JP5646843B2 - Ｐｗｍモードで負荷を駆動する際の予測電流制御 - Google Patents

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Description

本発明は、電気的負荷を駆動する切り替えモードに関し、特に、出力パワーステージを介して誘導性負荷を駆動する方法に関する。
ピーク電流制御技術を用いる通常の電流制御システムにおいては、電流検知トランデューサを用いて、出力パワーブリッジの電流を検知する。アナログコンパレータが、この検知された電圧を基準電圧（負荷に必要な電流）と比較する。このシステムは、測定された電流が所定のしきい値の上か下かであるかを評価するだけである。パワーブリッジにおいては、検知要素は、ローサイドのスイッチと接地の間に直列に接続された抵抗である。この応用例においては、電流情報は常に得られるとは限らない。実際に、電流情報は、電流の再循環の状態に依存する。
通常、ピーク電流制御システムでは、負荷電流は、それがしきい値に達するまで増加させ、その後パワーステージ（電源）を切断する。電流は、実施される制御の種類に依存して時間をかけて減少させる。即ち「Ｔｏｆｆ−一定」制御、又は一定パルス幅変調（ＰＷＭ）周波数制御に依存する。図１には、Ｔｏｆｆ−一定モードを示す。
このアプローチの利点は回路構成が簡単になる点である。不利な点は、電流リップルの変動が引き起こすシステマティックなエラーによりシステムが悪影響を受ける点である。電流リップルの変動は、電流の絶対値と共に顕著に増加し、ＰＷＭの周期に比例する。非特許文献１は、基本的なコンバータの形態（例えば、buck, boost, buck-boost）における「谷部（バレー）」と「山部（ピーク）」と「平均電流」に対する予測デジタル電流制御を開示する。非特許文献１によれば、各特定のパラメータに対し、振動問題を回避するために、予測デジタル電流制御を実行する。このため最適なＰＷＭを選択している。最適なデューティサイクルを、コントローラが、複数の電気パラメータに基づいて計算する。このパラメータは、例えば負荷電流、入力電圧、出力電圧、インピーダンス値、implying multiplications , disivionsである。
"Predictive Digital Current Programmed Control," Jingguan Chen, et al.,Jan.2003,Power Electronics, IEEE Transactions, Vol.18, Issue 1, Part 2, Pages 411-419
本発明の目的は、電流リップルが大きく変動しても、負荷電流を制御する有効且つ効率的な方法を提供することである。
本発明の電流制御方法と電流制御装置は、電流ピーク制御の基本原理を用いる。斯くして、検知素子と検知比較器を有するアナログ回路部品を用い、予測制御を実行する。この予測制御は、比較的単純なデジタル回路を用いて、単純な時間測定と代数加算（algebraic additions）で実行できる。
本発明の方法は、第１時点から第２時点に至る時間間隔を測定するステップを含む。第１時点は、ＯＮ相のパワーステージの能動的ＯＮ状態の初期時点である。第２時点は、負荷電流が基準電流に到達した時点である。これは、検知コンパレータを能動的に切り替えることにより決定できる。その結果、検知された電流が、ＯＮ相の開始時に、基準しきい値以下の時には、パワーステージを切り離す従来の技術とは異なり、ＯＮ相の状態を継続する。これは、ＯＮ状態にパワーステージを更なる時間間隔の間維持することにより行われる。この更なる時間間隔は、測定した能動的ＯＮ状態期間と、過去のＰＷＭサイクルの間測定された能動的ＯＮ状態期間との平均値に等しい。この過去のＰＷＭサイクルとは、現在のサイクルの直前のサイクル又はそれよりも離れた過去のサイクル（例えば現在のサイクルよりも３−１０若しくはそれ以上離れた過去のサイクル）をいう。或いは、複数の先行するサイクルに渡って平均化されたＯＮ状態の期間の値である。平均値を計算する際の後者の項（即ち、過去の能動的ＯＮ状態期間）は、一定、或いはプログラム可能であり、これはアプリケーションの特性更には負荷状態の関数に依存する。
