JP4937691B2 - 電流センサレスパワーアンプ - Google Patents

Description

この発明は、アクチュエータとして電磁石を具備したシステムの、電流制御系を電流センサレスで構成するパワーアンプに関する。

一般的な電気回路設計においては、二次電源動作で微少な電流を流す小信号ラインと、一次電源動作で大電流を流すパワーラインを電気的に絶縁する必要がある。この具体的な対処法には、絶縁アンプ、トランス等を利用することがある。ところが、このような絶縁回路の付加は、実装スペース拡大、消費電力増加、コスト増加等のデメリットを生じさせる問題がある。
近年では、民生機器／宇宙機器共に機器自身の小型・低コスト化が望まれているが、実装面積等のある制約条件の基で、従来の性能以上の、あるいは従来性能を維持しながらの小型・低コスト化が望まれることが少なくない。特に、宇宙機器は民生部品および民生技術を多用した低コスト化の傾向が強く、従って、ハードウェア設計では、より信頼性の高い部品を少ない部品点数で実現することが重要である。

また、制御系設計の際に、制御帯域幅を広く確保する必要のある機器に対しては、内部ループに電流制御系を設け、かつ当該電流制御系の帯域幅を拡大することによって対処することが一般的である。しかしながら、電流制御系を構成すると、コスト、設置面積、発熱密度、等の制約条件から、最近では電流センサを不要とした電流制御系が考案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、電磁石を具備したシステムでは、電流指令値に適切な閾値を設定し、当該設定値に応じてオンないしオフするスイッチング素子の動作によって、電磁石の電流経路に抵抗等の電流減衰要素を選択的に付加することで、特に放電時の電流制御の追従性を向上させる磁気軸受装置が考案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献１に記載の同期電動機の電流制御系では、モータ電流フィードバックの代替手段として、モータ実速度と推定速度の誤差を補正する補正項を有するオブザーバを用いて推定電流を算出し、当該算出値を電流制御系に用いる。
この同期電動機の電流制御系において、磁石の磁力のばらつきや同期電動機運転中の温度変化等によって生じるモータ巻線抵抗、モータインダクタンス、誘起電圧定数等の同期電動機パラメータの実際値からのズレが生じても、トルク電圧指令とＰＷＭ制御によって発生するトルク電圧値との誤差を抑え、モータ電流を正確に推定し、正確な誘起電圧補償ができ、速度制御性能を向上させることができる。

また、特許文献２に記載の磁気軸受装置では、電磁石コイルを駆動する電力増幅器が、スイッチオフ時に電磁石コイルに蓄積された電磁エネルギーを、ダイオードを介して放電させる構成からなり、電力増幅器のダイオードと直列をなす位置に放電時の電磁エネルギーを消費する抵抗を、抵抗と並列に存在するスイッチを用いて選択的に介挿する。
この磁気軸受装置によると、電流指令の閾値に応じて、電磁石コイルの実電流の還流時に、選択的に電流減衰用の抵抗を付加するので、電流制御の追従性を向上させ、低消費電力で応答性に優れた磁気軸受装置を構成することができる。

特開２００５−１２４３５９号公報 特開平６−２８０８７２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の同期電動機の電流制御系では、電流推定をオブザーバで構成しているが、電流推定値はセンサ分解能で制約を受けるので、モータ高速回転時にはオブザーバによる電流推定が正確にできず、さらに、これを回避するためには高分解能なセンサを必要とし、低コスト化できないという問題がある。
また、一次電源電圧の情報を供しないオブザーバでは、モータ一次電源の電圧変動が生じた場合には当該変動に電流制御系が対応できないという問題がある。

さらに、特許文献２記載の磁気軸受装置では、還流時の電流減衰を速やかに減衰させることで電流の追従性を向上させているが、電流減衰用の抵抗挿入時の消費電力増加は避けられないという問題がある。

