УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
CONVERTER CONTROL DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству управления, которое управляет преобразователем в соответствии с суммарными потерями в системе запуска нагрузки, содержащей преобразователь и нагрузку.
Предшествующий уровень техники
На фиг.12 схематично представлена блок-схема устройства запуска двигателя, раскрытого в патентном документе 1. В устройстве запуска двигателя, показанном на фиг.12, на устройство 30 управления поступают ток Ib источника питания от датчика 11 тока и ток IL дросселя от датчика 18 тока. Устройство 30 управления обнаруживает максимальное значение ILmax и минимальное значение ILmin, основываясь на токе IL дросселя, и на основе обнаруженных максимального значения ILmax и минимального значения ILmin и тока Ib источника питания определяет, пересекает ли ток IL дросселя нулевую точку или нет. Когда ток IL дросселя пересекает нулевую точку, устройство 30 управления формирует сигнал ШИМ и выводит сформированный сигнал ШИМ на преобразователь 12 повышения напряжения. Преобразователь 12 повышения напряжения останавливает режим повышения напряжения или режим вольтодобавки, основываясь на работе переключения в соответствии с сигналом ШИМ.
На фиг.13 приведена схема, показывающая систему управления для преобразователя "постоянный ток-постоянный ток" (DC/DC), раскрытую в патентном документе 2. В системе управления, показанной на фиг.13, когда напряжение источника 1 питания постоянного тока преобразуется в выходное постоянное напряжение с помощью операции включения/выключения (ON/OFF) элемента 2 переключения и период колебаний и период принудительной остановки обеспечиваются при небольшой нагрузке, в том числе, при отсутствии нагрузки, чтобы периодически создавать колебания элемента 2 переключения, сигнал с выхода схемы 6 определения и регулирования выходного напряжения для управления выходным напряжением так, чтобы оно было постоянным, используется в качестве первого значения команды для определения момента включения/выключения элемента 2 переключения и сигнал сравнения для сравнения первого значения команды с сигналом треугольной формы с постоянной частотой или пилообразным сигналом используется в качестве управляющего сигнала для управления периодом колебаний и периодом принудительной остановки переключающего элемента 2 при небольшой нагрузке, в том числе, при отсутствии нагрузки. В соответствии с работой системы управления потери на переключение и потери на проводимость при небольшой нагрузке, в том числе, при отсутствии нагрузки на преобразователь DC/DC, могут быть снижены.
Предшествующие технические документы
Патентные документы
Патентный документ 1: WO 2004/114511
Патентный документ 2: JP-A-2002-176771
Сущность изобретения
Проблема, которую должно решить изобретение
В упомянутом выше устройстве запуска двигателя, соответствующем патентному документу 1, устройство 30 управления управляет преобразователем 12 повышения напряжения, чтобы останавливать операцию переключения, когда ток IL дросселя пересекает нулевую точку. Когда операция переключения преобразователя 12 повышения напряжения останавливается, потери на переключение могут снизиться. Однако, когда операция переключения преобразователя 12 повышения напряжения останавливается, выходное напряжение преобразователя 12 повышения напряжения понижается до выходного напряжения источника 1 питания постоянного тока из-за мощности, потребляемой нагрузкой. При этом нежелательно, чтобы операция переключения преобразователя 12 повышения напряжения останавливалась, потому что когда выходное напряжение преобразователя 12 повышения напряжения понижается, нагрузка выходит из оптимальной точки эффективной работы.
С другой стороны, в системе управления, соответствующей патентному документу 2, элемент 2 переключения при небольшой нагрузке, в том числе, при отсутствии нагрузки, периодически колеблется. Поэтому потери на переключение и потери на проводимость преобразователя DC/DC при небольшой нагрузке, в том числе, при отсутствии нагрузки, можно снизить. Периодическое управление колебаниями для повторения периода принудительной остановки и периода колебания периодически сдерживает снижение выходного напряжения (преобразованного напряжения) преобразователя питания DC/DC. Соответственно, когда нагрузкой является электродвигатель, выходное напряжение преобразователя DC/DC тока может поддерживаться, так чтобы электродвигатель мог работать в рабочей точке с оптимальной эффективностью. Как показано на фиг.14, потери в системе управления, однако, увеличиваются из-за увеличения тока дросселя при переходе с периода принудительной остановки к периоду колебаний. В этой связи увеличение тока дросселя изменяется в соответствии с коэффициентом усиления преобразователя DC/DC при переходе от периода принудительной остановки к периоду колебаний.
Как показано на фиг.14, при управлении с прерывистыми колебаниями в системе управления выходное напряжение преобразователя DC/DC снижается во время периода принудительной остановки. В этой связи на фиг.15 приведена электрическая принципиальная схема, показывающая прохождение тока в состоянии, когда выходное напряжение преобразователя DC/DC снижается в течение периода принудительной остановки. На фиг.16(а)-16(с) приводятся графики, показывающие связь между скоростью вращения и вращающим моментом в электродвигателе и ортогональная область и область ослабления поля электродвигателя в соответствии с величиной входного напряжения. Как показано на фиг.16(а)-16(с), ортогональная область и область ослабления поля электродвигателя изменяются в соответствии с входным напряжением. Соответственно, когда нагрузкой является электродвигатель, рабочая точка в ортогональной области может смещаться в область ослабления поля, как показано пунктирной стрелкой на фиг.16(а) и 16(b), тогда как выходное напряжение преобразователя DC/DC, то есть входное напряжение электродвигателя, снижается в течение периода принудительной остановки. В результате в электродвигателе создается ток с ослабленным полем, который, таким образом, увеличивает потери при включении и потери на переключение инвертора, обеспечиваемого как часть нагрузки между преобразователем DC/DC и электродвигателем.
