JP2017049637A - Control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、制御装置に関し、特に、モータ等の制御対象の検出された制御量と目標値との偏差を無くすように制御信号を生成する制御装置に関する。 The present invention relates to a control device, and more particularly to a control device that generates a control signal so as to eliminate a deviation between a detected control amount of a control target such as a motor and a target value.
画像形成装置等に用いられるモータ(例えばインナーブラシレスモータ)の回転の制御には、PID(Proportional-Integral-Derivative)制御が広く使用されている。PID制御は、フィードバック制御の一種であり、モータの制御信号の制御を、モータの目標値との偏差に対する比例・積分・微分の3要素によって行う制御である。目標値との偏差とは、モータの場合であれば、目標値と、モータに付加されたエンコーダからの信号に基づくモータの制御量(速度や位置)との差である。 PID (Proportional-Integral-Derivative) control is widely used for controlling the rotation of a motor (for example, an inner brushless motor) used in an image forming apparatus. PID control is a type of feedback control, and is a control in which control of a motor control signal is performed by three elements of proportionality, integration, and differentiation with respect to a deviation from a target value of the motor. In the case of a motor, the deviation from the target value is the difference between the target value and the control amount (speed or position) of the motor based on the signal from the encoder added to the motor.
偏差を用いたPID演算をCPU(Central Processing Unit)によって行いモータ制御信号を生成する場合には、高性能なCPUが必要な上、上記エンコーダからの信号をCPUに入力するための周辺回路が必要となり、高価な回路構成となり、CPUを制御するプログラムも複雑となる。
また、モータ制御のプラグラムを他機種(異なるCPU)に移植する場合、プログラムのデバッグ等に長時間を要する。
When a motor control signal is generated by performing a PID calculation using a deviation by a CPU (Central Processing Unit), a high-performance CPU is required, and a peripheral circuit for inputting a signal from the encoder to the CPU is required. Thus, an expensive circuit configuration is required, and a program for controlling the CPU is complicated.
When a motor control program is ported to another model (different CPU), it takes a long time to debug a program.
以上の点に係り、特許文献1には、インクジェットプリンタのキャリッジ駆動モータのエンコーダから入力された信号に基づいてキャリッジの速度を算出すると共に、上記モータの制御信号であるPWM(Pulse Width Modulation)信号を生成するハードロジック回路を備える制御装置が開示されている。この制御装置のハードロジック回路は、キャリッジ駆動モータの加速及び減速時には、CPUから入力された所定の操作量に基づいて制御信号を生成し、キャリッジが定速に達すると、目標値との偏差を用いてPID演算により操作量を算出し、該操作量に基づいて制御信号を生成する。特許文献1のハードロジック回路は例えばASIC(Application Specific Integrated Circuit)である。
In connection with the above points,
特許文献2及び3には、エンコーダからの信号に基づいてキャリッジの移動速度を検出すると共に、目標速度と上記検出された速度との差分に基づいてPID演算を行い、モータの制御信号を生成する制御装置が開示されている。また、特許文献2及び3には、上記制御装置をASICまたはCPLD(Complex Programmable Logic Device)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等のプログラマブルロジックデバイスで構成することが開示されている。
In
しかし、特許文献1に開示の制御装置では、制御信号の算出に用いるPID演算に、複数の補数演算が必要であり、特許文献2及び3に開示の制御装置ではPID演算に積分演算や微分演算が必要である。
However, the control device disclosed in
本発明は、上述のような実状に鑑みてなされたものであり、モータ等の制御対象からの入力信号に基づいて制御対象の制御量を検出すると共に、検出された制御量の目標値に対する偏差を用いた制御演算を行い、該偏差を無くすような制御信号を生成する制御装置であって、ハードウェアロジックデバイスで構成可能であり、上記偏差を用いた制御演算として複数の補数演算や、積分演算、微分演算が不要な新規な制御演算を行うものを提供することをその目的とする。 The present invention has been made in view of the above situation, and detects a control amount of a control target based on an input signal from a control target such as a motor, and also detects a deviation of the detected control amount from a target value. Is a control device that generates a control signal that eliminates the deviation, and can be configured with a hardware logic device. It is an object of the present invention to provide a device that performs a new control calculation that does not require calculation and differentiation.
上記の課題を解決するために、本発明の第1の技術手段は、制御対象から入力された信号に基づいて該制御対象の制御量の検出を行う検出部と、該検出部により検出された制御量と目標値との偏差を無くすように操作量を算出する操作量算出部と、該操作量算出部からの入力に基づいて前記制御対象の制御信号を生成し、該生成した制御信号を前記操作対象に入力する制御信号生成部と、を備えた制御装置であって、前記操作量算出部が、nが正の整数である場合に、n回目の前記操作量の算出の際、式Aの演算を行い、
Un=GA×Un-1+(1−GA)×Un-2+GC×en−GD×en-1+GE×en-2
・・・(式A)
Unはn回目の前記操作量、enはn回目の前記偏差、GA、GC、GD、GEはゲインであることを特徴としたものである。
In order to solve the above-described problem, the first technical means of the present invention includes a detection unit that detects a control amount of the control target based on a signal input from the control target, and a detection unit that detects the control amount. An operation amount calculation unit that calculates an operation amount so as to eliminate a deviation between the control amount and the target value, and generates a control signal of the control target based on an input from the operation amount calculation unit, and the generated control signal is A control signal generation unit that inputs to the operation target, and when the operation amount calculation unit calculates n for the nth operation amount when n is a positive integer, Perform the operation of A,
U n = G A × U n -1 + (1-G A) × U n-2 + G C × e n -G D × e n-1 + G E × e n-2
... (Formula A)
U n is the n-th of the operation amount, the e n the deviation of the n-th, G A, G C, G D, G E is obtained by being a gain.
本発明の第2の技術手段は、第1の技術手段において、GAは1であることを特徴としたものである。 A second technical means of the present invention is characterized in that GA is 1 in the first technical means.
