JP3807841B2

JP3807841B2 - モータ駆動回路用可変負荷インダクタンス補償装置及び方法

Info

Publication number: JP3807841B2
Application number: JP05698498A
Authority: JP
Inventors: ザレススキアンドリュー
Original assignee: Universal Instruments Corp
Current assignee: Universal Instruments Corp
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1998-03-09
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2018-03-09
Also published as: EP0865153B1; DE69839788D1; EP0865153A1; JPH10271887A; US5912542A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ制御回路に関し、特に、モータ駆動回路の動的インダクタンス補償装置のための改良されたモータ制御回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、市場にて入手可能なサーボアンプは、負荷インダクタンスが一定領域内でなければ適正に作動しない。負荷インダクタンスの領域を変更するには、通常、１又は複数のインダクタンス補償値、例えば１又は複数のコンデンサ及び／又は抵抗を手動で取り替える。サーボアンプは、所定のインダクタンス補償値を予め定めておけば、所定時間であれば一定のインダクタンス領域外でも作動させることができる。上述の構成のものであれば、負荷インダクタンス領域が限定された、もしくは一定のモータにおいては正常に作動する。例えば、上述の構成のものは、コアの磁気飽和以下の領域内等の磁石の線形特性領域内において作動する永久磁石サーボモータにおいては、正常に作動する。しかしながら、コアが磁気飽和内の領域や不飽和内の領域で作動するモータや、リラクタンス切り換え式モータ等のようにインダクタンスが広範囲にわたって可変するモータにおいては問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図５および図６に示すように、市場にて入手可能な負荷領域が単一なサーボアンプのステップ応答は、可変リラクタンスモータに利用した場合、満足のいくものではない。特に、図５はサーボアンプ（マサチューセッツ州、ウエストウッドの、コプレイ・コントロールズ・コーポレーションの直流ブラシサボアンプ型式４３２）のステップ応答を示すが、このサーボアンプは２００ＫΩのインダクタンス補償抵抗を具備してなり、リラクタンス切り換え式モータで作動させた状態を示している。２００ＫΩのインダクタンス補償抵抗は、不飽和インダクタンス状態にてモータを作動させるには適しているが、飽和点を越える電流値では低インダクタンスは適正に補償されない。このような構成のものであれば、図５に示すように、アンプ入力１００のステップ電圧を入力すれば、モータコイル電流１１０のステップ電圧は振動することになる。
【０００４】
同様に、図６は、インダクタンス補償抵抗、例えば、飽和インダクタンスで作動させるために選んだ１８ＫΩの抵抗のアンプのステップ応答を示す。１８ＫΩのインダクタンス補償抵抗は上述したような振動を排除できるが、モータコイル電流１０２の立ち上がり時間が長くなる。例えば、１８ＫΩのインダクタンス補償抵抗を具備してなるサーボアンプの立ち上がり時間は、２００ＫΩのインダクタンス補償抵抗を具備してなるアンプの立ち上がり時間の約２倍である。インダクタンス補償要素の値を小さくすることによって振動を防ぐことはできるが、立ち上がり時間が長くなると、既定のモータトルクのためのモータの最高速度は、立ち上がり時間の増加に比例する要因により減少するので、モータの性能も落ちる。したがって、市場にて入手可能なサーボアンプの従来の構成では、インダクタンス補償は不十分である。
【０００５】
本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、可変インダクタンスを有するモータの性能を向上させるサーボアンプを構成する装置及びそのサーボアンプを作動させる方法を提供することである。
本発明は、第１および第２インダクタンス値を有する負荷（リラクタンス切り換え式モータ等）を具備してなる。前記サーボアンプはこの負荷に結合して、この負荷を駆動する。前記サーボアンプは、負荷のインダクタンス値の変化に応じて、前記サーボアンプの駆動特性を変化させるインダクタンス補償回路を具備してなる。前記インダクタンス補償回路はモータコイルの電流をモニタすることによってアンプの駆動特性を変えるものであってもよい。
