JP3899773B2 - 電力調整器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流電圧のサイクル制御装置を備えた電力調整器に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、ヒータ等の温度制御装置には、図1に示すように、温度調節器1より所定の入力指令値をサイクル制御装置2に与え、サイクル制御装置2では入力された指令値に応じ、所定の周期、例えば0.2〔sec〕毎に1ないし数サイクルの出力をゼロクロス機能付きSSR3に与え、前記所定の周期毎の何サイクルをヒータ4に与えてON/OFFし、そのヒータ4の温度を温度センサ5で検出し、温度調節器1にフィードバックし、サイクル制御を繰り返すことにより、ヒータ4の温度を入力指令値の応じた値となるように制御するものがある。
【0003】
サイクル制御装置2は、図2に示すように、温度調節器で100%が出力されていると、電源周波数が50HZの場合、この出力値100%を受け、0.2secの制御周期の10サイクルがフル出力される。温度調節器1の出力が75%であると、サイクル制御装置2からは10サイクル中、7.5サイクル分がONで出力される。同様に、温度調節器1の出力が50%の場合、サイクル制御装置2からは10サイクル中、5サイクルがONで出力される。以下、25%の温度調節器出力の場合は10サイクル中、2.5サイクルがONされる。0%の温度調節器出力では、出力も10サイクルすべてOFFである。
【0004】
なお、0.2secで50Hzの全サイクルは10回となるが、図2は様式的なものであり、全サイクルが4回としている。
【0005】
温度制御には、周期毎の数サイクル分中のオンサイクル比率を設定値に応じて変える上記サイクル制御の他に、設定値に応じ各サイクルにおける点弧角を制御する位相制御が採用されることもある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来のサイクル制御では、制御周期が固定であり、且つ1サイクルを単位としてON/OFF制御するので、出力分解能が低く、制御精度が悪く、出力応答も遅い。また、ON状態が時間的に偏るため、制御対象の寿命に悪影響、例えば制御対象がヒータの場合、熱ストレスが大きいという問題がある。
【0007】
一方、位相制御では、高精度の制御が可能であるが、点弧角を制御するものであるから、基本波成分以外に高調波が発生するという問題がある。さらに高速処理が必要であるため、装置全体が高価になるという問題がある。
【0008】
この発明は上記問題点に着目してなされたものであって、高調波を発生せず、しかも従来のサイクル制御に比し、高精度な制御が可能な電力調整器を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明の電力調整器は、入力指令値を半サイクル×n(入力指令値に応じた整数)のサイクル間保存する入力指令値サンプルホールド手段と、前記半サイクル×nのサイクル毎に前記入力指令値とその時点における出力値との誤差値を演算する出力誤差演算手段と、この演算された出力誤差を累積する出力誤差累積手段と、前記入力指令値と前記出力誤差累積値とを加算する加算手段と、この加算手段の出力値と所定の閾値を比較し、前記加算手段の出力値が前記閾値より大なる場合に100%を、出力値が前記閾値より小なる場合に0%を出力する比較手段と、からなるサイクル制御装置と、このサイクル制御装置の出力を受け、交流負荷電源のゼロボルト付近でオン、オフするゼロクロス機能付きSSRとを備えている。
【0010】
この電力調整器では入力指令値を、例えば半サイクル間、サンプルホールド手段で保持する。そして半サイクル毎に入力指令値と実際の出力値の誤差値が出力誤差演算部で演出される。最初、半サイクルでは実際出力値は0%であると言えるから、入力指令値が出力誤差となり、この出力誤差が累積される。最初の半サイクルでは累積値も0%であるから、入力指令値がそのまま比較手段に入力されることになり、入力指令値が予め設定してある閾値(例えば50%)と比較される。入力指令値が閾値よりも小さい場合、比較手段より0%が出力される。この比較手段の出力0%を受け、ゼロクロス機能付SSRはその半サイクル間、OFFする。
【0011】
次の半サイクルでは、出力演算手段により算出される出力誤差はやはり入力指令値と同じであるが、出力誤差値の累積は、入力指令値の2倍となる。一方、前回の累積値である入力指令値と今回の入力指令値が加算手段で加算され、2倍の入力指令値が比較手段に入力されるので、この2倍の入力指令値は閾値よりも大なので、比較手段は100〔%〕を出力する。この100〔%〕と指令入力値より、出力誤差は、指令入力値―出力100〔%〕となり、出力誤差累積は2倍の入力指令値−100〔%〕となる。このサイクルで、この比較手段の出力100〔%〕を受け、ゼロクロス機能付SSRは、その半サイクル間ONする。
