JP5871981B2

JP5871981B2 - パワーアンプ

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Publication number: JP5871981B2
Application number: JP2014060213A
Authority: JP
Inventors: 一朗新家; 純文市川; 小林　清志; 清志小林
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2034-03-24
Also published as: JP2015186341A

Description

本発明は、サーボモータのパワーアンプに関する。特に、本発明は、三相交流同期モータであって、一次側電機子の励磁コイルがスター結線あるいはデルタ結線のように実質３線で結線されている結線構造のサーボモータのパワーアンプに関する。

サーボモータは、駆動装置のパワーアンプ（増幅器）から供給される駆動電流によって駆動する。一般的なパワーアンプは、リニアアンプとスイッチングアンプとに大別される。このうち、スイッチングアンプは、パワー素子（増幅素子）である出力スイッチング回路のスイッチング素子をオンオフ制御することによって、移動体に対する移動指令に従って指令装置から出力される指令信号に相応する駆動電流をサーボモータに供給する方式のパワーアンプである。

現在の殆どのスイッチングアンプは、ＰＷＭ方式（Pulse Width Modulation）によってスイッチング素子のオンオフの繰返し周波数であるスイッチング周波数が一定の状態の下で目標電流量の大きさに対応させて主にスイッチング素子のオン時間幅を変えることによって指令信号に相応する駆動電流をサーボモータに供給する構成を有している。

ところで、三相交流同期モータでは、一次側電機子の三相各相の各励磁コイルにそれぞれ供給される位相が１２０度ずつずれている駆動電流は、電流値の総和が０になるようにパワーアンプから各励磁コイルに分配して出力される。例えば、特許文献１に開示されるように、パワーアンプは、位置速度制御系から出力された電流指令と、２相に設けられた電流検出器の値から算出される検出電流とを比較して目標電流量を生成し、その結果をＰＷＭ信号として各相の出力スイッチング回路に振り分けて供給するようにされている。

ＰＷＭ方式のパルス幅変調回路は、指令信号から三相各相の駆動電流の電流値の総和が０になるように各出力スイッチング回路毎のスイッチング素子のオン時間幅を演算してＰＷＭ信号を生成し、各相に分配して出力して各相のスイッチング回路毎に正極性スイッチと逆極性スイッチとを選択的に切り換えて導通する。

したがって、スイッチングアンプでは、各出力スイッチング回路のスイッチング素子のスイッチング周波数が出力スイッチング回路から供給される駆動電流の振動の大きさに影響を与える。例えば、スイッチング周波数が高いほど、サーボモータに出力される駆動電流の振動の振幅が小さくなるとともに、指令信号に対する追従性が高くなる。その結果、指令信号に反応してサーボモータが指令信号のとおりに駆動するまでの応答速度がより速くなってサーボ制御における応答性能が向上する。

特開平５−２７６７７８号公報

現在のパワートランジスタ（バイポーラトランジスタ）のスイッチング性能では、数百ｋＨｚの高周波のスイッチング周波数でスイッチング動作させることが難しい。また、電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）は、数百ｋＨｚ以上のスイッチング動作が可能であるものの、パワー素子として使用する場合は、飽和領域付近で高速でオンオフさせることが要求されるために、容易に破損するおそれがある。

近年は、耐圧性能がより高い高速のスイッチング素子を使用できるようになってきている。しかしながら、ＰＷＭ方式の場合は、制御上の理由で最低限要求されるスイッチング素子のオンオフ時間に見合うオンオフのデューティ比に依存するキャリア周波数（基準周波数）が存在するので、予め設定されるスイッチング周波数をスイッチング素子の固有の最大スイッチング周波数に比べて十分に低くしておく必要がある。また、ＰＷＭ方式では、駆動電流を検出して電流偏差から電流指令を得て、目標電流量からＰＷＭ信号を生成し、各出力スイッチング回路にＰＷＭ信号を分配して出力するまでに相応の時間を要する。

