JP2005176445A - 電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価なＤ／Ａ変換器を使用して制御分解能の大きな制御系を実現する。
【解決手段】界磁極にあった各相の電流指令を演算してディジタルの電流指令出力をするＣＰＵ１と、電流指令をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器２と、電流検出器とパワー素子を有した電流ループが構成されたパワーアンプ９と、位置センサからの現在位置信号をＣＰＵで制御演算可能となるように処理するセンサ信号処理部１２と、ＣＰＵからの切換え信号により動作するサーボオン／オフ用の複数のアナログスイッチとを備える電動機制御装置において、ＣＰＵからの切換え信号により動作する電流指令の圧縮／伸長用の複数のアナログスイッチ３と、信号の圧縮・伸長手段５と、圧縮と伸長時でのパワーアンプ各出力電流オフセットを調整するオフセット調整手段７と位相補償手段６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機を駆動する電動機制御装置に係わり、特にＣＰＵの電流指令をＤ／Ａ変換器でアナログ信号に変換した後、パワーアンプを介して電動機に電力を供給し、電動機の位置と速度、トルクまたは推力の制御を行う電動機制御装置に関する。

従来の電動機制御装置の１つに、量産されている安価なＤ／Ａ変換器を使用しつつ制御分解能の大きな制御系を実現するものがあり、特開平５−２２７７７３号公報（特許文献１）に開示されている。その従来技術について図３を用いて説明する。
図３は、従来技術の第１の電動機制御装置を含む電動機制御系のブロック図である。図において、ＣＰＵ１５は、予め指令された指令位置に可動テーブル等を移動させるため、一定周期毎に対数変換器１６を介してディジタルの速度指令をＤ／Ａ変換器１７に出力する。可逆カウンタ２４は、パルスジェネレータ２３のパルスをカウントし、電動機２１の現在位置を検出するものであり、その信号をＣＰＵ１５が必要なときに読み込んで指令位置と現在位置との偏差を演算する。そして、この偏差に比例した速度指令をＣＰＵ１５が出力することにより、位置制御ループを安定なものとしている。
対数変換器１６はＣＰＵ１５のディジタルの速度指令を対数変換し、入力する速度指令が大きくなる程、その速度指令を圧縮して出力する。圧縮された速度指令はＤ／Ａ変換器１７を介してアナログ信号に変換され、逆対数変換器１８によって対数変換器１６と逆の変換が行われる。逆対数変換器１８によって、入力する速度指令が大きくなる程、その速度指令が伸張され、ＣＰＵ１５の速度指令に対応したアナログ信号に戻される。このように、速度指令が圧縮されてＤ／Ａ変換されるため、Ｄ／Ａ変換器１７のビット数を大幅に削減することができる。次に加算器１９によって逆対数変換器１８の信号とタコジェネレータ２２の信号の差が求められ、ドライブ回路２０に出力されると、信号が増幅されて電動機２１に電力が供給され、駆動される。
この従来例は、Ｄ／Ａ変換器１７の前段に対数変換器１６が設けられ、Ｄ／Ａ変換器１７の後段に逆対数変換器１８が設けられている点が特徴であり、量産されている比較的ビット数の少ない安価なＤ／Ａ変換器を使用して速度分解能の大きな制御系を実現することができるというものである。

図４は、従来技術の第２の電動機制御装置を含む電動機制御系のブロック図である（特許文献２参照）。図において、ＣＰＵ１は、電動機１０に接続されるシステムを所望の動作をさせるために、ディジタルの電流指令を圧縮あるいは伸長してＤ／Ａ変換器２に出力する。ＣＰＵ１内では、その上位に位置ループを持つ場合、速度ループ・トルク指令（推力指令）が演算される。また、その上位に位置ループ・速度ループを持つ場合、トルク指令（推力指令）が演算される。また、上位を持たない場合、位置ループ・速度ループ・トルク指令（推力指令）が演算される。トルク指令（推力指令）は、リニアスケール等の位置センサ１１の信号を現在位置として、センサ信号処理部１２を介して取り込まれ、電動機１０の界磁極にあった各相の電流指令に変換される。また、圧縮／伸長用アナログスイッチ４の切換え信号をシステムの駆動に応じて出力する。圧縮／伸長の２系統をオペアンプで構成する圧縮／伸長手段５は、ＣＰＵ１からの圧縮／伸長用アナログスイッチ４の切換え信号による選択に基づいて、どちかの系統を選択され、圧縮されたＣＰＵ１の電流指令は、伸長された電流指令に、また、伸長されたＣＰＵ１の電流指令は、圧縮された電流指令を出力する。パワーアンプ９は、複数個の電流検出器とパワー素子を有した電流制御ループを構成し、電流指令に応じてパワー変換した駆動電流を電動機１０に供給する。このような構成により、電動機１０に接続されるシステムを駆動していた。
特開平５−２２７７７３号公報 特許第３３３７０６１号公報の図１参照

