(57)【要約】【課題】２電源切換え方式のコンパクトで高効率な可変電源サーボ増幅器を提供する。【解決手段】電力増幅器へ電力を供給する、定格電圧の５０％以内で電圧を調整できる可変電圧電源１と定格電圧の１５０％以上の電圧を出力する短時間定格のピーク電源２の２つの電源と、制御系の制御指令または電力増幅器８の入力から可変電圧電源の出力電圧を制御する信号とピーク電圧電源の出力をオンオフする信号を創出する電源電圧制御器９と、負荷の電流あるいは電圧を検出しフィードバック制御するＰＩＤ制御器１０とを有するものである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス幅変調あるいはリニア増幅方式による電力増幅器において、
電力増幅器へ電力を供給する、定格電圧の５０％以内で電圧を調整できる可変電圧電源と定格電圧の１５０％以上の電圧を出力する短時間定格のピーク電源の２つの電源と、
制御系の制御指令または前記電力増幅器の入力から前記可変電圧電源の出力電圧を制御する信号と前記ピーク電圧電源の出力をオンオフする信号を創出する電源電圧制御器と、
負荷の電流あるいは電圧を検出しフィードバック制御するＰＩＤ制御器とを有することを特徴とする可変電源サーボ増幅器。
【請求項２】
前記可変電圧電源の出力に制御用電力半導体素子を接続し、リニア動作させることにより前記可変電圧電源の電圧リップルおよび電圧のレギュレーション特性を改善することを特徴とする請求項１記載の可変電源サーボ増幅器。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれか１項に記載の可変電源サーボ増幅器の電源電圧制御器により、制御指令または操作量の時間変化量が大きい時、制御量を高速応答とするため偏差が一定値より小さくなるまでピーク電圧電源から電力増幅器へ電力を供給し、前記制御指令または操作量の時間変化量が小さい、あるいは前記偏差が小さい時は、前記電力増幅器の損失および出力リップルを軽減するように前記制御指令または操作量に見合った値、すなわち電力増幅器の入力ｕの絶対値が、
｜ｕ｜＜δ（但し、δは設計仕様によって設定する定数）、
となるように前記可変電圧電源の電圧を調整して粗調し、更に、制御用電力半導体素子の制御による微調も行うことを特徴とする可変電源サーボ増幅器の電源電圧制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧あるいは電流を高速・精密に制御するためのサーボアンプ、例えば、力、速度、位置等の高精度・高速応答が要求されるアクチュエータ駆動用コントローラに使用するサーボ増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
負荷の電流や電圧を制御する電力増幅器には、ＰＷＭ（パルス幅変調）増幅器やリニア増幅器が用いられているが、出力電流が大きく高速応答が要求される場合には、これらの電力増幅器は高い電源電圧が必要となる。この電源電圧は、特に負荷が誘導性の場合応答特性を支配する。従って、高速応答の電力増幅器は、定常時には不必要に高い電源電圧下で駆動されるため効率は悪くなる。これを改善するため、複数の電源電圧を用意し電源を切り換えて使う。あるいは、指令や出力に連動して電源電圧を変えるなどの手法が適用されてきた。
特許文献１に開示の「電力増幅装置」はその１例であり、高効率を維持しながら複数個の電力増幅器の総合出力電力を大幅に増大させることを可能にするものである。図３はそのブロック図であり、信号入力端１Ａ〜１Ｅへの入力を複数個の増幅器１９Ａ〜１９Ｅに入力するとともに、その利得に反比例して減衰量を調整した信号減衰制御部２３を介して、その複数個の入力端の信号のうちから最大値を選択して出力する最大値検出制御部４０に印加し、その出力端の信号を増幅する二電源切換信号増幅部４１Ａ、４１Ｂの出力によって二電源切換制御部４４を制御して、予め決めたしきい値を超えるか否かにより、正負の高電圧電源制御トランジスタ８０、８２をそれぞれ能動、又は、遮断状態にすることにより複数個の増幅器１９Ａ〜１９Ｅに与える電源電圧を高低に切換えるものである。
