СПОСОБ ЗАДАНИЯ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ, СИСТЕМА ПРИВЕДЕНИЯ В ДЕЙСТВИЕ МОТОРА И УСТРОЙСТВО ЗАДАНИЯ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ
METHOD FOR SETTING THE CARRIER FREQUENCY, THE MOTOR ACTUATION SYSTEM AND THE DEVICE FOR SETTING CARRIER FREQUENCY

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к способу задания несущей частоты, к системе приведения в действие мотора и к устройству задания несущей частоты и, в частности, является подходящим для приведения в действие мотора с использованием инвертора.
Данная заявка испрашивает приоритет заявки на патент Японии номер 2018-126066, поданной 2 июля 2018 года, содержимое которой содержится в данном документе по ссылке.
Уровень техники
[0002] Инвертор на основе управления с широтно-импульсной модуляцией (PWM) используется в качестве устройства подачи мощности для приведения в действие мотора поезда, гибридного транспортного средства, бытового электроприбора и т.п. Инвертор сравнивает несущую волну (например, треугольную волну) и сигнал команды управления напряжением между собой для того, чтобы определять ширину импульсного сигнала (время для включения импульса), и включает или выключает переключающий элемент (например, биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)) согласно сформированному импульсному сигналу, чтобы преобразовывать входную мощность постоянного тока (DC) в мощность переменного тока (AC), имеющую частоту, требуемую для приведения в действие мотора, и подавать мощность переменного тока в мотор. Когда мотор приводится в действие, необходимо уменьшать потери мотора, а также уменьшать потери в инверторе, с тем чтобы достигать высокой эффективности полной системы приведения в действие мотора.
[0003] Патентный документ 1 раскрывает то, что подготавливаются табличные данные, которые задают взаимосвязь между несущей частотой (частотой несущей волны) PWM-управления, при которой суммарные потери мотора и инвертора минимизируются, и электрической угловой частотой мотора, и инвертор управляется посредством несущей частоты PWM-управления, соответствующей определенному значению электрической угловой частоты мотора, с тем чтобы приводить в действие мотор.
[0004] Патентные документы 2 и 3 описывают то, что несущая частота задается согласно частоте вращения и крутящему моменту мотора.
В частности, в патентном документе 2, несущая частота задается равной наименьшей первой частоте в первой области, в которой частота вращения мотора является низкой, и крутящий момент мотора является большим. Кроме того, во второй области, в которой частота вращения мотора выше частоты вращения, заданной в первой области, и крутящий момент мотора является приблизительно идентичным крутящему моменту, заданному в первой области, несущая частота задается равной второй частоте, превышающей первую частоту. Дополнительно, в третьей области, в которой частота вращения мотора выше частот вращения, заданных в первой области и во второй области, и крутящий момент мотора представляет собой второй крутящий момент, ниже крутящих моментов, заданных в первой области и второй области, несущая частота задается равной наибольшей третьей частоте.
[0005] Помимо этого, в патентном документе 3, низкая несущая частота задается в области, в которой частота вращения мотора является низкой, и крутящий момент мотора является небольшим, и несущая частота задается выше по мере того, как частота вращения мотора увеличивается. В патентном документе 3, эффективно уменьшается несущая частота области немалых крутящих моментов в диапазоне низких частот вращения.
Список библиографических ссылок
Патентные документы
Патентный документ 1.
[0006]
Не прошедшая экспертизу патентная публикация Японии № 2007-282298
Патентный документ 2.
Не прошедшая экспертизу патентная публикация Японии № 2008-22671
Патентный документ 3.
Не прошедшая экспертизу патентная публикация Японии № 2009-171768
Сущность изобретения
Техническая задача
[0007] Тем не менее, технология, описанная в патентном документе 1, не упоминает несущую частоту в случае, если крутящий момент мотора колеблется. Дополнительно, в технологиях, описанных в патентных документах 2 и 3, несущая частота уменьшается, когда крутящий момент мотора увеличивается. В патентном документе 2 ток приведения в действие мотора увеличивается, и потери по току увеличиваются по мере того, как крутящий момент увеличивается. Соответственно, потери по току уменьшаются посредством уменьшения несущей частоты. В патентном документе 3, ток увеличивается по мере того, как крутящий момент увеличивается. Соответственно, потери на включение переключающего элемента увеличиваются, потери инвертора увеличиваются в области больших крутящих моментов, величина тока, протекающего концентрированно в каждом плече фазы, увеличивается по мере того, как частота вращения мотора уменьшается, и в силу этого несущая частота в области низких частот вращения и немалых крутящих моментов задается низкой. Без привязки к таким знаниям, авторы настоящего изобретения исследовали взаимосвязь между крутящим моментом мотора и суммарными потерями из потерь мотора и потерь инвертора для каждой частоты вращения мотора. Как результат, авторы настоящего изобретения выявили, что задание несущей частоты посредством способов, описанных в патентных документах 2 и 3, может не быть предпочтительным с точки зрения общей эффективности, вычисленной из суммарных потерь из потерь мотора и потерь инвертора.
[0008] Настоящее изобретение осуществлено с учетом вышеописанных проблем, и его задача заключается в том, чтобы приводить в действие мотор таким образом, что суммарные потери из потерь мотора и потерь инвертера уменьшаются.
Решение задачи
[0009] Согласно аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ задания несущей частоты для задания несущей частоты в инверторе для приведения в действие мотора, включающий в себя: этап извлечения потерь для извлечения суммарных потерь, которые представляют собой сумму потерь инвертора и потерь мотора, когда мотор приводится в действие с использованием инвертора, при изменении каждого из крутящего момента, сформированного в моторе, частоты вращения мотора и несущей частоты в инверторе; этап извлечения несущей частоты для извлечения несущей частоты, когда суммарные потери являются минимальными, в качестве оптимальной несущей частоты в каждой комбинации множества крутящих моментов и множества частот вращения, на основе суммарных потерь, извлекаемых на этапе извлечения потерь; этап извлечения взаимосвязей для извлечения взаимосвязи между крутящим моментом мотора и оптимальной несущей частотой для каждой частоты вращения мотора, на основе оптимальной несущей частоты, извлекаемой на этапе извлечения несущей частоты; этап сохранения взаимосвязей для сохранения взаимосвязи, извлекаемой для каждой частоты вращения мотора на этапе извлечения взаимосвязей; и этап задания несущей частоты для задания несущей частоты согласно значению команды управления крутящим моментом мотора и значению команды управления частотой вращения мотора на основе взаимосвязи, после того, как взаимосвязь сохраняется на этапе сохранения взаимосвязей, когда мотор приводится в действие.
[0010] Согласно первому примеру системы приведения в действие мотора настоящего изобретения предусмотрена система приведения в действие мотора, включающая в себя: инвертор; мотор, который приводится в действие за счет приема подачи мощности переменного тока из инвертора; и контроллер, который управляет работой инвертора, при этом инвертор имеет переключающий элемент, сконфигурированный с использованием широкозонного полупроводника (полупроводника с широкой запрещенной зоной), при этом контроллер имеет модуль задания несущей частоты, который задает несущую частоту инвертора на основе взаимосвязи между крутящим моментом мотора и несущей частотой в инверторе, извлекаемой для каждой частоты вращения мотора, и взаимосвязь между крутящим моментом мотора и несущей частотой, извлекаемая для каждой частоты вращения мотора, имеет участок, в котором несущая частота увеличивается по мере того, как крутящий момент мотора увеличивается.
Согласно второму примеру системы приведения в действие мотора настоящего изобретения предусмотрена система приведения в действие мотора, включающая в себя: инвертор; мотор, который приводится в действие за счет приема подачи мощности переменного тока из инвертора; и контроллер, который управляет работой инвертора, при этом инвертор имеет переключающий элемент, сконфигурированный с использованием полупроводника, отличного от широкозонного полупроводника, контроллер имеет модуль задания несущей частоты, который задает несущую частоту инвертора на основе взаимосвязи между крутящим моментом мотора и несущей частотой в инверторе, извлекаемой для каждой частоты вращения мотора, и во взаимосвязи между крутящим моментом мотора и несущей частотой, извлекаемой для каждой частоты вращения мотора, несущая частота имеет по существу постоянное значение независимо от крутящего момента мотора.
[0011] Согласно другому аспекту настоящего изобретения, предусмотрено устройство задания несущей частоты для задания несущей частоты инвертора для приведения в действие мотора. В качестве взаимосвязи между крутящим моментом мотора и оптимальной несущей частотой, которая представляет собой несущую частоту, когда суммарные потери, которые представляют собой сумму потерь инвертора и потерь мотора, когда мотор приводится в действие посредством использования инвертора, являются минимальными, устройство задания несущей частоты извлекает, для каждой частоты вращения мотора, взаимосвязь, которая имеет участок, в котором оптимальная несущая частота увеличивается по мере того, как крутящий момент мотора увеличивается в диапазоне, в котором крутящий момент мотора равен или больше крутящего момента мотора, соответствующего несущей частоте, при которой оптимальная несущая частота является наименьшим значением, и участок, в котором оптимальная несущая частота уменьшается по мере того, как крутящий момент мотора увеличивается в диапазоне, в котором крутящий момент мотора равен или меньше крутящего момента мотора, соответствующего несущей частоте, при которой оптимальная несущая частота является наименьшим значением, когда инвертор имеет переключающий элемент, сконфигурированный с использованием широкозонного полупроводника, и извлекает, для каждой частоты вращения мотора, взаимосвязь, в который оптимальная несущая частота имеет по существу постоянное значение независимо от крутящего момента мотора, когда инвертор имеет переключающий элемент, сконфигурированный посредством использования полупроводника, отличного от широкозонного полупроводника. Устройство задания несущей частоты задает несущую частоту инвертора на основе взаимосвязи между крутящим моментом мотора и оптимальной несущей частотой.
Преимущества изобретения
[0012] Согласно настоящему изобретению, можно приводить в действие мотор таким образом, что суммарные потери из потерь мотора и потерь инвертера уменьшаются.
Краткое описание чертежей
[0013] Фиг. 1 является схемой, иллюстрирующей пример схематичной конфигурации системы приведения в действие мотора.
Фиг. 2-1 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является первой схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 1,00.
Фиг. 2-2 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является второй схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 1,00.
Фиг. 3 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением общей эффективности и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 1,00.
