JP2012005246A - 充電制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】三相交流発電機を用いてバッテリを充電するにあたり、位相制御上の要求に対して適切な通電制御を行いつつ、電流の急激な変動を抑える。
【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

本発明は、三相交流発電機からの出力を三相ブリッジで整流してバッテリを充電する充電制御装置に係り、特に三相ブリッジの各スイッチング素子に対する駆動信号の出力タイミングを適切に制御する充電制御装置に関する。
一般に出力ドライバは、例えば6つの半導体スイッチング素子(FET、IGBT、サイリスタ等)を組み込んだ全波整流三相ブリッジ回路を有しており、各スイッチング素子はACG(三相交流発電機)のU相、V相、W相の各相のステータコイルに対応して2つずつ配置されている(特許文献1参照)。また、ACGには位置センサが取り付けられており、この位置センサから検出信号が出力ドライバに取り込まれる。そして、各スイッチング素子のON又はOFFの切り替えを制御回路(例えばPIC)で個別に制御することにより、ACGから出力される三相交流を直流に変換してバッテリや負荷に供給することができる。
出力ドライバによる制御は、各スイッチング素子(例えばFET)への通電電圧(駆動信号)を位置検出信号の立ち上がり又は立ち下りを基準としてセットし、各スイッチング素子を予め決まった順序でON又はOFFに切り替えることで実現されている。これにより、U相、V相、W相の各コイルから決まった順序で電流が入力され、必要な電流をバッテリや負荷に供給することができる。このとき、各スイッチング素子に対する出力電流の通電は、各相について半周期(180°通電モード)に制御されており、このような通電を120°の位相差で繰り返すことで定常的な三相全波整流が実現されている。
特開2007−181364号公報
上述した出力ドライバにおいて、各スイッチング素子に対する通電のタイミングは、例えば予め準備された通電制御マップを用いてマイコンにより最適に制御する手法が一般的である。また通電制御においては、バッテリの充電状態や負荷の変動によって必要な電流が変動すると、各スイッチング素子に対する通電のタイミングを変化(進角又は遅角)させる位相制御が行われている。位相制御は各相の位置検出信号に対して、コイルからの出力をバッテリや負荷に通電させるタイミング(各相に対応するスイッチング素子の通電タイミング)を進角又は遅角させる制御手法である。通常、ここで行う位相制御は、その位相角の変化が60°の範囲内であれば、各相のスイッチング素子に対する通電の順序が規則的に変化していくため、制御上で特段の不具合は生じない。
しかしながら、位相角度を60°以上に変化させる必要が生じると、各相のスイッチング素子に対して予め決められた通電順序が不規則に変化してしまうことになる。この場合、60°以上の位相角度の変化前と変化後では、特定の2相(例えばU相とW相)のコイルで同時に電流の流れる方向が入れ替わり、その結果、全相のコイルから出力される電流が急激に変動(例えば過電流が発生)する可能性があることから、その実行には極めて大きな困難を伴うことになる。
そこで本発明は、三相交流発電機を用いてバッテリを充電するにあたり、位相制御上の要求に対して適切な通電制御を行いつつ、電流の急激な変動を抑える技術の提供を課題とする。
上記の課題を解決するため、本発明は以下の解決手段を採用する。
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。
本発明の充電制御装置は、位相制御に際して大幅な位相角度の変化(所定の角度以上の変化)が生じると判断した場合、そのまま単に算出結果として得られた位相角度への変更を行うのではなく、事前に位相角度の変化を所定の角度に強制して駆動信号を出力する制御を実行しておき、その後で位相角度の算出結果に基づいて駆動信号を出力することとしている。これにより、位相制御の計算上では大幅に位相角度が変化することがあっても、実用上は常に所定の角度以上に位相角度を変化させない規制がかかることになる。したがって、ドライバ回路内では各相のスイッチング素子に対する通電の順序が不規則に変化しないことから、上述したような電流の方向が反転することによる急激な電流の変化(過電流)が生じることはない。
本発明の充電制御装置は、複数の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ることができる。そして制御回路は、三相交流発電機の回転に伴い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、通電制御マップにおいて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、位置検出信号を基準として各出力ステージをその序列の順に移行させながら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駆動信号の出力タイミングを制御するにあたり、序列の順を飛び越えた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、出力ステージの移行を序列の順に強制して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出力ステージに移行させる。
