JP2006087184A - モータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 デッドタイム発生回路を設けたモータの駆動装置において、デッドタイムの影響を抑制する機能を具備したモータの駆動装置を実現する。
【解決手段】 パルス幅変調されたスイッチング信号によりモータの駆動電流を制御すると共に、前記スイッチング信号の切り替わりのタイミングに所定時間のデッドタイムを付加するデッドタイム発生回路を設けたモータの駆動装置において、
前記モータの駆動電流に対して位相が直交する補正電流を重畳させるデッドタイム補正手段を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パルス幅変調されたスイッチング信号によりモータの駆動電流を制御すると共に、スイッチング信号の切り替わりのタイミングに所定時間のデッドタイムを付加するデッドタイム発生回路を設けたモータの駆動装置に関する。

格子プラテンと、その上面をＸ軸方向及びＹ軸方向にスライドして位置制御されるスライダ部を有するＸＹステージの構造及びスライダ部のヨーイング抑制技術については、特許文献１に、デッドタイム発生回路を有するモータの駆動回路については特許文献２に詳細に開示されている。

特開２０００−６５９７０号公報 特開２００１−１６１０９２号公報

図６は、特許文献１に開示されている従来構造のＸＹステージの基本構成を示す斜視図である。１０は水平に固定配置された格子プラテンであり、Ｘ方向及びＹ方向に沿って一定ピッチで歯が形成されている。図では簡略のため一部の歯だけを示している。格子プラテンは磁性体の平坦面に格子状に溝を切ることによって形成される。

２０は、格子プラテン上面をＸ方向及びＹ方向にスライドして位置決め制御されるスライダ部であり、この上部にワーク及び位置決めの対象となるターゲット（図示せず）が搭載される。浮揚手段２１は、格子プラテン１０に対向する裏面にノズルが設けられていて圧縮空気を噴射させることでスライダ２０を格子プラテン１０上に浮揚させる。

３１及び３２はスライダ部２０の上部にＸ方向に所定距離を持って固定配置された第１のＸ軸センサ及び第２のＸ軸センサである。３３はスライダ部２０の上部に固定配置されたＹ軸センサである。

１１は、格子プラテン１０のＸ軸の一端部にＸ軸に直交して固定配置された所定高さを有するＸ軸ミラーであり、第１のＸ軸センサ３１及び第２のＸ軸センサ３２と対向する。１２は、格子プラテン１０のＹ軸の一端部にＹ軸に直交して固定配置された所定高さを有するＹ軸ミラーであり、Ｙ軸センサ３３と対向する。

第１のＸ軸センサ３１、第２のＸ軸センサ３２及びＹ軸センサ３３は光学的な距離測定装置であり、レーザ光をＸ軸ミラー１１及びＹ軸ミラー１２に照射し、反射光を受光し、干渉を利用して移動距離を測定することで、スライダ部２０のＸ方向及びＹ方向の位置を測定する。ＰＸ１及びＰＸ２は第１のＸ軸センサ３１及び第２のＸ軸センサ３２によるＸ軸方向距離測定値、ＰＹはＹ軸センサ３３によるＹ方向距離測定値である。

ブロック４はＸＹサーボドライバであり、座標変換手段４１，第１Ｘ軸ドライバ４２，第２Ｘ軸ドライバ４３，Ｙ軸ドライバ４４よりなる。座標変換手段４１は、測定値ＰＸ１，ＰＸ２及びＰＹを入力し第１Ｘ軸ドライバ４２に測定座標Ｘを、第２Ｘ軸ドライバ４３にヨーイング回転角（Ｚ軸の回転角）θを、Ｙ軸ドライバ４４に測定座標Ｙを出力する。

第１Ｘ軸ドライバ４２は、測定座標Ｘと上位装置から与えられる目標位置信号ＳＸの偏差を演算してスライダ２０に搭載された面モータで実現されるＸ１モータに駆動電流ＭＸ１を出力する。

