(57)【要約】【課題】本発明は、モータシステム損失の増大を抑制しながら、低騒音のＰＷＭインバータ装置ＰＷＭインバータ制御方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、回転電機に電力を供給するインバータの駆動制御に用いるキャリア周波数をランダムに変動させるキャリア周波数演算手段を備えるＰＷＭインバータ装置であって、前記キャリア周波数演算手段は、変動させる周波数範囲内における所定のキャリア周波数での前記回転電機の損失及び前記インバータの損失の和として表されるモータシステム損失を基準とし、前記変動させる周波数範囲内において、モータシステム損失が前記基準のモータシステム損失より大きくなるキャリア周波数の発生頻度を、前記所定のキャリア周波数の発生頻度より少なくし、モータシステム損失が前記基準のモータシステム損失より小さくなるキャリア周波数の発生頻度を、前記所定のキャリア周波数の発生頻度より多くする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機に電力を供給するインバータの駆動制御に用いるキャリア周波数をランダムに変動させるキャリア周波数演算手段を備えるＰＷＭインバータ装置であって、
前記キャリア周波数演算手段は、変動させる周波数範囲内における所定のキャリア周波数での前記回転電機の損失及び前記インバータの損失の和として表されるモータシステム損失を基準とし、前記変動させる周波数範囲内において、モータシステム損失が前記基準のモータシステム損失より大きくなるキャリア周波数の発生頻度を、前記所定のキャリア周波数の発生頻度より少なくし、モータシステム損失が前記基準のモータシステム損失より小さくなるキャリア周波数の発生頻度を、前記所定のキャリア周波数の発生頻度より多くすることを特徴とするＰＷＭインバータ装置。
【請求項２】
回転電機に電力を供給するインバータの駆動制御に用いるキャリア周波数をランダムに変動させるキャリア周波数演算ステップを備えるＰＷＭインバータ制御方法であって、
前記キャリア周波数演算ステップでは、変動させる周波数範囲内における所定のキャリア周波数での前記回転電機の損失及び前記インバータの損失の和として表されるモータシステム損失を基準とし、前記変動させる周波数範囲内において、モータシステム損失が前記基準のモータシステム損失より大きくなるキャリア周波数の発生頻度を、前記所定のキャリア周波数の発生頻度より少なくし、モータシステム損失が前記基準のモータシステム損失より小さくなるキャリア周波数の発生頻度を、前記所定のキャリア周波数の発生頻度より多くすることを特徴とするＰＷＭインバータ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＷＭインバータ装置及びＰＷＭインバータ制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のＰＷＭインバータ装置は、一定のキャリア周波数を用いることにより任意の電圧、周波数をモータへ出力している。また、一定のキャリア周波数とせず出力周波数に併せてキャリア周波数を変化させることで出力電圧精度を保つのが一般的である。
【０００３】
そして、ＰＷＭインバータ装置では、駆動するモータからキャリア周波数に基づく電磁騒音が発生する。具体的には、モータの固定子巻線にキャリア周波数あるいはその整数倍の周波数の高周波成分（リップル電流）が発生し、これがモータの振動成分となり騒音を発生する。
【０００４】
例えば、特許文献１には、低騒音のＰＷＭインバータ装置が提案されている。具体的には、基本キャリア周波数を中心としてある変動幅でキャリア周波数を変動させる。そして、その際、変動させたキャリア周波数の平均値が基本キャリア周波数となるようにキャリア周波数を変動させる。これにより、キャリア周波数に起因する特定の周波数成分を分散化することができ、騒音の発生を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２０３２０号公報
