(57)【要約】【課題】系の安定性を確保しつつ過電圧を抑制する。【解決手段】電源装置１００は産業車両に搭載される。デューティコントローラ１４０は、ＤＣバス１０４に生ずるＤＣリンク電圧ＶＤＣが所定の目標電圧Ｖｒに近づくように値が調節される第１デューティ指令Ｓ３を生成する。デューティ補正部１４４は、第１デューティ指令Ｓ３にＤＣリンク電圧ＶＤＣと目標電圧Ｖｒの電圧偏差に応じたフィードフォワード値ＤＦＦを加算し、第２デューティ指令Ｓ３’を生成する。パルス幅変調器１４２は、第２デューティ指令Ｓ３に応じたデューティ比を有するパルス信号Ｓ４を生成する。【選択図】図５
2015195659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機と、前記電動機を駆動するインバータと、を備える産業車両に搭載される産業車両用電源装置であって、
蓄電器と、
前記インバータが接続されるＤＣバスと、
１次側に前記蓄電器が接続され、２次側に前記ＤＣバスが接続され、１次側と２次側で双方向にエネルギを授受可能に構成された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するコンバータコントローラと、
を備え、
前記コンバータコントローラは、
前記ＤＣバスに生ずるＤＣリンク電圧が所定の目標電圧に近づくように調節される第１デューティ指令を生成するデューティコントローラと、
前記第１デューティ指令に、前記ＤＣリンク電圧と前記目標電圧の電圧偏差に応じたフィードフォワード値を加算し、第２デューティ指令値を生成するデューティ補正部と、
前記第２デューティ指令値に応じたデューティ比を有するパルス信号を生成するパルス幅変調器と、
を含むことを特徴とする産業車両用電源装置。
【請求項２】
前記フィードフォワード値は、前記電圧偏差が０のときに０となり、前記電圧偏差が所定電圧のときに前記第２デューティ指令値が１となるように生成されることを特徴とする請求項１に記載の産業車両用電源装置。
【請求項３】
前記第１デューティ指令をＤ０、前記電圧偏差をΔＶ、前記目標電圧をＶｒ、所定電圧をＶｅｒｒｏｒとするとき、前記フィードフォワード値ＤＦＦは、
ＤＦＦ＝（１−Ｄ０）×ΔＶ／（Ｖｅｒｒｏｒ−Ｖｒ）
であることを特徴とする請求項１または２に記載の産業車両用電源装置。
【請求項４】
前記デューティ補正部は、前記フィードフォワード値に、前記電圧偏差に加えて、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに流れるコンバータ電流を反映させることを特徴とする請求項１に記載の産業車両用電源装置。
【請求項５】
前記フィードフォワード値は、前記コンバータ電流が第１所定電流より大きい範囲において、前記コンバータ電流が増大するほど小さくなるように生成されることを特徴とする請求項４に記載の産業車両用電源装置。
【請求項６】
前記デューティ補正部は、前記コンバータ電流Ｉｃが前記第１所定電流Ｉｒａｔｅのとき１、前記第２所定電流Ｉｅｒｒｏｒのとき０となるように定められた補正項ｇを、前記フィードフォワード値に掛け合わせることを特徴とする請求項５に記載の記載の産業車両用電源装置。
【請求項７】
前記第１デューティ指令をＤ０、前記電圧偏差をΔＶ、前記目標電圧をＶｒ、所定電圧をＶｅｒｒｏｒ、前記コンバータ電流をＩｃ、第１所定電流をＩｒａｔｅ、第２所定電流をＩｅｒｒｏｒとするとき、
前記フィードフォワード値ＤＦＦは、Ｉｃ＞Ｉｒａｔｅの範囲において、
ＤＦＦ＝（１−Ｄ０）×ΔＶ／（Ｖｅｒｒｏｒ−Ｖｒ）×｛１−（Ｉｃ−Ｉｒａｔｅ）／（Ｉｅｒｒｏｒ−Ｉｒａｔｅ）｝
であることを特徴とする請求項４に記載の産業車両用電源装置。
【請求項８】
前記コンバータコントローラは、前記ＤＣリンク電圧の変動にともなうループゲインの変動を抑制する利得調節部をさらに含み、
前記利得調節部のゲインは、前記ＤＣリンク電圧が所定のしきい値より低い領域において、前記ＤＣリンク電圧に実質的に反比例し、前記ＤＣリンク電圧が前記しきい値より高い領域において一定値を有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の産業車両用電源装置。
【請求項９】
電動機と、前記電動機を駆動するインバータと、を備える産業車両に搭載される産業車両用電源装置であって、
蓄電器と、
前記インバータが接続されるＤＣバスと、
１次側に前記蓄電器が接続され、２次側に前記ＤＣバスが接続され、１次側と２次側で双方向にエネルギを授受可能に構成された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するコンバータコントローラと、
を備え、
前記コンバータコントローラは、
前記ＤＣバスに生ずるＤＣリンク電圧が所定の目標電圧に近づくように調節されるデューティ指令値を生成するデューティコントローラと、
前記ＤＣリンク電圧の変動にともなうループゲインの変動を抑制する利得調節部と、
を含み、
前記利得調節部のゲインは、前記ＤＣリンク電圧が所定のしきい値より低い領域において、前記ＤＣリンク電圧に実質的に反比例し、前記ＤＣリンク電圧が前記しきい値より高い領域において一定値を有することを特徴とする産業車両用電源装置。
【請求項１０】
前記しきい値は、前記ＤＣリンク電圧の目標電圧であることを特徴とする請求項９に記載の産業車両用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを有する産業車両用の電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のパワーショベルやクレーンをはじめとする建設機械において、上部旋回体の動力源として、油圧モータと交流電動機のハイブリッド型が利用される。ハイブリッド型の旋回動力源は、上部旋回体の加速時において、交流電動機によって油圧モータをアシストし、減速時においては交流電動機によって回生運転を行い、発電エネルギによってバッテリなどの蓄電器を充電する。
