JP3714253B2 - 直流モータの速度制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流モータにより駆動される駆動対象が所望の速度となるように上記直流モータをフィードバック制御する直流モータの速度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、直流モータにより駆動される駆動対象の速度をリニアエンコーダやロータリエンコーダを介して検出し、その検出された速度が目標速度と一致するように上記直流モータをフィードバック制御することが広く知られている。例えば、各種プリンタの分野では、ヘッドを搭載したキャリッジの移動速度をリニアエンコーダを介して検出し、そのキャリッジの移動速度を印字制御に適した所望の速度となるようにフィードバック制御を行うことが考えられている。
【０００３】
図５は一般的なプリンタの一部機構を取り出して示す外観斜視図である。図５に示すように、このプリンタには、印刷ヘッド２０が設けられている。この印刷ヘッド２０は、インク室に設けられた圧電素子に電圧を印加してインク室の容積を変化させることにより、インク室内のインクをノズルから被印刷媒体である印刷用紙１２に向けて吐出させて印字を行う、いわゆるインクジェット式のヘッドである。印刷ヘッド２０は、キャリッジ１４の上に搭載されており、そのキャリッジ１４には、印刷用紙１２の幅方向に設けられたガイド軸１６が挿通されている。
【０００４】
キャリッジ１４は、ガイド軸１６に沿ってその下方に設けられた無端ベルト１７に連結されており、その無端ベルト１７は、ＣＲモータ１８のプーリ２２と他のアイドルプーリ（図示せず）との間に掛けられている。つまり、キャリッジ１４は、ＣＲモータ１８の回転により、ガイド軸１６に沿って印刷用紙１２の幅方向（主走査方向）に往復動するようになっている。
【０００５】
また、ガイド軸１６に沿ってその下方には、スリットが一定の微小間隔で印されており、透光性材料で形成されたリニア型のタイミングスリット２４が設けられている。更に、キャリッジ１４の前面下部には、タイミングスリット２４に印されたスリットの間隔を読み取ってキャリッジ１４の位置に対応したパルス信号を出力するセンサ素子２６が設けられている。
【０００６】
このセンサ素子２６は、互いの位相を３／４周期ずらした２個の発光素子と受光素子とから成るフォトカプラである。つまり、この２組の素子から出力されるパルスの位相差により、後述のようにキャリッジ１４の移動方向を検出する。タイミングスリット２４とセンサ素子２６とで、いわゆるリニアエンコーダを構成する。なお、センサ素子２６から出力されるパルスの周期は、タイミングスリット２４のスリット間の間隔及びキャリッジ１４の移動速度に対応する。
【０００７】
また、印刷用紙１２は、図示しない紙送り用のＬＦモータにより回転される給紙ローラ（図示省略）と、この給紙ローラと対に設けられた押さえローラ２８、２８との間に挾まれて上下方向に送られる。なお、ＣＲモータ１８には、ＰＷＭ制御により回転速度が制御される直流モータが用いられ、ＬＦモータにはステッピングモータ或いは直流モータが用いられる。
【０００８】
ここで、このように構成されたプリンタにおけるキャリッジ１４の移動速度算出方法について説明する。前述のように、センサ素子２６は位相を３／４周期ずらした２個の発光素子及び受光素子を備えているので、その検出信号（以下エンコーダ信号という）は図６に示すように位相が３／４周期ずれた２個の矩形パルスＥＮＣ１，ＥＮＣ２となる。
【０００９】
ＣＲモータ１８の制御時には、ＥＮＣ１の立下りエッジを検出して次のような処理を行う。先ず、上記エッジ検出時のＥＮＣ２の値がハイであるかローであるかによって、キャリッジ１４の移動方向が判る。また、エッジ検出の度に、位置カウンタを上記移動方向に応じてインクリメントまたはデクリメントし、エッジ検出から次のエッジ検出までの間にクロックがカウントされたカウント数をキャプチャ値Ｔｎとして取得する。すると、このキャプチャ値の逆数がキャリッジ１４の移動速度に対応した値となり、こうして算出された移動速度が所望の移動速度となるようにＣＲモータ１８をフィードバック制御すれば、キャリッジ１４を所望の速度で移動させることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、キャリッジ１４を低速で移動させる場合、上記の方法では充分な精度が得られない可能性があった。例えば、サンプリング時間（クロックの周期）が０．１μｓｅｃで、エンコーダ分解能が１５０ｄｐｉの場合、６６６６０ｄ（ｄは１０進表記を表す）をキャプチャ値で割るとほぼ実際の移動速度（単位：ｉｐｓ）が得られる。
【００１１】
この場合、図７（Ａ）に示すように、３０ｉｐｓに対応するキャプチャ値は２２２２ｄとなる。このときの算出速度は３０．００００ｄで、その１６進表記は小数点以下８ｂｉｔの固定小数点で表すと１Ｅ００Ｈ、速度が０．５％変動したときのキャプチャ値の変動分（以下、０．５％変動分という）は２６Ｈとなる。一方、移動速度８ｉｐｓに対応するキャプチャ値は８３３３ｄで、そのときの算出速度は７．９９９９ｄ、１６進表記は０７ＦＦＨ、０．５％変動分は０ＡＨとなる。
【００１２】
今、フィードバック制御として作用させる制御量を、算出速度結果に予め決められたフィードバックゲインを乗じた値の整数部を使用した場合、キャリッジ１４の移動速度を８ｉｐｓに制御するときには０．５％変動分が０ＡＨであるため、その速度変動を０．５％以内に収めるのは困難となる。従って、従来は、フィードバック制御におけるゲインを大きくしないと低速時の制御が困難であった。また、ゲインを大きくすると応答性の悪化を招いて望ましくない。そこで、本発明は、駆動対象を低速で移動させる場合にも、フィードバック制御におけるゲインを大きくしなくても正確に速度制御可能な直流モータの速度制御装置を提供することを目的としてなされた。
