JP2008092721A

JP2008092721A - 同期電動機制御装置

Info

Publication number: JP2008092721A
Application number: JP2006272604A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Ito; 正和伊藤
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-10-04
Filing date: 2006-10-04
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2026-10-04
Also published as: JP5055932B2

Abstract

【課題】ダイナミックレンジの大きい電流指令に対して高精度に電流を制御できる同期電動機制御装置を提供する。
【解決手段】電流指令調節部と、電流検出部と、電流制御部（３）と、キャリア信号生成部（５）と、ＰＷＭ部（７）と、電力変換部（１０）と、を備えた同期電動機制御装置において、電流指令調節部は第１電流指令を生成する第１電流指令調節部（１）と、第２電流指令を生成する第２電流指令調節部（２）とを備え、電流検出部は第１電流信号を生成する第１電流検出部（１３）と、第２電流信号を生成する第２電流検出部（１４）とを備え、第１電流指令か第２電流指令かを選択する第１スイッチ（１６）と、第１電流信号か第２電流信号かを選択する第２スイッチ（１８）と、電流指令が所定電流値よりも小さいときには第１電流指令と第１電流を選択し、大きいときには第２電流指令と第２電流信号を選択するスイッチ制御部（２０）と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、高速、高精度な同期電動機制御装置に関する。

半導体、液晶製造装置分野の中の半導体、液晶露光装置の駆動系で使用される同期電動機は、高速・高加減速かつ、一定速時の精度が重要である。従来の同期電動機制御装置は、加減速時に必要な最大電流（トルク）によりダイナミックレンジが決定され、加減速時には大きな電流（トルク）指令を入力し、一定速時には小さな電流（トルク）指令を入力して駆動させる。
図８は従来の同期電動機制御装置の構成ブロック図である。１０２はＤＣゲインおよびオフセット調整可能なＯＰアンプ部、１０３は同期電動機に通電される電流を検出する検出抵抗、１０４は検出抵抗１０３より検出された電圧を増幅させる電流フィードバック検出回路（以下ＦＢ検出回路とする）、１０５はＯＰアンプ部１０２とＦＢ検出回路１０４から出力されるフィードバック検出信号（以下ＦＢ検出信号とする）との誤差を検出する誤差アンプ、１０６はＰＷＭ駆動するための基準となるキャリア波形を出力するキャリア発生手段、１０７は誤差アンプ１０５の出力とキャリア発生手段１０６の出力を比較しゲート信号を出力するゲート信号発生手段、１０８はゲート信号発生手段１０７より出力されたゲート信号により電流を出力する電流増幅器、１０９は電流（トルク）指令およびＦＢ検出信号を取り込みアラーム等各種演算を行うＣＰＵ、１１０は電流増幅器８により出力された電流により駆動する同期電動機、１１１は電流(トルク)指令を出力する上位装置である。上位装置１１１から電流(トルク)指令が入力されると、ＯＰアンプ部１０２の出力と、ＦＢ検出回路１０４の出力を誤差アンプ部１０５で誤差を検出し、ゲート信号発生手段１０７を介して電流増幅器１０８により同期電動機１１０に電流を通電する。
また、公開された従来技術には特許文献１がある。特許文献１では、電流（トルク）指令が所定値をクロスした場合に、電流(トルク)指令のダイナミックレンジを変調する装置および方法を提示している。特許文献１のブロック図を図９に示しており、１０２はＤＣゲインとオフセット調整が可能なＯＰアンプ部、１０３は検出抵抗、１０４はＦＢ検出回路、１０５はＯＰアンプ部１０２の出力とＦＢ検出回路１０４の出力との誤差を検出する誤差アンプ部、１０６はＰＷＭ駆動するための基準となるキャリア波形を出力するキャリア発生手段、１０７は誤差アンプ部１０５の出力とキャリア発生手段１０６の出力を比較しゲート信号を出力するゲート信号発生手段、１０８は、ゲート信号発生手段１０７より出力されたゲート信号により電流を出力する電流増幅器、１１０は電流増幅器１０８により出力された電流により駆動する同期電動機、１１１は電流(トルク)指令を出力する上位装置である。ＯＰアンプ部１０２は、差動ＯＰアンプ部とアナログスイッチと可変抵抗からなり、上位装置１１１からゲイン切換信号によってアナログスイッチを切り換えることにより差動アンプのゲインを切り換えることで、ＯＰアンプ部２のゲインが可変となる。
特開２００３−２３５２９５号公報

