(57)【要約】      （修正有）【課題】可変入力ゲイン装置を備えるインバータシステムおよびその方法を提供する。【解決手段】インバータシステムは、アナログ入力電圧信号２１を受信し閾値電圧と比較してアナログ入力電圧信号の電圧範囲を決定するコンパレータユニット４０と、アナログ入力電圧信号２１を増幅する増幅ユニット２２と、アナログ入力電圧信号の電圧範囲に従って増幅ユニットの電圧ゲインを調整するフィードバック制御ゲインユニット４２、アナログデジタル変換器ユニット２４と、指示信号Ｘｉｎを出力する指示信号出力ユニット４４と、アナログデジタル変換器ユニットから出力されるデジタルカウントＮと指示信号Ｘｉｎを受信して、アナログ入力電圧信号の元の値を正確に算出するマイクロコントローラユニット３００を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アナログ入力電圧信号を処理し前記処理された信号をインバータシステムに伝送する、前記インバータシステムの可変入力ゲイン装置であって、
前記アナログ入力電圧信号を受信し、少なくとも１つの閾値電圧と比較して前記アナログ入力電圧信号の電圧範囲を決定するコンパレータユニットと、
前記アナログ入力電圧信号を受信し増幅する増幅ユニットと、
前記コンパレータユニットおよび前記増幅ユニットに電気的に接続され、前記アナログ入力電圧信号の前記電圧範囲に従って前記増幅ユニットの電圧ゲインを調整するフィードバック制御ゲインユニットと、
前記増幅ユニットに電気的に接続され、前記増幅ユニットから出力されたアナログ信号をデジタルカウントに変換するアナログデジタル変換器ユニットと
を備え、
前記コンパレータユニットが前記アナログ入力電圧信号の前記電圧範囲を示す指示信号を出力する前記可変入力ゲイン装置。
【請求項２】
前記コンパレータユニットが複数のコンパレータを備え、前記コンパレータのそれぞれが、その一入力端部から前記アナログ入力電圧信号を受信しその他の入力端部から前記閾値電圧を受信する、請求項１に記載の可変入力ゲイン装置。
【請求項３】
前記フィードバック制御ゲインユニットが複数の非反転増幅器および複数の抵抗を備え、前記非反転増幅器のそれぞれが前記対応するコンパレータと前記対応する抵抗の間に接続され、前記対応する抵抗によって前記増幅ユニットに接続される、請求項２に記載の可変入力ゲイン装置。
【請求項４】
その電圧ゲインを変えることによってアナログ入力電圧信号を処理する可変入力ゲインを備えるインバータシステムであって、
前記アナログ入力電圧信号を受信し前記アナログ入力電圧信号を少なくとも１つの閾値電圧と比較して、前記アナログ入力電圧信号の電圧範囲を決定するコンパレータユニットと、
前記アナログ入力電圧信号を受信し増幅する増幅ユニットと、
前記コンパレータユニットおよび前記増幅ユニットに電気的に接続され、前記アナログ入力電圧信号の前記電圧範囲に従って前記増幅ユニットの電圧ゲインを調整するフィードバック制御ゲインユニットと、
前記増幅ユニットに電気的に接続され、前記増幅ユニットから出力されたアナログ信号をデジタルカウントに変換するアナログデジタル変換器ユニットと、
前記アナログデジタル変換器ユニットおよび前記コンパレータユニットに電気的に接続され、前記アナログ入力電圧信号の前記電圧範囲を知るために前記コンパレータユニットから出力される指示信号を受信し、前記アナログデジタル変換器ユニットから出力されるデジタルカウントを受信して前記アナログ入力電圧信号の元の値を正確に算出するマイクロコントローラユニットと
を備える前記インバータシステム。
【請求項５】
前記コンパレータユニットが複数のコンパレータを備え、前記コンパレータのそれぞれが、その一入力端部から前記アナログ入力電圧信号を受信しその他の入力端部から前記閾値電圧を受信する、請求項４に記載のインバータシステム。
【請求項６】
前記フィードバック制御ゲインユニットが複数の非反転増幅器および複数の抵抗を備え、前記非反転増幅器のそれぞれが前記対応するコンパレータと前記対応する抵抗の間に接続され、前記対応する抵抗によって前記増幅ユニットに接続される、請求項５に記載のインバータシステム。
