JPS589588A - モ−タの速度制御方法およびその速度制御装置 - Google Patents

モ−タの速度制御方法およびその速度制御装置

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JPS589588A
JPS589588A JP56107123A JP10712381A JPS589588A JP S589588 A JPS589588 A JP S589588A JP 56107123 A JP56107123 A JP 56107123A JP 10712381 A JP10712381 A JP 10712381A JP S589588 A JPS589588 A JP S589588A
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    • H02P1/16Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P7/00Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors
    • H02P7/03Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for controlling the direction of rotation of DC motors
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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】 本発明は、モータの速度制御方法およびその速度制御装
置に係シ、動作軸の回転を測定するエンコーダのごとき
指速発電機を有し、かつモータを所定の速度で駆動する
だめに、スイッチング素子を備えるようにしたものにお
ける、モータの速度制御方法およびその速度制御装置に
関するものである。
従来、直流モータの速度制御を精度良く行なうには、モ
ータまたは駆動軸にエンコーダのごとき指速発電機を取
付け、この出力をフィードバックして速度を一定にする
、比例制御の方法が一般的である。
しかし、この方法では、速度指令値とエンコーダのごと
き指速発電機で検出した実速度との偏差・ 成分をフィ
ードバックするだめ、どうしても、その偏差成分を零に
できず、当該指令値とモータ速度との誤差が生じていた
これを解決する方法としては、速度指令値とモータ速度
との偏差に比例したフィードバックを行なう比例制御に
、上記偏差成分を積分して得られる量をフィードバック
する積分制御を加えて制御する方法もある。
一方、モータの負荷としては、情報機器などが多くなっ
ており、対象とするモータ軸の慣性モーメントあるいは
負荷トルクも種々多様である。
この場合、従来装置では、その都度、モータを当該装置
と直結して、制御ループゲインや積分項の定数などを調
整して、起動時のオーバシュートまたはアンダーシュー
トなどがなく、できるだけスムーズに速度が立上るよう
にしていた。
まだ、モータを駆動する電源電圧が変化した場合、制御
グループのゲインなどが変化したと等しくなり、その都
度、ゲインなどを調整するか、あるいは電圧を検出して
ゲインを自動調整する回路を付加する必要があったもの
である。
本発明は、上記の点にかんがみ、速度制御において、負
荷あるいは、負荷の慣性またはモータに印加する電圧な
どが変化しても、常に最短時間で定速まで起動できると
ともに、起動時のオーバシュートまた、は振動などのな
い、モータの速度制御方法およびその速度制御装置の提
供を、その目的とするものである。
本発明に係るモータの速度制御方法の特徴は、動作軸に
速度測定に係る指速発電機を備えだモータを速度指令に
より任意の速度で駆動し、少なくとも、当該速度指令値
とモータ速度との差による比例項と、速度指令値とモー
タ速度との差を時間積分した積分項とを含むもののフィ
ードバックによってモータを制御するようにしだものに
おいて、起動時に加速度を測定し、この加速度の値によ
