(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つのスイッチング素子と、この２つのスイッチング素子の間に接続された負荷であるコイルと、このコイルに蓄積された電気エネルギを放電させる回生ダイオードを有し、前記２つのスイッチング素子をスイッチング動作させる電流制御方法において、
前記コイルに流れる負荷電流の値が電流目標値よりも小さいときには、前記コイルよりも下流側のスイッチング素子を強制的に導通状態にして、コイルに蓄積された電気エネルギによる電流を、下流側のスイッチング素子と前記回生ダイオードと前記コイルとでなる閉回路に循環流通させることを特徴とする電流制御方法。
【請求項２】
２つのスイッチング素子と、この２つのスイッチング素子の間に接続された負荷であるコイルと、このコイルに蓄積された電気エネルギを放電させる回生ダイオードと、前記２つのスイッチング素子にスイッチング信号を送るスイッチング信号制御回路を有する電流制御回路において、
前記コイルに流れる負荷電流の値が電流目標値よりも小さいときには、前記コイルよりも下流側のスイッチング素子を強制的に導通状態にする転流経路制御回路を備えていることを特徴とする電流制御回路。
【請求項３】
第１相の上アームに第１のスイッチング素子を接続し、第１相の下アームに第１の回生ダイオードを接続し、第２相の上アームに第２の回生ダイオードを接続し、第２相の下アームに第２のスイッチング素子を接続し、負荷枝路にコイルを接続してなるＨ形ブリッジ回路と、
第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子にスイッチング信号を送るスイッチング信号制御回路と、
負荷電流の値を検出する負荷電流検出手段と、
検出した負荷電流の値が電流目標値よりも小さいときには、第２のスイッチング素子を強制的に導通状態にする転流経路制御手段と、を有することを特徴とする電流制御回路。
【請求項４】
前記スイッチング素子は、電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項２または請求項３の電流制御回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電流制御方法及び電流制御回路に関し、負荷であるコイルに大電流を流すことができるようにすると共に、応答性を改善したものである。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ分子ポンプ，工作用スピンドル，遠心分離器等の軸受として磁気軸受が使用されている。この磁気軸受は、回転軸の周りに複数の電磁石を配置して、電磁石の磁気吸引力により回転軸を非接触で支持するものである。しかも、回転軸の回転中心が、磁気軸受の回転中心位置に占位するように、各電磁石に流す電流を制御して各電磁石の磁気吸引力を制御している。
【０００３】
次に、磁気軸受の電磁石に流す電流を制御する従来の電流制御回路を、図２及び図３を参照して説明する。
【０００４】
図２は現在において主流となっているトランジスタ可変方式の電流制御回路１０である。このトランジスタ可変方式の電流制御回路１０では、電磁石の電磁石コイル１と、可変抵抗形トランジスタ１１と、抵抗要素１２が直列接続されている。電磁石コイル１には、ダイオード１３及び抵抗要素１４が並列接続されており、可変抵抗形トランジスタ１１にはダイオード１５が逆並列に接続されている。トランジスタ制御回路１６は、可変抵抗形トランジスタ１１のベースにトランジスタ制御信号ａを送出している。
【０００５】
トランジスタ１１のエミッタ−コレクタ間抵抗は、トランジスタ制御信号ａの値に応じて変化する。即ち、トランジスタ制御信号ａの値が大きくなると、トランジスタ１１のエミッタ−コレクタ間抵抗が小さくなり、トランジスタ１１に流れる電流、ひいては、電磁石コイル１に流れる電流が大きくなる。逆に、トランジスタ制御信号ａの値が小さくなると、トランジスタ１１のエミッタ−コレクタ間抵抗が大きくなり、トランジスタ１１に流れる電流、ひいては、電磁石コイル１に流れる電流が小さくなる。このようにトランジスタ制御信号ａの値を調整することにより、電磁石コイル１に流す電流を制御して、電磁石の電磁吸引力を制御している。
