JP5958494B2 - スイッチング制御装置 - Google Patents
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Description
例えば特許文献1に開示されたスイッチング制御装置は、直流電圧変換器である昇圧コンバータと、電力変換器であるインバータとのスイッチング素子の切替タイミングが重なる場合、インバータの切替タイミングを所定のインバータ遮蔽期間(切替禁止期間)の終了時点に遅らせるように補正する。
ここで、直流電圧変換器は、電気エネルギを蓄積且つ放出可能なリアクトル、及び、リアクトルに接続される少なくとも一つのスイッチング素子を有し、スイッチング素子をオンオフさせることで、直流電源からリアクトルに入力される入力電圧(Vin)を出力電圧(VH)に変換する。
電力変換器は、高電位側スイッチング素子及び低電位側スイッチング素子からなる複数のスイッチング素子対を有し、対をなすスイッチング素子を交互にオンオフさせることで、直流電圧変換器が出力した直流電力を交流電力に変換して負荷に出力する。
直流電圧変換器制御回路は、直流電圧変換器の出力電圧に対する指令電圧(VHcom)に応じて直流電圧変換器の制御量を演算する。
直流電圧変換器駆動回路は、直流電圧変換器制御回路が演算した直流電圧変換器の制御量に従って、直流電圧変換器のスイッチング素子を動作させる。
電力変換器制御回路は、負荷の要求出力に応じて電力変換器の制御量を演算する。
電力変換器駆動回路は、電力変換器制御回路が演算した電力変換器の制御量に従って、電力変換器のスイッチング素子対を動作させる。
ここで、「電力変換器切替タイミング」は、時間軸上の「切替時」に限らず、例えば負荷が回転機である場合、電気角軸上の「切替電気角」を含む意味で解釈する。
ここで、切替禁止期間の幅は、想定されるサージ電圧の大きさや各スイッチング素子の特性ばらつきを考慮し、サージ電圧が各スイッチング素子に影響を及ぼさない程度に減衰する時間を確保するように設定される。
また本発明では、特許文献1の従来技術のように、主として電力変換器の切替タイミングを補正するのでなく、直流電圧変換器の切替タイミングを補正する。また、切替タイミングを遅らせるように補正するのでなく、切替タイミングを早めるように補正する。
これにより、電力変換器の制御性の悪化による負荷出力の変動、例えばモータジェネレータのトルク変動を抑制することができる。
1)直流電圧変換器駆動回路がスイッチング周期に対するオン時間又はオフ時間の比率である時比率(デューティ)に基づいて出力電圧を制御するものである場合、直流電圧変換器切替補正手段は、直流電圧変換器制御回路が演算したデューティを補正する。
2)直流電圧変換器駆動回路が、さらに時比率と搬送波(キャリア)とを比較して駆動信号を生成するものである場合、キャリアの周期を変更する。
例えば、直流電圧変換器の出力電圧又はリアクトル電流に着目し、補正対象の切替タイミングを早めることで出力電圧やリアクトル電流が減少し、電力変換器の制御性が悪化する方向の場合には、補正時間を最短とするため、補正対象の切替タイミングを直流電圧変換器切替禁止期間の開始タイミングに近づけるように補正することが好ましい。
例えば、スイッチング素子の時比率を徐変させるように補正することで、切替タイミング補正処理に伴う出力の急変を回避することができる。
或いは、半周期以上のスイッチング周期における時比率が補正前と補正後とで同等となるように補正することで、出力電圧の変動を抑制することができる。
1)なるべく早く実行する場合、直流電圧変換器切替禁止期間を算出する処理が完了した直後に切替タイミング補正処理を開始する。
2)なるべく遅く実行する場合、直流電圧変換器駆動回路へ指令する切替タイミングを設定する直前に切替タイミング補正処理が完了するように、切替タイミング補正処理を開始する。
1)電力変換器制御回路が電力変換器切替タイミングを算出した時点で直流電圧変換器切替禁止期間算出処理を開始し、電力変換器制御回路によって算出された電力変換器切替タイミングを基準として、直流電圧変換器切替禁止期間を算出する。
3)電力変換器を制御するための制御情報が更新された時点で、直流電圧変換器切替禁止期間算出処理を開始する。
上記の2)と3)とを組み合わせてもよい。
そこで、切替タイミング補正処理において補正対象の切替タイミングに対する補正時間を算出不能である場合、補正対象の切替タイミングが前記直流電圧変換器切替禁止期間外となるように、電力変換器切替タイミングを早める方向に補正するようにしてもよい。
すなわち、本発明の基本的な技術的思想である「直流電圧変換器の切替タイミングを補正」することができない場合には、例外的に電力変換器の切替タイミングを補正することで、重畳サージの発生を回避することができる。
本発明の実施形態のスイッチング制御装置は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車の動力源として用いられるモータジェネレータを駆動する駆動システムに適用される。このモータジェネレータ駆動システムは、バッテリの電源電圧を昇圧する昇圧コンバータと、昇圧コンバータが出力した直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータに出力するインバータとを含む。
