(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの制御装置であって、
前記モータに供給される電流を制御するスイッチング素子を含むインバータ回路と、
搬送波と前記モータに対する指令信号とに基づいて生成され、前記スイッチング素子を制御するスイッチング信号を出力する、スイッチング信号生成部と、
前記スイッチング信号に含まれ、前記指令信号と前記搬送波との重畳によって生じる側帯波成分の周波数が、前記モータの共振周波数と一致するような前記搬送波の周波数を求めるとともに、求められた前記搬送波の周波数を含む周波数帯域において、所定の変調幅で前記搬送波の周波数を変調させる騒音制御部と、
を備え、
前記モータの共振周波数で定まる臨界帯域内であって前記共振周波数と一致しないマスキング周波数を有するマスキング音を発生させることを特徴とする制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池車やいわゆるハイブリッド車の動力源としてモータが使用されている。このモータから電磁騒音（または磁気騒音）と呼ばれる騒音が発生することが知られている。
【０００３】
モータには交流電流が供給され、これに伴いモータには交番磁界（交流磁界）が発生する。この交番磁界がモータを振動させる。このような電磁的な振動を電磁加振力と呼び、電磁加振力に起因する騒音を電磁騒音と呼んでいる。
【０００４】
交番磁界の周波数はモータに印加される交流電圧の周波数によって変化する。交番磁界の周波数変化に伴って電磁騒音の周波数も変化する。電磁騒音の周波数が変化すると電磁騒音の音の大きさも変化する。図９に電磁騒音の周波数変化に伴う音圧レベル［ｄＢ］の変化を示す。なお、音圧レベルとは音の強さの物理量を指し、音波が通過するときの媒質（大気など）の圧力変化（音圧）を、基準の音圧（例えば２×１０−５Ｐａ）と比較した値である。図９に示されているように、電磁騒音の周波数がモータの共振周波数ｆｍに等しくなった時にモータが共振（共鳴）して電磁騒音の音圧レベル［ｄＢ］が局所的に増大する。
【０００５】
ここで、電磁騒音の周波数が共振周波数ｆｍであるときの音圧レベルとその他の車内騒音の音圧レベルとを比較する。以下では周波数が共振周波数ｆｍであるときの電磁騒音を「共振時の電磁騒音」と呼ぶことにする。図１０には共振時の電磁騒音とその他の車内騒音の周波数スペクトルが示されている。なお、一般的に、着目している騒音以外の騒音は暗騒音と呼ばれることから、図１０では共振時の電磁騒音以外の車内騒音をまとめて暗騒音として表わしている。図１０に示すように、共振時の電磁騒音の音圧レベルはその周辺帯域の暗騒音の音圧レベルに比べて突出している。そのため、車両の運転者や同乗者には電磁騒音が目立って聴こえる。その結果、運転者等は電磁騒音が気になり、不快感を催すことになる。
【０００６】
そこで、共振時における電磁騒音の音圧レベルの突出を軽減するための技術が従来から知られている。特許文献１においては、モータに対する指令信号の周波数の奇数倍の周波数の高調波成分を指令信号に重畳させた交流電流をモータに供給することによって、ロータの面モードの共振振動を抑制している。これにより、共振時の電磁騒音の音圧レベルが低減する。
【０００７】
また、特許文献２においては、基本波成分に振動成分と逆相の正弦波を重畳させた交流電流をモータに供給することにより、モータの振動を抑制している。これにより、共振時の電磁騒音の音圧レベルが低減する。
【０００８】
また、特許文献３においては、モータを振動させる交番磁界の周波数がモータの共振周波数に近づくと、交番磁界の周波数を共振周波数より大きな値にシフトさせ、交番磁界の周波数が共振周波数に一致することを回避している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−５５０２号公報
【特許文献２】特開２００３−１８９６９２号公報
【特許文献３】特開２００９−２８４７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、特定周波数の騒音の音圧レベルの突出を軽減する処理として、当該周波数の騒音の音圧レベルを低減したり、当該周波数の騒音の発生を回避する他にも、マスキングと呼ばれる音響処理が知られている。マスキングとは、特定周波数の騒音の周辺帯域にマスキング音と呼ばれる音を加える処理であり、当該処理により騒音の音圧レベルの突出が軽減され、聴覚的に特定周波数の騒音の聴こえ方が小さくなる。
【００１１】
本願発明は、電磁騒音の音圧レベルを低減させ、または電磁騒音の発生を回避することにより電磁騒音の音圧レベルの突出を軽減する従来の手段に代えて、マスキングによって電磁騒音の音圧レベルの突出を軽減する手段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】
【００１２】
本願発明はモータの制御装置に関するものである。制御装置は、モータの共振周波数で定まる臨界帯域内であって共振周波数と一致しないマスキング周波数を有するマスキング音を発生させる。