シ、前記積分項を補正するようにしだモータの速度制御
方法にある。
まだ、本発明に係るモータの速度制御装置の特徴は、動
作軸に速度を測定する指速発電機を有するモータと、そ
のモータ端子に可変電圧を印加する制御回路とで構成さ
れ、当該制御回路は、任意の速度指令と、指速発電機の
出力から速度を検出する回路からの速度とを取込んで計
算処理するマイクロコンピュータト、このマイクロコン
ピュータの出力により動作するドライブ回路とよシなり
、任意速度指令にだいして加速時の加速度を測定するこ
とによって、マイクロコンピュータで積分内容を補正計
算し、この指令でモータを制御するように構成したモー
タの速度制御装置にある。
次に、本発明に係る実施例を説明する前に、理解し易い
ように、本発明に係るものの基本的技術思想ならびに、
その発明の詳細な説明することとする。
まず、速度制御に関する要素を考えることにする。
最初に、(イ)速度指令値Ncがある。
これは、モータの速度を、ある値に制御する目標値であ
る。
次に、(ロ)モータ軸の速度を検出するエンコーダのよ
うな指速発電機から得られるモータ速度Nがある。
さらに、(ハ)負荷トルク、モータの逆起電力に対応す
る電圧成分がある。
これらによるモータの出力電圧Vent  は、次式%
式% ) この(1)式の右辺前項は、比例項と称して、速度Nが
速度指令値(以後、指令値という。)Ncとの差が大き
い場合、すなわち加速時は、モータの出力電圧V、ゎt
の中の支配的な値であるが、速度Nが指令値Ncと等し
くなると、この項は零になる。
なお、G、は、この項の定数でゲインに相当する。
しだがって、起動時には、上記環が支配的な大きな値と
なってモータを加速する。
また、上記右辺の第2項は、上述した負荷トルク、モー
タの逆起電力に対応する電圧成分に係る積分項である。
デジタル制御を行なう場合を含め、積分項の第2項は、
いま、前の値をΣken−1とすると、現在のΣken
は、次式で与えられる。
Σken−Σken−1+Kd     −f2)ここ
で、K dは、(Nc  N)に関連(比例)した値で
ある。
このような制御では、(1)式の右辺第1項は、加速ト
ルクを発生させる働きを行ない、定常状態では零となる
また、第2項は、既述のように負荷トルクおよびモータ
の逆起電力に対応する項で、加速時に積分され、定常状
態では、ある一定の値Σke1となる。
この結果より、加速終了時点で、Σkeの値が定常状態
の値Σkelに等しければ、速度はすぐ安定する。
また、直流モータの発電常数をKn(V/rpm)とし
て、同モータの定常状態の速度をN、rpm(モータ定
常速度)、モータの電機子抵抗をR(Ω)、負荷トルク
をTt(Kq−m)、トルク常数をK t(Kg・m/
A)とすると、定常状態でモータに必要な電圧ytは、
次式で与えられる。
Vt=Kn−N、+(RXT4)/Kt   −・・・
−・−・−(3)いま、簡単のため、(Nc −N )
に比例して変化するKdを、一定値のKdlとし、すな
わち、(2)式のKd=Kdlとし、加速時間をt、と
すると、(1)式の積分項は、加速終了時に次式で示さ
れる。
Σk e −4(d 1 x t 、     −−=
(4)理想的に加速を行なうとすると、上記の(3)式
と(4)式とが等しくなることが条件であり、すなわち
次のごとくである。
Kn  −N、+ (R,XTA)/Iぐt = Kd
  I X  t 、  ・・・・・−・−−(5)加
速度をα、とすると、次のようになる。
Kn−N+(R,XTA)/Kt −、−=Kdl×(N/α1 )        ・・
・・・・・・・(6)この(6)式より、Kdlを求め
ると、次式が得られる。
Kdl=as (Kn+(R+T/:)/N−Kt )
−(’I)すなわち、もとに戻り、さきに述べた(1)
式の積分項に関するKdlは、上記(7)式のように、
加速度α、と負荷トルクTLが分かれば決定される。
これは負荷対応として負荷慣性は加速度α、で測定し、
これに見合っだKdlを計算すれば、負荷慣性の変化に
対応可能である。
一般に、情報機器用モータとしては、永久磁石モータが
主流で、負荷としては、慣性負荷が多く、慣性に比べて
