JPH05168270A - モータ回転速度制御回路および制御方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 モータ回転速度制御の安定性を判定し、不安
定な場合には初期設定ゲインとは異なるゲインに切替る
ことによって、モータに取り付けられた負荷の重量や慣
性モーメント、モータやスピンドルの軸受けの摩擦状態
などが変化した場合などでも安定なモータ回転制御回路
および制御方式を提供することを目的とする。 【構成】 本発明は、所定回転速度範囲をいくつかの回
転速度範囲に分割してゲイン設定するゲイン設定手段８
と、回転速度制御が安定か、すなわち設定ゲインが適切
であるかを判定する判定手段１９と、安定化のために判
定結果に基づいてゲイン切替を行うゲイン選択手段７と
を備えた位相同期ループ制御回路から構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はスピンドルモータなどの
回転速度制御回路および制御方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の位相同期ループ制御回路および制
御方式を用いたスピンドル回転速度制御回路および制御
方式において、所定回転速度全範囲を単一のゲイン設定
値で安定に制御できない場合には、図１０に示すように
前記所定回転速度全範囲を、各々の回転速度範囲におい
ては安定に回転速度制御できるようなＮ個の回転速度範
囲に分割し、それぞれの回転速度範囲に対応したゲイン
設定値を与えていた。また、制御回路および制御方式と
しては図９に示すように、上述のようなＮ個のゲイン設
定値を持つゲイン設定手段８と、該ゲイン設定値のうち
から、目標とする回転速度が属する回転速度範囲のゲイ
ン設定値を選択するゲイン選択手段７とを備えた、スピ
ンドル回転速度制御回路および制御方式が知られてい
た。ただし、図１０でゲイン選択手段７およびゲイン設
定手段８はあくまで原理を示す模式的なものであり、図
のようにスイッチなどを用いたハードウェアで構成する
もの以外に、ソフトウェアでゲイン設定あるいはゲイン
選択する制御回路および制御方式も知られていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし前述の従来技術
では、モータに取り付けられた負荷の重量や慣性モーメ
ントが設計時とは異なる場合、あるいはモータやスピン
ドルの軸受けの摩擦状態などが経時変化した場合などに
は、設計時あるいは回路調整時に選択されたゲインが適
正でなくなるため、位相同期ループが同期できず、回転
速度制御が安定しないという問題を有する。

【０００４】そこで本発明はこのような問題点を解決す
るもので、その目的とするところは、回転速度制御の安
定性を判定し、不安定な場合には初期設定ゲインとは異
なるゲインに切替ることによって、モータに取り付けら
れた負荷の重量や慣性モーメントが設計時とは変化した
場合、あるいはモータやスピンドルの軸受けの摩擦状態
などが経時変化した場合などでも安定に回転速度制御が
可能なスピンドル回転速度制御回路および制御方式を提
供するところにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１のモー
タ回転制御回路は、モータを所定回転速度範囲内の目標
とする回転速度で回転させるための、該回転速度に比例
した発振周波数を持つ回転速度指令信号と、該モータの
回転速度を検出する速度検出手段が発生する回転速度検
出信号との、位相と周波数の両方を一致させるよう制御
する位相同期ループ制御回路、いわゆるＰＬＬ制御回路
を用いたモータ回転速度制御回路において、前記所定回
転速度全範囲をいくつかの回転速度範囲に分割し、それ
ぞれの回転速度範囲に対応したゲイン設定値を有し、目
標とする回転速度が属する回転速度範囲のゲイン設定値
を初期値として与えるゲイン設定手段と、前記ゲイン設
定手段によって設定されたゲインが適正であるか、すな
わち回転速度制御が安定か否かを判定する判定手段と、
前記判定手段の判定結果として速度制御が不安定な場合
には、安定となるようにゲイン切替を行うゲイン選択手
段とを備えたことを特徴とする。

【０００６】本発明の請求項２のモータ回転制御回路
は、前記請求項１の判定手段が前記速度検出手段の回転
速度検出信号を周波数−電圧変換して得られる電圧を観
測するものであって、その判定結果が不安定であった場
合には更に、現在のゲインが適正値より過大か過小かを
判定して、判定結果に応じたゲイン切替指令を前記ゲイ
ン選択手段に与える機能を備えた判定手段であることを
特徴とする。

