JP4098716B2 - 制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導性負荷を有する負荷回路を動作させる制御装置であって、測定用非通電区間を有するパルス幅変調制御信号を発生する制御段と、負荷回路に給電し、パルス幅変調制御信号によって制御される電子スイッチを有する電力段と、負荷回路と並列に接続されたフリーホイール要素とを備える制御装置に関する。

このような制御装置は、例えば、欧州特許出願第０８５５７９９号により、従来技術として知られている。

従来知られたこの制御装置では、負荷回路に流れる電流は、シャント抵抗か、測定用増幅器かの何れかによって求められるが、これらは、どちらも実現するのに費用がかかる。また、シャント抵抗の場合、効率に悪影響を及ぼし、熱を発生するという問題がある。

従って、負荷回路に流れる電流を、簡単な方法で求められるように、汎用の制御装置を改良することが本発明の目的である。

この目的は、本発明により、最初に説明される種類の制御装置の場合、測定用非通電区間の前に、負荷回路に流入する電流を検出する電流検出ユニットが、測定用非通電区間におけるフリーホイール時間の持続期間を検出し、そこから電流を計算することによって達成される。

この解決法の利点は、負荷回路に流れる電流を、単純で低コストな手段によって求められる点にある。

フリーホイール時間の測定に関しては、多様な可能性が考えられる。例えば、測定用非通電区間において、フリーホイール電圧がゼロより小さくなる時間を、電圧サンプリングすることによって求めることが考えられる。しかし、この場合、多数のサンプリングが必要になる。

このため、特に有利な実施例では、電流検出ユニットが、フリーホイール時間の間に基準値を積分する積分段によって、フリーホイール時間を検出するようになっている。これは、シンプルな値を測定する手段でフリーホイール時間を検出できる、実現性ある簡単な方法を提供している。

負荷回路の電圧がゼロより小さい時間中に、前記積分段が、負荷回路の電圧によって制御されるスイッチによって起動される場合、前記積分段は、特に簡単な方法で操作される。
このスイッチは、最も簡単な場合には、スイッチング・トランジスタにより構成され、それが負荷回路の電圧によって制御されるようにすればよい。

積分段自体の形成に関しては、これまで具体的には述べていない。
１つの特に簡単な解決法では、積分段が、フリーホイール時間の間に基準値として電圧の積分を実行するようにしているが、これは、本発明による制御装置の場合、電圧が基準値として簡単な方法で生成でき、さらに積分電圧が簡単な方法で測定できるからである。

積分段自体の回路技術的な構成に関しては、これまで具体的には述べていないが、１つの特に有利な解決法では、積分段は、ＲＣ要素を含むようにされる。
このＲＣ要素によれば、積分段は、特に簡単で、低コストな方法で実現できる。

このＲＣ要素の場合、ＲＣ要素におけるコンデンサの電荷を、負荷回路の電圧によって制御可能な電子スイッチによって制御することで、積分を特に有利に実行することができる。

積分段が新しい積分を繰り返し開始できるようにするため、好適には、積分段で蓄積された値を、測定用非通電区間の終了後に、消去するようにされる。

この消去は、積分段で蓄積された値を、繰り返し発生するパルス幅変調制御信号によって消去することで、特に簡単な方法で実現できる。
これは、パルス幅変調制御信号の通電区間によって消去を行うことで、特に簡単に実現できる。

積分段で測定されるフリーホイール時間の値を、簡単な方法で評価できるようにするため、好適には、積分段は、測定用非通電区間が終了するまでの積分で求めた値を保持するようにされる。

上記で説明された本発明による解決法では、負荷回路中に存在する誘導性負荷がフリーホイール電流を発生するものと想定していた。
しかし、誘導性負荷が電動機である場合には、測定用非通電区間において、発電機としての電圧をも発生するが、これは、測定するフリーホイール時間に影響するので、負荷回路に流れる電流を計算する際には、考慮しなければならない。

このため、負荷回路中の誘導性負荷が電動機である本発明による制御装置の実施例の場合、電流検出ユニットは、測定用非通電区間中の電動機電流を求めるため、フリーホイール時間の持続期間と、フリーホイール時間の後における発電機電圧（generator voltage）のプラトー（plateau）値とを測定するように構成されている。