【特許文献２】特開２００９−１１０２８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】高尾、「ＳｉＣハイブリッドペアによる低損失インバータ」、東芝レビュー、２００９年、第６４巻、第７号、ｐ．４４−４７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１のように、変動させたキャリア周波数の平均値が基本キャリア周波数となるようにキャリア周波数を変動させると、変動させない場合と比べて、インバータ損失と回転電機損失（モータ損失）の和としてのモータシステム損失が増大するという問題がある。具体的には、キャリア周波数を増大させるとインバータ損失が増大し（例えば、非特許文献１参照）、キャリア周波数を低下させると回転電機損失が増大（例えば、特許文献２参照）してしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、モータシステム損失の増大を抑制しながら、低騒音のＰＷＭインバータ装置及びＰＷＭインバータ制御方法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】
【０００９】
本発明は、回転電機に電力を供給するインバータの駆動制御に用いるキャリア周波数をランダムに変動させるキャリア周波数演算手段を備えるＰＷＭインバータ装置であって、前記キャリア周波数演算手段は、変動させる周波数範囲内における所定のキャリア周波数での前記回転電機の損失及び前記インバータの損失の和として表されるモータシステム損失を基準とし、前記変動させる周波数範囲内において、モータシステム損失が前記基準のモータシステム損失より大きくなるキャリア周波数の発生頻度を、前記所定のキャリア周波数の発生頻度より少なくし、モータシステム損失が前記基準のモータシステム損失より小さくなるキャリア周波数の発生頻度を、前記所定のキャリア周波数の発生頻度より多くする。
【００１０】
また、本発明は、回転電機に電力を供給するインバータの駆動制御に用いるキャリア周波数をランダムに変動させるキャリア周波数演算ステップを備えるＰＷＭインバータ制御方法であって、前記キャリア周波数演算ステップでは、変動させる周波数範囲内における所定のキャリア周波数での前記回転電機の損失及び前記インバータの損失の和として表されるモータシステム損失を基準とし、前記変動させる周波数範囲内において、モータシステム損失が前記基準のモータシステム損失より大きくなるキャリア周波数の発生頻度を、前記所定のキャリア周波数の発生頻度より少なくし、モータシステム損失が前記基準のモータシステム損失より小さくなるキャリア周波数の発生頻度を、前記所定のキャリア周波数の発生頻度より多くする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、モータシステム損失の増大を抑制しながら、低騒音のＰＷＭインバータ装置及びＰＷＭインバータ制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係るＰＷＭインバータ装置を備えるモータシステムの構成の一例を示す模式図である。
【図２】（Ａ）インバータ損失が支配的な場合における変動キャリア周波数とモータシステム損失との関係を示す図であり、（Ｂ）回転電機損失が支配的な場合における変動キャリア周波数とモータシステム損失との関係を示す図である。
【図３】従来の変動キャリア周波数と発生頻度との関係を示す図である。
【図４】インバータ損失が支配的である場合の変動キャリア周波数の発生頻度を表すマップである。
【図５】回転電機損失が支配的である場合の変動キャリア周波数の発生頻度の一例を表すマップである。
【図６】インバータ損失が支配的な場合における変動キャリア周波数とモータシステム損失との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態に係るＰＷＭインバータ装置を備えるモータシステムの構成の一例を示す模式図である。図１に示すモータシステム１０は、電源回路としての蓄電装置１２、平滑コンデンサ１４，１８、電圧変換器１６、インバータ２０，２２と、２つの回転電機２４，２６と、ＰＷＭインバータ装置４０と、外部電源６０と、を備えて構成される。
【００１５】
本実施形態における回転電機（２４，２６）は、例えば、車両に搭載されるモータ・ジェネレータや車両に搭載されるもの以外、例えば据置型のモータ・ジェネレータ等である。また、回転電機として、単にモータとしての機能を有するものでもよく、あるいは単に発電機としての機能を有するものであってもよい。また、本実施形態に係る電源回路の構成としては、蓄電装置１２、電圧変換器１６、平滑コンデンサ１４，１８、インバータ２０，２２を有するものを例に説明するが、インバータを含む電源回路であれば、それ以外の要素を適宜省略してもよく、またその他の要素を適宜付加するものとしてもよい。
【００１６】
