JP2553591B2 - モータの回転速度制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は速度信号の周期を計測して、基準値からの誤
差データをディジタル値で出力する速度誤差検出器を備
えたモータの回転速度制御装置に関するものである。

従来の技術 第３図は家庭用ビデオテープレコーダのキャプスタン
速度制御系の代表的な機能ブロックダイアグラムを示し
たものである。第３図において、キャプスタンモータ１
に連結された周波数発電機２からは、第４図Ａに示すよ
うな交流信号が出力されるが、この交流信号はキャプス
タンモータ１の回転速度に依存した繰り返し周期を有し
ており、FG信号増幅器３によって第４図Ｂに示すような
方形波にまで増幅されて波形整形される。さらに、逓倍
回路４において、第４図Ｂの信号波形から第４図Ｃの信
号波形が作りだされて速度誤差検出器５に送られる。一
方、速度誤差検出器５では第４図Ｃの信号波形のリーデ
ィングエッジ（前縁）から次のリーディングエッジまで
の周期がカウンタ等によってディジタル的に計測され、
固定基準値からの誤差データが出力される。この誤差デ
ータは、ディジタルフィルタ６によって周波数領域のゲ
イン補償が行なわれたうえで、Ｄ−Ａコンバータ７に供
給され、Ｄ−Ａコンバータ７の出力はキャプスタンモー
タ１を駆動するためのモータ駆動回路８に供給される。

したがって、第３図に示したブロックはキャプスタン
モータ１を定速回転させるための閉ループ速度制御系を
構成している。また、第３図の装置において、逓倍回路
４は速度制御系の応答性を改善するために使われてい
る。すなわち、キャプスタンモータの回転速度は、第４
図Ｃの信号波形のリーディングエッジが到来する毎に、
前回のリーディングエッジの到来時点かの速度変化分の
平均値として計測される（一般に移動平均と呼ばれ
る。）が、逓倍回路４を用いない場合には第４図Ｂの信
号波形のリーディングエッジ間を計測することになり、
計測インターバルが長くなって制御系の応答特性が悪化
する。これを解消するには、周波数発電機２の出力周波
数を高くすればよいが、機械的な加工精度の問題から限
界があった。このため、周波数発電機の出力を電気的に
逓倍する方法が多用されている。

ところで、家庭用ビデオテープレコーダのキャプスタ
ンモータとしてはダイレクトドライブ形式のものが多用
され、その場合にはモータ自身が発生する一回転中のト
ルクリップルがしばしば問題になる。これは、キャプス
タンモータの負荷トルクが変動しなかったとしても、発
生トルクの変動によって回転速度の変動をきたすもの
で、モータの回転むらの一要因になっている。このトル
クリップルは周期的に発生するため、その影響を除去す
るのに、例えば、「中野他，“繰り返し制御系の理論と
応用",システムと制御,vol.30,No.1,pp.34〜41,1986」
で紹介されているような繰り返し制御（学習制御と呼ば
れる場合もある。）が有効であるといわれている。第５
図は第３図の制御系に繰り返し制御方式を適用したもの
で、一方の入力側に速度誤差検出器５からの速度誤差デ
ータが供給される加算器９と、逓倍回路４の出力信号の
リーディングエッジが到来する毎にカウントアップし、
キャプスタンモータ１が一回転するとカウント値が一巡
するリングカウンタ10によって特定のアドレスが選択さ
れて、その出力データが前記加算器９の他方の入力側に
供給されるデータメモリ11によって、繰り返しコントロ
ーラと呼ばれるブロックが構成されている。なお、前記
加算器９の出力データはディジタルフィルタ６に供給さ
れるとともに、前記データメモリの特定アドレスに格納
される。

繰り返しコントローラ部分だけを、むだ時間要素を用
いてブロック表現すると第６図に示すようになり、前記
リングカウンタ10の一巡の周期をＬとすると、繰り返し
コントローラ部分の伝達関数Grは次式で与えられる。

