JP5541650B2 - 振動型モータの駆動制御装置及びその制御方法 - Google Patents

振動型モータの駆動制御装置及びその制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、振動型モータの駆動制御装置及びその制御方法に関する。
振動型モータは、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子に位相の異なる2相の周波電圧を印加することによって振動子(圧電素子を含む)の表面に進行性振動波を励起し、振動子の表面に加圧接触する移動子を相対的に移動させ、駆動を得るものである。
振動型モータは、印加する周波数が高い場合は回転速度が低く、周波数を下げていくことで回転速度が高くなる特性を有する。
振動型モータの速度制御を行う場合は、以下のフィードバック制御方式が一般的である。
即ち、フィードバック制御方式においては、モータの回転軸上に備えられたロータリーエンコーダ等から回転速度を検出し、速度指令値とロータリーエンコーダにより検出された実速度とを逐次比較する。そして、速度指令値との偏差に所定の演算方法によりゲインを持たせ、振動型モータに与える周波数を操作して駆動を行う。
加速時の制御においては、振動型モータに限らず電磁モータにおいても速度指令値を関数として持ち、制御開始時点からの時間軸に対して速度指令値となる目標速度を逐次変化させ、この目標速度に対してモータの回転を追従させる制御方法が一般的である。
加速時の速度指令値となる関数には、制御対象及び負荷条件等により一次関数や、2次以降の高次の関数を組み合わせて適用し、起動、加速、定速の状態を滑らかに移行させる制御方法についてさまざまな提案がなされている。
例えば、特許文献1には、加速時間の前半に、許容される最大加速度を要求する時間を設け、加速時間の後半は、加速度を滑らかにゼロに導くように、速度指令曲線を設定し、駆動初期における速度追従性を向上させる技術が提案されている。
図7に速度指令値の時間変化の一例を示す。
図中において、速度指令値は、制御開始となった時点から徐々に増加させ、所定の回転数に達したところで一定値としている。
振動型モータの起動時の処理方法としては、モータに印加する周波電圧を高周波側から低周波側に向かって周波数掃引させる方法や、固定高周波電圧を印加し、起動開始させる方法等がある。速度制御においては、いずれの処理方法の場合も、モータが回転を始めてから最初の速度値が確定するのを待って速度制御処理を開始することが可能となる。
特開2006−67750号公報
振動型モータは、振動子と振動子の表面に加圧接触する移動子との摩擦力によって駆動を得るものであり、移動子と振動子の摩擦材の構成及び与圧のかけ方によっては、この接触面が静止摩擦状態から動摩擦状態になったときに急激に回転を生じる特性を持つ。
図13は、モータ起動時における速度指令値と実速度の時間変化を示す図である。
速度検出可能となった時点(エンコーダエッジが最初に確定したタイミング)でモータの回転数が既に速度指令値から大きく外れており、起動開始以降も速度指令値に対する実速度の追従性が悪い。
またこのような場合、フィードバック制御系の演算ゲインを調整しても、速度指令値に収束させることが困難であった。
このように、振動型モータの起動時においては、一旦、速度指令値から大きく外れてしまうと、その後収束するまでに無駄な時間を要してしまい、速度追従性を悪化させてしまうという問題があった。
本発明の目的は、モータ起動時から加速初期の速度追従性を向上させることができる振動型モータの駆動制御装置及びその制御方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の振動型モータの駆動制御装置は、振動型モータの駆動制御装置において、前記振動型モータの速度に応じてパルス信号を出力するパルス出力手段と、前記振動型モータを目標速度にするための速度指令値を生成する速度指令値生成手段と、前記パルス出力手段により出力される前記パルス信号をカウントして前記振動型モータの実速度を計測し、前記振動型モータの前記速度指令値と前記実速度の偏差に基づいて、前記振動型モータのフィードバック制御を行う制御手段とを備え、前記速度指令値生成手段は、前記振動型モータが起動を開始した後に前記制御手段が前記パルス信号をカウントして前記振動型モータの実速度を確定してから、確定した実速度を用いて前記速度指令値を生成し、さらに、前記速度指令値生成手段は、生成した前記速度指令値と、前記制御手段が最初に確定した前記振動型モータの実速度である初速値を用いて生成された初速値の差を用いて演算することで得られた値で、前記速度指令値を更新することを特徴とする。
