(57)【要約】【課題】簡素かつ低廉な構成で、インバータのスイッチングによって生じる電流リプルを抑制できるモータ駆動装置を提供する。【解決手段】バッテリ１２から供給された電力をパルス幅変調によってモータ６０のコイル６２に印加する電圧を生成するインバータ４０の直流電源側の正極と負極とを短絡する平滑コンデンサ３２を有する第１共振回路と、互いに直列に接続されたバッテリ部インダクタ１８とバッテリ部コンデンサ２０とを有し、バッテリ１２の正極側端子と負極側端子とを短絡する第２共振回路と、第１共振回路及び第２共振回路を含む回路のインピーダンスが極小となる共振周波数と異なる周波数でパルス幅変調を行うようにインバータ４０を制御するモータ制御装置８０と、を含む。【選択図】図１
2020088991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から供給された電力をパルス幅変調によってモータの巻線に印加する電圧を生成する駆動回路と、
前記駆動回路の直流電源側の正極と負極とを短絡する第１コンデンサを有する第１共振回路と、
互いに直列に接続されたインダクタと第２コンデンサとを有し、前記直流電源の正極側端子と負極側端子とを短絡する第２共振回路と、
前記第１共振回路及び前記第２共振回路を含む回路のインピーダンスが極小となる共振周波数と異なる周波数で前記パルス幅変調を行うように前記前記駆動回路を制御する制御部と、
を含むモータ駆動装置。
【請求項２】
前記第２共振回路の前記直流電源の正極側端子と負極側端子との接続をオンオフするスイッチを含み、
前記スイッチがオンの場合、前記共振周波数は第１共振周波数と前記第１共振周波数よりも高い第２共振周波数とを含み、前記スイッチがオフの場合、前記共振周波数は前記第１共振周波数よりも高く、かつ前記第２共振周波数よりも低い第３共振周波数を含み、
前記制御部は、前記モータの回転数が所定範囲で、かつ前記モータの出力軸のトルクが所定トルク以上となることにより前記パルス幅変調の周波数が前記第２共振周波数を含む所定周波数の範囲となる場合に前記スイッチをオフにする請求項１に記載のモータ駆動装置。
【請求項３】
前記第１コンデンサの容量ＣInv、前記第２コンデンサの容量ＣBat及び前記インダクタのインダクタンスＬBatの各々は、第２共振周波数ｆ２に基づき、下記の式Ａにより算出される請求項２に記載のモータ駆動装置。
2020088991.tif 000005
【請求項４】
前記第２共振周波数ｆ２は、前記モータが最大トルクを維持できる最大の回転数である基底速度、前記モータの極対数及び前記パルス幅変調に係る搬送波のキャリア周波数に基づき、下記の式Ｂ、Ｃを用いて算出したｆ２−１、ｆ２−２のうち、値が大きい方よりも大きい請求項３に記載のモータ駆動装置。
ｆ２−１＝基底速度÷６０×極対数×６                        …Ｂ
ｆ２−２＝キャリア周波数＋基底速度÷６０×極対数×３        …Ｃ
【請求項５】
前記第２共振周波数ｆ２は、前記モータが回転できる最大の回転数である最大機械回転数、前記モータの極対数及び前記パルス幅変調に係る搬送波のキャリア周波数に基づき、下記の式Ｄ、Ｅを用いて算出したｆ２−１、ｆ２−２のうち、値が大きい方よりも大きい請求項３に記載のモータ駆動装置。
ｆ２−１＝最大機械回転数÷６０×極対数×６                  …Ｄ
ｆ２−２＝キャリア周波数＋最大機械回転数÷６０×極対数×３  …Ｅ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＥＶ（Electric Vehicle）等の電動輸送機器は、主にブラシレスモータ等の三相同期モータが動力源に用いられる。三相同期モータ（以下、「モータ」と略記）は、三相交流様の電圧が巻線に印加されることにより、当該巻線の磁極が回転方向に切り替わる、いわゆる回転磁界を当該巻線に生じさせ、永久磁石で構成された当該モータの回転子が、発生した回転磁界に追随して回転することにより、動力源として機能する。
【０００３】
ＥＶ等の電源は、直流電源である二次電池（バッテリ）なので、バッテリの直流電圧からモータの巻線に印加する三相交流様の電圧を生成するには、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）又はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のスイッチング素子で構成されたインバータが用いられる。インバータのスイッチング素子をオンオフ（スイッチング）させるＰＷＭ（パルス幅変調）により、バッテリから供給された直流電圧を三相交流様の電圧に変換する。
【０００４】
しかしながら、スイッチング素子をスイッチングさせることにより、バッテリの電流が小刻みに変動する電流リプルが生じ得る。インバータを含むモータ駆動回路は、多くの場合、一端がインバータの正極側端子（バッテリの正極に接続される端子）に接続されると共に他端が負極側端子に接続された平滑コンデンサを備えている。一般にコンデンサは、直流は導通させないが、交流は導通させるので、当該平滑コンデンサは、バッテリの正極側に生じた電流リプル等の電流の変動を充放電により吸収して解消することができる。
【０００５】
正極側端子と負極側端子とを短絡する平滑コンデンサは、実質的にはコンデンサとコイル（インダクタ）とが直列に接続された直列共振回路と等価である。直列共振回路は、固有の共振周波数で当該回路のインピーダンスが極小となる。従って、電流リプルの周波数が直列共振回路の共振周波数に一致すると、電流リプルは解消されず、逆に増幅される共振が生じる。
【０００６】
平滑コンデンサの共振を抑制するには、当該平滑コンデンサの容量を拡大することが効果的だが、大容量のコンデンサは高価であり、モータ駆動装置の製造コストが嵩むという問題があった。
【０００７】
特許文献１には、インバータのスイッチングの周波数を上げることにより、電流リプルを平滑コンデンサの共振周波数の域外に形成する回転電機駆動装置の発明が開示されている。
【０００８】