以下の第1〜第8実施形態では、原則通り、昇圧コンバータの切替タイミングを早める方向に補正する実施形態について説明する。また、第9実施形態では、例外的に、インバータの切替タイミングを早める方向に補正する場合を含む実施形態について説明する。
なお、明細書中で「本実施形態」という場合、第1〜第9実施形態に共通の事項について述べる。
第1〜第8実施形態のスイッチング制御装置に共通の構成及び作用について、図1〜図4を参照して説明する。
図1に示すように、「負荷駆動システム」としてのモータジェネレータ駆動システム1は、「直流電源」としてのバッテリ15、「直流電圧変換器」としての昇圧コンバータ20、「電力変換器」としてのインバータ30、「負荷」としてのモータジェネレータ4(図中「MG」と示す)、及び、スイッチング制御装置50等を含む。
バッテリ15は、例えばニッケル水素またはリチウムイオン等の充放電可能な蓄電装置によって構成される直流電源である。この他、電気二重層キャパシタ等を直流電源として用いてもよい。
リアクトル21は、インダクタンスLを有しており、電流ILの変化に伴って誘起電圧が発生し、電気エネルギが蓄積される。
このように本実施形態の昇圧駆動部22は、「スイッチング素子対」として構成されている。ただし、本発明の他の実施形態の昇圧駆動部は、対をなさない一つ以上のスイッチング素子で構成されてもよい。
高電位側スイッチング素子23がオンで低電位側スイッチング素子24がオフのとき、リアクトル21に蓄積されたエネルギが放出されることにより、バッテリ入力電圧Vinに誘起電圧が重畳され昇圧された出力電圧VHが平滑コンデンサ25に充電される。
各相の上下アームのスイッチング素子31〜36は、インバータ駆動回路64からのインバータ駆動信号Si(図3参照)に従って、交互に、かつ相補的にオンオフ動作する。
スイッチング制御装置50は、マイコン等により構成され、内部にはいずれも図示しないCPU、ROM、I/O、及び、これらの構成を接続するバスライン等を備えている。スイッチング制御装置50は、予め記憶されたプログラムをCPUで実行することによるソフトウェア処理や、専用の電子回路によるハードウェア処理による制御を実行する。
スイッチング制御装置50には、上位の車両制御回路等から指令されたモータジェネレータ4に対する指令トルクtrq*、モータジェネレータ4の電気角θ及び電気角速度ωが入力される。なお、電気角速度ω[rad/s]は、スイッチング制御装置50内部で算出されてもよく、さらに回転数N[rpm]に換算されてもよい。
また、スイッチング制御装置50は、「直流電圧変換器切替禁止期間算出手段」としての昇圧コンバータ切替禁止期間算出手段52、及び、「直流電圧変換器切替補正手段」としての昇圧コンバータ切替補正手段53を有している。
なお、「duty」は一般に[%]単位で用いられる場合もあるが、本明細書では数式の都合上、dutyを「0以上1以下の無次元数」として定義する。
以下、本明細書では、各相の高電位側スイッチング素子31、32、33のオンデューティの指令値を「duty」と定義する。デッドタイムを無視すれば、各相の低電位側スイッチング素子34、35、36のオンデューティは、対応する高電位側スイッチング素子のdutyに対して「1−duty」に相当する。
指令電圧生成部511は、指令トルクtrq*及び電気角速度ωに基づいて指令電圧VHcomを演算する。フィードバック演算部512は、指令電圧VHcomと出力電圧VHとの偏差をゼロに収束させるように、PI演算により、dutyのフィードバック項dfbを演算する。フィードフォワード演算部513は、dutyのフィードフォワード項dffを演算する。昇圧コンバータ制御回路51は、フィードバック項dfbとフィードフォワード項dffとを加算したdutyを出力する。
図3のタイムチャートは、インバータ30のいずれかの相の高電位側スイッチング素子の駆動信号Siと、昇圧コンバータ20の高電位側スイッチング素子23の駆動信号Scとの関係を示す。詳しくは、図の上から順に、インバータキャリアCi、インバータ駆動信号Si、コンバータキャリアCc及びコンバータ駆動信号Scを示している。
以上の図3についての注意事項は、以下のタイムチャートについても同様とする。
回避期間δは、想定されるサージ電圧の大きさや各スイッチング素子の特性ばらつきを考慮し、サージ電圧が各スイッチング素子に影響を及ぼさない程度に減衰する時間を確保するように設定される。そして、昇圧コンバータの切替タイミングが切替禁止期間Pp内に入ると予測される場合、予め切替タイミングtswを切替禁止期間Ppの外に補正することが求められる。
また、昇圧コンバータ切替補正手段53は、昇圧コンバータ20の切替タイミングが切替禁止期間Pp内に入ると予測される場合、昇圧コンバータ20の切替タイミングを「補正対象の切替タイミングtsw」とし、補正処理を実行する。
特許文献1の従来技術は、インバータの切替タイミングを所定の切替禁止期間の終了タイミングに遅らせるように補正するものであり、昇圧コンバータが連続してスイッチングする場合、インバータの切替タイミングが大幅に遅れることでインバータの制御性が悪化し、モータジェネレータ4のトルク変動が増大するおそれがある。