上記目的を達成するために、本発明の振動型モータの駆動制御装置は、振動型モータの駆動制御装置において、前記振動型モータの速度に応じてパルス信号を出力するパルス出力手段と、前記振動型モータを目標速度にするための速度指令値を生成する速度指令値生成手段と、前記パルス出力手段により出力される前記パルス信号をカウントして前記振動型モータの実速度を計測し、前記振動型モータの前記速度指令値と前記実速度の偏差に基づいて、前記振動型モータのフィードバック制御を行う制御手段とを備え、前記速度指令値生成手段は、前記振動型モータが起動を開始した後に前記制御手段が前記パルス信号をカウントして前記振動型モータの実速度を確定してから、確定した実速度を用いて前記速度指令値を生成し、さらに、前記速度指令値生成手段は、生成した前記速度指令値と、前記制御手段が最初に確定した前記振動型モータの実速度である初速値を用いて生成された初速値の差及び前記初速値を用いて演算することで得られた値で、前記速度指令値を更新することを特徴とする。
上記目的を達成するために、本発明の振動型モータの駆動制御装置の制御方法は、振動型モータの駆動制御装置の制御方法において、前記振動型モータの速度に応じてパルス信号を出力するパルス出力ステップと、前記振動型モータを目標速度にするための速度指令値を生成する速度指令値生成ステップと、前記パルス出力ステップで出力される前記パルス信号をカウントして前記振動型モータの実速度を計測し、前記振動型モータの前記速度指令値と前記実速度の偏差に基づいて、前記振動型モータのフィードバック制御を行う制御ステップとを有し、前記速度指令値生成ステップでは、前記振動型モータが起動を開始した後に前記制御ステップにおいて前記パルス信号をカウントして前記振動型モータの実速度を確定してから、確定した実速度を用いて前記速度指令値を生成し、さらに、前記速度指令値生成ステップでは、生成した前記速度指令値と、前記制御ステップで最初に確定した前記振動型モータの実速度である初速値を用いて生成された初速値の差を用いて演算することで得られた値で、前記速度指令値を更新することを特徴とする。
上記目的を達成するために、本発明の振動型モータの駆動制御装置の制御方法は、振動型モータの駆動制御装置の制御方法において、前記振動型モータの速度に応じてパルス信号を出力するパルス出力ステップと、前記振動型モータを目標速度にするための速度指令値を生成する速度指令値生成ステップと、前記パルス出力ステップで出力される前記パルス信号をカウントして前記振動型モータの実速度を計測し、前記振動型モータの前記速度指令値と前記実速度の偏差に基づいて、前記振動型モータのフィードバック制御を行う制御ステップとを有し、前記速度指令値生成ステップでは、前記振動型モータが起動を開始した後に前記制御ステップにおいて前記パルス信号をカウントして前記振動型モータの実速度を確定してから、確定した実速度を用いて前記速度指令値を生成し、さらに、前記速度指令値生成ステップでは、生成した前記速度指令値と、前記制御ステップで最初に確定した前記振動型モータの実速度である初速値を用いて生成された初速値の差及び前記初速値を用いて演算することで得られた値で、前記速度指令値を更新することを特徴とする。
本発明によれば、モータ起動時から加速初期の速度追従性を向上させることができる。
以下、本発明を図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、振動型モータの構成図、図2は、図1の振動型モータの要部拡大図である。
振動型モータは、超音波領域周波数の機械振動を利用し、移動子を摩擦駆動させるものである。
圧電素子11は、2極に分極され、多重に積層され、焼成された所謂電気−機械エネルギー変換素子である。圧電素子11は、2つの相、A相・B相が複数対、リング中心に対し、放射状にほぼ等中心角を以って交互に形成されている。
