(57)【要約】【課題】高精度が要求されるＡＤ変換器を用いた制御装置にあって、制御対象となる交流信号、または脈動成分を含んだ直流信号が入力される場合に、ＡＤ変換器による誤差を少なくすることで、高性能の制御を可能にする制御装置を提供する。【解決手段】デジタル演算器で基準となる交流信号を予め生成して、この交流信号の少なくともゼロ点（もしくは中間値）、最大値、最小値の３点をＤＡ変換し、この変換したアナログ値をＡＤ変換してデジタル演算器に入力させ、予め生成した基準となる交流信号との差分を検出して誤差の範囲を確定し、この基準となる交流信号との差分を考慮した交流信号を再現することにより、制御系の交流信号に対して誤差による差分を補正する。【選択図】図１
2015039105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象のアナログ信号をＡＤ変換した値に基づいて所定の制御演算を行う制御演算部を含むデジタル演算器と、
ＤＡ変換器と、
前記制御対象のアナログ信号および前記ＤＡ変換器からのアナログ信号を選択的に切り替える切替器と、
前記切替器で選択した前記アナログ信号のどちらかを入力としてＡＤ変換するＡＤ変換器と、
を備え、
前記デジタル演算器は、前記制御対象のアナログ信号に対して基準となる交流信号を生成する基準交流信号生成部と、前記ＡＤ変換器でＡＤ変換した値を入力として移動平均処理を施した上で交流信号を再現する交流信号再現部と、該再現した交流信号と前記基準となる交流信号との差分に基づいて補正値を演算する補正部とを設け、前記基準交流信号生成部により生成した前記基準となる交流信号を前記ＤＡ変換器によりＤＡ変換したアナログ信号を前記切替器による選択を介して前記ＡＤ変換器でＡＤ変換して前記交流信号再現部および前記補正部により前記補正値を演算し、前記制御対象のアナログ信号を前記切替器による選択を介して前記ＡＤ変換器でＡＤ変換した値を前記補正値により補正して前記制御演算部へ出力する
ことを特徴とするＡＤ変換器の補正機能を有する制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のＡＤ変換器の補正機能を有する制御装置であって、
前記基準となる交流信号として、該交流信号の最小値、中間値、最大値の３つの値を生成するものである
ことを特徴とするＡＤ変換器の補正機能を有する制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載のＡＤ変換器の補正機能を有する制御装置であって、
前記基準となる交流信号として、前記３つの値に加えて該交流信号の特定した位相角に応じたレベル値を間欠的に生成するものである
ことを特徴とするＡＤ変換器の補正機能を有する制御装置。
【請求項４】
請求項１に記載のＡＤ変換器の補正機能を有する制御装置であって、
前記基準となる交流信号として、該交流信号の全位相角に応じたレベル値を連続的に生成するものである
ことを特徴とするＡＤ変換器の補正機能を有する制御装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のＡＤ変換器の補正機能を有する制御装置であって、
制御対象のアナログ信号が、直流交流電力変換器の出力側交流電流または該変換器の入力側直流電圧もしくは直流電流に重畳する脈動成分である
ことを特徴とするＡＤ変換器の補正機能を有する制御装置。
【請求項６】
制御対象のアナログ信号をＡＤ変換した値に基づいて所定の制御演算を行う制御演算部を含み、
ＤＡ変換器と、
前記制御対象のアナログ信号および前記ＤＡ変換器からのアナログ信号を選択的に切り替える切替器と、
前記切替器で選択された前記アナログ信号のどちらかを入力としてＡＤ変換するＡＤ変換器と、
に接続される制御装置が有するＡＤ変換器の補正方法であって、
前記制御対象のアナログ信号に対して基準となる交流信号を生成する第１のステップと、
前記基準となる交流信号を前記ＤＡ変換器に入力しＤＡ変換したアナログ信号を前記切替器を切り替えて前記ＡＤ変換器に入力する第２のステップと、
前記第２のステップでＡＤ変換した値に対して移動平均処理を施す第３のステップと、
前記第３ステップで移動平均処理した値から交流信号を再現する第４のステップと、
前記第４のステップで再現した交流信号と前記第１のステップで生成した基準となる交流信号との差分を求めて補正値を演算する第５のステップと、
前記制御対象のアナログ信号を前記切替器を切り替えて前記ＡＤ変換器に入力する第６のステップと、
前記第６のステップでＡＤ変換した値を前記第５ステップで演算した補正値により補正して前記制御演算部へ入力する第７のステップと、