この発明の目的は、アクチュエータとして電磁石を具備したシステムの、電流制御系の電磁石コイルの実電流を電流センサレスで正確に推定することで、所望する電流制御帯域幅を確保し、さらには電磁石へ電流を供給する一次電源電圧の変動に対しても対応可能な制御系を実現する、低コストかつ低消費電力の電流センサレスパワーアンプを提供することである。なお、本文では、電磁石コイルに実際に流れる電流を実電流、電流推定器の出力（電流推定器の詳細に関しては後述）を推定電流と定義する。

この発明に係わる電流センサレスパワーアンプは、対象とする磁性体の定置制御に用いる並列にフライホイールダイオードが接続される電磁石コイルの実電流をＰＷＭ変調方式で制御する電流センサレスパワーアンプにおいて、上位コントローラから受ける電流指令と推定電流との電流偏差に対応して制御演算された操作量と三角波とを比較して出力されるＰＷＭ信号をもとに、前記電磁石コイルの端子間平均電圧に対する前記電磁石コイルの実電流の不感帯領域を考慮して前記電磁石コイルの実電流を推定する電流推定器を備えた。

この発明に係わる電流センサレスパワーアンプの効果は、ＰＷＭ駆動方式で電磁石コイルの実電流を制御するシステムにおいて、電流推定器では、電流制御系の開ループ周波数伝達関数をもとに調整されたモデルを具備するので、必要とされる電流制御帯域幅までの特性を当該モデルで合わせ込むことによって、高精度な電流推定ができ、かつ所望する電流制御帯域幅を確保できる。

また、この発明に係わる電流センサレスパワーアンプの効果は、ＰＷＭ駆動方式で電磁石コイルの実電流を制御するシステムにおいて、電流推定器では、低デューティ領域で電磁石に電流が供給できない不感帯に相当する電圧幅を補償する補償器を具備するので、段落００１１で示したモデルと組み合わせてさらに高精度な電流推定ができる。

さらに、この発明に係わる電流センサレスパワーアンプの効果は、ＰＷＭ駆動方式で電磁石コイルの実電流を制御するシステムにおいて、一次電源電圧を参照して電流指令を補正する指令補正器を具備するので、電磁石への電流供給源である一次電源電圧が変動しても高精度な電流推定ができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における電磁石を具備したシステムに適用する電流センサレスパワーアンプの構成図を示す。図２は、電流センサレスパワーアンプに組み込まれた電流推定器の構成図を示す。図３は、電磁石に電流を供給するための駆動回路の構成図を示す。
この発明の実施の形態１に係わる電流センサレスパワーアンプ１は、図１に示すように、従来のように電流センサによって検出した電磁石コイルの実電流を加え合せ点２０へフィードバックするのではなく、電流推定器２で推定した電磁石コイルの推定電流を加え合せ点２０へ戻すことによって、電流センサを用いずに電磁石コイルの実電流を制御するパワーアンプである。

実施の形態１に係わる電流センサレスパワーアンプ１は、電流推定器２、加え合せ点２０、制御器２１、比較器２２、三角波発生器２３、電磁石駆動信号生成器２４を備える。
加え合せ点２０は、外部から入力される電流指令３１から電流推定器２で推定された推定電流３０を減算して偏差３２を算出する。制御器２１では、偏差３２に例えば簡単な比例制御など所定の制御を施して操作量３３を算出する。三角波発生器２３は、三角波を出力する。比較器２２は、操作量３３と三角波発生器２３から出力される三角波との大小比較を行い、三角波のキャリア周波数に同期したＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号３４を出力する。
また、電磁石駆動信号生成器２４は、ＰＷＭ信号３４から電磁石駆動信号３５を生成する。電磁石駆動信号３５によって、一次電源２６につながった電磁石系２５に電流を供給する。
電流推定器２は、ＰＷＭ信号３４より推定電流３０を算出する。

次に、電流推定器２の構成について、図２を参照して説明する。
電流推定器２は、電流モデル部３、オフセット調整部４、ローパスフィルタ部（ＬＰＦ部）５、比例ゲイン調整部６および非線形補償部７を備える。
電流モデル部３は、推定電流３０のループを切った状態で計測した電流制御系の開ループ周波数伝達関数を基にパラメータ調整されるモデルである。
オフセット調整部４は、電流指令３１が零の状態でＰＷＭ信号３４のオフセットおよび後述する不感帯電圧ΔＶを補正する。
ローパスフィルタ部５は、ＰＷＭ信号３４のキャリア周波数と同期した電圧リップルを平滑化する。
比例ゲイン調整部６は、推定電流３０のゲインを調整する。
非線形補償部７は、オフセット調整部４で補正した不感帯電圧ΔＶを補償する。

