(57)【要約】【課題】デューティ比が小さい領域においても精度よく誘導性負荷を駆動することができる誘導性負荷駆動装置を提供する。【解決手段】フライホイールダイオード１４と、電流検出用抵抗１５と、ピークホールド回路１７と、制御部２３を備える。制御部２３は、ピークホールド回路１７の出力をフィードバックしながら目標電流値に応じたデューティ比でスイッチング素子１１をオン／オフして誘導性負荷１３に流れる電流を制御する電流制御を行うことができる。制御部２３は、デューティ比が閾値よりも大きいと誘導性負荷１３の電流制御を行うとともに、デューティ比が閾値よりも小さいと誘導性負荷１３の電圧制御を行う。【選択図】図１
2019102486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源による誘導性負荷の通電経路に設けられたローサイドのスイッチング素子と、
前記誘導性負荷に並列に接続されたフライホイールダイオードと、
前記誘導性負荷の通電経路における前記誘導性負荷よりも低電圧側に設けられ、前記誘導性負荷に流れる電流を検出するための電流検出用抵抗と、
前記スイッチング素子のオン時における前記電流検出用抵抗による前記誘導性負荷に流れる電流に応じた電圧を入力して前記スイッチング素子のオフ時にオン時の前記電流検出用抵抗による電圧をホールドするピークホールド回路と、
前記ピークホールド回路の出力をフィードバックしながら目標電流値に応じたデューティ比で前記スイッチング素子をオン／オフして前記誘導性負荷に流れる電流を制御する電流制御を行う制御部と、
を備え、
前記制御部は、デューティ比が閾値よりも大きいと前記誘導性負荷の電流制御を行うとともに、デューティ比が閾値よりも小さいと前記誘導性負荷の電圧制御を行うことを特徴とする誘導性負荷駆動装置。
【請求項２】
前記ピークホールド回路は、充放電用コンデンサと放電用抵抗を有することを特徴とする請求項１に記載の誘導性負荷駆動装置。
【請求項３】
前記制御部は、デューティ比が閾値よりも小さくなり誘導性負荷の電圧制御を行うときにおいて、直流電源電圧と目標電流値から求められる計算上のデューティ比が閾値よりも大きいと誘導性負荷の電流制御に復帰することを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導性負荷駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導性負荷駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１等に開示のように、誘導性負荷駆動装置は、誘導性負荷を駆動させるためのスイッチング素子と、電流検出用抵抗を備え、電流検出用抵抗により誘導性負荷に流れる電流に応じた電圧信号に変換し、コンパレータにて電流検出用抵抗で検出した電流値が目標電流になるよう設定した比較用信号と比較し、スイッチング素子のオン／オフを制御している。また、電流検出用抵抗にて検出した電流値を制御回路へ入力することで、スイッチング素子のデューティ比をデジタル制御することも行われている。ハイサイドにてスイッチング素子が駆動しているため誘導性負荷に流れる電流を常に検知することが可能であるが、ローサイドにてスイッチング素子を駆動させる場合には、スイッチング素子がオフする際、誘導性負荷（リアクトル）の逆起電力による転流によって誘導性負荷に電流が流れる。スイッチング素子のオフ期間においては、電流検出用抵抗に電流は流れないため電流検出用抵抗による電流検出ができないためスイッチング素子のオフ期間にもオン期間と連続した誘導性負荷に流れる電流を得るべく特許文献２に開示のようにピークホールド回路を、電流検出用抵抗と制御回路の間に用いて、スイッチング素子のオフ期間にもピークホールド回路からの出力により誘導性負荷に流れる電流を推定することが考えられる。具体的には例えば、図５に示すように、誘導性負荷１００の通電経路にスイッチング素子１０１と電流検出用抵抗１０２を設けるとともに、電流検出用抵抗１０２に接続した増幅回路１０３と駆動回路１０４との間にピークホールド回路１０５を設けることが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平２−１８０００７号公報
