JP2006352780A - Servo amplifier - Google Patents

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利隆 宮里
Michiharu Mitsune
道春 三根
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact servo amplifier with satisfactory cost performance and current responsiveness by one power source and one linear amplifier. <P>SOLUTION: In this servo amplifier connected to a main circuit equipped with a DC power source and a linear amplifier and a current detector for controlling the currents of a load by a current control unit, the main circuit is provided with a DC power source PS with a single output, one bi-polar linear amplifier 1 with the DC power source as a power source, two semiconductor power switching elements T<SB>P</SB>and T<SB>N</SB>serially connected between the positive pole and negative pole of the DC power source with the single output and a current detector 21 for detecting currents flowing through a load 2 connected between the intermediate point of the two semiconductor power switching elements and the output of the bi-polar linear amplifier. Thus, it is possible to control currents by comparing a current command with the currents of the load detected by the current detector. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、電磁石や圧電素子、ＤＣサーボモータなど単相のアクチュエータを駆動するサーボ増幅器に関するものである。   The present invention relates to a servo amplifier that drives a single-phase actuator such as an electromagnet, a piezoelectric element, or a DC servo motor.

リニア増幅器が使われる従来のサーボ増幅器の主回路は図３のようになっている。図３（ａ）は、１つのリニア増幅器と２つの直流電源から構成されたシングルエンドプッシュプル形サーボ増幅器の主回路であり、指令回路が出力する電流指令あるいは電圧指令の電圧がリニア増幅器で増幅されると、直流電源から負荷に電力が供給される。このような主回路の具体的な構成が例えば非特許文献１に開示されている。
図３（ｂ）は、２つのリニア増幅器と１つの直流電源から構成されたダブルエンドプッシュプル形サーボ増幅器の主回路であり、指令回路が出力する電流指令あるいは電圧指令の電圧が１つ目のリニア増幅器で電力増幅され、同時に指令回路の出力が位相反転回路によって反転されて２つ目のリニア増幅器で電力増幅される。このため、リニア増幅器の増幅度をＧとすると指令回路の出力の２Ｇ倍の電圧が負荷に印加される。このような主回路の具体的な構成が例えば非特許文献２に開示されている。
なお、図３（ａ）、図３（ｂ）の主回路は、リニア増幅器の損失を無視して直流電源の定格電圧をＶｃｃとし、定格電流をＩとすると、負荷に供給可能な最大電力はいずれもＶｃｃ・Ｉとなっている。
「パワーＭＯＳＦＥＴの応用技術」、日刊工業新聞出版、2003年、P.235,237、山崎浩 「ＭＯＳＦＥＴ・ＢＴＬパワーアンプの製作」、ラジオ技術、1999年5月号、P.21、山崎浩 A main circuit of a conventional servo amplifier using a linear amplifier is as shown in FIG. FIG. 3A is a main circuit of a single-end push-pull servo amplifier composed of one linear amplifier and two DC power supplies, and the current command or voltage command voltage output from the command circuit is amplified by the linear amplifier. Then, power is supplied from the DC power supply to the load. A specific configuration of such a main circuit is disclosed in Non-Patent Document 1, for example.
FIG. 3B is a main circuit of a double-end push-pull type servo amplifier composed of two linear amplifiers and one DC power source. The voltage of the current command or voltage command output from the command circuit is the first. The power is amplified by the linear amplifier, and at the same time, the output of the command circuit is inverted by the phase inverting circuit and is amplified by the second linear amplifier. For this reason, when the amplification factor of the linear amplifier is G, a voltage 2G times the output of the command circuit is applied to the load. A specific configuration of such a main circuit is disclosed in Non-Patent Document 2, for example.
3A and 3B, the maximum power that can be supplied to the load is given by assuming that the rated voltage of the DC power supply is Vcc and the rated current is I, ignoring the loss of the linear amplifier. Both are Vcc · I.
"Applied Technology of Power MOSFET", Nikkan Kogyo Shimbun Publishing, 2003, P.235,237, Hiroshi Yamazaki “Production of MOSFET / BTL Power Amplifier”, Radio Technology, May 1999, P.21, Hiroshi Yamazaki