Фиг. 4-1 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является первой схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 1,00.
Фиг. 4-2 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является второй схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 1,00.
Фиг. 5-1 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является первой схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 0,75.
Фиг. 5-2 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является второй схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 0,75.
Фиг. 5-3 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является третьей схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 0,75.
Фиг. 6 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением общей эффективности и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,75.
Фиг. 7-1 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является первой схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,75.
Фиг. 7-2 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является второй схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,75.
Фиг. 7-3 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является третьей схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,75.
Фиг. 8-1 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является первой схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 0,50.
Фиг. 8-2 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является второй схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 0,50.
Фиг. 8-3 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является третьей схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 0,50.
Фиг. 9 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением общей эффективности и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,50.
Фиг. 10-1 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является первой схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,50.
Фиг. 10-2 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является второй схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,50.
Фиг. 10-3 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является третьей схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,50.
Фиг. 11-1 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является первой схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 0,25.
Фиг. 11-2 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является второй схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 0,25.
Фиг. 11-3 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является третьей схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 0,25.
Фиг. 12 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением общей эффективности и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,25.
Фиг. 13-1 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является первой схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,25.
Фиг. 13-2 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является второй схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,25.
Фиг. 13-3 является схемой, иллюстрирующей первый вариант осуществления, и является третьей схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,25.
Фиг. 14 является блок-схемой последовательности операций, иллюстрирующей пример способа извлечения взаимосвязи между крутящим моментом мотора M и несущей частотой для каждой частоты вращения мотора M.
Фиг. 15-1 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является первой схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 1,00.
Фиг. 15-2 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является второй схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 1,00.
Фиг. 16 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением общей эффективности и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 1,00.
Фиг. 17-1 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является первой схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 1,00.
Фиг. 17-2 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является второй схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 1,00.
Фиг. 18-1 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является первой схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 0,75.
Фиг. 18-2 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является второй схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 0,75.
Фиг. 18-3 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является третьей схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 0,75.
Фиг. 19 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением общей эффективности и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,75.
Фиг. 20-1 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является первой схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,75.
Фиг. 20-2 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является второй схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,75.
Фиг. 20-3 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является третьей схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,75.
Фиг. 21-1 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является первой схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 0,50.
Фиг. 21-2 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является второй схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 0,50.
Фиг. 21-3 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является третьей схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 0,50.
Фиг. 22 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением общей эффективности и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,50.
Фиг. 23-1 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является первой схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,50.
Фиг. 23-2 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является второй схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,50.
Фиг. 23-3 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является третьей схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,50.
Фиг. 24-1 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является первой схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 0,25.
Фиг. 24-2 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является второй схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 0,25.
Фиг. 24-3 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является третьей схемой, иллюстрирующей, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора равно 0,25.
Фиг. 25 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением общей эффективности и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,25.
Фиг. 26-1 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является первой схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,25.
Фиг. 26-2 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является второй схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,25.
Фиг. 26-3 является схемой, иллюстрирующей второй вариант осуществления, и является третьей схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, когда отношение частот вращения мотора равно 0,25.
Подробное описание вариантов осуществления
[0014] Далее описываются варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на чертежи.
Первый вариант осуществления
Во-первых, в дальнейшем описывается первый вариант осуществления.
Фиг. 1 является схемой, иллюстрирующей пример схематичной конфигурации системы приведения в действие мотора.
В настоящем варианте осуществления, в дальнейшем в качестве примера описывается случай, в котором мотор M представляет собой синхронный мотор со встроенными постоянными магнитами (IPMSM), в котором постоянный магнит компонуется в роторе.
[0015] На фиг. 1, система приведения в действие мотора для приведения в действие мотора M включает в себя источник 10 мощности переменного тока, выпрямительную схему 20, электролитический конденсатор 30, датчик 40 напряжения, инвертор 50, датчики 61-63 тока и контроллер 70, который управляет работой инвертора 50.
[0016] Источник 10 мощности переменного тока подает мощность переменного тока, имеющую промышленную частоту (50 Гц/60 Гц).
Например, выпрямительная схема 20 представляет собой двухполупериодную выпрямительную схему, включающую в себя четыре диода, и преобразует мощность переменного тока в мощность постоянного тока.
Электролитический конденсатор 30 удаляет пульсирующий поток мощности постоянного тока, выводимой из выпрямительной схемы 20.
[0017] Датчик 40 напряжения измеряет постоянное входное напряжение Vi, вводимое в инвертор 50.
Например, инвертор 50 представляет собой схему, включающую в себя шесть переключающих элементов, составляющих трехфазный полный мост. Инвертор 50 включает или выключает переключающий элемент на основе PWM-сигнала S, который выводится из контроллера 70 и вводится в переключающий элемент, и за счет этого преобразует входную мощность постоянного тока в мощность переменного тока, имеющую частоту, требуемую для того, чтобы приводить в действие мотор M, с тем чтобы выводить (подавать) преобразованную мощность переменного тока в мотор M. В настоящем варианте осуществления, в дальнейшем в качестве примера описывается случай, в котором переключающий элемент представляет собой переключающий элемент, сконфигурированный с использованием широкозонного полупроводника (SiC, GaN и т.п.).
[0018] Например, датчики 61-63 тока представляют собой трансформаторы тока (CT) и измеряют переменные токи Iu, Iv и Iw мотора, протекающие через обмотки фаз u, v и w мотора M.
[0019] Контроллер 70 включает в себя модуль 71 вычисления прикладываемого напряжения, модуль 72 формирования несущей волны, модуль 73 сравнения, модуль 74 вывода PWM-сигналов и устройство 7A задания несущей частоты. Например, контроллер 70 может реализовываться посредством использования микрокомпьютера или арифметической схемы. Дополнительно, например, контроллер 70 может управлять работой мотора M посредством векторного управления. За исключением конфигурации, связанной с несущей частотой, контроллер может реализовываться посредством известной технологии. Соответственно, здесь, его подробное описание опускается.
Значение команды управления частотой вращения (значение команды управления частотой вращения мотора M), которое вводится извне, значение команды управления крутящим моментом (значение команды управления крутящим моментом мотора M), которое также вводится извне, входное напряжение Vi, которое измеряется посредством датчика 40 напряжения, и токи Iu, Iv и Iw мотора, которые измеряются посредством датчиков 61-63 тока, вводятся в модуль 71 вычисления прикладываемого напряжения. Модуль 71 вычисления прикладываемого напряжения вычисляет напряжение, прикладываемое к каждой фазе мотора M, на их основе и формирует сигнал команды управления напряжением, указывающий вычисленное напряжение. Устройство 7A задания несущей частоты имеет модуль 75 задания несущей частоты.
[0020] Модуль 72 формирования несущей волны формирует несущую волну (несущую волну, используемую для того, чтобы формировать PWM-сигнал S) при PWM-управлении. В настоящем варианте осуществления, в дальнейшем в качестве примера описывается случай, в котором несущая волна представляет собой треугольную волну.
Модуль 73 сравнения сравнивает сигнал команды управления напряжением, сформированный посредством модуля 71 вычисления прикладываемого напряжения, с треугольной волной (несущей волной), сформированной посредством модуля 72 формирования несущей волны.
Модуль 74 вывода PWM-сигналов выводит импульсный сигнал, соответствующий результату сравнения в модуле 73 сравнения, в инвертор 50 в качестве PWM-сигнала S. Как описано выше, инвертор 50 включает или выключает переключающий элемент на основе PWM-сигнала S, преобразует входную мощность постоянного тока в мощность переменного тока и выводит преобразованную мощность переменного тока в мотор M.
[0021] Модуль 75 задания несущей частоты задает несущую частоту (несущую частоту инвертора 50), которая представляет собой частоту несущей волны. Модуль 72 формирования несущей волны формирует треугольную волну, имеющую несущую частоту, заданную посредством модуля 75 задания несущей частоты. В настоящем варианте осуществления, модуль 75 задания несущей частоты задает несущую частоту согласно значению команды управления частотой вращения мотора M и значению команды управления крутящим моментом мотора M.
[0022] Как описано в разделе "Проблемы, разрешаемые изобретением", в патентных документах 2 и 3, несущая частота увеличивается, когда крутящий момент мотора является небольшим (несущая частота уменьшается, когда крутящий момент мотора является большим). Тем не менее, в некоторых случаях, это не является предпочтительным. Для демонстрации, авторы настоящего изобретения исследовали несущую частоту для предоставления высокоэффективной системы приведения в действие мотора с точки зрения общей высокой эффективности, вычисленной из суммарных потерь из потерь мотора и потерь инвертора, в качестве общей эффективности системы приведения в действие мотора. Ниже описываются результаты.
[0023] Здесь, общая эффективность системы приведения в действие мотора является значением, полученным посредством деления выходной мощности (= крутящий момент * частота вращения) мотора M на входную мощность в инвертор 50 (общая эффективность=выходная/входная мощность).
Значение, полученное посредством вычитания M выходной мощности мотора из мощности, вводимой в инвертор 50, является энергией (потерями), потерянной в системе приведения в действие мотора. Здесь, разбивка потерь анализируется при условии, что эти потери равны сумме потерь мотора M и потерь инвертора 50. Потери мотора M включают в себя механические потери, потери в результате воздействия ветра, потери в подшипнике и т.п. в дополнение к потерям в железе и потерям в меди. Тем не менее, если формы моторов M являются идентичными друг другу, и их частоты вращения являются идентичными друг другу, потери (механические потери, потери в результате воздействия ветра, потери в подшипнике и т.п.) могут рассматриваться как постоянные, даже когда работа инвертора 50 изменяется. Следовательно, потери в железе, проиллюстрированные ниже, включают в себя потери. Даже в том случае, если частота вращения является постоянной, потери мотора M включают в себя определенные величины потерь (механические потери, потери в результате воздействия ветра, потери в подшипнике и т.п.). Тем не менее, считается, что не возникает проблем в верификации тенденции увеличения/уменьшения потерь системы приведения в действие мотора относительно изменений крутящего момента мотора M. Следовательно, здесь предполагается, что потери мотора M включают в себя потери в железе (тем не менее, потери включают в себя механические потери, потери в результате воздействия ветра, потери в подшипнике и т.п.) и потери в меди. Дополнительно, здесь, диапазон несущей частоты задается равным от 5 кГц до 50 кГц.
