JP4607075B2

JP4607075B2 - 直流モータの電流検出装置およびガルバノスキャナシステム

Info

Publication number: JP4607075B2
Application number: JP2006240541A
Authority: JP
Inventors: 俊之鉾館
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2026-09-05
Also published as: JP2008064506A

Description

本発明は、直流モータの電流検出装置に関するものであり、特に、直流モータに流れる電流を検出する際の検出精度を確保する電流検出装置および直流モータがガルバノスキャナであるときの当該電流検出装置を備えたガルバノスキャナシステムに関するものである。

レーザ光線を照射してプリント基板等に複数の穴あけ加工を行う装置としてレーザ加工装置が存在する。この種のレーザ加工装置では、レーザの照射位置を可変するため、直流モータを内蔵するガルバノスキャナと呼ばれる駆動装置によって、ガルバノミラーを所望角度に制御することが行われる。

一方、近時の市場においては、レーザ加工装置における加工速度の高速化が要望されている。加工速度の高速化のためには、ガルバノスキャナの位置決め時間の短縮化が必須であり、そのためには、ガルバノスキャナの角加速度の増加→ガルバノスキャナに流す電流の増加→ガルバノスキャナへの印加電圧の増加→ガルバノスキャナを駆動する駆動ドライバ（制御装置）の高電流・高電圧化→使用する半導体素子の耐圧・耐電流の制限、という高速化対応のための思考フローに従って生起する各種課題を解決しなければならない。

なお、下記特許文献１には、ＰＷＭ信号発生器のＰＷＭ信号によりスイッチング素子のオンオフを行い、直流モータのモータ電流値をＰＷＭ制御するフルブリッジ回路において、一方のＧＮＤ側の第１のスイッチング素子とＧＮＤとの間に第１の電流検出抵抗を設け、他方のＧＮＤ側の第２のスイッチング素子とＧＮＤとの間に第２の電流検出抵抗を設けるように構成するとともに、第１のスイッチング素子が駆動されるモードでは第１の電流検出抵抗で検出された第１の電流検出信号を選択し、第２のスイッチング素子が駆動されるモードでは第２の電流検出抵抗で検出された第２の電流信号を選択することで、直流モータに流れる電流をＰＷＭのいかなるモードにおいても安定して検出し、また、電流が小さいときでも確実に検出するようにした直流モータの制御回路が開示されている。

特許第２８６３１７２号明細書

レーザ加工装置の加工速度を高速化する手法の一つとして、レーザ加工装置に具備されるガルバノスキャナへの印加電圧を上昇させることが考えられる。しかしながら、印加電圧を単純に上昇させるような手法では、以下に示すような問題点が生ずる。

（１）ガルバノスキャナへの印加電圧の上昇に伴い、ガルバノスキャナに流れる電流を検出する際のノイズの増加に起因して電流検出精度が劣化するため、ガルバノミラーの位置決め精度が劣化して、思った以上に高速化が図れない。
（２）基本的な構成を大きく変化させない場合には、ガルバノスキャナへの印加電圧を上昇させる際に、駆動回路に使用している半導体素子の耐圧・耐電流を増大させる必要があり、コストや装置規模の増大に直結する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、直流モータの動作を高速化するために直流モータへの印加電圧を上昇させた場合であっても、電流検出精度の劣化を抑制することができる直流モータの電流検出装置を提供することを目的とする。また、直流モータへの印加電圧を上昇させた場合に、半導体素子の耐圧・耐電流の増加や、コスト・装置規模の増大が懸念される場合であっても、その影響の効果的な抑制を可能とする直流モータの電流検出装置を提供することを目的とする。また、直流モータがガルバノスキャナであるときに、本電流検出装置を備えたガルバノスキャナシステムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる直流モータの電流検出装置は、同一電圧の直流電源を直列に接続してなる直流電圧供給手段と、第１、第２のスイッチング素子を直列に接続してなり、前記直流電圧供給手段の正極端と負極端との間に挿入される第１のスイッチング素子対と、第３、第４のスイッチング素子を直列に接続してなり、前記直流電圧供給手段の正極端と負極端との間に挿入される第２のスイッチング素子対と、前記第１、第２のスイッチング素子の接続点と、前記第３、第４のスイッチング素子の接続点との間に挿入される直流モータの両側にそれぞれ挿入される第１、第２の電流検出抵抗と、前記第１、第２の電流検出抵抗に生じた電圧をそれぞれ検出する第１、第２の増幅器と、前記第１、第２の増幅器の各出力を加算する加算手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明にかかる直流モータの電流検出装置によれば、同一電圧の直流電源を直列に接続してなる直流電圧供給手段と、第１、第２のスイッチング素子を直列に接続してなり、直流電圧供給手段の正極端と負極端との間に挿入される第１のスイッチング素子対と、第３、第４のスイッチング素子を直列に接続してなり、直流電圧供給手段の正極端と負極端との間に挿入される第２のスイッチング素子対と、第１、第２のスイッチング素子の接続点と、第３、第４のスイッチング素子の接続点との間に挿入される直流モータの両側にそれぞれ挿入される第１、第２の電流検出抵抗と、を備え、直流モータに流れる電流を検出する際に、第１、第２の電流検出抵抗に生じた電圧出力を加算するようにしているので、直流モータの動作を高速化するために直流モータへの印加電圧を上昇させた場合であっても、電流検出精度の劣化を抑制することができ、半導体素子の耐圧・耐電流の増加や、コスト・装置規模の増大を効果的に抑制することができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる直流モータの電流検出装置の好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

