JPH0352582A - モータの制御電圧算出方法 - 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】 く産業上の利用分野〉 この発明は、モータの制御電圧算出方法に関し特に、モ
ータの回転速度をＰＷＭ信号によって１；１御する場合
におけるＰＷＭ信号の算出方法に関するものである。

く従来の技術〉 モータの回転速度制御装置の中にはＰＷＭ信号によって
制御するようにしたものがある。

このような回転速度制御装置は、たとえば複写機等の原
稿読取装置における光学系駆動用のＤＣサーボモー夕制
御装置にも採用されている。

光学系駆動用のサーボモータ制御装置においては、特に
、光学系の移動に伴ない摩擦抵抗等が変化してモータ負
荷が変動しても、追従性よくサーボモータを一定速度に
保ち、光学系を一定速度で移動させる必要がある。

従来は、サーボモー夕を一定速度に保つために、目標速
度と実際の検出速度との速度差に比例した電圧によって
ＰＷＭ信号を得る比例制御が行われていた。

く発明が解決しようとする課題〉 ところが、従来の比例制御では、実際の検出速度から目
標速度までモータ速度を増加させる場合の加速度が、目
標速度の大小によって変わり、目標速度が大きい程加速
度が小さく、目標速度に達するまでの時間が長くなり、
追従性が良くないという欠点があった。

より具体的に説明をする。

モータに電圧Ｖを加えた時の運動方程式は、一般に、 −Ｖ−Ｒａ（Ｉｏ＋ＴａＬ／Ｋｖ）　　　　・・　（１
）となる。

これをｎについて解くと、ｔ−０でｎ　＝　Ｎ　ｐなら
ば、 ｎｗＶ　　Ｒ　ａ　　（　１　０　　＋ＴＢ　Ｌ　／Ｋ
丁）ＫＥ また、 ±旦−３　７　５　１（Ｔ　Ｋ　Ｅ ｄｔ　　　ＲａＧＤ２ となる。

この式より、サンプリングした速度がＮＳに、電圧Ｖを
加えた時間の加速度ａは、Ｎｐ−Ｎｓ，ｔ−０を代入す
ることにより、の時 ＲａＧＤ” （４） で与えられる。

ところで、目標速度をＮ、サンプリングした速度をＮｓ
、その差をΔＮとした場合、通常の比例制御によって、 Ｖ−ＫΔＮ−Ｋ（ＮＮｓ） を印加した場合の加速度ａは、 Ｖ−ＫΔＮ　ＮＳ−ｌ−Ｎ一ΔＮを式 ると、 （４） に代入す ａ−３７５ＫＴＫＥ Ｒ　ａ　ＧＤ２ −　　（Ｎ一ΔＮ）１ ＝３７５ＫｔＫＥ Ｒ　ａ　ＧＤ２ Ｘ　　［　（Ｋ／ＫＥ　＋　１）　　ΔＮ−Ｎこの式よ
り、ΔＮが同じ値であっても、目標速度Ｎが大きければ
加速度ａが小さく、Ｎが小さいとａが大きくなってしま
うことがわかる。

それゆえ、この発明は、このような欠点を解消するため
になされたもので、追従性よくモータを制御できる制御
信号算出方法を提供することを目的とする。

く課題を解決するための手段〉 この発明は、モータの回転速度を制御するための制御電
圧を算出する方法であって、モータヘ印加する電圧を、
■目標回転速度と実際の回転速度との差に第１定数を掛
けた値と、■実際の回転速度に第２定数を掛けた値と、
■所定のオフセット電圧との和として算出し、それに基
づいて制御電圧を得るようにしたことを特徴とするモー
タの制御電圧算出方法である。

く作用〉 この発明によって制御電圧を求めると、目標速度に拘ら
ず、加速度は、目標速度と実際の速度との速度差によっ
て決まり、また、加速度定数を任意の値に選ぶことによ
って、目標との速度差に対して所望の加速度を得ること
ができる。

く実施例〉 以下には、この発明の一実施例として、複写機の光学系
（照明ユニットおよび反射ミラー）駆動用のＤＣサーボ
モー夕の駆動制御回路に適用する場合を例にとって説明
をする。

