JP5594301B2 - 電動機駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、パルス波形が最適化されたパルス幅変調信号を用いた電動機駆動システムに関する。

近年、より安全、安心、快適な自動車の実現を目指して、ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動機を動力源とする自動車が増加している。

このような自動車では、バッテリからの電力により電動機を駆動してトルクを発生させ、自動車の推進力を得ている。このとき、バッテリからの直流電力を交流電力に変換するために電力変換装置が利用される。電力変換装置では、バッテリから直流電力を受け、この直流電力を３相交流電力に変換する。このとき、電力変換装置や電動機における電力損失ができるだけ少なくなり、バッテリからの電力をより有効に利用できるようにすることが望ましい。

そこで、電力変換装置に含まれるスイッチング素子のスイッチングによる発熱での電力損失を低減するための技術が開示されている。例えば、３相フルブリッジ型の電力変換装置において、矩形波から５次以上の高調波成分と同一の成分を特定の位相において削除する方法が開示されている（特許文献１）。また、半周期にＭ個のスイッチングがあった場合、波形を半波対称及び奇対称とすることにより高調波成分を低減する技術が開示されている（非特許文献１）。

特開２０１１−３５９９１号公報

電気学会著 『半導体電力変換回路』 オーム社, pp134-136 (1987)

ところで、非特許文献１に記載された低次高調波消却ＰＷＭでは、電力変換装置でのスイッチングによる入力電圧の低次高調波成分の低減のみを考慮しており、駆動電圧を電動機に印加したときの電流の歪みやトルクへの影響は考慮されていない。したがって、電流の高調波成分による電動機の鉄損等も考慮されておらず、電力変換装置や電動機を含む駆動システム全体の損失を考慮した制御が行われていない。

本発明の１つの態様は、それぞれスイッチング素子を含む上アーム及び下アームを備える３相フルブリッジ型の電力変換装置と、前記電力変換装置から駆動電圧が印加されることによって駆動される電動機と、前記電力変換装置に含まれる前記スイッチング素子に対して駆動信号を出力する制御部と、を備え、前記制御部は、前記駆動信号に含まれる電気１周期中のパルス数を決定するパルス数発生器と、前記駆動電圧の変調率及び位相角を決定する電圧指令発生器と、前記駆動信号を生成するパルス生成器と、を含み、前記パルス生成器は、前記パルス数、前記変調率及び前記位相角に応じて、前記電力変換装置及び前記電動機における電力損失を最小とするパルス波形を有する前記駆動信号を生成することを特徴とする電動機駆動システムである。

ここで、前記パルス生成器は、前記パルス数、前記変調率及び前記位相角に応じて定まるパルス波形のうち、電磁界解析によって前記電力変換装置及び前記電動機における電力損失が最小となるパルス波形を登録した波形マップを参照して前記駆動信号を生成することが好適である。

また、前記パルス生成器は、半波対称（ｆ（ωｔ）＝−ｆ（ωｔ＋π））かつ奇対称（ｆ（ωｔ）＝ｆ（π−ωｔ））なパルス波形を有する前記駆動信号を生成することが好適である。

また、前記パルス生成器は、電力損失を最小とする代りに、前記電動機における電流歪を最小とするパルス波形を有する前記駆動信号を生成するものとしてもよい。

また、前記パルス生成器は、電力損失を最小とする代りに、前記電動機におけるトルクリプルを最小とするパルス波形を有する前記駆動信号を生成するものとしてもよい。

本発明によれば、電力変換装置や電動機を含むシステム全体の損失を低減した電動機駆動システムを提供することができる。

本発明の実施の形態における電動機駆動システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態におけるパルス波形の例を示す図である。 本発明の実施の形態におけるコンターマップの例を示す図である。 パルス波形を適用して算出された電流波形の例を示す図である。 パルス波形を適用して算出された電流波形の例を示す図である。 高調波成分における電力歪の変化を示す図である。 パルス幅に対する電力損失の変化を算出した例を示す図である。

本発明の実施の形態における電動機駆動システム１００は、図１に示すように、パルス数発生器１０、電圧指令発生器１２、パルス生成器１４、電力変換装置１６及び電動機（モータジェネレータ）１８を含んで構成される。