【請求項７】
少なくとも１つの閾値電圧を設定するステップと、
前記閾値電圧に従って前記アナログ入力電圧信号の電圧範囲を決定するステップと、    前記電圧範囲に従って前記アナログ入力電圧信号の電圧ゲインを決定するステップと、  前記電圧ゲインによって前記アナログ入力電圧信号を増幅するステップと、
前記増幅されたアナログ入力電圧信号をデジタルカウントに変換するステップと
を有するインバータシステムのアナログ入力電圧信号を処理する方法。  
【請求項８】
前記アナログ入力電圧信号の前記電圧範囲を示す指示信号を出力するステップをさらに有する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記アナログ入力電圧信号の前記電圧範囲が前記閾値電圧より大きいとき前記電圧ゲインが減少する、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記アナログ入力電圧信号の前記電圧範囲が前記閾値電圧より小さいとき前記電圧ゲインが増加する、請求項７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システムに関し、より詳細には、可変入力ゲイン装置を備えるインバータシステム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（ＡＣ）電力に変換するのに使用される。したがって、インバータは太陽電気生成システム、モータースクーター、無停電電源装置などに広範に適用されてきた。インバータでは、電圧／周波数（Ｖ／ｆ）制御装置を使用してモータの可変的速度制御を実現し、その結果インバータは、エネルギー効率を上げる目的でモータの使用効率を向上させるために、冷蔵および空調システム、高速鉄道システム、大量高速輸送システムなどに有利に適用することができる。
【０００３】
図１を参照されたい。これは、従来技術のインバータシステムのブロック図である。ホスト１０Ａが、アナログ制御信号をアナログ入力／出力モジュール２０Ａを介してインバータ３０Ａに出力する。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（０から１０ボルト）に従って出力電圧の周波数に対する制御を行う。
【０００５】
しかしながら、アナログ入力電圧は比例増幅器によって処理され、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進入する必要がある。一般には、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、したがって比例ゲインは通常、固定スケールダウンゲイン値である。図２を参照されたい。これは、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従来技術の回路図である。アナログ入力電圧信号ＶＡＩ（０から１０ボルト）は、固定比例ゲインＰ（Ｐ＝０．５）を有する非反転増幅器２２Ａによって比例式に０から５ボルトの電圧に変圧され、変圧された電圧は、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伝送され、アナログデジタル変換器ユニット２４Ａによって変換される。
【０００６】
しかしながら上記に記載する回路において、アナログ入力電圧が＋１ボルトより低いとき、マイクロコントローラユニット３００Ａの精度は高くない。図３は、図２の回路によって行われる変換の結果を示しており、アナログ入力電圧信号は、１０ビット分解能を有するデジタルカウンタ値に変換される。アナログデジタル変換器ユニット２４Ａの最下位ビット（ＬＳＢ）についての電圧の変動は、その基準電圧ＶＲＥＦが５．１２ボルトのとき、５ミリボルト（ｍＶ）（式１を参照）である。アナログデジタル変換器ユニット２４Ａのエラーが±３ＬＳＢの場合、アナログ入力電圧信号が１．００ボルトのときマイクロコントローラユニット３００Ａによって取得されるデジタルカウンタ値Ｎは１００±３である（式２を参照）。