また、特許文献２に開示の「光受信装置」は、入力される光信号のレベルが高い場合であっても、波形歪みを生じることなく正常に受信できるようにするもので、そのために図４に示すように、入力信号を増幅率の異なる複数のプリアンプ４０、５０へ入力して複数の電圧出力に変換し、選択回路１２０により予め設定された電圧しきい値と比較してしきい値を超えない出力を切換え出力することによって飽和領域動作を回避して、波形歪みを生じない、しかも増幅率の高い電圧信号を出力するようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−３１６７３９号公報（段落［００１６〜００３２］、図１）
【特許文献２】
特開平１１−２９８２５９号公報（段落［００２２〜００４６］、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、何種類か複数の電源を使うため電源のコストがかかり過ぎ、体積が大きくなるなど課題がある。
また、単一電源で電圧を連続的に変える方法は、電圧可変範囲と電圧の応答が課題となる、等の問題があった。
そこで、本発明は、制御系の指令が急変したとき応答を改善するために電力増幅器へ供給する電源電圧を高電圧にし、制御系が定常状態になったとき、あるいは定常状態に近付いたときは、限定された一定の範囲で調整可能な低電圧電源を用いることによって、電力増幅器の損失を低減して高出力・高精密・高速応答の電力増幅器を有する可変電源サーボ増幅器を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、パルス幅変調あるいはリニア増幅方式による電力増幅器において、電力増幅器へ電力を供給する、定格電圧の５０％以内で電圧を調整できる可変電圧電源と定格電圧の１５０％以上の電圧を出力する短時間定格のピーク電源の２つの電源と、制御系の制御指令または前記電力増幅器の入力から前記可変電圧電源の出力電圧を制御する信号と前記ピーク電圧電源の出力をオンオフする信号を創出する電源電圧制御器と、負荷の電流あるいは電圧を検出しフィードバック制御するＰＩＤ制御器とを有することを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、前記可変電圧電源の出力に制御用電力半導体素子を接続し、リニア動作させることにより前記可変電圧電源の電圧リップルおよび電圧のレギュレーション特性を改善することを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２のいずれか１項に記載の可変電源サーボ増幅器の電源電圧制御器により、制御指令または操作量の時間変化量が大きいとき制御量を高速応答とするため偏差が一定値より小さくなるまでピーク電圧電源から電力増幅器へ電力を供給し、前記制御指令または操作量の時間変化量が小さい、あるいは前記偏差が小さい時は、前記電力増幅器の損失および出力リップルを軽減するように前記制御指令または操作量に見合った値、すなわち電力増幅器の入力ｕの絶対値が、
｜ｕ｜＜δ（但し、δは設計仕様によって設定する定数）、
となるように前記可変電圧電源の電圧を調整して粗調し、更に、制御用電力半導体素子の制御による微調も行うことを特徴としている。
以上のように、制御系の偏差が大きくて高速応答させる電源として、高電圧・短時間定格のピーク電圧電源と、制御系の偏差が小さいか、定常時に使う低電圧の可変電圧電源の２系統で電力増幅器へ電力を供給する電源を構成し、そしてこの２種類の電源は、制御系の指令または操作量（電力増幅器の入力）に基づき、電源電圧制御器によって可変電圧電源の電圧の粗調整と、この電源の出力に直列接続されたトランジスタを動作させて電圧の微調整を行い、更に、ピーク電圧電源の出力に直列に接続されたトランジスタをオン・オフ動作させて電力増幅器へ電力を供給することにより、ピーク電圧と可変電圧電源の切換えによる電源電圧の高低の切換え制御を行うものであり、したがって、電源電圧制御器は、高速応答時にはピーク電源電圧をオンにし、定常時や高速応答が必要で無い時には、ピーク電圧をオフにして、可変電圧電源の粗調と微調を制御して電源効率を改善できるようにしている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係る可変電源サーボ増幅器の制御系を示すブロック図である。