しかしながら、従来の技術は、ＯＰアンプ部１０２、および検出抵抗１０３とＦＢ検出回路１０４のダイナミックレンジを固定しているため、大きな電流（トルク）指令に対して前記ＯＰアンプ部１０２、および検出抵抗１０３とＦＢ検出回路１０４のダイナミックレンジを固定した場合、小さな電流(トルク)指令を入力されたときに、前記ＯＰアンプ部１０２、および検出抵抗１０３とＦＢ検出回路１０４は、非常に小さなダイナミックレンジで電流(トルク)制御を行うため、十分な分解能を有することができない。また、小さな電流（トルク）指令に対して前記ＯＰアンプ部１０２、および検出抵抗１０３とＦＢ検出回路１０４のダイナミックレンジを固定した場合、大きな電流(トルク)指令を入力されたとき、前記ＯＰアンプ部１０２、および検出抵抗３とＦＢ検出回路１０４は、許容できるダイナミックレンジを超えてしまい、オーバーフローしてしまう問題がある。そのため、高速・高加減速と一定速時の精度の両立をすることができない問題があった。
また、特許文献１の技術では、電流(トルク)指令が所望したしきい値をクロスした場合に電流（トルク）指令のダイナミックレンジを切り換えることで、電流（トルク）指令の分解能を上げることができ、同期電動機に通電されている実電流を検出するＦＢ検出回路１０４のダイナミックレンジは固定されている。このような構成では、電流（トルク）指令は大きな電流(トルク)指令でも小さな電流(トルク)指令でも最適なダイナミックレンジを取ることはできるが、ＦＢ検出信号のダイナミックレンジが固定されているため、全体的な電流（トルク）制御の分解能は向上しないため、一定速時の精度が向上しない問題があった。
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、ダイナミックレンジの大きい電流指令に対して高精度に電流を制御で同期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に、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１記載の発明は、電流指令を調節し新たな電流指令を生成する電流指令調節部と、電流を検出し電流信号を生成する電流検出部と、前記電流指令と前記電流信号から電圧指令を生成する電流制御部と、キャリア信号を生成するキャリア信号生成部と、前記電圧信号と前記キャリア信号からゲート信号を生成するＰＷＭ部と、前記ゲート信号に応じて電力を変換する電力変換部と、を備えた同期電動機制御装置において、前記電流指令調節部は第１電流指令を生成する第１電流指令調節部と、第２電流指令を生成する第２電流指令調節部と、を備え、前記電流検出部は、第１電流信号を生成する第１電流検出部と、第２電流信号を生成する第２電流検出部と、を備え、前記第１電流指令か前記第２電流指令かを選択する第１のスイッチと、前記第１電流信号か前記第２電流信号かを選択する第２スイッチと、前記電流指令が所定電流値よりも小さいときには前記第１電流指令と前記第１電流を選択し、大きいときには前記第２電流指令と前記第２電流信号を選択するスイッチ選択信号を生成するスイッチ制御部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、前記電流制御部は、請求項１記載の同期電動機制御装置において、前記第１電流指令と前記第１電流信号から第１電圧指令を生成する第１電流制御部と、前記第２電流指令と前記第２電流指令と前記第２電流信号から第２電圧指令を生成する第２電流制御部と、を備え、前記第１電圧指令か前記第２電圧指令かを選択する第３スイッチと、前記電流指令が所定値よりも小さいときには前記第１電圧指令を選択し、大きいときには前記第２電圧指令を選択するスイッチ制御部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の同期電動機制御装置において、キャリア信号生成部は、第１キャリア信号を生成する第１キャリア周波数生成部と、第２キャリア信号を生成する第２キャリア周波数生成部と、を備え、前記第１電圧指令と第１キャリア信号から第１ゲート信号を生成する第１ＰＷＭ部と、前記第２電圧指令と第２キャリア信号から第２ゲート信号を生成する第２ＰＷＭ部と、電流指令を所定電流値と比較して前記第１ゲート信号か前記第２ゲート信号かを選択する第４スイッチと、を備えることを特徴とするものでる。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の同期電動機制御装置において、第１キャリア信号と第２キャリア信号は周波数が異なることを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項１乃至４記載の同期電動機制御装置において、前記電流検出部は、電流により電圧信号を生成する１つの電流検出抵抗と、前記電圧信号から第１検出ゲインで増幅し第１電流信号を生成する第１電流検出部と、第２検出ゲインで増幅する第２電流検出部とを備えることを特徴とするものである。
請求項６記載の発明は、請求項１乃至２記載の同期電動機制御装置において、記スイッチの選択信号は、外部指令によることを特徴とするものである。
請求項７記載の発明は、請求項１乃至２記載の同期電動機制御装置において、前記スイッチの選択信号は、外部指令によることを特徴とするものである。
請求項８記載の発明は、請求項１乃至２記載の同期電動機制御装置にお８いて、前記電流指令調節部はゲイン調整とオフセット調整が可能なオペアンプであることを特徴とするものである。
請求項９記載の発明は、請求項１記載の同期電動機制御装置において、、前記電流指令が所定電流値以下の場合は電流制御部のゲインを第２電流信号と第１電流信号のゲイン比に比例して下げることを特徴とするものである。
請求項１０記載の発明は、請求項４記載の同期電動機制御装置において、前記電流指令が所定値以下の場合は第１キャリア信号の周波数を第２キャリア信号の周波数よりも第１電流信号と第２電流信号のゲイン比に比例してあげることを特徴とするものである。
請求項１１記載の発明は、請求項１乃至３記載の同期電動機制御装置において、前記所定電流値は、最大電流値の略１／２以下であることを特徴とするものである。

