JPH02206382A - トルク制御装置 - 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〕 本発明は移動体のトルク制御装置に関し、特に運転時に
出力トルクが変動してはならない制御機器、例えば、Ｖ
ＴＲ用のリールモータ等に適用されるものである。

〔従来の技術〕

ＶＴＲ（ビデオテープレコーダ）のテープ走行系におい
て、テープは一定のトルクで巻き取られることが必要で
あり、このため、テープを巻き取るリールモータはテー
プのテンシコン制御（モータではトルク制御）が行なわ
れている。テープのテンションに変動があると、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又交数が回転子の位置に
よって異なり、これに起因してトルクリップルが発生し
、トルク制御に悪影響を与える。

今、駆動相のコイルの磁束又交数をＫ（θ）（θは移動
体の位置）とすると発生トルクは、Ｋ（θ）、Ｉ（Ｉは
コイルに流す電流）となり、電流が一定の場合、磁束又
交数と同しＫ　（ｆＪ）に比例してトルクリップルを発
生する。

上記トルクリップルを補正する方法として、回転体の回
転子位置に応じて電流をＩ／Ｋ　（０）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Ｉ／Ｋ　（ｆＪ
）の情報をＲＯＭ　（Ｒｅａｄ　０ｎｌｙにｅｍｏｒｙ
）に記憶させておき、回転位置に対応したＲＯＭからＩ
／Ｋ　（０）の情報を得て、電流指令をＩ／Ｋ（θ）・
Ｉ２に補正することにより一定トルクを得るものである
。

〔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、磁束又交数の変化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Ｉ／Ｋ（θ
）を個々のモータにおいて正確に検知するのが困運であ
る。

更にコア付きモータにあっては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ＲＯＭの固定
データに基づいてトルクリップル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わからない場合
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
プルを減じることができ、又、必要なＲＡＭを最小限に
押えた移動体のトルク制御装首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１代表的なものと
して、例えば、移動体と、この移動体のトルクを検出す
るトルク検出要素と、このトルク検出要素から得られた
トルク検出信号と外部より与えられたトルク指令信号の
関係から適切な電流あるいは電圧を前記移動体に付与す
るトルク制御手段を具備するものにおいて、前記トルク
制御手段は、指令トルク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、マイクロコンピ
ュータ（ＭＣ）とを含み、かつ前記マイクロコンピュー
タは前記トルク検出回路から得られたトルク変動モード
に内在する調波成分検出手段を含み、更に、これによっ
て検出された調波成分を減じる補正値を前記ドライバに
付与する電流あるいは電圧に加える機能、あるいは、調
波成分を減じるように制御ゲインを検出された調波で変
化せしめること機能を持つことによって達成できる。

〔作用〕

前記構成で、調波成分検出手段は、電動機のトルクの変
動モードに内在する調波成分を検出できるので、これに
よって検出された調波成分を除去あるいは減じるように
、電子的手段（マイクロコンピュータ）によってドライ
バに付与する電流あるいは電圧を調整することができる
。

〔実施例〕

以下１本発明の実施例について説明する。

第２図は、移動体をブラシレスモータとしたトルク制御
装置（テンション制御を含む）の一実施例を示す。Ｍは
移動体になるモータで一回転内で周期的にトルク変動を
生じる欠点を持つ。このモータは回転型、直進型いずれ
でも良く、更にブラシの有無は問わないが、ブラシレス
の方が都合が良い。また、モータは磁気テープ等を負荷
とし、かつ、磁気テープのテンションはテンションでセ
ンサＴよりアナログ−デジタル変換器ＡＤを介してマイ
クロコンピュータＭＣに取り込まれる。

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子的に検出し、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。

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（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＣｕｒｒｅｎｔ　Ｒｅｇｕ
ｌａｆｏｒ）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持つ。

Ｃ０ＵＮＴは位置検出回路で実際はカウンタで構成され
る。トルク制御手段Ｃは前記のマイクロコンピュータＭ
Ｃ１自動電流調整回路ＡＣＲ、ドライバ（インバータ）
ＩＮＶ、位置検出回路で主要部が構成される。そして、
テンションセンサで得られたテンション信号をマイクロ
コンピュータＭＣに伝え、磁極位置検出器ｐｓがらの信
号を同じくマイクロコンピュータＭＣとドライバＩＮＶ
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３図に示した内部機能を
有する。すなわち、演算部ＡＬＵ、ＤＡコンバータＤＡ
および記憶部ＭＲＹを具備している。

