JP6379611B2 - 波形比較器 - Google Patents

Description

本発明は、波形比較器に関する。

従来、多相交流モータを駆動するインバータにおいて、コイルに流れる電流を検出する電流検出器の出力と電流制限閾値とを比較器で比較して、少なくとも過電流となっていないコイルに流れる電流を制限することで、過電流となっているコイルに対応した相のパワースイッチング素子のスイッチング損失を抑制する技術が提供されている（特許文献１参照）。

特開平０８−３２２２９１号公報

しかしながら、比較器の実施に際して、コストを優先して、入力電圧の範囲が狭い安価で汎用的なコンパレータを使用して、かつ、電流を検出する電流検出器とコンパレータの電源電圧を共通化すると、電流検出器の出力波形がコンパレータの入力範囲を超えるため正しく比較することができない。また、電流検出器の出力波形をコンパレータの入力範囲に収めるために減衰させると、精度が低下する。このため、入力範囲の広い比較器を使用する必要があるが、入力範囲の広い比較器を使用すると、高コスト化につながる。

本発明は、入力範囲の小さい安価で汎用的な比較器を使用することができる技術を提供することを目的とする。

本発明による波形比較器は、交流成分を有する波形と閾値とを比較する比較器において、閾値は、交流成分の中間電位を基準点とする一周期のうち、最初の二分の一周期と比較する第１の閾値と、次の二分の一周期と比較する第２の閾値の少なくとも二つの閾値であって、交流成分を有する波形のうち、第１の閾値と第２の閾値との平均である閾値平均値より高い側の波形と、低い側の波形のいずれか一方の波形を、閾値平均値を基準として反転させ、反転させた波形と反転させていない波形とを出力する波形反転手段を備え、波形反転手段の出力と第１の閾値と第２の閾値のうち反転させていない波形側の閾値とを比較する。

本発明によれば、交流成分を有する波形の最大値と最小値の振幅（Ｐｅａｋ ｔｏ Ｐｅａｋ値）を、交流成分を有する波形と閾値との相対関係を維持したまま、減衰させることなく小さくできるため、入力範囲の小さい、安価で汎用的な比較器を使用することができる。

図１は、第１の実施形態の波形比較器をインバータに適用した場合の構成を説明するための図である。 図２は、第１の実施形態の電流比較回路およびＰＷＭ出力制限回路の詳細を説明するための図である。 図３は、第１の実施形態の反転回路の一例を示す図である。 図４は、第１の実施形態の反転値の設定方法を説明するための図である。 図５は、第２の実施形態の反転値の設定方法を説明するための図である。 図６は、第３の実施形態の反転値の設定方法および反転した波形の補正方法を説明するための図である。 図７は、第４の実施形態の反転値の設定方法および反転した波形の補正方法を説明するための図である。

《第1の実施形態》
図１は、第1の実施形態の波形比較器をインバータに適用した場合の回路構成図である。このインバータ２０は、パワーモジュール６０と、電流センサ５ｕと、電流センサ５ｖと、電流センサ５ｗと、電流比較回路７０と、ＰＷＭ信号発生回路４０と、ＰＷＭ出力制限回路８０と、駆動回路９０と、を備え、バッテリ１０を電力源として、モータジェネレータ（ＭＧ）３０を駆動する。

バッテリ１０は、インバータ２０に必要な電力を供給する。

ＭＧ３０は、車両の走行駆動力（トルク）を発生する。

ＰＷＭ信号発生回路４０は、図示しない車両コントローラからの指令に基づいて、インバータ２０の動作を制御するためのＰＷＭ信号を発生する。

電流センサ５ｕ、５ｖ、５ｗは、後述するパワーモジュール６０からＭＧ３０へ供給されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの相電流を検出し、検出した電流に応じた電圧を出力する。

パワーモジュール６０は、パワースイッチング素子６１と、整流ダイオード６２を備え、後述する駆動回路９０を介して入力されるＰＷＭ信号に応じてスイッチングを行い、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの相電流を供給する。

電流比較回路７０は、電流センサ５ｕ、５ｖ、５ｗの出力に基づいて、ＰＷＭ出力制限回路８０に、ＰＷＭ信号の駆動回路９０への出力の制限を要求する信号を出力する。

ＰＷＭ出力制限回路８０は、電流比較回路７０からの信号に基づいて、ＰＷＭ信号発生回路４０からのＰＷＭ信号を、駆動回路９０へ出力するか否かを判定する。

駆動回路９０は、ＰＷＭ出力制限回路８０を介して入力されるＰＷＭ信号に応じて、パワーモジュール６０が有するパワースイッチング素子６１それぞれのＯＮ／ＯＦＦを制御する。

