CN102457219A - 电机控制装置 - Google Patents

Abstract

一种电机控制装置包括：电机控制单元；和信号输出单元，电机控制单元包括：第一控制单元，其构造成基于电机的旋转速度和由反电动势所引起的电流减小估计电流上限值，第一控制单元构造成确定与估计的电流上限值对应的控制输入；和第二控制单元，其构造成基于电机的操作量和该操作量的目标值确定要应用于电机的控制输入，以控制电机，并且在电机的驱动初期中，电机由第一控制单元控制，而在电机的驱动后期中，电机由第二控制单元控制。

Description

电机控制装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年9月30日提交的日本专利申请No.2010-222527的优先权，该日本专利申请的公开在此以参考的方式全文并入。

技术领域

本发明涉及一种电机控制装置。

背景技术

作为控制电机使得驱动对象处于目标状态的电机控制装置，已知一种控制电机使得驱动对象停止在目标位置的装置和一种进行加速控制直到驱动对象达到目标速度为止的装置。

作为用于以高速将驱动对象输送至目标位置并使驱动对象停止在目标位置的控制技术，已知一种开关式(bang-bang)控制(例如参见专利文献1)。开关式控制指的是将电机控制输入(控制输入)转换到最大或最小，以便以电机的最大能力驱动一驱动对象。因此，能够以高速将驱动对象输送至目标位置并使驱动对象停止在该目标位置。

在相关技术中，还已知一种电机控制装置，其中为了解决关于假定电机驱动电流与实际电机驱动电流之间的漂移以及因此导致的控制精度的劣化的问题，设定基于取决于速度而改变的饱和电流的控制任务(control duty)的最大极限值，其中所述漂移由起因于反电动势的电流减小所引起(例如参见专利文献2)。

[专利文献1]JP-A-2007-086904

[专利文献1]JP-A-2007-221940

发明内容

在这点上，所述开关式控制在以高速驱动驱动对象方面是极好的，其中，但其是一种简单的控制方法，并且其不能够用高精度使驱动对象停止在目标位置。其间，作为用高精度使驱动对象处于期望的状态的控制技术，已知基于目标轮廓(target profile)的反馈控制。然而，即使当在反馈控制中使用基于饱和电流来设定控制输入的极限值的方法，也对用高精度以高速控制驱动对象存在限制。

考虑到这些问题已完成本发明，并且本发明的目的是提供一种电机控制装置，其与相关技术相比较能够用高精度以高速使驱动对象处于期望的状态。

为了达到上述目的，本发明的方面提供一种电机控制装置。该电机控制装置包括用于控制电机的电机控制单元，和用于每当电机旋转达预定量时输出预定信号的信号输出单元。电机控制装置基于信号输出单元的输出信号控制电机，以使要由电机驱动的对象处于目标状态。在根据本发明的方面的电机控制装置中，电机控制单元包括以下描述的第一控制单元和第二控制单元。

第一控制单元考虑由反电动势所引起的电流减小基于从信号输出单元的输出信号所指定的电机的旋转速度来估计作为要向电机输入的电流的上限值的电流上限值，并确定与所估计的电流上限值对应的控制输入作为要应用于电机的控制输入，以控制电机。其间，第二控制单元基于从信号输出单元的输出信号所指定的操作量和该操作量的目标值来确定要应用于电机的控制输入，以控制电机。

根据本发明的方面的电机控制单元在电机的驱动初期中由第一控制单元控制电机，并在电机的驱动后期中由第二控制单元控制电机，使得要由电机驱动的对象高精度地以高速处于目标状态。

根据该电机控制装置，在驱动的初期中，用与电流上限值对应的控制输入驱动电机，使得能用与电机的最大输出对应的输出来驱动所述驱动对象。相比之下，在驱动的后期中，基于从信号输出单元的输出信号所指定的电机的操作量和该操作量的目标值来确定控制输入，以控制电机，使得能使驱动对象高精度地处于目标状态。

因此，根据本发明的方面，提供能够高精度地以高速使驱动对象处于期望的状态的电机控制装置。例如，提供能够高精度地以高速使驱动对象停止在目标位置或使驱动对象加速至目标速度的电机控制装置。

根据本发明的方面，在直到使驱动对象处于目标状态为止的过程中，切换控制方法。为此，存在控制的不连续性取决于切换形式而不合需要地影响控制结果的可能性。因此，优选的是，第二控制单元具有以下构造。

例如，作为第二控制单元，考虑一种构造，其中计算与从信号输出单元的输出信号所指定的电机的操作量和该操作量的目标值之间的偏差相对应的控制输入。作为用于由偏差计算控制输入的传递函数，例如使用包括积分环节的一阶或多阶传递函数。当使用一阶或多阶传递函数时，需要向第二控制单元提供所述控制输入的信息，直到与阶数对应的时间之前为止。

然而，恰好在从第一控制单元切换成第二控制单元之后，第二控制单元没有对应于控制输入的信息。此时，如果在允许控制输入为零的情况下进行切换之后的控制，则由于偏差小，所以仅获得小的控制输入，并且在切换之前和之后出现控制输入的间断。

在第二控制单元中，当利用包括积分环节的一阶或多阶传递函数计算控制输入时，第二控制单元可从第一控制单元接收在切换时间之前各时刻由第一控制单元确定的控制输入，以依照所述传递函数计算控制输入。

为了抑制由切换引起的控制输入的间断变化，当电机控制单元切换成通过第二控制单元的电机控制时，第二控制单元可基于在从信号输出单元的输出信号所指定的切换时间时的电机的操作量设定切换时间之后各时刻的控制输入的目标值。具体地，第二控制单元可将切换时间时的操作量的目标值设定成同从信号输出单元的输出信号所指定的切换时间时的操作量一致的值。

