JP2001245493A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】初起動時の加速度変化を抑える。 【解決手段】モータに出力する制御パルス信号を演算す
る制御パルス演算部と、モータに出力される制御パルス
の相出力演算を行なう相出力演算部と、制御パルス演算
部及び相出力演算部の動作を制御する制御部とを有する
モータ制御装置において、期間と加速度とからなる速度
直線を、所定の簡易演算により演算し、演算した複数の
速度直線を組み合わせてモータの速度パターンを演算す
る制御演算部であって、特に初期動作における加速度変
化を抑制する制御演算部を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パルス演算により
制御されるモータ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】パルスモータ（ステッピングモータ）
は、パルス発生装置から発生されるパルス信号により駆
動され、パルス信号の周波数に対応する回転速度でパル
ス信号のパルス数に対応する角度だけ回転する。したが
って、パルスモータの速度制御を行うためには、パルス
信号の周波数及びパルス数を制御する必要がある。ま
た、ＤＣ／ＡＣサーボモータパックにあるように、パル
ス信号入力による速度制御などにもパルス信号を制御す
る必要がある。通常、パルスモータにおいては、図１３
に示すように、時間に対する速度制御を台形制御とす
る。つまり、パルスモータの起動時に、パルス信号の周
波数を徐々に上昇させて回転速度を徐々に上昇させ、パ
ルスモータの回転速度が所定の速度に達するとパルス信
号の周波数を一定にして回転速度を一定にし、パルスモ
ータの停止時にはパルス信号の周波数を徐々に低下させ
て回転速度を徐々に低下させる。この演算の一例として
は、特開平７−１６３１９５号公報にあるような簡易演
算があり、この簡易演算により速度制御が可能である。

【０００３】また、パルス信号を様々な加減速パターン
へ変化させるために、各種の速度曲線の加減速パターン
データを記憶するパターンメモリを用いた加減速パルス
発生装置が考えられている。この加減速パルス発生装置
は、パターンメモリに記憶された加減速パターンデータ
を順次読み出し、並直列変換回路により直列データに変
換してパルス信号として出力するものである。

【０００４】また、パルス間隔に対応する計数値データ
と加減速モードまたは定速モードの別を示すビットデー
タとを記憶するメモリを用いたパルスモータ制御装置が
考えられている。このパルスモータ制御装置は、メモリ
から計数値データ及びビットデータを読み出し、計数値
データ及びビットデータに基づいてカウンタからパルス
信号を出力するものである。

【０００５】他方、周波数及びパルス数を加減速テーブ
ルとして記憶するメモリを用いたステップモータの速度
制御装置が考えられている。この速度制御装置は、ＣＰ
Ｕ（中央演算処理装置）によりメモリに記憶された周波
数及びパルス数を順次読み出し、読み出された周波数及
びパルス数に基づいて分周器及びカウンタによりパルス
信号を発生するものである。

【０００６】台形制御における加速度変化をおさえる方
法の別方式としては、図１４に示すような二次関数パタ
ーンを組み合わせたＳ字曲線加減速特性で変化させるた
めのパルス発生回路（例えば、特開平２−１０６７２号
公報）が知られている。

【０００７】また、二次関数パターンのかわりに、三角
関数（ＳＩＮ，ＣＯＳ）を用いた曲線加減速特性で変化
させるためのパルス発生回路も考えられている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記簡
易演算による速度制御の場合には、加速度の急激な変化
を抑制し、振動を抑制するための時間が多く必要である
という問題があった。つまり、速度上昇時から一定速度
への変化が急激であると、振動が発生するため、速度上
昇時の加速度を低くしなければならず、一定速度に達す
るまでに多くの時間が必要であった。

【０００９】また、上記加減速パターンデータ等をメモ
リに記憶させる方式にあっては、加減速パターンが増加
するに従って必要なメモリの容量が増大する。しかしな
がら、記憶させる加減速パターンの量には限界があるた
め、加減速パターンの増加に対応することができない。
もちろん、長距離移動によるパルス数の増大にも対応不
可能である。

