JP3912347B2

JP3912347B2 - リニアモータ駆動装置

Info

Publication number: JP3912347B2
Application number: JP2003319224A
Authority: JP
Inventors: 賢一関岡; 寛森中
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2023-09-11
Also published as: JP2005086959A

Description

本発明は、リニアモータ内の２通りの巻線と駆動電流を供給する２通りのアンプの組合せを切替えることによって、速度リップル／推力リップルのシステムへの影響を極小に留めることを目的とするものであり、半導体製造装置、液晶製造装置等の広い範囲の産業分野を対象とするリニアモータ駆動装置に関する。

半導体製造装置、液晶製造装置では、ナノメートルオーダでの位置決め精度、一定速送り精度が要求される。したがって、かかる装置の駆動装置ではサブミクロンオーダの位置検出装置が必要となるだけでなく、位置決め指令のとおりに忠実に動くサーボモータおよびその駆動装置が必要になる。このような位置決め装置においては、粗動と微動の二段階で駆動することができる。例えば図２の駆動装置で粗動を、そして図３の駆動装置で微動を行うことができる。
従来のリニアモータ駆動装置について、図を用いて説明する。図２は、従来の第１のリニアモータ駆動装置の概略構成図である。図２において、１はドライバであり、図示しない上位の位置決め制御装置等から出力される指令に基づく駆動電流をリニアモータへ供給する。２はリニアモータであり、ドライバ１からの上位指令に基づく駆動電流相当の推力を発生し、接続されるシステムを駆動する。リニアモータ２の巻線は、モータ３相分Ｙ結線されている。１１はダイオードブリッジであり、ドライバ１の電源入力であるＡＣ電源を全波整流して、パワー素子１２１に主回路ＰＮ電圧を供給する。ここでいうＡＣ電源は、単相／３相、１００Ｖ／２００Ｖの別を問わない。１２１はＩＧＢＴ等の半導体パワー素子であり、電流アンプ１３１の出力信号であるＰＷＭゲート信号に基づき、リニアモータ２へ駆動電流を供給する。１４１はシャント抵抗であり、パワー素子１２１とリニアモータ２との間の出力ラインに駆動電流を検出する手段として配備され、検出電圧を電流アンプ１３１へフィードバックする。１５１はヒューズであり、過電流／過負荷等の際、リニアモータ２の焼損防止等の保護機能として働き、その動作信号を電流アンプ１３１へフィードバックする。