JPWO2016051567A1

JPWO2016051567A1 - チョッパ回路制御装置

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Publication number: JPWO2016051567A1
Application number: JP2016549405A
Authority: JP
Inventors: 輝多高垣; 領太郎原田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-10-02
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2017-04-27
Anticipated expiration: 2034-10-02
Also published as: WO2016051567A1; US10033274B2; EP3203622A4; CN107078632B; JP6112529B2; EP3203622A1; CN107078632A; US20170302155A1; EP3203622B1

Abstract

範囲算出部（１２）は、チョッパ回路（４）の入力電圧および出力電圧指令値から、チョッパ回路（４）のデューティ比を制御する操作値の範囲である操作値範囲を算出する。チョッパ回路制御装置（１）は、操作値が操作値範囲の上限値以上である場合には操作値範囲の上限値を用い、操作値が操作値範囲内である場合には該操作値を用い、操作値が操作値範囲の下限値以下である場合には操作値範囲の下限値を用いて、チョッパ回路（４）のデューティ比を制御する。

Description

この発明は、チョッパ回路制御装置に関する。

電気鉄道車両（以下、電気車という）に搭載される補助電源装置は、直流電圧を所望の直流電圧または交流電圧に変換する装置であり、直流電圧を制御する降圧チョッパを有する。一般的に、降圧チョッパの出力電圧は出力電圧センサによって測定され、出力電圧センサの測定値によって、降圧チョッパの出力電圧が過大電圧または過小電圧になっていることが検知される。出力電圧センサに異常が生じた場合には、降圧チョッパのデューティ比が増大して、降圧チョッパの出力電圧が過大電圧となることがある。降圧チョッパの出力電圧が過大電圧または過小電圧となると、補助電源装置に接続された負荷機器の動作に影響を及ぼす可能性がある。

特許文献１に開示される電圧変換装置は、デューティ比を操作する制御手段が用いる操作値が、所定上限値以上である場合または所定下限値以下である場合に、電圧変換装置に異常が発生していると判定する。また特許文献１には、該電圧変換装置を備え、電圧変換装置の異常を検知した場合に半導体素子の制御を停止する電気自動車が開示されている。

特開２００４−３６４４１６号公報

特許文献１に開示される電気自動車は、電圧変換装置に異常が発生していると判定された場合には、半導体素子のスイッチをオフにして回生動作を禁止する。特許文献１のように、電圧変換装置に異常が生じた場合に半導体素子の制御を停止してしまうと、電圧変換装置に接続される負荷装置への電力供給が停止されてしまう。しかし電気車に搭載される補助電源装置は空調設備、照明設備などに電力を供給するため、補助電源装置は可能な限り電力供給を続けることが望ましい。すなわち、補助電源装置においては、補助電源装置の出力電圧が過大電圧または過小電圧となることの抑制に加え、補助電源装置に接続された負荷機器への電力供給の停止の回避も必要となる。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、チョッパ回路の出力電圧を定められた範囲内に維持し、チョッパ回路の駆動を継続することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のチョッパ回路制御装置は、チョッパ回路のデューティ比を制御するチョッパ回路制御装置であって、範囲算出部と制御部とを備える。範囲算出部は、チョッパ回路の入力電圧、およびチョッパ回路の出力電圧の指令値である出力電圧指令値から、デューティ比の制御に用いられる操作値の範囲である操作値範囲を算出する。制御部は、チョッパ回路の出力電圧と出力電圧指令値との偏差から算出される操作値が操作値範囲の上限値以上である場合には操作値範囲の上限値を用い、操作値が操作値範囲内である場合には該操作値を用い、操作値が操作値範囲の下限値以下である場合には操作値範囲の下限値を用いて、デューティ比を制御する。

本発明によれば、チョッパ回路のデューティ比の制御に用いられる操作値が定められた範囲を超える場合には、定められた範囲の上限値または下限値を用いてデューティ比を制御することで、チョッパ回路の出力電圧を定められた範囲内に維持しながらチョッパ回路の駆動を継続することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係るチョッパ回路制御装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態１に係るチョッパ回路制御装置が行うチョッパ制御の動作の一例を示すフローチャートである。本発明の実施の形態２に係るチョッパ回路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に係るチョッパ回路制御装置が行うチョッパ制御の動作の一例を示すフローチャートである。