なお、Ｓはプラス演算子であり、（１）式から次式を
満たす角周波数ωｋにおいて伝達関数の周波数ゲイン特
性が実質的に無限大となる。

ωｋ＝２πk/L,（ｋ＝0,1,2,……） ……（２） 定性的には、速度誤差検出器５から出力される誤差デ
ータの周期的変動成分がすべてデータメモリ11に吸収さ
れて、データメモリ11による速度誤差検出器５の肩代わ
りが行なわれたとき、キャプスタンモータ１の回転速度
変動のうち、（２）式を満足する周波数成分の変動はな
くなって、速度誤差検出器５の出力のデータの値が０と
なる。

このように、第５図に示した回転速度制御装置は、ト
ルクリップルなどの、周期的に発生する速度変動要因の
影響を相殺するのにきわめて効果的である。

発明が解決しようとする問題点 さて、第７図は第５図の装置のキャプスタンモータ１
の回転速度変動の時間応答特性図で、モータの起動後に
繰り返しコントローラの動作を開始させてから、キャプ
スタンモータ１の回転速度変動の推移の模様をプロット
したものである。第７図の時刻t0,t1,t2,t3の間の時間
間隔はいずれもキャプスタンモータ１の一回転周期に等
しく、時刻t0から時刻t1までは第５図の速度誤差検出器
５によって計測された誤差データが次々とデータメモリ
11に格納されていく期間であり、誤差データの取り込み
過程といえる。時刻t1から時刻t2まで、時刻t2から時刻
t3まで、あるいはそれ以降はデータメモリ11に格納され
た誤差データの周期パターンが速度誤差検出器５の出力
を加味して修正されていく学習過程といえる。また、第
７図の例では２回の学習過程を含む３回転周期の後に速
度変動が最小値に収束している。

ところで、（１），（２）式からもわかるように、繰
り返しコントローラを用いたフィードバック型の速度制
御系は、キャプスタンモータ１の１回転の整数倍の周波
数の周期性を有する外乱に対してきわめて高い抑制効果
を有しているが、その反面、制御系の応答周波数の上限
におけるゲイン余裕や位相余裕の喪失による系の不安定
化の問題や、周期性を有さない外乱に対する制御特性の
悪化などの不都合を有している。 これらの不都合を解
消するには、ゲイン余裕や位相余裕を確保するための補
償フィルタの追加もさることながら、できるかぎり早期
に繰り返しコントローラを制御系から切り離すことが重
要な問題となってくる。

問題点を解決するための手段 前記した問題点を解決するために本発明のモータの回
転速度制御装置では、モータの回転速度信号の周期毎の
インターバルを計測して該計測区間における平均測定値
として出力する平均速度計測手段と、前記計測区間に対
応して前記モータが一回転する間に少なくとも一巡する
カウント値を発生するリングカウンタと、アドレスが前
記リングカウンタによって選択され該アドレスに前記平
均測定値に基づいた区間データが格納されるデータメモ
リと、前記平均速度計測手段からの出力と速度制御のた
めの基準値と前記データメモリに格納されている区間デ
ータの値を加算して誤差データを出力する誤差検出手段
と、前記リングカウンタからのアドレス選択に対応させ
て前記データメモリに前記区間データを格納するととも
に、前記リングカウンタのカウントが一巡する間の新た
な区間データとそれに対応する前回の区間データの差の
最大値があらかじめ設定した範囲内になった時点で前記
データメモリへの区間データの格納を終了させる区間デ
ータ更新手段と、前記誤差データに基づいて前記モータ
を駆動する駆動手段を備えている。

