JP6429833B2

JP6429833B2 - 車両用回転電機装置および車両

Info

Publication number: JP6429833B2
Application number: JP2016128436A
Authority: JP
Inventors: 彰悟野村
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2036-06-29
Also published as: JP2018007350A

Description

本発明は、車両用回転電機装置および車両に関する。

下記特許文献１には、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調した電圧によってモータを駆動するとともに、ＰＷＭキャリア周波数を変化させることにより、モータに警報音や楽音を発生させる技術が開示されている。

特許第５８４３６８７号公報

ところで、電気自動車やハイブリッド車等の車両をモータで駆動する際、エンジン音を模擬した音（以下、模擬エンジン音という）を必要に応じて発生できれば便利であると考えられる。その理由の一つは、「エンジン音を楽しみたい」というユーザの趣味、嗜好に応えるためである。また、「周囲の歩行者に車両の存在を知らしめ、車両をスムーズに運行したい」という実用上の理由もある。

そこで、上述の特許文献１の技術を応用してモータに模擬エンジン音を発生させることも考えられる。しかし、この技術によれば、発生できる音の音高の範囲が狭く、また、音量も小さいため、迫力ある模擬エンジン音を発生することが困難である。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、迫力ある模擬エンジン音を発生できる車両用回転電機装置および車両を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の車両用回転電機装置は、車両を駆動する回転電機と、直流電圧を交流電圧に変換し、前記回転電機に印加するインバータと、前記回転電機に脈動トルクを発生させるように、前記インバータに前記交流電圧の高調波成分を発生させる制御部と、を有し、前記制御部は、少なくとも前記インバータにおける変調率が０．７未満の状態において前記インバータに前記交流電圧の高調波成分を発生させることを特徴とする。

また、好ましくは、前記車両のユーザによって操作され、前記脈動トルクのオン／オフ状態を切り替える切替器をさらに設けるとよい。

また、好ましくは、前記制御部は、前記切替器による前記脈動トルクのオン／オフ状態の切替によって、前記回転電機が発生する音の音圧レベルに少なくとも５デシベル以上の差を生じさせるとよい。

また、好ましくは、前記回転電機の回転角を検出する回転角検出部をさらに有し、前記制御部は、前記回転角を位相変調し変調電気角を出力する位相変調部をさらに設けるとよい。

また、好ましくは、前記位相変調の周波数は、前記回転角の周波数の整数倍であり、前記回転電機の１回転に対し２回以上８回以下の頻度でトルクにピークを生じさせる周波数にするとよい。

本発明によれば、迫力ある模擬エンジン音を発生できる。

本発明の一実施形態による車両用回転電機装置のブロック図である。高調波成分付与部のブロック図である。電気角および変調電気角の波形図である。（ａ）模擬エンジン音オフ時および（ｂ）模擬エンジン音オン時におけるモータ電流の波形図である。モータの発生音の音圧レベル特性を示す図である。

〈実施形態の全体構成〉
図１を参照し、本発明の一実施形態による車両用回転電機装置１の構成を説明する。
なお、この車両用回転電機装置１は、電気自動車、ハイブリッド車等の車両を駆動するために、これら車両に搭載されるものである。
図１において、車両用回転電機装置１は、制御部１０と、バッテリ２０と、インバータ３０と、電流センサ７と、モータ６（回転電機）と、レゾルバ５（回転角検出部）とを有している。制御部１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等、一般的なコンピュータとしてのハードウエアを備えており、ＲＯＭには、ＣＰＵによって実行される制御プログラムや、各種データ等が格納されている。図１において、制御部１０の内部は、制御プログラム等によって実現される機能をブロックとして示している。

インバータ３０は、ブリッジ回路３２と、ＰＷＭ信号生成部３４とを有している。ブリッジ回路３２は、複数のＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ，Insulated Gate Bipolar Transistor）と、これらＩＧＢＴに接続された還流用ダイオード（何れも符号なし）とを有している。これらＩＧＢＴは、ＰＷＭ信号生成部３４から出力されたＰＷＭ信号によってオン／オフ状態が設定される。各ＩＧＢＴは、バッテリ２０から出力された直流電圧をＰＷＭ信号に従ってオン／オフすることによって、ＰＷＭ変調された三相交流電圧を生成する。生成された三相交流電圧がモータ６に印加されると、モータ６は、図示せぬ車輪を回転駆動する。

電流センサ７は、インバータ３０からモータ６に供給される三相交流電流のうち、二相（図示の例ではＵ相，Ｖ相）の電流Ｉ_u，Ｉ_vを検出する。モータ６は三相の磁石型同期モータであり、その極数をＰとする。レゾルバ５は、モータ６の機械角θ_mを検出する。制御部１０の内部において、角度検出部１２（回転角検出部）は、機械角に基づいて、モータ６の電気角θ₀を検出する。なお、電気角θ₀は、機械角θ_mに極対数「Ｐ／２」を乗算することによって求められる。