本発明の第3の技術手段は、第2の技術手段において、前記操作量算出部は、算出した操作量を制限値以下に制限して出力するものであり、n−1回目の操作量が制限値以上である場合、Unー1として該制限値を利用して前記演算を行うことを特徴としたものである。 According to a third technical means of the present invention, in the second technical means, the operation amount calculation unit outputs the operation amount by limiting the calculated operation amount to a limit value or less. If it is the limit value or more, it is obtained by and performs the calculation using the limit value as U n-1.
本発明の第4の技術手段は、第2または3の技術手段において、Gc、GD、GEが整数であり、前記操作量算出部が、前記演算の結果のビット数を、前記制御信号生成部の入力値に求められるビット数までビットシフトするビットシフト部を有することを特徴としたものである。 According to a fourth technical means of the present invention, in the second or third technical means, Gc, G D , and G E are integers, and the operation amount calculation unit calculates the number of bits of the result of the operation as the control signal. It is characterized by having a bit shift unit that performs bit shift to the number of bits required for the input value of the generation unit.
本発明の第5の技術手段は、第1〜4のいずれか1の技術手段において、前記制御信号生成部が、当該制御装置の起動時において、前記制御量が目標値に基づき予め定められた切替値になるまで、固定値に基づいて前記制御信号を生成し、前記切替値になった後からは、前記操作量算出部からの入力に基づいて前記制御信号を生成するよう切り替えを行い、前記操作量算出部が、前記切り替えの前から前記演算を行い、前記切り替え前まで、前記偏差を零とし且つ前記演算の結果を前記目標値に応じた値で固定し、前記切り替え後の前記式Aの演算では、実際の偏差を用い、前記演算の結果として実際の演算結果を用いるGAは1であることを特徴としたものである。 According to a fifth technical means of the present invention, in any one of the first to fourth technical means, the control signal generation unit determines the control amount based on a target value when the control device is activated. The control signal is generated based on a fixed value until the switching value is reached, and after the switching value is reached, switching is performed so as to generate the control signal based on an input from the operation amount calculation unit, The operation amount calculation unit performs the calculation from before the switching, sets the deviation to zero and fixes the calculation result at a value corresponding to the target value until the switching, and the formula after the switching in the calculation of a, in which the G a for using the actual deviation, using actual operation result as the result of the operation was characterized by a 1.
本発明の第6の技術手段は、第5の技術手段において、前記検出部が、前記制御対象であるモータが有するエンコーダから出力された当該モータの回転状態に応じたパルスの周期をクロックでカウントし、クロック数と前記モータの前記制御量である回転速度とを対応付けた変換テーブルに基づいて、前記回転速度の検出を行うものであり、前記起動の開始後所定時間を経過してから前記回転速度の検出を開始するGAは1であることを特徴としたものである。 According to a sixth technical means of the present invention, in the fifth technical means, the detection unit counts a cycle of a pulse corresponding to a rotation state of the motor output from an encoder included in the motor to be controlled with a clock. The rotation speed is detected based on a conversion table in which the number of clocks and the rotation speed that is the control amount of the motor are associated, and after a predetermined time has elapsed after the start of the start, the G a to start the detection of the rotational speed is obtained by being a 1.
本発明の第7の技術手段は、第1〜4のいずれか1の技術手段において、前記制御信号生成部が、当該制御装置の起動開始から、前記制御対象であるモータが有するエンコーダから出力された当該モータの回転状態に応じたパルスのエッジカウントが所定回数検出されるまでは、固定値に基づく前記制御信号を生成し、前記所定回数検出された後からは、前記操作量算出部からの入力に基づいて前記制御信号を生成するよう切り替えを行うことを特徴としたものである。 According to a seventh technical means of the present invention, in any one of the first to fourth technical means, the control signal generation unit is output from an encoder included in the motor to be controlled from the start of activation of the control device. The control signal based on the fixed value is generated until the pulse edge count corresponding to the rotation state of the motor is detected a predetermined number of times, and after the predetermined number of times is detected, the operation amount calculation unit Switching is performed so as to generate the control signal based on an input.
本発明の第8の技術手段は、第1〜7のいずれか1の技術手段において、前記制御対象であるモータの回転を減速させる減速部を備え、前記制御信号生成部が前記操作量算出部から入力された操作量に基づく制御信号を生成している期間に前記制御対象の減速指示が入力されたことを受けて、前記減速部が、前記制御対象の回転の減速を開始し、前記操作量演算部が、前記偏差を零として前記演算を行い、前記制御信号生成部が、前記目標値に応じた制御信号を生成し、前記減速部に前記制御対象の回転の減速を開始させた後、前記検出部により検出された制御量が前記目標値に対応する所定の値になったことを受けて、前記減速部が、前記制御対象の回転の減速を停止し、前記操作量演算部が、実際の偏差を用いて前記演算を行い、前記制御信号生成部が、前記操作量算出部からの入力に基づいて制御信号を生成することを特徴としたものである。 An eighth technical means of the present invention is the technical means according to any one of the first to seventh aspects, further comprising a deceleration unit that decelerates the rotation of the motor to be controlled, wherein the control signal generation unit is the operation amount calculation unit. In response to the input of the deceleration instruction of the control target during a period in which the control signal based on the operation amount input from is input, the deceleration unit starts the deceleration of the rotation of the control target, and the operation After the quantity calculation unit performs the calculation with the deviation as zero, the control signal generation unit generates a control signal corresponding to the target value, and causes the deceleration unit to start decelerating rotation of the control target In response to the fact that the control amount detected by the detection unit has reached a predetermined value corresponding to the target value, the deceleration unit stops the deceleration of the rotation of the control target, and the operation amount calculation unit The calculation is performed using the actual deviation, and the control is performed. Signal generating section is obtained by and generates a control signal based on input from the operation amount calculation unit.
本発明の第9の技術手段は、第1〜8のいずれか1の技術手段において、ハードウェアロジックデバイスで構成されていることを特徴としたものである。 According to a ninth technical means of the present invention, in any one of the first to eighth technical means, the ninth technical means comprises a hardware logic device.
