JP2022101161A - レーザダイオード駆動用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】目標値が変動しても、電流指令値の立ち上がり時間が変化しないＬＤ駆動用電源装置を提供することにある。ＬＤ駆動用電源装置を提供する。【解決手段】外部から前記駆動電流の目標値を示す上位指令値を連続的に受信し、且つ外部から電流指令値の立ち上がりの傾きを示す情報を受信し、前記情報に基づいて電流指令値を生成する制御部において、前記電流指令値の立ち上がりの傾きを、前回受信して設定した前回目標値と今回受信して設定した今回目標値との差に基づいて補正する。【選択図】図２

Description

この発明は、溶接、切断などの金属加工プロセスに適用される、高出力で高速駆動するレーザ発振器の駆動用電源装置に関する。例えば、レーザ発振器としてレーザダイオードを用い、レーザビームを対象物に照射するレーザダイオード加工システムの駆動用電源装置(以下、ＬＤ駆動用電源装置)に関する。

ＬＤ駆動用電源装置は、パルスレーザ発振器として使用するレーザダイオードを高速に駆動する。このため、駆動電流の急峻な立ち上がりが要求され、例えば６０μｓ～６００ μｓの範囲で立ち上がり時間が設定される。また、駆動電流の目標値やパルス特性（ＤＣ 出力～２ｋＨｚ）も用途に応じて様々な値に設定される。

そこで、ＬＤ駆動用電源装置は、駆動電流が任意の特性となるように、スイッチング素子を含む電力変換部と、フィードバック回路などを備えるＰＷＭ制御を含む制御部とを備えている。制御部は、ユーザにより設定された駆動電流の目標値に応じて、ＰＷＭ信号のパルス幅制御を行うようにしている（特許文献１）。

特開２０１３－２４０８０１号公報

ＬＤ駆動用電源装置では、レーザダイオードに出力する駆動電流のパルス特性を設定するために、駆動電流の目標値や駆動電流の立ち上がりの傾きを示す情報が入力される。例えば、駆動電流の目標値として定格の１００％や５０％が入力され、駆動電流の立ち上がりの傾きを示す情報（以下、単に傾きを示す情報と称することがある）として、駆動電流の立ち上がりのステップ応答特性に対応するＳＴＥＰ信号が入力される。このような電源装置では、駆動電流の目標値は常時変動し、駆動電流の立ち上がりの傾きを示す情報は一定の値である。

一方、ＬＤ駆動用電源装置では、レーザダイオードの特性により様々な駆動電流の仕様が要求される。ところが、上記の傾きを示す情報が一定の値であるため、駆動電流の目標値が変動すると、立ち上がり時間も変動してしまう問題がある。

この問題について、図１を参照して説明する。

図１は、ＬＤ駆動用電源装置に対して外部から入力されるレーザダイオードの駆動電流の目標値（以下、目標値）と、前記駆動電流を制御するためにＬＤ駆動用電源装置内部で生成される電流指令値の軌跡（点線）とを示す。

ＬＤ駆動用電源装置が起動されると、ＬＤ駆動用電源装置内の制御部は駆動電流の傾きを示す情報を外部から受信し、その情報に基づいて電流指令値の傾きｄｉ／ｄｔを求める。制御部は、その後、ｄｉ／ｄｔにより電流指令値を設定し、駆動電流がその電流指令値になるように制御する。また、ＬＤ駆動用電源装置は、外部から目標値を上位指令値として連続的に受信する。

図１に示す例では、同図（Ａ）に示すように起動時で目標値が０％、起動後に立ち上がった時の目標値が定格の１００％に設定されると、電流指令値の傾きｄｉ／ｄｔを前記情報に基づいて求め、この傾きｄｉ／ｄｔで電流指令値の制御が行われる。また、同図（Ｂ）に示すように前回目標値が定格の０％で今回目標値が定格の５０％に変更された場合も、上記の傾きｄｉ／ｄｔで電流指令値の制御が行われる。また、同図（Ｃ）に示すように前回目標値が定格の５０％で今回目標値が定格の１００％に変更された場合も、上記の傾きｄｉ／ｄｔで電流指令値の制御が行われる。いずれの場合も電流指令値の傾きｄｉ／ｄｔは同一である、なお、電流指令値の軌跡（点線）が目標値に対して１０％～９０％の時間は立ち上がり時間と定義される。図１（Ａ）では、目標値１００％に対して１０％から９０％の時間が立ち上がり時間Ｔ１、図１（Ｂ）では、目標値５０％に対して５％から４５％の時間が立ち上がり時間Ｔ１´、図１（Ｃ）では、目標値１００％に対して５５％から９５％の時間が立ち上がり時間Ｔ１´´である。

上記の制御において、図１（Ｂ）、（Ｃ）のときの立ち上がり時間Ｔ１´、Ｔ１´´は、図１（Ａ）の立ち上がり時間Ｔ１の２分の１となる。これは、電流指令値の傾きｄｉ／ｄｔが目標値にかかわらず同一であるためである。