【００１３】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記目的を達するためになされた請求項１記載の発明は、直流モータにより駆動される駆動対象と、所定の分解能を有し、上記駆動対象の駆動に伴って信号を発生する信号発生手段と、該信号発生手段が発生する信号の時間間隔を所定のサンプリング時間でカウントし、そのカウント値をキャプチャ値として測定する計時手段と、上記分解能と上記サンプリング時間とに基づいて算出された速度成分算出パラメータを記憶する速度成分算出パラメータ設定レジスタと、該速度成分算出パラメータ設定レジスタに記憶された速度成分算出パラメータを上記計時手段によって測定されたキャプチャ値で除算することで、上記駆動対象の速度を算出する速度算出手段と、上記駆動対象の目標速度を設定する目標速度設定手段とを備え、上記速度算出手段により算出された上記駆動対象の速度を、上記目標速度設定手段により設定された目標速度に一致させるように上記直流モータをフィードバック制御する直流モータの速度制御装置であって、所望する上記駆動対象の速度が小さい場合は、上記目標速度と上記速度成分算出パラメータとを同一整数倍（整数は２以上）に拡大して設定することを特徴としている。
【００１４】
このように構成された本発明では、信号発生手段は所定の分解能を有し、上記駆動対象の駆動に伴って信号を発生し、計時手段はその信号の時間間隔を所定のサンプリング時間でカウントし、そのカウント値をキャプチャ値として測定する。そして、速度算出手段は、速度成分算出パラメータ設定レジスタに記憶された速度成分算出パラメータを上記計時手段によって測定されたキャプチャ値で除算することで、上記駆動対象の速度を算出する。このように速度が算出されると、本発明の直流モータの速度制御装置は、その算出された上記駆動対象の速度を目標速度設定手段により設定された目標速度に一致させるように上記直流モータをフィードバック制御する。
【００１５】
ここで、本発明では、所望する上記駆動対象の速度が小さい場合は、上記目標速度と上記速度成分算出パラメータとを同一整数倍（整数は２以上）に拡大して設定する。速度成分算出パラメータが上記整数倍に拡大して設定されると、それを上記キャプチャ値で除算して得られる速度も大きな値を取る。このため、駆動対象の速度が実際には小さい場合にも、演算過程で数値が丸められる割合が少なくなる。また、目標速度もこれと同一整数倍に拡大して設定されるので、両者を一致させるべく上記フィードバック制御を行えば、駆動対象を低速で移動させる場合にも、フィードバック制御におけるゲインを大きくしなくても正確に速度を制御することができる。すなわち、低速時にも応答性の悪化を招くことなく正確に速度を制御することができる。
【００１６】
更に、本発明では、速度成分算出パラメータと目標速度とが同一整数倍に拡大して設定されるため、フィードバック制御におけるゲイン・係数等はそのままで上記低速時の制御を行うことができる。従って、処理を一層簡略化することができる。
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明が適用された直流モータとしてのＣＲモータ１８の通電機構の構成を表す説明図である。なお、ＣＲモータ１８は、図５に示した従来のプリンタと同様のプリンタにおいて使用され、本実施の形態では後述のようにそのＣＲモータ１８の制御系に特徴を有する。
【００２０】
図１に示すように、電源の正極Ｐｖと負極Ｐ0 との間には、２個ずつ直列接続されたスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２及びＳ３，Ｓ４が並列に接続され、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４にはフライホイールダイオードＦＤが並列に接続されている。なお、このようなスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４は、ＰＮＰ型またはＮＰＮ型トランジスタ等のスイッチング素子にフライホイールダイオードＦＤを接続しても得られるが、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４としてＦＥＴを使用すれば、予めフライホイールダイオードと等価の機能が寄生ダイオードとしてＦＥＴ内に構成されているため、改めて外部に設けない場合もある。
【００２１】
ＣＲモータ１８の一方の端子はスイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２との間に接続され、他方の端子はスイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４との間に接続されている。このため、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４をオンにしてスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３をオフにすれば、ＣＲモータ１８に正転方向の駆動電流（正転駆動電流）を通電してＣＲモータ１８を正転させることができる。逆に、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３をオンにしてスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４をオフにすれば、ＣＲモータ１８に逆転方向の逆転電流（逆転駆動電流）を通電してＣＲモータ１８を逆転させることができる。
【００２２】
また、上記スイッチング素子をパルス状にオンオフし、ＣＲモータ１８に通電される平均電流量を制御することにより、ＣＲモータ１８を定速で正転させたり、加減速したりすることができる。更に、逆転電流の通電によりＣＲモータ１８を一層迅速に減速させることもできる。そこで、本実施の形態では、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４をＣＲ駆動回路３１を介して次に述べるＣＲ制御ブロック３３に接続し、オン／オフを制御することにより、駆動対象としてのキャリッジ１４を適宜の速度で移動させている。
【００２３】
図２に示すように、ＣＲ制御ブロック３３は、０．１μｓｅｃ毎にクロック信号を生成するクロック生成部３５と所定のＰＷＭ周期に渡ってクロック信号をカウントするＰＷＭ周期タイマ３７とを備え、更に、ＣＰＵによって設定された動作モードを記憶する動作モード設定レジスタ群３９を備えている。
