JPH01126185A - 速度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は回転体などの制御対象の速度信号の周期を計測
して、基準値からの誤差データに基づいて制御対象を駆
動する速度制御装置に関するものである。

従来の技術 第６図は家庭用ビデオテープデコーダのキャプスタンモ
ータの回転速度制御系の代表的な機能ブロックダイアグ
ラムを示したものである。第６図において、キャプスタ
ンモータ１に連結された周波数発電機２からは、第７図
Ａに示すような交流信号が出力されるが、この交流信号
はキャプスタンモータ１の回転速度に依存した繰り返し
周期を有しており、ＦＣ信号増幅器３によって第７図Ｂ
に示すような方形波にまで増幅されて波形整形される。

さらに、逓倍回路４において、第７図Ｂの信号波形から
第７図Ｃの信号波形が作りだされて速度誤差検出器５に
送られる。一方、速度誤差検出器５では第７図Ｃの信号
波形のリーディングエツジ（前縁）から次のリーディン
グエツジまでの周期がカウンタ等によってディジタル的
に計測され、固定基準値からの誤差データが出力される
。

この誤差データは、ディジタルフィルタ６によって周波
数領域のゲイン補償が行なわれたうえで、Ｄ−Ａコンバ
ータ７に供給され、Ｄ−Ａコンバータ７の出力はキャプ
スタンモータ１を駆動するためのモータ駆動回路８に供
給される。

したがって、第６図に示したブロックはキャプスタンモ
ータ１を定速回転させるための閉ループ速度制御系を構
成している、また、第６図の装置において、逓倍回路４
は速度制御系の応答性を改善するために使われている。

すなわち、キャプスタンモータの回転速度は、第７図Ｃ
の信号波形のリーディングエツジが到来する毎に、前回
のリーディングエツジの到来時点からの速度変化分の平
均値として計測される（一般に移動平均と呼ばれる。）
が、逓倍回路４を用いない場合には第７図Ｂの信号波形
のリーディングエツジ間を計測することになり、計測イ
ンターバルが長くなって制御Ｂ系の応答特性が悪化する
、これを解消するには、周波数発電機２の出力周波数（
以下、ＦＧ周波数と略記する。）を高くすればよいが、
機械的な加工精度の問題から限界があった。したがって
、ＦＧ周波数を電気的に逓倍する方法が多用され、第７
図に示したようなエツジ逓倍法はその代表的なものであ
る。

発明が解決しようとする問題点 ところで、このような速度制御装置における制ＪＴｊ系
の最高動作周波数はＦＣ周波数によって規制されること
になるが、その模様を第８図に示した制御系のブロック
図を参照しながら説明する。まず、第８図において、モ
ータのトルク定数を表すＫｔ　　（ｇ−ｅ１ｍ／Ａ）と
、慣性および粘性ブロックがモータの伝達関数を表して
おり、Ｊ　（ｇ−０１・５ｅｃ−ｓａｃ／ｒａｄ）は慣
性モーメント、Ｄ（ｇ−ｃｍ・ａｅｃ／ｒａｄ）は粘性
抵抗、Ｓはラプラス演算子である。モータの回転速度は
、一回転あたりＰ個の歯数を有する周波数発電機（ＦＧ
）によって速度信号に変換され、入出力サンプラとカウ
ンタおよび移動平均要素によって構成されるカウンタに
よってこの速度信号の周期毎のインターバルが計測され
る。サンプラを除いたカウンタ部の伝達関数Ｇｃは次式
で示される。

ただし、 ２π ここに、Ｆ（ｋ（Ｈｚ）はカウンタに供給される基準ク
ロックの周波数、”ｌ”（ｓｅｃ）はサンプリング周期
である。

カウンタから出力される計測値から基準値が減算され、
その誤差データは伝達関数Ｏｆを有するディジタルフィ
ルタを介してＤ−Ａコンバータの入力バッファによって
構成される０次ホルダーに供給される。この０次ホルダ
ーの伝達関数は良（知られているように次式で与えられ
る。

