JPH07337043A - 超音波モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は超音波モータの特性変化にも追従し
て該モータを適切に制御できる制御装置を提供する。 【構成】 本発明の制御装置は、位置補償器１３、速度
補償器１４、Ｄ／Ａ変換器２９、アナログマルチプライ
ヤ８、電力増幅器６、トランス７、超音波モータ１、ロ
ータリーエンコーダ２、位置検出信号１１、及び差分演
算器１５の第一のフィードバック制御ループにより該モ
ータ１の運動制御系を構成し、該第一ループの信号とし
て電圧指令値３を速度補償器１４に発生させる一方、Ｄ
／Ａ変換器９に印加する周波数指令値を発生するための
第二の制御ループを設け、該ループに設けたゲイン同定
器１７に電圧指令値３と速度検出信号１６とを入力させ
て第一のフィードバックループのゲイン同定を行なうこ
とにより、該第一のループの一巡伝達ゲインを一定に保
ち、該モータの特性変動や外乱変化に第一ループが追従
できるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は振動波（超音波）モータ
の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】振動波（超音波）モータの制御装置とし
て従来の技術を代表するものを図４に示す。図４に示し
た制御装置は周波数操作による運動制御系の例であり、
振動波（超音波）モータ振動体の機械的共振特性に従っ
て速度を操作するものである。通常、振動波（超音波）
モータで用いられる電力では機械的共振を用いない限り
駆動力となる振動は得られない。従って駆動周波数を共
振点から外すと機械的振幅が減少し、十分共振点から離
れると停止する効果をそのまま用いたものである。図５
は振動波（超音波）モータの速度対駆動周波数特性であ
る。このような特性曲線に従って速度を可変にすること
がその基本手段である。その他、周波数は共振点に固定
し電圧を可変にする方法、２相電力の時間的位相差を可
変にする方法などがあり、何れによっても速度を可変に
できる。これらのことは文献“振動波（超音波）モータ
の位置決め制御系”（計測技術、１９８７，Ｎｏ．２）
に詳細に記されている。ここでは周波数可変による運動
制御系の例を示す。

【０００３】振動波（超音波）モータ１には速度及び位
置検出手段としてのロータリエンコーダ２が接続されて
いる。振動波（超音波）モータの駆動装置１００は、２
相出力のＶＣＯ（電圧制御発振器）５により電気的振動
を得て、電力増幅器６とトランス７により所望の周波数
と電圧を持つ電力を発生させる構成である。駆動装置１
００に対する指令を発する制御演算部２００はＣＰＵに
より構成されており、該制御演算部２００はロータリー
エンコーダ２の出力信号（位置検出信号）１１と位置目
標値１２とを入力とし周波数指令値２３を駆動装置１０
０に出力する。位置検出信号１１は差分演算器１５によ
り速度信号１６に変換される。また、位置検出信号１１
と位置目標値１２との比較値に基づいて位置補償器１３
が位置補償演算を行ない、その出力信号と速度信号１６
との比較値に基づいて速度補償器１４が速度補償演算を
行ない、速度補償演算の結果得られた周波数指令値２３
は駆動装置１００のＤ／Ａ変換器９によりアナログ変換
されてＶＣＯ５に印加され、運動制御系のフィードバッ
クループが構成される。

【０００４】前述のように、振動波（超音波）モータの
速度を可変にする操作変数は幾つかあり、何れの変数を
用いても確かに結果として速度は変更できる。しかし、
これらは必ずしも速度を制御する変数即ち操作変数とし
て好ましいものばかりとはいえない。周波数操作方法に
基づく制御装置は図５に示した特性曲線に従って振動波
（超音波）モータの速度を可変にするものであるが、非
線形であることの他、種々の条件によりこの特性曲線は
変化するという問題点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の様に従来の技術
では、制御対象の変動はフィードバック制御としての基
本性質に頼るしかなかった。前述の従来例の構成では確
かに、制御系の調整を的確に行なえば定常特性は目的通
りの性能が得られた。しかし、いくらフィードバック制
御といえども対象の特性変動は過度特性において応答の
ばらつきとなって現われる。速度制御や位置制御の整定
時間が変動するという問題は従来技術では避けられなか
った。

