(57)【要約】【課題】低コスト・小形で高性能な電流制御ができるサーボ増幅器を提供する。【解決手段】出力電流が小さい時は、第２のパワースイッチング素子Ｔ２あるいは第４のパワースイッチング素子Ｔ４のいずれか一方を指令電流あるいは電圧の極性に応じて，リニア増幅動作をさせ，出力電流あるいは電圧のフィードバック制御を行うとともに、第２のパワースイッチング素子Ｔ２がリニア動作をする時は、第３のパワースイッチング素子Ｔ３がＯＮになり、第１および第４のパワースイッチング素子Ｔ１、Ｔ４がＯＦＦになり、第４のパワースイッチング素子Ｔ４がリニア動作をする時は、第１のパワースイッチング素子Ｔ１がＯＮになり、第２および第３のパワースイッチング素子Ｔ２、Ｔ３がＯＦＦになってリニア制御を行い、出力電流が大きい時はＰＷＭ制御を行う。【選択図】    図１
2005094460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象のサーボ機器の一方の極を第１のパワースイッチング素子を介して直流電源の正極に接続するとともに、前記一方の極を第２のパワースイッチング素子を介して前記直流電源の負極に接続し、前記サーボ機器の他方の極を第３のパワースイッチング素子を介して前記直流電源の正極に接続するとともに、前記他方の極を第４のパワースイッチング素子を介して前記直流電源の負極に接続してなるＨ型ブリッジ回路を備えたサーボ増幅器において、
出力電流が小さい時は、前記第２のパワースイッチング素子あるいは前記第４のパワースイッチング素子のいずれか一方を指令電流あるいは電圧の極性に応じて，リニア増幅動作をさせ，出力電流あるいは電圧のフィードバック制御を行うとともに、前記第２のパワースイッチング素子がリニア動作をする時は、前記第３のパワースイッチング素子がＯＮになり、前記第１および前記第４のパワースイッチング素子がＯＦＦになり、前記第４のパワースイッチング素子がリニア動作をする時は、前記第１のパワースイッチング素子がＯＮになり、前記第２および前記第３のパワースイッチング素子がＯＦＦになってリニア制御を行い、
前記出力電流が大きい時はＰＷＭ制御を行うことを特徴とするサーボ増幅器。
【請求項２】
前記第１のパワースイッチング素子と前記第３のパワースイッチング素子にそれぞれ抵抗を並列に接続したことを特徴とする請求項１に記載のサーボ増幅器。
【請求項３】
前記第１のパワースイッチング素子と前記第３のパワースイッチング素子にそれぞれ抵抗およびコイルを並列に接続したことを特徴とする請求項１に記載のサーボ増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットや精密工作機械あるいは，半導体製造装置など、高速・高精度・高効率で駆動することが要求されるサーボ増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ロボットや精密工作機械あるいは，半導体製造装置などのサーボモータを駆動制御するサーボ増幅器には、高速・高精度・高効率が要求される。そのために、各種のサーボ増幅器が提案されている。例えば特許文献１には、複数の電源と、電源電圧を切り換えるためのパワースイッチング素子を備え、出力電流が小さいときには，低い電源電圧を使ってリニア増幅を行い，出力電流が大きい時には，高い電源電圧を用いてＰＷＭ制御を行うリニア−ＰＷＭハイブリッド増幅器が開示されている。また、非特許文献１にはリニア増幅とＰＷＭ制御の両方ができるよう設計されたパワー増幅モジュールで主回路を構成して、出力電流が小さいとき，リニア増幅をさせ，出力電流が大きいときには，パワー増幅モジュールを飽和と遮断領域を使ったドライブを行い，ＰＷＭ制御をするハイブリッド制御が紹介されている。
【特許文献１】特開平７−２０２５９０号公報
