JPH0947056A - モータの速度および位置制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 目標速度に収束するまでの時間を短縮でき、
且つ、無駄な電力消費を抑えながら確実に始動するこ
と。 【解決手段】 定速領域におけるモータ６の速度変動が
所定の値以下になってから速度フィードバック制御から
位置フィードバック制御に切り替える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はモータの速度および
位置制御装置に関し、特に、目標速度に収束するまでの
時間を短縮できると共に、無駄な消費電力を抑えながら
モータを円滑、且つ、確実に始動できるようにしたモー
タの速度および位置制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のモータの速度制御装置として、例
えば、特開昭５７−２０３５７９号公報や、特開昭６２
−１６０８８号公報に開示されるものがある。

【０００３】前者のモータの速度制御装置は、キャリッ
ジ駆動用のモータの停止時から定速運動までの加速領域
における制御をサーボモータ制御系から切り離して行
い、その間、モータを一定電圧により回転させ、モータ
回転数が所定の回転数に達したとき、サーボモータ制御
系に接続して一定速度にフィードバック制御するように
して、モータの滑らかな加速を実現している。

【０００４】一方、後者のモータの速度制御装置は、直
流モータが起動開始してから所定速度に達するまでの期
間、駆動信号を出力する手段と、この起動信号が出力さ
れている間はパルス幅変調信号を常にオン状態に維持さ
せる手段とを備えており、モータ起動時はパルス幅変調
を行わないことにより直流モータに間断なく電流を流し
続け、モータ速度が目標速度に達したとき、パルス幅変
調制御を行うようにしてモータの起動時間の短縮を図っ
ている。

【０００５】図９には、これらのモータの速度制御装置
によってモータを駆動した場合の速度プロファイルが示
されている。この図から判るように、時間ｔ₁₀から時間
ｔ₁₁までの加速領域の間、モータを一定電圧により回転
させ、モータ速度を目標速度へ到達させている。モータ
速度が目標速度に達すると、減速動作を開始する時間ｔ
₁₂までの定速領域の間、フィードバック制御を行ってい
る。通常、モータの定速領域におけるフィードバック制
御は、定速度制御性能を向上させるために位置制御、或
いはＰＬＬ（Phase Locked Loop)制御が実施される。次
に、時間ｔ₁₃から時間ｔ₁₄までの減速領域の間は速度フ
ィードバック制御が実施される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のモータ
の速度制御装置によると、停止時から目標値に達するま
で一定電圧を印加するようになっているため、量産時の
製造ばらつき、例えば、システム摩擦、システム慣性、
モータ誘起電圧定数等の変化や、温度、湿度等の環境変
化、経時変化等によって加速領域における目標速度に達
する時間、距離にばらつきが生じ、これによって速度誤
差の累積値、つまり、位置誤差にばらつきが生じる。こ
のため、定速運動へ移行する時、位置誤差の影響で大き
なオーバーシュートが発生することがあり、この場合、
目標速度に収束するまでの時間が長くなるという不都合
がある。その結果、複写機のキャリッジや、自動原稿供
給装置等のシステム設計では収束するまでの時間を大き
くとらねばならず、機器の大型化や生産性の低下を招く
という問題がある。また、始動時と加速中では、一般に
静止摩擦の関係から始動時の方が大きな電圧が必要にな
るが、始動時に必要な電圧を基準にして一定電圧を印加
するため、加速中に不要な電圧を印加することになり、
無駄な電力を消費することになると共に印加電圧によっ
ては大きなオーバーシュートが発生し、前述した問題が
発生する。一方、加速中に必要な電圧に始動時の電圧を
合わせると、始動しない場合がある。

【０００７】また、フィードバック制御によって始動さ
せることも考えられるが、このような制御では初期に動
作できない場合がある。これは、モータの不感帯、機械
的時定数等の影響で動作するのに必要なモータ電圧（電
流）指令値が初期に得られないためである。また、補償
器を通して動作させることも考えられるが、この場合収
束性を高めるために遅い速度の場合にはＰＷＭの設定値
を最大に、また、速い速度の場合にはＰＷＭの設定値を
最小にする方法を取るため、動作してもシステムのＰＷ
Ｍ設定は最大と最小を交互に繰り返すことになり円滑な
始動を行えないという不都合がある。

