(57)【要約】【課題】  簡単な制御で目標の正弦波信号を発生させることができる正弦波信号発生装置を提供する。【解決手段】  目標正弦波信号を発生させる正弦波信号発生装置が、目標正弦波信号の周期と同一の周期の方形波信号を生成する方形波信号生成手段と、その方形波信号生成手段によって生成される方形波信号を積分して積分波形信号を出力するＲＣ積分回路３０と、そのＲＣ積分回路から出力される積分波形信号の直線状部分が目標正弦波信号の直線状部分として利用可能な位相範囲においては積分波形信号をそのまま出力させる一方、その位相範囲以外の位相範囲においては積分波形信号を整形して出力させることにより、目標正弦波信号を得る制御手段２０と、を具備するように構成される。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標正弦波信号を発生させる正弦波信号発生装置であって、
該目標正弦波信号の周期と同一の周期の方形波信号を生成する方形波信号生成手段と、
前記方形波信号生成手段によって生成される方形波信号を積分して積分波形信号を出力するＲＣ積分回路と、
前記ＲＣ積分回路から出力される積分波形信号の直線状部分が該目標正弦波信号の直線状部分として利用可能な位相範囲においては該積分波形信号をそのまま出力させる一方、該位相範囲以外の位相範囲においては該積分波形信号を整形して出力させることにより、該目標正弦波信号を得る制御手段と、
を具備することを特徴とする正弦波信号発生装置。
【請求項２】
前記制御手段は、該積分波形信号の一部をオン／オフすることによって該積分波形信号を整形する、請求項１に記載の正弦波信号発生装置。
【請求項３】
前記制御手段は、予め該方形波信号の一部をオン／オフすることによって該積分波形信号を整形する、請求項１に記載の正弦波信号発生装置。
【請求項４】
前記制御手段は、更に、該方形波信号をオン／オフすることによって前記ＲＣ積分回路の時定数を見かけ上変更する制御を行う、請求項１に記載の正弦波信号発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、目標の正弦波信号を発生させる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）が、電圧型インバータの出力電圧の制御等に、広く利用されている。ＰＷＭでは、電力変換回路内のトランジスタのオン及びオフの時間比率を変えることにより、平均的に出力電圧を変えることができ、さらに、１周期内の平均電圧を少しずつ変えることにより、等価的に正弦波電圧を出力することができる。
【０００３】
最近のＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）では、ＰＷＭモジュールを搭載している機種が多く存在する。図１は、ＰＷＭモジュールを含む回路の構成例を示す図であり、図２は、当該回路の動作を説明するためのタイムチャートである。この回路では、時間Ｔnがセットされていたベースタイマが０になると、第一レジスタから次の値Ｔn+1がベースタイマにセットされ、それと同時に、時間ｔnがセットされたＯＮタイマがスタートする。ＯＮタイマが０になると、第二レジスタから次の値ｔn+1がＯＮタイマにセットされる。かくして、周期Ｔnが経過すると幅ｔnのパルスが出力される。なお、Ｔnとしては、一般に固定した時間が使用される。
【０００４】
制御部は、テーブルを参照して、適宜、第一レジスタ及び第二レジスタに値を書き込むだけでよく、後は、ＰＷＭモジュールがＰＷＭ信号を発生させる。そのため、制御部の稼働率は低くなり、制御部は他の制御に多くの時間を割り当てることができる。しかしながら、正弦波を発生させる場合には、値が常に変化するため、制御部は第二レジスタに毎回データを書き込む必要があり、制御部の稼働率が高くなる。
【０００５】
なお、正弦波信号発生装置に関する先行技術文献として、下記特許文献１は、正弦波状出力電圧を得るインバータにおいて、半波波形の中央６０度の位相区間においてキャリア信号による指令信号の変調を行わず、その両側各６０度の位相区間に置いて変調を行うようにした、三相電圧型インバータのパルス幅変調方法を開示している。
【０００６】
また、下記特許文献２は、前回演算された基準電圧指令と今回演算された基準電圧指令とを直線近似して補間電圧指令を生成する、ＰＷＭパルスの発生方法を開示している。また、下記特許文献３は、外部から与えられる周波数指令に応じた正弦波を発生させ、この正弦波を９０度位相遅延させて積分波形を求め、この積分波形における積分値の経時差分を所定のパルス周期毎に求め、この経時差分に基づいて、ＰＷＭ波形信号のパルス幅を演算するパルス幅変調信号発生装置を開示している。
【０００７】
【特許文献１】特公平８−８７７９号公報
【特許文献２】特開２００１−１９７７２５号公報