外部電源６０は、商用交流電源であって、回転電機２４，２６をリアクトルとして用い、インバータ２０，２２の作動制御によって蓄電装置１２に充電するためのものである。具体的には、２つの回転電機２４，２６のそれぞれの中性点から引き出された２本のケーブルに適当な接続端子を設け、その接続端子を例えば、充電スタンドの充電端子、あるいは一般家庭の電源コンセントに接続することで、外部電源６０が回転電機２４，２６とインバータ２０，２２を含むモータシステム１０に接続される。これによって、車両に搭載された蓄電装置１２の充電状態が低くなった場合に、適当な外部電源６０から充電を行うことができる。
【００１７】
なお、ここでは、モータシステム１０に外部電源６０を接続して電源回路の蓄電装置１２を充電するものとして説明するが、外部電源６０に代えて、交流で作動する電気機器を負荷として、２つの回転電機２４，２６の中性点に接続するものとできる。この場合には、２つの回転電機２４，２６をリアクトルとして用い、インバータ２０，２２の作動制御によって、蓄電装置１２の電力を負荷に供給するものとできる。これによって、車両に搭載された蓄電装置１２を用いて、適当な電源装置がない状況で、負荷を駆動することができる。
【００１８】
２つの回転電機２４，２６のうち、第１の回転電機（ＭＧ１）２４は、例えば、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（ＭＧ）であって、その場合には、図示されていないエンジンに接続され、エンジンの駆動力によって発電する機能を有する三相同期型回転電機である。
【００１９】
第２の回転電機（ＭＧ２）２６は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（ＭＧ）であって、電力が供給されるときは電動機として機能し、制動時には発電機として機能する三相同期型回転電機である。車両に搭載される第２の回転電機２６は、図示されていない車両の車軸に伝達されるエンジンの動力を補助して、駆動力を高める機能を有する。
【００２０】
電源回路は、上記のように、蓄電装置１２、蓄電装置側の平滑コンデンサ１４、電圧変換器１６、インバータ側の平滑コンデンサ１８、２つのインバータ２０，２２を含んで構成される。
【００２１】
蓄電装置１２は、充放電可能な２次電池である。蓄電装置１２としては、例えば、リチウムイオン組電、ニッケル水素組電池、キャパシタ等を用いることができる。
【００２２】
蓄電装置１２と電圧変換器１６との間に設けられる蓄電装置側の平滑コンデンサ１４は、電圧変換器１６の低電圧側の電圧変動を抑制する機能を有するコンデンサである。
【００２３】
電圧変換器１６は、リアクトルと、スイッチング素子とを含んで構成される昇降圧回路である。電圧変換器１６は、蓄電装置１２側の低電圧（例えば、約２００Ｖから約３００Ｖ程度）を、リアクトルのエネルギ蓄積作用を利用して、高電圧（例えば、約６００Ｖ）に昇圧する機能を有する回路で、昇圧コンバータとも呼ばれる。また、電圧変換器１６は双方向機能を有し、２つのインバータ２０，２２の側からの電力を蓄電装置１２側に充電電力として供給するときには、２つのインバータ２０，２２の側の高電圧を蓄電装置１２に適した低電圧に降圧する作用を有する。
【００２４】
電圧変換器１６とインバータ２０，２２の間に設けられるインバータ側の平滑コンデンサ１８は、電圧変換器１６の高電圧側の電圧変動を抑制する機能を有するコンデンサである。
【００２５】
２つのインバータ２０，２２は、いずれも、高圧直流電力を交流三相駆動電力に変換し、それぞれに接続される回転電機２４，２６に供給する機能と、逆にそれぞれの回転電機２４，２６からの交流三相回生電力を高圧直流充電電力に変換する機能とを有する回路である。上記のように、２つのインバータ２０，２２のうち、第１の回転電機（ＭＧ１）２４に接続される方を第１のインバータ（ＭＧ１インバータ）２０、第２の回転電機（ＭＧ２）２６に接続される方を第２のインバータ（ＭＧ２インバータ）２２と呼ぶことができる。
【００２６】
インバータ２０，２２は、図１に示されるように、それぞれの基本構成は互いに同じで、複数のスイッチング素子と複数のダイオードとを含んで構成される。それぞれのインバータ２０，２２は、三相同期型である回転電機２４，２６の三相コイルにそれぞれ対応して、２つのスイッチング素子を直列に接続したものをＵ相用、Ｖ相用、Ｗ相用に３つ並列に配置して構成される。各スイッチング素子には並列にダイオードがそれぞれ接続配置される。そして、各接続点がそれぞれ、回転電機２４，２６のＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルに接続される。