当包括积分环节的一阶或多阶传递函数用作为用于由偏差计算控制输入的传递函数时，如果操作量的目标值设定成使得切换时间时的偏差变成零，则能够将与恰好在切换之前的控制输入一致或连续的控制输入确定为切换之后的控制输入，并能够避免当切换时对于电机的控制输入的间断变化的影响。

当实现使得驱动对象停止在目标停止位置的电机控制时，第二控制单元可计算与作为从信号输出单元的输出信号所指定的操作量的电机的旋转量和该旋转量的目标值之间的偏差相对应的控制输入，以控制电机，使得驱动对象停止在目标停止位置。在该情况下，包括积分环节的一阶或多阶传递函数可用作为用于由偏差计算控制输入的传递函数，第二控制单元可将切换时间时的旋转量的目标值设定成同由信号输出单元的输出信号所指定的切换时间时的旋转量一致的值。

此外，第二控制单元可构造成包括反馈控制单元和前馈控制单元两者的两自由度控制系统。具体地，第二控制单元包括：目标设定单元，其用于当电机控制单元切换成通过第二控制单元的电机控制时，基于在从信号输出单元的输出信号所指定的切换时间时的电机的操作量设定切换时间之后各时刻的操作量的目标值，使得对象处于目标状态；反馈控制单元，其用于依照预定的传递函数计算与由目标设定单元所设定的操作量的目标值和从信号输出单元的输出信号所指定的操作量之间的偏差对应的反馈控制输入；前馈控制单元，其用于依照使所述目标值作为输入的预定传递函数来计算与由目标设定单元所设定的电机的操作量的目标值对应的前馈控制输入；和确定单元，其用于确定前馈控制输入和反馈控制输入的加成值作为要施加于电机的控制输入。

当第二控制单元构成如上时，为了抑制控制输入在切换时的间断变化，优选的是，在第二控制单元中提供用于调整传递函数的参数的调整单元，该传递函数用于计算前馈控制输入，使得在切换时间时的前馈控制输入变成与恰好在切换之前由第一控制单元确定的控制输入对应的值。

如果调整用于计算前馈控制输入的传递函数的参数，使得在切换时间时的前馈控制输入变成与恰好在切换之前的控制输入对应的值，则能够将前馈控制输入设定成与恰好在切换之前的控制输入一致或接近的值。

反馈控制单元计算与所述偏差对应的反馈控制输入。即使当用于计算反馈控制输入的传递函数是包括积分环节的传递函数时，恰好在所述偏差为零或具有小的值的切换之后，先前的反馈控制输入恰好在控制开始之后也为零。为此，反馈控制单元不输出大的值作为反馈控制输入。目标设定单元基于在从信号输出单元的输出信号所指定的切换时间时的电机的操作量来设定切换时间时的目标值，从而确保偏差为零或具有小的值。

因此，如果以上述方式设定的反馈控制输入和前馈控制输入的加成值被确定为要施加于电机的控制输入，则能够抑制在切换之前和之后的控制输入的间断变化，并且结果高精度地使对象处于目标状态。

换句话说，在电机控制装置中，优选的是，目标设定单元构造成将在切换时间时的操作量的目标值设定成同在从信号输出单元的输出信号所指定的切换时间时的操作量一致的值。如果目标设定单元构成如上，则能够将在切换时间时的反馈控制输入设定为零，从而进一步抑制切换之前和之后的控制输入的间断变化。

当电机控制装置被构造成使得驱动对象停止在目标停止位置时，具体地，目标设定单元、反馈控制单元和前馈控制单元可具有以下构造。

也就是说，目标设定单元可将电机的旋转速度和旋转量的目标值设定成操作量的目标值，使得驱动对象停止在目标停止位置。前馈控制单元可计算与由目标设定单元所设定的旋转速度的目标值相对应的控制输入作为前馈控制输入。反馈控制单元可依照传递函数计算与由目标设定单元所设定的旋转量的目标值和从信号输出单元的输出信号所指定的旋转量之间的偏差相对应的反馈控制输入。

尤其地，优选的是，目标设定单元将切换时间时的旋转量的目标值设定成同在从信号输出单元的输出信号所指定的切换时间时的旋转量一致的值，并将切换时间时的旋转速度的目标值设定成同在从信号输出单元的输出信号所指定的切换时间时的旋转速度一致的值。如果以上述方式设定目标值，则能够将在切换时间时的反馈控制输入设定为零。还能够基于切换时间时的旋转速度的目标值和恰好在切换之前的控制输入来容易地调整参数，使得在切换时间时的前馈控制输入变成与恰好在切换之前由第一控制单元所确定的控制输入相对应的值。

在第一控制单元中，可在驱动的初期中引入类似于开关式控制的控制。也就是说，第一控制单元可在不考虑由反电动势所引起的电流减小的情况下，确定与要向电机输入的电流的上限值对应的控制输入作为要施加于电机的控制输入，以控制电机，并且如果满足预定条件，则第一控制单元可考虑由反电动势所引起的电流减小基于从信号输出单元的输出信号所指定的电机的旋转速度来估计作为要向电机输入的电流的上限值的电流上限值，并确定与所估计的电流上限值对应的控制输入作为要施加于电机的控制输入，以控制电机。

在估计电流上限值时，优选地考虑估计误差的影响将电流上限值估计为低。然而，当将电流上限值估计为低时，即使当将与电流上限值对应的控制输入施加于电机时，也不能用最大输出驱动电机。相比之下，在输入与不考虑反电动势的电流上限值对应的控制输入期间，类似于开关式控制，能用最大输出驱动电机，使得能够以较高的速度驱动所述驱动对象。根据本发明的方面，在电机控制从第一控制单元切换成第二控制单元之前，基于考虑反电动势的电流上限值进行电机控制。因此，在从第一控制单元切换至第二控制单元时，能够抑制控制不稳定，从而实现稳定控制。