このように、電流指令値の傾きｄｉ／ｄｔが一定であると、目標値が変わる毎に立ち上がり時間も変わってしまう。一方、この問題を解決する方法として、目標値が変わる毎に、ＬＤ駆動用電源装置に対して外部から電流指令値の傾きを示す情報を変更して再送する再調整の方法がある。

しかしながら、上記のように目標値が変わる毎に再調整をする制御内容では、目標値が頻繁に変動する場合に、外部とＬＤ駆動用電源装置との間で信号の入出力または通信を常に行う必要がある。そして、それによる、制御遅延が生じるなど、ＬＤ駆動用電源装置の応答性能が悪くなる問題があった。

この発明の目的は、上記目標値が変化しても、電流指令値の立ち上がり時間を一定にできるＬＤ駆動用電源装置を提供することにある。また、この発明の他の目的は、上記目標値が変化したときに、外部から電流指令値の傾きを示す情報を変更して再送する必要のないＬＤ駆動用電源装置を提供することにある。

この発明のＬＤ駆動用電源装置は、
レーザダイオードに駆動電流を出力するレーザダイオード駆動用電源装置において、
外部から前記駆動電流の目標値を示す上位指令値を連続的に受信し、且つ外部から電流指令値の立ち上がりの傾きを示す情報を受信し、前記情報に基づいて電流指令値を生成する制御部と、
前記電流指令値に基づいて前記駆動電流を生成する電力変換部と、を備え、
前記制御部は、
前記電流指令値の立ち上がりの傾きを、前回受信して設定した前回目標値と今回受信して設定した今回目標値との差に基づいて補正する。

制御部は、外部から受信した目標値が変動すると、それまでに制御のために使用していた電流指令値の立ち上がりの傾きを、前回受信した前回目標値と今回受信した今回目標値との差分（変化量）に基づいて補正する。

図２を参照してこれについて説明する。

例えば、同図（Ａ）に示すように起動時で目標値が０％、起動後に立ち上がった時の目標値が定格の１００％に設定されると、電流指令値の傾きｄｉ／ｄｔは上記傾きを示す情報に基づいて求められ、この傾きｄｉ／ｄｔで電流指令値の制御が行われる。一方、同図（Ｂ）に示すように前回目標値が定格の０％で今回目標値が定格の５０％に変更された場合、その差分（変化量）は５０％となる。そこで、上記の傾きｄｉ／ｄｔを、５０％／１００％で補正する。したがって、前記傾きｄｉ／ｄｔは１／２に補正される。また、同図（Ｃ）に示すように、前回目標値が定格の５０％で今回目標値が定格の１００％に変更された場合、その差分（変化量）は５０％となる。そこで、上記の傾きｄｉ／ｄｔを、５０％／１００％で補正する。したがって同図（Ｃ）の場合も、前記傾きｄｉ／ｄｔは１／２に補正される。

このように補正することで、図２（Ａ）に示す時の立ち上がり時間Ｔ１は、図２（Ｂ）に示す時の立ち上がり時間Ｔ１´と等しくなる。また、図２（Ａ）に示す時間Ｔ１は、図２（Ｃ）に示す時の立ち上がり時間Ｔ１´´とも等しくなる。目標値が変わる毎に、このような補正を行えば、Ｔ１＝Ｔ１´＝Ｔ１´´を常に保証でき、また、目標値が変わる毎に、ＬＤ駆動用電源装置は外部から立ち上がりの傾きを示す情報を受信する必要がない。すなわち、ＬＤ駆動用電源装置は、立ち上がりの傾きを示す情報を一度受信すれば、その後目標値が変化しても再度受信する必要がない。

前記制御部は、前記上位指令値を連続的に受信しているときに、その傾き(以下、この傾きをスロープと称することがある）がなくなったときの上位指令値を前記今回目標値に設定する。

上位指令値は連続的に送られてくるため、目標値となる指令値を判断する必要があるが、制御部は、上位指令値のスロープがなくなったときに、その値を今回目標値として設定する。これにより、今回目標値を正しく設定できる。また、前回目標値と今回目標値の差分（変化量）は、たとえば、前回受信した上位指令値にスロープがあり、今回受信した上位指令値にスロープがない条件のときにのみ更新する。このように制御することで差分（変化量）は正しく求められるから、電流指令値の傾きｄｉ／ｄｔも正しく補正することが出来る。

制御部は、前記電流指令値をその値が予め設定した切替点に達するまで前記情報に基づいて計算する。切替点は、制御部において電流指令値の傾き制御を切り替えるタイミングである。電流指令値が切替点に達するまでの期間では、前記電流指令値を前記情報に基づいて生成する。電流指令値が切替点を過ぎると、電流指令値が適正な上昇カーブで今回目標値に達するように制御する。