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に係るチョッパ回路制御装置の構成例を示すブロック図である。チョッパ回路制御装置１は、チョッパ回路４の出力電圧が、出力電圧の指令値である出力電圧指令値に近づくように、チョッパ回路４が備えるスイッチング素子４１を制御する。チョッパ回路制御装置１は、操作値に基づくゲート信号をスイッチング素子４１に出力し、チョッパ回路４のデューティ比を制御する。操作値は、スイッチング素子４１のオンデューティの時間を調節する値である。チョッパ回路制御装置１は、操作値が定められた範囲を超える場合には、定められた範囲の上限値または下限値を用いて、デューティ比を制御する。

図１のチョッパ回路４はスイッチング素子４１、ダイオード４２およびインダクタ４３から構成される降圧チョッパ回路である。チョッパ回路４の構成は、図１の例に限られない。チョッパ回路４は、スイッチング素子４１を備え、直流電圧または交流電圧を所望の直流電圧または交流電圧に変換する任意の回路である。例えば、チョッパ回路４として昇圧チョッパ回路を用いてもよい。

図１の例では、スイッチング素子４１は、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：電界効果トランジスタ）であるが、スイッチング素子４１はＭＯＳＦＥＴに限られず、スイッチングを行う任意の半導体素子である。スイッチング素子４１は、チョッパ回路４の一対の入力端子の内、高電位の端子、ダイオード４２のカソードおよびインダクタ４３の一端にそれぞれ接続されている。ダイオード４２のアノードは、チョッパ回路４の一対の入力端子の内、低電位の端子、および、チョッパ回路４の一対の出力端子の内、低電位の端子に接続されている。インダクタ４３の他端は、チョッパ回路４の一対の出力端子の内、高電位の端子に接続されている。

電圧センサ２は、チョッパ回路４の入力端子に接続されたコンデンサ３の電圧をチョッパ回路４の入力電圧として検出する。電圧センサ６は、チョッパ回路４の出力端子に接続されたコンデンサ５の電圧をチョッパ回路４の出力電圧として検出する。

チョッパ回路制御装置１は、電圧センサ２で検出したチョッパ回路４の入力電圧をＡ−Ｄ（Analog-to-Digital）変換するＡ−Ｄ変換器１１と、電圧センサ６で検出したチョッパ回路４の出力電圧をＡ−Ｄ変換するＡ−Ｄ変換器１３を備える。チョッパ回路制御装置１には、さらに出力電圧指令値が入力される。Ａ−Ｄ変換器１１でＡ−Ｄ変換された入力電圧はチョッパ回路制御装置１の範囲算出部１２に入力される。範囲算出部１２は、入力電圧と出力電圧指令値から、チョッパ回路４の操作値の範囲である操作値範囲を算出する。Ａ−Ｄ変換器１３でＡ−Ｄ変換された出力電圧は、チョッパ回路制御装置１の電圧指令制御部１４に入力される。電圧指令制御部１４は、出力電圧と出力電圧指令値との偏差を算出する。出力電圧と出力電圧指令値との偏差は、チョッパ回路制御装置１の電圧制御部１５に入力される。電圧制御部１５は、出力電圧と出力電圧指令値との偏差からチョッパ回路４の操作値を算出する。チョッパ回路制御装置１の比較部１６は、範囲算出部１２で算出された操作値範囲と、電圧制御部１５で算出された操作値とを比較して、操作値が操作値範囲を超えている場合には操作値範囲の上限値または下限値を、操作値が操作値範囲内である場合には該操作値を、チョッパ回路制御装置１の比較器１７に出力する。比較器１７は、比較部１６の出力と基準の三角波を比較演算してゲート信号を生成する。比較器１７が出力するゲート信号によってスイッチング素子４１のオンオフが制御され、チョッパ回路４のデューティ比が制御される。

範囲算出部１２は、Ａ−Ｄ変換された入力電圧および出力電圧指令値から、操作値範囲を算出する。出力電圧指令値は、チョッパ回路４の出力電圧の指令値であり、チョッパ回路４の出力端子に接続される負荷機器に応じて決定される値である。チョッパ回路制御装置１は、外部から出力電圧指令値を受け取ってもよいし、チョッパ回路制御装置１が出力電圧指令値を予め保持していてもよい。実施の形態１においては、範囲算出部１２は、出力電圧指令値をＡ−Ｄ変換された入力電圧で除算した値に、第１の比例定数を乗算した値を操作値範囲の上限値とし、出力電圧指令値をＡ−Ｄ変換された入力電圧で除算した値に、第１の比例定数より小さい値である第２の比例定数を乗算した値を操作値範囲の下限値とする。第１の比例定数および第２の比例定数はチョッパ回路４の特性に応じて定められた値であり、例えばシミュレーションの結果に基づいて定められる。