これらのパラメータによって、電流検出ユニットは、同様に、測定用非通電区間が発生する前に負荷回路に流れる電流を求めることができる。

発電機電圧のプラトー値の決定に関しては、様々な解決法が考えられる。例えば、フリーホイール時間が経過した後における測定用非通電区間の電圧を検出することが考えられるが、これは、あらゆる種類の外乱によって発生しうる電源電圧の歪みを除去するという問題を伴っている。

電流検出ユニットが、多重電圧サンプリングによってプラトー領域中の発電機電圧を測定する場合、フリーホイール時間後の発電機電圧のプラトー値を十分な精度で求めることができる。

こうした多重電圧サンプリングによって、測定の精度を増大することができる。
この点で、電流検出ユニットが、多重電圧サンプリングで測定された値の平均を実行すれば、特に有利である。

原則として、電流検出ユニットが、常に、フリーホイール時間と、該当する場合には、発電機電圧とを電流に関連付けた式に従って電流を計算することが考えられる。
しかし、これにはかなりの計算量が必要なので、これに適したプロセッサの場合であってもかなりの計算時間を必要とする。

このため、検出されたフリーホイール時間を尺度として電流を求める場合、電流検出ユニットが、乗算によって電流を求めることのできる表から値を取得できるようにすると、特に有利である。

このことが意味するのは、電流検出ユニット、特に、そのプロセッサは、必ずしも数式全体を計算する必要はなく、その代わりに、計算作業は、表を編集する時に行われるので、電流検出ユニットのプロセッサは、フリーホイール時間の尺度に対応する表から値を読み出し、この値を使用して別の乗算、例えば、フリーホイール要素にかかる一定の電圧降下、または、該当する場合、この電圧と発電機電圧の合計による乗算を実行するだけで、電流の値が得られるようになる。

その結果、電流を求める際の計算量と、惹いては、計算時間が大きく減少できるので、各測定用非通電区間に関連する電流の値を、簡単な方法で、かつ簡単なプロセッサを使用して、求めることができる。

その結果、本発明による解決法では、発電機電圧を発生する電動機の場合でも、測定用非通電区間中の電流を求める際に必要な計算操作を、１回の加算と１回の乗算とに減らすことが可能であり、発電機電圧を発生しない誘導性負荷の場合には、１回の乗算だけに減らすことが可能である。

本発明のさらなる特徴及び利点が、以下の説明における対象であり、そして、本発明による解決法の実施例が図示されている。

図１において、全体が１０として示され、本発明による制御装置の実施例は、誘導性負荷を伴う負荷回路１２を動作させる場合であり、この負荷回路は、本実施例では、電動機Ｍである。

しかし、本発明によれば、例えば、電磁石又は加熱コイルのような、任意の、他の種類の誘導性負荷が、負荷回路１２中に備えられていてもよい。

誘導性負荷Ｍを動作させるため、制御装置１０は、パルス幅変調制御信号ＳＰＷＭを発生する制御段１４を備え、このパルス幅変調制御信号ＳＰＷＭは、電力段１６を制御するために使用され、この電力段１６は、その一部として電子スイッチ１８を備えるが、この電子スイッチ１８は、パルス幅変調制御信号ＳＰＷＭによって制御され、例えば、電界効果トランジスタで形成される。

制御信号ＳＰＷＭによって制御される電子制御スイッチ１８により、経時的変化について制御信号ＳＰＷＭに対応し、例えば、反転されて、パルス幅変調による供給電圧ＰＷＭが生成され、負荷回路１２の接続端子２０を介して、負荷回路１２に存在する誘導性負荷Ｍに給電するために使用される。

接続端子２０と接地との間には、さらに、例えば、フリーホイール・ダイオードのようなフリーホイール要素が接続され、これは、２２として示され、パルス幅変調による供給電圧ＰＷＭが切られた時、誘導性負荷Ｍによって発生するフリーホイール電流Ｉ_Ｆを引き受ける。

