JP2005245130A - モータ制御装置およびモータ制御方法 - Google Patents

モータ制御装置およびモータ制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】複雑な処理を行うことなく、速度制御と位置制御とを併用できる技術を提供する。
【解決手段】速度指令補正部74は、位置制御部72により生成された制御出力(に相当する速度)Upが、目標速度設定レジスタ53に設定された目標速度Vtより大きいか否か(Up>Vt)を判定し、制御出力Upが目標速度Vt以下であれば、目標速度Vtを制御出力Upに補正して新たな制御出力Ufとする一方、制御出力Upが目標速度Vtより大きい場合であれば、目標速度Vtに相当する制御出力をそのまま新たな制御出力Ufとする。このように、制御出力Upが目標速度Vt以下となる減速区間では、速度制御の制御出力に位置制御の制御出力を反映させることができるため、速度制御から位置制御へ切り替える、この切り替え時に制御出力を抑える、といった複雑な処理を行うことなく、速度制御と位置制御とを併用することができる。
【選択図】図5

Description

本発明は、モータの動作を制御するモータ制御装置およびモータ制御方法に関する。
現在、プリンタにおけるキャリッジをモータにより動作させるために、フィードバック制御によりモータを制御することが一般的である。このようなプリンタにおいては、キャリッジを一定の速度まで加速させ、記録用紙を走査する区間を一定の速度で移動させた後、所定の停止位置にて停止させるべく減速させる必要がある。
そのため、キャリッジが加速する区間および一定の速度で移動する区間(加速・定速区間)では、キャリッジの移動する速度に注目した制御方法、つまり速度制御を行い、キャリッジが減速する区間(減速区間)では、キャリッジの位置に注目した制御方法、つまり位置制御を行う、という様に速度制御と位置制御とを併用することが望ましい。
これは、加速区間においてキャリッジを目標速度まで加速し、定速区間においてキャリッジを一定の速度で正確に移動させるといったことができなければ、記録用紙への記録位置が定まらなくなり、また、減速区間において停止位置で正確にキャリッジを停止させることができなければ、以降にキャリッジが移動することに伴う記録用紙への記録位置がズレてしまうからであって、結果的に記録用紙への記録を行う際の品質(記録品質)に悪影響を及ぼしてしまうからである。
ただ、速度制御と位置制御とを単純に切り替えるだけでは、制御方法を切り替えるタイミングでモータへの制御出力が瞬間的に不安定になり、キャリッジの移動する速度を不規則に変化させてしまうことで、記録品質に悪影響を与えてしまう恐れがある。
そこで、近年では、このようなキャリッジの不規則な速度変化を防止するための技術が種々提案されている。例えば、速度制御(加速、定速状態)から位置制御(減速状態)へと切り替える時点において、モータへの制御出力を抑える(位置誤差を0にして制御を行う)ことにより、モータへの制御出力が急激に変化することを防止する、といった技術である(特許文献1参照)。
特開2001−63168号公報
しかし、上述した技術では、速度制御と位置制御とを併用することはできるが、速度制御から位置制御への切り替えを行い、この切り替え時にモータへの制御出力を抑える、といった複雑な処理が必要であった。
本発明は、この課題を解決するためになされたものであり、その目的は、複雑な処理を行うことなく、速度制御と位置制御とを併用することのできる技術を提供することである。
上記課題を解決するため請求項1に記載のモータ制御装置は、制御対象を駆動するモータと、前記制御対象が変位する速度を検出する速度検出手段と、該速度検出手段により検出される検出速度と外部から指令される目標速度との偏差に基づく制御出力を決定する速度制御手段と、からなり、該速度制御手段により決定された制御出力により前記モータの動作を制御するモータ制御装置である。また、このモータ制御装置は、前記制御対象の位置を検出する位置検出手段と、該位置検出手段により検出される検出位置と外部から指令される目標位置との偏差に基づく制御出力を決定する位置制御手段と、該位置制御手段により決定される制御出力に基づき、前記速度制御手段への指令を補正する指令補正手段と、を備えており、該指令補正手段は、前記位置制御手段により決定された制御出力が、前記目標速度以上の速度に相当する制御出力であれば、該目標速度を前記速度制御手段への指令とする一方、前記目標速度よりも低い速度に相当する制御出力であれば、該制御出力を前記速度制御手段への指令とする、ことを特徴とする。
このように構成されたモータ制御装置によれば、位置制御手段による位置制御の制御出力が目標速度よりも低い速度に相当する制御出力であるときに、この制御出力が速度制御手段への指令となるように目標速度が補正される。つまり、位置制御の制御出力が目標速度よりも低い速度に相当する制御出力となった以降、速度制御の制御出力に位置制御の制御出力が反映されるようになるため、速度制御から位置制御へ切り替える、この切り替え時に制御出力を抑える、といった複雑な処理を行うことなく、速度制御と位置制御とを併用することができる。
さらに、速度制御手段への指令が位置制御手段による制御出力に補正され始めた、つまり速度制御および位置制御が併用され始めた以降、速度制御手段への指令は、この指令で示される速度が目標速度から徐々に低下していくものとなるため、これに伴って、モータへの制御出力を徐々に低下させることができる。よって、速度制御から位置制御へと切り替える、この切り替え時に制御出力を抑える、といった構成とは異なり、モータへの制御出力が不規則に変化して制御対象の挙動が不安定になる恐れがない。
なお、上述した速度検出手段,位置検出手段は、制御対象が変位する速度,制御対象の位置を検出する手段であって、例えば、ロータリーエンコーダやリニアエンコーダなどを利用し、制御対象またはモータの動作に伴って出力されるエンコーダ信号のカウント値に基づいて、速度,位置を検出するように構成されたものである。
また、上述した位置制御手段は、位置検出手段による検出位置と目標位置との偏差に基づく制御出力を決定する手段であって、このときの位置制御は、どのような制御方法により行うように構成してもよい。例えば、請求項2に記載のように、速度制御手段に与える制御出力を比例制御により決定する、ように構成してもよい。