【００２４】
動作モード設定レジスタ群３９には、キャリッジ１４の速度算出時に必要な速度成分算出パラメータを記憶する速度成分算出パラメータ設定レジスタ４０、速度制御の開始位置を記憶する速度制御開始位置設定レジスタ４１、減速開始位置を記憶する減速開始位置設定レジスタ４２、ＰＷＭの初期値を記憶する初期ＰＷＭ値設定レジスタ４３、加速係数を記憶する加速係数設定レジスタ４４、目標速度を記憶する目標速度設定レジスタ４５（目標速度設定手段に相当）、微分ゲインを記憶する微分ゲイン設定レジスタ４６、積分ゲインを記憶する積分ゲイン設定レジスタ４７、比例ゲインを記憶する比例ゲイン設定レジスタ４８、減速パラメータを記憶する減速パラメータ設定レジスタ４９、逆転パルスパラメータを記憶する逆転パルスパラメータ設定レジスタ５０、及び、ウェイト時間を記憶するウェイト時間設定レジスタ５１が設けられている。各パラメータの意味合いは後述する。
【００２５】
ＣＲ制御ブロック３３は、この他にも、以下に説明するエンコーダエッジ検出部５５、位置カウンタ５７、周期カウンタ５９、比較処理部６１、セレクタ６３，６５、速度変換部６７、加速制御部７１、フィードバック演算処理部７３、ＰＷＭ生成部７５、及び減速制御部８０を備えている。
【００２６】
前述のセンサ素子２６の検出信号はエンコーダエッジ検出部５５に入力され、ここで、ＥＮＣ１の立下りエッジが検出される。エンコーダエッジ検出部５５の検出結果は位置カウンタ５７及び周期カウンタ５９に入力される。位置カウンタ５７は、エンコーダエッジ検出部５５の検出結果に基づいてキャリッジ１４の位置に対応したカウント値を増減し、そのカウント値を比較処理部６１に入力する。比較処理部６１は、速度制御開始位置設定レジスタ４１に記憶された速度制御開始位置、及び、減速開始位置設定レジスタ４２に記憶された減速開始位置と上記カウント値を比較して、比較結果を後述のセレクタ６３，６５に入力する。
【００２７】
また、周期カウンタ５９は、エンコーダエッジ検出部５５によって上記エッジが検出される時間間隔をカウントし、速度変換部６７に入力する。すなわち、エンコーダエッジ検出部５５により上記エッジが検出されるとその直前のエッジ検出との間に発生したクロック数（以下キャプチャ値という）をカウントし、速度変換部６７に入力する。
【００２８】
速度変換部６７は、速度成分算出パラメータ設定レジスタ４０に記憶された速度成分算出パラメータを、上記入力されたキャプチャ値で除算することにより、キャリッジ１４の移動速度を算出する。すなわち、周期カウンタ５９は計時手段に、速度変換部６７は速度算出手段に、それぞれ相当する。
【００２９】
加速制御部７１は、初期ＰＷＭ値設定レジスタ４３に記憶されたＰＷＭの初期値、及び、加速係数設定レジスタ４４に記憶された加速係数に基づき、ＣＲモータ１８をオープンループで加速制御するためのデューティ値等を算出してセレクタ６３に入力する。
【００３０】
フィードバック演算処理部７３は、速度変換部６７にて算出される速度を目標速度設定レジスタ４５に記憶された目標速度に一致させるフィードバック制御を行うためのデューティ値等を算出してセレクタ６３に入力する。なお、この算出は、後述のように、微分ゲイン設定レジスタ４６，積分ゲイン設定レジスタ４７，及び比例ゲイン設定レジスタ４８に記憶されたデータを用いてなされる。
【００３１】
セレクタ６３は、キャリッジ１４が速度制御開始位置に達した旨の入力が比較処理部６１からあるまでは、加速制御部７１からの信号をＰＷＭ生成部７５に入力し、上記入力があった後はフィードバック演算処理部７３からの信号をＰＷＭ生成部７５に入力する。ＰＷＭ生成部７５は、入力された信号に基づき、ＣＲ駆動回路３１に入力するための信号を生成してセレクタ６５に入力する。
【００３２】
一方、減速制御部８０は、減速パラメータ設定レジスタ４９に記憶された減速パラメータ、逆転パルスパラメータ設定レジスタ５０に記憶された逆転パルスパラメータ、及び、ウェイト時間設定レジスタ５１に記憶されたウェイト時間に基づき、ＣＲモータ１８をオープンループで減速制御するための信号（ＣＲ駆動回路３１への入力用）を生成してセレクタ６５に入力する。すなわち、この減速制御部８０では、減速パラメータに応じて上記デューティ値を徐々に減少させ、ウェイト時間に応じたタイミングで逆転パルスパラメータに応じたパルス幅の逆転パルス（パルス状の逆転電流）を発生させることによってＣＲモータ１８を減速させる制御を行う。
【００３３】
セレクタ６５は、キャリッジ１４が減速開始位置に達した旨の入力が比較処理部６１からあるまでは、ＰＷＭ生成部７５からの信号をＣＲ駆動回路３１に入力し、上記入力があった後は減速制御部８０からの信号をＣＲ駆動回路３１に入力する。このセレクタ６５と前述のセレクタ６３との動作により、図３に示すように、キャリッジ１４が速度制御開始位置に達するまでの加速区間では加速制御部７１の処理に応じてＣＲモータ１８はオープンループで加速制御され、速度制御開始位置から減速開始位置までの定速区間ではフィードバック演算処理部７３の処理に応じてＣＲモータ１８はフィードバック制御され、減速開始位置以降の減速区間では減速制御部８０の処理に応じてＣＲモータ１８はオープンループで減速制御される。
【００３４】
続いて、フィードバック演算処理部７３の構成及び処理について、更に詳細に説明する。図４は、フィードバック演算処理部７３の構成を詳細に表すブロック図である。図４に示すように、速度変換部６７にて算出された速度と目標速度設定レジスタ４５に記憶された目標速度とは加算器８１に入力され、両者の差分は比例ゲイン８３による増幅を受けた後、加算器８５に入力される。また、加算器８１から出力される上記差分は、積分器９１により積分され、積分ゲイン９３の増幅を受けた後、加算器８５に入力される。更に、速度変換部６７にて算出された速度は微分器９５にも入力され、ここで微分された後、微分ゲイン９７の増幅を増幅を受けた後、加算器８５に入力される。
【００３５】