Когда нагрузкой является электродвигатель во время регенерации, выходное напряжение преобразователя DC/DC, управляемое так, чтобы периодически создавать колебания, увеличивается в течение периода принудительной остановки, как показано на фиг.17. В этой связи на фиг.18 приведена электрическая схема, показывающая прохождение тока в состоянии, в котором выходное напряжение преобразователя DC/DC увеличивается в течение периода принудительной остановки. Даже когда выходное напряжение преобразователя DC/DC увеличивается, рабочая точка остается в ортогональной области, как представлено пунктирной стрелкой на фиг.16(b) и 16(с), но потери на переключение преобразователя увеличиваются.
Когда преобразователь DC/DC управляется так, чтобы периодически создавались колебания таким способом, что в случае, когда электродвигатель, обеспечиваемый в качестве нагрузки, является небольшой нагрузкой, выходное напряжение преобразователя DC/DC пульсирует, как показано на фиг.14 и 17. В результате упомянутые выше потери в нагрузке увеличиваются. В системе управления, раскрытой в патентном документе 2, однако, отсутствует учет потерь, возникающих в нагрузке из-за управления преобразователем DC/DC с прерывистыми колебаниями.
Задача изобретения состоит в обеспечении устройства управления, управляющего преобразователем в соответствии с общими потерями, относящимися к системе запуска нагрузки, содержащей преобразователь и нагрузку.
Средство решения проблемы
Чтобы решить упомянутую выше проблему и достигнуть поставленной цели, устройство управления преобразователем, соответствующее изобретению, описанное в п.1 формулы изобретения, является устройством управления (например, контроллером 100С преобразователя в варианте осуществления) преобразователя (например, преобразователя 105 повышения напряжения в варианте осуществления), который повышает или понижает выходное напряжение источника питания постоянного тока (например, источника 101 питания постоянного тока в варианте осуществления) и обеспечивает выходное напряжение на нагрузке, причем упомянутое устройство управления содержит: контроллер переключения (например, контроллер 223 ШИМ в варианте осуществления), выполняющий переключение управления преобразователем; блок определения мощности в нагрузке (например, устройство 203 вычисления мощности в нагрузке в варианте осуществления), определяющий мощность в нагрузке; блок определения величины уменьшения потерь преобразователя (например, блок 207 определения величины уменьшения потерь преобразователя в варианте осуществления), который определяет величину уменьшения потерь, создаваемых преобразователем, основываясь на мощности в нагрузке, определенной блоком определения мощности в нагрузке и коэффициенте преобразования преобразователя, когда контроллер переключения выполняет прерывистое управление преобразователем; блок определения величины увеличения потерь в нагрузке (например, блок 209 определения величины увеличения потерь в нагрузке в варианте осуществления), который определяет величину увеличения потерь, создаваемых в нагрузке, когда контроллер переключения выполняет прерывистое управление преобразователем; и блок команд управления (например, блок 211 определения остановки управления в варианте осуществления), который дает на контроллер переключения команду выполнить прерывистое управление преобразователем, когда величина уменьшения потерь преобразователя, определенная блоком определения величины уменьшения потерь преобразователя, больше, чем величина увеличения потерь в нагрузке, определенная блоком определения величины увеличения потерь в нагрузке.
Устройство управления преобразователем, соответствующее изобретению, описанному в п.2 формулы изобретения, дополнительно содержит: блок определения допустимой величины флюктуации напряжения (например, блок 205 определения допустимой величины флюктуации напряжения в варианте осуществления), определяющий допустимую величину изменения напряжения преобразователя, основываясь на мощности нагрузки, определенной блоком определения мощности в нагрузке, коэффициенте преобразования преобразователя, когда контроллер переключения выполняет прерывистое управление преобразователем; в котором: блок определения величины увеличения потерь в нагрузке определяет величину увеличения потерь, создаваемых в нагрузке, когда выходное напряжение преобразователя пульсирует с диапазоном допустимой величины флюктуации напряжения, и контроллер переключения выполняет прерывистое управление преобразователем.
Устройство управления преобразователем, соответствующее изобретению, описанному в п.3 формулы изобретения, содержит: детектор напряжения (например, датчик 111 напряжения в варианте осуществления), обнаруживающий выходное напряжение преобразователя; в котором: контроллер переключения перезапускает управление переключением преобразователя, когда величина изменения выходного напряжения преобразователя, обнаруженная детектором напряжения, достигает допустимой величины флюктуации напряжения при остановке управления переключением преобразователя во время прерывистого управления преобразователем.
Кроме того, в устройстве управления преобразователем, соответствующем изобретению, описанному в п.4 формулы изобретения, контроллер переключения останавливает переключение управления преобразователем при достижении выходным напряжением напряжения команды для преобразователя, когда управление переключением преобразователя работает в режиме прерывистого управления преобразователем.
Устройство управления, соответствующее изобретению, описанному в п.5 формулы изобретения, дополнительно содержит: блок определения времени возможной остановки (например, блок определения времени возможной остановки в варианте осуществления), определяющий время возможной остановки, когда управление переключением преобразователя может быть остановлено контроллером переключения в соответствии с мощностью в нагрузке, определенной блоком определения мощности в нагрузке; в котором: контроллер переключения перезапускает управление переключением преобразователя, когда прошло время возможной остановки после того, как управление переключением преобразователя было остановлено во время прерывистого управления преобразователем.
Устройство управления преобразователем, соответствующее изобретению, описанному в п.6, отличается тем, что: устройство управления увеличивает напряжение команды для преобразователя в диапазоне допустимых величин флюктуации напряжения, в то время как контроллер переключения выполняет управление переключением при прерывистом управлении преобразователем в состоянии, в котором нагрузка потребляет электрическую мощность.
Устройство управления преобразователем, соответствующее изобретению, описанному в п.7, отличается тем, что: устройство управления уменьшает напряжение команды для преобразователя в диапазоне допустимых величин флюктуации напряжения, в то время как контроллер переключения выполняет прерывистое управление преобразователем в состоянии, в котором нагрузка отдает электрическую мощность.
