JP2019040501A - Power conversion device and its control method - Google Patents

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Abstract

To save power when PID control is applied.SOLUTION: A power conversion device comprises: a target value setting section; a feedback signal input section that allows input of a signal output from a detector for detecting a state value of a control target and that outputs a feedback signal reflecting the signal output from the detector; a subtractor that calculates a deviation of a feedback signal from a target value set by the target value setting section; and a PID computing unit that performs at least one or more of a proportional operation, an integral operation, and a differential operation with respect to the deviation. Output based on output from the PID computing unit is generated and the control target is controlled so as to become equal to or close to a target value. The power conversion device has: an upper and lower limit setting section that sets at least one of an upper limit and a lower limit for a signal; an upper and lower limit reach determining section that determines whether the feedback signal has reached at least one of the upper limit and the lower limit; a correction quantity setting section that sets a quantity of correction; and a correction quantity computing section that, on the basis of output from the upper and lower limit determining section and output from the correction quantity setting section, computes the quantity of correction, output from the PID computing unit.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、制御対象を目標値に一致または近づけるための電力変換装置、特にPID制御器(Proportional-Integral-Differential Controller、PID Controller)を内蔵した電力変換器及びその制御方法に関する。   The present invention relates to a power conversion device for making a control target coincide with or approach a target value, and more particularly to a power converter incorporating a PID controller (Proportional-Integral-Differential Controller, PID Controller) and a control method thereof.

制御対象を目標値に一致するように制御する手段として、制御対象をフィードバックし、目標値との偏差を演算し、それを比例演算や積分演算、微分を用いて操作量を操作し、前記偏差を0に近づける、いわゆるPID制御が一般的であり、圧力制御や流量制御、温度制御など、広範囲の制御に使用されている。   As means for controlling the controlled object to match the target value, the controlled object is fed back, the deviation from the target value is calculated, and the manipulated variable is manipulated using proportional calculation, integral calculation, and differentiation, and the deviation So-called PID control is generally used to bring the value close to 0, and is used for a wide range of controls such as pressure control, flow rate control, and temperature control.

その構成は、特許文献1に示されているように、減算器により目標値と制御対象からフィードバックされるFB値の差をとり、これに比例演算部による比例演算、積分演算部による積分演算、微分演算部による微分演算を行い、これらを加算器により加減算し、該加減算の結果を制御対象に供給することで、制御対象を制御する。その動作は制御対象のフィードバック値が目標値に対し、不足していれば増加するよう作用し、オーバーしていれば減少させるように作用する。   As shown in Patent Document 1, the configuration takes the difference between the target value by the subtractor and the FB value fed back from the object to be controlled, and the proportional calculation by the proportional calculation unit, the integral calculation by the integral calculation unit, The control object is controlled by performing a differential operation by the differential operation unit, adding and subtracting them with an adder, and supplying the result of the addition and subtraction to the control object. The operation acts to increase if the feedback value to be controlled is less than the target value, and to decrease if the feedback value is over.

一般的な用途であれば、このような動作により、制御対象を目標値に近づけることができ、負荷条件が同様であれば、その時の操作量の安定する値は基本的には一定となる。   In a general application, such an operation allows the controlled object to be close to the target value. If the load conditions are the same, the value at which the manipulated variable at that time is basically constant.

特開2010−20704号公報JP 2010-20704 A

しかしながら、前記背景技術に記載のPID制御では、例えば真空ポンプの圧力制御等に適用した場合、以下のような問題点が発生する場合がある。   However, the PID control described in the background art may cause the following problems when applied to pressure control of a vacuum pump, for example.

真空ポンプの場合、一般的には通常の大気圧0.1MPaから、それより低い目標圧力まで制御する。たとえば、0.05MPaを目標値とした場合、真空ポンプを駆動するモータの回転数を操作して圧力が0.05MPa以上であれば回転数を上げ、圧力が下がるように動作し、0.5MPa以下であれば、回転数を下げ圧力が上がるように動作させて、目標値に一致するように制御する。   In the case of a vacuum pump, control is generally performed from a normal atmospheric pressure of 0.1 MPa to a lower target pressure. For example, if the target value is 0.05 MPa, the motor is operated so that the number of rotations is increased if the pressure of the motor that drives the vacuum pump is 0.05 MPa or higher, and the pressure decreases. For example, the rotation speed is decreased and the pressure is increased, and control is performed so as to match the target value.

ここで目標値を真空、すなわち0MPaとする。この場合、PID制御は、圧力を真空にすべく真空ポンプの回転数を上昇させる。概ね真空(0MPa)に到達した時、0.05MPaのときと異なり、真空状態以上の状態はあり得ない為、目標値をオーバーすることがない。したがってポンプ回転数を下げる動作に至らず、到達した時点の回転数を維持することになり、無駄な電力を消費する状態となる。   Here, the target value is a vacuum, that is, 0 MPa. In this case, the PID control increases the number of rotations of the vacuum pump to make the pressure vacuum. In general, when the vacuum (0MPa) is reached, unlike 0.05MPa, there is no more than vacuum, so the target value will not be exceeded. Therefore, the operation of lowering the pump rotation speed is not achieved, and the rotation speed at the time of arrival is maintained, resulting in a state in which useless power is consumed.

このように、制御対象もしくはそのフィードバック値に限界値のある場合、その限界値を目標値とした場合は、到達時点の操作量が一定にならず、無駄な電力を消費する状態で安定する場合がある。   In this way, when the control target or its feedback value has a limit value, when the limit value is set as the target value, the manipulated variable at the time of arrival is not constant, and it is stable in a state in which wasteful power is consumed There is.

本発明の目的は、この課題を解決し、無駄な電力消費を防止することにある。   An object of the present invention is to solve this problem and prevent wasteful power consumption.