また、Ｄ−Ａコンバータのビット数をｎ、供給電圧をＶ
ｃｃとしたとき、Ｄ−Ａコンバータの変換ゲインＫｘは
次式で与えられる。

Ｄ−Ａコンバータの出力は伝達コンダクタンスｇｍ（Ａ
／Ｖ）を有するモータ駆動回路に供給され、その出力電
流がモータに供給される。

さて、第８図の各ブロックのうち、サンプリング周期Ｔ
によって伝達関数の位相特性が変化するのがカウンタと
ホルダーであり、任倉の周波数ｆに対する両者の位相特
性θＣ９θｈは、それぞれ［１，＋３１式から以下のよ
うになる。

θＣ−π・ｆ−Ｔ　　　　　　　　　　・・・・・・（
５）θｈ−π・ｆ−Ｔ　　　　　　　　　　・・・・・
・（６）一方、制御系が安定に動作するためには、開ル
ープゲインが０になる周波数において、４０〜６０度の
位相余裕が要求されるが、その周波数では第８図の慣性
・粘性ブロック内の伝達関数のうち、慣性項が支配的と
なって、この部分で９０度の位相遅れが生じる。したが
って、仮に６０度の位相余裕を確保しようとすると、（
５１，＋６１式で与えられるθＣとθｈの和が３０度、
すなわち、π／６よりも小さくなる必要がある。この条
件からＦＣ周波数Ｆｆｇと、安定に制御可能な最高周波
数Ｆｃの関係が求められ、次式が成立する。

Ｆｃツ□ ２Ｔ ２Ｔ このように、速度制御装置における制御系の最高動作周
波数はＦＣ周波数によって規制されるが、先に述べたＦ
Ｃ周波数の逓倍法は、速度信号のリーディングエツジと
トレイリングエツジを利用することによってサンプリン
グ周期Ｔを２分の１に短縮し、実質的にＦＣ周波数の６
分の１の周波数まで制御帯域を広げる効果を有する。し
かしながら、従来技術ではここまでの制御特性の向上が
限界であり、それ以上の周波数まで制御帯域を広げるに
はＦＣ周波数そのものを高くする必要があった。

問題点を解決するための手段 前記した問題点を解決するために本発明の速度制御装置
では、平均速度計測手段によって各計測時点に測定され
る平均速度の測定値から得られる速度誤差データを出力
する速度誤差演算手段と、各計測時点における平均測定
値とそれ以前の測定値から、次の速度誤差データが出力
される以前に出力すべき速度誤差データを予測してその
データを出力する中間点誤差予測手段と、前記速度誤差
演算手段の出力データと前記中間点誤差予測手段の出力
データの基づいて前記制御対象を駆動する駆動手段を備
えている。

作用 本発明では前記した構成によって、これまで以上に高い
周波数まで安定に動作させ得る速度制御装置を実現でき
る。

実施例 以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説
明する。

第１図は本発明の一実施例における速度制御装置のブロ
ックダイアグラムを示したものであり、第６図と同一の
ブロックは同一図番にて示されている。第１図の装置で
は、外部からの基準クロックをカウントするカウンタ９
の出力が速度誤差演算ブロック１０に供給され、前記速
度誤差演算ブロック１０の出力データは中間点誤差予測
ブロック２０に供給され、前記中間点誤差予測ブロック
２０からの出力データはディジタルフィルタ６に供給さ
れている。また、逓倍回路４の出力信号は前記カウンタ
９と前記速度誤差演算ブロック１０および前記中間点誤
差予測ブロック２０に制御信号として供給されている。

