(57)【要約】  本発明は、パワーエレクトロニクスによって制御される対象の状態に関連付けられる測定信号の処理装置に関する。この処理装置は、デジタル端子を有するインターフェースを備え、そのインターフェースは、測定信号を発生させるセンサ用の、少なくとも１つの端子を備える。さらに、この処理装置は、前記インターフェースが接続される計算装置を備える。前記計算装置は、リアルタイム制御システムを備える。さらに、前記計算装置は、汎用プロセッサを備える。
2009504127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーエレクトロニクスによって制御される対象の状態に関連付けられる測定信号を処理する処理装置であって、
デジタル端子を有するインターフェースを備え、
前記インターフェースは、前記測定信号を発生させるセンサ用の少なくとも１つの端子を備え、
前記インターフェースが接続される計算装置を更に備え、
前記計算装置はリアルタイム制御システムを備え、
前記計算装置は汎用プロセッサを備えることを特徴とする処理装置。
【請求項２】
前記処理装置は、前記パワーエレクトロニクスによって制御される前記対象を調整するための、前記測定信号によって決まる、制御信号を発生させるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の処理装置。
【請求項３】
前記パワーエレクトロニクスによって制御される前記対象は、電気機械を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の処理装置。
【請求項４】
前記電気機械は大きな定格電力を持つことを特徴とする請求項３に記載の処理装置。
【請求項５】
前記電気機械はコンプレッサーを動作可能なように駆動することを特徴とする請求項４に記載の処理装置。
【請求項６】
前記インターフェースは、前記パワーエレクトロニクスのスイッチング手段に前記制御信号を伝送する、端子を備えることを特徴とする請求項２から請求項５の何れか１項に記載の処理装置。
【請求項７】
前記測定信号は前記電気機械の巻き線を流れる電流を表すことを特徴とする請求項３から請求項６の何れか１項に記載の処理装置。
【請求項８】
前記インターフェースは、前記パワーエレクトロニクスによって制御される前記対象の状態に関連付けられる複数の測定信号を受け取るように構成されることを特徴とする請求項１から請求項７の何れか１項に記載の処理装置。
【請求項９】
前記処理装置は、前記電気機械の一つ又は複数の巻き線を流れる電流のみを表す、測定信号によって決まる、前記制御信号を発生させるように構成されることを特徴とする請求項３から請求項８の何れか１項に記載の処理装置。
【請求項１０】
前記汎用プロセッサは前記測定信号のサンプリング処理に同期されることを特徴とする請求項１から請求項９の何れか１項に記載の処理装置。
【請求項１１】
前記インターフェースは、少なくとも１つのデジタル入力／出力装置と、少なくとも１つのアナログ／デジタル変換器と、を備えることを特徴とする請求項１から請求項１０の何れか１項に記載の処理装置。
【請求項１２】
前記デジタル入力／出力装置はFPGAを備えることを特徴とする請求項１１に記載の処理装置。
【請求項１３】
前記デジタル入力／出力装置は、前記計算装置と共に１つのプリント回路基板上に組み込まれることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の処理装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、パワーエレクトロニクスによって制御される対象の状態（condition）に関連付けられる測定信号を処理する処理装置であって、デジタル端子を有するインターフェースを備え、前記インターフェースは、前記測定信号を発生させるセンサ用の少なくとも１つの端子を備え、前記インターフェースが接続される計算装置を更に備え、前記計算装置はリアルタイム制御システムを備え、前記計算装置は汎用プロセッサを備えることを特徴とする処理装置に関する。
【０００２】
このような処理装置は、例えば大電力でコンプレッサーを駆動する交流（AC）モーターの、動作状態に関連付けられる測定信号を処理して表すための測定機器として知られている。