その後、パワーステージは、所定のインターバル期間の間スイッチ・オフされる。これはＴｏｆｆ一定制御方法で行われるのと同様である。この予測ＯＮ状態の間、一種の「ブラインド」駆動が実施される。その理由は、負荷電流が基準しきい値を越え、コンパレータが既にトリガーされているからである。この長期化した駆動期間の間、コンパレータからの出力は無視されるが、これは、ＰＷＭサイクルの後続のＯＦＦ相の間と同様である。
制御システムは、平均負荷電流が、コンパレータをトリガーする基準しきい値の方向に向いて高速で収束する。これにより、制御システムの精度を改善する。更にリップルとしての三角波の平均値が、そのセグメントの各々の中間点と一致する。安定状態において、システムは、能動的Ｔｏｎの持続時間と、予測Ｔｏｎ＿ｐｒｅｄの持続時間とを等しくする傾向にある。
誤ったスイッチングを阻止するために、ブランキング・タイムの実行を初期化することと、ターン−オン時における電流チェックにより、性能を更に向上させる。更に基準しきい値の組を変更する操作と、ほぼ一定のＰＷＭ周波数を達成する操作は、広い応用範囲の制御システムの融通性と利用性を広げる。本発明の他の実施例によれば、ＰＷＭサイクルのＴｏｆｆ相の間の適用型（自動的）の電流減少モードは、簡単な方法で実行でき更にシステムの性能を改善する。
従来技術によるピーク電流制御を表す図。 本発明による予測電流制御を表す図。 本発明による安定状態に向けた電流制御の相収束を表す図。 本発明による予測電流制御の実施例の回路図と関連する信号波形を表す図。 本発明による予測電流制御の一実施例のフローチャート図。 本発明による予測電流制御の他の実施例のフローチャート図。 本発明による出力パワーステージのターンオン時の制御システムの初期化を表すブロック図。 本発明により、ブランキングタイムの期間の導入と、パワーステージのターンオン時の時間と電流チェックの導入を行うブロック図。 本発明による電流基準値の増分変化の事象を表すブロック図。 本発明による電流基準値の減分変化の事象を表すブロック図。 本発明によるＰＷＭ駆動のＯＦＦ相の間の負荷電流の低速減少モードと高速減少モードを表す図。 本発明による、適用型減少モード選択のサブシステムを駆動する回路図。 本発明による、適用型減少モード選択のサブシステムのフローチャート図。 本発明による、モータ制御アプリケーションにおける適用型の電流遅延モード選択の実施例を表す図。
図２は、本発明の電流制御の基本的アルゴリズムが用いる時間と電流量の関係を示す。本発明の電流制御方法は、デジタル電子機器のパワー（電力）を計算し、ＯＮ相のパワーステージの能動ＯＮ状態の初期時点から、負荷電流が基準電圧に到達する時点までの時間間隔Ｔｏｎ（ｎ）をリアルタイムで測定する。これは、検知コンパレータの能動切り替えにより決定される。本発明の電流制御方法は、従来のピーク電流制御方法とは異なり、検知コンパレータがトリガーされた時にパワーステージを切り替えずに、パワーステージは、ＯＮ相状態を継続する。即ち、パワーステージを、更なる時間間隔Ｔｐｒｅｄ（ｎ）の間、「予測ＯＮ状態」に維持する。この時間間隔Ｔｐｒｅｄ（ｎ）は、測定した能動ＯＮ状態間隔Ｔｏｎ（ｎ）と前のＰＷＭサイクルの間測定した能動ＯＮ状態間隔Ｔｏｎ（ｎ−１）の平均値に等しい。
Ｔｐｒｅｄ（ｎ）＝（Ｔｏｎ（ｎ）＋Ｔｏｎ（ｎ−１））／２
以下の説明と図においては、次のことを仮定する。過去のＰＷＭサイクルは、現在のサイクル（ｎ）の１つ前のサイクル（ｎ−１）であり、上記したように、平均化計算の第２項は、過去のＰＷＭに関連した他の適宜な値、或いは複数の過去のＰＷＭサイクルにわたる「短期間」の平均値でもよい。その後パワーステージは、所定の時間Ｔｏｆｆの間切り替えられ、これは、一定Ｔｏｆｆ制御モードと同じである。
この予測ＯＮ状態の間、一種の「ブラインド」駆動が行われる。この「ブラインド」駆動では、負荷電流が基準しきい値を越えて、コンパレータが既にトリガーされている。この長期化した駆動期間の間コンパレータからの出力は無視される。これは、ＰＷＭサイクルのＯＦＦ相の後の間と同様である。本発明の電流制御方法の予測アルゴリズムが、基準値への高速で安全な収束を提供する。数式で表現すると次のようになる。
システムが安定状態に収束するために、図３に示すように次式で示される。
式１
Figure 0005646843