負荷トルクTtが小さい。このような場合は、定常状態
では、逆起電力にだいする項、すなわち、さきの(6)
式左辺第1項のみを考えればよく、(7)式をあわせ、
Kdlは次式のようになる。
Kdl=α、・[n      ・・・・・・・・・(
8)以上により、負荷対応を速度制御に取り入れる最も
簡単な考え方は、上記の(8)式のように、加速度α1
を測定することにより、(1)式の積分項に関(9) するK dを補正して起動すれば、最短時間で安定な起
動が終了し、このときの積分項の値Σkeが定常状態で
の逆起電力にだいする値のΣ1(elと等しくなり、モ
ータ速度Nが、すぐ定常速度N、になる。
この様子を、第1図により説明する。すなわち第1図は
起動特性図であり、図中、破線は、積分項に関するK 
dを補正しない場合を示し、実線は補正を行なった場合
を示すものである。
この第1図の例では、負荷慣性が小さくなったか、また
は電源電圧が上昇したかにより、モータ速度の立上りが
早くなった例である。
すなわち、Kdの補正を行なわない図示破線の場合では
、モータ速度Nが定常値に近づいて、比例項at  (
Nl−N)が小さくなっても、積分項Σkeの値が定常
値Σk e 1に達しないため、モータ速度Nも定常値
にならず、積分項が定常値になる時間t2までモータ速
度が安定しない。
これにたいして、実線で示した積分項に関するKdを補
正する方法では、モータ速度N、が、ある(10) 時間ts1内にNs 1になっていれば加速度α1は、
Ns 1 / ts 1で求めることができ、その時間
ts。
を十分小さく選べば、181時点で積分項に関する値K
dをKdlに修正して、Σkeの傾きを実線のようにす
るものである。
このようにすると、モータの速度Nが定常値のN1に達
するとΣkeも定常値Σke1に達し、比例項G、(N
、−N)は零となるため、モータの速度はスムーズに定
常状態に移る。
したがって、モータの起動時間は、t、で破線のt2よ
り大幅に短縮できるものである。
次に、第2図は、同様に起動特性図であり、負荷の慣性
が大きくなったが、電源電圧が低くなって、起動時間が
長くなった例である。
すなわち、積分項に関する[dの補正を行なわない破線
で示しだ曲線では、モータ速度Nが定常値N、に達しだ
場合の電圧に係る積分項Σkeは、定常値Σke1より
大きくなる。
このため、モータ速度Nは、定常値N1より大きくなっ
てオーバシュートとなり、積分項は減少(11) を始めるが、速度Nが定常値N1を横切る点で、今度は
、積分項の値ΣIceが定常値Σ1(elより低くなっ
てアンダーシュートが起るが、これが減少して、時間t
2で定常値に落着くものである。
これにたいして、積分項に関するK dを補正する方法
では、実線に示すように、起動後の、ある時間ts1の
間に、モータ速度Nの変化分Ns1を測定することによ
り加速度α1を検出できるので、この時点ts、で、こ
れに見合ったように積分項のK dをKdlに補正する
ことによりモータ速度Nが定常値N、に達した時点t1
の積分項の値Σkeは定常値Σ1(elになるので、モ
ータの速度は定常値N、に落ちつくものである。
このように、起動時に、加速度α、を検出して積分項Σ
keを補正することによシ、起動時の振動を抑え、起動
時間を短縮できるものである。
しかして、上記における加速度の測定法としては、単位
時間での速度変化を測定する方法と、単位速度での時間
を検出する方法とがある。
第3図は、単位時間での速度変化を測定する方(12) 法を示す加速度検出特性図である。
すなわち、単位時間ts1での速度Ng1を測定すると
、加速度α、は、次式で求められる。
α1 ” N s 1 / ts 1        
・・・・・・・・・(9)また、第4図は、単位速度で
の時間を検出する方法を示す加速度検出特性図である。
すなわち、単位速度Ns2に達する時間ts2を測定す
ると、加速度α、は、次式で求められる。
α、” Ns 2” 82      −−・”QO)
以上のようにして求めた加速度α1により、積分項に関
するK dを、さきの(8)式で計算して補正を行なえ
ば、負荷慣性などが変化しても、十分、対応できるもの