この電流推定器２は、電磁石コイルへ供給すべき電流操作量の情報を有するＰＷＭ信号３４から、電磁石コイルの実電流を正確に推定し、推定電流３０として生成する。そして、電流センサレスパワーアンプ１は、電流指令３１と推定電流３０の偏差３２が零となるように電流制御を行うものである。

次に、電磁石系２５の構成について、図３を参照して説明する。
電磁石系２５は、電磁石コイル４０、スイッチング素子４１、フライホイールダイオード４２を備えている。なお、電磁石コイル４０は抵抗成分も含んでいるが、図３中ではインダクタンス成分のみを記載し、抵抗成分は省略している。
電磁石駆動信号生成器２４は、ＰＷＭ信号３４を電力増幅して電磁石駆動信号３５として生成する。そして、スイッチング素子４１は、電磁石駆動信号３５によりオン／オフされる。スイッチング素子４１がオンの場合の、一次電源２６から供給される電流は、図３に実線の矢印で図示されている電流経路Ａに沿って流れる。一方、スイッチング素子４１がオフの場合、図３に点線の矢印で図示されている電流経路Ｂが形成され、フライホイールダイオード４２を経由して電磁石コイル４０に流れる電流はゆっくりと減衰する。

電磁石は、吸引力のみ発生することができるので、図３に示すように片側の電圧つまり電流を片側にのみ流す簡単な回路構成とする。ここで、電磁石駆動信号生成器２４から得られるＰＷＭ信号３４に同期した電磁石駆動信号３５に基づいて、スイッチング素子４１がオン／オフされるが、一次電源２６から電磁石コイル４０の端子間に印加される電圧は、図４に示す時間波形となる。

図４において、一次電源２６の電圧をＶ＿ｄｄ、フライホイールダイオード４２の順電圧降下をＶ＿ｄ（Ｖ＿ｄ＞０）とすると、電磁石コイル４０の端子間電圧は、電磁石駆動信号生成器２４から得られる電磁石駆動信号３５に同期した駆動信号で切換わる。この時、電磁石コイル４０に流れる電流は、電磁石コイル４０に印加される平均的な電圧で決まる。この電磁石コイル端子間平均電圧Ｖ＿ａｖは、スイッチング素子４１のオン時間をｔ＿ｏｎ、オフ時間をｔ＿ｏｆｆ、ＰＷＭ周期をｔ＿ｐとすると、式（１）で表される。ここで、ｔ＿ｏｎ／ｔ＿ｐは、ＰＷＭのデューティである。また、実施の形態１に係わる一次電源２６の電圧Ｖ＿ｄｄは一定である。

Ｖ＿ａｖ＝Ｖ＿ｄｄ×ｔ＿ｏｎ／ｔ＿ｐ＋（−Ｖ＿ｄ）×（１−ｔ＿ｏｎ／ｔ＿ｐ） （１）

低デューティでは電磁石コイル端子間平均電圧Ｖ＿ａｖが負ないし零近傍となり、デューティに比例した電流を流すことができない。これを、ここでは不感帯電圧ΔＶと呼ぶ。
この特性は、定性的には図５のように表現される。つまり、ある所定値以下の電磁石駆動信号デューティまたは電磁石コイル端子間平均電圧Ｖ＿ａｖの場合には、電圧と電流が非線形関係となる。他方、ある所定値を超える電磁石駆動信号デューティまたは電磁石コイル端子間平均電圧Ｖ＿ａｖの場合には、電圧と電流が線形関係となる。そこで、電流推定器２の非線形補償部７を用いてこの不感帯電圧を補償する。

なお、非線形補償部７は、例えばオペアンプで構成される理想ダイオードを用いても良い。このようにすることによって、簡易的なハードウェアで構成可能となり、省スペースかつ低コスト化できる。