在使驱动对象停止在目标停止位置的电机控制装置中，优选的是，第二控制单元具有以下构造。也就是说，优选的是，当电机控制单元切换成通过第二控制单元的电机控制时，第二控制单元基于从信号输出单元的输出信号所指定的切换时间时的电机的旋转速度设定切换时间之后各时刻的操作量的目标值，使得电机以在切换时间时的旋转速度恒定地运转，然后电机减速并停止，并且驱动对象停止在目标停止位置，并使由电机驱动的对象停止在目标停止位置。采用该控制，由于电机在经过恒定速度区间之后减速，所以当使控制在从第一控制单元切换成第二控制单元之后稳定时，电机可减速并停止，使得驱动对象能高精度地停止在目标停止位置。

附图说明

将参考以下的附图详细描述本发明的示例性方面，其中：

图1是示出第一示例的控制系统1的构造的方框图；

图2是打印机100中的片材输送机构的构造的示意图；

图3是计算电流上限值Umax的函数Um(ω)的说明图；

图4A是示出由第一示例的目标命令生成部81执行的处理的流程图，而图4B是示出由增益设定部89执行的处理的流程图；

图5是示出第一示例中的电机控制形式的时间图；

图6是示出第一示例的切换单元90的处理操作的流程图；

图7是示出第二示例的第一控制单元71的构造的方框图；

图8是示出第一控制单元71中的开关715的处理操作的流程图；

图9是示出第二示例中的电机控制形式的时间图；

图10是示出第三示例的第二控制单元801的构造的方框图；以及

图11是示出第三示例中的电机控制形式的时间图。

具体实施方式

以下，将参考附图描述本发明的示例。

[第一示例]

如图1所示，该示例的控制系统1包括：电机(DC电机)20，其驱动一驱动对象10；电机驱动器30；旋转编码器40，其连接至电机20的旋转轴；位置检测器50，其基于旋转编码器40的输出信号检测电机20的旋转位置X(换句话说，电机20从初始位置起的旋转量)；速度检测器55，其检测电机20的旋转速度ω；和电机控制单元60，其计算作为用于电机20的控制输入的电流命令值U。

控制系统1结合在诸如成像设备的电气设备中，并依照来自电气设备的主微计算等的命令输入来进行电机控制。具体地，成像设备中的片材输送机构是驱动对象10的示例。图2示出假定为驱动对象10的喷墨打印机100的片材输送机构的构造。

喷墨打印机100包括在压板101的上游侧具有输送辊111和夹持辊113的一对辊子，并且在上游侧被输送的片材P被夹在输送辊111与夹持辊113之间。片材P通过输送辊111的旋转被输送至记录头131的墨滴的墨滴喷射位置。记录头131位于压板101上方，并且在压板101上进行墨滴喷射。

具体地，如果从外部接收到打印命令，则喷墨打印机100向控制系统1输入命令，以使电机20旋转预定量δX，以便基于由打印命令指示的要打印的图像数据而在片材p上形成图像。因此，输送辊111旋转达预定量。喷墨打印机100重复地进行该处理，以间歇地输送片材P达预定量，使得片材P被送出至记录头131的成像位置。当送出片材P达预定量时，在与片材p的输送方向垂直的主扫描方向(图2中与纸张正交的方向)上输送其中安装有记录头131的滑架135。在输送的过程中，记录头131基于要打印的图像数据进行墨滴喷射操作，并以逐步方式在片材P上以预定量形成基于要打印的图像数据的图像。

在这种喷墨打印机100中，如果不在高精度的情况下输送片材P达预定量，以便通过上述方法以逐步方式形成图像，则在片材P上形成的图像的质量劣化。相反，根据该示例的控制系统1，因以下原因，其能够在高精度的情况下送出片材P达预定量，使得能够在片材P上形成具有令人满意的质量的图像。根据该示例的控制系统1，因以下原因，其能够在高精度的情况下以高速送出片材P达预定量。为此，如果该示例的控制系统1应用于喷墨打印机100的片材输送机构，则能够在抑制图像质量的劣化的同时以高速输送片材P。结果，能够改善与成像相关的一系列处理的吞吐量。

随后，将描述具有上述优点的该示例的控制系统1的详细构造。图1所示的该示例的控制系统1的电机驱动器30依照从电机控制单元60输入的电流命令值U向电机20输入与该电流命令值U对应的驱动电流，以驱动电机20。

旋转编码器40连接至电机20的旋转轴，并且每当电机20旋转达预定量时输出脉冲信号。具体地，旋转编码器40输出作为脉冲信号的相位差达π/2的A相信号和B相信号。位置检测器50基于从旋转编码器40输出的A相信号和B相信号检测电机20的旋转位置(从初始位置起的旋转量)。检测到的旋转位置X的信息被输入至电机控制单元60。速度检测器55基于从旋转编码器40输出的A相信号和B相信号检测电机20的旋转速度ω，并向发动机控制单元60输入对应的信息。

电机控制单元60包括第一控制单元70、第二控制单元80和切换单元90。切换单元90将由第一控制单元70计算的电流命令值U1和由第二控制单元80计算的电流命令值U2的其中一者确定为用于电机控制的电流命令值U，并向电机驱动器30输入所确定的电流命令值。

将具体地描述电机控制单元60的处理操作。该示例的电机控制单元60依照来自控制系统1并入的电气设备的主微计算机的命令而进行控制，以使电机20旋转达预定量δX和使电机20停止在前进达δX的位置处。在该控制过程中，首先，向电机驱动器30输入从第一控制单元70输出的电流命令值U1，并且在第一控制单元70的控制下驱动电机20。其后，在预定的条件下将向电机驱动器30输入的电流命令值U切换成从第二控制单元80输出的电流命令值U2。采用该操作，在控制过程后期中，在第二控制单元80的控制下驱动电机20。

