JP7481094B2 - コイルの電流を調整するための方法、制御装置及びシステム - Google Patents

コイルの電流を調整するための方法、制御装置及びシステム Download PDF

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Description

分野
[0001] 本開示の実施形態は、コイルの電流を調整するための方法、制御装置及びシステムに関する。
背景
[0002] 接触器のコイルは、一般的な電気部品であり、制御信号の電圧は、電流制限抵抗を介してコイルに直接印加される。基本的に、接触器のコイルの動作状態は、突入状態、保持状態及び開放状態に分けることができる。一般に、コイルを閉じている間に発生される突入電流は、コイルを保持するための保持電流よりも少なくとも１５倍大きい。接触器は、接触器の全使用サイクル中に数百万回開閉し、そのような高頻度の突入電流は、コイルの寿命を大幅に縮める。したがって、突入電流の大きさを制御することが不可欠である。
要約
[0003] 本開示の実施形態は、コイル設計における上記及び／又は他の潜在的な問題に少なくとも部分的に対処することを意図する、コイルの電流、特にコイルの突入電流を調整するための方法、制御装置及びシステムを提供する。
[0004] 第１の態様では、本開示の実施形態は、接触器のコイルの電流を調整する方法に関する。この方法は、第１の時点でのコイルの電流の第１のサンプル値を取得することであって、第１のサンプル値は、スイッチの制御端に印加されるＰＷＭ信号のデューティサイクルに関連付けられ、及びスイッチは、コイルと直列に結合される、取得すること、第２の時点でのコイルの電流の第２のサンプル値を取得すること、第１のサンプル値と第２のサンプル値との間の差分値を決定すること、及び差分値に基づいてＰＷＭ信号のデューティサイクルを更新して、コイルの電流を調整することを含む。
[0005] 本開示の実施形態によれば、接触器を閉じているときに供給電力に対する突入電流の影響が制限され得、これは、コイルが焼き切れるリスクを低減してコイルの寿命を延ばす。さらに、閉鎖電流及び保持電流の閾値は、様々なコイル性能の要件に応じて厳密に定めることができる。
[0006] いくつかの実施形態では、この方法は、コイルの電圧の電圧平均値を決定すること、コイルが閉じられているときの突入電圧値を決定すること、及び電圧平均値と突入電圧値とに基づいてデューティサイクルの初期値を決定することをさらに含む。
[0007] いくつかの実施形態では、差分値に基づいてＰＷＭ信号のデューティサイクルを更新することは、差分値と実験係数との積に基づいてデューティサイクルを更新することを含む。
[0008] いくつかの実施形態では、電圧平均値と突入電圧値とに基づいてデューティサイクルの初期値を決定することは、電圧平均値と突入電圧値との比に基づいてデューティサイクルの初期値を決定することを含む。
[0009] 第２の態様では、本発明の実施形態は、接触器のコイルの電流を調整するための制御装置であって、制御ユニットを含み、制御ユニットは、第１の時点でのコイルの電流の第１のサンプル値を取得することであって、第１のサンプル値は、スイッチに印加されるＰＷＭ信号のデューティサイクルに関連付けられ、及びスイッチは、コイルと直列に結合される、取得すること、第２の時点でのコイルの電流の第２のサンプル値を取得すること、第１のサンプル値と第２のサンプル値との間の差分値を決定すること、及び差分値に基づいてＰＷＭ信号のデューティサイクルを更新して、更新されたデューティサイクルを得ることによってコイルの電流を調整することを行うように構成される、制御装置に関する。
[0010] いくつかの実施形態では、制御ユニットは、コイルの電圧の電圧平均値を決定すること、コイルが閉じられているときの突入電圧値を決定すること、及び電圧平均値と突入電圧値とに基づいてデューティサイクルの初期値を決定することを行うようにさらに構成される。