ところが図３（ａ）の主回路を持つサーボ増幅器は、電圧＋Ｖｃｃ、−Ｖｃｃを出力する２つの電源を必要としており、図３（ｂ）の主回路を持つサーボ増幅器は、電源は１つでよいものの２つのリニア増幅器を必要としているなど、主回路の主要部を２組使用するため、体積が大きく、コストが高くつくという問題があった。
そこで本発明は、１つの電源と１つのリニア増幅器によってコンパクト且つローコストで電流応答性のよいサーボ増幅器を提供することを目的とする。 However, the servo amplifier having the main circuit shown in FIG. 3A requires two power supplies that output voltages + Vcc and −Vcc, and the servo amplifier having the main circuit shown in FIG. Although two good linear amplifiers are necessary, there are problems that the main part of the main circuit is used and the volume is large and the cost is high.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a servo amplifier that is compact, low-cost, and has good current response by using one power source and one linear amplifier.

上記課題を解決するため第１の発明は、直流電源とリニア増幅器と電流検出器を備えている主回路に接続された負荷の電流を電流制御器によって制御するサーボ増幅器において、前記主回路が、１つの単一出力の直流電源と、その直流電源を電源とする１つの双極性リニア増幅器と、前記単一出力の直流電源の正極と負極の間に直列接続された２つの半導体パワースイッチング素子と、前記２つの半導体パワースイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続された２つの還流ダイオードと、前記２つの半導体パワースイッチング素子のそれぞれに並列に接続された２つの高抵抗と、前記２つの半導体パワースイッチング素子の中間点と前記１つのリニア増幅器の出力の間に接続された負荷に流れる電流を検出する電流検出器とを備え、電流指令と前記電流検出器が検出した負荷の電流を比較して電流制御することを特徴としている。
また第２の発明は、負荷に供給する電流の極性に応じて前記２つの半導体パワースイッチング素子のいずれかをオンすることを特徴としている。
また第３の発明は、電流指令が所定値より小さいときは前記２つの半導体パワースイッチング素子のいずれもオフとすることを特徴としている。
また第４の発明は、直流電源とリニア増幅器と電圧検出器を備えた主回路に接続されている負荷にかかる電圧を電圧制御器によって制御するサーボ増幅器において、前記主回路が、１つの単一出力の直流電源と、その直流電源を電源とする１つの双極性リニア増幅器と、前記単一出力の直流電源の正極と負極の間に直列接続された２つの半導体パワースイッチング素子と、前記２つの半導体パワースイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続された２つの還流ダイオードと、前記２つの半導体パワースイッチング素子のそれぞれに並列に接続された２つの高抵抗と、前記２つの半導体パワースイッチング素子の中間点と前記１つのリニア増幅器の出力の間に接続された負荷に印加される電圧を検出する電圧検出器とを備え、電圧指令と前記電圧検出器が検出した負荷の電圧を比較して電圧制御することを特徴としている。
また第５の発明は、負荷に印加された電圧の極性に応じて前記２つの半導体パワースイッチング素子のいずれかをオンすることを特徴としている。
また第６の発明は、電圧指令が所定値より小さいときは前記２つの半導体パワースイッチング素子のいずれもオフとすることを特徴としている。 In order to solve the above problems, the first invention is a servo amplifier that controls a current of a load connected to a main circuit including a DC power source, a linear amplifier, and a current detector by a current controller, wherein the main circuit includes: One single-output DC power source, one bipolar linear amplifier using the DC power source as a power source, and two semiconductor power switching elements connected in series between the positive and negative electrodes of the single-output DC power source Two free-wheeling diodes connected in antiparallel to each of the two semiconductor power switching elements, two high resistances connected in parallel to each of the two semiconductor power switching elements, and the two semiconductor power switching elements A current detector for detecting a current flowing in a load connected between an intermediate point of the element and an output of the one linear amplifier; It is characterized in that current control by comparing the load current to said current detector detects.
The second invention is characterized in that one of the two semiconductor power switching elements is turned on according to the polarity of the current supplied to the load.
Further, the third invention is characterized in that both of the two semiconductor power switching elements are turned off when the current command is smaller than a predetermined value.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a servo amplifier for controlling a voltage applied to a load connected to a main circuit including a DC power source, a linear amplifier, and a voltage detector by a voltage controller. An output DC power supply, one bipolar linear amplifier using the DC power supply as a power supply, two semiconductor power switching elements connected in series between a positive electrode and a negative electrode of the single output DC power supply, and the two Two free-wheeling diodes connected in antiparallel to each of the semiconductor power switching elements, two high resistances connected in parallel to each of the two semiconductor power switching elements, and an intermediate point between the two semiconductor power switching elements And a voltage detector for detecting a voltage applied to a load connected between the outputs of the one linear amplifier. It is characterized in that the voltage control by comparing the voltage of the load detector detects.
Further, the fifth invention is characterized in that either one of the two semiconductor power switching elements is turned on in accordance with the polarity of the voltage applied to the load.
Further, the sixth invention is characterized in that both of the two semiconductor power switching elements are turned off when the voltage command is smaller than a predetermined value.