本発明によると、電流（トルク）指令が所望のしきい値をクロスした時にＯＰアンプ部、および電流制御ループを構成する誤差アンプ部、電流検出部を切り換えることにより、大きな電流（トルク）時でも、小さな電流（トルク）時でも、指令、および電流検出のダイナミックレンジを十分にとることができ、高速・高加減速かつ一定速時の精度の向上を両立できる同期電動機制御装置を提供することができる。

以下、本発明の方法の具体的実施例を、図２に示すような動作タイムチャートで同期電動機１０を動作させる場合について説明する。

図１は、本発明の実施例１の構成を示す図である。図において、１、２はそれぞれ第１電流指令調節部と第２電流調節部、３は第１電流制御部、５は第１キャリア信号生成部、７は第１ＰＷＭ部、９はゲートドライブ部、１０は電力変換部、１１、１２は電流検出抵抗、１３、１４は絶縁増幅部、１５、１８はスイッチ、２０はスイッチ制御部、２１は上位装置、２２は同期電動機である。スイッチ１５は電流指令調節部を選択するスイッチ、電流指令調節部１、２は、入力された電流(トルク)指令をＤＣゲイン倍に増幅、及びオフセット調整を行う事ができるＯＰアンプで構成され、電流指令のゲインおよびオフセットを調整して、それぞれ、ゲインの異なる第１電流指令、第２電流指令を生成する。スイッチ１６は第１電流指令か第２電流指令かを選択するためのスイッチである。電流検出抵抗１１と絶縁増幅部１３は第１電流信号を生成し、電流検出抵抗１２と絶縁増幅部１４は第２電流信号を生成する。スイッチ１８は第１電流信号か第２電流信号かを選択する。電流制御器３は選択された電流指令と電流信号の誤差信号をＰＩＤ処理をして第１電圧指令を生成する。第１キャリア信号生成部は第１キャリア信号を生成する。第１ＰＷＭ部７は第１電圧指令と第１キャリア信号から第１ゲート信号を生成する。ゲートドライブ部９は第１ゲート信号を絶縁増幅し、電力変換部１０の半導体スイッチのゲートを駆動する。電力変換部１０は、第１ゲート信号に基づいて同期電動機に電圧を印加して電流を流す。スイッチ制御部２０は、ハードで構成することもできるが、通常はＣＰＵで構成され、アラームなど各種演算を行うとともに電流指令があらかじめ設定された所定値以下の場合はスイッチ１５に第１電流指令調節部を、スイッチ１７に第１電流信号を選択するように選択信号を生成する。電流指令が所定値以上の場合は第２電流指令を第２電流信号を選択する。上位装置２１は電流指令を生成する。
所定電流値Ｉｓは、同期電動機および同期電動機制御装置の最大電流Ｉｍａｘから決定し、通常、略Ｉｍａｘ／２〜略Ｉｍａｘ／１００の範囲に選ぶ。第１電流指令と第２電流指令のゲイン比や第１電流信号と第２電流信号のゲイン比はほぼ最大電流と所定電流値の比に選なり、通常５〜１００である。
図２の(Ｂ)の領域は、電流（トルク）指令が所定電流値より小さい領域で、同期電動機を一定速で駆動している領域になる。上位装置からの電流指令が所定電流値以下の場合は、第１電流指令と第１電流信号を選択し、所定値電流を少し超えた電流がフルスケール値となり、電流指令が所定値電流を超える場合は、第２電流指令と第２電流信号を選択し、最大電流がフルスケール値となる。
また、電流制御部３のゲインを、電流指令値が所定電流値以下の場合は下げ、所定電流値を超える場合は上げて全電流領域にわたって電流制御ループゲインを一定に保つこともできる。
以上のことから、小さな電流（トルク）指令に対しても最適なダイナミックレンジで電流(トルク)制御を行うことができ、十分な分解能で高速・高加減速かつ一定速時の精度が向上した同期電動機制御装置を提供できる。

