JP5622070B2 - リニアモータ駆動装置 - Google Patents
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Description
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。図1に示すように本発明のリニアモータ駆動装置は、リニアモータの負荷(3相巻線)2に不要な高調波成分の少ない駆動電流を供給するために、特定のノイズフィルタを有するPWMドライバ3を備えている。リニアモータは負荷(3相巻線:U相コイル、V相コイル、W相コイルからなる3相コイル)に駆動電流を供給することにより、可動子(コイル又は磁石ユニット)が駆動される。負荷に供給される駆動電流の制御を行うPWMドライバ3は、コントローラ1からの電流指令(アナログ入力)と、負荷2側からフィードバックされた検出電流との偏差を演算して増幅する誤差アンプ31と、この偏差と推力指令との位相差を補償する位相補償アンプ32と、コントローラからの電流指令と出力電流を比較してスイッチング素子のオン時間を制御して所定のデューティー比でパルス幅変調された駆動電流を出力するPWMアンプ33と、駆動電流からノイズを除去するローパスフィルタ34を備えている。この検出電流は、負荷2とPWMドライバ3との間に接続されたシャント抵抗35により、その両端の電圧降下として検出され、絶縁アンプ36を介して誤差アンプ31に供給することにより、シャント抵抗の両端が絶縁されているので、ノイズが重畳され難く、高精度の電流検出が可能となる。
PWMアンプ33は、ブリッジ接続した3組のスイッチング素子(図1では1組のみを示す。)を有する。スイッチング素子としては、例えばMOSFETを使用した場合は、その内蔵ダイオード(寄生ダイオード)がスイッチング素子と逆並列の帰還ダイオードとなり、負荷からの還流電流を流すことができる。PWMアンプ33は、キャリア波(例えば三角波)と正弦波(変調波)の電圧を比較して(一定高さのパルスをチョッピングして、デューティー比を変える)、各スイッチング素子をその制御位相を120°ずつずらして(UV−UW−VW−VU−WU−WV)オンオフさせることにより、低次の高調波が少ない波形が得られる正弦波PWM方式の回路構成を有する。
図2に示すように、駆動手段(不図示)でオンオフされるスッチング素子M1及びM2を有するPWMアンプ33とコイルL13(負荷)との間にローパスフィルタ34が挿入されるとともに、ローパスフィルタ34とコイルL13(リニアモータの巻線)との間に駆動電流を検出するシャント抵抗Rsが接続されている。PWMアンプ33の出力電圧は、ローパスフィルタ34を介してコイルL13に供給されるので、スイッチング素子のオンオフで発生するノイズが除去される。ローパスフィルタ34は、負荷(コイルL13)と直列に接続されたコイルL1と、負荷と並列に接続されたコンデンサC1と、コンデンサC1と直列に接続された抵抗R1(直列に接続されたコンデンサC1と抵抗R1を接続体と呼称)を有するコイル入力型ノイズフィルタである。実際のリニアモータはY形結線又はΔ形結線された3相コイル(U相コイル、V相コイル、W相コイル)を有するが、図2は1相分のみを示す。
実際のフィードバック制御では、駆動電流はフィルタを構成するコイルの抵抗分や負荷コイルの抵抗分などの影響を受けるので、図3に示す等価回路で検討した結果を述べる。ローパスフィルタ34は、コイルL1、コンデンサC1及び付加抵抗R1からなる(C1はR1と直列回路を構成する。)とともに、コイルに含まれる抵抗分、すなわち銅損R5及び鉄損R6を含む。負荷側はコイルのインダクタンスL11とその抵抗分R11の直列回路とし、また電流を検出するためのシャント抵抗Rsを含む。この等価回路から、コンデンサC1の等価直列抵抗(ESR)と付加抵抗R1の合計(ESR+R1)が、コンデンサのインピーダンス(Zc)よりも十分小さく、かつコンデンサのインピーダンスZcがコイルのインピーダンス(ZL)よりも十分に小さい場合は、フィルタを流れる電流Icは負荷抵抗R1に依存せず、ノイズフィルタの効果を維持できることがわかる。
図3の等価回路において、各素子の定数を上記と同様に設定してフィルタ回路の周波数特性をシミュレーションにより算出した結果を図4(a)に示し、比較のために図3において外付け抵抗が無い場合のシミュレーション結果を図4(b)に示す。
次に、本発明のローパスフィルタを備えたフィードバック制御系(図1参照)のゲイン−周波数特性をシミュレーション(回路定数は図4の場合と同様)により算出した結果を図5(a)に示す。また比較のために、図2において抵抗R1が無いローパスフィルタを備えた以外は図5(a)と同一の条件でシミュレーションした結果を図5(b)に示す。図5(a)に示すように、本発明のローパスフィルタを備えたフィードバック制御系のオープンループゲインのピークはカットオフ周波数付近に存在し、その値は4kHz付近の周波数におけるゲインと同等であり、図5(b)に示す従来のローパスフィルタを備えたフィードバック制御系のオープンループゲインのピークが2kHz付近の周波数におけるゲインと略同等である、すなわち、モータ駆動周波数のバンド幅を従来の2倍にできることがわかる。したがって本発明のローパスフィルタを備えたフィードバック制御系では、駆動電流(実電流)を検出する回路の出力端から負帰還を掛けているので、PWMアンプの電源電圧の変動によりフィードバック制御系のゲインが変動することがあるが、その場合でも、ゲイン余裕(ボード線図では位相交点におけるゲインの符号を反転させた値となる)を考慮した場合、応答性を損なわずに安定性を確保することができる。
