JPS61157287A - 位置追値制御用直流電動機の制御方法及び装置、並びにこの制御方法による変位制御システム - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、位置追値制御用の直流電動機の制御方法、こ
の制御方法による制御装置、並びにこの制御方法による
変位制御システムに関する。

〔従来の技術〕

直流電動機、特に低電圧が給与される電動機（例えば自
動車用の電動機）の制御は多ぐの特許文献に見られ、そ
の−例として、フランス特許出願８３０１７４８号には
、繰返し周波数が電動機の速度の関数であるパルスによ
って可動要緊を変位させるようにしたクラッチの位置制
御が記載されている。

寸だ、フランス特許第１３６９５１２号に示された方式
は、パルスの幅及び周波数が誤差電圧、例えば速度誤差
電圧の関数として適合されるようＫなっており、これに
より速度帰還を生じさせる。

しかし、これらの制御装置は、位置の追値制御に慣用さ
れる直流電動機に固有の使用上の制約条件を受けている
（これは、前記の形式の電動機に用いられる通常の解決
に関連して、第１．２図を参照して以下に説明する）。

この形式の追値制御に普通用いられる電動機の特徴は、
トルク及び回転速度が高いことにある。

サーボモーターの電子制御は、通常は比例モード又は２
者択一モード（有るか無しかモード）で行なわれる。

第１図ａ　、　１）に示した比例モード器間によれば、
電動機乙に供給される電圧は、電動機の出力軸の瞬時位
置（例えば複製系によって力えられる）吉目標信号ＣＫ
よって示される出力軸の最終的な理論位置との間の差Σ
に逆比例し、電動機６に供給される電圧は、す［算回路
１によって、また必要ならば増巾芥２によって発生させ
る。第１図１）において、電動機に供給される有効電圧
は、電動機の出力軸の有効行程と共に減少し、閾値電圧
Ｖｓｅにおいて停止する。

比例モードの制御は、よく知られているように、電動機
の出力軸をその所定位置に正確に軟停止させる。しかし
、この制御には、電子回路中に電力が消散されることに
よる低効率と、休止位置において電動機中の休止電流（
電動機の閾値電圧に基づ〈電流であり、この電流によっ
て制御回路中に恒久的な電力の消散が生ずる）の存在と
いう不具合があり、この現象によって回路の遮断又は熱
暴走などの問題を生ずる。

第２図ａ、１）に示した２者択一モードの制御において
、引算器１の入力に制御信号又は目標信号Ｃが供給され
ることの効果として、パルス発生藩４（電動機に直接供
給される直流電圧を送出しう　する）の動作を開始させ
うる誤差電圧Σが、引算器１の出力に発生する。電動機
電圧Ｖｍは、複製信号ｒの瞬時値（電動軸の位置を表わ
す）が理論位置に近い場合に最大値から容重で急激に変
化する。

第２図１〕には、電動機に供給される有効電圧と電動機
の出力軸の行程（大体において、複製信号ｒによって表
わされる）とが図示されている。

２者択一モードの制御は、比例モードの制御と反対に、
電動機の休止位置において電動機を横切る電流が存在し
ないことによる熱的な遮断がない点では有利であるが、
電動機の休止精度、従って位置追値制御の精度は、比例
モードの場合ようも劣っている上に、この技術的分野に
おいての通常の要求に適合する理論的な停止位置に対す
る実際の休止位置の誤差が猪首れる場合には、急激々動
作によって位置が不安定になることが多い。

〔発明が解決しようとする間顧点〕

本発明の目的は、比例モード制御及び２者択一モードの
制御の不具合が除かれるようにした直流電動機の制御方
法、制御装置並びに直線変位の制御システムを提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

本発明に従う位置追値制御ループによる直流電動機の制
御方法によれば、電動機は、その出力軸の瞬時位置と最
終的な理論停止位置との間の偏差にほぼ比例する平均振
幅値の可変周期比のパルス列によって制御される。

