TWI400875B

TWI400875B - 電動機速度控制裝置

Info

Publication number: TWI400875B
Application number: TW099100771A
Authority: TW
Inventors: Kazumasa Takai
Original assignee: Sanyo Electric Co; Sanyo Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2013-07-01
Also published as: KR20100086959A; JP5341534B2; TW201029311A; US8198844B2; KR101052663B1; US20100188032A1; CN101789742A; JP2010172117A; CN101789742B

Description

電動機速度控制裝置

本發明係有關一種採用反饋控制來控制電動機的旋轉速度的電動機速度控制裝置。

能夠從電動機模組獲得週期按照電動機的旋轉速度ω發生變化的脈衝信號PI從而進行電動機的速度控制。電動機速度控制裝置計測該脈衝信號中出現的脈衝的週期τ_P ，並根據該週期檢測電動機的旋轉速度ω，從而進行反饋(feed back)控制使旋轉速度ω成為目標值ω_T 。

若能從電動機獲得例如在相互相差90°的旋轉位置同步而生成的兩種脈衝信號PI，則在電動機速度控制裝置中能夠辨別電動機的旋轉方向。

專利文獻1：日本特開平8-126374號公報

但是，在僅能從電動機獲得一種脈衝信號PI的情況下，即使能根據脈衝週期τ_P 檢測出旋轉速度的大小，也不能辨別旋轉速度的方向。因此，例如有以下的問題：因為脈衝信號PI中產生的顫動(chattering)等，一旦在脈衝週期τ_P 的測量值中產生誤差，則有可能脫離向目標旋轉速度的控制，將電動機導向反轉失控。例如，在以正方向且低速的目標旋轉速度旋轉的狀態下，若將旋轉速度錯誤地檢測為比實際大的值，則反饋控制會要使旋轉速度返回到目標旋轉速度。結果，從實際低速的旋轉狀態向旋轉速度為負的方向移動，引起旋轉方向的反轉。在該反轉的旋轉速度的絕對值比目標旋轉速度的絕對值大時，電動機速度控制裝置識別為正方向且比目標旋轉速度快的旋轉狀態，繼續使旋轉速度向負方向進一步移動。結果，旋轉速度達到負方向的最大值，電動機成為反轉失控狀態。

本發明是為了解決上述問題點而研創者，目的是提供一種能夠僅根據一種脈衝信號檢測反轉失控狀態並使其恢復為正常狀態的電動機速度控制裝置。

本發明的電動機速度控制裝置係具有：前饋控制部，其輸入設定電動機的目標旋轉速度的大小和方向的目標設定值，並根據前述目標設定值生成目標指令信號，進行使前述電動機的旋轉速度成為前述目標旋轉速度的前饋控制；反饋控制部，其生成對應於當前的前述旋轉速度與前述目標旋轉速度之差的誤差信號，並根據前述誤差信號生成補償指令信號，進行將前述旋轉速度調節為前述目標旋轉速度的反饋控制；驅動控制部，其生成將前述目標指令信號和前述補償指令信號合成後的合成信號，根據該合成信號控制前述電動機的驅動；以及反轉失控判斷部，其將前述補償指令信號或前述合成信號作為監視對象信號，在該監視對象信號的對前述旋轉速度的調節方向與前述目標旋轉速度的方向相反、且該監視對象信號的強度超過了預定的臨限值的狀態持續了預定期間時，判斷為前述電動機處於在與前述目標旋轉速度相反方向上失控的反轉失控狀態，前述反轉失控判斷部具有週期測量部，該週期測量部對在前述電動機進行一次旋轉期間與電動機的旋轉同步地輸出的週期信號的週期進行判定，根據前述週期測量部的輸出值判定前述電動機的旋轉速度的大小。

電動機速度控制裝置從電動機能夠知道其旋轉速度的大小但是不能直接知道其旋轉的方向。另一方面，電動機速度控制裝置知道目標旋轉速度的方向，並且根據補償指令信號或合成信號也知道要使旋轉速度向哪個方向以怎樣程度的強度變化。根據本發明，利用從這些目標旋轉速度以及補償指令信號或合成信號掌握的資訊，對於反轉失控狀態，根據旋轉速度的調節方向與目標旋轉速度的方向相反且對旋轉速度的調節的強度非常大的狀態繼續的情況，能夠推斷是否處於反轉失控狀態。反轉失控狀態起因於反饋控制。本發明的電動機速度控制裝置檢測到反轉失控狀態時，能夠對電動機進行制動從而脫離反轉失控狀態，並且迅速地恢復到可以反饋控制的狀態從而恢復正常的控制狀態。

