JP2741392B2

JP2741392B2 - サーボモータ制御装置

Info

Publication number: JP2741392B2
Application number: JP63326341A
Authority: JP
Inventors: 孝典河野
Original assignee: 株式会社コパル
Priority date: 1988-12-26
Filing date: 1988-12-26
Publication date: 1998-04-15
Anticipated expiration: 2013-04-15
Also published as: JPH02174580A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、例えばDCスピンドルモータ等のサーボモー
タの速度制御装置に関し、特に、サーボモータの起動時
において、速やかに目標回転数に達することを可能と
し、且つ安定してその目標回転数を高精度に維持するよ
うな速度制御装置に関する。

［従来の技術］例えば電子スチルカメラ等に用いられるフロツピーデ
イスク装置のデイスク回転用に使用するスピンドルモー
タには、極めて高い回転安定性（低い回転偏差）と高い
起動特性（短い起動時間）が要求される。従来のアナロ
グ信号によるアナログサーボ方式では起動時間短縮が困
難であり、そこで、サーボ制御のための信号処理時間の
短いデジタルサーボ方式が近年用いられてきた。

［発明が解決しようとする課題］このようなデジタルサーボ系では、デジタル信号の分
解能とフイードバツク制御系のゲインが問題となる。分
解能は回路規模の制約により制限され、凡そ有限なもの
とならざるを得ない。分解能が有限であることは、その
分解能の範囲内での速度偏差を甘受せねばならないこと
を意味する。そして、その速度偏差を大きくする要因が
フイードバツク制御系のゲインである。速度偏差を速度
偏差を小さくしようとすれば、ゲインを小さくしなけれ
ばならない。ところがゲインを小さくすると、起動特性
が悪化する。即ち、回転数制御の精度向上と起動特性の
向上とは一般に相反することである。

そこで、本発明は、定常速度回転時における目標回転
数の高精度の確保と、速やかに目標回転数に達すること
を両立させたサーボモータの制御装置を提案することを
目的とする。

［課題を達成するための手段］上記課題を達成するための本発明のサーボモータ制御
装置は、サーボモータの速度制御を開ループ制御及び閉
ループ制御により行なうサーボモータ制御装置であつ
て、モータ回転速度に応じて、開ループ制御若しくは閉
ループ制御を行なうかを判定する手段と、閉ループ制御
時の制御ゲインを２通り設定し、開ループ制御から閉ル
ープ制御に遷移した後の所定時間は高い方のゲインを選
択し、その後は低い方のゲインを選択する手段とを具備
したことを特徴とする。

［実施例］以下添付図面を参照して、本発明に係る実施例を詳細
に説明する。

第２図は本発明を適用したサーボモータ制御装置の全
体回路図であり、第１図は本実施例の主要部分であり、
第２図のサーボアンプ7,パワーアンプ８の詳細な回路で
ある。先ず、第２図の全体構成から説明する。

第２図において、14は制御対象のサーボモータであ
り、この実施例では一例としてDCサーボモータを用いて
いる。９はデジタル制御回路であり、その詳細は後述す
る。15はモータ14の回転に同期して回転する回転子を有
し、その回転に応じた周波数を有するパルスFGを発生す
る周波数発生器FGであり、その出力信号FGは増幅器16を
介してデジタル制御回路９に送られる。デジタル制御回
路９は、基準パルス信号Ｆ_R及び前記FGを入力して、位
相補正サーボ信号Ｖ_P、速度補正サーボ信号Ｖ_F、ロツク
状態を検出したことを示す信号LD（“1":ロツク状態検
出、“0":非ロツク状態検出）をサーボアンプ７に出力
する。第２図に示した制御装置には、その他にサーボア
ンプ７、パワーアンプ８が含まれ、これらは第１図に関
連して後に説明する。

デジタル制御回路９について説明する。１は基準パル
ス信号Ｆ_Bとモータパルス信号FGとの位相差を比較する
位相比較器であつて、位相差φを出力する。２はＦ_RとF
Gの単位時間当りのパルス数を比較して、その差を速度
差ΔＦとして出力する。位相差データφ及び速度誤差デ
ータΔＦは夫々D/Aコンバータ4,5によりアナログ信号に
変換される。これらのD/Aコンバータは本実施例では８
ビツトの分解能を有するものとされている。

