混合方式的驱动装置.pdf

本发明提供一种混合方式的驱动装置。由发动机驱动的发电机G的输出无须暂时充电到电池中，而是通过转换器(10)直接连接到马达(7)。发电机G的各相输出被输入到转换器(10)。时序控制部(126)通过控制转换器(10)内的晶闸管(101)桥式电路的导通相位来调节输出电量。用于相位控制的同步基准是根据发电机G的副绕组(26)的输出波形而形成。电压检测部(124)把向马达(7)施加的电压作为马达转速检测出来，通过增减导通角，将被检测出的电压维持在目标值。由此可简化混合方式的驱动装置的控制装置。

1.  一种混合方式的驱动装置，具有由发动机驱动的发电机、和对把从该发电机输出的交流电力作为电力供给源的马达进行电力供给量控制的输出控制装置，其特征在于，
具有对所述发电机的各相输出进行切换的切换电路，
所述输出控制装置包括：
同步基准计算单元，根据所述发电机的输出频率，计算出与该发电机的各相输出同步的同步基准；
速度检测单元，用于检测出所述马达的转速；
计算单元，根据由所述速度检测单元检测出的转速进行对应设定目标值的修正，并决定速度目标值，
所述输出控制装置通过根据用于把由所述速度检测单元检测出的转速控制为所述速度目标值的导通角以及所述同步基准，控制所述切换电路，来切换所述发电机的各相输出。

2.  根据权利要求1所述的混合方式的驱动装置，其特征在于，所述速度检测单元是用于检测代表所述马达转速的施加电压的检测单元，所述输出控制装置包括导通角决定单元，其在所述施加电压高于对应所述速度目标值的电压指令值时减小导通角，在低于所述电压指令值时，增大导通角。

3.  根据权利要求2所述的混合方式的驱动装置，其特征在于，具有检测所述马达的负荷状态的负荷检测单元和对应被检测出的负荷状态修正所述导通角的单元。

4.  根据权利要求1所述的混合方式的驱动装置，其特征在于，所述发电机在其输出绕组中，具有向所述马达供给电力的主绕组和与该主绕组分离设置的副绕组，
所述同步基准计算单元根据所述副绕组的输出计算出所述同步基准。

5.  根据权利要求4所述的混合方式的驱动装置，其特征在于，所述同步基准被作为在计算出该同步基准后的下一个周期中对从所述切换电路输出的所述主绕组的输出波形进行相位控制时的控制基准来使用。

6.  根据权利要求1所述的混合方式的驱动装置，其特征在于，适用于由所述发动机及以该发动机作为动力源的所述马达驱动的操作机。

7.  根据权利要求1所述的混合方式的驱动装置，其特征在于，所述发电机具有主绕组和与该主绕组分离卷绕的副绕组，所述同步基准计算单元对于该副绕组的输出周期的每一个周期决定同步基准，
为了消除所述输出控制装置的输出电压与规定的目标电压之间的电压差，以对应该电压差而决定的导通角进行所述切换电路的切换控制。

8.  根据权利要求7所述的混合方式的驱动装置，其特征在于，所述同步基准被用作在刚决定了该同步基准之后的周期中由所述切换电路进行的关于对应交流输出波的切换控制的基准。

9.  根据权利要求7所述的混合方式的驱动装置，其特征在于，具有检测所述切换电路的输出负荷电流的电流检测单元和对应所述负荷电流的大小修正所述导通角的负荷控制单元。