本発明による直流電動機の制御装置は、電動機の直接制
御を誤差信号に基づいて確実に行なうための可変周期比
のパルス列の発生手段を電動機の直接制御系内に備えて
いる。この発生手段によって供給されたパルスの平均値
は、電動機の出力軸の瞬時位置と電動機の最終的な理論
停止位置との間の偏差に比例する平均値を有する。

本発明は、自動車、特にその前照灯の方向決めに応用さ
れると共に、投光器又は反射器の高精度の方向決めが必
要々場合、並びに人工衛星のアンテナ又は反射器を方向
決めするために応用される。

次に本発明の好ましい実施例を図面に基づいて一層詳細
に説明する。

〔実施例〕

位置制御ループの直流電動機の制御方法を第３ａ図、第
３ｂ図（Ｌ２）を参照して説明する。

第３ａ図において、位置誤差信号は、電動機乙の出力軸
の位置を表わす複製信号ｒ及び目標信号（■ｌち制御信
号）から、減算器１によって発生させる。

第６ａ図において複製系統は、例えばポテンショメータ
ーの制御を表わす機械的な連結（破線参照）により示さ
れている。電動機６は、電動機の出力軸の瞬時位置と電
動機の最終的な理論停止位置との偏差に平均振幅値がほ
ぼ比例する可変周期比のパルス列によって制御される。

電動機の出力軸の瞬時位置は、複製信号ｒによって力え
られ、電動機の最終的な理論停止位置は、目標信号Ｃに
よって表わされる。可変周期比のパルスは、パルス発生
藩５によって供給され、このパルス発生黙は、誤差信号
Σを入力部に受け、出力端子から、電動機乙の電機子端
子に供給されるパルスを送出する。

第３１）図（２）に示すように制御パルスは全てのパル
スの順序数に対して、誤差信号Σの値に比例する持続時
間を有している。制御パルスは、限定的にではなく、各
々同一の振幅を有している。２つの連続したパルスの間
の時間々隔（順序数１．１＋１の２つの連続したパルス
の間の時間々隔θ１）は、電動機乙に供給される平均電
圧に逆比例する。

連続したパルスは、好寸しくけ同一の繰返し周波数を有
している。第６ｂ図（２）（電動機の制御信号として実
効的に供給される波形を明瞭にするために時間軸を拡大
して示す）において、順序数ｉの繰返しの中心時点ｔ１
において順序数へのパルスの平均値を表わす点ＡＩの位
置は、第１図すの（２）に示した比例モードの制御にお
いて電動機に供力される電圧波形をほぼ再構成する。し
かし電動機に実効的ｒ供給される電圧は、２者択一式（
又は有るか無いか）のパルス列によって形成され、本発
明による制御方法は、このようにして、比例モードと２
者択一モードとの制御の利点を組合せて有し、その欠点
は除かれる。実際に電動機は、始動時では高速相におい
て、電動機によるパルスの積分てよって比例モードによ
る正常な連続動作に従って作動し、速度が減少すると動
作モードが変化し、出力軸のわずかな移動に組合された
最大トルクの下に電動機の連続始動相に到達する。

可変周期比パルス発生装置の特定的な実施例を、第４図
を参照して詳細に説明する。このパルス発生装置は、好
捷しくは弛張振動形の発振器によって形成され、この発
振器は、誤差信号の大きさに各々のパルスの持続時間が
比例するような可変周期比のパルス列を送出することか
できる（２つの連続するパルスの間の時間は電動機に加
わる平均電圧に逆比例する）。特別に適合された振動形
態は、比較器５０を含みこの比較器の第１正入力は誤差
信号Σを受け、第２負入力は、連続的々充放電によって
弛張振動を発生しうるコンデンサー５１に接続されてい
る。比較器５０の出力から正入力への帰還ループ５６と
比較器５０の出力から負入力への負帰還ループとによっ
て、２つの連続したパルス間の時間々隔の電動機６への
平均入力電圧に対する逆比例の関係と、各々のパルスの
持続時間の誤差信号に対する正比例の関係とがそれぞれ
確保される。比較器５０は一例として演算増幅器により
形成してもよい。第４図において、比較器５０の負入力
に接続されていないコンデンサー５１の端子は、基準電
圧に接続されている。誤差信号Σがコンデンサー５１及
び関連する回路の放電時定数に対し比較的ゆつくりと変
化する性質をもつため、コンデンサー５１の前記端子は
、単に実際の回路構成」二の便利さの理由から、例えば
誤差信号Σの入力端子に接続することができる。帰還回
路５３．５２は抵抗素子によって形成する。