図２は、電流比較回路７０及びＰＷＭ出力制限回路８０の詳細を示す回路構成図である。以下、図２を参照して、電流比較回路７０およびＰＷＭ出力制限回路８０の詳細を説明する。

電流比較回路７０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの反転回路７１ｕ、７１ｖ、７１ｗと、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの比較器７２ｕ、７２ｖ、７２ｗと、を備える。

反転回路７１ｕ、７１ｖ、７１ｗは、電流センサ５ｕ、５ｖ、５ｗから出力された交流信号を、後述する反転値設定回路７４において設定された反転値を基準として、反転値より最大値側もしくは最小値側のいずれか一方に反転する。

比較器７２ｕ、７２ｖ、７２ｗは、反転回路７１ｕ、７１ｖ、７１ｗからの出力信号と、閾値設定回路７５により設定された閾値とを比較する。そして、反転回路７１ｕ、７１ｖ、７１ｗからの出力信号が閾値を超えた場合は、Ｈｉ信号を出力する。

ＮＯＲ回路７３は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの比較器７２ｕ、７２ｖ、７２ｗの出力の論理和の否定をとり、比較器７２ｕ、７２ｖ、７２ｗの出力のうち、少なくとも一つ以上がＨｉ信号であれば、Ｌｏ信号を出力する。

ＰＷＭ出力制限回路８０は、六つのパワースイッチング素子６１に対応して、六つのＡＮＤ回路８１を備える。ＡＮＤ回路８１は、ＰＷＭ信号発生回路４０から出力されるＵ相の正側（ＵＰ）、負側（ＵＮ）、Ｖ相の正側（ＶＰ）、負側（ＶＮ）、Ｗ相の正側（ＷＰ）、負側（ＷＮ）それぞれのＰＷＭ信号と、電流比較回路７０の出力（ＮＯＲ回路２２の出力）との論理積をとり、少なくとも電流比較回路７０の出力がＬｏ信号であれば、駆動回路９０にＬｏ信号を出力する。駆動回路９０は、Ｌｏ信号が入力されると、ＡＮＤ回路８１のそれぞれと対応するパワースイッチング素子６１に、ＯＦＦ信号を入力する。

なお、これまで説明した実施形態は一例であり、反転回路７１ｕ、７１ｖ、７１ｗにおいて反転させる方向や、比較器７２ｕ、７２ｖ、７２ｗで使用する入力端子の極性によって、ＮＯＲ回路７３やＡＮＤ回路８１の論理が反転してもよい。

図３は、反転回路７１ｕ、７１ｖ、７１ｗの一例を示す回路図である。少なくともこのような絶対値回路を構成することで、任意の反転値で波形を反転させる回路を実現することができる。

図４は、第１の実施形態における反転回路７１ｕ、７１ｖ、７１ｗで行う処理の内容を説明するための図である。図４（ａ）は、交流成分を有する波形４００と、一つの閾値とを比較する場合であって、従来のとおり、電流センサの出力をそのまま比較器の入力とした場合の、入力信号（波形４００）と、閾値と、反転値１との関係を表している。図において、波形４００のうち、反転値１よりも最大値側の波形を波形２、反転値１よりも最小値側の波形を波形３とする。なお、反転値１は反転値設定回路７４において設定される。以下、反転値の設定方法について説明する。

図４（ｂ）は、本実施形態における、比較器７２ｕ、７２ｖ、７２ｗに入力される波形２、４と、反転値１と、閾値との関係の一態様を表している。図４（ｂ）は、図４（ａ）の状態から、波形３を、反転値１を基準として最大値側へ反転した状態を表している。波形４は、波形３を反転した波形である。この場合の反転値１は、交流波形４００の上下限範囲内であって、閾値よりも最小値側で、かつ閾値と交流波形４００の最小値との中間点よりも最小値側であれば、任意の値をとることができる。その結果、反転後の波形２、４の最大値と最小値との差が、反転前の波形２、３の最大値と最小値との差と比べて、交流波形４００と閾値との交点を維持したまま、減衰を伴わずに小さくなっていることが分かる。

