JP6862943B2

JP6862943B2 - 駆動装置

Info

Publication number: JP6862943B2
Application number: JP2017046106A
Authority: JP
Inventors: 敏洋山本; 山田　堅滋; 堅滋山田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2021-04-21
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: JP2018152947A

Description

本発明は、駆動装置に関し、詳しくは、モータとインバータとを備える駆動装置に関する。

従来、この種の駆動装置としては、電動機と、電源からの直流電力を三相交流電力に変換して電動機に供給するインバータ装置とを備え、変調波と搬送波とに従ってＰＷＭパルスを生成してインバータ装置を制御するものにおいて、搬送波の周波数として、基本のキャリア周波数と平均値が略値０となる拡散周波数との和を用いるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この駆動装置では、このようにして搬送波の周波数を拡散させることにより、電磁音による騒音を低減している。

特開２００６−１７４６４５号公報

こうした駆動装置では、搬送波の周波数を拡散させる手法以外の新たな手法により、電磁音による騒音を低減することが要請されている。例えば、同期ＰＷＭ制御を行なう場合には、搬送波の周波数を不規則に拡散させることができないことから、新たな手法の構築が必要とされる。

本発明の駆動装置は、電磁音による騒音を低減することを主目的とする。

本発明の駆動装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の駆動装置は、
モータと、
複数のスイッチング素子のスイッチングにより前記モータを駆動するインバータと、
前記モータのトルク指令に基づいてｄ軸，ｑ軸の電圧指令を設定し、前記ｄ軸，ｑ軸の電圧指令に基づいて各相の電圧指令を設定し、前記各相の電圧指令に基づいて前記複数のスイッチング素子のＰＷＭ信号を生成して前記複数のスイッチング素子のスイッチング制御を行なう制御装置と、
を備える駆動装置であって、
前記制御装置は、前記ｄ軸，ｑ軸の電圧指令に基づいて前記各相の電圧指令を設定する際の実行用変調方式を、３相変調方式と２相変調方式とで、不規則な時間間隔で切り替える、
ことを要旨とする。

この本発明の駆動装置では、モータのトルク指令に基づいてｄ軸，ｑ軸の電圧指令を設定し、ｄ軸，ｑ軸の電圧指令に基づいて各相の電圧指令を設定し、各相の電圧指令に基づいて複数のスイッチング素子のＰＷＭ信号を生成して複数のスイッチング素子のスイッチング制御を行なう。そして、ｄ軸，ｑ軸の電圧指令に基づいて各相の電圧指令を設定する際の実行用変調方式を、３相変調方式と２相変調方式とで、不規則な時間間隔で切り替える。実行用変調方式を３相変調方式と２相変調方式とで切り替えることにより、各相の電圧指令が変化して複数のスイッチング素子のＰＷＭ信号が変化する。このため、複数のスイッチング素子をオンオフするタイミングを変化させることができ、含有する電流高調波（電流高調波における含有率の大きい周波数（次数））を変化させることができる。したがって、実行用変調方式を３相変調方式と２相変調方式とで不規則な時間間隔で切り替えることにより、含有する電流高調波を不規則な時間間隔で変化させる（拡散させる）ことができる。この結果、電磁音による騒音を低減することができる。なお、実行用変調方式の切替は、同期ＰＷＭ制御でも非同期ＰＷＭ制御でも行なうことができる。

本発明の駆動装置において、前記制御装置は、前記実行用変調方式の前記３相変調方式または前記２相変調方式での継続時間が閾値以上に至る毎に、前記実行用変調方式を切り替えると共に前記閾値を不規則な値で更新することにより、前記実行用変調方式を不規則な時間間隔で切り替えるものとしてもよい。

本発明の一実施例としての駆動装置を搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電子制御ユニット５０により実行されるＰＷＭ信号生成ルーチンの一例を示すフローチャートである。３相変調方式を用いる場合の各相の電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊およびＵ相の上アームのＰＷＭ信号を生成する様子の一例を示す説明図である。２相変調方式を用いる場合の各相の電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊およびＵ相の上アームのＰＷＭ信号を生成する様子の一例を示す説明図である。実行用変調方式設定処理の一例を示すフローチャートである。継続時間閾値テーブルの一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての駆動装置を搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電気自動車２０は、図示するように、モータ３２と、インバータ３４と、バッテリ３６と、昇圧コンバータ４０と、電子制御ユニット５０と、を備える。