本発明の一側面は、目標値を設定または外部より入力可能とする目標値設定部と、制御対象の状態値を検出する検出器の出力信号を入力可能とし、検出器の出力信号を反映したフィードバック信号を出力するフィードバック信号入力部と、目標値設定部で設定された目標値とフィードバック信号の偏差を演算する減算器と、偏差に対して比例演算、積分演算、微分演算のうち少なくとも1つ以上の演算を行い、その総和を出力するPID演算器を備え、PID演算器の出力に基づいた出力を発生し、制御対象を目標値に一致または近づけるよう制御するPID制御機能を有する電力変換装置である。この電力変換装置は、信号の上限および下限の少なくとも一方を設定する上下限設定部と、フィードバック信号が上限および下限の少なくとも一方の値に到達したかを判定する上下限到達判定部と、補正量を設定する補正量設定部と、上下限到達判定部の出力と補正量設定部の出力とから、PID演算器の出力の補正量を演算する補正量演算部と、を有する。   In one aspect of the present invention, a target value setting unit that allows a target value to be set or input from the outside, and an output signal of a detector that detects a state value of a control target can be input, and the output signal of the detector is reflected A feedback signal input unit that outputs a feedback signal, a subtractor that calculates a deviation between the target value set by the target value setting unit and the feedback signal, and at least one of a proportional operation, an integral operation, and a differential operation with respect to the deviation A power conversion device having a PID control function that performs the above calculation and includes a PID calculation unit that outputs the sum, generates an output based on the output of the PID calculation unit, and controls the control target to match or approach the target value It is. The power converter includes an upper / lower limit setting unit that sets at least one of an upper limit and a lower limit of a signal, an upper / lower limit arrival determination unit that determines whether the feedback signal has reached at least one of the upper limit and the lower limit, and a correction amount And a correction amount calculation unit that calculates the correction amount of the output of the PID calculator from the output of the upper and lower limit arrival determination unit and the output of the correction amount setting unit.

本発明の他の一側面は、電力変換装置に接続された外部装置の動作によって、制御対象の状態を変化させる際の、当該電力変換装置の制御方法である。この制御方法は、制御対象の状態の目標値を設定する目標値設定ステップと、制御対象の状態を検出器で検出し、検出器の出力に基づいてフィードバック信号を生成するフィードバック生成ステップと、目標値とフィードバック信号の偏差を得る偏差取得ステップと、偏差を用いて比例演算、積分演算、微分演算のうち少なくとも1つ以上の演算を行い、その結果を出力する演算ステップと、フィードバック信号の上限および下限の少なくとも一方を設定する上下限設定ステップと、フィードバック信号が上限および下限の少なくとも一方に到達したかを判定する上下限到達判定ステップと、補正量を設定する補正量設定ステップとを実行し、フィードバック信号が上限および下限の少なくとも一方に到達した場合に、演算ステップにより得られる結果を補正量で補正して制御信号を生成し、該制御信号に基づいて外部装置を動作させる。   Another aspect of the present invention is a method for controlling a power conversion device when the state of a control target is changed by an operation of an external device connected to the power conversion device. This control method includes a target value setting step for setting a target value for a state of a control target, a feedback generation step for detecting the state of the control target with a detector, and generating a feedback signal based on the output of the detector, A deviation acquisition step for obtaining a deviation between the value and the feedback signal, a calculation step for performing at least one of proportional calculation, integral calculation, and differential calculation using the deviation and outputting the result; an upper limit of the feedback signal; An upper / lower limit setting step for setting at least one of the lower limits, an upper / lower limit arrival determination step for determining whether the feedback signal has reached at least one of the upper limit and the lower limit, and a correction amount setting step for setting the correction amount, When the feedback signal reaches at least one of the upper and lower limits, It is to generate a control signal corrected by the correction amount results, to operate the external device based on the control signal.

例えばPID制御を適用した際に、省電力を図ることが可能となる。   For example, when PID control is applied, it is possible to save power.

比較例の真空ポンプのPID制御構成のブロック図。The block diagram of the PID control structure of the vacuum pump of a comparative example. 圧力センサ出力特性例のグラフ図。The graph of an example of a pressure sensor output characteristic. 比較例の真空ポンプのPID制御構成による圧力及び電動機回転数の時間推移のグラフ図。The graph of the time transition of the pressure by the PID control structure of the vacuum pump of a comparative example, and motor rotation speed. 実施例の真空ポンプのPID制御構成のブロック図。The block diagram of the PID control structure of the vacuum pump of an Example. 実施例の真空ポンプのPID制御構成による圧力及び電動機回転数の時間推移のグラフ図。The graph of the time transition of the pressure by the PID control structure of the vacuum pump of an Example, and motor rotation speed. 上下限のある圧力センサ出力特性例のグラフ図。The graph figure of the pressure sensor output characteristic example with an upper and lower limit. 実施例の物体冷却装置のPID制御構成のブロック図。The block diagram of the PID control structure of the object cooling device of an Example. 上下限のある温度センサ出力特性例のグラフ図。The graph of the example of a temperature sensor output characteristic with an upper and lower limit. 実施例の冷却装置のPID制御構成のブロック図。The block diagram of the PID control structure of the cooling device of an Example. 温度センサ出力特性例のグラフ図。The graph of the example of a temperature sensor output characteristic. 実施例の制御の流れを示すフロー図。The flowchart which shows the flow of control of an Example.

以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not construed as being limited to the description of the embodiments below. Those skilled in the art will readily understand that the specific configuration can be changed without departing from the spirit or the spirit of the present invention.

以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。   In the structures of the invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and redundant description may be omitted.

同一あるいは同様な機能を有する要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、複数の要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。   In the case where there are a plurality of elements having the same or similar functions, the same reference numerals may be given with different subscripts. However, when there is no need to distinguish between a plurality of elements, the description may be omitted.