なお、図示しないが、閾値が反転値１より最小値側にあり、波形２を反転値１を基準として最小値側へ反転する場合は、反転値１は、交流波形４００の上下限範囲内であって、かつ閾値と交流波形４００の最大値との中間点よりも最大値側であれば、任意の値をとることができる。

図４（ｃ）は、本実施形態における、比較器７２ｕ、７２ｖ、７２ｗに入力される波形と、反転値１と、閾値との関係の一態様を表しており、図４（ａ）の状態から、波形２と閾値とを反転値１を基準として最小値側へ反転した状態を表している。波形５は、波形２を反転した波形である。この場合の反転値１は、交流波形４００の上下限範囲内であって、反転する前の閾値よりも最大値側で、かつ反転する前の閾値と入力波形４００の最小値との中間点より最小値側であれば、任意の値をとることができる。なお、閾値の反転は、閾値設定回路７５内で行われる。その結果、反転後の波形５、３の最大値と最小値との差が、反転前の波形２、３の最大値と最小値との差と比べて、交流波形４００と閾値との交点を維持したまま、減衰を伴うことなく小さくなっていることが分かる。

なお、図示しないが、反転する前の閾値が反転値1より最小値側にあり、波形３と閾値とを、反転値１を基準として最大値側へ反転する場合は、反転値１は、交流波形４００の上下限範囲内であって、かつ反転する前の閾値と入力波形４００の最大値との中間点より最大値側であれば、任意の値をとることができる。

以上、第１の実施形態によれば、交流成分を有する波形と閾値とを比較する比較器において、交流成分を有する波形のうち、所定の値より高い波形と低い波形のいずれか一方の波形を、所定の値（反転値１）を基準として反転させ、反転させた波形および反転させていない波形と閾値とを比較する。これにより、波形を減衰させることなく比較器に入力する波形の最大値と最小値の振幅（Ｐｅａｋ ｔｏ Ｐｅａｋ値）を小さくできるため、入力範囲の小さい、安価で汎用的な比較器を使用することができる。

《第２の実施形態》
図５は、第２の実施形態における反転値を設定する方法を説明するための図である。

図５（ａ）は、交流波形５００と、二つの閾値５、６とを比較する場合、すなわち波形２と閾値５を比較、波形３と閾値６を比較する場合であって、従来のとおり電流センサの出力をそのまま比較器の入力とした場合の、入力信号（交流波形５００）と、閾値との関係を表している。図中の閾値平均値８は、閾値５と閾値６との平均値を示している。本実施形態では、この閾値平均値８を反転値に設定する。

図５（ｂ）は、図５（ａ）の状態から、反転値（閾値平均値８）を基準に、波形２を反転値より最小値側へ反転した状態であって、比較器７２ｕ、７２ｖ、７２ｗに入力される波形を表している。波形１０は、波形２を反転した波形である。反転後の波形１０、３の最大値と最小値との差が、反転前の波形５００（波形２、３）の最大値と最小値との差と比べて、減衰することなく小さくなっているのが分かる。これにより、比較器７２ｕ、７２ｖ、７２ｗへの入力信号の最大振幅を、減衰を伴うことなく狭めることができるので、入力範囲の小さいより汎用的な比較器を使用することが可能となる。なお、波形２は反転させずに、波形３を、反転値（閾値平均値８）を基準に最大値側に反転させてもよい。

また、交流信号と二つの閾値とを比較する際、従来の図５（ａ）で示す入力波形のままでは、波形２と閾値５を比較する比較器と、波形３と閾値６とを比較する比較器と、合計２つの比較器が必要であった。本実施形態を適用して生成した図５（ｂ）で示す入力波形であれば、波形２と閾値５との相対関係、および波形１０と閾値６との相対関係が変化しないので、波形１０、３と閾値６とを比較する一つの比較器があればよい。なお、ここでいう相対関係とは、波形の最大値もしくは最小値と、閾値との電位差を意味する。

以上、第２の実施形態によれば、交流成分を有する波形と、交流成分の中間電位を基準点とする一周期のうち、最初の二分の一周期と比較する第１の閾値と、次の二分の一周期と比較する第２の閾値の少なくとも２つの閾値とを比較する比較器において、第１の閾値と第２の閾値の平均である閾値平均値より高い側の波形と低い側の波形のいずれか一方の波形を、閾値平均値を基準として反転させる。これにより、波形を減衰させることなく比較器に入力する波形の最大値と最小値の振幅（Ｐｅａｋ ｔｏ Ｐｅａｋ値）を小さくできるため、入力範囲の小さい、安価で汎用的な比較器を使用することができる。