Кроме того, в устройстве управления преобразователем, соответствующем изобретению, описанному в п.8, контроллер переключения запускает управление переключением преобразователя, когда отклонение между выходным напряжением и скорректированным напряжением команды не меньше, чем отклонение между нескорректированным напряжением команды и скорректированным напряжением команды во время прерывистого управления преобразователем.
Кроме того, в устройстве управления преобразователем, соответствующем изобретению, описанному в п.9, контроллер переключения останавливает управление переключением преобразователя, когда выходное напряжение достигает скорректированного напряжения команды, в то время как управление переключением преобразователя срабатывает во время прерывистого управления преобразователем.
Эффект изобретения
В соответствии с устройством управления преобразователем согласно изобретению, описанным в пп.1-9 формулы изобретения, контроллер переключения управляет преобразователем прерывисто, когда величина уменьшения потерь преобразователя при прерывистом управлении преобразователем больше, чем величина увеличения потерь в нагрузке при пульсации выходного напряжения преобразователя с диапазоном допустимой величины флюктуации напряжения. Соответственно, преобразователь может управляться прерывисто только в случае, когда суммарные потери за счет системы запуска нагрузки, в том числе, преобразователя и нагрузки, снижаются. То есть преобразователем можно управлять в соответствии с общими потерями из-за системы запуска нагрузки, в том числе, преобразователя и нагрузки.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - конфигурация системы запуска нагрузки в соответствии с вариантом осуществления;
фиг.2 - графики, показывающие (а) выходное напряжение V2 преобразователя 105; (b) управление переключением транзисторов, образующих преобразователь 105; (с) ток IL дросселя, текущий через дроссель L, образующий преобразователь 105; (d) уменьшение величины потерь в преобразователе 105 и (е) уменьшение величины потерь в системе запуска нагрузки, когда преобразователь 105 в системе запуска нагрузки, показанной на фиг.1, управляется обычным образом или прерывисто;
фиг.3 - блок-схема внутренней конфигурации контроллера 100С преобразователя, встроенного в устройство 100 управления;
фиг.4 - график ΔV;
фиг.5 - график снижения величины потерь преобразователя;
фиг.6(а) - график величины потерь, возникающих в нагрузке (величина потерь в нагрузке), когда на выходе преобразователя 105 появляется напряжение V2c команды;
фиг.6(b) - график, указывающий величину потерь, возникающих в нагрузке (величина потерь в нагрузке), когда на выходе преобразователя 105 появляется выходное "напряжение команды V2c-α";
фиг.7 - график соотношения между величиной А потерь в нагрузке, полученной из фиг.6(а), и величиной В потерь в нагрузке, полученной из фиг.6(b) с помощью напряжения V2c команды и "напряжения команды V2c-α", и величина увеличения потерь в нагрузке, возникающих в нагрузке, когда на выходе преобразователя 105 присутствует напряжение "V2c-ΔV";
фиг.8 - график соотношения между мощностью Р в нагрузке и временем возможной остановки в соответствии с заданной допустимой величиной ΔV флюктуации напряжения, когда электродвигатель 103 находится в режиме мощности и в режиме регенерации;
фиг.9 - блок-схема последовательности выполнения операций при работе контроллера 100С преобразователя;
фиг.10 - графики (а) выходного напряжения V2 преобразователя 105, (b) управления переключением транзисторов, образующих преобразователь 105, и (с) тока IL дросселя, проходящего через дроссель L, образующий преобразователь 105, когда напряжение команды V2c увеличивается/уменьшается во время прерывистого управления преобразователем 105;
фиг.11 - конфигурация системы запуска нагрузки, содержащая преобразователь повышения напряжения;
фиг.12 - блок-схема устройства запуска двигателя, раскрытого в патентном документе 1;
фиг.13 - электрическая схема системы управления преобразователем DC/DC, раскрытой в патентном документе 2;
фиг.14 - результат прерывистого колебательного управления преобразователем DC/DC, основанного на патентном документе 2;
фиг.15 - электрическая схема, показывающая прохождение тока в состоянии, в котором выходное напряжение преобразователя DC/DC понижается в течение периода принудительной остановки;
фиг.16(а)-(с) - графики, показывающие связь между скоростью вращения и вращающим моментом электродвигателя и ортогональной областью и областью ослабления поля электродвигателя в соответствии с величиной входного напряжения;
фиг.17 - результат прерывистого колебательного управления преобразователем DC/DC, основанного на патентном документе 2; и
фиг.18 - электрическая схема, показывающая прохождение тока в состоянии, в котором выходное напряжение преобразователя DC/DC повышается в течение периода принудительной остановки.
Порядок осуществления изобретения
Вариант осуществления изобретения будет описан ниже со ссылкой на чертежи.
На фиг.1 представлена конфигурация системы запуска нагрузки, соответствующая одному варианту осуществления. В системе запуска нагрузки, показанной на фиг.1, преобразователь 105 с повышением напряжения (в дальнейшем называемый просто "преобразователь") и инвертор 107 устанавливаются между источником 101 питания постоянного тока, таким как аккумуляторная батарея, и электродвигателем 103. Преобразователь 105 повышает выходное напряжение V1 источника 101 питания постоянного тока. Инвертор 107 преобразует выходное напряжение V2 преобразователя 105 в трехфазный (U, V, W) переменный ток. Электродвигатель 103 служит также в качестве электрического генератора. В этой системе запуска нагрузки инвертор 107 и электродвигатель 103 являются нагрузкой преобразователя 105.
