JP4121475B2 - 車両用発電機の発電制御装置 - Google Patents
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Description
これは、発電制御を、界磁巻線への電圧印可をON/OFF切り替えしてパルス幅変調にて行うにあたり、ON/OFF切り替えのタイミング演算をマイクロコンピュータによるディジタル演算により行うものである。
図9において、回転機1は、電機子巻線21、界磁巻線22とから構成されている。
マイクロコンピュータ30は、プロセッサ301、ROM302、RAM303、PWMタイマ304、A/D変換器305、タイマ306などから構成されている。
回転機1の回転部分は、ベルトなどを介して間接的に、あるいは直接的に図示しない内燃機関など動力源に接続されており、回転部分の回転により電機子巻線21に交流電圧が誘起され、整流器2により直流電圧へと変換される。
整流器2にはバッテリ3及びスイッチ4を介して電気負荷5が接続されており、これらに直流電力が供給されることとなる。
すなわち、回転機1の出力電流が少なく界磁電流が小さい場合には、発電電圧を目標発電電圧に一致させるべくAVR演算により動作を行い、通流率指令値ALPHVにて界磁スイッチング素子7を駆動する。一方、界磁電流が所定の値ifcMAX2を超えるような場合には、界磁電流の最大値がifcMAX2以下となるよう制御し、回転機の損傷やベルトのスリップを防止すべくACR演算により動作を行い、通流率指令値ALPHIにて界磁スイッチング素子7を駆動する。
つまり、所定の動作点において回転機の負荷が急変する過渡現象に対し、適切な応答特性を持つ比例積分演算の各演算定数を定めたとしても、別の動作点においては所望の応答特性を得られるかどうかは不明である。
巻線界磁型同期回転機の交流発電電力を直流電力に変換して電気負荷及びバッテリに供給する整流器と、
上記同期回転機の回転速度を算出する回転速度算出手段と、
上記同期回転機の界磁巻線への電圧印可のON/OFFを切り替える界磁スイッチング素子と、
基準クロックに基づく周期サンプリング信号に同期して、上記バッテリの電圧または上記整流器の直流側電圧をサンプリングする電圧検出手段と、
上記回転速度算出手段で算出された回転速度に基づいて、上記界磁スイッチング素子のON/OFF比率の適切な範囲(デューティ範囲)を設定するデューティ範囲設定手段と、
上記電圧検出手段のサンプリングした電圧を発電目標電圧に一致させるべく、上記デューティ範囲設定手段で設定されたデューティ範囲に基づいて、上記界磁スイッチング素子のON/OFF比率を演算する制御デューティ演算手段と、
上記制御デューティ演算手段で演算されたON/OFF比率から基準クロックに基づく所定周期で上記界磁スイッチング素子のON/OFFタイミングを算出し、上記界磁スイッチング素子を駆動するための界磁スイッチング信号を生成する界磁PWM駆動手段、
を備えたものである。
このため、回転部分に接続された内燃機関などの動力源の不用な回転変動や、ハンチングを回避することができ、また、回転部分がベルトを介して接続されている場合にはベルトの滑りや不快音(鳴き)などの発生を抑止することができる。
以下、この発明の実施の形態1による車両用発電機の発電制御装置について、図を用いて説明する。
図1は、この発明の実施の形態1による車両用発電機の発電制御装置の全体構成を示すブロック図である。
図1において、1は巻線界磁型同期回転機、2は整流器、3はバッテリ、4はスイッチ、5は電気負荷、6は発電制御装置、7は界磁スイッチング素子、8はフライホイールダイオードである。
整流器2には、バッテリ3及びスイッチ4を介して電気負荷5が接続されており、これらに直流電力が供給されることとなる。このとき、整流器2により変換される直流電圧の大きさは、同期回転機1の発電電力と、バッテリ3や電気負荷5の消費電力のバランスにより変化する。電気負荷5には前照灯、ブロワー、ワイパー、ラジオ他、種々の電気装置、電子機器があるが、その特性によっては直流電圧の変動は好ましくない影響を及ぼす。
例えば前照灯においては、明暗の変化、ちらつきの要因となる。このため、発電制御装置6は所定の直流電圧にて動作すべく、消費電力に対して発電電力をバランスさせるよう作用する。これは、界磁巻線22を流れる界磁電流量を操作して電機子巻線21に誘起される交流電圧を調整することで行われる。
図2は、巻線界磁型同期回転機の所定の発電電圧での動作における各界磁電流での、回転速度対発電電力特性を模式的に表す図である。低回転速度では界磁電流を多く流さなければ発電し得ず、また、界磁電流が一定であっても回転速度に対する発電電力は線形性を持たない。すなわち、同期回転機の回転速度に応じて界磁電流量に対する発電電力量の関係が個々変化することから、発電制御装置6が所定の直流電圧となすべく消費電力と発電電力をバランスさせる際に、直流電圧の変化に応じた界磁電流の操作量の関係が一様であっては、その応答性が同期回転機の動作点によってまちまちとなってしまうことを示す。