電圧指令制御部１４は、出力電圧指令値とＡ−Ｄ変換された出力電圧との偏差である電圧偏差を算出して、電圧制御部１５に送る。電圧制御部１５は、電圧偏差に対して、例えばＰＩ（Proportional-Integral）制御の演算を行い、操作値を算出して、比較部１６に送る。

比較部１６は、入力された操作値が操作値範囲の上限値以上である場合には、操作値範囲の上限値を操作値として出力する。比較部１６は、入力された操作値が操作値範囲内である場合、すなわち入力された操作値が操作値範囲の上限値未満であり、かつ、操作値範囲の下限値より大きい場合には、入力された操作値を出力する。比較部１６は、入力された操作値が操作値範囲の下限値以下である場合には、操作値範囲の下限値を操作値として出力する。

比較器１７は、比較部１６が出力する操作値と基準の三角波を比較演算することで、チョッパ回路４のデューティ比を算出して、スイッチング素子４１に対するゲート信号を出力する。

実施の形態１に係るチョッパ回路制御装置１は、操作値が操作値範囲内である、通常時には、チョッパ回路４の出力電圧および出力電圧指令値から算出した操作値を用いてチョッパ回路４を制御する。一方、操作値が操作値範囲内でない場合には、チョッパ回路制御装置１は、操作値範囲の上限値または下限値に基づきチョッパ回路４のデューティ比を算出し、チョッパ回路４を制御する。そのため、例えば、電圧センサ６に異常が生じた場合、またはスイッチング素子４１に異常が生じた場合に、チョッパ回路４の出力電圧が過大電圧または過小電圧となることを抑制しながら、チョッパ回路４の駆動を継続することが可能となる。

図２は、実施の形態１に係るチョッパ回路制御装置が行うチョッパ制御の動作の一例を示すフローチャートである。電圧指令制御部１４は、出力電圧指令値とＡ−Ｄ変換された出力電圧との偏差である電圧偏差を算出する（ステップＳ１０）。電圧制御部１５は、電圧偏差に対して、例えばＰＩ制御の演算を行い、操作値を算出する（ステップＳ２０）。範囲算出部１２は、出力電圧指令値をＡ−Ｄ変換された入力電圧で除算した値に基づき、操作値範囲を算出する（ステップＳ３０）。

比較部１６は、入力された操作値が操作値範囲内である場合には（ステップＳ４０；Ｙ）、入力された操作値を出力し、比較器１７は該操作値を用いてチョッパ回路４のデューティ比を算出する（ステップＳ５０）。比較部１６は、操作値が操作値範囲内でない場合には（ステップＳ４０；Ｎ）、操作値範囲の上限値または下限値を操作値として出力し、比較器１７は操作値範囲の上限値または下限値を用いてチョッパ回路４のデューティ比を算出する（ステップＳ６０）。

比較器１７は、デューティ比に基づき、スイッチング素子４１に対するゲート信号を出力し、チョッパ回路４を制御する（ステップＳ７０）。チョッパ回路制御装置１は、予め定められたタイミングで上述の処理を繰り返し行い、チョッパ回路４のデューティ比を制御する。なおステップＳ３０の処理は、ステップＳ１０，Ｓ２０の処理と並列に行われてもよい。またステップＳ１０，Ｓ２０の処理の前にステップＳ３０の処理が行われてもよい。

以上説明したとおり、実施の形態１に係るチョッパ回路制御装置１によれば、チョッパ回路４の出力電圧を定められた範囲内に維持しながら、チョッパ回路４の駆動を継続することが可能となる。チョッパ回路４の出力電圧が定められた範囲内に維持されるので、チョッパ回路４の出力電圧が過大電圧または過小電圧となることを抑制することができ、チョッパ回路４の出力端子に接続される負荷機器に、チョッパ回路４の出力電圧の変動による影響が及ぶことを回避することが可能となる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係るチョッパ回路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に係るチョッパ回路制御装置１は、チョッパ回路４の入力電圧が定められた範囲である電圧範囲内でない場合には、電圧範囲の上限値または下限値を用いて操作値範囲を算出し、操作値範囲に基づいてチョッパ回路４の制御を行う。実施の形態２に係るチョッパ回路制御装置１は、実施の形態１に係るチョッパ回路制御装置１の構成に加えて、電圧比較部１８を備える。実施の形態１と異なる、実施の形態２に係るチョッパ回路制御装置１の各部の動作について説明する。

