JPH0284092A - パルス幅変調型電動機の速度制御装置 - 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】 ａ、　産業上の利用分野 本発明は、電動機の軸の上に符号器が配置され、符号器
の信号はフィードバック信号として制御ループの中で用
いられ、そしてこの信号はマイクロプロセッサを有する
制御器に供給され、マイクロプロセッサから出力側制御
線が増幅器に導かれ、増幅器は電動機に給電する、例え
ば直流電動機であるパルス幅変調型電動機の速度制御装
置に関する。

ｂ、　従来の技術 このような制御方法又は制御装置は、目標値に依存して
可及的最高の正確度を得ることに努めている。

例えばドントマトリクスプリンター直流電動機等の直流
電動機の回転数を制御する公知の制御装置では、目標値
カウンタ又は実際値カウンタが固定して入力されている
数の計数パルスをベースに動作し、第１の補助信号はサ
イクルタイムの開始の計数パルス側縁に依存して形成さ
れる（西独特許第３１２１１４８号明細書）　　ここで
は制御アルゴリズムを基礎としている。

別の解決方法（西独特許出願公開第２５５６０１４号公
報）は最小の誤差でも大きい応答感度を得ようと努め、
短い応動時間に努め、最小の振動接近連動で立上り過渡
状態（ビルドアップ）を迅速に経て目標値へ制御するこ
とに努めている。この場合にデジタル制御原理がハード
ウェアーベースで追求される。

電動機アマチュアに直流電流パルスが印加される他励界
磁形直流電動機（西独特許出願公開第３１００１７３号
公報）の回転数制御のための別の公知の方法では、パル
ス期間の間に全電気としての電機子電圧が測定され、目
標値と比較され、比較結果がその都度に次に続く直流電
圧パルスを発生するために用いられる。この制御はアナ
ログ−デジタル式のハードウェア系に基づいている。

これらの公知の提案はすべて例外なく電動機電圧のハー
ドウェアーオリエンテーションのクロック制御に基づい
ている。これは、ただ１つの制御アルゴリズムのみを許
容する融通性のないシステムである。さらに、公知の解
決方法はハードウェア素子における高いコストを意味す
る。

Ｃ９発明が解決しようとする課題 本発明の課題は、例えばマトリクスプリンタの中の印字
ヘッドそり等の加速し制動すべき組立において発生する
比較的緩慢な目標速度においてもＣＰｕにおける時間を
節約しこのようにして公知の解決方法に対してより迅速
で正確な制御に達することにある。

、３．　１に題を解決するための手段 上記課題は冒頭に記載のパルス幅変調型電動機の速度制
御装置において、制御器が符号器に接続されているマイ
クロプロセッサから成り、マイクロプロセッサはデータ
及びアドレスバスを介して制御周辺構成素子に接続され
ていることと、マイクロプロセッサにデータ及びアドレ
スバスを介して、パルス動作のオフ時間を制御するプロ
グラムが格納可能であることにより解決される。こめ解
決方法はまず可変制御を保証する。制御周辺構成素子が
さらに電動機電圧のより高い周波数を可能にし従って電
動機電流のリップルをより小さくする。このようにして
　（例えばマトリクスプリンタのための）より緩慢な目
標値速度をより正確に制御′！Ｊすることが可能となる
。しかし特に重要な利点は、ハードウェア（ＣＰｕ、　
ＰＣＩＩ）とソフトウェア　（パルス動作のオフ時間の
制御のためのプログラム）との組合せにある、何故なら
ばソフトウェアは従来のように電動機電圧のクロック制
御を引受けず、このようにして制御量のより正確な演算
のための時間が得られるからである０本発明により、基
本的にのこぎり両波形の電流変化のリップルを非常に小
さくし従って実際の上で直流特性を得ることが可能とな
る。

本発明の実施例においては、制御周辺構成素子が２進サ
イクルタイムカウンタ、サイクルタイムレジスタ、サイ
クルタイム比較器を備え、その際に固定されているカウ
ンタ状態に達すると出力信号が発生可能である。このハ
ードウェアの支持によりソフトウェアは電動機電圧のオ
ンオフ切換えに頬ねされることがなくなる。これにより
自由となった演算時間は制御器の品質の向上に寄与する
。

