JP2008187838A - Dcモータ制御装置及びdcモータの制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】複雑な演算をせずに、DCモータが発生する最大トルクを容易に制御することができるDCモータ制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ローラを駆動するDCモータと、前記DCモータを駆動するモータドライバと、前記ローラの回転に応じた速度情報を出力するエンコーダとを有する。また、前記エンコーダから出力される前記速度情報に基づきフィードバック制御を行い、前記モータドライバへPWM波形の制御信号を出力する制御手段を有する。そして、前記制御手段は、前記エンコーダから出力される速度情報と閾値とに基づき、前記PWM波形のデューティ値を変更する。
【選択図】図1
【解決手段】ローラを駆動するDCモータと、前記DCモータを駆動するモータドライバと、前記ローラの回転に応じた速度情報を出力するエンコーダとを有する。また、前記エンコーダから出力される前記速度情報に基づきフィードバック制御を行い、前記モータドライバへPWM波形の制御信号を出力する制御手段を有する。そして、前記制御手段は、前記エンコーダから出力される速度情報と閾値とに基づき、前記PWM波形のデューティ値を変更する。
【選択図】図1
Description
本発明は、DCモータ制御装置及びその方法に関する。
DCモータ制御方法において、モータ駆動手段への入力電圧を一定にし、入力電圧のパルス幅を変化させる制御(Pulse Width Modulation、以下、「PWM制御」という)を用い、印加電圧のDutyを変化させる。これによって、DCモータに流れる電流値を調節し、DCモータに与えるエネルギーを調節し、速度制御を行うことが一般的である。
図7は、従来のDCモータ制御装置において、モータのトルクと回転数と電流との関係を示す図である。
PWM制御を行う場合、駆動対象である負荷(ローラ)に対して、図7に破線で示すように、負荷トルクが増大すると、モータ発生トルクが大きくなり、モータの回転数が低下する。
このような場合、PWM信号に上限値(固定値)を設け、PWM出力である実効電力を制限することによって、モータ発生トルクが設定トルクTL以上にならないように制御することが一般的である。
このように制御すれば、図7に実線で示すように、回転数、トルクが変化する。
しかし、上記制限を設けると、特性点Pにおいて、トルクT1の状態で、回転数N1を維持できていたが、何らかの外乱負荷を受け、この外乱負荷によって、トルクがT2よりも大きくなると、図7に示す特性から、回転数N1を維持することができない。したがって、失速する。
つまり、もともと、トルクT1とT3との間である負荷範囲で、回転数N1を維持できていたが、PWM信号に制限をかける(PWM信号を固定値にする)ことによって、トルク区間T2−T3の負荷範囲では、回転数N1を維持することができなくなる。すなわち、PWM信号に制限をかける(PWM信号を固定値にする)ことによって、制御可能なトルク範囲が狭くなる。
ところで、モータの回転速度とPWM信号とに基づいて、電流値を求め、この求めた電流値が、設定された電流値を超えないように制御するDCモータ制御方法が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
特開2000−245187号公報
しかし、特許文献1記載の発明によって制御するためには、速度制御ループとは別に、DCモータの速度と、DCモータへの1サンプル前の入力電圧とに基づいて、DCモータに流れる電流を制御する制御ループを設ける必要がある。
したがって、特許文献1記載の発明によって制御するためには、制御ループが複雑になるという問題がある。
本発明は、複雑な演算をせずに、DCモータが発生する最大トルクを容易に制御することができるDCモータ制御装置を提供することを目的とする。
また、本発明によれば、複雑な演算回路や制御ループを新設せずに、DCモータに流れる電流を容易に制限することができるDCモータ制御装置を提供することを目的とする。