[0024] Как описано выше, в настоящем варианте осуществления, мотор M, который должен оцениваться, представляет собой IPMSM. Базовые технические требования мотора M являются следующими. Помимо этого, в качестве полупроводникового элемента, составляющего переключающий элемент инвертора 50, использован полупроводниковый SiC-элемент, который представляет собой один из широкозонных полупроводниковых элементов.
- Число фаз: 3
- Число полюсов: 12
- Внешний диаметр статора: 135 мм
- Внутренний диаметр статора: 87 мм
- Число пазов статора: 18 (концентрированная обмотка)
- Материал статора (сердечника): неориентрованный электрический стальной лист (35A300)
- Внешний диаметр ротора: 85 мм
- Толщина пакета ротора (сердечника): 30 мм
- Остаточная плотность магнитного потока постоянного магнита в роторе: 1,1T
[0025] Фиг. 2-1 и 2-2 являются схемами, иллюстрирующими, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора M равно 1,00. Отношение частот вращения представляет собой отношение частоты вращения во время измерения относительно максимальной частоты вращения мотора M. Отношение частот вращения в 1,00 указывает то, что измерение выполняется при частоте вращения, идентичной максимальной частоте вращения. Фиг. 2-1(a), 2-1(b), 2-1(c), 2-2(a) и 2-2(b) иллюстрируют результаты измерений, когда отношения крутящих моментов равны 0,05, 0,125, 0,25, 0,375 и 0,5, соответственно. Отношение крутящих моментов представляет собой отношение крутящего момента во время измерения относительно максимального крутящего момента мотора M. Отношение крутящих моментов в 0,5 указывает то, что измерение выполняется при крутящем моменте в 50% максимального крутящего момента. Здесь, максимальная частота вращения и максимальный крутящий момент мотора M надлежащим образом проектируются и определяются согласно варианту применения мотора M.
[0026] На фиг. 2-1 и 2-2, fc представляет несущую частоту. Здесь, отношение выходной мощности мотора M относительно входной мощности инвертора 50 называется "общей эффективностью". На фиг. 2-1 и 2-2, наибольшая общая эффективность получается, когда отношение крутящих моментов равно 0,5, и несущая частота fc составляет 40 кГц (fc=40 кГц на фиг. 2-2(b)). На фиг. 2-1 и 2-2, отношение общей эффективности представляет собой отношение общей эффективности при каждой несущей частоте fc относительно максимальной общей эффективности при идентичном отношении частот вращения.
[0027] Дополнительно, сумма потерь в меди и потерь в железе мотора M и потерь инвертора 50 называется "суммарными потерями". На фиг. 2-1 и 2-2, отношение суммарных потерь представляет собой отношение суммарных потерь при каждой несущей частоте fc относительно суммарных потерь, когда несущая частота fc является наименьшей (здесь, 5 кГц) при идентичном отношении частот вращения и идентичном отношении крутящих моментов.
Дополнительно, на фиг. 2-1 и 2-2, отношение потерь в меди представляет собой отношение потерь в меди мотора M при каждой несущей частоте fc относительно суммарных потерь, когда несущая частота fc является наименьшей (здесь, 5 кГц) при идентичном отношении частот вращения и идентичном отношении крутящих моментов. Отношение потерь в железе представляет собой отношение потерь в железе мотора M при каждой несущей частоте fc относительно суммарных потерь, когда несущая частота fc является наименьшей (здесь, 5 кГц) при идентичном отношении частот вращения и идентичном отношении крутящих моментов. Отношение потерь в инверторе представляет собой отношение потерь инвертора 50 при каждой несущей частоте fc относительно суммарных потерь, когда несущая частота fc является наименьшей (здесь, 5 кГц) при идентичном отношении частот вращения и идентичном отношении крутящих моментов.
Фиг. 3 является схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением общей эффективности и несущей частотой, проиллюстрированной на фиг. 2-1 и 2-2.
[0028] Как проиллюстрировано на фиг. 2-1, 2-2 и 3, при условии, что отношение крутящих моментов является относительно небольшим (отношение крутящих моментов равно 0,05 или 0,125), отношение общей эффективности является наибольшим, когда несущая частота составляет 40 кГц. Между тем, при условии, что отношение крутящих моментов равно 0,25, отношение общей эффективности является наибольшим, когда несущая частота составляет 20 кГц. При условии, что отношение крутящих моментов больше (отношение крутящих моментов равно 0,375 или 0,5), отношение общей эффективности является наибольшим, когда несущая частота составляет 30 кГц или 40 кГц, и по мере того, как отношение крутящих моментов увеличивается, несущая частота, при которой отношение общей эффективности является максимальным, увеличивается. В нижеприведенном описании, несущая частота, при которой общая эффективность является максимальной (суммарные потери являются минимальными) при идентичном отношении крутящих моментов, называется "оптимальной несущей частотой" по мере необходимости. Кроме того, на фиг. 2-2(b), отношения общей эффективности, когда несущие частоты составляют 30 кГц и 40 кГц, равны 1,000. Тем не менее, при вычислении до четвертого десятичного разряда, отношение общей эффективности (1,0000), когда несущая частота составляет 40 кГц, превышает отношение общей эффективности (0,9997), когда несущая частота составляет 30 кГц.
[0029] Как описано выше, можно видеть, что когда отношение частот вращения мотора M равно 1,00, оптимальная несущая частота имеет наименьшее значение во взаимосвязи между оптимальной несущей частотой и крутящим моментом мотора M. Дополнительно, можно видеть, что диапазон крутящих моментов, соответствующий несущей частоте, имеющей наименьшее значение, представляет собой только один крутящий момент (отношение крутящих моментов равно только 0,250). Затем в диапазоне, в котором крутящий момент мотора M равен или больше крутящего момента мотора M, соответствующего наименьшей оптимальной несущей частоте, можно видеть, что оптимальная несущая частота является постоянной или увеличивается по мере того, как крутящий момент мотора M увеличивается. В диапазоне, в котором крутящий момент мотора M равен или меньше крутящего момента мотора M, соответствующего наименьшей оптимальной несущей частоте, можно видеть, что оптимальная несущая частота является постоянной или уменьшается по мере того, как крутящий момент мотора M увеличивается. Как описано выше, в технологиях, описанных в патентных документах 2 и 3, несущая частота уменьшается, когда крутящий момент мотора M увеличивается. Авторы настоящего изобретения в первый раз выявили, что во взаимосвязи между оптимальной несущей частотой и крутящим моментом мотора M, извлекаемой для каждой частоты вращения мотора, наименьшее значение существует в оптимальной несущей частоте, оптимальная несущая частота должна быть постоянной или увеличиваться по мере того, как крутящий момент мотора M увеличивается в диапазоне, который равен или больше крутящего момента мотора M, соответствующего наименьшей оптимальной несущей частоте, и несущая частота является постоянной или уменьшается по мере того, как крутящий момент мотора M увеличивается по мере того, как крутящий момент мотора M увеличивается в диапазоне, который равен или меньше крутящего момента мотора M, соответствующего наименьшей оптимальной несущей частоте, и в силу этого может повышаться общая эффективность системы приведения в действие мотора.
[0030] Следовательно, авторы настоящего изобретения проанализировали факторы, которые позволяют повышать эффективность системы приведения в действие мотора посредством увеличения несущей частоты при условии, что крутящий момент мотора M является большим.
Фиг. 4-1 и 4-2 являются схемами, иллюстрирующими, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, проиллюстрированной на фиг. 2-1 и 2-2. Фиг. 4-1(a), 4-1(b), 4-1(c), 4-2(a) и 4-2(b), соответственно, иллюстрируют результаты, когда отношения крутящих моментов равны 0,05, 0,125, 0,25, 0,375 и 0,5 (фиг. 2-1(a), 2-1(b), 2-1(c), 2-2(a) и 2-2(b)).
[0031] Как проиллюстрировано на фиг. 4-1(a) и 4-1(b), при условии, что отношение крутящих моментов равно 0,05 или 0,125 (в дальнейшем в этом документе называется "условием низкой нагрузки"), отношение потерь в железе мотора M относительно суммарных потерь является большим. Следовательно, можно уменьшать потери в железе мотора M посредством увеличения несущей частоты. Когда несущая частота увеличивается, потери инвертора 50 увеличиваются. Дополнительно, сумма отношения потерь в железе и отношения потерь в меди постепенно снижается и приближается к постоянному значению по мере того, как несущая частота увеличивается. Несущая частота, при которой суммарные потери минимизируются, определяется посредством противовеса между уменьшением потерь мотора M и увеличением потерь инвертора 50, как описано выше. Следовательно, считается, что оптимальная несущая частота составляет 40 кГц, когда отношение крутящих моментов равно 0,05 или 0,125.
[0032] Затем, как проиллюстрировано на фиг. 4-1(c), при условии, что отношение крутящих моментов равно 0,25 (в дальнейшем в этом документе называется "условием средней нагрузки"), отношение потерь в меди мотора M относительно суммарных потерь превышает отношение при условии низкой нагрузки, проиллюстрированном на фиг. 4-1(a) и фиг. 4-2(b). Дополнительно, как и в случае условия низкой нагрузки, сумма отношения потерь в железе и отношения потерь в меди приближается к определенному значению при постепенном снижении по мере того, как несущая частота увеличивается. Тем не менее, несущая частота, при которой сумма отношения потерь в железе и отношения потерь в меди является по существу постоянной, составляет 20 кГц, и несущая частота ниже несущей частоты при условии низкой нагрузки. Дополнительно, аналогично условию низкой нагрузки, потери инвертора 50 увеличиваются по мере того, как несущая частота увеличивается. Тем не менее, когда несущая частота составляет 20 кГц или больше, величина увеличения потерь инвертора 50 относительно увеличения несущей частоты больше (увеличение потерь инвертора 50 является более крутым), чем величина увеличения потерь при условии низкой нагрузки (когда несущая частота составляет 40 кГц или больше). В противовес уменьшению потерь мотора M и увеличению потерь инвертора 50, как описано выше, определяется несущая частота, при которой суммарные потери минимизируются, и несущая частота ниже несущей частоты при условии низкой нагрузки. Следовательно, считается, что оптимальная несущая частота составляет 20 кГц, когда отношение крутящих моментов равно 0,25.