第１の発明によると、主回路の主要部を単一極性の直流電源と１つの双極性リニア増幅器とし、これに２つの半導体パワースイッチング素子を加えて構成されているので、構造が簡単で小型・安価にして電源の利用効率を飛躍的に高めることができ、さらに電流応答性をよいものにすることができるという効果がある。
第２の発明によると、電流の極性に応じて何れかの半導体パワースイッチング素子をオンしているので、電源の利用効率を飛躍的に高めることができるという効果がある。
第３の発明によると、電流指令が所定値より小さいときは半導体パワースイッチング素子のいずれもオフとしているので、電源の利用効率を飛躍的に高めることができるという効果がある。
第４の発明によると、主回路の主要部を単一極性の直流電源と１つの双極性リニア増幅器とし、これに２つの半導体パワースイッチング素子を加えて構成されているので、構造が簡単で小型・安価にして電源の利用効率を飛躍的に高めることができ、さらに電圧応答性をよいものにすることができるという効果がある。
第５の発明によると、電圧の極性に応じて何れかの半導体パワースイッチング素子をオンしているので、電源の利用効率を飛躍的に高めることができるという効果がある。
第６の発明によると、電圧指令が所定値より小さいときは半導体パワースイッチング素子のいずれもオフとしているので、電源の利用効率を飛躍的に高めることができるという効果がある。 According to the first invention, the main part of the main circuit is composed of a single polarity DC power source and one bipolar linear amplifier, and two semiconductor power switching elements are added thereto, so that the structure is simple and compact. -There is an effect that the power supply efficiency can be dramatically increased and the current response can be improved.
According to the second invention, since any one of the semiconductor power switching elements is turned on according to the polarity of the current, there is an effect that the use efficiency of the power source can be remarkably improved.
According to the third invention, when the current command is smaller than the predetermined value, since all of the semiconductor power switching elements are turned off, there is an effect that the utilization efficiency of the power source can be dramatically increased.
According to the fourth invention, the main part of the main circuit is composed of a single polarity DC power supply and one bipolar linear amplifier, and two semiconductor power switching elements are added to this, so the structure is simple and compact. -There is an effect that the efficiency of use of the power source can be dramatically increased and the voltage responsiveness can be improved.
According to the fifth aspect of the invention, since any one of the semiconductor power switching elements is turned on according to the polarity of the voltage, there is an effect that the use efficiency of the power source can be dramatically increased.
According to the sixth invention, when the voltage command is smaller than the predetermined value, since all of the semiconductor power switching elements are turned off, there is an effect that the utilization efficiency of the power source can be dramatically increased.