本発明の別のを利な実施例では、制御論理装置の中にあ
るトグルフリップフロップが直流電動機を極性反転する
供給電流で制御し、極性反転周波数は直流電動機は音響
信号発生器として動作するように、可８ｗ４域にある。

この場合に直流電動機は運動状態にない、この周波数は
ソフトウェアを介して設定され、従って希望のトーン列
は最小のプログラムコストで発生される。

本発明の別の有利な実施例では、電動機料？■レジスタ
により出力信号が損性反転可能である、すなわち直流電
動機に逆方向のｔ流で給電することが可能であり、電動
ｉｔ圧が直流電動機の制動動作をＭ　？７１するために
選択可能なオンオフ比でオンオフ＠？Ｈされる。このよ
うにして直流電動機の制動特性は最小のコストで最適に
、与えられた状態（制動路、ＩＩ慣性、温度等）に整合
されることが可能である。

ｅ、　実施例 パルス幅変調型電動機ｌ（第１図）は軸２の２つの軸端
部の１つにおいて例えばドツトマトリクス印字装置のヘ
ッド移動部１ａである負荷を駆動する。ドツトマトリク
ス印字装置は往復運動においてワイヤｌｂとワイヤ用円
盤１ｃとを介して駆動される。この場合に発生する雑音
量は制御装置により補償制御される。電動機ｌの反対側
には軸２が符号器（エンコーダ）３を支持し符号器３の
信号は制御ループにおけるフィードバック信号として用
いられ、この信号はマイクロプロセッサ５を有する制御
器に供給され、マイクロプロセッサ５から出力側制御線
６及び７　（ＭＨＩ−第１の回転方向において水平の電
動機運動、旧１２−第２の回転方向において水平の電動
機運動）は増幅器８に導かれ、増幅器８は線８ａ又は８
ｂを介して電力を電動機ｌに伝送する。

符号器３は、電動機軸２の上に光電効果形センサを存す
るスリットディズク３ａを用いて現実の回転数のクロッ
ク信号を発生する。この場合に１っのスリットは印字ヘ
ッドにおける　１／１２０’の水平行程に対応する。符
号器３はこめようにして制御ループにおけるフィードバ
ック器の役目を果たす。

制御器４の役目は電動機ｌを一定の速度で駆動すること
にある。このために増幅器８は必要な電力を供給する０
例えばヘッド移動部１ａによる質量慣性モーメントは通
常は一定の負荷であり、雑音量を発生しない、しかし変
化する負荷が種々の摩擦値により発生される。さらに、
温度が変化することが電動機ｌのトルク特性曲線を変化
させる。

制御器４はハードウェア電子装置部分とソフトウェア部
分とから成る。ハードウェアは後述のレジスタ、カウン
タ、比較器回路と、制御ループにおけるフィードバフ゛
りのための前述のクロック信号発生装置とから成る。

ソフトウェア（プログラム１１）は必要な構成素子すな
わちマイクロプロセッサ５．データバス９゜ＲＯＭ１１
ａ、ＲＡ旧１ｂ　と共働して後述のレジスタへの格納を
行い、その際に格納される値は前もって与えられている
目標値速度、制御技術的アルゴリズム機械的定数に依存
する。

制御周辺構成素子ｌＯは（部分的に）第２図に詳しく示
されている。このブロック回路図から分かるようにハー
ドウェアは、一方ではサイクルタイムを他方ではパルス
幅を発生し、そして出力信号を回転方向（？ＩＨ１，Ｍ
Ｂ２）に対応してイネーブル又はディスエーブルする多
くの機能素子から成る。

サイクルタイムを発生するためにはサイクルタイムカウ
ンタ１２．サイクルタイムレジスタ１３．サイクルタイ
ム比較器１４が用いられる。サイクルタイムレジスタ１
３は１ｌｂｉｔの大きさで５ｂｉｔのデータバスの場合
には２つのサイクルで格納される。