そのため、ＰＷＭ方式のスイッチングアンプで可能なスイッチング周波数は、せいぜい４０ｋＨｚ程度である。もっとも、サーボ制御における応答性能がサーボモータが動作させる対象である移動装置の移動体の位置決め精度と密接に関係しており、このような動作対象が従前の一般的な移動装置の移動体である場合は、移動体に要求される位置決め精度からすると、必要なサーボ制御における応答性能に対して出力スイッチング回路のスイッチング素子を４０ｋＨｚ程度のスイッチング周波数でスイッチング動作させることができるならば、十分であると言える。

サーボモータの動作対象が最近の精密機器の移動装置におけるより高速に移動することができる移動体である場合は、演算装置あるいは位置検出装置の性能が著しく向上していることもあって、移動体の位置決め精度に対する要求が高まっている。そして、出力スイッチング回路のスイッチング素子のスイッチング周波数をより高くすることができるならば、高速で移動する移動体の位置決め精度を高くすることできる応答性能でサーボモータを駆動できることが期待できる。

本発明は、上記課題に鑑みて、出力スイッチング回路のスイッチング素子のスイッチング周波数をより高くすることができるようにして、サーボ制御における応答性能を向上させることができる改良されたサーボモータのパワーアンプを提供することを主たる目的とする。本発明によって得ることができるいくつかの利点は、発明の実施の形態の説明において、その都度詳細に記述される。

上記課題を解決するために、本発明のパワーアンプは、一次側電機子の三相各相の励磁コイルを実質３線で結線した構造の三相交流同期モータに電力を供給するパワーアンプであって、励磁コイルに駆動電流を供給する直流電源と、三相中の２相の各励磁コイルに供給される駆動電流をそれぞれ検出する電流検出器（４）と、三相各相に設けられ各励磁コイルにそれぞれ制御された駆動電流を供給する出力スイッチング回路（５）と、を備え、２相の各出力スイッチング回路（５）が、それぞれ、直流電源の正極側と励磁コイルの一端子との間に設けられる第１のスイッチング素子と、直流電源の負極側と励磁コイルの一端子との間に設けられる第２のスイッチング素子と、移動指令に従う目標電流量と電流検出器（４）で検出される検出電流量との差に応じて制御信号を励磁コイルに供給される駆動電流の極性に対応してスイッチング素子の何れか一方が導通するようにスイッチング素子に所定のスイッチング周波数で選択的に繰返し供給するスイッチング素子駆動回路（１０）と、を含んでなるようにする。

上記パワーアンプにおいては、予め設定される上記所定のスイッチング周波数が１００ｋＨｚ以上であるときに、特に有益である。なお、括弧内に示されている符号は、説明の便宜上記載されているものであって、本発明を図面に示されている実施の形態のパワーアンプと同一の構成に限定することを意味するものではない。

本発明のパワーアンプは、目標電流量と検出電流量との差に応じて制御信号を各スイッチング回路毎に実質的に直接生成して各スイッチング素子に供給するので、予め設定するスイッチング周波数が制御上のオンオフのデューティ比に制約を受けない。また、目標電流量に相応する各出力スイッチング回路のスイッチング素子のオン時間幅を演算して制御信号を分配して出力する必要がなく、スイッチング素子に制御信号を供給するまでの時間を短縮することができる。そのため、スイッチング周波数をより高くすることができる。その結果、サーボ制御における応答性能が向上する。

本発明のパワーアンプの主要な構成を示す回路図である。三相交流同期モータにおける三相各相の駆動電流の関係を示すタイミングチャートである。本発明のパワーアンプのＵ相の出力スイッチング回路における特定の信号の詳細な関係を模式的に示すタイミングチャートである。

図１は、本発明のサーボモータのパワーアンプの代表的な実施の形態を示す。サーボモータは、三相各相毎にそれぞれ設けられる励磁コイルで一次側電機子を構成する三相交流モータである。特に、実施の形態のパワーアンプにおけるサーボモータは、各励磁コイルをスター結線（Ｙ結線）した構造であって、各相の推力の合計が指定の推力になるように同期をとって供給される構成の三相交流同期モータである。なお、二次側は、図示省略されている。