図１において、１は可変電圧電源（ＶＶＰＳ）、２および３は±Ｖｐのピーク電圧電源（ＨＶＰＳ）で、可変電圧電源１より例えば昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ等によって生成される。４および５は電圧調整用トランジスタ（ＴＰＤ）と（ＴＮＤ）。６および７は逆電圧阻止用ダイオード（ＤＰ）と（ＤＮ）である。８は電力増幅器（Ｐ．ＡＭＰ）、９は電源電圧制御器（Ｖ．ＣＯＮ）で、１０はサーボ制御器（Ｓ．ＣＯＮ）、１１は負荷Ｌで、１２、１３はピーク電圧出力スイッチ用トランジスタＴＰ、ＴＮである。
また、各信号系は、ｘ＊が指令、ｘｆはフィードバック信号、Ｖｃｃは可変電圧制御信号、ｕは操作量、Ｖｃｈはピーク電圧出力スイッチ信号、Ｖｃｆは電圧微調スイッチ用制御信号である。
【０００７】
つぎに動作について説明する。
以上のように図１は、定格電圧の１５０％以上の電圧のピーク電圧電源（ＨＶＰＳ）２と定格電圧の５０％以内で電圧調整する可変電圧電源（ＶＶＰＳ）１の２つの電源と、電力増幅器（Ｐ．ＡＭＰ）８、ピーク電圧電源２の出力をオンオフするトランジスタ（ＴＰ、ＴＮ）１２、１３で構成するピーク電圧出力スイッチ、可変電圧電源（ＶＶＰＳ）１の電圧を微調する電圧調整用トランジスタ（ＴＰＤ、ＴＮＤ）４、５で構成する電圧微調整スイッチ（電圧レギュレータ）と、ピーク電圧出力スイッチと可変電圧電源の電圧の粗調と電圧微調整スイッチによる微調とを制御する電源電圧制御器（Ｖ．ＣＯＮ）９と、逆電圧阻止用ダイオード６、７とによって構成されている。
以上による電源の切換制御は、ピーク電圧電源（ＨＶＰＳ）と、可変電圧電源（ＶＶＰＳ）の２つの電源を切換える高低切換えと、更に、可変電圧電源（ＶＶＰＳ）の粗調整と微調整の切換えによる精密制御を含む。
この切換え制御は、先ず、指令ｘ＊と、負荷Ｌ（モータ）１１からの電流あるいは電圧の各種フィードバックｘｆとにより得られる偏差ｅをＰＩＤ制御則を用いたサーボ制御器（Ｓ．ＣＯＮ）１０によって操作量ｕが演算される。
指令ｘ＊、操作量ｕが急激な変化をした時、電源電圧制御器（Ｖ．ＣＯＮ）９は操作量ｕを基にしきい値判断を行い、ピーク電圧出力スイッチ信号ｖｃｈを出力してピーク電圧出力スイッチ用トランジスタ１２、１３をオンして、ピーク電圧電源ＨＶＰＳから電力増幅器（Ｐ．ＡＭＰ）８へ給電する。
また、それ以外の定常時や高速応答が必要では無い時には、ピーク電圧出力スイッチ用トランジスタ１２、１３をオフして、可変電圧電源（ＶＶＰＳ）１の給電に切換え、可変電圧制御信号Ｖｃｃにより可変電圧電源（ＶＶＰＳ）１の電圧±ＶＤを粗調整し、必要ならば電圧微調スイッチ用制御信号ｖｃｆにより電圧調整用トランジスタ（ＴＰＤ、ＴＮＤ）４、５のゲート電圧等を制御して、電圧の微調制御を行う。この電圧微調スイッチのトランジスタＴＰＤ、ＴＮＤの出力には、ピーク電圧電源（ＨＶＰＳ：±ＶＰ）２、３からの高圧の印加を阻止する逆電圧阻止ダイオード（ＤＰ、ＤＮ）６、７が挿入されている。
なお、粗調整された可変電圧電源（ＶＶＰＳ）１の出力電圧でも、電力増幅器（Ｐ．ＡＭＰ）８へ与える影響が無視できる場合は、電圧微調スイッチは不要である。
また、ピーク電圧電源（ＨＶＰＳ）２、３は、可変電圧電源（ＶＶＰＳ）１の出力からＤＣ／ＤＣコンバータにより昇圧して生成しているが、ＡＣ電源を入力とすることも可能である。また、ピーク電圧電源２、３の電圧は一定であってもよいし、指令値や要求される整定時間に応じて変えてもよい。
【０００８】
次に、本発明の第２の実施の形態について図を参照して説明する。
図２は本発明の第２の実施の形態に係る可変電源サーボ増幅器の電流制御系のブロック図である。
図２において、図１と異なる構成は、ピーク電圧電源（ＨＶＰＳ）±ＶＰが、昇圧トランス、スイッチ、整流ダイオード、充電コンデンサ、等で構成する昇圧部を持つピーク電圧電源（ＨＶＰＳ）１４、１５の図示に変わり、サーボ制御器（Ｓ．ＣＯＮ）が電流制御器（Ｉ．ＣＯＮ）１７に変わり、電流検出器（Ｉ．ＤＥＴ）１６が追加され、フィードバック信号ｘｆがフィードバック電流ｉｆ、指令ｘ＊が電流指令ｉ＊に変っている。