加算器８５では、比例ゲイン８３及び積分ゲイン９３からの入力値を加算してそこから微分ゲイン９７からの入力値を減算する。フィードバック演算処理部７３では、この加算器８５からの出力に基づき、ＣＲモータ１８をフィードバック制御するためのデューティ値等を算出してセレクタ６３に入力する。なお、比例ゲイン８３，積分ゲイン９３，微分ゲイン９７における上記増幅率は、比例ゲイン設定レジスタ４８，積分ゲイン設定レジスタ４７，微分ゲイン設定レジスタ４６に記憶された値に設定される。また、フィードバック演算処理部７３における上記各部の演算では、小数点以下８ｂｉｔの精度で演算結果が丸められる。
【００３６】
このように構成された本実施の形態では、速度成分算出パラメータ及び目標速度の設定値を、定速区間（図３参照）における所望速度に応じて次のように変更することにより、上記フィードバック制御の精度向上を図っている。なお、本実施の形態では、タイミングスリット２４とセンサ素子２６とで構成されるリニアエンコーダ（信号発生手段に相当）の分解能は１５０ｄｐｉであるものとする。
【００３７】
所望速度が３０ｉｐｓである場合は、速度成分算出パラメータを６６６６０ｄとする。すると、速度変換部６７が算出する速度はキャリッジ１４の実際の移動速度（単位：ｉｐｓ）となる。この場合、前述の図７（Ａ）に示したように、３０ｉｐｓに対応するキャプチャ値は２２２２ｄとなり、算出速度は３０．００００ｄ、その１６進表記は１Ｅ００Ｈ、０．５％変動分は２６Ｈとなる。従って、フィードバック演算処理部７３において、０．５％変動分２６Ｈに対してフィードバックゲインを作用させた結果が１００Ｈ以上となるようなフィードバックゲインを設定することで、０．５％変動分が制御量として反映されることとなり、キャリッジ１４の速度を所望速度に対して±０．５％の範囲に良好に制御することができる。
【００３８】
一方、所望速度が８ｉｐｓである場合は、速度成分算出パラメータを４倍の２６６６４０ｄとする。この場合、図７（Ｂ）に示すように、８ｉｐｓに対応するキャプチャ値は速度成分算出パラメータに関らず８３３３ｄであるが、そのキャプチャ値に対応する算出速度は３１．９９８１ｄとなり、１６進表記は１ＦＦＦＨ、０．５％変動分は２８Ｈとなる。このため、目標速度の設定値も４倍の３２．００００ｄとすることにより、所望速度が８ｉｐｓである場合も、所望速度が３０ｉｐｓである場合と同様に±０．５％の範囲に良好に制御することができる。
【００３９】
このように、本実施の形態では、キャリッジ１４を低速で移動させる場合にも、ゲインを大きくしなくても、またリニアエンコーダの分解能を上げなくても正確にフィードバック制御することができる。すなわち低速時にも応答性の悪化を招くことなくキャリッジ１４の速度を正確に制御して、プリンタの印字精度を良好に向上させることができる。
【００４０】
なお、本発明は上記実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施することができる。例えば、信号発生手段としては、ＣＲモータ１８の回転角を検出するロータリエンコーダを使用することもできる。また、上記実施の形態では、フィードバック演算処理部７３としていわゆる微分先行型のＰＩＤ制御器の構成を採用しているが、一般のＰＩＤ制御器や比例微分先行型のＰＩＤ制御器の構成を採用してもよい。
【００４１】
更に、上記実施の形態では、キャリッジ１４を低速で移動させるときに速度成分算出パラメータを大きく設定する処理と目標速度を大きく設定する処理とを個々に行っているが、これらを同時に行ってもよい。例えば、目標速度設定レジスタ４５とフィードバック演算処理部７３との間に乗算器を設け、速度成分算出パラメータ設定レジスタ４０の設定値（またはその定数倍：上記の例では１／６６６６０ｄ倍）をその乗算器に入力するようにしてもよい。
【００４２】
また更に、本発明は、キャリッジ１４以外の各種駆動対象を駆動する直流モータの速度制御装置にも適用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態のＣＲモータの通電機構の構成を表す説明図である。
【図２】 その通電機構のＣＲ制御ブロックの構成を表すブロック図である。
【図３】 そのＣＲ制御ブロックによる制御区間の変化を表す説明図である。
【図４】 そのＣＲ制御ブロックのフィードバック演算処理部の構成を表すブロック図である。
【図５】 本実施の形態または一般のプリンタの一部機構を表す外観図である。
【図６】 そのプリンタにおける速度検出の原理を表す説明図である。
【図７】 本実施の形態及び従来例の速度算出結果を表す説明図である。
【符号の説明】
１２…印刷用紙 １４…キャリッジ １８…ＣＲモータ
２０…印刷ヘッド ２４…タイミングスリット ２６…センサ素子
３１…ＣＲ駆動回路 ３３…ＣＲ制御ブロック ３５…クロック生成部
３７…ＰＷＭ周期タイマ ３９…動作モード設定レジスタ群
４０…速度成分算出パラメータ設定レジスタ
４１…速度制御開始位置設定レジスタ ４２…減速開始位置設定レジスタ
４３…初期ＰＷＭ値設定レジスタ ４４…加速係数設定レジスタ
４５…目標速度設定レジスタ ４６…微分ゲイン設定レジスタ
４７…積分ゲイン設定レジスタ ４８…比例ゲイン設定レジスタ
４９…減速パラメータ設定レジスタ ５０…逆転パルスパラメータ設定レジスタ
５１…ウェイト時間設定レジスタ ５５…エンコーダエッジ検出部
５７…位置カウンタ ５９…周期カウンタ ６１…比較処理部
６３，６５…セレクタ ６７…速度変換部 ７１…加速制御部
７３…フィードバック演算処理部 ８０…減速制御部 ８１…加算器
８３…比例ゲイン ８５…加算器 ９１…積分器
９３…積分ゲイン ９５…微分器 ９７…微分ゲイン
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流モータにより駆動される駆動対象が所望の速度となるように上記直流モータをフィードバック制御する直流モータの速度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、直流モータにより駆動される駆動対象の速度をリニアエンコーダやロータリエンコーダを介して検出し、その検出された速度が目標速度と一致するように上記直流モータをフィードバック制御することが広く知られている。例えば、各種プリンタの分野では、ヘッドを搭載したキャリッジの移動速度をリニアエンコーダを介して検出し、そのキャリッジの移動速度を印字制御に適した所望の速度となるようにフィードバック制御を行うことが考えられている。