前記切替点は、今回目標値の大きさに応じて変更される。

今回目標値が定格の１００％よりも低下すると、今回目標値と切替点との電流差が小さくなる。この電流差が一定以上に小さくなると、切替点以降の電流指令値の制御が困難となる。そこで、今回目標値が定格の１００％よりも一定以上に低下すると切替点も変更することが望ましい。例えば、今回目標値に対する予め定めた比率で切替点を変更することが可能である。

また、前記情報と前記上位指令値は、上位システムコントローラから受信することが可能である。

例えば、上位システムコントローラから前記情報を間接的に示すＳＴＥＰ信号を受信する。設定部は、ＳＴＥＰ信号と傾きを示すパラメータとの対応関係を示すテーブルを備え、上位システムから受信したＳＴＥＰ番号に対応するパラメータをテーブルから取得する。このパラメータが電流指令値を制御するための傾き情報となる。

この発明によれば、今回目標値が変動しても、電流指令値の立ち上がりの傾きが自動的に補正され、その立ち上がり時間が変わらず常に一定である。また、目標値が変わる毎にＬＤ駆動用電源装置に対して外部から電流指令値の傾きを示す情報を再送する必要がない。

従来のレーザダイオード加工装置において、駆動電流の目標値（以下、目標値）と電流指令値の軌跡（点線）とを示す。 この発明の実施形態のレーザダイオード加工装置において、駆動電流の目標値（以下、目標値）と電流指令値の軌跡（点線）とを示す。 この発明の実施形態のレーザダイオード加工装置の構成図である。 ＬＤ駆動用電源装置２を含むレーザダイオードシステムの構成図である。 テーブルＴを示す。 制御部２１のブロック図である。 電流指令値Ｄのステップ応答特性を示している。 制御部２１の動作を示すフローチャートである。 上位指令値と変化量を示す図である。

図３は、この発明の実施形態のレーザダイオード加工装置の構成図である。

レーザダイオード加工装置は、上位システムコントローラ１と、レーザダイオード駆動用電源装置（以下、ＬＤ駆動用電源装置）２と、レーザダイオード（以下、ＬＤと称する）３と、ＬＤ３にファイバー接続される加工ヘッド４とで構成される。ＬＤ３は複数のレーザダイオードを含んでいる。ＬＤ駆動用電源装置２とＬＤ３とでレーザ発振器を構成する。

上位システムコントローラ１は、ＬＤ駆動用電源装置２に対し起動信号を出力し、ＬＤ３の起動前に、電流指令値Ｄの傾きを間接的に示すＳＴＥＰ信号を出力する。また、上位システムコントローラ１は、ＬＤ３の起動前および起動後に、駆動電流の今回目標値Ｐを含む上位指令値をアナログ信号で連続的に出力する。なお、以下の説明で、演算周期（サンプリング周期）での演算時を示す場合、ｎを付加することがある。例えば、電流指令値Ｄ（ｎ）は今回の演算時の電流指令値、電流指令値Ｄ（ｎ－１）は前回の演算時の電流指令値を示す。

ＬＤ駆動用電源装置２内の制御部２１は、テーブルＴを参照して上記ＳＴＥＰ信号に対応するパラメータＣを取得する。パラメータＣは、目標値が定格の１００％のときの電流指令値Ｄの傾き（ｄｉ／ｄｔ：サンプリング毎の電流変化率）を得るための値である。制御部２１は、サンプリング毎に、電流指令値Ｄの傾き制御を、後述のパラメータＣを用いた演算により制御する。また、制御部２１は、後述のように、今回目標値Ｐ（ｎ）が前回目標値Ｐ（ｎ－１）から変わると、その変化量に基づいてパラメータＣをパラメータＣ´に補正する。

なお、今回目標値Ｐ（ｎ）とは、目標値Ｐが変化して新たに設定された目標値Ｐであり、前回目標値Ｐ（ｎ－１）とは、今回目標値Ｐ（ｎ）が設定される前の目標値Ｐである。

また、ＬＤ駆動用電源装置２内の制御部２１は、上位システムコントローラ１から受信した上位指令値をサンプリング毎に取得する。

ＬＤ駆動用電源装置２は、前記起動信号を受けてから、三相交流電源を電力源としてＰＷＭ信号で駆動され、ＬＤ３の駆動電流を出力する。ＬＤ３は、複数のレーザダイオード素子を組み合わせて構成される。ＬＤ３は、加工ヘッド４を介して高出力のレーザビーム５をワーク６に照射する。ＬＤ駆動用電源装置２は２０ＫＷを超える大容量であり、大電流を生成するため、レーザビーム５はワーク６のビームスポットを溶融させるパワーを備える。

図４は、ＬＤ駆動用電源装置２を含むレーザダイオードシステムの構成図である。

ＬＤ駆動用電源装置２は、三相交流電圧を整流後にＰＷＭ信号でスイッチング素子ＳＷの制御を行い、リアクトルＬとコンデンサＣを介して出力する電力変換部２０を備えている。また、ＬＤ駆動用電源装置２は、ＰＷＭ信号を生成する制御部２１と、出力電流を検出して制御部２１にフィードバックするホールＣＴ２２とを備えている。