【0012】
さらに、次の半サイクルでは加算手段の出力は、入力指令値+(2倍の入力指令値−100〔%〕)となり、比較手段に入力されるが、この入力は閾値よりも小さいので、出力は、再び0〔%〕となる。以上の処理を制御周期にわたり繰り返す。制御周期間では入力指令値に対応する数の半サイクルだけ100〔%〕出力を出す。例えば、入力指令値が40%であると、制御周期が半サイクル期間×5とされ、うち2回の半サイクルだけ比較手段より100〔%〕出力が、そしてゼロルクス機能付きSSRが、その期間ONする。制御周期毎にこの処理が繰り返される。また、他の例として、入力指令値が15%であるとすると、制御周期が半サイクル期間×20とされ、うち3回の半サイクルだけ比較手段の出力がより100〔%〕とされ、ゼロクロス機能付SSRが、その期間ONする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態により、この発明をさらに詳細に説明する。図3は、この発明の一実施形態であるヒータの温度制御装置の概略構成を示すブロック図である。この実施形態温度制御装置は、温度調節器1と、サイクル制御装置20と、ゼロクロス機能付きSSR3と、ヒータ4と、温度センサ5とから構成されている。サイクル制御装置20以外は図1に示したものと同様である。ここでは、サイクル制御装置20とゼロクロス機能付きSSR3を合わせて、電力調整器に相当する。
【0014】
サイクル制御装置20は、温度調節器1からの指令値Xを半サイクル間保持するサンプル・ホールド部21と、入力された指令値Xと実際の出力値Yの出力誤差Eを算出する出力誤差演算部22と、出力誤差演算部22で求めた出力誤差Eを累積する出力誤差累積部23と、入力された指令値Xと、出力誤差累積値を加算する加算部(補正部)24と、この加算部24の出力を受け、その入力値と所定の閾値とを比較し、入力値が閾値より大きい場合に100〔%〕出力、入力値が閾値より小なる場合に0〔%〕とする比較部25とを備えている。
【0015】
次に、この実施形態温度制御装置の動作を説明する。ここでは、図4に示すフロー図により、サイクル制御装置20の動作を中心に説明する。動作の開始にあたり、先ず初期処理が実施される(ステップST1)。例えば、比較部25の閾値Sの設定(ステップST11)、変数nをクリア(ステップST12)、パラメータ初期値を設定し、累積用レジスタΣ(n)をクリアする(ステップST13)。
【0016】
初期処理に続いて、変数nを1インクリメントする(ステップST2)。処理開始で先ずn=1とされる。そして、第1番目(n=1)のオン比率入力X1 を取り込む(ステップST3)。続いて前回までの出力誤差累積Σ(n−1)に今回の入力指令値Xn を加算し、出力Y(n)を求める(ステップST4)。
【0017】
最初の半サイクルの処理ではΣ(n−1)は0〔%〕であり、Xn =X1 である。したがって、入力指令値を40〔%〕に設定したとすると、X1 =40〔%〕であり、Yi1も40〔%〕である。比較部25で入力された補正出力値Yi1と閾値Sが比較され(ステップST5)、補正出力値Yi1が閾値S以上であると、出力を100〔%〕とする(ステップST6)。逆に補正出力値Yi1が閾値Sよりも小さいと、出力を0〔%〕とする(ステップST7)。
【0018】
続いて今回の入力指令値X1 と出力Y1 の偏差、出力誤差E←X1 −Y1 を求める(ステップST8)とともに、それまでの出力誤差累積に今回の出力誤差E1 を加算して、出力誤差累積を更新する(ステップST9)。これにより、最初の半サイクルに係る処理を終了する。
【0019】
その後、ステップST2に戻り、変数nを1インクリメント(n=2)し、第2回目の半サイクルの処理を実行する。ステップST2からステップST9の処理は制御周期間にわたり繰り返され、次の制御周期に入ると、再度、変数n及びΣ(n)をクリアして、同様の処理を繰り返す。
【0020】
上記した処理動作を具体的な数値を例にあげて説明する。以下の説明では、入力指令値X=40〔%〕、閾値S=50〔%〕とし、50〔HZ〕の交流信号を制御するものとする。50〔HZ〕の半サイクル期間は10〔msec〕であるから、10〔msec〕毎に、図4に示すフロー図の処理を実行する。入力指令値Xは40〔%〕であるから、制御周期は半サイクル期間×5と決定される。
【0021】
最初の半サイクル(周期1)では、図5に示すように、入力指令値40〔%〕、この指令値40〔%〕と出力誤差累積Σ(0)の加算で補正出力Yi1が40〔%〕、この補正出力Yi1=40〔%〕と閾値S=50〔%〕の比較で、閾値Sの方が大であるから、出力0〔%〕、指令値X1 =40〔%〕とこの出力0〔%〕の偏差より、出力誤差E1 =40〔%〕、同時に累積誤差Σ(1)=40〔%〕である。
