JP4247707B2

JP4247707B2 - モータの駆動方法および通電制御装置

Info

Publication number: JP4247707B2
Application number: JP2003001854A
Authority: JP
Inventors: 和彦大隅
Original assignee: Neomax Co Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-01-08
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-01-08
Also published as: JP2004215451A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石と電機子コイルとが相対直線運動するリニアモータに使用されるリニアモータ用通電制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リニアモータや回転モータを高精度に制御しようとする場合は、界磁電機子コイルに流す電流を高精度に制御しなければならない。具体的には、コイル電流の通電制御装置において電流フィードバック用誤差増幅器の利得を上げる等の手段が採られる。通常、界磁電機子コイルは三相スター結線または三相デルタ結線された複数の電機子コイルからなる。同様に作製された電機子コイルであっても各電機子コイルには抵抗やインダクタンスなどにバラツキがある。このため単に利得を上げるのみでは、このバラツキのため各相のコイル電流に不平衡が生じて結線の中点電圧が電源電圧側またはＧＮＤ側に偏ってしまい、電機子コイルに必要な推力に相当する電流を流せなくなる。その結果として動作の不安定となり高精度に制御できない問題が生じる。図３に電源電圧をＨＶとしたときの三相スター結線の中点電圧を示す。不平衡時には偏りが生じ平衡時にはＨＶ／２となる。
【０００３】
この問題を解決する手段のひとつを図４により説明する。図４は従来の通電制御装置と電動機側の三相コイルとを接続した状態を模式的に示すものである。巻線Ｕ，Ｖ，Ｗは三相のスター結線としている。電力供給手段２は、直流電力を交流電力に変換して三相へ供給する回路であり、例えばシリコン半導体を用いたＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラ形、ＤＧＭＯＳ、ＧＴＯである開閉素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆおよびこれらの開閉素子の導通と非導通を制御するドライブ回路により構成されている。いずれの開閉素子のゲート信号についても所定のキャリア周波数によるパルス幅変調をかけて出力している。コンデンサＣ１は直流電圧Ｅｉの電圧変動やリップルを平滑して電力供給手段２へ供給する。Ｕ相推力指令は指令入力回路６により必要な推力に相当する電圧に変換されてＰＷＭコンパレータ回路７へ出力される。ＰＷＭコンパレータ回路７は各開閉素子へパルス幅変調のオン時間比率、すなわちデューティを変化させるための信号を電力供給手段２のドライブ回路へ出力する。電流フィードバック用誤差増幅器８はＵ相の電流を検出し増幅してその出力をＰＷＭコンパレータ回路７へ負帰還し、デューティを微調整する。コイル電流を微小制御するために電流フィードバック用誤差増幅器の利得を上げる理由は次のとおりである。すなわち、通常必要な推力に相当する電圧(推力指令)とモータ電流が常に一致するように制御しているが、コイルのインピーダンス(Ｌ，Ｒ，Ｃ)の影響により位相遅れなどの誤差が発生するため利得を上げる必要がある。このような電流制御をおこなうことにより必要な推力に相当する電流をＵ相に流すことができる。Ｖ相についても同様の制御を行なう。
【０００４】
三相の電流の瞬時値の和が常にゼロになることを利用してＷ相については演算により電流値を求めることができる。このためＷ相には上記の電流フィードバック用誤差増幅器は無く推力指令も無い。コイルの不平衡により生じる電流をＷ相で補正するため、Ｗ相はモーターを動作させる推力指令および電流フィードバックをＵ相とＶ相とから生成している。このためＷ相については電流を高精度に制御することができないという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この問題を回避する第１の手段を図５により説明する。図４の部品に相当する図５の部品には同じ参照符号を付す。電力供給手段２及び指令入力回路６とＰＷＭコンパレータ回路７と電流フィードバック用誤差増幅器８とからなる電流フィードバック回路３の動作は図４のものと同様であるので説明を省略する。図５の通電制御装置は三相全てに電流フィードバック回路３を設け推力指令を入力する構成であるので各相の電流を高精度に制御することができる。不平衡電流は三相のスター結線の中点(Ｎ)を入力間で分圧したコンデンサＣ３，Ｃ４の中点に接続して電源側へ回生している。しかし、負荷電流が増えると不平衡電流も増えるためコンデンサで回生しきれず動作の不安定化の問題を生じる。コンデンサの容量を大きくしても不平衡電流が増えるとコンデンサの中点電圧も変化する。そのためやはり図３に示す偏りが生じる。