式２
Figure 0005646843

ＰＷＭ制御において、ｄＩ／ｄｔは、１回のＰＷＭサイクルの間は一定と見なすことができる。それ故に、

式３
Figure 0005646843
ただし、
式４
Figure 0005646843
図３に示すように、或る時点のＯＮ時間の間の電流変動と、前の予測時間とＯＦＦ時間の間の変動との関係は、次式で示される。

式５
Figure 0005646843

これは、次の循環数列として書き直すことができる。これは、各ＰＷＭサイクルにおけるＯＮ時間がいかに変動するを示す。

式６
Figure 0005646843

次に上記の式の右辺の第１項は、定数であるが、これは、ｄｉ／ｄｔと、制御システムにより設定されるＯＦＦ時間に依存する。
これは、通常の循環数列（ｃは定数）であり、以下の収束値を有する。

式７

Figure 0005646843
それ故にこのシステムは次の最終値に収束する。

式８
Figure 0005646843

上記の実施例において、この電流制御システムは、「Ｔｏｆｆ一定型のＰＷＭ制御」と称するタイプである。様々なタイプの制御が行うことができる。
図４は、電流制御システムを実現する回路と、この回路のデジタル制御により表されるブロックの有限状態機械に関連する信号波形とを示す。フル・ブリッジは、両方向に誘導性負荷の電流を制御する。制御システムのアナログ部分とアナログ・ブロックは、検知要素とアナログコンパレータとを含む。検知要素は、１個の抵抗或いは検知用電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）である。アナログコンパレータは、負荷電流と所定の基準値とを比較する。
本発明の電流制御システムは、第一実施例によれば、フル・ブリッジがＯＦＦ状態の時には、負荷電流を検出する要素を用いない。その理由は、デジタルコントローラは、出力パワーステージのＯＮ状態の間、生成されるフィードバック情報にのみに基づいて動作するからである。この第一実施例によれば、検知要素である検知抵抗は、電流が減少している時（例、最終的に低速のモード又は高速のモードで）には、負荷電流に関連する情報を生成するためには、用いられない。
それ故に、アナログコンパレータは、負荷に流れる電流と所定の基準しきい値との比較信号を提供するだけである。コンパレータの出力は、システムの制御ロジックであるデジタル制御装置に供給され、このデジタル制御装置は、駆動信号を、フル・ブリッジのパワースイッチに出力する。
図５は、本発明の予測電流制御方法のフローチャートである。このフローチャートは有限状態機械の動作原理を示す。これは本発明の予測電流制御方法の核心である。図４の回路とその関連波形によれば、このフローチャートは、有限状態機械の入力変数のみが、検知コンパレータの出力である。この検知コンパレータの出力のみが、パワーブリッジがＯＮ状態にある時に、電流が基準値の上又は下に有るかを示す信号になりうる。予測したＯＮ状態の相とＯＦＦ状態の相は、制御システムの入力に関する限り、完全にブラインドである。
本発明の一実施例によれば、本発明は高度な制御を実行して、定常状態から程遠い時或いは使用される電子機器が理想状態ではない時に、発生しうる擾乱を防止したり、そのシステムの性能を改善する。高度な制御の一実施例のフローチャートを図６に示す。
初期化
図６のフローチャートは、Ｔｏｎレジスタのデフォルト値で初期化するプロセスを示す。このＴｏｎレジスタのデフォルタ値は、最後のＰＷＭサイクルのＯＮ状態時間測定値で、スタート・アップ時に、予測Ｔｏｎ時間として用いられ、収束プロセスのスピードアップを図る。これを図７に示す。
ブランキング・タイム・マスク
あらゆるパワーパワーブリッジがＯＮ状態へ切り替わる（turn-ON）時に、ブランキング・タイム・マスクを導入して、検知コンパレータのトリガーの誤発生を回避しなければならない。その理由は、パワー切り替え時にスパイク或いは擾乱が引き起こされるからである。このブランキング・タイムが経過すると、パワースイッチは、完全にターン・ＯＮしたと見なすことができ、コンパレータの出力は有効と見なされる。比較的長いブランキング・タイムが、システムを頑強にする目的で導入され場合は、このブランキング・タイムを、Ｔｏｎ時間カウンタの初期値として見なすことができ、ＯＮ時間測定のあらゆる誤差を補償し、基準電流値に収束させる。
ターン・オン時の電流チェック
ブランキング・タイムの経過後、検知コンパレータの出力であるｃｏｍｐｏｕｔはデジタル制御回路に入力される。このデジタル制御回路は、電流が、基準しきい値より上か下かをチェックする。電流が基準しきい値以上の場合には、電流はブランキングによるＯＮ状態の間、大きすぎることを意味する。この現象は様々な理由で発生する。例えば、先行するＯＦＦ相の間、電流の減少が不十分か、或いは電流基準が減少してしまっているかである。
この場合、ブランキング・タイムの直後、制御システムは、パワーステージをＯＦＦ状態に設定して、電流が更に基準値方向に向かって減少するようにし、ＰＷＭサイクルのＯＮ相（即ち、能動ＯＮ状態）を完全にスキップし、予測ＯＮ状態を確保する。
これに対し、ブランキング・タイムの後、電流が基準しきい値以下になった場合には、システムは通常のルーチンを実行する。即ち、パワーブリッジをＯＮ状態に設定し、Ｔｏｎ時間間隔を測定し、Ｔｐｒｅｄを計算した後、電流を、計算された予測ＯＮ状態であるＴｐｒｅｄの間、負荷に流し続ける。ＰＷＭのＯＦＦ相が、予測ＯＮ状態の後、一定の持続時間であるＴｏｆｆの間、続き、制御システムが再びパワーブリッジをオンにした後、一定のブランキングタイムが経過するのを待つ。Ｔｏｆｆ時間とブランキングタイムは、ユーザーにより設定される一定値であり、この値は、通常アプリケーションの特徴に依存する。