第２Ｘ軸ドライバ４３は、ヨーイング回転角θと設定値０°との偏差を演算してスライダ２０に搭載されたＸ２モータに駆動電流ＭＸ２を出力する。Ｙ軸ドライバ４４は、測定座標Ｙと上位装置から与えられる目標位置信号ＳＹの偏差を演算してスライダ２０に搭載されたＹ１モータ及びＹ２モータに共通の駆動電流ＭＹを出力する。

図７は、Ｘ１モータによる第１Ｘ軸の位置サーボ系の具体的な回路構成を示す機能ブロック図である。５１は積算カウンタであり、上位装置５０からパルス数で与えられる目標位置信号ＳＸを積算し、ディジタルの目標位置信号Ｐｉに変換する。

５２は位置検出手段３の位置検出信号ＰＸ１を入力してその周期を算出する周期検出手段である。５３は位置変換手段、５４は速度変換手段であり、周期検出手段５２からの周期信号を取得して位置信号Ｐｆ及び速度信号Ｖｆに変換する。この動作原理については特許文献１に詳細に開示されているので、ここではその説明を省略する。

５５は位置制御手段であり、目標位置信号Ｐｉと位置信号Ｐｆの偏差を演算して速度指令信号Ｖｉを出力する。５６は速度制御手段であり、速度指令信号Ｖｉと速度信号Ｖｆの偏差を演算して推力指令Ｆを出力する。

５７は位相差検出手段であり、位置検出信号ＰＸ１とスキャン周期ｆｏとの位相差を検出して転流制御手段５８に出力する。この転流制御手段５８の出力ｓｉｎωｔ及びｓｉｎ（ωｔ＋１２０°）の信号と推力指令Ｆは夫々乗算器５９及び６０で乗算され、Ｆｓｉｎωｔ及びＦｓｉｎ（ωｔ＋１２０°）を出力する。

これら乗算器出力と電流検出手段６２及び６３の検出信号との偏差が電流制御手段６１に入力される。電流制御手段６１は、偏差を演算しパルス幅変調（ＰＷＭ）されたスイッチング信号Ｓ１及びＳ２を出力し、デッドタイム発生回路６４を介してインバータを形成する３相スイッチング回路６５を開閉制御し、３相の面モータで実現されるＸ１モータ７０のＵ相，Ｖ相，Ｗ相コイルに励磁電流を供給する。

電流検出手段６２は、Ｕ相コイルに直列接続された電流検出抵抗Ｒｕの電圧降下を検出して電流制御手段６１フィードバックする。同様に電流検出手段６３は、Ｖ相コイルに直列接続された電流検出抵抗Ｒｖの電圧降下を検出して電流制御手段６１フィードバックする。Ｗ相コイルについてはフィードバックを行わない。

転流制御による３相の面モータに対するＰＷＭ電流制御の詳細に関しては、特許文献１に開示されているので、ここでは詳細説明を省略する。

デッドタイム発生回路６４は、スイッチング信号Ｓ１及びＳ２が同時にオンとならないようにスイッチング信号の切り替わりのタイミングに所定時間のデッドタイムを付加し、同時オンによる３相スイッチング回路６５の大電流焼損を防止する。デッドタイム発生回路の詳細に関しては、特許文献２に開示されているので、ここでは詳細説明を省略する。

デッドタイム発生回路は、スイッチング回路の大電流焼損を防止するために必要であるが、デッドタイムによる不感帯の影響により、モータに対する微小な電流出力時に電流歪や応答の遅れがあり、微小振幅を発生してモータの制御特性を悪化させる問題点がある。

スライダの位置制御の精度要求がさほど厳しくない場合には、この特性悪化は問題とならないが、スライダ上に更に高精度の位置決め装置を搭載するような超高精度の位置決め装置では微小振幅が位置決めの要求精度の障害要因となっている。