しかし、フリーホイール要素２２は、パルス幅変調制御信号ＳＰＷＭと同期して制御される電子スイッチでもよい。

さらに、本発明による制御装置１０は、電流検出ユニット２４を備えており、その入力２６が制御端子２０に接続されており、後者は、負荷回路１２に存在する電圧Ｕを検出できる。

また、電流検出ユニット２４は、接続点２８を有し、それによって、パルス幅制御信号ＳＰＷＭを検出する。
さらに、電流検出ユニット２４は、制御段１４と通信し、後者を、測定用非通電区間までに、パルス幅変調制御信号ＳＰＷＭに割り込みさせるので、負荷回路１２に給電している間、パルス幅変調による供給電圧ＰＷＭも、測定用非通電区間ＭＡＩまでに、同様に割り込みされる。

負荷回路１２の給電が割り込みされた場合、負荷回路１２に存在するインダクタンスのため、フリーホイール要素２２を介して流れるフリーホイール電流Ｉ_Ｆは、ほぼ指数関数的に降下し、フリーホイール時間Ｆの間流れる。

このフリーホイール時間Ｆの間では、負荷回路１２の端子２０で測定されるフリーホイール電圧Ｕ_Ｆは、ゼロより低い。

コイル、磁石又は加熱器のようなインダクタンスの場合、フリーホイール時間Ｆが経過した後のそれぞれの測定用非通電区間ＭＡＩにおいては、負荷回路１２に電圧は発生しない。

本発明による電流検出ユニット２４は、この場合に、フリーホイール時間Ｆを検出するように動作するが、それは、フリーホイール時間が、パルス幅変調による供給電圧ＰＷＭが投入されている間、負荷回路１２に流れる電流の尺度となっているからである。

他方、電動機Ｍが誘導性負荷として負荷回路１２に存在する場合、この電動機Ｍは、パルス幅変調による供給電圧ＰＷＭが切断された後の測定用非通電区間において、発電機電圧Ｕ_Ｇを発生する。これは、負荷回路１２中の誘導性負荷が電動機Ｍである場合に考慮しなければならず、フリーホイール電流Ｉ_Ｆとフリーホイール時間Ｆとに影響する。この場合、フリーホイール電流Ｉ_Ｆは、対抗する発電機電圧Ｕ_Ｇと、フリーホイール要素２２と、電動機Ｍの内部抵抗とによって減衰し、Ｕ_Ｆは、Ｉ_Ｆが流れる時のフリーホイール要素２２のダイオード電圧に対応する。

発電機電圧Ｕ_Ｇは、特に、電動機Ｍの構造と、その回転速度とに依存する。
発電機電圧Ｕ_Ｇは、フリーホイール時間Ｆが終了した後のそれぞれの測定用非通電区間内に測定でき、ゼロの値から始まって、プラトー値Ｕ_ＧＭＡＸまで増大し、プラトー値Ｕ_ＧＭＡＸを形成した後、発電機電圧Ｕ_Ｇは、このプラトー値Ｕ_ＧＭＡＸを歪める外乱がないならば、時間軸ｔ上において、プラトーＰ全体にわたってほぼ一定に維持される。

原則としては、フリーホイール要素２２にかかる電圧Ｕが、例えば、−０．７Ｖといったダイオード電圧に対応している時間の長さを調べることで、フリーホイール時間Ｆを測定することが可能である。

この場合、負荷電流Ｉ_Ｌａｓｔは、次式で計算される。

但し、
Ｕ_ＧＭＡＸは、測定される発電機電圧であり、
Ｆは、測定されるフリーホイール時間であり、
Ｕ_Ｄは、フリーホイール要素２２にかかる電圧降下であり、
Ｒ_Ｌは、負荷回路１２中のオーム抵抗であり、
Ｌ_Ｌは、負荷回路１２のインダクタンスである。

