JP6886896B2 - 電力変換装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、制御対象を目標値に一致または近づけるための電力変換装置、特にPID制御器（Proportional-Integral-Differential Controller、PID Controller）を内蔵した電力変換器及びその制御方法に関する。

制御対象を目標値に一致するように制御する手段として、制御対象をフィードバックし、目標値との偏差を演算し、それを比例演算や積分演算、微分を用いて操作量を操作し、前記偏差を0に近づける、いわゆるPID制御が一般的であり、圧力制御や流量制御、温度制御など、広範囲の制御に使用されている。

その構成は、特許文献１に示されているように、減算器により目標値と制御対象からフィードバックされるＦＢ値の差をとり、これに比例演算部による比例演算、積分演算部による積分演算、微分演算部による微分演算を行い、これらを加算器により加減算し、該加減算の結果を制御対象に供給することで、制御対象を制御する。その動作は制御対象のフィードバック値が目標値に対し、不足していれば増加するよう作用し、オーバーしていれば減少させるように作用する。

一般的な用途であれば、このような動作により、制御対象を目標値に近づけることができ、負荷条件が同様であれば、その時の操作量の安定する値は基本的には一定となる。

特開２０１０−２０７０４号公報

しかしながら、前記背景技術に記載のPID制御では、例えば真空ポンプの圧力制御等に適用した場合、以下のような問題点が発生する場合がある。

真空ポンプの場合、一般的には通常の大気圧0.1MPaから、それより低い目標圧力まで制御する。たとえば、0.05MPaを目標値とした場合、真空ポンプを駆動するモータの回転数を操作して圧力が0.05MPa以上であれば回転数を上げ、圧力が下がるように動作し、0.5MPa以下であれば、回転数を下げ圧力が上がるように動作させて、目標値に一致するように制御する。

ここで目標値を真空、すなわち0MPaとする。この場合、PID制御は、圧力を真空にすべく真空ポンプの回転数を上昇させる。概ね真空(0MPa)に到達した時、0.05MPaのときと異なり、真空状態以上の状態はあり得ない為、目標値をオーバーすることがない。したがってポンプ回転数を下げる動作に至らず、到達した時点の回転数を維持することになり、無駄な電力を消費する状態となる。

このように、制御対象もしくはそのフィードバック値に限界値のある場合、その限界値を目標値とした場合は、到達時点の操作量が一定にならず、無駄な電力を消費する状態で安定する場合がある。

本発明の目的は、この課題を解決し、無駄な電力消費を防止することにある。

本発明の一側面は、目標値を設定または外部より入力可能とする目標値設定部と、制御対象の状態値を検出する検出器の出力信号を入力可能とし、検出器の出力信号を反映したフィードバック信号を出力するフィードバック信号入力部と、目標値設定部で設定された目標値とフィードバック信号の偏差を演算する減算器と、偏差に対して比例演算、積分演算、微分演算のうち少なくとも１つ以上の演算を行い、その総和を出力するPID演算器を備え、PID演算器の出力に基づいた出力を発生し、制御対象を目標値に一致または近づけるよう制御するPID制御機能を有する電力変換装置である。この電力変換装置は、信号の上限および下限の少なくとも一方を設定する上下限設定部と、フィードバック信号が上限および下限の少なくとも一方の値に到達したかを判定する上下限到達判定部と、補正量を設定する補正量設定部と、上下限到達判定部の出力と補正量設定部の出力とから、PID演算器の出力の補正量を演算する補正量演算部と、を有する。

本発明の他の一側面は、電力変換装置に接続された外部装置の動作によって、制御対象の状態を変化させる際の、当該電力変換装置の制御方法である。この制御方法は、制御対象の状態の目標値を設定する目標値設定ステップと、制御対象の状態を検出器で検出し、検出器の出力に基づいてフィードバック信号を生成するフィードバック生成ステップと、目標値とフィードバック信号の偏差を得る偏差取得ステップと、偏差を用いて比例演算、積分演算、微分演算のうち少なくとも１つ以上の演算を行い、その結果を出力する演算ステップと、フィードバック信号の上限および下限の少なくとも一方を設定する上下限設定ステップと、フィードバック信号が上限および下限の少なくとも一方に到達したかを判定する上下限到達判定ステップと、補正量を設定する補正量設定ステップとを実行し、フィードバック信号が上限および下限の少なくとも一方に到達した場合に、演算ステップにより得られる結果を補正量で補正して制御信号を生成し、該制御信号に基づいて外部装置を動作させる。