作用 本発明では前記した構成によって、繰り返しコントロ
ーラを制御系から切り離すことが可能なモータの回転速
度制御装置を実現できる。

実施例 以下、本発明の一実施例のモータの回転速度制御装置
について図面を参照しながら説明する。

第１図はモータの回転速度制御装置のブロックダイア
グラムを示したものであり、第５図の同一のブロックは
同一図番にて示されている。第１図の装置では、FG信号
増幅器３の出力信号のリーディングエッジが到来する毎
にカウントアップし、キャプスタンモータ１が一回転し
たときにそのカウント値が一巡するリングカウンタ10
と、逓倍回路４の出力信号のリーディングエッジが到来
する毎にその区間内の基準クロックの個数をカウントす
ることにより、周期毎のインターバルを計測して該計測
区間における平均測定値として出力するカウンタ20と、
前記カウンタ20の出力が一方の入力側に供給され、その
出力が誤差データとしてディジタルフィルタ６に供給さ
れる第１加算器21と、複数のアドレスを有し、そのアド
レスが前記リングカウンタ10の出力によって切り換えら
れるデータメモリ11と、あらかじめ用意された固定基準
値を出力する基準値発生器15からの出力と、前記データ
メモリ11の特定アドレスの区間データを加算して前記第
１加算器21の他方の入力側に供給する第２加算器22と、
前記第１加算器21の出力が一方の入力側に供給された第
３加算器23と、前記データメモリの区間データの符号を
反転して前記第３加算器23の他方の入力側に供給する補
数器24と、前記第３加算器23から誤差データと区間デー
タとの偏差データが供給されるとともに、前記リングカ
ウンタ10から一巡信号が供給される最大値検出器26と、
タイミング判別のために前記FG信号増幅器３と前記逓倍
回路４の出力が供給され、前記第１加算器21の出力デー
タを前記データメモリ11に格納するかどうかを判別する
とともに、前記最大値検出器26の出力によって区間デー
タの更新を中止する判別器25を備えている。また、前記
第３加算器23と前記補数器24ならびに前記判別器25,前
記最大値検出器26によって、前記データメモリ11の特定
アドレスに格納する新たな区間データを出力する区間デ
ータ更新ブロック30が構成されている。なお、第１加算
器21に減算を行なわせるために基準値発生器15からはマ
イナスの基準値データが供給されるものとする。

以上のように構成されたモータの回転速度制御装置に
ついて、第１図のブロック構成図と第２図に示したタイ
ミングチャートをもとにその動作を説明する。ここに、
第２図ＡはFG信号増幅器３の出力信号波形を示し、第２
図Ｂは逓倍回路４の出力信号波形を示し、第２図Ｃはリ
ングカウンタ10のカウント値の推移を示し、第２図Ｄは
データメモリ11に格納される区間データの値の推移を示
したものである。

なお、キャプスタンモータ１が一回転する間に周波数
発電機２がｐサイクルの出力信号を発生するものとし、
リングカウンタ10のカウント値は０から（ｐ−１）まで
変化するとともに、そのカウント値が０のときに一巡信
号を最大値検出器26に送出し、データメモリ11はｐ個の
メモリセルを有しているものとする。

第２図の時刻t0が到来すると、リングカウンタ10のカ
ウント値は０となり、データメモリ11の０番地に格納さ
れている区間データが選択され、第２加算器22によって
基準値発生器15からの基準値データとの加算が行なわれ
て、その結果が第１加算器21に供給される。一方、カウ
ンタ20によって時刻t1までに計測されたキャプスタンモ
ータ１の平均速度誤差データと前記第２加算器22の出力
データが第１加算器21によって加算されて、その結果が
誤差データとしてディジタルフィルタ６供給されるとと
もに第３加算器23,判別器25にも供給される。第３加算
器23では、この誤差データと、補数器24によって符号反
転された区間データとの加算が行なわれ、加算結果が最
大値検出器26に供給される。最大値検出器26ではリング
カウンタ10からの一巡信号を受け付けてから次の一巡信
号を受け付けるまでの間の前記第３加算器23の出力デー
タの絶対値の最も大きなものを保持するように構成され
ている。

ここで、基準値発生器15から供給される基準値を（−
Rs）、時刻t1以前にデータメモリ11の０番地に格納され
ている区間データをD0、時刻t1が到来したときのカウン
タ20のカウント値をN0とすると、誤差データの値Er0は
次式によって導出される。

Er0＝N0−（Rs−D0） ……（３） また、第３加算器23による加算結果C0は、 C0＝Er0−D0 ＝N0−Rs ……（４） すなわち、第１加算器21からは偏位量にデータメモリ
11の０番地に格納されている区間データを加算したもの
が誤差データEr0として出力され、第３加算器23からは
偏位量C0に相当するデータが出力される。最大値検出器
26はこの時点でそれまでに自身が保持していた一回転周
期の間の第３加算器23の出力データの最大値の大きさを
評価し、その値があらかじめ設定された範囲内であると
きには、判別器25に対して区間データの更新中止の指令
信号を送出するが、ここでは、その値があらかじめ設定
された範囲を越えていたものとすると、第３加算器23か
らの出力データの絶対値が最大値検出器26に保持され
る。また、時刻t2が到来した後に、判別器25によって誤
差データEr0が区間データとしてデータメモリ11の０番
地に格納される。