【０００３】
そのモーターの動作中に電流センサによって発生される測定信号は、例えばモーターの巻き線を流れる電流を表す。
【０００４】
インターフェースは、アナログ測定信号をデジタル化してその信号を計算装置に供給する。
【０００５】
周知の処理装置では、計算装置がデジタルシグナルプロセッサ（DSP）として設計されているので、そのデジタル化された信号は、例えば表示、記憶、及び／又は、計算のために更に処理され得る。
【０００６】
その計算装置はリアルタイム制御システムを備えるので、測定信号はリアルタイムに処理され得る。
【０００７】
デジタルシグナルプロセッサは、特に、証明された信頼性、好ましく強力な特性、及び低い原価のため、デジタル信号のリアルタイム処理に非常に適している。
【０００８】
しかしながら、ターボコンプレッサーの様な比較的高い定格回転速度のコンプレッサーを駆動する交流モーターの動作状態に関連付けられる測定信号の処理のためには、現在のデジタルシグナルプロセッサの計算能力は不十分であるかもしれない。
【０００９】
これは、測定信号のサンプリング周波数が高くなるにつれて、測定信号のサンプリングサイクル内にデジタルシグナルプロセッサが実行できる処理ステップの数が減少するためである。
【００１０】
通常、測定信号のサンプリング周波数は、交流モーターの制御信号の周波数に比例して選ばれる。
【００１１】
多くの場合、交流モーターの回転速度が増加するにつれて制御信号の周波数はより高くなるので、交流モーターの比較的高い基本周波数が処理され得る。
【００１２】
本発明の目的は、上述した欠点が取り除かれる、請求項１の前置き部による処理装置を得ることである。
【００１３】
特に、本発明の目的は、電気機械の比較的高い定格回転速度、及びこれに要求される高いサンプリング周波数でパワーエレクトロニクスにより制御される対象の状態に関連付けられる測定信号を処理するための、電気機械の比較的高い基本周波数を処理するために比較的多数の処理ステップをリアルタイムに実行することができる処理装置を得ることである。
【００１４】
この目的を達成するために、計算装置は汎用装置を備える。
【００１５】
より低い信頼性、より高いエネルギー消費、及び比較的高い原価のため、汎用プロセッサは、パワーエレクトロニクスにより制御される対象の測定信号を処理するための処理装置での利用にふさわしくないかもしれないにも関わらず、汎用プロセッサの適用は特に浮動小数点演算に関してより大きな計算能力をもたらすので、交流モーターの比較的高い回転速度で、比較的多数の処理ステップがデジタル化された測定信号に対してリアルタイムに実行され得る。
【００１６】
その上、汎用プロセッサの利用により、例えば処理ステップをプログラムするための標準的なソフトウェアがインストールされ得るプラットフォームが得られる。
【００１７】
その上、例えばテスト目的で、特定のアルゴリズムのコンパイルされたプログラムは、ソースコードの公表なしで組み合わされ得る。
【００１８】
その上、処理装置は、例えばソフトウェアのコードをダウンロードする、測定データを得る、データを蓄積する、変数を調整する等、他の装置とデータを交換するために比較的容易に構成され得る。
【００１９】
さらに、処理装置は、既存のPC内に組み込まれ、又はスタンドアローン装置（stand-alone unit）として設計され得る。
【００２０】
このように処理装置を構成することで、この装置は、パワーエレクトロニクスにより制御される対象を調整するための、測定信号によって決まる制御信号を発生させ、都合の良い方法で、例えばターボコンプレッサーのように比較的高い回転速度のコンプレッサーの交流モーターを調整する目的で使われ得る処理装置が得られる。
【００２１】
これは、交流モーターを調整するために、測定信号の最小数の処理ステップが要求されるためである。
【００２２】
現在入手可能なデジタルシグナルプロセッサにより設計された周知の処理装置とは異なり、汎用プロセッサの利用によりこれらの処理ステップは測定信号のサンプリングサイクル内で実行され得るので、比較的高い回転速度を持つコンプレッサーを調整することが可能となる。
【００２３】
都合の良い方法で、処理装置は、パワーエレクトロニクスにより制御され、大きな定格電力を持つ電気機械に関連付けられる測定信号を処理するために用いられ得る。
