JP2020104818A - Power transmission device for work vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、作業車両の動力伝達装置に関する。 The present invention relates to a power transmission device for a work vehicle.
鉱山の採掘現場のような作業現場において、ダンプトラックのような作業車両が稼働する。作業車両は、駆動力を走行装置に伝達する動力伝達装置を備える。特許文献1には、内燃機関で発生した動力により発電機を駆動し、発電機で発生した電力により電動機を駆動し、電動機で発生した駆動力により走行装置を走行させる動力伝達装置が開示されている。特許文献1に開示されている動力伝達装置は、コンデンサ及びコンデンサの一端側及び他端側に接続されるスイッチング素子を有する位相変調回路と、スイッチング素子を切り替えてコンデンサの帯電状態と放電状態とを切り替えることで発電機から電動機に供給される電流の位相を変調する制御装置とを備える。
A work vehicle such as a dump truck operates at a work site such as a mining site of a mine. The work vehicle includes a power transmission device that transmits the driving force to the traveling device.
コンデンサの帯電状態と放電状態とを切り替えるタイミングが適正に制御されないと、位相変調回路からの出力や電動機からの出力が変動する、所謂ハンチングを引き起こす可能性がある。 If the timing of switching between the charged state and the discharged state of the capacitor is not properly controlled, the output from the phase modulation circuit and the output from the electric motor may fluctuate, which is called hunting.
本発明の態様は、位相変調回路などからの出力のハンチングを抑制することを目的とする。 An aspect of the present invention is to suppress hunting of an output from a phase modulation circuit or the like.
本発明の態様に従えば、内燃機関で発生した動力により電力を発生する発電機と、前記発電機で発生した電力により駆動力を発生する電動機と、前記電動機で発生した駆動力により走行する走行装置と、前記発電機と前記電動機との間に直列に接続され、コンデンサ及び前記コンデンサの一端側及び他端側に接続されるスイッチング素子を有する位相変調回路と、前記発電機の機械角に基づいて前記スイッチング素子を制御して、前記コンデンサの帯電状態と放電状態とを切り替えて、前記発電機から前記電動機に供給される電流の位相を変調する制御装置と、を備える作業車両の動力伝達装置が提供される。 According to the aspect of the present invention, a generator that generates electric power by the power generated by the internal combustion engine, an electric motor that generates a driving force by the electric power generated by the generator, and a traveling that travels by the driving force generated by the electric motor. An apparatus, a phase modulation circuit connected in series between the generator and the electric motor, having a capacitor and a switching element connected to one end side and the other end side of the capacitor; and a phase modulation circuit based on a mechanical angle of the generator. And a control device for controlling the switching element to switch between a charged state and a discharged state of the capacitor to modulate the phase of the current supplied from the generator to the electric motor. Will be provided.
本発明の態様によれば、位相変調回路などからの出力のハンチングが抑制される。 According to the aspects of the present invention, hunting of the output from the phase modulation circuit or the like is suppressed.
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の構成要素は適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto. The constituent elements of the respective embodiments described below can be appropriately combined. In addition, some components may not be used.
[作業車両]
図1は、本実施形態に係る作業車両1を示す側面図である。本実施形態において、作業車両1は、例えば鉱山の採掘現場のような作業現場において、土砂又は砕石のような積荷を運搬するダンプトラックである。以下の説明においては、作業車両1を適宜、ダンプトラック1、と称する。
[Work vehicle]
FIG. 1 is a side view showing a
ダンプトラック1は、車両本体2と、車両本体2に支持されるベッセル3とを備える。車両本体2は、走行装置4と、走行装置4に支持される車体5とを有する。走行装置4は、車輪6と、車輪6を回転可能に支持する車軸7とを有する。車輪6は、前輪6Fと後輪6Rとを含む。車軸7は、前輪6Fを回転可能に支持する前車軸7Fと、後輪6Rを回転可能に支持する後車軸7Rとを含む。
The
ベッセル3は、積荷が積載される構造物である。ベッセル3は、ホイストシリンダのような昇降装置により、車両本体2に対して上下に昇降可能である。昇降装置によりベッセル3が上昇することによって、ベッセル3の積荷が排出される。
The
車体5は、運転室8と、内燃機関11及び動力伝達装置10を有する動力発生装置9と、制御装置30とを有する。運転室8に運転者が搭乗する。本実施形態において、ダンプトラック1は、運転室8に搭乗した運転者の操作に基づいて走行する有人ダンプトラックである。
The
運転室8にアクセルペダル8aが設けられる。アクセルペダル8aは、運転者に操作される。アクセルペダル8aの操作量に基づいて、内燃機関11の出力が調整される。
The driver's cab 8 is provided with an
図2は、本実施形態に係るダンプトラック1の動力発生装置9を示す構成図である。動力発生装置9は、電気駆動方式により動力を発生させて走行装置4を駆動する。図2に示すように、動力発生装置9は、内燃機関11と、動力伝達装置10とを有する。
FIG. 2 is a configuration diagram showing the
内燃機関11は、ダンプトラック1の動力源である。内燃機関11として、ディーゼルエンジンが例示される。内燃機関11は、動力伝達シャフト17に連結される。内燃機関11は、動力伝達シャフト17を回転させる。動力伝達シャフト17に発電機12及び油圧ポンプ18が連結される。油圧ポンプ18は、ダンプトラック1が有する油圧機器に作動油を供給する。内燃機関11の動力により油圧ポンプ18が駆動する。内燃機関11の回転速度を示すエンジン回転速度を検出するエンジン回転センサ11sが内燃機関11に設けられる。
The
[動力伝達装置]
動力伝達装置10は、内燃機関11の動力を走行装置4に伝達する。動力伝達装置10は、発電機12と、位相変調回路13と、整流器14と、インバータ15と、電動機16と、角度センサ40と、制御装置30とを有する。
[Power transmission device]
The