である。
以上に詳述したところにより、本発明に係るものにおい
ては、さきに述べたごとき特徴を有するものとしたもの
である。
次に、本発明のモータの速度制御方法に係る実施例を、
その速度制御装置に係る実施例をあわせ、各図を参照し
て説明する。
ここで、第5図は、本発明の一実施例に係る速(13) 度制御装置の構成図、第6図は、その速度検出回路の構
成図、第7図は、その速度検出回路の動作説明図、第8
図は、そのドライブ回路図、第9図は、そのドライブ回
路の動作説明図、第10図は、そのマイクロコンピュー
タの動作ブロック図、第11図は、本発明の一実施例に
係る速度制御方法のフローチャート図である。
まず、第5図において、lは電源、2はモータ、3は負
荷慣性および負荷を示し、4は、指速発電機に係るエン
コーダ、5は速度検出回路、6はマイクロコンピュータ
、7はドライブ回路である。
また、10は、エンコーダ4の出力である回転信号、1
1は、速度検出回路5の出方である速度信号(モータ速
度Nに係る信号)、12はデユーティ信号、13は正逆
転信号、14は正転出力、15は逆転出力、16は正逆
転指令、17はスタート指令、Ncは、既述のように速
度指令に係る指令値である。
そして、20〜23は、トランジスタ、24〜27はダ
イオードである。
(14) すなわち、電源1にトランジスタ20〜23のH形ブリ
ッジ回路および、ダイオード24〜27のブリッジ回路
を接続している。
まだ、電源1の正極側には、トランジスタ20゜22の
コレクタおよび、ダイオード24.26のカソードを接
続し、負極側には、トランジスタ21.23のエミッタ
およびダイオード25゜27のアノードを接続している
上記のトランジスタ20のエミッタは、トランジスタ2
1のコレクタおよび、ダイオード24のアノード、同2
5のカソードとともに、モータ2の一端子に接続し、と
のモータ2の他端子には、トランジスタ22のエミッタ
、同23のコレクタおよび、ダイオード26のアノード
、同27のカソードに接続している。
しかして、モータ2の軸は、負荷3およびエンコーダ4
を駆動し、このエンコーダ4の出力である回転信号10
は、速度検出回路5に入力されている。
上記の速度検出回路5の出力である速度信号(15) 11(N)は、マイクロコンピュータ回路6に入力され
る。
さらに、マイクロコンピュータ回路6には、外部装置よ
り、指令値Ncおよび、正逆転指令16゜スタート指令
17が入力されるものである。
そして、このマイクロコンピュータ回路6からは、トラ
ンジスタ20〜23をチョッピング制御する場合のデユ
ーティを決めるデユーティ信号12と、モータ2に正転
トルク、逆転トルクを発生させる正逆転信号13が出力
され、ドライブ回路7に入力されている。
上記のドライブ回路7の出力である正転出力14は、ト
ランジスタ20.23のベースに、逆転出力15は、ト
ランジスタ21.22のベースにそれぞれ接続されてい
る。
以上のような構成に係る動作は、次のとおりである。
マイクロコンピュータ回路6に、指令値Ncおよび正逆
転指令16.スタート指令17を与えると、モータ2の
速度Nを速度検出回路5から取込(16) んで、指令値Ncと比較し、その差に応じた誤差値(さ
きの比例項)を計算する。
また、その誤差値によシ、さきの積分項を計算し、これ
らをもとに、モータ2に加える電圧を決定し、チョッピ
ングのデユーティとして、デユーティ信号12を出力す
るとともに、モータ2の回転方向を決定して、正逆転信
号13を出力する。
これによシ、ドライブ回路7が動作し、正転の場合はト
ランジスタ20.23をデユーティ信号12に応じてオ
ンし、モータ2を回転させる。
その起動の始めは、モータ速度Nが低いので、指令値N
cとの差が大きく、積分項の値Σkeも十分、小さいの
で、モータ2をオンするデユーティ信号12が、さきの
(1)式の01 (Nc−N)によって決まシ、大きな
デユーティ信号となってモータ2を加速する。
モータ2が指令値Ncに近づくと、G1(Nc  N)
が小さくなり、積分項Σkeが増加し、起動が完了した
時点では、指令値Ncとモータ速度Nが等しくなる。