本明細書等における「第1」、「第2」、「第3」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数、順序、もしくはその内容を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。   Notations such as “first”, “second”, and “third” in this specification and the like are attached to identify the constituent elements, and do not necessarily limit the number, order, or contents thereof. is not. In addition, a number for identifying a component is used for each context, and a number used in one context does not necessarily indicate the same configuration in another context. Further, it does not preclude that a component identified by a certain number also functions as a component identified by another number.

図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。   The position, size, shape, range, and the like of each component illustrated in the drawings and the like may not represent the actual position, size, shape, range, or the like in order to facilitate understanding of the invention. For this reason, the present invention is not necessarily limited to the position, size, shape, range, and the like disclosed in the drawings and the like.

以下で説明する実施例の典型例では、制御対象のフィードバック値が目標値に対し、不足時は増加するよう、オーバー時は減少するような制御を行う。負荷条件が同様であれば、収束時における操作量が安定する値は一定となる。しかしながら、たとえば、真空ポンプの圧力制御等にPID制御を適用した場合を考えると、目標値を真空とした場合、PID制御は圧力を真空にすべくポンプ回転数を上昇させる。真空に到達した時、真空以上の状態はない為、目標値をオーバーすることがなく、ポンプ回転数を下げる動作に至らず、到達時点の回転数を維持することになり、負荷条件が同様でも操作量が安定する値は一定とはならず、無駄な電力を消費する状態となる場合がある。実施例では、PID制御の動作に、制御対象の上下限を設定する機能、及び上限に到達した場合は制御対象数値が減少する方向に、下限に到達した場合は制御対象数値が増加する方向に、操作量補正値を演算し、操作量である電動機回転数指令値を補正するように構成する。これにより真空を目標値とする場合でも、真空を保持できる最適なポンプ回転数に制御可能となり、省電力を図ることができる。   In a typical example of the embodiment described below, control is performed such that the feedback value of the control target increases with respect to the target value when it is insufficient, and decreases when it is over. If the load conditions are the same, the value at which the manipulated variable at the time of convergence is constant. However, for example, when considering the case where PID control is applied to pressure control or the like of a vacuum pump, when the target value is set to vacuum, PID control increases the pump rotation speed so as to make the pressure vacuum. When the vacuum is reached, there is no state above the vacuum, so the target value will not be exceeded, the pump rotation speed will not be lowered, the rotation speed at the time of arrival will be maintained, and even under the same load conditions The value at which the operation amount is stable is not constant, and there is a case where wasteful power is consumed. In the embodiment, in the operation of the PID control, a function for setting the upper and lower limits of the control target, and when reaching the upper limit, the control target numerical value decreases, and when the lower limit is reached, the control target numerical value increases. The operation amount correction value is calculated, and the motor rotation speed command value that is the operation amount is corrected. As a result, even when the vacuum is set as the target value, it is possible to control the pump speed to an optimum value that can maintain the vacuum, and power saving can be achieved.

図1は比較例として、真空ポンプの圧力制御等に例えば通常のPID制御を適用した場合の構成を示すブロック図である。この構成では圧力タンク10の圧力を、通常の大気圧0.1MPaから目標値設定部1によって設定される目標圧力まで制御する。圧力タンク10内の圧力は、電動機(モータ)8により駆動される真空ポンプ9により減圧される。圧力タンク10の圧力は圧力センサ11により測定され、測定値はフィードバック信号入力部17から、フィードバック信号12として電力変換装置18に入力される。   FIG. 1 is a block diagram showing a configuration in a case where, for example, normal PID control is applied to pressure control or the like of a vacuum pump as a comparative example. In this configuration, the pressure in the pressure tank 10 is controlled from the normal atmospheric pressure 0.1 MPa to the target pressure set by the target value setting unit 1. The pressure in the pressure tank 10 is reduced by a vacuum pump 9 driven by an electric motor (motor) 8. The pressure in the pressure tank 10 is measured by the pressure sensor 11, and the measured value is input from the feedback signal input unit 17 to the power converter 18 as the feedback signal 12.

フィードバック信号12は、減算器2によって目標値100から減算され、偏差信号3は特許文献1等で公知のPID演算器4に入力される。PID演算器4の演算結果は、符号反転器16で符号を反転され、電動機回転数指令値5として出力される。周波数・電圧変換部6は、電動機回転数指令値5により制御され、それに応じた周波数の交流電力である電力変換装置出力7によって電動機8の回転が制御される。   The feedback signal 12 is subtracted from the target value 100 by the subtracter 2, and the deviation signal 3 is input to a known PID calculator 4 in Patent Document 1 or the like. The calculation result of the PID calculator 4 is inverted in sign by the sign inverter 16 and output as the motor rotation speed command value 5. The frequency / voltage converter 6 is controlled by the motor rotation speed command value 5, and the rotation of the motor 8 is controlled by the power converter output 7 that is AC power having a frequency corresponding to the frequency / voltage converter 6.

図2は制御対象である圧力タンク10内圧力を検出する圧力センサ11の出力特性である。横軸は圧力センサ11により測定された圧力であり、縦軸は圧力に対応するフィードバック信号12の値である。   FIG. 2 shows the output characteristics of the pressure sensor 11 that detects the pressure in the pressure tank 10 that is the object of control. The horizontal axis is the pressure measured by the pressure sensor 11, and the vertical axis is the value of the feedback signal 12 corresponding to the pressure.