から構成されることを特徴とするＡＤ変換器の補正方法。
【請求項７】
請求項６に記載のＡＤ変換器の補正方法であって、
前記基準となる交流信号として、該交流信号の最小値、中間値、最大値の３つの値を生成するものである
ことを特徴とするＡＤ変換器の補正方法。
【請求項８】
請求項７に記載のＡＤ変換器の補正方法であって、
前記基準となる交流信号として、前記３つの値に加えて該交流信号の特定した位相角に応じたレベル値を間欠的に生成するものである
ことを特徴とするＡＤ変換器の補正方法。
【請求項９】
請求項６に記載のＡＤ変換器の補正方法であって、
前記基準となる交流信号として、該交流信号の全位相角に応じたレベル値を連続的に生成するものである
ことを特徴とするＡＤ変換器の補正方法。
【請求項１０】
請求項６から９のいずれかに記載のＡＤ変換器の補正方法であって、
制御対象のアナログ信号が、直流交流電力変換器の出力側交流電流または該変換器の入力側直流電圧もしくは直流電流に重畳する脈動成分である
ことを特徴とするＡＤ変換器の補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流信号、または直流信号に重畳する脈動成分を検出してＡＤ変換器で変換した後に演算する制御装置に関するもので、特に、可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）インバータにより交流電動機を駆動する電力変換器の制御装置に対して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
アナログ電圧信号を入力してデジタル値に変換する、いわゆるＡＤ変換器は、各種の測定装置や制御装置に採用されている。例えば、鉄道車両用電力変換器の制御装置においては、検出した電圧信号や電流信号に対してＡＤ変換器が用いられる。これらＡＤ変換した検出値は、制御を行うためのマイクロプロセッサ（以下、「ＣＰＵ」という）等に入力されるが、制御の高精度・高応答化の要求に伴い、このＡＤ変換に対しても高精度の検出が必要となる。
【０００３】
しかし、ＡＤ変換器は出力ビットによって分解能が決定されるもので、高精度が要求される場合には、１２ビットや１６ビットのＡＤ変換器を採用することも考えられるが、下位ビットの変換誤差を伴うためにコスト面等を考慮すると得策とはいえない。
【０００４】
このため、ＡＤ変換値の補正方式が提案されており、制御側からＤ０信号やＤＡ変換器を用いた方式で補正を行うものがあり、例えば、特開平０１−１５２３７１号公報に示されている。
【０００５】
しかしながら、この方式でも、ＡＤ変換器の前段に増幅回路を介することからその分の誤差が発生し、補正結果の値にも影響を及ぼす恐れがある。更に、比例的に増減する直流信号に対しては効果はあるが、交流信号、または直流信号に重畳した脈動成分だけを制御する場合のような両極性の信号に対しては対応できない面がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０１−１５２３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、高精度を要求されるＡＤ変換器を用いた制御装置にあって、制御対象となる交流信号、または脈動成分を含んだ直流信号が入力される場合に、ＡＤ変換器による誤差を少なくすることで、高性能の制御を可能にする制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、デジタル演算器で基準となる交流信号を予め生成して、この交流信号から少なくともゼロ点（もしくは中間値）、最大値、最小値の３点をＤＡ変換したアナログ値をＡＤ変換してデジタル演算器に入力させ、予め生成した基準となる交流信号との差分を検出して誤差の範囲を確定し、この基準となる交流信号との差分を考慮した交流信号を再現することにより、制御系の交流信号に対して誤差による差分を補正する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、制御対象となるアナログ信号をＡＤ変換する制御系に対して、ＡＤ変換器による誤差を補正することにより高精度のＡＤ変換値を得ることができ、制御系の性能向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の実施例としてＡＤ変換器の補正機能を有する制御装置の構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施例において、制御対象となる交流信号の波形を示す図である。
