(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
力行運転及び回生運転の双方を行う電動機との間で電力の授受を行うための第１端子と、前記電動機への供給電力を蓄積する電源が接続される第２端子と、前記電動機への電力の供給を制御するための昇圧用スイッチング素子と、前記電動機より得られる回生電力の前記電源への供給を制御するための降圧用スイッチング素子と、前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子と前記第２端子との間に接続されるリアクトルと、を含む昇降圧コンバータの駆動制御装置であって、
前記第１端子の第１電圧値を検出する第１電圧検出手段と、
前記第２端子の第２電圧値を検出する第２電圧検出手段と、
前記第１電圧値を用いたフィードバック制御により目標デューティ指令値を導出し、且つ、前記第１電圧値と前記第２電圧値とを用いたフィードフォワード制御により昇圧動作時のデューティ比の初期値及び降圧動作時のデューティ比の初期値を算出して、前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子を駆動するためのデューティ比を補正する、制御手段とを備え、
前記制御手段は、降圧動作から昇圧動作への切り替わりの際に前記目標デューティ指令値に前記昇圧動作時のデューティ比の初期値を加算し、昇圧動作から降圧動作への切り替わりの際に前記目標デューティ指令値に前記降圧動作時のデューティ比の初期値を加算することによって前記デューティ比を補正する、
昇降圧コンバータの駆動制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、ＰＩ制御器を有し、当該ＰＩ制御器の出力する前記目標デューティ指令値と前記フィードフォワード制御による前記昇圧動作時のデューティ比の初期値又は前記降圧動作時のデューティ比の初期値とを加算することにより、前記デューティ比を補正する、請求項１に記載の昇降圧コンバータの駆動制御装置。
【請求項３】
前記制御手段は、昇圧動作への切り替え時に、又は、降圧動作への切り替え時に、前記第１電圧値と前記第２電圧値との比に基づいて算出される前記昇圧動作時のデューティ比の初期値又は前記降圧動作時のデューティ比の初期値により前記デューティ比を補正して前記昇圧用スイッチング素子を駆動する、請求項１に記載の昇降圧コンバータの駆動制御装置。
【請求項４】
前記制御手段は、昇圧動作への切り替え時には、前記第１電圧値をＶとし前記第２電圧値をＥとした場合にＤ０＝１−（Ｅ／Ｖ）で表される前記昇圧動作時のデューティ比の初期値Ｄ０で前記デューティ比を補正して前記昇圧用スイッチング素子を駆動する、請求項３に記載の昇降圧コンバータの駆動制御装置。
【請求項５】
前記制御手段は、降圧動作への切り替え時には、前記第１電圧値をＶとし前記第２電圧値をＥとした場合にＤ０＝Ｅ／Ｖで表される前記降圧動作時のデューティ比の初期値Ｄ０で前記デューティ比を補正して前記降圧用スイッチング素子を駆動する、請求項３に記載の昇降圧コンバータの駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、昇圧用スイッチング素子及び降圧用スイッチング素子を有し、負荷への電力供給の制御と、負荷より得られる回生電力の蓄電素子への供給の制御とを行う昇降圧コンバータの駆動制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、一般的な昇降圧コンバータでは、昇圧用スイッチング素子と降圧用スイッチング素子を駆動するためのデューティ指令は、リアクトルに通流する電流の値や、出力電圧の値を用いるフィードバック系のＰＩ（Proportional Integral）制御によって導出される（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１７６５６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、このような昇降圧コンバータでは、フィードバック制御による電流の立ち上がりが遅れるため、昇降圧の切り替え時にデューティ指令に対して電流の応答が遅れるという課題がある。
【０００４】
特に、建設機械等のいわゆる重機械の駆動系の一部を電動化したハイブリッド型の重機械に上述のような昇降圧コンバータを適用する場合には、ハイブリッドカー等に比べて取り扱う電力が遙かに大きいことから、電動機の力行運転と回生運転を切り替える際（すなわち、昇降圧を切り替える際）の応答遅れによる制御性の悪化が顕在化するおそれがある。