【０００３】
交流電動機とバッテリ間でエネルギを相互に授受するために、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（昇降圧コンバータともいう）を用いた電源装置が設けられる。図１は、電源装置１００ｒの基本構成を示す回路図である。電源装置１００ｒは、蓄電器１０２、ＤＣバス１０４、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０、コントローラ１２０を備える。
【０００４】
双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の１次側には蓄電器１０２が接続され、その２次側にはＤＣバス１０４が接続される。ＤＣバス１０４は、負荷２００と接続される。負荷２００は、電動機およびインバータを含む。電源装置１００ｒからみて、負荷２００は、可変の負荷電流Ｉｍを生成する可変電流源として作用する。たとえば交流電動機が力行運転するとき、負荷電流Ｉｍは正であり、回生運転するとき負荷電流Ｉｍは負となる。
【０００５】
双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、インダクタ（リアクトル）Ｌ１、平滑キャパシタＣ１、トランジスタＭ１、Ｍ２を含む。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０のトポロジーは公知であるため説明を省略する。
【０００６】
コントローラ１２０は、上流のコントローラから、ＤＣバス１０４の電圧（ＤＣリンク電圧）ＶＤＣの目標値を指示する電圧指令Ｖｒを受け、ＤＣリンク電圧ＶＤＣが電圧指令Ｖｒと一致するように、トランジスタＭ１、Ｍ２のスイッチングのデューティ比を制御する。
【０００７】
図２は、本発明者が検討した電源装置１００ｒの制御ブロック図である。電源装置１００ｒの制御系は、デューティコントローラ１４０と、制御対象である双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を備える。デューティコントローラ１４０は、電圧コントローラ１３２、電流コントローラ１３８、利得調節部１３９を備える。
【０００８】
デューティコントローラ１４０は、電圧コントローラ１３２は、ＤＣリンク電圧ＶＤＣの検出値Ｓ１が、電圧指令Ｖｒと一致するように値が調節される電流指令Ｉｒを生成する。たとえば電圧コントローラ１３２は、ＰＩ補償器で構成される。電流コントローラ１３８は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０に流れる電流（以下、コンバータ電流という）Ｉｃの検出値Ｓ２が電流指令Ｉｒと一致するように、デューティ指令Ｓ３の値Ｄｒを調節する。
【０００９】
インダクタＬ１の両端間の電圧は、ＶＢ−Ｖａで与えられる。したがって、インダクタＬ１に流れるコンバータ電流Ｉｃは、以下の式で与えられる。
Ｉｃ＝（ＶＢ−Ｖａ）／（ＲＬ＋Ｌｓ）
【００１０】
ここで、電圧Ｖａは、トランジスタＭ１とＭ２の接続ノードの電圧であり、その振幅は、ＤＣリンク電圧ＶＤＣとなる。電圧Ｖａは、ＤＣリンク電圧ＶＤＣにデューティ指令Ｄｒを乗じた値として把握される。
Ｖａ＝ＶＤＣ×Ｄｒ
【００１１】
ここでデューティ指令Ｄｒを入力、電流Ｉｃを出力とするブロックの伝達関数は、ＤＣリンク電圧ＶＤＣに応じて変化する。
Ｉｃ＝（ＶＢ−ＶＤＣ×Ｄｒ）／（ＲＬ＋Ｌｓ）
【００１２】
したがってＤＣリンク電圧ＶＤＣが動的に変化する系では、ループゲインがＤＣリンク電圧ＶＤＣに応じて変動する。ループゲインの変動は、予期せぬ発振などの要因となるため好ましくない。そこで利得調節部１３９は、ＤＣリンク電圧ＶＤＣが変動しても、ループゲインが一定に保たれるように、ＤＣリンク電圧ＶＤＣに反比例する係数を、デューティ指令Ｄｒに乗算する。利得調節部１３９は、ＡＶＲ（Automatic Voltage Regulator）とも称される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１１−１４７２３２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１０９３５号公報
【特許文献３】特開２０１０−２７９０８７号公報
【特許文献４】特開２０１３−１７２９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
トランジスタＭ１、Ｍ２のデッドタイムや、電圧コントローラ１３２、電流コントローラ１３８の応答遅れにより、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の電流Ｉｃの制御ループの制御性能は制約される。この制御性能が低いと、負荷２００に回生電流が発生した際に、回生電流Ｉｍによる平滑キャパシタＣ１の充電量が、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０による平滑キャパシタＣ１の放電量を上回ることとなり、過電圧エラーが発生するおそれがある。この過電圧を抑制するため、電圧コントローラ１３２や電流コントローラ１３８の制御ゲインを高くすると、ゲイン余裕が小さくなり耐発振性が低下し、系の安定性が損なわれる。
【００１５】