なお、その他の図１と同一構成には、同一符号を付して重複する説明は省略する。
【０００９】
以上の図２のブロックは、誘導性負荷（Ｌ）１１の電流を高速・精密に制御する電流制御系であり、この制御系は以下の（１）〜（５）の各要素部に制御上分けられ構成されている。
（１）、リニア増幅の電力増幅器（Ｐ．ＡＭＰ）８。
（２）、電力増幅器（Ｐ．ＡＭＰ）８へ電圧±ＶＤＤの電力を供給するための可変電圧電源（ＶＶＰＳ）１と、ピーク電圧電源（ＨＶＰＳ）２の２つの電源とこれらの電源の出力電圧を切換えるための各トランジスタ４、５、１２´、１３´と、逆転阻止ダイオード６、７。
（３）、これらのトランジスタの制御信号Ｖｃｃ、Ｖｃｆ、Ｖｃｈを出力する電源電圧制御器（Ｖ．ＣＯＮ）９。
（４）、電流制御を行なうため、負荷の電流フィードバック信号ｉｆを得る電流検出器（Ｉ．ＤＥＴ）１６。
（５）、電流指令ｉ＊と電流フィードバック信号ｉｆから操作量ｕ（電力増幅器Ｐ．ＡＭＰの入力）を出力する、電流制御器（Ｉ．ＣＯＮ）１７によって構成されている。
【００１０】
つぎに動作について説明する。
先ず、電源電圧制御器９は、指令ｉ＊または、比例、積分、微分すなわちＰＩＤの演算を行なう電流制御器（Ｉ．ＣＯＮ）１７の出力であるｕ、あるいはこれらの信号を併用して、電力増幅器（Ｐ，ＡＭＰ）８へ供給する電圧±ＶＤＤを次のように切り換える。
ケース１：指令ｉ＊またはｕが急激な変化をしたとき、ピーク電圧出力スイツチ・トランジスタ（ＴＰＨＶ、ＴＮＨＶ）１２´、１３´をオンする。すなわち、ピーク電圧電源（ＨＶＰＳ）から給電する。
ケース２：ケース１以外のとき。可変電源電圧（ＶＶＰＳ）１の出力電圧±ＶＤを、
｜ｕ｜＜δ    （ここでδ＞０の定数）、
あるいは、ｉ＊に対応して、
｜ｉ＊｜＜ｉＬ    （但し、ｉＬは設計仕様によって決められる一定の電流値）のときＶＤ＝ＶＤＬ（ＶＤＬはＶＶＰＳの出力電圧の下限の値）とする。
｜ｉ＊｜＞ｉＬのとき、
ＶＤ＝ＶＤＬ＋Ｋ｜ｉ＊｜    （ここで、Ｋは比例定数）に可変電圧電源の出力を粗調し、トランジスタ（ＴＰＨＶ、ＴＮＨＶ）１２´、１３´をオフにする。更に、必要ならばトランジスタ（ＴＰＣＶ、ＴＮＣＶ）４、５を微調する。
以上によって、負荷Ｌの電流を効率良く高速・精密に制御できる。
【００１１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、制御系の指令が急変したとき応答を改善するため、電力増幅器へ供給する電源電圧を高電圧にする。そして制御系が定常状態になったとき、あるいは定常状態に近づいたときは、限定された一定の範囲で調整可能な低電圧電源を用いる。以上のことによって、電力増幅器の損失を低減し、コンパクトで省スペースの高出力・精密・高速応答の電力増幅器を実現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る可変電源サーボ増幅器の制御系を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る可変電源サーボ増幅器の電流制御系のブロック図である。
【図３】従来の電力増幅装置のブロック図である。
【図４】従来の光受信装置のブロック図である。
【符号の説明】
１  可変電圧電源ＶＶＰＳ
２、３、１４、１５  ピーク電圧電源ＨＶＰＳ
４、５  電圧調整用トランジスタＴＰＤ、ＴＮＤ
６、７  逆電圧阻止用ダイオードＤＰ、ＤＮ
８  電力増幅器Ｐ．ＡＭＰ
９  電源電圧制御器Ｖ．ＣＯＮ
１０  サーボ制御器Ｓ．ＣＯＮ
１１  負荷Ｌ
１２、１３、１２´、１３´  ピーク電圧出力スイッチＴＰＨＶ、ＴＮＨＶ
１６  電流検出器Ｉ．ＤＥＴ
１７  電流制御器Ｉ．ＣＯＮ
ｉｆ    フィードバック電流
ｉ＊  電流指令
Ｌ  負荷
ｕ  操作量
ＶＣＣ  可変電圧制御信号
Ｖｃｈ  ピーク電圧出力スイッチ信号
Ｖｃｆ  電圧微調スイッチ用制御信号
ｘ＊  指令
ｘｆ  フィードバック信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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