JP3227712B2 - 回転体のデジタルサーボ方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばデジタルオーデ
ィオ信号を記録再生するような回転体のスピードをコン
トロールする際に有用なデジタルサーボ方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】デジタルオーディオテープレコーダで
は、回転ドラムを所定の回転数とするため、モータの回
転スピードをコントロールするサーボ回路が不可欠であ
り、一般的にモータの回転数を検出したＦＧ信号と、基
準の周波数を比較したときの誤差信号によって、アナロ
グ的な回転サーボをかけることが行われている。また、
アナログサーボ回路に比較してデジタルサーボ回路はＩ
Ｃ化及びコントロールが容易であるため、近年は、デジ
タル演算回路を使用したサーボ方式がモータ等の速度制
御に適用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、アナログ方
式のサーボ回路に対してデジタル方式のサーボ回路の場
合は、モータの回転制御信号を出力するために、回転ス
ピードを検出したのちに、制御信号を出力するまでの間
に、演算時間を要することになるため、サーボループ内
に無駄時間が入ることになり、この無駄時間が多い程サ
ーボ特性を損なうという問題がある。

【０００４】図６は回転体Ｒの回転速度を制御する場合
のデータ処理例を示すもので、例えば、矢印方向に回転
している回転体Ｒを４分割した各点Ｆ0 ，Ｆ1 ，Ｆ2 ，
Ｆ3がＡ点を通過する時間を入力データＸ0 ，Ｘ1 ，Ｘ2
，Ｘ3 とし、等分割された回転角ψの基準回転時間
（ωｔ）をＴreffとすると、Ｆ0 からＦ1 の間の回転ス
ピードの誤差時間ΔＴ0 は、 Ｘ0 ＋Ｔreff−Ｘ1 になる。

【０００５】同様に、次の回転角Ｆ1 −Ｆ2 間の回転ス
ピード誤差時間は、 Ｘ1 ＋Ｔreff−Ｘ2 ＝ΔＴ1 以下、同様に、 Ｘ2 ＋Ｔreff−Ｘ3 ＝ΔＴ2 Ｘ3 ＋Ｔreff−Ｘ4 ＝ΔＴ3 （Ｘ4 ＝Ｆ0 点の時間） となる。

【０００６】したがって、一般的には、 Ｘn-1 ＋Ｔreff−Ｘn ＝ΔＴn となり、この時間誤差ΔＴn を順次、サーボエラー信号
として、フィードバックしていれば、回転体Ｒの回転速
度を基準の角速度となるようにコントロールすることが
できる、しかし、上記の演算処理の場合は、１サンプル
の誤差データを得るために、少なくとも２回の加減算を
行うため、サーボ回路の無駄時間が増加するという問題
がある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、かかる問題点
を解消するためになされたもの、回転時刻情報を示す入
力データＸn が検知されたときに、次の基準回転角で出
力されると思われる入力データを時刻目標データとし
て、あらかじめ演算するように構成し、次のサンプル点
ではその入力データと時刻目標データの１回の加減算の
みで、スピード誤差を示すサーボ制御データが出力でき
るようにする。

【０００８】

【作用】入力データが検知されたときに、その前のタイ
ミングで、時刻目標データがすでに演算されているの
で、制御信号を形成するための演算時間が短縮され、サ
ーボループの無駄時間を少なくすることができる。

【０００９】

【実施例】図１は、本発明のデジタルサーボ方法が適用
されるブロック図を示したもので、１０は制御対象とな
るモータである。このモータ１０には、例えば回転ドラ
ム１０Ａが直結され、斜め方向に巻き付けられている磁
気テープ１０Ｂに対してオーディオデータを記録するよ
うに所定の回転数で駆動される。１１は上記モータ１０
より出力される回転角情報を検出するコンパレータを示
し、回転情報としてはＰＧやＦＧ信号、又は逆起電圧出
力を２値化したものである。

【００１０】１２はエッジ検出器を示し、例えばコンパ
レータ１１の出力の立ち下がりエッジパルスを出力し、
次のラッチ回路１３に供給している。ラッチ回路１３は
カウンタ等で形成されている計時回路１４の出力を前記
エッジパルスでラッチすることによって、モータ１０の
回転角位置を時間情報で出力するようにしている。そし
て、この時間情報はマイクロコンピュータ１５（以下、
単にマイコンという）の入力データＸn として供給され
る。

【００１１】マイコン１５は、前述したように刻々変化
する入力データＸn の値と、基準回転角時間情報（Ｔre
ff）をＲＡＭ１６と共同して演算し、モータ１０の速度
誤差（時間）ΔＴn を１サンプルの入力データがある毎
に出力し、ＰＷＭ（Pulse Width Modulator ）回路１７
に供給する。パルス幅変調されたＰＷＭ回路１７の出力
は、ドライブ回路１８でモータの駆動電圧をコントロー
ルし、モータ１０の回転速度をコントロールしている。