【特許文献２】特開２０１２−７８２１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、図５に示すように、ローサイドにてスイッチング素子１０１を駆動させる回路方式にて、ピークホールド回路１０５を使用する際、駆動する誘導性負荷１００の時定数と、ピーク保持コンデンサ１０５ａの放電の時定数が近くなるように設計し、電流制御の精度を高めることができる。ここで、電流検出用抵抗１０２、増幅回路１０３、ピーク保持コンデンサ１０５ａ、ピーク保持抵抗１０５ｂのばらつきにより、目標電流値が低く、デューティ比が小さい領域において、電流制御の精度が悪化する懸念がある。
【０００５】
本発明の目的は、デューティ比が小さい領域においても精度よく誘導性負荷を駆動することができる誘導性負荷駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明では、直流電源による誘導性負荷の通電経路に設けられたローサイドのスイッチング素子と、前記誘導性負荷に並列に接続されたフライホイールダイオードと、前記誘導性負荷の通電経路における前記誘導性負荷よりも低電圧側に設けられ、前記誘導性負荷に流れる電流を検出するための電流検出用抵抗と、前記スイッチング素子のオン時における前記電流検出用抵抗による前記誘導性負荷に流れる電流に応じた電圧を入力して前記スイッチング素子のオフ時にオン時の前記電流検出用抵抗による電圧をホールドするピークホールド回路と、前記ピークホールド回路の出力をフィードバックしながら目標電流値に応じたデューティ比で前記スイッチング素子をオン／オフして前記誘導性負荷に流れる電流を制御する電流制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、デューティ比が閾値よりも大きいと前記誘導性負荷の電流制御を行うとともに、デューティ比が閾値よりも小さいと前記誘導性負荷の電圧制御を行うことを要旨とする。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、制御部により、デューティ比が閾値よりも大きいと誘導性負荷の電流制御が行われるとともに、デューティ比が閾値よりも小さいと誘導性負荷の電圧制御が行われる。よって、デューティ比が小さい領域において電流制御を行う場合の精度の悪化を回避して、デューティ比が小さい領域においても精度よく誘導性負荷を駆動することができる。
【０００８】
請求項２に記載のように、請求項１に記載の誘導性負荷駆動装置において、前記ピークホールド回路は、充放電用コンデンサと放電用抵抗を有するとよい。
請求項３に記載のように、請求項１又は２に記載の誘導性負荷駆動装置において、前記制御部は、デューティ比が閾値よりも小さくなり誘導性負荷の電圧制御を行うときにおいて、直流電源電圧と目標電流値から求められる計算上のデューティ比が閾値よりも大きいと誘導性負荷の電流制御に復帰するとよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、デューティ比が小さい領域においても精度よく誘導性負荷を駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態における誘導性負荷駆動装置の回路図。
【図２】スイッチング素子のオン／オフ状態、誘導性負荷電流、電流検出用抵抗両端電圧、制御回路認識電圧を示すタイムチャート。
【図３】目標電流値とデューティ比の関係を示す特性図。
【図４】目標電流値とデューティ比の関係を示す特性図。
【図５】背景技術及び課題を説明するための誘導性負荷駆動装置の回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、誘導性負荷駆動装置１０は、産業車両、例えばバッテリ式フォークリフトに搭載されている。誘導性負荷駆動装置１０は、誘導性負荷１３を駆動するスイッチング素子１１と、フライホイールダイオード１４と、電流検出用抵抗１５と、制御回路１６と、ピークホールド回路１７と、増幅回路２１と、電圧検出回路２２を備えている。
【００１２】
直流電源としてのバッテリ１２は４８Ｖ仕様のバッテリである。バッテリ１２とグランドとの間がバッテリ１２による誘導性負荷１３の通電経路となる。本実施形態ではスイッチング素子１１としてＭＯＳＦＥＴを用いている。スイッチング素子１１は、直流電源としてのバッテリ１２による誘導性負荷１３の通電経路に設けられている。詳しくは、スイッチング素子１１は、誘導性負荷１３の通電経路における誘導性負荷１３とグランド間に設けられており、ローサイドのスイッチング素子である。
【００１３】
誘導性負荷１３は、ブレーキコイルやリレーコイル等であり、インダクタ成分と抵抗成分を有する。誘導性負荷１３がバッテリ式フォークリフトのブレーキコイルの場合において、電流指令値が目標電流値となる。電流指令値は可変であり、複数設定される。例えば車両停止時と走行時では電流指令値（目標電流値）として異なる値が設定される。
