JP6175064B2 - 電圧変換器用のコントローラ - Google Patents

Description

本発明は、電圧変換器用のコントローラに関する。より具体的には、本発明は、電圧増倍器を有効／無効にするためのコントローラに関する。

本発明によるコントローラは、真空ポンプ用の電源における電圧変換器を制御するための特定の用途を有する。しかしながらこのコントローラは、広範囲に渡る技術分野において用途を見出すことができる。

真空ポンプに対しＡＣ主電源から給電することは公知である。しかしながら、ＡＣ主電源の条件は、異なる地域において異なり、以下の条件、（ｉ）１００〜１２７ＶａｃＲＭＳ、±１０％、４５〜６５Ｈｚ又は（ｉｉ）２００〜２４０ＶａｃＲＭＳ、＋／１０％、４５〜６５Ｈｚで供給することができる。様々な地域で用いられることになるシステム及び装置にとっては、異なる主電源電圧が問題となる可能性がある。過度に高い電圧が供給された場合には、システム及び装置が破損する可能性がある。異なる主電源条件に対応するために、以下のものを含む様々な解決策が提案されてきた。
１．低電圧と高電圧の異なる形態の別個のポンプ又はポンプコントローラ
２．正しい電圧で設定するのに利用者の介入を必要とする手動電圧セレクタ
３．可能な最高電圧及び電流で稼働するように設計された過剰設計の変換器及びインバータ電力系サブシステム
４．設定電圧を常時監視して出力するように設計された能動フロントエンドデバイス

しかしながら、これらの製造及び設計解決策は、実装するのが高価であり、ＥＭＣ（電磁両立性）及び熱の問題を有する可能性がある。

電圧ダブラトポロジーを設けることも公知であるが、標準的な手法は、電圧ダブラを常時有効であるように固定するものである。或いは、ユーザが、電圧ダブラの状態、すなわち有効又は無効を選択することを可能にする電圧セレクタスイッチを設けることができる。間違った状態が選択された場合には、供給される電圧の増大の結果として、システムに破損が生じる可能性がある。

本発明は、公知の技法に伴う欠点のうちの幾つかに対処し、又はこれらを改善しようとするものである。

第１の態様によれば、本発明は、電圧変換器用の制御モジュールに関し、該制御モジュールが、動作電圧範囲を有するＡＣ電源への接続のための入力と、ＡＣ電源の動作電圧範囲を検出して、検出した動作電圧範囲を識別するための第１の制御信号を発生させるための第１の検出器と、ＡＣ電源の動作電圧範囲を検出して、検出した動作電圧範囲を識別するための第２の制御信号を発生させるための第２の検出器と、上記第１及び第２の制御信号に応答して電圧増倍器を選択的に有効及び／又は無効にするための１つ又はそれ以上のスイッチと、を備える。

この制御モジュールは、真空ポンプシステムに適するユニバーサル電圧単相コントローラを提供することができる。少なくとも好ましい構成では、制御モジュールは、低電圧単相入力電源から高電圧単相電源までの間で自動的に切り替えを行うことができる。異なるＡＣ入力電源電圧に対して制御モジュールを構成するために手動の介入が必要とされない。その代わりに、１つ又はそれ以上のスイッチがＡＣ入力電源電圧に応じて電圧増倍器トポロジーを有効又は無効にする。従って、この制御モジュールは、再構成の必要なしに動作可能とすることができる。

第１の検出器は、検出した動作電圧範囲が識別されると第１の制御信号をラッチ保持するための第１のラッチを備えることができる。第２の検出器は、検出した動作電圧範囲が識別されると第２の制御信号をラッチ保持するための第２のラッチを備えることができる。代替として、又はこれに加えて、電圧増倍器を有効状態／無効状態にラッチ保持するために、上記１つ又はそれ以上のスイッチにラッチを関連付けることができる。ラッチは、例えば、ＤＣリンク過電圧トリップ及び／又はシステム停止があった場合に無効にすることができる。

制御モジュールは、広い単相入力電源範囲にわたって動作することができるフロントエンド電力系変換器（交直電力変換器）の一部を形成することができる。

第１及び第２の検出器を設けることによって、制御モジュール内に冗長性が与えられ、それによって安全で信頼性のある動作を可能にすることができる。特に、動作電圧が２つの検出器によって検出されるので、電圧増倍器が誤作動で有効にされる可能性を低減することができる。また、第１及び第２の検出器を設けることによって、フェイルセーフ動作モードを可能にすることができる。

上記第１及び第２の制御信号に応答して上記１つ又はそれ以上のスイッチを制御するための論理回路を設けることができる。１つ又は複数のスイッチは、第１の制御信号と第２の制御信号の両方が同じ検出した動作電圧範囲を識別した時にのみ、電圧増倍器を有効及び／又は無効にするように構成することができる。例えば、第１の制御信号と第２の制御信号の両方が、低い電圧範囲又は高い電圧範囲それぞれを示す場合に、電圧増倍器を有効／無効にすることができる。

１つ又はそれ以上のスイッチは、第１の制御信号と第２の制御信号の両方が検出した低い動作電圧範囲を識別する場合に電圧増倍器を有効にするように構成することができる。例えば、第１の検出器と第２の検出器の両方が、およそ１２０ＶａｃＲＭＳの動作電圧を検出した場合には、低電圧範囲であると見なされ、１つ又はそれ以上のスイッチは、電圧増倍器を有効にすることになる。