上記式(5)から、所定の発電電圧、回転速度における無発電と有発電の分岐点となる界磁電流量を識別でき、また、上記式(7)から、所定の発電電力を得るために要する界磁電流量を算出することができる。
図中、1.βmax相当出力は、低回転速度域で最大発電、発電能力に余裕のある領域で発電量を2000[W]とする特性を辿る特性線、2.βrate相当出力は、低回転速度域で中程度の発電、発電能力に余裕のある領域で発電量を1000[W]とする特性を辿る特性線、3.βmin相当出力は、無発電となる特性線である。
これら特性線に対応して、上記式(7)より、所定の発電電圧、回転速度における最大発電、定格発電、ゼロ発電の各状態における界磁電流量を引き当てることができる。
発電制御装置6は、基本クロック9、電圧検出手段10、回転速度算出手段11、デューティ範囲設定手段12、制御デューティ演算手段13、界磁PWM駆動手段14とから構成されている。
図4は、回転速度算出動作の説明図であり、特にU相N(低位)側の整流ダイオードの動作を説明している。整流器2の整流動作において、整流器2を構成する整流ダイオードは電機子21に誘起される交流電圧に同期して、導通と非導通の状態が切り替わる。また、この状態切り替わりに同期して図4に示されるように電流が流れる。
アノード(A)−カソード(K)間の電位差は、導通状態であれば半導体のPN接合の順方向動作時電圧降下分の小さな値であり、非導通状態であれば大きな値となる。
このため、例えばアノード(A)−カソード(K)間電位差波形の立ち上がりエッジ間など、回転に同期して変化する信号の周期を計測して回転速度を算出することができる。
ここで、デューティ範囲とは、制御デューティ演算手段13において、発電目標電圧Vrefと、発電電圧実際値との偏差に対応して設定される界磁スイッチング素子のON/OFF比率の設定範囲のことであり、上述の1.βmax相当出力、2.βrate相当出力、3.βmin相当出力の、各々の出力に対応した界磁電流を流す際の界磁スイッチング素子のON/OFF比率を、βmax〜βrate〜βminの範囲として設定したものである。
図5は、制御デューティ演算手段13の動作説明図である。
制御デューティ演算手段13は、発電目標電圧Vrefとバッテリ3の電圧情報を突き合わせて比較し、その偏差に応じてデューティ範囲から対応する界磁スイッチング素子のON/OFF比率(デューティ)を算出して出力する。まず、発電目標電圧Vrefとサンプリングされたバッテリ3の電圧情報が加え合わせ点131に入力されて、その偏差が平均値演算部132に伝達され蓄積される。
同様の処理が、界磁スイッチング素子7の界磁スイッチング周期と電圧サンプリング周期の比率の回数(図5では4回)だけ繰り返される。平均値演算部132では、蓄積された電圧偏差情報毎に係数を乗じた後、平均値を算出する。係数は電圧偏差情報に対して時間推移の重み付けを行うものであり、電圧偏差の変化状況を反映することができる。
ただし、平均演算の形態として係数を1.0に固定して単純平均演算を行う形としても、また、演算省力化のため電圧偏差情報入力の都度、移動平均演算を行う形としても良い。デューティ変換部133は、偏差の平均値を入力してデューティ範囲から対応する界磁スイッチング素子のON/OFF比率(デューティ)を算出して出力する。
すなわち、電圧偏差が、+αVの場合は界磁スイッチング素子ON/OFF比率をβmaxとなし、−αVの場合はβminとなす。
図6は、界磁PWM駆動手段14の動作説明図である。
界磁PWM駆動手段14は、界磁スイッチング素子7のON、OFF動作が基準クロックに基づいた定周期動作となる前提にて、ON/OFF比率に基づいて界磁スイッチング素子7のONタイミング、OFFタイミングを算出し、界磁スイッチング素子7を駆動するための界磁スイッチング信号を生成する。ここで、電圧検出手段10の電圧情報サンプリング、制御デューティ演算手段13の界磁スイッチング素子ON/OFF比率算出、界磁PWM駆動手段14の界磁スイッチング信号生成は、基準クロック9のクロック信号に基づいて同期したタイミングで実行される。
図7は、この発明の実施の形態2による車両用発電機の発電制御装置の全体構成を示すブロック図である。実施の形態1と比較して制御デューティ補正手段15を備えることを除いて、図1のシステムの全体構成を示すブロック図と同一構成であり、同一の働き、動作をすることから、以下、実施の形態1と異なる箇所を中心に説明する。
ここで、制動エネルギーは、制動トルクτm[N・m]と回転速度Nm[r/min]の積であるから、直流電力(発電電力)P’DCに関して次式のように略表現される。
制動トルクの急激な変動は、同期回転機1の回転部分に接続された内燃機関などの動力源の不用な回転変動や、ハンチングの要因となり、好ましくない影響を引き起こす。
回転部分がベルトを介して接続されている場合には、ベルトの滑りや不快音(鳴き)などが発生し得る。
