JPH04217883A

JPH04217883A - 超音波モータの制御装置

Info

Publication number: JPH04217883A
Application number: JP3003101A
Authority: JP
Inventors: Yuji Izuno; 有司泉野
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1990-09-01
Filing date: 1991-01-16
Publication date: 1992-08-07
Anticipated expiration: 2012-08-20
Also published as: JP2642783B2

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、弾性体とその弾性体を
励振する圧電体でなる振動体を備えた進行波型の超音波
モータと、前記超音波モータにより操作される被操作部
で構成されるサーボ機構において、前記圧電体に高周波
電力を供給する電源供給手段と、前記モータの駆動速度
を検出する速度検出手段と、前記被操作部の位置を検出
する位置検出手段と、前記被操作部を目標位置に駆動す
る駆動制御手段とで構成してある超音波モータの制御装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の超音波モータは、振動体の温度
特性やモータの負荷特性に対する速度制御特性が特定条
件の下でしか定性的に解析されていない状況にあり、完
全な制御モデル化はされていない。そこで、振動体の振
動周波数をモニタする手段を設けて、電源の周波数を、
モニタ周波数と所定の関係を維持するようにフィードバ
ック制御することで、脱調しないように速度制御しなが
ら、別途位置検出手段等を設けることにより目標位置に
駆動制御していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の従来技
術による超音波モータの制御装置では、高速駆動中に目
標位置に達したため印加電圧を遮断してモータを停止さ
せた場合には、モータの過渡現象や超音波モータ固有の
非線型要素等により、印加電圧の遮断からモータの停止
迄の挙動が不安定となり、その結果、定常偏差が大とな
る欠点があった。低速駆動すると、過渡現象等の影響は
小となるが、被操作部の目標位置に対する距離が長い場
合には、駆動時間が長くなるという欠点があった。本発
明の目的は上述した従来欠点を解消する点にある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
、本発明による超音波モータの制御装置の特徴構成は、
前記駆動制御手段を、前記位置検出手段による検出位置
と前記目標位置との位置偏差、及び、前記速度検出手段
による検出速度に対するファジィルールに基づき、前記
位置偏差が大のときには駆動速度を大に、前記位置偏差
が小のときには駆動速度を小に制御すべく、前記電源供
給手段の出力周波数を可変制御するように構成してある
ことにある。前記駆動制御手段に、前記モータの起動時
には前記電源供給手段の出力周波数を前記振動体の機械
的共振周波数と異なる周波数から機械的共振周波数に近
づける起動制御手段を設けてあることが好ましい。

【０００５】

【作用】つまり、前記駆動制御手段は、前記位置検出手
段による検出位置と前記目標位置との位置偏差が大のと
きには、高速に被操作部を操作するために電源供給手段
の出力周波数を振動体の機械的共振周波数に近づけ、前
記位置偏差が小のときには、停止位置精度を高めるため
電源供給手段の出力周波数を振動体の機械的共振周波数
から遠ざける。詳述すると、前件部を速度偏差と位置偏
差に対する電源供給手段の出力周波数の大小に関する適
合度を表すメンバシップ関数、後件部をその適合度から
演算導出する出力周波数の現在値からの偏差とするファ
ジィルールに基づき推論を実行して、その推論結果から
電源供給手段の出力周波数を以下のように可変制御する
。被操作部の目標位置に対する現在位置との位置偏差が
大であれば、目標位置に速く到達するようにモータを加
速し、その後、位置偏差が小となれば定常偏差を小にす
べく減速する。モータの駆動の当初から位置偏差が小で
あれば、定常偏差を小にすべく、加速せずに低速度で目
標位置に駆動する。加速、減速の程度を、予め決められ
たメンバシップ関数に基づくファジィルールで決定する
。尚、メンバシップ関数は、実験による負荷や振動体の
温度等の変化時の出力周波数による制御特性に基づき決
定することになる。印加電圧の周波数が決定されていな
いモータの起動時には、起動手段が、例えば、圧電体に
印加する電圧の周波数を振動体の機械的共振周波数より
も十分高く駆動不可能な周波数から低下させることによ
り、ファジィルールにかかわらず起動時の位置偏差の大
小に関わらずモータを確実に起動するのである。