発電機12は、内燃機関11が発生する動力により電力を発生する。発電機12は、オルタネータを含む。発電機12は、ステータ及びロータを有する。発電機12のステータ及びロータの一方にコイルが配置され、ステータ及びロータの他方に電磁石が配置される。発電機12のロータは、動力伝達シャフト17に連結される。動力伝達シャフト17の回転に伴って発電機12のロータが回転し、電磁誘導によりコイルに誘起電圧E及び誘起電流が発生する。発電機12は、誘起電圧E及び誘起電流として、三相の交流電圧及び交流電流を発生させる。発電機12のロータの回転速度を示す発電機回転速度を検出する発電機回転センサ12sが発電機12に設けられる。
The
発電機12は、励磁装置19を有する。励磁装置19は、界磁側の電磁石に流す励磁電流を調整することにより、界磁側の電磁石の磁力を調整して、発電機12の発電量を調整する。
The
位相変調回路13は、発電機12から電動機16に供給される電流の位相を変調する。位相変調回路13は、磁気エネルギー回生位相変調回路である。位相変調回路13は、発電機12と電動機16との間に直列に接続される。本実施形態において、位相変調回路13は、発電機12と整流器14との間に直列に接続される。発電機12から三相の交流電圧及び交流電流が発生する。位相変調回路13は、三相の交流電圧及び交流電流に対応するように並列に配置された第1位相変調回路13Aと第2位相変調回路13Bと第3位相変調回路13Cとを含む。位相変調回路13から出力される交流電圧を整流する整流器13aが位相変調回路13に接続される。また、整流器13aにより整流された三相の直流電圧値の加算値を検出する電圧センサ13sが整流器13aに設けられる。
The
整流器14は、位相変調回路13から出力された交流電圧を整流し、直流電圧を出力する。整流器14とインバータ15との間に平滑コンデンサ20が配置される。平滑コンデンサ20は、整流器14から出力された直流電流を平滑化する。整流器14とインバータ15との間にリターダのような負荷機器21が配置される。負荷機器21は、ダンプトラック1の制動時に運動エネルギーを吸収する。また、整流器14とインバータ15との間に負荷機器21を冷却するファンを駆動するブロアモータBMが設けられる。
The
インバータ15は、整流器14から出力され、平滑コンデンサ20により平滑された直流電圧を交流電圧に変換して出力する。インバータ15は、前輪6F側に交流電圧を出力する前輪側出力部15Fと、後輪6R側に交流電圧を出力する後輪側出力部15Rとを有する。前輪側出力部15F及び後輪側出力部15Rのそれぞれは、三相の交流電圧に対応するように3つ並列に配置される。
The
電動機16は、発電機12で発生した電力により駆動力を発生する。電動機16は、インバータ15から出力される電力により駆動する。電動機16は、モータを含む。走行装置4は、電動機16で発生した駆動力により走行する。電動機16は、例えば前輪6F側に配置される前輪側電動機16Fと、後輪6R側に配置される後輪側電動機16Rとを有する。電動機16は、伝達機構22に接続される。伝達機構22は、電動機16で発生した駆動力を、車軸7を介して車輪6に伝達する。電動機16の回転速度を示すモータ回転速度を検出するモータ回転センサ16sが電動機16に設けられる。
The
角度センサ40は、発電機12の機械角θを検出する。本実施形態において、角度センサ40は、動力伝達シャフト17の回転角を検出することによって、発電機12の機械角θを検出する。角度センサ40は、例えばレゾルバを含む。
The
[位相変調回路]
図3は、本実施形態に係る位相変調回路13を示す回路図である。図3は、1つの位相変調回路13の一例を示す電気回路図である。図3に示すように、位相変調回路13は、コンデンサCと、コンデンサCの一端側及び他端側のそれぞれに接続されるスイッチング素子Sとを有する。スイッチング素子Sは、第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2、第3スイッチング素子S3、及び第4スイッチング素子S4を含む。
[Phase modulation circuit]
FIG. 3 is a circuit diagram showing the
以下の説明においては、第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2、第3スイッチング素子S3、及び第4スイッチング素子S4のそれぞれを適宜、スイッチング素子S1、スイッチング素子S2、スイッチング素子S3、及びスイッチング素子S4と称する。 In the following description, each of the first switching element S1, the second switching element S2, the third switching element S3, and the fourth switching element S4 is appropriately referred to as a switching element S1, a switching element S2, a switching element S3, and a switching element. It is referred to as S4.
また、位相変調回路13は、発電機12に接続される接続部P1と、整流器14に接続される接続部P2とを有する。
Further, the
スイッチング素子Sは、例えばMOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のスイッチング素子である。スイッチング素子Sとしては、上記に限定するものではなく、他の種類のスイッチであってもよい。以降はスイッチング素子SにIGBTを用いた実施形態で説明を行う。 The switching element S is a switching element such as a MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). The switching element S is not limited to the above, and may be another type of switch. Hereinafter, description will be made on an embodiment in which an IGBT is used as the switching element S.
第1スイッチング素子S1及び第4スイッチング素子S4は、コンデンサCの一端側に接続される。第2スイッチング素子S2及び第3スイッチング素子S3は、コンデンサCの他端側に接続される。位相変調回路13は、接続部P1から接続部P2に向かってスイッチング素子S4とスイッチング素子S1とが直列に接続された第1部分A1と、第1部分A1に並列に配置され、接続部P1から接続部P2に向かってスイッチング素子S3とスイッチング素子S2とが直列に接続された第2部分A2とを有する。
The first switching element S1 and the fourth switching element S4 are connected to one end of the capacitor C. The second switching element S2 and the third switching element S3 are connected to the other end side of the capacitor C. The
スイッチング素子S4のエミッタ端子は、接続部P1に接続される。スイッチング素子S4のコレクタ端子は、スイッチング素子S1のコレクタ端子に接続される。スイッチング素子S1のエミッタ端子は、接続部P2に接続される。スイッチング素子S3のコレクタ端子は、接続部P1に接続される。スイッチング素子S3のエミッタ端子は、スイッチング素子S2のエミッタ端子に接続される。スイッチング素子S2のコレクタ端子は、接続部P2に接続される。 The emitter terminal of the switching element S4 is connected to the connecting portion P1. The collector terminal of the switching element S4 is connected to the collector terminal of the switching element S1. The emitter terminal of the switching element S1 is connected to the connection portion P2. The collector terminal of the switching element S3 is connected to the connection portion P1. The emitter terminal of the switching element S3 is connected to the emitter terminal of the switching element S2. The collector terminal of the switching element S2 is connected to the connection portion P2.
