JP2012080617A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】目標加速度を加速度上限以下に制限する場合でも、モータを適切に所定速度まで加速させることが可能な技術を提供する。
【解決手段】モータ制御ユニットは、加速度プロファイルに従う目標加速度Ａｒを算出する一方、逆起電力や外乱による加速度低下分を加味してモータの加速度上限Ａｍを推定し、目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間では、目標加速度Ａｒを加速度上限Ａｍに補正する。また、目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間の加速度減少分（Ａｒ−Ａｍ）の時間積分を、加速不足量Ｑとして算出する。そして、当該期間の終了後には、時間積分が加速不足量Ｑと一致するような補正関数Ｄを求めて、補正関数Ｄに従う補正量ΔＡを目標加速度Ａｒに加算し、加速不足を補うように目標加速度を補正する。これにより、加速終了時の速度が、目標とする速度に到達するようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

従来、モータ制御装置としては、目標加速度に対応した駆動電流と外乱オブザーバにより推定された外乱に対応する外乱補償電流との加算値を、モータに入力することによって、ロバスト加速度制御を行う装置が知られている。更に、この種のモータ制御装置としては、目標加速度をリミッタにより一定範囲に制限する装置が知られている（特許文献１参照）。

周知のようにモータでは、限界点でトルク飽和が生じる。このため、目標加速度がトルク飽和による加速度上限を超えてしまう場合には何らかの制限をしないと、目標加速度に対応するトルクが生じないことが原因で制御が不安定になる問題が生じる。従来では、このような制限を行うことで、上記問題に対処している。

特開２００８−２１７４０５号公報

ところで、上述の従来手法では、目標加速度が加速度上限を超える場合には、図４（ａ）に示すように、目標加速度を補正するため、当初目標とした加速度が得られないことになる。よって、予め定められた目標プロファイルに従って、モータを所定速度まで加速させる制御プロセスにおいて上記技術を適用すると、図４（ｂ）に示すように、モータを目標とする速度まで加速させることができず、当初の目的を達成することができなくなってしまう。尚、図４（ａ）は、モータを所定速度まで加速させる制御プロセスにおける目標加速度の軌跡であって、目標加速度が加速度上限に補正されたときの目標加速度の軌跡を実線で表し、仮に補正されなかったときの目標加速度の軌跡を点線で表した図である。また、図４（ｂ）は、目標加速度が加速度上限に補正されたときのモータの速度軌跡を実線で表し、目標加速度が仮に補正されなかったときのモータの速度軌跡を一点鎖線で表した図である。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、目標プロファイルに従ってモータを所定速度まで加速させるモータ制御装置であって、トルク飽和が生じる場合には目標加速度を補正するモータ制御装置において、補正を加えてもモータを適切に目標とする速度まで加速させることが可能な技術を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた本発明のモータ制御装置は、加速度上限推定手段と、目標加速度設定手段と、モータ制御手段と、不足量算出手段と、を備える。このモータ制御装置が備える加速度上限推定手段は、制御対象のモータにて実現可能な加速度の上限を推定する。目標加速度設定手段は、所定速度までのモータの目標加速度軌跡を表す加速度プロファイルに従って、各時点の目標加速度を設定する一方、加速度プロファイルに従う目標加速度が加速度上限推定手段により推定された加速度上限を超える期間では、各時点の目標加速度を、加速度上限推定手段により推定された加速度上限以下に補正して設定する。

この他、モータ制御手段は、モータに対する制御入力を、目標加速度設定手段により設定された目標加速度に基づき決定してモータを制御し、不足量算出手段は、加速度プロファイルに従う目標加速度が加速度上限を超える場合には、加速度プロファイルに従う目標加速度が加速度上限を超える期間の各時点において設定された目標加速度の加速度プロファイルに従う目標加速度との差の時間積分を、当該期間での加速不足量として算出する。

更に、上記目標加速度設定手段は、不足量算出手段により算出された加速不足量に基づき、上記期間の終了後には、上記加速度の上限を超えない範囲で、加速不足量に対応する量、加速度プロファイルに従う目標加速度を補正して各時点の目標加速度を設定する（請求項１）。

尚、このモータ制御装置は、モータに対する制御入力及び制御入力に対する制御出力に基づいて外乱を推定する外乱オブザーバを備え、加速度上限推定手段が、外乱オブザーバにより推定された外乱に基づき、モータの加速度上限を推定する構成にすることができる（請求項４）。更に言えば、加速度上限推定手段は、逆起電力に起因する加速度上限の低下分、及び、外乱に起因する加速度上限の低下分を加味してモータの加速度上限を推定する構成にすることができる。具体的には、逆起電力に起因する加速度上限の低下分を、計測器から得られるモータの回転速度に基づき推定し、外乱に起因する加速度上限の低下分を、外乱オブザーバにより推定された外乱に基づき推定する構成にすることができる（請求項５）。