このように構成すれば、比例制御において使用するパラメータ(ゲイン)は、他の制御系(例えば、PID制御など)において使用するパラメータと比べて、制御対象の変位する変位速度,制御対象の減速を開始する減速開始位置,制御対象を停止させるべき目標停止位置などから容易に決定できるため、モータ制御装置全体の設計を容易なものにできるようになる。
ところで、上述したモータ制御装置によって制御対象の変位を開始させる時点などにおいては、制御対象の変位する速度は充分に大きくなっていないため、この速度と目標速度との偏差が大きくなり、目標速度を上回る速度で変位するような制御出力がモータに与えられてしまう恐れがある。このような場合であっても、制御対象の変位する速度は、目標速度を上回った(オーバーシュートした)後で目標速度まで低下していくように制御されることにはなるが、このような制御は、制御対象の変位する速度が目標速度で安定するまでの時間を長くしてしまったり、制御対象の挙動を不安定にしてしまう要因となるため望ましいことではない。
そこで、目標速度を上回る速度で変位してしまうような制御出力がモータに与えられてしまうことを防止するための構成として、請求項3に記載されたような構成が考えられる。請求項3に記載のモータ制御装置は、前記速度制御手段への指令を、前記目標速度よりも低い初期速度から該目標速度まで一定の時間を経て到達するように与える速度指令手段を備えている。
このように構成すれば、制御対象の変位を開始させる時点などにおいて、速度制御手段へ指令すべき目標速度が大きく変化するような場合であっても、この変化が速度制御手段への指令に反映されるのが遅れるため、制御対象の変位する速度と目標速度との偏差が極端に大きくなることはなく、目標速度を上回る速度で変位するような制御出力がモータに与えられてしまうことを防止できる。
この構成における速度指令手段の具体的な構成としては、例えば、請求項4に記載のように、前記目標速度よりも低い初期速度から該目標速度まで一定の時間を経て到達するようなプロファイルで前記速度制御手段への指令を与える、といった構成や、請求項5に記載のように、速度指令手段を、前記速度制御手段への指令で示される速度が前記目標速度に到達するまでの時間を遅らせる(つまり初期指令速度は「0」となる)ことのできる遅延フィルタにより構成する、といったことが考えられる。
特に、後者の構成(遅延フィルタ)であれば、目標速度を上回る速度で変位するような制御出力がモータに与えられないようにプロファイルを設定する必要は無いため、前者の構成よりも速度指令手段の構成を簡素化できる。
なお、この後者の構成のように、遅延フィルタを介して速度指令手段に指令を与える場合、速度制御手段への指令値(目標速度)の変化が遅れて与えられることになるが、例えば、制御対象を停止位置へ向けて減速させている減速区間など、制御対象の変位状態によっては、速度制御手段への指令値の変化を遅れなく与えた方がよい場合も考えられる。
そこで、例えば、請求項6に記載のように、速度指令手段を、前記検出速度または前記検出位置で定められる前記制御対象の変位状態に応じて、前記遅延フィルタによる遅延を行うか否かを切り替えるように構成する、とよい。
このように構成すれば、検出速度または検出位置で定められる制御対象の変位状態に応じて、速度制御手段への指令値の変化を遅れて反映させるようにしたり、遅れなく反映させるようにすることができる。
なお、この構成において、遅延を行うか否かの切り替えを行う際の変位状態としては、例えば、制御対象が減速区間に入った状態が考えられ、この場合、検出位置が減速を開始してもよい位置を通過したこと、指令速度が低下し始めた(位置制御器の出力値<目標速度)ことなどの検出をもって遅延を行わないように切り替えることとすればよい。
また、上述したように、目標速度を上回る速度で変位してしまうような制御出力がモータに与えられてしまうことを防止するための別の構成として、請求項7に記載のように、前記速度制御手段は、少なくともロバスト制御系を含む複数の制御系に基づく制御出力を決定可能であって、前記制御対象が目標速度に達するまではロバスト制御系以外の制御系に基づいて制御出力を決定し、前記目標速度に達したのちはロバスト制御系に基づいて制御出力を決定する、といった構成が考えられる。
すなわち、古典制御といわれている一般的なPID制御では、チューニングすることによりその個体で最適な制御を設計することが可能であり、例えば、外乱の影響により制御対象への制御出力が乱れても、直ちに目標値へ収束させるような設計が容易である。ところが、大量生産する場合、製品毎の個体差が生じることが避けられないため、ある個体では最適なチューニングであっても、他の個体にとっては必ずしも最適な制御が行われるとは限らないといった問題がある。しかしながら、本発明のように、ロバスト制御を用いると、上述したような個体差による影響を皆無にすることはできないまでも、極力小さくなるように抑制することが可能となる。特に、モータにより制御対象を正確に駆動することを要する製品(例えば、インクジェットプリンタなど)においては、個体差の影響を抑制することが重要である。ただ、個体差の影響を抑制することができるロバスト制御であっても、通常、その設計プロセスにおいて、時間応答の見地からの設計(調節)をすることは困難である。
以上より、PID制御等の設計においては、ある一定期間内に、制御対象の動作値(位置または速度)を目標値へ収束させるといったチューニングを容易に行うことができるのに対し、外乱抑制に特化したロバスト制御器では、指令位置と動作値(検出値)との偏差に敏感に応答するため、単体で使用したときには立ち上がり時に大きなオーバーシュートを生じてしまうことになる。
したがって、請求項7に記載のように構成すれば、制御対象が目標速度に達するまではロバスト制御系以外の制御系に基づいて制御出力を決定するような構成とすることができるため、時間応答に対する設計自由度の高い制御系(例えば、I−P,PI制御系など)により目標速度に対する応答性のよい制御出力を決定する構成とすることで、目標速度を上回る速度で変位してしまうような制御出力がモータに与えられてしまうことを容易に防止することができる。さらに、制御対象が目標速度に達した以降は、外部の擾乱に対して安定した制御が可能なロバスト制御系により制御出力を決定することができるため、制御対象を安定した速度(目標速度)で変位させることができる。