しかしながら、従来の電動機制御装置は、速度ループがアナログ回路で構成されているため、振動や負荷変動等の問題が生じた際に用いる制振制御・オブザーバ等の制御方式が容易に組み込めないという問題があった。また、Ｄ／Ａ変換器からパワーアンプまでの内在するオフセット要因がある場合は、また、圧縮／伸長を切換えた際に発生する過渡的な電流指令のサージ電圧が発生する場合、その調整手段を備えていないため、所望のシステム駆動ができないというような問題も抱えていた。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、制振制御・オブザーバ等の制御方式が容易に組み込め、速度ループがディジタル回路で構成されている場合においても、量産されている安価なＤ／Ａ変換器を使用して制御分解能の大きな制御系を実現することができるとともに、従来の構成要素に存在する所望のシステム駆動ができない要因を調整／抑制することができる電動機制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、ＣＰＵからの切換え信号により動作する電流指令の圧縮／伸長用の複数のアナログスイッチと、Ｄ／Ａ変換器とパワーアンプの間に設けられた信号の圧縮・伸長手段と、圧縮と伸長時でのパワーアンプ各出力電流オフセットを調整するオフセット調整手段と、パワーアンプの特性を向上させる位相補償手段とを備えることを特徴とするものである。
このようになっているため、システムの駆動に応じて、Ｄ／Ａ変換器の有効分解能を切換えることができ、また、電流指令の圧縮／伸張であるので、速度ループがディジタルで構成することができ制振制御・オブザーバ等の制御方式が容易に組み込むことができる。また、Ｄ／Ａ変換器からパワーアンプまでの内在するオフセット要因、また、圧縮／伸長を切換えた際に発生する過渡的な電流指令のサージ電圧の発生を調整／抑制することができる。また、パワーアンプに使用するパワー素子に、比較的位相遅れの大きいリニアアンプを使用する場合にも、電流制御ループ特性、特に、周波数特性を向上できる。

また、請求項２に記載の発明は、圧縮／伸長手段は、オペアンプで構成され、前記ＣＰＵ内で演算される電流指令あるいはトルク指令が、所定のしきい値をクロスすると前記圧縮／伸長用アナログスイッチを切換えることにより前記オペアンプの利得を切換え、前記Ｄ／Ａ変換器から出力される前記電流指令の有効分解能を向上させることを特徴とするものである。
このようになっているため、ＣＰＵのトルク（推力）指令がしきい値を越えると、即ちＤ／Ａ変換器で電流指令が出力できなくなるとトルク（推力）指令を１／ゲイン（圧縮）とし、外部のオペアンプ回路の入力信号をゲイン倍（伸張）する方にＣＰＵよりアナログスイッチを切り換え、ＣＰＵで演算された電流指令に対応した信号に戻すことにより、同一のＤ／Ａ変換器を用いる場合は電流制御の分解能を上げることができ、電流制御の分解能が同じでよい場合はＤ／Ａ変換器のビット数が少ないより安価のＤ／Ａ変換器を用いることができ、高い性能の制御装置を安価に提供できる。

また、請求項３に記載の発明は、圧縮／伸長手段は、圧縮／伸長の割合をオペアンプの抵抗比で決定し、その抵抗比は、Ｄ／Ａ変換器のビット数に応じたＣＰＵ内の演算での圧縮／伸長比との逆数とすることを特徴とするものである。
このようになっているため、圧縮／伸長の比率は、圧縮／伸長手段の抵抗比とソフトウェアにより、必要に応じて簡単に自由に設定でき、基本的に切換を行わない場合に比べてこの比率倍で電流制御範囲を広げることが可能である。
また、請求項４記載の発明は、圧縮と伸長の切り換え時に出る電流指令のサージ電圧を吸収するフィルタを前記位相補償手段の入力側または出力側へ設けたものである。
また、請求項５記載の発明は、前記オフセット調整手段はを複数の可変抵抗器で構成したものである。