以下，根據圖式說明本發明的實施的形態(以下稱為實施形態)。

[裝置的構成]

第1圖是用於說明實施形態的電動機速度控制裝置20的功能性構成的概略方塊圖。電動機速度控制裝置20由MPU(Micro Processing Unit；微處理單元)22設定控制目標值等參數從而動作，並生成給電動機驅動電路24的PWM(Pulse Width Modulation；脈寬調變)信號。電動機驅動電路24具有H橋接電路，由H橋接電路將來自電動機驅動電路24的PWM信號轉換為給電動機模組26的驅動信號。電動機模組26包括DC電動機、驅動對象機構以及編碼器(encoder)。驅動對象機構例如是照相機的變焦機構。DC電動機能夠以基本上與來自電動機驅動電路24的驅動信號的電壓成比例的轉速旋轉，並按照電壓的極性來切換旋轉方向。編碼器直接地、或根據驅動對象機構的驅動量而間接地檢測DC電動機的旋轉量。編碼器按DC電動機的每個預定的旋轉角度生成脈衝，並將其作為脈衝信號PI輸入到電動機速度控制裝置20。

電動機速度控制裝置20具有驅動目標暫存器30、目標計數值暫存器32、控制暫存器34、前饋(feed forward)濾波器36、脈衝週期測量部38、計數時脈生成電路40、比較電路42、反饋濾波器44、合成電路46、PWM信號產生電路48以及匯流排(bus)50。第2圖是該電動機速度控制裝置20中的驅動目標暫存器30、前饋濾波器36、反饋濾波器44以及合成電路46的方塊線圖。

驅動目標暫存器30和前饋濾波器36構成前饋控制部，該前饋控制部生成根據目標旋轉速度ω_T 而決定的目標指令信號，並藉由前饋控制使電動機的旋轉速度成為目標旋轉速度。

驅動目標暫存器30記憶根據電動機的目標旋轉速度ω_T 而設定的目標設定值Kr。作為目標設定值Kr，設定對與目標旋轉速度ω_T 的大小成比例的絕對值賦予與目標旋轉速度ω_T 的方向(旋轉方向)相對應的符號的值。目標設定值Kr藉由MPU 22存儲於驅動目標暫存器30。

前饋濾波器36根據驅動目標暫存器30中存儲的目標設定值Kr生成目標指令信號。如第2圖所示，前饋濾波器36具有濾波器60和乘法器62，該濾波器60具有與作為控制對象的電動機相對應的傳遞函數(transfer function)。從驅動目標暫存器30讀出的目標設定值Kr經由濾波器60輸入至乘法器62。在電動機速度控制裝置20中，雖然目標旋轉速度ω_T 能夠可變設定，但是乘法器62的乘法係數(增益)Ks設為不依存於該設定為可變的目標旋轉速度ω_T 的固定值。乘法器62對與目標設定值Kr相對應的濾波器60的輸出信號乘以Ks從而生成目標指令信號。

Ks可以決定為對目標旋轉速度ω_T 預先設定的可調節範圍的上限值ω_MAX 。在該情況下，作為目標設定值Kr，設定用目標旋轉速度ω_T 除以設定上限值ω_MAX 所得到的相對值。

目標計數值暫存器32、脈衝週期測量部38以及反饋濾波器44構成反饋控制部，生成對應於當前的旋轉速度ω與目標旋轉速度ω_T 之差的誤差信號Ve，並根據該誤差信號Ve生成補償指令信號，從而進行使旋轉速度ω接近目標旋轉速度ω_T 的反饋控制。

脈衝週期測量部38輸入來自電動機模組26的脈衝信號PI，檢測脈衝信號PI中出現的脈衝。該脈衝係基本上與電動機的旋轉相應地生成，其脈衝週期τ_P 與電動機的旋轉速度ω成反比例地變化。脈衝週期測量部38用計數時脈(基準時脈)CLK計測該脈衝週期τ_P 。即，脈衝週期測量部38以當前的旋轉速度ω下的脈衝週期τ_P 對計數時脈CLK進行計數，求得相當於脈衝週期τ_P 的測量計數值C。

計數時脈生成電路40使具有預定頻率的主時脈(master clock)分頻從而生成計數時脈CLK，並提供給脈衝週期測量部38。計數時脈生成電路40根據電動機的目標旋轉速度ω_T 使計數時脈CLK的頻率F_C 變化，使與目標旋轉速度ω_T 相對應的脈衝週期τ_P 下的脈衝週期測量部38的計數值C成為不依存於目標旋轉速度ω_T 的固定的目標計數值C_N 。例如，計數時脈生成電路40利用驅動目標暫存器30記憶的目標設定值Kr，藉由與目標設定值Kr成比例地改變頻率F_C ，能夠使目標計數值C_N 保持一定。