【０００７】
ＬＳＢの幅は５ｍＶである。
【０００８】
［式１］
2009194972.tif 000003
【０００９】
デジタルカウンタ値Ｎが算出される。
【００１０】
［式２］
2009194972.tif 000004
【００１１】
したがって、アナログ入力電圧信号ＶＡＩは、反対にデジタルカウンタ値Ｎから算出することができる。
【００１２】
［式３］
2009194972.tif 000005
【００１３】
マイクロコントローラユニット３００Ａによって取得されるデジタルカウンタ値Ｎが１００のとき、アナログ入力電圧信号は１±０．０３５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Ｐ（Ｐ＝０．５＜１）により増幅され、したがって最大エラーは０．０３５ボルトである。アナログ入力電圧が低いとエラー率が上がり、言い換えるとアナログ入力電圧が低く、その結果マイクロコントローラユニット３００Ａを正確に制御できないとき、精度が低下する。
【００１４】
表１は、アナログ入力電圧が低下するとき次第に低下するマイクロコントローラユニット３００Ａの精度を明確に示している。
【００１５】
アナログ入力電圧信号を推定するマイクロコントローラのエラー率および精度
【００１６】
【表１】
2009194972.tif 000006
【００１７】
したがってアナログ入力電圧信号が低いときマイクロコントローラユニット３００Ａの精度を上げるために、可変入力ゲインを有するスイッチ回路が望ましい。可変入力ゲインを有するスイッチ回路は、マイクロコントローラユニット３００Ａのエラー率を低下させるために、アナログデジタル変換器へのアナログ入力電圧を選択に増加する。
【発明の開示】
【００１８】
本発明の主な目的は、可変入力ゲイン装置を備えるインバータシステムおよびその方法を提供することである。
【００１９】
上記に記載する主な目的を実現するために、本発明は、可変入力ゲイン装置を備えるインバータシステムを提供する。インバータシステムは、コンパレータユニットと、増幅ユニットと、フィードバック制御ゲインユニットと、アナログデジタル変換器ユニットと、マイクロコントローラユニットとを備える。コンパレータユニットは、アナログ入力電圧信号を受信し、少なくとも１つの閾値と比較してアナログ入力電圧信号の電圧範囲を決定する。増幅ユニットは、アナログ入力電圧信号を受信し増幅する。フィードバック制御ゲインユニットはコンパレータユニットおよび増幅ユニットに電気的に接続され、アナログ入力電圧信号の電圧範囲に従って増幅ユニットの電圧ゲインを調整する。アナログデジタル変換器ユニットは増幅ユニットに電気的に接続され、増幅ユニットから出力されるアナログ信号をデジタルカウントに変換する。マイクロコントローラユニットは、アナログデジタル変換器ユニットおよびコンパレータユニットに電気的に接続され、マイクロコントローラユニットは、コンパレータユニットから出力される指示信号を受信してアナログ入力電圧信号の電圧範囲を取得し、アナログデジタル変換器ユニットから出力されるデジタルカウントを受信してアナログ入力電圧信号の元の値を正確に算出する。
【００２０】
上記の概略的記載、および以下の詳細な記載は共に例示であり、特許請求する本発明のさらなる説明を与えることを目的とすることを理解されたい。本発明の他の利点および特徴は、以下の記載、図面および特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【００２１】
図面は、本発明の以下の詳細な記載と共にさらに記載される。
【００２２】