[0033] Затем, как проиллюстрировано на фиг. 4-2(a) и 4-2(b), при условии, что отношение крутящих моментов равно 0,375 или 0,5 (в дальнейшем в этом документе называется "условием высокой нагрузки"), отношение потерь в меди мотора M к суммарным потерям превышает отношение при условии средней нагрузки, проиллюстрированном на фиг. 4-1(c). Помимо этого, даже при условии высокой нагрузки, как и в случаях условия низкой нагрузки и условия средней нагрузки, по мере того, как несущая частота увеличивается, в то время как сумма отношения потерь в железе и отношения потерь в меди приближается к определенному значению при постепенном снижении, отношение потерь в инверторе увеличивается. Дополнительно, по мере того, как крутящий момент мотора M увеличивается, отношение потерь в инверторе при каждой несущей частоте увеличивается.
[0034] Когда крутящий момент мотора M увеличивается (т.е. когда нагрузка увеличивается), ток мотора, требуемый для того, чтобы формировать крутящий момент, увеличивается. Следовательно, более высокая несущая частота требуется для того, чтобы выполнять управление формой сигнала с высокой точностью посредством PWM-управления. Таким образом, при условии высокой нагрузки, потери в меди мотора M превышают потери в меди мотора M при условии средней нагрузки вследствие увеличения тока мотора, и при условии, что несущая частота является низкой, форма сигнала плотности магнитного потока искажается, и множество гармонических компонентов формируются. Соответственно, потери в железе мотора M увеличиваются по сравнению с условием средней нагрузки.
[0035] В противовес уменьшению потерь мотора M и увеличению потерь инвертора 50, как описано выше, определяется несущая частота, при которой суммарные потери минимизируются, и несущая частота выше несущей частоты при условии средней нагрузки. Дополнительно, несущая частота увеличивается по мере того, как крутящий момент мотора M увеличивается. Следовательно, считается, что когда отношения крутящих моментов равны 0,375 и 0,5, оптимальные несущие частоты составляют 30 кГц и 40 кГц, соответственно.
[0036] Как описано выше, в случае если отношение частот вращения мотора M равно 1,00, в диапазоне, в котором крутящий момент мотора M равен или меньше крутящего момента мотора M, соответствующего наименьшей оптимальной несущей частоте, когда крутящий момент мотора M увеличивается, оптимальная несущая частота задается постоянной или уменьшается, и в диапазоне, в котором крутящий момент мотора M равен или больше крутящего момента мотора M, соответствующего наименьшей оптимальной несущей частоте, когда крутящий момент мотора M увеличивается, оптимальная несущая частота задается постоянной или увеличивается. Соответственно, можно максимизировать эффективность (минимизировать потери) полной системы приведения в действие мотора.
[0037] Затем, авторы настоящего изобретения подтверждают, что наименьшее значение существует для оптимальной несущей частоты во взаимосвязи между оптимальной несущей частотой и крутящим моментом мотора M независимо от частоты вращения мотора M, и в диапазоне, равном или большем крутящего момента мотора M, соответствующего наименьшей оптимальной несущей частоте, по мере того, как крутящий момент мотора M увеличивается, оптимальная несущая частота должна быть постоянной или увеличиваться. Это проиллюстрировано на фиг. 5-1 - 13-3. Контент элементов в таблицах фиг. 5-1 - 5-3, 8-1 - 8-3 и 11-1 - 11-3 является идентичным контенту элементов таблиц, проиллюстрированных на фиг. 2-1 и 2-2.
[0038] "Фиг. 5-1 - 5-3", фиг. "8-1 - 8-3" и "фиг. 11-1 - 11-3" являются схемами, иллюстрирующими, в табличной форме, результаты измерений потерь, когда отношения частот вращения мотора M равны 0,75, 0,50 и 0,25. "Фиг. 5-1(a), фиг. 8-1(a) и фиг. 11-1(a)", "фиг. 5-1(b), фиг. 8-1(b) и фиг. 11-1(b)", "фиг. 5-1(c), фиг. 8-1(c) и фиг. 11-1(c)", "фиг. 5-2(a), фиг. 8-2(a) и фиг. 11-2(a)", "фиг. 5-2(b), фиг. 8-2(b) и фиг. 11-2(b)", "фиг. 5-2(c), фиг. 8-2(c) и фиг. 11-2(c)", "фиг. 5-3(a), фиг. 8-3(a) и фиг. 11-3(a)", "фиг. 5-3(b), фиг. 8-3(b) и фиг. 11-3(b)" и "фиг. 5-3(c), фиг. 8-3(c) и фиг. 11-3(c)" иллюстрируют результаты измерений, когда отношения крутящих моментов равны 0,05, 0,125, 0,25, 0,375, 0,5, 0,625, 0,75, 0,875 и 1,0. Кроме того, когда отношение частот вращения мотора M равно 0,75 или меньше, крутящий момент мотора M может прикладываться вплоть до максимального крутящего момента.
[0039] Дополнительно, фиг. 6, 9 и 12 являются схемами, иллюстрирующими, в форме графика, взаимосвязь между отношением общей эффективности и несущей частотой, проиллюстрированной на фиг. 5-1 - 5-3, 8-1 - 8-3 и 11-1 - 11-3. Фиг. 6(b) является укрупненным видом области, в которой отношение общей эффективности равно 0,980-1,005 на фиг. 6(a). Фиг. 9(b) является укрупненным видом области, в которой отношение общей эффективности равно 0,95-1,01 на фиг. 9(a). Фиг. 12(b) является укрупненным видом области, в которой отношение общей эффективности равно 0,90-1,00 на фиг. 12(a).
[0040] Фиг. 7-1 - 7-3, фиг. 10-1 - 10-3 и фиг. 13-1 - 13-3 являются схемами, иллюстрирующими, в форме графика, взаимосвязь между отношениями суммарных потерь и несущими частотами, проиллюстрированными на фиг. 5-1 - 5-3, фиг. 8-1 - 8-3 и фиг. 11-1 - 11-3. "Фиг. 7-1(a), фиг. 10-1(a) и фиг. 13-1(a)", "фиг. 7-1(b), фиг. 10-1(b) и фиг. 13-1(b)", "фиг. 7-1(c), фиг. 10-1(c) и фиг. 13-1(c)", "фиг. 7-2(a), фиг. 10-2(a) и фиг. 13-2(a)", "фиг. 7-2(b), фиг. 10-2(b) и фиг. 13-2(b)", "фиг. 7-2(c), фиг. 10-2(c) и фиг. 13-2(c)", "фиг. 7-3(a), фиг. 10-3(a) и фиг. 13-3(a)", "фиг. 7-3(b), фиг. 10-3(b) и фиг. 13-3(b)", "фиг. 7-3(c), фиг. 10-3(c) и фиг. 13-3(c)" иллюстрируют результаты, когда отношения крутящих моментов равны 0,05, 0,125, 0,25, 0,375, 0,5, 0,625, 0,75, 0,875, 1,0.
[0041] Как проиллюстрировано на фиг. 5-1 - 13-3, даже когда отношение частот вращения мотора M равно 0,25, 0,50 или 0,75, как и в случае, когда отношение частот вращения равно 1,00, можно видеть, что во взаимосвязи между оптимальной несущей частотой и крутящим моментом мотора M, наименьшее значение существует в оптимальной несущей частоте, и в диапазоне, в котором крутящий момент мотора M равен или больше крутящего момента мотора M, соответствующего наименьшей оптимальной несущей частоте, можно видеть, что по мере того, как крутящий момент мотора M увеличивается, оптимальная несущая частота является постоянной или увеличивается. Кроме того, на фиг. 5-2(b), отношения общей эффективности, когда несущие частоты составляют 10 кГц и 15 кГц, равны 0,999. Тем не менее, при вычислении до четвертого десятичного разряда, отношение общей эффективности, когда несущая частота составляет 10 кГц, превышает отношение общей эффективности, когда несущая частота составляет 15 кГц. Дополнительно, на фиг. 5-3(b) и 5-3(c), отношения общей эффективности, когда несущие частоты составляют 10 кГц и 15 кГц, равны 0,995 и 0,991, соответственно. Тем не менее, при вычислении до четвертого десятичного разряда, отношение общей эффективности, когда несущая частота составляет 15 кГц, превышает отношение общей эффективности, когда несущая частота составляет 10 кГц. Дополнительно, на фиг. 8-1(c) и 11-2(c), отношения общей эффективности, когда несущие частоты составляют 5 кГц и 10 кГц, равны 0,977 и 0,983, соответственно. Тем не менее, при вычислении до четвертого десятичного разряда, отношение общей эффективности, когда несущая частота составляет 10 кГц, превышает отношение общей эффективности, когда несущая частота составляет 5 кГц.
[0042] Основная частота возбуждения, когда отношение частот вращения мотора M равно 0,25, 0,50 или 0,75, ниже основной частоты возбуждения, когда отношение частот вращения мотора M равно 1,00. Следовательно, эффект уменьшения суммы отношения потерь в меди и отношения потерь в железе посредством увеличения несущей частоты уменьшается (в некоторых случаях, вследствие варьирования измерения и т.п., сумма отношения потерь в меди и отношения потерь в железе увеличивается по мере того, как несущая частота увеличивается). Соответственно, как тогда, когда отношение частот вращения мотора M равно 1,00, когда отношение частот вращения мотора M равно 0,25, 0,50 или 0,75, в крутящем моменте мотора M отсутствует диапазон, меньший крутящий момента мотора M, соответствующего наименьшей оптимальной несущей частоте, и когда крутящий момент мотора M увеличивается, оптимальная несущая частота задается постоянной или увеличивается, и в силу этого можно максимизировать (минимизировать потери) эффективность полной системы приведения в действие мотора.