フリーホイール時間Ｆの持続期間を測定することには、問題があるので、好適には、本発明においては、フリーホイール時間Ｆを測定する電流検出ユニット２４では、積分段３０が使用される。これは、図３に示されされており、ＲＣ要素３２が備えられ、このＲＣ要素３２は、電池電圧ＵＢと接地との間に置かれ、そのコンデンサＣは、一方で安定化された電池電圧ＵＢに接続され、もう一方で中間タップ３４を介して抵抗Ｒに接続され、その抵抗Ｒは、スイッチング・トランジスタＴ１を介して接地に接続される。

ＲＣ要素３２のコンデンサＣを充電するため、トランジスタＴ１のベースは、接続点２６と、惹いては、接続端子２０に接続され、接続点２６とスイッチング・トランジスタＴ１のベースとの間に、ベース抵抗ＲＢが備えられる。

スイッチング・トランジスタＴ１がオンになると、スイッチング・トランジスタＴ１がオンのときに接地に接続される抵抗Ｒを介して、コンデンサＣの充電が行われ、この接続において、積分の結果を示す中間タップ３４の電圧Ｕ_ＩＮＴは、当初のコンデンサＣが放電した状態では、電池電圧Ｕ_Ｂに対応し、その後、コンデンサＣの電荷が増大するに連れて降下するが、これは、図３に概略が示され、図４の測定値にある通りである。

中間タップ３４の電圧Ｕ_ＩＮＴは、時点ｔ_Ｗにおいて、例えば、Ａ／Ｄ変換器３６によってデジタル値に変換されるが、この時点ｔ_Ｗは、デジタル値への変換によるＵ_ＩＮＴの検出が可能な最大フリーホイール時間が終了した後で確実に行われるように、測定用非通電区間ＭＡＩの範囲内で設定される。

コンデンサＣに蓄積された電圧値Ｕ_ＩＮＴを消去するため、中間タップ３４と電池電圧Ｕ_Ｂとの間には、スイッチング・トランジスタＴ２が存在し、そのベースは、ベース抵抗ＲＢ２を介してパルス幅変調制御信号ＳＰＷＭによって制御されており、この場合、このパルス幅変調制御信号ＳＰＷＭは、パルス幅変調による供給電圧ＰＷＭに対して反転されている（図３）。

このパルス幅変調制御信号ＳＰＷＭは、電流検出ユニット２４の接続点２８に存在する。
スイッチング・トランジスタＴ２は、パルス幅変調供給電圧ＰＷＭのスイッチオン・エッジ（switching-on edge）がある度にオンとなり、その結果、時点ｔ_ＬでコンデンサＣを放電させる（図４）。

積分段３０は、通常のパルス幅変調供給電圧ＰＷＭが存在する時にも同様に動作し、パルス幅変調供給電圧ＰＷＭの測定用非通電区間中に値を積分するが、これもパルス幅変調供給電圧ＰＷＭの接続間隔でスイッチング・トランジスタＴ２によって消去される。

測定用非通電区間ＭＡＩでは、スイッチング・トランジスタＴ１は、フリーホイール電圧Ｕ_Ｆが存在する間オンになり、その結果、フリーホイール要素２２にかかる電圧Ｕは、負であるので、フリーホイール時間Ｆの間、フリーホイール電圧Ｕ_Ｆがゼロに等しくなる時点までコンデンサＣが充電され、その結果、中間タップ３４の電圧Ｕ_ＩＮＴが低下する。フリーホイール時間Ｆが終了するまでに中間タップ３４の電圧Ｕ_ＩＮＴが到達して低下した値は、フリーホイール時間Ｆの測定期間を表している。

この値Ｕ_ＩＮＴは、パルス幅変調供給電圧ＰＷＭの次のスイッチオン・エッジが時点ｔ_Ｌで発生するまで、コンデンサＣによって保持される。

最大発電機電圧Ｕ_ＧＭＡＸを測定するため、Ａ／Ｄ変換器３８も同時に接続点２６に接続され、電流検出ユニット２４の２つのＡ／Ｄ変換器３６及び３８が、電流検出ユニット２４のプロセッサ４０に結合され、このプロセッサ４０は、負荷電流の評価を行い、それを判定する。

