JP2008512005A - パルス幅変調により電気光源を制御する方法 - Google Patents

Abstract

供給電圧のパルス幅変調により電気光源を制御する方法が紹介され、供給電圧又はそれに関係する量が測定され、それに関係してパルス幅が制御される。その際供給電圧又はそれに関係する量が、パルス中に少なくとも２回なるべく周期的に検出され、現在又は次のパルスのパルス幅が、検出された供給電圧又はそれに関係する量に関係して合わされる。
なるべくこのパルスのすべての測定値から合計値が求められ、この合計値が所定値と比較され、次のパルスのパルス幅が、所定値と求められた合計値との偏差に関係して合わされる。
これは、特に次のようにして行うことができる。即ち特性曲線が規定され、この特性曲線から、供給電圧又はそれに関係する量に関係して、パルスのそれぞれの１００％特性値が、供給電圧を永続的に接続しながら生じ、各パルスのために、その開始の直前又は開始の際、現在の供給電圧又はそれに関係する量が求められ、特性曲線から対応する１００％特性値が求められ、所定値（Ａｓｏｌｌ）及び先行するパルスとの偏差（Ａ（ｎ）−Ａｓｏｌｌ）から、次のパルスのための修正された所定値が求められ、修正された所定値と１００％特性値の商から現在のパルスのパルス幅が誘導される。
【選択図】図８

Description

本発明は、パルス幅変調により電気光源を制御する方法に関する。自動車における外部照明は、従来技術によれば、白熱灯、放電灯又は発光ダイオード（ＬＥＤ）により実現される。パルス幅変調の際、スイッチング手段一般に電力ＭＯＳＦＥＴを介して、供給電圧が光源へ送られ、その際供給電圧又はそれに関係する量例えば電流又は電力が測定され、それに関係してパルス幅が制御される。非常に慣性的な白熱灯又はガス放電灯とは異なり、ＬＥＤは非常に速い反応時間を持ち、それにより例えば停止灯として信号作用が有利な影響を受け、他方供給電圧の変動の際光度における明らかな変調を生じる。自動車に使用する場合、照明能力をできるだけ一定に保たねばならないが、自動車の車載電源における低い供給電圧及び大きい負荷変動のため、部分的に著しい電圧変動が発光手段に起こる。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８０４５３９号明細書から、特に自動車の前照灯にかかる電圧を安定化する回路が公知である。この発明の重要な特徴は、電灯の電流回路に、制御回路により制御可能な付加的スイッチが含まれ、供給電圧が電灯の所定の定格動作電圧より小さいと、このスイッチがスイッチングの制御回路を付勢状態に保って、電灯が連続的に「低すぎる」供給電圧を供給されるようにし、供給電圧が電灯の定格動作電圧より大きいと、タイムスイッチの制御回路が、定格動作電圧と印加される供給電圧との比の２乗に等しい付勢期間と周期との比で、周期的に開閉するようにしている。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９７３４１０７号明細書には、（電源交流電圧を持つ）公知の減光器が開示されている。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１２２４０９号明細書から、電灯特に自動車の前照灯の電圧を安定化する回路が公知である。この発明の重要な特徴は、電灯の電流回路に、制御回路により制御可能な付加的スイッチが含まれ、供給電圧が電灯の所定の定格動作電圧より小さいと、このスイッチがスイッチの制御回路を付勢状態に保って、電灯が連続的に「低すぎる」供給電圧を供給されるようにし、供給電圧が電灯の定格動作電圧より大きいと、タイムスイッチが、定格動作電圧と印加される供給電圧との比の２乗に等しい付勢期間と周期との比で、周期的に開閉するようにしている。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１１５７５９号明細書には、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１２２４０９号明細書に対比可能な回路が開示されている。しかしこの発明では、制御装置にある参照用テーブルを介して特性値が記憶されている。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１０５９０３号明細書には、自動車の照明装置を制御する別の装置が開示されており、制御はパルス幅変調を介して行われる。

従って本発明の課題は、照明手段特に発光ダイオードを制御するのに適した方法を紹介することである。

この課題は、独立請求項の特徴によって解決される。有利な展開は従属請求項からわかる。

本発明は、通常のＰＷＭ周波数による適当な制御によって、自動車のすべての電源回路条件にわたって前照灯の輝度を一定に保つ方法を示している。そのためパルス中に供給電圧が少なくとも２回検出され、現在又は次のパルスのパルス幅が、検出された値に関係して合わされる。供給電圧の代わりに、それに関係する量例えば電流又は測定された電流と電圧との積としての電力も測定して、パルス幅を合わされるため使用することができる。これは、供給電圧又はそれに比例する量の測定値をパルス中に検出し、このパルスのすべての測定値から合計値を求め、この合計値を所定値と比較し、所定値に達するとこのパルスを終了することによって、行うことができる。