モータ３２は、同期発電電動機として構成されており、永久磁石が埋め込まれた回転子と、三相コイルが巻回された固定子と、を備える。このモータ３２の回転子は、駆動輪２２ａ，２２ｂにデファレンシャルギヤ２４を介して連結された駆動軸２６に接続されている。

インバータ３４は、モータ３２の駆動に用いられる。このインバータ３４は、高電圧側電力ライン４２を介して昇圧コンバータ４０に接続されており、６つのトランジスタＴ１１〜Ｔ１６と、６つのトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のそれぞれに並列に接続された６つのダイオードＤ１１〜Ｄ１６と、を有する。トランジスタＴ１１〜Ｔ１６は、それぞれ、高電圧側電力ライン４２の正極側ラインと負極側ラインとに対してソース側とシンク側になるように２個ずつペアで配置されている。また、トランジスタＴ１１〜Ｔ１６の対となるトランジスタ同士の接続点の各々には、モータ３２の三相コイル（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の各々が接続されている。したがって、インバータ３４に電圧が作用しているときに、電子制御ユニット５０によって、対となるトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のオン時間の割合が調節されることにより、三相コイルに回転磁界が形成され、モータ３２が回転駆動される。高電圧側電力ライン４２の正極側ラインと負極側ラインとには、平滑用のコンデンサ４６が取り付けられている。

バッテリ３６は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池として構成されており、低電圧側電力ライン４４を介して昇圧コンバータ４０に接続されている。低電圧側電力ライン４４の正極側ラインと負極側ラインとには、平滑用のコンデンサ４８が取り付けられている。

昇圧コンバータ４０は、高電圧側電力ライン４２と低電圧側電力ライン４４とに接続されており、２つのトランジスタＴ３１，Ｔ３２と、２つのトランジスタＴ３１，Ｔ３２のそれぞれに並列に接続された２つのダイオードＤ３１，Ｄ３２と、リアクトルＬと、を有する。トランジスタＴ３１は、高電圧側電力ライン４２の正極側ラインに接続されている。トランジスタＴ３２は、トランジスタＴ３１と、高電圧側電力ライン４２および低電圧側電力ライン４４の負極側ラインと、に接続されている。リアクトルＬは、トランジスタＴ３１，Ｔ３２同士の接続点と、低電圧側電力ライン４４の正極側ラインと、に接続されている。昇圧コンバータ４０は、電子制御ユニット５０によって、トランジスタＴ３１，Ｔ３２のオン時間の割合が調節されることにより、低電圧側電力ライン４４の電力を昇圧して高電圧側電力ライン４２に供給したり、高電圧側電力ライン４２の電力を降圧して低電圧側電力ライン４４に供給したりする。

電子制御ユニット５０は、ＣＰＵ５２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ５２の他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭ５４やデータを一時的に記憶するＲＡＭ５６，図示しない入出力ポートを備える。電子制御ユニット５０には、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。電子制御ユニット５０に入力される信号としては、例えば、モータ３２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ（例えばレゾルバ）３２ａからの回転位置θｍや、モータ３２の各相に流れる電流を検出する電流センサ３２ｕ，３２ｖからの相電流Ｉｕ，Ｉｖを挙げることができる。また、バッテリ３６の端子間に取り付けられた電圧センサからの電圧Ｖｂや、バッテリ３６の出力端子に取り付けられた電流センサからの電流Ｉｂも挙げることができる。さらに、コンデンサ４６の端子間に取り付けられた電圧センサ４６ａからのコンデンサ４６（高電圧側電力ライン４２）の電圧ＶＨや、コンデンサ４８の端子間に取り付けられた電圧センサ４８ａからのコンデンサ４８（低電圧側電力ライン４４）の電圧ＶＬも挙げることができる。加えて、イグニッションスイッチ６０からのイグニッション信号や、シフトレバー６１の操作位置を検出するシフトポジションセンサ６２からのシフトポジションＳＰも挙げることができる。また、アクセルペダル６３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ６４からのアクセル開度Ａｃｃや、ブレーキペダル６５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ６６からのブレーキペダルポジションＢＰ，車速センサ６８からの車速Ｖも挙げることができる。電子制御ユニット５０からは、各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。電子制御ユニット５０から出力される信号としては、例えば、インバータ３４のトランジスタＴ１１〜Ｔ１６へのスイッチング制御信号や、昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２へのスイッチング制御信号を挙げることができる。電子制御ユニット５０は、回転位置検出センサ３２ａからのモータ３２の回転子の回転位置θｍに基づいてモータ３２の電気角θｅや回転数Ｎｍを演算している。また、電子制御ユニット５０は、電流センサからのバッテリ３６の電流Ｉｂの積算値に基づいてバッテリ３６の蓄電割合ＳＯＣを演算している。ここで、蓄電割合ＳＯＣは、バッテリ３６の全容量に対するバッテリ３６から放電可能な電力の容量の割合である。

