JP2007306709A - On-vehicle power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は自動車等に搭載される電力変換装置に関し、特に電力変換器の直流部電圧の検出値を電気的に絶縁された通信素子を介して電力変換装置の制御演算部分へ伝送するようにした車載用電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device mounted on an automobile or the like, and in particular, a detection value of a DC voltage of a power converter is transmitted to a control calculation portion of the power conversion device via an electrically insulated communication element. The present invention relates to an in-vehicle power converter.
従来、車両に搭載される車載用電力変換装置として、直流電源と交流電動機等の負荷との間で電力変換を行う電力変換器を備え、この電力変換器の直流部電圧値を電気的に絶縁した上で伝送する必要性から、一旦、電力変換器内で直流部電圧の検出信号をデジタルデータに変換した後、通信用のデータに加工し調歩同期式等のシリアル通信方法によって制御ユニットへ伝送した上で、再度、この制御ユニット内に於いて通信用のデータから制御演算に使用する直流部電圧値に加工するようにしたものがある。(例えば、特許文献1参照) Conventionally, as an in-vehicle power converter mounted on a vehicle, a power converter that performs power conversion between a DC power source and a load such as an AC motor is provided, and the DC voltage value of the power converter is electrically insulated. Therefore, once the DC voltage detection signal is converted into digital data in the power converter, it is processed into communication data and transmitted to the control unit using a serial communication method such as start-stop synchronization. After that, there is again one in which the data for communication is processed into the DC voltage value used for the control calculation in the control unit. (For example, see Patent Document 1)
このような従来の車載用電力変換装置は、直流部電圧情報の送出のために電力変換器内にA/D変換器やシリアル通信器、演算処理器を有するマイクロコントローラを備える必要があり、装置の部品コストや装置容積の増加を招くため望ましくない。又、部品コストの増加に釣り合わせるために直流部電圧情報の伝送とは別の機能を併せて実装する場合には、処理密度が高くなって直流部電圧情報の送出処理周期が延びてしまい、直流部電圧情報の伝送に要する経過時間が不適切になり得る。 Such a conventional in-vehicle power conversion device needs to include a microcontroller having an A / D converter, a serial communication device, and an arithmetic processor in the power converter for sending out DC section voltage information. This increases the cost of parts and the volume of the apparatus, which is not desirable. In addition, when mounting a function different from the transmission of the DC part voltage information in order to balance the increase in the component cost, the processing density is increased and the sending process cycle of the DC part voltage information is extended. The elapsed time required for transmission of DC section voltage information may be inappropriate.
このため、マイクロコントローラの処理能力を高めるべくクロック発振器の発振周波数が高いマイクロコントローラを選択すると、更なる部品コストの増加や自己発熱での-温度上昇に起因した装置温度との不整合による動作安定性の低下といった不利益につながる。 For this reason, if a microcontroller with a high oscillation frequency of the clock oscillator is selected to increase the processing capacity of the microcontroller, the operation can be stabilized due to a mismatch with the device temperature due to a further increase in component costs and a rise in temperature due to self-heating. This leads to disadvantages such as a decline in sex.
又、従来の装置では、符号化された二進数表現のデータをシリアル通信にて伝送するため、伝送する論理値情報はビット毎に重要性が異なる。例えば、二進数表現データの下位から6桁目の論理値情報は値として2の(6-1)乗の重みを有し、下位から2桁目の論理値情報は値として2の(2-1)乗の重みを有するものであり、復号後の直流部電圧データにとって、上位桁の論理値情報ほど、数値に及ぼす影響が大きくなる。 In addition, in the conventional apparatus, since encoded binary representation data is transmitted by serial communication, the logical value information to be transmitted has different importance for each bit. For example, the logical value information of the sixth digit from the lower order of the binary number representation data has a weight of 2 to the (6-1) th power as the value, and the logical value information of the second digit from the lower order has a value of (2- 1) It has a power of power, and for the DC voltage data after decoding, the higher-order logical value information has a larger influence on the numerical value.
従って、もし、伝送路に重畳するノイズの影響により伝送信号の論理を誤った場合、ノイズが重畳するタイミングによっては復号後の直流部電圧値が非常に不正確なものとなる。これを防止するためパリティビット等のデータ転び検知用のビットを付加してシリアル通信を行ったとしても、当該周期の直流部電圧値にデータ転びが発生したことを検知するのみであってデータの転びによる直流部電圧値の誤差量は不明であり、当該周期には直流部電圧情報が更新できないことになる。 Therefore, if the logic of the transmission signal is wrong due to the effect of noise superimposed on the transmission path, the DC voltage value after decoding becomes very inaccurate depending on the timing at which the noise is superimposed. In order to prevent this, even if data transfer detection bits such as a parity bit are added and serial communication is performed, it only detects that data transfer has occurred in the DC voltage value of the cycle, and The amount of error in the DC part voltage value due to falling is unknown, and the DC part voltage information cannot be updated in this period.
この発明は、以上のような従来の装置の課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で低コストでありながら、電気的に絶縁した状態で直流部の電圧情報等を制御ユニットへ伝送することのできる車載用電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems of the conventional device, and is a control unit that can control voltage information and the like of the DC section in an electrically insulated state with a simple configuration and low cost. It aims at providing the vehicle-mounted power converter device which can be transmitted to.
この発明による車載用電力変換装置は、直流電源と電気負荷との間に設けられパワー素子のスイッチングにより前記直流電源と前記電気負荷との間の電力変換を行う電力変換器と、前記パワー素子のスイッチングを制御する制御ユニットとを備えた車載用電力変換装置であって、前記電力変換器は、その直流部の電圧を検出する電圧検出器と、該電圧検出器により検出され前記直流部の電圧を規格化して規格化直流部電圧を出力する直流部電圧入力インタフェースと、所定周期毎に前記規格化直流部電圧をデルタシグマ変調して電圧変調信号とするデルタシグマ変調器と、前記電圧変調信号を電気的に絶縁して前記制御ユニットに伝送する絶縁通信素子とを備え、前記制御ユニットは、前記伝送された電圧変調信号を入力する信号入力インタフェースと、前記所定周期内の前記電圧変調信号の論理状態を計数して前記直流部の電圧値を復調する復調手段と、該復調手段により復調された信号に基づいて前記パワー素子のスイッチングを制御するスイッチング制御信号を生成するスイッチング信号生成部とを備えたものである。 An in-vehicle power converter according to the present invention includes a power converter that is provided between a DC power supply and an electric load and performs power conversion between the DC power supply and the electric load by switching of the power element; An in-vehicle power conversion device including a control unit that controls switching, wherein the power converter includes a voltage detector that detects a voltage of the DC unit, and a voltage of the DC unit that is detected by the voltage detector. A DC part voltage input interface for normalizing and outputting a standardized DC part voltage, a delta-sigma modulator that delta-sigma-modulates the standardized DC part voltage every predetermined period to obtain a voltage modulation signal, and the voltage modulation signal And an insulating communication element that electrically insulates and transmits the signal to the control unit, and the control unit inputs the transmitted voltage modulation signal. A demodulator for demodulating the voltage value of the DC section by counting the logic state of the voltage modulation signal within the predetermined period, and controlling the switching of the power element based on the signal demodulated by the demodulator And a switching signal generation unit that generates a switching control signal to be performed.
この発明による車載用電力変換装置によれば、電力変換器の直流部の電圧情報等を、簡易な構成で低コストでありながら、電気的に絶縁した状態で制御ユニットへ伝送することのできる車載用電力変換装置を得ることができる。 According to the on-vehicle power converter according to the present invention, the voltage information and the like of the direct current portion of the power converter can be transmitted to the control unit in an electrically insulated state with a simple configuration and low cost. A power converter device can be obtained.
