JPH07234724A - 機械要素の位置制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 機械要素の位置制御方法に関し、経時的な位
置制御精度の低下を防止できるようにした機械要素の位
置制御方法の提供を目的とする。 【構成】 エンコーダ２で検出した機械要素１の位置と
制御目標値との偏差を偏差演算回路６で演算し、該機械
要素１を駆動する駆動系５に制御目標値に対応して与え
られるディザ印加制御出力のディザ信号を上記偏差に対
応して振幅変調回路９で変調する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、機械要素の位置制御方
法に関し、特に経時的な位置制御精度の低下を防止でき
るようにした機械要素の位置制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】用紙走行制御機構を有するプリンタ装置
や、エンジンの燃料制御装置などにおいては、プラテン
ローラ、スロットル弁、燃料噴射量調節ラックなどの機
械要素の位置をモータやソレノイドによって制御するこ
とが行われる。

【０００３】このような機械要素の制御装置において
は、制御信号の信号値、即ち、制御出力と機械要素の変
位量とを例えば図１３の理想制御特性線に示すように、
比例的に対応させているが、実際には、機械要素の摩擦
負荷、特に静止摩擦負荷、伝動機構のガタなど（以下、
代表的に摩擦負荷という。）によって図１３の実制御特
性線で示すように、実際の機械要素の変位量と制御出力
の間にずれが生じる。

【０００４】このずれは、制御出力が増大する方向では
変位量が理想値よりも小さめに、制御出力が減少する方
向では変位量が理想値よりも大きめになるように現れ、
制御出力に対して機械要素の変位量がヒステリシスを持
つようになる。

【０００５】このヒステリシスはメカヒステリシスと呼
ばれ、位置決め制御における発振や経時負荷変動による
応答性の劣化などの制御不良の原因となるので極力減少
させることが望まれている。

【０００６】このメカヒステリシスを減少させる方法と
しては、ディザ制御方法と呼ばれ、例えば特開昭６０−
１２８４２１号公報に開示するように制御信号に振幅の
小さい高周波信号、すなわち、ディザ信号を印加して機
械要素を駆動する機構部に常に振動を与える方法が提案
されている。

【０００７】又、例えば特開昭６３−７３３０８号公報
に開示するように、モータの停止時に次第に振幅が減衰
するディザ信号を印加して停止位置精度を高める方法も
提案されている。

【０００８】機械要素の位置制御、特に停止位置の制御
を行う他の方法としては、正逆転方式と呼ばれる方法が
知られている。この方法では、例えば機械要素を駆動す
るモータの駆動軸に移動量検出エンコーダが、例えば機
械要素あるいはその移動経路に停止位置検出エンコーダ
がそれぞれ設けられ、例えば図１４に示すように、正転
駆動領域と、正転及び逆転の駆動が停止される不感帯
と、さらに不感帯を通過した逆転駆動領域とが設定され
る。

【０００９】正転駆動領域は、制御目標値（停止位置）
から次の制御目標値までの領域であり、制御出力として
正転駆動出力が駆動系に与えられ、機械要素が変更前の
停止位置から現在の制御目標値である停止位置に向かっ
て移動する。

【００１０】不感帯では、制御出力は停止され、機械要
素は慣性によって逆転駆動領域又は正転駆動領域に向か
うが、摩擦負荷によって減速される。この不感帯におけ
る摩擦負荷が適切であれば機械要素は不感帯内で停止す
るが、不適切な場合には、不感帯を通過して逆転駆動領
域に出る。

【００１１】逆転駆動領域では、制御出力として逆転駆
動出力が駆動系に与えられ、駆動系が逆転して機械要素
が不感帯に向かって移動する。機械要素が不感帯に突入
すると制御出力は停止され、機械要素は慣性によって正
転駆動領域に向かうが、摩擦負荷によって減速される。