それとは逆に第１の制御信号と第２の制御信号の両方が高い検出した動作電圧範囲を識別する場合には、１つ又はそれ以上のスイッチは、電圧増倍器を無効にするように構成することができる。例えば、第１の検出器と第２の検出器の両方がおよそ２４０ＶａｃＲＭＳの動作電圧を検出した場合には、高電圧範囲であると見なされ、１つ又はそれ以上のスイッチは、電圧増倍器を無効にすることになる。

第１の検出器と第２の検出器は、互いに独立して動作することができるものとすることができる。第１の検出器と第２の検出器は、動作電圧範囲を同時に検出することができる。

第１の検出器及び／又は第２の検出器は、ハードウェアで（すなわちファームウェアなしで）実装することができる。第１の検出器及び／又は第２の検出器は、ハードウェアとファームウェアとの組み合わせで実装することができる。

或いは、第１の検出器をハードウェアで実装することができ、第２の検出器をハードウェアとファームウェアとの組み合わせで実装することができる。これによって電子的なハードウェアとファームウェアとの組み合わせが電圧増倍器を有効／無効にする。ＡＣ主入力電源電圧を検出するために２つの独立したハードウェア回路を用いることができる。２つの回路の使用は、設計内に冗長性を与え、従って、「単一故障」状態下で安全性がもたらされる。

２つの独立した検出回路によってＡＣ主電源を検出することによって、制御モジュールは、適切な変換器トポロジーを選択することができる。

更に制御モジュールは、第１の制御信号及び／又は第２の制御信号を制御するためのヒステリシス制御ブロックを備えることができる。ヒステリシス制御は、例えば信号ノイズに起因する第１の制御信号及び／又は第２の制御信号の不正な切り替わりを防ぐことができる。

更に制御モジュールは、起動中に制御モジュールを無効にするための安全化回路を備えることができる。安全化回路は、パワーオンの直後のある時間間隔にわたって制御モジュールを無効にするためのタイマを備えることができる。例えば、安全化回路は、第１の検出器及び／又は第２の検出器を無効にすることができる。

第１の検出器には、電圧増倍器を有効／無効にするための第１のスイッチを関連付けることができ、第２の検出器には、電圧増倍器を有効／無効にするための第２のスイッチを関連付けることができる。

電圧増倍器は電圧ダブラとすることができる。

入力は、ＡＣ主電源への接続に適合させることができる。ＡＣ主電源は、９０〜１４０ＶａｃＲＭＳ電源（本明細書では低電圧範囲と呼ぶ）又は１８０〜２６４ＶａｃＲＭＳ電源（本明細書では高電圧範囲と呼ぶ）を供給することができる。

本発明はまた、本明細書に記載する制御モジュールと、電圧増倍器とを備えた電圧変換器に関する。電圧変換器は、第１の変換器と第２の変換器とを備えることができる。第１の変換器は、ＤＣリンク静電容量を有する単相４パルスブリッジ整流器を備えることができる。第２の変換器は、電圧ダブラ構成及び分割ＤＣリンク静電容量を有する単相２パルスブリッジ整流器を備えることができる。

制御モジュールは、初期起動中にＡＣ主入力電源を自動的に検出することができる。この検出は、上記第１及び第２の検出器によって発生させた第１及び第２の制御信号に基づく組み合わせ決定を提供することができる。組み合わせ決定は、どのトポロジーを選択すべきか、すなわち、電圧ダブラ構成を無効にするか、有効にするかを決定することができる。

本明細書に説明する制御モジュール又は電圧変換器は、ポンプユニット内に組み込むことができる。ポンプユニットは、ポンプコントローラと、モータコントローラと、ポンプモータとを備えることができる。増倍器トポロジーの使用は、制御モジュールを特定のポンプ稼働用途に対して最適化することを可能にする。

更なる態様によれば、本発明は、電圧変換器を制御する方法に関し、本方法は、（ａ）動作電圧範囲を有するＡＣ電源を受けるステップと、（ｂ）第１の検出器を用いてＡＣ電源の動作電圧範囲を検出し、検出した動作電圧範囲を識別する第１の制御信号を発生させるステップと、（ｃ）第２の検出器を用いてＡＣ電源の動作電圧範囲を検出し、検出した動作電圧範囲を識別する第２の制御信号を発生させるステップと、（ｄ）上記第１及び第２の制御信号に応答して電圧増倍器を有効及び／又は無効にするステップと、を含む。

電圧増倍器は、第１の制御信号と第２の制御信号の両方が同じ検出した動作電圧範囲を識別する場合にのみ、有効及び／又は無効にすることができる。例えば、ＡＣ電源が低い動作電圧範囲を有することを第１の検出器と第２の検出器の両方が判定した場合には、電圧増倍器は有効にされることになる。それとは逆に、ＡＣ電源が高い動作電圧範囲を有することを第１の検出器と第２の検出器の両方が判定した場合には、電圧増倍器は無効にされることになる。

更なる態様によれば、本発明は、電圧増倍器制御回路に関し、該電圧増倍器制御回路は、ＡＣ電源の動作電圧範囲を検出するための電圧レベル検出器と、検出した動作電圧範囲を識別する制御信号を発生させるための信号発生器と、上記制御信号に応答して電圧増倍器を有効及び／又は無効にするためのスイッチと、を備える。