先ず、この発明の基礎となる技術について、図に基づいて説明する。
発明の基礎となる技術1.
図8は、この発明の基礎となる技術による車載用電力変換装置を含むシステム全体構成を示すブロック図である。図8に於いて、自動車の動力源となる交流電動機3を制御するために、電力変換器4を構成する三相インバータ6を用いてバッテリー等の直流電源2からの直流電力を交流電力に変換し、交流電動機3に供給する。
First, the technology that forms the basis of the present invention will be described with reference to the drawings.
1. Technology underlying the invention
FIG. 8 is a block diagram showing an overall system configuration including an in-vehicle power conversion device according to the technology underlying the present invention. In FIG. 8, in order to control the
ここで、交流電動機3を所望の状態に制御するために、制御ユニット5内の制御演算部24により、流電動機3の電機子巻線に流れる電動機電流、交流電動機3の回転子の回転角、三相インバータ6の直流部電圧等の情報に基づき、周知のベクトル制御法等の電動機制御演算を行い、交流電動機3の端子に印加すべき交流電圧の指令量(以下、交流電圧指令と称する)を算出する。又、三相インバータ6の直流部電圧は電圧検出器10により検出され、電動機電流は電流検出器14a、14b、14cにより検出される。回転子の回転角は、回転検出器15が出力する回転信号に基づいて算出される。
Here, in order to control the
交流電圧指令は、スイッチング信号生成部25によりパルス幅変調(Pulse Width Modulation;以下、PWMと称する)され、電力変換器4内のパワー素子を構成するトランジスタ7a乃至7fをスイッチングするための矩形波状のスイッチング信号に変換される。このスイッチング信号によってトランジスタ7a乃至7fがスイッチングすることで、微視的には矩形波状の、巨視的には正弦波状に分布する電圧が交流電動機3の端子に印加される。
The AC voltage command is subjected to pulse width modulation (hereinafter referred to as PWM) by the switching
制御ユニット5内では、信号入力インタフェース20を介して交流電動機の動作指令、電動機電流、回転、直流部電圧等の信号を受け取り、A/D変換器21、シリアル通信器22によって算術計算に使用できるデジタルデータへ加工される。また、回転信号に基づいて回転子の回転角度・速度算出手段23にて回転角度、及び回転速度を算出し、さらに制御演算部24により電動機制御演算を行い、交流電動機3に印加する交流電圧の指令量を算出する。
In the
このとき、制御ユニット5から電力変換器4へのスイッチング信号の伝達には、例えばフォトカプラ等による絶縁通信素子13を用いた電気的絶縁が必要となる。即ち、特に交流電動機3が車両の駆動用動力源として用いられる場合の車載用電力変換装置に於いては、交流電動機3に数[Kw]から数十[Kw]程度の電力を供給するために、直流電源2の電圧範囲は40[V]から数百[V]程度となり、一方、制御ユニット5は十数[V]以下の電圧範囲で動作する電子回路によって構成されており、直流電源2に接続される電力変換器4に対して制御ユニット5が電気的に絶縁されていない場合、制御ユニット5が過電圧により損壊してしまう恐れがある。
At this time, transmission of the switching signal from the
同様の理由により、電動機電流、回転子の回転角度及び回転速度、直流部電圧の信号も、直流電源2に対して絶縁された状態で制御ユニット5に入力する必要がある。特に、直流部電圧は直流電源2に対して直接的に接続される電圧検出器10によって検出される信号であり、絶縁を充分考慮しなければならない。しかしながら、電動機制御の演算が必要とする高精度特性、及び即時伝達特性を満たしつつ、直流部電圧情報を連続時間でアナログ量のまま電気的に絶縁して電力変換器4から制御ユニット5まで伝送するのは困難となる。
For the same reason, the motor current, the rotation angle and rotation speed of the rotor, and the DC voltage signal must be input to the
絶縁通信素子13としては、トランス、及びフォトカプラ等を用いることができるが、トランスの場合は、伝送可能な信号は交流であり、時間的な振幅の変化量が少ない直流部電圧情報を高精度に伝送することはできない。また、フォトカプラの場合は、入力信号と出力信号の振幅比が一定とならず直線性が無いことから、同様に精度良く直流部電圧情報を伝送することはできない。
A transformer, a photocoupler, or the like can be used as the
このため、電圧検出器10による直流部電圧の検出と制御ユニット5への情報伝送は、絶縁通信素子13の信号を離散時間で標本化し、大きさを量子化したデジタル信号に変換して次のように行われる。図9は、電力変換器4内の電圧検出器10が検出する直流部電圧の情報を制御ユニット5へ電気的に絶縁して伝送する処理経路を示すブロック図である。先ず、電圧検出器10からの直流部電圧信号は、信号入力インタフェース11に入力され、後段のマイクロコントローラ12により乗算、加算、減算回路等を用いて、取り扱い可能な範囲内の信号となるよう変換される。
For this reason, the detection of the DC voltage by the
マイクロコントローラ12は、アナログ値を算術計算に使用するデジタル値に変換するA/D変換器31、ソフトウェアによって算術計算を逐次実行する演算処理器32、デジタル値をマイクロコントローラ12の外部との間でシリアル通信するシリアル通信器33を含んでいる。マイクロコントローラ12に入力された直流部電圧信号は、A/D変換器31により標本化、量子化され、デジタル値に変換される。
The
デジタル値に変換された信号は、続いて演算処理器32に入力され、更に、シリアル通信器33に受け渡される。シリアル通信器33は、直流部電圧信号のデジタル値を、例えばUART(Universal Asynchronous ReceiVer and Transmitter)といった半導体通信デバイスにより実現される調歩同期式シリアル通信方法等を用いて、二進数表現のデジタル値の各桁(「1」と「0」の二値で表現)を所定の時間刻み毎に時系列に出力する。マイクロコントローラ12内のこれらの動作は、クロック発振器34からのクロック信号に基づいて実行される。
The signal converted into the digital value is subsequently input to the
次に、シリアル通信器33から出力されたシリアル通信信号は、絶縁通信素子13を介して電気的に絶縁されて制御ユニット5内に伝送され、信号入力インタフェース20により二値論理に対応する電圧レベルの立ち上がり、立ち下がり特性劣化等を回復する波形整形の後、マイクロコントローラ26へ入力される。マイクロコントローラ26は、シリアル通信器22、クロック発振機28、及び演算処理器27を備えている。演算処理器27は、図8で示されるA/D変換器21、回転角度・速度算出手段23、及び制御演算部24を含む。
Next, the serial communication signal output from the
信号入力インタフェース20により波形整形されたシリアル通信信号は、シリアル通信器22に受信され演算処理器27に受け渡される。演算処理器27は、この受信データを直流部電圧値として復号し、制御演算部24としての電動機制御の算術計算に使用する。これらマイクロコントローラ26内の動作は、クロック発振器28からのクロック信号に基づいて実行される。
The serial communication signal whose waveform has been shaped by the
このとき、直流部電圧の検出から制御ユニット5への信号伝送の後、演算処理器27が利用可能なデジタルデータである直流部電圧値となるまでの手続き、処理負荷は次のように類別される。図10は、この手続きを示す一覧表である。まず、手続き1の「A/D変換器起動指示」により、直流部電圧信号をA/D変換するためのA/D変換器31を起動すると、所定の準備時間を要し後、動作可能状態となる。次に、手続き2の「サンプル、ホールド」により、直流部電圧の標本化(サンプリング)と値の保持(ホールド)がなされ、更に、手続き3の「A/D変換」により、保持された直流部電圧保持値の量子化、即ちデジタル値への変換が行われる。
At this time, after the signal transmission from the detection of the DC section voltage to the