[0011] いくつかの実施形態では、差分値に基づいてＰＷＭ信号のデューティサイクルを更新することは、差分値と実験係数との積に基づいてデューティサイクルを更新することを含む。
[0012] いくつかの実施形態では、電圧平均値と突入電圧値とに基づいてデューティサイクルの初期値を決定することは、電圧平均値と突入電圧値との比に基づいてデューティサイクルの初期値を決定することを含む。
[0013] いくつかの実施形態では、制御装置は、ＰＷＭ発生器、及びＰＷＭ発生器に結合されたイネーブルモジュールをさらに含み、ＰＷＭ発生器は、更新されたデューティサイクルとイネーブルモジュールのイネーブル信号とに基づいてＰＷＭ発生器のデューティサイクルを決定するように構成される。
[0014] いくつかの実施形態では、イネーブルモジュールは、アナログコンパレータであって、コイルの実際の電流値と、事前設定された目標電流値とを受信し、且つ実際の電流値と目標電流値とに基づいてイネーブル信号を出力するように構成されたアナログコンパレータをさらに含む。
[0015] いくつかの実施形態では、ＰＷＭ発生器は、実際の電流値が目標電流値よりも大きいことに応答して、更新されたデューティサイクルに基づいてＰＷＭ信号のデューティサイクルを決定するように構成される。
[0016] いくつかの実施形態では、ＰＷＭ発生器は、実際の電流値が目標電流値よりも小さいことに応答して、ＰＷＭ信号のデューティサイクルを一定に保つように構成される。
[0017] いくつかの実施形態では、制御装置は、アナログコンパレータに結合されたデジタル－アナログ変換器をさらに含み、デジタル－アナログ変換器は、デジタル目標電流値を受信すること、デジタル目標電流値をアナログ目標電流値に変換すること、及びアナログ目標電流値をアナログコンパレータに送信することを行うように構成される。
[0018] いくつかの実施形態では、制御装置は、デジタル－アナログ変換器に結合され、且つデジタル目標電流値をデジタル－アナログ変換器に送信するように構成されたダイレクトメモリアクセサをさらに含む。
[0019] いくつかの実施形態では、制御装置は、デジタル－アナログ変換器に結合され、且つデジタル－アナログ変換器のサンプル周波数を設定するように構成されたサンプル周波数設定モジュールをさらに含む。
[0020] 第３の態様では、本開示の実施形態は、コイルの電流を調整するためのシステムであって、第２の態様による制御装置を含むシステムに関する。
[0021] いくつかの実施形態では、このシステムは、演算増幅器、及びコイルの電流の大きさに基づいて演算増幅器の増幅率を修正するように構成されたさらなるスイッチをさらに含む。
図面の簡単な説明
[0022] 添付図面を参照する以下の詳細な説明により、本開示の実施形態の上記及び他の目的、特徴及び利点がより明らかになるであろう。図面では、本開示の複数の実施形態が例示的及び非限定的に説明されている。
[0023]本開示による回路システムフレームワークの概略図を示す。 [0024]本開示の実施形態によるコイルの電流を調整する方法のフローチャートを示す。 [0025]本開示の実施形態による制御装置の構成の概略図を示す。 [0026]本開示の実施形態による増幅率選択回路の概略図を示す。
実施形態の詳細な説明
[0027] ここで、図面に示す様々な例示的実施形態を参照して本開示の原理を説明する。それらの実施形態の記載は、当業者が本開示をより良く理解し、さらに実施することを可能にするためのものにすぎず、本明細書において開示する範囲を限定することを決して意図していないことを理解すべきである。可能な場合、同様又は同一の参照符号が図中で使用され得、同様又は同一の参照符号が同様又は同一の機能を表すことに留意すべきである。当業者は、本明細書に記載の本発明の原理から逸脱することなく、本明細書で説明する構造及び方法の代替実施形態が採用され得ることを以下の記載から容易に理解するであろう。
