JP4305945B2 - 電力変換器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は超精密制御用のアクチュエータを駆動するサーボコントローラや、電磁界を超精密に制御するサーボアンプのように、高精度で、ダイナミックレンジが広い制御を必要とする電力変換装置に関するものである。
【従来の技術】
微小電流から大電流までダイナミックレンジが広く、高精度、高分解能な電流制御が必要なサーボアンプは、単一の電流制御方式、例えば、リニア増幅あるいはPWM制御だけでは実現が難しい。したがって、ある一定電流以下の小電流領域ではリニア動作をし、大電流領域では、スイッチング動作によるPWM制御が可能な電力用半導体デバイスであるデュアルモードＩＰＭ（例えば、非特許文献１参照。）を使って、リニア動作とPWM動作の２つの制御方式を切り換えて使う電流制御系が考案され、用いられていた（例えば、非特許文献２参照。）。これを示したものが図７である。
またリニア制御からPWM制御への切り換え時、電流の変化ができるだけ小さくなるようにパルス幅を決定して、切り換える方式が提案されていた（例えば、非特許文献３参照。）。
【非特許文献１】
「日本インター株式会社 技術資料 ハイパワーリニア／ＰＷＭデュアルモードＩＰＭ」、技術資料Ｎｏ．２００９、１９９６年３月９日
【非特許文献２】
松本敏雄、外３名、「マルチファンクションパワーデバイスの応用」、電気学 会半導体電力変換研究会資料、１９９５年、ＶＯＬ.ＳＰＣ−９５,ＮＯ.９ ８−１１３、ＰＡＧＥ．１３９−１４８
【非特許文献３】
見城尚志、外２名、「ブラシレスＤＣモータのハイブリッド駆動法のシミュレーション」、電気学会回転機研究会資料、１９９２年、ＶＯＬ．ＲＭ−９２，ＮＯ．１５１−１６３，ＰＡＧＥ．１１１−１１９
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来方式のサーボアンプでは、２つの制御方式の切り換えに伴う電流の脈動変化、とりわけリニア増幅からPWM制御へ切り換えたときにPWM制御による電流リップルによって、超精密な、力制御、速度制御あるいは位置制御を行っている場合、不必要な振動やショックを発生させるなど、問題があった。またリニア制御からＰＷＭ制御への切り換え時、電流の変化ができるだけ小さくなるようにパルス幅を決定して、切り換える方式でも、リニア増幅では、電流の瞬時値を制御しているが、PWM制御では、パルスデューティ変化による脈流の平均値を制御する方式に切り換わることに起因する問題は、避けられない。このことは、電流制御に限らず、電圧制御についても同様な課題が発生する。
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は、図７に示す従来の電流制御系のリニア増幅とPWM制御を切り換えるリニア増幅／PWM切り換え回路をなくし、図１に 示すように変更する。
リニア増幅のための電流アンプ１の出力とPWM制御のためのコンパレータ５の出力とを調整するため、電流アンプ１の出力とコンパレータ５の出力と信号処理部からの２つの振幅制御信号とが、それぞれ乗算器２，３により乗算される。この振幅制御信号の大きさ、あるいは波形を調整することにより、リニア増幅、PWM制御の２つの制御方式の切り換えに際し、PWM制御かつリニア増幅制御するPAM(パルス振幅変調）動作を経由して前記切替を行うことが可能となる。
乗算器２、３と、この２つの乗算器の出力を和算する加算器４を設け、加算器４の出力を電力用半導体デバイス９のドライブ信号とするように電流制御系の回路を構成する。但し、ここで云う電力用半導体デバイスとは、PWM動作可能なハイパワーオペアンプの機能を有するモジュール化されたデバイスであり、以下デュアルモードIPM（Intelligent Power Module）と呼ぶことにする。
この乗算器２、３の出力は、指令電流の関数である振幅制御信号C1、C2によって調整される。これらC1、C2は、マイクロプロセッサによって、予め設定記憶した参照テーブルから生成することもできる。前述の乗算器および加算器の演算機能は、個別のICを使った回路構成であっても、マイクロプロセッサを使って実現しようが、本質的な違いはない。
振幅制御信号C1、C2は、リニア増幅動作からPWM制御動作に移行させる場合、あるいは逆に、PWM制御動作からリニア増幅動作に移行させる場合、図４に示すように調整される。このことによって、２つの動作の切り換えは、PAM（パルス振幅変調）制御を経由した遷移が可能になり、従来のように、２つの制御動作の切り換えによって生ずる過大な電流変動を抑制することができる。