【０００６】
図３はＰＷＭ方式の電流制御回路２０である。この電流制御回路２０はＨ形混合ブリッジ回路により構成されている。即ち、Ｈ形混合ブリッジ回路の第１相（左側の相）の上アームにはＦＥＴ（電界効果トランジスタ）でなるスイッチング素子２１が接続され、第１相（左側の相）の下アームには回生ダイオード２２が接続され、第２相（右側の相）の上アームには回生ダイオード２３が接続され、第２相（右側の相）の下アームにはＦＥＴでなるスイッチング素子２４が接続されている。そして、スイッチング素子２１にはダイオード２５が、スイッチング素子２４にはダイオード２６が、それぞれ逆並列に接続されている。また、負荷枝路には抵抗要素２７と電磁石コイル１が直列接続されている。
【０００７】
差分回路２８は、抵抗要素２７での電圧降下を検出して、電磁石コイル１に流れる負荷電流の値を示す電流検出信号ｂをＰＷＭ制御回路２９に出力する。ＰＷＭ制御回路２９は、電流検出信号ｂの値が設定値となるようなＰＷＭ信号ｃをスイッチング素子２１，２４に送る。スイッチング素子２１，２４は、ＰＷＭ信号ｃのハイ・ローに応じて、ＯＮ・ＯＦＦする。スイッチング素子２１，２４がＯＮ状態（導通状態）になったときには、電源→スイッチング素子２１→抵抗要素２７→電磁石コイル１→スイッチング素子２４→アースという経路に沿い電流が流れる。スイッチング素子２１，２４がＯＦＦ状態（遮断状態）になったときには、アース→回生ダイオード２２→抵抗要素２７→電磁石コイル１→回生ダイオード２３→電源という経路に沿い電流が流れる。
【０００８】
そして、負荷電流の値が設定値よりも小さくなり、電流検出信号ｂが小さくなったときには、ＰＷＭ信号ｃのパルス幅を広く（ハイレベル期間を長く）してスイッチング素子２１，２４でのＯＮ期間を長くする。逆に負荷電流の値が設定値よりも大きくなり、電流検出信号ｂが大きくなったときには、ＰＷＭ信号ｃのパルス幅を短く（ハイレベル期間を短く）してスイッチング素子２１，２４でのＯＮ期間を短くする。このようにして、電磁石コイル１に流す負荷電流を制御することができる。
【０００９】
このＰＷＭ方式では、
（１）スイッチング素子２１，２４がＯＦＦ状態（遮断状態）になったときでも、電磁石コイル１の電気エネルギ蓄積効果を利用して、アース→回生ダイオード２２→抵抗要素２７→電磁石コイル１→回生ダイオード２３→電源という経路に沿い電流を流すことができ、また、
（２）スイッチング素子２１，２４でのスイッチングロスが小さいため、消費電力が少なく小型化にできるという利点がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで図２に示すトランジスタ可変方式は、駆動回路（可変抵抗形トランジスタ１１）での損失（発熱）が大きいということが最大の欠点である。またそのために、大型の電源や大型放熱板を必要とするため小型化ができないという欠点がある。
【００１１】
一方、図３に示すＰＷＭ方式では、スイッチング素子２１，２４のＯＮ・ＯＦＦで電流制御を行っているため、電気的ノイズ低減を行わねばならず、そのためにはキャリア（スイッチング）周波数を可聴周波数よりも高くする必要がある。しかし、ＰＷＭ方式ではキャリア周波数を高くすると、電磁石コイル１に印加する電圧と、電磁石コイル１のインダクタンスと抵抗とで一意的に決定される電流の立ち上がり，立ち下がりのための時定数のため、大電流が流せなくなり、電磁石コイル１による電磁吸引力が制限されるという問題がある。
【００１２】