また、第２の実施形態によれば、反転させた波形および反転させていない波形と、第１の閾値と第２の閾値のうち反転させていない波形側の閾値とを比較する。これにより、交流成分を有する波形と二つの閾値とを比較する場合であっても、一つの比較器で比較することができる。

《第３の実施形態》
図６は、第３の実施形態における反転値を設定する方法と、反転した波形を補正する方法を説明するための図である。図６（ａ）は、交流波形６００と、二つの閾値５、６とを比較する場合であって、従来のとおり、電流センサの出力をそのまま比較器の入力とした場合の、入力波形（交流波形６００）と閾値５、６との関係を表している。図中の波形平均値９は、波形６００の最大値と最小値の平均値を示している。図中の閾値平均値８は、閾値５と閾値６との平均値を示している。図６（ａ）に示すように、波形平均値９は閾値平均値８よりも大きい。本実施形態においては、第２の実施形態とは異なり、この波形平均値９を反転値に設定する。これに起因して、本実施形態では、反転値の設定後に、当該反転値を基準として反転した波形を補正する。特にこの点について、以下に詳細を説明する。

図６（ｂ）は、波形平均値９が閾値平均値８より大きい場合に、値が大きい方である波形平均値９を基準に、波形２を最小値側に反転させて、波形１１を生成した例を示している。このとき、図６（ａ）で示す波形２の最大値と閾値５との差と、図６（ｂ）で示す波形１１の最大値と閾値６との差は、異なっている。

本実施形態では、波形２の最大値と閾値５との差と、波形１１と閾値６との差が一致するように、すなわち、反転前後で波形と閾値との相対関係が変化しないように、反転した波形を補正する。具体的には、波形１１から閾値平均値８と波形平均値９との差の絶対値の２倍を減算して、波形１２を生成する（図６（ｃ）参照）。これにより、波形２の最大値と閾値５との差と、波形１２の最小値と閾値６との差が同等となるため、反転前後の波形と閾値との相対関係が維持される。従って、入力波形６００と閾値５、６との相対関係を変化させることなく、比較器７２ｕ、７２ｖ、７２ｗへの入力信号の最大振幅を、減衰を伴うことなく小さくすることができる。なお、閾値平均値８と波形平均値９の差の絶対値が、反転前の波形（波形２）の振幅の１／２以上の場合、すなわち、補正後の波形（波形１２、３）の最大振幅が、補正前の波形（波形２、３）の最大振幅を超える場合には、本実施形態の適用はない。

また、反転値（波形平均値９）を基準に、波形３を最大値側へ反転させて、閾値平均値８と波形平均値９との差の絶対値の２倍を減算してもよい。

以上、第３の実施形態によれば、波形平均値が閾値平均値より大きい場合に、波形平均値より高い側の波形と、低い側の波形のいずれか一方の波形を、波形平均値を基準として反転させ、反転させた波形から、波形平均値と閾値平均値との差の絶対値の２倍を減算する。これにより、波形を減衰させることなく比較器に入力する波形の最大値と最小値の振幅（Ｐｅａｋ ｔｏ Ｐｅａｋ値）を小さくできるため、入力範囲の小さい、安価で汎用的な比較器を使用することができる。

また、第３の実施形態によれば、反転させた波形から、波形平均値と閾値平均値との差の絶対値の２倍を減算して得られる波形および反転させていない波形と、第１の閾値と第２の閾値のうち反転させていない波形側の閾値とを比較する。これにより、交流成分を有する波形と二つの閾値とを比較する場合であっても、一つの比較器で比較することができる。

《第４の実施形態》
図７は、第４の実施形態における反転値を設定する方法と、反転した波形を補正する方法を説明するための図である。第４の実施形態においても、交流波形７００の最大値と最小値の平均である波形平均値９を反転値に設定するが、第３の実施形態とは異なり、波形平均値９が、二つの閾値５、６の平均である閾値平均値８の値より小さい。本実施形態では、閾値平均値８より小さい波形平均値９を基準に、波形２を最小値側に反転させて、波形１３を生成した場合について説明する。