目標計數值暫存器32被設定目標計數值C_N 。比較電路42求得從脈衝週期測量部38輸出的測量計數值C與目標計數值暫存器32記憶的目標計數值C_N 之差(C-C_N )，生成與該差相對應的誤差信號Ve。

反饋濾波器44根據誤差信號Ve生成用於將旋轉速度ω調節成目標旋轉速度ω_T 的補償指令信號。如第2圖所示，反饋濾波器44具有PID濾波器64和乘法器66。來自比較電路42的誤差信號Ve被輸入到PID濾波器64。PID濾波器64對誤差信號Ve平行進行P操作、I操作以及D操作，將這些處理結果相加合成之後輸出。

乘法器66對PID濾波器64的輸出乘以係數(倍率)之後輸出。從反饋濾波器44輸出該乘法器66的輸出信號作為補償指令信號。

在此，乘法器66的倍率被設定為與目標旋轉速度ω_T 成比例的值。藉此，補償指令信號被以與目標旋轉速度ω_T 相對應的倍率予以倍率縮放(scaling)。在本實施形態中，如上述用目標旋轉速度ω_T 對上限值ω_MAX 的相對值定義目標設定值Kr，乘法器66的倍率被設定為驅動目標暫存器30中記憶的目標設定值Kr。即，由MPU 22對驅動目標暫存器30設定目標設定值Kr時，成為其絕對值自動地被利用為乘法器66的倍率，不需要另外設定倍率。

合成電路46和PWM信號產生電路48構成控制電動機的驅動的驅動控制部。合成電路46將從前饋濾波器36輸出的目標指令信號和從反饋濾波器44輸出的補償指令信號相加從而生成合成信號。PWM信號產生電路48生成工作比(duty ratio)按照合成信號的值變化的PWM信號，並輸出給電動機驅動電路24。

另外，由MPU 22改寫控制暫存器34中存儲的參數，經由該參數能夠控制電動機速度控制裝置20的各部分的動作和處理內容。

如上前述，電動機速度控制裝置20使計數時脈CLK的頻率F_C 按照目標旋轉速度ω_T 發生變化，將脈衝週期τ_P 內的目標計數值維持為不依存於目標旋轉速度ω_T 的一定值C_N 。藉此，脈衝信號PI的頻率F_P 的每單位量的計數值C_N 的權重β成為β=C_N /F_P 。在反饋濾波器44中輸入根據具有該權重β的計數值C_N 生成的誤差信號Ve。而且，電動機速度控制裝置20利用反饋濾波器44的乘法器66乘以與目標旋轉速度ω_T 成比例的倍率，對補償指令信號進行倍率縮放。因為該倍率與頻率F_P 成比例，所以在電動機速度控制裝置20中的反饋控制的增益成為與權重β和乘法器66的倍率之積相對應的值，成為不依存於目標旋轉速度ω_T 的一定值。

另一方面，可以使目標設定值Kr不是目標旋轉速度ω_T 對上限值ω_MAX 的相對值，而例如可以是目標旋轉速度ω_T 本身。在該情況下，在上述構成中，則將在乘法器62的增益設定為1即可，此外，也可以是將乘法器62本身予以省略的構成。

在上述構成中，在改變了目標旋轉速度ω_T 的情況下，用驅動目標暫存器30的內容自動地設定乘法器66的倍率。另一方面，即使改變目標旋轉速度ω_T ，目標計數值C_N 也不改變，所以沒有必要改變目標計數值暫存器32的內容。

順帶一提，即使在沒有將脈衝週期τ_P 內的目標計數值保持為一定的以往的結構中，只要僅設置乘法器66並使其倍率按F_P 的平方發生變化則能夠使反饋控制的增益成為不依存於ω_T 的一定值。但是，在增大倍率的同時，乘法器66中的數位運算的負荷增大。使倍率以F_P 的平方變化時，例如，在F_P 變化100倍時不得不使倍率變化10000倍。這意味著在以定點(fixed-point)數位運算器構成乘法器66的情況下不得不假設運算位數以14位元(bit)變化，使得處理負荷和電路規模的增加變大。另一方面，在本實施形態的構成中，F_P 變化100倍時的運算位數的變動幅度成為7位元，負擔相對地減輕。