その代わりに、特にパルス枠内で中断不可能なパルス幅において、パルスのすべての測定値からまず合計値のみを求めることも考えられる。従って合計値は、測定されるか又はそれに関係する誘導値の下の面積に相当している。それから所定値と求められた合計値との偏差が求められ、それに続くパルスのパルス幅が、所定値と求められた合計値との偏差に関係して合わされる。従って偏差はそれに続くパルスにおいて補償され、換言すれば現在のパルス幅は、所定値及び先行するパルスの偏差にそれぞれ関係して求められる。従って所定値は、一定の供給電圧及び所定のパルス幅で生じたように、面積に相当している。従って偏差は、対応する面積差として、単なる減算によって求められ、次のパルスのパルス幅のための所定値への修正値として使用される。パルス幅と現在の供給電圧及び先行するパルスの平均電流又は輝度との関数関係を示そうとすれば、これは極めて費用がかかる、少なくとも５次の多項式によってのみ、充分な精度で可能であり、これは自動制御にとって殆ど実行不可能である。さて方法の特に好ましい展開は、複雑であるがそれ自身光源に対して一定なこの関係を直接計算するのではなく、永続的接続従って１００％のデューティサイクルに対してそれぞれの合計値を１００％特性値として生じる特性曲線に記憶することである。１００％特性値は、パルス枠の幅従って１００％のＰＷＭを持つパルスの下の面積に相当している。それにより先行するパルスの偏差だけ修正された所定値と１００％特性値との商から、必要なデューティサイクル従ってパルス幅を直ちに誘導することができる。それによりこのような制御のための数値的費用が著しく減少する。

本発明が、図面を参照して実施例により以下に説明される。その際光源のための特に好ましい構成において、輝度の特性曲線が供給電圧又はそれに関係する量に関係して規定され、測定された供給電圧又はそれに関係する量から、特性曲線により実際の輝度値が求められ、この輝度値がパルス幅にわたって加算され、輝度所定値と比較され、それに関係してパルス幅が制御される。従ってまずこの観点を説明する。

ＬＥＤの輝度特性曲線は、データシートから取られるか、それから関数が（例えば５次の多項式として）補間される。

図１はＬＥＤ特性曲線の典型的な推移及び対応する多項式を示す。
Ｕ_ＬＥＤ（Ｉ_ＬＥＤ）＝ａ・Ｉ_ＬＥＤ ^５＋ｂ・Ｉ_ＬＥＤ ^４＋ｃ・Ｉ_ＬＥＤ ^３＋ｄ・Ｉ_ＬＥＤ ^２＋ｅ・Ｉ_ＬＥＤ＋ｆ （式１）
ここでａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは５次の線形多項式Ｕ＿ＬＥＤ＝ｆ（Ｉ＿ＬＥＤ）の係数である。

図２は装置の等価回路図を示す。この電気モデル及び（式１）から成るＬＥＤのモデルの使用により、各動作点に対するすべての電気的パラメータを反覆して計算することができる。

ここでｎは直列接続されるＬＥＤの数、ｍは並列なＬＥＤ路の数である。

さて輝度の特性も同様に数学的に記述されて、モデルへ統合されると、ＬＥＤの輝度の高い安定性が得られる。このため制御量に関する光量の関数が必要とされる。

ＬＥＤから発生される光量は、例えば図３による装置で測定することができる。その際電流がＬＥＤへ印加され、各動作点について対応する電圧がＬＥＤにおいて測定される。ＬＥＤの発光される光は、ホトダイオードの光学的結合により集められ、電位計増幅器により比例する電圧に変換される。増幅器の出力電圧は、従ってＬＥＤの発生される光量に比例している。

発生される光量の電流に関する校正は有利であるが、必ずしも必要ではない。なぜならば、ＬＥＤの動作点は、別のやり方で例えば電流平均値を介しても規定できるからである。

図４は、発生される光量を、ＬＥＤにおける電流に関係して示している。ＬＥＤから発生される光は、ｎ次（例えば２次）の多項式により記述することができる。
φ_ＬＥＤ（Ｉ_ＬＥＤ）＝ｇ・Ｉ_ＬＥＤ（Ｕｂａｔｔ）^２＋ｈ・Ｉ_ＬＥＤ＋ｉ； （式３）
ここでｇ，ｈ，ｉは光度ｆ（Ｉ＿ＬＥＤ）の２次線形多項式の係数である。