【００１４】
スイッチング素子１１のオンに伴い誘導性負荷１３に電流ｉ１が流れる。スイッチング素子１１のゲート端子には制御回路１６が接続され、制御回路１６からの駆動信号によりスイッチング素子１１がオン／オフする。
【００１５】
誘導性負荷１３に対しフライホイールダイオード１４が、カソードがバッテリ１２側、アノードがスイッチング素子１１側となる状態で並列に接続されている。スイッチング素子１１がオフする際に誘導性負荷（リアクトル）１３の逆起電力による転流によってフライホイールダイオード１４を通じて誘導性負荷１３に電流ｉ２が流れる。
【００１６】
電流検出用抵抗１５は、誘導性負荷１３の通電経路における誘導性負荷１３よりも低電圧側に設けられ、誘導性負荷１３に流れる電流を検出するためのものである。詳しくは、電流検出用抵抗１５は、誘導性負荷１３の通電経路におけるスイッチング素子１１のソース端子とグランド間に設けられている。
【００１７】
増幅回路２１は、入力端子が電流検出用抵抗１５の両端と接続され、誘導性負荷１３に流れる電流ｉ１に応じた電流検出用抵抗１５の両端間の電圧を増幅して出力する。
ピークホールド回路１７は、ピークホールド用ＭＯＳＦＥＴ１８と、充放電用コンデンサ（ピーク保持コンデンサ）１９と、放電用抵抗（ピーク保持抵抗）２０を有する。
【００１８】
ピークホールド用ＭＯＳＦＥＴ１８のゲート端子には制御回路１６が接続され、制御回路１６からの駆動信号によりピークホールド用ＭＯＳＦＥＴ１８がオン／オフする。ピークホールド用ＭＯＳＦＥＴ１８は、誘導性負荷１３を駆動するスイッチング素子１１と同期してスイッチング動作する。
【００１９】
ピークホールド用ＭＯＳＦＥＴ１８のソース端子には増幅回路２１の出力端子が接続されている。ピークホールド用ＭＯＳＦＥＴ１８のドレイン端子は充放電用コンデンサ（ピーク保持コンデンサ）１９を介して接地されている。充放電用コンデンサ（ピーク保持コンデンサ）１９には放電用抵抗（ピーク保持抵抗）２０が並列に接続されている。
【００２０】
ピークホールド用ＭＯＳＦＥＴ１８のオンにより、充放電用コンデンサ（ピーク保持コンデンサ）１９が充電され、ピークホールド用ＭＯＳＦＥＴ１８のオフにより、充放電用コンデンサ（ピーク保持コンデンサ）１９の電荷が放電用抵抗（ピーク保持抵抗）２０を通じて放電される。
【００２１】
ピークホールド回路１７は、増幅回路２１から、スイッチング素子１１のオン時における電流検出用抵抗１５による誘導性負荷１３に流れる電流ｉ１に応じた電圧（増幅した電流検出用抵抗１５の両端間電圧）を入力してスイッチング素子１１のオフ時にオン時の電流検出用抵抗１５による電圧（増幅した電流検出用抵抗１５の両端間電圧）をホールドする。つまり、スイッチング素子１１のオフ期間においては電流検出用抵抗１５に電流は流れずに電流検出ができないため、ピークホールド回路１７を、制御回路１６と増幅回路２１（電流検出用抵抗１５）との間に設けてスイッチング素子１１のオフ期間の電流を検出（推定）する。
【００２２】
電圧検出回路２２によりバッテリ１２の電圧が検出される。電圧検出回路２２によるバッテリ１２の電圧の検出結果であるバッテリ電圧検出値はデジタル化されて制御回路１６に送られる。
【００２３】
制御回路１６は、マイコンにより構成される制御部２３と、アナログ／デジタル変換回路（ＡＤ回路）２４と、メモリ２５を有する。
アナログ／デジタル変換回路２４は、ピークホールド回路１７の出力である充放電用コンデンサ（ピーク保持コンデンサ）１９と接続され、誘導性負荷１３に流れる電流に応じたアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。制御部２３は、スイッチング素子１１及びピークホールド用ＭＯＳＦＥＴ１８に対し駆動信号を出力する。制御部２３は、アナログ／デジタル変換回路２４からのデジタル信号に入力して誘導性負荷１３に流れる電流を検知する。
【００２４】
マイコンにより構成される制御部２３は一定周期で誘導性負荷１３に流れる電流をモニタできるようにしておく必要があることから、スイッチング素子１１のオフ期間にもオン期間と連続した誘導性負荷１３に流れる電流を得るべくピークホールド回路１７を用いてスイッチング素子１１のオフ期間にもピークホールド回路１７からの出力により誘導性負荷１３に流れる電流を推定する。
【００２５】
