JP2004519080A - 汎用のハードウエア／ソフトウエアによる高周波信号のフィードバック制御 - Google Patents

Abstract

【課題】ソフトウエアとハードウエアとのハイブリッドなソリューションによる回路用フィードバックループ制御をリアルタイムで行うための装置と方法と、を提供すること。
【解決手段】閉ループフィードバック制御を行うための方法と装置が、提示されている。この方法は、両方の有効な特質を利用するために、ソフトウエアとハードウエアのハイブリッドなソリューションから成る。このデバイスによって出力されたアナログ信号は、全ての必要な高周波情報を維持するために十分な率でサンプリングされ、かつ、ハードウエア内で高速で前処理される。この前処理段階の出力は、次に、非常に低い速度でソフトウエア内で演算処理される。この方法と装置は、デジタル領域におけるフィードバック信号の複雑なリアルタイム処理を可能にするにも関わらず、利用される標準的なマイクロ制御装置のコスト効率とプログラミングの柔軟性とを可能にする。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、回路用の閉ループフィードバック制御を行うための方法と装置に関する。本発明は、特に、照明用途に使用される高周波スイッチングモード電力変換器のフィードバック制御に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
照明用途のための将来の高機能な電力管理システムには、ネットワーク制御と通信能力とを有する電子バラストが必要になるであろう。更に、このような電子バラストは、汎用でなければならない。これは、ランプのタイプが異なっていてもそれを駆動し、かつ全世界で動作可能でなくてはならない。すなわち、ＡＣ電源電圧が異なっていても動作可能でなくてはならない。
【０００３】
電子バラストは、特定周波数のほぼ正弦波によって、ランプを駆動する。バラストによる駆動パルス出力は、通常、（例えば、半ブリッジ電力変換器のような）スイッチングモード電力変換器の出力を、一つ以上結合させたものである。これらの電力変換器出力の波形は、通常矩形であるが、ランプに印加される前に、ＬＣタンクを介して渡されると、ランプに印加されるそれはほぼ正弦波形になる。
【０００４】
ランプ駆動回路に使用されるスイッチングモード電力変換器の出力信号は、その周波数が変換器のスイッチング周波数に等しい、周期的な波形である。これらの出力信号の幅と周波数は、ランプに分配される強度を決定し、かつ従って、電力を決定する。これらのスイッチングモード電力変換器の出力信号を適切に調整するには、閉フィードバックループが必要である。フィードバックループは、バラストからの出力電圧波を継続的に制御することが出来るように、ランプ全体に掛かる電圧とランプを流れる電流を継続的に電子バラストに伝えるために使用される。
【０００５】
汎用バラストの場合、この制御は、柔軟かつプログラミング可能であるべきである。バラストは、例えば、少なくとも実際のランプ電力、平均的な整流化されたランプ電流、または整流化されたランプ電圧を計算することが出来るべきである。従って、理想的なバラストは、ランプ電流の調整、ランプ電圧の調整、実電力の調整、またはこれらの制御方法の組合せのような、様々な制御機構を実行することが出来るように、プログラミングを行うこと出来るべきである。このような柔軟性は、様々なタイプのランプを駆動することを可能にする、バラスト市場で重要性が益々高まっている機能である。
【０００６】
残念ながら、現行のバラスト制御システムは、柔軟性も汎用性もない、または、プログラミングは可能であるがリアルタイム制御は不可能である、の何れかである。電力変換器内の電流フィードバックループは、ほとんどの場合、アナログハードウエア内で実行される。従って、これらは、抵抗器、コンデンサ、動作可能な増幅器、コンパレータ、およびアナログ集積回路制御装置のような、数多くの個別素子を有する。このようなフィードバックループの実行は、必然的に結線接続によるものとなるので、プログラミングが全く不可能である。
【０００７】