【０００５】
また、このようなフィードバック制御における電流応答の遅れに対して、ＰＩ制御のゲインを増大させて応答性を改善する手法があるが、入力が急激に変動した場合にオーバーシュートが大きくなり、ＰＩ制御における演算量が増大するとともに、制御性が悪化するという課題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、昇降圧動作の切り替え時における応答性を向上させた昇降圧コンバータの駆動制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一局面の昇降圧コンバータの駆動制御装置は、力行運転及び回生運転の双方を行う電動機との間で電力の授受を行うための第１端子と、前記電動機への供給電力を蓄積する電源が接続される第２端子と、前記電動機への電力の供給を制御するための昇圧用スイッチング素子と、前記電動機より得られる回生電力の前記電源への供給を制御するための降圧用スイッチング素子と、前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子と前記第２端子との間に接続されるリアクトルと、を含む昇降圧コンバータの駆動制御装置であって、前記第１端子の第１電圧値を検出する第１電圧検出手段と、前記第２端子の第２電圧値を検出する第２電圧検出手段と、前記第１電圧検出手段によって検出される第１電圧値と、前記第２電圧検出手段によって検出される第２電圧値とを用いたフィードフォワード制御により、昇降圧動作の切り替え時に前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子を駆動するためのデューティ比を補正する、制御手段とを備える。
【０００８】
また、前記制御手段は、ＰＩ制御器を有し、当該ＰＩ制御器の出力するデューティ比と前記フィードフォワード制御によるデューティ比とを加算することにより、前記デューティ比を補正してもよい。
【０００９】
また、これに代えて、前記制御手段は、昇圧動作への切り替え時に、又は、降圧動作への切り替え時に、前記第１電圧値と前記第２電圧値との比に基づいて前記デューティ比を補正して前記昇圧用スイッチング素子を駆動してもよい。
【００１０】
また、前記制御手段は、昇圧動作への切り替え時には、Ｄ０＝１−（Ｅ／Ｖ）で表される初期値Ｄ０で前記デューティ比を補正して前記昇圧用スイッチング素子を駆動してもよい。
【００１１】
また、前記制御手段は、降圧動作への切り替え時には、Ｄ０＝Ｅ／Ｖで表される初期値Ｄ０で前記デューティ比を補正して前記降圧用スイッチング素子を駆動してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、昇降圧動作の切り替え時における応答性を向上させた昇降圧コンバータの駆動制御装置を提供できるという特有の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の昇降圧コンバータの駆動制御装置を適用した実施の形態について説明する。
【００１４】
図１は、本実施の形態の昇降圧コンバータの回路構成を概略的に示す図である。この昇降圧コンバータは、リアクトル１、昇圧用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）２、降圧用ＩＧＢＴ３、電源として用いられるコンデンサ４を接続するための電源接続端子５、モータ６を接続するための出力端子７、一対の出力端子７に並列に挿入される平滑用のコンデンサ８、及びリアクトル電流検出部９を備える。
【００１５】
なお、図１には、電源として用いられる蓄電素子としてコンデンサ４を示すが、この蓄電素子は、充放電可能な二次電池、又は、電力の送受が可能なその他の形態の電源であってもよい。また、出力端子７に接続されるモータ６は、力行運転及び回生運転が可能な電動機であればよい。
【００１６】
リアクトル１は、一端が昇圧用ＩＧＢＴ２及び降圧用ＩＧＢＴ３の間に接続され、他端が電源接続端子５に接続される。また、平滑用のコンデンサ８は、出力端子７の正極端子と負極端子との間に挿入され、出力電圧を平滑化する。
【００１７】
リアクトル電流検出部９は、リアクトル１に通流する電流の値を検出する抵抗器を含む。検出される電流値は、後述するフィードフォワード制御に用いられる。
【００１８】
また、電源接続端子５及び出力端子７には、電源電圧及び出力電圧を検出する検出部がそれぞれ配設される。検出される２つの電圧値は、後述するフィードフォワード制御に用いられる。