【０００７】本発明の請求項３のモータ回転制御方式
は、モータを所定回転速度範囲内の目標とする回転速度
で回転させるための、該回転速度に比例した発振周波数
を持つ回転速度指令信号と、該モータの回転速度を検出
する速度検出手段が発生する回転速度検出信号との、位
相と周波数の両方を一致させるよう制御する位相同期ル
ープ制御方式、いわゆるＰＬＬ制御方式を用いたモータ
回転速度制御方式において、前記所定回転速度全範囲を
いくつかの回転速度範囲に分割し、それぞれの回転速度
範囲に対応したゲイン設定値を有し、目標とする回転速
度が属する回転速度範囲のゲイン設定値を初期値として
与えるゲイン設定手段と、前記ゲイン設定手段によって
設定されたゲインが適正であるか、すなわち回転速度制
御が安定か否かを判定する判定手段と、前記判定手段の
判定結果として速度制御が不安定な場合には、安定とな
るようにゲイン切替を行うゲイン選択手段とを備えたこ
とを特徴とする。

【０００８】本発明の請求項４のモータ回転制御回路
は、前記請求項３の判定手段が、前記速度検出手段の回
転速度検出信号を周波数−電圧変換して得られる電圧を
観測するものであって、その判定結果が不安定であった
場合には更に、現在のゲインが適正値より過大か過小か
を判定して、判定結果に応じたゲイン切替指令を前記ゲ
イン選択手段に与える機能を備えた判定手段であること
を特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明の上記の構成によれば、回転速度制御の
安定性を判定し、不安定な場合には初期設定ゲインとは
異なるゲインに切り替えて安定化することが可能であ
り、さらに切り替えるゲイン設定値として、所定回転速
度全範囲のみならず、最小回転速度以下あるいは最大回
転速度以上でも安定となるゲイン設定値を持っているた
め、モータに取り付けられた負荷の重量や慣性モーメン
トが設計時とは変化した場合、あるいはモータやスピン
ドルの軸受けの摩擦状態などが経時変化した場合などで
も安定な回転速度制御が可能になる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明について図面に基づいて詳細に
説明する。図１は本発明の請求項１および請求項３の一
構成例の主要構成図である。所定回転速度範囲内の目標
とする回転速度が、マイクロプロセッサ等を用いたソフ
トウェアあるいは切替スイッチなどを用いたハードウェ
アからなる回転速度設定手段１により設定されると、回
転速度指令信号発生手段２はその回転速度に比例した発
振周波数を持つ回転速度指令信号１６を出力する。一
方、制御対象となるモータ１０にはロータリエンコーダ
あるいはタコジェネレータなどの回転速度検出手段１１
が取り付けられ、その出力信号は増幅および波形整形回
路１２を経て、回転速度に比例した回転速度検出信号１
７となる。回転速度指令信号１６と回転速度検出信号１
７とは位相比較回路３において位相比較された後、ロー
パスフィルタ４で位相差−電圧変換され、位相差に比例
した電圧５となる。ここでは電圧５を位相差変換電圧と
呼ぶ。ローパスフィルタ４においては回転速度制御を安
定させるための位相補償も行われる。回転速度検出信号
１７はまた、位相同期ループ制御の同期が可能な範囲内
にあるかを検出するロック範囲検出回路１３を経た後、
周波数−電圧変換回路１４により周波数−電圧変換され
た電圧１５となる。ここでは電圧１５を周波数変換電圧
と呼ぶ。位相差−電圧変換および周波数−電圧変換の変
換特性に付いては、図３を用いて後述する。

【００１１】位相差変換電圧５と周波数変換電圧１５と
は、モータの駆動指令信号を作り出すために、混合回路
６においてそれぞれ一定比率で加算されて混合電圧１６
となった後、ゲイン選択手段７からゲイン設定手段８に
入力される。ゲイン設定手段８で設定するゲイン設定値
については図２を用いて後述する。モータ回転立ち上げ
時には、ゲイン選択手段７は、目標とする回転速度が属
するゲイン設定値を初期設定値としてゲイン設定手段８
の中から選択する。

