JP2014064448A - 騒音低減のための環境に優しい自動車のインバータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】環境に優しい自動車のインバータスイッチング周波数により発生した騒音の周波数領域を変化させることにより、インバータのスイッチング周波数による騒音問題を解決できる騒音低減のための環境に優しい自動車のインバータ制御方法を提供する。
【解決手段】本発明による騒音の低減のための環境に優しい自動車のインバータ制御方法は、現在のモータトルクとモータ速度をリアルタイムでモニタリングする段階と、モニタリングされている現在のモータトルクとモータ速度が両方とも現在のスイッチング周波数に設定された騒音発生領域に該当するか否かを判断する段階と、現在のモータトルクとモータ速度が両方とも騒音発生領域に該当すると判断した場合、現在のモータトルクとモータ速度に該当するスイッチング周波数変更値を算出する段階と、スイッチング周波数変更値によりＰＷＭ信号を生成してインバータの駆動を制御する段階と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、騒音低減のための環境に優しい自動車のインバータ制御方法に係り、より詳細には、環境に優しい自動車のインバータスイッチング周波数により発生した騒音の周波数領域を変化させることにより、インバータのスイッチング周波数による騒音問題を解決できる騒音低減のための環境に優しい自動車のインバータ制御方法に関する。

周知の通り、純粋な電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、燃料電池自動車（ＦＣＥＶ）などを含む環境に優しい自動車は、走行のための駆動源として電気モータを用いる。
すなわち、車両のメインバッテリに蓄積されている直流電源を、インバータを用いて３相交流電源に変換させることでモータを駆動し、モータの駆動力を駆動輪に伝達して車両の走行を行う。
また、環境に優しい自動車では、減速時に回生制動により運動エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリに蓄積し、車両の走行時にバッテリに蓄積されているエネルギーをモータの駆動に再使用（回収した電気エネルギーを車両の運動エネルギーとしてリサイクル）することで燃費を向上させる。

一方、環境に優しい自動車の駆動源であるモータとインバータを含むモータシステムにおいて、駆動／回生の運転中に発生する高周波騒音はインバータ作動時に常に存在するものであるが、図１は、モータシステムでインバータのスイッチング周波数が４ｋＨｚである場合、回生制動（図１でモータ速度が減速する区間に該当）中に発生する騒音を例示した図面である。
図１に示すように、インバータのスイッチング周波数が４ｋＨｚである場合に発生する運転中の騒音は、人間の耳に最も敏感な２〜５ｋＨｚ帯域の騒音であり、この騒音が発生する場合、運転者や搭乗者は不快感を感じるようになる。

図１の下側に示した騒音分析図面において、横軸（Ｘ軸）は時間を、縦軸（Ｙ軸）は周波数を示しており、図面のように２〜５ｋＨｚ帯域（赤色点線領域）内に騒音が発生する部分（緑色部分）が多いことが分かる。
したがって、最も敏感な周波数として知られている２〜５ｋＨｚ（周知の等ラウドネス曲線（Ｅｑｕａｌ−Ｌｏｕｄｎｅｓｓ Ｃｏｎｔｏｕｒ）参照）帯域外に騒音の周波数領域を移動させる方法が必要である。

特開２００２−１５３０９６号公報

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、環境に優しい自動車のインバータスイッチング周波数により発生した騒音の周波数領域を変化させることにより、インバータのスイッチング周波数による騒音問題を解決できる方法を提供することにその目的がある。

本発明は、現在のモータトルクとモータ速度をリアルタイムでモニタリングする段階と、モニタリングされている現在のモータトルクとモータ速度が両方とも現在のスイッチング周波数に設定された騒音発生領域に該当するか否かを判断する段階と、現在のモータトルクとモータ速度が両方とも騒音発生領域に該当すると判断した場合、現在のモータトルクとモータ速度に該当するスイッチング周波数変更値を算出する段階と、前記スイッチング周波数変更値によりＰＷＭ信号を生成してインバータの駆動を制御する段階と、を含むことを特徴とする。