図７（ｂ）は、波形平均値９を基準に、波形２を最小値側に反転させて、波形１３を生成した例を示している。このとき、図７（ａ）で示す波形２の最大値と閾値５との差と、図７（ｂ）で示す波形１３の最小値と閾値６との差は異なっている。

本実施形態では、波形２の最大値と閾値５との差と、波形１３の最小値と閾値６との差とが変化しないように、波形１３に、閾値平均値８と波形平均値９との差の絶対値の２倍を加算して、波形１４を生成する（図７（ｃ）参照）。これにより、波形２の最大値と閾値５との差と、波形１４の最小値と閾値６との差が同等となるため、反転前後の入力波形と閾値との相対関係が維持される。従って、入力波形７００と閾値５、６との相対関係を変化させることなく、比較器７２ｕ、７２ｖ、７２ｗへの入力信号の最大振幅を、減衰を伴わずに小さくすることができる。なお、閾値平均値８と波形平均値９の差の絶対値が、反転前の波形（波形２）の振幅の１／２以上の場合、すなわち、補正後の波形（波形１２、３）の最大振幅が、補正前の波形（波形２、３）の最大振幅を超える場合には、本実施形態の適用はしない。

また、反転値（波形平均値９）を基準に、波形３を最大値側へ反転させて、平均値７と８との差の絶対値の２倍を加算してもよい。

以上、第４の実施形態によれば、波形平均値が閾値平均値より小さい場合に、波形平均値より高い側の波形と、低い側の波形のいずれか一方の波形を、波形平均値を基準として反転させ、反転させた波形から、波形平均値と閾値平均値との差の絶対値の２倍を加算する。これにより、波形を減衰させることなく最大値と最小値の振幅（Ｐｅａｋ ｔｏ Ｐｅａｋ値）を小さくできるため、入力範囲の小さい、安価で汎用的な比較器を使用することができる。

また、第４の実施形態によれば、反転させた波形から、波形平均値と閾値平均値との差の絶対値の２倍を加算して得られる波形と、反転させていない波形と、第１の閾値と第２の閾値のうち反転させていない波形側の閾値とを比較する。これにより、交流成分を有する波形と二つの閾値とを比較する場合であっても、一つの比較器で比較することができる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されることはない。また、上述した実施形態では、本発明にかかる波形比較器をインバータに適用した例についてのみ説明したが、交流成分を有する波形と閾値とを比較する用途においては、あらゆる電気回路に適用可能である。

７１ｕ、７１ｖ、７１ｗ…反転回路（波形反転手段）
７２ｕ、７２ｖ、７２ｗ…比較器（比較手段）

Claims (3)

1. 交流成分を有する波形と閾値とを比較する比較器において、
   前記閾値は、前記交流成分の中間電位を基準点とする一周期のうち、最初の二分の一周期と比較する第１の閾値と、次の二分の一周期と比較する第２の閾値の少なくとも二つの閾値であって、
   前記交流成分を有する波形のうち、前記第１の閾値と前記第２の閾値との平均である閾値平均値より高い側の波形と低い側の波形のいずれか一方の波形を前記閾値平均値を基準として反転させ、反転させた波形と反転させていない波形とを出力する波形反転手段と、
   前記波形反転手段の出力と前記第１の閾値と前記第２の閾値のうち前記反転させていない波形側の閾値とを比較する比較手段と、
   を備える、
   ことを特徴とする比較器。
2. 請求項１に記載の比較器において、
   前記波形反転手段は、前記交流成分を有する波形の最大値と最小値との平均である波形平均値が前記第１の閾値と前記第２の閾値との平均である閾値平均値より大きい場合に、前記波形平均値より高い側の波形と低い側の波形のいずれか一方の波形を、前記波形平均値を基準として反転させ、反転させた波形から前記波形平均値と前記閾値平均値との差の絶対値の２倍を減算して得られる波形と反転させていない波形とを出力する、
   ことを特徴とする比較器。
3. 請求項１に記載の比較器において、
   前記波形反転手段は、前記交流成分を有する波形の最大値と最小値との平均である波形平均値が前記第１の閾値と前記第２の閾値との平均である閾値平均値より小さい場合に、前記波形平均値より高い側の波形と低い側の波形のいずれか一方の波形を、前記波形平均値を基準として反転させ、反転させた波形に前記波形平均値と前記閾値平均値との差の絶対値の２倍を加算して得られる波形と反転させていない波形とを出力する、
   ことを特徴とする比較器。

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