【００１２】上記したようなデジタルサーボ回路は、マ
イコン１５において、前述したように刻々変化する入力
データＸn と、基準回転角時間Ｔreffに基づいて速度誤
差ΔＴn を形成する。すなわち、あるサンプル点におけ
る速度誤差ΔＴn は、その前のサンプル点の入力データ
をＸn-1 、現在の入力データをＸn とすると、 Ｘn-1 ＋Ｔreff−Ｘn ＝ΔＴn ・・・・・・・・・・・・・・・・・（１） で示される。

【００１３】したがって、従来はΔＴn が出力され、モ
ータの制御出力データＹn が形成されるまでの時間は、
図２の（ａ）に示すように、少なくとも入力データＸn
があったのち、２回の加減算が行われる時間Ｔp のあと
にＹn が形成されることになり、この時間Ｔp が無駄時
間となる。

【００１４】ところで、本発明のデジタルサーボ方法は
前記（１）式の演算において、入力データＸn が得られ
る前に、 Ｘn-1 ＋Ｔreff＝Ｒn ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２） をマイコン１５であらかじめ演算しておく、そして、こ
のＲn （以下、時刻目標データと呼び、ｎサンプル点で
速度誤差が０となるときの目標時刻となる）を次の入力
データＸn が得られたときに利用して、 Ｒn −Ｘn ＝ΔＴn ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３） を演算する。

【００１５】したがって、本発明のデジタルサーボ方法
では、図２の（ｂ）に示すように、入力データＸn が得
られたあとは、１回の加減算からなる上記（３）式を演
算する時間ＴQ でモータ１０の制御信号である出力デー
タＹn が得られ、あきらかにＴQ ＜ＴP であるから、従
来よりサーボループの無駄時間を短縮することができ
る。

【００１６】なお、モータの制御信号となる出力データ
Ｙn が出力されたあとに、入力データＸn を利用して、 Ｘn ＋Ｔreff＝Ｒn+1 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４） を時間ＴR の間に演算する。したがって、次の入力デー
タＸn+1 が入力される時点では、すぐに、 Ｒn+1 −Ｘn+1 ＝ΔＴn+1 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５） が得られるようになる。

【００１７】なお、マイコン１５のソフト上では、前記
（３）式，（５）式は割り込み禁止の状態で行うが、
（２）式，（４）式はマイコン１５の空き時間を利用し
て、次のＸn+1 の入力データが得られるまでの適当な時
間で行えばよいから、マイコン１５の演算動作に幅を持
たせることができるという利点がある。又、入力データ
Ｘn を示す時刻データは、適当な周期でリセット（ｎ→
０）として繰り返すことはいうまでもない。以上のデー
タ演算処理はモータ１０の回転速度サーボについて述べ
たが、このように時刻目標データＲn をあらかじめ演算
するサーボ方法を利用すると、モータ１０の位相サーボ
も無駄時間を短縮して行うことができる。

【００１８】以下、この点を説明する。上記第（１）式
の速度誤差ΔＴn をフィードバックすると、一応、モー
タ１０の回転数が基準回転角速度Ｔreffを満足するもの
になるが、モータ１０の回転位相は決まった値にならな
い。すなわち、図３に示すようにモータの基準位相を例
えばＦＧの位置で示し、この位置で入力データＸn が得
られると、上記した速度サーボの方法では、常に、ΔＴ
n が一定になるように回転サーボがかけられるが、ΔＴ
n →０のとき駆動力が０となるので、速度サーボの定常
偏差の存在によって、位相差が残った状態になる。

【００１９】そこで、この速度誤差ΔＴn の過去の累積
値をΣ（ΔＴn 〜ΔＴn-Z ）を演算して、 ΣΔＴi ＝ΔＴn ＋ΔＴn-1 ＋ΔＴn-2 ＋・・・・・・・・ΔＴn-Z ・・・・（６） をさらに別のサーボループでフィードバックすると、位
相サーボをかけることができる。（但し、ΔＴn-Z は速
度誤差の累積を開始したときの速度誤差）

【００２０】ところで、 ΔＴn ＝Ｒn −Ｘn ＝Ｘn-1 ＋Ｔreff−Ｘn ΔＴn-1 ＝Ｒn-1 −Ｘn-1 ＝Ｘn-2 ＋Ｔreff−Ｘn-1 したがって、 ΔＴn ＋ΔＴn-1 ＝Ｘn-2 ＋２・Ｔreff−Ｘn 今、Ｘn-2 ＋２・Ｔreff＝Ｑn とすると、 ΔＴn ＋ΔＴn-1 ＝Ｑn −Ｘn ・・・・・・・・・・・・・・・・（７）