本発明では、トルク飽和による加速度上限を推定し、加速度プロファイルに従う目標加速度が推定した加速度上限を超える場合には、目標加速度を抑えることで、加速度上限を超える目標加速度が設定されることによって制御が不安定になるのを抑える。そして、目標加速度を抑えることで生じた加速不足を、加速度プロファイルに従う目標加速度が加速度上限を超える期間の終了後に、目標加速度を、加速度上限を超えない範囲で補正することで解消する。

従って、本発明によれば、目標加速度を制限することによって、目標とする速度まで加速できなくなる問題を解消することができ、トルク飽和に起因して制御が不安定になるのを回避して適切にモータを目標とする速度まで加速することができる。

ところで、目標加速度設定手段は、補正量の時間積分が上記加速不足量に一致し、加速度プロファイルに従う目標加速度がゼロとなる時点で補正量が最大となる関数であって上記補正量を出力変数とする関数に従って、加速度プロファイルに従う目標加速度が加速度上限を超える期間の終了後から、上記補正量を徐々に大きくして加速度プロファイルに従う目標加速度を補正し、目標加速度プロファイルに従う目標加速度がゼロとなった後には、補正量を徐々に小さくして目標加速度を補正し、これによって、加速不足量に対応する量、加速度プロファイルに従う目標加速度を補正して、各時点の目標加速度を設定する構成にすることができる（請求項２）。

本発明は、モータを所定速度まで加速させるものであるので、目標加速度は、加速初期において上昇し、所定速度に近づくにつれて減少し、所定速度で加速度ゼロとなるように設定される。そして、加速度上限との関係で目標加速度が補正される期間は、加速度プロファイルに従う目標加速度が最大となる周辺に限定され、上記加速不足量は、目標プロファイルの設定が適切であれば、それほど大きい値となるものではない。このため、加速度プロファイルに従う目標加速度がゼロとなる時点で補正量が最大となるような関数により補正を加える手法を採用すれば、補正後の目標加速度が加速度上限を超えないような関数を容易に定めて、上記補正を実現することができる。

即ち、本発明によれば、加速度プロファイルに従う目標加速度が加速度上限を超える期間の終了後から、補正後の目標加速度が加速度上限を超えないようにして、加速度プロファイルに従う目標加速度を補正する操作を容易に実現することができる。

具体的に、上記関数としては、三角関数を用いることができる（請求項３）。三角関数によれば、加速度プロファイルに従う目標加速度が加速度上限を超える期間の終了後から、緩やかに補正量を上げて目標加速度を補正することができるので、補正後の目標加速度が加速度上限を超えないような関数を容易に設定し、適切に目標加速度を補正することができる。

尚、上述した発明は、モータ制御手段が、目標加速度設定手段により設定された目標加速度から導出される目標速度と、計測器により計測されたモータの回転速度との偏差に基づき、モータに対する制御入力を決定し、モータを制御する構成されたモータ制御装置に適用することができる（請求項６）。

制御システム１の構成を表すブロック図である。 目標加速度Ａｒの補正に関する説明図である。 目標指令生成部６１が実行する加速制御処理を表すフローチャートである。 従来技術に関する説明図である。

以下に本発明の実施例について図面と共に説明する。
本実施例の制御システム１は、図１に示すように、駆動対象１０を駆動するモータ（直流モータ）２０と、モータドライバ３０と、モータ２０の回転軸に接続されたロータリエンコーダ４０と、ロータリエンコーダ４０の出力信号に基づき、モータの回転速度ωを検出する速度検出器５０と、モータ２０に対する制御入力（操作量）を算出するモータ制御ユニット６０と、を備える。

この制御システム１は、画像形成装置や画像読取装置等の電気的装置に組み込まれ、電気的装置の制御ユニット（メインマイコン等）から入力される指令に従ってモータ制御を行う。電気的装置がインクジェットプリンタに代表されるような記録ヘッドを主走査方向に搬送し用紙を副走査方向に搬送して用紙に画像を形成するタイプの画像形成装置である場合、駆動対象１０としては、記録ヘッドを搭載するキャリッジの搬送機構や用紙搬送機構等を挙げることができる。また、電気的装置がラインセンサを搬送してプラテン上の原稿を読み取るフラットベッド型の画像読取装置である場合には、駆動対象１０としてラインセンサの搬送機構を挙げることができ、電気的装置がオートドキュメントフィーダ（ＡＤＦ）型の画像読取装置である場合には、駆動対象１０として読取対象の原稿を搬送する原稿搬送機構を挙げることができる。

