JPH01308184A - 移動体の速度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は移動体の速度制御方法に関し、特に運転時に速
度変動してはならない制御機器、例えばＶＴＲ用モータ
等に適用されて顕著な効果を発揮するものである。

〔従来の技術〕

ＶＴＲ（ビデオテープレコーダ）用の駆動モータの速度
は一定であることが望まれている。速度変動（回転ムラ
、速度リシプル、トルクリップル）があると、画像が乱
れ、ＶＴＲとしての信頼性。

品位が著しく損なわれてしまう。

従来この種装置は直流モータを主として使用していたが
、近年では速度を自由に、しかも簡単に変えることがで
きるブラシレスモータを採用する例が増加している。

ブラシレスモータは機械的なブラシがないのでブラシや
コンミテータの摩耗あるいは摩耗粉による種々の問題点
が除去される反面、１２０度通電方式のブラシレスモー
タにおいては通電コイルの磁束叉交数が回転子の位置に
よって異なり、これに起因してｌヘルクリップルが発生
し、運転時の回転ムラ（速度変動）となる。

今、駆動相のコイルの磁束叉交数を Ｋ（θ）（０は移動体の位置） とすると、 発生トルクは、 Ｋ　（０）　■　（、Ｉはコイルに流す電流）となり、
電流が一定の場合、磁束叉交数と同じくＫ（０）に比例
してトルクリップルを発生する。

一方、回転体の回転位置に応じて電流を１／ＫＯにする
例が特開昭５５−７９６９４号公報に開示されている。

この方法は、予め回転体の回転位置に対応した１／Ｋ（
θ）の情報をＲＯＭ　（Ｒｅａｄ　０ｎｌｙ　Ｍｅｍｏ
ｒｙ）に記憶させておき、回転位置に対応したＲＯＭか
ら１／Ｋ　（ｔｌＪ）の情報を得て、電流指令を１／Ｋ
（θ）・工τに補正することにより一定のトルクを得る
ものである。

又、コアを有するブラシレスモータではコギングトルク
によっても大きな回転むらが発生する。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記公開公報記載の発明において、磁束叉交数の変化Ｋ
（θ）は、永久磁石の着磁状態、コイルの配置や巻装状
態のバラツキによって変化するために、補正信号１７Ｋ
（θ）を個々のモータにおいて正確に検知するのが困難
である。

更に、コア付きモータにあっては前記のコギングトルク
が発生するが、このコギングトルクの大きさや位相が着
磁のバラツキ、組立誤差により大きく変動するのでＲＯ
Ｍの固定データに基づいてトルクリップル、速度変動を
完全に補正することは不可能である。

コギングトルク、トルクリップルが予め判らない場合は
、回転子の位置に対応して独立の速度制御用の積分項を
設け、回転子の位置に応じてこれらの積分項を順次切換
えてゆく学習制御の手法によりトルクリップルを押える
ことは可能である。

しかし、この手法によれば、周波数発電機ＦＧ（Ｆｒｅ
ｑｕｅｎｃｙ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）のパルス数に応じ
たランダムアクセスメモリＲＡＭ　（Ｒａｎｄｏｍ　Ａ
ｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）が必要であり、複雑かつ高価
になるという問題点を有している。