第一控制单元70估计要向电机20输入的电流上限值Umax，并输出与电流上限值Umax对应的电流命令值U1。在电机20驱动初期中，通过第一控制单元70驱动电机20，以用最大能力使电机20旋转。然而，在该控制中，难以使电机20精确地停止在目标停止位置(前进达δx的位置)处。为此，在驱动后期中，通过由包括前馈控制器85和反馈控制器83的二自由度控制系统构成的第二控制单元80驱动电机20，并进行控制，使得电机20以高精度停止在目标停止位置(前进达δX的位置)处。

采用该控制，在该示例的控制系统1中，能够高精度地以高速使电机20旋转达预定量δX。

具体地，电机控制单元60的第一控制单元70具有以下构造。也就是说，第一控制单元70基于从速度检测器55输入的电机20的旋转速度ω的信息，通过预定的算术表达式Um(ω)，计算要向电机20输入的电流上限值Umax，作为考虑到在旋转速度ω时由反电动势所引起的电流减小的电流量；为电机20确定作为与电流上限值Umax＝Um(ω)一致的电流命令值U1＝Umax的电流命令值U1；并向切换单元90输入电流命令值U1。

算术表达式Um(ω)预先在设计阶段理论地或实验地限定，并在第一控制单元70中设定。具体地，在理论地限定算术表达式Um(ω)时，设计者能基于电机20的额定电压Vmax、电机20的电势系数Ke和电枢电阻Ra由以下的表达式限定算术表达式Um(ω)。

[方程1]

$U_m\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{V_{\max }-K_e\·\mathrm{\ω}}{R_a}$

在基于实验结果来限定算术表达式时，如图3所示，算术表达式Um(ω)可基于当在没有反电动势的影响的状态下用要向电机20输入的最大电流量Imax来驱动电机20时所获得的电机20的最大旋转速度ωmax，也就是说当电机20的旋转速度为零时用要向电机20输入的最大电流量Imax来驱动电机20时所获得的电机20的最大旋转速度ωmax和此时流入电机20的驱动电流的最大电流量Imax的电流减小量Id由以下的表达式限定。

[方程2]

$U_m\left(\mathrm{\ω}\right)=I_{\max }-\frac{I_d}{{\mathrm{\ω}}_{\max }}\·\mathrm{\ω}$

尽管设计者自由地理论或实验地限定算术表达式Um(ω)，但当理论地获得算术表达式Um(ω)时，由于编目值的误差影响，所以存在基于算术表达式Um(ω)没有精确地计算出电流上限值Umax的可能性。因此，优选的是，实验地获得算术表达式Um(ω)。

如上所述，第二控制单元80由二自由度控制系统构成。第二控制单元80基于从位置检测器50获得的电机20的旋转位置X和旋转位置的目标位置Xr为电机20获得电流命令值U2，并向切换单元90输入该电流命令值U2。具体地，第二控制单元80包括目标命令生成部81、反馈控制器83、前馈控制器85、加法器87和增益设定部89。

当从切换单元90输出的电流命令值U从电流命令值U1切换成电流命令值U2时，目标命令生成部81产生目标轮廓(profile)，其基于由位置检测器50检测的电机20的旋转位置X的信息和电机20的旋转速度ω来限定切换时间之后各时刻的目标位置轨迹、目标速度轨迹和目标加速度轨迹，并依照目标轮廓向反馈控制器83和前馈控制器85输入切换时间之后各时刻的目标位置Xr、目标速度ωr和目标加速度Ar。

具体地，如果从切换单元90输入的切换通知(S110中为“是”)，则如图4A所示，目标命令生成部81将在切换时间时的目标位置Xr限定为当前由位置检测器50检测的电机20的旋转位置X(下述的切换位置Xc)，将在切换时间时的目标速度ωr限定为当前由速度检测器55检测的电机20的旋转速度ω，并将在切换时间时的目标加速度限定为零，以产生目标轮廓(S120)。图5的第一阶段示出切换时间之后各时刻的目标位置Xr，而图5的第二阶段示出切换时间之后各时刻的目标速度ωr。

具体地，目标命令生成部81产生限定各时刻目标位置Xr和目标速度ωr的目标轮廓，使得电机20从切换时间以恒定速度旋转达预定量α，并且其后，电机20通过预定的旋转量β减速并停止。当然，该示例的控制系统1用于使电机20旋转达预定量δX并使电机20停止。因此，产生目标轮廓，使得当控制过程开始时，目标位置轨迹的最终位置变成从位置X0前进达δX的位置Xe。关于目标速度轨迹，限定这样一种轨迹，使得在切换时间时的目标速度ωr不变化，直到电机20从切换时间起旋转达预定量α为止，并且其后，当减速开始时，目标速度ωr变为零，并且电机旋转达预定量β。尤其地，关于减速区间中的目标速度轨迹，限定这样一种轨迹，使得在减速开始与结束时的时间微分变为零并平稳地单调减小。该轨迹例如可由具有从0至π的相位的余弦函数限定。限定目标加速度轨迹，以便和目标速度轨迹的时间微分一致，并限定目标位置轨迹，以便和目标速度轨迹的时间积分一致。

目标命令生成部81依照由上述规则产生的目标轮廓输出在切换时间之后各时刻的目标位置Xr、目标速度ωr和目标加速度Ar(S130)。如果依照目标轮廓输出了到结束点的目标位置Xr、目标速度ωr和目标加速度Ar，则目标位置Xr、目标速度ωr和目标加速度Ar的输出结束。