[0028] 本開示の実施形態の記載では、「含む」という用語及びその活用変化は、「含むが、限定されない」を意味する非限定の用語として読まれるべきである。「基づく」という用語は、「少なくとも部分的に基づく」として読まれるべきである。「一実施形態」及び「この実施形態」という用語は、「少なくとも１つの実施形態」として読まれるべきである。「第１」、「第２」などの用語は、同一又は異なる対象物を表し得る。以下の本文は、明示的又は暗示的に述べられる他の定義も含むことができる。
[0029] 上述したように、基本的に、接触器のコイルの使用サイクルは、突入状態、保持状態及び開放状態に分けられる。コイルを閉じているとき、発生される突入電流は、他の状態で発生される突入電流よりもはるかに高い。したがって、接触器の寿命を延ばすために突入電流の大きさを制御すべきである。
[0030] ここで、図１～図２を参照して、本開示によるいくつかの例示的実施形態を述べる。
[0031] 図１は、本開示による回路システムフレームワークの概略図を示す。図１において、制御装置は、ＭＯＳスイッチ１０２に関する制御信号を提供して、ＭＯＳスイッチ１０２のオンとオフとを制御し、接触器のコイル１０１の電流、特に接触器を閉じているときの突入電流をさらに制御する。電流の制御は、主に測定フィードバック制御の原理に基づく。
[0032] 図示されるように、図１のフレームワークは、電圧入力１０４に結合されたフライバック電源１０５及び抵抗器１０６も含む。フライバック電源１０５は、電力網から誘導される電圧入力１０４からの電圧を受信し、次いで制御装置１０３に電力を供給することができる。
[0033] 次に、図２を参照する。図２は、本開示の実施形態によるコイルの電流を調整する方法のフローチャートを示す。この方法は、マイクロコントローラなどの実行デバイス上で行うことができる。本発明は、マイクロコントローラ自体のリソースを用いて所定の機能を実現する。
[0034] ブロック２０２では、第１の時点でのコイルの電流の第１のサンプル値が取得され、この第１のサンプル値は、コイルに印加されるＰＷＭ信号のデューティサイクルに関連付けられる。時系列に従ったコイルの電流のサンプル値を得ることができ、これらのサンプル値のｎ番目のサンプルの電流の値Ｉｎが第１のサンプル値としての役割を果たす。サンプル値が、コイルに印加されるＰＷＭ信号のデューティサイクルに関係付けられることで、回路中の電流の大きさを制御することができる。
[0035] ブロック２０４では、第２の時点でのコイルの電流の第２のサンプル値が取得される。ｎ－１番目のサンプル電流での値Ｉｎ－１が、時系列に従った電流のサンプル値から第２のサンプル値として取得される。
[0036] ブロック２０６では、第１のサンプル値と第２のサンプル値との間の差分値が決定される。差分値ｅは、ｎ番目のサンプルでの電流値Ｉｎからｎ－１番目のサンプルでの電流値Ｉｎ－１を差し引くことによって得られる。
[0037] ブロック２０８では、差分値に基づいてＰＷＭ信号のデューティサイクルが更新されて、コイルの電流が調整される。ブロック２０６で決定された差分値により、更新されたＰＷＭ信号のデューティサイクルを得ることができる。例えば、更新されたデューティサイクルをＰＷＭ発生器によって受信することができ、このＰＷＭ発生器によってコイルの電流が調整される。
[0038] 上記のステップによるＰＷＭ発生器のデューティサイクルの更新により、コイルに印加される電流を調整することができる。このようにして、突入電流を一定の範囲内で制御して、コイルに対する突入電流の影響を低減し、それによりコイルの寿命を延ばすことができる。
[0039] いくつかの実施形態では、この方法は、ＰＷＭ信号のデューティサイクルの初期値を決定するステップをさらに含み得る。この初期値は、複数の方法を使用して得ることができる。
[0040] いくつかの実施形態では、コイルの電圧の電圧平均値Ｕｒｍｓを決定することができる。次いで、接触器を閉じている時点での突入電圧値Ｕ突入が取得される。デューティサイクルの初期値は、電圧平均値Ｕｒｍｓと突入電圧値Ｕ突入とに基づいて決定することができる。
[0041] いくつかの実施形態では、電圧平均値Ｕｒｍｓと突入電圧値Ｕ突入とのデータセットは、マイクロコントローラに結合されたＡＤＣ外部デバイスを用いて得ることができ、これらのデータセットがマイクロコントローラに提供される。
