JP6295828B2 - 制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、制御装置に関し、より特定的には、複数の電源電圧を使用する制御装置に関する。

複数の電源電圧を使用する装置における電源電圧監視装置が、特開平４−２７６５６４号公報（特許文献１）および特開２００２−８２１３９号公報（特許文献２）に記載されている。

特許文献１には、複数の電源電圧のうちの１つの電源電圧を用いて、他の電源電圧の異常を監視するための監視回路の構成が記載されている。特に、特許文献１では、負の電源電圧の異常監視のための構成が開示されている。

特許文献２には、２個のコンパレータの出力を用いて、負電圧の異常を監視する構成が記載されている。

特開平４−２７６５６４号公報 特開２００２−８２１３９号公報

複数の電源電圧を使用する制御装置において、当該複数の電源電圧のうちの１つの電源電圧によって生成されたパルス信号に従って、他の電源電圧によって動作する駆動回路が負荷の動作を制御する回路構成が適用されることがある。

上記のような構成では、電源電圧の変動によってパルス信号の振幅が変化したときに、同一のパルス幅（デューティ比）のパルス信号に対する駆動回路の動作が変化することによって、負荷の制御に影響を与えることが懸念される。

この発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、複数の電源電圧のうちの１つの電源電圧の変動によって負荷制御のためのパルス信号の振幅が変化しても、当該パルス信号に従った負荷制御を安定化することである。

この発明に従う制御装置は、第１の電源配線と、電圧調整回路と、第２の電源配線と、第２の電源配線と接続された制御演算部と、駆動回路とを備える。第１の電源配線は、第１の電源電圧を供給する。電圧調整回路は、第１の電源配線の第１の電源電圧を降圧して第２の電源電圧を生成する。第２の電源配線は、電圧調整回路によって生成された第２の電源電圧を伝達する。制御演算部は、負荷の動作を制御するための第２の電源電圧に従った振幅を有する第１のパルス信号を生成する。駆動回路は、制御演算部からの第１のパルス信号に従って、負荷の制御量を調整するように構成される。駆動回路は、第１の電源配線と接続された第１のレベル変換回路と、第２のレベル変換回路と、制御量調整部とを含む。第１のレベル変換回路は、第１のパルス信号を第１の電源電圧に従った振幅を有する第２のパルス信号に変換するように構成される。第２のレベル変換回路は、第１のレベル変換回路からの第２のパルス信号の振幅を、第１の電源電圧の規格値に対する第２の電源電圧の規格値の比に従って縮小するように構成される。制御量調整部は、第２のレベル変換回路から出力されたパルス信号に従って、負荷の制御量を調整するように構成される。

一例として、第２のレベル変換回路は、規格値の比に従った分圧比を有する分圧回路によって構成される。あるいは、制御量調整部は、第１の電源配線から負荷へ供給される電流量を、第２のパルス信号の積分電圧に従って制御する。

上記制御装置によれば、第１および第２の電源電圧のうちの制御演算部（マイクロコンピュータ）の電源電圧（第２の電源電圧）の変動によって、負荷を制御するためのパルス信号（第１のパルス信号）の振幅が変化しても、第１および第２のレベル変換回路によって、制御量調整部に入力されるパルス信号の振幅を、第２の電源電圧の規格値に従った一定電圧に維持することができる。したがって、第２の電源電圧の変動によって第１のパルス信号の振幅が変化しても、第１のパルス信号のパルス幅（デューティ比）に対する負荷の制御量の特性が変化しないので、負荷制御を安定化することができる。

この発明によれば、複数の電源電圧のうちの１つの電源電圧の変動によって負荷制御のためのパルス信号の振幅が変化しても、当該パルス信号に従った負荷制御を安定化することができる。

本発明の実施の形態に従う制御装置の構成を説明するブロック図である。 比較例に従う駆動回路の構成を説明する回路図である。 比較例に従う駆動回路による制御動作を説明するための波形図である。 本実施の形態に従う駆動回路の構成を説明する概略的な回路図である。 本実施の形態に従う駆動回路による制御動作を説明するための波形図である。

以下に本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお以下では、図中の同一部分または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。