６はロツクレンジ検出器であり、現在の速度誤差ΔＦ
が第２図に示した速度制御のための閉ループフイードバ
ツク制御系が最も精度良く作動する範囲（＝ロツクレン
ジ）内にあることを検出して、信号LDを出力する。この
レンジ内にΔＦがあればLD＝１である（第3A図）。ロツ
クレンジは、通常、後述のサーボアンプ７のリニアリテ
イや周波数応答性により予め決まつてしまうものであ
る。また、ロツクレンジ検出器６は、モータ14の現在の
回転数が、目標回転数よりも低い状態（アンダスピード
状態）、あるいはロツクレンジ内にある状態、あるいは
高い状態（オーバスピード状態）にあるかを検出して、
D/Aコンバータ５に送る。３はクロツク発生器であり、
位相比較器１及び速度比較器２で使われるクロツクを発
生する。このクロツクはＦ_RとFGの位相比較にも使われ
るのであるから、その周波数は、少なくとも位相差φの
検出分解能によつて決められるべきものである。

第3A図に、D/Aコンバータ５からの出力信号Ｖ_Fの特性
を示す。前述したように、検出器６は、アンダスピード
状態、ロツク状態、オーバスピード状態をD/Aコンバー
タ５に出力する。D/Aコンバータ５はこの情報と速度差
ΔＦとに基づいて第3A図のような特性のＶ_Fを出力す
る。ここで、ΔＦ＜−δの範囲内でＶ_F＝Ｖ_F0とし、Δ
Ｆ＞＋δの範囲内でＶ_F＝０としているのは、ロツク範
囲内における信号ゲインΔＶ_F／ΔＦを高くするためで
ある。

第3B図はD/Aコンバータ４からの出力Ｖ_Pの特性図であ
る。φが０〜２πの範囲で、Ｖ_Pが０〜Ｖ_P0の範囲で出
力される。尚、速度制御を行なうときに、速度誤差ΔＦ
だけでなく、位相差φに基づいたフイードバツク制御を
行なうのは、この制御を行なわないと、速度誤差は回転
数パルスの積分の差であるから、位相差まで合つた回転
速度が得られないからである。

第１図はサーボアンプ７及びパワーアンプ８の詳細回
路図である。図中、Ａで表記された12,13は演算増幅器
であり、A12はサーボ信号Ｖ_P,V_F等を増幅するものであ
り、A13は位相合せと後段のパワーアンプ８との直流電
圧レベルを合せる役割りをもつ。また、Ｑと表記された
ものはトランジスタである。パワーアンプ８は２段接続
された２つのトランジスタＱ₂、Ｑ₃とからなる。また、
図中、11はANDゲートである。また、10は単安定発振器
（以下、ワンシヨツト回路と略す）であり、その出力は
通常ハイである。入力がローからハイに変化すると、そ
の出力は一定の時間ローになつて、その後またハイに戻
る。

増幅器12の反転入力には、前述のＶ_P及びＶ_F、そし
て、トランジスタＱ₁を経たＶ₊が、夫々、Ｒ₃,R₂,R₁を
介して入力されている。また、増幅器12の帰還抵抗とし
て、Ｒ₄とＲ₅が互いに直列に設けられており、更に、抵
抗Ｒ₅と並列にスイツチ回路Ｓが設けられている。この
スイツチ回路Ｓはアナログスイツチからなり、開時の抵
抗が高いもの、例えば、MOS型のものが望ましい。後述
するように、このスイツチＳが閉じているときは増幅器
12のゲインは下がり、開いているときはゲインは上が
る。

トランジスタＱ₁は信号LDにより、スイツチＳはANDゲ
ート11の出力により制御される。そこで、Ｑ₁及びスイ
ツチＳの制御について第１図及び第４図を用いて説明す
る。トランジスタＱ₁はスイツチング動作を行なうよう
に設定されている。

抵抗Ｒ₄を流れる電流をｉ_Fとすると、で表わされる。ここで、Ｖ_R1,V_R2は夫々、増幅器12,13
の非反転増幅入力へ入力される基準電圧である。増幅器
12の出力電圧Ｅ₁はＥ₁＝Ｖ_R1−Ｉ_F・（Ｒ₄＋Ｒ₅） ‥‥‥（２）となる。従つて、増幅器13の出力電圧Ｅ₂は、と表わされる。