制御部２１は、電流指令値Ｄの立ち上がりの傾きを制御するための情報（後述するようにこの情報はパラメータＣ）と電流指令値Ｄの今回目標値Ｐ（ｎ）とを設定する設定部２１ａと、ＰＷＭ信号を生成して電力変換部２０に出力するＰＷＭ生成部２１ｂとを備えている。

上位システムコントローラ１は、信号線７を介して、ＬＤ駆動用電源装置２を起動するための起動信号を出力する。また、制御部２１に対しＳＴＥＰ信号を１度送り、さらに、連続的にアナログ量で上位指令値を出力する。ＳＴＥＰ信号は、駆動電流の立ち上がりの傾きを示す情報である。

制御部２１は、ＳＴＥＰ信号を受信すると、設定部２１ａにあるテーブルＴを参照してパラメータＣを取得する。パラメータＣは、電流指令値Ｄの立ち上がりの傾き制御を行うための値である。後述のように、本実施形態では、上位システムコントローラ１から送られるＳＴＥＰ信号は立ち上がり時間が６０μｓ～６００μｓの間の１６段階で設定される。電流指令値Ｄの立ち上がり時間をどの程度にするかは、ＬＤ３の定格電流および定格電圧などが参照されて、上位システムコントローラ１においてユーザにより決められる。また、制御部２１は、今回目標値Ｐ（ｎ）が前回目標値Ｐ（ｎ－１）から変わると、その差分（変化量）に基づいてパラメータＣを補正してパラメータＣ´を設定する。

図５はテーブルＴを示す。

テーブルＴは、ＳＴＥＰ信号とパラメータＣとの対応関係を示している。パラメータＣは、目標値が定格の１００％のときの電流指令値Ｄの傾き（ｄｉ／ｄｔ：サンプリング毎の電流変化率）を求めるための値である。この例では、ＳＴＥＰ信号は１～１６の１６種類あり、数値が小さいほどパラメータＣの値が大きい（傾きが大きい）。例えば、ＳＴＥＰ信号＝１のときのパラメータＣは１００であるが、パラメータＣ＝１００は電流指令値Ｄの傾きが最大、すなわち、電流指令値Ｄの上昇時間が最短であることを表している。また、例えば、ＳＴＥＰ信号＝１６のときのパラメータＣは５０であるが、パラメータＣ＝５０は電流指令値Ｄの傾きが最小、すなわち、電流指令値Ｄの上昇時間が最長であることを表している。

なお、テーブルＴに示しているパラメータＣは例示的に示している値である。

制御部２１は、テーブルＴを参照して得られたパラメータＣを、電流指令値Ｄの立ち上がりの傾き制御の値として設定部２１ａに設定する。また、制御部２１は、上位システムコントローラ１からアナログ量として連続的に送られてくる上位指令値を受信する。この上位指令値の傾き(スロープ）がなくなるときの値が今回目標値Ｐ（ｎ）となる。制御部２１は、さらに、前回目標値Ｐ（ｎ－１）と今回目標値Ｐ（ｎ）の差（以下、変化量）に基づいてパラメータＣを補正し、下記の式でパラメータＣ´を求める。

パラメータＣ´＝パラメータＣ×変化量（％）―――――（１）
ただし、変化量（％）＝今回目標値Ｐ（ｎ）（％）―前回目標値Ｐ（ｎ－１）（％）
たとえば、ＬＤ駆動用電源装置２の運転起動直後はゼロからゆるやかなアップスロー運転となるため、前回目標値Ｐ（ｎ－１）がゼロであり、変化量は今回目標値Ｐ（ｎ）に等しい。したがって、パラメータＣ´＝パラメータＣであり、パラメータの値に変化はない。また、前回目標値Ｐ（ｎ－１）が５０％で、今回目標値Ｐ（ｎ）が１００％に変化すると、変化量は５０％である。したがって、パラメータＣ´＝パラメータＣ×（５０％）となる。このとき、電流指令値Ｄの立ち上がりの傾きｄｉ／ｄｔは前回の１／２となる。なお、前回目標値Ｐ（ｎ－１）が１００％で、今回目標値Ｐ（ｎ）が５０％に低下すると、今回目標値Ｐ（ｎ）は立ち下がりとなり、その変化量は－５０％である。しかし、ソフトウエアでの演算処理では変化量を絶対値で扱う。したがって、立ち下がり時のパラメータＣ´は立ち上がり時と同様に、パラメータＣ´＝パラメータＣ×（５０％）となる。このとき、電流指令値Ｄの立ち下がりの傾きｄｉ／ｄｔは前回の１／２となる。本実施形態では、このように今回目標値Ｐ（ｎ）が減少するときにも上記式（１）を適用することが可能である。