【００２７】
ＰＷＭインバータ装置４０は、モータシステム１０を構成する各要素の作動を全体として制御する機能を有するが、ここでは特に、インバータ（２０，２２）の駆動制御として作用するものである。ＰＷＭインバータ装置４０は、キャリア周波数演算部４２、ＰＷＭ制御演算部４４を備えている。
【００２８】
キャリア周波数演算部４２は、後述のようにインバータ（２０，２２）の駆動制御に用いるキャリア周波数をある変動幅においてランダムに変動させる機能を有し、ＰＷＭ制御演算部４４は、上記変動させたキャリア周波数に基づいて、所定の電圧と周波数の交流電力を発生するためのＰＷＭ信号を生成する。これにより、インバータ（２０，２２）を介して回転電機（２４，２６）が駆動されることとなる。以下具体的に、本実施形態に用いられるキャリア周波数演算部４２の機能及び動作について説明する。
【００２９】
一般的に、インバータ（２０，２２）の駆動制御に用いるキャリア周波数を変動させた場合、キャリア周波数を増大させるとインバータ損失が増大し、キャリア周波数を低下させると回転電機損失が増大してしまう。そのため、キャリア周波数の変動によるモータシステム損失（インバータ損失と回転電機損失との和）の増減は、インバータ損失及び回転電機損失のいずれかの損失が支配的であるかによるが、図２（Ａ），（Ｂ）で表されるように、キャリア周波数に対して下に凸の特性となる。そのため、下式で表されるキャリア周波数を変動させた場合のモータシステムの平均損失は、必ず中心キャリア周波数におけるモータシステム損失より大きくなる。
【数１】
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Ｌ（Ｆ）：モータシステム損失
Ｆｃ：キャリア周波数
Ｆｃ０：中心キャリア周波数（（ΔＦｃ＋ΔＦｃ）／２）
ΔＦｃ：キャリア周波数変動幅
【００３０】
したがって、図３に示すように、例えば、変動させる周波数に関係なく一定の発生頻度でキャリア周波数を変動（２５００Ｈｚを中心に±４００）させた場合のモータシステムの平均損失は、２５００Ｈｚの一定キャリア周波数の場合のモータシステム損失と比較すると、増大してしまう（但し、ＰＷＭインバータ装置４０の騒音は抑制される）。
【００３１】
そこで、本実施形態では、モータシステム損失の増大を抑え、ＰＷＭインバータ装置４０の騒音を抑制するために、キャリア周波数演算部４２により、変動させる周波数範囲内における所定のキャリア周波数でのモータシステム損失（回転電機損失及びインバータ損失の和）を基準とし、変動させる周波数範囲内において、モータシステム損失が基準のモータシステム損失より大きくなるキャリア周波数の発生頻度を、所定のキャリア周波数の発生頻度より少なくし、モータシステム損失が基準のモータシステム損失より小さくなるキャリア周波数の発生頻度を、所定のキャリア周波数の発生頻度より多くする。ここで、所定のキャリア周波数は変動させる周波数範囲の中心のキャリア周波数（例えば、図６に示すように、２１００Ｈｚ〜２９００Ｈｚの範囲でキャリア周波数を変動させた場合、中心キャリア周波数は２５００Ｈｚとなる）とすることが好ましいが、モータシステム損失を効率的に抑制するための基準となるキャリア周波数が設定されるのであれば、特に制限されるものではない。
【００３２】
図２（Ａ）及び図６に示すように、モータシステム損失のうちインバータ損失が支配的である場合には、キャリア周波数が増大するとモータシステム損失も増大する。したがって、インバータ損失が支配的である場合には、例えば、中心キャリア周波数（図６では２５００Ｈｚ）より大きい周波数の発生頻度を少なくし、中心キャリア周波数より小さい周波数の発生頻度を多くする。一方、図２（Ｂ）に示すように、モータシステム損失のうち回転電気損失が支配的である場合には、キャリア周波数が低下するとモータシステム損失が増大する。したがって、回転電気損失が支配的である場合には、例えば、中心キャリア周波数（２１００Ｈｚ〜２９００Ｈｚの範囲でキャリア周波数を変動させた場合の中心キャリア周波数は２５００Ｈｚ）より大きい周波数の発生頻度を多くし、中心キャリア周波数より小さい周波数の発生頻度を少なくする。
【００３３】
