JP6519405B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関し、特に、デジタルＰＩＤ（Proportional-Integral-Derivative）制御によりモータを制御するモータ制御装置に関する。

画像形成装置等に用いられるインナーブラシレスモータ等のモータの回転の制御には、一般的に、エンコーダ等により回転速度を検出し、検出した値を帰還させてモータの制御値を算出するフィードバック制御が利用される。このフィードバック制御として、目標速度と検出速度との差である偏差に対して、比例・積分・微分の３要素によって行うＰＩＤ制御がある。

ＰＩＤ制御のうち、デジタル制御すなわち離散時間制御のものの基本式は以下の通りである。

MV_n = MV_n-1 + ΔMV_n …式（Ａ）
ΔMV_n = Kp(e_n-e_n-1) + Ki e_n + Kd[(e_n-e_n-1) - (e_n-1-e_n-2)] …式（Ｂ）

上記式（Ａ）、（Ｂ）において、MV_n、MV_n-1はそれぞれ、今回操作量、前回操作量であり、ΔMV_nは、フィードバック量であり、e_n、e_n-1、e_n-2はそれぞれ、今回偏差、前回偏差、前々回偏差であり、Kp、Ki、Kdはそれぞれ、比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインである。なお、操作量とはＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御であれば出力デューティである。

ＰＩＤ制御により目標速度を得られるが、モータの停止状態からＰＩＤ制御を行うと、電気的次定数等の影響により出力デューティを入力しても実際にモータが回転するまでのタイムラグがある。したがって、図４に示すように、ＰＩＤ演算結果すなわちフィードバック量が累積され出力デューティが静定状態の出力デューティＸより非常に大きい状態が続くため、検出速度が目標速度Ｓｔを超える、いわゆるオーバーシュートが非常に大きくなり、静定までに時間がかかる。オーバーシュートを抑えるために積分ゲインなどのＰＩＤゲインを低く調整する方法があるが、この方法では目標速度Ｓｔに到達するまでの時間である立ち上がり時間Ｔａが非常に長くなるというデメリットがある。

また、特許文献１には、目標速度の所定の割合に設定された切替速度に達するまでモータを固定出力で駆動し、切替速度に達した後にＰＩＤ制御に切り替える技術が開示されている。この方法では、モータの停止状態からＰＩＤ制御を行う場合に比べて静定までの時間を短縮することができる。

特開２０００−７１５４１号公報

しかし、特許文献１に開示の方法では、図５に示すように、切替速度Ｓｓに達した後に、固定デューティからＰＩＤ制御に切り替えた際に、演算累積値が“０”であるため出力デューティも“０％”に近いところまで落ちるので、立ち上がり時間Ｔａが長くなる。

本発明は、上述のような実状に鑑みてなされたものであり、静定までの時間及び立ち上がり時間が短い、デジタルＰＩＤ制御によりモータを制御するモータ制御装置を提供することをその目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、モータの速度を検出する速度検出部と、前記モータの目標速度と前記速度検出部により検出された速度との偏差を用いて、ＰＩＤ演算を行うＰＩＤ演算部と、固定値を出力する固定出力部と、前記固定出力部または前記ＰＩＤ演算部からの入力を前記モータの制御信号または駆動電流に変換して出力する変換部と、前記ＰＩＤ演算部からの出力と前記固定出力部からの出力のいずれか一方を前記変換部に入力するかを選択する出力選択部と、を備え、該出力選択部は、前記モータの速度が目標速度に応じて予め定められた切替速度になるまで前記固定出力部からの出力を前記変換部に入力し、前記モータの速度が前記切替速度となった後に前記ＰＩＤ演算部からの出力を前記変換部に入力するよう切り替えを行い、前記ＰＩＤ演算部は、前記切り替え前から前記ＰＩＤ演算を行うものであり、前記切り替え前の前記ＰＩＤ演算では、偏差を零とし且つ演算結果を前記目標速度に応じた値で固定し、前記切り替え後の前記ＰＩＤ演算では、偏差として実際の偏差を用いることを特徴としたものである。

本発明の第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記目標速度に応じた値は、予め当該モータ制御装置を動作させた際に当該目標速度で静定したときの前記ＰＩＤ演算部での実際の演算結果であることを特徴としたものである。

本発明の第３の技術手段は、第１または第２の技術手段において、前記固定出力部は、それぞれ異なる固定値を出力する第１の固定出力部と第２の固定出力部を有し、前記第１の固定出力部からの出力は前記第２の固定出力部からの出力より小さく、前記固定出力部は、前記モータの速度が前記切替速度より低い所定の速度になるまで、前記第１の固定出力部からの出力を出力し、前記所定の速度となった後から前記第２の固定出力部を出力することを特徴としたものである。