【０００３】
図５は一般的なプリンタの一部機構を取り出して示す外観斜視図である。図５に示すように、このプリンタには、印刷ヘッド２０が設けられている。この印刷ヘッド２０は、インク室に設けられた圧電素子に電圧を印加してインク室の容積を変化させることにより、インク室内のインクをノズルから被印刷媒体である印刷用紙１２に向けて吐出させて印字を行う、いわゆるインクジェット式のヘッドである。印刷ヘッド２０は、キャリッジ１４の上に搭載されており、そのキャリッジ１４には、印刷用紙１２の幅方向に設けられたガイド軸１６が挿通されている。
【０００４】
キャリッジ１４は、ガイド軸１６に沿ってその下方に設けられた無端ベルト１７に連結されており、その無端ベルト１７は、ＣＲモータ１８のプーリ２２と他のアイドルプーリ（図示せず）との間に掛けられている。つまり、キャリッジ１４は、ＣＲモータ１８の回転により、ガイド軸１６に沿って印刷用紙１２の幅方向（主走査方向）に往復動するようになっている。
【０００５】
また、ガイド軸１６に沿ってその下方には、スリットが一定の微小間隔で印されており、透光性材料で形成されたリニア型のタイミングスリット２４が設けられている。更に、キャリッジ１４の前面下部には、タイミングスリット２４に印されたスリットの間隔を読み取ってキャリッジ１４の位置に対応したパルス信号を出力するセンサ素子２６が設けられている。
【０００６】
このセンサ素子２６は、互いの位相を３／４周期ずらした２個の発光素子と受光素子とから成るフォトカプラである。つまり、この２組の素子から出力されるパルスの位相差により、後述のようにキャリッジ１４の移動方向を検出する。タイミングスリット２４とセンサ素子２６とで、いわゆるリニアエンコーダを構成する。なお、センサ素子２６から出力されるパルスの周期は、タイミングスリット２４のスリット間の間隔及びキャリッジ１４の移動速度に対応する。
【０００７】
また、印刷用紙１２は、図示しない紙送り用のＬＦモータにより回転される給紙ローラ（図示省略）と、この給紙ローラと対に設けられた押さえローラ２８、２８との間に挾まれて上下方向に送られる。なお、ＣＲモータ１８には、ＰＷＭ制御により回転速度が制御される直流モータが用いられ、ＬＦモータにはステッピングモータ或いは直流モータが用いられる。
【０００８】
ここで、このように構成されたプリンタにおけるキャリッジ１４の移動速度算出方法について説明する。前述のように、センサ素子２６は位相を３／４周期ずらした２個の発光素子及び受光素子を備えているので、その検出信号（以下エンコーダ信号という）は図６に示すように位相が３／４周期ずれた２個の矩形パルスＥＮＣ１，ＥＮＣ２となる。
【０００９】
ＣＲモータ１８の制御時には、ＥＮＣ１の立下りエッジを検出して次のような処理を行う。先ず、上記エッジ検出時のＥＮＣ２の値がハイであるかローであるかによって、キャリッジ１４の移動方向が判る。また、エッジ検出の度に、位置カウンタを上記移動方向に応じてインクリメントまたはデクリメントし、エッジ検出から次のエッジ検出までの間にクロックがカウントされたカウント数をキャプチャ値Ｔｎとして取得する。すると、このキャプチャ値の逆数がキャリッジ１４の移動速度に対応した値となり、こうして算出された移動速度が所望の移動速度となるようにＣＲモータ１８をフィードバック制御すれば、キャリッジ１４を所望の速度で移動させることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、キャリッジ１４を低速で移動させる場合、上記の方法では充分な精度が得られない可能性があった。例えば、サンプリング時間（クロックの周期）が０．１μｓｅｃで、エンコーダ分解能が１５０ｄｐｉの場合、６６６６０ｄ（ｄは１０進表記を表す）をキャプチャ値で割るとほぼ実際の移動速度（単位：ｉｐｓ）が得られる。
【００１１】
この場合、図７（Ａ）に示すように、３０ｉｐｓに対応するキャプチャ値は２２２２ｄとなる。このときの算出速度は３０．００００ｄで、その１６進表記は小数点以下８ｂｉｔの固定小数点で表すと１Ｅ００Ｈ、速度が０．５％変動したときのキャプチャ値の変動分（以下、０．５％変動分という）は２６Ｈとなる。一方、移動速度８ｉｐｓに対応するキャプチャ値は８３３３ｄで、そのときの算出速度は７．９９９９ｄ、１６進表記は０７ＦＦＨ、０．５％変動分は０ＡＨとなる。
【００１２】
今、フィードバック制御として作用させる制御量を、算出速度結果に予め決められたフィードバックゲインを乗じた値の整数部を使用した場合、キャリッジ１４の移動速度を８ｉｐｓに制御するときには０．５％変動分が０ＡＨであるため、その速度変動を０．５％以内に収めるのは困難となる。従って、従来は、フィードバック制御におけるゲインを大きくしないと低速時の制御が困難であった。また、ゲインを大きくすると応答性の悪化を招いて望ましくない。そこで、本発明は、駆動対象を低速で移動させる場合にも、フィードバック制御におけるゲインを大きくしなくても正確に速度制御可能な直流モータの速度制御装置を提供することを目的としてなされた。
【００１３】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記目的を達するためになされた請求項１記載の発明は、直流モータにより駆動される駆動対象と、所定の分解能を有し、上記駆動対象の駆動に伴って信号を発生する信号発生手段と、該信号発生手段が発生する信号の時間間隔を所定のサンプリング時間でカウントし、そのカウント値をキャプチャ値として測定する計時手段と、上記分解能と上記サンプリング時間とに基づいて算出された速度成分算出パラメータを記憶する速度成分算出パラメータ設定レジスタと、該速度成分算出パラメータ設定レジスタに記憶された速度成分算出パラメータを上記計時手段によって測定されたキャプチャ値で除算することで、上記駆動対象の速度を算出する速度算出手段と、上記駆動対象の目標速度を設定する目標速度設定手段とを備え、上記速度算出手段により算出された上記駆動対象の速度を、上記目標速度設定手段により設定された目標速度に一致させるように上記直流モータをフィードバック制御する直流モータの速度制御装置であって、所望する上記駆動対象の速度が小さい場合は、上記目標速度と上記速度成分算出パラメータとを同一整数倍（整数は２以上）に拡大して設定することを特徴としている。
