(57)【要約】【課題】  ＰＷＭ制御を行って交流電力をモータに供給することによりモータを駆動するに際し、複雑な制御機構や演算回路を用いることなくモータの鉄損を最小化する。【解決手段】  モータＭの鉄損とキャリア周波数との関係で、最小値からその１．０４倍（好ましくは１．０２倍）までの鉄損に対応する範囲内のキャリア周波数を、三角波発生部７２で発生させる三角波のキャリア周波数とし、このキャリア周波数の三角波と電圧指令信号との比較の結果に応じたＰＷＭ信号Ｓに基づいて、モータＭに交流電力を供給するインバータ５０（ＩＧＢＴ）の動作を制御する。【選択図】  図１
2012010513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御方式によりモータを駆動するモータ駆動装置であって、
前記モータの鉄損と前記ＰＷＭ制御のキャリア周波数との関係で、最小値からその１．０４倍までの鉄損に対応する範囲内のキャリア周波数を用いることを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項２】
前記モータの鉄損とキャリア周波数との関係で、最小値からその１．０４倍までの鉄損に対応するキャリア周波数の範囲であって、前記モータの仕様の範囲内における複数の励磁周波数のそれぞれについて求められたキャリア周波数の範囲のうち、重複する範囲内のキャリア周波数を用いることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
【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し、特に、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行って生成した交流電力によりモータを駆動するために用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
電車、ハイブリッド自動車、家電製品等のモータを駆動する電源装置として、速度制御が容易なＰＷＭ制御方式のインバータが用いられている。かかるインバータは、キャリア信号（例えば三角波）と電圧指令信号との比較によりパルス信号の幅（パルスをオンする時間）を決定し、生成されたパルス信号に応じて、スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））をオン・オフすることにより、入力した直流電力を、モータの速度制御に必要な周波数を有する交流電力に変換してモータに供給する。ここで、キャリア信号の周波数をキャリア周波数、生成されたパルス信号をＰＷＭ信号、という。
【０００３】
モータを備える電気機器では、その総電力の大部分をモータが消費しており、モータの高効率化が重要な課題である。
そこで、特許文献１には、モータとＰＷＭ制御インバータとの合計損失が最小となるキャリア周波数とモータの電気角周波数（モータを励磁する電流の周波数）との関係を設定したテーブルデータを用意し、モータの電気角周波数の検出値に対応するキャリア周波数でインバータを運転してモータを駆動する技術が開示されている。
また、モータにおける主な損失の一つである鉄損（モータの鉄心に発生する損失）は熱として電力を消費する為、モータの温度上昇や効率低下の要因となるので、モータ設計においてはこの鉄損を小さくすることが重要である。そこで、特許文献２には、モータの電流値に基づいて鉄損抑制用重畳電流を演算し、電流指令値と鉄損抑制用重畳電流との和にモータの電流値が追従するように電圧指令信号を生成してＰＷＭ発生器に送出する技術が開示されている。
また、特許文献３には、モータの鉄損と銅損をそれぞれ演算し、鉄損と銅損との合計が最小となるように、ｄ軸電流や、電機子巻線に対する出力電圧の振幅・位相を制御する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２８２２９８号公報
【特許文献２】特開２００８−７２８３２号公報
【特許文献３】特開２００８−２３６９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、キャリア周波数が高くなるとモータの損失は一定になるとしているが、後述するように、この知見は正確ではない。よって、特許文献１には、モータの損失を最小化するキャリア周波数を求めるための明確な根拠が存在しない。また、特許文献１に記載の技術では、モータの電気角周波数に依存してキャリア周波数を変更させる必要がある。
また、特許文献２に記載の技術では、電流指令値に鉄損抑制用重畳電流を重畳させる制御機構が必要になる。また、特許文献２では、鉄損抑制用重畳電流波形を電磁場解析により予め決定しておく必要があるが、この決定は、鉄損抑制用重畳電流波形を修正しながら繰り返し電磁場解析を行うことにより実行されるので、多大な時間と労力を要する虞がある。
また、特許文献３に記載の技術では、モータの鉄損や銅損等を演算するための演算回路が必要になる。