図４を参照されたい。これは、本発明による可変入力ゲイン装置を備えるインバータシステムの好ましい実施形態のブロック図である。アナログ入力電圧信号ＶＡＩは可変ゲインユニットによって増幅され、アナログデジタル変換器によって処理される。マイクロコントローラユニット３００を使用してデジタルカウンタ値および指示信号Ｘｉｎを受信してアナログ入力電圧信号ＶＡＩの元の値を正確に判定する。インバータシステムは主として、コンパレータユニット４０と、フィードバック制御ゲインユニット４２と、指示信号出力ユニット４４とを備え、さらに増幅ユニット２２と、アナログデジタル変換器ユニット２４とを備える。
【００２３】
コンパレータユニット４０は、アナログ入力電圧信号ＶＡＩを少なくとも１つの閾値電圧と比較して、電圧信号ＶＡＩについての電圧範囲を決定する。フィードバック制御ゲインユニット４２はコンパレータユニット４０に電気的に接続され、アナログ入力電圧信号ＶＡＩの電圧範囲に従って増幅ユニット２２の電圧ゲインを調整する。具体的には、アナログ入力電圧信号ＶＡＩの電圧範囲がより小さいとき、フィードバック制御ゲインユニット４２によって増幅ユニット２２の電圧ゲインが増加され、アナログ入力電圧信号ＶＡＩの電圧範囲がより大きいとき、電圧ゲインは減少する。増幅ユニット２２によって増幅された信号は、アナログデジタル変換器ユニット２４によってデジタルカウント値Ｎに変換され、デジタルカウント値Ｎは、マイクロコントローラユニット３００によって処理される。デジタルカウント値Ｎを処理して入力電圧信号ＶＡＩを正確に算出するために（デジタルカウンタ値Ｎは、可変入力ゲインＰによって変化する）、指示信号Ｘｉｎもマイクロコントローラユニット３００によって処理される。
【００２４】
図５を参照されたい。これは、本発明による図４のアナログ入力電圧信号からデジタルカウンタ値へ変換の結果のグラフである。１０Ｖのフルスイング電圧が、４つの閾値電圧、すなわち２、４、６および８（単位ボルト）によって、５つの電圧インターバル、すなわち０−２、２−４、４−６、６−８および８−１０（単位ボルト）に分類される。デジタルカウント値Ｎは、１０ビット分解能を有するアナログデジタル変換器２４について０から１０２３までの範囲である。コンパレータユニット４０を使用して入力電圧レベルの電圧範囲を決定し、その結果増幅ユニット２２の可変入力ゲインＰを取得する。５つの入力ゲインＰは、５つの電圧インターバルにそれぞれ対応するように、それぞれ２．５、１．２５、０．８３、０．６２５および０．５である。つまり、アナログ入力電圧信号ＶＡＩの電圧範囲が小さいとき、マイクロコントローラユニット３００のエラー率を低下させるために、Ｐ＝２．５などより大きな入力ゲインＰが与えられる。一方、マイクロコントローラユニット３００の定格入力値を超えるように、Ｐ＝０．５などのより小さな入力ゲインＰが与えられる。さらに、マイクロコントローラユニット３００によって指示信号Ｘｉｎを処理して、厳密に正確なアナログ入力電圧信号ＶＡＩを取得することができる。例えば、マイクロコントローラユニット３００によって受信されるデジタルカウント値Ｎが８５０のとき、対応するアナログ入力電圧信号ＶＡＩは、１．７５、３．４、５、６．７５および８．５（単位ボルト）であり得る。しかしながら、指示信号Ｘｉｎが、アナログ入力電圧信号ＶＡＩが第２の電圧インターバルつまり２−４（単位ボルト）に属することを示すとき、アナログ入力電圧信号ＶＡＩは確実に３．４である。
【００２５】
図６を参照されたい。これは、本発明による図４の可変入力ゲイン装置を備えるインバータシステムを実装するための回路図である。コンパレータユニット４０は、４つのコンパレータＵ２Ａ、Ｕ２Ｂ、Ｕ２ＣおよびＵ２Ｄから成るコンパレータユニットであってよく、４つのコンパレータＵ２Ａ、Ｕ２Ｂ、Ｕ２ＣおよびＵ２Ｄそれぞれの非反転入力端部は、２ボルト、４ボルト、６ボルトおよび８ボルトなど異なる閾値電圧に対応する異なる電圧レベルで接続される。フィードバック制御ゲインユニット４２は、４つの非反転駆動装置Ｕ３Ａ、Ｕ３Ｂ、Ｕ３Ｃ、Ｕ３Ｄと、４つのコンパレータＵ２Ａ、Ｕ２Ｂ、Ｕ２ＣおよびＵ２Ｄにそれぞれ電気的に接続される４つの抵抗Ｒ８、Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ１１を備える。