【００１４】
このように構成された本発明では、信号発生手段は所定の分解能を有し、上記駆動対象の駆動に伴って信号を発生し、計時手段はその信号の時間間隔を所定のサンプリング時間でカウントし、そのカウント値をキャプチャ値として測定する。そして、速度算出手段は、速度成分算出パラメータ設定レジスタに記憶された速度成分算出パラメータを上記計時手段によって測定されたキャプチャ値で除算することで、上記駆動対象の速度を算出する。このように速度が算出されると、本発明の直流モータの速度制御装置は、その算出された上記駆動対象の速度を目標速度設定手段により設定された目標速度に一致させるように上記直流モータをフィードバック制御する。
【００１５】
ここで、本発明では、所望する上記駆動対象の速度が小さい場合は、上記目標速度と上記速度成分算出パラメータとを同一整数倍（整数は２以上）に拡大して設定する。速度成分算出パラメータが上記整数倍に拡大して設定されると、それを上記キャプチャ値で除算して得られる速度も大きな値を取る。このため、駆動対象の速度が実際には小さい場合にも、演算過程で数値が丸められる割合が少なくなる。また、目標速度もこれと同一整数倍に拡大して設定されるので、両者を一致させるべく上記フィードバック制御を行えば、駆動対象を低速で移動させる場合にも、フィードバック制御におけるゲインを大きくしなくても正確に速度を制御することができる。すなわち、低速時にも応答性の悪化を招くことなく正確に速度を制御することができる。
【００１６】
更に、本発明では、速度成分算出パラメータと目標速度とが同一整数倍に拡大して設定されるため、フィードバック制御におけるゲイン・係数等はそのままで上記低速時の制御を行うことができる。従って、処理を一層簡略化することができる。
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明が適用された直流モータとしてのＣＲモータ１８の通電機構の構成を表す説明図である。なお、ＣＲモータ１８は、図５に示した従来のプリンタと同様のプリンタにおいて使用され、本実施の形態では後述のようにそのＣＲモータ１８の制御系に特徴を有する。
【００２０】
図１に示すように、電源の正極Ｐｖと負極Ｐ0 との間には、２個ずつ直列接続されたスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２及びＳ３，Ｓ４が並列に接続され、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４にはフライホイールダイオードＦＤが並列に接続されている。なお、このようなスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４は、ＰＮＰ型またはＮＰＮ型トランジスタ等のスイッチング素子にフライホイールダイオードＦＤを接続しても得られるが、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４としてＦＥＴを使用すれば、予めフライホイールダイオードと等価の機能が寄生ダイオードとしてＦＥＴ内に構成されているため、改めて外部に設けない場合もある。
【００２１】
ＣＲモータ１８の一方の端子はスイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２との間に接続され、他方の端子はスイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４との間に接続されている。このため、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４をオンにしてスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３をオフにすれば、ＣＲモータ１８に正転方向の駆動電流（正転駆動電流）を通電してＣＲモータ１８を正転させることができる。逆に、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３をオンにしてスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４をオフにすれば、ＣＲモータ１８に逆転方向の逆転電流（逆転駆動電流）を通電してＣＲモータ１８を逆転させることができる。
【００２２】
また、上記スイッチング素子をパルス状にオンオフし、ＣＲモータ１８に通電される平均電流量を制御することにより、ＣＲモータ１８を定速で正転させたり、加減速したりすることができる。更に、逆転電流の通電によりＣＲモータ１８を一層迅速に減速させることもできる。そこで、本実施の形態では、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４をＣＲ駆動回路３１を介して次に述べるＣＲ制御ブロック３３に接続し、オン／オフを制御することにより、駆動対象としてのキャリッジ１４を適宜の速度で移動させている。
【００２３】
図２に示すように、ＣＲ制御ブロック３３は、０．１μｓｅｃ毎にクロック信号を生成するクロック生成部３５と所定のＰＷＭ周期に渡ってクロック信号をカウントするＰＷＭ周期タイマ３７とを備え、更に、ＣＰＵによって設定された動作モードを記憶する動作モード設定レジスタ群３９を備えている。
【００２４】
動作モード設定レジスタ群３９には、キャリッジ１４の速度算出時に必要な速度成分算出パラメータを記憶する速度成分算出パラメータ設定レジスタ４０、速度制御の開始位置を記憶する速度制御開始位置設定レジスタ４１、減速開始位置を記憶する減速開始位置設定レジスタ４２、ＰＷＭの初期値を記憶する初期ＰＷＭ値設定レジスタ４３、加速係数を記憶する加速係数設定レジスタ４４、目標速度を記憶する目標速度設定レジスタ４５（目標速度設定手段に相当）、微分ゲインを記憶する微分ゲイン設定レジスタ４６、積分ゲインを記憶する積分ゲイン設定レジスタ４７、比例ゲインを記憶する比例ゲイン設定レジスタ４８、減速パラメータを記憶する減速パラメータ設定レジスタ４９、逆転パルスパラメータを記憶する逆転パルスパラメータ設定レジスタ５０、及び、ウェイト時間を記憶するウェイト時間設定レジスタ５１が設けられている。各パラメータの意味合いは後述する。