(17) 丁度、この時点で、積分項の値Σkeが定常値Σkel
になるように積分項を補正するので、モータ2はスムー
ズに、定常速度N、に落ちつくものである。
次に、上記の各ブロックについて、さらに詳しく説明す
る。
速度検出回路5の一例は、第6図に示すごときカウンタ
51とラッチ52によって構成される。
図において、カウンタ51のクロック入力にはエンコー
ダ4からの回転信号10が入力され、カウンタ51のイ
ネーブル端子には、一定時間のイネーブル信号53およ
びリセット端子にはリセット信号54が入力されている
カウンタ51の出力SO〜S’は、ラッチ52の入力に
入っており、ラッチ52の出力がモータ速度Nに係る速
度信号11として取り出される。
ラッチ52には、ストローブ信号55が入力されている
この動作は、第7図のタイムチャートに示すように、カ
ウンタ51はイネーブル信号53がある(18) 開動作して回転信号10をカウントし、出力S。
〜Snに信号を出力する。
次に、ラッチ52のストローブ信号55により、出力S
O〜Snに係る信号の内容をラッチ52でラッチし、次
の瞬間、リセット信号54によりカウンタ51をリセッ
トし、次の計数に備えるものである。
したがって、ある一定時間のイネーブル信号53の間の
回転信号10も計数しており、モータ速度Nに比例しだ
値が速度信号として得られるものである。
次に、ドライブ回路7は、第8図に示すように、インバ
ータゲート71とアントゲ−)72.73によ、9構成
されている。
デユーティ信号12はアンドゲート72,73の一人力
に接続し、アンドゲート72の仕入力には、正逆転信号
13が、同73の仕入力には、インバータゲート71を
通して同正逆転信号13が接続されるようになっている
このように構成すると、第9図に示すように、(19) アンドゲート72の出力は、正逆転信号13が”′1″
レベル時のみデユーティ信号12が表われ、正転出力1
4となる。また、アンドゲート73の出力は、正逆転信
号13が゛0″レベル時のみデユーティ信号12が表わ
れ、逆転出力15となる。
しかして、さきのマイクロコンピュータ6は、中央処理
装置、R,AM(ランダムアクセスメモリ)。
ROM (リードオンリメモリ)、入出力などから構成
され、ROM内に記録されたプログラムによって動作す
る。
第10図は、その動作ブロックを示すものである。
外部装置から、指令値Ncおよびスタート指令17、正
逆転指令16を受けて、モータ速度Nを読込んで速度比
較を行ない、指令値Ncとモータ速度Nの差から、さき
のけ)式の右辺第1項である比例項G□ (Nc−N)
を計算し、ある一定時間での速度よシ加速度を計算して
積分項の計算を行ない、デユーティを計算するとともに
、正逆転を決定して、デユーティ信号12と正逆転信号
13(20) とを出力するものである。
上記による、本発明に係るものの動作を第11図により
説明する。
最初に、第5図のスタート指令17が入ると、フローチ
ャートがスタートする。
まず、加速度α、を測定するだめの基準時間に係る単位
時間ts1と、さきの(1)式の積分項に関するKdO
値を設定する。
次に、指令値Nc、モータ速度速度N適正逆転指令に係
るl(、wを読込み、(1)式の比例項の計算を行なう
そして、指令値Ncとモータ速度Nとの差が、零かどう
か、すなわち、モータ速度Nが定常速度N1に達したか
どうかを調べ、定常速度N、であれば、積分項のΣke
は前のままで、これに見合うデユーティDtと正逆転信
号ROとを出力し、再び指令値NC,モータ速度速度N
適正逆転指令Wを読、込んで、同じ動作を繰返すもので
ある。
まだ、モータ速度Nが指令値Ncと等しくない場合は、
起動開始からの時間が、始めに設定した(21) tslに等しいかどうかを調べて、等しければ、このと
きのモータ速度Ns1から加速度α、を計算臥Kdの補
正をする。
もし、起動開始からの時間が設定値以外であれば、加速
度α1の計算とK dの補正は行なわない。
次に、Σkeの計算を、さきの(2)式のように行ない
積分項の値を得て、この値をメモリし、次の繰返し計算
に用いる。
これらの結果より、チョッピングのデユーティDtを計
