JP2011004540A - 車両用電力変換器の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用電力変換器の制御装置における車両制御手段と変換器制御手段間の通信について高速化、処理負荷低減を図る。
【解決手段】運転指令を受ける車両制御手段１と、該手段１の制御指令に応じて電力変換器５ａ、５ｂを制御する変換器制御手段２ａ、２ｂと、両手段１、２ａ、２ｂを接続するハブ型ネットワーク３１ａ、３１ｂからなり、車両制御手段は、変換器制御手段に対してマルチキャスト通信により制御指令を送信し、変換器制御手段は、車両制御手段、他変換器制御手段に対してマルチキャスト通信により運転状態を送信する。
【選択図】図１

Description

本発明は車両用インバータ、車両用コンバータ及び車両用電源装置等の車両用電力変換器の制御装置に関する。

従来の車両用電力変換器の制御装置は、マスコンからのノッチ指令、応荷重指令、ブレーキ力指令及び主回路の断流器信号等、車両の運転状態を決定するために必要な運転情報により運転状態を決定する車両制御手段と、決定した運転状態に応じて電力変換器を制御する変換器制御手段を、独立した通信制御装置により１対１のシリアル通信にて接続する構成となっている。車両制御手段には複数台の変換器制御手段を接続することが可能で、これにより制御装置に運転情報を伝達する電線を集約し、配線量を低減させることが可能である。

特開平１０−１５５２０１号公報

このような従来の複数台の変換器制御手段を、独立した通信制御装置により１対１のシリアル通信にて接続する構成では、各々の変換器制御手段に同一の運転状態を伝達する場合においても、各々の通信制御装置を制御する必要があり、変換器制御手段の台数が増えることで、車両制御手段の通信処理負荷が増大する問題があった。また、あらかじめ車両制御手段に実装している通信制御装置の数を超える変換器手段を接続する場合には、変換器制御手段の台数に応じて車両制御手段を改造、新規製作する必要がある。

さらに、特許文献１記載の従来技術は、一台の変換器制御手段が電動機の空転又は滑走を検知した場合、車両制御手段に空転又は滑走データを送信し、受信した車両制御手段が他の変換器制御手段に電流指令値を低減させる指令データを送信する方式としているため、一台の変換器制御手段が空転又は滑走を検知した時点から、他の変換器制御手段が指令データを受信するまで、車両制御手段を介す分の遅延が発生する問題もある。

上記課題は、車両制御手段と変換器制御手段をハブ型のイーサネット（登録商標）により接続することで解決される。車両制御手段は、複数台の変換器制御手段に送信する指令データを、１つの送信データにまとめてマルチキャストすることにより、送信処理を集約することが可能となる。

また、車両制御手段に実装している通信制御装置の数を超える変換器制御手段を接続する場合には、スイッチングハブ装置の追加により通信制御装置の増設が可能となり、車両制御手段の変更が不要となる。一台の変換器制御手段が電動機の空転又は滑走を検知した場合、検知した変換器制御手段が車両制御手段の通信制御を介さず、直接他の変換器制御手段に電動機の制御状態を送信することができる。

以上説明したように、本発明によれば、ハブ型ネットワークによって車両制御手段と変換器制御手段を接続することにより、変換器制御手段の台数によらずネットワークを構成することが可能となる。また、車両制御手段と変換器制御手段を分離して車両に実装することが可能となり、車両制御手段を車両情報制御装置に集約することが可能である。

車両制御手段から変換器制御手段に電動機のトルク指令を与えることにより、変換器制御手段は、電動機電流目標値の演算処理を省略することが可能となる。

車両制御手段から変換器制御手段に電動機の電流指令を与えることにより、インバータ装置の制御対象である電動機電流を制御指令とすることで、制御上の無駄な処理を省略することが可能となる。

車両制御手段が複数台の変換器制御手段に個別の制御指令を渡すことにより、各々の変換器制御手段が制御対象の電動機を独立して制御することが可能となり、車両全体の制御性能の向上が期待できる。