【０００６】また、特性変動により制御系が不安定にな
ったり、許容範囲の性能が得られないことも頻繁に起こ
り、この場合は制御パラメータの再調整を行なわざるを
得なかった。

【０００７】特に、始動時には摩擦面の固着の原因で通
常ゲインでは起動できないという問題があり、手動によ
る固着除去を行なうか、特殊な操作モードを設ける等の
冗長な対策が必要であったことも従来技術において改善
されるべき問題点として残されている。

【０００８】本発明の目的は、従来技術において解決さ
れていない前記諸問題を解決できる新規な構成の振動波
（超音波）モータ制御装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段及び作用】弾性体に進行波
を発生させ駆動力を得る振動波（超音波）モータの制御
では、印加する交流電力の電圧と周波数の何れかを可変
にすることが、実現の容易性等の理由から、産業上有効
な手段とされている。本来、電圧操作による方法は速度
出力を直線的に変化させることができ、制御系の特性設
計上は望ましい。一方、周波数を操作することは、直線
的な関係は得られないものの、共振周波数の変動に対応
できるため好まれて利用されている。

【００１０】このように振動波（超音波）モータの速度
の操作変数として電圧と周波数の２つが考えられるが、
従来は電圧操作による制御方法と周波数操作による制御
方法とのそれぞれの制御の本質について充分な検討が行
なわれていなかったきらいがある。本発明者は、前記二
つの制御方法に関して下記のような再検討と考察とを行
なうことにより、従来技術において解決されていない前
記諸問題を解決できる新規な振動波（超音波）モータ制
御装置の開発を目標とした。

【００１１】従来技術に存する問題点を解決するために
は、従来技術についての分析と考察とが必要である。

【００１２】そこで、先ず、電圧操作による制御方法に
ついて再検討を行なってみる。

【００１３】電圧と速度との関係は線形性があると前述
したが、これは換言すれば両者の間に等価性があるとい
うことである。速度は機械的振動振幅に比例する。機械
的振幅は電気的振幅即ち電圧に比例する。従って電圧と
速度との等価性が成り立つ。このことから、等価性のあ
る電圧をもって速度を制御することは自然であり且つ物
理的な妥当性があるといえる。

【００１４】一方、周波数操作による制御方法は、周波
数を変更することにより、もちろん速度は変わるが、正
しくは共振特性に係わる振動特性が変わるものである。
すなわち、この制御方法は速度ではなくむしろゲインを
変化させる効果を与えていると考えられるべきである。
従って、この考え方によれば、電圧と周波数の二つの変
数を操作する、物理的な正当性のある制御系が以下のよ
うに構成できることになる。

【００１５】電圧操作による運動制御ループからみた場
合、図５に示した速度対駆動周波数の特性関数は、その
ループ上にのるゲイン特性である。このゲインは駆動周
波数を変化させることにより変更できる。線形制御理論
の観点からはループゲインは一定であることが望まし
い。ゲインを一定にする目的において周波数操作手段を
活用する手段は自然に導きだせる。図３はその概念図を
示したものであり、運動制御とゲイン調節の２つの制御
ループの構成を示したものである。温度・湿度の環境パ
ラメータや摩擦特性の長期的変動に起因する制御特性の
変動は、振動波（超音波）モータ特有の問題であり、こ
れら全ての変動は運動制御ループのゲイン変動として現
われるものである。周波数を調節することにより変動し
やすいゲインを一定に保つことは振動波（超音波）モー
タの問題点を的確に解決する手段でありその意義は極め
て大きい。