それに対し、本発明の第1〜第8実施形態のスイッチング制御装置50の昇圧コンバータ切替補正手段53は、昇圧コンバータの切替タイミングtswを、切替禁止期間の開始タイミングtpa以前に早めるように補正することを特徴とする。
1)昇圧コンバータ制御回路51から出力されたdutyを補正する。
2)コンバータキャリアCcの周期を変更する。
図4に示す補正処理期間Pcompにおいて、次回の駆動信号Scの立上がりタイミングは、切替禁止期間Ppに入ると予測され、補正対象の切替タイミングtswとされる。
切替タイミング補正処理は、切替禁止期間Ppが更新された時刻tppから、補正対象の切替タイミングtsw直前のキャリアCcの折り返し点のタイミングtc1までの補正処理期間Pcomp中に実行可能である。言い換えれば、切替タイミング補正処理は、補正処理期間Pcomp中のどの時期に実行してもよい。
また、「II」のように、補正後の切替タイミングtsAを昇圧コンバータ駆動回路54へ設定するタイミングtc1の直前に処理が終了するように、「なるべく遅く」切替タイミング補正処理を実行することで、最新の情報を出力することができる。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による昇圧コンバータ切替禁止期間算出処理について、図5のタイムチャート、及び図6のフローチャートを参照して説明する。
図5に示すように、インバータ制御回路61は、インバータ制御演算を制御演算基準時ti0に開始、完了時ti*に完了し、次回のインバータdutyが確定する。そして、制御演算完了時ti*の次のインバータキャリアCiの山又は谷の「折り返し点」のタイミングti1から、その次の折り返し点のタイミングti2までの区間において、インバータdutyとインバータキャリアCiとを比較することで次回インバータ切替タイミングtswが算出される。
図5(a)に示すように、制御演算基準時ti0がキャリアCiの谷、タイミングti1がキャリアCiの山に相当する場合、次回インバータ切替タイミングtswまでの時間Sは、式(1.1)により算出される。
S=Ti−次回duty×(Ti/2) ・・・(1.1)
S=(Ti/2)+次回duty×(Ti/2) ・・・(1.2)
次に図6を参照する。以下のフローチャートの説明で、記号「S」はステップを意味する。
S05では、制御演算完了時ti*にインバータ制御演算が完了する。
S06では、制御演算完了時ti*におけるインバータキャリアCiの変化方向を判断し、谷から山に上昇している場合(S06:YES)、S07で式(1.1)により時間Sを算出し、山から谷に下降している場合(S06:NO)、S08で式(1.2)により時間Sを算出することで、次回インバータ切替タイミングtswを算出する。
S09では、次回インバータ切替タイミングtswに回避期間δを加減算し、昇圧コンバータ切替禁止期間Ppを算出する。
本発明の第2実施形態による昇圧コンバータ切替禁止期間算出処理について、図7のタイムチャート、及び図8のフローチャートを参照して説明する。第2実施形態では、インバータ制御演算に用いられる制御情報である電気角θが更新された時点で切替禁止期間算出処理を開始する。この切替禁止期間算出処理で、昇圧コンバータ切替禁止期間算出手段52が次回のインバータ切替タイミングを推定し、推定した「次回のインバータ予測切替タイミング」を基準として、昇圧コンバータ切替禁止期間Ppを算出する。
そして、インバータキャリアCi及びduty推定値(INV−duty_est)に基づく「次回のインバータ予測切替タイミングtsw_est」を基準として、昇圧コンバータ切替禁止期間Ppを算出する。
S01にて更新タイミングtθにおいて電気角θが更新された時点で、切替禁止期間算出処理が開始される。
S02では、式(2.1)、式(2.2)により、制御演算基準時ti0における推定電圧振幅、及び、推定電気角を算出する。ここで、制御変動分、電圧振幅外乱影響分及び電気角外乱影響分は予め計測しておく。また、電気1周期は、モータジェネレータ4の回転数及び極対数から算出可能である。
・・・(2.1)
推定電気角 =更新時電気角+360°×(推定時間Test/電気1周期)
+電気角外乱影響分 ・・・(2.2)
S04では、各相の推定インバータdutyを「次回インバータduty」とする。
S06〜S09では、次回のインバータ予測切替タイミングtsw_estを基準として、昇圧コンバータ切替禁止期間Ppを算出する。処理の流れは、第1実施形態の図6と同様である。
また、「インバータの制御情報である電気角θが更新された時点で切替禁止期間算出処理を開始すること」と、「次回のインバータ予測切替タイミングを基準として、昇圧コンバータ切替禁止期間Ppを算出すること」とは、それぞれ独立した制御である。したがって、これらの一方の制御のみを採用してもよい。
本発明の第3実施形態による昇圧コンバータ切替禁止期間算出処理について、図9のタイムチャート、及び図10のフローチャートを参照して説明する。第1、第2実施形態ではインバータ切替タイミングを時間(t)軸上の「切替時点」として定義するのに対し、第3実施形態では、インバータ30の「負荷」が回転機であることを前提として、インバータ切替タイミングを電気角(θ)軸上の「切替電気角」として定義する。