前記速度誤差演算ブロック１０は、前記逓倍回路４の出
力信号のリーディングエツジが到来したときに、前記カ
ウンタ９のカウント量と基準値を加算する加算器１１と
、前記加算器１１に基準値データを供給する基準値発生
器１２と、前記加算器１１の出力データを記憶する第１
メモリ１３によって構成され、前記中間点誤差予測ブロ
ック２０は、前記逓倍回路４の出力信号のリーディング
エツジが到来したときに、前記第１メモリ１３のそれま
での記憶データを記憶する第２メモリ２１と、前記逓倍
回路４の出力信号のリーディングエツジが到来した後に
前記第１メモリ１３と前記第２メモリ２１の記憶データ
から、その時点のデータの推移を予測する予測器２２に
よって構成されている。なお、ディジタルフィルタ６の
サンプリングクロックは逓倍回路４と前記予蒼器２２か
ら供給されている。また、前記基準値発生器１２は、前
記加算器１１において減算を行なわせるために負の符号
付データを出力するものとする。

以上のように構成された速度制御装置について、第１図
のブロック構成図、第２図のフローチャート、ならびに
第３図の信号波形図をもとにその動作を説明する。なお
、第２図は中間点誤差予測ブロック２０の動作を表した
フローチャートであり、この中では第１図のブロック図
に示されていないレジスタを使用しているが、これは、
マイクロプロセッサを用いて速度誤差演算ブロック１０
および中間点誤差予測ブロック２０の動作を行なわせる
ことを想定したもので、第１メモリ１３、第２メモリ２
１ならびにフローチャート内で用いられている第３メモ
リはいずれもマイクロプロセッサ内のデータメモリを使
用することができ、加減算を始めとする各種の算術演算
もマイクロプロセッサが有している算術論理演算ユニッ
ト（ＡＬＵ）によって実行することができる。また、第
３図Ａは周波数発電ａ２の出力信号波形図で、第３図Ｂ
は逓倍回路４の出力信号波形図である。

第２図のブランチ６１において逓倍回路４から出力され
る速度信号、すなわち、第３図Ｂの信号のリーディング
エツジが到来したか否かを判別し、到来していれば処理
ブロック６２に処理を移し、新たなリーディングエツジ
が到来していなければブランチ６６に処理を移す。

処理ブロック６２では第１図の第１メモリ１３に格納さ
れているデータを第２メモリ２１に転送し、カウンタ９
から出力される区間あたりのカウント量に基準値を加算
して求めた平均誤差データを第１メモリ１３に格納して
いる。

処理ブロック６３では第２メモリ２１に格納されている
データの値から第１メモリ１３のデータの値を減算して
レジスタに格納し、レジスタの値とあらかじめ準備され
ている予測係数値の乗算を行なってその結果をレジスタ
に再格納し、第１メモリ１３に格納されているデータの
値からレジスタの値を減算して、その結果を一時的に待
避させるために、第１図には図示されていない第３メモ
リに格納している。

処理ブロック６４では第２メモリ２１に格納されている
データのイ直から第１メモリ１３のデータの値を減算し
てレジスタに格納し、レジスタの値を２分の１にしてい
る。

処理ブロック６５では、第１メモリ１３に格納されてい
るデータの値からレジスタの値を減算してその結果を出
力している。第１図のディジタルフィルタ６にはこの出
力データが供給される。

この一連の処理の意味を第３図を用いて説明する。第３
図の時刻ｔ５が経過した後に処理ブロック６２〜６５に
おける処理が行なわれていると仮定すると、処理ブロッ
ク６２での処理によって、第１メモリ１３には時刻ｔ３
から時刻ｔ５までの区間におけるキャプスタンモーター
の平均速度誤差に依存したデータが格納され、第２メモ
リ２１には時刻ｔ１から時刻ｔ３までの区間における平
均速度誤差に依存したデータが格納される０時刻ｔ１か
ら時刻ｔ５までの速度信号の１サイクルの間のキャプス
タンモーターの回転速度誤差の瞬時計測値が直線近似で
きるものとすると、第１メモ’Ｊ　１３に格納されてい
るデータは時刻ｔ４、すなわち、時刻ｔ３と時刻ｔ５の
中間点における瞬時計測値ｍ１を表し、第２メモリ２１
に格納されているデータは時刻ｔ２における瞬時計測値
ｍ２を表すことになる。したがって、第３図の時刻ｔ５
における瞬時計測値の推定値ＲＯは以下の演算を実行す
ることによって求まり、この演算は処理プロ７り６４と
処理ブロック６５において行なわれる。