図１は、本発明の実施の形態に従う制御装置の構成を説明するブロック図である。
図１を参照して、本実施の形態に従う制御装置１は、トランス２０と、ＡＣ／ＤＣ変換回路３０と、電圧レギュレータ４０，５０と、平滑コンデンサ４５，５５と、電源配線１００，１１０と、接地配線１２０と、マイクロコンピュータ２００と、駆動回路３００とを含む。

トランス２０の一次側巻線は、図示しないコンセント等を経由して外部電源１０と電気的に接続される。外部電源１０は、代表的には１００ＶＡＣないし２００ＶＡＣの商用系統電源である。トランス２０は、一次側巻線および二次側巻線の比に従って、外部電源１０からの交流電圧を変換して、二次側巻線に出力する。

ＡＣ／ＤＣ変換回路３０は、トランス２０の二次側巻線に出力された交流電圧を、直流電圧に変換して電圧レギュレータ４０へ入力する。電圧レギュレータ４０は、ＡＣ／ＤＣ変換回路３０からの直流電圧を、電源電圧ＶＤＤへＤＣ／ＤＣ変換する。電源電圧ＶＤＤは、電源配線１００へ出力される。電源電圧ＶＤＤは、たとえば１５Ｖに制御される。電源配線１００は、各回路に電源電圧ＶＤＤを供給する役割を果たす。平滑コンデンサ４５は、電源配線１００および接地配線１２０の間に接続されて、電源電圧ＶＤＤを平滑化する。

電圧レギュレータ５０は、電源配線１００の電源電圧ＶＤＤを降圧して、電源電圧ＶＣＣに変換する。電源電圧ＶＣＣは、たとえば５Ｖに制御される。電源電圧ＶＣＣは、電源配線１１０へ出力される。電源配線１１０は、電圧レギュレータ５０から出力された電源電圧ＶＣＣを各回路へ供給する。平滑コンデンサ５５は、電源配線１１０および接地配線１２０の間に接続されて、電源電圧ＶＣＣを平滑化する。

マイクロコンピュータ２００は、電源配線１１０および接地配線１２０と接続される。すなわち、マイクロコンピュータ２００は、電源電圧ＶＣＣの供給を受けて動作する。マイクロコンピュータ２００は、負荷５００の動作を制御するための制御信号を出力する。すなわち、当該制御信号は、電源電圧ＶＣＣを用いて生成される。本実施の形態では、制御信号は、電源電圧ＶＣＣを振幅とするパルス信号であるものとする。

駆動回路３００は、マイクロコンピュータ２００からの制御信号に基づいて、負荷５００の動作を制御する。たとえば、駆動回路３００は、制御信号に応じて、負荷５００へ供給される電流を制御する。

図２には、駆動回路３００（図１）の比較例が示される。図３には、図２に示された駆動回路３００♯（比較例）による制御動作を説明するための波形図が示される。

図２を参照して、マイクロコンピュータ２００は、負荷５００の動作を制御するための演算結果に従って、制御信号Ｐｃを生成する。上述のように、制御信号Ｐｃは、電源電圧ＶＣＣを振幅とするパルス信号である。以下、制御信号Ｐｃを「パルス信号Ｐｃ」とも称する。

図３を参照して、パルス信号Ｐｃは、所定の周期Ｔを有する。パルス信号Ｐｃの各周期におけるパルス幅Ｗ、すなわち、周期Ｔに対するパルス幅Ｗの比であるデューティ比（Ｗ／Ｔ）は、負荷５００への供給電流を調整するために、マイクロコンピュータ２００によって制御される。たとえば、マイクロコンピュータ２００は、負荷５００への供給電流を増加するときにはデューティ比を増加する一方で、供給電流を減少するときにはデューティ比が減少する。

再び図２を参照して、比較例に従う駆動回路３００♯は、ローパスフィルタ３１０と、オペアンプ３２０と、駆動トランジスタ３３０とを有する。

ローパスフィルタ３１０は、ＲＣ積分回路で構成されて、パルス信号Ｐｃを積分した直流電圧をノードＮａに生成する。オペアンプ３２０は、ボルテージフォロワ回路を構成して、駆動電圧Ｖｄｖを出力する。駆動電圧Ｖｄｖは、駆動トランジスタ３３０の制御電極（ベース）に入力される。