例えば、目標値設定部1による目標値を0.05MPaとした場合、当初、圧力タンク10の圧力は大気圧0.1MPa相当であるが、真空ポンプ9を駆動する電動機8の回転数を操作して圧力が0.05MPa以上であれば回転数を上げ、圧力が下がるように動作し、0.05MPa以下であれば、回転数を下げ圧力が上がるように動作させて、制御対象である圧力タンク10内圧力が目標値100に一致するように制御する。   For example, if the target value set by the target value setting unit 1 is 0.05 MPa, the pressure in the pressure tank 10 is initially equivalent to an atmospheric pressure of 0.1 MPa, but the pressure is controlled by operating the rotation speed of the electric motor 8 that drives the vacuum pump 9. If the pressure is 0.05 MPa or more, the rotational speed is increased and the pressure is decreased.If the pressure is 0.05 MPa or less, the rotational speed is decreased and the pressure is increased. Control to match the target value 100.

ここで目標値100を真空、すなわち0MPaとする。この場合、PID制御系は、制御対象である圧力タンク10内圧力を真空にすべく真空ポンプ9を駆動する電動機8の回転数を上昇させる。概ね真空(0MPa)に到達した時、0.05MPaの時と異なり、制御対象である圧力タンク10内圧力が真空状態以上の状態はあり得ない為、目標値を超えることがない。したがってポンプ回転数を下げる動作に至らず、到達した時点のポンプ回転数を維持することになる。そのとき、その回転数が本来必要である回転数よりも高い回転数となる場合もあり、無駄な電力を消費する状態となる。   Here, the target value 100 is a vacuum, that is, 0 MPa. In this case, the PID control system increases the number of revolutions of the electric motor 8 that drives the vacuum pump 9 so that the pressure in the pressure tank 10 to be controlled is evacuated. In general, when the vacuum (0 MPa) is reached, unlike the case of 0.05 MPa, the pressure in the pressure tank 10 to be controlled cannot exceed the vacuum state, and therefore the target value is not exceeded. Therefore, the operation of lowering the pump rotation speed is not reached, and the pump rotation speed at the time of arrival is maintained. At that time, the number of rotations may be higher than the number of rotations originally necessary, and wasteful power is consumed.

図3に図1の比較例による、0MPaに到達する際の電動機8の回転数の変化の一例を示す。スタート時の圧力タンク10内圧力等の条件により、条件2の特性のように大気圧0.1MPa付近のP2から真空に向かった場合の真空到達時点の電動機の回転数Bと、条件1の特性のようにある程度圧力が下がっている場合P1から真空に向かった場合の真空到達時点の電動機回転数Aでは、図3に示すように回転数が異なり、かつ到達時点の回転数N1,N2をそのまま保持してしまう。   FIG. 3 shows an example of changes in the rotational speed of the electric motor 8 when reaching 0 MPa according to the comparative example of FIG. Depending on the conditions such as the pressure in the pressure tank 10 at the start, the motor rotation speed B when the vacuum is reached when the pressure is changed from P2 near atmospheric pressure 0.1MPa to the vacuum as in the condition 2, and the characteristics of the condition 1 As shown in Fig. 3, when the pressure is reduced to some extent, the motor speed A at the time of vacuum reaching P1 to the vacuum is different, and the speeds N1 and N2 at the time of reaching are maintained as they are. Resulting in.

図4は本発明の実施例の構成を示すブロック図である。ここでは、制御方式としてPID制御系を基にした例を説明する。PID制御系の動作に用いる、制御対象である圧力のフィードバック信号12の上限、下限の少なくとも一方を設定する上下限設定部19と、フィードバック信号12が上下限設定部19で設定された上下限値に到達したかを判定する、上下限到達判定部13を備えている。また、上下限到達時の回転数指令補正量を設定する回転数補正量設定部25と、上下限到達判定部13の出力と回転数補正量設定部25の出力とから電動機8の回転数指令の補正量を演算する回転数指令補正量演算部14を備えている。   FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the embodiment of the present invention. Here, an example based on a PID control system as a control method will be described. Upper / lower limit setting unit 19 for setting at least one of the upper limit and lower limit of the feedback signal 12 of the pressure to be controlled, which is used for the operation of the PID control system, and the upper / lower limit value in which the feedback signal 12 is set by the upper / lower limit setting unit 19 The upper / lower limit achievement determination unit 13 is provided for determining whether or not Further, the rotational speed command of the motor 8 is determined from the rotational speed correction amount setting unit 25 that sets the rotational speed command correction amount when the upper and lower limits are reached, and the output of the upper and lower limit arrival determination unit 13 and the output of the rotational speed correction amount setting unit 25. Is provided with a rotational speed command correction amount calculation unit 14 for calculating the correction amount.

上記構成により、制御対象である圧力を反映したフィードバック信号12が上限あるいは下限に到達していることを条件に、回転数指令補正量演算部14は補正信号400を出力する。PID演算器4等で生成された出力と回転数指令補正量演算部14の補正信号400は、補正量加算器15で加算され、修正電動機回転数指令値500を生成する。周波数・電圧変換部6は、修正電動機回転数指令値500により制御され、電力変換装置出力7によって電動機8の回転が制御される。   With the above configuration, the rotational speed command correction amount calculation unit 14 outputs the correction signal 400 on condition that the feedback signal 12 reflecting the pressure to be controlled has reached the upper limit or the lower limit. The output generated by the PID calculator 4 or the like and the correction signal 400 of the rotation speed command correction amount calculation unit 14 are added by the correction amount adder 15 to generate a corrected motor rotation speed command value 500. The frequency / voltage converter 6 is controlled by the corrected motor rotation speed command value 500, and the rotation of the motor 8 is controlled by the power converter output 7.

回転数指令補正量演算部14は、上下限到達判定部13の出力によって、制御対象の値が上限値に到達したと判定した場合は、フィードバック信号12が減少する方向になるよう符号を決定し、回転数補正量設定部25で設定された値を出力する。また、下限値に到達したと判定した場合には、フィードバック信号12が増加する方向になるよう符号を決定し、回転数補正量設定部25で設定された値を出力するように構成する。   The rotational speed command correction amount calculation unit 14 determines the sign so that the feedback signal 12 decreases when the value of the control target has reached the upper limit value by the output of the upper / lower limit determination unit 13. The value set by the rotation speed correction amount setting unit 25 is output. If it is determined that the lower limit value has been reached, the sign is determined so that the feedback signal 12 increases, and the value set by the rotation speed correction amount setting unit 25 is output.