本発明の電動機制御装置によれば、以下のような効果がある。
（１）同一のＤ／Ａ変換器を用いる場合は電流制御の分解能を上げることができ、電流制御の分解能が同じでよい場合はＤ／Ａ変換器のビット数が少ないより安価のＤ／Ａ変換器を用いることができ、高い性能の制御装置を安価に提供できる。
（２）ゲインハイ：ゲインローの比率は、圧縮／伸長手段の抵抗比とソフトウェアにより、必要に応じて簡単に自由に設定でき、基本的に切換を行わない場合に比べてこの比率倍で電流制御範囲を広げることが可能である。
（３）圧縮／伸長手段の２系統のオフセット調整が可能なオフセット調整手段を備えるため、Ｄ／Ａ変換器からパワーアンプまでの内在するオフセット要因をキャンセルすることができ、システムをより所望に駆動させることができる。
（４）ＣＰＵからの切換え信号により、圧縮／伸長を切換えた際に発生する過渡的な電流指令のサージ電圧を吸収するフィルタを備えているため、システムへの切換えの影響を極小に留めることができる。
（５）パワーアンプに使用するパワー素子に、比較的位相遅れの大きいリニアアンプを使用する場合にも、位相補償手段を備えているため、電流制御ループ特性、特に、周波数特性を向上でき、システムをより所望に駆動させることができる。
（６）電流指令の圧縮と伸張をするので、速度ループをディジタル回路で構成することができ、制振制御やオブザーバ等の制御方式を容易に組み込むことができる。

以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。

図１は、本発明の電動機制御装置を含む電動機制御系のブロック図である。図において１はＣＰＵ、２はＤ／Ａ変換器、３はサーボオン／オフ用アナログスイッチ、４は圧縮／伸長用アナログスイッチ、５は圧縮／伸長手段、６は位相補償手段、７はオフセット調整手段、８はフィルタ、９はパワーアンプ、１０は電動機、１１は位置センサ、１２はセンサ信号処理部である。本発明の図１が従来の技術である図３と異なるところは、オフセット調整手段７、位相補償手段６、フィルタ８を備えた部分であり、その他の部分は両者とも共通である。

次に動作を説明する。ＣＰＵ１は、電動機１０に接続されるシステムを所望の動作をさせるために、ディジタルの電流指令を圧縮あるいは伸長してＤ／Ａ変換器２に出力する。ＣＰＵ１内では、その上位に位置ループを持つ場合、速度ループ・トルク指令（推力指令）が演算される。また、その上位に位置ループ・速度ループを持つ場合、トルク指令（推力指令）が演算される。また、上位を持たない場合、位置ループ・速度ループ・トルク指令（推力指令）が演算される。トルク指令（推力指令）は、リニアスケール等の位置センサ１１の信号を現在位置として、センサ信号処理部１２を介して取り込まれ、電動機１０の界磁極にあった各相の電流指令に変換される。また、サーボオン／オフ用アナログスイッチ３、あるいは、圧縮／伸長用アナログスイッチ４の切換え信号をシステムの駆動に応じて出力する。

オフセット調整手段７は、電動機制御装置のセットアップ時に用い、圧縮／伸長用アナログスイッチ４の切換えに基づいて、圧縮／伸長手段５の２系統のオフセット調整を可能とする。圧縮／伸長の２系統をオペアンプで構成する圧縮／伸長手段５は、ＣＰＵ１からの圧縮／伸長用アナログスイッチ４の切換え信号による選択に基づいて、どちかの系統を選択され、圧縮されたＣＰＵ１の電流指令は、伸長された電流指令に、また、伸長されたＣＰＵ１の電流指令は、圧縮された電流指令を出力する。パワーアンプ９は、複数個の電流検出器とパワー素子を有した電流制御ループを構成し、電流指令に応じてパワー変換した駆動電流を電動機１０に供給する。位相補償手段６は、パワーアンプ９で構成される電流制御ループ特性、特に、周波数特性を向上させるものである。フィルタ８は、システム駆動時の圧縮／伸長による切換え時に出る電流指令のサージ電圧を吸収するものである。

