(57)【要約】本発明は、補償器と制御対象とフィードバックゲインを有する正弦波の追従デジタル制御装置であって、補償器の入力が基準値から制御量を減算した信号であり、制御対象の入力が前記補償器の出力から前記フィードバックゲインの出力を減算した信号であり、角周波数をω、サンプリング周期をＴ、ｚ演算子をｚとし、ｋ１とｋ２を定数とすれば、前記補償器の伝達関数が、（ｋ２ｚ＋ｋ１）／（ｚ２−２ｚｃｏｓωＴ＋１）であるデジタル制御装置により、２次の補償器を構成でき、当該２次の補償器により、簡単かつ高精度に正弦波の基準波形に追従制御することができる。
2003077046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
補償器と制御対象とフィードバックゲインを有する正弦波の追従デジタル制御装置であって、
前記補償器の入力が基準値から制御量を減算した信号であり、
前記制御対象の入力が前記補償器の出力から前記フィードバックゲインの出力を減算した信号であり、
角周波数をω、サンプリング周期をＴ、ｚ演算子をｚとし、ｋ１とｋ２を定数とすれば、
前記補償器の伝達関数が、（ｋ２ｚ＋ｋ１）／（ｚ２−２ｚｃｏｓωＴ＋１）
であるデジタル制御装置。
【請求項２】
前記補償器は、入力を１サンプル周期Ｔ遅らせて出力する第一遅延器、入力を１サンプル周期Ｔ遅らせて出力する第二遅延器、入力を２ｃｏｓωＴ倍する第一乗算器、入力をｋ１倍する第二乗算器、および入力をｋ２倍する第三乗算器を具備し、
前記第一遅延器の入力は、制御対象の目標値から制御量を減算した信号に、前記第一乗算器の出力を加算し、かつ前記第二遅延器の出力を減算した信号であり、前記第二遅延器、前記第一乗算器、および第三乗算器の入力は、前記第一遅延器の出力の信号であり、
前記第二乗算器の入力は、前記第二遅延器の出力の信号であり、
前記補償器の出力は、第二乗算器の出力と第三乗算器の出力を加算した信号である請求項１記載のデジタル制御装置。
【請求項３】
ｎ個の補償器と制御対象とフィードバックゲインを有するｎ個（ｎは２以上の整数）の正弦波の合成により構成される基準波形の追従デジタル制御装置であって、
ｎ個の補償器を並列に接続し、
前記ｎ個の補償器の入力が基準値から制御量を減算した信号であり、
前記制御対象の入力が前記ｎ個の補償器の出力の和から前記フィードバックゲインの出力を減算した信号であり、
ｚ演算子をｚとし、ｋ１とｋ２を定数とすれば、
前記基準波形を構成する任意の正弦波が「Ａｓｉｎｋωｔ」（Ａ、ｋは定数、ωは角周波数、ｔは時間変数）で表される場合、当該正弦波に対応する補償器の伝達関数が、（ｋ２ｚ＋ｋ１）／（ｚ２−２ｚｃｏｓ２ｋωＴ＋１）
であるデジタル制御装置。
【請求項４】
補償器と制御対象とフィードバックゲインを有するｎ個（ｎは２以上の整数）の正弦波の合成により構成される基準波形の追従デジタル制御装置であって、
１個以上の補償器を具備し、
前記１個以上の補償器全体の伝達関数が、請求項３記載のｎ個の補償器全体の伝達関数と等価であることを特徴とするデジタル制御装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４いずれか記載のデジタル制御装置を組み込んだ電子機器。
【請求項６】
補償器と制御対象とフィードバックゲインを有するデジタル制御装置を実現するためのプログラムであり、かつ、コンピュータに、正弦波の追従デジタル制御方法を実行させるためのプログラムであって、
前記補償器の入力が基準値から制御量を減算した信号であり、
前記制御対象の入力が前記補償器の出力から前記フィードバックゲインの出力を減算した信号であり、
角周波数をω、サンプリング周期をＴ、ｚ演算子をｚとし、ｋ１とｋ２を定数とすれば、
前記補償器の伝達関数が、（ｋ２ｚ＋ｋ１）／（ｚ２−２ｚｃｏｓωＴ＋１）
である正弦波の追従デジタル制御方法を実行させるためのプログラム。
【請求項７】