さらに、本発明によれば、非駆動側の負荷に応じて、最適な最大トルク制限をかけることができるDCモータ制御装置を提供することを目的とする。
本発明は、ローラを駆動するDCモータと、前記DCモータを駆動するモータドライバと、前記ローラの回転に応じた速度情報を出力するエンコーダとを有する。また、前記エンコーダから出力される前記速度情報に基づきフィードバック制御を行い、前記モータドライバへPWM波形の制御信号を出力する制御手段を有する。そして、前記制御手段は、前記エンコーダから出力される速度情報と閾値とに基づき、前記PWM波形のデューティ値を変更する。
また、本発明は、ローラを駆動するDCモータと、前記DCモータを駆動するモータドライバと、前記ローラの回転に応じた速度情報を出力するエンコーダと、前記エンコーダから出力される前記速度情報に基づきフィードバック制御を行う制御方法である。そして、本発明は、前記モータドライバへPWM波形の制御信号を周期的に出力する出力工程と、前記エンコーダから出力される速度情報と閾値とに基づき、前記PWM波形のデューティ値を変更する変更工程とを有するDCモータの制御方法である。
本発明によれば、DCモータの回転数に応じて、PWM信号の上限値を変化するので、複雑な演算をせずに、PWM信号の上限値を変化させることができ、DCモータが発生する最大トルクを容易に制御することができるという効果を奏する。
また、本発明によれば、複雑な演算回路や制御ループを新設せずに、DCモータに流れる電流を容易に制限することができるという効果を奏する。
さらに、本発明によれば、非駆動側の負荷に応じて、最適な最大トルク制限をかけることができるという効果を奏する。
発明を実施するための最良の形態は、次の実施例である。
図1は、本発明発明の実施例1であるDCモータ制御装置100を示すブロック図である。
このDCモータ制御装置100は、ローラを駆動するDCモータ5と、DCモータを駆動するモータドライバ(モータ駆動手段)9と、ローラの回転に応じた速度情報を出力するエンコーダ2とを有する。また、DCモータ制御装置100は、エンコーダから出力される速度情報に基づきフィードバック制御を行う制御手段(たとえばCPUを含む集積回路)を有する。この制御手段は、後述するように、速度情報に基づき演算を行い、その演算結果に対応したPWM波形の制御信号をモータドライバへ出力する。ローラの回転速度(回転数)が変われば、PWM波形のデューティ値を変更する。
なお、以下の説明では、説明を簡単にするために、ローラの回転速度の代わりにモータの回転数(回転速度)を用いて説明する。
RAM7は、一時的に記録装置を制御するための情報を格納するRAMである。
また、ROM8は、制御対象物3の動作プログラムや各種パラメータ、速度駆動パターンを格納するROMである。また、たとえば、図4に示すように、速度情報(回転数)とモータのトルクの値に基づく複数のデューティ値のテーブルを有する。モータ駆動手段9は、モータ5を駆動するためのモータ駆動手段であり、PWM信号に応じてPWM制御することによって、上記DCモータを駆動するモータ駆動手段の例である。
図2は、DCモータ制御装置100を具体化したDCモータ制御装置200を示すブロック図である。
DCモータ制御装置200は、DCモータ制御装置100を、ソフトウェア的に構成した装置である。つまり、ROM8に格納されているプログラムを、CPU6が実行することによって、DCモータ制御装置200が実現されている。
DCモータ制御装置200は、目標位置生成手段21と、比例要素(ローラ)22と、PID演算手段23と、PWM信号生成手段24と、PWMリミット演算手段25と、モータ駆動手段9とを有する。
DCモータ制御装置200におけるサーボ制御処理は、サーボ周期ΔT(たとえば1ミリ秒)毎に、繰り返し実行される。最終目標位置まで漸進的に増加する目標位置は、目標位置生成手段21から出力される。
目標位置と、LFエンコーダ2から出力された信号に基づいて、比例要素22、PID演算手段23、PWM信号生成手段24を経て、算出されたPWM信号を、モータ駆動手段9に出力する。