【００１３】
また、上記発明において、制御装置は、モータに供給される電流を制御するスイッチング素子を含むインバータ回路と、搬送波と、モータに対する指令信号とに基づいて生成され、スイッチング素子を制御するスイッチング信号を出力するスイッチング信号生成部と、スイッチング信号に含まれ、指令信号と搬送波との重畳によって生じる側帯波成分の周波数がマスキング周波数となるように搬送波の周波数を調整する騒音制御部と、を備えることが好適である。
【００１４】
また、上記発明において、騒音制御部は、搬送波の周波数を予め定められた変調幅で変調させることが好適である。
【００１５】
また、上記発明において、騒音制御部は、側帯波成分の周波数が共振周波数となる搬送波の周波数を求め、求められた周波数を含む周波数帯域において、変調幅で搬送波の周波数を変調させることが好適である。
【発明の効果】
【００１６】
本願発明により、マスキングによって電磁騒音の音圧レベルの突出を軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態に係るモータ制御装置とその周辺機器を例示する図である。
【図２】基本波成分と側帯波成分とを説明する図である。
【図３】基本波成分と側帯波成分とを説明する図である。
【図４】側帯波成分による基本波成分のマスキングを説明する図である。
【図５】マスキングを実施したときの車内騒音の周波数スペクトルの概念図である。
【図６】側帯波成分による基本波成分のマスキングを説明する図である。
【図７】側帯波成分による基本波成分のマスキングを説明する図である。
【図８】マスキングを実施したときの車内騒音の周波数スペクトルの概念図である。
【図９】電磁騒音の周波数変化に対する音圧レベルの変化の概念図である。
【図１０】電磁騒音とその他の車内騒音の周波数スペクトルの概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態に係るモータ制御装置とその周辺機器を図１に示す。モータ制御装置１０は、インバータ１２に接続されている。また、インバータ１２は、直流電源１４とモータ１６との間に接続されている。これらの機器は、図示しない車両内に搭載されている。
【００１９】
モータ制御装置１０は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation、パルス幅変調）制御によりモータ１６の駆動制御を行う。また、後述するようにモータ１６に発生する電磁騒音の突出を軽減させるマスキング処理を行う。モータ制御装置１０は、ＣＰＵ等の演算回路、半導体メモリやハードディスク等の記憶手段、及び、入出力装置等を備えている。
【００２０】
モータ制御装置１０は、騒音制御部３０と、記憶部３２と、搬送波生成部３４と、スイッチング信号生成部３６を備えている。記憶部３２にはモータ１６の共振周波数やマスキングの臨界帯域等が記憶されている。騒音制御部３０は記憶部３２に記憶されたこれらの情報を参照することができる。また、搬送波生成部３４には図示しない発振回路が設けられ、三角波またはのこぎり波の波形を備える搬送波を生成、出力可能となっている。後述するように騒音制御部３０は搬送波生成部３４に対して搬送波の周波数を調整する指令を送る。また、スイッチング信号生成部３６は、図示しない電子制御装置から指令信号を受信するとともに、搬送波生成部３４から搬送波を受信し、両者を比較することによりスイッチング信号を生成する。スイッチング信号は、指令信号の値が搬送波より高いときにはオンとなり、低いときにはオフとなる方形波（矩形波）として生成される。なお、指令信号（変調波とも呼ばれる）とは、モータ１６に対する駆動指令であり、モータ１６に印加すべき交流電圧の波形（正弦波）を有している。指令信号は、図示しない電流センサにより検出されたモータ電流、および図示しないアクセルの開度等に基づいたトルク指令値等をもとにして図示しない電子制御装置により定められる。また、指令信号はスイッチング信号生成部３６に送信される他にも、騒音制御部３０にも送信される。
【００２１】
スイッチング信号はスイッチング信号生成部３６からインバータ１２に送信される。インバータ１２は、Ｕ相アーム２０と、Ｖ相アーム２２と、Ｗ相アーム２４とを含む。Ｕ相アーム２０、Ｖ相アーム２２およびＷ相アーム２４は、直流電源１４の出力ライン間に並列に接続されている。
【００２２】
Ｕ相アーム２０は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ１、Ｑ２と、ＩＧＢＴ素子Ｑ１、Ｑ２とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ１、Ｄ２とを含む。ダイオードＤ１のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ１のコレクタと接続され、ダイオードＤ１のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタと接続されている。ダイオードＤ２のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタと接続され、ダイオードＤ２のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ２のエミッタと接続されている。