変換器制御手段が他変換器制御手段に運転状態を送信する場合において、車両制御手段のマイコン処理を介さず直接送信することが可能となり、空転・滑走制御性能の向上が期待できる。

車両制御手段はハブ型ネットワークに接続された複数台の変換器制御手段に対して、１回のマルチキャスト通信により制御指令の送信が可能であるため、従来の各々の変換器制御手段に送信する方式と比較して、通信処理負荷を低減することが可能となる。

ハブ型ネットワークに加え、故障情報連絡用の通信手段を備えることにより、変換器制御手段が検知した故障情報を速やかに車両制御手段に送信することが可能となり、信頼性の向上が期待できる。

インバータ装置用変換器制御手段、コンバータ装置用変換器制御手段、電源装置用変換器制御手段を一台の車両制御手段にハブ型ネットワークに接続することにより、車両情報制御装置からの運転指令の集約が可能となり、車両内の制御配線数を低減することができる。

図１は本発明の一実施形態による車両用電力変換器の制御装置である。 図２は本発明の制御指令の処理を説明する図である。 図３は本発明の変換器制御手段が運転状態を送信する方法を説明する図である。 図４は本発明のコンバータ装置、インバータ装置、電源装置を制御する場合の構成図である。

以下、発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態による車両用電力変換器の制御装置を示す。なお、本実施形態では２台のインバータ装置を駆動する場合について説明する。

本実施形態において、車両制御手段１は、マイコン１０、車両情報制御装置インタフェース１１、イーサネット（登録商標）インタフェース１２、スイッチングハブ１３、デジタル出力インタフェース１４、デジタル入力インタフェース１５からなり、車両情報制御装置インタフェース１１に車両情報制御装置３より出力される運転指令２２を入力し、デジタル入力インタフェース１５に断流器４の接点信号２４及び変換制御手段２ａ、２ｂの故障信号３２ａ、３２ｂを入力する。

マイコン１０は、運転指令２２、接点信号２４および故障信号３２ａ、３２ｂより断流器状態、制御指令を決定する。ここで決定した断流器状態によりデジタル出力インタフェース１４から断流器４に駆動信号２３を出力し、決定した制御指令をイーサネットインタフェース１２、スイッチングハブ１３を介してイーサネット信号３１ａ、３１ｂを変換器制御手段２ａ、２ｂのイーサネットインタフェース１９ａ、１９ｂに出力する。

次に、２台の変換器制御手段２ａ、２ｂは、マイコン１６ａ、１６ｂ、アナログ入力インタフェース１７ａ、１７ｂ、デジタル出力インタフェース１８ａ、１８ｂ、イーサネットインタフェース１９ａ、１９ｂ、パルスインタフェース２０ａ、２０ｂ、ロジック回路２１ａ、２１ｂからなり、マイコン１６ａ、１６ｂはイーサネットインタフェース１９ａ、１９ｂを介してイーサネット信号３１ａ、３１ｂから制御指令を取り込む。

マイコン１６ａ、１６ｂは、ロジック回路２１ａ、２１ｂを介してＰＷＭパルス信号３０ａ、３０ｂを出力し、インバータ装置５ａ、５ｂを駆動する。これにより３相誘導電動機６ａ、６ｂの回転速度が制御される。３相誘導電動機６ａ、６ｂの回転速度は、パルス発生器７ａ、７ｂで速度に比例したパルス列２９ａ、２９ｂに変換し、パルスインタフェース２０ａ、２０ｂを介してマイコン１６ａ、１６ｂに入力する。速度センサレス制御の場合は、電動機電流より電動機の回転速度を推定するため、パルス発生器７ａ、７ｂを省略することが可能である。