図２は、本発明の電動機制御装置の動作を示す説明図であり、図１のサーボオン／オフ用アナログスイッチ３、圧縮／伸長用アナログスイッチ４、圧縮／伸長手段５、オフセット調整手段７を詳述するものである。
電動機駆動に際して、サーボｏｎ時はＣＰＵからの切換え信号により、サーボｏｎ用アナログスイッチ３１を選択し、Ｄ／Ａ変換器からの電流指令を後段の手段に有効とする。サーボｏｆｆ時はＣＰＵからの切換え信号により、サーボｏｆｆ用アナログスイッチ３２を選択し、Ｄ／Ａ変換器からの電流指令とは切り離し、後段の手段にゼロ電流指令を有効とする。

電動機制御装置のセットアップ時のオフセット調整は、以下のとおり、実施する。サーボｏｎ状態で、ＣＰＵからの切換え信号により、伸長用アナログスイッチ４１を選択し、伸長用オフセット調整手段７１の可変抵抗器等をパワーアンプ出力電流がゼロ近傍となるように調整する。また、サーボｏｎ状態で、ＣＰＵからの切換え信号により、圧縮用アナログスイッチ４２を選択し、圧縮用オフセット調整手段７２の可変抵抗器等をパワーアンプ出力電流がゼロ近傍となるように調整する。

次に、本発明の主要部であるＤ／Ａ変換器のダイナミックレンジを拡大する手段について図２を用いて説明する。簡単のために、±１５ビット（±３２７６８）、±５Ｖ／フルスケール（以下、ＦＳとする）のＤ／Ａ変換器を±１３ビット（±８１９２）相当で用い、パワーアンプ９のゲインを１Ａ／Ｖとした例を示す。
推力指令データが８１９１より大きい時（以下、ゲインハイとする）、即ち±１３ビットのＤ／Ａ変換器で出力できなくなると、ＣＰＵ１で推力指令データを１／１６倍してＤ／Ａ変換器２に出力する。その際、伸長用アナログスイッチ４１をＣＰＵ１の切換信号により選択する。伸長用アナログスイッチ４１を選択すると圧縮／伸長手段５の第１の系統１３（ゲイン１６倍）が電流指令の流れとなる。

推力指令データが８１９２の時、推力指令データは５１２（＝８１９２／１６）とされ、Ｄ／Ａ変換器２の出力は７８．１２５ｍＶ（＝５Ｖ×５１２／３２７６８）、圧縮／伸長手段５の出力信号は１．２５Ｖ（＝７８．１２５ｍＶ×１６）となり、パワーアンプ９でパワー変換された後、１．２５Ａ（＝１．２５Ｖ×１）の電流が電動機１０に供給される。
推力指令データが６５５３６の時、推力指令データは４０９６（＝６５５３６／１６）とされ、Ｄ／Ａ変換器２の出力は６２５ｍＶ（＝５Ｖ×４０９６／３２７６８）、圧縮／伸長手段５の出力信号は１０Ｖ（＝６２５ｍＶ×１６）となり、パワーアンプ９でパワー変換された後、１０Ａ（＝１０Ｖ×１）の定格電流が電動機１０に供給される。

一方、推力指令データが４０９６より小さい時（以下、ゲインローとする）、即ち±１３ビットのＤ／Ａ変換器で余裕を持って電流指令が出力できるようになると、ＣＰＵ１より推力指令データをそのまま、すなわち１倍のままＤ／Ａ変換器２に出力する。その際、圧縮用アナログスイッチ４２をＣＰＵ１の切換信号により選択する。圧縮用アナログスイッチ４２を選択すると圧縮／伸長手段の第２の系統１４（ゲイン１倍）が電流指令の流れとなる。

推力指令データが４０９６の時、推力指令データは４０９６（＝４０９６×１）としてＤ／Ａ変換器２に入力され、Ｄ／Ａ変換器２の出力は６２５ｍＶ（＝５Ｖ×４０９６／３２７６８）、圧縮／伸長手段５の出力信号は６２５ｍＶ（＝６２５ｍＶ×１）となり、パワーアンプ９でパワー変換された後、６２５ｍＡ（＝６２５ｍＶ×１）の電流が電動機１０に供給される。
推力指令データが最小値１の時、推力指令データは１（＝１×１）としてＤ／Ａ変換器２に入力され、Ｄ／Ａ変換器２の出力は０．１５ｍＶ（＝５Ｖ／３２７６８）、圧縮／伸長手段５の出力信号は０．１５ｍＶ（＝０．１５ｍＶ×１）となり、パワーアンプ９でパワー変換された後、０．１５ｍＡ（＝０．１５ｍＶ×１）の電流が電動機１０に供給される。
圧縮／伸長手段５でのオペアンプ回路ゲイン比は、ゲインハイ：ゲインロー＝１６：１となるよう抵抗が実装されている。