スイッチング素子S4及びスイッチング素子S1と、スイッチング素子S3及びスイッチング素子S2とは、並列に接続される。 The switching element S4 and the switching element S1, and the switching element S3 and the switching element S2 are connected in parallel.
コンデンサCの一端は、第1部分A1のうちスイッチング素子S4とスイッチング素子S1との間の接続部P3に接続される。コンデンサCの他端は、第2部分A2のうちスイッチング素子S3とスイッチング素子S2との間の接続部P4に接続される。4つのスイッチング素子S及びコンデンサCによりブリッジ回路が形成される。 One end of the capacitor C is connected to the connection portion P3 between the switching element S4 and the switching element S1 in the first portion A1. The other end of the capacitor C is connected to the connection portion P4 between the switching element S3 and the switching element S2 of the second portion A2. A bridge circuit is formed by the four switching elements S and the capacitors C.
図4、図5、図6、及び図7のそれぞれは、本実施形態に係る位相変調回路13の動作例を示す図である。スイッチング素子Sは、ON又はOFFされる。本実施形態においては、スイッチング素子S1とスイッチング素子S3とが同時にON又はOFFされ、スイッチング素子S2とスイッチング素子S4とが同時にON又はOFFされる。スイッチング素子S1及びスイッチング素子S3がONされる場合、スイッチング素子S2及びスイッチング素子S4がOFFされる。スイッチング素子S1及びスイッチング素子S3がOFFされる場合、スイッチング素子S2及びスイッチング素子S4がONされる。
Each of FIG. 4, FIG. 5, FIG. 6, and FIG. 7 is a diagram showing an operation example of the
図4は、接続部P1の電圧が負の状態で、スイッチング素子S1及びスイッチング素子S3がONされ、スイッチング素子S2及びスイッチング素子S4がOFFされた状態を示す。図4に示す状態の場合、接続部P2からスイッチング素子S1を介してコンデンサCの一端に電流が流れ、コンデンサCの他端からスイッチング素子S3を介して接続部P1に電流が流れる。この場合、コンデンサCは帯電する。 FIG. 4 shows a state in which the switching element S1 and the switching element S3 are turned on and the switching element S2 and the switching element S4 are turned off in a state where the voltage of the connection portion P1 is negative. In the case of the state shown in FIG. 4, a current flows from the connection part P2 to one end of the capacitor C via the switching element S1, and a current flows from the other end of the capacitor C to the connection part P1 via the switching element S3. In this case, the capacitor C is charged.
図5は、接続部P1の電圧が正の状態で、スイッチング素子S1及びスイッチング素子S3がONされ、スイッチング素子S2及びスイッチング素子S4がOFFされた状態を示す。図5に示す状態の場合、接続部P1からスイッチング素子S3を介してコンデンサCの他端に電流が流れ、コンデンサCの一端からスイッチング素子S1を介して接続部P2に電流が流れる。この場合、コンデンサCは放電する。 FIG. 5 shows a state in which the switching element S1 and the switching element S3 are turned on and the switching element S2 and the switching element S4 are turned off while the voltage of the connection portion P1 is positive. In the case of the state shown in FIG. 5, a current flows from the connection portion P1 to the other end of the capacitor C via the switching element S3, and a current flows from one end of the capacitor C to the connection portion P2 via the switching element S1. In this case, the capacitor C is discharged.
図6は、接続部P1の電圧が正の状態で、スイッチング素子S2及びスイッチング素子S4がONされ、スイッチング素子S1及びスイッチング素子S3がOFFされた状態を示す。図6に示す状態の場合、接続部P1からスイッチング素子S2を介してコンデンサCの一端に電流が流れ、コンデンサCの他端からスイッチング素子S4を介して接続部P2に電流が流れる。この場合、コンデンサCは帯電する。 FIG. 6 shows a state in which the switching element S2 and the switching element S4 are turned on and the switching element S1 and the switching element S3 are turned off while the voltage of the connection portion P1 is positive. In the case of the state shown in FIG. 6, a current flows from the connection part P1 to one end of the capacitor C via the switching element S2, and a current flows from the other end of the capacitor C to the connection part P2 via the switching element S4. In this case, the capacitor C is charged.
図7は、接続部P1の電圧が負の状態で、スイッチング素子S2及びスイッチング素子S4がONされ、スイッチング素子S1及びスイッチング素子S3がOFFされた状態を示す。図7に示す状態の場合、接続部P2からスイッチング素子S4を介してコンデンサCの他端に電流が流れ、コンデンサCの一端からスイッチング素子S2を介して接続部P1に電流が流れる。この場合、コンデンサCは放電する。 FIG. 7 shows a state in which the switching element S2 and the switching element S4 are turned on and the switching element S1 and the switching element S3 are turned off in a state where the voltage of the connection portion P1 is negative. In the case of the state shown in FIG. 7, a current flows from the connection part P2 to the other end of the capacitor C via the switching element S4, and a current flows from one end of the capacitor C to the connection part P1 via the switching element S2. In this case, the capacitor C is discharged.