【００１９】
このような昇降圧コンバータにおいて、昇圧動作を実行する際には、駆動制御部で昇圧用ＩＧＢＴ２のゲート端子にパルス電圧を印加してＰＷＭ駆動することにより、コンデンサ４の電圧値を昇圧し、降圧用ＩＧＢＴ３に並列に接続されたダイオードを介してモータ６に電力供給を行う。
【００２０】
また、降圧動作を実行する際には、駆動制御部で降圧用ＩＧＢＴ３のゲート端子にパルス電圧を印加してＰＷＭ駆動することにより、モータ６から得られる回生エネルギをコンデンサ４に充電する。
【００２１】
以上のようにして昇降圧動作が実現される。
【００２２】
本実施の形態の昇降圧コンバータは、例えば、ハイブリッド式の建設機械の電源制御部に適用することができる。具体例としては、建設機械のアームの角度操作を電動モータで駆動制御する形態、これに加えてバケットリンクの電動駆動若しくはリフティングマグネットの電動化を行う形態、又は、走行用の無限軌道の駆動装置を電動化若しくはハイブリッド化する形態等における電源制御部に用いることができる。
【００２３】
これらの用途では、例えば、キャパシタ４の電圧値が約１００〜３００Ｖ、出力端子７における出力定格電圧が約３６０Ｖ、定格出力が約２０ｋＷ、瞬時最大出力電力が±６０ｋＷ、定格電流が±５５Ａ、瞬時最大電流が±１７０Ａ程度となる。
【００２４】
このため、本実施の形態におけるリアクトル１、昇圧用ＩＧＢＴ２、降圧用ＩＧＢＴ３、電源接続端子５、出力端子７、コンデンサ８、及びリアクトル電流検出部９は、図１に示す一つの昇降圧コンバータとして、このような用途に耐えうるものであることが要求される。
【００２５】
昇圧用ＩＧＢＴ２及び降圧用ＩＧＢＴ３は、後述するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部によってＰＷＭ駆動される。すなわち、これらのＩＧＢＴ２、３のゲート端子には、駆動制御部から駆動用のパルス電圧が印加される。このような制御部は、電子回路又は演算処理装置のいずれでも実現することができる。
【００２６】
図２は、本実施の形態の昇降圧コンバータの回路構成を制御ブロックで示す図である。この図に示すように、本実施の形態の昇降圧コンバータの制御部１０は、電圧用ＰＩ制御部１１、電流用ＰＩ制御部１２、ＰＷＭ制御部１３、駆動状態切替部１４、デューティ補正部１５、及び切替部１６を備える。
【００２７】
電圧用ＰＩ制御部１１は、電圧目標値Ｖ＊と出力端子７の出力電圧値とに基づくＰＩ制御により、目標電流値ｉｃｔ＊を演算する。
【００２８】
電流用ＰＩ制御部１２は、絶対値出力部１２ａを有し、目標電流値ｉｃｔ＊とリアクトルに通流する電流の値ｉｃｔに基づくＰＩ制御により、絶対値出力部１２ａを介して目標デューティ指令値Ｄを演算する。このため目標デューティ指令値Ｄは正の値をとる。
【００２９】
ＰＷＭ制御部１３は、目標デューティ指令値Ｄとデューティ補正値Ｄ０に基づき、デューティ指令値を演算し、昇圧用スイッチング素子２及び降圧用スイッチング素子３の駆動制御を行う。なお、デューティ指令値は、昇圧動作時の値を正とし、降圧動作時の値に負の符号を付して区別する。
【００３０】
駆動状態切替部１４は、昇降圧コンバータの駆動状態を「昇圧ＰＷＭ制御」、「オフ（ＯＦＦ）」、又は「降圧ＰＷＭ制御」のいずれかに切り替える。この切り替えは、電圧目標値Ｖ＊と出力端子７の端子間電圧値Ｖとに基づいて行われ、「電圧目標値Ｖ＊−端子間電圧値Ｖ>０」の場合は「昇圧ＰＷＭ制御」に切替られ、「電圧目標値Ｖ＊−端子間電圧値Ｖ≒０」の場合は「オフ（ＯＦＦ）」に切り替えられ、「電圧目標値Ｖ＊−端子間電圧値Ｖ<０」の場合は「降圧ＰＷＭ制御」に切り替えられる。
【００３１】
昇降圧コンバータでは、電源であるコンデンサ４の電圧値Ｅ（すなわち、電源接続端子５の端子間電圧値、以下「電源電圧Ｅ」と称す）、リアクトル１に通流する電流（以下、「リアクトル電流」と称す）の値ｉｃｔ（以下、「リアクトル電流値ｉｃｔ」と称す）、及び出力端子７の端子間電圧値Ｖ（以下、「出力電圧Ｖ」と称す）が検出される。なお、リアクトル電流値ｉｃｔは、昇圧動作時に電源接続端子５から出力端子７に流れる方向を正とし、降圧動作時に出力端子７から電源接続端子５に流れる方向を負とする。
【００３２】
デューティ補正部１５は、昇圧動作及び降圧動作の双方の場合に、昇圧用スイッチング素子２及び降圧用スイッチング素子３を駆動するためのデューティ指令値の補正を行う。
【００３３】
切替部１６は、昇圧動作と降圧動作とに応じて、デューティ補正部１５とＰＷＭ制御部１３との接続の切替を行う。
【００３４】