パルス数発生器１０は、トルク指令値Ｔ^＊、電動機１８の回転数Ｎ等の入力パラメータに応じて電気角の１周期当たりのパルス数を決定して出力する。

電圧指令発生器１２は、入力パラメータに応じた電圧の変調率及び位相角を決定して出力する。電圧指令発生器１２は、トルク指令値Ｔ^＊を受けて、トルク指令値Ｔ^＊に応じて電圧の変調率及び位相角を演算して出力する。電動機駆動システム１００を車両の駆動系に適用した場合、電子制御装置（ＥＣＵ：図示しない）にてアクセル開度やブレーキ踏み角に応じてトルク指令値Ｔ^＊が生成される。電圧の変調率及び位相角は、電動機１８に印加される電圧の基本波振幅及び位相を決定するために用いられる。

具体的には、電圧指令発生器１２は、トルク偏差ΔＴと共に、電力変換装置１６に接続される直流電源の電圧Ｖｄｃや電動機１８の角速度ωを用い、それらを所定の演算式に代入して（又は、それと等価な処理を施して）必要な電圧の変調率及び位相角を決定することができる。

また、電圧指令発生器１２は、電流指令変換器（図示しない）から出力されるｄ軸電圧指令値ｖｄ^＊及びｑ軸電圧指令値ｖｑ^＊を入力パラメータとして、電圧の変調率及び位相角を求めることもできる。電流指令変換器は、トルク指令値Ｔ^＊及び電動機１８の回転数Ｎ（角速度ω）を受けて、これらの値からｄ軸電流指令値ｉｄ^＊及びｑ軸電流指令値ｉｑ^＊を求める。さらに、電力変換装置１６から出力される交流電流の電流値を電流センサ（図示しない）によって検出し、それらの検出値を３相／ｄｑ軸変換によってｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑに変換処理し、ｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑがそれぞれｄ軸電流指令値ｉｄ^＊及びｑ軸電流指令値ｉｑ^＊に近づくようにｄ軸電圧指令値ｖｄ^＊及びｑ軸電圧指令値ｖｑ^＊を決定して出力する。電圧指令発生器１２は、ｄ軸電圧指令値ｖｄ^＊とｑ軸電圧指令値ｖｑ^＊とのなすベクトル角から電圧の位相角を算出する。また、電圧指令発生器１２は、ｄ軸電圧指令値ｖｄ^＊及びｑ軸電圧指令値ｖｑ^＊からなる電圧指令値の絶対値と電力変換装置１６に印加される直流電圧の電圧値との比から電圧の変調率を算出する。

パルス生成器１４は、パルス数発生器１０から出力されるパルス数及び電圧指令発生器１２から出力される電圧の変調率及び位相角を受けて、これらの値に基づいて電力変換装置１６に印加するパルス信号を生成して出力する。パルス生成器１４における具体的な処理については後述する。

電力変換装置１６は、インバータ回路を含んで構成される。インバータ回路は、それぞれパルス生成器１４から出力されるパルス信号によって開閉制御されるスイッチング素子を含む上アーム及び下アームを備えた３相フルブリッジ型回路とすることができる。また、電力変換装置１６は、バッテリ等からの直流電圧を昇降圧する電圧コンバータをさらに備えてもよい。電力変換装置１６は、パルス生成器１４からのパルス信号を受けて、パルス信号によってインバータ回路のスイッチング素子の開閉を制御して３相の疑似正弦波電圧を生成する。その疑似正弦波電圧は電動機１８に印加される。

電動機１８は、永久磁石同期（ＰＭ）モータを含んで構成される。電動機１８は、電力変換装置１６から３相の疑似正弦波電圧を受けて、回転子を回転させる。電動機１８が発生する回転トルクが自動車等の駆動力として利用される。

また、電動機１８には、回転子の回転位置（回転角度）θを検出するためのレゾルバ（図示しない）を付設してもよい。レゾルバは、電動機１８の回転子の回転位置（回転角度）θを検出する。レゾルバからの出力は角速度演算器に入力され、角速度演算器によって回転位置（回転角度）θが電動機１８の回転子の角速度ωに換算されて出力される。角速度ωは、必要に応じて、パルス数発生器１０等に入力される。

また、電力変換装置１６から電動機１８への電源供給ライン上に電流センサ（図示しない）を設け、それらを用いて各相の電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをリアルタイムに検出し、３相／ｄｑ軸変換器（図示しない）において電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑに変換する構成としてもよい。ｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑは、必要に応じて、パルス数発生器１０等に入力される。