例えばPID制御を適用した際に、省電力を図ることが可能となる。

比較例の真空ポンプのPID制御構成のブロック図。 圧力センサ出力特性例のグラフ図。 比較例の真空ポンプのPID制御構成による圧力及び電動機回転数の時間推移のグラフ図。 実施例の真空ポンプのPID制御構成のブロック図。 実施例の真空ポンプのPID制御構成による圧力及び電動機回転数の時間推移のグラフ図。 上下限のある圧力センサ出力特性例のグラフ図。 実施例の物体冷却装置のPID制御構成のブロック図。 上下限のある温度センサ出力特性例のグラフ図。 実施例の冷却装置のPID制御構成のブロック図。 温度センサ出力特性例のグラフ図。 実施例の制御の流れを示すフロー図。

以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。

以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。

同一あるいは同様な機能を有する要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、複数の要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。

本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数、順序、もしくはその内容を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。

図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

以下で説明する実施例の典型例では、制御対象のフィードバック値が目標値に対し、不足時は増加するよう、オーバー時は減少するような制御を行う。負荷条件が同様であれば、収束時における操作量が安定する値は一定となる。しかしながら、たとえば、真空ポンプの圧力制御等にPID制御を適用した場合を考えると、目標値を真空とした場合、PID制御は圧力を真空にすべくポンプ回転数を上昇させる。真空に到達した時、真空以上の状態はない為、目標値をオーバーすることがなく、ポンプ回転数を下げる動作に至らず、到達時点の回転数を維持することになり、負荷条件が同様でも操作量が安定する値は一定とはならず、無駄な電力を消費する状態となる場合がある。実施例では、PID制御の動作に、制御対象の上下限を設定する機能、及び上限に到達した場合は制御対象数値が減少する方向に、下限に到達した場合は制御対象数値が増加する方向に、操作量補正値を演算し、操作量である電動機回転数指令値を補正するように構成する。これにより真空を目標値とする場合でも、真空を保持できる最適なポンプ回転数に制御可能となり、省電力を図ることができる。

図１は比較例として、真空ポンプの圧力制御等に例えば通常のPID制御を適用した場合の構成を示すブロック図である。この構成では圧力タンク10の圧力を、通常の大気圧0.1MPaから目標値設定部1によって設定される目標圧力まで制御する。圧力タンク10内の圧力は、電動機（モータ）8により駆動される真空ポンプ9により減圧される。圧力タンク10の圧力は圧力センサ11により測定され、測定値はフィードバック信号入力部17から、フィードバック信号12として電力変換装置18に入力される。

フィードバック信号12は、減算器2によって目標値100から減算され、偏差信号3は特許文献１等で公知のPID演算器4に入力される。PID演算器4の演算結果は、符号反転器16で符号を反転され、電動機回転数指令値5として出力される。周波数・電圧変換部6は、電動機回転数指令値5により制御され、それに応じた周波数の交流電力である電力変換装置出力7によって電動機8の回転が制御される。

図２は制御対象である圧力タンク10内圧力を検出する圧力センサ11の出力特性である。横軸は圧力センサ11により測定された圧力であり、縦軸は圧力に対応するフィードバック信号12の値である。

例えば、目標値設定部1による目標値を0.05MPaとした場合、当初、圧力タンク10の圧力は大気圧0.1MPa相当であるが、真空ポンプ9を駆動する電動機8の回転数を操作して圧力が0.05MPa以上であれば回転数を上げ、圧力が下がるように動作し、0.05MPa以下であれば、回転数を下げ圧力が上がるように動作させて、制御対象である圧力タンク10内圧力が目標値100に一致するように制御する。

ここで目標値100を真空、すなわち0MPaとする。この場合、PID制御系は、制御対象である圧力タンク10内圧力を真空にすべく真空ポンプ9を駆動する電動機8の回転数を上昇させる。概ね真空(0MPa)に到達した時、0.05MPaの時と異なり、制御対象である圧力タンク10内圧力が真空状態以上の状態はあり得ない為、目標値を超えることがない。したがってポンプ回転数を下げる動作に至らず、到達した時点のポンプ回転数を維持することになる。そのとき、その回転数が本来必要である回転数よりも高い回転数となる場合もあり、無駄な電力を消費する状態となる。

図３に図１の比較例による、0MPaに到達する際の電動機8の回転数の変化の一例を示す。スタート時の圧力タンク10内圧力等の条件により、条件２の特性のように大気圧0.1MPa付近のP2から真空に向かった場合の真空到達時点の電動機の回転数Bと、条件1の特性のようにある程度圧力が下がっている場合P1から真空に向かった場合の真空到達時点の電動機回転数Aでは、図３に示すように回転数が異なり、かつ到達時点の回転数N1,N2をそのまま保持してしまう。

