JP2005073104A

JP2005073104A - 電動機制御装置

Info

Publication number: JP2005073104A
Application number: JP2003302492A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Sekioka; 賢一関岡
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2005-03-17

Abstract

【課題】部品点数の削減、回路の小形化ができ、また３相電動機に適用する場合、相間の波形ノイズの影響をなくすることができるリニア増幅制御とＰＷＭ制御との間の切換え可能な電動機制御装置を提供する。
【解決手段】推力／トルク指令値が切換えしきい値以上であるかしきい値未満であるかを示す切換え信号を出力する上位ＣＰＵ部１１と、切換え信号の論理値に応じてＰＷＭ制御電流指令またはリニア増幅制御電流指令を出力するスイッチ手段４と、リニア増幅制御電流指令またはＰＷＭ制御電流指令によって制御された負荷電流を生成する駆動部６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機制御の切替え方法と、その切替え方法を実施するための電動機制御装置に関し、特に電動機のリニア増幅制御とＰＷＭ制御とを切換える切換装置に関する。

従来、電動機制御装置において、大電流領域、すなわち高効率領域における制御と、小電流領域における高分解能・精密制御とを切換えるために、予めしきい値を設定し、入力値をこのしきい値と比較し、その比較結果に応じてリニア増幅制御とＰＷＭ制御を切換えるという方法が採用されていた（例えば、特許文献１参照）。この方法によると、大電流による駆動の場合にはＰＷＭ制御が行われて効率の低下が防止され、小電流による駆動の場合にはリニア増幅制御が行われて高分解能の制御が可能になる。その結果として、高効率と高分解能を両立させた、いわゆる高効率・高分解能の電流制御が可能になる。図５は従来の高効率・高分解能制御用の電動機制御装置の概略図を示す。図において、リニア増幅制御用アンプ１は電流指令Ｉr e f に対する電流検出値Ｉf b の偏差を入力し、リニア増幅制御電流指令ＩL I N を出力する。ＰＷＭ制御用アンプ２は電流指令Ｉr e f に対する電流検出値Ｉf b の偏差を入力し、その出力信号とＰＷＭキャリアを入力したＰＷＭ制御用コンパレータ３はＰＷＭ制御電流指令ＩP W Mを出力する。切換え信号用コンパレータ８は、電流検出値Ｉf b と切換えしきい値とを比較し、その比較結果に対応する切換え信号を出力する。アナログスイッチ４は切換え信号に応答してリニア増幅制御用アンプ１またはＰＷＭ制御用アンプ２の出力を、アナログスイッチ４の出力端子に接続する。バッファアンプ５はアナログスイッチ４と後段の高効率・高分解能駆動部６（以下、駆動部６と記す）とをインタフェースする。駆動部６は切換え信号に対応してリニア増幅制御電流指令ＩL I N またはＰＷＭ制御電流指令ＩP W M を入力し、その入力された信号によって制御された出力電流を負荷１０に供給する。電流検出器７は出力電流を検出し、電流検出値Ｉf b をアンプ１、２および切換え信号用コンパレータ８に供給する。

通常、ＰＷＭ動作時の出力電流は、キャリア周波数と同じ周波数成分でリップル分を含んだ電流になる。したがって、電流フィードバック信号（電流検出値）Ｉf b もキャリア周波数と同じ周波数成分で、ある振幅のリップル分を含んだ電圧信号になる。切換え信号用コンパレータ８は、入力の微少な電圧差をも検出するのでしきい値付近に、前記のリップル分のようなわずかなノイズがある場合には、しきい値付近で出力がばたつく現象（チャタリング）が発生する。そのため、切換え信号用コンパレータ８中にヒステリシス回路９を設け、切換え信号用コンパレータ８に出力側から正帰還をかけることによってヒステリシス特性をもたせて感度を鈍らせ、それによって切換え信号用コンパレータ８はノイズに強くされている。

図５の電動機制御装置は次のように動作する。駆動部６のリニア増幅制御とＰＷＭ制御の切換えは、電流検出器７の出力である電流検出値Ｉf b と切換えしきい値を切換信号コンパレータ８で比較し、アナログスイッチ４の切換えにより行う。電流検出値Ｉf b が切換えしきい値以下のとき、アナログスイッチ４はリニア増幅制御用アンプ１をその出力端子に接続し、リニア増幅制御電流指令ＩL I N をバッファアンプ５を通して駆動部６に供給し、駆動部６をリニア増幅動作させる。一方、電流検出値Ｉf b が切換しきい値以上のとき、アナログスイッチ４はその出力端子をＰＷＭ制御用アンプ２に接続し、ＰＷＭ制御用コンパレータ３によって、電流指令Ｉr e f に対する電流検出値Ｉf b の偏差をＰＷＭキャリアと比較して生成されたＰＷＭ制御電流指令ＩP W M をバッファアンプ５を通して駆動部６に供給し、駆動部６をＰＷＭ動作させる。
特開平８−２４２１３１号公報