本発明のある態様はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、系の安定性を確保しつつ過電圧を抑制可能な電源装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明のある態様は、電動機と、電動機を駆動するインバータと、を備える産業車両に搭載される産業車両用電源装置に関する。産業車両用電源装置は、蓄電器と、インバータが接続されるＤＣバスと、１次側に蓄電器が接続され、２次側にＤＣバスが接続され、１次側と２次側で双方向にエネルギを授受可能に構成された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するコンバータコントローラと、を備える。コンバータコントローラは、ＤＣバスに生ずるＤＣリンク電圧が所定の目標電圧に近づくように値が調節される第１デューティ指令を生成するデューティコントローラと、第１デューティ指令にＤＣリンク電圧と目標電圧の電圧偏差に応じたフィードフォワード値を加算し、第２デューティ指令を生成するデューティ補正部と、第２デューティ指令に応じたデューティ比を有するパルス信号を生成するパルス幅変調器と、を含む。
【００１７】
この態様によると、ＤＣリンク電圧が増大するとフィードフォワード値が大きくなるため、コンバータ電流を増やしてＤＣリンク電圧を速く低下させるようにフィードフォワード制御がかかり、過電圧を抑制できる。またフィードバック系のゲインを上げる必要がないため、制御系の安定性を確保できる。
【００１８】
フィードフォワード値は、電圧偏差ΔＶが０のときに０となり、電圧偏差ΔＶが所定電圧Ｖｅｒｒｏｒのときに第２デューティ指令の値が１となるように生成されてもよい。
【００１９】
この場合、所定電圧Ｖｅｒｒｏｒに応じて、フィードフォワードの程度を調節でき、ＤＣリンク電圧ＶＤＣの跳ね上がりを、所定電圧Ｖｅｒｒｏｒに応じた電圧レベル以下に抑制できる。
【００２０】
第１デューティ指令の値をＤ０、電圧偏差をΔＶ、目標電圧をＶｒ、所定電圧をＶｅｒｒｏｒとするとき、フィードフォワード値ＤＦＦは、ＤＦＦ＝（１−Ｄ０）×ΔＶ／（Ｖｅｒｒｏｒ−Ｖｒ）であってもよい。
【００２１】
デューティ補正部は、フィードフォワード値に、電圧偏差に加えて、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに流れるコンバータ電流を反映させてもよい。
コンバータ電流が大きいときにはフィードフォワード値を小さくすることで、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに過電流が流れるのを抑制できる。
【００２２】
デューティコントローラは、ＤＣバスに生ずるＤＣリンク電圧が所定の目標電圧に近づくように値が調節される電流指令を生成する電圧コントローラと、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに流れるコンバータ電流が電流指令に近づくように調節される第１デューティ指令を生成する電流コントローラと、を含んでもよい。
【００２３】
フィードフォワード値は、コンバータ電流が第１所定電流より大きい範囲において、コンバータ電流が増大するほど小さくなるように生成されてもよい。
【００２４】
デューティ補正部は、コンバータ電流Ｉｃが第１所定電流Ｉｒａｔｅのとき１、第２所定電流Ｉｅｒｒｏｒのとき０となるように定められた補正項ｇを、フィードフォワード値に掛け合わせてもよい。
【００２５】
第１デューティ指令の値をＤ０、電圧偏差をΔＶ、目標電圧をＶｒ、所定電圧をＶｅｒｒｏｒ、コンバータ電流をＩｃ、第１所定電流をＩｒａｔｅ、第２所定電流をＩｅｒｒｏｒとするとき、フィードフォワード値ＤＦＦは、Ｉｃ＞Ｉｒａｔｅの範囲において、
ＤＦＦ＝（１−Ｄ０）×ΔＶ／（Ｖｅｒｒｏｒ−Ｖｒ）×｛１−（Ｉｃ−Ｉｒａｔｅ）／（Ｉｅｒｒｏｒ−Ｉｒａｔｅ）｝
であってもよい。
【００２６】
コンバータコントローラは、ＤＣリンク電圧の変動にともなうループゲインの変動を抑制する利得調節部をさらに含んでもよい。利得調節部のゲインは、ＤＣリンク電圧が所定のしきい値より低い領域において、ＤＣリンク電圧に実質的に反比例し、ＤＣリンク電圧がしきい値より高い領域において一定値を有してもよい。
【００２７】
本発明の別の態様もまた電源装置である。この電源装置であって、蓄電器と、インバータが接続されるＤＣバスと、１次側に蓄電器が接続され、２次側にＤＣバスが接続され、１次側と２次側で双方向にエネルギを授受可能に構成された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するコンバータコントローラと、を備える。コンバータコントローラは、ＤＣバスに生ずるＤＣリンク電圧が所定の目標電圧に近づくように値が調節されるデューティ指令を生成するデューティコントローラと、ＤＣリンク電圧の変動にともなうループゲインの変動を抑制する利得調節部と、を含む。利得調節部のゲインは、ＤＣリンク電圧が所定のしきい値より低い領域において、ＤＣリンク電圧に実質的に反比例し、ＤＣリンク電圧がしきい値より高い領域において一定値を有する。
【００２８】
この態様によると、ＤＣリンク電圧がしきい値を超えて上昇したとき、利得調節部のゲインが低下しなくなる。したがってループゲインはＤＣリンク電圧の上昇にともなって増大することとなる。これにより、ＤＣリンク電圧が上昇するほど、コンバータ電流による平滑キャパシタの放電速度を速めることができ、ＤＣリンク電圧の上昇を抑制でき、あるいは過電圧状態から短時間で正常状態に復帰できる。また正常状態では、フィードバック系のゲインを上げる必要がないため、制御系の安定性を確保できる。
【００２９】