こうして構成された実施例の電気自動車２０では、電子制御ユニット５０は、以下の走行制御を行なう。走行制御では、アクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づいて駆動軸２６に要求される要求トルクＴｄ＊を設定し、設定した要求トルクＴｄ＊をモータ３２のトルク指令Ｔｍ＊に設定し、モータ３２がトルク指令Ｔｍ＊で駆動されるようにインバータ３４のトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のスイッチング制御を行なう。実施例では、インバータ３４のトランジスタＴ１１〜Ｔ１６をパルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）によってスイッチング制御するものとした。ＰＷＭ制御は、モータ３２の各相の電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊と搬送波電圧（三角波電圧）とを用いてトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のＰＷＭ信号を生成してトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のスイッチングを行なう制御である。また、走行制御では、モータ３２をトルク指令Ｔｍ＊で駆動できるように高電圧側電力ライン４２の目標電圧ＶＨ＊を設定し、高電圧側電力ライン４２の電圧ＶＨが目標電圧ＶＨ＊となるように昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２のスイッチング制御を行なう。

次に、こうして構成された実施例の電気自動車２０の動作、特に、インバータ３４の制御に用いるＰＷＭ信号を生成する際の動作について説明する。図２は、実施例の電子制御ユニット５０により実行されるＰＷＭ信号生成ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、繰り返し実行される。

ＰＷＭ信号生成ルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０のＣＰＵ５２は、まず、モータ３２の電流Ｉｕ，Ｉｖや電気角θｅ，トルク指令Ｔｍ＊などのデータを入力する（ステップＳ１００）。ここで、モータ３２の相電流Ｉｕ，Ｉｖは、電流センサ３２ｕ，３２ｖによって検出された値を入力するものとした。モータ３２の電気角θｅは、回転位置検出センサ３２ａによって検出されたモータ３２の回転子の回転位置θｍに基づいて演算された値を入力するものとした。モータ３２のトルク指令Ｔｍ＊は、上述の走行制御によって設定された値を入力するものとした。

こうしてデータを入力すると、モータ３２の各相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）に流れる電流の総和が値０であるとして、モータ３２の電気角θｅを用いて、Ｕ相，Ｖ相の相電流Ｉｕ，Ｉｖをｄ軸，ｑ軸の電流Ｉｄ，Ｉｑに座標変換（３相−２相変換）する（ステップＳ１１０）。続いて、モータ３２のトルク指令Ｔｍ＊に基づいてｄ軸，ｑ軸の電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊を設定し（ステップＳ１２０）、設定したｄ軸，ｑ軸の電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊とｄ軸，ｑ軸の電流Ｉｄ，Ｉｑとを用いて式（１）および式（２）によりｄ軸，ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を設定する（ステップＳ１３０）。ここで、式（１）および式（２）中、「ｋｄ１」，「ｋｑ１」は、フィードバック制御における比例項のゲインであり、「ｋｄ２」，「ｋｑ２」は、フィードバック制御における積分項のゲインである。

Vd*=kd1・(Id*-Id)+kd2∫(Id*-Id)dt (1)
Vq*=kq1・(Iq*-Iq)+kq2∫(Iq*-Iq)dt (2)

次に、ｄ軸，ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を各相の電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に座標変換（２相−３相変換）する際の実行用変調方式を、後述の実行用変調方式設定処理により、３相変調方式および２相変調方式から設定する（ステップＳ１４０）。続いて、モータ３２の電気角θｅを用いて変調方式によりｄ軸，ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を各相の電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に座標変換（２相−３相変換）する（ステップＳ１５０）。そして、この電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗと搬送波電圧とを用いてトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のＰＷＭ信号を生成して（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。こうしてトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のＰＷＭ信号を生成すると、このＰＷＭ信号を用いてトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のスイッチング制御を行なう。