電気的モデル（式１，式２）と物理的モデル（式３）との組合わせによって、ＬＥＤのＰＷＭ制御特性曲線が供給電圧Ｕｂａｔｔに関係して反覆して求められる。

図５は、例えば直列に接続されて２２０Ωの前置抵抗を２つの持つＳＭＤ−ＬＥＤのこの特性曲線を示す。デューティサイクル従ってＰＷＭパルスのパルス幅は、パルス枠幅に対して制御されて、計算される実行ＬＥＤ光量が一定であるようにする。

ここでｊ，ｋ，ｌは光量の多項式ｆ（Ｕｂａｔｔ）の係数である。
ＬＥＤから発生される光出力は、良好な近似でＬＥＤにおける電流の平均値に比例しているので、デューティサイクルをその代わりに電流の平均値から計算することもできる。

ここでｋ，ｌは多項式Ｉ＿ＬＥＤ＿ａｖｇ＝（Ｕｂａｔｔ）の係数である。

図６は、純粋な電流制御の際光量が１００％一定ではなく、即ちＬＥＤの形式に応じて供給電圧に関して変化することを示している。同様にＬＥＤマトリックスにおける電力の制御も考えられるであろうが、ここではＬＥＤの光量が供給電圧に関して変化する特性曲線を使用して輝度値を誘導し、適当な輝度所定値に関係してＰＷＭを合わせることによって、これを良好な近似で補償することができる。従って電流制御のほかに、電力制御又は輝度制御も考えられる。

さて適当なＰＷＭ制御を実現するため、なるべく供給電圧Ｕｂａｔｔがマイクロプロセッサによりスイッチング周波数の倍数で走査され、電力スイッチが適当にパルス幅変調される。自動車では車載電源電圧が短期間でも一定でないので、特に１つのパルス内で電圧変化が起こる時、光度の見える変化が生じることがある。

これは、制御特性（電流、電力又は光電流−時間面積、以下単にパルス面積という）に応じて、種々の方法によって修正することができる。
１． 各付勢サイクルにおいて、現在の面積が加算によって求められ、それぞれ次のパル スにおいて適当な修正値が考慮される。この方法は、ディジタルタイマを持つマイ クロコントローラを使用する場合に適している。即ちこの場合付勢サイクルの開始 前に既にパルス幅を規定せねばならない。更に小さいオーバサンプリングファクタ が、次のパルスに引継ぐべき修正値にのみ影響を及ぼすけれども、ＰＷＭ分解能に 影響を及ぼさない。
２． 現在のパルスの面積は加算によって連続的に求められ、目標値に達すると、パルス 幅が終了される。この方法は、特に非常に高いオーバサンプリング割合従って結果 として生じるパルス幅変調の高い分解能の場合に適している。

方法１の例
使用に固有に規定される輝度及び制御の周波数から、パルス面積（Ａ_ｓｏｌｌ）が計算され、周期（Ｔ）毎に平均して得られるようにする。更にＰＷＭサイクルの開始の直前に、制御すべき量例えば供給電圧が求められる。それから特性曲線から、例えば輝度Φ_１００％に関して１００％特性値が得られる。（式４）の使用によって、

に対してパルス期間Ｔ_ｎが計算される。各周期ｎ中に実際のパルス面積（Ａ_ｎｉｓｔ）が、多重走査（オーバサンプリング）及び面積の加算によって求められ、それから付勢比従ってパルス面積が（式４）に従って求められる。この場合指摘しておくべきことは、求められた測定値から特性曲線を使用して対応する面積量が求められ、従って走査頻度、輝度への寄与又は平均電流或いは平均電力への寄与を考慮して、各供給電圧測定値に割当てられ、これらが加算されるか、又は完全に直線的でない関係を無視する場合、単に測定値例えば電圧走査値が直接加算され、それからこの和が物理的単位から所定値に合った合計値に変換される。さて物理的単位として輝度値、ＬＥＤの平均電力又は平均電流が使用されるか否かは、修正面積の誘導及び次のパルスの幅の決定にとって大したことではない。

実際値と目標値との差（ΔＡ_ｎ）は、パルスｎ（ｎ＞１）に対して次式について計算され
ΔＡ_ｎ＝Ａ_ｎｉｓｔ−Ａ_ｓｏｌｌ＋ΔＡ_ｎ−１ （式６）
ここでＡ_ｓｏｌｌは基本的に一定の所定値例えば所望の平均輝度、平均電流又は電力であり、ΔＡ_ｎ−１は前のパルスから引継がれた修正値である。次のパルスｎ＋１において、この差（式６）を現在のパルスの目標値から差引かねばならない。従って次のパルスのパルス期間は、