この発明では、所定の発電電力範囲について、デューティ範囲として界磁スイッチング素子7のON/OFF比率の変化範囲を対応させる様態であることから、界磁スイッチング素子7のON/OFF比率の変化量を制限することは、発電電力の変化量を制限することに相当する。式(9)より、発電電力の変化量を制限することは制動トルクの変化量を制限することに相当することから、すなわち、界磁スイッチング素子7のON/OFF比率の変化量を制限することで制動トルクの変化量を制限することができる。
図中、制御デューティ補正手段15は、制御デューティ演算手段13と界磁PWM駆動手段14の間に挿入され、制動トルクの変化量を制限すべく、界磁スイッチング素子7のON/OFF比率の変化量を制限して出力する。
制御デューティ補正手段15は、変化率リミット値算出器151、変化率リミッタ152、遅延器153とから構成されている。
制御デューティ補正手段15には、回転速度算出手段11より回転速度が、デューティ範囲設定手段12からデューティ範囲が、制御デューティ演算手段13から界磁スイッチング素子7のON/OFF比率が、基準クロック9よりクロック信号が入力される。
変化率リミット値算出器151は、回転速度、クロック信号、及び、デューティ範囲から、上記式(9)に基づき、界磁スイッチング素子7のスイッチング周期を時間単位として、界磁スイッチング素子7のON/OFF比率の変化率のリミット値を算出する。
変化率リミッタ152は、制御デューティ演算手段13からの界磁スイッチング素子7のON/OFF比率と、遅延器153からの一スイッチング周期前の界磁スイッチング素子7のON/OFF比率とからON/OFF比率の変化率を算出し、その上下限をON/OFF比率変化率のリミット値で制限されるよう補正して出力する。
このため、回転部分に接続された内燃機関などの動力源の不用な回転変動や、ハンチングを回避することができ、また、回転部分がベルトを介して接続されている場合には、ベルトの滑りや不快音(鳴き)などの発生を抑止することができる。
4:スイッチ 5:電気負荷 6:発電制御装置
7:界磁スイッチング素子 8:フライホイールダイオード
9:基本クロック 10:電圧検出手段 11:回転速度算出手段
12:デューティ範囲設定手段 13:制御デューティ演算手段
14:界磁PWM駆動手段 15:制御デューティ補正手段
21:電機子巻線 22:界磁巻線 101:入力インターフェイス
102:サンプリング指示発生器 103:サンプラ
151:変化率リミット値算出器 152:変化率リミッタ 153:遅延器
Claims (5)
- 車両用発電機の発電制御装置において
巻線界磁型同期回転機の交流発電電力を直流電力に変換して電気負荷及びバッテリに供給する整流器と、
上記同期回転機の回転速度を算出する回転速度算出手段と、
上記同期回転機の界磁巻線への電圧印可のON/OFFを切り替える界磁スイッチング素子と、基準クロックに基づく周期サンプリング信号に同期して、上記バッテリの電圧または上記整流器の直流側電圧をサンプリングする電圧検出手段と、
上記回転速度算出手段で算出された回転速度に基づいて、上記界磁スイッチング素子のON/OFF比率の適切な範囲(デューティ範囲)を設定するデューティ範囲設定手段と、
上記電圧検出手段のサンプリングした電圧を発電目標電圧に一致させるべく、上記デューティ範囲設定手段で設定されたデューティ範囲に基づいて、上記界磁スイッチング素子のON/OFF比率を演算する制御デューティ演算手段と、
上記制御デューティ演算手段で演算されたON/OFF比率から基準クロックに基づく所定周期で上記界磁スイッチング素子のON/OFFタイミングを算出し、上記界磁スイッチング素子を駆動するための界磁スイッチング信号を生成する界磁PWM駆動手段、
を備えることを特徴とする車両用発電機の発電制御装置。 - 上記界磁PWM駆動手段における界磁スイッチング周期と、上記電圧検出手段における電圧のサンプリング周期の比率はn対1の整数比であることを特徴とする請求項1に記載の車両用発電機の発電制御装置。
- 上記回転速度算出手段は、上記整流器内の整流素子の両端の電位差に基づいて回転速度を算出することを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の車両用発電機の発電制御装置。
- 上記界磁PWM駆動手段に入力される上記界磁スイッチング素子のON/OFF比率の推移状況に応じて、上記界磁スイッチング素子のON/OFF比率の設定値を補正して出力する制御デューティ補正手段を備えることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の車両用発電機の発電制御装置。
- 上記制御デューティ補正手段は、回転速度算出手段で算出された回転速度と、デューティ範囲設定手段で設定されたデューティ範囲に基いて、界磁スイッチング素子のON/OFF比率の変化率のリミット値を算出するリミット値算出手段、および、上記制御デューティ演算手段で演算されたON/OFF比率の変化率を算出する変化率算出手段を備え、上記変化率算出手段によって算出された変化率の上下限を、上記リミット値算出手段のリミット値で制限するようにしたことを特徴とする請求項4に記載の車両用発電機の発電制御装置。
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