特許文献２には、バッテリの正極側に複数のインダクタを直列に接続し、１のインダクタと並列に接続したスイッチをオン又はオフすることにより、当該１のインダクタの通電を制御して共振周波数を変化させる回転電機駆動装置の発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許６００４０８６号公報
【特許文献２】特許６００４０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に開示されている回転電機駆動装置は、インバータのスイッチング周波数を高めるため頻繁にスイッチング素子を動作させるので、バッテリの電力がスイッチング動作によって消費され、結果として電動輸送機器の消費電力量が嵩むという問題があった。
【００１１】
また、特許文献２に開示されている回転電機駆動装置は、数百Ｖに達するバッテリの電圧に加えて電流リプルに耐えるインダクタを実装することを要する。当該インダクタは、一般に高価かつ巨大なので、回転電機駆動装置の製造コストが嵩むのみならず、当該回転電機駆動装置のコンパクト化を阻害するという問題があった。さらには、インダクタによる電力の消費により、電動輸送機器の消費電力量が嵩むという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記事実を考慮し、簡素かつ低廉な構成で、インバータのスイッチングによって生じる電流リプルを抑制できるモータ駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に記載のモータ駆動装置は、直流電源から供給された電力をパルス幅変調によってモータの巻線に印加する電圧を生成する駆動回路と、前記駆動回路の直流電源側の正極と負極とを短絡する第１コンデンサを有する第１共振回路と、互いに直列に接続されたインダクタと第２コンデンサとを有し、前記直流電源の正極側端子と負極側端子とを短絡する第２共振回路と、前記第１共振回路及び前記第２共振回路を含む回路のインピーダンスが極小となる共振周波数と異なる周波数で前記パルス幅変調を行うように前記前記駆動回路を制御する制御部と、を含んでいる。
【００１４】
請求項１に記載のモータ駆動装置によれば、第１共振回路に加えて第２共振回路を備えることにより、第１共振回路のみを備える場合と異なる周波数に共振周波数を設定し、パルス幅変調の周波数が設定した共振周波数に一致しないように駆動回路を制御できる。
【００１５】
請求項２に記載のモータ駆動装置は、請求項１に記載のモータ駆動装置において、前記第２共振回路の前記直流電源の正極側端子と負極側端子との接続をオンオフするスイッチを含み、前記スイッチがオンの場合、前記共振周波数は第１共振周波数と前記第１共振周波数よりも高い第２共振周波数とを含み、前記スイッチがオフの場合、前記共振周波数は前記第１共振周波数よりも高く、かつ前記第２共振周波数よりも低い第３共振周波数を含み、前記制御部は、前記モータの回転数が所定範囲で、かつ前記モータの出力軸のトルクが所定トルク以上となることにより前記パルス幅変調の周波数が前記第２共振周波数を含む所定周波数の範囲となる場合に前記スイッチをオフにする。
【００１６】
請求項２に記載のモータ駆動装置によれば、パルス幅変調の周波数が設定した共振周波数に一致する場合は、スイッチをオフにして、パルス幅変調の周波数が共振周波数に一致しないように駆動回路を制御できる。
【００１７】
請求項３に記載のモータ駆動装置は、請求項２に記載のモータ駆動装置において、前記第１コンデンサの容量ＣInv、前記第２コンデンサの容量ＣBat及び前記インダクタのインダクタンスＬBatの各々は、第２共振周波数ｆ２に基づき、下記の式Ａにより算出される。
2020088991.tif 000003
【００１８】
請求項３に記載のモータ駆動装置によれば、第１共振周波数と異なる第２共振周波数に基づいて第１コンデンサの容量ＣInv、第２コンデンサの容量ＣBat及びインダクタのインダクタンスＬBatの各々を設定することにより、第１共振周波数と第２共振周波数との間の周波数を、パルス幅変調の周波数として利用できる。
【００１９】
請求項４に記載のモータ駆動装置は、請求項３に記載のモータ駆動装置において、前記第２共振周波数ｆ２は、前記モータが最大トルクを維持できる最大の回転数である基底速度、前記モータの極対数及び前記パルス幅変調に係る搬送波のキャリア周波数に基づき、下記の式Ｂ、Ｃを用いて算出したｆ２−１、ｆ２−２のうち、値が大きい方よりも大きい。
ｆ２−１＝基底速度÷６０×極対数×６                  …Ｂ
ｆ２−２＝キャリア周波数＋基底速度÷６０×極対数×３  …Ｃ
【００２０】
請求項４に記載のモータ駆動装置によれば、第２共振周波数ｆ２をモータが最大トルクを維持できる最大の回転数である基底速度に基づいて設定することにより、モータを基底速度以下で回転させる場合に対応して第１コンデンサの容量ＣInv、第２コンデンサの容量ＣBat及びインダクタのインダクタンスＬBatの各々を設定することができる。
【００２１】
請求項５に記載のモータ駆動装置は、請求項３に記載のモータ駆動装置において、前記第２共振周波数ｆ２は、前記モータが回転できる最大の回転数である最大機械回転数、前記モータの極対数及び前記パルス幅変調に係る搬送波のキャリア周波数に基づき、下記の式Ｄ、Ｅを用いて算出したｆ２−１、ｆ２−２のうち、値が大きい方よりも大きい。
ｆ２−１＝最大機械回転数÷６０×極対数×６                  …Ｄ
ｆ２−２＝キャリア周波数＋最大機械回転数÷６０×極対数×３  …Ｅ
【００２２】
請求項５に記載のモータ駆動装置によれば、第２共振周波数ｆ２をモータが回転できる最大の回転数である最大機械回転数に基づいて設定することにより、モータを最大機械回転数以下で回転させる場合に対応して第１コンデンサの容量ＣInv、第２コンデンサの容量ＣBat及びインダクタのインダクタンスＬBatの各々を設定することができる。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１に記載のモータ駆動装置によればパルス幅変調の周波数が設定した共振周波数に一致しないように駆動回路を制御することにより、インバータのスイッチングによって生じる電流リプルを抑制できるという効果を奏する。