算し、モータ回転方向に係る信号ROを決めて、デユー
ティ信号12と正逆転信号13を出力し、入力の読込み
に戻るものである。
これが繰返されて、モータ2の速度が、指令値Ncにな
るように制御する。
以上のように、上記実施例に係る本発明によれば、起動
時のデータを基に、加速度α、を計算して、モータの定
常状態での逆起電力に対応したデユーティを積分項で持
たせることにより、負荷慣性や電源電圧の変動にだいし
て常に安定した最短時間での起動を可能とした速度制御
の方法とそのC22) 速度制御装置を得ることができるものである。
以上に述べたところをも総合して、本発明によるときは
、負荷慣性の変化、またはモータの駆動電源の変化、さ
らには温度によるモータ特性の変化などにだいして、常
にオーバシュートやアンダーシュートなどのない、最短
の起動時間でモータ速度Nが定常値に落ちつく効果を所
期できるものであって、実用的効果にすぐれた発明とい
うことができる。
【図面の簡単な説明】
第1,2図は、起動特性図、第3,4図は、本発明の実
施例に係る加速度検出特性図、第5図は、本発明の一実
施例に係る速度制御装置の構成図、第6図は、その速度
検出回路の構成図、第7図は、その速度検出回路の動作
説明図、第8図は、そのドライブ回路図、第9図は、そ
のドライブ回路の動作説明図、第10図は、そのマイク
ロコンピュータの動作ブロック図、第11図は、本発明
の一実施例に係る速度制御方法のフローチャート図であ
る。 (23) 1・・・電源、2・・・モータ、3・・・負荷慣性およ
び負荷、4・・・エンコーダ、5・・・速度検出回路、
6・・・マイクロコンピュータ、7・・・ドライブ回路
、20〜23・・・トランジスタ、24〜27・・・ダ
イオード、Nc・・・速度指令値、N・・・モータ速度
、N、・・・モータ定常速度、G、・・・ゲインなどで
決まる定数、α1・・・加速度、Σke・・・積分項の
値、Σk e 1・・・モータ定常速度時の積分項の値
、Dt・・・チョッピングのデユーティ、R,W、R,
0・・・正逆転信号。 代理人 弁理士 福田幸作 (ほか1名) (24) ♀    も 1 口 9    も 2喝 暗闇 地 3 口 策4 口 括 5 口 第 6 口 策−7(21 i3〜 第 8 乙 !¥:’/r23 策 10  ■ /312

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、動作軸に速度測定に係る指速発電機を備えたモータ
    を速度指令により任意の速度で駆動し、少なくとも、当
    該速度指令値とモータ速度との差による比例項と、速度
    指令値とモータ速度との差を時間積分した積分項とを含
    むもののフィードバックによってモータを制御するよう
    にしだものにおいて、起動時に加速度を測定し、この加
    速度の値により、前記積分項を補正するようにしたこと
    を特徴とするモータの速度制御方法。 2、特許請求の範囲第1項記載のものにおいて、予め設
    定した単位時間における速度変化を測定することにより
    、加速度を計算するようにしたものであるモータの速度
    制御方法。 3、特許請求の範囲第1項記載のものにおいて、予め設
    定した単位速度変化に達する時間を測定することによシ
    、加速度を計算するようにしたものであるモータの速度
    制御方法。 4、動作軸に速度を測定する指速発電機を有するモータ
    と、そのモータ端子に可変電圧を印加する制御回路とで
    構成され、当該制御回路は、任意の速度指令と、指速発
    電機の出力から速度を検出する回路からの速度とを取込
    んで計算処理するマイクロコンピュータと、このマイク
    ロコンピュータの出力により動作するドライブ回路とよ
    りなり、任意速度指令にたいして加速時の加速度を測定
    することによって、マイクロコンピュータで積分内容を
    補正計算し、この指令でモータを制御するように構成し
    たことを特徴とするモータの速度制御装置。
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