次に、この実施の形態１の電流センサレスパワーアンプ１を電磁石系２５に適用した場合の実験波形の一例を図６、図７に示す。
図６（ａ）、図６（ｂ）は、実機および電流モデルの周波数伝達関数のゲイン特性および位相特性を比較したものである。電流モデルは、実機の開ループ周波数伝達関数に合わせ込んだものである。実線は実機の電流制御系の開ループ周波数伝達関数であり、破線は電流モデルの周波数伝達関数である。
また、図７（ａ）、図７（ｂ）は、上記電流モデルを適用し、かつ電流推定器２内の構成要素であるオフセット調整部４、ローパスフィルタ部５、比例ゲイン調整部６、非線形補償部７を適切に調整し、電流センサレスで実機を駆動した場合の電流指令３１に対する電磁石コイルの実電流の周波数応答特性のゲイン特性および位相特性である。

図６（ａ）と図６（ｂ）にそれぞれゲイン特性と位相特性が示される電流モデルは、位相遅れ補償要素の２段直列結合でモデル化し、実機の開ループ周波数伝達関数のゲイン特性および位相特性に一致するようにパラメータを調整している。さらに、電流推定器２内の構成要素であるオフセット調整部４、ローパスフィルタ部５、比例ゲイン調整部６、非線形補償部７を適切に調整することにより、図７（ａ）と図７（ｂ）にそれぞれゲイン特性と位相特性が示される電流指令３１に対する電磁石コイルの実電流周波数応答特性のように、ゲイン特性および位相特性がともにＤＣから数ｋＨｚの帯域幅にかけてほぼ理想的な電流制御系の周波数応答特性を得ることができる。
なお、電流モデルは、電磁石形状や、電磁石で吸引する供試体との幾何学的関係、材質、または組み込み等が要因して、単純な一次遅れ系の周波数特性を持ち得ない場合があるが、このように位相遅れ要素を多段直列結合することによって、実機の開ループ周波数伝達関数へ正確に合わせ込むことが可能である。

このように、実施の形態１に係わる電流センサレスパワーアンプは、電磁石系２５に具備された電磁石コイル４０の電流制御を電流センサレスで実現するために、電磁石へ供給すべき電流操作量の情報を含むＰＷＭ信号３４より、電流推定器２を用いて電磁石コイルの実電流を正確に推定し、これを推定電流３０として生成し、電流指令３１と推定電流３０の偏差３２が零となるように制御するので、電流センサレスであっても電磁石コイルの実電流を正確に推定でき、かつ電流制御系で所望する制御帯域幅を確保することができる。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２に係わる電流推定器の構成図である。
この発明の実施の形態２に係わる電流センサレスパワーアンプは、実施の形態１に係わる電流センサレスパワーアンプ１と電磁石駆動信号生成器２４が異なり、それにともない電流推定器２Ｂが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態２に係わる電流センサレスパワーアンプは、電磁石駆動信号生成器２４が、電磁石系２５の持つ不感帯電圧の特性を緩和する方向に働く場合には、非線形補償部７を省略することにより、図８に示すように構成が簡単な電流推定器２Ｂを提供することができる。
なお、実施の形態１と同様に、電流センサを使用しなくても電磁石コイルの実電流を正確に推定でき、かつ電流制御系で所望する制御帯域幅を確保することができる。

実施の形態３．
図９は、この発明の実施の形態３における電磁石を具備したシステムに適用する電流センサレスパワーアンプの構成図を示す。
この発明の実施の形態３に係わる電流センサレスパワーアンプ１Ｃは、実施の形態１に係わる電流センサレスパワーアンプ１に一次電源２６Ｃの電圧の変動に対応する機能が追加され、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。 実施の形態３に係わる一次電源２６Ｃは、電圧Ｖ＿ｄｄが変動している。