２−ｍｌ ＲＯ＝　ｍ　１−−　　　　　−−−　・−（８１さて
、第３図の時刻ｔ３．ｔ５．ｔ６の関係は以下のように
設定されている。

ｔ　　５−ｔ　　３ ｔ　　６　＝　ｔ、　５　＋　　□　　　　　　　・・
・・・・（９）すなわち、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの
時間は時刻ｔ３から時刻ｔ５までの時間の半分になるよ
うに設定されている。したがって、時刻ｔ３から時刻ｔ
６までの間にキャプスタンモーターの回転速度の瞬時誤
差が直線的に変化するなら、時刻ｔ６における瞬時誤差
Ｒ１は（８）式で求まる推定値ＲＯから（８）式の右辺
第２項をさらに減算すればよいことになる。しかしなが
ら、時刻ｔ５での瞬時誤差の推定値ＲＯが、時刻ｔ３か
ら時刻ｔ５までの間の実際の平均速度の計測値に基づい
て推定できるのに対して、時刻ｔ５時点での時刻ｔ６に
おける瞬時誤差Ｒ１の予測は、時刻ｔ５から時刻ｔ６ま
での間のキャプスタンモーターの挙動が未知であること
から、あいまい度が高くなる。事実、時刻ｔ５における
推定誤差ＲＯの出力は、キャプスタンモーターの慣性モ
ーメントの違いによってその影響度が異なるものの、時
刻ｔ６における瞬時回転速度に影響を与え、実際の瞬時
誤差は第３図に示したＲ１の大きさよりも小さくなる。

このため、処理ブロック６３では、第２メモリ２１に格
納されているデータの値ｍ２から第１メモリ１３のデー
タの値ｍ１を減算した値と、１よりも小さい予測係数の
乗算を行なったうえで予測値を導出している。この予測
係数はキャプスタンモータ１の慣性モーメントなどを反
映させた固定値としてあらかじめ用意しておくことがで
きる。また、第３図の時刻ｔ７が経過した時点で、時刻
ｔ５から時刻ｔ７までの区間における平均速度誤差が計
測されるので、その時点で予測係数の値の妥当性を評価
して修正していくこともできる。

第２図のブランチ６６では第２の誤差データの出力点が
到来したか否かを判別しているが、ここでは、第３図の
時刻ｔ５が経過した後に時刻ｔ６の時点が到来するまで
の待ち合わせを行なっている。

第２の誤差データの出力点が到来すれば、処理ブロック
６３において第３メモリに待避させた瞬時誤差の予測値
を出力しく処理ブロック６７）、処理ブロック６８にお
いて、ディジタルフィルタ６にサンプリングを開始させ
る（サンプリングクロックの供給、）。

なお、第２図のフローチャートにおいて、処理ブロック
６２におけるカウント量と基準値との加算ならびに加算
結果の第１メモリへの格納が速度誤差演算ブロック１０
での処理であり、その以外の処理はすべて中間点誤差予
測ブロック２０での処理である。

このようにして、第１図に示した速度制御装置では、例
えば第３図の時刻ｔ５と時刻ｔ６の時点において、キャ
プスタンモータ１の速度誤差の瞬時値が中間点誤差予測
ブロック２０を構成する予測器２２による推定値ＲＯと
予ｍ値Ｒ１として出力されるため、制御可能な最高周波
数Ｆｃは従来の速度制御装置に比べて高くなる。