【0022】
第2番目の半サイクル(周期2)では、同じく図5に示すように、入力指令値は変わらず40〔%〕、この指令値40〔%〕と、前回までの累積値Σ(1)=40〔%〕の加算で、補正出力Yi2=80〔%〕、この補正出力Yi2=80〔%〕と閾値S=50〔%〕の比較で閾値Sよりも補正出力Yi2の方が大であるから、出力を100〔%〕とする。指令値X2 =40〔%〕と、出力100〔%〕との偏差により出力誤差E2 =−60〔%〕、前回までの累積値Σ(1)=40〔%〕に出力誤差−60〔%〕を累積して、出力誤差累積Σ(2)=−20〔%〕である。
【0023】
第3番目の半サイクル(周期3)では、入力指令値X3 は変わらず40〔%〕、この指令値40〔%〕と前回までの累積値Σ(2)=−20〔%〕の加算で補正出力Yi3=20〔%〕、この補正出力Yi3=20〔%〕と閾値S=50〔%〕の比較で閾値Sの方が大きいので、出力を0〔%〕とする。指令値X3 =40〔%〕と出力0〔%〕との偏差で、出力誤差E3 =40〔%〕、前回までの累積値Σ(2)=−20〔%〕を加算して、出力誤差累積Σ(3)=20〔%〕である。
【0024】
第4番目の半サイクル(周期4)では、入力指令値X4 は40〔%〕、この指令値40〔%〕と、前回までの累積値Σ(3)=20〔%〕の加算で補正出力Yi4=60〔%〕、この補正出力Yi4=60〔%〕と閾値S=50〔%〕の比較で閾値Sよりも補正出力Yi4の方が大きいので、出力を100〔%〕とする。指令値X4 =40〔%〕と出力100〔%〕の偏差で出力誤差E4 =−60〔%〕、前回までの累積値Σ(3)=20〔%〕に出力誤差−60〔%〕を累積して、出力誤差累積Σ(4)=−40〔%〕である。
【0025】
第5番目の半サイクル(周期5)では、入力指令値X5 は40〔%〕、この指令値40〔%〕と前回までの累積値−40〔%〕の加算で補正出力Yi5=0〔%〕、この補正出力Yi5と閾値S=50〔%〕の比較では明らかに閾値Sの方が大なので、出力を0〔%〕とする。指令値X5 =40〔%〕と出力0〔%〕の偏差で出力誤差E5 =40〔%〕、前回までの累積値Σ(4)=−40〔%〕を加算して、出力誤差累積Σ(5)=0〔%〕である。
【0026】
以上5回の半サイクルで制御周期が終了し、次の制御周期に移る。1制御周期の中では、指令値40〔%〕に対し、出力100〔%〕の半サイクルが2回有り、5回の半サイクル中に2回の100〔%〕出力で他の3回のサイクルが出力0〔%〕であるから、指令値に対応した出力となる。
【0027】
図6に示す径200mmのセラミック基板31にCH1〜CH6の埋め込みヒータ32を設けた半導体ウェア用ヒータで1CHのみを使用し、ヒータ抵抗:13Ω、ヒータ電圧:約20VAC、ヒータ電力:約30〔W〕、温調制御周期:0.5〔sec〕、PID調整則:ジーグラニコラス法から微調整で実験を行ったところ、従来のサイクル制御では図7で示す最大0.2°C、上記実施形態のサイクル制御では図8に示す最大0.1°Cの温度変化となり、この実施形態による場合の方が変化幅が小さいことが確認できた。
【0028】
また、図9に示す原理のハロゲンランプ41と反射鏡42を備える半導体テスト用加熱用のスポットヒータで加熱対象43を、定格電圧:100VAC、消費電力:340W、最高到達温度:650°Cで加熱実験したところ、従来のサイクル制御では温度変化幅が図10に示す5.2°Cとなり、実施形態のサイクル制御では、図11に示す2.6°Cとなり、やはりこの実施形態による場合の方が、制御過程における変化幅が小さい。
【0029】
図12は、半導体ウエハ用ヒータに従来のサイクル法(図12のa)と、実施形態で使用したサイクル法(図12のc)による制御をシミュレーションしたものであり、従来のサイクル法による場合に比し、この実施形態の方が温度変化の振れ幅が小さい結果が出ている。
【0030】
図13は、スポットヒータ(ハロゲンランプ)に、従来のサイクル法(図13のa)、位相制御(図13のb)、この実施形態のサイクル法(図13のc)による制御をシミュレーションしたものであり、やはり従来のサイクル法による場合に比し、この実施形態の方が温度変化の振れ幅が小さく、位相制御と同程度の振れ幅となる結果が出ている。
【0031】
図14は、はんだごてを想定して、従来のサイクル法(図14のa)、位相制御(図14のb)、この実施形態のサイクル法(図14のc)による制御をシミュレーションしたものであり、従来のサイクル法による場合に比し、この実施形態の方が温度変化の振れ幅が小さく、位相制御と同程度の振れ幅となる結果が出ている。
【0032】
