(57)【要約】      （修正有）【課題】高精度の入力信号処理装置を有するインバータ装置およびその方法を提供する。【解決手段】入力電圧の電圧範囲を判定するため、アナログ入力電圧と電圧の閾値を比較するコンパレータユニット４０、あらかじめ決められた境界内に入力電圧を制限するため、ＤＣオフセット値を決定するＤＣオフセットユニット４６、入力電圧を、ＤＣオフセット値および固定ゲインに従ってレベルシフトおよび増幅する非反転加算器ユニット５０、デジタル数値を取得するアナログ・デジタル変換器ユニット５２、電圧範囲およびデジタル数値に従って入力アナログ電圧の原値を計算するマイクロコントローラユニット３００、アナログ入力電圧が負の値になる場合、その後の処理のため、絶対値およびアナログ入力電圧の極性を求める全波整流器ユニット４４および極性判定器ユニット４２を備える。【選択図】図４Ａ
2009194973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アナログ入力電圧信号を処理、および処理結果をインバータ装置に送信するインバータ装置用入力処理装置において、入力処理装置は、
アナログ入力電圧信号の電圧範囲を決定するため、アナログ入力電圧信号と少なくとも一つの閾値電圧の比較に適合する、コンパレータユニット、
電圧範囲に従ってアナログ入力電圧信号へのＤＣオフセット値の供給に適合する、ＤＣオフセットユニット、および、
アナログ入力電圧信号があらかじめ決められた境界内に調節され、そして次に非反転加算器ユニットが調節された電圧を固定ゲインで増幅するような、アナログ入力電圧信号とＤＣオフセット値の加算動作の実行に適合する、非反転加算器ユニット、
から構成される装置。
【請求項２】
装置はさらに、
アナログ入力電圧信号を受信し、およびアナログ入力電圧信号の極性を判定する、極性判定器ユニット、および、
アナログ入力電圧信号の絶対値を取得するためアナログ入力電圧信号を整流し、閾値電圧と比較するためコンパレータユニットに絶対値を提供する、全波整流器ユニット、
から構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
ＤＣオフセットユニットは、アナログ入力電圧信号をあらかじめ決められた境界に制限するＤＣオフセット値を供給する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
コンパレータユニットは複数のコンパレータから構成され、それぞれのコンパレータのうちの一つの入力はアナログ入力電圧信号を受信し、および他の一つの入力は対応する閾値を受信する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
ＤＣオフセットユニットは複数のトランジスタ、レジスタ、および増幅器から構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
アナログ入力電圧信号を処理するインバータ装置において、
アナログ入力電圧信号の電圧範囲を決定するため、アナログ入力電圧信号と少なくとも一つの閾値電圧の比較に適合する、コンパレータユニット、
電圧範囲に従ってアナログ入力電圧信号へのＤＣオフセット値の供給に適合するＤＣオフセットユニット、
アナログ入力電圧信号があらかじめ決められた境界内に調節され、そして次に非反転加算器ユニットが調節された電圧を固定ゲインで増幅するような、アナログ入力電圧信号とＤＣオフセット値の加算動作の実行に適合する非反転加算器ユニット、
非反転加算器ユニットに電気的接続され、およびデジタル数値を取得するため非反転加算器ユニットの出力にアナログ・デジタル変換を実行するアナログ・デジタル・コンバータユニット、および、
コンパレータユニットの電圧範囲、およびデジタル数値を受信してアナログ入力電圧信号を計算するマイクロコントローラユニット、
から構成される装置。
【請求項７】
装置はさらに、
アナログ入力電圧信号を受信し、およびアナログ入力電圧信号の極性を判定する、極性判定器ユニット、