【０００６】
前述の問題を回避する第２の手段を図６により説明する。図４の部品に相当する図６の部品には同じ参照符号を付す。電力供給手段２と電流フィードバック回路３の動作は図６のものと同様であるので説明を省略する。図６の通電制御装置は三相全てに各々電流フィードバック用誤差増幅器を設け推力指令を入力する構成であるので各相の電流を高精度に制御することができる。入力側に安定化電源を設けているため入力Ｅｉを安定化させるだけでなくスター結線の中点(Ｎ)の電圧を平衡時の電圧（ＨＶ／２）に安定化させることができる。しかし、安定化電源を用いることで通電制御装置のコストを増大させ、更に重量や寸法を大きくしてしまうという問題を生じる。
【０００７】
本発明の目的は、上記の問題点を解決し電動機側の電機子コイル３相全てについて電流を高精度に制御することができ、さらに負荷電流が増大しても動作の不安定化または発振の問題を生じることなく且つコストの増加や重量や寸法の増大を招くことのないリニアモータ用通電制御装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来の通電制御装置に新に中点補正回路と分圧回路を追加し、分圧回路とスター結線の中点(Ｎ)とを中点補正回路に接続し更に分圧回路と中点とを接続し、中点の電圧を平衡時の電圧（ＨＶ／２）に制御し不平衡電流を分圧回路を介して入力電源へ回生することで上記目的を達成できることを見いだし本発明に到達した。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、直流電源と並列に接続され、直流電圧を２つのスイッチング素子で分圧する分圧回路と、複数のスイッチング素子を有し、スター結線された３相の電機子コイルへ正弦波電流を供給する電力供給手段と、各相に流れる電流を検出して前記電力供給手段のスイッチング素子をＰＷＭ制御する電流フィードバック回路を有するリニアモータ用通電制御装置であって、前記２つのスイッチング素子を駆動するドライブ回路と前記ドライブ回路にパルス信号を出力する比較器と前記比較器に基準電圧と中点電圧の差に比例した電圧を増幅して出力する差動増幅器を有する中点補正回路を前記電機子コイルの中点と前記分圧回路の出力端に接続してその出力端の電圧を変更可能とし、中点の電圧が所定の電圧より上昇した場合は、不平衡電流を前記分圧回路を介して電源側へ回生するとともに前記中点補正回路の指令により出力端の電圧を下降させて中点の電圧を所定の電圧に維持し、中点の電圧が所定の電圧より下降した場合は、不平衡電流を電源側から前記分圧回路を介して中点へ流し込む前記中点補正回路の指令により出力端の電圧を上昇させて中点の電圧を所定の電圧に維持することを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の基本動作について図1を用いて説明する。図１は本発明の通電制御装置の原理を説明するためのブロック回路図である。スター結線された三相の電機子コイルへ電力を供給する電力供給手段２と、各相の電流値をもとに電力供給手段２を制御して各相の電流を適正値に調整する電流フィードバック回路３とを備えたモータの通電制御装置１である。電源電圧を分圧して出力端に出力する分圧回路４を電源と並列に接続する。分圧回路４はスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、インダクタＬ１、コンデンサＣ２からなる。中点補正回路５はスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチングのデューティを変えることにより出力端の電圧を変更することができる。三相の電機子コイルの中点と分圧回路の出力端および中点補正回路とを接続する。コイルの不平衡電流が変化すると、これに比例して三相スター結線のモータコイルの中点電圧も変化する。中点電圧は常に中点補正回路へ入力されているため、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチングを制御するパルス信号が中点電圧の変化に応じて変化し出力端の電圧を制御する。これにより中点電圧を適正値すなわち入力電圧（ＨＶ）の１／２の電圧に維持することができる。中点の電圧が所定の電圧より上昇したら不平衡電流を分圧回路を介して電源側へ回生するとともに中点補正回路の指令により出力端の電圧を下降させて中点の電圧を所定の電圧に維持する。中点の電圧が所定の電圧より下降したら不平衡電流を電源側から分圧回路を介して中点へ流し込むとともに中点補正回路の指令により出力端の電圧を上昇させて中点の電圧を所定の電圧に維持する。中点の電圧が所定の電圧に維持されるため負荷電流が増大しても動作の不安定化またはコイルの発振の問題を生じることはない。
【００１２】