この制御システム１が備えるモータドライバ３０は、モータ制御ユニット６０から入力される電流指令値Ｕに基づき、電流指令値Ｕに対応する駆動電流をモータ２０に入力してモータ２０を駆動する。この電流指令値Ｕは、上述したモータ２０に対する制御入力に対応する。

一方、ロータリエンコーダ４０は、周知のものと同様に構成され、モータ２０が所定量回転する度にパルス信号を出力する。具体的に、ロータリエンコーダ４０は、パルス信号として、位相がπ／２異なるＡ相信号及びＢ相信号を出力する構成にされている。速度検出器５０は、このロータリエンコーダ４０から出力されるＡ相信号及びＢ相信号に基づき、モータ２０の回転速度ωを検出し、これをモータ制御ユニット６０に入力する。

この他、モータ制御ユニット６０は、目標指令生成部６１、フィードバック制御器６３、及び、外乱オブザーバ６５を備えた構成にされている。
目標指令生成部６１は、予め設定された加速度プロファイルに従って、各時刻の目標加速度を設定し、更に目標加速度に対応する各時刻の目標速度ωｒを設定して、この目標速度ωｒをフィードバック制御器６３に入力するものである。

フィードバック制御器６３は、この目標指令生成部６１から入力される目標速度ωｒと、速度検出器５０から入力されるモータ２０の回転速度ωとに基づき、目標速度ωｒと回転速度ωとの偏差ｅ＝ωｒ−ωを算出し、この偏差ｅに対応する電流指令値Ｕを算出する。即ち、偏差ｅを、プラントの特性に応じて設計段階で定められた所定の伝達関数に入力して、電流指令値Ｕを算出する。

また、外乱オブザーバ６５は、フィードバック制御器６３から出力される電流指令値Ｕと、速度検出器５０から入力されるモータ２０の回転速度ωとに基づき、外乱を推定し、外乱推定値として負荷電流Ｉｃ（外乱による負荷トルクとモータトルクが釣り合う点でのモータ電流）の情報を出力する。尚、外乱オブザーバ６５の上記機能は、一般的なものであるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。

目標指令生成部６１には、この外乱オブザーバ６５から出力される負荷電流Ｉｃの情報と、速度検出器５０から出力されるモータ２０の回転速度ωの情報とが入力される。そして、本実施例の目標指令生成部６１は、これらの情報に基づき、モータ２０の加速度上限Ａｍを推定する。この加速度上限Ａｍについては、モータ２０の回転速度ω及び負荷電流Ｉｃを用いて次式により推定することができる。

Ｋｔはモータ２０のトルク定数、Ｊｎは負荷イナーシャ、Ｒｎは電機子抵抗を表す。この他、Ｖｍはモータ２０の定格電圧、Ｋｅは逆起電力定数を表す。Ｋｔ，Ｊｎ，Ｒｎ，Ｖｍ，Ｋｅについては、予め設計段階で導出され、目標指令生成部６１に設定される。即ち、目標指令生成部６１は、予め設定されたＫｔ，Ｊｎ，Ｒｎ，Ｖｍ，Ｋｅと、時間変動する負荷電流Ｉｃ及びモータ２０の回転速度ωの情報と、に基づき、式（１）に従って、加速度上限Ａｍを推定する。

尚、式（１）の第一項Ｋｔ・Ｖｍ／（Ｊｎ・Ｒｎ）は、定格電圧Ｖｍによる加速度上限を表し、第二項Ｋｔ・Ｉｃ／Ｊｎは、負荷電流Ｉｃによる加速度上限の低下分を表し、第三項Ｋｔ・Ｋｅ・ω／（Ｊｎ・Ｒｎ）は、逆起電力による電流低下を原因とする加速度上限の低下分を表す。

続いて、加速度上限Ａｍを推定する上記目標指令生成部６１の詳細構成を説明する。
目標指令生成部６１は、外部（電気的装置のメインマイコン等）から加速指令が入力されると、加速指令と共に指定された速度ωｆ及び加速時間Ｔａの情報に基づき、図１下段及び図２（ａ）に実線で示すような速度ゼロから速度ωｆまでの目標加速度軌跡を表す加速度プロファイルを生成（設定）する。ここで、速度ωｆは、加速終了時の速度のことであり、加速時間Ｔａは、速度ゼロから速度ωｆまで加速時間のことである。