PWMリミット演算手段25は、上記実施例において特徴的な要素である。PWMリミット演算手段25は、使用するモータ5の固有特性値と、エンコーダ2が出力した速度情報(回転数)とに基づいて、PWM信号の上限値を演算する。つまり、PWMリミット演算手段25は、回転数検出手段が検出した回転数に応じて、PWM信号の上限値を変化させるPWM信号の上限値変化手段の例である。
次に、実施例1において、PWMリミット演算手段25が得た演算結果を用い、モータ5で発生するトルクを、設定トルクTLに制限するための演算について説明する。以下では、PWMリミット演算手段25において実際に行われる演算内容について、詳細に説明する。
まず、無負荷回転数N0、起動トルクTs、各特性値を得るための特性測定電圧Vtは、使用するモータ5の固有特性値であり、変化しない。そして、あるPWMデューティ時の実効電圧を、Vmとし、モータ5が発生するトルクを、Tとし、このときにおける回転数をNとすると、次の式(1)によって、回転数Nを求めることができる。
N=−(N0/Ts)・T+(Vm/Vt)・N0 ……式(1)
つまり、回転数Nが変化しているときに、トルクTを一定に保つためには、実効電圧Vmを、制御で変化させればよい。
つまり、回転数Nが変化しているときに、トルクTを一定に保つためには、実効電圧Vmを、制御で変化させればよい。
モータ5で発生するトルクを、設定トルクTLに制限するための実効電圧Vmを求めるために、上記式(1)のトルクTに、設定トルクTLを代入し、実効電圧Vmについて解くと、次の式(2)を得る。
Vm={TL+(Ts/N0)・N}/(Ts/Vt) ……式(2)
サーボ制御時に、モータ5に印加できる実効電圧の最大値を、Vmmaxとすると、PWMは、実効電圧の最大値Vmmaxに対する実効電圧Vmの比であるので、モータ駆動手段9に出力されるPWM信号は、次の式(3)で表現することができる。
サーボ制御時に、モータ5に印加できる実効電圧の最大値を、Vmmaxとすると、PWMは、実効電圧の最大値Vmmaxに対する実効電圧Vmの比であるので、モータ駆動手段9に出力されるPWM信号は、次の式(3)で表現することができる。
PWM信号=(Vm/Vmmax)×100[%] ……式(3)
つまり、式(3)に、上記式(2)を代入すると、次の式(4)を得ることができる。次の式(4)は、モータ5で発生するトルクを設定トルクTLに制限するためのPWM信号の上限PWMLIMITを求める式である。
つまり、式(3)に、上記式(2)を代入すると、次の式(4)を得ることができる。次の式(4)は、モータ5で発生するトルクを設定トルクTLに制限するためのPWM信号の上限PWMLIMITを求める式である。
PWMLIMIT=[{(Vt・N)/(Vm max・N0)}+{(Vt・TL)/(Vm max・Ts)}]×100[%] …式(4)
ただし、PWMLIMIT>100であるときに、PWMLIMIT=100[%]である。
ただし、PWMLIMIT>100であるときに、PWMLIMIT=100[%]である。
次に、実施例1において、PWM制御を行っている際に、制御対象物3への駆動負荷が増大し、駆動対象物の回転速度(回転数)が低下した場合について説明する。
図3は、モータトルクと回転数との関係を示す図である。
回転速度が低下している期間のモータ回転速度情報Nに基づいて、上記式(4)で演算したPWM上限を適用すると、図3に実線で示すように、回転数と発生トルクとが推移し、モータ5で発生するトルクを、設定トルクTLに制限することができる。
図3において、特性点PからRの間は、PWM信号に制限をかけない状態、つまりPWM上限PWMLIMITが100%の状態であり、図7に示す従来例の応対と同じ推移をし、回転数N1を制御維持可能な状態である。このときに、モータトルクは、T1からT3に上昇する。
その後、特性点RとSとの間は、PWM信号が100%になり、回転数N1を維持できなくなり、回転数NLまで失速する。このときに、モータトルクは、T3から設定トルクTLに上昇する。