本発明によれば、モータ等の制御対象からの入力信号に基づいて制御対象の制御量を検出すると共に、検出された制御量の目標値に対する偏差を用いた演算を行い、該偏差を無くすような制御信号を生成する制御装置であって、ハードウェアロジックデバイスで構成可能であり、上記偏差を用いた演算として複数の補数演算や、積分演算、微分演算が不要な新規な演算を行うもの提供することができる。 According to the present invention, the control amount of the control target is detected based on the input signal from the control target such as a motor, and the calculation using the deviation of the detected control amount with respect to the target value is performed to eliminate the deviation. A control device that generates a simple control signal that can be configured with a hardware logic device and performs a new operation that does not require multiple complement calculations, integral calculations, and differential calculations as calculations using the above deviation can do.
以下、図面を参照しながら、本発明の制御装置の好適な実施形態について説明する。なお、以下の発明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。 Hereinafter, preferred embodiments of the control device of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following inventions, the same reference numerals in different drawings are the same, and the description thereof may be omitted.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る制御装置の一例を示す図である。
図1の制御装置1は、モータ3を制御対象とするものであり、ASICやCPLD、FPGA等のハードウェアロジックデバイスで構成される。
制御装置1は、速度検出部11、操作量算出部12、PWM変換部13を有する。制御装置1により実行されるフィードバック制御は、連続時間制御ではなく、所定のクロックで動作する離散時間制御(デジタル制御)である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a control device according to the first embodiment of the present invention.
The
The
CPU2は、モータ3の目標値として目標回転速度を操作量算出部12に入力する。制御装置1では、CPU2から目標回転速度とスタートトリガを受けた後は、CPU2によらず該制御装置1単独でモータの速度制御が完結する。
The
モータ3は、例えば、インナーブラシレスモータであり、モータドライバ31から印加される駆動電圧によって回転子32が回転される。モータ3のエンコーダ33は、モータ3の現在の回転状態を示すパルス信号から成る2チャンネルのエンコード信号ENCODE_A、ENCODE_Bを制御装置1の速度検出部11に出力する。
The motor 3 is, for example, an inner brushless motor, and the
図2〜図4は、速度検出部11における速度検出方法の一例を説明するための図である。
制御装置1の速度検出部11は、本発明の「検出部」の一例であり、制御対象であるモータ3のエンコーダ33から入力される2チャンネルのエンコード信号ENCODE_A、ENCODE_Bに基づいて、モータ3の速度を算出/検出する。速度検出方法としては、図2に示すように、各エンコード信号の1周期をクロックでカウントし、そのカウント値からその時点での回転速度を検出する方法が考えられる。
2-4 is a figure for demonstrating an example of the speed detection method in the speed detection part 11. FIG.
The speed detection unit 11 of the
回転速度をSPD(単位:rpm)、クロック周波数をEPI_CLK(単位:MHz)、1周期のカウント数をEPI_CTとすると、回転速度SPDは以下の式(1)で表すことができる。
SPD=(EPI_CLK/(EPI_CT×エンコーダ分解能))×60×106
・・・式(1)
When the rotation speed is SPD (unit: rpm), the clock frequency is EPI_CLK (unit: MHz), and the count number of one cycle is EPI_CT, the rotation speed SPD can be expressed by the following equation (1).
SPD = (EPI_CLK / (EPI_CT × encoder resolution)) × 60 × 10 6
... Formula (1)
論理回路で上記式(1)の演算(除算)を実行するのは非現実的である。したがって、速度検出部11では、上記クロック数を速度に変換した図3に示すような変換テーブルを不図示のROM(Read Only Memory)に予め記憶しておき、速度検出の際にはそのテーブルを参照する。 It is unrealistic to execute the operation (division) of the above formula (1) in the logic circuit. Therefore, the speed detection unit 11 stores in advance a conversion table as shown in FIG. 3 in which the number of clocks is converted into speed in a ROM (Read Only Memory) (not shown), and this table is used for speed detection. refer.
なお、速度検出部11は、図4に示すように、エンコード信号ENCODE_Aの立上りエッジ、エンコード信号ENCODE_Aの立下りエッジ、エンコード信号ENCODE_Bの立上りエッジ及びエンコード信号ENCODE_Bの立下りエッジの間隔をクロックでそれぞれ独立してカウントし、各エッジが観測される度にカウント数を更新する。 As shown in FIG. 4, the speed detection unit 11 uses the clock to set intervals of the rising edge of the encode signal ENCODE_A, the falling edge of the encode signal ENCODE_A, the rising edge of the encode signal ENCODE_B, and the falling edge of the encode signal ENCODE_B. Count independently and update the count as each edge is observed.
図1の説明に戻る。
制御装置1の操作量算出部12は、CPU2から入力された目標回転速度と、速度検出部11から入力された該速度検出部11が検出したモータの速度と、の偏差を無くすように操作量を算出する。
Returning to the description of FIG.
The operation
PWM変換部13は、本発明の「制御信号生成部」の一例であり、操作量算出部12からの入力をモータ3の制御信号であるPWM信号に変換し、モータドライバ31に出力する。
The
次に、制御装置1の操作量算出部12において行う制御演算について説明する。
PID制御における伝達関数は、積分出力の計算手法及び微分フィルタ出力の計算手法に台形則を用いた場合、以下の式2で表すことができる。なお、式2において、P,I,Dはそれぞれ独立したゲイン、TSはサンプリング時間、Nはフィルタ係数である。
Next, the control calculation performed in the operation
The transfer function in PID control can be expressed by the
上記式2を差分方程式に変形すると、以下の式3で表すことができる。なお、式3において、nは正の整数であり、Unはn回目の操作量、enはn回目の偏差、GA、GC、GD、GEはゲインである。
Un=GA×Un-1+(1−GA)×Un-2+GC×en−GD×en-1+GE×en-2
・・・(式3)
When
U n = G A × U n -1 + (1-G A) × U n-2 + G C × e n -G D × e n-1 + G E × e n-2
... (Formula 3)
操作量算出部12は、上記式3の制御演算を行うことにより操作量を算出する。式3の制御演算には複数の補数演算や、積分演算、微分演算等が不要である。
The operation
上記式3の制御演算の際、ゲインGAは1とすることが好ましい。ゲインGAを1とすることにより、上記式3は以下の式4になる。
Un=Un-1+GC×en−GD×en-1+GE×en-2
・・・(式4)
上記式4は、上記式3に比べて、ゲインのGAの乗算や、Un-2に係る演算が不要となるので、回路をより単純にすることができる。
During control operation of the above formula 3, it is preferable that the gain G A is 1. By the gain G A is 1, the equation 3 becomes Equation 4 below.