従って本発明が解決しようとする課題は、デッドタイム発生回路を設けたモータの駆動装置において、デッドタイムの影響を抑制する機能を具備したモータの駆動装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明の構成は次の通りである。
（１）パルス幅変調されたスイッチング信号によりモータの駆動電流を制御すると共に、前記スイッチング信号の切り替わりのタイミングに所定時間のデッドタイムを付加するデッドタイム発生回路を設けたモータの駆動装置において、
前記モータの駆動電流に対して位相が直交する補正電流を重畳させるデッドタイム補正手段を備えたことを特徴とするモータの駆動装置。

（２）前記を補正電流の値は、前記デッドタイム発生回路の特性に応じて手動設定されることを特徴とする（１）に記載のモータの駆動装置。

（３）前記モータは、３相のコイルを有し、スライダをＸ方向及びＹ方向に移動する面モータであることを特徴とする（１）又は（２）に記載のモータ駆動装置。

（４）前記面モータは、前記スライダをＸ方向及びＹ方向に夫々移動するＸ軸モータ及びＹ軸モータで形成され、前記スライダをＸ方向及びＹ方向に移動制御するＸＹステージに適用されることを特徴とする（３）に記載のモータの駆動装置。

（５）前記ＸＹステージは、前記スライダの位置検出信号と目標位置指令との偏差を演算した速度指令に対してこれと前記スライダの速度検出信号との偏差を演算した推力指令に基づいて前記面モータへの駆動電流を制御することを特徴とする（４）に記載のモータの駆動装置。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）常時所定値の直交電流分を補正電流としてモータの励磁電流に重畳させることにより、デッドタイムの影響による微小振幅を有効に回避することができる。
（２）重畳させる補正電流値は、デッドタイム発生回路の特性に応じて手動設定することができるので、制御を最適にするためのチューニング作業が容易である。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は本発明を適用したモータの駆動装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。図６で説明した従来装置と同一要素には同一符号を付し、説明を省略する。以下、本発明の特徴部につき説明する。

図１において、点線のブロック１００は本発明により導入されるデッドタイム補正手段である。１０１は直交電流設定手段であり、重畳すべき補正電流を決める直交電流指令Ｈを出力する。この値は、デッドタイム発生回路６４の特性に応じてオペレータが任意に手動設定することができる。

１０２及び１０３は乗算器であり、転流制御手段５８の出力ｓｉｎωｔ及びｓｉｎ（ωｔ＋１２０°）の信号と直交電流指令Ｈとを乗算してＨｓｉｎωｔ及びＨｓｉｎ（ωｔ＋１２０°）を出力する。

乗算器１０２の出力Ｈｓｉｎωｔを演算器１０４で１／２倍演算した信号と、乗算器１０３の出力Ｈｓｉｎ（ωｔ＋１２０°）とを加算手段１０６で加算することにより、Ｈｓｉｎ（ωｔ−９０°）信号を生成せしめる。これを電流制御手段６１の入力側に設けた加算器２０１により、Ｆｓｉｎωｔ側の偏差信号に重畳させる。

同様に、乗算器１０３の出力Ｈｓｉｎ（ωｔ＋１２０°）を演算器１０４で１／２倍演算した信号と、乗算器１０２の出力Ｈｓｉｎωｔとを加算手段１０６により逆相で加算することにより、Ｈｓｉｎ（ωｔ＋１２０°−９０°）信号を生成せしめる。これを電流制御手段６１の入力側に設けた加算器２０２により、Ｆｓｉｎ（ωｔ＋１２０°）側の偏差信号に重畳させる。

図２は、Ｘ軸モータ及びＹ軸モータへ供給される励磁電流の位相を説明する特性図である。従来の使用形態では、最も推力を発生する機械角９０°に位相が設定されているが、本発明ではこの励磁電流の位相に直交する機械角０°（モータの歯とプラテンの歯の位置が一致している位置）の推力を発生しない電流（直交電流）を重畳する点を特徴とする。

図３は、Ｘ１モータ７０のＵ相への励磁電流ＩｍをＰＷＭ信号でフィードバック制御する部分を示す機能ブロック図である。電流指令Ｆとモータの電流検出手段６２の出力Ｒの誤差ｅは、電流制御手段６１の誤差増幅器６１１に入力される。