（直流モータ制御系の構成）
図１は、本発明の好適な実施の形態にかかる電流検出装置を含む直流モータ制御系の構成を示すブロック図である。図１において、直流モータ１９に接続される電流検出器２０は、本発明にかかる直流モータの電流検出装置（直流モータを負荷とする電流検出装置）を構成する。また、直流モータ１９および電流検出器２０の周辺には、直流モータ１９および電流検出器２０を含み、前段の回路から出力された電流指令と電流検出器２０の出力（電流検出信号）とを入力信号とする加算器１６と、加算器１６の出力を入力信号とする誤差増幅器１７と、誤差増幅器１７の出力を入力信号とする電圧増幅器１８とを備えた電流増幅器５が構成される。さらに、電流増幅器５の周辺には、直流モータ１９に接続されるガルバノミラー２２の位置（例えば回転角）を検出する位置検出器２１と、位置検出器２１の出力（位置検出信号）を入力信号とする微分回路１４と、位置指令および位置検出信号を入力信号とする加算器１１と、加算器１１の出力を入力信号とする誤差増幅器１２と、誤差増幅器１２の出力（速度指令）と微分回路１４の出力（速度検出信号）とを入力信号とする加算器１３と、加算器１３の出力を入力信号とする誤差増幅器１５とが設けられ、誤差増幅器１５の出力は、前述した電流指令となって加算器１６に入力される。なお、図１の構成では、ガルバノミラー２２の回転角を検出するために位置検出器２１を備える構成としているが、位置検出器２１に代えて、例えば速度検出器を利用してもよい。この場合、加算器１３には速度検出器が検出した速度検出信号を入力し、加算器１１には速度検出信号の積分出力を入力するようにすればよい。

（直流モータ制御系の特徴）
図１において、電流増幅器５の内部には、電流検出器２０が検出した電流検出信号をフィードバックする電流帰還ループが構成される。また、電流帰還ループの外側には、位置検出器２１が検出した位置検出信号をフィードバックする位置帰還ループと、この位置検出信号の微分出力（微分回路１４の出力）である速度検出信号をフィードバックする速度帰還ループとが構成される。直流モータによって、位置決め制御や速度制御を行う場合、図１のように、直流モータ１９を電流制御する手法がよく採用される。その理由は、ガルバノミラー２２の角加速度はトルクに比例し、トルクは電流に比例するので、ガルバノミラー２２の角加速度を制御するためには直流モータに流れる電流を制御することが好ましいからである。このため、図１に示すような電流帰還ループを構成し、直流モータ１９に流れる電流を直接的に制御するようにしている。なお、このような制御を行う場合、電流検出器２０には、精度の良い電流検出機能が要求されることになることは言うまでもないことである。