U n = U n-1 + G C × e n -G D × e n-1 + G E × e n-2
... (Formula 4)
The formula 4, as compared with the above equation 3, the multiplication and the gain G A, since calculation of the U n-2 is not required, it can be simpler circuit.
さらに、ゲインGC、GD、GEは、整数であることが好ましい。整数でない場合、ハードウェアロジックデバイスで構成することが困難であるからである。ゲインGC、GD、GEは、シミュレーション等から決定されるものであり、予め記憶されており、また、外部から変更可能である。 Furthermore, the gains G C , G D , and G E are preferably integers. This is because if it is not an integer, it is difficult to configure with a hardware logic device. The gains G C , G D , and G E are determined from simulation or the like, are stored in advance, and can be changed from the outside.
図5は、操作量算出部12の構成例を示す図である。
図5の操作量算出部12は、偏差生成部110と、演算部120とを有する。
偏差生成部110は、CPU2から入力される目標回転速度Vtgtと速度検出部11から入力されるモータ3の回転速度Vactとの差分である偏差enを生成する。
演算部120は、上述の式4をロジック化したものである。演算部120は、第1遅延部121、第1増幅部122、第2増幅部123、第2遅延部124、第3増幅部125、第3遅延部126、第4増幅部127、加算部128を有する。
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of the operation
The operation
The
第1遅延部121は、入力値を所定時間遅延させて出力する。この所定時間は、操作量Unの更新周期/演算周期と等しい。図の例において、第1遅延部121への入力値は、加算部128の出力値Unである。したがって、n回目の操作量Unの演算における第1遅延部121の出力値は、n−1回目の操作量Un-1である。
The
第1増幅部122は、入力される第1遅延部121の出力値を増幅して出力する。第1増幅部122の増幅率(ゲイン)はGAである。ここでGAは1である。したがって、この第1増幅部122は省略可能である。n回目の操作量Unの演算における第1増幅部122の出力値は、n−1回目の操作量Un-1である。
The
第2増幅部123は、偏差生成部110から入力される偏差enを増幅して出力する。第2増幅部123のゲインはGCである。n回目の操作量Unの演算における第2増幅部123の出力値は、GC×enである。
第2遅延部124は、偏差生成部110から入力される偏差enを所定時間遅延させて出力する。第2遅延部124の遅延時間は第1遅延部121の遅延時間と同じであり、操作量Unの更新周期である。n回目の操作量Unの演算における第2遅延部124の出力値は、n−1回目の偏差en-1である。
The
第3増幅部125は、第2遅延部124から入力される偏差en-1を増幅して出力する。第3増幅部125のゲインはGDである。n回目の操作量Unの演算における第3増幅部125の出力値は、GD×en-1である。
The
第3遅延部126は、偏差生成部110から入力される偏差enを所定時間遅延させて出力する。第3遅延部126の遅延時間は第1遅延部121の遅延時間の2倍であり、操作量Unの更新周期の2倍である。n回目の操作量Unの演算における第3遅延部126の出力値は、n−2回目の偏差en-2である。
The
第4増幅部127は、第3遅延部126から入力される偏差en-2を増幅して出力する。第4増幅部127のゲインはGEである。n回目の操作量Unの演算における第4増幅部127の出力値は、GE×en-2である。
The
加算部128は、第1増幅部122の出力値、第2増幅部123の出力値、第3増幅部125の出力値及び第4増幅部127の出力値を加算して、操作量Unを出力する。ただし、加算部128は、第3増幅部125の出力値についてはマイナス1を乗じてから加算する。
Adding
図6は、操作量算出部12の他の構成例を示す図である。
ゲインGAを1とすることに特に問題はないが、ゲインGC、GD、GEを整数とした場合にこれらゲインを所望の精度(例えば8ビット)としたとき、演算部120からの出力値をそのままPWM変換部13に入力すると、該PWM変換部13の入力値に必要な精度すなわちビット数に比べて非常に大きな値となる。したがって、操作量算出部12は、図6のように、演算部120からの出力値をビットシフトするビットシフト部130を有することが好ましい。ビットシフト部130は、入力値をビットシフトして出力するものである。ビットシフト部130のビットシフト量は、入力値のビット数とPWM変換部13に必要なビット数とにより定められる。
FIG. 6 is a diagram illustrating another configuration example of the operation
There is no particular problem in setting the gain G A to 1. However, when the gains G C , G D , and G E are integers, when these gains have a desired accuracy (for example, 8 bits), When the output value is directly input to the
また、ゲインGC、GD、GEを整数とした場合にこれらゲインを所望の精度(例えば8ビット)としたとき、演算部120からの出力値をビットシフト部130にそのまま入力すると、ビットシフト量が大きいため、ロジック数が大きくなってしまう。ビットシフト量を抑えるために、操作量算出部12は、リミッタである第1制限部140を有することが好ましい。第1制限部140は、入力値を所定の制限値以下に制限して出力する。
The gain G C, G D, when these gains and desired accuracy (e.g., 8 bits) in the case where the G E and an integer, and the output value from the calculating
第1制限部140における制限値は例えば以下の通りである。
ここでモータ3の駆動電圧をVmとすると、第1制限部140の制限値=PWMデューティ比100%=Vmの関係を満たす。
所望するゲインの精度を目標回転速度に乗算する。
その乗算値を2の累乗で表わされる所定値で除算する。所定値はシミュレーション等により求められる。
上記除算値以上の値で最も近い2の累乗値を第1制限部140の制限値とする。
For example, the limit values in the
Here, when the driving voltage of the motor 3 and V m, the limit value of the first limiting
Multiply the target rotational speed by the accuracy of the desired gain.