【特許文献３】特開２００４−３６４４０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な制御で目標の正弦波信号を発生させることができる正弦波信号発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明によれば、目標正弦波信号を発生させる正弦波信号発生装置であって、該目標正弦波信号の周期と同一の周期の方形波信号を生成する方形波信号生成手段と、前記方形波信号生成手段によって生成される方形波信号を積分して積分波形信号を出力するＲＣ積分回路と、前記ＲＣ積分回路から出力される積分波形信号の直線状部分が該目標正弦波信号の直線状部分として利用可能な位相範囲においては該積分波形信号をそのまま出力させる一方、該位相範囲以外の位相範囲においては該積分波形信号を整形して出力させることにより、該目標正弦波信号を得る制御手段と、を具備することを特徴とする正弦波信号発生装置が提供される。
【００１０】
一つの好適な態様では、前記制御手段は、該積分波形信号の一部をオン／オフすることによって該積分波形信号を整形する。
【００１１】
一つの好適な態様では、前記制御手段は、予め該方形波信号の一部をオン／オフすることによって該積分波形信号を整形する。
【００１２】
尚、一つの好適な態様では、得られた目標正弦波信号を増幅する増幅手段を更に具備する。
【００１３】
一つの好適な態様では、前記制御手段は、更に、該方形波信号をオン／オフすることによって前記ＲＣ積分回路の時定数を見かけ上変更する制御を行う。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による正弦波信号発生装置にあっては、従来技術に比較して、多くの制御を必要とすることなく、目標の正弦波信号を発生させることができるため、制御部は、他の制御に多くの時間を割り振ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図３は、本発明による正弦波信号発生装置の一実施形態を示す図である。同図に示されるように、この正弦波信号発生装置は、制御部２０、ＲＣ積分回路３０、バッファ回路４０、スイッチ回路５０及び増幅回路６０を備えている。
【００１６】
制御部２０は、マイクロコンピュータからなり、後述するように、デューティ比５０％の方形パルス列からなる方形波信号と、スイッチ回路５０をオン／オフする制御信号と、を出力する。また、ＲＣ積分回路３０は、抵抗値Ｒの抵抗器と容量Ｃのキャパシタとからなり、制御部２０から出力される方形波信号を積分する。
【００１７】
また、バッファ回路４０は、演算増幅器（オペアンプ）を用いて高入力インピーダンス及び低出力インピーダンスを実現するボルテージフォロワ回路であり、ＲＣ積分回路３０から出力される積分波形信号電圧と同一の信号電圧を出力する。スイッチ５０は、制御部２０からの制御信号に従って、バッファ回路４０からの積分波形信号電圧をオン／オフする。増幅回路６０は、スイッチ５０の出力信号電圧を増幅する。
【００１８】
次に、図３に示される正弦波信号発生装置の動作について、図４のタイムチャートを参照しつつ説明する。図３の正弦波信号発生装置は、目標とする正弦波信号を発生させるものであり、まず、制御部２０は、図４に示されるように、目標正弦波信号の周期Ｔと同一の周期の方形波信号（デューティ比５０％の方形パルス列）を出力する。
【００１９】
この方形波信号は、ＲＣ積分回路３０に入力される。ここで、本実施形態においては、ＲＣ積分回路３０の時定数τ（＝ＲＣ）は、目標正弦波信号の周期Ｔ（＝方形波信号の周期）と一致するように調整されており、周期Ｔとの関係において大きな値を持つ。そのため、ＲＣ積分回路３０が出力する積分波形信号は、三角波に近い形を有する。次いで、ＲＣ積分回路３０の出力はバッファ回路４０を通されるが、その波形は変化しない。
【００２０】
後述するように、バッファ回路４０から出力される積分波形信号の直線状部分が目標正弦波の直線状部分として利用可能な位相範囲が存在する。そこで、制御部２０は、その位相範囲においては積分波形信号をそのまま出力させる一方、それ以外の位相範囲においては積分波形信号を整形して出力させることにより、目標正弦波信号を得る。
【００２１】
この整形は、図４に示されるように、スイッチ回路５０への制御信号をオン／オフして積分波形信号をオン／オフさせることによってなされる。すなわち、積分波形信号を目標正弦波信号として利用することができない位相範囲については、ＰＷＭ制御を実行すべく、信号をオン／オフさせて平均値を下げることにより、平均値として目標正弦波に近づける。
【００２２】
そして、スイッチ回路５０から出力される目標正弦波信号は、その振幅が調節されるように、増幅回路６０において増幅される。
【００２３】
次に、積分波形信号の直線状部分が目標正弦波信号の直線状部分として利用可能な位相範囲、すなわち制御部２０が積分波形信号を整形する必要のない位相範囲がどのように決定されるかについて説明する。
【００２４】
最初に、目標正弦波について検討する。説明が簡単なように、８ビット（−１２８〜１２７）で計算をする。Ａ＝振幅＊ｓｉｎθとおき、θを１°きざみとしてＡを求める。Ａを四捨五入して整数に直すと、桁上がり、桁下がりが起こるので、振幅を１２７→１２６→１２５・・・と変化させ、最も、桁上がり、桁下がりがなく、差分が一定値で連続する条件を求める。その結果を、図５に示す。
【００２５】
振幅（１）〜（１１）が抜粋で、四角で囲まれた領域が、差分がほぼ一定値で連続する範囲である。（８）の１１７のときに、−２４°〜＋２４°の位相範囲で差分が一定となり、最大の範囲が得られる。ちなみに、図５の右下に示されるように、９０°付近で一定値が連続するのは、（１１）のときでも、８５°〜９５°の範囲であり、上記の−２４°〜＋２４°の範囲より小さい。このように、８ビット精度の正弦波においては、平坦な領域は１０°の幅しかないのに対し、傾きが一定な領域は４８°の幅がある。