【発明の実施の形態】
図５は、本発明の実施例である。ACサーボモータ１２による、位置制御、速度制御あるいはトルク制御を行うサーボコントローラのブロック図である。位置制御、速度制御、トルク制御のいずれの制御を行うにしろ、最終的に、３相交流の電流制御をしなければならない。したがって、ここでは、上位コントローラと速度／トルク制御部は、簡略化して表わし、電流指令から先の電流制御系を詳細に示した。電流指令iu *、iv *、iw *と振幅制御信号C1、C2が、速度／トルク制御部から電流制御系へ出力される。
iu *、iv *、iw *による合成電流指令ベクトルＩ＝Ｉm・ejωtの大き さImが、Ｉm≧Ｉoの場合か、あるいはＩm＜Ｉoの場合かによって、すな わち大電流領域か小電流領域かによって、電流制御をPWM制御かリニア増幅か に滑らかに遷移させるため、振幅制御信号C1、C2は、図４のように、時間 に対して変わる信号として出力される。ここで、Ｉoは、デュアルモードIPM のリニア動作時の電力損失や、電流の分解能、ノイズなどから決める電流値で ある。更に、振幅制御信号C1、C2を、図６に示すように、電流指令の関数 として、一定の信号を出力すれば、リニア増幅とPWM制御を併用したPAM制御 が、任意の電流領域において連続的に可能となる。大電流領域ではPWM動作を させ、小電流領域ではリニア動作により、動作モードの切り換えの遷移期間、 あるいは小・中電流領域でPAM動作をさせることによって、電流制御ひいては サーボコントローラに課せられた制御の仕様を満足させることができる。
【発明の効果】
本発明によれば、高分解能でダイナミックレンジの広い電流制御を実現する為、電流の大小に応じてリニア増幅制御とPWM制御方式との切り換え機能を有する電力変換器において、リニア増幅制御とPWM制御との切り換え時に発生する電流変動を抑制し、振動や微小なショックを抑制し、これによって超精密な、力制御、速度制御、位置制御を実現できる、より高度な制御の要求仕様を満足させる電力変換器を提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電流制御系のブロック図である。
【図２】リニア動作とPWM動作が可能な電力用半導体デバイスの例である。
【図３】デュアルモードIPMの入出力特性を示したものである。
【図４】電流指令とリニア増幅／PWM制御切り換え時の振幅制御信号と出力電圧、出力電流関係を示す図である。
【図５】本発明の実施例であるACサーボモータを駆動する制御系のブロック図である。
【図６】任意の電流指令において、PAM制御を行うための振幅制御信号と出力電圧を示す説明図である。
【図７】リニア増幅とPWM制御を切り換える従来の電流制御系のブロック図である。
【符号の説明】
１ 電流アンプ
２、３ 乗算器
４ 加算器
５ コンパレータ
６ 三角波発生器
７ 減算器
８ ドライバアンプ
９ 電力用半導体デバイス（デュアルモードIPM）
１０ 電流検出器
１１ 負荷
１２ ACサーボモータ
１３ 位置検出器
１４，１５ 電源電圧
２０ 制御モード切替スイッチ
本発明は超精密制御用のアクチュエータを駆動するサーボコントローラや、電磁界を超精密に制御するサーボアンプのように、高精度で、ダイナミックレンジが広い制御を必要とする電力変換装置に関するものである。
【従来の技術】
微小電流から大電流までダイナミックレンジが広く、高精度、高分解能な電流制御が必要なサーボアンプは、単一の電流制御方式、例えば、リニア増幅あるいはPWM制御だけでは実現が難しい。したがって、ある一定電流以下の小電流領域ではリニア動作をし、大電流領域では、スイッチング動作によるPWM制御が可能な電力用半導体デバイスであるデュアルモードＩＰＭ（例えば、非特許文献１参照。）を使って、リニア動作とPWM動作の２つの制御方式を切り換えて使う電流制御系が考案され、用いられていた（例えば、非特許文献２参照。）。これを示したものが図７である。
またリニア制御からPWM制御への切り換え時、電流の変化ができるだけ小さくなるようにパルス幅を決定して、切り換える方式が提案されていた（例えば、非特許文献３参照。）。
【非特許文献１】
「日本インター株式会社 技術資料 ハイパワーリニア／ＰＷＭデュアルモードＩＰＭ」、技術資料Ｎｏ．２００９、１９９６年３月９日
【非特許文献２】
松本敏雄、外３名、「マルチファンクションパワーデバイスの応用」、電気学 会半導体電力変換研究会資料、１９９５年、ＶＯＬ.ＳＰＣ−９５,ＮＯ.９ ８−１１３、ＰＡＧＥ．１３９−１４８
【非特許文献３】
見城尚志、外２名、「ブラシレスＤＣモータのハイブリッド駆動法のシミュレーション」、電気学会回転機研究会資料、１９９２年、ＶＯＬ．ＲＭ−９２，ＮＯ．１５１−１６３，ＰＡＧＥ．１１１−１１９
