キャリア信号の各周波数を分散させ、前記基本周波数は、前記モータと共振しない周波数に設定されること、を特徴とする。

本発明のインバータ制御装置は、キャリア信号により発生する音が騒音と認識されることを抑制できる。

実施形態のインバータ制御装置を用いたモータ制御システムの構成を示す系統図である。図１に示すインバータ制御装置の機能ブロック図である。図２に示すＰＷＭ部によるＰＷＭ制御を説明する波形図である。実施形態のインバータ制御装置の動作を示すフローチャートである。モータの運転点からキャリア信号の基本周波数を設定するためのマップである。キャリア信号の基本周波数が低周波域の場合における各周波数の出現頻度と、周波数に対する伝達感度の変化を示す図である。図６に示すように各周波数を分散させた場合の時間に対する各周波数の出現頻度を示す概念図である。キャリア信号の基本周波数が高周波域の場合における各周波数の出現頻度と、周波数に対する伝達感度の変化を示す図である。図８に示すように各周波数を分散させた場合の時間に対する各周波数の出現頻度を示す概念図である。

以下、図面を参照しながら実施形態のインバータ制御装置６０について説明する。最初に図１を参照しながら、インバータ制御装置６０を用いたモータ制御システム１００について説明する。

図１に示すように、モータ制御システム１００は、モータ５０と、バッテリ或いはバッテリと昇圧コンバータ等で構成される直流電源２０と、複数のスイッチング素子３３ａ～３５ａ，３３ｂ～３５ｂを含み、直流電源２０から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ５０に供給するインバータ３０と、インバータ３０を制御するインバータ制御装置６０と、で構成されている。

インバータ３０の入力側（直流電源２０の側）のマイナス側電路１１と高圧電路１３との間には直流電源２０からの電圧を平滑にする平滑コンデンサ３１と、平滑コンデンサ３１の両端の高電圧ＶＨを検出する高電圧センサ３２が設けられている。また、平滑コンデンサ３１の直流電源２０と反対側のマイナス側電路１１とそれに対向する高圧電路１３との間には、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相に対してそれぞれ上アームスイッチング素子３３ａ～３５ａ，下アームスイッチング素子３３ｂ～３５ｂの６個のスイッチング素子が相ごとに２つずつ直列に配置されている。各上アームスイッチング素子３３ａ～３５ａと各下アームスイッチング素子３３ｂ～３５ｂの間にはＵ，Ｖ，Ｗの各相の出力線５５，５６，５７が接続されている。Ｕ，Ｖ，Ｗの各出力線５５，５６，５７はそれぞれモータ５０のＵ，Ｖ，Ｗの各相の入力端子に接続されている。また、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各上アームスイッチング素子３３ａ～３５ａ，各下アームスイッチング素子３３ｂ～３５ｂには、それぞれダイオード３６ａ～３８ａ，３６ｂ～３８ｂが逆並列に接続されている。インバータ３０は、上アームスイッチング素子３３ａ～３５ａ，下アームスイッチング素子３３ｂ～３５ｂの６個のスイッチング素子をオン／オフ動作させて直流電力を交流電力に変換してモータ５０に供給する。

インバータ３０からモータ５０にＶ，Ｗ相の電力を供給する２本の出力線５６，５７には、各出力線５６，５７に流れる電流を検出して電流信号Ｉｖ，Ｉｗとして出力する電流センサ５３，５４が取り付けられている。また、モータ５０には、ロータの回転数或いは回転角度θを検出するレゾルバ５２が取り付けられている。インバータ制御装置６０は、内部にＣＰＵ６１と、記憶部６２と、各機器、センサとの接続を行う機器・センサインターフェース６３と、を備えており、ＣＰＵ６１と記憶部６２と機器・センサインターフェース６３とはデータバス６４によって接続されているコンピュータである。

インバータ３０の各スイッチング素子３３ａ～３５ａ，３３ｂ～３５ｂは機器・センサインターフェース６３を介してインバータ制御装置６０に接続され、インバータ制御装置６０の指令によって駆動するよう構成されている。Ｖ，Ｗ相の電流センサ５３，５４、モータ５０に取り付けられたレゾルバ５２はそれぞれインバータ制御装置６０の機器・センサインターフェース６３に接続されており、各センサによって検出した電流、ロータの回転角度θ等の信号は機器・センサインターフェース６３を介してインバータ制御装置６０に入力される。

