JP3033056B2 - 電力制御装置 - Google Patents

電力制御装置

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JP3033056B2
JP3033056B2 JP5009007A JP900793A JP3033056B2 JP 3033056 B2 JP3033056 B2 JP 3033056B2 JP 5009007 A JP5009007 A JP 5009007A JP 900793 A JP900793 A JP 900793A JP 3033056 B2 JP3033056 B2 JP 3033056B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はモータ等の誘導性の負荷
に供給する電力の制御装置に係り、特に負荷電流の変動
幅を小さくする改良に関する。
【0002】
【従来の技術】電力制御装置は、例えば本出願人の提案
に係る特開平1−103196号公報に開示されている
ようにパルス幅制御を用いたスイッチング方式のものが
知られている。図5はこのような従来装置の構成ブロッ
ク図である。図において、デューティ比変調器10は一
般的なパルス幅変調回路PWMであって、外部よりデュ
ーティ比の出力設定値とデューティ比変調信号DM(dut
y ratio modilation)の被変調信号Cdmが供給され、デ
ューティ比変調信号DMが出力されている。振幅変調器
20はトランス40でのスイッチング周波数を高くする
もので、振幅変調信号AMの被変調信号Camをデューテ
ィ比変調信号DMに従って0〜100%の変調度で2値
変調する。ドライバ回路30は振幅変調信号AMに応じ
てオンオフ動作するスイッチング素子で、一端はトラン
ス40の一次巻線に接続されている。トランス40はド
ライバ回路30とモータ60とを直流的に絶縁するもの
で、二次巻線には整流器50が接続されて、誘導性負荷
60に対して電圧V0、電流i0のドライブ信号を供給す
る。
【0003】このような装置では、誘導性負荷60に流
れる電流が連続の場合には、その電流値は印加電圧の積
分値で定まる性質を利用して、ドライブ回路40のオン
時間とオフ時間の比であるデューティ比を変えること
で、負荷に供給する電力を制御している。また、必要な
出力電圧が入力電圧よりも高い場合や、逆に出力電圧が
大幅に低い場合に備えてトランス40を介在させ、その
巻線比により大まかな電圧変換を行わせている。またト
ランスにはコアと呼ばれる磁性材料が使用されている
が、コア材料は有限の飽和磁束密度を有すると共にヒス
テリシス損失等の磁束密度依存性を有するため、スイッ
チング周波数が低いほどコアの外形寸法を大きくする必
要がある。
【0004】図6は従来装置の動作を説明する波形図
で、(A)は出力設定値x、(B)は被変調信号Cdm、
(C)はデューティ比変調信号DM、(D)は被変調信
号Cam、(E)は振幅変調信号AM、(F)は出力電圧
0、(G)は負荷電流i0である。デューティ比変調器
10で用いる被変調信号Cdmは、基本周期Tdm、即ち基
本周波数fdmのクロック信号である。そして、出力設定
値が小さいときは基本周期の開始時からの短い間だけH
となり、残りの期間はLとされる。他方、出力設定値が
大きいときは基本周期の開始時から比較的長い間Hが維
持され、周期の終わりの僅かな期間Lとされる。ここで
はトランス40を小型化するため、被変調信号Camの基
本周波数famを基本周波数fdmに比較して大きくしてあ
る(fam<<fdm)。
【0005】ところで、前述したように負荷電流i0
電流連続の条件を充足するためには、次式を満足する必
要がある。 Δi0<2・I0 (1) ここで、I0は負荷電流i0の平均値をいい、Δi0は負
荷電流i0の変動幅で、次式で定められる。 Δi0=x(1−x)E/(2L・fdm) (2) =0.24E/(2L・fdm) (x=0.6の場合) ここでxは出力設定値(0<x<1)、Eは出力電圧V
0の波高値電圧、Lは誘導性負荷60のインダクタン
ス、fdmはデューティ比変調器10のクロック周波数
で、振幅変調器20の基本周波数famに比較して十分小
さいものとする(fam>>fdm)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】そこで、電流連続条件
を充足させるために、出力設定値の範囲が限定されて汎
用性に欠けるという課題があった。電流連続条件を充足
していても、変動負荷電流Δi0が大きくなると、誘導
性負荷の出力、例えばモータのトルクの脈動が大きくな
るという課題を生じる。さらにモータ等の消費電力の大
きな機器の電力制御を行う場合には、変動負荷電流Δi
0の変動周波数が可聴領域であったり、周辺機器の共振