The multiplication value is divided by a predetermined value represented by a power of 2. The predetermined value is obtained by simulation or the like.
The nearest power value of 2 that is equal to or greater than the division value is set as the limit value of the
ゲインの精度が256(8ビット)、目標回転速度を2500、上記所定値を8とすると、上記乗算値は256×2,500=640,000であり、上記除算値は640,000/8=80,000であり、上記制限値は131,072(217)である。
この場合において、PWM変換部13の入力値に必要な精度が10ビット(1024)であれば、ビットシフト部130でのビットシフト量は7ビットである。
If the gain accuracy is 256 (8 bits), the target rotation speed is 2500, and the predetermined value is 8, the multiplication value is 256 × 2,500 = 640,000, and the division value is 640,000 / 8 = 80,000, and the limit value is 131,072 (2 17 ).
In this case, if the accuracy required for the input value of the
なお、第1制限部140を設けることにより、演算部120からの出力が操作量算出部12からの出力と異なる場合が生じる。したがって、演算部120からの出力を第1遅延部121に直接入力すると、フィードバック制御を適切に行うことができない。
そこで、本出願人が出願した特願2015−68792号に記載の技術を適用し、操作量算出部12に第2制限部150を設けることが好ましい。第2制限部150は、演算部120から入力される、すなわち加算部128から入力される操作量Unを、所定の制限値以下に制限して出力する。第2制限部150の制限値L2と第1制限部140の制限値L1は例えば同一である。したがって、n回目の操作量Unの演算における第1遅延部121の出力値は、n−1回目の操作量Un-1が上記制限値L2より小さい場合、n−1回目の操作量Un-1であり、大きい場合、制限値L2が出力される。
By providing the
Therefore, it is preferable to apply the technique described in Japanese Patent Application No. 2015-68792 filed by the present applicant and provide the
(第2の実施形態)
図7は、本発明の第2の実施形態に係る制御装置の一例を示す図である。図8及び図9はPID制御を用いた制御装置の課題を説明するためのものである。
従来の制御装置であっても、PID制御により目標速度を得られるが、モータの停止状態からPID制御を行うと、電気的次定数等の影響により出力デューティを入力しても実際にモータが回転するまでのタイムラグがある。したがって、図8に示すように、PID演算結果すなわちフィードバック量が累積され出力デューティが静定状態の出力デューティXより非常に大きい状態が続くため、検出速度が目標回転速度Vtgtを超える、いわゆるオーバーシュートが非常に大きくなり、静定までに時間がかかる。オーバーシュートを抑えるために積分ゲインなどのPIDゲインを低く調整する方法があるが、この方法では目標回転速度Vtgtに到達するまでの時間である立ち上がり時間Taが非常に長くなるというデメリットがある。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a control device according to the second embodiment of the present invention. 8 and 9 are for explaining the problem of the control device using PID control.
Even with a conventional control device, the target speed can be obtained by PID control. However, if PID control is performed from the stop state of the motor, the motor will actually rotate even if the output duty is input due to the influence of the electrical next constant, etc. There is a time lag until. Therefore, as shown in FIG. 8, since the PID calculation result, that is, the feedback amount is accumulated and the output duty continues to be much larger than the output duty X in the static state, the detected speed exceeds the target rotational speed V tgt , so-called overshoot. The shoot becomes very large and takes time to settle. In order to suppress overshoot, there is a method of adjusting the PID gain such as the integral gain low. However, this method has a demerit that the rise time Ta that is the time until the target rotational speed V tgt is reached becomes very long.
また、目標速度の所定の割合に設定された切替速度に達するまでモータを固定出力で駆動し、切替速度に達した後にPID制御に切り替える方法が提案されている。この方法では、モータの停止状態からPID制御を行う場合に比べて静定までの時間を短縮することができる。しかし、この方法では、図9に示すように、切替速度VSに達した後に、固定デューティからPID制御に切り替えた際に、演算累積値が“0”であるため出力デューティも“0%”に近いところまで落ちるので、立ち上がり時間Taが長くなる。 In addition, a method has been proposed in which the motor is driven with a fixed output until a switching speed set to a predetermined ratio of the target speed is reached, and switching to PID control after reaching the switching speed. In this method, it is possible to shorten the time until stabilization as compared with the case where the PID control is performed from the stopped state of the motor. However, in this method, as shown in FIG. 9, when switching from fixed duty to PID control after reaching the switching speed V S , the calculated duty is “0”, so the output duty is also “0%”. The rise time Ta becomes long.
図7の制御装置4は、上述の立ち上がり時間及び制定までの時間を短くするためのものであり、起動時の動作に特徴があるものである。
制御装置4は、速度検出部41、操作量算出部42、PWM変換部43の他に、固定出力部44、出力選択部45を有する。
The control device 4 in FIG. 7 is for shortening the above-described rise time and time until establishment, and is characterized by the operation at the time of activation.
The control device 4 includes a fixed
速度検出部41は、図1の速度検出部11と同様にモータ3の回転速度を算出/検出する。速度検出部41は、検出した速度を操作量算出部42と出力選択部45とに出力する。
操作量算出部42は、図1の操作量算出部12と同様に前述の式4の制御演算を行うことにより操作量を算出する。
固定出力部44は、予め定められた固定値を出力する。
The
The operation
The fixed
PWM変換部43は、操作量算出部42または固定出力部44からの入力をモータ3の制御信号であるPWM信号に変換し、モータドライバ31に出力する。
出力選択部45は、速度検出部41からモータ3の回転速度に基づいて、操作量算出部42及び固定出力部44のいずれの出力をPWM変換部43に入力するか選択する。出力選択部45は、モータ3の回転速度が後述の切替速度になるまで固定出力部44からの出力をPWM変換部43に入力させ、モータ3の回転速度が切替速度となった後に操作量算出部42からの出力をPWM変換部43に入力させる。。
切替速度は、モータ3の制御を固定出力部44の出力による固定値制御から操作量算出部42の出力によるフィードバック制御に切り替えるタイミングを決定するために定められたものであり、モータ3の目標回転速度に応じて予め定められ、例えば、モータ3の目標回転速度の95%である。
The
The
The switching speed is determined in order to determine the timing for switching the control of the motor 3 from the fixed value control based on the output of the fixed
図10及び図11は、モータ3が静定するまでの制御装置4の動作を説明するための図である。図10は、制御装置4とは異なる動作を行う比較例の制御装置におけるモータ回転速度と出力デューティの時間変化を表す図である。図11は、図7の制御装置4におけるモータ回転速度と出力デューティの時間変化を示す図である。 10 and 11 are diagrams for explaining the operation of the control device 4 until the motor 3 is settled. FIG. 10 is a diagram illustrating the time change of the motor rotation speed and the output duty in the control device of the comparative example that performs an operation different from that of the control device 4. FIG. 11 is a diagram showing temporal changes in the motor rotation speed and the output duty in the control device 4 of FIG.