【図３】図３は、ＡＤ変換値の変換誤差の分布を説明するための正規分布図である。
【図４】図４は、ＡＤ変換値のビット割付けの例を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施例を鉄道車両用電力変換器の制御装置に適用した一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いてその実施例を説明する。
【実施例】
【００１２】
図１は、本発明の実施例に係る、ＡＤ変換器の変換値を補正する機能を有する制御装置の構成を示す図である。
図１において、１は、ＡＤ変換値を入力して制御を行うＣＰＵ等から成るデジタル演算器、２は、制御対象のアナログ入力信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器、３は、デジタル演算器１からのデジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換器、４は、デジタル演算器１に含まれるもので、ＡＤ変換された信号を元に制御のための演算処理をする制御演算部、１１は、アナログ入力信号を切替える切替器ＭＰＸである。
【００１３】
図１の実施例を適用する対象として、鉄道車両用電力変換器の制御装置に適用した場合の構成を図５に示す。
図５において、５０５はＩＧＢＴ等で構成されるインバータ装置で、架線５０１からパンタグラフ５０２を介して入力された直流電圧を交流電圧に変換して交流モータ５０６に印加する。架線５０１側の電流検出器５１２により検出した架線電流５１３、フィルタコンデンサＦＣの電圧検出器５１０により検出したフィルタコンデンサ電圧５１１、３相各相の電流検出器５１４、５１５、５１６により検出したモータ電流５１７等を、ＡＤ変換装置５０７を介して制御装置５０９に入力する。この制御装置５０９でインバータ装置５０５の電圧と周波数を連続的に制御するための演算処理をする。この演算出力は、ＰＷＭ発生器５０８でＰＷＭ信号に換算されインバータ装置５０５を制御する。
【００１４】
近年のインバータ駆動による鉄道車両では、交流モータの制御にベクトル制御を採用していることから、モータ電流の検出に高精度が要求されている。また、制御動作の安定を保つために、架線電流やフィルタコンデンサ電圧の脈動成分を検出してダンピング制御を行っており、この脈動成分の検出にも高精度が必要となる。
【００１５】
図１において、制御対象のアナログ信号が交流信号であるモータ電流を例として説明する。該当の制御対象のアナログ信号は、図示していないレベル変換手段を介して切替器ＭＰＸ１１のＩＮ１側に入力される。切替器ＭＰＸ１１のもう一方のＩＮ２側には、デジタル演算器１からの出力をＤＡ変換したアナログ信号が入力される。
【００１６】
切替器ＭＰＸ１１は、制御演算部４からの指令信号４０１によりＩＮ１側かＩＮ２側のアナログ入力信号を切り替えて、その信号を後段のＡＤ変換器２に入力する。ＡＤ変換器２によりＡＤ変換されたデジタル信号は、変換誤差を算出するために、デジタル演算器１の移動平均検出部１３に入力される。
【００１７】
ここにおいて、鉄道車両用電力変換器の制御装置では、逐次比較型のＡＤ変換器を使用することが多い。この逐次比較型のＡＤ変換器は、その構成上変換値に誤差を含み、例えば製品カタログには、「±１２ＬＳＢ」（ＬＳＢは最下位ビットの意味である）などと表されている。使用するＡＤ変換器のビット割付けにもよるが、１０ビットのＡＤ変換器を用いる場合、分解能は、２１０＝１０２４であることから、約０．１％の精度となり高精度に見える。
【００１８】
しかしながら、図４のように、上位（２１５ビット）からデータが順次格納される変換器の場合には、ＡＤ変換値のＬＳＢは２６ビットに対応する（図４で「＊」を付与した、２５ビット〜２０ビット）。このビットが誤差を持つため、高精度の制御を行うためにはこの誤差分を補正することが必要になる。
【００１９】
この誤差は±の値をもつので、移動平均処理を行うと、図３に示すような対称的な正規分布とはならないまでも誤差の分布が分かり、誤差の中心値を求めることが可能である。
【００２０】
そこで、ＡＤ変換器の補正（キャリブレーション）処理は、まず制御演算部４から補正指令信号４０１を切替器ＭＰＸ１１に出力し、切替器ＭＰＸ１１をされＮ２側に切替える。制御演算部４からの指令値４１により、基準交流信号生成部１２で、制御対象のアナログ信号に対して基準となる交流信号３１（以下、「基準交流信号３１」という）を生成する。この基準交流信号３１は、ＤＡ変換器３を介してアナログ信号に変換し、切替器ＭＰＸ１１のＩＮ２側に入力される。
