JP2012005246A - 充電制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】充電制御装置は、発電機による充電制御を180°通電モードにより行い、算出した位相角度φ1,φ2によって通電パターンの出力タイミングを制御する。位相切り替わりタイミング(時刻t1)において60°以上の位相角度の変化が生じた場合、位相角度を60°に強制して出力し、その後の進角90°の時点(時刻t2)で位相角度φ2により通電パターンの出力タイミングを制御する。
【選択図】図7
Description
本発明の充電制御装置は、ドライバ回路及び制御回路を備えた構成である。このうちドライバ回路は、三相交流発電機の各相の巻線から出力される三相交流を複数のスイッチング素子で直流に変換してバッテリに供給する機能を有する。また制御回路は、各スイッチング素子に対して通電状態又は非通電状態への切り替えを指示する駆動信号を三相交流と同じ周期で生成するとともに、三相交流発電機の位相を基準として算出した位相角度に基づいて駆動信号の出力タイミングを制御する機能を有する。その上で制御回路は、位相角度の算出結果から駆動信号の出力タイミングが所定の角度以上に変化すると判断した場合、所定の角度に強制した出力タイミングで駆動信号を出力した後に、位相角度の算出結果に基づいて駆動信号を出力する。
図1は、一実施形態の充電制御装置10の構成を概略的に示す図である。この充電制御装置10は、例えば三相交流式の発電機12(ACG)により発電して得られた三相交流を全波整流し、バッテリ24や負荷26に充電電流や出力電流として供給するものである。なお発電機12は、図示しない動力システム(例えば自動二輪車)に搭載されることで、動力システムからの出力(例えばエンジントルク)により駆動されている。
図2は、制御回路32による充電制御の概念を各種の状態変化とともに表すタイミングチャートである。以下、具体的に説明する。
図2中(A):先ず制御回路32は、上記の位置センサ42から出力される位置検出信号に基づき、U相、V相、W相の各相別に位置センサ信号を取得する。このとき発電機12の運転が定常であるとすると、位置センサ信号は図示のように理想的な三相の矩形波状信号として観測することができる。すなわち、各相の位置センサ信号はU相、V相、W相の順に位相が120°ずつずれており、その立ち上がり(上向きエッジ)から立ち下がり(下向きエッジ)までが各相の半周期分(180°)に相当する。
図2中(B):上記の制御回路32には、各MOSFET22Tu,22Tv,22Tw,22Tx,22Ty,22Tzを個別にON又はOFFに切り替える順序を予め規定した通電パターンが通電制御マップとして記憶されている。制御回路32は位置センサ信号の立ち上がり変化又は立ち下がり変化を基準(割り込みトリガ)として通電制御マップを参照し、現在の位置情報に対応する通電パターンを決定する。なおドライバ回路20(三相ブリッジ)の回路構成上、U相、V相、W相の各相別のMOSFET22Tu,22Tv,22Tw,22Tx,22Ty,22Tzは、その一方がONに切り替わるときは必ず他方がOFFに切り替わるものとなっている。
図2中(C):充電制御は、上述した通電パターンの組み合わせを予め「第1〜第6の出力ステージ」として規定し、これら出力ステージを順番に移行させていくロジックを採用している。例えば、U相について位置センサ信号が立ち上がるタイミングから、次にW相について位置センサ信号が立ち下がるまでの区間(位相60°)については、これを「第1出力ステージ」とする。続いて、W相について位置センサ信号が立ち下がるタイミングから、次にV相について位置センサ信号が立ち上がるまでの区間(位相60°)については、これを「第2出力ステージ」とする。また、V相について位置センサ信号が立ち上がるタイミングから、次にU相について位置センサ信号が立ち下がるまでの区間(位相60°)については、これを「第3出力ステージ」とする。続いて、U相について位置センサ信号が立ち下がるタイミングから、次にW相について位置センサ信号が立ち上がるまでの区間(位相60°)については、これを「第4出力ステージ」とする。さらに、W相について位置センサ信号が立ち上がるタイミングから、次にV相について位置センサ信号が立ち下がるまでの区間(位相60°)については、これを「第5出力ステージ」とする。そして、V相について位置センサ信号が立ち下がるタイミングから、次にU相について位置センサ信号が立ち上がるまでの区間(位相60°)については、これを「第6出力ステージ」とすることができる。
