計測自動制御学会東北支部 第162回研究集会（1996．7．19）
資料番号162−1

光絶縁出力を用いた小形制御用モータの駆動回路

Ddvi喝CircuitofSmallControIMotorUsingOpticalInsulatedDevice
ロ川上 誠

三浦 武 秋山 宜万 谷口 敏幸

OMヰkobKawakani，Tal（eShiMiun，YoshikaEuA女iyama，To＄hiytlkiTmiguchi
秋田大学
Aki也Unive柑i吋

キーワード：光絶縁（opticalinsulation），ホトカブラ（photocoupler）

DCサーボモータ（DC survomotor）

連絡先：〒010 秋田市手形学園町1−1秋田大学鉱山学部 電気電子工学科
三浦 武．Tel．：（0188）89−2338．Fax．：（0188）3T−04D6，E−mail：rDiuraeipc．akita4u．白C．jp

1．はじめt；

光絶縁出力とはモータ駆動回路の出力部をホトカプラなどの光アイソレー
タを用いて電気的に絶縁した出力形式である。駆動回路としての性能を劣化させることなく出力部の絶縁が可能であれば、スイッチング時のノイズ対策が容易になるなど回路実装時には大きな利点になると考えられる。しかし、非線形性を有するホトカプラを信号伝達に用いた駆動回路においては伝達関数を理論的に計算するのは容易ではなく、正確に勤特性を把捉するのは難しい。したがって現状ではシミュレーションあるいは実装回的に回路パラメータを決定して特性改善を行わなければならない。駆動周波数など使用条件の変更が頻繁に要求される応用においてはこの方法は実用的ではない。しかし伝達関数あるいは動特性が近似的にではあっても知れていれば最適な回路パラメータを比較的容易に決定できると考えられる。さらには駆動回路を含んだ制御系の特性評価も可能となり設計上極めて有効である。
本研究の目的は光絶縁出力を用いた駆動回路で伝達関数と回路パラメータ調整の関連を明確にし、小形制御用モータの制御系において最適な駆動回路を実現することである。

2．ユニポーラ駆動回路の試作
2．1回路構成

図1に試作したユニポーラ駆動回路の回路構成を示す。基本はオペアンプとトランジスタを用いた電圧制御型の駆動回路である。増幅回路、帰還回路
ー1−に用いたホトカプラの二次側出力はエミッタフォロア型とした。また、ホトカプラニ次偶の負荷電流は小さいため出力トランジスタはダーリントン接続とした。V2はホトカプラー次側順方向電圧（VF）による出力電圧の上昇を補正するための電圧である。本回路においてはホトカプラは単なるスイッチン
グではな〈、増幅回路および帰還回路において連続的に動作している。

固1 ユニポーラ駆動回路

2．・2 試作回路の評価
本回路においては帰還回路にホトカプラを用いているため，入出力間の非線形性が間顆となる。帰遭回路が抵抗であれば出力はオペアンプによって正確に制御され出力は入力に完全に比例する1）。実際回路パラメータ調整を行わなければ非線形となってしまい、出力は歪んでしまう。そこで、駆動回路内の回路Jlラメ一夕の調整で改善を試みたところ、ホトカプラー次側の電流制限抵抗R占の値を変えることにより直線性を改善できることが判明した。その結果を図2に示す。これはゲインを10倍に設定し入力指令を0Vから川まで0．2Vステップで変化させた時の出力の応答波形である。このように最適ではないが回路抵抗の調整のみで直線性の改善が可能である。しかし実際の回路上での調整は実用的ではなく、制御を簡単に実行するには、場合によっては由令による補正などの検討も必要である。