ｎ個の補償器と制御対象とフィードバックゲインを有するデジタル制御装置を実現するためのプログラムであり、かつ、コンピュータに、ｎ個（ｎは２以上の整数）の正弦波の合成により構成される基準波形の追従デジタル制御方法を実行させるためのプログラムであって、
ｎ個の補償器を並列に接続し、
前記ｎ個の補償器の入力が基準値から制御量を減算した信号であり、
前記制御対象の入力が前記ｎ個の補償器の出力の和から前記フィードバックゲインの出力を減算した信号であり、
ｚ演算子をｚとし、ｋ１とｋ２を定数とすれば、
前記基準波形を構成する任意の正弦波が「Ａｓｉｎｋωｔ」（Ａ、ｋは定数、ωは角周波数、ｔは時間変数）で表される場合、当該正弦波に対応する補償器の伝達関数が、（ｋ２ｚ＋ｋ１）／（ｚ２−２ｚｃｏｓ２ｋωＴ＋１）
であるデジタル制御方法を実行させるためのプログラム。
【請求項８】
補償器と制御対象とフィードバックゲインを有するデジタル制御装置を実現するためのプログラムであり、かつ、コンピュータに、ｎ個（ｎは２以上の整数）の正弦波の合成により構成される基準波形の追従デジタル制御方法を実行させるためのプログラムであって、
１個以上の補償器を具備し、
前記１個以上の補償器全体の伝達関数が、請求項７記載のｎ個の補償器全体の伝達関数と等価であることを特徴とするデジタル制御方法を実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、正弦波ＰＷＭインバータやコンバータの力率制御等のための正弦波追従デジタル制御装置等に関する。
背景技術
例えば、大容量電圧形インバータによる交流電動機のベクトル制御等における電圧形インバータの出力電圧波形は、正弦波ではなく、ＰＷＭ変調された矩形波である。従って、高調波によって波形ひずみによる問題が生じている。
そこで、正弦波に追従するデジタル制御を行う装置が種々提案されている。かかる正弦波に追従するデジタル制御装置は、図５に示すシステム構成図を有する。つまり、当該デジタル制御装置は、補償器と制御対象とフィードバックゲイン（ｈ）により構成される。この補償器は、制御対象の出力ｙ［ｉ］を基準波形ｙｒ［ｉ］に追従制御するために設けられる。
そして、図５の補償器に、通常、良く用いられるのは、図６に示す積分器によるものである。しかし、当該積分器による補償を行っても、正弦波に追従制御できず、偏差が生じる。かかる図６の制御装置で、２次の制御対象を有限制定制御によりゲインを決定し、正弦波に追従しようとすると、図７のような結果が得られる。図７の２つの曲線の幅は、正弦波標準波形と図６の制御装置による制御結果の偏差を示している。図７の初期部分１１のサンプル点を拡大したグラフを図８に示す。図８によれば、図６の制御装置では、偏差が生じてしまうことが明らかである。
これに対して、内部原理モデルに基づいて、図９に示す繰り返し制御による補償器を設ける構成も存在する。しかし、この繰り返し制御による補償器によれば、１周期分に対応する次数による構成が必要となる。そのため、例えば、５０Ｈｚの正弦波をサンプル時間１００μＳ（マイクロ秒）で制御するには２００次の補償器が必要となる。なお、２００次の「２００」は、「（１／５０）／０．０００１」により算出される。なお、繰り返し制御については、「基礎ディジタル制御（コロナ社）Ｐ１０８」などに説明されている。
発明の開示
本発明は、補償器と制御対象とフィードバックゲインを有する正弦波の追従デジタル制御装置であって、補償器の入力が基準値から制御量を減算した信号であり、制御対象の入力が補償器の出力からフィードバックゲインの出力を減算した信号であり、角周波数をω、サンプリング周期をＴ、ｚ演算子をｚとし、ｋ１とｋ２を定数とすれば、補償器の伝達関数が、（ｋ２ｚ＋ｋ１）／（ｚ２−２ｚｃｏｓωＴ＋１）であるデジタル制御装置により、２次の補償器を構成でき、当該２次の補償器により、簡単かつ高精度に正弦波の基準波形に追従制御することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明における制御装置の構成を示すブロック図である。