【００１２】この不感帯における摩擦負荷が適切であれ
ば機械要素は不感帯内で停止するが、不適切な場合には
不感帯を通過して正転駆動領域に出る。そして、このよ
うな振動を繰り返すことによりやがて機械要素は不感帯
内に停止する。

【００１３】この正逆転方式においては、機械要素を駆
動する駆動系に摩擦負荷がアンバランスに存在する場
合、特に正転駆動領域及び逆転駆動領域において摩擦負
荷が大きく、不感帯において摩擦負荷が小さい場合に
は、正転駆動によるオーバーシュートと逆転駆動による
アンダーシュートが繰り返されて、不感帯を挟む正転駆
動領域と逆転駆動領域とにわたって機械要素及びモータ
が振動する発振状態が発生し、整定時間が長くなる。

【００１４】そこで、この発振状態を防止するために、
機械要素の移動距離、速度、加速度などを検出し、この
検出値の積分値や微分値を正転及び逆転の制御駆動出力
に印加して積分特性を持たせたり、微分特性を持たせた
りしている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、位置変動を
繰り返す機械要素の摩擦負荷は摩耗の進行によって経時
的に増大することが知られており、この経時的な摩擦負
荷の増大によってメカヒステリシスが増大することが知
られている。

【００１６】上記特開昭６０−１２８４２１号公報に記
載の従来のディザ制御方法のように、常に振幅及び周波
数が固定されたディザ信号を印加したり、あるいは、特
開昭６３−７３３０８号公報記載のディザ制御方法のよ
うに一定のモードで振幅が減衰するディザ信号が用いら
れる場合には、与えられるディザ信号によって減少可能
なメカヒステリシスに限界があるため、経時的に摩擦負
荷が増大してメカヒステリシスが大きくなるに連れて効
果が低減し、機械要素の位置制御精度が低下するという
問題がある。

【００１７】又、正逆転方式においては、発振状態の発
生を防止するため、各制御駆動出力に積分、微分特性を
与えているが、この場合にも、摩擦負荷が経時変化によ
って増大するにつれて制御特性が劣化するという問題が
ある。

【００１８】本発明は、上記の事情を鑑みて、経時的な
位置制御精度の低下を防止できるようにした機械要素の
位置制御方法を提供することを目的とするものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の機械要素の位置
制御方法は、機械要素を駆動する駆動装置を該機械要素
の制御目標値に対応する制御出力にディザ信号を印加し
たディザ印加制御出力により制御してメカヒステリシス
を低減させる機械要素の位置制御方法において、上記の
目的を達成するため、上記機械要素の位置と制御目標値
との偏差に対応してディザ信号の振幅を変化させること
を特徴とする。

【００２０】又、本発明の他の機械要素の位置制御方法
は、機械要素を駆動する駆動装置を該機械要素の制御目
標値に対応する制御出力にディザ信号を印加したディザ
印加制御出力により制御してメカヒステリシスを低減さ
せる機械要素の位置制御方法において、上記の目的を達
成するため、上記機械要素の位置と制御目標値との偏差
に対応してディザ信号の周波数を変化させることを特徴
とする。

【００２１】更に、本発明の又他の機械要素の位置制御
方法は、駆動系によって駆動されている機械要素が停止
位置に達したことを検出した直後から、その検出直前の
機械要素の摩擦負荷に対応する所定の時間にわたって、
検出直前の駆動方向と逆方向に駆動系を作動させる制御
出力を該駆動系に与えることを特徴とする。

【００２２】

【作 用】機械要素にディザ信号によって与えられる振
動の振幅は、ディザ信号の振幅に比例する。したがっ
て、整定時にはディザ信号の振幅を小さくしてディザ信
号の影響力を抑えることにより整定性を高めることがで
きると共に、変動時には大きめのディザを印加してヒス
テリシスの低減を図ることができる。