図４は本発明の実施例の構成を示すブロック図である。ここでは、制御方式としてPID制御系を基にした例を説明する。PID制御系の動作に用いる、制御対象である圧力のフィードバック信号12の上限、下限の少なくとも一方を設定する上下限設定部19と、フィードバック信号12が上下限設定部19で設定された上下限値に到達したかを判定する、上下限到達判定部13を備えている。また、上下限到達時の回転数指令補正量を設定する回転数補正量設定部25と、上下限到達判定部13の出力と回転数補正量設定部25の出力とから電動機8の回転数指令の補正量を演算する回転数指令補正量演算部14を備えている。

上記構成により、制御対象である圧力を反映したフィードバック信号12が上限あるいは下限に到達していることを条件に、回転数指令補正量演算部14は補正信号400を出力する。PID演算器4等で生成された出力と回転数指令補正量演算部14の補正信号400は、補正量加算器15で加算され、修正電動機回転数指令値500を生成する。周波数・電圧変換部6は、修正電動機回転数指令値500により制御され、電力変換装置出力7によって電動機8の回転が制御される。

回転数指令補正量演算部14は、上下限到達判定部13の出力によって、制御対象の値が上限値に到達したと判定した場合は、フィードバック信号12が減少する方向になるよう符号を決定し、回転数補正量設定部25で設定された値を出力する。また、下限値に到達したと判定した場合には、フィードバック信号12が増加する方向になるよう符号を決定し、回転数補正量設定部25で設定された値を出力するように構成する。

図５に図４の実施例による、0MPaを目標圧力とする際の電動機8の回転数の変化の一例を示す。図３と同様に、フィードバック信号12を用いた制御によって、制御対象の圧力は目標値（この場合0MPa）に収束していく。

ここで、上下限設定部19によって下限値は0MPaと設定し、回転数補正量設定部25には補正量として任意の値を設定している。図５のようにスタート時の圧力タンク10の圧力がP1,P2のように差があったとしても、フィードバック信号12によって圧力が0MPaになっていると上下限到達判定部13が判定している間、周波数・電圧変換部6の制御信号である修正電動機回転数指令値500は、PID演算器4が通常生成する電動機回転数指令値5よりも、回転数補正量設定部25による補正量の分だけ下方修正される。

図５の例では、当初圧力がP1だった条件１では、時間t1にモータ回転数N1で下限である0MPaに到達し（Ｂ点）、当初圧力がP2だった条件２では、時間t2にモータ回転数N2で下限である0MPaに到達している（Ａ点）。このとき、下限である0MPaに到達したＡ点、Ｂ点以降、補正信号400で補正された修正電動機回転数指令値500によりモータ回転数は下降を続けるが、0MPaを外れると通常のPID制御による電動機回転数指令値5に戻る。このため、最終的に0MPaを維持するために必要十分な一定の電動機回転数N0に収束するようになり、無駄な電力を消費しなくて済むようになる。

以上の例では、真空ポンプを例に、物理的な圧力の下限である真空を目標値にした場合を説明した。一方、圧縮ポンプで圧力タンク10内の気圧を増圧するとき、リークなどによる圧力タンク10の性能上の圧力の上限がある場合には、当該上限圧力に対して同様の手法を適用することができる。

図６は図１及び図４における圧力センサ11の特性に上下限のある場合の特性例である。例えば、圧力センサ11の測定範囲が0.05MPa〜0.15MPaの範囲に限定されている場合である。このような場合で、例えば、図１における目標値100を圧力センサ11の下限である0.05MPaに制御する場合を考えると、実際の圧力が0.05MPa以下に低下してもセンサ出力は0.05MPaの時と変化しない。この為、PID制御系は0.05MPa到達時点の電動機回転数を維持してしまい、実際の圧力がさらに下がり、0.05MPaに制御できないということが発生する。

この場合も、図４の構成において、上下限設定部19で下限値を0.05MPaと置くことにより、圧力を0.05MPaに制御することが可能となる。かつその時の電動機8の回転数も、始動時の圧力タンク10内圧力の条件によらず、一定とすることができる。このように、上下限の決められたセンサにおいても、その出力範囲の末端部において、制御対象を目標値に制御することが可能となり、センサの出力範囲を有効に利用することが可能となる。