モータが回転し始めた直後は、アンダスピード領域で
あるから、D/A5からの出力Ｖ_Fは最大値Ｖ_F0となつて、
抵抗Ｒ₂を介して増幅器12に入力されている。しかし、
後述する理由により、この入力は増幅器12には作用しな
い。即ち、アンダスピード領域ではLD＝０であるから、
Ｑ₁がオンして、増幅器12の反転入力には、電圧Ｖ₊が抵
抗Ｒ₁を介して入力される。ここで、Ｒ₁≪Ｒ₂,R₃ と設定されており、また、Ｖ₊≫Ｖ_P,V_F であるので、（１）式で第２項，第３項を無視できる。
また、ANDゲート11は閉じているから、帰還抵抗Ｒ₅は効
いている。即ち、アンダスピード領域では、LD＝０であ
るので、Ｑ₂のベースには、が印加される。Ｑ₂の抵抗Ｒ₇,R₈の値を、上記Ｅ₂がＱ₂
に印加されるとＱ₂が飽和領域でオンするように選ぶ
と、モータ14には最大電流が流れ、目標回転数に達しよ
うと高速で回る。

モータ回転数が上昇して、起動からＴ₁時間後にΔＦ
が±δの範囲内に入ると、LDが０１に変化する。する
と、トランジスタＱ₁はオフする。一方、ワンシヨツト1
0がトリガされて、その出力はＴ₂期間ローになるので、
その間はANDゲート11は閉じているので、スイツチＳは
開いたままである。従つて、このときのサーボアンプ７
からの出力Ｅ₂（即ち、増幅器13の出力）は（１）〜
（３）式より、となる。

ワンシヨツト回路10がタイムアウトすると、ゲート11
が開いて、スイツチＳは閉じる。すると、このときのサ
ーボアンプの出力Ｅ₂は（１）〜（３）式より、となる。即ち、LDが“1"になつてからの期間Ｔ₂の間の
Ｅ₂と、Ｔ₂が経過した後のＥ₂とでは、前者の値が大で
あるから、そのＴ₂間においては、Ｔ₂経過後に比してサ
ーボゲインは大となつて、第４図に示すように、目標回
転数に早く到達するようになる。Ｔ₂期間経過後は、負
荷変動等がない限り速度一定であるから、回転速度制御
は主にＶ_Pによる制御により実現される。尚、Ｔ₂は、モ
ータ速度が目標回転数に到達するのを見越した期間とし
て前もつて設定される。

即ち、起動開始からロツク状態が検出されるまでは、
パワーアンプは飽和状態で作動し、それが許容する最大
電流をモータに流すことにより、モータを回転し目標回
転速度に急速に到達させようとする。パワーアンプは飽
和状態で作動するのでサーボ系は開ループとなる。

ロツク状態が検出（LD＝１）されると、その後のＴ₂
期間は、サーボ系は閉ループに移行するが、その間のゲ
インは、Ｔ₂期間経過後のそれよりも大きいものと設定
されるので、回転速度のオーバシユート状態を防止しつ
つ速やかに目標回転速度に到達させようとする。Ｔ₂経
過後は、目標回転速度に到達していることは十分予想さ
れるから、回転速度精度優先のゲインが低目の閉ループ
制御が行なわれる。

ところで、前述したように、D/Aコンバータには８ビ
ツトのものを使用している。この分解能はコストと回路
規模のバランスから決めたものである。もしロツクレン
ジ±δ（＝２δ）が10％であるとすると、このサーボ系
に速度誤差検出分解能は、理論上は、となる。この誤差検出分解能が絶対的に高いか低いかの
議論は措くとして、もしこの分解能でサーボモータ制御
を行なつて起動特性を上げようとすれば、サーボゲイン
を上げる必要があるが、それを行なえば回転速度のオー
バシユートが発生し易い。また、分解能を上げようとし
てD/Aコンバータのビツト数を増やすことは回路規模の
増大につながるから好ましくない。また、オーバシユー
トを避けるためにゲインを下げると、負荷変動に弱くな
る。このように、一定の分解能が設定された場合、ゲイ
ンと起動特性は相反するものとなるが、上述したよう
に、起動時の速度制御を２段階とし、更に、付け加えて
定常の速度制御を行なうようにすれば、起動特性が改善
される。