制御部２３は、電圧検出回路２２からバッテリ電圧検出値を入力して電圧検出回路２２によるバッテリ電圧を検知する。制御部２３は、目標電流値を誘導性負荷１３に流すべく誘導性負荷１３の入力電圧に応じたデューティ比となるようにピークホールド回路１７の出力をフィードバックしながら目標電流値に応じたデューティ比でスイッチング素子１１をオン／オフして誘導性負荷１３に流れる電流を制御する電流制御を行うことができるようになっている。
【００２６】
メモリ２５には、図３に示した各入力電圧（バッテリ電圧）における目標電流値とデューティ比の関係を示すマップが記憶されている。制御部２３は、メモリ２５に記憶したマップによる各入力電圧における目標電流値とデューティ比の関係に基づいて、目標電流値が高くデューティ比が閾値（図４参照）よりも大きいときは誘導性負荷１３の電流制御を行うとともに、目標電流値が低くデューティ比が閾値よりも小さいときは誘導性負荷１３の電圧制御を行うことができるようになっている。即ち、バッテリ電圧と誘導性負荷１３の抵抗が分かれば電圧制御することによって電流の精度を確保できる。
【００２７】
次に、作用について説明する。
図２を用いて原理を説明する。
図２に示すように、スイッチング素子１１がオン／オフする。具体的には、ｔ１のタイミングで立ち上がり（オンになり）、ｔ２のタイミングで立ち下り（オフになり）、ｔ３のタイミングで立ち上がる（オンになる）。ｔ１〜ｔ３の期間が１周期であり、この期間Ｔ１中におけるｔ１〜ｔ２のオン時間Ｔ２の割合（Ｔ２／Ｔ１）がデューティ比となる。
【００２８】
ｔ１のタイミングでスイッチング素子１１がオンすると、誘導性負荷１３に電流ｉ１が流れる。この電流ｉ１は電流検出用抵抗１５にも流れる。ｔ１〜ｔ２のスイッチング素子１１のオン期間においては、誘導性負荷１３のリアクタンス、抵抗値によって決まる時定数の傾きを持った鋸状の電流が流れる。また、ｔ１〜ｔ２のスイッチング素子１１のオン期間においては、電流検出用抵抗１５の両端電圧Ｖ１は同じ形の電圧波形となる。
【００２９】
電流検出用抵抗１５によって発生した電圧Ｖ１は増幅回路２１にて増幅される。ピークホールド用ＭＯＳＦＥＴ１８はスイッチング素子１１と同期してオンしているため、充放電用コンデンサ（ピーク保持コンデンサ）１９に電荷が充電される。
【００３０】
ｔ２のタイミングでスイッチング素子１１がオフすると、誘導性負荷（リアクトル）１３の逆起電力による転流によって誘導性負荷１３に電流ｉ２が流れるが、スイッチング素子１１のオフ期間は電流検出用抵抗１５に電流は流れない。そのため、ｔ２〜ｔ３のスイッチング素子１１のオフ期間においては、電流検出用抵抗１５の両端電圧Ｖ１は０（ゼロ）になる。ｔ２〜ｔ３のスイッチング素子１１のオフ期間においては、誘導性負荷１３の電流ｉ２は誘導性負荷１３のリアクタンスに蓄えられたエネルギーの逆起電力によって流れる。
【００３１】
制御回路認識電圧Ｖ２は、ピークホールド用ＭＯＳＦＥＴ１８がオフしているため、充放電用コンデンサ（ピーク保持コンデンサ）１９に蓄えられた電荷が放電用抵抗（ピーク保持抵抗）２０へ放電される。そのため、充放電用コンデンサ（ピーク保持コンデンサ）１９と放電用抵抗（ピーク保持抵抗）２０で決まる時定数の傾きθ２を持った電圧が認識される。
【００３２】
スイッチング素子１１がオフの期間の制御回路１６が認識する電圧は。充放電用コンデンサ（ピーク保持コンデンサ）１９と放電用抵抗（ピーク保持抵抗）２０によって決まる時定数に依存する。そのため、誘導性負荷１３に流れる電流と一致しない。即ち、図２において誘導性負荷１３に流れる電流の傾きθ１と制御回路認識電圧Ｖ２の傾きθ２とは一致しない（θ１≠θ２）。その結果、スイッチング素子１１の周波数及びデューティ比が小さいほど、電流制御の精度が悪くなる傾向になる。
【００３３】
図３で説明する。
図３において、各入力電圧（バッテリ電圧）における目標電流値とデューティ比の関係を示す。図３では、入力電圧が３５Ｖの場合、４８Ｖの場合、６５Ｖの場合を示す。例えばバッテリが充電された直後では６５Ｖであるが、放電が進んだり劣化により３５Ｖになる。同じ目標電流値に対し、入力電圧が高くなるごとにデューティ比が小さくなる。
【００３４】
本実施形態においては、デューティ比が小さくなると電流制御の誤差が大きくなるため、図４に示すように、デューティ比が閾値より小さくなった際、即ち、オン期間が短くなった際、予め設定されたデューティ比（固定値）にて駆動するよう、制御方式を電圧制御に切り替える。これにより目標電流値との誤差が低減される。閾値は、予め定めた固定値であり、例えば１０％である。つまり、駆動する誘導性負荷のリアクタンス、抵抗値から算出される時定数は分かっているので、固定値とすることができる。電圧制御の動作としては、誘導性負荷１３の定数（リアクタンス、抵抗値）と、電圧検出回路２２により検出したバッテリ電圧ＶＢとによって決まるデューティ比で、スイッチング素子１１をスイッチング制御する。