図３は、本実施の形態の昇降圧コンバータにおけるリアクトル電流とデューティ指令の関係を示す特性図である。
【００３５】
既述のように、フィードバック制御型の昇降圧コンバータでは昇降圧動作の切り替えの前後の領域でデューティ指令値に対してリアクトル電流の応答に遅れが出る。この状態を図３に破線で示す。本実施の形態の昇降圧コンバータでは、以下の制御処理によりリアクトル電流の応答遅れが改善される。
【００３６】
デューティ補正部１５は、降圧動作から昇圧動作に切り替えるときには、そのときに昇降圧コンバータで検出される電源電圧Ｅ及び出力電圧Ｖを用いて、Ｄ０＝１−（Ｅ／Ｖ）で表されるデューティ補正値Ｄ０を算出し、これをＰＷＭ制御部１３に送る。
【００３７】
ＰＷＭ制御部１３には、電流用ＰＩ制御部１２で演算される目標デューティ指令値Ｄがデューティ比の初期値Ｄ０によって補正された（Ｄ＋Ｄ０）が入力され、このデューティ指令値（Ｄ＋Ｄ０）により昇圧用ＩＧＢＴ２が駆動される。ここで、昇圧動作への切り替え時には、目標デューティ指令値Ｄは略零である。このため、昇圧動作への切り替え時に、デューティ比の初期値Ｄ０が補正値として用いられて昇圧用ＩＧＢＴ２が駆動される。この結果、図３の第１象限に示すように、リアクトル電流はデューティに対する遅れのないものとなる。
【００３８】
一方、昇圧動作から降圧動作に切り替えるときには、そのときに昇降圧コンバータで検出される電源電圧Ｅ及び出力電圧Ｖを用いて、Ｄ０＝Ｅ／Ｖで表されるデューティ補正値Ｄ０を算出し、これをＰＷＭ制御部１３に送る。
【００３９】
ＰＷＭ制御部１３には、電流用ＰＩ制御部１２で演算される目標デューティ指令値Ｄがデューティ比の初期値Ｄ０によって補正された（Ｄ＋Ｄ０）が入力され、このデューティ指令値（Ｄ＋Ｄ０）により降圧用ＩＧＢＴ３が駆動される。ここで、降圧動作への切り替え時には、目標デューティ指令値Ｄは略零である。このため、降圧動作への切り替え時に、デューティ比の初期値Ｄ０が補正値として用いられて降圧用ＩＧＢＴ３が駆動される。この結果、図３の第３象限に示すように、リアクトル電流はデューティに対する遅れのないものとなる。
【００４０】
以上、本実施の形態の昇降圧コンバータでは、フィードフォワード型の制御においてデューティ指令値の補正を行うため、図３に実線で示すように、昇降圧動作の切り替えの前後の領域において、リアクトル電流の良好な応答性が得られる。
【００４１】
特に、ハイブリッド型の建設機械等の電源装置に適用する場合は、取り扱う電力が電気自動車やハイブリッドカーに比べて遙かに大きいため、電流応答の改善によって良好な昇降圧の切り替え動作を行うことができ、また、オーバーシュートの発生を抑制できることにより、ＰＩ制御系の負担を軽減することができる。
【００４２】
以上では、出力端子７に直流駆動のモータ６を直接接続する形態について説明したが、これに代えて、出力端子７にインバータを介して交流駆動されるモータを接続してもよい。
【００４３】
また、以上では、電流用ＰＩ制御部１２から（絶対値出力部１２ａを介して）出力される目標デューティ指令値Ｄを補正する形態について説明したが、制御方式はＰＩ制御方式に限られるものではなく、ヒステリシス制御、ロバスト制御、適応制御、比例制御、積分制御、ゲインスケジューリング制御、又は、スライディングモード制御による目標デューティ指令値Ｄを補正してもよく、あるいは、１次以上のフィルタによる目標デューティ指令値Ｄを補正してもよい。
【００４４】
以上、本発明の例示的な実施の形態の昇降圧コンバータの駆動制御装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本実施の形態の昇降圧コンバータの回路構成を概略的に示す図である。
【図２】本実施の形態の昇降圧コンバータの回路構成を制御ブロックで示す図である。
【図３】本実施の形態の昇降圧コンバータにおけるリアクトル電流とデューティ指令の関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  リアクトル
２  昇圧用ＩＧＢＴ
３  降圧用ＩＧＢＴ
４  コンデンサ
５  電源接続端子
６  モータ
７  出力端子
８  コンデンサ
９  リアクトル電流検出部
１０  昇降圧コンバータの制御部
１１  電圧用ＰＩ制御部
１２  電流用ＰＩ制御部
１２ａ  絶対値出力部
１３  ＰＷＭ制御部
１４  駆動状態切替部
１５  デューティ補正部
１６  切替部
【図１】
0005128195.tif 000002
【図２】
0005128195.tif 000003
【図３】
0005128195.tif 000004