昇圧コンバータ切替禁止期間算出手段52は、インバータ切替タイミングtswを基準として昇圧コンバータ切替禁止期間Ppを算出する。
S01Eでは、現在tθにおいて、次回切替電気角θswを設定するとともに、電気角θを更新し「現在電気角θ0」とする。
S07Eでは、式(3)により、電気角θ軸上の「次回切替電気角」を時間軸上の「次回インバータ切替タイミング」に換算する。
=(次回切替電気角θsw−現在電気角θ0+電気角外乱影響分)/360°
×電気1周期Te ・・・(3)
S09では、図6と同様に、昇圧コンバータ切替禁止期間Ppを算出する。
以下の切替タイミング補正処理に係る各実施形態で時間軸の切替タイミングを用いて説明しているいずれの例においても、切替タイミングを切替電気角に置き換え可能である。
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態による切替タイミング補正処理について、図11、13のタイムチャート、及び、図12、14のフローチャートを参照して説明する。第1実施形態では、出力電圧VHに基づいて、補正対象の切替タイミングtswについての最適な補正時間ΔAを算出する。図11、12の例は補正時間ΔAの絶対値を最短とする場合、図13、14の例は補正時間ΔAの絶対値を最長とする場合を示す。
出力電圧VH増加時の傾き=(V2−V1)/Ton ・・・(4.1)
出力電圧VH減少時の傾き=(V1−V2)/Toff ・・・(4.2)
記号Ton、Toffは、以下の通りである。
Ton[s]:高電位側スイッチング素子23のオン時間(=低電位側スイッチング素子24のオフ時間)
Toff[s]:高電位側スイッチング素子23のオフ時間(=低電位側スイッチング素子24のオン時間)
この場合、補正後の指令電圧VHcom’を補正前の電圧V2よりも小さい値に設定することで、補正対象の切替タイミングtswを早めることができる。
補正時間ΔA=(VHcom’−V2)×Ton/(V2−V1)・・・(4.3)
S15では、算出された補正時間ΔAに基づき、昇圧コンバータの切替タイミングtswを切替禁止期間Ppの開始タイミングtpa以前のタイミングtsAに補正する。これにより、インバータ30の制御性の低下を最小限に抑制しつつ、重畳サージの発生を回避することができる。
この場合、出力電圧VHの電圧閾値VHthと補正前の極大値V2との差分を電圧余裕値MVとすると、最大で電流余裕値MVに相当する分、極大値を上げるように補正可能である。そこで、補正後の出力電圧VHの極大値を電圧閾値VHthに一致させるように、補正前のdutyをduty_Aに上げることで、補正対象の切替タイミングtswを切替禁止期間Ppの開始タイミングtpaから遠ざけるように補正する。
電圧余裕値MV=電圧閾値VHth−V2 ・・・(5.1)
S13Bでは、式(5.2)により補正時間ΔA(<0)を算出する。
補正時間ΔA=MV/(V1−V2)
×(Ton×Toff)/(Ton+Toff)}・・・(5.2)
Vx1=(V1−V2)/Toff×ΔA
Vx2=(V1−V2)/Ton×ΔA
MV=Vx1+Vx2
=(V1−V2)×(Ton+Toff)/(Ton×Toff)×ΔA
以上のように第4実施形態の切替タイミング補正処理では、出力電圧VHに基づいて、補正対象の切替タイミングtswについて最適な補正時間ΔAを算出することができる。
本発明の第5実施形態による切替タイミング補正処理について、図15、17のタイムチャート、及び、図16、18のフローチャートを参照して説明する。図16、18のフローチャートのS10、S11、S15は、第4実施形態の図12と実質的に同一であるため、異なるステップのみ説明する。
第5実施形態では、リアクトル電流ILに基づいて、補正対象の切替タイミングtswについての最適な補正時間ΔAを算出する。図15、16の例は補正時間ΔAを最短とする場合、図17、18の例は補正時間ΔAの絶対値を最長とする場合を示す。
IL_est[A]:リアクトル電流(推定値)
Nm[1/s]:モータジェネレータ4の回転数
trq[V・A・s]:モータジェネレータ4のトルク
L[V・s/A]:リアクトル21のインダクタンス
Toff[s]:高電位側スイッチング素子23のオフ時間(=低電位側スイッチング素子24のオン時間)
ここでLは、「昇圧コンバータ20(直流電圧変換器)の回路定数」に相当し、Nm、trqは、モータジェネレータ4の挙動情報に相当する。
昇圧コンバータ20の入力電圧Vin、出力電圧VH、及び、リアクトル21のインダクタンスLを用いて、リアクトル電流ILの増加時(図17のtsi1〜tsi2)の傾き(>0)は式(7.1)で、減少時(図17のtsi2〜tsw)の傾き(<0)は式(7.2)で表される。
リアクトル電流IL増加時の傾き=Vin/L ・・・(7.1)
リアクトル電流IL減少時の傾き=(Vin−VH)/L ・・・(7.2)
この場合、補正後のリアクトル電流ILの電流閾値ILth’を補正前の極大値IL2よりも小さい値に設定することで、補正対象の切替タイミングtswを早めることができる。ただし、リアクトル電流ILの極大値IL2の低下分は、「インバータの制御性悪化見込分」となるため、電流閾値ILthを必要以上下げないようにすることが望ましい。