【０００８】更に、従来のモータの速度は定速領域にお
いて位置、或いはＰＬＬ制御を行っているため、内部に
速度ループ、及び積分ループをもつために速度制御より
目標速度への収束性が悪くなり、目標速度への収束時間
が長くなる。このため、前述したような問題が発生す
る。

【０００９】従って、本発明の目的は、目標速度に収束
するまでの時間を短縮でき、且つ、無駄な電力消費を抑
えながら確実に始動することができるモータの速度およ
び位置制御装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点に鑑
み、目標速度に収束するまでの時間を短縮でき、且つ、
無駄な電力消費を抑えながら確実に始動できるようにす
るため、エンコーダパルスの各周期の所定のタイミング
におけるエンコーダパルスの連続した所定の周期にわた
ってクロックを計数して、モータの速度を演算すると共
に、これを基準速度と比較して速度誤差を演算する速度
誤差演算手段と、エンコーダパルスを計数して、所定の
演算を行うことによりモータの位置を演算すると共に、
これを基準位置と比較して位置誤差を演算する位置誤差
演算手段と、速度誤差、或いは位置誤差に応じたパルス
幅変調度を有した駆動信号を出力してモータを駆動する
駆動手段と、駆動手段を制御して駆動信号を出力させる
ことにより速度フィードバック制御、或いは位置フィー
ドバック制御を実行させる制御手段を備え、制御手段
は、モータの始動開始後、モータの加速領域を超える定
速領域の所定の時間まで速度フィードバック制御を実行
させ、その後、残りの定速領域を位置フィードバック制
御を実行させる構成を有したモータの速度および位置制
御装置を提供するものである。

【００１１】上記定速領域の所定の時間は、モータの速
度変動が所定の値に達する時間であることが望ましい。
また、制御手段は、モータの停止時から加速領域内の所
定の時間まで速度フィードバック制御および位置フィー
ドバック制御を禁止し、モータを始動するために設定さ
れた速度指令値に基づいてモータを始動させる構成であ
ることが望ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】制御手段は、例えば、予め設定し
た速度指令値に基づいてモータを始動し、モータの始動
開始からモータの加速領域を超える定速領域の所定の時
間まで速度フィードバック制御を実行する。即ち、エン
コーダパルスの各周期の所定のタイミングにおけるエン
コーダパルスの連続した所定の周期にわたってクロック
を計数してモータの速度を演算すると共に、これを基準
速度と比較して速度誤差を演算し、更に、速度誤差に基
づく駆動信号を駆動手段から出力させてモータを駆動す
る。また、所定の時間後の定速領域においては、位置フ
ィードバック制御を実行する。即ち、エンコーダパルス
を計数して所定の演算を行うことによりモータの位置を
演算し、この演算結果を基準位置と比較して位置誤差を
演算してその位置誤差に基づく駆動信号を駆動手段から
出力させてモータを駆動する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明のモータの速度および位置制御
装置を添付図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１４】図１には、本発明の一実施例に係るモータ
の速度および位置制御装置の構成が示されている。この
モータの速度および位置制御装置は、１チップで構成さ
れたマイクロコンピュータより成る制御部１と、制御部
１の出力の通過を制御するＡＮＤ回路２と、モータ６を
駆動する駆動回路５と、駆動回路５の縦通短絡を防止す
る短絡防止回路３と、駆動回路５からモータ６へ供給さ
れる駆動電流をＡＮＤ回路２をオフにすることによって
制限する電流制限回路４と、モータ６の回転速度に応じ
たパルスを発生するエンコーダ７と、エンコーダ７の出
力を制御部１に入力するインターフェース回路８と、所
定のプログラムを格納したＲＯＭ９と、制御部１の演算
結果等を一時的に記憶するＲＡＭ１０を備えて構成され
ている。

