(57)【要約】【課題】過渡的な電圧変動時に制御不安定や誘導障害が生じず、かつ全ての速度域において制御応答特性が優れ耳障りな騒音が生じないPWM制御手法を提供する。【解決手段】キャリアが電圧指令と同期しない非同期モードと、キャリアが電圧指令と同期する同期モードを有し、PWM波形が飽和した1パルス運転が可能なPWMインバータにおいて、可変電圧で運転される速度では非同期モードで運転を行い、過渡的にPWM波形が飽和しないように電圧変調率を制限する。一方、電圧が最大電圧となる速度では、同期モードでの運転を行い電圧変調率は制限しない。非同期モードから同期モードへ遷移する際は、同期モードに切り替えた後に変調率の制限を徐々に最大値まで引き上げる。同期モードから非同期モードへ遷移する際は、変調率の制限を徐々にPWMが飽和しない値まで引き下げた後に非同期モードに切り替える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機角速度と一次電流とトルク指令を入力とし変調率指令と電圧位相指令を出力する電圧指令生成器と、該変調率指令が0.9以下のときは前記変調率指令を出力し前記変調率指令が0.9以上のときはある関数に基づき前記変調率指令より大きい値を出力する変調率補正器と、該変調率補正器出力と該電圧位相指令を入力とし3相の電圧指令を出力する電圧指令演算器と、非同期キャリア周波数を出力する非同期キャリア周波数生成器と、該電圧位相指令を入力とし同期キャリア周波数を出力とする同期キャリア周波数生成器と、キャリアモード信号により該非同期キャリア周波数と該同期キャリア周波数のどちらかを選択しキャリア周波数として出力するスイッチと、該キャリア周波数を周波数とする三角波をキャリアとして生成するキャリア生成器と、前記電圧指令と前記キャリアを比較し3相のスイッチング指令を出力するキャリア比較器と、前記スイッチング指令に基づき前記電動機に3相の電圧を印加する電力変換器から構成されるPWM制御装置において、前記変調率補正器の入力である前記変調率指令を変調率制限値にて制限する変調率制限器と、該電動機角速度が所定値を超えると前記スイッチの出力を同期キャリア周波数とするキャリアモード信号を出力した後に該変調率制限値を最大値まで所定時間で増加させ、前記電動機角速度が所定値を下回ると前記変調率制限値を所定値まで所定時間で低下させた後に前記スイッチの出力を前記非同期キャリア周波数とするキャリアモード信号を出力する変調率制限値演算器を具備することを特徴するPWM制御装置。
【請求項２】
前記請求項１のPWM制御装置において、前記変調率指令値を変化させる所定時間を十分に短い時間とすることを特徴するPWM制御装置。
【請求項３】
前記請求項1のPWM制御装置において、切り替え速度における同期キャリア周波数と非同期キャリア周波数が一致することを特徴するPWM制御装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電動機を制御するPWMインバータに関するものであり、特に過渡的な制御不安定や誘導障害及び耳障りな雑音を抑制するためのものである。
【背景技術】
【０００２】
図２に一例として従来の技術によるPWM制御装置のブロック図を示し、この図に基づいて従来の技術を説明する。
【０００３】
電圧指令生成器３は、トルク指令T*、電流検出器２により検出した電動機１の一次電流、電動機１の角速度である電動機角速度ωを入力とし、ベクトル制御等を用いて変調率指令α0電圧位相指令θを出力する。なお、変調率指令α0の最大値は1とする。
【０００４】
変調率補正器５は、変調率指令α0が0.9以下のときは変調率指令α0を変調率補正値αnとして出力し、変調率指令α0が0.9以上のときは、ある関数に基づき変調率指令α0より大きい値を変調率補正値αnとして出力する。
【０００５】
電圧指令演算器６は、変調率補正値αnと電圧位相指令θを入力とし、（１）〜（３）により３相の電圧指令Vu*,Vv*,Vw*を出力する。
【０００６】
【数１】
2008220106.tif 000003
【０００７】
非同期キャリア周波数生成器７は、一定もしくは可変の非同期キャリア周波数fca_aを生成する。同期キャリア周波数生成器８は、電圧位相指令θを入力とし、電圧位相指令θと同期した（４）式により演算されるキャリア周波数fca_sを出力する。
【０００８】
【数２】