回転数NLまで減速した場合、そのまま、PWM上限PWMLIMIT100%をかけ続けると、従来例では、モータの起動トルクTsが発生する。しかし、実施例1では、回転数NL以下であれば、上記式(4)によって求めたPWMLIMIT以上のPWM信号が印加されないので、発生トルクは、設定トルクTLを維持することができる。
したがって、回転数N1を維持できるトルク範囲を、T1〜T3に狭めずに、最大発生トルクを設定トルクTLに制限することができる。このときにモータに流れる電流は、図3に示すように、電流ILで一定である。
つまり、実施例1を適用してDCモータを制御した場合、モータ発生トルクを設定トルクTLに制限したときにおける回転数とトルクとでは、モータに流れる電流を、結果的にILに制限したことになる。
次に、上記制御について説明する。
図4は、モータの回転数(モータ回転速度)に応じて、PWM信号を切り替える制御を説明する図である。
ここでは、サーボ周期ΔTで、モータの回転数を、エンコーダ2から取得し、回転数に応じて、PWM信号を切り替える。
まず、負荷トルクが大きくなり、モータの回転数が低下する場合について説明する。たとえば、PWM信号が100%であり、回転数がN1で駆動している特性点Aについて説明する。
負荷が大きくなると、モータの回転が下がり、回転数N2まで下がったとする(特性点Bまで到達したとする)。そして、回転数がN2を下回ると、CPU(PWM信号の上限値変化手段)6が、PWM信号を100%から90%に切り替える。この切り替えによって、矢印に従い、特性点が、BからCに推移する。そして、負荷がさらに大きくなれば、回転数が下がり、特性点がDまで推移する。そして、モータの回転数がN3を下回ると、CPU(PWM信号の上限値変化手段)6が、PWM信号を90%から80%に切り替える。この切り替えによって、矢印に従い、特性点がDからEに推移する。
このように、モータの回転数が低下し続けると、特性点が、A→B→C→D→E→F→Gと推移する。上記のように、CPU(PWM信号の上限値変化手段)6が、PWM信号を切り替えることによって、モータ発生トルクを、予め定めた値の範囲に制限することができる。
このように、制御手段は、ローラの回転する速度が下がった場合(閾値よりも高い速度で動作している状態から閾値よりも低い速度に移行すれば)、PWM値を変更する制御を行う。
次に、負荷トルクが大きくなる途中で、負荷トルクが小さくなった場合について説明する。
上記のように、たとえば、特性点がAである状態から説明を始める。負荷が大きくなると、モータの回転が下がり、この結果、特性点が、A→B→C→D→Eと推移する。ここで回転数はN3よりも低く、N4よりも高い状態にあるとする。その後、負荷トルクが小さくなると、回転数が高くなり、回転数がN3よりも高くなると、CPU(PWM信号の上限値変化手段)6が、PWM信号を80%から90%に切り替える。したがって、特性点が、EからDに推移する。さらに負荷トルクが小さくなれば、CPU(PWM信号の上限値変化手段)6が、PWM信号を切り替え、特性点が、D→C→B→Aと推移する。
このように、負荷トルクが小さくなった場合でも、CPU(PWM信号の上限値変化手段)6が、PWM信号を切り替えることによって、モータ発生トルクを、予め定めた値の範囲に制御することができる。
このように、制御手段は、ローラの回転する速度が上がった場合(閾値よりも低い速度で動作している状態から、閾値よりも高い速度に移行すれば)、PWM値を変更する制御を行う。
このようにトルクを制御する場合、PWM信号や閾値を多く設ければ、モータ発生トルクの制御範囲を狭くすることができ、モータの電流の変動幅を、より小さくすることができる。
なお、上記説明は、負荷トルクが単調増加する場合の説明であるが、負荷トルクが一時的に大きくなった場合でも、回転数を参照し、PWM信号を切り替える制御を行うので、モータ発生トルクを、予め定めた値の範囲に制御することができる。
図5は、駆動切り替え手段(ギヤ切り替え手段)31を用いて、DCモータ5の駆動伝達先を切り替える構成を示す図である。