【００１５】制御部１は、エンコーダ７のエンコーダパ
ルスの立ち上りエッジを検出するエッジ検出回路１１
と、エンコーダパルスに比較して十分に高い周波数、例
えば、０．５ＭＨｚのクロック信号を発生するクロック
発生回路１２と、エッジ検出回路１１のエッジ検出信号
をトリガーとしてエンコーダパルスの所定の周期数にわ
たってクロック発生回路１２のクロック信号を計数し
て、計数値（キャプチャー数）を出力するカウンタ回路
１３と、カウンタ回路１３の計数値、及びその他のデー
タ、例えば、検出エッジ数等を記憶するメモリ１４と、
タイマー回路１５の計時時間に基づいてサンプリングを
行うサンプラー１６と、エッジ検出回路１１から出力さ
れるエッジ検出信号、及びメモリ１４に記憶されたカウ
ンタ回路１３の計数値に基づいて所定の演算を行い、モ
ータ６の速度誤差、及び位置誤差を補償する速度補償値
を演算する演算部１７と、モータ６の始動時の始動ＰＷ
Ｍ設定値が設定された始動ＰＷＭ設定回路１８と、演算
部１７の演算結果に基づく速度補償値、及び始動ＰＷＭ
設定回路１８の設定値に応じたＰＷＭ信号を出力するＰ
ＷＭ出力回路１９と、ＡＮＤ回路２にイネーブル信号を
出力するイネーブル信号出力回路２０を有して構成され
ている。

【００１６】演算部１７は、メモリ１４に記憶されたカ
ウンタ回路１３の計数値に基づいて所定の演算を行って
モータ速度データを算出する速度データ演算回路２１
と、基準速度信号を出力する基準速度設定回路２２と、
速度データ演算回路２１から出力されるモータ速度信号
と基準速度設定回路２２から出力される基準速度信号を
比較して、モータ６の速度誤差を演算する減算器２３
と、減算器２３の演算結果に基づく速度誤差を補償する
速度補償値、及び後述する位置補償値に応じた速度補償
値を演算する速度補償演算回路２４と、エッジ検出回路
１１から出力されるエッジ信号のエッジ数を計数し、こ
れより距離を演算してモータ位置データを算出する位置
データ演算回路２５と、基準位置信号を出力する基準位
置設定回路２６と、位置データ演算回路２５から出力さ
れるモータ位置信号と基準位置設定回路２６から出力さ
れる基準位置信号を比較して、モータ６の位置誤差を演
算する減算器２７と、減算器２７の演算結果に基づく位
置誤差を補償する補償値を演算する位置補償演算回路２
８を有して構成されている。

【００１７】ＲＯＭ９は、図２に示すように、モータ６
の始動時、つまり、時間ｔ₂₀から所定回数のサンプリン
グが終了する時間ｔ₂₁までサーボモータ制御系をオープ
ンループにすると共に始動ＰＷＭ設定回路２０の設定値
に基づいてＰＷＭ出力回路１９からＰＷＭ信号を出力さ
せてモータ９を始動させる立ち上げ制御を実行させ、時
間ｔ₂₁から定速領域（時間ｔ₂₂〜ｔ₂₄）における速度変
動がほぼ所定値に達する時間ｔ₂₃まで速度フィードバッ
ク制御を実行させ、時間ｔ₂₃から減速動作に移行する時
間ｔ₂₄まで位置フィードバック制御を実行させ、時間ｔ
₂₄からモータ６が停止する時間ｔ₂₅まで速度フィードバ
ック制御を実行させる制御プログラムを格納している。

【００１８】図３には、エンコーダ７が出力するエンコ
ーダパルスと、クロック発生回路１２が出力するクロッ
クと、エンコーダパルスの所定の周期数、例えば、３周
期にわたってクロックを計数して得られるモータ６の速
度データが示されている。

