特許第6862943号(P6862943)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6862943
(24)【登録日】2021年4月5日
(45)【発行日】2021年4月21日
(54)【発明の名称】駆動装置
(51)【国際特許分類】
   H02M 7/48 20070101AFI20210412BHJP
【FI】
   H02M7/48 F
【請求項の数】1
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2017-46106(P2017-46106)
(22)【出願日】2017年3月10日
(65)【公開番号】特開2018-152947(P2018-152947A)
(43)【公開日】2018年9月27日
【審査請求日】2019年7月24日
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000017
【氏名又は名称】特許業務法人アイテック国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】山本 敏洋
(72)【発明者】
【氏名】山田 堅滋
【審査官】 白井 孝治
(56)【参考文献】
【文献】 特開2008−141856(JP,A)
【文献】 特開2009−183092(JP,A)
【文献】 特開2007−020320(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02M 7/42〜 7/98
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2006−174645号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【0005】
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。
【課題を解決するための手段】
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1】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。
図2】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。
図3】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。
図4】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5】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6】継続時間閾値テーブルの一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
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。
【実施例】
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
Vd*=kd1・(Id*-Id)+kd2∫(Id*-Id)dt (1)
Vq*=kq1・(Iq*-Iq)+kq2∫(Iq*-Iq)dt (2)
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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)。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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)。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【産業上の利用可能性】
【0038】
本発明は、駆動装置の製造産業などに利用可能である。
【符号の説明】
【0039】
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、52 CPU、54 ROM、56 RAM、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。
図1
図2
図3
図4
図5
図6