− 2 −．定．オ．

ゲインを10借に設
図3に示す。カット

した場合の■周波数特性を実験的に求めた。その結果を
フ周波数は約10k日工である。

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二∧U−1リ0ロ ロ0王

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1rい周波触．【H王］

固3 ユニポーラ駆軌回路の周波数特性
声．バイポーラ駆動回路の試作
3．1 シミュレーションによる検討
DCサーボモータの制御においては正転、逆転が可能なバイポーラ由軌回路が一般的に用いられる。・・図4にパイポ・−ラ駆動回路の基本構成を示す。 i＿、．ご− オペアンプとペース両を光■絶縁する■ための回路はで・きる限り少ない素子で il簡易に構成されるのが望まし■い。そこで帰趨回酪を光絶縁しない形式でその 」

回路構成をシミュレーショ■■ンにより検討した．‡シミュレーションによ錯醍的に決定した回路柄成を図1りこ示す。上の回由構成にすることで光絶縁 1て■形式のバイポーラ駆軌が可能になったい− 3 −V

図2 回路抵抗調整による直線性の改善結集●l（b）改善前の山力応答

VS．1﹂U．□．／ノ′∩

m（a）改善彼の山力点答

V−

2−！・−・・・・…I・・・−・・−−−・」・−・・一仙・・・i−−−・−j・．・∪・】】H…；w¶‖。仙．；→．．．ト．】HH。；

図4 バイポーラ駆動回路の基本構成◆Vl

図5 バイポーラ駆動回路

この回路の過渡解析の結果を図6に示す。ゲインは10借に設定し、負荷は10日抵抗とした。結果を見るとゼロタロ女時に波形に歪みが生じているが、これはオ云アンプがホトカプラー次側をターンオンさせるため息故にスイッチングを行うため生じるも町である。シミュレーションによる回路パラメータ調整ではこれ以上歪みを改善できなかった。

ー 4 −（b）周波数10k‖z（a）周波数1k11z
固6 バイポーラ駆動回路のシミュレーション波形ー 5 −3．2 試作回路の評価
シミュョンと同様に正弦波駆動時の応答波形を観軋した。周波数1kHヱ、10kH五時の信号波形を図7に示す。シミュレーションと同様ゼロクロス時に波形が歪むが10kH且′ではかなり歪んでしまう。波形からはオペアンプ出力のノイズが原因であると考えられるがメカニズム等については未検討である。今後はシミュレーションと合わせて検討を行っていく。

5V／div

1V／div

20J⊥S／div

0．2ms／div

ベーース

5V／div

5V／div
オペアンプ
出力0．2ms／div（b〕周波数10k舶（a）周波数1k11ヱ

囲7 バイポーラ駆動回路の応答波形
ユニポーラ駆動回路と同様にゲインを10倍に設定した場合の周波数特性を実験的に求めた。その結果を図8に示す。カットオフ周波数は約10kHzである。
−6−爪V∧J−

1 11lllll

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010Illl01105用濃牡［H王】図8 バイポーラ駆動回路の周波数特性
4．出力を完全に光絶縁したバイポーラ駆動回路の検討
出力を完全に光絶縁したバイポーラ駆動回路の回路構成をシミュレーションにより決定した。図9に回路構成と図10にシミュレーション結果を示す。
図6のシミュレーション結果と比較すると波形の歪みが大きくなっているが前述の試作回路と同様に十分に動作すると考えられる。
ヽ●Vl−V● −V■

図9 出力を完全に光祐録したバイポー

一 丁 −

ラ駆動回路

（b）周波数10kトほ（a）周波数1k舶園10 出力を完全に光絶縁したバイポーラ駆動回路のシミュレーション波形ー 8 −5．終わりに
現状は光絶縁出力を用いた駆動回路の軌特性と回路パラメータの関係が未知であるため特性を調整、改善するにはどう しても試行錯誤的になってしまい、回路設計が煩雑になってしまう。今後は、解析的に軌特性を評価できるように伝達関数と回路パラメータの関連を検討していく。

参考文献

1）谷口，河村，佐藤，能登：ホトカップラとトランジスタを用いた小電力用の電圧・電流制御電源回路方式，電学論B，106巻7号．p641（昭和61）

ー9−