比較例の制御装置は、図10に示すように、切替速度VSになるまでモータを固定値制御し、切替速度VSになった後に、固定値制御から、前述の式4の制御演算を利用したフィードバック制御に切り替えるものであり、切り替え前から制御演算を行う。比較例の制御装置では、制御演算結果が累積されるため、フィードバック制御に切替直後の出力デューティが非常に大きくなり100%に達する場合もある。したがって、大きなオーバーシュートが発生し、また、静定までに長時間を要してしまう。 Control device of the comparative example, as shown in FIG. 10, the motor control fixed value until the switching speed V S, after becoming switching speed V S, the fixed value control, the control operation of Equation 4 above The control is switched to the feedback control used, and the control calculation is performed before the switching. In the control device of the comparative example, since the control calculation results are accumulated, the output duty immediately after switching to the feedback control becomes very large and may reach 100%. Therefore, a large overshoot occurs, and it takes a long time to settle.
それに対し、制御装置4では、切替速度VSになった後に、固定値制御からフィードバック制御に切り替えを行う点及び同切り替え前から制御演算を行う点では比較例の制御装置と同様であるが、以下の点で比較例のものと異なる。すなわち、制御装置4は、操作量算出部42が、フィードバック制御への切り替え前の制御演算では、偏差を零とし且つ演算結果を目標回転速度Vtgtに応じた値で固定し、切り替え後の制御演算では、偏差として実際の偏差を用いる点で、比較例のものと異なる。目標回転速度Vtgtに応じた値は、フィードバック制御によって目標回転速度Vtgtで静定したときの値であり、予め定められている。
フィードバック制御への切り替え前の制御演算は、例えば、起動直後に開始されており、フィードバック制御への切り替えが行われる時点においては、目標速度Vtgtに応じた値を出力可能となっている。
On the other hand, the control device 4 is the same as the control device of the comparative example in that the switching is performed from the fixed value control to the feedback control after the switching speed V S and the control calculation is performed before the switching. It differs from the comparative example in the following points. That is, in the control device 4, in the control calculation before the switching to the feedback control, the operation
The control calculation before switching to feedback control is started immediately after startup, for example, and a value corresponding to the target speed V tgt can be output at the time when switching to feedback control is performed.
したがって、制御装置4では、固定値制御からフィードバック制御への切り替えが行われた直後においてPWM変換部43に入力されるのは、操作量算出部42が出力する目標速度に応じた値であり、切り替え後、偏差として実際の偏差を用いた通常の制御演算が終了した後からはその演算結果がPWM変換部43に入力される。
Therefore, in the control device 4, what is input to the
制御装置4では、上述のように制御演算及び出力を行うことで、図11に示すように、モータの速度が切替速度VSとなって固定値制御からフィードバック制御に切り替わった直後において、出力デューティが、制御演算結果が累積されたものでも0でもないため、オーバーシュートが発生せず、また、静定までに長時間を要することがない。 In the control device 4, by performing the control calculation and output as described above, the output duty immediately after the motor speed becomes the switching speed V S and the control is switched from the fixed value control to the feedback control as shown in FIG. 11. However, since the result of the control calculation is neither accumulated nor 0, overshoot does not occur, and it does not take a long time to settle.
また、制御装置4において、速度検出部41は、モータ3の回転速度の検出を起動開始直後からは行わず、固定値制御中であって、起動開始後所定時間を経過した時から行うようにしてもよい。
モータ3からのエンコード信号の1周期のクロック数とモータ3の回転速度とは反比例の関係にあるため、図3からも明らかなように、クロック数から回転速度への変換テーブルには低速域のものが多く含まれる。したがって、上述のように、起動開始後所定時間を経過するまでの間、モータ3の回転速度の検出を行わず、すなわち、低速域における速度検出を行わないようにすることで、上記変換テーブルにおける低速域の情報は不要となるので、該変換テーブルを小さくし、該変換テーブルを記憶するROM容量を大幅に削減することができる。例えば、図3の例では、270rpm未満の情報が不要となればROM容量を半分にすることができ、540rpm未満の情報が不要となればROM容量を1/4にすることができる。
Further, in the control device 4, the
Since the number of clocks of one cycle of the encode signal from the motor 3 and the rotational speed of the motor 3 are in an inversely proportional relationship, as is apparent from FIG. Many things are included. Therefore, as described above, the rotation speed of the motor 3 is not detected until the predetermined time has elapsed after the start of starting, that is, the speed detection in the low speed region is not performed, so that Since the information in the low speed region is not necessary, the conversion table can be made small and the ROM capacity for storing the conversion table can be greatly reduced. For example, in the example of FIG. 3, the ROM capacity can be halved if information less than 270 rpm is unnecessary, and the ROM capacity can be ¼ if information less than 540 rpm is not needed.