前記現在のモータトルクが騒音発生領域に該当するか否かを判断する段階で、各スイッチング周波数に対して騒音が発生するモータトルク領域を規定したトルク−スイッチング周波数の騒音領域マップを用いて現在のモータトルクが前記モータトルク領域に該当するか否かを判断することを特徴とする。

前記現在のモータ速度が騒音発生領域に該当するか否かを判断する段階で、各スイッチング周波数に対して騒音が発生するモータ速度領域を規定した速度−スイッチング周波数の騒音領域マップを用いて現在のモータ速度が前記モータ速度領域に該当するか否かを判断することを特徴とする。

前記スイッチング周波数変更値を算出する段階で、各モータトルクとモータ速度に対してスイッチング周波数変更値を規定した速度−トルク−スイッチング周波数テーブルを用いることを特徴とする。

前記現在のモータトルクとモータ速度のうち何れか１つでも現在のスイッチング周波数に設定された騒音発生領域から外れた場合に、スイッチング周波数を所定の基本スイッチング周波数に復帰させることを特徴とする。

本発明によるインバータ制御方法によれば、リアルタイムでモニタリングされるモータトルクとモータ速度から騒音発生領域に進入したか否かを確認し、インバータスイッチング周波数のリアルタイム可変運転による騒音周波数の移動過程を用いて運転者や搭乗者が感じるインバータの騒音を最小化することができる。
特に、騒音／振動防止パッドあるいは騒音／振動防止のための別途の装置を設置したり、ハードウェアの設計あるいは構造の変更を行ったりしなくても簡単な制御ロジックを加えるだけで運転者や搭乗者が不快感を感じる騒音問題を大きく改善することができる。
さらに、車両の運転状況に応じて最適のスイッチング周波数で可変運転できるため、基本スイッチング周波数を高く設定する場合に比べて、インバータの騒音を減らすと共に燃費の極大化を達成できる大きな利点がある。

従来の問題点を示す図面である。 本発明でスイッチング周波数の変更を説明するための概略図である。 本発明によるスイッチング周波数の可変制御が行われる制御システムの構成図である。 本発明による制御過程を示すフローチャートである。 本発明で騒音発生領域に進入したか否かの確認、スイッチング周波数の変更、三角波の生成、及びＰＷＭ信号の生成過程を順次示す図面である。 本発明による制御方法を適用する場合、騒音周波数領域が変化することを示す図面である。

以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例について本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施するように詳細に説明する。
本発明は、環境に優しい自動車のインバータスイッチング周波数による騒音発生問題を解決するためのもので、環境に優しい自動車の運行中に発生するインバータの騒音を除去するために、騒音／振動防止パッドの付着などのハードウェアの追加または変更などの方法ではなく、制御ロジックの改善だけで運転者や搭乗者が敏感に感じる騒音発生問題を最小化できるインバータ制御方法に関するものである。

特に、本発明によるインバータ制御方法は、現在のモータトルクとモータ速度をリアルタイムでモニタリングし、モニタリングされているモータトルクとモータ速度から騒音発生領域に進入したか否かを確認した後、騒音発生領域に進入したと確認した場合、現在のインバータスイッチング周波数をモータトルクとモータ速度に応じて所定値に変更することにより、スイッチング周波数により発生した騒音の周波数領域を例えば、２〜５ｋＨｚの人間の耳に敏感な騒音周波数領域外に移動させる方式を用いて従来の騒音問題を解決することに主な特徴がある。
インバータスイッチング周波数が変更されると、それに伴って騒音特性が変わってインバータの駆動時に発生する騒音の周波数領域が変化するが、本発明ではこの原理を用いてインバータスイッチング周波数を車両の運転状況に応じて適切に変更することにより、運転者や搭乗者に不快感を与える騒音の周波数を変更し、運転者や搭乗者が敏感に感じる騒音を最小にする。

