(57)【要約】【課題】電力変換装置の性能を向上させること。【解決手段】パルス幅変調制御により、インバータを制御する制御部を含む電力変換装置であって、前記制御部は、基準周期に基づいて、パルス幅変調周期を生成する周期生成手段と、周期変調範囲を、複数の要素に分割する分割手段と、前記要素を並べ替え、疑似乱数系列を生成する系列生成手段と、前記疑似乱数系列を評価する評価手段と、前記パルス幅変調周期及び所定の疑似乱数系列に基づいて、パルス幅変調信号を生成する信号生成手段と、を有する、電力変換装置。【選択図】図１
2016046830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス幅変調制御により、インバータを制御する制御部を含む電力変換装置であって、
前記制御部は、
基準周期に基づいて、パルス幅変調周期を生成する周期生成手段と、
周期変調範囲を、複数の要素に分割する分割手段と、
前記要素を並べ替え、疑似乱数系列を生成する系列生成手段と、
前記疑似乱数系列を評価する評価手段と、
前記パルス幅変調周期及び所定の疑似乱数系列に基づいて、パルス幅変調信号を生成する信号生成手段と、を有する、電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、車載機器の３相モータをパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse  Width  Modulation）制御する際に、疑似乱数を用いて変調される各相のＰＷＭ周期（例えば、ＴＵ、ＴＶ、ＴＷ）に基づいて、デューティ比の異なるＰＷＭ信号を生成するモータ制御装置が知られている（図１参照）。
【０００３】
ＰＷＭ信号の基準周期を中心とする周期変調範囲を設定する際に、３相の擬似交流電流における時間変化に基づいて、周期変調範囲を制御することで、電流リップルの増大を抑制するモータ制御装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２１１８４７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、従来のＰＷＭ制御では、疑似乱数系列の評価指標が無かったため、不適切な系列が採用されると、装置の性能が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
そこで、電力変換装置の性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、一態様によれば、
パルス幅変調制御により、インバータを制御する制御部を含む電力変換装置であって、
前記制御部は、
基準周期に基づいて、パルス幅変調周期を生成する周期生成手段と、
周期変調範囲を、複数の要素に分割する分割手段と、
前記要素を並べ替え、疑似乱数系列を生成する系列生成手段と、
前記疑似乱数系列を評価する評価手段と、
前記パルス幅変調周期及び所定の疑似乱数系列に基づいて、パルス幅変調信号を生成する信号生成手段と、を有する、電力変換装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
一態様によれば、電力変換装置の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来のＰＷＭ制御を説明するための図である。
【図２】本実施の形態に係る電力変換装置の概略構成の一例を示す図である。
【図３】本実施の形態に係るＰＷＭ制御を説明するための図である。
【図４】本実施の形態に係るスペクトル及び電流波形の一例を示す図である。
【図５】スペクトル及び電流波形の比較例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１１】
＜電力変換装置の構成＞
図２に、本実施の形態に係る電力変換装置の概略構成を示す。
【００１２】