制御装置１１は、補償器１１１と制御対象１１２とフィードバックゲイン１１３を有する正弦波の追従デジタル制御装置である。
本デジタル制御装置の基準値をｙｒ［ｉ］とし、出力をｙ［ｉ］とする。かかる場合の補償器１１１の入力は、基準値ｙｒ［ｉ］から出力ｙ［ｉ］を減算した値になる。制御対象１１２の入力は、補償器１１１の出力からフィードバックゲイン１１３の出力を減算した値になる。フィードバックゲイン１１３への入力は、制御対象１１２からの状態変数ｘ［ｉ］である。
そして、補償器１１１の具体的な構成は、以下の通りである。補償器１１１は、第一遅延器１１１１、第二遅延器１１１２、第一乗算器１１１３、第二乗算器１１１４、第三乗算器１１１５を有する。
ここで、第一遅延器１１１１、および第二遅延器１１１２は、入力を１サンプル周期Ｔ遅らせる。第一乗算器１１１３は入力を２ｃｏｓωＴ倍する。２ｃｏｓωＴは、「２×（ｃｏｓ（ωＴ））」である。なお、ωは角周波数であり、Ｔはサンプリング周期である。第二乗算器１１１４は入力をｋ１倍する。ｋ１は定数である。第三乗算器１１１５は入力をｋ２倍する。ｋ２は定数である。
そして、第一遅延器１１１１の入力は、制御対象の目標値（ｙｒ［ｉ］）から制御量（ｙ［ｉ］）を減算した値（ｅ［ｉ］）に、第一乗算器１１３の出力を加算し、かつ第二遅延器１１１２の出力を減算した値である。第二遅延器１１１２、第一乗算器１１１３、および第三乗算器１１１５の入力は、第一遅延器１１１１の出力値である。第二乗算器１１１４の入力は、第二遅延器１１１２の出力値である。また、補償器１１１の出力は、第二乗算器１１１４の出力値と第三乗算器１１１５の出力値を加算した値になる。
なお、定数ｋ１、ｋ２は、制御対象に基づいて決められる。定数ｋ１、ｋ２は、デッドビート制御や最適制御を用いて決定され得る。デッドビート制御や最適制御については、既存技術であるので説明を省略する。
上記の制御装置１１によれば、図２に示すような、正弦波への追従制御が可能である。つまり、図６に対応したグラフが図２である。図２によれば、初期部分１１サンプル点のうち、４つ目のサンプル点で正弦波形との偏差が０になっている。
以上、本実施の形態によれば、２次の補償器により、簡単、高速、かつ高精度に正弦波の基準波形に追従制御できる。
なお、本実施の形態における図１の補償器の定数（ｋ１、ｋ２）は、一定の比を有すれば、上記図２における結果を生じ得る。また、補償器の第一乗算器の係数「２ｃｏｓωＴ」とフィードバックゲイン「１」（図１では、そのまま信号をスルーしている。）の関係も、「２ｃｏｓωＴ：１」の比であれば、具体的な値は問わない。
以上より、図１における補償器の構成のみが、本実施の形態における効果を奏するわけではない。本実施の形態における効果を奏するためには、補償器の伝達関数が、以下の式であることが必要である。補償器の伝達関数が以下の場合に図２の結果が得られる。
つまり、角周波数をω、サンプリング周期をＴ、ｚ演算子をｚとし、ｋ１とｋ２を定数とすれば、補償器の伝達関数が、（ｋ２ｚ＋ｋ１）／（ｚ２−２ｚｃｏｓωＴ＋１）であれば、上記の効果が得られる。なお、上記伝達関数を構成する「２ｚｃｏｓωＴ」は「２×ｚ×（ｃｏｓ（ωＴ））」である。
また、上記において、本実施の形態における正弦波追従デジタル制御装置の応用について述べなかったが、本実施の形態における正弦波追従デジタル制御装置は、正弦波ＰＷＭインバータやコンバータの力率制御等に利用できる。
従って、本実施の形態における正弦波追従デジタル制御方法は、各種電子機器に応用可能である。電子機器とは、エアコン、洗濯機、冷蔵庫、インバータ駆動の車両（電車、自動車等）等である。つまり、本実施の形態における正弦波追従デジタル制御方法は、エアコン・洗濯機・冷蔵庫の電源制御や、インバータ駆動の車両（電車、自動車等）等に広く利用できる。
また、本実施の形態における正弦波追従デジタル制御方法を組み合わせて制御を行えば、正弦波の組み合わせの基準波形に対して追従制御可能である。つまり、基準波形が複数の正弦波の合成により表現されるときには、それぞれの正弦波に対して、実施の形態で述べた補償器を構成し、並列に接続すれば良い。この並列回路と同じ伝達関数を他の回路表現にしても、上述した効果が得られる。