【００１６】ゲイン調節ループの実現において制御技術
上の困難のないことは以下の様に示すことができる。図
２はゲイン補償の原理を表したものであり、積分要素を
持った補償器と帯域制限器と線形化関数発生手段及び操
作量制限器から構成されるフィードバック系である。積
分補償器は未知変動成分に対して偏差なしで目標ゲイン
に合致させるためのものである。線形化関数発生手段は
共振特性の右側勾配での動作を仮定して設けられたもの
であるが、もちろん、線形化関数はフィードバックであ
るので、厳密な共振特性の逆関数を要求するものではな
く変化の方向を指定する程度のものである。操作量制限
器は動作範囲を指定するためのものである。そして、制
御帯域制限器は運動制御系との競合を避けて帯域分離を
行なうために設けられるものである。

【００１７】以上が本発明の基本的な考え方であり、以
下にその実施例を示す。

【００１８】

【実施例】図１に本発明の一実施例を示す。振動波（超
音波）モータ１には位置検出器であるロータリーエンコ
ーダ２を備えている。駆動装置３００は電圧操作端と周
波数操作端とを有しており、振動波（超音波）モータ１
への２相の交流電力を与えるものである。

【００１９】駆動装置３００の内部構成例を簡単に説明
する。２相発振の電圧操作型発振器（ＶＣＯ）５と電力
増幅器６とトランス７による昇圧手段を主要構成要素と
した例である。制御演算部４００はＣＰＵから構成され
ている。駆動装置３００の入力端は電圧指令値３と周波
数指令値４のそれぞれのデジタル信号を受けるための２
個のＤ／Ａ変換器９及び２９を設けてあり、Ｄ／Ａ変換
器２９に入力する信号は電圧指令値３であり、他方のＤ
／Ａ変換器９に入力する信号は周波数指令値４である。
周波数指令値４を受けたＶＣＯ５は２相交流波を発生、
アナログマルチプライヤ８により電圧指令値３に比例す
る交流波を発生させ、２相の交流波はそれぞれ電力増幅
器６と昇圧トランス７を経て振動波（超音波）モータ１
（このモータは振動体上に圧電体等の電気−機械エネル
ギー変換素子が配されており、上記２相の交流波がそれ
ぞれの素子に印加される。）に印加される。

【００２０】制御演算部４００の構成を説明する。第１
の制御ループである運動制御ループは従来の位置制御系
と同じ構成であり、位置補償器１３と速度補償器１４と
を有する一般的な構成である。なお、ここでは位置制御
系として例示するが、本発明の主旨として本来、速度制
御系やトルク制御系であってもかまわない。ロータリエ
ンコーダ２の位置検出信号１１と外部からの位置目標値
１２とを入力として電圧指令値３を出力するものであ
る。位置目標値１２と位置検出値１１との比較信号が位
置補償器１３に入力される。また、位置補償器１３の出
力値と速度信号１６との比較信号は速度補償器１４への
入力となり、速度補償器１４の出力が駆動装置３００の
ひとつの操作端へ入力される電圧指令値３である。な
お、速度補償器１４の入力端で加えられる速度信号１６
は位置検出信号１１を差分演算器１５により変換したも
のである。

【００２１】第２の制御ループであるゲイン調整ループ
は、第１の運動制御ループ内の電圧指令値３から速度信
号１６までの伝達関数の直流ゲインを同定し、この同定
ゲイン信号に基づいて周波数指令値４を出力する構成で
ある。このループはゲイン同定器１７と帯域制限フィル
タ１８と比例積分補償器１９を構成要素とする。ゲイン
同定器１７は、第１ループの制御演算結果である電圧指
令値３と、ロータリエンコーダ２の出力を差分演算器１
５に入力させて得た速度信号１６と、を入力としゲイン
同定値を出力する。ゲイン同定値は所望のゲイン値ｇｒ
と比較され帯域制限フィルタ１８を経て比例積分補償器
１９へ入力されることによって制御演算結果としての周
波数指令値４を出力している。この制御演算結果たる周
波数指令値４がＤ／Ａ変換器９を経て駆動装置３００内
のＶＣＯ５への周波数操作信号となる。尚、図示してい
る比例積分補償器１９には上下限制限器が設けられてい
る。これは振動波（超音波）モータの共振特性に係わる
周波数設定範囲を逸脱させない為である。また、帯域制
限フィルター１８は第１の運動制御ループとこのゲイン
調整ループとの高周波域での競合を避けるためのもので
ある。その意味上、本フィルター１８の設置される位置
は、第２の制御ループ内の他の位置でも構わない。