[0042] いくつかの実施形態では、デューティサイクルは、第１のサンプル値と第２のサンプル値との間の差分値と、実験係数との積に基づいて決定することができる。例えば、いくつかの実施形態では、Ａ＝Ａ’＋ｋ（Ｉｎ－Ｉｎ－１）であり、式中、Ａ’は、ｎ－１番目のサンプルでの電流に対応するデューティサイクルを示し、ｋは、実験係数であり、Ａは、ｎ番目のサンプルでの電流に対応する更新されたデューティサイクルを表す。このデューティサイクルは、様々な接触器に応じて異なる計算法で更新し得ることを理解されたい。具体的な計算法は、本開示の実施形態に限定されない。
[0043] いくつかの実施形態では、デューティサイクルの初期値Ａは、電圧平均値Ｕｒｍｓと、実験係数を掛け合わせた突入電圧値Ｕ突入との比に基づいて決定され得る。いくつかの実施形態では、Ａ＝Ｕｒｍｓ／（Ｕ突入×０．９）であり、式中、０．９は、実験係数である。実験係数は、異なる接触器に応じて他の値に設定することができる。具体的な値は、本開示の実施形態に限定されない。
[0044] いくつかの実施形態では、プログラムの実行時間が所定の時間よりも短いことに応答して、第１のサンプル値及び第２のサンプル値を得るステップが再始動する。所定の時間は、突入電流のタイムアウト期間によって決定され得る。例えば、この所定の時間は、７０ミリ秒であり得る。
[0045] いくつかの実施形態では、プログラムの実行時間が所定の時間よりも長いことに応答して、プログラムの動作が終了する。
[0046] 第２の態様では、本開示の実施形態は、上記方法を実施するための制御装置にさらに関する。図３を参照して、この制御装置を以下に述べる。図３は、本開示の実施形態による制御装置１０３の構成の概略図を示す。
[0047] いくつかの実施形態では、制御装置１０３は、ＰＷＭ発生器３０４、及びＰＷＭ発生器に結合されたイネーブルモジュール３１１を含み得る。ＰＷＭ発生器３０４は、イネーブルモジュール３１１のイネーブル信号に基づいて上記方法から得られるデューティサイクルを使用して、ＰＷＭ発生器のデューティサイクルを決定する。
[0048] いくつかの実施形態では、イネーブルモジュール３１１は、ＰＷＭ発生器３０４に結合されたアナログコンパレータ３０５を含み得る。アナログコンパレータ３０５は、コイル１０１の実際の電流値３０６及び目標電流値３０７を受信し、且つこれらの２つの電流値に基づいてイネーブル信号を出力することができ、ここで、目標電流値３０７は、ユーザが想定するコイル１０１の突入電流の最大値である。
[0049] いくつかの実施形態では、図３に示すように、実際の電流値３０６が目標電流値３０７よりも大きいことに応答して、イネーブル信号は、１であり得る。上記方法に従って更新されたデューティサイクルに基づいて、ＰＷＭ発生器３０４内のクロックモジュールのデューティサイクルが決定されて、コイルの電流が更新される。一方、更新されたコイル電流は、コイルの電流が所定の想定値で保たれるまで、連続的な自己補正のためにコイル電流信号を再度フィードバックする。そのような機能は、マイクロコントローラの初期化中に設定が行われる限り、ＣＰＵリソースを占有することなく完全にハードウェア自体によって完了することができる。
[0050] いくつかの実施形態では、図３に示すように、実際の電流値３０６が目標電流値３０７よりも小さいことに応答して、イネーブル信号は、０であり得、ＰＷＭ発生器３０４のクロックモジュールのデューティサイクルは、現在の電流値で維持される。
[0051] いくつかの実施形態では、制御装置１０３は、アナログコンパレータ３０５に結合されたデジタル－アナログ変換器（ＤＡＣ）３０８をさらに含み得る。デジタル－アナログ変換器３０８は、目標電流値３０７をアナログコンパレータ３０５に送信するように構成される。
[0052] いくつかの実施形態では、制御装置１０３は、デジタル－アナログ変換器に結合されたダイレクトメモリアクセサ３０９をさらに含み得る。ダイレクトメモリアクセサ３０９は、目標電流値３０７をデジタル－アナログ変換器３０８に送信するように構成される。