また、この構成において、速度制御手段は、請求項8に記載のように、ロバスト制御系に基づいて制御出力を決定する際、ロバスト制御系以外の制御系により前記制御対象が前記目標速度に達したときの制御出力を基準として、該制御出力に前記目標速度と前記検出速度との差分を入力としてロバスト制御系により計算された制御出力を上乗せした制御出力を決定する、ように構成するとよい。
このように構成すれば、目標速度に到達するのに伴って事実上制御が切り替えられているのにも拘わらず、切替えによる出力の乱れが発生しない。また、ロバスト制御系においては、過去の入力(指令速度と検出速度との偏差)により計算された制御器の内部状態量を用いて制御量を決定することが一般的であり、制御手段をある駆動状態からロバスト制御へ切り替える(引き継ぐ)際にはこの内部状態量を何らかの計算で偽装的に満たしておく構成も考えられるが、上述のように、他の制御系により利用されていた制御出力を引き継いで利用することにより、数式から算出するような構成と比べて制御出力を決定する処理の負荷を軽減することができる。
また、請求項9に記載のモータ制御方法は、モータにより駆動される制御対象が変位する速度と目標速度との偏差に基づく制御出力を決定し、該決定した制御出力により前記モータの動作を制御するモータ制御方法であって、前記制御対象の位置と目標位置との偏差に基づく制御出力を決定し、該決定した制御出力に基づいて前記目標速度を補正するようにし、該補正に際しては、前記制御対象の位置と目標位置との偏差に基づいて決定した制御出力が、前記目標速度以上の速度に相当する制御出力であれば、前記目標速度の補正を行わない一方、前記目標速度よりも低い速度に相当する制御出力であれば、前記目標速度を前記低い速度に補正する、ことを特徴とする。
このような方法によりモータを制御すれば、請求項1に記載のモータ制御装置により得られるのと同様の効果を得ることができる。
また、このモータ制御方法において、制御対象の位置と目標位置との偏差に基づく制御出力を決定する際には、検出位置と目標位置との偏差に基づき、比例制御により決定するようにしてもよい。この場合、請求項2に記載のモータ制御装置により得られるのと同様の効果を得ることができる。
また、これらモータ制御方法においては、制御対象が変位する速度と目標速度との偏差に基づく制御出力を決定するにあたり、この目標速度を、目標速度よりも低い初期速度から目標速度まで一定の時間を経て到達するように与えるようにするとよい。この場合、請求項3に記載のモータ制御装置により得られるのと同様の効果を得ることができる。
ここで、目標速度を初期速度から目標速度まで一定の時間を経て到達するように与えるようにするためには、例えば、目標速度よりも低い初期速度から該目標速度まで一定の時間を経て到達するようなプロファイルに基づいて行うとよい。この場合、請求項4に記載のモータ制御装置により得られるのと同様の効果を得ることができる。
また、目標速度を初期速度から目標速度まで一定の時間を経て到達するように与えるようにするためには、目標速度を、速度制御手段への指令で示される速度が目標速度に到達するまでの時間を遅らせることのできる遅延フィルタに通過させるようにしてもよい。この場合、請求項5に記載のモータ制御装置により得られるのと同様の効果を得ることができる。
また、このモータ制御方法のように、遅延フィルタを通過させる場合には、検出速度または前記検出位置で定められる制御対象の変位状態に応じて、遅延フィルタによる遅延を行うか否かを切り替えるようにするとよい。この場合、請求項6に記載のモータ制御装置により得られるのと同様の効果を得ることができる。
また、請求項9に記載のモータ制御方法において、制御対象の位置と目標位置との偏差に基づく制御出力を決定する際には、制御対象が目標速度に達するまではロバスト制御系以外の制御系に基づいて制御出力を決定し、目標速度に達したのちはロバスト制御系に基づいて制御出力を決定するようにしてもよい。この場合、請求項7に記載のモータ制御装置により得られるのと同様の効果を得ることができる。
また、このモータ制御方法においては、ロバスト制御系に基づいて制御出力を決定する際、ロバスト制御系以外の制御系により制御対象が目標速度に達したときの制御出力を基準として、この制御出力に目標速度と検出速度との差分を入力としてロバスト制御系により計算される制御出力を上乗せした制御出力を決定するようにしてもよい。この場合、請求項8に記載のモータ制御装置により得られるのと同様の効果を得ることができる。
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
[第1実施形態]
インクジェットプリンタ(以降、単に「プリンタ」とする)は、キャリッジ駆動機構によりキャリッジを駆動するように構成されたものである。
このキャリッジ駆動機構は、まず、押さえローラ32等により搬送されてくる印刷用紙33の幅方向に設置されたガイド軸34に、ノズルから印刷用紙33に向けてインクを吐出させて記録を行う記録ヘッド30を搭載したキャリッジ31が挿通されたものである。
このキャリッジ31は、ガイド軸34に沿って設けられた無端ベルト37に連結され、その無端ベルト37は、ガイド軸34の一端に設置されたCRモータ35のプーリ36と、ガイド軸34の他端に設置されたアイドルプーリ(図示せず)との間に掛け止められている。つまり、キャリッジ31は、無端ベルト37を介して伝達されるCRモータ35の駆動力により、ガイド軸34に沿って印刷用紙33の幅方向に往復運動するように構成されている。
また、ガイド軸34の下方には、一定間隔(本実施形態においては、1/150inch=約0.17mm)ごとに一定幅のスリットを形成したタイミングスリット38が、ガイド軸34に沿って設置されている。
また、キャリッジ31の下部には、タイミングスリット38を挟んで発光素子と受光素子とが対面するように配置されたフォトインタラプタからなる検出部(図示されない)が備えられており、上述のタイミングスリット38と共に、後述のリニアエンコーダ39(図4参照)を構成している。