【０００６】

【発明の効果】従って、本発明による超音波モータの制
御装置を用いることで、振動体の温度特性や負荷特性に
よる制御モデルが不明であるにも拘らず、ある程度満足
な制御特性で制御を行いながらも、被操作部の目標位置
への移動を短時間に、かつ、定常偏差を小に位置決め制
御できるようになった。

【０００７】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図３イ及びロに示すように、超音波モータＭは、
圧電体１に弾性体２を固着して超音波の進行波を発生さ
せる振動体３としての固定子３と、その固定子３に加圧
接触して回転する回転子４とで構成してあり、回転子４
の出力軸には回転数検出用のエンコーダ（図示せず）を
備えてある。前記圧電体１は、周方向に領域Ａ，Ｂに二
分割してあり、各領域Ａ，Ｂは、波長λの二分の一の間
隔で隣合う区分を交互に厚み方向に分極処理するととも
に、それら領域Ａ，Ｂ間を四分の三波長ずらせて配置し
てある。前記領域Ａ，Ｂに９０°位相の異なる高周波電
圧を印加することにより、領域Ａ，Ｂに対応する固定子
３に発生する定在波が相互に干渉を起こし、合成されて
進行波となる。即ち、前記回転子４は、前記固定子３に
発生する進行波に基づく前記固定子３との摩擦力により
回転する。

【０００８】前記超音波モータＭの回転速度は、図４に
示すように、前記振動体３の共振周波数と一致する周波
数でピーク値を示し、そのポイントから上下にずれるに
従って低下する特性曲線で示される。そして、この特性
曲線は、モータにかかる負荷や前記振動体３の温度によ
り変化し、同一の出力周波数であっても、負荷や温度の
変化で回転速度が変化する。前記超音波モータＭは、後
述の起動手段１１により、前記共振周波数と一致する周
波数よりも高周波域から周波数を徐々に低下させて起動
する。前記共振周波数と一致する周波数での駆動で一番
大きな振動が得られることになる（しかし、この周波数
での駆動はエネルギー変換効率が低下する）。

【０００９】前記超音波モータＭの制御装置は、図１イ
、ロに示すように、前記圧電体１に高周波電力を供給す
る電源供給手段５としてのサーボアンプと、前記回転子
３の回転速度を検出する速度検出手段６と、被操作部の
目標位置を設定する目標設定手段７と、前記速度検出手
段６による検出速度に基づいて目標速度に制御する駆動
制御手段８と、被操作部としての負荷Ｌの駆動位置を検
出する位置検出手段１０とで構成してある。前記速度検
出手段６と位置検出手段１０はともに前記エンコーダと
そのエンコーダの出力を演算して速度や位置を出力する
演算手段で構成してある。詳述すれば、それぞれの演算
手段は、モータの１回転で３２０００パルス発生するエ
ンコーダに対して２０回／１秒のサンプリングを行い、
その間のカウント数で速度、位置を出力する。前記電源
供給手段５は、直流チョッパ回路５Ａの後段に電圧分割
形ハーフブリッジインバータ５Ｂを二組組み合わせると
ともに電圧分割形ハーフブリッジインバータ５Ｂを駆動
する駆動手段Ｄを設けて構成してあり、所定の位相差を
有する方形波を昇圧用のトランスＴＲ１，ＴＲ２を介し
て前記圧電体１に接続してある。前記駆動手段Ｄには、
電圧分割形ハーフブリッジインバータ５Ｂの出力周波数
が前記共振周波数以下になることを防ぐリミッタ手段を
設けてある。前記駆動制御手段８について詳述すれば、
前記位置検出手段１０による検出位置と前記目標位置と
の位置偏差と、前記速度検出手段６による検出速度を入
力して、前記電源供給手段５の出力周波数を制御するフ
ァジィ制御手段９を備えてある。