インバータ制御装置６０は、記憶部６２にインバータ３０の制御を行う制御プログラムと制御データとを格納している。図２に示すように、インバータ制御装置６０は、ＣＰＵ６１と記憶部６２とが協働することにより動作するモータ指令演算部６５、キャリア信号発生部６６、ＰＷＭ部６７の３つの機能ブロックを有している。

モータ指令演算部６５は、外部の制御装置或いは他の制御ブロックから入力されるモータ５０のトルク指令Ｔｒｑｃｏｍと、電流センサ５３，５４で検出した電流信号Ｉｖ，Ｉｗと、レゾルバ５２によって検出したロータの回転角度θに基づいて、制御指令であるＵ，Ｖ，Ｗ相の各相電圧指令Ｖ_Ｕ，Ｖ_Ｖ，Ｖ_Ｗを算出してＰＷＭ部６７に出力する。

キャリア信号発生部６６は、レゾルバ５２によって検出したロータの回転数とモータ５０のトルク指令Ｔｒｑｃｏｍとからモータ５０の回転数とトルクの運転点を特定し、記憶部６２に格納したマップ（後で説明する）を参照してモータ５０の運転点に基づいてキャリア信号の基本周波数Ｆｃを設定する。また、キャリア信号発生部６６は、基本周波数Ｆｃを中心として所定の周波数範囲である分散幅でキャリア信号の周波数を分散させる。そして、分散させた各周波数のキャリア信号をＰＷＭ部６７に出力する。また、外部の制御装置或いは他の制御ブロックから車速が入力される。

ＰＷＭ部６７は、モータ指令演算部６５からの電圧指令と、キャリア信号発生部６６からのキャリア信号とに基づいて、インバータ３０の複数のスイッチング素子３３ａ～３５ａ，３３ｂ～３５ｂをＰＷＭ制御によってオン／オフ動作させる。

図３を参照しながら、インバータ制御装置６０のＰＷＭ制御について簡単に説明する。

図３（ａ）に示す様に、角周波数ω_０、波高値Ｖ_０のＵ，Ｖ，Ｗの各相の正弦波信号ｅ_Ｕ，ｅ_Ｖ，ｅ_Ｗと、キャリア信号である角周波数ω_ｃ、波高値Ｖ_ｃの三角搬送波ｅ_ｃと、を比較し、振幅の大小によって図１に示すインバータ３０の各相の上アームのスイッチング素子３３ａ，３４ａ，３５ａと下アームのスイッチング素子３３ｂ，３４ｂ，３５ｂとをそれぞれ交互にオン／オフ動作させる。これにより、Ｕ，Ｖ，Ｗの各出力線５５，５６，５７の直流中点（高圧電路１３とマイナス側電路１１との中点）に対する電圧Ｖ_Ｕ，Ｖ_Ｖ，Ｖ_Ｗは、図３（ｂ）から図３（ｄ）に示すように、ＶＨ／２または、－ＶＨ／２のどちらかになり、図３（ｂ）から図３（ｄ）の一点鎖線ａ、二点鎖線ｂ、破線ｃに示すような正弦波ｄ，ｅ，ｆのように変調されたパルス列となる。また、Ｕ相電圧Ｖ_ＵとＶ相電圧Ｖ_Ｖとの間の電位差となる線間電圧Ｖ_ＵＶは、図３（ｅ）に示すようなＶＨと－ＶＨとの間で正弦波ｈのように変調されたパルス列ｇとなる。ここで、出力の周波数は正弦波信号ｅ_Ｕ，ｅ_Ｖ，ｅ_Ｗの角周波数ω_０により制御することができ、その大きさは、正弦波信号ｅ_Ｕ，ｅ_Ｖ，ｅ_Ｗの波高値Ｖ_０と三角搬送波ｅ_ｃの波高値Ｖ_ｃの比（α＝Ｖ_０／Ｖ_ｃ）によって制御することができる。

キャリア信号である三角搬送波ｅ_ｃの周波数が高い場合には、スイッチング回数が多くなり、モータ５０に供給する交流電流波形はより正弦波に近くなり、滑らかな制御ができる。反面、スイッチング回数が多くなるので、スイッチング損失が大きくなったり、発熱量が多くなったりする。一方、周波数が低い場合には、モータ５０に供給する電流波形が正弦波よりもずれた形となるが、スイッチング回数が少ないので、スイッチング損失が少なく、発熱量も少なくなる。