以下、本発明のサーボ増幅器の具体的実施例について図を用いて説明する。   Hereinafter, specific embodiments of the servo amplifier of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は本発明のサーボ増幅器の構成を示す機能ブロック図であり、図１を詳しく記述したのが図２である。
このサーボ増幅器は１つの電源と１つのリニア増幅器のほかにいくつかの小部品から構成されている。主回路電源ＰＳは，リニア増幅器１と２つの半導体パワースイッチング素子ＴＰ、ＴＮを通じて負荷２に電力を供給する。電流指令ｉ＊が与えられると、負荷２の負荷電流検出信号ｉｆがフィードバックして差し引かれて電流偏差Δｉが求められ、これを入力したＰＩＤ制御回路４が比例、積分、微分演算によって電流指令を求める。負荷電流検出信号ｉｆは負荷２に流れる電流を検出する電流検出器２１とその検出信号を入力する負荷電流検出回路５によって求められる。リニア増幅器１が電流指令を入力すると、電力増幅して電流指令ｉ＊に応じた電流を負荷２に供給する。
一方，電流指令ｉ＊が電流極性判別回路６に入力されると、電流指令ｉ＊の極性に応じた２つの信号ＱＰ、ＱＮを出力してゲートドライブ回路３１、３２の入力となる。電流極性判別回路６は電流指令ｉ＊が正であればＱＰを１、ＱＮを０とし、ｉ＊が負であればＱＰを０、ＱＮを1として出力する。従って電流指令ｉ＊が正であれば半導体パワースイッチング素子ＴＰがＯＦＦ、半導体パワースイッチング素子ＴＮがＯＮとなって負荷２に正の電流が流れ、電流指令ｉ＊が負であれば半導体パワースイッチング素子ＴＰがＯＮ、半導体パワースイッチング素子ＴＮがＯＦＦとなって負荷２に負の電流が流れる。このとき、電流指令ｉ＊が小さければ半導体パワースイッチング素子ＴＰ、半導体パワースイッチング素子ＴＮのいずれもＯＦＦになる。
このように電流指令ｉ＊の極性によって２つの半導体パワースイッチング素子の何れか１つがＯＮして負荷２に電流を供給するのである。 FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of a servo amplifier according to the present invention. FIG. 2 is a detailed description of FIG.
This servo amplifier is composed of several small parts in addition to one power source and one linear amplifier. The main circuit power supply PS supplies power to the load 2 through the linear amplifier 1 and the two semiconductor power switching elements T P and T N. When the current command i * is given, the load current detection signal if of the load 2 is fed back and subtracted to obtain the current deviation Δi, and the PID control circuit 4 that has input this gives the current command by proportional, integral, and differential operations. Ask. The load current detection signal if is obtained by a current detector 21 that detects a current flowing through the load 2 and a load current detection circuit 5 that inputs the detection signal. When the linear amplifier 1 inputs a current command, the power is amplified and a current corresponding to the current command i * is supplied to the load 2.
On the other hand, when the current command i * is input to the current polarity discrimination circuit 6, two signals Q P and Q N corresponding to the polarity of the current command i * are output and input to the gate drive circuits 31 and 32. Current polarity determination circuit 6 to Q P was 1, Q N and 0 if it is positive the current command i *, i * is output if it is negative the Q P to 0, Q N as 1. Therefore, if the current command i * is positive, the semiconductor power switching element TP is OFF, the semiconductor power switching element TN is ON, and a positive current flows through the load 2, and if the current command i * is negative, the semiconductor power switching element T P is oN, a negative current flows through the semiconductor power switching element T N load becomes OFF 2. At this time, if the current command i * is small, both the semiconductor power switching element T P and the semiconductor power switching element T N are turned OFF.
In this way, one of the two semiconductor power switching elements is turned on by the polarity of the current command i * to supply current to the load 2.