以下、基準波形が複数の正弦波の合成により表現される場合の追従制御装置の例について具体的に説明する。以下は、三相の場合の基準波形であり、基準波形が「Ａｓｉｎωｔ＋（Ａ／６）×ｓｉｎ３ωｔ」であるとする。なお、「Ａ」は定数であり、「ω」は角周波数であり、「ｔ」は時間変数である。また、「Ａｓｉｎωｔ」は、「Ａ×（ｓｉｎ（ωｔ））」のことである。「ｓｉｎ３ωｔ」は、「ｓｉｎ（３ωｔ）」のことである。
この基準波形のうちの「Ａｓｉｎωｔ」に対応する補償器の伝達関数は、上述した通り「（ｋ２ｚ＋ｋ１）／（ｚ２−２ｚｃｏｓωＴ＋１）」である。また、基準波形のうちの「（Ａ／６）×ｓｉｎ３ωｔ」に対応する補償器の伝達関数は、「（ｋ４ｚ＋ｋ３）／（ｚ２−２ｚｃｏｓ３ωＴ＋１）」である。ここで、ｋ４とｋ３は定数である。また、ｚはｚ演算子である。「２ｚｃｏｓ３ωＴ＋１」は、「（２ｚ）×（ｃｏｓ（３ωＴ））」である。
そして、かかる場合の制御装置の構成を示すブロック図を図３に示す。図３によれば、「（ｋ２ｚ＋ｋ１）／（ｚ２−２ｚｃｏｓωＴ＋１）」の伝達関数を有する補償器と、「（ｋ４ｚ＋ｋ３）／（ｚ２−２ｚｃｏｓ３ωＴ＋１）」の伝達関数を有する補償器が並列に接続されている。
上記を一般化すれば、以下のようになる。つまり、ｎ個（ｎは２以上の整数）の正弦波の合成により構成される基準波形の追従デジタル制御装置を考える。このデジタル制御装置は、ｎ個の補償器を並列に接続し、ｎ個の補償器の入力は基準値から制御量を減算した信号であり、制御対象の入力がｎ個の補償器の出力の和からフィードバックゲインの出力を減算した信号であり、ｚ演算子をｚとし、ｋ１とｋ２を定数とすれば、基準波形を構成する任意の正弦波が「Ａｓｉｎｋωｔ」（Ａ、ｋは定数、ωは角周波数、ｔは時間変数）で表される場合、当該正弦波に対応する補償器の伝達関数が、（ｋ２ｚ＋ｋ１）／（ｚ２−２ｚｃｏｓ２ｋωＴ＋１）である。これを図示したのが、図４である。ここで、上記伝達関数を構成する「２ｚｃｏｓ２ｋωＴ」は「２×ｚ×（ｃｏｓ（２×ｋ×ω×Ｔ）」」である。なお、図３または図４に示すデジタル制御装置は、正弦波ＰＷＭインバータやコンバータの力率制御等に利用できる。従って、図３または図４に示すデジタル制御装置も、各種電子機器に応用可能である。電子機器とは、エアコン、洗濯機、冷蔵庫、インバータ駆動の車両（電車、自動車等）等である。つまり、図３または図４に示すデジタル制御装置およびデジタル制御方法は、エアコン・洗濯機・冷蔵庫の電源制御や、インバータ駆動の車両（電車、自動車等）等に広く利用できる。
また、図４の制御装置において、ｎ個の補償器が用いられている。しかし、補償器は１個以上であれば良い。つまり、図４のｎ個の補償器を任意に括り、全体として等価な伝達関数を有する１個以上の補償器に置き換えても良い。かかる場合、制御装置は以下の構成になる。制御装置は、補償器と制御対象とフィードバックゲインを有するｎ個（ｎは２以上の整数）の正弦波の合成により構成される基準波形の追従デジタル制御装置であって、１個以上の補償器を具備し、１個以上の補償器全体の伝達関数が、図４のｎ個の補償器全体の伝達関数と等価であることを特徴とするデジタル制御装置である。
また、本実施の形態において、正弦波または正弦波の組み合わせの基準波形に追従するデジタル制御装置について述べた。しかし、本実施の形態において述べたデジタル制御装置またはデジタル制御方法（図１または図３または図４に示すデジタル制御装置とデジタル制御方法）は、基準波形が正弦波と他の波形（正弦波でない）の組み合わせである場合も適用可能である。つまり、基準波形が正弦波と他の波形の組み合わせである場合に、正弦波にかかる部分の追従制御において、図１または図３または図４に示すデジタル制御装置とデジタル制御方法を利用するのである。そうすれば、簡単かつ高精度に基準波形に追従制御することができる。