中点電圧の制御と不平衡電流および中点補正回路の動作について図２を用いて詳細に説明する。図２は図１の中点補正回路５の一例を具体的に示したものである。電流フィードバック回路は各相ごとに設けてあり図６，７，８のものと同様の構成および動作であるので図２では図示および説明を省略する。中点補正回路５は電源電圧Ｅｉを分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２で分圧して得られる基準電圧と中点電圧を分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４で分圧して得られる電圧とを比較してその差に比例した電圧を増幅して比較器へ出力する差動増幅器を有する。比較器はこの電圧と三角波（ノコギリ波）とを比較することによりデューティーを変えたパルス信号をドライブ回路に出力する。ドライブ回路はパルス信号に応じてスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を駆動する。Ｑ１，Ｑ２は数十ＫＨｚ〜数百ＫＨｚでスイッチングを行ないＱ１，Ｑ２のデューティーの比率により出力電圧を制御する。デューティー比がＱ１＝Ｑ２の場合はＥｉ／２となり、Ｑ１＞Ｑ２の場合はＥｉ／２＋α、Ｑ１＜Ｑ２の場合はＥｉ／２−αとなる。したがって中点電圧がＥｉ／２より低くなったときはＱ１＞Ｑ２となり中点電圧を上げようと制御し、高くなったときはＱ１＜Ｑ２となり中点電圧を下げようと制御する。インダクタＬ１とコンデンサＣ２はスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の分圧出力を平滑して出力端へ出力する。
【００１３】
ここで分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の設定について説明する。例えば、電源電圧Ｅｉ＝１０Ｖ、分圧抵抗Ｒ１：Ｒ２＝３：１とすると基準電圧は２．５Ｖとなる。三相のコイルに抵抗やインダクタンスなどのバラツキがない場合の中点電圧はＥｉ／２＝５Ｖとなる。したがって分圧抵抗Ｒ３：Ｒ４＝１：１とすればよい。
【００１４】
【発明の効果】
本発明によれば以下の効果を得ることができる。
（１）電動機側の電機子コイル３相全てについて電流フィードバック回路を設けているため各相の電流を推力指令に応じて高精度に制御することができる。
（２）分圧回路およびそれを制御する中点補正回路により電機子コイルＮ相の中点電圧を平衡時の電圧に維持できるので、各相の電流を推力指令に応じて高精度に制御することができる。また、コイルの発振を抑制することができる。
（３）電機子コイルの不平衡電流は分圧回路を介して電源へ回生することができる。
（４）中点を補正する駆動および制御回路をモータの駆動および制御と独立して設けているので、中点の偏差による入力指令への影響がなく、モータを最適な入力指令で高精度に制御出来る。また、中点補正回路はコイルの不平衡電流のみ制御すれば良いので、この駆動回路も小容量で足りる。
（５）従来の通電制御装置に新に中点補正回路と分圧回路を追加するのみであるのでコストの増加や重量や寸法の増大を最小限に留めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の通電制御装置の原理を表すブロック回路図である。
【図２】本発明の通電制御装置に使用する中点補正回路の具体例である。
【図３】各相のコイル電流に不平衡が生じたときの中点電圧の偏りを示す図である。
【図４】従来の通電制御装置の一例を示す回路図である。
【図５】従来の通電制御装置の別の一例を示す回路図である。
【図６】従来の通電制御装置の別の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
１…通電制御装置，２…電力供給手段，３…電流フィードバック回路，
４…分圧回路，５…中点補正回路，６…指令入力回路，
７…ＰＷＭコンパレータ回路，８…電流フィードバック用誤差増幅器

Claims

直流電源と並列に接続され、直流電圧を２つのスイッチング素子で分圧する分圧回路と、複数のスイッチング素子を有し、スター結線された３相の電機子コイルへ正弦波電流を供給する電力供給手段と、各相に流れる電流を検出して前記電力供給手段のスイッチング素子をＰＷＭ制御する電流フィードバック回路を有するリニアモータ用通電制御装置であって、前記２つのスイッチング素子を駆動するドライブ回路と前記ドライブ回路にパルス信号を出力する比較器と前記比較器に基準電圧と中点電圧の差に比例した電圧を増幅して出力する差動増幅器を有する中点補正回路を前記電機子コイルの中点と前記分圧回路の出力端に接続してその出力端の電圧を変更可能とし、中点の電圧が所定の電圧より上昇した場合は、不平衡電流を前記分圧回路を介して電源側へ回生するとともに前記中点補正回路の指令により出力端の電圧を下降させて中点の電圧を所定の電圧に維持し、中点の電圧が所定の電圧より下降した場合は、不平衡電流を電源側から前記分圧回路を介して中点へ流し込むとともに前記中点補正回路の指令により出力端の電圧を上昇させて中点の電圧を所定の電圧に維持することを特徴とするリニアモータ用通電制御装置。