高調波成分付与部１３は、トルク指令値τ^*に基づいて、電気角θ₀を位相変調し、その結果を変調電気角θ_Aとして出力する。電気角θ₀を位相変調することにより、電圧指令値Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*には高調波成分が付与される。なお、その詳細については後述する。ここで、トルク指令値τ^*は、図示せぬ上位制御部から供給される値であり、例えばアクセルペダルの踏込量等に基づいて、上位制御部によって設定される。

電流指令値生成部１４は、電流Ｉ_u，Ｉ_vと、トルク指令値τ^*と、変調電気角θ_Aとに基づいて、ｄ軸電流指令値Ｉ_d ^*と、ｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*とを出力する。ここで、ｄ軸およびｑ軸は、電気角θ₀の微分値である電気角速度ω₀で回転する回転座標の座標軸である。そして、ｄ軸はモータ６の回転子の主磁束の向きに沿った軸であり、ｑ軸はｄ軸に直交する軸である。

電圧指令値生成部１５は、モータ６の固定子巻線（図示せず）のインピーダンスと、ｄ軸，ｑ軸電流指令値Ｉ_d ^*，Ｉ_q ^*とに基づいて、ｄ軸，ｑ軸電圧指令値Ｖ_d ^*，Ｖ_q ^*を出力する。座標変換部１６は、回転座標におけるｄ軸，ｑ軸電圧指令値Ｖ_d ^*，Ｖ_q ^*を、３相軸上の電圧指令値Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*に座標変換する。上述したＰＷＭ信号生成部３４は、これら電圧指令値Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*を実現するように、各ＩＧＢＴに供給するＰＷＭ信号のデューティ比を設定する。

〈高調波成分付与部１３の構成〉
次に、図２を参照し、高調波成分付与部１３の詳細構成を説明する。
図２において、微分器４２は、電気角θ₀を微分し、電気角速度ω₀を出力する。ＬＰＦ（ローパスフィルタ）４４は、電気角速度ω₀から高周波成分を除去する。単位変換器４６は、電気角速度ω₀の単位[rad/sec]を[rpm]に変換し、その結果を回転速度Ｍとして出力する。変動幅設定器４８は、回転速度Ｍ[rpm]と、トルク指令値τ^*[Nm]とに基づいて、位相変動幅Ａを求める。例えば、回転速度Ｍおよびトルク指令値τ^*をパラメータとして位相変動幅Ａを規定したテーブルを変動幅設定器４８に記憶させ、該テーブルを読み出すことによって位相変動幅Ａを求めるとよい。

重畳成分演算器５０（位相変調部）は、下式（１）に基づいて、電気角θ₀に重畳するシフト位相θを求める。

θ＝Ａ・sin（θ₀・ｎ） …式（１）

式（１）においてＡは上述した位相変動幅、θ₀は上述した電気角である。また、ｎは、（電気角θ₀の周波数に対する）シフト位相θの周波数を決定する倍数である。なお、倍数ｎは、シフト位相θの計算を簡易にするために自然数にしておくことが好ましい。但し、倍数ｎは自然数でなくてもよく、小数点以下の成分を含む値であってもよい。

スイッチ５２（切替器）は、ユーザの操作に基づいて、シフト位相θまたは零信号のうち何れか一方を選択し、選択した信号をシフト位相θ_Xとして出力する。また、加算器５４（位相変調部）は、電気角θ₀とシフト位相θ_Xとを加算し、その加算結果を変調電気角θ_Aとして出力する。模擬エンジン音を発生させない場合には、スイッチ５２にて零信号を選択するとよい。この場合、変調電気角θ_Aは電気角θ₀に等しい値になり、モータ６の振動は小さくなる。一方、模擬エンジン音を発生させる場合には、スイッチ５２においてシフト位相θを選択するとよい。

この場合、変調電気角θ_Aは、電気角θ₀に対して位相変調を施した値になり、モータ６のトルクに脈動が生じ、模擬エンジン音が発生する。換言すれば、モータ６の電気角θ₀に同期して脈動するトルク（脈動トルク）が発生するように、電圧指令値Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*に高調波成分が付与される。なお、車両のユーザが車両を運転する際、状況に応じて模擬エンジン音のオン／オフを切り替えできれば好ましい。そのため、スイッチ５２は、ユーザが車両の運転席に座った状態で操作できる範囲内に設けるとよい。