上記の態様のように、三相交流発電機の各相からの出力を180°通電モードで整流しながらバッテリに供給する場合、各相のスイッチング素子の通電パターンを60°の位相区分ごとに入れ替えることで、出力ステージが順繰りに変化していくことになる。ただし、位相角度の切り替わりによってその変動幅が60°以上になってしまうと、出力ステージの移行順序がイレギュラーとなり、上述したように2つの相で電流の向きが同時に入れ替わるといった現象が発生し得る。
そこで本発明では、位相制御に関して出力ステージの移行順序がイレギュラーとなることが判明した場合、出力ステージが移行できる先を序列の順だけに制限することで、いきなり出力ステージの移行順序を飛ばすことなく、段階的に出力ステージを移行させながら目標の出力ステージまで到達させることとしている。これにより、出力ステージ移行の前後で急激に電流が変化するといった現象が発生するのを防止し、適切な位相制御を実現することが可能となる。
あるいは上記の制御回路は、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、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駆動信号の出力タイミングを制御することもできる。
通常、U相、V相、W相の位置検出信号は一周期内で60°ごとに6回の立ち上がり変化又は立ち下がり変化が発生することから、制御回路による位相角度の算出は6分の1周期(=60°)で行われることになる。その一方で制御回路は、位置検出信号の変化を基準として、6分の1周期で各スイッチング素子に対する駆動信号の出力を順番に(出力ステージの序列で)制御している。ところが、ある変化の時点で60°以上に位相角度の算出結果が変化してしまうと、そのままでは駆動信号を出力する順番が不規則となり、上述した出力ステージの移行順序が飛ばされることになる。
そこで本発明では、算出結果として位相角度の変化(前回の位相角度と最新の位相角度との差)が60°以上であった場合、そのまま最新の位相角度で駆動信号の出力タイミングを制御してしまうのではなく、一度に変化できる位相角度を60°までに制限することで、駆動信号を出力する順番が不規則になるのを防止している。そしてこの場合、既に60°分の位相角度を変化させているため、例えば次に位置検出信号の変化が生じた時点では、残りの差を位相角度の変化量として駆動信号の出力タイミングを制御するだけでよい。これにより、位相角度の大幅な変化による電流の急激な変化を防止しつつ、適切な位相制御を実現することができる。なお上記の制御手法は、位相角度が60°〜120°未満の範囲内で変化する場合に好適する。
また制御回路は、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、切り替わり時点の次に位置検出信号の変化が生じる第1中間時点で序列の順を飛ばされる出力ステージへ強制的に移行させて駆動信号を出力する第1手順と、第1中間時点の次に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駆動信号を出力する第2手順とを実行し、第2中間時点の次に位置検出信号の変化が生じる第3中間時点で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、第3中間時点でも序列の順を飛ばされる出力ステージへ強制的に移行させて駆動信号を出力する第3手順を実行し、第3手順を実行した結果、強制的に移行させた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、第3中間時点の次に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駆動信号を出力する第4手順を実行する。一方で制御回路は、第3手順を実行した結果、強制的に移行させた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度未満になるまで第3中間時点を第1中間時点として第1手順から第3手順を繰り返し実行することもできる。
この場合の制御は以下の手順を追って実行される。先ず、切り替わり時点で前回の位相角度と最新の位相角度との差が例えば120°であったとすると、制御回路は、(1)次に位置検出信号の変化が生じる時点(第1中間時点)では、飛ばされる出力ステージへ強制的に移行させて駆動信号の出力タイミングを制御する。これにより、計算上で位相角度差が120°となっても出力ステージは序列の順に移行し、途中のステージ飛びが抑えられる。(2)次に制御回路は、第1中間時点の次に位置検出信号の変化が生じる前の時点(第2中間時点)では、第1中間時点での位相角度に60°を加算した中間位相角度で駆動信号の出力タイミングを制御する。これにより、第2中間時点では、直前の位相角度に60°を加算した中間位相角度に基づいて駆動信号の出力タイミングが制御される。したがって、ここでも出力ステージは序列の順に移行する。
次に(3)第3中間時点で、先の中間位相角度と最新の位相角度との差が未だ60°以上であれば、制御回路は第2中間時点でも飛ばされる出力ステージへ強制的に移行させて駆動信号の出力タイミングを制御する。これは、第2中間時点で加算した60°分の変化量に対し、さらに60°分の変化量を加算した位相角度を設定したことに相当する。この結果、(4)第4中間時点で位相角度差が60度未満になっていれば、制御回路は最新の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。これにより、位相角度が例えば120°以上に変化する場合であっても、上記(1)〜(4)の手順を経て本来の序列の順に出力ステージを移行させ、急激な電流の変動が生じるのを確実に防止することができる。一方、手順の(3)を実行してもなお、位相角度差が60度以上であれば、制御回路は以後も位相角度差が60度未満になるまで(1)〜(3)を繰り返し実行し、位相角度差が60度未満になった時点で手順の(4)を実行する。