此外，PID濾波器64等數位濾波器的處理基本上可以由加法和乘法構成。在本實施形態中，在反饋濾波器44中追加的是乘法器66，不用追加除法。因此，可以共用進行上記數位濾波器的運算的ALU(Arithmetic Logic Unit；算術邏輯單元)來實現乘法器66的乘法處理。藉此，可以避免追加乘法器66為另外的電路，從而能夠謀求電路規模的縮小。

此外，可以將乘法器66配置在PID濾波器64之前、或分別配置在PID濾波器64內的P、I、D各操作處。

[目標旋轉速度ω_T 切換時的動作]

下面，說明電動機速度控制裝置20的動作。電動機速度控制裝置20具備包括前饋濾波器36的前饋控制手段、和包括反饋濾波器44的反饋控制手段，這些手段基本上平行動作。在穩定狀態下，前饋控制在旋轉速度ω內主要擔當將直流位準保持在目標旋轉速度ω_T 的作用，反饋控制對與直流位準重疊的比較小的振幅的交流成分的收斂起主導作用。

電動機速度控制裝置20為了進一步提高電動機的旋轉開始時或其他目標旋轉速度ω_T 的切換時的瞬態響應，在目標旋轉速度ω_T 的切換時能夠使反饋控制暫時停止。

在該動作中，判斷當前的旋轉速度ω是否相對於目標旋轉速度ω_T 處於預定的範圍R_Δ 內，在範圍R_Δ 外時，僅使前饋控制手段和反饋控制手段中的前饋控制單元動作，另一方面，在範圍R_Δ 內時則使雙方動作。

例如，可以設定預定的臨限值Δ_ω ，從而定義為若則在範圍R_Δ 內，若|ω-ω_T |>Δ_ω 則在範圍R_Δ 外。

是否在範圍R_Δ 內，例如，可以根據誤差信號Ve來判斷。因此，可以使反饋濾波器44具有下述動作切換功能：進行根據誤差信號Ve的上述判斷從而使PID濾波器64的動作停止或重新開始。

動作切換的一種方法是：如上前述，按照旋轉速度的偏差|ω-ω_T |與臨限值Δ_ω 的比較結果，切換反饋控制的進行(on)/不進行(off)。在該方法中，即使目標旋轉速度ω_T 發生改變，若偏差是臨限值Δ_ω 以下則不停止反饋控制，另一方面，即使目標旋轉速度ω_T 未發生改變，若偏差比臨限值Δ_ω 大則停止反饋控制。作為其他方法，也可以是如下方法：若目標旋轉速度ω_T 發生改變，則與偏差的大小無關地暫且使反饋控制停止，一旦檢測到偏差成為臨限值以下，則重新開始反饋控制。

藉由該動作，在目標旋轉速度ω_T 的切換時等產生的大的偏差不易殘留在反饋濾波器44中的運算結果中，能夠去除或降低旋轉速度ω越過目標旋轉速度ω_T 的超調(overshoot)。此外，從該觀點出發，較佳為反饋濾波器44在其動作停止時將到目前為止的運算結果重置(reset)為初始狀態。

另外，在本實施形態中，旋轉速度ω用脈衝週期τ_P 中的計數時脈CLK的計數值表示。因此，是否在範圍R_Δ 內，具體而言可根據測量計數值C與目標計數值C_N 之差(C-C_N )來判斷。例如，可設定預定臨限值Δ_C ，從而定義為若|C-C_N |Δ_C 則在範圍R_Δ 內，若|C-C_N |>Δ_C 則在範圍R_Δ 外。

[脈衝週期τ_P 的測量]

為了掌握旋轉速度ω，脈衝週期測量部38對計數時脈CLK進行計數從而測量脈衝週期τ_P 。因此，脈衝信號PI中的脈衝的邊緣(edge)的檢測精度低時，電動機的速度控制的精度也下降。因此，希望減輕在脈衝端可能產生的顫動等雜訊的影響。

第3圖是說明電動機速度控制裝置20的脈衝週期計測方法的信號波形圖。在第3圖中示出：橫軸是時間軸，分別將計數時脈CLK、脈衝信號PI、PI中的脈衝的下降邊緣(後端)檢測信號TE、下降邊緣週期計數值NT、脈衝的上升邊緣(前端)檢測信號LE、上升邊緣週期計數值NL、以及與脈衝週期τ_P 相關的計數值C在縱方向上使時間軸一致地排列表示。