上記加速度プロファイルは、目標加速度の時系列データ又は入力変数を時刻ｔとし出力変数を目標加速度Ａｒとする関数として生成される。加速度プロファイルとして関数を生成する場合、目標指令生成部６１は、例えば、設計変数が未決定の所定関数（例えば三角関数）の当該設計変数を、加速指令と共に指定された速度ωｆ及び加速時間Ｔａの情報に基づき決定することで、速度ωｆ及び加速時間Ｔａに適合した目標加速度軌跡を表す関数を生成（設定）する。具体的に本実施例では、時刻ｔ＝０及び時刻ｔ＝Ｔａでの加速度Ａｒの時間微分がゼロを示し、時刻ｔ＝Ｔａ／２で加速度Ａｒが最大値を示し、時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝Ｔａ／２までは加速度Ａｒが単調増加し、時刻ｔ＝Ｔａ／２から時刻ｔ＝Ｔａまでは加速度が単調減少するような単峰性の目標加速度軌跡を表す加速度プロファイルを生成する。

また、本実施例の目標指令生成部６１は、加速度プロファイルに基づくモータ２０の制御時、上述の式（１）に従って加速度上限Ａｍを算出し、目標加速度Ａｒを補正する。図２（ａ）は、加速度プロファイルに従う各時刻ｔの目標加速度Ａｒを実線で表し、加速度上限Ａｍの例を破線で表したグラフである。図２（ａ）に示す例によれば、加速度プロファイルに従う目標加速度Ａｒが最大となる点の周辺で、目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超えている。このとき、目標指令生成部６１は、図２（ｂ）に示すように、目標加速度Ａｒを加速度上限Ａｍに補正する。図２（ｂ）は、補正後の目標加速度を表すグラフである。即ち、本実施例では、加速度プロファイルに従う目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間では、補正後の目標加速度Ａｃ＝Ａｍに基づきモータ制御を行う。

但し、加速度プロファイルに従う目標加速度Ａｒを加速度上限Ａｍに制限すると、図４（ｂ）に示すように、加速プロファイルによって定まる加速終了時の速度ωｆまでモータ２０を加速させることができなくなってしまう。そこで、目標指令生成部６１は、加速度プロファイルに従う目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間の終了後には、加速度プロファイルに従う目標加速度Ａｒを、当該期間の終了時に設定した補正関数Ｄ（ｔ）に従って補正することで、目標加速度Ａｒを加速度上限Ａｍに制限したことを原因とする加速不足を補って、加速終了後のモータ２０の回転速度ωが、速度ωｆに到達するようにする。図２（ａ）に示す点線は、補正関数Ｄ（ｔ）によって定められる補正量ΔＡの軌跡である。

具体的に、本実施例では、補正関数Ｄ（ｔ）の時間積分（図２（ａ）の塗り潰し領域）が、目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間の目標加速度Ａｒと加速度上限Ａｍとの差（Ａｒ−Ａｍ）の時間積分に一致するように、補正関数Ｄ（ｔ）を設定すると共に、この際には、加速度プロファイルが示す当初の加速終了時刻ｔ＝Ｔａで補正量ΔＡが最大となり、加速度プロファイルに従う目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間の終了時刻ｔ＝Ｔｃから時刻ｔ＝Ｔａまでは、補正量ΔＡが単調増加し、時刻ｔ＝Ｔａから補正終了時までは、補正量ΔＡが単調減少するような上記補正関数Ｄ（ｔ）を設定する。これによって、補正量ΔＡによる補正後の目標加速度Ａｃ＝Ａｒ＋ΔＡが加速度上限Ａｍを超えないようにする。

例えば、目標指令生成部６１は、加速度プロファイルに従う目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間の目標加速度Ａｒと加速度上限Ａｍとの差（Ａｒ−Ａｍ）の時間積分である加速不足量Ｑの情報と、上記時刻Ｔａ，Ｔｃの情報と、に基づき、次式に示す補正関数Ｄ（ｔ）を設定する。

但し、ここでは、補正関数Ｄ（ｔ）を、時刻Ｔｃ≦ｔ≦Ｔｃ＋２・（Ｔａ−Ｔｃ）の区間に限って設定する。即ち、他の時間帯については、補正関数Ｄ（ｔ）＝０であるものと取り扱う。

