(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御系の制御指令と負荷の電流または電圧の検出値を入力し電力増幅器への操作量を出力するＰＩＤ制御器と、パルス幅変調あるいはリニア増幅方式による前記電力増幅器を備えたサーボ増幅器において、
定格電圧の５０％以内で電圧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圧電源と、
前記可変電圧電源の出力電圧を粗微調制御する制御信号と、前記ピーク電圧電源の出力をオンオフするピーク電圧出力スイッチ信号と、を創出する電源電圧制御器と、を備え、
前記可変電圧電源と前記ピーク電圧電源を切替えて前記電力増幅器へ電力供給するものであって、
前記電源電圧制御器が、前記制御指令または前記操作量の時間変化量が一定値より大きい場合、前記ピーク電圧電源から前記電力増幅器へ電力供給するように前記ピーク電圧出力スイッチ信号をオン出力し、前記制御指令または前記操作量の時間変化量が一定値より小さい場合、前記可変電圧電源から前記電力増幅器へ電力供給するように前記制御信号を出力し、かつ、前記ピーク電圧出力スイッチ信号をオフ出力することを特徴とする可変電源サーボ増幅器。
【請求項２】
前記電源電圧制御器が、前記可変電圧電源の出力電圧を、粗調整する可変電圧制御信号と微調整する電圧微調スイッチ用信号と、の２つの前記制御信号を出力することを特徴とする請求項１記載の可変電圧サーボ増幅器。
【請求項３】
前記可変電圧電源の出力に制御用電力半導体を接続し、前記電圧微調スイッチ用信号に基づいて前記制御用電力半導体をリニア動作させて、前記可変電圧電源の出力電圧を微調整することを特徴とする請求項１または２記載の可変電圧サーボ増幅器。
【請求項４】
前記ピーク電圧電源の出力に制御用電力半導体を接続し、前記ピーク電圧出力スイッチ信号に基づいて前記制御用電力半導体をオンオフさせて、前記電力増幅器へ電力供給させることを特徴とする請求項１記載の可変電圧サーボ増幅器。
【請求項５】
請求項１または２に記載の前記電源電圧制御器により、前記制御指令または前記操作量の時間変化量が一定値より大きい場合、前記ピーク電圧電源から前記電力増幅器へ電力供給するように前記ピーク電圧出力スイッチ信号をオン出力し、
前記制御指令または前記操作量の時間変化量が一定値より小さい場合、前記可変電圧電源から前記電力増幅器へ電力供給するように前記制御信号を出力し、かつ、前記ピーク電圧出力スイッチ信号をオフ出力し、
前記可変電圧電源と前記ピーク電圧電源を切替えることを特徴とする可変電圧サーボ増幅器の電源電圧制御方法。
【請求項６】
請求項１または２に記載の前記電源電圧制御器により、前記可変電圧制御信号に基づいて前記可変電圧電源の出力電圧を粗調整し、更に電圧微調スイッチ用信号に基づいて微調整することを特徴とする請求項１または４記載の可変電圧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】
上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。請求項１に記載の発明は、制御系の制御指令と負荷の電流または電圧の検出値を入力し電力増幅器への操作量を出力するＰＩＤ制御器と、パルス幅変調あるいはリニア増幅方式による前記電力増幅器を備えたサーボ増幅器において、定格電圧の５０％以内で電圧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圧電源と、前記可変電圧電源の出力電圧を粗微調制御する制御信号と、前記ピーク電圧電源の出力をオンオフするピーク電圧出力スイッチ信号と、を創出する電源電圧制御器と、を備え、前記可変電圧電源と前記ピーク電圧電源を切替えて前記電力増幅器へ電力供給するものであって、前記電源電圧制御器が、前記制御指令または前記操作量の時間変化量が一定値より大きい場合、前記ピーク電圧電源から前記電力増幅器へ電力供給するように前記ピーク電圧出力スイッチ信号をオン出力し、前記制御指令または前記操作量の時間変化量が一定値より小さい場合、前記可変電圧電源から前記電力増幅器へ電力供給するように前記制御信号を出力し、かつ、前記ピーク電圧出力スイッチ信号をオフ出力するものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載における前記電源電圧制御器が、前記可変電圧電源の出力電圧を、粗調整する可変電圧制御信号と微調整する電圧微調スイッチ用信号と、の２つの前記制御信号を出力するものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の可変電圧サーボ増幅器において、前記可変電圧電源の出力に制御用電力半導体を接続し、前記電圧微調スイッチ用信号に基づいて前記制御用電力半導体をリニア動作させて、前記可変電圧電源の出力電圧を微調整するものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１記載における可変電圧サーボ増幅器において、前記ピーク電圧電源の出力に制御用電力半導体を接続し、前記ピーク電圧出力スイッチ信号に基づいて前記制御用電力半導体をオンオフさせて、前記電力増幅器へ電力供給させるものである。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記電源電圧制御器により、前記制御指令または前記操作量の時間変化量が一定値より大きい場合、前記ピーク電圧電源から前記電力増幅器へ電力供給するように前記ピーク電圧出力スイッチ信号をオン出力し、前記制御指令または前記操作量の時間変化量が一定値より小さい場合、前記可変電圧電源から前記電力増幅器へ電力供給するように前記制御信号を出力し、かつ、前記ピーク電圧出力スイッチ信号をオフ出力し、前記可変電圧電源と前記ピーク電圧電源を切替えるのである。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記電源電圧制御器により、前記可変電圧制御信号に基づいて前記可変電圧電源の出力電圧を粗調整し、更に電圧微調スイッチ用信号に基づいて微調整するのである。
【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】
0004277544.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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