【００２３】また、ディザ信号に対する機械機構の応答
性は周波数が高くなるほど次第に鈍感になるので、整定
時にはディザ信号の周波数を高めてディザ信号の影響力
を抑え、変動時にはディザ信号の周波数を低くしてディ
ザ信号の影響力を大きめにしてヒステリシスの低減を図
ることができる。

【００２４】ここで、機械要素の位置と制御目標値との
偏差は機械要素の摩擦負荷の大小に依存して発生するの
で、この偏差に対応してディザ信号の振幅を変化させる
ことにより、摩擦負荷の経時変化に関係のない、一定の
高精度の位置制御を行うことができる。

【００２５】更に、本発明において、機械要素が停止位
置に達したことを検出した直後から、その検出直前の機
械要素の摩擦負荷に対応する所定の時間にわたって、検
出直前の駆動方向と逆方向に駆動系を作動させる制御出
力を該駆動系に与える場合には、停止位置の検出と同時
に駆動系が機械要素の慣性による移動をある程度許しな
がら擬似的に逆転し、機械要素を検出直前の駆動方向に
移動させようとする慣性に対して逆方向の駆動力が、い
わばブレーキ力として作用し、機械要素の移動を制限す
る。

【００２６】この擬似的逆転は機械要素が停止位置に達
したことを検出した直後から、その検出直前の機械要素
の摩擦負荷に対応する所定の時間にわたって行われ、摩
擦負荷の経時変化に関係なく、一定の高精度の位置制御
を行うことができる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて具体
的に説明する。図１の機能ブロック図に示すように、本
発明の一実施例に係る機械要素の位置制御方法は、機械
要素１の位置を検出するエンコーダ２の出力をアップダ
ウンカウンタ３でカウントし、このカウント数と主制御
回路４から機械要素１を駆動する駆動系５に与える制御
目標値に対応するカウント数との偏差を偏差演算回路６
で演算し、この演算結果をＤ／Ａ変換回路７でアナログ
信号に変換する。

【００２８】ディザ信号発生回路８から出力された定振
幅、定周波数のディザ信号を振幅変調回路９で上記アナ
ログ信号に基づいて振幅変調した後、信号重畳回路１０
において主制御回路から駆動系５に出力する制御出力に
重畳してディザ印加制御出力を得て、このディザ印加制
御出力によって駆動系５を制御する。

【００２９】上記振幅変調回路９では、図２に示すよう
に、変動時には変動する制御目標値と機械要素１の位置
との偏差の増減に対応して一定の上限値以下で振幅が増
減されるようにして、その結果、例えば図３に示すよう
に、変動時には振幅が大きめのディザ信号を与えること
によりヒステリシスの低減が図られ、制御目標位置の近
傍ではディザ信号の振幅を制御目標値と機械要素１の位
置との偏差に対応して小さくすることにより整定性が高
められる。

【００３０】ここで、アップダウンカウンタ３のカウン
ト数と主制御回路４から機械要素１を駆動する駆動系５
に与える制御目標値に対応するカウント数との偏差は、
機械要素１の摩擦負荷の大きさに対応するので、機械要
素１の摩擦負荷が経時的に変化してもその時の摩擦負荷
の大きさに対応して上記偏差が演算されるので、摩擦負
荷が経時的な変化に関係なく、一定の高精度の位置制御
ができる。

【００３１】この実施例において、振幅変調回路９にお
ける制御特性を、例えば図４に示す制御出力が小さい制
御目標値ａ側から制御出力が大きい制御目標値ｂに向か
う場合（以下、プラス方向の場合という。）には、図５
に示すように制御目標位置と機械要素１の位置との偏差
が正の方向の最大振幅が負の方向の最大振幅よりも大き
くなるように設定することができる。

【００３２】又、制御出力が大きい制御目標値ｂ側から
制御出力が小さい制御目標値ａに向かう場合（以下、マ
イナス方向の場合という。）には、図６に示すように、
制御目標位置と機械要素１の位置との偏差が正の方向の
最大振幅を負の方向の最大振幅よりも小さくなるように
設定できる。