【００１０】また、上記二次元関数パターンや三角関数
を用いる方法は、演算が複雑で時間がかかることより、
高速動作に適切に応答することが困難になってくるとい
う問題がある。また、低速時のスローアップが不要なも
のには、複雑な演算を行っていると、動作時間がかかり
システム全体のスループットの低下をまねく場合が生じ
てしまう。

【００１１】したがって、メモリアクセス参照方式など
によらずに、演算を簡易な方式を採用することにより高
速での反応を良くし、ハードウェアの大きさをおさえる
必要がある。しかし、簡易な方式によると、演算誤差が
生じる場合があるので、この補正が可能でかつ、ＭＰＵ
の負荷を低減させることが望ましい。

【００１２】また、簡易演算方式では、特に初起動つま
り初速度近辺での演算誤差が生じた場合、加速度の変化
が著しいという問題がある。

【００１３】これに加え、加速度の変化を抑制すること
による、システム的な振動が収まるまでの待ち時間など
の低減を図る必要がある。しかし、この加速度の変化は
そのシステムの大きさなどにより抑制し得る値が異なる
ので、不要な低加速変化をすることなく、システム毎に
選択できることが望ましい。

【００１４】本発明の目的は、簡易な演算式を用いてい
ながら、特に初期動作における演算誤差が少なく、か
つ、加速の変化を充分抑制可能なモータ制御装置を実現
することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は次のように構成される。

【００１６】（１）モータに出力する制御パルス信号を
演算する制御パルス算部と、モータに出力される制御パ
ルスの相出力演算を行なう相出力演算部と、制御パルス
演算部及び相出力演算部の動作を制御する制御部とを有
するモータ制御装置において、期間と加速度とからなる
速度直線を、所定の簡易演算により演算し、演算した複
数の速度直線を組み合わせてモータの速度パターンを演
算する制御演算部であって、互いに隣接する速度直線ど
うしの接続部分に加え特に初速度近辺における加速度変
化を抑制する制御演算部を備える。

【００１７】簡易演算式により演算された複数の速度直
線を組み合わせて速度パターンを演算するとともに、互
いに隣接する速度直線どうしの接続部分における加速度
変化を抑制するので、複雑な演算を行うことなく、か
つ、加速度変化が抑制される。 （２）好ましくは、上記（１）において、上記制御演算
部は、Ｒiをi番目の速度直線の速度とし、αuを上記i番
目の速度直線の加速度とし、Ｒi−1をi−1番目の速度直
線の傾きとすると、Ｒi＝Ｒi−1 ＋ αu／Ｒi−1、なる
漸化式により、上記i番目の速度直線の速度Ｒiを演算
し、上記i番目の速度直線の期間をｔiとすると、ｔi ＝
１／Ｒi、なる式により、上記i番目の速度直線の期間
ｔiを演算する。

【００１８】（３）また、好ましくは、上記（２）にお
いて、上記制御演算部は、初起動時における初速度Ｒ1
と第一直線目の加速度α１の比較よりα１を調整する機
能を有し、同様に次パルス以降の速度Ｒ2，Ｒ3・・・に
おいても初期動作一連の加速度変化を抑制する。

【００１９】（４）また、好ましくは、上記（１）にお
いて、さらに他のモータ制御装置への制御情報を通信す
る通信機能を備える。

【００２０】モータ制御装置は、簡易演算により速度パ
ターンを演算するので、速度パターンの演算についての
負荷が減少し、これにより通信機能を備えることができ
る。

【００２１】そして、通信機能を備えることにより、複
数のモータを複数のモータ制御装置により分散制御する
ことが可能となる。

【００２２】（５）また、好ましくは、上記（１）から
（４）において、上記制御演算部は、ＬＳＩである。

【００２３】（６）また、好ましくは、上記（１）から
（５）において、制御演算部が演算した速度直線の加速
度の誤差を算出し、算出した誤差に基づいて、補正値を
演算する学習機能を備える。

【００２４】誤差学習機能により、速度直線の演算誤差
が補正され、より正確な速度制御が可能となる。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明による実施形態であるモー
タ制御装置について、添付図面を参照して説明する。