本発明の第４の技術手段は、第１〜３のいずれか１の技術手段において、インナーブラシレスモータであることを特徴としたものである。

本発明の第５の技術手段は、第１〜４のいずれか１の技術手段において、前記制御信号はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式の信号であることを特徴としたものである。

本発明にモータ制御装置よれば、デジタルＰＩＤ制御時の静定までの時間及び立ち上がり時間を短くすることができる。

本発明の第１の実施形態に係るモータ制御装置の一例を示す図である。 モータが静定するまでの図１のモータ制御装置の動作を説明するための図である。 モータが静定するまでの図１のモータ制御装置の動作を説明するための別の図である 従来技術を説明するための図である。 本発明の課題を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、本発明のモータ制御装置の好適な実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るモータ制御装置の一例を示す図である。
図１のモータ制御装置１は、速度検出部１１、ＰＩＤ演算部１２、第１固定出力部１３、第２固定出力部１４、ＰＷＭ変換部１５、出力選択部１６を有する。このモータ制御装置１は、該装置１が搭載される本体装置のＣＰＵ（Central Processing Unit）２による制御を受けて、制御対象であるモータ３を制御する。

モータ制御装置１において実行されるＰＩＤ制御は、連続時間制御（アナログ制御）ではなく、所定のクロックで動作する離散時間制御（デジタル制御）である。各部は、入力される共通のクロックに同期して処理を実行する。
また、モータ制御装置１は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＣＰＬＤ（Complex Programmable Logic）等のハードウェアで構成することができ、また、ソフトウェアで構成することもできる。

ＣＰＵ２は、モータ３の目標速度を表わすデータ（以下、目標値）をＰＩＤ演算部１２及び出力選択部１６に入力する。上記目標値にはＰＷＭ生成部１５で採用されているＰＷＭ信号の生成方法に応じた値が設定される。例えば、三角波（のこぎり波を含む）を使用してＰＷＭ信号を生成する場合、上記目標値には、目標速度に対応するデューティのＰＷＭ信号を設定するための電圧が設定される。なお、ＣＰＵ２の代わりにメモリを含むマイコンを用いてもよい。

モータ３は、例えば、インナーブラシレスモータであり、モータドライバ３１から印加される駆動電圧によって回転子３２が回転される。モータ３のエンコーダ３３は、モータ３の現在の回転状態を示すパルス信号から成る２チャンネルのエンコード信号ＥＮＣＯＤＥ＿Ａ、ＥＮＣＯＤＥ＿Ｂをモータ制御装置１の速度検出部１１に出力する。

速度検出部１１は、制御対象であるモータ３のエンコーダ３３から入力される２チャンネルのエンコード信号ＥＮＣＯＤＥ＿Ａ、ＥＮＣＯＤＥ＿Ｂに基づいて、モータ３の速度を算出／検出する。速度算出方法としては、各エッジの１周期のクロックカウント数に基づいて算出する方法が考えられる。

ＰＩＤ演算部１２は、ＣＰＵ２から入力された目標値と、速度検出部１１から入力されたデータが示すモータ３の速度との偏差を用いてＰＩＤ演算を行う。

第１固定出力部１３は、第１の固定値を出力し、第２固定出力部１４は、第１の固定値より高い第２の固定値を出力する。第１の固定値及び第２の固定値は予め定められている。

ＰＷＭ変換部１５は、ＰＩＤ演算部１２、第１固定出力部１３及び第２固定出力部１４のいずれか１からの入力をモータ３の制御信号であるＰＷＭ信号に変換し、モータドライバ３１に出力する。

出力選択部１６は、速度検出部１１から入力されたデータが示すモータ３の速度に基づいて、ＰＩＤ演算部１２、第１固定出力部１３及び第２固定出力部１４のいずれの出力をＰＷＭ変換部１５に入力するか選択する。

モータ制御装置１において、出力選択部１６は、モータ３の速度が後述の切替速度より低い所定の速度になるまで第１固定出力部１３からの出力をＰＷＭ変換部１５に入力させ、モータの速度が所定の速度となった後から第２固定出力部１４からの出力をＰＷＭ変換部１５に入力させる。また、出力選択部１６は、モータ３の速度が切替速度になるまで第２の固定出力部からの出力をＰＷＭ変換部１５に入力させ、モータ３の速度が切替速度となった後にＰＩＤ演算部１２からの出力をＰＷＭ変換部１５に入力させる。
切替速度は、モータ３の制御をいずれかの固定出力部１３，１４からの出力による固定値制御からＰＩＤ演算部１２からの出力によるフィードバック制御に切り替えるタイミングを決定するために定められたものであり、モータ３の目標速度に応じて予め定められ、例えば、モータ３の目標速度の９５％である。