時刻t2が到来すると、カウンタ20は時刻t1から時刻t2
までの新たなカウント値N1を出力するが、リングカウン
タ10のカウント値は０のまま変化せず、次式で与えられ
る誤差データEr1が第１加算器21から出力される。

Er1＝N1−（Rs−D0） ……（５） 時刻t3が到来すると、リングカウンタ10のカウント値
は１となり、データメモリ11の１番地に格納されている
区間データが選択される。時刻t3以前にデータメモリ11
の１番地に格納されている区間データをD1とし、カウン
タ20のカウントをN2とすると、誤差データの値Er2は次
式によって導出される。

Er2＝N2−（Rs−D1） ……（６） また、第３加算器23による加算結果C1は、 C1＝Er2＋D1 ＝N2−Rs ……（７） 偏位量C1の絶対値が最大値検出器26に保持されている
値よりも大きければ、最大値検出器26の値が書き換えら
れる。また、時刻t4が到来した後に、判別器25によって
誤差データEr2がこの区間の区間データとしてデータメ
モリ11の０番地に格納される。

第２図の時刻t1の時点からキャプスタンモータ１が一
回転して、時刻t11が到来すると、リングカウンタ10の
カウント値は再び０となり、時刻t2が到来した後にデー
タメモリ11の０番地に格納された区間データEr0が選択
される。この時点のカウンタ20のカウント値をＮ（2P）
とすると、誤差データの値Er（2P）は次式によって導出
される。

Er（2P）＝Ｎ（2P） −（Rs−Er0） ……（８） また、第３加算器23での加算結果Ｃ（2P）は、 Ｃ（2P）＝Er（2P）−Er0 ＝Ｎ（2P）−Rs ……（９） 時刻t1から時刻t11までの一回転周期の間に最大値検
出器26に保持された最大偏位量があらかじめ設定された
範囲を越えていたものとすると、第３加算器23からの出
力Ｃ（2P）の絶対値が最大検出器26に保持される。ま
た、判別器25によって誤差データEr（2P）がこの区間の
区間データとしてデータメモリ11の０番地に格納され
る。

このように、第１図に示したモータの回転速度制御装
置においても、最大値検出器26から判別器25に対して区
間データの更新中止の指令信号が送出されるまでは、第
１加算器21,第２加算器22,区間データ更新ブロック30,
リングカウンタ10,データメモリ11によって第５図の装
置と同じ効果が得られる繰り返しコントローラが構成さ
れており、キャプスタンモータ１が周期的な回転速度の
変動要因を有していたとすると、データメモリ11から出
力される区間データはリングカウンタ10のカウント値の
変化に応じて第２図のように周期的に変化し、誤差デー
タの周期的変動成分はすべてデータメモリ11に吸収され
ることになる。

さて、第７図の学習過程が終了する時刻t3以降におい
てはキャプスタンモータ１の一回転周期にわたって、第
３加算器23の出力データの値がほぼ０になる（量子化エ
ラーに伴う変動や非周期的な外乱による影響は残る。）
が、この状態で次の一回転周期の開始時点（第７図の時
刻t4）が到来すると、最大値検出器26は判別器25に対し
て区間データの更新中止の指令信号を送出し、この時点
で繰り返しコントローラが制御系から切り離される。

結局、最大値検出器26はデータメモリ11に新たに格納
した誤差パターンがそれまでに格納されていた誤差パタ
ーンと同一であるとみなせるかどうかをチェックするた
めに用意されていることになる。したがって、最大値検
出器26と判別器25の連携によって、早期に繰り返しコン
トローラを制御系から切り離すことができる。