尚、第１図回路において、オーバスピード状態が検出
されると、LDがローになつてＱ₁がオンし、このため
に、モータは増速する方向とされる。これを避けるため
の手法を、以下に、３例提案する。

第１に、ロツクレンジ検出回路６からサーボアンプ７
に入力される信号LDの特性を、第3A図の（ｂ）とは異な
らして第５図のように変更する。即ち、ロツク状態から
オーバスピード状態が発生しても、LDをハイのままにす
る。これにより、トランジスタＱ₁のオンは避けられ
る。そして、オーバスピードのときには、第3A図の
（ａ）に示したＶ_Fの値が低い値になつているので、パ
ワーアンプはモータ電流を絞る方向に作動するので、回
転速度は降下する。

第２に、第１図回路において、Ｑ₁，ゲート11,ワンシ
ヨツト回路10に入力されるLDの代りに、ロースピード信号＝Ｖ_F＊LD/ を入力するようにしてもよい。ここで、LD/はLDの反転
信号である。

第３に、オーバスピード時には、Ｖ_F,V_Pは低い値とな
るから、このＶ_F,V_Pのときに、（１）式に示した電流値
ｉ_Fが“0"となるようにＲ₁の値を求めるようにしてもよ
い。このときは、Ｅ₁＝Ｖ_R1となり、Ｑ₃がオフするよう
になる。

尚、第１図実施例では、速度誤差検出分解能は0.04％
であり、電子スチルカメラ等のフロツピーデイスクドラ
イブに使われるモータの回転精度は約0.01％以下が要求
されている。これでもつて、本実施例のサーボモータ制
御装置の分解能が不足するということはない。サーボ系
全体として見た場合、回転系の慣性による効果を期待で
き、また、負荷変動の少ない回転系を用いれば実質的に
十分実用になるものと期待できる。しかし、理論上の分
解能を上げるためには、デジタル系の分解能を上げる必
要がある。要は、本発明においては、閉ループ制御のた
めのデジタル系の分解能を、制御ゲインを高める必要の
ない定常回転時の速度制御を実質的に精度良く行なえる
に十分なものと設定すれば済むということである。ま
た、起動時は開ループによる速度制御を行なうのである
から分解能は問題とはならない。即ち、高分解能を必要
とせずに起動特性の向上が図れることになる。

本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変更され、
修正され得る。例えば、上記実施例では、デジタルサー
ボ系を用いたものにより本発明を説明したが、アナログ
サーボ系にも適用できることは明白である。アナログサ
ーボ系においても、起動時の初期には開ループ制御を行
ない、後期には高ゲインの閉ループ制御を行ない、定常
回転に移行すれば、低ゲインの閉ループを行なうように
変更することは、上記実施例の説明から自明であるから
である。例えば、位相差の検出は、例えばFGにより充電
を開始し、Ｆ_Rにより充電を停止するランプ回路等によ
り簡単に実現できる。このアナログ方式によれば、第２
図において、D/Aコンバータ等が不要となる。

また、上記実施例ではDCサーボモータを例にして説明
したが、当然にもACサーボモータに適用でき得ることは
明らかである。また、サーボモータの速度制御には種々
の手法がある。例えば、DCモータであれば、上記実施例
のように、電気子に印加される電圧を制御する手法もあ
れば、開示電流を制御する手法もある。また、ACモータ
にも速度制御を行なう手法が数多く周知である。従つ
て、本発明は、電気子に印加される電圧を制御すること
により速度制御を行なうサーボ方式に限定されないこと
は言うまでもない。

［発明の効果］以上説明した本発明に係るサーボモータ制御装置によ
れば、サーボモータの速度制御を開ループ制御及び閉ル
ープ制御により行なうサーボモータ制御装置であつて、
モータ回転速度に応じて、開ループ制御若しくは閉ルー
プ制御を行なうかを判定する手段と、閉ループ制御時の
制御ゲインを２通り設定し、開ループ制御から閉ループ
制御に遷移した後の所定時間は高い方のゲインを選択
し、その後は低い方のゲインを選択する手段とを具備し
たことを特徴とする。