この点、従来一般的な制御手法では、120°もの大幅な位相角度の変化に対応することができず、位相制御そのものが不可能な領域であったが、本発明では120°以上の変化があっても目標の位相角度にまで安全に到達させることができ、それだけ制御の可能領域を拡張することができる。
本発明の充電制御装置は、120度以上に位相角度が変化する場合であっても、実用上の不具合を生じることなく円滑に位相制御を実行することができる。
一実施形態の充電制御装置の構成を概略的に示す図である。 制御回路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。 第1出力ステージで充電制御を行った場合の発電機からの出力電流(ACG出力)の流れを示す図である。 制御回路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。 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。 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。 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。 制御回路において実行される位相角度制御処理の手順例及び出力処理の手順例を示すフローチャートである。 位相制御に際して2つのステージ飛びが発生した場合の状態変化を本実施形態に対する比較例として提示したタイミングチャートである。 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。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
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。
発電機12は、例えばU相、V相、W相の巻線(ステータコイル等)12u,12v,12wを有する他、図示しないロータとして永久磁石(マグネット)を有している。なお永久磁石は、U相、V相、W相の巻線12u,12v,12wにそれぞれ対応して3つずつ設けられている。また図示しないロータは、例えばエンジンのクランク軸に接続されており、エンジントルクを用いたロータの回転により、発電に必要な動力が得られるものとなっている。
上記の充電制御装置10は、主にドライバ回路20及び制御ユニット30を備えている。このうちドライバ回路20は、例えば6つのスイッチング素子であるMOSFET22Tu,22Tv,22Tw,22Tx,22Ty,22Tzを用いた三相ブリッジを構成している。
ドライバ回路20の端子(図示していない)にはバッテリ24及び負荷26(例えば点火装置、灯火類等)が接続されている。
制御ユニット30は、例えば中央処理装置(CPU)である制御回路32を有している。制御回路32(内蔵ROM等の記憶回路)制御プログラムが格納されている他、各MOSFET22Tu,22Tv,22Tw,22Tx,22Ty,22Tzに対する通電パターンを予め定めた通電制御マップや、バッテリ24の充電に際して位相制御に必要な位相角テーブル等が格納されている。なお、制御プログラムや通電制御マップについては、それぞれ例を挙げてさらに後述する。
制御ユニット30は、外部インタフェースとして出力回路38及び入力回路40を備えている。制御ユニット30は、上記の出力回路38を通じて各MOSFET22Tu,22Tv,22Tw,22Tx,22Ty,22Tzに対する駆動信号を出力し、それぞれ通電(ON)又は非通電(OFF)への切り替えを行う。
また制御ユニット30は、入力回路40から外部信号として発電機12に対する電流指令値Irを受信するほか、バッテリ24の電圧信号Vbattを受信する。なおこれら外部信号は、発電機12が搭載された動力システムの制御信号として制御ユニット30に供給されている。
その他にも、例えば動力システムにおいて、発電機12には位置センサ42が設けられている。この位置センサ42は、例えばホール素子や磁気抵抗素子を用いた磁気センシングデバイスである。位置センサ42は発電機12(ロータ)の回転に伴い、各相の巻線12u,12v,12wにそれぞれ対応するロータの位置検出信号を出力する。
〔基本的な制御例〕
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。
〔位置センサ信号〕
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。
〔通電制御マップ〕
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。
〔出力ステージ〕
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。
発明の最適な実施に資するため説明を補足すると、例えば上記の「第1出力ステージ」では、図2中(B)の通電パターンとしてMOSFET22Tu,22Ty,22TwがONであり、MOSFET22Tx,22Tv,22TzがOFFである組み合わせが指定されている。この場合、制御回路32は指定された組み合わせで駆動信号を生成し、出力回路38を通じて各MOSFET22Tu,22Tv,22Tw,22Tx,22Ty,22TzのON又はOFFの状態を制御する。制御回路32は、上記の出力ステージを第1〜第6の循環する序列で(順繰りに)移行させつつ、それぞれの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。なおここでは便宜上、位相角度(進角量)を0°としている。