しきい値は、ＤＣリンク電圧の目標電圧であってもよい。
この場合、ＤＣリンク電圧がその目標電圧を上回ると直ちにループゲインが上昇し始めることとなり、好適である。
【００３０】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、系の安定性を確保しつつ過電圧を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】電源装置の基本構成を示す回路図である。
【図２】本発明者が検討した電源装置の制御ブロック図である。
【図３】実施の形態に係る建設機械の一例であるショベルの外観を示す斜視図である。
【図４】実施の形態に係るショベルの電気系統や油圧系統などのブロック図である。
【図５】第１の実施の形態に係る電源装置の回路図である。
【図６】図５の電源装置の制御ブロック図である。
【図７】ＤＣリンク電圧ＶＤＣに対する、第２デューティ指令の値Ｄｒとフィードフォワード値ＤＦＦの関係を示す図である。
【図８】図５の電源装置の動作波形図である。
【図９】変形例１．１に係る電源装置の回路図である。
【図１０】ＤＣリンク電圧ＶＤＣおよびコンバータ電流Ｉｃに対する、第２デューティ指令の値Ｄｒとフィードフォワード値ＤＦＦの関係を示す図である。
【図１１】図１１（ａ）は、図２の電源装置のゲインを示す図であり、図１１（ｂ）は、第２の実施の形態に係る電源装置のゲインを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００３４】
図３は、実施の形態に係る建設機械の一例であるショベル１の外観を示す斜視図である。ショベル１は、主として走行機構２と、走行機構２の上部に旋回機構３を介して回動自在に搭載された上部旋回体（以下、単に旋回体ともいう）４とを備えている。
【００３５】
旋回体４には、ブーム５と、ブーム５の先端にリンク接続されたアーム６と、アーム６の先端にリンク接続されたバケット１０とが取り付けられている。バケット１０は、土砂、鋼材などの吊荷を捕獲するための設備である。ブーム５、アーム６、及びバケット１０は、それぞれブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によって油圧駆動される。また、旋回体４には、バケット１０の位置や励磁動作および釈放動作を操作する操作者を収容するための運転室４ａや、油圧を発生するためのエンジン１１といった動力源が設けられている。エンジン１１は、例えばディーゼルエンジンで構成される。
【００３６】
図４は、実施の形態に係るショベル１の電気系統や油圧系統などのブロック図である。なお、図４では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。
【００３７】
ショベル１は電動発電機１２および減速機１３を備えており、エンジン１１及び電動発電機１２の回転軸は、共に減速機１３の入力軸に接続されることにより互いに連結されている。エンジン１１の負荷が大きいときには、電動発電機１２が自身の駆動力によりエンジン１１の駆動力を補助（アシスト）し、電動発電機１２の駆動力が減速機１３の出力軸を経てメインポンプ１４に伝達される。一方、エンジン１１の負荷が小さいときには、エンジン１１の駆動力が減速機１３を経て電動発電機１２に伝達されることにより、電動発電機１２が発電を行う。電動発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ（Interior Permanent Magnetic）モータによって構成される。電動発電機１２の駆動と発電との切りかえは、ショベル１における電気系統の駆動制御を行うコントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。
【００３８】
減速機１３の出力軸にはメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されており、メインポンプ１４には高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。コントロールバルブ１７は、ショベル１における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ１７には、図３に示した走行機構２を駆動するための油圧モータ２Ａ及び２Ｂの他、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ１７は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。
【００３９】
パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６（操作手段）が接続されている。操作装置２６は、旋回用電動機２１、走行機構２、ブーム５、アーム６、及びバケット１０を操作するための操作装置であり、操作者によって操作される。操作装置２６には、油圧ライン２７を介してコントロールバルブ１７が接続され、また、油圧ライン２８を介して圧力センサ２９が接続される。操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を操作者の操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。
【００４０】
圧力センサ２９は、操作装置２６に対して旋回機構３を旋回させるための操作が入力されると、この操作量を油圧ライン２８内の油圧の変化として検出する。圧力センサ２９は、油圧ライン２８内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、コントローラ３０に入力され、旋回用電動機２１の駆動制御に用いられる。