上記の従来例は、３相電動機に適用する場合に次のような問題点がある。この装置はリニア増幅制御とＰＷＭ制御との間の増幅機能の切換え時のチャタリングを防止するために、切換え信号用コンパレータ８にヒステリシス回路９を追加している。このヒステリシス回路９によって、同一の切換えしきい値に対して、電流検出値の増加時と減少時で異なった制御方式（リニア増幅制御方式とＰＷＭ制御方式）が選択されることになる。これは、相間の波形ノイズに起因し、工作機械や半導体製造装置等の一部のように高精度な位置決め精度が要求される場合、その位置決め精度に支障を生じることがある。さらに、切換え信号用コンパレータが各相に設けられなけらばならないのでコストがかかるばかりでなく、各相毎に切換えが独立しているのでＰＷＭ動作している相の波形が、リニア動作している相にノイズ等の影響を与える惧れがあるという問題がある。

本発明の目的は、部品点数の削減、回路の小形化ができ、また、３相電動機に適用する場合、相間の波形ノイズの影響をなくすことができる、リニア増幅制御とＰＷＭ制御との間の切換え方法および電動機制御装置を提供し、さらに、３相電動機の各相のリニア増幅制御・ＰＷＭ制御間の切換えを同時に行うことができる電動機制御の切換え方法および電動機制御装置を提供することにある。

上記問題点を解決するため、本発明は、電動機をリニア増幅制御およびＰＷＭ制御のうちの選択された一方に切換えて制御する電動機制御装置において、電動機電流を指定する電流指令値と設定された切換えしきい値とを比較し、電流指令値が切換えしきい値以上のときには第１の論理レベルの切換え信号を出力し、電流指令値が切換えしきい値未満のときには第２の論理レベルの切換え信号を出力する切換え信号用コンパレータと、リニア増幅制御電流指令とＰＷＭ制御電流指令とを入力し、前記切換え信号が第１の論理レベルを示しているときにはＰＷＭ制御電流指令を出力し、切換え信号が第２の論理レベルを示しているときにはリニア増幅制御電流指令を出力するスイッチ手段と、パワー素子として線形増幅制御用の第１のパワー素子とパルス幅変調制御用の第２のパワー素子とを備えた駆動部とを備え、前記第１のパワー素子と前記第２のパワー素子が同一の電源に接続されていることを特徴としている。

本発明によれば、電動機制御を切換える切換え信号を、電流指令を切換えしきい値と比較して生成することによって、切換えコンパレータのチャタリングがなくなり、ヒステリシス回路を用いてチャタリングを防止することなく、その結果、制御ヒステリシスに起因する電動機制御の障害を回避することができると共に電動機制御装置の小型化に寄与することができ、次の効果を有する。
１）上位ＣＰＵ部においてソフトウェアにより推力／トルク指令と切換えしきい値とを比較し、上位ＣＰＵ部から出力された切換え信号によりアナログスイッチを切り換えるので、切換え信号用コンパレータを省略することができチャタリングの心配がなく、その結果、制御ヒステリシスに起因する電動機制御の障害を回避することができると共に電動機制御装置の小型化に寄与することができる。
２）推力／トルク指令と切換しきい値とを比較して切換え信号を生成するので、負荷が３相電動機の場合、同一の切換え信号によって各相の切換えを同時に実行することができ、その結果、ＰＷＭ動作している相の波形が、リニア動作している相にノイズ等の影響を与えるという相間の影響を少なくすることができる。
３）上位ＣＰＵ部でソフトウェアによって推力／トルク指令と切換えしきい値とを比較するので、切換えしきい値の変更が容易にできる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の電動機制御装置の第１の実施形態の概略図を示す。図において、リニア増幅制御用アンプ１は上位ＣＰＵ部１１から転送された電流指令Ｉr e f に対する電流検出値Ｉf b の偏差を入力し、リニア増幅制御電流指令ＩL I N を出力する。ＰＷＭ制御用アンプ２は電流指令Ｉr e f に対する電流検出値Ｉf b の偏差を入力し、その出力信号とＰＷＭキャリアを入力したＰＷＭ制御用コンパレータ３はＰＷＭ制御電流指令ＩP W M を出力する。切換信号用コンパレータ８は、電流指令値Ｉr e f と設定された切換えしきい値とを比較し、その比較結果に対応する切換え信号を出力する。アナログスイッチ４は切換え信号に応答してリニア増幅制御用アンプ１またはＰＷＭ制御用アンプ２の出力をアナログスイッチ４の出力端子、すなわち負荷側に接続する。バッファアンプ５はアナログスイッチ４と後段の高効率・高分解能駆動部６（以下、駆動部６と記す）とをインタフェースする。駆動部６は切換え信号によって選択されたリニア増幅制御電流指令ＩL I N またはＰＷＭ制御電流指令ＩP W M によって制御された出力電流を負荷１０に供給する。電流検出器７は出力電流を検出し、電流検出値Ｉf b をアンプ１、２に供給する。