本発明においては、パワーアンプ１と指令装置２を含んでモータ制御装置という。モータ制御装置は、サーボモータのフィードバック制御を行なう。モータ制御装置は、サーボモータの動作対象である移動装置の移動体を所望の移動量移動させる命令である移動指令を図示しない操作装置から受け取ってサーボモータを駆動する。本発明では、操作装置は、例えば、数値制御装置のような機器全体を操作するための制御手段を意味する。操作装置がなくても実施することができ、操作装置がないときは、移動指令を出力する手段をモータ制御装置に含ませるようにすることができる。

指令装置２は、操作装置から移動指令Ｘ（ｔ）を入力する。指令装置２は、サーボモータまたは移動体に並設される位置検出器から現在位置Ｐ（ｔ）のデータを取得する。指令装置２は、必要に応じて速度検出器から現在速度Ｖ（ｔ）のデータを取得する。指令装置２は、移動指令Ｘ（ｔ）と現在位置Ｐ（ｔ）とから位置偏差を得る。また、指令装置２は、移動指令Ｘ（ｔ）の微分値である速度指令と現在位置Ｐ（ｔ）の微分値である現在速度または速度検出器から得る現在速度Ｖ（ｔ）とから速度偏差を得る。そして、指令装置２は、位置偏差と速度偏差に基づいて指令信号Ｑをパワーアンプ１に出力する。

パワーアンプ１は、図１に示されるように、一次側電機子の三相各相のそれぞれに設けられる各励磁コイルＬ（Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗ）をスター結線した構造の三相交流同期モータに電力を供給する。パワーアンプ１は、主に、電源回路３と、電流検出器４と、出力スイッチング回路５とで構成されている。電流検出器４は、三相中のＵ相とＶ相の２相の出力回路に設けられる。出力スイッチング回路５は、三相各相に設けられる。三相各相の各出力スイッチング回路５は、それぞれ、スイッチング素子駆動回路１０を含む。

電源回路３は、目標電流量に相応する所要の電力をサーボモータに供給する。電源回路３は、少なくとも、安定化回路３０と、電流検出器４の複数の検出抵抗Ｒ_１あるいはホール素子のような電流検出子と、出力スイッチング回路５のパワー素子である複数のスイッチング素子ＳＷと、を含む。電源回路３は、商用交流を整流して所定の直流電圧を出力し、または直接直流電源を入力する電圧源であって、三相交流同期モータの一次側電機子における励磁コイルＬに駆動電流Ｉを供給する直流電源Ｅ_０を備えている。

安定化回路３０は、整流器（直流電源Ｅ_０）から出力される電源回路３における直流電圧の振動を除去して安定させる手段である。安定化回路３０は、電源回路３の直流電圧の変化を吸収する所定の静電容量を有する電解コンデンサＣ_０と保護抵抗Ｒ_０との並列回路と、スイッチング素子ＳＷの駆動にともなって発生するサージ電圧を吸収するための高応答性を有するフィルムコンデンサＣ_１とでなる。

電流検出器４は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相のうちのＵ相とＶ相に設けられる。電流検出器４の電流検出子は、Ｕ相とＶ相の２相の出力回路の給電線ＳＬ_１，ＳＬ_２にそれぞれ設けられる。複数の電流検出器４は、各励磁コイルＬ（Ｌｕ，Ｌｖ）にそれぞれ供給される各駆動電流Ｉ（Ｉｕ，Ｉｖ）を検出して各々電流検出信号Ｓｉ（Ｕｉ，Ｕｖ）を出力する。

特に、実施の形態の電流検出器４は、出力スイッチング回路５の複数のスイッチング素子ＳＷの高速のスイッチング動作に対応する速度で電流検出信号Ｓｉ（Ｕｉ，Ｕｖ）を得るために、電流検出子として各励磁コイルＬ（Ｌｕ，Ｌｖ）に直列にそれぞれ検出抵抗Ｒ_１（Ｒｕ_１，Ｒｖ_１）を設けている。電流検出器４は、検出抵抗Ｒ_１（Ｒｕ_１，Ｒｖ_１）の両端にかかる電圧から所定期間に励磁コイルＬ（Ｌｕ，Ｌｖ）に供給される平均の駆動電流Ｉ（Ｉｕ，Ｉｖ）に対応する電流検出信号Ｓｉ（Ｕｉ，Ｖｉ）を得る。