駆動トランジスタ３３０は、電源配線１００および接地配線１２０の間に、負荷５００と直列に電気的に接続される。これにより、負荷５００へ供給される負荷電流Ｉｄは、駆動トランジスタ３３０の制御電極に入力される駆動電圧Ｖｄｖに応じて変化する。

オペアンプ３２０が構成するボルテージフォロワ回路によって、駆動電圧Ｖｄｖは、ノードＮａの電圧と同等に帰還制御される。ここで、ノードＮａの電圧、すなわち、ローパスフィルタ３１０の出力電圧は、パルス信号Ｐｃの振幅とデューティ比との積で示される。この結果、パルス信号Ｐｃのパルス幅Ｗ（デューティ比）の調整によって、負荷５００の動作を制御することが可能となる。負荷５００は、たとえば、負荷電流Ｉｄに応じて、出力トルクが変化する電動機によって構成される。

ここで、電源電圧ＶＣＣが変動した場合における負荷５００の制御について考える。たとえば、図１の構成において、電圧レギュレータ５０の入出力間が短絡すると、マイクロコンピュータ２００の電源である電源電圧ＶＣＣが上昇してしまう。一方で、電源電圧ＶＤＤは、このような短絡が生じても安定している。

一般的に、マイクロコンピュータ２００に対しては、電源電圧の動作保障電圧範囲が、スペック値として予め設定されている。したがって、電源電圧ＶＣＣが動作保障電圧範囲を外れたときには、マイクロコンピュータ２００が動作を停止することによって負荷５００の動作も停止される。

しかしながら、電源電圧ＶＣＣの変動が動作保障電圧範囲外となっても、マイクロコンピュータ２００が必ず動作を停止するとは限らない。このような場合には、電源電圧ＶＣＣの変動によりパルス信号Ｐｃの振幅が変化した状態下で、マイクロコンピュータ２００による負荷５００の制御が継続される虞がある。

再び図３を参照して、電源電圧ＶＣＣの変動により、パルス信号Ｐｃの振幅が通常の電圧Ｖ１（たとえば、５Ｖ）から、電圧Ｖ２（たとえば、８Ｖ程度）まで上昇したものとする。すなわち、電圧Ｖ１は、電源電圧ＶＣＣの規格値に従った振幅である。

駆動電圧Ｖｄｖは、電源電圧ＶＣＣの正常時には、Ｖａであるものとする。電圧Ｖａは、パルス信号Ｐｃのデューティ比Ｄ（Ｄ＝Ｗ／Ｔ）を用いて、Ｖａ＝Ｖ１・Ｄで示される。これに対して、電源電圧ＶＤＤの上昇に応じてパルス信号Ｐｃの振幅が大きくなると、駆動電圧ＶｄｖはＶｂへ上昇する。Ｖｂ＝Ｖ２・Ｄで示される。

このように、電源電圧ＶＣＣの上昇に応じて、パルス信号Ｐｃのデューティ比Ｄに対する負荷電流Ｉｄの特性が変化してしまう。駆動電圧Ｖｄｖが上昇すると、駆動トランジスタ３３０による供給電流が増加するので、負荷電流Ｉｄが増加する。

これにより、パルス信号Ｐｃの同一のパルス幅（デューティ比）に対して、駆動電圧Ｖｄｖが変化する。この結果、本来の制御指令とは異なった負荷電流Ｉｄが供給されることによって、負荷５００の制御に影響を与える虞がある。

図４には、本実施の形態に従う駆動回路３００（図１）の構成が示される。さらに、図５には、駆動回路３００の動作を説明するための波形図が示される。

図４を参照して、駆動回路３００は、駆動回路３００♯と比較して、レベル変換回路３６０と、分圧回路３７０とをさらに有する。

レベル変換回路３６０は、マイクロコンピュータ２００から出力されたパルス信号Ｐｃを受けて、パルス信号Ｐｃ１を出力ノードＮｃに出力する。分圧回路３７０は、レベル変換回路３６０の出力ノードＮｃと接地配線１２０との間に直列接続された抵抗素子Ｒ１およびＲ２を有する。