また、電流検出器８ｕａ、８ｖａ、８ｗａ及び８ｕｂ、８ｖｂ、８ｗｂで検出した電動機電流２６ａ、２７ａ、２８ａ及び２６ｂ、２７ｂ、２８ｂと、電圧検出器９ａ、９ｂで検出したインバータ装置５ａ、５ｂの直流電源電圧２５ａ、２５ｂはアナログ入力インタフェース１７ａ、１７ｂを介してマイコン１６ａ、１６ｂに入力する。電動機電流は、２相分の電流値を足し合わせ反転させることにより残り１相の電流値を得られるため、電流検出器は１電動機あたり２個に省略可能である。

変換器制御手段２ａ、２ｂは、ＰＷＭパルス信号３０ａ、３０ｂの異常をロジック回路２１ａ、２１ｂが検知した場合、電動機電流２６ａ、２７ａ、２８ａ及び２６ｂ、２７ｂ、２８ｂの過大を電流検出器８ｕａ、８ｖａ、８ｗａ及び８ｕｂ、８ｖｂ、８ｗｂが検出した場合など、迅速な保護動作が必要となる故障が発生した場合、ロジック回路２１ａ、２１ｂによりＰＷＭパルス信号３０ａ、３０ｂを停止すると共に、デジタル出力インタフェース１８ａ、１８ｂを介して故障信号３２ａ、３２ｂを出力する。

車両制御手段１は、デジタル入力インタフェース１５に故障信号３２ａ、３２ｂを入力し、断流器４の駆動信号２３を制御してインバータ装置５ａ、５ｂに供給する電源を切り離す。

変換器制御手段２ａ、２ｂは、イーサネット信号３１ａ、３１ｂから他変換制御手段の故障状態を検知し、該当インバータ装置５ａ、５ｂのＰＷＭパルス信号３０ａ、３０ｂを停止する。

以下、車両制御手段の制御指令伝送方法について図２を用いて説明する。車両制御手段１のマイコン１０は、運転指令２２、接点信号２４および故障信号３２ａ、３２ｂより、変換器制御手段２ａ、２ｂに送信する制御指令３３を決定する。制御指令３３は、変換器制御手段２ａ、２ｂに共通して伝送する共通制御指令３４、変換器制御手段２ａに伝送するＡ系制御指令３５および変換器制御手段２ｂに伝送するＢ系制御指令３６から構成する１つのパケットである。

マイコン１０は、決定した制御指令３３をイーサネットインタフェース１２、スイッチングハブ１３を介してマルチキャスト通信でイーサネット信号３１ａ、３１ｂに出力する。変換器制御手段２ａのマイコン１６ａは、イーサネットインタフェース１９ａを介してイーサネット信号３１ａから制御指令３３を取り込み、共通制御指令３４、Ａ系制御指令３５に基づき制御を実行する。変換器制御手段２ｂのマイコン１６ｂは、イーサネットインタフェース１９ｂを介してイーサネット信号３１ｂから制御指令３３を取り込み、共通制御指令３４、Ｂ系制御指令３６に基づき制御を実行する。

以下、変換器制御手段の運転状態伝送方法について図３を用いて説明する。変換器制御手段は、制御対象の電動機に接続された車輪の空転又は滑走を検知した場合、該当電動機の出力トルクを低減させると共に、他変換器制御手段に対し他変換器制御手段の制御対象である電動機の出力トルクを低減させるよう該当電動機の運転状態を伝送する。

変換器制御手段２ａのマイコン１６ａは、パルスインタフェース２０ａを介してパルス列２９ａを入力して３相誘導電動機６ａに接続された車輪の回転速度を演算する。マイコン１６ａは、車輪の回転速度の急峻な変化により３相誘導電動機６ａに接続された車輪の空転又は滑走を検知した場合、空転又は滑走状態から回復するようインバータ装置５ａのＰＷＭパルス信号３０ａを制御して３相誘導電動機６ａのトルクを低下させるとともに、インバータ装置５ａの運転状態（Ａ系運転状態３７）をイーサネットインタフェース１９ａを介してイーサネット信号３１ａに出力する。