三相中のＵ相とＶ相の２相の各出力回路に設けられる複数の電流検出器４は、それぞれ対応するスイッチング回路５のスイッチング素子駆動回路１０に各電流検出信号Ｓｉ（Ｕｉ，Ｖｉ）を出力する。検出抵抗Ｒ_１（Ｒｕ_１，Ｒｖ_１）は、駆動電流Ｉ（Ｉｕ，Ｉｖ）の電流値を制限することを目的としない可能な限り小さい抵抗値を有する。

電流検出器４の電流検出子として電流プローブのような電流測定子を用いることができる。ただし、電流検出子が電流波形をより正確に測定するための電流測定子であるときは、測定される電流波形から電流検出信号を生成するので、電流検出子が検出抵抗である場合に比べて電流検出信号を得るまでにより長い時間を要する。そのため、電流測定子は、スイッチング素子ＳＷにおける数１００ｋＨｚ以上の高周波のスイッチング周波数でのスイッチング動作が可能な範囲で電流検出子として使用されることが望ましい。

出力スイッチング回路５は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相各相毎に設けられ、各励磁コイルＬ（Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗ）にそれぞれ制御された駆動電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）を供給する。複数の出力スイッチング回路５は、それぞれ電源回路３の中に設けられているパワー素子である複数のスイッチング素子ＳＷを含む。各スイッチング素子ＳＷは、望ましくは、１ＭＨｚ以上のスイッチング周波数でスイッチング動作できる特性を有する高速の電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。

各出力スイッチング回路５の複数のスイッチング素子ＳＷは、２個１組で両極性スイッチ２０を形成する。スイッチング素子ＳＷの両極性スイッチ２０は、パワー素子を有し波形が制御された両極性の駆動電流Ｉを励磁コイルＬに供給する出力回路である。両極性スイッチ２０において、励磁コイルＬの両端子のある一方の端子から他方の端子に流れる駆動電流Ｉの方向を順方向とするときに、このときの極性を正極性（正電位）とし、他方の端子から一方の端子に流れる駆動電流Ｉの方向を逆方向として、このときの極性を逆極性（負電位）とする。

両極性スイッチ２０は、具体的に、直流電源Ｅ_０の正極側と励磁コイルＬの一端子との間に設けられ正極性スイッチである第１のスイッチング素子ＳＷ_１および直流電源Ｅ_０の負極側と励磁コイルＬの上記同一端子との間に設けられ逆極性スイッチである第２のスイッチング素子ＳＷ_２との一対のスイッチング素子ＳＷでなる。なお、正極性スイッチと逆極性スイッチは、それぞれ、スイッチング素子の負担を軽減するために、同時にオンオフする複数のスイッチング素子ＳＷを直列に接続するように構成することができる。

Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相の出力スイッチング回路５のうち、Ｕ相とＶ相の２相の各出力スイッチング回路５は、基本的に同じ構成を有し、それぞれ電流検出器４からフィードバック信号である電流検出信号Ｓｉ（Ｕｉ，Ｖｉ）を入力して各スイッチング素子ＳＷをスイッチング動作させる。Ｗ相のスイッチング回路５は、電流検出器４からのフィードバック信号を入力しない、いわゆるオープン制御回路である。

具体的に、Ｕ相とＶ相の各出力スイッチング回路５においては、それぞれに設けられる各スイッチング素子駆動回路１０は、移動指令Ｘ（ｔ）に従う指令信号Ｑ（Ｑｕ，Ｑｗ）に相応する目標電流量と電流検出器４から出力される電流検出信号Ｓｉ（Ｕｉ，Ｖｉ）に相応する検出電流量との差に応じて制御信号Ａｇａｔｅ，Ｂｇａｔｅを供給する。