【００４１】
コントローラ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び内部メモリを含む演算処理装置によって構成され、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをＣＰＵが実行することにより実現される。コントローラ３０は、各種センサ及び操作装置２６等からの操作入力を受けて、インバータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ及び蓄電手段１０１等の駆動制御を行う。
【００４２】
油圧モータ３１０は、ブーム５が下げられるときにブームシリンダ７から吐出される油によって回転されるように構成されており、ブーム５が重力に従って下げられるときのエネルギを回転力に変換するために設けられている。油圧モータ３１０は、コントロールバルブ１７とブームシリンダ７の間の油圧管７Ａに設けられている。ブーム回生用発電機３００で発電された電力は、回生エネルギとしてインバータ１８Ｂを経て蓄電手段１０１に供給される。
【００４３】
旋回用電動機２１は、図３の旋回機構３に設けられ、上部旋回体４を回動させる。旋回用電動機２１は交流電動機であり、旋回体４を旋回させる旋回機構３の動力源である。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回減速機２４が接続される。旋回用インバータ１８Ｃは、蓄電手段１０１からの電力を受け、旋回用電動機２１を駆動する。また旋回用電動機２１の回生運転時には、旋回用電動機２１からの電力を蓄電手段１０１に回収する。
【００４４】
旋回用電動機２１が力行運転を行う際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が旋回減速機２４にて増幅され、旋回体４が加減速制御され回転運動を行う。また、旋回体４の慣性回転により、旋回減速機２４にて回転数が増加されて旋回用電動機２１に伝達され、回生電力を発生させる。
【００４５】
レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転位置及び回転角度を検出するセンサであり、旋回用電動機２１と機械的に連結することで回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出する。レゾルバ２２が回転軸２１Ａの回転角度を検出することにより、旋回機構３の回転角度及び回転方向が導出される。メカニカルブレーキ２３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、コントローラ３０からの指令によって、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを機械的に停止させる。旋回減速機２４は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転速度を減速して旋回機構３に機械的に伝達する減速機である。
【００４６】
続いて電気系統について詳細に説明する。電気系統は主として、コントローラ３０、電源装置１００、インバータ１８Ａ〜１８Ｃを備える。
【００４７】
（アシスト）
アシスト用のインバータ１８Ａの２次側（出力）端には、電動発電機１２が接続される。インバータ１８Ａは、コントローラ３０の一部であるアシスト用インバータコントローラ３０Ａからの指令にもとづき、電動発電機１２の運転制御を行う。
【００４８】
（ブーム回生）
インバータ１８Ｂの２次側（出力）端には、ブーム回生用発電機３００が接続されている。上述のようにブーム回生用発電機３００は、ブーム５が重力の作用により下げられるときに、位置エネルギを電気エネルギに変換する電動作業要素である。インバータ１８Ｂは、コントローラ３０のブーム回生用のインバータコントローラ３０Ｂによって制御され、ブーム回生用発電機３００が発生する電気エネルギを直流電力に変換し、電源装置１００に回収する。
【００４９】
（旋回）
旋回用電動機２１、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、旋回減速機２４、旋回用インバータ１８Ｃおよびコントローラ３０の一部である旋回用のインバータコントローラ３０Ｃは、電動旋回装置５００を構成する。
旋回用電動機２１は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御指令により旋回用インバータ１８Ｃによって交流駆動される。旋回用電動機２１としては、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータが好適である。
【００５０】
旋回用インバータコントローラ３０Ｃは、操作入力に応じた回転速度指令を受け、レゾルバ２２により検出される旋回用電動機２１の旋回速度が、回転速度指令と一致するように、旋回用インバータ１８Ｃを制御する。
【００５１】
（電源）