車両制御手段１のマイコン１０は、スイッチングハブ１３、イーサネットインタフェース１２を介してイーサネット信号３１ａからＡ系運転状態３７を入力する。変換器制御手段２ｂのマイコン１６ｂは、スイッチングハブ１３、イーサネットインタフェース１９ｂを介した通信経路３８よりイーサネット信号３１ｂからＡ系運転状態３７を入力し、変換器制御手段２ａが空転又は滑走により出力トルクを低減させる運転状態であった場合、インバータ装置５ｂのＰＷＭパルス信号３０ｂを制御して３相誘導電動機６ｂのトルクを低下させる。

ここで、マイコンの処理時間をｔ１、車両制御手段１と変換器制御手段２ａ、２ｂとのイーサネット通信に要する時間をｔ２とした場合、従来の制御装置では変換器制御手段２ａが空転又は滑走を検知した場合、変換器制御手段２ｂが変換器制御手段２ａの運転状態３７を受信するまでの時間は、変換器制御手段２ａのマイコン１６ａが送信処理する時間ｔ１、車両制御手段１のイーサネットインタフェース１２がイーサネット信号３１ａを受信する時間ｔ２、車両制御手段１のマイコン１０が受信処理する時間ｔ１、車両制御手段１のマイコン１０が送信処理する時間ｔ１、変換器制御手段２ｂのイーサネットインタフェース１９ｂがイーサネット信号３１ｂを受信する時間ｔ２、変換器制御手段２ｂのマイコン１６ｂが受信処理する時間ｔ１の延べｔ１×４＋ｔ２×２の時間が必要となる。

本発明の制御装置によれば、変換器制御手段２ｂが変換器制御手段２ａの運転状態３７を受信するまでの時間は、変換器制御手段２ａのマイコン１６ａが送信処理する時間ｔ１、変換器制御手段２ｂのイーサネットインタフェース１９ｂがイーサネット信号３１ｂを受信する時間ｔ２、変換器制御手段２ｂのマイコン１６ｂが受信処理する時間ｔ１の延べｔ１×２＋ｔ２の時間となり、従来の方式と比較して大幅に通信時間を低減することが可能である。

以上説明した車両用電力変換器の制御装置では、車両用インバータを制御対象とした。以下、本発明の車両用電力変換器の制御装置によって車両用インバータ、車両用コンバータ及び車両用電源装置を制御する場合の構成について図４を用いて説明する。

電源装置５１、コンバータ装置５２、インバータ装置５３を制御する車両用電力変換器の制御装置は、電源装置用変換器制御手段４２、コンバータ装置用変換器制御手段４３、インバータ装置用変換器制御手段４４、車両制御手段３９からなり、制御対象となる電力変換器に１台ずつ変換器制御手段を備えた構成となる。各々の変換器制御手段は、イーサネットインタフェース４５、４６、４７を介し、イーサネット信号４８、４９、５０で車両制御手段３９のスイッチングハブ４０、イーサネットインタフェース４１と接続される。車両制御手段３９は、車両情報制御装置５４からの運転指令５５に基づき、各々の変換器制御手段の制御指令を決定し、イーサネットインタフェース４１、スイッチングハブ４０を介してイーサネット信号４８、４９、５０を出力する。

なお、本実施形態では、インバータ装置、コンバータ装置、電源装置を１台ずつの計３台を制御する構成にて説明したが、本発明は、ハブ型ネットワークを採用しているため、ネットワークに接続する制御手段の台数に応じてスイッチングハブ装置を増設することにより、制御対象となる装置が何台であっても構成は可能である。