在第3圖所示的例中，電動機速度控制裝置20關於從電動機模組26向電動機速度控制裝置20輸入的脈衝信號PI中出現的目的脈衝，根據從L位準狀態向H位準狀態遷移的脈衝端來計測脈衝週期τ_P 。

脈衝週期測量部38在由計數時脈生成電路40提供的計數時脈CLK的例如上升邊緣的時序(timing)對脈衝信號PI進行取樣(sampling)(狀態檢測步驟)。另外，在第3圖中示出了波形4在脈衝信號PI的脈衝2的前後的邊緣產生的顫動。

脈衝週期測量部38可以在取樣值從L位準變化為H位準時，開始計測脈衝週期τ_P 。具體而言，脈衝週期測量部38檢測取樣值的從L位準往H位準之變化作為脈衝信號PI的上升邊緣，並使上升邊緣檢測信號LE發生脈衝70。脈衝70的寬度為計數時脈CLK的1個週期τ_CLK 。脈衝週期測量部38在脈衝70上升時，除了後述的進行例外處理的情況之外，輸出對脈衝週期τ_P 進行計時的上升邊緣週期計數器的當前時刻的計數值NL作為測量計數值C(脈衝週期τ_P 的計測完成)。然後，脈衝週期測量部38從下一個計數時脈CLK的週期開始進入新的脈衝週期τ_P 的計測(時刻T1)。即，脈衝週期測量部38在時刻T1將計數值NL重置為0之後，開始與計數時脈CLK同步地每次使計數值NL遞增1。

脈衝週期測量部38在取樣值從H位準變化為L位準時，開始預定的抑止期間Pd的計時(抑止期間計時步驟)。具體而言，脈衝週期測量部38檢測取樣值的從H位準往L位準之變化作為脈衝信號PI的下降邊緣，並使下降邊緣檢測信號TE發生脈衝72。脈衝72的寬度為τ_CLK 。脈衝週期測量部38在脈衝72上升時，停止到目前為止的下降邊緣週期計數器的計數，從下一個計數時脈CLK的週期開始，進入新的抑止期間Pd的計時(時刻T1)。即，脈衝週期測量部38在脈衝72的下降邊緣使計數值NT重置為0之後，開始與計數時脈CLK同步地每次使計數值NT遞增1。

對於脈衝信號PI的從L位準往H位準的變化，在不存在顫動等雜訊的情況下，即解釋為屬於脈衝週期τ_P 的計測對象之目的脈衝的上升邊緣。因此，在發生了脈衝70的情況下，如上前述，能夠結束到目前為止的脈衝週期τ_P 的計測，開始下一個脈衝週期τ_P 的計測。但是，在存在顫動等雜訊的情況下，在顫動等雜訊脈衝的上升邊緣時也發生脈衝信號PI的從L位準往H位準的變化，脈衝週期測量部38會檢測該變化從而發生脈衝70。

雜訊可能在目的脈衝的中途產生脈衝信號PI的下降邊緣以及其後的上升邊緣。該脈衝信號PI的變動與目的脈衝本來的H位準持續期間相比，基本上在十分短的期間內發生。因此，作為上升邊緣檢測信號LE中發生了脈衝70時的例外處理，脈衝週期測量部38在從根據先行的下降邊緣的脈衝72到脈衝70為止的經過時間小於預定的抑止期間時，判斷為該脈衝信號PI的變動是由雜訊引起的，繼續當前已經在進行的脈衝週期τ_P 的計測。

藉由下降邊緣週期計數器的計數值NT而計時的上述抑止期間Pd乃用於該判斷中者，根據在目的脈衝端產生的顫動的週期的假設值來進行設定。

在第3圖所示的例中，抑止期間Pd被設定為計數時脈CLK的2時脈。若脈衝70發生時的計數值NT小於“2”，則脈衝週期測量部38繼續計數值NL的遞增(例如，時刻T2、T3、T4)，另一方面，若脈衝70發生時的計數值NT為“2”以上，則輸出該時點的計數值NL作為表示脈衝週期τ_P 的測量計數值C，並且重置上升邊緣週期計數器從而開始下一次脈衝週期τ_P 的計測(例如，時刻T5)。

在以往方法的脈衝信號PI中出現的目的脈衝的邊緣的檢測位置成為顫動結束了之後的時序。因此，由於顫動的持續期間的變異，脈衝週期的計測值發生變異，並且，在脈衝週期τ_P 的檢測中產生延遲。