なお、固定出力制御を2段階に分け、モータ3が動き出すまで高い固定値がPWM変換部43に入力され、モータ3が動き出した後からは低い固定値をPWM変換部43に入力するようにしてもよい。
The fixed output control is divided into two stages, and a high fixed value is input to the
(第3の実施形態)
図12は、本発明の第3の実施形態に係る制御装置の一例を示す図である。
図12の制御装置5は、図7の制御装置4と同様、起動時の動作に特徴があり、速度検出部51、操作量算出部52、PWM変換部53、固定出力部54、出力選択部55の他に、エンコーダエッジカウンタ56を有する。
(Third embodiment)
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a control device according to the third embodiment of the present invention.
The
速度検出部51は、図1の速度検出部11と同様にモータ3の回転速度を算出/検出する。速度検出部51は、検出した速度を操作量算出部52に出力する。
操作量算出部52は、図1の操作量算出部12と同様に前述の式4の制御演算を行うことにより操作量を算出する。
固定出力部54は、予め定められた固定値を出力する。
The
The operation
The fixed
PWM変換部53は、操作量算出部52または固定出力部54からの入力をモータ3の制御信号であるPWM信号に変換し、モータドライバ31に出力する。
エンコーダエッジカウンタ56は、モータ3のエンコーダ33から入力される2チャンネルのエンコード信号ENCODE_A及び/またはENCODE_Bのエッジをカウントするものであり、起動してからのエッジカウント数を出力選択部55に出力する。
The
The encoder edge counter 56 counts the edges of the two-channel encode signals ENCODE_A and / or ENCODE_B input from the
出力選択部55は、エンコーダエッジカウンタ56からのエッジカウント数の情報に基づいて、操作量算出部52及び固定出力部54のいずれの出力をPWM変換部53に入力するか選択する。出力選択部55は、エッジカウント数が所定回数に至るまでは、固定出力部54からの出力をPWM変換部53に入力させ、所定回数に至った後からは、操作量算出部52からの出力をPWM変換部53に入力させる。
The
したがって、制御装置5では、図7の制御装置4に比べて目標回転速度までの立ち上がり時間は長いが、起動開始直後からPID制御を行う場合に比べて、静定までの時間を短縮することができる。また、制御装置5は、操作量算出部12からの出力に基づくフィードバック制御の期間が長いため、固定出力が長く続く制御よりも外乱に強い。上記所定回数が1であればこれらの効果が顕著となる。
Therefore, in the
また、上記所定回数が複数回である場合、複数回観測されるまでの間のモータ3の回転速度の検出は不要となるため、図3の変換テーブルにおける低速域の情報は不要となるので、該変換テーブルを小さくし、該変換テーブルを記憶するROM容量を大幅に削減することができる。 Further, when the predetermined number is a plurality of times, it is not necessary to detect the rotational speed of the motor 3 until it is observed a plurality of times, so the information on the low speed region in the conversion table of FIG. The conversion table can be made small, and the ROM capacity for storing the conversion table can be greatly reduced.
(第4の実施形態)
本実施形態の制御装置は、第1〜第3の形態と同様に操作量算出部が前述の式4の制御演算を行うものであり、減速時の動作について、本出願人が出願した特願2015−68792号に記載の技術を適用したものである。
(Fourth embodiment)
In the control device of the present embodiment, the operation amount calculation unit performs the control calculation of the above-described Expression 4 as in the first to third embodiments, and the patent application filed by the present applicant for the operation at the time of deceleration. The technique described in Japanese Patent No. 2015-68792 is applied.
具体的には、本実施形態の制御装置は、第1〜第3の形態と同様の速度検出部、操作量算出部、PWM変換部の他に、制御対象のモータの回転を減速させる減速部を備え、通常モードと、減速モードとを有する。
通常モードでは、操作量算出部が、速度検出部からの出力に基づく実際の偏差を用いて制御演算を行い操作量を算出し、PWM信号変換部が、操作量算出部から出力された操作量に基づいてPWM信号を生成する。
通常モードで動作中に、目標回転速度を現在の回転速度よりも小さくする指示が入力されると、本実施形態の制御装置は、減速モードに移行し、減速部がモータの回転の減速を開始し、減速モードでは、操作量算出部が、偏差0をとした前述の式4の制御演算を行い、PWM変換部が、目標回転速度に応じたPWM信号を生成する。そして、減速部によるモータの回転の減速が開始された後、モータの回転速度が目標回転速度に対応する所定値になったことを受けて、本実施形態の制御装置は、減速部によるモータの回転の減速を停止させ、上記通常モードに戻る。
Specifically, the control device of the present embodiment includes a speed reduction unit that decelerates rotation of the motor to be controlled, in addition to the speed detection unit, the operation amount calculation unit, and the PWM conversion unit similar to those in the first to third modes And has a normal mode and a deceleration mode.
In the normal mode, the operation amount calculation unit calculates the operation amount by performing a control calculation using an actual deviation based on the output from the speed detection unit, and the PWM signal conversion unit outputs the operation amount output from the operation amount calculation unit. A PWM signal is generated based on the above.
When an instruction to make the target rotational speed smaller than the current rotational speed is input during operation in the normal mode, the control device of the present embodiment shifts to the deceleration mode, and the deceleration unit starts decelerating the rotation of the motor. In the deceleration mode, the operation amount calculation unit performs the control calculation of the above-described equation 4 with a deviation of 0, and the PWM conversion unit generates a PWM signal corresponding to the target rotation speed. Then, after the reduction of the rotation of the motor by the reduction unit is started, the control device of the present embodiment receives the fact that the rotation speed of the motor has reached a predetermined value corresponding to the target rotation speed. Stop the deceleration of rotation and return to the normal mode.
このように構成することにより、減速制御の際にオーバーシュート及びアンダーシュートの発生を抑制することができる。 With this configuration, it is possible to suppress the occurrence of overshoot and undershoot during deceleration control.