駆動部６が実行するリニア増幅制御とＰＷＭ制御の切換えは、電流指令値Ｉr e f と切換しきい値を切換え信号用コンパレータ部８で比較し、生成された切換え信号でアナログスイッチ４を切り換えることにより行う。電流指令値Ｉr e f が切換えしきい値以下のとき、アナログスイッチ４はその出力端子をリニア増幅制御用アンプ１に接続し、リニア増幅制御電流指令ＩL I N をバッファアンプ５を通して駆動部６に供給する。それによって、駆動部６はリニア増幅動作する。一方、電流指令値Ｉr e f が切換えしきい値以上のとき、アナログスイッチ４はその出力端子をＰＷＭ制御用コンパレータ３に接続し、ＰＷＭ制御用コンパレータ３によって電流検出値Ｉf b の電流指令値Ｉr e f に対する偏差とＰＷＭキャリアとを比較して生成されたＰＷＭ制御電流指令ＩP W M をバッファアンプ５を通して駆動部６に供給し、駆動部６はＰＷＭ動作をする。

図２は上位ＣＰＵ部１１の構成図である。図２において、速度アンプ１１ａは速度指令を入力して推力／トルク指令を生成する。ＣＰＵはｓｉｎ関数テーブル１１ｂを参照して推力／トルク指令のベクトル変換処理を行ってｕ相電流指令、ｖ相電流指令、ｗ相電流指令を生成する。ｕ相電流指令、ｖ相電流指令、ｗ相電流指令はそれぞれｕ相、ｖ相、ｗ相の電動機制御装置に供給される。

図３は本発明の電動機制御装置の第２の実施形態の概略図を示す。本実施形態は、負荷が３相電動機である場合には、前掲の従来技術においても、前記の第１の実施形態においても、切換信号用コンパレータが各相に設けらているので制御の切換が相毎に独立に行われ、その結果、部品点数が多く、またＰＷＭ動作をしている相の波形が、リニア動作をしている相にノイズ等の影響を与える惧れがあるという問題を解決するため実施形態である。
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、上位ＣＰＵ部１２がソフトウェアによって推力／トルク指令を切換えしきい値と比較して切換え信号Ｓを生成し、上位ＣＰＵ部１２から出力された切換信号で各相のアナログスイッチ４を同時に切り換える点と、上位ＣＰＵ部１２がソフトウエアによって推力／トルク指令を切換えしきい値と比較して切換え信号Ｓを生成するため、切換え信号用コンパレータが省略できる点である。
したがって、この実施形態では、各相のアナログスイッチ４は同一の切換え信号によって同時に切換えられる。
推力／トルク指令値が切換えしきい値未満のときには、アナログスイッチ４は切換え信号Ｓに応答してその出力端子をリニア増幅制御用アンプ１に接続し、リニア増幅制御電流指令ＩL I N をバッファアンプ５を通して駆動部６に供給する。それによって、駆動部６はリニア増幅動作をする。

一方、推力／トルク指令値が切換えしきい値以上のときには、アナログスイッチ４は切換え信号Ｓに応答してその出力端子をＰＷＭ制御用アンプ２に接続し、ＰＷＭ制御用コンパレータ３によって生成されたＰＷＭ制御電流指令ＩP W M をバッファアンプ５を通して駆動部６に供給する。それによって、駆動部６はＰＷＭ動作をする。