【００２６】モータの加減速パターンを複数の直線（速
度直線）の組み合わせで行う一例として、図１に示すよ
うな直線加速度のパターンを示す。この一例において、
加減速パターンは、加減速と一定速とを合わせて８本の
直線からなる。

【００２７】図１において、〜の直線が加速パター
ン（；スロースタート、；加速、；加速ランディ
ング）、が高速一定速、〜が減速パターン（；
スローダウン、；減速、；減速ランディング）、
が低速一定速の役目をする。

【００２８】台形制御をこの方式、つまり、複数の直線
パターンで表わせば、パターン、、、で構成さ
れる。台形制御に加えて図１の８直線〜は、上記直
線、、、の他に、加速度の変化を抑制するため
に有効なスロースタートの直線を、直線の前に加
え、直線の後に高速一定速への加速度変化を抑制する
に有効な直線を加えている。さらに、直線の後に、
減速の変化開始を滑らかにするに有効な直線を加え、
停止前振動を抑制するに有効な直線を直線ととの
間に加えている。

【００２９】図２に、モータの速度制御を行うために出
力するパルス信号の出力波形例を示す。パルス信号の１
周期毎の周期時間を演算するためには、モータ速度を一
定に加速する観点からも周期と逆数である速度をまず算
出する必要がある。その例として、速度を算出する漸化
式として次式（１）を示し、時間（期間）ｔi を算出す
る式として次式（２）を示す。

【００３０】

【数１】 Ｒi ＝ Ｒi−1 ＋ αu ／ Ｒi−1 ・・・・ （１） ｔi ＝ １ ／ Ｒi ・・・・ （２） ただし、Ｒｉは、ｉ番目の直線の速度であり、αuはｉ
番目の直線の傾き（加速度）である。

【００３１】上記式（１）及び（２）から分かるよう
に、１つ前の速度情報（Ｒi−1)から、次の速度情報
（Ｒi）を算出することができる。また、（１）式中の
αuは加速度、つまり、速度の傾きを表わし、図１の直
線、及びにおいては、α1、α2、α3の３つの傾
斜をもっている。もちろん、直線の中では傾斜α1は
変化しない。

【００３２】また、αuの係数を変えるだけで同一演算
式（１）で、直線〜、〜を計算可能であること
から、ハードの共通化によりモータ制御装置の小型化を
図ることができる。

【００３３】これにより、ハードのＬＳＩ化が特に有効
となる。次に、複数の直線からなる加減速パターンの指
令方法の例を図３を参照して説明する。

【００３４】モータのトルクが大きい部分や負荷される
物が軽量の場合は、通常発進（スタート）速度は高速か
ら行い、かつスローアップ（直線の部分）は不要であ
る。そのため、直線が不要で、直線以降を必要とす
る場合の指令方法の例として、あるレジスタにその必要
有無を“１”が必要、“０”が不要として指令値をコマ
ンド形式でモータ起動時に与えておけば選択可能であ
る。つまり、図３に示すように、“１１１１１１１０”
であれば、直線は“０”で、直線〜は、“１”で
あるので、直線は不要、直線〜は必要であること
が示されている。また、図５に、直線は不要、直線
、、〜は必要である速度パターンの例を示す。

【００３５】図３の例のように、発進速度を高速で行う
例に対して、発進についてスローアップを重視したモー
タの速度パターンの例を図４に示す。

【００３６】図４において、直線〜を必要として、
これらの加速をすべて有効にすることに加えて、直線
及びの２つでスローアップを２段階で、徐々に加速す
ることにより、さらに滑らかな立ち上がりの加速が可能
である。

【００３７】もちろん、この図４の例は、計８直線によ
る速度パターンの例であるが、この速度パターンの分割
数を増やして、そのシステムに必要な部位にさらに滑ら
かな加速を行なうことができるのはいうまでもない。

【００３８】図３、図４に示した例は、速度パターンの
分割数が固定の場合の例であるが、分割数が固定では無
く、可変できる場合の速度指令方法の例を図６を用いて
説明する。