【０００７】
本発明は、モータのインダクタンスの変化に応答して、モータに接続したアンプ回路の駆動特性を変化させてモータを制御する方法を具備してなる。
さらに、本発明は、モータのインダクタンスの変化に応答してリラクタンス切り換え式モータを駆動するために、フィードバック制御システムにおいてアンプの第１増幅率と第２増幅率とに交互に切り換える方法を具備してなる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、このような目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。
本発明の実施態様として、コアとこのコアの周囲に配置したコイルとを具備してなるモータを挙げることができる。前記モータは、コアが飽和状態では第１インダクタンス値で作動し、コアが不飽和状態では第２インダクタンス値で作動するものである。アンプは前記モータに接続してある。前記アンプは、モータに駆動電流を供給する手段と、コアのコイルのインダクタンスの変化をモニタする手段とを具備してなる。インダクタンス補償回路はサーボアンプに接続してあり、可変インダクタンス補償を提供する。前記インダクタンス補償回路は、第１及び第２インダクタンス値で切り換わるモータに応答してそれぞれ第１及び第２補償値に切り換わる切換手段を具備してなる。
【０００９】
他の態様としては、本発明は、サーボアンプを有するモータ制御回路とインダクタンス補償回路とを具備してなるものを挙げることができる。前記サーボアンプはインダクタンス補償回路に接続したインダクタンス補償制御入力を有する。前記インダクタンス補償回路は少なくとも第１インダクタンス補償要素とこの第１インダクタンス補償要素とインダクタンス補償入力との接続、接続解除を交互に行う切換手段とを具備してなる。
【００１０】
さらに他の態様としては、本発明は、インダクタンス補償入力を有するサーボアンプでリラクタンス切り換え式モータを駆動する方法を挙げることができる。前記方法として、モータのインダクタンスの変化に応答して周期的にインダクタンス補償入力に入力したインダクタンス補償値を変化させる方法を挙げることができる。
【００１１】
課題を解決するための手段に本発明の概要を記述してあるが、本発明はここに記載、表示する要素、機能および方法のあらゆる組み合わせ、また従属的に組み合わせたものをも包含するものである。したがって、本発明を定義するにあたっては、この明細書に記載してある特許請求の範囲に記述した要素を組み合わせたすべてをさすものとする。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１に示すように、可変リラクタンスモータ制御システム１は、インダクタンス補償回路４に接続される、例えばサーボアンプ／モータ駆動回路等のアンプ２を具備している。アンプ２としては、コプレイ・コントロールズ・コーポレーションの型式４３２直流ブラシサーボアンプがもっとも望ましい。アンプ２はモータ３に接続する。モータ３は様々な態様のものであってもよいが、望ましい実施例としては、広範囲にわたって変化する位相インダクタンスで作動する適切な構成を有するものを挙げることができる。最適な実施形態としては、モータ３はリラクタンス切り換え式モータを挙げることができる。
【００１３】
モータ３のリアクタンスの変化に応答してアンプ２の応答特性を動的に変えるために、インダクタンス補償回路４はアンプ２に接続してある。アンプ２は様々な態様のものであってもよいが、もっとも望ましい実施形態としてはアンプ２の出力電流に応答する電流モニタ出力６を具備してなるものを挙げることができる。さらに、アンプ２は、正の基準電圧Ｖ＋と負の基準電圧Ｖ−とを供給する。最も望ましい実施形態としては、正の基準電圧Ｖ＋がプラス約１５Ｖに、負の基準電圧Ｖ−がマイナス約１５Ｖに設定してあるものを挙げることができる。アンプ２は、最も望ましくは、１又は複数のインダクタンス補償入力Ｉ１，Ｉ２を具備してなるものを挙げることができる。最も望ましい実施形態において、インダクタンス補償入力は、アンプ２及び／又は駆動出力７を調整して、モータ３の複数のコアインダクタンスを補償する。インダクタンス補償回路４は、アンプ２と別々に示してあるが、アンプ２に組み込んでもよい。
【００１４】