【非特許文献１】日本インター株式会社技術資料No.２００９「ハイパワーリニア／ＰＷＭディアルモードＩＰＭ」（１９９９年３月９日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の装置では、複数の主回路電源と電源電圧切り換え用のパワースイッチング素子が必要であったり、特別に設計されたパワー増幅モジュールと双出力電源を使用する必要があった。また，リニア増幅とＰＷＭ制御が可能な主回路構成とするなど、主回路を構成するパワー素子が多く、複雑であった。このため、これらの装置は，コストが高く，大形になるなどの問題があった。
そこで、本発明は単一の主回路電源とＨ形にブリッジ接続した４つのパワースイッチング素子により，リニア増幅とＰＷＭ制御のハイブリッド制御を行い，低コスト・小形で高性能な電流制御ができるサーボ増幅器を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するために、本発明は制御対象のサーボ機器の一方の極を第１のパワースイッチング素子を介して直流電源の正極に接続するとともに、前記一方の極を第２のパワースイッチング素子を介して前記直流電源の負極に接続し、前記サーボ機器の他方の極を第３のパワースイッチング素子を介して前記直流電源の正極に接続するとともに、前記他方の極を第４のパワースイッチング素子を介して前記直流電源の負極に接続してなるＨ型ブリッジ回路を備えたサーボ増幅器において、出力電流が小さい時は、前記第２のパワースイッチング素子あるいは前記第４のパワースイッチング素子のいずれか一方を指令電流あるいは電圧の極性に応じて，リニア増幅動作をさせ，出力電流あるいは電圧のフィードバック制御を行うとともに、前記第２のパワースイッチング素子がリニア動作をする時は、前記第３のパワースイッチング素子がＯＮになり、前記第１および前記第４のパワースイッチング素子がＯＦＦになり、前記第４のパワースイッチング素子がリニア動作をする時は、前記第１のパワースイッチング素子がＯＮになり、前記第２および前記第３のパワースイッチング素子がＯＦＦになってリニア制御を行い、前記出力電流が大きい時はＰＷＭ制御を行うものである。また、前記第１のパワースイッチング素子と前記第３のパワースイッチング素子にそれぞれ抵抗を並列に接続するものである。また、前記第１のパワースイッチング素子と前記第３のパワースイッチング素子にそれぞれ抵抗およびコイルを並列に接続するものである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、Ｈ形ブリッジ構成のパワースイッチング素子と直流の単一電源からなる単純な主回路構成によって、出力電流の大小により，リニア増幅とＰＷＭ制御のハイブリッド制御を行い，高効率・小形・高速で，広範囲の精密な電流制御が可能なサーボアンプを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は本発明の第１実施例を示すサーボ増幅器の主回路の回路図である。図において、１は直流電源であり、２は負荷つまり、サーボ増幅器の制御対象であるサーボモータなどのサーボ機器である。また、３は直流電源１から負荷２流れる電流を検出する電流検出器である。Ｔ１は直流電源１の正極と負荷２の一方の極の間に介在する第１のパワースイッチング素子である。Ｔ２は直流電源１の負極と負荷２の一方の極の間に介在する第２のパワースイッチング素子である。Ｔ３は直流電源１の正極と負荷２の他方の極の間に介在する第３のパワースイッチング素子である。Ｔ４は直流電源１の負極と負荷３の他方の極の間に介在する第４のパワースイッチング素子である。このようにパワースイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４はＨ形にブリッジ接続されている。Ｄ１〜Ｄ４は、還流ダイオードであり、それぞれスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４に並列に接続されている。
【０００８】