クロック信号φｌはサイクルタイムカウンタ１２を例え
ばＩＭＨｚの周波数で、サイクルタイムレジスタ１３と
同一の値に達するまでインクリメントする。

サイクルタイム比較器１４を介してこの動作は検出され
、１８０°の位相シフトを有するクロック信号φ２によ
りサイクルタイムカウンタ１２が再び零にセットされる
。同時にクロック信号φ２によりフリップフロップ２１
（第３図）がリセットされる、すなわち選択された出゛
力信号が論理値零にセットされる（ｌｌｊ制御論理回路
１５／２）　。

パルス又はオフ期間を発生するためにパルス時間レジス
タ１Ｂ、　パルス比較レジスタ１９．・パルス比較器２
０が用いられる　（第２図及び第３図）、ノ寸ルス時間
レジスタ１８にはオフ期間値が書込まれており、パルス
時間レジスタ１８はサイクル時間レジスタ１３と同様に
２つのサイクルで格納される。この値は、誤りのパルス
幅が発生しないように各サイクル開始時にパルス比較レ
ジスタ１９に送られる（制御論理回路１５／１）　、サ
イクルタイムカウンタ１２の内容がパルス比較レジスタ
１９の内容と等しいかぎりこの状態はパルス時間比較レ
ジスタ２０を介して検出され、パルスフリップフロップ
２１がセ・ントされる。この動作により選択された出力
信号が論理値１にセットされる（制御論理回路１５／２
）　。

４つのビットから成るモータ制御レジスタ１７は、次の
表から分かる出力信号ＭＨＩとＭＨ２とを可能にする。

電動機−制御レジスタ１７： 制御論理回路１５／２にあるトグルフリップフロップ１
６は、次の別の機能を有する。すなわち運動を行うこと
なしに、音響信号発生器として用いることのできるよう
に、可聴領域の周波数で極性反転する電流により、特に
直流電動機等の電動機１を制御することを可能にする。

前述のハードウェアに関する説明から、パルス幅変調さ
れる制御方式であることが分かる。パルス幡制御は通常
は、電圧の平均値を最大値Ｕ　ｓａｗから零まで変化さ
せることを可能にする。これに対応して、このパルス化
された電圧Ｕにより作動される電動機１の回転数も変化
する。第４図によれば、電動機ｌの最大回転数は最大電
圧Ｕ０１．の時に水平な時間直線として表せる。

第５図は、時間Ｔとオフ期間−１７２Ｔを有するパルス
化された最大電圧Ｕ、１．を示す、これに対応して、そ
の他の条件は同一とすると回転速度ω寓１／２ω１．８
である。

第６図はサイクルタイムＴを有するパルス線図を示し、
オフ期間Ｐ−３／４Ｔでありその結果、その他の条件は
同一とすると回転速度ω−１／４ω、１゜である、サイ
クルタイムＴはサイクルタイムレジスタ１３の内容に対
応する。オフ期間Ｐはパルス時間レジスタ１８の内容に
対応する。双方のレジスタにおいてこの時間は、φ１の
周波数−ＩＭＨｚとすると数μｓである。

本実施例はビットマトリクス印字装置のための制御装置
を扱っている。この場合には次の条件が定められる二制
御装置は速度を、１／１２０’　　（符号器３のスリッ
ト間隔）当り　２００μｓと３０００μｓの間の前もっ
て与えられている目標値速度に制御する。

この要求される目標値速度は、（加速区間における）前
もって与えられている運動路の中で到達されなければな
らない、他方では、前もって与えられている目標値速度
から、存在する運動路の中で制動されなければならない
、これら２つの運動路は始動路及び運動停止路である。

従ってソフトウェアルーチンの結果は、存在するレジス
タに要求に対応して書込むことでなければならない（電
動機−制動レジスタ１７．　　サイクルタイムレジスタ
１３４　パルス時間レジスタ１８）、電動機−制御レジ
スタ１７は電動機ｌの運動を基本的に始動又は停止する
。速度に対しては電動機−制御レジスタ１７は制御作用
を有しないが回転方向に対しては制御作用を有する。サ
イクルタイムレジスタ１３はその内容により電動機電流
のリップルを制御し特にサイクルタイムカウンタ１２の
内容を制御する。