電圧増倍器制御回路はまた、制御信号を制御するためのヒステリシス回路を更に備えることができる。

電圧増倍器制御回路は、起動中に制御モジュールを無効にするための安全化回路を更に備えることができる。安全化回路はタイマを備えることができる。安全化回路は、ある時間間隔にわたって制御モジュールを無効にすることができる。

ヒステリシス回路は、ハードウェア回路とすることができる。

安全化回路は、ハードウェア回路とすることができる。

電圧増倍器制御回路は、ハードウェアで実装することができる。

この電圧増倍器制御回路は、真空ポンプシステムに好適なユニバーサル電圧単相コントローラを提供することができる。少なくとも好ましい構成では、電圧増倍器制御回路は、低電圧単相入力電源から高電圧単相電源までの間で自動的に切り替えを行うことができる。１つ又はそれ以上のスイッチは、ＡＣ入力電源電圧に依存して電圧増倍器トポロジーを有効又は無効にする。電圧増倍器制御回路は、ユーザによる再構成の必要なしに動作可能とすることができる。

電圧増倍器制御回路は、広い単相入力電源範囲にわたって動作することができるフロントエンド電力系変換器（交直電力変換器）の一部を形成することができる。

スイッチは、第１の制御信号が高電圧範囲又は低電圧範囲を示す場合に電圧増倍器を有効及び／又は無効にするように構成することができる。例えば、検出器がおよそ１２０ＶａｃＲＭＳの動作電圧を検出した場合には、低電圧範囲であると見なされ、スイッチは、電圧増倍器を有効にすることになる。

電圧増倍器制御回路は、ＡＣ電源のピーク電圧を検出するためのピーク検出器を備えることができる。ピーク検出器は、検出されたピーク電圧を示す信号を電圧レベル検出器に出力することができる。電圧ダブラ制御回路は、ピーク検出器から出力される信号を保護するためのフィードバックバッファを備えることができる。

ＡＣ電源は、ＡＣ主電源とすることができる。

本発明は、本明細書に説明する電圧増倍器制御回路を複数備える制御モジュールにも関する。これらの電圧増倍器制御回路は、ＡＣ電源の動作電圧範囲を検出するように同時に動作可能とすることができる。

電圧増倍器制御回路からの制御信号は、論理制御回路内に入力することができる。

更に別の態様によれば、本出願は、電圧増倍器を制御する方法に関し、本方法は、（ａ）動作電圧範囲を有するＡＣ電源を受けるステップと、（ｂ）検出器を用いてＡＣ電源の動作電圧範囲を検出して、検出した動作電圧範囲を識別する制御信号を発生させるステップと、（ｃ）制御信号に応答して電圧増倍器を有効及び／又は無効にするステップと、
を含む方法に関する。

添付図を参照しながら本発明の好ましい実施形態を単なる例示として説明することにする。

本発明による交直電力系変換器を組み込んだシステムのブロック図である。 交直電力系変換器のブロック図である。 交直電力系変換器用の制御モジュールのブロック図である。 第１及び第２のＡＣ検出回路の回路図である。 第１及び第２のＡＣ検出回路の回路図である。 ハードウェア実装の電圧検出器モジュールについての概略図である。 交直電力系変換器における電圧ダブラについての概略図である。 交直電力系変換器用の修正された制御モジュールのブロック図である。

本発明による交直電力系変換器３を組み込むポンプコントローラ１の概略図を図１に示している。本発明は、ポンプコントローラ１を参照して説明するが、本発明は、他の用途において実装することができることは理解されるであろう。この実施形態では、ポンプコントローラ１は、半径方向空隙を有する従来の３相ＡＣ誘導モータを備えるポンプ（図示していない）を制御するように構成される。

交直電力系変換器３は、（ａ）１００〜１２７ＶａｃＲＭＳ±１０％、４５〜６５Ｈｚ又は（ｂ）２００〜２４０ＶａｃＲＭＳ、±１０％、４５〜６５Ｈｚのうちのどちらかの電源条件を有する単相ＡＣ主電圧源５に結合されたフロントエンド電力変換器である。交直電力系変換器３は、ＡＣ主電圧源５の電源電圧を検出し、検出された電源電圧の範囲に基づいて、２５４Ｖｄｃから３９６Ｖｄｃまでの範囲内のＤＣリンク電圧を供給するように交直変換を自動的に制御する。ＤＣリンク電圧源７は、ＤＣリンク電圧を供給し、このＤＣリンク電圧は、ポンプコントローラ１内でポンプシステム制御機能と（ポンプ）モータ制御機能との両方を提供するための１次電圧源である。リンク電圧源７は、クライアントインターフェースサブシステム９とモータ制御サブシステム１１とに接続される。クライアントインターフェースサブシステム９は、ポンプコントローラ１内でライブ制御電圧及びＰＥＬＶ（保護特別低電圧）制御電圧を供給するＤＣ−ＤＣフライバック変換器を備える。