スイッチング素子駆動回路１０は、上記制御信号Ａｇａｔｅ，Ｂｇａｔｅを各励磁コイルＬ（Ｌｕ，Ｌｖ）に供給される駆動電流Ｉ（Ｉｕ，Ｉｖ）の極性に対応して両極性スイッチ２０の第１のスイッチング素子ＳＷ_１（ＳＷｕ_１，ＳＷｖ_１）と第２のスイッチング素子ＳＷ_２（ＳＷｕ_２，ＳＷｖ_２）との何れか一方が導通するように予め定められた所定のスイッチング周波数のタイミングで各スイッチング素子ＳＷに選択的に繰返し供給する。

Ｗ相のスイッチング素子駆動回路１０は、指令装置２から出力されてくる移動指令Ｘ（ｔ）に従う指令信号Ｑ（Ｑｗ）に相応する目標電流量に応じて所定のスイッチング周波数のタイミングで制御信号Ａｇａｔｅ，Ｂｇａｔｅをそれぞれ出力し、駆動電流Ｉｗの極性に対応して両極性スイッチ２０の第１のスイッチング素子ＳＷ_１（ＳＷｗ_１）と第２のスイッチング素子ＳＷ_２（ＳＷｗ_２）を選択的に導通させる。

Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相各相のスイッチング素子駆動回路１０は、指令信号Ｑで示される目標電流量の極性が正極性であるときは、正極性スイッチである第１のスイッチング素子ＳＷ_１を所定のスイッチング周波数のタイミングでオンオフするように制御信号Ａｇａｔｅを出力し、逆極性スイッチの第２のスイッチング素子ＳＷ_２に制御信号Ａｇａｔｅを反転した制御信号Ｂｇａｔｅを出力する。

ここで、本発明において、制御信号Ａｇａｔｅ，Ｂｇａｔｅを各スイッチング素子ＳＷに供給または出力するということは、電気的に厳密には、出力電圧が“１”または“Ｈ”であるときにスイッチング素子ＳＷをオンさせ、“０”または“Ｌ”であるときにスイッチング素子ＳＷをオフさせるようにするという意味である。

スイッチング素子駆動回路１０は、目標電流量の極性が逆極性であるときは、逆極性スイッチである第２のスイッチング素子ＳＷ_２を所定のスイッチング周波数のタイミングでオンオフするように制御信号Ｂｇａｔｅを出力し、正極性スイッチの第１のスイッチング素子ＳＷ１に制御信号Ｂｇａｔｅを反転した制御信号Ａｇａｔｅを出力する。

実施の形態のスイッチング素子駆動回路１０は、極性切換回路２０の正極性スイッチと逆極性スイッチとを選択的に切り換えるときに、数マイクロ秒以下の僅かな時間だけ両極性スイッチ２０の一対のスイッチング素子ＳＷを強制的にオフさせるようにしている。本発明では、駆動電流Ｉの方向が変わるときに、極性切換回路２０の全てのスイッチング素子をオフさせておく短い時間を“デッドタイム”という。

実施の形態のパワーアンプ１では、スイッチング素子駆動回路１０から制御信号が直接出力されるので、出力スイッチング回路５のスイッチング素子ＳＷのスイッチング動作が実質的にキャリア周波数の制約を受けない。そのため、基本的にスイッチング素子ＳＷを１００ｋＨｚ以上のスイッチング周波数でスイッチング動作させることができる。

したがって、実施の形態のパワーアンプ１では、電流の振動の振幅をより小さくすることができる。電流の振動の振幅が小さいときは、全てのスイッチング素子ＳＷがオフする時間的な損失を生じさせるデッドタイムを設けないようにすることができる。実施の形態の各出力スイッチング回路５におけるスイッチング素子駆動回路１０は、必要に応じてデッドタイムを設定することができるように構成されている。

図２および図３は、実施の形態のパワーアンプにおける各信号の関係を示す。ただし、各信号の波形は、わかりやすくするために、部分的に強調するようにデフォルメされており、実際の波形を正確に表しているわけではない。図３は、Ｕ相の励磁コイルに駆動電流を供給するスイッチング回路の各信号を示している。なお、Ｗ相の出力回路における各信号の関係は、制御信号が電流検出器の検出電流量に依存しない点を除いて、Ｕ相の出力回路と基本的に同じである。以下に、各図を適宜引用して、実施の形態のパワーアンプの動作を説明する。