電力変換装置１０は、インバータ１１０、制御部１２０、駆動部１３０、電源１４０、等を含み、制御部１２０におけるＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）により、インバータ１１０を制御することで、モータ２０を駆動させる。電力変換装置１０は、車載用として、電動パワーステアリング（ＥＰＳ：Electric Power Steering）のＤＣ−ＤＣコンバータに適用可能であるが、特に限定されるものではない。
【００１３】
モータ２０は、３相コイル、ステータ、ロータ、及びシャフト、等を含み、電力変換装置１０から供給される電力（例えば、３相交流電力）に基づいて駆動する。３相コイルは、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルを含み、３相コイルの３相端末（ノードＵ、ノードＶ、ノードＷ）と、インバータ１１０とは、電気的に接続される。ロータは、シャフトと共に回転する部材であり、表面に永久磁石が取り付けられ、磁極を有する。ステータは、ロータを内部に収容しており、回転するロータを支持する。ステータは、径内方向へ所定角度毎に突出する突出部を有し、各突出部には各相コイルが巻回される。
【００１４】
電流センサ３０は、モータ２０の各相コイル（Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイル）を流れる相電流ＩＵ、相電流ＩＶ、相電流ＩＷを検出し、検出結果を制御部１２０へと出力する。回転センサ４０は、ロータの回転位置を検出し、検出結果を制御部１２０へと出力する。
【００１５】
インバータ１１０は、複数のスイッチング素子、各スイッチング素子に対して逆並列に接続されるダイオード、等を含む。スイッチング素子としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、等を用いることができる。
【００１６】
インバータ１１０は、電源１４０から供給される直流電流を、交流電流に変換してモータ２０へと出力する。例えば、インバータ１１０は、上下アームが直列に接続されるＵ相の接続点から、Ｕ相コイルに相電流ＩＵを供給し、上下アームが直列に接続されるＶ相の接続点から、Ｖ相コイルに相電流ＩＶを供給し、上下アームが直列に接続されるＷ相の接続点から、Ｗ相コイルに相電流ＩＷを供給する。なお、電源１４０の電力は、充電容量、コンデンサ（図示せず）の蓄電容量、モータ２０の要求トルク、等に応じて、制御部１２０により、適宜制御される。
【００１７】
制御部１２０は、分割手段１２１、系列生成手段１２２、評価手段１２３、周期生成手段１２４、乗算手段１２５（１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ、１２５ｄ）、信号生成手段１２６、等を含む。なお、制御部１２０は、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサ、処理プログラムを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力ポート、等を備えていても良い。
【００１８】
制御部１２０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のＰＷＭ周期（ＴＵ、ＴＶ、ＴＷ）に、疑似乱数ＫＲｉ（ｉ＝０〜（Ｎ−１））を重畳させて、パルス幅変調信号（ＰＷＭＵＨ信号、ＰＷＭＶＨ信号、ＰＷＭＷＨ信号、ＰＷＭＵＬ信号、ＰＷＭＶＬ信号、ＰＷＭＷＬ信号）を生成し、ＰＷＭ制御により、インバータ１１０を制御する。又、制御部１２０は、電流センサ３０及び回転センサ４０の検出結果に基づいて、フィードバック制御を行う。なお、制御部１２０は、これらの処理に限定されず、様々な処理を行うことが可能である。
【００１９】
分割手段１２１は、図３（Ａ）に示すように、周期変調範囲（（１−ｋ）から（１＋ｋ）までの範囲）を、複数の要素（例えば、Ｎ要素）に、均等に分割する。複数の要素を、均等に分割することで、複数の要素が同じ値を取る、或いは、複数の要素が偏った値を取る、等の不具合を回避することができるため、電力変換装置１０におけるスペクトル拡散効果を高められる。