[0043] Табл. 1
Отношение частот вращения [-]
0,25
0,50
0,75
1,00
Отношение крутящих моментов [-]
0,050
5
5
5
40
0,125
5
5
5
40
0,250
10
10
10
20
0,375
10
10
10
30
0,500
10
10
10
40
0,625
10
10
10
0,750
10
10
15
0,875
10
10
1,000
10
10
[0044] Таблица 1 иллюстрирует вышеприведенные результаты. Таблица 1 иллюстрирует оптимальную несущую частоту для каждого отношения крутящих моментов и каждого отношения частот вращения мотора M, которые получаются из результатов, проиллюстрированных на фиг. 2-1 - 13-2. Здесь, в качестве примера проиллюстрирован случай, в котором интервал, в котором отношение крутящих моментов изменяется, задается равным 0,125 (или 0,075). Если интервал, в котором отношение крутящих моментов изменяется, меньше интервалов, проиллюстрированных на фиг. 2-1 - 2-2, 5-1 - 5-3, 8-1 - 8-3 и 11-1 - 11-3, вследствие варьирования измерения и т.п., даже в диапазоне отношения крутящих моментов, в котором оптимальная несущая частота является постоянной в таблице 1, оптимальная несущая частота может (немного) увеличиваться или уменьшаться. Например, когда отношение частот вращения мотора равно 0,25, оптимальная несущая частота составляет 5 кГц в диапазоне отношений крутящих моментов в 0,05-0,125. Тем не менее, когда отношение крутящих моментов равно 0,05-0,125, оптимальная несущая частота может увеличиваться или уменьшаться относительно 5 кГц. Следовательно, в вышеприведенном описании, чтобы максимизировать общую эффективность системы приведения в действие мотора в диапазоне отношений крутящих моментов, извлекающего такую взаимосвязь, что оптимальная несущая частота имеет постоянное значение, даже если крутящий момент мотора M изменяется, необязательно задавать несущую частоту полностью идентичной оптимальной несущей частоте, и достаточно, если они являются по существу идентичными друг другу.
Разность приблизительно в 5% в несущей частоте оказывает незначительное влияние на значение оптимальной несущей частоты, при которой суммарные потери минимизируются. Следовательно, "по существу идентичный" в настоящем описании изобретения означает то, что "разность несущей частоты составляет 5% или меньше".
[0045] Как очевидно из таблицы 1, независимо от отношения частот вращения мотора M, взаимосвязь между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой имеет участок, в котором оптимальная несущая частота увеличивается по мере того, как крутящий момент мотора M увеличивается. Например, когда отношение частот вращения мотора M равно 0,75, оптимальная несущая частота изменяется с 5 кГц до 10 кГц, когда отношение крутящих моментов изменяется с 0,125 до 0,250, и крутящий момент мотора M увеличивается, и в силу этого оптимальная несущая частота увеличивается. Дополнительно, когда отношение крутящих моментов изменяется с 0,625 до 0,750, и крутящий момент мотора M увеличивается, оптимальная несущая частота изменяется с 10 кГц до 15 кГц, и в силу этого оптимальная несущая частота увеличивается. Дополнительно, в случае если отношение частот вращения мотора M равно 1,00, когда отношение крутящих моментов изменяется с 0,250 до 0,375 или с 0,375 до 0,500, и крутящий момент мотора M увеличивается, оптимальная несущая частота изменяется с 20 кГц до 30 кГц или с 30 кГц до 40 кГц, и в силу этого оптимальная несущая частота увеличивается. Дополнительно, когда отношение частот вращения мотора M равно 1,00, имеется участок, в котором оптимальная несущая частота уменьшается по мере того, как крутящий момент мотора M увеличивается. В частности, когда отношение крутящих моментов изменяется с 0,125 до 0,250, и крутящий момент мотора M увеличивается, оптимальная несущая частота изменяется с 40 кГц до 20 кГц, и в силу этого оптимальная несущая частота уменьшается.
Дополнительно, следует понимать, что диапазон отношения крутящих моментов, соответствующего оптимальной несущей частоте, имеющей наименьшее значение, представляет собой только одно отношение, независимо от отношения частот вращения мотора M. Например, когда отношение частот вращения мотора M равно 0,75, оптимальная несущая частота имеет наименьшее значение в 5 кГц в диапазоне отношений крутящих моментов в 0,05-0,125, и значение оптимальной несущей частоты выше 5 кГц в других диапазонах отношения крутящих моментов. Дополнительно, в случае если отношение частот вращения мотора M равно 1,00, оптимальная несущая частота имеет наименьшее значение в 20 кГц, когда отношение крутящих моментов равно 0,250, и значение оптимальной несущей частоты выше 20 кГц в других диапазонах отношения крутящих моментов. Следовательно, в диапазоне, в котором отношение крутящих моментов мотора M меньше диапазона отношения крутящих моментов, соответствующего наименьшей оптимальной несущей частоте, когда отношение крутящих моментов мотора M увеличивается, оптимальная несущая частота задается постоянной или уменьшается, или в диапазоне, в котором отношение крутящих моментов мотора M превышает диапазон отношения крутящих моментов, соответствующего наименьшей оптимальной несущей частоте, когда отношение крутящих моментов мотора M увеличивается, оптимальная несущая частота задается постоянной или увеличивается. Соответственно, эффективность полной системы приведения в действие мотора может максимизироваться (потери могут минимизироваться).
[0046] Авторы настоящего изобретения подтверждают, что также в других IPMSM или инверторах 50, имеется диапазон крутящих моментов, в котором эффективность полной системы приведения в действие мотора максимизируется (потери минимизируются) посредством задания оптимальной несущей частоты таким образом, что она является по существу постоянной или увеличивается, когда крутящий момент мотора M увеличивается.
Дополнительно, значение суммы отношения потерь в инверторе, отношения потерь в железе и отношения потерь в меди изменяется согласно типу инвертора или мотора M. Тем не менее, считается, что поведение изменения суммы отношения потерь в инверторе, отношения потерь в железе и отношения потерь в меди относительно изменения несущей частоты не изменяется значительно согласно типу мотора M. Следовательно, считается, что тот факт, что эффективность полной системы приведения в действие мотора может максимизироваться (потери минимизируются) посредством задания несущей частоты таким образом, что она является по существу постоянной или увеличивается по мере того, как крутящий момент мотора M увеличивается, не ограничен IPMSM и аналогично также применяется к другим типам моторов M.
[0047] Как описано выше, модуль 75 задания несущей частоты задает несущую частоту согласно значению команды управления частотой вращения мотора M и значению команды управления крутящим моментом мотора M. Взаимосвязь между частотой вращения и крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой сохраняется. В дальнейшем описывается пример способа для извлечения взаимосвязи между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой для каждой частоты вращения мотора M со ссылкой на блок-схему последовательности операций способа по фиг. 14. Блок-схема последовательности операций способа по фиг. 14 представляет собой пример этапа подготовки, выполняемого перед использованием мотора M в фактической машине (например, в поезде, в гибридном транспортном средстве, в бытовом электроприборе и т.п.).
[0048] Во-первых, на этапе S1401, контроллер 70 указывает один невыбранный возможный вариант из множества возможных вариантов для частоты вращения мотора M, предварительно установленной для контроллера 70.
Затем, на этапе S1402, контроллер 70 указывает один невыбранный возможный вариант из множества возможных вариантов для крутящего момента мотора M, предварительно установленного для контроллера 70.
[0049] Затем, на этапе S1403, контроллер 70 указывает один невыбранный возможный вариант из множества возможных вариантов для несущей частоты, предварительно установленной для контроллера 70.
Затем, на этапе S1404, контроллер 70 формирует PWM-сигнал S на основе контента, указанного на этапах S1401-S1403, и выводит PWM-сигнал в инвертор 50. Инвертор 50 управляет мотором M на основе этого PWM-сигнала S. В этом случае, модуль 71 вычисления прикладываемого напряжения использует частоту вращения, указанную на этапе S1401, в качестве значения команды управления частотой вращения мотора M, а крутящий момент, указанный на этапе S1402, в качестве значения команды управления крутящим моментом мотора M, чтобы вычислять напряжение, прикладываемое к каждой фазе мотора M, и формирует сигнал команды управления напряжением, указывающий напряжение. Кроме того, модуль 72 формирования несущей волны формирует треугольную волну, имеющую несущую частоту, указанную на этапе S1403.
[0050] Затем, на этапе S1405, суммарные потери, когда мотор M управляется на этапе S1404 (суммарные потери, когда мотор M приводится в действие с использованием инвертора 50), измеряются. Как описано выше, суммарные потери представляют собой сумму потерь в меди и потерь в железе мотора M и потерь инвертора 50. Суммарные потери извлекаются в качестве значения, полученного посредством вычитания M выходной мощности мотора из входной мощности в инвертор 50. Потери в меди мотора M извлекаются в качестве джоулевых потерь из тока и сопротивления обмотки, протекающего через обмотки соответствующих фаз u, v и w мотора M. Потери в железе мотора M извлекаются в качестве значения, полученного посредством вычитания M выходной мощности мотора и потерь в меди из входной мощности в мотор M. Потери инвертора 50 извлекаются в качестве значения, полученного посредством вычитания выходной мощности инвертора (входной мощности в мотор M) из входной мощности в инвертор 50.
Затем, на этапе S1406, контроллер 70 определяет то, указываются или нет все из множества возможных вариантов для несущей частоты, предварительно установленной для контроллера 70. Как результат этого определения, когда все из множества возможных вариантов для несущей частоты не указываются, обработка возвращается на этап S1403. После этого, обработка этапов S1403-S1406 многократно выполняется до тех пор, пока все из множества возможных вариантов несущей частоты не будут указаны. Таким образом, измерение (извлечение) суммарных потерь на этапе S1405 выполняется посредством изменения несущей частоты в инверторе 50.
[0051] Когда на этапе S1406 определяется то, что все из множества возможных вариантов несущей частоты указываются, PWM-сигнал S, имеющий частоту вращения, указанную на этапе S1401, и крутящий момент, указанный на этапе S1402, в качестве значения команды управления, формируется с использованием соответствующих треугольных волн всех возможных вариантов несущей частоты, и суммарные потери, когда мотор M приводится в действие посредством PWM-сигнала S, получаются на многократно выполняемом этапе S1405. После этого, обработка переходит к этапу S1407.
На этапе S1407, контроллер 70 формирует PWM-сигнал S, имеющий частоту вращения мотора M, указанную на этапе S1401, и крутящий момент мотора M, указанный на этапе S1402, в качестве значений команд управления, и указывает несущую частоту, которая представляет собой минимальные суммарные потери из числа суммарных потерь, когда мотор M приводится в действие посредством PWM-сигнала S, в качестве оптимальной несущей частоты (т.е. на основе суммарных потерь, извлекаемых на этапе S1405, несущая частота, когда суммарные потери являются минимальными, извлекается в качестве оптимальной несущей частоты).