В системе запуска нагрузки обеспечиваются датчик 109 напряжения для обнаружения выходного напряжения V1 источника 101 питания постоянного тока, датчик 111 напряжения для обнаружения выходного напряжения V2 преобразователя 105 и датчик 115 тока для обнаружения тока нагрузки 12 в случае, когда направление вывода с преобразователя 105 и ввода на инвертор 107 расценивается как положительное направление. Также обеспечивается датчик 117 положения для обнаружения электрического угла 9 ротора электродвигателя 103. Сигналы, указывающие значения, обнаруженные датчиками 109 и 111 напряжения, датчиком 115 тока и датчиком 117 положения, подаются на устройство 100 управления. Напряжение V2c команды и значение Т команды вращающего момента для преобразователя 105 также вводятся на устройство 100 управления извне.
Устройство 100 управления управляет преобразователем 105 и инвертором 107, соответственно. Как показано на фиг.1, устройство 100 управления имеет контроллер (здесь далее упоминаемый как "контроллер преобразователя") 100С преобразователя 105. Контроллер 100С преобразователя управляет преобразователем 105 обычным образом или прерывисто.
На фиг.2 представлены графики, показывающие (а) выходное напряжение V2 преобразователя 105, (b) управление переключением транзисторов, образующих преобразователь 105, (с) ток IL дросселя, проходящий через дроссель L, образующий преобразователь 105, (d) уменьшение величины потерь в преобразователе 105 и (е) уменьшение величины потерь в нагрузке, когда преобразователь 105 в системе управления нагрузкой, показанной на фиг.1, управляется обычным образом или прерывисто. Как показано на фиг.2(а), в этом варианте осуществления диапазон флюктуации выходного напряжения V2 преобразователя 105, увеличивающийся или уменьшающийся в течение периода остановки во время прерывистого управления преобразователем 105, представляется как ΔV2. Как показано на фиг.2(а), контроллер 100С преобразователя осуществляет ШИМ-управление преобразователем 105 во время обычного управления преобразователем 105 и в течение периода восстановления во время прерывистого управления преобразователем 105.
На фиг.3 представлена блок-схема, показывающая внутреннюю конфигурацию контроллера 100С преобразователя, встроенного в устройство 100 управления. Как показано на фиг.3, контроллер 100С преобразователя имеет блок 201 определения нагрузки, устройство 203 вычисления мощности в нагрузке, блок 205 определения величины допустимой флюктуации напряжения, блок 207 определения величины уменьшения потерь преобразователя, блок 209 определения величины увеличения потерь в нагрузке, блок 211 определения остановки управления, блок 213 определения режима мощности/регенерации, блок 215 определения режима мощности/остановки, блок 217 определения режима регенерации/остановки, переключатель 219, схему 221 ИЛИ и ШИМ-контроллер 223.
В этой связи обнаруженное значение выходного напряжения V1 источника 101 питания постоянного тока, обнаруженное значение выходного напряжения V2 преобразователя 105, напряжение V2c команды для преобразователя 105, обнаруженное значение тока 12 нагрузки, значение Т команды вращающего момента и угловая скорость ω вращения ротора электродвигателя 103 вводятся в контроллер 100С преобразователя. Угловая скорость θ вращения определяется дифференцированием по времени обнаруженного значения электрического угла θ ротора электродвигателя 103, обнаруженного датчиком 117 положения.
Напряжение команды V2c, обнаруженное значение выходного напряжения V1 источника 101 питания постоянного тока и значение, указывающее отклонение ΔV2 (=V2c-V2) между напряжением команды V2c и выходным напряжением V2, вводятся в блок 201 определения нагрузки. Блок 201 определения нагрузки определяет нагрузку вперед (Duty FF), необходимую для преобразователя 105, чтобы повышать выходное напряжение V1 до значения, определяемого напряжением V2c команды. Блок 201 определения нагрузки дополнительно определяет нагрузку обратной связи (Duty_FB), чтобы корректировать нагрузку вперед (Duty_FF), основываясь на отклонении ΔV2 между выходным напряжением VI источника 101 питания постоянного тока и нагрузкой вперед (Duty_FF). Блок 201 определения нагрузки обеспечивает на выходе нагрузку (Duty), полученную коррекцией нагрузки вперед (Duty_FF), основываясь на нагрузке обратной связи (Duty_FB). Нагрузка (Duty), определенная блоком 201 определения нагрузки, вводится в ШИМ-контроллер 223.
Обнаруженное значение выходного напряжения V2 преобразователя 105 и обнаруженное значение тока 12 нагрузки вводятся в устройство 203 вычисления мощности в нагрузке. Устройство 203 вычисления мощности в нагрузке обеспечивает на выходе в качестве мощности Р в нагрузке значение, полученное перемножением выходного напряжения V2 преобразователя 105 и тока 12 нагрузки. Мощность Р в нагрузке является мощностью (положительное значение), которая подается на инвертор 107 преобразователем 105, или мощностью (отрицательное значение), в которую мощность, генерируемая электродвигателем 103, преобразуется инвертором 107 и которая подается на преобразователь 105. В этой связи устройство 203 вычисления мощности нагрузки может обеспечить на выходе в качестве мощности Р в нагрузке ту мощность, которая определяется, основываясь на значении Т команды вращающего момента, угловой скорости ω вращения электродвигателя 103, напряжении V2c команды и измеренного графика, и которая подается на электродвигатель 103 или обеспечивается в качестве выходной мощности преобразователя 105 в соответствии с мощностью, полученной с выхода электродвигателя 103.
Напряжение V2c команды, обнаруженное значение выходного напряжения V1 источника 101 питания постоянного тока и мощность Р в нагрузке вводятся в блок 205 определения допустимой величины флюктуации напряжения. Блок 205 определения допустимой величины флюктуации напряжения вычисляет отношение напряжения V2c команды к выходному напряжению V1, то есть коэффициент усиления преобразователя 105. Блок 205 определения допустимой величины флюктуации напряжения дополнительно определяет допустимую величину ΔV, соответствующую мощности Р в нагрузке и вычисленному коэффициенту усиления, используя график (здесь далее упоминаемый как "график ΔV"), указывающий допустимую величину ΔV флюктуации напряжения в соответствии с мощностью Р в нагрузке, и вычисленный коэффициент усиления. На фиг.4 приведен график ΔV.
