JPS58165679A - リニアサ−ボモ−タ−の制御装置 - 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】 本発明は、記録計、ＸＹレコーダ、ＸＹプロッタ、プリ
ンタ等において使用　れるリニアサーボモーターの制御
装置に関するものである。

以下、従来例および本発明を記録計への応用例をもって
説明する。

従来の記録計におけるサーボ系は、基本的には第１図の
ように構成されている。図中、１は回転型サーボモータ
ー、２はスチールワイヤー、３はプーリー、４はスプリ
ング、６はペンブロック、６は接点刷子、７はポテンシ
ョメータ、８は記録ベン、９は案内棒である。この構成
では回転型サーボモーター１の発生する回転力をスチー
ルワイヤー２によって伝達し、ペンブロック６を案内棒
９の長子方向に移動させる。ペンブロック６は記録ペン
８と接点刷子６とを支持するもので、接点刷子６がポテ
ンショメータ７に接触しながら摺動して記録ベン８の位
置をポテンショメータ７によって認識するものである。

プーリー３はスチールワイヤー２を懸架するもので、ス
プリング４ｔＩｉスチールワイヤー２にテンションを与
えるものである。このようなサーボ系の場合、大きな問
題点が２つあり、その為に記録計の基本性能に制限を受
けてきた。その問題点の１つは、モーターからペンまで
の伝達系にスチールワイヤー２．プーリー３、スプリン
グ４等を含んでいる為に、その系の伝達関数は非常に複
雑であり、不安定要素を含む共振系を構成しやすい。そ
の為、サーボ系のゲインをある程度以上には大きくでき
ない。もう１つの問題点は、モーターからペンまでの伝
達系の剛性が低く、また、ポテンショメータに接点刷子
６を用いている為に、その特性に方向性（ヒステリシス
）がある等の原因により、必ず不感帯が存在する事であ
る。

従来の記録計では上述のような２つの大きな問題点の為
に、その性能面で、作図線の直線性の不良、外乱に対す
る抑制力の不足、高速応答性の欠如、不感帯に帰因する
作画不良等の欠点を有していた。

サーボモーターの周知の閉ループサーボ系をブロック図
で表わすと第２図のようになる。図中、１ｏは回転型サ
ーボモーターまたはリニアサーボモーター（以後、特に
断らないでサーボモーターという場合、リニアサーボモ
ーターも含むものとする。）である０１１はサーボモー
ター１ｏの位置を認識するポテンショメータ、１２はポ
テンショメーター１から得られる位置情報（位置に関す
る電圧信号で、これを以後は位置電圧と呼ぶ。）に変換
する位置電圧発生回路、１３はダンピングを付加する為
の速度比例な電圧信号（これを以後速度電圧と呼ぶ。）
を発生させる速度電圧発生回路で、ふつうは上記位置電
圧を微分して速度電圧を得る。１４は上記速度電圧と上
記位置電圧を加算してサーボ系の負帰還電圧を得る加算
回路、１６は上記負帰還電圧と入力電圧の差分を取り（
ここで得られる差分の電圧を以後誤差電圧と呼ぶ。）、
その誤差電圧を増幅して、サーボモーター１０に対する
指令電圧を得る指令電圧発生回路、１６は上記指令電圧
に応じてサーボモーター１０に電流を流す駆動回路であ
る。

第３図は本発明で使用するリニアサーボモーターの１例
の外観図である。図中、１７はベアリング、１８はステ
ータ（案内レール兼用）、１９はリニアサーボモータ一
本体、２０は位置センサを具備したセンサブロックで光
学式または磁気的なセンサ等が使われる。２１は記録ペ
ンを支持するペンブロック、２２は記録ペンである。記
録ペン２２は、ペンブロック２１を介して直接、リニア
サーボモータ一本体１９に接続されている為、リニアサ
ーボモーターの動きが直接作画ペン２２の動きになる。

２３はワイヤーハーネスである。

従来の記録計の一例として説明した回転型サーボモータ
ーを使用した第１図と比較して、このリニアサーボモー
ターの特徴は、モーターから記録ペンまでの伝達系が非
常に単純であり、また剛性も高い点である。これはサー
ボ系のゲインを高く取る上で有利である。サーボ系のゲ
インを高くすると、外乱に対する抑制力が高まり、作図
線の直線性や入力追従性が向上するといった記録計の性
、能面での改善が期待できる。もちろん不感帯も小さく
できる。