手続き3によるA/D変換が終了すると、手続き4の「プログラム実行遅延」によりA/D変換結果が読み込み可能となったことを演算処理器32に通知し、これを受けて演算処理器32は現在実行中の処理を一時中断し変換結果読み込み処理が行えるよう処理を切り替える。続けて、手続き5の「変換結果読み込み、データ化」により、A/D変換結果を読み込み、制御ユニット5へのシリアル送信が可能となるデータ状態へと加工する。次に手続き6の「シリアル通信器起動、データセット」により、シリアル通信器33を起動し、上記送信用のデータをセットする。
When the A / D conversion by the
シリアル通信器33にセットされた直流部電圧値の送信用データは、手続き7の「データシリアル通信」により、二進数表現のデータ本体にスタートビット、ストップビット等の通信制御用ビット、パリティビットといったデータ転び検知用のビットが付加され、所定の刻み時間毎に信号線の電圧レベルを各桁(ビット)の論理値に対応して変化させた時系列データとして送信される。この信号線の電圧レベルの変化は、絶縁通信素子13、信号入力インタフェース20を経由して、制御ユニット5のシリアル通信器22に伝送され、受信データとして形成される。
The DC part voltage value transmission data set in the
シリアル通信データを受信し終え、受信データが形成されると、受信データが読み込み可能となったことを演算処理器27に通知し、これを受けた演算処理器27は、手続き8の「プログラム実行遅延」により現在実行中の処理を一時中断して受信データ読み込み処理が行えるよう処理を切り替える。更に、手続き9「シリアル通信受信データ読み込み、受信エラー確認」により、受信データを読み込むと供に受信エラー発生の有無を確認し、受信エラーが発生していなければ、読み込んだデータを加工して直流部電圧値として復号する。
When the reception of the serial communication data is completed and the reception data is formed, the
この発明の基礎となる技術1による車載用電力変換装置に於いて、いま、交流電動機3の出力トルクの制御によって動力制御が行われるとする。このとき、交流電動機3の制御演算に使う直流部電圧の情報が電圧検出器10により検出されてから、制御演算部24での電動機制御演算に反映されるまでの経過時間は無駄時間に相当し、制御系の周波数伝達特性における位相特性に影響を与える。ここで、制御系の通過域上限周波数における位相の遅れが180°を境界として少ないか多いか、少ない場合にどの程度180°に近いかは、制御系が安定であるか否か、応答がどの程度振動的であるかと相関を持っている。
In the in-vehicle power converter according to the
このため、制御系の通過域上限周波数における位相の遅れが少ない方が望ましく、これは直流部電圧情報の伝送に要する経過時間が短い方が良いことを示す。交流電動機3の出力トルク制御において、目標出力トルクに対する実出力トルクの追従速度(速応性)の要求により、制御系の通過域上限周波数を318.3[Hz](2000[rad/s])に設定した場合、直流部電圧情報の伝送に要する経過時間が1[ms]の時、位相の遅れは0.001×318.3×360°=114.6°となり、位相遅れの上限目安である180°に対して65.4°しか余裕がない。制御対象としての交流電動機3の位相遅れ(応答遅れ)と制御演算の位相遅れの合計が65.4°を超えれば、この制御系は不安定となってしまう。
For this reason, it is desirable that the phase delay at the upper limit frequency in the passband of the control system is small, which indicates that it is better that the elapsed time required for transmission of the DC part voltage information is short. In the output torque control of the
一方、伝送に要する経過時間が100[us]と短時間である場合、位相の遅れは0.0001×318.3×360°=11.5°となり、180°に対して168.5°の余裕を持つ。このように、直流部電圧情報の伝送に要する経過時間は、制御性能に大きく影響を与える要素であり、短時間であるほど望ましい。 On the other hand, when the elapsed time required for transmission is as short as 100 [us], the phase delay is 0.0001 × 318.3 × 360 ° = 11.5 °, which is 168.5 ° with respect to 180 °. Have room. Thus, the elapsed time required for transmission of the DC section voltage information is a factor that greatly affects the control performance, and it is desirable that the time is shorter.
発明の基礎となる技術2.
図11は、この発明の基礎となる別の車載用電力変換装置を含むシステム全体の構成図を示す。この車載用電力変換装置は、バッテリー等の直流電源2からの入力電圧を所望の目標出力電圧と一致するように電圧変換して電気負荷に供給するDC−DCコンバータ36を含んでいる。電力変換器4を構成するDC−DCコンバータ36は、入力フィルタコンデンサ37、リアクトル38、トランジスタ39a、39bとフライホイールダイオード40a、40bを逆並列に接続したパワー素子、及び平滑コンデンサ9からなり、トランジスタ39a、39bをスイッチングすることでリアクトル38のエネルギーの蓄積、放出を調整して電気負荷35の端子に印加する出力電圧を制御する。
1. Technology underlying the invention
FIG. 11 shows a configuration diagram of the entire system including another in-vehicle power conversion device that is the basis of the present invention. This in-vehicle power conversion device includes a DC-DC converter 36 that converts an input voltage from a
ここで、DC−DCコンバータ36の出力電圧を、所望の目標出力電圧と一致するよう制御するために、制御ユニット5内の制御演算部24によりDC−DCコンバータ36の出力側直流部電圧、即ち平滑コンデンサ9の端子間電圧を帰還し目標出力電圧と突き合わせて出力電圧制御演算を行い、トランジスタ39a、39bのスイッチングのデューティ比を算出する。次に、算出したデューティ比に基づいて、スイッチング信号生成部25によりスイッチング信号を生成しトランジスタ39a、39bを駆動する。
Here, in order to control the output voltage of the DC-DC converter 36 so as to coincide with a desired target output voltage, the control
図11に示す車載用電力変換装置の場合、図8に示した電動機制御に用いる車載用電力変換装置と同様、制御ユニット5は、十数[V]以下の電圧範囲で動作する電子回路によって構成されるため、直流電源2に接続される電力変換器4に対して電気的な絶縁がされていなければ、過電圧により損壊してしまう。従って、DC−DCコンバータ36の出力側直流部電圧情報は、電気的に絶縁して制御ユニット5へ伝送する必要があり、図8に示した電動機制御に用いる電力変換装置の場合と同様にして、出力側直流部電圧情報の伝送は、図9に示した処理経路に基づき、電力変換器4内のマイクロコントローラ12を用いた図10に示した手続きでのシリアル通信によって実現される。
In the case of the in-vehicle power conversion device shown in FIG. 11, the
このように構成されたDC−DCコンバータを含む車載用電力変換装置の場合も、出力電圧が所望の目標出力電圧に追従して一致するよう制御して電圧変換を行うとき、DC−DCコンバータの出力側直流部電圧の情報が電圧検出器10で検出されてから、制御演算部24での出力電圧制御演算に反映されるまでの経過時間は、無駄時間に相当し、出力電圧制御系の通過域上限周波数に対して相対的に短い時間でなければ、出力電圧制御特性が劣化して充分な性能を得られないこととなる。
Also in the case of an in-vehicle power converter including a DC-DC converter configured as described above, when performing voltage conversion by performing control so that the output voltage follows and matches a desired target output voltage, the DC-DC converter The elapsed time from when the information on the output side DC section voltage is detected by the