制御部２１は、上位システムコントローラ１からＳＴＥＰ信号を受けると設定部２１ａに格納（設定）されているパラメータＣを抽出する。また、上位システムコントローラ１から連続的に送られてくる上位指令値を受信し、その傾き(スロープ）の変化がなくなったときの上指令値を今回目標値Ｐ（ｎ）として確定する。制御部２１は、取得した今回目標値Ｐ（ｎ）と前回目標値Ｐ（ｎ－１）とに差があるときは、その差を変化量として求め、その変化量に基づいて、パラメータＣを上記のように補正しパラメータＣ´を得る。制御部２１は、このパラメータＣ´に基づいて上記傾きｄｉ／ｄｔを求め、このｄｉ／ｄｔにより電流指令値Ｄの立ち上がりの傾き制御を行う。ＰＷＭ生成部２１ｂと後述の誤差増幅器２１ｅは、電流指令値Ｄに基づいてＰＷＭ信号を生成し、電力変換部２０に出力する。

電力変換部２０から出力される駆動電流の大きさはホールＣＴ２２で検出され、制御部２１にフィードバックされる。ＰＷＭ生成部２１ｂは、フィードバックされた検出値が電流指令値ＤとなるようにＰＷＭ信号のパルス幅を制御する。

図６は、制御部２１のブロック図である。

上位システムコントローラ１から送られてきたＳＴＥＰ信号は設定部２１ａで受信される。ＳＴＥＰ信号からテーブルＴを参照してパラメータＣが抽出され、パラメータＣは設定部２１ａ内に設定される。設定部２１ａは、上位システムコントローラ１から連続的に送られてくる上位指令値から今回目標値Ｐ（ｎ）を判定し、この今回目標値Ｐ（ｎ）を設定部２１ａ内に設定する。前回目標値Ｐ（ｎ－１）も設定部２１ａに設定される。後述のように、設定部２１ａでは、今回目標値Ｐ（ｎ）の判定を、上位指令値の傾きを検出するスロープ判定により行う。なお、スロープ判定は、目標値の変化量に対して通常の移動平均(符号付き）および絶対値の移動平均(符号なし)の二つの演算結果に基づいて判定する。これは、目標値の変化量が短時間に上下振動するノイズに対してスロープ判定の誤検知を防止するためである。

傾き制御部２１ｃは、設定部２１ａに設定されているパラメータＣをデジタル値として読み出す。また、傾き制御部２１ｃは、設定部２１ａに設定されている今回目標値Ｐ（ｎ）と前回目標値Ｐ（ｎ－１）を取得する。傾き制御部２１ｃ内のパラメータ補正部２１ｄは、今回目標値Ｐ（ｎ）と前回目標値Ｐ（ｎ－１）との差分（変化量）に基づいてパラメータＣを補正しパラメータＣ´を求める。傾き制御部２１ｃは、このようにして求めたパラメータＣ´に基づくｄｉ／ｄｔにより電流指令値Ｄの立ち上がりの傾き制御を行う。

傾き制御部２１ｃの出力は電流指令値Ｄとして誤差増幅器２１ｅに出力される。誤差増幅器２１ｅにはホールＣＴ２２の出力も入力される。誤差増幅器２１ｅは、電流指令値ＤとホールＣＴ２２の誤差をＰＷＭ生成部２１ｂに出力する。ＰＷＭ生成部２１ｂと誤差増幅器２１ｅは、前記誤差がゼロとなるようにＰＷＭ信号のパルス幅を制御する。

前記傾き制御部２１ｃは、その機能をＣＰＵとソフトウエアで実現される。ＣＰＵでの傾き制御と補正制御の演算周期（ＣＰＵのタイマー割り込み周期）は高速(例えば１０μｓ程度)に設定される。

次に、上記傾き制御について説明する。

図７は、電流指令値Ｄのステップ応答特性を示している。同図（Ａ）は、起動後に今回目標値Ｐが定格の１００％に指令された場合の電流指令値Ｄの軌跡の立ち上がりを示す。また、同図（Ｂ）は、前回目標値Ｐが定格の０％で、今回目標値Ｐが定格の５０％に指令された場合、同図（Ｃ）は、前回目標値Ｐが定格の５０％で、今回目標値Ｐが定格の１００％に指令された場合、のぞれぞれの電流指令値Ｄの軌跡の立ち上がりを示す。図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）において、設定部２１ａは、今回目標値Ｐを連続的に受信するため、図の矢印点線で示すような今回目標値Ｐの軌跡となる。

図７（Ａ）において、時間Ｔ１は、電流指令値Ｄの立ち上がり時間を示す。時間Ｔ１は、電流指令値Ｄが定格の１０％となる時刻ｔ１から、今回目標値Ｐ（定格の１００％）までの変化量に対して９０％となる時刻ｔ２までの時間である。