與此相對，根據電動機速度控制裝置20中的脈衝週期τ_P 的測量方法，如上前述，從顫動結束前的脈衝信號PI的上升邊緣開始脈衝週期τ_P 的計測，另一方面，在脈衝如顫動以短週期間斷時，使脈衝週期τ_P 的計測繼續。藉此，將顫動誤檢測為目的脈衝的情況予以抑制。此外，根據該測量方法，能夠進行不受脈衝的前端部分的顫動期間的變異的影響的脈衝週期計測。因此，能夠精度良好地測量脈衝週期τ_P 。而且，到脈衝週期τ_P 的檢測為止的延遲減少，所以能夠提高電動機速度控制的穩定性等。

基本上顫動的週期與脈衝信號PI的脈衝週期τ_P 成比例。即，較佳為使抑止期間Pd也與脈衝週期τ_P 成比例。在此，電動機速度控制裝置20根據目標旋轉速度ω_T 使計數時脈CLK的頻率F_C 變化，所以與脈衝週期τ_P 成比例地變化的抑止期間Pd若用計數時脈CLK的時脈數表示則成為不依存於旋轉速度ω的一定值。即，在脈衝信號PI的上升邊緣時(脈衝70的發生時)判斷有無經過抑止期間Pd所用的下降邊緣週期計數器的計數值NT的臨限值(在第3圖的例中為“2”)可以是不依存於旋轉速度ω的一定值。

[對反轉失控的對策]

從電動機模組26輸入至電動機速度控制裝置20的脈衝信號PI僅是1相，所以電動機速度控制裝置20不能辨別旋轉速度的方向。電動機速度控制裝置20有可能產生電動機的反轉失控。但是，電動機速度控制裝置20在成為反轉失控狀態時，能夠檢測反轉失控狀態並使其恢復為正常狀態。電動機速度控制裝置20具備判斷反轉失控狀態的反轉失控判斷部(未圖示)、和進行恢復成正常狀態的恢復處理部(未圖示)。這些反轉失控判斷部和恢復處理部例如可以藉由脈衝週期測量部38、計數時脈生成電路40、反饋濾波器44、PWM信號產生電路48、控制暫存器34等電動機速度控制裝置20的各部經由匯流排50進行聯繫動作來實現。此外，作為反轉失控判斷部和恢復處理部，也可以設置第1圖中未示出的獨立的電路方塊，統合控制電動機速度控制裝置20的各部。該統合性控制也可由MPU 22來實現，在該情況下，MPU 22構成本發明的電動機速度控制裝置的一部。

反轉失控判斷部將由合成電路46生成的合成信號作為監視對象信號。反轉失控判斷部在監視對象信號的對旋轉速度ω的調節方向與目標旋轉速度ω_T 的方向相反、且監視對象信號的強度超過了預定臨限值的狀態持續了預定期間時，判斷為電動機在與目標旋轉速度ω_T 相反方向上失控的反轉失控狀態。反轉失控判斷部檢測到反轉失控狀態時，恢復處理部使旋轉速度ω從反轉失控狀態恢復成目標旋轉速度ω_T 。另外，在反轉失控狀態中，與目標指令信號相比，補償指令信號成為具支配性的信號，所以也可以取代合成信號而將補償指令信號作為監視對象信號。

第4圖是說明反轉失控狀態的判斷動作的流程圖。電動機速度控制裝置20在未檢測到反轉失控狀態時，進行通常控制下的動作(S5)。反轉失控判斷部在通常控制下的動作中監視有無發生反轉失控(S10至S25)。

根據驅動目標暫存器30中所設定的目標設定值Kr的符號可以掌握目標旋轉速度ω_T 的方向。另一方面，可以根據合成信號的符號掌握監視對象信號的對旋轉速度ω的調節方向。因此，可以藉由目標設定值Kr的符號與合成信號的符號是否不同來判斷監視對象信號的對旋轉速度ω的調節方向是否與目標旋轉速度ω_T 的方向相反(S10)。若符號相同，則判斷為電動機未反轉失控，繼續通常控制S5。

另一方面，在符號不同的情況下，判斷監視對象信號的強度即絕對值是否超過了預定臨限值Vr(S15)。若合成信號的絕對值為臨限值Vr以下，則判斷為電動機未反轉失控，繼續通常控制S5。臨限值Vr能夠設定為例如使由電動機驅動電路24生成的驅動信號飽和那樣程度的比較大的值。

在合成信號的絕對值超過臨限值Vr時，進行對監視計時器的操作(S20)。在該監視計時器操作S20中，若監視計時器是停止狀態則啓動監視計時器，若已經啓動則監視計時器值遞增。