電子バラストのための既存のフィードバック電力変換器を制御するために採用される他の方法は、アナログ入力信号をデジタル化するための低速アナログ・デジタル変換器を含む、マイクロ制御装置による低コストの集積回路を使用することである。図１に、２つのフィードバック信号Ａ１０１とＢ１０２によって動作するこのようなシステムが表されている。これらのアナログ入力信号Ａ１０１とＢ１０２は、通常、ランプから来る電圧信号と電流信号である。このような方法の場合、標準的なマイクロ制御装置の処理速度が制限されているため、これらのアナログのランプ信号のサンプリング速度を遅く保たなければならない。この結果、低速のデジタル化されている信号を、マイクロプロセッサが実行する制御アルゴリズムによる演算処理のためにマイクロ制御装置に送るためには、フィードバック信号の帯域幅を、著しく減少させなければならない。帯域幅をこのように減少させるためには、ランプから来る高周波アナログ信号を、これらを低速アナログ・デジタル変換器によってデジタル化する前に、まずアナログローパスフィルタによって処理しなければならない。このようなローパスフィルタは、各々、ＬＰＦ １０５とＬＰＦ １０６として表されている。帯域幅が、一度アナログフィルタによって制限されると、低周波信号１０７と１０８を、各々、アナログ・デジタル変換器１１０と１１１によって、デジタル領域に変換することが出来る。これらの信号は、一度低サンプリング速度でデジタル化されると、マイクロ制御装置１１５に供給される。このマイクロ制御装置１１５は、これらの信号に演算処理を行い、かつ、これによって、ランプを駆動するパルス幅モジュレータ１２０に送られる制御信号を生成する。
【０００８】
上述の２つの方法の各々には、本質的に重大な問題がある。アナログハードウエアによるフィードバックの実行には、幾つかの個別素子が含まれる。素子が多くなる程、実際の素子と、製造、設計、互換性、および試験の考慮事項との両方にかかるコストは、大きくなる。更に、純粋なハードウエアによるアナログフィードバックの実行は、安定した動作を保証するための特定の用途に限定されるであろう。個別アナログ素子を使用した場合、アナログ信号処理は、実行は可能でも、プログラミングは全く不可能なため、所定の用途に最適なフィードバックループは、この１つの用途にしか最適に機能しない。柔軟性は、失われてしまう。これでは、電力変換器を異なる入力電圧によって動作させる必要があり、かつ、広範な起こり得る負荷を駆動させることが出来なければならない汎用バラストのような用途には、有効ではない。
【０００９】
更に、個別アナログ素子によって実行可能な信号処理の複雑さには、限界がある。また実際には、制御システムにおけるアナログ信号処理は、急速に廃れつつある。
【００１０】
他方、スイッチングモード電力変換器の出力信号は、変換器のスイッチング周波数に等しい周波数の周期的な波形をしているため、いかなる最適なフィードバック制御ループの場合においても、これらの出力信号に含まれている高周波情報を維持することが、望ましい。ランプ信号は、通常、これらを駆動する電力変換器のスイッチング周波数に等しい基本的な周波数と、これらに含まれている多数の高次数の高調波周波数と、を有する。存在する高調波が、ランプ電力に影響を及ぼす。高次数の高調波による影響は、ランプの調光レベルに比例して増加する。換言すれば、ランプの電力が低い程、高次数の高調波の貢献度が大きくなる。これが通常起こる理由は、半ブリッジ出力における矩形波形のパルス幅が、低い調光レベルで減少し、この結果、ローパスフィルタに供給される信号の高調波含有量が増加するためである。更に、ランプのインピーダンスが、低い調光レベルで増加して、フィルタのロールオフに影響を及ぼし、これが今度は、ランプを直接駆動する信号の高調波含有量を増加させてしまう。
【００１１】
高次数の高調波に含まれている情報を維持するためには、高いサンプリング率が必要である。周知のナイキストの標本化定理（Ｎｙｑｕｉｓｔ Ｓａｍｐｌｉｎｇ Ｔｈｅｏｒｅｍ）では、連続的な時間信号を完全に特徴付けるために使用しなければならないサンプリング周波数が、一連の個別サンプルによって決定される。ナイキストの定理は、このサンプリング周波数の高さが、最大信号周波数の少なくとも二倍でなければならないと述べている。