[制御装置]
図8は、本実施形態に係る制御装置30を示す機能ブロック図である。制御装置30は、発電機12で発生した電圧の位相に対する電流の位相の遅れを補償する。図8に示すように、制御装置30は、データ取得部36と、記憶部35と、内燃機関制御部31と、発電機制御部32と、電動機制御部33と、位相変調回路制御部34とを有する。
[Control device]
FIG. 8 is a functional block diagram showing the
データ取得部36は、アクセルペダル8sの操作量に基づいて算出されるアクセル開度指令値を取得する。データ取得部36は、エンジン回転速度を示すエンジン回転センサ11sの検出データ、発電機回転速度を示す発電機回転センサ12sの検出データ、モータ回転速度を示すモータ回転センサ16sの検出データ、直流電圧値の加算値を示す電圧センサ13sの検出データ、及び発電機12のロータの機械角θを示す角度センサ40の検出データを取得する。
The data acquisition unit 36 acquires the accelerator opening command value calculated based on the operation amount of the accelerator pedal 8s. The data acquisition unit 36 includes detection data of the
記憶部35は、動力伝達装置10を含むダンプトラック1の制御に使用されるコンピュータプログラム及びデータを記憶する。本実施形態において、記憶部35は、エンジン回転速度指令値算出データ、直流電圧指令値算出データ、出力指定値算出データ、モータトルク指令値算出データ、及びスイッチング指令値算出データを記憶する。
The storage unit 35 stores a computer program and data used to control the
エンジン回転速度指令値算出データは、アクセル開度指令値とエンジン回転速度指令値との関係を示す相関データである。直流電圧指令値算出データは、エンジン回転速度とモータ回転速度と直流電圧指令値との関係を示す相関データである。出力指定値算出データは、エンジン回転速度とエンジントルクとの関係を示す相関データである。モータトルク指令値算出データは、モータ回転速度とモータトルク指令値との関係を示す相関データである。スイッチング指令値算出データは、発電機12の機械角θとスイッチング指令値との関係を示す相関データである。
The engine rotation speed command value calculation data is correlation data indicating the relationship between the accelerator opening command value and the engine rotation speed command value. The DC voltage command value calculation data is correlation data indicating the relationship between the engine rotation speed, the motor rotation speed, and the DC voltage command value. The output designated value calculation data is correlation data indicating the relationship between the engine rotation speed and the engine torque. The motor torque command value calculation data is correlation data indicating the relationship between the motor rotation speed and the motor torque command value. The switching command value calculation data is correlation data indicating the relationship between the mechanical angle θ of the
内燃機関制御部31は、内燃機関11を制御する。内燃機関制御部31は、アクセル開度指令値と、記憶部35に記憶されるエンジン回転速度指令値算出データとに基づいて、エンジン回転速度指令値を算出して、内燃機関11に出力する。
The internal combustion engine control unit 31 controls the
発電機制御部32は、発電機12を制御する。発電機制御部32は、エンジン回転センサ11sの検出データと、モータ回転センサ16sの検出データと、電圧センサ13sの検出データと、記憶部35に記憶される直流電圧指令値算出データとに基づいて、励磁電流指令値を算出して、発電機12に出力する。
The generator control unit 32 controls the
電動機制御部33は、電動機16を制御する。電動機制御部33は、アクセル開度指令値と、エンジン回転センサ11sの検出データと、モータ回転センサ16sの検出データと、記憶部35に記憶される出力指定値算出データと、記憶部35に記憶されているモータトルク指令値算出データとに基づいて、モータトルク指令値を算出して、電動機16に出力する。
The electric motor control unit 33 controls the
位相変調回路制御部34は、位相変調回路13を制御する。位相変調回路制御部34は、角度センサ40の検出データに基づいて、S1〜S4に示すスイッチング素子Sを制御して、コンデンサCの帯電状態と放電状態とを切り替えて、発電機12から電動機16に供給される電流の位相を変調する。位相変調回路制御部34は、角度センサ40の検出データと、記憶部35に記憶されるスイッチング指令値算出データとに基づいて、スイッチング指令値を算出して、位相変調回路13に出力する。
The phase modulation circuit control unit 34 controls the
位相変調回路制御部34は、発電機12の機械角θに基づいて、S1〜S4に示すスイッチング素子SのONとOFFとのタイミングを調整する。S1〜S4に示すスイッチング素子SのONとOFFとのタイミングが調整されることにより、位相変調回路13のコンデンサCの帯電状態と放電状態とが切り替えられる。
The phase modulation circuit control unit 34 adjusts the ON and OFF timings of the switching element S shown in S1 to S4 based on the mechanical angle θ of the
[位相変調回路の作用]
次に、位相変調回路13の作用について説明する。図9は、比較例に係る動力伝達装置の動作を示すグラフである。図10は、本実施形態に係る動力伝達装置10の動作を示すグラフである。
[Operation of phase modulation circuit]
Next, the operation of the
比較例に係る動力伝達装置は、位相変調回路13を備えない。図9は、位相変調回路13が設けられない場合において、発電機12で発生する電圧、電流、及び力率のそれぞれ示すグラフである。図9(a)は、発電機12で発生する電圧と時刻との関係を示す。図9(b)は、発電機12で発生する電流と時刻との関係を示す。図9(c)は、力率と時刻との関係を示す。図9(d)は、発電機12で発生し電圧センサ13sで検出された直流電圧値と時刻との関係を示す。力率は、有効電力/(有効電力^2+無効電力^2)^1/2で表される値である。
The power transmission device according to the comparative example does not include the
図9(a)及び図9(b)に示すように、位相変調回路13が設けられない場合、発電機12で発生した電力は、発電機12に設けられるコイルのリアクタンスの影響により、電圧の位相に対して電流の位相がαだけ遅れる。このため、図9(c)に示すように、力率の値が1よりも小さい値となる。この場合、電圧センサ13sで検出される直流電圧値はVPとなる。
As shown in FIGS. 9A and 9B, when the
本実施形態に係る動力伝達装置10は、位相変調回路13を備える。図10は、位相変調回路13が設けられる場合において、発電機12で発生し位相変調回路13の接続部P2から出力される電圧、電流、及び力率のそれぞれを示すグラフである。図10(b)は、位相変調回路13の接続部P2から出力される電圧と時刻との関係を示す。図10(c)は、位相変調回路13の接続部P2から出力される電流と時刻との関係を示す。図10(d)は、力率と時刻との関係を示す。図10(b)のグラフは、位相変調回路13の接続部P2から出力される電圧Vacout、発電機12から出力される電圧Vacin、及び位相変調回路13のコンデンサCから出力される電圧Vcのそれぞれを示す。図10(a)は、位相変調回路13のスイッチング素子S1及びスイッチング素子S3のON及びOFFのタイミングと、スイッチング素子S2及びスイッチング素子S4のON及びOFFのタイミングとを示すタイミングチャートである。図10(e)は、位相変調回路13から出力され電圧センサ13sで検出された直流電圧値と時刻との関係を示す。