【００２１】
ＡＤ変換器２の出力は移動平均処理部１３に入力されて、一定時間（Ｎ回のサンプリング）の移動平均処理を行う。これにより、前記したＡＤ変換器により生じる誤差分を求めることができる。ここで、移動平均処理での処理時間の影響について言及する。例えば、鉄道車両用電力変換器の制御装置において最も高速な処理は１００μｓ単位であるので、サンプリング回数ＮをＮ＝１０〜２０としても数ミリ秒程度となるが、制御装置の電源立上げから実際に制御動作を開始するまでに数分かかることを考慮すれば、移動平均処理での処理時間は全く問題にならない。
【００２２】
次に、この移動平均処理部１３には、基準交流信号生成部１２から交流信号の位相ゼロのタイミング信号１２１を入力するようにしているので、次段の交流信号再現部１４では、移動平均処理部１３で求めた誤差分を含んだ変換値から交流信号１４１を再現する。
【００２３】
この交流信号１４１と、基準交流信号生成部１２からの基準交流信号３１とを加算器１５に入力して、両者の誤差分Δ（Ａ／Ｄ）を誤差分演算部１６で演算することにより、制御対象のアナログ信号をＡＤ変換した際の補正値１６１を得る。
【００２４】
ここで、ＤＡ変換器３から出力するアナログ信号は交流信号であるから、少なくとも図２に示すように、ＬＯＷ（最小値）、ＭＩＤ（中間値）、ＭＡＸ（最大値）の３値があれば基本的な交流信号を生成できることになる。この理由は前述したように、デジタル演算器１の内部では、基準交流信号３１のゼロクロスと周期を自発的に決定しており、交流信号再現部１４では、これらのデータからＡＤ変換値を交流信号に復元可能だからである。更に、より高精度に補正（キャリブレーション）処理を行うのであれば、図２に示す四角マーク（「□」）のように、ＬＯＷ（最小値）、ＭＩＤ（中間値）、ＭＡＸ（最大値）の他に、位相３０度置きのデータも追加してＤＡ出力すればよい。
【００２５】
以上の補正（キャリブレーション）処理を終了後、制御対象のアナログ信号に対する実処理を行う時には、制御演算部４からの指令信号４０１により切替器ＭＰＸ１１の入力をＩＮ１側に切り替える。これにより、制御対象のアナログ信号をＡＤ変換した値２１と、先の補正（キャリブレーション）処理で演算した補正値１６１とを加算器１７に入力し、制御対象のアナログ信号を補正した結果の信号６を制御演算部４に入力する。
【００２６】
当然ながら、ＬＯＷ（最小値）、ＭＩＤ（中間値）、ＭＡＸ（最大値）の３値のＤＡ出力によって求めた補正値１６１は一定値となるが、位相３０度置きのデータ値も追加してＤＡ出力した場合に求めた補正値１６１は、位相ごとの補正値も含めて調整した値となり、より高精度な補正（キャリブレーション）処理が可能となる。
【００２７】
また、更に精度を上げるのであれば、より細かな位相ごとのデータを追加してＤＡ出力すればよく、最終的には基準交流信号３１の連続したデータ値の全て（全位相角に応じた値）をＤＡ出力することによる対処も可能である。ただし、処理するデータ量が増大することから、要求される精度とトレードオフにあるといえる。
【００２８】
そしてまた、制御対象のアナログ信号が三角波や矩形波のような場合には、基準交流信号発生部１２で基準となる三角波や矩形波を演算により生成すればよい。
【００２９】
なお、本実施例では、制御対象の入力アナログ信号が、交流信号である場合について説明したが、脈動成分を重畳した直流信号でも従来方式と同様の補正が可能である。
【００３０】
以上で説明したように、本実施例では制御対象の入力アナログ信号に対して高精度のＡＤ変換値を得ることができ、制御系の性能向上が図れる。特に、鉄道車両用電力変換器の制御に用いられるベクトル制御やダンピング制御のための制御装置においては、逐次比較型のＡＤ変換器を使用することが多いので、得られる作用効果は顕著である。
【符号の説明】
【００３１】
１  デジタル演算器
２  ＡＤ変換器
３  ＤＡ変換器
４  制御演算部
１１  切替器ＭＰＸ
１２  基準交流信号生成部
１３  移動平均処理部
１４  交流信号再現部
１５、１７  加算器
１６  誤差分演算部
５０１  架線
５０２  パンタグラフ
５０５  インバータ装置
５０６  モータ
５０７  ＡＤ変換装置
５０８  ＰＷＭ発生器
５０９  制御装置
５１０  電圧検出器
５１２、５１４、５１５、５１６  電流検出器
【図１】
2015039105.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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