【００２６】
次に、積分波形について検討する。パルス電圧をＰとおくと、積分波形は、
Ｂ＝Ｐ［１−ｅｘｐ（−ｔ／τ）］
ここで、ｔ＝経過時間
τ＝ＲＣ＝時定数
とおき、Ｂを計算することで求められる。そして、等価的に、ｔ／τ＝角度／３６０°とおく。
【００２７】
電圧Ｐを２５５→２５６→２５７・・・と増やして行き、一定の値が長く連続する（正弦波の条件より、差分として２が連続する）条件を求めた結果を、図６に示す。ただし、積分波形は、無限大（∞）まで続くのではなく、１８０°で終了するので、パルス電圧Ｐが三角波の振幅となることはない。
【００２８】
図６に示されるように、１８０°のときの振幅、すなわち
Ｂ＝Ｐ［１−ｅｘｐ（−１８０／３６０）］
を求めて、その１／２付近で、一定の値が連続する条件を求める。すると、（８）が最適な条件として得られる。このとき、パルスのピーク電圧Ｐは８８２で、１８０°における振幅は、
Ｂ＝８８２［１−ｅｘｐ（−１８０／３６０）］
＝８８２（１−０．６０６）
＝３４７
となり、５９°〜９７°の範囲（３８°の幅）で差分値としてほぼ２が連続する。積分波形（三角波に近似する）の直線状領域を正弦波の直線状領域として採用するために、三角波（パルス）の７８°〜７９°が正弦波の０°に相当するようにする。そのため、位相が７８°〜７９°遅れる。
【００２９】
また、実際には、８８２−１７３＝７０９が２．５［Ｖ］に相当するので、正弦波のピーク電圧は（２．５／７０９）×１１７＝０．４１［Ｖ］で、ピーク・トゥ・ピーク（Peak to Peak）が０．８２［Ｖ］、実効値が、０．２９［Ｖ］となる。したがって、０〜５［Ｖ］の信号から、約０．３［Ｖ］の正弦波しか取り出すことができない。そこで、必要に応じて増幅回路６０において信号が増幅される。
【００３０】
従来のＰＷＭ制御のように、正弦波の山と谷で、デューティ比をそれぞれ１００％と０％とする方式では、山と谷の平坦部の６％（１８０°中の１０°の範囲）しか制御部の空き時間を取ることができない。一方、本発明のように、三角波と近似することができる領域（傾きが一定の区間）で空き時間を作るようにすれば、制御部は２１％（１８０°中の３８°の範囲）の時間を他の制御に当てることができる。
【００３１】
図７は、本発明の他の実施形態について説明するための図である。図３に示される実施形態では、積分波形信号を目標正弦波信号として利用することができない位相範囲において、積分波形信号をオン／オフさせてＰＷＭ制御により平均値を下げることで、平均値として目標正弦波に近づけていた。
【００３２】
しかし、他の実施形態においては、図７に示されるようなＡＮＤ回路を制御部２０に設け、正弦波とのズレが大きくなる位相範囲で、予め方形波信号をオン／オフすることによって方形波信号の平均値を下げてから方形波信号をＲＣ積分回路３０に出力し、その結果として積分波形信号を整形するようにしても同一の効果を得ることができる。
【００３３】
図８は、ＲＣ積分回路の時定数を見かけ上変更する方法について説明するための図である。前述の実施形態では、目標正弦波信号の周期と同一の周期の方形波信号を加工するようにしており、ＲＣ積分回路３０の時定数τ（＝ＲＣ）は方形波信号の周期と一致するように調整されていたが、目標正弦波信号が変わるたびにＲＣ積分回路３０の時定数τ（＝ＲＣ）を調整することは煩雑となる。
【００３４】
そこで、図８に示されるようなＡＮＤ回路を制御部２０に設け、方形波信号をオン／オフすることによって方形波信号の平均値を下げてから方形波信号をＲＣ積分回路３０に出力するようにすれば、コンデンサの充電電流を制御することが可能となり、ＲＣ積分回路３０の抵抗Ｒを大きな値に見せかけることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】ＰＷＭモジュールを含む回路の構成例を示す図である。
【図２】図１に示される回路の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図３】本発明による正弦波信号発生装置の一実施形態を示す図である。
【図４】図３に示される正弦波信号発生装置の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図５】振幅を変化させ、各振幅について角度（位相）と正弦波の値との関係を示す図である。
【図６】振幅を変化させ、各振幅について角度（時間／時定数＝角度／３６０°とおく）と積分波形の値との関係を示す図である。
【図７】本発明の他の実施形態について説明するための図である。
【図８】ＲＣ積分回路の時定数を見かけ上変更する方法について説明するための図である。
【符号の説明】
【００３６】
２０    制御部
３０    ＲＣ積分回路
４０    バッファ回路
５０    スイッチ回路
６０    増幅回路
【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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