図５，６のフローチャートは、本発明の一実施例の方法であり、指示シーケンスと実行された制御の一部の実施時期（実施順序）は様々である。これは、有限状態機械の操作の結果である（即ち、同時並行する動作／操作を一次元では表現できない）。図８のタイムダイアグラムは、如何に電流制御システムがブランキングタイムを具備し、ターン・オンの電流チェック機能が、基準電流値に急速に収束する（定常状態に急速に到達する）かを示す。
基準値の変更
制御ロジックが電流基準値を変更した時は、ＯＮ状態の間実行されたＴｏｎ時間測定値は無視される。この無視される状態は、検知コンパレータの次の有効切り替え時と予測Ｔｏｎ時間が最後に有効に計算された値を保持している時まで続く。これにより、Ｔｏｎ時間測定値が実際のＴｏｎ安定状態値よりも長くなるのを回避する。このような状態は、基準電圧値の変更直後に発生することがある。
電流基準値の変更直後のＴｏｎ時間測定値を無視することは、予測電流制御ループの擾乱を回避し、新たな所望な定常状態へ収束する時間を短くする。図６に示すように、図９の基準値を増やしながらの調整の場合、図１０の基準値を減らしながらの調整の場合、電流基準値の変更直後、予測Ｔｏｎ時間の最後の値は、検知コンパレータの次の有効なトリガリング（開始）まで、変化しない。
基準値の減分変化の場合（図１０）、検知された電流は新たな電流基準より上であるが、この場合ブランキング・タイムのルーチンは、制御システムを直ちにＯＦＦ状態に、更なるＴｏｆｆ時間の間戻し、Ｔｏｎ時間測定値を無視する。何れの場合にも、検知コンパレータのトリガリング（開始）は、検出された電流が、ＯＮ相の開始時に、基準しきい値以下の時にのみ、予測ＯＮ状態を開始するのに、有効と見なされる。
疑似一定ＰＷＭ周波数
上記したように、数サイクル後、本発明のシステムの実施例は、定常状態（steady state condition）に到達し、その結果得られたＴｏｎは以下の式で与えられる。
Figure 0005646843
此処でＴｏｆｆは、ユーザーが定義する一定時間である。
適正に収束するために、Ｔｏｆｆは、収束値に到達するには、一定値を維持しなければならない。但し基準値が一定或いはほぼ一定の場合である。しかし基準値が変化すると、Ｔｏｆｆも変更することが可能である。これはあらゆる場合において、システムが擾乱を受ける観点から行われる。予測ＯＮ状態が、過去のＰＷＭサイクルの間のＴｏｎの測定値に基づいており、基準値の調整が通常絶対値では比較的小さい為に、Ｔｏｆｆパラメータの大幅な変動を回避することは、ＴｏｆｆがＰＷＭ制御の切り替え周期に厳密に関連していることを考慮に入れた場合、重要である。電流基準値が一定になると、切り替え周期は、Ｔｏｆｆにのみ依存する。これは次式から明らかである。
Figure 0005646843
小さな電流基準値の変動の後は、Ｔｏｎの収束値は、以前に測定したＴｏｎの値に極めて近くなるので、時間Ｔｏｆｆは、次式により選択するのが好ましい。ただしこの選択は、基準値の変動の後１回のみである。
Figure 0005646843
此処で、Ｔｏｎ（ｎ）は、前の電流基準値において、ＯＮ状態の持続時間の最後の有効測定値である。
斯くして、実際の切り替え周期は設計値に極めて近い。電流制御は、従来のピーク電流制御とは異なり、ほぼ一定のＰＷＭ周波数制御システムと、見なすことができる。
適用型（自動）の電流減少選択
ＰＷＭ駆動のＯＦＦ相の間の負荷電流減少の傾斜度は、様々な減少モードから選択できる。通常は、低速減少（slow decay）モードと高速減少（fast decay）モードの間にある。図１１に、２種類の減少モードを、フル・ブリッジのパワーステージの場合について示す。同一の定義が、他のパワー・スイッチ例えば三相ブリッジ等にも適用できる。
低速減少モードは、負荷が短絡した時に実行され、負荷にかかる電圧ドロップが最小となり、電流が、受動型の構成要素に放電される。
高速減少モードは、負荷内の電流がスイッチを介して電力供給ノードに流れるときに、実行され、負荷にかかる電圧ドロップは、供給電圧を近似する。
低速減少と高速減少の定義は、次式に示す電流傾斜を意味する。
Figure 0005646843
ある種のアプローチにおいては、減少モードは一定にして、外部のユーザー／コントローラが、コントロールシステムの性能に依存して、選択可能である。通常低速減少は最も頻繁に使用されるモードである。その理由は、一定のＯＦＦタイムシステムで低速減少はより低いＰＷＭ周期（それ故に切り替え時の電力消失が低くなる）を与えるか、或いは一定のＰＷＭ周期制御でより低い電流リップルしか与えないからである。しかし他のアプローチもある。この他のアプローチでは、電流減少モードに対し混成アプローチである、即ち混成減少である。この種の公知のコントローラは、Allegro 3977 ICである。これは、ＰＷＭ電流調整器において、一定のＯＦＦタイムの混成減少モードを用る。これは、負荷中のピーク電流を基準しきい値に限定する。図１１（ａ）に示すように、最初に、パワーブリッジの対角線の対がイネーブルされて、電流が誘導性負荷を通して流れる。負荷電流が所望の値に近づくと、電流検知コンパレータはＰＷＭラッチをリセットし、高い側のスイッチと低い側のスイッチの両方をターン・オフして、混成減少モードを得る。電流は図１１（ｂ），（ｃ）に示すように、再巡回する。この再巡回の間、電流は、一定のオフ・タイムが経過するまで、減少する。