図2に示すローパスフィルタにおいて、LC回路に付加した抵抗R1の値を変化させた場合の、抵抗R1での損失(Ploss)、抵抗R1に印加される電圧(VR1pp)、スイッチング素子のオンオフに伴い抵抗の両端に発生する電圧のリップル(Vout1pp)をシミュレーションで算出した結果を図6に示す。同図から、抵抗R1が増加すると、抵抗R1に印加される電圧も増加するので、損失が増大する。またリップル成分(電圧はコンデンサのインピーダンスと抵抗のインピーダンスの合計になる。)は抵抗R1が5Ωまでは緩やかに増加し、抵抗R1が7Ω以上になると急激に増加することがわかる。このシミュレーション結果から、抵抗R1が5Ωまではリップル電圧を低減できることがわかる。ただし抵抗R1が低くなりすぎるとカットオフ周波数近傍におけるループゲインを下げる効果が減少し、安定な負帰還動作を行うことが困難となることも考慮すると、付加抵抗R1の値は例えば2〜5Ωの範囲に設定することが好ましい。この抵抗値は、リニアモータの動作仕様(推力、駆動電流、ストローク等)、制御機器の構成及びその使用環境(配線、接地方法等)などを考慮して設定すればよい。例えば半導体製造用縮小投影露光装置で使用されるリニアモータの場合には、ローパスフィルタに付加する抵抗R1を上述したような範囲(2〜5Ω)に設定すればよい。
また、本発明においては、図2に示す回路構成に限らず、図7及び図8に示すように、輻射ノイズをさらに低減する(コモンモードノイズを除去する)ために、ローパスフィルタと負荷コイルとの間に、3個のコイルを各巻線に生じる電圧が打ち消し合う方向に巻回して形成したコモンモードチョークコイルを接続した回路構成とすることができる。図7はY形結線された3相コイルの各相に駆動電流を供給する3相3線方式であり、図8はY形結線された3相コイルの中性点にも駆動電流を供給する3相4線方式である。図7及び8において、負荷コイルはΔ結線されていてもよい。
本発明のローパスフィルタを備えた電流制御系の動作の安定性と電流指令に対する応答性を確認するために、図8に示す電流制御回路のゲイン−周波数特性を測定した結果を図9及び図10に示す。ローパスフィルタを構成する各素子の定数は、図3の場合と同様である。また比較のために図8において付加抵抗を除いたローパスフィルタを備えた以外は同様の電流制御回路のゲイン−周波数特性を測定した結果を図11及び図12に示す。図9及び図11はクローズドループのボード線図、図10及び図12はオープンループのボード線図である。図9と図11から、本発明によれば、カットオフ周波数(20kHz)近傍において比較例よりもゲインのピークが2.3dB減少するが、ピーク以外の特性は殆ど変化しないことがわかる。すなわち電源電圧が約30%増加してその分ゲインが増加しても安定な動作が行えることがわかる。また図10と図12からオープンループゲインは全体として2.3dB高くなるので、応答性が約20%向上することがわかる。
本発明のローパスフィルタは、上記の回路構成に限定されず、例えば次のような変更(図示を省略する。)が可能である。すなわち図2に示すフィルタ回路において、抵抗R1と並列にコンデンサを接続することができる。またコンデンサと抵抗の直列回路に並列にコンデンサを付加することができる。このようにローパスフィルタにバイパス・コンデンサを付加することにより、フィルタのQ値を調整できるので、フィルタのカットオフ周波数を微調整できると推定される。これらの回路構成を採用する場合は、スイッチング周波数におけるコンデンサのインピーダンスを抵抗よりも十分大きくして、スイッチング周波数におけるフィルタの特性(Q値)を低減する効果が維持できるように素子定数を設定すればよい。
2つの回路を接続する2本以上の配線が同時に同じノイズの影響を受けた場合(コモンモードノイズ)、各配線に同じ大きさで同じ向きに流れる電流が発生するが、このノイズは原理的に除去できる。しかし、複数の配線がそれぞれ異なったノイズの影響を受けた場合(ノーマルモードノイズ)、このノイズは原理的に除去できないので、本発明では複数の接続線を同じ環境化にあるように配線させることが好ましい。
Claims (3)
- 外部入力信号と負荷コイル側からの負帰還信号との偏差を増幅する誤差アンプと、前記誤差アンプから出力された信号のパルス幅を補正して出力電圧の位相を進相させる位相補償アンプと、位相補償された信号をパルス幅変調するPWMアンプと、前記PWMアンプと前記負荷コイルとの間に設けられたLC回路を含むローパスフィルタとを有するリニアモータ駆動装置において、前記ローパスフィルタは、前記負荷コイルと直列に接続されたノーマルモードチョークコイルと前記負荷コイルと並列に接続されたコンデンサと前記コンデンサと直列に接続された付加抵抗を含み、前記コンデンサと前記付加抵抗にて形成された接続体の前記ノーマルモードチョークコイルとの接続端の反対端は前記PWMアンプのグランド側に接続され、前記付加抵抗の素子定数は、カットオフ周波数の実質的な変動を伴わずにフィルタ回路のQ値が低減するように設定されることを特徴とするリニアモータ駆動装置。
- 前記ローパスフィルタは、少なくとも抵抗と並列に接続されたバイパス・コンデンサを含むことを特徴とする請求項1に記載のリニアモータ駆動装置。
- 前記ローパスフィルタと前記負荷コイルとの間にコモンモードチョークコイルが接続されることを特徴とする請求項1に記載のリニアモータ駆動装置。
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