反馈控制器83向在设计阶段预先限定的预定传递函数G输入从目标命令生成部81输入的目标位置Xr与从位置检测器50输入的电机20的旋转位置X之间的偏差E＝Xr-X，以计算与由例如图5的第三阶段中的实线指示的偏差E对应的反馈控制输入Ufb(电流命令值Ufb)，并向加法器87输入反馈控制输入Ufb，其中所述目标命令生成部81产生如上构成的目标轮廓。

尽管反馈控制器83可例如通过作为所述传递函数G的包括积分环节的传递函数，基于在切换时间之后从目标命令生成部81输入的目标位置Xr与从位置检测器50输入的电机20的旋转位置X之间的偏差E来计算反馈控制输入Ufb，但该反馈控制器83假定与在切换时间时不足的阶对应的时间之前为止的控制输入为零，计算反馈控制输入Ufb。也就是说，尽管通过电机控制单元60的电机控制在切换时间之前开始，但反馈控制器83从切换时间起被启动，并在将先前的控制输入看作零而不利用该先前的控制输入的情况下计算反馈控制输入Ufb。

前馈控制器85基于从目标命令生成部81输入的目标速度ωr和目标加速度Ar计算加速度前馈控制输入Uffa(电流命令值Uffa)和速度前馈控制输入Uffv(电流命令值Uffv)，并向加法器87输出加速度前馈控制输入Uffa和速度前馈控制输入Uffv。

前馈控制器85包括加速度前馈控制器851和速度前馈控制器852。加速度前馈控制器851依照从目标命令生成部81输入的目标加速度Ar计算加速度前馈控制输入Uffa。速度前馈控制器852依照从目标命令生成部81输入的目标速度ωr计算速度前馈控制输入Uffv。

具体地，加速度前馈控制器851将预定的加速度增益Kffa应用于目标加速度Ar，以计算加速度前馈控制输入Uffa＝Kffa·Ar。类似地，速度前馈控制器852将速度增益Kffv应用于目标速度ωr，以计算速度前馈控制输入Uffv＝Kffv·ωr。顺便提及，加速度增益Kffa被限定为设计阶段的固定值，而速度增益Kffv由增益设定部89调整。

增益设定部89在将从切换单元90输出的电流命令值U切换成电流命令值U2时调整速度增益Kffv，使得电流命令值U在切换之前和之后不会明显改变，从而避免电机控制由于电流命令值U明显改变而不稳定。

具体地，如图4B所示，如果从切换单元90输入切换通知(S210中为“是”)，增益设定部89基于恰好在切换之前从切换单元90输出的电流命令值U＝Uc(换句话说，恰好在切换之前从第一控制单元70输出的电流命令值U1)和在切换时间时由速度检测器55检测的速度ω＝ωc将速度增益Kffv调整成Kffv＝Uc/ωc。

如上所述，在该示例中，由于目标命令生成部81将在切换时间时的目标速度ωr设定成此时由速度检测器55检测的速度ω，所以如果以上述方式调整速度增益Kffv，则在切换时间时的速度前馈控制输入Uffv同恰好在切换之前的电流命令值Uc一致。在该示例中，由于目标命令生成部81将在切换时间时的目标加速度Ar限定为零，所以在切换时间时的加速度前馈控制输入Uffa为零。关于在切换时间时的反馈控制输入Ufb，由于目标命令生成部81将在切换时间时的目标位置Xr限定为此时由位置检测器50检测的位置X，所以偏差E＝0，并且Ufb＝0。

在第二控制单元80中，向切换单元90输入由加法器87计算的加速度前馈控制输入Uffa、速度前馈控制输入Uffv和反馈控制输入Ufb的加成值(Uffa+Uffv+Ufb)作为电流命令值U2。

为此，采用速度增益Kffv的调整，在切换之后的电流命令值U变成U＝U2＝Uffv＝Uc，并且电流命令值U在切换之前和之后一致。因此，在该示例中，在切换之前和之后的电流命令值U并未间断地改变，从而避免了控制在切换之后不稳定。

在图5的第三阶段中，速度前馈控制输入Uffv的示例由虚线指示，而加速度前馈控制输入Uffa的示例由双点划线指示。图5的第四阶段示出在切换之前和之后从切换单元90输出的电流命令值U的示例。如图5所示，根据该示例，电流命令值U在切换之前和之后连续地变化。

将参考图6描述切换单元90的处理操作。如果使电机20旋转达预定量δX并停止电机20的控制处理开始，则该示例的切换单元90首先启动第一控制单元70，并开始用于从第一控制单元70向电机驱动器30输出电流命令值U1作为电流命令值U的处理(S310)。因此，电机驱动器30利用与电流命令值U＝U1对应的在电流量驱动电机20。换句话说，电机20操作为接近最大输出。

其后，切换单元90基于由位置检测器50检测的电机20的旋转位置X确定电机20是否旋转至从当当前控制过程开始的点前进达预定量γ的切换位置Xc(S320)。预定量γ例如被限定为通过从旋转量δX减去减速所需的旋转量β和恒定速度区间中的旋转量α而获得的值(δX-α-β)。

如果确定电机20旋转至切换位置Xc(S320中为“是”)，则向电机控制单元60的各部分输入上述切换通知，以通知切换电流命令值U被切换(S330)。其后，启动第二控制单元80，以将向电机驱动器30输出的电流命令值U从由第一控制单元70输入的电流命令值U1切换成由第二控制单元80输入的电流命令值U2。这样，如果电机20旋转至切换位置Xc，则其后，切换单元90向电机驱动器30输入从第二控制单元80输入的电流命令值U2，使得实现电机20基于电流命令值U2的驱动。其后，图6所示的处理结束。

尽管已描述了第一示例的控制系统1，但根据该示例，在使电机20旋转达预定量δX并停止电机20的控制过程的初期中，用电流上限值Umax驱动电机20，使得可用接近电机20的最大输出的输出来驱动电机20(和输送辊111)。其间，在控制过程的后期中，由基于目标位置Xr和从旋转编码器40的输出信号指定的电机20的位置X的反馈控制，以及基于目标速度ωr和目标加速度Ar的前馈控制来控制电机20，使得电机20能以高精度停止在预定点。