に対して得られる。

制御量Ｕｂａｔｔの走査は、ＰＷＭ周波数の整数倍で有利に行われ、走査の分解能は修正の精度を決定する。制御量として電力の代わりに、供給電圧も当然使用することができる。

図８ａ及び８ｂは、この方法の典型的な修正推移を示す。パルスｎの開始と共に、制御量ここでは供給電圧の現在の測定値から出発して、パルス期間Ｔ（ｎ）又はデューティサイクルが規定される。

制御量は、次にパルス期間中に周期的に検出され、特性曲線を使用して適当な輝度値が誘導されて、加算される。輝度特性曲線を無視できる場合、制御量従って供給電圧自体、電流又は電力も、直接面積として加算することができる。このパルスｎ内でこの場合時点ｔ０に供給電圧が変動すると、この例では合計輝度の正の偏差が生じ、これが図８ａにおいて面積Ａ（ｎ）にハッチングを施して強調されている。

マイクロコントローラにおけるパルス期間がパルス中に不変であると、この偏差に直ちには反応できない。しかしこれはそんなに重大ではない。なぜならば、好ましい実施形態では、この偏差が次のパルスｎ＋１において考慮され、パルス期間Ｔ（ｎ＋１）が適当に合わされ、ここでは減少され、これが適当なハッチングにより再び示されている。電圧が再び変動しない限り、両方の面積の平均値即ち（Ａ（ｎ）＋Ａ（ｎ＋１））／２は再び所定値に一致する。再び偏差が生じるようなことがあると、それぞれ次のパルスにおいて反対制御が行われる。こうして特別な利点は、パルス幅の適合が簡単な（符号を伴う）加算即ち次のパルスの適当な延長又は短縮によって実現されることである。

図８ｂに示すように、１つのパルス内における供給電圧の短時間の変動の際、この方法が特に明らかにわかる。従来の制御は、再びハッチングを施して示すこのような偏差には全く反応しない。しかしここに紹介した方法では、制御量の周期的走査により、この偏差が検出され、次のパルスがその長さを適当に合わされ、即ち面積が、ハッチングを施した面積だけ、この時点の供給電圧Ｕｂａｔｔに相当する面積だけ小さく、これが再び対応するパルス幅Ｔ（ｎ＋１）を生じる。

この方法の利点は、制御量の変動頻度及び変動強度が比較的小さく、従って偏差を求める際の相対誤差従ってハッチングを施した面積の大きさを求める際の誤差を無視できる限り、制御量の走査の頻度をＰＷＭのステップ幅より小さくできることである。

方法２
所定の輝度及び制御の頻度から、周期（Ｔ）毎に平均して得られるパルス面積（Ａ_ｓｏｌｌ）が計算される。更にＰＷＭサイクルの開始直前に、制御すべき量（Ａｎ）が（式５）により求められる。各周期ｎ中に、面積の走査及び加算により実際のパルス面積（Ａ_ｎｉｓｔ）が求められ、目標値に達すると、パルスが直ちに終了される。これら両方の簡単な修正機構により、制御量が速やかに変化しても、ＬＥＤの平均輝度は一定であり、平均値からの短期間の偏差は、人間の眼では認められない。

図７は、加算される面積に関係してパルスを自動的に終了するこの方法を示している。次のパルスのように２つの順次に続くパルスＰｎ及びＰ（ｎ＋１）に対して、一定のパルス枠幅Ｔが規定されている。各パルスの開始と共に、制御量、ここでは例えば供給電圧Ｕｂａｔｔが周期的に走査周波数で走査され、場合によっては輝度特性曲線にわたって輝度値が対応せしめられ、これらの輝度値が加算される。この方法はもちろん供給電圧又はこれに関係する量にも直ちに適用され、この量に供給電圧自体が加算される。

これはハッチングを施した面積Ｔ（ｎ）により示される。面積Ａ（ｎ）が所定値Ａｓｏｌｌに達すると、時点Ｔ（ｎ）にパルスが終了され、パルス枠Ｔの経過後に次のパルス（ｎ＋１）が始まる。しかしその間に供給電圧が低下しているので、走査時点毎の面積の寄与は少ない。従ってパルス（ｎ＋１）の面積値が所定値に一致し、第２のパルスが終了されるまで、このパルスが適当に長く持続する。従って両方の面積値Ａ（ｎ）及びＡ（ｎ＋１）は、適当な近似で所定値Ａｓｏｌｌに一致する。それにより制御量この場合供給電圧を走査する周波数が直ちに可能なＰＷＡ分解能を決定することが、明らかにわかる。