【００２４】
これは、例えば約1kWより大きな、又は30kWより大きな、又は約50kWの電力である、大きな定格電力の電気機械の測定信号をリアルタイムに処理することも可能とする。さらに、大電力の電動モーターもその様に調整され得る。
【００２５】
さらに、インターフェースは、パワーエレクトロニクスにより制御される対象の状態に関連付けられる複数の測定信号を受け取るように構成され得る。
【００２６】
それゆえ、電気機械の巻き線の電流の強さを表す１つ又は複数の測定信号に加えて、他の測定信号、例えばモーターのパワーエレクトロニクスの供給電圧を表す測定信号、及び／又は、モーターの位置、及び／又は、モーターの回転速度、及び／又は、モーターの実効トルクを表す測定信号がインターフェースに接続されても良い。
【００２７】
それに加えて、高圧化した圧力（built-up pressure）、流量、温度、振動、及び／又は、雑音のような、コンプレッサーの動作状態に関連する測定信号がデジタル入力／出力装置に供給され得る。
【００２８】
汎用プロセッサの利用により、様々な測定信号は処理装置に簡単に接続され得る。
【００２９】
それに加え、任意に、種々の電気機械のパワーエレクトロニクスは１つだけの処理装置によって調整されても良い。
【００３０】
電気機械は、種々の物理量を表す測定信号の代わりに、交流モーターの１つ又は複数の巻き線を流れる電流のみを表す測定信号の補助により調整されても良い。
【００３１】
これは、センサを省かせ、原価の利点のみでなく信頼性の増加をももたらす。
【００３２】
安定した調整を得るため、用途は、例えばモーターの数学的モデルから作られても良い。
【００３３】
本発明による処理装置は、一つの巻き線、又は、例えば三相交流電源用の複数の巻き線の何れかを有する電気機械と共に用いられ得ることに留意する。
【００３４】
さらに、処理装置は、コンプレッサーの代わりにロボットアクチュエーター（robot actuator）のような異なる装置を駆動する電気機械に用いられても良い。
【００３５】
本発明の更なる好ましい実施形態は、従属請求項に表現される。
【００３６】
本発明は、図面に示される好適な実施形態を参照して、より詳細に説明される。
【００３７】
図面は、本発明の概要を表現するのみであり、専ら限定されない、例の目的で載せられる。
【００３８】
図１は、本発明による処理装置１の模式図を示す。
【００３９】
処理装置１は、デスクトップPC、PC/104、コンパクトPCI、工業用PC、及びPCマザーボードなどのように、PCコンパチブルプロセッサ（PC-compatible processor）とも呼ばれる汎用プロセッサ２として設計された計算装置を備える。
【００４０】
さらに、処理装置１はFPGA３を備えるインターフェースを備える。
【００４１】
もちろん、インターフェースはFPGA３の代わりに、例えばPLDのような異なる種類を備えても良い。
【００４２】
さらに、インターフェースはセンサ用の複数の接続部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅを有するA/D変換器４を備える。
【００４３】
FPGA３はプリント回路基板３ａの上に備えられる。
【００４４】
FPGA３は汎用プロセッサ２と通信するためのデジタル端子を有する。
【００４５】
汎用プロセッサ２は標準のマザーボード６の上に載せられる。
【００４６】
FPGA３はPCIバスを介してプロセッサ２に接続されるので、比較的値段が安く融通性のある実装が得られる。
【００４７】
それゆえ、図１に両矢印７で記号により示された、FPGA３とプロセッサ２との間のデータの伝送は、素早く確実に実行され得る。
【００４８】
コンパクトな装置が得られ、潜在的にデータの伝送がより素早く、且つより確実に行われ得る様に、FPGA３とプロセッサ２は、分離した設計の代わりに１つのプリント回路基板上に組み込まれても良い。
【００４９】
さらに、要望に応じて、A/D変換器４は、FPGA３と共に一つのプリント回路基板３ａ上に一体的に、又はそこから分離して、組み入れられ得る。
【００５０】
しかしながら、例えばソースコードをダウンロードするために、プロセッサ２とFPGA３とA/D変換器４とを標準PC８に収容しても良い。
【００５１】