図5に示す例は、3つの負荷(負荷32、負荷33、負荷34)のうちの1つの負荷を選択する例である。
図1のROM8には、負荷32、負荷33、負荷34のそれぞれを駆動するための制御データを備えている。選択負荷に応じて制御部(CPU/G.A.)6は、制御データを選択し、DCモータの駆動を制御する。この制御データには、それぞれの負荷に応じて、上限のトルクを定めている。たとえば、負荷32を選択した場合の上限のトルクはTL1であり、負荷33を選択した場合の上限のトルクはTL2である。これにより、各負荷に対して過剰なトルクを与えることを防ぐことができる。
なお、図5では省略しているが、負荷32、33、34のそれぞれは、エンコーダ手段を有する。制御部は、駆動切り替え手段の切り替えに対応して、入力されるべきエンコーダ信号も切替えられる構成である。
図6は、実施例1を適用可能な記録装置400を示す側面図である。
記録装置(搬送装置)400は、スイングアーム41と、給紙ローラ42と、アイドラギア43と、駆動軸44と、分離部材45と、傾斜面46と、搬送ガイド47と、搬送ガイド48と、媒体経路50と、スイングアーム支持部材51とを有する。また、記録装置(搬送装置)400は、トレイ54と、搬送ローラ55と、ピンチローラ56と、排紙ローラ57とを有する。
スイングアーム41に取り付けられている給紙ローラ42が、給紙トレイ(シート積載部)54内に存在している印刷媒体(被記録媒体)の一番上の印刷媒体49を、ピックアップする。ピックアップされた印刷媒体49は、搬送ガイド47、搬送ガイド48、搬送ローラ55の搬送経路で搬送される。
給紙ローラ42と搬送ローラ55との間の搬送経路に、センサ(PEセンサ)が設けられている。搬送ローラ55は、ピンチローラ56に当接してニップを形成し、印刷媒体49を排紙ローラ57に向けて移動させる。
スイングアーム41は、給紙ローラ42の上流側で、スイングアーム支持部材51に取り付けられ、駆動軸44の回転を、駆動軸44と給紙ローラ42との間に配されたアイドラギア43によって、給紙ローラ42に伝達する。スイングアーム41が移動することによって、給紙ローラに、駆動伝達のオン/オフが行われる。
給紙ローラ42によって、トレイ54に存在している一番上の印刷媒体49を、ピックアップする際、次の印刷媒体が、媒体経路50内へ移動することを防止するために、給紙ローラ42の下流側に、分離部材45を配置する。
分離部材45は、傾斜面46の表面から突出し、小さい用紙間摩擦力で引きずられた次の印刷媒体を、突出部に当てることによって、次の印刷媒体が媒体経路50へ侵入することを防ぐ。
つまり、上記実施例は、ローラを駆動するDCモータと、前記DCモータを駆動するモータドライバと、前記ローラの回転に応じた速度情報を出力するエンコーダとを有する。また、上記実施例は、前記エンコーダから出力される前記速度情報に基づきフィードバック制御を行い、前記モータドライバへPWM波形の制御信号を出力する制御手段を有する。また、前記制御手段は、前記エンコーダから出力される速度情報と閾値とに基づき、前記PWM波形のデューティ値を変更する手段である。
この場合、前記制御手段は、前記速度情報と前記モータのトルクの値に基づく複数のデューティ値のテーブルを有する。
また、上記実施例において、第1PWM値と前記第1PWM値に対して相対的に値が大きい第2PWM値とを有する。前記制御手段が前記第2PWM値を出力している状態で、ローラの回転する速度が予め定められた閾値よりも高い値から、予め定められた閾値よりも低い値に移行すれば、前記制御手段が出力するPWM値を、前記第2PWM値から前記第1PWM値へ変更する。
さらに、上記実施例は、第1PWM値と前記第1PWM値に対して相対的に値が大きい第2PWM値を有する。制御手段が前記第1PWM値を出力している状態で、ローラの回転する速度が予め定められた閾値よりも低い値から、予め定められた閾値よりも高い値に移行すれば、前記制御手段が出力するPWM値を、前記第1PWM値から前記第2PWM値へ変更する。