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る車載用電力変換装置を含むシステム全体の構成図であり、図中、図8に示す部分と同一または相当部分にはそれと同一符号を付して示している。図1に於いて、バッテリー等の直流電源2の直流電力は、車載用電力変換装置1により交流電力に変換されて、自動車の動力源となる交流電動機3に供給される。
1 is a configuration diagram of the entire system including an in-vehicle power converter according to
車載用電力変換装置1は、電力変換器4、制御ユニット5、及び交流電動機3に流れる電動機電流を検出する電動機電流検出器14a、14b、14cとから構成されている。電力変換器4は、三相インバータ6と、電力変換器4の直流部電圧を検出する電圧検出器10と、直流部電圧をその変化範囲最大値で規格化する直流部電圧入力インタフェース11と、規格化後の直流部電圧をデルタシグマ変調して直流部電圧変調信号を出力するデルタシグマ変調器45、及び直流部電圧変調信号を電気的に絶縁して制御ユニット5へ伝送する絶縁通信素子13とを備えている。
The in-
三相インバータ6は、トランジスタ7a乃至7f、フライホイールダイオード8a乃至8f、平滑コンデンサ9とから構成される。トランジスタ7aのエミッタはトランジスタ7bのコレクタに接続され、フライホイールダイオード8aはトランジスタ7aに逆並列となるようにそのアノードがトランジスタ7aのエミッタに、カソードがトランジスタ7aのコレクタに接続されている。
The three-phase inverter 6 includes
又、フライホイールダイオード8bは、トランジスタ7bに逆並列となるようにそのアノードがトランジスタ7bのエミッタに、カソードがトランジスタ7bのコレクタに接続され、これらトランジスタ7a、7b、フライホイールダイオード8a、8bによりU相アームが構成される。また、トランジスタ7a、7b、フライホイールダイオード8a、8bと相似の接続関係によってトランジスタ7c、7d、フライホイールダイオード8c、8dによりV相アームが、トランジスタ7e、7f、フライホイールダイオード8e、8fによりW相アームが構成される。
The
平滑コンデンサ9の一端は、各相アームの図に於いて上端であるトランジスタ7a、7c、7eのコレクタと供に直流電源2の出力の高電位側端子P0に接続され、平滑コンデンサ9の他端は、各相アームの図に於いて下端であるトランジスタ7b、7d、7fのエミッタと供に直流電源2の出力の低電位側端子N0に接続される。
One end of the smoothing
更に、U相アームの中間点であるトランジスタ7aのエミッタとトランジスタ7bのコレクタの接続部には,交流電動機3のU相端子が接続される。同様にV相アームの中間点であるトランジスタ7cのエミッタとトランジスタ7dのコレクタの接続部には、交流電動機3のV相端子が、W相アームの中間点であるトランジスタ7eのエミッタとトランジスタ7fのコレクタの接続部には、交流電動機3のW相端子が、それぞれ接続される。
したがってトランジスタ7aから7fをスイッチングして導通、非導通を切り替えることにより、交流電動機3の端子電圧を調整することができる。
Further, the U-phase terminal of the
Therefore, the terminal voltage of AC
制御ユニット5は、信号入力インタフェース20と、A/D変換器21と、シリアル通信器22と、回転角度・速度算出手段23と、制御演算部24と、スイッチング信号生成部25、及び復調手段46を備えている。制御ユニット5は、交流電動機3の動作指令、電動機電流、交流電動機3の回転子の回転角度、回転速度、直流部電圧等の信号を受け取り、これらの情報に基づき電動機制御演算を行い、三相インバータ6の各トランジスタ7a乃至7fを動作させるためのスイッチング信号を生成し、三相インバータ6へ伝送する。
The
以上のように構成された車載用電力変換装置に於いて、電力変換器4内の直流部電圧の情報は、電気的に絶縁され、以下に述べる構成、経路により制御ユニット5へ伝送される。図2は、直流部電圧情報伝送の詳細な構成、経路を示すブロック図であり、図2を用いて直流部電圧情報の伝送について説明する。先ず、電圧検出器10が電力変換器4の直流部電圧を検出し、直流部電圧信号を出力する。この信号は直流部電圧入力インタフェース11へ入力され、予め設定された電圧変化範囲の最大値で規格化された、0.0から1.0を値域とする規格化直流部電圧信号となる。規格化は直流部電圧信号を直流部電圧入力インタフェース11内の増幅回路に通すことで行われる。
In the on-vehicle power converter configured as described above, the information on the DC voltage in the
デルタシグマ変調器45は、規格化直流部電圧信号が入力されると、これを変調して直流部電圧変調信号となす。ここで、デルタシグマ変調器45は、サンプラ51と、減算器52と、加算器53と、遅延器54、56と、1ビット量子化器55と、1ビットD/A変換器57と、増幅回路58と、クロック発振器59、及び分周器60とから構成されている。このデルタシグマ変調器45は、以下のように動作する。
When the standardized DC part voltage signal is input, the
先ず、デルタシグマ変調器45に入力された規格化直流部電圧信号は、サンプラ51によりサンプリング周期Δtmで標本化される。このサンプリング周期Δtmは、制御ユニット5の制御演算部24での電動機制御演算に於ける直流部電圧値の更新単位時間に相当し、電動機制御の制御通過域上限周波数の逆数(=周期)に比べて1/10倍程度以上の短周期に設定され、直流部電圧情報伝送の経過時間による位相の遅れを低減する他、巨視的には電圧値の変化が連続的とみなせるようにされている。
First, the standardized DC voltage signal input to the
次に、減算器52は、標本化後の規格化直流部電圧信号から1ビットD/A変換器57の出力、即ち1ビット量子化器55の出力を1クロック遅延しアナログ量に変換した信号を減算し、加算器53へ伝達する。続いて加算器53は、減算器52の出力と遅延器54の出力を加算し出力する。ここで加算器53と遅延器54は、1クロック前周期の積分結果に今回周期の入力値を加算する離散時間積分器を構成している。
Next, the subtractor 52 delays the output of the 1-bit D / A converter 57 from the standardized DC voltage signal after sampling, that is, the output of the 1-bit quantizer 55 by one clock and converts it into an analog quantity. Is transmitted to the
更に、加算器53の出力は、1ビット量子化器55により閾値0.0との大小比較が行われ、0.0以上(符号がプラス)の場合は論理値「1」が、0.0未満(符号がマイナス)の場合は論理値「−1」が出力される。この1ビット量子化器55の出力は、上記のように遅延器56、1ビットD/A変換器57を通過して減算器52に帰還される。
Further, the output of the
以上の、サンプラ51の入力から1ビット量子化器55の出力までの間の動作は、標本化した入力信号と1クロック前周期の1ビット量子化出力論理を比較し、その差分(量子化誤差)を積分することで、即ち負帰還で積分することで、平均的には量子化誤差がゼロに近付くよう二値論理でパルス密度変調した信号を出力するものとなっている。
The above operation from the input of the
このとき、遅延器54、56は、クロック発振器59が出力するクロック信号に基づき周期Δteを1クロックの単位として遅延処理する。又、サンプラ51は、クロック発振器59からのクロック信号を分周器60で分周した周期Δtmをサンプリング周期として標本化する。即ち、上記のようにサンプリング周期Δtmは、電動機制御の制御通過域上限周波数の逆数(=周期)に比べて1/10倍程度以上の周期に設定し、又、周期Δteの整数倍がサンプリング周期Δtmとなるようクロック信号を生成する。
At this time, the
次に、増幅回路58は、1ビット量子化器55の出力にオフセット量としての論理値「1」を加算後、1/2倍して、値が「1」、「0」の二値で変化するよう変化幅を変換後、論理値「1」に対して電圧レベル「H」が、論理値「0」に対して電圧レベル「L」が、夫々対応するように設定して直流部電圧変調信号となし、デルタシグマ変調器45から出力する。更に、この直流部電圧変調信号は、フォトカプラやトランス等の絶縁通信素子13により電気的に絶縁されて制御ユニット5へ伝送される。