〈実施形態の動作〉
図３は、シフト位相θ_Xとしてシフト位相θが選択された場合の、電気角θ₀および変調電気角θ_Aの波形図の一例を示す。ここで、図３において倍数ｎ（図示せず）は「１」であることとしている。
図示のように、電気角θ₀は略鋸歯状波になり、変調電気角θ_Aは鋸歯状波とサインカーブとを重畳したような波形になる。なお、図中ではシフト位相θ_Xを強調して描いているが、実際には、シフト位相θ_Xの位相変動幅Ａは、０．５〜１０[deg]程度の範囲に設定することが好ましい。

図３において、時刻ｔ₁以前の期間では、電気角θ₀に対して変調電気角θ_Aが進み位相になる。すると、電流指令値生成部１４は、変調電気角θ_Aを電気角θ₀に近づける方向にｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*を変化させる。これにより、ｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*が下降し、モータ６のトルクが小さくなる。一方、時刻ｔ₁〜ｔ₂の期間では、電気角θ₀に対して変調電気角θ_Aが遅れ位相になる。上述のように、電流指令値生成部１４は、変調電気角θ_Aを電気角θ₀に近づける方向にｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*を変化させる。これにより、ｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*が上昇し、モータ６のトルクが大きくなり、トルクのピークが現れる。

周知のように、レシプロ式の４サイクルエンジンは、ビストンの２往復（エンジンシャフトの２回転）を周期として、吸気、圧縮、膨張、排気の４サイクルを繰り返す。そして、「膨張」のサイクルにおいて、エンジントルクにピークが生じる。すると、例えばＲ気筒のエンジンでは、１回転に「Ｒ／２」回、エンジントルクにピークが生じることになる。

一方、本実施形態において、モータ６の極数をＰとしたとき、機械角θ_mの２周期は、電気角のＰ倍に対応する。これにより、機械角θ_mの１周期中に、「ｎ・Ｐ／２」回、モータトルクにピークが生じる。すなわち、「ｎ・Ｐ」気筒のエンジン音に類似した模擬エンジン音をモータ６に発生させることができる。倍数ｎおよびモータ６の極数Ｐは適宜定めることができるが、「ｎ・Ｐ」が「４」〜「１６」の範囲になるように倍数ｎおよび極数Ｐを定めることが好ましい。換言すれば、モータ６の１回転に対し２回以上８回以下の頻度でモータトルクにピークを生じさせるとよい。その理由は、大多数のレシプロエンジン車の気筒数は「４」〜「１６」の範囲内であるため、「ｎ・Ｐ」をこの範囲に設定することにより、一層リアリティに富んだ模擬エンジン音を発生できるためである。

図４（ａ），（ｂ）は、インバータ３０からモータ６の各相に流れる電流Ｉ_u，Ｉ_v，Ｉ_wの波形図である。但し、図４（ａ）は模擬エンジン音をオフにした場合の波形図であり、図４（ｂ）は模擬エンジン音をオンにした場合の波形図である。また、これらの図は、電流値が所定値Ｉ_x以上の部分のみを表している。また、これらの図は略１周期の波形を示したものであり、同様の波形が繰り返される。

図４（ａ）においては、電流Ｉ_u，Ｉ_v，Ｉ_wの波高値はほぼ一致しているのに対して、図４（ｂ）においては、これら波高値に差が生じている。このように、本実施形態において「高調波成分を付与する」ことは、「電流Ｉ_u，Ｉ_v，Ｉ_wに不平衡を生じさせる」ことでもある。なお、図４（ａ），（ｂ）において電流Ｉ_u，Ｉ_v，Ｉ_wにピークが生じる時刻にずれが生じているのは、高調波を含ませたことによる。

〈実施形態の効果〉
次に、本実施形態の効果を説明するため、モータ６が発生する音の音圧レベル特性を図５に示す。
図中の特性Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５は、位相変動幅Ａを０[deg]、１[deg]、２[deg]、３[deg]、４[deg]、５[deg]にそれぞれ設定した場合における相対的な音圧レベル特性である。すなわち、特性Ｌ０は模擬エンジン音をオフにした際の特性である。特性Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５は、モータ６に脈動トルクを発生させたことにより、特性Ｌ０と比較すると、有意に音圧レベルが増加しており、迫力ある模擬エンジン音が発生していることが解る。

より具体的には、図５の縦軸の目盛は１０[dB]間隔で区切っている。ここで、特性Ｌ０，Ｌ１を比較すると、２０００〜３５００[rpm]の範囲で５[dB]以上の差が生じている。また、特性Ｌ０，Ｌ２を比較すると、２２００〜２４００[rpm]の範囲で１０[dB]以上の差が生じている。また、特性Ｌ０，Ｌ５を比較すると、２０００〜３５００[rpm]の範囲で１５[dB]以上の差があり、２２００〜２４００[rpm]の範囲で２０[dB]以上の差が生じている。