このように、実施例１のように制御対象の物理的な制約から上限下限が定まる場合のほかに、センサの仕様上の制約から上限下限が定まる場合においても、消費電力の低減に有効である。

図７は本発明を発熱体21の温度制御装置に適用した一実施例である。発熱体21が、電動機8により駆動される冷却ファン20で空冷冷却される例である。

図８は、図７における温度センサ22の特性の一例を示す。温度センサ22により測定される値は、図８のように例えば上限50℃、下限-10℃のように上下限がある。このため、その値を図７の上下限設定部19により上限設定及び下限設定に設定することにより、目標値100がその上下限に設定されても、実施例２と同様に、発熱体21の温度を目標値に制御することが可能となる。

図９は本発明を液体ヘリウムによる冷却装置の温度制御に適用した一実施例である。冷却対象物31は、電動機8により駆動される冷却装置30で冷却される例である。この例では、符号反転器16は省略しており、信号の符号はPID演算器4内などで別途設定している。

図１０はまた、図９における温度センサ22の特性の一例を示す。圧力の場合の真空と同様に、温度においても、絶対温度-273℃以下の温度はあり得ない。実用的には、液体ヘリウムの場合、冷却対象物31の冷却限界は-269℃である。この為、図９の上下限設定部19において、その値を下限設定に設定することにより、目標値100を-269℃としても、冷却装置30の電動機回転数を最適値に制御することが可能となる。

図１１は、図４のシステムを例に、圧力を制御する処理の流れを示すフロー図である。図１１の処理は、回転数指令補正量演算部14をマイクロコンピュータで構成し、ソフトウェアにより実行することができる。処理の開始S1101では、上下限設定部19で圧力の物理的な下限を0MPaとして設定済みであるとする。処理S1102では、目標値設定部1によって設定される目標圧力が下限である0MPaかどうかを判定する。目標圧力が0MPaでなければ、回転数指令補正量演算部14は、補正信号400を発生しない（S1103）。この場合には、PID演算器4等で生成された出力はそのまま制御に使用されるので、従来のPID制御と同様である。

目標値設定部1によって設定される目標圧力が0MPaの場合には、回転数指令補正量演算部14は、フィードバック信号12が圧力の下限0MPaを示すかどうかをモニタする（S1104）。フィードバック信号12が圧力の下限0MPaでない場合、回転数指令補正量演算部14は、補正信号400を発生せず、従来のPID制御と同様の制御が行われる（S1103）。

フィードバック信号12が圧力の下限0MPaである場合、回転数指令補正量演算部14は、補正信号400を発生する（S1105）。補正信号400としては、フィードバック信号12が増加する方向になるよう符号を決定し、回転数補正量設定部25で設定された値を出力する。この例の場合には、電動機8の回転数を低下させるように補正信号400を生成する。この結果、圧力タンク10内の圧力は増加する方向に遷移するが、フィードバック信号12が圧力の下限0MPaを示している間は、この状態を維持する。フィードバック信号12が圧力の下限0MPaを外れた場合には、通常のPID制御に遷移し目標圧力に収束させる（S1103）。

以上説明した実施例によれば、真空ポンプの圧力制御のような用途でPID制御方式等を使用し、真空を目標値にするような場合でも、その真空を保持できる最適なポンプ回転数に制御することが可能となり、省電力を図ることが可能となる。

１：目標値設定部
２：減算器
３：偏差信号
４：PID演算器
５：電動機回転数指令値
６：周波数・電圧変換部
７：電力変換装置出力
８：電動機
９：真空ポンプ
１０：圧力タンク
１１：圧力センサ
１２：フィードバック信号
１３：上下限到達判定部
１４：回転数指令補正量演算部
１５：補正量加算器
１６：符号反転器
１７：フィードバック信号入力部
１８：電力変換装置
１９：上下限設定部
２０：冷却ファン
２１：発熱体
２２：温度センサ
２５：回転数補正量設定部
３０：冷却装置
３１：冷却対象物

Claims (9)