【００２０】
系列生成手段１２２は、図３（Ｂ）に示すように、分割された要素（例えば、Ｎ分割された要素）を並べ替え、疑似乱数ＫＲｉ（ｉ＝０〜（Ｎ−１））を時系列化して、仮の系列ＫＲ'＝〔ＫＲ０、ＫＲ１、ＫＲ２、・・・、ＫＲ（Ｎ−１）〕を生成する。但し、ｉは、Ｎの剰余系のリングバッファである。リングバッファに取り込まれる疑似乱数ＫＲｉは、必要に応じて、任意に並べ替えや取り出しが可能である。
【００２１】
なお、疑似乱数系列ではなく、乱数系列を採用すると、電力変換装置の出力ブレが大きくなり、車両の操縦に支障をきたす懸念がある。従って、車両のトルク変動、トルクリップル、等を低減し、信頼性の高い走行を行うためには、疑似乱数系列を採用することが好ましい。
【００２２】
評価手段１２３は、図３（Ｃ）に示すように、系列生成手段１２２にて生成された仮の系列ＫＲ'を評価する。具体的には、評価手段１２３は、全ての連続するＮ要素で、電流読み込み時のローパスフィルタ（ＬＰＦ：Low-Pass Filter）相当の演算を行った後の演算結果Ｌが、規定範囲（｜Ｌ｜＜（１±ε））を満たすか否かを評価する。又、評価手段１２３は、全ての連続するＮ要素で、標準偏差σが、規定範囲（σ＜σＭＡＸ）を満たすか否かを評価する。ローパスフィルタ相当の演算は、他の演算を行う際に使用される演算フィルタにて、行うことも可能である。
【００２３】
演算結果Ｌが規定範囲を満たすか否かを、評価手段１２３にて評価することで、電力変換装置１０における電流振れ回り性能の悪化を防ぐことができる。又、標準偏差がσ規定範囲を満たすか否かを、評価手段１２３にて評価することで、演算結果Ｌが規定範囲を満たすか否かを評価する際の、規則性を排除することが可能になる。なお、条件によっては、解が存在しない場合も有りうるため、解が存在しない場合、評価手段１２３は、解が存在しない系列での評価を、適度なタイミングで打ち切り、新たな条件によって生成された仮の系列での評価を、再び行う。Ｎ要素において、系列は、（Ｎ−１）！通り存在し、例えば、Ｎ＝７０としても、系列は、１０１００通りを超えてしまうため、全ての評価を行うことは、困難であるためである。
【００２４】
評価手段１２３は、｜Ｌ｜＜（１±ε）、及び、σ＜σＭＡＸが、成立する場合、仮の系列ＫＲ'を採用し、系列ＫＲとして出力し、成立しない場合、仮の系列ＫＲ'を採用（出力）しない。成立しない場合は、系列生成手段１２２が、再び、Ｎ分割された要素を並べ替え、疑似乱数ＫＲｉ（ｉ＝０〜（Ｎ−１））を時系列化して、仮の系列ＫＲ''を生成する。つまり、評価手段１２３は、仮系列設定後の演算結果、標準偏差、等に基づいて、仮の系列を採用すべきか否かを評価する。これにより、電力変換装置１０は、利用目的に合った適切な系列を用いて、ＰＷＭ制御を行うことができる。
【００２５】
ここで、各パラメータの意味について、説明する。各パラメータは、電力変換装置１０の性能、仕様、構成、等に合わせて、設定される値であり、特にその値が限定されるものではない。
【００２６】
ｋは、周期変調範囲を定める所定値である。ｋが大きい程、周波数拡散効果が高くなる。つまり、ｋが大きい程、特定周波数でのエネルギー上昇を回避し、ラジオノイズ・異音・振動、等の発生を抑制できる。一方で、ｋが大きい程、電流の振れ回りは大きくなる。
【００２７】
Ｎは、要素数である。Ｎが大きい程、スペクトルのピーク値を低減させることができるが、ＲＯＭが増加する。
【００２８】
εは、演算結果Ｌが適切な範囲を満たすか否かを定める所定値である。εが小さい程、電流の振れ回り性能を向上させることができるが、実現性は低くなる。
【００２９】
σＭＡＸは、標準偏差の最大値である。σＭＡＸが小さい程、ランダム性が高くなるが、実現性は低くなる。
【００３０】
つまり、これらの各パラメータが、適切な値に設定されることで、電力変換装置１０における性能ばらつきを抑制できる。