具体的には、図４に示すように、インバータ損失が支配的である場合の変動キャリア周波数の発生頻度を表すマップ、及び図５に示すように、回転電機損失が支配的である場合の変動キャリア周波数の発生頻度を表すマップを、予めキャリア周波数演算部４２に記憶させておく。図４に示すマップ（モータシステム損失においてインバータ損失が支配的な場合）では、中心キャリア周波数を基準に中心キャリア周波数より大きい周波数領域では段階的に発生頻度を少なくし、中心キャリア周波数より小さい周波数領域では段階的に発生頻度を多くしている。また、図５に示すマップ（モータシステム損失において回転電機損失が支配的な場合）では、中心キャリア周波数を基準に中心キャリア周波数より大きい周波数領域では段階的に発生頻度を多くしていき、中心キャリア周波数より小さい周波数領域では段階的に発生頻度を少なくしている。
【００３４】
そして、インバータ損失が支配的である場合には、図４に示すマップに基づいてキャリア周波数を発生させ、回転電機損失が支配的である場合には、図５に示すマップに基づいてキャリア周波数を発生させる。
【００３５】
ここで、インバータ損失が支配的であるか、回転電機損失が支配的であるかの判断は、例えば、以下のようにして行うことが可能である。通常、回転電機（２４，２６）の回転数が大きい場合には回転電機損失が支配的となり、回転電機（２４，２６）の回転数が小さい場合にはインバータ損失が支配的となるため、例えば、回転電機（２４，２６）の回転数が所定値以上である場合には図５に示すマップを用い、回転電機（２４，２６）の回転数が所定値未満である場合には図４に示すマップを用いる。また、回転電機（２４，２６）の回転数を複数領域に区切り、領域毎の変動キャリア周波数の発生頻度を表すマップを設定する等でもよい。また、回転電機（２４，２６）の回転数を利用する場合を例に説明したが、これに制限されるものではなく、例えば、回転電機（２４，２６）の電流値や、アクセルペダルの踏み込み量等から、インバータ損失が支配的であるか、回転電機損失が支配的であるかを判断することも可能である。
【００３６】
本実施形態における、各キャリア周波数の発生頻度の設定は、上記説明したように、モータシステム損失が基準のモータシステム損失より大きくなるキャリア周波数の発生頻度を、所定のキャリア周波数の発生頻度より少なくし、モータシステム損失が基準のモータシステム損失より小さくなるキャリア周波数の発生頻度を、所定のキャリア周波数の発生頻度より多くなるように行われれば、特に制限されるものではない。しかし、モータシステム損失の増大を効率的に抑えながら、ＰＷＭインバータ装置の騒音を抑制する点で、キャリア周波数を変動させた場合のモータシステムの平均損失が、中心キャリア周波数におけるモータシステム損失と一致するように、各キャリア周波数の発生頻度を設定することが好ましい。
【００３７】
本実施形態では、モータシステム損失においてインバータ損失が支配的な場合には、図４に示すように中心キャリア周波数を基準に中心キャリア周波数より大きい周波数領域では段階的に発生頻度を少なくしていき、中心キャリア周波数より小さい周波数領域では段階的に発生頻度を多くしていき、また、モータシステム損失において回転電機損失が支配的な場合には、図５に示すように中心キャリア周波数を基準に中心キャリア周波数より大きい周波数領域では段階的に発生頻度を多くしていき、中心キャリア周波数より小さい周波数領域では段階的に発生頻度を少なくしていくが、必ずしもこれに制限されるものではない。例えば、モータシステム損失においてインバータ損失が支配的な場合、中心キャリア周波数を基準に中心キャリア周波数より大きい周波数領域では、中心キャリア周波数より発生頻度を多くするが、その発生頻度を一定値とし、中心キャリア周波数を基準に中心キャリア周波数より小さい周波数領域では、中心キャリア周波数より発生頻度を少なくするが、その発生頻度を一定値等としてもよい。なお、モータシステム損失において回転電機損失が支配的な場合には、上記の逆の設定となる。
【００３８】
なお、図４及び５では、２５００Ｈｚを中心キャリア周波数として、そこから±４００Ｈｚで変動させた場合を例としたが、キャリア周波数の変動範囲は上記に制限されるものではなく、適宜設定されればよい。
【符号の説明】
【００３９】
１０  モータシステム、１２  蓄電装置、１４，１８  平滑コンデンサ、１６  電圧変換器、２０，２２  インバータ、２４，２６  回転電機、４０  ＰＷＭインバータ装置、４２  キャリア周波数演算部、４４  ＰＷＭ制御演算部、６０  外部電源。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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