このため、モータ５０の回転数が高い場合には、高い周波数の三角搬送波ｅ_ｃを用い、モータ５０の回転数が低い場合には、低い周波数の三角搬送波ｅ_ｃを用いるようにする場合が多い。また、スイッチング素子３３ａ～３５ａ，３３ｂ～３５ｂの温度が上昇した場合にも、三角搬送波ｅ_ｃの周波数を低くして、発熱を抑制する場合もある。

次に、図４から図９を参照しながら、本実施形態のインバータ制御装置６０の動作について説明する。なお、インバータ制御装置６０は、モータ５０の動作中は、図４のステップＳ１０１からステップＳ１１２を繰り返して実行する。

図４のステップＳ１０１に示すように、キャリア信号発生部６６は、レゾルバ５２によって検出したロータの回転速度とモータ５０のトルク指令Ｔｒｑｃｏｍとからモータ５０の運転点を特定する。キャリア信号発生部６６は、図４のステップＳ１０２において、ステップＳ１０１で特定した運転点がキャリア信号の周波数の分散が可能な回転数、トルクの範囲にあるかどうかを判断する。図４のステップＳ１０２でＮＯと判断した場合には、図４のステップＳ１１２に進み、キャリア信号発生部６６はキャリア信号の周波数に分散を行わずに処理を終了する。

一方、キャリア信号発生部６６は、図４のステップＳ１０２でＹＥＳと判断した場合には、図４のステップＳ１０３に進んで図５に示すマップを参照してキャリア信号の基本周波数を選択する。図５に示すマップは、モータ５０の回転数、出力トルク、温度に対して基本周波数が規定されたマップである。

図５に示すマップは、最大トルク線ｐと、等出力線ｑと、最大速度線ｒとで囲まれる運転領域を実線で示す３つの領域Ａ１、Ｂ１，Ｃ１と破線で示す３つの領域Ａ２，Ｂ２，Ｃ２とに区分したものである。領域Ａ１は回転数が低くトルクが大きい領域で、領域Ｂ１は領域Ａ１よりも回転数が大きくトルクが小さい領域で、領域Ｃ１は回転数が所定値以上或いは出力トルクが所定値以下の領域である。キャリア信号発生部６６は、モータ５０の運転点が領域Ａ１にある場合には低周波数のＦｃ１を基本周波数に設定し、運転点が領域Ｃ１にある場合には高周波数のＦｃ３を基本周波数に設定し、運転点が領域Ｂ１にある場合には中周波数のＦｃ２を基本周波数に設定する。ここで、Ｆｃ１、Ｆｃ２、Ｆｃ３は様々な値をとることができる。

図５に破線で示す３つの領域Ａ２，Ｂ２，Ｃ２は、スイッチング素子３３ａ～３５ａ，３３ｂ～３５ｂ、モータ５０の温度が上昇した際に基本周波数をそれぞれＦｃ１，Ｆｃ２，Ｆｃ３に設定する領域である。領域Ａ２，Ｂ２は、領域Ａ１，Ｂ１をそれぞれ回転数が高く、出力トルクが小さい領域に拡張したものである。領域Ｃ２は、領域Ｃ１から領域Ｂ２が拡張された分だけ領域を縮小したものである。なお、スイッチング素子３３ａ～３５ａ，３３ｂ～３５ｂ、モータ５０の温度が更に上昇した際には、図５に示す領域Ａ２，Ｂ２を高速回転数領域まで拡張し、その分だけ領域Ｃ２を更に縮小するようなマップとしてもよい。

キャリア信号発生部６６は、ステップＳ１０３で選択した基本周波数が低周波数のＦｃ１である場合には、図４のステップＳ１０４でＹＥＳ（基本周波数が低周波域にある）と判断して図４のステップＳ１０５に進み、車速が異音の発生が気になるような低速領域かどうか判断する。この低速領域は車種によって様々に設定することができるが、例えば、２０～４０ｋｍ／ｈ以下を低速領域と設定してもよい。