蓄電手段１０１とコントローラ３０の一部であるコンバータコントローラ３０Ｄは、電源装置１００を構成する。蓄電手段１０１は、例えば蓄電池であるバッテリと、バッテリの充放電を制御する昇降圧コンバータ（双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ）と、正極及び負極の直流配線からなるＤＣバスとを備えている（図示せず）。蓄電器としては、リチウムイオン電池等の充電可能な２次電池、キャパシタ、そのほか電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いてもよい。ＤＣバスには、インバータ１８Ａ〜インバータ１８Ｃそれぞれの１次側（直流入力）が接続されている。コントローラ３０Ｄは、ＤＣバスに生ずるＤＣリンク電圧が所定の電圧レベルとなるように、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する。電源装置１００は、電動発電機１２等が力行運転する際には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを昇圧動作させ、電動発電機１２等が回生運転する際には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを降圧動作させ、電動発電機１２が発生した電力を蓄電器に回収する。
【００５２】
すなわち、インバータ１８Ａが電動発電機１２を力行運転させる際には、必要な電力をバッテリ及び昇降圧コンバータからＤＣバスを介して電動発電機に供給する。また、電動発電機１２を回生運転させる際には、電動発電機１２により発電された電力をＤＣバス及び昇降圧コンバータを介してバッテリに充電する。なお、昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧値、バッテリ電圧値、及びバッテリ電流値にもとづき、コンバータコントローラ３０Ｄによって行われる。これにより、ＤＣバスを、予め定められた一定電圧値に蓄電された状態に維持することができる。
【００５３】
以上がショベル１の全体構成である。続いて、電源装置１００について詳細に説明する。
【００５４】
（第１の実施の形態）
図５は、第１の実施の形態に係る電源装置１００の回路図である。
電源装置１００は、蓄電器１０２、ＤＣバス１０４、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０、コンバータコントローラ（以下、単にコントローラともいう）１２０を備える。
蓄電器１０２は、電池や大容量キャパシタである。ＤＣバス１０４には、インバータ１８Ａ〜１８Ｃが接続されうるが、理解の容易化と説明の簡潔化のため、図５には、インバータ１８Ａのみを示している。
【００５５】
双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の１次側には蓄電器１０２が接続され、２次側にはＤＣバス１０４が接続される。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、１次側と２次側で双方向にエネルギを授受可能に構成される。電動発電機１２が力行運転するときには、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は力行動作となり、蓄電器１０２から、インダクタＬ１およびトランジスタＭ１を介して充電電流を供給し、平滑キャパシタＣ１を充電する。電動発電機１２が回生運転するときには、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は回生動作となり、電動発電機１２が生成する回生電流を、トランジスタＭ１およびインダクタＬ１を介して、蓄電器１０２に回収する。
【００５６】
コントローラ３０Ｄは、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を制御する。コントローラ３０Ｄは、ＤＣバス１０４に生ずるＤＣリンク電圧ＶＤＣが所定の目標電圧Ｖｒに近づくように、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を制御する。たとえばコントローラ１２０は、Ａ／Ｄコンバータ１２２、１２４、ゲートドライバ１２６、１２８、デジタルコントローラ１３０（図４の３０Ｄ）を備える。
【００５７】
Ａ／Ｄコンバータ１２２は、ＤＣリンク電圧ＶＤＣの検出値をデジタル値Ｓ１に変換する。Ａ／Ｄコンバータ１２４は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０に流れるコンバータ電流、すなわち平滑キャパシタＣ１の充放電電流Ｉｃの検出値をデジタル値Ｓ２に変換する。デジタルコントローラ１３０は、ソフトウェア制御によって、トランジスタＭ１、Ｍ２の駆動パルスＳ３を生成する。ゲートドライバ１２６、１２８は、駆動パルスＳ３に応じてトランジスタＭ１、Ｍ２をスイッチングする。
【００５８】
デジタルコントローラ１３０は、デューティコントローラ１４０、パルス幅変調器１４２、デューティ補正部１４４を備える。
デューティコントローラ１４０は、ＤＣリンク電圧ＶＤＣが所定の目標電圧Ｖｒに近づくように値Ｄ０が調節される第１デューティ指令Ｓ３を生成する。
デューティ補正部１４４は、第１デューティ指令Ｓ３に、ＤＣリンク電圧ＶＤＣと目標電圧Ｖｒの電圧偏差ΔＶに応じたフィードフォワード値ＤＦＦを加算し、第２デューティ指令Ｓ３’を生成する。パルス幅変調器１４２は、第２デューティ指令Ｓ３’に応じたデューティ比Ｄｒを有するパルス信号Ｓ４を生成する。
【００５９】
図６は、図５の電源装置１００の制御ブロック図である。デューティコントローラ１４０は、電圧コントローラ１３２、電流コントローラ１３８、利得調節部１３９を含む。電圧コントローラ１３２は、ＤＣリンク電圧ＶＤＣが所定の目標電圧Ｖｒに近づくように調節される電流指令Ｉｒを生成する。電流コントローラ１３８は、コンバータ電流Ｉｃが電流指令Ｉｒに近づくようにその値Ｄ０が調節される第１デューティ指令Ｓ３を生成する。
【００６０】