なお、第1〜第4の実施形態において、速度が静定した状態すなわち等速域では、速度検出部は、速度検出に移動平均を使用する。例えば、速度検出部は、等速域では直近4回の単純移動平均により速度を検出する。起動時等の加速域や減速域では、速度検出部は移動平均を用いずに速度を検出する。加速域や減速域では移動平均を用いた場合、実速度との剥離が大きいためである。 In the first to fourth embodiments, in a state where the speed is stabilized, that is, in a constant speed range, the speed detection unit uses a moving average for speed detection. For example, the speed detection unit detects the speed by a simple moving average of the latest four times in the constant speed region. In the acceleration region and deceleration region such as at the time of startup, the speed detection unit detects the speed without using the moving average. This is because when the moving average is used in the acceleration region and the deceleration region, separation from the actual speed is large.
1,4,5…制御装置、2…CPU、3…モータ、4…制御装置、5…制御装置、11,41,51…速度検出部、12,42,52…操作量算出部、13,43,53…PWM変換部、31…モータドライバ、32…回転子、33…エンコーダ、44,54…固定出力部、45,55…出力選択部、56…エンコーダエッジカウンタ、110…偏差生成部、120…演算部、121…第1遅延部、122…第1増幅部、123…第2増幅部、124…第2遅延部、125…第3増幅部、126…第3遅延部、127…第4増幅部、128…加算部、130…ビットシフト部、140…第1制限部、150…第2制限部。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
該検出部により検出された制御量と目標値との偏差を無くすように操作量を算出する操作量算出部と、
該操作量算出部からの入力に基づいて前記制御対象の制御信号を生成し、該生成した制御信号を前記操作対象に入力する制御信号生成部と、を備えた制御装置であって、
前記操作量算出部は、nが正の整数である場合に、n回目の前記操作量の算出の際、式Aの演算を行い、
Un=GA×Un-1+(1−GA)×Un-2+GC×en−GD×en-1+GE×en-2
・・・(式A)
Unはn回目の前記操作量、
enはn回目の前記偏差、
GA、GC、GD、GEはゲインであることを特徴とする制御装置。 A detection unit that detects a control amount of the control target based on a signal input from the control target;
An operation amount calculation unit that calculates an operation amount so as to eliminate a deviation between the control amount detected by the detection unit and the target value;
A control signal generation unit that generates a control signal of the control target based on an input from the operation amount calculation unit, and inputs the generated control signal to the operation target;
The operation amount calculation unit performs an operation of Expression A when calculating the operation amount for the nth time when n is a positive integer.
U n = G A × U n -1 + (1-G A) × U n-2 + G C × e n -G D × e n-1 + G E × e n-2
... (Formula A)
U n is the nth operation amount,
e n is the n-th deviation,
A control apparatus characterized in that G A , G C , G D , and G E are gains.
前記操作量算出部は、前記演算の結果のビット数を、前記制御信号生成部の入力値に求められるビット数までビットシフトするビットシフト部を有することを特徴とする請求項2または3に記載の制御装置。 Gc, G D and G E are integers,
The said operation amount calculation part has a bit shift part which bit-shifts the bit number of the result of the said calculation to the bit number calculated | required by the input value of the said control signal generation part, The Claim 2 or 3 characterized by the above-mentioned. Control device.
前記操作量算出部は、前記切り替えの前から前記演算を行い、前記切り替え前まで、前記偏差を零とし且つ前記演算の結果を前記目標値に応じた値で固定し、前記切り替え後の前記式Aの演算では、実際の偏差を用い、前記演算の結果として実際の演算結果を用いることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の制御装置。 The control signal generation unit generates the control signal based on a fixed value until the control amount becomes a predetermined switching value based on a target value when the control device is started up, and becomes the switching value. After that, switching to generate the control signal based on the input from the operation amount calculation unit,
The operation amount calculation unit performs the calculation from before the switching, sets the deviation to zero and fixes the result of the calculation at a value according to the target value until the switching, and the formula after the switching 5. The control device according to claim 1, wherein an actual deviation is used in the calculation of A and an actual calculation result is used as a result of the calculation.
前記制御対象であるモータが有するエンコーダから出力された当該モータの回転状態に応じたパルスの周期をクロックでカウントし、
クロック数と前記モータの前記制御量である回転速度とを対応付けた変換テーブルに基づいて、前記回転速度の検出を行うものであり、
前記起動の開始後所定時間を経過してから前記回転速度の検出を開始することを特徴とする請求項5に記載の制御装置。 The detector is
The pulse period corresponding to the rotation state of the motor output from the encoder of the motor to be controlled is counted with a clock,
The rotation speed is detected based on a conversion table in which the number of clocks and the rotation speed that is the control amount of the motor are associated with each other.
6. The control device according to claim 5, wherein the detection of the rotational speed is started after a predetermined time has elapsed after the start of the activation.
前記制御信号生成部が前記操作量算出部から入力された操作量に基づく制御信号を生成している期間に前記制御対象の減速指示が入力されたことを受けて、
前記減速部が、前記制御対象の回転の減速を開始し、
前記操作量演算部が、前記偏差を零として前記演算を行い、
前記制御信号生成部が、前記目標値に応じた制御信号を生成し、
前記減速部に前記制御対象の回転の減速を開始させた後、前記検出部により検出された制御量が前記目標値に対応する所定の値になったことを受けて、
前記減速部が、前記制御対象の回転の減速を停止し、
前記操作量演算部が、実際の偏差を用いて前記演算を行い、
前記制御信号生成部が、前記操作量算出部からの入力に基づいて制御信号を生成することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1に記載の制御装置。 A speed reduction unit that decelerates rotation of the motor to be controlled;
In response to the input of the deceleration instruction of the control target during a period in which the control signal generation unit generates a control signal based on the operation amount input from the operation amount calculation unit,
The deceleration unit starts decelerating rotation of the controlled object;
The manipulated variable calculation unit performs the calculation with the deviation as zero,
The control signal generation unit generates a control signal according to the target value;
After starting the deceleration of the rotation of the controlled object in the deceleration unit, the control amount detected by the detection unit has become a predetermined value corresponding to the target value,
The deceleration unit stops the deceleration of the rotation of the controlled object;
The operation amount calculation unit performs the calculation using an actual deviation,
The control device according to claim 1, wherein the control signal generation unit generates a control signal based on an input from the operation amount calculation unit.
The control device according to claim 1, comprising a hardware logic device.
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