図２及び図３は、モータ３が静定するまでのモータ制御装置１の動作を説明するための図である。図２は、モータ制御装置１とは異なる動作を行う比較例のモータ制御装置におけるモータ回転速度と出力デューティの時間変化を表す図である。図３は、図１のモータ制御装置１におけるモータ回転速度と出力デューティの時間変化を示す図である。図中、Ｓ_S1は固定値制御からフィードバック制御に切り替えられる切替速度を示し、Ｓ_S2は、第１固定出力部からの出力による固定値制御から、第１固定出力部からの出力による固定値制御に切り替えられる所定の速度を示す。

比較例のモータ制御装置は、図２に示すように、切替速度Ｓ_S1になるまでモータを固定値制御し、切替速度Ｓ_S1になった後に固定値制御からフィードバック制御に切り替えるものであり、切り替え前から通常のＰＩＤ演算を行う。比較例のモータ制御装置では、ＰＩＤ演算結果が累積されるため、フィードバック制御に切替直後の出力デューティが非常に大きくなり１００％に達する場合もある。したがって、大きなオーバーシュートが発生し、また、静定までに長時間を要してしまう。

それに対し、モータ制御装置１は、切替速度Ｓ_S1になった後に固定値制御からフィードバック制御に切り替えを行う点及び同切り替え前からＰＩＤ演算を行う点では比較例のモータ制御装置と同様であるが、以下の点で比較例のものと異なる。すなわち、モータ制御装置１は、ＰＩＤ演算部１２が、フィードバック制御への切り替え前のＰＩＤ演算では、偏差を零とし且つ演算結果を目標速度Ｓｔに応じた値で固定し、切り替え後のＰＩＤ演算では、偏差として実際の偏差を用いる点で、比較例のものと異なる。目標速度Ｓｔに応じた値は、フィードバック制御によって目標速度Ｓｔで静定したときの値であり、予め定められている。
フィードバック制御への切り替え前のＰＩＤ演算は、例えば、ＰＷＭ変換部１５への入力を第１固定出力部１３から第２固定出力部１４へ切り替えるとき、すなわち、モータの速度が所定の速度となったときに開始されており、フィードバック制御への切り替えが行われる時点においては、目標速度Ｓｔに応じた値を出力可能となっている。

したがって、モータ制御装置１では、固定値制御からフィードバック制御への切り替えが行われた直後においてＰＷＭ変換部１５に入力されるのは、ＰＩＤ演算部１２が出力する目標速度に応じた値であり、切り替え後、偏差として実際の偏差を用いた通常のＰＩＤ演算が終了した後からはその演算結果がＰＷＭ変換部１５に入力される。

モータ制御装置１では、上述のようにＰＩＤ演算及び出力を行うことで、図３に示すように、モータの速度が切替速度Ｓ_S1となって固定値制御からフィードバック制御に切り替わった直後において、出力デューティが、ＰＩＤ演算結果が累積されたものでも０でもないため、オーバーシュートが発生せず、また、静定までに長時間を要することがない。
さらに、このような構成とすることで、構成が簡単すなわちＲＴＬ（Register Transfer Level）記述またはＣ言語記述が簡単となる。

なお、ＰＩＤ演算部が、固定値制御からフィードバック制御に切り替えられてから、静定時にモータ３の目標速度が得られる固定値を出力するとともに通常のＰＩＤ演算を行い、上記切り替え後、実際の偏差を用いた通常のＰＩＤ演算を一回行うのに要する所定時間経過した後に、ＰＩＤ演算部からの出力を固定値からＰＩＤ演算結果に切り替える構成も考えられる。モータ制御装置がハードウェア構成であれば、上記所定時間は「動作クロック基準で何クロック後に演算処理可能」と確定できるが、ソフトウェア構成とした場合、例えば割込処理等により遅延する可能性があり、上記所定時間は確定できない。また、上記所定時間にマージンを充分に設けることも考えられるが、マージンとしてとった時間が、１回の演算処理時間の数倍あった場合、演算結果が所望値と大きく異なることになる。なぜなら、演算は累積されるため、固定出力で目標値との差分があるまま演算を続けると、演算を重ねる度に演算結果はずれてしまうからである。