最大発電機電圧Ｕ_ＧＭＡＸの測定は、Ａ／Ｄ変換器３８により、発電機電圧Ｕ_ＧのプラトーＰが存在する測定用非通電区間の範囲内にある２つの時点ｔ_１及びｔ_２での電圧サンプリングＡ１及びＡ２によって行われ、その際、好適には、外乱を除去するため、時点ｔ_１及びｔ_２で測定された電圧Ｕ_ＧＭＡＸの平均値が形成される。

しかし、Ａ／Ｄ変換器３８によってさらに多くの時点で電圧サンプリングを行った後で、多重電圧サンプリングによる平均発電機電圧Ｕ_ＧＭＡＸを求めることも考えられる。
次に、プロセッサ４０は、Ａ／Ｄ変換器３８によって変換された電圧Ｕ_ＧＭＡＸの平均値を求め、それらと、フリーホイール時間の尺度であるＡ／Ｄ変換器３６によって変換された電圧Ｕ_ＩＮＴとを使用して、負荷電流Ｉ_Ｌａｓｔを計算することができる。

この場合、プロセッサ４０は、好適には、次式によって、負荷電流Ｉ_Ｌａｓｔを計算する。

但し、
Ｉ_Ｌａｓｔは、計算される負荷電流であり、
Ｕ_ＧＭＡＸは、計算される発電機電圧であり、
Ｕ_ＩＮＴは、コンデンサＣに蓄積され測定される電圧値であり、
Ｕ_Ｄは、フリーホイール要素２２にかかる、一定の電圧降下であり、
Ｒ_Ｌは、負荷回路１２中の一定のオーム抵抗であり、
Ｌ_Ｌは、負荷回路１２中の一定のインダクタンスであり、
Ｒは、ＲＣ要素３２の一定のオーム抵抗であり、
Ｃは、ＲＣ要素３２の一定の静電容量であり、
Ｕ_Ｂは、ＲＣ要素に存在する一定の安定化された電池電圧であり、
Ｕは、一定の電動機定数である。

発電機電圧Ｕ_ＧＭＡＸと電圧値Ｕ_ＩＮＴだけが、変数パラメータであり、Ｉ_Ｌａｓｔが変化すると、変化するものであるので、Ｉ_Ｌａｓｔの計算を単純化することができ、次の数式で示される値Ｗを、Ｕ_ＩＮＴに従属する値の表として記憶しておくことができる。

従って、各Ｕ_ＩＮＴを求めた後は、対応する値Ｗをこの表から読み出すことができるので、その結果、それぞれの測定用非通電区間におけるＩ_Ｌａｓｔを計算するため、複雑で時間のかかる計算操作を行う必要がなくなる。

例えば、時点ｔ_１及びｔ_２における電圧サンプリングをまず実行し、それからプロセッサ４０による平均によってＵ_ＧＭＡＸを計算する。次に、時点ｔ_Ｗで、フリーホイール時間Ｆの尺度として、Ｕ_ＩＮＴを求めた後、プロセッサ４０により、式Ｉ_Ｌａｓｔ＝（Ｕ_{ＧＭＡＸ’}＋Ｕ_Ｄ）Ｗに従って、Ｉ_Ｌａｓｔを計算する。

負荷回路１２中に、電動機Ｍの代わりに、例えば、磁石又はコイルのような形態のインダクタンスのみが存在する場合、発電機電圧Ｕ_Ｇは発生しないので、式中の発電機電圧Ｕ_ＧＭＡＸは、ゼロに設定される。

従って、プロセッサ４０は、各測定用非通電区間ＭＡＩの後、従前のパルス幅変調供給電圧ＰＷＭによって、負荷回路１２に流れる電流Ｉ_Ｌａｓｔを計算することができる。

本発明による制御装置の概略構成図を示す。 測定用非通電区間中のフリーホイール要素にかかる電圧とフリーホイール電流に係る動作のグラフを示す。 本発明による電流検出ユニットによる評価を伴う積分段の概略を示す。 フリーホイール要素にかかる電圧の変化に対する電圧Ｕ_ＩＮＴのグラフを示す。

Claims (14)