振動子12は、圧電素子11に溶接され、圧電素子群からの振動を増幅する。スライダ部材13は、移動子14に固定されており、振動子12に加圧されている。圧電素子11のA相・B相に互いに90度の位相を持った2つの周波信号を印加することで、圧電素子11の電歪現象により微弱な振動が発生し、振動子12の表面に進行波が生ずる。
振動子12の表面の一点の動作を見ると、その点は楕円運動をしており、この摩擦力が運動対象物であるスライダ部材13、移動子14へと伝達され、シャフト15が回転し連続的な機械運動となる。
図3は、本発明の実施の形態に係る振動型モータの駆動制御装置のブロック図である。
図3において、CPU301は、D/A変換器303に振動型モータ310を駆動するための発振周波数データを出力する。
D/A変換器303は、CPU301からの発振周波数データに基づき、アナログの電圧信号をVCO304に出力する。
VCO(VoltAge Controlled OscillAtor)304は、アナログの電圧信号に応じた周波数のパルスを発生する可変周波数発振器であり、電圧信号の変化に従って発振周波数を可変する。
VCO304で生成された信号は、位相変換部305に入力され、振動型モータ310に印加する第1の相であるA相と、A相とは位相が90度異なる第2の相であるB相に変換される。
ここで変換される信号の位相差がA相に対してB相が90度進みの場合と、90度遅れの場合のどちらかに切り換えることにより、振動型モータ310の回転方向を換えることが可能である。
ここまでで生成された信号は、増幅器306、307を介し、振動型モータ駆動用のマッチングコイル308、309を通して、振動型モータ310のA相、B相にそれぞれ印加され振動型モータ310を駆動する。
振動型モータ310の回転軸に備えられたエンコーダ311は、回転軸の回転に応じてパルス信号を出力する。
CPU301は、このパルス信号のエッジ間の時間をカウントし、振動型モータ310の実速度を計測し、目標速度との偏差を演算処理し、利得計算を行い、D/A変換器303に演算値を出力して速度フィードバック制御を行う。
ホストコンピュータ302は、起動の開始、停止命令や目標速度、加速、減速等のパラメータをCPU301に出力する。
CPU301は、パルス出力手段としてのエンコーダ311により出力されるパルス信号をカウントするパルスカウント手段として機能する。
図4は、図3におけるCPUのブロック図である。
図4において、速度指令値生成部401は、制御開始時点からの時間軸に対して速度指令値となる目標速度の生成を行う。速度指令値生成部401は、加速時の制御においては、速度指令値を、タイマ404からの出力を元に演算し、制御開始時点から時間軸に対して速度指令値となる目標速度を関数演算値に基づき逐次変化させて比較演算部402に出力する。
速度検出部403は、エンコーダ311からのパルス出力のエッジ間の周期を計測し、振動型モータ310の実速度を検出し、速度指令値生成部401と比較演算部402に出力する。
比較演算部402は、速度指令値生成部401からの目標速度と速度検出部403からの実速度を逐次比較し、両者の差分に対し比例、積分演算を行い、D/A変換器303へ出力する。比較演算部402の比較演算の結果に基づき振動型モータ310に対する操作量を決定する。
このようにして、図3の構成と併せて振動型モータ310の速度フィードバック制御のループを形成している。
CPU301は、パルスカウント手段から得られたカウント値を元に、速度指令値生成部401に速度指令値の更新を行わせ、振動型モータ310の駆動を制御する制御手段として機能する。
(第1の実施の形態)
図5は、図3の駆動制御装置によって実行される振動型モータの駆動制御処理(加速処理)の第1の実施の形態の手順を示すフローチャートである。
本処理は、図3におけるCPU301の制御の下に実行される。
ホストコンピュータ302から振動型モータ310(以下、単にモータと呼ぶこともある)の起動指令を受けて本処理は開始される。
ステップS501では、CPU301は、モータが回転を始めて最初に得られる実速度を取り込む。
図6は、図3における振動型モータの起動時のエンコーダの出力波形と周期を示すタイミングチャートである。