【００１２】
マイクロ制御装置による集積回路フィードバックループの制御が望ましい場合、ランプ回路の出力を、最大スイッチング周波数の最も高い関連する高調波の二倍でサンプリングする必要がある。例えば、ランプの最大スイッチング周波数が１００ Ｈｚで、かつ、必要な正確度のために、第１〜第５高調波の影響を無視することが出来ない場合、以下の式が成立する。
【００１３】
ｆｓ≧２ ＊ ５＊ ｆ_ＨＢ
すなわち、サンプリング周波数ｆｓは、半ブリッジスイッチング周波数である基本周波数ｆ_ＨＢの第５高調波の２倍（または１０倍）に等しいか、またはこれを上回らなければならない。従って、ランプの最大周波数が１００ ＫＨｚである上述の例の場合、サンプリング周波数は、１ ＭＨｚよりも高くなければならない。
【００１４】
他方、最大スイッチング周波数が１００ ＫＨｚで、かつ、制御アルゴリズムの正確度要件から、第１６次高調波に含まれている情報を無視することが出来ない場合、サンプリング周波数を、３．２ ＭＨｚ以上にしなければならない。最新のマイクロ制御装置によるフィードバック制御ループに通常使用される標準的なマイクロ制御装置（例えば、インテル８０Ｃ５１）は、このような高速度でサンプルを処理することが出来ない。
【００１５】
上述の説明から、現在は専用のアナログハードウエアを実行しなければ達成することが出来ない即時性と速度で、デジタル化されている信号に演算を行うソフトウエアソリューションをプログラミングすることが出来る柔軟性と、複雑な信号をリアルタイムで処理することが出来る能力との両方を提供することが出来る、電気ランプ用のフィードバック制御ループを、この技術分野で実行する必要性が著しいことは、明らかである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
従来技術の上述の欠点は、ソフトウエアとハードウエアとのハイブリッドなソリューションによる回路用フィードバックループ制御をリアルタイムで行うための装置と方法に関する本発明の教示によって、解決される。この回路は、好ましい実施例では、高周波電力変換器を制御するために閉フィードバックループが利用される、電気照明を制御するデジタル電子バラストに使用されている。このような電力変換器は、多くの場合、蛍光灯に使用される半ブリッジ変換器であるが、本発明は、ＨＩＤランプを制御するために使用される全ブリッジ電力変換回路に容易に拡張することが出来る。何れの場合においても、駆動出力はＡＣパルスの列である。
【００１７】
回路出力から制御装置へ流れるフィードバック信号は、専用のハードウエア内で前処理された後、プロセッサに出力される。このプロセッサは、ソフトウエア内で実行される制御アルゴリズムに従って、それに入力される信号を演算処理する。
【００１８】
本発明の実施例を、図面を用いてより詳細に説明する。
【００１９】
【発明を実施するための形態】
次に、本発明の好ましい実施例を、図２と図３を参照して説明する。好ましい実施例が、ランプ電力を演算処理する制御アルゴリズムを有しているものとして、図示されている。スイッチングモード電力変換器の出力信号を調整するための、十分かつ正確なフィードバックループ制御が可能な制御アルゴリズムには、様々なタイプがあり、かつこれらを、例えば、電圧ベース、電流ベース、電力ベース、またはこれらの組合せとすることが出来る。同様に、他の回路パラメータを、制御アルゴリズムの演算子にすることも出来る。好ましい実施例に関するこの説明のために、図２においては、入力アナログ信号Ａ ２０１とＢ ２０２は、各々、ランプから来る電圧信号と電流信号を意味する。
【００２０】
ランプから来るアナログのフィードバック信号Ａ ２０１とＢ ２０２は、これらを各々、アナログ・デジタル変換器２０５と２０６を通過させることによってサンプリングされ、かつこれによってデジタル化される。本発明の方法と装置の場合、これらのアナログ・デジタル変換器で使用されるサンプリング率をプログラミングすることが出来る。従って、ユーザは、ランプの正確度要件と、電子バラスト内の電力変換器によって使用される最大スイッチング周波数と、制御アルゴリズムの必要な正確度要件に対応していると考えなければならない、最大スイッチング周波数の高調波と、に応じて、サンプリング率を計算することが出来る。