【００１２】ゲイン設定手段８としては、例えば図１の
ように、異なる増幅率を持つ（Ｎ＋２）個の増幅器を並
列に接続した回路からなるゲイン選択手段８があり、ゲ
イン選択手段７としては例えばそれらの増幅器の内の一
つをアナログスイッチあるいは機械式切替スイッチなど
を用いて選択するゲイン選択手段７がある。また、マイ
クロプロセッサを用いてゲイン設定およびゲイン選択を
ソフトウェアで行うことも可能である。さらに、これら
のハードウェアおよびソフトウェアの両方を組み合わせ
て構成することも可能である。

【００１３】安定判定手段１９はモータ回転速度が目標
とする回転速度付近に達した後、設定ゲインが適正であ
るか、すなわち回転速度制御が安定か否かを判定し、速
度制御が不安定な場合には安定となるように（Ｎ＋２）
個のゲイン設定値の内から異なるゲイン設定値に切り替
えるようゲイン切替指令２０をゲイン選択手段７に与え
てゲイン選択を行う。この安定判定動作およびゲイン選
択動作は、モータの回転立ち上げ時のみ行うことも可能
であり、回転動作中常時行うことも可能である。

【００１４】以上のように適正なゲイン設定値で増幅さ
れたモータの指令電圧は、さらに電力増幅回路９で電力
増幅された後、制御対象であるモータ１０に供給され
て、回転速度指令信号１６と回転速度検出信号１７の、
位相と周波数の両方を一致させるような位相同期ループ
制御が行なわれる。

【００１５】図２は、本発明における回転速度範囲分割
図である。所定回転速度全範囲はＮ個の回転速度範囲に
分割され、各々にゲイン設定値１からＮが与えられてい
る。この分割は、それぞれの回転速度範囲では安定に速
度制御が可能と設計時に考えられる範囲に分割すること
もできる。また、何らかのハードウェア的な制約、例え
ば速度制御に使用できる制御線の数の制約などを考慮し
て分割することもできる。

【００１６】モータに取り付けられた負荷の重量や慣性
モーメントが設計時とは変化した場合、あるいはモータ
やスピンドルの軸受けの摩擦状態などが経時変化した場
合などには、このようなＮ個のゲイン設定値だけでは回
転速度制御を安定させられない。そのような場合に備え
て、本発明ではさらに２個あるいはそれ以上ののゲイン
設定値を与えている。ゲイン設定値０は、所定回転速度
全範囲の最小速度を下回る速度で安定となるようなゲイ
ン設定値であり、ゲイン設定値１でもゲイン過大と判定
されたときにはゲイン設定値０に切り替えられる。最小
速度を下回る領域を図２のように１個の速度領域とする
のでなく、複数個の領域に分割して各々にゲイン設定値
を与えることも可能である。ゲイン設定値（Ｎ＋１）
は、所定回転速度全範囲の最大速度を上回る速度で安定
となるようなゲイン設定値であり、ゲイン設定値Ｎでも
ゲイン過小と判定されたときにはゲイン設定値（Ｎ＋
１）に切り替えられる。最大速度を上回る領域を図２の
ように１個の速度領域とするのでなく、複数個の領域に
分割して各々にゲイン設定値を与えることも可能であ
る。

【００１７】図３（ａ）は回転速度検出信号１７の周波
数が位相同期ループのロック範囲内にあるときの位相差
−電圧変換の一例を示す変換特性図であり、位相差に比
例した周波数電圧５が出力されることを示す。回転速度
が遅すぎるときおよび早すぎるとき、すなわち回転速度
検出信号１７の周波数が位相同期ループのロック範囲以
下の時および以上の時は、位相差変換電圧５はそれぞれ
ハイレベルおよび０ボルトである。

【００１８】図３（ｂ）は周波数−電圧変換の一例を示
す変換特性図である。回転速度が遅すぎて回転速度検出
信号１７の周波数がロック範囲以下の時には、周波数変
換電圧１５はハイレベルである。回転速度が速すぎて回
転速度検出信号１７の周波数がロック範囲以上の時に
は、出力電圧１５は０ボルトである。回転速度検出信号
１７の周波数がロック範囲内にあるときには、出力電圧
１５は周波数に対して直線的に減少する。