図７（ａ）は、第１，２の実施形態の駆動部内の概略図を示す。第１，２の実施形態では、パワー素子として、リニア増幅制御とＰＷＭ制御のいずれにも対応できるマルチファンクションパワーデバイス１３を使用している。
マルチファンクションパワーデバイス１３は、パワー素子Ｄ_Ｐ，Ｄ_Ｎとして、直線性が良好であってかつスイッチング特性に優れた素子を使用しており、マルチファンクションパワーデバイス１３への入力信号の大きさによって、リニア増幅制御とＰＷＭ制御のいずれかを実行する。すなわち、入力信号が比較的小さい場合にはパワー素子Ｄ_Ｐ，Ｄ_Ｎがリニア増幅領域で作動し、リニア増幅制御が実行される。一方、入力信号として比較的大きな方形波が入力した場合には、パワー素子Ｄ_Ｐ，Ｄ_Ｎが飽和領域で作動してこの方形波に応じてオン／オフのスイッチング動作を行ない、ＰＷＭ制御が実行されることになる。

図４は本実施形態の上位ＣＰＵ部１２の構成図である。図４において、速度アンプ１２ａは速度指令を入力して推力／トルク指令を生成する。ＣＰＵはｓｉｎ関数テーブル１２ｂを参照して推力／トルク指令のベクトル変換処理を行ってｕ相電流指令、ｖ相電流指令、ｗ相電流指令を生成すると共に、ソフトウエアによって推力／トルク指令を切換えしきい値と比較して切換え処理を実行し、切換え信号を生成する。ｕ相電流指令、ｖ相電流指令、ｗ相電流指令は、それぞれ対応する相の電動機制御装置に供給される。切換え信号Ｓは、各相のアナログスイッチ４に供給される。

図２に示されている第１の実施形態の上位ＣＰＵ部１１は、切換え処理によって切換え信号を生成する手段を備えていない点が、図４の上位ＣＰＵ部１２と異なる。したがって、第１の実施形態では、切換え信号は各相の切換え装置の切換え信号用コンパレータ部８によって各相独立に生成されることは前述の通りである。

図５は本発明の電動機制御装置の第３の実施形態の概略図を示す。本実施形態は第１の実施形態と駆動部内のみが、すなわち、使用するパワー素子形態が異なる。リニア増幅制御あるいはＰＷＭ制御する上での切換え動作は、第１の実施形態と同じである。

また、図６は本発明の電動機制御装置の第４の実施形態の概略図を示す。本実施形態は第２の実施形態と駆動部内のみが、すなわち、使用するパワー素子形態が異なる。リニア増幅制御あるいはＰＷＭ制御する上での切換え動作は、第２の実施形態と同じである。

図７（ｂ）は、第３，４の実施形態の駆動部内の概路図を示す。第３，４の実施形態では、パワー素手として、同一の主回路電源Ｖ_Ｐ，Ｖ_Ｎに接続されているリニア増幅制御を行なうためのリニア増幅制御用パワー部１４とスイッチ戸グモードで動作しＰＷＭ制御を行なうためのＰＷＭ制御用パワー部１５を別々に設けて使用している。
リニア増幅制御の場合、リニア増幅制御用パワー部１４により外部負荷が駆動されることになる。このとき、駆動回路１６の入力がＯとなっているので、ＰＷＭ制御用パワー部１５の各パワー素子Ｄ_Ｐ，Ｄ_Ｎはカットオフ状態となり、ＰＷＭ制御用パワー部１５は動作しない。一方、ＰＷＭ制御の場合、制御量に応じてパルス幅が変化した信号（ＰＷＭ信号）が駆動回路１６に入力することによりＰＷＭ制御用パワー部１５の各パワー素子Ｄ_Ｐ，Ｄ_Ｎがオン／オフのスイッチングモードで動作し、外部負荷が駆動されることになる。このとき、リニア増幅制御用パワー部１４の入力はＯであり、リニア増幅制御用パワー部１４は動作しない。

第５の実施形態は、第３，４の実施形態とは駆動部内のみが、すなわち、使用するパワー素子形態が異なる。リニア増幅制御あるいはＰＷＭ制御する上での切換え動作は、第３，４の実施形態と同じである。

図７（ｃ）は、第５の実施形態の駆動部内の概略図を示す。本実施形態では、パワー素子として、比較的低い電圧Ｐ_１，Ｎ_１の電源から逆流防止ダイオード１９を介して給電され、入力くほぼ同一の電位が出力されるトランジスタ１７、ダイオード１８で構成されたリニア増幅器と比較的高い電圧Ｐ_２，Ｎ_２の電源から給電されるトランジスタ１７’、ダイオード１８’で構成されたＰＷＭスイッチング回路を別々に設けて使用している。
リニア増幅制御の場合、リニア増幅器により外部負荷が駆動されることになる。二のとき、ＰＷＭスイッチング回路の入力がＯとなっているので、トランジスタ１７’はカットオフ状態となり、ＰＷＭスイッチング回路は動作しない。一方、ＰＷＭ制御の場合、制御量に応じてパルス幅が変化した信号（ＰＷＭ信号）がＰＷＭスイッチング回路に入力することによりトランジスタ１７’がオン／オフのスイッチングモードで動作し、外部負荷が駆動されることになる。このとき、リニア増幅器の入力はＯであり、また、トランジスタ１７の飽和が解けるのを防ぐために、加算器２０にＰＷＭ信号を加えるため、リニア増幅器は動作しない。