【００３１】
駆動部１３０は、ＰＷＭ信号に基づいて、駆動信号を生成し、モータ２０を駆動させる。例えば、駆動部１３０は、Ｕ相のＰＷＭＵ信号（ＰＷＭＵＨ信号、ＰＷＭＵＬ信号）に基づいて、駆動信号を生成し、Ｕ相コイルに対応して設けられるスイッチング素子のオンオフを制御する。又、例えば、駆動部１３０は、Ｖ相のＰＷＭＶ信号（ＰＷＭＶＨ信号、ＰＷＭＶＬ信号）に基づいて、駆動信号を生成し、Ｖ相コイルに対応して設けられるスイッチング素子のオンオフを制御する。又、例えば、駆動部１３０は、Ｗ相のＰＷＭＷ信号（ＰＷＭＷＨ信号、ＰＷＭＷＬ信号）に基づいて、駆動信号を生成し、Ｗ相コイルに対応して設けられるスイッチング素子のオンオフを制御する。
【００３２】
周期生成手段１２４は、基準周期生成手段４１、Ｕ相ＰＷＭ周期生成手段４２、Ｖ相ＰＷＭ周期生成手段４３、Ｗ相ＰＷＭ周期生成手段４４、等を含む。
【００３３】
基準周期生成手段４１は、Ｕ相ＰＷＭ周期（Ｕ相パルス幅変調周期）ＴＵ、Ｖ相ＰＷＭ周期（Ｖ相パルス幅変調周期）ＴＶ、Ｗ相ＰＷＭ周期（Ｗ相パルス幅変調周期）ＴＷの基準となる、基準周期Ｔを生成する。Ｕ相ＰＷＭ周期生成手段４２は、基準周期Ｔ、電流センサ３０により検出される相電流ＩＵ、回転センサ４０により検出される回転位置、等に基づいて、随時更新されるＵ相ＰＷＭ周期ＴＵを生成する。Ｖ相ＰＷＭ周期生成手段４３は、基準周期Ｔ、電流センサ３０により検出される相電流ＩＶ、回転センサ４０により検出される回転位置、等に基づいて、随時更新されるＶ相ＰＷＭ周期ＴＶを生成する。Ｗ相ＰＷＭ周期生成手段４４は、基準周期Ｔ、電流センサ３０により検出される相電流ＩＷ、回転センサ４０により検出される回転位置、等に基づいて、随時更新されるＷ相ＰＷＭ周期ＴＷを生成する。
【００３４】
乗算手段１２５ａは、疑似乱数と、基準周期Ｔとを乗算する。乗算手段１２５ｂは、所定の（評価後の）疑似乱数系列と、Ｕ相ＰＷＭ周期ＴＵとを乗算する（例えば、ＴＵｉ×ＫＲｉ（ｉ＝０〜（Ｎ−１）））。乗算手段１２５ｃは、所定の疑似乱数系列と、Ｖ相ＰＷＭ周期ＴＶとを乗算する（例えば、ＴＶｉ×ＫＲｉ（ｉ＝０〜（Ｎ−１）））。乗算手段１２５ｄは、所定の疑似乱数系列と、Ｕ相ＰＷＭ周期ＴＵとを乗算する（例えば、ＴＷｉ×ＫＲｉ（ｉ＝０〜（Ｎ−１）））。
【００３５】
信号生成手段１２６（例えば、３相ＰＷＭタイマ）は、乗算結果に基づいて、ＰＷＭ信号（ＰＷＭＵＨ信号、ＰＷＭＶＨ信号、ＰＷＭＷＨ信号、ＰＷＭＵＬ信号、ＰＷＭＶＬ信号、ＰＷＭＷＬ信号）を生成し、生成したＰＷＭ信号を、適切な出力タイミングで、駆動部１３０へと出力する。
【００３６】
本実施の形態に係る電力変換装置によれば、分割手段、系列生成手段、評価手段、等を用いて、疑似乱数系列を評価し、必要性能に応じた（不要な疑似乱数を事前に除去した）疑似乱数系列をＰＷＭ制御に用いることで、ＰＷＭ信号のパルス位置を適切に設定できる。これにより、利用目的に合わせて、電力変換装置の性能を制御することができる。又、スペクトル拡散効果を高め、且つ、電流振れ回り性能を向上させた電力変換装置１０をＥＰＳに搭載することで、ＥＰＳの性能向上を図ることもできる。
【００３７】
＜本実施の形態に係るＰＷＭ制御＞
次に、図４を用いて、本実施の形態に係るＰＷＭ制御の一例について説明する。
【００３８】
図４（Ａ）に、ＰＷＭ信号の信号波形を示し、図４（Ｂ）に、電源電流のスペクトルを示し、図４（Ｃ）に、Ｖ相電流波形を示す。ＰＷＭ周波数を２０ｋＨｚ、角度を１１２°、デューティを６０％、ｋを０．２、Ｎを１００、とする。
【００３９】
図４（Ａ）に示すように、本実施の形態に係るＰＷＭ制御では、周期（基準周期Ｔ、Ｕ相ＰＷＭ周期ＴＵ、Ｖ相ＰＷＭ周期ＴＶ、Ｗ相ＰＷＭ周期ＴＷ）、各相のＰＷＭ信号（ＰＷＭＵ信号、ＰＷＭＶ信号、ＰＷＭＷ信号）を同じ比率（疑似乱数系列ＫＲ）で変調する。
【００４０】
例えば、周期Ｔｉ×ＫＲｉでの、ＰＷＭＵＨ信号のパルス幅は、ＴＵｉ×ＫＲｉとなり、ＰＷＭＶＨ信号のパルス幅は、ＴＶｉ×ＫＲｉとなり、ＰＷＭＷＨ信号のパルス幅は、ＴＷｉ×ＫＲｉとなる。