指令装置２は、操作装置から移動指令Ｘ（ｔ）を入力し、フィードバック信号として図示しない位置検出器から現在位置Ｐ（ｔ）を入力する。また、必要に応じて速度検出器から現在速度Ｖ（ｔ）を入力する。指令装置２は、移動指令Ｘ（ｔ）と現在位置Ｐ（ｔ）と、現在速度（Ｖ）およびそれぞれの微分値と所定のゲインから演算した結果に基づいて指令信号Ｑを得る。

指令装置２は、一次側電機子の励磁コイルＬと図示しない二次側磁石との相対位置に対応して、指令信号Ｑ（Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ）を三相各相の各励磁コイルＬ（Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗ）にそれぞれ駆動電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）を供給する各出力スイッチング回路５のスイッチング素子駆動回路１０に分配して出力する。

各指令信号Ｑ（Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ）は、図２に示されるように、各励磁コイルＬ（Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗ）にそれぞれ供給される駆動電流Ｉ（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）の電流値の総和が０である目標電流量に相当する。例えば、図２示される時刻ｔ_１では、位相が１２０度ずつずれている三相各相に供給されるべき駆動電流Ｉ（Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０）を得ることができる。

Ｕ相とＶ相の各スイッチング素子駆動回路１０は、指令装置２から分配して出力されてくる目標電流量に相応する指令信号Ｑ（Ｑｕ，Ｑｖ）をそれぞれ入力する。また、各スイッチング駆動回路１０は、それぞれ電流検出器４から検出電流量に相応する電流検出信号Ｓｉ（Ｕｉ，Ｖｉ）を入力する。

各スイッチング素子駆動回路１０は、電流検出信号Ｓｉが示す検出電流量が指令信号Ｑが示す目標電流量未満であるときに出力値が“１”の比較信号を出力し、目標電流量以上であるときに出力値が“０”の比較信号を出力する。この比較信号に基づいて、制御信号Ａｇａｔｅ，Ｂｇａｔｅが予め設定されているスイッチング周波数Ｆ（ｔ）のタイミングで各スイッチング素子ＳＷに供給される。

三相各相の励磁コイルＬがスター結線またはデルタ結線されているサーボモータが制御対象であるので、Ｗ相の励磁コイルＬｗに実際に供給される駆動電流Ｉｗは、Ｕ相とＶ相の各励磁コイルＬｕ，Ｌｖに供給される駆動電流Ｉｕ，Ｉｖによって決まる。したがって、Ｗ相の出力スイッチング回路５のスイッチング素子駆動回路１０は、検出電流量に依存せずに供給されるべき電流制御量を示す指令信号Ｑｗに従って制御信号Ａｇａｔｅ，Ｂｇａｔｅを出力する。

このように、実施の形態のパワーアンプは、スイッチング素子駆動回路において比較信号に基づいて制御信号を出力するので、パワーアンプには、指令装置において電流フィードバック信号を入力し、各出力スイッチング回路毎のスイッチング素子のオン時間幅を演算して電圧信号を生成し、各出力スイッチング回路に電圧信号を分配して出力するという一連の動作が要求されない。

したがって、実施の形態のパワーアンプは、ＰＷＭ方式のパワーアンプに比べて、より短い時間間隔で制御信号を連続的に繰返し供給することができる。そのため、実施の形態のパワーアンプでは、１００ｋＨｚ以上のより高いスイッチング周波数でスイッチング素子を動作させることができる。

各出力スイッチング回路５において、駆動電流Ｉ（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）の方向が順方向であるときは、指令信号Ｑ（Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ）に対応して両極性スイッチの正極性スイッチである第１のスイッチング素子ＳＷ_１（ＳＷｕ_１，ＳＷｖ_１，ＳＷｗ_１）に出力値が“１”の制御信号Ａｇａｔｅが出力される。一方、逆極性スイッチである第２のスイッチング素子ＳＷ_２（ＳＷｕ_２，ＳＷｖ_２，ＳＷｗ_２）には、制御信号Ａｇａｔｅを反転させた出力値が“０”の制御信号Ｂｇａｔｅが出力される。