〔出力電流波形〕
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。
図3は、第1出力ステージで充電制御を行った場合の発電機12からの出力電流(ACG出力)の流れを示す図である。この場合、ドライバ回路20ではMOSFET22Tu,22Ty,22TwがONになり、MOSFET22Tx,22Tv,22TzはOFFになることで、U相及びW相の巻線12u,12wから端子12a,12bを経てそれぞれ出力電流がドライバ回路20に取り込まれ、バッテリ24や負荷26に供給される。特に図示していないが、その他の第2〜第6ステージについても、それぞれの通電パターンにしたがって発電機12からの出力をバッテリ24や負荷26に供給する電流の流れが発生する。
〔位相制御例〕
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。
〔進角指令値〕
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。
〔出力ステージ移行タイミング〕
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。
〔各相の電圧波形〕
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。
〔位相切り替わり〕
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。
〔時刻t1以降〕
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。
〔ステージ飛び(欠落)の発生〕
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。
〔各相の電圧波形〕
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。
〔ステージ飛びの有無による状態変化の違い〕
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。
〔ステージ飛び(欠落)がない場合〕
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。
〔第6→第1への移行〕
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。
〔ステージ飛び(欠落)がある場合〕
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。
〔第6→第2への移行〕
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。
〔ステージ飛びが発生したときの検証〕
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(A),(B):ここには、ステージ飛びの前後におけるU相、V相、W相の各相の電圧波形を示しており、その状態変化は先の図4中(D),(C)に示したものと同じである。すなわち、出力ステージが1つ(第6→第1に)飛んだことで、図中に示される1点鎖線の長細い楕円で囲まれているように、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になる。
〔各相の電流波形〕
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。
〔対応策:第1例〕
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(A):先の図4中(A)で示したものと同様に、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した場合を想定する。
図7中(B):この場合も駆動信号の出力タイミングは、V相についての位置センサ信号の立ち上がりエッジ(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、次のエッジ点より前に位相角度φ2だけ進めたタイミング(時刻t2)で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への変化幅が1ステージ分(60°)以上であるため、上記のステージ飛びが発生することが分かっている。
この対応策の第1例においては、制御回路32が新たな進角指令値によって位相角度φ1を次の位相角度φ2に変化させるにあたり、上記のステージ飛びが発生すると判断した場合、一度に移行できる出力ステージを1つだけに制限している。したがって、第6出力ステージから第2出力ステージに到達するまでの間に、制御回路32は必ず第1出力ステージ(飛ばされる出力ステージ)への移行を強制的に発生させ、段階的に位相角度φ2に対応する第2出力ステージへ移行させる制御を行う。
図7中(C):その結果、図中に示される1点鎖線の長細い楕円で囲まれているように、位相切り替わり時点(時刻t1)ではU相の電圧波形だけがONになり、W相の電圧波形はONのまま変化していない。そしてこの後、図中に示される破線の長細い楕円で囲まれているように、時刻t1の後の位相角度φ2に対応する時刻t2でようやくW相の電圧波形がOFFとなることで、段階的に位相角度φ2への切り替わりが実現されている。
〔ステージ移行の態様〕