パルスを自動的に終了するこの方法では、図８に示すように、１つのパルス内における供給電圧の変動を、当然同様に直ちに制御して、パルス幅を適当に合わせることができる。

この方法は、簡単な前置抵抗を介してＬＥＤモジュールの制御を可能にする。制御方法の適当な実施により、光度の認められる変調なしに、車載電源電圧の動的変動も制御することができる。

ＬＥＤモジュールの制御が既に通常パルス幅変調可能な出力を介して行われるという事実が、本発明の基礎になっている。車載電源電圧のあらゆる変動の際前照灯の輝度が一定であるように、このＰＷＭ制御を実施できると、簡単な前置抵抗のために前照灯における電流制御量（ＬＥＤモジュール）を代えることができる。前照灯における電子装置はなくなり、それにより前照灯を著しく安価に製造することができる。ＬＥＤを制御するための適当なスイッチング周波数は、理想的には１ｋＨｚより大きい範囲にある。人間の眼により認めることなしに、少なくとも起こるすべての回路網変動を制御によりなくすことができるほどの高さに、この周波数を選ぶことができる。

ＬＥＤ特性曲線の典型的な推移を示す。 装置の等価回路図を示す。 ＬＥＤの光量を測定する装置を示す。 ＬＥＤから発生される光を電流に関係して示す。 直列接続される２つのＳＭＤ−ＬＥＤの特性曲線を示す。 電流制御の際光量が変化することを示す。 パルスを自動的に終了する方法を示す。 制御量の測定値の修正推移を示す。

Claims (5)

1. 供給電圧のパルス幅変調により電気光源を制御する方法であって、供給電圧（Ｕ）又はそれに関係する量（Ｉ，Ｐ）が測定され、それに関係してパルス幅が制御されるものにおいて、供給電圧（Ｕ）又はそれに関係する量（Ｉ，Ｐ）が、パルス中に少なくとも２回検出され、現在又は次のパルスのパルス幅（Ｔ（ｎ），Ｔ（ｎ＋１））が、供給電圧（Ｕ）又はそれに関係する量（Ｉ，Ｐ）の検出された値に関係して合わされ、供給電圧（Ｕ）又はそれに関係する量（Ｉ，Ｐ）の測定値がパルス中に検出され、このパルスのすべての測定値から合計値（Ａ（ｎ））が求められ、この合計値が所定値（Ａｓｏｌｌ）と比較され、所定値（Ａｓｏｌｌ）に達するとパルスが終了されることを特徴とする、方法。
2. 供給電圧のパルス幅変調により電気光源を制御する方法であって、供給電圧（Ｕ）又はそれに関係する量（Ｉ，Ｐ）が測定され、それに関係してパルス幅が制御されるものにおいて、供給電圧（Ｕ）又はそれに関係する量（Ｉ，Ｐ）が、パルス中に少なくとも２回検出され、現在又は次のパルスのパルス幅（Ｔ（ｎ），Ｔ（ｎ＋１））が、供給電圧（Ｕ）又はそれに関係する量（Ｉ，Ｐ）の検出された値に関係して合わされ、供給電圧（Ｕ）又はそれに関係する量（Ｉ，Ｐ）の測定値がパルス中に検出され、このパルスのすべての測定値から合計値（Ａ（ｎ））が求められ、この合計値が所定値（Ａｓｏｌｌ）と比較され、次のパルスのパルス幅（Ｔ（ｎ＋１））が、所定値と求められた合計値（Ａ（ｎ））との偏差に関係して合わされ、特性曲線が規定され、この特性曲線から、供給電圧又はそれに関係する量に関係して、パルスのそれぞれの１００％特性地が、供給電圧の永続的な接続の際生じ、各パルスのために、その開始の直前又は開始の際、現在の供給電圧又はそれに関係する量が求められ、特性曲線から対応する１００％特性値が求められることを特徴とする、方法。
3. 所定値（Ａｓｏｌｌ）及び先行するパルスとの偏差（Ａ（ｎ）−Ａｓｏｌｌ）から、次のパルスのための修正された所定値が求められ、修正された所定値と１００％特性値との商から現在のパルスのパルス幅が誘導されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 光源のために、供給電圧又はそれに関係する量に関係して輝度が規定され、
   測定された供給電圧又はそれに関係する量から、特性曲線により実際の輝度値が求められ、この輝度値がパルス幅にわたって加算され、かつ輝度所定値と比較され、それに関係してパルス幅が制御される
   ことを特徴とする、請求項２又は３に記載の方法。
5. 少なくとも１つの発光ダイオードを制御するため、先行する請求項の１つに記載の方法の使用。

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