それに対し、本モータ制御装置１では、フィードバック制御への切り替え後において、ＰＩＤ演算部１２が、ＰＩＤ演算時間によらず、上記切り替え後最初のＰＩＤ演算の終了後から、実際の偏差に基づいたＰＩＤ演算結果を出力可能であるため、ハードウェア構成であるかソフトウェア構成であるかに係らず、安定してＰＩＤ演算に切り替えることができる。

（第２の実施形態）
本実施形態のモータ制御装置は、目標速度対応値を取得するイニシャルモードを有する。目標速度対応値とは、フィードバック制御への切り替え直後にＰＩＤ演算部が出力する目標速度Ｓｔに応じた値であり、イニシャルモードでは、実際に当該モータ制御装置によりフィードバック制御させた際に目標速度Ｓｔで静定したときのＰＩＤ演算部での演算結果を取得／記憶する。

例えば、イニシャルモードがＯＮされ、目標速度が「Ａ」と設定されると、モータ制御装置はＰＩＤ制御のみで動作し、静定を確認した際のＰＩＤ演算部からの出力を目標速度Ａに対する目標速度対応値として記憶する。静定は、例えば目標速度から±Ｘ％の範囲に連続してＹ秒以上止まっている場合に静定しているものと判定される。
次いで、目標速度が「Ｂ」と設定されると、同様に目標速度Ｂに対する目標速度対応値を記憶する。以下、使用する全目標速度に対して同様の処理を行うことで、マシン毎のバラツキを考慮した目標速度対応値を取得することができる。

（第３の実施形態）
第１の実施形態に係るモータ制御装置は、第１固定出力部と第２固定出力部を備えており、言い換えると、互いに異なる固定値を出力する固定出力部を２つ有する構成であった。
それに対し、第３の実施形態に係るモータ制御装置は、単一の固定出力部を有する。
なお、第１の実施形態のように固定出力部を２段構成としておくことで、モータの動き出し時の電流を抑えることができる。

（第４の実施形態）
第２の実施形態では、目標速度対応値は実際にモータ制御装置をＰＩＤ制御して動作させ取得している。これに代えて、第３の実施形態に係るモータ制御装置は、モータの負荷によって目標速度対応値が異なることに対応するため、モータの負荷の情報が入力される構成を有し、また、モータの負荷と目標速度との組み合わせと、上記目標速度に対する目標速度対応値とを対応付けたテーブルを有しており、モータの負荷の情報と目標速度の情報に基づき、上記テーブルから該当する目標速度対応値を抽出する。

１…モータ制御装置、１１…速度検出部、１２…ＰＩＤ演算部、１３…第１固定出力部、１４…第２固定出力部、１５…ＰＷＭ変換部、１６…出力選択部、２…ＣＰＵ、３…モータ、３１…モータドライバ、３２…回転子、３３…エンコーダ。

Claims (5)

1. モータの速度を検出する速度検出部と、
   前記モータの目標速度と前記速度検出部により検出された速度との偏差を用いて、ＰＩＤ演算を行うＰＩＤ演算部と、
   固定値を出力する固定出力部と、
   前記固定出力部または前記ＰＩＤ演算部からの入力を前記モータの制御信号または駆動電流に変換して出力する変換部と、
   前記ＰＩＤ演算部からの出力と前記固定出力部からの出力のいずれか一方を前記変換部に入力するかを選択する出力選択部と、を備え、
   該出力選択部は、前記モータの速度が目標速度に応じて予め定められた切替速度になるまで前記固定出力部からの出力を前記変換部に入力し、前記モータの速度が前記切替速度となった後に前記ＰＩＤ演算部からの出力を前記変換部に入力するよう切り替えを行い、
   前記ＰＩＤ演算部は、前記切り替え前から前記ＰＩＤ演算を行うものであり、前記切り替え前の前記ＰＩＤ演算では、偏差を零とし且つ演算結果を前記目標速度に応じた値で固定し、前記切り替え後の前記ＰＩＤ演算では、偏差として実際の偏差を用いることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記目標速度に応じた値は、予め当該モータ制御装置を動作させた際に当該目標速度で静定したときの前記ＰＩＤ演算部での実際の演算結果であることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記固定出力部は、それぞれ異なる固定値を出力する第１の固定出力部と第２の固定出力部を有し、
   前記第１の固定出力部からの出力は前記第２の固定出力部からの出力より小さく、
   前記固定出力部は、前記モータの速度が前記切替速度より低い所定の速度になるまで、前記第１の固定出力部からの出力を出力し、前記所定の速度となった後から前記第２の固定出力部を出力することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. 前記モータはインナーブラシレスモータであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
5. 前記制御信号はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式の信号であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のモータ制御装置。

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