【００２４】
請求項２に記載のモータ駆動装置によれば、スイッチをオフにして、パルス幅変調の周波数が共振周波数に一致しないように駆動回路を制御することにより、インバータのスイッチングによって生じる電流リプルを抑制できるという効果を奏する。
【００２５】
請求項３に記載のモータ駆動装置によれば、第１共振周波数と第２共振周波数との間の周波数を、パルス幅変調の周波数とすることにより、インバータのスイッチングによって生じる電流リプルを抑制できるという効果を奏する。
【００２６】
請求項４に記載のモータ駆動装置によれば、モータを基底速度以下で回転させる場合に対応して第１コンデンサの容量ＣInv、第２コンデンサの容量ＣBat及びインダクタのインダクタンスＬBatの各々を設定することにより、モータの回転速度が基底速度に達するまでインバータのスイッチングによって生じる電流リプルを抑制できるという効果を奏する。
【００２７】
請求項５に記載のモータ駆動装置によれば、モータを最大機械回転数以下で回転させる場合に対応して第１コンデンサの容量ＣInv、第２コンデンサの容量ＣBat及びインダクタのインダクタンスＬBatの各々を設定することにより、インバータのスイッチングによって生じる電流リプルを抑制できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るモータ駆動装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るモータ駆動装置の、インバータのトランジスタのスイッチングの周波数に対する直流側電流ゲインの変化を示している。
【図３】（Ａ）は一般的なモータ駆動装置の構成の一例を示すブロック図であり、（Ｂ）は本発明の第１の実施の形態に係るモータ駆動装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図４】トランジスタのスイッチングの周波数に対する、一般的なモータ駆動装置の直流側電流ゲインの変化と、本発明の第１の実施の形態に係るモータ駆動装置の直流側電流ゲインの変化とを示した説明図である。
【図５】図４に示した周波数ｆ３におけるモータトルク、モータ相電流、Ｕ相の相間電圧、バッテリ電流の一例を示した説明図である。
【図６】電気周波数６次成分及びキャリア１次成分の一例を示した概略図である。
【図７】（Ａ）は回転子の磁極の位置に応じた位相及び振幅を有する正弦波の波形の一例を示した概略図であり、（Ｂ）はＰＷＭにおける搬送波の波形の一例を示した概略図であり、（Ｃ）は当該正弦波と当該搬送波とから生成されるパルス状のＰＷＭ制御信号の一例を示した概略図である。
【図８】モータ回転数に対するモータトルクの変化の一例を示した概略図である。
【図９】基底速度を用いて算出した第２共振周波数に基づいて平滑コンデンサ、バッテリ部インダクタ及びバッテリ部コンデンサの各々の仕様を決定した場合と、最大機械回転数を用いて算出した第２共振周波数に基づいて平滑コンデンサ、バッテリ部インダクタ及びバッテリ部コンデンサの各々の仕様を決定した場合と、の直流側電流ゲインの変化を示した説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係るモータ駆動装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第２実施の形態に係るモータ駆動装置の、インバータのトランジスタのスイッチングの周波数に対する直流側電流ゲインの変化を示した説明図である。
【図１２】（Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係るモータ駆動装置のトランジスタのスイッチングの周波数に対する直流側電流ゲインの変化を示した説明図であり、（Ｂ）はモータ回転数に対するモータトルクの変化の一例を示した概略図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態に係るモータ駆動装置の制御の一例を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
［第１の実施の形態］
以下、図１〜図９を用いて、本実施の形態に係るモータ駆動装置１００について説明する。図１は、本実施の形態に係るモータ駆動装置１００の構成の一例を示すブロック図である。図１に示したモータ駆動装置１００は、電動輸送機器の動力である三相同期モータのモータ６０を駆動するための電力を生成する装置である。
【００３０】
モータ駆動装置１００は、直流電源であるバッテリ１２を含む直流電源部１０と、直流電源部１０から供給された直流電圧から、インバータ４０によるＰＷＭでモータ６０の巻線であるコイル６２に印加する三相交流様の電圧を生成するインバータ部３０と、インバータ４０を構成するスイッチング素子であるトランジスタ４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗ、４４Ｕ、４４Ｖ、４４Ｗのスイッチングの制御に係るＰＷＭ信号を出力するモータ制御装置８０と、モータ制御装置８０が出力したＰＷＭ信号を、トランジスタ４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗ、４４Ｕ、４４Ｖ、４４Ｗをオンが可能な程度に増幅してインバータ４０に出力するモータドライブ回路９０と、を備えている。
【００３１】
モータ６０は、一例として三相交流様の電圧で駆動される三相同期モータであるが、直流で駆動されるブラシ付きのモータでもよく、かかる場合は、インバータ４０に代えて、４つのスイッチング素子で構成されたＨブリッジ回路を有する駆動回路を備える。
【００３２】
直流電源部１０のバッテリ１２は、リチウムイオン電池又はニッケル水素電池等の充放電が可能な二次電池であり、複数のセルを直列に配設することにより、電動輸送機器の走行が可能な数百Ｖ程度の電圧が出力可能に構成されている。
【００３３】