デッドタイムが予め設定されているときは、スイッチング素子駆動回路１０は、デッドタイムの期間だけ両極性スイッチ２０の第１のスイッチング素子ＳＷ_１（ＳＷｕ_１，ＳＷｖ_１，ＳＷｗ_１）と第２のスイッチング素子ＳＷ_２（ＳＷｕ_２，ＳＷｖ_２，ＳＷｗ_２）とが同時にオンしないように、制御信号Ａｇａｔｅまたは制御信号Ｂｇａｔｅの出力値を“０”から“１”に切り換えるときに、切換えをデッドタイムの時間幅ｄｔだけ遅延させる。

出力値が“１”の制御信号Ａｇａｔｅが供給された第１のスイッチング素子ＳＷ_１（ＳＷｕ_１，ＳＷｖ_１，ＳＷｗ_１）でなる正極性スイッチが導通し、制御信号Ａｇａｔｅが反転された出力値が“０”の制御信号Ｂｇａｔｅが供給された第２のスイッチング素子ＳＷ_２（ＳＷｕ_２，ＳＷｖ_２，ＳＷｗ_２）でなる逆極性スイッチが非導通であるとき、直流電源Ｅ_０から駆動電流Ｉ（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）が供給される。

このとき、Ｕ相とＶ相の各出力スイッチング回路５においては、電流検出器４の電流検出信号Ｓｉ（Ｕｉ，Ｖｉ）で示される検出電流量が指令信号Ｑ（Ｑｕ，Ｑｖ）で示される目標電流量を超えた時点でスイッチング素子駆動回路１０が制御信号Ａｇａｔｅの出力値を“０”にし、デッドタイムの時間幅ｄｔを経過した後に制御信号Ｂｇａｔｅの出力を“１”にするので、正極性スイッチが非導通になり、逆極性スイッチが導通する。

例えば、Ｕ相の出力スイッチング回路５においては、図３に示されるように、デッドタイムの時間幅ｄｔが経過した後に第１のスイッチング素子ＳＷｕ_１に出力値が“１”の制御信号Ａｇａｔｅ（Ｕ）が出力されて正極性スイッチが導通する。一方、第２のスイッチング素子ＳＷｕ_２に出力値が“０”の制御信号Ｂｇａｔｅ（／Ｕ）が出力されて正極性スイッチが導通する。その結果、電源回路３の立上がり特性に対応して駆動電流Ｉｕが立ち上がる。

駆動電流Ｉｕが指令信号Ｑｕで示される目標電流量に到達すると、電流検出器４の電流検出信号Ｕｉで示される検出電流量が目標電流量を超えるので、スイッチング素子駆動回路１０における比較信号の出力値が“０”になり、制御信号Ａｇａｔｅ（Ｕ）の出力値が“０”になるとともに制御信号Ｂｇａｔｅ（／Ｕ）の出力値が“１”になる。その結果、駆動電流Ｉｕが降下するので、比較信号の出力値が“１”になる。

このとき、予め設定されている所定のスイッチング周波数Ｆ（ｔ）に従うオフ期間中は、制御信号Ａｇａｔｅ（Ｕ）の出力値が“０”であるので、駆動電流Ｉｕが降下を続ける。所定のスイッチング周波数Ｆ（ｔ）に従うオン時間になると、第２のスイッチング素子ＳＷｕ_２に出力値が“０”の制御信号Ｂｇａｔｅが出力される。デッドタイム経過後、第１のスイッチング素子ＳＷｕ_１に出力値が“１”の制御信号Ａｇａｔｅ（Ｕ）が供給され、正極性スイッチが再び導通する。

このようにして、供給される駆動電流Ｉｕが目標電流量Ｑｕであるように正極性スイッチが導通のときに逆極性スイッチが非導通であり、正極性スイッチが非導通のときに逆極性スイッチが導通であることを繰り返して、駆動電流Ｉｕが上昇と下降を繰り返す。