交直電力系変換器３は、ＡＣ主電源を自動的に検出し、検出されたＡＣ主電源範囲に基づいて適切な交直変換器１５、１７を有効にするための制御モジュール１３を備える。この実施形態では、それぞれのトポロジーの間で効果的に切り替わる電圧ダブラと２パルスブリッジ整流器との組み合わせが実装されている。制御モジュール１３は、検出されたＡＣ電源電圧が１８０〜２６４ＶａｃＲＭＳの範囲（本明細書では高電圧範囲と呼ぶ）内にある場合には、電圧ダブラが無効になった状態で第１の交直変換器１５を、検出されたＡＣ電源電圧が９０〜１４０ＶａｃＲＭＳの範囲（本明細書では低電圧範囲と呼ぶ）内にある場合には、電圧ダブラが有効にされた状態で第２の交直変換器１７を選択的につなぐ。第１の交直変換器１５は、ＤＣリンク静電容量を有する単相２パルスブリッジ整流器を備え、第２の交直変換器１７は、電圧ダブラ構成及び分割ＤＣリンク静電容量を有する単相２パルスブリッジ整流器を備える。この設計は、１８０Ｖ ＡＣ ＲＭＳ、６５０Ｗ、６０Ｈｚを有し、３．０Ａ ＲＭＳ〜４．２Ａピークの領域内の動作電流を供給する３相モータに好適な２５０Ｖｄｃ〜３９５ＶｄｃのＤＣリンク電圧範囲を発生させる。

本発明の実施形態による交直電力系変換器３は、以下の機能を提供する。
・自動制御／トポロジー切り替え−利用者の介入の必要性を軽減又は回避する。
・安全性−単一故障モードの場合に、ポンプコントローラ１は、ＤＣリンク電圧を製品仕様範囲内にある安全レベルに維持しなければならない。
・安全且つ制御された始動−最初にＡＣ入力電源がポンプシステムに印加される時に、電圧ダブラトポロジーを無効にしなければならない。このトポロジーは、制御された遅延後の低いＡＣ入力電源（９０Ｖ〜１５０Ｖ ＲＭＳ、５０／６０Ｈｚ）の場合にのみ作動させなければならない。２パルスブリッジ整流器をデフォルトトポロジーとすることができる。
・信頼性のある動作−ポンプコントローラが、電圧ダブラ又は２パルスブリッジのどちらかを作動させることを決定すると、この制御決定は、ＬＡＴＣＨＥＤ（ラッチ保持）に留めなければならない。このＬＡＴＣＨＥＤ（ラッチ保持）状態は、電源が取り除かれるか、又は過電圧障害が発生した場合のみ無効にすることができる。

本出願では、モータ制御サブシステム１１は、３相ＡＣ誘導ポンプを動作させるための直交電力インバータ１２（図５に示している）を備える。スタンドアローンインバータを実装することができるが、本発明の実施形態によるポンプコントローラ１は、単一の制御モジュール内でポンプ制御とインバータ機能を提供する。インバータ１２は、以下の機能を提供する。
・一貫したモータ速度制御−基本インバータ出力周波数は、ＡＣ入力電源周波数には依存せず、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの両方の入力電源において一貫したポンプ稼働性能を与えることができる。
・制御された始動電流−インバータは、モータの始動電流を安全で制御可能なレベルに制限することができ、これにより、過度の始動電流、例えば定格電流の最大８倍までの始動電流に対処するための過剰設計入力ヒューズの必要性を軽減する。
・インテリジェント制御−ポンプコントローラ１内にインバータ技術を組み込むことによって、柔軟な速度制御を与え、例えば、節電用途で低速度を与えることができる。

図２に示すように、制御モジュール１３は、第１のＡＣ主電源検出回路１９と、第２のＡＣ主電源検出回路２１と、マイクロコントローラ２３と、第１の交直変換器１５と第２の交直変換器１７とを選択的につなぐためのスイッチ制御モジュール２５とを備える。具体的には、マイクロコントローラ２３は、モータ制御の１次機能を有するデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）である。電圧ダブラの能動制御は、ＤＳＰ内の周辺機能である。第１及び第２のＡＣ検出回路１９、２１の概略図が図３に示され、回路図が図４に示されている。ここで第１及び第２のＡＣ検出回路１９、２１を、より詳細に説明する。

第１のＡＣ検出回路１９は、完全にハードウェアで実装され、ＡＣ主電源電圧ハードウェアフィードバックモジュール２７と、ハードウェア電圧ダブラ制御モジュール２９とを備える。ハードウェアフィードバックモジュール２７は、第１の差動増幅器３１と、ピーク検出回路３３と、フィードバックバッファ３５とを備える。図４に示しているように、ＡＣ基準信号（ＡＣ＿ＭＡＩＮＳ＿ＲＥＦ）を発生させるための基準電圧モジュール３６が設けられる。第１の差動増幅器３１は、入力ＡＣ主電源電圧を、０Ｖから＋１５Ｖの範囲にわたる信号として表すためにスケール調整を実施する。ピーク検出回路３３は、第１の差動増幅器３１からのＡＣ電圧信号のピーク値に等しいＤＣ電圧を出力する。フィードバックバッファ３５は、ハードウェア電圧ダブラ制御モジュール２９による後続の検出のためにピーク検出回路３３からの出力信号を保持する。