【００２１】
元のアナログ信号の量子化されたサンプルの連続である、アナログ・デジタル変換器２０５と２０６の出力は、乗算器ユニット２１０に供給される。この乗算器は、ここで説明している実施例の場合、電圧信号に電流信号を乗じるのみで、ランプの実際の電力を時間の関数として生成する。例えば、８ビットのサンプルを使用することによってアナログ信号をサンプリングすると、ランプを駆動する電力変換器の最大スイッチング周波数は１００ ＫＨｚとなり、かつ、必要な正確度を考慮すると、スイッチング周波数の第１６高調波の影響を考慮しなければならないため、サンプリング率の設定を基本周波数の３２倍にし、すなわち、サンプリング率を３．２ ＭＨｚにする必要があり、かつ、入ってくるデータストリームは、２５．６ Ｍｂｉｔ／秒になるであろう。このデータストリームは、リアルタイムで８ビット乗算しなければならないが、これは明らかに、標準的な低コストのマイクロ制御装置の能力を超えている。このため、高速な乗算は、専用のＤＳＰハードウエア、すなわち乗算器２１０で行われる。
【００２２】
実際の電力は、ハードウエアを処理する高速デジタル信号によって計算されるため、乗算器２１０は、サンプリングされた電圧信号とサンプリングされた電流信号とを乗じるのみで、図３の第３のプロット線で示されている、「乗算器出力」３０３という名称の一連のデジタルサンプルから成る乗算器出力を生じる。乗算器出力は、アナログ・デジタル変換器２０５と２０６の各出力だったデジタル化されている信号２０７と２０８と同じサンプリング率で伝達する、一連のデジタルサンプルから成る。上記のこのデータ率は、インテル８０５１等のような標準的な低コストのマイクロ制御装置よりも非常に高いため、ランプ内のデジタル化されている瞬間電力である、（電圧と電流との）積のデータストリームを、マイクロ制御装置２３０によって処理可能にするためには、減速しなければならない。これは、平均化装置
２２０によって行われる平均化によって達成され、かつ、この平均化された出力は、最終的に、マイクロ制御装置２３０に入力される。このマイクロ制御装置２３０は、この例の場合、ランプ電力を演算処理する制御アルゴリズムを実行する。平均化モジュールの出力は、図３に、「平均化出力（ＡＶＥＲＡＧＩＮＧ ＯＵＴＰＵＴ）」という名称の底のプロット線として、示されている。平均化装置の出力のサンプル率は、容易に理解することが出来るように、アナログ・デジタル変換器２０５と２０６で利用されている元のサンプリング周波数よりもかなり低い。明らかに、平均化出力のサンプル率は、プログラミングが可能であり、かつ、リアルタイム制御のためにソフトウエアで実行される制御アルゴリズムとのインタフェースのために必要なだけ、または望ましいだけ変化させることが出来る。図３では、平均化装置の出力３０４は、ランプの元のスイッチング周波数に戻るように、かつ従って、元のアナログ信号Ａ ３０１とＢ ３０２の周波数に等しくなるように、１６というダウンサンプリング率を使用することによって得られた。
【００２３】
平均化モジュール２２０の出力は、次に、レジスタ２２５に供給され、これは、マイクロ制御装置２３０によってアクセスされ、かつ、読み取られる。従って、（図３に示されている）平均化出力３０４の低いサンプル率で動作するマイクロ制御装置２３０は、一般に入手可能な低コストで低電力のマイクロ制御装置とすることが出来る。このマイクロ制御装置は、制御アルゴリズムに従って、その入力データストリームに演算処理を行い、かつ、フィードバックループの極とゼロを設定する。マイクロ制御装置の出力は、最終的に、ランプに分配される電圧パルスの幅と周波数とを調整する、パルス幅モジュレーション（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）モジュール２４０の入力になる。
【００２４】