（直流モータ制御系の動作）
つぎに、図１に示した直流モータ制御系の動作について説明する。図１において、位置検出器２１は、ガルバノミラー２２の回転角度を検出し、当該検出出力を位置検出信号として加算器１１および微分回路１４に出力する。加算器１１は、ガルバノミラー２２の角度位置を指定した指令出力（位置指令）と位置検出信号との差分出力を誤差増幅器１２に出力する。誤差増幅器１２は、加算器１１の差分出力を増幅し、速度指令として加算器１３に出力する。加算器１３は、速度指令と微分回路１４から出力される速度検出信号との差分出力を誤差増幅器１５に出力する。誤差増幅器１５は、加算器１３の差分出力を増幅し、電流指令として加算器１６に出力する。電流検出器２０は、直流モータ１９に流れる電流を検出し、当該検出出力を電流検出信号として加算器１６に出力する。加算器１６は、電流指令と電流検出信号との差分出力を誤差増幅器１７を介して電圧増幅器１８に出力する。電圧増幅器１８は、誤差増幅器１７の出力に基づいて直流モータ１９に印加する直流電圧を設定するとともに、当該設定電圧を直流モータ１９に印加する。なお、ここでいう直流電圧とは、時間的に変動しない一定の電圧を意味するものではない。実際に、直流モータ１９に印加される電圧は、直流モータ制御系で定められる複雑な波形を有している。

上記のように、図１に示した直流モータ制御系では、ガルバノミラー２２の回転角度が所望の位置に到達するように位置帰還ループや速度帰還ループによる制御が行われる。また、その際、位置決め制御や速度制御を精度良く行うため、位置帰還ループや速度帰還ループによって生成された電流指令と電流検出器２０が検出した電流検出信号との差分出力（誤差信号）がゼロとなるように、電流検出信号をフィードバックさせた電流帰還ループによる制御が行われる。なお、上述のように、ガルバノミラー２２の角加速度はトルクに比例し、また、トルクは電流に比例するので、電流帰還ループによって電流を直接的に制御することにより位置決め制御や速度制御を精度良く行うばかりでなく、位置決め制御を高速に行うことができる。

ところで、図１では、電流増幅器５が、直流モータ１９および電流検出器２０を含み、加算器１６、誤差増幅器１７および電圧増幅器１８によって構成される例を示したが、直流モータ１９および電流検出器２０は、ガルバノミラー２２と、位置検出器２１とを含んだガルバノスキャナシステム７として図２のように構成することができる。なお、この場合、電流増幅器５は、加算器１６、誤差増幅器１７および電圧増幅器１８を含んで構成され、加算器１１に対する位置検出信号と加算器１６に対する電流検出信号は、それぞれガルバノスキャナシステム７から出力される構成となる。

（電流検出器の構成）
つぎに電流検出器の構成について説明する。図３は、図１などに示した電流検出器２０の構成を示す回路図である。図３に示す電流検出器は、同一電圧を有する２つの直流電源出力をフルブリッジ接続したスイッチング素子を介して直流モータに直流電圧を供給するＢＴＬ（Bridge-Tied Load）方式と呼ばれる駆動方式の回路で構成されている。

図３において、同一電圧（Ｖ₀）を有する直流電源３５と直流電源３６とが直列に接続されるとともに、それぞれの接続点は接地され、これらの直流電源３５，３６によって直流電圧供給手段が構成される。直流電源３５の正側電圧端には、正側の直流母線である直流母線５１が接続され、直流電源３６の負側電圧端には、負側の直流母線である直流母線５２が接続される。直流母線５１と直流母線５２との間には、スイッチング素子３１，３２を直列に接続してなる第１のスイッチング素子対が直流電源３５，３６から見て近傍側に挿入配設されるとともに、スイッチング素子３３，３４を直列に接続してなる第２のスイッチング素子対が直流電源３５，３６から見て遠方側に挿入配設される。スイッチング素子３１，３２の接続点とスイッチング素子３３，３４の接続点との間には、直流モータ１９と、直流モータ１９に流れる電流を検出するための電流検出抵抗４１，４２とが、直流モータ１９の両側に電流検出抵抗４１，４２がそれぞれ挿入配設される。電流検出抵抗４１，４２の各両端には、電流検出抵抗４１，４２に流れる電流によって生ずる電圧を検出する差動増幅器４３，４４がそれぞれ接続される。差動増幅器４３，４４の各出力は、加算器４５に入力され、加算器４５の出力が電流検出出力（図１における電流検出信号）として出力される。