第７図には時間軸にわたって電動機電圧が示されその際
に電動機電流１ｓｓの立上り時間及び立下がり時間は直
流電動機ｌの電気的時定数により定められる。

第８図から、電動機電流１ｓｓは、電動機電圧のクロッ
ク周波数が前の２倍の場合に前のほぼ半分に等しい平均
値をとり従って電流ピーク値がより低い波高を有するこ
とが分かる。従って、電圧平均値が変わらない場合（第
７図と第８図を比較）、サイクルタイムレジスタ１３を
対応して選択することにより直流特性を発生させること
ができる。これは速１１１　ｔｌＪ　ｔＨにとって大き
い意味を有する。これとは反対にサイクルタイムレジス
タ１３の内容を余りにも小さ（選択してはならない、何
故ならばそのようにすると出力段のドライバにおけるス
イッチング損失が高くなるからである。ドライバの遮断
周波数も従って同様に考慮しなければならない。

サイクルタイムレジスタ１３の内容はパルス時間レジス
タ１８の制御量の効果に対する特定の制御作用を有する
。これは次の例から分かる：サイクルタイムレジスタ１
３−３００ＩＩｓパルス時間レジスタ１８−１００μｓ
−Ｕ　、、、、　−２／３　Ｕ　１１＋１１１；サイク
ルタイムレジスタ１３−２００μｓ；パルス時間レジス
タ１Ｂ−１００μｓ−Ｕ　、、、、　−１／２　Ｕ　、
、、ｉすなわち、パルス時間レジスタ１８の内容が同一
にもかかわらず異なる出力電圧が発生する。サイクルタ
イム１３とパルス時間１８との組合せにより、特定の出
力電圧を発生するために理論的に無限に多くの組合せが
可能である。固定して前もって与えられているサイクル
タイムレジスタ１３においてはしかしただ１つの可能性
が存在するだけである。

パルス時間レジスタ１８の内容は実際の制ａｌｌを表す
、制御量の限界は：零はパルス時間レジスタ１８の内容
より小さくパルス時間レジスタ１８の内容はサイクルタ
イムレジスタ１３の内容より小さい。

パルス時間レジスタ１８を演算するために用いられる制
御アルゴリズムは多（のファクタに依存する。

要求される目標値速度、 サイクルタイムレジスタ１３の内容、 要求される精炭及び制御速度、 使用可能な演算ルーチン、 許容される演算時間、 雑音量。

前述の実施例のための制御アルゴリズムは次の考察に基
づく； 被制ｊ舅系のためのオフ時間を求める方法は、雑音量が
存在せず負荷状態が一定であるという理論的仮定から出
発する。この仮定に立ち、要求される目標値速度のため
に、サイクルタイムレジスタ１３に整合するパルス時間
レジスタ１８の値、すなわち被制御作動の際にサイクル
タイムレジスタ１３とパルス時間レジスタ１８のための
（符号器３によるフィードバックなしの）純粋なプリセ
ットを目標値速度のために遵守することのできる値をサ
ーチすることができる。これらの基本−オフ時間は各速
度のために求めなければならない、これを求めることは
、サイクルタイム−目標値時間を前もって与えパルス時
間を、要求される目標値時間（速度）が設定されるまで
変化させるという実際的な試行により行うことができる
。ここでは線形系を扱っているので、このオフ時間を求
める方法は僅かな数の速度に対して行いその結果からこ
の系のための直線方程式を求めれば十分である。この結
果は：オフ時間−（ａｘ目標値時間＋ｂ）＋ｒである。

ただし； ａ＝直線の勾配、 ｂ＝縦座標軸との交点（ｂは、Ｕ　ｍａｌｌの際に設定
される速度） ■＝積分成分、Ｐ＝比例成分である。

どれぼど正確にこの式をソフトウェア的に実現できるか
は、使用可能な演算ルーチンと許容される演算時間とに
依存する。しかし良好な近偵で十分である、何故ならば
制御量はこのオフ時間の回りを変動し負荷変動の他に基
礎オフ時間の計算における誤差も補償制御することがで
きるからである。