キャリア信号発生部６６は、図４のステップＳ１０５でＹＥＳと判断したら、図４のステップＳ１０６に進み正規分布方式を選択する。正規分布方式は、キャリア信号の各周波数が基本周波数Ｆｃ１を中心とした正規分布となるようにキャリア信号の各周波数を分散させる制御方式である。そして、キャリア信号発生部６６は、図４のステップＳ１０７で基本周波数Ｆｃ１から所定の周波数範囲である分散幅ΔＦｃ１を決定し、図６（ａ）に示す分散の最大周波数Ｆｍａｘ１と最小周波数Ｆｍｉｎ１を決定する。そして、図４のステップＳ１０８に進んで基本周波数Ｆｃ１と分散幅ΔＦｃ１とから詳細頻度分布を決定し、図４のステップＳ１０９で周波数分散制御を実行する。

図７に詳細頻度分布の一例を示す。図７に示すように時間Δｔ毎にキャリア信号の周波数をランダムに変動させ、ある周波数を時間Δｔだけ継続する回数の頻度が最大周波数Ｆｍａｘ１と最小周波数Ｆｍｉｎ１の間で正規分布となるようにするものである。これにより、キャリア信号の周波数により発生する騒音は、最大周波数Ｆｍａｘ１と最小周波数Ｆｍｉｎ１の間に分散され、人間の聴感上、騒音が低減された様に感じる。なお、時間Δｔとキャリア信号の各周波数と分散幅ΔＦｃ１とは予め作成したマップを参照して選択する。この場合、キャリア信号の各周波数の平均値は基本周波数Ｆｃ１となる。

図６（ｂ）に示すように、基本周波数Ｆｃ１は、モータ５０等と共振しない周波数に設定されており、振動の伝達感度は低くなっている。基本周波数Ｆｃ１は低周波数なので、基本周波数Ｆｃ１の近傍にモータ５０等との共振が発生する周波数が点在している。このため、図６（ｂ）に示すように、基本周波数Ｆｃ１より少し周波数が高い領域や少し周波数が低い領域では、振動の伝達感度が高くなっている。

本実施形態のインバータ制御装置６０は、伝達感度の低い基本周波数Ｆｃ１の近傍の出現頻度を大きくし、伝達感度の高くなる領域の周波数の出現頻度が小さくなるようにキャリア信号の周波数を分散させるので、共振による騒音の発生を抑制して異音を感じることを抑制することができる。これにより、キャリア信号の周波数が低い場合でもキャリア信号により発生する音が騒音と認識されることを抑制することができる。

一方、キャリア信号発生部６６は、図４のステップＳ１０３で基本周波数として高周波数のＦｃ３を選択した場合、図４のステップＳ１０４でＮＯ（基本周波数が低周波域ではなく高周波域にある）と判断して図４のステップＳ１１０に進んで矩形分布方式を選択する。矩形分布方式は、キャリア信号の各周波数が基本周波数Ｆｃ３を中心とした矩形分布となるようにキャリア信号の各周波数を分散させる制御方式である。そして、キャリア信号発生部６６は、図４のステップＳ１１１で基本周波数Ｆｃ３から所定の周波数範囲である分散幅ΔＦｃ３を決定し、図８（ａ）に示す分散の最大周波数Ｆｍａｘ３と最小周波数Ｆｍｉｎ３を決定する。ここで、分散幅ΔＦｃ３は、先に説明した分散幅ΔＦｃ１と同一の周波数幅であってもよいし、これより広い周波数幅であっても狭い周波数幅であってもよい。

この場合の周波数分散制御は、図９に示すように、時間Δｔ毎にキャリア信号の周波数をランダムに変動させ、ある周波数を時間Δｔだけ継続する回数の頻度が最大周波数Ｆｍａｘ３と最小周波数Ｆｍｉｎ３の間で矩形分布、つまり、分散幅ΔＦｃ３の範囲に均等に分布するようにするものである。このため、キャリア信号の周波数により発生する騒音は、最大周波数Ｆｍａｘ３と最小周波数Ｆｍｉｎ３の間に均等に分散されたホワイトノイズとなり、騒音が低減された様に感じる。なお、時間Δｔとキャリア信号の周波数と分散幅ΔＦｃ３とは予め作成したマップを参照して選択する。この場合、キャリア信号の平均周波数は基本周波数Ｆｃ３となる。

