JP5846818B2 - 電力制御装置 - Google Patents
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Description
特許文献2には、交流電動機のトルクの脈動を抑制可能な低コストの制御装置(スイッチング電源)の発明が記載されている。
そこで、本発明は、駆動回路の過電流保護、過電圧保護、過電力保護を可能とする電力制御装置を提供することを課題とする。
すなわち、本発明の電力制御装置は、直流電源に接続されて第1の電圧が印加され、外部負荷に電力を供給する駆動回路と、この駆動回路に流れる電流を、当該電流に相当する第2の電圧に変換して検出する電流検出回路と、この駆動回路を制御する電流電圧制御部とを備えている。電流電圧制御部は、この第1の電圧が第1閾値以下ならば、この第1の電圧が印加されたときの駆動回路に流れる電流の制限値に相当する基準電圧を第1の電圧に応じて生成して第2の電圧と比較した結果に基いて、第1の電圧に応じた所望の電流で動作するように駆動回路を制御し、この第1の電圧が第1閾値を超えているならば、この第1の電圧が印加されたときの駆動回路の電力制限のための電流値に相当する基準電圧を第1の電圧に応じて生成し、この基準電圧と第2の電圧と比較した結果に基いて、所望の電力以下で動作するよう駆動回路を制御することを特徴とする。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
図1は、本実施形態に於ける電力制御装置10の概略を示す構成図である。
電力制御装置10は、インバータ回路12(駆動回路)と、電流電圧制御部20と、入力電流検出回路21(電流検出回路)と、入力電圧検出回路22(電圧検出回路)とを有している。
電力制御装置10は、モータ13(外部負荷)に電力を供給して駆動するものである。
電力制御装置10の正極側入力端子は、直流電源11の正極側に接続され、電力制御装置10の負極側入力端子は、直流電源11の負極側に接続され、この正極側入力端子と負極側入力端子との間には、入力電圧Vccが印加される。電力制御装置10の2つの交流出力端子は、モータ13(外部負荷)に接続され、交流電圧が印加されることにより、駆動電力を供給して駆動する。
直流電源11の正極側は、インバータ回路12の正極側入力端子と入力電圧検出回路22の正極側入力端子とに接続されている。直流電源11の負極側は、入力電圧検出回路22の負極側入力端子に接続されていると共に、入力電流検出回路21を介してインバータ回路12の負極側入力端子に接続されている。直流電源11は、所定の電圧を、インバータ回路12の正極側入力端子と負極側入力端子との間、および、入力電圧検出回路22の正極側入力端子と負極側入力端子との間に印加する。
インバータ回路12は、正極側入力端子が直流電源11の正極側に接続され、負極側入力端子が、入力電流検出回路21を介して直流電源11の負極側に接続され、この正極側入力端子と負極側入力端子との間に入力電圧Vcc(第1の電圧)が印加される。インバータ回路12は、4つの制御入力端子が電流電圧制御部20の出力端子に接続され、4つの制御入力端子に駆動制御信号が入力される。インバータ回路12は更に、2つの交流出力端子がモータ13(外部負荷)に接続され、モータ13(外部負荷)に交流電圧を印加することにより、駆動電力を供給する。
入力電圧検出回路22の正極側入力端子は直流電源11の正極側に接続され、入力電圧検出回路22の負極側入力端子は直流電源11の負極側に接続され、この正極側入力端子と負極側入力端子との間に印加されている入力電圧Vccを検出する。入力電圧検出回路22は更に、出力端子が電流電圧制御部20の一方の入力端子に接続され、入力電圧Vcc2を電流電圧制御部20に出力する。入力電圧検出回路22は、例えば、直流電源11の正極側と負極側との間に直列に接続された2つの抵抗からなる抵抗分圧回路であり、直流電源11の正極側と負極側との間の入力電圧Vccを、この入力電圧Vccに比例した入力電圧Vcc2に変換して出力するものである。
入力電流検出回路21の2つの入力端子は、直流電源11の負極側とインバータ回路12の負極側との間に直列接続され、インバータ回路12に流れる入力電流Iinが2つの入力端子間を流れる。入力電流検出回路21の出力端子は、電流電圧制御部20の他方の入力端子に接続され、入力電流Iinに相当する電圧Vin2(第2の電圧)を検出して出力する。入力電流検出回路21は、例えば、直流電源11の負極側とインバータ回路12の負極側との間に直列に接続されたシャント抵抗である。ここで当該シャント抵抗の両端電圧差を、当該シャント抵抗の抵抗値で除算した値が、入力電流Iinとなる。すなわち、入力電流検出回路21は、インバータ回路12に流れる入力電流Iinを、この入力電流Iinに相当する電圧Vin2に変換して出力するものである。