演算部ＡＬＵではテンションセンサからのテンション信
号を受け、テンション指令と比較し、テンション偏差を
算出する。次いで、これによって算出されたテンション
偏差に基づき、ＰＩ副制御よって電流指令算出され、Ｄ
Ａコンバータを通シテ電流指令が自動電流調整回路に入
力される。

記憶部ＭＲＹは主としてプログラムを内蔵したＲＯＭと
書き替えが可能なＲＡＭより構成される。

演算部ＡＬＵではさらに、前記で検出されたテンション
信号に内在す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モータ内で
テンションリプルを生じさせる例えば第３次、第５次調
波成分等を対象に行うものである。尚、前記のカウンタ
Ｃ０ＵＮＴは外付けで示しているが、マイクロコンピュ
ータＭＣ内蔵のものでも良い。

第１図は本発明に係るテンション（トルク制御も同じ構
成で達成できる）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、外部から与えられたテンション
指令Ｔｓと、テンションセンサから得られたテンション
信号Ｔｆとの差からテンション偏差信号Ｔｅを算出し、
比例、積分制御（ＰＩ副制御処理後に新たな電流指令Ｉ
ｓを出力する。電流制御系はハードで構成され、電流指
令Ｉｓと電流トランスＣＴから得られた電流検出値Ｉｆ
とから電流誤差Ｉｅを算出し、ドライバであるインバー
タＩＮＶ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１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１図破線部で示した新規な要素である調波
成分検出、補正手段１０を有する。

つまりテンション信号Ｔｆ、あるいはテンション誤差Ｔ
ｅに内在する任意の調波（周波数）成分を算出し、これ
に比例制御（Ｐ制御）、もしくは比例積分制御（ＰＩ副
制御によって補正信号を作成し、これを電流指令に加え
てＩｓとするものである。一般に補正すべき調波成分は
複数あるため、第１図で示した調波成分検出、補正手段
が複数存在することになる。

第４図にモータＭの１回転当りにおけるトルク変動状況
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、テンション制御のための演算は１パルス
間隔において１回行なうものである。

以下、調波成分検出、補正手段１０の原理について説明
する。

一般にテンションＴｆ（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。

但し、ＴＯ：直流分ｙａｎ：正弦項係数。

ｂｎ　二余弦項係数 そして、任意の周波数成分に対するｎ。ｔａｎｌｂｎの
絶対値は次式で表わされる。

１回転当りＮｋ個のパルスを発生するエンコーダＥを用
いた第４，５図の例において、１回転にｎ　ｔ　Ｐ　Ｐ
　Ｒ（Ｐｕ１．ｓｅ　Ｐｅｒ　Ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）
のテンション変動分は次式で求められる。

但し、Ｎに・・・１回転当りのパルス数＋ＴｆｎＳｎ番
目のテンション 更にｒｚＰＰＲのテンション変動Ｔは次式で求められる
。

第４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、これを繰り返す。

計算の起点は回転子の基準位置に取る。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ことも可能であ
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。

以上の原理をもとに第１図では１つの変動成分に着目し
て、正弦項係数、余弦項係数の２つに分けて行った例を
示す。それぞれ（５）、　（６）式より正弦項係数と余
弦項係数とを算出し、これらの係数を指令正弦項係数、
余弦項係数を０として、比例、積分制御して補正正弦項
係数Ｃｉ、補正余弦項係数Ｄｉを算出し、さらに被駆動
部の位置に応じた正弦値と余弦値とを乗じて補正信号を
作りだす方式を示す。

つまり、テンションセンサから得られたＬ個のテンショ
ン情報より任意調波のテンションムラの正弦項係数Ａ　
Ｎ　ｔを 余弦項係数ＢＮＩを で算出し、これらの係数を指令余弦項係数、指令余弦項
係数をＯとして比例、積分制御して、補正正弦項係数Ｃ
ｉ、補正余弦項係数Ｄｉを算出する。