図5に図4の実施例による、0MPaを目標圧力とする際の電動機8の回転数の変化の一例を示す。図3と同様に、フィードバック信号12を用いた制御によって、制御対象の圧力は目標値(この場合0MPa)に収束していく。   FIG. 5 shows an example of changes in the rotational speed of the electric motor 8 when the target pressure is 0 MPa according to the embodiment of FIG. Similar to FIG. 3, the pressure to be controlled converges to the target value (in this case, 0 MPa) by the control using the feedback signal 12.

ここで、上下限設定部19によって下限値は0MPaと設定し、回転数補正量設定部25には補正量として任意の値を設定している。図5のようにスタート時の圧力タンク10の圧力がP1,P2のように差があったとしても、フィードバック信号12によって圧力が0MPaになっていると上下限到達判定部13が判定している間、周波数・電圧変換部6の制御信号である修正電動機回転数指令値500は、PID演算器4が通常生成する電動機回転数指令値5よりも、回転数補正量設定部25による補正量の分だけ下方修正される。   Here, the upper and lower limit setting unit 19 sets the lower limit value to 0 MPa, and the rotation speed correction amount setting unit 25 sets an arbitrary value as the correction amount. As shown in FIG. 5, even if there is a difference in the pressure of the pressure tank 10 at the start, such as P1 and P2, the upper / lower limit attainment determination unit 13 determines that the pressure is 0 MPa by the feedback signal 12. Meanwhile, the corrected motor speed command value 500, which is a control signal of the frequency / voltage conversion unit 6, is larger than the motor speed command value 5 normally generated by the PID calculator 4, with the correction amount by the speed correction amount setting unit 25. It is revised downward by the minute.

図5の例では、当初圧力がP1だった条件1では、時間t1にモータ回転数N1で下限である0MPaに到達し(B点)、当初圧力がP2だった条件2では、時間t2にモータ回転数N2で下限である0MPaに到達している(A点)。このとき、下限である0MPaに到達したA点、B点以降、補正信号400で補正された修正電動機回転数指令値500によりモータ回転数は下降を続けるが、0MPaを外れると通常のPID制御による電動機回転数指令値5に戻る。このため、最終的に0MPaを維持するために必要十分な一定の電動機回転数N0に収束するようになり、無駄な電力を消費しなくて済むようになる。   In the example of FIG. 5, under condition 1 where the initial pressure was P1, the motor speed N1 reached the lower limit of 0 MPa at time t1 (point B), and under condition 2 where the initial pressure was P2, the motor was reached at time t2. The rotation speed N2 has reached the lower limit of 0 MPa (point A). At this time, after the points A and B that have reached the lower limit of 0 MPa, the motor rotational speed continues to decrease due to the corrected motor rotational speed command value 500 corrected by the correction signal 400, but if it exceeds 0 MPa, normal PID control is performed. Return to motor speed command value 5. As a result, the motor speed finally converges to a constant motor rotation speed N0 that is necessary and sufficient to maintain 0 MPa, so that useless power is not consumed.

以上の例では、真空ポンプを例に、物理的な圧力の下限である真空を目標値にした場合を説明した。一方、圧縮ポンプで圧力タンク10内の気圧を増圧するとき、リークなどによる圧力タンク10の性能上の圧力の上限がある場合には、当該上限圧力に対して同様の手法を適用することができる。   In the above example, the case where the vacuum that is the lower limit of the physical pressure is set as the target value has been described by taking the vacuum pump as an example. On the other hand, when the pressure in the pressure tank 10 is increased by the compression pump, if there is an upper limit of the pressure on the performance of the pressure tank 10 due to a leak or the like, the same technique can be applied to the upper limit pressure. .

図6は図1及び図4における圧力センサ11の特性に上下限のある場合の特性例である。例えば、圧力センサ11の測定範囲が0.05MPa〜0.15MPaの範囲に限定されている場合である。このような場合で、例えば、図1における目標値100を圧力センサ11の下限である0.05MPaに制御する場合を考えると、実際の圧力が0.05MPa以下に低下してもセンサ出力は0.05MPaの時と変化しない。この為、PID制御系は0.05MPa到達時点の電動機回転数を維持してしまい、実際の圧力がさらに下がり、0.05MPaに制御できないということが発生する。   FIG. 6 is an example of characteristics when the pressure sensor 11 in FIG. 1 and FIG. 4 has upper and lower limits. For example, this is a case where the measurement range of the pressure sensor 11 is limited to a range of 0.05 MPa to 0.15 MPa. In such a case, for example, when considering the case where the target value 100 in FIG. 1 is controlled to 0.05 MPa, which is the lower limit of the pressure sensor 11, even if the actual pressure drops below 0.05 MPa, the sensor output is 0.05 MPa. It does not change with time. For this reason, the PID control system maintains the motor rotation speed at the time of reaching 0.05 MPa, and the actual pressure further decreases, so that it cannot be controlled to 0.05 MPa.

この場合も、図4の構成において、上下限設定部19で下限値を0.05MPaと置くことにより、圧力を0.05MPaに制御することが可能となる。かつその時の電動機8の回転数も、始動時の圧力タンク10内圧力の条件によらず、一定とすることができる。このように、上下限の決められたセンサにおいても、その出力範囲の末端部において、制御対象を目標値に制御することが可能となり、センサの出力範囲を有効に利用することが可能となる。   Also in this case, in the configuration of FIG. 4, the pressure can be controlled to 0.05 MPa by setting the lower limit value to 0.05 MPa in the upper and lower limit setting unit 19. Further, the rotational speed of the electric motor 8 at that time can also be made constant irrespective of the conditions of the pressure tank 10 pressure at the time of starting. As described above, even in a sensor whose upper and lower limits are determined, the control target can be controlled to the target value at the end of the output range, and the output range of the sensor can be used effectively.