В этой связи, как показано на фиг.2(а), допустимая величина ΔV изменения напряжения является допустимой величиной флюктуации выходного напряжения V2 преобразователя 105, увеличивающегося или уменьшающегося в течение периода остановки, когда контроллер 100С преобразователя управляет преобразователем 105 прерывисто. График ΔV указывает допустимую величину ΔV флюктуации напряжения, которая может минимизировать величину потерь и которая определяется на основе мощности на выходе преобразователя 105, коэффициента усиления и величины изменения потерь в преобразователе 105 между периодом остановки и периодом восстановления во время прерывистого управления.
Напряжение V2c команды, обнаруженное значение выходного напряжения V1 источника 101 питания постоянного тока и мощность Р в нагрузке вводятся к блок 207 определения величины уменьшения потерь преобразователя. Блок 207 определения величины уменьшения потерь преобразователя вычисляет отношение напряжения V2c команды к выходному напряжению V1, то есть коэффициент усиления преобразователя 105. Блок 207 определения величины уменьшения потерь преобразователя дополнительно определяет величину уменьшения потерь преобразователя, соответствующую мощности Р в нагрузке и вычисленному коэффициенту усиления, используя график (упоминаемый здесь далее как "график величины уменьшения потерь преобразователя"), указывающий величину уменьшения потерь, создаваемых в преобразователе 105 в соответствии с мощностью Р в нагрузке и коэффициентом усиления во время прерывистого управления (величину уменьшения потерь преобразователя). На фиг.5 приводится график, показывающий величину уменьшения потерь преобразователя. В этой связи величина уменьшения потерь преобразователя является величиной уменьшения потерь, которая возникает в преобразователе 105 во время прерывистого управления и которая сравнивается с величиной потерь, создаваемых в преобразователе 105 во время обычного управления. График ΔV, показанный на фиг.4, и график величины уменьшения потерь преобразователя, показанный на фиг.5, связаны друг с другом.
Допустимая величина ΔV флюктуации напряжения, полученная блоком 205 определения допустимой величины флюктуации напряжения, напряжение V2c команды, значение Т команды вращающего момента и угловая скорость ω вращения ротора электродвигателя 103 вводятся в блок 209 определения величины увеличения потерь в нагрузке. Блок 209 определения величины увеличения потерь в нагрузке определяет величину увеличения потерь в нагрузке (величину увеличения потерь в нагрузке), когда выходное напряжение V2 преобразователя 105 пульсирует в диапазоне ΔV во время прерывистого управления.
Когда блок 209 определения величины увеличения потерь в нагрузке определяет величину увеличения потерь в нагрузке, используется график, показанный на фиг.6(а), или график, показанный на фиг.6(b). На фиг.6(а) приведен график, указывающий величину потерь, создаваемых в нагрузке (величина потерь в нагрузке) в соответствии со скоростью вращения и вращающим моментом электродвигателя 103, когда преобразователь 105 обеспечивает на выходе напряжение V2c команды. На фиг.6(b) представлен график, указывающий величину потерь, создаваемых в нагрузке (величина потерь в нагрузке) в соответствии со скоростью вращения и вращающим моментом электродвигателя 103, когда преобразователь 105 обеспечивает на выходе "напряжение V2c-α команды".
Блок 209 определения величины увеличения потерь в нагрузке определяет величины А и В потерь в нагрузке из соответствующих графиков, показанных на фиг.6(а) и 6(b), основываясь на значении Т команды вращающего момента и угловой скорости ω вращения. На фиг.7 показан график связи величины А потерь в нагрузке, полученной из фиг.6(а), и величины В потерь в нагрузке, полученной из фиг.6(b) с помощью команды V2c и "напряжения V2c-α команды", и величина увеличения потерь в нагрузке, создаваемых в нагрузке, когда преобразователь 105 обеспечивает на выходе "V2c-ΔV". Соответственно, увеличение величины потерь в нагрузке, создаваемых в нагрузке, когда преобразователь 105 обеспечивает на выходе "V2c-ΔV" относительно величины А потерь в нагрузке, создаваемых в нагрузке, когда преобразователь 105 обеспечивает на выходе напряжение V2c команды, может быть вычислено согласно следующему выражению:
Величина увеличения потерь в нагрузке = {(А-В)×ΔV}/α
В этой связи сигнал выходного напряжения V2 преобразователя 105, пульсирующего в диапазоне ΔV, имеет форму треугольной волны. Поэтому блок 209 определения величины увеличения потерь в нагрузке вычисляет величину увеличения потерь в нагрузке в соответствии со следующим выражением:
Величина увеличения потерь в нагрузке = {(А-В)×ΔV/2}/α
Блок 211 определения остановки управления сравнивает величину уменьшения потерь преобразователя, определенную блоком 207 определения величины уменьшения потерь преобразователя, с величиной увеличения потерь в нагрузке, определенной блоком 209 определения величины увеличения потерь в нагрузке. Блок 211 определения остановки управления обеспечивает на выходе сигнал "1" команды работы, когда величина уменьшения потерь преобразователя не превышает величины увеличения потерь в нагрузке, и обеспечивает на выходе сигнал "0" команды остановки, когда величина уменьшения потерь преобразователя превышает величину увеличения потерь в нагрузке. Этот сигнал вводится в схему 221 ИЛИ.