１３１は電流アンプであり、上位指令と電流検出フィードバック信号を入力値とした電流制御を司り、上位指令と電流検出フィードバック信号との偏差とその内部のキャリア発生手段からＰＷＭゲート信号を生成し、パワー素子１２１をＰＷＭ制御する。また、保護機能のフィードバック信号が動作した際、ベースブロックする等のしかるべきシーケンス処理を施す。ここでいう電流アンプは、アナログ電流制御／ディジタル電流制御の別を問わない。ディジタル電流制御の場合、電流制御演算はＣＰＵで行い、上位電流指令と電流検出フィードバック信号等の入力信号がアナログ信号であれば、Ａ／Ｄ変換器を備える。
図３は、従来の第２のリニアモータ駆動装置の概略構成図である。図３において、１はドライバであり、上位指令に基づく駆動電流をリニアモータへ供給する。２はリニアモータであり、ドライバ１からの上位指令に基づく駆動電流相当の推力を発生し、接続されるシステムを駆動する。リニアモータ２の巻線は、その３相それぞれに互いに独立して配備されている。１６は安定化電源であり、ドライバ１の電源入力であるＡＣ電源からパワー素子１２２に主回路ＰＮ電圧を供給する。ここでいうＡＣ電源は、単相／３相、１００Ｖ／２００Ｖの別を問わない。１２２はＭＯＳＦＥＴ等の高速スイッチング特性の半導体パワー素子であり、電流アンプ１３２の出力信号である上位指令と電流検出フィードバック信号との偏差に基づき、リニアモータ２へ駆動電流を供給する。１４１はシャント抵抗であり、パワー素子１２１とリニアモータ２との間の出力ラインに駆動電流を検出する手段として配備され、検出電圧を電流アンプ１３２へフィードバックする。１５２はヒューズであり、過電流／過負荷等の際、リニアモータ２の焼損防止等の保護機能として働き、その動作信号を電流アンプ１３２へフィードバックする。１３２は電流アンプであり、上位指令と電流検出フィードバック信号を入力値とした電流制御を司り、上位指令と電流検出フィードバック信号との偏差とその内部のキャリア発生手段からＰＷＭゲート信号を生成し、パワー素子１２２をＰＷＭ制御する。ここでいうキャリア発生手段は、ＭＯＳＦＥＴ等の高速スイッチング特性の半導体パワー素子を使用するため、ＩＧＢＴ等の半導体パワー素子のそれより一段と高いキャリア周波数を設定でき、小推力時の電流リップル／波形歪を更に小さくすることが出来る。これはより高いキャリア周波数を適用すると電動機へ供給する電流リップル（電流脈動）が小さくなるため電流リップルに起因するトルクリップル（トルク脈動）を小さくできるからである。また、保護機能のフィードバック信号が動作した際、ゼロ指令入力等のしかるべきシーケンス処理を施す。
このように、従来のリニアモータ駆動装置は、上位指令に基づく駆動電流をリニアモータへ供給して、システムを駆動するのである。
特開平９−２３８０３１号公報