このリニアエンコーダ39を構成する検出部は、図2に示すように、互いに一定周期(本実施形態においては、1/4周期)ズレた2種類のエンコーダ信号ENC1,ENC2を出力する。そして、キャリッジ31の移動方向がホームポジション(図1の左端位置)からアイドルプーリ側に向かう順方向である場合は、ENC1がENC2に対して位相が一定周期進み、アイドルプーリ側からホームポジションに向かう逆方向である場合は、ENC1がENC2に対して位相が一定周期遅れるようにされている。
このようなキャリッジ駆動機構において、キャリッジ31は、図3に示すように、記録処理が行われていない時には、ガイド軸34のプーリ35側端付近に設定されたホームポジション、或いは前回の記録が終了した位置(以下、キャリッジの移動開始位置を示す位置を「原点」と称する)にて待機し、記録処理が開始されると、予め設定された記録開始位置までの間に目標速度に達するよう加速され、その後、予め設定された記録終了位置までの間は一定の目標速度で移動し、記録終了位置を越えると停止するまで減速される。以下、原点から記録開始位置までを加速区間、記録開始位置から記録終了位置までを定速区間、印字終了位置から停止するまでを減速区間とする。
また、プリンタには、図4に示すように、当該プリンタの制御を統括するCPU2、CRモータ35の回転速度や回転方向等を制御するPWM信号を生成するASIC(Application Specific Integrated Circuit)3、Hブリッジ回路における4基のFETをASIC3に生成されたPWM信号に基づいて制御することでCRモータ35を駆動するモータ駆動回路(CR駆動回路)4などからなるキャリッジ制御装置1が内蔵されている。
ASIC3には、CRモータ35の制御に用いる各種パラメータを格納するレジスタ群5、リニアエンコーダ39から取り込んだエンコーダ信号ENC1,ENC2によりキャリッジ31の位置や移動速度を算出するキャリッジ測位部6、レジスタ群5に格納された各種パラメータおよびキャリッジ測位部6からのデータに基づきCRモータ35の回転速度を制御するためのモータ制御信号を生成するモータ制御部7、モータ制御部7が生成するモータ制御信号に応じたデューティ比のPWM信号を生成するPWM生成部8、エンコーダ信号ENC1,ENC2より十分に周期が短いクロック信号をASIC3内部の各部に供給するクロック生成部9などが備えられている。
これらのうち、レジスタ群5は、CRモータ35を起動するための起動設定レジスタ50、キャリッジ31を停止させるべき目標停止位置を設定するための目標停止位置設定レジスタ51、キャリッジ31の減速を開始する減速開始位置(記録終了位置と同一)を設定するための減速開始位置設定レジスタ52、キャリッジ31が目標とすべき目標速度を設定するための目標速度設定レジスタ53、CRモータ35の回転速度(トルク)を制御する際のフィードバック演算に用いる位置制御ゲインを設定するための位置制御ゲイン設定レジスタ54、後述する目標値フィルタの係数を設定するための目標値フィルタ係数設定レジスタ55、CRモータ35の回転速度(トルク)を制御する際のフィードバック演算に用いる速度制御ゲインを設定するための速度制御ゲイン設定レジスタ56などにより構成されている。なお、上述した「減速開始位置」とは、単に減速を開始する位置という意味ではなく、少なくとも、この位置までは目標速度が維持されるべき位置であり、言い換えれば、これ以後であれば減速を行ってもよい位置を示すものである。
また、キャリッジ測位部6は、リニアエンコーダ39からのエンコーダ信号ENC1,ENC2に基づいてエンコーダ信号ENC1の各周期の開始/終了を表すエッジ検出信号(ここではENC2がハイレベルの時におけるENC1のエッジ)及びCRモータ35の回転方向(エッジ検出信号がENC1の立ち下がりエッジであれば順方向、立ち上がりエッジであれば逆方向)を検出するエッジ検出部60、エッジ検出部60が検出したCRモータ35の回転方向(つまりキャリッジ31の移動方向)に応じてエッジ検出信号をカウントアップ(順方向のとき)またはカウントダウン(逆方向のとき)することによりキャリッジ31がホームポジションから何番目のスリットに位置しているのかを検出する位置カウンタ61、エッジ検出部60からのエッジ検出信号の発生間隔をクロック信号によりカウントする周期カウンタ63、タイミングスリット38のスリット間の距離(1/150inch)とエンコーダ信号ENC1の前周期で周期カウンタ63がカウントした値の保持値Cn-1 とから特定される時間tn-1 (=Cn-1 ×クロック周期)とに基づいてキャリッジ31の移動速度を算出する速度変換部64、位置カウンタ61によるカウント値が目標停止位置設定レジスタ51にセットされている目標停止位置以上となった際に停止割込信号をCPU30へ出力する割込処理部65などにより構成されている。
また、モータ制御部7は、図5に示すように、目標停止位置設定レジスタ51に設定された目標停止位置と位置カウンタ61のカウント値から定められるキャリッジ31の現在位置との偏差に基づいて比例制御(P制御)により制御出力を生成する位置制御部72、目標速度設定レジスタ53に設定された目標速度を位置制御部72からの制御出力に基づいて補正する速度指令補正部74、速度指令補正部74により補正された目標速度の急激な変化を緩和させるための目標値フィルタ部76、目標値フィルタ部76にて処理された目標速度と速度変換部64により計算されたキャリッジ31の移動速度との偏差に基づいてPID制御により制御出力を生成する速度制御部78などを備えている。
このモータ制御部7において、速度指令補正部74は、位置制御部72からの制御出力に相当する速度が、目標速度設定レジスタ53に設定された目標速度より小さい場合のみ、目標速度を位置制御部72からの制御出力に相当する速度に補正する。つまり、速度指令補正部74は、位置制御部72からの制御出力を、目標速度設定レジスタ53に設定されている目標速度に相当する制御出力で飽和させていることになる。