因此，如果控制系统1用于在喷墨打印机100等等中输送片材，则能高精度地以高速进行用于将输送辊111输送达预定量δX的处理，使得能够抑制图像质量的劣化，并改善与成像相关的处理的吞吐量。

尤其地，根据该示例，采用上述方法，由于从切换单元90输出的电流命令值U在控制切换时并未间断地改变，所以能够抑制控制由于切换而不稳定，使得能够通过第一控制单元70和第二控制单元80令人满意地实现电机20的驱动控制。

根据该示例，由于通过设置在切换之后的恒定速度区间进行减速控制，所以能够使切换之后的恒定速度区间中的控制稳定，并且即使当立即进行减速控制时，也能以高精度使电机20停止在预定点。

在该示例中，第一控制单元70对应于本发明的第一控制单元的示例，而第二控制单元80对应于本发明的第二控制单元的示例。第二控制单元80中的目标命令生成部81对应于本发明的目标设定单元的示例，反馈控制器83对应于本发明的反馈控制单元的示例，而前馈控制器85(尤其地，速度前馈控制器852)对应于本发明的前馈控制单元的示例。加法器87对应于本发明的确定单元的示例，而增益设定部89对应于本发明的调整单元的示例。

尽管在前述示例中，反馈控制输入Ufb在切换时变成零，但该处理用于避免电流命令值U在切换之前和之后间断地改变。因此，如果反馈控制输入Ufb在切换时具有小的值，则即使当反馈控制输入Ufb不变成零时，也没有问题。前馈控制器85不局限于上述构造，可更宽广地构思将速度前馈控制输入Uffv设定设定成与恰好在切换之前的电流命令值Uc一致的操作，该操作调整诸如速度增益的控制参数，使得电流命令值U2变成恰好在切换之前的电流命令值Uc或接近该电流命令值Uc的值。

在前述示例中，由于电流命令值U超过饱和电流，并且在控制系统中假定的电机20的驱动电流(电流命令值U)与实际驱动电流之间出现漂移，所以估计电流上限值Umax的构造趋于避免控制误差的出现。然而，为了达到该目的，需要考虑设备之间的变化而将所述电流上限值Umax估计为低，并且所估计的电流上限值Umax取决于个体差异而不超过饱和电流。如果估计电流上限值Umax为低，则不能用最大输出驱动电机20，导致高速性能劣化相当多。

在控制系统1中，优选的是，改变第一控制单元70以具有以下构造(第二示例)。

[第二示例]

此后，将描述第二示例。第二示例的控制系统除第一控制单元70以外具有与第一示例的控制系统1相同的构造，并包括代替第一示例的第一控制单元70的如图7所示构成的第一控制单元71。

第二示例的控制系统中的第一控制单元71包括最大电流输出单元711、电流上限值输出单元713和开关715。

当不考虑上述最大电流量Imax，也就是说不考虑由反电动势所引起的电流减小时(电机20的旋转速度为零)，最大电流输出单元711输出最大电流量Imax作为电流命令值U11。类似于第一示例的第一控制单元70，电流上限值输出单元713考虑由反电动势所引起的电流减小、依照由速度检测器55检测的电机20的旋转速度ω、通过上述算术表达式Um(ω)计算电流上限值Umax，并输出该电流上限值Umax＝Um(ω)作为电流命令值U12。

开关715向切换单元90选择性地输入从最大电流输出单元711输入的电流命令值U11和从电流上限值输出单元713输入的电流命令值U12的其中一者作为第一控制单元71的电流命令值U1。

具体地，开关715进行图8所示的处理，以切换并输出电流命令值U11和电流命令值U12。

也就是说，在使电机20旋转达预定量δX的控制过程的初期中，开关715首先开始下述操作：选择从最大电流输出单元711输入的电流命令值U11作为要向切换单元90输入的电流命令值U1，并朝切换单元90输出该电流命令值U11(S410)。其后，基于由位置检测器50检测的电机20的旋转位置X来确定电机20是否旋转至在前的切换位置Xc0(S420)。在前的切换位置Xc0被设定为从切换位置Xc向前侧达预定量的位置，所述切换位置Xc是切换单元90将电流命令值U从电流命令值U1切换成电流命令值U2的位置。

当电机20没有旋转至在前的切换位置Xc0时，等待，直到电机20旋转至在前的切换位置Xc0为止(S420中为“否”)。如果电机20旋转至在前的切换位置Xc0(S420中为“是”)，则开关715开始下述操作：将要朝切换单元90输出的电流命令值U1从由最大电流输出单元711输入的电流命令值U11切换成由电流上限值输出单元713输入的电流命令值U12，并朝切换单元90输出该电流命令值U12(S430)。其后，图8所示的处理结束。

图9的第三阶段示出了通过开关715的处理从切换单元90输出的电流命令值U的变化。在第三阶段中，与电流命令值U对应的电机20的实际驱动电流由虚线指示。看不到虚线的部分指示电流命令值U大致和电机20的实际驱动电流一致。除电流命令值U之外，图9还示出第一阶段中的电机20的旋转位置(实际位置)X的轨迹和目标位置Xr的轨迹以及第二阶段中的电机20的旋转速度(实际速度)ω的轨迹和目标速度ωr的轨迹。

如上所述，在第二示例中，将直到电机20旋转至切换位置Xc为止的时期分成两个区域，使得在初期区域中用最大电流量Imax驱动电机20，并在后期区域中用电流上限值Umax驱动电机20。