第１図は、複写機の光学系を駆動するためのＤＣサーボ
モー夕の駆動制御回路の構或例を示すブロック図である
。この制御回路は、ＤＣサーボモータへの印加電圧とし
てＰＷＭ信号を使用する回路になっている。

このＤＣサーボモータ１０は永久磁石フィールド形であ
って、ドライバ部１１によって回転駆動され、光学系１
７を移動させる。

サーボモータ１０の回転軸にはロークリエンコーダ１２
が連結されている。ロークリエンコーダｌ２は、既に公
知の通り、サーボモータ１０が予め定める微小角度回転
するごとに回転パルスを出力するものである。この実施
例のロータリエンコーダ１２は、サーボモータ１０が１
回転することによりたとえば２００個の回転パルスを出
力する。

また、ロータリエンコーダ１２の回転パルスには、少な
くともＡ柑の回転パルスおよびＢ相の回転パルスが含ま
れていて、両回転パルスは等しい数（モータ１回転当た
り２００個）で、かつ互いに位相が９０度ずれたパルス
になっている。

ロークリエンコーダ１２から出力される回転パルスは、
エンコーダ信号入力部１３へ与えられる。

エンコーダ信号入力部１３は、後に詳述するように、ロ
ータリエンコーダ１２から与えられる回転パルスに基づ
いて、サーボモータ１ｏの回転を検出するための回路で
ある。エンコーダ信号人力部１３の検出出力は制御部１
４へ与えられる。

制御部１４は、この回路全体を制御する中枢であって、
サーボモータ１０の制御信号の算出その他の演算処理等
を行うものである。

制御部１４には、後述する制御動作の際に用いられるメ
モリやタイマが含まれている。

制御部１４には、また、動作指令信号および指令速度が
与えられる。指令速度は、複写機本体の制御部（図示せ
ず）からの速度指令クロツクが速度指令信号人力部１５
へ与えられて信号処理され、制御部１４へ与えられるよ
うになっている。

制御部１４は、これら各人力信号に基づいて演算処理を
実行し、Ｐ　ＷＭ　（ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄ
ｕｌａｔｌｏｎ〉データを算出してＰＷＭユニットｌ６
へ与えると共に、前述したドライバ部１１ヘドライバ部
駆動信号を与える。

ＰＷＭユニット１６は、与えられるＰＷＭデータに基づ
いてＰＷＭ信号のパルス幅（出力デューティ）を変化さ
せるためのユニットである。ＰＷＭユニット１６から出
力されるＰＷＭ信号によってサーボモータ１０の回転速
度が制御される。また、ドライバ部駆動信号は、サーボ
モータ１０の回転方向を決めたり、ブレーキングしたり
する。

ところで、サーボモータ１０を所望の速度で正確に回転
させるためには、前提として、サーボモータ１０の回転
速度を正確に検出する必要がある。

そこで、この駆動制御回路では、エンコーダ信号人力部
１３の構戊を第２図のようにし、かつ制御部１４による
信号読出しを工夫して、正確な速度検出が行えるように
されている。

第２図を参照して説明すると、エンコーダ信号入力部１
３は、ロータリエンコーダ１２から出力されるＡ相の回
転パルスが与えられるエッジ検出回路１３１を１ａえて
いる。エッジ検出回路１　３　１は、与えられる回転パ
ルスの立ち上りエッジを検出して、その検出出力を導出
する。

エンコーダ信号人力部１３は、また、与えられる基準ク
ロックをアップカウントするたとえば１６ビット構或の
フリーラニングカウンタ１３３と、キャプチャレジスタ
１３４とを備えている。キャプチャレジスタ１３４は、
エッジ検出回路１３１のエッジ検出出力をキャプチャ信
号とし、該キャプチャ信号をトリがとしてフリーラニン
グカウンタ１３３のカウント数を読取保持するものであ
る。

なお、基準クロックは、第１図に示す回路全体の動作タ
イミングの基準となる基準クロックであり、回路がマイ
クロコンピュータで構成されている場合はマシンクロッ
クが利用される。