10.  根据权利要求7所述的混合方式的驱动装置，其特征在于，具有生成利用所述副绕组的输出驱动所述输出控制单元的控制电源的驱动电源生成单元。

11.  根据权利要求7所述的混合方式的驱动装置，其特征在于，将受所述切换电路切换控制的发电机的输出作为向马达直接供给的无电池混合形式的动力源。

混合方式的驱动装置
技术领域
本发明涉及具备发动机和电动机(马达)的混合方式的驱动装置，特别是关于不将发电机的输出蓄积到电池等中而直接向马达供给的混合方式的驱动装置。
背景技术
近年来，提出了作为动力源而混合使用发动机和马达的所谓的混合方式的操作机械的技术方案。例如，在特开2001-161114号公报中所公开的安装在行驶车辆上的乘人农用操作机械中，向操作机侧的驱动系统和配置在行驶车辆侧上的发电机的驱动系统传导发动机的动力。而且，因操作机的工作状态而发动机的负荷变小时，用发动机的剩余动力驱动发电机，把剩余能量作为电能蓄积在电池中。这种乘人农用操作机是一种能够将发动机的负荷保持在适当的范围内，并且能够把电池作为马达的驱动源加以利用的重视能量效率的混合方式操作机。
在特开2001-161104号公报中公开了一种混合方式的管理机，该管理机使用发动机的动力进行管理机主体的行驶驱动和发电机驱动，而管理机(操作机)由以利用发电机充电的电池为电源的马达驱动。该管理机着眼于改善可简化复杂的操作机操作机构的马达的易控性，从而可提高操作性。
[专利文献1]特开2001-161114号公报
[专利文献2]特开2001-161104号公报
但是，上述以往的混合方式的操作机和管理机都必须有用于暂时蓄积被发动机驱动的发电机的输出电力的电池。因此，即使是小型的操作机，由于存在配置电池的部分，所以必然导致体积增大、重量增加。特别是在发电机的输出容量小的情况下，容易因负荷的变化使电源发生变化，因此要使用电池来抑制该电源的变化。所以，如果不具备电池，则在负荷变化大的情况下会产生容易出现输出不稳定的问题。
发明内容
本发明的目的是解决上述的问题，提供一种即使不将发电机的输出暂时充电到电池中，也能够稳定地驱动马达的混合方式的驱动装置。
为了达到上述的目的，本发明提供一种混合方式的驱动装置，具有由发动机驱动的发电机、和对把从该发电机输出的交流电力作为电力供给源的马达进行电力供给量控制的输出控制装置，其特征在于，具有对所述发电机的各相输出进行切换的切换电路，所述输出控制装置包括：同步基准计算单元，根据所述发电机的输出频率，计算出与该发电机的各相输出同步的同步基准；速度检测单元，用于检测出所述马达的转速；计算单元，根据由所述速度检测单元检测出的转速进行对应设定目标值的修正，决定速度目标值，所述输出控制装置通过根据用于把由所述速度检测单元检测出的转速控制为所述速度目标值的导通角、以及所述同步基准，控制所述切换电路，来切换所述发电机的各相输出。
本发明之2的特征在于，作为检测代表所述马达的转速的施加电压的检测单元，所述输出控制装置包括导通角决定单元，其在所述施加电压高于对应所述速度目标值地电压指令值时减小导通角，在低于所述电压指令值时，增大导通角。
本发明之3的特征在于，具有检测所述马达的负荷状态的负荷检测单元和对应被检测出的负荷状态修正所述导通角的单元。
本发明之4的特征在于，所述发电机在其输出绕组中，具有向所述马达供给电力的主绕组和与该主绕组分离设置的副绕组，所述同步基准计算单元根据所述副绕组的输出计算出所述同步基准。
本发明之5的特征在于，所述同步基准被作为在计算出该同步基准后的下一个周期中对从所述切换电路输出的所述主绕组的输出波形进行相位控制时的控制基准来使用。
本发明之6的特征在于，适用于由所述发动机及以该发动机作为动力源的所述马达驱动的操作机。
本发明之7的特征在于，具有同步基准决定电路，对于该副输出绕组的输出周期的每一个周期决定同步基准，为了消除所述输出控制电路的输出电压与规定的目标电压之间的电压差，以对应该电压差而决定的导通角进行所述切换电路的切换控制。
本发明之8的特征在于，所述同步基准被用作在刚决定了该同步基准之后的周期中的由所述切换电路进行的关于对应交流输出波的切换控制的基准。