【００１９】図４は本発明の請求項２および請求項４の
一構成例の主要構成図である。この場合、安定判定手段
１９は回転速度検出信号１７を周波数−電圧変換された
電圧１５を観測して速度制御が安定か否かを判定し、判
定結果が不安定であった場合にはさらに現在のゲインが
適正値より過大か過小かを判定して、判定結果に応じた
ゲイン切替指令２０をゲイン選択手段７に与える。

【００２０】本発明における回転立ち上げ時の混合電圧
２１および周波数変換電圧１５の時間変化は、図５から
図７に示すようになり、安定性およびゲインの判定に利
用できる。図５はゲインが適正の時、図６はゲインが過
小の時、図７はゲインが過大の時である。いずれのゲイ
ンの場合も、回転立ち上げ動作の初期には回転速度が低
いため、回転速度検出信号１７は位相同期ループのロッ
ク範囲以下の周波数となり、位相差変換電圧５および周
波数変換電圧１５は、図３に示したようにともにハイレ
ベルとなる。この回路例では約５ボルトとなる。このた
め、この二つの電圧を一定比率で加算した混合電圧２１
の値は安定に速度制御されたときよりも大きいが、ほぼ
一定の値を保つ。回転速度が徐々に増加すると、Ｔ１で
示す時刻において、回転速度検出信号の周波数が位相同
期ループのロック範囲内に入り、さらに回転速度は増加
し続ける。Ｔ１以後は位相差−電圧変換回路は図３
（ａ）のような位相差−電圧変換を行なうが、回転速度
が増加中であるため回転速度指令信号１６と回転速度検
出信号１７との位相差は変化し続け、位相差変換電圧は
鋸波状となる。一方で、周波数変換電圧は図３（ｂ）の
ような特性を持つため、回転速度増加に連れてハイレベ
ルから徐々に低下する。位相差変換電圧と周波数変換電
圧の加算結果として、混合電圧は鋸波状に変化し始め
る。

【００２１】ゲインが適正であればやがて回転速度は目
標とする値に達し、位相差と周波数とはともに一致する
よう制御されるから、Ｔ１からある一定時間経過したＴ
２までには、位相差変換電圧と周波数変換電圧はともに
ハイレベルと０ボルトの中間値に収束する。この回路例
では約２．５ボルトである。これらの結果として、混合
電圧も図５のように収束する。

【００２２】ゲインが過小であるときには回転速度が目
標とする値まで増加できず、速度偏差が発生する。この
ため周波数変換電圧は適正ゲインの時の収束値まで低下
することが出来ない。この回路例では図６のように、Ｔ
１から５秒経過した時刻Ｔ２でも、約３ボルトまでしか
低下しない。一方で、速度偏差の存在のため位相差は変
化し続け、位相差変換電圧は鋸波状となる。これらの結
果として、混合電圧も鋸波状となって収束しない。すな
わち、回転速度制御は不安定となる。この場合には、時
刻Ｔ２において現在のゲイン設定値よりも高速度の回転
速度範囲のゲイン設定値に切り替えることにより、図６
の時刻Ｔ２以後のように混合電圧、周波数変換電圧はと
もに収束し、回転速度制御は安定化される。

【００２３】ゲインが過大のときには回転速度が目標と
する値以上に増加してしまい、速度偏差が発生する。こ
のため周波数変換電圧は適正ゲインの時の収束値からさ
らに低下し続ける。この回路例では図７のように、約２
ボルト以下に低下する。一方で、速度偏差の存在のため
位相差は変化し続け、ゲイン過小時と同様に位相差変換
電圧は鋸波状となる。これらの結果として、混合電圧も
鋸波状となって収束しない。すなわち、回転速度制御は
不安定となる。この場合には、時刻Ｔ２において現在の
ゲイン設定値よりも低速度の回転速度範囲のゲイン設定
値に切り替えることにより、図７の時刻Ｔ２以後のよう
に混合電圧、周波数変換電圧はともに収束し、回転速度
制御は安定化される。