The
図10に示すように、時刻の区間(1)において、発電機12で発生した電圧Vacinの値が最小値(負の値)となった場合、位相変調回路制御部34は、スイッチング素子S1及びスイッチング素子S3をONにし、スイッチング素子S2及びスイッチング素子S4をOFFにする。すなわち、位相変調回路13は、図4に示した状態になる。この場合、位相変調回路13の接続部P1の電圧が負であるため、コンデンサCが帯電する。
As shown in FIG. 10, when the value of the voltage V acin generated in the
区間(1)の後の区間(2)において、電圧Vacinの値が徐々に増加して正に切り替わるタイミングまで、位相変調回路制御部34は、スイッチング素子S1及びスイッチング素子S3がONであり、スイッチング素子S2及びスイッチング素子S4がOFFである状態を維持する。すなわち、位相変調回路13は、図5に示した状態になる。この場合、位相変調回路13の接続部P1の電圧が正であるため、コンデンサCが放電する。
In the section (2) after the section (1), the phase modulation circuit control unit 34 keeps the switching element S1 and the switching element S3 ON until the timing when the value of the voltage V acin gradually increases and switches to a positive value. The state where the switching element S2 and the switching element S4 are OFF is maintained. That is, the
区間(2)の後の区間(3)において、電圧Vacinの値が最大値(正の値)となるタイミングで、位相変調回路制御部34は、スイッチング素子S1及びスイッチング素子S3をOFFに切り替え、スイッチング素子S2及びスイッチング素子S4をONに切り替える。すなわち、位相変調回路13は、図6に示した状態になる。この場合、位相変調回路13の接続部P1の電圧が正であるため、コンデンサCが帯電する。
In the section (3) after the section (2), the phase modulation circuit control unit 34 switches the switching elements S1 and S3 to OFF at the timing when the value of the voltage V acin becomes the maximum value (positive value). , The switching elements S2 and S4 are turned on. That is, the
区間(3)の後の区間(4)において、電圧Vacinの値が徐々に減少して負に切り替わるタイミングまで、位相変調回路制御部34は、スイッチング素子S1及びスイッチング素子S3がOFFであり、スイッチング素子S2及びスイッチング素子S4がONである状態を維持する。すなわち、位相変調回路13は、図7に示した状態になる。この場合、位相変調回路13の接続部P1の電圧が負であるため、位相変調回路13のコンデンサCが放電する。
In the section (4) after the section (3), the phase modulation circuit control unit 34 keeps the switching elements S1 and S3 OFF until the timing when the value of the voltage V acin gradually decreases and switches to a negative value. The state where the switching element S2 and the switching element S4 are ON is maintained. That is, the
このように、位相変調回路制御部34が位相変調回路13のスイッチング素子SのONとOFFとを切り替えることにより、コンデンサCの帯電と放電とのタイミングが制御される。発電機12から出力される電圧Vacinは、位相変調回路13から出力される電圧Vacoutと、コンデンサCから出力される電圧Vcとの加算値となる。電圧Vacinの位相は、位相変調回路13から出力される電流の位相と等しくなる。位相変調回路13から出力される電力において電圧と電流との位相が等しくなるため、力率は1になる。図10(e)に示すように、位相変調回路13から出力される直流電圧値はVQとなる。この直流電圧値VQは、位相変調回路13が設けられない場合の直流電圧値VPよりも大きな値である。
In this way, the phase modulation circuit control unit 34 switches the switching element S of the
このように、位相変調回路13が設けられることにより、発電機12の力率が改善される。力率の改善により、動力伝達装置10は、内燃機関11及び発電機12のサイズが同一であり、アクセル開度を同一とする場合、発電機12の出力が高められる。このため、動力伝達装置10の伝達効率が向上する。
By providing the
[ハンチングの抑制]
本実施形態においては、発電機12の機械角θに基づいて、S1〜S4に示すスイッチング素子SのONとOFFとが切り替えられる。すなわち、発電機12の機械角θに基づいて、コンデンサCの帯電状態と放電状態とを切り替えるタイミングが制御される。発電機12の機械角θに基づいてスイッチング素子SのONとOFFとが切り替えられることにより、位相変調回路13からの出力のハンチングが抑制されたり、電動機16からの出力のハンチングが抑制されたりする。位相変調回路13からの出力のハンチングは、位相変調回路13から出力される電圧Vacoutのハンチング、及び位相変調回路13から出力される電流のハンチングの少なくとも一つを含む。電動機16からの出力のハンチングは、電動機16から出力されるトルクのハンチングを含む。
[Hunting suppression]
In the present embodiment, the switching element S shown in S1 to S4 is switched between ON and OFF based on the mechanical angle θ of the
図11は、発電機12のコイルが発生する誘起電圧Eとスイッチング素子Sをスイッチングするタイミングとの関係を示す図である。図11に示すように、スイッチング位相差とは、誘起電圧Eに対するスイッチング素子SをONとOFFとに切り替えるタイミングのズレをいう。
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the induced voltage E generated by the coil of the
図11(a1)及び図11(a2)は、誘起電圧と時刻と関係を示すグラフである。図11(b1)及び図11(b2)は、スイッチング素子S1及びS3をONとOFFとに切り替えるタイミングを示すタイミングチャートである。図11(c1)及び図11(c2)は、スイッチング素子S2及びS4をONとOFFとに切り替えるタイミングを示すタイミングチャートである。図11(a1)、(b1)、(c1)は、スイッチング位相差が0°であるときのタイミングチャートである。図11(a2)、(b2)、(c2)は、スイッチング位相差が90°であるときのタイミングチャートである。 11A1 and 11A2 are graphs showing the relationship between the induced voltage and the time. 11(b1) and 11(b2) are timing charts showing the timing of switching the switching elements S1 and S3 between ON and OFF. 11(c1) and 11(c2) are timing charts showing the timing of switching the switching elements S2 and S4 between ON and OFF. 11(a1), (b1), and (c1) are timing charts when the switching phase difference is 0°. 11(a2), (b2), and (c2) are timing charts when the switching phase difference is 90°.