本発明は、上記従来技術に鑑み、低消費電力で且つ応答性に優れ、大電流を流すことを可能とした電流制御方法及び電流制御回路を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の電流制御方法の構成は、２つのスイッチング素子と、この２つのスイッチング素子の間に接続された負荷であるコイルと、このコイルに蓄積された電気エネルギを放電させる回生ダイオードを有し、前記２つのスイッチング素子をスイッチング動作させる電流制御方法において、
前記コイルに流れる負荷電流の値が電流目標値よりも小さいときには、前記コイルよりも下流側のスイッチング素子を強制的に導通状態にして、コイルに蓄積された電気エネルギによる電流を、下流側のスイッチング素子と前記回生ダイオードと前記コイルとでなる閉回路に循環流通させることを特徴とする。
【００１４】
また本発明の電流制御回路の構成は、２つのスイッチング素子と、この２つのスイッチング素子の間に接続された負荷であるコイルと、このコイルに蓄積された電気エネルギを放電させる回生ダイオードと、前記２つのスイッチング素子にスイッチング信号を送るスイッチング信号制御回路を有する電流制御回路において、
前記コイルに流れる負荷電流の値が電流目標値よりも小さいときには、前記コイルよりも下流側のスイッチング素子を強制的に導通状態にする転流経路制御回路を備えていることを特徴とする。
【００１５】
また本発明の電流制御回路の構成は、第１相の上アームに第１のスイッチング素子を接続し、第１相の下アームに第１の回生ダイオードを接続し、第２相の上アームに第２の回生ダイオードを接続し、第２相の下アームに第２のスイッチング素子を接続し、負荷枝路にコイルを接続してなるＨ形ブリッジ回路と、
第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子にスイッチング信号を送るスイッチング信号制御回路と、
負荷電流の値を検出する負荷電流検出手段と、
検出した負荷電流の値が予め設定した負荷電流目標値よりも小さいときには、第２のスイッチング素子を強制的に導通状態にする転流経路制御手段と、を有することを特徴とする。
【００１６】
また、前記スイッチング素子は、電界効果トランジスタであることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明の実施の形態にかかるＰＷＭ方式の電流制御回路１００である。この電流制御回路１００はＨ形混合ブリッジ回路により主回路が構成されている。即ち、Ｈ形混合ブリッジ回路の第１相（左側の相）の上アームにはＦＥＴでなるスイッチング素子１０１が接続され、第１相（左側の相）の下アームには回生ダイオード１０２が接続され、第２相（右側の相）の上アームには回生ダイオード１０３が接続され、第２相（右側の相）の下アームにはＦＥＴでなるスイッチング素子１０４が接続されている。そして、スイッチング素子１０１にはダイオード１０５が、スイッチング素子１０４にはダイオード１０６が、それぞれ逆並列に接続されている。また、負荷枝路には抵抗要素１０７と電磁石コイル１が直列接続されている。つまり、負荷である電磁石コイル１は、上流側のスイッチング素子１０１と下流側のスイッチング素子１０４との間に接続されている。
【００１９】
この電流制御回路１００には電源３０から直流電流が供給される。そして、後述するように、スイッチング素子１０１，１０４のスイッチング動作制御をすることにより、電磁石コイル１に流れる負荷電流の値を調整している。
【００２０】
差分回路１０８は、抵抗要素１０７での電圧降下を検出して、電磁石コイル１に流れる負荷電流の値を示す電流検出信号ｂをＰＷＭ制御回路１０９に出力する。ＰＷＭ制御回路（スイッチング信号制御回路）１０９は、電流検出信号ｂの値が設定値となるようなＰＷＭ信号（スイッチング信号）ｃをスイッチング素子１０１，１０４に送る。なお、スイッチング素子１０１には直接ＰＷＭ信号ｃが送られるが、スイッチング素子１０４にはＯＲ回路１１０を介してＰＷＭ信号ｃが送られる。またＰＷＭ制御回路１０９におけるキャリア周波数は、電気的ノイズ低減のため高く設定してある。
【００２１】