Next, the amplifying
続いて、制御ユニット5内の信号入力インタフェース20は、直流部電圧変調信号を入力し振幅を2倍した後、論理値「1」相当の電圧レベルを減算し復調手段46へ出力する。この処理により、直流部電圧変調信号は、論理値「1」、「−1」に対応した電圧レベルとなるよう設定される。
Subsequently, the
次に、復調手段46は、信号入力インタフェース20を通過した直流部電圧変調信号に基づき、直流部電圧値を復調する。ここで、復調手段46は、サンプラ61、64と、加算器62と、遅延器63、68と、増幅回路65と、クロック発振器66、及び分周器67から構成されており、その詳細な動作は次のようになる。
Next, the
先ず、サンプラ61は、信号入力インタフェース20の出力信号をサンプリング周期Δteで標本化し、その電圧レベルに対応した論理値(「1」か「−1」のいずれか)を加算器62へ出力する。次に、加算器62は、サンプラ61からの論理値と遅延器63の出力を加算し出力する。遅延器63は、加算器62の出力を1クロック遅延し伝送しており、加算器62と遅延器63とは、1クロック前周期の結果に今回周期の入力論理値を加算する論理状態計数器69を構成している。
First, the
更に、加算器62が出力する論理状態計数結果は、サンプラ64によってサンプリング周期Δtmで標本化され、増幅回路65へ伝達の後、Δte/Δtm倍されて直流部電圧値となる。即ち、直流部電圧情報の更新単位時間に当たるサンプリング周期Δtmにわたって直流部電圧変調信号の論理を計数し、論理値「1」、「−1」の分布状態をΔtm毎にまとめ、変調前の直流部電圧を再現(復調)することとなる。この直流部電圧値は、制御演算部24へ伝送されて、電動機制御演算の入力情報として使用される。尚、ここで復調した直流部電圧値は規格化後のものであり、0.0から1.0を値域とする。物理量として直流部電圧値を得るためには、さらに電圧変化範囲の最大値を乗ずる。
Further, the logic state count result output from the
ここで、サンプラ61と遅延器63、68とは、クロック発振器66が出力するクロック信号に基づきデルタシグマ変調器45と同様の周期Δteを1クロックの単位として動作する。又、サンプラ64は、クロック発振器66からのクロック信号を分周器67で分周した周期Δtmをサンプリング周期として、論理状態計数器69の出力を標本化する。
Here, the
一方、論理状態計数器69は、分周器67の出力を遅延器68で1クロックΔteだけ遅延した信号に基づき、周期Δtm毎に計数値をゼロにクリアする。即ち、論理状態計数器69は、周期Δtmを時間範囲として毎周期内の論理状態を計数し、計数結果をサンプラ64が標本化したタイミングの1クロックΔte後に計数値をゼロにクリアして、再び、論理状態の計数を始めるよう動作する。
On the other hand, the
以上説明した直流部電圧情報の変調、復調の動作波形は、図3のように示される。図3に於いて、(a)は変調前の直流部電圧信号と対応する復調後の直流部電圧値を、(b)は復調手段46内での論理状態計数値と復調後の直流部電圧値を、夫々示しており、いずれも横軸は縮尺が共通の時間軸である。 The operation waveforms of the modulation and demodulation of the DC section voltage information described above are shown in FIG. In FIG. 3, (a) shows the DC part voltage value after demodulation corresponding to the DC part voltage signal before modulation, and (b) shows the logic state count value in the demodulating means 46 and the DC part voltage after demodulation. Each value is shown, and in each case, the horizontal axis is a time axis having a common scale.
図3の(a)の特性線Vc1は、信号入力インタフェース11の出力する規格化直流部電圧であり、連続時間で変化する信号である。特性線Vd1は、特性線Vc1をデルタシグマ変調器45内のサンプラ51で周期Δtmにて標本化した標本化後規格化直流部電圧であり、階段状に離散時間で変化する信号である。さらに特性線Vm1は、復調手段46が出力する直流部電圧値の復調結果である。
A characteristic line Vc1 in FIG. 3A is a standardized DC voltage output from the
図3に於いて、時刻Taで標本化された規格化直流部電圧は、周期Δtm後の時刻Ta’に直流部電圧値として復調される。また、時刻Tbで標本化された規格化直流部電圧は周期Δtm後の時刻Tb’に、時刻Tcで標本化された規格化直流部電圧は周期Δtm後の時刻Tc’に、夫々直流部電圧値として復調される。ここで時刻Ta’は時刻Tbに、時刻Tb’は時刻Tcに夫々一致する。信号入力インタフェース11での規格化処理は、デルタシグマ変調器45での変調処理、及び復調手段46での復調処理に比べてはるかに高速に時間遅延が少なく実行されることから、電圧検出器10が検出する直流部電圧は、ほぼ周期Δtm後に復調手段46から直流部電圧値として再現(復調)される。
In FIG. 3, the standardized DC section voltage sampled at time Ta is demodulated as a DC section voltage value at time Ta 'after a period Δtm. Also, the normalized DC section voltage sampled at time Tb is the DC section voltage at time Tb ′ after the period Δtm, and the normalized DC section voltage sampled at time Tc is the DC section voltage at time Tc ′ after the period Δtm. Demodulated as a value. Here, time Ta 'coincides with time Tb, and time Tb' coincides with time Tc. Since the normalization processing at the
又、図3の(b)に示す特性線CNT1は、論理状態計数器69が出力する直流部電圧変調信号の論理状態計数結果をΔte/Δtm倍して表示したものであり、周期Δtm毎にゼロにクリアされて鋸波状の波形となる。特性線Vm1は図3の(a)に示されるものと同じで、サンプラ64が論理状態計数値の鋸波状波形の頂点に対応する時刻Ta’、Tb’、Tc’、‥で標本化し、増幅回路65でΔte/Δtm倍した直流部電圧値の復調結果である。
Also, a characteristic line CNT1 shown in FIG. 3 (b) is obtained by multiplying the logical state counting result of the DC part voltage modulation signal output from the
図4は、直流部電圧情報更新周期のΔtmに時間を拡大した直流部電圧情報の変調、復調の動作波形であり、(a)は変調前の直流部電圧信号を、(b)はデルタシグマ変調器45の積分動作部分の出力(加算器53の出力)を、(c)は直流部電圧変調信号を、(d)は復調手段46内での論理状態計数値と復調後の直流部電圧値を、夫々示しており、いずれも横軸は縮尺が共通の時間軸である。 4A and 4B are operation waveforms for modulation and demodulation of DC part voltage information with the time extended to Δtm of the DC part voltage information update period. FIG. 4A shows a DC part voltage signal before modulation, and FIG. 4B shows a delta sigma. The output of the integration operation part of the modulator 45 (the output of the adder 53), (c) the DC part voltage modulation signal, (d) the logic state count value in the demodulating means 46 and the DC part voltage after demodulation. Each value is shown, and in each case, the horizontal axis is a time axis having a common scale.