以上のように従来の技術では、ＰＷＭ制御を行って交流電力をモータに供給することによりモータを損失少なく駆動するに際し、複雑な制御機構や演算回路が必要になるという問題点があった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ＰＷＭ制御を行って交流電力を生成してモータに供給することによりモータを駆動するに際し、複雑な制御機構や演算回路を用いることなくモータの鉄損を最小化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のモータ駆動装置は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御方式によりモータを駆動するモータ駆動装置であって、前記モータの鉄損と前記ＰＷＭ制御のキャリア周波数との関係で、最小値からその１．０４倍までの鉄損に対応する範囲内のキャリア周波数を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、モータの鉄損とＰＷＭ制御のキャリア周波数との関係で、最小値からその１．０４倍までの鉄損に対応する範囲内のキャリア周波数をＰＷＭ制御のキャリア周波数として用いるようにしたので、複雑な制御機構や演算回路を用いることなくモータの鉄損を最小化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態を示し、モータ駆動装置の概略構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施形態を示し、モータの鉄損比とキャリア周波数との関係の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態を示し、図２に示したグラフの各点の値を表形式で示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態を説明する。
図１は、モータ駆動装置の概略構成の一例を示す図である。
本実施形態では、モータＭは、回転子に永久磁石が内蔵されたＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータ（三相同期電動機）である。
【００１０】
図１において、このようなモータＭを駆動するためのモータ駆動装置は、交流電源１０と、整流回路２０と、電解コンデンサ３０と、電圧センサ４０と、インバータ５０と、電流センサ６１〜６３と、制御装置７０と、を有する。
【００１１】
交流電源１０は、商用周波数（５０Ｈｚ／６０Ｈｚ）の交流電力を供給するものである。
整流回路２０は、例えば４つのダイオードで構成された全波整流回路であり、交流電力を直流電力に変換するものである。
電解コンデンサ３０は、整流回路２０から出力された直流電力の脈流を除去するものである。
【００１２】
電圧センサ４０は、インバータ５０に入力される直流の入力電圧Ｖｉを測定するものである。
インバータ５０は、例えば、三相フルブリッジを構成する６つのＩＧＢＴを備えた回路である。インバータ５０は、制御装置７０から出力されるＰＷＭ信号Ｓに基づいて、スイッチング素子の一例であるＩＧＢＴをオン・オフすることにより、入力した直流電力を、モータＭを駆動（例えば速度制御）するために必要な周波数を有する交流電力に変換し、モータＭに出力する。
電流センサ６１〜６３は、例えばＣＴ（Current Transformer）であり、モータＭの各相ｕ、ｖ、ｗの巻線に流れる交流のモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを測定するものである。
【００１３】
制御装置７０は、印加電圧演算部７１と、三角波発生部７２と、比較部７３と、ＰＷＭ信号出力部７４と、を有する。制御装置７０は、例えば、マイクロコンピュータや演算回路を用いることにより実現することができる。
印加電圧演算部７１は、外部から出力される速度(モータＭの回転数)指令値と、電圧センサ４０で測定された入力電圧Ｖｉと、電流センサ６１〜６３で測定されたモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとを入力し、これらに基づいて、モータＭの各相に印加する電圧を演算し、その電圧を示す電圧指令信号を生成する。
三角波発生部７２は、ＰＷＭ制御におけるキャリア信号の一例である三角波を発生する。このとき、三角波発生部７２は、予め三角波発生部７２に対して設定されたキャリア周波数の三角波を発生させる。本実施形態によるキャリア周波数の決定方法については後述する。
比較部７３は、印加電圧演算部７１で生成された電圧指令信号と、三角波発生部７２で発生した三角波（キャリア信号）とを比較する。
ＰＷＭ信号出力部７４は、比較部７３における比較の結果に応じたパルス信号をＰＷＭ信号Ｓとしてインバータ５０に出力する。前述したように、インバータ５０は、このＰＷＭ信号Ｓに基づいてＩＧＢＴをオン・オフして、入力した直流電力を交流電力に変換し、モータＭに出力する。
【００１４】
ここで、本実施形態によるキャリア周波数の決定方法を説明する。本願発明者らは、キャリア周波数によるモータＭの鉄損への影響を調査した。ここで使用したモータＭの仕様は以下の通りである。