また、そのような基準クロックがない場合、基準クロッ
ク発生回路を設けてもよい。

該人力部１３は、さらに、アップダウン検出部１３５お
よびアップダウンカウンタ１３６を備えている。アップ
ダウン検出部１３５は、Ａ相のエッジ検出出力が与えら
れた時にＢ相の回転パルスのレベルを判断し、Ｂ相の回
転パルスがハイレベルかローレベルかによって、サーボ
モータ１０（第１図）が正転しているか逆転しているか
を判別するものである。アップダウンカウンタ１３６は
、アップダウン検出部１３５の判別出力に基づいて、エ
ッジ検出回路１３１の検出出力をアップカウントまたは
ダウンカウントするものである。

次に、第２図の回路の動作説明をする。

キャプチャレジスタ１３４の内容は、キャプチャ信号、
すなわちＡ相の立ち上がりエッジ検出信号によって更新
されていく。また、アップダウンカウンタ１３６は、エ
ッジ検出信号（回転パルス数）をカウントする。

それゆえ、アップダウンカウンタ１３６で、回転パルス
がｎ個カウントされる間にフリーランニングカウンタ１
３３でカウントされる基準パルスのカウント数を計測し
、それに基づいて回転数Ｎを算出することができる。回
転数Ｎは、Ｎ＝隻Δ Ｘ （６） で表わされ、回転数Ｎと誤差Ｎ゛との関係はとなる。

これらの関係をグラフで表わすと第３Ａ図のようになる
。

この実施例は、このような回転数Ｎと誤差Ｎ′との関係
に着目し、制御部１４がキャプチャレジスタ１３４およ
びアップダウンカウンタ１３６のカウント数を読み取る
サンプルタイミングを工夫して、回転数Ｎが増加するの
に応じて回転数Ｎを算出する回転パルス数ｎを増加させ
ることにより、回転数Ｎの増加に伴なって２乗の割合で
増加しようとする誤差Ｎ′を、式（７）で表わされるよ
うに、１乗の割合での也加に止めるようにして誤差Ｎ′
をおさえ、正確な回転数Ｎの検出ができるようにしたも
のである。

より具体的に説明すると、あるサンプルタイミングから
次のサンプルタイミングまでの１サンプル時間をΔｔと
すれば、回転数Ｎを検出するためには、サンプル時間Δ
ｔ内に少なくとも１以上の回転パルス、つまりエッジ検
出回路１３１の出力が導出されなければならない。

そのためには、上述の式（６）は、 Ｘ≦Δｔ の要件を満たさなければならず、 結局、回転数Ｎと誤差Ｎ′とは、 Ｎ′≧（１／Δｔ）Ｎ　　　　　　・・・（８）なる関
係を満たすことが必要である。式（８）の関係は、第３
Ｂ図に示すように、直線Ｎ＝−　（１／Δｔ）Ｈの上側
となる。

よって、サンプル時間Δｔを式（８）の関係を満足する
適当な一定時間とすることにより、第３Ｂ図における太
線の部分、つまり回転数Ｎに対して誤差Ｎ′が比較的少
ない範囲をうまく利用して、回転数Ｎを検出できるので
ある。

第４図は、制御部１４がキャプチャレジスタｌ３４およ
びアップダウンカウンタ１３６の内容をサンプル時間Δ
ｔごとに読出して回転数Ｎを算出するための制御動作を
表わすフローチャートである。

次に、第２図、第３Ｂ図および第４図を参照して説明を
する。

制御部１４は、内部タイマが一定のサンプル時間Δｔに
達するごとに（ステップＳ１）、タイマをリセットし（
ステップＳ２）、キャプチャレジスタ１３４およびアッ
プダウンカウンタ１３６の内容を読出す（ステップＳ３
）。

そして、読出したキャプチャレジスタ１３４のカウント
数ＣＰＴｎからメモリＡにストアされている前回読出し
たキャプチャレジスタ１３４のカウント数ＣＰＴｎ．ｌ
を減じて１サンプル時間Δ【内の基準クロック数Ｘを求
めた後、ＣＰＴｎをメモリＡにストアする（ステップＳ
４）。

また、読出したアップダウンカウンタ１３６のカウント
数ＵＤＣｎからメモリＢにストアされている前回読出し
たアップダウンカウンタ１３６のカウント数Ｕ　Ｄ　Ｃ
　ｎ−＋を減じて１サンプル時間Δｔ内の回転パルス数
を求めた後、ＵＤＣｎをメモリＢにストアする（ステッ
プＳ５）。