しかしながら、従来のリニアモータ駆動装置は、ドライバのキャリア周波数設定は、使用するパワー素子に依りその上限値が限られており、また、リニアモータの巻線は、ドライバの駆動方式に依りＹ結線、あるいは、独立結線のどちらか一方であった。そのため、以下のような問題点があり、加減速時に大推力、一定速時に小推力／低速度リップル／低推力リップルを要求される用途に対し、従来のリニアモータ駆動装置は、リニアモータとアンプとで個別に要求仕様に対応していたため、追求する性能に限界があった。
（１）ＩＧＢＴ等の半導体パワー素子を使用するＰＷＭ制御は、高耐圧・大電流のラインナップがあり、大容量のリニアモータ駆動が可能であるが、そのスイッチング特性によりキャリア周波数に上限があり、推力リップルに起因する電流リップルを小さくできず、また、0クロス近傍の不感帯の影響により、小推力時の電流制御特性が悪い。
（２）ＭＯＳＦＥＴ等の半導体パワー素子を使用するＰＷＭ制御は、そのスイッチング特性によりキャリア周波数を高く設定でき、推力リップルに起因する電流リップルを小さく、また、0クロス近傍の不感帯の影響を極小にでき、小推力時の電流制御特性を良くすることができるが、高耐圧のラインナップがないため、小容量のリニアモータ駆動しかできない。
（３）Ｙ結線は、駆動電流を流した際の相間干渉が少なからずともあり、小推力時の電流制御特性に影響を与える。
（４）独立巻線は、駆動電流を流した際の相間干渉の小推力時の電流制御特性への影響をなくすことができるが、駆動するドライバとの組合せにより大容量のリニアモータに適していない。
そこで、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、大推力時に適したリニアモータ巻線とアンプの組合せと小推力時に適したリニアモータ巻線とアンプの組合せとを、駆動条件に応じて選択的に切替えることで、速度リップル／推力リップルのシステムへの影響を極小に留めることを特徴とするリニアモータ駆動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、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、リニアモータと、前記リニアモータに駆動電流を供給するドライバとを備えたリニアモータ駆動装置において、前記ドライバが、前記駆動電流をＰＷＭ制御するＰＷＭアンプと、前記ＰＷＭアンプよりキャリア周波数が一段と高く前記駆動電流をＰＷＭ制御する高キャリアＰＷＭアンプとを有し、前記リニアモータが、モータ３相分をＹ結線した大推力用巻線と、モータ３相分を独立に配備した小推力用巻線とを互いに並列に有すると共に、各巻線への各接続端子とを有し、前記ＰＷＭアンプの出力を前記大推力用巻線への接続端子に、および、前記高キャリアＰＷＭアンプの出力を前記小推力用巻線への接続端子に接続し、上位装置からのアンプ切替え信号に基づいて、前記リニアモータの駆動状態が、加減速状態の場合は前記ＰＷＭアンプから前記駆動電流を供給し、停止状態あるいは一定速状態の場合は前記高キャリアＰＷＭアンプから前記駆動電流を供給するように、前記ドライバの出力と前記リニアモータの巻線との組合せを、前記駆動状態に応じて選択的に切替えるものである。
請求項１記載のリニアモータ駆動装置によれば、、大推力時に適したリニアモータ巻線とアンプ（ＰＷＭアンプ）の組合せと小推力時に適したリニアモータ巻線とアンプ（高キャリアＰＷＭアンプ）の組合せとを、駆動条件に応じて選択的に切替えることができる。また、駆動条件に応じて、ＰＷＭアンプか高キャリアＰＷＭアンプを使用することができ、使用していないアンプの入力はゼロ指令となるため、出力への影響をなくすことができる。また、精度を問わない大推力時には、大推力用巻線に駆動電流を供給することができ、精
度を要求される小推力時には、小推力用巻線に駆動電流を供給することができる。また、システムの加減速時に大推力が必要な場合、高耐圧・大電流なパワー素子を使用することができるため、大容量のリニアモータ駆動が可能であり、リニアモータ巻線設計においても極力損失を抑えることができる。また、システムの一定速時あるいは停止時に小推力／低速度リップル／低推力リップルが必要な場合、キャリア周波数を高いため、推力リップルに起因する電流リップルを小さく、また、0クロス近傍の不感帯の影響を極小にでき、小推力時の電流制御特性を良くすることができる。また、システムの加減速時の大推力が必要で、精密な電流制御特性を必要としない場合、比較的安価にできるアンプとモータの組合せでシステムを駆動することができる。また、システムの一定速時に小推力／低速度リップル／低推力リップルが必要で、精密な電流制御特性を必要とする場合、電流制御特性がよいアンプと駆動電流を流した際の相間干渉の小推力時の電流制御特性への影響をなくすことができるモータの組合せでシステムを駆動することができる。