図6中のA相及びB相信号は、エンコーダ出力波形でモータが徐々に加速する際のパルス周期が短くなっていく様子を示している。
モータが回転を始めて最初に得られる実速度は、図6中、周期Tの計測により得られた値であり、本実施の形態では、立ち上がりエッジ間の周期を測定し、ここから算出している。以下では、初めて得られたこの実速度を初速値Y0とする。
ステップS502では、目標速度となる指令関数を、得られた初速値Y0を用いて計算処理する。
本実施の形態では、加速度を滑らかに変化させるため、時間に対する3次関数と2次関数を組み合わせた以下の式を用いて指令関数を算出し、加速時における目標速度の速度指令値とした。
図7は、図5における初速値Y0がゼロの場合の目標速度V(t)の時間変化を示す図である。
V(t) = −Y4 / 4X3×t3 + 3Y3 / 4X2×t2 + Y0
X:加速開始を原点とした加速完了までの位置
Y0 :初速値
Y:目標速度 − 初速値
t:時間
ここで目標速度となる速度指令値(V(t)とする)は、タイマ404からの時間出力である周期(tとする)によって決定される。tにかかる3次の第1項と2次の第2項の係数は目標速度と初速値Y0の差(Yとする)を利用するため、モータが回転を始めてから最初に得られる実速度である初速値Y0が必須である。
このため速度指令値(目標速度)は、モータが回転を始めてから検出可能となった時点での初速値Y0が確定してから、これを上記式に代入し、各項の係数を算出することで決定する。
また、タイマ404の起動は、初速値Y0が確定した時点からスタートさせ、これをtとして使用する。
図8は、図4における速度指令値生成部で生成される速度指令値の第1の例を示す図である。
ステップS503では、CPU301は、ステップS502で算出された係数に基づいて目標速度の速度指令値であるV(t)をタイマ周期tの値に応じて算出する。
ステップS504では、CPU301は、速度検出部403により、モータの実速度を算出(計測)する。
ステップS505では、CPU301は、ステップS503で得られた速度指令値(目標速度)と、ステップS504で得られたモータの実速度を比較し、両者の差分の比例、積分演算を行う。
ステップS506では、CPU301は、ステップS505の演算結果を元に算出した、駆動周波数をD/A変換器303へ出力し、モータの速度を可変させる。
ステップS507では、CPU301は、モータが目標速度に達したかどうかの判断を行う。目標速度に達していない場合は、ステップS503に戻り、以降の処理を繰り返す。
以上のステップの処理を行った後に本処理を終了する。
図9は、図5の振動型モータの加速処理による実速度の時間変化を示す図である。
本実施の形態では、モータ起動時に検出しうる最初の実速度(初速値Y0)を目標速度となる速度指令値にかさ上げし、新たに速度指令カーブを生成し、かさ上げの有無に関係なく目標速度(定常速度)に達するまでの時間を一定となるようにした。
(第2の実施の形態)
本実施の形態では、既に生成された速度指令カーブに対し初速値をかさ上げし、目標速度(定常速度)に達するまでの時間を短縮する。
図10は、図4における速度指令値生成部によって生成される速度指令値と時間の対応テーブルを示す図である。
第1の実施の形態では、速度指令値の演算を、計算式に基づきタイマ404の値が更新される度に逐次行う構成としたが、第2の実施の形態では、図10に示すように、時間と速度指令値の対応テーブルを備える。
図10において、時間データt(0)、t(1)、t(2)‥t(n)と、その時間の値に応じた速度指令値V(t0)、V(t1)‥V(tn)が予め計算され、テーブルとして、CPU301内に格納されている。速度指令値を参照する場合、通常、タイマ周期を規定して使用するため、タイマ404が更新されるタイミングに合わせて行う。
例えば(i)番目を参照した後、次にタイマ404が更新されたタイミングで(i+1)番目の速度指令値の参照を行う。また逆に、得られた速度の値からそれに対応する時間をテーブルから参照することも可能である。テーブルは予めモータの制御を開始する前に作成することで演算処理時間を短縮することができる。
本実施の形態では、初速値Y0が得られた時点で最近傍の実速度を導き出し、その実速度に対応する時間値を制御開始時から使用することによりかさ上げを実現している。テーブルを使用した動作について、図11のフローチャートを用いて説明する。