バッテリ１２は、等価的にバッテリ内部抵抗１４とバッテリ内部インダクタ１６とが直列に接続された回路モデルで表現される。図１に示したように、バッテリ内部抵抗１４は、一端がバッテリ１２の正極に接続され、他端がバッテリ内部インダクタ１６の一端に接続されているモデルで表現される。バッテリ内部インダクタ１６は、前述のように一端がバッテリ内部抵抗１４の他端に接続されると共に、当該他端がインバータ部３０に接続されるモデルで表される。またバッテリ１２の端子部には、正極と負極とを短絡するバッテリ部インダクタ１８とバッテリ部コンデンサ２０とが接続されている。バッテリ部インダクタ１８及びバッテリ部コンデンサ２０は、バッテリ１２の端子部よりもバッテリ１２の本体側に配置されていてもよい。
【００３４】
インバータ部３０は、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）インバータ４０により構成されている。図１に示すように、インバータ４０は、スイッチング素子であるトランジスタ４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗ、４４Ｕ、４４Ｖ、４４Ｗを備えている。トランジスタ４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗ、４４Ｕ、４４Ｖ、４４Ｗは、一例として、高電圧に対応でき、かつオン抵抗が比較的小さいＩＧＢＴであるが、ＮチャンネルＦＥＴでもよい。
【００３５】
インバータ４０において、トランジスタ４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗの各々は、上段スイッチング素子として機能し、トランジスタ４４Ｕ、４４Ｖ、４４Ｗの各々は、下段スイッチング素子として機能する。なお、トランジスタ４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗ及びトランジスタ４４Ｕ、４４Ｖ、４４Ｗは、各々、個々を区別する必要がない場合は「トランジスタ４２」、「トランジスタ４４」と総称し、個々を区別する必要がある場合は、「Ｕ」、「Ｖ」、「Ｗ」の符号を付して称する。
【００３６】
トランジスタ４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗ、４４Ｕ、４４Ｖ、４４ＷがＩＧＢＴの場合、トランジスタ４２Ｕのエミッタ及びトランジスタ４４Ｕのコレクタは、コイル６２Ｕの端子に接続されており、トランジスタ４２Ｖのエミッタ及びトランジスタ４４Ｖのコレクタは、コイル６２Ｖの端子に接続されており、トランジスタ４２Ｗのエミッタ及びトランジスタ４４Ｗのコレクタは、コイル６２Ｗの端子に接続されている。
【００３７】
トランジスタ４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗ、４４Ｕ、４４Ｖ、４４ＷがＦＥＴの場合は、トランジスタ４２Ｕのソース及びトランジスタ４４Ｕのドレインは、コイル６２Ｕの端子に接続されており、トランジスタ４２Ｖのソース及びトランジスタ４４Ｖのドレインは、コイル６２Ｖの端子に接続されており、トランジスタ４２Ｗのソース及びトランジスタ４４Ｗのドレインは、コイル６２Ｗの端子に接続されている。
【００３８】
また、インバータ４０の正極側端子と負極側端子とは、平滑コンデンサ３２によって短絡されている。
【００３９】
トランジスタ４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗ、４４Ｕ、４４Ｖ、４４Ｗは、（ＩＧＢＴであれ、ＦＥＴであれ）ゲートに正電荷の駆動信号が印加されるとオン状態になる。例えば、トランジスタ４２Ｕがオンかつトランジスタ４４Ｕがオフの場合は、コイル６２Ｕにバッテリ１２の電力が通電され、トランジスタ４２Ｕがオフかつトランジスタ４４Ｕがオンの場合は、コイル６２Ｕが接地される。以下同様に、トランジスタ４２Ｖがオンかつトランジスタ４４Ｖがオフの場合は、コイル６２Ｖにバッテリ１２の電力が通電され、トランジスタ４２Ｖがオフかつトランジスタ４４Ｖがオンの場合は、コイル６２Ｖが接地され、トランジスタ４２Ｗがオンかつトランジスタ４４Ｗがオフの場合は、コイル６２Ｗにバッテリ１２の電力が通電され、トランジスタ４２Ｗがオフかつトランジスタ４４Ｗがオンの場合は、コイル６２Ｗが接地される。
【００４０】
インバータ４０は、上述のように、トランジスタ４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗ、４４Ｕ、４４Ｖ、４４Ｗをオンオフさせることにより、コイル６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗに通電する。また、インバータ４０は、トランジスタ４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗ、４４Ｕ、４４Ｖ、４４Ｗを小刻みにオンオフさせるＰＷＭにより、コイル６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗに印加する電圧を変化させることができる。
【００４１】
モータ６０は、通電されたコイル６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗに生じた磁界に追従して、永久磁石で構成された回転子６４が回転する三相同期モータである。コイル６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗの各々の端子（一端）は、前述のようにインバータ４０のトランジスタ４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗ、４４Ｕ、４４Ｖ、４４Ｗに接続され、コイル６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗの各々の他端は、１の中性点６２Ｎに接続される星形結線（Ｙ字結線）を呈する。コイル６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗは、星形結線以外に、例えばデルタ結線でもよい。
【００４２】
なお、コイル６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗは、各々、個々を区別する必要がない場合は「コイル６２」と総称し、個々を区別する必要がある場合は、「Ｕ」、「Ｖ」、「Ｗ」の符号を付して称する。