図３は本発明の実施例２の構成を示すブロック図である。図において、１、２はそれぞれ第１電流指令調節部と第２電流調節部、３、４はそれぞれ第１電流制御部、第２電流制御部、５は第１キャリア信号生成部、７は第１ＰＷＭ部、９はゲートドライブ部、１０は電力変換部、１１、１２は電流検出抵抗、１３、１４はそれぞれ第１絶縁増幅部、第２絶縁増幅部であり、１５、１７はスイッチ、２０はスイッチ制御部、２１は上位装置、２２は同期電動機である。実施例２は、実施例１に対して第２電流制御部４を追加して、電流指令が所定電流値以下の場合は、スイッチ１７により、第１電流制御部３の生成する第１電圧指令を選択し、所定電流値を超える場合は、第２電流制御部４の生成する第２電圧指令を選択するところが異なる。

図４は本発明のを実施例３の構成を示すブロック図である。図において、１、２はそれぞれ第１電流指令調節部と第２電流調節部、３、４はそれぞれ第１電流制御部、第２電流制御部、５、６はそれおぞれ第１キャリア信号生成部、第２キャリア信号生成部であり、７、８はそれおぞれ第１ＰＷＭ部、第２ＰＷＭ部である。９はゲートドライブ部、１０は電力変換部、１１、１２は電流検出抵抗、１３、１４はそれぞれ第１絶縁増幅部、第２絶縁増幅部であり、１５、１７はスイッチ、２０はスイッチ制御部、２１は上位装置、２２は同期電動機である。実施例３は、実施例２とに対して、第２キャリア信号生成部と第２ＰＷＭ部を追加し、電流指令が所定電流値以下の場合は、スイッチ１９は第１ＰＷＭ部の生成する第１ゲート信号を選択し、所定電流値を超える場合は第２ＰＷＭ部の生成する第２ゲート信号を選択するとことが異なる。

図５は実施例４の構成を示すブロック図である。図において、１、２はそれぞれ第１電流指令調節部と第２電流調節部、３、４はそれぞれ第１電流制御部、第２電流制御部、５、６はそれおぞれ第１キャリア信号生成部、第２キャリア信号生成部であり、７、８はそれおぞれ第１ＰＷＭ部、第２ＰＷＭ部である。９はゲートドライブ部、１０は電力変換部、１１は電流検出抵抗、１３、１４はそれぞれ第１絶縁増幅部、第２絶縁増幅部であり、１５、１７はスイッチ、２０はスイッチ制御部、２１は上位装置、２２は同期電動機である。実施例４は、実施例３とに対して、第２電流検出抵抗を省略したところが実施例３と異なる。

図６は、本発明の実施例５の構成を示すブロック図である。電流指令が所定電流値以下か越えるかの判断を上位装置が行い、スイッチ選択信号を生成し、スイッチ１５、１７を動作させる。