図11は、図3の駆動制御装置によって実行される振動型モータの駆動制御処理(加速処理)の第2の実施の形態の手順を示すフローチャートである。
本処理は、図3におけるCPU301の制御の下に実行される。
本処理の開始の前に、予めタイマ周期t(n)とそれに応じた速度指令値であるV(tn)のテーブルを作成しておく。ホストコンピュータ302からの指令を受けて本処理が開始される。
ステップS1101で、CPU301は、モータが回転を始めて最初に得られた実速度である初速値Y0を取り込む。
ステップS1102で、CPU301は、ステップS1103で初速値Y0とテーブル上の速度指令値とを比較するための変数V(i)を設け、テーブル上の速度指令値に対応させる。このViに、時間値がゼロの際の速度値V0=0を初期値として設定する。
変数V(i)を設ける目的は、初速値Y0に対し、これより大きい値を持つ速度指令値をテーブルから参照し、テーブル上の速度指令値に応じた時間値を導き出すためである。
ステップS1103で、CPU301は、上記V(i)とY0を比較し、Y0がテーブル上の値より大きいか否かを判断する。比較した結果、V(i)のほうが小さい場合は、ステップS1104に進み、iの値をインクリメントし、テーブル上の次に大きい速度指令値であるV(i+1)を参照する。以降、比較を繰り返し、Y0以上のV(i)を導き出す。
ステップS1105で、CPU301は、導き出されたV(i)に対応したt(i)をテーブルから参照し、タイマ値の初期値に設定する。この時点で、制御開始のための時間値と速度指令値が確定し、得られたV(i)がかさ上げされた値となる。
ステップS1106乃至S1110では、図5の第1の実施の形態と同様に、速度指令値と実速度の比較演算処理を行う。
ステップS1111で、CPU301は、次の速度指令値をテーブル参照するため、タイマ値をインクリメントさせている。以降、速度指令値が目標速度(定常速度)に達するまで繰り返し、本処理を終了する。
図12は、図4における速度指令値生成部で生成される速度指令値の第2の例を示す図である。
本実施の形態では、速度指令値が予め作成してあり、その速度指令値カーブにモータの回転速度を乗せているため、目標速度(定常速度)までに達する時間が、第1の実施の形態の場合よりも短縮できる。
本実施の形態によれば、モータ起動時に検出しうる最初の実速度を目標速度となる速度指令値にかさ上げすることにより、モータ起動時から加速初期の速度追従性を向上させることが可能である。
振動型モータの構成図である。 図1の振動型モータの要部拡大図である。 本発明の実施の形態に係る振動型モータの駆動制御装置のブロック図である。 図3におけるCPUのブロック図である。 図3の駆動制御装置によって実行される振動型モータの駆動制御処理(加速処理)の第1の実施の形態の手順を示すフローチャートである。 図3における振動型モータの起動時のエンコーダの出力波形と周期を示すタイミングチャートである。 図5における初速値Y0がゼロの場合の目標速度V(t)の時間変化を示す図である。 図4における速度指令値生成部で生成される速度指令値の第1の例を示す図である。 図5の振動型モータの加速処理による実速度の時間変化を示す図である。 図4における速度指令値生成部によって生成される速度指令値と時間の対応テーブルを示す図である。 図3の駆動制御装置によって実行される振動型モータの駆動制御処理(加速処理)の第2の実施の形態の手順を示すフローチャートである。 図4における速度指令値生成部で生成される速度指令値の第2の例を示す図である。 モータ起動時における速度指令値と実速度の時間変化を示す図である。
符号の説明
301 CPU
302 ホストコンピュータ
303 D/A変換器
304 VCO
305 位相変換部
306、3077 増幅器
308、9 マッチングコイル
310 振動型モータ
311 エンコーダ
401 速度指令値生成部
402 比較演算部
403 速度検出部
404 タイマ

Claims (4)

  1. 振動型モータの駆動制御装置において、
    前記振動型モータの速度に応じてパルス信号を出力するパルス出力手段と、