図２は、本発明でスイッチング周波数の変更を説明するための概略図であり、図３は、本発明によるスイッチング周波数の可変制御が行われる制御システムの構成図である。
また、図４は、本発明による制御過程を示すフローチャートであり、図５は、本発明で騒音発生領域に進入したか否かの確認、スイッチング周波数の変更、三角波の生成、及びＰＷＭ信号の生成過程を順次示す図面である。
図２に示すように、本発明のインバータ制御方法では、車両をＥＶモードで走行する間、騒音発生区間のインバータスイッチング周波数を変更することにより騒音周波数領域を変化させる。
特に、インバータスイッチング周波数を車両の運転状況（モータトルク及びモータ速度）に応じて可変制御してインバータの駆動時に発生する騒音の周波数領域を変化させ、それによって、人間の耳に敏感な騒音周波数領域を回避する。

図２は、スイッチング周波数を変更することによりインバータの騒音問題を解決することを簡単に例示した図面であって、回生制動の全区間にわたってスイッチング周波数が変更されることを示しているが、後述するように、モータトルクとモータ速度により騒音発生領域に該当することを判断してからスイッチング周波数を変更するため、図２に示すように、回生制動の全区間で必ずスイッチング周波数が変更されることではなく、騒音発生領域条件に該当するモータトルク及び速度だけでスイッチング周波数が変更されることを明らかにする。

図３は、制御機内のリアルタイムモニタリング部１１が車両の運行中にリアルタイムでモータトルク（Ｔ_ｍｏｔ）とモータ速度（ω_ｒｐｍ）をモニタリングする過程、トルク−スイッチング周波数の騒音領域マップ（ｍａｐ）２１と速度−スイッチング周波数の騒音領域マップ２２を用いて現在のモータトルクとモータ速度から騒音発生領域であることを確認する過程、及び騒音発生領域に該当する場合にスイッチング周波数を変更する過程、変更されたスイッチング周波数を適用してＰＷＭ信号生成器１５でＰＷＭ信号を生成する過程などを示している。
このような本発明の制御過程について図４を参照して説明すると、本発明のインバータ制御方法では、車両の運行中にＥＶモードで走行する時に制御機（リアルタイムモニタリング部）が運転状況、すなわち現在のモータトルク（Ｔ_ｍｏｔ）とモータ速度（ω_ｒｐｍ）をリアルタイムでモニタリングする（Ｓ１１）。
次に、インバータのオン（ＯＮ）（Ｓ１２）の後、トルク−スイッチング周波数の騒音領域マップ２１と速度−スイッチング周波数の騒音領域マップ２２を用いて現在のモータトルク（Ｔ_ｍｏｔ）とモータ速度（ω_ｒｐｍ）が騒音発生領域に該当するトルク及び速度であるかを判断する（Ｓ１３、Ｓ１４）。

現在のスイッチング周波数でモータトルク（Ｔ_ｍｏｔ）とモータ速度（ω_ｒｐｍ）が両方とも騒音発生領域に該当すると判断した場合はスイッチング周波数を変更し、モータトルクとモータ速度のうち何れか１つでも所定の騒音発生領域から外れた場合は基本スイッチング周波数に復帰する。
前記所定の騒音発生領域から外れた場合に、現在のスイッチング周波数が該当インバータシステムに設定されている基本スイッチング周波数（例えば、４ｋＨｚ）であれば、基本スイッチング周波数をそのまま維持する。
ただし、その前にスイッチング周波数が基本スイッチング周波数以外の周波数に既に可変制御（本発明のスイッチング周波数の可変制御）された場合であれば、現在は不快な騒音が発生する恐れのない状況であるため、その前に変更されたスイッチング周波数を基本スイッチング周波数に復帰させる。
本発明で前記トルク−スイッチング周波数の騒音領域マップ２１と速度−スイッチング周波数の騒音領域マップ２２は、それぞれ同一仕様のモータに対して先行テストを実施し、それから獲得されたデータを用いて作成及び格納されるマップであって、各スイッチング周波数に対して人間の耳に敏感な領域（例えば、２〜５ｋＨｚ）の騒音が発生するトルク領域と速度領域を規定しているデータである。