相数；３
極数；１２
固定子外径；１３５ｍｍ
固定子内径；８７ｍｍ
固定子スロット数；１８（集中巻）
固定子材質；無方向性電磁鋼板
回転子外径；８５ｍｍ
回転子積厚；３０ｍｍ
永久磁石の磁束；１．１Ｔ
【００１５】
このようなモータＭの励磁周波数（モータを励磁する電流の周波数）を４００Ｈｚ（トルク；０．５Ｎ・ｍ（一定））、８００Ｈｚ（トルク；０．５Ｎ・ｍ（一定））、１０００Ｈｚ（トルク；０．１Ｎ・ｍ（一定））とし、それぞれの場合において、キャリア周波数が５ｋＨｚのときのモータＭの鉄損を１としたときの各キャリア周波数における鉄損比を求めた。
図２は、モータＭの鉄損比とキャリア周波数との関係の一例を示す図である。図３は、図２に示したグラフの各点の値を表形式で示す図である。尚、図２、図３において、キャリア周波数ｆのときの鉄損比［−］は、以下の（１）式で表される。
鉄損比＝（キャリア周波数ｆのときのモータＭの鉄損）／（キャリア周波数が５ｋＨｚのときのモータＭの鉄損）  ・・・（１）
【００１６】
図２に示すように、本願発明者らは、モータＭの鉄損比を縦軸としキャリア周波数を横軸とした場合のモータＭの鉄損比とキャリア周波数との関係を示すグラフは、下に凸のピークを有し、鉄損比(すなわち鉄損)について１つの最小値が得られるということを今回初めて見出した。
キャリア周波数を上げていくと、表皮効果により電磁鋼板の表面に磁束が集中し、実効抵抗が増大してモータＭの鉄心に生じる渦電流損が低減するため、キャリア周波数が上がるにつれてモータＭの鉄損が下がると考えられる。一方、キャリア周波数をさらに上げると、モータＭの鉄心内に励磁される磁束密度が高周波数側に移行することにより、この高周波数に対応した磁束密度に起因する鉄損が増大するため、キャリア周波数が上がるにつれてモータＭの鉄損も上がると考えられる。
【００１７】
以上のことから、モータＭの鉄損とキャリア周波数との関係で、鉄損の最小値に対応するキャリア周波数を、三角波発生部７２で発生させる三角波のキャリア周波数として採用することが最も望ましいことになる。ここで、「ＪＩＳ  Ｃ  ２５５６」の「７．２．２  鉄損測定」には、試験装置の再現性は、無方向性電磁鋼板に対しては２％の標準偏差の程度であると記載されている。この標準偏差を考慮すると、最小値の１．０２倍までを鉄損の最小値と同等であるとみなせる。したがって、モータＭの鉄損とキャリア周波数との関係で、最小値からその１．０２倍までの鉄損に対応する範囲内のキャリア周波数を、三角波発生部７２で発生させる三角波のキャリア周波数として採用するのが望ましいと言える。
【００１８】
さらに、モータＭの鉄損とキャリア周波数との関係で、最小値からその１．０２倍までの鉄損に対応するキャリア周波数の範囲を、モータＭの複数の励磁周波数のそれぞれについて求め、それらの範囲のうち、重複する範囲内のキャリア周波数を、三角波発生部７２で発生させる三角波のキャリア周波数として採用するのがより望ましい。このような範囲のキャリア周波数にすれば、モータＭの励磁周波数に依らずに鉄損が最小となる（最小とみなせるようになる）からである。また、励磁周波数に依らずに鉄損が最小となるキャリア周波数を採用するので、極数が異なるモータＭにおいても、鉄損が最小となるという効果を得ることができる。ここで、モータＭの複数の励磁周波数とは、例えば、モータＭの仕様の範囲内の所定の複数の励磁周波数（例えば、当該仕様の上限と下限とを含む複数の励磁周波数）である。選択する励磁周波数の数は任意であるが、仕様の範囲内で出来る限り多くの励磁周波数を選択することにより、鉄損が最小となる(最小とみなせる)キャリア周波数の範囲を精度良く求めることが可能となる。
【００１９】
本実施例におけるモータＭの励磁周波数の仕様は下限４００Ｈｚ、上限１０００Ｈｚであり、図２に示す例においては、仕様の範囲内である４００、８００、１０００Ｈｚの３つの励磁周波数について、キャリア周波数に対する鉄損比の結果を示している。鉄損比の最小値からその１．０２倍までの鉄損比に対応するキャリア周波数の範囲は、図３（ａ）のグレーで塗り潰した範囲であり、全ての励磁周波数で重複するキャリア周波数の範囲は７ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下となる。鉄損比の最小値からその１．０２倍までの範囲は、鉄損の最小値からその１．０２倍までの範囲と一致するので、図２に示す例では、７ｋＨｚ以上１０ｋＨｚ以下のキャリア周波数を三角波発生部７２に設定することが望ましい。
【００２０】
また、あるキャリア周波数におけるモータＭの鉄損の複数のデータの分布が正規分布であると仮定すると、当該データの９５．４４％は、それらの平均値の±２σ（σ；標準偏差）の範囲内に含まれることになる。そこで、実用上はこの範囲内のデータを正常とみなし、「ＪＩＳ  Ｃ  ２５５６」の「７．２．２  鉄損測定」で示されている標準偏差２％の２倍の４％、すなわち、最小値の１．０４倍までを鉄損の最小値と同等であるとみなしてよいとも言える。したがって、モータＭの鉄損とキャリア周波数との関係で、最小値からその１．０４倍までの鉄損に対応する範囲内のキャリア周波数を、三角波発生部７２で発生させる三角波のキャリア周波数として採用してもよい。