【００４３】
本実施の形態に係るモータ駆動装置１００は、コイル６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗへの通電を、インバータ４０によって時系列で切り替えることにより、コイル６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗにいわゆる回転磁界を生じさせる。回転子６４は、コイル６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗに生じた回転磁界への吸引または当該回転磁界との反発によって回転する。
【００４４】
三相同期モータにおいて、コイル６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗへの通電は、回転子６４の磁極の位置に応じて行う必要があるので、本実施の形態では、モータ磁極位置検出器７０により、回転子６４の磁極の位置を検出している。
【００４５】
モータ制御装置８０は、モータ磁極位置検出器７０によって検出した回転子６４の磁極の位置及びインバータ電流センサ５０で検出した、インバータ４０が出力した電流の値に基づいて、コイル６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗに印加する電圧の波形の位相及び振幅（電圧変化の範囲）を算出し、当該位相及び振幅に応じたパルス信号であるＰＷＭ制御信号をモータドライブ回路９０に出力する。電圧の波形の位相は、主に回転子６４の磁極の位置の変化に対応して決定され、振幅は、インバータ４０が出力した電流の値に基づいて上限が定められる。例えば、当該電流値が所定値を超えた場合は、モータ６０が過負荷のおそれがあるので、電圧波形の振幅を抑制する。
【００４６】
モータドライブ回路９０は、モータ制御装置８０が出力したＰＷＭ制御信号を、トランジスタ４２、４４をオン状態にできる程度に増幅して生成した駆動信号をトランジスタ４２、４４の各々のゲートに印加する。駆動信号は、ＰＷＭ制御信号と同様に、回転子６４の磁極の位置に応じた位相及び振幅に従ったパルスで構成されているので、インバータ４０は、コイル６２に回転子６４の磁極の位置に応じた回転磁界を生じさせる電圧を生成することができる。
【００４７】
また、本実施の形態に係るモータ駆動装置１００は、バッテリ内部インダクタ１６の他端とバッテリ部インダクタ１８の一端との間に電流センサ２４が設けられている。電流センサ２４は、一例として、導体中の電流によって生じる誘導電流に基づいて当該導体中の電流値を検出するセンサである。
【００４８】
電流センサ２４が検出した電流値をＩbat、インバータ電流センサ５０等が検出した電流値に加え、トランジスタ４２Ｕ、４２Ｖ、４２Ｗ、４４Ｕ、４４Ｖ、４４Ｗの信号に基づいて算出したインバータ４０の正極側端子の電流値をＩdcとすると、モータ駆動装置１００における直流側電流ゲインＩgは、下記の式（１）によって算出される。
Iｇ＝Ｉbat／Ｉdc              …（１）
【００４９】
図２は、本実施の形態に係るモータ駆動装置１００の、インバータ４０のトランジスタ４２、４４のスイッチングの周波数、すなわちＰＷＭの周波数に対する直流側電流ゲインＩgの変化を示している。平滑コンデンサ３２で構成された回路（第１共振回路）、及びバッテリ部インダクタ１８とバッテリ部コンデンサ２０とで構成された回路（第２共振回路）は、各々共振回路として作用する。その結果、図２の直流側電流ゲインＩgの変化を示す曲線１０２は、第１共振周波数ｆ１及び第２共振周波数ｆ２において基準値１０５（一例として、略「１」）を大きく超えた極大値を示し、第１共振回路及び第２共振回路を含む回路のインピーダンスが極小となる。その結果、第１共振周波数ｆ１及び第２共振周波数ｆ２では、トランジスタ４２、４４のスイッチングに起因する電流リプルが増幅される共振が生じる。
【００５０】
しかしながら、第１共振周波数ｆ１又は第２共振周波数ｆ２と異なる周波数、一例として、第１共振周波数ｆ１と第２共振周波数ｆ２との間のインバータスイッチング周波数範囲では共振は生じない。従って、当該範囲の周波数でトランジスタ４２、４４をスイッチングさせることが可能となる。
【００５１】
図３（Ａ）は一般的なモータ駆動装置の構成の一例を示すブロック図であり、図３（Ｂ）は本実施の形態に係るモータ駆動装置１００の構成の一例を示すブロック図である。図３（Ｂ）に示した本実施の形態に係るモータ駆動装置１００は、バッテリ部インダクタ１８とバッテリ部コンデンサ２０とで構成された共振回路を有する点で、図３（Ａ）に示した一般的なモータ駆動装置と相違する。
【００５２】
図４は、トランジスタ４２、４４のスイッチングの周波数に対する、一般的なモータ駆動装置の直流側電流ゲインＩgの変化と、本実施の形態に係るモータ駆動装置１００の直流側電流ゲインＩgの変化とを示している。
【００５３】
図４の曲線１０４は、一般的なモータ駆動装置の直流側電流ゲインＩgの変化を示しており、第３共振周波数ｆ１´において、平滑コンデンサ３２とバッテリ内部インダクタ１５とに由来する共振現象により、直流側電流ゲインＩgが極大値を示している。
【００５４】
図４の曲線１０２は、本実施の形態に係るモータ駆動装置１００の直流側電流ゲインＩgの変化を示しており、第２共振周波数ｆ２（＞第３共振周波数ｆ１´）において、直流側電流ゲインＩgが極大値を示すが、第１共振周波数ｆ１（＜第３共振周波数ｆ１´）での極大値は、一般的なモータ駆動装置の第３共振周波数ｆ１´での極大値よりも緩和されている。その結果、周波数ｆ３において、曲線１０４は基準値１０５以上であるが、曲線１０２は基準値１０５以下になっている。
【００５５】
図５は、図４に示した周波数ｆ３におけるモータトルク、モータ相電流、Ｕ相の相間電圧、バッテリ電流の一例を示した説明図である。図５では、モータトルクが一定範囲で変動しているが、ＰＷＭによって生成されたモータ６０のコイル６２へ印加する電圧の実効電圧値は、図５のＵ相（Ｖ相、Ｗ相も同様）の相間電圧に示したように変化するので、ある程度の変動は、本実施の形態に係るモータ駆動装置１００においても、一般的なモータ駆動装置においても、生じ得る。