電流センサレスパワーアンプ１Ｃによって電流制御が施される電磁石系２５は、一次電源２６Ｃから電流が供給されるが、電流推定器２の構成要素である比例ゲイン調整部６では、一次電源２６Ｃの電圧の基準値に対応して調整された固定の比例ゲインを用いるために、一次電源２６Ｃの電圧Ｖ＿ｄｄが基準値から上昇した場合には、基準値から上昇した比率分だけ電磁石コイルの実電流が増加し、逆に一次電源２６Ｃの電圧Ｖ＿ｄｄが基準値から下降した場合には、基準値から下降した比率分だけ電磁石コイルの実電流が減少する。

そこで、図９に示すように、一次電源２６Ｃの電圧Ｖ＿ｄｄを取り込んで、電圧Ｖ＿ｄｄの上昇または下降に対応して電流指令３１を補正する指令補正器２７を備える。
このように一次電源２６Ｃの電圧Ｖ＿ｄｄの変動に対応して電流指令３１を補正することにより、一次電源２６Ｃの電圧が変動しても、電流センサを使用せずに電磁石コイルの実電流を正確に推定でき、電流制御系における所望の制御帯域幅を確保することができる。

なお、実施の形態１乃至３に係わる電流センサレスパワーアンプは、すべてアナログ回路で構成されることを前提として説明したが、電流センサレスパワーアンプの電磁石駆動信号生成器２４と電磁石系２５以外、つまりＰＷＭ信号３４を生成する過程より上流の部分をすべてソフトウェアで構成しても良い。このような構成とすることで、電流制御系における制御器２１等の設計を柔軟に行うことができる。

この発明の実施の形態１に係わる電流センサレスパワーアンプとそれを適用した電磁石を有するシステムのブロック線図である。 この発明の実施の形態１に係わる電流推定器の内部構成を示すブロック線図である。 この発明の実施の形態１に係わる電磁石系の回路図である。 この発明の実施の形態１における電磁石コイル端子間電圧の時間波形である。 この発明の実施の形態１における電磁石コイル端子間平均電圧と電磁石コイルの実電流の関係を表すグラフである。 この発明の実施の形態１において電流センサレスパワーアンプを電磁石系に適用した場合の、実機の電流制御系の開ループ周波数伝達関数および電流モデルの周波数伝達関数を示すグラフである。 電流推定器を用いて電磁石コイルの実電流を制御したときの、電流指令に対する電磁石コイルの実電流の周波数応答特性を表すグラフである。 この発明の実施の形態２に係わる電流推定器の内部構成を示すブロック線図である。 この発明の実施の形態３に係わる電流センサレスパワーアンプとそれを適用した電磁石を有するシステムのブロック線図である。

符号の説明

１、１Ｃ 電流センサレスパワーアンプ、２、２Ｂ 電流推定器、３ 電流モデル部、４ オフセット調整部、５ ローパスフィルタ部（ＬＰＦ部）、６ 比例ゲイン調整部、７ 非線形補償部、２０ 加え合せ点、２１ 制御器、２２ 比較器、２３ 三角波発生器、２４ 電磁石駆動信号生成器、２５ 電磁石系、２６、２６Ｃ 一次電源、２７ 指令補正器、３０ 推定電流、３１ 電流指令、３２ 偏差、３３ 操作量、３４ ＰＷＭ信号、３５ 電磁石駆動信号、４０ 電磁石コイル、４１ スイッチング素子、４２ フライホイールダイオード。

Claims (2)

1. 対象とする磁性体の定置制御に用いる並列にフライホイールダイオードが接続される電磁石コイルの実電流をＰＷＭ変調方式で制御する電流センサレスパワーアンプにおいて、
   上位コントローラから受ける電流指令と推定電流との電流偏差に対応して制御演算された操作量と三角波とを比較して出力されるＰＷＭ信号をもとに、前記電磁石コイルの端子間平均電圧に対する前記電磁石コイルの実電流の不感帯領域を考慮して前記電磁石コイルの実電流を推定する電流推定器を
   備えたことを特徴とする電流センサレスパワーアンプ。
2. 上位コントローラから受ける電流指令を、電磁石コイルへの電流供給源である一次電源の電圧変動に対応して、基準電圧との比率で補正する指令補正器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電流センサレスパワーアンプ。

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