そこで、補正前のdutyをduty_Aに上げることで、補正対象の切替タイミングtswを切替禁止期間Ppの開始タイミングtpaに近づけるように補正後の電流閾値ILth’を設定する。
補正時間ΔA=(ILth’−IL2)×(L/Vin) ・・・(7.3)
これにより、インバータ30の制御性の低下を最小限に抑制しつつ、重畳サージの発生を回避することができる。
この場合、リアクトル電流ILの電流閾値ILthと補正前の極大値IL2との差分を電流余裕値MIとすると、最大で電流余裕値MIに相当する分、極大値を上げるように補正可能である。そこで、補正後のリアクトル電流ILの極大値を電流閾値ILthに一致させるように、補正前のdutyをduty_Aに下げることで、補正対象の切替タイミングtswを切替禁止期間Ppの開始タイミングtpaから遠ざけるように補正する。
電流余裕値MI=電流閾値ILth−IL2 ・・・(8.1)
S13Dでは、式(8.2)により補正時間ΔA(<0)を算出する。
補正時間ΔA=−MI×(L/VH) ・・・(8.2)
Ix1=(Vin−VH)/L×ΔA
Ix2=−Vin/L×ΔA
MI=Ix1+Ix2=−VH/L×ΔA
以上のように第5実施形態の切替タイミング補正処理では、リアクトル電流ILに基づいて、補正対象の切替タイミングtswについて最適な補正時間ΔAを算出することができる。
本発明の第6実施形態による切替タイミング補正処理について、図19のタイムチャート、及び図20のフローチャートを参照して説明する。第6実施形態では、補正対象の切替タイミングtswを補正するだけでなく、補正対象の切替タイミングtsw以前の切替タイミングを含めて調整することを特徴とする。補正対象の切替タイミングtswの補正時間ΔAの算出については、どの実施形態と組み合わせてもよい。
各折り返し点の間には、キャリアCcとdutyとが交差するタイミングに駆動信号Scの切替タイミングが現れる。第0折り返し点と第1折り返し点との間に現れる切替タイミングを「ts0」と表し、以下、第1折り返し点と第2折り返し点との間に現れる切替タイミングを「ts1」、第(N−1)折り返し点と第N折り返し点との間に現れる切替タイミングを「ts(N−1)」と表す。
図19に示す例では、キャリアCcが、第N折り返し点である山から第(N+1)折り返し点である谷に下降する間に切替禁止期間Ppが存在しており、切替禁止期間Pp内に入ると予測される補正対象の切替タイミングtsw(「tsN」に相当する。)は、立上がりタイミングである。
そのために、調整期間Padjでのdutyを補正前のdutyに対しduty_Aと反対側に動かしたduty_Rとすることで、調整対象のN回の切替タイミングts0〜ts(N−1)を、それぞれ、補正時間ΔAをN等分した調整時間(ΔA/N)ずつシフトさせる。具体的には、立上がりタイミングは後に、立下がりタイミングは前にシフトさせることで、オン時間を減少させる。この調整時間のN回の合計はΔAとなり、補正時間ΔAに等しくなる。その結果、補正対象の切替タイミングtswの補正によるオン時間の増加と調整によるオン時間の減少とが相殺され、調整期間Padjでの平均dutyは補正前と補正後とで同等になる。
S22では、補正対象の切替タイミングtswの直前に現れるキャリアCcの第N折り返し点が山か谷かを判断する。
S(N)=(N+1−duty)×(Tc/2) ・・・(9.1)
第N折り返し点が谷のとき(S22:NO)、S24に移行し、処理基準時t0から補正対象の切替タイミングtswまでの時間S(N)を式(9.2)により算出する。
S(N)=(N+duty)×(Tc/2) ・・・(9.2)
S26では、調整期間Padjの平均dutyが補正前と補正後とで同等になるように、補正対象の切替タイミングtsw以前のN回の切替タイミングts0〜ts(N−1)を調整する。例えば、調整対象のN回の切替タイミングts0〜ts(N−1)に対し、補正時間ΔAをN等分した調整時間(ΔA/N)を設定する。
なお、図19の例とは逆に、補正対象の切替タイミングtswが立下がりタイミングの場合、補正により減少するオン時間を相殺するように、調整期間Padj内の切替タイミングts0〜ts(N−1)について、オン時間を増加させる方向に調整する。
また、調整期間Padj内の切替タイミングts0〜ts(N−1)に対し調整時間を等分に分配する例に限らず、調整時間の合計が補正時間ΔAに等しくなるように不等分に分配してもよい。
本発明の第7実施形態によるキャリア周期変更処理について、図21〜24のタイムチャート、図25、26のフローチャート、及び図27を参照して説明する。上記第4〜第6実施形態の切替タイミング補正処理では、dutyを変更することにより補正対象の切替タイミングtswを補正するのに対し、第7、第8実施形態では、コンバータキャリアCcの周期Tcを変更することで、補正対象の切替タイミングtswを補正する。
第7、第8実施形態の説明では、特に断らない限り、「キャリア」は「コンバータキャリア」を意味し、「duty」は「コンバータduty」を意味する。
その手段として、第7実施形態では、処理基準時t0に対応する第0折り返し点から、補正対象の切替タイミングtswを超えた第(N+1)折り返し点、又は、第(N+2)折り返し点までの「変更対象期間X」における変更前のキャリア周期Tcを短縮することを特徴とする。変更対象期間Xの長さは、キャリア半周期(Tc/2)の(N+1)倍、又は(N+2)倍である。