【００４１】
つまり、制御部１２０は、評価後の必要性能に応じた系列ＫＲを用いて、パルス位置（例えば、Ｔ×Ｔｉ×ＫＲｉ、Ｔｉ×ＫＲｉ、Ｔｕｉ×ＫＲｉ、Ｔｖｉ×ＫＲｉ、Ｔｗｉ×ＫＲｉ）を設定できるため、電力変換装置１０の利用目的に合わせたＰＷＭ制御が容易であることがわかる。
【００４２】
図４（Ｂ）に示すように、本実施の形態に係るＰＷＭ制御によるスペクトルのピーク値は、従来のＰＷＭ制御によるスペクトルのピーク値と比較して低く、本実施の形態に係るＰＷＭ制御では、スペクトル拡散効果を高められることがわかる。又、図４（Ｃ）に示すように、本実施の形態に係るＶ相電流波形は、安定しており、本実施の形態に係るＰＷＭ制御では、電流の振れ回りを小さくできることがわかる。
【００４３】
本実施の形態に係るＰＷＭ制御では、周期、各相のＰＷＭ信号を同じ比率で変調するため、疑似乱数系列を１系統に集約でき、乗算回数を低減することができる。又、本実施の形態に係るＰＷＭ制御では、結果に対して改善したい性能に関わるパラメータを、適宜調整することで、偶然に頼らずに、電力変換装置１０を所望の性能に近づけることができる。
【００４４】
＜比較例に係るＰＷＭ制御＞
次に、図５を用いて、ＰＷＭ制御の比較例について説明する。
【００４５】
図５（Ａ）に、ＰＷＭ信号の信号波形を示し、図５（Ｂ）に、電源電流のスペクトルを示し、図５（Ｃ）に、Ｖ相電流波形を示す。ＰＷＭ周波数を２０ｋＨｚ、角度を１１２°、デューティを６０％、ｋを０．５、Ｎを２０、とする。
【００４６】
図５（Ａ）に示すように、周期（基準周期Ｔ、Ｕ相ＰＷＭ周期ＴＵ、Ｖ相ＰＷＭ周期ＴＶ、Ｗ相ＰＷＭ周期ＴＷ）、各相のＰＷＭ信号（ＰＷＭＵ信号、ＰＷＭＶ信号、ＰＷＭＷ信号）を異なる比率（疑似乱数系列ＫＲＴ、ＫＲＵ、ＫＲＶ、ＫＲＷ）で独立に変調する。
【００４７】
例えば、周期Ｔｉ×ＫＲＴｉでの、ＰＷＭＵＨ信号のパルス幅は、ＴＵｉ×ＫＲＵｉとなり、ＰＷＭＶＨ信号のパルス幅は、ＴＶｉ×ＫＲＶｉとなり、ＰＷＭＷＨ信号のパルス幅は、ＴＷｉ×ＫＲＷｉとなる。
【００４８】
つまり、比較例に係るＰＷＭ制御では、それぞれの系列ＫＲＴ、ＫＲＵ、ＫＲＶ、ＫＲＷを用いて、パルス位置を設定しなければならないため、電力変換装置の利用目的に合わせたＰＷＭ制御が困難であることがわかる。
【００４９】
図５（Ｂ）に示すように、比較例に係るＰＷＭ制御によるスペクトルのピーク値は、従来のＰＷＭ制御によるスペクトルのピーク値と比較して僅かに低く、比較例に係るＰＷＭ制御でも、スペクトル拡散効果を高められることがわかる。一方、図５（Ｃ）に示すように、比較例に係るＶ相電流波形は、乱れており、比較例に係るＰＷＭ制御では、電流振れ回り特性は、かなり悪いことがわかる。
【００５０】
即ち、比較例に係るＰＷＭ制御では、周期、各相のＰＷＭ信号を異なる比率で変調するため、疑似乱数系列が増加し、制御が煩雑化する。又、比較例に係るＰＷＭ制御では、スペクトルのピーク値を若干低減させることは可能であるが、電流の振れ回りが大きいため、電力変換装置を所望の性能に近づけることは困難である。
【００５１】
以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１０                  電力変換装置
１１０                インバータ
１２０                制御部
１２１                分割手段
１２２                系列生成手段
１２３                評価手段
１２４                周期生成手段
１２６                信号生成手段
【図１】
2016046830.tif 000003
【図２】
2016046830.tif 000004
【図３】
2016046830.tif 000005
【図４】
2016046830.tif 000006
【図５】
2016046830.tif 000007