【００２３】
Ｖ相アーム２２は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ３、Ｑ４と、ＩＧＢＴ素子Ｑ３、Ｑ４とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ３、Ｄ４とを含む。ダイオードＤ３のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ３のコレクタと接続され、ダイオードＤ３のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ３のエミッタと接続されている。ダイオードＤ４のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ４のコレクタと接続され、ダイオードＤ４のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ４のエミッタと接続されている。
【００２４】
Ｗ相アーム２４は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ５、Ｑ６と、ＩＧＢＴ素子Ｑ５、Ｑ６とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ５、Ｄ６とを含む。ダイオードＤ５のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ５のコレクタと接続され、ダイオードＤ５のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ５のエミッタと接続されている。ダイオードＤ６のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ６のコレクタと接続され、ダイオードＤ６のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ６のエミッタと接続されている。
【００２５】
また、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相アームの中間点は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の電力ケーブルを介してモータ１６の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータ１６は、３相の交流モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルは各々の一方端が中性点に共に接続されている。そして、Ｕ相コイルの他方端が、Ｕ相電力ケーブルを介してＩＧＢＴ素子Ｑ１、Ｑ２の接続ノードに接続される。またＶ相コイルの他方端が、Ｖ相電力ケーブルを介してＩＧＢＴ素子Ｑ３、Ｑ４の接続ノードに接続される。またＷ相コイルの他方端が、Ｗ相電力ケーブルを介してＩＧＢＴ素子Ｑ５、Ｑ６の接続ノードに接続されている。
【００２６】
インバータ１２は、直流電源１４からの直流電力を交流電力に電力変換を行う電力変換器として機能する。インバータ１２は、例えばハイブリッド自動車、電気自動車等の車輪を駆動するモータ１６に対して直流電源１４からの直流電圧を交流電圧に変換して出力する。モータ１６は、インバータ１２から受ける３相交流電圧によって車両等の駆動トルクを発生する。また、モータ１６は、車両等の回生制動時、３相交流電圧を発生してインバータ１２へ出力し、インバータ１２は、モータ１６が発電した交流電圧を直流電圧に変換して直流電源１４を充電してもよい。すなわち、インバータ１２は、直流電源１４によって供給される直流電力と、モータを駆動制御する交流電力およびジェネレータによって発電される交流電力との間で電力変換を行なう電力変換器として設けられている。インバータ１２は、回生制動に伴い、モータ１６で発電された電力を昇圧コンバータ等に戻してもよい。このとき昇圧コンバータは降圧回路として動作するように制御装置等によって制御される。
【００２７】
インバータ１２には、モータ制御装置１０のスイッチング信号生成部３６からスイッチング信号が送られ、このスイッチング信号に基づいてインバータ１２のＩＧＢＴ素子Ｑ１〜Ｑ６等のスイッチング素子のオン・オフが実行される。スイッチング素子のオン・オフにより、直流電源１４から供給される直流電圧をチョッピングし（切り刻み）、パルス幅の異なる方形波の交流電圧に変換する。この方形波はＰＷＭ波とも呼ばれ、ＰＷＭ波の出力電圧を平均すると指令信号に比例した正弦波となる。また、後述するように、ＰＷＭ波は、指令信号と周波数が等しい基本波成分と、基本波成分と搬送波とが合成された側帯波が重畳されている。