【００３９】図６において、まず、最初の２ｂｉｔによ
り“００”；加速、“０１”；高速一定速、“１０”；
減速、“１１”；低速一定速を示すように、４つの種類
に分ける。そして、それぞれの種類について、加速度α
uを設定する。つまり、加速“００”では加速度がα1〜
αm、高速一定速“０１”では一定速度ＲH、減速“１
０”では、加速度（減速度）α1〜αn、低速一定速“１
１”では一定速度ＲＬが設定されている。

【００４０】これにより、加速“００”、高速一定速
“０１”、減速“１０”、低速一定速“１１”のうち、
任意の個数の任意の加速度又は一定速度を選択して、ハ
ード演算部の切替えを行なう。ある加速度から他の加速
度への切り替えタイミングは、例えば、α１ → α2
への切替えタイミングは、一般的には、出力パルス数に
より管理することにより容易に可能である。

【００４１】速度パターンの分割数を可変とする別方式
としては、図６に示した例のうち、上位２ｂｉｔを省略
し、加速、減速の分割数をあらかじめ指令して、指令さ
れた数の加速度又は減速度を図６の上方から順に選択す
ることにより、上位２ｂｉｔを省略する方法が考えられ
る。

【００４２】次に速度パターンを構成する直線パターン
における初速度近辺での加速度変化を抑制する例を説明
する。図７は、図１のＡ部の拡大図であり、２パルス目
の速度演算に着目した場合、式（１）よりα１＞＞Ｒ
１よりＲ２＞＞Ｒ１つまり加速度に比例する Δα∝
（Ｒ２−Ｒ１） が期待されているα１より局所的に加
速度が大きくなり問題となる。図１１に示すようにα１
とＲ１の大小比率と、Ｒ１の比較する機能を有し、急加
速度となる場合、設定されたα１を１／２または１／４
などに調整し、加速度変化を抑える機能により加速度変
化を抑制できる。

【００４３】図８にあるように同様な補正を２パルス目
以降にも徐々に補正をかけることにより補正制御を行な
うことができる。本機能により特に初期動作、初速度近
辺での加速度変化を抑制することが可能である。

【００４４】さて、図１の（ｂ）は、図１の（ａ）での
加速度変化を示すグラフである。この図１の（ｂ）に示
すように、直線から直線に変化する部分で、加速度
変化が大きいが、上述の方式により、この急激な加速度
変化を抑制することが可能である。次に、直線方式によ
る漸化式の誤差の補正方法について説明する。

【００４５】上記式（１）で示した漸化式は、ハード演
算上、簡易で、演算時間が短く、かつ、ＣＰＵに対する
負荷を極端に低減できるという利点をもつ。しかし、あ
くまで漸化式ということから、スピード、加速度のアッ
プにより誤差を生じる場合がでてくる。

【００４６】そこで、上記誤差を抑制する方法として、
以下の（１）、（２）、（３）が考えられる。

【００４７】（１）あらかじめ、指令値によりプリ演算
をしておき、誤差を見積もった上でαu値の補正または
演算切替えのタイミングを可変させる方式。

【００４８】（２）プリ演算を行なわずに、ある加速度
（傾き）、速度範囲より漸化式の誤差方向／量を算出し
て、算出した誤差から補正値をあらかじめ学習してお
き、学習した補正値により（１）と同様な補正を行なう
方式。

【００４９】（３）高速一定速指令値以上または、低速
一定速指令値以下に演算結果が出た場合、これらの比較
回路を具備することにより演算誤差の累積による指令値
を超えることを防止する補正方式。

【００５０】上記（１）及び（２）の方式では、図９の
（ａ）に示す例において、理想曲線（αu）に対して、
演算結果（α’u）が点線のように誤差を生じた場合、
（α’u） ＞ （αu）という大小関係の値を与えること
により、理想曲線（実線（αｕ））に近づけることが可
能なことを示す。また、上記（３）の方式として、図９
の（ｂ）に示すように、速度の上限として、リミッタを
設けることが可能である。これらの誤差補正方式のよ
り、さらに、正確な速度制御が可能となる。上述したモ
ータ速度制御装置の制御部の構成例を図１０に示す。こ
の図１０の例の制御部は、モータの起動を行なう制御用
ＣＰＵ１と、初期演算及び補正演算を行なう演算部２
と、多直線近似パルス演算部３（制御演算部）と、モー
タ相出力演算部４とを備える。