図15、図16、図17は、それぞれ50〔HZ〕の交流成分を基本波とするシミュレーションによる出力電圧に含まれる基本波と高調波成分を示している。図15は位相制御、図16は従来のサイクル制御、図17はこの発明の実施形態のサイクル制御の場合であり、位相制御の場合、第3高調波、第5高調波、第7高調波、……、と基本波の大きさの数十%の高調波が発生しているが、この実施形態のサイクル制御では、従来のサイクル制御と同様に、高周波が十分に低減されている。
【0033】
なお、上記実施形態のサイクル制御装置は、アナログ演算回路で構成してもよいし、コンピュータ等のソフトウェアを含むデジタル演算回路で構成してもよい。
【0034】
また、上記実施形態のサイクル制御装置20は、ゼロクロス機能付きSSR3とで電力調整器を構成する場合を想定しているが、この発明はサイクル制御装置20を温度調節器1に内蔵させること、サイクル制御装置20を単独ユニットとして構成し、温度制御装置の温度調節器1とゼロクロス機能付きSSR3(電力調整器)との間に設けることにも適用できる。
【0035】
【発明の効果】
この発明によれば、指令値に応じ、半サイクル×n(入力指令値に応じた整数)の制御周期を決定し、この半サイクル×nのサイクル毎に出力補正し、指令値に応じ、100〔%〕出力か0〔%〕出力を選択して出力するものであるから、従来のサイクル制御に比し、出力分解能が高い。従来のサイクル制御に比し、出力応答が速い。従来のサイクル制御に比し。ON状態が時間的に分散されるので、制御対象を長寿命化できる。従来の位相制御に比べて高速処理が必要ないため、装置が安価に実現できる。また電力調整がゼロクロス機能付きSSRによるゼロ電圧スイッチングであるため、電気ノイズが小さい。等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の温度制御装置を示すブロック図である。
【図2】同温度制御装置のサイクル制御を説明するための図である。
【図3】この発明の一実施形態である温度制御装置の構成を示すブロック図である。
【図4】同実施形態温度制御装置を構成するサイクル制御装置の動作を説明するフロー図である。
【図5】同サイクル制御装置の半サイクル毎の動作を説明するための各部のレベルの一例を示す図である。
【図6】半導体ウエハ用ヒータの一例を示す図である。
【図7】同半導体ウエハ用のヒータを実験により、従来のサイクル制御法で温度制御した場合の温度変化を示す図である。
【図8】半導体ウエハ用ヒータを実験により、この発明のサイクル制御法で温度制御した場合の温度変化を示す図である。
【図9】スポットヒータを説明する図である。
【図10】スポットヒータを実験により、従来のサイクル制御法で温度制御した場合の温度変化を示す図である。
【図11】スポットヒータを実験により、この発明のサイクル制御法で温度制御した場合の温度変化を示す図である。
【図12】半導体ウエハ用ヒータをシミュレーションにより、従来のサイクル制御法、この発明のサイクル制御法により、温度制御した場合の温度変化を示す図である。
【図13】スポットヒータをシミュレーションにより、従来のサイクル法、位相制御法、この発明のサイクル制御法で温度制御した場合の温度変化を示す図である。
【図14】はんだごてを想定し、シミュレーションにより、従来のサイクル制御法、位相制御法、この発明のサイクル制御法により、温度制御した場合の温度変化を示す図である。
【図15】温度制御を位相制御法で行った場合の出力電圧の周波数スペクトルを示す図である。
【図16】温度制御を従来のサイクル制御法で行った場合の出力電圧の周波数スペクトルを示す図である。
【図17】温度制御を、この発明のサイクル制御で行った場合の出力電圧の周波数スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
1 温度調節器
2、20 サイクル制御装置
3 ゼロクロス機能付きSSR
4 ヒータ
5 温度センサ
21 サンプル・ホールド部
22 出力誤差演算部
23 出力誤差累積部
24 加算部
25 比較部
Claims (1)
- 入力指令値を半サイクル×n(入力指令値に応じた整数)のサイクル間保存する入力指令値サンプルホールド手段と、前記半サイクル×nのサイクル毎に前記入力指令値とその時点における出力値との誤差値を演算する出力誤差演算手段と、この演算された出力誤差を累積する出力誤差累積手段と、前記入力指令値と前記出力誤差累積値とを加算する加算手段と、この加算手段の出力値と所定の閾値を比較し、前記加算手段の出力値が前記閾値より大なる場合に100%を、出力値が前記閾値より小なる場合に0%を出力する比較手段と、からなるサイクル制御装置と、このサイクル制御装置の出力を受け、交流負荷電源のゼロボルト付近でオン、オフするゼロクロス機能付きSSRとを備えたことを特徴とする電力調整器。
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