本発明は、制御対象物が変った場合でも簡単にトルクリ
ップル、速度変動を減じることができ、又、必要なＲＡ
Ｍを最小限に押えた移動体の速度制御装置を得ることを
目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的は、種々の解決手段があるが、代表的なものと
して、例えば、移動体と、この移動体の移動速度を検出
する速度検出要素と、この速度検出要素から得られた速
度検出信号と外部から与えられた速度指令信号の関係か
ら適切な電流あるいは電圧指令を前記移動体に付与する
速度制御手段を具備するものにおいて、前記速度制御手
段は、指令速度に応じた大きさの電流あるいは電圧を付
与するドライバ（ＩＮＶ）と、前記速度検出要素からの
信号から速度を検出する速度検出回路（ＣＯＵＮＴ’）
と、前記速度指令信号と前記速度検出回路（ＣＯＵＮＴ
）から得られた速度信号を比較処理して適切に前記ドラ
イバ（ＩＮＶ）を駆動させるマイクロコンピュータ（Ｍ
Ｃ）とを含みかつ前記マイクロコンピュータは、比例、
積分等の速度制御を行うとともに、前記速度検出回路か
ら得られたＬヶの速度情報より任意調波の回転ムこれら
の係数を指令正弦項係数、余弦項係数をＯとして比例、
積分制御して、補正余弦項係数Ｃ１、補正余弦項係数Ｄ
Ｉを算出した後、合成信号Ｅ１をＥｔ＝Ｃｔ　５ｉｎ−
ｉ（ｆｌｌｎ＋θｔ）＋Ｄｔ　ｃｏｓ−ｉ（Ｏｎ＋０１
）なる式により算出して、電流指令ならびにトルク指令
を補正する構成とすることによって達成できる。

〔作用〕

前記構成で、速度ムラの中の任意の調波成分に対して、
正弦項と余弦項の別々に分けて演算し、かつ、その正弦
項係数、余弦項係数に比例積分制御を行った後、合成補
正信号を作ることによって計算式を容易にするとともに
、従来例で示した種種の欠点が克服でき、低トルクリッ
プルの移動体の制御装置を提供しうる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例について説明する。

第１図は移動体をブラシレスモータとした速度制御装置
である。

Ｍは移動体になるモータで１回転内で周期的にトルク変
動、速度変動する。このモータＭは回転形、直進形いず
れでもよく、更にブラシの有無は問わないが、ブラシレ
スの方が都合がよい。又、モータは負荷と結合され、負
荷との結合において速度変動するものも移動体と称する
。ＰＳはモータＭの特に回転子の位置を検出する磁極位
置検出器で、これはモータＭの相電流を切換えるのに用
いられる。モータの内部構成については図示していない
が、ブラシレスモータは回転子の位置を電予約に検出し
、回転子の位置に応じて選択された二つの相巻線に電流
を流すよう通常構成されている。ＥはモータＭの回転軸
に取付けたエンコーダ等から成る速度検出器である。速
度検出器はエンコーダの外に周波数発電機、タコジェネ
レータ。

パルスジェネレータ等が採用され得る。

ＩＮＶはモータを駆動するドライバであるインバータで
通常６個のスイッチング素子で正、負それぞれ３個のア
ームを構成させ、選択された二つの相巻線に電流を流し
、又、その大きさを変えられるものである。ＡＣＲは自
動電流調整回路（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ−Ｃｕｒｒｅｎｔ
　Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）で電流トランスＣＴで得られた
電流検出値を受けるよう構成している。ＭＣはマイクロ
コンピュータで後述する機能をもつ。Ｃ０ＵＮＴは速度
検出回路で、実際はカウンタから構成されており、一定
のサンプリング時間で検出されたパルス数あるいはパル
ス間隔を検出することによって行なわれる。速度制御手
段Ｃは前記のマイクロコンピュータＭＣ１自動電流調整
回路ＡＣＲ、ドライバ（インバータ）ＩＮＶ。

速度検出回路Ｃ０ＵＮＴで主要部が構成される。

そして、速度検出回路Ｃ０ＵＮＴで得られた速度をマイ
クロコンピュータＭＣに伝え、磁極位置検出器ＰＳから
の信号を同じくマイクロコンピュータＭＣとドライバＩ
ＮＶに伝え、マイクロコンピュータＭＣは前記信号を処
理してドライバのスイッチング素子のオン、オフ制御と
、電流値の大きさを調整するように機能する。