【００２１】又、ｎ−Ｚ−１の時点を初期位相とする
と、ｎの時点までの速度誤差累積は、 Σ（ΔＴn 〜ΔＴn-Z-1 ）＝Ｘn-Z ＋Ｚ・Ｔreff−Ｘn ところで、Ｘn-Z ＋Ｚ・Ｔreffの値をＱn-Z とすると、 Σ（ΔＴn 〜ΔＴn-Z ）＝Ｑn-Z −Ｘn ・・・・・・・・・・・・・・（８） となる。

【００２２】上記したように、位相に対する時刻目標デ
ータＱn は入力データＸn が得られる前のタイミングで
演算することができる。よって、本発明のデジタルサー
ボ方法では、この時刻目標データＱn を、前記した速度
誤差時刻を示す時刻目標データＲn と同様なタイミング
であらかじめマイコン１５で演算させることによって、
１回の加減算で位相サーボをかけることができるように
なり、無駄時間を短縮することができる。

【００２３】ところで、上記の位相サーボをかけたとき
も、位相の定常偏差をとるためには、さらに、上記、累
積速度誤差を積分した位相誤差積分データをモータに対
する第３の帰還信号とすれば、完全に位相サーボの定常
偏差を除去することができる。

【００２４】すなわち、上記（７）式の各入力データ毎
の位相誤差をｎ−Ｚポイント前まで累積した位相誤差積
分（累積）とする、 Ｉn=( Ｑn −Ｘn)+(Ｑn-1 −Ｘn-1)+(Ｑn-2 −Ｘn-2)+・・・( Ｑn-Z −Ｘn-Z) 次の時点ｎ＋１では、 Ｉn+1 ＝（Ｑn+1 −Ｘn+1 ）＋（Ｑn −Ｘn ）＋・・・・・・（Ｑn-Z −Ｘn-Z ） したがって、 Ｉn+1 ＝Ｑn+1 −Ｘn+1 ＋Ｉn 上記式から一般に、 Ｉn ＝Ｑn −Ｘn ＋Ｉn-1

【００２５】ところで、位相誤差積分（累積）が０とな
るときの時刻目標値をＰn とすると、 Ｉn ＝Ｐn −Ｘn となる筈であるから、 Ｉn ＝Ｐn −Ｘn ＝Ｑn −Ｘn ＋Ｉn-1 故に、 Ｐn ＝Ｑn ＋Ｉn-1 以下、同様に、 Ｐn+1 ＝Ｑn+1 ＋Ｉn Ｐn+2 ＝Ｑn+2 ＋Ｉn+1 ： ： となり一般に、Ｐn はＱn の累積とＸn の累積で示すことができる。

【００２６】つまり、位相誤差積分を０にするための時
刻目標データＰn は、上記したＱnに対して過去の位相
誤差累積データＩn-1 を単に加えれば、位相誤差積分値
が０となるような次のサンプル点の時刻目標値Ｐn+1 を
求めることができ、この時刻目標値Ｐn+1 をあらかじめ
演算することによって、無駄時間を短縮することができ
る。

【００２７】以上説明したように、本発明のデジタルサ
ーボ方法では、モータの特定の回転位置で出力される時
間情報を入力データＸn とし、この入力データＸn の過
去のデータに基づいて時刻目標データをあらかじめ演算
しておくことにより、制御用の出力データＹn の演算時
間を短縮し、サーボループの無駄時間を従来より低減さ
せることができる。

【００２８】図４（ａ）は前述した速度サーボ、位相サ
ーボ及び、位相誤差積分値による定常偏差による誤差を
除去する位相誤差サーボを示したもので、各時刻目標デ
ータＲn ，Ｑn 、及びＰn はそれぞれ減算器２１，２
２、及び２３からサーボ回路に供給されるようになされ
ている。

【００２９】そして、３通りのサーボループはそれぞれ
適当なサーボゲインを設定する伝達回路２４，２５，２
６を介して出力され、さらに、各要素の制御出力は加算
器２７，２８により合成されて、総合制御出力データＹ
nsを形成している。したがって、この総合制御出力デー
タＹnsは、 Ｙns＝{(Ｒn −Ｘn)×Ｋw}＋{(Ｑn −Ｘn)×Ｋp}＋{(Ｐn −Ｘn)×Ｋpi} ＝Ｋw Ｒn ＋Ｋp Ｑn ＋ＫpiＰn ×Ｘn ( Ｋw ＋Ｋp ＋Ｋpi) ∴Ｙns={[(Ｋw Ｒn+Ｋp Ｑn+ＫpiＰn)/(Ｋw+Ｋp+Ｋpi)] -Ｘn}( Ｋw+Ｋp+Ｋpi) と変形される。