しかし、サーボ系のゲインが高いと回路の非線形性に起
因する問題点を生じる。回路の非線形性とは、電源電圧
による制約（クリップ）と、モーター出力の制約（駆動
電流の制限）等である。サーボ系のゲインが高いと、誤
差電圧がある値を越えると回路は飽和領域に入り、サー
ボモーターの動作は、ナイキストの安定条件を満足する
だけでは十分に制御できなくなる事を意味している。記
録計に与えられる入力電圧を一１５位置電圧をＥｘ。

速度電圧をＥｖ、誤差電圧をＥｍとすると、次式が成り
立つ。　　− Ｅｍ＝Ｅｉｎ−（Ｅ！十Ｅｖ）・・・・・・・山用曲・
（１）Ｅｍが正の時サーボモーターは正の加速区間とな
り、−が負の時サーボモーターは負の加速区間（減速区
間）となる。いま、記録計の入力に大振幅のステップ波
形信号が与えられた場合、リニアサーボモーターは目標
位置に向かって動き始めるが、閉ループの負帰還ゲイン
が高いと目標位置にｌ近ずくまでの間、はとんど回路は
飽和領域で動作している。そしてリニアサーボモーター
が目標位置近傍で減速区間に入った時、誤差電圧−を増
幅したモーター指令電圧がモーターの駆動回路に適当な
ブレーキ力を発生させるべく指令を与えるが、モーター
に流せる電流には制約がある為に、必要なブレーキ力が
得られない。その為、リニアサーボモーターは目標位置
を通過して大きくオーバーシュートシ、そこで発生した
目標位置からの行きすぎの偏差による誤差電圧により、
目標位置に戻って整定するという動作になるのである。

従来の回転型サーボモーターを使用した記録計の場合は
、前に述べたようにサーボ系のゲインを高く出来ない為
に、その制御はほとんど線形領域内で行われ、ナイキス
トの安定条件に基いて設計すれば、安定に制御されてい
たが、リニアサーボモーターの特徴を生かしながら、オ
ーバーシュートのない安定した制御を行う為には、非線
形領域での制御が必要である。

本発明は以上の点に鑑み、速度電圧発生回路を改良した
ものである。基本的には、位置電圧を速度情報に変換し
て、その速度に応じた適正ダンピングを与える為の速度
電圧を発生させるようにしたものである。

第４図は従来の速度電圧発生回路１３を実現する最も基
本的な回路例であり、演算増幅器２３．′抵抗およびコ
ンデンサを用いて微分回路を形成する０ 第５図は第４図の周波数特性を示すものである。

この伝達関数は以下のように表わされる。

ただし、Ａはゲイン、Ｔは時定数、Ｓはラプラス変換定
数である。

なお、第６図において高い周波数領域をフラットな特性
にしているのは、この領域の成分は制御にとって不要有
害になることが多いからである。

このような方法によって速度電圧を得て、位置電圧と合
成加算する考え方は、いわゆるリードラグフィルタによ
る位相進み補償を施す考え方と全く等価である。リード
ラグ要素は、第６図に示す周波数特性を位置電圧に与え
るわけであるが、第４図によって作られた速度電圧と位
置電圧とを合成加算すれば全く同じ結論を得ることがで
きる。

本従来例の説明では位置電圧と速度電圧を分離して考え
ているだけである。

本発明は、前記速度電圧に非線形要素を加味することに
よって、リニアサーボモーターが低速動作時は、従来と
同様にナイキスト条件を満足させ、臨界制動（クリティ
カルダンピング）に近い状態で常に制御されるようにし
、モーターが高速で目標位置近傍へ動いてくる場合など
は、急激に大きな速度電圧を発生させて、オーバーシュ
ートラ防止し、安定に整定させるようにしている。

第７図は本発明で使用する速度電圧発生回路１３の構成
例を示すブロック図である。図中、２６は位置の微分（
即ち速度）電圧を与えるブロックであり、２６はこの速
度電圧に対して非線形要素を与えるブロックである。２
７は位置電圧と速度電圧を加算する加算ブロックである
。