ここで、「キャリアCcの第N折り返し点が谷」とは、キャリアCcが谷から山へ上昇する間に補正対象の切替タイミングtswがあることを意味し、「キャリアCcの第N折り返し点が山」とは、キャリアCcが山から谷へ下降する間に補正対象の切替タイミングtswがあることを意味する。
そこで、切替禁止期間Pp前後の切替タイミングを切替禁止期間Ppからできるだけ遠ざけるようにキャリア周期(周波数)を変更することで、より長期間にわたって、キャリア周期(周波数)を徐々に変更することが可能となる。
図21・・・(A)duty<0.5、キャリアCcの第N折り返し点が谷の場合
図22・・・(B)duty<0.5、キャリアCcの第N折り返し点が山の場合
図23・・・(C)duty≧0.5、キャリアCcの第N折り返し点が谷の場合
図24・・・(D)duty≧0.5、キャリアCcの第N折り返し点が山の場合
S32では、補正対象の切替タイミングtswの直前に現れるキャリア折り返し点が第N折り返し点(Nは1以上の整数)であるとしたときの「N」の値を求める。すなわち、式(10.1)を満たすNを算出する。
N≦(2Y/Tc)<N+1 ・・・(10.1)
なお、(2Y/Tc)=Nとなる場合は、duty=0または1の場合であり、現実の制御では想定外の範囲である。したがって、式(10.1)における等号は、形式的に、N側又は(N+1)側のどちらに記載してもよい。
S34、S35では、キャリアCcの第N折り返し点が谷であればYES、山であればNOと判定する。
(A)S33:YES、S34:YES・・・図21に対応
(B)S33:YES、S34:NO ・・・図22に対応
(C)S33:NO、 S35:YES・・・図23に対応
(D)S33:NO、 S35:NO ・・・図24に対応
Tc’=2Y/(N+1) ・・・(10.2)
パターン(B)、(C)の場合、式(10.3)により平均調整キャリア周期Tc’を算出し(S38)、キャリア周期を図27(b)に従い、徐々に変化させる(S39)。
Tc’=2Y/(N+2) ・・・(10.3)
なお、図21〜24の図示において、切替タイミング補正後のキャリア周期(太実線部分)の徐変については正確に図示していない。
本発明の第8実施形態によるキャリア周期変更処理について、図28のタイムチャート、及び図29のマップを参照して説明する。第8実施形態では、第7実施形態と同様に、コンバータキャリアCcの周期Tcを変更することで、補正対象の切替タイミングtswを補正する。
第8実施形態は、第7実施形態のように切替禁止期間Ppと前後の切替タイミングtsA、tsBとの関係を考慮して補正後のキャリア周期を設定するのでなく、キャリア周期そのものを単独で評価した場合の最適値に変更することを特徴とする。
例えばリアクトル電流ILについて、リアクトル21のインダクタンスL、入力電圧Vin及び出力電圧VHが一定であれば、リアクトル電流ILの傾き(図17参照)はキャリア周期に関係なく一定である。そのため、キャリア周期が短くなると、リアクトル電流ILの最小値から最大値までの範囲はIZからIZ’に小さくなる。つまり、昇圧コンバータ20からインバータ30に流れるリアクトル電流ILのリプルが低減する。同様に、出力電圧VHの範囲はVZからVZ’に小さくなり、出力電圧VHのリプルも低減する。
昇圧コンバータ制御性はキャリア周波数が高いほど指数関数的に上昇し、効率は逆に、キャリア周波数が高いほど指数関数的に低下する。そのため、評価関数は、キャリア周波数の中間部の最適周波数で最大となる山型を呈する。
(第9実施形態)
本発明の第9実施形態による切替タイミング補正処理について、図30の全体構成図、図31のタイムチャート、及び図32のフローチャートを参照して説明する。
図30に示す第8実施形態のスイッチング制御装置55は、図1のスイッチング制御装置50に対し、昇圧コンバータ切替補正手段53からインバータ制御回路61及びインバータ駆動回路64に、破線で示す信号を送信する構成が追加されている。
そこで、このように昇圧コンバータの切替タイミングの補正時間ΔAを算出不能な場合には、例外的にインバータの切替タイミングを補正することで、重畳サージの発生を回避する。
補正処理開始タイミングtc*にて補正処理が開始される(S10)と、S11では、昇圧コンバータの切替タイミングが切替禁止期間Pp内に入ると予測されるか否か判断する。S11でYESの場合、S12にて、補正時間ΔAを算出する。
続いて、図32を参照する。図32のS10、S11は、第4実施形態の図12等のS10、S11と実質的に同一である。また、図32のS13では、図12、14、16、18のS13A〜S13D、或いはその他の計算式を用いて補正時間ΔAを算出する。
補正時間ΔAを算出可能の場合(S14:YES)、S15にて、第4、第5実施形態等の切替タイミング補正処理により、昇圧コンバータの切替タイミングtswを切替禁止期間Ppの開始タイミングtpa以前に補正する。
一方、補正時間ΔAを算出不能の場合(S14:NO)、S16にて、インバータの切替タイミングを補正することで、切替禁止期間Ppを、昇圧コンバータの切替タイミングtswが重ならないように動かす。