构成如上的第二示例的控制系统1具有以下优点。也就是说，直到电机20的旋转位置X到达在前的切换位置Xc0为止，可用最大输出驱动电机20，使得电机20能够以比第一示例高的速度旋转。因此，根据该示例，能够进行以高速输送片材P达预定量的操作。

然而，如果用最大电流量Imax驱动电机20，则电流命令值U1超过饱和电流。在该状态下，如果进行通过第二控制单元80的电机控制，则不合需要地，在电流命令值U超过饱和电流的状态下进行通过第二控制单元80的控制。因此，在该示例中，在控制切换至第二控制单元80之前进行基于电流上限值Umax的控制，使得电流命令值U不超过饱和电流，使得在达到切换位置Xc之后，在电流命令值U不超过饱和电流的同时能够进行合适的控制。

因此，根据该示例，能够使电机20以比第一示例中高的速度旋转达预定量δX，并使电机20停止。此时还能够抑制控制精度的劣化，从而实现在精度和高速性能方面都优异的电机控制。

尽管在第一示例和第二示例中，将二自由度控制系统用作第二控制单元80，但第二控制单元80可仅由反馈控制系统构成(第三示例)。

[第三示例]

此后，将描述第三示例。第三示例的控制系统除第二控制单元的构造不同于第一示例或第二示例之外，具有与第一示例或第二示例的控制系统相同的构造。因此，在下文中，将参考图10和11选择性地描述第三示例的电机控制单元60中的第二控制单元801的构造。

如图10所示，第三示例的电机控制单元60中的第二控制单元801包括目标命令生成部811和反馈控制器831。目标命令生成部811具有与第一示例的目标命令生成部81相同的构造，但由于与第一示例相比较没有前馈控制器，所以目标命令生成部811与第一示例的目标命令生成部81的不同之处在于：仅输出目标位置Xr作为目标值。

反馈控制器831基于从目标命令生成部811输入的目标位置Xr的信息和从位置检测器50输入的电机20的旋转位置X计算与偏差E＝Xr-X对应的电流命令值U2。具体地，由偏差E计算电流命令值U2的控制器构成为PI控制器。

也就是说，如图10所示，反馈控制器831包括计算偏差E的加法器832、用比例增益Kp放大偏差E并输出放大结果的放大器833、用积分增益Ki放大偏差E并输出放大结果的放大器834、存储在一个单位时间之前从切换单元90输出的电流命令值U的延迟单元835、使存储在延迟单元835中的电流命令值U与放大器834的输出Ki·E相加的加法器836，以及使加法器836的输出与放大器833的输出Kp·E相加的加法器837，并输出加成值作为电流命令值U2。

换句话说，反馈控制器831依照包括积分环节的一阶传递函数由偏差E计算电流命令值U2。当偏差E为零时，第二控制单元801输出与一个单位时间之前从切换单元90输出的电流命令值U相同的值作为电流命令值U2。

也就是说，如果电机20旋转至切换位置Xc，并且电机控制从通过第一控制单元70的电机切换成通过第二控制单元801的电机控制，则第二控制单元801在切换时间时输出与恰好在切换之前的切换单元90的电流命令值Uc一致的电流命令值U2。

图11的第三阶段示出从该示例的切换单元90输出的电流命令值U的变化。在图11中，在第一阶段中示出了电机20的旋转位置(实际位置)X的轨迹和目标位置Xr的轨迹，并在第二阶段中示出了电机20的旋转速度(实际速度)ω的轨迹和目标速度ωr的轨迹。

在如上构成了第二控制单元801的控制系统1中，当电机控制从通过第一控制单元70的电机控制切换成通过第二控制单元801的电机控制时，从切换单元90输出的电流命令值U不变成间断的，从而将电机控制从通过电流上限值Umax的电机控制合适地切换成反馈控制。因此，根据该示例，在避免了控制由切换导致的不稳定的同时，能实现电机20高精度地以高速达预定量δX的旋转操作。结果，与在第一示例和第二示例中一样能够令人满意地输送片材。

尽管在第三示例中，将简单的PI控制器用作反馈控制器831，但反馈控制器831可由不同的控制器构成，以便由偏差E计算电流命令值U。当将一阶或多阶传递函数用作为用于由偏差E计算电流命令值U2的传递函数时，将第二控制单元801构造成存储电流命令值U(切换单元90的输出)达与阶数对应的时间，使得在将电机控制从第一控制单元70切换成第二控制单元801时，第二控制单元80接收由第一控制单元70计算的电流命令值U1。如果第二控制单元801如上构成，则能够抑制切换单元90的输出(电流命令值U)由切换引起的间断变化的出现，并且结果，能够抑制由切换引起的不利影响。

尽管已描述了本发明的示例，但应理解的是，本发明不局限于前述示例，并且可以各种形式变型。

例如，本发明可应用于由电机20使驱动对象加速至预定速度的控制系统。例如，在喷墨打印机100中，沿主扫描方向以恒定速度输送滑架135，以便不会不规则地喷射墨滴。在该情况下，滑架135的速度从零增大至在恒定速度输送时的速度，并且本发明可应用于在加速时的控制。

在该情况下，在从速度检测器55输出的速度ω达到预定速度时切换单元90可实现切换通知，并且可将向电机驱动器30输出的电流命令值U切换成由第二控制单元80输入的电流命令值U2。

尽管在前述示例中，控制系统1构造成使得反馈控制器83进行位置控制，而前馈控制器85进行速度控制和加速度控制，但控制系统1也可构造成使得反馈控制器83和前馈控制器85进行位置控制。

Claims (11)