【００５１】また、パルス演算部３の構成例を図１１に
示す。このパルス演算部３は、ＬＳＩ化が可能であり、
式（１）を演算する加減速演算部３１と、この加減速演
算部３１に、設定加速度αと速度Ｒとを比較する比較部
部３７と、この結果より演算に必要な傾きαuを調整／
補正しかつ切り替えて供給する傾き切り替え部３２と、
一定速演算部３４と、加減速演算部３１により演算され
た速度か一定速演算部３４による一定速かを切替えるた
めの切り替え回路３５と、傾き切り替え部３２の切り替
えタイミング及び切り替え回路３５の切り替えタイミン
グを指示する切り替えタイミング指示部３３と、上記式
（２）に基づいて、周期を演算する周期演算部３６とを
備える。

【００５２】加減速演算部３１は、速度Ｒiの１パルス
前の速度（Ｒi−1）を演算の入力として演算する機構を
有する。つまり、一度起動をかければ終了報告を受ける
（割込み等）まで別処理に移れ、ＣＰＵ負荷の低減が図
られている。上述した本発明の一実施形態であるモータ
制御装置によれば、簡単な漸化式（１）を用いて、複数
の直線からなる速度パターンを演算し、かつ、加速度変
化点においては、漸化式（１）に代入する加速度を次の
直線又は前の直線の加速度とすることにより、加速度の
変化を抑制し、さらに、演算誤差も補正しているので、
簡易な演算式を用いていながら、演算誤差が少なく、か
つ、加速の変化を充分抑制可能なモータ制御装置を実現
することができる。

【００５３】また、本発明のモータ制御装置によれば、
簡単な演算式が使用可能であるため、ＣＰＵの負荷を格
段に小さくすることができる。これによって、複数のモ
ータを制御する場合には、ＣＰＵの負荷が少なくなった
分だけ、通信機能をそのＣＰＵに備えることができ、複
数の通信機能付きＣＰＵにより各モータを分散して制御
することができる。

【００５４】この場合、通信機能を有さない一つのＣＰ
Ｕで全モータを制御する場合と比較して、ＣＰＵと各モ
ータとの距離を短縮化することができる。通常、ＣＰＵ
とモータとの間の制御信号線は、ＣＰＵ間の通信信号線
より複雑であるので、信号線の省配線化を図ることがで
きる。また、モータのモジュール化によるハード、ソフ
トのシステム構築の柔軟性を増加することができる。

【００５５】つまり、従来においては、図１２の（ａ）
に示すように、高機能及び高処理能力を備えたＣＰＵ１
０を選ぶ必要があり、かつ、その一つのＣＰＵ１０で複
数のモータ１１−1、１１−1・・・１１−8を集中制御
する必要があった。この場合、ＣＰＵ１０の負荷が重な
って大きくなるばかりではなく、制御方式の複雑化を招
き、システム構築上、大規模システムになるほど複雑、
かつ変更が困難となってくる。これに対して、本発明の
モータ制御装置によれば、ＣＰＵの負荷が小さくなるこ
とから、図１２の（ｂ）に示すように、通信機能を有
し、低機能、低処理能力な複数のＣＰＵ１−1・・・１
−nが、それぞれ、複数のモータ（１１−1、１１−
2）、（１１−3、１１−4）、（１１−5、１１−6）を
分散制御することが可能となる。

【００５６】これにより、制御信号線の省配線化、モー
タのモジュール化によるハード、ソフトのシステム構築
の柔軟性が増し、いわゆる分散化によるメリットがモー
タ制御分野にも適用可能となる。

【００５７】

【発明の効果】本発明のモータ制御装置によれば、簡易
な演算式を用いていながら、演算誤差が少なく、かつ、
特に初速度近辺の加速の変化を充分抑制可能なモータ制
御装置を実現することができる。