アナログ入力電圧信号の絶対値を取得するためアナログ入力電圧信号を整流し、閾値電圧と比較するためコンパレータユニットに絶対値を提供する、全波整流器ユニット、
から構成される、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
ＤＣオフセットユニットは、絶対値をあらかじめ決められた境界に制限するためＤＣオフセット値を供給する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
マイクロコントローラユニットはさらに、アナログ入力電圧信号の原値を計算するため極性を受信する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
コンパレータユニットは複数のコンパレータから構成され、それぞれのコンパレータのうちの一つの入力はアナログ入力電圧信号を受信し、および他の一つの入力は対応する閾値を受信する、請求項６に記載の装置。
【請求項１１】
ＤＣオフセットユニットは複数のトランジスタ、レジスタ、および増幅器から構成される、請求項６に記載の装置。
【請求項１２】
インバータ装置のアナログ入力電圧信号を処理する方法として、
ａ）少なくとも一つの閾値の設定
ｂ）閾値に従ったアナログ入力電圧信号の電圧範囲の決定
ｃ）電圧範囲に従ったアナログ入力電圧信号のＤＣオフセット値の決定
ｄ）アナログ入力電圧信号への、あらかじめ決められた境界にレベル調整したアナログ入力電圧信号になるような加算動作を実行、およびレベル調節された電圧の固定ゲインによる増幅、および、
ｅ）デジタル数値を取得するための、増幅された電圧へのアナログ・デジタル変換の実行、
から構成される方法。
【請求項１３】
方法は更に、
デジタル数値および電圧範囲によるアナログ入力電圧信号の入力の原値の計算、
から構成される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
方法はさらに、
ステップｂ）以前のアナログ入力電圧信号の極性の決定、および
アナログ入力電圧信号の絶対値を取得するためのアナログ入力電圧信号の全波整流、
から構成される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
方法はさらに、
ｂ１）アナログ入力電圧信号の絶対値の電圧範囲の決定、および、
ｃ１）絶対値の電圧範囲に従った絶対値のレベル調節、
から構成される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
方法はさらに、
ｄ１）レベル調節された絶対値の増幅、および、
ｅ１）デジタル数値を取得するための、ステップｄ１）で取得された増幅された電圧へのアナログ・デジタル変換の実行、
から構成される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
ステップｄ）の増幅ゲインは１より大きい、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
ステップｄ）の増幅ゲインは２．５である、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ装置、特に入力信号処理装置を有する装置およびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータは直流（DC）電力を交流電流（AC）電力に変換するために使用される。従って、インバータは太陽熱発電装置、モータースクーター、無停電電源などに広く適用されている。インバータでは、電圧／周波（V／F）コントロールはモーターの様々なスピードコントロールを与えるために使用されており、その結果インバータは、エネルギー効率を上昇させるようにモーターの使用効果を促進するため、冷却、エアーコンディショニング装置、高速鉄道網、大量高速輸送システムに有利に適用されることが可能である。