より詳細に以下に述べるように、処理装置１は、パワーエレクトロニクスによって制御される、交流モーター９として設計された対象の駆動を調整する。
【００５２】
交流モーター９は、例えば約５００kWの時に、例えば毎分約８０，０００回転の定格回転速度を持ち、コンプレッサー１０を駆動する。
【００５３】
三相交流電源１１ａ，１１ｂ，１１ｃは整流器１２へ接続される。
【００５４】
直流電圧を表す測定信号を発生させる第１センサは、整流器１２の出力に配置される。
【００５５】
A/D変換器４の接続部５ａを介して、測定信号は処理装置１に入力される。
【００５６】
さらに、パルス幅変調（PWM）変換器１４は、ドライバーを介して整流器１２の出力に接続される。
【００５７】
PWM変換器１４は、制御信号によって決まり、交流モーター９の巻き線に供給される高周波電源電圧を発生させるためのパワーエレクトロニクスを備える。
【００５８】
パワーエレクトロニクスは、その様にドライバーを介してFPGA３のデジタル出力に接続され、その様に処理装置１によって発生される制御信号を得る。
【００５９】
ドライバーは、PWM変換器１４内に、又はPWM変換器１４上に備えられても良い。
【００６０】
また一方、ドライバーを他の場所、例えばA/D変換器４の出力へ収めても良い。
【００６１】
PWM変換器１４の出力は、例えばホールセンサ又は分岐を有するセンサである、電流センサ１５，１６を介してモーター９の巻き線に接続される。
【００６２】
電流センサ１５，１６は、電気機械の動作状態に関連付けられる測定信号、即ち電流を処理するために、端子５ｂ，５ｃを介してA/D変換器４へ接続される。
【００６３】
さらに、任意に、シャフト位置、及び／又は、モーターの回転速度といった他の動作状態を測定するために、センサ１７はモーター９のシャフト上に備えられる。
【００６４】
それに加えて、任意に、例えばタービン内の高圧化した圧力（built-up pressure）、流量、温度、振動、及び／又は、雑音を測定するために、センサはタービン１０内に、及び／又は、タービン１０上に備えられる。
【００６５】
モーター９のシャフト上の、及び、タービン１０内の、及び／又は、タービン１０上のセンサ１７は、端子５ｄ，５ｅを介してA/D変換器４へ接続される。
【００６６】
センサによって発生される測定信号はA/D変換器４の使用により不連続の電圧で表され得るので、サンプリング後にデジタル信号が得られる。
【００６７】
デジタル信号は、プリント回路基板６の伝達経路７を介してプロセッサ２に伝送される。
【００６８】
汎用プロセッサ２がリアルタイム制御システムを備えるので、リアルタイム処理ステップはデジタル化された測定信号に対して実行され得る。
【００６９】
デジタル化された測定信号に依存して、プロセッサ２は制御信号を発生させる。
【００７０】
次に、制御信号はFPGA３を介してPWM変換器１４のパワーエレクトロニクスに伝送される。
【００７１】
図２は、電圧（V）で表された電圧u1、u2、及びu3が、ミリ秒（ms）で表された時間の関数として示された、三相モーター用の制御信号２０の複数のグラフの表示を示す。
【００７２】
このように、この図は電動モーター９の相１、相２、相３のそれぞれの信号を示す。
【００７３】
制御信号２０はパルス幅変調された信号であり、電動モーターの回路に供給される制御電圧を表す。
【００７４】
パルス幅変調された信号の時間平均は、プロセッサ２によって計算される所望の基準電圧２１である。
【００７５】
電動モーターの誘導的な特性（inductive character）により、高次の時間的に正弦的に変化する成分（higher time-harmonic components）は除去される一方、制御信号２０の時間平均値のみが続く。
【００７６】
図３は、より詳細に複数の信号を示す。
【００７７】
単純化するために、図３，４では電動直流モーターに関連する信号を示す事が選択された。
【００７８】
交流モーターの場合、信号の動きは類似する。
【００７９】
このように、制御信号２０（U1）は上段のグラフに示される。
【００８０】
この信号が対称にパルス幅変調されるので、その信号はパルス符号の周期（pulse code period）の中心の辺りの高い値を仮定する。
【００８１】