図３は、３相変調方式を用いる場合の各相の電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊およびＵ相の上アーム（トランジスタＴ１１）のＰＷＭ信号を生成する様子の一例を示す説明図であり、図４は、２相変調方式を用いる場合の各相の電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊およびＵ相の上アームのＰＷＭ信号を生成する様子の一例を示す説明図である。図３（ａ）および図４（ａ）は、各相の電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を示し、図３（ｂ）および図４（ｂ）は、Ｕ相の上アームのＰＷＭ信号を生成する様子を示す。図３および図４から、３相変調方式を用いる場合と２相変調方式を用いる場合とで、各相の電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊が異なり、トランジスタＴ１１〜Ｔ１６のＰＷＭ信号が異なる（トランジスタＴ１１〜Ｔ１６をオンオフするタイミングが異なる）ことが分かる。これにより、両者では、含有する高調波（電流高調波における含有率の大きい周波数（次数））が異なると考えられる。

次に、図２のＰＷＭ信号生成ルーチンのステップＳ１４０の処理、即ち、実行用変調方式設定処理により実行用変調方式を設定する処理について説明する。図５は、実行用変調方式設定処理の一例を示すフローチャートである。図５の実行用変調方式設定処理では、電子制御ユニット５０のＣＰＵ５２は、今回のトリップ（イグニッションオンからイグニッションオフまで）における初回か否かを判定し（ステップＳ２００）、今回のトリップにおける初回であると判定されたときには、実行用変調方式に３相変調方式を設定する（ステップＳ２１０）。

続いて、番号ｋに初期値としての値１を設定し（ステップＳ２２０）、この番号ｋと継続時間閾値テーブルとを用いて継続時間閾値Ｃｒｅｆを設定し（ステップＳ２３０）、継続時間カウンタＣを値０にリセットする（ステップＳ２４０）。ここで、継続時間閾値Ｃｒｅｆは、実行用変調方式を３相変調方式または２相変調方式で継続する時間に相当するカウンタ値である。また、継続時間テーブルは、番号ｋと継続時間閾値Ｃｒｅｆとの関係を示すテーブルである。継続時間閾値テーブルの一例を図６に示す。図示するように、継続時間閾値Ｃｒｅｆは、番号ｋが値１だけインクリメントされる毎に、不規則に変化するように設定されている。継続時間閾値Ｃｒｅｆは、番号ｋを継続時間閾値テーブルに適用して設定することができる。継続時間カウンタＣは、実行用変調方式を初回に設定してからまたは切り替えてからの時間に相当するカウンタ値である。ステップＳ２００で今回のトリップにおける初回でないと判定されたときには、ステップＳ２１０〜Ｓ２４０の処理を実行しない。

次に、継続時間カウンタＣを値１だけインクリメントし（ステップＳ２５０）、この継続時間カウンタＣを継続時間閾値Ｃｒｅｆと比較し（ステップＳ２６０）、継続時間カウンタＣが継続時間閾値Ｃｒｅｆ未満のときには、実行用変調方式を保持して（ステップＳ２７０）、実行用変調方式設定処理を終了する。

ステップＳ２６０で継続時間カウンタＣが継続時間閾値Ｃｒｅｆ以上のときには、現在の実行用変調方式を調べる（ステップＳ２８０）。そして、現在の実行用変調方式が３相変調方式のときには、２相変調方式に切り替える（ステップＳ２９０）。一方、現在の実行用変調方式が２相変調方式のときには、３相変調方式に切り替える（ステップＳ３００）。

次に、番号ｋを値１だけインクリメントして更新し（ステップＳ３１０）、上述のステップＳ２３０，Ｓ２４０の処理と同様に、番号ｋと継続時間閾値テーブル（図６参照）とを用いて継続時間閾値Ｃｒｅｆを設定し（ステップＳ３２０）、継続時間カウンタＣを値０にリセットして（ステップＳ３３０）、フラグ設定処理を終了する。

この図５の実行用変調方式設定処理により、不規則に変化する継続時間閾値Ｃｒｅｆの時間間隔で実行用変調方式を３相変調方式と２相変調方式とで切り替えることになる。上述したように、３相変調方式と２相変調方式とでは、トランジスタＴ１１〜Ｔ１６をオンオフするタイミングが異なり、含有する電流高調波（電流高調波における含有率の大きい周波数（次数））が異なる。したがって、不規則に変化する継続時間閾値Ｃｒｅｆの時間間隔で実行用変調方式を切り替えることにより、含有する電流高調波を不規則な時間間隔で変化させる（拡散させる）ことができ、電磁音による騒音を低減することができる。