本実施例では、加速度プロファイルに従う目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間の終了後において、目標指令生成部６１が、上記式（２）に従い加速度プロファイルに従う目標加速度Ａｒを、Ａｒ＋ΔＡに補正し、フィードバック制御器６３が、この補正後の目標加速度Ａｃ＝Ａｒ＋ΔＡに基づいて、モータ制御を行うことで、加速終了後のモータ２０の回転速度ωが、速度ωｆに到達するようにする。

尚、式（２）で表される補正関数Ｄ（ｔ）は、補正後の目標加速度Ａｃが加速度上限Ａｍを超えないことを理論的に保証するものではない。しかしながら、加速不足は、加速度プロファイルの設定が不適切ものでない限り、大きく発生するものではないので、実質的には、式（２）に従う補正関数Ｄ（ｔ）による補正で、補正後の目標加速度Ａｃが加速度上限Ａｍを超えることはない。加速度プロファイルを、式（２）と同様に、コサイン関数で定めれば尚更である。

図２（ｃ）は、目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超えなかったときのモータ２０の速度軌跡を点線で表し、目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超えることで上記補正が行われた場合のモータ２０の速度軌跡を表すグラフである。本実施例のモータ制御ユニット６０は、このようなモータ制御を行うことにより、目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超えるような状況でも、目標加速度Ａｒを適切に補正して、加速終了時の速度が当初指定された速度ωｆとなるようにする。

続いて、図３を用いて、目標指令生成部６１が実行する処理について説明する。目標指令生成部６１は、加速指令が入力されると、上述したように、加速指令にて指定された速度ωｆ及び加速時間Ｔａに基づき、速度ωｆまでの目標加速度軌跡を表す上記加速度プロファイルを生成（設定）する。その後、図３に示す加速制御処理を実行する。

図３に示す加速制御処理を開始すると、目標指令生成部６１は、フラグＦ及びフラグＧをゼロに初期化した後（Ｓ１００）、Ｓ１１０に移行し、上記加速度プロファイルに基づき、現在時刻ｔに対応する目標加速度Ａｒを設定する。更に、速度検出器５０から入力された現在時刻ｔのモータ２０の回転速度ω及び外乱オブザーバ６５から入力された現在時刻の負荷電流Ｉｃに基づき、上述の式（１）に従って、加速度上限Ａｍを推定する（Ｓ１２０）。

その後、目標指令生成部６１は、現在時刻ｔの目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍ以下であるか否かを判断し（Ｓ１３０）、加速度上限Ａｍ以下である場合には（Ｓ１３０でＹｅｓ）、フラグＦが値０であるか否かを判断する（Ｓ１４０）。尚、フラグＦは、加速度プロファイルに基づく目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超えた時点で値１に更新されるものである（Ｓ１８０参照）。

従って、加速初期において、目標指令生成部６１は、フラグＦが値０であると判断し（Ｓ１４０でＹｅｓ）、Ｓ１１０で設定した目標加速度Ａｒに基づき、目標加速度Ａｒに対応した目標速度ωｒを算出する。更に、この目標速度ωｒをフィードバック制御器６３に入力する（Ｓ１５０）。

具体的に、制御周期（目標速度ωｒの算出周期）がΔＴである場合には、前回の目標速度ω０にＡｒ・ΔＴ加算した値を、今回の目標加速度Ａｒに対応した目標速度ωｒとして算出する。即ち、加速制御開始時からの目標加速度の時間積分を目標速度ωｒとして算出する。

フィードバック制御器６３は、このようにして算出される目標速度ωｒと、速度検出器５０から入力されるモータ２０の回転速度ωとの偏差ｅに基づき、電流指令値Ｕを算出する。そして、モータドライバ３０は、フィードバック制御器６３から入力されるこの電流指令値Ｕに基づき、モータ２０を駆動する。この動作により、本実施例の制御システム１では、モータ２０の回転速度ωが目標速度ωｒを追従するようにモータ２０を制御する。

目標指令生成部６１は、Ｓ１５０の処理後、加速制御の終了条件が満足されたか否かを判断し（Ｓ２４０でＹｅｓ）、終了条件が満足されていない場合には（Ｓ２４０でＮｏ）、図示しないタイマ等による時間に基づいて制御周期ΔＴに対応する時間待機する（Ｓ２５０）。これにより、次の制御タイミングが到来するまで待機する。

そして、次の制御タイミングが到来すると（Ｓ２５０でＹｅｓ）、Ｓ１１０に移行し、現在時刻ｔに対応する目標加速度Ａｒを算出する一方、速度検出器５０から入力される最新の回転速度ω及び外乱オブザーバ６５から入力される最新の負荷電流Ｉｃに基づき、現在時刻ｔに対応する加速度上限Ａｍを推定し（Ｓ１２０）、これらの結果に基づいてＳ１３０以降の処理を実行する。