周波数と一致するような場合には、振動・騒音問題を引
き起こしてしまう課題があった。そこで、デューティ比
変調器10のクロック周波数fdmを高くすることが考え
られるが、famとfdmの差が小さくなり、振幅変調が旨
く行えなくなるという課題があった。
【0007】本発明は上述の課題を解決したもので、変
動負荷電流Δi0の変動幅が小さく誘導性負荷の出力が
安定して得られる電力制御装置を提供することを目的と
する。
【0008】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
る本発明は、デューティ比設定値に基づいてデューティ
比変調信号DMの出力されるデューティ比変調器10
と、このデューティ比変調信号に基づいてクロック信号
Camを振幅変調する振幅変調回路20と、この振幅変調
回路の出力する振幅変調信号AMに応じてオンオフ動作
するドライバ回路30と、このドライバ回路のオンオフ
動作により一次巻線にスイッチング電流が流れるトラン
ス40と、このトランスの二次巻線に誘起されるスイッ
チング電流を整流して負荷側にパルス性信号を出力する
整流器50とを有する電力制御装置において、次の構成
としたものである。
【0009】即ち、前記デューティ比変調器の時間基準
信号として前記クロック信号を入力すると共に、当該デ
ューティ比変調器は、クロック毎に比較動作を行うコン
パレータ11と、このコンパレータ出力信号と前記デュ
ーティ比設定値との偏差を求める加減算器12と、この
加減算器の出力を積分して、当該コンパレータにフィー
ドバックする積分器13とを有し、このコンパレータの
出力信号を前記デューティ比変調信号として出力し、且
つ当該出力信号の平均値が前記デューティ比設定値と比
例することを特徴としている。
【0010】
【作用】本発明において、デューティ比変調器は振幅変
調器と同一のクロック信号を時間基準信号としているの
で、負荷電流の変動が高いクロック周波数で決定され、
しかして負荷電流の変動が小さくなる。ここでデューテ
ィ比変調器はデューティ比変調信号の平均値がデューテ
ィ比設定値と比例と一致するように動作するもので、例
えばいわゆるΔΣ変換器が用いられる。振幅変調器はデ
ューティ比変調信号に応じてクロック信号を被変調信号
としてパルス信号を出力してトランスに流れる電流を実
質的に定めて、負荷電流の平均値を決定する。トランス
は絶縁をとるもので、巻数比を調整することで負荷側に
送る電圧を調整できる。
【0011】
【実施例】以下図面を用いて、本発明を説明する。図1
は本発明の一実施例を示す構成ブロック図である。尚、
図1において前記図5と同一作用をするものには同一符
号を付して説明を省略する。ここではデューティ比変調
器10に振幅変調器20と同一のクロック信号Camを被
変調信号として供給している。そして、デューティ比変
調器10から振幅変調器20に出力されるデューティ比
変調信号DMは、その平均値がデューティ比設定値と比
例するもので、例えば図3で説明する一次のΔΣ変換器
をデューティ比変調器10に用いることで実現される。
【0012】図2は図1の装置の動作を説明する波形図
で、(A)は出力設定値x、(B')は被変調信号Cam、
(C)はデューティ比変調信号DM、(D)は被変調信
号Cam、(E)は振幅変調信号AM、(F)は出力電圧
0、(G)は負荷電流i0である。図6と相違する点を
説明すれば、デューティ比変調信号DMの被変調信号C
amの基本周波数famは従来例の基本周波数に比較してか
なり高くなっている。
【0013】この時、負荷電流i0の変動幅Δi0は、次
式で定められる。 Δi0 =Δi1−Δi2+Δi3 =2(1−x)E/(2L・fam)−x・E/(2L・fam) +2(1−x)E/(2L・fam) =(4−5x)E/(2L・fam) =1.0E/(2L・fam) (x=0.6の場合) (3) ここでΔi1は負荷電流i0の最大値と次の極小値の偏
差、Δi2はこの極小値と次の極大値の偏差、Δi3はこ
の極大値と最小値の偏差を表している。Δi0は負荷電
流i0の最大値と最小値の偏差である。式(2)と比較
すると分母に入っている基本周波数famがfdmに比較し
て十分大きい値であるから、Δi0はかなり小さい値に
なることが了解される。
【0014】図3はΔΣ変換器の一例を示す構成ブロッ
ク図である。このようなΔΣ変換器は、例えば本出願人
の提案にかかる特願平4−76896号明細書に開示さ
れている。図において、コンパレータ11はクロック信
号Cam毎に比較動作を行うもので、プラス端子には積分
器13の出力信号Cが印加され、マイナス端子はコモン
に接続されていて、出力端子Dから1ビットストリーム
のデューティ比変調信号DMが出力される。スイッチ回
路14はコンパレータ11の出力信号Dに応じて二値信