（直流モータへの直流電源電圧の印加態様）
図４−１および図４−２は、直流モータへの直流電源電圧の印加態様を図３に対応する電流検出器の簡略回路図上に示した図である。図４−１に示す状態では、スイッチング素子３１，３４がオンの状態に制御され、スイッチング素子３２，３３がオフの状態に制御（要すればＰＷＭ制御）される。このとき、スイッチング素子３１，３２の接続点（Ａ点側）がスイッチング素子３３，３４の接続点（Ｂ点側）よりも高電位となるような電圧が印加され、Ａ点とＢ点との間には最大で＋２Ｖ₀の電圧が印加される。また、直流モータ１９にはＡ点側からＢ点側に向かう電流が流れる。一方、図４−２に示す状態では、スイッチング素子３２，３３がオンの状態に制御され、スイッチング素子３１，３４がオフの状態に制御（要すればＰＷＭ制御）される。このとき、スイッチング素子３３，３４の接続点（Ｂ点側）がスイッチング素子３１，３２の接続点（Ａ点側）よりも高電位となるような電圧が印加され、Ａ点とＢ点との間には最大で−２Ｖ₀の電圧が印加される。また、直流モータ１９にはＢ点側からＡ点側に向かう電流が流れる。

（電流検出器における電流検出の原理）
つぎに、図３を参照して、電流検出器における電流検出の原理について説明する。なお、図３に示す各記号の意味は、つぎのとおりである。
Ｖ₀：直流電源３５，３６の各出力電圧
Ｉｍ：直流モータ１９に流れる電流（モータ電流）
Ｒｄ：電流検出抵抗４１，４２の各抵抗値
Ｖｄ：モータ電流によって生ずる電流検出抵抗４１，４２の各両端電圧
Ｖ１：Ａ点の電位（対地電位）
Ｖ２：Ｂ点の電位（対地電位）
Ｖａ：差動増幅器４３の出力電圧
Ｖｂ：差動増幅器４４の出力電圧
Ｖｉ：加算器４５の出力電圧（電流検出出力）

いま、直流モータ１９に図３に示す向きのモータ電流Ｉｍが流れるとき、電流検出抵抗４１，４２の各両端には、次式に示す電圧が発生する。
Ｖａ＝Ｖｄ＋αＶ１ …（１）
Ｖｂ＝Ｖｄ＋αＶ２ …（２）
ここで、上記各式におけるαは、差動増幅器における同相電圧除去比（ＣＭＲＲ）である。同相電圧除去比の典型的な値を有する差動増幅器として、例えばα＝−８０ｄＢの差動増幅器を使用する場合、α＝１０＾（−８０／２０）＝０．０１％となる。したがって、例えば１００Ｖの直流電源を使用する場合、各差動増幅器の出力には、モータ電流に基づく電圧成分以外に、１００（Ｖ）×０．０１％＝１０（ｍＶ）の電圧成分が誤差として含まれることになる。

ところが、図３に示すようなＢＴＬ方式の駆動回路では、直流モータ１９の各両端の電位は、それぞれ−Ｖ₀〜＋Ｖ₀の範囲で変動する。すなわち、直流モータ１９の各両端の電位は浮動電位となる。したがって、ＢＴＬ方式の駆動回路を用いて直流モータを駆動する場合には、たとえ同相電圧除去比に優れた差動増幅器を用いたとしても、電流検出信号に含まれるノイズ成分の影響を受け、位置決め精度が劣化してしまうことになる。

一方、浮動電位であるＡ点の電位（Ｖ１）およびＢ点の電位（Ｖ２）は、互いに逆相に変化する。すなわちＡ点の電位（Ｖ１）が上昇するときは、Ｂ点の電位（Ｖ２）が下降する。また、Ａ点の電位（Ｖ１）が下降するときは、Ｂ点の電位（Ｖ２）が上昇する。

ここで、「Ａ点の電位（Ｖ１）が上昇するとき」とは、Ｖ１＞０のときには｜Ｖ１｜が増加するときであり、Ｖ１＜０のときには｜Ｖ１｜が減少するときである。逆に、「Ａ点の電位（Ｖ１）が下降するとき」とは、Ｖ１＞０のときには｜Ｖ１｜が減少するときであり、Ｖ１＜０のときには｜Ｖ１｜が増加するときである。

他方、図３に示す電流検出器７のように、差動増幅器４３，４４および電流検出抵抗４１，４２を直流モータ１９の両側に左右対称系で配置するとともに、差動増幅器４３，４４や電流検出抵抗４１，４２の特性を揃えることにより、浮動電位であるＡ点の電位（Ｖ１）とＢ点の電位（Ｖ２）との間には、次式の関係が生ずる。
Ｖ１＝−Ｖ２ …（３）

Ｖ１とＶ２との間に上式のような関係があるとき、加算器４５の出力Ｖｉは、次式で表すことができる。
Ｖｉ＝Ｖａ＋Ｖｂ
＝（Ｖｄ＋αＶ１）＋（Ｖｄ＋αＶ２）
＝２Ｖｄ＋α（Ｖ１＋Ｖ２）
＝２Ｖｄ＋α（Ｖ１−Ｖ１）
＝２Ｖｄ …（４）