本発明による直流電動機の正逆回転の制御用の制御装置
の好寸しい実施例を、装置のいろいろの点に生じた波形
との関連において、第５ａ図に基づいて説明する。制御
装置は、第１制御系を有し、この第１制御系は、目標信
号Ｃに対する第１誤差信号Σ１を発生させるための第１
比較器ｃＩ、と、可変周期比の発振器として動作する第
２比較ＨＣＩ２との縦続から成り、第２比較器ＣＩ、の
出力は、電動機の電機子の一方の端子に接続されている
。第２制御系も、同様に同一の目標信号Ｃに対する第２
誤差信号Σ２を発生させうる第５比ｅ５ｉＭｃＩ３と、
電動機の電機子の他方の端子に直接に接続された可変の
周期比の発振器として動作する第４比較器Ｃ■４との縦
続から成っている。給電回路Ｄ１、Ｃ１によって制御装
置全体に所定の直流電圧Ｖｃｃが絵馬される。自動車の
投光器の制御に使用する場合には、電圧Ｖｃｃは、例え
ば自動車のバッテリの電圧（例えば１２■）である。第
５ａ図に抵抗Ｒ１４、Ｒ，５、Ｒ，６によって示した分
圧回路は、給与電圧のほぼ％に等しい値の直流電圧を発
生させる。この分圧電圧は、第１比較器ＣＴ、の負入力
及び第３　Ｊｔ較器Ｃ■３の正入力に供給される。第５
ａ図に機械的にポテンショメーターＰ１（１点鎖線によ
り示した結合により電動機ろに接続される）によって表
わした複製回路は、第１比較器ＣＩ、の正入力及び第６
比較器Ｃ■３の負入力に、電動機６の出力軸の位置を表
わす信号を送出する。第５１）図Ａ１Ｂ、Ｃ，Ｄ、　Ｅ
は、制御装置の作用？：説明するだめの装置各部に生ず
る波形を表わしている。

例えば、点Ａ、　Ｋ供給される目標信号Ｃは、例えば１
２ＶとＯｖとの間の電圧の負移行を表わしている。点Ｂ
に示した複製信号ｒは、第１比較器ＣＪ、の正入力及び
第６比較ｕｃＩ３の負入力に供給される。複製信号ｒの
立下り相は、比較器ｃＴ、の出力側の点Ｃに誤差信号Σ
１を発生させると共に、比較Ａ　Ｃｒ２の出力側の点Ｄ
ＩＩＣ可変周期比の一連のパルスを発生させ、これらの
パルスは電動機に供給されてそれを第１方向に回転させ
る。電動機の゛　平衡状態に到達すると、複製信号ｒは
、第５１〕図りに示した水平な静止相に到達しており、
例えば目標信号Ｃの初期値への復帰（第５ｂ図Ａ参照）
によって示される信号Ｃの全ての新しい変更は、比”ｊ
”　藩ＣＴ　３の出力２に誤差信号Σ２を、従って比較
ＨＣＴ　４の出力側の点Ｆに可変周期比のパルスをそれ
ぞれ発生させ、これらのパルスは、電動機乙に供給され
、電動機ろを最初の位置に復帰するように逆方向に回転
させる。電動機６を安定に最終的に停止させるために、
小さな値の抵抗Ｒ５が、給与電圧の１／２にほぼ等しい
分圧電圧を発生させるための抵抗Ｔ（，４、Ｒ，６のブ
リッジ回路に接続されてい　する。小さな値のこの抵抗
Ｒ５は、分圧電圧の値のずれを生ずる効果を有し、この
ずれは実際には誤差電圧のヒステリシス閾値を形成する
。明らかなように、複製信号を発生させるだめの種々の
変換器の変換及び位置の不安定さに対して、電動機がそ
の休止位置に到達した時に、この閾値よりも小さい全て
の誤差信号は、比較器ＣＪ、又はＣ１２の出力電圧を零
にリセットし、従って、比較器ＣＴ２、Ｃ１０によって
形成される弛張発振器を停止させる効果を有する。なお
、第５ａ図の回路において、抵抗Ｒ７１３、Ｒ１１４と
Ｒ２１６、Ｒ１１６とは、第４図に示した弛張発振器の
負帰還回路５２と正帰還回路５６との役目をしている。