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【０００９】
なお、ここでNは同期パルス数であり、３と奇数の積となるような値を用いる。
【００１０】
キャリアモード切替器１４は、電動機角速度ωが切り替え角速度ωp以下のときはキャリアモード信号Scaを0として出力し、電動機角速度ωが切り替え角速度ωp以上のときはキャリアモード信号Sca を1として出力する。スイッチ１０は、キャリアモード信号Scaが0のときには非同期キャリア周波数fca_aをキャリア周波数fcaとして出力し、キャリアモード信号Scaが1のときには、同期キャリア周波数fca_sをキャリア周波数fcaとして出力する。
【００１１】
キャリア生成器１１は、キャリア周波数fcaを周波数とし１から−１までの大きさの三角波をキャリアcarとして出力する。キャリア比較器１２は、電圧指令Vu*,Vv*,Vw*と、キャリアcarを比較し三相のスイッチング指令su,sv,swを出力する。なお、スイッチング指令は下記の演算により求める。
【００１２】
【数４】
2008220106.tif 000005
【００１３】
電力変換器は１３スイッチング指令su,sv,swに基づき3相の出力電圧Vu,Vv,Vwを電動機１に印加する。
【００１４】
ここで、変調率指令α0が0.9を超えた場合に変調率を補正する理由について説明する。変調率指令α0が0.9を超えるとPWM波形が徐々に飽和する過変調運転状態となり、変調率指令α0と出力電圧Vu,Vv,Vwの基本波成分の振幅が比例しなくなる。そのため、変調率指令α0が0.9を超えた際に、変調率指令α0と出力電圧Vu,Vv,Vwの基本波成分の振幅が比例関係となるように補正を行い、変調率指令α0が１となった際に、PWM電圧波形が完全に飽和し矩形波となる１パルス運転となるようにする。
【００１５】
以上の構成により、電動機角速度ωが切り替え角速度ωpより低い角速度では、キャリアと電圧指令が同期していない非同期モードとなり、電動機角速度ωが切り替え角速度ωpより高い角速度ではキャリアと電圧指令が同期した同期モードとなる。
【００１６】
非同期モードで１パルス運転を試みると、キャリアと電圧指令が同期していないため、図３に示すように必ずしも完全な１パルス波形とならず、制御不安定や誘導障害の要因となる。一方、同期モードで１パルス運転を行うと、変調率補正器５を適切に設定することにより、図４のように完全な１パルス波形が得られ、制御不安定や誘導障害を防ぐことが可能である。
【００１７】
車両用の電動機制御では、低速域では電圧が速度にほぼ比例するために、低速域では可変電圧で運転し、電圧が最大値に達する速度を超過すると電圧の最大値での運転となる。よって切り替え角速度ωpを電圧が最大電圧に達する角速度より低い角速度とすることにより、電圧が最大値となる速度域で自動的に完全な１パルス運転が可能となり安定した制御が可能となる。
【００１８】
電圧が最大値となる速度であっても、過渡的に変調率指令が低下する場合がある。同期モードのキャリアを用いて１パルス運転を行うことにより、過渡的に変調率が低下した際、自動的にPWM電圧波形となるため、高い応答が得られる。
【００１９】
【特許文献１】特開２０００―１４２００公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
定常的には電圧が最大値に達しない速度であっても、トルク指令変動等により過渡的に電圧が最大値に達し飽和することがある。過渡的に電圧が飽和した際、非同期モードでは完全な１パルス波形とならないために制御不安定や誘導障害の要因となる。よって、電圧が最大値に達する速度よりもはるかに低い速度で同期モードに切り替える必要がある。しかしながら、同期モードでは、速度によりキャリア周波数が大きく変化し制御応答特性が大きく変化する。制御演算処理時間や電力変換器の性能によりキャリア周波数の上限が存在することから、同期モードの中でも速度の低いところでは非同期モードに比べキャリア周波数がはるかに低くなり制御応答特性が悪化する。
【００２１】
特に、電動機１にインダクタンスの大きい交流電動機を用いる場合、過渡的な電圧の飽和が生じ易く、またキャリア周波数低下による制御応答特性の劣化が顕著であるため、前記問題が生じ易い。
【００２２】