【００３３】このように振幅変調回路９の振幅変調特性
を制御方向によって異ならせて設定すれば、プラス方向
の場合には図７に示すように、又、マイナス方向の場合
には図８に示すように、変動時に機械要素１を変動方向
に移動させるディザ信号の影響力がその逆方向へのディ
ザ信号の影響力よりも小さくなり、プラス方向への機械
要素１の移動が促進され、短時間で制御目標値ｂ又は制
御目標値ａに達することができ、メカヒステリシスを一
層低減できる。

【００３４】本発明の他の実施例に係る実施例では、図
９に示すように、図１の振幅変調回路９に変えて、Ｄ／
Ａ変換回路６の出力に基づいてディザ信号発生回路８が
発生する周波数を制御する周波数変調回路１１が設けら
れる。

【００３５】この周波数変調回路１１の制御特性は、例
えば図１０に示すように、制御目標値でディザ周波数が
最大となり、その両側で制御目標値と機械要素１の位置
との偏差の増加に対応してディザ周波数が所定の下限周
波数まで減少するように設定される。

【００３６】ディザ信号に対する機械機構１の応答性は
周波数が高くなるほど次第に鈍感になるので、図１１に
示すように整定時にはディザ信号の周波数が高められデ
ィザ信号の影響力を抑えることにより整定性を高められ
ると共に、変動時にはディザ信号の周波数を低くしてデ
ィザ信号の影響力を大きめにすることによりヒステリシ
スの低減が図られる。

【００３７】ここで、アップダウンカウンタ３のカウン
ト数と主制御回路４から機械要素１を駆動する駆動系５
に与える制御目標値に対応するカウント数との偏差は、
機械要素１の摩擦負荷の大きさに対応するので、機械要
素１の摩擦負荷が経時的に変化してもその時の摩擦負荷
の大きさに対応して上記偏差が演算されるので、摩擦負
荷が経時的な変化に関係なく、一定の高精度の位置制御
ができる。

【００３８】この実施例のその他の構成、作用ないし効
果は上記の一実施例のそれらと同様であるので、重複を
避けるためこれらの説明は省略する。なお、この実施例
において、周波数変調回路１１の周波数変調特性の下限
周波数の設定値を制御方向によって異ならせて設定すれ
ば、前例の図７及び図８に示すように変動時に機械要素
１を変動方向に移動させるディザ信号の影響力がその逆
方向へのディザ信号の影響力よりも小さくなり、プラス
方向への機械要素１の移動が促進され、短時間で制御目
標値ｂ又は制御目標値ａに達することができ、メカヒス
テリシスを一層低減できる。

【００３９】本発明の又他の実施例に係る機械要素の位
置制御方法では、機械要素を駆動するモータの駆動軸に
移動量検出エンコーダが、機械要素あるいはその移動経
路に機械要素の停止位置を検出する停止位置検出エンコ
ーダがそれぞれ設けられ、例えば図１２に示すように、
機械要素を停止させる停止モードが設定されているとき
にのみ有効なアップダウンカウンタ１０１にこれらのエ
ンコーダの出力が入力される。

【００４０】上記アップダウンカウンタ１０１は、移動
量検出エンコーダの検出パルス数と、正規の制御目標の
パルスＰ_Oとの偏差（位相差）を演算し、この偏差の大
きさ、すなわち摩擦の大きさに対応する値をパルス数と
して計数する。

【００４１】この偏差の大きさを表すパルスは出力ゲイ
ンコントロール１０７を経て、Ｄ／Ａ変換回路１０８で
アナログ信号に変換され、ピークホールド回路１１１で
このアナログ信号のピーク値がホールドされる。