【００２４】以上述べたような回転立ち上げ時の電圧特
性から、速度制御ゲインの適正、過小、過大は、位相同
期ループがロックし始めてから一定時間経過したとき
の、周波数変換電圧が、それぞれ約２ボルトから約３ボ
ルトの間にあるか、約３ボルト以上か、約２ボルト以下
かで判定できることになる。

【００２５】このような電圧特性を用いて安定判定する
ための、安定判定手段１９の具体的な構成方法の一例と
しては、図８に示すような回路がある。周波数変換電圧
１５は、２組のコンパレータ３２および３６を用いたゲ
イン過小検出回路３２およびゲイン過大検出回路３２に
入力され、それぞれ判定基準電圧３３および３７と比較
される。判定基準電圧３３および３７は図５から図７に
示したような特性から決定され、この場合はそれぞれ約
３ボルトおよび約２ボルトに設定すれば良い。周波数変
換電圧１５には様々なノイズが重畳されているので、図
８のようにノイズの影響を受けないように、ヒステリシ
スコンパレータを用いるのがよい。このような回路構成
からなる安定判定手段では、ゲインが過大の場合には、
位相同期ループロック後所定時間が経過した時の周波数
変換電圧１９が判定基準電圧３３より大きくなるため、
コンパレータ３２の出力としてゲイン過小検出信号３４
がハイレベルになる。

【００２６】ゲインが過大の場合には、位相同期ループ
ロック後所定時間が経過した時の周波数変換電圧１９が
判定基準電圧３７より小さくなるため、コンパレータ３
６の出力としてゲイン過大検出信号３８がハイレベルに
なる。ゲインが適正な場合には、位相同期ループロック
後所定時間が経過した時の周波数変換電圧１９は判定基
準電圧３３と３７の間となるため、ゲイン過小検出信号
３４およびゲイン過大検出信号３８はともにローレベル
になる。以上のように周波数変換電圧１９を観測するこ
とにより回転速度制御の安定、不安定およびゲインの適
正、過小、過大を検出することが可能であり、位相同期
ループロック後所定時間が経過した時にゲイン過小検出
信号３４およびゲイン過大検出信号３８をゲイン切替指
令２０としてゲイン選択手段７に入力し、ゲイン過小の
場合にはより高回転速度範囲のゲインに切り替え、ゲイ
ン過小の場合にはより低回転速度範囲のゲインに切り替
える。適正ゲインの場合にはゲイン切り替えは行なわな
い。このような安定判定およびゲイン切り替えにより、
適正ゲインを選択して回転速度制御を安定化することが
可能となる。ただし、図８には、安定判定するタイミン
グ信号などを発生させる手段などは省略されている。

【００２７】安定判定手段１９の構成方法としては図８
の他に、周波数変換電圧１５をＡ／Ｄ変換し、マイクロ
プロセッサなどにより予め設定された比較基準電圧３３
および３７と比較して、安定判定およびゲインの適正、
過大、過小の判定をソフトウェアで行なう方法も可能で
ある。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、回転
速度制御の安定性を判定し、不安定な場合には適正ゲイ
ンに切り替えて安定化することが可能であるため、モー
タに取り付けられた負荷の重量や慣性モーメントが設計
時とは変化した場合、あるいはモータやスピンドルの軸
受けの摩擦状態などが経時変化した場合などでも安定な
回転速度制御が可能になるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の請求項１および請求項３のモータ回転
速度制御回路および制御方式の主要構成図である。