[0052] В этом случае, оптимальная несущая частота может указываться следующим образом. На стадии, когда обработка переходит к этапу S1407, набор возможных вариантов несущей частоты, указанной на этапе S1403, и суммарных потерь, измеряемых на этапе S1405, когда несущая частота указывается, получается посредством числа возможных вариантов несущей частоты. Контроллер 70 извлекает выражение, указывающее взаимосвязь между несущей частотой и суммарными потерями на основе набора возможных вариантов несущей частоты и суммарных потерь, посредством известного способа, такого как метод наименьших квадратов. В этом выражении, контроллер 70 указывает несущую частоту, при которой суммарные потери являются минимальными, в качестве оптимальной несущей частоты.
[0053] Затем, на этапе S1408, контроллер 70 определяет то, указываются или нет все из множества возможных вариантов для крутящего момента мотора M, предварительно установленного для контроллера 70. Как результат этого определения, когда все из множества возможных вариантов для крутящего момента мотора M не указываются, обработка возвращается на этап S1402. Обработка этапов S1402-S1408 многократно выполняется до тех пор, пока все из множества возможных вариантов для крутящего момента мотора M не будут указаны. Таким образом, измерение (извлечение) суммарных потерь на этапе S1405 выполняется посредством изменения крутящего момента, сформированного в моторе M. Кроме того, извлечение оптимальной несущей частоты на этапе S1407 выполняется для каждого из множества крутящих моментов.
Когда на этапе S1408 определяется то, что все из множества возможных вариантов для крутящего момента мотора M указываются, PWM-сигнал S, имеющий частоту вращения мотора M, указанную на этапе S1401, и каждый из всех возможных вариантов крутящего момента мотора M в качестве значений команд управления, формируется с использованием соответствующих треугольных волн всех возможных вариантов несущей частоты, и оптимальная несущая частота, когда мотор M приводится в действие, получается на многократно выполняемом этапе S1407. После этого, обработка переходит к этапу S1409.
[0054] На этапе S1409, контроллер 70 извлекает взаимосвязь между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой для частоты вращения мотора M, указанной на этапе S1401. В дальнейшем описывается конкретный пример способа извлечения взаимосвязи между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой. Во-первых, контроллер 70 извлекает оптимальную несущую частоту при крутящем моменте мотора M, указанном на этапе S1402, для каждого из крутящих моментов мотора M, указанных на этапе S1402, который многократно выполняется. Как результат, для частоты вращения мотора M, указанной на этапе S1401, наборы крутящего момента мотора M и оптимальной несущей частоты при крутящем моменте мотора M получаются посредством числа возможных вариантов крутящего момента мотора M. Контроллер 70 извлекает наборы крутящего момента мотора M, полученного так, как описано выше, и оптимальной несущей частоты при крутящем моменте мотора M в качестве взаимосвязи между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой.
[0055] Затем, на этапе S1410, контроллер 70 определяет то, указываются или нет все из множества возможных вариантов для частоты вращения мотора M, предварительно установленной для контроллера 70. Как результат этого определения, когда все из множества возможных вариантов для частоты вращения мотора M не указываются, обработка возвращается на этап S1401. Обработка этапов S1401-S1410 многократно выполняется до тех пор, пока все из множества возможных вариантов для частоты вращения мотора M не будут указаны. Таким образом, измерение (извлечение) суммарных потерь на этапе S1405 выполняется посредством изменения частоты вращения мотора M. Дополнительно, извлечение оптимальной несущей частоты на этапе S1407 выполняется для каждой из множества частот вращения.
Когда на этапе S1410 определяется то, что все из множества возможных вариантов для частоты вращения мотора M указываются, взаимосвязь между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой получается на этапе S1409, который многократно выполняется для каждого из всех возможных вариантов для частоты вращения мотора M. После этого, обработка переходит к этапу S1411.
[0056] На этапе S1411, контроллер 70 извлекает и сохраняет взаимосвязь между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой для каждой частоты вращения мотора M, на основе оптимальной несущей частоты, извлекаемой на этапе S1407. Эта взаимосвязь является такой, как проиллюстрировано в таблице 1.
[0057] В этом случае, на основе сведений, описанных со ссылкой на таблицу 1, взаимосвязь (взаимосвязь, извлекаемая на этапе S1411) между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой, извлекаемая посредством контроллера 70 для каждой частоты вращения мотора M, имеет участок (первый участок), в котором несущая частота увеличивается по мере того, как крутящий момент мотора M увеличивается в диапазоне, в котором крутящий момент мотора M равен или больше крутящего момента мотора M, соответствующего наименьшей оптимальной несущей частоте из множества оптимальных несущих частот (множества оптимальных несущих частот, указываемых при условии, что частота вращения мотора M является общей, и крутящие моменты мотора M отличаются друг от друга), указываемых на этапе S1407.
[0058] В примере, проиллюстрированном в таблице 1, когда отношения частот вращения мотора M равны 0,25, 0,50, 0,75 или 1,00, наименьшие оптимальные несущие частоты составляют 5 кГц, 5 кГц, 5 кГц, 20 кГц, соответственно. Отношения крутящих моментов, соответствующие наименьшим оптимальным несущим частотам, равны 0,050 и 0,125, 0,050 и 0,125, 0,050 и 0,125 и 0,250, соответственно. Кроме того, когда отношения частот вращения мотора M равны 0,25, 0,50, 0,75 и 1,00, в диапазонах 0,125-0,250, 0,125-0,250, 0,125-0,250 и 0,250-0,500, которые представляют собой диапазоны отношений крутящих моментов, равных или больших отношений крутящих моментов, соответствующих наименьшим оптимальным несущим частотам, по мере того, как отношения крутящих моментов, соответственно, изменяются с 0,125 до 0,250, с 0,125 до 0,250, с 0,125 до 0,250, с 0,250 до 0,375 и с 0,375 до 0,500 таким образом, что они увеличиваются, оптимальные несущие частоты, соответственно, изменяются с 5 до 10, с 5 до 10, с 5 до 10, с 20 до 30 и с 30 до 40 таким образом, что они увеличиваются. Взаимосвязь между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой, извлекаемая посредством контроллера 70 для каждой частоты вращения мотора M, имеет эту взаимосвязь.
[0059] В примере, в котором отношение частот вращения мотора M равно "0,25" в таблице 1, взаимосвязь, извлекаемая на этапе S1411, имеет первый участок (участок, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно 0,050 или больше и 1,000 или меньше), в котором оптимальная несущая частота увеличивается по мере того, как отношение крутящих моментов мотора M увеличивается в диапазоне, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно или больше отношений крутящих моментов ("0,050" и "0,125") мотора M, соответствующих наименьшей несущей частоте "5" из числа оптимальных несущих частот ("5" и "10"), соответствующих одному отношению частот вращения "0,25" из множества отношений частот вращения ("0,25", "0,50", "0,75" и "1,00") мотора M, извлекаемых на этапе S1407.
"Первый участок, в котором оптимальная несущая частота увеличивается по мере того, как отношение крутящих моментов мотора M увеличивается", может включать в себя "участок, в котором оптимальная несущая частота является по существу постоянной, даже когда отношение крутящих моментов мотора M увеличивается".
В примере, в котором отношение частот вращения мотора M равно "0,25" в таблице 1, первый участок (участок, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно 0,050 или больше и 1,000, или меньше) включает в себя "участок (участок, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно 0,050 или больше и 0,125 или меньше, и участок, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно 0,250 или больше и 1,000 или меньше), в котором оптимальная несущая частота является по существу постоянной, даже когда отношение крутящих моментов мотора M увеличивается".
[0060] В примере, в котором отношение частот вращения мотора M равно "0,50" в таблице 1, взаимосвязь, извлекаемая на этапе S1411, имеет первый участок (участок, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно 0,050 или больше и 1,000 или меньше), в котором оптимальная несущая частота увеличивается по мере того, как отношение крутящих моментов мотора M увеличивается в диапазоне, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно или больше отношений крутящих моментов ("0,050" и "0,125") мотора M, соответствующих наименьшей несущей частоте "5" из оптимальных несущих частот ("5" и "10"), извлекаемых на этапе S1407.
В примере, в котором отношение частот вращения мотора M равно "0,50" в таблице 1, первый участок (участок, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно 0,050 или больше и 1,000, или меньше) включает в себя "участок (участок, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно 0,050 или больше и 0,125 или меньше, и участок, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно 0,250 или больше и 1,000 или меньше), в котором оптимальная несущая частота является по существу постоянной, даже когда отношение крутящих моментов мотора M увеличивается".
[0061] В примере, в котором отношение частот вращения мотора M равно "0,75" в таблице 1, взаимосвязь, извлекаемая на этапе S1411, имеет первый участок (участок, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно 0,050 или больше и 0,750 или меньше), в котором оптимальная несущая частота увеличивается по мере того, как отношение крутящих моментов мотора M увеличивается в диапазоне, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно или больше отношений крутящих моментов ("0,050" и "0,125") мотора M, соответствующих наименьшей несущей частоте "5" из числа оптимальных несущих частот ("5", "10" и "15"), извлекаемых на этапе S1407.
В примере, в котором отношение частот вращения мотора M равно "0,75" в таблице 1, первый участок (участок, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно 0,050 или больше и 0,750, или меньше) включает в себя "участок (участок, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно 0,050 или больше и 0,125 или меньше, и участок, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно 0,250 или больше и 0,625 или меньше), в котором оптимальная несущая частота является по существу постоянной, даже когда отношение крутящих моментов мотора M увеличивается".
[0062] В примере, в котором отношение частот вращения мотора M равно "1,00" в таблице 1, взаимосвязь, извлекаемая на этапе S1411, имеет первый участок (участок, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно 0,250 или больше и 0,500 или меньше), в котором оптимальная несущая частота увеличивается по мере того, как отношение крутящих моментов мотора M увеличивается в диапазоне, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно или больше отношений крутящих моментов ("0,250") мотора M, соответствующих наименьшей несущей частоте "20" из числа оптимальных несущих частот ("20", "30" и "40"), извлекаемых на этапе S1407.