さらに、モータＭの鉄損とキャリア周波数との関係で、最小値からその１．０４倍までの鉄損に対応するキャリア周波数の範囲を、モータＭの仕様の範囲内の複数の励磁周波数のそれぞれについて求め、それらの範囲のうち、重複する範囲内のキャリア周波数を、三角波発生部７２で発生させる三角波のキャリア周波数として採用してもよい。
【００２１】
図２に示す例において、最小値からその１．０４倍までの鉄損比(鉄損)に対応するキャリア周波数の範囲は、図３（ｂ）のグレーで塗り潰した領域であり、全ての励磁周波数で重複するキャリア周波数の範囲は７ｋＨｚ以上１５ｋＨｚ以下となる。よって、図２に示す例では、７ｋＨｚ以上１５ｋＨｚ以下のキャリア周波数を三角波発生部７２に設定するようにしてもよい。
尚、図３に示す例では、鉄損比(鉄損)が最小となるキャリア周波数や、キャリア周波数の範囲の上限及び下限として、測定点の値を用いるようにしている。このため、７．０ｋＨｚをキャリア周波数の下限として採用し、１５ｋＨｚ（好ましくは１０ｋＨｚ）をキャリア周波数の上限として採用している。ただし、必ずしもこのようにする必要はなく、例えば、図２に示すグラフ上の、２つの測定点の間のキャリア周波数における鉄損比の値を線形補間して求め、その点のキャリア周波数の値を、キャリア周波数の範囲の上限及び下限として採用してもよい。この他、鉄損比とキャリア周波数の測定点から、モータＭの鉄損比を縦軸としキャリア周波数を横軸とした場合に下に凸のピーク１つとなるフィッティングカーブ（近似関数）を求め、このフィッティングカーブの値を使って、鉄損比(鉄損)が最小となるキャリア周波数や、キャリア周波数の範囲の上限及び下限を求めるようにしてもよい。
【００２２】
以上のキャリア周波数の範囲は、本実施形態以外のＰＷＭ制御方式のインバータで駆動される交流モータにも適用することができる。すなわち、ＰＷＭ制御方式のキャリア信号として三角波ではなく鋸歯状波を使用してもよい。また、交流モータとして、例えば誘導モータ及び同期モータ(構造が同じブラシレスＤＣモータを含む)においても適用することができる。さらに、固定子材質として無方向性電磁鋼板以外の他の軟磁性材料(圧粉磁心、アモルファスなど)を用いる場合にも適用することができる。これらに適用可能である理由は、一次近似では、インバータにより生成される電流に含まれる各周波数成分によって、モータの鉄心内に励磁される磁束密度の各周波数成分が定まり、モータの全体の鉄損は、それら各周波数成分の磁束密度に対応した鉄損の積算値であるので、鉄損が最小となるキャリア周波数は、キャリア信号の種類、交流モータの型式および鉄心の材質によらず同様に存在すると考えられるからである（すなわち、このような駆動方式および構造のモータでの鉄損は、インバータのキャリア信号の種類、モータの鉄心の形状や極数および材質に関係なく、鉄心に励磁される磁束密度に起因するものであるので、鉄損の最小値も同様に存在するからである）。
【００２３】
以上のように本実施形態では、モータＭの鉄損とキャリア周波数との関係で、最小値からその１．０４倍（好ましくは１．０２倍）までの鉄損に対応する範囲内のキャリア周波数を、三角波発生部７２で発生させる三角波のキャリア周波数とし、このキャリア周波数の三角波と電圧指令信号との比較の結果に応じたＰＷＭ信号Ｓに基づいて、モータＭに交流電力を供給するインバータ５０（ＩＧＢＴ）の動作を制御するようにした。したがって、複雑な制御機構や演算回路を用いなくてもモータＭの鉄損を最小化することができる。これによりモータＭの出力を高効率化することができ、より小さい入力電力で同等の出力が可能となるので、モータＭを駆動するための電源の容量を小さくすることができる。
【００２４】
また、本実施形態では、モータＭの鉄損とキャリア周波数との関係で、最小値から１．０４倍（好ましくは１．０２倍）までの鉄損に対応するキャリア周波数の範囲を、モータＭの複数の励磁周波数のそれぞれについて求め、それらの範囲のうち、重複する範囲内のキャリア周波数を、三角波発生部７２で発生させる三角波のキャリア周波数として採用するようにした。したがって、モータＭの励磁周波数が変わっても、（前記複数の励磁周波数の範囲内の励磁周波数であれば）モータＭの鉄損を最小化することができる。
【００２５】
尚、以上説明した本発明の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【符号の説明】
【００２６】
１０    交流電源
２０    整流回路
３０    電解コンデンサ
４０    電圧センサ
５０    インバータ
６１〜６３    電流センサ
７０    制御装置
７１    印加電圧演算部
７２    三角波発生部
７３    比較部
７４    ＰＷＭ信号出力部
【図１】
2012010513.tif 000003
【図２】
2012010513.tif 000004
【図３】
2012010513.tif 000005