このように、実施例1のように制御対象の物理的な制約から上限下限が定まる場合のほかに、センサの仕様上の制約から上限下限が定まる場合においても、消費電力の低減に有効である。   Thus, in addition to the case where the upper and lower limits are determined from the physical constraints of the control target as in the first embodiment, the case where the upper and lower limits are determined from the constraints on the sensor specifications is effective in reducing power consumption. .

図7は本発明を発熱体21の温度制御装置に適用した一実施例である。発熱体21が、電動機8により駆動される冷却ファン20で空冷冷却される例である。   FIG. 7 shows an embodiment in which the present invention is applied to a temperature control device for the heating element 21. In this example, the heating element 21 is air-cooled and cooled by the cooling fan 20 driven by the electric motor 8.

図8は、図7における温度センサ22の特性の一例を示す。温度センサ22により測定される値は、図8のように例えば上限50℃、下限-10℃のように上下限がある。このため、その値を図7の上下限設定部19により上限設定及び下限設定に設定することにより、目標値100がその上下限に設定されても、実施例2と同様に、発熱体21の温度を目標値に制御することが可能となる。   FIG. 8 shows an example of the characteristics of the temperature sensor 22 in FIG. The values measured by the temperature sensor 22 have upper and lower limits such as an upper limit of 50 ° C. and a lower limit of −10 ° C. as shown in FIG. For this reason, even if the target value 100 is set to the upper and lower limits by setting the values to the upper limit and lower limit settings by the upper and lower limit setting unit 19 in FIG. It becomes possible to control the temperature to the target value.

図9は本発明を液体ヘリウムによる冷却装置の温度制御に適用した一実施例である。冷却対象物31は、電動機8により駆動される冷却装置30で冷却される例である。この例では、符号反転器16は省略しており、信号の符号はPID演算器4内などで別途設定している。   FIG. 9 shows an embodiment in which the present invention is applied to temperature control of a cooling device using liquid helium. The cooling object 31 is an example of being cooled by the cooling device 30 driven by the electric motor 8. In this example, the sign inverter 16 is omitted, and the sign of the signal is set separately in the PID calculator 4 and the like.

図10はまた、図9における温度センサ22の特性の一例を示す。圧力の場合の真空と同様に、温度においても、絶対温度-273℃以下の温度はあり得ない。実用的には、液体ヘリウムの場合、冷却対象物31の冷却限界は-269℃である。この為、図9の上下限設定部19において、その値を下限設定に設定することにより、目標値100を-269℃としても、冷却装置30の電動機回転数を最適値に制御することが可能となる。   FIG. 10 also shows an example of the characteristics of the temperature sensor 22 in FIG. As in the case of vacuum in the case of pressure, the temperature cannot have an absolute temperature of −273 ° C. or lower. Practically, in the case of liquid helium, the cooling limit of the cooling object 31 is −269 ° C. Therefore, the upper and lower limit setting unit 19 in FIG. 9 sets the value to the lower limit setting, so that the motor speed of the cooling device 30 can be controlled to the optimum value even when the target value 100 is set to −269 ° C. It becomes.

図11は、図4のシステムを例に、圧力を制御する処理の流れを示すフロー図である。図11の処理は、回転数指令補正量演算部14をマイクロコンピュータで構成し、ソフトウェアにより実行することができる。処理の開始S1101では、上下限設定部19で圧力の物理的な下限を0MPaとして設定済みであるとする。処理S1102では、目標値設定部1によって設定される目標圧力が下限である0MPaかどうかを判定する。目標圧力が0MPaでなければ、回転数指令補正量演算部14は、補正信号400を発生しない(S1103)。この場合には、PID演算器4等で生成された出力はそのまま制御に使用されるので、従来のPID制御と同様である。   FIG. 11 is a flowchart showing the flow of processing for controlling pressure, taking the system of FIG. 4 as an example. The processing in FIG. 11 can be executed by software, with the rotational speed command correction amount calculation unit 14 configured by a microcomputer. In the start of processing S1101, it is assumed that the physical lower limit of the pressure is already set to 0 MPa in the upper / lower limit setting unit 19. In step S1102, it is determined whether the target pressure set by the target value setting unit 1 is 0 MPa, which is the lower limit. If the target pressure is not 0 MPa, the rotation speed command correction amount calculation unit 14 does not generate the correction signal 400 (S1103). In this case, the output generated by the PID computing unit 4 or the like is used as it is for the control, and is similar to the conventional PID control.

目標値設定部1によって設定される目標圧力が0MPaの場合には、回転数指令補正量演算部14は、フィードバック信号12が圧力の下限0MPaを示すかどうかをモニタする(S1104)。フィードバック信号12が圧力の下限0MPaでない場合、回転数指令補正量演算部14は、補正信号400を発生せず、従来のPID制御と同様の制御が行われる(S1103)。   When the target pressure set by the target value setting unit 1 is 0 MPa, the rotational speed command correction amount calculation unit 14 monitors whether the feedback signal 12 indicates the lower limit 0 MPa of pressure (S1104). When the feedback signal 12 is not the lower limit of pressure 0 MPa, the rotation speed command correction amount calculation unit 14 does not generate the correction signal 400 and performs control similar to the conventional PID control (S1103).