[0063] Дополнительно, когда имеется диапазон, в котором крутящий момент мотора M равен или меньше крутящего момента мотора M, соответствующего наименьшей оптимальной несущей частоте из множества оптимальных несущих частот, указываемых, как описано выше, в диапазоне, взаимосвязь между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой, извлекаемая посредством контроллера 70 для каждой частоты вращения мотора M, имеет участок (второй участок), в котором несущая частота уменьшается по мере того, как крутящий момент мотора M увеличивается.
[0064] В примере, проиллюстрированном в таблице 1, когда отношение частот вращения мотора M равно 1,00, наименьшая оптимальная несущая частота составляет 20 кГц, отношение крутящих моментов, соответствующее наименьшей оптимальной несущей частоте, равно 0,250, и имеются отношения крутящих моментов (=0,250, 0,125 и 0,050), равные или меньшие отношения крутящих моментов (=0,250). Кроме того, в диапазоне 0,125-0,250, который представляет собой диапазон отношения крутящих моментов в 0,250 или меньше, который представляет собой отношение крутящих моментов, соответствующее наименьшей оптимальной несущей частоте, когда отношение крутящих моментов изменяется с 0,125 до 0,250 таким образом, что оно увеличивается, оптимальная несущая частота изменяется с 40 до 20 таким образом, что она уменьшается. Взаимосвязь между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой, извлекаемая посредством контроллера 70, представляет собой эту взаимосвязь.
[0065] В примере, в котором отношение частот вращения мотора M равно "1,00" в таблице 1, взаимосвязь, извлекаемая на этапе S1411, имеет второй участок (участок, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно 0,050 или больше и 0,250 или меньше), в котором оптимальная несущая частота уменьшается по мере того, как отношение крутящих моментов мотора M увеличивается в диапазоне, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно или меньше отношения крутящих моментов ("0,250") мотора M, соответствующего наименьшей несущей частоте "20" из числа оптимальных несущих частот ("20", "30" и "40"), извлекаемых на этапе S1407.
"Второй участок, в котором оптимальная несущая частота уменьшается по мере того, как отношение крутящих моментов мотора M увеличивается", может включать в себя "участок, в котором оптимальная несущая частота является по существу постоянной, даже когда отношение крутящих моментов мотора M увеличивается".
В примере, в котором отношение частот вращения мотора M равно "1,00" в таблице 1, второй участок (участок, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно 0,050 или больше и 0,250, или меньше) включает в себя "участок (участок, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно 0,050 или больше и 0,125 или меньше), в котором оптимальная несущая частота является по существу постоянной, даже когда отношение крутящих моментов мотора M увеличивается".
[0066] Например, контроллер 70 может извлекать таблицу, в которой частота вращения мотора M, крутящий момент мотора M и оптимальная несущая частота ассоциированы друг с другом и сохраняются, из взаимосвязи между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой (из набора крутящего момента мотора M и оптимальной несущей частоты мотора M) для каждого из всех возможных вариантов частоты вращения мотора M, в качестве взаимосвязи между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой, для каждой частоты вращения мотора M. Кроме того, контроллер 70 может извлекать выражение, указывающее взаимосвязь между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой для каждой частоты вращения мотора M, из взаимосвязи между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой (из набора крутящего момента мотора M и оптимальной несущей частоты мотора M) для каждого из всех возможных вариантов частоты вращения мотора M, посредством известного способа, такого как метод наименьших квадратов. После этого, обработка согласно блок-схеме последовательности операций способа по фиг. 14 завершается.
[0067] Согласно блок-схеме последовательности операций способа по фиг. 14, после того, как взаимосвязь между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой сохраняется для каждой частоты вращения мотора M (после того, как этап подготовки завершается), выполняется этап фактического использования, в котором мотор M приводится в действие в фактической машине посредством использования взаимосвязи между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой для каждой частоты вращения мотора M. Например, на этапе фактического использования, выполняется следующая обработка.
Когда мотор M приводится в действие, модуль 75 задания несущей частоты извлекает оптимальную несущую частоту, соответствующую значению команды управления крутящим моментом мотора M и значению команды управления частотой вращения мотора M, в качестве несущей частоты в инверторе 50 из взаимосвязи между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой для каждой частоты вращения мотора M (т.е. задает несущую частоту, соответствующую значению команды управления крутящим моментом мотора M и значению команды управления частотой вращения мотора M, на основе вышеописанной взаимосвязи).
Например, когда несущая частота в инверторе 50 задается из взаимосвязи между отношением крутящих моментов мотора M и оптимальной несущей частотой при отношении частот вращения в 1,00 мотора M, проиллюстрированном в таблице 1, модуль 75 задания несущей частоты задает оптимальную несущую частоту в качестве несущей частоты в инверторе 50, которая увеличивается с 20 кГц до 40 кГц по мере того, как крутящий момент мотора M увеличивается в диапазоне (в диапазоне, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно 0,250-0,500), в котором крутящий момент мотора M равен или больше крутящего момента мотора M, соответствующего наименьшей оптимальной несущей частоте (20 кГц). Помимо этого, модуль 75 задания несущей частоты задает оптимальную несущую частоту в качестве несущей частоты в инверторе 50, которая уменьшается с 40 кГц до 20 кГц по мере того, как крутящий момент мотора M увеличивается в диапазоне (в диапазоне, в котором отношение крутящих моментов мотора M равно 0,050-0,250), в котором крутящий момент мотора M равен или меньше крутящего момента мотора M, соответствующего наименьшей оптимальной несущей частоте (20 кГц).
[0068] Когда взаимосвязь используется в качестве таблицы, предусмотрен случай, в котором таблица не имеет значения, идентичного значению команды управления (для частоты вращения мотора M и крутящего момента). В этом случае, например, модуль 75 задания несущей частоты выполняет обработку интерполяции или обработку экстраполяции для значений, сохраненных в таблице, на основе значения команды управления и в силу этого может извлекать оптимальную несущую частоту, соответствующую значению (для частоты вращения и крутящего момента мотора M), идентичному значению команды управления, в качестве несущей частоты в инверторе 50.
Модуль 72 формирования несущей волны формирует треугольную волну, имеющую несущую частоту, заданную посредством модуля 75 задания несущей частоты таким образом. Кроме того, как описано выше, значение оптимальной несущей частоты во взаимосвязи между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частоты для каждой частоты вращения мотора M используется в качестве несущей частоты, прикладываемой к инвертору 50. Следовательно, взаимосвязь между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой для каждой частоты вращения мотора M является синонимичной со взаимосвязью между крутящим моментом мотора M и несущей частотой, прикладываемой к инвертору 50, для каждой частоты вращения мотора M.
[0069] Как описано выше, в настоящем варианте осуществления, когда инвертор 50, имеющий переключающий элемент, сконфигурированный посредством использования широкозонного полупроводника, используется в качестве инвертора 50, взаимосвязь между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой определяется для каждой частоты вращения мотора M таким образом, что оптимальная несущая частота является по существу постоянной или увеличивается по мере того, как крутящий момент мотора M увеличивается в области, в которой крутящий момент мотора M равен или больше крутящего момента, при котором оптимальная несущая частота является минимальной. Следовательно, можно задавать несущую частоту таким образом, что эффективность полной системы приведения в действие мотора может увеличиваться с учетом потерь в железе и потерь в меди мотора M и потерь на переключение в инверторе 50. Соответственно, мотор M может приводиться в действие таким образом, что суммарные потери из потерь мотора M и потерь инвертора 50 уменьшаются.
[0070] В настоящем варианте осуществления, в качестве примера описывается случай, в котором взаимосвязь между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой извлекается для каждой частоты вращения мотора M посредством выполнения фактического измерения. Тем не менее, взаимосвязь между крутящим моментом мотора и оптимальной несущей частотой не должна обязательно извлекаться для каждой частоты вращения мотора M таким способом. Например, суммарные потери системы приведения в действие мотора, когда мотор M возбуждается посредством инвертора 50, могут извлекаться с использованием численного анализа.
[0071] Дополнительно, в настоящем варианте осуществления, в качестве примера описывается случай, в котором контроллер 70 извлекает взаимосвязь между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой для каждой частоты вращения мотора M. Тем не менее, взаимосвязь между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой может извлекаться для каждой частоты вращения мотора M посредством устройства обработки информации, отличающегося от контроллера 70. Например, это является предпочтительным, когда суммарные потери системы приведения в действие мотора, когда мотор M возбуждается посредством инвертора 50, извлекаются с использованием численного анализа. Кроме того, в этом случае, контроллер 70 получает взаимосвязь между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой, извлекаемую для каждой частоты вращения мотора M посредством устройства обработки информации. В этом случае, взаимосвязь между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой может сохраняться в контроллере 70 для каждой частоты вращения мотора M или может сохраняться за пределами контроллера 70 для каждой частоты вращения мотора M.
[0072] Помимо этого, в настоящем варианте осуществления, в качестве примера описывается случай, в котором источник 10 мощности переменного тока и выпрямительная схема 20 используются для того, чтобы формировать входную мощность в инвертор 50. Тем не менее, это не обязательно должно всегда иметь место. Например, источник мощности постоянного тока может использоваться в качестве альтернативы источника 10 мощности переменного тока и выпрямительной схемы 20. Кроме того, источник мощности постоянного тока может иметь функцию повышения/понижения напряжения. Альтернативно, источник мощности постоянного тока имеет функцию накопления мощности и может быть выполнен с возможностью накапливать рекуперативную мощность из мотора M.
Второй вариант осуществления
[0073]
Далее описывается второй вариант осуществления. В первом варианте осуществления, в качестве примера описывается случай, в котором переключающий элемент, составляющий инвертор 50, представляет собой переключающий элемент, сконфигурированный с использованием широкозонного полупроводника. В настоящем варианте осуществления, описывается случай, в котором переключающий элемент, составляющий инвертор 50, представляет собой переключающий элемент, сконфигурированный посредством использования полупроводника (полупроводника, имеющего общую запрещенную зону), отличного от широкозонного полупроводника. Как описано выше, конфигурации настоящего варианта осуществления и первого варианта осуществления главным образом отличаются друг от друга в том, что переключающие элементы, составляющие соответствующие инверторы 50, отличаются друг от друга. Следовательно, в описаниях настоящего варианта осуществления, ссылки с номерами, идентичные ссылкам с номерами на фиг. 1-14, назначаются частям, идентичным частями в первом варианте осуществления, и их подробные описания опускаются.