非線形要素を与えるブロック２６は上記速度が小さい領
域ではゲインは１であるが、ある速度を越えるとゲイン
が１以上となるものである。つまり遅い速度では非線形
要素の影響はなく、臨界制動（クリティカルダンピング
）に近い状態で制御され、速い速度の時のみ非線形要素
の影響を受けて速度ダンピングのゲインが増大し、結果
として早めに大きなブレーキ力を発生させることが可能
となる。

第８図は第７図に示した速度電圧発生回路１３をより具
体化して示した結線図である。図中、２８は位置の微分
（即ち速度）電圧を与えるブロックで、これは第７図の
２６に対応し、演算増幅器３１と抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３
及び微分用のコンデンサＣを含めて構成されている。２
９はこのブロック２８の速度出力に対して非線形要素を
与えるブロックで、第７図の２６に対応するものであり
、演算増幅器３２と抵抗Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６及び非線形要
素としてのダイオード３４．３５を含めて構成されてい
る。３０は前記位置電圧と非線形性を与えられた′速度
電圧の２つを合成加算、する加算ブロックであって、第
７図の２７に対応するものである。これは演算増幅器３
３と抵抗Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９を含めて構成されている。

第８図に示す具体的な実施例は非常に簡素な構成である
にもかかわらず、次のような数々の優れた特長を有する
。

（１）非線形要素を付加することにより、サーボ系のゲ
インを高く設定できる。その為、記録線の直線性が向上
し、外乱に対する抑制力を強くできる。

（２）高速応答時も安定したダンピングが得られ、オー
バーシーートをなくすことができる０（３）　　目標位
置近傍で低速動作をしている時は、臨界制動（クリティ
カルダンピング）に近い最適な制御を実現でき、特に本
発明を適用することによってこの制御に悪い影響を及ぼ
すことはない。

（４）簡単な回路で実現できる為コスト面で不利になる
ことはない。

以上のように、本発明によればリニアサーボモーターの
数々の優れた特長を生かしながら、その欠点を補った高
性能の記録計を実現できるものである。

なお本発明は必ずしも記録計に限定されるものではなく
、一般に直線運動を必要とするもので、リニアサーボモ
ーターを応用できる閉ループサーボ方式を用いた装置全
般に適用されることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】 第１図は従来の記録計の記録ペンの直線送り機構の要部
斜視図、第２図は従来の閉ループサーボ系のブロック図
、第３図は本発明が適用し得るリニアサーボモーターの
一例の要部斜視図、第４図は従来の速度電圧発生回路の
構成例図、第５図および第６図は利得−周波数特性図、
第７図は本発明で使用する速度電圧発生回路の一例のブ
ロック図、第８図は第７図の具体的構成例を示す結線図
、） である。 １０・・・・・・サーボモーター、１１・・・・・・ポ
テンショメータ、１２・・・・・・位置電圧発生回路、
１３・・・・・・速度電圧発生回路、１４・・・・・・
加算回路、１５・・・・・・指令電圧発生回路、１６・
・・・・・駆動回路、２２・・・・・・配路ペン、２５
　、２８・・・・・・位置の微分の電圧（速度電圧）を
与えるブロック、２６．２９・・・・・・非線形要素を
与えるブロック、２７．３０・・・・・・加算ブロック
、３１，３２．３３・・・・・・演算増幅器、３４゜３
５・・・・・・ダイオード。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第４
図 第６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 閉ループサーボ方式を用いて、直線運動する制御対象物
   を位置決めするように構成され、かつ、制御対象物の位
   置を認識するポテンショメータと、このポテンショメー
   タから得られる位置情報に応じた位置電圧を発生させる
   位置電圧発生回路と、上記位置電圧を微分して制御対象
   物の運動時の速度に応じたダンピングを与える為の速度
   電圧を得る速度電圧発生回路と、上記速度電圧と上記位
   置電圧を加算する加算回路と、上記加算回路の出力電圧
   と入力電圧との差分を取り増幅してモーター指令電圧を
   得る指令電圧発生回路と、上記モーター指令電圧をモー
   ター駆動電流に変換する駆動回路とを具備し、かつ上記
   速度電圧発生回路は、上記速度電圧に非線形性を与える
   非線形要素を含めて構成されていることを特徴とするリ
   ニアサーボモーターの制御装置。