ハードウェア電圧ダブラ制御モジュール２９は、第１の差動増幅器３１からアナログ出力信号を取得し、この減衰した信号に対して「ピーク検出」を実施する。これにより、ＡＣ入力電圧のピーク値を表す離散値が得られる。ピーク検出回路は、電源擾乱及び電圧サージに対処するために厳しくフィルタ処理される。ピーク検出段の後に、減衰した離散値は、フィードバックバッファ３５によって更にバッファ処理される。フィードバックバッファ３５は、下流に設置された回路に対する低インピーダンス出力ソース（ＭＡＩＮＳ＿ＰＥＡＫ＿ＦＢＫ）を与える。その結果、出力信号（ＭＡＩＮＳ＿ＰＥＡＫ＿ＦＢＫ）は、下流の回路負荷による影響を受けない。

ハードウェア電圧ダブラ制御モジュール２９は、電圧レベル検出及びヒステリシスモジュール３７と、ハードウェア有効／無効スイッチ３９と、安全化モジュール４１とを備える。ここで、図５の回路図を参照しながらハードウェア電圧ダブラ制御モジュール２９を説明する。

電圧レベル検出及びヒステリシスモジュール３７は、レベル検出回路４３と、ヒステリシス回路４５とを備える。レベル検出回路４３は、ハードウェアフィードバックモジュール２７内のフィードバックバッファ３５からの信号を所定の基準と比較して、ＡＣ主電源が高範囲（例えば１８０〜２６４ＶａｃＲＭＳ）にあるか、又は低範囲（例えば９０〜１４０ＶａｃＲＭＳ）にあるかを判定する。レベル検出回路は、ＴＬ４３１電圧基準４３ａを利用する。ヒステリシス回路４５は、ＡＣ主電源電圧における小さい変動の結果としての切り替えを阻止するために、レベル検出回路４３からの出力を増強する。ハードウェア有効／無効スイッチ３９は、レベル検出スイッチ回路４７を備え、第１の検出器１９が、主電圧源について高範囲又は低範囲のどちらを検出したかを示す第１の制御信号Ｓ１を出力する。第１の制御信号Ｓ１は、制御リレー５１を作動させるために、ダーリントンスイッチ４９によって増幅することができる。

安全化モジュール４１は、初期起動に続いてある時間期間が経過した後まで、ハードウェア電圧ダブラ制御モジュール２９が動作するのを防ぐ受動タイマ回路５３を備える。具体的には、ハードウェア電圧ダブラ制御モジュール２９は、タイマ回路５３内のコンデンサの充電が完了したときだけ動作することができる。タイマ回路５３は、初期パワーオンの直後に第１の制御信号Ｓ１がハードウェア電圧ダブラ制御モジュール２９から出力されるのを防ぐための受動タイマとしての役割を果たす。強制的時間遅延により、第１の制御信号Ｓ１が出力される前に主電源電圧が安定化することが可能になる。

ヒステリシス回路４５は、例えば主電源電圧における摂動に起因した第１の制御信号Ｓ１の不正な変化を防ぐのに役立つ。具体的には、ヒステリシス回路４５は、第１の制御信号Ｓ１を変化させるのに必要な信号変化の閾値を引き下げる。ＡＣ主電源が高範囲にあることをレベル検出回路４７が判定した場合には、ヒステリシス回路４５は、検出されたピーク電圧の変化が、低下した閾値レベル（例えば１００ボルト）を超えない限り、第１の制御信号Ｓ１がその後変化しないことを保証する。これによりヒステリシス回路４５は、第１の制御信号Ｓ１が主電源電圧の変動に起因して変化するのを保護する。

第２のＡＣ主電源検出回路２１は、ハードウェアとファームウェアとの組み合わせを用いて実装される。より具体的には、ハードウェアフィードバックモジュール２７の機能とハードウェア電圧ダブラ制御モジュール２９の機能とが組み合わせられ、デジタル信号プロセッサ（図示していない）に設けられたファームウェア内に実装される。

図３に示しているように、第２のＡＣ主電源検出回路２１は、第２の差動増幅器５５と、ファームウェア内に実装されたＡＣ主電源電圧フィードバックと電圧ダブラ制御との組み合わせモジュール５７と、ファームウェア実装の有効／無効スイッチ５９とを備える。

フィードバックと電圧ダブラ制御との組み合わせモジュール５７は、アナログデジタル（ＡＤＣ）周辺機器６１と、ファームウェア実装のピーク検出器６３と、ファームウェア実装の電圧レベル検出器及びラッチ保持モジュール６５とを備える。

第２の差動増幅器５５は、第１の差動増幅器３１と同じ機能を実行し、アナログ出力（ＭＡＩＮＳ＿ＡＤＣ）は、ＡＤＣ周辺機器６１によってデジタル信号に変換される。ファームウェア実装のピーク検出器６３は、変換されたデジタル信号のピーク値を求める。ファームウェア電圧レベル検出器は、ピーク値が、高電圧範囲（すなわち１８０〜２６４ＶａｃＲＭＳ）又は低電圧範囲（すなわち９０〜１４０ＶａｃＲＭＳ）のどちらを有するＡＣ主電源を表すかを判定する。加えて、ファームウェアは、デジタルフィルタ処理を用いてＡＤＣ値（ＭＡＩＮＳ＿ＡＤＣ）に対するピーク検出を実施する。続いて、測定ピーク値を電圧範囲と比較して、どの交直変換器を実装すべきかが決定される。第２の検出器２１が、主電圧源に対して高範囲又は低範囲のどちらを検出したかを識別するために、第２の制御信号Ｓ２がファームウェア有効／無効スイッチ５９から出力される。