[0053] いくつかの実施形態では、制御装置は、サンプル周波数設定モジュール３１０をさらに含み得、サンプル周波数設定モジュール３１０は、デジタル－アナログ変換器３０８に結合され、且つＤＡＣサンプル周波数を設定するように構成される。
[0054] 第３の態様では、本開示の実施形態は、上記制御装置を含むシステムに関する。
[0055] いくつかの実施形態では、このシステムは、制御装置１０３に結合された増幅率選択回路を含み得る。
[0056] 図４を参照して、増幅率選択回路４００を以下に述べる。図４は、本開示の実施形態による増幅率選択回路４００の概略図を示す。
[0057] 図４に示すように、増幅率選択回路４００は、演算増幅器４０２を含む。制御装置１０３は、コイル１０１の電流をリアルタイムでさらに検出することができ、コイル１０１のリアルタイム電流が所定の電流閾値よりも高いことに応答して、現在の電流が突入電流であると判定するか、又はコイル１０１の実時間電流が電流閾値よりも低いことに応答して、現在の電流が保持電流であると判定する。制御装置１０３は、この判定結果に従ってＭＯＳスイッチ４０１のオンとオフとを制御する。増幅率選択回路４００は、それに結合された複数の抵抗器４０３～４０６を含む。この回路内の抵抗値は、ＭＯＳスイッチ４０１のオン又はオフに応答して変化して、演算増幅器４０２に適切な増幅率をさらに選択し、それによりサンプリング前に適切に電流を調節する。
[0058] このようにして、突入電流などの大きい電流と、保持電流などの小さい電流との両方を正確に測定して、正確な電流測定値を制御装置に提供することができる。
[0059] 本開示の実施形態による、接触器のコイルの電流を調整する方法は、ハードウェア回路の構造を修正せずに突入電流を制御することができ、これは、接触器の長い寿命をさらに確実にする。
[0060]本出願の請求項は、特徴の特定の組合せに関して作成されているが、保護を求める任意の請求項において、本開示の範囲は、特徴が同一の解決策に関係するかどうかにかかわらず、明示的又は暗示的に要約した任意の新規の特徴又はそれらの特徴の新規の組合せも含むことを理解されたい。
１０１ コイル
１０２ ＭＯＳスイッチ
１０３ 制御装置
１０４ 電圧入力
１０５ フライバック電源
１０６ 抵抗器
３０４ ＰＷＭ発生器
３０５ アナログコンパレータ
３０６ 実際の電流値
３０７ 目標電流値
３０８ デジタル－アナログ変換器
３０９ ダイレクトメモリアクセサ
３１０ サンプル周波数設定モジュール
３１１ イネーブルモジュール
４０１ ＭＯＳスイッチ
４０２ 演算増幅器
４０３ 抵抗器
４０４ 抵抗器
４０５ 抵抗器
４０６ 抵抗器

Claims (15)

  1. 接触器のコイルの電流を調整する方法であって、
    第１の時点での前記コイルの前記電流の第１のサンプル値であって、前記コイルと直列に結合されるスイッチの制御端に印加されるＰＷＭ信号のデューティサイクルに関連付けられた第１のサンプル値を取得すること、
    第２の時点での前記コイルの前記電流の第２のサンプル値を取得すること、
    前記第１のサンプル値と前記第２のサンプル値との間の差分値を決定すること、
    前記差分値に基づいて前記ＰＷＭ信号の前記デューティサイクルを更新して、前記コイルの前記電流を調整すること、
    前記コイルの電圧の電圧平均値を決定すること、
    前記コイルが閉じられているときの突入電圧値を決定すること、及び
    前記電圧平均値と前記突入電圧値とに基づいて前記デューティサイクルの初期値を決定すること
    を含む方法。
  2. 前記差分値に基づいて前記ＰＷＭ信号の前記デューティサイクルを更新することは、前記差分値と実験係数との積に基づいて前記デューティサイクルを更新することを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記電圧平均値と前記突入電圧値とに基づいて前記デューティサイクルの前記初期値を決定することは、前記電圧平均値と前記突入電圧値との比に基づいて前記デューティサイクルの前記初期値を決定することを含む、請求項１に記載の方法。