【０００３】
図１は先行技術のインバータ装置のブロック図である。ホスト１０Aはアナログ入力／出力モジュール２０Aを通って、アナログ制御信号をインバータ３０Aに配信する。インバータ３０Ａは、アナログ制御信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器（図示せず）を含み、このデジタル信号は、マイクロコントローラユニット３００Ａによって処理されインバータ３０Ａを制御する。
【０００４】
現在、インバータは、アナログ入力電圧（−１０から１０ボルトの範囲のような）による出力電圧の周波のコントロールを与える。しかし、アナログ入力電力は比例増幅器を通って処理され、およびマイクロコントローラユニット３００Aのアナログ入力ピンに送られなければならない。一般的にいえば、マイクロコントローラユニット３００Aの作動電圧は＋５ボルトまたは＋３．３ボルトであり、ゆえに、比例ゲインは通常、１未満の固定値である。
【０００５】
図２は先行技術の、アナログ入力／出力モジュールのアナログ入力信号を処理する回路図である。アナログ入力電圧信号ＶAI (−１０ボルト から１０ボルト)は、固定比例ゲイン値Ｐ（Ｐ＝０．２５）で非反転増幅器２２Ａを通って、比例電圧−２．５Ｖから＋２．５Ｖに比例的に伝送され、および伝送された電圧は、その電圧を０〜＋５Ｖに留める２．５Ｖ ＤＣオフセットを提供するＤＣオフセットユニット２３Ａに送られる。固定された電圧はマイクロコントローラユニット３００Ａのアナログ入力ピンに送られ、およびアナログ・デジタル・コンバータユニット２４Ａによってアナログからデジタルに変換される。
【０００６】
図3は図２の回路によって実行された変換結果を示す。このアナログ入力電圧信号は解像度１０ビットのデジタル数値に変換される。アナログ・デジタル・コンバータユニット２４Ａの最下位ビット（ＬＳＢ）の電圧変化は、その基準電圧（ＶＲＥＦ）が５．１２ボルトのとき、５ミリボルト（ｍＶ）である（式１参照）。アナログ・デジタル・コンバータユニット２４Ａのエラーが±３ＬＳＢになる場合は、マイクロコントローラユニット３００Ａによって取得されたデジタル数値Ｎは、アナログ入力電圧信号が１．００ボルトのとき、５５０±３である（式２参照）。
【０００７】
ＬＳＢ幅は５ｍＶ：
【０００８】
【数１】
2009194973.tif 000003
デジタル数値Ｎは計算される：
【０００９】
【数２】
2009194973.tif 000004
したがって、アナログ入力電圧信号ＶＡＩはデジタル数値Ｎから反比例して計算されることが可能である：
【００１０】
【数３】
2009194973.tif 000005
【００１１】
マイクロコントローラユニット３００Ａによって取得されたデジタル数値Ｎが５５０のとき、アナログ入力電圧信号は１±０．０７ボルトである。マイクロコントローラユニット３００Ａのエラーは、固定比例ゲイン値Ｐ（Ｐ＝０．２５＜１）により増幅され、従って、最大のエラーは０．０７ボルトになる。エラー率はアナログ入力電圧が低いときに上昇する。言い換えれば、アナログ入力電圧がより低いとき、マイクロコントローラユニット３００Ａは正確にコントロールされることができないため、精度が減少する。
【００１２】
表１は、アナログ入力電圧が減少するとき、マイクロコントローラユニット３００Ａの精度が徐々に減少するのを示す。
【００１３】
アナログ入力電圧信号評価のマイクロコントローラのエラー率および精度
【００１４】
【表１】
2009194973.tif 000006
【発明の開示】
【００１５】
本発明の目的は、高精度の入力信号処理装置を有するインバータ装置およびその方法を提供することである。
【００１６】