また、目標値フィルタ部76は、速度指令補正部74により補正された目標速度に相当する制御出力を、フィルタ76aを経て遅延させる経路とフィルタ76aを経ずに遅延させない経路とをスイッチ76bにより切り替え可能に構成されている。このフィルタ76aは、速度指令補正部74により補正された目標速度を、目標値フィルタ係数設定レジスタ55に設定された目標値フィルタ係数に基づき、制御出力の変化を遅延させて出力する特性を有している(図6における「input」,「output」参照)。また、スイッチ76bは、位置カウンタ61のカウント値から定められるキャリッジ31の現在位置が、減速開始位置設定レジスタ52に設定された減速開始位置より小さくなっているときにのみ、つまりキャリッジ31が減速開始位置を通過するまでの間だけ、フィルタ76aを経る経路側へ切り替えた状態とするように構成されている。
以下に、CPU2が実行するCR走査処理の内容を、図7に基づいて説明する。
本処理が開始されると、CPU2は、まず、ASIC3のレジスタ群5を構成する各レジスタに、目標停止位置,減速開始位置,目標速度,位置制御ゲイン,目標値フィルタ係数,速度制御ゲインを各レジスタに設定する(s110)。これらのうち、位置制御ゲイン設定レジスタ54に設定される位置制御ゲインは、比例制御におけるゲインとして、制御対象の変位する変位速度Vt,減速開始位置Xd,目標停止位置Xtから求められるゲインKp「Kp≧(Vt/(Xt−Xd))」が設定される。このゲインKpは、キャリッジ31が減速開始位置Xdよりも手前で減速を開始しないような値としてあらかじめ定められたパラメータである。
次に、起動設定レジスタ50への書込を行うことにより、ASIC3の各部を起動させる(s120)。こうして、ASIC3が起動した以後は、モータ制御部7が後述する手順に従って繰り返し制御信号を生成し、この制御信号がPWM生成部8を介してCR駆動回路4に順次入力されることにより、CRモータ35によるキャリッジ31の搬送が行われる。その後、キャリッジ31が目標停止位置まで移動すると、割込処理部65からの停止割込信号が出力されてくる。
そして、ASIC3(の割込処理部65)から停止割込信号が入力されるまで待機し(s130:NO)、停止割込信号が入力されたら(s130:YES)、本処理を終了する。
ここで、CR走査処理によりCPU2によりASIC3が起動された以降、ASIC3のモータ制御部7が制御信号を生成する手順を図8に基づいて説明する。なお、モータ制御部7は、いわゆるハードウェア回路として以下の制御動作を実行するように構成されたものであるが、ここでは理解を容易にするために、ハードウェア回路としての制御動作をフローチャートに置き換えて説明する。
まず、レジスタ群5に設定されている各パラメータが読み込まれる(s210)。
次に、位置制御部72によって、目標停止位置設定レジスタ51に設定されていた目標停止位置xtと、位置カウンタ61のカウント値から定められるキャリッジ31の現在位置Xnとの偏差を計算し(s220)、この偏差に基づいて比例制御(P制御)による制御出力Upを生成する(s230)。ここでは、加算器72aによって、目標停止位置xtと現在位置Xnとの偏差が計算された後、位置制御器72bによって、位置制御ゲイン設定レジスタ54に設定されていたゲイン(Kp)に基づいて偏差を「0」とするための制御出力Upが生成される。
次に、速度指令補正部74によって、位置制御部72により生成された制御出力(に相当する速度)Upが、目標速度設定レジスタ53に設定された目標速度Vtより大きいか否か(Up>Vt)を判定し(s240)、その結果に応じて目標速度Vtを補正した新たな制御出力Ufを生成する。具体的には、制御出力Upが目標速度Vt以下(Up≦Vt)であれば(s240:NO)、目標速度Vtを制御出力Upに補正して新たな制御出力Uf(Uf←Up)とする一方(s250)、制御出力Upが目標速度Vtより大きい場合(Up>Vt)であれば(s240:YES)、目標速度Vtに相当する制御出力をそのまま新たな制御出力Uf(Uf←Vt)とする(s260)。
次に、目標値フィルタ部76によって、位置カウンタ61のカウント値から定められるキャリッジ31の現在位置が、減速開始位置設定レジスタ52に設定された減速開始位置を超えているか否かに応じた速度指令Vfを生成する。具体的には、キャリッジ31が減速開始位置を超えていなければ(s270:NO)、スイッチ76bによる切り替えを行った状態とし、速度指令補正部74により補正された制御出力Ufをフィルタ76aで遅延させた制御出力を生成して、この制御出力に相当する速度を速度制御部78への速度指令Vfとする(s280)。一方、キャリッジ31が減速開始位置を超えていれば(s270:YES)、スイッチ76bによる切り替えを行わない状態とし、速度指令補正部74により補正された制御出力Ufに相当する速度をそのまま速度制御部78への速度指令Vf(Vf←Uf)とする(s290)。
そして、速度制御部78によって、目標値フィルタ部76からの速度指令Vfと、速度変換部64により算出されたキャリッジ31の移動速度Vnとの偏差(Vf−Vn)を計算し(s300)、この偏差に基づいてPID制御による制御出力Uoを生成する(s310)。ここでは、加算器78aによって、速度指令Vfと移動速度Vnとの偏差が計算された後、速度制御器78bによって、速度制御ゲイン設定レジスタ56に設定されていたゲインに基づいて、偏差が「0」になるような制御出力Uoが生成される。
この後、速度制御部78による制御出力Uoに応じたデューディー比のPWM信号がPWM生成部8により生成され、このPWM信号によりCR駆動回路4を介してCRモータ35が駆動される。
以上のような手順を繰り返し行うことにより、キャリッジ31は、減速開始位置設定レジスタ52に設定された減速開始位置に到達するまでの間、目標速度設定レジスタ53に設定された目標速度に追従するように移動するため、記録開始位置に到達するまでの加速区間では、その移動速度が目標速度に達するように加速され、その後の減速開始位置までの定速区間では一定の目標速度で移動することになる。そして、減速開始位置に到達した以降は、目標停止位置設定レジスタ51に設定された目標停止位置と、位置カウンタ61のカウント値から定められるキャリッジ31の現在位置と、の偏差により補正された目標速度に追従するように移動するため、減速開始位置を越えた減速区間では速やかに減速され目標停止位置において停止することとなる。
[第1実施形態の効果]