【００４２】上記のように偏差の大きさは、摩擦の大き
さに対応しているので上記偏差ピーク値も機械要素の摩
擦負荷のピーク値に対応することになる。正逆判定回路
１０２が停止位置検出エンコーダの出力に基づいて正転
駆動領域から不感帯に入ったと判定すると、正転駆動回
路１０３の正転駆動出力が停止れると共に、逆転駆動回
路１０５の逆転駆動出力が出力され、逆転停止タイマ１
０６がオンされる。

【００４３】これにより、ゲート１１０が開いて、ピー
クホールド回路１１１にホールドされたピーク値を出力
ゲインコントロールアンプ１０７に出力する。このと
き、上記ピークホールド回路１１１の出力を所定の時定
数を有する積分系１１３によって振幅減衰させているの
で、ゲート１１０の出力ゲインが制限され、このように
ゲインが制限されると制限された割合に従ってパルス幅
変調回路１０９の出力パルスの幅が短くなるようにして
いる。

【００４４】ここで、積分系１１３の時定数は固定して
あるので、ゲート１１０の出力はピーク値の大きさ、即
ち、機械要素の摩擦負荷の大きさに対応することにな
り、従ってパルプ幅変調回路１０９の出力に摩擦負荷の
大きさを反映することになる。尚、ピークホールド回路
１１１にホールドされた値を逆転時間に充分反映させる
ためには、上記タイマ１０６での設定値は上記パルス幅
変調回路１０９の出力パルス幅の最大予想値より長めに
設定しておくのが好ましい。また、上記積分系１１３に
よる逆転時間管理機能が充分であるならばタイマ１０６
による時間管理は不要であり、正転から逆転に移行する
際に上記ゲート１１０を開く何等かの信号が得られれば
よい。

【００４５】上記パルス幅変調回路１０９の出力は、逆
転駆動出力をオンオフするＦＥＴのゲートに与えられ、
正転駆動出力から逆転駆動出力に切り替えられた後、機
械要素の摩擦負荷の大きさに対応する期間だけ逆転駆動
出力が駆動系に流される。

【００４６】機械要素は正転駆動出力が停止された後に
も慣性により正転駆動時と同じ方向に移動しようとする
が、上記のように駆動系に逆転駆動出力を印加すること
により、機械要素の移動に対してあたかもブレーキを掛
けるような負荷が加えられ、機械要素の移動速度が減速
される。

【００４７】従って、この逆転駆動出力の値を適宜設定
することにより、不感帯に入る直前の摩擦負荷に対応す
る最適の不感帯内での逆転駆動出力を得て、停止位置を
検出した機械要素の位置から予め設定された不感帯内で
機械要素を停止させることができる。

【００４８】また、経時変化によって機械要素の摩擦負
荷が増大した場合には、摩擦負荷の大きさに対応して逆
転駆動出力が印加される時間が長くなるので、不感帯内
で機械負荷量が多くなり、確実に不感帯内で機械要素を
停止させることができる。

【００４９】更に、正転から逆転に移行する際には、タ
イマ１０４を駆動させることによって、上記と同様の制
御ができることになる。

【００５０】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の機械要
素の位置制御方法においては、上記機械要素の位置と制
御目標値との偏差に対応してディザ信号の振幅を変化さ
せるので、時間に関係なく機械要素の摩擦負荷の大小に
依存して発生する機械要素の位置と制御目標値との偏差
に対応してディザ信号の振幅を変化させることになる。

【００５１】したがって、整定時にはディザ信号の振幅
を小さくしてディザ信号の影響力を抑えることにより整
定性を高めることができると共に、変動時には大きめの
ディザを印加してヒステリシスの低減を図ることができ
る。

【００５２】しかも、時間に関係なく機械要素の摩擦負
荷の大小に依存して発生する機械要素の位置と制御目標
値との偏差に対応して、ディザ信号の振幅を変化させる
ので、摩擦負荷の経時変化に関係なく一定の高精度の位
置制御ができる。