マイクロコンピュータＭＣは第２図に示した内部機能を
有する。すなわち、演算部ＡＬＵ、カウンタＣＮＴ、Ｄ
／ＡコンバータＤＡおよび記憶部ＭＲＹを具備している
。カウンタＣＮＴはエンコーダＥからのパルス信号の周
期を計り、これの逆数として速度を検出する。演算部Ａ
ＬＵではカウンタからの信号を受け、記憶部ＭＲＹのＲ
ＯＭに記憶させている指令速度と比較し、速度誤差を算
出する。次いで、これによって算出された速度誤差に基
づき補正信号を作成する。そして、この補正信号を随時
記憶部ＭＲＹのＲＡＭに記憶し、新規なデータに順次更
新する。更に、演算部ＡＬＵでは前記で検出された実際
のモータＭの速度モードに内在している調波成分を検出
する要素を有している。又、この調波成分の検出は基本
波成分と特に１〜ルクリツプルを生じさせる例えば第３
次あるいは第５次調波成分等を対象にして行なうもので
ある。尚、前記カウンタＣＮＴは外付けのものを示して
いるが、マイクロコンピュータＭＣ内蔵のものでもよい
。

第３図は速度制御装置の具体化されたブロック図である
。この図において速度信号は、速度検出器（エンコーダ
）Ｅのパルス間隔に入る基準発振器（マイクロコンピュ
ータに内在するクロック又はカウンタ）のパルス数を数
え、これの逆値をとることによって検出され、これによ
って得られた速度信号ｎ、はマイクロコンピュータに取
込まれる。マイクロコンピュータ内ではソフト的な処理
手法によって、速度指令ｎ８と速度信号ｎ！の差から速
度偏差信号ｎｅを算出し、比例・積分制御（Ｐ工制御）
処理後に新たな電流指令工、を出力する。電流制御系は
バー１くで構成され、速度指令＝１１− ｎｓに基づいて与えられた電流指令Ｉｓと電流トランス
ＣＴから得られた電流検出値工□とから電流誤差■ｅを
算出し、自動電流調整装置ＡＣＲを介してモータＭに電
流を付与するように構成される。尚、第３図ではインバ
ータが省略されている。

これらの全体的な構成は従来知られているものであるが
、本発明は第３図破線枠で示した新規な補正信号発生手
段１０を有する。つまり、速度信号ｎｚ、あるいは速度
偏差信号ｎｅに内在する任意の調波成分の正弦項係数と
余弦項係数を別に算出し、これを指令値を零としてＰＩ
（比例、積分）制御を行った後、位置に対する正弦値な
らびに余弦値を算出して補正信号を作り、これを前記の
電流指令Ｉｓに加えるものである。図示では、１ケの調
波についての例で示したが、複数の調波成分に対して同
様の補正信号発生手段を持つと本発明の効果はさらに発
揮しうる。

第４図にモータＭの１回転当りにおける速度変動状況を
示す。１回転当りのエンコーダＥが発生するパルス数は
ＮＫであり、速度検出のための演算は１パルス間隔にお
いて１回行なうものである。

速度ｎ１はエンコーダＥのそれぞれのパルス間隔に入る
マイクロコンピュータ内蔵の基準発振器のパルス数の逆
数で求めることができる。実際は速度検出のカウンタで
計測し、速度信号ｎ、は第４図に表わされる。

一般に速度ｎ！（θ）は次式に従ってそれぞれの周波数
成分に展開することができる。

ｎ＝１ ・（１） 但し、ｎＱ・・・直流分、ａｎ・・・正弦の係数、　ｂ
ｎ・・・余弦の係数。

そして、任意の周波数成分に対するｎｏ　Ｉ　ａｎ　ｇ
ｂｎの絶対値は次式で表わされる。

２　π　−π ２　π　−π １回転当りｎｅｔ個のパルスを発生するエンコーダＥを
用いた第４図の例において、１回転にｎＩＰ　Ｐ　Ｒ（
Ｐｕｌｓｅｓ　Ｐｅｒ　Ｒｅｖｏｌｕｔｊｏｎ）の速度
変動分は次式で求められる。

・・（５） ・・（６） 但し、Ｎ、・　１回転当りのパルス数、ｎｚｎｎ番目パ
ルスとｎ−１番目のパルス間の速度、更に、ｒｚ　ＰＰ
Ｒの速度変動Ｎは次式で求められる。