スイッチング周波数Ｆ（ｔ）が高いほど指令信号Ｑｕに対して供給される駆動電流Ｉｕの振動の振幅が小さくなり、指令信号Ｑｕに対する駆動電流Ｉｕの追従性が高くなる。実施の形態のパワーアンプ１は、スイッチング素子が１ＭＨｚのスイッチング周波数でスイッチング動作できる性能を有し、予め設定される所定のスイッチング周波数が１００ｋＨｚ以上の高周波であるため、目標電流量Ｑｕに対する駆動電流Ｉｕの誤差がより小さい。その結果、サーボ制御の応答性能が向上する。

以上のように駆動電流が供給されるサーボモータは、予め設定されている加速度で加速して目標速度で駆動し、目標位置で停止するように減速して、目標位置で停止するように制御される。そして、サーボモータによって移動する移動体は、操作装置から与えられる移動指令Ｘ（ｔ）に従う移動量を所定速度で移動して停止する。

フィードバック制御されているサーボモータは、移動体をある目標位置に位置決めするために、移動体を目標位置に留めるように駆動する。このとき、移動体が高加速度で高速で移動するほど、制御における遅延時間によって移動体を目標位置に留めておくための反応が遅れる。そのため、サーボ制御の応答性能が高くなるほど、移動体を目標位置の近くに留めておくことができる。したがって、実施の形態のパワーアンプ１によると、高速で移動する移動体の位置決め精度をより高くすることができる。

以上のように、本発明のサーボモータのパワーアンプによると、スイッチング周波数をより高くすることができ、サーボ制御の応答性能が向上し、ひいては移動体の位置決め精度を高くすることができる。すでに、いくつかの例が具体的に示されているが、本発明は、実施の形態のパワーアンプと同一の構成に限定されず、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で、実施の形態のパワーアンプの構成を変形することができる。

本発明のパワーアンプは、一次側電機子の励磁コイルが実質３線で結線されている結線構造のサーボモータに適用される。言い換えると、三相交流のＵ相とＶ相の２相において制御された駆動電流をそれぞれ供給するときに、残り１相のＷ相の駆動電流が決まるような態様のサーボモータに適する。例えば、実施の形態のパワーアンプにおいて、スター結線構造のサーボモータをデルタ結線構造（三角結線）のサーボモータに置き換えることができる。

本発明は、三相交流同期モータのパワーアンプに適用できる。とりわけ、本発明のパワーアンプは、サーボモータの動作対象である移動装置の移動体に高い位置決め精度が要求される精密機器に有益である。

１パワーアンプ
２指令装置
３電源回路
４電流検出器
５出力スイッチング回路
１０スイッチング素子駆動回路
２０両極性スイッチ
３０安定化回路

Claims

一次側電機子の三相各相の励磁コイルをスター結線またはデルタ結線した構造の三相交流同期モータに電力を供給するパワーアンプであって、
前記励磁コイルに駆動電流を供給する直流電源と、
三相中の２相の各励磁コイルに供給される駆動電流をそれぞれ検出する電流検出器と、
三相各相に設けられ前記各励磁コイルにそれぞれ制御された駆動電流を供給する出力スイッチング回路と、を備え、
各前記出力スイッチング回路が、それぞれ、前記直流電源の正極側と前記励磁コイルの一端子との間に設けられる電界効果トランジスタである第１のスイッチング素子と、
前記直流電源の負極側と前記励磁コイルの前記一端子との間に設けられる電界効果トランジスタである第２のスイッチング素子と、
制御信号を前記励磁コイルに供給される前記駆動電流の極性に対応して前記スイッチング素子の何れか一方が導通するように前記スイッチング素子に所定のスイッチング周波数に基づく一定周期のタイミングで繰返し供給するスイッチング素子駆動回路と、を含み、
前記スイッチング素子駆動回路は、前記２相の前記スイッチング素子に対しては、移動指令に従う目標電流量と前記電流検出器で検出される検出電流量との差に応じて制御信号を供給し、もう１相の前記スイッチング素子に対しては、移動指令に従う目標電流量に応じて制御信号を供給することを特徴とするパワーアンプ。
前記所定のスイッチング周波数が１００ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１に記載のパワーアンプ。