【００５６】
また、図５に示したモータ相電流は、Ｕ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖ及びＷ相電流ｉｗのいずれも、相間電圧の変化に影響されて、略正弦波状に変化している。かかる変化は、本実施の形態に係るモータ駆動装置１００においても、一般的なモータ駆動装置においても同様である。
【００５７】
しかしながら、本実施の形態に係るモータ駆動装置１００のバッテリ電流を示す曲線１１２と、一般的なモータ駆動装置のバッテリ電流を示す曲線１１０とでは、バッテリ電流の最大振幅にΔＡほどの差異が生じている。ΔＡは、モータ駆動装置１００の仕様にもよるが、一般的なモータ駆動装置のバッテリ電流に対して略５割減に相当する電流値である。従って、本実施の形態に係るモータ駆動装置１００によれば、一般的なモータ駆動装置に対して、バッテリの電流が小刻みに変動する電流リプルを抑制することができる。
【００５８】
しかしながら、本実施の形態に係るモータ駆動装置１００において、図２に示したようなインバータスイッチング周波数範囲を確保して、電流リプルを抑制するには、平滑コンデンサ３２、バッテリ部インダクタ１８及びバッテリ部コンデンサ２０の仕様を適切に決定することが重要である。特に、第１共振周波数ｆ１が、電源側（バッテリ１２側）の電流変動成分の周波数と一致した場合、電流リプルが増大するので、電流変動成分の周波数が第１共振周波数ｆ１に一致しないように設定した後、設定した電流変動成分の周波数を図２、４に示した第２共振周波数ｆ２が一致しないよう、平滑コンデンサ３２、バッテリ部インダクタ１８及びバッテリ部コンデンサ２０の仕様を決定する。
【００５９】
以下、電源側の電流変動成分の周波数の算出について述べる。電流変動成分には、電気周波数６次成分ｆ２−１（Ｈｚ）と、キャリア１次成分ｆ２−２Ａ、ｆ２−２Ｂ（Ｈｚ）とがあり、電気周波数６次成分ｆ２−１は下記の式（２）により、キャリア１次成分ｆ２−２Ａ、ｆ２−２Ｂは下記の式（３）によって算出される。
電気周波数６次成分ｆ２−１
＝モータ回転数（ｒｐｍ）÷６０×極対数×６                  …（２）
キャリア１次成分ｆ２−２Ａ、ｆ２−２Ｂ
＝キャリア周波数±モータ回転数（ｒｐｍ）÷６０×極対数×３  …（３）
【００６０】
図６は、電気周波数６次成分ｆ２−１及びキャリア１次成分ｆ２−２Ａ、ｆ２−２Ｂの一例を示した概略図である。電気周波数６次成分ｆ２−１と、キャリア１次成分ｆ２−２Ａと、キャリア１次成分ｆ２−２Ｂとの各々が一致することはない。
【００６１】
本実施の形態に係るモータ駆動装置１００では、電流変動成分の周波数が第１共振周波数ｆ１に一致しないように設定することを要するので、電流変動成分の周波数である電気周波数６次成分ｆ２−１及びキャリア１次成分ｆ２−２Ａ、ｆ２−２Ｂのうち、最も値が大きいものを採用する。
【００６２】
式（３）中のキャリア周波数は、回転子６４の磁極の位置に応じた位相及び振幅に従ったパルスを有するＰＷＭ制御信号を生成する際に用いられる搬送波の周波数である。図７（Ａ）は回転子６４の磁極の位置に応じた位相及び振幅を有する正弦波の波形の一例であり、図７（Ｂ）はＰＷＭにおける搬送波の波形の一例であり、図７（Ｃ）は当該正弦波と当該搬送波とから生成されるパルス状のＰＷＭ制御信号の一例である。
【００６３】
本実施の形態に係るモータ駆動装置１００のモータ制御装置８０は、回転子６４の磁極の位置に応じた位相及び振幅から図７（Ａ）に示したような正弦波の信号を生成する。そして、モータ制御装置８０は、コンパレータ等の回路を用いて、当該正弦波の振幅と、図７（Ｂ）に示した搬送波の振幅とを比較し、例えば、当該正弦波の振幅が当該搬送波の振幅未満の場合は、ＯＮを示すパルスを生成し、当該正弦波の振幅が当該搬送波の振幅以上の場合は、パルスを生成しない（ＯＦＦを示す）ようにして、図７（Ｃ）に示すＰＷＭ制御信号を生成する。
【００６４】
図７に示したように、キャリア周波数は、ＰＷＭ制御信号の周波数に直接影響しており、さらにＰＷＭ制御信号は、インバータ４０を構成するトランジスタ４２、４４のスイッチング周波数に直接影響するので、便宜上、キャリア周波数はトランジスタ４２、４４のスイッチング周波数と略同じとみなしてもよい。
【００６５】
式（２）、（３）にはモータ回転数の項があるので、電気周波数６次成分ｆ２−１及びキャリア１次成分ｆ２−２Ａ、ｆ２−２Ｂは、モータ回転数に応じて増大する。従って、電気周波数６次成分ｆ２−１及びキャリア１次成分ｆ２−２Ａ、ｆ２−２Ｂの算出に際しては、モータ回転数をどう定義するかが、重要な要素となる。式（２）、（３）に代入するモータ回転数が大きければ、電気周波数６次成分ｆ２−１及びキャリア１次成分ｆ２−２Ａ、ｆ２−２Ｂは、第１共振周波数ｆ１よりも高くなる可能性があるからである。
【００６６】
図８は、モータ回転数に対するモータトルクの変化の一例を示した概略図である。図８に示したように、モータ回転数が基底速度１２０に達するまでは、モータ６０は最大トルクを維持できるが、モータ回転数が基底速度１２０を超えると、モータトルクは最大トルクから徐々に下回るようになり、モータ回転数が最大機械回転数１２２を超えると、モータ６０は、回転を継続できなくなる。
【００６７】
従って、基底速度１２０は、最大トルクを維持できる最大のモータ回転数であり、最大機械回転数１２２は、実用時にモータ６０を回転できる最大のモータ回転数である。式（２）、（３）に基底速度１２０を代入するか、最大機械回転数１２２を代入するかにより、第２共振周波数ｆ２の値が異なってくる。
【００６８】
以上より、基底速度１２０を用いて第２共振周波数ｆ２を算出するには、下記の式（４）、（５）を用いて算出したｆ２−１、ｆ２−２のうち、値が大きい方よりも高い周波数を第２共振周波数ｆ２として採用する。
ｆ２−１＝基底速度÷６０×極対数×６                        …（４）
ｆ２−２＝キャリア周波数＋基底速度÷６０×極対数×３        …（５）
【００６９】