フィードバック信号12が圧力の下限0MPaである場合、回転数指令補正量演算部14は、補正信号400を発生する(S1105)。補正信号400としては、フィードバック信号12が増加する方向になるよう符号を決定し、回転数補正量設定部25で設定された値を出力する。この例の場合には、電動機8の回転数を低下させるように補正信号400を生成する。この結果、圧力タンク10内の圧力は増加する方向に遷移するが、フィードバック信号12が圧力の下限0MPaを示している間は、この状態を維持する。フィードバック信号12が圧力の下限0MPaを外れた場合には、通常のPID制御に遷移し目標圧力に収束させる(S1103)。   When the feedback signal 12 is the lower limit of pressure 0 MPa, the rotation speed command correction amount calculation unit 14 generates a correction signal 400 (S1105). As the correction signal 400, a sign is determined so that the feedback signal 12 increases, and a value set by the rotation speed correction amount setting unit 25 is output. In the case of this example, the correction signal 400 is generated so as to reduce the rotational speed of the electric motor 8. As a result, the pressure in the pressure tank 10 changes in an increasing direction, but this state is maintained while the feedback signal 12 indicates the lower limit of 0 MPa. When the feedback signal 12 is out of the lower limit 0 MPa of the pressure, the process shifts to normal PID control and converges to the target pressure (S1103).

以上説明した実施例によれば、真空ポンプの圧力制御のような用途でPID制御方式等を使用し、真空を目標値にするような場合でも、その真空を保持できる最適なポンプ回転数に制御することが可能となり、省電力を図ることが可能となる。   According to the embodiment described above, the PID control method is used for applications such as vacuum pump pressure control, and even when the vacuum is set to the target value, control is performed to the optimum pump rotation speed that can maintain the vacuum. This makes it possible to save power.

1:目標値設定部
2:減算器
3:偏差信号
4:PID演算器
5:電動機回転数指令値
6:周波数・電圧変換部
7:電力変換装置出力
8:電動機
9:真空ポンプ
10:圧力タンク
11:圧力センサ
12:フィードバック信号
13:上下限到達判定部
14:回転数指令補正量演算部
15:補正量加算器
16:符号反転器
17:フィードバック信号入力部
18:電力変換装置
19:上下限設定部
20:冷却ファン
21:発熱体
22:温度センサ
25:回転数補正量設定部
30:冷却装置
31:冷却対象物
1: target value setting unit 2: subtractor 3: deviation signal 4: PID computing unit 5: motor rotation speed command value 6: frequency / voltage conversion unit 7: power converter output 8: motor 9: vacuum pump 10: pressure tank 11: Pressure sensor 12: Feedback signal 13: Upper / lower limit arrival determination unit 14: Speed command correction amount calculation unit 15: Correction amount adder 16: Sign inverter 17: Feedback signal input unit 18: Power converter 19: Upper / lower limit Setting unit 20: cooling fan 21: heating element 22: temperature sensor 25: rotation speed correction amount setting unit 30: cooling device 31: object to be cooled

Claims (9)