第１及び第２の制御信号Ｓ１、Ｓ２は、スイッチ制御モジュール２５に供給される。スイッチ制御モジュール２５は、制御回路６７と、第１の交直変換器１５又は第２の交直変換器１７のどちらかを選択するための電圧ダブラ制御リレー６９を備える。第１及び第２の制御信号Ｓ１、Ｓ２は、アナログ信号又はデジタル信号とすることができる。好ましい実施形態では、Ｓ１及びＳ２はデジタル信号である。

制御信号６７は、第１の制御信号Ｓ１及び第２の制御信号Ｓ２の両方が、ＡＣ主電源が低範囲（すなわち９０〜１４０ＶａｃＲＭＳ）で動作していることを示す場合にのみ、電圧ダブラリレー６９が第２の交直変換器１７を選択することを可能にする論理ＡＮＤ回路を備える。従って、電圧ダブラ回路７３は、ＡＣ主電源が低範囲内で動作していることを第１のＡＣ主電源検出回路１９と第２のＡＣ主電源検出回路２１との両方が判定した場合にのみ有効にされる。ＡＣ主電源が低範囲内で動作していることを第１及び第２のＡＣ主電源検出回路１９、２１のどちらも判定しないか、又は一方しか判定しない場合には、電圧ダブラ回路７３は有効にされない。

フェイルセーフとして、電圧ダブラ制御リレー６９のデフォルト位置は、第１の交直変換器１５を選択するものであり、これにより図５に示しているように、電圧ダブラ回路７３がバイパスされる（すなわち電圧ダブラ回路７３は無効にされる）。第１のＡＣ主電源検出回路１９又は第２のＡＣ主電源検出回路２１のどちらかが故障した場合には、電圧ダブラ回路７３は有効にされないことになる。

第２の差動増幅器５５に関連するファームウェアは、あらゆる制御措置を実施する前にタイミング遅延を実施する。実施される２つの遅延は、以下の通りである。
・パワーオンリセット遅延：プロセッサは、リセットから正常に立ち上がった後に、ＡＤＣ周辺機器を読み込む前に更に１秒間待機する。これにより、ＡＤＣ電圧及び基準電圧に安定化するのに十分な時間が与えられる。
・電圧増倍遅延：ファームウェアは、入力電源のピーク値を求めるために、更なる所定の時間間隔、例えば１秒にわたって（ＭＡＩＮＳ＿ＡＤＣ）信号をサンプリングする。信号は８ｋＨｚの周波数でサンプリングされ、このサンプリングは、５０Ｈｚの主電源の１サイクルにおける１６０個のサンプル、及び６０Ｈｚの主電源の１サイクルにおける１３３個のサンプルに等しい。ピーク値は、所定の時間間隔全体を通してフィルタ処理される。

ファームウェアがＡＣ主電源の状況を判定すると、決定がラッチ保持（ＬＡＴＣＨＥＤ）される。その後、マイクロコントローラは、電圧ダブラ制御スイッチの１／２を有効又は引き続き無効にする。ファームウェア制御ルーチンは、ファームウェア内の始動ルーチンの間にのみ開始される。過電圧トリップの場合には、ファームウェアは、電圧ダブラ制御スイッチの半分を停止し、この措置は、電圧ダブラトポロジーを無効にする。この障害状態は、電力をポンプシステムに循環させること又はプロセッサのリセットを実施することによってのみリセットされる。

ハードウェアのみで実装される第１のＡＣ検出回路１９は、第２のＡＣ検出回路２１について上記で説明したものと同様の機能を提供する。

第１及び第２の交直変換器１５、１７をディスクリート構成要素として説明したが、図６に示しているように、単相ダイオードブリッジ整流器７１は、第１の交直変換器１５と第２の交直変換器１７との両方に共通である。

ここで、本発明によるポンプコントローラ１の動作を説明する。

ポンプコントローラ１の初期パワーオンに続いて、電源電圧の安定化を可能にするために、安全化モジュール４１によりある時間間隔（典型的には５００ｍｓ）にわたって第１のＡＣ主電源検出回路１９が無効にされる。この時間遅延は、起動状態の間にＡＣ主電源が低電圧範囲（例えば１２０ＶａｃＲＭＳ）で動作していることを第１のＡＣ検出回路１９が不正に判定することを防止する。制御回路６７は、論理ＡＮＤ回路を備えるので、電圧ダブラ制御リレー６９は、この初期期間中には必要な第１及び第２の制御信号Ｓ１、Ｓ２を受け取ることができず、従って、電圧ダブラ回路７３を有効にすることができない。

この初期時間間隔が経過した後、第１のＡＣ主電源検出回路１９及び第２のＡＣ主電源検出回路２１は両方とも動作可能である。第１のＡＣ主電源検出回路１９と第２のＡＣ主電源検出回路２１とは、ＡＣ主電源の電圧範囲を決定するために独立して同時に動作する。第１及び第２のＡＣ主電源検出回路１９、２１は各々、ＡＣ主電源電圧が高範囲（すなわち１８０〜２６４ＶａｃＲＭＳ）又は低範囲（すなわち９０〜１４０ＶａｃＲＭＳ）のどちらにあるかを判定し、それぞれ第１及び第２の制御信号Ｓ１、Ｓ２を出力する。