反轉失控判斷部判斷監視計時器值是否超過預定值Tr(S25)。在監視計時器值為Tr以下的期間係繼續通常控制S5。在該期間，若在處理S10、S15中判斷為不是反轉失控，則監視計時器停止，且被重置(S30)。另一方面，一旦監視計時器值超過Tr，則判斷為是反轉失控狀態(S35)，開始進行恢復至正常狀態的恢復動作。

第5圖是說明恢復至正常狀態的恢復動作的流程圖。此外，第6圖是說明恢復動作的示意圖，是表示旋轉速度ω與脈衝週期τ_P 之間的關係的圖。在第6圖中，橫軸是旋轉速度ω，縱軸是脈衝週期τ_P 。

在檢測出反轉失控狀態後，電動機速度控制裝置20轉移到對電動機的旋轉進行制動的制動控制(S50)。就制動控制而言，例如，PWM信號產生電路48設定PWM信號的工作比，以使電動機驅動電路24使電動機在使旋轉停止的方向上發生最大的驅動力。另外，制動控制可以是其他方法，例如，可以採用強制性地使電動機的端子間短路從而使其停止的短路制動。

在此，如上前述，在僅在包含目標旋轉速度ω_T 的預定範圍R_Δ 內進行反饋控制，而在範圍R_Δ 外僅進行前饋控制的情況下，制動控制以在絕對值比低速側邊界ω_L 小的範圍內設定的制動結束速度ω_BS 結束，其中，該低速側邊界ω_L 乃為範圍R_Δ 的下限以及上限中絕對值比目標旋轉速度ω_T 小者。例如，在第6圖所示的ω_T >0的情況下，範圍R_Δ 的下限為ω_L 。

旋轉速度ω是否達到制動結束速度ω_BS ，能夠根據脈衝週期測量部38計測的測量計數值C來判斷。在檢測到反轉失控狀態時，使計數時脈CLK的頻率F_C 從對應於目標旋轉速度ω_T 的值改變為對應於制動結束速度ω_BS 的值(S55)。藉此，在制動結束速度ω_BS 下的測量計數值C與目標計數值暫存器32中存儲的目標計數值C_N 一致，此時的誤差信號Ve成為0。

例如，在符號與目標旋轉速度ω_T 相反的範圍內設定ω_BS 的情況下，從反轉失控狀態施加制動時，在ω達到ω_BS 為止即在|ω|>|ω_BS |的範圍內為C-C_N <0，ω=ω_BS 時C-C_N =0，ω超過ω_BS 進一步接近停止狀態，|ω|<|ω_BS |時成為C-C_N >0。因此，監視誤差信號Ve的符號，若成為Ve>0則可以判斷為旋轉速度ω超過了制動結束速度ω_BS (S60)。

此外，旋轉速度ω是否達到制動結束速度ω_BS ，能夠根據目標旋轉速度ω_T (或制動結束速度ω_BS )的符號以及從反饋濾波器44輸出的補償指令信號的符號來進行判斷。

達到制動結束速度ω_BS 時，恢復到通常控制(S65)。在恢復至通常控制的恢復處理S65中，計數時脈CLK的頻率F_C 返回到與目標旋轉速度ω_T 相對應的值。直到ω達到ω_L 為止，電動機藉由前饋控制被加速。ω達到ω_L 時除了前饋控制之外，開始反饋控制，恢復ω維持在目標旋轉速度ω_T 的正常狀態。另外，在將ω_BS 的符號設定為與目標旋轉速度ω_T 相反的情況下，在恢復到通常控制的時點，電動機還在與目標旋轉速度ω_T 相反的方向上旋轉，但是藉由前饋控制進一步減速，進而通過ω=0而在與目標旋轉速度ω_T 相同方向上開始旋轉。然後，達到ω=ω_L 時，如上前述，開始反饋控制。

另外，在未設定進行反饋控制的範圍R_Δ 的情況下，即，在通常控制下總是平行進行前饋控制和反饋控制的情況下，需要繼續制動控制直到不會再次導致反轉失控狀態的旋轉速度ω為止。

在此，與目標旋轉速度ω_T 方向相反大小相同的速度(-ω_T )是成為藉由反饋控制而導致反轉失控還是達成目標旋轉速度ω_T 的分水嶺的臨界速度。因此，在未設定範圍R_Δ 的情況下，繼續制動控制直到達到絕對值比臨界速度(-ω_T )小的預定的制動結束速度ω_BS 為止，在成為|ω_Bs |>|ω|的時點，恢復到採用了前饋控制手段和反饋控制手段的原來的通常控制。