電圧比較部１８は、Ａ−Ｄ変換された入力電圧が、電圧範囲の上限値以上である場合には、電圧範囲の上限値を入力電圧として出力する。電圧比較部１８は、Ａ−Ｄ変換された入力電圧が電圧範囲内である場合、すなわちＡ−Ｄ変換された入力電圧が電圧範囲の上限値未満であり、かつ、電圧範囲の下限値より大きい場合には、Ａ−Ｄ変換された入力電圧を出力する。電圧比較部１８は、Ａ−Ｄ変換された入力電圧が電圧範囲の下限値以下である場合には、電圧範囲の下限値を入力電圧として出力する。

範囲算出部１２は、電圧比較部１８が出力する入力電圧および出力電圧指令値から、操作値範囲を算出する。実施の形態２においては、範囲算出部１２は、出力電圧指令値を電圧比較部１８が出力する入力電圧で除算した値に第１の比例定数を乗算した値を操作値範囲の上限値とし、出力電圧指令値を電圧比較部１８が出力する入力電圧で除算した値に第２の比例定数を乗算した値を操作値範囲の下限値とする。電圧範囲の上限値および下限値はチョッパ回路４の特性に応じて定められた値であり、例えばシミュレーションの結果に基づいて定められる。

実施の形態２に係るチョッパ回路制御装置１においては、Ａ−Ｄ変換された入力電圧が電圧範囲内でない場合には、電圧範囲の上限値または下限値に基づき、操作値範囲が算出される。そのため、例えば電圧センサ２に異常が生じた場合であっても操作値範囲が大きく変動することを抑制することが可能となる。

図４は、実施の形態２に係るチョッパ回路制御装置が行うチョッパ制御の動作の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１０，Ｓ２０の処理は、図２に示す実施の形態１に係るチョッパ回路制御装置１が行う処理と同様である。電圧比較部１８は、Ａ−Ｄ変換された入力電圧が電圧範囲内である場合には（ステップＳ３１；Ｙ）、Ａ−Ｄ変換された入力電圧を出力し、範囲算出部１２は、出力電圧指令値と該入力電圧を用いて、操作値範囲を算出する（ステップＳ３２）。

電圧比較部１８は、Ａ−Ｄ変換された入力電圧が電圧範囲内でない場合には（ステップＳ３１；Ｎ）、電圧範囲の上限値または下限値を入力電圧として出力し、範囲算出部１２は、出力電圧指令値と、電圧範囲の上限値または下限値を用いて、操作値範囲を算出する（ステップＳ３３）。ステップＳ４０，Ｓ５０，Ｓ６０，Ｓ７０の処理は、図２に示す実施の形態１に係るチョッパ回路制御装置１が行う処理と同様である。なおステップＳ３１，Ｓ３２，Ｓ３３の処理は、ステップＳ１０，Ｓ２０の処理と並列に行われてもよい。またステップＳ１０，Ｓ２０の処理の前にステップＳ３１，Ｓ３２，Ｓ３３の処理が行われてもよい。

以上説明したとおり、実施の形態２に係るチョッパ回路制御装置１によれば、チョッパ回路４の出力電圧を定められた範囲内に維持しながら、チョッパ回路４の駆動を継続することが可能となる。またチョッパ回路４の入力電圧を検出する電圧センサ２に異常が生じた場合であっても、チョッパ回路４の出力電圧を定められた範囲内に維持することが可能となるため、チョッパ回路４の出力電圧の制御の精度が向上する。

本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られない。操作値範囲は、上限値のみを規定した範囲でもよいし、下限値のみを規定した範囲でもよい。例えば、操作値範囲が上限値のみを規定した範囲である場合には、チョッパ回路制御装置１は、操作値が操作値範囲の上限値以上である場合には操作値範囲の上限値を用い、操作値が操作値範囲の上限値未満である場合には操作値を用いて、チョッパ回路４のデューティ比を制御する。同様に、電圧範囲は、上限値のみを規定した範囲でもよいし、下限値のみを規定した範囲でもよい。