図2中(D):その結果、発電機12におけるU相、V相、W相の各相から出力される電流波形は、理想的な三相交流波形として観測される。
次に図4は、制御回路32による位相制御の概念を各種の状態変化とともに表すタイミングチャートである。位相制御は主に、位置センサ信号の立ち上がり又は立ち下がりを基準として制御回路32が位相角度を算出し、その算出結果に基づいてMOSFET22Tu,22Tv,22Tw,22Tx,22Ty,22Tzに対する駆動信号の出力タイミングを制御するものである。
図4中(A):例えば、発電機12に対する電流指令値Irの変化に伴い、制御回路32は進角指令値を決定する。このとき制御回路32は、現在の進角指令値に対応する位相角度φ1(例えば15°)で駆動信号の出力タイミングを制御する。なお、そのときの電流指令値Irによっては遅角指令値が決定される場合もあるが、ここでは進角の場合を一例として説明している。
図4中(B),(C):この場合の出力タイミングは、例えばU相についての位置センサ信号の立ち上がりエッジを基準としたとき、そこから位相角度φ1だけ進めた(前倒しの)タイミングに設定される。この場合、制御回路32は位相角度φ1だけ進めたタイミングで出力ステージを移行(例えば第6→第1へ移行)させつつ、各出力ステージで指定された組み合わせで駆動信号を生成及び出力する。
図4中(D):その結果、発電機12におけるU相、V相、W相の各相の電圧波形は、位置センサ信号よりも位相角度φ1だけ進角した状態で観測される。
ここまでは、進角指令値(位相角度φ1)が変化する前についての説明であるが、進角指令値がある程度の幅をもって変化した場合は以下の現象が発生する。
図4中(A):いま、ある時刻t0で新たな進角指令値が決定され、時刻t1に新たな進角指令値を反映させた場合を想定する。この場合、制御回路32は、例えば次のW相の立ち下がりエッジを基準として新たな進角指令値に対応する位相角度φ2(例えば90°とする)で駆動信号の出力タイミングを制御する。
図4中(B),(C):この場合の出力タイミングは、例えばW相についての位置センサ信号の立ち下がりエッジ(0°)を基準としたとき、そこから位相角度φ2だけ進めたタイミングに設定される。この場合、制御回路32は、位相角度の変化に応じて出力ステージを移行させるが、このとき前回の位相角度φ1から今回の位相角度φ2への変化幅(=75°)が1ステージ分(60°)以上となっている。したがって、ここでは出力ステージの移行順序に飛び越えが発生し、それまでの第6出力ステージから第2出力ステージへの移行となる。その結果、出力ステージの移行に関しては欠落(ここでは第1出力ステージの欠落)が発生したことになる。
図4中(D):発電機12におけるU相、V相、W相の各相の電圧波形は、出力ステージの移行時点から位置センサ信号よりも位相角度φ2だけ進角した状態で観測される。ところが、このとき出力ステージが1つ(第6→第2に)飛んだことで、電圧波形はU相の立ち上がり、W相の立ち下がりが同時に発生するというイレギュラーな変化が観測されることになる。
図5は、上記のような出力ステージ飛びの有無による状態変化の違いを対比して示す図である。以下、それぞれについて対比しつつ説明する。
図5中(A):ここには、第6出力ステージから第1出力ステージへ順番通りに移行した場合の出力電流の流れを示す。第6出力ステージの間は、ドライバ回路20においてMOSFET22Tx,22Ty,22TzがONになり、MOSFET22Tu,22Tv,22TzがOFFになることでバッテリ24や負荷26に電流を供給する。
そして、第6出力ステージから第1出力ステージへ順番通りに移行した場合、図中に太い矢印で示されているように、今度はU相のMOSFET22TuがON、MOSFET22TxがOFFになることで、U相の電流の向きのみが変わる。
図5中(B):これに対し、第6出力ステージから第1出力ステージを飛ばして第2出力ステージへ移行(第1出力ステージが欠落)した場合の出力電流の流れは以下のとおりである。先ず図中に細い矢印で示されているように、第6出力ステージの間は、ドライバ回路20においてMOSFET22Tx,22Ty,22TwがONになり、MOSFET22Tu,22Tv,22TzがOFFである。
そして、第6出力ステージから飛んで第2出力ステージへ移行した場合、図中に太い矢印で示されているように、U相のMOSFET22TuがON、MOSFET22TxがOFF、W相のMOSFET22TwがOFF、MOSFET22TzがONになることで、U相とW相の電流の向きが共に変わる。
図6は、位相制御に際してステージ飛びが発生した場合の状態変化を示したタイミングチャートである。本発明の発明者が実際に検証を行った結果、位相制御中にステージ飛びを発生させたことで以下の現象が観測された。