さらに、本実施の形態において説明したデジタル制御装置の動作は、ソフトウェアで実現しても良い。そして、当該ソフトウェアを、例えば、サーバ上に置いて、ソフトウェアダウンロードにより当該ソフトウェアを配布しても良い。さらにソフトウェアをＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に記録して流布しても良い。具体的には、プログラムは、以下の構成をとり得る。当該プログラムは、補償器と制御対象とフィードバックゲインを有するデジタル制御装置を実現するためのプログラムであり、かつ、コンピュータに、正弦波の追従デジタル制御方法を実行させるためのプログラムであって、補償器の入力が基準値から制御量を減算した信号であり、制御対象の入力が前記補償器の出力からフィードバックゲインの出力を減算した信号であり、角周波数をω、サンプリング周期をＴ、ｚ演算子をｚとし、ｋ１とｋ２を定数とすれば、補償器の伝達関数が、（ｋ２ｚ＋ｋ１）／（ｚ２−２ｚｃｏｓωＴ＋１）である正弦波の追従デジタル制御方法を実行させるためのプログラムである。
また、プログラムは、以下の構成をとり得る。つまり、ｎ個の補償器と制御対象とフィードバックゲインを有するデジタル制御装置を実現するためのプログラムであり、かつ、コンピュータに、ｎ個（ｎは２以上の整数）の正弦波の合成により構成される基準波形の追従デジタル制御方法を実行させるためのプログラムであって、ｎ個の補償器を並列に接続し、ｎ個の補償器の入力が基準値から制御量を減算した信号であり、制御対象の入力がｎ個の補償器の出力の和から前記フィードバックゲインの出力を減算した信号であり、ｚ演算子をｚとし、ｋ１とｋ２を定数とすれば、基準波形を構成する任意の正弦波が「Ａｓｉｎｋωｔ」（Ａ、ｋは定数、ωは角周波数、ｔは時間変数）で表される場合、当該正弦波に対応する補償器の伝達関数が、（ｋ２ｚ＋ｋ１）／（ｚ２−２ｚｃｏｓ２ｋωＴ＋１）であるデジタル制御方法を実行させるためのプログラム。
また、プログラムは、以下の構成をとり得る。つまり、補償器と制御対象とフィードバックゲインを有するデジタル制御装置を実現するためのプログラムであり、かつ、コンピュータに、ｎ個（ｎは２以上の整数）の正弦波の合成により構成される基準波形の追従デジタル制御方法を実行させるためのプログラムであって、１個以上の補償器を具備し、１個以上の補償器全体の伝達関数が、図４のｎ個の補償器全体の伝達関数と等価であることを特徴とするデジタル制御方法を実行させるためのプログラム、である。
産業上の利用可能性
本発明は正弦波ＰＷＭインバータやコンバータの力率制御等のための正弦波追従デジタル制御装置等に関するもので、２次の補償器により、簡単かつ高精度に正弦波の基準波形に追従制御することができるものである。
【図面の簡単な説明】
図１は、実施の形態における制御装置の構成を示すブロック図である。
図２は、実施の形態における正弦波への追従制御を示すグラフである。
図３は、実施の形態における制御装置の構成を示すブロック図である。
図４は、実施の形態における制御装置の構成を示すブロック図である。
図５は、従来技術における制御装置の構成を示すブロック図である。
図６は、従来技術における制御装置の構成を示すブロック図である。
図７は、従来技術における正弦波への追従制御を示すグラフである。
図８は、従来技術における正弦波への追従制御を示すグラフの拡大図である。
図９は、従来技術における制御装置の構成を示すブロック図である。
図面の参照符号の一覧表
１１  制御装置
１１１  補償器
１１２  制御対象
１１３  フィードバックゲイン
１１１１  第一遅延器
１１１２  第二遅延器
１１１３  第一乗算器
１１１４  第二乗算器
１１１５  第三乗算器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2003077046.tif 000011
【国際調査報告】
2003077046.tif 000012
2003077046.tif 000013