以上、電流極性判別回路６に電流指令ｉ＊を入力する場合について説明したが、電流指令ｉ＊に代えて電流偏差Δｉを入力してもよい。この場合は電流偏差Δｉの極性に応じて電流指令ｉ＊を入力したときと同じように動作し、半導体パワースイッチング素子の何れかがＯＮして負荷２に電流を供給するのである。
以上のように、１つの電源と１つのリニア増幅器に２つの半導体パワースイッチング素子を加えたサーボ増幅器であっても、２つの半導体パワースイッチング素子をオンオフさせ、リニア増幅器と連携動作させることによってプッシュプル形のサーボ増幅器とすることができるのである。
図１の機能ブロック図はリニア増幅器１が電流制御をする場合を示しているが、リニア増幅器１が電圧制御をする場合は、電流指令ｉ＊を電圧指令ｖ＊に変えて負荷電流検出回路５を電圧検出回路に変えればよく、リニア増幅器１が電流制御をするときと同じ様な動作をさせることができる。
なお、２つの半導体パワースイッチング素子ＴＰ、ＴＮと並列接続された還流ダイオードと高抵抗よりなるブロックＡ１、Ａ２は、負荷に供給する電流が極小であって、半導体パワースイッチング素子ＴＰ、ＴＮがオフの時に電流ループを形成する。 Although the case where the current command i * is input to the current polarity determination circuit 6 has been described above, the current deviation Δi may be input instead of the current command i * . In this case, the operation is the same as when the current command i * is input according to the polarity of the current deviation Δi, and one of the semiconductor power switching elements is turned on to supply the current to the load 2.
As described above, even in a servo amplifier in which two semiconductor power switching elements are added to one power supply and one linear amplifier, the two semiconductor power switching elements are turned on / off and operated in cooperation with the linear amplifier. It can be a servo amplifier of the shape.
The functional block diagram of FIG. 1 shows the case where the linear amplifier 1 performs current control. However, when the linear amplifier 1 performs voltage control, the load command detection circuit 5 changes the current command i * to the voltage command v *. Can be changed to a voltage detection circuit, and the linear amplifier 1 can be operated in the same manner as when current control is performed.
In addition, the blocks A1 and A2 including the freewheeling diode connected in parallel with the two semiconductor power switching elements T P and T N and the high resistance have a minimum current supplied to the load, and the semiconductor power switching elements T P and T A current loop is formed when N is off.

ノイズが少なく、高精度で且つ大電力のリニア増幅が必要とされるあらゆる用途へ適用することができる。   The present invention can be applied to any application that requires low-noise, high-accuracy and high-power linear amplification.

本発明のサーボ増幅器の機能ブロック図Functional block diagram of the servo amplifier of the present invention 図１の詳細図Detailed view of FIG. 従来のリニア増幅器の主回路図（ａ）シングルエンドプッシュプル形（ｂ）ダブルエンドプッシュプル形Main circuit diagram of conventional linear amplifier (a) Single-end push-pull type (b) Double-end push-pull type

符号の説明Explanation of symbols

１ リニア増幅器、 ２ 負荷、 ２１ 電流検出器、
３１、３２ ゲートドライブ回路、 ４ ＰＩＤ制御回路、
５ 負荷電流検出回路、 ６ 電流極性判別回路 1 linear amplifier, 2 load, 21 current detector,
31, 32 gate drive circuit, 4 PID control circuit,
5 Load current detection circuit, 6 Current polarity discrimination circuit

Claims (6)