【００２５】
ＣＲ制御ブロック３３は、この他にも、以下に説明するエンコーダエッジ検出部５５、位置カウンタ５７、周期カウンタ５９、比較処理部６１、セレクタ６３，６５、速度変換部６７、加速制御部７１、フィードバック演算処理部７３、ＰＷＭ生成部７５、及び減速制御部８０を備えている。
【００２６】
前述のセンサ素子２６の検出信号はエンコーダエッジ検出部５５に入力され、ここで、ＥＮＣ１の立下りエッジが検出される。エンコーダエッジ検出部５５の検出結果は位置カウンタ５７及び周期カウンタ５９に入力される。位置カウンタ５７は、エンコーダエッジ検出部５５の検出結果に基づいてキャリッジ１４の位置に対応したカウント値を増減し、そのカウント値を比較処理部６１に入力する。比較処理部６１は、速度制御開始位置設定レジスタ４１に記憶された速度制御開始位置、及び、減速開始位置設定レジスタ４２に記憶された減速開始位置と上記カウント値を比較して、比較結果を後述のセレクタ６３，６５に入力する。
【００２７】
また、周期カウンタ５９は、エンコーダエッジ検出部５５によって上記エッジが検出される時間間隔をカウントし、速度変換部６７に入力する。すなわち、エンコーダエッジ検出部５５により上記エッジが検出されるとその直前のエッジ検出との間に発生したクロック数（以下キャプチャ値という）をカウントし、速度変換部６７に入力する。
【００２８】
速度変換部６７は、速度成分算出パラメータ設定レジスタ４０に記憶された速度成分算出パラメータを、上記入力されたキャプチャ値で除算することにより、キャリッジ１４の移動速度を算出する。すなわち、周期カウンタ５９は計時手段に、速度変換部６７は速度算出手段に、それぞれ相当する。
【００２９】
加速制御部７１は、初期ＰＷＭ値設定レジスタ４３に記憶されたＰＷＭの初期値、及び、加速係数設定レジスタ４４に記憶された加速係数に基づき、ＣＲモータ１８をオープンループで加速制御するためのデューティ値等を算出してセレクタ６３に入力する。
【００３０】
フィードバック演算処理部７３は、速度変換部６７にて算出される速度を目標速度設定レジスタ４５に記憶された目標速度に一致させるフィードバック制御を行うためのデューティ値等を算出してセレクタ６３に入力する。なお、この算出は、後述のように、微分ゲイン設定レジスタ４６，積分ゲイン設定レジスタ４７，及び比例ゲイン設定レジスタ４８に記憶されたデータを用いてなされる。
【００３１】
セレクタ６３は、キャリッジ１４が速度制御開始位置に達した旨の入力が比較処理部６１からあるまでは、加速制御部７１からの信号をＰＷＭ生成部７５に入力し、上記入力があった後はフィードバック演算処理部７３からの信号をＰＷＭ生成部７５に入力する。ＰＷＭ生成部７５は、入力された信号に基づき、ＣＲ駆動回路３１に入力するための信号を生成してセレクタ６５に入力する。
【００３２】
一方、減速制御部８０は、減速パラメータ設定レジスタ４９に記憶された減速パラメータ、逆転パルスパラメータ設定レジスタ５０に記憶された逆転パルスパラメータ、及び、ウェイト時間設定レジスタ５１に記憶されたウェイト時間に基づき、ＣＲモータ１８をオープンループで減速制御するための信号（ＣＲ駆動回路３１への入力用）を生成してセレクタ６５に入力する。すなわち、この減速制御部８０では、減速パラメータに応じて上記デューティ値を徐々に減少させ、ウェイト時間に応じたタイミングで逆転パルスパラメータに応じたパルス幅の逆転パルス（パルス状の逆転電流）を発生させることによってＣＲモータ１８を減速させる制御を行う。
【００３３】
セレクタ６５は、キャリッジ１４が減速開始位置に達した旨の入力が比較処理部６１からあるまでは、ＰＷＭ生成部７５からの信号をＣＲ駆動回路３１に入力し、上記入力があった後は減速制御部８０からの信号をＣＲ駆動回路３１に入力する。このセレクタ６５と前述のセレクタ６３との動作により、図３に示すように、キャリッジ１４が速度制御開始位置に達するまでの加速区間では加速制御部７１の処理に応じてＣＲモータ１８はオープンループで加速制御され、速度制御開始位置から減速開始位置までの定速区間ではフィードバック演算処理部７３の処理に応じてＣＲモータ１８はフィードバック制御され、減速開始位置以降の減速区間では減速制御部８０の処理に応じてＣＲモータ１８はオープンループで減速制御される。
【００３４】
続いて、フィードバック演算処理部７３の構成及び処理について、更に詳細に説明する。図４は、フィードバック演算処理部７３の構成を詳細に表すブロック図である。図４に示すように、速度変換部６７にて算出された速度と目標速度設定レジスタ４５に記憶された目標速度とは加算器８１に入力され、両者の差分は比例ゲイン８３による増幅を受けた後、加算器８５に入力される。また、加算器８１から出力される上記差分は、積分器９１により積分され、積分ゲイン９３の増幅を受けた後、加算器８５に入力される。更に、速度変換部６７にて算出された速度は微分器９５にも入力され、ここで微分された後、微分ゲイン９７の増幅を増幅を受けた後、加算器８５に入力される。
【００３５】
加算器８５では、比例ゲイン８３及び積分ゲイン９３からの入力値を加算してそこから微分ゲイン９７からの入力値を減算する。フィードバック演算処理部７３では、この加算器８５からの出力に基づき、ＣＲモータ１８をフィードバック制御するためのデューティ値等を算出してセレクタ６３に入力する。なお、比例ゲイン８３，積分ゲイン９３，微分ゲイン９７における上記増幅率は、比例ゲイン設定レジスタ４８，積分ゲイン設定レジスタ４７，微分ゲイン設定レジスタ４６に記憶された値に設定される。また、フィードバック演算処理部７３における上記各部の演算では、小数点以下８ｂｉｔの精度で演算結果が丸められる。
【００３６】