１ 車両制御手段
２ａ 変換器制御手段
２ｂ 変換器制御手段
３ 車両情報制御装置
４ 断流器
５ａ インバータ装置
６ａ ３相誘導電動機
６ｂ ３相誘導電動機
７ａ パルス発生器
７ｂ パルス発生器
８ｕａ 電流検出器
８ｖａ 電流検出器
８ｗａ 電流検出器
８ｕｂ 電流検出器
８ｖｂ 電流検出器
８ｗｂ 電流検出器
９ａ 電圧検出器
９ｂ 電圧検出器
１０ マイコン
１１ 車両情報制御装置インタフェース
１２ イーサネットインタフェース
１３ スイッチングハブ
１４ デジタル出力インタフェース
１５ デジタル入力インタフェース
１６ａ マイコン
１６ｂ マイコン
１７ａ アナログ入力インタフェース
１７ｂ アナログ入力インタフェース
１８ａ デジタル出力インタフェース
１８ｂ デジタル出力インタフェース
１９ａ イーサネットインタフェース
１９ｂ イーサネットインタフェース
２０ａ、パルスインタフェース
２０ｂ パルスインタフェース
２１ａ ロジック回路
２１ｂ ロジック回路
２２ 運転指令
２３ 駆動信号
２４ 接点信号
２５ａ 直流電源電圧
２５ｂ 直流電源電圧
２６ａ 電動機電流
２６ｂ 電動機電流
２７ａ 電動機電流
２７ｂ 電動機電流
２８ａ 電動機電流
２８ｂ 電動機電流
２９ａ パルス列
２９ｂ パルス列
３０ａ ＰＷＭパルス信号
３０ｂ ＰＷＭパルス信号
３１ａ イーサネット信号
３１ｂ イーサネット信号
３２ａ 故障信号
３２ｂ 故障信号

Claims (9)

1. 力行又はブレーキの運転指令に基づき車両の電動機の加減速度を制御するための制御指令を決定する車両制御手段と、決定した前記制御指令に応じて電力変換器を制御する変換器制御手段を備え、前記車両制御手段と前記変換器制御手段をハブ型ネットワーク通信手段で接続することを特徴とする車両用電力変換器の制御装置。
2. 請求項１に記載の車両用電力変換器の制御装置において、前記車両制御手段から前記変換器制御手段へ渡す制御指令は、電動機のトルク指令であることを特徴とする車両用電力変換器の制御装置。
3. 請求項１に記載の車両用電力変換器の制御装置において、前記車両制御手段から前記変換器制御手段へ渡す制御指令は、電動機の電流指令であることを特徴とする車両用電力変換器の制御装置。
4. 請求項１に記載の車両用電力変換器の制御装置において、前記車両制御手段は、複数台の前記変換器制御手段と接続し、それぞれの前記変換器制御手段に対して個別の制御指令を渡すことを特徴とする車両用電力変換器の制御装置。
5. 請求項１に記載の車両用電力変換器の制御装置において、複数台の前記変換器制御手段を有し、前記変換器制御手段は、前記車両制御手段および他の前記変換器制御手段に対し、電動機の制御状態をハブ型ネットワーク通信手段により直接送信することを特徴とする車両用電力変換器の制御装置。
6. 請求項１に記載の車両用電力変換器の制御装置において、複数台の前記車両制御手段、または、複数台の前記変換器制御手段に送信するデータをマルチキャスト通信することを特徴とする車両用電力変換器の制御装置。
7. 請求項１に記載の車両用電力変換器の制御装置において、前記車両制御手段と前記変換器制御手段を前記ハブ型ネットワーク通信手段に加え、故障情報連絡用の通信手段を備えたことを特徴とする車両用電力変換器の制御装置。
8. 請求項１に記載の車両用電力変換器の制御装置において、前記変換器制御手段は車両用インバータに加えてコンバータの制御を行うことを特徴とする車両用電力変換器の制御装置。
9. 請求項１に記載の車両用電力変換器の制御装置において、前記変換器制御手段は車両用インバータに加えて車両用電源装置の制御を行うことを特徴とする車両用電力変換器の制御装置。

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