【００１９】以上の構成において、図４から図６を併せ
て参照しながら動作を説明する。まず、図４のＳ₁ の初
期動作では、制御部１はモータ６の立ち上げ制御を実施
する（図２の時間ｔ₂₀）。この制御では、サーボモータ
制御系をオープンループにすると共にＰＷＭ出力回路１
９から始動ＰＷＭ設定回路１８の設定値に応じたＰＷＭ
信号を、例えば、１サンプリングピリオド＝２ｍｓｅｃ
として３サンプリングピリオド間、３回送出する（図４
のＳ₂ ）。この送出信号は一定値でも可変値でも良い
が、通常は一定値で十分である。送出回数は確実に立ち
上がれば３回である必要ではないが、あまり多すぎると
狙いの速度プロファイルに一致しなくなるため少なめに
する。また、始動ＰＷＭ設定回路１８の設定値は、適用
する機器の速度プロファイルを基準にして始動プロファ
イルがばたつかないような値、つまり、サンプリング間
隔内に速度情報を取り込める範囲の速度を実験にて予め
求めて決定する。

【００２０】制御部１は同時にイネーブル信号出力回路
２０からＡＮＤ回路２にイネーブル信号を出力し、電流
制限回路４から出力されるハイの信号に基づいてＡＮＤ
回路２に入力するＰＷＭ信号を通過させ、駆動回路５に
供給する。これによりモータ６はＰＷＭ信号の始動設定
値に基づいて始動する。このとき、例えば１０サンプリ
ング時に制御部１にエンコーダパルスが入力してなけれ
ば、モータ６が動作していない等のシステム異常が発生
している可能性が大であるので、イネーブル信号出力回
路２０のイネーブル信号の出力をオフにし、システム異
常信号を出力する。

【００２１】一方、制御部１は、制御部１にエンコーダ
パルスが入力した場合、図４のＳ₃において加速動作に
移行し（図２の時間₂₁）、速度フィードバック制御を実
施する（図４のＳ₄ ）。この制御では、動作中のモータ
６の速度に応じた周期のエンコーダパルスをインターフ
ェース回路８を介して入力し、エッジ検出回路１１がエ
ンコーダパルスの各周期の立ち上りエッジｍ、ｍ＋１、
ｍ＋２──（図３）を検出してエッジ検出信号をカンウ
タ回路１３へ出力する。カウンタ回路１３は、例えば、
Ｎ個のカンウタを有し、エンコーダパルスの連続したＮ
周期（ｎ＝３）にわたってエッジ検出信号をトリガーと
してクロック発生回路１２から入力するクロックを計数
し、３（ｍ）データ、３（ｍ＋１）データ、３（ｍ＋
２）データ──としてメモリ１４へ出力する。当然、カ
ウンタ回路１３では、第１のカウンタは３（ｍ）データ
をメモリ１３へ出力した後リセットされ、３（ｍ＋４）
データを計数し、第３のカウンタは３（ｍ＋２）データ
をメモリ１３へ出力した後リセットされ、３（ｍ＋５）
データを計数する。以下、同じように繰り返される。

【００２２】このようにしてカウンタ回路１３より順に
出力される計数値は、タイマー回路１５によってサンプ
リング動作を行うサンプラー１６によって所定のタイミ
ングで速度データ演算回路１６に入力する。速度データ
演算回路２１は入力した計数値に基づいてモータ速度デ
ータを算出し（図５のＳ₄₁）、これをモータ速度信号と
して減算器２３に出力する。減算器２３は基準速度設定
回路２２から出力される基準速度信号とモータ速度信号
を比較して、モータ６の速度誤差を演算し（図５の
Ｓ₄₂）、これを速度補償演算回路２４に出力する。速度
補償演算回路２４はその速度誤差を補償する速度補償値
を算出してＰＷＭ回路１９に出力し、ＰＷＭ回路１９に
誤差に応じたパルス幅変調度を有したＰＷＭ信号を出力
させる（図５のＳ₄₄）。このＰＷＭ信号はＡＮＤ回路２
を介して駆動回路５に入力し、駆動回路５が速度誤差を
減少させる速度でモータ６を駆動させる。

【００２３】このような速度フィードバック制御によっ
て加速動作が実行され、図２の時間ｔ₂₂において目標速
度に到達すると定速動作に移行する（図４のＳ₅ ）。こ
の定速動作においても速度フィードバック制御が継続し
て行われ（図４のＳ₆ ）、目標速度になるようにモータ
６の速度が制御される。このように定速動作に移行して
も速度フィードバック制御を行うと、モータ６の速度変
動が所定値に低下する収束時間Ｔ₂ が位置フィードバッ
ク制御、或いは位相フィードバック制御による収束時間
Ｔ₁ より短くなる。