電流電圧制御部20の一方の入力側には、入力電圧検出回路22の出力端子が接続され、入力電圧Vccを分圧した入力電圧Vcc2が印加される。電流電圧制御部20の他方の入力側には、入力電流検出回路21の出力端子が接続され、入力電流Iinに相当する電圧Vin2が印加される。電流電圧制御部20の4つの出力端子は、インバータ回路12の4つの制御端子に接続され、この入力電圧Vccに応じた所望の電流以下で動作するように、インバータ回路12を制御する所定の駆動制御信号を出力する。
モータ13は、インバータ回路12の2つの交流出力端子が接続され、この交流出力端子に印加されている交流電圧によって、駆動電力が供給されて駆動する。
インバータ回路12は、4つのスイッチング素子Q1〜Q4を有している。
各スイッチング素子Q1〜Q4は、例えばFET(Field Effect Transistor)であり、制御端子であるゲート端子にHレベルまたはLレベル信号が印加されることにより、2つの入力端子であるドレイン端子とソース端子との間の導通を制御するものである。スイッチング素子Q1〜Q4は更に、各制御端子に印加された所定の駆動制御信号によって、それぞれスイッチング動作を行い、交流出力端子に接続されているモータ13(負荷)に、交流電圧を印加して駆動するものである。
スイッチング素子Q1,Q2を直列接続した第1のスイッチングレッグと、スイッチング素子Q3,Q4を直列接続した第2のスイッチングレッグは、インバータ回路12の正極入力端子と負極入力端子との間に、それぞれ並列に接続されている。各スイッチング素子Q1〜Q4の制御端子は、それぞれ電流電圧制御部20の4つの出力端子と接続され、所定の駆動制御信号が入力される。更に、スイッチング素子Q1,Q2間のノードと、スイッチング素子Q3,Q4間のノードとは、インバータ回路12の2つの交流出力端子であり、それぞれモータ13に接続され、このモータ13に交流電圧を印加する。
電流電圧制御部20は、基準電圧生成部30と、コンパレータ41と、インバータ回路制御部40と、抵抗R1とを有している。
基準電圧生成部30には、入力電圧検出回路22の出力端子が接続され、入力電圧Vcc2が入力される。基準電圧生成部30の出力端子は、コンパレータ41の非反転入力端子に接続され、基準電圧Vrefを出力する。
コンパレータ41には、非反転入力端子に基準電圧生成部30の出力端子が接続されて基準電圧Vrefが印加され、反転入力端子に入力電流検出回路21の出力端子が接続されて電圧Vin2が印加される。コンパレータ41の出力端子は、インバータ回路制御部40に接続され、所定条件に基いて停止信号を出力する。
更に、コンパレータ41の非反転入力端子と出力端子との間には、抵抗R1が接続されている。コンパレータ41は、抵抗R1によってシュミットトリガ動作を行い、反転入力端子に印加された電圧Vin2と非反転入力端子に印加された基準電圧Vrefとが近接しているとき、出力される信号が頻繁にHレベルからLレベル(停止信号)に変化することを抑止する。
インバータ回路制御部40は、入力端子がコンパレータ41の出力端子に接続されて、所定条件に基いて停止信号が入力される。インバータ回路制御部40の4つの出力端子は、インバータ回路12の制御端子に接続され、所定の駆動制御信号を出力する。
基準電圧生成部30は、記憶部31と、A/D(Analog to Digital)変換器32と、基準電圧設定部33と、D/A(Digital to Analog)変換器34とを有している。
記憶部31は、基準電圧設定部33から読み取り可能に接続されている。
基準電圧生成部30の入力側は、当該A/D変換器32の入力側であり、入力電圧検出回路22の出力端子が接続され、入力電圧Vcc2が印加される。A/D変換器32の出力側には、基準電圧設定部33が接続され、入力電圧Vccを分圧した入力電圧Vcc2に相当する第1のデジタル値を出力する。すなわち、A/D変換器32は、入力電圧Vccに相当する第1のデジタル値を出力する。
基準電圧設定部33の入力側には、A/D変換器32の出力側が接続され、第1のデジタル値が入力される。基準電圧設定部33の出力側には、D/A変換器34の入力側が接続され、第2のデジタル値が出力される。更に基準電圧設定部33には、記憶部31が読み取り可能に接続されている。