転流経路制御回路１１１は、電流検出信号ｂの値と電流目標値とを比較し、電流検出信号ｂの値が電流目標値を上回っている場合（即ち負荷電流の値が電流目標値を上回っている場合）には、ローレベルとなっている転流経路制御信号ｄを出力し、電流検出信号ｂの値が電流目標値を下回っている場合（即ち負荷電流の値が電流目標値を下回っている場合）には、ハイレベルとなっている転流経路制御信号ｄを出力する。この転流経路制御信号ｄはＯＲ回路１１０を介して、下流側のスイッチング素子１０４に入力される。
【００２２】
上記構成となっている電流制御回路１００の制御動作を、（１）電流検出信号ｂの値が電流目標値を上回っている場合と、（２）電流検出信号ｂの値が電流目標値を下回っている場合に分けて説明する。
【００２３】
（１）電流検出信号ｂの値が電流目標値を上回っている場合（即ち負荷電流の値が目標値を上回っている場合）の制御動作。
この場合には、転流経路制御信号ｄはローレベルとなっている。一方、ＰＷＭ信号ｃがスイッチング素子１０１，１０４に入力され、スイッチング素子１０１，１０４は、ＰＷＭ信号ｃのハイ・ローに応じて、スイッチング動作してＯＮ・ＯＦＦする。
【００２４】
そして、スイッチング素子１０１，１０４がＯＮ状態（導通状態）になったときには、電源３０→スイッチング素子１０１→抵抗要素１０７→電磁石コイル１→スイッチング素子１０４→アースという経路に沿い電流が流れる。
【００２５】
スイッチング素子１０１，１０４がＯＦＦ状態（遮断状態）になったときには、電磁石コイル１に蓄積された電気エネルギーにより、アース→回生ダイオード１０２→抵抗要素１０７→電磁石コイル１→回生ダイオード１０３→電源３０という放電経路に沿い電流が流れる。このような放電経路に沿い流れる電流は急速に減衰して強制放電され、放電は急速に進行する。このように放電経路に流れる電流が急速に減衰する理由は、キャリア周波数を高くすると、電磁石コイル１に印加する電圧と、電磁石コイル１のインダクタンスと抵抗とで一意的に決定される電流の立ち上がり，立ち下がりのための時定数のため、電流が抑制されるからである。しかし、この場合には、電流検出信号ｂの値（負荷電流の値）が電流目標値を上回っているので、むしろ好都合である。
【００２６】
（２）電流検出信号ｂの値が電流目標値を下回っている場合（即ち負荷電流の値が電流目標値を下回っている場合）の制御動作。
この場合には、転流経路制御信号ｄはハイレベルとなる。一方、スイッチング素子１０１は、ＰＷＭ信号ｃのハイ・ローに応じてＯＮ・ＯＦＦする。また、スイッチング素子１０４は、ＯＲ回路１１０を介してハイレベルの転流経路制御信号ｄが入力されるため、ＰＷＭ信号ｃのハイ・ローにかかわらず、強制的にＯＮ状態になっている。
【００２７】
このためＰＷＭ信号ｃがハイレベルになった状態では、スイッチング素子１０１，１０４が共にＯＮ状態（導通状態）になる。このときには、電源３０→スイッチング素子１０１→抵抗要素１０７→電磁石コイル１→スイッチング素子１０４→アースという経路に沿い電流が流れる。
【００２８】
ＰＷＭ信号ｃがロウレベルになった状態では、スイッチング素子１０１はＯＦＦ状態（遮断状態）になるが、スイッチング素子１０４はＯＮ（導通状態）を維持したままとなる。このため、電磁石コイル１に蓄積された電気エネルギーにより、電磁石コイル１→スイッチング素子１０４→回生ダイオード１０２→抵抗要素１０７→電磁石コイル１という閉回路に沿い電流が循環流通（転流）する。このような閉回路に沿い電流を循環流通（転流）させるため、電気エネルギーの放電は遅れ、前記閉回路に流れる循環電流の減衰は緩慢になる。
【００２９】
このため、ＰＷＭ信号ｃがロウレベルからハイレベルに変化した場合には、さほど減衰していない循環電流（負荷電流）の値から負荷電流の値が上昇していくため、負荷電流を大きくすることができる。この結果、キャリア周波数を上げながら大電流を流すことができる。しかも、電流検出信号ｂの値に応じてスイッチング素子１０４を選択的にＯＮ状態にしているため、低消費電力と高応答性とを同時に実現することが可能になる。またＰＷＭ方式に元来備わっている、低消費電力で、且つ、電流制御の高追従性というメリットをそのまま保持している。