混成減少モードは、ＰＷＭサイクルの一定のオフ・タイムを、高速減少とその後低速減少に分ける。ＰＷＭサイクルの一定のオフ・タイムの後、適宜のスイッチがイネーブルされて、誘導性負荷電流が増加し、ＰＷＭサイクルを繰り返す。一定のオフ・タイムの混成減少モードを使用することは、ＰＷＭ周期が可変となる利点がある。ＥＭＣスペクトラムのピークが低くなるが、これはスペクトラムのエネルギーがにじむから（smeared）である。しかし、２０ＫＨｚ以上の動作を保証するには、比較的高い周波数を必要とし、こにより更なる熱損失が生じる。
この種の他の公知のコントローラは、Infineon TLE-472x series ICs,and in Toshiba TB62200である。後者のＩＣは、低速減少、高速減少、混成減少の一定の周波数のＰＷＭを使用する。混成減少モードにおいては、更なる切り替えポイントが用いられ、これにより、複雑さが増してしまう。
低速減少モードで動作する全ての駆動システムは、処理することのできる最小ＯＮ相時間の問題がある。実際に、ＰＷＭ電流制御を用いる通常のパワー・アプリケーションにおいては、ゼロ・パーセントのデューティ・サイクルを達成することは不可能である。その理由は、パワーブリッジの遅延であり、これが最小のＯＮ相時間をある値に制限してしまうからである。ある種の状態においては、遅延減少モードは、適正な電流調整を補償するために、用いることはできない。その理由は、ＯＦＦ相の時間は、電流を適正な値にまで減少させるのに十分ではなく、その結果、ＯＮ相時間は、有効最小値よりも短くしなければならないからである。
実際には、システムが非常に小さいデューティ・サイクルの方向に向かう傾向にある通常の状態は、基準電流値が非常に低い時である。このような状況は、パワーブリッジの供給電圧が比較的低く、負荷インピーダンスとレジスタンスが高い場合（電流の傾斜がかなり低いことを意味する）には、よりクリティカルになる。
図１１のパワーブリッジを考慮すると、第１近似においては、好ましい基準電流値に達すると、負荷にかかる有効デューティ・サイクルは、次式で表される。
Figure 0005646843
平均負荷電流が下がると、有効デューティ・サイクルも下がる。その結果ＯＮ相の持続時間も短くなる。これは、ＰＷＭ制御が一定のＯＦＦ時間制御或いは一定の周波数制御であるかを問わず、当てはまる。
ＯＮタイムの持続時間が実行可能（有効）な最小値に達すると、性能が損なわれるのを阻止するために、システムは、高速減少モードに切り替わり、電流の減少をより速くし、デューティ・サイクルを大きくする。
有効電流減少の構成は、本発明の電流制御システムに最終的に導入され、システムの広いスペクトラムへ、フレキシブルなアプリケーションを与えるが、この構成は、電流減少モードのインテリジェントな（自動的な）選択を、低速減少又は高速減少を問わず、負荷内の電流状態に依存して選択し、あらゆる動作状態に駆動条件を適合させる。
本発明の電流制御アルゴリズムに類似するものとして、補助的な自動電流減少モード選択が、ＯＮ相の持続時間の測定値に基づいて行われる。基本的に、サブシステムが、サイクル毎にＯＮ相の持続時間を測定し、この測定された時間がプログラムされたしきい値よりも短いときは、システムは低速減少モードから高速減少モードに移行する。上記のプログラムされたしきい値は、電流制御システムが使用するブランキング・タイムに対応して、パワーステージの遷移により引き起こされる不正信号をマスキングする。
図１２，１３は、補助的な自動電流減少モード選択サブシステムの実施例の構成図とフローチャートである。最小の複雑さで本発明の電流制御システムを実現することに加えて、この新たな減少モード選択アーキテクチャの利点は、自動電流減少選択への適合性である。サブシステムは、モータ制御のアプリケーションにおいて、負荷は完全には受動型ではない多くのクリティカルなアプリケーションで、高い効率を維持する。実際に、これ等のアプリケーションにおいては、負荷は、単に抵抗と直列のインダクタと同等ではなく、バック・エレクトロ・モチーブ・フォース（back electromotive force（ＢＥＭＦ）を表す電圧生成器が、負荷に直列していると見なされる。この理由は、モータ内に蓄積される回転エネルギーが負荷に対し発電機として機能して、電流減少の間、電流波形を変えてしまうからである（図１４）。
減少モード自動選択サブシステムは、あらゆる種類のＰＷＭ電流制御に適用できる。例えば一定のオフ・タイム技術或いは一定のＰＷＭ周波数技術を用いた通常のピーク電流制御システムに適用可能である。
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。用語「又は」に関して、例えば「Ａ又はＢ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」ならず、「ＡとＢの両方」を選択することも含む。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。
図１
ピーク値、実平均値
図２，３
能動ＯＮ状態、予測ＯＮ状態、ＯＦＦ状態、平均値＝基準値
一定Toff
図４
アナログ・ブロック 検知要素 アナログ・コンパレータ デジタル制御器
ＯＮ状態 予測ＯＮ状態 ＯＦＦ状態
能動的ＯＮタイミング・カウント 予測ＯＮ計算時間 ＯＦＦ一定時間
図５
電流方向 開始
状態：ＯＮ
ブリッジ状態：ＯＮ 負荷電流増加 能動的制御 タイミングTon(N)の開始 コンパレータの出力＝１ タイミングTon(N)の停止
計算
状態：予測ＯＮ
タイミングTpred(N)の開始 負荷電流は増加し続ける 予測制御
状態：ＯＦＦ
タイミングToff(N) の開始 電流状態：ＯＦＦ Toff=一定ＯＦＦ時間か？
図６
電流方向
開始 設定 デフォルト値 ブリッジ状態：ＯＮ Tblankを待つ
ブランキング・タイムを用いて電力切り替え時の誤った電流検知を回避する