【００２４】モータ６の速度変動が収束すると（図２の
時間ｔ₂₃）、図４のＳ₈ において制御部１は位置フィー
ドバック制御を図６のフローチャートに基づいて実施す
る。即ち、制御部１が動作中のモータ６の速度に応じた
周期のエンコーダパルスをインターフェース回路８を介
して入力すると、エッジ検出回路１１がエンコーダパル
スの各周期の立ち上りエッジを検出し、エッジ検出信号
を位置データ演算回路２５に出力する。位置データ演算
回路２５はエッジ検出信号のエッジ数を計数し、これか
らモータ６の位置データを演算する（図６のＳ₈₁）。つ
まり、１エンコーダ当たりのシステムが進む距離は機械
的に決まるので、エッジ数より距離を演算してその演算
結果を位置データとする。位置データはモータ位置信号
として減算器２７に出力され、減算器２７において基準
位置設定回路２６から出力される基準位置信号と比較さ
れてモータ６の位置誤差が演算される。この演算結果は
誤差信号として位置補償演算回路２８に出力される。位
置補償演算回路２８はモータ６の位置誤差を補償する補
償値を演算し（図６のＳ₈₂）、その演算結果を速度補償
演算回路２４に出力する。速度補償演算回路２４は位置
誤差補償に対応するモータ６の速度補償値を算出し（図
６のＳ₈₃）、これをＰＷＭ回路１９に出力してＰＷＭ回
路１９に誤差に応じたパルス幅変調度を有したＰＷＭ信
号を出力させる（図６のＳ₈₄）。このＰＷＭ信号はＡＮ
Ｄ回路２を介して駆動回路５に入力し、駆動回路５は位
置誤差を減少させる速度でモータ６を駆動させる。

【００２５】モータ６の定速動作が終了する時間ｔ₂₄に
なると、減速動作に移行する（図４のＳ₉ ）。この減速
動作では制御部１が前述した図５のフローチャートに従
って速度フィードバック制御を実施する。

【００２６】以上の実施例では、定速領域（図２の時間
ｔ₂₂から時間ｔ₂₄）において速度変動が収束した後、位
置フィードバック制御によってモータ６を制御したが、
ＰＬＬに基づく位相フィードバック制御に置換しても良
い。

【００２７】以上の実施例によると、モータ６の始動時
にサーボモータ制御系をオープンループにして始動ＰＷ
Ｍ設定回路２０の設定値に基づいてモータ９を始動さ
せ、その後、速度フィードバック制御で目標速度まで加
速させるため、無駄な電力消費を抑えながら確実な始動
を行うことができる。また、加速領域から定速領域にお
ける速度変動がほぼ所定値に達する時間まで速度フィー
ドバック制御を実施し、その後、減速動作に移行する時
間まで位置フィードバック制御を実施するため、目標速
度に収束するまでの時間を短縮することができる。

【００２８】図７には、複写機に使用されている各種モ
ータが示されている。この複写機において、プラテンベ
ルト３０を介してプラテン２９上に原稿を自動給紙する
プラテンベルトモータ３１の制御に適用する場合には、
図８の(a) に示す速度プロファイルを目標として、ま
た、プラテン３０上の原稿を露光するエクスポージャー
ランプ３２を駆動するキャリッジモータ３３の制御に適
用する場合には、図８の(b) に示す速度プロファイルを
目標として、更に、光学系３４を介して原稿反射光の露
光を受けると共に現像器３６ａ、３６ｂによってトナー
現像を受ける感光ベルト３５を駆動するメインドライブ
モータ３７の制御に適用する場合には、図８の(c) に示
す速度プロファイルを目標として、それぞれモータの始
動時に立ち上げ制御を実行し、その後の加速領域から定
速領域の速度変動が収束するまで速度フィードバック制
御を実行し、その後位置フィードバック制御を実行させ
れば良い。これによって複写機の小型化や生産性の向上
に寄与することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明のモータの速
度および位置制御装置によると、定速領域におけるモー
タの速度変動が所定の値以下になってから速度フィード
バック制御から位置フィードバック制御に切り替えるよ
うにしたため、目標速度に収束するまでの時間を短縮す
ることができる。また、モータの始動開始時は加速領域
内の所定の時間までフィードバック制御の実行を禁止
し、予め設定された速度指令値に基づいてモータを駆動
させ、その後、速度フィードバック制御に移行するよう
にしたため、無駄な電力消費を抑制しながらモータを円
滑、且つ、確実に始動させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック図。