図4の(a)に於いて、特性線Vc2は信号入力インタフェース11の出力する規格化直流部電圧、特性線Vd2は特性線Vc2をデルタシグマ変調器45内のサンプラ51で周期Δtmにて標本化した標本化後規格化直流部電圧である。サンプラ51は、時刻TdでVc2を標本化し、次いでΔtm後の時刻Teで標本化しており、時刻Tdから時刻Teまでは時刻Tdで標本化した値が保持される。
In FIG. 4A, the characteristic line Vc2 is a standardized DC voltage output from the
図4の(b)に於いて、特性線Itg2はデルタシグマ変調器45の積分動作部分の出力、図4の(c)に於いて特性線Msig2は直流部電圧変調信号であり、特性線Itg2を1ビット量子化器55に通して閾値0.0と大小比較した結果を二値論理「1」、「−1」で表現した後、増幅回路58に通して電圧レベル「H」と電圧レベル「L」で信号伝送する関係にある。図4に於いて、Itg2が閾値0.0未満でマイナス値の場合に直流部電圧変調信号は電圧レベル「L」であり、Itg2が閾値0.0以上でプラス値の場合に直流部電圧変調信号は電圧レベル[L]である。
In FIG. 4B, the characteristic line Itg2 is an output of the integration operation portion of the delta-
ここで、積分動作、1ビット量子化動作は、1クロック周期Δteを処理単位時間としており、また、Δteの整数倍がΔtmとなるようクロック信号が生成されるため、標本化後規格化直流部電圧の変調信号は、周期Δtmを電圧情報の展開、伝送期間として逐次パルス列として伝送されて行く。このときのΔtmとΔteの比率が変調情報の分解能に相当し、Δtmに対してΔteが小さいほど、変調、復調に起因して復調後の直流部電圧値に発生する誤差は少なく済む。 Here, in the integration operation and 1-bit quantization operation, one clock cycle Δte is used as a processing unit time, and the clock signal is generated so that an integer multiple of Δte becomes Δtm. The voltage modulation signal is sequentially transmitted as a pulse train with the period Δtm as the development and transmission period of the voltage information. The ratio of Δtm and Δte at this time corresponds to the resolution of the modulation information, and the smaller Δte is relative to Δtm, the smaller the error generated in the DC voltage value after demodulation due to modulation and demodulation.
図4の(d)の特性線CNT2は、論理状態計数器69が出力する直流部電圧変調信号の論理状態計数値をΔte/Δtm倍して表示したものであり、特性線Vm2は復調した直流部電圧値である。図4に於いて、時刻Tdでの論理状態計数値が標本化され、併せて復調結果の直流部電圧値が定まる。更に、処理単位時間のΔte後に論理状態計数値は一旦ゼロにクリアされ、再び論理状態の計数をゼロから始める。ここで、復調手段46内のサンプラ61は、直流部電圧変調信号が電圧レベル「H」の場合に論理値「1」を、電圧レベル「L」の場合に論理値「−1」を出力するため、計数はそれぞれ、「1」を加算、「1」を減算(「−1」を加算)することとなる。
The characteristic line CNT2 in FIG. 4D is a display obtained by multiplying the logical state count value of the DC voltage modulation signal output from the
時刻TdからΔtmが経過して時刻Teとなると、再び論理状態計数値が標本化され、これをΔte/Δtm倍して復調結果の直流部電圧値が定まる。ここで、時刻Tdで標本化された規格化直流部電圧は、Δtmの間、変調信号に変換されて信号伝送し、時刻Teで復調される。即ち、Δtmの経過時間でもって制御演算に使用可能な状態に情報伝送される。 When Δtm elapses from time Td and time Te is reached, the logic state count value is sampled again, multiplied by Δte / Δtm, and the DC voltage value of the demodulation result is determined. Here, the standardized DC voltage sampled at time Td is converted into a modulated signal for Δtm, transmitted, and demodulated at time Te. In other words, information is transmitted in a state that can be used for control calculation with an elapsed time of Δtm.
以上説明した構成、動作によって電力変換器4の直流部電圧情報が電気的に絶縁されて伝送し、制御ユニット5内の制御演算部24での算術計算に使用可能な状態となる。
With the configuration and operation described above, the DC voltage information of the
次に、電動機制御演算、及び、トランジスタ7を動作するためのスイッチング信号の生成に関して図を用いて説明する。図5は制御ユニット5内での制御演算の信号の流れを説明するブロック図である。図5に於いて、先ず、制御ユニット5の外部から直流部電圧変調信号、電動機動作指令信号、電動機電流信号、回転信号が入力され、信号入力インタフェース20に伝達される。
Next, motor control calculation and generation of a switching signal for operating the
信号入力インタフェース20は、それぞれの入力信号に対応して、所望の電圧レベルへの変換、信号の立ち上がり、立ち下がり特性の劣化等を回復する波形整形を行った後、直流部電圧変調信号は復調手段46へ、電動機動作指令信号はシリアル通信器22へ、電動機電流信号はA/D変換器21へ、回転信号は回転角度・速度算出手段23へ、夫々伝達される。
The
復調手段46は、先に説明したように直流部電圧値を復調して出力する。シリアル通信器22は、図示していない車載用電力変換装置1の外部装置からシリアル通信で入力する交流電動機3の動作指令信号を受信し、受信データを出力する。又、A/D変換器21は、電動機電流検出器14a、14b、14cが検出する交流電動機3の三相の電動機電流を標本化、量子化してデジタル値に変換し出力する。回転角度・速度算出手段23は、回転検出器15が出力する回転信号に基づき、回転角度、回転速度を算出し出力する。
The demodulating means 46 demodulates and outputs the DC voltage value as described above. The
更に、制御演算部24は、ベクトル制御法に基づく電動機制御演算を行って交流電動機3に印加する交流電圧の指令量を算出する。ここで、制御演算部24は、電流指令生成手段72と、減算器73、74と、d軸電流制御器75と、q軸電流制御器76と、第一座標変換器71、及び第二座標変換器77とにより構成されており、その詳細な動作は次のようになる。
Further, the
先ず、電流指令生成手段72は、復調手段46からの直流部電圧値、シリアル通信器22からの電動機動作指令信号の受信データ、回転角度・速度算出手段23からの回転速度を入力する。電動機動作指令信号の受信データは,交流電動機3の出力トルク指令として復号され、回転速度と合わせて交流電動機3の動作点を定める。また、直流部電圧値から三相インバータ6が出力可能な交流電動機3の端子間電圧(線間電圧)を算出し、これらに基づいて交流電動機3の回転子磁束に一致する方向の目標電流量(d軸電流指令値)と、回転子磁束に直交する方向の目標電流量(q軸電流指令値)を算出する。
First, the
次に、第一座標変換器71は、A/D変換器21からの三相の電動機電流値と回転角度・速度算出手段23からの回転角度に基づき、三相の電動機電流値を交流電動機3の回転子磁束に一致する方向の成分(d軸電流帰還値)と、回転子磁束に直交する方向の成分(q軸電流帰還値)に分解、出力する。続いて、減算器73はd軸電流指令値からd軸電流帰還値を減算しd軸電流誤差として、減算器74はq軸電流指令値からq軸電流帰還値を減算しq軸電流誤差として、夫々出力する。
Next, the first coordinate converter 71 converts the three-phase motor current value into the
次に、d軸電流制御器75は、d軸電流誤差を入力して誤差がゼロとなるように比例積分等の演算を行い、交流電動機3の回転子磁束に一致する方向の目標電圧量(d軸電圧指令値)を算出、出力する。また、q軸電流制御器76はq軸電流誤差を入力して誤差がゼロとなるように比例積分等の演算を行い、交流電動機3の回転子磁束と直交する方向の目標電圧量(q軸電圧指令値)を算出し出力する。続いて、第二座標変換器77はd軸電圧指令値、q軸電圧指令値、及び、回転角度・速度算出手段23からの回転角度に基づき、交流電動機3の端子に印加すべき三相の交流電圧の指令量を算出し出力する。
Next, the d-axis
上記の説明のように、算出された三相の交流電圧の指令量は、復調手段46が出力する直流部電圧値と共にスイッチング信号生成部25に入力される。スイッチング信号生成部25では、直流部電圧値と突き合わせて三相の交流電圧指令量通りの電圧が端子に印加されるよう、パルス幅変調したスイッチング信号を生成する。このスイッチング信号が三相インバータ6内に伝達され、トランジスタ7a乃至7fがスイッチング動作することから、ひいては交流電動機3に所望の電圧が印加されて指令信号にしたがった電動機動作が行われる。
As described above, the calculated command amount of the three-phase AC voltage is input to the
このように実施の形態1による車載用電力変換装置によれば、電力変換器の直流部電圧情報を制御ユニットへ電気的に絶縁して伝送するにあたり、従来の装置のように電力変換器内に高性能なマイクロコントローラを実装して、直流部電圧のA/D変換、通信用データ加工、シリアルデータ通信といった煩雑な処理手続きを経る必要が無く、簡易な構成で低コストに実現可能である。また、電動機制御の通過域上限周波数における直流部電圧情報の伝送経過時間による位相遅れを低減することが容易であり、通過域上限周波数が高い場合であっても制御応答性を良好に保つことが可能である。 As described above, according to the in-vehicle power conversion device according to the first embodiment, when the DC voltage information of the power converter is electrically insulated and transmitted to the control unit, the power converter is provided in the power converter as in the conventional device. By mounting a high-performance microcontroller, it is not necessary to go through complicated processing procedures such as A / D conversion of DC voltage, data processing for communication, and serial data communication, and it can be realized with a simple configuration at low cost. In addition, it is easy to reduce the phase lag due to the transmission time of the DC part voltage information at the upper limit frequency of the motor control pass band, and the control responsiveness can be kept good even when the pass band upper limit frequency is high. Is possible.