図11は、スイッチング素子SのON及びOFFの一方から他方へのスイッチングが理想的に実行されている状態を示す。図11(a1)及び図11(a2)に示すように、発電機12が発生する誘起電圧Eは、正弦波を描く。誘起電圧Eに基づいてスイッチング素子Sがスイッチングされれば、位相変調回路13などからの出力のハンチングは十分に抑制される。
FIG. 11 shows a state in which switching from one of ON and OFF of the switching element S to the other is ideally executed. As shown in FIGS. 11(a1) and 11(a2), the induced voltage E generated by the
スイッチング素子SをONとOFFとに切り替えるタイミングは、誘導電圧に対して任意にずらすことができる。誘起電圧Eに対するスイッチング素子SをONとOFFとに切り替えるタイミングのズレを、スイッチング位相差という。 The timing of switching the switching element S between ON and OFF can be arbitrarily shifted with respect to the induced voltage. The difference in the timing of switching the switching element S between ON and OFF with respect to the induced voltage E is called a switching phase difference.
図11(a1)、(b1)、(c1)は、誘起電圧が負から正に切り替わるタイミング又は誘起電圧が正から負に切り替わるタイミングで、スイッチング素子SをONとOFFとに切り替えた場合のタイミングチャートを示す。このときのスイッチング位相差を0°とする。 11(a1), (b1), and (c1) are timings when the induced voltage is switched from negative to positive or when the induced voltage is switched from positive to negative, and when the switching element S is switched to ON and OFF. A chart is shown. The switching phase difference at this time is 0°.
図11(a2)、(b2)、(c2)は、誘起電圧が負から正に切り替わるタイミング又は誘起電圧が正から負に切り替わるタイミングから4分の1周期だけでずれたタイミングで、スイッチング素子SをONとOFFとに切り替えた場合のタイミングチャートを示す。このときのスイッチング位相差を90°とする。 11(a2), (b2), and (c2) show the switching element S at the timing at which the induced voltage switches from negative to positive or at the timing shifted by only a quarter cycle from the timing at which the induced voltage switches from positive to negative. The timing chart at the time of switching to ON and OFF is shown. The switching phase difference at this time is 90°.
スイッチング位相差を変えることにより、電圧Vacinに対する電圧Vacoutの位相を調整することができる。換言すれば、位相変調回路13の効果を調整することができる。
By changing the switching phase difference, the phase of the voltage Vacout with respect to the voltage Vacin can be adjusted. In other words, the effect of the
図12は、比較例に係るスイッチング素子Sをスイッチングするタイミングを示す図である。図12(a)は、発電機12のコイルが発生する誘起電圧Eと時刻と関係を示すグラフであり、図12(b)は、発電機12から出力される電圧Vacinと時刻との関係を示すグラフであり、図12(c)は、スイッチング素子S1及びS3をONとOFFとに切り替えるタイミングを示すタイミングチャートである。図12(d)は、スイッチング素子S2及びS4をONとOFFとに切り替えるタイミングを示すタイミングチャートである。
FIG. 12 is a diagram showing the timing of switching the switching element S according to the comparative example. 12A is a graph showing the relationship between the induced voltage E generated by the coil of the
本出願の発明者は、コンデンサCが充電及び放電することに起因して、図12(b)に示すように、発電機12から出力される電圧Vacinが正弦波を描かずに歪む現象が発生することを見出した。更に、本出願の発明者は、歪む電圧Vacinに基づいてスイッチング素子Sのスイッチングのタイミングを制御されてしまうと、位相変調回路13などからの出力がハンチングする現象が発生することを見出した。
The inventor of the present application has a phenomenon in which the voltage V acin output from the
例えば図10を参照して説明したように、発電機12から出力される電圧Vacinが歪むことなく正弦波を描けば、電圧Vacinの値に基づいてスイッチング素子Sのスイッチングのタイミングを制御することは、誘起電圧Eに基づいてスイッチング素子Sのスイッチングのタイミングを制御することに等しくなる。しかし、実際には、図12(b)に示したように、発電機12から出力される電圧Vacinが歪む現象が発生する。歪む電圧Vacinに基づいてスイッチング素子Sのスイッチングのタイミングが制御されてしまうと、コンデンサCの帯電状態と放電状態とを切り替えるタイミングが適正に制御されず、その結果、位相変調回路13などからの出力がハンチングしてしまう。
For example, as described with reference to FIG. 10, if the voltage V acin output from the
図13は、本実施形態に係るスイッチング素子Sをスイッチングするタイミングを示す図である。図13(a)は、発電機12のコイルが発生する誘起電圧Eと時刻と関係を示すグラフであり、図13(b)は、発電機12から実際に出力される電圧Vacinと時刻との関係を示すグラフであり、図13(c)は、スイッチング素子SをONとOFFとに切り替えるタイミングを示すタイミングチャートであり、図13(d)は、発電機12の機械角θと時刻との関係を示すグラフである。
FIG. 13 is a diagram showing the timing of switching the switching element S according to this embodiment. 13A is a graph showing the relationship between the induced voltage E generated by the coil of the