従って、本発明は入力信号処理装置を有するインバータ装置を提供する。インバータ装置は、コンパレータユニット、非反転加算器ユニット、ＤＣオフセットユニット、アナログ・デジタル・コンバータ（ＡＤＣ）およびマイクロコントローラユニットを含む。コンパレータユニットは、入力アナログ電圧の電圧範囲を判定するため、入力アナログ電圧と少なくとも一つの電圧の閾値を比較する。ＤＣオフセットユニットは、あらかじめ決められた境界内での入力アナログ電圧を制限するため、ＤＣオフセット値を決定する。入力電圧は非反転加算器ユニットによって、ＤＣオフセット値および固定ゲインに従ってレベルシフトおよび増幅され、そして次に、デジタル数値を得るためＡＤＣにより処理される。マイクロコントローラユニットは、電圧範囲およびデジタル数値に従って入力アナログ電圧の原値を計算する。アナログ入力電圧が負の値になり得る場合、全波整流器ユニットおよび極性判定器ユニットはその後の処理のため、アナログ入力電圧の絶対値および極性を求めるのに使用される。マイクロコントローラユニットは回路を単純化するため、極性および入力アナログ電圧の絶対値をもとにした情報に従って、入力アナログ電圧の原値を計算する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図４Ａは本発明による、高精度の入力ゲイン装置を有するインバータ装置の好適な実施例のブロック図である。アナログ入力電圧信号ＶＡＩは様々なゲインユニットによって増幅され、およびアナログ・デジタル・コンバータによって処理される。マイクロコントローラユニット３００は、アナログ入力電圧信号ＶＡＩの原値を正確に判断するために、デジタル数値Ｎ（デジタル数値Ｎは固定ゲイン増幅、ＤＣオフセット調節、およびアナログ・デジタル変換後に、アナログ入力電圧信号VAから推定される）、表示信号Ｘｉｎ、および極性信号Ｐｉｎを受信する。インバータ装置はさらに、コンパレータユニット４０、極性判定器ユニット４２、精密全波整流器ユニット４４、ＤＣオフセットユニット４６、非反転加算器ユニット５０およびアナログ・デジタル・コンバータユニット５２から構成される。
【００１８】
極性判定器ユニット４２は入力電圧信号ＶＡＩを受信し、およびアナログ入力電圧信号ＶＡＩの極性を判定する。極性判定器ユニット４２はアナログ入力電圧信号ＶＡＩの極性を表示するため、極性信号ＰｉｎをＭＣＵ３００に送る。
【００１９】
全波整流器ユニット４４はアナログ入力電圧信号ＶＡＩを受信し、およびアナログ入力電圧信号ＶＡＩを絶対値電圧｜ＶＡＩ｜に整流する。コンパレータユニット４０は絶対値電圧と少なくとも一つの閾値電圧を、絶対値電圧の電圧範囲を決定するために比較する。コンパレータユニット４０は電圧範囲の情報をＤＣオフセット４６に送り、および絶対値電圧の電圧範囲を表示するため表示信号ＸｉｎをＭＣＵ３００に出力する。
【００２０】
ＤＣオフセットユニット４６は、コンパレータユニット４０から出力された絶対値電圧の電圧範囲に従って、ＤＣオフセット値を生成する。ＤＣオフセット値は、例として、０−２Ｖなど、絶対値電圧をあらかじめ決められた境界に制限するために使用される。絶対値電圧が２−４Ｖの電圧範囲で提供される場合は、ＤＣオフセット値は−２Ｖ、絶対値電圧が６−８Ｖの電圧範囲で提供される場合は、ＤＣオフセット値は−６Ｖである。
【００２１】
非反転加算器ユニット５０は、非反転加算器および固定ゲインを有する増幅器から構成される。非反転加算器ユニット５０は、レベル調節された絶対値電圧があらかじめ決められた境界（０−２Ｖ）内になるよう、ＤＣオフセット値に従って絶対値電圧のレベルを調節する。レベル調節された絶対値電圧はその後、固定ゲイン（例：Ｐ＝２．５）を有する増幅器によって増幅される。レベル調節および増幅された絶対値電圧は、アナログ・デジタル・コンバータユニット５２によって、デジタル数値Ｎを生成するために処理される。デジタル数値Ｎは処理のためＭＣＵ３００に送られる。
【００２２】