1.一种电机控制装置，包括：

电机控制单元，该电机控制单元被构造成控制电机；以及

信号输出单元，该信号输出单元被构造成每当所述电机旋转达预定量时输出预定信号，

其中

所述电机控制装置基于所述信号输出单元的输出信号控制所述电机，以使要由所述电机驱动的对象处于目标状态；

所述电机控制单元包括：

第一控制单元，该第一控制单元被构造成基于从所述信号输出单元的输出信号所指定的所述电机的旋转速度和由反电动势所引起的电流减小来估计作为要输入至所述电机的电流的上限值的电流上限值，所述第一控制单元被构造成确定与所估计的电流上限值对应的控制输入作为要施加于所述电机的控制输入，以控制所述电机，以及

第二控制单元，该第二控制单元被构造成基于从所述信号输出单元的输出信号所指定的所述电机的操作量和所述操作量的目标值来确定要施加于所述电机的控制输入，以控制所述电机，并且

在所述电机的驱动初期中，所述第一控制单元控制所述电机，而在所述电机的驱动后期中，所述第二控制单元控制所述电机，使得所述对象处于所述目标状态。

2.根据权利要求1所述的电机控制装置，

其中所述第二控制单元包括：

目标设定单元，该目标设定单元被构造成当所述电机控制单元被切换至通过所述第二控制单元的电机控制时，基于从所述信号输出单元的输出信号所指定的切换时间时的所述电机的操作量来设定在切换时间之后各时刻所述操作量的目标值，使得所述对象处于所述目标状态，

反馈控制单元，该反馈控制单元被构造成计算与由所述目标设定单元所设定的操作量的目标值和从所述信号输出单元的输出信号所指定的操作量之间的偏差相对应的反馈控制输入，

前馈控制单元，该前馈控制单元被构造成依照使所述目标值作为输入的预定传递函数来计算与由所述目标设定单元所设定的所述电机的操作量的目标值对应的前馈控制输入，

确定单元，该确定单元被构造成确定所述前馈控制输入和所述反馈控制输入的加成值作为要施加于所述电机的控制输入，以及

调整单元，该调整单元被构造成调整用于计算所述前馈控制输入的传递函数的参数，使得在所述切换时间时的所述前馈控制输入变成与恰好在切换之前由所述第一控制单元所确定的控制输入对应的值。

3.根据权利要求2所述的电机控制装置，

其中

所述目标设定单元将在所述切换时间时的操作量的目标值设定成与从所述信号输出单元的输出信号所指定的切换时间时的操作量一致的值。

4.根据权利要求2所述的电机控制装置，

其中

所述目标设定单元被构造成设定作为所述操作量的目标值的所述电机的旋转速度和旋转量的目标值，使得所述对象停止在目标停止位置，

所述前馈控制单元计算与由所述目标设定单元所设定的旋转速度的目标值对应的控制输入作为前馈控制输入，以及

所述反馈控制单元依照所述预定传递函数计算与由所述目标设定单元所设定的旋转量的目标值和从所述信号输出单元的输出信号所指定的旋转量之间的偏差对应的反馈控制输入。

5.根据权利要求1所述的电机控制装置，

其中

当所述电机控制单元被切换至通过所述第二控制单元的电机控制时，所述第二控制单元被构造成依照包括积分环节的一阶或多阶传递函数来计算与从所述信号输出单元的输出信号所指定的所述电机的操作量和该操作量的目标值之间的偏差相对应的控制输入，所述第二控制单元被构造成从所述第一控制单元接收在所述切换时间之前各时刻由所述第一控制单元所确定的控制输入，以依照所述传递函数计算控制输入。

6.根据权利要求5所述的电机控制装置，

其中，当所述电机控制单元被切换至通过所述第二控制单元的电机控制时，所述第二控制单元被构造成基于从所述信号输出单元的输出信号所指定的所述切换时间时的所述电机的操作量来设定在所述切换时间之后各时刻所述操作量的目标值，使得所述对象处于所述目标状态，并且所述第二控制单元被构造成将在所述切换时间时的操作量的目标值设定成与从所述信号输出单元的输出信号所指定的所述切换时间时的操作量一致的值。

7.根据权利要求1所述的电机控制装置，

其中

所述第二控制单元计算与作为从所述信号输出单元的输出信号所指定的操作量的所述电机的旋转量与该旋转量的目标值之间的偏差相对应的控制输入，以控制所述电机，使得所述对象停止在目标停止位置。

8.根据权利要求5所述的电机控制装置，

其中

所述第二控制单元计算与作为从所述信号输出单元的输出信号所指定的操作量的所述电机的旋转量与该旋转量的目标值之间的偏差相对应的控制输入，以控制所述电机，使得所述对象停止在目标停止位置。

9.根据权利要求6所述的电机控制装置，

其中

所述第二控制单元计算与作为从所述信号输出单元的输出信号所指定的操作量的所述电机的旋转量与该旋转量的目标值之间的偏差相对应的控制输入，以控制所述电机，使得所述对象停止在目标停止位置。

10.根据权利要求1所述的电机控制装置，

其中

所述第一控制单元在不考虑由反电动势所引起的电流减小的情况下确定与输入至所述电机的电流的上限值对应的控制输入作为施加于所述电机的控制输入，并且如果满足预定条件，则所述第一控制单元基于从所述信号输出单元的输出信号所指定的所述电机的旋转速度和由反电动势所引起的电流减小来估计作为要输入至所述电机的电流的上限值的电流上限值，并且所述第一控制单元确定与所估计的电流上限值对应的控制输入作为要施加于所述电机的控制输入，以控制所述电机。

11.根据权利要求1所述的电机控制装置，

其中，当所述电机控制单元被切换至通过所述第二控制单元的电机控制时，所述第二控制单元基于从所述信号输出单元的输出信号所指定的所述切换时间时的所述电机的旋转速度来设定在切换时间之后各时刻所述操作量的目标值，使得所述电机以在所述切换时间时的所述旋转速度恒定地运转，然后，所述电机减速并停止，并且所述对象停止在目标停止位置，而且使要由所述电机驱动的所述对象停止在所述目标停止位置。

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