D/A変換器34の入力側には、基準電圧設定部33の出力側が接続され、第2のデジタル値が入力される。D/A変換器34の出力端子は、この基準電圧生成部30の出力側であり、コンパレータ41の非反転入力端子が接続され、基準電圧Vrefを出力する。
インバータ回路制御部40は、PWM(Pulse Width Modulation)生成部42と、スイッチング素子Q5(スイッチ部)と、駆動制御部44とを有している。
スイッチング素子Q5は、入力端子がPWM生成部42の出力側に接続され、PWM信号が入力される。スイッチング素子Q5の制御端子は、コンパレータ41の出力端子に接続され、停止信号が入力される。スイッチング素子Q5の出力端子は、駆動制御部44に接続され、制御端子に停止信号が入力されていないときにPWM信号を出力する。
駆動制御部44の入力端子は、スイッチング素子Q5の出力端子に接続され、PWM信号が入力される。駆動制御部44の4つの出力端子は、それぞれインバータ回路12の4つの制御端子に接続され、所定の駆動制御信号を出力する。
図1を基に、電力制御装置10の動作を説明する。
電力制御装置10は、直流電源11の正極側と負極側との間の入力電圧Vccを、入力電圧検出回路22によって入力電圧Vccに比例した入力電圧Vcc2に分圧して、基準電圧生成部30に出力する。基準電圧生成部30は、この入力電圧Vcc2を、入力電圧Vcc2に応じた入力電流Iinの制限値(最大値)に相当する電圧である基準電圧Vrefに変換して、コンパレータ41の非反転入力端子に出力する。
一方、電力制御装置10は、入力電流検出回路21によって、直流電源11に流れる入力電流Iinを、入力電流Iinに相当する電圧Vin2に高速に変換し、コンパレータ41の反転入力端子に出力する。
電力制御装置10は、インバータ回路制御部40によって、コンパレータ41からLレベルの停止信号が入力されたとき、インバータ回路12の負荷駆動動作を停止させる。これにより、モータ13は駆動を停止する。
処理を開始すると、ステップS10に於いて、A/D変換器32は、入力電圧検出回路22を介して、インバータ回路12に印加されている入力電圧Vccを取得する。実際には、入力電圧Vccを分圧した入力電圧Vcc2(アナログ信号)を取得する。
ステップS11に於いて、A/D変換器32は、アナログ信号である入力電圧Vcc2を第1のデジタル値に変換する。
ステップS12に於いて、基準電圧設定部33は、記憶部31が格納する所定の変換テーブルに基づき、第1のデジタル値を、基準電圧Vrefに相当する第2のデジタル値に変換する。
ステップS13に於いて、基準電圧設定部33は、第2のデジタル値を、D/A変換器34により基準電圧Vref(アナログ信号)に変換する。
例えば、最大電力を350[W]に制限したい場合で、V1=50[V]、V2=70[V]のとき、入力電圧Vccが0〜50[V]の範囲では、入力電流制限値ImaxはI2=7[A]となる。入力電圧Vccが50〜70[V]の範囲では、入力電流制限値ImaxはI1=5[A]となる。入力電流制限値Imaxは、所定消費電力である350[W]を超えず、かつ、インバータ回路12またはモータ13の電流制限値を反映した値に決定でき、過電力保護と過電流保護とを同時に行える。
以上説明した本実施形態では、次の(A)〜(E)のような効果がある。
(C) 本実施形態の電力制御装置10では、入力電圧Vccに応じて入力電流Iinを制限し、よって所定の消費電力になるように制御することができる。これにより、不要な電力の消費を避ける省エネ機能を実現することができる。
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更実施が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の(a)〜(f)のようなものがある。
変形例に於ける電力制御装置は、図1に示す上記実施形態に於ける電力制御装置10と同様の構成を有し、記憶部31には、上記実施形態とは異なる所定の変換テーブルが格納されている。図4(a)〜(c)の破線Aは、図3の破線Aと同様に、過電力保護を行ったときの入力電圧Vccと入力電流制限値Imaxとの関係を示している。
図4(a)の実線B1は、入力電圧VccがV3以下のときには所定の過電流制御を行い、入力電圧VccがV3を超えているときには過電力保護を行う例を示している。これにより、変形例の電力制御装置は、過電流保護と過電力保護とを行って回路素子の破壊を抑止することができ、または/および、過電力保護機能を利用した省エネ動作を行わせることができる。