このように構成されたプリンタによれば、モータ制御部7において、位置制御部72による位置制御の制御出力Upが目標速度よりも低い速度に相当する制御出力であるとき、この制御出力が速度制御部78への指令となるように目標速度が補正される。つまり、制御出力Upが目標速度Vt以下となる減速区間では、速度制御の制御出力に位置制御の制御出力を反映させることができるため、速度制御から位置制御へ切り替える、この切り替え時に制御出力を抑える、といった複雑な処理を行うことなく、速度制御と位置制御とを併用することができる。
さらに、速度制御部78への指令が位置制御部72による制御出力に補正され始めた、つまり速度制御および位置制御が併用され始めた以降、速度制御部78への指令は、この指令で示される速度が目標速度から徐々に低下していくものとなるため、これに伴って、CRモータ35への制御出力を徐々に低下させることができる。よって、速度制御から位置制御へと切り替える、この切り替え時に制御出力を抑える、といった構成とは異なり、CRモータ35への制御出力が不規則に変化して制御対象の挙動が不安定になる恐れがない。
また、位置制御部72は、位置カウンタ61によるカウント値と目標停止位置設定レジスタ51にセットされている目標停止位置との偏差に基づく比例制御を行うように構成されている。比例制御において使用するゲイン(パラメータ)は、他の制御系(例えば、PID制御など)と比べて、制御対象の変位する変位速度,制御対象の減速を開始する減速開始位置,制御対象を停止させるべき目標停止位置などから容易に決定できるため、キャリッジ駆動機構全体の設計を容易なものにできるようになる。本実施形態においては、比例制御におけるゲインとして、制御対象の変位する変位速度Vt,減速開始位置Xd,目標停止位置Xtから「Kp≧(Vt/(Xt−Xd))」といった簡単な数式により求められるゲインKpを使用することができる。
また、目標値フィルタ部76は、キャリッジ31が減速開始位置を超えていなければ、速度指令補正部74により補正された制御出力Ufをフィルタ76aで遅延させた制御出力を生成し、この制御出力に相当する速度を速度制御部78への指令速度Vfとする。そのため、キャリッジ31が原点から移動を開始させる時点などにおいて、速度制御部78へ指令すべき目標速度が大きく変化するような場合であっても、この変化が速度の指令に反映されるのが遅れるため、キャリッジ31の移動する速度と目標速度との偏差が極端に大きくなることはなく、目標速度を上回る速度で変位するような制御出力がCRモータ35に与えられてしまうことを防止できる。このような制御出力をCRモータ35に与えることで、キャリッジ31の移動する速度が、目標速度を上回った(オーバーシュートした)後で目標速度まで低下していくように制御されることを防止でき、キャリッジ31の移動する速度が目標速度で安定するまでに時間を要したり、キャリッジ31の挙動を不安定にしてしまう要因となることを防止できる。
また、目標値フィルタ部76は、キャリッジ31が減速開始位置を超えていれば、フィルタ76aによる遅延を行うことなく、速度指令補正部74により補正された制御出力Ufそのものに相当する速度を速度制御部78への速度指令Vfとすることができる。このように、キャリッジ31が減速開始位置を超えているときにフィルタ76aによる遅延を行わないことは、キャリッジ31が減速開始位置を超えて減速を開始すべき状態となった以降、速度制御部78への指令値(目標速度)の低下を遅延なく反映させてキャリッジ31を正確に減速させるために好適な構成といえる。このようにフィルタ76aによる遅延を行わないようにすれば、速度の指令値(目標速度)の変化が常に遅れて反映されることがなくなり、キャリッジ31が減速開始位置を超えた以降において、キャリッジ31を遅れなく正確に減速させることができるようになる。
[第2実施形態]
第2実施形態として、キャリッジ制御装置1を構成するASIC3のモータ制御部7が
目標値フィルタ部76が備えられていない点、速度制御部78に複数の制御器が備えられている点で第1実施形態と相違する構成を例示する。
本実施形態において、速度制御部78には、図9に示すように、第1制御器78cにより制御出力を生成する経路と、第2制御器78dにより制御出力を生成する経路とがスイッチ78eにより切り替え可能に構成されており、また、第1制御器78cにより生成された制御出力は、通過保持部78fに入力されるように構成されている。
この第1制御器78cは、I−P制御により制御出力を生成する制御器であり、第2制御器78dは、ロバスト制御により制御出力を生成する制御器である。
また、スイッチ78eは、速度変換部64により計算されたキャリッジ31の移動速度が、目標速度設定レジスタ53に設定された目標速度に到達していなければ、第1制御器78cにより制御出力を生成する経路側へ切り替えた状態とする一方、移動速度が目標速度に到達していれば、第2制御器78dにより制御出力を生成する経路側へ切り替えた状態とするように構成されている。
そして、通過保持部78fは、第1制御器78cから直前に生成された制御出力を保持(内蔵するレジスタに設定)すると共に、スイッチ78eが第1制御器78cの経路側に切り替えられた状態であれば、第1制御器78cの制御出力をそのままPWM生成部8側へ通過させる一方、スイッチ78eが第2制御器78dの経路側に切り替えられた状態であれば、保持されている制御出力をPWM生成部8側へ通過させるように構成されている。
ここで、CR走査処理によりCPU2によりASIC3が起動された以降、ASIC3のモータ制御部7が制御信号を生成する手順を図10に基づいて説明する。
まず、第1実施形態と同様に、s210〜s260の手順の後、速度制御部78によって、速度指令補正部74により補正された制御出力Ufと、速度変換部64により算出されたキャリッジ31の移動速度Vnとの偏差(Uf−Vn)を計算した後(s410)、この偏差から目標速度設定レジスタ53に設定された目標速度Vtと速度変換部64により算出されたキャリッジ31の移動速度Vnとに応じた制御出力Uoを生成する。なお、ここでは、加算器78aによって制御出力Uf(本実施形態では制御出力Ufがそのまま速度指令Vfとなる)と移動速度Vnとの偏差(Uf−Vn)が計算された後、第1制御器78cまたは第2制御器78dによって制御出力Uoが生成される。