ところで、インバータ３０（図１参照）が出力する三相交流電圧の基本波成分の波高値を、バッテリ２０から出力される直流電圧で除算した値を「変調率」と呼ぶ。三相交流電圧に高調波成分が含まれない場合、変調率は「１．０」以下になる。但し、高調波成分を混入することによって、「１．０」を超える変調率（過変調という）を実現することができる。

過変調を適用する場合において、三相交流電圧に高調波成分を混入するのは変調率が「１．０」を超える場合である。一方、本実施形態においては、変調率にかかわらず高調波成分を混入する点が異なっている。すなわち、本実施形態においては、０．７以下、０．５以下、０．３以下等、変調率が低い場合にも高調波成分を混入することにより、モータ６の出力にかかわらず、モータトルクに脈動トルクを付与し続けるため、迫力ある模擬エンジン音を出力し続けることができる。

また、過変調を行う場合に混入される高調波成分は、一般的には「奇数次」の高調波成分である。しかし、本実施形態においては、「偶数次」の高調波成分を発生させるように倍数ｎを設定することができる。上述したように、リアリティに富んだ模擬エンジン音を発生させるためには、モータ６の１回転に対し２回以上８回以下の頻度でモータトルクにピークが生じるようにすることが好ましい。そのために、第２次高調波のレベルを第３次高調波のレベルよりも高くしてもよい。

〈変形例〉
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、若しくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

（１）上記実施形態において、高調波成分付与部１３は、電気角θ₀に位相変調を施すことにより、電圧指令値Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*に高調波成分を付与した。しかし、高調波成分を付与する手段は、これに限られるものではない。例えば、電流指令値生成部１４の後段においてｑ軸電流指令値Ｉ_q ^*を振幅変調してもよく、電圧指令値生成部１５の後段においてｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を振幅変調してもよい。また、座標変換部１６の後段において、電圧指令値Ｖ_u ^*，Ｖ_v ^*，Ｖ_w ^*を振幅変調してもよい。

（２）上記実施形態においては、回転電機の一例として三相の磁石型同期モータであるモータ６を適用したが、本発明に適用される回転電機は、これに限定されるものではない。例えば、誘導モータ等を回転電機として適用することができる。

（３）上記実施形態における制御部１０のハードウエアは一般的なコンピュータによって実現できるため、図１，図２に示した制御部１０のアルゴリズムを実現するプログラム等を記憶媒体に格納し、または伝送路を介して頒布してもよい。

（４）上記実施形態では、図１，図２に示した制御部１０のアルゴリズムを、プログラムを用いたソフトウエア的な処理によって実現したが、その一部または全部をＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit；特定用途向けＩＣ)、あるいはＦＰＧＡ(field-programmable gate array)等を用いたハードウエア的な処理に置き換えてもよい。

１車両用回転電機装置
５レゾルバ（回転角検出部）
６モータ（回転電機）
１０制御部
１２角度検出部（回転角検出部）
３０インバータ
５０重畳成分演算器（位相変調部）
５２スイッチ（切替器）
５４加算器（位相変調部）
θ_A 変調電気角
θ₀ 回転角

Claims

車両を駆動する回転電機と、
直流電圧を交流電圧に変換し、前記回転電機に印加するインバータと、
前記回転電機に脈動トルクを発生させるように、前記インバータに前記交流電圧の高調波成分を発生させる制御部と、
を有し、
前記制御部は、少なくとも前記インバータにおける変調率が０．７未満の状態において前記インバータに前記交流電圧の高調波成分を発生させる
ことを特徴とする車両用回転電機装置。
前記車両のユーザによって操作され、前記脈動トルクのオン／オフ状態を切り替える切替器
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の車両用回転電機装置。
前記制御部は、前記切替器による前記脈動トルクのオン／オフ状態の切替によって、前記回転電機が発生する音の音圧レベルに少なくとも５デシベル以上の差を生じさせる
ことを特徴とする請求項２に記載の車両用回転電機装置。
前記回転電機の回転角を検出する回転角検出部
をさらに有し、
前記制御部は、前記回転角を位相変調し変調電気角を出力する位相変調部
をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の車両用回転電機装置。
前記位相変調の周波数は、前記回転角の周波数の整数倍であり、前記回転電機の１回転に対し２回以上８回以下の頻度でトルクにピークを生じさせる周波数である
ことを特徴とする請求項４に記載の車両用回転電機装置。
請求項１ないし５の何れか一項に記載の車両用回転電機装置を有することを特徴とする車両。