【００５３】又、本発明の他の機械要素の位置制御方法
においては、上記機械要素の位置と制御目標値との偏差
に対応してディザ信号の周波数を変化させるので、整定
時にはディザ信号の周波数を高めてディザ信号の影響力
を抑え、変動時にはディザ信号の周波数を低くしてディ
ザ信号の影響力を大きめにしてヒステリシスの低減を図
ることができる。

【００５４】しかも、時間に関係なく機械要素の摩擦負
荷の大小に依存して発生する機械要素の位置と制御目標
値との偏差に対応して、ディザ信号の周波数を変化させ
るので、摩擦負荷の経時変化に関係なく一定の高精度の
位置制御ができる。

【００５５】更に、本発明の又他の機械要素の位置制御
方法においては、機械要素が停止位置に達したことを検
出した直後から、その検出直前の機械要素の摩擦負荷に
対応する所定の時間にわたって、検出直前の駆動方向と
逆方向に駆動系を作動させる制御出力を該駆動系に与え
るので、不感帯に入ると同時に駆動系が擬似的に反転駆
動され、機械要素を検出直前の駆動方向に移動させよう
とする慣性に対して逆方向の駆動力を、いわばブレーキ
力として作用させて、機械要素の移動速度を減速させる
ので、整定性が高められる。

【００５６】しかも、この逆転方向の制御出力はその検
出直前の機械要素の摩擦負荷に対応する所定の時間にわ
たって出力されるので、摩擦負荷の経時的変化に関係な
く、一定の高精度の位置制御ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の機能ブロック図である。

【図２】本発明のディザ振幅制御特性図である。

【図３】本発明の制御特性図である。

【図４】制御出力と機械要素変位量との関係を模式的に
示す制御特性図である。

【図５】本発明のプラス方向ディザ振幅制御特性図であ
る。

【図６】本発明のマイナス方向ディザ振幅制御特性図で
ある。

【図７】本発明のプラス方向制御特性図である。

【図８】本発明のマイナス方向制御特性図である。

【図９】本発明の機能ブロック図である。

【図１０】本発明のディザ周波数制御特性図である。

【図１１】本発明の制御特性図である。

【図１２】本発明の機能ブロック図である。

【図１３】理想制御特性線と実制御特性線とを比較して
示す制御特性図である。

【図１４】従来の正逆転方式のタイミング図である。

【符号の説明】

１ 機械要素 ２ エンコーダ ３ アップダウンカウンタ ４ 主制御回路 ５ 駆動系 ６ 偏差演算回路 ７ Ｄ／Ａ変換回路 ８ ディザ信号発生回路 ９ 振幅制御回路 １０ 信号重畳回路 １１ 周波数制御回路 １０１ アップダウンカウンタ １０２ 正逆判定回路 １０３ 正転駆動回路 １０４ 正転停止タイマ １０５ 逆転駆動回路 １０６ 逆転停止タイマ １０７ 出力ゲインコントロールアンプ １０８ Ｄ／Ａ変換回路 １０９ パルス幅変調回路 １１０ ゲート １１１ ピークホールド回路 １１２ 制動ゲインアンプ １１３ 積分系

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機械要素を駆動する駆動装置を該機械要
   素の制御目標値に対応する制御出力にディザ信号を印加
   したディザ印加制御出力により制御してメカヒステリシ
   スを低減させる機械要素の位置制御方法において、 上記機械要素の位置と制御目標値との偏差に対応してデ
   ィザ信号の振幅を変化させることを特徴とする機械要素
   の位置制御方法。
2. 【請求項２】 上記ディザ信号の振幅にかえて周波数を
   変化させることを特徴とする請求項１に記載の機械要素
   の位置制御方法。
3. 【請求項３】 機械要素が停止位置に達したことを検出
   した直後から、その検出直前の機械要素の摩擦負荷に対
   応する所定の時間にわたって、検出直前の駆動方向と逆
   方向に駆動系を作動させる制御出力を該駆動系に与える
   ことを特徴とする機械要素の位置制御方法。