    前記振動型モータを目標速度にするための速度指令値を生成する速度指令値生成手段と、
    前記パルス出力手段により出力される前記パルス信号をカウントして前記振動型モータの実速度を計測し、前記振動型モータの前記速度指令値と前記実速度の偏差に基づいて、前記振動型モータのフィードバック制御を行う制御手段とを備え、
    前記速度指令値生成手段は、前記振動型モータが起動を開始した後に前記制御手段が前記パルス信号をカウントして前記振動型モータの実速度を確定してから、確定した実速度を用いて前記速度指令値を生成し、
    さらに、前記速度指令値生成手段は、生成した前記速度指令値と、前記制御手段が最初に確定した前記振動型モータの実速度である初速値を用いて生成された初速値の差を用いて演算することで得られた値で、前記速度指令値を更新することを特徴とする振動型モータの駆動制御装置。
  2. 振動型モータの駆動制御装置において、
    前記振動型モータの速度に応じてパルス信号を出力するパルス出力手段と、
    前記振動型モータを目標速度にするための速度指令値を生成する速度指令値生成手段と、
    前記パルス出力手段により出力される前記パルス信号をカウントして前記振動型モータの実速度を計測し、前記振動型モータの前記速度指令値と前記実速度の偏差に基づいて、前記振動型モータのフィードバック制御を行う制御手段とを備え、
    前記速度指令値生成手段は、前記振動型モータが起動を開始した後に前記制御手段が前記パルス信号をカウントして前記振動型モータの実速度を確定してから、確定した実速度を用いて前記速度指令値を生成し、
    さらに、前記速度指令値生成手段は、生成した前記速度指令値と、前記制御手段が最初に確定した前記振動型モータの実速度である初速値を用いて生成された初速値の差及び前記初速値を用いて演算することで得られた値で、前記速度指令値を更新することを特徴とする振動型モータの駆動制御装置。
  3. 振動型モータの駆動制御装置の制御方法において、
    前記振動型モータの速度に応じてパルス信号を出力するパルス出力ステップと、
    前記振動型モータを目標速度にするための速度指令値を生成する速度指令値生成ステップと、
    前記パルス出力ステップで出力される前記パルス信号をカウントして前記振動型モータの実速度を計測し、前記振動型モータの前記速度指令値と前記実速度の偏差に基づいて、前記振動型モータのフィードバック制御を行う制御ステップとを有し、
    前記速度指令値生成ステップでは、前記振動型モータが起動を開始した後に前記制御ステップにおいて前記パルス信号をカウントして前記振動型モータの実速度を確定してから、確定した実速度を用いて前記速度指令値を生成し、
    さらに、前記速度指令値生成ステップでは、生成した前記速度指令値と、前記制御ステップで最初に確定した前記振動型モータの実速度である初速値を用いて生成された初速値の差を用いて演算することで得られた値で、前記速度指令値を更新することを特徴とする振動型モータの駆動制御装置の制御方法。
  4. 振動型モータの駆動制御装置の制御方法において、
    前記振動型モータの速度に応じてパルス信号を出力するパルス出力ステップと、
    前記振動型モータを目標速度にするための速度指令値を生成する速度指令値生成ステップと、
    前記パルス出力ステップで出力される前記パルス信号をカウントして前記振動型モータの実速度を計測し、前記振動型モータの前記速度指令値と前記実速度の偏差に基づいて、前記振動型モータのフィードバック制御を行う制御ステップとを有し、
    前記速度指令値生成ステップでは、前記振動型モータが起動を開始した後に前記制御ステップにおいて前記パルス信号をカウントして前記振動型モータの実速度を確定してから、確定した実速度を用いて前記速度指令値を生成し、
    さらに、前記速度指令値生成ステップでは、生成した前記速度指令値と、前記制御ステップで最初に確定した前記振動型モータの実速度である初速値を用いて生成された初速値の差及び前記初速値を用いて演算することで得られた値で、前記速度指令値を更新することを特徴とする振動型モータの駆動制御装置の制御方法。
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