斬波器電路控制裝置的製作方法

2024-03-25 14:53:05 1

本發明涉及斬波器電路控制裝置。

背景技術：

搭載於電氣鐵道車輛(以下稱為電車)的輔助電源裝置是將直流電壓轉換成所希望的直流電壓或交流電壓的裝置，具有對直流電壓進行控制的降壓斬波器。一般，利用輸出電壓傳感器來對降壓斬波器的輸出電壓進行測定，利用輸出電壓傳感器的測定值來對降壓斬波器的輸出電壓成為過大電壓或過小電壓的情況進行檢測。在輸出電壓傳感器發生異常的情況下，降壓斬波器的佔空比會增大，降壓斬波器的輸出電壓會成為過大電壓。若降壓斬波器的輸出電壓成為過大電壓或過小電壓，則有可能會對與輔助電源裝置相連接的負載設備的動作造成影響。

專利文獻1所公開的電壓轉換裝置在操作佔空比的控制單元所使用的操作值為規定上限值以上或規定下限值以下的情況下，判定為電壓轉換裝置發生異常。另外，在專利文獻1中，公開了一種包括該電壓轉換裝置且在檢測出電壓轉換裝置異常的情況下使半導體元件的控制停止的電動車。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本專利特開2004－364416號公報

技術實現要素：

發明所要解決的技術問題

專利文獻1所公開的電動車在判定為電壓轉換裝置發生異常的情況下，將半導體元件的開關斷開來禁止再生動作。如專利文獻1那樣，在電壓轉換裝置發生異常的情況下，若停止半導體元件的控制，則會停止向與電壓轉換裝置相連接的負載裝置供電。但是，由於搭載於電車的輔助電源裝置是向空調設備、照明設備等進行供電，因此，希望輔助電源裝置能儘可能持續進行供電。即，在輔助電源裝置中，除了要抑制輔助電源裝置的輸出電壓成為過大電壓或過小電壓，還要避免向與輔助電源裝置相連接的負載設備的供電停止。

本發明是鑑於上述情況而完成的，其目的在於將斬波器電路的輸出電壓維持在規定範圍內，以維持斬波器電路的驅動。

解決技術問題的技術方案

為了達到上述目的，本發明的斬波器電路控制裝置是對斬波器電路的佔空比進行控制的斬波器電路控制裝置，包括範圍計算部和控制部。範圍計算部根據斬波器電路的輸入電壓、及斬波器電路的輸出電壓的指令值即輸出電壓指令值，來對佔空比的控制所使用的操作值的範圍即操作值範圍進行計算。控制部在根據斬波器電路的輸出電壓與輸出電壓指令值之間的偏差而計算出的操作值在操作值範圍的上限值以上的情況下，利用操作值範圍的上限值來對佔空比進行控制，在操作值在操作值範圍內的情況下，利用該操作值來對佔空比進行控制，在操作值在操作值範圍的下限值以下的情況下，利用操作值範圍的下限值來對佔空比進行控制。

發明效果

根據本發明，在斬波器電路的佔空比控制所使用的操作值超過規定範圍的情況下，利用規定範圍的上限值或下限值來對佔空比進行控制，從而能一邊將斬波器電路的輸出電壓維持在規定範圍內，一邊維持斬波器電路的驅動。

附圖說明

圖1是表示本發明實施方式1所涉及的斬波器電路控制裝置的結構例的框圖。

圖2是表示實施方式1所涉及的斬波器電路控制裝置所進行的斬波器控制的動作的一個示例的流程圖。

圖3是表示本發明實施方式2所涉及的斬波器電路控制裝置的結構例的框圖。

圖4是表示實施方式2所涉及的斬波器電路控制裝置所進行的斬波器控制的動作的一個示例的流程圖。

具體實施方式

以下，參照附圖，對本發明的實施方式進行詳細說明。另外，圖中對相同或等同的部分標註相同的標號。

(實施方式1)

圖1是表示本發明實施方式1所涉及的斬波器電路控制裝置的結構例的框圖。斬波器電路控制裝置1對斬波器電路4所具備的開關元件41進行控制，使得斬波器電路4的輸出電壓接近輸出電壓的指令值即輸出電壓指令值。斬波器電路控制裝置1將基於操作值的選通信號輸出至開關元件41，對斬波器電路4的佔空比進行控制。操作值是對開關元件41的導通佔空比的時間進行調節的值。斬波器電路控制裝置1在操作值超出規定範圍的情況下，利用規定範圍的上限值或下限值來對佔空比進行控制。