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来方式のサーボアンプでは、２つの制御方式の切り換えに伴う電流の脈動変化、とりわけリニア増幅からPWM制御へ切り換えたときにPWM制御による電流リップルによって、超精密な、力制御、速度制御あるいは位置制御を行っている場合、不必要な振動やショックを発生させるなど、問題があった。またリニア制御からＰＷＭ制御への切り換え時、電流の変化ができるだけ小さくなるようにパルス幅を決定して、切り換える方式でも、リニア増幅では、電流の瞬時値を制御しているが、PWM制御では、パルスデューティ変化による脈流の平均値を制御する方式に切り換わることに起因する問題は、避けられない。このことは、電流制御に限らず、電圧制御についても同様な課題が発生する。
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は、図７に示す従来の電流制御系のリニア増幅とPWM制御を切り換えるリニア増幅／PWM切り換え回路をなくし、図１に 示すように変更する。
リニア増幅のための電流アンプ１の出力とPWM制御のためのコンパレータ５の出力とを調整するため、電流アンプ１の出力とコンパレータ５の出力と信号処理部からの２つの振幅制御信号とが、それぞれ乗算器２，３により乗算される。この振幅制御信号の大きさ、あるいは波形を調整することにより、リニア増幅、PWM制御の２つの制御方式の切り換えに際し、PWM制御かつリニア増幅制御するPAM(パルス振幅変調）動作を経由して前記切替を行うことが可能となる。
乗算器２、３と、この２つの乗算器の出力を和算する加算器４を設け、加算器４の出力を電力用半導体デバイス９のドライブ信号とするように電流制御系の回路を構成する。但し、ここで云う電力用半導体デバイスとは、PWM動作可能なハイパワーオペアンプの機能を有するモジュール化されたデバイスであり、以下デュアルモードIPM（Intelligent Power Module）と呼ぶことにする。
この乗算器２、３の出力は、指令電流の関数である振幅制御信号C1、C2によって調整される。これらC1、C2は、マイクロプロセッサによって、予め設定記憶した参照テーブルから生成することもできる。前述の乗算器および加算器の演算機能は、個別のICを使った回路構成であっても、マイクロプロセッサを使って実現しようが、本質的な違いはない。
振幅制御信号C1、C2は、リニア増幅動作からPWM制御動作に移行させる場合、あるいは逆に、PWM制御動作からリニア増幅動作に移行させる場合、図４に示すように調整される。このことによって、２つの動作の切り換えは、PAM（パルス振幅変調）制御を経由した遷移が可能になり、従来のように、２つの制御動作の切り換えによって生ずる過大な電流変動を抑制することができる。
【発明の実施の形態】
図５は、本発明の実施例である。ACサーボモータ１２による、位置制御、速度制御あるいはトルク制御を行うサーボコントローラのブロック図である。位置制御、速度制御、トルク制御のいずれの制御を行うにしろ、最終的に、３相交流の電流制御をしなければならない。したがって、ここでは、上位コントローラと速度／トルク制御部は、簡略化して表わし、電流指令から先の電流制御系を詳細に示した。電流指令iu *、iv *、iw *と振幅制御信号C1、C2が、速度／トルク制御部から電流制御系へ出力される。
iu *、iv *、iw *による合成電流指令ベクトルＩ＝Ｉm・ejωtの大き さImが、Ｉm≧Ｉoの場合か、あるいはＩm＜Ｉoの場合かによって、すな わち大電流領域か小電流領域かによって、電流制御をPWM制御かリニア増幅か に滑らかに遷移させるため、振幅制御信号C1、C2は、図４のように、時間 に対して変わる信号として出力される。ここで、Ｉoは、デュアルモードIPM のリニア動作時の電力損失や、電流の分解能、ノイズなどから決める電流値で ある。更に、振幅制御信号C1、C2を、図６に示すように、電流指令の関数 として、一定の信号を出力すれば、リニア増幅とPWM制御を併用したPAM制御 が、任意の電流領域において連続的に可能となる。大電流領域ではPWM動作を させ、小電流領域ではリニア動作により、動作モードの切り換えの遷移期間、 あるいは小・中電流領域でPAM動作をさせることによって、電流制御ひいては サーボコントローラに課せられた制御の仕様を満足させることができる。
【発明の効果】