オフ時間計算方法のためにサイクルタイム−目標値時間
が選択される。緩やかな速度の場合には特にこの方法は
しかし大きなサイクルタイムとこれに伴い大きな電流変
動を招く。これはハードウエアによる支持の大きな利点
を無意味にすることになる。サイクルタイムは従って次
の経験値から設定される：　　１／１２０’当たり２０
０ないし３０００μｓの対応する目標値時間において１
００ないし・４００μｓの値がサイクルタイムのために
得られる。このサイクルタイム／目標値時間の比は値２
の係数として用いられる。

前述の用途では、次の式に従って動作する比例−積分制
御器が実現されている： 制御！（パルス時間レジスタ）−（オフ時間十Ｐ＋Ｉ）
Ｘｚ。

この制御は割込みで制御されるすわなちクロックディス
ク３ａの１つのスリット当りハードウェア的に１つの割
込みが実行中のプログラムの中に発生される。この割込
みにおいて、最後の割込み以来経過した時間が測定され
、これから正確な制御量が演算される。経過時間を測定
するために、マイクロプロセッサ５に集積されている計
時素子が用いられる。

ここにおいて次のパラメータが重要である。

基本オフ時間の計算はすでに説明した。このオフ時間が
雑音量において希望の速度に導かないとただちにＰ成分
及びＩ成分が有効となる。Ｐ部分（比例成分）は誤差×
ｋから成る。ただし誤差−目標値時間−実際値時間。

重み係数には比例成分を対応して重み付けしこのように
して不安定な状態（例えば振動）を阻止する。

Ｐ成分は、特に加速及び制動の際に発生する大きい速度
差を迅速に補償制御する役目を有する。

より大きい負荷変動及び不正確に計算された基本オフ時
間の場合にはＰｉＩＩＩ器の精度にはしかしある程度の
限界が設定されている。

これに対して積分部分は、シリアル出力の際に常に覚悟
しなければならない持続的負荷変動の場合でも、制御器
の持続的な正確さを実現する。

１部分は値０でスタートし各別込み毎に正／ｉの誤差に
依存して値■。ｆ□、、だけ高まりまたは低まる。　　
Ｅ　−１＋　／−Ｉ　ｌ１ｔｒ；ａｔｌ　ｏｒｒｍｅｔ
はｋと同様に試行により求められる。

目　標　イ直　　　　　　　　　　　　　１　　ａｆｆ
ｓｅＬ２００−１０２３μｓ　　　　　　０．５μ５１
０２４−１５３５μｓ　　　　　　　　１μ５１５３６
−２３０３μｓ　　　　　　　　２μ５２３０４−３０
７１μｓ　　　　　　　　３μｓこの用途の場合には電
動機の運動は異なる目標値速度でスタートされ再びスト
ップされる。雑音量が存在する場合には従って１部分は
１回転毎に新たに状態に対応して調整されなければなら
ない。

この制御操作をできるだけ小さ（保持するために特別の
方法が利用される； 実際値速度が目標値速度に対して許容誤差内にある場合
には実際のｌ値が記憶される。この運動が同一の目標値
速度で再びスタートされる場合にはこの最後の■値が、
前述のように計算された基本オフ時間に付加加算される
。このようにして基本オフ時間の計算のために前述の式
が得られる。

電動ｌｌｌを制動する有利な方法はこれを短絡すること
から成り従来は前述のハードウェアの支持なしに用いら
れた。この制動方法はしかし、使用可能な制動路が、電
動機ｌを短絡動作において静止状態に移行させるために
も十分であることを前提とする。

他方ではしかし、電動機ｌの給電電流方向を極性反転す
るすなわち１ｔｖＪ機１に逆方向の電流で給電すること
も可能である。このためにしかし電圧Ｕ□８が用いられ
、非常に大きい電流ピーク値を覚悟しなければならず、
これは極端な場合にはドライバ段の破壊を招（ことがあ
る。