図８（ｂ）に示すように、基本周波数Ｆｃ３は、モータ５０等と共振しないような高い周波数なので、基本周波数Ｆｃ３の近傍にはモータ５０等との共振が発生するような周波数領域はなく、基本周波数Ｆｃ３の近傍の周波数領域は各機器の高次の細かい膜振動等の発生領域となっている。このため、図８（ｂ）に示すように、基本周波数Ｆｃ３の近傍では振動の伝達感度に大きな変化がなく、キャリア信号の周波数を分散幅ΔＦｃ３で分散させても特定の周波数で共振による異音が発生することはない。

このように、本実施形態のインバータ制御装置６０は、伝達感度に大きな変化がない周波数領域にある基本周波数Ｆｃ３を選択した場合には、キャリア信号の周波数を分散幅ΔＦｃ３の範囲に均等に分布させてホワイトノイズとして騒音を低減することができる。これにより、キャリア信号により発生する音が騒音と認識されることを抑制することができる。

また、キャリア信号発生部６６は、図４のステップＳ１０３で基本周波数として低周波数のＦｃ１或いは、中間周波数のＦｃ２を選択した場合、図４のステップＳ１０４でＹＥＳと判断する。そして、図４のステップＳ１０５に進んで、車速が異音が気になる車速かどうか判断する。図４のステップＳ１０５でＹＥＳと判断した場合には、キャリア信号発生部６６は、図４のステップＳ１０６からＳ１０９に進み正規分布方式でキャリア信号の周波数を分散させる。一方、図４のステップＳ１０５でＮＯと判断した場合には、キャリア信号発生部６６は、図４のステップＳ１１０に進んで矩形分布方式によりキャリア信号を分散させる。

このように、車速が高く、暗騒音によって異音が聞こえにくい場合には、矩形分布方式によりキャリア信号を分散させ、暗騒音に紛れにくいキャリア信号により発生する音をホワイトノイズ化して騒音と認識されることを抑制することができる。

以上の実施形態では、暗騒音によって異音が聞こえにくいかどうかを車速によって判断することとしたが、これに限らず、エンジンのオン／オフ、或いはエンジンの回転数により暗騒音によって異音が聞こえにくいかを判断するようにしてもよい。

以上説明したように、本実施形態のインバータ制御装置６０は、キャリア信号により発生する音が騒音と認識されることを抑制できる。

１１マイナス側電路、１３高圧電路、２０直流電源、３０インバータ、３１平滑コンデンサ、３２高電圧センサ、３３ａ～３５ａ上アームスイッチング素子、３３ｂ～３５ｂ下アームスイッチング素子、３６ａ～３８ａ，３６ｂ～３８ｂダイオード、５０モータ、５２レゾルバ、５３，５４電流センサ、５５，５６，５７出力線、６０インバータ制御装置、６１ＣＰＵ、６２記憶部、６３機器・センサインターフェース、６４データバス、６５モータ指令演算部、６６キャリア信号発生部、６７ＰＷＭ部、１００モータ制御システム。

Claims

複数のスイッチング素子を含むインバータの制御を行うインバータ制御装置であって、
前記インバータからモータに供給する電圧または電流の制御指令を発生するモータ指令演算部と、
キャリア信号を発生するキャリア信号発生部と、
前記モータ指令演算部からの前記制御指令と、前記キャリア信号発生部からの前記キャリア信号とに基づいて、前記インバータの前記複数のスイッチング素子をＰＷＭ制御によってオン／オフ動作させるＰＷＭ部と、を含み、
前記キャリア信号発生部は、
前記モータの運転点に基づいて前記キャリア信号の基本周波数を設定すると共に、前記基本周波数を中心として所定の周波数範囲で前記キャリア信号の周波数を分散させ、
前記基本周波数が低周波域にある時には、分散させる前記キャリア信号の各周波数の頻度が前記基本周波数を中心とした正規分布となるように前記キャリア信号の各周波数を分散させ、
前記基本周波数が高周波域にある時には、分散させる前記キャリア信号の各周波数の頻度が前記基本周波数を中心とした矩形分布となるように前記キャリア信号の各周波数を分散させ、
前記基本周波数は、前記モータと共振しない周波数に設定されること、
を特徴とするインバータ制御装置。