・・（７） 第３図には１回転分について示しであるが、次の回転に
ついても同様の変動モードを示し、これを繰かえす。

計算の起点は回転子の基準位置である。基準位置はエン
コーダＥによって与えられる基準信号、又は、ブラシレ
スモータの場合はホール素子によって与えられる回転子
の磁極位置検出信号を利用して検知するようにしている
。尚、直流機でエンコーダ等を用いないものにあっては
基準位置を別に設け、任意の位置を設定するように構成
してもよい。

前述の手法においては、正弦波あるいは余弦波情報を必
要とするが、これはＲＯＭに予め格納しておくことで対
処できる。又、後述のように、ブラシレスモータの各相
に流す電流を正弦波状に与えるドライブ方式を取入れて
いるものにおいては、ＲＯＭ内に既に正弦波および余弦
波情報を有しているので、これをそのまま利用可能であ
る。

次に第４図および第５図に基づいてトルクリップルを押
え、速度リップルを除去する手法について説明する。こ
の図はトルクリップルが２つの周波数成分である場合を
示しているが、多数の周波数（調波）成分がある場合で
も同様の手法にてリップルを除去することができる。多
くの場合、速度リップル、１〜ルクリツプルには複数の
周波数（調波）成分を含んでいるので、それらの周波数
成分に対し、別個に対処することになる。

速度リップル（速度変動）は、前記エンコーダＥから得
られた信号を式（５）ないしく７）に従って処理するこ
とにより、第４図（ａ）に示す波形として検出できる。

この速度リップルの零クロス点は計算開始位置である基
準位置ＨＰより通常Ｏｎだけ遅れて発生する。実際は、
この零クロス点から１回転分の検出動作を始めるもので
ある。この速度リップルを発生させる原因であるトルク
リップルは第４図（ｂ）のように速度リップルに対し逆
相で、Ｏｎｌ　だけ進んだ波形である。これは、トルク
リップルがあってもモータの慣性等の影響で速度リップ
ルとして直ちに現われないことから理解される。このト
ルクリップルと逆相の第４図（ｃ）に示す補正信号をト
ルク指令あるいは電流＝１６− 指令に加えることにより、トルクリップルを除去でき、
速度リップル（変動）を押えることができるものである
。前記１１１ｎｔはサーボ系のゲイン、モータのイナー
シャ、トルクリップルの周波数等によって異なるが、低
周波数成分の場合は無視できる程度である。従って一般
には前記系のゲイン等を考慮してＱｎｌを計算し与える
のが好ましいが、Ｏｎｉが非常に小さい場合は、単に速
度リップルと逆相の補正信号を与えても相当の効果を期
待することが出来るし、あるいは低速・低周波数の場合
は満足すべき効果を達成することができる。

第５図に本発明の速度リップル低減の具体的手法を示し
ている。（ａ）はモータの実際の速度変動モードを示す
。（ｂ）はそれぞれのパルス間で１回の速度検出を行な
うことを示している。（ｃ）はそれぞれのパルス間隔毎
に求められた速度信号（電流信号）のデジタル的に階段
状になる。（ｄ）は（ｃ）の速度信号から求められた速
度信号の基本波成分（−吹成分）である。（ｅ）は同じ
く（ｃ）から求められた速度信号の第ｎ吹成分である。

これらの（ｄ）および（ｅ）の調波成分は既知の周波数
分析器により簡単に求めることができる。このように調
波成分が求められるので（ｆ）および（ｇ）に示す補正
信号（電流）を加えることによりこれらの調波成分は相
殺され、消滅するので、これに起因する１−ルクリップ
ル（速度リップル）は消滅あるいは減じることができる
。