次に、パルス生成器１４における処理について説明する。本実施の形態では、パルス生成器１４は、改良された電力損失低減ＰＷＭ制御方式によりパルス信号を発生させて電力変換装置１６を制御する。電力損失低減ＰＷＭ制御では、矩形波パルスに含まれる低次高調波を除去したパルス波形を予め求め、電気１周期のパルス数、電圧の変調率及び位相角毎に最適なパルス波形を波形マップとして記憶装置に記憶させておき、パルス数、電圧の変調率及び位相角に応じてパルス波形を選択して出力する。

ここで、パルス波形に半波対称（ｆ（ωｔ）＝−ｆ（ωｔ＋π））をもたせることにより偶数次高調波を消去することができ、さらに、パルス波形に奇対称（ｆ（ωｔ）＝ｆ（π−ωｔ））をもたせることにより高調波の余弦波成分を消去することができる。

例えば、電気１周期中に５パルスを有するパルス波形の場合、図２に示すような半波対称及び奇対称を満たすパルス波形とすることができる。このとき、図２に示すように、パルス幅φ_１及びφ_２を定義すると、パルス波形の基本波振幅Ｋは数式（１）で表される。

数式（１）を変形して、パルス幅φ_１は数式（２）で表すことができる。

すなわち、パルス幅φ_２及び基本波振幅Ｋが決まれば、パルス幅φ_１を決定することができる。

図３は、横軸をパルス幅φ_１、縦軸をパルス幅φ_２とした場合の基本波振幅Ｋのコンターマップを示す。図３では、基本波振幅Ｋが等しくなるパルス幅φ_１及びパルス幅φ_２の組み合わせを同じ濃さで示している。パルス生成器１４は、入力されるパルス数、電圧の変調率及び位相角によって定まる等基本波振幅上を探索して得られた電動機１８を駆動させるために最適なパルス波形を選択して電力変換装置１６へ出力する。

例えば、変調率が０．５であるときには、図３における点Ｘから点Ｙを繋ぐ等基本波振幅上のいずれかのパルス幅φ_１及びパルス幅φ_２の組み合わせを有するパルス波形が電動機１８を駆動させる際の最適なパルス波形となる。

本実施の形態では、電磁界解析等の方法を用いて、等基本波振幅の各々の値に対して電動機１８における電力損失が最小となるパルス幅φ_１及びパルス幅φ_２の各組み合わせを決定する。

すなわち、電動機１８の特性を踏まえて電磁界解析によって電動機モデルを予め設定する。この電動機モデルに対して、等基本波振幅の各々の値に対してコンターマップから得られるパルス幅φ_１及びパルス幅φ_２の組み合わせで定まるパルス波形を導入して電流やトルクの波形変化を算出する。さらに、電流やトルクの変化から電動機における電力損失を求め、電力損失が小さくなるパルス幅φ_１及びパルス幅φ_２の組み合わせを選択する。

例えば、変調率０．５において、従来法の低次高調波消却ＰＷＭではパルス幅φ_１が１０．４６°及びパルス幅φ_２が１１．６０°のパルス波形となる。このようなパルス波形を電動機モデルに導入すると、図４に示すようなＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流波形が得られる。一方、パルス幅φ_１が１０．５４°及びパルス幅φ_２が１７．９３°の組み合わせで定まるパルス波形を電動機モデルに導入すると、図５に示すようなＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流波形が得られる。

このようして得られた電流波形を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理すると、図６に示すような高調波成分が得られる。図６では、従来法に比べて１１次及び１３次成分は増加しているが、５次及び７次成分は減少している。低次の高調波成分は電動機１８での損失に影響が大きい。このような高調波成分の電力損失に対する影響を考慮して、電力損失を低減できるパルス幅φ_１及びパルス幅φ_２の組み合わせを選択する。

図７は、変調率０．５におけるパルス幅φ_２に対する電動機における電力損失を示す。図７では、従来法の低次高調波消却ＰＷＭでの電力損失（図中：従来法と示す）と、本手法の電力損失低減ＰＷＭでの電力損失（図中：本手法と示す）とを示している。このように、電動機における電力損失が小さくなるパルス幅φ_１及びパルス幅φ_２の組み合わせを選択し、その組み合わせで定まるパルス波形を当該基本波振幅Ｋに対する最適なパルス波形として決定する。具体的には、電動機における電力損失が最小値となるパルス幅φ_１及びパルス幅φ_２の組み合わせで定まるパルス波形を選択することが好適である。このような処理を、基本波振幅Ｋの各々について行い、各基本波振幅Ｋに対する最適なパルス幅φ_１及びパルス幅φ_２の組み合わせで定まるパルス波形を設定し、電気１周期のパルス数、電圧の変調率及び位相角に関連付けて波形マップとして登録する。