ところで、第２図に示したタイミングチャートによれ
ば、データメモリ11には周波数発電機２の出力信号の一
回転あたりのサイクル数に等しいだけのアドレス数を必
要とするが、多くの場合、このアドレス数は少なくする
ことができる。例えば、キャプスタンモータ１が３相全
波形のダイレクトドライブ形式の無整流子モータで、回
転子磁極数が８であり、キャプスタンモータ１に直結さ
れた周波数発電機２の出力信号の一回転あたりのサイク
ル数が357であったとすると、まず、キャプスタンモー
タ１は一回転あたり24サイクルのトルクリップルは発生
するが、繰り返し制御によりこれを抑制するためには、
一回転あたり48種類以上の区間データを用意しておけば
よく、データメモリ11のアドレス数は357の公約数であ
る51に設定すればよい。

発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明のモータの回
転速度制御装置は、モータの回転速度信号の周期毎のイ
ンターバルを計測して該計測区間における平均測定値と
して出力する平均速度計測手段（カウンタ20）と、前記
計測区間に対応して前記モータが一回転する間に少なく
とも一巡するカウント値を発生するリングカウンタ10と
と、アドレスが前記リングカウンタによって選択され該
アドレスに前記平均測定値に基づいた区間データが格納
されるデータメモリ11と、前記平均速度計測手段からの
出力と速度制御のための基準値と前記データメモリに格
納されている区間データの値を加算して誤差データを出
力する誤差検出手段（実施例においては第１加算器21と
第２加算器22によって構成されている。）と、前記リン
グカウンタからのアドレス選択に対応させて前記データ
メモリに前記区間データを格納するとともに、前記リン
グカウンタのカウントが一巡する間の新たな区間データ
とそれに対応する前回の区間データの差の最大値があら
かじめ設定した範囲内になった時点で前記データメモリ
への区間データの格納を終了させる区間データ更新手段
（区間データ更新ブロック30）と、前記誤差データに基
づいて前記モータを駆動する駆動手段（モータ駆動回路
８）を備えているので、誤差データの導出に伴う演算む
だ時間の少ない装置を実現することができ、大なる効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すモータの回転速度制御
装置のブロックダイアグラム、第２図は第１図の装置の
動作を説明するタイミングチャート、第３図は従来例を
示すブロックダイアグラム、第４図は第３図の主要部の
信号波形図、第５図は別の従来例を示すブロックダイア
グラム、第６図は繰り返しコントローラ部の伝達関数の
ブロック図、第７図は第５図の装置の時間応答特性図で
ある。 １……キャプスタンモータ、８……モータ駆動回路、11
……データメモリ、20……カウンタ、21……第１加算
器、22……第２加算器、30……区間データ更新ブロッ
ク。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−114488（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−298975（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−235687（ＪＰ，Ａ) 中野道雄・原辰次著、「繰り返し制御 糸の理論と応用」（システムと制御ＶＯ Ｌ．30，ＮＯ．１，ＰＰ．34−41、1986 年発行) 原辰次著、「繰り返し制御」（計測と 制御ＶＯＬ．25，ＮＯ．12，ＰＰ．1111 −1119、1986年発行)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】モータの回転速度信号の周期毎のインター
   バルを計測して、計測区間における平均測定値として出
   力する平均速度計測手段と、前記計測区間に対応して前
   記モータが一回転する間に少なくとも一巡するカウント
   値を発生するリングカウンタと、アドレスが前記リング
   カウンタによって選択され該アドレスに前記平均測定値
   に基づいた区間データが格納されるデータメモリと、前
   記平均速度計測手段からの出力と速度制御のための基準
   値と前記データメモリに格納されている区間データの値
   を加算して誤差データを出力する誤差検出手段と、前記
   リングカウンタからのアドレス選択に対応させて前記デ
   ータメモリに前記区間データを格納するとともに、前記
   リングカウンタのカウントが一巡する間の新たな区間デ
   ータとそれに対応する前回の区間データの差の最大値が
   あらかじめ設定した範囲内になった時点で前記データメ
   モリへの区間データの格納を終了させる区間データ更新
   手段と、前記誤差データに基づいて前記モータを駆動す
   る駆動手段とを具備してなるモータの回転速度制御装
   置。