図6中(C):このとき図中に示される1点鎖線の長円で囲まれているように、U相、V相、W相の全ての相で電流の急激な変化が発生している。本発明の発明者が行った検証によれば、このような電流の急変は、発電機12内の2つ以上の相で同時に電流の向きが変化した場合に起こり得ることが分かっている。このような電流の急変は、例えばMOSFET22Tu,22Tv,22Tw,22Tx,22Ty,22Tzの定格電流を大幅に上回るレベルに達することがあり、素子に深刻なダメージを及ぼす可能性がある。
本発明の発明者は、上記の現象に対する最適な対応策として以下の手法を提供している。図7は、ステージ飛びの現象に対する最適な対応策の第1例を実施した場合の状態変化を示したタイミングチャートである。
図7中(D):その結果、出力ステージの移行に関しては、比較例の場合と違って第1出力ステージの欠落は発生しておらず、位相切り替わり点(時刻t1)で強制的に第6出力ステージから第1出力ステージへの移行が発生している。そして、このような強制的なステージ移行を間に挟んだ後、時刻t2から位相角度φ2に対応する第2出力ステージに移行する制御が完了していることが分かる。
(1)図7中の時刻t0を割り込み時点として、図8のステップS100〜ステップS106までの処理が開始される。
(2)このとき新たな位相角度φnとして、例えば90°が算出される(ステップS102)。なお、前回までの位相角度φn−1は15°である。
(3)位相角度の差が60°以上となったため(ステップS106:Yes)、位相角度φnはφn−1+60°で上書きされる。
(4)位相角度φnより出力時間t2が計算される。
(5)位相角度が60°以上となったため、飛ばされるステージが強制的にセット(ステップS107)され、出力される(ステップS108)。
(6)新たな位相角度に相当するステージは、時刻t1から出力時間t2の経過後に出力される。この結果、時刻t1のタイミングで進角60°の出力を行い、時刻t2のタイミングで90°の出力を行うことになり、ステージ飛びが発生しなくなる。
以上は位相角度の差が60°以上120°未満の場合の例であるが、位相角度が120°以上に変化する場合は以下の現象が発生する。
図9中(A):時刻t0に新たな進角指令値が決定すると、制御回路32は時刻t1の次のエッジ点(t2)より前から新たな進角指令値に対応する位相角度φ2(=135°)で駆動信号の出力タイミングを制御する。
図9中(B),(C):この場合の出力タイミングは、例えばV相についての位置センサ信号の立ち上がりエッジを基準(=0°)としたとき、そこから位相角度φ2だけ進めたタイミングに設定される。この場合、前回の位相角度φ1から今回の位相角度φ2への変化幅が2ステージ分(120°)であるため、それまでの第6出力ステージから2ステージ分(120°)をスキップし、第3出力ステージへの移行となる。その結果、出力ステージの移行に関しては欠落(ここでは第1,第2出力ステージの欠落)が発生したことになる。
図9中(D):U相、V相、W相の各相の電圧波形は、ステージ移行に伴い位置センサ信号よりも位相角度φ2だけ進角した状態で観測される。ところが、このとき出力ステージが2つ(第6→第3に)飛んだことで、電圧波形は第6ステージではU相OFF、V相OFF、W相ONであったのが第3ステージではU相ON、V相ON、W相OFFとなるため、同時にU相及びV相の2つの相が立ち上がり(OFF→ON)、W相が立ち下がる(ON→OFF)というイレギュラーな変化が観測されることになる。したがってこの場合は、3つの相で電流の方向が同時に切り替わる結果、急激に電流が変化するという現象が発生することとなる。
図10は、ステージ飛びの現象に対する最適な対応策の第2例を実施した場合の状態変化を示したタイミングチャートである。この第2例は、特に出力ステージが2つ飛ぶ場合に有効な対応策となる。
〔1〕−(1):時刻t0のタイミングで位相角度φ2が算出される(S102)。
〔1〕−(2):φ2(135°)−φ1(15°)>60°より、ステージ飛びが発生すると判断する(S104,S106:Yes)。
〔1〕−(3):φ1(15°)+60°=φ3(75°)で位相角を決定する(S107)。その後、飛ばされるステージ(この場合は第1ステージ)と75°の進角時間t2を計算する(S110)。
〔2〕−(1):時刻t1のタイミングで、〔1〕−(3)で算出された飛ばされるステージを出力する(S108)。
〔2〕−(2):同時に時刻t1のタイミングで出力時間t2の計測を開始する(S112)。