また、図７（Ｂ）において、時間Ｔ１´は、電流指令値Ｄが今回目標値Ｐまでの変化量に対して１０％（定格の５％）となる時刻ｔ１´から、今回目標値Ｐまでの変化量に対して９０％（定格の４５％）となる時刻ｔ２´までの時間である。図７（Ｃ）においては、時間Ｔ１´´は、電流指令値Ｄが今回目標値Ｐまでの変化量に対して１０％（定格の５５％）となる時刻ｔ１´´から、今回目標値Ｐまでの変化量に対して９０％（定格の９５％）となる時刻ｔ２´´までの時間である。

傾き制御部２１ｃ内のパラメータ補正部２１ｄは、電流指令値Ｄの傾き制御を行う前に上記式（１）により、パラメータＣ´を求める。そして、傾き制御部２１ｃはパラメータＣ´に基づくｄｉ／ｄｔにより電流指令値Ｄの傾き制御を行う。

たとえば、図７（Ａ）のように、起動後に今回目標値Ｐが定格の１００％に指令された場合は、上記式（１）により、パラメータＣ´は、
Ｃ´＝Ｃ×変化量（（１００％－０％）／１００％）＝Ｃ
となる。

また、図７（Ｂ）のように、今回目標値Ｐが定格の０％から５０％に変化した場合は、上記式（１）によりパラメータＣ´は、
Ｃ´＝Ｃ×変化量（（５０％－０％）／１００％）＝１／２×Ｃ
となる。この場合、パラメータＣ´はパラメータＣの１／２となるため、電流指令値Ｄの立ち上がりの傾きｄｉ／ｄｔも１／２となる。その結果、電流指令値Ｄの立ち上がり時間は図７（Ｂ）のＴ１´となる。このとき、立ち上がり時間Ｔ１´は、図７（Ａ）に示す立ち上がり時間Ｔ１と同じとなる。

また、図７（Ｃ）のように、今回目標値Ｐが定格の５０％から１００％に変化した場合は、上記式（１）によりパラメータＣ´は、
Ｃ´＝Ｃ×変化量（（１００％－５０％）／１００％）＝１／２×Ｃ
となる。この場合、パラメータＣ´はパラメータＣの１／２となるため、電流指令値Ｄの立ち上がりの傾きｄｉ／ｄｔも１／２となる。その結果、電流指令値Ｄの立ち上がり時間は図７（Ｃ）のＴ１´´となる。このとき、立ち上がり時間Ｔ１´´は、図７（Ａ）に示す立ち上がり時間Ｔ１、および図７（Ｂ）に示す立ち上がり時間Ｔ１´と同じとなる。

このようにして、今回目標値Ｐが変動するとパラメータＣ´もそれに比例して変わり、電流指令値Ｄの立ち上がり時間（Ｔ１、Ｔ１´、Ｔ１´´）は、常に同一となる。しかも、パラメータＣ´の計算は上記式（１）のように簡単である。

なお、上記の説明では、今回目標値Ｐが前回よりも大きい値に変化した場合を示したが、今回目標値Ｐが前回よりも小さい値に変化した場合でも、ソフトウエアでの演算処理では変化量を絶対値として扱うため計算結果は同一となる。たとえば、図７（Ａ）の今回目標値Ｐが定格の１００％の状態から、図７（Ｂ）の今回目標値Ｐが定格の５０％に変化した場合の立ち下がり時のパラメータＣ´は、立ち上がり時と同様に上記式（１）で求められる。すなわち、電流指令値Ｄの立ち下がり時間は図７（Ｂ）のＴ１´と等しい。したがって、今回目標値Ｐが前回よりも小さい値に変化した場合でも電流指令値Ｄの立ち上がり時間は一定に保たれる。

傾き制御部２１ｃは、パラメータＣ´から上記ｄｉ／ｄｔを求め、このｄｉ／ｄｔにより電流指令値Ｄの傾き制御を行う。

本実施形態では、電流指令値Ｄの傾き制御を切り替えるための切替点ｄを傾き制御部２１ｃに設定している。図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に切替点ｄを示している。同図において、電流指令値Ｄの立ち上がり開始時刻はｔ３、ｔ３´、ｔ３´´、切替点ｄの時刻はｔ４、ｔ４´、ｔ４´´、電流指令値Ｄが今回目標値Ｐに達して安定した時刻をｔ５、ｔ５´、ｔ５´´とする。切替点ｄは、軽負荷以外の時に電流値が今回目標値Ｐの８０％の比率の電流となる位置である。この切替点ｄは、制御部２１内で設計者が任意に決定することができ、今回目標値Ｐの変化量の大きさ（電流の偏差量）に基づいて制御部２１内で自動調整される。切替点ｄは、傾き制御を、ｔ３－ｔ４間、ｔ３´－ｔ４´間またはｔ３´´－ｔ４´´間の制御（処理１）からｔ４－ｔ５間、ｔ４´―ｔ５´間またはｔ４´´―ｔ５´´間の制御（処理２）に切り替えるタイミングとして参照される。