積分制御の例を次式で示す。

Ｃｉ　　（ｎ）　＝Ｃｉ　（ｎ−１）　＋に−ＡＮｔ＝
ｌｌＯ）Ｄ　ｉ　　（ｎ）　＝Ｄ　ｉ　　（ｎ　−１）
　＋に−ＢＮｉ−（１１）さらに、両者に角度に対する
正弦値と余弦値をそれぞれ乗算した後、加算して補正信
号とする。つまり、正弦項と余弦項とに分けて計算する
ことによって計算が容易となる。従って、Ｔ　（ｎ）の
補正値は となる。

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、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することができる。

次に第５図および第６図に基づいてテンションリプルを
押える手法について説明する。この図はテンションリプ
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、第１図の調波成
分検出、補正手段１０を複数個持つことによってリプル
を除くことができる。テンションリプルは、テンション
センサより、第５図（ａ）に示す波形として検出できる
。

テンションリプルの零クロス点は第４図に示すように計
算開始位置で基準位置ＨＰより通常θｎだけ遅れる。一
般に補正信号はテンションリプルの逆相として補正すれ
ば良いが、テンションセンサ、電流制御系に遅れがある
場合等は補正信号を第４図（ｂ）で示すようにテンショ
ンリプルに対してθｎ１だけ進ませると良くなる。

第５図に本発明のテンションリプル低減の具体的手法を
示している。（ａ）はテンションセンサから得られたテ
ンションリップルを示す。（ｂ）はエンコーダのパルス
で、１ケのエンコーダパルスで１回のテンション検出を
行うことを示している。（ｃ）はそれぞれのパルス間隔
毎に求められたテンション信号、（ｄ）はテンションリ
プルの基本渡分、（ｅ）は同じく（ｃ）から求められた
テンションリプルの第ｎ吹成分である。これらの（ｄ）
およびＣｅ）の調波成分は前述の算出式によって計算さ
れる。また、デジタルフィルタによる計算によっても算
出することができる。

（ｆ）および（ｇ）はそれぞれの調波における補正信号
であり、これによってテンションリプルを打ち消す、あ
るいは減じることができる。

第６図は以上のテンション制御の一方式を示す。

テンション制御はエンコーダのパルス周期（あるいはそ
の整数倍）で行う。補正制御のサンプリング周期はテン
ション制御の周期より長くする。これはテンション制御
のサンプリングＴ１ないしＴＫ個のテンション情報に基
づき、それぞれのテンション制御の領域内で前記式（５
）ないしく７）に従って、テンションリプルの位相と絶
対値を算出し、Ｔにの後に新たな補正信号を生成するも
のである。

つまり、ＴｓからＴＫ個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、ＴｌないしＴに個の独立したテンション情報
を個々のＲＡＭ領域に格納する必要がないので低周波成
分の場合においてはＲＡＭ容量を大巾に低減できる。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良い。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って、応答が著しく
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トを示している。

図面を参照し説明すると、ステップ■および■でテンシ
ョン指令Ｔｓおよびテンション信号Ｔｆを取込み、ステ
ップ■で前記取込まれたテンション指令Ｔｓと実際のテ
ンションＴｆからテンション誤差Ｔｅを計算しくＴｅ＝
Ｔｓ−Ｔｆ）更にステップ■でＰ制御のための比例項Ｐ
をＰ＝に−Ｔ　ｅで計算する。次にステップ■ではテン
ションリプルの周波数成分の係数を式（５）、式（６）
を使って行ないＡＮＩ（ｎ）、　ＢＮｔ（ｎ）の計算を
進める。このＡｓｘ（ｎ）、　ＢＮｘ（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）１式（６）のＮＫ、ｎｔの除去を行
って、ステップ■でテンションリプルの正弦項係数Ａ　
Ｎ　ｉ、余弦項係数ＢＮ１として記憶要素（ＲＡＭ）に
記録し、登録する。一方、■では補正信号の正弦項係数
Ｃｉ　　（ｎ）、余用項係数Ｄｉ（ｎ）を、式（１０）
、　（１１）を使って算出する。

■は電流指令Ｉｓの計算で、■で求めた比例項の計算に
式（１０）で求めた補正値を加えた値となる。

以上１本発明の一実施例を示したが、本発明は単に上記
実施例にのみ限定されるものではなく、例えば、第１図
において、自動電流調整回路ＡＣＲがない構成でも可能
であり、（その場合は電圧指令としてドライバに出力さ
れる）。また、調波成分検出手段としてデジタルフィル
タを使っても可能である。