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。
図8は、制御回路32において実行される位相角度制御処理の手順例(図8中(A))及び出力処理の手順例(図8中(B))を示すフローチャートである。これら処理を通じて制御回路32は、上記の対応策を好適に実現することができる。なお制御回路32は、位置センサ信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジを基準として割り込みトリガを発生させ、図8中(A)の位相角度制御処理を周期的に実行する。また図8中(B)の出力処理は、ステージ飛びが発生する計算結果が得られたタイミング(時刻t0)より後の位置センサのエッジ入力時(時刻t1)、もしくはエッジ入力時に制御用のタイマをスタートさせてから一定時間(進角値に相当する時間)の経過時にサブルーチンとして実行される。以下、順を追って説明する。
ステップS100:先ず制御回路32(CPU)は、位相角度の算出に必要な各種パラメータを取得する。この例では、パラメータとして上記の電流指令値Irを取得するものとする。
ステップS102:次に制御回路32は、今回の位相角度φnを計算する。この計算は、例えば予め制御回路32に記憶されている位相角度制御マップを用いて行うことができる。位相角度制御マップは、例えば電流指令値Ir等のパラメータを引数として、それに対応する位相角度の値を返すものである。
ステップS104:制御回路32は、前回の処理実行時に算出した位相角度φn−1と今回算出した位相角度φnとの差(|Δφ|)を求める。なお前回の位相角度φn−1は、例えば制御回路32のRAMのバッファ領域に保存されているものとする。また制御回路32は、今回の算出結果である位相角度φnをRAMのバッファ領域に新しく保存する。その結果、前回の位相角度φn−1が今回の算出結果によって書き換えられることから、次回以降の処理(次の割り込み時)では、今回求めた値が前回の位相角度φn−1として利用可能となる。
ステップS106:そして制御回路32は、先のステップS104で求めた差(|Δφ|)が60°以上であると判断した場合(Yes)、次にステップS107を実行する。
ステップS107:この場合、制御回路32は飛ばされるステージをセットする。すなわち、前回が「第6出力ステージ」ならば、ここでは飛ばされるステージとして「第1出力ステージ」をセットする(制御上の位相角度差=60°)。
ステップS108:制御回路32は次のエッジ入力(時刻t1)で出力処理(図8中(B))を実行し、時刻t0のタイミング(S107)でセットしたステージを時刻t1のタイミングで出力回路38から出力させる。これにより、ドライバ回路20内では順番通り次の出力ステージ(例えば第6→第1出力ステージ)に強制移行させたパターンでMOSFET22Tu,22Tv,22Tw,22Tx,22Ty,22TzのON又はOFFが制御される。また、制御回路32は時刻t1のタイミングで制御用タイマをスタートさせ、出力時間の計測を開始する。
ステップS110:制御回路32は、前回の位相角度φn−1+60°を位相角度φnとしてRAMに保存し、出力時間(次の位相角度到達点)を計算する。
ステップS112:制御回路32は時刻t2のタイミングで出力処理を実行し、駆動信号を出力回路38から出力させる。これにより、ドライバ回路20内では先のステップS108に続いて順番通り次の出力ステージ(第1→第2出力ステージ)でMOSFET22Tu,22Tv,22Tw,22Tx,22Ty,22TzのON又はOFFが制御される。
次回の割り込み時点で位相角度制御処理を開始すると、制御回路32は上述したステップS100〜ステップS104を再び実行する。
ステップS104,S106:やがて、今回の位相角度φnと前回の位相角度φn−1との差(|Δφ|)が60°未満になると(S106:No)、制御回路32は次にステップS114を実行する。
ステップS114:そして制御回路32は、時刻t0のタイミングで算出した出力時間t2(=90°の進角)の計測を開始する。
ステップS112:制御回路32は、次の出力時間t2に相当するタイミングでも出力処理を実行し、駆動信号を出力回路38から出力させる。その結果、今回の割り込み時には最新の位相角度φnに進角させた出力ステージで各相のMOSFET22Tu,22Tv,22Tw,22Tx,22Ty,22TzのON又はOFFが制御される。
このような処理を対応策の第1例(図7)に当てはめてみると、以下の順に位相制御が実行されたことが明らかとなる。
〔時刻t0〕
(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。
〔時刻t1〕
(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)。
〔時刻t2〕
(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。
〔位相角度差が120°の場合〕
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は、位相制御に際して2つのステージ飛びが発生した場合の状態変化を本実施形態に対する比較例として提示したタイミングチャートである。
図9中(A):比較例においては、ある時刻t0で新たな進角指令値が決定され、位相角度が15°から135°(φ1とφ2との差が120°)に変化する場合を想定している。
図9中(B),(C),(D):時刻t1までの駆動信号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ている。
〔時刻t1以降〕