  4. 接触器のコイルの電流を調整する制御装置であって、
    制御ユニットを含み、前記制御ユニットは、
    第１の時点での前記コイルの前記電流の第１のサンプル値であって、前記コイルと直列に結合されるスイッチの制御端に印加されるＰＷＭ信号のデューティサイクルに関連付けられた第１のサンプル値を取得すること、
    第２の時点での前記コイルの前記電流の第２のサンプル値を取得すること、
    前記第１のサンプル値と前記第２のサンプル値との間の差分値を決定すること、
    前記差分値に基づいて前記ＰＷＭ信号の前記デューティサイクルを更新して、前記更新
    されたデューティサイクルを得ることによって前記コイルの前記電流を調整すること、
    前記コイルの電圧の電圧平均値を決定すること、
    前記コイルが閉じられているときの突入電圧値を決定すること、及び
    前記電圧平均値と前記突入電圧値とに基づいて前記デューティサイクルの初期値を決定すること
    を行うように構成される、制御装置。
  5. 前記差分値に基づいて前記ＰＷＭ信号の前記デューティサイクルを更新することは、前記差分値と実験係数との積に基づいて前記デューティサイクルを更新することを含む、請求項４に記載の制御装置。
  6. 前記電圧平均値と前記突入電圧値とに基づいて前記デューティサイクルの前記初期値を決定することは、前記電圧平均値と前記突入電圧値との比に基づいて前記デューティサイクルの前記初期値を決定することを含む、請求項５に記載の制御装置。
  7. ＰＷＭ発生器、及び
    前記ＰＷＭ発生器に結合されたイネーブルモジュール
    をさらに含み、前記ＰＷＭ発生器は、前記更新されたデューティサイクルと前記イネーブルモジュールのイネーブル信号とに基づいて前記ＰＷＭ発生器のデューティサイクルを決定するように構成される、請求項４に記載の制御装置。
  8. 前記イネーブルモジュールは、アナログコンパレータであって、前記コイルの実際の電流値と、事前設定された目標電流値とを受信し、且つ前記実際の電流値と前記目標電流値とに基づいて前記イネーブル信号を出力するように構成されたアナログコンパレータをさらに含む、請求項７に記載の制御装置。
  9. 前記ＰＷＭ発生器は、前記実際の電流値が前記目標電流値よりも大きいことに応答して、前記更新されたデューティサイクルに基づいて前記ＰＷＭ信号の前記デューティサイクルを決定するように構成される、請求項８に記載の制御装置。
  10. 前記ＰＷＭ発生器は、前記実際の電流値が前記目標電流値よりも小さいことに応答して、前記ＰＷＭ信号の前記デューティサイクルを一定に保つように構成される、請求項８に記載の制御装置。
  11. 前記アナログコンパレータに結合されたデジタル－アナログ変換器をさらに含み、前記デジタル－アナログ変換器は、
    デジタル目標電流値を受信すること、
    前記デジタル目標電流値をアナログ目標電流値に変換すること、及び
    前記アナログ目標電流値を前記アナログコンパレータに送信すること
    を行うように構成される、請求項８に記載の制御装置。
  12. 前記デジタル－アナログ変換器に結合され、且つ前記デジタル目標電流値を前記デジタル－アナログ変換器に送信するように構成されたダイレクトメモリアクセサをさらに含む、請求項１１に記載の制御装置。
  13. 前記デジタル－アナログ変換器に結合され、且つ前記デジタル－アナログ変換器のサンプル周波数を設定するように構成されたサンプル周波数設定モジュールをさらに含む、請求項１１に記載の制御装置。
  14. コイルの電流を調整するシステムであって、請求項４～１３のいずれか一項に記載の制御装置を含むシステム。
  15. 演算増幅器、及び
    前記コイルの前記電流の大きさに基づいて前記演算増幅器の増幅率を修正するように構成されたさらなるスイッチ
    をさらに含む、請求項１４に記載のシステム。
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