その後、上述した式（６）に基づいて、サーボモータ１
０の回転数Ｎを求める（ステップＳ６）。

なおステップＳ５およびＳ６において、サーボモータ１
０の回転数Ｎが増加すればサンプル時間Δ【内において
、回転パルス数ｎも段階的に増加するので、第３Ｂ図に
おける太線の部分を利用してサーボモータ１０の回転数
Ｎが検出できることは前述の通りである。

制御部１４は、以上のようにして検出したサーボモータ
１０の実際の回転数ＮＳと、速度指令信号入力部から与
えられる指令回転数Ｎとの差から、次の式で表わされる
印加電圧を算出する。

＋ＫＥＮＳ ３７５ＫＴ Δ　ｔ ＋Ｒａ （　１０　＋Ｔｇ　Ｌ　／ＫＴ　） （９） この式で表わされる電圧を印加した場合の加速度は、式
（９）を前述の式（４）に代入し、Ｎｓ−Ｎ−ΔＮにお
きかえると、 ａ−３７５ＫＴＫＥ ＲａＧＤ２ ＋ＫＥＮｓ　　Ｒａ　　（１０　＋ＴＢ　Ｌ　／ＫＴ　
）　１÷ＫＥ−ＮＳＩ ，９３７５Ｋｖ　ＫＥ　，旦』エ．　ＧＤ２　　．主旦
Ｒ　ａ　Ｇ　Ｄ　２Ｋ　Ｅ３　７　５　Ｋ　Ｔ　　　Δ
ｔとなり、速度差ΔＮをΔｔで割った値が加速度となり
、Δｔを最適化することにより、ΔＮに対して、一定の
最適な加速度を得られることになる。

次に、上式（９）を導き出した過程について説明する。

第５図は、永久磁石フィールド形ＤＣサーボモー夕の等
価回路図である。

モータアマチャアに信号電圧Ｖを与え、出力として回転
軸の角変位θを得る場合のモータの伝達関数は、 Ｌａ±士＋Ｒａ　Ｉ＋Ｅ−Ｖ　　　　　　”゜（１１）
ｄｔ と導かれる。

モータの誘起電圧Ｅは回転軸の角速度ωに比例するので
、 Ｅ　−　Ｋ　Ｅ　（Ｌｌ　−　Ｋ　Ｅ生Ｌ　　　　　　
・・・（１２）ｄｔ 但し、ＫＥ：誘起電圧定数 発生トルクはアマチュア電流！に比例するのでＴ−ＫＴ
　Ｉ　　　　　　　　　　　　　・・・（１３）但し、
Ｋｖ：｝ルク定数 いま、ロータと負荷の感性モーメントの和を１１軸受の
損失を含めたモータの制動負荷をＢとすると、負荷トル
クＴＬは、 ＴＬ−Ｊ生と＋Ｂ，．，　　　　　　゜　（１４）ｄｔ モータの発生トルクと負荷トルクとは等しくなるので、 ＫＴＩ−Ｊ隻里十Ｂω　　　　　゜゛ ｄｔ （１５） となる。

一般にアマチュア回路のインダクタンスＬａは慣性モー
メントＪと比較して小さく設計されているのでＬａ−Ｑ
、 また、制動負荷Ｂも無視できるのでＢ−０とすると、 式（１１）は、 Ｖ−Ｒａ　Ｉ＋Ｅ　　　　　　　　　　＝−　（１６）
式（１４）は、 ＴＬ−Ｊ土！ ｄｔ （１７） となる。

慣性モーメントＪ　　［Ｋｇｍｓｅｃ２　］は実際には
ＧＤ２　［ＫｇＩ１２］を用いた方が便利であるのでＧ
Ｄ２への変更を行う。

ＧＤ２−Ｍｇ　（２ｋ）２　　　　　　　・・・（１８
）ここで、 Ｇ−Ｍｇ　：物体の重量［Ｋｇ］ Ｍ：質量 ｇ：重力加速度［９．　８ｒａ／　ｓｅｅ２コｋ：回転
半径 物理的な慣性モーメントＪ　［Ｋｇｍｓｅｃ２］は、全
質量がある距離の所に集まっていると考えると、Ｊ−Ｍ
ｋ２　　　　　　　　　　　　　・・・（１９）で表わ
される。従って、 ＧＤ２−４ｇＪ　　　　　　　　　　　・・・（２０）
となる。