望ましい一実施例においては、第１及び第２比較器Ｃ１，Ｃ２を用いて、モータ３の作動状態が飽和状態であるか不飽和状態であるかを識別する。例えば、図１に示すように、アンプ２の電流モニタ出力６は、比較器Ｃ１の負の入力と比較器Ｃ２の正の入力に入力する。抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３からなる分圧器は、正の基準電圧Ｖ＋及び負の基準電圧Ｖ−間に接続され、比較器Ｃ１，Ｃ２に一定の基準電圧を供給する。特に、抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ３間の接続点Ｎ１は、比較器Ｃ２に負の入力を供給し、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２間の接続点Ｎ２は、比較器Ｃ１に正の入力を供給する。分圧器は、様々な態様のものであってもよいが、最も望ましい実施例としては、接続点Ｎ２の電圧がプラス２Ｖ、接続点Ｎ１の電圧がマイナス２Ｖに設定してあるものを挙げることができる。比較器Ｃ１，Ｃ２の出力はオープンコレクタ出力であって、接続点Ｎ３に接続してあるのが望ましい。接続点Ｎ３での出力は、負荷インダクタンス補償入力Ｉ１，Ｉ２にてインピーダンス入力を制御しているアンプ２に、スイッチ３１を介してフィードバックされる。最も望ましい実施例においては、スイッチ３１は、負荷インダクタンス補償入力Ｉ１，Ｉ２にかかる抵抗を制御する。例えば、抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ５とは、どちらか一方を選択できるように、オプトカプラスイッチＴ１を介して並列に接続しなければならない。典型的な実施例としては、抵抗Ｒ４を２００ＫΩ、抵抗Ｒ５を１８ＫΩとする。したがって、負荷インダクタンス補償入力のインピーダンスは、オプトカプラスイッチ（トランジスタ）Ｔ１をオンオフ切り換えすることによって変化する。典型例として抵抗を挙げているが、図示の抵抗ネットワークのかわりに、又はそれに加えて、コンデンサ及び／又は抵抗ネットワークを用いても良い。さらに、インダクタンスの回路は当該分野における当業者にとって周知の他の変形したものであってもよい。この実施例において、抵抗Ｒ４は、例えばコア飽和点より小さい低電流等の不飽和位相インダクタンスにて作動するモータに最適インダクタンス補償を提供し得るよう整合させてある。さらに、抵抗Ｒ５は、コア飽和点より上の電流値の飽和位相インダクタンス状態においてアンプ２が最適に作動するように整合させてある。
【００１５】
スイッチ３１には、発光ダイオードを有するオプトカプラを用いているが、前記発光ダイオードの電流制限抵抗として抵抗Ｒ６を用いるのが望ましい。
次に、本実施例の動作を示す。アンプ２は、モータ３に入力される位相電流に比例する電流モニタ信号を出力してモータ３を駆動する。図２に示すように、位相電流の大きさが大きくなれば（図２の（ａ））、それに比例して電流モニタ出力の電圧も高くなる（図２の（ｂ））。位相電流値が飽和点よりも高くなれば、比較器Ｃ１，Ｃ２の出力電圧は、例えばマイナス１５Ｖ等の負のバイアス点まで落ちる。したがって、スイッチ３１が作動して、抵抗Ｒ５が抵抗Ｒ４に並列に接続される。その結果、負荷インダクタンス補償抵抗は、ほぼ値の大きい順に減少する。図２に、抵抗Ｒ４を２００ＫΩ、抵抗Ｒ５を１８ＫΩに設定した一例を示す。コア飽和領域より低い電流値では、スイッチ３１は切られ、負荷インダクタンス補償抵抗は抵抗Ｒ４により再び制御される。
【００１６】
図３に示すように、図１の回路の出力電流１０３の応答は、図５および図６に示す出力電流１０１、１０２の応答よりもはるかにすぐれたものとなっている。例えば、図３においては、図５に示される振動は除去されているとともに、図６に示される、遅い応答時間も又除去されている。したがって、図１に示す可変リラクタンスモータ制御システム１の動的応答は、図５と図６に示す従来の制御システムの応答よりもはるかにすぐれたものとなっている。
【００１７】
図４は、アンプ回路の構成部分を含む本発明の一実施例を示すブロック図である。モータ３は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）２２によって駆動される。前記パルス幅変調器２２は、電流誤差アンプ２１の出力によって制御される。パルス幅変調器２２は、モータ３に流れる電流に比例する電圧を有する電流モニタ信号を出力する。例えば、モータ３に並列及び／又は直列に接続される抵抗の電圧を測定することによって、電流モニタ信号を得てよい。その電流モニタ信号は電流誤差アンプ２１にフィードバックされ、基準電流信号と比較される。基準電流信号と電流モニタ信号との差は電流誤差アンプ２１によって増幅され、パルス幅変調器２２に出力して、フィードバックを完成する。電流誤差アンプ２１の増幅因子は、フィードバック回路Ａ４２やフィードバック回路Ｂ４３などのフィードバック回路によって制御される。スイッチ４４は、電流誤差アンプ２１と連結して、１又はそれ以上のフィードバック制御回路を制御する。インダクタンス変化検出器４１は、モータ３のインダクタンスの変化を検出する。インダクタンス変化検出器４１は、飽和コア状態と不飽和コア状態等の明らかに異なる２つの状態の間でインダクタンス変化するモータに用いるのが最も望ましい。インダクタンス変化検出器４１は、スイッチ４４を制御し、モータ３のインダクタンスの変化に応答してフィードバック回路Ａ又はＢに交互に切リ換える。