ところで、第１図に示した実施例では、中間点誤差予測
ブロック２０から推定値ＲＯと予測値Ｒ１を出力させて
いるが、第３図の時刻ｔ５の時点には第１メモリに格納
された平均速度誤差データｍ１を出力させ、時刻ｔ６の
時点で瞬時速度誤差の推定値ＲＯを平均速度誤差の予測
値として出力させるようにすれば、制御帯域の拡大の効
果は小さくなるものの、予測処理は簡単になる。第４図
ならびに第５図はそれぞれこの場合のブロックダイアダ
ラムとフローチャートを示したものであり、第５図から
れかるように、第１図に示した速度制御装置では、例え
ば第３図の時刻ｔ５の時点では、計測された平均速度誤
差データｍｌをそのまま出力し、時刻ｔ６の時点が到来
すれば、平均速度誤差の予測値ＲＯを導出して出力して
いる。

第１図および第４図に示した速度制御装置では、逓倍回
路４の出力信号によるサンプリング周期をＴとしたとき
、ディジタルフィルタ６の入力データはＴ／２の周期で
更新され、ディジタルフィルタのサンプリングクロック
の周期もＴ／２となるので、Ｄ−Ａコンバータの入力バ
ッファによって構成される０次ホルダーの位相特性θｈ
は次式で与えられる。

π　・　ｆ−Ｔ したがって、この部分における位相遅れは従来の半分に
なり、逓倍回路４を使用するものとすると、ＦＣ周波数
Ｆｆｇと安定に制御可能な最高周波数Ｆ’ｃの関係は以
下のようになる。

４．５ 発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明の速度制御装置
は、キャプスタンモーターなどに代表される制御対象の
速度に依存した周期を有する速度信号の周期毎のインタ
ーバルを計測して、該計測区間における平均測定値とし
て出力する平均速度計測手段（実施例ではカウンタ９に
よって平均速度計測手段を実現しているが、マイクロプ
ロセッサのプログラムとデータメモリとの組み合わせな
どによってもこれを実現することができる。）と、平均
速度の測定値から得られる速度誤差データを出力する速
度誤差演算手段（速度誤差演算プロフり１０）と、各計
測時点における平均測定値とそれ以前の測定値から、次
の速度誤差データが出力される以前に出力すべき速度誤
差データを予測してそのデータを出力する中間点誤差予
測手段（中間点誤差予測ブロック２０）と、前記速度誤
差演算手段の出力データと前記中間点誤差予測手段の出
力データに基づいて前記制御対象を駆動する駆動手段（
モータ駆動回路８）を備えているので、これまで以上に
高い周波数まで安定に動作させ得る速度制御装置を実現
でき、大なる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す速度制御装置のブロッ
クダイアグラム、第２図は第１図の装置の動作を説明す
るフローチャート、第３図は第１図の主要部の信号波形
図、第４図は本発明の別の実施例を示すブロックダイア
グラム、第５図は第４図の装置の動作を説明するフロー
チャート、第６図は従来例を示すブロックダイアグラム
、第７図は第６図の主要部の信号波形図、第８図は制御
系の伝達関数を示したブロックダイアグラムであｌ・・
・・・・キャプスタンモータ、８・・・・・・モータ駆
動装置、９・・・・・・カウンタ、１ｏ・・・・・・速
度誤差演算ブロック、２０・・・・・・中間点誤差予測
ブロック。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名ｉ　　　　
　　　　　派

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 制御対象の速度に依存した周期を有する速度信号の周期
   毎のインターバルを計測して、前記計測区間における平
   均測定値として出力する平均速度計測手段と、平均速度
   の測定値から得られる速度誤差データを出力する速度誤
   差演算手段と、各計測時点における平均測定値とそれ以
   前の測定値から、次の速度誤差データが出力される以前
   に出力すべき速度誤差データを予測してそのデータを出
   力する中間点誤差予測手段と、前記速度誤差演算手段の
   出力データと前記中間点誤差予測手段の出力データに基
   づいて前記制御対象を駆動する駆動手段とを具備してな
   る速度制御装置。