レベル変換回路３６０は、トランジスタＱ１およびＱ２を有する。トランジスタＱ１はＮＰＮトランジスタであり、トランジスタＱ２は、トランジスタＱ１とは逆特性のＰＮＰトランジスタである。

トランジスタＱ１は、ノードＮｂおよび接地配線１２０の間に電気的に接続される。トランジスタＱ１の制御電極（ベース）には、マイクロコンピュータ２００からのパルス信号Ｐｃが入力される。

トランジスタＱ２は、電源配線１１０および出力ノードＮｃの間に電気的に接続される。トランジスタＱ２の制御電極（ベース）は、抵抗素子を経由して、電源電圧ＶＤＤにプルアップされるとともに、ノードＮｂとも電気的に接続されている。

パルス信号Ｐｃの論理ローレベル（Ｌレベル）期間には、トランジスタＱ１がオフされるので、ノードＮｂの電圧は、電源電圧ＶＤＤになる。これにより、トランジスタＱ２もオフされる。出力ノードＮｃは、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２によって、接地電圧ＧＮＤにプルダウンされているため、トランジスタＱ２のオフ時には、接地電圧ＧＮＤとなる。

これに対して、パルス信号Ｐｃの論理ハイレベル（Ｈレベル）期間には、トランジスタＱ１がオンするので、ノードＮｂは接地配線１２０と電気的に接続される。これにより、トランジスタＱ２がオンされる。これにより、出力ノードＮｃの電圧は、電源電圧ＶＤＤとなる。

図５を参照して、レベル変換回路３６０の出力ノードＮｃに出力されるパルス信号Ｐｃ１は、パルス信号Ｐｃと同一のパルス幅（デューティ比Ｄ）を有する。さらに、パルス信号Ｐｃ１の振幅は、電源電圧ＶＤＤである。

再び図４を参照して、分圧回路３７０は、レベル変換回路３６０からのパルス信号Ｐｃ１を分圧したパルス信号Ｐｃ２を出力する。パルス信号Ｐｃ２は、ローパスフィルタ３１０に入力される。

分圧回路３７０での分圧比ＤＲは、ＤＲ＝Ｖ１／ＶＤＤに設定される。抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の電気抵抗は、上記分圧比ＤＲが得られるように決められる。これにより、分圧されたパルス信号Ｐｃ２の振幅は、ＶＤＤ・ＤＲ＝Ｖ１となることが理解される。

図２の駆動回路３００♯（比較例）と同様に、ローパスフィルタ３１０およびオペアンプ３２０（ボルテージフォロワ回路）によって、駆動電圧Ｖｄｖは、パルス信号Ｐｃ２を積分した直流電圧に制御される。

再び図５を参照して、パルス信号Ｐｃ２は、パルス信号Ｐｃと同一のパルス幅（デューティ比）を有するとともに、その振幅は、電源電圧ＶＣＣの正常時における電圧Ｖ１である。このように、レベル変換回路３６０および分圧回路３７０によって生成されたパルス信号Ｐｃ２は、電源電圧ＶＣＣが変動しても、その振幅はＶ１に維持される。

この結果、電源電圧ＶＣＣの変動により、パルス信号Ｐｃの振幅がＶ１からＶ２に拡大されても、パルス信号Ｐｃ２に従う駆動電圧Ｖｄｖは、電圧Ｖ２に基づくＶｂ（Ｖｂ＝Ｖ２・Ｄ）ではなく、Ｖａ（Ｖａ＝Ｖ１・Ｄ）に制御される。

したがって、電源電圧ＶＣＣの変動によってパルス信号Ｐｃの振幅が変化しても、電源電圧ＶＤＤが安定であれば、パルス信号Ｐｃの同一のパルス幅（デューティ比）に対する駆動電圧Ｖｄｖを一定に維持できる。この結果、マイクロコンピュータ２００による制御指令に相当するパルス信号Ｐｃのデューティ比Ｄに対する負荷電流Ｉｄの特性が変化することがない。この結果、複数の電源電圧ＶＣＣ，ＶＤＤのうちの電源電圧ＶＣＣに変動が生じて、マイクロコンピュータ２００からのパルス信号Ｐｃの振幅が変化しても、パルス信号Ｐｃに従う負荷５００の制御を安定化することができる。