コンパレータの出力＝１？ ブリッジがターンＯＮ後、システムは電流の状態を所望の基準値と比較しチェックする
タイミングTon(N)の開始 タイミングTon(N)の停止 負荷電流の増加 能動的制御

基準値は変わったか？ 電流基準が変わっただけなら、Tpred(N)時間は再計算されない
最後の２つの能動Ton時間測定値を用いて予測時間の計算 計算
タイミングTpred(N)の開始 負荷電流は増加し続ける 予測制御
負荷電流は減少する 受動的制御

ブリッジがターンＯＮした後電流が既に基準値以上の場合は、ＯＮ状態と予測状態をスキップしＯＦＦ状態に再移行する

図７
初期化
予測ＯＮ状態（Ｔonデフォルト値から）
測定値は（基準値変化）を無視する
図８
ターンオン時のブランキング・タイムと電流チェック
図９
積極的な基準値変更
図１１
急速減流 高速減流
図１２
ＯＦＦ時間タイマ又は単一安定 自動減流モードセレクタ ＯＮタイムタイマ ブランキング・タイム ゲート・ロジック 基準値コンパレータ 電流検知
図１３
開始 パワーステージをターンＯＮ パワーステージをターンＯＦＦ
最後のＯＮ時間は＞＝ｔブランク＋Ｔ 高速減流を使用 低速減流を使用 ＯＦＦ時間を待つ
図１４
フル・ブリッジのモータドライブの適用例
ＢＥＭＦ効果により低速減流モードは適切な電流減少を保障しない
ピーク電流ＰＷＭ制御の例
ＯＮ時間は最小ＯＮ時間（ブランキング・タイム）に等しい

Claims (25)