なお、今回目標値Ｐは、傾き制御部２１ｃにおいてサンプリング周期で設定部２１ａから読み出される。

処理１は、ｔ３－ｔ４間、ｔ３´－ｔ４´間またはｔ３´´－ｔ４´´で電流指令値Ｄの傾き制御をする処理である。処理１では、上記の傾きｄｉ／ｄｔに基づいて電流指令値Ｄが直線的に制御される。

処理２は、ｔ４－ｔ５間、ｔ４´―ｔ５´間またはｔ４´´―ｔ５´´間で電流指令値Ｄの傾き制御をする処理である。処理２では、電流指令値Ｄがオーバーシュートすることなく緩やかに今回目標値Ｐに到達するように制御される。

図７（Ｂ）、（Ｃ）のように、今回目標値Ｐが変化した場合も、同様に電流指令値Ｄが処理１と処理２で制御される。
図８は、制御部２１の動作を示すフローチャートである。

このフローチャートで示す動作周期（サンプリング周期）はこの例では１０μｓであり、この動作周期は、傾き制御部２１ｃが電流指令値Ｄの傾き制御を行う演算周期（ＣＰＵのタイマー割り込み周期）である。このフローチャートでは、演算時をｎで示し、たとえば、今回の演算時で制御される電流指令値Ｄを今回電流指令値Ｄ（ｎ）、前回の演算時で制御される電流指令値Ｄを前回電流指令値Ｄ（ｎ－１）としている。また、今回の演算時で使用される今回目標値Ｐは今回目標値Ｐ（ｎ）、前回の演算時で使用された前回目標値Ｐは、前回目標値Ｐ（ｎ－１）としている。

ＳＴ１では、設定部２１ａにおいて上位システムコントローラ１から今回目標値Ｐ（ｎ）の指令値を取得する。この指令値は上位システムコントローラ１から連続的に送られてくる。図９は、今回目標値Ｐ（ｎ）の指令値を取得するサンプリング時（〇印で示す）を示している。この値は、急激な変化を避け、精度を高めるために所定回数のサンプリング時の取得値と移動平均されデジタル値に変換される。

ＳＴ２では、指令値の傾きを検出する。傾きは、図９に示すように、前回に取得した指令値（移動平均後）と今回に取得した指令値（移動平均後）の差(スロープ）があるかどうかで検出する。スロープがあれば、指令値は目標値に達していないため、目標値を更新せずＳＴ４に進む。スロープがなければ、指令値の傾きがなくなったので、ＳＴ３においてＳＴ１で取得した指令値を今回目標値Ｐ（ｎ）と確定し、設定部２１ａに設定する。設定部２１ａには、前回目標値Ｐ（ｎ－１）も設定されている。

ＳＴ４では、今回目標値Ｐ（ｎ）と前回電流指令値Ｄ（ｎ－１）との偏差量ＤＦを求める。

偏差量ＤＦはＳＴ８で使用される。

ＳＴ５では、前回スロープあり（前回のＳＴ２でＮｏ）で、且つ今回スロープなし（今回のＳＴ２でＹｅｓ）かどうかを判定する。この判定がＹｅｓであるときにのみ、ＳＴ６に進んで変化量を更新する。Ｎｏの場合はＳＴ７に進み変化量の更新をしない。このように制御することで変化量を正しく求めることができるため、電流指令値の傾きｄｉ／ｄｔも正しく補正することが出来る。

ＳＴ６では、前回目標値Ｐ（ｎ－１）から今回目標値Ｐ（ｎ）への変化量Ｖを％で求める。たとえば、前回目標値Ｐ（ｎ－１）が５０％で、今回目標値Ｐ（ｎ）が１００％であると、変化量Ｖは、
Ｖ（％）＝１００％－５０％
で５０％である。

ＳＴ７では、設定部２１ａのテーブルＴを参照しパラメータＣを得る、また、切替点ｄ（図７参照)を設定する。切替点ｄは、上述のように軽負荷以外の時に電流値が今回目標値Ｐ（ｎ）の８０％の電流となる位置である。今回目標値Ｐ（ｎ）が低くなり電流変化量が定格比の２％以下であれば、今回目標値Ｐ（ｎ）Ｐの５０％に固定される。具体的には実験などにより予め適切に設定される。切替点ｄの設定位置を変える理由は、電流変化量が低いと、切替点ｄと目標値Ｐとの電流差が小さくなり、処理２が上手く制御できなくなるからである。

ＳＴ８では、変化量Ｖに基づいてパラメータＣ´を次の式により求める。

パラメータＣ´（％）＝パラメータＣ×変化量Ｖ（％）
パラメータＣ´から傾きｄｉ／ｄｔを求め、これに基づく電流指令値Ｄの傾き制御を行えば、今回目標値Ｐ（ｎ）の変動があっても、電流指令値Ｄの立ち上がり時間を一定に制御できる。