【００２８】
直流電源１４は、例えば、バッテリ等であり、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池、燃料電池等が挙げられる。直流電源１４は、直流電圧をインバータ１２へ供給するとともに、インバータ１２からの直流電圧によって充電されてもよい。
【００２９】
直流電源１４とインバータ１２との間には、直流電源１４から供給された直流電圧を平滑化するコンデンサ１８を設けてもよい。また、コンデンサ１８と、インバータ１２との間に、昇圧コンバータ等を設けてもよい。
【００３０】
モータ１６は、例えば、３相交流同期電動発電機からなる。モータ１６は、例えば、エンジン等によって駆動される発電機として動作するものとしてハイブリッド自動車等に組み込まれるものであってもよいし、ハイブリッド自動車の駆動輪を駆動する電動機としてハイブリッド自動車等に組み込まれるものであってもよい。モータ１６は、ステータ（固定子）とロータ（回転子）とを備え、ステータとロータが電磁気的に相互作用することにより、ロータを回転させ、駆動力を発生させるものである。
【００３１】
次に、モータ１６から発生する電磁騒音について説明する。モータ１６に交流電流が流れることにより、モータ１６に交番磁界が生じ、交番磁界に起因する加振力（電磁加振力）が発生する。この電磁加振力がモータ１６に加わってモータ１６に振動が発生する。この振動が周囲の空気に伝搬することにより騒音が発生する。この騒音が電磁騒音と呼ばれている。
【００３２】
電磁騒音の周波数はモータ１６に印加される交流電圧の周波数に応じて定まる。モータ１６に印加される交流電圧は上述したスイッチング信号と同一の波形を有している。スイッチング信号は矩形波であり、正弦波である指令信号と同一周波数の基本波成分と、基本波の高調波成分が重畳されている。高調波成分は側帯波成分とも呼ばれ、指令信号と搬送波の合成により生成される。電磁騒音（及び、電磁騒音の原因となる交番磁界や電磁加振力）は基本波の周波数を持った成分と、側帯波成分の周波数を持った成分とに分けられる。
【００３３】
側帯波の周波数は下記数式１により表すことができる。
【００３４】
【数１】
0005440383.tif 000002
【００３５】
ここで、ｆｓは側帯波の周波数、ｆｃは搬送波の周波数、ｆ０は基本波（および指令信号）の周波数を示している。また、ｎは１以上の整数、ｋはｎによって決まる整数である。
【００３６】
また、基本波の周波数ｆ０はモータ回転数と比例関係にあり、モータ回転数の増加に伴って基本波の周波数ｆ０も増加する。これに伴い、図２に示すように、ｎｆｃ−ｋｆ０で表わされた側帯波の周波数ｆｓはモータ回転数の増加に伴って減少し、ｎｆｃ＋ｋｆ０で表わされた側帯波の周波数ｆｓはモータ回転数の増加に伴って増加する。
【００３７】
さらに、図３に示すように、基本波成分に由来する電磁騒音、または側帯波成分に由来する電磁騒音のいずれかの周波数がモータ１６の共振周波数ｆｍに一致すると、モータ１６が共振（共鳴）して電磁騒音が局所的に増大する。モータ１６の共振周波数ｆｍはモータの構造上特定される周波数であるため、予め測定により求められ、モータ制御装置１０の記憶部３２に記憶される。
【００３８】
次に、モータ制御装置１０による電磁騒音のマスキング処理について説明する。騒音下での会話が聞き取り難いように、ある音を他の音の存在によって聞こえにくくする処理をマスキングという。マスキング対象となる音（以下、マスキーと呼ぶ）の周波数の周辺帯域にマスキング音を重ねることにより、マスキーの音圧レベル［ｄＢ］の突出が軽減される。これにより、聴覚的にはマスキーの聞こえが小さくなる。この現象を、聴覚的な音の大きさを表わすラウドネス［ｐｈｏｎ］を用いて言い換えると、マスキーにマスキング音を重ねると、マスキーの物理的な音圧レベル［ｄＢ］に変化がなくても聴覚的にはマスキーのラウドネスが低減する。本実施形態においては、モータ１６から発生する電磁騒音のうち、モータ１６の共振周波数成分をマスキーとし、当該マスキーに対するマスキング音を発生させる。具体的にはモータ１６の共振周波数ｆｍ前後の予め定めた帯域における周波数の振動をモータ１６に生じさせ、当該振動による騒音を電磁騒音の共振周波数成分ｆｍに重ねることにより、共振周波数成分ｆｍの音圧レベルの突出を軽減させている。
【００３９】
ここで、マスキング音として使用できる周波数（マスキング周波数）の帯域はマスキーの周波数に応じて変化する。マスキーに対するマスキング音として有効に機能する周波数の帯域を臨界帯域と呼ぶ。臨界帯域を越えた周波数の音をマスキーに重ねてもマスキングの効果を得られないことが実験等により分かっている。本実施形態においては、モータ１６の共振周波数ｆｍを予め実測等により求めておき、さらに共振周波数ｆｍに対応する臨界帯域も予め求めておく。このように求めた共振周波数ｆｍおよび臨界帯域をモータ制御装置１０の記憶部３２に予め記憶しておく。
【００４０】