  1. パワーステージを介してパルス幅変調モードで負荷を駆動する電流制御方法において、
    前記パワーステージは、負荷電流を検知する検知要素とコンパレータとを用い、電流のＯＮ相とＯＦＦ相を交互に繰り返し、
    前記パワーステージのＯＮ相は、能動ＯＮ状態と予測ＯＮ状態とを含み、
    （Ａ）前記コンパレータのしきい値を、負荷の基準電流値に対応して、設定するステップと、
    （Ｂ）前記パワーステージのＯＮ相の能動ＯＮ状態の時から、前記負荷電流が前記基準電流値に到達した時点までの第１時間間隔を測定するステップと、
    前記時点は、前記コンパレータの切り替えにより、決定され、
    （Ｃ）前記パワーステージを、前記ＯＮ相に維持するのを継続するステップと、
    前記（Ｃ）は、前記パワーステージを、前記予測ＯＮ状態に、付加的時間間隔の間さらに維持することにより行われ、前記の付加的時間間隔は、前記第１時間間隔と、過去のＰＷＭサイクルの間測定した能動ＯＮ状態の時間間隔との平均値に基づいて決定され、
    を有する
    ことを特徴とするパルス幅変調モードで負荷を駆動する電流制御方法。
  2. 前記ステップ（Ｃ）において、前記の付加的時間間隔は、前記第１時間間隔と、過去のＰＷＭサイクルの間測定した能動ＯＮ状態の時間間隔との平均値である
    ことを特徴とする請求項１記載の電流制御方法。
  3. 前記予測ＯＮ状態の後、前記パワーステージは、ＯＦＦ相に、所定時間の間、設定される
    ことを特徴とする請求項１記載の負荷を駆動する方法。
  4. 前記パワーステージのスタート・アップ動作の間は、前記平均値は、能動ＯＮ状態時間間隔のデフォルト値である
    ことを特徴とする請求項１記載の電流制御方法。
  5. 前記過去のＰＷＭサイクルの間測定された能動ＯＮ状態の時間間隔は、以下の内の少なくとも１つに基づく、
    現在のサイクルの直前の過去のＰＷＭサイクル、
    現在のサイクルに先行する前の過去のＰＷＭサイクル、
    過去のＰＷＭサイクルを複数個平均したＯＮ状態の時間間隔
    ことを特徴とする請求項１記載の電流制御方法。
  6. 前記コンパレータの出力が無効にされるブランキング期間が、前記パワーステージのターンオン時に、挿入される
    ことを特徴とする請求項１記載の電流制御方法。
  7. 前記ブランキング期間の終了時に、前記コンパレータの出力は、前記負荷電流が基準電流値より上か又は下かであることを示す信号を提供し、
    （Ｄ）前記負荷電流が基準電流値より上の場合には、前記パワーステージのＯＮ相を中断し、前記パワーステージをＯＦＦ相に設定するステップと、
    （Ｅ）前記負荷電流が基準電流値より下の場合には、後続のＯＮ相を行う為に前記パワーステージを再度ＯＮに切り替える前に、ＯＮ相を実行しその後ＯＦＦ相を実行するステップと、
    （Ｆ）ブランキング期間の終了を待つステップと
    を更に有する
    ことを特徴とする請求項６記載の電流制御方法。
  8. 前記基準電流値が修正された時は、
    能動ＯＮ状態時間測定値は、前記コンパレータの次の能動切り替え時まで、無視され、
    前記予測ＯＮ状態時間間隔は、最後の有効な計算値を維持する
    ことを特徴とする請求項６記載の電流制御方法。
  9. （Ｇ）自動電流減少モードを、ＯＦＦ相の間、選択するステップと
    を更に有し、
    前記（Ｇ）ステップは、
    （Ｇ１）各ＯＮ相の持続時間を計算するステップと、
    （Ｇ２）前記持続時間をしきい値の持続時間と比較するステップと
    を更に有する
    ことを特徴とする請求項６記載の電流制御方法。
  10. （Ｈ）ＯＮ相の持続時間がしきい値の持続時間よりも長い場合は、低速電流減少モードを維持するステップ
    を更に有する
    ことを特徴とする請求項９記載の電流制御方法。
  11. （Ｉ）ＯＮ相の持続時間がしきい値の持続時間よりも短い場合は、高速電流減少モードを切り替えるステップ
    を更に有する
    ことを特徴とする請求項９記載の電流制御方法。
  12. パワーステージを介して、パルス幅変調モードで負荷を駆動する電流制御方法において、
    前記パワーステージは、負荷電流を検知する検知要素とコンパレータとを用い、電流のＯＮ相とＯＦＦ相を交互に繰り返し、
    前記パワーステージのＯＮ相は、能動ＯＮ状態と予測ＯＮ状態とを含み、
    （Ａ）前記コンパレータのしきい値を、負荷の基準電流値に対応して、設定するステップと、
    （Ｂ）前記パワーステージのＯＮ相の能動ＯＮ状態の時から、前記負荷電流が前記基準電流値に到達した時点までの第１時間間隔を測定するステップと、
    前記時点は、前記コンパレータの切り替えにより、決定され、
    （Ｃ）前記パワーステージを、前記ＯＮ相に維持するのを継続するステップと、
    前記（Ｃ）は、前記パワーステージを、前記予測ＯＮ状態に、付加的時間間隔の間さらに維持することにより行われ、前記の付加的時間間隔は、前記第１時間間隔と、過去のＰＷＭサイクルの間測定した能動ＯＮ状態の時間間隔との平均値に基づいて決定され、
    （Ｄ）自動電流減少モードを、ＯＦＦ相の間、選択するステップと、
    前記（Ｄ）ステップは、
    （Ｄ１）各ＯＮ相の持続時間を計算するステップと、
    （Ｄ２）前記持続時間をしきい値の持続時間と比較するステップとを有し、
    を有する
    ことを特徴とするパルス幅変調モードで負荷を駆動する電流制御方法。
  13. （Ｅ）ＯＮ相の持続時間がしきい値の持続時間よりも長い場合は、低速電流減少モードを維持するステップ
    を更に有する
    ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
  14. （Ｆ）ＯＮ相の持続時間がしきい値の持続時間よりも短い場合は、高速電流減少モードを切り替えるステップ
    を更に有する
    ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
  15. 前記予測ＯＮ状態の後、前記パワーステージは、ＯＦＦ相に、所定時間の間、維持する
    ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
  16. 前記パワーステージのスタート・アップ動作の間は、前記平均値は、能動ＯＮ状態時間間隔のデフォルト値である
    ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
  17. 前記過去のＰＷＭサイクルの間測定された能動ＯＮ状態の時間間隔は、以下の内の少なくとも１つに基づく、
    現在のサイクルの直前の過去のＰＷＭサイクル、
    現在のサイクルに先行する前の過去のＰＷＭサイクル、
    過去のＰＷＭサイクルを複数個平均したＯＮ状態の時間間隔
    ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
  18. パルス幅変調モードで負荷を駆動する際に自動電流減少モードを選択する方法において、
    前記制御は、負荷電流を検知する検知要素とコンパレータとを用いるパワーステージを介して行われ、前記パワーステージは、ＯＮ相とＯＦＦ相を交互に繰り返し、
    前記パワーステージのＯＮ相は、能動ＯＮ状態と予測ＯＮ状態とを含み、
    （Ａ）各ＯＮ相の持続時間を計算するステップと、
    （Ｂ）前記持続時間をしきい値の持続時間と比較するステップと、
    （Ｃ）ＯＮ相の持続時間がしきい値の持続時間よりも長い場合は、低速電流減少モードを維持するステップと、
    （Ｄ）ＯＮ相の持続時間がしきい値の持続時間よりも短い場合は、高速電流減少モードを切り替えるステップと
    （Ｅ）前記コンパレータのしきい値を、負荷の基準電流値に対応して、設定するステップと、
    （Ｆ）前記パワーステージのＯＮ相の能動ＯＮ状態の時から、前記負荷電流が前記基準電流値に到達した時点までの第１時間間隔を測定するステップと、
    前記時点は、前記コンパレータの切り替えにより、決定され、
    （Ｇ）前記パワーステージを、前記ＯＮ相に維持するのを継続するステップと、
    前記（Ｇ）は、前記パワーステージを、前記予測ＯＮ状態に、付加的時間間隔の間さらに維持することにより行われ、前記の付加的時間間隔は、前記第１時間間隔と、過去のＰＷＭサイクルの間測定した能動ＯＮ状態の時間間隔との平均値に基づいて決定され、
    を有する
    ことを特徴とするパルス幅変調モードで負荷を駆動する際に自動電流減少モードを選択する方法。
  19. 前記ステップ（Ｃ）において、前記の付加的時間間隔は、前記第１時間間隔と、過去のＰＷＭサイクルの間測定した能動ＯＮ状態の時間間隔との平均値である
    ことを特徴とする請求項１８記載の電流制御方法。
  20. パルス幅変調モードで負荷を駆動する電流制御システムにおいて、
    （Ａ）コンパレータと、
    前記コンパレータは、負荷に関連する基準電流値に対応するしきい値を有し、
    （Ｂ）パワーステージと、
    前記パワーステージは、前記コンパレータと協働し、ＯＮ相とＯＦＦ相を交互に繰り返し、
    （Ｃ）コントローラと、
    前記コントローラは、
    前記パワーステージのＯＮ相の能動ＯＮ状態の時から、前記負荷電流が前記基準電流値に到達した時点までの第１時間間隔を測定し、前記時点は、前記コンパレータの切り替えにより、決定され、
    前記パワーステージを、前記ＯＮ相に維持し、これは、前記パワーステージを、前記予測ＯＮ状態に、付加的時間間隔の間さらに維持することにより行われ、前記の付加的時間間隔は、前記第１時間間隔と、過去のＰＷＭサイクルの間測定した能動ＯＮ状態の時間間隔との平均値に基づいて決定され、
    を有する
    ことを特徴とするパルス幅変調モードで負荷を駆動する電流制御システム。
  21. 前記コントローラは、前記パワーステージを、ＯＮ相の予測ＯＮ状態に、付加的時間間隔の間さらに維持することにより、ＯＮ相を維持する
    前記の付加的時間間隔は、前記第１時間間隔と、過去のＰＷＭサイクルの間測定した能動ＯＮ状態の時間間隔との平均値である
    ことを特徴とする請求項２０記載の電流制御システム。
  22. 前記予測ＯＮ状態の後、前記パワーステージは、ＯＦＦ相に、所定時間の間、設定される
    ことを特徴とする請求項２０記載の負荷を駆動するシステム。
  23. 前記パワーステージのスタート・アップ動作の間は、前記平均値は、予め設定した能動ＯＮ状態の時間間隔である
    ことを特徴とする請求項２０記載の電流制御システム。
  24. 前記過去のＰＷＭサイクルの間測定された能動ＯＮ状態の時間間隔は、以下の内の少なくとも１つに基づく、
    現在のサイクルの直前の過去のＰＷＭサイクル、
    現在のサイクルに先行する前の過去のＰＷＭサイクル、
    過去のＰＷＭサイクルを複数個平均したＯＮ状態の時間間隔
    ことを特徴とする
    請求項２０記載の電流制御システム。
  25. 前記コントローラは、前記コンパレータの出力が無効にされるブランキング期間を前記パワーステージのＯＮ切り替え時に、挿入する
    ことを特徴とする請求項２０記載の電流制御システム。
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