そして、加速度プロファイルに基づく目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超えると（Ｓ１３０でＮｏ）、目標加速度Ａｒを加速度上限Ａｍに補正して、補正後の目標加速度Ａｃ＝Ａｍに対応した目標速度ωｒを算出し、当該算出した目標速度ωｒをフィードバック制御器６３に入力する（Ｓ１６０）。目標加速度Ａｃから目標速度ωｒを算出する方法については、Ｓ１５０で説明した通りである。

ところで、目標加速度を加速度上限Ａｍに制限する場合には、加速不足が生じる。このため、本実施例では、続くＳ１７０にて、目標加速度Ａｒと加速度上限Ａｍとの差Ｅａ＝Ａｒ−Ａｍを算出し、この差Ｅａに基づき、加速不足量Ｑを更新する。具体的に、Ｓ１７０では、加速不足量Ｑを、前回値から（Ａｒ−Ａｍ）・ΔＴ加算した値に更新する。このような動作によって、本実施例では、加速不足量Ｑとして、目標加速度Ａｒを加速度上限Ａｍに補正した期間の上記差Ｅａの時間積分を算出する。その後、目標指令生成部６１は、フラグＦ及びフラグＧを値１に更新する（Ｓ１８０）。

更に、Ｓ１８０の処理後には、加速制御の終了条件が満足されたか否かを判断し、終了条件が満足されていない場合には（Ｓ２４０でＮｏ）。制御周期ΔＴに対応する時間が経過するのを待って（Ｓ２５０）、Ｓ１１０に移行し、上述した処理を実行する。そして、目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間が終了すると（Ｓ１３０でＹｅｓ）、フラグＦ＝１に設定されているため、Ｓ１４０で否定判断して、Ｓ１９０に移行する。

Ｓ１９０に移行すると、目標指令生成部６１は、フラグＧが値１であるか否かを判断する。尚、フラグＧは、Ｓ２００〜Ｓ２１０の処理を、目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間の終了後、一度のみ実行するためのフラグであり、Ｓ２００〜Ｓ２１０に対応する処理の実行後に、値０に初期化される（Ｓ２２０参照）。

即ち、目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間の終了後、初回のＳ１９０において、目標指令生成部６１は、フラグＧが値１であると肯定判断し、Ｓ２００に移行する。
また、Ｓ２００に移行すると、目標指令生成部６１は、目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間の終了時刻である加速度制限終了時刻Ｔｃを、現在時刻ｔに対応した値に設定し、その後、加速度制限終了時刻Ｔｃ及び加速終了時刻Ｔａ、及び、この時点での加速不足量Ｑに基づき、上述の式（２）に従う補正関数Ｄ（ｔ）を設定する（Ｓ２１０）。その後、Ｓ２２０に移行して、フラグＧを値０にリセットする。

その後、目標指令生成部６１は、目標加速度Ａｒを、補正関数Ｄ（ｔ）から算出される現在時刻ｔの補正量ΔＡに基づき、当該補正量ΔＡ加算した値（Ａｒ＋ΔＡ）に補正する。そして、補正後の目標加速度Ａｃ＝Ａｒ＋ΔＡに対応する目標速度ωｒを算出し、これをフィードバック制御器６３に入力する（Ｓ２３０）。尚、目標加速度Ａｃから目標速度ωｒを算出する方法は上述した通りである。

このようにして、本実施例では、目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間の終了時刻ｔ＝Ｔｃから、加速度プロファイルに従う目標加速度Ａｒを、加速度が大きくなる方向に補正し、目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間において生じた加速不足を補うように、モータ２０を制御する。

即ち、Ｓ２３０の処理を終了すると、目標指令生成部６１は、加速制御の終了条件が満足されたか否かを判断し、終了条件が満足されていない場合には（Ｓ２４０でＮｏ）。制御周期ΔＴに対応する時間が経過するのを待って（Ｓ２５０）、Ｓ１１０に移行する。そして、この後の処理では、Ｓ１３０で肯定判断し、Ｓ１４０で否定判断し、Ｓ１９０では否定判断してＳ２３０に移行し、目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間の終了直後にＳ２１０で設定した補正関数Ｄ（ｔ）に従って、目標加速度Ａｒを補正し、補正後の目標加速度Ａｃ＝Ａｒ＋ΔＡに対応する目標速度ωｒをフィードバック制御器６３に入力する処理を行う。そして、加速制御の終了条件が満足されると（Ｓ２４０でＹｅｓ）、当該加速制御処理を終了する。