第６図はこれらの速度制御系をデジタル方式で構成する
一例を示す。一定速度で回転させねばならないＶＴＲ用
モータ等において速度制御を行う間隔はエンコーダある
いは周波数発電機ＦＧから得られるパルス周期あるいは
その数倍の間隔で行うのが一般的である。前記第５図の
例はパルス周期と速度制御の周期を等しくした場合を示
すもので、Ｎｈ回目の速度制御のための計算に際しては
Ｎｋ−ｓ回目のエンコーダあるいは周波数発電機の信号
周期の情報をテークとして使用する。一方、補正制御の
サンプリング周期は速度制御の周期より長くするのがよ
い。これは、速度制御のサンプリングＮ１ないしＮｈ個
の速度情報に基づき、それぞれの速度制御の領域内で前
記式（５）ないしく７）に従って速度リップル（変動）
の位相と絶対値を算出し、Ｎｋの後に新たな補正信号を
生成するものである。つまり、Ｎ工ないしＮ、の間は同
一の位相と絶対値として補正信号を作成するのが簡便で
ある。特に、この手法によれば、Ｎ１ないしＮｋの独立
した速度情報を独立して個々のＲＡＭ領域に格納する必
要がないので低周波数成分の場合においてはＲＡＭ容量
を大幅に低減できる。一方、内在する周波数成分が多い
場合、前記補正制御の周期はそれぞれの周波数成分毎に
変えた方がよい。

特に、高い周波数成分に対してはその周波数成分に補正
制御の周期を好ましい周期にすることにより、応答性が
著しく向上するので積極的に変えるべきである。

第７図は前述した本発明の手法をマイクロコンピュータ
によって実行するためのフローチャー１〜を示している
。図面を参照し説明すると、ステップ■および■で速度
指令ｎ３および速度ｎ、を取込み、ステップ■で前記取
り込まれた速度指令ｌ９− ｎｓと実際の速度ｎ、から速度誤差ｎ。を計算（ｎｅ　
＝ｎｓ−ｎｚ）　し、更にステップ■でＰ制御のための
比例項ＰをＰ　”　Ｋ　ｎ　ｅで計算する。次にステッ
プ■にて速度リップル（変動）の周波数成分の係数計算
を式（５）、　（６）に従って行ない、Ａ　Ｎ　５（ｎ
）、ＢＮＩ　（ｎ）を求める。このＡＮｌ　（ｎ　）　
！ＢＮｔ（ｎ）は最終値ではなく途中経過の値である。

ステップ■では１回転まで計算したかどうかを判定し、
１回転までの計算が終了した場合、式５゜弐６の１’Ｊ
＋ｔ、ｎ＋　の除去を行って、ステップ■で速度リップ
ル（回転ムラ）正弦項線数Ａ　（ｎ）、余弦項係数Ｂ　
（ｎ）として記憶要素（ＲＡＭ）に記録し、登録する。

一方、補正信号の正弦項線数Ｃ（ｎ）　、余弦項係数Ｄ
　（ｎ）は、前回の補正信号の正弦項線数Ｃ（ｎ−１）
、余弦項係数Ｄ（ｎ−１）、また指令の正弦項線数、余
弦項係数をＯを使って、■で算出する。■においては、
前記の正弦項線数の位置に対する正弦値と、余弦項の位
置に対する余弦値をそれぞれ乗算した後加算して補正信
号とし、さらに比例項の値を加えて、電流指令として出
力する。これが本発明を実施するための一手法である。

なお、第７図は１回転の速度情報から補正信号を作る例
を示したが、本発明はこれに限定するものでなく、一般
にＬ個の速度情報（１回転のエンコーダ信号より多くて
も少なくても良い）から求めても十分本発明の効果は発
揮できる。

〔発明の効果〕

本発明は前述のように、移動体と、この移動体の移動速
度を検出する速度検出要素と、この速度検出要素から得
られる速度検出信号と外部から付与した速度指令信号と
から指令された速度で移動体を移動させるために適切な
電流あるいは電圧を移動体に付与する速度制御手段とを
具備し、この速度制御手段は前記速度指令信号に応した
電流あるいは電圧を付与するドライバと、前記速度検出
要素から得られた信号に基づいて速度を検出する速度検
出回路と、これらの速度指令信号と速度検出回路から得
られた速度信号を比較処理して前記ドライバを適切に駆
動するマイクロコンピュータとを含むものにおいて、こ
のマイクロコンピュータは比例、積分の速度制御を実行
できる要素を含み、前記速度検出回路から得られる複数
個（Ｌ個）の速度情報に基づいて任意調波の回転ムラの
正弦項係数ＡＮＩを、 ＡＮ１＝にΣＶｎｓｉｎｌ：Ｉｎ ｎ＝１ 同しく回転ムラの余弦項係数ＢＮ１を、１＋ ＢＮＩ：にΣＶｎｃｏｓθ。