另外，本发明之9的特征在于，具有对应所述输出负荷电流的大小修正所述导通角的负荷控制单元。
另外，本发明之10的特征在于，具有生成利用所述副输出绕组的输出，驱动进行各相切换的切换电路的驱动电源生成单元。
并且，本发明之11的特征在于，所述发电机由发动机驱动，将受所述切换电路切换控制的发电机的输出作为向马达直接供给的无电池混合形式的动力源。
根据本发明之1、7的特征，由于对发电机的各相的输出，通过在与其同步的状态下直接改变切换控制的导通角，由此来把马达转速控制在目标值，所以与发电机的转速变化无关，可稳定地控制马达转速。因此，即使不将发电机的输出暂时充电到电池中等，也能够稳定地驱动马达。
根据本发明之2的特征，能够根据马达的施加电压，简单地通过与发电机的各相输出同步的相位控制，来控制马达的转速。
根据本发明之3的特征，能够对应马达的负荷变化容易地修正发电机的输出。
根据本发明之4的特征，由于副绕组与主绕组分离，所以能够从不象主绕组那样受负荷影响的副绕组的输出中决定同步基准。
根据本发明之5的特征，由于能够在计算出根据副绕组的输出而形成的同步基准后的1个周期内立即使用该同步基准，所以可进行高精度的相位控制。
根据本发明之6的特征，由于马达不受发动机的旋转变化的影响，所以可独立使用发动机及马达的输出。例如，可在割草机的割草刀的驱动中使用发动机，作为割草机的行驶用而独立使用马达，在这种情况下，能够实现与发动机负荷的变化无关的恒速行驶。
根据本发明之8的特征，由于能够在计算出根据副绕组的输出而形成的同步基准后的1个周期内立即使用该同步基准，所以可进行高精度的相位控制。根据本发明之9的特征，可容易地对应负荷的变化。
根据本发明之10的特征，由于副绕组与主绕组分离，所以能够从不象主绕组那样受负荷影响的副绕组的输出中决定同步基准。
根据本发明之11的特征，可实现不受发动机的转速变化影响的无电池混合方式的系统。
附图说明
图1是表示本发明一实施例的操作机械的驱动装置的结构的图。
图2是表示本发明一实施例的割草机的立体图。
图3是表示本发明一实施例的割草机的局部俯视图。
图4是表示发电机定子结构的主视图。
图5是表示根据三相控制电源用电压的切换控制的时序图。
图6是表示根据单相控制电源用电压的切换控制的时序图及表示马达电流和电压关系的图。
具体实施方式
下面，结合附图，对本发明一实施例进行详细说明。图2是表示具有本发明一实施例的混合方式的驱动装置的割草机的全体立体图。图3是割草机的局部俯视图。在图2中，在割草机的割草箱1的前部悬挂一对前轮Wf、Wf，在后部悬挂一对后轮Wr、Wr。在割草箱1的中央部设置曲轴为上下延伸的垂直型发动机E，在发动机E的上方突出部盖有发动机罩C。发动机E的转速能够进行多级切换，例如可在3000、2500、2000rpm之间进行切换，并且通过利用机械式控制器的控制来维持这些转速。在割草箱1的后部两侧设有朝向后方向后上方延伸的操作柄H，并且，在割草箱1的后部，设有用于收集被割下的草的储草袋B。
在图3中，割草箱1的中央部形成其下面，即地面侧为开放的中空圆筒状的空间，该空间为收容叶片式割草刀4的割草室3。叶片式割草刀4与发动机E的曲轴5连接，在发动机E的驱动下在割草室3内旋转。在割草箱1的行进方向的右侧形成有从割草室3的出口向后方延伸，通向所述储草袋B的排出口2。被叶片式割草刀4割下的草等通过该草排出口2被收集到储草袋B中。
在割草箱1的后部左右两侧，配置有后轮支撑部件14、14，在该支撑部件14、14上支撑(架设)后轮Wr、Wr的轮轴16、16。用连接轴19将左右两个支撑部件14、14相互结合，并设有与该连接轴19平行的输出轴17、18。输出轴17及输出轴18的一端与马达7连接，输出轴17及输出轴18的另一端分别向所述支撑部件14、14侧延伸，通过减速齿轮机构8与后轮Wr、Wr的轮轴16、16连接。
在覆盖发动机E上部的发动机罩C内，收容有未图示的反弹式启动机，在发动机罩C中保持有与反弹式启动机的启动拉绳(未图示)结合的启动拉手15。