本実施の形態で示された駆動回路３００において、レベル変換回路３６０は「第１のレベル変換回路」に対応し、分圧回路３７０は「第２のレベル変換回路」に対応する。ローパスフィルタ３１０、オペアンプ３２０および駆動トランジスタ３３０は「制御量調整部」に対応する。なお、図３に示されたレベル変換回路３６０および分圧回路３７０は一例に過ぎず、同等の機能を発揮する任意の回路構成を適用することが可能である。同様に、ローパスフィルタ３１０、オペアンプ３２０および駆動トランジスタ３３０による、負荷電流Ｉｄを調整するための回路構成についても、パルス信号Ｐｃ２に応じて負荷５００の制御量を調整可能であれば、同等の機能を発揮する任意の回路構成を適用することができる。

すなわち、本実施の形態において、負荷電流Ｉｄは「負荷の制御量」に対応し、マイクロコンピュータ２００は「制御演算部」に対応する。さらに、マイクロコンピュータ２００からのパルス信号Ｐｃは「第１のパルス信号」に対応し、レベル変換回路３６０からのパルス信号Ｐｃ１は「第２のパルス信号」に対応し、電源電圧ＶＤＤは「第１の電源電圧」に対応し、電源電圧ＶＣＣは「第２の電源電圧」に対応する。

なお、本実施の形態に従う制御装置によって制御される負荷５００は、たとえば、供給電流に応じて出力トルクが変化する電動機である。ただし、パルス信号のパルス幅（デューティ比）に従って、制御可能な機器である限り、任意の負荷に対して本発明の制御装置を適用できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 制御装置、１０ 外部電源、２０ トランス、３０ 変換回路、４０，５０ 電圧レギュレータ、４５，５５ 平滑コンデンサ、１００ 電源配線（ＶＤＤ）、１１０ 電源配線（ＶＣＣ）、１２０ 接地配線、２００ マイクロコンピュータ、３００ 駆動回路、３１０ ローパスフィルタ、３２０ オペアンプ、３３０ 駆動トランジスタ、３６０ レベル変換回路、３７０ 分圧回路、５００ 負荷、ＧＮＤ 接地電圧、Ｉｄ 負荷電流、Ｐｃ，Ｐｃ１，Ｐｃ２ パルス信号、Ｑ１，Ｑ２ トランジスタ、Ｒ１，Ｒ２ 抵抗素子、Ｔ 周期（パルス信号）、Ｗ パルス幅、ＶＣＣ，ＶＤＤ 電源電圧、Ｖｄｖ 駆動電圧。

Claims (3)

1. 第１の電源電圧を供給するための第１の電源配線と、
   前記第１の電源配線の前記第１の電源電圧を降圧して第２の電源電圧を生成する電圧調整回路と、
   前記電圧調整回路によって生成された前記第２の電源電圧を伝達するための第２の電源配線と、
   前記第２の電源配線と接続されて、負荷の動作を制御するための前記第２の電源電圧に従った振幅を有する第１のパルス信号を生成する制御演算部と、
   前記制御演算部からの前記第１のパルス信号に従って、前記負荷の制御量を調整するための駆動回路とを備え、
   前記駆動回路は、
   前記第１の電源配線と接続されて、前記第１のパルス信号を前記第１の電源電圧に従った振幅を有する第２のパルス信号に変換するための第１のレベル変換回路と、
   前記第１のレベル変換回路からの前記第２のパルス信号の振幅を、前記第１の電源電圧の規格値に対する前記第２の電源電圧の規格値の比に従って縮小するための第２のレベル変換回路と、
   前記第２のレベル変換回路から出力されたパルス信号に従って、前記負荷の制御量を調整するための制御量調整部とを含む、制御装置。
2. 前記第２のレベル変換回路は、前記規格値の比に従った分圧比を有する分圧回路によって構成される、請求項１記載の制御装置。
3. 前記制御量調整部は、前記第１の電源配線から前記負荷へ供給される電流量を、前記第２のパルス信号の積分電圧に従って制御する、請求項１記載の制御装置。

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