式（１７）、式（２０）より、 ＴＬ．Ｊ吏と　　　　　　　　　・・・（１７）ｄｔ Ｊ　，．　Ｇ　Ｄ　２ ４ｇ ・・・　（２０）’ ”ｒＬ＝ＧＤ２ ４ｇ （２１） ｄω　　ΔＮ（２π／６０〉 ｄｔ　　　　　　　　Δ　ｔ （２２） 式（２１） 式 （２２） より、 ＧＤ２ ＴＬ　− ４ｇ ２π　　ΔＮ ６０　　Δ　ｔ 一　２π ４ｇＸ６０ 主ぎ・ＧＤ２ Δ　ｔ ゆえに、 ”ｒＬ．ＧＤ２　，主亙 ３７５　　Δｔ （２３） となる。

この式（２３）により、時間Δｔの間に回転数の変化量
ΔＮを得るのに必要なトルクが表わされる。

必要な負荷トルクがモータの発生トルクであるから、式
（１３）、式（２３）より、 Ｋ　ＴＩ　＝　Ｇ　Ｄ　２　　ΔＮ ３７５　Δｔ ｌｍ　　ＧＤ２　　　ΔＮ ３７５ＫＴ　　　Δ【 （２４） が得られる。

ここで、式（ｌ３）より発生トルクと電流はＫＴを定数
とする比例式であるが、無負荷の状態でも必要な電流（
無負荷電流）がある。

いま、無負荷電流を■０とすると となる。

次に、実際の駆動制御方式は、ＰＷＭによる電圧駆動型
であるから、式（１６）、式（２５）より、 （２６） となる。

ここで、誘起電圧はＥは Ｅ−ＫＥＮ 但し、ＫＥ：誘起電圧定数 であるから、式（２６）は、 となる。

ところで、式（２７）は、摺動負荷およびモータに対す
る制動負荷の項を含んでいない。そこで、この摺動負荷
および制動負荷をＴＢＬとすると、ＴｌｌｌｌＬ．Ｌ　
　　　　　　　　　　・・・（２８）Ｋ． 無負荷電流ＩＯより算出されるモータの制動負荷ＴＩＩ
ＩＭは、 ＴＩＩＩＭ−よｏ　　　　　　　　　　　＝−（２９）
Ｋ． となり、式（１４）の制動負荷Ｔｇ ＴＩＩＩ−”ｒＢＬ　＋’ｒ９　Ｍ （Ｂω） は、 Ｔ．．Ｉ＋Ｉ（， Ｋ． （３０） となる。

これにより、 式 （２７） は、 ＋Ｒａ （ＴＢ　Ｌ　／　Ｋｔ　） ＋ＫＥ Ｎ ＋ＫＥＮ　　　　　　　　　　　　　　　　・・　（３
１）となる。

以上のことにより、整理すると目標速度Ｎに対して速度
差ΔＮが発生した場合、 ＋ＫＥＮ ３７５ＫＴ　　　Δｔ ＋Ｒａ　　（　Ｉｏ　＋ＴＢ　Ｌ　／ＫＴ　）　　　　
−　　（９）で得られる電圧Ｖをモータに印加すればよ
い。

なお、ここで、実際に使用する負荷およびモータが決定
されることにより定数となるものはＲａ：アマチュア抵
抗［Ω］ ＫＴ：トルク定数［ｋｇｍ／Ａ　］ ＫＥ：誘起電圧定数［Ｖ／ｒｐｍコ ■Ｏ：無負荷電流［Ａ］ ＧＤ２　：負荷とモータによる慣性モーメント［ｋｇ　
ｍ２］ 丁目し：摺動負荷［ｋｇｍ　］ である。