上式から明らかなように、電流検出出力Ｖｉには、浮動電位であるＡ点およびＢ点の電位変動の影響がキャンセルされる。したがって、本実施の形態にかかる電流検出装置では、ＢＴＬ方式の駆動回路を用いて直流モータを駆動する場合であっても、直流モータに流れる電流を正確に検出することができ、位置決め精度の低下を効果的に抑止することができる。

なお、上記実施の形態では、電流検出抵抗４１，４２の各両端電圧を検出する手段として、同相電圧除去比に優れた差動増幅器４３，４４を用いるようにしているが、本発明にかかる電流検出装置では、構成的作用に基づく同相電圧除去機能を有しているので、通常の増幅器、あるいはＣＴ、ホール素子などの検出手段を用いるようにしてもよい。

以上のように、本発明にかかる直流モータの電流検出装置は、電流検出精度が要求される直流モータの電流検出装置として有用である。

本発明の好適な実施の形態にかかる電流検出装置を含む直流モータ制御系の構成を示すブロック図である。ガルバノスキャナシステムを構成した場合の直流モータ制御系の構成を示す図である。図１などに示した電流検出器の構成を示す回路図である。直流電源電圧（正電圧）の直流モータへの印加態様を図３に対応する電流検出器の回路図上に示した図である。直流電源電圧（負電圧）の直流モータへの印加態様を図３に対応する電流検出器の回路図上に示した図である。

符号の説明

５電流増幅器
７ガルバノスキャナシステム
１１，１３，１６，４５加算器
１２，１５，１７誤差増幅器
１４微分回路
１８電圧増幅器
１９直流モータ
２０電流検出器
２１位置検出器
２２ガルバノミラー
３１，３２，３３，３４スイッチング素子
３５，３６直流電源
４１，４２電流検出抵抗
４３，４４差動増幅器
４４差動増幅器
５１，５２直流母線

Claims

同一電圧の直流電源を直列に接続してなる直流電圧供給手段と、
第１、第２のスイッチング素子を直列に接続してなり、前記直流電圧供給手段の正極端と負極端との間に挿入される第１のスイッチング素子対と、
第３、第４のスイッチング素子を直列に接続してなり、前記直流電圧供給手段の正極端と負極端との間に挿入される第２のスイッチング素子対と、
前記第１、第２のスイッチング素子の接続点と、前記第３、第４のスイッチング素子の接続点との間に挿入される直流モータの両側にそれぞれ挿入される第１、第２の電流検出抵抗と、
前記第１、第２の電流検出抵抗に生じた電圧をそれぞれ検出する第１、第２の増幅器と、
前記第１、第２の増幅器の各出力を加算する加算手段と、
を備えたことを特徴とする直流モータの電流検出装置。
前記第１、第２の増幅器は、それぞれ差動増幅器で構成されることを特徴とする請求項１に記載の直流モータの電流検出装置。
同一電圧の直流電源を直列に接続してなる直流電圧供給手段と、
第１、第２のスイッチング素子を直列に接続してなり、前記直流電圧供給手段の正極端と負極端との間に挿入される第１のスイッチング素子対と、
第３、第４のスイッチング素子を直列に接続してなり、前記直流電圧供給手段の正極端と負極端との間に挿入される第２のスイッチング素子対と、
前記第１、第２のスイッチング素子の接続点と、前記第３、第４のスイッチング素子の接続点との間に挿入される直流モータの両側にそれぞれ挿入される第１、第２の電流検出抵抗と、を備え、
前記直流モータに流れる電流を検出する際に、前記第１、第２の電流検出抵抗に生じた電圧出力を加算することを特徴とする直流モータの電流検出装置。
前記直流モータが、ガルバノミラーを制御するガルバノスキャナであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の直流モータの電流検出装置。
ガルバノミラーと、
前記ガルバノミラーを制御する直流モータと、
前記ガルバノミラーの回転角度または回転速度を検出し、その検出信号を前記直流モータに付与する速度帰還信号および位置帰還信号の生成に必要な信号として出力する検出手段と、
前記直流モータに流れる電流を検出し、その検出信号を前記直流モータに付与する電流帰還信号の生成に必要な信号として出力する請求項１〜３のいずれか１項に記載の電流検出装置と、
を備えたことを特徴とするガルバノスキャナシステム。