上述の説明は、本発明の好ましい実施例を説明しているが、当業者は、本発明を、例えば、任意の波形を交流と直流の両方の駆動出力として有する回路に使用したり、かつ、好ましい実施例の回路を、各々が一つ以上のハードウエアのデータソースとソフトウエアのデータソースを有する任意数の出力信号に拡張するような、様々な修正態様と変更態様とを利用することが出来る、と理解すべきである。更に、この柔軟性を考慮すると、制御アルゴリズムは、任意の数の入力に演算処理を行い、かつ、制御アルゴリズムを実行するプロセッサに供給される広範囲の中間信号を計算することが出来る。このような変更態様は、請求項によってカバーされるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のマイクロ制御装置によるフィードバックループの実行を表す。
【図２】本発明を実行する例示的な回路を示す。
【図３】本発明の方法によって生成された様々な入力、中間信号、および出力信号に関する時間対振幅のプロット線を表す。
【符号の説明】
１０１Ａ…フィードバック信号
１０１Ｂ…フィードバック信号
１０５…ローパスフィルタ
１０６…ローパスフィルタ
１０７…低周波信号
１０８…低周波信号
１１０…アナログ・デジタル変換器
１１１…アナログ・デジタル変換器
１１５…マイクロ制御装置
１２０…パルス幅モジュレータ
２０１Ａ…入力アナログ信号
２０２Ｂ…入力アナログ信号
２０５…アナログ・デジタル変換器
２０６…アナログ・デジタル変換器
２０７…デジタル化されている信号
２０８…デジタル化されている信号
２１０…乗算器ユニット
２２０…平均化装置
２２５…レジスタ
２３０…マイクロ制御装置
２４０…パルス幅モジュレーションモジュール
３０１…元のアナログ信号
３０２…元のアナログ信号
３０３…乗算器出力
３０４…平均化出力

Claims (16)

1. ハードウエアでの高周波フィードバック信号の前処理と、ソフトウエアでの前記前処理された信号の演算処理とを有する、
   デバイスに対してフィードバック制御を行う方法。
2. 前記前処理が、ユーザ定義によるデジタル信号処理動作を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記デジタル信号処理動作が、リアルタイムで行われる、請求項２に記載の方法。
4. 前記デジタル信号処理動作が、全ての高周波情報を維持するために十分なサンプリング率を利用するアナログ・デジタル変換を有する、請求項３に記載の方法。
5. ソフトウエアでの前記前処理された信号への演算処理が、ユーザ定義による制御アルゴリズムの実行を有する、請求項４に記載の方法。
6. 前記制御アルゴリズムを、標準的なマイクロ制御装置に実行させることが出来る、請求項５に記載の方法。
7. 前記前処理が、更に、前記フィードバック信号の乗算と、このようにして得られた積の平均化とを有する、請求項６に記載の方法。
8. 前記デバイスが、ランプを動作させるためのバラスト回路である、請求項７に記載の方法。
9. 前記フィードバック信号が、前記ランプ全体に掛かる電圧と前記ランプを流れる電流とを有する、請求項８に記載の方法。
10. フィードバック信号を前処理するためのハードウエアと、
    ソフトウエア制御アルゴリズムを実行することによって、前記前処理された信号を演算処理するためのマイクロプロセッサと、
    を有する、フィードバック制御を行うための装置。
11. 前記ハードウエアが、
    アナログ・デジタル変換器と、
    高速デジタル処理回路と、
    を有する、請求項１０に記載の装置。
12. 前記高速デジタル処理回路が、更に、
    乗算器と、
    平均化モジュールと、
    を有する、請求項１１に記載の装置。
13. メモリ素子を更に有する、請求項１２に記載の装置。
14. 前記高速デジタル処理回路によって処理された前記サンプル率が、前記マイクロプロセッサの最大データ処理率を上回る、請求項１３に記載の装置。
15. 前記フィードバック制御が、照明デバイスに対して行われる、請求項１４に記載の装置。
16. 前記フィードバック信号が、
    前記ランプ電圧と、
    前記ランプ電流と、
    の少なくとも１つを有する、請求項１５に記載の装置。

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