Мощность Р в нагрузке, вычисленная устройством 203 вычисления мощности в нагрузке, вводится в блок 213 определения режима мощности/регенерации. Блок 213 определения режима мощности /регенерации определяет, основываясь на знаке мощности Р в нагрузке, находится ли электродвигатель 103 в режиме мощности или в режиме регенерации. То есть блок 213 определения режима мощности/регенерации определяет, что электродвигатель 103 находится в режиме мощности, когда мощность Р в нагрузке принимает положительное значение, и определяет, что электродвигатель 103 находится в режиме регенерации, когда мощность Р в нагрузке принимает отрицательное значение. Блок 213 определения режима мощности/регенерации посылает сигнал выбора, указывающий результат определения, на переключатель 219.
Значение, указывающее отклонение ΔV2 (=V2c-V2) между напряжением команды V2c и выходным напряжением V2, и допустимая величина ΔV флюктуации напряжения, определенная блоком 205 определения допустимой величины флюктуации напряжения, вводятся на блок 215 определения режима мощности/остановки. Блок 215 определения режима мощности/остановки определяет по гистерезису, показанному на фиг.2 для блока 215 определения режима мощности/остановки, основываясь на отклонении ΔV2 и допустимой величине ΔV флюктуации напряжения, должно ли выполняться (при работе) или не выполняться (остановка) ШИМ-управление преобразователем 105. Блок 215 определения режима мощности/остановки обеспечивает на выходе сигнал "1" команды работы, когда определено, что должно работать ШИМ-управление, и обеспечивает на выходе сигнал "0" команды остановки, когда определяется, что ШИМ-управление должно быть остановлено.
Значение, указывающее отклонение ΔV2 (=V2c-V2) между напряжением команды V2c и выходным напряжением V2, и допустимая величина ΔV флюктуации напряжения, определенная блоком 205 определения допустимой величины флюктуации напряжения, вводятся на блок 217 определения режима мощности/остановки. Блок 217 определения режима мощности/остановки определяет по гистерезису, показанному на фиг.2 для блока 217 определения режима мощности/остановки, основываясь на отклонении ΔV2 и допустимой величине ΔV флюктуации напряжения, должно ли выполняться (при работе) или не выполняться (остановка) ШИМ-управление преобразователем 105. Блок 217 определения режима мощности/остановки обеспечивает на выходе сигнал "1" команды работы, когда определено, что ШИМ-управление должно работать, и обеспечивает на выходе сигнал "0" команды остановки, когда определено, что ШИМ-управление должно быть остановлено.
Другой способ, отличный от упомянутого выше способа, использующий результат сравнения между отклонением ΔV2 и допустимой величиной ΔV флюктуации напряжения, может использоваться, когда блок 215 определения режима мощности/остановки и блок 217 определения режима регенерации/остановки определяют, должно ли выполняться (при работе) или не выполняться (остановка) ШИМ-управление преобразователем 105). Например, контроллер 100С преобразователя может получить время, требующееся для определения отклонения ΔV2 при допустимой величине ΔV флюктуации напряжения (возможное время остановки), из графика, показанного на фиг.8. На фиг.8 приведен график, показывающий связь между мощностью Р в нагрузке и возможным временем остановки в соответствии с заданной допустимой величиной ΔV флюктуации напряжения, когда электродвигатель 103 работает в режиме мощности или в режиме регенерации. В этом случае контроллер 100С преобразователя имеет блок определения возможного времени остановки (не показан), который определяет возможное время остановки, соответствующее мощности Р в нагрузке, определенной устройством 203 вычисления мощности в нагрузке. Блок 215 определения режима мощности/остановки и блок 217 определения режима регенерации/остановки выводят сигнал "1" команды режима, чтобы перезапустить ШИМ-управление преобразователем 105, когда возможное время остановки прошло, после того, как ШИМ-управление преобразователем 105 было остановлено.
Переключатель 219 обеспечивает на выходе либо сигнал блока 215 определения режима мощности/остановки 215, либо сигнал блока 217 определения режима регенерации/остановки в соответствии с сигналом выбора, полученным с выхода блока 213 определения режима мощности/регенерации. Сигнал с выхода переключателя 219 подается на схему 221 ИЛИ.
Схема 221 ИЛИ выполняет операцию ИЛИ для сигнала (1 или 0), введенного от переключателя 219, и сигнала (1 или 0), введенного от блока 221 определения остановки управления, и выводит сигнал (1 или 0), указывающий результат операции. Соответственно, схема 221 ИЛИ обеспечивает на выходе сигнал "0", только когда сигнал от блока 215 определения режима мощности/остановки или от блока 217 определения режима регенерации/остановки, выбранный переключателем 219, является сигналом "0" команды остановки и блок 211 определения остановки управления обеспечивает на выходе сигнал "0" команды остановки. Сигнал с выхода схемы 221 ИЛИ выводится на ШИМ-контроллер 223.
Нагрузка (Duty), определенная блоком 201 определения нагрузки, сигнал с выхода схемы 221 ИЛИ, и нагрузка 0% вводятся на ШИМ-контроллер 223. ШИМ-контроллер 223 выполняет ШИМ-управление преобразователем 105 в соответствии с сигналом, введенным от схемы 221 ИЛИ. ШИМ-контроллер 223 выполняет ШИМ-управление преобразователем 105, основываясь на нагрузке (Duty) от блока 201 определения нагрузки, когда сигнал с выхода схемы 221 ИЛИ равен "1", и не выполняет ШИМ-управление преобразователем 105, когда сигнал с выхода схемы 221 ИЛИ равен "0".