(ア)本発明の「直流電圧変換器」は、入力電圧を昇圧する昇圧コンバータに限らず、入力電圧を降圧する降圧コンバータでもよい。また、昇降圧コンバータは、上下アームのスイッチング素子対を含むものに限らず、少なくとも一つのスイッチング素子を含むものであればよい。
(イ)本発明の「電力変換器」は、直流電力を交流電力に変換するインバータに限らず、直流電力を直流電力に変換し、例えば直流電動機を駆動するHブリッジ回路でもよい。また、インバータの場合、交流電力の相数は、三相に限らず四相以上でもよい。
しかし、スイッチング素子の駆動信号を生成する方法はこれに限らない。何らかの方法でオンオフの切替タイミングを制御可能なスイッチング制御装置であれば、本発明による切替タイミング補正処理を適用することができる。
また、キャリアを用いる実施形態において、キャリアは三角波でなく鋸波でもよい。
(オ)負荷としての回転機等は、ハイブリッド自動車や電気自動車の動力源として用いられるものに限らず、車両の補機用や、車両以外の電車、昇降機、一般機械等に用いられるものであってもよい。少なくともサージ電圧の重畳が問題となる可能性があるシステムに対し、本発明のスイッチング制御装置は有効に適用される。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
15・・・バッテリ(直流電源)、
20・・・昇圧コンバータ(直流電圧変換器)、 21・・・リアクトル、
23、31、32、33・・・高電位側スイッチング素子、
24、34、35、36・・・低電位側スイッチング素子、
30・・・インバータ(電力変換器)、
4 ・・・モータジェネレータ(負荷)、
50、55・・・スイッチング制御装置、
51・・・昇圧コンバータ制御回路(直流電圧変換器制御回路)、
52・・・昇圧コンバータ切替禁止期間算出手段(直流電圧変換器切替禁止期間算出手段)、
53・・・昇圧コンバータ切替補正手段(直流電圧変換器切替補正手段)、
54・・・昇圧コンバータ駆動回路(直流電圧変換器駆動回路)、
61・・・インバータ制御回路(電力変換器制御回路)、
64・・・インバータ駆動回路(電力変換器駆動回路)。
Claims (15)
- 電気エネルギを蓄積且つ放出可能なリアクトル(21)、及び、前記リアクトルに接続される少なくとも一つのスイッチング素子(23、24)を有し、前記スイッチング素子をオンオフさせることで、直流電源(15)から前記リアクトルに入力される入力電圧(Vin)を出力電圧(VH)に変換する直流電圧変換器(20)、並びに、
高電位側スイッチング素子(31、32、33)及び低電位側スイッチング素子(34、35、36)からなる複数のスイッチング素子対を有し、対をなす前記スイッチング素子を交互にオンオフさせることで、前記直流電圧変換器が出力した直流電力を交流電力に変換して負荷に出力する電力変換器(30)を備える負荷駆動システム(1)に適用され、
前記直流電圧変換器のスイッチング素子、及び、前記電力変換器のスイッチング素子対の切替タイミングを制御するスイッチング制御装置(50、55)であって、
前記直流電圧変換器の出力電圧に対する指令電圧(VHcom)に応じて前記直流電圧変換器の制御量を演算する直流電圧変換器制御回路(51)と、
前記直流電圧変換器制御回路が演算した前記直流電圧変換器の制御量に従って、前記直流電圧変換器のスイッチング素子を動作させる直流電圧変換器駆動回路(54)と、
前記負荷の要求出力に応じて前記電力変換器の制御量を演算する電力変換器制御回路(61)と、
前記電力変換器制御回路が演算した前記電力変換器の制御量に従って、前記電力変換器のスイッチング素子対を動作させる電力変換器駆動回路(64)と、
前記電力変換器を構成する少なくとも一対のスイッチング素子対の切替タイミングである電力変換器切替タイミングに先立ち、当該電力変換器切替タイミングに同期した所定期間にわたって前記直流電圧変換器のスイッチング素子の切替を禁止する期間である直流電圧変換器切替禁止期間(Pp)を算出する直流電圧変換器切替禁止期間算出処理を実行する直流電圧変換器切替禁止期間算出手段(52)と、
前記直流電圧変換器の少なくとも一つのスイッチング素子の切替タイミングである直流電圧変換器切替タイミングが前記直流電圧変換器切替禁止期間内に入ると予測される場合、当該直流電圧変換器切替タイミングを補正対象の切替タイミング(tsw)とし、当該補正対象の切替タイミングを前記直流電圧変換器切替禁止期間の開始タイミング以前に早めるように補正する切替タイミング補正処理を実行する直流電圧変換器切替補正手段(53)と、
を備えることを特徴とするスイッチング制御装置。 - 前記直流電圧変換器切替補正手段は、
前記直流電圧変換器の出力電圧(VH)、及び、前記直流電圧変換器の出力として要求される指令電圧(VHcom)を取得するとともに、補正前の出力電圧の極大値(V2)より小さい補正後の指令電圧(VHcom’)を取得し、
前記出力電圧を前記補正後の指令電圧に一致させるように、前記補正対象の切替タイミングを前記直流電圧変換器切替禁止期間の開始タイミングに近づけるように補正することを特徴とする請求項1に記載のスイッチング制御装置。 - 前記直流電圧変換器切替補正手段は、