前述した本発明の制御装置によってもたらされる制御の
正確さの全ての利点を活用するためには、前記の精度の
質を保ちうる対応した機械的方式の使用が必要となる。

直線上の移動を正確に制御する方式の場合について、こ
の機械的システムを第６．７図に関連して説明する。

第６図に示したこの機械的システムは、周知のように、
本発明の制御方法に従って制御される直流電動機３を備
えている。このシステムは、本体６０中に歯車列６１を
有し、この歯車列６１は、電動機の出力軸６２と噛合っ
ておシ、出力軸６２の回転を所定の減速比で伝達する。

歯車列６１を形成スる１つのピニオン６１６（第６図）
は、スリーブ６５と一体的に運動を行ない、スリーブ６
６は、直線移動の制御方向と平行な軸△の回りに回転運
動を行なう。スリーブ６３は本体６０に対しこの方向に
並進運動について固定されている。直線運動の制御軸６
４は、スリーブ６６にねじ止めしてあり、スリーブ６３
が回動する際にスリーブ６３によって駆動され、直線運
動を行なう。本体６０とスリーブ６３とは例えば塑性材
料のような成形用材料によって形成するが、制御軸６４
は好寸しくは金属製とする。スリーブ６３はその外周上
に歯車を有し、この歯車には、変速機６６を噛合せる。

変速機６６は、電動機６の出力軸の位置を複製するポテ
ンショメーターを形成するポテンショメーター６７の回
転軸を駆動するように取付けられている。第６図のＡ−
Ａ線に沿った横断面図である第７図に最もよく示すよう
に、複製用ボテンショメーター６７の回転軸は、直線移
動の制御方向へと直交する。スリーブ６５はその内側壁
上に雌ねじ域６３０を有し、直線移動の制御軸６４は、
この雌ねじ域と噛合っている。特に第６図に示すように
、雌ねじ域６３０は、スリーブ６６の内側壁全体にでは
々く、例えばその先端域にのみ形成されている。更に、
この雌ねじ域６３０は、横断面Ａ　Ａに対してほぼ対称
に配置することができる。この横断面は、直線移動の制
御方向と直交し、複製用ポテンショメーター６７の回転
軸を含む。この特定の構成は、ポテンショメーター６７
の軸に対する前記の構造の対称性全勘案して、スリーブ
６３の膨張による変動のほぼ完全な補償によす、複製用
ポテンショメーターの位置の対応した変化を惹起させう
る温度変化による効果を実効的に最小にする。もちろん
雌ねじ域６３０の長さを最小とじ々から制御軸６４への
直線並進運動の良好な伝達を確実とし、しかも雌ねじ域
６６０の大きさの温度による大き々変化を生じさせない
ようにすることは可能である。即ち、スリーブ６３を形
成する塑性材料と軸６４を形成する金属材料との線膨張
係数は１０：１に定められ、制御１軸６４は例えば線膨
張係数λ−１，２Ｘ１０−５℃−１（相対値）の鋼から
作成される。