利得調節部１３９は、ＤＣリンク電圧ＶＤＣが変動しても、ループゲインが一定に保たれるように、ＤＣリンク電圧ＶＤＣに実質的に反比例する係数を、第２デューティ指令Ｓ３’（デューティ指令Ｄｒ）に乗算する。利得調節部１３９は、ＡＶＲ（Automatic Voltage Regulator）とも称される。なおデューティコントローラ１４０の構成は図６のそれには限定されない。
【００６１】
デューティ補正部１４４は、フィードフォワード値ＤＦＦを生成するフィードフォワード値生成部１４６と加算器１４８を備える。フィードフォワード値生成部１４６は、少なくともＤＣリンク電圧ＶＤＣに応じて変化するフィードフォワード値ＤＦＦを生成する。加算器１４８は、前段からの第１デューティ指令Ｓ３の値Ｄ０に、フィードフォワード値ＤＦＦを加算し、第２デューティ指令Ｓ３’を生成する。
【００６２】
利得調節部１３９から出力される第１デューティ指令Ｓ３に、フィードフォワード値ＤＦＦを加算する。利得調節部１３９とデューティ補正部１４４はいれかえてもよい。
【００６３】
続いてフィードフォワード値ＤＦＦについて説明する。
【００６４】
図７は、ＤＣリンク電圧ＶＤＣに対する、第２デューティ指令Ｓ３’の値Ｄｒとフィードフォワード値ＤＦＦの関係を示す図である。Ｄ０は、第１デューティ指令Ｓ３の値である。フィードフォワード値ＤＦＦは、電圧偏差ΔＶが０のときに０となる。つまり、電圧偏差ΔＶが０のとき、Ｓ３＝Ｓ３’（Ｄｒ＝Ｄ０）である。
【００６５】
また電圧偏差ΔＶが所定電圧Ｖｅｒｒｏｒのときに第２デューティ指令Ｓ３’の値Ｄｒが１となる。つまり、フィードフォワード値ＤＦＦは、図７の２点Ａ、Ｂを通過し、単調増加するよう定められる。デューティ比の最大値は１であるから、ＶＤＣ＞Ｖｅｒｒｏｒの範囲ではフィードフォワード値ＤＦＦは一定である。
【００６６】
たとえば、フィードフォワード値ＤＦＦは、２点Ａ，Ｂを通過する直線であってもよい。この場合、フィードフォワード値ＤＦＦは式（１）で表される。
ＤＦＦ＝（１−Ｄ０）×ΔＶ／（Ｖｅｒｒｏｒ−Ｖｒ）    …（１）
このときの第１デューティ指令Ｓ３の値０と第２デューティ指令Ｓ３’の値Ｄｒの関係は式（２）で与えられる。
Ｄｒ＝Ｄ０＋（１−Ｄ０）×ΔＶ／（Ｖｅｒｒｏｒ−Ｖｒ）    …（２）
【００６７】
以上が電源装置１００の構成である。続いてその動作を説明する。
図８は、図５の電源装置１００の動作波形図である。（i）は、デューティ補正部１４４を有しない図１の電源装置１００ｒの波形であり、（ii）は、デューティ補正部１４４を有する電源装置１００の波形である。
【００６８】
Ｖｒ＝３６０Ｖである。時刻ｔ＝０ｓに、回生電流Ｉｍが流れ始める。図１の電源装置ｒでは、回生電流Ｉｍによって平滑キャパシタＣ１が充電されることにより、ＤＣリンク電圧ＶＤＣが４３０Ｖ付近まで跳ね上がる。これに対して、実施の形態に係る電源装置１００では、電圧偏差ΔＶが増大するとフィードフォワード値ＤＦＦが大きくなり、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０が平滑キャパシタＣ１を放電する電流Ｉｃが増大する。これにより、ＤＣリンク電圧ＶＤＣの上昇が抑制され、過電圧状態を防止することができる。
【００６９】
このように、実施の形態に係る電源装置１００によれば、図８の（i）と（ii）の対比から明らかなように、回生電流Ｉｍが発生したときのＤＣリンク電圧ＶＤＣの上昇を抑制できる。この制御は、フィードフォワード値ＤＦＦの加算によるものであり、フィードバックループに影響を及ぼさず、また過電圧状態（ΔＶ＞０）においてのみ作用し、通常状態（ΔＶ≒０）では作用しないことから、系の安定性が損なわれることもない。かくして、系の安定性を確保しつつ過電圧を抑制できる。
【００７０】
また図７に示すように、点Ａ，Ｂを通過するようにフィードフォワード値を生成することで、所定電圧Ｖｅｒｒｏｒに応じて、フィードフォワードの程度を調節でき、ＤＣリンク電圧ＶＤＣの跳ね上がりを、所定電圧Ｖｅｒｒｏｒに応じた電圧レベル以下に抑制できる。
【００７１】
続いて、第１の実施の形態の変形例を説明する。
【００７２】
（変形例１．１）
実施の形態では、フィードフォワード値ＤＦＦが、図７に実線で示すように直線で変化する場合を説明したが本発明はそれには限定されない。たとえば図７に一点鎖線で示すように、２点Ａ，Ｂを通過する曲線、たとえば２次関数や３次関数、指数関数、三角関数を用いてフィードフォワード値ＤＦＦを定義してもよい。
【００７３】
（変形例１．２）
フィードフォワード値ＤＦＦに、電圧偏差ΔＶに加えて、コンバータ電流Ｉｃを反映させてもよい。図９は、変形例１．２に係る電源装置１００ａの回路図である。デューティ補正部１４４ａは、コンバータ電流Ｉｃが第１所定電流Ｉｒａｔｅより大きい範囲において、コンバータ電流Ｉｃが増大するほどフィードフォワード値ＤＦＦを低下させる。Ｉｃ＜Ｉｒａｔｅの範囲では、コンバータ電流Ｉｃはフィードフォワード値ＤＦＦに影響しない。
【００７４】
図１０は、ＤＣリンク電圧ＶＤＣおよびコンバータ電流Ｉｃに対する、第２デューティ指令Ｓ３’の値Ｄｒとフィードフォワード値ＤＦＦの関係を示す図である。具体的には、はじめにＩｃ＜Ｉｒａｔｅにおけるフィードフォワード量ＤＦＦ０が、ＤＣリンク電圧ＶＤＣと目標値Ｖｒの電圧偏差ΔＶに応じて定まる。
ＤＦＦ０＝ｆ（ΔＶ）
そして、Ｉｃ＞Ｉｒａｔｅの範囲では、フィードフォワード値Ｄ０に対して、コンバータ電流Ｉｃに応じた補正項ｇ（Ｉｃ）が掛け合わされ、フィードフォワード値ＤＦＦが決定される。補正項ｇ（Ｉｃ）は、コンバータ電流Ｉｃが第１所定電流Ｉｒａｔｅのとき１、第２所定電流Ｉｅｒｒｏｒのとき０となるように定められる。
ＤＦＦ＝ＤＦＦ０×ｇ（Ｉｃ）
【００７５】
たとえば補正項ｇ（Ｉｃ）は、式（３）で与えられてもよい。