具体的には、速度変換部64により算出されたキャリッジ31の移動速度Vnが、目標速度設定レジスタ53に設定された目標速度Vtに到達することにより、後述のs440の手順で「NO」と判定されていなければ(s420:NO)、スイッチ78eを第1制御器78cの経路側に切り替えた状態とし、第1制御器78cによって、制御出力Ufと移動速度Vnとの偏差に基づいてI−P制御による制御出力Uoを生成する(s430)。ここでは、第1制御器78cによって、速度制御ゲイン設定レジスタ56に設定されていたゲインに基づいて、偏差が「0」になるような制御出力Uoが生成される。
そして、制御出力Ufと移動速度Vnとの偏差(Uf−Vn)が正の値であれば(s440:YES)、通過保持部78fによって、第1制御器78cにより生成された制御出力UoをそのままPWM生成部8へ出力すべき制御出力Uoとして決定(制御出力UoをPWM生成部8側へ通過)する(s450)一方、偏差が正の値でなければ(s440:NO)、通過保持部78fによって、第1制御器78cにより生成された制御出力Uoを保持する(s460)。なお、制御出力Uoが保持された後は、前述のs420の手順で「YES」と判定される。
また、上述したs420の手順において、移動速度Vnが目標速度Vtに到達している場合(s420:YES)、または、通過保持部78fにより制御出力を保持した後(s460)、スイッチ78eを第2制御器78dの経路側に切り替えた状態とし、第2制御器78dによって、制御出力Ufと移動速度Vnとの偏差に基づいてロバスト制御による制御出力Uoを生成する(s470)。ここでは、第2制御器78dによって、速度制御ゲイン設定レジスタ56に第1制御器78c用のゲインとは別に設定されている第2制御器78d用の速度制御係数(ロバスト制御の場合にはゲインではなく係数が用いられる)に基づいて、偏差が「0」になるような制御出力Uoが生成される。
そして、加算器78gによって、通過保持部78fにより保持されている制御出力Uoと、第2制御器78dにより生成された制御出力Uoとを加算してなる制御出力を、PWM生成部8へ出力すべき制御出力Uoとして決定する(s480)。
[第2実施形態の効果]
このように構成されたプリンタにおいては、第1実施形態におけるプリンタと同様の構成から得られる作用・効果の他に、以下に示すような効果を得ることができる。
このプリンタによれば、モータ制御部7において、キャリッジ31が目標速度に達するまではI−P制御系に基づいて制御出力を決定するような構成とすることができるため、制御対象の時間応答に対する設計自由度の高いI−P制御系により目標速度に対する応答性のよい制御出力を生成する構成とすることで、目標速度を上回る速度で変位してしまうような制御出力がCRモータ35に与えられてしまうことを容易に防止することができる。さらに、キャリッジ31が目標速度に達した以降は、外部の擾乱に対して安定した制御が可能なロバスト制御系により制御出力を生成することができるため、キャリッジ31を安定した速度(目標速度)で移動させることができる。
また、キャリッジ31が目標速度に達した以降は、第1制御器78cによるIP制御でキャリッジ31が目標速度に達したときの制御出力を基準として、この制御出力に、ロバスト制御系による制御出力を上乗せした制御出力を生成することができる。ロバスト制御系においては、過去の入力(指令速度と検出速度との偏差)により計算された制御器の内部状態量を用いて制御量を決定することが一般的であり、制御手段をある駆動状態からロバスト制御へ切り替える(引き継ぐ)際にはこの内部状態量を何らかの計算で偽装的に満たしておく構成も考えられるが、上述のように、IP制御系により利用されていた制御出力を引き継いで利用することにより、数式から算出するような構成と比べて制御出力を決定する処理の負荷を軽減することができる。
[変形例]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において様々な態様にて実施することができる。
また、上記実施形態においては、キャリッジ31の移動速度や位置の検出、PWM信号の生成等の実現にASIC3を採用したものを例示したが、ASIC以外に、例えば、PLD(Programmable Logic Device )を採用してもよい。
また、上記第1実施形態においては、目標値フィルタ部76によりキャリッジ31の移動する速度がオーバーシュートすることを防止するように構成されたものを例示したが、この目標値フィルタ部76の代わりに、モータ制御部7へ与える目標速度Vtを、所定の初期速度(例えば、速度「0」)から目標速度Vtまで所定の時間をもって到達するようなプロファイルにより与えるように構成してもよい。この場合、目標値フィルタ部76を設けないようにすると共に、図7におけるs110の処理でCPU2が、上述のプロファイルを示すデータを目標速度設定レジスタ53に設定するように構成すればよい。
また、上記実施形態においては、キャリッジ31が減速区間に入ったことを、位置カウンタ61のカウント値から定められるキャリッジ31の位置が、減速開始位置設定レジスタ52に設定されている減速開始位置に到達したか否かで判定するように構成されたものを例示した。しかし、キャリッジ31が減速区間に入ったことは、他の方法により判定するように構成してもよい。
また、上記実施形態においては、モータ制御部7の位置制御部72を構成する位置制御器72bが比例制御により制御出力を生成するように構成されたものを例示したが、この位置制御器72bは、比例制御以外の制御系(例えば、I−P制御系,PI制御系など)により制御出力を生成するように構成してもよい。
また、上記第2実施形態においては、モータ制御部7の速度制御部78を構成する第1制御器78cがIP制御系により制御出力を生成するように構成されたものを例示したが、この第1制御器78cは、制御対象の時間応答に対する設計自由度の高い制御系であれば、他の制御系(例えば、PI制御系など)を採用してもよい。
[本発明との対応関係]
以上説明した実施形態において、キャリッジ31は本発明における制御対象であり、リニアエンコーダ39およびキャリッジ測位部6の速度変換部64は本発明における速度検出手段であり、モータ制御部7の速度制御部78は本発明における速度制御手段であり、リニアエンコーダ39およびキャリッジ測位部6の位置カウンタ61は本発明における位置検出手段であり、モータ制御部7の位置制御部72は本発明における位置制御手段であり、モータ制御部7の速度指令補正部74は本発明における指令補正手段であり、モータ制御部7の目標値フィルタ部76は本発明における速度指令手段であり、この目標値フィルタ部76のフィルタ76aが本発明における遅延フィルタである。