本実施形態において、位相変調回路制御部34は、発電機12の機械角θに基づいて、スイッチング素子Sをスイッチングするタイミングを制御する。発電機12の機械角θは、コンデンサCの充電及び放電の影響を受けない。図13(a)及び図13(d)に示すように、誘起電圧Eは、周期的な正弦波を描き、発電機12の機械角θは、周期的な三角波を描く。位相変調回路制御部34は、発電機12の機械角θに基づいて、スイッチング素子Sをスイッチングするタイミングを制御することにより、コンデンサCの帯電状態と放電状態とを切り替えるタイミングを適正に制御することができる。そのため、位相変調回路13などからの出力のハンチングが抑制される。
In the present embodiment, the phase modulation circuit control unit 34 controls the timing of switching the switching element S based on the mechanical angle θ of the
例えば、図10において、区間(4)と区間(1)との境界のタイミングで実施していたスイッチング素子Sのスイッチングを、例えば発電機12の機械角θが0度になるタイミングで実施するスイッチング素子Sのスイッチングとし、区間(2)と区間(3)との境界のタイミングで実施していたスイッチング素子Sのスイッチングを、例えば発電機12の機械角θが180度になるタイミングで実施するスイッチング素子Sのスイッチングとすることにより、位相変調回路制御部34は、発電機12の機械角θに基づいて、コンデンサCの帯電状態と放電状態とを切り替えるタイミングが適正に制御することができる。
For example, in FIG. 10, the switching of the switching element S, which was performed at the timing of the boundary between the section (4) and the section (1), is performed at the timing when the mechanical angle θ of the
例えば、位相変調回路制御部34は、角度センサ40の検出データに基づいて、発電機12の機械角θが0度であると判定したとき、スイッチング素子S1及びスイッチング素子S3をONにし、スイッチング素子S2及びスイッチング素子S4をOFFにする。これにより、位相変調回路13は、図4に示した状態になる。この場合、位相変調回路13の接続部P1の電圧が負であるため、コンデンサCが帯電する。
For example, when the phase modulation circuit control unit 34 determines that the mechanical angle θ of the
位相変調回路制御部34は、角度センサ40の検出データに基づいて、発電機12の機械角θが90度であると判定したとき、機械角が180度になるまで、スイッチング素子S1及びスイッチング素子S3がONであり、スイッチング素子S2及びスイッチング素子S4がOFFである状態を維持する。これにより、位相変調回路13は、図5に示した状態になる。この場合、位相変調回路13の接続部P1の電圧が正であるため、コンデンサCが放電する。
When the phase modulation circuit control unit 34 determines that the mechanical angle θ of the
位相変調回路制御部34は、角度センサ40の検出データに基づいて、発電機12の機械角θが180度であると判定したとき、スイッチング素子S1及びスイッチング素子S3をOFFに切り替え、スイッチング素子S2及びスイッチング素子S4をONに切り替える。これにより、位相変調回路13は、図6に示した状態になる。この場合、位相変調回路13の接続部P1の電圧が正であるため、コンデンサCが帯電する。
When it is determined that the mechanical angle θ of the
位相変調回路制御部34は、角度センサ40の検出データに基づいて、発電機12の機械角θが270度であると判定したとき、機械角が0度(360度)になるまで、スイッチング素子S1及びスイッチング素子S3がOFFであり、スイッチング素子S2及びスイッチング素子S4がONである状態を維持する。これにより、位相変調回路13は、図7に示した状態になる。この場合、位相変調回路13の接続部P1の電圧が負であるため、位相変調回路13のコンデンサCが放電する。
When it is determined that the mechanical angle θ of the
[効果]
以上説明したように、本実施形態によれば、発電機12の機械角θに基づいて、スイッチング素子Sが制御され、コンデンサCの帯電状態と放電状態とが切り替えられる。そのため、コンデンサCの帯電状態と放電状態とを切り替えるタイミングが適正に制御される。したがって、位相変調回路13からの出力のハンチングが抑制される。
[effect]
As described above, according to this embodiment, the switching element S is controlled based on the mechanical angle θ of the
図14は、本実施形態に係る制御装置30の効果を確認するために行った実験結果を示すグラフである。図14に示すグラフにおいて、縦軸は位相変調回路13の接続部P2から出力され整流器14から出力された直流電圧の振幅を示し、横軸はスイッチング位相差を示す。図14に示すグラフにおいて、ラインLaは発電機12の機械角θに基づいて位相変調回路13を制御したときの直流電圧の振幅を示し、ラインLbは発電機12から出力される電圧Vacinに基づいて位相変調回路13を制御したときの直流電圧の振幅を示す。図14において、直流電圧の振幅が小さいほどハンチングが小さいことを示す。図14に示すように、発電機12の機械角θに基づいて位相変調回路13を制御したときの直流電圧の振幅は、発電機12から出力される電圧Vacinに基づいて位相変調回路13を制御したときの直流電圧の振幅よりも小さい。このように、発電機12の機械角θに基づいて位相変調回路13が制御されることにより、位相変調回路13などからの出力のハンチングが抑制されることが確認できた。
FIG. 14 is a graph showing the results of an experiment conducted to confirm the effect of the
[他の実施形態]
なお、上述の実施形態においては、コンデンサCの一端側及び他端側のそれぞれにスイッチング素子Sが2つずつ設けられることとした。例えばコンデンサCの一端側及び他端側の少なくとも一方においてスイッチング素子が1つ設けられてもよい。コンデンサCの一端側及び他端側の少なくとも一方においてスイッチング素子が3つ以上設けられてもよい。
[Other Embodiments]
In the above embodiment, two switching elements S are provided on each of the one end side and the other end side of the capacitor C. For example, one switching element may be provided on at least one of the one end side and the other end side of the capacitor C. Three or more switching elements may be provided on at least one of the one end side and the other end side of the capacitor C.