キャリア周波数の変化を抑えるために、キャリア周波数がある範囲に収まるように同期モードにおいて同期パルス数Nを変化させる手法がある。しかしながら、パルスモードが変化する際には騒音が不連続に変化し耳障りであることから望ましくない。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
請求項１の発明によれば、電動機角速度と一次電流とトルク指令を入力とし変調率指令と電圧位相指令を出力する電圧指令生成器と、該変調率指令が0.9以下のときは前記変調率指令を出力し前記変調率指令が0.9以上のときはある関数に基づき前記変調率指令より大きい値を出力する変調率補正器と、該変調率補正器出力と該電圧位相指令を入力とし3相の電圧指令を出力する電圧指令演算器と、非同期キャリア周波数を出力する非同期キャリア周波数生成器と、該電圧位相指令を入力とし同期キャリア周波数を出力とする同期キャリア周波数生成器と、キャリアモード信号により該非同期キャリア周波数と該同期キャリア周波数のどちらかを選択しキャリア周波数として出力するスイッチと、該キャリア周波数を周波数とする三角波をキャリアとして生成するキャリア生成器と、前記電圧指令と前記キャリアを比較し3相のスイッチング指令を出力するキャリア比較器と、前記スイッチング指令に基づき前記電動機に3相の電圧を印加する電力変換器から構成されるPWM制御装置において、前記変調率補正器の入力である前記変調率指令を変調率制限値にて制限する変調率制限器と、該電動機角速度が所定値を超えると前記スイッチの出力を同期キャリア周波数とするキャリアモード信号を出力した後に該変調率制限値を最大値まで所定時間で増加させ、前記電動機角速度が所定値を下回ると前記変調率制限値を所定値まで所定時間で低下させた後に前記スイッチの出力を前記非同期キャリア周波数とするキャリアモード信号を出力する変調率制限値演算器を具備することを特徴する。
【００２４】
請求項２の発明によれば、前記請求項１のPWM制御装置において、前記変調率指令値を変化させる所定時間を十分に短い時間とすることを特徴する。
【００２５】
請求項３の発明によれば、前記請求項1のPWM制御装置において、切り替え速度における同期キャリア周波数と非同期キャリア周波数が一致することを特徴する。
【００２６】
さらに、非同期モードの変調率をPWM波形が飽和しない値に制限する。非同期モードから同期モードへ遷移する際は、同期モードに切り替えた後に変調率の制限を所定時間で最大値まで引き上げる。同期モードから非同期モードへ遷移する際は、変調率の制限を所定時間でPWMが飽和しない値まで引き下げた後に非同期モードに切り替える。
【発明の効果】
【００２７】
本発明により、切り替え角速度ωpを電圧が最大値に達する角速度と一致させることが可能となる。そのため、可変電圧で運転する速度域では非同期モードとなることから、制御応答特性の変化や不連続な騒音が生じない。また、非同期モードでは変調率をPWM波形が飽和しない値に制限することから、過渡的に電圧が飽和した際、制御不安定や誘導障害の要因とならない。一方、電圧が最大値に達する速度域では、同期モードによる1パルス運転となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
低速域では変調率を0.9に制限した非同期モードとし、電圧が最大値となる領域では変調率を1.0に制限した同期モードとする。非同期モードから同期モードに切り替える際は、同期モードに切り替えた後、変調率の制限を徐々に0.9から1まで引き上げる。同期モードから非同期モードに切り替える際は、変調率の制限を1から0.9まで徐々に引き下げた後非同期モードに切り替える。
【実施例１】
【００２９】
図１は請求項１を表す本発明の一実施例を示すブロック図であり、この図に基づいて説明するが、従来技術と同一部分は説明を省略する。
【００３０】
変調率制限値演算器９は、電動機角速度ωが切り替え角速度ωp以下のときには、変調率制限値αlmtを0.9とし、キャリアモード信号Scaを0として出力し、電動機角速度ωが切り替え角速度ωpを超えると、キャリアモード信号Scaを1に変化させた後、変調率制限値αlmtを所定時間Tαかけて1まで引き上げる。また、電動機角速度ωが切り替え角速度ωpを超えた状態から切り替え角速度ωpより低い状態へ変化した場合は、変調率制限値αlmtを所定時間Tαかけて0.9まで引き下げた後、キャリアモード信号Scaを0に変化する。
【００３１】
変調率制限器４は、変調率指令α0が変調率制限値αlmtを超えた場合変調率制限値αlmtに制限する。