第１の制御信号Ｓ１が判定されると、ヒステリシス回路４５は、ピーク主電源電圧における小変動、例えば信号ノイズに起因した不正トリガを防ぐ。ヒステリシス回路４５は、第１の制御信号Ｓ１を変化させるのに必要な信号変化の閾値を引き下げる。閾値は、電圧ダブラを無効にする決定がなされた後にのみ引き下げられる。例えば、ＡＣ主電源が高範囲にあるとレベル検出回路４７が判定した場合には、第１の制御信号Ｓ１を反転させるには、検出されるＡＣ主電源電圧の著しい低下（例えば１００ボルト）が必要とされる。それとは逆に、ＡＣ主電源が低範囲にあるとレベル検出回路４７が判定した場合には、第１の制御信号Ｓ１を反転させるには、検出されるＡＣ主電源電圧の著しい上昇（例えば１００ボルト）が必要とされる。これにより、ヒステリシス回路４５は、検出されるＡＣ主電源信号の小さな変化に応答して第１の制御信号Ｓ１が状態間で切り替わるのを防ぐ。

第１及び第２の制御信号Ｓ１、Ｓ２は、スイッチ制御モジュール２５内の論理ＡＮＤ回路６７に入力される。第１の制御信号Ｓ１と第２の制御信号Ｓ２が両方とも、ＡＣ主電源電圧が低範囲にあると示した場合には、スイッチ制御モジュール２５は、電圧ダブラ制御リレー６９が電圧ダブラ回路７３をつなぐことを可能にする。ダイオードブリッジ電力モジュール７１は、ＡＣ主電源をＤＣ電源に変換し、電圧ダブラ回路７３は、ＤＣリンク電圧源７に供給される電圧を増倍する。１２０ＶａｃＲＭＳのＡＣ主電源電圧は、ＤＣリンク電圧源７においておよそ３４０ＶｄｃのＤＣ電圧に変換されることになる。

第１及び第２の制御信号Ｓ１、Ｓ２のどちらもが、又は第１及び第２の制御信号Ｓ１、Ｓ２のうちの一方だけがＡＣ主電源電圧が低範囲にあることを示さない場合には、スイッチ制御モジュール２５は、電圧ダブラ制御リレー６９を有効にしない。従って、電圧ダブラ回路７３は有効にされない。ダイオードブリッジ電力モジュール７１は、ＡＣ主電源を、ＤＣリンク電圧源７に供給されるＤＣ電圧に変換する。２４０ＶａｃＲＭＳのＡＣ主電源電圧は、ＤＣリンク電圧源７においておよそ３４０ＶｄｃのＤＣ電圧に変換されることになる。

電力インバータ１２は、ＤＣリンク電圧源７に供給されたＤＣ電圧を、ポンプ用誘導モータに給電するためＡＣに変換する。このモータが誘導モータ、永久磁石モータ、又ブラシレスＤＣモータのいずれであるかに関わらず、同じ信号を用いることができる。

ＤＣリンク電圧源７に供給される電圧は、２５４Ｖｄｃから３９６Ｖｄｃまでの範囲内にあるので、ポンプユニット内の構成要素は、この指定範囲内で動作するように選択することができる。

第１及び第２のＡＣ主電源検出回路１９、２１を設けることによって、ポンプコントローラ１のフェイルセーフが与えられる。ポンプコントローラ１は、適切な交直変換器トポロジーを選択するために２つの独立した検出及び制御回路を設け、この重複は、制御回路のうちの一方における単一故障モードの場合に、冗長性による安全性をもたらす。更に、両方の独立制御回路１９、２１は、ポンプコントローラ１の安全な起動を保証するために、２パルスブリッジ整流器トポロジーに対して交直電力変換器３をデフォルトにするように構成することができる。２つの独立制御回路１９、２１がＡＣ入力電源の状況を検出して判定すると、制御回路１９、２１は両方とも、交直電力変換器３の状態をラッチ保持するように構成することができる。このラッチ保持（ＬＡＴＣＨＥＤ）状態は、ＤＣリンク過電圧トリップが発生した場合、又はシステム停止が発生した場合にのみ変更される。

ＡＣ主電源検出回路１９、２１のうちのどちらか一方が故障した場合（すなわち単一故障モード）、ポンプコントローラは、電圧ダブラ回路７３を有効にしない。従って、クライアントインターフェースモジュール９及びモータ制御モジュール１１に対する破損が回避されることになる。これらのＡＣ主電源検出回路１９、２１のうちの一方が故障した場合にユーザに警報を与えることができることは、理解されるであろう。

制御モジュール１３の修正形態が図７に示されている。簡潔にするために、同様の構成要素に対して同様の参照番号を用いている。

修正構成において、電圧ダブラ制御回路２５は、第１及び第２の主電源電圧検出器１９、２１内に組み込まれる。具体的には、第１の主電源電圧検出器１９は、第１の電圧ダブラ制御リレー７５を備え、第２の主電源電圧検出器２１は、第２の電圧ダブラ制御リレー７７を備える。第１及び第２の電圧ダブラ制御リレー７５、７７は、電圧ダブラ回路７３を無効／有効にする。制御モジュール１３の修正形態の動作は変化していない。具体的には、電圧ダブラ回路７３は、ＡＣ主電源電圧が低範囲内（例えば１２０Ｖ）にあることを第１及び第２の主電源電圧検出器１９、２１の両方が判定した場合にのみ有効にされる。

