JP6920866B2 - 推進制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、パルス幅変調信号に応じて電力変換装置を制御する推進制御装置に関する。

電動機を駆動する電力変換装置が有するスイッチング素子のオンオフの切り替えは、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御に基づき行われる。鉄道車両に搭載される電力変換装置を制御する推進制御装置は、例えば運転台に設けられるマスターコントローラの操作に応じて、マスターコントローラから送られるＰＷＭ信号のデューティ比を検出する。推進制御装置は、ＰＷＭ信号のデューティ比に応じてトルク指令値を算出し、トルク指令値に応じた制御信号を電力変換装置に出力する。推進制御装置は、制御信号によって電力変換装置が有するスイッチング素子のオンオフを切り替えることで、電力変換装置を制御する。推進制御装置によって制御される電力変換装置が電動機を駆動することで、鉄道車両の推進力が得られる。

特許文献１に開示される信号変換回路は、アナログ回路によって、ＰＷＭ信号のデューティ比をアナログ量に変換する。

実開平７−４２２２８号公報

アナログ回路では、周囲温度または経年によって回路特性が変化し、回路特性の変化に伴ってデューティ比検出精度が劣化してしまう。また鉄道車両において、マスターコントローラから送られるＰＷＭ信号の搬送波の周波数は変動する。そのため、推進制御装置は、ＰＷＭ信号の搬送波の周波数が変動した場合であっても、デューティ比を検出する必要がある。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、パルス幅変調信号の搬送波の周波数が変動する場合に、パルス幅変調信号のデューティ比の検出精度を向上させることが目的である。

上記目的を達成するため、本発明に係る推進制御装置は、クロック生成部、周期カウンタ、オン時間カウンタ、補正部、および制御部を備える。クロック生成部は、パルス幅変調信号の定格周期を自然数である分割数で除算した値が周期である基準クロックを出力する。周期カウンタは、基準クロックとは独立した信号であって、外部装置から入力されるパルス幅変調信号の周期を基準クロックに基づいてカウントし、外部装置から入力されるパルス幅変調信号の周期に相当する周期カウント数を出力する。オン時間カウンタは、外部装置から入力されるパルス幅変調信号のオン時間を基準クロックに基づいてカウントし、外部装置から入力されるパルス幅変調信号のオン時間に相当するオン時間カウント数を出力する。補正部は、周期カウント数および周期カウント数に応じて定められた補正量に基づいてオン時間カウント数を補正する。制御部は、補正部で補正されたオン時間カウント数を分割数で除算した値であるデューティ比に応じて電動機のトルク指令値を算出し、トルク指令値に応じた制御信号を電動機を駆動する電力変換装置に出力する。

本発明によれば、基準クロックに基づいた周期カウント数に応じた補正量によって、基準クロックに基づいたオン時間カウント数を補正することで、パルス幅変調信号の搬送波の周波数が変動する場合に、パルス幅変調信号のデューティ比の検出精度を向上させることが可能である。

本発明の実施の形態１に係る推進制御装置の構成例を示すブロック図 実施の形態１における周期カウント数およびオン時間カウント数の例を示す図 実施の形態１における補正量の例を示す図 本発明の実施の形態２に係る推進制御装置の構成例を示すブロック図 実施の形態２に係る推進制御装置の他の構成例を示すブロック図 実施の形態２に係る推進制御装置の他の構成例を示すブロック図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る推進制御装置の構成例を示すブロック図である。推進制御装置１は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号を取得し、ＰＷＭ信号に応じて、電動機３を駆動する電力変換装置２を制御する。推進制御装置１は、ＰＷＭ信号のデューティ比を検出する検出部１０およびデューティ比に応じた制御信号を電力変換装置２に出力する制御部１６を備える。検出部１０は、水晶発振器１１、水晶発振器１１が出力する信号を分周して基準クロックを生成するクロック生成部１２、ＰＷＭ信号の周期を基準クロックに基づいてカウントする周期カウンタ１３、ＰＷＭ信号のオン時間を基準クロックに基づいてカウントするオン時間カウンタ１４、およびオン時間カウンタ１４の出力を補正する補正部１５を備える。制御部１６は、ＰＷＭ信号のデューティ比に応じて電動機３に対するトルク指令値を演算する指令演算部１６１およびトルク指令値に応じて電力変換装置２に対する制御信号を生成する信号生成部１６２を備える。