図７は実施例６の構成を示すブロック図である。電流指令が所定電流値以上か超えるかの判断をスイッチ制御部２０が行いスイッチ選択信号を生成する。

本発明の実施例１の構成を示すブロック図同期電動機の動作タイムチャート本発明の実施例２の構成を示すブロック図本発明の実施例３の構成を示すブロック図本発明の実施例４の構成を示すブロック図本発明の実施例５の構成を示すブロック図本発明の実施例６の構成を示すブロック図従来の同期電動機制御装置の構成を示すブロック図従来の同期電動機制御装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１、２第１電流指令調節部、第２電流指令調節部
３、４第１電流制御部、第２電流制御部
５、６第１キャリア信号生成部、第２キャリア信号生成部
７、８第１ＰＷＭ部、第２ＰＷＭ部
９ゲートドライブ部
１０電力変換部
１１、１２第１電流検出抵抗、第２電流検出抵抗
１３、１４第１絶縁増幅部、第２絶縁増幅部
１５〜１９スイッチ
２０スイッチ制御部
２１上位装置
２２同期電動機

Claims

電流指令を調節し新たな電流指令を生成する電流指令調節部と、電流を検出し電流信号を生成する電流検出部と、前記電流指令と前記電流信号から電圧指令を生成する電流制御部と、キャリア信号を生成するキャリア信号生成部と、前記電圧信号と前記キャリア信号からゲート信号を生成するＰＷＭ部と、前記ゲート信号に応じて電力を変換する電力変換部と、を備えた同期電動機制御装置において、
前記電流指令調節部は第１電流指令を生成する第１電流指令調節部と、第２電流指令を生成する第２電流指令調節部と、を備え、
前記電流検出部は、第１電流信号を生成する第１電流検出部と、第２電流信号を生成する第２電流検出部と、を備え、
前記第１電流指令か前記第２電流指令かを選択する第１のスイッチと、
前記第１電流信号か前記第２電流信号かを選択する第２スイッチと、
前記電流指令が所定電流値よりも小さいときには前記第１電流指令と前記第１電流を選択し、大きいときには前記第２電流指令と前記第２電流信号を選択するスイッチ選択信号を生成するスイッチ制御部と、
を備えることを特徴とする同期電動機制御装置。
前記電流制御部は、前記第１電流指令と前記第１電流信号から第１電圧指令を生成する第１電流制御部と、前記第２電流指令と前記第２電流指令と前記第２電流信号から第２電圧指令を生成する第２電流制御部と、を備え、
前記第１電圧指令か前記第２電圧指令かを選択する第３スイッチと、前記電流指令が前記所定電流値よりも小さいときには前記第１電圧指令を選択し、大きいときには前記第２電圧指令を選択するスイッチ制御部と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の同期電動機制御装置。
キャリア信号生成部は、第１キャリア信号を生成する第１キャリア周波数生成部と、第２キャリア信号を生成する第２キャリア周波数生成部と、を備え、
前記第１電圧指令と第１キャリア信号から第１ゲート信号を生成する第１ＰＷＭ部と、前記第２電圧指令と第２キャリア信号から第２ゲート信号を生成する第２ＰＷＭ部と、電流指令を所定電流値と比較して前記第１ゲート信号か前記第２ゲート信号かを選択する第４スイッチと、を備えることを特徴とする請求項２記載の同期電動機制御装置。
第１キャリア信号と第２キャリア信号は周波数が異なることを特徴とする請求項３記載の同期電動機制御装置。
前記電流検出部は、電流により電圧信号を生成する１つの電流検出抵抗と、前記電圧信号から第１検出ゲインで増幅し第１電流信号を生成する第１電流検出部と、第２検出ゲインで増幅し第２電流信号を生成する第２電流検出部とを備えることを特徴とする請求項１乃至４記載の同期電動機制御装置。
前記スイッチ選択信号は、外部指令によることを特徴とする請求項１乃至２記載の同期電動機制御装置。
前記スイッチ制御部はＣＰＵであることを特徴とする請求項１乃至２記載の同期電動機制御装置。
前記電流指令調節部はゲイン調整とオフセット調整が可能なオペアンプであることを特徴とする請求項１乃至２記載の同期電動機制御装置。
前記電流指令が所定電流値以下の場合は電流制御部のゲインを第２電流信号と第１電流信号のゲイン比に比例して下げることを特徴とする請求項１記載の同期電動機制御装置。
前記電流指令が所定値以下の場合は第１キャリア信号の周波数を第２キャリア信号の周波数よりも第１電流信号と第２電流信号のゲイン比に比例してあげることを特徴とする。請求項４記載の同期電動機制御装置。
前記所定電流値は、最大電流値の略１／２以下であることを特徴とする請求項１乃至３記載の同期電動機制御装置。