また、変形例として、図7におけるs110の処理でCPU2が上述のプロファイルを示すデータを目標速度設定レジスタ53に設定するように構成した場合におけるCPU2は、本発明における速度指令手段である。
キャリッジ駆動機構の構造図 キャリッジの移動状態を示す図 エンコーダ信号の出力パターンを示す図 キャリッジ制御装置の構造を示すブロック図 第1実施形態におけるモータ制御部の構造を示すブロック図 目標値フィルタにおけるフィルタの特性を示す図 CPUが実行するCR走査処理を示すフローチャート 第1実施形態におけるキャリッジ駆動シーケンスの手順を示すフローチャート 第2実施形態におけるモータ制御部の構造を示すブロック図 第2実施形態におけるキャリッジ駆動シーケンスの手順を示すフローチャート
符号の説明
1…キャリッジ制御装置、2…CPU、3…ASIC、4…CR駆動回路、5…レジスタ群、6…キャリッジ測位部、7…モータ制御部、8…PWM生成部、9…クロック生成部、30…記録ヘッド、31…キャリッジ、33…印刷用紙、34…ガイド軸、35…CRモータ、36…プーリ、37…無端ベルト、38…タイミングスリット、39…リニアエンコーダ、50…起動設定レジスタ、51…減速開始位置設定レジスタ、52…目標停止位置設定レジスタ、52…減速開始位置設定レジスタ、53…目標速度設定レジスタ、54…位置制御ゲイン設定レジスタ、55…目標値フィルタ係数設定レジスタ、56…速度制御ゲイン設定レジスタ、60…エッジ検出部、61…位置カウンタ、63…周期カウンタ、64…速度変換部、65…割込処理部、72…位置制御部、72a…加算器、72b…位置制御器、74…速度指令補正部、76…目標値フィルタ部、76a…フィルタ、76b…スイッチ、78…速度制御部、78a…加算器、78b…速度制御器、78c…第1制御器、78d…第2制御器、78e…スイッチ、78f…通過保持部、78g…加算器。

Claims (9)

  1. 制御対象を駆動するモータと、前記制御対象が変位する速度を検出する速度検出手段と、該速度検出手段により検出される検出速度と外部から指令される目標速度との偏差に基づく制御出力を決定する速度制御手段と、からなり、該速度制御手段により決定された制御出力により前記モータの動作を制御するモータ制御装置であって、
    前記制御対象の位置を検出する位置検出手段と、
    該位置検出手段により検出される検出位置と外部から指令される目標位置との偏差に基づく制御出力を決定する位置制御手段と、
    該位置制御手段により決定される制御出力に基づき、前記速度制御手段への指令を補正する指令補正手段と、を備えており、
    該指令補正手段は、前記位置制御手段により決定された制御出力が、前記目標速度以上の速度に相当する制御出力であれば、該目標速度を前記速度制御手段への指令とする一方、前記目標速度よりも低い速度に相当する制御出力であれば、該制御出力を前記速度制御手段への指令とする
    ことを特徴とするモータ制御装置。
  2. 前記位置制御手段は、前記検出位置と前記目標位置との偏差に基づき、前記速度制御手段に与える制御出力を比例制御により決定する
    ことを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。
  3. 前記速度制御手段への指令を、前記目標速度よりも低い初期速度から該目標速度まで一定の時間を経て到達するように与える速度指令手段を備えている
    ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のモータ制御装置。
  4. 前記速度指令手段は、前記目標速度よりも低い初期速度から該目標速度まで一定の時間を経て到達するようなプロファイルで前記速度制御手段への指令を与える
    ことを特徴とする請求項3に記載のモータ制御装置。
  5. 前記速度指令手段は、前記速度制御手段への指令で示される速度が前記目標速度に到達するまでの時間を遅らせることのできる遅延フィルタにより構成されている
    ことを特徴とする請求項3に記載のモータ制御装置。
  6. 前記速度指令手段は、前記検出速度または前記検出位置で定められる前記制御対象の変位状態に応じて、前記遅延フィルタによる遅延を行うか否かを切り替えるように構成されている
    ことを特徴とする請求項5に記載のモータ制御装置。
  7. 前記速度制御手段は、少なくともロバスト制御系を含む複数の制御系に基づく制御出力を決定可能であって、前記制御対象が目標速度に達するまではロバスト制御系以外の制御系に基づいて制御出力を決定し、前記目標速度に達したのちはロバスト制御系に基づいて制御出力を決定する
    ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のモータ制御装置。
  8. 前記速度制御手段は、ロバスト制御系に基づいて制御出力を決定する際、ロバスト制御系以外の制御系により前記制御対象が前記目標速度に達したときの制御出力を基準として、該制御出力に前記目標速度と前記検出速度との差分を入力としてロバスト制御系により計算された制御出力を上乗せした制御出力を決定する
    ことを特徴とする請求項7に記載のモータ制御装置。
  9. モータにより駆動される制御対象が変位する速度と目標速度との偏差に基づく制御出力を決定し、該決定した制御出力により前記モータの動作を制御するモータ制御方法であって、
    前記制御対象の位置と目標位置との偏差に基づく制御出力を決定し、該決定した制御出力に基づいて前記目標速度を補正するようにし、
    該補正に際しては、前記制御対象の位置と目標位置との偏差に基づいて決定した制御出力が、前記目標速度以上の速度に相当する制御出力であれば、前記目標速度の補正を行わない一方、前記目標速度よりも低い速度に相当する制御出力であれば、前記目標速度を前記低い速度に補正する
    ことを特徴とするモータ制御方法。
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