図１に示す推進制御装置１の各部はデジタル回路で実現される。検出部１０は、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）によって実現することができる。また指令演算部１６１はＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）で実現し、信号生成部１６２はＤＳＰ（Digital Signal Processor）で実現することができる。補正部１５においてオン時間カウンタ１４の出力を補正することで、ＰＷＭ信号の搬送波の周波数が変動する場合に、ＰＷＭ信号のデューティ比の検出精度を向上させることが可能である。推進制御装置１の各部をデジタル回路で実現することで、周囲温度または経年によるＰＷＭ信号のデューティ比の検出精度の劣化を抑制することが可能である。

推進制御装置１の各部の動作について説明する。推進制御装置１は、例えば鉄道車両に搭載される。運転台に設けられるマスターコントローラの操作に応じて、マスターコントローラから推進制御装置１にＰＷＭ信号が送られる。推進制御装置１は、ＰＷＭ信号のデューティ比を検出する。推進制御装置１がデューティ比に応じて電力変換装置２を制御し、電力変換装置２が電動機３を駆動することで、鉄道車両の推進力が得られる。

クロック生成部１２は、水晶発振器１１の出力信号を分周して基準クロックを生成する。基準クロックの周期は、予め設定されており、ＰＷＭ信号の定格周期を自然数である分割数で除算した値である。例えばＰＷＭ信号の定格周期の逆数である定格周波数が４００Ｈｚであり、分割数が４００である場合には、クロック生成部１２は、水晶発振器１１の出力信号を分周して、１６０ｋＨｚの周波数の基準クロックを出力する。例えば、指令演算部１６１が定格周期および分割数を設定することで、基準クロックの周期が設定される。クロック生成部１２は、基準クロックを周期カウンタ１３およびオン時間カウンタ１４に出力する。基準クロックの周期はＰＷＭ信号の定格周期に応じて予め設定されているため、推進制御装置１に入力されるＰＷＭ信号の搬送波の周波数が変動しても、基準クロックの周波数は変動しない。

周期カウンタ１３は、ＰＷＭ信号の周期を基準クロックに基づいてカウントする。周期カウンタ１３は、ＰＷＭ信号の立ち上がりから直後のＰＷＭ信号の立ち上がりまでを、基準クロックに基づいてカウントし、ＰＷＭ信号の周期に相当する周期カウント数を出力する。オン時間カウンタ１４は、ＰＷＭ信号のオン時間を基準クロックに基づいてカウントする。オン時間カウンタ１４は、ＰＷＭ信号の立ち上がりから直後のＰＷＭ信号の立ち下がりまでを、基準クロックに基づいてカウントし、ＰＷＭ信号のオン時間に相当するオン時間カウント数を出力する。