また、上記実施例を方法の発明として把握することができる。つまり、上記実施例は、ローラを駆動するDCモータと、前記DCモータを駆動するモータドライバと、前記ローラの回転に応じた速度情報を出力するエンコーダと、前記エンコーダから出力される前記速度情報に基づきフィードバック制御を行う制御方法である。また、上記実施例は、前記モータドライバへPWM波形の制御信号を周期的に出力する出力工程と、前記エンコーダから出力される速度情報と閾値とに基づき、前記PWM波形のデューティ値を変更する変更工程とを有する制御方法の例である。
100、200、300…DCモータ制御回路、
2…エンコーダ、
5…モータ、
6…CPU/G.A.、
7…RAM、
8…ROM、
9…モータ駆動手段、
21…目標位置生成手段、
22…比例要素、
23…PID演算手段、
24…PWM信号生成手段、
25…PWMリミット演算手段、
31…駆動切り替え部。
2…エンコーダ、
5…モータ、
6…CPU/G.A.、
7…RAM、
8…ROM、
9…モータ駆動手段、
21…目標位置生成手段、
22…比例要素、
23…PID演算手段、
24…PWM信号生成手段、
25…PWMリミット演算手段、
31…駆動切り替え部。
Claims (5)
- ローラを駆動するDCモータと;
前記DCモータを駆動するモータドライバと;
前記ローラの回転に応じた速度情報を出力するエンコーダと;
前記エンコーダから出力される前記速度情報に基づきフィードバック制御を行い、前記モータドライバへPWM波形の制御信号を出力する制御手段と;
を有し、前記制御手段は、前記エンコーダから出力される速度情報と閾値とに基づき、前記PWM波形のデューティ値を変更することを特徴とするDCモータ制御装置。 - 請求項1において、
前記制御手段は、前記速度情報と前記モータのトルクの値に基づく複数のデューティ値のテーブルを有することを特徴とするDCモータ制御装置。 - 請求項1において、
第1PWM値と前記第1PWM値に対して相対的に値が大きい第2PWM値とを有し、前記制御手段が前記第2PWM値を出力している状態で、ローラの回転する速度が予め定められた閾値よりも高い値から、予め定められた閾値よりも低い値に移行すれば、前記制御手段が出力するPWM値を、前記第2PWM値から前記第1PWM値へ変更する制御を行うことを特徴とするDCモータ制御装置。 - 請求項1において、
第1PWM値と前記第1PWM値に対して相対的に値が大きい第2PWM値を有し、
制御手段が前記第1PWM値を出力している状態で、ローラの回転する速度が予め定められた閾値よりも低い値から、予め定められた閾値よりも高い値に移行すれば、前記制御手段が出力するPWM値を、前記第1PWM値から前記第2PWM値へ変更する制御を行うことを特徴とするDCモータ制御装置。 - ローラを駆動するDCモータと、前記DCモータを駆動するモータドライバと、前記ローラの回転に応じた速度情報を出力するエンコーダと、前記エンコーダから出力される前記速度情報に基づきフィードバック制御を行うDCモータの制御方法であって、
前記モータドライバへPWM波形の制御信号を周期的に出力する出力工程と;
前記エンコーダから出力される速度情報と閾値とに基づき、前記PWM波形のデューティ値を変更する変更工程と;
を有することを特徴とするDCモータの制御方法。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2011155160A1 (ja) * | 2010-06-08 | 2011-12-15 | パナソニック株式会社 | モータ駆動装置およびブラシレスモータ、並びにモータ駆動方法 |
US9048769B2 (en) | 2012-07-23 | 2015-06-02 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Motor driving circuit and motor driving system |
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2007
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