【００１８】
フィードバック回路Ａ，Ｂは、適正なフィードバック回路を構成する様々な態様のものであってよい。望ましい実施例においては、フィードバック回路Ａ及びＢは、抵抗とコンデンサとを直列に接続した直列回路からなり、その直列回路はバイパスコンデンサと並列に接続される。例えば、最も望ましい実施例においては、フィードバック回路Ａは、２００ｋΩの抵抗を４７ｎＦのコンデンサに直列に接続して直列回路を形成し、その直列回路は４７０ｐＦのコンデンサと並列に接続される。さらに、この実施例においては、フィードバック回路Ｂは、１８ｋΩの抵抗を４７ｎＦのコンデンサに直列に接続して直列回路を形成し、その直列回路を４７０ｐＦのコンデンサに並列に接続したものである。フィードバック回路は、当該分野における当業者にとって周知の様々な他の構成であってもよい。フィードバック制御を２段階からなる構成にすると、リニアモータ等の第１インダクタンス状態及び第２インダクタンス状態間で切リ換えるモータの要求を満たして、アンプの増幅度を厳密に適合することができる。このような構成の切換えフィードバックはリニアモータにおけるモータ駆動回路を最適化するにあたって、特に効果的であることが知られている。
【００１９】
電流誤差アンプ２１は、適宜のいかなる構成であってもよい。最も望ましい実施例においては、電流誤差アンプ２１はコプレイ・コントロールズ・コーポレーションの型式４３２直流ブラシサーボアンプの電流誤差アンプと同様の構成のものであってもよい。
回転制御２３は、電流目標出力を供給するに適切なものであれば、いかなる構成であってもよい。
【００２０】
インダクタンス変化検出器４１は、図１に示すような構成のものでよく、また、第１及び第２比較器Ｃ１，Ｃ２と、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３からなる分圧器とを具備している。さらに、インダクタンス変化検出器４１は、モータ３のインダクタンス変化に応じて信号を出力する適宜な検出機構（光学センサーまたは磁気センサー）を具備している。
【００２１】
スイッチ４４は、２つのフィードバック回路を交互に切り換えるものであってもよく、また、図１に示すように、単一のフィードバック回路の中で、１又はそれ以上のインダクタンス補償構成要素を切り換える構成でなければならない。スイッチ４４は、フィードバック回路Ａとフィードバック回路Ｂと連結して動的インダクタンス補償回路を形成する。インダクタンス変化検出器４１は、インダクタンスの変化をモニタする手段を形成する。当然のことながら、モニタ手段は当該分野における当業者に周知の他の構成のものであってよい。例えば、モニタ手段は外部センサーでもよい。さらに、フィードバックネットワーク（回路）をアンプに接続して切り換えるよりも、第２のアンプを用いて第１のアンプと交互に切り換える構成がよい。加えて、インダクタンスの補償は、パルス幅変調回路２２において直接的に行ってもよい。
【００２２】
電流誤差アンプ２１は、モータ３とパルス幅変調器２２と連結してモータ３にかかる電圧を制御することによってモータ３の電流をも制御するフィードバックループを形成する。電流誤差アンプ２１の増幅因子を変えることによって、インダクタンスが第１値と第２値との間で変化するときのモータ３のインダクタンスの値に増幅因子を整合させることができる。インダクタンスが大きくなればなるほど、モータ３（負荷）の電流を変化させるために要する時間も長くなる。したがって、インダクタンスが大きいモータ３には、高い増幅因子が必要となる。しかしながら、モータ３のインダクタンスが小さな値に減少する場合、インダクタンス値を大きくするために増幅を大きくすると振動を起こす。また、大きいインダクタンス値において低い増幅因子を用いると、立ち上がり時間が非常に長くなる。したがって、本発明の実施例は、２つの増幅率のいずれか一方に切り換わるようにして、リラクタンス切り換え式モータのフィードバック制御システムを最適化している。インダクタンス値が大きくなると、電流誤差アンプ２１の利得が増加し負荷に高い電圧がかかリ、可変リラクタンスモータ制御システム１の応答時間が減少する。モータ３のインダクタに流れる電流の変化の割合は、インダクタンスにかかる電圧に比例している。したがって、インダクタンスが低い値に変わると、可変リラクタンスモータ制御システム１は低い増幅因子に切り換わってインダクタにかかる電圧を下げる。