【００３０】
【発明の効果】
以上、実施の形態と共に具体的に説明したように本発明の電流制御方法では、２つのスイッチング素子と、この２つのスイッチング素子の間に接続された負荷であるコイルと、このコイルに蓄積された電気エネルギを放電させる回生ダイオードを有し、前記２つのスイッチング素子をスイッチング動作させる電流制御方法において、前記コイルに流れる負荷電流の値が電流目標値よりも小さいときには、前記コイルよりも下流側のスイッチング素子を強制的に導通状態にして、コイルに蓄積された電気エネルギによる電流を、下流側のスイッチング素子と前記回生ダイオードと前記コイルとでなる閉回路に循環流通させる構成とした。
また本発明の電流制御回路では、２つのスイッチング素子と、この２つのスイッチング素子の間に接続された負荷であるコイルと、このコイルに蓄積された電気エネルギを放電させる回生ダイオードと、前記２つのスイッチング素子にスイッチング信号を送るスイッチング信号制御回路を有する電流制御回路において、前記コイルに流れる負荷電流の値が電流目標値よりも小さいときには、前記コイルよりも下流側のスイッチング素子を強制的に導通状態にする転流経路制御回路を備えている構成とした。
【００３１】
このような構成にしたため、本発明では、電磁石コイル等のコイルに印加する電圧とコイルのインダクタンスと抵抗で一意的に決定されていた電流の立ち下がり時間を選択することが可能となり、これにより放電時のコイルからの電気エネルギの放出を抑制して大電流を流すことが可能になる。しかも、従来のスイッチング方式のメリットである低消費電力という特性を同時に実現することができる。
【００３２】
また本発明の電流制御回路では、第１相の上アームに第１のスイッチング素子を接続し、第１相の下アームに第１の回生ダイオードを接続し、第２相の上アームに第２の回生ダイオードを接続し、第２相の下アームに第２のスイッチング素子を接続し、負荷枝路にコイルを接続してなるＨ形ブリッジ回路と、第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子にスイッチング信号を送るスイッチング信号制御回路と、負荷電流の値を検出する負荷電流検出手段と、検出した負荷電流の値が電流目標値よりも小さいときには、第２のスイッチング素子を強制的に導通状態にする転流経路制御手段と、を有する構成とした。
この場合、前記スイッチング素子は、電界効果トランジスタである構成とした。
【００３３】
このような構成にしたため、本発明では、電磁石コイル等のコイルに印加する電圧とコイルのインダクタンスと抵抗で一意的に決定されていた電流の立ち下がり時間を選択することが可能となり、これにより放電時のコイルからの電気エネルギの放出を抑制して大電流を流すことが可能になる。しかも、従来のスイッチング方式のメリットである低消費電力という特性を同時に実現することができる。
しかも、Ｈ形ブリッジ回路を利用した従来の電流制御回路に、転流経路制御手段を付加することにより、簡単に本願発明を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる電流制御回路を示す回路図。
【図２】従来のトランジスタ可変方式の電流制御回路を示す回路図。
【図３】従来のＰＷＭ方式の電流制御回路を示す回路図。
【符号の説明】
１  電磁石コイル
３０  電源
１００  電流制御回路
１０１，１０４  スイッチング素子（ＦＥＴ）
１０２，１０３  回生ダイオード
１０５，１０６  ダイオード
１０７  抵抗要素
１０８  差分回路
１０９  ＰＷＭ制御回路
１１０  ＯＲ回路
１１１  転流経路制御回路
ｂ  電流検出信号
ｃ  ＰＷＭ信号
ｄ  転流経路制御信号
【図１】
0004467752.tif 000002
【図２】
0004467752.tif 000003
【図３】
0004467752.tif 000004