【００１０】前記ファジィ制御手段９は、図２イ、ロ、
ハに示すように、メンバシップ関数に基づくファジィル
ールにより、前記位置偏差が大のときには駆動速度を大
に、前記位置偏差が小のときには駆動速度を小にすべく
前記電源供給手段５の出力周波数を制御する。目標位置
（位置決め許容範囲内）に達すれば、供給電源をオフレ
、モータＭを停止させる。モータＭは、目標位置付近で
は低速で駆動されているためオーバーシュートもなく、
又、保持トルクによって確実に停止できる。例示すると
、今、モータＭが３０ｒｐｍで駆動され、目標位置まで
の偏差がモータＭの回転角度で３０°あるときには、駆
動速度が“小さいＳＭ”　と言う曖昧な適合度合いが“
１”であり、位置偏差が“大きいＬＡ”　と言う曖昧な
適合度合いが“１”となる。このときには、前記電源供
給手段５の出力周波数を−０．５ｋＨｚ変化させる。つまり，前記振動体３の機械的共振周波数に近づけるこ
とでモータＭの駆動速度を上げる。さらに例示すると、
モータＭが１００ｒｐｍで駆動され、目標位置までの偏
差がモータＭの回転角度で１０°あるときには、駆動速
度が“普通ＭＥ”　と言う曖昧な適合度合いが”１”で
あり、位置偏差が“小さいＳＭ”　と言う曖昧な適合度
合いが”１”となる。このときには、前記電源供給手段
５の出力周波数を０．２ｋＨｚ変化させる。つまり、前
記振動体３の機械的共振周波数から遠ざけることでモー
タＭの駆動速度を下げる。メンバシップ関数が重なる領
域では、その適合度の割合に基づいて加重平均値を求め
ることになる。又、前記ファジィ制御手段９と並列して
起動制御手段１１を設けてあり、モータＭを起動すると
きには、起動制御手段１１を作動させて、前記共振周波
数と一致する周波数よりも高周波域から周波数を徐々に
低下させて起動させることで、確実な起動を行う。つま
り、起動時には、速度がゼロの状態であり周波数が定ま
っていないため、ファジィルールが周波数を維持させる
ような値を示す場合には起動されない可能性を回避する
ためである。

【００１１】〔別実施例〕以下に本発明の別実施例を説明する。先の実施例で用い
たメンバシップ関数は、これに限定するものではなく、
速度偏差の範囲とその適合度、周波数偏差とその適合度
は任意に設定してよい。先の実施例では、メンバシップ
関数の決定にあたり、予めの実験値に基づいて決定して
いるが、メンバシップ関数の決定は、前記ファジィ制御
手段に、ロータとステータの摩擦力の経時変化や製造誤
差その他の原因による特性の変化やばらつきを学習する
学習機能を搭載して、メンバシップ関数を自動的に設定
するように構成することで、予め設定するための実験等
の作業なくして、所期の目的を達成することができる。同様に、初期に設定したメンバシップ関数を、経時変化
に対応させて学習機能を用いて、自動的に修正するよう
に構成してもよい。エンコーダの検出能力、それに対す
るサンプリング周期は任意である。尚、特許請求の範囲
の項に図面との対照を便利にする為に符号を記すが、該
記入により本発明は添付図面の構成に限定されるもので
はない。

【図面の簡単な説明】

【図１】回路ブロック構成図

【図２】メンバシップ関数と制御量を示すグラフ

【図３
】超音波モータのブロック構成図

【図４】超音波モータ
の周波数特性図

【符号の説明】

１　　　　圧電体２　　　　弾性体３　　　　振動体５　　　　電源供給手段６　　　　速度検出手段８　　　　駆動制御手段１０　　位置検出手段Ｌ　　　　被操作部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　弾性体（２）とその弾性体（２）を励
振する圧電体（１）でなる振動体（３）を備えた進行波
型の超音波モータと、前記超音波モータにより操作され
る被操作部（Ｌ）で構成されるサーボ機構において、前
記圧電体（１）に高周波電力を供給する電源供給手段（
５）と、前記モータの駆動速度を検出する速度検出手段
（６）と、前記被操作部（Ｌ）の位置を検出する位置検
出手段（１０）と、前記被操作部（Ｌ）を目標位置に駆
動する駆動制御手段（８）とで構成してある超音波モー
タの制御装置であって、前記駆動制御手段（８）を、前
記位置検出手段（１０）による検出位置と前記目標位置
との位置偏差、及び、前記速度検出手段（６）による検
出速度に対するファジィルールに基づき、前記位置偏差
が大のときには駆動速度を大に、前記位置偏差が小のと
きには駆動速度を小に制御すべく、前記電源供給手段（
５）の出力周波数を可変制御するように構成してある超
音波モータの制御装置。
【請求項２】　　前記駆動制御手段（８）に、前記モー
タの起動時には前記電源供給手段（５）の出力周波数を
前記振動体（３）の機械的共振周波数と異なる周波数か
ら機械的共振周波数に近づける起動制御手段（１１）を
設けてある請求項１記載の超音波モータの制御装置。