増幅ユニット２２は、非反転増幅であり固定ゲインを有する増幅器Ｕ１Ａを含む。アナログ入力電圧信号ＶＡＩの入力電圧レベルが特定の閾値電圧より大きいとき、対応するコンパレータＵ２Ａ、Ｕ２Ｂ、Ｕ２ＣおよびＵ２Ｄの１つが低電圧レベル信号を生成する。マイクロコントローラユニット３００は、コンパレータＵ２Ａ、Ｕ２Ｂ、Ｕ２ＣおよびＵ２Ｄの出力から成る指示信号出力ユニット４４によって、一定の範囲の入力電圧レベルのアナログ入力電圧信号ＶＡＩを取得する。さらに、抵抗Ｒ３およびＲ４を通るアナログ入力電圧信号ＶＡＩの入力電流を増加させるために、対応するコンパレータＵ２Ａ、Ｕ２Ｂ、Ｕ２ＣおよびＵ２Ｄが対応する非反転駆動装置Ｕ３Ａ、Ｕ３Ｂ、Ｕ３Ｃ、Ｕ３Ｄを駆動し、これにより大きな電圧降下を引き起こし、増幅ユニット２２の非反転入力端部の入力電圧を低下させる。したがってこれは、ゲイン値Ｐを減少させ、その結果アナログ入力電圧信号ＶＡＩの入力電圧レベルがゲイン値Ｐに反比例することに等しい。
【００２６】
図６に示すように、５セクション電圧ゲインは、４つの増幅器が含まれる増幅ユニット、４つの非反転駆動装置および適切な適合抵抗を使用して切替えることができる。つまり、ｎセクション電圧ゲインは、ｎ−１増幅器が含まれる増幅ユニット、ｎ−１非反転駆動装置および適切な適合抵抗を使用して構築することができる。図６に示す回路は、その好ましい実施形態を参照して記載されており、本発明はその詳細に限定されるものではないことを理解されたい。表２は本発明による可変入力ゲイン装置を備えるインバータシステムの作動結果を示し、広範な範囲のアナログ入力電圧信号を推定するマイクロコントローラの優れた精度を説明する。
【００２７】
アナログ入力電圧信号を推定するマイクロコントローラのエラー率および精度
【００２８】
【表２】
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【００２９】
記載されていることから、本発明が以下の利点を有することが分かる。
【００３０】
１．アナログ入力電圧信号の入力電圧レベルが低いとき、インバータの正確な制御が実現する。
【００３１】
２．マイクロコントローラのアナログ入力電圧信号を推定する精度が上がる。  
３．ファームウェアフィルタリングの効率が向上する。
【００３２】
４．回路構造体が簡素であり実装が容易である。
【００３３】
５．使用されるこれら全部の構成要素は、低コスト化するのにさほど重要ではない。
【００３４】
６．入力電圧レベルの範囲を決定する回路設計が柔軟性に優れている。
【００３５】
７．広範な用途が実現する。
【００３６】
本発明をその好ましい実施形態を参照して記載してきたが、本発明はその詳細に限定されるものではないことを理解されたい。前述の記載に種々の代替および修正が提案されており、当業者がその他を思いつくであろう。したがって、このような代替および修正すべては、添付の特許請求の範囲で定義されるように本発明の範囲内に包含されることを意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来技術のインバータシステムのブロック図である。
【図２】従来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ための回路図である。
【図３】アナログ入力電圧信号が１０ビットの分解能を有するデジタルカウンタ値に変換されるのを示す変換結果である。
【図４】本発明による可変入力ゲイン装置を備えるインバータシステムの好ましい実施形態のブロック図である。
【図５】図４に示す可変入力ゲイン装置によってアナログ入力電圧信号をデジタルカウンタ値へ変換する変換結果である。
【図６】図４の可変入力ゲイン装置を備えるインバータシステムを実装するための回路図である。
【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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