制御軸６４は、制御端と反対側の端部に、ローレット掛
けによるノブ６４０を有し、このノブ６４０によって、
スリーブ６６への制御軸６４のねじ込みと制御軸６４の
原位置の調節とを行ないうる。最後に、制御軸６４は、
本体６０と一体の、遊びを補々うたぬのばね６８を備え
ている。

直流電動機の制御方法及び装置に関連して、直線運動の
位置を精密に制御するシステムを以上に説明したが、こ
のシステムによれば、１０祁の全行程に対して１１５０
０陥の直線変位の精度を出すことの可能々装置を研究に
よって開発することができた。これらの開発された装置
の湿度試験によって、−３０℃〜＋８０℃の温度範囲内
の作動について装置が非常に良好な温度耐性をもつこと
が示された。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ、１）は、従来の制御装置を示すそれぞれ配列
図及び動作説明用線図、第２図ａ１１）は、従来の別の
制御装置を示すそれぞれ配列図及び動作説明用線図、第
３ａ図は、本発明による制御装置を示す配列図、第３１
〕図は、電動機の出力軸の行程と電動機に供給される制
御信号との関係を示す線図、第４図は、可変周期比のパ
ルスを発生するパルス発生器の一実施例を示す回路図、
第５ａ図は、特に電動機の正逆回転位置を制御するだめ
の本発明による制御装置の一実施例を示す回路図、第５
１〕図は、第５ａ図に示した制御装置の複数の点に生ず
る波形を示す波形図、第６図は、本発明による精密な直
線変位制御装置を示す縦断面図、第７図は、第６図のＡ
、　−Ａ線断面図である。 符号の説明 ろ・・・電動機、Σ・・・誤差信号、１・・・減算器、
５・・・可変周期比パルス発生器、５０・・・比較器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）直流電動機を制御するために位置誤差信号を利用す
   る位置追値制御ループによつて直流電動機を制御する方
   法において、電動機の出力軸の瞬時位置と電動機の最終
   的な理論停止位置との間の偏差にほぼ比例する平均振幅
   値の可変周期比のパルス列によつて電動機を制御するこ
   とを特徴とする制御方法。 ２）各々の制御パルスの振幅及び持続時間が誤差信号の
   値に比例することを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の制御方法。 ３）２つの連続したパルスの間の時間々隔が電動機に供
   給される平均電圧に逆比例することを特徴とする特許請
   求の範囲第２項に記載の制御方法。 ４）直流電動機を制御するために位置誤差信号を利用す
   る位置追値制御ループによつて直流電動機を制御するた
   めの制御装置であつて、電動機（３）の直接制御を誤差
   信号（Σ）に基づいて確実に行なうための可変周期比の
   パルス列の発生手段（５）を電動機（３）の直接制御系
   内に有し、該発生手段（５）により供給されたパルスの
   平均値が、電動機の出力軸の瞬時位置と電動機の最終的
   な理論停止位置との間の偏差に比例する平均値を有する
   ことを特徴とする制御装置。 ５）可変周期比のパルス列の発生手段（５）が弛張発振
   器によつて形成され、該発振器は、各々のパルスの持続
   時間が誤差信号の値に正比例し、２つの連続したパルス
   の間の時間々隔が電動機に加わる平均電圧に逆比例する
   ような可変周期比のパルス列を発生しうるものであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の制御装置
   。 ６）弛張発振器が、 （イ）第１の正入力が誤差信号（Σ）を受け、第２の負
   入力が弛張振動を発生しうるコンデンサー（５１）に接
   続されている比較器（５０）と、 （ロ）比較器（５０）の出力から正入力への正帰還ルー