目標値を設定または外部より入力可能とする目標値設定部と、
制御対象の状態値を検出する検出器の出力信号を入力可能とし、検出器の出力信号を反映したフィードバック信号を出力するフィードバック信号入力部と、
前記目標値設定部で設定された目標値と前記フィードバック信号の偏差を演算する減算器と、
前記偏差に対して比例演算、積分演算、微分演算のうち少なくとも1つ以上の演算を行い、その総和を出力するPID演算器を備え、
前記PID演算器の出力に基づいた出力を発生し、前記制御対象を前記目標値に一致または近づけるよう制御するPID制御機能を有する電力変換装置において、
信号の上限および下限の少なくとも一方を設定する上下限設定部と、
前記フィードバック信号が前記上限および下限の少なくとも一方の値に到達したかを判定する上下限到達判定部と、
補正量を設定する補正量設定部と、
前記上下限到達判定部の出力と前記補正量設定部の出力とから、前記PID演算器の出力の補正量を演算する補正量演算部と、
を有することを特徴とする電力変換装置。
A target value setting section that allows the target value to be set or input externally;
A feedback signal input unit that enables input of an output signal of a detector that detects a state value of a control target and outputs a feedback signal reflecting the output signal of the detector;
A subtractor for calculating a deviation between the target value set by the target value setting unit and the feedback signal;
A PID calculator that performs at least one of proportional calculation, integral calculation, and differential calculation on the deviation and outputs a sum of the calculations,
In the power conversion device having a PID control function for generating an output based on the output of the PID computing unit and controlling the control target to match or approach the target value,
An upper / lower limit setting section for setting at least one of an upper limit and a lower limit of the signal;
An upper and lower limit attainment determination unit for determining whether the feedback signal has reached at least one of the upper limit and the lower limit;
A correction amount setting section for setting a correction amount;
From the output of the upper and lower limit arrival determination unit and the output of the correction amount setting unit, a correction amount calculation unit that calculates the correction amount of the output of the PID calculator,
The power converter characterized by having.
前記出力により電動機を駆動する電力変換装置であって、
前記補正量設定部は、前記フィードバック信号が前記上限および下限の少なくとも一方の値に到達した際の回転数指令補正量を設定する回転数補正量設定部であり、
前記補正量演算部は、前記上下限到達判定部の出力と前記回転数補正量設定部の出力とから前記PID演算器の出力である前記電動機の回転数指令の補正量を演算する回転数指令補正量演算部であり、
前記PID演算器の出力と前記回転数指令補正量演算部の出力を加算し、前記電動機の回転数指令を補正する補正量加算器を有することを特徴とする、
請求項1記載の電力変換装置。
A power converter for driving an electric motor with the output,
The correction amount setting unit is a rotation number correction amount setting unit that sets a rotation number command correction amount when the feedback signal reaches at least one of the upper limit and the lower limit.
The correction amount calculation unit calculates a rotation speed command for calculating a correction amount of the rotation speed command of the motor, which is an output of the PID calculator, from the output of the upper / lower limit achievement determination unit and the output of the rotation speed correction amount setting unit. Correction amount calculation unit,
The output of the PID computing unit and the output of the rotation speed command correction amount calculation unit are added, and a correction amount adder for correcting the rotation speed command of the electric motor is provided.
The power conversion device according to claim 1.
前記回転数指令補正量演算部は、
前記上下限到達判定部が、前記フィードバック信号が上限値に到達したと判定した場合は、前記フィードバック信号が減少する方向になるよう符号を決定し、前記回転数補正量設定部で設定された値を出力し、
前記上下限到達判定部が、前記フィードバック信号が下限値に到達したと判定した場合は、前記フィードバック信号が増加する方向になるよう符号を決定し、前記回転数補正量設定部で設定された値を出力することを特徴とする、
請求項2記載の電力変換装置。
The rotation speed command correction amount calculation unit
When the upper / lower limit arrival determination unit determines that the feedback signal has reached the upper limit value, the sign is determined so that the feedback signal decreases, and the value set by the rotation speed correction amount setting unit Output
When the upper / lower limit arrival determination unit determines that the feedback signal has reached the lower limit value, the sign is determined so that the feedback signal increases, and the value set by the rotation speed correction amount setting unit Output,
The power conversion device according to claim 2.
電力変換装置に接続された外部装置の動作によって、制御対象の状態を変化させる際の、当該電力変換装置の制御方法であって、
前記制御対象の状態の目標値を設定する目標値設定ステップと、
前記制御対象の状態を検出器で検出し、前記検出器の出力に基づいてフィードバック信号を生成するフィードバック生成ステップと、
前記目標値と前記フィードバック信号の偏差を得る偏差取得ステップと、
前記偏差を用いて比例演算、積分演算、微分演算のうち少なくとも1つ以上の演算を行い、その結果を出力する演算ステップと、
前記フィードバック信号の上限および下限の少なくとも一方を設定する上下限設定ステップと、
前記フィードバック信号が前記上限および下限の少なくとも一方に到達したかを判定する上下限到達判定ステップと、
補正量を設定する補正量設定ステップと、
前記フィードバック信号が前記上限および下限の少なくとも一方に到達した場合に、前記演算ステップにより得られる前記結果を前記補正量で補正して制御信号を生成し、該制御信号に基づいて前記外部装置を動作させる、
電力変換装置の制御方法。
A control method for the power conversion device when changing the state of a control target by the operation of an external device connected to the power conversion device,
A target value setting step for setting a target value of the state of the controlled object;
A feedback generation step of detecting a state of the controlled object with a detector and generating a feedback signal based on an output of the detector;
A deviation obtaining step for obtaining a deviation between the target value and the feedback signal;
A calculation step of performing at least one of proportional calculation, integral calculation, and differential calculation using the deviation, and outputting the result;
An upper and lower limit setting step for setting at least one of an upper limit and a lower limit of the feedback signal;
Upper and lower limit attainment determining step for determining whether the feedback signal has reached at least one of the upper limit and the lower limit;
A correction amount setting step for setting a correction amount;
When the feedback signal reaches at least one of the upper limit and the lower limit, the control unit generates a control signal by correcting the result obtained by the calculation step with the correction amount, and operates the external device based on the control signal. Let
Control method of power converter.
前記フィードバック信号が前記上限および下限のいずれにも到達していない場合に、前記演算ステップにより得られる前記結果を前記補正量で補正しないで制御信号を生成し、該制御信号に基づいて前記外部装置を動作させる、
請求項4記載の電力変換装置の制御方法。
When the feedback signal has not reached either the upper limit or the lower limit, a control signal is generated without correcting the result obtained by the calculation step with the correction amount, and the external device is based on the control signal. Make the work,
The control method of the power converter device of Claim 4.
前記上限および下限の少なくとも一方は、前記制御対象の物理的な制約に基づいた、前記フィードバック信号の限界値である、
請求項4記載の電力変換装置の制御方法。
At least one of the upper limit and the lower limit is a limit value of the feedback signal based on physical constraints of the control target.
The control method of the power converter device of Claim 4.
前記上限および下限の少なくとも一方は、前記検出器の仕様上の制約に基づいた、前記フィードバック信号の限界値である、
請求項4記載の電力変換装置の制御方法。
At least one of the upper limit and the lower limit is a limit value of the feedback signal based on a restriction on the specification of the detector.
The control method of the power converter device of Claim 4.
前記フィードバック信号が前記上限および下限の少なくとも一方に到達した場合に、前記演算ステップにより得られる前記結果を前記補正量で補正して制御信号を生成し、該制御信号に基づいて前記外部装置を動作させる際に、
前記フィードバック信号が上限に到達した場合には、前記フィードバック信号が減少する方向になるように前記制御対象を遷移させるべく、前記制御信号を生成して前記外部装置を動作させ、
前記フィードバック信号が下限に到達した場合には、前記フィードバック信号が増加する方向になるように前記制御対象を遷移させるべく、前記制御信号を生成して前記外部装置を動作させる、
請求項4記載の電力変換装置の制御方法。
When the feedback signal reaches at least one of the upper limit and the lower limit, the control unit generates a control signal by correcting the result obtained by the calculation step with the correction amount, and operates the external device based on the control signal. When doing
When the feedback signal reaches an upper limit, the control signal is generated and the external device is operated so as to shift the control target so that the feedback signal decreases.
When the feedback signal reaches a lower limit, the control signal is generated to operate the external device so that the control target is shifted so that the feedback signal increases.
The control method of the power converter device of Claim 4.
前記外部装置は電動機であり、前記制御信号は前記電動機の回転数を制御する、
請求項4記載の電力変換装置の制御方法。
The external device is an electric motor, and the control signal controls the rotational speed of the electric motor;
The control method of the power converter device of Claim 4.
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