【００３２】
非同期モードでは、変調率が0.9に制限されているために、過渡的に電圧が飽和してもPWM波形が飽和することがないため、制御不安定や誘導障害の要因とならない。そのため、切り替え角速度ωpを電圧が最大値に達する角速度と一致させても問題ない。
【００３３】
同期モードは電圧が最大値に達する速度域でのみ用いるために、変調率制限αlmtが1となった定常状態では１パルス運転となる。１パルス運転時は同期パルス数Nが変化しても出力波形が変化しないため、たとえキャリア周波数がある範囲に収まるようにパルス数を変化させても、耳障りな騒音が生じないため、パルス数Nを変化させることにより制御応答特性の確保が可能となる。
【実施例２】
【００３４】
請求項２の発明の一実施例を説明するが、実施例1と同一部分は省略する。
【００３５】
実施例１のPWM制御装置において、所定時間Tαを十分に短い時間とする。
【００３６】
変調率αが1に達していない状態ではキャリア周波数成分の騒音が生じ、変調率αが1に達した1パルス運転状態ではキャリア周波数成分の騒音が生じない。すなわち、変調率αを制限した非同期モードでは非同期キャリア周波数fca_aの成分の騒音が生じ、同期モードで変調率αlmtが1に達する前は同期キャリア周波数fca_sの成分の騒音が生じ、同期モードで変調率制限αlmtが1に達し変調率αが1の状態ではキャリア周波数成分の騒音が生じない。そのため、実施例１の構成では、非同期キャリア周波数fca_aの成分の騒音が生じる状態と、キャリア周波数成分の騒音が生じない状態との間に、同期キャリア周波数fca_sを成分とする騒音が生じるため、非同期モードと同期モードの切り替え時に不連続な騒音が生じる。
【００３７】
所定時間Tαを十分に短い時間とすることにより、あたかも非同期キャリア周波数成分fca_aの騒音が生じている状態からキャリア周波数成分の騒音が生じていない状態へと遷移しているような騒音となるため、耳障りとなる不連続な騒音が認識されず問題とならない。なお、所定時間Tαがあまりにも短いとトルク不安定が生じるため、トルク不安定が生じない程度の時間とする。
【実施例３】
【００３８】
請求項３の発明の一実施例を説明するが、実施例1と同一部分は省略する。
【００３９】
実施例１のPWM制御装置において、切り替え角速度ωpを非同期キャリアfca_a及び同期パルス数Nを用いて（５）式により決定する。
【００４０】
【数５】
2008220106.tif 000006
【００４１】
（５）式にて切り替え角速度ωpを決定することにより、同期モードと非同期モードとを切り替える際、非同期キャリア周波数fca_aと同期キャリア周波数fca_sが一致するため、不連続な騒音が生じない。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、電気鉄道、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車等のあらゆる車両用モータに利用可能である。また、電動機１には、誘導電動機、永久磁石型同期電動機、シンクロナスリラクタンスモータ等の様々な交流電動機に適用可能であり、幅広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】請求項１の一実施例を表したブロック図である。
【図２】従来の技術によるPWM制御装置のブロック図である。
【図３】非同期モードでの１パルス波形である。
【図４】同期モードでの１パルス波形である。
【符号の説明】
【００４４】
１           電動機
２           電流検出器
３           電圧指令生成器
４           変調率制限器
５           変調率補正器
６           電圧指令演算器
７           非同期キャリア周波数生成器
８           同期キャリア周波数生成器
９           変調率制限値演算器
１０         スイッチ
１１         キャリア生成器
１２         キャリア比較器
１３         電力変換器
１４         キャリアモード切替器
【図１】
2008220106.tif 000007
【図２】
2008220106.tif 000008
【図３】
2008220106.tif 000009
【図４】
2008220106.tif 000010