【００５８】また、本発明のモータ制御装置によれば、
簡単な演算式が使用可能であるため、ＣＰＵの負荷を格
段に小さくすることができる。これによって、複数のモ
ータを制御する場合には、ＣＰＵの負荷が少なくなった
分だけ、通信機能をそのＣＰＵに備えることができ、複
数の通信機能付きＣＰＵにより各モータを分散して制御
できるので、制御信号線の省配線化、モータのモジュー
ル化によるハード、ソフトのシステム構築の柔軟性を増
加させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】直線による加速度パターンの一例を示す図であ
る。

【図２】モータの速度制御のためのパルス信号の出力波
形例を示す図である。

【図３】７つの直線からなる加減速パターンの一例を示
す図である。

【図４】８つの直線からなる加減速パターンの一例を示
す図である。

【図５】７つの直線からなる加減速パターンの他の例を
示す図である。

【図６】速度パターンの分割数が可変の場合の速度指令
方法説明図である。

【図７】初起動部加速度変化を示す図である。

【図８】加速度αの調整／補正例を示す図である。

【図９】直線の演算誤差に対する補正の一例を示す図で
ある。

【図１０】モータ速度制御装置の制御部の構成図であ
る。

【図１１】図１０に示したパルス演算部の内部構成図で
ある。

【図１２】複数のモータを制御する場合の例の説明図で
ある。

【図１３】モータ速度制御を台形制御する例の説明図で
ある。

【図１４】モータ速度制御をＳ字曲線で制御する例の説
明図である。

【符号の説明】

１…制御用ＣＰＵ、２…初期演算及び補正演算部、３…
多直線近似パルス演算部、４…相出力演算部、１１−1
〜１１−n… モータ、３１…加減算演算部、３２…傾
き補正／切り替え部、３３…切り替えタイミング部、３
４…一定速演算部、３５…切り替え回路、３６…周期演
算部、３７…加速度／速度比較部。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モータに出力する制御パルス信号を演算
   する制御パルス演算部と、モータに出力される制御パル
   スの相出力演算を行なう相出力演算部と、制御パルス演
   算部及び相出力演算部の動作を制御する制御部とを有す
   るモータ制御装置において、 期間と加速度とからなる速度直線を、所定の簡易演算に
   より演算し、演算した複数の速度直線を組み合わせてモ
   ータの速度パターンを演算する制御演算部であって、特
   に初期動作における加速度変化を抑制する制御演算部を
   備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のモータ制御装置におい
   て、上記制御演算部は、Ｒiをi番目の速度直線の速度と
   し、αuを上記i番目の速度直線の加速度とし、Ｒi−1を
   i−1番目の速度直線の傾きとすると、Ｒi＝Ｒi−1 ＋
   αu／Ｒi−1、なる漸化式により、上記i番目の速度直線
   の速度Ｒiを演算し、上記i番目の速度直線の期間をｔi
   とすると、ｔi ＝ １／Ｒi、なる式により、上記i番目
   の速度直線の期間ｔiを演算することを特徴とするモー
   タ制御装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載のモータ制御装置におい
   て、上記制御演算部は、初起動時における初速度Ｒ1と
   第一直線目の加速度α１の比較よりα１を調整する機能
   を有し、同様に次パルス以降の速度Ｒ2，Ｒ3・・・と初
   期動作一連の加速度変化を抑制することを特徴とするモ
   ータ制御装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載のモータ制御装置におい
   て、さらに他のモータ制御装置への制御情報を通信する
   通信機能を備えることを特徴とするモータ制御装置。
5. 【請求項５】 請求項１から４記載のうちいずれか一項
   記載のモータ制御装置において、上記制御演算部は、Ｌ
   ＳＩであることを特徴とするモータ制御装置。
6. 【請求項６】 請求項１から５記載のうちいずれか一項
   記載のモータ制御装置において、制御演算部が演算した
   速度直線の加速度の誤差を算出し、算出した誤差に基づ
   いて、補正値を演算する学習機能を備えることを特徴と
   するモータ制御装置。