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。
〔ステージ欠落の発生〕
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。
〔各相の電圧波形〕
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。
〔対応策:第2例〕
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。
図10中(A):比較例として図9中(A)で示したものと同様に、それまで位相角度φ1で位相制御を行っていたところ、ある時刻t0で新たな進角指令値が決定した場合を想定する。この場合も駆動信号の出力タイミングは、図9中(A)と同様に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。
図10中(A),(B):図9の比較例では、時刻t1のタイミングで新たな位相角度φ2に切り替えて制御を行っていたが、対応策の第2例では以下のように処理を行う。また以下の説明では適宜、図8のフローチャートに示されるステップの符号を付記している。
〔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。
すなわち、対応策の第2例においても、制御回路32が新たな進角指令値によって位相角度φ1を次の位相角度φ2に変化させるにあたり、上記のステージ飛びが発生すると判断した場合、60°を越える位相差の場合は一度に変化する位相差を60°に制限することで、センサの立ち上がり、及び立ち下がりタイミングで飛ばされるパターンを1つ出力し、出力ステージの欠損を防止している。図10の例では、t3に到達するまでに第1ステージと第2ステージを出力し、t5に達するまでに第3ステージと第4ステージを出力することで段階的に位相角φ2まで出力を広げている。
図10中(C):その結果、図中に示される1点鎖線の長細い楕円で囲まれているように、時刻t1では欠損する第1ステージが強制的に出力されることから、U相の電圧波形だけがONになり、V相の電圧波形及びW相電圧波形はそれぞれOFF、ONのまま変化していない。次にt2時間経過後の進角75°の時点では、図中に示される破線の長細い楕円で囲まれているように、75°(=15°+60°)に強制された位相角度で駆動信号が出力されるため、ここでW相の電圧波形はONからOFFに変化しているが、その他のU相及びW相の電圧波形は変化していない。次のエッジ点(時刻t3)では、図中に示される実線の長細い楕円で囲まれているように、欠損する第3ステージが強制的に出力されることから、ここでV相の電圧波形だけがONになる。次にt4時間経過後の進角135°の時点(時刻t4)では、図中に示される二点鎖線の長細い楕円で囲まれているように、135°(=75°+60°)の位相角度で駆動信号が出力されることで、最終的に位相角度が135°に到達する。このように第2例においては、時刻t1から次のエッジ点を挟んだ後の時刻t4までの間に、位相角度を強制しながら段階的に位相角度φ2への切り替わりが実現されている。
〔ステージ移行の態様〕
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。
上述した位相角度制御処理(図8)を対応策の第2例(図10)に当てはめてみると、以下の順に位相制御が実行されたことが明らかとなる。
〔時刻t0〕
(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。
〔時刻t2〕
(7)φn(75°)の出力を行う(ステップS112)。
〔時刻t3〕
(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)。
〔時刻t4〕
(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。
上述した対応策から明らかなように、本実施形態の充電制御装置10によれば、これまで現実的に困難であった位相角度の変化(120°以上の変化)についても、その位相制御を安全に実現することができる。これにより、ロジック上で制御不能領域(制御禁止領域)を設けることなく、全領域にわたって制御を可能とする。
本発明は上述した実施形態に制約されることなく、種々に変形して実施することができる。一実施形態では、位相制御に「出力ステージ」の概念を用いているが、本発明の実施にあたり、特にこのような概念を必要とすることはない。すなわち、位相角度が所定の角度(60°)以上に変化しようとすることを制御回路32において察知した場合、位相角度を強制する制御ロジックを採用していればよい。
また一実施形態で挙げた位相角度の変化(15°→90°,15°→135°)はあくまで例示であり、その他の60°以上の変化にも一実施形態の制御手法を適用することができる。
また、一実施形態ではステージ飛びの例として第6出力ステージから第1出力ステージ、第6出力ステージから第3出力ステージへの移行事例をそれぞれ挙げているが、その他のステージ間(例えば第1→第3、第2→第4等)でステージ飛び(欠落)が発生する場合であっても、一実施形態の手法を適用可能であることは言うまでもない。
10 充電制御装置
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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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