11 直流電源
12 インバータ回路 (駆動回路)
13 モータ (外部負荷)
20 電流電圧制御部
21 入力電流検出回路 (電流検出回路)
22 入力電圧検出回路 (電圧検出回路)
30 基準電圧生成部
31 記憶部
32 A/D変換器
33 基準電圧設定部
34 D/A変換器
40 インバータ回路制御部 (駆動回路制御部)
41 コンパレータ
42 PWM生成部
44 駆動制御部
Q5 スイッチング素子 (スイッチ部)
Vcc 入力電圧 (第1の電圧)
Vcc2 入力電圧
Vref 基準電圧
Iin 入力電流
Vin2 電圧 (第2の電圧)
Imax 入力電流制限値
Claims (8)
- 直流電源に接続されて第1の電圧が印加され、外部負荷に電力を供給する駆動回路と、
前記駆動回路に流れる電流を、当該電流に相当する第2の電圧に変換して検出する電流検出回路と、
前記第1の電圧が第1閾値以下ならば、前記第1の電圧が印加されたときの前記駆動回路に流れる電流の制限値に相当する基準電圧を前記第1の電圧に応じて生成し、生成した当該基準電圧と前記第2の電圧と比較した結果に基いて、前記第1の電圧に応じた所望の電流で動作するよう前記駆動回路を制御し、前記第1の電圧が前記第1閾値を超えているならば、前記第1の電圧が印加されたときの前記駆動回路の電力制限のための電流値に相当する基準電圧を前記第1の電圧に応じて生成し、生成した当該基準電圧と前記第2の電圧と比較した結果に基いて、所望の電力以下で動作するよう前記駆動回路を制御する電流電圧制御部と、
を備えたことを特徴とする電力制御装置。 - 前記電流電圧制御部は更に、前記第1の電圧が前記第1閾値以下ならば、前記第1の電圧が印加されたときの前記駆動回路に流れる電流制限値に対応する基準電圧を前記第1の電圧に応じて生成し、生成した当該基準電圧と前記第2の電圧と比較した結果に基いて、前記電流制限値以下で動作するよう前記駆動回路を制御する、
ことを特徴とする請求項1に記載の電力制御装置。 - 前記電流電圧制御部は更に、前記第1の電圧が第2閾値を超えているならば、前記第1の電圧が印加されたときの前記駆動回路の電圧制限値に相当する基準電圧を前記第1の電圧に応じて生成し、生成した当該基準電圧と前記第2の電圧と比較した結果に基いて、前記電圧制限値以下で動作するように前記駆動回路を制御する、
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力制御装置。 - 前記電流電圧制御部は、
前記第1の電圧に応じて前記基準電圧を生成して出力する基準電圧生成部と、
前記第2の電圧が前記基準電圧より大きい場合に停止信号を出力するコンパレータと、
前記停止信号を入力したときに、前記駆動回路による前記外部負荷への電力の供給を停止するよう制御する駆動回路制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の電力制御装置。 - 前記基準電圧生成部は、
アナログ信号である前記第1の電圧を第1のデジタル値に変換するA/D変換器と、
前記第1のデジタル値を、前記基準電圧に相当する第2のデジタル値に変換する基準電圧設定部と、
前記第2のデジタル値を前記基準電圧であるアナログ信号に変換するD/A変換器と、
を備えたことを特徴とする請求項4に記載の電力制御装置。 - 前記基準電圧生成部は、
前記第1の電圧と前記基準電圧との対応関係を示す所定の変換テーブルを格納した記憶部を備え、
前記基準電圧設定部は、前記所定の変換テーブルに基き、前記第1のデジタル値を、前記基準電圧に相当する前記第2のデジタル値に変換する、
ことを特徴とする請求項5に記載の電力制御装置。 - 前記基準電圧生成部は、
前記第1の電圧から前記基準電圧を所定の変換式によって算出する演算部を備え、
前記基準電圧設定部は、前記演算部によって、前記第1のデジタル値を、前記基準電圧に相当する前記第2のデジタル値に変換する、
ことを特徴とする請求項6に記載の電力制御装置。 - 前記駆動回路は、インバータ回路であり、
前記駆動回路制御部は、
PWM信号を生成するPWM生成部と、
前記PWM信号のデューティに応じて、前記インバータ回路に所定の駆動制御信号を出力する駆動制御部と、
前記コンパレータからの前記停止信号を入力したときに前記PWM信号の前記駆動制御部への出力を遮断するスイッチ部と、
を備えたことを特徴とする請求項4ないし請求項7のいずれか1項に記載の電力制御装置。
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