ここで、Ｓ２４０の処理について詳細を述べると、フラグＦ＝０の場合には、目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超えなかったことを示しているので、図示しないタイマ等による時間に基づいて、加速度プロファイルに従う加速終了時刻ｔ＝Ｔａが到来した時点で加速制御の終了条件が満足されたと判断し（Ｓ２４０でＹｅｓ）、当該加速制御処理を終了する。一方、フラグＦ＝１の場合には、目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超えたことを示しているので、補正関数Ｄ（ｔ）に基づく目標加速度Ａｒの補正終了時刻ｔ＝Ｔｃ＋２・（Ｔａ−Ｔｃ）が到来した時点で加速制御の終了条件が満足されたと判断し（Ｓ２４０でＹｅｓ）、当該加速制御処理を終了する。

以上、本実施例の制御システム１の構成について説明したが、本実施例によれば、加速度プロファイルに従う目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間では、各時刻の目標加速度Ａｒを加速度上限Ａｍに補正し、加速度プロファイルに従う目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間の各時刻において設定された目標加速度Ａｃの加速度プロファイルに従う目標加速度Ａｒとの差の時間積分を、加速不足量Ｑとして算出する。そして、加速度プロファイルに従う目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間の終了後には、加速不足量Ｑに対応する量、目標加速度Ａｒを補正して各時刻の目標加速度Ａｃを設定する。

従って、本実施例の制御システム１によれば、加速度上限Ａｍを超える目標加速度Ａｒが設定されることによって制御が不安定になるのを抑えることができ、更に、目標加速度を加速度上限Ａｍに制限することによって、モータ２０を目標とする速度ωｆまで加速できなくなる問題を解消することができる。即ち、本実施例によれば、トルク飽和に起因して制御が不安定になるのを回避して適切にモータ２０を目標とする速度ωｆまで加速することができる。

この結果、制御システム１を、例えば用紙搬送機構を制御するシステムに適用すれば、目標加速度Ａｒを加速度上限Ａｍに抑えることで生じた加速不足によって用紙搬送のスループットが低下するのを防止することができ、当該制御システム１を、キャリッジ搬送機構を制御するシステムに適用すれば、加速後に適切に目的の速度ωｆでキャリッジを定速搬送することができる。

特に、本実施例によれば、加速度上限Ａｍを、逆起電力による加速度上限の低下分と、外乱による加速度上限の低下分とを加味して推定するので、加速度上限Ａｍを高精度に推定することができ、制御が不安定になるのを抑えて、高精度なモータ制御を実現することができる。

また、本実施例によれば、加速度プロファイルに従う目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間の終了後、加速度プロファイルに従う目標加速度Ａｒがゼロとなる時点で補正量ΔＡが最大となる上述の式（２）に示す関数Ｄ（ｔ）に従って、目標加速度Ａｒを補正するので、実質的に、補正後の目標加速度Ａｃが加速度上限Ａｍを超えず、補正量ΔＡの時間積分が加速不足量Ｑに一致するような補正を行うことができ、適切に加速不足を補って、モータ２０を指定の速度ωｆまで加速させることができる。

以上、本発明の実施例について説明したが、本実施例の目標指令生成部６１が実行するＳ１２０の処理は、本発明の加速度上限推定手段によって実現される処理の一例に対応し、目標指令生成部６１が実行するＳ１１０，Ｓ１３０，Ｓ１４０，Ｓ１５０，Ｓ１６０，Ｓ１８０，Ｓ１９０〜Ｓ２３０，Ｓ２４０，Ｓ２５０によって実現される処理は、本発明の目標加速度設定手段によって実現される処理の一例に対応する。

この他、目標指令生成部６１が目標加速度Ａｒ，Ａｃに基づき、目標速度ωｒを設定して（Ｓ１５０，Ｓ１６０，Ｓ２３０）、フィードバック制御器６３が、この目標速度ωｒに基づく電流指令値Ｕを算出する動作は、本発明のモータ制御手段が、モータに対する制御入力を、目標加速度設定手段により設定された目標加速度に基づき決定する動作の一例に対応し、目標指令生成部６１が実行するＳ１７０の処理は、本発明の不足量算出手段によって実現される処理の一例に対応する。

また、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。例えば、上記制御システム１は、画像形成装置や画像読取装置以外の種々の電気的装置に適用可能である。即ち、本発明は、モータ２０を所定速度ωｆまで加速させる際の制御に特徴を有するものであり、この種の制御に用いる限りにおいて様々な分野に適用することが可能である。