図２は、実施の形態１における周期カウント数およびオン時間カウント数の例を示す図である。図２の一段目が推進制御装置１に入力されるＰＷＭ信号の例である。図２の例では、ＰＷＭ信号の周期がＣ１からＣ２に変化している。図２の二段目がクロック生成部１２が出力する基準クロックの例である。周期カウンタ１３およびオン時間カウンタ１４は、基準クロックに基づいてカウントを行う。図２の三段目が周期カウント数の例である。周期カウンタ１３は、時刻Ｔ１においてＰＷＭ信号の立ち上がりを検出すると、周期カウント数を出力し、周期カウント数をリセットしてからカウントを開始する。同様に、周期カウンタ１３は、時刻Ｔ３においてＰＷＭ信号の立ち上がりを検出すると、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までにカウントした周期カウント数を出力し、周期カウント数をリセットしてからカウントを開始する。周期カウンタ１３は、上述の処理を繰り返し行う。図２の四段目がオン時間カウント数の例である。オン時間カウンタ１４は、時刻Ｔ１においてＰＷＭ信号の立ち上がりを検出すると、カウントを開始する。オン時間カウンタ１４は、時刻Ｔ２においてＰＷＭ信号の立ち下がりを検出すると、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までにカウントしたオン時間カウント数を出力し、オン時間カウント数をリセットする。同様に、オン時間カウンタ１４は、時刻Ｔ３においてＰＷＭ信号の立ち上がりを検出すると、カウントを開始する。オン時間カウンタ１４は、上述の処理を繰り返し行う。

補正部１５は、周期カウント数および周期カウント数に応じて定められた補正量に基づいてオン時間カウント数を補正する。図３は、実施の形態１における補正量の例を示す図である。図３は、クロック生成部１２において分割数が１０２４に設定されている場合の、補正部１５で用いる補正量の例である。補正部１５は、例えば、図３に示す補正量のテーブルを保持し、該テーブルに示す補正量に基づいてオン時間カウント数を補正する。補正部１５は、オン時間カウント数に、図３に示す補正量を乗算することで、オン時間カウント数を補正する。周期カウンタ１３が出力する周期カウント数が１０２４の場合は、周期カウント数は分割数に一致する、すなわち、ＰＷＭ信号の周期は定格周期である。そのため、補正量は１であり、補正前のオン時間カウント数と補正後のオン時間カウント数は同じである。周期カウント数が１０２４より小さい場合、ＰＷＭ信号の周期が定格周期より短いため、補正部１５は、オン時間カウント数を増大させる補正を行う。一方、周期カウント数が１０２４より大きい場合、ＰＷＭ信号の周期が定格周期より長いため、補正部１５は、オン時間カウントを減少させる補正を行う。例えば、周期カウンタ１３が出力する周期カウント数が１０１０である場合、補正部１５は周期カウント数１０１０に応じた補正量である１．０１３８６１３８６をオン時間カウント数に乗算する。上述の補正により、ＰＷＭ信号の搬送波の周波数の変動に応じて、後述の指令演算部１６１でＰＷＭ信号のデューティ比を精度よく検出することが可能である。定格周期が変更されても、分割数が同じであれば、図３に示す補正量のテーブルは変更する必要がない。

指令演算部１６１は、補正部１５で補正されたオン時間カウント数を分割数で除算して、デューティ比を算出する。指令演算部１６１は、デューティ比に応じて電動機３に対するトルク指令値を算出する。信号生成部１６２は、トルク指令値に応じて電力変換装置２が有するスイッチング素子のオンオフを切り替える制御信号を生成し、制御信号を電力変換装置２に送る。補正部１５で補正されたオン時間カウント数を分割数で除算してデューティ比を算出することで、ＰＷＭ信号の搬送波の周波数が変動する場合に、デューティ比の検出精度を向上させることが可能である。

以上説明したとおり、本実施の形態１に係る推進制御装置１によれば、周期カウント数に応じた補正量に基づいてオン時間カウント数を補正することで、ＰＷＭ信号の搬送波の周波数が変動した場合に、ＰＷＭ信号のデューティ比の検出精度を向上させることが可能である。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る推進制御装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態２に係る推進制御装置１は、図１に示す推進制御装置１の構成に加えて、第１の異常検出部１７をさらに備える。第１の異常検出部１７は、周期カウント数が第１の範囲を超えている場合に、ＰＷＭ信号の周期の異常を検出し、指令演算部１６１にＰＷＭ信号の異常を通知する。指令演算部１６１は、ＰＷＭ信号の異常の通知を受けた場合に、上述のデューティ比の算出は行わず、信号生成部１６２にＰＷＭ信号の異常を通知する。信号生成部１６２は、ＰＷＭ信号の異常の通知を受けた場合に、電力変換装置２を停止させる制御信号を生成し、電力変換装置２に送る。