〔2〕−(3):次の位相角を計算する(この場合、位相角度はφ2で変化しないものとする)(S102)。
〔2〕−(4):φ2(135°)−φ3(75°)>60°より、ステージ飛びが発生すると判断する(S104,S106:Yes)。
〔2〕−(5):φ3(75°)+60°=φ4(135°)で位相角を決定する(S107)。その後、飛ばされるステージ(この場合は第2ステージ)と135°の進角時間t4を計算する(S110)。
〔3〕−(1):時刻t2のタイミングでφ3(75°)の出力を行う(S112)。
〔4〕−(1):時刻t3のタイミングで、〔2〕−(5)で算出された飛ばされるステージを出力する(S108)。
〔4〕−(2):同時に時刻t3のタイミングで出力時間t4の計測を開始する(S112)。
〔4〕−(3):次の位相角を計算する(この場合、位相角度はφ2で変化しないものとする)(S102)。
〔4〕−(4):φ2(135°)−φ4(135°)<60°より、ステージ飛びは発生しないと判断する(S104,106:No)。
〔4〕−(5):φ4(135°)で位相角を決定し、135°の進角時間t6を計算する(S114)。
〔5〕−(1):その後、t4のタイミングでφ4(135°)の出力を行う(S112)。
〔6〕−(1):t5のタイミングで出力時間t6の計測を開始する(S112)。
〔6〕−(2):次の位相角を計算する(この場合、位相角度はφ2で変化しないものとする)(S102)。
〔6〕−(3):φ2(135°)−φ4(135°)<60°より、ステージ飛びは発生しないと判断する(S104,S106:No)。
〔7〕:以下、繰り返しとなる。
図10中(D):その結果、出力ステージの移行に関しては、比較例の場合と違って第1,第2出力ステージの欠落は発生しておらず、位相切り替わり点(時刻t1)で強制的に第6出力ステージから第1出力ステージへの移行が発生し、次に時刻t2でも第1出力ステージから第2出力ステージへの移行が発生している。さらに次のエッジ点(時刻t3)で強制的に第2出力ステージから第3出力ステージへの移行が発生し、次に時刻t4でも第3出力ステージから第4出力ステージへの移行が発生している。このような強制的なステージ移行を間に挟んだ後、時刻t4で第4出力ステージへの移行が行われる結果、最終的に位相角度φ2に到達させる制御が完了していることが分かる。
(1)図10中の時刻t0を割り込み時点として、図8の位相角度制御処理が開始される。
(2)このとき新たな位相角度φnとして、例えば135°が算出される(ステップS102)。なお、前回までの位相角度φn−1は15°である。
(3)位相角度の差が60°以上となったため(ステップS106:Yes)、位相角度φnはφn−1+60°となり、飛ばされるステージを強制的にセットする(ステップS107)。第2例のように位相角度の差が120°の場合、ここで今回の位相φnが135°から75°(φn−1+60°)に書き換えられる。このため第2例では、例えば図8のステップS107の次に今回の位相角度を上書きするステップを追加するものとする。
〔時刻t1〕
(4)t1のタイミングで、(3)でセットした飛ばされるステージを出力する(S108)。同時にt1のタイミングでt2の時間計測を開始する(S112)。
(5)次の位相角φn+1を計算する(このときパラメータに変化がなく、新たな位相角度φnとして同じく135°が算出される。)。なおφn+1は、t3のタイミングで制御に反映される位相角度である(S102)。
(6)位相角度の差が60°以上となったため(ステップS106:Yes)、位相角度φn+1はφn+60°となり、飛ばされるステージを強制的にセットする(ステップS107)。ここで今回の位相φnが135°(φn+60°)に書き換えられる。
(7)φn(75°)の出力を行う(ステップS112)。
(8)図10中の時刻t3(エッジ点)で次の割り込みが発生し、再び図8の位相角度制御処理が開始される。
(9)t3のタイミングで(6)でセットした飛ばされるステージを出力する(S108)。同時にt3のタイミングでt4の時間計測を開始する(S112)。
(10)次の位相角φn+2を計算する(このときパラメータに変化がなく、新たな位相角度φnとして同じく135°が算出される。)。なおφn+2は、t5のタイミングで制御に反映される位相角度である(S102)。
(11)位相角度の差が60°以下となったため(ステップS106:No)、ここで今回の位相φnが135°に書き換えられる(ステップS114)。
(12)φn(135°)の出力を行う(ステップS112)。
〔時刻t5〕