直流電源とリニア増幅器と電流検出器を備えている主回路に接続された負荷の電流を電流制御器によって制御するサーボ増幅器において、
前記主回路が、１つの単一出力の直流電源と、その直流電源を電源とする１つの双極性リニア増幅器と、前記単一出力の直流電源の正極と負極の間に直列接続された２つの半導体パワースイッチング素子と、前記２つの半導体パワースイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続された２つの還流ダイオードと、前記２つの半導体パワースイッチング素子のそれぞれに並列に接続された２つの高抵抗と、前記２つの半導体パワースイッチング素子の中間点と前記１つのリニア増幅器の出力の間に接続された負荷に流れる電流を検出する電流検出器とを備え、電流指令と前記電流検出器が検出した負荷の電流を比較して電流制御することを特徴とするサーボ増幅器。 In a servo amplifier that controls a current of a load connected to a main circuit including a DC power source, a linear amplifier, and a current detector by a current controller,
The main circuit includes one single-output DC power source, one bipolar linear amplifier using the DC power source as a power source, and two serially connected between a positive electrode and a negative electrode of the single-output DC power source. A semiconductor power switching element; two freewheeling diodes connected in antiparallel to each of the two semiconductor power switching elements; two high resistances connected in parallel to each of the two semiconductor power switching elements; A current detector for detecting a current flowing in a load connected between an intermediate point of two semiconductor power switching elements and an output of the one linear amplifier; a current command and a load current detected by the current detector A servo amplifier characterized in that the current is controlled by comparing the two. 負荷に供給する電流の極性に応じて前記２つの半導体パワースイッチング素子のいずれかをオンすることを特徴とする請求項１に記載のサーボ増幅器。   2. The servo amplifier according to claim 1, wherein either one of the two semiconductor power switching elements is turned on in accordance with a polarity of a current supplied to a load. 電流指令が所定値より小さいときは前記２つの半導体パワースイッチング素子のいずれもオフとすることを特徴とする請求項１に記載のサーボ増幅器。   2. The servo amplifier according to claim 1, wherein when the current command is smaller than a predetermined value, both of the two semiconductor power switching elements are turned off. 直流電源とリニア増幅器と電圧検出器を備えている主回路に接続された負荷にかかる電圧を電圧制御器によって制御するサーボ増幅器において、
前記主回路が、１つの単一出力の直流電源と、その直流電源を電源とする１つの双極性リニア増幅器と、前記単一出力の直流電源の正極と負極の間に直列接続された２つの半導体パワースイッチング素子と、前記２つの半導体パワースイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続された２つの還流ダイオードと、前記２つの半導体パワースイッチング素子のそれぞれに並列に接続された２つの高抵抗と、前記２つの半導体パワースイッチング素子の中間点と前記１つのリニア増幅器の出力の間に接続された負荷に印加される電圧を検出する電圧検出器とを備え、電圧指令と前記電圧検出器が検出した負荷の電圧を比較して電圧制御することを特徴とするサーボ増幅器。 In a servo amplifier that controls a voltage applied to a load connected to a main circuit including a DC power source, a linear amplifier, and a voltage detector by a voltage controller,
The main circuit includes one single-output DC power source, one bipolar linear amplifier using the DC power source as a power source, and two serially connected between a positive electrode and a negative electrode of the single-output DC power source. A semiconductor power switching element; two freewheeling diodes connected in antiparallel to each of the two semiconductor power switching elements; two high resistances connected in parallel to each of the two semiconductor power switching elements; A voltage detector for detecting a voltage applied to a load connected between an intermediate point of two semiconductor power switching elements and an output of the one linear amplifier, and a voltage command and a load detected by the voltage detector; A servo amplifier characterized in that the voltage is controlled by comparing the voltages of the two. 負荷に印加された電圧の極性に応じて前記２つの半導体パワースイッチング素子のいずれかをオンすることを特徴とする請求項４に記載のサーボ増幅器。   5. The servo amplifier according to claim 4, wherein one of the two semiconductor power switching elements is turned on in accordance with a polarity of a voltage applied to a load. 電圧指令が所定値より小さいときは前記２つの半導体パワースイッチング素子のいずれもオフとすることを特徴とする請求項４に記載のサーボ増幅器。   5. The servo amplifier according to claim 4, wherein when the voltage command is smaller than a predetermined value, both of the two semiconductor power switching elements are turned off.
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