図４Ｂは本発明の他の好適な実施例による高精度入力信号処理装置を有するインバータ装置のブロック図を示す。入力電圧信号ＶＡＩが常に陽性である場合、極性判定器ユニット４３および精密全波整流器ユニット４４は保存されることが可能である。コンパレータユニット４０はアナログ入力電圧信号ＶＡＩの電圧範囲を決定するために、入力電圧信号ＶＡＩと少なくとも一つの閾値電圧を比較する。コンパレータユニット４０は電圧範囲の情報をＤＣオフセットユニット４６に送り、およびアナログ入力電圧信号ＶＡＩの電圧範囲を表示するため、表示信号ＸｉｎをＭＣＵ３００に出力する。ＤＣオフセットユニット４６は、コンパレータユニット４０から出力されたアナログ入力電圧信号ＶＡＩの電圧範囲に従って、ＤＣオフセット値を生成する。ＤＣオフセット値は、アナログ入力電圧信号ＶＡＩを例えば０−２Ｖなど、あらかじめ決められた境界に制限するため、アナログ入力電圧信号ＶＡＩのレベルを調節するのに使用される。非反転加算器ユニット５０は、非反転加算器および固定ゲインを有する増幅器から構成される。非反転加算器ユニット５０は、レベル調節された電圧があらかじめ決められた境界（０−２Ｖ）内になるよう、ＤＣオフセット値に従ってアナログ入力電圧信号ＶＡＩのレベルを調節する。レベル調節された電圧はその後、固定ゲイン（例：Ｐ＝２．５）を有する増幅器によって増幅される。レベル調節および増幅された電圧は、アナログ・デジタル・コンバータユニット５２によって、デジタル数値Ｎを生成するために処理される。デジタル数値Ｎは処理のためＭＣＵ３００に送られる。
【００２３】
図５は、図４Ａに示される入力処理装置によって変換アナログ電圧信号をデジタル数値Ｎに変換した、変換結果である。全波整流器ユニット４４は入力電圧信号ＶＡＩの絶対値を取る。従って、入力電圧信号ＶＡＩの陽性部（０〜＋１０Ｖ）および入力電圧信号ＶＡＩの陰性部（−１０Ｖ〜０Ｖ）が対称観点によって処理されることが可能であることは、充分に考えられる。追随する図で、陽性側の半分の電圧振幅は４つの閾値電圧（２Ｖ，  ４Ｖ，  ６Ｖ，  ８Ｖ）によって５つの電圧範囲（０−２，  ２−４，  ４−６，  ６−８，  ８−１０Ｖ ）に分けられ、およびデジタル数値Ｎは１０ビット値（０−１０２３）によって表される。アナログ入力電圧信号ＶＡＩの電圧範囲が０〜＋２Ｖである場合は、増幅ゲインは２．５であり、ＤＣオフセットは必要ない。アナログ入力電圧信号ＶＡＩの電圧範囲が＋２Ｖ〜＋４Ｖである場合は、ＤＣオフセットユニット４６によって供給されるＤＣオフセット値は−２Ｖである。
【００２４】
非反転加算器ユニット５０は初めに、ＤＣオフセットとともにレベル調整された電圧が０〜２Ｖ（あらかじめ決められた境界内）になるよう、アナログ入力電圧信号ＶＡＩの加算動作を実行する。増幅ゲインはやはり２．５である。言い換えれば、解像度は１０倍改良され、およびＭＣＵの入力電圧信号ＶＡＩを検出する精度は改良される。より具体的に、１ＬＳＢの解像度は２０ｍＶから２ｍＶに改良される。ＭＣＵ３００がアナログ・デジタル・コンバータユニット５２からデジタル数値Ｎ５００を受信する場合、アナログ入力電圧信号ＶＡＩの可能な原値は、−９Ｖ，−７Ｖ．．＋７Ｖ，＋９Ｖの範囲の一つになり得る。ＭＣＵ３００は極性信号Ｐｉｎから入力電圧信号ＶＡＩの極性を識別し、および指示信号Ｘｉｎによって入力電圧信号ＶＡＩの電圧範囲を識別する。従って、ＭＣＵ３００はアナログ入力電圧信号ＶＡＩの原値を正確に評価することが可能である。
【００２５】
図６は図４Ａの入力処理装置を有するインバータ装置を実装するための回路図である。全波整流器ユニット４４は増幅器Ｕ１ＡおよびＵ１Ｂ、および整流ダイオードによって認識されることが可能である。コンパレータユニット４０は、例えば絶対電圧｜ＶＡＩ｜とあらかじめ決められた閾値電圧を比較して、指示信号Ｘｉｎ（この図では信号Ｉ／Ｏ２〜Ｉ／Ｏ５が示される）を生成する、コンパレータＩＣＫＭ２３９などに認識されることが可能である。極性判定器ユニット４２はコンパレータ（ＬＭ３１１）によって実装され、および極性信号Ｐｉｎ（この図では信号Ｉ／Ｏ１が示される）を生成することが可能である。ＤＣオフセットユニット４６は、４つのＰＮＰトランジスタ（Ｑ１〜Ｑ４）およびインピーダンス適合レジスタおよび増幅器Ｕ１Ｃによって実装されることが可能である。４つのＰＮＰトランジスタ（Ｑ１〜Ｑ４）は、コンパレータユニット４０の出力によってコントロールされる。非反転加算器ユニット５０は増幅器Ｕ１Ｄおよびインピーダンス適合レジスタによって実装される。