[0074] Автор настоящего изобретения исследовал несущую частоту для высокоэффективной системы приведения в действие мотора при условиях, идентичных условиям, описанным в первом варианте осуществления, за исключением использования полупроводникового элемента Si, который представляет собой один из полупроводников, имеющих общую запрещенную зону, в качестве полупроводникового элемента, составляющего переключающий элемент инвертора 50, и задания диапазона несущей частоты равным от 5 кГц до 40 кГц. Ниже описываются результаты.
Фиг. 15-1 и 15-2 являются схемами, иллюстрирующими, в табличной форме, результат измерений потерь, когда отношение частот вращения мотора M равно 1,00. Фиг. 15-1(a) и (b) и 15-2(a) и (b) являются схемами, соответствующими фиг. 2-1(a) и (b) и фиг. 2-2(a) и (b), соответственно. Фиг. 16 является схемой, иллюстрирующей, в форме графика, взаимосвязь между отношением общей эффективности и несущей частотой, проиллюстрированной на фиг. 15-1 и 15-2. Фиг. 16 является схемой, соответствующей фиг. 3. Фиг. 17-1 и 17-2 являются схемами, иллюстрирующими, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, проиллюстрированной на фиг. 15-1 и 15-2. Фиг. 17-1(a), (b) и (c) и фиг. 17-2(a) и (b) являются схемами, соответствующими фиг. 4-1(a), (b) и (c) и фиг. 4-2(a) и (b), соответственно.
[0075] Фиг. 18-1 - 18-3, 21-1 - 21-3 и 24-1 - 24-3 являются схемами, иллюстрирующими, в табличной форме, результаты измерений потерь, когда отношения частот вращения мотора M равны 0,75, 0,50 и 0,25, соответственно. Фиг. 18-1(a), (b) и (c) - фиг. 18-3(a), (b) и (c), фиг. 21-1(a), (b) и (c) - фиг. 21-3(a), (b) и (c), фиг. 24-1(a), (b) и (c) - фиг. 24-3(a), (b) и (c) являются схемами, соответствующими фиг. 5-1(a), (b) и (c) - фиг. 5-3(a), (b) и (c), фиг. 8-1(a), (b) и (c) - фиг. 8-3(a), (b) и (c) и фиг. 11-1(a), (b) и (c) - фиг. 11-3(a), (b) и (c), соответственно.
[0076] Фиг. 19, 22 и 25 являются схемами, иллюстрирующими, в форме графика, взаимосвязь между отношением общей эффективности и несущей частотой, проиллюстрированной на фиг. 18-1 - 18-3, 21-1 - 21-3 и 24-1 - 24-3, соответственно.
Фиг. 20-1 - 20-3, 23-1 - 23-3 и 26-1 - 26-3 являются схемами, иллюстрирующими, в форме графика, взаимосвязь между отношением суммарных потерь и несущей частотой, проиллюстрированной на фиг. 18-1 - 18-3, 21-1 - 21-3 и 24-1 - 24-3, соответственно. Фиг. 20-1(a), (b) и (c) - фиг. 20-3(a), (b) и (c), фиг. 23-1(a), (b) и (c) - 23-3(a), (b) и (c) и фиг. 26-1(a), (b) и (c) - фиг. 26-3(a), (b) и (c) являются схемами, соответствующими фиг. 7-1(a), (b) и (c) - фиг. 7-3(a), (b) и (c), фиг. 10-1(a), (b) и (c) - фиг. 10-3(a), (b) и (c) и фиг. 13-1(a), (b) и (c) - фиг. 13-3(a), (b) и (c), соответственно.
[0077] Как проиллюстрировано на фиг. 17-1 -17-2, 20-1 - 20-3, 23-1 - 23-3 и 26-1 - 26-3, отношение потерь в инверторе больше отношения потерь в инверторе, когда широкозонный полупроводник используется в качестве переключающего элемента инвертора 50 (фиг. 4-1 - 4-2, 7-1 - 7-3, 10-1 - 10-3 и 13-1 - 13-3). Это обусловлено тем, что потери на переключение переключающего элемента меньше, когда широкозонный полупроводник используется в качестве переключающего элемента, чем тогда, когда общий полупроводник, отличный от широкозонного полупроводника, используется в качестве переключающего элемента. Эти потери на переключение имеют тенденцию увеличиваться по мере того, как несущая частота увеличивается.
[0078] Дополнительно, как проиллюстрировано на фиг. 16, 19, 22 и 25, даже когда отношение частот вращения и отношение крутящих моментов мотора M изменяются, оптимальная несущая частота составляет 5 кГц. Даже когда полупроводник, отличный от широкозонного полупроводника, используется в качестве переключающего элемента, как описано в первом варианте осуществления, в области, в которой несущая частота является низкой, когда несущая частота увеличивается, сумма отношения потерь в железе и отношения потерь в меди постепенно увеличивается и после этого приближается к определенному значению. Как описано выше, когда полупроводник, отличный от широкозонного полупроводника, используется в качестве переключающего элемента, потери (и отношение потерь в инверторе) инвертора 50 превышают потери, когда широкозонный полупроводник используется в качестве переключающего элемента, и величина увеличения потерь (и отношение потерь в инверторе) инвертора 50 относительно увеличения несущей частоты также больше (увеличение потерь инвертора 50 (и отношение потерь в инверторе) является более крутым) величины увеличения потерь, когда широкозонный полупроводник используется в качестве переключающего элемента.
Из вышеозначенного, когда полупроводник, отличный от широкозонного полупроводника, используется в качестве переключающего элемента, оптимальная несущая частота является по существу постоянной независимо от частоты вращения и крутящего момента мотора M.
[0079] Кроме того, как описано в первом варианте осуществления, когда интервалы, в которых отношения крутящих моментов изменяются, задаются меньше интервалов, проиллюстрированных на фиг. 15-1 - 15-2, 18-1 - 18-3, 21-1 - 21-3 и 24-1 - 24-3, оптимальная несущая частота может увеличиваться или уменьшаться вследствие варьирования измерения и т.п. Следовательно, необязательно задавать оптимальные несущие частоты полностью идентичными друг другу, и достаточно, если они являются по существу идентичными друг другу.
Как описано выше, авторы настоящего изобретения в первый раз выявили, что когда общий полупроводник, отличный от широкозонного полупроводника, используется в качестве переключающего элемента инвертора 50, оптимальная несущая частота является по существу постоянной независимо от частоты вращения и крутящего момента мотора M. Помимо этого, как описано в первом варианте осуществления, авторы настоящего изобретения подтверждают, что это аналогично применяется к другим моторам M и инверторам 50, и в силу этого можно максимизировать эффективность (минимизировать потери) полной системы приведения в действие мотора.
[0080] Дополнительно, например, вышеуказанная оптимальная несущая частота может извлекаться посредством выполнения обработки этапов S1401-S1408 и S1410 на блок-схеме последовательности операций способа по фиг. 14. Когда оптимальная несущая частота (немного) изменяется согласно крутящему моменту мотора M, ее типичное значение (например, среднее значение, самое частое значение, медианное значение, минимальное значение или максимальное значение) может извлекаться в качестве оптимальной несущей частоты для каждой частоты вращения мотора M, либо, как описано на блок-схеме последовательности операций способа по фиг. 14, взаимосвязь (взаимосвязь, в которой оптимальная несущая частота имеет по существу постоянное значение независимо от крутящего момента и частоты вращения мотора M) между крутящим моментом мотора M и оптимальной несущей частотой может извлекаться для каждой частоты вращения мотора M. В любом из способов извлечения, несущая частота, которая задается посредством модуля 75 задания несущей частоты для каждой частоты вращения мотора M, имеет по существу постоянное значение (например, значение, которое является по существу идентичным минимальному значению оптимальной несущей частоты) независимо от частоты вращения и крутящего момента мотора M.
Таким образом, в настоящем варианте осуществления, на этапе фактического использования, модуль 75 задания несущей частоты задает оптимальную несущую частоту в качестве несущей частоты в инверторе 50 для каждой частоты вращения мотора M на основе взаимосвязи, в которой оптимальная несущая частота имеет по существу постоянное значение независимо от крутящего момента и частоты вращения мотора M.
[0081] Как описано выше, в настоящем варианте осуществления, когда инвертор 50, имеющий переключающий элемент, сконфигурированный посредством использования полупроводника, отличного от широкозонного полупроводника, используется в качестве инвертора 50, несущая частота является по существу постоянной независимо от частоты вращения и крутящего момента мотора M. Следовательно, даже когда переключающий элемент, сконфигурированный с использованием общего полупроводника, отличного от широкозонного полупроводника, используется, могут получаться преимущества, идентичные преимуществам, описанные в первом варианте осуществления.
Различные примеры модификаций, описанные в первом варианте осуществления, также могут применяться к настоящему варианту осуществления.
Значение отношения частот вращения мотора M, описанного выше, представляет собой просто пример, и настоящее изобретение является применимым к значениям, отличным от значения отношения частот вращения мотора M, описанного выше.
[0082] Кроме того, конфигурация контроллера 70 в вариантах осуществления настоящего изобретения, описанных выше, может реализовываться посредством компьютера, выполняющего программу. Кроме того, компьютерно-читаемый носитель записи, записывающий программу, и компьютерный программный продукт, такой как программа, могут применяться в качестве варианта осуществления настоящего изобретения. В качестве носителя записи могут использоваться, например, гибкий диск, жесткий диск, оптический диск, магнитооптический диск, CD-ROM, магнитная лента, карта на основе энергонезависимого запоминающего устройства, ROM и т.п.
Помимо этого, все варианты осуществления настоящего изобретения, описанные выше, представляют собой просто примеры осуществления настоящего изобретения, и объем настоящего изобретения не должен ограниченно интерпретироваться посредством вариантов осуществления. Таким образом, настоящее изобретение может реализовываться в различных формах без отступления от его технической идеи или основных признаках.
Список номеров ссылок
[0083] 10 - источник мощности переменного тока
20 - выпрямительная схема
30 - электролитический конденсатор
40 - датчик напряжения
50 - инвертор
61-63 - датчик тока
70 - контроллер
71 - модуль вычисления прикладываемого напряжения
72 - модуль формирования несущей волны
73 - модуль сравнения
74 - модуль вывода PWM-сигналов
75 - модуль задания несущей частоты