本発明の電動機制御装置の第１の実施形態の概略図を示す。上位ＣＰＵ部の構成図である。本発明の電動機制御装置の第２の実施形態の概略図を示す。本発明の第２の実施形態の上位ＣＰＵ部の構成図である。本発明の電動機制御装置の第３の実施形態の概略図を示す。本発明の電動機制御装置の第４の実施形態の概略図を示す。（ａ）本発明の第１、２の実施形態の駆動部内の概略図を示す。（ｂ）本発明の第３、４の実施形態の駆動部内の概略図を示す。（ｃ）本発明の第５の実施形態の駆動部内の概略図を示す。従来の高効率・高分解能制御用の電動機制御装置の概略図である。

符号の説明

１リニア増幅制御用アンプ
２ＰＷＭ制御用アンプ
３ＰＷＭ制御用コンパレータ
４アナログスイッチ
５バッファアンプ
６駆動部
７電流検出器
８切換信号用コンパレータ部
９ヒスシテリシス回路
１０負荷
１１、１２上位ＣＰＵ部
１１ａ、１２ａ速度アンプ
１１ｂ、１２ｂｓｉｎ関数テーブル
１３マルチファンクションパワーデバイス
１４リニア増幅制御用パワー部
１５ＰＷＭ制御用パワー部
１６駆動回路
１７、１７’ トランジスタ
１８、１８’ ダイオード
１９逆硫防止ダイオード
２０加算器

Claims

電動機をリニア増幅制御およびＰＷＭ制御のうちの選択された一方に切換えて制御する電動機制御装置において、
電動機電流を指定する電流指令値と設定された切換えしきい値とを比較し、電流指令値が切換えしきい値以上のときには第１の論理レベルの切換え信号を出力し、電流指令値が切換えしきい値未満のときには第２の論理レベルの切換え信号を出力する切換え信号用コンパレータと、
リニア増幅制御電流指令とＰＷＭ制御電流指令とを入力し、前記切換え信号が第１の論理レベルを示しているときにはＰＷＭ制御電流指令を出力し、切換え信号が第２の論理レベルを示しているときにはリニア増幅制御電流指令を出力するスイッチ手段と、
パワー素子として線形増幅制御用の第１のパワー素子とパルス幅変調制御用の第２のパワー素子とを備えた駆動部とを備え、
前記第１のパワー素子と前記第２のパワー素子が同一の電源に接続されていることを特徴とする電動機制御装置。
電動機をリニア増幅制御およびＰＷＭ制御のうちの選択された一方に切換えて制御する電動機制御装置において、
電動機の推力／トルクを指定する推力／トルク指令を生成し、該推力／トルク指令から電流指令を生成して出力すると共に、推力／トルク指令値と設定された切換えしきい値とをソフトウエアで比較し、推力／トルク指令値が切換えしきい値以上のときには第１の論理レベルの切換え信号を出力し、推力／トルク指令値が切換えしきい値未満のときには第２の論理レベルの切換え信号を出力する上位ＣＰＵ部と、
リニア増幅制御電流指令とＰＷＭ制御電流指令とを入力し、前記切換え信号が第１の論理レベルを示しているときにはＰＷＭ制御電流指令を出力し、切換え信号が第２の論理レベルを示しているときにはリニア増幅制御電流指令を出力するスイッチ手段と、
パワー素子として線形増幅制御用の第１のパワー素子とパルス幅変調制御用の第２のパワー素子とを備えた駆動部とを備え、
前記第１のパワー素子と前記第２のパワー素子が同一の電源に接続されていることを特徴とする電動機制御装置。
前記駆動部は、パワー素子として線形増幅制御とパルス幅変調制御のいずれにも対応できるマルチファンクションデバイスを使用することを特徴とする請求項１または２に記載の電動機制御装置。
前記駆動部は、パワー素子として、電圧の異なる２系統の電源を備え、低電圧側の電源をリニア増幅器の正側及び負側電源端子に接続し、高電圧側の電源を前記リニア増幅器の出力素子の正側及び負側にそれぞれ接続されたＰＷＭ用スイッチング素子に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電動機制御装置。