本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更及び修正を加えることができることは、理解されるであろう。

５ 単相ＡＣ主入力電源電圧
１５ 交直入力電力系：ハードウェアトポロジー１ ２パルスブリッジ整流器
１７ 交直入力電力系：ハードウェアトポロジー２
１９ 第１のＡＣ検出回路 独立したハードウェア実装
２１ 第２のＡＣ検出回路 独立したハードウェア及びファームウェア実装
２５ 電圧ダブラ：制御リレー
２７ ＡＣ主電源電圧フィードバック：ハードウェア回路ブロック図
２９ 電圧ダブラ制御：ハードウェア回路ブロック図
５５ ＡＣ主電源フィードバック：差動増幅器
５７ ＡＣ主電源フィードバック及び電圧ダブラ制御：マイクロコントローラ／ＤＳＰブロック図
５９ 電圧ダブラ制御：ファームウェア有効／無効スイッチ（ハードウェア回路）

Claims (16)

1. インバータ制御モータ及び電圧変換器を含むポンプ用のポンプ制御モジュール（１）であって、
   高動作電圧範囲又は低動作電圧範囲を有するＡＣ主電源への接続のための入力と、
   前記ＡＣ主電源の高動作電圧範囲か低動作電圧範囲を検出して、該検出した動作電圧範囲を識別する第１の制御信号を発生させる第１のＡＣ主電源検出器と、
   前記ＡＣ主電源の動作電圧範囲を検出して、該検出した高動作電圧範囲か低動作電圧範囲を識別する第２の制御信号を発生させる第２のＡＣ主電源検出器と、
   前記第１及び第２の制御信号に応答して電圧増倍器を選択的に有効及び／又は無効にするための１つ又はそれ以上のスイッチと、
   を備える制御モジュール。
2. 前記１つ又はそれ以上のスイッチは、前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号の両方が同じ前記検出した動作電圧範囲を識別する場合にのみ、前記電圧増倍器を有効及び／又は無効にするように構成される、ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ制御モジュール。
3. 前記１つ又はそれ以上のスイッチは、前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号の両方が検出した低い動作電圧範囲を識別する場合に前記電圧増倍器を有効にするように構成される、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のポンプ制御モジュール。
4. 前記電圧増倍器は、前記ＡＣ主電源が高動作電圧範囲にあることを前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号の両方が示す場合に無効にされる、ことを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のポンプ制御モジュール。
5. 前記第１のＡＣ主電源検出器と前記第２のＡＣ主電源検出器とは互いに独立して動作可能であり、前記第１のＡＣ主電源検出器と前記第２のＡＣ主電源検出器とは任意選択的に前記動作電圧範囲を同時に検出することができる、ことを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載のポンプ制御モジュール。
6. 前記第１のＡＣ主電源検出器はハードウェアに実装され、前記第２のＡＣ主電源検出器はハードウェアとファームウェアとの組み合わせに実装される、ことを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載のポンプ制御モジュール。
7. 前記第１の制御信号をラッチ保持するための第１のラッチ、及び／又は前記第２の制御信号をラッチ保持するための第２のラッチを更に備える、請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載のポンプ制御モジュール。
8. 前記第１の制御信号及び／又は前記第２の制御信号を制御するためのヒステリシス制御部を更に備える、請求項１〜７のうちのいずれか一項に記載のポンプ制御モジュール。
9. 起動中に該制御モジュールを無効にするための安全化回路を更に備える、請求項１〜８のうちのいずれか一項に記載のポンプ制御モジュール。
10. 前記第１のＡＣ主電源検出器には第１のスイッチが関連付けられ、前記第２のＡＣ主電源検出器には第２のスイッチが関連付けられる、ことを特徴とする請求項１〜９のうちのいずれか一項に記載のポンプ制御モジュール。
11. 前記電圧増倍器が電圧ダブラである、ことを特徴とする請求項１〜１０のうちのいずれか一項に記載のポンプ制御モジュール。
12. 前記入力がＡＣ主電源への接続に適合されている、ことを特徴とする請求項１〜１１のうちのいずれか一項に記載のポンプ制御モジュール。
13. 請求項１〜１２のうちのいずれか一項に記載の制御モジュールと、電圧増倍器とを備えた電圧変換器。
14. インバータ制御モータ及び電圧変換器を含むポンプの電圧変換器を制御する方法であって、
    （ａ）高動作電圧範囲又は低動作電圧範囲を有するＡＣ主電源を受けるステップと、
    （ｂ）第１の主電源検出器を用いて前記ＡＣ主電源の高動作電圧範囲か低動作電圧範囲を検出し、該検出した動作電圧範囲を識別する第１の制御信号を発生させるステップと、
    （ｃ）第２の主電源検出器を用いて前記ＡＣ主電源の高動作電圧範囲か低動作電圧範囲を検出し、該検出した動作電圧範囲を識別する第２の制御信号を発生させるステップと、
    （ｄ）前記第１及び第２の制御信号に応答して電圧増倍器を有効及び／又は無効にするステップと、
    を含む方法。
15. 前記電圧増倍器は、前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号の両方が同じ前記検出した動作電圧範囲を識別する場合にのみ有効及び／又は無効にされる、ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記電圧増倍器は、前記ＡＣ主電源が低動作電圧範囲にあることを前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号の両方が示す場合に有効にされる、ことを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の方法。

Images