圖1的斬波器電路4是由開關元件41、二極體42以及電感器43所構成的降壓斬波器電路。斬波器電路4的結構並不局限於圖1的示例。斬波器電路4包括開關元件41，是將直流電壓或交流電壓轉換為所希望的直流電壓或交流電壓的任意的電路。例如，也可以使用升壓斬波器電路來作為斬波器電路4。

在圖1的示例中，開關元件41是n型mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor：場效應電晶體)，但開關元件41並不局限於mosfet，而是進行開關的任意的半導體元件。開關元件41分別與斬波器電路4的一對輸入端子中高電位的端子、二極體42的陰極以及電感器43的一端相連接。二極體42的陽極與斬波器電路4的一對輸入端子中低電位的端子、以及斬波器電路4的一對輸出端子中低電位的端子相連接。電感器43的另一端與斬波器電路4的一對輸出端子中高電位的端子相連接。

電壓傳感器2檢測與斬波器電路4的輸入端子相連接的電容器3的電壓作為斬波器電路4的輸入電壓。電壓傳感器6檢測與斬波器電路4的輸出端子相連接的電容器5的電壓作為斬波器電路4的輸出電壓。

斬波器電路控制裝置1包括：將由電壓傳感器2所檢測出的斬波器電路4的輸入電壓進行a-d(模擬-數字)轉換的a-d轉換器11；以及將由電壓傳感器6所檢測出的斬波器電路4的輸出電壓進行a-d轉換的a-d轉換器13。進一步將輸出電壓指令值輸入至斬波器電路控制裝置1。將用a-d轉換器11進行a-d轉換後的輸入電壓輸入至斬波器電路控制裝置1的範圍計算部12。範圍計算部12根據輸入電壓和輸出電壓指令值來對斬波器電路4的操作值的範圍即操作值範圍進行計算。將用a-d轉換器13進行a-d轉換後的輸出電壓輸入至斬波器電路控制裝置1的電壓指令控制部14。電壓指令控制部14對輸出電壓與輸出電壓指令值之間的偏差進行計算。將輸出電壓與輸出電壓指令值之間的偏差輸入至斬波器電路控制裝置1的電壓控制部15。電壓控制部15根據輸出電壓與輸出電壓指令值之間的偏差來計算斬波器電路4的操作值。斬波器電路控制裝置1的比較部16對範圍計算部12所計算出的操作值範圍與電壓控制部15所計算出的操作值進行比較，在操作值超出操作值範圍的情況下，將操作值範圍的上限值或下限值輸出至斬波器電路控制裝置1的比較器17，在操作值在操作值範圍內的情況下，將該操作值輸出至斬波器電路控制裝置1的比較器17。比較器17對比較器16的輸出與基準的三角波進行比較運算，以生成選通信號。利用比較器17所輸出的選通信號來對開關元件41的通斷進行控制，以對斬波器電路4的佔空比進行控制。

範圍計算部12根據a-d轉換後的輸入電壓和輸出電壓指令值來計算操作值範圍。輸出電壓指令值是斬波器電路4的輸出電壓的指令值，是根據與斬波器電路4的輸出端子相連接的負載設備來決定的值。斬波器電路控制裝置1可以從外部接收輸出電壓指令值，斬波器電路控制裝置1也可以預先保持有輸出電壓指令值。在實施方式1中，範圍計算部12將輸出電壓指令值除以a-d轉換後的輸入電壓，將由此得到的值乘以第1比例常數後所得到的值設為操作值範圍的上限值，並將輸出電壓指令值除以a-d轉換後的輸入電壓，將由此得到的值乘以值比第1比例常數要小的第2比例常數後所得到的值設為操作值範圍的下限值。第1比例常數和第2比例常數是根據斬波器電路4的特性來決定的值，例如基於仿真的結果來決定。

電壓指令控制部14對輸出電壓指令值與a-d轉換後的輸出電壓之間的偏差即電壓偏差進行計算，並將其發送至電壓控制部15。電壓控制部15對電壓偏差進行例如pi(proportional-integral：比例積分)控制的運算，算出操作值，並將其發送至比較部16。