图1是表示割草机的驱动装置的结构的方框图。发电机G例如是具有磁铁转子的外转子式三相交流发电机，其由与所述发动机E相结合的转子和对应该转子的定子构成。定子由主绕组25和副绕组26构成。从发电机G的主绕组25抽出的三相输出通过电力线11与作为马达7的输出控制电路的DC转换器10连接。DC转换器10是由晶闸管101a、101b及101c(以下统称为“晶闸管101”)和二极管102a、102b及102c构成的桥式电路。DC转换器10对输入的交流进行相位控制，然后提供给马达7。马达7是直流电刷马达。
由控制装置12对晶闸管101进行相位控制，使其控制马达7的转速，从而使马达7的转速达到目标速度。即，通过控制晶闸管101的导通角来控制发电机G的输出交流波形内的导通比例。控制用电源由发电机G的副绕组26的三相输出形成。副绕组26的三相输出线与全波整流器13连接，其输出作为控制用电源输入给控制装置12。
控制装置12具有驱动电源生成部120、控制用恒定电压生成部121、相位检测部122、发动机转速检测部123、电压检测部124、电压指令值生成部125和时序控制部126。
驱动电源生成部120生成晶闸管101的驱动用电源。控制用恒定电压生成部121生成作为驱动控制装置12的各个部分的电源的恒定电压电源。相位检测部122通过检测副绕组26的一相的波形来检测出发电机G的输出波形的相位。被检测出的输出波形的相位被用于后述的同步基准计算。发动机转速检测部123利用在发电机G的一周旋转中副绕组26的一相的波形出现的次数(例如在21极的情况下为7次)，检测出发电机G的旋转周期，即驱动发电机G的发动机E的转速。
电压检测部124用于检测出从DC转换器10施加于马达7的电压。向马达7施加的电压代表马达7的转速。电压指令值生成部125决定作为为了使马达7转速(即割草机的速度)达到期望值的施加电压基准值的电压指令值(即速度目标值)。对应由割草机的操作者例如使用带有操作钮的可变电阻器所指示的速度指示值来决定电压指令值。电压指令值生成部125可以是当输入了速度指示值后，使用预定的运算式来计算出电压指令值的单元，也可以是把速度指示值作为地址来输出电压指令值的存储器。
时序控制部126将由电压检测部124检测出的马达7的施加电压与在电压指令值生成部125决定的电压指令值进行比较，根据该比较结果决定晶闸管101的导通开始相位。晶闸管101在由时序控制部126决定的导通开始相位被导通，以所希望的相位角进行切换控制。即，驱动晶闸管101，使其在施加于马达7的施加电压比作为目标电压值的电压指令值高的情况下，减小导通角，在施加电压比电压指令值低的情况下增大导通角，由此消除施加电压相对电压指令值的差。
切换控制部根据发电机G的输出波形的相位，即相位检测部122检测出的相位取得同步。为了进行该同步控制，设有对副绕组26的输出波形的周期进行计数的计数器，在经过了根据该计数值所设定的时间时，输出与各相同步的驱动信号。关于同步控制将在后面的参照图5进行进一步的说明。
并且，即使在发动机转速发生变化的情况下，以在前一次，即在前一次的循环周期计算出的同步信号为基准，也能够进行几乎无延迟的跟踪，因此，可以将马达7的转速稳定地维持在希望值上。发动机转速被反馈到电压指令值生成部125，当转速下降时，判断为发动机负荷过大，通过降低向马达7的通电量来降低转速。本实施例的割草机通过以降低行驶速度的方式来降低被发动机驱动的割草刀的割草量，以此来减小发动机的负荷。并且设有用于检测马达7的通电电流的电流检测部128及负荷控制部129。根据马达7的通电电流的大小来检测出负荷状态，在负荷控制部129中，为了能够对应该负荷维持马达的转速，决定对应负荷大小，即通电电流值的修正值，并提供给电压指令值生成部125。例如，在进行爬坡行驶的情况下，由于马达7的负荷增大，所以进行增加马达7的通电电流的修正，由此来获得与负荷相适应的马达输出。