ｎ＝］ から算出し、これらの係数を指令正弦項係数および余弦
項係数を零として比例・積分制御して補正余弦項係数Ｃ
５および補正余弦項係数ＤＩを算出し、これらの係数Ｃ
ＩおよびＤＩ　に角度に対する正弦値と余弦値をそれぞ
れ乗算し、これによって得られた両値を加算して補正信
号を作成し、この補正信号に応じて前記トライバを駆動
し、前記移動体を指令された速度に合うように運転する
方法としたので、移動速度変動あるいは回転ムラの小さ
い速度制御装置を提供することが出来るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本ブロック図、第２図はマイクロコ
ンピュータの内部構造図、第３図は補正信号作成手段を
含む回路構成図、第４図はエンコーダ信号と速度信号の
関係を示す図、第５図は速度リップルの相殺手法を示す
図、第６図は周波数発電機からの信号をサンプリングす
る図、第７図は速度変動を低減するためのマイクロコン
ピュータの処理フローを示すものである。 Ｍ・・電動機、ＰＳ・ポジションセンサ、Ｅ・エンコー
ダ、Ｃ０ＵＮＴ・・速度検出回路、ＭＣ・・マイクロコ
ンピュータ、ＡＣＲ・・・自動電流調整回路、Ｃ・制御
装置、ＩＮＶ　　インバータ、Ｉｓ・電流指令。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、移動体と、この移動体の移動速度を検出する速度検
   出要素と、この速度検出要素から得られる速度検出信号
   と外部から付与した速度指令信号とから指令された速度
   で移動体を移動させるために適切な電流あるいは電圧を
   移動体に付与する速度制御手段とを具備し、この速度制
   御手段は前記速度指令信号に応じた電流あるいは電圧を
   付与するドライバと、前記速度検出要素から得られた信
   号に基づいて速度を検出する速度検出回路と、これらの
   速度指令信号と速度検出回路から得られた速度信号を比
   較処理して前記ドライバを適切に駆動するマイクロコン
   ピュータとを含むものにおいて、このマイクロコンピュ
   ータは比例、積分の速度制御を実行できる要素を含み、
   前記速度検出回路から得られる複数個（Ｌ個）の速度情
   報に基づいて任意調波の回転ムラの正弦項係数Ａ＿Ｎ＿
   １を、 ▲数式、化学式、表等があります▼ 同じく回転ムラの余弦項係数Ｂ＿Ｎ＿１を、▲数式、化
   学式、表等があります▼ から算出し、 これらの係数を指令正弦項係数および余弦項係数を零と
   して比例・積分制御して補正正弦項係数Ｃ＿ｉおよび補
   正余弦項係数Ｄ＿ｉを算出し、これらの係数Ｃ＿ｉおよ
   びＤ＿ｉに角度に対する正弦値と余弦値をそれぞれ乗算
   し、これによつて得られた両値を加算して補正信号を作
   成し、この補正信号に応じて前記ドライバを駆動し、前
   記移動体を指令された速度に合うように運転することを
   特徴とする移動体の速度制御方法。 ２、前記特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、 ドライバはインバータで構成されることを特徴とする移
   動体の速度制御方法。 ３、前記特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、 補正信号の数は複数であることを特徴とする移動体の速
   度制御装置。 ４、前記特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、 移動体は正弦波電流にて駆動されるブラシレスモータで
   あつて、電流指令を与える正弦波情報を、補正信号を算
   出するための正弦波情報に用いることを特徴とする移動
   体の速度制御方法。 ５、前記特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、 ドライバはインバータであり、速度検出回路はカウンタ
   であることを特徴とする移動体の速度制御装置。 ６、前記特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、 速度検出回路はカウンタで構成され、移動体に設けられ
   たエンコーダのパルス周期の逆値から速度を検出し、こ
   の検出値に基づいて速度制御することを特徴とする移動
   体の速度制御方法。