【図２】本発明の一実施例のモータ動作過程における制
御タイミングと速度の関係を示す説明図。

【図３】本発明の一実施例におけるカウンタ回路の計数
方法を示す説明図。

【図４】本発明の一実施例の速度制御を示すフローチャ
ート。

【図５】本発明の一実施例の速度フィードバック制御を
示すフローチャート。

【図６】本発明の一実施例の位置フィードバック制御を
示すフローチャート。

【図７】本発明が適用可能な複写機の各種モータを示す
説明図。

【図８】図７の各モータの速度プロファイルを示すグラ
フ。

【図９】従来のモータの速度および位置制御装置のモー
タ動作過程における制御タイミングと速度の関係を示す
説明図。

【符号の説明】

１ 制御部 ２ ＡＮＤ回路 ３ 短絡防止回路 ４ 電流制限回路 ５ 駆動回路 ６ モータ ７ エンコーダ ８ インターフェース回路 ９ ＲＯＭ １０ ＲＡＭ １１ エッジ検出回路 １２ クロック発生回路 １３ カウンタ回路 １４ メモリ １５ タイマー回路 １６ サンプラー １７ 演算部 １８ 始動ＰＷＭ設定回路 １９ ＰＷＭ出力回路 ２０ イネーブル信号出力回路 ２１ 速度データ演算回路 ２２ 基準速度設定回路 ２３ 減算器 ２４ 速度補償演算回路 ２５ 位置データ演算回路 ２６ 基準位置設定回路 ２７ 減算器 ２８ 位置補償演算回路 ２９ プラテン ３０ プラテンベルト ３１ プラテンベルトモータ ３２ エクスポージャーランプ ３３ キャリッジモータ ３４ 光学系 ３５ 感光ベルト ３６ 現像器 ３７ メインドライブモータ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モータに設けられたエンコーダより出力
   される速度に応じた周期のエンコーダパルスに基づいて
   前記モータの速度および位置を制御するモータの速度お
   よび位置制御装置において、 前記エンコーダパルスの各周期の所定のタイミングにお
   ける前記エンコーダパルスの連続した所定の周期にわた
   ってクロックを計数して、前記モータの速度を演算する
   と共に、これを基準速度と比較して速度誤差を演算する
   速度誤差演算手段と、 前記エンコーダパルスを計数して、所定の演算を行うこ
   とにより前記モータの位置を演算すると共に、これを基
   準位置と比較して位置誤差を演算する位置誤差演算手段
   と、 前記速度誤差、或いは前記位置誤差に応じたパルス幅変
   調度を有した駆動信号を出力して前記モータを駆動する
   駆動手段と、 前記駆動手段を制御して前記駆動信号を出力させること
   により速度フィードバック制御、或いは位置フィードバ
   ック制御を実行させる制御手段を備え、 前記制御手段は、前記モータの始動開始後、前記モータ
   の加速領域を超える定速領域の所定の時間まで前記速度
   フィードバック制御を実行させ、その後、残りの定速領
   域を前記位置フィードバック制御を実行させる構成を有
   することを特徴とするモータの速度および位置制御装
   置。
2. 【請求項２】 前記定速領域の所定の時間は、前記モー
   タの速度変動が所定の値に達する時間である請求項１の
   モータの速度および位置制御装置。
3. 【請求項３】 前記制御手段は、前記モータの停止時か
   ら前記加速領域内の所定の時間まで前記速度フィードバ
   ック制御および前記位置フィードバック制御を禁止し、
   前記モータを始動するために設定された速度指令値に基
   づいて前記モータを始動させる構成の請求項１のモータ
   の速度および位置制御装置。