图4是表示发电机G的定子的主视图。在该图中，定子的铁芯21由相互叠层的多片铁芯板构成，具有形成圆板状的在中心部包括用于安装固定在机体上的嵌合孔22的铁芯基部23。在铁芯基部23的外周上形成有呈放射状突出的21个突极24a～24u。突极24a～24u中的24a～24o上缠绕有主绕组25，在突极24p～24u上缠绕有控制电源用的副绕组26。主绕组25是用于输出具有U相、V相及W相的3相马达用电力的线圈，分别对应各相，把5个线圈组成一组。副绕组26是用于输出具有U相、V相及W相的3相控制电源用电力的线圈，分别对应各相，把2个线圈组成一组。
图5是DC转换器10的切换控制的时序图。图5上段的波形是用于形成同步基准的发电机输出的1相(这里设为U相)的电压波形。该波形(以下称为“基准电压波形”)由相位检测部122根据副绕组26的输出检测出来。在图5的中段，是表示对基准电压波形的1个周期进行计数的内部计数器的状态的线图，和用于形成各相的同步基准的计数值。图5的下段的波形是转换器10的输出，即发电电压的波形。图5中所表示的各个波形为模式化波形，即单纯化波形。
计数器在基准电压波形为O的下降时刻t0被复位清零。然后，在下一个基准电压波形的下降时刻t1，为了对基准电压波形的周期进行计数而保存计数值(以下把计数值称为计数值C)。在保存了计数值C后，为了进行下一次的计数，将计数值清零。被保存的计数值C，即作为副绕组26的输出波形的基准电压波形的周期，与从主绕组25输出的交流波形的周期相对应。因此，使用根据该计数值C而形成的同步基准，能够对主绕组25的各相的输出交流进行切换控制。
把从时刻t1经过了计数值C的时刻，即时刻t2作为U相的晶闸管切换基准。V相晶闸管的切换基准是以从时刻t1经过了相当于计数值C的1/3的时间的时刻为基准。W相晶闸管的切换基准是以从时刻t1经过了相当于计数值C的2/3的时间的时刻为基准。这些基准是导通角为0°时的位置，使导通角在从该基准至最大负240°的范围内变化。
即，在使导通角为最大时，在U相中，在从由时刻t1经过了相当于计数值C的1/3的时间的时刻到经过了相当于计数值C的时间的时刻，使晶闸管点弧(导通)。在V相中，在从时刻t1到经过了相当于计数值C的1/3的时间的时刻，以及在从由时刻t1经过了相当于计数值C的2/3的时间的时刻到经过了相当于计数值C的时间的时刻，使晶闸管点弧(导通)。在W相中，在从时刻t1经过了相当于计数值C的2/3的时间的时刻，使晶闸管点弧(导通)。
图5下段的波形表示在虚线表示的范围内，导通角，即晶闸管101的在各相的晶闸管的点弧(导通)时间的一例。这里所表示的是相对于导通角为120°，即晶闸管的最大导通角的导通比例为50％的示例。
在上述的实施例中，副绕组26是与主绕组25相同的三相绕组，但也可以是单相的副绕组26。
图6是根据单相控制电源用电压的DC转换器10的切换控制的时序图。图6上段的波形是从单相取出的基准电压波形。图6的中段表示对基准电压波形的1个周期进行计数的内部计数器的状态。图6下段的波形是转换器10的输出，即发电电压的波形。在图6中所表示的波形也为模式化表示，即单纯化表示。
关于图6的操作，虽然与已说明的关于图5的操作相同，但在根据单相基准电压波形来控制三相主绕组25的输出控制这一点上不同。因此，根据计数值C的同步基准被设定为，按照单相及三相中的各个相位的不同，分别从时刻t2、t3、t4对各相依次偏离中心60°的位置t2a、t3a、t4a。
例如，把从时刻t1经过了计数值C的时刻，即从时刻t2向负方向偏移60°(相当于计数值C的1/6的时间)的时刻作为U相的晶闸管的切换基准。V相的晶闸管的切换基准是从时刻t1经过了相当于计数值C的1/6的时间的时刻。W相的晶闸管的切换基准是，从时刻t1经过了相当于计数值C的1/2的时间的时刻。这些基准是导通角为0°的位置，与三相的情况相同，导通角在从该基准至最大负240°的范围内变化。
在上述的实施例中，根据马达7的通电电流检测出马达7的负荷状态，对应该负荷状态而获得修正的输出。但是，本发明不限于该实施方式，也可以省略对应负荷状态的修正。
在本实施例中，虽然是把对发动机驱动发电机的输出进行相位控制的马达驱动用系统作为示例，但本发明不限于此。发电机不限于发动机驱动式，与DC转换器连接的负荷也不限于马达。