本発明によれば、高分解能でダイナミックレンジの広い電流制御を実現する為、電流の大小に応じてリニア増幅制御とPWM制御方式との切り換え機能を有する電力変換器において、リニア増幅制御とPWM制御との切り換え時に発生する電流変動を抑制し、振動や微小なショックを抑制し、これによって超精密な、力制御、速度制御、位置制御を実現できる、より高度な制御の要求仕様を満足させる電力変換器を提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電流制御系のブロック図である。
【図２】リニア動作とPWM動作が可能な電力用半導体デバイスの例である。
【図３】デュアルモードIPMの入出力特性を示したものである。
【図４】電流指令とリニア増幅／PWM制御切り換え時の振幅制御信号と出力電圧、出力電流関係を示す図である。
【図５】本発明の実施例であるACサーボモータを駆動する制御系のブロック図である。
【図６】任意の電流指令において、PAM制御を行うための振幅制御信号と出力電圧を示す説明図である。
【図７】リニア増幅とPWM制御を切り換える従来の電流制御系のブロック図である。
【符号の説明】
１ 電流アンプ
２、３ 乗算器
４ 加算器
５ コンパレータ
６ 三角波発生器
７ 減算器
８ ドライバアンプ
９ 電力用半導体デバイス（デュアルモードIPM）
１０ 電流検出器
１１ 負荷
１２ ACサーボモータ
１３ 位置検出器
１４，１５ 電源電圧
２０ 制御モード切替スイッチ
Claims (2)
- 指令電流およびフィードバック電流を入力とする電流アンプと、前記電流アンプ出力および三角波を入力とする比較器と、リニア動作および飽和かつＰＷＭ動作とが可能な電力用半導体デバイスとを備えた電力変換器において、
第１の振幅制御信号と前記比較器出力とを乗算する第１の乗算器と、
第２の振幅制御信号と前記電流アンプ出力とを乗算する第２の乗算器と、
前記第１の乗算器出力と前記第２の乗算器出力とを加算し、前記加算値を前記電力用半導体デバイスへの入力とする加算器と、
リニア動作から飽和かつＰＷＭ動作へと移行する際には前記第１の振幅制御信号を徐々に増加させ及び前記第２の振幅制御信号を徐々に減少させる手段とを備えたことを特徴とする電力変換器。 - 指令電流およびフィードバック電流を入力とする電流アンプと、前記電流アンプ出力および三角波を入力とする比較器と、リニア動作および飽和かつＰＷＭ動作とが可能な電力用半導体デバイスとを備えた電力変換器において、
第１の振幅制御信号と前記比較器出力とを乗算する第１の乗算器と、
第２の振幅制御信号と前記電流アンプ出力とを乗算する第２の乗算器と、
前記第１の乗算器出力と前記第２の乗算器出力とを加算し、前記加算値を前記電力用半導体デバイスへの入力とする加算器と、
飽和かつＰＷＭ動作からリニア動作へと移行する際には前記第１の振幅制御信号を徐々に減少させ及び前記第２の振幅制御信号を徐々に増加させる手段とを備えたことを特徴とする電力変換器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003113973A JP4305945B2 (ja) | 2003-04-18 | 2003-04-18 | 電力変換器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003113973A JP4305945B2 (ja) | 2003-04-18 | 2003-04-18 | 電力変換器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004320938A JP2004320938A (ja) | 2004-11-11 |
| JP4305945B2 true JP4305945B2 (ja) | 2009-07-29 |
Family
ID=33473706
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003113973A Expired - Fee Related JP4305945B2 (ja) | 2003-04-18 | 2003-04-18 | 電力変換器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4305945B2 (ja) |
-
2003
- 2003-04-18 JP JP2003113973A patent/JP4305945B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JP2004320938A (ja) | 2004-11-11 |
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