さらに、本実施形態においては、上述した基本波成分に由来する電磁騒音を側帯波成分に由来する電磁騒音によってマスキングする。図４に示すように、騒音制御部３０は、基本波の周波数ｆ０がモータの共振周波数ｆｍに一致するとき（ｆ０＝ｆｍ）に、図４に示すように、側帯波の周波数ｆｓが共振周波数ｆｍの臨界帯域にあるマスキング周波数ｆｓ’（ｆｍ−１／２Δｆ≦ｆｓ’≦ｆｍ＋１／２Δｆ、ただしｆｓ’≠ｆｍ）となるように搬送波の周波数ｆｃを調整する指令を搬送波生成部３４に送る。
【００４１】
側帯波の周波数をｆｓ’とするための搬送波ｆｃ’は下記数式２に基づいて求められる。なお、図４においては基本波のマスキング音として、ｎ×ｆｃ−ｋ×ｆ０で表わされる側帯波を用いている。
【００４２】
【数２】
0005440383.tif 000003
【００４３】
図４において、基本波の周波数ｆ０が共振周波数ｆｍと等しくなったとき、搬送波の周波数がｆｃ’に設定された側帯波の周波数はマスキングの臨界帯域内の周波数ｆｓ’となる。基本波由来の電磁騒音がモータ１６を共振させる一方で、側帯波由来の電磁騒音がマスキング音として作用して共振周波数ｆｍの電磁騒音に重なることにより、図５に示すように共振周波数ｆｍの電磁騒音の音圧レベルの突出が軽減される。音圧レベルの突出が軽減されることにより、聴覚的には共振周波数ｆｍの電磁騒音が小さく感じられるようになる。
【００４４】
さらに、基本波および側帯波の周波数変化を示す傾き（図４）によっては、基本波が側帯波をマスキングすることも可能である。つまり、図４に示すように、モータ回転数が増加することによって基本波の周波数ｆ０がモータ１６の共振周波数ｆｍを越えた後に側帯波の周波数ｆｓがモータ１６の共振周波数ｆｍに到達したとき、基本波の周波数ｆ０が臨界帯域に存在していれば、基本波由来の騒音が側帯波由来の騒音に対するマスキング音となって機能する。
【００４５】
なお、基本波および側帯波の周波数変化を示す傾きが図４と異なり、側帯波の周波数が共振周波数ｆｍに至ったときに、基本波の周波数は臨界帯域から抜けている場合がある。そうなると基本波による騒音は側帯波による騒音をマスクできない。一方、基本波成分が側帯波成分をマスクできるように基本波の周波数を変更してしまうと、基本波の周波数が指令信号の周波数と異なってしまい、指令通りのモータ１６のトルクを得ることができなくなる。そこでこのような場合には、基本波の周波数は変更せず、側帯波自身によって側帯波による騒音をマスクする。具体的には、騒音制御部３０は搬送波生成部３４に対して、搬送波の周波数ｆｃを所定の帯域幅で変調させる指令を送る。これによって、図６に示すように、側帯波の周波数が共振周波数ｆｍと等しくなった時であっても、その前後で共振周波数ｆｍ周辺の帯域幅で側帯波の周波数が変調されるので、当該周辺帯域の電磁騒音により、共振周波数ｆｍにおける電磁騒音の音圧レベルの突出が軽減される。なお、臨界帯域を越えるとマスキングの効果は得られないので、搬送波（および側帯波）の周波数の変調幅は臨界帯域内の幅であることが望ましい。
【００４６】
また、マスキング音は単一周波数（単音）であるよりも帯域幅を有している方がマスキングの効果が高くなることが知られている。そこで、所定の帯域幅で周波数変調する側帯波を基本波由来の電磁騒音のマスキング音として使用することで、変調しない場合（図４）と比較して高いマスキング効果を得ることができる。
【００４７】
また、図７に示すように、騒音制御部３０が搬送波生成部３４に対して、基本波の周波数ｆ０が共振周波数ｆｍとなるときに、側帯波の周波数ｆｓを共振周波数ｆｍを中心周波数として変調する旨の指令を送るようにしても良い。これにより、図８に示すように、基本波による電磁騒音の周波数ｆ０が共振周波数ｆｍと等しくなった時に、共振周波数前後の周辺帯域に変調された側帯波による電磁騒音がマスキング音として機能し、高いマスキング効果を得ることができる。
【００４８】
なお、上述したモータ制御装置１０において、マスキング音を側帯波成分により発生させる代わりに、モータ１６の周辺にスピーカ等の音声出力手段を設け、共振周波数に対する臨界帯域内の周波数成分を含んだマスキング音を当該音声出力手段に発生させるようにしても良い。
【符号の説明】
【００４９】
１０  モータ制御装置、１２  インバータ、１４  直流電源、１６  モータ、１８  コンデンサ、３０  騒音制御部、３２  記憶部、３４  搬送波生成部、３６  スイッチング信号生成部。
【図１】
0005440383.tif 000004
【図２】
0005440383.tif 000005
【図３】
0005440383.tif 000006
【図４】
0005440383.tif 000007
【図５】
0005440383.tif 000008
【図６】
0005440383.tif 000009
【図７】
0005440383.tif 000010
【図８】
0005440383.tif 000011
【図９】
0005440383.tif 000012
【図１０】
0005440383.tif 000013