   プ（５３）及び比較器（５０）の出力から負入力への負
   帰還ループ（５２）、 とを有することを特徴とする特許請求の範囲第５項に記
   載の制御装置。 ７）電動機の正逆回転を制御するために （イ）制御信号（Ｃ）に対する第１誤差信号（Σ＿１）
   を発生しうる第１比較器（ＣＬ＿１）と、可変周期比の
   発振器として動作し出力が電動機の電機子の一方の端子
   に直接接続されている第２比較器（ＣＬ＿２）とを縦続
   に備えた第１制御系と、 （ロ）制御信号（Ｃ）に対する第２誤差信号を発生しう
   る第３比較器（ＣＬ＿３）と、可変周期比の発振器とし
   て動作し出力が電動機の電機子の他の端子に直接に接続
   されている第４比較器（ＣＬ＿４）とを縦続に備えた第
   ２制御系と、 （ハ）所定の直流電圧（Ｖｃｃ）の給与回路（Ｄ＿１、
   Ｃ＿１）及び直流の給与電圧の１／２にほぼ等しい値の
   分圧回路（Ｒ＿４、Ｒ＿５、Ｒ＿６）と、を有し、前記
   分圧電圧が該第１比較器の負入力及び該第３比較器の正
   入力に供給され、 （ニ）電動機の出力軸の位置を表わす信号を該第１比較
   器の正入力及び第２比較器の負入力に供給するための電
   動機の出力軸の位置の複製回路（Ｐ＿１）とを有するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第４、５、６項のいずれ
   か１項に記載の制御装置。 ８）特許請求の範囲第１〜７項のいずれか１項に記載の
   可変周期比のパルス列によつて制御される直流電動機を
   有する線形変位制御システムにおいて、本体（６０）の
   内部に、 （イ）電動機の出力軸（６２）の回転運動を所定の減速
   比で確実に伝達するために、出力軸（６２）と噛合つて
   いる歯車列（６１）と、 （ロ）歯車装置（６１）のピニオン（６１３）の１つと
   連動し、直線変位の制御方向と平行な軸（△）の回りに
   回転自在であり、本体（６０）に対し該制御方向に従う
   並進運動において固定されたスリーブ（６３）と、 （ハ）スリーブ（６３）中にねじ締めされ、スリーブ（
   ６３）の回転に際してスリーブ（６３）により直線運動
   を行なうように駆動される制御軸（６４）とを有するこ
   とを特徴とする制御システム。 ９）スリーブ（６３）が外面に歯車（６５）を有し、歯
   車（６５）と噛合う変速機（６６）が、電動機（３）の
   出力軸の位置複製ポテンショメーターを形成するポテン
   ショメーター（６７）の回転軸を駆動するように取付け
   てあり、位置複製ポテンショメーターの回転軸は直線移
   動の制御方向（△）と直交することを特徴とする特許請
   求の範囲第８項に記載の制御システム。 １０）前記スリーブが内側壁上に雌ねじ域（６３０）を
   有し、該雌ねじ域中に直線移動の制御軸（６４）がねじ
   締めされ、雌ねじ域（６３０）は、直線移動の制御方向
   （△）と直交する平面（ＡＡ）に対しほぼ対称であり、
   位置複製ポテンショメーター（６７）の回転軸を含むこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第９項に記載の制御シス
   テム。 １１）直線移動の制御軸（６４）が、制御端と反対側の
   先端に、ローレット掛けしたノブ（６４０）を有し、こ
   のノブを用いて制御軸（６４）をスリーブ（６３）中に
   ねじ締めすることにより、制御軸（６４）の原位置を調
   節することを特徴とする特許請求の範囲第８、９、１０
   項のいずれか１項に記載の制御システム。 １２）制御軸（６４）が直線移動の制御端側に、本体（
   ６０）と一体に、遊びを補なうためのばね（６８）を備
   えたことを特徴とする特許請求の範囲第８、９、１０、
   １１項のいずれか１項に記載の制御システム。