【００２６】
表２は、本発明による入力処理装置を有するインバータ装置の動作結果である。表中のエラーは±３ＬＳＢであると仮定される。
【００２７】
アナログ入力電圧信号評価のマイクロコントローラのエラー率および精度
【００２８】
【表２】
2009194973.tif 000007
【００２９】
前記から判断すると、本発明は以下の利点を有するということになる。
１．ＭＣＵの解像度が１０倍改良される。        
２．小さいアナログ入力電圧信号評価の精度が上昇する。
３．外部のアナログ信号によるコントロール精度が改良される。
４．ファームウェアフィルタリングの効率が改良される。
５．回路構造は容易な実装のため簡易である。
６．柔軟性のある回路設計。
７．広い範囲の適用が提供され、および全波整流器はアナログ入力電圧信号が０〜１０Ｖの範囲のときに保存されることが可能である。
【００３０】
本発明は好適な実施例の参照とともに記述されたが、本発明はその詳細を制限するものでないことが理解されるであろう。前記説明で様々な代替および変更は提案されており、および他の提案は同業者によってなされ得る。従って、すべてのそのような代替および変更は、添付の特許請求の範囲に定められた本発明の範囲内で容認されることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
新規であると考えられる本発明の特徴は、添付の特許請求に具体的に定められている。しかし本発明そのものは、本発明の特定の実施例を付随する図と併せて追随する本発明の詳細な説明を参照することにより、最良に理解され得る。
【００３２】
【図１】先行技術のインバータ装置のブロック図である。
【図２】先行技術のアナログ入力／出力モジュールのアナログ入力信号を処理する回路図である。
【図３】図２の回路により実行された変換結果を示し、そのアナログ入力電圧信号は解像度１０ビットでデジタル数値に変換される。
【図４Ａ】本発明による高精度の入力ゲイン装置を有するインバータ装置の、好適な実施例のブロック図である。
【図４Ｂ】本発明の他の好適な実施例による、高精度の入力信号処理装置を有するインバータ装置のブロック図である。
【図５】図４Ａに示される入力処理装置によって、アナログ入力電圧信号をデジタル数値Ｎに変換した変換結果である。
【図６】図４Ａの入力処理装置を有するインバータ装置を実装するための回路図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０Ａ  ホスト
２０Ａ  アナログ入力／出力モジュール
３０Ａ  インバータ
３００Ａ  マイクロコントローラユニット
２１Ａ  アナログ入力電圧
２２Ａ  非反転増幅器
２３Ａ  ＤＣオフセットユニット
２４Ａ  アナログ・デジタル・コンバータユニット
２１  アナログ入力電圧
４０  コンパレータユニット
４４  全波整流器ユニット
４６  ＤＣオフセットユニット
５０  非反転加算器ユニット
５２  アナログ・デジタル・コンバータユニット
３００  マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）
Ｉ／Ｏ１  極性信号Ｐｉｎ
Ｉ／Ｏ２，Ｉ／Ｏ３，Ｉ／Ｏ４，Ｉ／Ｏ５  指示信号Ｘｉｎ
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４  ＰＮＰトランジスタ
Ｕ１Ａ，Ｕ１Ｂ，Ｕ１Ｃ，Ｕ１Ｄ増幅器
【図１】
2009194973.tif 000008
【図２】
2009194973.tif 000009
【図３】
2009194973.tif 000010
【図４Ａ】
2009194973.tif 000011
【図４Ｂ】
2009194973.tif 000012
【図５】
2009194973.tif 000013
【図６】
2009194973.tif 000014