【００３０】そして、上記、総合制御出力データＹnsを
形式するサーボ回路は、図４の（ｂ）のように簡略され
る。つまり、図４の（ｂ）において減算器２９に対して
サンプル点ｎの時点であらかじめ、マイコン１５によっ
て演算した総合参照目標値Ｗn を入力することにより、
モータ１０に対して、完全な回転サーボを構築させるこ
とができるようになる。

【００３１】図５はマイコン１５が行う動作をフローチ
ャートで示したものである。マイコン１５は入力データ
Ｘn が入力されると、まず割込禁止の状態で（Ｒn−Ｘn
）×Ｋw を演算し、この値をＡとしてメモリに入力す
る（Ｆ１０１）。

【００３２】次に（Ｑn −Ｘn ）×Ｋp を演算して、こ
の値に上記メモリの値Ａを加えたものを、さらにＢとし
てメモリ（ＲＡＭ）に記憶する（Ｆ１０２）。次に、Ｃ
＝（Ｐn −Ｘn ）×Ｋpiを演算して、メモリに記憶され
ている値Ｂを加えたものをＤとし（Ｆ１０３）、この値
Ｄを総合出力データＹnsとして出力する（Ｆ１０４）。
そして、他の演算処理を行う割り込みために割込許可
（Ｆ１０５）のあとに前記時刻目標データＲn ，Ｑn ，
Ｐn の算出を行う。（Ｆ１０６，Ｆ１０７，Ｆ１０８）
又、この算出は、次の入力データＸn+1 が得られる前
に行われるから、その余の時間スロットでは、その他の
周辺機器のプログラムを実行する（Ｆ１０９）。

【００３３】したがって、本発明のデジタルサーボ方法
を採用すると、マイコン１５が拘束される割込制御はＦ
１０１〜Ｆ１０４の期間のみであり、この期間内に行わ
れる各演算は、１回の加減算と係数演算で終了するた
め、マイコン１５が開放されている割込許可の時間が広
くなるという利点を生じる。なお、本発明のデジタルサ
ーボ方法では、デジタルオーディオテープレコーダのモ
ータを対象として説明したが、無駄時間が生じるような
デジタルサーボ回路の場合は、他の制御対象物に対して
も応用できることはいうまでもない。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のデジタル
サーボ方法は、逐次入力される過去の入力データに基づ
いて、時刻目標データをあらかじめ算出しておき、この
時刻目標データを利用して現時点の入力データを演算す
るように構築されているので、サーボ系の無駄時間を短
縮することができ、制御特性を向上させることができる
という効果がある。又、マイコンの演算時間が短かくな
ることにより、一つのマイコンで他の制御プログラムを
実行させることが容易になるため、特に、電子機器に搭
載されるマイコンの効率的な運用をはかることができる
という利点ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のデジタルサーボ方法が適用されるブロ
ック図である。

【図２】制御用出力データＹn が得られるタイミングを
示す波形図である。

【図３】位相サーボをかけるときの説明図である。

【図４】全体的な制御用出力データを演算するためのブ
ロック図である。

【図５】演算処理がマイクロコンピュータによって行わ
れるときのフローチャートである。

【図６】回転サーボをかけるときの１例を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１０ モータ １３ ラッチ回路 １４ 時計回路 １５ マイクロコンピュータ １８ ドライブ回路

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 離散的に出力される回転体の位置情報が
   時間情報として逐次入力データとされるデジタルサーボ
   回路における回転体のデジタルサーボ方法において、 上記回転体をｎ等分した回転角φ（n×φ＝３６０度）
   の基準回転時間として基準回転角時間情報Ｔreffと、
   （n-1）サンプル時点での入力データＸn-1を（n-1）サ
   ンプル時点で加算した時刻目標データＲnを演算する演
   算工程と、 上記（n-1）サンプル時点に続くｎサンプル時点で上記
   加算工程での加算結果である時刻目標データＲｎから上
   記ｎサンプル時点で入力される入力データＸｎの差分を
   演算し速度誤差として出力する出力工程と、 上記出力工程の後、上記基準回転角時間情報Ｔreffとｎ
   サンプル時点での入力データＸｎを加算した時刻目標デ
   ータＲn+1を加算する加算工程とを備えてなることを特
   徴とする回転体のデジタルサーボ方法 。
2. 【請求項２】 上記時刻目標データＲｎは少なくとも速
   度サーボと位相サーボデータを含む２以上のデータとさ
   れていることを特徴とする請求項１に記載の回転体のデ
   ジタルサーボ方法。
3. 【請求項３】 上記時刻目標データＲｎの演算は速度誤
   差時間を出力後にマイクロコンピュータの割り込み許可
   モードで行われることを特徴とする請求項１に記載の回
   転体のデジタルサーボ方法。