【００２２】第２の制御ループのゲイン同定器１７は電
圧指令値３と速度信号１６間の伝達関数のゲインパラメ
ータをオンライン推定する機能を有している。これは逐
次型同定アルゴリズムで実現できる。例えば、計測自動
制御学会による学術図書“システム同定”に、産業上有
用な各種の逐次型同定演算方法が記載されている。最小
二乗法系の同定手段が一般によく用いられる。

【００２３】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の振動波
（超音波）モータ制御装置では、電圧を操作することに
より該モータの運動を制御する第一の制御ループのほか
に、周波数を操作することにより該第一の制御ループの
ゲインを一定に保持する第二の制御ループを設けたの
で、該振動波（超音波）モータの固体差や、使用環境の
変化や、経年変化などのゲイン変動要因があっても制御
系をそれらの変化に対して追従させることができ、従来
の制御装置における諸問題を解決することができる。ま
た、該第二の制御ループはフィードバックによるゲイン
調整手段なので、振動波（超音波）モータの固体差環境
変化や経年変化に対して制御演算部の調整が不要である
という特徴もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の振動波（超音波）モータ制御装置の一
実施例の構成を示した図。

【図２】図１に示した制御装置の構成の原理となるゲイ
ン制御系を示した図。

【図３】本発明の発想の基礎となる制御系の概念図。

【図４】従来公知の振動波（超音波）モータ制御装置の
構成を示した図。

【図５】共振振動波（超音波）モータにおける速度と駆
動周波数との関係を示した図。

【符号の説明】

１…振動波（超音波）モータ ２…ロータリエンコ
ーダ ３…電圧指令値 ４…周波数指令値 ５…ＶＣＯ ６…電力増幅器 ７…トランス ８…アナログマルチ
プライヤ ９，２９…Ｄ／Ａ変換器 １１…位置検出信号 １２…位置目標値 １３…位置補償器 １４…速度補償器 １５…差分演算器 １６…速度信号 １７…ゲイン同定器 １８…帯域制限器 １９…上下限制限器
付き比例積分補償器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波モータの速度を検出する速度検出
   手段と、該超音波モータの振動子に対して駆動電圧を印
   加するための駆動手段と、該駆動手段に対して印加電圧
   指令値と周波数指令値とを与える制御演算部と、を有す
   る超音波モータ制御装置において、 該速度検出手段の出力信号に基づいて該超音波モータに
   対する印加電圧指令値を変化させることにより該超音波
   モータの運動制御を行なう第一のフィードバック制御ル
   ープと、該速度検出手段の出力該印加電圧指令値との比
   較結果に基づいて該第一のフィードバック制御ループの
   直流ゲインを逐次同定する機能を有するとともに該超音
   波モータに対する周波数指令値を変化させることにより
   該第一のフィードバック制御ループの一巡伝達ゲインを
   一定に保つ第二のフィードバック制御ループと、を有し
   ていることを特徴とする超音波モータ制御装置。
2. 【請求項２】 該第二のフィードバック制御ループは、
   ゲイン同定器と、帯域制限器と、比例積分補償器及び上
   下制限器と、から成り、該速度検出手段の出力と該電圧
   指令値とが該ゲイン同定器の入力となっており、該ゲイ
   ン同定器の出力とゲイン所望値との比較結果に応じて該
   帯域制限器で帯域制限を行ない、該比較積分補償器で比
   例積分補償を行なうとともに上下限制限を行なうことに
   より該周波数指令値を変化させるように構成されている
   ことを特徴とする請求項１の超音波モータ制御装置。