【図２】本発明の速度範囲分割図である。

【図３】本発明の位相差−電圧変換および周波数−電圧
変換の一例を示す電圧変換特性図である。

【図４】本発明の請求項２および請求項４のモータ回転
速度制御回路および制御方式の主要構成図である。

【図５】本発明の適正ゲイン時のモータ回転立ち上げ時
の電圧変化の一例を示す電圧特性図である。

【図６】本発明の過小ゲイン時のモータ回転立ち上げ時
の電圧変化の一例を示す電圧特性図である。

【図７】本発明の過大ゲイン時のモータ回転立ち上げ時
の電圧変化の一例を示す電圧特性図である。

【図８】本発明の請求項２および請求項４の安定判定手
段の一構成例を示す回路図である。

【図９】従来のモータ回転速度制御回路および制御方式
の主要構成図である。

【図１０】従来の速度範囲分割図である。

【符号の説明】

１ … 回転速度設定手段 ２ … 回転速度指令信号発生手段 ３ … 位相比較回路 ４ … ローパスフィルタ ５ … 位相差変換電圧 ６ … 混合回路 ７ … ゲイン選択手段 ８ … ゲイン設定手段 ９ … 電力増幅回路 １０ … モータ １１ … 回転速度検出手段 １３ … ロック範囲検出回路 １４ … 周波数−電圧変換回路 １５ … 周波数変換電圧 １６ … 回転速度指令信号 １７ … 回転速度検出信号 １８ … ゲイン設定指令 １９ … 安定判定手段 ２０ … ゲイン切替指令 ２１ … 混合電圧 ３１ … ゲイン過小検出回路 ３４ … ゲイン過小検出信号 ３５ … ゲイン過大検出回路 ３８ … ゲイン過大検出信号

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】モータを所定回転速度範囲内の目標とする
   回転速度で回転させるための、該回転速度に比例した発
   振周波数を持つ回転速度指令信号と、該モータの回転速
   度を検出する速度検出手段が発生する回転速度検出信号
   との、位相と周波数の両方を一致させるよう制御する位
   相同期ループ制御回路、いわゆるＰＬＬ制御回路を用い
   たモータ回転速度制御回路において、 前記所定回転速度全範囲をいくつかの回転速度範囲に分
   割し、それぞれの回転速度範囲に対応したゲイン設定値
   を有し、目標とする回転速度が属する回転速度範囲のゲ
   イン設定値を初期値として与えるゲイン設定手段と、 前記ゲイン設定手段によって設定されたゲインが適正で
   あるか、すなわち回転速度制御が安定か否かを判定する
   判定手段と、 前記判定手段の判定結果として速度制御が不安定な場合
   には、安定となるようにゲイン切替を行うゲイン選択手
   段とを備えたことを特徴とするモータ回転速度制御回
   路。
2. 【請求項２】前記請求項１の判定手段は、前記速度検出
   手段の回転速度検出信号を周波数−電圧変換して得られ
   る電圧を観測するものであって、その判定結果が不安定
   であった場合には更に、現在のゲインが適正値より過大
   か過小かを判定して、判定結果に応じたゲイン切替指令
   を前記ゲイン選択手段に与える機能を備えた判定手段で
   あることを特徴とするモータ速度制御回路。
3. 【請求項３】モータを所定回転速度範囲内の目標とする
   回転速度で回転させるための、該回転速度に比例した発
   振周波数を持つ回転速度指令信号と、該モータの回転速
   度を検出する速度検出手段が発生する回転速度検出信号
   との、位相と周波数の両方を一致させるよう制御する位
   相同期ループ制御方式、いわゆるＰＬＬ制御方式を用い
   たモータ回転速度制御方式において、 前記所定回転速度全範囲をいくつかの回転速度範囲に分
   割し、それぞれの回転速度範囲に対応したゲイン設定値
   を有し、目標とする回転速度が属する回転速度範囲のゲ
   イン設定値を初期値として与えるゲイン設定手段と、 前記ゲイン設定手段によって設定されたゲインが適正で
   あるか、すなわち回転速度制御が安定か否かを判定する
   判定手段と、 前記判定手段の判定結果として速度制御が不安定な場合
   には、安定となるようにゲイン切替を行うゲイン選択手
   段とを備えたことを特徴とするモータ回転速度制御方
   式。
4. 【請求項４】前記請求項３の判定手段は、前記速度検出
   手段の回転速度検出信号を周波数−電圧変換して得られ
   る電圧を観測するものであって、その判定結果が不安定
   であった場合には更に、現在のゲインが適正値より過大
   か過小かを判定して、判定結果に応じたゲイン切替指令
   を前記ゲイン選択手段に与える機能を備えた判定手段で
   あることを特徴とするモータ速度制御方式。