このように特定周波数帯域（例えば、２〜５ｋＨｚ）の騒音が発生するモータトルク領域とモータ速度領域が規定されている前記２つのマップ２１，２２を用いてモータトルク（Ｔ_ｍｏｔ）とモータ速度（ω_ｒｐｍ）が現在スイッチング周波数のモータトルク領域とモータ速度領域に該当するか否かを判断する。
上述した制御機によりモニタリングされるモータトルク（Ｔ_ｍｏｔ）は、リアルタイムでモータを制御するために、電流指令生成器（ｄ軸、ｑ軸の電流指令生成）に入力されるトルク指令（Ｔ_ｅ＊）であってもよく、またはモータのセンサを用いて実測されるモータトルク値であってもよい。
また、制御機によりモニタリングされるモータ速度（ω_ｒｐｍ）は、速度検出部によりリアルタイムで検出されるモータ速度であってもよいが、例えば図３に示すように、モータ１７のレゾルバ（Ｒ）により検出される絶対角位置（θ）に基づいて速度計算器１９で算出されるモータ速度であってもよい。

通常のモータの制御において、モータ１７に装着されたレゾルバ（Ｒ）により絶対角位置（θ）が検出され、これを速度計算器１９（微分器）に入力してモータ速度（ω_ｒｐｍ）を算出するが、本発明ではこのようなモータ速度（ω_ｒｐｍ）が、上述したように現在のスイッチング周波数で騒音発生領域に進入したか否かを判断する場合に用いられ、さらに、後述するように制御機でスイッチング周波数を可変させる場合に用いられる。
一方、上述したように、現在のモータトルク（Ｔ_ｍｏｔ）とモータ速度（ω_ｒｐｍ）が両方とも騒音発生領域に該当すると判断した場合、図４に示すようにスイッチング周波数を変更する過程が行われる（Ｓ１５）。
前記スイッチング周波数の変更過程では、図５に示すように、速度−トルク−スイッチング周波数テーブル（ｔａｂｌｅ）２３から現在のモータトルク（Ｔ_ｍｏｔ）とモータ速度（ω_ｒｐｍ）に該当するスイッチング周波数を求める過程を含む。

このようにインバータスイッチング周波数が現在のモータトルクとモータ速度に応じて所定のスイッチング周波数に変更されると、変更されたスイッチング周波数がＰＷＭ信号生成器１５に伝達され、変更されたスイッチング周波数値により三角波（ｔｒｉａｎｇｌｅ−ｗａｖｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｓｉｇｎａｌ）が生成され、ＰＷＭ信号が生成される（図５参照）。
ここで、スイッチング周波数により三角波及びＰＷＭ信号を生成する内容は公知の技術であるため、詳細な説明を省略する。
ただし、本発明では前記テーブル２３を用いて現在のモータトルク（Ｔ_ｍｏｔ）とモータ速度（ω_ｒｐｍ）によりスイッチング周波数を可変させ、変更されたスイッチング周波数値によりＰＷＭ信号を生成するが、この時に生成されたＰＷＭ信号によりＰＷＭインバータ内のスイッチング素子のオン／オフ駆動が制御される。
前記速度−トルク−スイッチング周波数テーブル２３は、リアルタイムスイッチング周波数を可変するために制御機に予め格納するデータであって、同一仕様のモータに対して実施した先行テストから求められるデータであり、各モータトルク及びモータ速度に対してスイッチング周波数の変更値を規定したデータである。

図３にｄ軸、ｑ軸の電流指令（ｉ_ｄ＊、ｉ_ｑ＊）を生成する電流指令生成器１２、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令（Ｖ_ｄ＊、Ｖ_ｑ＊）を生成する電流制御機１３、３相電圧指令（Ｖ_ａ＊、Ｖ_ｂ＊、Ｖ_ｃ＊）を求めるｄ−ｑ／３相座標変換器１４、ｄ軸フィードバック電流（ｉ_ｄ）とｑ軸フィードバック電流（ｉ_ｑ）を求める３相／ｄ−ｑ座標変換器１８などの通常のシステムの構成を示しているが、これは広く知られている公知の技術的事項であるため、本明細書では詳細な説明を省略する。
上述したように、本発明ではリアルタイムでモニタリングされるモータトルクとモータ速度から騒音発生領域に進入したか否かを確認した後、騒音発生領域に進入したと確認する場合、現在のインバータスイッチング周波数を変更してインバータスイッチング周波数により発生した騒音の周波数領域を変化させるが、この時、騒音周波数を人間の耳に敏感な周波数領域外に移動させるため、運転者や搭乗者が感じる騒音を最小化することができる。