尚、本実施例において、外乱オブザーバ６５から出力される負荷電流Ｉｃの情報と、速度検出器５０から出力されるモータ２０の回転速度ωの情報と予め設定されたパラメータに基づいて加速度上限Ａｍが推定される構成を説明したが、負荷電流Ｉｃによる加速度上限の低下分や逆起電力による電流低下分を直接検出する検出器の値に基づいて、加速度上限Ａｍが推定されても良い。

また、補正関数Ｄ（ｔ）は、本実施例のように設定される限りではなく、目標加速度Ａｒが加速度上限を越える期間の終了時刻Ｔｃ及び加速度プロファイルが示す当初の加速終了時刻Ｔａとは無関係な関数で設定してももちろん良い。また、補正関数Ｄ（ｔ）による目標加速度の補正は、目標加速度Ａｒが加速度上限Ａｍを超える期間が終了した後であればよい。

１…制御システム、１０…駆動対象、２０…モータ、３０…モータドライバ、４０…ロータリエンコーダ、５０…速度検出器、６０…モータ制御ユニット、６１…目標指令生成部、６３…フィードバック制御器、６５…外乱オブザーバ

Claims (6)

1. モータ制御装置であって、
   制御対象のモータにて実現可能な加速度の上限を推定する加速度上限推定手段と、
   所定速度までの前記モータの目標加速度軌跡を表す加速度プロファイルに従って、各時点の目標加速度を設定する一方、前記加速度プロファイルに従う目標加速度が前記加速度上限推定手段により推定された前記加速度の上限を超える期間では、前記各時点の目標加速度を、前記加速度上限推定手段により推定された前記加速度の上限以下に補正して設定する目標加速度設定手段と、
   前記モータに対する制御入力を、前記目標加速度設定手段により設定された目標加速度に基づき決定し、前記モータを制御するモータ制御手段と、
   前記加速度プロファイルに従う目標加速度が前記加速度の上限を超える場合には、前記加速度プロファイルに従う目標加速度が前記加速度の上限を超える期間の各時点において設定された前記目標加速度の前記加速度プロファイルに従う目標加速度との差の時間積分を、前記期間での加速不足量として算出する不足量算出手段と、
   を備え、
   前記目標加速度設定手段は、前記不足量算出手段により算出された前記加速不足量に基づき、前記期間の終了後には、前記加速度の上限を超えない範囲で、前記加速不足量に対応する量、前記加速度プロファイルに従う目標加速度を補正して、各時点の目標加速度を設定すること
   を特徴とするモータ制御装置。
2. 前記目標加速度設定手段は、補正量の時間積分が前記加速不足量に一致し且つ前記加速度プロファイルに従う目標加速度がゼロとなる時点で前記補正量が最大となる関数であって前記補正量を出力変数とする所定関数に従って、前記期間の終了後から、前記補正量を徐々に大きくして前記加速度プロファイルに従う目標加速度を補正し、前記目標加速度プロファイルに従う目標加速度がゼロとなった後には、前記補正量を徐々に小さくして前記目標加速度を補正することで、前記加速不足量に対応する量、前記加速度プロファイルに従う目標加速度を補正して、前記各時点の目標加速度を設定すること
   を特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記目標加速度設定手段は、三角関数により定められた前記所定関数に従って、前記目標加速度を補正すること
   を特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
4. 前記モータに対する制御入力及び前記制御入力に対する制御出力に基づいて外乱を推定する外乱オブザーバ
   を備え、
   前記加速度上限推定手段は、前記外乱オブザーバにより推定された外乱に基づき、前記モータの加速度の上限を推定すること
   を特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項記載のモータ制御装置。
5. 前記加速度上限推定手段は、逆起電力に起因する加速度の上限の低下分、及び、外乱に起因する加速度の上限の低下分を加味して前記モータの加速度の上限を推定する構成にされ、前記逆起電力に起因する加速度の上限の低下分を、計測器から得られる前記モータの回転速度に基づき推定し、前記外乱に起因する加速度の上限の低下分を、前記外乱オブザーバにより推定された外乱に基づき推定すること
   を特徴とする請求項４記載のモータ制御装置。
6. 前記モータ制御手段は、前記目標加速度設定手段により設定された目標加速度から導出される目標速度と、計測器により計測された前記モータの回転速度との偏差に基づき、前記モータに対する制御入力を決定し、前記モータを制御する手段であること
   を特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項記載のモータ制御装置。