前記直流電圧変換器の前記リアクトルに流れるリアクトル電流(IL)の検出値、又は、前記スイッチング素子のオン時間及び前記直流電圧変換器の回路定数を含む情報に基づいて推定した前記リアクトル電流の推定値を取得するとともに、補正前のリアクトル電流の絶対値の極大値(IL2)より小さい補正後の電流閾値(ILth’)を取得し、
前記リアクトル電流の絶対値を前記補正後の電流閾値に一致させるように、前記補正対象の切替タイミングを前記直流電圧変換器切替禁止期間の開始タイミングに近づけるように補正することを特徴とする請求項1に記載のスイッチング制御装置。 - 前記直流電圧変換器切替補正手段は、
前記直流電圧変換器の出力電圧(VH)を取得し、
補正後の前記出力電圧を電圧閾値(VHth)に一致させるように、前記補正対象の切替タイミングを前記直流電圧変換器切替禁止期間の開始タイミングから遠ざけるように補正することを特徴とする請求項1に記載のスイッチング制御装置。 - 前記直流電圧変換器切替補正手段は、
前記直流電圧変換器の前記リアクトルに流れるリアクトル電流(IL)の検出値、又は、前記スイッチング素子のオン時間及び前記直流電圧変換器の回路定数を含む情報に基づいて推定した前記リアクトル電流の推定値を取得し、
前記リアクトル電流の極大値を電流閾値(ILth)に一致させるように、前記補正対象の切替タイミングを前記直流電圧変換器切替禁止期間の開始タイミングから遠ざけるように補正することを特徴とする請求項1に記載のスイッチング制御装置。 - 前記直流電圧変換器切替補正手段は、
前記切替タイミング補正処理の開始タイミングから前記補正対象の切替タイミングまでに現れる切替タイミングのうち、前記補正対象の切替タイミングに加え、前記補正対象の切替タイミング以前の切替タイミングをさらに補正することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のスイッチング制御装置。 - 前記直流電圧変換器駆動回路は、スイッチング周期に対するオン時間又はオフ時間の比率である時比率に基づいて前記出力電圧を制御するものであり、
前記直流電圧変換器切替補正手段は、
前記スイッチング素子の時比率を徐変させるように補正することを特徴とする請求項6に記載のスイッチング制御装置。 - 前記直流電圧変換器駆動回路は、スイッチング周期に対するオン時間又はオフ時間の比率である時比率に基づいて前記出力電圧を制御するものであり、
前記直流電圧変換器切替補正手段は、
一周期以上のスイッチング周期における時比率が、補正前と補正後とで同等となるように補正することを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のスイッチング制御装置 - 前記直流電圧変換器切替補正手段は、
前記直流電圧変換器切替禁止期間を算出する処理が完了した直後に前記切替タイミング補正処理を開始することを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載のスイッチング制御装置。 - 前記直流電圧変換器切替補正手段は、
前記直流電圧変換器駆動回路へ指令する切替タイミングを設定する直前に前記切替タイミング補正処理が完了するように、前記切替タイミング補正処理を開始することを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載のスイッチング制御装置。 - 前記直流電圧変換器切替禁止期間算出手段は、
前記電力変換器制御回路が前記電力変換器切替タイミングを算出した時点で前記直流電圧変換器切替禁止期間算出処理を開始し、
前記電力変換器制御回路によって算出された前記電力変換器切替タイミングを基準として、前記直流電圧変換器切替禁止期間を算出することを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載のスイッチング制御装置。 - 前記直流電圧変換器切替禁止期間算出手段は、
前記電力変換器制御回路による前記電力変換器切替タイミングの算出とは別に、次回以降の前記電力変換器切替タイミングである電力変換器予測切替タイミングを算出し、
前記電力変換器予測切替タイミングを基準として、前記直流電圧変換器切替禁止期間を算出することを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載のスイッチング制御装置。 - 前記直流電圧変換器切替禁止期間算出手段は、
前記電力変換器を制御するための制御情報が更新された時点で、前記直流電圧変換器切替禁止期間算出処理を開始することを特徴とする請求項1〜10、12のいずれか一項に記載のスイッチング制御装置。 - 前記負荷は回転機であり、
前記電力変換器切替タイミングは、時間軸上の切替時に代えて、前記回転機の電気角軸上の切替電気角として定義されることを特徴とする請求項1〜13のいずれか一項に記載のスイッチング制御装置。 - 前記切替タイミング補正処理において、前記補正対象の切替タイミングに対する補正時間を算出不能である場合、
前記補正対象の切替タイミングが前記直流電圧変換器切替禁止期間外となるように、前記電力変換器切替タイミングを早める方向に補正することを特徴とする請求項1〜14のいずれか一項に記載のスイッチング制御装置(55)。
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