本発明のリニアモータ駆動装置によれば、以下のような効果がある。
（１）ドライバが２通りの異なるキャリア周波数による電流制御方式とリニアモータが２通りの巻線を有しているため、大推力時に適したリニアモータ巻線とアンプの組合せと小推力時に適したリニアモータ巻線とアンプの組合せとを、駆動条件に応じて選択的に切替えることで、速度リップル／推力リップルのシステムへの影響を極小に留めることができる。
（２）アンプ切替え信号により短時間でアナログスイッチを切替えるため、システムへの切替えの影響を極小に留めることができる。
（３）ドライバ／リニアモータ共に、大推力用と小推力用として、それぞれの特長を出せるものを有しているため、個別に有するものより、要求仕様に対して、更に追究する事ができる。

以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。

図１は、本発明のリニアモータ駆動装置の概略構成図である。図において、リニアモータ２は、大推力発生時（粗動用）にのみ使用する３相Ｙ結線の大推力用巻線２１と小推力発生時（微動用）にのみ使用する３相独立巻線の小推力用巻線２２の２通りの巻線を有し、ドライバ１との各巻線への接続端子を備える。接続端子は大推力用巻線２１用としてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３つの外部端子を備え、３相独立巻線の小推力用巻線２２用として各相毎に２つの外部端子（ｕ１、ｕ２、ｖ１、ｖ２、ｗ１、ｗ２）を備えている。ドライバ１は、ＰＷＭアンプ（ダイオードブリッジ１１とパワー素子１２１、電流アンプ１３１、シャント抵抗１４１、ヒューズ１５１で構成される）と高キャリアＰＷＭアンプ（安定化電源１６とパワー素子１２２、電流アンプ１３２、シャント抵抗１４２、ヒューズ１５２で構成される）、上位制御装置からのアンプ切替え信号によりＰＷＭアンプまたは高キャリアＰＷＭアンプのどちらか一方へ切替えることが可能なアナログスイッチ１７を備える。例えば半導体製造装置におけるサブミクロンオーダの位置決め駆動装置においては、ＰＷＭアンプのキャリア周波数が１０ｋＨｚ程度で対し、その容量によっては高キャリアＰＷＭアンプのキャリア周波数は５０〜１００ｋＨｚ程度にすることかできる。
次に動作を説明する。上位からのアンプ切替え信号は、設定された閾値と上位指令との比較により、出力される。設定された閾値は、少なくとも、システムの一定速時推力より若干高いくらいの値である。
システムが停止状態の場合、アンプ切替え信号は高キャリアＰＷＭアンプを選択しており、上位指令に基づいた駆動電流をパワー素子１２２を介して、３相独立巻線の小推力用巻線２２に供給し、高停止時精度／低振動な制御特性を実現できる。
システムが加減速時の場合、上位指令が設定された閾値を超えたところで、アンプ切替え信号はＰＷＭアンプを選択し、上位指令に基づいた駆動電流をパワー素子１２１を介して、３相Ｙ結線の大推力用巻線２１に供給し、高効率・高加減速な制御特性を実現できる。
システムが一定速時の場合、上位指令が設定された閾値を下回ったところで、アンプ切替え信号は、再度、高キャリアＰＷＭアンプを選択し、上位指令に基づいた駆動電流をパワー素子１２２を介して、ヘリカル巻線方式の小推力用巻線２２に供給し、高精度／低速度リップル／低推力リップルな制御特性を実現できる。ヘリカル巻線は巻線精度を高めた螺旋状の整列巻線である。
それぞれの場合、アンプ切替え信号で選択されなかったアンプの入力信号は、ゼロ指令となり、決してリニアモータ出力側に影響するものではない。

本発明のリニアモータ駆動装置の概略構成図従来の第１のリニアモータ駆動装置の概略概略図従来の第２のリニアモータ駆動装置の概略構成図

符号の説明

１ドライバ
１１ＤＢ（ダイオードブリッジ）
１２１、１２２パワー素子
１３１、１３２電流アンプ
１４１、１４２シャント抵抗
１５１、１５２ヒューズ
１６安定化電源
１７アナログスイッチ
２リニアモータ
２１大推力用巻線
２２小推力用巻線

Claims

リニアモータと、前記リニアモータに駆動電流を供給するドライバとを備えたリニアモータ駆動装置において、
前記ドライバが、前記駆動電流をＰＷＭ制御するＰＷＭアンプと、前記ＰＷＭアンプよりキャリア周波数が一段と高く前記駆動電流をＰＷＭ制御する高キャリアＰＷＭアンプとを有し、
前記リニアモータが、モータ３相分をＹ結線した大推力用巻線と、モータ３相分を独立に配備した小推力用巻線とを互いに並列に有すると共に、各巻線への各接続端子とを有し、
前記ＰＷＭアンプの出力を前記大推力用巻線への接続端子に、および、前記高キャリアＰＷＭアンプの出力を前記小推力用巻線への接続端子に接続し、
上位装置からのアンプ切替え信号に基づいて、前記リニアモータの駆動状態が、加減速状態の場合は前記ＰＷＭアンプから前記駆動電流を供給し、停止状態あるいは一定速状態の場合は前記高キャリアＰＷＭアンプから前記駆動電流を供給するように、
前記ドライバの出力と前記リニアモータの巻線との組合せを、前記駆動状態に応じて選択的に切替えることを特徴とするリニアモータ駆動装置。