更に、直流部電圧情報の伝送路に於ける通信データが、従来技術のように符号化されておらず、いずれの時点の論理値情報を取り出しても残る他の時点の論理値情報と同じ重要度である。このため、伝送路に重畳するノイズによって伝送信号の論理を一時的に誤ったとしても、ノイズ重畳のタイミング次第で直流部電圧値が大きく異なるものとなってしまう懸念がなく、直流部電圧情報の復調においてノイズ耐量を高くすることが可能である。 Furthermore, the communication data on the transmission path of the DC voltage information is not encoded as in the prior art, and is the same as the logical value information at other time points that remains even if the logical value information at any time point is extracted. Degree. For this reason, even if the logic of the transmission signal is temporarily mistaken due to noise superimposed on the transmission line, there is no concern that the DC voltage value will vary greatly depending on the timing of noise superimposition. It is possible to increase noise tolerance in demodulation.
尚、実施の形態1による車載用電力変換装置では、図5に示す制御ユニット5による電動機制御の様態を示したが、別の構成により電動機制御が実現されるものであって良い。
例えば、回転角度、回転速度の帰還情報は、回転検出器15が出力する回転信号に基づき回転角度・速度算出手段23で算出されるが、回転検出器15を備えずに交流電動機3の電気特性から回転角度、回転速度の推定演算を行って、電動機制御演算に用いるようにした回転検出器レス制御等が考えられる。
In addition, in the vehicle-mounted power converter device according to the first embodiment, the mode of the motor control by the
For example, the feedback information of the rotation angle and the rotation speed is calculated by the rotation angle / speed calculation means 23 based on the rotation signal output from the rotation detector 15, but the electric characteristics of the
実施の形態2.
図6は、この発明の実施の形態2に係る車載用電力変換装置を含むシステム全体の構成図であり、図中、図1、図11と同一又は相当部分にはそれと同一符号を付してある。図6に於いて、DC−DCコンバータ36は、直流電源2から入力する電圧を所望の目標出力電圧に変換して電気負荷35に印加する電圧変換回路であって、入力フィルタコンデンサ37と、リアクトル38と、トランジスタ39a、39bと、フライホイールダイオード40a、40b、及び平滑コンデンサ9とから構成される。
FIG. 6 is a configuration diagram of the entire system including the in-vehicle power converter according to
トランジスタ39aのエミッタはトランジスタ39bのコレクタに接続され、フライホイールダイオード40aは、トランジスタ39aに逆並列となるようにそのアノードがトランジスタ39aのエミッタに、カソードがトランジスタ39aのコレクタに接続される。又、フライホイールダイオード40bは、トランジスタ39bに逆並列となるようにそのアノードがトランジスタ39bのエミッタに、カソードがトランジスタ39bのコレクタに接続され、これらトランジスタ39a、39b、フライホイールダイオード40a、40bによりアームが構成される。
The emitter of the
アームの中間点であるトランジスタ39aのエミッタとトランジスタ39bのコレクタの接続部には、リアクトル38の一端が接続され、リアクトル38の他端は、入力フィルタコンデンサ37の一端と供に直流電源2の出力の高電位P0側端子に接続される。又、入力フィルタコンデンサ37の他端は、トランジスタ39bのエミッタと供に直流電源2の出力の低電位N0側端子に接続される。更に、平滑コンデンサ9の一端は、トランジスタ39aのコレクタと共に電力変換器4の高電位P側出力端子として電気負荷35に接続され、平滑コンデンサ9の他端は、トランジスタ39bのエミッタと共に直流電源2の出力の低電位N0側端子と同電位となる低電位N側出力端子として電気負荷35に接続される。
One end of the
トランジスタ39aとトランジスタ39bは、相補にスイッチング動作する。即ち、トランジスタ39aが導通である場合にはトランジスタ39bは非導通である。逆に、トランジスタ39aが非導通である場合にはトランジスタ39bは導通である。トランジスタ39bが導通の場合、トランジスタ39aは非導通であって、逆並列のフライホイールダイオード40aは逆バイアスとなり、トランジスタ39bのコレクタの電位は略直流電源2の低電位N0側端子の電位と等しくなって、リアクトル38には電流が流れてエネルギーが蓄積される。
The
又、トランジスタ39bが非導通の場合、トランジスタ39aは導通であってフライホイールダイオード40bは逆バイアスとなり、リアクトル38に蓄積されたエネルギーは平滑コンデンサ9、電気負荷35へ向けて放出される。このようにトランジスタ39a、39bをスイッチングする一連の動作によって電圧変換が行われる。電力変換器4の出力電圧を所望の目標出力電圧に追従させるため、制御ユニット5は出力電圧制御演算を行い、トランジスタ39a、39bの導通、非導通のデューティを調整するスイッチング信号を生成し出力する。
When the
出力電圧制御演算を行うため、制御ユニット5は、電圧変換動作指令信号と共に電力変換器4の出力側直流部電圧情報が入力される。このとき、直流電源2からの入力電圧を更に昇圧する方向に電圧変換することから、電力変換器4の出力電圧範囲は、40[V]から数百[V]程度となる。これに対して制御ユニット5は、十数[V]以下の電圧範囲で動作する電子回路によって構成されており、電力変換器4と制御ユニット5の間の信号入出力が電気的に絶縁されていないと、電子回路は過電圧により損壊してしまうことになる。
In order to perform the output voltage control calculation, the
従って、実施の形態1の場合と同様に、電力変換器4の出力側直流部電圧情報は図2に示される経路の通り、デルタシグマ変調を施した後に絶縁通信素子を介して変調信号として制御ユニット5へ伝送される。即ち、電圧検出器10が検出する電力変換器4の出力側直流部電圧信号を、直流部電圧入力インタフェース11に通して規格化直流部電圧信号を得、この規格化直流部電圧信号をデルタシグマ変調器45により変調して直流部電圧変調信号を生成する。
Therefore, as in the case of the first embodiment, the output side DC section voltage information of the
直流部電圧変調信号は、絶縁通信素子13を介して制御ユニット5へ伝送され、信号入力インタフェース20に於いて論理値「1」、「−1」に対応した電圧レベルを持つ信号に変換される。更に、復調手段46が直流部電圧変調信号の論理状態を計数し、制御演算部24での算術計算に使用可能なように出力側直流部電圧値を復調する。
The direct current voltage modulation signal is transmitted to the
次に、出力電圧制御演算、及び、トランジスタ39を動作させるためのスイッチング信号の生成に関して、図を用いて説明する。図7は、制御ユニット5内での出力電圧制御演算の信号の流れを説明するブロック図である。図7に於いて、先ず、制御ユニット5の外部から直流部電圧変調信号、及び電圧変換動作指令信号が入力され、信号入力インタフェース20に伝達される。信号入力インタフェース20は、夫々の入力信号に対応して、所望の電圧レベルへの変換、信号の立ち上がり、立ち下がり特性の劣化等を回復する波形整形を行う。その後、直流部電圧変調信号は復調手段46へ、電圧変換動作指令信号はシリアル通信器22へ伝達される。
Next, output voltage control calculation and generation of a switching signal for operating the transistor 39 will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a block diagram for explaining the signal flow of the output voltage control calculation in the