従つて、例えば、起動時のような場合には、開ループ
制御により急速に目標回転数に近付き、低い制御ゲイン
で十分な目標回転数（＝定常速度）域のサーボ制御に移
行する前に、所定時間の期間高目のゲインで閉ループ制
御を行なうので、定常速度域のサーボ制御に移行する時
間が短縮される。

第２項の発明によれば、このサーボモータ制御装置
は、モータの回転速度に応じた周波数の第１のパルス信
号を発生する手段と、目標回転数に対応する基準周波数
の第２のパルス信号を発生する手段と、この第1,第２の
パルス信号とに基づいて位相ロツクループ制御を行なう
制御手段とを備え、位相ロツクループ制御を行ない、且
つ、閉ループ制御はロツク状態検出時に行なう事を特徴
とする。

第３項の発明によれば、モータ起動時に、特に起動特
性が改善される。

第４項の発明によれば、非ロツク状態からロツク状態
に遷移したことによりトリガされるタイマ手段を含む。

第５項の発明によれば、サーボモータ制御装置はモー
タを駆動するパワーアンプ手段を含み、このパワーアン
プ手段はトランジスタ回路からなり、開ループ制御時に
おいては、このトランジスタ回路は飽和状態でスイツチ
ング動作を行なう事により、サーボモータに可能な最大
電流を流すことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るサーボモータ制御装置の主要部分
の１実施例の回路図、第２図は本実施例に係るサーボモータ制御装置の全体回
路図、第3A図は速度誤差に基づいたサーボ信号Ｖ_Fの特性を説
明する図、第3B図は位相差に基づいたサーボ信号Ｖ_Pの特性を説明
する図、第４図は実施例において、モータ起動時のサーボ制御に
係るタイミングチヤート、第５図はモータ起動時のサーボ制御の変形例に係るタイ
ミングチヤートである。図中、１……位相比較器、２……速度比較器、３……クロツク
発生器、4,5……D/Aコンバータ、６……ロツクレンジ検
出器、７……サーボアンプ、８……パワーアンプ、９…
…デジタル制御回路、10……ワンシヨツト回路、11……
ANDゲート、12,13……演算増幅器、14……サーボモー
タ、15……周波数発生器、16……増幅器、Ｒ……抵抗、
Ａ……増幅器、Ｑ……トランジスタである。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】サーボモータの速度制御を開ループ制御及
び閉ループ制御により行なうサーボモータ制御装置であ
つて、モータ回転速度に応じて、開ループ制御若しくは閉ルー
プ制御を行なうかを判定する手段と、閉ループ制御時の制御ゲインを２通り設定し、開ループ
制御から閉ループ制御に遷移した後の所定時間は高い方
のゲインを選択し、その後は低い方のゲインを選択する
手段とを具備したことを特徴とするサーボモータ制御装
置。
【請求項２】該サーボモータ制御装置は、モータの回転
速度に応じた周波数の第１のパルス信号を発生する手段
と、目標回転数に対応する基準周波数の第２のパルス信
号を発生する手段と、この第1,第２のパルス信号とに基
づいて位相ロツクループ制御を行なう制御手段とを更に
備え、前記判定手段は位相ロツクループ制御のためのロツク状
態を検出する手段を含み、閉ループ制御はロツク状態検
出時に行なう事を特徴とする請求項の第１項に記載のサ
ーボモータ制御装置。
【請求項３】該サーボモータ制御装置はモータの起動を
検出する手段を含み、開ループ制御は起動時からロツク
状態検出まで行なわれる事を特徴とする請求項の第２項
に記載のサーボモータ制御装置。
【請求項４】前記選択手段はタイマ手段を含み、該タイ
マ手段は、非ロツク状態からロツク状態に遷移したこと
を判定手段が検知されたことによりトリガされる事を特
徴とする請求項の第３項に記載のサーボモータ制御装
置。
【請求項５】該サーボモータ制御装置はモータを駆動す
るパワーアンプ手段を含み、このパワーアンプ手段はト
ランジスタ回路からなり、開ループ制御時においては、
このトランジスタ回路は飽和状態でスイツチング動作を
行なう事を特徴とする請求項の第１項に記載のサーボモ
ータ制御装置。