また、本発明によれば、騒音／振動防止パッドあるいは騒音／振動防止のための別途の装置を設置したり、ハードウェアの設計あるいは構造の変更を行ったりしなくても簡単な制御ロジックを加えるだけで運転者や搭乗者に不快感を与える騒音問題を改善することができる。
また、スイッチング周波数を高める場合にインバータの騒音は減少し、スイッチング周波数が低いほどインバータの効率及び燃費が向上するが、インバータの騒音を減らすために、全運転領域で基本スイッチング周波数を高く設定すると、インバータの効率及び燃費が悪くなる。
したがって、本発明のように車両の運転状況（現在のモータトルクとモータ速度）に応じてリアルタイムで最適のスイッチング周波数に可変運転すると、基本スイッチング周波数を高く設定する場合に比べて、インバータの騒音を減らすと共に燃費の極大化を達成できる大きな利点がある。
図６は、本発明の効果を示す図面であり、これを参照すると、本発明を適用する場合、騒音周波数領域が変化して人間の耳に敏感な２〜５ｋＨｚ領域（赤色点線領域）内の騒音の発生が従来の場合に比べて大きく減少することが分かる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲は、上述した実施例に限定されず、次の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の種々の変形及び改良形態も本発明の権利範囲に属するものである。

１１ リアルタイムモニタリング部
１２ 電流指令生成器
１３ 電流制御機
１４、１８ 座標変換器
１５ ＰＷＭ信号生成器
１６ ＰＷＭインバータ
１７ モータ
１９ 速度計算器
２１ トルク−スイッチング周波数の騒音領域マップ
２２ 速度−スイッチング周波数の騒音領域マップ
２３ 速度−トルク−スイッチング周波数テーブル

Claims (5)

1. 現在のモータトルクとモータ速度をリアルタイムでモニタリングする段階と、
   モニタリングされている現在のモータトルクとモータ速度が両方とも現在のスイッチング周波数に設定された騒音発生領域に該当するか否かを判断する段階と、
   現在のモータトルクとモータ速度が両方とも騒音発生領域に該当すると判断した場合、現在のモータトルクとモータ速度に該当するスイッチング周波数変更値を算出する段階と、
   前記スイッチング周波数変更値によりＰＷＭ信号を生成してインバータの駆動を制御する段階と、
   を含むことを特徴とする騒音低減のための環境に優しい自動車のインバータ制御方法。
2. 前記現在のモータトルクが騒音発生領域に該当するか否かを判断する段階で、
   各スイッチング周波数に対して騒音が発生するモータトルク領域を規定したトルク−スイッチング周波数の騒音領域マップを用いて現在のモータトルクが前記モータトルク領域に該当するか否かを判断することを特徴とする請求項１に記載の騒音低減のための環境に優しい自動車のインバータ制御方法。
3. 現在のモータ速度が騒音発生領域に該当するか否かを判断する段階で、
   各スイッチング周波数に対して騒音が発生するモータ速度領域を規定した速度−スイッチング周波数の騒音領域マップを用いて現在のモータ速度が前記モータ速度領域に該当するか否かを判断することを特徴とする請求項１または２に記載の騒音低減のための環境に優しい自動車のインバータ制御方法。
4. 前記スイッチング周波数変更値を算出する段階で、
   各モータトルクとモータ速度に対してスイッチング周波数変更値を規定した速度−トルク−スイッチング周波数テーブルを用いることを特徴とする請求項１に記載の騒音低減のための環境に優しい自動車のインバータ制御方法。
5. 前記現在のモータトルクとモータ速度のうち何れか１つでも現在のスイッチング周波数に設定された騒音発生領域から外れた場合に、スイッチング周波数を所定の基本スイッチング周波数に復帰させることを特徴とする請求項１に記載の騒音の低減のための環境に優しい自動車のインバータ制御方法。

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