上述の実施形態においては、ダンプトラック1が、運転室8に搭乗した運転者の操作に基づいて走行する有人ダンプトラックであることとした。ダンプトラック1は、運転者の操作によらずに制御指令に基づいて走行する無人ダンプトラックでもよい。また、ダンプトラック1は、リジッド式のダンプトラックでもよいし、アーティキュレート式のダンプトラックでもよい。
In the above-described embodiment, the
1…ダンプトラック(作業車両)、2…車両本体、3…ベッセル、4…走行装置、5…車体、6…車輪、6F…前輪、6R…後輪、7…車軸、7F…前車軸、7R…後車軸、8…運転室、8a…アクセルペダル、9…動力発生装置、10…動力伝達装置、11…内燃機関、11s…エンジン回転センサ、12…発電機、12s…発電機回転センサ、13…位相変調回路、13a…整流器、13s…電圧センサ、13A…第1位相変調回路、13B…第2位相変調回路、13C…第3位相変調回路、14…整流器、15…インバータ、15F…前輪側出力部、15R…後輪側出力部、16…電動機、16F…前輪側電動機、16R…後輪側電動機、16s…モータ回転センサ、17…動力伝達シャフト、18…油圧ポンプ、19…励磁装置、20…平滑コンデンサ、21…負荷機器、22…伝達機構、30…制御装置、31…内燃機関制御部、32…発電機制御部、33…電動機制御部、34…位相変調回路制御部、35…記憶部、36…データ取得部、40…角度センサ、A1…第1部分、A2…第2部分、C…コンデンサ、P1…接続部、P2…接続部、P3…接続部、P4…接続部、S…スイッチング素子、S1…第1スイッチング素子(スイッチング素子)、S2…第2スイッチング素子(スイッチング素子)、S3…第3スイッチング素子(スイッチング素子)、S4…第4スイッチング素子(スイッチング素子)。 1... Dump truck (work vehicle), 2... Vehicle body, 3... Vessel, 4... Traveling device, 5... Car body, 6... Wheel, 6F... Front wheel, 6R... Rear wheel, 7... Axle, 7F... Front axle, 7R ... rear axle, 8... driver's cab, 8a... accelerator pedal, 9... power generation device, 10... power transmission device, 11... internal combustion engine, 11s... engine rotation sensor, 12... generator, 12s... generator rotation sensor, 13 ... phase modulation circuit, 13a... rectifier, 13s... voltage sensor, 13A... first phase modulation circuit, 13B... second phase modulation circuit, 13C... third phase modulation circuit, 14... rectifier, 15... inverter, 15F... front wheel side Output part, 15R... Rear wheel side output part, 16... Electric motor, 16F... Front wheel side electric motor, 16R... Rear wheel side electric motor, 16s... Motor rotation sensor, 17... Power transmission shaft, 18... Hydraulic pump, 19... Exciting device, 20... Smoothing capacitor, 21... Load device, 22... Transmission mechanism, 30... Control device, 31... Internal combustion engine control unit, 32... Generator control unit, 33... Electric motor control unit, 34... Phase modulation circuit control unit, 35... Storage part, 36... Data acquisition part, 40... Angle sensor, A1... First part, A2... Second part, C... Capacitor, P1... Connection part, P2... Connection part, P3... Connection part, P4... Connection part, S... switching element, S1... first switching element (switching element), S2... second switching element (switching element), S3... third switching element (switching element), S4... fourth switching element (switching element).
Claims (4)
前記発電機で発生した電力により駆動力を発生する電動機と、
前記電動機で発生した駆動力により走行する走行装置と、
前記発電機と前記電動機との間に直列に接続され、コンデンサ及び前記コンデンサの一端側及び他端側に接続されるスイッチング素子を有する位相変調回路と、
前記発電機の機械角に基づいて前記スイッチング素子を制御して、前記コンデンサの帯電状態と放電状態とを切り替えて、前記発電機から前記電動機に供給される電流の位相を変調する制御装置と、
を備える作業車両の動力伝達装置。 A generator that generates electric power by the power generated in the internal combustion engine,
An electric motor that generates a driving force by the electric power generated by the generator,
A traveling device that travels by the driving force generated by the electric motor,
A phase modulation circuit having a switching element connected in series between the generator and the electric motor and connected to a capacitor and one end side and the other end side of the capacitor;
A control device that controls the switching element based on a mechanical angle of the generator, switches between a charged state and a discharged state of the capacitor, and modulates a phase of a current supplied from the generator to the electric motor.
A power transmission device for a work vehicle including the.
前記角度センサの検出データに基づいて前記スイッチング素子を制御する、
請求項1に記載の作業車両の動力伝達装置。 An angle sensor for detecting the mechanical angle of the generator is provided,
Controlling the switching element based on the detection data of the angle sensor,
The power transmission device for a work vehicle according to claim 1.
請求項1又は請求項2に記載の作業車両の動力伝達装置。 The control device compensates for a delay in the phase of the current with respect to the phase of the voltage generated in the generator,
The power transmission device for a work vehicle according to claim 1 or 2.
前記位相変調回路は、前記発電機から前記電動機に向かって前記第4スイッチング素子と前記第1スイッチング素子とが直列に接続された第1部分と、前記第1部分に並列に配置され前記発電機から前記電動機に向かって前記第3スイッチング素子と前記第2スイッチング素子とが直列に接続された第2部分とを有し、
前記コンデンサの一端は、前記第1部分のうち前記第4スイッチング素子と前記第1スイッチング素子との間の接続部に接続され、前記コンデンサの他端は、前記第2部分のうち前記第3スイッチング素子と前記第2スイッチング素子との間の接続部に接続される、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の作業車両の動力伝達装置。 The switching element includes a first switching element, a second switching element, a third switching element, and a fourth switching element,
The phase modulation circuit includes a first portion in which the fourth switching element and the first switching element are connected in series from the generator toward the electric motor, and the generator is arranged in parallel with the first portion. To the electric motor, the third switching element and the second switching element having a second portion connected in series,
One end of the capacitor is connected to a connection portion of the first portion between the fourth switching element and the first switching element, and the other end of the capacitor is the third switching portion of the second portion. Connected to a connection between an element and the second switching element,
The power transmission device for a work vehicle according to any one of claims 1 to 3.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2018248179A JP2020104818A (en) | 2018-12-28 | 2018-12-28 | Power transmission device for work vehicle |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2020104818A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11741193B2 (en) | 2020-12-02 | 2023-08-29 | Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha | Distance recognition system for use in marine vessel, control method thereof, and marine vessel |
-
2018
- 2018-12-28 JP JP2018248179A patent/JP2020104818A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US11741193B2 (en) | 2020-12-02 | 2023-08-29 | Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha | Distance recognition system for use in marine vessel, control method thereof, and marine vessel |
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