第１の異常検出部１７は、周期カウント数と第１の範囲の上限値とを比較するコンパレータ１７１、周期カウント数と第１の範囲の下限値とを比較するコンパレータ１７２、およびコンパレータ１７１，１７２の出力に応じた信号を出力する論理和回路１７３を備える。コンパレータ１７１は、周期カウント数と第１の範囲の上限値とを比較し、周期カウント数が第１の範囲の上限値より大きい場合にＨ（Ｈｉｇｈ）レベルの信号を出力する。コンパレータ１７２は、周期カウント数と第１の範囲の下限値とを比較し、周期カウント数が第１の範囲の下限値より小さい場合にＨレベルの信号を出力する。論理和回路１７３は、コンパレータ１７１，１７２の出力の少なくともいずれかがＨレベルである場合に、ＰＷＭ信号の異常を示す、Ｈレベルである信号を出力する。指令演算部１６１は、第１の異常検出部１７からＨレベルの信号が送られた場合に、信号生成部１６２にＰＷＭ信号の異常を通知する。

第１の範囲は、分割数に応じて定められ、例えば、第１の範囲の上限値を分割数に１．２を乗算した値、第１の範囲の下限値を分割数に０．８を乗算した値とすることができる。第１の範囲は、分割数に応じて定められるため、ＰＷＭ信号の搬送波の周波数の変動に応じて第１の範囲を変える必要がない。また定格周期が変更されても、分割数が同じであれば、第１の範囲を変更する必要はない。第１の範囲の上限値および下限値は、例えば、指令演算部１６１によって予め設定される。

図５は、実施の形態２に係る推進制御装置の他の構成例を示すブロック図である。実施の形態２に係る推進制御装置１は、図１に示す推進制御装置１の構成に加えて、第２の異常検出部１８をさらに備える。第２の異常検出部１８は、補正部１５で補正されたオン時間カウント数が第２の範囲を超えている場合に、ＰＷＭ信号のオン時間の異常を検出し、指令演算部１６１にＰＷＭ信号の異常を通知する。指令演算部１６１は、ＰＷＭ信号の異常の通知を受けた場合に、上述のデューティ比の算出は行わず、信号生成部１６２にＰＷＭ信号の異常を通知する。信号生成部１６２は、ＰＷＭ信号の異常の通知を受けた場合に、電力変換装置２を停止させる制御信号を生成し、電力変換装置２に送る。

第２の異常検出部１８は、補正部１５で補正されたオン時間カウント数と第２の範囲の上限値とを比較するコンパレータ１８１、補正部１５で補正されたオン時間カウント数と第２の範囲の下限値とを比較するコンパレータ１８２、およびコンパレータ１８１，１８２の出力に応じた信号を出力する論理和回路１８３を備える。コンパレータ１８１は、補正部１５で補正されたオン時間カウント数と第２の範囲の上限値とを比較し、補正部１５で補正されたオン時間カウント数が第２の範囲の上限値より大きい場合にＨレベルの信号を出力する。コンパレータ１８２は、補正部１５で補正されたオン時間カウント数と第２の範囲の下限値とを比較し、補正部１５で補正されたオン時間カウント数が第２の範囲の下限値より小さい場合にＨレベルの信号を出力する。論理和回路１８３は、コンパレータ１８１，１８２の出力の少なくともいずれかがＨレベルである場合に、ＰＷＭ信号の異常を示す、Ｈレベルである信号を出力する。指令演算部１６１は、第２の異常検出部１８からＨレベルの信号が送られた場合に、信号生成部１６２にＰＷＭ信号の異常を通知する。