上述のチョッパ回路制御装置１を含む、電気車に搭載される補助電源装置は、操作値が操作範囲内でない場合に、操作値が操作値範囲内でないことを示す通知を出力し、該通知が運転室にあるモニタに表示されてもよい。上記の通知を表示することで、例えば電圧センサ６の異常への対処を促すことが可能となる。

上記実施の形態は、いずれも本発明の趣旨の範囲内で各種の変形が可能である。上記実施の形態は本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。本発明の範囲は実施形態よりも添付した請求項によって示される。請求項の範囲内、および発明の請求項と均等の範囲でなされた各種変形は本発明の範囲に含まれる。

１チョッパ回路制御装置、２，６電圧センサ、３，５コンデンサ、４チョッパ回路、１１，１３Ａ−Ｄ変換器、１２範囲算出部、１４電圧指令制御部、１５電圧制御部、１６比較部、１７比較器、１８電圧比較部、４１スイッチング素子、４２ダイオード、４３インダクタ。

上記目的を達成するために、本発明のチョッパ回路制御装置は、チョッパ回路のデューティ比を制御するチョッパ回路制御装置であって、範囲算出部と制御部とを備える。範囲算出部は、チョッパ回路の入力電圧、およびチョッパ回路の出力電圧の指令値である出力電圧指令値から、デューティ比の制御に用いられる操作値の範囲である操作値範囲を算出する。制御部は、チョッパ回路の出力電圧と出力電圧指令値との偏差から算出される操作値が操作値範囲にあるか否かを判定し、操作値が操作値範囲の上限値以上である場合には操作値範囲の上限値を用い、操作値が操作値範囲内である場合には該操作値を用い、操作値が操作値範囲の下限値以下である場合には操作値範囲の下限値を用いて、デューティ比を制御する。

上記目的を達成するために、本発明のチョッパ回路制御装置は、チョッパ回路のデューティ比を制御するチョッパ回路制御装置であって、範囲算出部と制御部とを備える。範囲算出部は、チョッパ回路の入力電圧、およびチョッパ回路の出力電圧の指令値である出力電圧指令値から、デューティ比の制御に用いられる操作値の範囲である操作値範囲を算出する。範囲算出部は、入力電圧が定められた範囲である電圧範囲の上限値以上である場合には電圧範囲の上限値を用い、入力電圧が電圧範囲内である場合には該入力電圧を用い、入力電圧が電圧範囲の下限値以下である場合には電圧範囲の下限値を用いて、操作値範囲を算出する。制御部は、チョッパ回路の出力電圧と出力電圧指令値との偏差から算出される操作値が操作値範囲にあるか否かを判定し、操作値が操作値範囲の上限値以上である場合には操作値範囲の上限値を用い、操作値が操作値範囲内である場合には該操作値を用い、操作値が操作値範囲の下限値以下である場合には操作値範囲の下限値を用いて、デューティ比を制御する。

Claims

チョッパ回路のデューティ比を制御するチョッパ回路制御装置であって、
前記チョッパ回路の入力電圧、および前記チョッパ回路の出力電圧の指令値である出力電圧指令値から、前記デューティ比の制御に用いられる操作値の範囲である操作値範囲を算出する範囲算出部と、
前記チョッパ回路の出力電圧と前記出力電圧指令値との偏差から算出される前記操作値が前記操作値範囲の上限値以上である場合には前記操作値範囲の上限値を用い、前記操作値が前記操作値範囲内である場合には該操作値を用い、前記操作値が前記操作値範囲の下限値以下である場合には前記操作値範囲の下限値を用いて、前記デューティ比を制御する制御部と、
を備えるチョッパ回路制御装置。
前記範囲算出部は、前記出力電圧指令値を前記入力電圧で除算した値に第１の比例定数を乗算した値を前記操作値範囲の上限値とし、前記出力電圧指令値を前記入力電圧で除算した値に前記第１の比例定数より小さい値である第２の比例定数を乗算した値を前記操作値範囲の下限値とする請求項１に記載のチョッパ回路制御装置。
前記範囲算出部は、前記入力電圧が定められた範囲である電圧範囲の上限値以上である場合には前記電圧範囲の上限値を用い、前記入力電圧が前記電圧範囲内である場合には該入力電圧を用い、前記入力電圧が前記電圧範囲の下限値以下である場合には前記電圧範囲の下限値を用いて、前記操作値範囲を算出する請求項１に記載のチョッパ回路制御装置。