ｇ（Ｉｃ）＝１−（Ｉｃ−Ｉｒａｔｅ）／（Ｉｅｒｒｏｒ−Ｉｒａｔｅ）    …（３）
【００７６】
式（１）と（３）を組み合わせると、式（４）を得る。
ＤＦＦ＝（１−Ｄ０）×ΔＶ／（Ｖｅｒｒｏｒ−Ｖｒ）×｛１−（Ｉｃ−Ｉｒａｔｅ）／（Ｉｅｒｒｏｒ−Ｉｒａｔｅ）｝
【００７７】
実施の形態では、コンバータ電流Ｉｃにかかわらず、フィードフォワード値が決定されていたため、コンバータ電流Ｉｃが大きいときにフィードフォワードによりさらにコンバータ電流Ｉｃが増大すると、過電流となるおそれがある。そこでコンバータ電流Ｉｃが第１所定電流Ｉｒａｔｅより大きい範囲では、フィードフォワード値を補正により低下させることにより、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０に過電流が流れるのを抑制できる。
【００７８】
なお、この変形例において、補正項ｇは、式（３）には限定されない。たとえば補正項ｇは、コンバータ電流Ｉｃの２次関数、３次関数、指数関数、三角関数として定義されてもよい。
【００７９】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、系の安定性を確保しつつ過電圧を抑制可能な電源装置１００が提供される。第２の実施の形態に係る電源装置の制御ブロック図は、図２のそれと同様であるため省略する。
【００８０】
図２の電源装置１００ｒでは、利得調節部１３９のゲインは、ＤＣリンク電圧ＶＤＣの大きさにかかわらず、ＤＣリンク電圧ＶＤＣに実質的に反比例した。図１１（ａ）は、図２の電源装置１００ｒのゲインを示す図である。ｇＡＶＲは、利得調節部１３９のゲインであり、ｇＳＷは、トランジスタＭ１、Ｍ２を含むスイッチング回路のゲインである。図２の電源装置１００ｒでは、トータルのゲインｇＴＯＴＡＬ＝ｇＡＶＲ×ｇＳＷは一定となる。
【００８１】
図１１（ｂ）は、第２の実施の形態にかかる電源装置１００のゲインを示す図である。第２の実施の形態では、利得調節部１３９のゲインは、ＤＣリンク電圧ＶＤＣが所定のしきい値ＶＴＨより低い領域において、ＤＣリンク電圧ＶＤＣに実質的に反比例し、ＤＣリンク電圧ＶＤＣがしきい値ＶＴＨより高い領域において一定値を有する。好ましくは、しきい値ＶＴＨは、ＤＣリンク電圧ＶＤＣの目標値Ｖｒである。トータルのゲインｇＴＯＴＡＬ＝ｇＡＶＲ×ｇＳＷは、ＶＤＣ＜ＶＴＨの範囲において一定となり、ＶＤＣ＞ＶＴＨの過電圧状態では、電圧偏差が大きくなるほど増大する。
【００８２】
続いて第２の実施の形態に係る電源装置１００の動作および利点を説明する。
この実施の形態では、ＤＣリンク電圧ＶＤＣがしきい値ＶＴＨを超えて上昇しても、利得調節部１３９のゲインが低下しなくなる。したがって、ループゲインｇＴＯＴＡＬはＤＣリンク電圧ＶＤＣの上昇にともなって増大することとなる。これにより、ＤＣリンク電圧ＶＤＣが上昇した状態では、コンバータ電流Ｉｃを速やかに増大させて平滑キャパシタＣ１の放電速度を速め、ＤＣリンク電圧ＶＤＣの上昇を抑制でき、あるいは過電圧状態から短時間で正常状態に復帰できる。また正常状態では、フィードバック系のゲインを上げる必要がないため、制御系の安定性を確保できる。
【００８３】
第２の実施の形態は、第１の実施の形態と組み合わせることが可能である。
【００８４】
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。
【００８５】
実施の形態では、本発明に係るハイブリッド型建設機械の一例として、ショベル１を示したが、本発明のハイブリッド型建設機械の他の例としては、旋回機構を備えるリフティングマグネット車両やクレーン等が挙げられる。
【符号の説明】
【００８６】
１…ショベル、２…走行機構、２Ａ…油圧モータ、３…旋回機構、４…旋回体、４ａ…運転室、５…ブーム、６…アーム、７…ブームシリンダ、７Ａ…油圧管、８…アームシリンダ、９…バケットシリンダ、１０…バケット、１１…エンジン、１２…電動発電機、１３…減速機、１４…メインポンプ、１５…パイロットポンプ、１６…高圧油圧ライン、１７…コントロールバルブ、１８，１８Ａ，１８Ｂ…インバータ、１８Ｃ…旋回用インバータ、２１…旋回用電動機、２１Ａ…回転軸、２２…レゾルバ、２３…メカニカルブレーキ、２４…旋回減速機、２５…パイロットライン、２６…操作装置、２７，２８…油圧ライン、２９…圧力センサ、３０…コントローラ、３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…インバータコントローラ、３０Ｄ…コンバータコントローラ、１００…電源装置、１０１…蓄電手段、１０２…蓄電器、１０４…ＤＣバス、１１０…双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ、Ｃ１…平滑キャパシタ、Ｌ１…インダクタ、１２０…コントローラ、１２２，１２４…Ａ／Ｄコンバータ、１２６，１２８…ゲートドライバ、１３０…デジタルコントローラ、１３２…電圧コントローラ、１３８…電流コントローラ、１３９…利得調節部、１４０…デューティコントローラ、１４２…パルス幅変調器、１４４…デューティ補正部、１４６…フィードフォワード値生成部、１４８…加算器、２００…負荷、３００…ブーム回生用発電機、３１０…油圧モータ、５００…電動旋回装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2015195659.tif 000010
【図９】
2015195659.tif 000011
【図１０】
2015195659.tif 000012
【図１１】
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