最大機械回転数１２２を用いて第２共振周波数ｆ２を算出するには、下記の式（６）、（７）を用いて算出したｆ２−１、ｆ２−２のうち、値が大きい方よりも高い周波数を第２共振周波数ｆ２として採用する。
ｆ２−１＝最大機械回転数÷６０×極対数×６                  …（６）
ｆ２−２＝キャリア周波数＋最大機械回転数÷６０×極対数×３  …（７）
【００７０】
そして、採用した第２共振周波数ｆ２を下記の式（８）に適用して、平滑コンデンサ３２、バッテリ部インダクタ１８及びバッテリ部コンデンサ２０の仕様を決定する。下記の式（８）中のＬBatはバッテリ部インダクタ１８のインダクタンス（Ｈ）であり、ＣInvは平滑コンデンサ３２の容量（Ｆ）であり、ＣBatはバッテリ部コンデンサ２０の容量（Ｆ）である。
2020088991.tif 000004
【００７１】
その結果、トランジスタ４２、４４のスイッチングの周波数に対する直流側電流ゲインＩgは、図９に示したように変化する。図９の曲線１０２Ａは、基底速度１２０を用いて算出した第２共振周波数ｆ２に基づいて平滑コンデンサ３２、バッテリ部インダクタ１８及びバッテリ部コンデンサ２０の各々の仕様を決定した場合の直流側電流ゲインＩgの変化を示し、曲線１０２Ｂは、最大機械回転数１２２を用いて算出した第２共振周波数ｆ２に基づいて平滑コンデンサ３２、バッテリ部インダクタ１８及びバッテリ部コンデンサ２０の各々の仕様を決定した場合の直流側電流ゲインＩgの変化を示している。
【００７２】
曲線１０２Ａは、第２共振周波数ｆ２Ａが第１共振周波数ｆ１Ａに比較的近い周波数で発生するが、第１共振周波数ｆ１Ａと第２共振周波数ｆ２Ａとの間で直流側電流ゲインＩgを小さくでき、電流リプルを効果的に抑制できる。第１共振周波数ｆ１Ａと第２共振周波数ｆ２Ａとの間の周波数は、比較的低い周波数なので、トランジスタ４２、４４のスイッチング動作を少なくでき、当該スイッチング動作による消費電力量を抑制することができる。
【００７３】
また、電流リプルを効果的に抑制できるということは、逆説的にいえば、平滑コンデンサ３２及びバッテリ部コンデンサ２０の各々の容量を小さくしても電流リプルを実用上問題のない程度まで抑制できることになり、モータ駆動装置１００のコンパクト化及び低コスト化が可能になる。
【００７４】
曲線１０２Ｂは、第１共振周波数ｆ１Ｂと第２共振周波数ｆ２Ｂとの間で直流側電流ゲインＩgはさほど低下しないので、電流リプルの抑制効果では、曲線１０２Ａの場合よりも劣るが、第２共振周波数ｆ２Ｂが第１共振周波数ｆ１Ｂよりも大きく異なる周波数で発生している。
【００７５】
式（４）〜（７）に示したように、第２共振周波数ｆ２はモータ回転数に依存する。従って、第２共振周波数ｆ２Ａが第１共振周波数ｆ１Ａに比較的近い周波数で発生する曲線１０２Ａの場合は、第２共振周波数ｆ２Ａの算出に用いた基底速度１２０までのモータ回転数で電流リプルを効果的に抑制できる。
【００７６】
第２共振周波数ｆ２Ｂが第１共振周波数ｆ１Ｂよりも大きく異なる周波数で発生する曲線１０２Ｂの場合は、第２共振周波数ｆ２Ｂの算出に用いた最大機械回転数１２２までのモータ回転数で電流リプルを抑制できる。
【００７７】
以上、説明したように、本実施の形態に係るモータ駆動装置１００によれば、バッテリ１２の正極と負極とを短絡するバッテリ部インダクタ１８とバッテリ部コンデンサ２０とを直列に接続することにより、第１共振周波数ｆ１とは異なる第２共振周波数ｆ２との間で、電流リプルを効果的に抑制することができる。
【００７８】
一般的なモータ駆動装置に対して、追加部品はバッテリ部インダクタ１８及びバッテリ部コンデンサ２０のみなので、簡素かつ低廉な構成で、本実施の形態に係るモータ駆動装置１００は構成される。
【００７９】
第２共振周波数ｆ２は、モータ回転数に依存して変化するので、モータ６０を使用する回転数に応じて第２共振周波数ｆ２を算出し、算出した第２共振周波数ｆ２に基づいて、平滑コンデンサ３２、バッテリ部インダクタ１８及びバッテリ部コンデンサ２０の各々の仕様を適切に決定することができる。
【００８０】
［第２の実施の形態］
続いて、図１０〜図１３を用いて、第２の実施の形態に係るモータ駆動装置２００について説明する。図１０は、本実施の形態に係るモータ駆動装置２００の構成の一例を示すブロック図である。図１０に示したモータ駆動装置２００は、直流電源部１０にバッテリ部インダクタ１８とバッテリ部コンデンサ２０とで構成された共振回路をオンオフするスイッチ２６を実装した点で第１の実施の形態に係るモータ駆動装置１００と相違する。しかしながら、その他の構成は、第１の実施の形態に係るモータ駆動装置１００と同一なので、当該その他の構成には、第１の実施の形態に係るモータ駆動装置１００と同一の符号を付して、詳細な説明は省略する。
【００８１】
図１１は、本実施の形態に係るモータ駆動装置２００の、インバータ４０のトランジスタ４２、４４のスイッチングの周波数に対する直流側電流ゲインＩgの変化を示している。図１１の曲線１０２は、スイッチ２６をオンにした場合の本実施の形態に係るモータ駆動装置２００の直流側電流ゲインＩgの変化を示している。曲線１０２は、図２、４に示した第１の実施の形態に係るモータ駆動装置１００の直流側電流ゲインＩgの変化である曲線１０２と同様である。
【００８２】
また、図１１の曲線１０４は、スイッチ２６をオフにした場合の本実施の形態に係るモータ駆動装置２００の直流側電流ゲインＩgの変化を示している。曲線１０４は、図４に示した一般的なモータ駆動装置の直流側電流ゲインＩgの変化である曲線１０４と同様である。
【００８３】
曲線１０２は、第１共振周波数ｆ１及び第２共振周波数ｆ２において基準値１０５を大きく超えた極大値を示し、トランジスタ４２、４４のスイッチングに起因する電流リプルが増幅される共振が生じるが、第１共振周波数ｆ１と第２共振周波数ｆ２との間では共振は生じないので、当該範囲の周波数でトランジスタ４２、４４をスイッチングさせることが可能となる。しかしながら、トランジスタ４２、４４を第２共振周波数ｆ２よりも高い周波数で動作させるには適していない。
【００８４】