ＳＴ９では、偏差量ＤＦと切替点ｄとを比較する。ＳＴ７での切替点ｄは、偏差量ＤＦとの比較のため、今回目標値Ｐ（ｎ）を１００％として、そこからの差分で示される。すなわち、ＳＴ７での切替点ｄは、切替点ｄが今回目標値Ｐ（ｎ）に対し８０％の位置にある時は、１００％－８０％＝２０％として表される。そして、偏差量ＤＦが切替点ｄ未満なら図７において、ｔ３－ｔ４、ｔ３´－ｔ４´またはｔ３´´－ｔ４´´の期間であるため処理１に進む（ＳＴ１０）。また、偏差量ＤＦが切替点ｄ以上なら図７において、ｔ４－ｔ５、ｔ４´－ｔ５´またはｔ４´´－ｔ５´´の期間であるため処理２に進む（ＳＴ１１）。

ＳＴ１０での処理１は、図７（Ａ）のｔ３－ｔ４間、図７（Ｂ）のｔ３´―ｔ４´間または図７（Ｃ）のｔ３´´―ｔ４´´間においてステップ信号に応じた立ち上り時間で今回電流指令値Ｄ（ｎ）を演算で求める処理である。今回電流指令値Ｄ（ｎ）は下記の計算式で求められる。

Ｄ（ｎ）＝ｆ（Ｃ´、Ｄ（ｎ―１）、ＤＦ）
ここで、Ｃ´はＳＴ８で補正されたパラメータであり、Ｄ（ｎ－１）は、前回の演算時に得られた電流指令値である。ＤＦはＳＴ４で得られた、今回目標値Ｐ（ｎ）と前回電流指令値Ｄ（ｎ－１）との偏差量である。

ＳＴ１１での処理２は、図７（Ａ）のｔ４－ｔ５間、図７（Ｂ）のｔ４´―ｔ５´間または図７（Ｃ）のｔ４´´―ｔ５´´間においてオーバーシュートを抑えつつ最速で目標値に到達する今回電流指令値Ｄ（ｎ）を演算する処理である。処理１では、今回電流指令値Ｄ（ｎ）が直線的に傾くように制御され、処理２では今回電流指令値Ｄ（ｎ）が適切なカーブで今回目標値Ｐ（ｎ）に達するように制御される。処理２において、今回電流指令値Ｄ（ｎ）は以下の計算式で求められる。

Ｄ（ｎ）＝ｆ´（Ｄ（ｎ―１））
なお、上記式において、関数ｆは直線を表すが、関数ｆ´は目標値Ｐに適切なカーブで達する対数関数である。

ＳＴ１２は、ＳＴ１０又はＳＴ１１の演算で得られた今回電流指令値Ｄ（ｎ）を今回の電流指令値として更新する処理である。ＳＴ１１で更新された今回電流指令値Ｄ（ｎ）は、次回の演算時の処理で、前回電流指令値Ｄ（ｎ－１）として使用される。

以上の制御により、今回目標値Ｐ（ｎ）が変化した場合に、簡単な計算でパラメータＣ´が求められ、このパラメータＣ´に基づいて今回電流指令値Ｄ（ｎ）の傾き制御が行われる。このため、今回目標値Ｐ（ｎ）が変動しても立ち上がり時間を一定に出来る。また、テーブルＴは一つだけ用意すれば足り、目標値に応じた多数のテーブルを用意する必要もない。

１－上位システムコントローラ
２－レーザダイオード駆動用電源装置３－レーザ発振器
２１－制御部
２１ｃ－傾き制御部
２１ｄ－パラメータＣ補正部

Claims (5)

1. レーザダイオードに駆動電流を出力するレーザダイオード駆動用電源装置において、
   外部から前記駆動電流の目標値を示す上位指令値を連続的に受信し、且つ外部から電流指令値の立ち上がりの傾きを示す情報を受信し、前記情報に基づいて電流指令値を生成する制御部と、
   前記電流指令値に基づいて前記駆動電流を生成する電力変換部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記電流指令値の立ち上がりの傾きを、前回受信して設定した前回目標値と今回受信して設定した今回目標値との差に基づいて補正する、レーザダイオード駆動用電源装置。
2. 前記制御部は、前記上位指令値を連続的に受信しているときに、その傾きがなくなったときの上位指令値を前記今回目標値に設定する、請求項１記載のレーザダイオード駆動用電源装置。
3. 前記制御部は、前記電流指令値をその値が予め設定した切替点に達するまで前記情報に基づいて計算する、請求項１記載のレーザダイオード駆動用電源装置。
4. 前記切替点は、前記今回目標値の大きさに応じて変更される、請求項１又は２記載のレーザダイオード駆動用電源装置。
5. 前記情報と前記上位指令値は、上位システムコントローラから受信する、請求項１～４のいずれかに記載のレーザダイオード駆動用電源装置。

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