もちろん、変調を異なるように、例えば非対称に設計することも可能である。
【００８２】
電動モーターは誘導的に振舞うので、制御電圧が正である時、巻き線中の電流はおおむね線形に増加し、制御電圧が負である時、その電流は減少する。
【００８３】
これは、図３の中段のグラフに示される。
【００８４】
ここでは、電流２２はI1と表示される。
【００８５】
電流２２はおおむね鋸波形状の輪郭を持ち、即ち直流モーターの場合、一定値に重畳され、即ち交流電圧によって駆動されるモーターの場合、高調波信号に重畳される。
【００８６】
第一の実施形態では、サンプリングは図３の中段のグラフに太字の点で示される時間２３になされる。
【００８７】
電流２２の鋸波形状のグラフの結果として、サンプリング時間２３に測定される電流値はわずかに変動する。
【００８８】
電流２２が測定された周期に続くパルス符号の周期内での制御信号２１の計算のために、常に電流２２の一定値２４が仮定される。
【００８９】
従って、パルス符号の周期内の任意のサンプリング時間の結果として、この一定値２４は急に変化する。
【００９０】
パルス符号の周期内の電流２２の平均がほぼ一定であるので、ほぼ一定の基準電流２５は、実質的に同じモーターの動作をもたらす。
【００９１】
本実施形態で、基準電圧２１は、パルス符号の周期内で一定と仮定される電流２４のわずかに不安定な動きを調整する。
【００９２】
調整する基準電圧２１は、図３の下段のグラフにUrefとして示される。
【００９３】
第二の実施形態では、電流２２がパルス符号の周期の中心で測定されように、電流２２のサンプリング時間は制御信号２０と同期される。
【００９４】
制御信号２０は対称なので、パルス符号の周期の中心の電流２２は、基本波の電流値と等しい。
【００９５】
上述の時間にサンプリングする事により、電流２２の過度の高調波成分（superharmonic components）が除去され、調整はより安定する。
【００９６】
これは、３つのグラフが図３と同じ信号を示す、図４に示される。
【００９７】
サンプルされた電流２３はほぼ一定であり、ほぼ一定の基準電流２５と一致する。
【００９８】
その結果、調整する制御電圧２１も実質的に一定であり、モーター９の回転速度の周波数変動と熱による過度のモーター損失とを防ぐ。
【００９９】
同期サンプリングを実現するため、処理装置のクロックは、割り込み接続１８の補助と共にFPGAによって調整される。
【０１００】
プロセッサ２により消費される電力は、比較的大電力のコンプレッサー１０の使用に対してごくわずかであることに留意する。
【０１０１】
処理装置１の高信頼性を得るために、スピードが重視される（time-critical）機能の一部はFPGA３に実装される。
【０１０２】
本発明は、上述の典型的な実施形態に限定されない。種々の変形が可能である。
【０１０３】
処理装置は、電気機械のパワーエレクトロニクスに接続される代わりに、電気制御の高調波の含有量を減らすために、インバータのアクティブフロントエンド（active front end）のパワーエレクトロニクス、又は、コンプレッサーの磁気軸受けシステムのパワーエレクトロニクスに接続される測定信号を処理するように構成されても良い。
【０１０４】
さらに、一つのFPGAに代えて複数のFPGAが使用され得る。また、交流モーターの代わりに直流モーターが使用され得る。
【０１０５】
さらに、複数の電気機械のパワーエレクトロニクスに関連付けられる測定信号を処理するように、処理装置を構成することができる。
【０１０６】
これらの変形は当業者にとって明らかであって、請求項に示される本発明の範囲内であることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明による処理装置の模式図を示す。
【図２】本発明による制御信号のグラフを示す。
【図３】図１の処理装置に現れる複数の信号を示す。
【図４】図１の処理装置に現れる複数の信号を示す。
【図１】
2009504127.tif 000003
【図２】
2009504127.tif 000004
【図３】
2009504127.tif 000005
【図４】
2009504127.tif 000006
【国際調査報告】
2009504127.tif 000007
2009504127.tif 000008