1. 真空ポンプを駆動するモータの回転数を操作する電力変換装置であって、
   目標値を設定または外部より入力可能とする目標値設定部と、
   制御対象の状態値を検出する検出器の出力信号を入力可能とし、検出器の出力信号を反映したフィードバック信号を出力するフィードバック信号入力部と、
   前記目標値設定部で設定された目標値と前記フィードバック信号の偏差を演算する減算器と、
   前記偏差に対して比例演算、積分演算、微分演算のうち少なくとも１つ以上の演算を行い、その総和を出力するPID演算器を備え、
   前記PID演算器の出力に基づいた出力を発生し、前記制御対象を前記目標値に一致または近づけるよう制御するPID制御機能を有する電力変換装置において、
   信号の上限および下限の少なくとも一方を設定する上下限設定部と、
   前記フィードバック信号が前記上限および下限の少なくとも一方の値に到達したかを判定する上下限到達判定部と、
   補正量を設定する補正量設定部と、
   前記上下限到達判定部の出力と前記補正量設定部の出力とから、前記PID演算器の出力の補正量を演算する補正量演算部と、
   を有し、
   前記フィードバック信号は制御対象である圧力を反映することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記出力により電動機を駆動する電力変換装置であって、
   前記補正量設定部は、前記フィードバック信号が前記上限および下限の少なくとも一方の値に到達した際の回転数指令補正量を設定する回転数補正量設定部であり、
   前記補正量演算部は、前記上下限到達判定部の出力と前記回転数補正量設定部の出力とから前記PID演算器の出力である前記電動機の回転数指令の補正量を演算する回転数指令補正量演算部であり、
   前記PID演算器の出力と前記回転数指令補正量演算部の出力を加算し、前記電動機の回転数指令を補正する補正量加算器を有することを特徴とする、
   請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記回転数指令補正量演算部は、
   前記上下限到達判定部が、前記フィードバック信号が上限値に到達したと判定した場合は、前記フィードバック信号が減少する方向になるよう符号を決定し、前記回転数補正量設定部で設定された値を出力し、
   前記上下限到達判定部が、前記フィードバック信号が下限値に到達したと判定した場合は、前記フィードバック信号が増加する方向になるよう符号を決定し、前記回転数補正量設定部で設定された値を出力することを特徴とする、
   請求項２記載の電力変換装置。
4. 電力変換装置に接続された外部装置の動作によって、制御対象の状態を変化させる際の、当該電力変換装置の制御方法であって、
   前記外部装置は真空ポンプであり、前記制御対象の状態は前記真空ポンプで制御される圧力であり、
   前記制御対象の状態の目標値を設定する目標値設定ステップと、
   前記制御対象の状態を検出器で検出し、前記検出器の出力に基づいてフィードバック信号を生成するフィードバック生成ステップと、
   前記目標値と前記フィードバック信号の偏差を得る偏差取得ステップと、
   前記偏差を用いて比例演算、積分演算、微分演算のうち少なくとも１つ以上の演算を行い、その結果を出力する演算ステップと、
   前記フィードバック信号の上限および下限の少なくとも一方を設定する上下限設定ステップと、
   前記フィードバック信号が前記上限および下限の少なくとも一方に到達したかを判定する上下限到達判定ステップと、
   補正量を設定する補正量設定ステップと、
   前記フィードバック信号が前記上限および下限の少なくとも一方に到達した場合に、前記演算ステップにより得られる前記結果を前記補正量で補正して制御信号を生成し、該制御信号に基づいて前記外部装置を動作させる、
   電力変換装置の制御方法。
   
5. 前記フィードバック信号が前記上限および下限のいずれにも到達していない場合に、前記演算ステップにより得られる前記結果を前記補正量で補正しないで制御信号を生成し、該制御信号に基づいて前記外部装置を動作させる、
   請求項４記載の電力変換装置の制御方法。
6. 前記上限および下限の少なくとも一方は、前記制御対象の物理的な制約に基づいた、前記フィードバック信号の限界値である、
   請求項４記載の電力変換装置の制御方法。
7. 前記上限および下限の少なくとも一方は、前記検出器の仕様上の制約に基づいた、前記フィードバック信号の限界値である、
   請求項４記載の電力変換装置の制御方法。
8. 前記フィードバック信号が前記上限および下限の少なくとも一方に到達した場合に、前記演算ステップにより得られる前記結果を前記補正量で補正して制御信号を生成し、該制御信号に基づいて前記外部装置を動作させる際に、
   前記フィードバック信号が上限に到達した場合には、前記フィードバック信号が減少する方向になるように前記制御対象を遷移させるべく、前記制御信号を生成して前記外部装置を動作させ、
   前記フィードバック信号が下限に到達した場合には、前記フィードバック信号が増加する方向になるように前記制御対象を遷移させるべく、前記制御信号を生成して前記外部装置を動作させる、
   請求項４記載の電力変換装置の制御方法。
9. 前記外部装置は電動機であり、前記制御信号は前記電動機の回転数を制御する、
   請求項４記載の電力変換装置の制御方法。

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