比較部16在所輸入的操作值在操作值範圍的上限值以上的情況下，將操作值範圍的上限值作為操作值來進行輸出。比較部16在所輸入的操作值在操作值範圍內的情況下，即，在所輸入的操作值小於操作值範圍的上限值且大於操作值範圍的下限值的情況下，輸出所輸入的操作值。比較部16在所輸入的操作值在操作值範圍的下限值以下的情況下，將操作值範圍的下限值作為操作值來進行輸出。

比較器17對比較部16所輸出的操作值與基準的三角波進行比較運算，從而對斬波器電路4的佔空比進行計算，對開關元件41輸出選通信號。

實施方式1所涉及的斬波器電路控制裝置1在操作值處於操作值範圍內的通常情況下，利用根據斬波器電路4的輸出電壓和輸出電壓指令值所計算出的操作值，來對斬波器電路4進行控制。另一方面，在操作值不處於操作值範圍內的情況下，斬波器電路控制裝置1基於操作值範圍的上限值或下限值來對斬波器電路4的佔空比進行計算，以對斬波器電路4進行控制。因此，例如在電壓傳感器6發生異常的情況下，或者在開關元件41發生異常的情況下，能一邊抑制斬波器電路4的輸出電壓成為過大電壓或過小電壓，一邊維持斬波器電路4的驅動。

圖2是表示實施方式1所涉及的斬波器電路控制裝置所進行的斬波器控制的動作的一個示例的流程圖。電壓指令控制部14對輸出電壓指令值與a-d轉換後的輸出電壓之間的偏差即電壓偏差進行計算(步驟s10)。電壓控制部15對電壓偏差進行例如pi控制的運算，算出操作值(步驟s20)。範圍計算部12基於輸出電壓指令值除以a-d轉換後的輸入電壓而得到的值，來計算操作值範圍(步驟s30)。

比較部16在所輸入的操作值在操作值範圍內的情況下(步驟s40：是)，輸出所輸入的操作值，比較器17利用該操作值來計算斬波器電路4的佔空比(步驟s50)。比較部16在操作值不在操作值範圍內的情況下(步驟s40：否)，將操作值範圍的上限值或下限值作為操作值來進行輸出，比較器17利用操作值範圍的上限值或下限值來計算斬波器電路4的佔空比(步驟s60)。

比較器17基於佔空比來對開關元件41輸出選通信號，以對斬波器電路4進行控制(步驟s70)。斬波器電路控制裝置1按照預先規定的時序反覆進行上述處理，以對斬波器電路4的佔空比進行控制。此外，步驟s30的處理也可以與步驟s10、s20的處理並列進行。另外，也可以在步驟s10、s20的處理之前進行步驟s30的處理。

如以上說明的那樣，根據實施方式1所涉及的斬波器電路控制裝置1，能一邊將斬波器電路4的輸出電壓維持在規定範圍內，一邊維持斬波器電路4的驅動。由於斬波器電路4的輸出電壓維持在規定範圍內，因此，能抑制斬波器電路4的輸出電壓成為過大電壓或過小電壓，能避免斬波器電路4的輸出電壓的變動對與斬波器電路4的輸出端子相連接的負載設備造成影響。

(實施方式2)

圖3是表示本發明實施方式2所涉及的斬波器電路控制裝置的結構例的框圖。實施方式2所涉及的斬波器電路控制裝置1在斬波器電路4的輸入電壓不在規定範圍即電壓範圍內的情況下，利用電壓範圍的上限值或下限值來計算操作值範圍，基於操作值範圍來對斬波器電路4進行控制。實施方式2所涉及的斬波器電路控制裝置1除了實施方式1所涉及的斬波器電路控制裝置1的結構以外，還包括電壓比較部18。對與實施方式1不同的實施方式2所涉及的斬波器電路控制裝置1的各部分的動作進行說明。

電壓比較部18在a-d轉換後的輸入電壓為電壓範圍的上限值以上的情況下，將電壓範圍的上限值作為輸入電壓來進行輸出。電壓比較部18在a-d轉換後的輸入電壓在電壓範圍內的情況下，即，在a-d轉換後的輸入電壓小於電壓範圍的上限值且大於電壓範圍的下限值的情況下，輸出經a-d轉換後的輸入電壓。電壓比較部18在a-d轉換後的輸入電壓在電壓範圍的下限值以下的情況下，將電壓範圍的下限值作為輸入電壓來進行輸出。