На фиг.9 представлена блок-схема последовательности выполнения операций при работе контроллера 100С преобразователя. Как показано на фиг.9, устройство 203 вычисления мощности в нагрузке вычисляет мощность Р в нагрузке (этап S101). Блок 205 определения допустимой величины флюктуации напряжения определяет допустимую величину ΔV флюктуации напряжения в соответствии с мощностью Р в нагрузке и коэффициентом усиления, используя график ΔV, показанный на фиг.4 (этап S103). Блок 207 определения величины уменьшения потерь преобразователя определяет величину уменьшения потерь преобразователя в соответствии с мощностью Р в нагрузке и коэффициентом усиления, используя график величины уменьшения потерь преобразователя, показанный на фиг.5 (этап S105). Блок 209 определения величины увеличения потерь в нагрузке вычисляет величину увеличения потерь в нагрузке, используя график, показанный на фиг.6(а) или 6(b), и упомянутое выше выражение для вычисления (этап S107).
Блок 211 определения остановки управления сравнивает величину уменьшения потерь преобразователя с величиной увеличения потерь в нагрузке (этап S109). Последовательность выполнения операций обработки переходит к этапу S111, когда величина уменьшения потерь преобразователя не превышает величину увеличения потерь в нагрузке, и переходит к этапу S113, когда величина уменьшения потерь преобразователя превышает величину увеличения потерь в нагрузке. На этапе S111 контроллер 100С преобразователя выполняет ШИМ-управление преобразователем 105. В этой связи ШИМ-управление, выполняемое на этапе S111, соответствует обычному управлению, показанному на фиг.2. С другой стороны, на этапе S113 блок 213 определения режима мощности/регенерации определяет, основываясь на знаке нагрузки Р, находится ли электродвигатель 103 в режиме мощности или в режиме регенерации. Когда мощность Р в нагрузке больше 0, блок 213 определения режима мощности/регенерации принимает решение, что электродвигатель 103 находится в режиме мощности и поэтому последовательность выполнения операций обработки переходит к этапу S115. Когда мощность Р в нагрузке не превышает 0, блок 213 определения режима мощности/регенерации принимает решение, что электродвигатель 103 находится в режиме регенерации и поэтому последовательность выполнения операций обработки переходит к этапу S125.
На этапе S115 блок 215 определения режима мощности/остановки сравнивает значение, указывающее отклонение ΔV (=V2c-V2) между напряжением V2c команды и выходным напряжением V2, с допустимой величиной ΔV флюктуации напряжения. Когда отклонение ΔV2 превышает допустимую величину ΔV флюктуации напряжения, последовательность выполнения операций обработки переходит к этапу S117. Когда отклонение ΔV2 не превышает допустимую величину ΔV флюктуации напряжения, последовательность выполнения операций обработки переходит к этапу S119. На этапе S117 контроллер 100С преобразователя выполняет ШИМ-управление преобразователем 105. В этой связи период ШИМ-управления на этапе S117 соответствует периоду восстановления при прерывистом управлении, показанном на фиг.2.
С другой стороны, на этапе S119 блок 215 определения режима мощности /остановки определяет, является ли отклонение ΔV2 (=V2c-V2), по меньшей мере, равным 0 или нет. В случае ΔV2≥ 0 последовательность выполнения операций обработки переходит к этапу S121. В случае ΔV2<0 последовательность выполнения операций обработки переходит к этапу S123. На этапе S121 делается определение относительно того, останавливает ли контроллер 100С преобразователя ШИМ-управление преобразователем 105 или нет. Когда управление останавливается, последовательность выполнения операций обработки переходит к этапу S123. Когда управление не останавливается, последовательность выполнения операций обработки переходит к этапу S117. На этапе S123 контроллер 100С преобразователя не выполняет ШИМ-управление преобразователем 105. В этой связи период, когда ШИМ-управление на этапе S123 не выполняется, соответствует периоду остановки при прерывистом управлении во время режима мощности электродвигателя 103, показанного на фиг.2.
Когда последовательность выполнения операций обработки переходит к этапу S125, поскольку блок 213 определения режима мощности/регенерации принимает решение, что электродвигатель 103 находится в режиме регенерации, блок 217 определения режима регенерации/остановки сравнивает значение, указывающее отклонение ΔV2 (=V2c-V2) между напряжением команды V2c и выходным напряжением V2 с допустимой величиной ΔV флюктуации напряжения. Когда отклонение ΔV2 не меньше чем -ΔV, последовательность выполнения операций обработки переходит к этапу S117. Когда отклонение ΔV2 меньше чем -ΔV, последовательность выполнения операций обработки переходит к этапу S127.
На этапе S127 блок 217 определения режима регенерации/остановки определяет, является ли отклонение ΔV2 (=V2c-V2) меньше или равно 0 или нет. В случае ΔV2≤0 последовательность выполнения операций обработки переходит к этапу S129. В случае ΔV2>0 последовательность выполнения операций обработки переходит к этапу S131. На этапе S129 принимается решение, остановлено ли ШИМ-управление преобразователем 105 или нет. Когда управление остановлено, последовательность выполнения операций обработки переходит к этапу S131. Когда управление не остановлено, последовательность выполнения операций обработки переходит к этапу S117. На этапе S131 контроллер 100С преобразователя не выполняет ШИМ-управление преобразователем 105. В этой связи период, когда управление ШИМ не выполняется на этапе S131, соответствует периоду остановки при прерывистом управлении во время режима регенерации электродвигателя 103, показанного на фиг.2.
Как описано выше, в соответствии с системой запуска нагрузки, соответствующей этому варианту осуществления, контроллер 100С преобразователя выполняет прерывистое управление преобразователем 105, когда величина уменьшения потерь в преобразователе 105 в случае, когда преобразователь 105 управляется прерывисто, (величина уменьшения потерь преобразователя) больше, чем величина увеличения потерь в нагрузке в случае, когда преобразователь 105 управляется прерывисто, так что выходное напряжение V2 преобразователя 105 пульсирует с диапазоном флюктуации напряжения, равным допустимой величине ΔV флюктуации напряжения (величина увеличения потерь в нагрузке). Соответственно, преобразователь 105 может управляться прерывисто, только когда общие потери в системе запуска нагрузки, содержащей преобразователь 105 и нагрузку, уменьшаются.