如上述，在未設定範圍R_Δ 的控制中，制動結束速度ω_BS 基本上被設定為絕對值比臨界速度(-ω_T )小的值。

2、70、72．．．脈衝

4．．．波形

20．．．電動機速度控制裝置

22．．．MPU

24．．．電動機驅動電路

26．．．電動機模組

30．．．驅動目標暫存器

32．．．目標計數值暫存器

34．．．控制暫存器

36．．．前饋濾波器

38．．．脈衝週期測量部

40．．．計數時脈生成電路

42．．．比較電路

44．．．反饋濾波器

46．．．合成電路

48．．．PWM信號產生電路

50．．．匯流排

60．．．濾波器

62、66．．．乘法器

64．．．PID濾波器

C．．．計數值

C_N ．．．目標計數值

CLK．．．計數時脈(基準時脈)

Kr．．．目標設定值

Ks．．．乘法係數(增益)

LE．．．上升邊緣檢測信號

NL．．．上升邊緣週期計數值

T1至T5．．．時刻

NT．．．下降邊緣週期計數值

TE．．．下降邊緣檢測信號

PI．．．脈衝信號

第1圖是用於說明本發明實施形態的電動機速度控制裝置的功能性構成的概略方塊圖。

第2圖是本發明實施形態的電動機速度控制裝置的驅動目標暫存器、前饋濾波器、反饋濾波器以及合成電路的方塊線圖。

第3圖是說明本發明實施形態的電動機速度控制裝置的脈衝週期計測方法的信號波形圖。

第4圖是說明本發明實施形態的電動機速度控制裝置所進行的反轉失控狀態的判斷動作的流程圖。

第5圖是說明本發明實施形態的電動機速度控制裝置所進行的恢復成正常狀態的恢復動作的流程圖。

第6圖是表示用於說明恢復動作的旋轉速度與脈衝週期之間的關係的圖。

該代表圖無元件符號及其所代表之意義。

Claims

一種電動機速度控制裝置，係具有：前饋控制部，其輸入設定電動機的目標旋轉速度的大小和方向的目標設定值，根據前述目標設定值生成目標指令信號，進行使前述電動機的旋轉速度成為前述目標旋轉速度的前饋控制；反饋控制部，其生成對應於當前的前述旋轉速度與前述目標旋轉速度之差的誤差信號，根據前述誤差信號生成補償指令信號，進行將前述旋轉速度調節為前述目標旋轉速度的反饋控制；驅動控制部，其生成將前述目標指令信號和前述補償指令信號合成後的合成信號，根據該合成信號控制前述電動機的驅動；以及反轉失控判斷部，其將前述補償指令信號或前述合成信號作為監視對象信號，在該監視對象信號的對前述旋轉速度的調節方向與前述目標旋轉速度的方向相反、且該監視對象信號的強度超過了預定的臨限值的狀態持續了預定期間時，判斷為前述電動機處於在與前述目標旋轉速度相反方向上失控的反轉失控狀態，前述反轉失控判斷部具有週期測量部，該週期測量部對在前述電動機進行一次旋轉期間與電動機的旋轉同步地輸出的週期信號的週期進行判定，根據前述週期測量部的輸出值判定前述電動機的旋轉速度的大小。
如申請專利範圍第1項之電動機速度控制裝置，其中，具有：動作切換部，其判斷當前的前述旋轉速度相對於前述目標旋轉速度是否在預定範圍內，在該範圍外時，僅使前述前饋控制部和前述反饋控制部中的前述前饋控制部動作，另一方面，在前述範圍內時，使雙方動作；以及恢復處理部，其在檢測到前述反轉失控狀態時，使前述旋轉速度從前述反轉失控狀態向前述目標旋轉速度恢復；前述恢復處理部檢測到前述反轉失控狀態時，轉移到對前述電動機的旋轉進行制動的制動控制；前述旋轉速度小於低速側界限的情況下結束前述制動控制，前述低速側界限為在前述範圍的上限和下限中絕對值比前述目標旋轉速度小者。
如申請專利範圍第1項之電動機速度控制裝置，其中，具有恢復處理部，其在檢測到前述反轉失控狀態時，使前述旋轉速度從前述反轉失控狀態向前述目標旋轉速度恢復；前述恢復處理部在檢測到前述反轉失控狀態時，轉移到對前述電動機的旋轉進行制動的制動控制；前述旋轉速度成為比臨界速度低時結束前述制動控制，前述臨界速度與前述目標旋轉速度相比方向相反、大小相同。