第８図に本発明の他の実施例を示す。第１図と同一の記
号は同一の構成を示す。モータＭの電流とトルクに比例
の関係があり、自動電流調整回路ＡＣＨの応答が早い場
合には、第１図は第８図で示すようにテンションセンサ
Ｔが省略できる。この場合、テンションリプルの情報は
リールモータＭの速度から得ることができる。従って、
第８図に示すようにモータＭのエンコーダから、Ｆ／Ｖ
変換（ソフトで対応可）することで速度情報を得る。こ
の速度より次式（１）〜（１２）の計算式を使って、同
様のテンションリップルの補正を行うことが可能である
。

以上は、テンション制御系についての実施例を説明した
が、本発明はテンションに係わらず、モータトルク、電
流（トルクに比例）制御等に利用できる。また、上記実
施例では補正成分を加算する方式で説明したが、テンシ
ョン制御系のゲインＫを位置に対してテンションリプル
の周波数で変化せしめる方式でも有効であり、この場合
、負荷が変った時のりプル補正はすぐ対応できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、回転位置に依存しない安定な定テンシ
ョン、トルク制御が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図は基本ブロ
ック図、第３図はマイクロコンピュータの内部構造図、
第４図はテンションリプルと補正信号の関係数、第５図
はテンションリプルを相殺する原理図、第６図はサンプ
リング周期を示す図、第７図は本発明のフローチャート
、第８図は他の実施例を示す図である。 Ｍ・・・モータ、Ｅ・・・エンコーダ、Ｃ０ＵＮＴ・・
・速度検出回路、ＡＤ・・・アナログデジタル変換器、
ＡＣＲ・・・自動電流調整回路、ＭＣ・・・マイクロコ
ン第 図 第 図 第 図 第５図 第６図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、移動体と、この移動体のテンションを検出するトル
   ク検出要素と、このテンション検出要素から得られたト
   ルク検出信号と外部から与えられたトルク指令信号の関
   係から適切な電流あるいは電圧を前記移動体に付与する
   トルク制御手段を具備するものにおいて、前記トルク制
   御手段は、指令トルク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、マイクロコンピュ
   ータ（ＭＣ）とを含み、かつ前記マイクロコンピュータ
   は前記トルク検出回路から得られたトルク変動モードに
   内在する調波成分検出手段を含み、更に、これによつて
   検出された調波成分を減じる補正値を前記ドライバに付
   与する電流あるいは電圧に加える機能、あるいは調波成
   分を減じるように制御ゲインを検出された調波で変化せ
   しめる機能を具備させたことを特徴とするトルク制御装
   置。 ２、特許請求範囲第１項記載の補正値あるいは、制御ゲ
   インの調波は、検出された調波成分の逆相から算出され
   たことを特徴とするトルク制御装置。 ３、特許請求範囲第１項記載において、トルク制御手段
   はトルク検出要素から得られたトルク変動モードに内在
   する複数の調波成分検出手段を含み、検出された調波成
   分毎に比例、積分制御（以下、ＰＩ制御と言う）して補
   正値の算出、制御ゲインの変化を行ならしめたことを特
   徴とするトルク制御装置。 ４、特許請求範囲の第３項において、トルク検出要素か
   ら得られたＬ個のトルク情報より任意調波のトルク変動
   の正弦項保数▲数式、化学式、表等があります▼ Ｓｉｎθ＿ｎ、余弦項保数▲数式、化学式、表等があり
   ます▼ Ｓｉｎθ＿ｎを算出し、これらの係数を指令正弦項係数
   、指令余弦項係数を０として比例積分制御し、補正正弦
   項係数Ｃｉ、補正余弦項係数Ｄｉを算出した後、両者に
   角度に対する正弦値と余弦値をそれざれ乗算した後、加
   算して補正信号もしくは制御ゲインとしたことを特徴と
   するトルク制御装置。 ５、特許請求範囲の第１項において、移動体の移動速度
   を検出する速度検出要素を備え、該速度検出要素から得
   られた調波成分検出手段を含み、これによつて検出され
   た調波成分を減じる補正値を前記ドライバに付与する電
   流あるいは電圧に加える機能、あるいは調波成分を減じ
   るように制御ゲインを検出された調波で変化せしめる機
   能を具備させたことを特徴とするトルク制御装置。 ６、特許請求範囲の第１項において移動体は磁気テープ
   の走行系であることを特徴とするトルク制御装置。