第２の範囲は、分割数に応じて定められる。例えば、デューティ比の上限値を９０％とし、下限値を１０％とする場合に、第２の範囲の上限値は分割数に０．９を乗算した値に設定され、第２の範囲の下限値は分割数に０．１を乗算した値に設定される。第２の範囲は、分割数に応じて定められるため、ＰＷＭ信号の周波数の変動に応じて第２の範囲を変える必要がない。また定格周期が変更されても、分割数が同じであれば、第２の範囲を変更する必要はない。第２の範囲の上限値および下限値は、例えば、指令演算部１６１によって予め設定される。

図６は、実施の形態２に係る推進制御装置の他の構成例を示すブロック図である。図６に示す推進制御装置１は、図４に示す推進制御装置１の構成に加え、図５に示す第２の異常検出部１８をさらに備える。第１の異常検出部１７および第２の異常検出部１８の動作は上述の通りである。指令演算部１６１は、第１の異常検出部１７および第２の異常検出部１８の少なくともいずれかから、ＰＷＭ信号の異常を示す、Ｈレベルの信号が送られた場合に、信号生成部１６２にＰＷＭ信号の異常を通知する。

以上説明したとおり、本発明の実施の形態２によれば、分割数に応じて定められた第１の範囲および第２の範囲を用いてＰＷＭ信号の異常を検出することで、ＰＷＭ信号の搬送波の周波数が変動した場合でも、第１の範囲および第２の範囲を変更することなく、ＰＷＭ信号の異常を検出することが可能である。

本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られない。第１の範囲および第２の範囲は上述の例に限られず、ＰＷＭ信号の特性に応じて設定することができる。

１ 推進制御装置、２ 電力変換装置、３ 電動機、１０ 検出部、１１ 水晶発振器、１２ クロック生成部、１３ 周期カウンタ、１４ オン時間カウンタ、１５ 補正部、１６ 制御部、１７ 第１の異常検出部、１８ 第２の異常検出部、１６１ 指令演算部、１６２ 信号生成部、１７１，１７２，１８１，１８２ コンパレータ、１７３，１８３ 論理和回路。

Claims (3)

1. パルス幅変調信号の定格周期を自然数である分割数で除算した値が周期である基準クロックを出力するクロック生成部と、
   前記基準クロックとは独立した信号であって、外部装置から入力される前記パルス幅変調信号の周期を前記基準クロックに基づいてカウントし、前記外部装置から入力される前記パルス幅変調信号の周期に相当する周期カウント数を出力する周期カウンタと、
   前記外部装置から入力される前記パルス幅変調信号のオン時間を前記基準クロックに基づいてカウントし、前記外部装置から入力される前記パルス幅変調信号のオン時間に相当するオン時間カウント数を出力するオン時間カウンタと、
   前記周期カウント数および前記周期カウント数に応じて定められた補正量に基づいて前記オン時間カウント数を補正する補正部と、
   前記補正部で補正された前記オン時間カウント数を前記分割数で除算した値であるデューティ比に応じて電動機のトルク指令値を算出し、前記トルク指令値に応じた制御信号を前記電動機を駆動する電力変換装置に出力する制御部と、
   を備える推進制御装置。
2. 前記周期カウント数が第１の範囲を超えている場合に、前記外部装置から入力される前記パルス幅変調信号の周期の異常を検出する第１の異常検出部をさらに備え、
   前記制御部は前記第１の異常検出部が前記外部装置から入力される前記パルス幅変調信号の周期の異常を検出した場合に、前記電力変換装置を停止する前記制御信号を出力する、
   請求項１に記載の推進制御装置。
3. 前記補正部で補正された前記オン時間カウント数が第２の範囲を超えている場合に、前記外部装置から入力される前記パルス幅変調信号のオン時間の異常を検出する第２の異常検出部をさらに備え、
   前記制御部は前記第２の異常検出部が前記外部装置から入力される前記パルス幅変調信号のオン時間の異常を検出した場合に、前記電力変換装置を停止する前記制御信号を出力する、
   請求項１または２に記載の推進制御装置。

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