トランジスタ４２、４４を第２共振周波数ｆ２よりも高い周波数で動作させる場合、本実施の形態に係るモータ駆動装置２００では、スイッチ２６をオフする。スイッチ２６がオフになると、図１１の曲線１０４に示したように、高周波域で直流側電流ゲインＩgが基準値１０５以下になるので、かかる高周波域でトランジスタ４２、４４を動作させても、共振が生じにくくなる。
【００８５】
従って、スイッチ２６をオンオフする制御により、図１１に示した第１共振周波数ｆ１以上の幅広い周波数の範囲を、トランジスタ４２、４４を動作させることができるインバータスイッチング周波数範囲とすることができる。
【００８６】
図１２（Ａ）は、本実施の形態に係るモータ駆動装置２００の、トランジスタ４２、４４のスイッチングの周波数に対する直流側電流ゲインＩgの変化を示しており、図１２（Ｂ）は、モータ回転数に対するモータトルクの変化の一例を示した概略図である。
【００８７】
第１の実施の形態で説明したように、第２共振周波数ｆ２は、モータ回転数に依存する。従って、共振は所定範囲のモータ回転数で生じ得る。
【００８８】
図１２（Ａ）に示したように、スイッチ２６をオンにした場合、周波数ｆ４と周波数ｆ５との間で直流側電流ゲインＩgが基準値１０５を超える。かかる場合、モータ６０のモータ回転数に対するトルクの変化にも、直流側電流ゲインＩgが基準値１０５を超えたことによる影響が生じる。
【００８９】
具体的には、スイッチ２６をオンにした状態でモータ回転数を上げていくと、図１２（Ｂ）の領域２２２で示したように、モータ回転数ｆｍ４とモータ回転数ｆｍ５との間で、トルクを落とし、電流リプルを所定値以内にする必要が生じる。しかしながら、スイッチ２６がオフなった場合の曲線１０４は、周波数ｆ４と周波数ｆ５との間で直流側電流ゲインＩgが基準値１０５を超えていない。
【００９０】
本実施の形態に係るモータ駆動装置２００は、スイッチ２６をオンにした状態で、モータ回転数が所定範囲内になり、かつ所定値以上のトルクが要求される場合は、スイッチ２６をオフにする制御を行う。
【００９１】
図１３は、本実施の形態に係るモータ駆動装置２００の制御の一例を示したフローチャートである。図１３に示した処理は、モータ６０の回転開始と共に実行され、ステップ１３０では、スイッチ２６がオンになる。
【００９２】
ステップ１３２では、モータ回転数が図１２（Ｂ）に回転数ｆｍ４、ｆｍ５で示したような所定範囲内か否かを判定し、モータ回転数が所定範囲内の場合は手順をステップ１３４に移行し、モータ回転数が所定範囲内ではない場合は手順を１３０に移行する。
【００９３】
ステップ１３４では、モータ６０の出力軸のトルクが所定値以上か否かを判定する。出力軸のトルクは、インバータ電流センサ５０で検出した電流値に基づいて算出する。また、トルクが所定値以上の場合は、一例として、モータ６０のモータ回転数と出力軸のトルクとが図１２（Ｂ）の領域２２２内の場合である。ステップ１３４でモータ６０の出力軸のトルクが所定値以上の場合は、手順をステップ１３６に移行する。ステップ１３４でモータ６０の出力軸のトルクが所定値未満、すなわち、モータ６０のモータ回転数と出力軸のトルクとが図１２（Ｂ）の領域２２０内の場合は、手順をステップ１３０に移行する。
【００９４】
ステップ１３６では、スイッチ１３６をオフにし、その後、モータ６０の回転が停止されると処理を終了する。
【００９５】
以上説明したように、本実施の形態に係るモータ駆動装置２００によれば、バッテリ部インダクタ１８とバッテリ部コンデンサ２０とで構成された共振回路をスイッチ２６によりオンオフすることにより、第１共振周波数ｆ１以上の幅広い周波数の範囲を、トランジスタ４２、４４を動作させることができるインバータスイッチング周波数範囲とすることができる。
【００９６】
第１の実施の形態で説明したように、平滑コンデンサ３２、バッテリ部インダクタ１８及びバッテリ部コンデンサ２０の各々の仕様を決定する際に、基底速度１２０を用いて第２共振周波数ｆ２を算出する式（４）、（５）を用いると、第２共振周波数ｆ２Ａが第１共振周波数ｆ１Ａに比較的近い周波数で発生し、トランジスタ４２、４４を動作させることができるインバータスイッチング周波数範囲が狭くなる。しかしながら、本実施の形態では、スイッチ２６をオフにして、バッテリ部インダクタ１８とバッテリ部コンデンサ２０とで構成された共振回路を無効にすることにより、インバータスイッチング周波数範囲を拡大し、モータ６０を幅広いモータ回転数の範囲で、高トルクで回転させることが可能となる。
【００９７】
なお、特許請求の範囲の構成のうち、直流電源はバッテリ１２に、駆動回路はインバータ４０に、第１コンデンサは平滑コンデンサ３２に、インダクタはバッテリ部インダクタ１８に、第２コンデンサはバッテリ部コンデンサ２０に、制御部はモータ制御装置８０に、スイッチはスイッチ２６に各々対応する。
【符号の説明】
【００９８】
１０   直流電源部
１２   バッテリ
１４   バッテリ内部抵抗
１６   バッテリ内部インダクタ
１８   バッテリ部インダクタ
２０   バッテリ部コンデンサ
２６   スイッチ
３０   インバータ部
３２   平滑コンデンサ
４０   インバータ
４２、４４    トランジスタ
６０   モータ
６２   コイル
６４   回転子
８０   モータ制御装置
１００ モータ駆動装置
１２０ 基底速度
１２２ 最大機械回転数
２００ モータ駆動装置
２２０、２２２       領域
ｆ１、ｆ１Ａ、ｆ１Ｂ 第１共振周波数
ｆ２、ｆ２Ａ、ｆ２Ｂ 第２共振周波数
ｆ１´ 第３共振周波数
【図１】
2020088991.tif 000006
【図２】
2020088991.tif 000007
【図３】
2020088991.tif 000008
【図４】
2020088991.tif 000009
【図５】
2020088991.tif 000010
【図６】
2020088991.tif 000011
【図７】
2020088991.tif 000012
【図８】
2020088991.tif 000013
【図９】
2020088991.tif 000014
【図１０】
2020088991.tif 000015
【図１１】
2020088991.tif 000016
【図１２】
2020088991.tif 000017
【図１３】
2020088991.tif 000018