号Eを出力するもので、この二値は+FSと−FSにな
っている。加減算器12は、出力設定値x(A)をプラ
ス端子に入力し、スイッチ回路14の出力信号Dをマイ
ナス端子に入力するもので、両者の和(Σ)をとって出
力信号Bを積分器13に送っている。積分器13は前回
のクロック周期で得た結果に今回のクロック周期で加減
算器12から送られた信号Cを加算している。
【0015】このようなΔΣ変換器の伝達関数は、入力
信号をX(z)、出力信号をY(z)で表したとき次式で与え
られる。 Y(z)=X(z)+(1−z-1)nQ(z) (4) ここで、Q(z)は非線形要素であるコンパレータ11の
特性を、信号の量子化により発生する雑音として導入し
たものである。nは積分器12の次数で、1以上の自然
数になっている。
【0016】このように構成された装置の動作を次に説
明する。図4は上記図3の回路の動作説明図で、第1欄
はクロック周期t1〜t10、第2欄は信号Aである出力
設定値x、第3欄は信号Bで信号Aから直前の信号Dを
控除した値であり、第4欄は信号Cで信号Bに直前の信
号Cを加算したものであり、第5欄は信号Dで信号Cの
符号になっている。
【0017】まずクロック周期t1は最初の周期なの
で、出力設定値x(ここでは3/5)が信号Aとして加
減算器12に送られるので、信号Bは3/5となる。そ
して、これを積分器13で加算すると信号Cは3/5と
なる。これに対応してコンパレータ11の比較結果信号
Dは1となる。
【0018】次のクロック周期t2では、出力設定値x
(ここでは3/5)が信号Aとして加減算器12に送ら
れ、加減算器12に帰還されたクロック周期t1の信号
Dと演算されて、信号Bは−2/5となる。そして、こ
れを積分器13で加算すると、従前の3/5に信号Bが
加算されて信号Cは1/5となる。これに対応してコン
パレータ11の比較結果信号Dは1となる。以下、この
ような動作をクロック周期t3〜t5の間継続すると、5
クロック周期での信号Dの平均値は出力設定値xに等し
くなっている。クロック周期t6では、最初のクロック
周期t1と同一の状態に戻る。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によればデ
ューティ比変調器10に従来に比較して高い周波数であ
る振幅変調器20用のクロックを用いているので、負荷
電流の変動を小さく抑えることができる。そこで誘導性
負荷60のインダクタンスが小さい場合にもその電流を
連続にできると共に、誘導性負荷60に流れる電流の脈
動が小さくなるという効果がある。そこで、ノイズや振
動が小さくなり、環境対策上も望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す構成ブロック図であ
る。
【図2】図1の装置の動作を説明する波形図である。
【図3】ΔΣ変換器の一例を示す構成ブロック図であ
る。
【図4】図3の回路の動作説明図である。
【図5】従来装置の構成ブロック図である。
【図6】従来装置の動作を説明する波形図である。
【符号の説明】
10 デューティ比変調器(ΔΣ変換器) 20 振幅変調器 30 ドライバ回路 40 トランス 50 整流器 30 誘導性負荷

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】デューティ比設定値に基づいてデューティ
    比変調信号(DM)の出力されるデューティ比変調器
    (10)と、 このデューティ比変調信号に基づいてクロック信号(C
    am)を振幅変調する振幅変調回路(20)と、 この振幅変調回路の出力する振幅変調信号(AM)に応
    じてオンオフ動作するドライバ回路(30)と、 このドライバ回路のオンオフ動作により一次巻線にスイ
    ッチング電流が流れるトランス(40)と、 このトランスの二次巻線に誘起されるスイッチング電流
    を整流して負荷側にパルス性信号を出力する整流器(5
    0)と、 を有する電力制御装置において、 前記デューティ比変調器の時間基準信号として前記クロ
    ック信号を入力すると共に、当該デューティ比変調器
    は、クロック毎に比較動作を行うコンパレータ(11)
    と、このコンパレータ出力信号と前記デューティ比設定
    値との偏差を求める加減算器(12)と、この加減算器
    の出力を積分して、当該コンパレータにフィードバック
    する積分器(13)とを有し、 このコンパレータの出力信号を前記デューティ比変調信
    号として出力し、且つ当該出力信号の平均値が前記デュ
    ーティ比設定値と比例することを特徴とする電力制御装
    置。
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