よって、Ｎ．ΔＮ１Δｔが制御時における変数となる。

第６図は、ＰＷＭユニット１６の具体的な構或例を示す
ブロック図であり、第７図はＰＷＭユニット１６の動作
を説明するためのタイミングチャートである。

ＰＷＭユニット１６には、セット信号発生部１６１と、
ＰＷＭデータレジスタ１６２と、ダウンカウンタ１６３
とＲＳフリップフロップ１６４とが備えられている。

セット信号発生部１６１は、一定の周期ごとにセット信
号を発生するものである。このセット信号発生部１６１
はたとえばリングカウンタで構戊されており、一定数の
基準クロツクを係数するごとにセット信号を発生するよ
うにされている。

ＰＷＭデータレジスタ１６２は、制御部１４から与えら
れるＰＷＭデータを保持するためのものである。制御部
１４から与えられるＰＷＭデータとは、前述した式（９
）によって求められた電圧データである。このＰＷＭデ
ータは、ＰＷＭユニット１６から出力されるＰＷＭ出力
信号のデューティを決めるのに用いられる。

ダウンカウンタ１６３は、ＰＷＭ基準クロック（この実
施例では、ＰＷＭ基準クロックは、エンコーダ信号人力
部１３や速度指令信号入力部１５で用いられる基準クロ
ックが共用されている。）が与えられごとにダウンカウ
ントをし、設定された数を計測するとリセット信号を出
力するものである。

ＰＷＭユニット１６の動作は次のようになる。

セット信号発生部１６１からセット信号が出力されると
、ＰＷＭデータレジスタ１６２の内容、つまり制御部１
４から与えられたＰＷＭデータが、ダウンカウンタ１６
３にセットされ、また、セット信号によってフリップフ
ロップ１６４がセットされる。従って、フリップフロツ
ブ１６４の出力、つまりＰＷＭ出力信号はハイレベルと
なる。

次に、ダウンカウンタ１６３はＰＷＭ基準クロックに基
づいてダウンカウントを行い、設定されたカウント値が
「０」になると、フリップフロップ１６４ヘリセット信
号を与える。よって、フリッププロップ１６４の出力は
ローレベルに反転する。

この結果、ＰＷＭユニット１６からは、ＰＷＭデータレ
ジスタ１６２で保持された値、つまり式（９）で算出さ
れた電圧データでデューティが決められ、ＰＷＭ信号が
導出される。

また、この発明は、ＰＷＭ信号以外の形で印加電圧を算
出する場合にも適用できる。

く発明の効果〉 この発明は、以上のように構戊されているので、目標速
度に拘らず、加速度を一定の値にすることができる制御
信号を算出できる。よって、目標速度に拘らず、追従性
のよいモータの速度制御をすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例が適用された光学系駆動
用ＤＣサーボモー夕の駆動制御回路の全体構成を示すブ
ロック図である。 第２図は、この発明の一実施例に係る光学系駆動用ＤＣ
サーボモー夕の回転速度検出装置の要部構或を示す回路
ブロック図である。 第３Ａ図および第３Ｂ図は、モータの回転数Ｎと誤差Ｎ
゛との関係を表わすグラフである。 第４図は、この発明の一実施例における回転速度検出動
作を表わすフローチャートである。 第５図は、永久磁石フィード形ＤＣサーボモー夕の等価
回路図である。 第６図は、ＰＷＭユニットの具体的な構或を示すブロッ
ク図である。 第７図は、ＰＷＭユニットの動作を表わすタイミングチ
ャートである。 図において、１０・・・ＤＣサーボモー夕、１１・・・
ドライバ部、１２・・・ロークリエンコーダ、１３・・
・エンコーダ信号人力部、１４・・・制御部、１５・・
・速度指令信号入力部、１６・・・ＰＷＭユニット、を
示す。 （ほか２名） 第 ２ 図 制御部１４ヘ 第 ３Ａ 図 第 ３Ｂ 図 凹早五畝　Ｎ 回転数Ｎ 第 ４ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、モータの回転速度を制御するための制御電圧を算出
   する方法であって、 モータへ印加する電圧を、 （１）目標回転速度と実際の回転速度との差に第１定数
   を掛けた値と、 （２）実際の回転速度に第２定数を掛けた値と、 （３）所定のオフセット電圧と、 の和として算出し、 それに基づいて制御電圧を得るようにしたことを特徴と
   するモータの制御電圧算出方法。