誤差増幅器６１１の出力Ｖｍと三角波発生回路６１２の出力Ｖｋがコンパレータ６１３に入力され、ＰＷＭ変調されたスイッチング信号に変換され、デッドタイム発生回路６４に入力され、スイッチング信号の切り替わりのタイミングに所定時間のデッドタイムを付加する。

図４は、推力指令Ｆの振幅が小さい場合の各部の波形図である。（Ａ）は電流指令Ｆの波形、（Ｂ）は励磁電流Ｉｍの波形であり、デッドタイムによりＩｍが流れない期間は長くなる。（Ｃ）は誤差ｅの波形であり、ピークも小さくなる。（Ｄ）は誤差増幅器の出力Ｖｍの波形であり、誤差ピークが小さいことに起因してデッドタイムによる不感帯を通過するのに時間がかかり、これが制御性の悪化をもたらす。

図５は、推力発生に寄与しない直交電流を補正電流として重畳させ、見かけ上の電流指令Ｆを増加させた各部の波形図である。（Ｂ）に示すように、モータ電流が大きくなることでデッドタイムによるＩｍが流れない期間は相対的に短くなり、（Ｃ）に示すように誤差ｅのピークを大きくすることができる。この結果、（Ｄ）に示すように誤差増幅器の出力Ｖｍは短時間でデッドタイムによる不感帯を通過することが可能となり、制御性が改善され、微小振幅を回避せしめることができる。

以上説明した実施例ではＸ１モータについての位置決めサーボ系を説明したが、Ｘ２モータ、Ｙモータについても同一のサーボ系であり、本発明のデッドタイム補正手段を適用することができる。

本発明を適用したモータの駆動装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。 Ｘ軸モータ及びＹ軸モータへ供給される励磁電流の位相を説明する特性図である。 本発明の要部構成図である。 本発明における各部の信号波形図である。 本発明における各部の信号波形図である。 特許文献１に開示されている従来構造のＸＹステージの基本構成を示す斜視図である。 Ｘ１モータによる第１Ｘ軸の位置サーボ系の具体的な回路構成を示す機能ブロック図である。

符号の説明

３ 位置検出手段
５０ 上位装置
５１ 積算カウンタ
５２ 周期検出手段
５３ 位置変換手段
５４ 速度変換手段
５５ 位置制御手段
５６ 速度制御手段
５７ 位相差検出手段
５８ 転流制御手段
５９，６０ 乗算器
６１ 電流制御手段
６２，６３ 電流検出手段
６４ デッドタイム発生回路
６５ ３相スイッチング回路
７０ Ｘ１モータ
１００ デッドタイム補正手段
１０１ 直交電流設定手段
１０２，１０３ 乗算器
１０４，１０５ 演算器
１０６，１０７ 加算器
２０１，２０２ 加算器

Claims (5)

1. パルス幅変調されたスイッチング信号によりモータの駆動電流を制御すると共に、前記スイッチング信号の切り替わりのタイミングに所定時間のデッドタイムを付加するデッドタイム発生回路を設けたモータの駆動装置において、
   前記モータの駆動電流に対して位相が直交する補正電流を重畳させるデッドタイム補正手段を備えたことを特徴とするモータの駆動装置。
2. 前記を補正電流の値は、前記デッドタイム発生回路の特性に応じて手動設定されることを特徴とする請求項１に記載のモータの駆動装置。
3. 前記モータは、３相のコイルを有し、スライダをＸ方向及びＹ方向に移動する面モータであることを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記面モータは、前記スライダをＸ方向及びＹ方向に夫々移動するＸ軸モータ及びＹ軸モータで形成され、前記スライダをＸ方向及びＹ方向に移動制御するＸＹステージに適用されることを特徴とする請求項３に記載のモータの駆動装置。
5. 前記ＸＹステージは、前記スライダの位置検出信号と目標位置指令との偏差を演算した速度指令に対してこれと前記スライダの速度検出信号との偏差を演算した推力指令に基づいて前記面モータへの駆動電流を制御することを特徴とする請求項４に記載のモータの駆動装置。
   

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