以上説明した実施例の電気自動車２０に搭載される駆動装置では、ｄ軸，ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を各相の電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に座標変換（２相−３相変換）する際の実行用変調方式を、３相変調方式と２相変調方式とで、不規則な時間間隔で切り替える。これにより、含有する電流高調波を不規則な時間間隔で変化させる（拡散させる）ことができ、電磁音による騒音を低減することができる。なお、この実行用変調方式の３相変調方式と２相変調方式とでの切替は、同期ＰＷＭ制御でも非同期ＰＷＭ制御でも行なうことができる。

実施例の電気自動車２０に搭載される駆動装置では、継続時間カウンタＣが継続時間閾値Ｃｒｅｆ以上に至ると、実行用変調方式を切り替え、番号ｋを値１だけインクリメントして更新すると共に更新後の番号ｋと継続時間閾値テーブルとを用いて継続時間閾値Ｃｒｅｆを設定（更新）するものとした。しかし、継続時間カウンタＣが継続時間閾値Ｃｒｅｆ以上に至ると、実行用変調方式を切り替え、番号ｋや継続時間閾値テーブルを用いずに、ランダムに（リアルタイムで乱数を発生する乱数発生器などを用いて）継続時間閾値Ｃｒｅｆを設定（更新）するものとしてもよい。

実施例の電気自動車２０に搭載される駆動装置では、バッテリ３６とインバータ３４との間に昇圧コンバータ４０を設けるものとしたが、この昇圧コンバータ４０を設けないものとしてもよい。

実施例では、電気自動車２０に搭載される駆動装置の構成とした。しかし、モータとインバータとを備えるものであればよく、ハイブリッド自動車に搭載される駆動装置の構成としたり、建設設備などの移動しない設備に搭載される駆動装置の構成としたりしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、モータ３２が「モータ」に相当し、インバータ３４が「インバータ」に相当し、電子制御ユニット５０が「制御装置」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、駆動装置の製造産業などに利用可能である。

２０電気自動車、２２ａ，２２ｂ駆動輪、２４デファレンシャルギヤ、２６駆動軸、３２モータ、３２ａ回転位置検出センサ、３２ｕ，３２ｖ電流センサ、３４インバータ、３６バッテリ、４６ａ，４８ａ電圧センサ、４０昇圧コンバータ、４２高電圧側電力ライン、４４低電圧側電力ライン、４６，４８コンデンサ、５０電子制御ユニット、５２ＣＰＵ、５４ＲＯＭ、５６ＲＡＭ、６０イグニッションスイッチ、６１シフトレバー、６２シフトポジションセンサ、６３アクセルペダル、６４アクセルペダルポジションセンサ、６５ブレーキペダル、６６ブレーキペダルポジションセンサ、６８車速センサ、Ｄ１１〜Ｄ１６，Ｄ３１，Ｄ３２ダイオード、Ｌリアクトル、Ｔ１１〜Ｔ１６，Ｔ３１，Ｔ３２トランジスタ。

Claims

モータと、
複数のスイッチング素子のスイッチングにより前記モータを駆動するインバータと、
前記モータのトルク指令に基づいてｄ軸，ｑ軸の電圧指令を設定し、前記ｄ軸，ｑ軸の電圧指令に基づいて各相の電圧指令を設定し、前記各相の電圧指令に基づいて前記複数のスイッチング素子のＰＷＭ信号を生成して前記複数のスイッチング素子のスイッチング制御を行なう制御装置と、
を備える駆動装置であって、
前記制御装置は、前記ｄ軸，ｑ軸の電圧指令に基づいて前記各相の電圧指令を設定する際の実行用変調方式の３相変調方式と２相変調方式とのうち現在の前記実行用変調方式の継続時間が閾値以上に至る毎に、前記実行用変調方式を前記３相変調方式と前記２相変調方式とで切り替えると共に前記閾値を不規則な値で更新することにより、前記実行用変調方式を前記３相変調方式と前記２相変調方式とで不規則な時間間隔で切り替える、
駆動装置。