すなわち、本手法では、電力損失低減ＰＷＭ制御方式を採用することにより電力変換装置１６におけるスイッチングによる電力損失を低減すると共に、電動機における電力損失が最小となるパルス幅φ_１及びパルス幅φ_２の組み合わせを選択することによって、従来のパルス幅φ_１及びパルス幅φ_２の組み合わせよりも電動機駆動システム全体としての損失を低減することができる。

なお、本実施の形態では、電動機駆動システムにおける電力損失を基準にパルス波形を決定したが、電動機駆動システムにおける電力歪を基準にパルス波形を決定してもよい。電動機駆動システムにおける電力歪が小さくなるパルス幅φ_１及びパルス幅φ_２の組み合わせを選択し、その組み合わせで定まるパルス波形を当該基本波振幅Ｋに対するパルス波形として決定する。具体的には、電流歪が最小値となるパルス幅φ_１及びパルス幅φ_２の組み合わせで定まるパルス波形を選択することが好適である。

また、トルクの変化からパルス波形を決定してもよい。すなわち、基本波振幅Ｋの各々について電動機モデルを用いてトルクの変化を算出し、トルクリプルが小さくなるパルス幅φ_１及びパルス幅φ_２の組み合わせを選択し、その組み合わせで定まるパルス波形を当該基本波振幅Ｋに対するパルス波形として決定する。具体的には、トルクリプルが最小値となるパルス幅φ_１及びパルス幅φ_２の組み合わせで定まるパルス波形を選択することが好適である。

また、本実施の形態では、電気１周期中に５パルスを有するパルス波形を例に説明したが、５パルス以外のパルス数のパルス波形においても同様に処理することができる。

このように、本実施の形態によれば、スイッチング素子のスイッチング回数を低減できるため低損失である点で優れている低次高調波消却ＰＷＭ制御方式よりも効果的に高調波成分を除去し、電動機を含むシステム全体としての損失を低減することができる。

１０ パルス数発生器、１２ 電圧指令発生器、１４ パルス生成器、１６ 電力変換装置、１８ 電動機、１００ 電動機駆動システム。

Claims (4)

1. それぞれスイッチング素子を含む上アーム及び下アームを備える３相フルブリッジ型の電力変換装置と、
   前記電力変換装置から駆動電圧が印加されることによって駆動される電動機と、
   前記電力変換装置に含まれる前記スイッチング素子に対して駆動信号を出力する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、所定パルス数、及び前記電動機に印加する電圧の基本波の所定振幅並びに所定位相角を有する所定パルス波形を前記駆動信号として生成するパルス生成器を含み、
   前記所定パルス数は５であり、
   前記所定パルス波形は、所定パルス数、所定振幅及び所定位相角を有すると共に、第１パルス幅又は第２パルス幅の異なる複数のパルス波形のうち前記評価値に基づいた第１パルス幅φ１及び第２パルス幅φ２を有し、半波対称（ｆ（ωｔ）＝―ｆ（ωｔ＋π））かつ奇対称（ｆ（ωｔ）＝ｆ（π―ωｔ））であり、
   前記評価値は、前記電動機の電力損失、電流歪又はトルクリプルである、
   電動機駆動システム。
2. 請求項１に記載の電動機駆動システムであって、
   前記所定パルス波形は、パルス幅の異なる複数のパルス波形のうち、前記電動機の特性に関連して予め定められた電動機モデルに基づき選択されたパルス幅を有するパルス波形である電動機駆動システム。
3. 請求項１又は２に記載の電動機駆動システムであって、
   前記評価値は、低次高調波消去ＰＷＭのパルス波形における評価値よりも小さく、前記電動機の電力損失、電流歪又はトルクリプルである、
   電動機駆動システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動機駆動システムであって、
   前記評価値は、前記電動機の特性に関連して予め定められた電動機モデルに基づく電磁界解析により算出された電力損失、電力歪又はトルクリプルである電動機駆動システム。