ハードウェアによる支持は前述のレジスタの形式におい
て、電動機電圧を任意のオンオフ比でオンオフ制御し、
電動機電流を逆方向電流の際に最小のソフトウェアコス
トで許容限界の範囲内に保持するために有利な手段を提
供する。電動機１の制動能力は逆方向電流の場合でも例
えば慣性モーメント、摩擦値、温度等の外部の影響に依
存するので、（パルス時間レジスタ１８の）パルス時間
の制御量を求めることは、必要なかぎりにおいて制御技
術的アルゴリズムに従って行うことも勿論ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は直流電動機及び負荷例を斜視図で一緒に示して
いる制御装置を示すブロック回路図、第２図は制御周辺
構成素子のブロック回路図、第３図は第２図に対応する
回路図、第４図は変調されない電動機電圧の線図、第５
図はパルス変調の線図、第６図は変形されたパルス変調
の線図、第７図は通常の条件の下での電動機電流のリッ
プルの線図、第８図はクロック周波数が２倍の場合の電
動機電流のり・ンブルの線図である。 ｌ・・・電動機、　　　　　　ｌａ・・・ヘッド移動部
、ｌｂ・・・ワイヤ、　　　　　　　ｌｃ・・・ワイヤ
用円盤、２・・・軸、　　　　　　　　　３・・・符号
器、３ａ・・・スリットディスク、　　４・・・制御器
、５・・・マイクロプロセンサ、 ６．７・・・出力側制ｉ１線、　８・・・増幅器、８ａ
、８ｂ・・・線、　　　　　　９・・・データバス、１
０・・・制御周辺構成素子、　１１・・・プログラム、
１１ａ−ＲＯＭ、　　　　　　ｌｌｂ−ＲＡＭ、１２・
・・サイクルタイムカウンタ、 Ｉ３・・・サイクルタイムレジスタ、 １４・・・サイクルタイム比較器、 １５／１．１５／２・・・制御論理回路、１６・・・ト
グルフリップフロフブ、 １７・・・電動ｍ制御レジスタ、 １８・・・パルス時間レジスタ、 １９・・・パルス比較レジスタ、 ２０・・・パルス比較器、　　　２１・・・フリップフ
ロップ。 Ｕ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）電動機の軸の上に符号器が配置されこの符号器の信
   号はフィードバック信号として制御ループの中で用いら
   れ、そしてこの信号はマイクロプロセッサを有する制御
   器に供給され、マイクロプロセッサから出力側制御線が
   増幅器に導かれ、増幅器が電動機に給電する、パルス幅
   変調型電動機の速度制御装置において、制御器（４）が
   、符号器（３）に接続されているマイクロプロセッサ（
   ５）から成り、マイクロプロセッサ（５）はデータ及び
   アドレスバス（９）を介して制御周辺構成素子（１０）
   に接続されていることと、マイクロプロセッサ（５）に
   データ及びアドレスバス（９）を介して、パルス動作の
   オフ時間を制御するプログラム（１１）が格納可能であ
   ることを特徴とするパルス幅変調型電動機の速度制御装
   置。 ２）制御周辺構成素子（１０）が２進サイクルタイムカ
   ウンタ（１２）、サイクルタイムレジスタ（１３）、サ
   イクルタイム比較器（１４）を備え、その際に、固定さ
   れているカウンタ状態に達すると出力信号（ＭＨ１、Ｍ
   Ｈ２）が発生可能であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のパルス幅変調型電動機の速度制御装置。 ３）制御論理装置（１５）の中にあるトグルフリップフ
   ロップ（１６）が直流電動機（１）を極性反転する供給
   電流で制御し、極性反転周波数は直流電動機（１）が音
   響信号発生器として動作するように、可聴領域にあるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の
   パルス幅変調型電動機の速度制御装置。 ４）電動機制御レジスタ（１７）により出力信号（ＭＨ
   １、ＭＨ２）が極性反転可能である、すなわち直流電動
   機（１）に逆方向の電流で給電することが可能であり、
   電動機電圧が直流電動機（１）の制御動作を制御するた
   めに選択可能なオンオフ比でオンオフ制御されることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項から第３項のうちのい
   ずれか１項に記載のパルス幅変調型電動機の速度制御装
   置。