Во время прерывистого управления преобразователем 105 контроллер 100С преобразователя управляет периодом остановки, так чтобы диапазон флюктуации выходного напряжения V2 преобразователя 105 был равен допустимой величине ΔV флюктуации напряжения. Как описано выше, график ΔV, используемый для определения допустимой величины ΔV флюктуации напряжения, имеет связь с графиком величины уменьшения потерь преобразователя. Соответственно, блок определения допустимой величины флюктуации напряжения определяет допустимую величину ΔV флюктуации напряжения, так чтобы во время прерывистого управления преобразователем 105 величина уменьшения потерь преобразователя была максимизирована. Таким способом величина уменьшения потерь преобразователя во время прерывистого управления преобразователем 105 может быть установлена максимизированной, так чтобы возможность прерывистого управления преобразователем могла быть увеличена.
Хотя на чертеже на фиг.2, использованном для описания варианта осуществления, показан случай, когда напряжение V2c команды является постоянным, напряжение V2c команды может увеличиваться/уменьшаться в соответствии с состоянием электродвигателя 103. На фиг.10 представлен график, показывающий (а) выходное напряжение V2 преобразователя 105, (b) управления переключением транзисторов, образующих преобразователь 105, и (с) ток IL дросселя, проходящий через дроссель L, образующий преобразователь 105, когда напряжение V2c команды увеличивается/уменьшается во время прерывистого управления преобразователем 105. Как показано на фиг.10, когда электродвигатель 103 находится в режиме мощности, контроллер 100С преобразователя может корректировать напряжение V2c команды, так чтобы напряжение V2c команды стало более высоким в пределах диапазона допустимой величины ΔV флюктуации напряжения, чем во время обычного управления. В этом случае блок 215 определения режима мощности/остановки выполняет ШИМ-управление преобразователем 105, пока выходное напряжение V2 преобразователя 105 не достигнет скорректированного напряжения V2c команды при прерывистом управлении, и останавливает ШИМ-управление после того, так выходное напряжение V2 преобразователя 105 достигнет скорректированного напряжения V2c команды.
Когда напряжение V2c команды корректируется таким способом, выходное напряжение V2 преобразователя 105 становится более высоким, чем во время обычного управления, даже если выходное напряжение V2 снизилось в период остановки при прерывистом управлении, как показано на фиг.10. Как показано на фиг.16(а)-16(с), потери в нагрузке могут подавляться по мере того, как выходное напряжение V2 преобразователя 105, то есть входное напряжение электродвигателя 103, становится высоким. Однако, в соответствии с допустимой величиной ΔV флюктуации напряжения, потери могут быть низкими, поскольку низким становится выходное напряжение V2.
С другой стороны, когда электродвигатель 103 находится в режиме регенерации, контроллер 100С преобразователя может корректировать напряжение команды V2c так, чтобы напряжение команды V2c стало ниже в пределах диапазона допустимой величины ΔV флюктуации напряжения, чем во время обычного управления. В этом случае, блок 217 определения режима регенерации/остановки выполняет ШИМ-управление преобразователем 105, пока выходное напряжение V2 преобразователя 105 не достигнет скорректированного напряжения V2c команды при прерывистом управлении, и останавливает ШИМ-управление после того, как выходное напряжение V2 преобразователя 105 достигнет скорректированного напряжения V2c команды.
Когда напряжение V2c корректируется таким способом, выходное напряжение V2 преобразователя 105 становится ниже, чем во время обычного управления, даже если выходное напряжение V2 увеличилось в период остановки при прерывистом управлении, как показано на фиг.10. Соответственно, для конденсатора С, предусмотренного в системе запуска нагрузки, показанной на фиг.1, можно препятствовать пробою высоким напряжением регенерации.
Хотя прерывистое управление в варианте осуществления, показанном на фиг.2, настраивается так, чтобы период восстановления (управление переключением) обеспечивался после периода остановки управления переключением, тот же самый эффект может быть получен в случае, когда период остановки обеспечивается после выполнения управления переключением. Также в варианте осуществления, показанном на фиг.10, период восстановления (управление переключением) может выполняться после периода остановки тем же самым способом.
Хотя упомянутый выше вариант осуществления был описан для случая, в котором в качестве примера берется преобразователь 105 с повышением напряжения, вместо него может использоваться преобразователь 505 повышения напряжения, показанный на фиг.11, или преобразователь повышения напряжения. Хотя блок 205 определения величины флюктуации напряжения определяет допустимую величину ΔV флюктуации напряжения, используя график ΔV в упомянутом выше варианте осуществления, допустимая величина ΔV флюктуации напряжения может быть установлена как заданное значение.
Хотя изобретение было описано подробно и со ссылкой на конкретные варианты осуществления, специалистам в данной области техники должно быть очевидным, что, не отступая от сущности и области действия изобретения, в нем могут быть сделаны различные изменения или модификации.
Эта заявка основана на японской патентной заявке (патентная заявка 2009-139240), поданной 10 июня 2009 г., содержание которой введено сюда посредством ссылки.
Описание ссылочных позиций и знаков
100 Устройство управления
100С Контроллер преобразователя
101 Источник питания постоянного тока
103 Электродвигатель
105 Преобразователь повышения напряжения
107 Инвертор
109, 111 Датчик напряжения
115 Датчик тока
117 Датчик положения
201 Блок определения нагрузки
203 Устройство вычисления мощности в нагрузке
205 Блок определения допустимой величины флюктуации напряжения
207 Блок определения величины потерь в преобразователе
209 Блок определения величины увеличения потерь в нагрузке
211 Блок определения остановки управления
213 Блок определения режима мощности/регенерации
215 Блок определения режима мощности/остановки
217 Блок определения режима регенерации/остановки
219 Переключатель
221 Схема ИЛИ
223 Контроллер ШИМ