ここで第１のパワースイッチング素子Ｔ１と第３のパワースイッチング素子Ｔ３は，出力電流の大小に関わらず、電流の極性（つまり、負荷２が正転するか、逆転するかの違い）により、ＯＮ／ＯＦＦ動作行う。一方第２のパワースイッチング素子Ｔ２と第４のパワースイッチング素子Ｔ４は、出力電流が大きいときはＰＷＭのスイッチング動作をし、出力電流が小さいときは，リニア増幅動作をする。したがって、パワースイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４は出力電流の大きさにより，以下のように動作する。
【０００９】
出力電流が小さい場合は、電流の極性によりいずれかの状態になる。
（１）Ｔ１：ＯＮ，Ｔ４：電流フィードバックによるリニア増幅動作，
Ｔ２およびＴ３：ＯＦＦ
（２）Ｔ３：ＯＮ，Ｔ２：電流フィードバックによるリニア増幅動作，
Ｔ１およびＴ４：ＯＦＦ
一方、出力電流が大きい場合は、Ｔ１〜Ｔ４は従来のＰＷＭ制御動作を行なう。
【実施例２】
【００１０】
図２は本発明の第２実施例を示すサーボ増幅器の主回路の回路図である。第１実施例と共通する構成要素に同一の符号を付したので説明を省略する。図において、ＰＥ１およびＰＥ３は電源Ｅの正極側にある、第１および第３のパワースイッチング素子Ｔ１、Ｔ３にそれぞれ並列に接続された回路素子であり、回路素子ＰＥ１，ＰＥ３は抵抗、または抵抗とコイルを直列接続したものである。
この回路では、回路素子ＰＥ１，ＰＥ３の抵抗を通して負荷２に電流を供給するので、時定数を小さくするとともに、電流の制御ゲインを変えることができ、電流の応答性と分解能を向上させることができる。また、前記抵抗にコイルを直列配列すると、抵抗による熱損失を軽減することができる。
【実施例３】
【００１１】
図３は本発明の第３実施例を示すサーボ増幅器の制御回路の回路図である。
図において、４は主回路の電流検出器３（図１参照）の信号を受けて、出力電流フィードバック制御を行うための電流フィードバックアンプである。５は電流制御調節器である。６はリニア増幅とＰＷＭ制御を切り換えるモード切り換えスイッチである。７は電流指令の極性を判別する電流方向スイッチである。８はＰＷＭ信号発生器である。９は正極側ドライブ信号発生回路であり、正極側ドライブ信号発生回路９は主回路の正極側の第１及び第３のパワースイッチング素子Ｔ１，Ｔ３のゲートを駆動する中間信号ｓｇ１，ｓｇ３を創出する。また、１０は負極側ドライブ信号発生回路であり、負極側ドライブ信号発生回路１０は主回路の負極側の第２および第４のパワースイッチング素子Ｔ２，Ｔ４を駆動する中間信号をｓｇ２，ｓｇ４を創出する。なお、負極側ドライブ信号発生回路１０は第２のパワースイッチング素子Ｔ２のゲート信号の中間信号を作る部分回路１０ａと第４のパワースイッチング素子Ｔ４のゲート信号の中間信号を作る部分回路１０ｂからなる。１１〜１４は第１〜第４のパワースイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４のゲート信号ｇ１〜ｇ２を作るゲートドライバである。
【００１２】
次に、この制御回路の動作を説明する。
電流指令ｉ＊の絶対値｜ｉ＊｜と，大電流と小電流を判別するしきい値Ｉｔｈをモード切り換えスイッチ６によって比較して、リニア増幅とＰＷＭ制御を切り換えるモード切り換え信号Ｓ．ｍを得る。大電流時はモード切り換え信号Ｓ．ｍが１となる。したがってこの信号とＰＷＭ信号発生器８の出力信号Ｓ．ＰＷＭが，ＡＮＤ１によってＡＮＤ演算がなされ、第１および第４のパワースイッチング素子Ｔ１，Ｔ４をＰＷＭ制御をするためのゲートドライブ信号ＳＰＷＭ＋が生成される。このゲートドライブ信号ＳＰＷＭ＋を，ＩＮＶ１によってＮＯＴ演算を行って、第３および第２のパワースイッチング素子Ｔ３，Ｔ２をＰＷＭ制御するためのゲートドライブ信号ＳＰＷＭ−が生成される。更にゲートドライブ信号ＳＰＷＭ＋とゲートドライブ信号ＳＰＷＭ−は、正極側ドライブ信号発生回路９で論理演算処理がなされ中間信号ｓｇ１，ｓｇ３として出力される。負極側ドライブ信号発生回路１０に入力されたゲートドライブ信号ＳＰＷＭ＋とゲートドライブ信号ＳＰＷＭ−は，信号ＶＬ２とＶＬ４をスイッチＤＳＷ＋とＤＳＷ−により無効にするので、ゲートドライブ信号ＳＰＷＭ＋とゲートドライブ信号ＳＰＷＭ−と同じ波形の中間信号ｓｇ２，ｓｇ４として出力される。中間信号ｓｇ１〜ｓｇ４は，ゲートドライバ１１〜１４によって増幅され、第１〜第４のパワースイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４をＰＷＭ制御する。