【００３５】
具体的には、メモリ２５においてマップとして、誘導性負荷１３のリアクタンス、抵抗値から、各入力電圧における目標電流に対するデューティ比の関係が記憶されており、デューティ比に応じてスイッチング素子１１のスイッチング方法を電圧制御に変更する。なお、マップに代わり逐次演算にて誘導性負荷１３のリアクタンス、抵抗値から、各入力電圧における目標電流に対するデューティ比を得るようにしてもよい。
【００３６】
つまり、図４に示すように各入力電圧における、制御方式の切り替えデューティ比と、目標電流値の関係について、デューティ比が大きいときは（目標電流値が高いときは）電流制御にてスイッチングを行い、デューティ比が小さいときは電圧制御にて動作するように制御して、電流値の精度を確保する。
【００３７】
このように、動作方式を切り替えることで、誘導性負荷１３に流れる電流値の精度を向上させることができる。即ち、予め誘導性負荷１３の抵抗を求めるとともにバッテリ電圧を検出しながら電圧制御を実施することにより電流の精度が確保できる。また、予め誘導性負荷１３のリアクタンス、抵抗値をメモリ２５に記憶させることで対応可能なため、ソフトウェアの変更で対応できるので部品の点数増加が無い。
【００３８】
また、制御部２３は、デューティ比が閾値よりも小さくなり誘導性負荷１３の電圧制御を行うときにおいて、電流指令値である目標電流値を入力するとともに現在のバッテリ電圧を入力しており、メモリに記憶したマップに基づいて直流電源電圧としてのバッテリ電圧と目標電流値から計算上のデューティ比を算出している。そして、制御部２３は計算上のデューティ比に基づいて誘導性負荷１３の電圧制御から電流制御に復帰する。つまり、制御部２３は計算上のデューティ比が閾値よりも大きいと、誘導性負荷１３の電流制御に復帰する。
【００３９】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）誘導性負荷駆動装置１０の構成として、制御部２３は、ピークホールド回路１７の出力をフィードバックしながら目標電流値に応じたデューティ比でスイッチング素子１１をオン／オフして誘導性負荷１３に流れる電流を制御する電流制御を行うことができる。ここで、制御部２３は、デューティ比が閾値よりも大きいと誘導性負荷１３の電流制御を行うとともに、デューティ比が閾値よりも小さいと誘導性負荷１３の電圧制御を行う。よって、デューティ比が小さい領域において電流制御を行う場合の精度の悪化を回避して、デューティ比が小さい領域においても精度よく誘導性負荷１３を駆動することができる。
【００４０】
（２）ピークホールド回路１７は、充放電用コンデンサ１９と放電用抵抗２０を有するので実用的である。
（３）制御部２３は、デューティ比が閾値よりも小さくなり誘導性負荷１３の電圧制御を行うときにおいて、直流電源電圧としてのバッテリ電圧と目標電流値から求められる計算上のデューティ比が閾値よりも大きいと誘導性負荷１３の電流制御に復帰するので実用的である。
【００４１】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  スイッチング素子１１としてＭＯＳＦＥＴを用いたが、これに限らない。例えば、スイッチング素子１１としてバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ等を用いてもよい。
【００４２】
○  ピークホールド回路１７においてピークホールド用ＭＯＳＦＥＴ１８を用いたが、これに限らない。例えば、ピークホールド用ＭＯＳＦＥＴ１８に代わりダイオードを用いてもよい。さらに、ピークホールド用ＭＯＳＦＥＴ１８が無い構成としてもよい。
【００４３】
○  誘導性負荷駆動装置１０はバッテリ式フォークリフトに搭載されていたが、これに限るものではない。
【符号の説明】
【００４４】
１０…誘導性負荷駆動装置、１１…スイッチング素子、１２…バッテリ（直流電源）、１３…誘導性負荷、１４…フライホイールダイオード、１５…電流検出用抵抗、１７…ピークホールド回路、１９…充放電用コンデンサ、２０…放電用抵抗、２３…制御部。
【図１】
2019102486.tif 000003
【図２】
2019102486.tif 000004
【図３】
2019102486.tif 000005
【図４】
2019102486.tif 000006
【図５】
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