復調手段46は、電力変換器4の出力側直流部電圧値を復調して出力する。シリアル通信器22は、図示していない車載用電力変換装置1の外部装置からシリアル通信で入力されDC−DCコンバータ36の電圧変換動作指令信号を受信し、受信データを出力する。
The demodulating means 46 demodulates and outputs the output side DC voltage value of the
次に、制御演算部24は、出力電圧制御演算を行ってトランジスタ39a、39bのスイッチングのデューティを算出する。ここで、制御演算部24は、電圧指令生成手段81と、減算器82と、電圧制御器83とにより構成されており、その詳細な動作は次のようになる。先ず、電圧指令生成手段81は、シリアル通信器22からの電圧変換動作指令信号の受信データを入力して、電力変換器4の出力電圧指令値を復号し出力する。
Next, the
続いて、減算器82は、出力電圧指令値から復調手段46が出力する出力側直流部電圧値を減算し出力電圧誤差として出力する。次に電圧制御器83は、出力電圧誤差を入力して誤差がゼロとなるように比例積分等の演算を行い、トランジスタ39a、39bのスイッチングの目標デューティを算出し出力する。
Subsequently, the
制御演算部24から出力されるスイッチングの目標デューティは、スイッチング信号生成部25に入力される。スイッチング信号生成部25は、上記目標デューティに基づいて、スイッチング信号を生成する。このスイッチング信号がDC−DCコンバータ36内に伝達され、トランジスタ39a、39bがスイッチング動作することから、電力変換器4の出力電圧が所望の目標出力電圧に追従し一致するよう制御することができる。
The target duty of switching output from the
このように実施の形態2による車載用電力変換装置によれば、電力変換器の出力側直流部電圧情報を制御ユニットへ電気的に絶縁して伝送するに当たり、従来の装置のように電力変換器内に高性能なマイクロコントローラを実装して、直流部電圧のA/D変換、通信用データ加工、シリアルデータ通信といった煩雑な処理手続きを経る必要が無く、簡易な構成で低コストに実現可能である。又、出力電圧制御の通過域上限周波数での出力側直流部電圧情報の伝送経過時間による位相の遅れを低減することが容易であり、通過域上限周波数が高い場合であっても制御応答性を良好に保つことが可能である。 As described above, according to the in-vehicle power conversion device according to the second embodiment, the power converter output side DC section voltage information is electrically insulated and transmitted to the control unit as in the conventional device. A high-performance microcontroller can be installed inside, and there is no need to go through complicated processing procedures such as A / D conversion of DC voltage, data processing for communication, and serial data communication. is there. In addition, it is easy to reduce the phase delay due to the elapsed time of transmission of the output side DC voltage information at the passband upper limit frequency of the output voltage control, and the control response can be improved even when the passband upper limit frequency is high. It is possible to keep it good.
更に、出力側直流部電圧情報の伝送路に於ける通信データは、従来の装置のように符号化されておらず、いずれの時点の論理値情報を取り出しても残る他の時点の論理値情報と同じ重要度である。このため、伝送路に重畳するノイズによって伝送信号の論理を一時的に誤ったとしても、ノイズ重畳のタイミング次第で直流部電圧値が大きく異なるものとなってしまう懸念がなく、直流部電圧情報の復調においてノイズ耐量を高くすることが可能である。 Further, the communication data on the output-side DC section voltage information transmission line is not encoded as in the conventional device, and the logical value information at other time points that remains even if the logical value information at any time point is extracted. Is the same importance. For this reason, even if the logic of the transmission signal is temporarily mistaken due to noise superimposed on the transmission line, there is no concern that the DC voltage value will vary greatly depending on the timing of noise superimposition. It is possible to increase noise tolerance in demodulation.
尚、この実施の形態2による車載用電力変換装置では、図7に示す制御ユニット5による出力電圧制御の様態を示したが、別の構成により出力電圧制御が実現されるものであって良い。例えば、電力変換器4の出力側直流部電圧情報を帰還することに加え、電力変換器4の出力電流、或いは入力電流を帰還して多重帰還制御系を構成するようにしても良く、又、電力変換器4の目標出力電圧値と入力側直流部電圧値の比率に基づくスイッチングデューティの予想値を、電圧制御器83の出力へ加算して補償する構成としても良い。更に、電力変換器の入力側直流部電圧情報を、制御ユニットに電気的に絶縁して伝送する場合であっても、変調、伝送、復調に関して同様な構成、動作で行えば良い。
In the in-vehicle power conversion device according to the second embodiment, the output voltage control by the
尚、以上のべた実施の形態1、及び実施の形態2に係る車載用電力変換装置は、この発明の好適な実施の形態として例示したものであり、必ずしもこの形態どおりの構成、動作に制限されるものではなく、この発明の精神を逸脱しない範囲で別な構成、動作を行うものであっても良いことは勿論である。 The on-vehicle power converters according to the first embodiment and the second embodiment described above are illustrated as preferred embodiments of the present invention, and are not necessarily limited to the configuration and operation according to this embodiment. Of course, other configurations and operations may be performed without departing from the spirit of the present invention.
1 車載用電力変換装置
2 直流電源
3 交流電動機
4 電力変換器
5 制御ユニット
6三相インバータ
7a、7b、7c、7d、7e、7f、39a、39b トランジスタ
8a、8b、8c、8d、8e、8f、40a、40b フライホイールダイオード
9 平滑コンデンサ
10 電圧検出器
11 直流部電圧入力インタフェース
13 絶縁通信素子
14a、14b、14c 電動機電流検出器
15 回転検出器
20 信号入力インタフェース
21、31 A/D変換器
22、33 シリアル通信器
23 回転角度・速度算出手段
24 制御演算部
25 スイッチング信号生成部
26 マイクロコントローラ
27、32 演算処理器
28、34、59、66 クロック発振器
35 電気負荷
36 DC−DCコンバータ
37 入力フィルタコンデンサ
38 リアクトル
45 デルタシグマ変調器
46 復調手段
51 サンプラ
52、73、74、82 減算器
53、62 加算器
54、56、63、68 遅延器
55 1ビット量子化器
57 1ビットD/A変換器
58、65 増幅回路
60、67 分周器
61、64 サンプラ
69 論理状態計数器
71 第一座標変換器
72 電流指令生成手段
75 d軸電流制御器
76 q軸電流制御器
77 第二座標変換器
81 電圧指令生成手段
82 減算器
83 電圧制御器
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