推力指令データがゲインハイとゲインローの中間の値（４０９７〜８１９１）のときは、指令切換ゲインは前の状態を維持し、この幅をヒステリシス幅としている。
よって、あるしきい値（本実施例では推力指令データ４０９６、８１９２）でゲインハイ：ゲインロー＝１６：１の比率で切換を行うことにより、電流制御範囲は、０．１５ｍＡ：１０Ａ＝１：６６６６６となる。ここに圧縮／伸長手段５でのオペアンプ回路の出力電圧制限等の制約条件がなければ、電流制御範囲は１：１３３３３３まで可能である。
なお、切換を行わない場合の電流制御範囲は、０．１５ｍＡ：１．２５Ａ＝１：８３３３である。

本発明は、電動機を駆動する電動機制御装置に係わり、特にＣＰＵの電流指令をＤ／Ａ変換器でアナログ信号に変換した後、パワーアンプを介して永久磁石形同期電動機（回転形、リニアモータ）の制御装置に関して、低分解能のＤ／Ａ変換器を使用しても電流指令のダイナミックレンジを拡大できるため、高分解能の電流指令を出すことができる。これにより、クリン・真空ルームでの半導体、液晶製造装置のステッパ−等の精密位置決め装置の電動機駆動装置にも適用できる。

本発明の電動機制御装置を含む電動機制御系のブロック図 本発明の電動機制御装置の動作を示す説明図 従来技術の第１の電動機制御装置を含む電動機制御系のブロック図 従来技術の第２の電動機制御装置を含む電動機制御系のブロック図

符号の説明

１、１５ ＣＰＵ
２、１７ Ｄ／Ａ変換器
３、３１、３２ サーボオン／オフ用アナログスイッチ
４、４１、４２ 圧縮／伸張用アナログスイッチ
５ 圧縮／伸張手段
６ 位相補償手段
７、７１、７２ オフセット調整手段
８ フィルタ
９ パワーアンプ
１０、２１ 電動機
１１ 位置センサ
１２ センサ信号処理部
１３ 圧縮／伸張手段の第１の系統
１４ 圧縮／伸張手段の第２の系統
１６ 対数変換器
１８ 逆対数変換器
１９ 加算器
２０ ドライブ回路
２２ タコゼネレータ
２３ パルスゼネレータ
２４ 可逆カウンタ

Claims (5)

1. 界磁極にあった各相の電流指令を演算してディジタルの電流指令出力をするＣＰＵと、前記電流指令をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、前記Ｄ／Ａ変換器の信号を受けて前記電流指令に応じた電流を電動機に供給する複数個の電流検出器とパワー素子を有した電流ループが構成されたパワーアンプと、位置センサからの現在位置信号を前記ＣＰＵで制御演算可能となるように処理するセンサ信号処理部と、前記ＣＰＵからの切換え信号により動作するサーボオン／オフ用の複数のアナログスイッチと、を備える電動機制御装置において、
   前記ＣＰＵからの切換え信号により動作する前記電流指令の圧縮／伸長用の複数のアナログスイッチと、
   前記Ｄ／Ａ変換器と前記パワーアンプの間に設けられた信号の圧縮・伸長手段と、
   圧縮と伸長時での前記パワーアンプ各出力電流オフセットを調整するオフセット調整手段と、
   前記パワーアンプの特性を向上させる位相補償手段とを備えたことを特徴とする電動機制御装置。
2. 前記圧縮／伸長手段はオペアンプで構成され、前記ＣＰＵ内で演算される電流指令あるいはトルク指令が、所定のしきい値をクロスすると前記圧縮／伸長用アナログスイッチを切換えることにより前記オペアンプの利得を切換えることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
3. 前記圧縮／伸長手段は、圧縮／伸長の割合をオペアンプの抵抗比で決定し、その抵抗比は、前記Ｄ／Ａ変換器のビット数に応じた前記ＣＰＵ内の演算での圧縮／伸長比との逆数とすることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
4. 圧縮と伸長の切り換え時に出る電流指令のサージ電圧を吸収するフィルタを前記位相補償手段の入力側または出力側へ設けた請求項１記載の電動機制御装置。
5. 前記オフセット調整手段は、複数の可変抵抗器で構成したものである請求項１記載の電動機制御装置。

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