(13)t5のタイミングで出力時間t4の計測を開始する(S112)。
(14)以下、位相制御処理の繰り返しとなる。
12 三相交流発電機
12u,12v,12w 巻線
20 ドライバ回路
22Tu,22Tv,22Tw,22Tx,22Ty,22Tz MOSFET
24 バッテリ
30 制御ユニット
32 制御回路
34 EEPROM
36 RAM
38 出力回路
40 入力回路
42 位置センサ
Claims (4)
- 三相交流発電機の各相の巻線から出力される三相交流を複数のスイッチング素子で直流に変換し、バッテリに供給するドライバ回路と、
前記各スイッチング素子に対して通電状態又は非通電状態への切り替えを指示する駆動信号を前記三相交流と同じ周期で生成するとともに、前記三相交流発電機の位相を基準として算出した位相角度に基づいて前記駆動信号の出力タイミングを制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
位相角度の算出結果から前記駆動信号の出力タイミングが所定の角度以上に変化すると判断した場合、前記所定の角度に強制した出力タイミングで前記駆動信号を出力した後に、位相角度の算出結果に基づいて前記駆動信号を出力することを特徴とする充電制御装置。 - 請求項1に記載の充電制御装置において、
複数の前記スイッチング素子の通電状態及び非通電状態の切り替え順序を前記各相別に予め規定した通電制御マップを記憶する記憶回路をさらに備え、
前記制御回路は、
前記三相交流発電機の回転に伴い前記各相の巻線にそれぞれ対応して設けられた位置センサから出力される位置検出信号を入力し、前記通電制御マップにおいて前記各スイッチング素子が通電状態に切り替わる通電パターンの組み合わせを前記各相の1周期の6等分にあたる60度の位相区分ごとに第1から第6までの序列で循環する6つの出力ステージとして予め規定した上で、前記位置検出信号を基準として前記各出力ステージをその序列の順に移行させながら前記駆動信号を生成するとともに、
位相角度の算出結果に基づいて前記駆動信号の出力タイミングを制御するにあたり、前記序列の順を飛び越えた前記出力ステージに移行させる必要があると判断した場合であっても、前記出力ステージの移行を前記序列の順に強制して前記駆動信号を出力することにより、段階的に位相角度の算出結果に対応した前記出力ステージに移行させることを特徴とする充電制御装置。 - 請求項2に記載の充電制御装置において、
前記制御回路は、
前記位置検出信号に基づいて周期的に位相角度の算出を行い、前記位置検出信号の変化が生じた時点で前回の位相角度の算出結果と最新の位相角度の算出結果との差が60度以上であると判断した場合、次回の位相角度の変化を60度に強制した出力タイミングで前記駆動信号を出力した後、最新の位相角度と60度との差に基づいて前記駆動信号の出力タイミングを制御することを特徴とする充電制御装置。 - 請求項3に記載の充電制御装置において、
前記制御回路は、
前記位置検出信号の変化が生じた切り替わり時点で前回の位相角度の算出結果と最新の位相角度の算出結果との差が60度以上であると判断した場合、
前記切り替わり時点の次に前記位置検出信号の変化が生じる第1中間時点で前記序列の順を飛ばされる前記出力ステージへ強制的に移行させて前記駆動信号を出力する第1手順と、
前記第1中間時点の次に前記位置検出信号の変化が生じる前の第2中間時点で前回の位相角度に60度を加算した中間位相角度の出力タイミングで前記駆動信号を出力する第2手順とを実行し、
前記第2中間時点の次に前記位置検出信号の変化が生じる第3中間時点で前記中間位相角度と最新の位相角度の算出結果との差が60度以上であると判断した場合、
前記第3中間時点でも前記序列の順を飛ばされる前記出力ステージへ強制的に移行させて前記駆動信号を出力する第3手順を実行し、
前記第3手順を実行した結果、強制的に移行させた前記出力ステージでの位相角度と最新の位相角度の算出結果との差が60度未満であれば、前記第3中間時点の次に前記位置検出信号の変化が生じる前の第4中間時点で最新の位相角度の算出結果に基づいて前記駆動信号を出力する第4手順を実行する一方、
前記第3手順を実行した結果、強制的に移行させた前記出力ステージでの位相角度と最新の位相角度の算出結果との差が60度以上であれば、直前の位相角度と最新の位相角度の算出結果との差が60度未満になるまで前記第3中間時点を前記第1中間時点として前記第1手順から前記第3手順を繰り返し実行することを特徴とする充電制御装置。
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