このように構成された本実施の形態では、速度成分算出パラメータ及び目標速度の設定値を、定速区間（図３参照）における所望速度に応じて次のように変更することにより、上記フィードバック制御の精度向上を図っている。なお、本実施の形態では、タイミングスリット２４とセンサ素子２６とで構成されるリニアエンコーダ（信号発生手段に相当）の分解能は１５０ｄｐｉであるものとする。
【００３７】
所望速度が３０ｉｐｓである場合は、速度成分算出パラメータを６６６６０ｄとする。すると、速度変換部６７が算出する速度はキャリッジ１４の実際の移動速度（単位：ｉｐｓ）となる。この場合、前述の図７（Ａ）に示したように、３０ｉｐｓに対応するキャプチャ値は２２２２ｄとなり、算出速度は３０．００００ｄ、その１６進表記は１Ｅ００Ｈ、０．５％変動分は２６Ｈとなる。従って、フィードバック演算処理部７３において、０．５％変動分２６Ｈに対してフィードバックゲインを作用させた結果が１００Ｈ以上となるようなフィードバックゲインを設定することで、０．５％変動分が制御量として反映されることとなり、キャリッジ１４の速度を所望速度に対して±０．５％の範囲に良好に制御することができる。
【００３８】
一方、所望速度が８ｉｐｓである場合は、速度成分算出パラメータを４倍の２６６６４０ｄとする。この場合、図７（Ｂ）に示すように、８ｉｐｓに対応するキャプチャ値は速度成分算出パラメータに関らず８３３３ｄであるが、そのキャプチャ値に対応する算出速度は３１．９９８１ｄとなり、１６進表記は１ＦＦＦＨ、０．５％変動分は２８Ｈとなる。このため、目標速度の設定値も４倍の３２．００００ｄとすることにより、所望速度が８ｉｐｓである場合も、所望速度が３０ｉｐｓである場合と同様に±０．５％の範囲に良好に制御することができる。
【００３９】
このように、本実施の形態では、キャリッジ１４を低速で移動させる場合にも、ゲインを大きくしなくても、またリニアエンコーダの分解能を上げなくても正確にフィードバック制御することができる。すなわち低速時にも応答性の悪化を招くことなくキャリッジ１４の速度を正確に制御して、プリンタの印字精度を良好に向上させることができる。
【００４０】
なお、本発明は上記実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施することができる。例えば、信号発生手段としては、ＣＲモータ１８の回転角を検出するロータリエンコーダを使用することもできる。また、上記実施の形態では、フィードバック演算処理部７３としていわゆる微分先行型のＰＩＤ制御器の構成を採用しているが、一般のＰＩＤ制御器や比例微分先行型のＰＩＤ制御器の構成を採用してもよい。
【００４１】
更に、上記実施の形態では、キャリッジ１４を低速で移動させるときに速度成分算出パラメータを大きく設定する処理と目標速度を大きく設定する処理とを個々に行っているが、これらを同時に行ってもよい。例えば、目標速度設定レジスタ４５とフィードバック演算処理部７３との間に乗算器を設け、速度成分算出パラメータ設定レジスタ４０の設定値（またはその定数倍：上記の例では１／６６６６０ｄ倍）をその乗算器に入力するようにしてもよい。
【００４２】
また更に、本発明は、キャリッジ１４以外の各種駆動対象を駆動する直流モータの速度制御装置にも適用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態のＣＲモータの通電機構の構成を表す説明図である。
【図２】 その通電機構のＣＲ制御ブロックの構成を表すブロック図である。
【図３】 そのＣＲ制御ブロックによる制御区間の変化を表す説明図である。
【図４】 そのＣＲ制御ブロックのフィードバック演算処理部の構成を表すブロック図である。
【図５】 本実施の形態または一般のプリンタの一部機構を表す外観図である。
【図６】 そのプリンタにおける速度検出の原理を表す説明図である。
【図７】 本実施の形態及び従来例の速度算出結果を表す説明図である。
【符号の説明】
１２…印刷用紙 １４…キャリッジ １８…ＣＲモータ
２０…印刷ヘッド ２４…タイミングスリット ２６…センサ素子
３１…ＣＲ駆動回路 ３３…ＣＲ制御ブロック ３５…クロック生成部
３７…ＰＷＭ周期タイマ ３９…動作モード設定レジスタ群
４０…速度成分算出パラメータ設定レジスタ
４１…速度制御開始位置設定レジスタ ４２…減速開始位置設定レジスタ
４３…初期ＰＷＭ値設定レジスタ ４４…加速係数設定レジスタ
４５…目標速度設定レジスタ ４６…微分ゲイン設定レジスタ
４７…積分ゲイン設定レジスタ ４８…比例ゲイン設定レジスタ
４９…減速パラメータ設定レジスタ ５０…逆転パルスパラメータ設定レジスタ
５１…ウェイト時間設定レジスタ ５５…エンコーダエッジ検出部
５７…位置カウンタ ５９…周期カウンタ ６１…比較処理部
６３，６５…セレクタ ６７…速度変換部 ７１…加速制御部
７３…フィードバック演算処理部 ８０…減速制御部 ８１…加算器
８３…比例ゲイン ８５…加算器 ９１…積分器
９３…積分ゲイン ９５…微分器 ９７…微分ゲイン
Claims (1)
- 直流モータにより駆動される駆動対象と、
所定の分解能を有し、上記駆動対象の駆動に伴って信号を発生する信号発生手段と、
該信号発生手段が発生する信号の時間間隔を所定のサンプリング時間でカウントし、そのカウント値をキャプチャ値として測定する計時手段と、
上記分解能と上記サンプリング時間とに基づいて算出された速度成分算出パラメータを記憶する速度成分算出パラメータ設定レジスタと、
該速度成分算出パラメータ設定レジスタに記憶された速度成分算出パラメータを上記計時手段によって測定されたキャプチャ値で除算することで、上記駆動対象の速度を算出する速度算出手段と、
上記駆動対象の目標速度を設定する目標速度設定手段とを備え、
上記速度算出手段により算出された上記駆動対象の速度を、上記目標速度設定手段により設定された目標速度に一致させるように上記直流モータをフィードバック制御する直流モータの速度制御装置であって、
所望する上記駆動対象の速度が小さい場合は、上記目標速度と上記速度成分算出パラメータとを同一整数倍（整数は２以上）に拡大して設定することを特徴とする直流モータの速度制御装置。
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