【００１３】
一方、小電流時はモード切り換え信号Ｓ．ｍは０となる。このため正極側ドライブ信号発生回路９のＡＮＤ１とＡＮＤ２によって、ゲートドライブ信号ＳＰＷＭ＋とゲートドライブ信号ＳＰＷＭ−は０となっている。電流の極性を判別する電流方向スイッチ７の信号Ｓ．Ｐによって、第１のパワースイッチング素子Ｔ１あるいは第３のパワースイッチング素子Ｔ３をオンにするための信号が、正極側ドライブ信号発生回路９の論理演算によって作られる。これらがゲートドライバ１１，１３に送出され，ゲートドライブ信号ｇ１、ｇ３となる。
第２および第３のパワースイッチング素子Ｔ２，Ｔ４をドライブする信号は負極側ドライブ信号発生回路１０によって作られるが、電流制御調節器５の出力ｅ’が負極側ドライブ信号発生回路１０の２つの部分回路１０ａと１０ｂに入力される。ＳＴ４は出力ｅ’の正の信号を増幅して，これに第４のパワースイッチング素子Ｔ４のゲートのしきい電圧ΔＶｇ４を加え，ＤＳＷ＋を通して中間信号ｓｇ４を出力する。同様に出力ｅ’の負の信号を増幅し、第２のパワースイッチング素子Ｔ２のゲートのしきい電圧ΔＶｇ２を加算して、ＤＳＷ−から中間信号ｓｇ２を出力する。中間信号ｓｇ２とｓｇ４はゲートドライバ１２１４によって，リニア増幅のためのゲート信号ｇ２，ｇ４に変換される。
【００１４】
以上のように、本実施例の制御回路では出力電流の大小によりリニア増幅とＰＷＭ制御を切り換える。
なお、第２実施例の主回路を第３実施例の制御回路で駆動する場合は、第３実施例の制御回路を次のように変更すればよい。
（１）電流の極性により第２および第４のＴ２，Ｔ４のどちらか一方をリニア増幅動作とするときは、中間信号ｓｇ１とモード切り換え信号Ｓ．ｍとのＡＮＤ演算回路をゲートドライバ１１の入力側に、中間信号ｓｇ３とモード切り換え信号Ｓ．ｍとのＡＮＤ演算回路をゲートドライバ１３の入力側にそれぞれ付加する。これにより，小電流時は第１および第３のパワースイッチング素子Ｔ１，Ｔ３がオフとなる。
（２）第２および第４のパワースイッチング素子Ｔ２，Ｔ４を差動増幅器として動作させるときは、上記の追加回路の他に，ΔＶｇ４とΔＶｇ２のバイアス電圧（ゲートのしきい電圧）を増加し、第２および第4のパワースイッチング素子，Ｔ２，Ｔ４の動作点を変える（例えば，小電流のＡ級動作）。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
本発明は、低コスト・小形で高性能な電流制御ができるサーボ増幅器として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施例を示すサーボ増幅器の主回路の回路図である。
【図２】本発明の第２実施例を示すサーボ増幅器の主回路の回路図である。
【図３】本発明の第３実施例を示すサーボ増幅器の制御回路の回路図である。
【符号の説明】
【００１７】
１  直流電源、２  負荷、３  電流検出器、４  電流フィードバックアンプ、５  電流制御調節器、６  モード切り換えスイッチ、７  電流方向スイッチ、８  ＰＷＭ信号発生器、９  正極側ドライブ信号発生回路、１０  負極側ドライブ信号発生回路、１１〜１４ゲートドライバ、Ｔ１〜Ｔ４  パワースイッチング素子、Ｄ１〜Ｄ２  還流ダイオード、
ＰＥ１、ＰＥ３  回路素子
【図１】
2005094460.tif 000003
【図２】
2005094460.tif 000004
【図３】
2005094460.tif 000005