【００２３】
本発明の実施例である１つの制御システムを示しているが、もちろん本発明はこの実施例に限定されるものでなく、上述の見地から、当該分野における当業者に周知の変形が可能である。したがって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々変形が可能である。例えば、図示実施例の中で、負荷インダクタンス補償回路は並列及び／又は直列に接続した抵抗及びコンデンサをアンプ及び／又はモータ駆動回路に適宜な方法で結合した構成のものであってもよい。さらに、モータ３の変化をモニタする回路は、電流モニタ回路に限定されるものではなく、スイッチ３１を制御するに適宜の制御ロジックや複数のモニタ機構であってもよい。加えて、スイッチ３１は当該分野における当業者が周知の他の構成のものであってもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、モータを制御する際に、インダクタンス補償値を切り換えることにより、コアの飽和状態及び不飽和状態のいかんにかかわらず、既定のモータトルクのためのモータの最高速度が低下するのを防止することができる。したがって、モータの性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すモータに接続したサーボアンプおよび動的インダクタンス補償回路の部分回路とブロック図。
【図２】同実施例のコイルとモータ電流を関数とするモータコイルインダクタンス、電流モニタ出力電圧および負荷インダクタンス補償抵抗を示す図。
【図３】同実施例の動的インダクタンス補償回路を具備してなるサーボアンプのステップ応答を示す図。
【図４】同実施例を示す可変リラクタンスモータ制御システムのブロック図。
【図５】従来における不飽和インダクタンス領域にて作動する抵抗にて補償したサーボアンプのステップ応答を示すグラフ。
【図６】従来における飽和インダクタンス領域にて作動するインダクタンス補償抵抗を具備してなるアンプのステップ応答を示すグラフ。
【符号の説明】
１…可変リラクタンスモータ制御システム
２…アンプ
３…モータ
４…インダクタンス補償回路
Ｔ１…オプトカプラスイッチ

Claims

コアと前記コアの周囲に配置したコイルを有するモータと、前記モータに接続するアンプと、前記アンプに接続されてインダクタンス補償を提供するインダクタンス補償回路とを具備してなるモータ駆動回路用可変負荷インダクタンス補償装置であって、
前記モータが、前記コアが飽和状態にある場合には第１インダクタンス値で作動し、前記コアが不飽和状態にある場合には第２インダクタンス値で作動する構成を有し、
前記アンプが、前記モータに制御駆動電流を供給する手段と前記コイルのインダクタンス変化をモニタする手段とを有し、
該インダクタンス補償回路が、所定のコイルインダクタンス変化に応答して少なくとも第１及び第２インダクタンス補償値のいずれかに切り換える切換手段を含んでなるモータ駆動回路用可変負荷インダクタンス補償装置。
前記アンプが、電流モニタ出力と負荷インダクタンス補償制御入力とを具備してなり、前記切換手段が、前記電流モニタ出力に接続され、第１インダクタンス補償値と第２インダクタンス補償値とを交互に負荷インダクタンス補償制御入力に入力するために前記電流モニタ出力によって制御される請求項１記載のモータ駆動回路用可変負荷インダクタンス補償装置。
前記コアのインダクタンスの変化をモニタする手段が、前記コイルに流れる電流をモニタする手段を具備してなる請求項１記載のモータ駆動回路用可変負荷インダクタンス補償装置。
前記アンプが、コアの飽和状態に応答して増幅率を変化させる請求項１記載のモータ駆動回路用可変負荷インダクタンス補償装置。
インダクタンス可変モータに応答するインダクタンス補償回路と、アンプを備えるモータ制御回路とを含んでなるモータ駆動回路用可変負荷インダクタンス補償装置であって、
前記インダクタンス補償回路が、２個以上のインダクタンス補償値を有し、前記インダクタンス補償回路からのこれらのインダクタンス補償値の内の少なくとも１つを接続もしくは接続解除を交互に行う切換手段とを具備してなるモータ駆動回路用可変負荷インダクタンス補償装置。
前記アンプが、電流モニタ出力を具備してなり、第１インダクタンス補償要素が、第１値を有する電流モニタ出力に応答してインダクタンス補償制御入力に接続され、第１値と異なる第２値を有する制御モニタ出力に応答してインダクタンス補償制御入力との接続を解除される請求項５記載のモータ駆動回路用可変負荷インダクタンス補償装置。