1. 誘導性負荷（Ｍ）を有する負荷回路（１２）を動作させる制御装置であって、
   パルス幅変調制御信号（ＳＰＷＭ）中に提供される測定用非通電区間（ＭＡＩ）を有する該制御信号（ＳＰＷＭ）を発生する制御段（１４）と、
   負荷回路（１２）に給電し、前記パルス幅変調制御信号（ＳＰＷＭ）によって制御される電子スイッチ（１８）を有する電力段（１６）と、
   前記負荷回路（１２）と並列に接続されたフリーホイール要素（２２）とを備え、
   前記測定用非通電区間（ＭＡＩ）の前に前記負荷回路に流れる電流（Ｉ_Ｌａｓｔ）を求める電流検出ユニット（２４）が、前記測定用非通電区間におけるフリーホイール時間（Ｆ）の期間を検出して、前記電流（Ｉ_Ｌａｓｔ）を計算することを特徴とする制御装置。
2. 前記電流検出ユニット（２４）が、前記フリーホイール時間（Ｆ）にわたる基準値（Ｕ_Ｂ）を積分する積分段（３０）によって前記フリーホイール時間（Ｆ）を検出することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記積分段（３０）が、前記負荷回路（１２）の電圧（Ｕ）がゼロより低い時間中に前記負荷回路（１２）の電圧（Ｕ）によって制御される電子スイッチ（Ｔ１）によって起動されることを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
4. 前記積分段（３０）が、前記フリーホイール時間（Ｆ）にわたる基準値として、電圧（Ｕ_Ｂ）の積分を実行することを特徴とする請求項２又は３に記載の制御装置。
5. 前記積分段（３０）が、ＲＣ要素（３２）を備えることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の制御装置。
6. 前記ＲＣ要素（３２）のコンデンサ（Ｃ）の電荷が、前記負荷回路（１２）の電圧（Ｕ）によって制御される電子スイッチ（Ｔ１）によって制御されることを特徴とする請求項５に記載の制御装置。
7. 前記積分段（３０）で積分された値（Ｕ_ＩＮＴ）が、前記測定用非通電区間（ＭＡＩ）の終了後に消去されることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか一項に記載の制御装置。
8. 前記積分段（３０）で積分された値（Ｕ_ＩＮＴ）が、繰り返し発生する前記パルス幅変調制御信号（ＳＰＷＭ）によって消去されることを特徴とする請求項７に記載の制御装置。
9. 前記消去が、前記パルス幅変調制御信号（ＳＰＷＭ）の通電区間で行われることを特徴とする請求項８に記載の制御装置。
10. 前記積分段（３０）が、前記測定用非通電区間（ＭＡＩ）が終了するまで、前記積分で求めた値（Ｕ_ＩＮＴ）を保持することを特徴とする請求項２乃至９のいずれか一項に記載の制御装置。
11. 前記負荷回路（１２）中の前記誘導性負荷は電動機（Ｍ）である場合、前記測定用非通電区間（ＭＡＩ）中に前記負荷回路（１２）に流れる電流（Ｉ_ｌｏａｄ）を求めるため、前記電流検出ユニット（２４）が、前記フリーホイール時間（Ｆ）の通電区間と前記フリーホイール時間の後の発電機電圧（Ｕ_Ｇ）のプラトー値（Ｕ_ＧＭＡＸ）とを測定することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の制御装置。
12. 前記電流検出ユニット（２４）が、多重電圧サンプリング（Ａ１、Ａ２）によってプラトー領域（Ｐ）中の発電機電圧（Ｕ_ＧＭＡＸ）を測定することを特徴とする請求項１１に記載の制御装置。
13. 前記電流検出ユニット（２４）が、多重電圧サンプリング（Ａ１、Ａ２）で測定された電圧（Ｕ）の平均を実行することを特徴とする請求項１２に記載の制御装置。
14. 検出された前記フリーホイール時間（Ｆ）を尺度として電流（Ｉ_Ｌａｓｔ）を求める時、前記電流検出ユニット（２４）が、乗算によって電流（Ｉ_Ｌａｓｔ）を求めることのできる表から値（Ｗ）を求めることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の制御装置。

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