範圍計算部12根據電壓比較部18所輸出的輸入電壓和輸出電壓指令值來計算操作值範圍。在實施方式2中，範圍計算部12將輸出電壓指令值除以電壓比較部18所輸出的輸入電壓，將由此得到的值乘以第1比例常數後所得到的值設為操作值範圍的上限值，將輸出電壓指令值除以電壓比較部18所輸出的輸入電壓，並將由此得到的值乘以第2比例常數後所得到的值設為操作值範圍的下限值。電壓範圍的上限值和下限值是根據斬波器電路4的特性來決定的值，例如基於仿真的結果來決定。

在實施方式2所涉及的斬波器電路控制裝置1中，在經a-d轉換後的輸入電壓不在電壓範圍內的情況下，基於電壓範圍的上限值或下限值來計算操作值範圍。因此，例如即使在電壓傳感器2發生異常的情況下，也能對抑制操作值範圍大幅變動。

圖4是表示實施方式2所涉及的斬波器電路控制裝置所進行的斬波器控制的動作的一個示例的流程圖。步驟s10、s20的處理與圖2所示的實施方式1所涉及的斬波器電路控制裝置1所進行的處理相同。電壓比較部18在經a-d轉換後的輸入電壓在電壓範圍內的情況下(步驟s31：是)，輸出經a-d轉換後的輸入電壓，範圍計算部12利用輸出電壓指令值和該輸入電壓，來對操作值範圍進行計算(步驟s32)。

電壓比較部18在經a-d轉換後的輸入電壓不在電壓範圍內的情況下(步驟s31：否)，將電壓範圍的上限值或下限值作為輸入電壓來進行輸出，範圍計算部12利用輸出電壓指令值和電壓範圍的上限值或下限值，來對操作值範圍進行計算(步驟s33)。步驟s40、s50、s60、s70的處理與圖2所示的實施方式1所涉及的斬波器電路控制裝置1所進行的處理相同。此外，步驟s31、s32、s33的處理也可以與步驟s10、s20的處理並列進行。另外，也可以在步驟s10、s20的處理之前進行步驟s31、s32、s33的處理。

如以上說明的那樣，根據實施方式2所涉及的斬波器電路控制裝置1，能一邊將斬波器電路4的輸出電壓維持在規定範圍內，一邊維持斬波器電路4的驅動。另外，即使在對斬波器電路4的輸入電壓進行檢測的電壓傳感器2發生異常的情況下，也能將斬波器電路4的輸出電壓維持在規定範圍內，因此，能提高斬波器電路4的輸出電壓的控制精度。

本發明的實施方式並不限於上述實施方式。操作值範圍可以是僅規定了上限值的範圍，也可以是僅規定了下限值的範圍。例如，在操作值範圍僅規定了上限值的範圍的情況下，斬波器電路控制裝置1在操作值為操作值範圍的上限值以上的情況下，利用操作值範圍的上限值來對斬波器電路4的佔空比進行控制，在操作值小於操作值範圍的上限值的情況下，利用操作值來對斬波器電路4的佔空比進行控制。同樣，電壓範圍可以是僅規定了上限值的範圍，也可以是僅規定了下限值的範圍。

包含上述斬波器電路控制裝置1且搭載於電車的輔助電源裝置在操作值不在操作範圍內的情況下，也可以輸出表示操作值不在操作值範圍內的通知，並將該通知顯示在位於駕駛室的顯示器上。通過顯示上述通知，例如能促使對電壓傳感器6的異常採取對策。

上述實施方式都可以在本發明的內容的範圍內進行各種變形。上述實施方式用於對本發明進行說明，並非意在對本發明的範圍進行限定。本發明的範圍由所附加的權利要求來表示而並非由實施方式來表示。在權利要求的範圍內，以及與發明的權利要求等同的範圍內所完成的各種變形均包含在本發明的範圍內。

標號說明

1斬波器電路控制裝置

2、6電壓傳感器

3、5電容器

4斬波器電路

11、13a-d轉換器

12範圍計算部

14電壓指令控制部

15電壓控制部

16比較部

17比較器

18電壓比較部

41開關元件

42二極體

43電感器